Технические средства рентгеновской компьютерной томографии

За последние 10 лет разработано уже четыре поколения компьютерных томографов. В основном усилия инженеров направлены на уменьшение времени сканирования, чтобы избежать искажений изображения, связанных с движением органов при исследовании всего тела, и на уменьшение времени реконструкции изображения, чтобы повысить пропускную способность системы.

Томографы первого поколения осуществляли сканирование исследуемого объекта одиночным коллимированным рентгеновским лучом, а излучение, прошедшее через объект, регистрировалось одним детектором, жестко связанным с излучателем. Система излучатель–детектор совершала поступательно-вращательное движение из 180 линейных сканирований, поворачиваясь после каждого линейного сканирования на 1°, В качестве детектора в томографах первого поколения использовался сцинтиллятор на основе кристалла йодистого натрия и ФЭУ. Принципы сканирования, заложенные в конструкции томографов, каждого из 4 поколений, приведены на рис. 66.

Рис. 66. Четыре поколения рентгеновских компьютерных томографов. а — первого поколения; б — второго поколения; в — третьего поколения; г — четвертого поколения.

В томографах второго поколения система излучатель–детекторы также совершает вращательно-поступательное движение относительно исследуемого объекта. Однако вместо одного рентгеновского луча сканирование осуществляется расходящимся, пучком, состоящим из нескольких (от 3 до 52) коллимированных лучей и того же числа детекторов. Поэтому при одном линейном сканировании с каждого детектора снимается, как и в первом поколении, сигнал, соответствующий одной проекции для данной ориентации луча, а совокупность этих сигналов содержит информацию о целом наборе независимых проекций, измеренных одновременно. Это позволило увеличить угол поворота пропорционально числу детекторов и соответственно уменьшить время сканирования одного слоя. Если томографы первого поколения использовались только для исследования головного мозга, то так называемые быстрые томографы второго поколения предназначены для исследования всего тела.

Благодаря относительно невысокой стоимости, надежности, простоте конструкции, высокому качеству изображения неподвижных объектов томографы второго поколения нашли в настоящее время широкое применение в нейродиагностике. Но возможность уменьшения времени сканирования одного слоя в них исчерпана в связи с необходимостью многократного перехода от вращательного к поступательному движению в процессе сканирования. Поэтому для исследования всего тела разработаны томографы, использующие только вращательное движение – томографы третьего и четвертого поколений.

В томографах третьего поколения сканирование объекта осуществляется веерным пучком рентгеновского излучения, полностью перекрывающим исследуемый объект. Поэтому система излучатель–детекторы совершает только непрерывное вращение вокруг объекта на 180° или 360°. Излучатель работает, как правило, в импульсном режиме, а излучение за объектом измеряется большим числом (порядка 300) детекторов. При этом время сканирования исходного слоя редко превышает 5 с. В томографе Somatom-DR фирмы Siemens время сканирования одного слоя в режиме быстрого сканирования составляет 1,4 с.

Системы четвертого поколения отличаются от систем третьего поколения тем, что детекторы в них образуют неподвижный кольцевидный блок, а вращаются излучатель и блок коллиматоров. Число детекторов при этом возрастает до тысячи. Веерный пучок рентгеновского излучения, как правило, непрерывного, полностью перекрывает исследуемый объект. Время сканирования обычно не превышает 1–3 с. Ниже в таблице приведены основные параметры, характерные для томографов каждого из поколений.

Качество изображения в лучших образцах томографов «быстрого» второго поколения для исследования головного мозга, у третьего и четвертого поколений для исследования всего тела приближается к оптимальному, исключая исследование движущихся органов, например сердца.

В настоящее время выпускаются компьютерные томографы различного класса в зависимости от их назначения – сложные модели с большими возможностями, пригодные для проведения уникальных исследований, и относительно простые и недорогие с ограниченными возможностями, предназначенные для обычных исследований с помощью отработанных методик.

Однако удешевление и упрощение достигается не за счет ухудшения качества изображения, а за счет увеличения времени реконструкции и времени сканирования. Как правило, упрощенные модели для всего тела – это «быстрые» томографы второго поколения.

Состав комплекса для рентгеновской компьютерной томографии

Получение изображения сечения объекта в компьютерной томографии базируется на выполнении следующих операций:

• формирование коллимированного пучка рентгеновского излучения, стабильного по интенсивности и спектральному составу в течение исследования;
• сканирование исследуемого объекта этим пучком путем перемещения излучателя и детектирующей системы относительно объекта;
• измерение излучения, ослабленного объектом, детектирующей системой;
• усиление и преобразование результатов измерений в цифровую форму;
• синтез изображения по совокупности измеряемых данных, относящихся к выбранному слою;
• визуализация изображения на экране дисплея.

Исходя из описанных выше операций у рентгеновского компьютерного томографа, целесообразно выделить по функциональным признакам следующие устройства:

• рентгеновский излучатель;
• рентгеновское питающее устройство;
• сканирующее устройство и стол пациента;
• детектирующая система;
• система электронного преобразования измеряемых сигналов;
• средства вычислительной техники для реконструкции изображений;
• средства визуализации и документирования изображений.

Рентгеновские излучатели для компьютерной томографии

Уровень требований к ним существенно отличается от традиционных требований к излучателям рентгенодиагностических аппаратов. Эти излучатели отличаются от обычных более высоким уровнем средней мощности и удельной тепловой нагрузки; большей долговременной и кратковременной стабильностью интенсивности, спектрального состава. В зависимости от типа томографов излучатели могут работать в трех режимах работы рентгеновских трубок:

• непрерывный режим длительностью 1–4 мин с перерывами, необходимыми для перемещения пациента и подготовки его к сканированию следующего слоя. В данном режиме наиболее рационально использовать рентгеновские трубки с неподвижным анодом, мощностью в непрерывном режиме до 4 кВт. Как правило, в таком режиме работают излучатели томографов второго поколения;
• импульсный режим с длительностью импульса 1–10 мс и частотой следований импульсов 50–60 Гц при длительности сканирования 2–10 с. Для этого режима используются рентгеновские трубки с вращающимся анодом мощностью 100– 150 кВт с сеточным управлением. Этот режим характерен для томографов третьего поколения;
• непрерывный режим работы длительностью 2–10 с и перерывами на перемещение больного, при этом используются трубки с вращающимся анодом мощностью до 100 кВт и с ми-
  шенью большой теплоемкости. В этом режиме, как правило, работают излучатели четвертого поколения. В табл. 11 приводятся основные параметры трубок, применяемых в рентгеновской компьютерной томографии.

Рентгеновские питающие устройства (РПУ)

Необходимость поддержания высокой и долговременной стабильности интенсивности и спектрального состава излучений приводит к значительно более высоким требованиям к РПУ для компьютерной томографии по сравнению с обычными рентгенодиагностическими и рентгенотерапевтическими аппаратами. Нестабильность анодного напряжения не должна превышать 0,1–0,5%, а нестабильность анодного тока – 0,5–1%, при малой, того же порядка, что и 6Ua, величине пульсаций. Столь же высокие требования предъявляются к стабильности амплитуды, формы и длительности импульсов анодного напряжения. РПУ для компьютерной томографии можно разделить на две группы. К первой относятся РПУ, работающие в непрерывном режиме, со стабилизацией напряжений по первичной стороне высоковольтного трансформатора. Функциональная схема такого РПУ, разработанная фирмой EMI, приведена на рис. 67, а. Нестабильность анодного напряжения в этой схеме не хуже 0,5%.

Ко второй группе относятся РПУ со стабилизацией и управлением Ua по вторичной (высоковольной) стороне, а также с возможностью его малоинерционной коммутации. Функциональная схема такого устройства приведена на рис. 67. Напряжение, пропорциональное Ua, снимается с прецизионного высоковольного делителя 16 и в блоках 14, 15 сравнивается с опорным напряжением источников 12 и 13. Отклонение, получаемое на выходах 14 и 15, подается на усилители 10 и затем, через управляющие устройства 8 и 9 на управляющие электроды ламп 6 и 7. Режим работы этих ламп выбирается таким образом, чтобы при заданных отклонениях напряжения сети, изменениях тока трубки, либо внутреннего сопротивления источника выпрямленного напряжения 6Ua не превышало заданную величину. По данным фирмы CGR (Франция) нестабильность Ua при такой структурной схеме РПУ составляет 0,05% при применении высоковольтных тетродов в совокупности со средствами первичной стабилизации – корректором сети и автотрансформатором. Такая же стабильность Ua достигнута применением пролетных пентодов [4]. Формирование импульсов питающего трубку напряжения осуществляется путем использования лампы в режиме высоковольтного ключа, замыкаемого и размыкаемого управлением по сетке этой лампы. Дальнейшее улучшение формы импульсов достигается применением трехэлектродной рентгеновской трубки.

Рис. 67. Принцип работы РПУ со стабилизацией. а – по первичной стороне; 1 – двигатель; 2 – генератор переменного напряжения; 3 – блок стабилизации напряжения; 4 – автотрансформатор; 5 – блок стабилизации анодного тока трубки; 6 – высоковольтный трансформатор; 7 – высоковольтный выпрямитель; 8, 9 – фильтры; 10 – рентгеновская трубка; 11 – блок питания цепи накала; б – по вторичной стороне; 1 – высоковольтный трансформатора, 3 – высоковольтные выпрямители; 4, 5 – сглаживающие фильтры; 6, 7 – высоковольтные вакуумные приборы; 8, 9 – устройства управления приборами 6, 7; 10, 11 – усилители; 12, 13 – источники опорного напряжения; 14, 15 – узлы сравнения; 16 – высоковольтный делитель; 17 – рентгеновская трубка.

Система детектирования

Детекторы служат для преобразования интенсивности рентгеновского излучения, несущей информацию о структуре исследуемого объекта, в электрические сигналы без искажения этой информации.

Для выполнения своей функции детекторы, входящие в состав системы детектирования, должны обладать параметрами, удовлетворяющими определенным требованиям:

• близкой к 100% эффективностью поглощения рентгеновского излучения, так как низкая эффективность поглощения увеличивает шум, связанный со статистической природой излучения;
• близким к 1 коэффициентом шума, который характеризуется отношением дисперсии интенсивности падающего на детектор излучения к дисперсии электрического сигнала, генерируемого детектором под действием этого излучения, т. е. собственный шум детектора должен быть существенно ниже флюктуаций интенсивности излучения;
• постоянным во всем диапазоне изменения интенсивностей рентгеновского излучения коэффициентом преобразования детектора, обеспечивая линейную зависимость между интенсивностью излучения, падающего на детектор, и генерируемым при этом электрическим сигналом в динамическом диапазоне 103–104;
• быстродействием, обеспечивающим измерение интенсивности без динамических ошибок при сканировании с заданной скоростью.

Разброс параметров детекторов, входящих в систему детектирования, не должен превышать 5–10 %.
В настоящее время в серийно выпускаемых томографах нашли применение два типа детекторов – сцинтилляционные и ионизационные ксеноновые. Сцинтилляционный детектор состоит из кристаллического сцинтиллятора и фотоприемника. В качестве сцинтиллятора используются как правило неорганические кристаллы с высоким атомным номером, обеспечивающие при относительно небольшой толщине полное поглощение рентгеновского излучения. Фотоприемником служит ФЭУ или полупроводниковый, как правило кремниевый, фотодиод. Сцинтилляционные детекторы с ФЭУ использовались в томографах первого и второго поколений. В томографах третьего поколения, у которых система детектирования содержала сотни чувствительных элементов, сцинтилляционные детекторы с ФЭУ не использовались в силу больших габаритов, трудности отбора приборов с близкими характеристиками, нестабильности характеристик ФЭУ при быстром вращении. Однако большие успехи в технологии изготовления ФЭУ, достигнутые в последние годы и приведшие к созданию малогабаритных и близких по характеристикам приборов, позволили использовать сцинтилляционные детекторы с ФЭУ в томографах четвертого поколения, в которых система детектирования неподвижна. Сцинтилляционные детекторы с фотодиодом лишены недостатков, присущих детекторам с ФЭУ, но их чувствительность примерно в 10 раз ниже. Поэтому они применяются в томографах третьего и четвертого поколений, у которых интенсивность рентгеновского излучения достаточно высока.

Ионизационные ксеноновые детекторы используются в томографах третьего поколения. Важным преимуществом этих детекторов является идентичность их характеристик. Ионизационные детекторы являются ячейками многоэлементной матрицы, находящимися в общей атмосфере ксенона при давлении 25–28 кгс/см2. Высокий атомный номер ксенона (z = 54) и работа под давлением обеспечивают приемлемую эффективность поглощения рентгеновского излучения. Время сбора ионов в ионизационных ксеноновых детекторах 1–5 мс и этим ограничивается интервал между последовательными считываниями информации с детектора при импульсном облучении.

Сканирующее устройство и стол пациента

В состав сканирующего устройства входят станина; электромеханический узел пространственного перемещения излучателя и детекторов с центральным отверстием – тоннелем для размещения пациента; сервоэлектроприводы; датчики координат; кабели и трубопроводы, обеспечивающие питание и обмен сигналами между подвижной и неподвижной частями сканирующей системы; кабельное устройство, осуществляющее смотку и размотку, укладку кабеля при вращении и перемещении подвижной системы; оптическое визирное устройство, позволяющее правильно располагать пациента в пределах поля исследования и совмещать плоскость сканирования с исследуемой областью тела пациента. Как правило, скорость вращения поворотной системы доходит до 1 об/с, погрешности в определении и задании линейных и угловых координат механических устройств не превышают 0,01%.

Стол пациента обеспечивает необходимое для проведения данного исследования положение пациента относительно плоскости сканирования. Стол, как правило, связан конструктивно со сканирующей системой. Продольное перемещение стола порядка 400 мм при исследованиях головы и 1500 мм при исследованиях всего тела, а вертикальное перемещение ±150 мм от среднего положения. Погрешность фиксации пространственного положения стола не превышает 0,5 мм. Пациента перемещают либо с помощью подвижной каретки с ретгенопрозрачной декой, либо ленточным транспортером. Стол пациента имеет средства местного и дистанционного управления. Продольное перемещение осуществляется шагами, кратными толщине исследуемого слоя.

Внешний вид сканирующего устройства со столом для пациента приведен на рис. 68, а, контрольно-диагностического пульта на рис. 68, б.

Рис. 68. Сканирующее устройство и стол для пациента (а) и контрольно-диагностический пульт (б).

Система электронного преобразования измеряемых сигналов

Представлена на рис. 69 и предназначена для усиления, предварительной обработки и преобразования аналоговых сигналов детектирующей системы в цифровой код. Как правило, сигнал с каждого детектора после усиления интегрируется за определенный интервал времени, а затем преобразуется в цифровой код. Усилители-интеграторы должны иметь уровень шума по крайней мере на порядок ниже флюктуаций сигнала, обусловленных статистической природой излучения во всем диапазоне изменения сигналов. Часто для перехода от экспоненциальных зависимостей, связывающих интенсивность излучения с коэффициентом ослабления, к линейным проводят логарифмирование сигнала в аналоговом виде с помощью логарифмических усилителей. Блок мультиплексоров осуществляет коммутацию и задает порядок подключения интеграторов к АЦП. АЦП преобразует измеряемые аналоговые данные в коды ЭВМ, входящей в состав томографа. Блок синхронизации задает начало и конец интегрирования измеряемого сигнала и управляет порядком подключения измерительных каналов аналоговых сигналов к АЦП, а также управляет сканирующим устройством. Управляющими сигналами блока синхронизации являются импульсы датчиков координат.

Рис. 69. Электронное преобразование измеренных сигналов. 1 – усилители-интеграторы; 2 – мультиплексоры; 3 – логарифматоры; 4 – АЦП; 5 интерфейс для связи с ЭВМ; 6 – блок синхронизации; 7 – блок управления сканирующего устройства

Средства вычислительной техники для реконструкции изображений

Методы и средства вычислительной техники определяют время реконструкции изображения одного слоя, а следовательно, и пропускную способность томографа. Как правило, в современных моделях компьютерных томографов реконструированное изображение появляется на экране дисплея уже через несколько секунд, в крайнем случае через несколько десятков секунд после окончания сканирования. В томографах для исследования головного мозга на восстановление изображения тратится около 1 мин, а в томографах для исследования всего тела несколько секунд. Например, в томографах Somatom фирмы «Siemens» изображение появляется на экране сразу же после окончания сканирования. Синтез изображения в этом томографе осуществляется с помощью быстродействующего спецпроцессора конвеерного типа с жестко закоммутированной программой.

Спецпроцессор состоит из нескольких последовательно соединенных микропроцессоров, каждый из которых выполняет только одну из операций, причем, когда данные n-ой проекции подвергаются логарифмированию, данные (n–1)-ой проекции свертываются с фильтрующей функцией, а данные (n–2)-ой проекции подвергаются обратному проецированию на матрицу изображения и передаются в оперативное запоминающее устройство. Основная мини-ЭВМ управляет работой томографа, накапливает данные, полученные при контрольных сканированиях, проводит их коррекцию по сигналам от опорных каналов, дает возможность оператору работать с полученным изображением, выводит полученные изображения на экраны дисплеев и накопители на магнитных дисках и лентах.

В настоящее время в томографах применяются высокопроизводительные 16-разрядные мини-ЭВМ примерно одного класса, соответствующего PDP-11. Типовая аппаратура включает запоминающие устройства четырех типов:

• оперативное ЗУ емкостью 64 К слов;
• системное ЗУ на магнитных дисках;
• внешний накопитель на магнитной ленте (НМЛ);
• устройства записи–воспроизведения на гибких магнитных дисках.

Применение магнитных дисков для записи и воспроизведения изображения чрезвычайно удобно, так как изображение можно воспроизвести на дисплее автономного диагностического пульта, а сам диск может служить документом для истории болезни.

Контрольно-диагностический пульт

Содержит органы управления томографом при проведении исследования и индикации основных параметров выбранного режима исследования, полутоновый дисплей для наблюдения и исследования реконструированного изображения, малоформатное ВКУ для фотографирования изображения, алфавитно-цифровой терминал для диалога с ЭВМ при получении изображения и его исследовании (см. рис. 68, б). Таким образом, оператор на контрольно-диагностическом пульте может выполнять следующие манипуляции:

• задает режим работы томографа во время исследования,, в том числе значение «кВ», «мА» или «мАс», время исследования слоя, толщину исследуемого слоя, число проекций, по которым реконструируется исследуемый слой, угол сканирования;, способ фильтрации при реконструкции, определяющий максимально возможное пространственное и плотностное разрешение при реконструкции изображения;
• исследует полученное изображение;
• фотографирует изображение или «сбрасывает» его на; диск для дальнейшего исследования на автономном диагностическом пульте.

Исследование полученного изображения может проводиться как на основном контрольно-диагностическом пульте, так и на автономном диагностическом пульте, предназначенном только* для целей исследования, и, как правило, имеющем собственную ЭВМ. Автономный пульт, так же как и основной, имеет в своем составе мини-ЭВМ с оперативным ЗУ большой емкости, алфавитно-цифровой терминал, устройство записи и считывания с магнитных дисков, устройство типа электронное перо или маркер, давая не меньшие возможности для исследования изображения, что и основной пульт.