Сбор и обработка измерительной информации (стр. 2 из 2)

Рассмотрим теперь рабочий режим, когда в ЭВМ передаются сигналы для формирования изображения. Для этого используются первичные координатные и энергетический сигналы. Однако, прежде, чем попасть в ЭВМ, они проходят довольно сложный путь дополнительной коррекции. Как уже говорилось, эти поправки зависят от координат сцинтилляций и заранее известны. Поскольку поправки нужно вводить в реальном масштабе времени, т. е. немедленно, то эти преобразования выполняют аппаратными средствами (с такой проблемой мы встречались еще при изучении УЗ сканеров). Следовательно, поправочные коэффициенты, с помощью которых вычисляются сами поправки, должны храниться в ПЗУ, а первичные аналоговые сигналы – преобразовываться в цифровую форму.

Дальнейший путь преобразований зависит от типа и характеристик доступной для разработчика и производства элементной базы. В связи с этим надо еще раз заметить, что требуемая скорость передачи сигналов в ЭВМ весьма высока – она достигает 200000 импульсов (байт или слов при цифровой связи) за секунду. Так как эти сигналы приходится передавать на достаточно большое расстояние (несколько метров), то возникают определенные технические трудности при их передаче в цифровой форме. В модели ГКС-301Т они передаются в аналоговом виде, а в ЭВМ преобразуются в цифровую форму с помощью встроенных АЦП. Как видим, первичные аналоговые сигналы проходят многоступенчатое преобразование: сначала в цифровую форму (для вычисления поправок, а также для использования в процедуре накопления спектров), затем – снова в аналоговую – для получения скорректированных сигналов и посылки их в ЭВМ, где еще они раз преобразуются в цифровые.

Коррекция линейных искажений заключается в изменении первичных значений координат X, Y на некоторую величину (поправку) DX и DY, которые являются функциями этих же координат. Для этого используют различные аппроксимации, простейшей из которых является билинейная. При такой аппроксимации поправки вычисляются согласно алгоритму

DX_i = K_1i + K_2iX_i + K_3iY_i + K_4iX_iY_i , (2)

DY_i = K_5i + K_6iX_i + K_7iY_i + K_8iX_iY_i ,

где K_1i, K_2i и т. д. – коэффициенты, которые рассчитывают при настройке при помощи дырчатого фантома; X_i , Y_i – младшие разряды координат.

Далее поправки DX и DY суммируют с исходными сигналами и получают скорректированные координаты

Х_кор = Х + DХ и Y_кор = Y+ DY.

Если эта процедура выполняется в аналоговой форме, то все операнды в уравнениях (2) нужно представить в аналоговом виде. Структурная схема, выполняющая эти преобразования, показана на рис.5.

Первичный аналоговый сигнал Х поступает на УВХ1 и УВХ2 и преобразуется в цифровой код D_X с помощью АЦП_X. Аналогично преобразуется и сигнал Y. Цифровые координаты D_X и D_Y поступают на входы вычислителя поправок, которые на его выходах появляются в аналоговом виде и суммируются с исходными аналоговыми сигналами. Очевидно, что в вычислителе поправок цифровые данные должны быть преобразованы в аналоговые величины. Структурная схема вычислителя поправок приведена на рис.6.

Рисунок 5. Структурная схема линейной коррекции координат.

Преобразования в этом блоке выполняются в соответствии с алгоритмом (2). На ПЗУ (по четыре на каждую координату) подаются старшие разряды координат, по которым извлекаются коэффициенты К1, К2 и т. д. Они умножаются в перемножающих ЦАП на аналоговые величины (U_ОП и др.), причем аналоговые множители, куда входят координатные сигналы и их произведения, формируются с помощью трех отдельных перемножающих ЦАП из младших разрядов и опорных напряжений. Далее отдельные слагаемые суммируют и получают поправку.

Подобным же образом производят и амплитудную коррекцию энергетического сигнала, но по более простому алгоритму

Z_кор = Z +DZ, (3)

где DZ = K_ZZ – поправка, а K_Z – коэффициент, являющийся функцией координат. Как и в случае коррекции координат, этот коэффициент хранится

в ПЗУ и извлекается оттуда по координатным сигналам.

Рисунок 6. Вычислитель поправок координатных сигналов.

Амплитудный селектор (анализатор спектра) служит для регистрации попадания Z-импульсов в заданное энергетическое окно, причем таких окон может быть несколько. Это объясняется тем, что программа работы современных ЭКТ, как правило, содержит мультиизотопный режим, т. е. режим, в котором используются несколько (2 – 3) изотопов с разными энергиями g-квантов. Хотя, по правде говоря, это бывает редко. «Многооконная» селекция реализуется с помощью специальных сдвоенных компараторов (рис.7)

Окно задается двумя уровнями напряжений – верхним (ВУ) и нижним (НУ), причем сами эти уровни формируются с помощью ЦАП, которые управляются кодами изотопов. Z-сигнал одновременно поступает на входы компараторов (инвертирующий и не инвертирующий). Выходной сигнал компаратора поступает на логическое устройство, стробируемое импульсами, которые формируются из тех же самых Z-импульсов, но со сдвигом во времени. Сигнал на выходе появляется только в том случае, если Z-импульс находится в пределах окна. Логическое устройство может иметь несколько выходов, сигналы которых используются для управления вводом информации в ЭВМ и при настройке в режиме осциллоскопа. В качестве компаратора можно использовать микросхему К554СА1 и др.

Знакомясь с устройством ЭКТ, мы постоянно отмечаем насыщенность различных блоков аналоговыми аппаратными средствами, особенно это относится к

Рисунок 7. Амплитудный селектор.

блокам коррекции. АЦП в аппаратной части используются неэффективно – по сути, только для обслуживания адресации ПЗУ с поправочными коэффициентами и для цифровой амплитудной селекции при накоплении спектров. Большое количество ступеней преобразования не может не сказаться на качестве изображения. Разработчики это понимали, но у них не было выбора. Сейчас этот выбор появился в виде новой элементной базы, о которой уже говорилось в главе «Ультразвуковые сканеры». Цифровая элементная база постепенно вытесняет аналоговую и в этой отрасли медицинской интроскопии.

В новой модели эмиссионного томографа ОФЭКТ после интегрирования аналоговых сигналов X, Y, Z и аналоговой коррекции энергетической зависимости X и Y преобразования продолжаются только в цифровой форме. Обобщенная структурная схема цифрового канала измерительной информации изображена на рис.8.

Рисунок 8. Канал аппаратной цифровой обработки.

АЦП Х, Y, Z размещаются в модуле детектора в непосредственной близости от аналоговых источников. Это сводит к минимуму примесь всевозможных помех. Вся цифровая аппаратная часть, занятая преобразованием измерительной информации, находится в модуле ПЭВМ. Цифровые сигналы в нее передаются по хорошо защищенным каналам (экранированные кабели или волоконная оптика) помехоустойчивыми кодами, например, с проверкой на четность.

В модуле коррекции по-прежнему производится коррекция, но только цифровая, линейных и энергетических искажений. Для этого используются те же алгоритмы (2) и (3). Они реализуются аппаратными средствами с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС), например, серии 10K70RC240-3 фирмы ALTERA, цифровых перемножителях и др. Амплитудная селекция выполняется исключительно цифровыми компараторами.

В модуле сбора в зависимости от выбранного режима производятся накопление спектров или формирование матриц изображения. Для ускорения процесса обмена информацией с ЭВМ внутреннее ОЗУ разбито на две части – банка (Банк1 и Банк2). С таким приемом мы уже неоднократно встречались.

Переход к преимущественно цифровой обработке позволяет существенно улучшить качество изображения. Очередь теперь за расширением доли участия цифровой элементной базы в работе детектора, например цифровая коррекция энергозависимости первичных координатных сигналов и др. Не следует забывать, что для управления режимом ФЭУ требуется большое количество АЦП и их буферных регистров. Применение ПЛИС и специализированных микросхем, содержащих в одном корпусе несколько функционально независимых ЦАП, и здесь позволит уменьшить количество плат и улучшить качество работы системы в целом.

Еще раз перечислим возможности современного эмиссионного томографа. Он может работать как гамма-камера в статическом и динамическом режимах. Изображения, которые при этом получают, по традиции называют сцинтиграммами. В динамическом режиме кроме изображения еще строят график накопления –выведения РФП в исследуемой области, т.е. гамма-камера выполняет еще и функции радиометра.

Сканирование всего тела выполняют с целью выявления метастазов в скелете. При этом изображение тела выводится на весь экран в уменьшенном масштабе. Оно разворачивается по мере сканирования, которое производится очень медленно. Для этого в блоке синхронизации развертки координата линейного перемещения, поступающая от специального датчика, суммируется с одной из координат вспышки (например, Х) в системе координат детектора. Координата Y и смещенная координата Х уменьшаются с одинаковым масштабным коэффициентом и передаются в ЭВМ.

В режиме томографирования детекторная головка обходит по орбите ложе пациента. В процессе ее вращения создается несколько кадров изображения. Эти кадры аналогичны проекциям, получаемым при сканировании рентгеновским компьютерным томографом. Однако в отличие от РКТ из кадров изображения ЭКТ можно реконструировать много сечений различной ориентации, как в магнитно-резонансном томографе.