Устройство для малоугловой рентгеновской томографии

 

Изобретение относится к компьютерной томографии, основанной на получении изображения объекта по малоугловому рассеянному излучению. Устройство содержит источник рентгеновского излучения с кольцевым анодом и системой сканирования электронного пучка вдоль анода, обеспечивающей получение вращающегося веерного пучка рентгеновского излучения. Конструкция коллиматора первичного пучка и ловушки пучка излучения, прошедшего через объект, позволяет зарегистрировать рассеянное объектом излучение в интервале углов в диапазоне до 1°. Коллиматор представляет собой систему из двух установленных друг над другом с зазором отрезков цилиндрической трубы с выступами ступенчатой формы, выполненными на нижнем основании верхнего отрезка и на верхнем основании нижнего отрезка. Ловушка также выполнена в виде отрезка цилиндрической трубы с выступом ступенчатой формы на верхнем основании. Анод источника рентгеновского излучения, коллиматор, ловушка первичного пучка и система регистрации прошедшего через объект излучения соосны. Технический результат - повышение информативности исследования путем регистрации излучения, рассеянного исследуемым объектом под малыми углами, при отсутствии вращающихся элементов томографа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для компьютерной томографии. Метод компьютерной томографии сочетает физические принципы рентгеновского просвечивания с достижениями вычислительной математики и цифровой техники. Существо этого метода состоит в реконструкции внутренней пространственной структуры исследуемого объекта в результате совместной математической обработки теневых проекций, полученных при рентгеновском просвечивании объекта в различных направлениях. Для просвечивания объекта в различных направлениях необходимо изменять его положение относительно источника излучения и детектора прошедшего через объект излучения. Обычно в томографах предусматривается перемещение источника излучения и детектора относительно объекта, т. к. перемещение самого объекта, как правило, бывает нежелательно. Усовершенствование компьютерных томографов шло по пути создания технических решений, позволяющих отказаться от движущихся частей аппарата, поскольку любые механические перемещения приводят к погрешностям измерений. В первую очередь, было увеличено количество детекторов, регистрирующих излучение, прошедшее через исследуемый объект, что позволило в томографах четвертого поколения за счет использования до 4800 детекторов, расположенных по кольцу вокруг исследуемого объекта, вращать вокруг пациента только рентгеновскую трубку (см., например, кн. Рентгенотехника. Справочник, т.2, М. "Машиностроение", 1992).

В дальнейшем усовершенствовались источники излучения, причем это усовершенствование шло по линии создания рентгеновских трубок с протяженными анодами, сканируемыми электронным пучком. Так, известны устройства для получения рентгеновского изображения со сканирующим пучком электронов (см. патенты США N 5729584, МКИ G 21 K 5/10, 1998 г., N 5835561, МКИ H 05 G 1/64, 1998 г. ). В этих устройствах возможно просвечивание объекта с разных направлений (в некотором угловом интервале) без перемещения рентгеновской трубки за счет использования протяженного сканируемого анода.

Представляет интерес томограф со сканирующим электронным пучком, смещенным относительно оси устройства (см. патент WO 95/17081, МКИ H 05 G 1/60, 1995 г. ). В этом устройстве отказываются от перемещения источника и детектора за счет использования в источнике рентгеновского излучения мишени, имеющей форму полукольца, сканируемого электронным пучком и ограничиваются только возвратно-поступательным перемещением пациента. Ось источника электронов смещена относительно центра этого полукольца, через который проходит ось симметрии устройства. Как указано в формуле изобретения патента, ось электронного пучка может располагаться под углом к оси симметрии устройства, либо быть параллельна ей. При сканировании развертка электронного луча осуществляется по конусу.

Вакуумная камера источника рентгеновского излучения состоит из дрейфового пространства, где осуществляется дрейф электронного пучка, и части, в которой располагается полукольцевой анод. Для управления электронным пучком предусмотрены средства его фокусировки и перемещения.

Измерительное устройство, содержащее множество детекторов, так же как и мишень, имеет форму полукольца с тем же центром, так что вместе мишень и измерительное устройство образуют замкнутое кольцо, расположенное вокруг стола для размещения исследуемого объекта.

Следующим этапом было создание источника рентгеновского излучения с кольцевым анодом, который сканировался электронным пучком с помощью магнитных линз. Использование совместно с таким источником регистрирующего устройства с расположенными по кольцу детекторами позволило создать компьютерный томограф, в котором отсутствовали движущиеся элементы (см. патент США N 5654995, опублик. 5.08.1997, МКИ G 01 N 23/00).

Этот томограф содержит источник рентгеновского излучения, окружающий измерительное поле, с кольцевым анодом, который сканируется электронным пучком, генерируемым электронной пушкой. Пучок электронов фокусируется электромагнитным полем и отклоняется магнитным полем катушки, расположенной по кольцу соосно аноду. Измерение прошедшего через объект излучения осуществляется набором детекторов, расположенных также по кольцу, соосному аноду и магнитной катушке. Сигналы с чувствительных элементов детектора поступают на компьютер, обрабатываются, и реконструированное изображение внутренней структуры объекта можно наблюдать на мониторе. Это устройство является прототипом предлагаемого.

Однако, как и все томографы, использующие принцип различного поглощения рентгеновского излучения разными материалами, описанный прибор не может различить вещества, имеющие близкий или одинаковый коэффициент поглощения рентгеновского излучения и различающиеся только по структуре. В подобных случаях требуется иной подход к получению изображения исследуемого объекта, основанный на другом типе взаимодействия рентгеновского излучения с веществом.

В патенте US 4752722, G 01 N 23/22, 1988 описано устройство, основанное на принципе регистрации углового распределения когерентно рассеянного излучения, лежащего в углах от 1^o до 12^o по отношению к направлению падающего пучка. Как указывается в этом патенте, большая часть упруго рассеянного излучения сосредоточена в углах меньше 12^o, и рассеянное излучение имеет характерную угловую зависимость с ярко выраженными максимумами, положение которых определяется как самим облучаемым веществом, так и энергией падающего излучения. Распределение интенсивности когерентно рассеянного излучения в малых углах зависит от молекулярной структуры вещества, потому использование регистрации этого излучения позволяет получить информацию об объекте, которую томографы с измерением только прошедшего через объект излучения дать не могут. Для облучения объекта предлагается использовать узкий коллимированный пучок монохроматического или полихроматического излучения. Детектор регистрирует интенсивность когерентно рассеянного излучения, выходящего за границы первичного пучка в зоне регистрации, одновременно с рассеянным осуществляют регистрацию прошедшего через объект первичного излучения. В описываемом устройстве используется светлопольная схема регистрации, т.е. при отсутствии объекта исследования детектор регистрирует первичное излучение. Для получения изображения объекта предлагается использовать известные принципы компьютерной томографии.

Устройство характеризуется сравнительно невысокой чувствительностью к излучению, рассеянному в непосредственной близости от первичного пучка, т.к. интенсивность излучения первичного пучка значительно превосходит интенсивность рассеянного излучения и мешает его регистрации. Следует также отметить, что интенсивность излучения резко падает с увеличением угла рассеяния, поэтому в угловом диапазоне 1-12^o интенсивность рассеяния сравнительно невелика, а следовательно, требуются достаточно высокие дозы облучения при исследовании и большое время экспозиции.

Поскольку томографы с использованием регистрации малоуглового рассеяния не приспособлены для осуществления измерений без движущихся частей, а томографы с неподвижными источником и детектором излучения не позволяют осуществлять регистрацию малоуглового рассеяния, при создании предложенного устройства мы руководствовались целью создать компьютерный томограф, сочетающий достоинства обоих типов описанных приборов. Целью описываемого изобретения является повышение информативности исследования, путем регистрации излучения, рассеянного исследуемым объектом под малыми углами, при отсутствии вращающихся элементов томографа, т.е. одновременное повышение чувствительности и точности исследования. Кроме того, для уменьшения дозы облучения и снижения времени экспозиции нами предлагается регистрировать рассеянное излучение в угловом диапазоне до ^o, а для увеличения точности измерения использовать темнопольную схему регистрации рассеянного излучения.

Для достижения такого результата предлагается рентгеновский томограф, содержащий источник рентгеновского излучения с кольцевым анодом, внутри которого расположен стол (или кресло) для размещения объекта исследования, электронной пушкой, средствами для фокусировки электронного пучка и сканирования им поверхности анода и детектор прошедшего через объект излучения, выполненный в виде матрицы чувствительных элементов, расположенных на внутренней поверхности отрезка цилиндрической трубы, соосной с кольцевым анодом, и соединенный с компьютерным устройством. Кроме того, в устройстве соосно с анодом и регистратором излучения, вокруг стола для размещения объекта, установлены коллиматор первичного пучка рентгеновского излучения и ловушка первичного пучка рентгеновского излучения, прошедшего через объект. Указанный коллиматор является центрально-симметричным и выполнен в виде двух расположенных друг над другом с зазором отрезков цилиндрической трубы, образующих в сечении коллиматор Кратки. На нижнем основании верхнего отрезка трубы выполнено два ступенчатых выступа, один - вдоль наружной, другой - вдоль внутренней поверхности трубы, а на верхнем основании нижнего отрезка трубы - по крайней мере один ступенчатый выступ вдоль наружной поверхности трубы. Отрезки цилиндрической трубы расположены таким образом, что верхняя грань наружного выступа нижнего основания и нижняя грань внутреннего выступа верхнего основания лежат в одной плоскости. Такая конструкция позволяет формировать пучок рентгеновского излучения с резкой границей, за которой регистрируется излучение, рассеянное исследуемым объектом. Указанные грани верхнего и нижнего оснований должны быть тщательно отполированы. Зазор между верхним и нижним основанием отрезков трубы определяет ширину входной щели коллиматора и поперечные размеры пучка рентгеновского излучения. Поперечный размер и угловая расходимость рентгеновского пучка должны быть таковы, чтобы рассеянное объектом излучение выходило за границы первичного пучка в зоне регистрации.

Ловушка первичного пучка рентгеновского излучения также выполнена в виде отрезка цилиндрической трубы, снабженной на верхнем основании выступом вдоль всей боковой поверхности трубы. Этот выступ выполнен таким образом, что задерживает первичный пучок излучения, прошедшего через объект, и пропускает на детектор рассеянное излучение. Коллиматор, ловушка первичного пучка, стол для размещения объекта исследования и регистратор излучения имеют общее основание, выполненное в виде плиты, при этом коллиматор и ловушка первичного пучка представляют собой единую деталь. Для того чтобы одновременно с рассеянным регистрировать и прошедшее через объект излучения, а это позволяет для каждой области исследуемого объекта учитывать его оптическую толщину на пути просвечивающего пучка, т.е. получать нормированную кривую когерентно рассеянного излучения, в устройстве имеется набор детекторов, расположенных по кольцу на внутренней поверхности ловушки первичного излучения.

В предлагаемом устройстве развертка пучка электронов, предназначенного для сканирования поверхности кольцевого анода, может осуществляться и по конической поверхности, что обеспечивается соответствующим взаимным расположением средств формирования электронного пучка и анода источника рентгеновского излучения.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан вид сверху предложенного томографа, на фиг.2 показана оптическая часть томографа при виде сбоку, на фиг.3 показано аналогичное устройство томографа с разверткой электронного пучка по конической поверхности.

Описываемое устройство работает следующим образом: электронная пушка 1 генерирует пучок электронов 2, которые фокусируются электронной линзой 3 и ускоряются в направлении анода 4. Анод имеет форму разомкнутого кольца и расположен в вакуумном трубчатом корпусе 5. Под действием электромагнитного поля электроны движутся по круговой орбите вдоль поверхности анода. Магнитные отклоняющие катушки 6 последовательно направляют пучок электронов на разные места поверхности анода, осуществляя его сканирование. В результате сканирования анода электронным пучком возникает поток рентгеновского излучения, направленный к центру кольцевого анода, последовательно с разных направлений. Коллиматор 7 формирует этот поток во вращающийся веерный пучок 8, просвечивающий исследуемый объект, размещаемый на столе (кресле) 9, с разных направлений. Коллиматор выполнен симметричным относительно центральной оси устройства (оси перпендикулярной плоскости на фиг.1). В плоскости анода пучок имеет такие размеры, что перекрывает весь исследуемый объект. В перпендикулярном направлении пучок является узким, слаборасходящимся и имеет в этом направлении по крайней мере одну резкую границу. Это позволяет регистрировать матричным двухкоординатным детектором 10 рентгеновское излучение, рассеянное объектом со стороны указанной резкой границы пучка в интервале углов от нескольких угловых секунд до 1^o. В устройстве реализуется темнопольная схема регистрации рассеянного излучения. Для этого снаружи коллиматора располагается ловушка 11 первичного пучка. Ловушка отделяет в излучении, прошедшем через объект, рассеянное излучение от излучения первичного пучка. При отсутствии объекта в устройстве (отсутствие рассеянного излучения) детектор 10 регистрирует только фоновый сигнал. Такая схема регистрации является более чувствительной к рассеянному излучению.

Сигнал с детектора поступает на компьютер 12, на дисплее которого можно наблюдать результаты исследования.

На фиг. 2 представлен вид оптической части томографа при сечении его плоскостью, перпендикулярной плоскости расположения анода.

Коллиматор состоит из двух отрезков 13 и 14 цилиндрической трубы, установленных с зазором друг над другом. (В дальнейшем будем их называть верхней и нижней блендами соответственно). Верхняя бленда имеет два ступенчатых выступа с разной высотой ступеньки, один из которых выполнен вдоль наружной, а другой - вдоль внутренней поверхности трубы. Нижняя бленда имеет по крайней мере один ступенчатый выступ вдоль наружной поверхности трубы, причем эта ступенька может быть срезана под углом. Предлагаемая конструкция построена по принципу коллиматора Кратки, верхний край наружного выступа нижней бленды лежит в одной плоскости с нижним краем внутреннего выступа верхней бленды. Это обеспечивает получение резкой верхней границы вращающегося веерного пучка 8 рентгеновского излучения. Зазор между нижним краем наружного выступа верхней бленды и верхним краем наружного выступа нижней бленды определяет ширину входной щели коллиматора (поперечные размеры пучка рентгеновского излучения). Верхняя бленда устанавливается на ребрах жесткости (не показаны), которые обеспечивают надежность конструкции коллиматора и не препятствуют прохождению рентгеновского излучения через коллиматор в любом направлении. Ловушка 11 первичного пучка представляет собой отрезок цилиндрической трубы со ступенчатым выступом вдоль всей ее боковой поверхности. Она устанавливается снаружи коллиматора и крепится к нему посредством ребер жесткости 15, которые имеют размеры, обеспечивающие жесткость всей конструкции, но не препятствующие прохождению рентгеновского излучения. Ловушка задерживает все излучение первичного пучка, прошедшее через объект 9, пропуская на матричный детектор 10 только рассеянное излучение. На ловушке установлены дополнительные детекторы 16, регистрирующие излучение первичного пучка, прошедшее через объект.

Пучок рентгеновского излучения, сформированный коллиматором в одном месте кольцевой конструкции, задерживается ловушкой первичного пучка, расположенной с противоположного края этой конструкции. Для того чтобы различные элементы конструкции не препятствовали распространению рентгеновского излучения, коллиматор формирует пучок, распространяющийся под небольшим углом к плоскости конструкции (плоскости расположения анода).

За все время сканирования анода электронным пучком пучок рентгеновского излучения высвечивает только узкую область в поперечном сечении исследуемого объекта. Для получения полного изображения необходимо осуществлять перемещение исследуемого объекта внутри конструкции в направлении 17 вдоль оси симметрии коллиматора.

На фиг. 3 показано аналогичное устройство, в котором по-другому осуществляется развертка пучка электронов, сканирующего кольцевой анод. Здесь пучок электронов разворачивается по конусу, что и определяет несколько иную геометрию источника рентгеновского излучения. Здесь 1 - электронная пушка, 2 - пучок электронов, сфокусированных линзой 3, сканирующих кольцевой анод 4, 6 - магнитные отклоняющие катушки. Источник рентгеновского излучения имеет осевую симметрию. Электронная пушка 1, электронная линза 3, магнитные катушки 6 и анод 4 расположены соосно друг другу. Анод установлен так, что пучок электронов падает на его поверхность под углами, близкими к нормальным, а размеры проекции фокусного пятна на вход коллиматора минимальны. Все остальные элементы аналогичны одноименным элементам конструкции, изображенной на фиг. 1 и 2.

Формула изобретения

1. Рентгеновский томограф, содержащий источник рентгеновского излучения с анодом, имеющим форму кольца, внутри которого расположено приспособление для размещения объекта исследования электронной пушкой, средствами для фокусировки электронного пучка и сканирования им поверхности анода, а также детектор прошедшего через объект рентгеновского излучения, выполненный в виде матрицы чувствительных элементов, расположенных на внутренней поверхности отрезка цилиндрической трубы, соосной с кольцевым анодом, и соединенный с компьютером, отличающийся тем, что соосно с анодом и регистратором вокруг приспособления для размещения объекта исследования установлены коллиматор первичного пучка излучения, падающего на объект, и ловушка первичного пучка рентгеновского излучения на пути рассеянного объектом излучения, при этом упомянутый коллиматор выполнен в виде двух расположенных друг над другом с зазором отрезков цилиндрической трубы, образующих коллиматор Кратки, на нижнем основании верхнего отрезка трубы выполнено два ступенчатых выступа, один вдоль наружной, другой - вдоль внутренней поверхности трубы, а на верхнем основании нижнего отрезка трубы - по крайней мере один ступенчатый выступ вдоль наружной поверхности трубы, а ловушка первичного пучка выполнена в виде отрезка цилиндрической трубы, снабженной на верхнем основании выступом ступенчатой формы вдоль всей боковой поверхности, причем вдоль внутренней поверхности ступеньки размещены дополнительные детекторы, предназначенные для регистрации первичного рентгеновского излучения, прошедшего через объект.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронная пушка, средства фокусировки и сканирования электронным пучком поверхности анода в источнике рентгеновского излучения установлены друг за другом соосно с кольцевым анодом и перед ним.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3