Способ рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов Российский патент 2020 года по МПК G01N23/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к компьютерной томографии (КТ) и основано на получении изображения сечения быстропротекающих процессов в объекте исследования радиационными методами, например, с помощью рентгеновского излучения.

Уровень техники

В настоящее время при исследованиях быстропротекающих процесса широко используется методы импульсной рентгенографии.

Однако один из наиболее информативных в настоящее время методов диагностики (метод компьютерной томографии) для исследования быстро протекающих процессов не используется, хотя, информативность этого метода о каждом элементарном объеме исследуемого объекта (процесса) во много раз выше, чем в любом другом известном методе диагностики.

К сожалению, скорость получения необходимого томографического изображения мала, например, даже при томографии сердца скорость получения изображения слоя позволяет только устранить влияние дыхательных движений, но не достаточна для того, чтобы исключить влияние пульсации сердца и исследовать быстропротекающие процессы сердечной деятельности. Тем более существующая рентгеновская томография не обеспечивает получение изображения таких процессов, как, например, обтекание газами турбинных лопаток, истечение газа из сопла двигателя и других микро- и макронаносекундных процессов.

Главная причина - трудность совмещения требований получения импульсного синхронного излучения для облучения в нескольких ракурсах объекта и требований к мгновенному снятию информации с размещенных по окружности большого количества независимых детекторов. Поэтому для изучения быстропротекающих процессов в основном используется метод рентгенографии.

Аналоги

Известны способы рентгенографии быстропротекающих процессов, когда исследуемый объект помещают между источником излучения и конвертером, а распределения интенсивности прошедшего через исследуемый объект импульсного излучения в видимое теневое изображение. Изображение регистрируют фото- или электронным регистратором. В качестве конвертера используют люминесцентный экран, например, способ [патент РФ №2467525 C1, H05G 1/58, А61В 6/00].

В ряде случаев имеется необходимость фиксировать в пространстве положение тела, движущегося с большой скоростью в среде, непрозрачной для видимого света. Например, необходимо фотографировать движущиеся части машин, скрытые кожухом от непосредственного наблюдения, фиксировать отдельные этапы развития процесса взрыва, цепной реакции, движения снаряда внутри непрозрачного для видимого света облака газов В этих случаях, используют жесткое рентгеновское излучение.

Первые опыты по рентгенографированию быстропротекающих процессов с экспозициями в миллионные лоли секунды были осуществлены известным немецким ученым М. Штеенбеком (М/ Steebek. Wissenschaft. Veroff. a.d. Siemens Werke., 1938, v. 17, №4б, h, 363)

Известны способы рентгенографии быстропротекающих процессов с помощью нескольких импульсных излучателей, которые последовательно запускаются синхронно с исследуемой фазой процесса.

Существует изобретение [патент РФ №2515053, G03B 42/02], сущность которого заключается в том, что при получений радиографического изображения быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследований выполняют радиографию областей объекта исследований с различными оптическими толщинами в соответствующих им различных энергетических диапазонах, при этом осуществляют пространственно-временную томографию объекта исследований, обеспеченную по меньшей мере тремя лучами с независимыми пространственными координатами, сходящимися в центре расположения объекта исследования. Технический результат: повышение информативности радиографии быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследования.

Прототип

Наиболее близким к заявляемому способу техническим решением того же назначения и выбранный автором в качестве прототипа является по совокупности признаков способ «Способ рентгеновской компьютерной томографии» [патент №2665717, G01N 23/08, G01T 1/29], основанный на радиографии объекта детекторами с запоминанием информации (рентгеновская пленка, радиофотолюминесцентные стекла (РФЛС)) и восстановлением томографического изображения с помощью стандартных программ для томографов четвертого поколения, причем на объект предварительно наносится система рентгеноконтрастных реперов, проводится радиография объекта вместе с реперами по искажению проекций реперов на радиофотолюминесцентном стекле в разных ракурсах определяют геометрию облучения и, после преобразования программным путем координат прямых на радиофотолюминесцентных стеклах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта, восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта.

Достоинством такого способа является то, что реализующие его устройства широко распространены и для них существуют стандартные программы восстановления томографического изображения (крайне сложные для самостоятельной разработки).

Технический результат изобретения

Техническим результатом изобретения является разработка способа, обеспечивающего получение томографического изображения сечений быстропротекащих процессов.

Способ достижения технического результата

Указанный результат достигается тем, что проводится радиография объекта импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками и детекторами с запоминанием информации (РФЛС) одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимировано и регистрируется только одним детектором.

Предварительно на исследуемый объект наносится система рентгеноконтрастных реперов, по проекциям реперов на РФЛС определяется геометрия облучения и после преобразования координат прямых на РФЛС соответствующих исследуемому сечению объекта в дуги окружности с центром в середине объекта, восстанавливают с помощью стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего процесса.

Сущность изобретения

Сущность предлагаемого изобретении поясняется с помощью чертежей на фиг. 1 (общая схема измерений), фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. Для достижения указанной задачи (разработка способа рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов) выполняются следующие действия:

1. На исследуемый объект (процесс) 1 наносится система реперов, например, объект помещается в рентгенопрозрачный кубик 2 известных размеров, в вершинах которого расположены шарики 3 из материалов различной плотности (свинец, медь, железо и т.д.).

2. Намечается плоскость, в которой хотят получить сечение быстропротекающего процесса в объекте, в этой плоскости определяются точки размещения рентгеновских источников 4 для проведения радиографии в нескольких ракурсах. Число ракурсов зависит от соотношения размеров объекта и РФЛС.

3. Рентгеновские источники 4 облучает исследуемый объект 1 через коллиматоры 6. Длительность импульса излучения должна быть существенно меньшей длительности регистрируемого процесса. На РФЛС 5 кроме рентгенограммы исследуемого образца будут зарегистрированы проекции реперов 7. По искажению проекций вычисляют координаты плоскости РФЛС.

4. Определяют координаты прямой 8 соответствующей пересечению интересующей плоскости сечения объекта и плоскостями РФЛС 5.

5. Преобразуют координаты прямой 8 в координаты дуги 9 окружности с центром в середине объекта и соответственно вводят поправки в зарегистрированные величины доз на этой прямой (см. фиг. 3).

6. Соответственно проводится такие же операции в других ракурсах, и проводятся все вычислительные операции, как и в предыдущем ракурсе, причем координаты дуг 9а, 9б, 9с выбираются программным путем так, чтобы они лежали на той же окружности, т.е. среди всех точек на РФЛС выбираются те точки, которые лежат на окружности и чтобы дуги замкнули окружность.

7. Таким образом, в результате мы получаем схему измерений фиг. 4а полностью аналогичную схеме измерения для томографов четвертого поколения (объект в центре кольца детекторов фиг. 4б).

8. Таким образом, в результате мы получаем схему измерений фиг. 4а полностью аналогичную схеме измерения для томографов четвертого поколения (объект в центре кольца детекторов фиг. 4б). Используя стандартные программы восстановления для томографов четвертого поколения, получаем искомое томографическое изображение нашего объекта.

С помощью реперов определяется не только геометрия облучения, но и проводится стабилизация излучения (в случае отлития зарегистрированной РФЛС дозы на одном и тоже расстоянии от одного и того же репера вводится поправочный коэффициент). Это позволяет использовать в качестве источников излучения импульсные рентгеновские трубки, которые хотя и отличаются нестабильностью излучения, но намного легче и мобильнее, чем трубки с постоянным излучением.

Таким образом, кроме радиографии, все остальные операции вычислительные. В данном способе отсутствуют необходимость сканирующего устройства и систем стабилизации рентгеновского излучения, что позволяет проводить измерения в полевых условиях. Также этот способ не требует перемещения взрывоопасных объектов.

Обоснование технико-экономической эффективности изобретения

Технико-экономическая эффективность предложенного способа заключается в том, что позволяет:

отказаться от использования сложного механического сканирующего устройства;

отказаться от электронной системы стабилизации излучения;

использовать импульсные рентгеновские трубки;

точность геометрии обеспечивается: введением поправок программным путем посредством определения координат реперов.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «новизна»

Предлагаемое техническое решение является: новым, поскольку в общедоступных источниках нет сведений о способе проведения рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов без сканирующего устройства путем облучения исследуемого объекта синхронизированным излучением нескольких рентгеновских трубок, когда геометрия измерений определяется путем нанесения на исследуемый объект системы реперов.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «изобретательский уровень»

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций существует.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «промышленная применимость»

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы широко применяемые в радиографии (рентгеновские трубки, РФЛС), устройства синхронизация, коллимпторы, стандартные методы преобразования координат, а также методы восстановления изображения для томографов четвертого поколения.

Использование: для рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов. Сущность изобретения заключается в том, что на объект предварительно наносят систему рентгеноконтрастных реперов, проводят рентгенографию объекта вместе с реперами, по искажению проекций реперов на детекторе в разных ракурсах определяют геометрию облучения и после преобразования программным путем координат прямых на детекторах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта, при этом облучение объекта проводят импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимированно, и регистрируют только одним детектором. Технический результат: обеспечение возможности получения томографического изображения сечений быстропротекающих процессов. 4 ил.

Способ рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов, основанный на рентгенографии объекта детекторами с запоминанием информации (рентгеновская пленка, радиофотолюминесцентные стекла) и восстановлением томографического изображения с помощью стандартных программ для томографов четвертого поколения, причем на объект предварительно наносят систему рентгеноконтрастных реперов, проводят рентгенографию объекта вместе с реперами, по искажению проекций реперов на детекторе в разных ракурсах определяют геометрию облучения и после преобразования программным путем координат прямых на детекторах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта, отличающийся тем, что с целью получения томографического изображения сечений быстропротекающих процессов облучение объекта проводят импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимированно, и регистрируют только одним детектором.