4 курс / Лучевая диагностика / ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ_ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ_ИНФОРМАЦИОННЫЕ_СИСТЕМЫ

ся необходимостью подбора значительного числа единичных детекторов с одинаковыми характеристиками.

Детекторная линейка

ИРИ

ОИ

Область

реконструкции

Рис. 1.35. Схема рентгеновского компьютерного томографа с одной трубкой и неподвижными детекторами (IV– поколение)

Следующим типом томографической схемы можно считать схему, приведенную на рис. 1.36. Эта схема содержит круговую детекторную систему и группу источников рентгеновского излучения. В этом варианте нет необходимости в создании высокоточной механики, так как свойственный предыдущим системам вращательный процесс исключается и заменяется работой электронного коммутирующего устройства, переключающего последовательно источники рентгеновского излучения ИРИ 1, ИРИ 2,…, ИРИ N. Определенные преимущества этой схемы заметно снижаются не только необходимостью построения кривой линейки детекторов, о сложности которой говорилось выше, но и необходимостью подбора идентичных источников излучения, имеющих одинаковые спектральные характеристики с близкими характеристиками распределения энергии по веерному пучку.

Близко к этой схеме сканирования подходит схема динамического рентгеновского томографа, показанного на рис. 1.31. Однако отличительной особенностью этой схемы (от рассмотренной на

51

рис. 1.36) является наличие одного генератора электронного пучка, «коммутация» которого на мишени дает многочисленные веерные пучки рентгеновского излучения, распределенные во времени и пространстве.

ИРИ 1 ИРИ 2

Детекторная

линейка

ОИ

ИРИ N

Область

реконструкции

Рис. 1.36. Схема рентгеновского компьютерного томографа с многими детекторами и источниками излучения (V поколение)

Также к рассмотренной схеме рис. 1.36 близко подходит схема, показанная на рис. 1.37. Отличительной особенностью этой схемы является наличие круговой трубки с источником электронов (бетатрона). Электронный луч с помощью магнитной системы (не показана) искривляется по радиусу трубки и «прижимается» в необходимом месте по кругу трубки, создавая веерные пучки под разными ракурсами к объекту исследования.

В табл. 1.1 дана классификация схем сканирования, показаны наиболее важные характеристики томографических схем, которые дают возможность проследить прогресс в этой важной практической области медицинского сложного аппаратостроения.

52

Источник

электронов

Линейка детекторов

Сечение трубки

Вакуумная

трубка

Рис. 1.37. Схема рентгеновского компьютерного томографа с использованием круговой трубки (бетатрона)

Здесь необходимо отметить, что увеличение номера поколения схем сканирования может не являться принципиальным всеобъемлющим улучшением характеристик томографа. Например, веерная схема сканирования, которая используется с третьего поколения томографов, является в настоящее время доминирующей в силу своих положительных качеств. Четвертое и пятое поколения томографов с этой схемой по многим параметрам, в том числе и экономическим, могут уступать томографам третьего поколения. В этом смысле классификация томографических систем является достаточно условной.

Первый рентгеновский компьютерный томограф СТР-100, разработанный фирмой ЕМI Medical (Англия) и имевший один детектор NaI с фотоэлектронным умножителем, быстро нашел последователей в таких фирмах, как CGR (Франция), Densitom, Pfizer (США) – АСТА-0100, Siemens (ФРГ) – Siretom I, Hitachi (Япония) –

СТ–Н. Эта группа томографов составляет ядро первого поколения. Характерной особенностью томографов первого поколения является то, что практически все они имеют один рабочий детектор, сочетающий сцинциллятор NaI или GaF2 и фотоэлектронный умножи-

54

тель. Два вида движения с углом поворота, равным 1800 , имели шаг сканирования 1–20 для различных систем, а толщина исследуемого слоя лежала в пределах 6–12 мм.

Ряд важных характеристик томографов этого поколения предопределялся средствами вычислительной техники. Наиболее распространенными можно считать ЭВМ типа РДР-11 различных модификаций и Nаva 3Д. Использование этих ЭВМ обеспечило сравнительно малое время, необходимое для обработки изображения, которое не превышало 1 минуты при времени сканирования в 5–6 мин. В значительной мере сказалась так же производительность ЭВМ на системе визуализации изображения, которая имела квадратные матрицы размером 80×80, 160×160, 320×320 пикселов.

Стремление к улучшению технических характеристик привело к модернизации детекторной системы. Для томографов второго поколения характерно существенное увеличение числа рабочих детекторов, количество которых стало достигать 30, 40, 60 единиц. Кроме традиционных сцинцилляторов NaI и GaF2, стали использоваться BiGe3O12. Наименьшее число детекторов в томографах второго поколения разработки СТ/N фирмы General Electric (США) и Siretom II фирмы Siemens (ФРГ) равнялось трем. Большее число детекторов (15, 30, 40) содержат СТ 5005, СТ 7020 фирмы ЕМI Medical, Sirefom 2000 фирмы Siemens, Tomoscan–Philips (Нидерланды), АСТА–Pfizer, CT–6000–Sinfex (США), Synerview–Picker (США).

В томографах второго поколения сохранился суммарный угол сканирования, равный 180°, шаг сканирования стал заметнее увеличиваться и достиг 12°, 20° и даже 30°. Толщина исследуемого слоя снизилась и стала в ряде образцов 3 мм. Наиболее часто встречаемая толщина слоя 5 и 10 мм. Для томографов этого поколения характерно существенное снижение времени сканирования, которое не превышает 10–20 с для лучших образцов.

Основой вычислительной системы томографов этого поколения по-прежнему составляют различные модификации РДР-11 и Nаva 3Д. Средства визуализации используют матрицу 256×256 пикселов. Этим можно объяснить тот факт, что время на обработку изображения не уменьшилось.

55

Третье поколение рентгеновских компьютерных томографов строилось на совершенно иных принципах, чем первое и второе. Этим были предопределены их технические характеристики. Практически все томографы третьего поколения ранней разработки

(СТ-Т, СТ-Т 7800, СТ-Т 8800 фирмы General Electric, Somatom I фирмы Siemens, Synerviev фирмы Picker, CT Scanner фирмы Varian (США)), более поздней разработки (Somatom AR. SP и Somatom DR фирмы Siemens, CT MAX–640 фирмы General Electric, Exel– 2400 фирмы Elscint (Израиль)) и современной разработки (Hitachi Cario фирмы Hitachi, Je Hi Spead Dxi (объединенная Европа), Somatom Balance фирмы Siemens, Picker PQ 2000 фирмы Picker и

др.) имеют суммарный угол сканирования 3600 и непрерывное вращательное движение. Эта особенность обеспечила малое время сканирования, не превышающее 6 с. Толщина исследуемого слоя осталась на том же уровне и равна 2, 5 или 10 мм.

Заметно изменилось соотношение между полупроводниковыми и газонаполненными детекторами. Так, фирмы Siemens и Picker применили комбинированные детекторы – сцинциллятор + фотодиод, количество которых варьируется от 800 до 5000, остальные фирмы разработали ксеноновые и ксенон-криптоновые детекторные линейки, количество единичных детекторов которых колеблется от 256 до 1500.

Применение универсальных ЭВМ серии РС со спецпроцессорами для реконструкции матриц 512×512, 1024×1024, 2048×2048, а так же универсальных Rick-ЭВМ высокой производительности без спецпроцессоров позволили проводить восстановление изображения в реальном масштабе времени.

В настоящее время томографов четвертого поколения практически нет.

Томографы пятого поколения появились в вариации динамического рентгеновского компьютерного томографа с одной электронной «пушкой», большой вакуумной камерой с вольфрамовой мишенью, опоясывающей тело пациента. Этот томограф разработала фирма Jmatron (США). Благодаря электронному управлению сканированием рентгеновского излучения, время получения одного слоя не превышает 50 мс, что достаточно для получения «срезов» и в итоге объемного изображения сердца и его коронарных сосудов.

56

Эта система является основным инструментом для планирования операций аортокоронарного шунтирования на сердце и в комплексе с другими ангиографическими установками может создавать центры для сканирования, визуализации и контроля за операциями на сердце в реальном масштабе времени, в том числе их дистанционного управления c различных мировых кардиологических центров (телемедицина).

Рентгеновские компьютерные томографы всех типов и поколений, несмотря на значительное различие в технических и эксплуатационных характеристиках, могут быть представлены обобщенной структурной схемой (рис. 1.38), имеющей достаточно устойчивый состав блоков и межблочных связей. Практически в любой томографической системе могут быть выделены три основные части, обеспечивающие обработку и регистрацию данных.

ИПРГ

Реконструктор БПИ

РГ

ПО ЭВМ СУ

К

Скан

Рис. 1.38. Структурная схема рентгеновского компьютерного томографа

Часть I может быть названа физической. Она содержит в своем составе рентгеновский генератор РГ, источник рентгеновского генератора ИПРГ, коллиматор К, формирующий геометрию рентгеновского пучка, детектирующую систему Д и сканер механического или электронного сканирования рентгеновского излучения Скан.

57

Часть II называется обрабатывающей и содержит блок предварительной обработки информации ПОИ, поступающей с физической части, управляющую ЭВМ, реконструктор, содержащий спецпроцессор или ЭВМ, восстанавливающую изображения по заложенному алгоритму реконструкции. Это может быть алгоритм обратного проецирования фильтрацией сверткой или алгебраический итерационный алгоритм или другой, и программное обеспечение по обработке изображения и управлению блоками томографа ПО.

Часть III называется регистрирующей, поскольку содержит блок, отображающий полутоновые изображения (томограммы) и цифробуквенную информацию БПИ, а также систему управления и пульт управления томографом.

Данное разделение томографической системы является достаточно условным. Так, система управления СУ имеет свое программное управление, которое в целом было отнесено ко второй части. Однако это обстоятельство не может изменить принципиальной сути и поэтому может не приниматься во внимание. На схеме даны функциональные связи между отдельными блоками. Связи сканера Скан с ПОИ и другими блоками (на рис. 1.38 показаны пунктиром) показывают, что эта группа блоков конструктивно совмещена.

Снятие томограммы осуществляется после размещения пациента на столе, подвижная часть которого позволяет расположить пациента в специальном окне, называемом гентри, сканера так, что подлежащая исследованию часть тела находится в зоне облучения рентгеновским пучком. После проведения всех необходимых подготовительных операций дается разрешение на сканирование, в соответствии с которым осуществляются механические перемещения системы рентгеновский генератор – детекторная система или электронное управление созданием рентгеновских пучков при неподвижных РГ и Д. При этом питание рентгеновского генератора обеспечивает создание рентгеновского пучка через исследуемое сечение тела в определенные промежутки, соответствующие строго определенным угловым положениям – ракурсам. Количество ракурсов определено и фиксировано.

Рентгеновское излучение после прохождения через исследуемое сечение ослабляется и воспринимается детектирующей системой.

58

Выходные аналоговые сигналы с единичных детекторов преобразуются в цифровые в ПОИ и поступают на обработку в вычислительный комплекс. Здесь производится корректировка, связанная с устранением влияния помех и рассеянного рентгеновского излучения, калибровка детекторов по воздуху и воде, выполняются операции предварительной обработки данных, получение проекционных данных (логарифмирование), реконструкция изображения по заданному алгоритму. Данные об изображении поступают на устройство визуализации БПИ.

В различных томографах осуществляется сканирование одного или нескольких слоев. По требованию медицинского персонала может быть осуществлено несколько последовательных сканирований после перемещения пациента в гентри (проеме) сканера. При этом маркирование томографического сечения проводится по анатомическим точкам пациента с помощью трехкоординатного светового визира.

Гентри имеет диаметр порядка 600 мм, а область реконструкции 400–500 мм. Время одного сканирования менее 6 с на большой скорости и менее 12 с – на малой. Важной характеристикой является минимальный исследуемый участок тела пациента. Эта величина достигает 1,0×1,0×1,5 мм3. При этом разрешение по плотности у хороших томографов не более 0,5 %. Шкала коэффициентов поглощения для томографов выбирается в величинах Хаунсфилда из выражения

Hv = ((μизм −μв )μв) 1000 ,

где Hv –величины Хаунсфилда, μизм, μв – линейный коэффици-

ент рентгеновского поглощения соответственно для измеренного участка исследуемого сечения и водяного фантома, полученного при калибровке.

Распространенной является шкала, у которой наименьшее значение равно −1024 и присваивается воздуху, нуль соответствует воде, а наибольшее значение равно (для кости) +1024. Дисперсия коэффициента поглощения на уровне воды (шум на изображении) допускается не более 0,5 % (5 Hv ).

В табл. 1.2 представлены характеристики томографов третьего и пятого поколений.

59