Предлагаемое изобретение относится к средствам для неразрушающего контроля, интроскопии или инспекции человека и транспорта на предмет обнаружения инородных предметов и предназначено для получения изображения заданной области объекта с использованием прошедшего или рассеянного проникающего излучения.
Известны способ и устройство для инспекционного обследования человека в рассеянном рентгеновском излучении [1] на предмет обнаружения на теле человека инородных предметов (наркотиков, взрывчатки и т.д.). Рентгеновский остронаправленный луч сканирует поверхность тела человека и вызывает рассеянное излучение, которое регистрируется большеразмерным детектором рассеянного излучения. Это зарегистрированное рассеянное излучение выводится на экран дисплея и визуализируется. Контраст в изображении определяется зависимостью в рассеянии рентгеновского излучения от веществ, обладающих различным атомным номером. Чем меньше атомный номер вещества, тем оно лучше рассеивает рентгеновское излучение. Таким образом, удается обнаружить вещества на теле человека, которые не дают хорошего контраста при их просвечивании на установке типа флюорографической. Однако такой подход не позволяет достаточно глубоко заглянуть внутрь исследуемого объекта. Пространственное разрешение визуализированного изображения определяется шириной остронаправленного сканирующего рентгеновского луча. Остронаправленный рентгеновский луч при этом формируется из широкого конического луча путем коллимирования, за счет чего большая часть первоначального широкого луча "срезается" коллиматором. Энергия первоначального рентгеновского источника используется неэффективно.
Известны способ и устройство [2], в которых сочетаются преимущества исследования в рассеянном и прошедшем излучении. В этих устройстве и способе исследуемый объект облучается остронаправленным рентгеновским лучом и регистрируется как прошедшее, так и рассеянное излучение детекторами рассеянного и прошедшего излучения. Визуализации и анализу подвергаются данные, полученные как в рассеянном, так и прошедшем излучении. Таким образом, удается хорошо обнаружить как предметы, обладающие большим атомным номером (металлическое оружие), так и предметы, обладающие малым атомным номером (наркотики, взрывчатка). Пространственное разрешение в визуализируемых изображениях ослабления и рассеяния определяется шириной остронаправленного сканирующего рентгеновского луча. Остронаправленный рентгеновский луч при этом формируется из широкого конического луча путем коллимирования, за счет чего большая часть первоначального широкого луча "срезается" коллиматором. Энергия первоначального рентгеновского источника используется неэффективно.
Известны также способ и устройство по заявке на изобретение [3], в которых для инспекции предмета используются как рассеянное, так и прошедшее рентгеновское излучение. При этом для облучения предмета используется либо источник проникающего излучения для облучения предмета во множестве его частей, либо источник проникающего излучения для облучения предмета множеством пучков. В данных технических решениях используется модуляционная система для кодирования каждой части облучаемого предмета с такой временной моделью вариации интенсивности, что, расшифровывая сигнал, каждый сигнальный компонент можно уникально связать со своей частью предмета.
В варианте, описанном в указанной заявке на изобретение, кодирование осуществляется на основе облучения различных частей предмета лучами, модулированными по частоте. Каждый луч, облучающий свою часть предмета, обладает своей частотой модуляции. Таким образом, разделяя наблюдаемый сигнал после взаимодействия с предметом частотными фильтрами, можно разделить сигналы, идущие от различных частей предмета.
Конечное разрешение соответствует использованию единственного узконаправленного луча.
Такой подход позволяет достаточно просто решить задачу частотного кодирования плоского веерного луча, например, за счет вращения диска с концентрическими отверстиями, расположенными в сечении луча, что и предлагается в указанной заявке на изобретение [3], но затрудняет решение задачи кодирования конического луча.
В упомянутой заявке на изобретение [3] использование веерного пучка подразумевает также перемещение исследуемого предмета в процессе его исследования, так как веерным пучком невозможно засветить весь предмет полностью.
Способ и устройство по заявке [3] наиболее близки к предлагаемым.
Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении скорости сканирования за счет более эффективного использования мощности источника проникающего излучения, либо в понижении мощности источника при сохранении скорости сканирования. Кроме того, они обеспечивают упрощение конструкции устройства и снижение его себестоимости за счет использования несегментированных детекторов как для прошедшего, так и для рассеянного излучения.
Предлагаемый способ получения изображения заданной области объекта, как и указанный выше наиболее близкий к нему известный способ [3], включает сканирование во времени заданной области объекта пучком проникающего излучения и измерение во времени интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с предметом с получением соответствующего этой интенсивности сигнала, а также последующую обработку этого сигнала.
Для достижения указанных технических результатов в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, осуществляют одновременное облучение пучком приникающего излучения всей заданной области объекта. При этом сканирование во времени заданной области объекта осуществляют путем изменения во времени распределения интенсивности излучения в сечении облучающего пучка таким образом, что получаемый сигнал является сверткой и/или преобразованием Радона над изображением объекта. Обработка указанных результатов измерения включает осуществление над ними обратной свертки и/или обратного преобразования Радона. В результате получают восстановленное неискаженное (восстановленное) изображение заданной области объекта.
Указанная свертка предпочтительно должна быть циклической сверткой, а обратная свертка - соответственно обратной циклической сверткой.
Конкретный вид указанной свертки может быть выбран по заданному критерию, например, для максимизации отношения сигнал/шум в результирующем изображении.
В частности, упомянутая свертка может быть сверткой с функцией, имеющей плоские боковые лепестки и один максимум в ее дискретной автокорреляционной функции.
Измерение интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с предметом может осуществляться дискретно во времени.
Используемое проникающее излучение может быть, например, рентгеновским излучением.
Предлагаемое устройство для получения изображения заданной области объекта, как и наиболее близкое к нему, известное из [З], содержит источник проникающего излучения и, по крайней мере, один детектор для измерения интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом и формирования соответствующего этой интенсивности сигнала.
Для достижения названных выше технических результатов в предлагаемом устройстве, в отличие от наиболее близкого к нему известного, источник проникающего излучения выполнен с возможностью формирования пучка для одновременного облучения всей заданной области объекта. Кроме того, устройство содержит сканер для изменения во времени распределения интенсивности излучения в сечении указанного пучка таким образом, что формируемый, по меньшей мере, одним детектором во времени сигнал, соответствующий интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом, является результатом свертки и/или преобразования Радона над изображением объекта. Устройство содержит также процессор для выполнения обратного указанному математического преобразования над сигналом, соответствующим интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом, сформированным, по крайней мере, одним детектором, т.е. для выполнения операции обратной свертки и/или обратного преобразования Радона.
Сканер может содержать неоднородный для проникающего излучения экран и средство для движения этого экрана хотя бы в одном направлении.
Указанный неоднородный для проникающего излучения экран может представлять из себя барабан, имеющий одномерный узор длины M· N, повторяющийся по высоте барабана N раз, со сдвигом на длину М для каждого последующего повтора по высоте. При этом средство для движения экрана хотя бы в одном направлении выполнено с возможностью вращения указанного барабана вокруг его оси.
Средство для движения входящего в состав сканера неоднородного для проникающего излучения экрана может быть выполнено с возможностью движения этого экрана в двух направлениях.
В этом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой барабан с нанесенным на его поверхность двумерным узором, циклически повторяющимся по высоте и окружности барабана, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана вокруг его оси и перемещения вдоль нее.
В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой сферу, имеющую двумерный узор на ее поверхности, нанесенный циклически относительно ортогональных осей, проходящих через ее центр, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этой сферы вокруг указанных осей.
В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой барабан с нанесенным циклически по его окружности одномерным узором, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана одновременно вокруг его оси и вокруг оси, ортогональной ей.
В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой диск, на поверхность которого нанесен одномерный узор относительно центра диска, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого диска вокруг его центра и вращения центра диска по окружности, лежащей в плоскости диска (планетарное движение).
Сканер может содержать также два неоднородных для проникающего излучения экрана и средство для движения каждого из экранов в своем направлении.
В этом случае один из двух неоднородных для проникающего излучения экранов может представлять собой барабан с циклически нанесенным по его окружности одномерным узором.
В том же самом случае неоднородные для проникающего излучения экраны могут представлять из себя два помещенные один в другой барабана с ортогонально ориентированными осями и циклически нанесенными по их окружностям одномерными узорами, а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения этих барабанов вокруг указанных осей.
В том же самом случае неоднородные для проникающего излучения экраны могут представлять из себя два коаксиально помещенных друг в друга барабана с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами, причем узоры этих барабанов наклонены относительно их общей оси в противоположные стороны на угол 45° , а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения этих барабанов вокруг их общей оси.
Источник проникающего излучения может быть источником рентгеновского излучения.
Ниже поясняется смысл использованных известных математических понятий:
“Свертка” (прямая апериодическая свертка).
При прямой апериодической свертке вместо значения апериодической функции I(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение С(х) в диапазоне от минус до плюс бесконечности, при этом в качестве "весов" используется другая функция Н(х). В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой.
“Обратная свертка” (обратная апериодическая свертка). При обратной апериодической свертке вместо значения апериодической функции С(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение I(х) в диапазоне от минус до плюс бесконечности, при этом в качестве "весов" используется другая функция Н-1(х).
Функцию Н-1(х) выбирают таким образом, чтобы компенсировать влияние прямой апериодической свертки, то есть получить не искаженное значение функции. В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой. Такая процедура называется также деконволюцией.
“Циклическая свертка”
При циклической свертке вместо значения циклической (периодической) функции I(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение С(х) в диапазоне периода повторения, при этом в качестве "весов" используется другая циклическая функция с тем же периодом повторения.
“Обратная циклическая свертка”.
При обратной циклической свертке вместо значения циклической функции С(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение I(х) в диапазоне периода повторения, при этом в качестве "весов" используется другая функция H-1(х).
Функцию Н-1(х) выбирают таким образом, чтобы компенсировать влияние прямой циклической свертки, то есть получить неискаженное значение функции. В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой.
“Прямое преобразование Радона”.
Прямое преобразование Радона сводится к переводу функции I(х,у) из декартовой системы координат в систему координат угловых проекций этой функции P(Q,s). где Q - угол, под которым получена проекция функции, s - координата вдоль проекции.
В аналоговом виде такое преобразование описывается интегральным уравнением, в дискретном виде - суммой.
Наглядным примером прямого преобразования Радона является получение рентгеновских снимков объекта с разных направлений вокруг объекта.
“Обратное преобразование Радона”.
Обратное преобразование Радона сводится к переводу функции P(Q,s) из системы координат угловых проекций в декартову систему координат I(х,у). В аналоговом виде такое преобразование описывается сложным интегральным уравнением, в дискретном виде - специфической суммой.
Наглядным примером обратного преобразования Радона является получение томографического изображения пациента в медицинской компьютерной томографии на основе набора его рентгеновских проекций, полученных под различными углами.
Для дальнейшего пояснения сущности предлагаемых изобретений рассмотрим, каким образом преобразуется классическое сканирование в этих технических решениях.
Классическое сканирование производится узконаправленным пучком, когда положение пучка полностью характеризует положение облучаемой в данный момент части предмета. При этом не нужно производить какое-либо кодирование информации, поступающей от облучаемой в данный момент части предмета, поскольку положение пучка полностью определяет облучаемую в данный момент часть предмета.
Чтобы повысить эффективность использования мощности источника проникающего излучения, можно расширить ширину пучка. Если сканировать предмет расширенным пучком, то это приведет к тому, что в единицу времени предмет будет облучаться большим количеством квантов. Однако результат сканирования будет изменен. Характер изменений будет характеризоваться сверткой искомого изображения (сканированного узконаправленным пучком) и распределения интенсивности излучения в сечении пучка. Тем не менее, если распределение интенсивности излучения в сечении пучка известно, то можно произвести обратную свертку и восстановить неискаженное искомое изображение.
Далее, можно еще более обобщить данный подход, основанный на сканировании исследуемого предмета расширенным пучком, расширив пучок до размеров, равных исследуемому предмету, или больших. В этом случае предмет в единицу времени будет облучаться еще большим количеством квантов, однако характер изменений искомого изображения не изменится и будет характеризоваться также сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка. Следовательно, восстановить неизмененное искомое изображение можно путем проведения обратной свертки, если распределение интенсивности излучения в таком широком сканирующем пучке известно.
Однако использование такого подхода требует нулевых краевых условий, необходимых для проведения точного неискаженного восстановления искомого изображения предмета. Обеспечить на практике данные нулевые краевые условия можно путем помещения на пути сканирующего пучка непрозрачного экрана с отверстием заданной формы и размера, который будет позволять облучать только необходимую исследуемую область предмета, гарантируя, что за пределами этой области предмета нет облучения (нулевые краевые условия). При этом ширина сканирующего луча может быть значительно больше размеров самого отверстия в экране.
В этом случае восстановить неизмененное изображение также возможно, если заранее известно распределение интенсивности излучения в широком сканирующем пучке (большем исследуемой области), и это распределение неоднородно (неравномерно) по сечению пучка. Требование неоднородности по сечению пучка в данном случае очевидно, поскольку если оно не выполняется, то это приводит к эффекту простой засветки без всякого сканирования. Восстановление производится на основе операции обратной свертки.
Далее, можно еще более обобщить данный подход, использовав такое облучение предмета широким пучком, которое будет приводить к результату, эквивалентному циклической свертке искомого изображения и неоднородного распределения интенсивности излучения в сечении пучка.
Добиться этого можно, облучив предмет широким пучком с заданным неоднородным распределением интенсивности в его сечении, а затем изменять во времени распределение интенсивности в сечении пучка путем циклического сдвига распределения интенсивности в сечении пучка в направлении, соответствующем направлению сканирования.
В этом случае результат сканирования будет характеризоваться изменениями, описываемыми циклической сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка. Следовательно, восстановить искомое изображение можно на основе обратной циклической свертки, зная распределение интенсивности в сечении сканирующего пучка.
На этом подходе и основаны предлагаемые технические решения. Распределение интенсивности в сечении широкого сканирующего луча задают заранее, причем таким образом, чтобы в условиях шумов и ошибок измерения максимизировать точность конечного результата.
В предлагаемых технических решениях не присваивается каждому элементу предмета некий параметр (например, частота), на основе которого могло бы происходить разделение сигналов, идущих от различных частей предмета. Нет и предварительного разбиения предмета на части или эквивалентного ему облучения множеством лучей.
Предлагаемые технические решения достаточно просто реализуются как при использовании веерного луча, так и при использовании конического луча, и позволяют эффективно использовать мощность источника проникающего излучения.
Реализовать данные технические решения можно, например, на основе неоднородного для проникающего излучения экрана (состоящего из циклически повторяющегося узора, каждый цикл которого не менее ширины облучающего луча), который движется в сечении луча. Если экран движется в направлении повторения узора, то измеряемый детектором сигнал будет являться результатом циклической свертки искомого изображения и заданного узора. Зная его, можно восстановить искомое изображение. В условиях шумов и ошибок измерения узор выбирается таким образом, чтобы максимизировать точность конечного результата.
Для одномерного случая (веерного пучка) узор должен повторяться вдоль одной координаты, для двумерного случая (конический пучок) узор должен повторяться по двум координатам.
Если узор можно представить в виде произведения двух узоров, независимых по каждой из координат, то операцию свертки можно выполнить независимо по каждой из координат путем перемещения каждого из узоров по своей координате. Восстановление производится последовательно на основе операции обратной свертки вначале для одной координаты, а затем для другой. Такие действия позволяют сократить потребное количество вычислений и упростить устройство.
Однако данный подход по повышению эффективности использования источника проникающего излучения также не является единственно возможным. Можно расширить классическое сканирование на основе известного преобразования Радона [6]. Суть такого расширения классического сканирования состоит в следующем.
Предположим, что мы хотим увеличить эффективность использования источника проникающего излучения путем расширения узконаправленного сканирующего пучка. Однако расширим пучок только в одном направлении (до веерного), причем до такой ширины, что он станет шире исследуемого предмета. Регистрируемый детектором сигнал в этом случае будет представлять интеграл вдоль засвеченного направления [6].
Далее будем производить сканирование этим пучком, получая значения интегралов вдоль засвечиваемых направлений, причем направление сканирования будем держать перпендикулярно плоскости пучка.
Произведем сканирование в одном направлении в поле изображения предмета, затем повернем пучок (или предмет) и произведем сканирование в другом направлении, затем в третьем, и так далее, пока не получим полное сканирование на 180 градусов. Имея полный набор данных, можно восстановить изображение исследуемого предмета с высоким пространственным разрешением [6].
Такая процедура широко используется в компьютерной томографии, а математически описывается на основе прямого и обратного преобразований Радона [6]. Описанный вариант в томографии соответствует так называемой "параллельной геометрии", однако траекторию движения пучка можно выбрать такой, что это как бы приведет к фиксации одного края пучка за пределами объекта и повороту этого пучка вокруг этой точки. Полученные таким образом данные будут в так называемой "веерной геометрии" [6], для которой также разработаны алгоритмы восстановления искомого изображения [6]. Полным сканированием для "веерной геометрии" является сканирование на 360 градусов. Приводимые термины "параллельная" и "веерная" относятся к компьютерной томографии [6], где они являются устоявшимися.
Следовательно, и в данном случае, модифицируя классическое сканирование за счет изменения размеров пучка и траектории сканирования, можно получить неискаженное изображение исследуемого предмета и повысить эффективность использования источника излучения.
Однако в этом случае используется только часть конического пучка источника проникающего излучения, сколлимированного до плоского веерного. Хотелось бы использовать полностью конический пучок. Решить эту задачу можно, объединив первый и второй подходы, то есть использовать свертку и преобразование Радона одновременно. В случае объединения сканирование следует производить, как в преобразовании Радона (параллельной или веерной геометрии), но вместо плоского пучка следует использовать пучок, расширенный в направлении сканирования. Причем распределение интенсивности в пучке в направлении расширения следует организовать, как для одномерного варианта свертки. В этом случае после окончания сканирования, перед тем как производить обратное преобразование Радона, следует выполнить операцию обратной свертки на основе знания информации о заданном распределении интенсивности излучения в указанном направлении.
Если использовать достаточно большое расширение пучка в направлении сканирования, то можно получить полное использование конического луча. При этом восстановить требуемое разрешение в направлении расширения пучка можно на основе операции обратной свертки.
Таким образом, модифицируя различными путями классическое сканирование, основанное на использовании узкоколлимированного пучка, можно повысить эффективность использования источника проникающего излучения, не используя кодирующего подхода на основе присвоения частям предмета некого параметра (например, частоты).
Как следует из сказанного выше, принципиальная особенность предлагаемых изобретений состоит в том, чтобы использовать широкий луч при исследовании предмета, а не узкоколлимированный луч, и в то же время получить высокое пространственное разрешение и высокое отношение сигнал/шум в результирующем изображении. Регистрируемый детектором сигнал С(х,у) от предмета в этом случае является результатом свертки искомого изображения исследуемого предмета I(х,у) и функции распределения интенсивности излучения в сечении луча Н(х,у).
Для веерного пучка, то есть одномерного случая, это соответствует
где s - переменная интегрирования;
I(x) - искомое изображение исследуемого предмета (то есть изображение, сканированное игольчатым бесконечно узким пучком);
Н(х) - распределение интенсивности излучения в сечении веерного пучка (т.е. распределение интенсивности в облучающем предмет "пятне");
С(х) - регистрируемый детектором сигнал.
При этом, с учетом того, что пучок движется (сканирует)
где V - скорость сканирования;
t - время сканирования;
регистрируемый детектором сигнал является функцией времени t.
Для конического пучка, то есть двумерного случая,
где η - переменная интегрирования;
I(x,y) - искомое изображение исследуемого предмета;
Н(х,у) - распределение интенсивности излучения в сечении конического пучка;
С(х,у) - регистрируемый детектором сигнал.
Последующее выполнение над регистрируемым детектором сигналом операции обратной свертки (деконволюции) позволяет восстановить неискаженное искомое изображение исследуемого предмета.
Для одномерного случая
где H-1(х) - восстанавливающая функция для Н(х).
Для двумерного случая
где H-1(x,y) - восстанавливающая функция для Н(х,у).
Если функцию Н(х,у) распределения интенсивности излучения в сечении пучка для двумерного случая можно записать в виде произведения двух функций H1(х) и Н2(у) по каждой из координат:
то операции конволюции и деконволюции можно осуществлять раздельно по каждой из координат:
что упрощает реализацию, так как позволяет вести операции раздельно по каждой из координат.
Если функция Н(х} или Н(х,у) - дельта-функция, что соответствует сканированию предмета остронаправленным пучком, то восстановление не требуется, так как регистрируемый детектором сигнал в точности соответствует изображению исследуемого предмета.
Если функция Н(х} или Н{х,у) - константа, что соответствует полному отсутствию сканирования и засветке предмета просто широким однородным пучком, то восстановление вообще невозможно.
Таким образом, фундаментальным требованием к функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка является требование отличия функции от константы. Если это требование выполняется, то возможно провести прямое и обратное преобразование с той или иной степенью достоверности. С математической точки зрения данная задача принадлежит к так называемому классу некорректных обратных задач, решение которых разработано академиком А.Н.Тихоновым [4] и основано на регуляризации. Суть данных решений, основанных на регуляризации, проще всего изложить с использованием частотного подхода.
Если F[C(x,y)] - Фурье-образ регистрируемого сигнала, a F[H(x,y)] - Фурье-образ распределения интенсивности в сечении сканирующего луча, то Фурье-образ искомого изображения F[I(x,y)] исследуемого предмета равен
где α - коэффициент регуляризации.
Само изображение равно
где F-1[... ] - оператор обратного частотного преобразования.
То есть Фурье-образ восстанавливающей функции F[H-1(x,y)] равен:
а сама восстанавливающая функция равна
Следовательно, суть коэффициента регуляризации а состоит в “защите” от деления на малые величины. Его конкретное значение выбирают в зависимости от характера функции F[H(x,y)].
Для одномерного случая (веерного пучка) соотношения аналогичны.
Приведенное описание сути регуляризации является частным и за более детальным объяснением следует обратиться к [4].
При практической реализации с использованием цифровой вычислительной техники регистрируемый детектором сигнал дискретизируют во времени. Непрерывное интегрирование преобразуется в суммирование дискретизированных величин.
Для веерного пучка (одномерного случая) регистрируемый детектором сигнал равен
а искомое дискретное изображение равно
Для конического пучка (двумерного случая) регистрируемый детектором сигнал равен
а искомое дискретное изображение равно
где N и М - определяются реальной длиной массивов Н(... ), I(... ) и С(... )
Для функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка, представляющей произведение двух функций,
что позволяет снизить количество производимых вычислений.
При этом нахождение дискретных восстанавливающих функций Н-1(... ) возможно обеспечить на основе знания дискретных распределений интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка H(... ) и регуляризирующего подхода, описанного ранее [4], совместно с дискретным преобразованием Фурье.
Однако, кроме использования апериодической свертки, возможно использование циклической свертки. В этом случае данные можно представить расположенными циклически с периодом повторения М для одномерного случая или с периодами повторения N и М для двумерного случая.
В случае использования циклической свертки соотношения приобретают несколько иной вид.
Для веерного пучка (одномерного случая)
Для конического пучка (двумерного случая)
Для функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка, представляющей произведение двух функций,
что позволяет снизить количество производимых вычислений.
В приведенных выше соотношениях mod[... ,N] или mod[... ,M] означают вычисление значения по модулю N или М от указанной величины.
При этом и для того, и для другого случая (одномерного или двумерного, апериодической или циклической свертки), чем с большей частотой произведена дискретизация измеряемого детектором сигнала, тем большее пространственное разрешение будет иметь изображение исследуемого предмета.
То есть при данном подходе, как и при классическом сканировании, пространственное разрешение (в первом приближении) определяется частотой дискретизации измеряемого детектором сигнала. Если функция распределения интенсивности излучения в сечении пучка известна, то для получения изображения более высокого разрешения требуется всего лишь увеличить частоту дискретизации сигнала без изменения распределения интенсивности излучения в сечении пучка.
В условиях наличия шумов, что соответствует реальной практической ситуации, выбор произвольной функции свертки (произвольного распределения интенсивности излучения в сечении пучка), не будет практичным вариантом решения задачи. Более практичным вариантом будет выбор такой функции свертки, которая для заданной частоты дискретизации максимизирует по какому-либо критерию отношение сигнал/шум в изображении исследуемого предмета, например, по критерию максимума отношения сигнал/шум для каждого отдельного элемента изображения. В этом случае решение задачи в дискретной форме известно на основе использования массивов, имеющих плоские боковые лепестки в циклических автокорреляционных функциях, так называемых URA массивов [5]. Эти массивы построены на основе использования функций Уолша, то есть на основе 0 и 1. Для этих массивов известны восстанавливающие функции Н-1(... ) [5], которые будут состоять из -1 и +1. Кроме того, известно, что максимальное отношение сигнал/шум в каждом отдельном элементе восстановленного изображения достигается для массивов URA, обладающих эффективной прозрачностью по отношению к проникающему излучению 50% (то есть число единиц равно 50% от общей длины массива). Следовательно, эффективно может быть использовано до 50% мощности воздействующего проникающего излучения. Использование массивов URA с другим коэффициентом прозрачности (большим или меньшим 50%) не нарушает работоспособности, но понижает отношение сигнал/шум в результирующем изображении.
Изготавливать неоднородные экраны на основе массивов URA также очень просто, поскольку это сводится к проделыванию отверстий в экране.
Использование других критериев оптимизации может привести к использованию других функций свертки, но не изменит метод решения задачи.
Таким образом, глобальный вывод, который следует из предложенного рассмотрения, состоит в том, что при надлежащем выборе функции свертки (распределении интенсивности излучения в сечении пучка) можно не только получить высокое пространственное разрешение, но и эффективно использовать мощность источника проникающего излучения.
В то же время, если не рассматривать задачу максимально полного использования мощности источника проникающего излучения, то в качестве функции свертки (распределения интенсивности излучения в сечении пучка) даже в условиях шумов можно использовать практически любую функцию. При этом конечное разрешение в результирующем изображении будет определяться только частотой дискретизации измеряемых данных, а вид функции свертки будет влиять на отношение сигнал/шум в искомом изображении. В этом случае задачу восстановления изображения можно решать на основе дискретных вариантов указанных ранее методов регуляризации, предложенных академиком А.Н.Тихоновым [4] (во временной или частотной области).
Таким образом, из сказанного становится ясным, что предлагаемые технические решения отличаются от известных из заявки на изобретение [3], где каждому элементу изображения присваивается некий параметр, например частота.
В то же время для двумерного случая предлагаемый подход можно несколько обобщить и вместо свертки (или совместно со сверткой) использовать прямое преобразование Радона [6], а при восстановлении изображения - обратное преобразование Радона [6].
Данное преобразование широко используется в трансаксиальной компьютерной томографии и сводится к получению набора проекций исследуемого сечения под различными углами:
где оси х’ и у’ задаются поворотом на угол в против часовой стрелки
Последующее восстановление изображения исследуемого сечения на основе измеренного набора проекций, то есть получение обратного R-1 преобразования Радона [6], в операторном виде может быть записано как
где Dy - оператор частной производной по первой переменной;
Ну - оператор преобразования Гильберта;
В - оператор обратного проецирования.
За более детальным описанием прямого и обратного преобразования Радона следует обратиться к указанному ранее источнику [6]. Там же можно найти несколько дискретных вариантов реализации обратного преобразования Радона для веерной и параллельной геометрии, называемых обычно алгоритмами реконструкции [6] и используемых в цифровых вычислительных машинах.
В предлагаемых технических решениях это преобразование используется для повышения эффективности использования источника проникающего излучения и на основе этого - для ускорения процессов сканирования. Повышение эффективности достигается за счет использования широкого сканирующего луча, реализующего взятие интеграла вдоль заданного направления в преобразовании Радона. Таким образом, в единицу времени объект облучается большим количеством квантов, чем при сканировании узким лучом.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого конического луча и циклической свертки;
на фиг.2 - неоднородный экран, состоящий из четырех повторяющихся частей, предназначенный для выполнения двумерной циклической свертки;
на фиг.3 - разделение неоднородного экрана на две части для выполнения двумерной циклической свертки независимо по двум координатам;
на фиг.4 - трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого плоского луча и преобразования Радона;
на фиг.5 - система для сканирования веерным пучком;
на фиг.6 - система для сканирования коническим пучком;
на фиг.7 - двумерное сканирование на основе одномерной циклической свертки с использованием барабана, вращающегося в одном направлении;
на фиг.8 - сканирование на основе выполнения двумерной циклической свертки путем перемещения неоднородного экрана;
на фиг.9 - сканирование на основе двумерной циклической свертки с использованием одного барабана, движущегося в двух направлениях;
на фиг.10 - сканирование на основе двумерной циклической свертки с использованием одной сферы, движущейся в двух направлениях;
на фиг.11 - сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии";
на фиг.12 - сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии" и одномерной циклической свертки;
на фиг.13 - сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии";
на фиг.14 - сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии" и одномерной циклической свертки;
на фиг.15 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам путем перемещения двух экранов;
на фиг.16 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием барабана;
на фиг.17 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием двух барабанов;
на фиг.18 - другой вариант сканирования на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием двух барабанов;
на фиг.19 - результаты моделирования.
Трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого конического луча и циклической свертки показана на фиг.1.
На фиг.1А представлено классическое сканирование с использованием узкоколлимированного луча проникающего излучения. Сформированный узколлимированный луч 9а от источника 7а совершает двухкоординатное перемещение (например, построчное), сканируя объект 6.
Классическое сканирование производится узконаправленным пучком, когда положение пучка полностью характеризует положение облучаемой в данный момент части предмета. При этом не нужно производить какое-либо кодирование информации, поступающей от облучаемой в данный момент части предмета, поскольку положение пучка полностью определяет облучаемую в данный момент часть предмета.
Узкоколлимированный луч 7а формируется обычно за счет коллимирования более широкого луча, испускаемого источником проникающего излучения. При этом значительная часть мощности первоначального пучка теряется.
Чтобы повысить эффективность использования мощности источника проникающего излучения, можно расширить ширину пучка - см. фиг.1В, где 7b обозначен источник, формирующий расширенный луч 9b.
Если сканировать предмет расширенным пучком 9b вдоль той же траектории, что и на фиг.1А, то это приведет к тому, что в единицу времени предмет будет облучаться большим количеством квантов. Однако результат сканирования будет изменен. Характер изменений будет характеризоваться сверткой искомого изображения (сканированного узконаправленным пучком) и распределения интенсивности излучения в сечении пучка 9b. Тем не менее, если распределение интенсивности излучения в сечении пучка 9b известно, то можно произвести обратную свертку и восстановить неискаженное искомое изображение.
Далее, можно еще более обобщить данный подход, основанный на классическом сканировании исследуемого предмета расширенным пучком, расширив пучок до размеров, равных или больших исследуемому предмету - см. фиг.1С, где 7с обозначен источник проникающего излучения, формирующий очень широкий пучок 9с (то есть практически без дополнительной коллимации первоначального излучения). Если провести сканирование таким пучком 9с вдоль той же траектории, что и на фиг.1А, то предмет в единицу времени будет облучаться еще большим количеством квантов. Результат сканирования будет отличен от фиг.1В. Однако характер изменений искомого изображения не изменится, и будет характеризоваться также сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении очень широкого сканирующего пучка 9с. Следовательно, восстановить неизмененное искомое изображение можно путем проведения обратной свертки, если распределение интенсивности излучения в таком очень широком сканирующем пучке известно.
Однако использование такого подхода требует нулевых краевых условий [4], необходимых для проведения точного неискаженного восстановления искомого изображения предмета. Обеспечить на практике данные нулевые краевые условия можно (см. фиг.1D) путем помещения на пути сканирующего пучка 9d непрозрачного экрана с отверстием заданной формы и размера 8, который будет позволять облучать только необходимую исследуемую область предмета 6, гарантируя, что за пределами этой области предмета нет облучения (нулевые краевые условия). При этом ширина сканирующего луча 9d может быть значительно больше размеров самого отверстия в экране и формируемого им излучения 10d.
Сканирование следует производить вдоль той же траектории, что и на фиг.1С. Результат сканирования будет отличен от фиг.1С. Характер изменений по-прежнему будет характеризоваться сверткой искомого изображения и распределения излучения в сечении пучка 9d.
Восстановить неизмененное изображение также возможно, если заранее известно распределение интенсивности излучения в широком сканирующем пучке 9d (большем исследуемой области), и это распределение неоднородно (неравномерно) по сечению пучка. Требование неоднородности по сечению пучка в данном случае очевидно, поскольку если это не выполняется, то это приводит к эффекту простой засветки без всякого сканирования. Восстановление производится на основе операции обратной свертки [4].
Однако использовать сканирование очень широким пучком неэффективно, поскольку только небольшая его часть взаимодействует с объектом. Хотелось бы, чтобы весь широкий пучок постоянно взаимодействовал с объектом.
Для этого можно еще более обобщить данный подход, использовав такое облучение предмета 6 или его заданной части (см. фиг.1Е) широким пучком 10е, сформированным коллиматором 8, которое будет приводить к результату, эквивалентному циклической свертке искомого изображения или его заданной части и неоднородного распределения интенсивности излучения в сечении пучка 10е. При этом неоднородное распределение интенсивности в его сечении можно сформировать экраном 5, поставленным на пути распространения пучка 10е и содержащим циклически повторяющуюся по двум координатам неоднородность в виде участков 1, 2, 3 и 4 (см. фиг.2). При этом размеры неоднородности 1 должны быть не менее ширины пучка 10е. Сканирование при этом следует осуществлять вдоль той же траектории, что и на фиг.1D, путем перемещения во времени экрана 5 вдоль этой траектории.
В этом случае результат сканирования будет характеризоваться изменениями, описываемыми циклической сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка (в соответствии с неоднородностью 1 экрана 5). Зная распределение интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка 10е (зная распределение неоднородности участка 1 экрана 5), можно восстановить искомое изображение на основе обратной циклической свертки.
На этом подходе и основаны предлагаемые технические решения, при этом распределение интенсивности в сечении широкого сканирующего луча (распределение неоднородности 1 экрана 5) задают заранее, причем таким образом, чтобы в условиях шумов и ошибок измерения максимизировать точность конечного результата.
Если распределение неоднородности 1 экрана 5 можно представить в виде произведения неоднородностей по каждой из координат раздельно, то экран 5 можно разбить на два экрана 5а и 5b (см. фиг.3), содержащих циклически повторяющиеся неоднородности 1а и 1b по каждой из координат. В этом случае вместо сканирования на основе двухкоординатного перемещения экрана 5 следует использовать сканирование на основе однокоординатного перемещения каждого из экранов 5а и 5b (фиг.3), что может существенно упростить реализацию данного способа сканирования.
В предлагаемых технических решениях не присваивается каждому элементу предмета некий параметр (например, частота), на основе которого происходит разделение сигналов, идущих от различных частей предмета. Нет и предварительного разбиения предмета на части, что эквивалентно облучению множеством лучей, используемому в наиболее близких технических решениях [3].
Однако данный подход по повышению эффективности использования источника проникающего излучения также не является единственно возможным. Можно расширить классическое сканирование узколлимированным пучком, использовав преобразование Радона [6]. Суть такого расширения классического сканирования будет состоять в следующем.
Предположим, что мы хотим увеличить эффективность использования источника проникающего излучения путем расширения узконаправленного сканирующего пучка 9а, формируемого источником 7а (см. фиг.4А). Однако расширим пучок 9а только в одном направлении (до веерного), причем до такой ширины, что он станет шире исследуемого предмета (позиция 9f на фиг.4В). Регистрируемый детектором сигнал в этом случае будет представлять интеграл вдоль засвеченного на предмете 6 направления.
Далее будем производить сканирование этим пучком, получая значения интегралов вдоль засвечиваемых направлений, причем направление сканирования будем держать перпендикулярно плоскости пучка. Регистрируемый детектором во времени сигнал S(t,θ i) будет представлять значения интегралов вдоль направления сканирования [6].
Произведем сканирование в одном направлении в поле изображения предмета для угла θ 1, затем повернем пучок (или предмет) и произведем сканирование в другом направлении для угла θ 2, затем в третьем для угла θ 3, и так далее, пока не получим полное сканирование на 180 градусов - см. фиг.4С. Имея полный набор данных S(t,θ i), можно восстановить изображение исследуемого предмета с высоким пространственным разрешением [6].
Указанная процедура восстановления широко используется в компьютерной томографии, и математически описывается на основе обратного преобразования Радона [6]. Описанный вариант в томографии соответствует так называемой "параллельной геометрии", однако траекторию движения пучка можно выбрать такой, что это как бы приведет к фиксации одного края пучка 9f за пределами предмета и повороту этого края пучка 9f за пределами предмета и повороту этого пучка вокруг этой точки - см. фиг.4D. Полученные таким образом данные (см. фиг.4Е) будут в так называемой "веерной геометрии" [6], для которой также разработаны алгоритмы восстановления искомого изображения [6] по набору данных S(t,θ i). Полным сканированием для "веерной геометрии" является сканирование на 360 градусов. Приводимые термины "параллельная" и "веерная" относятся к компьютерной томографии [6], где они являются устоявшимися.
Следовательно, и в данном случае, модифицируя классическое сканирование за счет изменения размеров пучка и траектории сканирования, можно получить неискаженное изображение исследуемого предмета и повысить эффективность использования источника излучения.
Однако в этом случае используется только часть конического пучка источника проникающего излучения, сколлимированного до плоского веерного. Хотелось бы использовать полностью конический пучок. Решить эту задачу можно, объединив первый и второй подход, то есть использовать свертку и преобразование Радона одновременно. В случае объединения сканирование следует производить как в преобразовании Радона (параллельной или веерной геометрии), но вместо плоского пучка следует использовать плоский пучок, расширенный в направлении сканирования. Причем распределение интенсивности в пучке в направлении расширения следует организовать как для одномерного варианта циклической свертки. В этом случае после окончания сканирования, перед тем как производить обратное преобразование Радона, следует выполнить операцию обратной циклической свертки на основе знания информации о заданном распределении интенсивности излучения в указанном направлении.
Если использовать достаточно большое расширение пучка в направлении сканирования, то можно получить полное использование конического луча. При этом восстановить требуемое разрешение в направлении расширения пучка можно на основе операции обратной свертки.
Для проведения сканирования заданной части предмета и создания нулевых краевых условий, необходимых для проведения операции восстановления, следует использовать коллиматор 8 (на фиг.4 не показан), формирующий пучок заданного размера. Само же сканирование можно осуществлять, как и ранее, на основе перемещения неоднородного экрана 5 в пучке проникающего излучения в заданном направлении - см. фиг.1Е. Однако вместо экрана 5, имеющего неоднородность, циклически повторяющуюся по двум координатам, следует использовать экран 5а с неоднородностью 1а, повторяющейся в одном направлении (см. фиг.3), что обеспечит выполнение циклической свертки вдоль заданного направления.
Таким образом, модифицируя различными путями классическое сканирование, основанное на использовании узкоколлимированного пучка, можно повысить эффективность использования источника проникающего излучения, не используя кодирующего подхода на основе присвоения частям предмета некого параметра (например, частоты) [3].
Устройства для реализации предлагаемого способа показаны на фиг.5 и фиг.6. На фиг.5 показано устройство для сканирования веерным пучком (одномерный случай), на фиг.6 - устройство для сканирования коническим пучком (двумерный случай). Они отличаются наличием транспортера 36 для перемещения исследуемого предмета 6 мимо сканирующего пучка 10. Использование транспортера 36 для сканирования коническим пучком не требуется, так как сканирование осуществляется по двум координатам, кроме того, как неоднократно замечалось, использование конического пучка более выгодно с энергетической точки зрения.
Поэтому детально рассмотрим устройство, представленное на фиг.6, считая, что устройство, представленное на фиг.5, является его частной реализацией.
На фиг.6 позицией 30 показан сканер, осуществляющий изменение во времени интенсивности излучения в сечении конического сканирующего пучка 10. На пути распространения сканирующего пучка проникающего излучения 10 установлен предмет 6, за которым на пути пучка 10 установлен детектор прошедшего излучения 32 (сегментированный или несегментированный), а вне пучка 10 установлен детектор 31 рассеянного излучения (сегментированный или нет). Детектор рассеянного излучения может быть установлен как детектор фронтального рассеянного излучения, бокового рассеянного излучения и как детектор заднего рассеянного излучения. На фиг.6 детектор 31 показан как детектор фронтального рассеянного излучения. Оба детектора 31 и 32 подключены к процессору 34, который подключен также к средству визуализации 33 и блоку управления 35, который соединен со сканером 30 и детекторами 31 и 32,
Назначение детекторов 31 и 32 - это регистрация интенсивности проникающего излучения во времени после взаимодействия с объектом 6.
Работает устройство, представленное на фиг.6, следующим образом.
Сканер 30 формирует конический пучок 10 проникающего излучения с переменным во времени распределением интенсивности излучения в его сечении, в соответствии с выбранным способом сканирования. Пучок проникающего излучения 10 взаимодействует с предметом 6. После взаимодействия с предметом интенсивность проникающего излучения измеряется детекторами 31 и/или 32. Результаты измерения во времени с выхода детекторов 31 и/или 32 передаются в процессор 34, где запоминаются в той мере, которая необходима для восстановления на их основе неискаженного изображения исследуемого предмета.
При этом детекторы 31 и/или 32 могут содержать предусилители сигнала и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и передавать сигнал в процессор уже в цифровом виде.
После того, как сигналы от детекторов 31 и/или 32 запомнены в той мере, которая необходима для проведения вычислений, на их основе производятся вычисления, позволяющие получить неискаженное изображение исследуемого предмета. Результат вычисления может быть визуализирован на средстве визуализации 33 или передан по каналам связи стороннему потребителю.
При этом перед началом сканирования и после его окончания через блок управления 35 от компьютера 34 или вручную подаются сигналы, позволяющие установить параметры сканирования для сканера 30 и детекторов 31 и/или 32. К этим сигналам для сканера могут относиться сигналы, устанавливающие мощность источника проникающего излучения, энергетический диапазон источника, скорость сканирования, начало включения и выключения и другие. На детекторы 31 и/или 32 от блока управления 35 могут подаваться значения коэффициента усиления для предусилителей, интервал дискретизации и другие.
Упоминание о том, что сигналы в процессоре 34 запоминаются в той мере, которая необходима для восстановления на их основе неискаженного изображения исследуемого предмета, следует понимать как возможность начала обработки до окончания полного процесса сканирования. Это может быть полезным для сокращения времени обработки данных. При этом сами исходные данные могут быть сохранены в полной мере для всего процесса сканирования для последующего использования.
Отличие в работе устройств, показанных на фиг.5 и фиг.6, состоит в том, что в устройстве фиг.5 объект 6 в процессе сканирования перемещается на транспортере 36 в направлении, перпендикулярном плоскости пучка 10.
Сканер 30 в устройстве фиг.6 сканирования коническим пучком может быть выполнен различным образом в зависимости от выбранного способа сканирования.
На фиг.7 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в одном направлении. При этом движущийся неоднородный экран представляет из себя барабан 25, вращающийся вокруг своей оси и имеющий одномерный узор длины M × N, повторяющийся по высоте барабана N раз, со сдвигом на длину М для каждого последующего повтора по высоте. Один оборот барабана соответствует полному двумерному сканированию на основе циклической одномерной свертки.
Этот вариант сканера в теоретическом плане стоит несколько особняком в способах сканирования на основе циклической свертки, но имеет самую простую реализацию.
Барабан 25 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим равномерное вращение барабана 25 с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения барабана 25. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабана 25. Однако коллиматор, может находиться за барабаном 25, формируя пучок 10 заданных размеров. В этом смысле положение коллиматора не является принципиальным.
Восстановление неискаженного изображения сканируемого предмета в этом варианте сканера производится на основе одномерной обратной циклической свертки длины M× N элементов с учетом известного распределения неоднородности в узоре длины M× N, расположенном на стенках барабана.
После выполнения обратной свертки результатом будет являться одномерный массив чисел длины M× N, где первые М чисел будут характеризовать первую строку изображения, вторые М чисел будут характеризовать вторую строку изображения, и так далее. Общее число строк в восстановленном изображении будет равно N.
Если по окружности барабана расположить узор длины M× N циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее не одному обороту барабана 25, а в К раз меньшее.
Кроме реализации сканера на основе одного неоднородного экрана, движущегося в одном направлении, возможна его реализация на основе одного неоднородного экрана, движущегося в двух направлениях. Простейший вариант такого сканера представлен на фиг.8. В этом простейшем случае неоднородный экран 5 представляет собой пластину, установленную на двухкоординатном линейном двигателе 11. Для формирования пучка 10 заданного размера источник 7 проникающего излучения снабжен коллиматором 8, установленным перед пластиной (экраном) 5. При этом пластина Между пластиной (экраном) 5 и источником 7 проникающего излучения содержит циклически повторяющуюся неоднородность 1 в соответствии с фиг.2.
Работа данного сканера состоит в перемещении пластины (экрана) 5 вначале по одному направлению, например, горизонтальному (что соответствует сканированию изображения по строкам). Затем следует перемещение экрана 5 вверх (или вниз) на заданное расстояние и следует следующее сканирование в горизонтальном направлении в обратном направлении. Сканирование заканчивается, когда будут пройдены все строки искомого изображения.
Однако работа двухкоординатного линейного двигателя в возвратно-поступательном режиме может быть недостаточно быстрой. Поэтому на фиг.9 представлена разновидность сканера, где отсутствует возвратно-поступательное движение, но неоднородный экран также движется в двух направлениях.
На фиг.9 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в двух направлениях. При этом движущийся неоднородный экран представляет из себя барабан 19, вращающийся вокруг своей оси и перемещающийся вдоль своей оси, с нанесенным на его поверхности двумерным узором, циклически повторяющимся по высоте и окружности барабана.
Барабан 19 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим равномерное вращение барабана 19 с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения барабана 19.
Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабана 19 (либо за барабаном 19).
Двигатель 15 соединен с линейным двигателем 14, обеспечивающим перемещение барабана 19 в направлении оси вращения барабана 19.
Вращение барабана обеспечивает сканирование по одной координате (например, в направлении строк изображения), а линейное перемещение - вдоль другой (например, в направлении столбцов изображения). Если по окружности барабана 19 расположен один двумерный узор, то сканирование по одной строке заканчивается после полного оборота барабана. Затем его следует поднять с помощью двигателя 14 на заданную величину и просканировать следующую строку, и так далее. Полное сканирование заканчивается после N оборотов барабана 19, где N - число строк в искомом изображении.
Если по окружности барабана расположить двумерный узор 1 циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее N/K оборотам барабана 19.
При высоких энергиях проникающего излучения толщину стенок барабана 19 придется делать достаточно толстой для обеспечения эффективного взаимодействия проникающего излучения источника 7 с материалом барабана 19. При этом взаимодействие (поглощение) излучения от источника 7 с материалом барабана 19 будет зависеть от того, под каким углом падает луч на поверхность барабана. Более рационально разместить узор не на поверхности барабана, а на поверхности сферы. В этом случае излучение от источника 7, находящегося в центре вращения сферы, будет равномерно взаимодействовать с материалом барабана (поглощаться) независимо от положения луча в пучке.
На фиг.10 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в двух направлениях. При этом неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой сферу (шаровой пояс) 20, вращающуюся одновременно вокруг двух ортогональных осей, проходящих через ее центр, и имеющую двумерный узор на ее поверхности, нанесенный циклически относительно указанных осей вращения.
Сфера 20 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим ее равномерное вращение с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения сферы 20. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри сферы 20 (либо за сферой 20).
Двигатель 15 соединен с двигателем 17 через штангу 22, одним концом прикрепленную к корпусу двигателя 15, а другим - к оси двигателя 17 таким образом, что сфера 20 в результате работы двигателей 15 и 17 вращается вокруг двух ортогональных осей, проходящих через ее центр.
Вращение сферы вокруг одной оси обеспечивает сканирование по одной координате (например, в направлении строк изображения), а вращение вокруг другой оси - сканирование по другой координате (например, в направлении столбцов изображения). Если по окружности сферы 20 расположен один двумерный узор, то сканирование по одной строке заканчивается после полного оборота сферы 20 от двигателя 15. Затем ее следует повернуть с помощью двигателя 17 на заданный угол и произвести сканирование следующей строки, и так далее. Полное сканирование заканчивается после N оборотов сферы 20 от двигателя 15, где N - число строк в искомом изображении.
Если по окружности сферы 20 расположить двумерный узор 1 циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее N/K оборотам сферы 20.
Как указывалось ранее, сканирование возможно осуществлять не только на основе свертки, но и на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии".
Сканер, содержащий один неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях и осуществляющий сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии", показан на фиг.11. В этом сканере неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой барабан 21, вращающийся вокруг своей оси, а ось барабана вращается вокруг ортогональной ей оси. На поверхность барабана 21 по окружности нанесен одномерный узор (щели). Вращение барабана 21 вокруг его оси обеспечивается двигателем 15, а вращение вокруг ортогональной оси - двигателем 17, ось которого через штангу 22 соединена с корпусом двигателя 15. При этом источник 7 проникающего излучения расположен в центре барабана 21 на его осевой линии. Между источником 7 и барабаном 21 расположен коллиматор (не показан), обеспечивающий формирование пучка 10 заданных размеров.
Если барабан 21 имеет одну щель, то получение одной проекции соответствует одному обороту барабана 21 от двигателя 15. Для получения другой проекции следует повернуть барабан 21 на заданный угол с помощью двигателя 17 и получить другую проекцию, и так далее. Полное сканирование заканчивается после того, как двигатель 17 совершит оборот на 180 градусов.
Если барабан 21 имеет К щелей, то получение одной проекции при вращении двигателя 15 сокращается в К раз. Однако получение полного сканирования требует оборота двигателя 17 на 180 градусов.
Сканер, совмещающий сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии" и свертку, показан на фиг.12. Этот сканер отличается от сканера, представленного на фиг.11, видом вращающегося барабана. В этом барабане 23 вместо щелей, расположенных через заданный угол, имеется одномерный неоднородный узор 1а, расположенный циклически через тот же угол. В остальном устройства сканеров фиг.11 и фиг.12 совпадают. Совпадает и их работа, но отличается характер обработки данных. Перед тем как производить вычисление искомого изображения сканируемого предмета на основе обратного преобразования Радона для "параллельной геометрии", следует произвести обратную циклическую свертку для каждой проекции на основе знания распределения неоднородности 1а.
Как указывалось ранее, сканирование возможно осуществлять не только на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии", но и на основе преобразования Радона для "веерной геометрии".
Сканер, содержащий один неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях и осуществляющий сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии", показан на фиг.13. В этом сканере неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой диск 24, вращающийся вокруг своего центра, а центр диска вращается по окружности, лежащей в его плоскости (планетарное движение), при этом на поверхность диска нанесен одномерный узор (щели) относительно центра вращения диска.
Вращение диска 24 вокруг его оси обеспечивается двигателем 17а, а планетарное движение - двигателем 17b, ось которого через штангу 22 соединена с корпусом двигателя 17а. При этом источник 7 проникающего излучения расположен на линии, являющейся виртуальным продолжением оси двигателя 17b.
Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 снабжен коллиматором 8, расположенным перед диском 24.
Если диск 24 имеет одну щель, то получение одной проекции соответствует одному обороту диска 24 от двигателя 17а. Для получения другой проекции следует повернуть центр вращения диска 24 на заданный угол с помощью двигателя 17b и получить другую проекцию, и так далее. Полное сканирование заканчивается после того, как двигатель 17b совершит один полный оборот.
Если диск 24 имеет К щелей, то получение одной проекции при вращении двигателя 17а сокращается в К раз. Однако получение полного сканирования требует, как и ранее, полного оборота двигателя 17b.
Сканер, совмещающий сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии" и свертку, показан на фиг.14. Этот сканер отличается от сканера, представленного на фиг.13, видом вращающегося диска 25. В этом диске вместо щелей, расположенных через заданный угол, имеется одномерный неоднородный узор 1а, расположенный циклически через тот же угол. В остальном устройства сканеров совпадают. Совпадает и их работа, но отличается характер обработки данных. Перед тем как производить вычисление искомого изображения сканируемого предмета на основе обратного преобразования Радона для "веерной геометрии", следует произвести обратную циклическую свертку для каждой проекции на основе знания распределения неоднородности 1а.
В том случае, когда распределение интенсивности излучения в сечении пучка можно представить в виде произведения двух функций, как отмечалось ранее, сканирование можно организовать на основе двух неоднородных экранов, перемещающихся каждый в своем направлении и реализующих операцию циклической свертки для своего направления. В этом случае от преобразования Радона мы опять возвращаемся к сканированию на основе циклической свертки.
Простейший сканер на основе двух неоднородных экранов, движущихся в различных направлениях, представлен на фиг.15.
Сканер в этом случае содержит источник 7 проникающего излучения и две пластины (экрана) 5а и 5b, установленные последовательно на пути проникающего излучения от источника 7 на однокоординатные двигатели 12 и 14. Экраны 5а и 5b организованы в соответствии с фиг.3. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 снабжен коллиматором 8, установленным перед экраном 5а.
Работа сканера состоит в линейном перемещении экранов 5а и 5b вдоль ортогональных координат с помощью линейных двигателей 12 и 14. Двигатель 12 осуществляет перемещение экрана 5а на заданное расстояние (равное ширине узора 1а) вдоль направления строк. Затем двигатель 14 осуществляет перемещение экрана 5b на заданный шаг в направлении, соответствующем столбцам изображения, после чего двигатель 12 осуществляет возвратное движение. Так происходит до тех пор, пока экран 5b не будет перемещен на заданное расстояние, соответствующее ширине узора 1b. На этом процесс сканирования заканчивается.
Этот вариант сканера является простейшим и может не обеспечивать высоких скоростей сканирования за счет наличия возвратно-поступательного движения экранов. На фиг.16 показана модификация данного сканера, когда один из экранов выполнен в виде вращающегося барабана 16. Этот барабан заменяет экран 5а на фиг.15, поскольку именно он должен совершать наиболее частые возвратно-поступательные движения. На поверхности барабана по окружности нанесен одномерный неоднородный узор 1а. Если на окружности барабана расположен один узор 1а, то сканирование в направлении строк соответствует одному обороту барабана 16. Если на окружности барабана расположено циклически К узоров 1а, то время сканирования в направлении строк сократится в К раз.
Дальнейшим развитием данного подхода является сканер, выполненный на основе двух вращающихся барабанов.
Сканер, содержащий два неоднородных для проникающего излучения экрана, движущихся каждый в своем направлении, показан на фиг.17. В этом сканере движущиеся неоднородные экраны представляют из себя барабаны 16 и 18 с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами 1а. Барабаны помещены один в другой и вращаются вокруг своих осей, ориентированных ортогонально относительно друг друга.
Источник 7 проникающего излучения помещен в точку пересечения осей барабанов 16 и 18. Для формирования пучка 10 проникающего излучения заданного размера источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), помещенным внутри барабанов (или за ними). Барабан 16 приводится в движение двигателем 15, а барабан 18 приводится в движение двигателем 17.
Вращение барабана 16 соответствует сканированию изображения по одной координате, а вращение барабана 18 - сканированию по другой координате. Один оборот барабана 16 или 18 соответствует полному сканированию вдоль своей координаты, если на поверхности барабанов находится только один узор неоднородности. Если на поверхности барабанов нанесено К циклически повторяющихся узоров 1а и 1b, то время сканирования вдоль каждой координаты происходит не за один оборот барабана, а в К раз быстрее.
Если барабан 16 отвечает, например, за сканирование по строкам, то вращение барабана 18 (отвечающего за столбцы) должно быть в N раз медленнее, где N - число строк в изображении.
Изготовление сканера, в котором барабаны находятся ортогонально один другому, является не единственным вариантом реализации указанного подхода.
На фиг.18 показан сканер, в котором два неоднородных для проникающего излучения экрана, движущихся каждый в своем направлении, представляют собой барабаны 37 и 38 с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами 1а и 1b. Барабаны помещены один в другой, вращаются вокруг своих осей и ориентированы коаксиально относительно друг друга, причем узор по окружности каждого из барабанов наклонен относительно оси его вращения на +45 и -45 градусов, соответственно.
Источник 7 проникающего излучения находится на оси вращения барабанов 37 и 38. Для формирования пучка 10 заданного размера источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабанов или за ними).
В этой конструкции за счет того, что узоры наклонены в разные стороны, сканирование в итоге происходит для ортогональных координат (строк и столбцов изображения). Однако направление строк и столбцов повернуто относительно конструкции фиг.17 на 45 градусов.
Барабан 37 приводится в движение двигателем 15 а, а барабан 38 - двигателем 15b. Если барабан 37 отвечает за сканирование, например, по строкам, то скорость барабана 38 относительно 37 должна быть в N раз медленнее, где N - число строк в изображении.
Если по окружности барабанов 37 и 38 расположена только одна неоднородность 1а или 1b, то полное сканирование в направлении строки или столбца осуществляется за один оборот барабана 37 или 38. Если по окружности барабанов расположено К неоднородностей 1а и 1b, то сканирование происходит в K раз быстрее.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа было проведено компьютерное моделирование сканирования на основе циклической свертки для различных видов неоднородностей 1 (фиг.2). Результаты моделирования представлены на фиг.19. На фиг.19А показано изображение исследуемого предмета, полученное классическим сканированием в прошедшем излучении. В столбце фиг.19В показаны результаты моделирования при сканировании на основе одного экрана, движущегося в двух направлениях. В качестве неоднородности 1 использовался URA массив чисел размером 211× 211 элементов [5], который моделировал неоднородный экран, изготовленный в соответствии с узором, показанным в средней части столбца фиг.19В. Изготовить такой экран можно, например, на основе процессов фотолитографии, нанося непрозрачный для проникающего излучения материал на прозрачную подложку.
В верхней части столбца фиг.19В показан результат циклической свертки изображения, показанного на фиг.19А, и неоднородности, показанной в средней части столбца фиг.19В (то есть результат сканирования). В нижней части столбца фиг.19В показан результат восстановления.
На фиг.19С показаны аналогичные результаты для неоднородности, которую можно представить в виде произведения двух функций по независимым координатам, то есть для случая двух расположенных один за другим экранов, движущихся независимо по различным координатам. В качестве неоднородности использовался одномерный массив URA длины 255 элементов [5]. Изготовить такие экраны можно путем фрезеровки в материале, непрозрачном для проникающего излучения (нанесенном на прозрачную подложку).
На фиг.19D показаны результаты моделирования для неоднородности, являющейся негативом по отношению к неоднородности на фиг.19С. Тем не менее, она не является неоднородностью, которую можно представить в виде двух экранов, расположенных один за другим. Однако ее можно изготовить из материала, непрозрачного для проникающего излучения (нанесенного на прозрачную подложку), путем фрезеровки в двух ортогональных направлениях. Это важно с практической точки зрения. В этом случае, так же как в случае, показанном на фиг.19В, моделировалось перемещение одного неоднородного экрана в двух направлениях.
Прозрачность экрана фиг.19В соответствует 50%, прозрачность экрана фиг.19С соответствует 25%, прозрачность экрана фиг.19D соответствует 75%.
Несмотря на то, что моделировалось только получение изображения на основе прошедшего излучения, результаты моделирования подтверждают возможность использования широкого конического пучка для инспекции объектов как в прошедшем, так и в рассеянном излучении, поскольку характер сигнала и методы его обработки для прошедшего и рассеянного излучения не отличаются. При этом в качестве функции свертки может быть использована как оптимальная в смысле повышения отношения сигнал/шум функция, так и неоптимальная. В проводимых математических экспериментах отношение сигнал/шум в сигнале было достаточно большим, поэтому результирующие изображения для оптимальной и неоптимальной функции практически ничем не отличаются. Различия будут существенными только при очень малом отношении сигнал/шум (близком к единице). Таким образом, можно использовать различные варианты технической реализации предлагаемого решения в соответствии с имеющимися средствами для их осуществления.
Источники информации
1. Патент США № 5,181,234, опубл. 19.01.93.
2. Патент США № 6,546,072, опубл. 08.04.2003.
3. Заявка США № 20020031202, опубл. 14.03.2003.
4. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. Москва, "Наука", 1986.
5. A. Busbom, H. Elders-Boll and H.D. Schotten. Uniformly Redundant Arrays. Experimental Astronomy 8: 97-123, 1998.
6. Г.Хермен. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии, перевод с английского Л.В.Барабина и А.Б.Мещерякова под редакцией Л.М.Сороко, Москва, "Мир", 1983.
Использование: для исследования объекта в рассеянном и/или прошедшем излучении. Сущность заключается в том, что для инспекции предмета прошедшим или рассеянным проникающим излучением используется широкий облучающий пучок, захватывающий весь исследуемый предмет. Особенностью изобретения является использование пучка с переменным во времени распределением интенсивности излучения в его поперечном сечении, обеспечиваемым путем перемещения поперек пучка неоднородного для используемого излучения экрана. Результирующая разрешающая способность определяется шагом (дискретом) измерения проникающего излучения после взаимодействия с объектом, при существенном повышении эффективности использования энергии источника. Технический результат: повышение скорости сканирования за счет более эффективного использования мощности источника проникающего излучения, либо понижение мощности источника при сохранении скорости сканирования. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 19 ил.
| Устройство для осевой поперечной томографии | 1978 |
|
SU786852A3 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ТЕЛА | 1993 |
|
RU2126550C1 |
| РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МЕДИЦИНСКОЙ ДИАГНОСТИКИ | 1995 |
|
RU2098929C1 |
| US 4053780 A, 11.10.1977 | |||
| Приспособление для автоматического перевода стрелок машинистом | 1922 |
|
SU463A1 |
| US 5864598 A, 26.01.1999. | |||
