Материал: Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

свертку проекционных данных с необходимой сворачивающей функцией (фильтрующим ядром);

интерполяцию свернутых проекционных данных;

обратное проецирование интерполированных свернутых проекционных данных;

получение матрицы изображения томографического слоя

512×512 пикселов.

Матрица изображения выводится на дисплей высокого разрешения 6. Данные об изображении поступают в блок архивирования 7, центральный процессор 8, УТК на лазерный принтер высокого разрешения 10 или мультиформатную пленочную камеру 11.

Состояние всех систем томографа контролируется и диагностируется специальными системами и устройствами, а информация о текущем состоянии отображается на дисплее центрального пульта ЦП.

В РКТ-01 предусмотрены механические, электрические и программные блокировки безопасности:

на сканере установлены концевые контакты и упоры, которые определяют заданное направление вращения сканера и ограничивают необходимый угол его поворота;

проводится постоянное измерение температуры масла в излучателе рентгеновской трубки; при недопустимом значении температуры происходит отключение высоковольтного питания трубки;

проводится постоянное измерение анодного тока трубки; при пробое трубки, высоковольтных кабелей и источника питания происходит снятие напряжения со всего томографа;

предусмотрено принудительное отключение томографа с центрального пульта и пульта на сканере в случае аварийных и других ситуаций.

5.3.Обоснование геометрических и физических параметров рентгенооптического тракта

При выбранной веерной геометрии сканирования (см. рис. 5.2) основные геометрические параметры схемы выбираются, исходя из требуемой величины высококонтрастного разрешения в центре об-

381

ласти реконструкции при точечном фокусе рентгеновского излучения, определяемой выражением (3.6). Оптимальное число единичных детекторов N и ракурсов М для алгоритма реконструкции ОПФС определяется выражением (3.162). Учитывая, что шум на изображении не должен превышать 0,5 %, на основании результатов моделирования (см. рис. 4.11) числа N и М должны превышать цифру 600. Выбор N =512 и M =600 приближенно соответствует соотношению (3.162).

При выбранных N и М и заданном разрешении x = 0,8 мм выражение (3.6) дает возможность оценить первично геометрические параметры веерного пучка: L (ИЛ) – расстояние от фокуса излучения до окна детектора, r (ИО) – расстояние от фокуса излучения до центра области реконструкции.

Рентгеновская трубка “Кертом” или G1094 имеет фокусное оптическое пятно определенных размеров: 1,2×1,2 мм. Поэтому конечные размеры фокусного пятна будут вносить погрешность в определении разрешения х в виде геометрической полутени (см. рис. 3.2), влияние которой на х возможно оценить по выражению (3.7). По принятым размерам фокусного пятна из выражения (3.7) для оценочных значений L и r, полученных из (3.6), определяют х. В случае несоответствия х требуемому значению ( x < 0,8 мм) изменяется геометрия веерного пучка (диаметр области реконструкции D, число единичных детекторов N, апертура детектора d, число ракурсов М), и расчет L, r, N, M, d, D повторяется по форму-

стояния r =630 мм и L = 990 мм. Угол развала веерного пучка

2γm = 46, 22° (см. рис. 5.2).

Однако полученная оценка х является минимально предельной.

Высококонтрастное разрешение х в определенной степени также зависит от частотной передаточной функции (см. рис. 4.7) и дозовой характеристики “контраст–деталь–доза” (см. рис. 4.4) томографа. При этом передаточная функция зависит от выбранного ядра свертки, регуляризирующего параметра и других факторов;

382

дозовая характеристика – от заданной дозы. Все эти факторы в итоге будут действовать на увеличение предельного значения х, которые окончательно можно оценить экспериментально на метрологических фантомах. Поэтому предельное значение х необходимо получать меньше требуемого.

где к≈1,3 – коэффициент “запаса”, полученный экспериментальным путем.

Свинцовые пластины коллиматора, которые формируют толщину веерного пучка, в соответствии с рекомендациями гл. 3 (см. рис. 3.31) располагают как можно дальше от фокусного пятна трубки с целью уменьшения геометрических погрешностей коллимации. Это расстояние у РКТ-01 равно 230 мм.

Обоснование физических параметров рентгенооптического тракта РКТ-01 заключается в расчетном взаимосогласовании параметров источника рентгеновского излучения, детектора и системы сбора данных. Исходными данными для расчетного взаимосогласия являются:

заданная геометрия веерного пучка: 2γm ≈47°, толщина по оси Z t = 10 мм;

объект исследования (Н2О) диаметром 480 мм;

поглощенная доза объектом исследования не более 3,5 рад;

квантовый шум регистрации сигналов детектором после объекта исследования должен быть не более 0,3 %;

апертура детектора 1,56 мм.

ВРКТ-01 рабочим телом детектора выбран газ ксенон, обла-

дающий практически линейной характеристикой в динамическом диапазоне измерений 1–106 рентгеновских квантов с энергией 10– 250 кэВ. Эффективность ксеноновых детекторов не превышает

σ≤ 0,6 .

По эффективности ксеноновых детекторов, диаметру объекта исследования, определяющему коэффициент пропускания квантов, и квантовому шуму регистрации сигнала детектором (см. гл. 3) можно оценить минимально допустимое количество квантов nx ,

падающих на детектор, из выражения

383

можно оценить минимально допустимое количество квантов в направлении детектора на входе объекта n0 , где D = 480 мм,

μ =0,185 1/см, σ = 0,6. Для этих параметров nх ≈105 , а n0 ≈1,6 109

квантов.

Если рассмотреть динамический диапазон потока квантов на входе детекторов, то он будет для объекта диаметром 480 мм равен

коэффициенту пропускания квантов n0 nx ≈1,6 104 . Этот динами-

ческий диапазон сохранится и для измерения сигналов системой сбора данных с детекторов.

Как известно из гл. 3, даже для динамического диапазона 1–103 при обеспечении погрешности в этом диапазоне δ <1 % проектирование электронной системы сбора данных является сложной технической задачей. Поэтому полученный диапазон 1,6 104 необходимо уменьшить на порядок. С этой целью в РКТ-01 в блоке коллимирования предусмотрен фильтр-“бабочка” – нелинейный коллиматор из органического стекла, μ которого практически равен μ объекта исследования (Н2О) и который уменьшает полученный диапазон в ≈10 раз. Угловое распределение толщины этого фильтра в веерном пучке (см. рис. 3.32) определяется соотношением (3.37). Толщина фильтра на периферии объекта исследования при угле γ = γm =23,11° равна ≈100 мм для μ = 0,193 при Eэф ≈ 70,3

кэВ, в центре – практически нулю ≈3 мм. Таким образом, вместе с нелинейным фильтром на входе в детекторы мы обеспечим поток

квантов с динамическим диапазоном ≈1–1,6 103 .

Для “сужения” спектра излучения источника используется алюминиевый фильтр толщиной 1,5 мм, который является эффективным фильтром для низкоэнергетической составляющей спектра

384

источника. Однако его применение уменьшает на выходе поток в ≈1,6 раза. Поэтому для определения требуемого потока квантов птр в сторону единичного детектора необходимо первоначальный по-

ток п0 увеличить в ≈1,6 раза, т. е. nтр = n0 1,6 ≈ 2,6 109 квантов.

Источником потока квантов в томографе РКТ-01 является рентгеновская трубка “Кертом” (или G1094) c W–Re мишенью, рабо-

тающая в импульсном режиме с τи = 3,5 мс. Используя выражения

(3.33) определения количества квантов птр, падающих на площадь S = d b окна единичного детектора, где d – апертура, b – толщина

пучка на детекторе, равная t K y (Ky – коэффициент расширения

толщины луча, Ky = L/r (см. рис. 3.2)), можно определить требуемую максимальную лучевую отдачу Рт рентгеновской трубки. В дальнейшем, используя зависимость Рт от анодного напряжения Uа (см. рис. 3.30), определяется при Uа = 120 кВ требуемый мак-

симальный анодный ток Jа , который обеспечивает требуемый по-

ток квантов птр трубки при τи = 3,5 мс на площадь S окна единичного детектора,

где Р – лучевая отдача, полученная по выражению (3.33), Рт – нормированная лучевая отдача (см. рис. 3.30) на расстоянии 1 м при анодном токе 1 мА.

Для РКТ-01 Р = 1,3 Р/с, а ток Ja ≈ 350 мА, что обеспечивается

допустимыми режимами выше указанных типов трубок.

Выше было показано, что для объекта исследования диаметром 480 мм поток квантов на детекторы с нелинейным фильтром будет

в интервале 105 −1,6 108 квантов. Оценим параметры детектора и

диапазон его выходного тока.

Напряжение между собирающим и высоковольтным электродами U, длина ионизационной камеры l и давление ксенона P в блоке детекторов в соответствии с исследованиями гл. 3 выбираются оптимальной с точки зрения процессов образования зарядов в

385