RU2256169C1 - Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation - Google Patents

Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation Download PDF

Info

Publication number
RU2256169C1
RU2256169C1 RU2004104114/28A RU2004104114A RU2256169C1 RU 2256169 C1 RU2256169 C1 RU 2256169C1 RU 2004104114/28 A RU2004104114/28 A RU 2004104114/28A RU 2004104114 A RU2004104114 A RU 2004104114A RU 2256169 C1 RU2256169 C1 RU 2256169C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
penetrating radiation
screen
convolution
drum
Prior art date
Application number
RU2004104114/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
М.А. Кумахов (RU)
М.А. Кумахов
В.М. Уткин (RU)
В.М. Уткин
Original Assignee
Общестов с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общестов с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики" filed Critical Общестов с ограниченной ответственностью "Институт рентгеновской оптики"
Priority to RU2004104114/28A priority Critical patent/RU2256169C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2256169C1 publication Critical patent/RU2256169C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

FIELD: object investigations in dissipated or passed radiation.
SUBSTANCE: broad irradiating beam covering entire object to be investigated is used for inspecting this object with passed or dissipated penetrating radiation. Novelty is use of beam with time-variable radiation intensity distribution in its cross-sectional area ensured by moving screen heterogeneous for used radiation across beam. Resultant definition depends on penetrating radiation measurement quantization step upon interacting with object at essential increase in effectiveness of source energy use.
EFFECT: enhanced scan speed due to effective use of source power or reduced power of source at same scan speed.
19 cl, 19 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к средствам для неразрушающего контроля, интроскопии или инспекции человека и транспорта на предмет обнаружения инородных предметов и предназначено для получения изображения заданной области объекта с использованием прошедшего или рассеянного проникающего излучения.The present invention relates to means for non-destructive testing, introscopy or inspection of humans and vehicles for the detection of foreign objects and is intended to obtain an image of a given area of the object using transmitted or scattered penetrating radiation.

Известны способ и устройство для инспекционного обследования человека в рассеянном рентгеновском излучении [1] на предмет обнаружения на теле человека инородных предметов (наркотиков, взрывчатки и т.д.). Рентгеновский остронаправленный луч сканирует поверхность тела человека и вызывает рассеянное излучение, которое регистрируется большеразмерным детектором рассеянного излучения. Это зарегистрированное рассеянное излучение выводится на экран дисплея и визуализируется. Контраст в изображении определяется зависимостью в рассеянии рентгеновского излучения от веществ, обладающих различным атомным номером. Чем меньше атомный номер вещества, тем оно лучше рассеивает рентгеновское излучение. Таким образом, удается обнаружить вещества на теле человека, которые не дают хорошего контраста при их просвечивании на установке типа флюорографической. Однако такой подход не позволяет достаточно глубоко заглянуть внутрь исследуемого объекта. Пространственное разрешение визуализированного изображения определяется шириной остронаправленного сканирующего рентгеновского луча. Остронаправленный рентгеновский луч при этом формируется из широкого конического луча путем коллимирования, за счет чего большая часть первоначального широкого луча "срезается" коллиматором. Энергия первоначального рентгеновского источника используется неэффективно.A known method and device for inspection of a person in scattered X-ray radiation [1] for the detection of foreign objects on the human body (drugs, explosives, etc.). An x-ray pointed beam scans the surface of the human body and causes scattered radiation, which is detected by a large-sized scattered radiation detector. This registered scattered radiation is displayed and visualized. The contrast in the image is determined by the dependence in the scattering of x-ray radiation on substances with different atomic numbers. The lower the atomic number of a substance, the better it scatters the x-ray radiation. Thus, it is possible to detect substances on the human body that do not give good contrast when they are scanned on a fluorographic-type apparatus. However, this approach does not allow you to look deep enough into the object under study. The spatial resolution of the rendered image is determined by the width of the sharply directed scanning x-ray. An oversized x-ray beam is thus formed from a wide conical beam by collimation, due to which most of the initial wide beam is “cut off” by the collimator. The energy of the original x-ray source is used inefficiently.

Известны способ и устройство [2], в которых сочетаются преимущества исследования в рассеянном и прошедшем излучении. В этих устройстве и способе исследуемый объект облучается остронаправленным рентгеновским лучом и регистрируется как прошедшее, так и рассеянное излучение детекторами рассеянного и прошедшего излучения. Визуализации и анализу подвергаются данные, полученные как в рассеянном, так и прошедшем излучении. Таким образом, удается хорошо обнаружить как предметы, обладающие большим атомным номером (металлическое оружие), так и предметы, обладающие малым атомным номером (наркотики, взрывчатка). Пространственное разрешение в визуализируемых изображениях ослабления и рассеяния определяется шириной остронаправленного сканирующего рентгеновского луча. Остронаправленный рентгеновский луч при этом формируется из широкого конического луча путем коллимирования, за счет чего большая часть первоначального широкого луча "срезается" коллиматором. Энергия первоначального рентгеновского источника используется неэффективно.A known method and device [2], which combines the advantages of research in scattered and transmitted radiation. In this device and method, the object under study is irradiated with a highly directed x-ray beam and both transmitted and scattered radiation are recorded by scattered and transmitted radiation detectors. Data obtained in both scattered and transmitted radiation are subjected to visualization and analysis. Thus, it is possible to detect well both objects with a large atomic number (metal weapons) and objects with a small atomic number (drugs, explosives). The spatial resolution in the visualized attenuation and scattering images is determined by the width of the sharpened x-ray scanning beam. An oversized x-ray beam is thus formed from a wide conical beam by collimation, due to which most of the initial wide beam is “cut off” by the collimator. The energy of the original x-ray source is used inefficiently.

Известны также способ и устройство по заявке на изобретение [3], в которых для инспекции предмета используются как рассеянное, так и прошедшее рентгеновское излучение. При этом для облучения предмета используется либо источник проникающего излучения для облучения предмета во множестве его частей, либо источник проникающего излучения для облучения предмета множеством пучков. В данных технических решениях используется модуляционная система для кодирования каждой части облучаемого предмета с такой временной моделью вариации интенсивности, что, расшифровывая сигнал, каждый сигнальный компонент можно уникально связать со своей частью предмета.There is also a known method and device according to the application for the invention [3], in which both scattered and transmitted x-ray radiation are used to inspect the object. Moreover, to irradiate an object, either a source of penetrating radiation is used to irradiate an object in many of its parts, or a source of penetrating radiation is used to irradiate an object with many beams. These technical solutions use a modulation system to encode each part of the irradiated object with such a time model of intensity variation that, by decoding the signal, each signal component can be uniquely associated with its part of the object.

В варианте, описанном в указанной заявке на изобретение, кодирование осуществляется на основе облучения различных частей предмета лучами, модулированными по частоте. Каждый луч, облучающий свою часть предмета, обладает своей частотой модуляции. Таким образом, разделяя наблюдаемый сигнал после взаимодействия с предметом частотными фильтрами, можно разделить сигналы, идущие от различных частей предмета.In the embodiment described in this application for invention, coding is carried out on the basis of irradiation of various parts of the subject with beams modulated in frequency. Each beam irradiating its part of the object has its own modulation frequency. Thus, by separating the observed signal after interacting with the object with frequency filters, it is possible to separate the signals coming from different parts of the object.

Конечное разрешение соответствует использованию единственного узконаправленного луча.The final resolution corresponds to the use of a single narrow beam.

Такой подход позволяет достаточно просто решить задачу частотного кодирования плоского веерного луча, например, за счет вращения диска с концентрическими отверстиями, расположенными в сечении луча, что и предлагается в указанной заявке на изобретение [3], но затрудняет решение задачи кодирования конического луча.This approach allows us to quite simply solve the problem of frequency coding of a flat fan beam, for example, due to the rotation of a disk with concentric holes located in the beam section, which is proposed in this application for invention [3], but makes it difficult to solve the problem of coding a conical beam.

В упомянутой заявке на изобретение [3] использование веерного пучка подразумевает также перемещение исследуемого предмета в процессе его исследования, так как веерным пучком невозможно засветить весь предмет полностью.In the aforementioned application for invention [3], the use of a fan beam also implies the movement of the studied object in the process of its study, since it is impossible to completely illuminate the entire object with a fan beam.

Способ и устройство по заявке [3] наиболее близки к предлагаемым.The method and device according to the application [3] are closest to the proposed ones.

Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в повышении скорости сканирования за счет более эффективного использования мощности источника проникающего излучения, либо в понижении мощности источника при сохранении скорости сканирования. Кроме того, они обеспечивают упрощение конструкции устройства и снижение его себестоимости за счет использования несегментированных детекторов как для прошедшего, так и для рассеянного излучения.The present invention is aimed at obtaining a technical result, which consists in increasing the scanning speed due to more efficient use of the power of the source of penetrating radiation, or in reducing the power of the source while maintaining the scanning speed. In addition, they simplify the design of the device and reduce its cost due to the use of non-segmented detectors for both transmitted and scattered radiation.

Предлагаемый способ получения изображения заданной области объекта, как и указанный выше наиболее близкий к нему известный способ [3], включает сканирование во времени заданной области объекта пучком проникающего излучения и измерение во времени интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с предметом с получением соответствующего этой интенсивности сигнала, а также последующую обработку этого сигнала.The proposed method for obtaining an image of a given region of an object, as well as the above-mentioned known method [3], includes scanning in time a given region of an object by a beam of penetrating radiation and measuring in time the intensity of penetrating radiation after interacting with an object to obtain a signal corresponding to this intensity, as well as the subsequent processing of this signal.

Для достижения указанных технических результатов в предлагаемом способе, в отличие от наиболее близкого к нему известного, осуществляют одновременное облучение пучком приникающего излучения всей заданной области объекта. При этом сканирование во времени заданной области объекта осуществляют путем изменения во времени распределения интенсивности излучения в сечении облучающего пучка таким образом, что получаемый сигнал является сверткой и/или преобразованием Радона над изображением объекта. Обработка указанных результатов измерения включает осуществление над ними обратной свертки и/или обратного преобразования Радона. В результате получают восстановленное неискаженное (восстановленное) изображение заданной области объекта.To achieve these technical results in the proposed method, in contrast to the closest known to him, carry out simultaneous irradiation with a beam of prinimaya radiation of the entire specified area of the object. At the same time, a time scan of a given region of the object is carried out by changing the time distribution of the radiation intensity in the section of the irradiating beam so that the received signal is a convolution and / or Radon transform over the image of the object. Processing these measurement results involves performing reverse convolution and / or inverse Radon transforms on them. The result is a restored undistorted (restored) image of a given area of the object.

Указанная свертка предпочтительно должна быть циклической сверткой, а обратная свертка - соответственно обратной циклической сверткой.The specified convolution should preferably be a cyclic convolution, and the reverse convolution, respectively, a reverse cyclic convolution.

Конкретный вид указанной свертки может быть выбран по заданному критерию, например, для максимизации отношения сигнал/шум в результирующем изображении.A specific type of said convolution can be selected according to a given criterion, for example, to maximize the signal-to-noise ratio in the resulting image.

В частности, упомянутая свертка может быть сверткой с функцией, имеющей плоские боковые лепестки и один максимум в ее дискретной автокорреляционной функции.In particular, said convolution may be a convolution with a function having flat side lobes and one maximum in its discrete autocorrelation function.

Измерение интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с предметом может осуществляться дискретно во времени.The measurement of the intensity of penetrating radiation after interacting with an object can be carried out discretely in time.

Используемое проникающее излучение может быть, например, рентгеновским излучением.The penetrating radiation used may be, for example, x-ray radiation.

Предлагаемое устройство для получения изображения заданной области объекта, как и наиболее близкое к нему, известное из [З], содержит источник проникающего излучения и, по крайней мере, один детектор для измерения интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом и формирования соответствующего этой интенсивности сигнала.The proposed device for obtaining an image of a given region of an object, as well as the one closest to it, known from [3], contains a source of penetrating radiation and at least one detector for measuring the intensity of penetrating radiation after interacting with the object and generating a signal corresponding to this intensity.

Для достижения названных выше технических результатов в предлагаемом устройстве, в отличие от наиболее близкого к нему известного, источник проникающего излучения выполнен с возможностью формирования пучка для одновременного облучения всей заданной области объекта. Кроме того, устройство содержит сканер для изменения во времени распределения интенсивности излучения в сечении указанного пучка таким образом, что формируемый, по меньшей мере, одним детектором во времени сигнал, соответствующий интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом, является результатом свертки и/или преобразования Радона над изображением объекта. Устройство содержит также процессор для выполнения обратного указанному математического преобразования над сигналом, соответствующим интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом, сформированным, по крайней мере, одним детектором, т.е. для выполнения операции обратной свертки и/или обратного преобразования Радона.To achieve the above technical results in the proposed device, in contrast to the closest known to it, the source of penetrating radiation is configured to form a beam for simultaneous irradiation of the entire specified area of the object. In addition, the device includes a scanner for changing over time the distribution of the radiation intensity in the cross section of the specified beam in such a way that the signal generated by at least one detector in time, corresponding to the intensity of the penetrating radiation after interacting with the object, is the result of convolution and / or Radon transform above the image of the object. The device also comprises a processor for performing the inverse mathematical transformation on the signal corresponding to the intensity of the penetrating radiation after interacting with an object formed by at least one detector, i.e. to perform the inverse convolution and / or inverse Radon transform operation.

Сканер может содержать неоднородный для проникающего излучения экран и средство для движения этого экрана хотя бы в одном направлении.The scanner may contain a screen inhomogeneous for the penetrating radiation and means for moving this screen in at least one direction.

Указанный неоднородный для проникающего излучения экран может представлять из себя барабан, имеющий одномерный узор длины M· N, повторяющийся по высоте барабана N раз, со сдвигом на длину М для каждого последующего повтора по высоте. При этом средство для движения экрана хотя бы в одном направлении выполнено с возможностью вращения указанного барабана вокруг его оси.The specified screen inhomogeneous for penetrating radiation may be a drum having a one-dimensional pattern of length M · N, repeated along the height of the drum N times, with a shift by a length M for each subsequent repeat in height. Moreover, the means for moving the screen in at least one direction is configured to rotate the specified drum around its axis.

Средство для движения входящего в состав сканера неоднородного для проникающего излучения экрана может быть выполнено с возможностью движения этого экрана в двух направлениях.The means for moving the screen included in the scanner inhomogeneous for penetrating radiation can be configured to move this screen in two directions.

В этом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой барабан с нанесенным на его поверхность двумерным узором, циклически повторяющимся по высоте и окружности барабана, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана вокруг его оси и перемещения вдоль нее.In this case, the screen inhomogeneous for the penetrating radiation can be a drum with a two-dimensional pattern deposited on its surface, cyclically repeating along the height and circumference of the drum, and the means for moving the screen in two directions is configured to rotate this drum around its axis and move along it .

В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой сферу, имеющую двумерный узор на ее поверхности, нанесенный циклически относительно ортогональных осей, проходящих через ее центр, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этой сферы вокруг указанных осей.In the same case, the screen inhomogeneous for penetrating radiation can be a sphere having a two-dimensional pattern on its surface, applied cyclically relative to the orthogonal axes passing through its center, and the means for moving the said screen in two directions is made with the possibility of rotation of this sphere around the indicated axes.

В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой барабан с нанесенным циклически по его окружности одномерным узором, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана одновременно вокруг его оси и вокруг оси, ортогональной ей.In the same case, the screen inhomogeneous for penetrating radiation can be a drum with a one-dimensional pattern printed cyclically around its circumference, and the means for moving the screen in two directions is configured to rotate this drum simultaneously around its axis and around an axis orthogonal to it.

В том же самом случае неоднородный для проникающего излучения экран может представлять собой диск, на поверхность которого нанесен одномерный узор относительно центра диска, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого диска вокруг его центра и вращения центра диска по окружности, лежащей в плоскости диска (планетарное движение).In the same case, the screen inhomogeneous for penetrating radiation can be a disk, on the surface of which a one-dimensional pattern is applied relative to the center of the disk, and the means for moving the said screen in two directions is made with the possibility of rotation of this disk around its center and rotation of the center of the disk around the circle, lying in the plane of the disk (planetary motion).

Сканер может содержать также два неоднородных для проникающего излучения экрана и средство для движения каждого из экранов в своем направлении.The scanner may also contain two screens inhomogeneous for the penetrating radiation and a means for moving each of the screens in its direction.

В этом случае один из двух неоднородных для проникающего излучения экранов может представлять собой барабан с циклически нанесенным по его окружности одномерным узором.In this case, one of the two screens inhomogeneous for the penetrating radiation can be a drum with a one-dimensional pattern cyclically applied around its circumference.

В том же самом случае неоднородные для проникающего излучения экраны могут представлять из себя два помещенные один в другой барабана с ортогонально ориентированными осями и циклически нанесенными по их окружностям одномерными узорами, а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения этих барабанов вокруг указанных осей.In the same case, screens that are heterogeneous for penetrating radiation can be two drums placed one in another with orthogonally oriented axes and one-dimensional patterns cyclically applied around their circles, and the means for moving these screens can rotate these drums around these axes.

В том же самом случае неоднородные для проникающего излучения экраны могут представлять из себя два коаксиально помещенных друг в друга барабана с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами, причем узоры этих барабанов наклонены относительно их общей оси в противоположные стороны на угол 45° , а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения этих барабанов вокруг их общей оси.In the same case, screens that are inhomogeneous for penetrating radiation can consist of two drums coaxially placed into each other drums with one-dimensional patterns cyclically applied around their circumference, the patterns of these drums being tilted relative to their common axis in opposite directions by an angle of 45 °, and the means for the movement of these screens is made with the possibility of rotation of these drums around their common axis.

Источник проникающего излучения может быть источником рентгеновского излучения.The source of penetrating radiation may be a source of x-ray radiation.

Ниже поясняется смысл использованных известных математических понятий:The meaning of the well-known mathematical concepts used is explained below:

“Свертка” (прямая апериодическая свертка).“Convolution” (direct aperiodic convolution).

При прямой апериодической свертке вместо значения апериодической функции I(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение С(х) в диапазоне от минус до плюс бесконечности, при этом в качестве "весов" используется другая функция Н(х). В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой.In direct aperiodic convolution, instead of the value of the aperiodic function I (x) at point x, its weighted average value C (x) is used in the range from minus to plus infinity, while another function H (x) is used as the "weight". In analog form, such a convolution is described by the convolution integral, in a discrete form, such convolution is described by the sum.

“Обратная свертка” (обратная апериодическая свертка). При обратной апериодической свертке вместо значения апериодической функции С(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение I(х) в диапазоне от минус до плюс бесконечности, при этом в качестве "весов" используется другая функция Н-1(х).“Reverse convolution” (inverse aperiodic convolution). In reverse aperiodic convolution, instead of the value of the aperiodic function C (x) at point x, its weighted average value I (x) is used in the range from minus to plus infinity, while another function H -1 (x) is used as the “weight”.

Функцию Н-1(х) выбирают таким образом, чтобы компенсировать влияние прямой апериодической свертки, то есть получить не искаженное значение функции. В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой. Такая процедура называется также деконволюцией.The function H -1 (x) is chosen in such a way as to compensate for the effect of direct aperiodic convolution, that is, to obtain an undistorted value of the function. In analog form, such a convolution is described by the convolution integral, in a discrete form, such convolution is described by the sum. Such a procedure is also called deconvolution.

“Циклическая свертка”“Loop convolution”

При циклической свертке вместо значения циклической (периодической) функции I(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение С(х) в диапазоне периода повторения, при этом в качестве "весов" используется другая циклическая функция с тем же периодом повторения.In cyclic convolution, instead of the value of the cyclic (periodic) function I (x) at point x, its weighted average value C (x) is used in the range of the repetition period, while another cyclic function with the same repetition period is used as the "weight".

“Обратная циклическая свертка”.“Reverse loop convolution”.

При обратной циклической свертке вместо значения циклической функции С(х) в точке х используют ее средневзвешенное значение I(х) в диапазоне периода повторения, при этом в качестве "весов" используется другая функция H-1(х).In the reverse cyclic convolution, instead of the value of the cyclic function C (x) at the point x, its weighted average value I (x) is used in the range of the repetition period, and another function H -1 (x) is used as the “weight”.

Функцию Н-1(х) выбирают таким образом, чтобы компенсировать влияние прямой циклической свертки, то есть получить неискаженное значение функции. В аналоговом виде такая свертка описывается интегралом свертки, в дискретном виде такая свертка описывается суммой.The function H -1 (x) is chosen in such a way as to compensate for the effect of direct cyclic convolution, that is, to obtain an undistorted value of the function. In analog form, such a convolution is described by the convolution integral, in a discrete form, such convolution is described by the sum.

“Прямое преобразование Радона”.“Direct Radon Transformation.”

Прямое преобразование Радона сводится к переводу функции I(х,у) из декартовой системы координат в систему координат угловых проекций этой функции P(Q,s). где Q - угол, под которым получена проекция функции, s - координата вдоль проекции.The direct Radon transform reduces to the translation of the function I (x, y) from the Cartesian coordinate system to the coordinate system of the angular projections of this function P (Q, s). where Q is the angle at which the projection of the function is obtained, s is the coordinate along the projection.

В аналоговом виде такое преобразование описывается интегральным уравнением, в дискретном виде - суммой.In analog form, such a transformation is described by the integral equation, in discrete form by the sum.

Наглядным примером прямого преобразования Радона является получение рентгеновских снимков объекта с разных направлений вокруг объекта.A clear example of the direct Radon transform is the acquisition of x-ray images of an object from different directions around the object.

“Обратное преобразование Радона”.“The inverse Radon transform."

Обратное преобразование Радона сводится к переводу функции P(Q,s) из системы координат угловых проекций в декартову систему координат I(х,у). В аналоговом виде такое преобразование описывается сложным интегральным уравнением, в дискретном виде - специфической суммой.The inverse Radon transform reduces to the translation of the function P (Q, s) from the coordinate system of the angular projections into the Cartesian coordinate system I (x, y). In analog form, such a transformation is described by a complex integral equation, in discrete form - by a specific sum.

Наглядным примером обратного преобразования Радона является получение томографического изображения пациента в медицинской компьютерной томографии на основе набора его рентгеновских проекций, полученных под различными углами.A good example of the inverse Radon transform is the acquisition of a tomographic image of a patient in medical computed tomography based on a set of X-ray projections obtained from various angles.

Для дальнейшего пояснения сущности предлагаемых изобретений рассмотрим, каким образом преобразуется классическое сканирование в этих технических решениях.To further clarify the essence of the proposed inventions, we will consider how classical scanning is converted in these technical solutions.

Классическое сканирование производится узконаправленным пучком, когда положение пучка полностью характеризует положение облучаемой в данный момент части предмета. При этом не нужно производить какое-либо кодирование информации, поступающей от облучаемой в данный момент части предмета, поскольку положение пучка полностью определяет облучаемую в данный момент часть предмета.Classical scanning is performed with a narrow beam, when the beam position fully characterizes the position of the part of the object being irradiated. In this case, it is not necessary to perform any coding of information coming from the part of the object being irradiated at the moment, since the position of the beam completely determines the part of the object being irradiated at the moment.

Чтобы повысить эффективность использования мощности источника проникающего излучения, можно расширить ширину пучка. Если сканировать предмет расширенным пучком, то это приведет к тому, что в единицу времени предмет будет облучаться большим количеством квантов. Однако результат сканирования будет изменен. Характер изменений будет характеризоваться сверткой искомого изображения (сканированного узконаправленным пучком) и распределения интенсивности излучения в сечении пучка. Тем не менее, если распределение интенсивности излучения в сечении пучка известно, то можно произвести обратную свертку и восстановить неискаженное искомое изображение.To increase the efficiency of using the power of a source of penetrating radiation, it is possible to expand the beam width. If you scan an object with an expanded beam, this will lead to the fact that in a unit time the object will be irradiated with a large number of quanta. However, the scan result will be changed. The nature of the changes will be characterized by the convolution of the desired image (scanned by a narrowly focused beam) and the distribution of the radiation intensity in the beam cross section. Nevertheless, if the distribution of the radiation intensity in the beam cross section is known, then it is possible to perform the reverse convolution and restore the undistorted desired image.

Далее, можно еще более обобщить данный подход, основанный на сканировании исследуемого предмета расширенным пучком, расширив пучок до размеров, равных исследуемому предмету, или больших. В этом случае предмет в единицу времени будет облучаться еще большим количеством квантов, однако характер изменений искомого изображения не изменится и будет характеризоваться также сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка. Следовательно, восстановить неизмененное искомое изображение можно путем проведения обратной свертки, если распределение интенсивности излучения в таком широком сканирующем пучке известно.Further, this approach can be further generalized, based on scanning an object under study with an expanded beam, expanding the beam to sizes equal to the object being studied, or larger. In this case, the object per unit time will be irradiated with even more quanta, however, the nature of the changes in the desired image will not change and will also be characterized by the convolution of the desired image and the distribution of the radiation intensity in the cross section of the scanning beam. Consequently, the unchanged desired image can be restored by performing reverse convolution if the distribution of the radiation intensity in such a wide scanning beam is known.

Однако использование такого подхода требует нулевых краевых условий, необходимых для проведения точного неискаженного восстановления искомого изображения предмета. Обеспечить на практике данные нулевые краевые условия можно путем помещения на пути сканирующего пучка непрозрачного экрана с отверстием заданной формы и размера, который будет позволять облучать только необходимую исследуемую область предмета, гарантируя, что за пределами этой области предмета нет облучения (нулевые краевые условия). При этом ширина сканирующего луча может быть значительно больше размеров самого отверстия в экране.However, the use of this approach requires zero boundary conditions necessary for accurate undistorted reconstruction of the desired image of the subject. In practice, these zero boundary conditions can be ensured by placing an opaque screen with a hole of a given shape and size on the path of the scanning beam, which will allow irradiating only the necessary area of the object under study, ensuring that there is no radiation outside this region of the subject (zero boundary conditions). In this case, the width of the scanning beam can be significantly larger than the size of the hole in the screen.

В этом случае восстановить неизмененное изображение также возможно, если заранее известно распределение интенсивности излучения в широком сканирующем пучке (большем исследуемой области), и это распределение неоднородно (неравномерно) по сечению пучка. Требование неоднородности по сечению пучка в данном случае очевидно, поскольку если оно не выполняется, то это приводит к эффекту простой засветки без всякого сканирования. Восстановление производится на основе операции обратной свертки.In this case, it is also possible to restore an unchanged image if the distribution of the radiation intensity in a wide scanning beam (larger than the studied area) is known in advance, and this distribution is inhomogeneous (uneven) over the beam cross section. The requirement of heterogeneity over the beam cross section in this case is obvious, because if it is not fulfilled, then this leads to the effect of simple illumination without any scanning. Recovery is based on the reverse convolution operation.

Далее, можно еще более обобщить данный подход, использовав такое облучение предмета широким пучком, которое будет приводить к результату, эквивалентному циклической свертке искомого изображения и неоднородного распределения интенсивности излучения в сечении пучка.Further, this approach can be further generalized by using such an irradiation of an object with a wide beam, which will lead to a result equivalent to the cyclic convolution of the desired image and the inhomogeneous distribution of the radiation intensity in the beam cross section.

Добиться этого можно, облучив предмет широким пучком с заданным неоднородным распределением интенсивности в его сечении, а затем изменять во времени распределение интенсивности в сечении пучка путем циклического сдвига распределения интенсивности в сечении пучка в направлении, соответствующем направлению сканирования.This can be achieved by irradiating an object with a wide beam with a given inhomogeneous intensity distribution in its cross section, and then changing the intensity distribution in the beam cross section in time by cyclic shift of the intensity distribution in the beam cross section in the direction corresponding to the scanning direction.

В этом случае результат сканирования будет характеризоваться изменениями, описываемыми циклической сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка. Следовательно, восстановить искомое изображение можно на основе обратной циклической свертки, зная распределение интенсивности в сечении сканирующего пучка.In this case, the scan result will be characterized by changes described by the cyclic convolution of the desired image and the distribution of the radiation intensity in the cross section of the scanning beam. Consequently, the desired image can be restored based on the inverse cyclic convolution, knowing the intensity distribution in the cross section of the scanning beam.

На этом подходе и основаны предлагаемые технические решения. Распределение интенсивности в сечении широкого сканирующего луча задают заранее, причем таким образом, чтобы в условиях шумов и ошибок измерения максимизировать точность конечного результата.The proposed technical solutions are based on this approach. The intensity distribution in the cross section of the wide scanning beam is set in advance, and in such a way as to maximize the accuracy of the final result under noise and measurement errors.

В предлагаемых технических решениях не присваивается каждому элементу предмета некий параметр (например, частота), на основе которого могло бы происходить разделение сигналов, идущих от различных частей предмета. Нет и предварительного разбиения предмета на части или эквивалентного ему облучения множеством лучей.In the proposed technical solutions, each parameter of the subject is not assigned a certain parameter (for example, frequency), on the basis of which the separation of signals coming from different parts of the subject could occur. There is no preliminary splitting of an object into parts or its equivalent exposure to multiple rays.

Предлагаемые технические решения достаточно просто реализуются как при использовании веерного луча, так и при использовании конического луча, и позволяют эффективно использовать мощность источника проникающего излучения.The proposed technical solutions are quite simply implemented both when using a fan beam and when using a conical beam, and allow you to effectively use the power of the source of penetrating radiation.

Реализовать данные технические решения можно, например, на основе неоднородного для проникающего излучения экрана (состоящего из циклически повторяющегося узора, каждый цикл которого не менее ширины облучающего луча), который движется в сечении луча. Если экран движется в направлении повторения узора, то измеряемый детектором сигнал будет являться результатом циклической свертки искомого изображения и заданного узора. Зная его, можно восстановить искомое изображение. В условиях шумов и ошибок измерения узор выбирается таким образом, чтобы максимизировать точность конечного результата.These technical solutions can be implemented, for example, on the basis of a screen inhomogeneous for penetrating radiation (consisting of a cyclically repeating pattern, each cycle of which is not less than the width of the irradiating beam), which moves in the beam section. If the screen moves in the direction of repetition of the pattern, then the signal measured by the detector will be the result of the cyclic convolution of the desired image and the given pattern. Knowing it, you can restore the desired image. Under conditions of noise and measurement errors, the pattern is selected in such a way as to maximize the accuracy of the final result.

Для одномерного случая (веерного пучка) узор должен повторяться вдоль одной координаты, для двумерного случая (конический пучок) узор должен повторяться по двум координатам.For the one-dimensional case (fan beam), the pattern should be repeated along one coordinate, for the two-dimensional case (conical beam), the pattern should be repeated in two coordinates.

Если узор можно представить в виде произведения двух узоров, независимых по каждой из координат, то операцию свертки можно выполнить независимо по каждой из координат путем перемещения каждого из узоров по своей координате. Восстановление производится последовательно на основе операции обратной свертки вначале для одной координаты, а затем для другой. Такие действия позволяют сократить потребное количество вычислений и упростить устройство.If the pattern can be represented as the product of two patterns that are independent in each of the coordinates, then the convolution operation can be performed independently in each of the coordinates by moving each of the patterns in its own coordinate. Recovery is performed sequentially based on the reverse convolution operation, first for one coordinate and then for another. Such actions can reduce the required number of calculations and simplify the device.

Однако данный подход по повышению эффективности использования источника проникающего излучения также не является единственно возможным. Можно расширить классическое сканирование на основе известного преобразования Радона [6]. Суть такого расширения классического сканирования состоит в следующем.However, this approach to improving the efficiency of using a source of penetrating radiation is also not the only possible one. Classical scanning can be extended based on the well-known Radon transform [6]. The essence of this extension of the classic scan is as follows.

Предположим, что мы хотим увеличить эффективность использования источника проникающего излучения путем расширения узконаправленного сканирующего пучка. Однако расширим пучок только в одном направлении (до веерного), причем до такой ширины, что он станет шире исследуемого предмета. Регистрируемый детектором сигнал в этом случае будет представлять интеграл вдоль засвеченного направления [6].Suppose we want to increase the efficiency of using a source of penetrating radiation by expanding a narrowly focused scanning beam. However, we expand the beam in only one direction (to the fan), and to such a width that it becomes wider than the subject under study. The signal registered by the detector in this case will represent the integral along the illuminated direction [6].

Далее будем производить сканирование этим пучком, получая значения интегралов вдоль засвечиваемых направлений, причем направление сканирования будем держать перпендикулярно плоскости пучка.Next, we will scan with this beam, getting the values of the integrals along the illuminated directions, and we will keep the scanning direction perpendicular to the plane of the beam.

Произведем сканирование в одном направлении в поле изображения предмета, затем повернем пучок (или предмет) и произведем сканирование в другом направлении, затем в третьем, и так далее, пока не получим полное сканирование на 180 градусов. Имея полный набор данных, можно восстановить изображение исследуемого предмета с высоким пространственным разрешением [6].We will scan in one direction in the image field of the object, then turn the beam (or object) and scan in the other direction, then in the third, and so on, until we get a full scan of 180 degrees. Having a complete set of data, you can restore the image of the studied subject with high spatial resolution [6].

Такая процедура широко используется в компьютерной томографии, а математически описывается на основе прямого и обратного преобразований Радона [6]. Описанный вариант в томографии соответствует так называемой "параллельной геометрии", однако траекторию движения пучка можно выбрать такой, что это как бы приведет к фиксации одного края пучка за пределами объекта и повороту этого пучка вокруг этой точки. Полученные таким образом данные будут в так называемой "веерной геометрии" [6], для которой также разработаны алгоритмы восстановления искомого изображения [6]. Полным сканированием для "веерной геометрии" является сканирование на 360 градусов. Приводимые термины "параллельная" и "веерная" относятся к компьютерной томографии [6], где они являются устоявшимися.Such a procedure is widely used in computed tomography, and mathematically described on the basis of direct and inverse Radon transforms [6]. The described variant in tomography corresponds to the so-called "parallel geometry", however, the path of the beam can be chosen so that it would lead to the fixation of one edge of the beam outside the object and the rotation of this beam around this point. The data thus obtained will be in the so-called "fan geometry" [6], for which algorithms for reconstructing the desired image [6] have also been developed. Full scan for "fan geometry" is a 360 degree scan. The terms “parallel” and “fan” refer to computed tomography [6], where they are well-established.

Следовательно, и в данном случае, модифицируя классическое сканирование за счет изменения размеров пучка и траектории сканирования, можно получить неискаженное изображение исследуемого предмета и повысить эффективность использования источника излучения.Therefore, in this case, modifying the classical scan by changing the size of the beam and the scanning path, you can get an undistorted image of the studied object and increase the efficiency of use of the radiation source.

Однако в этом случае используется только часть конического пучка источника проникающего излучения, сколлимированного до плоского веерного. Хотелось бы использовать полностью конический пучок. Решить эту задачу можно, объединив первый и второй подходы, то есть использовать свертку и преобразование Радона одновременно. В случае объединения сканирование следует производить, как в преобразовании Радона (параллельной или веерной геометрии), но вместо плоского пучка следует использовать пучок, расширенный в направлении сканирования. Причем распределение интенсивности в пучке в направлении расширения следует организовать, как для одномерного варианта свертки. В этом случае после окончания сканирования, перед тем как производить обратное преобразование Радона, следует выполнить операцию обратной свертки на основе знания информации о заданном распределении интенсивности излучения в указанном направлении.However, in this case, only a part of the conical beam of the source of penetrating radiation collimated to a flat fan is used. I would like to use a fully conical beam. This problem can be solved by combining the first and second approaches, that is, use the convolution and the Radon transform at the same time. In the case of combining, scanning should be performed as in the Radon transform (parallel or fan geometry), but instead of a flat beam, a beam expanded in the scanning direction should be used. Moreover, the intensity distribution in the beam in the direction of expansion should be organized, as for a one-dimensional version of convolution. In this case, after the scan is completed, before performing the inverse Radon transform, the reverse convolution operation should be performed on the basis of knowledge of information about a given distribution of radiation intensity in the indicated direction.

Если использовать достаточно большое расширение пучка в направлении сканирования, то можно получить полное использование конического луча. При этом восстановить требуемое разрешение в направлении расширения пучка можно на основе операции обратной свертки.If you use a sufficiently large beam expansion in the scanning direction, then you can get the full use of the conical beam. In this case, the required resolution in the direction of beam expansion can be restored on the basis of the reverse convolution operation.

Таким образом, модифицируя различными путями классическое сканирование, основанное на использовании узкоколлимированного пучка, можно повысить эффективность использования источника проникающего излучения, не используя кодирующего подхода на основе присвоения частям предмета некого параметра (например, частоты).Thus, by modifying the classical scanning based on the use of a narrowly collimated beam in various ways, it is possible to increase the efficiency of using a penetrating radiation source without using a coding approach based on assigning a certain parameter (for example, frequency) to parts of an object.

Как следует из сказанного выше, принципиальная особенность предлагаемых изобретений состоит в том, чтобы использовать широкий луч при исследовании предмета, а не узкоколлимированный луч, и в то же время получить высокое пространственное разрешение и высокое отношение сигнал/шум в результирующем изображении. Регистрируемый детектором сигнал С(х,у) от предмета в этом случае является результатом свертки искомого изображения исследуемого предмета I(х,у) и функции распределения интенсивности излучения в сечении луча Н(х,у).As follows from the above, the fundamental feature of the proposed inventions is to use a wide beam in the study of the subject, rather than a narrowly collimated beam, and at the same time to obtain high spatial resolution and a high signal to noise ratio in the resulting image. The signal C (x, y) recorded by the detector from the object in this case is the result of the convolution of the desired image of the studied object I (x, y) and the radiation intensity distribution function in the beam cross section H (x, y).

Для веерного пучка, то есть одномерного случая, это соответствуетFor a fan beam, that is, a one-dimensional case, this corresponds to

Figure 00000002
Figure 00000002

где s - переменная интегрирования;where s is the integration variable;

I(x) - искомое изображение исследуемого предмета (то есть изображение, сканированное игольчатым бесконечно узким пучком);I (x) - the desired image of the studied subject (that is, the image scanned by a needle with an infinitely narrow beam);

Н(х) - распределение интенсивности излучения в сечении веерного пучка (т.е. распределение интенсивности в облучающем предмет "пятне");H (x) is the distribution of the radiation intensity in the cross section of the fan beam (ie, the intensity distribution in the "spot" irradiating the object);

С(х) - регистрируемый детектором сигнал.C (x) is the signal recorded by the detector.

При этом, с учетом того, что пучок движется (сканирует)Moreover, taking into account the fact that the beam moves (scans)

Figure 00000003
Figure 00000003

где V - скорость сканирования;where V is the scanning speed;

t - время сканирования;t is the scan time;

регистрируемый детектором сигнал является функцией времени t.the signal recorded by the detector is a function of time t.

Для конического пучка, то есть двумерного случая,For a conical beam, that is, a two-dimensional case,

Figure 00000004
Figure 00000004

где η - переменная интегрирования;where η is the integration variable;

I(x,y) - искомое изображение исследуемого предмета;I (x, y) - the desired image of the studied subject;

Н(х,у) - распределение интенсивности излучения в сечении конического пучка;H (x, y) is the distribution of the radiation intensity in the section of the conical beam;

С(х,у) - регистрируемый детектором сигнал.C (x, y) is the signal recorded by the detector.

Последующее выполнение над регистрируемым детектором сигналом операции обратной свертки (деконволюции) позволяет восстановить неискаженное искомое изображение исследуемого предмета.Subsequent execution of the reverse convolution (deconvolution) operation on the signal recorded by the detector allows you to restore the undistorted desired image of the object under study.

Для одномерного случаяFor the one-dimensional case

Figure 00000005
Figure 00000005

где H-1(х) - восстанавливающая функция для Н(х).where H -1 (x) is the restoring function for H (x).

Для двумерного случаяFor the two-dimensional case

Figure 00000006
Figure 00000006

где H-1(x,y) - восстанавливающая функция для Н(х,у).where H -1 (x, y) is the restoring function for H (x, y).

Если функцию Н(х,у) распределения интенсивности излучения в сечении пучка для двумерного случая можно записать в виде произведения двух функций H1(х) и Н2(у) по каждой из координат:If the function H (x, y) of the distribution of the radiation intensity in the beam section for the two-dimensional case can be written as the product of two functions H 1 (x) and H 2 (y) along each of the coordinates:

Figure 00000007
Figure 00000007

то операции конволюции и деконволюции можно осуществлять раздельно по каждой из координат:then the operations of convolution and deconvolution can be carried out separately for each of the coordinates:

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

что упрощает реализацию, так как позволяет вести операции раздельно по каждой из координат.which simplifies the implementation, as it allows you to conduct operations separately for each of the coordinates.

Если функция Н(х} или Н(х,у) - дельта-функция, что соответствует сканированию предмета остронаправленным пучком, то восстановление не требуется, так как регистрируемый детектором сигнал в точности соответствует изображению исследуемого предмета.If the function H (x} or H (x, y) is a delta function, which corresponds to scanning an object with a highly directed beam, then restoration is not required, since the signal recorded by the detector exactly corresponds to the image of the studied object.

Если функция Н(х} или Н{х,у) - константа, что соответствует полному отсутствию сканирования и засветке предмета просто широким однородным пучком, то восстановление вообще невозможно.If the function H (x} or H {x, y) is a constant, which corresponds to the complete absence of scanning and the illumination of the object simply by a wide uniform beam, then restoration is generally impossible.

Таким образом, фундаментальным требованием к функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка является требование отличия функции от константы. Если это требование выполняется, то возможно провести прямое и обратное преобразование с той или иной степенью достоверности. С математической точки зрения данная задача принадлежит к так называемому классу некорректных обратных задач, решение которых разработано академиком А.Н.Тихоновым [4] и основано на регуляризации. Суть данных решений, основанных на регуляризации, проще всего изложить с использованием частотного подхода.Thus, the fundamental requirement for the distribution function of the radiation intensity in the beam cross section is the requirement that the function differs from the constant. If this requirement is met, then it is possible to carry out a direct and inverse transformation with varying degrees of certainty. From a mathematical point of view, this problem belongs to the so-called class of incorrect inverse problems, the solution of which was developed by academician A.N. Tikhonov [4] and is based on regularization. The essence of these decisions based on regularization is most easily stated using the frequency approach.

Если F[C(x,y)] - Фурье-образ регистрируемого сигнала, a F[H(x,y)] - Фурье-образ распределения интенсивности в сечении сканирующего луча, то Фурье-образ искомого изображения F[I(x,y)] исследуемого предмета равенIf F [C (x, y)] is the Fourier transform of the recorded signal, and F [H (x, y)] is the Fourier transform of the intensity distribution in the section of the scanning beam, then the Fourier transform of the desired image is F [I (x, y)] of the investigated subject is equal

Figure 00000010
Figure 00000010

где α - коэффициент регуляризации.where α is the regularization coefficient.

Само изображение равноThe image itself is equal

Figure 00000011
Figure 00000011

где F-1[... ] - оператор обратного частотного преобразования.where F -1 [...] is the inverse frequency conversion operator.

То есть Фурье-образ восстанавливающей функции F[H-1(x,y)] равен:That is, the Fourier transform of the recovery function F [H -1 (x, y)] is equal to:

Figure 00000012
Figure 00000012

а сама восстанавливающая функция равнаand the recovery function itself is equal to

Figure 00000013
Figure 00000013

Следовательно, суть коэффициента регуляризации а состоит в “защите” от деления на малые величины. Его конкретное значение выбирают в зависимости от характера функции F[H(x,y)].Consequently, the essence of the coefficient of regularization a consists in “protection” from dividing by small quantities. Its specific value is selected depending on the nature of the function F [H (x, y)].

Для одномерного случая (веерного пучка) соотношения аналогичны.For the one-dimensional case (fan beam), the relations are similar.

Приведенное описание сути регуляризации является частным и за более детальным объяснением следует обратиться к [4].The above description of the essence of regularization is a particular one and for a more detailed explanation, refer to [4].

При практической реализации с использованием цифровой вычислительной техники регистрируемый детектором сигнал дискретизируют во времени. Непрерывное интегрирование преобразуется в суммирование дискретизированных величин.In a practical implementation using digital computer technology, the signal recorded by the detector is sampled in time. Continuous integration is converted to a summation of discretized quantities.

Для веерного пучка (одномерного случая) регистрируемый детектором сигнал равенFor a fan beam (one-dimensional case), the signal recorded by the detector is

Figure 00000014
Figure 00000014

а искомое дискретное изображение равноand the desired discrete image is equal to

Figure 00000015
Figure 00000015

Для конического пучка (двумерного случая) регистрируемый детектором сигнал равенFor a conical beam (two-dimensional case), the signal recorded by the detector is

Figure 00000016
Figure 00000016

а искомое дискретное изображение равноand the desired discrete image is equal to

Figure 00000017
Figure 00000017

где N и М - определяются реальной длиной массивов Н(... ), I(... ) и С(... )where N and M are determined by the real length of the arrays H (...), I (...) and C (...)

Для функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка, представляющей произведение двух функций,For the distribution function of the radiation intensity in the beam section, which is the product of two functions,

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

что позволяет снизить количество производимых вычислений.which reduces the number of calculations.

При этом нахождение дискретных восстанавливающих функций Н-1(... ) возможно обеспечить на основе знания дискретных распределений интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка H(... ) и регуляризирующего подхода, описанного ранее [4], совместно с дискретным преобразованием Фурье.In this case, the discrete recovery functions H -1 (...) can be found based on the knowledge of the discrete distributions of the radiation intensity in the cross section of the scanning beam H (...) and the regularization approach described earlier [4], together with the discrete Fourier transform.

Однако, кроме использования апериодической свертки, возможно использование циклической свертки. В этом случае данные можно представить расположенными циклически с периодом повторения М для одномерного случая или с периодами повторения N и М для двумерного случая.However, in addition to using aperiodic convolution, it is possible to use cyclic convolution. In this case, the data can be presented arranged cyclically with a repetition period M for a one-dimensional case or with repetition periods N and M for a two-dimensional case.

В случае использования циклической свертки соотношения приобретают несколько иной вид.In the case of using cyclic convolution, the relations take on a slightly different form.

Для веерного пучка (одномерного случая)For a fan beam (one-dimensional case)

Figure 00000020
Figure 00000020

Figure 00000021
Figure 00000021

Для конического пучка (двумерного случая)For a conical beam (two-dimensional case)

Figure 00000022
Figure 00000022

Figure 00000023
Figure 00000023

Для функции распределения интенсивности излучения в сечении пучка, представляющей произведение двух функций,For the distribution function of the radiation intensity in the beam section, which is the product of two functions,

Figure 00000024
Figure 00000024

Figure 00000025
Figure 00000025

что позволяет снизить количество производимых вычислений.which reduces the number of calculations.

В приведенных выше соотношениях mod[... ,N] или mod[... ,M] означают вычисление значения по модулю N или М от указанной величины.In the above relations, mod [..., N] or mod [..., M] means the calculation of the value modulo N or M of the specified value.

При этом и для того, и для другого случая (одномерного или двумерного, апериодической или циклической свертки), чем с большей частотой произведена дискретизация измеряемого детектором сигнала, тем большее пространственное разрешение будет иметь изображение исследуемого предмета.In this case, for both cases (one-dimensional or two-dimensional, aperiodic or cyclic convolution), the higher the sampling rate of the signal measured by the detector, the greater the spatial resolution of the image of the object under study.

То есть при данном подходе, как и при классическом сканировании, пространственное разрешение (в первом приближении) определяется частотой дискретизации измеряемого детектором сигнала. Если функция распределения интенсивности излучения в сечении пучка известна, то для получения изображения более высокого разрешения требуется всего лишь увеличить частоту дискретизации сигнала без изменения распределения интенсивности излучения в сечении пучка.That is, with this approach, as with classical scanning, the spatial resolution (to a first approximation) is determined by the sampling frequency of the signal measured by the detector. If the distribution function of the radiation intensity in the beam cross section is known, then to obtain a higher resolution image, you just need to increase the sampling frequency of the signal without changing the distribution of the radiation intensity in the beam cross section.

В условиях наличия шумов, что соответствует реальной практической ситуации, выбор произвольной функции свертки (произвольного распределения интенсивности излучения в сечении пучка), не будет практичным вариантом решения задачи. Более практичным вариантом будет выбор такой функции свертки, которая для заданной частоты дискретизации максимизирует по какому-либо критерию отношение сигнал/шум в изображении исследуемого предмета, например, по критерию максимума отношения сигнал/шум для каждого отдельного элемента изображения. В этом случае решение задачи в дискретной форме известно на основе использования массивов, имеющих плоские боковые лепестки в циклических автокорреляционных функциях, так называемых URA массивов [5]. Эти массивы построены на основе использования функций Уолша, то есть на основе 0 и 1. Для этих массивов известны восстанавливающие функции Н-1(... ) [5], которые будут состоять из -1 и +1. Кроме того, известно, что максимальное отношение сигнал/шум в каждом отдельном элементе восстановленного изображения достигается для массивов URA, обладающих эффективной прозрачностью по отношению к проникающему излучению 50% (то есть число единиц равно 50% от общей длины массива). Следовательно, эффективно может быть использовано до 50% мощности воздействующего проникающего излучения. Использование массивов URA с другим коэффициентом прозрачности (большим или меньшим 50%) не нарушает работоспособности, но понижает отношение сигнал/шум в результирующем изображении.In the presence of noise, which corresponds to a real practical situation, the choice of an arbitrary convolution function (an arbitrary distribution of the radiation intensity in the beam cross section) will not be a practical solution to the problem. A more practical option would be to choose a convolution function that, for a given sampling frequency, maximizes the signal-to-noise ratio in the image of the object under study by some criterion, for example, by the criterion of the maximum signal-to-noise ratio for each individual image element. In this case, the solution of the problem in discrete form is known based on the use of arrays having flat side lobes in cyclic autocorrelation functions, the so-called URA arrays [5]. These arrays are based on the use of Walsh functions, that is, on the basis of 0 and 1. For these arrays, the restoring functions H -1 (...) [5] are known, which will consist of -1 and +1. In addition, it is known that the maximum signal-to-noise ratio in each individual element of the reconstructed image is achieved for URA arrays having an effective transparency with respect to penetrating radiation of 50% (i.e., the number of units is equal to 50% of the total array length). Therefore, up to 50% of the power of the penetrating radiation can be effectively used. Using URA arrays with a different transparency coefficient (greater than or less than 50%) does not interfere with operability, but lowers the signal-to-noise ratio in the resulting image.

Изготавливать неоднородные экраны на основе массивов URA также очень просто, поскольку это сводится к проделыванию отверстий в экране.Making heterogeneous screens based on URA arrays is also very simple, since it comes down to making holes in the screen.

Использование других критериев оптимизации может привести к использованию других функций свертки, но не изменит метод решения задачи.Using other optimization criteria may lead to the use of other convolution functions, but will not change the method of solving the problem.

Таким образом, глобальный вывод, который следует из предложенного рассмотрения, состоит в том, что при надлежащем выборе функции свертки (распределении интенсивности излучения в сечении пучка) можно не только получить высокое пространственное разрешение, но и эффективно использовать мощность источника проникающего излучения.Thus, the global conclusion that follows from the proposed consideration is that with the proper choice of the convolution function (distribution of the radiation intensity in the beam cross section), it is possible not only to obtain high spatial resolution, but also to efficiently use the power of the penetrating radiation source.

В то же время, если не рассматривать задачу максимально полного использования мощности источника проникающего излучения, то в качестве функции свертки (распределения интенсивности излучения в сечении пучка) даже в условиях шумов можно использовать практически любую функцию. При этом конечное разрешение в результирующем изображении будет определяться только частотой дискретизации измеряемых данных, а вид функции свертки будет влиять на отношение сигнал/шум в искомом изображении. В этом случае задачу восстановления изображения можно решать на основе дискретных вариантов указанных ранее методов регуляризации, предложенных академиком А.Н.Тихоновым [4] (во временной или частотной области).At the same time, if we do not consider the problem of maximally utilizing the power of the source of penetrating radiation, then practically any function can be used as a convolution function (distribution of the radiation intensity in the beam cross section) even under noise conditions. In this case, the final resolution in the resulting image will be determined only by the sampling frequency of the measured data, and the form of the convolution function will affect the signal-to-noise ratio in the desired image. In this case, the image restoration problem can be solved on the basis of discrete versions of the previously mentioned regularization methods proposed by academician A.N. Tikhonov [4] (in the time or frequency domain).

Таким образом, из сказанного становится ясным, что предлагаемые технические решения отличаются от известных из заявки на изобретение [3], где каждому элементу изображения присваивается некий параметр, например частота.Thus, from what has been said, it becomes clear that the proposed technical solutions differ from those known from the application for the invention [3], where each image element is assigned a certain parameter, for example, frequency.

В то же время для двумерного случая предлагаемый подход можно несколько обобщить и вместо свертки (или совместно со сверткой) использовать прямое преобразование Радона [6], а при восстановлении изображения - обратное преобразование Радона [6].At the same time, for the two-dimensional case, the proposed approach can be generalized somewhat and instead of convolution (or together with convolution), use the direct Radon transform [6], and when reconstructing the image, use the inverse Radon transform [6].

Данное преобразование широко используется в трансаксиальной компьютерной томографии и сводится к получению набора проекций исследуемого сечения под различными углами:This transformation is widely used in transaxial computed tomography and is reduced to obtaining a set of projections of the studied section at different angles:

Figure 00000026
Figure 00000026

где оси х’ и у’ задаются поворотом на угол в против часовой стрелкиwhere the x ’and y’ axes are set by turning it counterclockwise

Figure 00000027
Figure 00000027

Последующее восстановление изображения исследуемого сечения на основе измеренного набора проекций, то есть получение обратного R-1 преобразования Радона [6], в операторном виде может быть записано какSubsequent restoration of the image of the studied section on the basis of the measured set of projections, that is, obtaining the inverse R -1 Radon transform [6], in the operator form can be written as

Figure 00000028
Figure 00000028

где Dy - оператор частной производной по первой переменной;where D y is the partial derivative operator with respect to the first variable;

Ну - оператор преобразования Гильберта;H y is the Hilbert transform operator;

В - оператор обратного проецирования.B is the back projection operator.

За более детальным описанием прямого и обратного преобразования Радона следует обратиться к указанному ранее источнику [6]. Там же можно найти несколько дискретных вариантов реализации обратного преобразования Радона для веерной и параллельной геометрии, называемых обычно алгоритмами реконструкции [6] и используемых в цифровых вычислительных машинах.For a more detailed description of the direct and inverse Radon transforms, one should turn to the source indicated earlier [6]. There you can find several discrete options for the implementation of the inverse Radon transform for fan and parallel geometry, usually called reconstruction algorithms [6] and used in digital computers.

В предлагаемых технических решениях это преобразование используется для повышения эффективности использования источника проникающего излучения и на основе этого - для ускорения процессов сканирования. Повышение эффективности достигается за счет использования широкого сканирующего луча, реализующего взятие интеграла вдоль заданного направления в преобразовании Радона. Таким образом, в единицу времени объект облучается большим количеством квантов, чем при сканировании узким лучом.In the proposed technical solutions, this transformation is used to increase the efficiency of using the source of penetrating radiation and, on the basis of this, to accelerate scanning processes. The increase in efficiency is achieved through the use of a wide scanning beam, which realizes taking the integral along a given direction in the Radon transform. Thus, per unit time, an object is irradiated with more quanta than when scanning with a narrow beam.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, on which:

на фиг.1 - трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого конического луча и циклической свертки;figure 1 - transformation of classical scanning to scanning using a wide conical beam and cyclic convolution;

на фиг.2 - неоднородный экран, состоящий из четырех повторяющихся частей, предназначенный для выполнения двумерной циклической свертки;figure 2 - heterogeneous screen, consisting of four repeating parts, designed to perform two-dimensional cyclic convolution;

на фиг.3 - разделение неоднородного экрана на две части для выполнения двумерной циклической свертки независимо по двум координатам;figure 3 - separation of the inhomogeneous screen into two parts to perform two-dimensional cyclic convolution independently in two coordinates;

на фиг.4 - трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого плоского луча и преобразования Радона;figure 4 - transformation of the classical scan to scan using a wide flat beam and the Radon transform;

на фиг.5 - система для сканирования веерным пучком;figure 5 - system for scanning with a fan beam;

на фиг.6 - система для сканирования коническим пучком;figure 6 - system for scanning a conical beam;

на фиг.7 - двумерное сканирование на основе одномерной циклической свертки с использованием барабана, вращающегося в одном направлении;7 is a two-dimensional scan based on a one-dimensional cyclic convolution using a drum rotating in one direction;

на фиг.8 - сканирование на основе выполнения двумерной циклической свертки путем перемещения неоднородного экрана;on Fig - scanning based on the implementation of two-dimensional cyclic convolution by moving a non-uniform screen;

на фиг.9 - сканирование на основе двумерной циклической свертки с использованием одного барабана, движущегося в двух направлениях;figure 9 is a scan based on a two-dimensional cyclic convolution using a single drum moving in two directions;

на фиг.10 - сканирование на основе двумерной циклической свертки с использованием одной сферы, движущейся в двух направлениях;figure 10 is a scan based on a two-dimensional cyclic convolution using one sphere moving in two directions;

на фиг.11 - сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии";figure 11 is a scan based on the Radon transform for "parallel geometry";

на фиг.12 - сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии" и одномерной циклической свертки;on Fig - scan based on the Radon transform for "parallel geometry" and one-dimensional cyclic convolution;

на фиг.13 - сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии";on Fig - scan based on the Radon transform for "fan geometry";

на фиг.14 - сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии" и одномерной циклической свертки;on Fig - scan based on the Radon transform for "fan geometry" and one-dimensional cyclic convolution;

на фиг.15 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам путем перемещения двух экранов;on Fig - scanning based on a two-dimensional cyclic convolution independently in two coordinates by moving two screens;

на фиг.16 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием барабана;on Fig - scanning based on a two-dimensional cyclic convolution independently in two coordinates using a drum;

на фиг.17 - сканирование на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием двух барабанов;on Fig - scanning based on a two-dimensional cyclic convolution independently in two coordinates using two reels;

на фиг.18 - другой вариант сканирования на основе двумерной циклической свертки независимо по двум координатам с использованием двух барабанов;on Fig is another scan option based on a two-dimensional cyclic convolution independently in two coordinates using two drums;

на фиг.19 - результаты моделирования.on Fig - simulation results.

Трансформация классического сканирования к сканированию с использованием широкого конического луча и циклической свертки показана на фиг.1.The transformation of classical scanning to scanning using a wide conical beam and cyclic convolution is shown in figure 1.

На фиг.1А представлено классическое сканирование с использованием узкоколлимированного луча проникающего излучения. Сформированный узколлимированный луч 9а от источника 7а совершает двухкоординатное перемещение (например, построчное), сканируя объект 6.On figa presents a classic scan using a narrowly collimated beam of penetrating radiation. The formed narrow-collimated beam 9a from the source 7a performs two-coordinate movement (for example, line-by-line), scanning the object 6.

Классическое сканирование производится узконаправленным пучком, когда положение пучка полностью характеризует положение облучаемой в данный момент части предмета. При этом не нужно производить какое-либо кодирование информации, поступающей от облучаемой в данный момент части предмета, поскольку положение пучка полностью определяет облучаемую в данный момент часть предмета.Classical scanning is performed with a narrow beam, when the beam position fully characterizes the position of the part of the object being irradiated. In this case, it is not necessary to perform any coding of information coming from the part of the object being irradiated at the moment, since the position of the beam completely determines the part of the object being irradiated at the moment.

Узкоколлимированный луч 7а формируется обычно за счет коллимирования более широкого луча, испускаемого источником проникающего излучения. При этом значительная часть мощности первоначального пучка теряется.A narrowly collimated beam 7a is usually formed by collimating a wider beam emitted by a source of penetrating radiation. In this case, a significant part of the initial beam power is lost.

Чтобы повысить эффективность использования мощности источника проникающего излучения, можно расширить ширину пучка - см. фиг.1В, где 7b обозначен источник, формирующий расширенный луч 9b.In order to increase the efficiency of using the power of the penetrating radiation source, it is possible to expand the beam width — see FIG. 1B, where 7b denotes the source forming the expanded beam 9b.

Если сканировать предмет расширенным пучком 9b вдоль той же траектории, что и на фиг.1А, то это приведет к тому, что в единицу времени предмет будет облучаться большим количеством квантов. Однако результат сканирования будет изменен. Характер изменений будет характеризоваться сверткой искомого изображения (сканированного узконаправленным пучком) и распределения интенсивности излучения в сечении пучка 9b. Тем не менее, если распределение интенсивности излучения в сечении пучка 9b известно, то можно произвести обратную свертку и восстановить неискаженное искомое изображение.If you scan an object with an expanded beam 9b along the same trajectory as in figa, this will lead to the fact that in a unit time the object will be irradiated with a large number of quanta. However, the scan result will be changed. The nature of the changes will be characterized by the convolution of the desired image (scanned by a narrow beam) and the distribution of the radiation intensity in the beam section 9b. Nevertheless, if the distribution of the radiation intensity in the section of the beam 9b is known, then it is possible to perform the reverse convolution and restore the undistorted desired image.

Далее, можно еще более обобщить данный подход, основанный на классическом сканировании исследуемого предмета расширенным пучком, расширив пучок до размеров, равных или больших исследуемому предмету - см. фиг.1С, где 7с обозначен источник проникающего излучения, формирующий очень широкий пучок 9с (то есть практически без дополнительной коллимации первоначального излучения). Если провести сканирование таким пучком 9с вдоль той же траектории, что и на фиг.1А, то предмет в единицу времени будет облучаться еще большим количеством квантов. Результат сканирования будет отличен от фиг.1В. Однако характер изменений искомого изображения не изменится, и будет характеризоваться также сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении очень широкого сканирующего пучка 9с. Следовательно, восстановить неизмененное искомое изображение можно путем проведения обратной свертки, если распределение интенсивности излучения в таком очень широком сканирующем пучке известно.Further, this approach can be further generalized, based on the classical scanning of an investigated object with an expanded beam, expanding the beam to sizes equal to or larger than the studied object - see Fig. 1C, where 7c denotes a source of penetrating radiation that forms a very wide beam 9c (i.e. practically without additional collimation of the initial radiation). If you scan with such a beam 9c along the same trajectory as in figa, the object per unit time will be irradiated with even more quanta. The scan result will be different from FIG. However, the nature of the changes in the desired image will not change, and will also be characterized by the convolution of the desired image and the radiation intensity distribution in the cross section of a very wide scanning beam 9c. Consequently, the unchanged desired image can be restored by performing reverse convolution if the distribution of the radiation intensity in such a very wide scanning beam is known.

Однако использование такого подхода требует нулевых краевых условий [4], необходимых для проведения точного неискаженного восстановления искомого изображения предмета. Обеспечить на практике данные нулевые краевые условия можно (см. фиг.1D) путем помещения на пути сканирующего пучка 9d непрозрачного экрана с отверстием заданной формы и размера 8, который будет позволять облучать только необходимую исследуемую область предмета 6, гарантируя, что за пределами этой области предмета нет облучения (нулевые краевые условия). При этом ширина сканирующего луча 9d может быть значительно больше размеров самого отверстия в экране и формируемого им излучения 10d.However, the use of this approach requires zero boundary conditions [4], which are necessary for carrying out an accurate undistorted restoration of the desired image of the object. In practice, these zero boundary conditions can be ensured (see FIG. 1D) by placing an opaque screen with an opening of a given shape and size 8 on the path of the scanning beam 9d, which will allow irradiating only the necessary studied region of object 6, ensuring that outside this region subject no exposure (zero boundary conditions). Moreover, the width of the scanning beam 9d can be significantly larger than the size of the hole in the screen and the radiation 10d generated by it.

Сканирование следует производить вдоль той же траектории, что и на фиг.1С. Результат сканирования будет отличен от фиг.1С. Характер изменений по-прежнему будет характеризоваться сверткой искомого изображения и распределения излучения в сечении пучка 9d.Scanning should be done along the same path as in figs. The scan result will be different from FIG. The nature of the changes will continue to be characterized by the convolution of the desired image and the radiation distribution in the beam section 9d.

Восстановить неизмененное изображение также возможно, если заранее известно распределение интенсивности излучения в широком сканирующем пучке 9d (большем исследуемой области), и это распределение неоднородно (неравномерно) по сечению пучка. Требование неоднородности по сечению пучка в данном случае очевидно, поскольку если это не выполняется, то это приводит к эффекту простой засветки без всякого сканирования. Восстановление производится на основе операции обратной свертки [4].It is also possible to restore an unchanged image if the distribution of the radiation intensity in a wide scanning beam 9d (larger than the studied area) is known in advance, and this distribution is inhomogeneous (uneven) over the beam cross section. The requirement of inhomogeneity over the beam cross section in this case is obvious, because if this is not fulfilled, then this leads to the effect of simple illumination without any scanning. Recovery is based on the reverse convolution operation [4].

Однако использовать сканирование очень широким пучком неэффективно, поскольку только небольшая его часть взаимодействует с объектом. Хотелось бы, чтобы весь широкий пучок постоянно взаимодействовал с объектом.However, to use scanning with a very wide beam is inefficient, since only a small part of it interacts with the object. I would like the whole wide beam to constantly interact with the object.

Для этого можно еще более обобщить данный подход, использовав такое облучение предмета 6 или его заданной части (см. фиг.1Е) широким пучком 10е, сформированным коллиматором 8, которое будет приводить к результату, эквивалентному циклической свертке искомого изображения или его заданной части и неоднородного распределения интенсивности излучения в сечении пучка 10е. При этом неоднородное распределение интенсивности в его сечении можно сформировать экраном 5, поставленным на пути распространения пучка 10е и содержащим циклически повторяющуюся по двум координатам неоднородность в виде участков 1, 2, 3 и 4 (см. фиг.2). При этом размеры неоднородности 1 должны быть не менее ширины пучка 10е. Сканирование при этом следует осуществлять вдоль той же траектории, что и на фиг.1D, путем перемещения во времени экрана 5 вдоль этой траектории.To this end, this approach can be further generalized using such irradiation of the subject 6 or its predetermined part (see FIG. 1E) with a wide beam 10e formed by the collimator 8, which will lead to a result equivalent to the cyclic convolution of the desired image or its predetermined part and heterogeneous distribution of radiation intensity in the beam cross section 10e. In this case, an inhomogeneous intensity distribution in its cross section can be formed by a screen 5 placed on the beam propagation path 10e and containing an inhomogeneity cyclically repeated along two coordinates in the form of sections 1, 2, 3, and 4 (see Fig. 2). In this case, the dimensions of the inhomogeneity 1 must be not less than the beam width 10e. Scanning should be carried out along the same path as in fig.1D, by moving in time the screen 5 along this path.

В этом случае результат сканирования будет характеризоваться изменениями, описываемыми циклической сверткой искомого изображения и распределения интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка (в соответствии с неоднородностью 1 экрана 5). Зная распределение интенсивности излучения в сечении сканирующего пучка 10е (зная распределение неоднородности участка 1 экрана 5), можно восстановить искомое изображение на основе обратной циклической свертки.In this case, the scan result will be characterized by the changes described by the cyclic convolution of the desired image and the distribution of the radiation intensity in the cross section of the scanning beam (in accordance with the inhomogeneity 1 of screen 5). Knowing the distribution of the radiation intensity in the section of the scanning beam 10e (knowing the distribution of the inhomogeneity of the portion 1 of the screen 5), it is possible to reconstruct the desired image based on the inverse cyclic convolution.

На этом подходе и основаны предлагаемые технические решения, при этом распределение интенсивности в сечении широкого сканирующего луча (распределение неоднородности 1 экрана 5) задают заранее, причем таким образом, чтобы в условиях шумов и ошибок измерения максимизировать точность конечного результата.The proposed technical solutions are based on this approach, with the intensity distribution in the cross section of the wide scanning beam (distribution of the inhomogeneity of 1 screen 5) set in advance, so that in the conditions of noise and measurement errors, maximize the accuracy of the final result.

Если распределение неоднородности 1 экрана 5 можно представить в виде произведения неоднородностей по каждой из координат раздельно, то экран 5 можно разбить на два экрана 5а и 5b (см. фиг.3), содержащих циклически повторяющиеся неоднородности 1а и 1b по каждой из координат. В этом случае вместо сканирования на основе двухкоординатного перемещения экрана 5 следует использовать сканирование на основе однокоординатного перемещения каждого из экранов 5а и 5b (фиг.3), что может существенно упростить реализацию данного способа сканирования.If the distribution of heterogeneity 1 of screen 5 can be represented separately as the product of heterogeneities for each of the coordinates, then screen 5 can be divided into two screens 5a and 5b (see FIG. 3) containing cyclically repeating inhomogeneities 1a and 1b along each of the coordinates. In this case, instead of scanning based on the two-coordinate movement of the screen 5, scanning based on the single-coordinate movement of each of the screens 5a and 5b (Fig. 3) should be used, which can greatly simplify the implementation of this scanning method.

В предлагаемых технических решениях не присваивается каждому элементу предмета некий параметр (например, частота), на основе которого происходит разделение сигналов, идущих от различных частей предмета. Нет и предварительного разбиения предмета на части, что эквивалентно облучению множеством лучей, используемому в наиболее близких технических решениях [3].In the proposed technical solutions, each parameter of the subject is not assigned a certain parameter (for example, frequency), based on which the separation of signals coming from different parts of the subject occurs. There is no preliminary partitioning of an object into parts, which is equivalent to irradiation with a multitude of rays used in the closest technical solutions [3].

Однако данный подход по повышению эффективности использования источника проникающего излучения также не является единственно возможным. Можно расширить классическое сканирование узколлимированным пучком, использовав преобразование Радона [6]. Суть такого расширения классического сканирования будет состоять в следующем.However, this approach to improving the efficiency of using a source of penetrating radiation is also not the only possible one. The classical scanning can be extended with a narrowly collimated beam using the Radon transform [6]. The essence of this extension of the classic scan will be as follows.

Предположим, что мы хотим увеличить эффективность использования источника проникающего излучения путем расширения узконаправленного сканирующего пучка 9а, формируемого источником 7а (см. фиг.4А). Однако расширим пучок 9а только в одном направлении (до веерного), причем до такой ширины, что он станет шире исследуемого предмета (позиция 9f на фиг.4В). Регистрируемый детектором сигнал в этом случае будет представлять интеграл вдоль засвеченного на предмете 6 направления.Suppose we want to increase the efficiency of using a source of penetrating radiation by expanding a narrowly focused scanning beam 9a formed by a source 7a (see Fig. 4A). However, we expand the beam 9a in only one direction (to the fan-shaped), and to such a width that it becomes wider than the object under study (position 9f in Fig. 4B). The signal registered by the detector in this case will represent the integral along the direction illuminated on the object 6.

Далее будем производить сканирование этим пучком, получая значения интегралов вдоль засвечиваемых направлений, причем направление сканирования будем держать перпендикулярно плоскости пучка. Регистрируемый детектором во времени сигнал S(t,θ i) будет представлять значения интегралов вдоль направления сканирования [6].Next, we will scan with this beam, getting the values of the integrals along the illuminated directions, and we will keep the scanning direction perpendicular to the plane of the beam. The signal S (t, θ i ) recorded by the detector in time will represent the values of the integrals along the scanning direction [6].

Произведем сканирование в одном направлении в поле изображения предмета для угла θ 1, затем повернем пучок (или предмет) и произведем сканирование в другом направлении для угла θ 2, затем в третьем для угла θ 3, и так далее, пока не получим полное сканирование на 180 градусов - см. фиг.4С. Имея полный набор данных S(t,θ i), можно восстановить изображение исследуемого предмета с высоким пространственным разрешением [6].We will scan in one direction in the image field of an object for angle θ 1 , then turn the beam (or object) and scan in another direction for angle θ 2 , then in the third for angle θ 3 , and so on, until we get a full scan on 180 degrees - see figs. Having a complete data set S (t, θ i ), it is possible to reconstruct the image of the studied object with high spatial resolution [6].

Указанная процедура восстановления широко используется в компьютерной томографии, и математически описывается на основе обратного преобразования Радона [6]. Описанный вариант в томографии соответствует так называемой "параллельной геометрии", однако траекторию движения пучка можно выбрать такой, что это как бы приведет к фиксации одного края пучка 9f за пределами предмета и повороту этого края пучка 9f за пределами предмета и повороту этого пучка вокруг этой точки - см. фиг.4D. Полученные таким образом данные (см. фиг.4Е) будут в так называемой "веерной геометрии" [6], для которой также разработаны алгоритмы восстановления искомого изображения [6] по набору данных S(t,θ i). Полным сканированием для "веерной геометрии" является сканирование на 360 градусов. Приводимые термины "параллельная" и "веерная" относятся к компьютерной томографии [6], где они являются устоявшимися.The indicated restoration procedure is widely used in computed tomography, and is mathematically described on the basis of the inverse Radon transform [6]. The described version in tomography corresponds to the so-called "parallel geometry", however, the beam path can be chosen so that it would seem to fix one edge of the beam 9f outside the object and rotate this edge of the beam 9f outside the object and rotate this beam around this point - see fig.4D. The data thus obtained (see FIG. 4E) will be in the so-called "fan geometry" [6], for which algorithms have also been developed for reconstructing the desired image [6] from the data set S (t, θ i ). Full scan for "fan geometry" is a 360 degree scan. The terms “parallel” and “fan” refer to computed tomography [6], where they are well-established.

Следовательно, и в данном случае, модифицируя классическое сканирование за счет изменения размеров пучка и траектории сканирования, можно получить неискаженное изображение исследуемого предмета и повысить эффективность использования источника излучения.Therefore, in this case, modifying the classical scan by changing the size of the beam and the scanning path, you can get an undistorted image of the studied object and increase the efficiency of use of the radiation source.

Однако в этом случае используется только часть конического пучка источника проникающего излучения, сколлимированного до плоского веерного. Хотелось бы использовать полностью конический пучок. Решить эту задачу можно, объединив первый и второй подход, то есть использовать свертку и преобразование Радона одновременно. В случае объединения сканирование следует производить как в преобразовании Радона (параллельной или веерной геометрии), но вместо плоского пучка следует использовать плоский пучок, расширенный в направлении сканирования. Причем распределение интенсивности в пучке в направлении расширения следует организовать как для одномерного варианта циклической свертки. В этом случае после окончания сканирования, перед тем как производить обратное преобразование Радона, следует выполнить операцию обратной циклической свертки на основе знания информации о заданном распределении интенсивности излучения в указанном направлении.However, in this case, only a part of the conical beam of the source of penetrating radiation collimated to a flat fan is used. I would like to use a fully conical beam. This problem can be solved by combining the first and second approaches, that is, to use convolution and the Radon transform at the same time. In the case of combining, scanning should be performed as in the Radon transform (parallel or fan geometry), but instead of a plane beam, a plane beam expanded in the scanning direction should be used. Moreover, the intensity distribution in the beam in the direction of expansion should be organized as for a one-dimensional version of the cyclic convolution. In this case, after the scan is completed, before performing the inverse Radon transform, an inverse cyclic convolution operation should be performed on the basis of knowledge of information about a given distribution of radiation intensity in the indicated direction.

Если использовать достаточно большое расширение пучка в направлении сканирования, то можно получить полное использование конического луча. При этом восстановить требуемое разрешение в направлении расширения пучка можно на основе операции обратной свертки.If you use a sufficiently large beam expansion in the scanning direction, then you can get the full use of the conical beam. In this case, the required resolution in the direction of beam expansion can be restored on the basis of the reverse convolution operation.

Для проведения сканирования заданной части предмета и создания нулевых краевых условий, необходимых для проведения операции восстановления, следует использовать коллиматор 8 (на фиг.4 не показан), формирующий пучок заданного размера. Само же сканирование можно осуществлять, как и ранее, на основе перемещения неоднородного экрана 5 в пучке проникающего излучения в заданном направлении - см. фиг.1Е. Однако вместо экрана 5, имеющего неоднородность, циклически повторяющуюся по двум координатам, следует использовать экран 5а с неоднородностью 1а, повторяющейся в одном направлении (см. фиг.3), что обеспечит выполнение циклической свертки вдоль заданного направления.To scan a given part of the subject and create zero boundary conditions necessary for the recovery operation, you should use the collimator 8 (not shown in Fig. 4), forming a beam of a given size. Scanning itself can be carried out, as before, based on the displacement of the inhomogeneous screen 5 in the beam of penetrating radiation in a given direction - see Fig. 1E. However, instead of the screen 5 having a heterogeneity cyclically repeated in two coordinates, one should use a screen 5a with a heterogeneity 1a repeating in one direction (see Fig. 3), which will ensure that a cyclic convolution along a given direction is performed.

Таким образом, модифицируя различными путями классическое сканирование, основанное на использовании узкоколлимированного пучка, можно повысить эффективность использования источника проникающего излучения, не используя кодирующего подхода на основе присвоения частям предмета некого параметра (например, частоты) [3].Thus, by modifying the classical scanning based on the use of a narrowly collimated beam in various ways, it is possible to increase the efficiency of using a penetrating radiation source without using a coding approach based on assigning a certain parameter (for example, frequency) to parts of an object [3].

Устройства для реализации предлагаемого способа показаны на фиг.5 и фиг.6. На фиг.5 показано устройство для сканирования веерным пучком (одномерный случай), на фиг.6 - устройство для сканирования коническим пучком (двумерный случай). Они отличаются наличием транспортера 36 для перемещения исследуемого предмета 6 мимо сканирующего пучка 10. Использование транспортера 36 для сканирования коническим пучком не требуется, так как сканирование осуществляется по двум координатам, кроме того, как неоднократно замечалось, использование конического пучка более выгодно с энергетической точки зрения.Devices for implementing the proposed method are shown in Fig.5 and Fig.6. Figure 5 shows a device for scanning with a fan beam (one-dimensional case), figure 6 - device for scanning with a conical beam (two-dimensional case). They are distinguished by the presence of a conveyor 36 for moving the test object 6 past the scanning beam 10. The use of a conveyor 36 for scanning with a conical beam is not required, since scanning is carried out in two coordinates, in addition, as has been repeatedly noted, the use of a conical beam is more advantageous from an energy point of view.

Поэтому детально рассмотрим устройство, представленное на фиг.6, считая, что устройство, представленное на фиг.5, является его частной реализацией.Therefore, we consider in detail the device shown in FIG. 6, considering that the device shown in FIG. 5 is a particular implementation thereof.

На фиг.6 позицией 30 показан сканер, осуществляющий изменение во времени интенсивности излучения в сечении конического сканирующего пучка 10. На пути распространения сканирующего пучка проникающего излучения 10 установлен предмет 6, за которым на пути пучка 10 установлен детектор прошедшего излучения 32 (сегментированный или несегментированный), а вне пучка 10 установлен детектор 31 рассеянного излучения (сегментированный или нет). Детектор рассеянного излучения может быть установлен как детектор фронтального рассеянного излучения, бокового рассеянного излучения и как детектор заднего рассеянного излучения. На фиг.6 детектор 31 показан как детектор фронтального рассеянного излучения. Оба детектора 31 и 32 подключены к процессору 34, который подключен также к средству визуализации 33 и блоку управления 35, который соединен со сканером 30 и детекторами 31 и 32,6, reference numeral 30 shows a scanner that implements a time-varying radiation intensity in a section of a conical scanning beam 10. An object 6 is mounted on the path of the scanning beam of penetrating radiation 10, followed by a transmitted radiation detector 32 (segmented or non-segmented) in the path of the beam 10 and, outside the beam 10, a scattered radiation detector 31 is installed (segmented or not). The scattered radiation detector can be installed as a detector of frontal scattered radiation, side scattered radiation and as a detector of rear scattered radiation. 6, detector 31 is shown as a front scattered radiation detector. Both detectors 31 and 32 are connected to the processor 34, which is also connected to the visualization tool 33 and the control unit 35, which is connected to the scanner 30 and the detectors 31 and 32,

Назначение детекторов 31 и 32 - это регистрация интенсивности проникающего излучения во времени после взаимодействия с объектом 6.The purpose of the detectors 31 and 32 is the registration of the intensity of the penetrating radiation in time after interaction with the object 6.

Работает устройство, представленное на фиг.6, следующим образом.The device shown in Fig.6 operates as follows.

Сканер 30 формирует конический пучок 10 проникающего излучения с переменным во времени распределением интенсивности излучения в его сечении, в соответствии с выбранным способом сканирования. Пучок проникающего излучения 10 взаимодействует с предметом 6. После взаимодействия с предметом интенсивность проникающего излучения измеряется детекторами 31 и/или 32. Результаты измерения во времени с выхода детекторов 31 и/или 32 передаются в процессор 34, где запоминаются в той мере, которая необходима для восстановления на их основе неискаженного изображения исследуемого предмета.The scanner 30 forms a conical beam 10 of penetrating radiation with a time-varying distribution of the radiation intensity in its section, in accordance with the selected scanning method. The beam of penetrating radiation 10 interacts with the object 6. After interacting with the object, the intensity of the penetrating radiation is measured by the detectors 31 and / or 32. The measurement results in time from the output of the detectors 31 and / or 32 are transmitted to the processor 34, where they are stored to the extent necessary for restoring on their basis an undistorted image of the investigated subject.

При этом детекторы 31 и/или 32 могут содержать предусилители сигнала и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и передавать сигнал в процессор уже в цифровом виде.In this case, the detectors 31 and / or 32 may contain signal preamps and analog-to-digital converters (ADCs) and transmit the signal to the processor already in digital form.

После того, как сигналы от детекторов 31 и/или 32 запомнены в той мере, которая необходима для проведения вычислений, на их основе производятся вычисления, позволяющие получить неискаженное изображение исследуемого предмета. Результат вычисления может быть визуализирован на средстве визуализации 33 или передан по каналам связи стороннему потребителю.After the signals from the detectors 31 and / or 32 are memorized to the extent necessary for the calculations, they are used to make calculations to obtain an undistorted image of the object under study. The result of the calculation can be visualized on the visualization tool 33 or transmitted via communication channels to an external consumer.

При этом перед началом сканирования и после его окончания через блок управления 35 от компьютера 34 или вручную подаются сигналы, позволяющие установить параметры сканирования для сканера 30 и детекторов 31 и/или 32. К этим сигналам для сканера могут относиться сигналы, устанавливающие мощность источника проникающего излучения, энергетический диапазон источника, скорость сканирования, начало включения и выключения и другие. На детекторы 31 и/или 32 от блока управления 35 могут подаваться значения коэффициента усиления для предусилителей, интервал дискретизации и другие.In this case, before the start of scanning and after it is finished, signals are sent from the computer 34 or manually through the control unit 35 from the computer 34 or allow setting the scanning parameters for the scanner 30 and the detectors 31 and / or 32. These signals for the scanner may include signals that establish the power of the penetrating radiation source , the energy range of the source, scanning speed, the beginning of on and off, and others. The detectors 31 and / or 32 from the control unit 35 can be fed the values of the gain for the preamplifiers, sampling interval and others.

Упоминание о том, что сигналы в процессоре 34 запоминаются в той мере, которая необходима для восстановления на их основе неискаженного изображения исследуемого предмета, следует понимать как возможность начала обработки до окончания полного процесса сканирования. Это может быть полезным для сокращения времени обработки данных. При этом сами исходные данные могут быть сохранены в полной мере для всего процесса сканирования для последующего использования.The mention that the signals in the processor 34 are remembered to the extent necessary to restore an undistorted image of the subject under study on their basis should be understood as the possibility of starting processing before the end of the full scanning process. This can be useful to reduce data processing time. In this case, the initial data itself can be fully saved for the entire scanning process for subsequent use.

Отличие в работе устройств, показанных на фиг.5 и фиг.6, состоит в том, что в устройстве фиг.5 объект 6 в процессе сканирования перемещается на транспортере 36 в направлении, перпендикулярном плоскости пучка 10.The difference in the operation of the devices shown in FIG. 5 and FIG. 6 is that in the device of FIG. 5, the object 6 during scanning is moving on the conveyor 36 in a direction perpendicular to the plane of the beam 10.

Сканер 30 в устройстве фиг.6 сканирования коническим пучком может быть выполнен различным образом в зависимости от выбранного способа сканирования.The scanner 30 in the conical beam scanning device of FIG. 6 can be performed in various ways depending on the selected scanning method.

На фиг.7 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в одном направлении. При этом движущийся неоднородный экран представляет из себя барабан 25, вращающийся вокруг своей оси и имеющий одномерный узор длины M × N, повторяющийся по высоте барабана N раз, со сдвигом на длину М для каждого последующего повтора по высоте. Один оборот барабана соответствует полному двумерному сканированию на основе циклической одномерной свертки.Figure 7 presents the scanner, made on the basis of a single screen inhomogeneous for penetrating radiation, moving in one direction. Moreover, the moving inhomogeneous screen is a drum 25, rotating around its axis and having a one-dimensional pattern of length M × N, repeated along the height of the drum N times, with a shift by a length M for each subsequent repeat in height. One revolution of the drum corresponds to a full two-dimensional scanning based on a cyclic one-dimensional convolution.

Этот вариант сканера в теоретическом плане стоит несколько особняком в способах сканирования на основе циклической свертки, но имеет самую простую реализацию.Theoretically, this version of the scanner is somewhat different in scanning methods based on cyclic convolution, but it has the simplest implementation.

Барабан 25 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим равномерное вращение барабана 25 с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения барабана 25. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабана 25. Однако коллиматор, может находиться за барабаном 25, формируя пучок 10 заданных размеров. В этом смысле положение коллиматора не является принципиальным.The drum 25 is driven by an engine 15, providing uniform rotation of the drum 25 at a given speed. In this case, the source of penetrating radiation 7 is located in the center of rotation of the drum 25. For the formation of a beam 10 of a given size, the source 7 may be provided with a collimator (not shown) located inside the drum 25. However, the collimator may be located behind the drum 25, forming a beam 10 of a given size. In this sense, the position of the collimator is not critical.

Восстановление неискаженного изображения сканируемого предмета в этом варианте сканера производится на основе одномерной обратной циклической свертки длины M× N элементов с учетом известного распределения неоднородности в узоре длины M× N, расположенном на стенках барабана.The undistorted image of the scanned object is restored in this version of the scanner on the basis of a one-dimensional inverse cyclic convolution of the length M × N of elements taking into account the known distribution of heterogeneity in the pattern of length M × N located on the walls of the drum.

После выполнения обратной свертки результатом будет являться одномерный массив чисел длины M× N, где первые М чисел будут характеризовать первую строку изображения, вторые М чисел будут характеризовать вторую строку изображения, и так далее. Общее число строк в восстановленном изображении будет равно N.After performing reverse convolution, the result will be a one-dimensional array of numbers of length M × N, where the first M numbers will characterize the first line of the image, the second M numbers will characterize the second line of the image, and so on. The total number of lines in the restored image will be equal to N.

Если по окружности барабана расположить узор длины M× N циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее не одному обороту барабана 25, а в К раз меньшее.If a pattern of length M × N is cyclically arranged around the drum circumference with the number of cycles K, then a full scan will be completed in a time corresponding to more than one revolution of the drum 25, but K times smaller.

Кроме реализации сканера на основе одного неоднородного экрана, движущегося в одном направлении, возможна его реализация на основе одного неоднородного экрана, движущегося в двух направлениях. Простейший вариант такого сканера представлен на фиг.8. В этом простейшем случае неоднородный экран 5 представляет собой пластину, установленную на двухкоординатном линейном двигателе 11. Для формирования пучка 10 заданного размера источник 7 проникающего излучения снабжен коллиматором 8, установленным перед пластиной (экраном) 5. При этом пластина Между пластиной (экраном) 5 и источником 7 проникающего излучения содержит циклически повторяющуюся неоднородность 1 в соответствии с фиг.2.In addition to the implementation of the scanner on the basis of one inhomogeneous screen moving in one direction, it is possible to implement it on the basis of one inhomogeneous screen moving in two directions. The simplest version of such a scanner is shown in Fig. 8. In this simplest case, the non-uniform screen 5 is a plate mounted on a two-axis linear motor 11. To generate a beam 10 of a given size, the penetrating radiation source 7 is provided with a collimator 8 installed in front of the plate (screen) 5. In this case, the plate Between the plate (screen) 5 and the source of penetrating radiation 7 contains a cyclically repeating heterogeneity 1 in accordance with figure 2.

Работа данного сканера состоит в перемещении пластины (экрана) 5 вначале по одному направлению, например, горизонтальному (что соответствует сканированию изображения по строкам). Затем следует перемещение экрана 5 вверх (или вниз) на заданное расстояние и следует следующее сканирование в горизонтальном направлении в обратном направлении. Сканирование заканчивается, когда будут пройдены все строки искомого изображения.The operation of this scanner consists in moving the plate (screen) 5 at first in one direction, for example, horizontal (which corresponds to scanning the image in rows). Then follows the movement of the screen 5 up (or down) by a predetermined distance and the next scan in the horizontal direction in the opposite direction follows. Scanning ends when all the lines of the desired image are traversed.

Однако работа двухкоординатного линейного двигателя в возвратно-поступательном режиме может быть недостаточно быстрой. Поэтому на фиг.9 представлена разновидность сканера, где отсутствует возвратно-поступательное движение, но неоднородный экран также движется в двух направлениях.However, the operation of a two-axis linear motor in a reciprocating mode may not be fast enough. Therefore, FIG. 9 shows a variation of the scanner where there is no reciprocating movement, but the inhomogeneous screen also moves in two directions.

На фиг.9 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в двух направлениях. При этом движущийся неоднородный экран представляет из себя барабан 19, вращающийся вокруг своей оси и перемещающийся вдоль своей оси, с нанесенным на его поверхности двумерным узором, циклически повторяющимся по высоте и окружности барабана.Figure 9 presents the scanner, made on the basis of a single inhomogeneous for penetrating radiation screen moving in two directions. In this case, the moving inhomogeneous screen is a drum 19, rotating around its axis and moving along its axis, with a two-dimensional pattern deposited on its surface, cyclically repeating along the height and circumference of the drum.

Барабан 19 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим равномерное вращение барабана 19 с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения барабана 19.The drum 19 is driven by an engine 15, providing uniform rotation of the drum 19 with a given speed. While the source 7 of penetrating radiation is located in the center of rotation of the drum 19.

Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабана 19 (либо за барабаном 19).To form a beam 10 of a given size, the source 7 may be provided with a collimator (not shown) located inside the drum 19 (or behind the drum 19).

Двигатель 15 соединен с линейным двигателем 14, обеспечивающим перемещение барабана 19 в направлении оси вращения барабана 19.The engine 15 is connected to a linear motor 14, providing movement of the drum 19 in the direction of the axis of rotation of the drum 19.

Вращение барабана обеспечивает сканирование по одной координате (например, в направлении строк изображения), а линейное перемещение - вдоль другой (например, в направлении столбцов изображения). Если по окружности барабана 19 расположен один двумерный узор, то сканирование по одной строке заканчивается после полного оборота барабана. Затем его следует поднять с помощью двигателя 14 на заданную величину и просканировать следующую строку, и так далее. Полное сканирование заканчивается после N оборотов барабана 19, где N - число строк в искомом изображении.The rotation of the drum provides scanning along one coordinate (for example, in the direction of image lines), and linear movement along another (for example, in the direction of image columns). If one two-dimensional pattern is located around the circumference of the drum 19, then scanning on one line ends after a full revolution of the drum. Then it should be raised using the engine 14 to a predetermined amount and scan the next line, and so on. A full scan ends after N revolutions of the drum 19, where N is the number of lines in the desired image.

Если по окружности барабана расположить двумерный узор 1 циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее N/K оборотам барабана 19.If a two-dimensional pattern 1 is arranged around the drum circumference cyclically with the number of cycles K, then a full scan will be completed in a time corresponding to N / K revolutions of the drum 19.

При высоких энергиях проникающего излучения толщину стенок барабана 19 придется делать достаточно толстой для обеспечения эффективного взаимодействия проникающего излучения источника 7 с материалом барабана 19. При этом взаимодействие (поглощение) излучения от источника 7 с материалом барабана 19 будет зависеть от того, под каким углом падает луч на поверхность барабана. Более рационально разместить узор не на поверхности барабана, а на поверхности сферы. В этом случае излучение от источника 7, находящегося в центре вращения сферы, будет равномерно взаимодействовать с материалом барабана (поглощаться) независимо от положения луча в пучке.At high penetrating radiation energies, the wall thickness of the drum 19 will have to be made thick enough to ensure effective interaction of the penetrating radiation of the source 7 with the material of the drum 19. Moreover, the interaction (absorption) of radiation from the source 7 with the material of the drum 19 will depend on the angle at which the beam falls to the surface of the drum. It is more rational to place the pattern not on the surface of the drum, but on the surface of the sphere. In this case, the radiation from the source 7, located in the center of rotation of the sphere, will uniformly interact with the drum material (absorbed) regardless of the position of the beam in the beam.

На фиг.10 представлен сканер, выполненный на основе одного неоднородного для проникающего излучения экрана, движущегося в двух направлениях. При этом неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой сферу (шаровой пояс) 20, вращающуюся одновременно вокруг двух ортогональных осей, проходящих через ее центр, и имеющую двумерный узор на ее поверхности, нанесенный циклически относительно указанных осей вращения.Figure 10 presents the scanner, made on the basis of a single inhomogeneous for penetrating radiation screen moving in two directions. In this case, a screen moving in two directions, inhomogeneous for penetrating radiation, is a sphere (ball belt) 20, rotating simultaneously around two orthogonal axes passing through its center, and having a two-dimensional pattern on its surface, applied cyclically relative to the indicated rotation axes.

Сфера 20 приводится в движение двигателем 15, обеспечивающим ее равномерное вращение с заданной скоростью. При этом источник 7 проникающего излучения находится в центре вращения сферы 20. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри сферы 20 (либо за сферой 20).The sphere 20 is set in motion by the engine 15, ensuring its uniform rotation with a given speed. In this case, the source of penetrating radiation 7 is located in the center of rotation of the sphere 20. To form a beam 10 of a given size, the source 7 can be equipped with a collimator (not shown) located inside the sphere 20 (or behind the sphere 20).

Двигатель 15 соединен с двигателем 17 через штангу 22, одним концом прикрепленную к корпусу двигателя 15, а другим - к оси двигателя 17 таким образом, что сфера 20 в результате работы двигателей 15 и 17 вращается вокруг двух ортогональных осей, проходящих через ее центр.The engine 15 is connected to the engine 17 through a rod 22, one end attached to the engine housing 15, and the other to the axis of the engine 17 so that the sphere 20 as a result of the operation of the engines 15 and 17 rotates around two orthogonal axes passing through its center.

Вращение сферы вокруг одной оси обеспечивает сканирование по одной координате (например, в направлении строк изображения), а вращение вокруг другой оси - сканирование по другой координате (например, в направлении столбцов изображения). Если по окружности сферы 20 расположен один двумерный узор, то сканирование по одной строке заканчивается после полного оборота сферы 20 от двигателя 15. Затем ее следует повернуть с помощью двигателя 17 на заданный угол и произвести сканирование следующей строки, и так далее. Полное сканирование заканчивается после N оборотов сферы 20 от двигателя 15, где N - число строк в искомом изображении.Rotation of a sphere around one axis provides scanning along one coordinate (for example, in the direction of image lines), and rotation around another axis - scanning along another coordinate (for example, in the direction of image columns). If one two-dimensional pattern is located around the circumference of the sphere 20, then scanning on one line ends after the sphere 20 is completely rotated from the engine 15. Then it should be turned with the help of the engine 17 to a predetermined angle and scanning of the next line, and so on. A full scan ends after N revolutions of the sphere 20 from the engine 15, where N is the number of lines in the desired image.

Если по окружности сферы 20 расположить двумерный узор 1 циклически с числом циклов К, то полное сканирование будет закончено за время, соответствующее N/K оборотам сферы 20.If we arrange a two-dimensional pattern 1 around the circumference of sphere 20 cyclically with the number of cycles K, then a full scan will be completed in a time corresponding to N / K revolutions of sphere 20.

Как указывалось ранее, сканирование возможно осуществлять не только на основе свертки, но и на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии".As indicated earlier, scanning can be carried out not only on the basis of convolution, but also on the basis of the Radon transform for "parallel geometry".

Сканер, содержащий один неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях и осуществляющий сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии", показан на фиг.11. В этом сканере неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой барабан 21, вращающийся вокруг своей оси, а ось барабана вращается вокруг ортогональной ей оси. На поверхность барабана 21 по окружности нанесен одномерный узор (щели). Вращение барабана 21 вокруг его оси обеспечивается двигателем 15, а вращение вокруг ортогональной оси - двигателем 17, ось которого через штангу 22 соединена с корпусом двигателя 15. При этом источник 7 проникающего излучения расположен в центре барабана 21 на его осевой линии. Между источником 7 и барабаном 21 расположен коллиматор (не показан), обеспечивающий формирование пучка 10 заданных размеров.A scanner containing one inhomogeneous screen for penetrating radiation, moving in two directions and scanning based on the Radon transform for "parallel geometry", is shown in Fig. 11. In this scanner, a screen inhomogeneous for penetrating radiation, moving in two directions, is a drum 21 rotating around its axis, and the axis of the drum rotates around an axis orthogonal to it. On the surface of the drum 21, a one-dimensional pattern (slots) is applied around the circumference. The rotation of the drum 21 around its axis is provided by the engine 15, and the rotation around the orthogonal axis by the engine 17, the axis of which is connected through the rod 22 to the housing of the engine 15. The source of penetrating radiation 7 is located in the center of the drum 21 on its axial line. Between the source 7 and the drum 21 is a collimator (not shown), which provides the formation of a beam 10 of a given size.

Если барабан 21 имеет одну щель, то получение одной проекции соответствует одному обороту барабана 21 от двигателя 15. Для получения другой проекции следует повернуть барабан 21 на заданный угол с помощью двигателя 17 и получить другую проекцию, и так далее. Полное сканирование заканчивается после того, как двигатель 17 совершит оборот на 180 градусов.If the drum 21 has one slot, then obtaining one projection corresponds to one revolution of the drum 21 from the engine 15. To obtain another projection, rotate the drum 21 at a predetermined angle using the engine 17 and get another projection, and so on. A full scan ends after engine 17 rotates 180 degrees.

Если барабан 21 имеет К щелей, то получение одной проекции при вращении двигателя 15 сокращается в К раз. Однако получение полного сканирования требует оборота двигателя 17 на 180 градусов.If the drum 21 has K slots, then obtaining one projection during rotation of the engine 15 is reduced by a factor of K. However, obtaining a full scan requires an engine rotation of 17 by 180 degrees.

Сканер, совмещающий сканирование на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии" и свертку, показан на фиг.12. Этот сканер отличается от сканера, представленного на фиг.11, видом вращающегося барабана. В этом барабане 23 вместо щелей, расположенных через заданный угол, имеется одномерный неоднородный узор 1а, расположенный циклически через тот же угол. В остальном устройства сканеров фиг.11 и фиг.12 совпадают. Совпадает и их работа, но отличается характер обработки данных. Перед тем как производить вычисление искомого изображения сканируемого предмета на основе обратного преобразования Радона для "параллельной геометрии", следует произвести обратную циклическую свертку для каждой проекции на основе знания распределения неоднородности 1а.A scanner combining scanning based on the Radon transform for "parallel geometry" and convolution is shown in Fig. 12. This scanner differs from the scanner shown in Fig. 11 in the form of a rotating drum. In this drum 23, instead of slots located through a given angle, there is a one-dimensional inhomogeneous pattern 1a located cyclically through the same angle. Otherwise, the scanners of FIG. 11 and FIG. 12 are the same. Their work coincides, but the nature of the data processing is different. Before calculating the desired image of the scanned object on the basis of the inverse Radon transform for "parallel geometry", it is necessary to perform the inverse cyclic convolution for each projection based on the knowledge of the distribution of inhomogeneity 1a.

Как указывалось ранее, сканирование возможно осуществлять не только на основе преобразования Радона для "параллельной геометрии", но и на основе преобразования Радона для "веерной геометрии".As indicated earlier, scanning can be carried out not only on the basis of the Radon transform for "parallel geometry", but also on the basis of the Radon transform for "fan geometry".

Сканер, содержащий один неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях и осуществляющий сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии", показан на фиг.13. В этом сканере неоднородный для проникающего излучения экран, движущийся в двух направлениях, представляет собой диск 24, вращающийся вокруг своего центра, а центр диска вращается по окружности, лежащей в его плоскости (планетарное движение), при этом на поверхность диска нанесен одномерный узор (щели) относительно центра вращения диска.A scanner containing one inhomogeneous screen for penetrating radiation, moving in two directions and scanning based on the Radon transform for "fan geometry", is shown in Fig. 13. In this scanner, a screen moving in two directions, inhomogeneous for penetrating radiation, is a disk 24, rotating around its center, and the center of the disk rotates in a circle lying in its plane (planetary motion), with a one-dimensional pattern (slots) applied to the surface of the disk ) relative to the center of rotation of the disk.

Вращение диска 24 вокруг его оси обеспечивается двигателем 17а, а планетарное движение - двигателем 17b, ось которого через штангу 22 соединена с корпусом двигателя 17а. При этом источник 7 проникающего излучения расположен на линии, являющейся виртуальным продолжением оси двигателя 17b.The rotation of the disk 24 around its axis is provided by the engine 17a, and the planetary movement is provided by the engine 17b, the axis of which is connected through the rod 22 to the housing of the engine 17a. In this case, the source of penetrating radiation 7 is located on the line, which is a virtual continuation of the axis of the engine 17b.

Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 снабжен коллиматором 8, расположенным перед диском 24.To form a beam 10 of a given size, the source 7 is equipped with a collimator 8 located in front of the disk 24.

Если диск 24 имеет одну щель, то получение одной проекции соответствует одному обороту диска 24 от двигателя 17а. Для получения другой проекции следует повернуть центр вращения диска 24 на заданный угол с помощью двигателя 17b и получить другую проекцию, и так далее. Полное сканирование заканчивается после того, как двигатель 17b совершит один полный оборот.If the disk 24 has one slot, then obtaining one projection corresponds to one revolution of the disk 24 from the engine 17a. To get a different projection, you should rotate the center of rotation of the disk 24 by a predetermined angle using the engine 17b and get a different projection, and so on. A full scan ends after engine 17b completes one full revolution.

Если диск 24 имеет К щелей, то получение одной проекции при вращении двигателя 17а сокращается в К раз. Однако получение полного сканирования требует, как и ранее, полного оборота двигателя 17b.If the disk 24 has K slots, then obtaining one projection during rotation of the engine 17a is reduced by a factor of K. However, obtaining a full scan requires, as before, a complete revolution of the engine 17b.

Сканер, совмещающий сканирование на основе преобразования Радона для "веерной геометрии" и свертку, показан на фиг.14. Этот сканер отличается от сканера, представленного на фиг.13, видом вращающегося диска 25. В этом диске вместо щелей, расположенных через заданный угол, имеется одномерный неоднородный узор 1а, расположенный циклически через тот же угол. В остальном устройства сканеров совпадают. Совпадает и их работа, но отличается характер обработки данных. Перед тем как производить вычисление искомого изображения сканируемого предмета на основе обратного преобразования Радона для "веерной геометрии", следует произвести обратную циклическую свертку для каждой проекции на основе знания распределения неоднородности 1а.A scanner combining scanning based on the Radon transform for "fan geometry" and convolution is shown in Fig. 14. This scanner differs from the scanner shown in Fig. 13 in the form of a rotating disk 25. In this disk, instead of slots located through a given angle, there is a one-dimensional inhomogeneous pattern 1a located cyclically through the same angle. The rest of the scanner devices are the same. Their work coincides, but the nature of the data processing is different. Before calculating the desired image of the scanned object on the basis of the inverse Radon transform for "fan geometry", it is necessary to perform the inverse cyclic convolution for each projection based on the knowledge of the distribution of inhomogeneity 1a.

В том случае, когда распределение интенсивности излучения в сечении пучка можно представить в виде произведения двух функций, как отмечалось ранее, сканирование можно организовать на основе двух неоднородных экранов, перемещающихся каждый в своем направлении и реализующих операцию циклической свертки для своего направления. В этом случае от преобразования Радона мы опять возвращаемся к сканированию на основе циклической свертки.In the case when the distribution of the radiation intensity in the beam cross section can be represented as the product of two functions, as noted earlier, the scan can be organized on the basis of two inhomogeneous screens, each moving in its own direction and implementing the cyclic convolution operation for its direction. In this case, from the Radon transform, we again return to scanning based on cyclic convolution.

Простейший сканер на основе двух неоднородных экранов, движущихся в различных направлениях, представлен на фиг.15.The simplest scanner based on two heterogeneous screens moving in different directions is shown in Fig. 15.

Сканер в этом случае содержит источник 7 проникающего излучения и две пластины (экрана) 5а и 5b, установленные последовательно на пути проникающего излучения от источника 7 на однокоординатные двигатели 12 и 14. Экраны 5а и 5b организованы в соответствии с фиг.3. Для формирования пучка 10 заданных размеров источник 7 снабжен коллиматором 8, установленным перед экраном 5а.The scanner in this case contains a source of penetrating radiation 7 and two plates (screens) 5a and 5b mounted in series on the path of penetrating radiation from source 7 to single-axis engines 12 and 14. Screens 5a and 5b are organized in accordance with Fig.3. To form a beam 10 of a given size, the source 7 is equipped with a collimator 8 mounted in front of the screen 5a.

Работа сканера состоит в линейном перемещении экранов 5а и 5b вдоль ортогональных координат с помощью линейных двигателей 12 и 14. Двигатель 12 осуществляет перемещение экрана 5а на заданное расстояние (равное ширине узора 1а) вдоль направления строк. Затем двигатель 14 осуществляет перемещение экрана 5b на заданный шаг в направлении, соответствующем столбцам изображения, после чего двигатель 12 осуществляет возвратное движение. Так происходит до тех пор, пока экран 5b не будет перемещен на заданное расстояние, соответствующее ширине узора 1b. На этом процесс сканирования заканчивается.The scanner consists in linearly moving the screens 5a and 5b along orthogonal coordinates using linear motors 12 and 14. The engine 12 moves the screen 5a by a predetermined distance (equal to the width of the pattern 1a) along the direction of the lines. Then, the engine 14 moves the screen 5b by a predetermined step in the direction corresponding to the columns of the image, after which the engine 12 performs a return movement. This happens until the screen 5b is moved a predetermined distance corresponding to the width of the pattern 1b. This completes the scanning process.

Этот вариант сканера является простейшим и может не обеспечивать высоких скоростей сканирования за счет наличия возвратно-поступательного движения экранов. На фиг.16 показана модификация данного сканера, когда один из экранов выполнен в виде вращающегося барабана 16. Этот барабан заменяет экран 5а на фиг.15, поскольку именно он должен совершать наиболее частые возвратно-поступательные движения. На поверхности барабана по окружности нанесен одномерный неоднородный узор 1а. Если на окружности барабана расположен один узор 1а, то сканирование в направлении строк соответствует одному обороту барабана 16. Если на окружности барабана расположено циклически К узоров 1а, то время сканирования в направлении строк сократится в К раз.This scanner option is the simplest and may not provide high scanning speeds due to the presence of reciprocating screens. On Fig shows a modification of this scanner, when one of the screens is made in the form of a rotating drum 16. This drum replaces the screen 5A in Fig.15, since it is he who must make the most frequent reciprocating movements. On the surface of the drum, a one-dimensional inhomogeneous pattern 1a is applied around the circumference. If one pattern 1a is located on the circumference of the drum, then scanning in the direction of the rows corresponds to one revolution of the drum 16. If K patterns 1a are located cyclically on the circumference of the drum, the scanning time in the direction of the rows will be reduced by a factor of K.

Дальнейшим развитием данного подхода является сканер, выполненный на основе двух вращающихся барабанов.A further development of this approach is a scanner based on two rotating drums.

Сканер, содержащий два неоднородных для проникающего излучения экрана, движущихся каждый в своем направлении, показан на фиг.17. В этом сканере движущиеся неоднородные экраны представляют из себя барабаны 16 и 18 с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами 1а. Барабаны помещены один в другой и вращаются вокруг своих осей, ориентированных ортогонально относительно друг друга.A scanner comprising two screens inhomogeneous for penetrating radiation, each moving in its own direction, is shown in FIG. In this scanner, the moving inhomogeneous screens are drums 16 and 18 with cyclically applied one-dimensional patterns 1a cyclically around their circumference. The drums are placed one into the other and rotate around their axes, oriented orthogonally relative to each other.

Источник 7 проникающего излучения помещен в точку пересечения осей барабанов 16 и 18. Для формирования пучка 10 проникающего излучения заданного размера источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), помещенным внутри барабанов (или за ними). Барабан 16 приводится в движение двигателем 15, а барабан 18 приводится в движение двигателем 17.The source of penetrating radiation 7 is placed at the intersection of the axes of the drums 16 and 18. To form a beam 10 of penetrating radiation of a given size, the source 7 can be equipped with a collimator (not shown) placed inside the drums (or behind them). The drum 16 is driven by the engine 15, and the drum 18 is driven by the engine 17.

Вращение барабана 16 соответствует сканированию изображения по одной координате, а вращение барабана 18 - сканированию по другой координате. Один оборот барабана 16 или 18 соответствует полному сканированию вдоль своей координаты, если на поверхности барабанов находится только один узор неоднородности. Если на поверхности барабанов нанесено К циклически повторяющихся узоров 1а и 1b, то время сканирования вдоль каждой координаты происходит не за один оборот барабана, а в К раз быстрее.The rotation of the drum 16 corresponds to scanning the image in one coordinate, and the rotation of the drum 18 corresponds to scanning in a different coordinate. One revolution of the drum 16 or 18 corresponds to a full scan along its coordinate if there is only one pattern of heterogeneity on the surface of the drums. If K cyclically repeating patterns 1a and 1b are deposited on the surface of the drums, then the scanning time along each coordinate occurs not in one revolution of the drum, but in K times faster.

Если барабан 16 отвечает, например, за сканирование по строкам, то вращение барабана 18 (отвечающего за столбцы) должно быть в N раз медленнее, где N - число строк в изображении.If the drum 16 is responsible, for example, for scanning along the rows, then the rotation of the drum 18 (responsible for the columns) should be N times slower, where N is the number of lines in the image.

Изготовление сканера, в котором барабаны находятся ортогонально один другому, является не единственным вариантом реализации указанного подхода.Making a scanner in which the drums are orthogonal to one another is not the only option for implementing this approach.

На фиг.18 показан сканер, в котором два неоднородных для проникающего излучения экрана, движущихся каждый в своем направлении, представляют собой барабаны 37 и 38 с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами 1а и 1b. Барабаны помещены один в другой, вращаются вокруг своих осей и ориентированы коаксиально относительно друг друга, причем узор по окружности каждого из барабанов наклонен относительно оси его вращения на +45 и -45 градусов, соответственно.On Fig shows a scanner in which two inhomogeneous for the penetrating radiation of the screen, each moving in its own direction, are drums 37 and 38 with cyclically deposited on their circumference one-dimensional patterns 1A and 1b. The drums are placed one into the other, rotate around their axes and are oriented coaxially with respect to each other, and the pattern along the circumference of each of the drums is inclined by +45 and -45 degrees relative to the axis of its rotation, respectively.

Источник 7 проникающего излучения находится на оси вращения барабанов 37 и 38. Для формирования пучка 10 заданного размера источник 7 может быть снабжен коллиматором (не показан), находящимся внутри барабанов или за ними).The source of penetrating radiation 7 is located on the axis of rotation of the drums 37 and 38. To form a beam 10 of a given size, the source 7 can be equipped with a collimator (not shown) located inside the drums or behind them).

В этой конструкции за счет того, что узоры наклонены в разные стороны, сканирование в итоге происходит для ортогональных координат (строк и столбцов изображения). Однако направление строк и столбцов повернуто относительно конструкции фиг.17 на 45 градусов.In this design, due to the fact that the patterns are tilted in different directions, scanning as a result occurs for orthogonal coordinates (rows and columns of the image). However, the direction of the rows and columns is rotated relative to the design of FIG. 17 by 45 degrees.

Барабан 37 приводится в движение двигателем 15 а, а барабан 38 - двигателем 15b. Если барабан 37 отвечает за сканирование, например, по строкам, то скорость барабана 38 относительно 37 должна быть в N раз медленнее, где N - число строк в изображении.The drum 37 is driven by an engine 15 a, and the drum 38 is driven by an engine 15b. If the drum 37 is responsible for scanning, for example, in rows, then the speed of the drum 38 relative to 37 should be N times slower, where N is the number of lines in the image.

Если по окружности барабанов 37 и 38 расположена только одна неоднородность 1а или 1b, то полное сканирование в направлении строки или столбца осуществляется за один оборот барабана 37 или 38. Если по окружности барабанов расположено К неоднородностей 1а и 1b, то сканирование происходит в K раз быстрее.If only one heterogeneity 1a or 1b is located around the circumference of the drums 37 and 38, then a full scan in the direction of the row or column is carried out in one revolution of the drum 37 or 38. If K heterogeneities 1a and 1b are located around the circumference of the drums, then the scan is K times faster .

Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа было проведено компьютерное моделирование сканирования на основе циклической свертки для различных видов неоднородностей 1 (фиг.2). Результаты моделирования представлены на фиг.19. На фиг.19А показано изображение исследуемого предмета, полученное классическим сканированием в прошедшем излучении. В столбце фиг.19В показаны результаты моделирования при сканировании на основе одного экрана, движущегося в двух направлениях. В качестве неоднородности 1 использовался URA массив чисел размером 211× 211 элементов [5], который моделировал неоднородный экран, изготовленный в соответствии с узором, показанным в средней части столбца фиг.19В. Изготовить такой экран можно, например, на основе процессов фотолитографии, нанося непрозрачный для проникающего излучения материал на прозрачную подложку.To confirm the operability of the proposed method, a computer simulation of scanning based on cyclic convolution for various types of inhomogeneities 1 was carried out (Fig. 2). The simulation results are presented in Fig.19. On figa shows the image of the investigated object obtained by classical scanning in transmitted radiation. The column of FIG. 19B shows the simulation results when scanning on the basis of a single screen moving in two directions. As heterogeneity 1, a URA array of numbers 211 × 211 elements in size [5] was used, which simulated an inhomogeneous screen made in accordance with the pattern shown in the middle of the column of FIG. 19B. Such a screen can be made, for example, on the basis of photolithography processes, by applying a material opaque to the penetrating radiation onto a transparent substrate.

В верхней части столбца фиг.19В показан результат циклической свертки изображения, показанного на фиг.19А, и неоднородности, показанной в средней части столбца фиг.19В (то есть результат сканирования). В нижней части столбца фиг.19В показан результат восстановления.The top of the column of FIG. 19B shows the result of the cyclic convolution of the image shown in FIG. 19A and the heterogeneity shown in the middle of the column of FIG. 19B (i.e., the scan result). At the bottom of the column of FIG. 19B, a recovery result is shown.

На фиг.19С показаны аналогичные результаты для неоднородности, которую можно представить в виде произведения двух функций по независимым координатам, то есть для случая двух расположенных один за другим экранов, движущихся независимо по различным координатам. В качестве неоднородности использовался одномерный массив URA длины 255 элементов [5]. Изготовить такие экраны можно путем фрезеровки в материале, непрозрачном для проникающего излучения (нанесенном на прозрачную подложку).On figs shows similar results for heterogeneity, which can be represented as the product of two functions in independent coordinates, that is, for the case of two screens located one after another, moving independently in different coordinates. As a heterogeneity, a one-dimensional URA array with a length of 255 elements was used [5]. Such screens can be made by milling in a material opaque to penetrating radiation (deposited on a transparent substrate).

На фиг.19D показаны результаты моделирования для неоднородности, являющейся негативом по отношению к неоднородности на фиг.19С. Тем не менее, она не является неоднородностью, которую можно представить в виде двух экранов, расположенных один за другим. Однако ее можно изготовить из материала, непрозрачного для проникающего излучения (нанесенного на прозрачную подложку), путем фрезеровки в двух ортогональных направлениях. Это важно с практической точки зрения. В этом случае, так же как в случае, показанном на фиг.19В, моделировалось перемещение одного неоднородного экрана в двух направлениях.On fig.19D shows the simulation results for the heterogeneity, which is negative with respect to the heterogeneity in figs. However, it is not a heterogeneity that can be represented as two screens arranged one after another. However, it can be made of a material opaque to the penetrating radiation (deposited on a transparent substrate) by milling in two orthogonal directions. This is important from a practical point of view. In this case, as in the case shown in FIG. 19B, the movement of one inhomogeneous screen in two directions was simulated.

Прозрачность экрана фиг.19В соответствует 50%, прозрачность экрана фиг.19С соответствует 25%, прозрачность экрана фиг.19D соответствует 75%.The screen transparency of FIG. 19B corresponds to 50%, the transparency of the screen of FIG. 19C corresponds to 25%, the transparency of the screen of FIG. 19D corresponds to 75%.

Несмотря на то, что моделировалось только получение изображения на основе прошедшего излучения, результаты моделирования подтверждают возможность использования широкого конического пучка для инспекции объектов как в прошедшем, так и в рассеянном излучении, поскольку характер сигнала и методы его обработки для прошедшего и рассеянного излучения не отличаются. При этом в качестве функции свертки может быть использована как оптимальная в смысле повышения отношения сигнал/шум функция, так и неоптимальная. В проводимых математических экспериментах отношение сигнал/шум в сигнале было достаточно большим, поэтому результирующие изображения для оптимальной и неоптимальной функции практически ничем не отличаются. Различия будут существенными только при очень малом отношении сигнал/шум (близком к единице). Таким образом, можно использовать различные варианты технической реализации предлагаемого решения в соответствии с имеющимися средствами для их осуществления.Despite the fact that only imaging based on transmitted radiation was simulated, the simulation results confirm the possibility of using a wide conical beam to inspect objects in both transmitted and scattered radiation, since the nature of the signal and its processing methods for transmitted and scattered radiation do not differ. Moreover, both the optimal function and the non-optimal one, in the sense of increasing the signal-to-noise ratio, can be used as a convolution function. In the conducted mathematical experiments, the signal-to-noise ratio in the signal was quite large, therefore, the resulting images for the optimal and non-optimal functions are practically no different. The differences will be significant only with a very small signal to noise ratio (close to unity). Thus, it is possible to use various options for the technical implementation of the proposed solution in accordance with the available means for their implementation.

Источники информацииSources of information

1. Патент США № 5,181,234, опубл. 19.01.93.1. US patent No. 5,181,234, publ. 01/19/93.

2. Патент США № 6,546,072, опубл. 08.04.2003.2. US Patent No. 6,546,072, publ. 04/08/2003.

3. Заявка США № 20020031202, опубл. 14.03.2003.3. US Application No. 20020031202, publ. 03/14/2003.

4. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин. Методы решения некорректных задач. Москва, "Наука", 1986.4. A.N. Tikhonov, V.Ya. Arsenin. Methods for solving incorrect tasks. Moscow, "Science", 1986.

5. A. Busbom, H. Elders-Boll and H.D. Schotten. Uniformly Redundant Arrays. Experimental Astronomy 8: 97-123, 1998.5. A. Busbom, H. Elders-Boll and H.D. Schotten. Uniformly Redundant Arrays. Experimental Astronomy 8: 97-123, 1998.

6. Г.Хермен. Восстановление изображений по проекциям. Основы реконструктивной томографии, перевод с английского Л.В.Барабина и А.Б.Мещерякова под редакцией Л.М.Сороко, Москва, "Мир", 1983.6. G. Hermen. Projection image restoration. Fundamentals of reconstructive tomography, translation from English by L.V. Barabin and A. B. Meshcheryakov edited by L. M. Soroko, Moscow, Mir, 1983.

Claims (19)

1. Способ получения изображения заданной области объекта, содержащий сканирование во времени заданной области объекта путем облучения объекта пучком проникающего излучения и измерение во времени интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом с получением соответствующего этой интенсивности сигнала и последующей его обработкой, отличающийся тем, что указанным пучком облучают всю заданную область объекта, а сканирование во времени заданной области объекта осуществляют путем изменения во времени распределения интенсивности излучения в сечении облучающего пучка таким образом, что получаемый сигнал во времени может быть описан как свертка и/или преобразование Радона над изображением заданной области объекта, а обработка получаемого сигнала включает осуществление над ним обратной свертки и/или обратного преобразования Радона.1. A method of obtaining an image of a given region of an object, comprising scanning in time a given region of an object by irradiating an object with a beam of penetrating radiation and measuring in time the intensity of penetrating radiation after interacting with the object to obtain a signal corresponding to this intensity and then processing it, characterized in that said beam irradiate the entire specified area of the object, and scanning over time of a given area of the object is carried out by changing the distribution time and the radiation intensity in the section of the irradiating beam in such a way that the received signal in time can be described as a convolution and / or Radon transform over the image of a given area of the object, and processing the received signal involves performing reverse convolution and / or inverse Radon transform on it. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная свертка является циклической сверткой, а указанная обратная свертка является обратной циклической сверткой.2. The method according to claim 1, characterized in that said convolution is a cyclic convolution, and said inverse convolution is a reverse cyclic convolution. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что циклическая свертка соответствует свертке с функцией, имеющей один максимум и плоские боковые лепестки в ее дискретной автокорреляционной функции.3. The method according to claim 2, characterized in that the cyclic convolution corresponds to convolution with a function having one maximum and flat side lobes in its discrete autocorrelation function. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в нем проникающее излучение - рентгеновское излучение.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the penetrating radiation is X-ray radiation. 5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что измерение интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом осуществляют дискретно во времени.5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the measurement of the intensity of the penetrating radiation after interacting with the object is carried out discretely in time. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в нем проникающее излучение - рентгеновское излучение.6. The method according to claim 5, characterized in that the penetrating radiation is x-ray radiation. 7. Устройство для получения изображения заданной области объекта, содержащее источник проникающего излучения и, по крайней мере, один детектор для измерения интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом и формирования соответствующего этой интенсивности сигнала, отличающееся тем, что источник проникающего излучения выполнен с возможностью формирования пучка для одновременного облучения всей заданной области объекта, кроме того, устройство содержит сканер для изменения во времени распределения интенсивности проникающего излучения в сечении указанного пучка таким образом, что формируемый, по меньшей мере, одним детектором сигнал, соответствующий интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом, во времени может быть описан как свертка и/или преобразование Радона над изображением заданной области объекта, устройство содержит также процессор для выполнения операции обратной свертки и/или обратного преобразования Радона над сформированным, по крайней мере, одним детектором сигналом, соответствующим интенсивности проникающего излучения после взаимодействия с объектом.7. A device for acquiring an image of a given area of an object, containing a source of penetrating radiation and at least one detector for measuring the intensity of penetrating radiation after interacting with the object and generating a signal corresponding to this intensity, characterized in that the source of penetrating radiation is configured to form a beam for simultaneous irradiation of the entire specified area of the object, in addition, the device contains a scanner for changing the intensity distribution over time radiant radiation in the cross section of the specified beam so that the signal generated by at least one detector corresponding to the intensity of the penetrating radiation after interacting with the object in time can be described as a convolution and / or Radon transform over the image of a given region of the object, the device also contains a processor for performing the operation of reverse convolution and / or reverse Radon transform on the signal generated by at least one detector corresponding to the intensity radiation after interaction with the object. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сканер содержит неоднородный для проникающего излучения экран и средство для движения этого экрана хотя бы в одном направлении.8. The device according to claim 7, characterized in that the scanner comprises a screen inhomogeneous for the penetrating radiation and means for moving this screen in at least one direction. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что неоднородный для проникающего излучения экран представляет барабан, имеющий одномерный узор длины M×N, повторяющийся по высоте барабана N раз, со сдвигом на длину М для каждого последующего повтора по высоте, а средство для движения указанного экрана хотя бы в одном направлении выполнено с возможностью вращения этого барабана вокруг его оси.9. The device according to claim 8, characterized in that the screen inhomogeneous for penetrating radiation is a drum having a one-dimensional pattern of length M × N, repeated along the height of the drum N times, with a shift by length M for each subsequent repeat in height, and means for the movement of the specified screen in at least one direction is made with the possibility of rotation of this drum around its axis. 10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что средство для движения входящего в состав сканера неоднородного для проникающего излучения экрана выполнено с возможностью движения этого экрана в двух направлениях.10. The device according to claim 8, characterized in that the means for moving the screen included in the composition of the scanner is inhomogeneous for the penetrating radiation made with the possibility of movement of this screen in two directions. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что неоднородный для проникающего излучения экран представляет барабан с нанесенным на его поверхности двумерным узором, циклически повторяющимся по высоте и окружности барабана, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана вокруг его оси и перемещения вдоль нее.11. The device according to claim 10, characterized in that the screen, inhomogeneous for penetrating radiation, is a drum with a two-dimensional pattern deposited on its surface, cyclically repeating in height and circumference of the drum, and means for moving said screen in two directions is made to rotate this drum around its axis and moving along it. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что неоднородный для проникающего излучения экран представляет сферу, имеющую двумерный узор на ее поверхности, нанесенный циклически относительно ортогональных осей, проходящих через ее центр, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этой сферы вокруг указанных осей.12. The device according to claim 10, characterized in that the screen inhomogeneous for penetrating radiation represents a sphere having a two-dimensional pattern on its surface, applied cyclically relative to the orthogonal axes passing through its center, and the means for moving the specified screen in two directions is made with the possibility rotation of this sphere around the indicated axes. 13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что неоднородный для проникающего излучения экран представляет барабан с нанесенным циклически по его окружности одномерным узором, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого барабана одновременно вокруг его оси и вокруг оси, ортогональной ей.13. The device according to claim 10, characterized in that the screen, heterogeneous for penetrating radiation, is a drum with a one-dimensional pattern applied cyclically around its circumference, and the means for moving said screen in two directions is configured to rotate this drum simultaneously around its axis and around its axis orthogonal to her. 14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что неоднородный для проникающего излучения экран представляет диск, на поверхность которого нанесен одномерный узор относительно центра диска, а средство для движения указанного экрана в двух направлениях выполнено с возможностью вращения этого диска вокруг его центра и вращения центра диска по окружности, лежащей в плоскости диска.14. The device according to claim 10, characterized in that the screen non-uniform for the penetrating radiation is a disk, on the surface of which a one-dimensional pattern is applied relative to the center of the disk, and the means for moving the said screen in two directions is made with the possibility of rotation of this disk around its center and rotation the center of the disk in a circle lying in the plane of the disk. 15. Устройство по п.7, отличающееся тем, что сканер содержит два неоднородных для проникающего излучения экрана и средство для движения каждого из экранов в своем направлении.15. The device according to claim 7, characterized in that the scanner contains two screens that are heterogeneous for the penetrating radiation and means for moving each of the screens in its direction. 16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что один из двух неоднородных для проникающего излучения экранов представляет барабан с циклически нанесенным по его окружности одномерным узором.16. The device according to p. 15, characterized in that one of the two screens inhomogeneous for the penetrating radiation is a drum with a one-dimensional pattern cyclically applied around its circumference. 17. Устройство по п.15, отличающееся тем, что неоднородные для проникающего излучения экраны представляют два помещенных один в другой барабана с ортогонально ориентированными осями и циклически нанесенными по их окружностям одномерными узорами, а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения этих барабанов вокруг указанных осей.17. The device according to p. 15, characterized in that the screens inhomogeneous for penetrating radiation are two drums placed one in another with orthogonally oriented axes and one-dimensional patterns cyclically applied around their circumferences, and the means for moving said screens is arranged to rotate these drums around specified axes. 18. Устройство по п.15, отличающееся тем, что неоднородные для проникающего излучения экраны представляют два коаксиально помещенных друг в друга барабана с циклически нанесенными по их окружности одномерными узорами, причем узоры этих барабанов наклонены относительно их общей оси в противоположные стороны на угол 45°, а средство для движения указанных экранов выполнено с возможностью вращения каждого из этих барабанов вокруг их общей оси.18. The device according to p. 15, characterized in that the screens inhomogeneous for penetrating radiation are two drums coaxially placed in each other with one-dimensional patterns cyclically applied around their circumference, the patterns of these drums being inclined at opposite angles of 45 ° relative to their common axis and the means for moving said screens is configured to rotate each of these drums around their common axis. 19. Устройство по любому из пп.7-18, отличающееся тем, что источник проникающего излучения является источником рентгеновского излучения.19. The device according to any one of paragraphs.7-18, characterized in that the source of penetrating radiation is a source of x-ray radiation.
RU2004104114/28A 2004-02-13 2004-02-13 Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation RU2256169C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004104114/28A RU2256169C1 (en) 2004-02-13 2004-02-13 Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004104114/28A RU2256169C1 (en) 2004-02-13 2004-02-13 Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2256169C1 true RU2256169C1 (en) 2005-07-10

Family

ID=35838466

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004104114/28A RU2256169C1 (en) 2004-02-13 2004-02-13 Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2256169C1 (en)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA010121B1 (en) * 2007-03-01 2008-06-30 Закрытое Акционерное Общество "Рентгенпром" (Зао "Рентгенпром") Method of x-ray identification of matter type of the objects placed on human body
EA011316B1 (en) * 2007-11-30 2009-02-27 Фонд Сопровождения Инвестиционных Проектов "Генкей" Method and device for obtaining information internal object structure and method for creating object image
RU2448342C2 (en) * 2006-08-11 2012-04-20 Эмерикэн Сайэнс Энд Энджиниэринг, Инк. Object inspection system (versions)
RU2598159C2 (en) * 2011-09-12 2016-09-20 Конинклейке Филипс Н.В. Method of images reconstruction for a filtered back projection in limited angle tomography
US9757086B2 (en) 2014-12-09 2017-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Radiation imaging system, control method therefor, and storage medium having stored thereon a program for executing the control method
RU2653836C2 (en) * 2012-12-17 2018-05-14 Конинклейке Филипс Н.В. Micromanipulator-controlled local view with stationary overall view
RU2688316C1 (en) * 2013-12-20 2019-05-21 Конинклейке Филипс Н.В. System and method for penetrating tool tracking
RU2689176C2 (en) * 2014-01-02 2019-05-24 Конинклейке Филипс Н.В. Orientation and tracking of tool position relative to ultrasound image plane
RU2700470C2 (en) * 2014-10-01 2019-09-17 Конинклейке Филипс Н.В. Imaging device and method

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2448342C2 (en) * 2006-08-11 2012-04-20 Эмерикэн Сайэнс Энд Энджиниэринг, Инк. Object inspection system (versions)
EA010121B1 (en) * 2007-03-01 2008-06-30 Закрытое Акционерное Общество "Рентгенпром" (Зао "Рентгенпром") Method of x-ray identification of matter type of the objects placed on human body
EA011316B1 (en) * 2007-11-30 2009-02-27 Фонд Сопровождения Инвестиционных Проектов "Генкей" Method and device for obtaining information internal object structure and method for creating object image
RU2598159C2 (en) * 2011-09-12 2016-09-20 Конинклейке Филипс Н.В. Method of images reconstruction for a filtered back projection in limited angle tomography
RU2653836C2 (en) * 2012-12-17 2018-05-14 Конинклейке Филипс Н.В. Micromanipulator-controlled local view with stationary overall view
RU2688316C1 (en) * 2013-12-20 2019-05-21 Конинклейке Филипс Н.В. System and method for penetrating tool tracking
US10595816B2 (en) 2013-12-20 2020-03-24 Kononklijke Philips N.V. System and method for tracking a penetrating instrument
RU2689176C2 (en) * 2014-01-02 2019-05-24 Конинклейке Филипс Н.В. Orientation and tracking of tool position relative to ultrasound image plane
US11096656B2 (en) 2014-01-02 2021-08-24 Koninklijke Philips N.V. Instrument alignment and tracking with ultrasound imaging plane
US11872076B2 (en) 2014-01-02 2024-01-16 Koninklijke Philips N.V. Instrument alignment and tracking with ultrasound imaging plane
RU2700470C2 (en) * 2014-10-01 2019-09-17 Конинклейке Филипс Н.В. Imaging device and method
RU2634629C2 (en) * 2014-12-09 2017-11-02 Кэнон Кабусики Кайся Radiation imaging system, method of its control, and information carrier having program saved on it for implementation of control method
US9757086B2 (en) 2014-12-09 2017-09-12 Canon Kabushiki Kaisha Radiation imaging system, control method therefor, and storage medium having stored thereon a program for executing the control method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6470067B1 (en) Computed tomography apparatus for determining the pulse momentum transfer spectrum in an examination zone
US9442083B2 (en) 3D backscatter imaging system
EP1953700B1 (en) System and method for reconstructing an image by rectilinear trajectory scanning
US7418073B2 (en) Computed tomography device and method with three-dimensional backprojection
US4149247A (en) Tomographic apparatus and method for reconstructing planar slices from non-absorbed and non-scattered radiation
JP4386742B2 (en) Variable moving optical tomography of minute objects
US6285733B1 (en) Computed tomography method utilizing a conical radiation beam
US6574297B2 (en) System and method for image reconstruction in a cone beam imaging system
US6269141B1 (en) Computer tomography apparatus with a conical radiation beam and a helical scanning trajectory
US8693618B2 (en) Scanner device and method for computed tomography imaging
JP4440588B2 (en) CT image forming apparatus and CT apparatus for subject moving periodically
US9895125B2 (en) Multi-source CT systems and pre-reconstruction inversion methods
WO2009129488A1 (en) Method and apparatus for computed imaging backscatter radiography
WO2004066215A1 (en) Computed tomography method with coherent scattered rays, and computed tomograph
JP4813681B2 (en) Computed tomography method
JP2009512526A (en) Imaging method and apparatus using dual reading scanner
RU2256169C1 (en) Method and device for investigating object in dissipated and/or passed radiation
JP2001087260A (en) Device and method for reconstituting three-dimensional image in computed tomographic system by helical scan conical beam
CN101291626A (en) Short scan cardiac CT on a quasi axial trajectory
JP4212118B2 (en) Accurate region reconstruction of longitudinally unlimited objects using circular and line cone-beam tomography systems
JP2001057976A (en) Method and apparatus for stereoscopic image reconstruction, and ct scanner
CN1742296A (en) Voxel-driven spiral reconstruction for cone-beam computer tomography
JP2003144428A (en) Fluoroscopic computerized tomographic method
EP0849711B1 (en) Method and apparatus for cone beam imaging
US20070140410A1 (en) Coherent-scatter computed tomography

Legal Events

Date Code Title Description
PC4A Invention patent assignment

Effective date: 20090812

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130214