Результат интеллектуальной деятельности: ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТОМОГРАФ

Изобретение относится к области исследования промышленных объектов с помощью энергии рентгеновского излучения, а именно к промышленным томографам третьего поколения.

В рентгеновской компьютерной томографии рассматривают пять поколений томографов. Каждое поколение определяется своей схемой сканирования (Хермен Г. Восстановление изображений по проекциям. - М.: Мир, 1983. - 349 с., Календер В. Компьютерная томография. - М.: Техносфера, 2006. - 343 с.). В медицинской диагностике исторически томографы последующих поколений вытесняли устаревающие модели. Совершенствование медицинских томографов направлено на повышение скорости сбора данных, уменьшение лучевой нагрузки, получение трехмерной реконструкции. В настоящее время ведущими производителями предлагаются томографы пятого поколения с многорядными детекторами, позволяющими получать изображения 320 срезов за секунду. Для сравнения следует отметить, что в томографе первого поколения изображение одного слоя получали за 4 минуты, второго - 20 секунд, третьего и четвертого - 5 секунд.

В промышленной томографии в основном применяются томографы второго и третьего поколений, поскольку требования по лучевой нагрузке и скорости сканирования в большинстве случаев менее существенны.

Томографы первого поколения не применяются из-за слишком низкой производительности. Томографы второго поколения достаточно производительны, но более сложны механически по сравнению с томографами третьего поколения, поскольку требуют вращения и поступательного перемещения при сканировании одного слоя. Схема сканирования томографа третьего поколения представлена на фиг.1. Веерный пучок излучения перекрывает все сечение томографируемого объекта. Процесс сканирования заключается лишь во вращении системы источник - детекторы относительно объекта, что равносильно вращению объекта при неподвижных детекторах и источнике.

Рассмотрим томограф третьего поколения (Календер В. Компьютерная томография. - М.: Техносфера, 2006., стр.42), выбранный в качестве прототипа, содержащий источник жесткого тормозного излучения, сканер, обеспечивающий только вращательное движение, детекторный блок, управляющий компьютер, программное обеспечение.

При томографии крупногабаритных объектов применяют источники жесткого тормозного излучения - ускорители электронов с энергией до 10-20 МэВ. Основная часть пучка тормозного излучения сосредоточена в конусе, раствор угла которого уменьшается с увеличением энергии электронов. Так для электронов с энергией 10 МэВ раствор пучка, рекомендованный для радиографии, составляет 12-15°, а при 20 МэВ - примерно в 2 раза уже. Для реализации томографа 3-го поколения с полем облучения 1 м потребуется расположить источник тормозного излучения с энергией 10 МэВ на расстоянии 5 м от центра объекта, а при 20 Мэв, соответственно, 10 м. Линейка детекторов должна регистрировать излучение веерного пучка, перекрывающего все сечение объекта. Чтобы получить томограмму размером N×N пикселей, потребуется N детекторов. Следовательно, томограф с источником жесткого тормозного излучения по прототипу представляется достаточно громоздким и содержащим большое количество детекторов.

Кроме того, при томографии крупногабаритных объектов, в случае их размещения горизонтально, от опор при исследовании возникают погрешности регистрации излучения веерного пучка.

Задачей настоящего изобретения является создание промышленного томографа, позволяющего, при сохранении функциональных результатов (качество томограммы и время ее получения) на уровне прототипа, минимизировать количество элементов в детекторном блоке при одновременном достижении компактности томографа в целом и повышении достоверности исследования объекта путем исключения погрешностей от опор, на которых размещен объект.

Рассмотрим предлагаемый томограф, в котором веерный пучок перекрывает не все сечение объекта, а лишь половину (Фиг.2). Сканирование производится поворотом объекта на 360°. Очевидно, что за один оборот получается полный набор данных для реконструкции томограммы. Полученные данные веерного пучка можно переупаковать в параллельные проекции, а затем реконструировать томограмму. В предлагаемом томографе уменьшается вдвое количество детекторов при том же разрешении и вдвое сокращается расстояние от источника до центра объекта. Время сканирования одного слоя также сокращается. В томографе-прототипе за один оборот получается двойной набор данных, а в предлагаемом - одинарный, но в результате приближения источника в 2 раза интенсивность возрастает в 4 раза, что позволяет в 4 раза увеличить скорость сканирования.

Для набора той же статистики в предлагаемом томографе потребуется вдвое меньше времени. Кроме того, в предлагаемом томографе исключается влияние элементов сканера. Проведенные рассуждения о скорости сканирования справедливы, если веерный пучок имеет одинаковую интенсивность по всем направлениям. В действительности пучок тормозного излучения из мишени ускорителя имеет угловое и энергетическое распределение, которое достаточно точно определяется следующим выражением (Ковалев В.П. Вторичные излучения ускорителей электронов. - М.: Атом-издат, 1979. - 198 с.):

где k - энергия вылетающего фотона (здесь и далее энергия выражается в безразмерных единицах, приведенных к энергии покоя электрона), Е₀ - начальная энергия электрона, t - толщина мишени (см), ω₀ - приведенный угол рассеяния: (θ - угол между направлениями фотона и налетающего электрона), n - число падающих электронов, N₀ - число атомов в 1 см³ мишени, ρ - плотность мишени, г/см³, µ - линейный коэффициент ослабления фотонов в материале мишени, - характеристика материала мишени (для вольфрама ), t' - величина, близкая к оптимальной толщине мишени (для вольфрама t'≈2,5 г/см²).

На фиг.3 представлена угловая зависимость интенсивности тормозного излучения, генерируемого из вольфрамовой мишени электронами с энергией 10 МэВ, полученная по формуле (1). Согласно рисунку диаграмма направленности интенсивности вытянута вперед, и для лучей, отстоящих от центрального на ±10°, интенсивность уменьшается вдвое.

Наибольшая статистическая погрешность при измерениях проекционных данных получается для лучей, проходящих через центр объекта, поскольку здесь толщина объекта максимальна и происходит наибольшее поглощение излучения. В предлагаемом томографе через центр проходит та часть пучка, которая имеет не максимальную интенсивность. Для оценки времени сканирования следует учитывать изменение интенсивности пучка (при переходе от томографа-прототипа к предлагаемому) именно для луча, проходящего через центр. Допустим, что интенсивность на краю веерного пучка в два раза меньше, чем в центре. Тогда при приближении источника в 2 раза интенсивность регистрируемого излучения возрастет в 4 раза как для крайнего луча веера, так и центрального. Но теперь через центр объекта проходит не центральный луч веера, а крайний. Интенсивность луча, проходящего через центр объекта, будет в 2 раза больше, чем в томографе-аналоге. Следовательно, для получения томограммы с той же статистической погрешностью (двойным набором данных) в предлагаемом томографе потребуется то же время, что и томографе-прототипе.

В пучке тормозного излучения с полным раствором 15° бетатрона Краб-3 на периферии интенсивность уменьшается в 1,7 раза. Если использовать пучок с таким раствором в томографе-прототипе и предлагаемом, то в последнем число детекторов будет в 2 раза меньше, как и расстояние от источника до центра объекта, время на сканирование потребуется меньше при том же качестве томограммы.

Для проверки работоспособности алгоритма реконструкции томограммы по данным зондирования веерным пучком с половинным полем облучения была разработана программа компьютерного моделирования, включающая в себя формирование проекционных данных, переупаковку половинных веерных проекции в параллельные, расчет и визуализацию томограммы. На фиг.4 представлены томограммы, полученные по данным параллельного пучка (А), веерного (Б) и половинного веерного (В). В первом случае реконструкция производилась методом обратного проецирования фильтрованных параллельных проекций (Введение в современную томографию. /Под общей редакцией Тернового К.С. и Синькова М.В. - Киев. Наукова думка, 1983. - 231 с.), во втором - методом обратного проецирования фильтрованных веерных проекций (там же), в третьем случае производилась переупаковка проекций половинного веерного пучка в параллельные с последующей реконструкцией, как в первом пункте. Заметного различия качества томограмм не наблюдается.

Таким образом, можно сделать следующие выводы: в предлагаемом томографе при сравнении с прототипом в два раза сокращается количество детекторов и в два раза расстояние от источника изучения до центра томографируемого объекта при сохранении качества томограммы и времени сканирования, а также повышается достоверность за счет устранения влияния элементов сканера при горизонтальном расположении объекта контроля.