4 курс / Лучевая диагностика / ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ_ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ_ИНФОРМАЦИОННЫЕ_СИСТЕМЫ

Чтобы обеспечить заданную δ для этого вида статистических шумов, необходимо иметь в случае газовых и полупроводниковых детекторов [41]

где Е – энергия падающих рентгеновских фотонов; W – энергия образования пары электрон–ион (электрон–дырка); εс – абсолютный световой выход сцинтиллятора; Wф – средняя энергия испускаемых световых фотонов; fф – коэффициент, учитывающий потери световых фотонов при переходе сцинтиллятор–световод; fсв – коэффициент, учитывающий потери световых фотонов в световоде и при переходе в фотокатод – ФЭУ (или в фотодиод для комбинированного детектора); fфк – квантовая эффективность фотокатода ФЭУ (или фотодиода).

Еще одним источником статистических шумов являются токовые шумы детектора и шумы усилительного тракта. В этом случае должно быть выполнено условие: σi Mi < δ , где σi – среднеквад-

ратическое отклонение; Mi – математическое ожидание тока в детекторе.

для сцинтилляционных детекторов:

Mi = ge N E p εe fф fсв K при δ = δi, (3.92) Wф

где ge – заряд электрона; tиз – длительность измеряемого рентгеновского потока; K – коэффициент преобразования фотон–электрон.

В табл. 3.2 представлены значения статистических шумов рассчитанных по (3.87)–(3.92) для различных типов детекторов при δ = δi 2 = 0,0015 . При этом толщина детекторов в направлении па-

241

дающего рентгеновского излучения принималась: для газового Хедетектора (при давлении 25 атм.) – 5 см, для CsJ- и CdTeдетекторов – 0,2 см.

Таблица 3.2

Количество рентгеновских фотонов для основных видов статистических шумов, необходимое для получения заданной контрастности томограммы (δ = δi/2)

Из табл. 3.2 следует:

1) газовые Хе-детекторы способны обеспечить необходимую контрастность томограммы (точность изображения) только при увеличении интенсивности рентгеновского потока в 2–3 раза по отношению к статистическому пределу рентгеновского источника излучения (для δп = 0,003 статистический предел источника N ≥ 105);

2)полупроводниковые детекторы на основе теллурида достаточно полно удовлетворяют требованиям медицинских КТ по статистическим шумам;

3)сцинтиляционные детекторы удовлетворяют по статистическим шумам требованиям медицинских КТ, однако присущее им послесвечение – память сигнала – требует дополнительной коррекции и калибровок во времени.

242

Вопросы проектирования детекторных блоков. На основе требований к детектирующим устройствам, изложенным выше, был спроектирован детекторный блок [5], который мог использоваться для восстановления изображения. Он состоит из 239 ксеноновых камер – единичных детекторов, помещенных в алюминиевую оболочку, с передним входным окном для рентгеновского излучения толщиной 2 мм. Для разделения камер с целью устранения перекрестных помех и для самоколлимации единичного детектора используются танталовые пластины−электроды толщиной 0,381 мм. Зазор между электродами 1,5 мм, что обеспечивает высокую эффективность собирания ионов и возможность использования более низкого напряжение 300–500 В между электродами. Коллекторный электрод изготавливается из материала с низким атомным номером Z для снижения потерь сигнала в результате поглощения флуоресцентной и рассеянной радиации в этом электроде. Расположение электродов схематично показано на рис. 3.18.

Детекторный блок имеет конструктивные особенности. Высоковольтные танталовые пластины касаются металлизированного слоя на изоляторе из слюдоситала, который установлен на алюминиевом входном окне. Такая система обеспечивает:

а) создание сильного собирающего поля в передней части камеры, где ионная плотность наибольшая;

б) образование барьера, препятствующего прохождению рассеянных фотонов из одной камеры в другую;

в) позволяет поддерживать на входном окне потенциал земли, позволяющий выравнивать потенциалы высоковольтных электродов и уменьшать, и делать идентичными пути (контура) токов утечки.

Электроды имеют длину L = 7,5 см и высоту h = 2,54 см (см. рис. 3.19). Детекторный блок работает при давлении 5–7 атм. Пластины−электроды установлены на керамических изоляторах и защищены от токов утечки.

Такую конструкцию ксеноновых детекторных блоков имеют КТ СТ-Т 8800 и СТ–MAX 640 (фирмы “Дженерал электрик”, США). Все 523 (512) единичные камеры детекторы питаются от одного источника напряжения 500 В, а размещение их в общем

243

корпусе, заполненном газом ксеноном под давлением 25 атм, создает идентичные условия для всех камер.

К настоящему времени проведено значительное количество исследований, связанных с использованием ксеноновых, ионизационных камер в компьютерной томографии [45]. На их основе можно сделать рядпрактических выводов.

1. Ксеноновые детекторы могут быть спроектированы таким образом, что они будут эффективно поглощать около 60 % падающего на них рентгеновского излучения. А при принятии соответствующих мер (изоляционные свойства, чистота рабочего газа, коллимирующие свойства единичных камер, оптимальные значения давления газа и приложенного напряжения) могут иметь линей-

ность в диапазоне измерения интенсивности излучения не менее

104.

2.Хотя поглощаться может почти все падающее рентгеновское излучение, около 30 % снова излучается в виде флуоресценции. Пока не удалось найти эффективного способа поглощения этого излучения. Добавление газа криптона, что осуществляют некоторые фирмы для стабильности работы детектора, не усиливает поглощения энергии излучения. Присутствие небольших количеств

примесей Н2О(О2) до 0,01 % существенно не сказывается на работе детектора.

3.В практических конструкциях давление ксенона составит 5–40 атм. Камеры имеют длину 5–10 см, и содержат два собирающих зазора 0,8–1,5 мм шириной с каждой стороны от центрального собирающего электрода (коллектора).

4.Пластины–электроды детектора должны иметь радиальную форму и фокусироваться на рентгеновский источник. При такой конструкции рассеянное излучение объектом исследования не создает достаточно больших проблем.

5.Ксеноновые детекторы имеют высокую стабильность во времени. Однако в их конструкции должны быть предусмотрены меры для устранения микрофонного эффекта – изменение сигнала детектора за счет колебания пластин–электродов. Также необходимо учитывать, что детекторы с усилительным трактом схемотехнически составляют единое целое, и стабильность детекторного тракта

244

будет определяться в том числе и электронным блоком усиления сигналов. Это может потребовать дополнительных калибровок детекторного тракта во времени.

3.2.4. Источник питания рентгеновской трубки

Методы стабилизации высоковольтного напряжения. Тре-

бования к высоковольтному источнику питания источника излучения – рентгеновской трубке вытекает из соотношения (3.13). Из этого соотношения следует, что изменение интенсивности рентгеновского излучения зависит от изменения тока анода и от изменения высоковольтного ускоряющего напряжения. При этом изменение интенсивности от изменения напряжения более чувствительно (в два раза). Также следует, что изменение напряжения вызывает изменение спектра излучения.

И изменение интенсивности, и изменение спектра излучения вызывают погрешности в определении коэффициента линейного поглощения μ на томограмме. Учитывая, что для медицинских исследований относительное изменение Δμμ = δ(μ) не должно превышать

0,5 %, то согласно табл. 2.2 изменение интенсивности излучения δ(пх) при δ(μ) ≤ 0,5 % не должно превышать δ(пх) ≤ 0,24 %. Относитель-

военному значению относительного изменения анодного высоко-

ные погрешности или дифференциалы, соответственно, интенсивности излучения, анодного тока, высоковольтного анодного напряжения трубки).

Учитывая вышеприведенные соотношения для относительных погрешностей, требования к стабильности анодного тока Jа должны

245

быть не менее 0,24 %, а к стабильности высоковольтного напряжения – не менее 0,12 %.

Влияние изменения спектра излучения источника на погрешность δ(μ) под воздействием изменения высоковольтного напряжения Uа

можно оценить, учитывая соотношение (3.10), из которого следует, что изменение Uа пропорционально смещению среднего значения спектра. Принимая во внимание изменение μ от Е для мягких тканей (Н2О) (см. рис. 2.4), можно определить для требуемого δ(μ) ≤0,5 %

допустимое относительное изменение среднего значения δ(Eср) спектра относительно выбранного Еср (обычно Еср ≈ 70 кэВ) δ(Eср) ≤

≤ 0,5 %, а это, в свою очередь, задает требования к стабильности высоковольтного напряжения δ(Ua) ≤ 0,5 %.

Следовательно, требования к стабильности Uа являются более жесткими и, следовательно, определяющими.

Высоковольтные источники питания, как правило, построены на основе высоковольтных трансформаторов [2].

Стабилизация анодного напряжения рентгеновской трубки может осуществляться как на первичной, так и на вторичной сторонах высоковольтного трансформатора. В настоящее время наиболее приемлемыми можно считать следующие способы стабилизации напряжения:

а) посредством тиристоров, включенных встречнопараллельно на первичной стороне трансформатора;

б) посредством вольтдобавки на вторичной стороне, регулируемой с помощью тиристоров;

в) с помощью высоковольтных ламп (триодов, тетродов, пентодов), включенных на выходе выпрямителя последовательно с трубкой.

Рассмотрим основные особенности вышеперечисленных способов стабилизации напряжения.

Один из примеров включения встречно–параллельных тиристоров для реализации первого способа приведен на рис. 3.25.

С помощью системы фазового управления импульсы запуска подаются на управляющие электроды входных тиристоров в соответ-

246

ствующие моменты времени. В числе основных требований, предъявляемых

к такой фазовой системе управления, – высокая симметрия управляющих им- пульсов, низкий уровень помех (для предотвращения ложных срабатыва-

ний) и высокая надежность. Для расширения пределов регули-

рования и увеличения точности поддержания выходного напряжения на

входе силового трансформатора вклю- чают автотрансформатор. Основное достоинство этого способа стабилизации – простота и дешевизна его реализации, а недостатки – необходимость применения громоздких фильтров для сглаживания сильных пульсаций вы-

прямленного напряжения, в результате чего система становится очень инерционной и мало применяемой для импульсного режима работы трубки.

Более высоким быстродействием обладают рентгеновские аппараты, питающиеся от источников, стабилизация напряжения которых осуществляется по второму способу. Такие стабилизаторы обеспечивают дискретную стабилизацию и регулирование выходного напряжения без искажения его формы.

На рис. 3.26 показана схема стабилизатора напряжения вторичной обмотки силового трансформатора СТ с применением вольтдобавочного трансформатора ВДТ и тиристорных ключей К1–КN.

Число неискаженных уровней выходного напряжения равно

СТ

Наибольшей универсальностью обладает способ стабилизации напряжения посредством высоковольтных ламп: триодов, тетродов, пентодов. Его основные достоинства: высокая точность поддержания напряжения, достигающая 0,01 %, высокое быстродействие, возможность работы, как в непрерывном режиме, так и в импульсном режиме трубки. Благодаря указанным положительным свойствам такие источники питания нашли преимущественное применение в компьютерной томографии.

Пути улучшения характеристик источников питания.

Улучшение характеристик высоковольтных источников питания (увеличение стабилизации выходного напряжения, быстродействия, уменьшение веса, габаритов) проводится по методам и способам, принятым в регулировании характеристик низковольтных электронных схем и систем.

На рис. 3.27 показана структурная схема высоковольтного источника питания с применением электронных вакуумных приборов и контуров обратных связей для стабилизации высоковольтного напряжения. Сетевое напряжение подается на первичную обмотку высоковольтного трехфазного трансформатора 1, напряжение со вторичной стороны поступает на выпрямители 2 и 3. Уменьшение пульсаций и асимметрии достигается с помощью сглаживающих фильтров 4, 5 и высоковольтных электронных ламп 6, 7. В качестве высоковольтных ламп используются триоды, тетроды и пентоды. Но основное назначение высоковольтных ламп – стабилизировать

248

и формировать импульсное напряжение (если требуется таковое) на рентгеновской трубке.

Рис. 3.27. Структурная схема высоковольтного источника питания рентгеновской трубки:

1 – высоковольтный трансформатор; 2, 3 – высоковольтные выпрямители; 4, 5 – сглаживающие фильтры; 6, 7 – высоковольтные электровакуумные 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

Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. Напряжение, пропорциональное анодному току трубки, снимается с прецизионного высоковольтного делителя 16. Снимаемое с делителя напряжение в блоках 14, 15 сравнивается с опорным напряжением источника 12, 13. Отклонение, получаемое на выходах узлов 14 и 15, подается на усилители 10 и 11 и затем через управляющие устройства 8 и 9 на управляющие электроды 6 и 7. Режим работы последних выбирается таким образом, чтобы при заданных отклонениях напряжения сети, изменениях тока трубки, либо внутреннего сопротивления источника выпрямленного напряжения, напряжение на трубке обладало нестабильностью, не превышающей заданную.

В томограммах третьего и четвертого поколения улучшение формы импульсов достигается путем применения трехэлектродной рентгеновской трубки. В этом случае высоковольтная электронная лампа (триод, тетрод, пентод) служат для стабилизации высокого напряжения, снятия его с трубки, быстрого прекращения пробоя

249

трубки, а управляющий электрод рентгеновской трубки (сетка) – для стабилизации экспозиционной дозы.

3.3.Вопросы проектирования механических узлов

3.3.1.Точность и жесткость сканирующей системы

Сканирующая система представляет собой пространственную конструкцию, на которой крепится подшипник, обеспечивающий вращение платформы сканирующей системы, кабельное устройство, оптическое визирное устройство, привод платформы и фотосинхронизатор рентгеновских импульсов. Платформа сканирующей системы обеспечивает с большой точностью вращение рентге- но-оптического тракта: рентгеновского источника, коллиматора, блока детекторов и системы сбора измерительных данных при сканировании.

Требования к точности вращения с точки зрения механического движения подшипника платформы определяются, исходя из допустимых линейных перемещений точек платформы за счет осевого и радиального биения основного подшипника. Наиболее критическими точками являются места расположения источника излучения и блока детекторов, взаимное расстояние между которыми, как правило, соответствует диаметру основного подшипника (около 1 м).

Смещение источника излучения относительно блока детектора за счет осевого или радиального биения подшипника может приводить к смещению рентгеновского луча в осевом направлении, что равносильно увеличению толщины исследуемого среза, или в радиальном направлении, что равносильно увеличению (или уменьшению) апертуры единичного детектора.

На рис. 3.28 показан механизм возникновения указанных выше погрешностей.

Требования к осевому биению подшипника можно определить исходя из требований к толщине томографического среза (обычно толщина среза не должна изменяться более 10 %). Если толщина среза 2 мм, то на диаметре подшипника в 1 м допускаемое биение b будет менее 100 мкм.

250