СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОБЪЕМНОЙ РЕНТГЕНОВСКОЙ ФОТОСЪЕМКИ Российский патент 2012 года по МПК G01N23/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к восстановлению изображения и, в частности, оно относится к способу восстановления изображения внутреннего содержимого исследуемого объекта.

Уровень техники

Что касается восстановления изображения, отображающего внутреннее содержимое объекта, в настоящее время, по преимуществу, используется способ, изобретенный Хаунсфильдом, в основе которого лежит сканирование, осуществляемое посредством использования компьютерной томографии. Более конкретно, данный способ заключается в следующем: источник 1 рентгеновского излучения и детектор 3 рентгеновского излучения закрепляются на каркасе, обеспечивающем выполнение сканирования, который вращается с высокой точностью благодаря использованию механических устройств (см. Фиг.1). Источник 1 и детектор 3 расположены таким образом, что они окружают исследуемый объект 4, причем во время выполнения вращения обеспечивается высокоточное определение положения, при котором имеет место испускание пучка рентгеновских лучей, и положения, при котором данный пучок воспринимается детектором, применительно к каждому из рассматриваемых пучков рентгеновских лучей. Восстановление изображения реализуется посредством применения методики, включающей в себя проведение вычислений Радона, благодаря чему устанавливается распределение плотности внутри объекта. Информацию по данной тематике можно найти в следующих двух книгах: «Компьютерная томография», автор Willi A.Kalender, издательство "People's Medical Publishing House", ISBN7-117-05284-8/R.5285; «Практическое применение компьютерной томографии для проведения исследований», автор Mingpeng Wang, издательство "Science and Technology Document Publishing House", ISBN7-5023-3262-6/R.656.

Первое устройство, действие которого было основано на применении компьютерной томографии, появилось в 1972 году. С данного года по настоящее время появилось уже восемь новых «поколений» устройств, но при этом следует обратить особое внимание на то, что появление каждого нового «поколения» непосредственно связано с повышением скорости сканирования. За прошедшие годы методика сканирования не претерпела абсолютно никаких изменений, причем функционирование устройств основано на применении данных, представляющих те отклонения, что имеют место при выполнении сканирования. Кроме того, во всех рассматриваемых устройствах было применено контактное (токособирающее) кольцо, насаженное на опорный каркас, точное перемещение которого обеспечивается механическими средствами, или же устройство, служащее для отправки и приема пучков рентгеновских лучей, которому придана форма колокола. Вышеуказанное расположение элементов и способ сканирования, при котором имеет место имитация условий для проведения вычислений Радона, являются ограничением как для внесения изменений в структуру устройства, используемого для проведения компьютерной томографии, так и для полномасштабного применения составных элементов этого устройства. Наличие указанных недостатков приводит к следующему: изготовление механических приспособлений, обеспечивающих сканирование, и электронных устройств сопряжено со значительными затруднениями; продолжительность облучения рентгеновским излучением остается большой; устройства имеют низкий коэффициент применяемости; скорость сбора поступающих данных остается низкой; точность сканирования данных недостаточно высока; при восстановлении изображения имеет место малая разрешающая способность; в действительности не удается достичь получения истинного трехмерного изображения.

Раскрытие изобретения

Основная цель данного изобретения заключается в преодолении тех недостатков, которые присущи применяемой в настоящее время методике сканирования, причем представленный здесь способ восстановления изображения подразумевает применение фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения. Согласно представленному здесь способу, трехмерное изображение исследуемого объекта восстанавливается посредством получения плоского фотографического изображения, для формирования которого используется рентгеновское излучение. При этом трехмерное изображение подразделяется на изображения, каждому из которых соответствует сдвиг объекта в любом направлении. Благодаря применению нового способа получаем не только высокую разрешающую способность и малую продолжительность облучения рентгеновским излучением, но и устройство, отличающееся простотой конструкции, при изготовлении которого не возникает затруднений.

Ниже указано, каким образом достигается техническое решение поставленной цели. Прежде всего, осуществляется сбор данных, относящихся к изображениям, получаемым посредством использования рентгеновского излучения, которые охватывают определенную площадь в заданной последовательности. Для получения указанных изображений осуществляется фотографирование исследуемого объекта, причем при этом соблюдается следующий принцип измерения, применяемого при получении цифровых фотоснимков: одновременно с выполнением фотосъемки, требующей использование рентгеновского излучения, осуществляется ввод данных, относящихся к тем опорным точкам, имеющимся на фотоснимке, положения которых в пространстве известны. Для установления взаимосвязи, служащей для выполнения преобразований, которая существует между прямоугольной системой координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, и системой координат о-хy, относящейся к фотоснимку, полученному посредством применения рентгеновского излучения, используются координаты опорных точек, представленные в каждой из упомянутых систем координат. Посредством применения взаимосвязи, служащей для выполнения преобразований, определяются путь прохождения и положение каждого из пучков рентгеновских лучей, использованных для получения фотоснимков. Кроме того, техническое решение включает в себя выявление всех объемных элементов применительно к каждому из пучков рентгеновских лучей, проходящих через исследуемый объект, а также установление того, какая величина соответствует объемному элементу g по шкале яркости. Для установления данной величины требуется решить уравнения Радона, исходные величины для которых задаются объемным элементом g и элементом изображения G, которые располагаются на пути прохождения одного и того же пучка рентгеновских лучей. Для восстановления трехмерного изображения исследуемого объекта необходимо посредством использования компьютера установить, какие величины по шкале яркости соответствуют всем имеющимся объемным элементам g.

Представленный здесь способ восстановления изображения включает в себя следующие этапы, которые должны выполняться в приведенной последовательности.

(1) Проверка рентгеновской камеры

Работа рентгеновской камеры должна быть отрегулирована таким образом, чтобы вертикальный пучок рентгеновских лучей, исходящий от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, проходил перпендикулярно поверхности, служащей для получения цифрового фотоснимка посредством использования рентгеновского излучения. Затем измеряется расстояние H между центром S трубки, испускающей РИ, и поверхностью, служащей для получения цифрового фотоснимка посредством использования рентгеновского излучения.

(2) Создание системы координат о-ху, относящейся к цифровому фотоснимку

При создании системы координат о-ху на цифровом фотоснимке, получаемом посредством использования рентгеновского излучения, в качестве начала этой системы координат, обозначенного как о, следует использовать тот элемент изображения, который был образован на указанном цифровом фотоснимке вертикальным пучком рентгеновских лучей, исходящим от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение. Ось x в данной системе координат относится к тем элементам изображения, которые проходят через начало о этой системы в горизонтальном направлении. Ось у в данной системе координат относится к тем элементам изображения, которые проходят через начало этой системы в вертикальном направлении.

(3) Создание прямоугольной системы координат О-XYZ,относящейся к восстановлению трехмерного изображения

Следует расположить, по меньшей мере, три опорные точки, относящиеся к исследуемому объекту, и заранее измерить величины расстояний между каждыми двумя опорными точками. Для того чтобы создать прямоугольную систему координат O-XYZ, относящуюся к восстановлению трехмерного изображения, следует в качестве начала О этой системы координат выбрать любую из опорных точек, причем координаты всех опорных точек, относящихся к системе координат O-XYZ, должны быть введены в память компьютера.

Опорные точки должны быть расположены на исследуемом объекте или же на структуре, служащей для нанесения опорных точек, которая окружает исследуемый объект.

(4) Рентгеновская фотосъемка

При выполнении фотосъемки рентгеновская камера должна функционировать таким образом, чтобы трубка, испускающая пучки рентгеновских лучей, и поверхность, служащая для формирования цифрового фотоснимка, получаемого посредством использования рентгеновского излучения, перемещались вдоль линии, образующей дугу, или же вдоль прямой линии. При этом для получения определенного количества цифровых фотоснимков исследуемого объекта данный объект следует снимать из различных положений, расстояние между которыми должно оставаться неизменным.

(5) Распознавание рисунка, образованного опорными точками, и придание изображению опорных точек требуемого положения

Данные, относящиеся ко всем цифровым фотоснимкам, полученным посредством использования рентгеновского излучения при выполнении этапа (4), следует ввести в память компьютера. Затем с помощью компьютера применительно к каждому цифровому фотоснимку следует осуществить распознавание рисунка, образованного опорными точками, и придать имеющемуся изображению положение, согласованное с опорными точками. В результате проведения данных действий устанавливаются координаты х, y каждой опорной точки в системе координат о-хy применительно к каждому фотоснимку. Распознавание рисунка, образованного опорными точками, и придание изображению опорных точек требуемого положения рассмотрены в главах 4-6 книги "Digital Photogrammetry", опубликованной издательством "Wuhan University Publishing House" в мае 2001 года, справочный номер ISBN7-307003233-3/Р.7.

Распознавание рисунка, образованного опорными точками, осуществляется посредством совмещения заранее подготовленного шаблонного изображения, содержащего рисунок, присущий опорным точкам, с изображением, на котором выделены признаки, применяемые при распознавании образов. Выделение указанных признаков проводится посредством привлечения различных операторов. Это связано с тем, что опорные точки образуют различные геометрические формы, что приводит к возникновению различных признаков на фотоснимках, полученных посредством использования рентгеновского излучения. По этой причине операторов, привлекаемых для выделения признаков, можно разделить на следующие категории: оператор, служащий для выделения признаков, присущих точкам; оператор, служащий для выделения признаков, присущих линиям; оператор, служащий для выделения признаков, присущих плоскости. В основном, к операторам, выделяющим признаки, присущие точкам, относятся операторы типов "Moravec", "Hannah" и "Forstner". К операторам, выделяющим признаки, присущие линиям, относятся: оператор, учитывающий величину угла наклона; оператор, учитывающий различия второго порядка; оператор Гаусса-Лапласа; операционная система, выполняющая сегментацию признаков и преобразование Хока. И, наконец, выделение признаков, присущих плоскости, осуществляется преимущественно путем региональной сегментации изображения. Как правило, сегментация изображения осуществляется посредством установления пороговых величин, посредством использования методики увеличения участков изображения и методики классификации по группам.

Надлежащее расположение изображения опорных точек имеет непосредственное отношение к определению с высокой точностью того целевого положения, которое опорные точки должны занимать в системе координат о-хy, относящейся к цифровому фотоснимку, полученному посредством использования рентгеновского излучения. Следует отметить, что изображение опорных точек, относящееся к их целевому положению, располагается на том участке, в пределах которого были выделены признаки, относящиеся к этим точкам. К проведению вычислений, относящихся к распознаванию рисунка, образованного опорными точками в пределах указанного целевого положения, следует привлекать тех же самых операторов, что привлекаются для выделения признаков.

(6) Определение величин элементов X_s, Y_s, Z_s, α, ω, к, относящихся к ориентированию, применительно к каждому цифровому фотоснимку, полученному посредством использования рентгеновского излучения

С помощью компьютера следует составить коллинеарные уравнения для тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через все опорные точки, имеющиеся на каждом из цифровых фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения. Для любой опорной точки (например, для опорной точки А) соответствующее ей коллинеарное уравнение, относящееся к данному пучку рентгеновских лучей, будет иметь следующий вид:

В представленных выше уравнениях х, y - это координаты опорной точки А в системе координат о-хy, Н - это расстояние от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, до поверхности, служащей для формирования цифрового фотоснимка, Х_A, Y_A, Z_A - это координаты опорной точки А в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, X_s, Y_s, Z_s - координаты центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения. Коэффициент вращения изображения имеет следующий вид:

Затем следует выбрать коллинеарные уравнения для тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят, по меньшей мере, через три опорные точки, имеющиеся на каждом цифровом фотоснимке, полученном посредством использования рентгеновского излучения. В результате проведения одновременного решения данных уравнений определяются величины шести элементов Х_s, Y_s, Z_s, α, ω, к, относящихся к ориентированию, применительно к каждому цифровому фотоснимку. Из вышеперечисленных элементов элементы X_s, Y_s, Z_s представляют собой координаты центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения. При этом элементы α, ω и к представляют собой углы, относящиеся к направлениям вращения цифрового фотоснимка в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению 3-мерного изображения. Основные положения и арифметические процессы, относящиеся к «коэффициенту вращения» и к «коллинеарному уравнению», рассмотрены в главе 1 книги "Analytical Photogrammetry", выпущенной издательством "Surveying and Mapping Publishing House", прежний справочный номер 15039, новый справочный номер 143.

(7) Определение координат элемента изображения G в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения

Посредством учета величин элементов X_s, Y_s, Z_s, α, ω, к, относящихся к ориентированию, которые были определены для каждого из цифровых фотоснимков, полученных при выполнении этапа (6), а также посредством учета исправленной величины расстояния H_corrected и расстояния l между элементами изображения, с помощью компьютера следует определить координаты X_ij, Y_ij, Z_ij, служащие для восстановления трехмерного изображения, в отношении каждого из элементов изображения G_ij, присутствующих на каждом из цифровых фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения. При этом следует отметить, что величина H_corrected, представляющая собой расстояние от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, до поверхности, служащей для формирования цифрового фотоснимка, определяется посредством использования коллинеарного уравнения (1-1), относящегося к пучку рентгеновских лучей, проходящему через опорную точку. Ниже рассмотрена методика проведения вычислений.

Элементы изображения, имеющиеся на цифровом фотоснимке, полученном посредством использования рентгеновского излучения, располагаются в определенном порядке на одном и том же расстоянии друг от друга, причем расстояние l между элементами изображения G остается неизменным. Буквы i и j служат для обозначения номера последовательности элементов изображения. Оси координат х и y, относящиеся к системе координат о-хy, проходят, соответственно, параллельно тому горизонтальному направлению и тому вертикальному направлению, вдоль которых располагаются в заданном порядке элементы изображения. Координаты х и y, относящиеся к каждому из элементов изображения G_ij, следует измерять от точки пересечения о, расположенной по вертикали в пределах от проекционного центра S до фотоснимка Р, причем H - это расстояние по вертикали от центра S до точки о. Применительно к фотоснимку координаты элемента изображения G₀, расположенного в точке пересечения о, имеют следующий вид: х=0, у=0. Проанализировав этап (6), можно прийти к заключению, что в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, координаты центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, следует представить в следующем виде: S (X_s, Y_s, Z_s). После ввода установленных величин угловых коэффициентов α, ω и к, относящихся к направлениям вращения изображения, получим уравнения, представленные ниже.

Уравнение, служащее для определения координат элемента изображения G₀ в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения:

Уравнение, служащее для определения координат элемента изображения G_ij в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения:

В вышеприведенном уравнении буквы i и j обозначают номер последовательности элементов изображения, l - это расстояние между элементами изображения, i×1=x_i, i×1=у_i. Соответственно, уравнение (1-4) можно представить в следующем виде:

Координаты элемента изображения G_ij в прямоугольной системе координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, для определения которых используется уравнение (1-5), имеют следующий вид:

G_ij=(Х_ij, Y_ij, Z_ij)

Можно видеть, что все то, что отображено посредством использования уравнений (1-3), (1-4) и (1-5), представляет собой процесс перестановки координат (х, у) элемента изображения G, имеющегося на цифровом фотоснимке, полученном посредством использования рентгеновского излучения, в пределах прямоугольной системы координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения.

После выполнения этапов (1)-(7) получаем значения координат проекционного центра S и элемента изображения G, имеющегося на фотоснимке, полученного посредством использования рентгеновского излучения, причем указанные значения представлены в прямоугольной системе координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения. Очевидно, что после выполнения этапов (1)-(7) устанавливаются положения центра S, испускающего рентгеновское излучение, и всех элементов изображения, имеющихся на цифровом фотоснимке. В функциональном отношении рассматриваемый здесь процесс идентичен традиционному сканированию, осуществляемому с помощью опорного каркаса и механических устройств, обеспечивающих высокую точность перемещения при выполнении компьютерной томографии. Но при этом следует особо отметить, что при традиционном сканировании, присущем компьютерной томографии, для получения требуемых положений центра S, испускающего рентгеновское излучение, и детектора рентгеновского излучения используется способ, в основе которого лежит перемещение, обеспечиваемое применением механических средств. А в основе представленного здесь способа получения требуемых положений центра S, испускающего рентгеновское излучение, и всех элементов изображения, имеющихся на цифровом фотоснимке, полученном посредством использования рентгеновского излучения, лежит выполнение вычислений с помощью компьютера.

(8) Выявление всех объемных элементов применительно к каждому из пучков рентгеновских лучей, проходящих через исследуемый объект

Посредством учета величин элементов X_s, Y_s, Z_s, относящихся к ориентированию, применительно к каждому из тех цифровых фотоснимков, что были получены при выполнении этапа (6), а также посредством учета координат X_ij, Y_ij, Z_ij, относящихся к восстановлению трехмерного изображения, каждого из элементов изображения G, имеющихся на каждом из цифровых фотоснимков, полученных при выполнении этапа (7), следует с помощью компьютера выявить все объемные элементы g, относящиеся к каждому из тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через исследуемый объект. Способ проведения вычислений рассмотрен ниже.

Линейное уравнение, относящееся к пучку, сформированному посредством использования двух точек, которые представляют собой центр S трубки, испускающей рентгеновское излучение, и элемент изображения G_ij, и который проходит через окно, содержащее восстанавливаемый объемный элемент g_ijk, имеет следующий вид:

Из вышесказанного следует, что условие, при котором определяются параметры пучка рентгеновских лучей, проходящего через объемный элемент g_ijk, соответствует линейному уравнению (1-6). Определение позиционных координат, представляющих объемный элемент g_ijk в линейном уравнении (1-6), равнозначно определению того пути, вдоль которого проходит пучок рентгеновских лучей.

Для определения размера окна, содержащего объемный элемент g_ijk, следует пользоваться формулой . При этом в прямоугольной системе координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения (см. Фиг.7), известные координаты восьми высших точек окна, содержащего объемный элемент g_ijk следует представлять следующим образом:

Если величины координат объемного элемента g_ijk, определенные посредством использования уравнения (1-6), не выходят за пределы (g_ijk1,…,g_ijk8), то считается, что пучок рентгеновских лучей проходит через объемный элемент. Выявление всех объемных элементов g_ijk, через которые прошел каждый из рассматриваемых пучков рентгеновских лучей SG_ij, равнозначно определению пути прохождения каждого из этих пучков рентгеновских лучей.

В связи с тем, что в прямоугольной системе координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, координаты восьми высших точек окна, содержащего объемный элемент g_ijk, известны, и при этом, например, координаты высшей точки g_ijk1 имеют вид (x_i, y_j, z_k), то этапы установления пути прохождения пучка рентгеновских лучей можно представить в следующем виде:

- посредством ввода параметра Z=Z_k в уравнение (1-6), содержащее параметры Х и Y, выводится уравнение, представляющее проектирование пучка рентгеновских лучей на возвышающуюся поверхность, которой соответствует параметр Z=Z_k;

- установление того, пересекается ли пучок рентгеновских лучей, путь прохождения которого задан вышеуказанным уравнением, с четырьмя сторонами, расположенными в пределах нижней поверхности окна, содержащего объемный элемент. Если пучок не пересекается с указанными сторонами, то это означает, что он не проходит через объемный элемент. Если же пучок пересекается с этими сторонами, то следует определить координаты точек пересечения, которые задаются как (a₁, b₁) и (а₂, b₂), после чего следует провести дополнительные вычисления;

- при выполнении второго этапа посредством ввода координат точек пересечения в уравнение (1-6) следует определить величину параметра Z, а также установить, не располагается ли величина Z между величинами z_k и z_K+t (t - это протяженность стороны окна, содержащего объемный элемент, имеющий форму куба). Выполнение вышеприведенного условия означает, что пучок рентгеновских лучей пересекает окно, содержащее объемный элемент.

(9) Восстановление трехмерного изображения

Следует составить уравнения Радона, в основе которых должны лежать объемный элемент g и величина, присущая данному элементу изображения G по шкале яркости, применительно к пути прохождения каждого пучка рентгеновских лучей. При этом величины, соответствующие всем объемным элементам g по шкале яркости, следует вычислять с помощью компьютера (способ вычислений Радона используется для определения вышеуказанных величин, присущих элементам изображения). Восстановление трехмерного изображения исследуемого объекта следует осуществлять исходя из тех величин по шкале яркости, которые присущи объемным элементам (см. главу 7 книги "Introduction to Digital Image Proces-sing", автор Rongchun Zhao, издательство "Northwestern Polytechnical University Publishing House", ISBN7-5612-0737-9/TB.82).

Представленное изобретение может быть использовано в следующих целях:

1. Воспроизведение двухмерных изображений посредством использования плоской пленки

После выполнения этапа (4), что подразумевает проведение рентгеновской фотосъемки, пользователь устройства получает определенное количество цифровых фотоснимков исследуемого объекта, причем каждому из этих фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения, соответствует определенное положение, относящееся к выполнению съемки. Соответственно, на плоской пленке могут быть воспроизведены двухмерные изображения цифровых фотоснимков исследуемого объекта.

2. Формирование двухмерных изображений посредством осуществления цифрового вычитания

В результате проведения рентгеновской фотосъемки, включающей в себя усиление сигналов, может быть осуществлено непосредственное реверсирование шкалы яркости, относящейся к цифровым фотоснимкам, полученным после выполнения этапа (4). Затем цифровые фотоснимки, полученные посредством использования рентгеновского излучения, совмещаются с имеющимся фотоснимком в целях формирования двухмерного изображения, получаемого посредством осуществления цифрового вычитания.

3. Воспроизведение трехмерного изображения в реальном масштабе времени

В соответствии с основным принципом воспроизведения трехмерного изображения, берутся два цифровых фотоснимка, полученных посредством использования рентгеновского излучения, каждому из которых соответствует определенное положение съемки. При таком способе воспроизведения трехмерного изображения составляются пары изображений одного и того же объекта, что позволяет осуществлять воспроизведение трехмерного изображения исследуемого объекта в реальном масштабе времени.

4. Воспроизведение трехмерного изображения, при котором выделяются координаты элементов изображения

Если трехмерное изображение воспроизводится исходя из той величины, что соответствует объемному элементу g_ijk по шкале яркости, то может быть осуществлено выделение координат тех элементов изображения, которые имеют одинаковые признаки. Как результат, воспроизводятся те элементы изображения, которые имеют одни и те же характерные черты.

5. Придание трехмерному изображению требуемого положения в реальном масштабе времени

Посредством использования выделенных координат тех элементов изображения, которые имеют одинаковые признаки применительно к шкале яркости, определяется пространственное положение исследуемого объекта. Применяемому оборудованию отдаются команды, согласно которым оборудование должно охватить определенный участок в пространстве посредством использования известных координат пути прохождения пучка рентгеновских лучей.

6. Выделение изображения, относящегося к произвольному сдвигу исследуемого объекта

Если трехмерное изображение воспроизводится исходя из той величины, что соответствует объемному элементу g_ijk по шкале яркости, то может быть выделено изображение, относящееся к произвольно взятому сдвигу исследуемого объекта.

Представленное изобретение имеет следующие достоинства.

1. Согласно методике представленного здесь изобретения, для получения данных, относящихся к двухмерному плоскому изображению снимаемого объекта, используется рентгеновское устройство, обеспечивающее получение цифровых фотоснимков, обычного типа. Причем данная методика предполагает восстановление трехмерного изображения посредством использования плоского фотографического изображения в целях получения данных, относящихся к изображению всего объекта. Соответственно, применение данного изобретения обеспечивает техническое решение различных подходов к проблеме восстановления изображения, отображающего внутреннее содержимое исследуемого объекта.

2. В отличие от сканирования, применяемого при выполнении компьютерной томографии, путь прохождения пучка рентгеновских лучей и его положение определяются не посредством использования высокоточных механических устройств, а посредством проведения вычислений с помощью компьютера. Все это является результатом не только повышения разрешающей способности и уменьшения продолжительности облучения рентгеновским излучением, но и упрощение структуры устройства, уменьшение потребления энергии и предъявление менее жестких требований к помещениям, предназначенным для эксплуатации устройства.

3. Методика представленного здесь изобретения может не только позволить восстановить трехмерное изображение исследуемого объекта, но и осуществить воспроизведение двухмерного изображения посредством использования плоской пленки, осуществить воспроизведение двухмерного изображения посредством применения цифрового вычитания, обеспечить воспроизведение трехмерного изображения в реальном масштабе времени, придать трехмерному изображению требуемое положение в реальном масштабе времени, обеспечить воспроизведение трехмерного изображения посредством выделения координат определенных элементов изображения, выделить изображение, относящееся к произвольно взятому сдвигу исследуемого объекта, и т.д.

4. Представленная здесь методика может быть применена в следующих областях: изучение внутреннего содержимого исследуемого объекта, включая придание изображению внутреннего содержимого объекта требуемого положения, а также выявление присутствия интересующего объекта, в медицинских целях. Следует отметить, что устройство, соответствующее данному изобретению, может быть применено сотрудниками служб безопасности и таможенниками.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Схематическое представление осуществления процесса компьютерной томографии.

Фиг.2. Технологическая схема предлагаемого способа восстановления изображения, включающего в себя фотосъемку исследуемого объекта посредством использования рентгеновского излучения.

Фиг.3. Схематическое представление тех областей, в которых может быть применена методика, соответствующая представленному изобретению.

Фиг.4. Схематическое представление системы координат о-ху, относящейся к фотоснимку.

Фиг.5. Схема взаимного расположения источника рентгеновского излучения, исследуемого элемента, структуры, служащей для нанесения опорных точек, цифрового фотоснимка, получаемого посредством использования рентгеновского излучения, причем данный рисунок служит для описания опорных точек и прямоугольной системы координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения.

Фиг.6. Схема, поясняющая взаимосвязь между системой координат о-ху, относящейся к фотоснимку, и прямоугольной системой координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения.

Фиг.7. Схема, поясняющая взаимосвязь существующей между окном, содержащим объемный элемент g_ijk, и прямоугольной системой координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения.

Фиг.8-11. Цифровые фотоснимки, полученные посредством использования рентгеновское излучение, многослойной структуры, для изготовления которой была применена проволока, причем каждому снимку соответствует определенное положение съемки. Соответственно, на Фиг.8 представлен 1-й снимок, на Фиг.9 представлен 2-й снимок, на Фиг.10 представлен 3-й снимок, а на Фиг.11 представлен 4-й снимок.

На представленных выше Фигурах: 1 - центр трубки, испускающей рентгеновское излучение (источник рентгеновского излучения), 2 - каркас, применяемый при сканировании, 3 - детектор рентгеновского излучения, 4 - исследуемый объект, 5 - окно, относящееся к восстановлению изображения, 6 - цифровой снимок, получаемый посредством использования рентгеновского излучения, 7 - структура, на которой располагаются опорные точки, 8 - опорная точка, 9 - несущая пластина, 10 - элемент изображения, образованный опорной точкой, 11 - окно, содержащее объемный элемент.

Примерное воплощение методики представленного изобретения на практике

В дальнейшем со ссылкой на прилагаемые Фигуры будет рассмотрено примерное воплощение методики представленного здесь изобретения на практике. С данной целью дается описание этапов восстановления изображения многослойной структуры, полученной посредством использования проволоки, причем процесс восстановления изображения включает в себя применение рентгеновской фотосъемки.

(1) Проверка рентгеновской камеры

Работа рентгеновской камеры должна быть отрегулирована таким образом, чтобы вертикальный пучок рентгеновских лучей, исходящий от центра 1(S) трубки, испускающей рентгеновское излучение, поступал перпендикулярно на поверхность, служащую для получения цифрового фотоснимка. Затем измеряется величина расстояния Н между центром 1(S) трубки, испускающей рентгеновское излучение, и поверхностью, служащей для формирования цифрового фотоснимка, причем величина данного расстояния должна составить 1000 мм (см. Фиг.4).

(2) Создание системы координат о-ху, относящейся к цифровому фотоснимку

Система координат о-ху формируется на цифровом фотоснимке 6, получаемом посредством использования рентгеновского излучения. Начало данной системы координат, обозначенное как о, представляет собой элемент изображения, образованный вертикальным пучком рентгеновских лучей, исходящим из центра 1(S) трубки, испускающей рентгеновское излучение, на цифровом снимке. Ось х рассматриваемой системы координат относится к тем элементам изображения, проходящим через начало о данной системы, которые располагаются в горизонтальном направлении. Ось у рассматриваемой системы координат относится к тем элементам изображения, проходящим через начало о этой системы, которые располагаются в вертикальном направлении (см. Фиг.4).

(3) Создание прямоугольной системы координат O-XYZ, относящейся к восстановлению 3-мерного изображения

Для создания прямоугольной системы координат применяются две структуры: структура, отличающаяся наличием гладкой поверхности, на которую нанесены опорные точки, и многослойная структура размером 50×50×50 мм, полученная посредством использования стальной проволоки диаметром 0,5 мм. На 1-ю из указанных структур нанесено восемь опорных точек А, В, С, D, Е, F, G и Н, причем измерению подлежит расстояние между каждыми двумя опорными точками. Опорная точка А принимается за начало системы координат O-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения. В таблице 1 представлены координаты всех опорных точек в системе координат O-XYZ.

Таблица 1. Координаты опорных точек в системе координат O-XYZ Опорная точка Координаты опорных точек Х Y Z А 101,00 100,00 0 В 150,00 102,00 0 С 202,00 101,50 0 D 249,00 100,00 0 Е 100,00 300,50 0 F 153,50 303,50 0 G 200,00 302,50 0 Н 251,50 301,50 0

Координаты всех опорных точек в системе координат 0-XYZ вводятся в память компьютера обычного типа.

(4) Рентгеновская фотосъемка

Работа рентгеновской камеры регулируется таким образом, чтобы трубка, испускающая рентгеновское излучение, и поверхность, служащая для формирования цифрового фотоснимка, перемещались по прямой линии. При этом применительно к каждому из четырех участков протяженностью 50 мм формируется один цифровой снимок, в результате чего в общей сложности получаем четыре фотоснимка многослойной проволочной структуры, каждому из которых соответствует определенное положение съемки (см. Фиг.8-11).

(5) Распознавание рисунка, образованного опорными точками, и придание изображению опорных точек требуемого положения

Данные, относящиеся ко всем четырем цифровым снимкам, полученным во время проведения этапа (4), вводятся в память компьютера, который использовался при выполнении этапа (3). Посредством привлечения к проведению вычислений, относящихся к совмещению изображений, оператора типа "Moravec" осуществляется выделение признаков, присущих каждой из имеющихся опорных точек. Данное выделение признаков проводится с целью определения положения элементов изображения, относящихся ко всем опорным точкам, имеющимся на каждом из цифровых фотоснимков. В результате получаем координаты всех опорных точек в системе координат о-ху применительно к каждому фотоснимку.

(6) Определение величин элементов X_S, Y_S, Z_S, α, ω, к, относящихся к ориентированию, применительно к каждому цифровому фотоснимку

Координаты опорной точки, имеющейся на каждом цифровом фотоснимке, которые относятся к прямоугольной системе координат O-XYZ, применяемой для восстановления трехмерного изображения, и координаты опорной точки в системе координат о-ху, полученные при выполнении этапа (5), вводятся в соответствующие коллинеарные уравнения, относящиеся к пучкам рентгеновских лучей. В целях определения величин шести элементов, относящихся к ориентированию, выбираются коллинеарные уравнения, относящиеся к таким пучкам рентгеновских лучей, которые включают в себя три опорные точки, применительно к каждому из имеющихся цифровых фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения. Данные коллинеарные уравнения предназначены для одновременного решения компьютером. Методика проведения вычислений рассмотрена в главе 1 книги "Analytical Photogrammetry", автор Zengbo Qian, выпущенной издательством "Surveying and Mapping Publishing House", справочный номер 15039, новый справочный номер 143. В таблице 2 представлены величины элементов, относящихся к ориентированию, применительно к каждому из цифровых фотоснимков.

Таблица 2. Полученные величины элементов, относящихся к ориентированию Номер снимка Xs (мм) Ys(мм) Zs(мм) α ω к 1 101,10 201,45 1000,43 0°31' 21,32” 0°23' 57,63” 2°07' 32,72” 2 151,02 201,35 1000,47 0°31' 20,62” 0°23' 58,45” 2°07' 24,16” 3 201,89 201,65 1000,65 0°31' 19,14” 0°23' 56,34” 2°07' 21,42” 4 251,74 201,63 1000,71 0°31' 18,61” 0°23' 55,67” 2°07' 20,32”

(7) Определение координат элемента изображения G в прямоугольной системе координат O-XYZ

Принимая во внимание величины элементов X_S, Y_S, Z_s, α, ω, к, относящихся к ориентированию, полученные при выполнении этапа (6) применительно к четырем цифровым фотоснимкам, исправленную величину расстояния H_corrected от центра 1(S) трубки, испускающей РИ, до поверхности, служащей для формирования цифрового фотоснимка (H_corrected=1000 мм), и расстояние l между элементами изображения (l=100 микрон), с помощью компьютера следует определить координаты Х_ij, Y_ij, Z_ij, используемые для восстановления трехмерного изображения, применительно к каждому из элементов изображения G_ij, имеющихся на каждом из цифровых фотоснимков. В таблице 3 представлены координаты Х_ij, Y_ij, Z_ij, относящиеся к тем элементам изображения G_ij, образованным опорными точками, которые присутствуют на каждом из цифровых фотоснимков.

Таблица 3. Координаты в системе координат O-XYZ, относящиеся к элементам изображения G_ij, образованным опорными точками Номер фотоснимка Опорная точка Координаты элемента изображения X_ij Y_ij Z_ij 1 А 101,23 100,44 0 В 149,96 102,08 0 С 201,97 101,55 0 Е 99,67 300,50 0 F 153,65 303,11 0 G 199,98 302,25 0 2 А 101,05 100,29 0 В 150,12 101,98 0 С 202,07 101,65 0 D 249,20 99,80 0 Е 99,74 300,60 0 F 153,75 303,23 0 G 199,86 302,21 0 Н 251,51 301,87 0 3 А 101,00 100,11 0 В 150,12 101,98 0 С 202,00 101,45 0 D 249,10 99,60 0 Е 99,52 300,47 0 F 153,85 303,43 0 G 199,86 302,21 0 Н 251,32 301,61 0 4 В 150,12 101,98 0 С 201,95 101,98 0 D 249,310 99,75 0 F 251,51 301,87 0 G 199,92 302,21 0 Н 251,58 301,77 0

(8) Выявление всех объемных элементов применительно к каждому из пучков рентгеновских лучей, проходящих через многослойную проволочную структуру

Учитывая величины элементов X_s, Y_s, Z_S, относящихся к ориентированию, которые были получены при выполнении этапа (6) применительно к каждому цифровому снимку, и координаты X_ij, Y_ij, Z_ij, используемые для восстановления трехмерного изображения, которые были получены при выполнении этапа (7) применительно к каждому из элементов изображения G, присутствующих на каждом цифровом фотоснимке, с помощью компьютера следует выявить все объемные элементы g, относящиеся к каждому из тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через многослойную проволочную структуру.

(9) Восстановление трехмерного изображения

На данном этапе применительно к элементу изображения G и к объемному элементу g, которые присутствуют на пути прохождения каждого из пучков рентгеновских лучей, составляются уравнения Радона. С помощью компьютера определяются величины, соответствующие всем объемным элементам по шкале яркости, причем восстановление трехмерного изображения многослойной проволочной структуры основано на применении именно этих величин.

При воспроизведении вышерассмотренного трехмерного изображения измеряются координаты тех элементов, относящихся к данному слою многослойной проволочной структуры, которые обладают определенными признаками, а также измеряются координаты опорных точек. Те координаты объемного элемента g по шкале яркости, которые относятся к изображению, сравниваются с координатами тех элементов, относящихся к данному слою многослойной проволочной структуры, которые обладают определенными признаками. Кроме того, указанные координаты объемного элемента сравниваются с координатами опорных точек, заключенных в пределах заданного участка, причем в результате выполнения указанных действий происходит полное совмещение изображений. Если полное совмещение действительно имело место, то это является доказательством того, что совмещение изображений, относящееся к распознаванию рисунка, образованного опорными точками, было выполнено надлежащим образом, и при этом изображению опорных точек было придано надлежащее положение. Те точки пересечения, которые были определены заранее посредством проведения соответствующих вычислений, должны образовываться в результате пересечения двух пучков рентгеновских лучей. Соблюдение данного условия указывает на то, что коллинеарные уравнения были решены правильно. Путь прохождения пучка рентгеновских лучей от центра S, испускающего РИ, до элемента изображения G, имеющего определенные координаты на фотоснимке, должен удовлетворять условиям вычислений.

Использование: для восстановления изображения внутреннего содержимого исследуемого объекта. Сущность: заключается в том, что при получении изображений объекта соблюдается принцип расположения объектов, относящийся к измерению, проводимому при выполнении фотосъемки. На фотоснимке, полученном посредством использования рентгеновского излучения, одновременно присутствует некоторое количество опорных точек, положения которых в трехмерной системе координат известны. Способ предполагает использование координат опорных точек как в прямоугольной системе координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, так и в системе координат, относящейся к цифровому фотоснимку, что требуется для установления взаимосвязи, обеспечивающей выполнение преобразований, между этими двумя системами координат. Посредством использования указанной взаимосвязи определяются путь прохождения и положение каждого из пучков рентгеновских лучей. Кроме того, выявляются все объемные элементы, относящиеся к каждому из тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через интересующий объект. Технический результат: повышение разрешающей способности и уменьшение продолжительности облучения рентгеновским излучением, а также упрощение структуры устройства, уменьшение потребления энергии и предъявление менее жестких требований к помещениям, предназначенным для эксплуатации устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 табл., 11 ил.

1. Способ восстановления изображения с использованием объемной рентгеновской фотосъемки, который включает в себя следующие этапы, на которых: собирают данные, относящиеся к множеству полученных с использованием рентгеновского излучения изображений посредством получения цифровых фотоснимков, полученных с использованием рентгеновского излучения с соответствии с основным принципом, относящимся к проведению измерений при получении цифровых фотоснимков, согласно которому одновременно учитываются, по меньшей мере, такие три опорные точки, положения которых в трехмерной системе координат применительно к цифровому фотоснимку известны, используют координаты опорных точек в прямоугольной системе координат, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, и в системе координат, относящейся к фотоснимку, полученному с использованием рентгеновского излучения, для установления взаимосвязи, обеспечивающей проведение надлежащих преобразований, которая существует между этими двумя системами координат; определяют путь прохождения и положение каждого из тех пучков рентгеновских лучей, которые были применены при выполнении фотосъемки, посредством использования вышеуказанной взаимосвязи; выявляют все объемные элементы применительно к каждому из пучков рентгеновских лучей, прошедших через интересующий объект; определяют величину, соответствующую объемному элементу g по шкале яркости, посредством решения уравнений Радона, для составления которых используются данные, относящиеся к тому объемному элементу g и к тому элементу изображения G, которые расположены на пути прохождения одного и того же пучка рентгеновских лучей; определяют величины, соответствующие всем объемным элементам g по шкале яркости, с использованием компьютера; восстанавливают трехмерное изображение интересующего объекта, исходя из величин, соответствующих объемным элементам g по шкале яркости.

2. Способ восстановления изображения по п.1, отличающийся тем, что этапы должны выполняться в следующей последовательности:
(1) проверяют рентгеновскую камеру
регулируют рентгеновскую камеру для того, чтобы вертикальный пучок рентгеновских лучей, исходящий от центра S(1) трубки, испускающей РИ, поступал перпендикулярно на поверхность, служащую для формирования цифрового фотоснимка (6), а затем измеряют расстояние Н от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, до поверхности, служащей для формирования цифрового фотоснимка, получаемого посредством использования рентгеновского излучения,
(2) формируют систему координат о-ху, относящейся к фотоснимку
формируют систему координат о-ху на цифровом фотоснимке (6), получаемом посредством использования рентгеновского излучения, начало этой системы координат, обозначенное как о, представляет собой элемент изображения, образованный вертикальным пучком рентгеновских лучей, исходящим из центра S(1) трубки, испускающей рентгеновское излучение, на цифровом фотоснимке, ось х рассматриваемой системы координат относится к тем элементам изображения, проходящим через начало о данной системы, которые располагаются в горизонтальном направлении, ось у рассматриваемой системы координат относится к тем элементам изображения, проходящим через начало О этой системы, которые располагаются в вертикальном направлении,
(3) формируют прямоугольную систему координат O-XYZ, относящуюся к восстановлению трехмерного изображения
размещают, по меньшей мере, три опорные точки интересующего объекта (4), и измеряют трехмерное расстояние между каждыми двумя опорными точками (8), при этом за начало О системы координат О-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения, может быть принята любая из применяемых опорных точек, и координаты всех опорных точек в данной системе координат вводят в память компьютера,
(4) осуществляют рентгеновскую фотосъемку
управляют работой рентгеновской камеры таким образом, чтобы трубка, испускающая рентгеновское излучение, и поверхность, служащая для формирования цифрового фотоснимка, получаемого с использованием рентгеновского излучения, перемещались по линии, образующей дугу, или по прямой линии, при этом съемку интересующего объекта (4) производят из различных положений, расстояние между которыми должно оставаться неизменным так, чтобы получить определенное количество цифровых фотоснимков интересующего объекта, причем каждому фотоснимку соответствует определенное положение фотосъемки с использованием рентгеновского излучения,
(5) распознают рисунок, образованный опорными точками, и придают изображению опорных точек требуемого положения
в память компьютера вводят данные, относящиеся ко всем цифровым фотоснимкам, полученным посредством использования рентгеновского излучения при выполнении этапа (4), затем с помощью компьютера применительно к каждому цифровому фотоснимку, полученному посредством использования рентгеновского излучения, осуществляют распознавание рисунка, образованного опорными точками, и придание имеющемуся изображению положения, согласованного с опорными точками, для получения координат х, у каждой опорной точки в системе координат о-ху применительно к каждому фотоснимку,
(6) определяют величины элементов X_s, Y_s, Z_s, α, ω, κ, относящихся к ориентированию, применительно к каждому цифровому фотоснимку, полученному с использованием рентгеновского излучения
с помощью компьютера составляют коллинеарные уравнения для пучков рентгеновских лучей, относящихся ко всем тем опорным точкам, которые присутствуют на каждом из цифровых фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения, затем выбирают коллинеарные уравнения для тех пучков рентгеновских лучей, которые относятся, по меньшей мере, к трем опорным точкам, имеющимся на каждом из цифровых фотоснимков, для одновременного определения величины шести элементов X_s, Y_s, Z_s, α, ω, κ, относящихся к ориентированию, применительно к каждому из цифровых фотоснимков, полученных посредством использования рентгеновского излучения,
(7) определяют координаты элемента изображения G в прямоугольной системе координат О-XYZ, относящейся к восстановлению трехмерного изображения
принимая во внимание величины элементов X_s, Y_s, Z_s, α, ω, κ, относящихся к ориентированию, которые были получены при выполнении этапа (6) применительно к каждому цифровому фотоснимку, исправленную величину расстояния H_corrected от центра S трубки, испускающей рентгеновское излучение, до поверхности, используемой для формирования цифрового фотоснимка, а также расстояние l между элементами изображения, с помощью компьютера определяют координаты Х_ij, Y_ij, Z_ij, используемые для восстановления трехмерного изображения, применительно к каждому из элементов изображения G_ij, имеющихся на каждом из цифровых фотоснимков, полученных с использованием рентгеновского излучения, причем исправленную величину расстояния H_corrected определяют посредством использования коллинеарных уравнений, составленных для тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через опорные точки, присутствующие на цифровом фотоснимке, полученном с использованием рентгеновского излучения,
(8) выявляют все объемные элементы применительно к каждому из пучков рентгеновских лучей, проходящих через интересующий объект
принимая во внимание величины элементов X_s, Y_s, Z_s, относящихся к ориентированию, которые были получены при выполнении этапа (6) применительно к каждому цифровому снимку, и координаты Х_ij, Y_ij, Z_ij, применяемые для восстановления трехмерного изображения, которые были получены при выполнении этапа (7) применительно к каждому из элементов изображения G, присутствующих на каждом цифровом фотоснимке, с помощью компьютера выявляют все объемные элементы g, относящиеся к каждому из тех пучков рентгеновских лучей, которые проходят через интересующий объект,
(9) восстанавливают трехмерное изображение
для восстановления трехмерного изображения составляют уравнения Радона применительно к объемному элементу g и к той величине по шкале яркости, которая соответствует элементу изображения G, присутствующему на пути прохождения каждого из пучков рентгеновских лучей, с использованием компьютера определяют величины, соответствующие всем объемным элементам по шкале яркости, причем восстановление трехмерного изображения интересующего объекта основано на применении величин, соответствующих объемным элементам по шкале яркости.

3. Способ восстановления изображения по п.2, отличающийся тем, что опорные точки располагают или на самом интересующем объекте, или на структуре, предназначенной для нанесения опорных точек, причем данная структура окружает интересующий объект.