4 курс / Лучевая диагностика / ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ_ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ_ИНФОРМАЦИОННЫЕ_СИСТЕМЫ

Выбор коэффициентов а1, а2, ..., ап–1 проводится итерационным способом. После каждой итерации восстанавливается изображение однородного водяного фантома и оценивается μ(r), которая должна стремиться к μ(r) = const. Обычно для полинома третьей степени требуется 3–4 итерации.

3.2.3. Детекторы рентгеновского излучения

Особенности детектирования рентгеновского излучения в компьютерной томографии. Комплекс требований, предъявляемых к системам детектирования, несмотря на различия в способе получения изображения, определяется основными особенностями самого принципа получения томографического изображения: необходимостью получения результатов исследования в количественной форме в виде пространственного распределения линейного коэффициента ослабления рентгеновского излучения по площади исследуемого сечения объекта; необходимостью различать локальные включения, мало отличающиеся по плотности; возможность обрабатывать, анализировать и воспроизводить большой объем информации за малый промежуток времени.

Уже томографам третьего поколения (с веерной схемой сканирования) стала присуща многоэлементность детектирующего устройства, достигающая несколько сотен единичных детекторов, скомпонованных в одно приемное детектирующее устройство. В связи с этим число принципиальных требований к детекторным устройствам компьютерных томографов значительно возрастает. К ним относятся:

узкая апертура единичного детектора, которая необходима для обеспечения пространственного разрешения 0,8–1 мм и разрешения по контрасту восстановленного изображения;

возможно более близкая в 100 % эффективность, т. е. доля поглощенного излучения, преобразованная в выходной сигнал;

достаточно большой динамический диапазон по интенсивности, т.е. протяженность линейного участка зависимости выход-

ного электрического сигнала детектора от интенсивности падающего потока рентгеновского излучения, не менее 103;

222

малая инерционность детектора для обеспечения измерения интенсивности рентгеновского излучения без искажения призаданной скорости сканирования;

идентичность параметров и характеристик единичных детекторов;

минимальное мертвое пространство между соседними единичными детекторами, в котором теряются фотоны вместе с полезной информацией;

минимальное взаимное влияние одного единичного детектора на другой (соседний);

высокая стабильность и воспроизводимость характеристик. В настоящее время широко используются газонаполненные ио-

низационные камеры высокого давления, комбинированные детекторы с использованием сцинтилляторов и полупроводниковых фотодиодов. Ведутся исследования по применению в томографии полупроводниковых детекторов.

Все разнообразие типов детекторов и конструктивных решений, используемых при этом, обусловлено необходимостью получить максимальную информацию об исследуемом объекте при минимальном уровне его облучения.

Увеличение числа единичных детекторов влечет за собой:

1)конструктивные сложности при их размещении в блоке детектирования на ограниченной площади вплотную друг к другу для получения необходимого пространственного разрешения;

2)резкое повышение требования к идентичности единичных детекторов.

Эти причины заставили отказаться от детекторов с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ), ранее используемых в томографах первого и второго поколений, имеющих значительный объем и недостаточное пространственное разрешение, и перейти к детекторам, в которых чувствительным элементом является газ или полупроводниковый прибор.

Процесс развития компьютерной томографии непосредственным образом связан с развитием технологии и улучшением параметров и характеристик детекторов рентгеновского излучения. Чтобы увеличить квантовую эффективность детектора, его размеры выбирают из

223

условий поглощения не менее 90 % падающего излучения. При этом для увеличения поглощения используют вещества с большим атомным номером, если детекторы работают по принципу непосредственного преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал. Так, в ионизационных камерах, являющихся газовыми однородными детекторами, для увеличения поглощения используются газы с большим атомным номером и малой энергией ионизации: ксенон с энергией ионизации атомов ε = 12,1 эВ и атомным номером Z = 54, криптон с ε = 14 эВ и Z = 36. Из полупроводниковых детекторов при всех прочих равных условиях более эффективными являются также те, которые имеют более высокий атомный номер, например, теллурид кадмия.

Если нельзя увеличить размер детектора для обеспечения необходимого поглощения, то используются комбинированные детекторы, т.е. детекторы, состоящие из двух элементов. Один из них является пассивным элементом, обладающим чувствительностью к рентгеновскому излучению и преобразующим его в световое. Другой элемент комбинированного детектора преобразует световой сигнал в электрический и может не обладать чувствительностью к рентгеновскому излучению непосредственно. Рентгеночувствительными элементами в комбинированных детекторах являются сцинтилляторы – монокристаллические или поликристаллические

(NaJ(Tl), CsJ(Tl), CaF2, BiGe3O13); светочувствительными элемента-

ми – фотоэлектронные умножители или полупроводниковые фотодиоды (Si, CdS, Se и др.). Динамический диапазон комбинированных детекторов с ФЭУ недостаточен. Газонаполненные ксеноновые или криптон-ксеноновые, а также комбинированные детекторы с полупроводниковым фотодиодом имеют линейную выходную характеристику в достаточно широком диапазоне интенсивностей (пять– шесть порядков) [41].

Быстродействие является одним из самых важных параметров детектора. В ионизационных газонаполненных камерах быстродействие ограничивается временем сбора ионов (10–4–10–3 с). Эта величина определяет предел частоте импульсов рентгеновского излучения, если источник излучения работает в импульсном режиме, или частоте переключения детектора для снятия с него измери-

224

тельного сигнала при постоянном излучения. Кристаллические сцинтилляторы CsJ(Tl) и CsJ(Na) имеют время высвечивания 10–6 с и время затухания свечения примерно на два порядка больше.

Для полупроводниковых детекторов время быстродействия высокое (10–9 с), однако им присущ эффект “запоминания” последействия – зависимость выходного тока от предыдущего облучения. Это может в итоге значительно уменьшить быстродействие полупроводниковых детекторов [40, 41].

Идентичность параметров единичных детекторов в блоке должна быть достаточно высокой (разброс параметров должен быть меньше 5 %). Однако разброс параметров при их производстве может достигать для полупроводниковых детекторов, сцинтилляторов и ФЭУ до 200 %. Поэтому для обеспечения идентичности характеристик измерительных каналов в многоканальных системах томографов осуществляются тщательная отбраковка и подбор детекторов. Кроме того, применяется схемная коррекция для нормирования параметров измерительных каналов и коррекция с помощью программных методов.

Однородность и воспроизводимость характеристик наиболее высока у ионизационных газовых детекторов.

Физико-технические требования к детекторам. Рассмотрим физико-технические требования к детекторам на примере газовых ионизационных как наиболее применяемых в настоящее время в компьютерной томографии. Отличительные особенности комбинированных и полупроводниковых детекторов разберем отдельно.

Каждый единичный детектор в виде ионизационной камеры состоит из центрального коллектора (собирающего электрода), окруженного с обеих сторон пластинами, к которым подведено высокое напряжение (рис. 3.18).

Рентгеновские фотоны, влетающие в камеру, с высокой степенью вероятности, которая зависит от длины детектора l и давления газа Р, вызывают ионизацию газа. В результате между собирающими и высоковольтными электродами возникает ток, сила которого служит мерой интенсивности падающего излучения. Общая величина заряда ионизации от одного фотона выражается равенством

225

где п – полное число бразовавшихся ионов; Wу – удельная энергия ионизации газа; l ' – средняя длина пути фотона в камере между двумя последовательными актами ионизации атомов газа; ge – заряд электрона.

Рис. 3.18. Принципиальная схема многоэлементных газовых детекторов: 1 – входное окно детекторов; 2 – высоковольтные пластины; 3 – собирающие электроды и выходные сигналы; 4 – изоляция из слюдоситала; d – апертура единичного детектора; l – длина детектора

Из соотношения (3.52) видно, что Q зависит от давления, и поэтому можно предположить, что для увеличения ионизационного тока желательно повышать давление в камере. Это действительно наблюдается при тех давлениях, при которых еще не становится заметной рекомбинация, приводящая к насыщению. А затем и к спаду ионизационного тока по мере повышения давления газа.

226

Эффективность газового детектора σ определяется отно-

шением числа зарегистрированных рентгеновских фотонов п3 к

где п0 – поток фотонов; S – площадь чувствительной поверхности входного окна детектора.

При конструировании детектора стремятся обеспечить регистрацию фотонов измеряемого диапазона с возможно большей эффективностью при минимальном действии на детектор фонового излучения. Для этого необходимо подобрать соответствующую толщину х входного окна, в котором ослабляется поток фотонов, и толщину чувствительного объема детектора l ' , тогда

Первая из указанных величин определяет минимальную энергию регистрируемых детектором фотонов, а вторая – их максимальную энергию. В большинстве детекторов минимальная энергия определяется также уровнем собственных шумов детектора и каскада предварительного усилителя.

Чтобы оценить число зарегистрированных фотонов п3 рассмотрим для простоты ионизационную камеру, состоящую из двух параллельных пластин-электродов с газовым наполнителем межэлектродного пространства. Декартовы и полярные координаты, а так же параметры ионизационной камеры показаны на рис. 3.19.

Плоские электроды длиной L шириной h параллельны плоскости X 0Z , d – межэлектродное расстояние. Пучок рентгеновского излучения падает на детектор параллельно оси 0Z . Толщина пучка, определяемая толщиной томографического слоя, меньше ширины электродов h , L и h больше напорядок(иболее) d .

Примем следующие теоретические положения и допущения.

1.Рентгеновские фотоны либо поглощаются, либо рассеиваются в ионизационной камере.

2.Рентгеновские фотоны при взаимодействии с атомами газа поглощаются в результате фотоэффекта. Рэлеевским и комптоновским рассеянием можно пренебречь.

227

j

где Wj и μj(E) – соответственно энергия ионизации и коэффициент поглощения для фотоэлектронов j-й оболочки атома газа; δ(E −T −Wj ) – функцияДирака.

Если ξ(T , y) – среднее значение энергии фотоэлектронов с на-

чальной энергией T, которую они имеют у плоскости Y = y, двигаясь к электроду, то энергия, рассеянная каждым фотоэлектроном в

газе, будет T −ξ(T , y) . Следовательно, выходной ток будет записан выражением:

где Wср – средняя энергия ионизации газа.

Если энергия фотона полностью передается фотоэлектрону и полностью рассеивается в газе при движении фотоэлектрона к электроду, то выходной ток детектора становится равным