Компьютерная томография как метод рентгеновского исследования

Компьютерная томография (КТ) - метод рентгеновского исследования, основанный на неодинаковой поглощаемости рентгенологического излучения различными тканями организма, в основном используется в диагностике патологий. Компьютерная томография позволяет получить сведения о конфигурации, размерах, расположении и распространенности любого образования, поскольку этот метод дифференцирует по плотности твердые и мягкие ткани.

Существует четыре поколения компьютерных томографов. Каждое последующее поколение компьютерных томографов имело существенно меньшее время реконструкции КТ-изображений и все большую скорость вращения рентгеновской трубки, что позволило ускорить и расширить сферы диагностического применения КТ-исследований.

Спиральная КТ, то есть компьютерная томография четвертого поколения, используется в клинической практике с 1988 года, когда компания Siemens Medical Systems представила первый спиральный компьютерный томограф. Спиральное сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращения гентри, и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль продольной оси сканирования через апертуру гентри.

Самыми крупными компонентами КТ являются устройство для не­посредственного выполнения томограмм (гентри) и стол для па­циента. При вращении гентри происходит вращение входящих в состав гентри источника излучения – рентгеновской трубки и детекторов.

Компьютерные томографы создают цифровое изображение путем измерения интенсивности рентгеновских лучей, прошедших через тело во время вращения рентгеновской трубки вокруг пациента. Коэффициент поглощения веерного пучка рентгеновских лучей в объекте измеряется с помощью набора, состоящего из рентгеновских детекторов в количестве от нескольких сот до нескольких тысяч. Детекторы собирают информацию в каждой из проекций, которая затем оцифровывается и анализируется компьютером. На основе полученных данных компьютер реконструирует поперечное компьютерно-томографическое изображение. Полученные с помощью компьютерной томографии снимки отображают анатомическую структуру объекта в данном сечении.

Рис. 1.1.1 Компьютерный томограф SOMATOM Sensation 64

Типичный размер области исследования (внутренний диаметр гентри) соста­вляет около 50 см, при апертуре гентри равной 70 см. Расстояние от оптического центра вращения до рентгеновской трубки составляет 60 см.

Уже в пер­вых моделях механических систем компьютерных томографов к конструкции механических узлов предъ­являлись очень высокие требования, связанные с обеспечением необ­ходимой точности их перемещений в процессе регистрации данных. Уровень требований к конструкции механических узлов суще­ственно вырос в связи с повышением скорости вращения в современ­ных системах.

Дополнительные технические сложности возникают из-за действия центробежных сил. Чтобы представить, насколько они серьезны, следует учесть, что масса вращающейся части гентри составляет от 400 до 1000кг. Чтобы раскрутить этот массивный узел до скорости 1-2 об/с, используются электродвига­тели, встроенные в основание гентри и обеспечивающие достаточно равномерное движение. Несложно рассчитать величину возникающих при этом центро­бежных сил. Расстояние между рентгеновской трубкой и осью вра­щения обычно составляет 600 мм, а скорость вращения — 2 об/с (360° за 0,5 с), при этом возникает ускорение, равное 9,66 • g, что примерно в десять раз превышает ускорение свободного падения. Для типичной рентгеновской трубки массой 100 кг (вместе с креп­лением) возникает центробежная сила около 10 000 N, которую не­обходимо компенсировать. Из этого следует, что к таким компонентам, как рентге­новская трубка, детектор и система реконструкции изображений, предъявляются очень высокие требования, в том числе и в механи­ческом отношении.

Подача электропитания к рентгеновской трубке и другим компо­нентам вращающейся части гентри, а также прием данных от них осуществляются с помощью кольцевых токосъемников со скользя­щими контактами. Данные с систем регистрации (детекторов) также могут передаваться по оптическим линиям или радио­каналам. Выбор конкретного решения определяется его стоимостью и надежностью.

Привод гентри осуществляется обычно от асинхронного двигателя, к которому предъявляется ряд требований, обусловленных спецификой нагрузки. Во-первых, при статическом характере угловой скорости вращения ротора нагрузочный момент определяется моментом сухого трения и моментом вязкого трения, активный момент отсутствует. Во-вторых, большой динамический момент, обусловленный большим моментом инерции, влияет на уменьшение времени разгона двигателя, которое определяется большим электромагнитным моментом.

Использование частотного регулирования позволяет справиться с перечисленными трудностями, но требует знания закона управления приводом при пуске, обеспечивающего требуемый пусковой момент, ограничение величины пускового тока, снижение потерь, обусловленных реактивными токами.

Для решения вышеперечисленных задач необходимо исследовать динамические характеристики асинхронного управляемого привода методом математического моделирования.