автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Исследование процессов формирования данных в рентгеновских компьютерных томографах

МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ СССР Всесоюзный научно - исследовательский и испытательный институт медицинской техники

На правах рукописи УДК 621.3:61.002.5

РАДЕР Эдуард Ильич

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ ДАННЫХ В РЕНТГЕНОВСКИХ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТОМОГРАФАХ

Специальность 05.11.10 - Приборы для измерения

ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1983

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте компьютерной томографии (ВНИИКТ).

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Н.Н.Блинов

Официальные оппоненты - доктор технических наук, старший

научный сотрудник Л.В.Владимиров - кандидат физико-математических наук А.В.Лестряков

Ведущее предприятие - Московский научно - исследовательский

рентгенорадиологическиЯ институт (МНИРРИ)

Защита диссертации состоится "¿3 " ЯнбарЯ 1990 г. в 40 часов на заседании Специализированного Совета Д 074.46.01 во Всесоюзном научно-исследовательском и испытательном институте медицинской техники МЗ СССР по адресу: 129301, г. Москва, ул. Касаткина 3.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просьба посылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВШИММТ.

Автореферат разослан «23 « дешарЯ 1989 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета,

К «Т «Н* « С>Б>С.

Н.И.Ыаньшавин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы. Современные метода диагностики в последние 15 лет пополнились новым, чрезвычайно мощным методом - компьютерной томографией (КТ).

Важность этого нового метода определяется прежде всего тем, что врачу впервые представилась реальная возможность определения истинного анатомического строения тела. КТ позволяет устранить существующие в аппаратуре ортоскопического типа эффекты наложения изображений структур вдоль направления наблюдения, дает возможность определения физиологических показателей организма, при этом вся получаемая информация выдается в цифровом виде. Метод обладает Еысочайшей точностью и чувствительностью при определении анатомических структур. Обеспечение необходимого качества изображений в рентгеновской компьютерной томографии (РКТ) осуществляется с помощью применения прецизионных устройств, высокопроизводительной вычислительной техники и сложных алгоритмических решений, поэтому развитие метода идет по пути совершенствования как аппаратуры, так и математического обеспечения.

Для вычисления (математической реконструкции) одной томограммы приемлемого качества в современных РКТ используются результаты примерно 10б измерений. Это значит, что для принятых алгоритмов реконструкции, интерпретирующих входную информацию как аппарэтно неискаженные результаты взаимодействия бесконечно тонких моноэнер-гетичвских рентгеновских пучков с веществом, реализующие их программы выполняют 1,5 + 2,0 миллиарда арифметических операций, производимых за Б + 20 с. Реальные томографические измерения неадекватны указанной интерпретации, при этом учет имеющихся отличий непосредственно в алгоритмах реконструкции томограмм потребовал бы увеличения объема (и времени) вычислений на 2 -V 3 порядка, что при предъявляемых требованиях к быстродействию РКТ неприемлемо.

Поэтому в настоящее время на всех томографах используется программная коррекция измеренных данных, а в процессе разработки FKT предпринимаются меры, направленные на уменьшение степени аппаратных искажений. Для выполнения сказанного необходимы знания о физических процессах, происходящих в объекте исследования и аппаратуре при формировании отсчетов. В силу сложности этих процессов и относительной "молодости" KT как отрасли техники, постоянной модернизации схем томографов и элементной базы объем требуемых знаний пока явно недостаточен. Таким образом, исследования процессов формирования данных и алгоритмов их коррекции, которым посвящена настоящая диссертация, являются актуальными проблемами развития компьютерной томографии.

Цель работы и основные задачи исследования. Целью диссертации является разработка способов математического описания процессов формирования данных, создание методического обеспечения экспериментов по их изучению, получение и анализ экспериментальных мг ■ лов, разработка алгоритм--ь --sjie-fcsai ас-м*.-р;7льг: ния направлены на улучшение качества томограмм, ясшгвйи-. vi';.;живности процессов разработки, доводки и эксплуатации PKT. В соответствии с указанной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование структур и особенностей процессов получения томографических данных и построение на этой основе математических моделей формирования отсчетов в PKT. Использование этих моделей для установления требований к параметрам узлов и постановки экспериментов.

2. Разработка математических моделей отдельных устройств и процессов с целью определения их характеристик и допустимых погрешностей, выбора оптимальных режимов работы.

3. Технико-экономическое обоснование натурных экспериментов по определении) характеристик измерительных систем РКТ, разработка

аппаратно-программного обеспечения и методик этих экспериментов.

4. -Проведение комплекса натурных экспериментальных исследований параметров узлов измерительных систем, степени влияния этих параметров на результаты томографических измерений. Разработка на базе предложенных методик и полученных экспериментальных данных технических решений, минимизирующих аппаратные погрешности, способов оперативной диагностики и регламентного обслуживания PKT.

5. Разработка и экспериментальная проверка эффективности алгоритмов программной коррекции результатов измерений.

Методы исследования. Научные положения диссертации обоснованы теоретически с привлечением методов системного и статистического анализа, математического моделирования, нелинейного программирования, а такке идей и методов, применяемых при построении современных прикладных программ систем реального времени. Инженерно-физические исследования проводились с помощью натурных и вычислительных экспериментов при использовании общетехнических методик, с применением ЭВМ для обработки результатов измерений.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:,

1. Построена концептуальная математическая модель процесса формирования отсчетов в PKT. Структура соотношений модели предусматривает интегрирование величин отсчетов для реальных размеров фокуса и детекторов, позволяет учитывать квантово-статистические процессы при генерации, поглощении и детектировании излучения, особенности работы и погрешности устройств измерительного тракта.

2. Получена система соотношений оценочной математической модели формирования томографических отсчетов, ориентированной на выявление качественных тенденций процесса, приближенные количественные оценки, анализ связей между отдельными явлениями.

3. Разработана математическая модель геометрии сканирования в реальных системах, позволяющая учитывать отклонения от номинальных

характеристик непосредственно по заданным технологическим погрешностям изготовления и сборки узлов сканирующего устройства, излучателя и детекторов.

4. Предложена схема замещения рентгенопитаодего устройства с электромашинным преобразователем частоты и управлением анодным напряжением по первичной стороне. На основе уравнений, описывающих работу данной схемы, получена система аналитических зависимостей, определяющих поведение основных параметров для всего периода активной работы с учетом пульсаций анодного тока и напряжения, нелинейности сопротивления нагрузки.

Б. Сформулирована линейная математическая модель остаточного послесвечения в твердотельных сцинтилляторах на основе теории люминесцентного высвечивания дискретными центрами. Даны критерии определения количества учитываемых типов центров и числа экспериментальных точек в процессе идентификации.

6. Разработан способ аппроксимации зашумленных экспериментальных зависимостей линейной комбинацией экспонент, обладающий быстрой сходимостью и хорошей устойчивостью.

Практическая ценность. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены результаты, полезные для практического использования при проектировании и эксплуатации РКТ и их элементов, а именно:

- разработаны методики определения характеристик устройств измерительных систем РКТ, способы аппаратного обеспечения натурных экспериментов, программы обработки результатов измерений на ЭВМ;

- разработаны программы, реализующие алгоритмы построенных математических моделей (и вычислительные эксперименты), а также программы, необходимые для идентификации моделей;

- предложены способы комплексной настройки и оперативной диагностики РКТ, технологические приемы их проведения;

- сформулированы требования к параметрам отдельных узлов измерительных каналов и систем сканирования, предложены концепции их конструирования; найдены конкретные технические решения ряда устройств электромеханики, рентгеновского и детекторного комплексов;

- экспериментально получены статические и динамические характеристики типичных элементов аппаратных комплексов РКТ, участвующих в формировании отсчетов, а также данные, характеризующие влияние аппаратных погрешностей, полихроматизма и пространственного распределения интенсивности излучения на результаты томографических измерений и параметры томограмм;

- разработаны структура, способы и программы параметрической коррекции измеренных данных, проведена экспериментальная проверка эффективности предложенных коррекций.

Реализация результатов работы осуществлялась на Киевском НПО "Реле и автоматика", ВНИИ компьютерной томографии, 03 ВНИИЭМ (предприятия Минэлектротехпрома СССР), НИИ неврологии АМН СССР, Ленинградском ОЭП "Светлана" Минэлектронпрома СССР при проектировании, производстве, доводке, опытной и клинической эксплуатации РКТ типа СРТ-1000, СРТ-1000М, СРТ-1010, СРТ-5000. Работы по созданию наз-ваннных томографов проводились в соответствии с Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР № 870 от 22.09.77 г. и следующими из него Программой 0.18.05 ГКНТ СССР, тематическими планами Министерств и перечисленных предприятий.

Результаты диссертации реализованы в форме производственного внедрения разработанных автором методик настройки, испытаний и контроля параметров, ' способов наладки и программного тестирования комплексов, программных модулей пакетов математического обеспечения. В конструкции указанных РКТ использованы предложенные автором разработки ряда узлов сканирующего устройства, стола пациента, систем управления, приводов, излучателя, детекторных модулей; ориги-

нальность некоторых решений подтверждена авторски® свидетельствами. Да стадии разработки технических проектов внедрены обоснованные диссертантом циклограммы сканирования, требования к параметрам узлов аппаратной части томографов и допустимым погрешностям.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзно? научно-технической конференции "Перспективы развития рентгеновских трубок и аппаратуры" (Ленинград, 1986 г.), на Совещаниях экспертов стран-членов СЭВ по направлению "Создание рентгенодиагностических систем" (Кисловодск, 1984 г., Гагра, 1988 г.), на "I? Всесоюзном симпозиуме по вычислительной томографии" (Ташкент, 1989 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, получено 2 авторских свидетельства на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация общим объемом 302 страницы состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 120 наименований и 4-х приложений. Основной текст диссертации изложен на 150 страницах, иллюстрирован 72 рисунками, содержит 19 таблиц. Приложения выполнены на 61 странице (в том числе 11 рисунков и 1 таблица).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность исследований процессов формирования измерений в РКТ, формулируется цель работы и основные задачи, решаемые в диссертации. Излагается краткое содержание диссертации в рамках принятой структуры.

В первой главе дается кратки^ обзор основных- принципов КТ и ее актуальных проблем,, основанный на. анализе отечественной и зарубежной литературы, современного состояния томографической техники.

Проведена систематизация известных результатов теоретических и экспериментальных исследований ф^дичесщх особенностей томографических измерений и способов их учета пщ реконструкции изобразив-

ний. Показана недостаточная полнота таких исследований и сформулированы направления и методология их дальнейшего развития, то есть поставлена цель диссертации и обозначены решаемые в ней задачи.

Во второй главе рассматриваются принципы построения математических моделей общей схемы РКТ - "схемных" или "системных" моделей, отражающих процессы формирования томографических измерений с учетом природы источников и механизмов возникновения погрешностей отсчетов. Представлены две модели этого класса.

Предлагается концептуальная математическая модель формирования измерений для представленной на рис.Г геометрической схемы сканирования. Показано, что если представить реальный полихроматический излучатель как совокупность ^ монохроматических источников с энергией квантов Е^, то за время й1 со всей поверхности фокуса для к-го источника детектор среднестатистически зарегистрирует (пдет))с рентгеновских квантов, причем

"кв к " С03 - дх ду йх Оу

|АВ|г х у х у

где кд - эффективность детектора:

В - коэффициент накопления "рассеянных" квантов;

Р « /ц(Х,У)(П, ц - линейный коэффициент ослабления; АВ и.А.П)

пкв к - удельная плотность квантового потока (• )А фокуса для к-го источника в данном направлении. Смысл остальных символов и индексов ясен из рис.1.

Далее показано, что для ъсех к^ источников поток энергии регистрируемых детектором квантов /_в_(1;) равен

дет

^"деА.ДЬ

/летт = 5 -

дет ь ..¡.

где величина (пде„)к заменена на (пдет)к ^ после учета квантовой статистики при генерации, поглощении и регистрации рентгеновского излучения (в соответствии с распределением Пуассона). Затем рассмотрены пути дальнейшего вычисления величины отсчета в зависимости от типов детекторов и электронных приборов канала. Пояснения некоторых положений модели вынесены в Приложение 1.

Приведенные соотношения показывают, что громоздкость математического описания сложных (физических процессов, происходящих при формировании отсчетов, предопределяет возможность их адекватных количественных исследований лишь на многопараметрической рабочей математической модели томографа достаточно высокого уровня.

Представленная далее оценочная математическая модель формирования отсчетов построена с использованием ряда допущений, упрощающих итоговые соотношения: фокус рентгеновской трубки и детекторы считаются точечными; не учитывается квантовая статистика рентгеновского излучения; все аппаратные характеристики приборов и устройств в течение времени сканирования считаются неизменными.

В схему формирования измерений включены все устройства, структурно участвующие в данном процессе (для определенности в качестве фотоэлектрического прибора рассматривается ФЭУ, в состав электронного блока измерительного канала введены логари$матор и активный интегратор). Несмотря на это, при вышеуказанных допущениях, упрощенном математическом описании работы элементов и использовании в выкладках некоторых приближенных равенств в оценочной модели удалось получить аналитическое выражение для величины 0 ¿-го отсчета J-гo детектора (индекс V" опущен):

= дк*Ш

1п

I

«й и

Хи- и

1 и.

0 0 (1 Ч т т

у, * / _ и

Л —1 + — т

I-!- Ь(0) I2

- Г ц(1)<н

к V(О)у(О) 3 АВ

1т, ^ УСТ , Г лш лш . «ш 1 лнел днел 1п --+ ^ 4 д ± д0{± ] - Д с - Дв{ -

дуж_ драсс+ дГеом_

В привэденном выражении: а - "коэффициент передачи" электронного канала; кАШ - константа аналого-цифрового преобразования; 1|.1Я, 1„2„ - даа значения имитационного тока, подаваемого вместо выходного тока ФЭУ при определении а; ио - опорное напряжение интегратора; 10 - ток смещения логари^матора; Зуст - величина уставки на рентгенопитавдем устройстве; кр, ксц, к^ду, Ь - коэффициенты пропорциональности энергопреобразований рентгеновского источника, сцинтиллятора, ФЭУ и интегратора соответственно (верхние индексы "(О)" и "(1)" указывают порядковый номер члена разложения величины в ряд Тейлора для учета нелинейности элементов). Величины Дд{, лв<* > Лд£Л> АэгЛ приставляют погрешности, связанные с шумами и нелинейностью элементов детекторного, электронного и рентгеновского комплексов (в модели эти связи отражены аналитически). Детализированы в оценочной модели и выражения для погрешностей Д{Ж, ¿расе п дгеом^ СВЯзанных с "ужестчением" и рассеянием рентгеновского излучения и пространственным распределением его интенсивности, а также для - "динамической" погрешности (для определенности динамические процессы интерпретируются в модели как функции отклика соответствующих приборов на скачок).

В систему соотношений оценочной модели входят также аналитические выражения для величины калиброванного отсчета Р{ и относительных погрешностей величин и Р{. Для проведения вычислительных экспериментов разработана программа МСШРРА, расчеты по которой показали, в частности, удовлетворительную точность оценочной модели (параметры "модельных" томограмм отличались от аналогичных ха-

Рис.1. Схема геометрии сканирования в РКТ.

рактврястик томограмм соотввгств! -здах фантомов на 5% * 10$).

Предложенная оценочная модель позволяет производить прибли- ' кенные количественные оценки. Она наглядно иллюстрирует структуру сигналов и их погрешностей, связи степени искажений измерений с источниками погрешностей, уровнем поглощения в объекте, положением отсчета в проекции. Поэтому модель послужила основой для постановки экспериментов по определению характеристик устройств измерительных каналов и сканирующей системы, разработки модулей программной коррекции измеренных данных.

Третья глава посвящена математическому моделированию процессов в отдельных устройствах, участвующих в формировании измерений,-"частным" моделям, структурно связанным с моделью общей схемы PKT. Сформулированы принципы построения "частных" моделей, обоснован выбор объектов моделирования. Разработаны три такие модели.

Первая из них моделирует геометрию сканирования: истинные ге-•ометрические характеристики узлов, связанных с формированием отсчетов (см. рис.1), отличаются от своих номинальных значений. Структурирование технологических погрешностей и вызываемых ими отклонений, а таете несущественные расчетные допущения позволили аналитически связать реальные значения параметров с погрешностями изготовления и сборки, а именно:

- координаты фокусного пятна <р{, г{, хп<п Хпах ymln t. Umax I с погрешностями юстировки излучателя Дфюстар. АгЮСтир* ^¿¿тир- Ла/юсгир по соответствующим степеням свободы ( Ла^^ отражает угловую котировочную погрешность относительно оси вращения анода), с погрешностью изготовления позиционной шкалы Дср{, с радиальными и торцевыми (на удалении г) биениями планшайбы Лг{ и AZ{, радиальными и осевыми бдениями анода Аг|' ( величины

биений в свою очередь выражаются через допуска на изготовление и монтаж соответствующих узлов и их текущие угловые координаты);

- геометрические характеристики коллиматора слоя 1С шЫ tJ,

2с тлх 1} с Допуска*® на величину Ь и номинальный размер щели Ь -

¿1^, Д!^, с торцевыми биениями планшайбы (на удалении I для

угла а^), связанными с допусками аналогично LZ., с линейными е1,

е2, е3 и угловыми йк1, В^ погрешностями установки коллиматора на

планшайбе, с угловой мерой непараллельности щек коллиматора с

величинами Аги„__, Ах''Да_„.„ . М,, ЛгАх:*;

юстир юстир' /юстир I /{ {

Л Л

- координаты входных окон детекторов аР^, Уш1п утах } с погрешностями углового деления установочных элементов Да-, с радиальными АИ^ и угловыми Л^J погрешностями установки блока, погрешностями шага между детекторами в блоке, с погрешностями выполнения ширины коллимационного окна погрешностями окружного Ла^ и радиального ДН^ размещения детекторов внутри блока. Одиночные детекторы рассматриваются как частный случай блока.

Вторая модель описывает переходные процессы в рентгснопитаю-щем устройстве (РПУ) с электромашинным преобразователем частоты и управлением анодным напряжениям по первичной стороне.

В целях получения характерных для "частной" модели конечных итоговых соотношений введены некоторые упрощения традиционных расчетных схем. Во-первых, при отображении работы устройств РПУ в используемой схеме замещения (она показана на рис.2) приняты следую-

«

щие допущения: сопротивление нагрузки для конечных временных интервалов принимается линейным; сопротивление выпрямителей в прямом включении считается постоянным, в обратном - равным бесконечности; коэффициент трансформации считается постоянным; в схему замещения не включена эквивалентная индуктивность рассеяния трансформатора и других устройств РПУ; генератор "совмещен" с выпрямителем, то есть циклограмма £г имеет вид, характерный для трехфазной мостовой схемы выпрямления; при описании работа электрических машин использованы линеаризованные соотношения, не учитывающие второстепенные

Рис.2. Схема замещения РПУ с электромашинннм преобразователем частоты.

для данного случая эффекты. Указанные допущения позволяют описать работу РПУ системой линейных дифференциальных уравнений (не выше 2-го порядка). Во-вторых, при интегрировании полученной системы уравнений ток в обмотке возбуждения генератора iOB с момента подключения нагрузки считается постоянным, а при вычислении пульсаци-онных составляющих принято постоянство частоты вращения ротора ш.

Таким образом, модель дает аналитические временные зависимости i , и, э.д.с. и тока генератора ег и 1р. анодного напряжения и тока Ъ'а и 1а для всего периода активной работы РПУ при принятом законе регулирования U0B (сами зависимости и их вывод приведены в Приложении 2). Данные зависимости позволяют представить изменения параметров как в режиме холостого хода, так и после подключения нагрузки, дают методическую возможность учета нелинейности сопротивления нагрузки, описывают пульсации 1г, üa, 1а в период экспозиции. В главе подробно рассмотрена методика идентификации предложенной модели, проанализирована связь параметров элементов схемы замещения с характеристиками приборов РПУ.

Третья "частная" модель дает описание,динамики энергопреобразований в твердотельных сцинтилляторах на основе теории люминесцентного высвечивания дискретными центрами. В диссертации предлагается следующая формулировка модели:

cK.(î) <

—5-= A, 'R(t) - 1 -К (t)

dt 1 т< 1

S(t) = A_-R(t)+ ji .K.(t) u 1=1*ч 1

с естественным начальным условием К{(С) = 0. Здесь: R(î) - интенсивность падающего рентгеновского излучения, S(t) - интенсивность свечения сцинтиллятора; K{(t) - число возбужденных центров (-го типа, а - средняя длительность их возбужденного состояния, А{ -коэффициент, характеризующий эффективность поглощения рентгеново-

кого излучения центрами i-ro типа п/и возбуждении, { = 0, 1.....M

(принято, что "быстрые" центры безинерционно отслеживают R(t) -это отражено в последнем уравнении слагаемым AQ • R ( t ) ).

Модель используется е случае применения в РКТ сцинтилляторов с заметным остаточным послесвечением ("фотопамятью") для коррекции эффекта: вычисления R(t) по S(î) и известным параметрам модели а,, ...,0ц; т1Р...,ты; M (at = At/A0). Показано, что задача идентификации модели - определения ее параметров (характеристик фотопамяти сцинтилляторов) - формулируется как задача минимизации функционала на множестве функций S(t). Для ее решения на детектор подается сигнал R(t) такой формы, чтобы, с одной стороны, легко строилась модельная зависимость S(t) от (а{), (т(), a с другой - втот сигнал просто реализовывался на РКТ с получением экспериментальных данных; после этого параметры модели подбираются в процессе аппроксимации экспериментальных данных теоретической зависимостью. Параметр M подбирается так, чтобы при переходе от M к Ы+1 разница значений функционалов в точках минимума имела порядок "шума" эксперимента; число экспериментальных точек итеративно подбиралось из условия достижения требуемого качества коррекции.

Рассмотрены сферы применения "частных" моделей в структуре диссертационных задач: разработка методик экспериментов, определение характеристик устройств, оптимизация параметров их работы.

В четвертой главе освещается комплекс проблем, связанных с экспериментальными исследованиями характеристик устройств и процессов, участвующих в. формировании томографических измерений, и вносимых в измерения искажений.

Представлены технико-экономические обоснования целесообразности проведения экспериментов по определению характеристик измерительных систем непосредственно на РКТ (натурных экспериментов). Описано созданное аппаратное и программное обеспечение эксперимен-

тов, обоснована основные принципы разработки этого обеспечения н возможности его интеграции в штатный комплект томографа.

Приведены основные результаты экспериментальных исследований и их анализ. В частности:

- даны обобщенные экспериментальные характеристики устройств измерительных каналов (Л°{, а, коэффициенты энергопреобразований детекторов ^¡у). отражающие уровни типичных значений параметров и динамику их изменения; представлены результаты экспериментальных оценок нестабильности интенсивности излучения рентгеновских. трубок трех типов: 4БДМ12-140, 30БД27-140, БШБ0/30/50о; приведены и проанализированы экспериментальные данные по величинам нестабильности скорости перемещения излучателя в томографах 11-17 поколений и погрешностям позиционных шкал РКТ для различных типов приводов и систем позиционирования;

- произведена классификация причин пространственной неоднородности интенсивности излучения для РКТ II-IV поколений, проиллюст-р1фОванная экспериментальными материалами; эмпирически обоснована целесообразность осреднения корректирующих проекций;

- проанализированы искажения проекций, связанные с полихроматизмом излучения, при сканировании гомогенных структур; представлены характеристики неоднородности вычисленных величин рентгеновских плотностей Н по полю фантомов, имитирующих тело и голову человека;

- приведены экспериментальные характеристики послесвечения твердотельных сцинтилляторов типа С&Г для £00 кристаллов и обоснован выбор числа экспонент для их точного представления (три).

Показаны пути использования экспериментальных исследований для нужд практической эксплуатации РКТ, создания и доводки отдельных устройств и систем: для разработки методик оперативной диагностики и регламента обслуживания, модификации схем заземлений, модернизации детекторных блоков, доводки РПУ и выбора типа рентге-

новских трубок, определения концепции построения позиционных жал и приводов главного движения (некоторые примеры разработок конкретных устройств и методик приведены в Приложении 3).

Описаны разработанные и использованные автором методики проведения экспериментог и алгоритмы программной обработки результатов измерений, которые, в основном, непосредственно следуют из результатов математического моделирования. Исключение составляет способ определения характеристик фотопамяти. Для этой цели разработан быстрый и устойчивый метод аппроксимации экспериментальных зависимостей линейной комбинацией экспонент, основанный на модифицированном методе Ньютона. Метод отличается от известных использованием алгоритма автоматического выбора шага (с локальной одномерной минимизацией), применением критерия окончания вычислений, основанного на изменении значений смешанного вектора параметров, упрощением итерационных соотношений благодаря использованным спо-coCrm выбора параметров модели и весов, применением системы огра-ü • • и выравнивания вектора по компонентам. Разработана программа РНМ, реализующая алгоритм данного метода.

В пятой главе обосновывается базирующееся на оценочной модели построение программной коррекции томографических измерений (реконструкции измеренных данных) как независимой параметрической компенсации слагаемых-погрешностей. Представлена структура алгоритма коррекции (для определенности - на примере РКТ IV-ro поколения):

1. Калибровка по воздуху: Q{ = Q( - Qq, Qa - отсчет по воздуху.

2. Выравнивание каналов: Р{ = a-Q(.

3. Коррекция фотопамяти: Р{ = |foí(P, раг)|{. Fot - оператор коррекции; par - вектор параметров ^ютопаклти для данной проекции.

4. Коррекция "диаграммы напраЕ.гэнности" (D{-ee вектор): Р{= Pt+D{.

5. Полиномиальная коррекция полиномом п-ой степени: Pt = Poln(Pt).

6. Переход к геометрии III поколения: Р{ = jcem(P)jt, Gem - опера-

тор приведения геометрии IY поколения к геометрии III поколения. 7. Вычитание обобщенной проекции W{ водяного матфантома: Pt=Pt-W{. Данный порядок коррекций не случаен - он "обратен" последовательности возникновения искажений.

Дан качественный анализ влияния отдельных искажений на параметры томограмм и предложены способы их коррекций: фотопамяти -посредством решения интегральных уравнений Вольтерра 11-го рода методом квадратур (может быть использован и для других динамических процессов, например, при наличии интегрирующих RC-цепей), "диаграммы направленности" - вычитанием обобщенной проекции, полихроматизма - с помощью эмпирически определенной универсальной полиномиальной коррекции (без привлечения дополнительных файлов данных).

Демонстрируются экспериментальные материалы, подтверждающие правильность проведенного анализа, параметрическую и комплексную эффективность программных коррекций и мероприятий по доводке аппаратной части. В рамках проблем снижения уровня аппаратных погрешностей рассматриваются физические аспекты комплексной настройки РКТ (вотировок излучателя, формирования файла дефектных измерительных каналов), предлагаются способы их проведения и контроля.

В заключении изложены основные результаты работы, а в Приложение 4 включены документы об их внедрении.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТУ

1. Систематизированы ранее имевшиеся результаты исследований физических особенностей формирования томографических данных и на этой базе сформулированы актуальные задачи по их дальнейшему развитию. Определены способы и методология решения этих задач.

2.' Разработана концептуальная математическая модель формирования отсчетов, ориентированная на учет реальной геометрии сканирования и неидеальностей измерительных систем, физической природа излучения, могущая служить основой для разработки алгоритма много-

параметрической модели РКТ высокого уровня.

Для решения научно-технических задач предложена оценочная математическая модель формирования томографических данных, пригодная для количественных оценок, выявления качественных тенденций процесса, анализа связей между отдельными явлениями. Ыодель выявляет структуру сигналов и их погрешностей, связь искажений номинальных значений отсчетов с источниками их возникновения - поэтому она является базой для разработки методик определения характеристик элементов измерительных систем РКТ и выбора способов программной коррекции погрешностей. Разработана программа, реализувдая систему соотношений оценочной модели, по которой проведен ряд вычислительных экспериментов.

3. Построена математическая модель геометрии сканирования, учитывающая отклонения от номинальных характеристик непосредственно по заданным технологическим погрешностям.

Получена система аналитических соотношений, описывающая переходные процессы в РПУ с электромашинным преобразователем частоты с учетом пульсаций и . 1а и нелинейности нагрузки, а также методика их идентификации.

Решена задача построения математической модели послесвечения в твердотельных сцинтилляторах и сформулированы критерии определения количества учитываемых типов центров и числа экспериментальных точек при идентификации. Разработан способ идентификации модели и реализующая его алгоритм программа; в более широком смысле данный способ служит оригинальным методом аппроксимации зашумленных экспериментальных зависимостей линейной комбинацией экспонент.

Перечисленные модели использованы при разработке и доводке узлов электромеханических систем, рентгеновского и измерительного комплексов томографов типа СРТ-1000 и СРТ-5000 (определение характеристик узлов и допусков на их изготовление, оптимизация парамет-

ров и циклограмм работы устройств).

4. Обоснована целесообразность проведения натурных экспериментов по определению характеристик измерительных систем РКТ, разработано их методическое, аппаратное, программное обеспечение.

Выполнен комплекс натурных экспериментальных исследований по определению: характеристик устройств измерительных каналов, нестабильности интенсивности рентгеновского излучения и скорости перемещения излучателя, точности позиционной шкалы, пространственной неоднородности интенсивности излучения, неоднородности Н по шлю водонаполненных фантомов вследствие полихроматизма излучения, характеристик послесвечения сцинтилляторов типа Сз«7. Проведен качественный анализ елияния перечисленных факторов на результаты измерений в РКТ, предложен ряд конструктивных решений для минимизации погрешностей.

5. Результаты экспериментальных исследований послужили базой для разработки и доводки ряда устройств СИ1-1000 и СРТ-5000, создания методик оперативной диагностики и регламента обслуживания в клиниках (модификация и модернизация узлов электромеханики, детекторных блоков, позиционной шкалы, схем заземления; доводка рентгеновского комплекса; дефектация и подстройка измерительных каналов). Приведенные фактические материалы представляют интерес для разработчиков новых РКТ и их элементов.

6. Получена и реализована на СРТ-5000 структура алгоритма реконструкции измеренных, данных и способы коррекции отдельных искажений измерений; дан анализ влияния конкретных искажений на параметры томограмм. Экспериментально определены количественные изменения характеристик томограмм, связанные с погрешностями измерений, и степень эффективности предложенных программных коррекций.

7. Основные практические результаты работы внедрены на ряде предприятий МЗТП СССР, МЭП СССР, ® СССР при разработке, производ-

стве и эксплуатации томографов СРТ-1000, СРТ-1000М, СРТ-1010, СРТ-5000. Их внедрение позволило повысить эффективность разработки, изготовления, настройки и эксплуатации названных томографов, провести целенаправленное проектирование и модификацию ряда узлов и программных модулей, в 1,5 + 2,0 раза снизить время подготовки к работе и регламентного обслуживания.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Загнибеда И.Г., Радер Э.И. Экспериментальные исследования и коррекция послесвечения в твердотельных сщштилляторах рентгеновских компьютерных томографов // Тез. докл. IV Всесоюз. симпоз. по вычисл. томографии.- Ташкент, 1989.- С.108-109.

2. A.C. 1312671 СССР. Устройство подвода энергии от неподвижного источника к вращающейся рентгеновской трубке сканирующего томографа / Нестеров В.А., Марков H.A., Радер Э.И. и др. (СССР).-Опубл. 23.05.87, Бюл. Ä19.

3. Особенности конструкции сканирухщей системы томографов СРТ-1000 и СРТ-ЮООМ / Нестеров В.А., Пташкин В.А., Кангер А.Е., Радер Э.И. и др. // Мед. техника.- 1987.- Ш.- С.13-17.

4. Особов И.В., Загнибеда И.Г., Радер Э.И. Программа аппроксимации линейной комбинацией экспонент данных эксперимента по изучению остаточного послесвечения твердотельных сцинтилляторов.- М., 1989.- 24с.- Деп. в ВИНИТИ 28.02.89, » 1396 - В89.

5. A.C. 1474842 СССР. Устройство для измерения перемещения в реальном масштабе времени / Пташкин В.А., Нестеров В.А., Кангер А.Е., Метальников D.H., Радер Э.И., Ранов С.Н. (СССР).- Опубл. 23.04.89, Бюл. JÉ15.

6. Радер Э.И. Математическая модель рентгеновского питающего устройства с электромашинным преобразователем частоты и управлением анодным напряжением по первичной стороне 'для системных задач

компьютерной томографии.- Ы., 1989.- 41с.- Деп. в ВИНИТИ 03.01.89, * 61 - В8Э.

7. Радер Э.И. Оценочная математическая модель процесса формирования измерений в рентгеновском компьютерном томографе.- М., 1989.- 26с.- Деп. в ВИНИТИ 28.02.89, * 1394 - В89.

8. Радер Э.И. Рентгеновская компьютерная томография и актуальные проблемы ее развития.- М., 1989.- 49с.- Деп. в ВИНИТИ 18.05.89, J6 3316 - В89.

9. Радер Э.И. Концептуальная математическая модель формирования измерений в рентгеновском компьютерном томографе // Тез. докл. IV Всесоюз. симпоз. по вычисл. томографии.- Ташкент, 1989,- С.156-157.

10. Экспериментальные исследования характеристик измерительных каналов рентгеновского компьютерного томографа СРТ-5000 / Радер Э.И., Загнибеда И.Г., Нестеров В.А. и др.- М., 1989.- 23с.-Деп. в ВИНИТИ 28.02.89, Я 1395 - В89.

11. Радер Э.И., Особов И.В. Программное обеспечение рентгеновских компьютерных томографов // Мед. техника.- 1989.- ЯЗ.- С.12-18.

12. Радер Э.И., Особов И.В., Загнибеда И.Г. Способ вычисления характеристик послесвечения твердотельных сцинтилляторов рентгеновских компьютерных томографов, основанный на модифицированном методе Ньютона,- М., 1989.-26С.-Деп. в ВИНИТИ 28.02.89, J6 1393 - В89.

13. Резников B.C., Радер Э.И., Загнибеда И.Г. Оценка нестабильности рентгеновского излучения в компьютерном томографе // Мед. техника.- 1989,- JS2-- С.18-22.

14. Резников Б.С., Радер Э.И., Тутов Е.П. Использование рентгеновских трубок е сканирующих вычислительных томографах // Электрон. техника. Сер. "Электровакуум, и газоразряд, приборы".- 1987.-Вып. 2(117).- С.9-13.