Предлагаемые изобретения относятся к средствам внутривидения и предназначены для получения в визуально воспринимаемой форме изображения внутренней структуры объекта, в частности биологического, с использованием рентгеновского излучения. Преимущественными областями применения предлагаемых изобретений являются дефектоскопия и медицинская диагностика.
Предшествующий уровень техники
Известны разнообразные устройства указанного назначения, реализующие традиционные принципы проекционной рентгеноскопии. В таких устройствах видимое изображение внутренней структуры объекта, например тканей биологического объекта, получают в виде теневой проекции. Плотность получаемого изображения в каждой из его точек определяется суммарным ослаблением рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект, на пути от источника к средству детектирования. В качестве последнего выступает флуоресцирующий экран либо рентгеновская пленка, которую для визуализации изображения подвергают химической обработке (см.: Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1976 [1], с. 425; Физика визуализации изображений в медицине. /Под ред. С. Уэбба. - М.: Мир, 1991 [2], с.40 и 41).
В названных известных устройствах получают изображение реальной трехмерной структуры в виде упомянутой двумерной теневой проекции, интерпретация которой требует наличия у специалиста, осуществляющего анализ объекта, в частности техническую или медицинскую диагностику, соответствующих опыта и квалификации и в ряде случаев затруднена. Причинами этого являются низкий контраст, невысокое отношение сигнал/шум, неизбежное наложение изображений структурных элементов, невозможность количественного сопоставления отдельных локальных фрагментов объекта по плотности. Резкость и контрастность получаемого изображения снижаются также под влиянием попадающих на средство детектирования квантов вторичного комптоновского рассеянного излучения.
Известны также устройства для рентгеновской компьютерной томографии, позволяющие получить двумерное изображение тонкого слоя трехмерного объекта (В.В.Пиклов, Н.Г.Преображенский. Вычислительная томография и физический эксперимент. Успехи физических наук. Т. 141. Вып. 3. - 1983, ноябрь, с.469-498 [3]; см. также [2], с.138-146). В таких устройствах осуществляют многократное облучение исследуемого объекта с различных позиций и прием прошедшего через него излучения линейкой детекторов. Распределение плотностей тканей объекта в исследуемом сечении получают в дискретной форме путем решения с применением компьютера системы уравнений, порядок которой и количество элементов разрешения соответствуют произведению числа позиций, с которых производится облучение, на количество детекторов. Выполняя облучение в разных сечениях, можно получить на основе набора двумерных послойных изображений трехмерное изображение объекта. Средства компьютерной томографии принципиально позволяют получить изображение с довольно высоким качеством. При этом оно представляет собой именно картину распределения плотностей тканей, а не картину, обусловленную интегральным поглощением вещества (например, биологических тканей), расположенного на пути излучения от источника до того или иного элемента наблюдаемой проекции. Однако это достигается за счет увеличения количества позиций, с которых производится облучение. При этом увеличивается доза поглощенного веществом излучения, что нежелательно (а в медицинских приложениях чаще всего недопустимо). Наличие комптоновского рассеянного излучения является отрицательно влияющим фактором и в этой группе известных устройств. Для медицинских приложений устройств обеих рассмотренных групп характерно также то, что не представляющие интереса при исследовании ткани и органы, расположенные на пути излучения (как до, так и после исследуемой области), тоже подвергаются интенсивному облучению. В устройствах второй группы уровень облучения меньше, чем в устройствах первой группы, благодаря тому, что при выборе разных позиций облучаются разные ткани и органы, окружающие исследуемые.
Повышение разрешающей способности в устройствах второй группы, требующее увеличения количества облучений с разных позиций, ограничено, в первую очередь, вследствие недопустимого возрастания дозы облучения. Технические средства для получения первичной информации и последующего реконструирования изображения довольно сложны. Это обусловлено как необходимостью использования быстродействующих компьютеров со специальным программным обеспечением, так и высокими требованиями к точности механических элементов конструкции, которые должны гарантировать правильную локализацию одних и тех же элементов разрешения в исследуемой области при облучении их с разных позиций. Последнее обусловлено тем, что в расчетах при реконструировании изображения должны фигурировать фактические данные, полученные в разных циклах облучения, но относящиеся к одним и тем же элементам разрешения.
Известны также устройства для внутривидения (международная заявка PCT/RU 00/00207 - международная публикация WO 01/59439, 16.08.2001 [4]), в которых рентгеновское излучение источника, в частности протяженного, концентрируют с помощью одной или нескольких рентгеновских линз или коллиматоров в зоне, расположенной внутри исследуемой области объекта. Возникающее в этой зоне вторичное рассеянное излучение (комптоновское, флуоресцентное) транспортируют (также с помощью одной или нескольких рентгеновских линз или коллиматоров) к одному или нескольким детекторам. Путем перемещения зоны концентрации излучения осуществляется сканирование исследуемой области объекта. По совокупности значений интенсивности вторичного излучения, получаемых с помощью одного или нескольких детекторов и определяемых одновременно с координатами центра указанной зоны, можно судить о плотности вещества объекта в этой зоне. По совокупности найденных значений плотности, “привязанных” к координатам зоны концентрации излучения в различных ее дискретных положениях, в средстве обработки и отображения информации строится картина распределения плотности вещества в исследуемой области объекта.
Принцип действия устройств этой группы основан на том, что интенсивность рассеянного вторичного комптоновского излучения (вероятность возникновения квантов этого излучения) при прочих равных условиях (в частности, при данной интенсивности воздействующего на вещество первичного рентгеновского излучения) пропорциональна плотности вещества. Таким образом, в отличие от двух предшествующих описанных выше групп устройств в устройствах этой группы вторичное рассеянное излучение из мешающего превращается в информативный фактор. Этим устройствам при применении их в медицинских целях присуща также меньшая лучевая нагрузка на ткани и органы, окружающие исследуемые.
Однако реализация этих преимуществ связана с механическим сканированием рентгенооптической системы, включающей источник излучения, средства для его концентрации, средства для транспортировки возникающего вторичного излучения к детекторам и сами детекторы. Кроме того, в процессе работы устройства в каждый момент времени используется только информация, заключенная во вторичном излучении из зоны концентрации излучения источника, и не используется полезная информация, содержащаяся во вторичном излучении, возбужденном при прохождении излучения источника к зоне концентрации. Вследствие этого не реализуются потенциальные возможности уменьшения лучевого воздействия на исследуемый объект.
Устройства [4] (а именно устройства с протяженным рентгеновским источником и коллиматорами, используемыми для транспортировки как излучения источника к исследуемому объекту, так и вторичного излучения к детекторам), в которых получают информацию о плотности вещества исследуемого объекта в дискретных элементах разрешения, наиболее близки к предлагаемым.
Раскрытие изобретений
Технический результат, на получение которого направлены предлагаемые изобретения, заключается в исключении механического сканирования при сохранении возбуждаемого вторичного излучения (рассеянного комптоновского когерентного и некогерентного излучения, флуоресцентного излучения) в качестве информативного фактора. Данный результат сочетается с повышением информативности и снижением лучевой нагрузки на исследуемый объект за счет использования информации об интенсивности вторичного излучения практически одновременно (благодаря немеханическому сканированию) во всем объеме воздействия излучения источника на исследуемый объект. Дополнительно достигается технический результат, заключающийся в удобном совмещении указанного выше принципа действия, основанного на использовании вторичного излучения, с возможностью получения обычной теневой проекции. Еще одним видом технического результата, на получение которого направлены предлагаемые изобретения, является достижение такого сочетания конструкции и принципа действия устройств, при котором облегчается учет поглощения первичного и возбужденного в веществе исследуемого объекта вторичного излучения, благодаря чему повышается точность.
Предлагаемые изобретения представлены двумя вариантами.
Для достижения указанных видов технического результата предлагаемое устройство для получения изображения внутренней структуры объекта по первому варианту, как и наиболее близкое к нему известное устройство, содержит протяженный рентгеновский источник, средство для позиционирования исследуемого объекта, средство для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, и средство для обработки и отображения информации. Последнее выполнено с возможностью определения плотности вещества в различных частях объема исследуемого объекта и отображения распределения плотности вещества в объекте. К входу средства для обработки и отображения информации подключен выход средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте. Общим для предлагаемого и наиболее близкого к нему известного устройства является также то, что оно содержит два многоканальных коллиматора. Один из них расположен между протяженным рентгеновским источником и средством для позиционирования исследуемого объекта, а другой - между этим средством и средством для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
В отличие от наиболее близкого известного в предлагаемом устройстве протяженный рентгеновский источник представляет собой рентгеновскую трубку с планарным прострельным анодом, выполненную с возможностью формирования излучающего пятна поочередно перед входами разных каналов первого коллиматора путем соответствующего сканирования электронного луча рентгеновской трубки с помощью средства для управления этим лучом.
Последнее имеет выход информационного сигнала о текущем положении электронного луча, соединенный со вторым входом средства обработки и отображения информации.
Первый коллиматор представляет собой совокупность параллельных, сходящихся или расходящихся дырчатых каналов, а второй коллиматор представляет собой совокупность параллельных, сходящихся или расходящихся дырчатых или щелевых каналов. Оба коллиматора выполнены и ориентированы таким образом, что продолжения каналов первого коллиматора пересекаются с продолжениями каналов второго коллиматора в зоне, предназначенной для позиционирования исследуемого объекта. При этом они образуют области пересечения, включающие узлы воображаемой пространственной решетки с ячейками, имеющими форму выпуклых шестигранников.
Предпочтительным является выполнение второго коллиматора с параллельными дырчатыми или щелевыми каналами. В этом случае ячейки упомянутой воображаемой пространственной решетки имеют форму параллелепипедов или усеченных прямоугольных пирамид с параллельными основаниями.
Средство для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, представляет собой совокупность детекторов, каждый из которых выполнен и установлен с возможностью приема выходного излучения только одного канала второго коллиматора из числа тех, на выходах которых оно одновременно имеется.
Средство для обработки и отображения информации выполнено с возможностью получения информации о плотности вещества в каждом из элементов объема исследуемого объекта, представляющем собой область пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, включающую только один из узлов указанной воображаемой пространственной решетки. Для этого оно выполнено с возможностью использования в качестве величины, пропорциональной искомой плотности, интенсивности вторичного излучения, возбужденного в указанном элементе объема исследуемого объекта во время его облучения, зафиксированной соответствующим детектором средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
Кроме того, средство для обработки и отображения информации может быть выполнено с возможностью учета ослабления излучения протяженного рентгеновского источника на пути к указанному элементу объема исследуемого объекта. Для этого указанное средство выполнено с возможностью вычисления упомянутого ослабления с учетом определенных ранее значений плотности вещества в других элементах объема исследуемого объекта, находящихся ближе к выходу соответствующего канала первого коллиматора на пересечениях продолжения этого канала с продолжениями других каналов второго коллиматора.
Средство для обработки и отображения информации может быть выполнено также с возможностью учета при получении информации о плотности вещества в каждом из упомянутых элементов объема ослабления указанного возбужденного вторичного излучения при прохождении его через исследуемый объект в направлении соответствующего детектора. Для этого указанное средство выполнено с возможностью вычисления упомянутого ослабления с учетом определенных ранее значений плотности вещества в других элементах объема исследуемого объекта, находящихся ближе к входу того же канала второго коллиматора на пересечениях продолжения этого канала с продолжениями других каналов первого коллиматора.
Для более точного формирования изображения внутренней структуры исследуемого объекта предлагаемое устройство может содержать по меньшей мере один дополнительный коллиматор, выполненный и расположенный с соблюдением тех же условий, что и для второго коллиматора. В этом случае предлагаемое устройство содержит также соответствующее дополнительное средство для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте. Оно расположено у выходов каналов дополнительного коллиматора и подключено к средству для обработки и отображения информации. Последнее выполнено с дополнительной возможностью такой же обработки выходных сигналов дополнительного средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, как и выходных сигналов средства для детектирования возбужденного в исследуемом объекте вторичного излучения, расположенного у выходов каналов второго коллиматора.
При этом дополнительный коллиматор может быть как идентичным второму, так и отличным от него (например, второй коллиматор может иметь параллельные дырчатые каналы, а дополнительный - параллельные щелевые каналы).
Средство для обработки и отображения информации при наличии дополнительного коллиматора может быть выполнено с возможностью формирования значений плотности вещества в различных элементах объема исследуемого объекта с использованием в качестве определенных ранее значений плотности вещества в других элементах объема исследуемого объекта значений, найденных по результатам совместной обработки выходных сигналов всех средств для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
Для реализации возможности получения обычной теневой проекции предлагаемое устройство может содержать средство для детектирования излучения протяженного рентгеновского источника, прошедшего через исследуемый объект, расположенное за средством для позиционирования исследуемого объекта.
Средство для детектирования излучения протяженного рентгеновского источника, прошедшего через исследуемый объект, может быть выполнено либо непосредственно формирующим видимое изображение, либо с электрическим выходом, подключенным к средству для обработки и отображения информации. В этом случае последнее выполнено с возможностью формирования и отображения изображения теневой проекции исследуемого объекта.
Предлагаемое устройство по второму варианту, как и наиболее близкое к нему известное устройство, описанное в источнике [4], содержит протяженный рентгеновский источник, средство для позиционирования исследуемого объекта, средство для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, два многоканальных коллиматора, один из которых расположен между протяженным рентгеновским источником и средством для позиционирования исследуемого объекта, а другой - между этим средством и средством для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, а также средство для обработки и отображения информации. Последнее выполнено с возможностью определения плотности вещества в различных частях объема исследуемого объекта и отображения распределения плотности вещества в объекте. К входу этого средства подключен выход средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
В отличие от наиболее близкого известного в предлагаемом устройстве в описываемом втором варианте его выполнения протяженный рентгеновский источник представляет собой рентгеновскую трубку с планарным прострельным анодом. Эта трубка выполнена с возможностью формирования излучающего пятна поочередно перед входами разных каналов первого коллиматора с приданием при этом рентгеновскому излучению признака, несущего информацию о текущем положении излучающего пятна, путем соответствующего сканирования электронного луча рентгеновской трубки и модуляции излучения с помощью средства для управления электронным лучом, введенного в состав устройства.
Первый коллиматор представляет собой совокупность параллельных, сходящихся или расходящихся дырчатых каналов. Второй коллиматор представляет собой совокупность параллельных, сходящихся или расходящихся дырчатых или щелевых каналов. Оба коллиматора выполнены и ориентированы таким образом, что продолжения каналов первого коллиматора пересекаются с продолжениями каналов второго коллиматора в зоне, предназначенной для позиционирования исследуемого объекта. При этом они образуют области пересечения, включающие узлы воображаемой пространственной решетки с ячейками, имеющими форму выпуклых шестигранников.
Средство для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, представляет собой совокупность детекторов, каждый из которых выполнен и установлен с возможностью приема выходного излучения только одного канала второго коллиматора из числа тех, на выходах которых оно одновременно имеется.
Средство для обработки и отображения информации выполнено с возможностью демодуляции выходных сигналов детекторов средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте, и получения информации о текущем положении излучающего пятна. Оно выполнено также с возможностью получения информации о плотности вещества в каждом из элементов объема исследуемого объекта, представляющем собой область пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, включающую только один из узлов указанной воображаемой пространственной решетки, по интенсивности вторичного излучения, возбужденного в указанном элементе объема исследуемого объекта во время его облучения, зафиксированной соответствующим детектором средства для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
Средство для управления электронным лучом может быть выполнено, в частности, с возможностью импульсной модуляции излучения рентгеновской трубки с изменением при этом частоты следования или длительности импульсов в соответствии с текущим положением электронного луча.
В остальном предлагаемое устройство по второму варианту не отличается от устройства по первому варианту во всех описанных выше частных случаях его выполнения.
Краткое описание фигур чертежей
Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства в случае выполнения первого и второго, а также дополнительного коллиматоров с параллельными дырчатыми каналами;
на фиг.2 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.1;
на фиг.3 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора с параллельными дырчатыми, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными щелевыми каналами;
на фиг.4 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.3;
на фиг.5 - взаимное расположение каналов коллиматоров и средства детектирования вторичного излучения, а также элементы объема исследуемого объекта, плотность вещества которых принимается во внимание при учете ослабления излучения протяженного рентгеновского источника и вторичного излучения, в устройстве по фиг.1;
на фиг.6 - взаимное расположение коллиматоров и средства детектирования вторичного излучения, а также элементы объема исследуемого объекта, плотность вещества которых принимается во внимание при учете ослабления излучения протяженного рентгеновского источника и вторичного излучения, в устройстве по фиг.3;
на фиг.7 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора со сходящимися, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными дырчатыми каналами;
на фиг.8 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора со сходящимися дырчатыми, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными щелевыми каналами;
на фиг.9 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора с расходящимися, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными дырчатыми каналами;
на фиг.10 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора с расходящимися дырчатыми, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными щелевыми каналами;
на фиг.11 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.7;
на фиг.12 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.8;
на фиг.13 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.9;
на фиг.14 - фрагмент воображаемой пространственной решетки для случая, иллюстрируемого фиг.10;
на фиг.15 - схематическое изображение пересечения продолжений расходящихся каналов первого коллиматора и расходящихся щелевых каналов второго коллиматора;
на фиг.16 и 17 - схематическое изображение пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, размещенных с одной и той же стороны крупноразмерного объекта;
на фиг.18 - схематическое изображение взаимного расположения и соединения основных узлов предлагаемого устройства при выполнении первого коллиматора с параллельными дырчатыми, а второго и дополнительного коллиматоров - с параллельными щелевыми каналами, в варианте выполнения устройства, не требующем связи средства для управления электронным лучом и средства для обработки и отображения информации.
Фиг.1-17 относятся к изобретению по первому варианту. Эти же чертежи, за исключением связи между средством для управления электронным лучом и средством для обработки и отображения информации на фиг.1, 3 и 7-10, относятся к изобретению по второму варианту. Фиг.18 относится к изобретению по второму варианту.
На чертежах использованы следующие обозначения:
1 - рентгеновская трубка;
2 - анод рентгеновской трубки;
3 - излучающее пятно на внешней поверхности прострельного анода рентгеновской трубки;
4 - дырчатый канал первого коллиматора;
4.1-4.4 - конкретные каналы первого коллиматора на фиг.2, 4;
4.5-4.9 - конкретные каналы первого коллиматора на фиг.5;
4.10, 4.11 - конкретные каналы первого коллиматора на фиг.6;
5 - первый коллиматор;
6 - средство для управления электронным лучом рентгеновской трубки;
7 - средство для позиционирования исследуемого объекта;
8 - исследуемый объект;
9 - второй коллиматор;
9а - дополнительный коллиматор;
10 - дырчатый канал второго коллиматора;
10.1-10.4 - конкретные каналы второго коллиматора на фиг.2;
10.5-10.6 - конкретные каналы второго коллиматора на фиг.5;
10а - дырчатый канал дополнительного коллиматора;
11 - узел воображаемой пространственной решетки в случае дырчатых каналов второго коллиматора;
11.1-11.8 - конкретные узлы воображаемой пространственной решетки на фиг.2;
12 - ячейка воображаемой пространственной решетки;
13 - продолжение осевой линии канала первого коллиматора;
14 - продолжение осевой линии канала второго коллиматора;
15 - элемент объема исследуемого объекта в случае дырчатых каналов обоих коллиматоров;
15.1 - элемент объема исследуемого объекта на фиг.5, расположенный ближе других к выходу первого коллиматора и к входу второго коллиматора;
15.2 - элемент объема исследуемого объекта на фиг.5, для которого имеют место ослабление первичного излучения в других элементах, расположенных между этим элементом и выходом канала первого коллиматора, и ослабление вторичного излучения в элементах, расположенных на пути к входу второго коллиматора;
16 - средство для детектирования вторичного излучения;
16а - дополнительное средство для детектирования вторичного излучения;
17 - отдельный линейный детектор средства для детектирования вторичного излучения;
17.1, 17.2 - конкретные линейные детекторы на фиг.5;
17а - отдельный линейный детектор дополнительного средства для детектирования вторичного излучения;
18 - информационный вход средства для обработки и отображения информации;
19 - средство для обработки и отображения информации;
19.1 - блок обработки информации;
19.2 - монитор;
20 - второй вход средства для обработки и отображения информации;
21 - изображение внутренней структуры исследуемого объекта на экране монитора;
22.1, 22.2 - вертикальные плоскости, проходящие через осевые линии столбцов дырчатых каналов второго коллиматора на фиг.2;
23 - щелевой канал второго коллиматора;
23.1, 23.2 - конкретные щелевые каналы второго коллиматора на фиг.4;
23.3, 23.4 - конкретные щелевые каналы второго коллиматора на фиг.6;
23а - щелевой канал дополнительного коллиматора;
24 - элемент объема исследуемого объекта в случае дырчатого канала первого коллиматора и щелевого канала второго коллиматора;
24.1 - элемент объема исследуемого объекта на фиг.6, расположенный ближе других к выходу первого коллиматора и к входу второго коллиматора;
24.2 - элемент объема исследуемого объекта на фиг.6, для которого имеют место ослабление первичного излучения в других элементах объема, расположенных между этим элементом и выходом канала первого коллиматора, и ослабление вторичного излучения на пути от этого элемента к входу второго коллиматора;
25 - узлы воображаемой пространственной решетки в случае щелевых каналов второго коллиматора;
25.1-25.8 - конкретные узлы воображаемой пространственной решетки на фиг.4;
26, 27 - вертикальные плоскости, проходящие посередине между параллельными стенками щелевых каналов второго коллиматора;
28 - средство для детектирования рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект;
29 - теневая проекция исследуемого объекта;
30.5, 30.7 - потоки первичного рентгеновского излучения, выходящие соответственно из каналов 4.5 и 4.7 первого коллиматора на фиг.5;
31.1, 31.2 - части потоков вторичного излучения, захватываемые дырчатыми каналами второго коллиматора на фиг.5;
32.1, 32.2 - потоки первичного излучения рентгеновского излучения, выходящие соответственно из каналов 4.9 и 4.10 первого коллиматора на фиг.6;
33.1, 33.2 - части потоков вторичного излучения от элементов объема 24.1 и 24.2 соответственно, захватываемые щелевыми каналами 23.3 и 23.4 второго коллиматора на фиг.6.
Варианты осуществления изобретений
Предлагаемое устройство по первому варианту изобретения в одном из наиболее предпочтительных случаев его выполнения показано на фиг.1.
Оно содержит протяженный рентгеновский источник, представляющий собой рентгеновскую трубку 1 с планарным прострельным анодом 2. Рентгеновская трубка 1 выполнена с возможностью формирования излучающего пятна 3 на внешней поверхности прострельного анода 2 поочередно перед входами разных параллельных дырчатых каналов 4 первого коллиматора 5. Для этого осуществляется сканирование электронного луча рентгеновской трубки. Сканирование может осуществляться, например, построчно, в частности, с приданием лучу ряда дискретных положений, которым соответствуют дискретные позиции излучающего пятна 3, как показано на фиг.1, с помощью средства 6 для управления положением этого луча. Выход управляющего сигнала этого средства (левый по фиг.1) соединен с входом управления рентгеновской трубки 1.
Рентгеновская трубка 1 и средство 5 для управления положением электронного луча могут быть выполнены, например, в соответствии с описанным в патентах США №4259582 [5] (опубл. 31.03.81) и №5490197 [6] (опубл. 06.02.96).
Устройство содержит также средство 7 (на фиг.1 изображено условно) для позиционирования исследуемого объекта 8 (на фиг.1 и большинстве других чертежей в качестве исследуемого показан биологический объект - голова пациента). Средство 7 для позиционирования установлено с таким расчетом, чтобы исследуемый объект мог быть размещен на пути рентгеновского излучения трубки 1, выходящего из каналов 4 первого коллиматора 5.
На свободном месте в стороне от зоны, предназначенной для размещения исследуемого объекта, но по возможности ближе к ней установлен второй коллиматор 9. В случае, иллюстрируемом фиг.1, второй коллиматор, как и первый, имеет параллельные дырчатые каналы 10. Под дырчатыми каналами в данном случае понимаются отверстия произвольной формы с большим аспектным отношением, т.е. с длиной, многократно превышающей поперечные размеры, и прямолинейными продольной осью и образующими стенок (например, цилиндрические).
В описываемом случае каналы 4, 10 обоих коллиматоров 5, 9 при их продолжении в сторону зоны размещения исследуемого объекта пересекаются. При этом они образуют области пересечения, включающие узлы воображаемой пространственной решетки с ячейками, имеющими форму выпуклых шестигранников 12. В рассматриваемом случае такими шестигранниками являются прямоугольные параллелепипеды. Фрагмент этой решетки показан на фиг.2. Ее узлы 11 (11.1-11.8) в данном случае расположены в вершинах прямоугольного параллелепипеда - точках пересечения продолжений осевых линий 13, 14 соответственно каналов 4 и 10 первого 5 и второго 9 коллиматоров. На фиг.2 показан также один из элементов объема 15 исследуемого объекта, соответствующий пересечению продолжений каналов 4 и 10 и содержащий узел 11.1 воображаемой пространственной решетки.
Выходы каналов 10 второго коллиматора 9 обращены в сторону средства 16 для детектирования вторичного излучения, возбуждаемого в веществе исследуемого объекта при прохождении через него первичного излучения рентгеновской трубки 1, направляемого первым коллиматором 5.
Средство 16 для детектирования вторичного излучения, возбуждаемого в веществе исследуемого объекта 8, представляет собой совокупность детекторов, чувствительных к вторичному излучению вещества исследуемого объекта. Каждый из детекторов выполнен и установлен с возможностью приема выходного излучения только одного канала второго коллиматора из числа тех, на выходах которых оно одновременно имеется.
Возможно, в частности, выполнение средства 16 в виде матрицы с количеством детекторов, равным количеству каналов второго коллиматора, и размещением каждого из детекторов напротив выхода одного из каналов этого коллиматора. В этом случае каждый детектор реагирует на выходное излучение только одного из каналов второго коллиматора.
Однако более рациональным является выполнение средства 16 в виде матрицы линейных детекторов, апертура каждого из которых охватывает выходы целой группы каналов второго коллиматора. На фиг.1 и 2 такими группами являются вертикальные столбцы каналов 10 (10.1-10.4 на фиг.2) второго коллиматора 9. Так как пучок излучения, выходящего из какого-либо канала 4 первого коллиматора 5, пронизывает исследуемый объект 8 в горизонтальном направлении и в каждый момент времени излучение присутствует только в одном из каналов 4.1-4.4 (фиг.2), то этот пучок пересекает продолжения каналов 10.1-10.4 второго коллиматора 9, принадлежащих разным вертикальным столбцам. Поэтому возбужденное в веществе исследуемого объекта 8 вторичное излучение распространяется в каждый момент времени только по одному из каналов 10.1-10.4 каждого из вертикальных столбцов каналов второго коллиматора 9 (по фиг.2 - слева направо). Так, например, излучение рентгеновской трубки из канала 4.1 первого коллиматора 5 проходит в направлении продольной оси 13 этого канала через узлы 11.4 и 11.1. Вторичное излучение, возбужденное в элементах объема, содержащих узлы 11.4 и 11.1 (один из этих элементов - 15 - показан на фиг.2), может пройти на выходы только нижних по фиг.2 каналов (10.1 и 10.2) второго коллиматора 9 и не может пройти на выходы верхних каналов 10.3 и 10.4. Благодаря этому и оказывается возможным показанное на фиг.1 выполнение средства 16 для детектирования вторичного излучения в виде упомянутой матрицы линейных протяженных детекторов 17 - по одному на каждый столбец каналов второго коллиматора 9.
Выходы детекторов 17 средства 16 для детектирования вторичного излучения подключены к информационному входу 18 средства 19 для обработки и отображения информации. Это средство на фиг.1 представлено в виде блока 19.1 обработки информации (которому принадлежит вход 18) и подключенного к его выходу монитора 19.2, выполняющего функцию отображения информации. Блок 19 средства для обработки и отображения информации по своему второму входу 20 (принадлежащему блоку 19.1 обработки информации) имеет связь также с информационным выходом средства 6 для управления электронным лучом рентгеновской трубки 1.
Таким образом, при работе устройства, имеющего описанную конструкцию, в блок 19.1 обработки информации поступают сигналы, несущие информацию о текущем положении электронного луча рентгеновской трубки 1 (а следовательно, и о положении излучающего пятна 3 на поверхности ее прострельного анода 2) и об интенсивности вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
Сигналы, несущие информацию об интенсивности вторичного излучения, поступают с выходов разных детекторов 17. Это позволяет соотнести в блоке 19.1 информацию о текущем положении излучающего пятна 3 с интенсивностью вторичного излучения в группе каналов (на фиг.1 такой группой является столбец каналов) второго коллиматора 9, выходы которых охватываются апертурой каждого из протяженных линейных детекторов 17. Однако, как уже отмечалось выше, в каждый момент времени вторичное излучение может присутствовать на выходе только одного из каналов каждого из столбцов второго коллиматора 2. Таким каналом является канал, по которому может распространяться вторичное излучение в данный момент. Продолжение этого канала имеет пересечение внутри исследуемого объекта 8 с продолжением того канала первого коллиматора, на вход которого поступает излучение трубки 1. По этой информации в сочетании с информацией о том, где (т.е. напротив входа какого канала первого коллиматора 5) в текущий момент находится излучающее пятно 3, в блоке 19.1 обработки информации однозначно может быть установлено соответствие между измеренными значениями интенсивности вторичного излучения и координатами элементов объема исследуемого объекта, являющихся источниками вторичного излучения.
Известно (Дж. Джексон. Классическая электродинамика. - М.: Мир, 1965 [7]), что интенсивность вторичного излучения при прочих равных условиях пропорциональна плотности вещества, в котором оно возникает. Поэтому из сказанного выше следует, что для каждого положения излучающего пятна, занимаемого им перед входом одного из каналов первого коллиматора 5, в блоке 19.1 обработки информации может быть получен набор чисел, пропорциональных значениям плотности, с “привязкой” этих чисел к элементам объема исследуемого объекта с известными координатами. В качестве последних могут быть приняты, например, координаты узлов 11 (11.1-11.8) пространственной решетки, фрагмент которой показан на фиг.2. При необходимости устройство можно откалибровать так, чтобы была возможна оценка абсолютных значений плотности веществ в каждом из элементов объема исследуемого объекта. Но для получения картины распределения плотности достаточно иметь относительные оценки, т.е. достаточно получать и отображать значения интенсивности для всех элементов объема исследуемого объекта в одинаковом масштабе.
Согласно изложенному функция блока 19.1 обработки информации, реализующего описанную простую логику, сводится к получению информации о плотности вещества в каждом из элементов объема исследуемого объекта. Элемент объема представляет собой область пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, включающую только один из узлов упомянутой воображаемой пространственной решетки. Для этого в блоке 19.1 обработки информации достаточно использовать в качестве меры плотности значения интенсивности вторичного излучения, возбужденного в указанном элементе объема исследуемого объекта во время его облучения. Значение интенсивности определяется по выходному сигналу соответствующего детектора 17 средства 16 для детектирования вторичного излучения.
После сканирования всей представляющей интерес части исследуемого объекта по запомненным значениям интенсивности вторичного излучения, принятой в качестве меры плотности вещества в элементах объема исследуемого объекта, может быть построено изображение этой части в любой требуемой форме. Так, отобрав значения интенсивности (и соответствующие им известные значения координат элементов объема, например узлов 11 воображаемой пространственной решетки) для элементов объема, принадлежащих любому горизонтальному или вертикальному слою, нетрудно сформировать двумерное изображение этого слоя. Горизонтальные слои соответствуют горизонтальным плоскостям, проходящим через строки каналов первого и второго коллиматоров по фиг.1, а вертикальные слои могут быть двух видов и соответствовать вертикальным плоскостям, проходящим через столбцы каналов либо первого, либо второго коллиматора. Построение этих изображений, как видим, не требует никаких расчетов и сводится к отбору из памяти совокупностей координат узлов решетки (являющихся постоянными для конкретного устройства) в сочетании с зафиксированными соответствующими им значениями интенсивности вторичного излучения. Воспроизведение таких изображений на мониторе 19.2 не представляет какой-либо технической трудности и может быть реализовано, например, аналогично тому, как это делается для двумерных рентгеновских изображений в изобретении по патенту [6].
Двумерные изображения могут быть получены и в различных “косых” сечениях, что потребует незначительного усложнения логики отбора.
Совокупность получаемых в блоке 19.1 обработки информации данных о плотности во всем объеме, соответствующем пересечению суммарных апертур первого и второго коллиматоров, достаточна для получения на мониторе 19.2 трехмерной картины 21 с использованием известных приемов компьютерной графики (см., например, Е. Лапшин. Графика для IBM PC. - M.: Солон, 1995 [8]).
Точность “привязки” значений плотности к координатам имеет порядок размера областей 15 (фиг.2) пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, включающих показанные на фиг.2 узлы 11. При достаточно малом числе каналов (например, 100×100 в каждом коллиматоре) и размере коллиматоров в поперечном направлении порядка 10×10 см2 может быть получена разрешающая способность порядка 1 мм. Средство 16 для детектирования вторичного излучения при этом должно содержать только 100 линейных (протяженных в одном направлении) детекторов или представлять собой матрицу из 100 рядов обычных детекторов. В последнем случае выходные сигналы всех детекторов одного ряда суммируются, и один ряд выполняет функцию одного линейного детектора. Поскольку в настоящее время изготавливаются матрицы с гораздо большим числом детекторов, чем требуется для получения такого количества рядов, можно реализовать устройство с существенно более высоким разрешением, чем названное выше.
В качестве коллиматоров с соответствующим большим количеством дырчатых каналов могут быть использованы, в частности, рентгеновские растры с ячеистой структурой и параллельными каналами по патенту РФ №2171979 (опубл. 10.08.2001) [9], полученные по известной технологии изготовления монолитных рентгеновских линз (см., например: V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov, A.V.Noshkin, I.Yu.Ponomarev, Kh.Z.Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All Union Conference on Interaction of radiation with Solids (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR). Book of abstracts. - Moskow, 1990, p.177-178 [10].
Количество каналов второго коллиматора может быть уменьшено до числа столбцов с изменением при этом их формы: вместо дырчатых - щелевые. Под щелевыми понимаются каналы в виде отверстий, длина которых многократно превышает один (меньший) из поперечных размеров канала. Стенки щелевого канала, соответствующие его большему поперечному размеру, параллельны. Меньший поперечный размер целесообразно выбирать равным поперечным размерам канала первого коллиматора. Другой (больший) поперечный размер щелевого канала должен быть таким, чтобы обеспечить пересечение продолжения этого канала с продолжениями каналов первого коллиматора, принадлежащих одному столбцу. При этом размеры элемента объема исследуемого объекта, образуемого при указанном пересечении, примерно одинаковы в трех измерениях. В качестве коллиматора со щелевыми каналами может быть использован, в частности, щелевой антирассеивающий рентгеновский растр (Chan H.-P., Frank P.H., Doi К., Lida N.. Higashida Y. Ultra-High-Strip-Density Radiographic Grids: A New Antiscatter Technique for Mammography. Radiology. - V.154, № 3, March 1985, p.807-815 [11]).
Выполнение предлагаемого устройства, в котором второй коллиматор 9 имеет параллельные щелевые каналы 23, показано на фиг.3. Из описания работы устройства в рассмотренном выше случае выполнения по фиг.1 видно, что определение того, какому из каналов данного столбца каналов второго коллиматора соответствует значение интенсивности, зафиксированное детектором 17, осуществляется косвенно. Для этого достаточно знать, через какой из каналов первого коллиматора в текущий момент облучается исследуемый объект. Так, выше уже было пояснено, что в случае облучения объекта через канал 4.1 (фиг.2) вторичное излучение может присутствовать только на выходе канала 10.2 одного столбца каналов второго коллиматора 9 и на выходе канала 10.1 другого столбца. Положение узлов 11.1-11.8 фактически определяется пересечением осевых линий 13 каналов первого коллиматора 5 с вертикальными плоскостями 22.1, 22.2, проходящими через продольные оси соответственно каналов 10.2, 10.4 и 10.1, 10.3, образующих упомянутые столбцы. При этом наличие границ между каналами в пределах каждого из столбцов с обсуждаемой точки зрения не играет какой-либо роли, что и делает принципиально возможной замену каждого столбца дырчатых каналов одним щелевым.
Принцип действия устройства со щелевыми каналами второго коллиматора не отличается от описанного выше. Изменяется только форма элемента объема 24, включающего узловую точку воображаемой пространственной решетки (фиг.4). Если в предыдущем случае при круглом сечении каналов обоих коллиматоров он представлял собой пересечение двух цилиндров, то в рассматриваемом случае он представляет собой часть цилиндра (в показанном на фиг.4 случае - продолжения канала 4.1 первого коллиматора 5), заключенную между двумя параллельными плоскостями, являющимися продолжениями стенок щелевого канала второго коллиматора (для показанного на фиг.4 элемента объема 24 - стенок канала 23.2). Узлы 25 (25.1-25.8, фиг.4) пространственной решетки, заключенные внутри элементов объема исследуемого объекта, являющихся источниками возбужденного вторичного излучения, расположены в точках пересечения продолжений осевых линий каналов первого коллиматора 5 (например, линии 13 для канала 4.1) и плоскостей 26, 27. Последние проходят посередине между параллельными стенками щелевых каналов 23.1, 23.2 второго коллиматора 9.
В обоих случаях, показанных на фиг.1 и 3, могут быть установлены дополнительные коллиматоры 9а с дырчатыми (10а, фиг.1) или щелевыми (23а, фиг.3) каналами и дополнительные средства 16а для детектирования вторичного излучения, выполненные и расположенные с соблюдением таких же условий, как и для второго коллиматора 9 и средства для детектирования 16. В частности, они могут быть размещены относительно исследуемого объекта симметрично второму коллиматору 9 и средству 16 или, как показано на фиг.1 и 3, ортогонально им в зависимости от того, что представляет собой и как расположен исследуемый объект. Выходы детекторов 17а дополнительного средства для детектирования вторичного излучения тоже подключены к входу 18 блока 19.1 обработки информации, входящего в состав средства 19 для обработки и отображения информации. В блоке 19.1 обработки информации выходные сигналы детекторов 17а используются таким же образом, как и сигналы детекторов 17, а получаемые при этом значения плотностей вещества в элементах объема исследуемого объекта используются совместно со значениями, полученными по сигналам детекторов 17, в целях повышения точности (например, путем вычисления средних значений). Дополнительный коллиматор не обязательно должен быть идентичен второму. Например, второй коллиматор может быть с дырчатыми каналами (как коллиматор 9 на фиг.1), а дополнительный - со щелевыми каналами 23а (как коллиматор 9а на фиг.3).
Во всех описанных случаях выполнения возможно также использование средства 28 для детектирования излучения протяженного рентгеновского источника, прошедшего через исследуемый объект. Оно размещается на пути этого излучения за средством для позиционирования исследуемого объекта.
Средство 28 для детектирования излучения протяженного рентгеновского источника, прошедшего через исследуемый объект, может быть выполнено либо непосредственно формирующим видимое изображение теневой проекции 29, либо с электрическим выходом, подключенным к входу средства для обработки и отображения информации. В первом случае средство 28 должно иметь экран с достаточным (не менее периода сканирования электронного луча) послесвечением. Имеющая место во втором случае связь средства 28 с входом 18 блока 19.1 обработки информации, входящего в состав средства 19 для обработки и отображения информации, показана пунктиром. В этом случае блок 19.1 обработки информации выполнен с дополнительной возможностью формирования сигналов для отображения на мониторе 19.2 теневой проекции исследуемого объекта. Реализация этой возможности полностью аналогична описанной в патенте [6].
Два рассмотренных случая выполнения устройства не равноценны по точности. Прежде всего это связано с тем, что в случае по фиг.3 на линейные детекторы 17 воздействует вторичное излучение, собираемое протяженной щелью, а не отдельным дырчатым каналом. Для сравнения двух случаев выполнения устройства с учетом влияния данного фактора приведены фиг.5 и 6.
На фиг.5 изображено несколько дырчатых каналов (4.5-4.9) первого коллиматора, два дырчатых канала (10.5, 10.6) второго коллиматора, два линейных детектора (17.1, 17.2) вторичного излучения, прошедшего через каналы 10.5, 10.6. и ряд элементов объема 15 исследуемого объекта. Горизонтальными полосами 30.5 и 30.7 с сетчатой штриховкой показаны потоки первичного рентгеновского излучения трубки 1, прошедшего через каналы 4.5 и 4.7 первого коллиматора. Вертикальная полоса 31.1 с сетчатой штриховкой соответствует той части вторичного излучения элемента объема 15.1, которая может быть захвачена каналом 10.5 второго коллиматора, а полоса 31.2 - той части вторичного излучения элемента объема 15.2, которая может быть захвачена каналом 10.6 второго коллиматора.
На фиг.6 изображена группа дырчатых каналов 4 первого коллиматора. Для двух из них (4.10, 4.11) сетчатой штриховкой 32.1 и 32.2 соответственно показаны потоки выходящего из этих каналов первичного рентгеновского излучения. Изображены также второй коллиматор 9 со щелевыми каналами 23 (23.3, 23.4) и средство 16 для детектирования вторичного излучения с линейными детекторами 17. Малыми цилиндрами 24 представлены элементы объема исследуемого объекта, образованные пересечением продолжений каналов 4 первого коллиматора и стенок щелевых каналов 23 второго коллиматора. Для двух элементов объема (24.1 и 24.2) заштрихованными секторами 33.1 и 33.2 показано, какая часть их вторичного излучения может пройти через щелевые каналы 23.3, 23.4 и достигнуть детекторов 17.
Из сравнения фиг.5 и 6 видно, что при выполнении устройства по фиг.3 следует ожидать большей, чем при выполнении по фиг.1, интенсивности излучения, воздействующего на детекторы 17. Очевидно, что благодаря этому интенсивность вторичного излучения элемента объема может быть определена по выходному сигналу детектора статистически более точно.
Ниже приведены результаты расчетов погрешности, вызванной стохастическим характером процесса излучения вторичных фотонов, применительно к исследованию биологического объекта при следующих условиях:
длина каналов первого и второго коллиматоров 5 см,
диаметр каналов первого коллиматора и ширина щелей каналов второго коллиматора 1 мм, т.е. размер одного элемента объема (элемента разрешения) порядка 1 × 1 × 1 мм,
исследуется слой толщиной в один элемент разрешения размером 5 × 5 см × 1 мм, расстояние центрального элемента объема которого от выхода первого коллиматора и от входа второго коллиматора 5 см (примерно такие расстояния могут иметь место при маммографических исследованиях),
энергия излучения рентгеновской трубки 60 кэВ.
Для достижения среднеквадратической погрешности определения плотности в каждом из 2500 элементов объема указанного слоя не хуже 3% необходима доза облучения порядка 0,5 Р. Если при этом потребовать, чтобы изображение такого слоя было получено за 1 с, то необходима рентгеновская трубка с потребляемой мощностью порядка 1,5 кВт. При расчетах учитывалось усредненное ослабление первичного и возбужденного вторичного излучений в биологических тканях, составляющее примерно 20%/см.
Благодаря отсутствию механически перемещаемых частей анализ может проводиться и за более короткие промежутки времени, чем в описанном примере, что позволяет осуществлять его в динамике для объектов, структура которых изменяется во времени, например сердца в различных его фазах и других подвижных внутренних органов человека.
На точность определения плотности вещества в элементах объема исследуемого объекта влияют также неравные условия, в которых находятся разные элементы объема. Во-первых, первичное излучение рентгеновской трубки 1 испытывает неодинаковое ослабление на пути к разным элементам объема исследуемого объекта. Во-вторых, вторичное излучение, возбужденное в разных элементах объема исследуемого объекта, по разному ослабляется на пути от этих элементов к входу соответствующего канала второго коллиматора.
Так, из фиг.5 видно, что на элемент объема 15.1 первичное рентгеновское излучение, выходящее из канала 4.5 первого коллиматора (горизонтальная полоса 30.5 с сетчатой штриховкой), воздействует непосредственно, не проходя через другие элементы объема, а излучение, выходящее из канала 4.7 первого коллиматора (горизонтальная полоса 30.7), воздействует на элемент объема 15.2, предварительно пройдя через несколько других элементов объема, расположенных левее него в той же строке. Вторичное излучение, возбужденное в элементе объема 15.1 (вертикальная полоса 31.1 с сетчатой штриховкой), попадает на вход канала 10.5 второго коллиматора непосредственно, а излучение, возбужденное в элементе 15.2 (вертикальная полоса 31.2), попадает на вход канала 10.6 второго коллиматора, предварительно пройдя через несколько других элементов объема, расположенных ниже него в том же столбце. Для повышения точности определения плотности вещества в разных элементах объема исследуемого объекта целесообразно учесть влияние рассмотренных факторов при формировании чисел, пропорциональных плотности, в блоке 19.1 обработки информации. Для этого достаточно начать вычисления с элемента 15.1. В этом случае для элемента, находящегося справа от 15.1 рядом с ним, можно учесть ослабление первичного излучения, воспользовавшись найденным значением плотности элемента 15.1. Аналогично для следующего элемента той же строки можно учесть ослабление первичного излучения в двух предыдущих, плотность которых определена ранее, и т.д. То же самое может быть сделано для элементов других строк. При этом для элементов второй снизу строки, пронизываемых первичным рентгеновским излучением, выходящим из канала 4.6 первого коллиматора, целесообразно учесть ослабление вторичного излучения при прохождении его к входам каналов второго коллиматора через элементы первой строки, плотность которых определена ранее. Аналогично для элементов третьей снизу строки, пронизываемых излучением, выходящим из канала 4.7, целесообразно учесть ослабление вторичного излучения при прохождении его через элементы второй и первой строк и т.д. для элементов других строк.
Для устройства по фиг.3 со щелевыми каналами второго коллиматора 9 влияние рассмотренных выше факторов иллюстрируется фиг.6. Из фиг.6 видно, что на элемент объема 24.1 исследуемого объекта первичное рентгеновское излучение, выходящее из канала 4.10 первого коллиматора (показанная сетчатой штриховкой полоса горизонтальная полоса 32.1), воздействует непосредственно, не проходя через другие элементы объема, а излучение, выходящее из канала 4.11 первого коллиматора (горизонтальная полоса 32.2), воздействует на элемент объема 24.2, предварительно пройдя через несколько других элементов объема, расположенных в той же строке. Вторичное излучение, возбужденное в элементе объема 24.1 (заштрихованный сектор 33.1) и способное пройти на выход щелевого канала 23.3 второго коллиматора, поступает на его вход непосредственно, а излучение, возбужденное в элементе 24.2 (заштрихованный сектор 33.2), способное пройти на выход щелевого канала 23.4 второго коллиматора, поступает на его вход, предварительно пройдя через несколько других элементов объема, расположенных ниже в нескольких столбцах. На фиг.6 такие элементы имеются в двух столбцах: три элемента в левом столбце и один элемент в среднем столбце. Эти элементы выделены продольной штриховкой.
Для повышения точности определения плотности вещества в разных элементах объема исследуемого объекта целесообразно учитывать влияние фактических величин ослабления первичного и вторичного излучений на интенсивность излучения, воспринимаемого детекторами. Для этого формирование чисел, пропорциональных плотности вещества в разных элементах объема, в каждой из горизонтальных строк целесообразно начать с элемента объема, находящегося ближе к выходу соответствующего канала первого коллиматора. Например, в нижней средней строке таким элементом является 24.1. Для ближайшего к нему по ходу излучения (по фиг.6 - находящегося впереди, т.е. ближе к наблюдателю) элемента можно учесть ослабление первичного излучения, воспользовавшись найденным значением плотности элемента 24.1. Аналогично для следующего элемента той же строки можно учесть ослабление первичного излучения в двух предыдущих, плотность которых определена ранее, и т.д. То же самое может быть сделано для элементов других строк нижнего (ближайшего ко второму коллиматору 9) слоя. При этом для элементов, принадлежащих строкам второго снизу слоя, целесообразно учесть ослабление вторичного излучения при прохождении его к входам каналов второго коллиматора через элементы строк нижнего слоя, плотность которых определена ранее. Аналогично для элементов, принадлежащих строкам третьего снизу слоя, целесообразно учесть ослабление вторичного излучения при прохождении его через элементы самого нижнего и второго слоев и т.д. для элементов других слоев.
Учет ослабления излучения (как первичного, так и вторичного) несложен и может производиться с использованием формулы
I1/I0=exp[-μ(ρ, E)(Δx],
где I0 и I1 - соответственно интенсивность излучения, входящего в элемент объема и выходящего из него;
Δx - размер элемента объема в направлении распространения излучения;
μ(ρ, Е) - линейный коэффициент поглощения фотонов, зависящий от их энергии Е и средней плотности ρ вещества в пределах элемента объема.
В упрощенном виде учет ослабления первичного и вторичного излучений может быть реализован с использованием априори известного усредненного значения коэффициента поглощения для плотности вещества исследуемого объекта при заданной энергии излучения. Так, например, для биологических тканей при энергии первичного излучения Е=60 кэВ усредненный коэффициент поглощения μ≈0,21/см. Такой же порядок имеет коэффициент поглощения вторичного излучения, так как энергия его фотонов близка к энергии фотонов первичного излучения.
Более точный расчет ослабления первичного и возбужденного вторичного излучений в обоих рассмотренных случаях выполнения устройства должен производиться с учетом последовательного прохождения излучения через элементы объема с разной плотностью. Поэтому, как отмечено выше, определять искомую плотность вещества в очередном элементе объема по интенсивности излучения следует после того, как определены значения плотности в элементах объема, через которые проходит первичное излучение на пути к этому элементу и в элементах, через которые проходит вторичное излучение на пути от очередного элемента. Это предписывает соответствующую последовательность вычислений в блоке 19.1 обработки информации средства 19 для обработки и отображения информации.
Вытекающее из такой логики требование к блоку 19.1 заключается в том, что он должен быть выполнен с возможностью учета ослабления первичного излучения протяженного рентгеновского источника на пути к очередному элементу объема исследуемого объекта, вычисляемого с учетом определенных ранее значений плотности вещества в других элементах объема исследуемого объекта, находящихся ближе к выходу соответствующего канала первого коллиматора на пересечениях продолжения этого канала с продолжениями других каналов второго коллиматора. Блок 19.1 должен быть выполнен также с возможностью учета ослабления возбужденного в очередном элементе объема вторичного излучения с использованием найденных ранее значений плотности вещества в других элементах объема исследуемого объекта, находящихся ближе к входу того же канала второго коллиматора на пересечениях продолжения этого канала с продолжениями других каналов первого коллиматора.
Если устройства по фиг.1 и фиг.3 снабжены дополнительными коллиматорами 9а, то в блоке 19.1 обработки информации должны быть предусмотрены аналогичные возможности для обработки выходных сигналов детекторов 17а дополнительных средств 16а для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
Устройства по фиг.1 и 3 могут быть изменены путем выполнения первых коллиматоров 1 не с параллельными, а со сходящимися (фиг.7, 8) или расходящимися (фиг.9, 10) дырчатыми каналами. Это позволяет осуществлять исследование объектов, размеры которых, соответственно, меньше или больше размеров анода 2 трубки 1, с одним и тем же количеством элементов разрешения.
Если продолжения осевых линий каналов первого коллиматора на фиг.7, 8 в сторону исследуемого объекта 8, а на фиг.9, 10 - в сторону рентгеновской трубки 1 сходятся в одной точке, то ячейки воображаемой пространственной решетки, узлы которой заключены в областях пересечения продолжений каналов первого и второго коллиматоров, имеют форму прямоугольных усеченных пирамид. На фиг.11-14 такие ячейки 12 показаны соответственно для устройств по фиг.7-10. Если указанное выше условие, касающееся схождения продолжений осевых линий каналов первого коллиматора в одной точке, не соблюдается, то ячейки упомянутой воображаемой пространственной решетки должны иметь форму других выпуклых шестигранников (в отличие от прямоугольных параллелепипедов на фиг.2 и 4 или усеченных прямоугольных пирамид на фиг.11-14), например форму обелиска.
Каналы второго коллиматора 9 тоже могут быть не параллельными, а расходящимися или сходящимися, и сочетаться с параллельными, расходящимися или сходящимися каналами первого коллиматора 5. См., например, фиг.15, где схематически показана взаимная ориентация каналов 4 и 23 соответственно первого 5 и второго 9 коллиматоров, расходящихся в сторону исследуемого объекта 8. Во всех этих случаях ячейки упомянутой воображаемой пространственной решетки также должны иметь форму выпуклых шестигранников.
Отмеченные возможности выбора геометрии каналов коллиматоров могут быть использованы в специфических ситуациях. Например, геометрия с расходящимися каналами может быть выбрана для того, чтобы обеспечить полное попадание объекта, имеющего большой размер, в поле зрения коллиматоров. Геометрия со сходящимися каналами может быть выбрана при исследовании объекта малых размеров без уменьшения количества элементов разрешения.
Возможна компоновка устройства с расположением первого 5 и второго 9 коллиматоров с одной и той же стороны исследуемого объекта 8 (фиг.16, 17). Как видно из фиг.17, каналы первого и второго коллиматоров не обязательно должны иметь ортогональную взаимную ориентацию.
При компоновке, показанной на фиг.16 и 17, становится возможным исследование в случаях, когда по каким-либо причинам нельзя или нежелательно разместить различные узлы устройства по разные стороны от исследуемого объекта, например в задачах промышленной дефектоскопии частей крупноразмерных объектов типа турбин, корпусов судов, стенок действующих трубопроводов, при досмотре багажа.
Устройство по второму предлагаемому варианту отличается от описанного выше варианта устройства во всех рассмотренных частных случаях его выполнения отсутствием связи средства 6 для управления электронным лучом с входом 20 средства для обработки и отображения информации. На фиг.18 показан вариант выполнения устройства без указанной связи для такой же комбинации коллиматоров, как на фиг.3. Для обеспечения правильной работы устройства при отсутствии этой связи средство 6 должно быть выполнено с дополнительной возможностью такого управления излучением трубки 1, при котором излучению придается признак, несущий информацию о текущем положении электронного луча (а следовательно, и излучающего пятна 3) на поверхности анода 2. Отмеченное изменение функции средства 6 отражено на фиг.18 путем изображения связи этого средства с трубкой 1 двойной линией. Упомянутым признаком излучения могут быть, например, частота его импульсной модуляции, длительность импульсов, комбинация этих параметров и др. Блок 19.1 обработки информации, входящий в состав средства 19 для обработки и отображения информации, должен быть выполнен с дополнительной возможностью извлечения информации об указанном признаке излучения (частоте следования импульсов, их длительности и т.п.) путем соответствующей демодуляции выходных сигналов детекторов 17 средства 16 для детектирования вторичного излучения, возбужденного в исследуемом объекте.
В остальном все сказанное выше о предлагаемом устройстве по первому варианту и иллюстрирующие его чертежи (кроме упомянутой связи, присутствующей на фиг.1-3, 7-10) в равной степени относятся и к предлагаемому устройству по второму варианту. Устройства по первому и второму вариантам эквивалентны с точки зрения технического результата, на достижение которого направлены предлагаемые изобретения.
Промышленная применимость
Использование той или иной схемы построения устройства определяется конкретной задачей анализа внутренней структуры объекта исследования, требованиями к компоновке, имеющимися возможностями изготовления коллиматоров того или иного вида и другими конкретными обстоятельствами.
Наличие описанных и многочисленных других вариантов построения предлагаемого устройства предоставляет широкие возможности конструирования средств внутривидения, удовлетворяющих предъявляемым конкретным требованиям для применения в медицине, промышленности, на транспорте и в других областях деятельности.
Источники информации
1. Политехнический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1976.
2. Физика визуализации изображений в медицине /Под ред. С. Уэбба. - М.: Мир, 1991.
3. Пиклов В.В., Преображенский Н.Г. Вычислительная томография и физический эксперимент. Успехи физических наук. Т. 141. Вып. 3. - 1983, ноябрь.
4. Международная заявка РСТ/RU00/00207, международная публикация WO 01/59439 от 16.08.2001.
5. Патент США №4259582 (опубл. 31.03.81).
6. Патент США №5490197 (опубл. 06.02.96).
7. Дж. Джексон. Классическая электродинамика. - М.: Мир, 1965.
8. Е. Лапшин. Графика для IBM PC. - М.: Солон, 1995.
9. Патент РФ №2171979 (опубл. 10.08.2001).
10. V.M.Andreevsky, M.V.Gubarev, P.I.Zhidkin, M.A.Kumakhov. A.V.Noshkin, I.Yu. Ponomarev, Kh.Z. Ustok. X-ray waveguide system with a variable cross-section of the sections. The IV-th All Union Conference on Interaction of radiation with Solids (May 15-19, 1990, Elbrus settlement, Kabardino-Balkarian ASSR, USSR). Book of abstracts. - Moskow, 1990, p.177-178.
11. Chan H.-P., Frank P.H., Doi K., Lida N., Higashida Y. Ultra-High-Strip-Density Radiographic Grids: A New Antiscatter Technique for Mammography. Radiolog”. - V. 154, № 3. - March 1985, p.807-815.
Использование: для получения в визуально воспринимаемой форме изображения внутренней структуры объекта, в частности биологического, с использованием рентгеновского излучения. Сущность: устройство содержит рентгеновскую трубку 1 с планарным прострельным анодом 2. Между ней и исследуемым объектом 8 размещен первый коллиматор 5 с дырчатыми каналами 4. Средство 16, содержащее матрицу детекторов 17, детектирует вторичное излучение, возбужденное в веществе исследуемого объекта. Между последним и средством 16 размещен второй коллиматор 9 с дырчатыми или щелевыми каналами. Положение излучающего пятна 3 трубки 1 на поверхности ее анода 2 сканируется с помощью средства 6 управления электронным лучом. Пятно 3 поочередно занимает положение перед входами разных каналов коллиматора 5. При этом на выходе одного из детекторов 17 средства 16 появляется сигнал, несущий информацию о плотности вещества объекта 8 в зоне пересечения продолжения того канала первого коллиматора, на входе которого присутствует излучение трубки 1, и продолжения одного из каналов второго коллиматора 9. Этот сигнал поступает на вход 18 блока 19.1 обработки информации, являющегося частью средства 19 для обработки и отображения информации. На вход 20 блока 19.1 из средства 6 поступает информация о текущем положении электронного луча и, следовательно, излучающего пятна 3 (в другом варианте такая информация заключена в модуляции излучения трубки 1, а указанная связь средства 6 и блока 19.1 отсутствует). По этим данным и известному взаимному расположению каналов коллиматоров 5 и 9 в блоке 19.1 определяется распределение плотности вещества по объему объекта 8. Результат в виде двумерной или объемной картины 21 отображается на мониторе 19.2, входящем в состав средства 19. В состав устройства могут входить дополнительные коллиматор 9а и средство 16а с детекторами 17а, а также средство 28 для детектирования излучения трубки 1, прошедшего через объект 8, и получения теневой проекции 29 его внутренней структуры. Технический результат: исключение механического сканирования при сохранении возбуждаемого вторичного излучения (рассеянного комптоновского когерентного и некогерентного излучения, флуоресцентного излучения) в качестве информативного фактора и снижение лучевой нагрузки на объект. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 18 ил.
| МНОГОКАНАЛЬНЫЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ АНАЛИЗАТОР ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА | 1993 |
|
RU2072515C1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
| US 4519092 A, 21.05.1985 | |||
| US 5778039 А, 07.07.1988. | |||
