СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ВЫСОКОЙ ЧЕТКОСТИ НА ИМПУЛЬСНОМ ИСТОЧНИКЕ Российский патент 2024 года по МПК G01N23/04 G06T5/00 

Область техники

Изобретение относится к способам рентгеновской визуализации, и в частности, к способам, обеспечивающим получение изображений на импульсном источнике рентгеновского излучения.

Уровень техники

Известны различные способы рентгеновской визуализации с использованием импульсного источника рентгеновского излучения, получаемого, в частности, при фокусировке мощного импульсного лазерного излучения на поверхность твердотельной мишени. Например, известен способ рефракционного контраста, позволяющий получать изображения с высоким пространственным разрешением за счёт высокой пространственной когерентности, достигаемой на лазерно-плазменных источниках рентгеновского излучения [например, M.Gambari, R.Clady, A.Stolidi, O.Utéza, M.Sentisand, A.Ferré. «Exploring phase contrast imaging with a laser-based Kα x-ray source up to relativistic laser intensity». Scientific Reports, 2020; 10: 6766]. Интенсивность в области фокусировки излучения при использовании лазеров пиковой мощностью выше 10 ГВт существенно превышает порог оптического пробоя, в результате чего на поверхности мишени формируется плазма с высокой температурой электронов, достаточной для испускания при столкновении с ионами и атомами мишени рентгеновских квантов в диапазоне единиц и десятков кэВ (непрерывный тормозной спектр, а также линейчатые компоненты K, L … серий). Длительность рентгеновской вспышки сравнима с длительностью лазерного импульса. Частота повторения рентгеновских импульсов совпадает с частотой повторения лазерных импульсов. Размер горячей области плазмы сопоставим с диаметров пятна фокусировки на мишень и может составлять порядка 10-100 мкм, обеспечивая высокую пространственную когерентность источника и пространственное разрешение изображений исследуемых объектов на сопоставимом уровне. Поток рентгеновских фотонов линейчатого спектра из плазмы в каждом лазерном импульсе достигает величин, достаточных для накопления изображений исследуемых объектов при экспонировании за несколько десятков или около сотни выстрелов (несколько секунд при частоте повторения лазерных импульсов 10 Гц) при типичной геометрии эксперимента (при расстоянии от плазменного источника до исследуемого объекта в несколько десятков сантиметров). При этом в процессе работы мишень постоянно сдвигают, чтобы каждый последующий лазерный импульс воздействовал на «свежую» поверхность, не задевая кратера от предыдущего импульса, образующегося вследствие абляции вещества мишени из области фокусировки лазерного импульса.

Однако небольшие неровности на поверхности мишени, неточное выставление плоскости мишени в перетяжке лазерного импульса, колебания внутри самой установки, дрожания лазерного пучка могут приводить к тому, что положение рентгеновского источника по отношению к объекту и детектору может изменяться от импульса к импульсу. Изменение положения сопоставимо с размером самого источника. В итоге, при экспонировании изображения за более чем один импульс, четкость изображения может снизиться по сравнению с предельно допустимой за счет сдвигов изображений объекта, вызванных сдвигами источника. Предельно допустимая четкость изображения в каждом отдельном лазерном выстреле определяется размером источника рентгеновского излучения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является изобретение по патенту РФ №2641833 (опубликован 10.10.2016 г.), в котором, с целью повышения четкости изображения, подвижная система рентгеновской визуализации для выравнивания исследуемого объекта и установки для рентгеновской визуализации относительно друг друга содержит установку для рентгеновской визуализации с источником рентгеновского излучения и детектором рентгеновского излучения, по меньшей мере, одну камеру, процессор данных, дисплей, причем, по меньшей мере, одна камера, либо прикреплена к установке для рентгеновской визуализации, либо может быть прикреплена к исследуемому объекту, выполнена с возможностью получения первого изображения, по меньшей мере, одной опорной точки, причем процессор данных выполнен с возможностью соотнесения первого изображения с первыми параметрами проекции первого рентгеновского изображения исследуемого объекта с объектом, причем параметры проекции относятся к различным степеням свободы и содержат, по меньшей мере, одно из группы, содержащей пространственное положение проекции, расстояние до объекта, направление обзора, или угол проекции, и поле обзора, причем для получения, по меньшей мере, одного дополнительного рентгеновского изображения в проекции, совпадающей с первыми параметрами проекции первого рентгеновского изображения, дисплей выполнен с возможностью отображения, по меньшей мере, графического представления, по меньшей мере, одной опорной точки на первом изображении, по меньшей мере, частично наложенном на фактическое изображение, полученное, по меньшей мере, одной камерой, для управления выравнивающим перемещением источника рентгеновского излучения и/или детектора рентгеновского излучения и объекта относительно друг друга после промежуточного смещения.

Недостатком технического решения является сложность реализации способа для достижения необходимой четкости изображений, а также необходимость прецизионного механического перемещения источника и/или детектора после промежуточного смещения.

Таким образом, техническая проблема, решаемая посредством заявляемого изобретения, заключается в необходимости преодоления недостатков, присущих приведенным выше аналогам и прототипу, за счет создания способа получения изображений при импульсном источнике рентгеновского излучения, обеспечивающего высокую четкость изображений.

Краткое раскрытие сущности изобретения

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого изобретения, заключается в повышении четкости рентгеновских изображений при экспонировании более чем за один импульс, за счет увеличения пространственного разрешения исследуемого объекта до уровня, определяемого размером рентгеновского источника.

Технический результат достигается при реализации способа получения рентгеновских изображений высокой четкости, согласно которому исследуемый объект размещают на одной оси между импульсным рентгеновским источником и камерой для регистрации рентгеновских изображений, при этом в плоскости исследуемого объекта, перпендикулярной указанной оси, располагают маркер. Затем указанную плоскость с размещенным в ней объектом исследования и маркером освещают N последовательными импульсами от источника рентгеновского излучения, при этом для каждого импульса фиксируют изображение в виде двумерного массива значений интенсивности сигнала в каждом пикселе, затем, для каждого изображения n из N изображений, определяют величину сдвига dAn в единицах пикселей матрицы регистрирующей камеры положения края маркера на изображении относительно его положения на изображении, полученном при первом импульсе, после чего суммируют N изображений, при этом каждое из них предварительно сдвигают параллельно на соответствующее ему расстояние dAn в направлении противоположном сдвигу, причем сдвиг осуществляют путём смещения в двумерной массиве данных каждого импульса значений на число строк и/или столбцов, соответствующее расстоянию dAN в пикселях матрицы регистрирующей камерой. В качестве источника импульсного рентгеновского излучения используют лазерно-плазменный рентгеновский источник, создаваемый на поверхности мишени при фокусировке импульсного лазерного излучения с мощность выше 10 ГВт, при этом мишень постоянно сдвигают, чтобы каждый последующий лазерный импульс воздействовал на «свежую» поверхность, не затрагивая остаточного от предыдущего импульса кратера, формируемого при абляции вещества мишени из области фокусировки лазерного излучения.. Маркер представляет собой однородный двумерный объект с резкими краями, прозрачность которого для рентгеновского излучения позволяет определить края маркера в вертикальном и горизонтальном направлении на изображении. Для каждого из полученных N изображений определяют величины параллельного сдвига dA1n dA2n края маркера в вертикальном и горизонтальном направлении плоскости изображения относительно положения этих краёв A1 и A2 в вертикальном и горизонтальном направлениях на изображении, полученном в первом импульсе.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется следующими изображениями, где

на фиг.1 показана схема получения рентгеновских изображений;

на фиг.2 а) показана схема формирования изображения края маркера на камере от рентгеновского источника конечного размера, положение которого в выстреле n (11) изменилось относительно положения в первом выстреле серии (10). ;

на фиг.2 б) показано, что смещение изображения в выстреле n на величину смещения проекции края маркера в направлении противоположном сдвигу dAn приводит при суммировании двух изображений к повышению четкости суммарного изображения.

Позициями на чертежах обозначены:

1 - лазерный луч,

2 - фокусирующая оптика,

3 - мишень,

4 - рентгеновская камера

5 - плоскость, в которой расположены исследуемый объект и маркер

6 - объект исследования

7 - маркер,

8 - область формирования плазмы и рентгеновского излучения,

9 - ось построения изображения,

10 и 11 - источники рентгеновского излучения в импульсах 1 и n, дающие проекцию края маркера на камере в точках A и A+dAn, соответственно,

12 - край маркера.

На фиг. 3 представлено изображение, зарегистрированное камерой при реализации примера конкретного выполнения в первом выстреле серии (а), в котором определено положение края маркера А (в качестве примера приведено положение края маркера по вертикали). Изображение, зарегистрированное в выстреле n (б), в котором положение края маркера по вертикали сместилось на величину dAn относительно положения в выстреле 1. Сумма N изображений без сдвига на соответствующие величины dAn в каждом кадре (в). Сумма N изображений c сдвигом на соответствующие величины dAn в каждом кадре (г), на которой демонстрируется изобретение по повышению четкости изображения при импульсном источнике.

Осуществление изобретения

Изобретение реализуют следующим образом.

Исследуемый объект размещают в одной плоскости с маркером, в качестве которого может быть использован любой слабо-прозрачный для используемого рентгеновского излучения двумерный объект, границы которого могут быть однозначно определены на изображении, например, уголок алюминиевой фольги. Перед плоскостью с объектом и маркером располагают импульсный рентгеновский источник, а за плоскостью с объектом и маркером располагают рентгеновскую камеру, обеспечивающую регистрацию и сохранение изображений объекта и маркера.

В качестве источника импульсного рентгеновского излучения используют лазерно-плазменный рентгеновский источник, для чего фокусируют с помощью зеркала 2 на поверхность мишени 3 лазерный импульс 1, например, ближнего инфракрасного диапазона, причем интенсивность излучения в перетяжке на поверхности 3 существенно превышает порог оптического пробоя. В результате на поверхности мишени образуется плазма с высокой температурой электронов, достаточной для испускания при столкновении с ионами и атомами мишени 3 в области 8 рентгеновского излучения 9 в диапазоне энергий квантов единиц и десятков кэВ (непрерывный тормозной спектр, а также линейчатые компоненты K, L … серий).

С целью накопления изображений исследуемого объекта производят N лазерных выстрелов, сопровождающихся испусканием рентгеновских квантов. Количество импульсов определяется необходимым экспонированием исследуемого объекта для получения рентгеновского изображения достаточной яркости. При этом мишень 3 постоянно сдвигают, чтобы каждый последующий лазерный импульс воздействовал на «свежую» поверхность мишени 3, не задевая кратера от предыдущего импульса. Небольшие неровности на поверхности мишени 3, неточное выставление плоскости мишени 3, колебания внутри самой установки, дрожания лазерного пучка 1 могут приводить к тому, что положение области 8 формирования рентгеновского излучения (рентгеновского источника) может изменяться для каждого из N импульсов. На фиг.2 показано, что при сдвиге источника 8 в выстреле n 11 относительно первого выстрела 10 рентгеновское излучение 9 формирует на рентгеновской камере 4 изображение края маркера 7 в точках A и A+dAn. С помощью рентгеновской камеры 4 фиксируют и сохраняют изображения, полученные для каждого из N импульсов в виде двумерного массива из значений интенсивности сигнала в каждом пикселе. Далее определяют для каждого из N импульсов сдвиги dAn изображения края 10 фольги 7 в единицах пикселя матрицы регистрирующей камеры. Сдвигают каждое из N изображений на соответствующее ему расстояние dAn в направлении противоположном сдвигу так, чтобы край маркера совпадал с положением края маркера в первом выстреле серии. Сдвиг осуществляется путём смещения значений в двумерном массиве данных на число строк/столбцов, соответствующее расстоянию dAn в пикселях матрицы регистрирующего детектора. Далее производят суммирование изображений, в результате чего изображения края маркера 7 для всех N изображений совмещаются и четкость итогового суммарного изображения края маркера 7 увеличивается, и, следовательно, увеличивается четкость изображения исследуемого объекта 6.

Пример конкретного выполнения

С целью подтверждения эффективности заявляемого изобретения проведена опытная реализация заявляемого способа. Рентгеновское излучение от источника, сформированного на поверхности металлической пластины лазерным импульсом c пиковой интенсивностью 1013 Вт/см2, просвечивает небольшой объект (муха-дрозофила). Изображение мухи с увеличением в 5 раз регистрируется на рентгеночувствительной камере. В одной плоскости с объектом расположен слабо прозрачный (ослабление в ~10 раз) для рентгеновского излучения однородный двумерный объект (маркер в виде уголка из алюминиевой фольги), края которого могут быть определены в вертикальном и горизонтальном направлении на изображении. Указанный объект освещают рентгеновским излучением от трёхсот лазерных выстрелов на частоте повторения 10 Гц. Количество импульсов определяется необходимым экспонированием исследуемого объекта для получения рентгеновского изображения достаточной яркости. Для каждого из импульсов, с помощью указанной камеры, фиксируют изображения в виде двумерного массива из значений интенсивности сигнала в каждом пикселе (фиг.3а), а далее, для каждого изображения n (фиг.3б) из полученных N (300) изображений, определяют величину сдвига dAn положения маркера в единицах пикселей матрицы регистрирующей камеры на изображении относительно его положения А на изображении, полученном при первом импульсе (на фиг.3.б указано смещение в вертикальном направлении). В зависимости от сдвига положения источника маркер может смещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении в плоскости изображения. После этого осуществляют суммирование N (300) изображений, причем каждое из них предварительно сдвигают на соответствующее ему расстояние dAn в направлении противоположном сдвигу так, чтобы край маркера совпадал с положением края маркера в первом выстреле серии. Сдвиг осуществляется путём смещения значений в двумерном массиве данных на число строк/столбцов, соответствующее расстоянию dAn в пикселях матрицы регистрирующего детектора. Результат суммирования N (300) изображений без сдвига и с сдвигом показан на фиг.3в и фиг.3г соответственно. Изображение г демонстрирует повышение четкости результирующего изображения объекта при экспонировании импульсным источником рентгеновского излучения.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает получение рентгеновских изображений улучшенной четкости, выраженное в возросшем пространственном разрешении исследуемого объекта. При этом способ является простым в реализации, не требует дополнительного оборудования или использования сложного математического аппарата.

Использование: для получения рентгеновских изображений высокой четкости. Сущность изобретения заключается в том, что исследуемый объект размещают на одной оси между импульсным рентгеновским источником и камерой для регистрации рентгеновских изображений, при этом в плоскости исследуемого объекта, перпендикулярной указанной оси, располагают маркер, затем указанную плоскость с размещенным в ней объектом исследования и маркером освещают N последовательными импульсами от источника рентгеновского излучения, при этом для каждого импульса фиксируют изображение в виде двумерного массива значений интенсивности сигнала в каждом пикселе, затем, для каждого изображения n из N изображений, определяют величину сдвига dA_n в единицах пикселей матрицы регистрирующей камеры положения края маркера на изображении относительно его положения на изображении, полученном при первом импульсе, после чего суммируют N изображений, при этом каждое из них предварительно сдвигают параллельно на соответствующее ему расстояние dA_n в направлении противоположном сдвигу, причем сдвиг осуществляют путём смещения в двумерном массиве данных каждого импульса значений на число строк и/или столбцов, соответствующее расстоянию dA_n в пикселях матрицы регистрирующей камерой. Технический результат: обеспечение возможности повышения четкости рентгеновских изображений. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ получения рентгеновских изображений высокой четкости, характеризующийся тем, что исследуемый объект размещают на одной оси между импульсным рентгеновским источником и камерой для регистрации рентгеновских изображений, при этом в плоскости исследуемого объекта, перпендикулярной указанной оси, располагают маркер, затем указанную плоскость с размещенным в ней объектом исследования и маркером освещают N последовательными импульсами от источника рентгеновского излучения, при этом для каждого импульса фиксируют изображение в виде двумерного массива значений интенсивности сигнала в каждом пикселе, затем, для каждого изображения n из N изображений, определяют величину сдвига dA_n в единицах пикселей матрицы регистрирующей камеры положения края маркера на изображении относительно его положения на изображении, полученном при первом импульсе, после чего суммируют N изображений, при этом каждое из них предварительно сдвигают параллельно на соответствующее ему расстояние dA_n в направлении противоположном сдвигу, причем сдвиг осуществляют путём смещения в двумерном массиве данных каждого импульса значений на число строк и/или столбцов, соответствующее расстоянию dA_n в пикселях матрицы регистрирующей камерой.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника импульсного рентгеновского излучения используют лазерно-плазменный рентгеновский источник, создаваемый на поверхности мишени при фокусировке импульсного лазерного излучения с мощность выше 10 ГВт, при этом мишень постоянно сдвигают, чтобы каждый последующий лазерный импульс воздействовал на «свежую» поверхность, не затрагивая остаточного от предыдущего импульса кратера, формируемого при абляции вещества мишени из области фокусировки лазерного излучения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что поверхность мишени сдвигают после каждого импульса на расстояние, превышающее размер образуемого на поверхности мишени кратера.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что маркер представляет собой однородный двумерный объект, прозрачность которого для рентгеновского излучения позволяет определить края маркера в вертикальном и горизонтальном направлении на изображении.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для каждого из полученных N изображений определяют величины параллельного сдвига dA_1n dA_2n края маркера в вертикальном и горизонтальном направлении плоскости изображения относительно положения этих краёв A₁ и A₂ в вертикальном и горизонтальном направлениях на изображении, полученном в первом импульсе.