Способ вычислительной томогра-фии и томограф для его реализа-ции

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИ ИТВЛЬСТВУ 1807173(22) Заявлено 15. 03. 79(21) 2738558/18-25 Р 1)м К 3 с присоединением заявки Но -6 01 М 23/08 А 61 В 6/02 Государственный моинтет СССР по делаю изобретений и отмрытнй(71) Заявител 54) СПОСОБ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ И ТОМОГРАФ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ е б пос зауют ся иэ-за Изобретение относится к рентгеновской вычислительной томографии.Известны вычислительные томографы, в которых произ водится линейное сканирование исследуемого объекта узким пучком рентгеновского излучения при линейном перемещении источника и детектора и последовательный поворот сборки источник-детектор ле каждого цикла сканирования на данный угол1).Также известны вычислительные томографы, в котврых используется источник с расходящимся.веерным пучком и набор детекторов,.охватывающий угловой диапазон веерного пучка, причем в этих томографах также осуществляется сканирование узким пучком за счет введения между источником и объектом (или между объектом и детек торами) подвижных щелевых коллиматоров 2).Такие томографы характериэ большим временем исследования сложного характера двИжения.Известны томографы, в которых производят вращение сборки, содержащие источник широкорасходящегося веерного пучка и матрицу детекторов вокруг исследуемого тела3 ).ЗО Также известны томографы, которые содержат кольцевую матрицудетекторов и источник веерного пучка, причем матрица детекторов неподвижна, а источник вращается вокругисследуемого тела внутри кольцадетекторов 41Недостатком таких устройств являтся необходимость использованияольшого количества детекторов, вследствие чего повышается стоимость устройства, усложняется процесс егонастройки и падает надежность работы.Кроме того, в томографах с совместным вращением источника и детекторов необходимо использовать импульсное излучение, что усложняет системупитания источника,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяспособ вычислительной томографии, заключающийся в том, что объект сканируют узким пучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне,регистрируют прошедшее через объектизлучение с помощью набора детекторов,производят поворот источника и детекторов вокруг исследуемого объекта,производят преобразование эарегистри 807173рованных сигналов и их обработку вЭВМ для восстановления изображенияслоя исследуемого объекта.Томограф для реализации указанногоспособа содержит источник веерногорентгеновского пучка, поворотнуюопору источника, вращающийся обтюратор с равномерно распределенными поего окружности щелями, установленныйвокруг источника, привод вращенияобтюратора, держатель исследуемогообъекта, набор детекторов в видеУдлиненной ионизационной камеры, неподвижной относительно излучателя,кольцо с коллимационными отверстиями,вращающееся вокруг объекта, средстваповорота источника и набора детекторов в виде отдельного двигателя схему регистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ 51,Недостаток известного техническогорешения заключается в сложности сис- Щтемы коллимации н детектирования излучения.Цель изобретения - упрощение системы детектирования излучения.Поставленная цель достигается тем,что в способе вычислительной томографии, заключающемся в том, что исследуемый объект сканируют узкимпучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне, регистрируют прошедшее через объект излуче- ЗОние с помощью набора детекторов, производят поворот источника и детекторов вокруг исследуемого объекта,производят преобразование зарегистрированных сигналов и их обработку вЭВМ для восстановления изображенияслоя исследуемого объекта, регистрацию излучения производят с помощьюдискретного набора детекторов, равномерно распределенных по окружности49вокруг исследуемого объекта, осуществляют независимое от поворотаисточника вращение набора детектороввокруг исследуемого объекта, причемотношение угловой скорости вращениянабора детекторов и скорости Углового сканирования выбирают равньм360/М щ , где О - угловой диапазонсканирования, а е - количество де- .текторов в наборе,При этом в томографе для реализации способа вычнслительной томографии, содержащем источник веерногорентгеновского пучка, поворотную опору источника, вращающийся обтюраторс равномерно распределенными по егоокружности щелями, установленный вокруг источника, привод вращения обтюратора, держатель исследуемогообъекта, набор детекторов, средстваповорота источника и детекторов вокруг исследуемого объекта схемурегистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ,детекторы установлены дискретно на кольцевой опоре,средства поворота источника и детек торов выполнены в виде независимых приводов поворота источника и вращения кольцевой опоры с детекторами, причем в томограф введены средства согласования угловых ско" ростей вращения и угловых положений обтюратора и кольцевой опоры с детекторами.Кроме того, количество детекторов в наборе равно шести.Кроме того, радиус кольцевой опоры с детекторами меньше радиуса окружности поворота источника.Кроме того, радиус кольцевой опоры с детекторами, а также средства согласования установлены на поворотной опоре источника.На фиг.1 показана кинематическая схема томографа; на Фиг.2 - геометрия реализации способа томографии; на Фиг,3 - графические зависимости радиуса орбиты детекторов и угла раствора веерного пучка излучения от радиуса орбиты источника при типовой величине радиуса поля исследования.Томограф содержит неподвижную станину 1, поворотную опору 2 излучателя, рентгеновский излучатель 3 с фокусом Г, многогранный обтюратор 4 с рентгенонепроэрачными стенками и коллимационными щелями 5, кольцевую вращающуюся опору б детекторов, детекторы 7 рентгеновского излучения, входные коллиматоры 8, электродвигатель 9, основной редуктор 10 с передаточным числоми дополнительные редукторы 11 и 12 с передаточными числами 1 и 3 фОпора 2 излучателя может поворачиваться относительно оси 00 отверстия станины на угол до 360 О со скоростью Л . Возможность поворота обеспечивается шарикоподшипником 13 большого диаметра, Излучатель 3 жестко закреплен на поворотной опоре 2. Фокус Г излучателя при повороте перемещается по окружности радиуса В.Кольцевая опора б детекторов может вращаться относительно оси 55 отверстия горловины поворотной опоры 2 излучателя со скоростью ОРА . Воэможность вращения обеспечивается шарикоподшипником 14. При вращении кольцевой опоры центры чувствительных площадок детекторов 7 перемещаются по окружности радиуса 1, Ось 55 отверстия горловины отклонена отцентральной оси системы на угол 1.Поэтому и плоскость орбиты детекторов на тот же угол отклонена от плоскости орбиты Фокуса излучателя 3. Поскольку детекторы расположены на вращающейся кольцевой споре, возникает задача передачи сигналов от них в неподвижно стоящие электронные устройства. Эта задача может быть разрешена различными способами, которые здесь не рассматриваютсяусилители должны быть40 Т 3 = МдВ /06 Т ОБТТф)дьу 45 50 расположены рядо,4 с детекторами так, чтобы далее передавались усиленные сигналы.Электродвигатель 9 установлен на поворотной опоре 2 излучателя. Благодаря этому схема привода вращающихся частей томографа значительно упрощена, а масса излучателя и обтюратора частично уравновешена массой двигателя. Подача напряжения питания на электродвигатель осуществляется гибким кабелем, который образует один виток, поскольку опора,2 совершает только один оборот. Вращающий момент от двигателя передается через понижающий основной червячный редуктор 10 к зубчатому колесу станины 1 и через редуктор 10 и,цополнительный понижающий редуктор 11 к зубчатому колесу кольцевой опоры 6 детекторов.Стенки многогранного обтюратора 4 изготовлены из свинца и имеют узкие калиброванные щели, с помощью которых иэ веерообразного пучка с углом раствораформируются коллимированные лучи. Обтюратор приводится во вращение со скоростью Ыобт повышающим редуктором 12 с передаточным числомз, который получает вращающий момент от зубчатого колеса горловины станины 1 при повороте опоры 2 излучателя относительно станины.Передаточные числа всех редукторов определяются следующими соотношениями:от двигателя к излучателю"в тизл= )дв;от двигателя к детекторам р Тдв/дат дЕТт)дВ)от двигателя к обтюратору от детекторов к обтюраторуТ 4 ДЕТ 06 ТЮ тдат Т И где щ - число детекторов, п - число щелей в обтюраторе, которое равно 360 /ОС, где с - раствор веерногопучка, который определяет угловойинтервал сканирования.В состав томографа входят такжесерийные аналого-цифровой преобразователь, ЭВМ и устройства представ"ления синтезированного при помощиЭВМ изображения. Все перечисленныесредства являются типовыми и далеене рассматриваются,Для обеспечения непрерывности съема измерительйых данных сканированиеосуществляется не одним, а несколькими детекторами, расставленными поокружности с равномерным шагом так,что при уходе одного детектораиз зоны измерения в нее поступает следующий, Оптимальное число детекторов равно шести. При меньшем их числе и реальных соотношениях между диаметрами поля исслер жевания орбчты вращения излучателя и орбиты вращения детекторов остаются эоны холостого пробега, а большее число нежелательно.Радиусорбиты детекторов беретсяменьшим чем радиус к орбиты излучателя потому, что упрощается кинематическая схема привода детекторов. по сравнению со случаем, когдай, и уменьшается момент инерции детекторов, что важно, поскольку их приходится вращать в несколько раэ быстрее 15 излучателя. кроме того, так как детекторы оказываются ближе к объекту, чем излучатель, то уменьшаются геометрические полутени в направлении, перпендикулярном плоскости вращения ;Щ детекторов, и сокращаются габаритныеразмеры устройства. Так как радиус поля исследования для томографа является величиной заданной, необходимо знать зависимость между радиусами орбит излучателя (й) и детекторов ( при числе детекторов в = 6. Излучатель с фокусом в точке Г формирует веерообразный рентгеновский пучок с углом расхождения 3 с, охватывающим круглое поле исследования радиусом г (фиг,2). Граничные лучи пучка СГ и ОГ пересекаются с орбитой детекторов в точках А и В. Через эти же точки проходят отрезки АО и ВО, являющиеся сторонами угла М. = 60 , Отрезок АЕ одновременоно входит в Ь АЕО идАЕГ,Из треугольника АЕО имеем АЕ = 0,5; АО = 0,5.Из треугольника АЕГ имеем ЛЕ = АГ и +- , но АГ = Ак =- КГ, где Ак = Р) -(г - ф)1Х,1Рассмотрим соотношения между углами:1. Иэ треугольника КОС2 готкуда и =-7-г 2. Из треугольников ГОК, КОС иСОН Х 2 Т - )Г поставив г( иэ предыдущего уравнения, в последнее, получаем Б= 4;- 3. Аргумент синуса в формуле для АК равен807173 и - - 1 исерег. 21 Г иккс инхронизиИсходное й должно ложению принимает сти ПОЛЯ ачений482 р 0,5-(0 Вб гимеет место, ковны Р = Р. этомут ЬД В е (фиг.А В является стого центрального(сс:х:ф,г/Р для этоголения лА Е Г и ше- то Определимслучая. Из48 ОКГ следуе тношениесопоставчто КбА ЕКО =Гд ЯЯС 05 5время детеко дуге АВ За этдвижение ер 0 о= - . добразования подстановки После имеем ь полнОГО Об вая скорость изб=дет у гдеротадете- длительно4 Е Т УГ ора, Так как 3,86 т ли после мулу для 3- Р = 3,8 ол расхожд тся очевид,ет ия пучкаым выраже дкеопрем За этолжна п щель обтюратор же время йти угол я" =т АЕт ИМ ЫОВт Г ин ку ЮдфгЕТ в практически цвале значенийведены на фиг,Повороту детсоответствуеттюратора на с Кинтервалов в цжно быть целым зном интер 120 мм при лесообпри 6, Йродиагн0 фирмы б/миничесПри ии й 160ком томогрДЕТ(как вафе СТ160Д 600,4 6ь не 10 екторо оворот ,. Чи линдретольк наАОС = 60 илиндра обо межцелевых бтюратора дпри этом ус ЕМ 1) 0,44"вт об/СПриравнивая друг к другу выраженияДЯЯ длины Отрезка АЕ, получаем- +т с+ 51+0 ьрУоткуда 5 к - ф)5 и1 к ,х.д.ьн+: T; й "Яц. Х.) 5ХСО 5 +СО 5 к щтХ Х(ВГ+фОтсюда получаем окончательную фор лу, связывающую радиус орбиты декторов с заданной величиной радиус ля исследования и с радиусом орбифокуса излучателя Граничный случай да радиусы орбит ра случаю соответствуе основание которого роной равносторонне треугольника А ВО- 0,259. условие подставить то выяснится, что мккСЛ"афики зависимостей"1 В) и иАкс 8(Р вии сканирующий луч развертываетсяравномерно Обтюратор должен быть рован с кольцом детекторо положение каждой из и щел быть привязано к такому п детектора, при котором он луч, касательный к окружи исследования,В реализуемом диапазоне энХкккксп = 13 при к, = О,и = 14 при 8 мдкс= 0,448 рад, и = 15при Учдкс.= 0,418 рад и и = 16 при6 иккс= 0,39 рад. Только эти точкидля Акс на графике 6 к - (Й)(фиг 3) имеют практический смысл. ;0 Спроецировав значения Р, соответствующие выбранным значениям 3 кдкс,на кривую - 1(й), определяем величины. Так, при наиболее подходящем и = 16 имеем Р = 61 мм,376 мм и армяке = 0,392.У ст ан а в ли ваем време нные соот нония, первоначально предположив, чизлучатель совершает шаговое вращение. При стороне матрицы изображения М и угловой скорости излучате ля й время нахождения излучателяв каждом из й угловых положений сотавляетПри 1 в 3 дет = 0,445 об/с и й. = 160 0 си 5 и = 14 мсПо полученным выше формулам определяем передаточные числа редукторов для выбранных конструктйвных па раметров, полагая о)в -- 25 об/с: 15 1 = 1: 1500 1= 1: 56 ю 2;1: 150; ,: - =- - 0 375,111 но И = Р (1- СО 5 ЗО) - О, 34 Р. 50 1. Способ вычислительной томографии, заключающийся в том, что исследуемый объект сканируют узким пучком рентгеновского излучения в заданном угловом диапазоне, регистрируют прошедшее через объект излучение с помощью набора детекторов,Скорости Ь 1 и и) имеют вполнеоедопустимую величину.За время прохождения детектором дуги АВ (угла ) с детектора снимаются й показаний. Поэтому на каждый отдельный замер излучения детектором приходится время (С) Чтобы детектор, попадающии на нерабочем участке орбиты (дуга ЧЧ ) в 20 угол раствора излучения 3 д не затенял излучение, орбита детекторов должна быть отклонена от орбиты излучателя на угол 1. таким образом, чтобы конец луча ЕУ в любом положении в пределахУ 1, попадал на чувствительную площадку детектора (фиг.2 б). Если вертикальный луч ГЕ попадает в центр этой площадки, то луч ГВ при повороте детектора относительно центрального положения на 30 попао дает в точку В. Смещение конца луча по приемной плоскости детектора равно отрезку РВ = Е 2 5 иГ . Величина угла Г выбирается такой, чтобы пассивные детекторы, движущиеся в пределах угла раствора пучка, не затеняли излучение. Если полутолщина пучка равна Ц/2, полуширина детектора с арматуройЬ /2 и интервал надежности - С , тоЯ б 40 = + 3-+ С, Из д 115 смещение луча определится как РВ= - Й 5= - М, = - ( - + - +С ) И Ь Ь а Ь 2 р 2 р р 45Тогда РВ = 0,067 (-+С),й.Если а/2 = 7 мм; в/2 = 12 мм и с = 5 мм, то РВ фф 1,6 мм, т.е, детектор с чувствительной площадкой шириной 14 мм смещения луча не почувствует.о Угол Г = агсьп с" Р-= 2й 9 Поскольку центры орбит излучателя и детекторов не совпадают, длина лу ча до встречи с детектором при движении луча по дуге АВ изменяется. Рассмотрим д ОЧР в котором заданыстороны ОР = Я, ОЧ = Г и угол, рас 65 положенный против стороны Оч .Используя теорему синусов, можно на-,писать р, Р 51 ИЧОЕМи-ХХР 51 И (3 Г-- О 1 С 5111 5 ф)аю Х- Рсоь 1- у -агс 5 и 5 у - "1) 561 - Угол представляет собой текущий угол между осью вырезанного обтюратора луча и осью симметрии системы ( фиг.2)Полный угол 11 изменяется в пределах угла расхождения исходного пучка 3;д , При= 0; т.е. приХсовпадении луча с осью симметрии-+ В или при 1 =. 376 и К=617 мм - 993 мм, при в .-= ц 1 = 0,195 рад,376 мм и К = 617 мм Е = 960 юп,Изменение длины луча не превышает, таким образом, 3,5, При необходимости это изменение может быть скомпенсировано в процессе машинного синтеза изображения. Фактически его рольнезначительна, так как изменениепроисходит главным образом в воздухе, а не в плотных тканях,Предлагаемый томограф обладаетследующими достоинствами;а) в нем используются только вращательные движения, вследствие чего кинематическая схема упрощена;б) с относительно большой скоростью (0,4 - 0,5 об/с ) вращаетсятолько кольцо с детекторами, массаи радиус этого устройства относительно невелики;в) томограф содержит минимальное число детекторов рентгеновскогоизлучения и электронных трактов,определяемое только условием непрерывности сканирования;г) излучатель томографа можетработать на непрерывном излученииот более дешевого питающего устройства, чем импульсное.В случае необходимости для повышения точности томографа можноосуществлять электронное стробирование сигналов с детекторов. Формула изобретенияпроиз Водят поворот ист Очни ка и детекторов вокруг исследуемого объекта, производят преобразование зарегистрированных сигналов и их обработку в ЭВМ для восстановления изображения слоя исследуемого объекта, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения системы детектирования регистрацию излучения производят с помсщью дискретного набора детекторов, равномерно распределенных по окружности вокруг исследуемого объекта, осуществляют независимое от поворота источника вращение набора детекторов вокруг исследуемого объекта, причем отношение угловой скорости вращения набора детекторов к скорости, сканирования выбирают равным , где М. - угловой диапазон сканирования, а е - количество детекторов в наборе.2. ЪомограФ для реализации способа по ц.1, содержащий источник веерного рентгеновского пучка, поворотную опору источника, вращающийся обтюратор с равномерно распределенными по его окружности щелями, установленный вокруг источника, привод вращения обтюратора, держатель исследуемого объекта, набор детекторов, средства поворота источника и детекторов вокруг исследуемого объекта, схему регистрации и преобразования сигналов детекторов и ЭВМ, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что детекторы установлены дискретно накольцевой опоре, средства поворотаисточника и детекторов выполнены в ви-де независимых приводов поворота ис"точника и вращения, кольцевой опоры сдетекторами, причем в томограф введены средства согласования угловыхскоростей вращения и угловых положений обтюратора и кольцевой опоры сдетекторами.3. Томограф по п.2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что количество детекторов в наборе равно, шести.4. Томограф по п.2, о т л и ч аю щ и й с я тем, что радиус кольцевой опоры с детекторами меньше радиуса окружности поворота источника.5. Томограф по пп. 2-4, о т л ич а ю щ и й с я тем, что радиус кольцевой опоры с детекторами, а такжесредства согласования, установленына поворотной опоре источника.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Патент ВеликобританииР 1283915, кл, Н 5 Р , опублик. 1972.2. Патент ВеликобританииР 1462861, кл. Н 5 Ц , опублик. 1977.3. Выложенная заявка ФРГ Р 2807998,кл. А 61 В 6/00, опублик. 1978.4. Выложенная заявка ФРГ Р 2728815,кл. А 61 В 6/00, опублик. 1978.5. Заявка Франции Р 2362614,кл. А 61 В 6/02, опублик. 1978 (прототип),807173 Составитель К. Кононовзаренко Техред М.Голинка Корректор, В ицкая Редакто ППП "Патентф, г. Ужгород, ул. Проектна Фил аз 274/Ь 7 ВНИИПИ Государств йо делам из 113035, Москва, Жиражнногобрете35, Р 18 Подписно комитета СССРний и открытийУшская наб., д. 4/5