SU884124A1 - Аналого-цифровой преобразователь дл рентгеновского вычислительного томографа - Google Patents

Description

Изобретение относится к конструкциям аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и предназначено для использования в рентгеновских вычислительных томографах.

Известен АЦП с двойным интегрированием, предназначенный для использова- ⁵ ния в ЦВМ рентгеновского вычислительного томографа и содержащий входные ключи и ключ обнуления, интегрирующие усилитель и конденсатор, схему сравнения, триггер, управляющий ключами, и счетчик ¹⁰ импульсов [1].

Недостатками этого устройства являются погрешность интегрирования, обус— ловленная конечным сопротивлением ключа обнуления в закрытом состоянии, а также погрешность измерения напряжения, которую вносит входной ключ, являющийся нелинейным элементом, например поле— вым транзистором. Ключи, выполненные на полевых транзисторах, имеют низкую помехозащищённость и быстродействие. Кроме того, точность восстановления изоб2 рАжения ограничена низким быстродействием схемы счета АЦП.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является АЦП рентгеновского вычислительного томографа, содержащий входной усилитель, схему двойного интегрирования, в состав которой входят зарядный и разрядный резисторы, интегрирующий усилитель и схема сравнения, к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, триггер, подключенный к выходу схемы сравнения, источник опорного напряжения и подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состоящую из коммутатора, вход которого подключей к выходу триггера, и счетчика ймпульсов [2].

Недостатками известного устройства являются ' сложность схемы двойного интегрирования АЦП и ее погрешность, что снижает точность восстановления изображения. Ограниченное быстродействие схемы счета АЦП не позволяет уменьшить время сканирования, равное для СТ 1010 4 мин.

Цель изобретения — повышение точности восстановления томографического изображения за счет повышения точности пре- . образования сигнала детектора.

Поставленная цель достигается тем, что в аналого-цифровом преобразователе для рентгеновского вычислительного томографа, содержащем входной усилитель, схему двойного интегрирования, в состав которой входят зарядный и разрядный резисторы, интегрирующий усилитель и схема сравнения, к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, подключенный к выходу схемы сравнения триггер, источник опорного напряжения, а также подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состоящую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов, в схему двойного интегрирования введены управляемый источник тока, подключенный к второму выходу схемы сравнения и включенный между общей точкой резисторов и источником опорного напряжения, и соединённые последовательно с интегрирующим усилителем преобразователь напряжение/ток И источник тока, общая точка которых подключена к входу схемы сравнения, а в схему счета введены второй коммутатор, вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом первого коммутатора, и R S -триггер, включенный между коммутаторами и счетчиком импульсов.

На чертеже показана схема рентгеновского вычислительного томографа с предложенным АЦП.

Рентгеновский томограф содержит рентгеновский излучатель 1, излучение которого проходит через исследуемый объект 2 и попадает на блок детекторов 3. К каждому детектору подключен АЦП 4, соединенный через мультиплексор каналов 5 к ЦВМ 6 с индикатором изображения 7.

АЦП 4 содержит входной усилитель 8, к выходу которого подключен зарядный резистор 9, соединенный с разрядным резистором 10, причем _z в общую точку резисторов включен управляемый источник 11 тока с источником опорного напряжения и_оп. К резистору 10 подключены один вывод интегрирующего конденсатора 12 и' вход интегрирующего усилителя 13, выход которого соединен с входом преобразователя напряжение/ток 14. К выходу последнего подключен источник 15 тока, причем в общую точку источника 15 и преобразователя 14 включены второй вывод интегрирующего конденсатора 12 и

884124 4 один вход схемы 16 сравнения. АЦП 4 также содержит ключи 17 и 18, RS-^триггер 19, коммутаторы 20 и 21, R5-триггер 22 и счетчик 23. Один выход схемы сравнения 16 подключен к 5 —входу триггера 19, а другой выход - к обшей точке ключей 17 и 18 и к управляемому источнику тока 11. Триггер 19 R—выходом подключен к ключу 18, а Т-выходом - к ₁₀ ключу 17 и коммутаторам 20 и 21. Общая точка коммутаторов 20 и 21 подключена к cf -входу триггера 22, выходы которого подключены к входам счетчика 23.

₁₅ Устройство работает следующим образом.

Рентгеновский излучатель 1, жестко связанный с блоком детекторов 2, перемещается относительно неподвижного ₂₀ исследуемого объекта 3. Интенсивность · излучения перед объектом измеряется с помощью опорного детектора , установленного в корпусе излучателя, а за объектом регистрируется в блоке детекторов 3”, ₂₅ каждый из которых подключен к соответствующему каналу 4 АЦП (на чертеже представлен канал одного из детекторов). Сигнйл с детектора, поступающий на вход канала, усиливается входным уси— ₃₀ лителем 8 и начинает заряжать интегри— • рующий конденсатор 12 при поступлении позиционного импульса с частотой вырабатываемого в системе сканирования (на чертеже не показана), на ключ 18. При этом закрывается управляемый источ⁵ ник тока 11 и входной сигнал поступает на вход интегрирующего усилителя 13 через резисторы 9 и 10. Зарядный ток конденсатора 12, образующийся в преобразователе напряжение/ток 14, равен напряжению входного сигнала, деленному на сопротивление последовательно соединенных резисторов 9 и Ю. В момент окончания действия позиционного импульса переключается триггер 19 в состояние 1 и ⁴⁵ происходит переключение ключей: ключ 18 размыкается, а ключ 17 замыкается. При этом открывается управляемый источник 11 тока, а разрядный резистор 10, через который разряжается интегрирующий кон⁵⁰ денсатор 12, подключается к источнику опорного напряжения ϋ_οπ·Β тот момент когда напряжение на входе схемы сравнения 16 станет равным О (интегрирующий конденсатор 12 разрядился), на ее первом ⁵⁵ выходе вырабатывается напряжение, перебрасывающее триггер 19 в состояние О. Происходит размыкание ключа 17. Таким образом, в режиме обнуления ключи 17 и разомкнуты и сигнал со второго выхода схемы сравнения 16 поступает беспрепятственно на вход управляемого источника тока 11, образуя при этом цепь отрицательной обратной связи по напряже— s нию. В этом случае ток 0^, вырабатываемый источником 11., равен току 0^ проходящему через резистор 9, независимо от величины напряжения входного сигнала.

Выработанная на выходе триггера 19 ¹⁰ *1, длительность которой пропорциональна интегралу напряжения входного сигнала за время действия позиционного импульса, включает коммутаторы 20 и 21, пропускающие на вход Ι?ς-триггера 22 ¹⁵ соответственно только 1 или только 'О', равной длительности с частотой £^. Для обеспечения синхронной работы ком—„ мутаторов 20 И 21 их входы подключаются к инверсным выходам £_т задающе- ^ί0 го генератора. С выхода ·Ι?ς -триггера 22 импульсы с частотой {γγ, поступают на вход двоичного счетчика импульсов 23. При переходе триггера 19 в состояние. О* коммутаторы 20 и 21 отключаются от входа R 5 -триггера 22, на входе которого запоминается последнее состояние '1' или '0*, образующее младший разряд двоичного хода. Одновременно -на выходе. . счетчика импульсов 23 запоминаются ³⁰ старшие разряды от 2 до п- Затем мультиплексор каналов 5 подключает выходы ·. схемы счета к памяти ЦВМ 6. Сигналом О* обнуляются ^^-триггер 22 и счетчик импульсов 23. После’этого цикл измере-^r М ния повторяется с частотой позиционных импульсов {у,, длительность которых соответствует времени перемещения детектора относительно границ дискретных объемов, на которые разбит исследуемый · ‘ объект.

После обработки измерительных данных в ЦВМ вычисляется плотность каждого дискретного объема исследуемого сечения ₄₃ объекта путем многократных измерений ослабления рентгеновского излучения объектом при сканировании с различных углов. Затем изображение сечения объекта выводится на экран индикатора 7, на ко- _$0 тором определенной плотности каждого элемента сечения соответствует определенная яркость изображения. .

Точность восстановления изображения . в рентгеновском вычислительном томографе зависит, в основном, от точности схемы двойного интегрирования АЦП, которая связана с коэффициентом нелинейности интегрирующего усилителя, определяемым по уравнению ь _ - Ж ‘ К - К ' где К - коэффициент усиления;

— коэффициент нелинейности.

Для получения заданных параметров изображения необходимо иметь коэффициент нелинейности * 10^_4, т.е. коэффициент усиления интегрирующего усилителя должен быть К >/ 10 А

В известных устройствах для обеспечения устойчивости усилителя необходимо снижать усиление на высоких частотах с помощью корректирующих конденсаторов, а так как время интегрирования, определяемое частотой позиционных импульсов мало, например 1 мс, то наличие корректирующих конденсаторов приводит к значительней динамической ошибке интегрирования.

Применение преобразователя напряжения в ток 14 и источника тока 15 позволяет снизить коэффициент усиления на два порядка, так как их коэффициент нелинейности ^$0,01. В этом случае интегрирующий усилитель всегда устойчив и не требует коррекции.

Введение одного управляемого источника тока 11, выполненного, например, на биполярном транзисторе, вместо трех ключей на полевых транзисторах в известных устройствах (1, 2) обеспечивает лучшие быстродействие, линейность, помехозащищенность и более точное обнуление, а также технологичность при серийном изготовлении интегральной микросхемы, так как. число каналов АЦП достигает 1 тыс. в одном томографе.

Применение R G -триггера .22 в качестве двоичного счетчика позволяет полностью использовать временную информацию с генератора тактовой частоты £_w.Кроме того, RG-триггер может работать на более высокой частоте, чем обычный счетчик. Время разрешения Ι?ζ -триггера •fewMM ^тогда ка* У ^т - триггера, используемого в счетчиках,-t ими Введение RS -триггера в АЦП предла гаемого томографа дает возможность увеличить выходное число в два раза при той же скорости сканирования, что эквивалентно увеличению в два раза разрешающей способности изображения по плотности исследуемого объекта.

Claims (2)

1. Изобретение относитс  к .конструкци м аналого-1шфровых преобразователей (АЦП) и предназначено дл  использовани  в рент геновских вычислительных томографах. Известен АЦП с двойным интегрированием , предназначенный дл  использовани  в ЦВМ рентгеновского вычислительно го томографа и содержащий входные ключи и ключ обнулени , интегрирующие усилитель У1 конденсатор, схему сравнени , триггер, управл ющий ключами, и счетчиК импульсов t lНедостатками этого устройства  вл ютс  погрешность интегрировани , обусловленна  конечным сопротивлением ключа обнулени  в закрытом состо нии, а также погрешность измерени  напр жени  которую вносит входной ключ,  вл кмнийс  нелинейным элементом, например поле вым транзистором. Ключи, выполненные на полевых транзисторах, имеют низкую помехозащищённость и быстродействие. Кроме того, точность .восстановлени  изо ограничена низким , быстродействием схемы счета АЦП. . Наиболее близким к изобретению техническим решением  вл етс  АЦП рентгеновского вычислительного томографа, содержащий входной усилитель, схему двойного интегрировани , в состав которой вход т зар дный и разр дный резисторы, интегрирующий усилитель и схема сравнени , к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, триггер, подключенный к выходу схемы сравнени , истЪчник опорного напр жени  и подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состо щую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера , и счетчика импульсов 2. Недостатками известного устройства  вл ютс  сложность схемы двойного интегрировани  АЦП и ее погрешность, что снижает точность восстановлени  изображени . Ограниченное быстродействие схемы счета АЦП не позвол ет уменьшить врем  сканировани , равное дл  СТ 1О10 4 мин. Цепь изобретени  - повышение точности восстановлени  томографического изображени  за счет повышени  точности пре- . образовани  сигнала детектора. Поставленна  цель достигаетс  тем, что в аналого-цифровом преобразователе дл  рентгеновского вычислительного томографа , содержащем входной усилитель, схему двойного интегрировани , в состав которой вход т зар дный и разр дный резисторы , интегрирующий усилитель и схема сравнени , к входам которых подключен интегрирующий конденсатор, подключенный к выходу схемы сравнени  триггер , источник опорного напр жени , а также подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета, состо щую из коммутатора, вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов, в схему двоййого интегрировани  введены управл емый источник тока , подключенный к второму выходу схемы сравнени  и включенный между общей точкой резисторов и источником опорного напр жени , и соединённые последовательно с интегрирующим усилителем преобразователь напр жение/ток и источник тока обща  точка которых подключена к входу схемы сравнени , а в схему счета введены второй коммутатор, вход и выход которого соединены соответственно с входом U выходом первого коммутатора, и R 9 -триггер, включенный между коммутаторами и счетчиком импульсов. На чертеже показана схема рентгеновского вычислительного томографа с предложенным АЦП. Рентгеновский томограф содержит рент геновский излучатель 1, излучение которого проходит через исследуемый объект 2 и попадает на блок детекторов 3. К каждому детектору подключен АЦП 4, со единенный через мультиплексор каналов 5 к ЦВМ 6 с индикатором изображени  7. АЦП 4 содержит входной усилитель 8 к выходу которого подключен зарвдный р зистор 9, соединенный с разр дным резистором 1О, причем в общую точку резисторов включен управл емый источник 11 тока с источником опорного напр жени  УОП- резистору 10 подключены один вывод интегрирующего конденсатора 12 и вход интегрирующего усилител  13, вы ход которого соединен с входом преобразовател  напр жение/ток 14. К выходу последнего подключен источник 15 тока, причем в общую точку источника 15 и преобразовател  14 включены второй вывод интегрирующего конденсатора 12 и ОДИН вход схемы 16 сравнени . АЦП 4 также содержит ключи 17 и 18, 1 5-триггер 19, коммутаторы 20 и 21, R5-триггер 22 и счетчик 23. Один выход схемы сравнени  16 подключен к 9 -входу триггера 19, а другой выход - к общей точке ключей 17 и 18 и к управл емому источнику тока 11. Триггер 19 R-выходом подключен к ключу 18, а Т-выходом - к ключу 17 и коммутаторам 20 и 21, Обща  точка коммутаторов 20 к 21 подклю чена к сГ -входу триггера 2 2, выходы которого подключены к входам счетчика 23. Устройство работает следующим образом . Рентгеновский излучатель 1, жестко св занный с блоком детекторов 2, перемещаетс  относительно неподвижного исследуемого объекта 3. Интенсивность излучени  перед объектом измер етс  с помощью опорного детектора , установленного в корпусе излучател , а за объектом регистрируетс  в блоке детекторов 3, каждый из которых подключен к соответствующему каналу 4 АЦП (на чертеже представлен канал одного из детекторов ). Сигнйл с детектора, поступающий на вход канала, усиливаетс  входным усилителем 8 и начинает зар жать интегри- рующий конденсатор 12 при поступлении позиционного импульса с частотой ly, вырабатываемого в системе сканировани  (на чертеже не показана), на ключ 18. При этом закрываетс  управл емый источник тока 11 и входной сигнал поступает на вход интегрирующего усилител  13 через резисторы 9 и 1О. Зар дный ток конденсатора 12, образующийс  в преобразователе напр жение/ток 14. равен напр жению входного сигнала, деленному на сопротивление последовательно соединенных резисторов 9 и 10. В момент окончани  действи  позиционного импульса переключаетс  триггер 19 в состо ние и происходит переключение ключей: .ключ 18 размыкаетс , а ключ 17 замыкаетс . При этом открываетс  управл емый источник 11 тока, а разр дный резистор 10, через который разр жаетс  интегрирующий конденсатор 12, подключаетс  к источнику опорного напр жени  Unp-B тот момент когда напр жение на входе схемы сравнени  16 станет равным О (интегрирующий конденсатор 12 разр дилс ), на ее первом выходе вырабатываетс  напр жение, перебрасывающее триггер 19 в состо ние О. Проис;содит размыкание ключа 17. Таким образом, в режиме обнулени  ключи 17 и 18 разомкнуты и сигнал со второго выхода схемы сравнени  16 поступает беспреп тственно на вход управл емого источника тока 11, образу  при этом цепь отрицательной обратной св зи по напр же нию. В этом случае ток Зп вырабатываемый источником 11„ равен гоку Д про ход щему через резистор 9, независимо от величины напр жени  входного сигнала Выработанна , на выходе триггера 19 1, длительность которой пропорциональна интегралу напр жени  входного сигнала за врем  действи  позиционного импульса , включает коммутаторы 2 О и 21, пропускающие на вход R 9-триггера 22 соответственно только 1 или только О, равной длительности с частотой у. Дл  обеспечени  синхронной работы коммутаторов 20 и 21 их входы подключают с  к инверсным выходам f задающего генератора. С выхода -Rs -триггера 22 импульсы с частотой 5ут) поступают на вход двоичного счетчика импульсов 23. При Переходе триггера 19 в состо ние. О коммутаторы 2О и 21 отключаютс  от входа R 5 -триггера 22, на входе кото . рого запоминаетс  последнее состо ние 1 или О, образукщее младший разр д двоичного хода. Одновременно «а выходе. счетчика импульсов 23 запоминаютйй старшие разр дь от 2 до vi- Затем муль типлексор каналов 5 подключает выходы.. схемы счета к пам ти ЦВМ 6, Сигналом О обнул ютс  1 9-триггер 22 и счетчик импульсов 23. После этого цикл измереНИН повтор етс  с частотой позиционных импульсов у1. длительность которых соответствует времени перемещени  детектора относительно границ дискретных объемов , на которые разбит исследуемый объект. После обработки измерительных данных в ЦВМ вычисл етс  плотность каждого дискретного объема исследаемого сечени  объекта путем многократных измерений ослаблени  рентгеновского излучени  объ«ектом при сканировании с различныхуглов . Затем изображение сечени  объекта выводитс  на экран индикатора 7, на котором определенной плотности -каждого элемента сечени  соответствует определен на   ркость изображени . Точность восстановлени  изображени  в рентгеновском вычислительном томографе зависит, в основном, от точности схемы двойного интегрировани  АЦП, котора  св зана с коэффициентом нелинейности интегрирующего усилител , определ емым по уравнению 26 где К - коэффициент усилени ; 32.- коэффициент нелинейности. Дл  получени  заданных параметров изображени  необходимо иметь коэффициент нелинейности k 104, т.е, коэффициент усилени  интегрирующего усилител  должен быть 1C / 10. В известных устройствах дл  обеспечени  устойчивости усилител  необходимо снижать усиление на высоких частотах с помощью корректирующих конденсаторов, а так как врем  интегрировани , определ емое частотой позиционных импульсов у, мало, например 1 мс, то наличие корректирующих конденсаторов приводит к значительней динамической ошибке интегрировани , Примоненне преобразовател  напр жени  в ток 14 и источника тока 15 позвол ет снизить коэффициент усилени  на два пор дка, так как их коэффициент непи-« нейности ,01. В этом случае интегрирующий усилитель всегда устойчив и не требует кqppeкции. Введение одного управл емого источника тока 11, вьшолненного, например, на бипо/шрном транзисторе, вместо трех ключей на полевых транзисторах в известных устройствах (1. 2) обеспечивает лучшие быстродействие, линейность, помеозацщщенность и более точное обнуление, а также технологичность при серийном иэготовлении интегральной микросхемы, так как. число каналов АЦП достигает 1 тыс. в одном томографе. Применение R S-триггера .22 в качестве двоичного счетчика позвол ет полностью использовать временную информацию с генератора тактовой частоты уу,.1;Сроме того, R5-триггер может работать на более высокой частоте, чем обычный счетчик . Врем  разрешени  Рб,-а-риггера bv«i i 3wi 4 тогда как у Т - триггера, используемого в счетчиках ,-t miц - ,,,,. Введение FfS триггера в АЦП предпа гаемого томографа дает возможность увеличить выходное число в два раза при той же скорости сканировани , что эквивалентно увеличению в два раза разреша.ющей способности изображени  по плотности исследуемого объекта. 7 Формула изобретени  Аналого-цифровой преобразователь дл  рентгеновского вычислительного томографа , содержащий входной усилитель, схему двойного интегрировани , в состав которой вход т зар дный и разр дный резисторы, интегрирующий усилитель и схеМа сравнени , к входам которых подключен интегри рующий конденсатор, подключенный к выходу схемы сравнени  триггер, источник опорного напр жени , а также подключенную через мультиплексор каналов к шине ЦВМ схему счета состо щую из коммутатора , вход которого подключен к выходу триггера, и счетчика импульсов, отличающийс  тем, что, с целью повышени  точности восстановлени  томографического изображени  за счет повышени  точности преобразовани  сигнала детектора, в схему двойного интегрировани  введены управл емый источник то24 ка, подключенный к второму выходу схемы сравнени  и включенный между Ъбщей точкой резисторов и источником опорного напр жени , и соединенные последовательно с интегрирующим усилителем преобразователь напр жение/ток и источник тока, обща  точка которых подключена к входу схемы сравнени , а в схему счета введены второй коммутатор, вход и выход которого соединены соответственно с входом и выходом первого коммутатора, и R 5 триггер , включенный между коммутаторами и счетчиком импульсов. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1,Балакай В, Г. и др. Интегральные схемы АЦП и ЦАП, М., Энерги , 1978, с. 62.
2. 2.Техническое описание ЕМ K-Scavine СТ 1О10, Фирма ЕМ: , Великобритани  (прототип).