Материал: Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

Глава 3. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТОМОГРАФОВ

3.1.Выбор физической схемы и основных геометрических параметров сканирования

В п. 2.2.5 рассматривались пять основных схем сканирования, применяемых в рентгеновской компьютерной томографии. Все они сводятся в итоге к двум схемам: параллельной и веерной. Параллельная схема обладает лучшими возможностями калибровки измерительных каналов и обеспечивает их наибольшую стабильность во время сканирования (получения томограммы). Однако использование малого числа детекторов (1–8 шт.) не дает быстрого сканирования, и поэтому параллельная схема применяется, как правило, для исследования мозга и неприменима для исследования движущихся частей организма человека: легких, сердца.

Веерная схема имеет большое число измерительных каналов (300–5000), и поэтому сканирование можно проводить с большой скоростью (0,05–6 с). В этой схеме усложняются вопросы калибровки каналов, так как получение калибровочных данных по воздуху (J0) и рабочих данных при исследовании объекта (Jх) сдвинуты во времени на t , и это может негативно отражаться на стабильности каналов за это время.

Таким образом, главным параметром, определяющим выбор той или иной схемы сканирования, является требуемое время обследования объекта исследования.

Геометрию рентгено-оптического тракта томографа определяют взаимное расположение трех элементов томографического процесса: источника излучения, области реконструкции, в центре которой устанавливается объект исследования, детекторная система.

На рис. 3.1 представлена геометрия рентгеновского оптического тракта томографа для веерной схемы сканирования. Из геометрических соотношений рентгеновской оптики получим пространственное разрешение х для единичного ракурса

191

Верхняя пространственная частота при исследовании объекта в одном ракурсе ограничивается

Рис. 3.1. Геометрия рентгено-оптического тракта томографа для веерной схемы сканирования (d – апертура единичного детектора; L – радиус кривизны детекторной системы (расстояние от фокусного пятна источника до входного окна детектора); r – радиус вращения рентгено-оптического тракта; D – диаметр области реконструкции; β – угол сканирования (ракурс))

При получении проекций для локализации элементарного элемента объекта интервал дискретизации по ракурсу должен удовлетворять условию

а соответствующее измеренное число групп проекций (число ракурсов) с учетом (3.3)

Из зависимости (3.6) видно, что для увеличения геометрического разрешения необходимо:

а) уменьшать апертуру единичного детектора d и расстояние от источника излучения до центра области реконструкции r;

б) увеличивать количество ракурсов (проекций) M и расстояние L от источника до детектора.

Отметим также, что для уменьшения влияния рассеянного излучения надо детекторную систему расположить как можно ближе к объекту исследования, т.е. величина r + (D/2) должна стремиться к L.

Учитывая, что фокусное пятно источника излучения может иметь вполне определенные размеры, величина пространственного разрешения при заданной апертуре единичного детектора также зависит от размеров этого пятна.

На рис. 3.2 показана схема возникновения геометрической полутени (дополнительной погрешности в разрешении) при заданной апертуре детектора d , радиусе вращения источника излучения r , расстоянии от фокусного пятна источника до детектора L .

Из геометрических соотношений рис. 3.2 следует, что геометрическое пространственное разрешение, определяемое для точеч-

Рис. 3.2. Схема возникновения геометрической полутени из-за конечного размера фокусного пятна источника

( b – ширина фокусного пятна источника; h – геометрическая полутень, вызванная конечной шириной фокусного пятна

источника)

Из зависимости (3.7) следует, что для увеличения пространственного разрешения необходимо:

а) уменьшать фокусное пятно источника b; б) увеличивать радиус вращения источника r.

Как видно из условий (3.6) и (3.7), есть противоречивые требования к заданию r, и здесь необходимо оптимизировать соотношение радиуса вращения r, расстояния L, величины апертуры d, величины фокусного пятна b, в том числе и других условий, таких, как лимитируемая мощность источника излучения на детекторе, изме-

няющаяся в зависимости 1 , геометрические параметры распо-

L2

ложения коллиматора относительно источника и центра области исследования.

194

3.2.Обоснование параметров рентгено-оптического тракта

3.2.1. Рентгеновские излучатели

Основные характеристики рентгеновских трубок. Рентге-

новское излучение генерируется в результате взаимодействия пучка ускоренных электронов с атомами твердой мишени и состоит из тормозной и характеристических компонент.

Тормозное излучение – фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при торможении электрона в экранированном кулоновском поле атомного ядра.

Характеристическое излучение – фотонное излучение с дис-

кретным энергетическим спектром, возникающее в результате перехода электронов оболочки атома с верхних энергетических уровней на нижние.

Проходя через среду, электроны теряют энергию при ионизации и возбуждении атомов среды, а также при испускании фотонов тормозного излучения. Соответственно, энергетические потери электронов делятся на ионизационные и радиационные. Свойства среды по отношению к электронам характеризуются линейной тормозной способностью S(t), зависящей от их энергии.

Линейная тормозная способность вещества S(t) – отношение энергии dT, теряемая электроном при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути: S(t) = dTdl .

B соответствии с видом процесса, в результате которого теряется энергия электрона, тормозная способность подразделяется на ионизационную Sин и радиационную Sрад: S(t) = Sин + Sрад. При малых энергиях электрона Е ≤ 500 кэВ вклад Sин >> Sрад; при этом энергетическом диапазоне вклад Sрад не превышает 0,5 % [36]. Поэтому составляющей Sрад можно пренебречь.

Ионизационную тормозную способность вещества можно определить как[36]