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 получения вычислительных томограмм включает получение ряда позитивных теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации о проекциях в цифровые сигналы и их ввод в компьютер, восстановление изобретения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего масштабирование теневых проекций, формирование по теневым проекциям обратных проекций, распространяемых на плоскость изображений, представленную в компьютере 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. Дополнительно определяют среднее значение сигнала для каждой теневой проекции и соответствующий корректирующий коэффициент К_i, с помощью которого до формирования обратных проекций нормируют каждый сигнал из совокупности сигналов, составляющих вторую и последующие теневые проекции, а перед отображением томограммы на экране монитора из значений сигналов, записанных во всех ячейках памяти, исключают среднее значение сигнала, найденное для первой теневой проекции. Изобретение позволяет уменьшить количество вычислений и выполнять экспрессные предварительные томографические исследования. 6 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.

Прототипом изобретения является 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 позитивных 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 масштабирование теневых проекций, формирование по масштабированным теневым проекциям обратных проекций, распространяемых 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 и отображение томограммы на экране монитора.

Недостатком такого способа получения вычислительных томограмм является необходимость фильтрации 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.

Технический результат - уменьшение количества вычислений, необходимых для восстановления изображения по теневым проекциям, и получение возможности 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 путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации об этих проекциях в цифровые сигналы и их ввод в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, включающего масштабирование теневых проекций, формирование по масштабированным теневым проекциям обратных проекций, распространяемых 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 и отображение томограммы на экране монитора, дополнительно определяют среднее значение сигнала для каждой теневой проекции и соответствующий корректирующий коэффициент, с помощью которого до формирования обратных проекций нормируют каждый сигнал из совокупности сигналов, составляющих вторую и последующие теневые проекции, а перед отображением томограммы на экране монитора из значений сигналов, записанных во всех ячейках памяти, исключают среднее значение сигнала, найденное для первой теневой проекции. Значение корректирующего коэффициента для каждой i-й теневой проекции определяют из соотношения где U_ср1 и U_cpi - среднее значение сигнала для первой и i-й теневых проекций.

Применение такой последовательности операций обработки сигналов о теневых проекциях и восстановления изображения исследуемого слоя основывается на постоянстве оптической плотности любого исследуемого слоя и ее независимости от угла просвечивания.

По сравнению с прототипом заявляемый способ имеет отличительную особенность в совокупности действий и последовательности их выполнения.

На фиг.1 показана модель слоя объекта контроля и его теневые проекции.

На фиг.2 показано образование первой обратной проекции.

На фиг.3 показаны теневые позитивные проекции исследуемого слоя объекта контроля, полученные при просвечивании объекта под различными углами.

На фиг.4, 5, 6 показан процесс образования вычислительной томограммы.

На фиг.1 обозначены: 1 - исследуемый слой объекта; 2 - дефект объекта; 3 и 4 - теневые позитивные проекции объекта; А и В - направления просвечивания; 5 и 6 - графики распределения сигналов преобразователей оптической плотности вдоль ширины исследуемого слоя Δl для теневых позиционных проекций 3 и 4 соответственно.

На фиг. 2 обозначены: 1 - плоскость изображения; 2 - первая обратная проекция.

На фиг.3 обозначены: а), б), в) - графики, соответствующие теневым позитивным проекциям исследуемого слоя для общего случая, полученные при l-м, i-м и n-м значениях угла просвечивания; U - сигнал преобразователей рентгеновского излучения; U_ср1, U_cpi, U_срn - средние значения сигнала для l-й, i-и и n-й теневых проекций; Δl - ширина плоскости изображения.

На фиг. 4 обозначены: 1 - плоскость изображения; 2, 3, 4, 5 - первая, вторая, третья и четвертая масштабированные обратные проекции, нанесенные соответственно под углами 0, 90, 45 и 135^o.

На фиг.5 обозначены: 1 - плоскость изображения; 6 - пятая и последующие масштабированные обратные проекции.

На фиг.6 обозначены: 1 - плоскость изображения; 7 - изображение дефекта исследуемого слоя.

Способ получения вычислительных томограмм реализуется следующим образом (ниже рассматривается случай получения проекций исследуемого слоя объекта с помощью системы, состоящей из m параллельных лучей). Исследуемый слой 1 (фиг.1) просвечивают пучком параллельных рентгеновских лучей последовательно под несколькими разными углами (на фиг.1 показаны только два направления - А и В). В дальнейшем изложении принято, что дефект 2 в исследуемом слое имеет форму однородного цилиндра, центр которого совпадает с центром исследуемого слоя и высота равна толщине этого слоя. При этом принято, что остальная часть исследуемого слоя прозрачна для рентгеновских лучей. При таких условиях получают теневые позитивные проекции 3 и 4. В рассматриваемом случае эти теневые проекции идентичны. Информацию о тенях, создаваемых объектом, преобразуют в электрический цифровой сигнал U соответствующими приемниками рентгеновского излучения и преобразователями (графики 5 и 6 на фиг.1) и вводят в компьютер. Затем с помощью компьютера (описываемые ниже изображения на фиг. 2, 4, 5 и 6 получены с помощью компьютерного моделирования) осуществляется восстановление изображения исследуемого слоя объекта методом обратного проецирования, в соответствии с которым по каждой теневой проекции, представляемой распределением сигналов (фиг.2), после соответствующего ее масштабирования формируется обратная проекция 2, которая распространяется на всю плоскость проецирования (см. фиг. 2, 4, 5) под тем же углом, под которым она получена при просвечивании объекта рентгеновскими лучами.

В реальных условиях каждая теневая проекция представляет собой совокупность сигналов (фиг.1), например, от m приемников излучения воспринимающих рентгеновское излучение на выходе из исследуемого слоя при его просвечивании системой лучей. Т.е. теневые проекции представляются совокупностью сигналов (графики 5 и 6 на фиг.1) распределения оптической плотности вдоль ширины исследуемого слоя, а амплитуды U_k и U_l пропорциональны оптической плотности исследуемого слоя вдоль линии распространения k-го и l-го рентгеновских лучей. Обычно расстояние между рентгеновскими лучами (в системе лучей) равно расстоянию между приемниками излучения, а число лучей, просвечивающих исследуемый слой, и число приемников одинаково. При постоянном числе лучей и приемников и при постоянной ширине Δl плоскости проецирования для каждой (1-й, 2-й,...i-й,...n-й) проекции (фиг.3) можно вычислить среднее значение сигналов U_cp1, U_cp2, ...U_cpi, ...U_cpn по формуле: где U_j - сигнал j-го приемника рентгеновского излучения; m - число лучей (приемников излучения). В идеальном случае среднее значение сигнала должно оставаться постоянным для всех проекций, т.к. средняя оптическая плотность любого исследуемого слоя постоянна и не зависит от угла просвечивания. Однако, из-за возможных нестабильностей работы рентгеновского излучателя, создающего систему просвечивающих лучей, а также возможных изменений характеристики приемников излучения среднее значение сигнала для проекций может меняться. Это приводит к ухудшению качества восстановления изображения по теневым проекциям.

Влияние названных нестабильностей на результат восстановления можно существенно уменьшить, если нормировать все теневые проекции по первой, исходя из представления о постоянстве средней оптической плотности исследуемого слоя. Для этого достаточно каждый сигнал из совокупности сигналов, составляющих вторую и последующие проекции, умножить на корректирующий коэффициент, который определяется из выражения (1).

В соответствии с изложенными представлениями при выполнении второго обратного проецирования определяют среднее значение сигнала для второй проекции, по формуле (1) определяют корректирующий коэффициент k₂, умножают на этот коэффициент каждый сигнал из совокупности сигналов, составляющих данную теневую проекцию. Все эти сигналы уменьшают в два раза (масштабирование). Уменьшают также в два раза сигналы, составляющие первую обратную проекцию. Осуществляют обратное проецирование, суммирование сигналов первой и второй масштабированных обратных проекций и записывают результат в принятую совокупность ячеек памяти компьютера.

Аналогичные операции используются при всех последующих обратных проецированиях (фиг.4, 5). При этом предварительно i-ю теневую проекцию уменьшают (масштабируют) в i раз, по масштабированной теневой проекции формируют i-ю обратную проекцию, уменьшают (i-1)-ю суммарную совокупность обратных проекций в раз. После этого осуществляют суммирование i-й обратной проекции и (i-1)-й суммарной совокупности обратных проекций и запись результатов в совокупность ячеек памяти компьютера.

При большом числе обратных проекций каждая точка плоскости изображения, представленная в компьютере совокупностью ячеек памяти, приобретает сигнал, минимальное значение которого равно среднему значению сигнала или иначе среднему значению оптической плотности теневых проекций, и так во всех теневых проекциях в соответствии с предложенным способом нормирования, то это соответствует среднему значению оптической плотности первой проекции, т.е. среднему сигналу U_ср1. Поэтому после n-го обратного проецирования, выполненного в соответствии с предлагаемым способом, из сигнала каждой ячейки памяти исключают среднее значение сигнала, найденное для первой теневой проекции. Результат проведения этой операции позволяет получить изображение исследуемого слоя (фиг.6), которое отображается на экране монитора.

Предлагаемый способ получения вычислительных томограмм был проверен путем компьютерного моделирования, результаты которого для одного из типов дефектов приведены на фиг.2, 4, 5 и 6.

Преимуществом предложенного способа являются: - простота обработки информации о теневых проекциях и восстановления изображения; - существенно большая скорость получения томограммы, определяемая уменьшением количества вычислений.

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 позитивных теневых проекций исследуемого слоя путем рентгеновского просвечивания объекта под разными углами, преобразование информации об этих проекциях в цифровые сигналы и их ввод в компьютер, восстановление изображения исследуемого слоя с помощью компьютера методом обратного проецирования, формирование по теневым проекциям обратных проекций, распространяемых на плоскость изображений, представленную в компьютере 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 дополнительно определяют среднее значение сигнала для каждой теневой проекции и соответствующий корректирующий коэффициент К_i, на который до формирования обратных проекций умножают каждый сигнал из совокупности сигналов, составляющих вторую и последующие теневые проекции, при этом значение коэффициента К_i для каждой i-й теневой проекции определяют из соотношения К_i= U_ср1/U_срi, где U_ср1 и U_срi - средние значения для первой и i-й теневых проекций, а начиная со второй обратной проекции все сигналы составляющие i-ю обратную проекцию перед суммированием уменьшают в i-раз, все сигналы суммарной совокупности обратных проекций, полученной после предыдущего суммирования обратных проекций уменьшают в раз, причем перед отображением томограммы на экране монитора из значений сигналов, записанных во всех ячейках памяти, исключают среднее значение сигнала, найденное для первой теневой проекции.

РИСУНКИ

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