3.4. СХЕМЫ СКАНИРОВАНИЯ

На рис. 3.3 представлены пять основных схем сканирования, которые в настоящее время используют для измерений в РТ. Хотя существуют разные

Рис. 3.3. Схемы сканирования, используемые в реконструктивной томографии. а — одни источник и один детектор, совершающие поступательно-врашательные движения (карандашный пучок, «дифференциальный» сканер); б - один источник и несколько детекторов, совершающие поступательно-врашательные движения (веерный пучок, «дифференциальный» сканер); в — один источник и несколько детекторов, совершающие лишь вращательные движения (см. также рис. 1.10) (веерный пучок, «врашаюшийся» сканер); г - один врашаюшийся источник, неподвижное кольцо детекторов (веерный пучок, «врашаюшийся» сканер); д - несколько источников. несколько детекторов на плоскости (конусный пучок, «барабанный» сканер отчичаются от карандашного и веерного пучков); е - электронный сигнал на один ракурсный угол.

(см. скан)

варианты этих схем сканирования, мы ограничимся рассмотрением только этих основных пяти схем. Обсудим достоинства и недостатки каждой из них с точки зрения устойчивости к погрешностям, которые были рассмотрены в предыдущем разделе.

В первой схеме сканирования (рис. 3.3,а), содержащей один-единственный источник рентгеновского излучения и один-единственный детектор излучения, используют два вида движения. В первом источник и детектор движутся параллельно друг другу и перпендикулярно прямой, соединяющей источник и детектор. За это время проекционные данные снимают для одного множества параллельных лучей. Во втором аппаратуру поворачивают на небольшой угол — обычно на 1°. Повторяя эти два движения,

собирают данные для большого числа (обычно 180) параллельных лучей. Эти схемы имеют целый ряд привлекательных особенностей.

Очень мал шум рассеяния, и калибровку детектора можно проводить в начале каждого из параллельных сканирований. Есть уверенность в том, что первый луч не пересекает область реконструкции. Систему из источника и детектора можно перемещать с малым шагом и иметь уверенность в том, что будет получено достаточно информации для реконструкции. О последнем аспекте будет дополнительно сказано в последующих главах. Нежелательной чертой такой схемы является то, что затрачиваемое время, как правило, составляет несколько минут, т.е. достаточно велико. Поэтому эту схему нецелесообразно использовать для получения томограмм органов, которые не могут оставаться в стационарном состоянии больше нескольких секунд, например легкого.

Вторая схема сканирования (рис. 3.3,б) была разработана для ускорения процесса сбора информации, сохраняя при этом основные положительные факторы первой схемы сканирования. Вместо одного здесь используют большое число детекторов — обычно 30. Во время параллельного перемещения источника и массива детекторов сбор данных ведут для нескольких систем параллельных лучей. Угол одного поворота аппаратуры, как правило, равен 10°, т.е. значительно больше, чем при первой схеме, однако полное число параллельных лучей обычно увеличивается. Разработанные сканеры такого вида позволяют снять все измерения за время немного больше 10 с, т.е. за время, которое соответствует времени задержки дыхания у большинства пациентов. Опуская вопрос о высокой цене таких сканеров, единственным недостатком этой схемы сканирования по сравнению с первой является повышенный эффект рассеяния.

В третьей схеме сканирования (рис. 3.3,в) используют только один тип движения. Один-единственный источник рентгеновского излучения и достаточно большое число детекторов располагают так, что угол, стягиваемый детекторами относительно источника рентгеновского излучения, захватывает всю область реконструкции. Система источник — детекторы вращается вокруг пациента. Данные снимаются для большого числа положений — обычно 500 — с примерно таким же числом лучей в наборе; в каждом положении лучи расходятся от источника ко всем детекторам. Данные для одного положения снимаются одновременно, а процедура получения всех данных занимает, как правило, не более 5 с. В такой схеме имеется лишь одна проблема: калибровочные измерения должны проводиться перед тем, как пациент будет помещен в устройство для проведения всего цикла сканирования, так как прямая между источником и детекторами в центре проходит через пациента при любом положении аппаратуры. Использование детекторов с большой стабильностью, по-видимому, позволит решить эту проблему. Детекторы должны быть довольно узкими, чтобы число проекционных данных было достаточным для получения качественной томограммы.

Еще более быстрая схема сбора данных, содержащая только одно движение, использует четвертый вид сканирования (рис. 3.3.г). Детекторы размещены

жестко на окружности, внутри которой находится единственный источник, способный перемещаться по окружности меньшего радиуса. При движении источника прямая, идущая от каждого детектора к источнику, образует пучок расходящихся лучей. Калибровку определенного детектора для данного пучка лучей проводят в момент времени, когда прямая от источника к детектору не пересекает области реконструкции. По сравнению с предыдущей схемой сканирования число детекторов должно быть большим. В противном случае излучение, проходящее через тело или голову пациента, в конце концов может пройти мимо детекторов, т.е. не будет использовано для реконструкции; это крайне нежелательно, так как пациент подвергается вредному облучению, а это излучение не дает никакого вклада в диагностическую информацию. По сравнению с предыдущей схемой сканирования в данной схеме очень трудно уменьшить рассеяние при помощи коллиматоров, потому что направление источник — детектор изменяется по мере движения источника рентгеновского излучения.

Ни одна из этих схем сканирования не является подходящей для получения точного изображения органов, таких, как сердце, которые быстро меняют свое положение в пространстве. Причина в том, что скорость снятия информации настолько мала, что сердце успевает пройти весь цикл движения за это время. Кроме того, трудно последовательно переходить от слоя к слою, так как данные для каждого слоя поперечного сечения снимаются в различные моменты времени. Для преодоления этих трудностей была разработана пятая схема сканирования (рис. 3.3,д). Источники расположены на полукольце. Число их, как правило, равно 28. Их можно включать и выключать с помощью электронной схемы. Они проецируют тело пациента на вогнутый флюоресцирующий экран так, что при включенном источнике большая часть тела пациента, например целиком туловище, изображается на экране одновременно, позволяя получать проекционные данные для конусного пучка лучей, расходящихся от источника. При этом все измерения по сбору данных можно провести за время, меньшее 0,01 с, и тем самым исключить влияние на реконструкцию смещения органа. Следует отметить, что данная схема сбора информации существенно отличается от описанных выше четырех других схем, так как в этом случае снимают множество двумерных проекций трехмерного объекта, а не множество одномерных проекций двумерных объектов. Несмотря на то что подобная схема решает проблемы, поставленные перед ней при разработке, она имеет свои собственные, присущие только ей недостатки. В частности, число проекций, которые можно получить, жестко ограничено как стоимостью установки, так и размерами рентгеновских трубок. При этом погрешность, связанная с рассеянием рентгеновского излучения в этой схеме, неизбежно более существенна, чем в рассмотренных выше других схемах сканирования.

Имеется много как реализованных, так и возможных вариантов этих схем сканирования, и еще больше имеется достоинств и недостатков, кроме отмеченных выше. Однако конфигурации, рассмотренные выше, содержатся во всех остальных системах, которые встретятся нам при обсуждении алгоритмов реконструкции.

ПРИМЕЧАНИЯ И ССЫЛКИ

Доказательство того, что распределение Пуассона можно использовать для описания процесса генерации фотонов рентгеновского излучения, можно найти в книгах по общим вопросам, таких, как книга [44]. Более подробное обсуждение природы случайных пуассоновских переменных также приведено во многих книгах, например в [126].

Описание процесса изменения спектра рентгеновского излучения при прохождении последнего через вещество приведено в [65], в которой дано большое число ссылок на оригинальные работы. В работе [93] приведен пример итерационной процедуры введения поправки на изменение энергетического спектра излучения. Этот вопрос будет подробно рассмотрен в разд. 5.4. Помимо корректировки, описанной выше, можно использовать информацию о спектре рентгеновского излучения. Например, так поступили в работе [114].

Форма пучка рентгеновского излучения в РТ и вопросы устранения ошибок, которые при этом возникают, рассмотрены в работе [14]. Обсуждение эффекта частично заполненного объема дано в работе [49]. Природа рассеяния и поправок на этот эффект обсуждаются в работе [148]. Погрешности в реконструкциях, связанные с механическими дефектами аппаратуры, приведены в работе [143].

Первый коммерческий сканер был разработан фирмой EMI Ltd. [89]. В приборе использовалась схема, показанная на рис. 3.3.0. Об установке, в которой использована схема сканирования, представленная на рис. 3.3,в, сообщается в работе [41]. Установка с использованием схемы сканирования, которая приведена на рис. 3.3,б и которая называется динамическим пространственным томографом, описана в работе [137]. Таблица физических характеристик сканеров первых выпусков приведена в работе [20].