ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТОМОГРАФ Российский патент 2011 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области исследования промышленных объектов с помощью энергии рентгеновского излучения, а именно к промышленным томографам третьего поколения.

В рентгеновской компьютерной томографии рассматривают пять поколений томографов. Каждое поколение определяется своей схемой сканирования (Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. - М.: Мир, 1983. - 349 с., Календер В. Компьютерная томография. - М.: Техносфера, 2006. - 343 с.). В медицинской диагностике исторически томографы последующих поколений вытесняли устаревающие модели. Совершенствование медицинских томографов направлено на повышение скорости сбора данных, уменьшение лучевой нагрузки, получение трехмерной реконструкции. В настоящее время ведущими производителями предлагаются томографы пятого поколения с многорядными детекторами, позволяющими получать изображения 320 срезов за секунду. Для сравнения следует отметить, что в томографе первого поколения изображение одного слоя получали за 4 минуты, второго - 20 секунд, третьего и четвертого - 5 секунд.

В промышленной томографии в основном применяются томографы второго и третьего поколений, поскольку требования по лучевой нагрузке и скорости сканирования в большинстве случаев менее существенны.

Томографы первого поколения не применяются из-за слишком низкой производительности. Томографы второго поколения достаточно производительны, но более сложны механически по сравнению с томографами третьего поколения, поскольку требуют вращения и поступательного перемещения при сканировании одного слоя. Схема сканирования томографа третьего поколения представлена на фиг.1. Веерный пучок излучения перекрывает все сечение томографируемого объекта. Процесс сканирования заключается лишь во вращении системы источник - детекторы относительно объекта, что равносильно вращению объекта при неподвижных детекторах и источнике.

Рассмотрим томограф третьего поколения (Календер В. Компьютерная томография. - М.: Техносфера, 2006., стр.42), выбранный в качестве прототипа, содержащий источник жесткого тормозного излучения, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение.

При томографии крупногабаритных объектов применяют источники жесткого тормозного излучения - ускорители электронов с энергией до 10-20 МэВ. Основная часть пучка тормозного излучения сосредоточена в конусе, раствор угла которого уменьшается с увеличением энергии электронов. Так для электронов с энергией 10 МэВ раствор пучка, рекомендованный для радиографии, составляет 12-15°, а при 20 МэВ - примерно в 2 раза уже. Для реализации томографа 3-го поколения с полем облучения 1 м потребуется расположить источник тормозного излучения с энергией 10 МэВ на расстоянии 5 м от центра объекта, а при 20 Мэв, соответственно, 10 м. Линейка детекторов должна регистрировать излучение веерного пучка, перекрывающего все сечение объекта. Чтобы получить томограмму размером N×N пикселей, потребуется N детекторов. Следовательно, томограф с источником жесткого тормозного излучения по прототипу представляется достаточно громоздким и содержащим большое количество детекторов.

Кроме того, при томографии крупногабаритных объектов, в случае их размещения горизонтально, от опор при исследовании возникают погрешности регистрации излучения веерного пучка.

Задачей настоящего изобретения является создание промышленного томографа, позволяющего, при сохранении функциональных результатов (качество томограммы и время ее получения) на уровне прототипа, минимизировать количество элементов в детекторном блоке при одновременном достижении компактности томографа в целом и повышении достоверности исследования объекта путем исключения погрешностей от опор, на которых размещен объект.

Рассмотрим предлагаемый томограф, в котором веерный пучок перекрывает не все сечение объекта, а лишь половину (Фиг.2). Сканирование производится поворотом объекта на 360°. Очевидно, что за один оборот получается полный набор данных для реконструкции томограммы. Полученные данные веерного пучка можно переупаковать в параллельные проекции, а затем реконструировать томограмму. В предлагаемом томографе уменьшается вдвое количество детекторов при том же разрешении и вдвое сокращается расстояние от источника до центра объекта. Время сканирования одного слоя также сокращается. В томографе-прототипе за один оборот получается двойной набор данных, а в предлагаемом - одинарный, но в результате приближения источника в 2 раза интенсивность возрастает в 4 раза, что позволяет в 4 раза увеличить скорость сканирования.

Для набора той же статистики в предлагаемом томографе потребуется вдвое меньше времени. Кроме того, в предлагаемом томографе исключается влияние элементов сканера. Проведенные рассуждения о скорости сканирования справедливы, если веерный пучок имеет одинаковую интенсивность по всем направлениям. В действительности пучок тормозного излучения из мишени ускорителя имеет угловое и энергетическое распределение, которое достаточно точно определяется следующим выражением (Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. - М.: Атом-издат, 1979. - 198 с.):

где k - энергия вылетающего фотона (здесь и далее энергия выражается в безразмерных единицах, приведенных к энергии покоя электрона), Е₀ - начальная энергия электрона, t - толщина мишени (см), ω₀ - приведенный угол рассеяния: (θ - угол между направлениями фотона и налетающего электрона), n - число падающих электронов, N₀ - число атомов в 1 см³ мишени, ρ - плотность мишени, г/см³, µ - линейный коэффициент ослабления фотонов в материале мишени, - характеристика материала мишени (для вольфрама ), t' - величина, близкая к оптимальной толщине мишени (для вольфрама t'≈2,5 г/см²).

На фиг.3 представлена угловая зависимость интенсивности тормозного излучения, генерируемого из вольфрамовой мишени электронами с энергией 10 МэВ, полученная по формуле (1). Согласно рисунку диаграмма направленности интенсивности вытянута вперед, и для лучей, отстоящих от центрального на ±10°, интенсивность уменьшается вдвое.

Наибольшая статистическая погрешность при измерениях проекционных данных получается для лучей, проходящих через центр объекта, поскольку здесь толщина объекта максимальна и происходит наибольшее поглощение излучения. В предлагаемом томографе через центр проходит та часть пучка, которая имеет не максимальную интенсивность. Для оценки времени сканирования следует учитывать изменение интенсивности пучка (при переходе от томографа-прототипа к предлагаемому) именно для луча, проходящего через центр. Допустим, что интенсивность на краю веерного пучка в два раза меньше, чем в центре. Тогда при приближении источника в 2 раза интенсивность регистрируемого излучения возрастет в 4 раза как для крайнего луча веера, так и центрального. Но теперь через центр объекта проходит не центральный луч веера, а крайний. Интенсивность луча, проходящего через центр объекта, будет в 2 раза больше, чем в томографе-аналоге. Следовательно, для получения томограммы с той же статистической погрешностью (двойным набором данных) в предлагаемом томографе потребуется то же время, что и томографе-прототипе.

В пучке тормозного излучения с полным раствором 15° бетатрона Краб-3 на периферии интенсивность уменьшается в 1,7 раза. Если использовать пучок с таким раствором в томографе-прототипе и предлагаемом, то в последнем число детекторов будет в 2 раза меньше, как и расстояние от источника до центра объекта, время на сканирование потребуется меньше при том же качестве томограммы.

Для проверки работоспособности алгоритма реконструкции томограммы по данным зондирования веерным пучком с половинным полем облучения была разработана программа компьютерного моделирования, включающая в себя формирование проекционных данных, переупаковку половинных веерных проекции в параллельные, расчет и визуализацию томограммы. На фиг.4 представлены томограммы, полученные по данным параллельного пучка (А), веерного (Б) и половинного веерного (В). В первом случае реконструкция производилась методом обратного проецирования фильтрованных параллельных проекций (Введение в современную томографию. /Под общей редакцией Тернового К.С. и Синькова М.В. - Киев. Наукова думка, 1983. - 231 с.), во втором - методом обратного проецирования фильтрованных веерных проекций (там же), в третьем случае производилась переупаковка проекций половинного веерного пучка в параллельные с последующей реконструкцией, как в первом пункте. Заметного различия качества томограмм не наблюдается.

Таким образом, можно сделать следующие выводы: в предлагаемом томографе при сравнении с прототипом в два раза сокращается количество детекторов и в два раза расстояние от источника изучения до центра томографируемого объекта при сохранении качества томограммы и времени сканирования, а также повышается достоверность за счет устранения влияния элементов сканера при горизонтальном расположении объекта контроля.

Использование: для исследования промышленных объектов с помощью рентгеновской томографии. Сущность: заключается в том, что промышленный томограф содержит источник жесткого тормозного излучения, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение, при этом источник излучения расположен от объекта на расстоянии, обеспечивающем перекрытие веерным пучком излучения половины сечения объекта от центра вращения до периферии. Технический результат: обеспечение возможности создания промышленного томографа, позволяющего, при сохранении функциональных результатов (качество томограммы и время ее получения), минимизировать количество элементов в детекторном блоке при одновременном достижении компактности томографа в целом и повышении достоверности исследования объекта путем исключения погрешностей от опор, на которых размещен объект. 4 ил.

Промышленный томограф, содержащий источник жесткого тормозного излучения, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение, отличающийся тем, что источник излучения расположен от объекта на расстоянии, обеспечивающем перекрытие веерным пучком излучения половины сечения объекта от центра вращения до периферии.