Способ получения вычислительных томограмм

 

Изобретение относится к вычислительной томографии, а именно к способам восстановления структуры отдельных слоев объекта контроля по набору многоракурсных проекций исследуемого слоя. Способ включает получение ряда теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы, ввод этой информации в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего распространение теневого изображения каждой проекции на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, последовательное суммирование по соответствующему алгоритму цифровых сигналов об обратных проекциях, запись результатов суммирования в принятую совокупность ячеек памяти и отображение томограммы на экране монитора. Теневые проекции исследуемого слоя получены при многократном превышении линейным коэффициентом ослабления дефектной части исследуемого слоя линейного коэффициента ослабления бездефектной части этого слоя, при этом величину коэффициента ослабления дефектной части принимают одинаковой для всего дефекта. Выделение дефектотображающих ячеек памяти осуществляют по формуле U = k•n•D, где U - значение сигнала в ячейке памяти; k - коэффициент преобразования рентгеновского измерительного устройства томографа; n - номер обратной проекции (n=1, 2,...); D - линейный коэффициент ослабления дефекта, в остальных ячейках памяти сигнал принимают равным нулю. Изобретение позволяет упростить технологию получения вычислительных томограмм. 7 ил.

Изобретение относится к вычислительной томографии, а именно к способам восстановления структуры отдельных слоев объекта контроля по набору многоракурсных проекций исследуемого слоя.

Известен способ получения вычислительных томограмм (Рентгенотехника. Справочник, т. 2/ Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1981, с. 321 - 323), состоящий в получении ряда теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта системой лучей, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы, посылаемые в компьютер, и реконструкцию искомого двухмерного распределения линейного коэффициента ослабления для исследуемого слоя путем математической обработки информации о проекциях с помощью прямого и обратного преобразования Фурье.

Недостатком данного способа является необходимость наличия перед выполнением обратного преобразования Фурье полного набора измерительных данных о проекциях, что уменьшает оперативность получения результатов томографических исследований.

Известен способ получения вычислительных томограмм (Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник, т. 1 /Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1986, с. 400 - 409), включающий получение ряда теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы, ввод этой информации в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего распространение теневого изображения каждой проекции на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, последовательное суммирование по соответствующему алгоритму цифровых сигналов об обратных проекциях, запись результатов суммирования в принятую совокупность ячеек памяти и отображение томограммы на экране монитора.

Недостатком такого способа получения вычислительных томограмм является необходимость фильтрации массива цифровой информации о полученном суммарном изображении или предварительной фильтрации информации, получаемой для каждой из проекций, что требует проведения большого объема вычислений, и снижается оперативность получения результатов томографических исследований.

Задачей изобретения является упрощение технологии получения вычислительных томограмм в случае, когда линейный коэффициент ослабления дефектной (определяемой) части исследуемого слоя объекта многократно (например, в 50 и более раз) превосходит линейный коэффициент ослабления бездефектной части этого слоя и одинаков для всего дефекта.

Технический результат - создание простой технологии получения вычислительных томограмм, обеспечивающей возможность выполнения экспрессных предварительных томографических исследований объектов в медицине и промышленности.

Технический результат достигается тем, что в способе получения вычислительных томограмм, включающем получение ряда теневых проекций исследуемого слоя объекта под разными углами, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы, ввод этой информации в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего распространение теневого изображения каждой проекции на плоскость изображения, представленную в компьютере совокупностью ячеек памяти, последовательное суммирование по соответствующему алгоритму цифровых сигналов об обратных проекциях, запись результатов суммирования в принятую совокупность ячеек памяти компьютера и отображение томограммы на экране монитора. Согласно изобретению теневые проекции исследуемого слоя получают при многократном превышении линейным коэффициентом ослабления дефектной части исследуемого слоя линейного коэффициента ослабления бездефектной части этого слоя, при этом величину коэффициента ослабления дефектной части принимают одинаковой для всего дефекта, после записи информации о второй и последующих обратных проекциях в принятую совокупность ячеек памяти с помощью компьютера осуществляют сравнение значений сигналов по всей принятой совокупности ячеек памяти, выделяют дефектотображающие ячейки по формуле U = k • n • D, где U - значение сигнала в ячейке памяти; k - коэффициент преобразования рентгеновского измерительного устройства томографа; n - номер обратной проекции (n = 1,2, . . . .); D - линейный коэффициент ослабления дефекта, а в остальных ячейках памяти сигнал принимается равным нулю.

При большом различии в линейных коэффициентах ослабления дефектной и бездефектной частей объекта проведение такой совокупности операций позволяет существенно упростить и ускорить процедуру восстановления информации о двухмерном распределении значений линейного коэффициента ослабления в исследуемом слое, т.е. получить изображение этого слоя.

По сравнению с прототипом заявляемый способ имеет отличительную особенность в совокупности действий и условий, обеспечивающих эти действия.

На фиг. 1 показан исследуемый слой объекта контроля и процесс образования проекций при просвечивании этого слоя.

На фиг. 2 - 6 показан процесс образования вычислительной томограммы.

На фиг. 7 показана схема экспериментальной установки, использованной для проверки способа получения вычислительных томограмм.

На фиг. 1 обозначены: 1 - исследуемый слой объекта контроля; 2 и 3 - дефектные части (дефекты) исследуемого слоя; 4 - бездефектная часть исследуемого слоя; 5, 6 и 7 - теневые проекции исследуемого слоя, полученные при просвечивании исследуемого слоя соответственно в направлениях А, В и С (далее для определенности рассматриваются позитивные проекции); 5', 6' и 7' - изображения соответственно проекций 5, 6 и 7; δ- толщина исследуемого слоя.

На фиг. 2 обозначены: 5 - первая теневая проекция исследуемого слоя; 8 - изображение исследуемого слоя, получаемое после первого обратного проецирования.

На фиг. 3 обозначены: 6 - вторая теневая проекция исследуемого слоя; 9 - изображение исследуемого слоя, получаемое после второго обратного проецирования; a, b, c u d - области томограммы, имеющие удвоенное значение линейного коэффициента ослабления.

На фиг. 4 обозначены: 10 - изображение исследуемого слоя, полученное после второго обратного проецирования и выполнения операций сравнения и выделения областей а, b, c и d.

На фиг. 5 обозначены: 7 - третья теневая проекция исследуемого слоя; 11 - изображение исследуемого слоя, получаемое после третьего обратного проецирования; а, b, с и d - области томограммы, имеющие удвоенное значение линейного коэффициента ослабления; e и g - области томограммы, имеющие утроенное значение линейного коэффициента ослабления.

На фиг. 6 обозначены: 12 - изображение исследуемого слоя, получаемое после третьего обратного проецирования и выполнения операций сравнения и выделения областей e и g с утроенным значением линейного коэффициента ослабления.

На фиг. 7 обозначены: 1 - объект исследования с дефектными 2 и 3 (два различных по диаметру непрозрачных цилиндра) и бездефектной 4 частями; 5 - лимб; 6 - указатель; 7 - подвижная платформа; 8 - лазер (лазерная указка); 9 - фотоприемник (фотодиод); 10 - винт; 11 - реверсный двигатель; 12 - аналого-цифровой преобразователь; 13 - компьютер; 14 - монитор.

Способ получения вычислительных томограмм реализуется следующим образом (ниже рассматривается случай получения проекций исследуемого слоя объекта с помощью системы параллельных лучей). Исследуемый слой 1 просвечивают пучком параллельных рентгеновских лучей последовательно под несколькими разными углами, например, в направлении А, В и С на фиг. 1. При этом получают проекции исследуемого слоя 5, 6 и 7, изображения которых, соответственно 5', 6' и 7', содержат тени от дефектов 2 и 3. Ниже рассматривается случай, когда линейный коэффициент ослабления дефектных частей области многократно превосходит линейный коэффициент ослабления бездефектной части его, т.е. дефектные части объекта рассматриваются как непрозрачные. Информацию о тенях преобразуют в электрические цифровые сигналы и вводят в компьютер. В компьютере восстановление изображения осуществляют методом обратного проецирования, в соответствии с которым поочередно в принятую совокупность ячеек памяти компьютера записывают цифровую информацию об обратных проекциях с учетом углов, под которыми получены исходные проекции. Так, при первом обратном проецировании информацию о тенях дефектов, зарегистрированную на проекции 5, распространяют на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, в направлении обратного проецирования (на фиг. 2 это направление указано стрелками). В результате на экране монитора появляется изображение 8, вид которого представлен на фиг. 2. В этом изображении имеются темные области с одинарным значением линейного коэффициента ослабления и светлые области.

При втором обратном проецировании (фиг. 3) информацию о тенях дефектов, зарегистрированную на второй проекции 6, распространяют на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, в направлении обратного проецирования (на фиг. 3 это направление показано стрелками). В результате на экране монитора появляется изображение 9, вид которого показан на фиг.3, т.к. в ячейках памяти, соответствующих областям а, b, c и d, цифровые сигналы о первой и второй проекции складываются, области а, b, c и d имеют удвоенное значение линейного коэффициента ослабления. Остальные области являются светлыми или имеют одинарное значение линейного коэффициента ослабления.

После второго обратного проецирования с помощью компьютера осуществляют сравнение значений сигналов, записанных во всех ячейках принятой совокупности, и определяют дефектотображающие ячейки, т.е. ячейки в которых сигналы имеют значение, соответствующее выражению (1) при n = 2, т.е. U = 2•k •D. В данном случае это будут ячейки памяти, соответствующие областям а, b, c и d, в которых сигналы соответствуют удвоенному значению линейного коэффициента ослабления. После этой операции во всех ячейках памяти, кроме дефектотображающих ячеек, соответствующих областям а, b, c и d, сигналы принимают равными нулю. При этом на экране монитора формируется изображение 10 (фиг. 4).

При третьем обратном проецировании (фиг. 5) информацию о тенях дефектов, зарегистрированную на третьей проекции 7, распространяют на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, в направлении обратного проецирования (на фиг. 5 это направление указано стрелками). В результате на экране монитора появляется изображение - 11. Т. к. в ячейках памяти, соответствующих областям e и g, цифровые сигналы о первой, второй и третьей проекциях складываются, эти области имеют утроенное значение линейного коэффициента ослабления. После третьего обратного проецирования с помощью компьютера осуществляют сравнение значений сигналов, записанных во всех ячейках принятой совокупности, и определяют дефектотображающие ячейки, в которых сигналы имеют значения, соответствующее выражению (1) при n = 3, т.е. U = 3•k•D. B данном случае это будут ячейки памяти, соответствующие областям e и g, в которых сигналы соответствуют утроенному значению линейного коэффициента ослабления. После этой операции во всех ячейках памяти, кроме дефектобразующих ячеек, соответствующих областям e и g, сигналы принимают равными нулю. При этом на экране монитора формируется изображение 12 (фиг. 6), на котором области e и g являются изображениями дефектной части объекта контроля. Описанные выше операции могут быть повторены, например, n раз. После этого сигналы, соответствующие дефектным частям объекта, достаточно разделить на n. В результате получают томограмму исследуемого слоя объекта.

Предлагаемый способ получения вычислительных томограмм был проверен на фотоэлектрическом аналоге томографа (фиг. 7). Здесь проекции исследуемого слоя в параллельных лучах формировались следующим образом. При вращении электродвигателя с постоянной частотой с помощью винта 10 платформе 7 придавалось поступательное движение. При этом луч лазера 8 просвечивал исследуемый слой объекта толщиной 3 мм (диаметр луча лазера), а получаемые при этом сигналы фотоприемника преобразовывались с помощью аналого-цифрового преобразователя 12 в цифровую форму (частота преобразования 18 Гц) и вводились в компьютер 13. Путь платформы составлял 80 мм, а продолжительность одного сканирования - 15 с. После получения информации об одной проекции платформа возвращалась в исходное положение. С помощью лимба 5 объект поворачивался на 10^o и осуществлялось повторное сканирование и так до значения угла 180^o. Информация о значении угла, при котором получалась та или иная проекция, вводилась в компьютер. В результате получилось 18 проекций, которые были использованы компьютером для восстановления изображения исследуемого слоя путем применения операций, определяемых предложенным способом. Наблюдение на мониторе 14 изображения полностью соответствовали приведенным на фиг. 2-6. После выполнения всех операций 18 раз на экране монитора изображение дефектных 2 и 3 и бездефектной 4 частей практически соответствовало реальному.

Преимуществами предложенного способа являются - простота обработки информации о проекциях; - существенно большая скорость получения томограммы в случаях, когда имеется большое различие в линейных коэффициентах ослабления дефектной и бездефектной частей исследуемого слоя объекта контроля.

Предлагаемый способ получения вычислительных томограмм может быть реализован на любом рентгеновском томографе. Для этого достаточным является некоторое дополнение программного обеспечения, что определяет возможность использования этого способа в томографических исследованиях в промышленности и медицине.

Формула изобретения

Способ получения вычислительных томограмм, включающий получение ряда теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы, ввод этой информации в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего распространение теневого изображения каждой проекции на плоскость изображения, представленную в компьютере принятой совокупностью ячеек памяти, последовательное суммирование по соответствующему алгоритму цифровых сигналов об обратных проекциях, запись результатов суммирования в принятую совокупность ячеек памяти и отображение томограммы на экране монитора, отличающийся тем, что теневые проекции исследуемого слоя получают при многократном превышении линейным коэффициентом ослабления дефектной части исследуемого слоя линейного коэффициента ослабления бездефектной части этого слоя, при этом величину коэффициента ослабления дефектной части принимают одинаковой для всего дефекта, после записи информации о второй и последующих обратных проекциях в принятую совокупность ячеек памяти с помощью компьютера осуществляют сравнение значений сигналов по всей принятой совокупности ячеек памяти, выделяют дефектотображающие ячейки по формуле U=k•n•D, где U - значение сигнала в ячейке памяти; k - коэффициент преобразования рентгеновского измерительного устройства томографа; n - номер обратной проекции (n= 1, 2, . ..); D - линейный коэффициент ослабления дефекта, а в остальных ячейках памяти сигнал принимают равным нулю.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7