Рентгеновская томография.

Получение изображения слоя рентгеновской томографии базируется на одновременном перемещении по дугам рентгеновского источника РИ и кассеты К с рентгеновской пленкой. При этом перемещении изображение исследуемого слоя получается значительно более резким, чем изображение всех остальных точек исследуемого объекта. Причем расстояние от источника излучения до исследуемого слоя l заранее задается рентгенологом в зависимости от требований врача.

Как видно на рисунке, при перемещении рентгеновского источника из положения I в положения II и III объект непрерывно облучается лучом рентгеновского излучения. Кассета совершает синхронное перемещение (см. положение I). Точка а имеет проекцию а , а проекция точки в - в располагается слева от проекции точки а. При повороте, например, в положение II проекции точек а и в - а и в - совпадают. А при перемещении в положение III проекция точки в находится уже справа от проекции точки а (см. а и в ). Таким образом, точка в все время меняет свое положение на рентгеновской пленке. Поэтому изображение получается размытым. А положение точки а получается резким. В большей или меньшей степени разным будет изображение всех точек, располагающихся в исследуемом слое. Упрощением является прием, при котором кассета с рентгеновской пленкой двигается не по дуге, а по прямой. Располагая соответствующим образом объект, источник и приемник, с помощью томографии можно получить резкое изображение любого заданного слоя объекта.

Рентгеновская компьютерная (трансмиссионная) томография.

Создание рентгеновской компьютерной томографии рассматривается как второе по значимости после открытия Рентгена изобретения, деланное в рентгеновской интроскопии. Точно известна дата создания первого компьютерного томографа – 1972г. этот томограф был создан группой английских инженеров под руководством Хаусфеймера. В 1979г. Хаусфеймеру была вручена Нобелевская премия по медицине. Впоследствии было выявлено, что первый томограф работал по принципу, предложенному Хаусфеймером, который был создан ранее в СССР в 1958г.

Принцип томографии состоит в просвечивании тонким (0,5 – 2мм) лучом исследуемого слоя объекта, измерении поглощения этого луча (причем просвечивание осуществляется под разными углами) и обработке измерительной информации с помощью ПК. Томография имеет целью получение информации о распределении плотности вещества по сечению объекта.

Компьютерная томография позволяет получить на порядок большее разрешение, чем обычная рентгенография, что, в основном, определяется тем фактом, что тонкий луч рентгеновской длины волны практически не содержит произвольного излучения.

Простейшее исследование компьютерной томографии осуществляется следующим образом: с помощью системы, состоящей из рентгеновского источника РИ и приемника ПИ, которые способны двигаться параллельно друг другу, осуществляется просвечивание выбранного слоя объекта. После этого полученная информация усиливается и преобразуется в устройстве 1 и посылается в ПК 2, где она запоминается. Затем источник и приемник поворачиваются на некоторый угол к плоскости исследуемого слоя, и операция сканирования повторяется. Эта процедура повторяется многократно. После математической обработки полученной информации удается получить изображение исследуемого слоя объекта.

Принцип компьютерной томографии.

В первом приближении принцип компьютерной томографии можно уяснить, рассматривая некоторый модельный опыт в видимой части спектра.

Например, необходимо установить, в какой части исследуемого слоя расположен стержень, размещенный в стакане. Для этого, например, можно снять изображение слоя под тремя различными углами 1, 2 и 3. в результате получатся теневые проекции П1, П2, П3 этого слоя. Как видно из рисунка, изображение стержня в каждой из проекций располагается по-разному. Так делается в томографии при просвечивании слоя толщиной под различными углами.

Полученные теневые проекты можно использовать для получения (восстановления) изображения. Например, расположив проекции как показано на рис.б, относительно листа бумаги, можно провести проекции изображения стержня на данный лист бумаги. Такая процедура называется обратным проецированием. Причем каждая из проекций а, в, с имеет одинарную плоскость, в то время как в месте их пересечения плоскость будет тройной. Как видно из рисунка, это позволяет получить информацию о расположении стержня в исследуемом слое. Если необходимо исследовать следующий слой, то все процедуры можно повторить, а, продолжая исследование вдоль всей высоты стакана, можно восстановить объемное изображение объекта.

Как видно на рисунке, в процессе обратного проецирования на листе бумаги остаются полосы от проекций а, в, с, которые мешают получению точной информации. Математическим путем с помощью специальных компьютерных программ удается удалить названные изображения.

Системы сканирования компьютерных томографов.

В настоящее время известны пять поколений систем сканирования для компьютерных томографов. Примеры приведены на рисунках а, б, в, г, д, е.

Рисунок а) – сканирующая система первого поколения. Здесь рентгеновский источник и приемник излучения движутся параллельно по прямоугольной раме 1. сканирование осуществляется одним лучом. Затем рама поворачивается на некоторый угол α вокруг объекта, и сканирование повторяется.

Рисунок б) – сканирующая система второго поколения. Здесь используется 20 -40 приемников излучения, а рентгеновский источник снабжается коллиматором (направителем), который формирует 20 – 40 отдельных лучей. Сканирование осуществляется при движении ПИ и РИ вдоль рамы 1, затем рама поворачивается и осуществляется сканирование под другим углом.

Рисунок в) – сканирующая система третьего поколения. Здесь РИ и ПИ, которых бывает 256 – 512шт., синхронно вращаются на кольцеобразной раме 1. При этом осуществляется сканирование под различными углами.

Трудности отвода сигналов от движущихся приемников вызваны появлением системы четвертого поколения (рис.г). Здесь ПИ расположены по кольцу неподвижно, а перемещается только РИ, снабженный компьютером.

В настоящее время такие системы имеют преимущественное применение (рис.д). С их помощью осуществляется спиральная компьютерная томография, при которой просвечивание осуществляется под некоторым небольшим углом, вызванным перемещением пациента на специальном столе по внутренней полости сканирующей системы.

Рисунок е) – сканирующие системы пятого поколения. Здесь используется большая рентгеновская трубка 1, в которой имеется источник электронов 2. Под действием электрического поля и отклоняющей системы в виде пучка 4 электроны направляются к мишени 5, выбивая из нее пучок рентгеновского излучения 6. Этот пучок через коллиматор 8 и объект исследования направляется к ПИ (детекторам) 7. В виду того, что движение электрического луча по дуге мишени 5 происходит за миллисекунды, сканирование объекта происходит очень быстро под разными углами. В результате удается исследовать внутренние органы человека, например, сердца в движении.

Методы обработки сигналов детекторов и получения изображения.

Если при каждом сканировании построить кривую распределения сигналов ПИ по ширине l объекта, то получим одну теневую проекцию, выраженную через сигналы детектора. Эта информация преобразуется в цифровую форму и вводится в ПК (рис.б). А после накопления информации о подробных проекциях, полученных под разными углами сканирования, ПК восстанавливает или формирует изображение слоя, который внесен в информацию о распределении плотности вещества в плоскости выбранного слоя объекта.

Логарифм отношения интенсивности входного I и выходного I излучений несет информацию о коэффициенте ослабления и толщине l просвечиваемого слоя:

ln , где ρ – плотность.

U = K ρ, где U – сигнал каждого детектора, K – коэффициент плотности.

Для восстановления изображения используется итерационные и аналитические алгоритмы. Аналитические алгоритмы основаны на верхних фильтрациях метода Фурье или методе обратного проецирования и одномерной фильтрации Фурье или методе обратного проецирования и фильтрации с помощью свертки. Наиболее часто используется последний метод.

Схема и работа компьютерного томографа.

СО – система охлаждения.

БП – блок питания.

МП – матрицы перемещения.

РИ – рентгеновский источник.

ПИ – приемник излучения.

МУ – многоканальный усилитель.

ПК – персональный компьютер.

В качестве детектора используются сцинциляционные преобразователи, полупроводниковые преобразователи, число которых может быть 512, 1024. Время сканирования составляет от 1 до 5 секунд. Толщина слоя 0,5 – 2мм.

Компьютерные томографы способны различать вещества в сканируемом слое, отличающиеся друг от друга по плотности на 0,25 – 0,5 %.