RU2558001C2 - Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials - Google Patents

Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials Download PDF

Info

Publication number
RU2558001C2
RU2558001C2 RU2013127768/28A RU2013127768A RU2558001C2 RU 2558001 C2 RU2558001 C2 RU 2558001C2 RU 2013127768/28 A RU2013127768/28 A RU 2013127768/28A RU 2013127768 A RU2013127768 A RU 2013127768A RU 2558001 C2 RU2558001 C2 RU 2558001C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
atomic number
effective atomic
density
effective
absorption coefficients
Prior art date
Application number
RU2013127768/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013127768A (en
Inventor
Вячеслав Алексеевич Горшков
Original Assignee
Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР"
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 Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР" filed Critical Закрытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт интроскопии МНПО "СПЕКТР"
Priority to RU2013127768/28A priority Critical patent/RU2558001C2/en
Publication of RU2013127768A publication Critical patent/RU2013127768A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2558001C2 publication Critical patent/RU2558001C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: invention relates to problem of radiation analysis of the materials, namely to methods of numeric evaluation of density and effective atomic number of solid and liquid multicomponent materials. Method of two-energy estimation of the average density and effective atomic number of the multicomponent materials ensures these parameters determination in the materials comprising any number of the components without the a priori information about their characteristics.
EFFECT: suggested by the invention calibration-less method provides unbiased estimates of density and effective atomic number of the multicomponent structure (without limitation of the components number) and upon absence of the a priori information relating density and effective number of the components.
12 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретение.The technical field to which the invention relates.

Изобретение относится к проблеме радиационного анализа материалов, конкретно к способам численной оценки плотности и эффективного атомного номера твердых и жидких многокомпонентных материалов.The invention relates to the problem of radiation analysis of materials, specifically to methods for numerically estimating the density and effective atomic number of solid and liquid multicomponent materials.

Уровень техники.The level of technology.

Физической основой большинства существующих способов оценки средней плотности и эффективного атомного номера двухкомпонентных материалов посредством двухэнергетической радиоскопии является зависимость отношения F массовых коэффициентов поглощения для низкой µL и высокой µH энергий излучения от атомного номера Ζ элементов периодической системы Д. Менделеева (фиг.1).The physical basis of most existing methods for estimating the average density and effective atomic number of two-component materials by means of two-energy radioscopy is the dependence of the ratio F of the mass absorption coefficients for low μ L and high μ H radiation energies on the atomic number Ζ of the elements of the periodic system of D. Mendeleev (Fig. 1).

Figure 00000001
Figure 00000001

Для объектов с постоянным химическим составом неизвестные две переменные (средняя плотность и эффективный атомный номер) определяются с помощью двух уравнений, связывающих долю прошедших без взаимодействия фотонов с произведениями массового коэффициента поглощения, плотности и толщины объекта при двух различных энергиях исходного излучения.For objects with a constant chemical composition, the unknown two variables (average density and effective atomic number) are determined using two equations that relate the fraction of photons that have passed without interaction with the products of the mass absorption coefficient, density and thickness of the object at two different energies of the initial radiation.

Доля фотонов, прошедших объект без взаимодействия, определяется для моноэнергетического источника какThe fraction of photons transmitted through an object without interaction is determined for a monoenergetic source as

Figure 00000002
Figure 00000002

где µ(Ζ(x),E) - распределение массового коэффициента полного поглощения по вектору ввода исходного излучения х, определяемого распределением атомного номера Z(x) и энергии E,where µ (Ζ (x), E) is the distribution of the mass coefficient of total absorption over the input vector x of radiation, determined by the distribution of the atomic number Z (x) and energy E,

ρ(x) - распределение плотности,ρ (x) is the density distribution,

NO - исходное число фотонов,N O is the initial number of photons,

N - число регистрируемых фотонов, прошедших объект без взаимодействия,N is the number of recorded photons that passed the object without interaction,

d - толщина объекта.d is the thickness of the object.

Для объекта с постоянным атомным номером данное отношение определяется произведением массового коэффициента поглощения на среднюю плотность и толщинуFor an object with a constant atomic number, this ratio is determined by the product of the mass absorption coefficient by the average density and thickness

Figure 00000003
Figure 00000003

где ρa - средняя плотность.where ρ a is the average density.

Отношение логарифмов обратных долей зарегистрированных фотонов для объекта с постоянным атомным номером зависит только от атомного номераThe ratio of the logarithms of the reciprocal of the recorded photons for an object with a constant atomic number depends only on the atomic number

Figure 00000004
Figure 00000004

где индексы L и H соответствуют низкой и высокой энергиям, соответственно.where the indices L and H correspond to low and high energies, respectively.

Атомный номер определяется как обратная функция от отношения рассматриваемых логарифмовAtomic number is defined as the inverse function of the ratio of the logarithms in question

Figure 00000005
Figure 00000005

По значению атомного номера определяются массовые коэффициенты поглощения (µL(Z),µH(Z))

Figure 00000006
, по любому из которых вычисляется средняя плотностьThe atomic number value determines the mass absorption coefficients (µ L (Z), µ H (Z))
Figure 00000006
according to any of which the average density is calculated

Figure 00000007
Figure 00000007

Известны способы, позволяющие путем измерения отношения долей прошедших без взаимодействия с объектом фотонов при низкой и высокой энергиях исходного рентгеновского излучения получить оценку эффективного атомного номера двухкомпонентной структуры.Known methods for measuring the ratio of the fractions of photons transmitted without interaction with an object at low and high energies of the initial x-ray radiation to obtain an estimate of the effective atomic number of a two-component structure.

К этим способам следует отнести следующие патентыThese methods include the following patents.

1. US 6683934 В1, 2004 г. Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography. J. Zhao, B. HibbsOpsahl-Ong, M.K. Hopple.1. US 6683934 B1, 2004. Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography. J. Zhao, B. Hibbs Opsahl-Ong, M.K. Hopple.

2. US 7158611 B2. 2007. B. Heismann, K. Stierstorfer. Method for determining density distributions and atomic number distributions during radiographic examination methods.2. US 7158611 B2. 2007. B. Heismann, K. Stierstorfer. Method for determining density distributions and atomic number distributions during radiographic examination methods.

3. DE 10305105 A1. 2004. B. Heismann. Eichung der Transformation spektraler Röntgenschwȁchungswerte in Dichte - und Ordnungs - zahlinformation.3. DE 10 305 105 A1. 2004. B. Heismann. Eichung der Transformation spektraler Röntgenschwȁchungswerte in Dichte - und Ordnungs - zahlinformation.

Общим недостатком решений, представленных в данных патентах, является то, что в них при оценке плотности имеет место систематическая ошибка.A common drawback of the solutions presented in these patents is that in them when evaluating the density there is a systematic error.

Наличие систематической ошибки в оценке линейного коэффициента поглощения в сторону его уменьшения (а, следовательно, и систематических смещений в оценках эффективного атомного номера и средней плотности) отмечено в работе:The presence of a systematic error in the estimation of the linear absorption coefficient in the direction of its decrease (and, consequently, of systematic shifts in the estimates of the effective atomic number and average density) was noted in the work:

Torikoshi, М. Ohno, Y. Endo и др. М. Measurement of electron density and effective atomic number using dual-energy X-ray CT. Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, Vol.6, Page(s): 3764-3768.Torikoshi, M. Ohno, Y. Endo, et al. M. Measurement of electron density and effective atomic number using dual-energy X-ray CT. Nuclear Science Symposium Conference Record, 2004 IEEE, Vol.6, Page (s): 3764-3768.

Наличие систематической ошибки в оценке эффективного атомного номера отмечено в работах:The presence of a systematic error in estimating the effective atomic number was noted in the works:

1. A. Pietrobelli, С. Formica, Z. Wang, S.В. Heymsfield. Dual-energy X-ray absorptiometry body composition model: review of physical concepts. Am J Physiol Endocrinol Metab 271:E941-E951, 1996.1. A. Pietrobelli, C. Formica, Z. Wang, S. B. Hemsfield. Dual-energy X-ray absorptiometry body composition model: review of physical concepts. Am J Physiol Endocrinol Metab 271: E941-E951, 1996.

2. A. Pietrobelli, Z. Wang, C. Formica, S.B. Heymsfield. Dual-energy X-ray absorptiometry: fat estimation errors due to variation in soft tissue hydration. AJP - Endocrinology and Metabolism, Volume 274 (5): E808 The American Physiological Society - 1998.2. A. Pietrobelli, Z. Wang, C. Formica, S.B. Hemsfield. Dual-energy X-ray absorptiometry: fat estimation errors due to variation in soft tissue hydration. AJP - Endocrinology and Metabolism, Volume 274 (5): E808 The American Physiological Society - 1998.

Значительная доля патентов основана на визуализации линейной разности логарифмов отношения числа исходных фотонов к числу прошедших объект без взаимодействия для различных энергий излучения, которая для монохроматических источников пропорциональна разности массовых коэффициентов поглощения, которая в свою очередь зависит от эффективного атомного номера (фиг.1)A significant proportion of patents is based on visualization of the linear difference of the logarithms of the ratio of the number of source photons to the number of transmitted objects without interaction for different radiation energies, which for monochromatic sources is proportional to the difference in mass absorption coefficients, which in turn depends on the effective atomic number (Fig. 1)

Figure 00000008
Figure 00000008

Наиболее широко данный метод применяется в двухэнергетической разностной маммографии и представлен патентами:This method is most widely used in dual-energy difference mammography and is represented by patents:

1. US 6683934 В1. 2004. J. Zhao et al. Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography.1. US 6683934 B1. 2004. J. Zhao et al. Dual energy x-ray imaging system and method for radiography and mammography.

2. EP 0092767 В1. 1986. Gary Sylvester Keyes et al. Method and apparatus for x-ray image subtraction.2. EP 0092767 B1. 1986. Gary Sylvester Keyes et al. Method and apparatus for x-ray image subtraction.

К недостаткам данных способов следует отнести то, что разность рассматриваемых логарифмов пропорциональна произведению массового коэффициента поглощения на плотность, что затрудняет провести раздельную идентификацию плотности и эффективного атомного номера.The disadvantages of these methods include the fact that the difference between the logarithms under consideration is proportional to the product of the mass absorption coefficient and density, which makes it difficult to separate the identification of density and effective atomic number.

Более обобщенным способом является визуализация линейной композиции логарифмов отношения числа исходных фотонов к числу прошедших объект без взаимодействия χ для различных энергий излученияA more generalized way is to visualize a linear composition of the logarithms of the ratio of the number of source photons to the number of transmitted objects without interaction χ for various radiation energies

Figure 00000009
Figure 00000009

где k1, k2, kO - константы.where k 1 , k 2 , k O are constants.

К этому способу следует отнести патентыThis method should include patents.

1. US 8306180 В2. 2012. Zhiqiang Chen et al. Image reconstruction method for high-energy, dual-energy CT system.1. US 8306180 B2. 2012. Zhiqiang Chen et al. Image reconstruction method for high-energy, dual-energy CT system.

2. US 20130028371, 2012. N. Derzhi. Method For Estimating Effective Atomic Number And Bulk Density Of Rock Samples Using Dual Energy X-Ray Computed Tomographic Imaging.2. US 20130028371, 2012. N. Derzhi. Method For Estimating Effective Atomic Number And Bulk Density Of Rock Samples Using Dual Energy X-Ray Computed Tomographic Imaging.

В патенте RU 2012108684. 2013. В.А. Горшков, Р.Р. Назиров, В.Г. Родин и др. «Способ двухэнергетической делительно-разностной маммографии» предложен способ визуализации линейной композиции разности и отношения логарифмов отношения числа исходных фотонов к числу прошедших объект без взаимодействия для различных энергий излученияIn patent RU 2012108684. 2013. V.A. Gorshkov, R.R. Nazirov, V.G. Rodin et al. “A method of dual-energy fission-difference mammography” proposed a method for visualizing a linear composition of the difference and the ratio of the logarithms of the ratio of the number of source photons to the number of transmitted objects without interaction for different radiation energies

Figure 00000010
Figure 00000010

где k1, k2, kO - константы.where k 1 , k 2 , k O are constants.

Однако такой способ приводит к систематическому смещению получаемого эффективного атомного номера, что и позволяет лучше идентифицировать микрокальцинаты мельчайших размеров в молочной железе.However, this method leads to a systematic shift in the resulting effective atomic number, which allows better identification of the smallest microcalcinates in the mammary gland.

В патенте US 6857640 В2, 2002 «Dual-energy radiography process differentiating bone tissues, lean tissues and fatty tissues» (Jean-Marc Dinten, Lionel Herve, Christine Robert-Coutant) предложен способ оценки массовой концентрации компонентов в костях и тканях (в трехкомпонентной структуре), заключающийся в решении системы уравненийUS 6857640 B2, 2002 “Dual-energy radiography process differentiating bone tissues, lean tissues and fatty tissues” (Jean-Marc Dinten, Lionel Herve, Christine Robert-Coutant) proposes a method for estimating the mass concentration of components in bones and tissues (in a three-component structure), consisting in solving the system of equations

Figure 00000011
Figure 00000011

где Mm, Mg, Mos - масса материала на единицу площади, г/см2,where M m , M g , M os is the mass of material per unit area, g / cm 2 ,

ρ - плотность материала,ρ is the density of the material,

m, g, os - индексы, соответствующие мышечной, жировой и костной тканям,m, g, os - indices corresponding to muscle, adipose and bone tissues,

1, 2 - индексы, соответствующие низкой и высокой энергиям излучения,1, 2 - indices corresponding to low and high radiation energies,

X1, X2 - логарифмы отношений исходного число фотонов к числу прошедших без взаимодействия,X 1 , X 2 - logarithms of the ratio of the original number of photons to the number of transmitted without interaction,

L - толщина исследуемого участка, вычисляемого с помощью полиномаL is the thickness of the study area, calculated using the polynomial

Figure 00000012
Figure 00000012

где α, β, γ, δ, ε - константы.where α, β, γ, δ, ε are constants.

В современных остеоденситометрах толщина исследуемого участка не вычисляется, а измеряется лазерным прибором, как это реализовано в шведском двухэнергетическом денситометре DEXA & Laser компании Lund (http://www.lundltd.ru/index.php?razd=106&catalog=111).In modern osteodensitometers, the thickness of the test site is not calculated, but measured by a laser device, as is implemented in the Swedish Lund DEXA & Laser densitometer (http://www.lundltd.ru/index.php?razd=106&catalog=111).

Не составляет проблемы по измеренным массовым концентрациям компонентов получить несмещенные оценки средней плотности и эффективного атомного номера.It is not a problem for measured mass concentrations of components to obtain unbiased estimates of average density and effective atomic number.

При этом необходима априорная информация о плотности и массовых коэффициентах поглощения (т.е. об эффективном атомном номере) каждого из 3-х компонентов.In this case, a priori information is required on the density and mass absorption coefficients (i.e., on the effective atomic number) of each of the 3 components.

Однако такой подход не применим для оценки средней плотности и эффективного атомного номера многокомпонентной среды (без ограничения числа компонентов) в отсутствии априорной информации о плотности и эффективном номере входящих в нее компонентов.However, this approach is not applicable for estimating the average density and effective atomic number of a multicomponent medium (without limiting the number of components) in the absence of a priori information on the density and effective number of its constituent components.

Способ устранения систематической ошибки в оценке плотности многокомпонентного объекта представлен в уже упомянутом выше патенте US 20130028371, 2012. N. Derzhi. Method For Estimating Effective Atomic Number And Bulk Density Of Rock Samples Using Dual Energy X-Ray Computed Tomographic Imaging. В данном патенте предлагается на калибровочных однородных образцах с различными известными плотностями и эффективными атомными номерами получить систему уравнений связи плотности и эффективного атомного номера с логарифмами отношения исходного числа фотонов к прошедшим без взаимодействия с объектом. На основании полученных уравнений определяется связь абсолютной систематической погрешности в определении плотности с атомным номером.A method for eliminating a systematic error in estimating the density of a multicomponent object is presented in the aforementioned patent US 20130028371, 2012. N. Derzhi. Method For Estimating Effective Atomic Number And Bulk Density Of Rock Samples Using Dual Energy X-Ray Computed Tomographic Imaging. In this patent, it is proposed to obtain a system of equations for the relationship between the density and the effective atomic number with the logarithms of the ratio of the initial number of photons to transmitted ones without interaction with the object on calibration homogeneous samples with different known densities and effective atomic numbers. Based on the obtained equations, the relationship of the absolute systematic error in determining the density with the atomic number is determined.

Figure 00000013
Figure 00000013

где ε - систематическая ошибка,where ε is the systematic error,

a, b - константы.a, b are constants.

Данное уравнение является основой коррекции вычисляемой плотности по всем векторам сканирующей системы.This equation is the basis for the correction of the calculated density for all vectors of the scanning system.

Первоначальные оценки плотности и эффективного атомного номера вычисляются на основании системы уравнений, полученной на калибровочных образцах.Initial estimates of density and effective atomic number are calculated based on a system of equations obtained from calibration samples.

Для оценки плотности и эффективного атомного номера многокомпонентной структуры (без ограничения числа компонентов) в отсутствии априорной информации о плотности и эффективном номере входящих в нее компонентов предлагается безкалибровочный итерационный способ их оценки, что и является предметом предполагаемого изобретенияTo estimate the density and effective atomic number of a multicomponent structure (without limiting the number of components) in the absence of a priori information about the density and effective number of its constituent components, a non-calibration iterative method for their estimation is proposed, which is the subject of the proposed invention

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Проблема вычисления средней плотности многокомпонентной среды заключается в сложности определения эффективного массового поглощения всей среды при отсутствии априорной информации об эффективном номере входящих в нее компонентов.The problem of calculating the average density of a multicomponent medium is the difficulty in determining the effective mass absorption of the entire medium in the absence of a priori information about the effective number of its constituent components.

Если имеется оценка эффективного атомного номера, то оценка плотности может быть определена какIf there is an estimate of the effective atomic number, then an estimate of the density can be defined as

Figure 00000014
Figure 00000014

где

Figure 00000015
- оценка эффективного атомного номера среды.Where
Figure 00000015
- assessment of the effective atomic number of the medium.

Только при точной оценке эффективного атомного номера возможно точное вычисление средней плотностиOnly with an accurate estimate of the effective atomic number is it possible to accurately calculate the average density

Figure 00000016
Figure 00000016

Знаменатель выражения (15) является измеряемой величиной (Measured_ Value), а числитель - вычисляемой (Calculated_value)The denominator of expression (15) is the measured value (Measured_ Value), and the numerator is the calculated value (Calculated_value)

Figure 00000017
Figure 00000017

Таким образом, при измерениях на двух различных энергиях имеют место две оценки средней плотностиThus, when measuring at two different energies, two estimates of the average density take place

Figure 00000018
Figure 00000018

Figure 00000019
Figure 00000019

Отсюда отношение рассматриваемых логарифмов будетHence the ratio of the logarithms under consideration will be

Figure 00000020
Figure 00000020

Уравнения (17) и (18) являются основой итерационного способа оценки средней плотности и эффективного атомного номера многокомпонентных материалов.Equations (17) and (18) are the basis of an iterative method for estimating the average density and effective atomic number of multicomponent materials.

Принимая для начальной оценки эффективного атомного номера равенство плотностейAssuming for the initial estimate of the effective atomic number the equality of densities

Figure 00000021
Figure 00000021

принимаем за начальную оценку отношения массовых коэффициентов поглощенияtaken as the initial estimate of the ratio of mass absorption coefficients

Figure 00000022
Figure 00000022

откуда получаем начальную оценку (0-ая итерация) эффективного атомного номераwhence we get the initial estimate (0th iteration) of the effective atomic number

Figure 00000023
Figure 00000023

По полученной оценке эффективного атомного номера Ζ ˜ 0

Figure 00000024
по известным табличным значениям массовых коэффициентов поглощения для различных элементов и энергий (с применением интерполяции) оцениваются массовые коэффициенты
Figure 00000025
According to the obtained estimate of the effective atomic number Ζ ˜ 0
Figure 00000024
using known tabular values of mass absorption coefficients for various elements and energies (using interpolation), mass coefficients are estimated
Figure 00000025

По полученным массовым коэффициентам уточняются условные плотности (1-я итерация)Based on the obtained mass coefficients, the conditional densities are specified (1st iteration)

Figure 00000026
Figure 00000026

Figure 00000027
Figure 00000027

По полученным плотностям уточняется отношение массовых коэффициентов поглощенияBased on the obtained densities, the ratio of the mass absorption coefficients is refined.

Figure 00000028
Figure 00000028

на основании которого уточняется значение эффективного атомного номераon the basis of which the value of the effective atomic number is specified

Figure 00000029
Figure 00000029

Далее процедуры повторяются, т.е. итерационно уточняются массовые коэффициенты поглощения, условные плотности, отношения массовых коэффициентов поглощения, эффективные атомные номера.Further, the procedures are repeated, i.e. mass absorption coefficients, conditional densities, ratios of mass absorption coefficients, effective atomic numbers are iteratively refined.

Так, на i-той итерации вычисляются:So, at the i-th iteration, the following are calculated:

- массовые коэффициенты поглощения- mass absorption coefficients

Figure 00000030
Figure 00000030

- условные плотности- conditional densities

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

- отношения массовых коэффициентов поглощения- ratios of mass absorption coefficients

Figure 00000033
Figure 00000033

- эффективные атомные номера- effective atomic numbers

Figure 00000034
Figure 00000034

где i - номер итерации.where i is the iteration number.

Итерации повторяются до тех пор, пока значения плотностей и эффективного атомного номера не стабилизируются, либо до тех пор, пока их изменения не будут удовлетворять заданному критерию, определяющим заданную точность в их оценке.Iterations are repeated until the densities and effective atomic number are stabilized, or until their changes satisfy the specified criterion that determines the given accuracy in their estimation.

Именно последовательность указанных действий является существенным отличительным признаком данного способа.It is the sequence of these actions that is an essential distinguishing feature of this method.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Фиг.1 представляет зависимость отношения массовых коэффициентов поглощения от атомного номера.Figure 1 represents the dependence of the ratio of mass absorption coefficients on the atomic number.

Фиг.2 представляет зависимость разности массовых коэффициентов поглощения от атомного номера.Figure 2 represents the dependence of the difference of the mass absorption coefficients on the atomic number.

Фиг.3 представляет структурную схему реализации способаFigure 3 is a structural diagram of a method implementation

Фиг.4 представляет распределение компонентов в объекте.Figure 4 represents the distribution of components in an object.

Фиг.5 представляет распределения фактического эффективного атомного номера и вычисленного начальной оценкой (0-ая итерация).Figure 5 represents the distribution of the actual effective atomic number and calculated by the initial estimate (0th iteration).

Фиг.6 представляет распределения фактической и рассчитанных условных плотностей по интенсивности регистрации излучения на низкой и высокой энергий после начальной итерации.6 represents the distribution of the actual and calculated conditional densities according to the intensity of registration of radiation at low and high energies after the initial iteration.

Фиг.7 представляет распределения эффективного атомного номера и его оценок после 0-й и 2-й итераций.7 represents the distribution of the effective atomic number and its estimates after the 0th and 2nd iterations.

Фиг.8 представляет распределения фактической и рассчитанных условных плотностей по интенсивности регистрации излучения на низкой и высокой энергий после 2-й итерации.Fig.8 represents the distribution of the actual and calculated conditional densities according to the intensity of registration of radiation at low and high energies after the 2nd iteration.

Фиг.9 представляет распределения эффективного атомного номера и его оценок после 0-й и 3-й итераций.Fig.9 represents the distribution of the effective atomic number and its estimates after the 0th and 3rd iterations.

Фиг.10 представляет распределение плотности (а) и эффективного атомного номера (б) в фантоме кости.Figure 10 represents the distribution of density (a) and effective atomic number (b) in the phantom of the bone.

Фиг.11 представляет результаты идентификации распределения плотности и эффективного атомного номера итерационным способом.11 represents the results of identifying a density distribution and an effective atomic number in an iterative manner.

Фиг.12 представляет результаты идентификации распределения плотности и эффективного атомного номера по способу, защищенному патентом US 6857640.12 represents the results of identifying a density distribution and an effective atomic number by a method protected by US Pat. No. 6,857,640.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Изобретение осуществляется в соответствии со следующей последовательностью и иллюстрируется структурной схемой, представленной на фиг.3.The invention is carried out in accordance with the following sequence and is illustrated by the structural diagram presented in figure 3.

1. Измеряют доли регистрируемых фотонов, прошедших объект без взаимодействия N 0 L / N L , N 0 H / N H

Figure 00000035
.1. Measure the fraction of the recorded photons that passed the object without interaction N 0 L / N L , N 0 H / N H
Figure 00000035
.

2. Начальная итерация (i=0). Рассчитывают начальную оценку (i=0) отношения массовых коэффициентов поглощения2. The initial iteration (i = 0). The initial estimate (i = 0) of the ratio of the mass absorption coefficients is calculated

Figure 00000036
Figure 00000036

3. Рассчитывают начальную оценку (i=0) эффективного атомного номера (рис.4)3. Calculate the initial estimate (i = 0) of the effective atomic number (Fig. 4)

Figure 00000037
Figure 00000037

4. Следующая итерация (i=i+1). По полученной оценке эффективного атомного номера Ζ ˜ i 1

Figure 00000038
по известным табличным значениям массовых коэффициентов поглощения для различных элементов и энергий оцениваются массовые коэффициенты4. Next iteration (i = i + 1). According to the obtained estimate of the effective atomic number Ζ ˜ i - one
Figure 00000038
the known tabular values of the mass absorption coefficients for various elements and energies are estimated mass coefficients

Figure 00000039
Figure 00000039

5. По полученным массовым коэффициентам уточняются условные плотности (фиг.5)5. Based on the obtained mass coefficients, conditional densities are specified (Fig. 5)

Figure 00000040
Figure 00000040

Figure 00000041
Figure 00000041

6. По полученным значениям плотностей корректируется оценка отношения массовых коэффициентов поглощения6. Based on the obtained densities, the estimate of the ratio of mass absorption coefficients is adjusted

Figure 00000042
Figure 00000042

7. По полученной скорректированной оценке отношения массовых коэффициентов поглощения вычисляется новая оценка эффективного атомного номера7. Based on the adjusted estimate of the ratio of mass absorption coefficients, a new estimate of the effective atomic number is calculated

Figure 00000043
Figure 00000043

Далее действия по пункту 4, 5, 6, 7 повторяются, т.е. итерационно уточняются:Further, the actions in paragraph 4, 5, 6, 7 are repeated, i.e. iteratively specified:

- массовые коэффициенты поглощения,- mass absorption coefficients,

- условные плотности,- conditional densities,

- отношения массовых коэффициентов поглощения,- the ratio of mass absorption coefficients,

- эффективные атомные номера.- effective atomic numbers.

Действия повторяются до тех пор, пока значения плотностей и эффективного атомного номера не стабилизируются, либо до тех пор, пока их изменения не будут удовлетворять заданному критерию, определяющим заданную точность в их оценке.Actions are repeated until the densities and effective atomic number are stabilized, or until their changes satisfy the specified criterion that determines the given accuracy in their estimation.

Результаты двухэнергетической оценки средней плотности и эффективного атомного номера многокомпонентных материалов иллюстрируются на 4-х компонентном объекте (фиг.4), толщиной 4 см с плотностью и атомным номером, представленными в таблице 1.The results of a two-energy estimate of the average density and effective atomic number of multicomponent materials are illustrated on a 4-component object (Fig. 4), 4 cm thick with a density and atomic number, shown in Table 1.

Таблица 1.Table 1. Атомные номера и плотности компонентов объектаAtomic numbers and densities of the components of an object d6d6 d10d10 d12d12 d14d14 Ζi Ζ i 66 1010 1212 14fourteen ρi ρ i 1one 1,51,5 22 2,52,5

Фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9 иллюстрируют повышение точности идентификации эффективного атомного номера и средней плотности с увеличением количества итераций. Как видно, с увеличением номера итерации i оценки эффективного атомного номера

Figure 00000044
, стремятся к фактическим значениям
Figure 00000045
, а условные плотности, рассчитанные на низкой и высокой энергиях (ρL,iter(i),ρН,iter(i)) к фактическим средним значениям ρа . Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8, Fig. 9 illustrate the increase in the accuracy of identification of the effective atomic number and average density with an increase in the number of iterations. As can be seen, with an increase in the iteration number i, the estimates of the effective atomic number
Figure 00000044
seek actual values
Figure 00000045
, and conditional densities calculated at low and high energies (ρL, iter (i), ρН, iter (i)) to the actual average values of ρ a .

Повторение данных операций проводится до тех пор, пока уточнение значений плотности и эффективного атомного номера либо не приводит к заметным их изменениям, либо пока не отвечает выбранному критерию.The repetition of these operations is carried out until the refinement of the values of density and effective atomic number either leads to noticeable changes, or until it meets the selected criterion.

Данный способ был сопоставлен со способом, представленном в рассмотренном выше патенте US 6857640, позволяющем идентифицировать плотность и эффективный атомный номер для 2 и 3-компонентных структур.This method was compared with the method presented in the above patent US 6857640, allowing to identify the density and effective atomic number for 2 and 3-component structures.

Фиг.10 представляет распределения плотности и эффективного атомного номера в двухкомпонентном фантоме кости, состоящего из надкостницы, плотной и губчатой кости, костного мозга.Figure 10 represents the distribution of density and effective atomic number in a two-component phantom of the bone, consisting of periosteum, dense and cancellous bone, bone marrow.

Фиг.11 представляет результаты оценки плотности и эффективного атомного номера путем представленного способа.11 represents the results of density and effective atomic number estimation by the presented method.

Фиг.12. Представляет результаты идентификации распределения плотности и эффективного атомного номера на основании способа, представленного в патенте US 6857640. Как видно, для двухкомпонентной среды имеет место полное эквивалентность распределений, полученных предлагаемым способом и расчетным способом, представленным в патенте US 6857640.Fig. 12. It presents the results of identifying the density distribution and effective atomic number based on the method presented in US Pat. No. 6,857,640. As you can see, for a two-component medium, there is complete equivalence of the distributions obtained by the proposed method and the calculation method presented in US 6857640.

Claims (1)

Способ двухэнергетической оценки средней плотности и эффективного атомного номера многокомпонентных материалов, заключающийся в том, что анализируемый объект облучают моноэнергетическими излучениями на двух энергиях, регистрируют излучение, прошедшее через объект, рассчитывают отношение логарифмов долей чисел фотонов, прошедших объект без взаимодействия,
Figure 00000046
,
по которому, по обратной функции связи отношения массовых коэффициентов поглощения с атомным номером F(Z) рассчитывают начальную оценку эффективный атомный номер
Figure 00000047
,
отличающийся тем, что по полученной (i-1)-й оценке атомного номера последовательно по таблицам вычисляют оценки массовых коэффициентов поглощения
Figure 00000048
и по ним, и по доле регистрируемого излучения для низкой и высокой энергии вычисляют i-е оценки условных плотностей
Figure 00000049
,
Figure 00000050
,
по значениям которых корректируют отношение массовых коэффициентов поглощения
Figure 00000051
,
вычисляют новую оценку эффективного атомного номера
Figure 00000052
,
причем операции по уточнению эффективного атомного номера и плотностей повторяют до тех пор, пока итерационная процедура не отвечает выбранному критерию.
The method of two-energy estimation of the average density and effective atomic number of multicomponent materials, which consists in the fact that the analyzed object is irradiated with monoenergetic radiation at two energies, the radiation transmitted through the object is recorded, the ratio of the logarithms of the fractions of the number of photons transmitted through the object is calculated,
Figure 00000046
,
according to which, by the inverse communication function, the ratios of the mass absorption coefficients with the atomic number F (Z) calculate the initial estimate of the effective atomic number
Figure 00000047
,
characterized in that according to the obtained (i-1) th estimate of the atomic number, the estimates of the mass absorption coefficients are successively calculated from the tables
Figure 00000048
and from them, and by the fraction of the recorded radiation for low and high energy, i-th estimates of conditional densities are calculated
Figure 00000049
,
Figure 00000050
,
the values of which adjust the ratio of mass absorption coefficients
Figure 00000051
,
calculate a new estimate of the effective atomic number
Figure 00000052
,
and operations to refine the effective atomic number and densities are repeated until the iterative procedure meets the selected criterion.
RU2013127768/28A 2013-06-19 2013-06-19 Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials RU2558001C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127768/28A RU2558001C2 (en) 2013-06-19 2013-06-19 Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013127768/28A RU2558001C2 (en) 2013-06-19 2013-06-19 Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013127768A RU2013127768A (en) 2014-12-27
RU2558001C2 true RU2558001C2 (en) 2015-07-27

Family

ID=53278382

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013127768/28A RU2558001C2 (en) 2013-06-19 2013-06-19 Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2558001C2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995006874A1 (en) * 1993-09-02 1995-03-09 Ormaz Partners Tomographic densitometer
US7158611B2 (en) * 2001-09-03 2007-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining density distributions and atomic number distributions during radiographic examination methods
RU2391909C2 (en) * 2008-06-24 2010-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН Method of diagnosing mammary gland diseases on basis of identification of effective atom number distribution
US20100158384A1 (en) * 2007-09-05 2010-06-24 Uwe Siedenburg Method for improving the ability to recognize materials in an x-ray inspection system, and x-ray inspection system
RU2466383C2 (en) * 2008-05-06 2012-11-10 Пинань ЛО Method and system for determining constituent content in multiphase fluid

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995006874A1 (en) * 1993-09-02 1995-03-09 Ormaz Partners Tomographic densitometer
US7158611B2 (en) * 2001-09-03 2007-01-02 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining density distributions and atomic number distributions during radiographic examination methods
US20100158384A1 (en) * 2007-09-05 2010-06-24 Uwe Siedenburg Method for improving the ability to recognize materials in an x-ray inspection system, and x-ray inspection system
RU2466383C2 (en) * 2008-05-06 2012-11-10 Пинань ЛО Method and system for determining constituent content in multiphase fluid
RU2391909C2 (en) * 2008-06-24 2010-06-20 Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН Method of diagnosing mammary gland diseases on basis of identification of effective atom number distribution

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013127768A (en) 2014-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1928318B1 (en) Quantitative material decomposition for spectral ct
US9025815B2 (en) System and method for multi-material correction of image data
Jorgenson et al. A comparison of methods for in vivo assessment of cortical porosity in the human appendicular skeleton
JP6515936B2 (en) Bone analyzer
CN104939848B (en) The generation of monochrome image
US11116470B2 (en) Beam hardening correction in x-ray dark-field imaging
US10360681B2 (en) Method, a system and a computer program for determining data defining an estimate of the thickness and density of a cortical bone tissue structure of interest from imaging data
Crabtree et al. Dual-energy X-ray absorptiometry
De Luca et al. A new formula for assessing skeletal age in growing infants and children by measuring carpals and epiphyses of radio and ulna
US20200281552A1 (en) System and Method for Basis Material Decomposition with General Physical Constraint for Multi-Energy Computed Tomography
Szigeti et al. Motion based X-ray imaging modality
RU2558001C2 (en) Method of two-energy estimation of average density and effective atomic number of multicomponent materials
Bateman et al. Segmentation enhances material analysis in multi-energy CT: A simulation study
Petraikin et al. Quantitative computed tomography, modern data. Review
Emami et al. A novel dual energy method for enhanced quantitative computed tomography
JP6400947B2 (en) X-ray imaging system and method for grid-like contrast enhancement
Haddadi et al. Validation of A Bi-energetic spectrum approximation in bone mineral density measurement with A dxa digital twin
Malekzadeh et al. Liquid calibration phantoms in ultra-low-dose QCT for the assessment of bone mineral density
JP6751791B1 (en) How to convert computed tomography scan information into skeletal parameters
RU2412650C1 (en) Single energy x-ray densitometry related method for measuring bone mineral and volume density
Fogazzi et al. A direct comparison of multi-energy x-ray and proton CT for imaging and relative stopping power estimation of plastic and ex-vivo phantoms
Binkowski et al. Densitometry test of bone tissue: Validation of computer simulation studies
Almansoori et al. Observing pneumothoraces: The 35-millimeter rule is safe for both blunt and penetrating chest trauma
Walter et al. Dual kVp material decomposition using flat-panel detectors
US20240202994A1 (en) Correction apparatus, method and program for correcting artifacts

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150923