Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики Российский патент 2017 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области радиационной техники, а именно к микродозовой рентгеноскопии, рентгенодиагностике и может быть использовано при неразрушающем контроле различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для микродозовой медицинской рентгенодиагностики.

Известен способ [1] получения рентгеновского изображения, включающий облучение импульсным рентгеновским излучением стоящего за исследуемым предметом конвертера, преобразующего рентгеновское излучение в видимое, съемку полученного изображения видеокамерой, преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и передачу изображения.

Недостатком данного способа является то, что формирование и регистрация изображения осуществляется при облучении пакетом рентгеновских импульсов. Синхронизацию видеокамеры осуществляют только по первому импульсу пакета рентгеновских импульсов. Пакет состоит из 4-10 импульсов. При этом видеокамера регистрирует не только полезный сигнал на рентгенооптическом трансформаторе в момент прихода рентгеновских импульсов, а также радиационные и собственные шумы. Это, в свою очередь, сильно снижает соотношение сигнал-шум.

Известен способ [2] получения рентгеновского изображения включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным преобразователем и регистрацию оптического изображения с помощью оптоэлектронной аналого-цифровой информационной системы. При этом время облучения и регистрации оптического изображения устанавливается меньше или равное излучательному времени рентгенолюминесцентного преобразователя, а начало экспозиции фотоэлектронного устройства синхронизуют по времени с рентгеновским импульсом.

Недостатком способа [2] является то, что в момент прихода просвечивающего объект рентгеновского импульса на рентгенооптическом трансформаторе наряду с полезным сигналом также возможна регистрация радиационной космической вспышки. Это снижает соотношение сигнал-шум.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ [3] получения рентгеновского изображения, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным с рентгеновским источником и последующим преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения. При этом время облучения и регистрации оптического изображения выбирается в интервале между радиационными космическими импульсами.

Недостатком способа [3] при его высокой чувствительности является то, что в момент прихода просвечивающего объект рентгеновского импульса на рентгенооптическом трансформаторе наряду с полезным сигналом также возможна регистрация рассеянной на объекте и оснастке радиационной вспышки собственного рентгеновского аппарата. Это снижает соотношение сигнал-шум.

Целями изобретения являются снижение лучевого воздействия на объект, повышение чувствительности и качества изображения исследуемого предмета.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным с рентгеновским источником и последующим преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения. При этом время облучения и регистрации оптического изображения выбирается в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Длительность наносекундного облучения и регистрации оптического изображения находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - значительно уменьшается (по отношению к прототипу) соотношение сигнал-шум.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фигуре 2 отображена плотность распределения частоты радиационных космических импульсов по их амплитуде.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемый объект (2) просвечивают импульсом рентгеновского источника (1), у которого время запуска задается, а амплитуда фиксируется системой управления, контроля и преобразования сигналов (5). Стоящий за объектом (2) рентгенолюминесцентный конвертор (3) преобразует рентгеновское изображение в видимое, которое поступает на синхронизованную во времени с рентгеновским источником облучения оптоэлектронную информационную систему (4), электрические сигналы с которой через систему управления, контроля и обработки информации (5) транслируется на монитор (6). При этом наносекундное облучение и регистрация проходят по времени в интервале между радиационными космическими и рассеянными рентгеновскими импульсами по команде оптоэлектронной системы (4), которая также отслеживает в окрестности рентгенолюминесцентного конвертора (3) радиационный рассеянный и космический шум. Оптоэлектронная информационная система (4) представляет собой ЭОП с ПЗС материей, ФЭУ и т.д. Временнее распределение паразитных рассеянных наносекундных рентгеновских импульсов от исследуемого объекта, оснастки и конструкций помещения определяется их пространственным расположением по отношению к конструкции рентгенолюминесцентного конвертора.

В качестве рентгенолюминесцентного конвертора (преобразователя) используются рентгенолюминофоры, у которых излучательное время меньше временного интервала между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Регистрацию оптического изображения с рентгенолюминесцентного преобразователя можно проводить различными фотоприемниками, синхронизованными во времени с рентгеновским источником облучения. Например, используют сочлененный с импульсной ПЗС матрицей импульсный управляемый электронно-оптический преобразователь (ЭОП), время экспозиции которого находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рентгеновскими импульсами. Рентгеновский сигнал на выходе исследуемого объекта можно регистрировать набором, представляющим собой матрицу, линейку, диск, и др., составленным из однотипных рентгенолюминесцентных преобразователей, сочлененных с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) или высокочувствительными блоками на основе p-i-n фотодиодов. Усиление сигналов в ФЭУ или p-i-n фотодиодных блоках происходит в течении времени, которое находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Пример 1. Контролируемый объект облучают рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя на основе пластины PbWO₄, у которого полное излучательное время, примерно 10 нс. При этом ЭОП-ПЗС система имеет экспозицию τ_o=10 нс. Регистрация оптического изображения синхронизована по времени с рентгеновским источником. Длительность импульсов космического происхождения не превышают 1 нс. Чувствительность ЭОП-ПЗС системы, как и в прототипе, достигает предельной величины по усилению оптического изображения на ЭОПе (2⋅10⁴ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ~10 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=10 кГц τ_o=10 нс, f≤1 Гц вероятность (А) регистрации паразитного космического импульса пренебрежимо мала, не превышает 0,0001 (А=τ_of /F<0,0001). Кроме того, с рентгенолюминесцентного преобразователя ЭОП-ПЗС система в интервале до 10 нс практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 10 до 100 нс. То есть в данном случае первый паразитный рентгеновский импульс рассеивается на металлической оснастке объекта и затем достигает рентгенолюминесцентный преобразователь по суммарной дистанции 3 м, последний, еще наблюдаемый, рассеивается на металлической конструкции стен с полным расстоянием 30 м. Как показали испытания, по сравнению с прототипом при снижении радиационной дозы облучения в 4 раза (с 2⋅10^-6 Р до 5⋅10^-7 Р) и одинаковой энергии рентгеновских квантов 250 кэВ предельная толщина контролируемых стальных деталей без потери качества изображения осталась такой же - 16 см.

Пример 2. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью матрицы (5×4) или линейки (1×20), собранных из 20 рентгенолюминесцентных преобразователей, изготовленных из сцинтилляционной пластмассы СЦ-305 (полное излучательное время τ_o=3,5 нс), с которыми сочленены ФЭУ, работающие без искажений в импульсном стробируемом режиме. Работа этих ФЭУ синхронизована с рентгеновским источником так, что начало экспозиции происходит спустя 1 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. При этом ФЭУ регистрируют полезный сигнал рентгенолюминесцентных преобразователей в течение τ_o=3,5 нс. Данная система обладает значительным усилением оптического изображения (2⋅10⁵ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ~100 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=100 кГц, τ_o=3,5 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса остается пренебрежимо малой и не превышает 0,0003. В данном случае с рентгенолюминесцентного преобразователя ФЭУ в интервале до 4 нс практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 4 до 100 нс. Проведенные испытания показали, что соотношение сигнал-шум по сравнению с прототипом увеличено в 10 раз при одинаковой радиационной дозе облучения (2⋅10^-6 Р). Наряду с этим при одинаковой энергии рентгеновских квантов (250 кэВ) предельная толщина контролируемых стальных деталей осталась такой же - 20 см, но заметно улучшилось качество изображения.

Пример 3. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью матрицы (10×10) или линейки (100×1), собранных из 100 рентгенолюминесцентных преобразователей, изготовленных из сцинтилляционной пластмассы ВС-422 (полное излучательное время τ_o=2,5 нс), с которыми сочленены p-i-n фотодиоды, которые работают без искажений в импульсном стробируемом режиме. Работа этих p-i-n фотодиодов синхронизована с рентгеновским источником так, что начало экспозиции происходит спустя 1 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. При этом p-i-n фотодиоды регистрируют полезный сигнал рентгенолюминесцентных преобразователей в течение τ_o=2,5 нс. Система p-i-n фотодиодов с малошумящими наносекундными усилителями и драйверами обладает значительным усилением оптического изображения (10⁶ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования 500 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=500 кГц, τ_o=2,5 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса остается пренебрежимо малой и не превышает 0,0015. При этом с рентгенолюминесцентного преобразователя в интервале до 2,5 нс система на основе p-i-n фотодиодов практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 2,5 до 100 нс. Проведенные испытания показали, что по сравнению с примером 3 при одинаковой радиационной дозе облучения (2⋅10^-6 Р), при одинаковой энергии рентгеновских квантов (250 кэВ) толщина исследуемых стальных деталей без потери качества изображения увеличена с 20 до 24 см.

Таким образом, достижение цели подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:

- повышение чувствительности метода;

- увеличение соотношения сигнал-шум;

- увеличение толщины контролируемых объектов;

- снижение лучевой нагрузки на объект.

Источники информации

1. Патент РФ №2153848, А61В 6/00, Н05G 1/20. От 10.08.2000.

2. Патент РФ №2206886. Способ получения рентгеновского изображения. От 30.07.2001. А61В 6/00, Н05G 1/22, G01N 23/04. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Климов Н.Н., Лиясов А.Н., Курбака А.П.

3. Патент РФ на изобретение №2273844. Способ импульсной микродозовой рентгеновской диагностики. От 10.04.06. Кл. G01N 23/04. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Чирков В.Ю.

Использование: для неразрушающего контроля различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для медицинской рентгенодиагностики. Сущность изобретения заключается в том, что просвечивают объект импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным преобразователем, изображение с которого передается на синхронизованную во времени с рентгеновским источником облучения оптоэлектронную информационную систему. При этом облучение объекта рентгеновским излучением и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Технический результат: повышение чувствительности изображения исследуемого предмета и снижение дозы облучения материала рентгеновским излучением. 2 ил.

Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным во времени с рентгеновским источником, преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения, отличающийся тем, что облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.