Способ получения томограммы объекта Советский патент 1993 года по МПК G03B42/02 

Предлагаемый способ относится к радиационному контролю и предназначен для применения в томографических исследованиях промышленных и медицинских обьектов.

В современном неразрушающем контроле и медицинской рентгеновской диагностике для повышения информативности радиационного контроля применяют методы послойного (томографического) представления объемной рентгеновской информации. Известен способ получения продольных томограмм. При осуществлении способа регистрируют набор разнора- курсных рентгенограмм от одного излучателя, последовательно располагаемого в различных позициях на плоскости, параллельной плоскости регистрации. Затем ракурсные рентгенограммы сдвигают друг относительно друга в одной плоскости

по направлениям, определяемым згданны- ми позициями фокуса излучателя. Величину сдвига каждой рентгенограммы задают такой, чтобы происходила компенсация проективного смещения ракурсных изображений точек заданного сечения, параллельного плоскости регистрации, приводящая к их совмещению. Суммируют видеосигналы сдвинутых рентгенограмм, получая в результате томограмму для сечения за дани-и глубины. Меняя относительный сдвиг рентгенограмм, синтезируют томограммы различных сечений объекта.:

Недостатком способа является низкое пространственное разрешение деталей выделяемого сечения, вызванное неконтролируемыми погрешностями позиционирования фокуса излучателя, возникающими из-за неопределенности положения фокуса относительно корпуса излучателя, наличия

юфтов устройства позиционирования и его еформацией под воздействием массы изучателя.

Наиболее близким к предлагаемому зобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ полчения томограмм. Сущность способа, предназначенного для синтеза томограмм, параллельных плоскости регистратора, заключается в получении разноракурсных рентгенограмм объекта от фокуса излучателя, последовательно фиксируемого в различных позициях на плоскости, параллельной плоскости регистратора. Перед рентгенографированием помещают между объектом и плоскостью позиционирования фокуса излучателя два рентгеноконтраст- ных маркера, первый - в пространство между объектом и плоскостью позиционирования фокуса, а второй - в плоскость регистрации рентгенограмм, отмечая при этом глубину залегания первого маркера относительно плоскости регистратора. При синтезе томог- раммы заданного сечения по положениям ракурсных изображений первого маркера в системе координат, задаваемой вторым маркером, и, используя значение глубины залегания первого маркера, вычисляют векторы сдвигов ракурсных рентгенограмм друг относительно друга, обеспечивающие пространственное совмещение точек ракурсных рентгенограмм, отображающих визуа- лизируемое сечение объекта. Сдвигают ракурсные рентгенограммы в соответствии с вычисленными значениями векторов и суммируют видеосигналы совмещенных точек, получая искомую томограмму.

Данный способ позволяет получать то- мограммы с пространственным разрешением, не зависящим от погрешностей размещения фокуса излучателя в плоскости позиционирования.

Недостатками способа являются: невозможность контроля широко рас- прост0а нёмных в строительстве и специальных областях техники полубесконечных объектов вида стена, что вызвано невозможностью обеспечения плоскопараллельной геометрии просвечивания, (когда плоскость позиционирования фокуса излучателя параллельна плоскости регистрации), из-за отсутствия жесткой или визуальной связи между плоскостью регистрации и плоскостью позиционирования;

невозможность контроля объектов и технологических процессов с ограниченным пространственным доступом, препятствующим использованию плоскопараллельной геометрии просвечивания;

низкая выявляемость протяженных дефектов, ориентированных непараллельно плоскости регистратора.

Цель изобретения - расширения класса

объектов, доступных томографическому контролю за счет размещения фокуса излучателя в произвольных точках трехмерного пространства и увеличение информативности контроля за счет получения томограмм

сечений произвольной формы и ориентации.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в том. что в процессе просвечивания объекта и регистрации его ракурсных изображений располагают фокус излучателя в произвольных формах прот странства, координаты которых независимы от положения плоскости регистратора и определяются конфигурацией объекта и

практическими ограничениями геометрии просвечивания, размещают в пространстве между объектом и плоскостью регистратора по меньшей мере два рентгеноконтрастных маркера и по меньшей мере один маркер в плоскость регистрации, фиксируют трехмерные пространственные координаты маркеров относительно системы координат, задаваемой маркером, расположенным в плоскости регистратора, регистрируют ракурсные рентгенограммы объекта в присутствии рентгеноконтрастных маркеров, проводят поточечный синтез томограммы произвольного сечения путем вычисления по положениям ракурсных изображений

маркеров координат соответствующих точек ракурсных рентгенограмм, отображающих каждую из точек визуализируемого сечения объекта по формуле

Х (об)п xn (MEj) А. - хп (Мф адоб) - ЕЬ -Ноб). IA (оБ)-Й

- tvRfcS r,. - Yn (MQ-Ag(Cg - 5, Ч СЭ . |Гп-Дп -г(оБ)-Ен

где Х(об); У(об); Z(o6) - координаты точки визуализируемого сечения объекта;

Х (об)п; Y (o6)n - координаты изображения соответствующей точки на n-й ракурсной рентгенограмме; Х(М4); Y(M4); Z(M4) - координаты первого маркера; Х(М5); Y(M5); Z(M5) - координаты второго маркера; Xn (M4); Yn (M4) - координаты изображения

первого маркера на n-й ракурсной рентгенограмме; Xn (M5); Yn (M5) - координаты изображения второго маркера на n-й ракурсной рентгенограмме; п - номер позиции фокуса излучателя (номер ракурса); An Z(M5)X(M4}-Xn (M4);

(M4)fX(M5)-Xn (M5); (M4) Z(M5XXn(M5)-Xn (M4); (M5XY(M4)-Yn(M4); (M4XY(M5)-Ynf(M5); (M4) Z(M5XYn (M5)-Yn (M4).

и придания точке томограммы значения видеосигнала, полученного при обработке значений видеосигналов в соответствующих ракурсных точках.

На фиг. 1 изображена схема регистрации ракурсных рентгенограмм и синтеза то- мограмм. Здесь 1 - плоскость регистратора (рентгеновской пленки); 2 - объект; 3 - маркер, накладываемый на плоскость регистратора; 4.5 - маркеры, располагаемые в пространстве между объектом и плоскостью регистратора; б - фокус излучателя в п-й позиции;. 7,8 - проекционные прямые, соединяющие фокус излучателя, маркер и изображение маркера; на фиг. 2 изображена блок-схема устройства для реализации способа, где 9 - устройство считывания с преобразователем аналог-код; 10 - блок массовой памяти; 11 - процессор; 12 -дисплей; 13 - блок памяти регенерации; 14 - видеопреобразователь; 15 - монитор; 16 - световое перо; 17 - визуализируемый участок плоскости (томографическое сечение); - информационные шины; - шины управления; (М4); Y(M4); Z(M4))I(X(M5) Y(M5) Z(M5)} координаты маркеров, располагаемых в пространстве между объектом и плоскостью регистратора; (M4); Yn (M4); ХП (М5); Yn (M5)} координаты изображений соответствующих маркеров на n-й ракурсной рентгенограмме; (Х(обц); У(обц); Z(o6iJ - координаты центра визуализируемого участка плоскости (координаты центра томограммы); Lp x Кр - формат ввода ракурсных рентгенограмм в память вычислительного комплекса; Lr х Кг - формат визуализируе- мой томограммы; а,/3, у- углы между осями X,Y,Z и положительным направлением перпендикуляра к плоскости, восстановленного из начала координат; Хм;К-1(об); YM; к-1(об); Zi-i;K-i(o6) - координаты центра ( ) элемента томографического сечения; X i-i;K i(o6); Y i-i (об)- координаты изображения центра (1т-1; ) элемента на п-й ракурсной рентгенограмме.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Между плоскостью 1 регистратора и полубесконечным объектом 2 вида стена размещают по крайней мере три маркера 3, 4, 5, причем маркер 3 в виде реперного креста накладывают на плоскость 1 регистрации.

Фиксируют трехмерные пространственные координаты Х(М4); Y( M4); Z(); Х(М5); Y(M5); Z(M5) маркеров 4. 5 относительно системы координат, задаваемой пе5 рекрестием маркера 3.

В плоскости 1 регистрируют разнора- курсные рентгенограммы объекта и маркеров, используя излучатель 6. находящийся на противоположной стороне объекта и по0 следовательно позиционируемый в различных и произвольных точках пространства независимо от ориентации плоскости 1 регистрации. Проективный характер образования рентгеновских изображений

5 приводит к тому, что фокус излучателя, маркер и изображение маркера находятся на одной прямой, а пространственное положение фокуса определяется точкой пересечения по крайней мере двух проекционных

0 прямых, например, 7 и 8.

Таким образом наличие двух маркеров в пространстве между объектом и плоскостью регистратора позволяет однозначно находить трехмерные координаты фокуса

5 излучателя в каждой из n-позиций при регистрации п ракурсных рентгенограмм, что является обязательным условием осуществления томосинтеза.

Полученный набор разноракурсных

0 рентгенограмм вводят устройством 9 считывания в блок 10 массовой памяти цифрового вычислительного комплекса при формате вводимого изображения Lp Kp таким образом, чтобы изображение перекрестия 3

5/Ln К

находилось в I-# 4-1;; - + 1 элементе, а

оси X и У совпадали с ориентацией строк и столбцов. Ввод рентгенограмм, так же как и синтез томограмм и визуализацию изобра- 0. жений осуществляют процессором 11, управляемым оператором от дисплея 12.

Используя блок 13 памяти и видеопре- рбразователь 14 визуализируют изображе5 ния ракурсных рентгенограмм на .видеомониторе 15. Световым пером 16 отмечают положения ракурсных изображений маркеров 4, 5 и вводят из координаты Xn (M4); Yn (M4); Xn (M5); Yn (M5)J, а также

0 координаты Х(4М); Y(4M) Z(4M); X(5M); Y(5M); Z(5M) в блок 13 с погрешностью до половины размера СР элемента изображения.

Используя процессор 11, синтезируют

5 томограмму произвольного сечения объекта, например, участка 17 плоскости, включающего в себя центральную точку Х(обц); У(обц); Z(o6(J и ориентированного под углами а,/3, у соответственно к осям X:Y:Z, задававмым маркером 3. Здесь: я,/,у -острые углы между осШй координат и положительным направлен к плоскости, восстановленного из начала координат:; ;:-S -;j{:v: ; У:,;;..X : .;.-.... Синтез проводят следующим образом: выбирают углы наклона а,р,у выбирают координаты Х(обц); У(обц); г(обц) центра визуализйруемогс участка 17 плоскости;

выбирают формат LT x Кт изображения томограммы и величину Ст элемента изображения, задавая тем самым размер СтЬгх хСтКт вйзуализируёмого участке; в дан0

5

ном формате центральная точка визуализи- руемого участка находится в

/IV

(у + +1 элементе;

ориентируют формат таким образом, чтобы строки располагались параллельно плоскости 1 регистрации ракурсных изображений, а первая строка всегда соответствовала нижнему краю участка визуа- Лизируемой плоскости (вид на плоскость всегда со стороны источника);

вычисляют координаты Х|ткт (об); YITKT (об); ZiTKT (об) центров всех элементов изображения участка 17 плоскости по формуле

Использование: в области томографии. Сущность изобретения: способ заключается в расположении фокуса излучателя в произвольных точках пространства, размещении в пространстве между обьектов и плоскостью регистратора по меньшей мере одного маркера в плоскости регистрации, фиксации пространственных координат маркеров относительно системы координат, задаваемой маркером, расположенным в плоскости регистратора, регистрации ракурсных рентгенограмм объекта в присутствии рентгено- контрастных маркеров, поточечном синтезе томограмм желаемых сечений путем определения по положениям ракурсных изображений маркеров координат соответствующих точек ракурсных рентгенограмм отображающих каждую из точек визуализируемого сечения по оригинальной формуле. 2 ил.

Х|тКт (об) - Х(обц) + , вт --- Гсбза (& +1 k I cos у + cos p fe + 1 -1 П ; VcosV-fcoW- Л. Л /J

н(т+1- )

XiT.KT(o6) Y(o6u) +

-f cosz/3 Ст

VCos2a 4- cos2/

. /К у-;.--; ..;./

Xi7 Кт(об) г(обц)- i l + 1 -k j -CT -sin у;

у+ 1 -k I cosy + cos

где Кт - количество строк; Ст - количество столбцов; 1Т - текущий номер столбцов; кт - текущий номер строки; и вводят вычисленные координаты в блок 13;

.(M5)-Ai -Хп(М)-Бп -гкт1т(ОБ)-ХКт|т(ОБ)-Вп . Ап-Бп -гкт1т(ОБ)-Вп

(М5)-Гп - Yn (М4)-Щ-2кт|т (ОБ) - YKT|T (ОБ)-En .

. ., Г Гп-Дп -гкт:1т(ОБ)-Еп

где (M5)tX(M4)-Xn1(M% Бп - Z(M4)tX(M5)-Xn (M5); (M5) Z(M4)Xn(M5)-Xn (M4Ji; (M5XY(M4)-Yn (M4); (M4)Y(M5)-Yn(M5); (M4)Z(M5)Yn1(M5)-Yn (M4); .

находят номера {lp; kp} элементов, содержащих вычисленные точки ракурсных рентгенограмм, по формуле

Ipln

+ 1+IxiVc(QE)I..;.;.

и вводят найденные номера {Ipj kp} в блок

13; .-..- ,:...;--:,.,,,,,.-„,,...:,-..:....:-.,...,

придают каждому из элементов изображения виэуализируембго сечения значение

н(т+1- )

у+ 1 -k I cosy + cos

(1)

вычисляют на каждой из N ракурсных рентгенограмм координаты Х |т;кг (об)п; tY iTKT (об)п точек, отображающих центры элементов изображения визуализируемого сечения объекта, по формуле

(2)

1т(1т; kT) видеосигнала, зависящее от видеосигналов Pp(lp;kp)n отображающих его элементов ракурсных рентгенограмм 1т(1т; kr) f (ip; kp)n-i; Up(iP; kp)n-2;...рр(1Р; kr)n-N}, в

соответствии с выбранным способом обработки видеосигналов (сложение яркостей элементов ракурсных рентгенограмм, умножение яркостей элементов ракурсных рентгенограмм, сравнение яркостей элементов

ракурсных рентгенограмм и т.д.);

вйзуализируют полученные значения видеосигналов элементов изображения на видеомониторе 15, получая тем самым то- мограмму участка 17 плоскости, рассекающей объект 2.

Пр и м е р. Фрагмент полубесконечной строительной конструкции вида стена просвечивают источником рентгеновского

излучения, фокус которого поочередно располагают в произвольных точках пространства. С противоположной стороны стены регистрируют разноракурсные рентгенограммы контролируемого фрагмента рентгеновскими пленками, помещаемыми на неподвижной плоскости регистрации, расположенной на некотором расстоянии от стены. Перед просвечиванием в про- странство между стенок и плоскостью регистрации размещают три рентгеноконт- растных маркера МЗ, М4, М5. Маркер МЗ, выполненный в виде перекрестия, задающего начало системы координат Х(МЗ) - Y(M3) Z(M3) 0 мм помещают в плоскость регистрации, а маркеры М4, М5 - в точках пространства с координатами Х(М4) -100 мм; Y(M4) -100мм; Z(M4) 100 мм; Х(М5) 100 мм; Y(M5) 100 мм; Z(M5) 100 мм. Всего получают четыре разноракурсных рентгенограммы фрагмента объекта совместно с изображениями маркеров МЗ, М4, М5. Рентгенограммы считывают телекамерой и через аналогоцифровой преобразователь вводят в блок массовой памяти цифрового вычислительного комплекса обработки изображений типа PERICOLOR в формате Lp х кт 1024 х 1024 элемента при величине Ср элемента, равной 0,5 мм, таким образом, чтобы ориентация строк совпадала с направлением оси X, а центр изображений находился в элементе (kp 513,1р 513). На видеомониторе визуализируют ракурсные рентгенограммы. Световым пером отмечают положения ракурсных изображений маркеров М4 и М5, фиксируя тем самым в блоке памяти их координаты, например: на первой ракурсной рентгенограмме:

X n-l(M4) -103 мм; У п-1(М4)-100мм ;

Х П-1(М5) 162 мм; Yn-i(M5) 168

на второй ракурсной рентгенограм- ме:/

Х П-2(М4) -180 мм; Y n-2(M4) -96

fX n-2(M5) ЮО мм; У п-2(М5) 184

на третьей ракурсной рентгенограмме:

(М4) -1 Об мм, Y n-3(M4) -139

х п-з(М5) 152 мм, Y n-3(M5) 100

на четвертой ракурсной рентгенограмме: . ..

Х П-4(М4) -150 мм; Y n-4(M4) -152 . Х П-4(М5) 98 мм, Y n-4(M5) 98

Пусть требуется синтезировать методом суммирования яркостей в формате 1тКт 512 х 512 при величине Ст элемента изо- бражения, равной 0,5 мм, томограмму сечения объекта, описываемого участко М плоскости, ориентированной под углами

а 60° к положительному направлению оси X,

/ 60° к отрицательному направлению оси Y,

у 45° к положительному направлению оси 2,

и имеющего центр с координатами Х(обц) У(обц) 0 мм; г(обц) 200 мм.

Покажем процедуру томосинтёза на примере синтеза изображения элемента ().

Вычисляют по формуле (1) координаты центра элемента Xk-1, i-i(og}: Yk-i. 1-1(06) :

.5- Ч).5 -26,5 мм;

Xk-1. м(об)0 + , R

2 256-0,5 256

256

Yk-i,l-i(o6) -(-0,5

-0,5 -256) «-155,5 MM ;

Zk-1,1-1(06) 200-0,5 -256 -tf,71 109 MM.

Определяют по формуле (2) на каждой из ракурсных рентгенограмм координаты точек, отображающих центр элемента (, );

на первой ракурсной рентгенограмме

Ап-1 100(-100+103)300 мм2; (100-162) -6200 мм2; Вп-1 100 -100 (162+103) 2650000 мм3;

X kH; i-i(o6)n-t

(162 -300- 103 6200) 109,142650000 -26,5 (300 + 6200 ) 109,1 - 2 650000

,Омм; .

Гп-1 100(-100+100)0 мм2; ЮОх х( 100-168) -6800 мм2;

Еп-1 100-100 (168+100) 2680000 мм3;

Yk-1; -|(об)п-1

100 6800) -109,1 +2680000-Igj (0 + 6800)109,1-268ШОбя

-174 . .. , - ...

что соответствует элементу 513-3/0,5

507; kp 513-174/0,5 165}n-i;

на второй ракурсной рентгенограмме

(-100+180)8000 мм2; (100-100) 0 мм2; . -100(100+180)2800000 мм3;

X k-1; 1-1(об)п-2

f 100 8000 + 1800) 109.1 +2800000 26,5

8000109,1- 2800000 « -83,5 мм. . .

Гп-2 ЮО(-100+96) -400 мм2; Дп-2 100(100-184) -8400 мм2; Еп-2 100 100 184+96 2800000 мм3

Формула изобре те н и я Способ получения томограммы объекта, заключающийся в просвечивании объекта рентгеновским излучением при различных положениях фокуса излучателя относительно объекта, регистрации ракурсных рентгенограмм объекта в присутствии рент- геноконтрастных маркеров, располагаемых в плоскости регистрации рентгенограмм и на известной глубине пространства между фокусом излучателя и плоскостью регистрации, поточечном синтезе томограмм путем определения по координатам ракурсных изображений маркеров координат соответствующих точек на ракурсных рентгенограммах и придания точкам томограммы значений видеосигналов, однозначно связанных со значениями видеосигналов в соответствующих точках ракурсных ренту,, м Хп (М5) А, -Хп (М4)-Бп Z (об) - Вп-Х(об) X (oojjn --- -- ----г/г--V -, ;7 ( ,. ч-k- ----- - -

l/Vi - Бп Z (об; - Dn

rvYnfiH JVn (М5)-ГП - Yn (М4) Д,1 Z (об) - En-X (об) Y (об)л --- -- -- Гп-Дп -2(об)-Еп -----

где Х(об), Y(o6), Z(o6) - координаты точки визуализируемого сечения объекта;

Х (об)п, Y (o6)n - координаты изображения соответствующей точки на n-й ракурсной рентгенограмме,

Х(М4), Y(M4), Z(M4) и Х(М5), Y(M5), Z(M5) - соответственно координаты первого и второго маркеров в пространстве между объектов и плоскостью регистратора;

Xn (M4), Yn (M4) и Хп (М5), уп (М5)-соот-

ветственно координаты изображений пер0

5

0

генограмм, отличающийся тем, что, с целью расширения класса объектов, доступных топографическому контролю, за счет размещения фокуса излучателя в произвольных точках трехмерного пространства и увеличения информативности контроля за счет получения томограмм сечений произвольной формы и ориентации, определяют двумерные координаты не менее чем двух маркеров, расположенных в пространстве между объектом и плоскостью регистратора, в плоскости, параллельной плоскости регистрации, относительно сие- темы координат, задаваемой маркерами, расположенными в плоскости регистратора, а при синтезе каждой точки томограммы виэуализируемого сечения объекта координаты соответствующих точек на ракурсных рентгенограммах определяют по формулам

вого и второго указанных маркеров ракурсной рентгенограмме; п - номер ракурса,

(M5XX(M4)-Xn(M4); (M4XX(M5}-Xn1(M5); (M4) Z(M5XXn;(M5)-Xn (M4); (M5) У(М4}-УП (М4); (М4ХУ(М5)-Уп1(М5); (M4) Z{M5)Yn (M5)-Yn1(M4).