Способ получения рентгеновского изображения в микродозовой импульсной диагностике Российский патент 2020 года по МПК G01N23/04 

Изобретение относится к области радиационной дефектоскопии, 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 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 [1] 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.

Известен способ [2] 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 [2] 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.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, является способ [3] получения рентгеновского изображения включающий просвечивание объекта 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.

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 радиационных шумовых импульсов земного происхождения. Это снижает соотношение сигнал-шум и качество изображения.

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 исследуемого объекта выбирается в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Причем регистрация оптического изображения включается дважды на интервал излучательного времени рентгенолюминесцентного конвертора, а именно первое включение происходит синхронно с работой рентгеновского наносекундного аппарата, второе включение для регистрации радиационных шумовых импульсов земного происхождения без импульса рентгеновского аппарата.

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

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Последовательное включение системы регистрации оптического изображения с одинаковой экспозицией равной излучательному времени рентгенолюминесцентного конвертора, при котором первое включение синхронное с работой рентгеновского наносекундного аппарата, второе включение регистрирует радиационные импульсные шумы земного происхождения без импульса рентгеновского аппарата.

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.

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), работающую в режиме двух включений на интервалы равные излучательному времени рентгенолюминесцентного конвертора, при котором первое включение синхронное с работой рентгеновского наносекундного аппарата, а второе включение для регистрации радиационных шумовых импульсов земного происхождения без импульса рентгеновского аппарата. Далее электрические сигналы через систему управления, контроля и обработки информации (5) транслируются на монитор (6). При этом наносекундное облучение и регистрация изображения исследуемого объекта происходят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами по команде оптоэлектронной системы (4). Оптоэлектронная информационная система (4) представляет собой, ЭОП с ПЗС матрией, ФЭУ с драйвером и т.д.

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), включаемый дважды на время равное излучательному времени рентгенолюминесцентного конвертора. Рентгеновский сигнал на выходе исследуемого объекта можно также 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, которые управляются микропроцессорным драйвером.

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_о=10 нс и включается два раза. Первый раз регистрация оптического изображения исследуемого объекта синхронизована по времени с импульсом рентгеновского источника, второй раз через 50 нс регистрирует радиационные импульсы земного происхождения. Работа наносекундного рентгеновского аппарата и регистрация оптического изображения исследуемого объекта происходит в интервале между космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Длительность импульсов космического и рассеянного рентгеновского 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 с рентгенолюминесцентного преобразователя ЭОП-ПЗС система в интервале до 10 нс практически не регистрирует космические радиационные импульсы и паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения и в определенной мере посредством цифровой обработки снижает влияние радиационных шумов земного происхождения. Как показали испытания, по сравнению с прототипом при снижении радиационной дозы облучения в 2 раза (с до 5⋅10^-7 Р 2⋅10^-6 Р до 2,5⋅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 ), с которыми сочленены ФЭУ, работающие без искажений в импульсном стробируемом режиме с экспозицией равной 3,5 нс и включаются два раза. Первый раз ФЭУ регистрируют оптическое изображение исследуемого объекта синхронно с рентгеновским источником, второй раз через 10 нс регистрирует радиационные импульсы земного происхождения. Работа наносекундного рентгеновского аппарата и регистрация оптического изображения исследуемого объекта происходит в интервале между космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Длительность импульсов космического и рассеянного рентгеновского происхождения не превышают 1 нс. Данная система обладает значительным усилением оптического изображения (2⋅10⁵ раз). В данном случае, с рентгенолюминесцентных преобразователей на основе ФЭУ в интервале 3,5 не практически не регистрирует космические радиационные импульсы и паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения и посредством цифровой обработки снижает влияние радиационных шумов земного происхождения. Проведенные испытания показали, что соотношение сигнал-шум по сравнению с прототипом увеличено в 3 раза 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 ), с которыми сочленены p-i-n фотодиоды, которые работают без искажений в импульсном стробируемом режиме с экспозицией равной 2,5 нс и включаются два раза. Первый раз p-i-n фотодиоды регистрируют оптическое изображение объекта синхронно с рентгеновским источником, второй раз через 7 не регистрирует радиационные импульсы земного происхождения. Работа наносекундного рентгеновского аппарата и регистрация оптического изображения исследуемого объекта происходит в интервале между космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Длительность импульсов космического и рассеянного рентгеновского происхождения не превышают 1 нс. Система p-i-n фотодиодов с малошумящими наносекундными усилителями и драйверами обладает значительным усилением оптического изображения (10⁶ раз). При этом с рентгенолюминесцентного преобразователя в интервале до 2,5 нс система на основе p-i-n фотодиодов практически не регистрирует космические радиационные импульсы, паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения и посредством цифровой обработки значительно снижает влияние радиационных шумов земного происхождения. 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 24 до 25 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, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент РФ №2206886. Способ получения рентгеновского изображения. От 30.07.2001 г. А61В 6/00, H05G 1/22, G01N 23/04. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Климов Н.Н., Лиясов А.Н., Курбака А.П.

2. 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.

3. Патент РФ на изобретение №2619852. Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики. От 18.05.2017. Кл. G01N 23/04. В.И. Барышников, Т.А. Колесникова.

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 осуществляют 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, в котором облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. При этом в начале синхронно с работой рентгеновского наносекундного аппарата включается регистрация оптического изображения на интервал излучательного времени рентгенолюминесцентного конвертора, затем без импульса рентгеновского аппарата производится регистрация радиационных шумовых импульсов земного происхождения также в интервале излучательного времени рентгенолюминесцентного конвертора. Технический результат: повышение чувствительности и снижение дозы облучения материала рентгеновским излучением. 1 ил.

Способ получения рентгеновского изображения в микродозовой импульсной диагностике, 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, в котором облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами, отличающийся тем, что синхронно с работой рентгеновского наносекундного аппарата на интервал излучательного времени рентгенолюминесцентного конвертора включается регистрация оптического изображения, затем без импульса рентгеновского аппарата производится регистрация радиационных шумовых импульсов земного происхождения также в интервале излучательного времени рентгенолюминесцентного конвертора.