RU2836291C1

RU2836291C1 - Method and system for spectral electron-beam computed tomography

Info

Publication number: RU2836291C1
Application number: RU2024108318A
Authority: RU
Inventors: Игорь Витальевич Бедный; Виктор Николаевич Ещенко; Василий Сергеевич Коротков
Original assignee: Акционерное общество "РЗМ Технологии" (АО "РЗМ Технологии")
Filing date: 2024-03-28
Publication date: 2025-03-12

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: group of inventions relates to spectral computed tomography and can be used both in medicine and in industrial non-destructive testing. Method of spectral electron-beam computed tomography using at least two sources generating beams of electrons directed to a ring-shaped target, is characterized by that generating a control signal, which generates an electric current in the form of a meander, which forms a high-energy electron beam, first by a first source of electrons, which is directed to a first part of the target, then, the second electron source is directed to the second - remaining part of the target, with successive generation of X-rays of high energy level by the first and second parts of the ring-shaped target. Similarly, a beam of low-energy electrons is formed by the first and second sources of electrons, with successive generation of low-energy X-rays by the first and second parts of the ring-shaped target. Position of the beam on parts of the target is changed by magnetic systems which move the electron beam along the entire ring-shaped target. Generated X-ray radiation is directed to the analysed object, with subsequent detection of the reflected X-ray signal of high and low energy levels and reconstruction of the image of the analysed object. System for implementing the method includes a vacuum chamber; at least two electron sources located at the back of the vacuum chamber; annular target located on the front part of the vacuum chamber; magnetic system of rotation, focusing and deflection of electron beams; X-ray output window; detector system; collimator; imaging unit.

EFFECT: providing ultra-short scanning time of the analysed object (not exceeding several tens of milliseconds).

5 cl, 8 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates

Настоящая группа изобретений относится к области спектральной компьютерной томографии и может быть использована как в медицине (в частности, при исследованиях быстропротекающих процессов, таких как исследования сердца или исследования кровотока с контрастированием), так и в области промышленного неразрушающего контроля.The present group of inventions relates to the field of spectral computed tomography and can be used both in medicine (in particular, in studies of fast-moving processes, such as studies of the heart or studies of blood flow with contrast) and in the field of industrial non-destructive testing.

Уровень техникиState of the art

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) построена на принципе получения послойного изображения внутренней структуры исследуемых объектов.X-ray computed tomography (CT) is based on the principle of obtaining a layer-by-layer image of the internal structure of the objects being examined.

Типовой КТ-сканер состоит из рентгеновской трубки, установленной напротив одного или более детекторов. Во время сканирования рентгеновская трубка испускает излучение, которое проходит через исследуемый объект и попадает на один или более детекторов рентгеновского излучения. Сигнал с детекторов преобразуется в данные, которые используются для создания трехмерных изображений объема исследуемого объекта.A typical CT scanner consists of an x-ray tube mounted opposite one or more detectors. During scanning, the x-ray tube emits radiation that passes through the object being scanned and hits one or more x-ray detectors. The signal from the detectors is converted into data that is used to create three-dimensional images of the volume of the object being scanned.

В первых и простейших КТ-сканерах ширина детекторов определяла размер исследуемой области объекта, изображение которой получалось за одно сканирование. Это определяет невозможность таких КТ-сканеров исследовать объекты, ширина которых больше ширины детектора, без организации линейного перемещения (подачи) исследуемого объекта. Перемещение в свою очередь вносит артефакты движения при реконструкции изображений.In the first and simplest CT scanners, the width of the detectors determined the size of the object's area of interest, the image of which was obtained in one scan. This makes it impossible for such CT scanners to examine objects whose width is greater than the detector's width without organizing the linear movement (feed) of the object being examined. The movement, in turn, introduces motion artifacts during image reconstruction.

Большинство современных КТ-сканеров работают по принципу постоянного вращения, при котором рентгеновская трубка и детектор жестко спарены, а их ротационные движения вокруг сканируемой области происходят одновременно с испусканием и регистрацией рентгеновского излучения [Компьютерная томография. Базовое руководство, Второе издание на русском языке, переработанное и дополненное, Матиас Хофер, Мед. Лит., 2008].Most modern CT scanners operate on the principle of continuous rotation, in which the X-ray tube and detector are rigidly coupled, and their rotational movements around the scanned area occur simultaneously with the emission and registration of X-rays [Computer Tomography. Basic Guide, Second Edition in Russian, revised and supplemented, Matthias Hofer, Med. Lit., 2008].

Устройства с вращающимися рентгеновскими трубками имеют физические ограничения, накладываемые механическим вращением. В частности, для медицинских компьютерных томографов скорость вращения ограничивается приблизительно тремя оборотами в секунду, что также вызывает появление артефактов движения при реконструкции изображений.Rotating X-ray tube devices have physical limitations imposed by mechanical rotation. In particular, for medical CT scanners, rotation speed is limited to approximately three revolutions per second, which also causes motion artifacts in image reconstruction.

Развитие КТ-сканеров связано с созданием технических решений, позволяющих отказаться от движущихся частей аппарата, поскольку любые механические перемещения приводят к погрешностям измерений, улучшением качества детектирования рентгеновского излучения и улучшением качества обработки.The development of CT scanners is associated with the creation of technical solutions that make it possible to do away with moving parts of the device, since any mechanical movements lead to measurement errors, improving the quality of X-ray detection and improving the quality of processing.

Одно из усовершенствований рентгеновских трубок связано с применением протяженных анодов, сканируемых электронным пучком. В частности, известна конструкция КТ-сканера со сканирующим пучком электронов (патент US 6735271 B1), предназначенная для сканирования непрерывно движущихся объектов, включающая винтовую или наклонную мишень, коллиматор и детектор.One of the improvements of X-ray tubes is related to the use of extended anodes scanned by an electron beam. In particular, a design of a CT scanner with a scanning electron beam is known (patent US 6735271 B1), intended for scanning continuously moving objects, including a screw or inclined target, a collimator and a detector.

Недостатками данного устройства являются плохое разрешение детектора, соотношение сигнал/шум и пространственное разрешение (С R Peebles, Heart. 2003 Jun; 89(6): 591-594, «Non-invasive coronary imaging: computed tomography or magnetic resonance imaging? »).The disadvantages of this device are poor detector resolution, signal-to-noise ratio and spatial resolution (C R Peebles, Heart. 2003 Jun; 89(6): 591-594, “Non-invasive coronary imaging: computed tomography or magnetic resonance imaging?”).

Современные осевые КТ-сканеры, использующие широкие детекторные линейки, позволяют осуществлять сканирование широких областей, в частности, полной анатомии органов при медицинских исследованиях. В такой традиционной осевой КТ невозможно обеспечить полную выборку, что приводит к искажениям. Недостаток в данных может быть теоретически или математически определен и уменьшен посредством использования двух рентгеновских источников в стереоскопической конфигурации и объединения распознанных данных (патент RU 2429467).Modern axial CT scanners using wide detector arrays allow scanning of wide areas, in particular the complete anatomy of organs in medical examinations. In such traditional axial CT, it is impossible to provide a complete sample, which leads to distortions. The lack of data can be theoretically or mathematically determined and reduced by using two X-ray sources in a stereoscopic configuration and combining the recognized data (patent RU 2429467).

Из уровня техники известны устройства для получения рентгеновского изображения со сканирующим пучком электронов. В частности, известен электронно-лучевой сканер (патент US 8530849), включающий стационарный источник, генерирующий пучок электронов, детектор и мишень, расположенную концентрично по окружности. Кроме того, может также использоваться вторая мишень и второй источник электронов.The prior art discloses devices for obtaining an X-ray image with a scanning electron beam. In particular, an electron beam scanner is known (patent US 8530849), which includes a stationary source generating an electron beam, a detector and a target located concentrically around a circle. In addition, a second target and a second electron source can also be used.

Однако известное устройство, как и большинство КТ-сканеров с одним источником рентгеновского излучения, работает на одной энергии, что не позволяет определять различное поглощение рентгеновского излучения разными материалами и проводить спектральный анализ в рамках одного сканирования.However, the known device, like most CT scanners with a single X-ray source, operates on a single energy, which does not allow determining the different absorption of X-rays by different materials and performing spectral analysis within a single scan.

Известны способы и устройства для реализации спектральной компьютерной томографии. Например, из заявки на выдачу патента US 20120236987 известен многоканальный КТ-сканер, имеющий матрицу детекторов, которая содержит два типа детекторов, отличающихся по своему спектральному отклику. Сканер предназначен для генерации изображений, связанных с различными энергетическими спектрами рентгеновского излучения.Methods and devices for implementing spectral computed tomography are known. For example, from the patent application US 20120236987, a multichannel CT scanner is known, which has a detector matrix, which contains two types of detectors, differing in their spectral response. The scanner is designed to generate images associated with different energy spectra of X-ray radiation.

Из заявки RU 2009108306 известны также устройство и способ для спектральной компьютерной томографии, основанные на измерении энергии посредством детектора и сумматора, который объединяет полученные измерения энергии. Из патента US 5966422 известна реализация компьютерной томографической системы с несколькими отдельными рентгеновскими источниками на одном гентри, что позволяет получать комбинированные изображения. В патенте RU 2505268 описано устройство для спектральной компьютерной томографии с поворотным гентри, в котором энергия рентгеновской трубки поочередно переключается между двумя разными уровнями анодного напряжения в течение процедуры визуализации, и используется двухслойная детекторная матрица с энергетическим разрешением.The application RU 2009108306 also discloses a device and method for spectral computed tomography based on energy measurement by means of a detector and a combiner that combines the obtained energy measurements. The patent US 5966422 discloses an implementation of a computed tomography system with several separate X-ray sources on one gantry, which allows obtaining combined images. The patent RU 2505268 describes a device for spectral computed tomography with a rotating gantry, in which the energy of the X-ray tube alternately switches between two different anode voltage levels during the imaging procedure, and a two-layer detector matrix with energy resolution is used.

Из патента RU 2694331 известен способ двухэнергетической томографии в коническом пучке и схема устройства двухэнергетического детектора. Способ включает формирование посредством рентгеновского аппарата направленного потока рентгеновского излучения через тело пациента, разделение прошедшего сквозь область тела пациента излучения на низкоэнергетическую и высокоэнергетическую составляющие рентгеновского спектра посредством фильтра, регистрацию прошедшего излучения на плоскопанельном детекторе рентгеновского излучения, обработку данных с детектора после завершения экспонирования и получения томограммы. При этом разделение низкоэнергетической и высокоэнергетической составляющих рентгеновского спектра, поглощенного в детекторе, происходит благодаря тому, что профиль системы фильтрации прошедшего излучения создает такой поток излучения, что часть пикселей детектора регистрирует излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, а другая половина пикселей регистрирует излучение, прошедшее через фильтр. Комбинация четырех рядом стоящих пикселей состоит из двух пикселей, регистрирующих излучение, не взаимодействовавшее с фильтром, и двух пикселей, регистрирующих излучение, прошедшее через фильтр.A method for dual-energy tomography in a conical beam and a diagram of a dual-energy detector device are known from patent RU 2694331. The method includes forming a directed flow of X-ray radiation through the patient's body using an X-ray apparatus, separating the radiation that has passed through the patient's body into low-energy and high-energy components of the X-ray spectrum using a filter, recording the transmitted radiation on a flat-panel X-ray detector, and processing data from the detector after exposure is complete and a tomogram is obtained. In this case, the separation of the low-energy and high-energy components of the X-ray spectrum absorbed in the detector occurs due to the fact that the profile of the filtering system for the transmitted radiation creates such a radiation flow that some of the detector pixels record radiation that has not interacted with the filter, and the other half of the pixels record radiation that has passed through the filter. A combination of four adjacent pixels consists of two pixels recording radiation that has not interacted with the filter and two pixels recording radiation that has passed through the filter.

Из патента RU 2738115 известен способ рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов. Сущность изобретения заключается в том, что на объект предварительно наносят систему рентгеноконтрастных реперов, проводят рентгенографию объекта вместе с реперами, по искажению проекций реперов на детекторе в разных ракурсах определяют геометрию облучения и после преобразования программным путем координат прямых на детекторах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта, при этом облучение объекта проводят импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимированно, и регистрируют только одним детектором.A method for X-ray computed tomography of fast processes is known from patent RU 2738115. The essence of the invention is that a system of radiopaque reference marks is first applied to the object, radiography of the object together with the reference marks is performed, the geometry of the irradiation is determined by the distortion of the reference mark projections on the detector in different angles, and after the coordinates of the straight lines on the detectors corresponding to the examined section of the object are transformed by software into arcs of a circle with the center in the middle of the object, a tomographic image of the section of interest of the object is reconstructed using standard programs for fourth-generation tomographs, wherein the irradiation of the object is performed by pulsed synchronized X-ray sources simultaneously in different angles, and the radiation of each source is strictly collimated and recorded by only one detector.

Однако известные решения не обеспечивают проведение ультрабыстрого (за время порядка нескольких десятков миллисекунд) спектрального анализа исследуемого объекта.However, known solutions do not provide for ultra-fast (within a time of several tens of milliseconds) spectral analysis of the object under study.

Технической проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа и системы для рентгеновской электронно-лучевой компьютерной томографии с по меньшей мере двумя источниками излучения и детекторной системой на основе детекторов одного типа, без механического вращения, которые обеспечивают проведение ультрабыстрого спектрального анализа исследуемого объекта (за время, не превышающее нескольких десятков миллисекунд).The technical problem that the present invention is aimed at solving is the creation of a method and system for X-ray electron beam computed tomography with at least two radiation sources and a detector system based on detectors of the same type, without mechanical rotation, which ensures the performance of ultra-fast spectral analysis of the object under study (in a time not exceeding several tens of milliseconds).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Техническим результатом является создание способа и системы для рентгеновской электронно-лучевой компьютерной томографии с по меньшей мере двумя источниками излучения и детекторной системой на основе детекторов одного типа, которые обеспечивают сверхмалое время сканирования исследуемого объекта (не превышающее нескольких десятков миллисекунд). The technical result is the creation of a method and system for X-ray electron beam computed tomography with at least two radiation sources and a detector system based on detectors of the same type, which ensure an ultra-short scanning time of the object being examined (not exceeding several tens of milliseconds).

Группа изобретений обеспечивает проведение спектрального анализа при генерации рентгеновского излучения с разной энергией при независимой работе двух и более источников электронов и может быть использована при исследовании быстротекущих процессов, таких как исследование сердца в медицине или исследование кровотока при контрастировании.The group of inventions ensures the implementation of spectral analysis during the generation of X-ray radiation with different energies with independent operation of two or more electron sources and can be used in the study of fast-moving processes, such as the study of the heart in medicine or the study of blood flow with contrast.

Технический результат достигается за счет создания способа спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии с использованием по меньшей мере двух источников, генерирующих пучки электронов (электронных пушек), направленных на кольцеобразную мишень, согласно которому формируют управляющий сигнал, обеспечивающий генерацию электрического тока в виде меандра, формирующего пучок электронов высокого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения высокого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени; аналогично формируют пучок электронов низкого уровня энергии сначала первым источником электронов, который направляют на первую часть мишени, затем вторым источником электронов, который направляют на вторую - оставшуюся часть мишени, с последовательной генерацией рентгеновского излучения низкого уровня энергии первой и второй частями кольцеобразной мишени. При этом положение пучка на частях мишени изменяют магнитными системами, обеспечивающими перемещение пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени. Сгенерированное рентгеновское излучение направляют на исследуемый объект (через щель-коллиматор), с последующим детектированием отраженного сигнала рентгеновского излучения высокого и низкого уровней энергии и реконструкцией изображения исследуемого объекта (в блоке формирования изображения).The technical result is achieved by creating a method for spectral electron-beam computed tomography using at least two sources generating electron beams (electron guns) directed at a ring-shaped target, according to which a control signal is formed that ensures the generation of an electric current in the form of a meander that forms a high-energy electron beam, first by the first electron source, which is directed at the first part of the target, then by the second electron source, which is directed at the second - remaining part of the target, with sequential generation of high-energy X-ray radiation by the first and second parts of the ring-shaped target; similarly, a low-energy electron beam is formed, first by the first electron source, which is directed at the first part of the target, then by the second electron source, which is directed at the second - remaining part of the target, with sequential generation of low-energy X-ray radiation by the first and second parts of the ring-shaped target. In this case, the beam position on the target parts is changed by magnetic systems, ensuring the movement of the electron beam along the entire ring-shaped target. The generated X-ray radiation is directed to the object under study (through a collimator slit), with subsequent detection of the reflected signal of high- and low-energy X-ray radiation and reconstruction of the image of the object under study (in the image formation unit).

Согласно предлагаемому способу, время перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени составляет не более 30 мс, генерацию электрического тока, формирующего пучки электронов высокого и низкого уровней энергии, осуществляют посредством переключение соответствующих уровней анодного напряжения за время, не превышающее 50 мкс.According to the proposed method, the time of movement of the electron beam along the entire ring-shaped target is no more than 30 ms, the generation of electric current, forming electron beams of high and low energy levels, is carried out by switching the corresponding levels of anode voltage in a time not exceeding 50 μs.

В частном варианте реализации изобретения высокий и низкий уровни энергии пучков электронов формируют за счет переключения соответствующих уровней анодного напряжения, значения которых отличаются не менее чем на 20 кВ, предпочтительно, не менее чем на 40 кВ.In a particular embodiment of the invention, high and low energy levels of electron beams are formed by switching the corresponding levels of anode voltage, the values of which differ by at least 20 kV, preferably by at least 40 kV.

Технический результат достигается также за счет создания системы для проведения спектральной электронно-лучевой компьютерной томографии, включающей вакуумную камеру; по меньшей мере два источника электронов, расположенных на задней части вакуумной камеры, выполненные с возможностью поочередной генерации сначала пучков электронов высокого уровня энергии, затем пучков электронов низкого уровня энергии; кольцеобразную мишень, расположенную на передней части вакуумной камеры и предназначенную для облучения первой части мишени - первым источником электронов и второй - оставшейся части, вторым источником электронов, с обеспечением генерации рентгеновского излучение последовательно первой и второй частями мишени; магнитную систему вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков, выполненную с возможностью последовательного изменения положения пучка электронов на соответствующей части кольцеобразной мишени с обеспечением перемещения пучка электронов вдоль всей кольцеобразной мишени за один цикл сканирования; окно выхода рентгеновского излучения, выполненное с обеспечением распространения рентгеновского излучения на исследуемый объект; детекторную систему, выполненную с возможностью детектирования отраженного сигнала рентгеновского излучения низкого и высокого уровней энергии; коллиматор, расположенный между мишенью и детекторной системой; блок формирования изображения, выполненный с возможностью реконструкции изображения исследуемого объекта.The technical result is also achieved by creating a system for performing spectral electron-beam computed tomography, including a vacuum chamber; at least two electron sources located on the rear part of the vacuum chamber, configured to alternately generate first high-energy electron beams, then low-energy electron beams; an annular target located on the front part of the vacuum chamber and intended for irradiating the first part of the target - the first electron source and the second - the remaining part, the second electron source, with ensuring the generation of X-ray radiation sequentially by the first and second parts of the target; a magnetic system for rotating, focusing and deflecting electron beams, configured to sequentially change the position of the electron beam on the corresponding part of the annular target with ensuring the movement of the electron beam along the entire annular target in one scanning cycle; an X-ray exit window configured to ensure the propagation of X-ray radiation to the object under study; a detector system capable of detecting a reflected signal of low and high energy X-ray radiation; a collimator located between the target and the detector system; an image forming unit capable of reconstructing an image of the object being examined.

При этом генерацию пучков электронов высокого и низкого уровней энергии реализуют с использованием источника высоковольтного питания с многоуровневым модулятором.In this case, the generation of electron beams of high and low energy levels is realized using a high-voltage power source with a multi-level modulator.

Количество частей мишени, предназначенных для облучения источником электронов, предпочтительно, соответствует количеству источников электронов.The number of target parts intended to be irradiated by the electron source preferably corresponds to the number of electron sources.

Предлагаемая группа изобретений обеспечивает пропорциональное увеличение скорости сканирования исследуемого объекта при синхронизации развертки электронных пучков по дугообразным секциям мишени, а также пропорциональное уменьшение длины траектории электронных пучков и, соответственно, уменьшение линейных размеров системы вдоль оси сканирования. За счет увеличения поля сканирования (поля обзора) и уменьшения времени развертки рентгеновского излучения предлагаемый способ может быть использован при сканировании движущихся объектов в режиме реального времени. При этом использование не менее двух источников рентгеновского излучения, которые способны работать на разных уровнях энергии, позволяет проводить спектральный анализ исследуемого объекта за счет различного поглощения рентгеновского излучения структурно разными материалами.The proposed group of inventions provides a proportional increase in the scanning speed of the object under study when synchronizing the scanning of electron beams along the arc-shaped sections of the target, as well as a proportional decrease in the length of the electron beam trajectory and, accordingly, a decrease in the linear dimensions of the system along the scanning axis. Due to the increase in the scanning field (field of view) and the decrease in the scanning time of the X-ray radiation, the proposed method can be used when scanning moving objects in real time. In this case, the use of at least two X-ray sources that are capable of operating at different energy levels allows for spectral analysis of the object under study due to the different absorption of X-ray radiation by structurally different materials.

Таким образом, группа изобретений реализует принцип сканирующей электроннолучевой компьютерной томографии, за счет чего обеспечивает высокую скорость работы, позволяет уменьшить длину электронного тракта за счет применения нескольких источников электронов, обеспечивая при этом проведение спектрального анализа за счет генерации рентгеновского излучения несколькими независимыми друг от друга источниками электронов при различных уставках анодного напряжения.Thus, the group of inventions implements the principle of scanning electron beam computed tomography, due to which it ensures high operating speed, allows to reduce the length of the electron path due to the use of several electron sources, while ensuring the implementation of spectral analysis due to the generation of X-ray radiation by several electron sources independent of each other at different anode voltage settings.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Группа изобретений иллюстрируется чертежами и графиками, гдеThe group of inventions is illustrated by drawings and graphs, where

на Фиг. 1 представлен общий вид источника рентгеновского излучения для ультрабыстрой спектральной компьютерной томографии, содержащей два источника электронов (пушки), присоединенные к вакуумной камере, установленной на опорной раме;Fig. 1 shows a general view of an X-ray source for ultrafast spectral computed tomography, containing two electron sources (guns) connected to a vacuum chamber mounted on a support frame;

на Фиг. 2 представлен вариант выполнения кольцеобразной мишени, составленной из металлических пластин для генерации рентгеновского излучения (системы мишеней), установленной на плите охлаждения;Fig. 2 shows a variant of the implementation of a ring-shaped target, composed of metal plates for generating X-ray radiation (target system), installed on a cooling plate;

на Фиг. 3 - общий вид плиты охлаждения со стороны каналов охлаждения;Fig. 3 - general view of the cooling plate from the side of the cooling channels;

на Фиг. 4 - общий вид источника рентгеновского излучения, где показаны вакуумная камера, опорная рама, источники электронов, магнитная система вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков, окно выхода рентгеновского излучения;Fig. 4 is a general view of the X-ray source, showing the vacuum chamber, support frame, electron sources, magnetic system for rotation, focusing and deflection of electron beams, and X-ray exit window;

на Фиг. 5 - опорная рама с установленной вакуумной камерой, каркас детекторной системы, коллиматор;Fig. 5 - a support frame with an installed vacuum chamber, a detector system frame, a collimator;

на Фиг. 6 - схема реализации многоуровневого модулятора;Fig. 6 - diagram of the implementation of a multilevel modulator;

на Фиг. 7 - общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа, реализованного с использованием заявляемой группы изобретений, с необходимым для его работы оборудованием;Fig. 7 is a general view of an electron beam computed tomograph, implemented using the claimed group of inventions, with the equipment necessary for its operation;

на Фиг. 8 - пример временной диаграммы процесса двухэнергетического сканирования в соответствии с предлагаемым способом.Fig. 8 is an example of a time diagram of the dual-energy scanning process in accordance with the proposed method.

Позициями на чертежах обозначены:The following positions are indicated on the drawings:

1 - вакуумная камера; 2 - источник электронов; 3 - опорная рама; 4 - мишень для генерации рентгеновского излучения; 5 - теплопроводящий блок мишени; 6 - часть мишени (секция), предназначенная для облучения первым источником электронов; 7 - часть мишени (секция), предназначенная для облучения вторым источником электронов; 8 - магнитная система вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков; 9 - окно выхода рентгеновского излучения; 10 - каркас детекторной системы; 11 - плита охлаждения; 12 - каналы в плите охлаждения; 13 - охлаждающая секция; 14 - коллиматор; 15 - гентри; 16 - стол пациента; 17 - система распределения питания; 18 - система питания и накопления электроэнергии; 19 - высоковольтный источник питания; 20 - электроника управления разверткой пучка; 21 - система компьютерного управления; 22 - блок, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных (блок формирования изображения); 23 - чиллер; 24 - электрокардиограф.1 - vacuum chamber; 2 - electron source; 3 - support frame; 4 - target for generating X-ray radiation; 5 - heat-conducting block of the target; 6 - part of the target (section) intended for irradiation by the first electron source; 7 - part of the target (section) intended for irradiation by the second electron source; 8 - magnetic system for rotation, focusing and deflection of electron beams; 9 - X-ray exit window; 10 - detector system frame; 11 - cooling plate; 12 - channels in the cooling plate; 13 - cooling section; 14 - collimator; 15 - gantry; 16 - patient table; 17 - power distribution system; 18 - power supply and energy storage system; 19 - high-voltage power source; 20 - beam scan control electronics; 21 - computer control system; 22 - block including data collection system and data reconstruction system (image formation block); 23 - chiller; 24 - electrocardiograph.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Ниже представлено более детальное описание реализации заявляемой группы изобретений, которое не ограничивает объем притязаний изобретений, а демонстрирует возможность их осуществления с достижением заявляемого технического результата.Below is a more detailed description of the implementation of the claimed group of inventions, which does not limit the scope of the claims of the inventions, but demonstrates the possibility of their implementation with the achievement of the claimed technical result.

Система для осуществления спектральной компьютерной томографии включает устройство для генерации рентгеновского излучения (узел формирования рентгеновского пучка пирамидальной формы), детекторную систему, коллиматор и электронный блок управления, выполненный с возможностью регулировки подачи напряжения на устройство для генерации рентгеновского излучения и съема информации с детекторной системы.A system for performing spectral computed tomography includes a device for generating X-ray radiation (a unit for forming a pyramidal X-ray beam), a detector system, a collimator, and an electronic control unit designed with the ability to regulate the supply of voltage to the device for generating X-ray radiation and reading information from the detector system.

При этом устройство для генерации рентгеновского излучения включает установленную на опорной (несущей) раме 3 вакуумную камеру 1, на переднем конце которой установлена кольцеобразная мишень 4 (или система мишеней) для генерации рентгеновского излучения, а на задней части камеры по меньшей мере два источника электронов 2 (электронные пушки), питаемые от высоковольтного источника напряжения 19, каждый из которых создает пучок электронов с заданной кинетической энергией и необходимой конфигурацией. При этом вакуумная камера 1 представляет собой сварную несущую конструкцию из нержавеющей стали, которая имеет экранировку от рентгеновского излучения и обеспечивает сверхвысокий вакуум от 10^-5 до 10^-9 Па, который необходим для формирования электронного пучка. Устройство также включает магнитную систему 8 вращения, фокусировки и отклонения электронных пучков (магнитную систему отклонения и управления разверткой электронного пучка для каждого источника электронов), и окна 9 выхода рентгеновского излучения, ограничивающие распространение рентгеновского излучения (обеспечивающие распространение рентгеновского излучения только на исследуемый объект). Упомянутая магнитная система содержит размещенные на вакуумной камере по меньшей мере одну фокусирующую катушку и несколько отклоняющих катушек для каждого источника электронов, которые поочередно перемещают пучки электронов по дугообразным частям 6 и 7 кольцевой мишени. Отклонение (сканирование) электронного пучка по всей длине мишени обеспечивает количество изображений (проекций), необходимых для формирования трехмерного изображения исследуемой области объекта. Управление фокусировкой и разверткой пучка электронов по мишени осуществляют с помощью источника тока с цифровым управлением. Таким образом, магнитная система обеспечивает управление электронным пучком, коллимацию пучка на мишени, обеспечивает формирование пятна (с требуемым размером) пучка электронов на каждой из используемых для визуализации мишеней, что приводит к генерации рентгеновского излучения в точке фокусировки.In this case, the device for generating X-ray radiation includes a vacuum chamber 1 mounted on a support (carrying) frame 3, on the front end of which a ring-shaped target 4 (or a target system) for generating X-ray radiation is mounted, and on the rear part of the chamber there are at least two electron sources 2 (electron guns) fed from a high-voltage voltage source 19, each of which creates an electron beam with a given kinetic energy and the required configuration. In this case, the vacuum chamber 1 is a welded supporting structure made of stainless steel, which is shielded from X-ray radiation and provides an ultra-high vacuum from 10 ^-5 to 10 ^-9 Pa, which is necessary for forming an electron beam. The device also includes a magnetic system 8 for rotating, focusing and deflecting electron beams (a magnetic system for deflecting and controlling the scanning of the electron beam for each electron source), and X-ray output windows 9, limiting the propagation of X-ray radiation (ensuring the propagation of X-ray radiation only to the object under study). The magnetic system mentioned comprises at least one focusing coil and several deflection coils for each electron source placed on the vacuum chamber, which alternately move the electron beams along the arcuate parts 6 and 7 of the ring target. Deflection (scanning) of the electron beam along the entire length of the target provides the number of images (projections) required to form a three-dimensional image of the object area being examined. Focusing and scanning of the electron beam along the target are controlled using a digitally controlled current source. Thus, the magnetic system provides control of the electron beam, collimation of the beam on the target, and provides formation of a spot (with the required size) of the electron beam on each of the targets used for visualization, which leads to generation of X-ray radiation at the focusing point.

Дугообразную мишень 4, предпочтительно, выполняют из теплопроводящих (например, из меди, графита) блоков 5 (сегментов) с напаянными пластинами из сплава тяжелых металлов (вольфрам, рений и т.д.), ориентированных под разными углами к оси сканирующей рентгеновской трубки и обеспечивающих генерацию рентгеновского излучения. Детекторная система может быть образована набором сцинтилляционных матриц (матриц детекторных элементов, например, 1161 матрица размером 16x32 с размером пикселя 1,06 мм на 1,12 мм), закрепленных на кольцеобразном каркасе 10, снабженном зазором, расположенным напротив окна выхода рентгеновского излучения. В частных вариантах реализации изобретения мишень и детекторная система могут быть выполнены в соответствии с патентом РФ на изобретение №2811066. В частности, мишень 4 может быть сформирована из двенадцати сегментов 5, расположенных с небольшим зазором (около 0,4 мм) друг относительно друга, содержащих основание из теплопроводящего материала, предпочтительно, бескислородной меди высокой проводимости (OFHC), с припаянными пластинами из вольфрам-рениевого сплава, и снабжена системой охлаждения, расположенной со стороны внешней установочной поверхности основания и представляющей собой набор проточных каналов 12 (не менее 7, шириной от 3 до 5 мм и расстоянием между соседними каналами от 13 до 15 мм) для циркуляции охлаждающей среды (охлаждающих ребер) с прямоугольным профилем поперечного сечения, выполненных в кольцеобразной плите охлаждения 11 (толщиной, например, от 21 до 23 мм), и образующих по меньшей мере две охлаждающие секции 13 (Фиг. 3). Каналы системы охлаждения, предпочтительно, расположены параллельно дугообразной мишени на равном расстоянии друг от друга, при этом входные отверстия для охлаждающей жидкости могут быть расположены в центральной части кольца плиты (ее нижней части), а выходные на концах ее широкой части, при этом циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется в двух частях плиты охлаждающих секциях, симметричных относительно вертикальной оси, проходящей через центр кольцеобразной плиты. Углы между вольфрам-рениевыми пластинами кольцеобразной мишени рассчитывают исходя из геометрии расположения источников электронов, мишени, размера окна выхода рентгеновского излучения и расположения детекторов для расширения области захвата исследуемого объекта в рамках проведения одного сканирования. Детекторная система включает в себя фотодатчики, соединенные с аналого-цифровым преобразователем, который выдает цифровое значение, соответствующее количеству энергии рентгеновского излучения, воспринимаемому детекторным элементом, для дальнейшей обработки системой реконструкции данных. Между мишенью и детекторной системой расположен коллиматор 14. В процессе сборки мишень 4 закрепляют на несущей раме 3 с вакуумной камерой 1, на которую также устанавливают каркас 10 с детекторной системой и коллиматор 14 (Фиг. 5).The arc-shaped target 4 is preferably made of heat-conducting (e.g., copper, graphite) blocks 5 (segments) with soldered plates made of heavy metal alloy (tungsten, rhenium, etc.), oriented at different angles to the axis of the scanning X-ray tube and providing generation of X-ray radiation. The detector system can be formed by a set of scintillation matrices (matrices of detector elements, for example, 1161 matrices measuring 16x32 with a pixel size of 1.06 mm by 1.12 mm), fixed on a ring-shaped frame 10, provided with a gap located opposite the X-ray exit window. In particular embodiments of the invention, the target and the detector system can be made in accordance with Russian Federation Patent for Invention No. 2811066. In particular, the target 4 can be formed from twelve segments 5, located with a small gap (about 0.4 mm) relative to each other, containing a base made of a heat-conducting material, preferably oxygen-free high-conductivity copper (OFHC), with soldered plates made of tungsten-rhenium alloy, and provided with a cooling system located on the side of the outer mounting surface of the base and representing a set of flow channels 12 (at least 7, with a width of 3 to 5 mm and a distance between adjacent channels of 13 to 15 mm) for circulation of a cooling medium (cooling fins) with a rectangular cross-sectional profile, made in an annular cooling plate 11 (with a thickness of, for example, from 21 to 23 mm), and forming at least two cooling sections 13 (Fig. 3). The cooling system channels are preferably located parallel to the arc-shaped target at an equal distance from each other, with the inlet openings for the cooling liquid being located in the central part of the plate ring (its lower part), and the outlet openings at the ends of its wide part, with the circulation of the cooling liquid being carried out in two parts of the plate - cooling sections, symmetrical relative to the vertical axis passing through the center of the ring-shaped plate. The angles between the tungsten-rhenium plates of the ring-shaped target are calculated based on the geometry of the arrangement of the electron sources, the target, the size of the X-ray output window and the arrangement of the detectors to expand the area of capture of the object under study within the framework of one scan. The detector system includes photo sensors connected to an analog-to-digital converter, which outputs a digital value corresponding to the amount of X-ray energy perceived by the detector element, for further processing by the data reconstruction system. A collimator 14 is located between the target and the detector system. During assembly, the target 4 is secured to the supporting frame 3 with the vacuum chamber 1, on which the frame 10 with the detector system and the collimator 14 are also installed (Fig. 5).

В предпочтительном варианте реализации система для осуществления спектральной компьютерной томографии включает два источника электронов, при этом мишень представлена двумя дугообразными симметричными участками (частями) 6 и 7, один из которых предназначен для облучения первым источником электронов, а второй вторым источником электронов. В других вариантах осуществления изобретения возможно использование более двух источников электронов и магнитных систем отклонения, работающих последовательно и обеспечивающих развертку пучка электронов по соответствующему отдельному сектору мишени (количество которых соответствует количеству источников электронов и магнитных систем отклонения).In a preferred embodiment, the system for performing spectral computed tomography includes two electron sources, wherein the target is represented by two arc-shaped symmetrical sections (parts) 6 and 7, one of which is intended for irradiation by the first electron source, and the second by the second electron source. In other embodiments of the invention, it is possible to use more than two electron sources and magnetic deflection systems operating sequentially and providing for scanning of the electron beam over the corresponding individual sector of the target (the number of which corresponds to the number of electron sources and magnetic deflection systems).

Окно 9 выхода рентгеновского излучения выполнено из тонкого металла (например, бериллий, тонкая нержавеющая сталь) и является частью вакуумной камеры в области выхода рентгеновского излучения. Область рентгеновского окна расположена напротив мишени и позволяют пучку генерируемого рентгеновского излучения распространяться в исследуемой зоне.The X-ray exit window 9 is made of thin metal (e.g. beryllium, thin stainless steel) and is part of the vacuum chamber in the X-ray exit area. The X-ray window area is located opposite the target and allows the generated X-ray beam to spread in the area under study.

Электронный блок управления выполнен с программным сопровождением, обеспечивающим в зависимости от поставленной задачи регулирование длительности подачи высокого и низкого напряжений на устройство для генерации рентгеновского излучения (рентгеновский излучатель) и порционный съем информации с детектора с заданным координатно-временным шагом.The electronic control unit is implemented with software support, which ensures, depending on the task, regulation of the duration of the supply of high and low voltage to the device for generating X-ray radiation (X-ray emitter) and portioned information retrieval from the detector with a given coordinate-time step.

Питание источника электронов 2 осуществляют с помощью высоковольтного двухканального источника питания 19 (выходное (катодное) напряжение до -140 В относительно «земли», выходная мощность 420 кВт), обладающего независимым источником накала (напряжение накала относительно катода) и независимым модулятором (напряжение модулятора относительно катода) для каждого источника электронов. Низковольтная силовая часть источника питания может включать набор инверторов, каждый из которых тактируется синхронно с равными сдвигами фазы. Регулировка и стабилизация выходного напряжения может происходить за счет фазо-сдвигового ШИМ-управления. Высоковольтная силовая часть источника питания может включать 2 источника высокого напряжения на основе высоковольтных трансформаторов, к выходам которых подключен умножитель напряжения. Быстрое (менее нескольких десятков миллисекунд) переключение уровней анодного напряжения может быть реализовано посредством применения многоуровневых модуляторов.The electron source 2 is powered by a high-voltage dual-channel power source 19 (output (cathode) voltage up to -140 V relative to the "ground", output power 420 kW), which has an independent filament source (filament voltage relative to the cathode) and an independent modulator (modulator voltage relative to the cathode) for each electron source. The low-voltage power section of the power source may include a set of inverters, each of which is clocked synchronously with equal phase shifts. Output voltage regulation and stabilization may occur due to phase-shift PWM control. The high-voltage power section of the power source may include 2 high-voltage sources based on high-voltage transformers, to the outputs of which a voltage multiplier is connected. Fast (less than several tens of milliseconds) switching of the anode voltage levels may be implemented by using multi-level modulators.

Многоуровневый модулятор обеспечивает быстрое ступенчатое формирование прецизионных N уровней постоянного высокого напряжения на нагрузке емкостного характера. Подобное устройство необходимо для быстрого прецизионного переключения режимов работ высоковольтных приборов, например, таких как лазеры, клистроны, источники электронов и другие устройства.The multilevel modulator provides fast stepwise formation of precision N levels of constant high voltage on a capacitive load. Such a device is necessary for fast precision switching of operating modes of high-voltage devices, such as lasers, klystrons, electron sources and other devices.

Конструкция многоуровневого модулятора показана на Фиг. 6. Модулятор состоит из N прецизионных источников напряжения (ИН1 ИНn), обладающих такой пиковой выходной мощностью, чтобы обеспечить изменение уровней напряжений на нагрузке (в описываемой реализации - на управляющем электроде источника электронов) с необходимой скоростью (в частном варианте реализации - 6 кВт); каждый источник формирует независимый уровень напряжения, соответствующий одному из требуемых уровней постоянного высокого напряжения на нагрузке емкостного характера (Zc). Необходимая пиковая выходная мощность источников напряжения может быть обеспечена, например, за счет электрического соединения выхода источника с большой электрической емкостью, или иным способом. Каждый источник напряжения может быть как регулируемым, так и нерегулируемым, в зависимости от решаемых модулятором задач. Выход каждого источника подключен ко входу соответствующего высоковольтного ключа (К1 - Кn). Каждый ключ имеет независимый канал управления (КУ1 - КУn). Каналы управления ключами могут как иметь, так и не иметь гальваническую развязку, быть электрическими, оптическими или основанными на иных принципах работы. Выход каждого ключа подсоединяется к блоку защит и формирования фронта напряжения (БЗФ), который предотвращает аварийное воздействие работы ключей друг на друга, защищает ключи и источники напряжения от аварийных электрических воздействий со стороны нагрузки (Zc), формирует форму и длительность фронта переключения напряжения между уровнями напряжения, а также обеспечивает передачу электрического сигнала с выходов ключей на общий выход многоуровневого модулятора, электрически соединенного с нагрузкой.The design of the multilevel modulator is shown in Fig. 6. The modulator consists of N precision voltage sources (IN1 INn) with such a peak output power as to ensure a change in the voltage levels on the load (in the described implementation - on the control electrode of the electron source) with the required speed (in a particular embodiment - 6 kW); each source forms an independent voltage level corresponding to one of the required levels of constant high voltage on the capacitive load (Zc). The required peak output power of the voltage sources can be ensured, for example, by electrically connecting the source output to a large electrical capacitance, or in some other way. Each voltage source can be either adjustable or unadjustable, depending on the tasks solved by the modulator. The output of each source is connected to the input of the corresponding high-voltage switch (K1 - Kn). Each switch has an independent control channel (KU1 - KUn). The key control channels may or may not have galvanic isolation, be electrical, optical or based on other operating principles. The output of each key is connected to the protection and voltage front generation unit (PVF), which prevents emergency impact of the keys on each other, protects the keys and voltage sources from emergency electrical effects from the load (Zc), forms the shape and duration of the voltage switching front between voltage levels, and also ensures the transmission of an electrical signal from the key outputs to the common output of the multilevel modulator electrically connected to the load.

Источники напряжения (ИН1-ИНn) включаются и начинают вырабатывать электрическое напряжение, значение которого соответствует требуемым уровням выходного напряжения модулятора. Управляющие сигналы через каналы управления (КУ1 - КУn) замыкают или размыкают соответствующие ключи (К1 - Кn) последовательно в том порядке, в котором требуется сформировать уровни напряжения на выходе модулятора. При этом, в каждый момент времени не более одного ключа находится в замкнутом состоянии. За счет большой пиковой выходной мощности источников формирование напряжения на нагрузке происходит достаточно быстро (в данной реализации изобретения не менее 230 вольт за микросекунду). Требуемая величина пиковой выходной мощности источников напряжения определяется требуемым временем переключения уровней напряжения на выходе модулятора и характеристиками нагрузки, такими как электрическое сопротивление и электрическая емкость (в данной реализации изобретения не менее 2 нанофарад). При переключении между уровнями выходного напряжения избыточная энергия из нагрузки может быть диссипирована в элементах ключей и блока защит, или рекуперирована в один или несколько источников напряжения с помощью специальной последовательности включения и выключения соответствующих ключей.The voltage sources (IN1-INn) are switched on and start generating electric voltage, the value of which corresponds to the required levels of the modulator output voltage. The control signals via the control channels (KU1 - KUn) close or open the corresponding keys (K1 - Kn) sequentially in the order in which it is required to form the voltage levels at the modulator output. In this case, at any given moment in time no more than one key is in the closed state. Due to the high peak output power of the sources, the voltage formation on the load occurs fairly quickly (in this embodiment of the invention, not less than 230 volts per microsecond). The required value of the peak output power of the voltage sources is determined by the required time of switching the voltage levels at the modulator output and the characteristics of the load, such as electrical resistance and electrical capacitance (in this embodiment of the invention, not less than 2 nanofarads). When switching between the output voltage levels, excess energy from the load can be dissipated in the elements of the keys and the protection unit, or recovered in one or more voltage sources using a special sequence of switching on and off the corresponding keys.

В реализации высоковольтного источника питания, используемого при осуществлении заявляемого способа двухэнергетического сканирования, может быть использован частный случай многоуровневого модулятора, а именно трехуровневый модулятор. Модулятор меняет режим работы источника электронов от состояния «заперто» (выходное напряжение модулятора -1200 В) до нагрузочных состояний «низкая энергия» (выходное напряжение модулятора +1500…+2000 В) или «высокая энергия» (выходное напряжение модулятора +2000…+3500 В). Время переключения между уровнями напряжений составляет не более 20 мкс по уровням от 10% до 90% и не более 50 мкс по уровням 0.1% и 99.9%, при этом точность и стабильность уровней не хуже 0.1%.In the implementation of the high-voltage power source used in the implementation of the claimed dual-energy scanning method, a special case of a multi-level modulator can be used, namely a three-level modulator. The modulator changes the operating mode of the electron source from the "locked" state (modulator output voltage -1200 V) to the load states of "low energy" (modulator output voltage +1500 ... +2000 V) or "high energy" (modulator output voltage +2000 ... +3500 V). The switching time between voltage levels is no more than 20 μs for levels from 10% to 90% and no more than 50 μs for levels of 0.1% and 99.9%, while the accuracy and stability of the levels is no worse than 0.1%.

Каждая из электронных пушек включает в себя высоковольтные разъемы, которые соединяют электронную пушку с источником питания.Each electron gun includes high voltage connectors that connect the electron gun to a power source.

При выходе из зоны источника пучок электронов попадает в сканирующую трубку через фланец со встроенным электродом для удаления ионов. Данный электрод используется для «перехвата» ионов, перемещающихся из зоны мишени в зону катода, с целью минимизации воздействия таких ионов на поверхность катода и влияния на неоднородность пространственного заряда пучка. Сгенерированный в электронной пушке и прошедший через область электродов для удаления ионов пучок последовательно проходит через элементы магнитной системы, магнитные поля которых фокусируют, отклоняют и вращают пучок в разных направлениях, в зависимости от величины и полярности токов в катушках. В предпочтительном варианте реализации изобретения система магнитного отклонения для каждого из источника электронов включает фокусирующий соленоид (создает первичную фокусировку пучка), две пары дипольных катушек (создают поперечные по отношению к оси пучка магнитные отклоняющие поля, а также квадрупольный момент для создания эллиптического поперечного сечения пучка), угловые квадрупольные катушки для «вращения» эллипса пучка. Управление токами в катушках осуществляют с помощью электроники управления разверткой пучка.When leaving the source zone, the electron beam enters the scanning tube through a flange with a built-in electrode for ion removal. This electrode is used to "intercept" ions moving from the target zone to the cathode zone in order to minimize the impact of such ions on the cathode surface and the effect on the heterogeneity of the beam's spatial charge. The beam generated in the electron gun and passed through the area of the ion removal electrodes sequentially passes through the elements of the magnetic system, the magnetic fields of which focus, deflect and rotate the beam in different directions, depending on the magnitude and polarity of the currents in the coils. In a preferred embodiment of the invention, the magnetic deflection system for each electron source includes a focusing solenoid (creates primary focusing of the beam), two pairs of dipole coils (create magnetic deflection fields transverse to the beam axis, as well as a quadrupole moment to create an elliptical cross-section of the beam), angular quadrupole coils for "rotating" the beam ellipse. The currents in the coils are controlled using beam sweep control electronics.

На Фиг. 7 представлен общий вид электронно-лучевого компьютерного томографа, реализованного с использованием заявляемой группы изобретений, с дополнительным оборудованием, и который включает электронно-лучевой сканер с гентри 15, и связанные со сканером электронный блок управления, выполненный с возможностью регулировки подачи напряжения на устройство для генерации рентгеновского излучения электроннолучевого сканера и съема информации с детектора, систему распределения питания 17, систему питания и накопления электроэнергии 18, высоковольтный источник напряжения 19, чиллер 23. При этом электронный блок управления включает электронику управления разверткой пучка (ЭУРП) 20, систему компьютерного управления 21, блок 22, включающий систему сбора данных и систему реконструкции данных. В состав томографа также входят стол пациента 16, электрокардиограф 24 и пульт управления (не показан). ЭУРП размещена в стандартной стойке и связана с помощью соединительных кабелей с системой распределения питания, системой магнитного отклонения, системой компьютерного управления, системой сбора данных, столом пациента, высоковольтным источником питания, электрокардиографом. ЭУРП обеспечивает подачу электрического тока заданной силы на системы магнитного отклонения с целью управления движением электронного пучка по рентгеновской мишени, синхронизацию всех устройств компьютерного томографа по средствам выдачи сигнала синхронизации на систему сбора данных, стол пациента, высоковольтный источник питания, электрокардиограф. ЭУРП может представлять собой модульную конструкцию, включающую цифровой модуль и аналоговые модули. Цифровой модуль может включать цифровую плату управления, которая осуществляет связь устройства с системой компьютерного управления, управление и контроль состояния ЭУРП, создание сигналов управления магнитным полем каждого магнита, входящего в состав магнитной отклоняющей системы. Цифровая плата также обеспечивает синхронизацию запуска системы сбора данных, управление включением и выключением модулирующих анодов (высоковольтного источника питания). Сигналы управления, созданные цифровой платой, усиливаются на аналоговой плате до требуемых значений по току (с помощью операционного усилителя) для создания магнитных полей в катушке. Аналоговый модуль получает контрольный сигнал с цифрового модуля с требуемой формой и преобразует этот сигнал в требуемый выходной ток на магнитную систему отклонения.Fig. 7 shows a general view of an electron-beam computed tomograph implemented using the claimed group of inventions, with additional equipment, and which includes an electron-beam scanner with a gantry 15, and an electronic control unit connected to the scanner, configured to regulate the voltage supply to the device for generating X-ray radiation of the electron-beam scanner and reading information from the detector, a power distribution system 17, a power supply and energy storage system 18, a high-voltage voltage source 19, a chiller 23. In this case, the electronic control unit includes beam scanning control electronics (BSCE) 20, a computer control system 21, a unit 22 including a data collection system and a data reconstruction system. The tomograph also includes a patient table 16, an electrocardiograph 24 and a control panel (not shown). The electronic power supply unit is located in a standard rack and is connected by means of connecting cables to the power distribution system, magnetic deflection system, computer control system, data acquisition system, patient table, high-voltage power source, and electrocardiograph. The electronic power supply unit provides electric current of a given strength to the magnetic deflection systems in order to control the movement of the electron beam along the X-ray target, synchronization of all devices of the computer tomograph by means of issuing a synchronization signal to the data acquisition system, patient table, high-voltage power source, and electrocardiograph. The electronic power supply unit may be a modular design including a digital module and analog modules. The digital module may include a digital control board that communicates the device with the computer control system, controls and monitors the electronic power supply unit state, and creates signals for controlling the magnetic field of each magnet included in the magnetic deflection system. The digital board also synchronizes the start of the data acquisition system, controls the switching on and off of the modulating anodes (high-voltage power source). The control signals generated by the digital board are amplified on the analog board to the required current values (using an operational amplifier) to create magnetic fields in the coil. The analog module receives the control signal from the digital module with the required shape and converts this signal to the required output current to the magnetic deflection system.

Выбор аппаратного состава системы сбора данных обусловлен геометрическими размерами, количеством детекторных плиток и скоростью системы детекторов. В частном варианте, для обеспечения сбора данных со всех детекторов в системе сбора данных используется 258 плат интерфейсных плиточных (ПИП) на базе энергоэффективных ПЛИС, обеспечивающих пропускную способность более 5 Гб/с. Каждая считывающая плата после сбора данных получает прямой доступ к памяти сервера сбора данных и осуществляет запись собранных данных в память сервера.The choice of the hardware composition of the data collection system is determined by the geometric dimensions, the number of detector tiles and the speed of the detector system. In a particular case, to ensure data collection from all detectors in the data collection system, 258 tiled interface boards (TIB) based on energy-efficient FPGAs are used, providing a throughput of more than 5 Gb/s. After data collection, each reading board receives direct access to the memory of the data collection server and records the collected data in the server memory.

Заявляемый способ спектральной компьютерной томографии осуществляют следующим образом.The claimed method of spectral computed tomography is carried out as follows.

Управляющий сигнал электрического напряжения, генерируемый источником управляющих синхроимпульсов в виде чередования высокого и низкого уровней напряжения, подают на вход импульсного источника тока. При попадании на вход импульсного источника тока высокого уровня напряжения, импульсный источник тока генерирует ток в режиме меандра, подавая последовательно чередующийся высокий и низкий уровни тока на электронную пушку, формирующую пучок электронов высокой энергии при высоком уровне тока и пучок электронов низкой энергии при низком уровне тока, соответственно. При этом пучок электронов, падающий на мишень, вызывает излучение в рентгеновском диапазоне (прохождение электронного луча вдоль мишени генерирует веерные пучки излучения) высокой энергии в случае пучка электронов высокой энергии и рентгеновское излучение низкой энергии в случае пучка электронов низкой энергии. Положение пучка электронов на мишени изменяют магнитными системами 8. Рентгеновское излучение, испускаемое мишенью, проходит последовательно через щель-коллиматор (с формированием конического пучка излучения) и исследуемый объект, падая на детекторную систему, сигнал с которой поступает на блок формирования изображения (систему реконструкции изображений). Блок формирования изображения обеспечивает формирование рентгенографического изображения исследуемого объекта на основе сигналов с детекторной системы.The control signal of electric voltage generated by the source of control synchronizing pulses in the form of alternating high and low voltage levels is fed to the input of the pulse current source. When a high voltage level hits the input of the pulse current source, the pulse current source generates a current in the meander mode, feeding successively alternating high and low current levels to the electron gun, which forms a high-energy electron beam at a high current level and a low-energy electron beam at a low current level, respectively. In this case, the electron beam incident on the target causes radiation in the X-ray range (the passage of the electron beam along the target generates fan beams of radiation) of high energy in the case of a high-energy electron beam and low-energy X-ray radiation in the case of a low-energy electron beam. The position of the electron beam on the target is changed by magnetic systems 8. The X-ray radiation emitted by the target passes successively through the collimator slit (forming a conical radiation beam) and the object being examined, falling on the detector system, the signal from which is fed to the image formation unit (image reconstruction system). The image formation unit ensures the formation of an X-ray image of the object being examined based on signals from the detector system.

В соответствии с предлагаемым изобретением формируют пучки электронов высокого уровня энергии последовательно двумя источниками электронов (пушками) и проводят сканирование по всей длине мишени, затем формируют пучки электронов низкого уровня энергии и повторяют сканирование (например, в соответствии с диаграммой на Фиг. 8). При этом во время одного цикла сканирования с помощью первой электронной пушки формируют пучок электронов высокого уровня энергии, который направляют сначала на первую часть мишени (предназначенную для облучения первым источником электронов), затем формируют пучок электронов высокого уровня энергии с помощью второй электронной пушки, который направляют на оставшуюся часть мишени (предназначенную для облучения вторым источником электронов), с генерацией первой и второй частями кольцеобразной мишени рентгеновского излучения высокого уровня энергии. Затем аналогичным образом повторяют сканирование с помощью пучков электронов низкого уровня энергии, с генерацией первой и второй частями кольцеобразной мишени рентгеновского излучения низкого уровня энергии.In accordance with the proposed invention, high-energy electron beams are formed sequentially by two electron sources (guns) and scanning is performed along the entire length of the target, then low-energy electron beams are formed and scanning is repeated (for example, in accordance with the diagram in Fig. 8). In this case, during one scanning cycle, a high-energy electron beam is formed using the first electron gun, which is first directed at the first part of the target (intended for irradiation by the first electron source), then a high-energy electron beam is formed using the second electron gun, which is directed at the remaining part of the target (intended for irradiation by the second electron source), with the first and second parts of the ring-shaped target generating high-energy X-ray radiation. Then, scanning is similarly repeated using low-energy electron beams, with the first and second parts of the ring-shaped target generating low-energy X-ray radiation.

Таким образом в рамках проведения одного цикла сканирования обеспечивают поочередное перемещение пучков электронов по дугообразным частям мишени 4, обеспечивая тем самым движение источника рентгеновского излучения вокруг исследуемого объекта. По мере движения источника рентгеновского излучения вокруг исследуемого объекта осуществляют регистрацию измеренных значений сигнала в детекторных пикселях и передачу набора этих значений в виде двумерных проекций в блок формирования изображения. По завершению одного полного цикла обращения источника рентгеновского излучения, осуществляют переключение уровня анодного напряжения и процесс сканирования со сбором данных от детектора излучения повторяют.Thus, within the framework of one scanning cycle, the electron beams are alternately moved along the arc-shaped parts of the target 4, thereby ensuring the movement of the X-ray source around the object under study. As the X-ray source moves around the object under study, the measured signal values are recorded in the detector pixels and the set of these values is transmitted in the form of two-dimensional projections to the image formation unit. Upon completion of one full cycle of the X-ray source, the anode voltage level is switched and the scanning process with data collection from the radiation detector is repeated.

Изменение положения пучка на первой части 6 мишени осуществляют первой магнитной системой, состоящей, предпочтительно, из четырех дипольных магнитов, обеспечивающей перемещение пучка вдоль всей первой части мишени, а изменение положения пучка на второй части 7 мишени осуществляют второй магнитной системой, также состоящей из четырех дипольных магнитов и обеспечивающей перемещение пучка вдоль всей второй части мишени. За один цикл сканирования пучок электронов проходит вдоль всей кольцеобразной мишени (всю длину мишени), при этом направление движения пучка электронов может быть реализовано, в частности, следующим образом - начиная с верхней точки мишени до ее нижней точки - для первого источника и, для обеспечения непрерывности развертки, с нижней точки мишени до противоположной верхней точки -для второго источника; или в обратном направлении.The change in the beam position on the first part 6 of the target is carried out by the first magnetic system, consisting, preferably, of four dipole magnets, providing for the beam movement along the entire first part of the target, and the change in the beam position on the second part 7 of the target is carried out by the second magnetic system, also consisting of four dipole magnets and providing for the beam movement along the entire second part of the target. In one scanning cycle, the electron beam passes along the entire ring-shaped target (the entire length of the target), and the direction of movement of the electron beam can be implemented, in particular, as follows - starting from the upper point of the target to its lower point - for the first source and, to ensure the continuity of the scan, from the lower point of the target to the opposite upper point - for the second source; or in the opposite direction.

Коллимированные рентгеновские лучи, испускаемые мишенью, принимаются матрицей детекторов после прохождения через область пациента между мишенью и детектором. Система сбора данных, входящая в состав электронно-лучевого компьютерного томографа, обеспечивает считывание и передачу данных с детекторной системы на сервер сбора данных и осуществляет запись собранных данных в память сервера. Полученные наборы данных двух (или более) циклов сканирования обрабатываются системой реконструкции данных с помощью известных из уровня техники алгоритмов реконструкции (см. например, статьи и библиографии к ним: [1] Spectral Computed Tomography: Fundamental Principles and Recent Developments, Aaron So, PhD, Sawas Nicolaou, MD, Korean J Radiol Jan; 22(1): 86 96; [2] Spectral CT imaging: Technical principles of dual-energy CT and multi-energy photon-counting CT, Joel Greffier et al, Diagnostic and Interventional Imaging Volume 104, Issue 4, April 2023, Pages 167-177), позволяющих получить медицинские рентгеновские 3D-изображения исследуемого объекта, которые затем с помощью алгоритмов сравнения позволяют картировать состав тканей или симулировать изображения объекта при различных значениях анодного напряжения без реального выполнения сканирования с облучением.Collimated X-rays emitted by the target are received by the detector array after passing through the patient area between the target and the detector. The data acquisition system, which is part of the electron beam computed tomograph, provides reading and transmission of data from the detector system to the data acquisition server and records the collected data in the server memory. The obtained data sets of two (or more) scanning cycles are processed by the data reconstruction system using well-known reconstruction algorithms (see, for example, the articles and bibliographies thereto: [1] Spectral Computed Tomography: Fundamental Principles and Recent Developments, Aaron So, PhD, Sawas Nicolaou, MD, Korean J Radiol Jan; 22(1): 86 96; [2] Spectral CT imaging: Technical principles of dual-energy CT and multi-energy photon-counting CT, Joel Greffier et al, Diagnostic and Interventional Imaging Volume 104, Issue 4, April 2023, Pages 167-177), which allow obtaining medical X-ray 3D images of the object under study, which then, using comparison algorithms, allow mapping the composition of tissues or simulating images of the object at different anode voltage values without actually performing scanning with irradiation.

Для оптимизации подбора параметров системы магнитного отклонения, включая расчет токов в соленоиде, квадрупольных и дипольных магнитных катушках, которые обеспечивают необходимую фокусировку пучка, а также размер и ориентацию пятна пучка в произвольной точке мишени, при развертке пучка на мишени, используют, в частности, численное моделирование (метод конечных элементов) и аналитические расчеты на основе матричного подхода (см. например, Principles of Charged Particle Acceleration, Stanley Humphries, John Wiley and Sons, 1999). При этом подбирают временные зависимости токов в катушках, которые для разных режимов сканирования обеспечивают фокусировку и развертку пучка на мишени, требуемые размеры осей эллипса (1 мм на 7 мм) и ориентацию (большая ось эллипса должна быть направлена в сторону изоцентра гентри) пятна пучка в каждой точке мишени. Параметры токов в катушках задают исходные требования к электронике управления разверткой пучка. В дальнейшем производят экспериментальную подстройку токов катушек.In order to optimize the selection of the parameters of the magnetic deflection system, including the calculation of the currents in the solenoid, quadrupole and dipole magnetic coils that provide the necessary focusing of the beam, as well as the size and orientation of the beam spot at an arbitrary point of the target, when scanning the beam on the target, numerical modeling (finite element method) and analytical calculations based on the matrix approach are used, in particular (see, for example, Principles of Charged Particle Acceleration, Stanley Humphries, John Wiley and Sons, 1999). In this case, the time dependences of the currents in the coils that provide focusing and scanning of the beam on the target for different scanning modes, the required sizes of the ellipse axes (1 mm by 7 mm) and the orientation (the major axis of the ellipse should be directed towards the isocenter of the gantry) of the beam spot at each point of the target are selected. The parameters of the currents in the coils set the initial requirements for the beam sweep control electronics. Subsequently, the coil currents are experimentally adjusted.

Типовые параметры сканирования, обеспечиваемые заявляемой группой изобретений: анодное напряжение от -70 кВ до -140 кВ; ток пучка, определяемый первеансом источника электронов, равен 1,5 А при напряжении на катоде -140 кВ; вакуум в источнике электронов – 10^-9 Торр, в сканирующей трубке в области мишени - 10^-8 Торр; время пробега пучка по мишени (длительность одного сканирования) 30 мс; размер осей эллипса пятна пучка на мишени составляет 1 мм и 7 мм соответственно. Время переключения уровней напряжения на выходе модулятора составляет около 50 мкс, при этом величина пиковой выходной мощности источников напряжения составляет 210 кВт на канал. В одном из примеров, для формирования пучков электронов высокого и низкого уровней энергии значения уровней анодного напряжения составляли 120 кВ и 80 кВ, соответственно.Typical scanning parameters provided by the claimed group of inventions: anode voltage from -70 kV to -140 kV; beam current determined by the perveance of the electron source is 1.5 A at a cathode voltage of -140 kV; vacuum in the electron source is 10 ^-9 Torr, in the scanning tube in the target area - 10 ^-8 Torr; beam travel time across the target (duration of one scan) is 30 ms; the size of the beam spot ellipse axes on the target is 1 mm and 7 mm, respectively. The voltage level switching time at the modulator output is about 50 μs, while the peak output power of the voltage sources is 210 kW per channel. In one example, to form high- and low-energy electron beams, the anode voltage levels were 120 kV and 80 kV, respectively.

Указанные при описании способа значения параметров являются примерами, не ограничивающими настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники могут быть понятны и произведены другие изменения в раскрытых вариантах осуществления, вытекающие из изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.The parameter values indicated in the description of the method are examples that do not limit the present invention. Other changes in the disclosed embodiments may be understood and made by specialists in the given technical field, resulting from studying the drawings, description and the attached claims.

Реализация заявляемого способа спектральной компьютерной томографии возможна в силу сверхмалых (десятки миллисекунд) времен сканирования, при которых исследуемая анатомия не успевает сколько-либо значительно изменить свое положение в пространстве, что позволяет проводить сравнительный анализ последовательно выполняемых рентгеновских снимков без дополнительных коррекций.The implementation of the claimed method of spectral computed tomography is possible due to the extremely short (tens of milliseconds) scanning times, during which the anatomy being studied does not have time to significantly change its position in space, which allows for a comparative analysis of successively performed X-ray images without additional corrections.

Исследуемым объектом может выступать любая анатомическая зона человека, но наибольшее преимущество при использовании заявляемого способа, с учетом скоростных характеристик, можно получить при исследовании сердца и сосудов.The object of study can be any anatomical area of a person, but the greatest advantage when using the claimed method, taking into account the speed characteristics, can be obtained when studying the heart and blood vessels.

Различные логические блоки, модули и технологические этапы (функциональные возможности), описанные в связи с раскрытыми вариантами осуществления изобретения, могут быть реализованы в виде электронного аппаратного обеспечения, компьютерного программного обеспечения или их комбинации. Конкретные функции или этапы могут быть перенесены из одного устройства, модуля или блока, не выходя за рамки изобретения. В частности, заявляемый способ может быть реализован в виде компьютерной программы или набора программ (модулей), написанных на любом языке программирования, включая компилируемые или интерпретируемые языки, материально воплощенные в носителе информации, например, в машиночитаемом запоминающем устройстве или в машиночитаемом носителе данных для выполнения или управления работой устройства обработки данных, например, программируемого процессора, компьютера или нескольких компьютеров. Этапы способа могут выполняться одним или несколькими программируемыми процессорами, выполняющими компьютерную программу для выполнения последовательности операций заявляемого способа путем обработки входных данных и генерации выходных данных. Этапы способа могут быть реализованы с помощью процессора общего назначения, процессора цифровых сигналов (DSP), специализированной интегральной схемы (ASIC), программируемой пользователем микросхемы, вентильной матрицы (FPGA) или любого другого программируемого логического устройства или их комбинации. Процессор может быть микропроцессором, контроллером, микроконтроллером, конечным автоматом, а также может быть реализован как комбинация вычислительных устройств, например, комбинация DSP и микропроцессора, множество микропроцессоров, один или несколько микропроцессоров в сочетании с DSP или любая другая подобная конфигурация. Программный модуль может находиться в оперативной памяти, флэш-памяти, постоянной памяти, памяти EPROM, памяти EEPROM, жестком диске, съемном диске, компакт-диске или любой другой форме машиночитаемого или компьютерного носителя информации. Носитель информации может быть соединен с процессором так, что процессор может считывать информацию с носителя данных и записывать на него информацию. В другом варианте носитель данных может являться неотъемлемой частью процессора.The various logical blocks, modules and process steps (functional capabilities) described in connection with the disclosed embodiments of the invention may be implemented as electronic hardware, computer software or a combination thereof. Specific functions or steps may be transferred from one device, module or block without departing from the scope of the invention. In particular, the claimed method may be implemented as a computer program or a set of programs (modules) written in any programming language, including compiled or interpreted languages, tangibly embodied in an information carrier, for example, in a machine-readable memory device or in a machine-readable data carrier for performing or controlling the operation of a data processing device, for example, a programmable processor, a computer or several computers. The steps of the method may be performed by one or several programmable processors executing a computer program for performing a sequence of operations of the claimed method by processing input data and generating output data. The method steps may be implemented using a general-purpose processor, a digital signal processor (DSP), an application-specific integrated circuit (ASIC), a field-programmable chip, a field-programmable gate array (FPGA), or any other programmable logic device, or a combination thereof. The processor may be a microprocessor, a controller, a microcontroller, a finite state machine, or may be implemented as a combination of computing devices, such as a combination of a DSP and a microprocessor, a plurality of microprocessors, one or more microprocessors in combination with a DSP, or any other similar configuration. The software module may reside in RAM, flash memory, read-only memory, EPROM memory, EEPROM memory, a hard disk, a removable disk, a compact disk, or any other form of machine-readable or computer-readable storage medium. The storage medium may be coupled to the processor so that the processor can read information from the storage medium and write information to it. In another embodiment, the storage medium may be an integral part of the processor.

Реализация аппаратного и программного обеспечения, способного выполнять описанные функции, очевидна специалистам в соответствующей области техники. Специалистам в данной области техники также должно быть понятно, что в группу изобретений могут быть внесены различные модификации и усовершенствования, не выходящие за рамки формулы изобретения. Заявляемая система может быть изготовлена с использованием известных материалов, оборудований и технологий, и может найти широкое применение для получения томографических изображений различных объектов для медицины (кардиологических исследований) и промышленного неразрушающего контроля.The implementation of hardware and software capable of performing the described functions is obvious to specialists in the relevant field of technology. Specialists in this field of technology should also understand that various modifications and improvements can be made to the group of inventions that do not go beyond the scope of the invention formula. The claimed system can be manufactured using known materials, equipment and technologies, and can find wide application for obtaining tomographic images of various objects for medicine (cardiological studies) and industrial non-destructive testing.

Claims

1. A method of spectral electron beam computed tomography using at least two sources generating electron beams directed at a ring-shaped target, characterized in that

- a control signal is formed that ensures the generation of an electric current in the form of a meander, forming a beam of high-energy electrons, first by the first electron source, which is directed at the first part of the target, then by the second electron source, which is directed at the second - remaining part of the target, with the sequential generation of high-energy X-ray radiation by the first and second parts of the ring-shaped target;

- similarly, a low-energy electron beam is formed first by the first electron source, which is directed at the first part of the target, then by the second electron source, which is directed at the second - remaining part of the target, with the sequential generation of low-energy X-ray radiation by the first and second parts of the ring-shaped target;

- in this case, the position of the beam on parts of the target is changed by magnetic systems, ensuring the movement of the electron beam along the entire ring-shaped target;

- the generated X-ray radiation is directed at the object being studied, followed by detection of high and low energy X-ray radiation and reconstruction of the image of the object being studied.

2. The method according to item 1, characterized in that the time of movement of the electron beam along the entire ring-shaped target is no more than 30 ms, the generation of electric current, forming electron beams of high and low energy levels, is carried out by switching the corresponding levels of anode voltage in a time not exceeding 50 μs.

3. The method according to paragraph 2, characterized in that the high and low energy levels of the electron beams are formed by switching the corresponding levels of anode voltage, the values of which differ by at least 40 kV.

4. A system for implementing the method according to claim 1 for performing spectral electron beam computed tomography, comprising a vacuum chamber mounted on a supporting frame; at least two electron sources located on the rear part of the vacuum chamber, configured to alternately generate first high-energy electron beams, then low-energy electron beams; an annular target located on the front part of the vacuum chamber and intended to irradiate its first part - with the first electron source and the second - the remaining part, with the second electron source, ensuring the generation of X-ray radiation sequentially by the first and second parts of the target; a magnetic system for rotating, focusing and deflecting electron beams, configured to sequentially change the position of the electron beam on the corresponding part of the annular target, ensuring the movement of the electron beam along the entire annular target in one scanning cycle; an X-ray exit window made on the vacuum chamber opposite the target, ensuring the propagation of X-ray radiation to the object under study; a detector system located on a supporting frame and capable of detecting low- and high-energy X-ray radiation; a collimator mounted on the supporting frame between the target and the detector system; an image-forming unit capable of forming an X-ray image of the object being examined based on signals from the detector system.

5. The system according to item 4, characterized in that the generation of electron beams of high and low energy levels is implemented using a high-voltage power source with a three-level modulator.