Схеми відбору даних в Х-променевих обчислювальних томоґрафах

Рис. 10.1 Загальна схема розміщення томографа: 1 — консоль керування, 2 — гантрі, 3 — стіл пацієнта, 4 — підставка для голови, 5 — лазерний принтер

Загальна схема розміщення обладнання томографа наведена на рис. 10.1 [1]. Блок відбору даних (2) (гантрі) має вирішальне значення для отримання якісних зображень об’єкту обстеження в комп’ютерному томоґрафі, та, як зазначалось у першому розділі, відіграє значну роль для неінвазивності обстеження. Оскільки в процесі обробки кількість інформації, яку несуть проекційні дані, може тільки зменшитись (один з принципів теорії інформації), то від орґанізації схеми відбору проекційних даних залежить можливість виділення в процесі обробки цих даних потрібну лікареві інформацію.

Внаслідок вдосконалення технічних засобів, що використовуються для побудови томоґрафів, з розвитком відповідних методів реконструкції, характеристики томографів покращуються, а їх можливості розширюються. Рушієм цього процесу є зростання соціальних, а звідси і галузевих (медичних) вимог. Так перший томоґраф (1972 р.) реконструював зображення розмірністю 80 на 80 елементів впродовж 5 хвилин. Роздільна здатність його була до 3 ліній/см. Сучасні томоґрафи виконують реконструкцію зображень, наприклад, 1024 на 1024 елементів за час менший 2 секунд при роздільній здатності 15 ліній/см, товщині сканованого шару 1 мм, роздільній здатності за густиною менше 1%. Вони мають можливість реконструювати зображення в динаміці (рухомих), проводити спіральну реконструкцію для чергового відображення внутрішніх структур органу чи частини тіла пацієнта в тривимірному вигляді чи в перерізах під різними кутами.

Залежно від методу сканування об’єкту при відборі проекційних даних виділяють п’ять поколінь Х-променевих томографів [1]. Кожне чергове покоління томоґрафів має вищу швидкість сканування, при цьому зростає складність алґоритмів реконструкції та корекції.

Рис. 10.2 Схема сканування об’єкту в томографах 1-го покоління

Рис. 10.3 Схема скануваня у томографах 2-го покоління

Томоґрафи першого покоління (рис. 10.2) містили одне джерело і один детектор Х-випромінювання (або 2 детектори для сканування двох сусідніх шарів — дуальний детектор) [1, 2]. Виконується поступальний рух системи випромінювач–детектор і отримується проекція для одного кута. Далі — поворот системи скануювання на 1° і повторюється поступальний рух. Такі томоґрафи характеризувались простим алґоритмом реконструкції, відсутністю впливу на проекційні дані розсіювання Х-променя. Їх призначення — діаґностування нерухомих (статичних) біооб’єктів (час відбору проекційних даних — до 5 хв.). Розмір проекційних даних — 180 на 160 точок, розходження променя після коліматора — (0, 35-0, 4)°.

Для другого покоління томоґрафів кількість детекторів зростає до 15 (при скануванні двох сусідніх шарів їх 30). Характерною відмінністю від томоґрафів 1-го покоління є використання віялоподібного пучка (пучок розходиться). За рахунок одночасного сканування багатьма детекторами час сканування скорочується до (20-40) сек. Відбувається поступальний рух системи випромінювач-детектори, після чого скануюча система повертається на (10-15)°, рис. 10.3. Об’єм проекційних даних — 250000 чисел. Алґоритм реконструкції повинен враховувати часткове розсіювання та ґеометрію проходження променів.

Рис. 10.4 Схема сканування у томографах 3-го покоління

В томоґрафах 3-го покоління використовується широкий пучок віялоподібної форми, що повністю охоплює біооб’єкт, тому не потрібний поперечний поступальний рух (рис. 10.4). Здійснюється лише неперервне обертання системи випромінювач-детектори на 360°. Випромінювач працює в імпульсному режимі. Детектори малоінерційні, їх (250-500) штук. Тривалість імпульсів — 1.5 мсек., час сканування — 5 сек. Об’єм проекційних даних — (10⁵-10⁶⁾ чисел. Малий час сканування дозволяє отримувати зображення органів, що повільно рухаються.

Рис. 10.5 Схема сканування у томографах 4-го покоління

Четверте покоління томоґрафів характеризується тим, що в них детектори нерухомі, розміщені по колу, їх кількість рівна числу ракурсів — (500-1000) штук, обертається тільки джерело випромінювання. Випромінювання відбувається неперервно (рис. 10.5). Час сканування 2, 5 сек. і менше. Об’єм проекційних даних, чисел — 1, 5·10⁶. Сканування здійснюється електронним шляхом, дані відбираються лише з тих детекторів, що знаходяться в полі дії джерела випромінювання. В алґоритмах мають враховуватись значний вплив розсіювання та складна ґеометрія проходження променів. Потужність джерела — близько 1 кВт, тому необхідна додаткова система його охолодження.

Томоґрафи 5-го покоління мають можливість неперервного об’ємного сканування (спіральне сканування), що дозволяє будувати перерізи, розміщені під будь-яким кутом до площини сканування, відображати об’ємні зображення органів тощо. Сканування окрім навколо осі здійснюється ще й вздовж тіла пацієнта. В алґоритмах реконструкції враховується поздовжнє сканування системи під час спірального режиму роботи. На рис. 10.6 наведено схему томографа 5-го покоління в якому потужний віялоподібний пучок електронів переміщується відхиляючою котушкою, попадає на вольфрамові анодні кільця, чим спричиняє виникнення Х-променів, які поширюються у напрямі до детекторів [1]. Проекційні дані у такому томографі отримуються за 50 мсек, що уможливлює спостереження перерізів рухомих органів (наприклад, серця) без видимих артефактів.

 

Рис. 10.6 Схема томографа п’ятого покоління (GUN — електронна пушка, FOCUS COIL — фокусуючи котушка, DEFLECTION COIL — відхиляюча котушка, DAS (detector array stationary) — стаціонарний набір детекторів, DETECTOR RING — детекторний обруч, TARGET RINGS — анодні кільця, PATIENT TABLE — стіл пацієнта)

Сучасні томоґрафи умовно поділяють на три класи складності:

1) економ-клас — характеризується низькою вартістю, зниженими вимогами до обслуговування, енерґетичного забезпечення та експлуатаційними затратами, малою площею розміщення; деякі томоґрафи даного класу мають можливість автономної роботи;

2) високий клас — покращені якісні характеристики, висока роздільна здатність, розширені можливості обробки, вибір режимів роботи та варіантів алґоритму реконструкції, різні сервісні функції пов’язанні з зберіганням та обробкою зображень;

3) екстра-клас — досягається максимально можлива якість реконструкції, найвища роздільна здатність як за густиною, так і лінійна, можливість об’ємного (спірального) сканування, безперервний режим експлуатації, можливість обладнання паралельних робочих місць для опрацювання результатів реконструкції, можливість змінювання діаметра робочої області, кута нахилу скануючої системи, величини дози опромінення.