(54) ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ТОМОГРАФ
1
Изобретение относится к технике не- разрушающего контроля jj может быть использовано для контроля промышленных изделий и целей медицинской диагностики.
Известны вычислительные томографы, содержащие сканирующую систему, источник излучения, например, рентгеновского, блок детекторов, блок датчиков пространственных координат, блок предварительной обработки измерительных данных,, блок пространственно-частотной фильтрации одномерных проекций методом свертки, блоки обратного проецирования и суммирования отфильтрованных данных памяти изображения 1
Указанные устройства обеспечивают реконструкшпо томограмм при значител-ьном объеме вычислительных операций и не позволяют реализовать процесс реконструкции в реальном масштабе времени даже при ограниченном формате матрицы изображения.
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является вычислительный томограф, содержащий источник проникающего излучения, блок детекторов, держатель исследуемого объекта, средства для приведения источника и блока детекторов в движение относительно держателя исследуемого Объекта, блок предваритель- ной обработки сигналов детекторов, подключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частотной фильтрации, выполненный в виде генератора весовых множителей, являющихся функцией кратчайшего расстояния от элемента матрицы восста- новления до измерительной траектории, и перемножителей, -подключенный к блоку предварительной обработки сигналов детекторов, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, под. ключенный к блоку простртнственно-частстной. фильтрации, память изображений, подключенную к блоку обратного проецирования, блок датчиков пространственных координат, входом подключенный к средствам приведения источника и блока детекторов в движение, а выходами - к блоку предв рмгельной обработки и блоку обратного суммирования и проецирования фильтрова нык величин 2.J, Известное устройство обеспечивает возможность построения томограммы в р альном времени только при использовани большого количества параллельно работаю ших перемножителей. Цель изобретения - повышение быстр действия при уменьшении сложности и ко личества используемого оборудования, по вышение информативности получаемых изображений. Поставленная цель достигается тем, что Б вычислительном томографа, содержащем источник проникающего излучения блок детекторов, держатель исследуемого объекта, средства для приведения источника и блока детекторов в движение относительно держателя исследуемого объе та, блок предварительной обработки сигналов детекторов, подключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частот ной фильтрации, подключенный к блоку предварительной обработки сигналов деi-eKTOpOB, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, подключейный к блоку пространственночастотной фильтрации, память изображений, подключенную к блоку обратного проецирования и суммирования фильтрова ных величин, блок датчиков пространстве ных коорбинат, входом подключенный к средствам для приведения источника и блока детекторов в движение, а выходами - к блоку предварительной обработки сигналов детекторов и блоку обратного проецирования и суммирования, фильтрованных величин, блок пространственночастотной фильтрации выполнен в виде блока двойного дифференцирования одномерных проекций. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого вычислительного то мографа ; на фиг. 2 - система координат используемая при описании работы вычислительного томографа; на фиг. Зи4вариантыисполнения предлагаемого уст ройства. Вычислительный томограф содержит сканирующую систему 1, служащую средСгаом для приведения источника 2 излучения и блока 3 детектора в движение относительно держателя (не показан), блок 4 датчиков пространственных координат, блок 5 предварительной обработки измерительных данных, блок 6 дифференцирования второго порядка, представляющий собой блок пространственно-частотной фильтрахши, блок 7 обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, блок 8 памяти изображения, исследуемый объект 9, установленный на держателе, механизм 10 многооборотного вращения, механизм 11 однократного перемещения. Источник 2 излучения . и блок 3 детекторов расположены в плоскости контролируемого сечения по разные стороны от объекта 9 контроля. Сканирующая система 1 и составляющие ее механизмы 10 и 11 определяют относительное положение блоков 2, 3 и 9 в процессе сканирования и механически связаны с блоком датчиков пространственных координат, выход которого связан с входами блока 5 предварительной обработки измерительных данных и блока 7 обратного проецирования. В свою очередь, выход блока 3 детекторов связан с входом блока 5, выход которого связан с входом блока 6 дифференцирования второго порядка, выход которого соединен с входом блока 7. Вход блока 8 памяти изображения соединен с выходом блока 7 обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин. В традиционной системе координат (фиг. 2), используемой для описания задач реконструкции при проецировании (просвечивании) параллельными лучами. Двумерная функция д; (x,V ) соответствует, например, распределению линейного коэ4 фициента ослабления монохроматического рентгеновского излучения по перечному сечению контролируемого объекта. Прямые ЛИНИИ: параллельные оси S и расположенные к оси V под углом Ч , 5шляются проецирующими лучами и описываются уравнением вида v-Kco54- - 5iM, C-f где у - длина перпендикуляра, опущенного из начала координат , ч) на отдельный луч. Параллельная проекция двумерной функции /и ( ) на ось г , определяемую углом Ц , вдоль нормали S может быть выражена в виде Р(г,) J/J (x,)d5- 1л CY,V )(f (xcos44 -СО-СХЗ 5isiM4-t-}axdv, где 6(l-) - дельта-функция Дирака. Формально задача реконструкции сводится к решению (2) с восстановлением неизвестного распределения ( У,У ) по экспериментально определенным Р(г ) По новому алгоритму каждая проекция (2) сначала подвергается пространственной (фильтрации путем формирования втор производной по Г .)-vbir-tPcr.vf). (.) Затем формируется выходное распреде ление ( X,V ) в виде суммы результато обратного проецирования предварительно отфильтрованных проекций : ,)--ТНхсо Ч вдиЧлШ С4) Очевидно, что реконструкция с помошь такого алгоритма, который может быть назван алгоритмом обратного проецирования с фильтрацией двойным дифференцированием (ОПФДД), в принципе возможна без применения операций умножения и по воляет проводить полный объем вычислительной обработки независимо для любого .участпка проекции. Интересной особенность алгоритма ОПФДД является возможность независимого и быстрого вычисления искомого распределения в интересующей исследования точке (или области) без проведения полной реконструкции.всего изображения. При этом столь существен ные достоинства алгоритма ОПФДД не сопряжены со сколь-нибудь значительным снижением качества и диагностической ин формативности реконструируемых изображений. Для того, чтобы количественно оценит наскютько точно предложенный алгоритм СПФДД реконструирует исходную простран ственную структуру JJt ( УГ ), удобно перейти в пространство спектров, подверг- нув соотношения (2 - (4) преобразованию рье. Откуда, полагая р ( 1, Ч ) и (rvj) у ограниченными по протяженности получим . eKy;Kv)-|KliV(lCx-,Kv), (5) А ,f СО CKxiKy)--n(v.exp -j2rK(xkx4 Kv)dxdv, где ДД( Kjf, ) - двумерный пространственный спектр исходног распределения , / С RX, R.) ) - спектр восстановленного изображения А-х,УЛкЧк к ;. Таким образом, алгоритм ОПФДД позволяет восстановить пространственное распределение JU( X,V ), сохраняющее детальную геометрическую структуру исходного распределения (X,v), при относительно усиленных верхних пространственных частотах. Такое изображение будет визуально восприниматься как более резкое с несколько подчеркнутыми контурами границ малоконтрастных не- однородностей и включений. Следует отметить, что подобная трансформация изображения является желательной в больишнстве прикладных задач, так как информационными прежде всего являются изменения свойств контролируемых структур и их контуры. Согласно (5) пространственное расположение соответствующих элементов структуры при реконструкции ОПФДД восстанавливается точно, с. полным сохранением масштаба и инвариантно к сдвигу. Важно отметить, что алгоритм ОПФДД не исключает возможности направленного изменения пространственно-частотных характеристик изображения в процессе реконструкции. Так, при необходимости сохранения постоянной составляющей и усиления вклада низкочастотных гармоник отфильтрованную проекцию (З) можно дополнить в необходимой пропорции исходными неотфильтрованными данными. ,ч)--а.р(гл tptr.f) (За) При этом основные структурные осоенности алгоритма ОПФДД сохрашпотся. Реконструк1шя с помощью ОПФДД на величенном формате матрицы позволяет остичь существенного повышения сложости исследуемых структур, а при исользовании быстродействующих многокаальных систем - резко повысить произодительность до реализации востановления динамических процессов. Просота аппаратурного выполнения алгоритма Я1ФДД позволяет наряду с цифровыми исользовать аналоговые вычислительные стройства. Использование многоканального блока 3 етекторов в предлагаемом устройстве отя и желательно для повышения быстодействия, но не является необходимым. В некоторых случа51х, с целью снижеия затрат, целесообразно применение
блока 3 детекторов, насчитывающего всего несколько, например три, примыкак щих друг к другу канала. В этом случае, с учетом наличия блока 6 двойного дифференцирования, сканирующую систему 1 5 целесообразно выполнить в виде механизмов быстрого многооборотного вращения 1О и относительно медленного однократного перемещения 11 в плоскости слоя.
В одних случаях такое перемещение мо-вО жет быть линейным, в других предпочтительно угловое, например, при применении массивного источника излучения.
Такое конструктивное рещение вычислительного томографа выгодно отличается 15 от традиционных систем с ботпьшим числом возвратно-поступательных и, вследствие этого, инерционных сканирований.
Предлагаемое конструктивное выполнение вычислительного томографа позволяет 20 резко снизить механические ограничения ввиду отсутствия многократных ускорений в процессе сканирования одного сечения при возможности реализации реконструкщни томограммы сразу в темпе получения из-И мерительных данных.
Использование предлагаемого вычислительного томографа снизит затраты на оборудование, существенно облегчит практическую реализацию вычислительных то- 30 мографоВДля медицинской и промьпиленной диагностики и позволит создать установки, -работающие в реальном масштабе времени.
Формула изобретения -35
Вычислительный томограф, содержащий источник проникающего излучения, блок детекторов, держатель исследуемого объекта, средства для приведения источника и блока детектороа в движение относительно держателя исслед емого объекта, блок предварительной обработки сигналов детекторов, подключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частотной фильтрации, подключенный к блоку предварительной обработки сигналов детекторов, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, подключенный к блоку пространственно-частотной фильтрации, память изображения, подключенную к блоку обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, блок датчиков пространственных координат, входом подключенный к средствам для приведения источника и блока детекторов в движение,
а выходами - к блоку предварительной обработки сигналов детекторов и блоку обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, отличающийся тем, что, с целью повьпиения быстродействия при уменьшении сложности и количества используемого оборудования, повышение информативности получаемых изображений, блок пространственно-частотной фильтрации выполнен в виде блока двойного дифференцирования одномерных проекций.
Источники информации,
принятые во внимание при экспертизе
№ 2897ОО8/18-25, кл. б 01 N 23/О8, 1979 (прототип).
