3.8. Конструктивные особенности компьютерных томографов
Перед томографическим исследованием пациента укладывают на стол, фиксируют его положение, перемещают деку стола так, чтобы исследуемая часть тела была расположена в туннеле сканирующего устройства, и затем производят сканирование.
Сканирующее устройство состоит из неподвижной рамы и каретки, на которой друг против друга на расстоянии около 1,2 м расположены рентгеновский излучатель с коллиматорами и панель детекторов. Сканирование осуществляется путем последовательных перемещений излучателя, коллиматоров и детекторов, при которых производится необходимое (порядка 105) число измерений интенсивности излучения за объектом для лучей всех возможных ориентации. Полученные значения интенсивности излучения, несущие информацию о его ослаблении при прохождении объекта в каждом положении сканирующего устройства, подвергаются усилению, аналого-цифровому преобразованию и вводятся в ЭВМ.В процессе исследования сканируется один или несколько слоев тела пациента. В последнем случае после окончания одного сканирования дека стола автоматически смещается на заданную величину в продольном направлении, и процесс сканирования повторяется.
Наряду с измерительными данными в ЭВМ вводятся позиционные сигналы - координаты лучей и дополнительные сведения, необходимые для осуществления коррекции погрешностей. При поступлении измерительных данных в ЭВМ, объем которых обычно в несколько раз превышает емкость матрицы изображения, ЭВМ осуществляет сжатие этих данных до необходимого формата с интерполяцией, распределяет их по адресам запоминающего устройства, выполняет коррекцию с целью устранения погрешностей и по исправленным данным синтезирует изображение, представляющее собой массив коэффициентов ослабления, записанный в квадратную матрицу.
ЭВМ автоматически или по команде оператора выдает массив чисел, относящихся к одному слою, в цифро-аналоговый преобразователь.
Аналоговые сигналы с преобразователя направляются в тракты видеосигнала монитора на центральном пульте управления и телевизионного монитора рентгенолога, а также на малоформатный осциллографический монитор с экраном для фотографирования. Развертка луча мониторов всех типов осуществляется телевизионной частотой.В настоящее время известны системы томографии четырех конструктивных разновидностей, называемых поколениями. Они отличаются друг от друга характером движения устройства «излучатель — детекторы» при сканировании, формой пучка излучения, типом и количеством детекторов. Принципы сканирования в системах этих четырех поколений показаны на рис. 3.12.
В системах первого поколения (рис. 3.12,а) осуществляется быстрое поступательное движение устройства «излучатель — детекторы» относительно объекта и затем — шаговое вращательное движение на 180° с шагом 1°. Объект сканируется одиночным коллимированным лучом. Полный цикл сканирования слоя составляет 3 — 5 мин. Такие томографы в настоящее время уже не выпускают.
В системах второго поколения (рис. 3.12,б) устройство «излучатель — детекторы» совершает те же движения. Однако для ускорения исследования сканирование осуществляется расходящимся пучком, состоящим из пятнадцати коллимированных лучей. Одновременно просвечиваются два слоя, поэтому используются тридцать детекторов. Вращательное движение осуществляется на 180° с шагом 10—15°. Цикл сканирования составляет 20 — 40 с. На этом принципе построено большинство нейродиагностических томографов.
а) б)
в) г)
Рис. 3.12. Принципы сканирования в томографических системах четырех поколений
Недостатки систем первых двух поколений: 1) слишком большие циклы сканирования, что служит причиной возникновения динамических искажений при исследовании движущихся органов; 2) наличие погрешностей, связанных с двумя видами движения сканирующего устройства (поступательным и вращательным), которые возрастают при длительной эксплуатации аппаратуры.
В системах третьего поколения (рис.
3.12,в) сканирование объекта осуществляется плоским веерообразным пучком, полностью перекрывающим объект, в результате исключается поперечное поступательное движение устройства «излучатель — детекторы», которое совершает только непрерывное вращение вокруг объекта. Излучатель работает в импульсном режиме, а излучение за объектом измеряется большим числом (250—500) малоинерционных детекторов. Длительность импульсов 1 — 5 мс, цикл сканирования одного слоя не превышает 5 с.Системы четвертого поколения (рис. 3.12,г) отличаются от предыдущего использованием еще большего числа (500—1000) неподвижных детекторов, расставленных по окружности, и использованием непрерывного во времени веерного пучка, также полностью охватывающего объект. Длительность цикла сканирования уменьшается до 2,5 с.
Во всех установках для общей диагностики и в некоторых нейрологических томографах предусмотрена возможность отклонения рамы сканирующего устройства на 10—20° в любую сторону от вертикали и получения томограмм слоев, расположенных наклонно к продольной оси тела пациента. Толщина исследуемого слоя в различных томографах устанавливается в пределах 3—13 мм.
В системах первых двух поколений большое время сканирования стремятся использовать для машинной обработки данных. С этой целью применяются методы восстановления изображений, позволяющие начинать вычисления сразу же после поступления массива чисел, относящихся к данной проекции.
В системах третьего и четвертого поколений, имеющих малое время сканирования, на восстановление изображения затрачивается дополнительное время (от нескольких секунд до 1,5— 2 мин).
Вычисленные коэффициенты ослабления принято выражать в относительных величинах в условной шкале, нижняя граница которой (-1000) соответствует ослаблению в воздухе, верхняя (+1000)— ослаблению в костях, а коэффициент поглощения воды принимают за нуль (шкала Хаунсфилда). Высоким значениям плотности сред и тканей соответствуют светлые участки на экранах мониторов, а низким — темные.
Величины ослабления излучения в различных средах и тканях в шкале Хаунсфилда приведены на рис. 3.13.Машина способна различать до 2000 значений относительного коэффициента ослабления, однако одновременно воспроизвести все эти значения на телевизионном экране невозможно. Диапазон уровней серого для экрана монитора составляет 15—16 полутоновых ступеней, различаемых глазом. На каждую ступень приходится около 130 значений коэффициента ослабления.
Рис. 3.13. Величины ослабления рентгеновского излучения в различных средах и тканях: 0 — вода; 1 — кости; 2 — селезенка; 3 — поджелудочная железа; 4 — почки; 5 — надпочечник; 6 — кровь; 7 — сердце; 8 — печень; 9 — кожа; 10 — опухоль; 11 — мочевой пузырь; 12 — молочная железа; 13 — жир; 14 — легкие; 15 — воздух.
Чтобы полностью реализовать высокую разрешающую способность томографии по плотности и дать рентгенологу возможность анализировать изображение на различных участках шкалы коэффициента ослабления, во всех томографических системах предусмотрены средства управления шириной окна и положением окна. Окном называют определенную часть полного диапазона значений коэффициента ослабления, которой соответствует перепад величины яркости экрана от белого до черного. Ширина окна — это величина разности наибольшего и наименьшего коэффициентов ослабления, соответствующая указанному перепаду яркости. Положение окна (или центр окна) — это величина коэффициента ослабления, соответствующая середине окна и выбираемая из условия наилучшего наблюдения плотностей некоторой группы тканей. Синтезированное изображение выводится на экран вместе с полутоновым клином и сопроводительными данными.