СПОСОБ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ Российский патент 1995 года по МПК G06F19/00 

Изобретение касается томографии и предназначено для получения изображения внутренней структуры объектов, в особенности протяженных и труднодоступных (медицина, физика атмосферы и т.д.).

Известные реализации компьютерной томографии на эффекте рассеяния реализуют практически один и тот же способ и отличаются друг от друга различными решениями технических вопросов, характерных для реализации соответствующих устройств. Этот способ сводится к тому, что на исследуемый объект оказывают внешнее воздействие, например, проникающим излучением. Воздействие, как правило, осуществляется одним источником. Энергию, рассеянную (переизлученную) внутренними неоднородностями изучаемого объекта, фиксируют системой детекторов, расположенных с различных сторон объекта. Далее выполняют операции преобразования сигналов от детекторов в цифровые эквиваленты и восстанавливают внутреннюю структуру объекта в выбранном сечении путем реализации соответствующих алгоритмов восстановления изображения на ЭВМ. Источник воздействия может быть естественным (например, Солнце), а фиксация переизлученной энергии с различных сторон может осуществляться последовательно [1]
Недостаток указанного способа заключается в том, что он не позволяет исследовать труднодоступные объекты, для которых невозможно реализовать фиксацию рассеянной (отраженной) энергии с различных сторон исследуемого объекта. Это может быть обусловлено различными причинами, например их большими размерами, трудностью доступа (например, при зондировании ионосферы с целью выявления структуры ее неоднородностей) либо дороговизной (необходимость бурения скважин при определении наличия рудных тел при геологоразведке).

Технический результат изобретения заключается в упрощении и расширении области применения за счет возможности исследования труднодоступных и протяженных объектов.

Сущность предложения заключается в том, что в способе вычислительной томографии, использующем эффекте рассеяния и заключающемся в воздействии на исследуемый объект, например, проникающим излучением, детектировании энергии, переизлученной элементами внутренней структуры объекта, и восстановлении изображения в выбранном сечении, воздействие выполняют с применением n различных диаграмм направленности энергии воздействия, а детектирование осуществляют с помощью m диаграмм направленности приема. При этом количество используемых диаграмм направленности излучения (n) и детектирования (m) таково, что n+m≥ 3. Иначе говоря, если n 1 (одна диаграмма излучения), то количество различных диаграмм детектирования m должно быть не менее двух, и наоборот, если m 1, то n ≥ 2. В общем случае n и m могут быть произвольными целыми числами, подчиняющимися условиям n ≥ 1, m ≥ 1, n+m ≥ 3. Воздействие имеет импульсный характер.

Выбор исследуемого сечения (называемого в данной заявке первичным) осуществляется за счет выбора момента прихода импульса рассеянной энергии. По принятому импульсу отраженной энергии с помощью компьютерной обработки восстанавливают структуру (изображение) выбранного первичного сечения. По зафиксированному набору первичных сечений могут быть восстановлены любые сечения. Следует подчеркнуть, что различие диаграмм совершенно не обязательно требует различных источников воздействия либо различных детекторов. Оно может достигаться изменением формы либо направленности диаграммы от импульса к импульсу.

Сопоставительный анализ изобретения с прототипом и известными аналогами показывает, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что воздействие носит импульсный характер, выбор первичного сечения осуществляют подбором момента детектирования импульса рассеянной (отраженной) энергии, воздействие и детектирование ведут с помощью различающихся диаграмм направленности, суммарное число которых должно быть не менее трех, и выбор исследуемого сечения выполняют по набору восстановленных первичных сечений.

На фиг. 1 проиллюстрирована реализация способа при различных диаграммах приема переизлученной энергии; на фиг.2 то же, при различных диаграммах воздействия; на фиг.3 формирование структуры произвольного сечения по структуре первичных сечений.

На приведенных чертежах 1 точка, из которой выполняют воздействие, 2 точка, в которой выполняют детектирование (приема) переизлученной энергии, 3 исследуемый объект, 4 выбранное первичное сечение, 4i (i 1,2,) элементарные объемы в выбранном сечении, 5 следующее первичное сечение, 6i (i 1,2,) направления распространения энергии воздействия от точки 1 к элементарным объемам, 7i (i 1,2,) направления распространения энергии от элементарных объемов к точке 2, G диаграммы направленности энергии воздействия, S диаграммы направленности детекторов принимаемой энергии, 8 выборочное (вторичное) сечение, 9-12 элементарные объемы первичных сечений, из которых формируется вторичное сечение 8.

Для подтверждения возможности осуществления предлагаемого способа рассмотрим первоначально случай, когда используют одну диаграмму направленности энергии воздействия (n 1) и m диаграмм направленности приема рассеянной (переизлученной) энергии.

Воздействие осуществляют из точки 1, и оно имеет диаграмму направленности G. В точке 2 осуществляют детектирование с использованием m различных диаграмм направленности приема S₁,S₂,S_m. Воздействие выполняют энергией электромагнитного излучения. Из точки 1 излучают импульс длительностью τ который распространяется через исследуемый объект 3 и отражается от его внутренних неоднородностей. Длительность импульса τ должна быть меньше времени распространения воздействующего излучения через исследуемый объект. Часть переизлученной (отраженной) энергии принимается детектором (или системой детекторов), расположенных в точке 2. Предположим, что детектирование выполняют через время t после излучения импульса из точки 1 и делают это в течение времени τ т.е. открывают приемник через время t после излучения на промежуток времени длительностью τ Тогда детектор будет регистрировать энергию, отраженную от всех тех внутренних объемов объекта 3, для которых сумма времени распространения энергии из точки 1 до данного объема и времени распространения отраженной (переизлученной) энергии от объема до точки 2 равна t. Таким образом, эти объемы расположены на эллипсе с полюсами в точках 1 и 2, а ширина этих объемов определяется длительностью импульса τ. Изменяя время t, можно фиксировать различные такие эллипсы 4, 5,
Предположим, что выбором величины t выделено эллипсоидное сечение 4. Представим это сечение в виде совокупности элементарных объемов 4₁,4₂,4_m. Энергия воздействия из точки 1 поступает к элементарным объемам 4₁,4₂,4_m по траекториям 6₁, 6₂,6_m, а отраженная (переизлученная) ее часть поступает в точку детектирования 2 по траекториям 7₁.7_m. Энергия распространяется из точки 1 к объему 4₁ по траектории 6₁ и ее доля от общей энергии определяется коэффициентом передачи G₁ по направлению 6₁ диаграммы направленности воздействия G. Точно так же по траектории 6₂ к объему 4₂ поступает часть энергии G₂ и т.д. К объему 4_m по траектории 6_m поступает часть энергии G_m.

Вследствие неоднородности структуры объекта различные его объемы рассеивают (переизлучают) различные доли падающей на них энергии. Если обозначить через K_i долю энергии, отраженной в направлении точки 2 по траектории 7_i (i 1,m), то объем 4₁ в направлении точки 2 по траектории 7₁ "пошлет" энергию G₁K₁, для объема 4₂ так же величина будет равна G₂K₂ и т.д. Для объема 4_m эта величина составит G_mK_m.

Предположим, что фиксация рассеянной (переизлученной) энергии ведется m детекторами так, что каждому детектору соответствует своя диаграмма направленности приема S₁,S_m. Тогда первый детектор получит энергию от всех объемов 4₁,4_m. Распространение энергии от объема 4₁ к детекторам (в точку 2) идет по траектории 7₁, распространение энергии от объема 4₂ к детекторам в точку 2 происходит по траектории 7₂ и т.д.

Как видно из фиг.1, первый детектор, имеющий диаграмму направленности приема S₁, принимает энергию от объема 4₁ по траектории 7₁ с коэффициентом передачи S₁₁ от объема 4₂ по траектории 7₂ с коэффициентом передачи S₁₂ и т. д. и от объема 4_m происходит прием энергии по траектории 7_m с коэффициентом передачи S_1m. Второй детектор с диаграммой направленности приема S₂ фиксирует энергию от объема 4₁ по направлению 7₁ с коэффициентом S₂₁ от объема 4₂ по направлению 7₂ с коэффициентом S₂₂ и от объема 4_m по направлению 7_m с коэффициентом S_2m. Последний m-й детектор с диаграммой S_m по тем же направлениям фиксирует энергию от объема 4₁ с коэффициентом S_m1 от объема 4₂ с коэффициентом S_m2 и от объема 4_m с коэффициентом S_mm. Суммарная энергия, фиксируемая первым детектором равна E₁ G_iS_1iK_i или, если обозначить G_iS_1i через a_1i, то E₁= a_1iK_i. Для второго детектора общая величина зафиксированной энергии составит E₂ a_2iK_i, где a_2i G_iS_2i и т.д. Для m-го детектора E_ma_miK_i, где a_mi G_iS_mi.
Таким образом, описанному выше процессу соответствует система линейных уравнений
a₁₁K₁+a₁₂K₂+ +a_1mK_m E₁
a₂₁K₁+a₂₂K₂+ +a_2mK_m E₂

a_n1K₁+a_m2K₂+ +a_mmK_m E_m
Поскольку коэффициенты a_li (l 1,m; i 1,m) определяются диаграммами G и S_l и известны заранее, а энергии E_l фиксируются (измеряются) детекторами, то решение системы уравнений позволит определить величины K_i, т.е. восстановить структуру объекта в сечении 4 (естественно с точностью до дискретных объемов 4_i). Из приведенного выше рассмотрения следует также, что наибольшее число различных объемов, т. е. разрешающая способность способа, определяется количеством m различных диаграмм направленности приема.

Проведенное выше относилось к случаю, когда в точке 2 расположено m различных детекторов. Предположим теперь, что в точке 2 имеется один детектор, но приемная диаграмма направленности может изменяться. Например, лепесток диаграммы направленности детектора поворачивается так, что первый импульс воздействия принимается в положении приемной диаграммы S₁. Затем диаграмма изменяет свое положение на S₂ и второй импульс принимается уже в этом положении диаграммы и т.д. вплоть до положения S_m. Поэтому первое из уравнений системы (1) соответствует детектированию энергии Е₁ в первом положении диаграмм. Второе уравнение описывает суммарную продетектированную энергию Е₂ в положении диаграммы S₂ и т.д. Следовательно, описанный способ реализуется в данном случае одним детектором при различных положениях одной и той же диаграммы. Поворот диаграммы направленности приема реализуется с помощью хорошо известных технических средств. Таким образом случай с m детекторами, когда система уравнений может быть получена при приеме одного импульса, и случай с одним детектором, когда система (1) реализуется при приеме m импульсов, принципиально неразличимы. Существенно то, что в обоих случаях использовано m различных диаграмм направленности.

Предыдущее рассмотрение относилось к случаю, когда воздействие производилось одним источником из точки 1 с одной диаграммой направленности воздействия. Рассмотрим теперь случай, когда использовано n различных диаграмм направленности воздействия G₁,G_n и одна диаграмма направленности приема (см. фиг.2).

Первый импульс воздействует на объект 3 при положении диаграммы направленности воздействия G₁. Проводя рассмотрение, аналогичное приведенному выше, получим, что суммарная энергия от всех объемов, полученная детектором в этом случае составит
E₁ G_1iS_i; K_i b_1iK_i, где b_1i G_1i ˙S_i
Далее производится изменение диаграммы направленности от G₁ и G₂ и вновь выполняется импульсное воздействие. Энергия, зафиксированная детектором, в этом случае E₂ G_2iS_i, K_ib_2iKi_, где b_2i G_2iS_i. Далее процесс происходит аналогично, в n-м положении диаграммы G детектор зафиксирует энергию E_n G_niS_i, K_i b_ni K, где b_ni G_niS_i.

Следовательно, получена система уравнений
b₁₁K₁+b₁₂K₂+ +b_1nK_n E₁
b₂₁K₁+b₂₂K₂+ +b_2nK_n E₂ (2)
b_n1K₁+b_n2K₂+ +b_nnK_n E_n
Величины b_li известны заранее, величины E_i измеряются детектором. Следовательно, решением системы (2) можно определить значение K_i, т.е. восстановить внутреннюю структуру объекта 3 в сечении 4.

Как и в предыдущем случае, количество различных элементарных объемов b определяется числом n различных диаграмм направленности воздействия.

Наконец, возможен случай использования нескольких (n) диаграмм направленности воздействия и нескольких (m) диаграмм направленности приема. Аналогично рассмотренному выше можно получить, что общее число возможных уравнений в этом случае Knm, за счет чего можно существенно повысить разрешающую способность предлагаемого метода.

Изменяя интервал времени t, можно последовательно сечение за сечением восстановить внутреннюю структуру объекта (см. фиг.1). Значения К для соответствующих элементарных объемов, определенные на ЭВМ по системам уравнений типа (1), (2), фиксируют в запоминающем устройстве ЭВМ. По полученным наборам значений К в случае необходимости, определяют структуру любого сечения. Например, если необходимо восстановить структуру сечения 8, его можно получить комбинируя значения К для элементарных объемов 9-12, полученных в различных выше последовательностью приемов. Поэтому описанная выше последовательность позволяет восстановить внутреннюю структуру объекта 3 в сечениях, которые естественно назвать первичными. По структуре этих первичных сечений можно, как описано выше, восстановить структуру в любом сечении и визуализировать ее с помощью обычных средств отображения информации, входящих в состав ЭВМ.

Проведенное выше рассмотрение для простоты выполнено для плоского случая. Однако оно целиком переносится на трехмерный (объемный) случай.

Как видно из приведенного описания, в предлагаемом способе вычислительной томографии воздействие и детектирование реализуется в фиксированных точках. При этом нет никаких препятствий к тому, чтобы эти точки были бы пространственно совмещены. В известных способах воздействие либо детектирование, либо и то и другое выполняют с различных сторон (последовательно во времени либо одновременно). Поскольку в предложенном способе этого не требуется, он реализуется существенно проще. Кроме того, это позволяет реализовать томографию труднодоступных объектов, для которых нельзя осуществить воздействие с различных сторон либо реализовать детектирование энергии вокруг объекта. Это может быть необходимым при зондировании атмосферы, в геологоразведке, а также при медицинском обследовании нетранспортабельных больных, например, с тяжелыми повреждениями и травмами.

Изобретение может быть применено для получения изображения внутренней структуры объектов, в особенности протяженных и труднодоступных (медицина, физика атмосферы и т.д.). Способ включает воздействие на исследуемый объект, детектирование энергии воздействия, рассеянную либо переизлученную элементами внутренней структуры объекта, и восстановление изображения в выбранном сечении. Воздействие выполняют с использованием n различных диаграмм направленности энергии воздействия. Детектирование выполняют с использованием m различных диаграмм направленности приема, причем n+m≥ 3 . Воздействие формируют в виде импульсов с длительностью, не превышающей время их распространения через исследуемый объект. Первичные сечения выбирают по времени прихода импульса рассеянной энергии, а изображения в других сечениях восстанавливают по первичным сечениям. 3 ил.

СПОСОБ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТОМОГРАФИИ, при котором выполняют проникающее воздействие на исследуемый объект, детектируют энергию воздействия, рассеянную или переизлученную элементами внутренней структуры объекта и восстанавливают его изображение в выбранном сечении, отличающийся тем, что воздействие выполняют с использованием n различных, но заранее определенных диаграмм направленности энергии воздействия, а детектирование выполняют с использованием определенных m различных диаграмм направленности приема, причем n + m ≥ 3, при этом воздействие организуют в виде импульсов с длительностью, не превышающей время их распространения через исследуемый объект, первичные сечения объекта выбирают по времени прихода отраженного импульса, а изображения объекта в других сечениях восстанавливают с учетом первичных и видом диаграмм направленности по соответствующим им алгоритмам.