Материал: Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

центру области восстановления, и лучевые суммы этих фантомов однозначно “привязаны” относительно центра области восстановления. Требования к этой погрешности можно задать на основании табл. 2.2, в которой указаны допустимые погрешности к измеряемым данным с детекторов (“сырым” данным) – δ(nx )% . Принимая

равномерный закон распределения δ(nx ) от смещения объекта исследования от центра области восстановления на всем диапазоне

Рис. 3.31. Расположение объекта исследования в центре области восстановления (а) и смещение объекта исследования относительно центра области восстановления (б):

1 – источник излучения; 2 – область восстановления; 3 – линейка детекторов; 4 – разные группы единичных детекторов; 5 – объект исследования

Погрешность можно использовать, как допуск на требуемую величину по определению центра калибровочного фантома и погрешности системы управления стола пациента по установке в этот центр объекта исследования.

256

3.4. Методы и средства измерения проекционных данных

3.4.1. Электронная многоканальная система измерения

Система сбора проекционных данных (ССПД) предназначена для преобразования сигналов единичных детекторов системы детектирования рентгеновского излучения в цифровую форму и передачи их в реконструктор для последующей обработки и реконструкции изображений (томограмм).

В той или иной форме ССПД является неотъемлемой частью всех типов томографов. Конкретная реализация этой системы зависит от многих факторов: числа и типа детекторов рентгеновского излучения, вида этого излучения (импульсного или непрерывного), требуемого быстродействия, используемой элементной базы.

Как было показано в гл. 1, в современных быстродействующих томографах третьего и других поколений для уменьшения времени сканирования используют большое число детекторов (свыше 500), что сильно усложняет ССПД. С другой стороны, ССПД размещается на подвижной платформе сканирующего устройства, что приводит к дополнительным трудностям в его проектировании, связанным с ограниченным весом, габаритами и высокими требованиями к помехоустойчивости.

ССПД реализуется на основе различных структур. Однако существует ряд функциональных элементов и блоков, которые входят в любую ССПД: интеграторы, аналоговые преобразователи (АЦП), мультиплексоры (аналоговые или цифровые), элементы запоминания, синхронизации и интерфейс.

Наличие интегратора в ССПД позволяет достаточно полно использовать информацию об интенсивности рентгеновского излучения на выходе из объекта исследования, которая пропорциональна току детектора ig. Заряд Q, собираемый интегратором при протекании тока ig, будет пропорционален общей интенсивности излучения за время τи – время импульса рентгеновского излучения для импульсного режима или время измерения для постоянного режима излучения

257

где Uс – напряжение на емкости C интегратора.

Вследствие квантовой природы рентгеновского излучения среднее значение числа фотонов, регистрируемых детектором за время измерения τи, является случайной величиной. Как показано в п. 2.2.4, относительная среднеквадратичная погрешность равна

где nx – среднее число фотонов, пропорциональное заряду Q и за-

регистрированное детектором за время τи.

Чем меньше промежуток τи, тем меньше будет зарегистрировано фотонов при заданной интенсивности их поступления на детектор. Следовательно, измерение мгновенного значения сигнала с детектора сопряжено с большими погрешностями, чем измерение сигнала, осредненного интегратором, за все время действия импульса рентгеновского излучения.

Необходимость других элементов ССПД очевидна. Так, АЦП производит преобразование аналогового сигнала с интегратора в цифровой по какому-либо закону; аналоговые мультиплексоры обеспечивают последовательное соединение выхода каждого интегратора со входом АЦП; элементы синхронизации формируют сигналы управления для остальных блоков ССПД; интерфейс обеспечивает сопряжение ССПД с реконструктором восстановления изображения.

Вариант структуры ССПД показан на рис. 3.32. Наличие в каждом канале ССПД интегратора позволяет сравнительно просто организовать аналого–цифровое преобразование по методу двойного интегрирования. Достоинством метода является то, что погрешность преобразования зависит от точности работы небольшого числа элементов, при этом обеспечивается хорошая помехоустойчивость.

258

-с линейной передаточной характеристикой;

-с линейной передаточной характеристикой и предварительным усилением входного сигнала;

-с нелинейной передаточной характеристикой.

Линейный АЦП имеет передаточную характеристику

где K1 – цифровой код входного сигнала АЦП; Qвх – измеряемый заряд, снимаемый с детектора; Qmax – максимальное значение диапазона измерения заряда; n1 – разрядность АЦП при двоичном кодировании.

Относительная погрешность дискретизации линейного АЦП определяется, как

Из выражения (3.96) видно, что погрешность δ1 зависит от раз-

меров исследуемого объекта, его плотности, что определяет значение измеряемого заряда Qвх, а также зависит от количества разрядов n1, определяющих величину цифрового кода.

При малых значениях измеряемого заряда Qвх погрешность δ1 ли-

нейного АЦП может достигать больших значений и не удовлетворять требуемым значениям. Для уменьшения относительной погрешности дискретизации при измерениях малых значений Qвх может быть применен линейный АЦП с предварительным усилением сигнала или, как его еще можно назвать, линейный АЦП с автоматическим переключением диапазона измерения в зависимости от значения измеряемой величины. Для этого весь диапазон возможных значений сигнала, подаваемого на АЦП, разбивают на несколько диапазонов, каждый из которых характеризуется своим коэффициентом усиления. Например, весь диапазон измерения Qвх делится на три диапазона с коэффициентамиусиления 64, 8, 1.

Блок-схема такого измерительного канала представлена на рис. 3.33.

260