RU2738115C1

RU2738115C1 - X-ray computed tomography method of fast processes

Info

Publication number: RU2738115C1
Application number: RU2019125802A
Authority: RU
Inventors: Александр Васильевич Попов; Алексей Иванович Шляховой; Елена Геннадьевна Маркова
Priority date: 2019-08-14
Filing date: 2019-08-14
Publication date: 2020-12-08

Abstract

FIELD: x-ray computed tomography of fast processes.

SUBSTANCE: essence of invention consists in the fact that object is previously applied with system of radiopaque reference points, performing X-ray imaging of object together with reference points, by distortion of the projections of the reference points on the detector in different angles, determining the irradiation geometry and after conversion by means of program coordinates of the lines on the detectors corresponding to the analyzed section of the object, circle with center in the middle of the object is reconstructed using standard programs for tomography of the fourth generation tomographic image of the cross-section of the object of interest, wherein the object is irradiated by pulsed synchronized X-ray sources simultaneously in different angles, wherein the radiation of each source is strictly collimated and recorded with only one detector.

EFFECT: possibility of obtaining a tomographic image of sections of fast processes.

1 cl, 4 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates

Изобретение относится к компьютерной томографии (КТ) и основано на получении изображения сечения быстропротекающих процессов в объекте исследования радиационными методами, например, с помощью рентгеновского излучения.The invention relates to computed tomography (CT) and is based on obtaining a cross-sectional image of fast processes in the object of study by radiation methods, for example, using X-rays.

Уровень техникиState of the art

В настоящее время при исследованиях быстропротекающих процесса широко используется методы импульсной рентгенографии.At present, pulsed radiography methods are widely used in studies of fast processes.

Однако один из наиболее информативных в настоящее время методов диагностики (метод компьютерной томографии) для исследования быстро протекающих процессов не используется, хотя, информативность этого метода о каждом элементарном объеме исследуемого объекта (процесса) во много раз выше, чем в любом другом известном методе диагностики.However, one of the currently most informative diagnostic methods (the computed tomography method) is not used to study rapidly proceeding processes, although the information content of this method about each elementary volume of the investigated object (process) is many times higher than in any other known diagnostic method.

К сожалению, скорость получения необходимого томографического изображения мала, например, даже при томографии сердца скорость получения изображения слоя позволяет только устранить влияние дыхательных движений, но не достаточна для того, чтобы исключить влияние пульсации сердца и исследовать быстропротекающие процессы сердечной деятельности. Тем более существующая рентгеновская томография не обеспечивает получение изображения таких процессов, как, например, обтекание газами турбинных лопаток, истечение газа из сопла двигателя и других микро- и макронаносекундных процессов.Unfortunately, the speed of obtaining the necessary tomographic image is low, for example, even with tomography of the heart, the speed of obtaining the image of the layer only allows to eliminate the influence of respiratory movements, but is not sufficient to exclude the influence of pulsation of the heart and to study the fast processes of cardiac activity. Moreover, the existing X-ray tomography does not provide an image of such processes as, for example, gas flow around turbine blades, gas outflow from an engine nozzle, and other micro- and macronanosecond processes.

Главная причина - трудность совмещения требований получения импульсного синхронного излучения для облучения в нескольких ракурсах объекта и требований к мгновенному снятию информации с размещенных по окружности большого количества независимых детекторов. Поэтому для изучения быстропротекающих процессов в основном используется метод рентгенографии.The main reason is the difficulty of combining the requirements for obtaining pulsed synchronous radiation for irradiation from several angles of the object and the requirements for instantaneous information retrieval from a large number of independent detectors placed around the circumference. Therefore, the X-ray method is mainly used to study fast processes.

АналогиAnalogs

Известны способы рентгенографии быстропротекающих процессов, когда исследуемый объект помещают между источником излучения и конвертером, а распределения интенсивности прошедшего через исследуемый объект импульсного излучения в видимое теневое изображение. Изображение регистрируют фото- или электронным регистратором. В качестве конвертера используют люминесцентный экран, например, способ [патент РФ №2467525 C1, H05G 1/58, А61В 6/00].Known methods of X-ray diffraction of fast processes, when the object under study is placed between the radiation source and the converter, and the intensity distribution of the pulse radiation passed through the object under study into a visible shadow image. The image is registered with a photo or electronic recorder. A luminescent screen is used as a converter, for example, the method [RF patent No. 2467525 C1, H05G 1/58, A61B 6/00].

В ряде случаев имеется необходимость фиксировать в пространстве положение тела, движущегося с большой скоростью в среде, непрозрачной для видимого света. Например, необходимо фотографировать движущиеся части машин, скрытые кожухом от непосредственного наблюдения, фиксировать отдельные этапы развития процесса взрыва, цепной реакции, движения снаряда внутри непрозрачного для видимого света облака газов В этих случаях, используют жесткое рентгеновское излучение.In some cases, there is a need to fix in space the position of a body moving at high speed in a medium that is opaque to visible light. For example, it is necessary to photograph moving parts of machines hidden by the casing from direct observation, to record individual stages in the development of the explosion process, chain reaction, movement of the projectile inside a cloud of gases that is opaque to visible light. In these cases, hard X-rays are used.

Первые опыты по рентгенографированию быстропротекающих процессов с экспозициями в миллионные лоли секунды были осуществлены известным немецким ученым М. Штеенбеком (М/ Steebek. Wissenschaft. Veroff. a.d. Siemens Werke., 1938, v. 17, №4б, h, 363)The first experiments on X-ray diffraction of fast processes with exposures of millionth loli of a second were carried out by the famous German scientist M. Steenbeck (M / Steebek. Wissenschaft. Veroff. A.d. Siemens Werke., 1938, v. 17, No. 4b, h, 363)

Известны способы рентгенографии быстропротекающих процессов с помощью нескольких импульсных излучателей, которые последовательно запускаются синхронно с исследуемой фазой процесса.Known methods of radiography of fast processes using several pulsed emitters, which are sequentially launched synchronously with the investigated phase of the process.

Существует изобретение [патент РФ №2515053, G03B 42/02], сущность которого заключается в том, что при получений радиографического изображения быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследований выполняют радиографию областей объекта исследований с различными оптическими толщинами в соответствующих им различных энергетических диапазонах, при этом осуществляют пространственно-временную томографию объекта исследований, обеспеченную по меньшей мере тремя лучами с независимыми пространственными координатами, сходящимися в центре расположения объекта исследования. Технический результат: повышение информативности радиографии быстропротекающих процессов в неоднородном объекте исследования.There is an invention [RF patent No. 2515053, G03B 42/02], the essence of which lies in the fact that when obtaining a radiographic image of fast processes in a heterogeneous object of research, radiography of areas of the object of research with different optical thicknesses in the corresponding different energy ranges is performed, while spatio-temporal tomography of the research object, provided with at least three beams with independent spatial coordinates, converging in the center of the location of the research object. EFFECT: increased information content of radiography of fast processes in a heterogeneous object of study.

ПрототипPrototype

Наиболее близким к заявляемому способу техническим решением того же назначения и выбранный автором в качестве прототипа является по совокупности признаков способ «Способ рентгеновской компьютерной томографии» [патент №2665717, G01N 23/08, G01T 1/29], основанный на радиографии объекта детекторами с запоминанием информации (рентгеновская пленка, радиофотолюминесцентные стекла (РФЛС)) и восстановлением томографического изображения с помощью стандартных программ для томографов четвертого поколения, причем на объект предварительно наносится система рентгеноконтрастных реперов, проводится радиография объекта вместе с реперами по искажению проекций реперов на радиофотолюминесцентном стекле в разных ракурсах определяют геометрию облучения и, после преобразования программным путем координат прямых на радиофотолюминесцентных стеклах, соответствующих исследуемому сечению объекта, в дуги окружности с центром в середине объекта, восстанавливают при помощи стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего сечения объекта.The closest to the claimed method, the technical solution for the same purpose and selected by the author as a prototype is the combination of features of the method "Method of X-ray computed tomography" [patent No. 2665717, G01N 23/08, G01T 1/29], based on the radiography of the object with detectors with memory information (X-ray film, radiophotoluminescent glasses (RFLS)) and restoration of the tomographic image using standard programs for tomographs of the fourth generation, and a system of radiopaque reference marks is preliminarily applied to the object, radiography of the object is carried out together with reference points to distort the projections of reference points on radiophotoluminescent glass in different angles. the geometry of the irradiation and, after programmatically transforming the coordinates of the straight lines on the radio-photoluminescent glasses, corresponding to the investigated section of the object, in the arcs of a circle centered in the middle of the object, are restored using standard programs for tomographs th generation tomographic image of the object of interest.

Достоинством такого способа является то, что реализующие его устройства широко распространены и для них существуют стандартные программы восстановления томографического изображения (крайне сложные для самостоятельной разработки).The advantage of this method is that the devices implementing it are widespread and for them there are standard tomographic image restoration programs (extremely difficult for independent development).

Технический результат изобретенияThe technical result of the invention

Техническим результатом изобретения является разработка способа, обеспечивающего получение томографического изображения сечений быстропротекащих процессов.The technical result of the invention is the development of a method for obtaining a tomographic image of sections of fast processes.

Способ достижения технического результатаMethod of achieving a technical result

Указанный результат достигается тем, что проводится радиография объекта импульсными синхронизированными рентгеновскими источниками и детекторами с запоминанием информации (РФЛС) одновременно в разных ракурсах, причем излучение каждого источника строго коллимировано и регистрируется только одним детектором.This result is achieved by the fact that the object is radiated by pulse synchronized X-ray sources and detectors with information storage (RFLS) simultaneously in different angles, and the radiation of each source is strictly collimated and recorded by only one detector.

Предварительно на исследуемый объект наносится система рентгеноконтрастных реперов, по проекциям реперов на РФЛС определяется геометрия облучения и после преобразования координат прямых на РФЛС соответствующих исследуемому сечению объекта в дуги окружности с центром в середине объекта, восстанавливают с помощью стандартных программ для томографов четвертого поколения томографическое изображение интересующего процесса.Preliminarily, a system of radiopaque reference marks is applied to the object under study, the geometry of irradiation is determined from the projections of the reference points on the RFLS, and after transforming the coordinates of the straight lines on the RFLS corresponding to the investigated section of the object into circular arcs centered in the middle of the object, the tomographic image of the process of interest is restored using standard programs for fourth-generation tomographs ...

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Сущность предлагаемого изобретении поясняется с помощью чертежей на фиг. 1 (общая схема измерений), фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4. Для достижения указанной задачи (разработка способа рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов) выполняются следующие действия:The essence of the invention is illustrated using the drawings in Fig. 1 (general measurement scheme), Fig. 2, fig. 3 and FIG. 4. To achieve this task (development of a method for X-ray computed tomography of fast processes), the following actions are performed:

1. На исследуемый объект (процесс) 1 наносится система реперов, например, объект помещается в рентгенопрозрачный кубик 2 известных размеров, в вершинах которого расположены шарики 3 из материалов различной плотности (свинец, медь, железо и т.д.).1. A system of benchmarks is applied to the object under study (process) 1, for example, the object is placed in an X-ray transparent cube 2 of known sizes, at the vertices of which are balls 3 made of materials of different densities (lead, copper, iron, etc.).

2. Намечается плоскость, в которой хотят получить сечение быстропротекающего процесса в объекте, в этой плоскости определяются точки размещения рентгеновских источников 4 для проведения радиографии в нескольких ракурсах. Число ракурсов зависит от соотношения размеров объекта и РФЛС.2. A plane is outlined in which they want to obtain a cross-section of a fast process in an object; in this plane, the points of placement of X-ray sources 4 for carrying out radiography in several angles are determined. The number of views depends on the ratio of the size of the object and RFLS.

3. Рентгеновские источники 4 облучает исследуемый объект 1 через коллиматоры 6. Длительность импульса излучения должна быть существенно меньшей длительности регистрируемого процесса. На РФЛС 5 кроме рентгенограммы исследуемого образца будут зарегистрированы проекции реперов 7. По искажению проекций вычисляют координаты плоскости РФЛС.3. X-ray sources 4 irradiate the object under study 1 through collimators 6. The duration of the radiation pulse should be significantly shorter than the duration of the recorded process. On the RFLS 5, in addition to the X-ray diffraction pattern of the sample under study, projections of reference points 7 will be recorded. From the distortion of the projections, the coordinates of the RFLS plane are calculated.

4. Определяют координаты прямой 8 соответствующей пересечению интересующей плоскости сечения объекта и плоскостями РФЛС 5.4. Determine the coordinates of the straight line 8 corresponding to the intersection of the object's section plane of interest and the RFLS 5 planes.

5. Преобразуют координаты прямой 8 в координаты дуги 9 окружности с центром в середине объекта и соответственно вводят поправки в зарегистрированные величины доз на этой прямой (см. фиг. 3).5. The coordinates of the straight line 8 are converted into the coordinates of the arc 9 of a circle centered in the middle of the object and, accordingly, corrections are introduced into the recorded dose values on this straight line (see Fig. 3).

6. Соответственно проводится такие же операции в других ракурсах, и проводятся все вычислительные операции, как и в предыдущем ракурсе, причем координаты дуг 9а, 9б, 9с выбираются программным путем так, чтобы они лежали на той же окружности, т.е. среди всех точек на РФЛС выбираются те точки, которые лежат на окружности и чтобы дуги замкнули окружность.6. Accordingly, the same operations are carried out in other angles, and all computational operations are carried out as in the previous view, and the coordinates of the arcs 9a, 9b, 9c are programmatically selected so that they lie on the same circle, i.e. among all points on the RFLS, those points are selected that lie on the circle and so that the arcs close the circle.

7. Таким образом, в результате мы получаем схему измерений фиг. 4а полностью аналогичную схеме измерения для томографов четвертого поколения (объект в центре кольца детекторов фиг. 4б).7. Thus, as a result, we obtain the measurement scheme of FIG. 4a is completely analogous to the measurement scheme for fourth-generation tomographs (the object is in the center of the detector ring of Fig. 4b).

8. Таким образом, в результате мы получаем схему измерений фиг. 4а полностью аналогичную схеме измерения для томографов четвертого поколения (объект в центре кольца детекторов фиг. 4б). Используя стандартные программы восстановления для томографов четвертого поколения, получаем искомое томографическое изображение нашего объекта.8. Thus, as a result, we obtain the measurement scheme of FIG. 4a is completely analogous to the measurement scheme for fourth-generation tomographs (the object is in the center of the detector ring in Fig. 4b). Using standard reconstruction programs for fourth-generation tomographs, we obtain the desired tomographic image of our object.

С помощью реперов определяется не только геометрия облучения, но и проводится стабилизация излучения (в случае отлития зарегистрированной РФЛС дозы на одном и тоже расстоянии от одного и того же репера вводится поправочный коэффициент). Это позволяет использовать в качестве источников излучения импульсные рентгеновские трубки, которые хотя и отличаются нестабильностью излучения, но намного легче и мобильнее, чем трубки с постоянным излучением.Using the reference points, not only the geometry of the irradiation is determined, but also the stabilization of the radiation is carried out (in the case of the dose recorded by the RFLS at the same distance from the same reference point, a correction factor is introduced). This makes it possible to use pulsed X-ray tubes as radiation sources, which, although they differ in the instability of radiation, are much lighter and more mobile than tubes with constant radiation.

Таким образом, кроме радиографии, все остальные операции вычислительные. В данном способе отсутствуют необходимость сканирующего устройства и систем стабилизации рентгеновского излучения, что позволяет проводить измерения в полевых условиях. Также этот способ не требует перемещения взрывоопасных объектов.Thus, apart from radiography, all other operations are computational. In this method, there is no need for a scanning device and X-ray stabilization systems, which allows measurements in the field. Also, this method does not require the movement of explosive objects.

Обоснование технико-экономической эффективности изобретенияJustification of the technical and economic efficiency of the invention

Технико-экономическая эффективность предложенного способа заключается в том, что позволяет:The technical and economic efficiency of the proposed method is that it allows:

отказаться от использования сложного механического сканирующего устройства;

stop using a complex mechanical scanning device;

отказаться от электронной системы стабилизации излучения;

abandon the electronic radiation stabilization system;

использовать импульсные рентгеновские трубки;

use pulsed X-ray tubes;

точность геометрии обеспечивается: введением поправок программным путем посредством определения координат реперов.

the accuracy of geometry is ensured by: introducing corrections programmatically by determining the coordinates of the benchmarks.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «новизна»Justification of compliance with the criterion of protectability "novelty"

Предлагаемое техническое решение является: новым, поскольку в общедоступных источниках нет сведений о способе проведения рентгеновской компьютерной томографии быстропротекающих процессов без сканирующего устройства путем облучения исследуемого объекта синхронизированным излучением нескольких рентгеновских трубок, когда геометрия измерений определяется путем нанесения на исследуемый объект системы реперов.The proposed technical solution is: new, since there is no information in publicly available sources about the method of performing X-ray computed tomography of fast processes without a scanning device by irradiating the object under study with synchronized radiation from several X-ray tubes, when the measurement geometry is determined by applying a system of benchmarks to the object under study.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «изобретательский уровень»Justification of compliance with the criterion of protectability "inventive step"

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная последовательность операций существует.The proposed technical solution has an inventive step, since it does not explicitly follow from published scientific data and known technical solutions that the claimed sequence of operations exists.

Обоснование соответствия критерию охраноспособности «промышленная применимость»Substantiation of compliance with the criterion of protectability "industrial applicability"

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, приспособления и материалы широко применяемые в радиографии (рентгеновские трубки, РФЛС), устройства синхронизация, коллимпторы, стандартные методы преобразования координат, а также методы восстановления изображения для томографов четвертого поколения.The proposed technical solution is industrially applicable, since standard equipment, devices and materials widely used in radiography (X-ray tubes, RFLS), synchronization devices, collimators, standard coordinate transformation methods, as well as methods of image reconstruction for fourth-generation tomographs can be used for its implementation. ...

Claims

The method of X-ray computed tomography of fast processes, based on the X-ray of an object by detectors with information storage (X-ray film, radiophotoluminescent glasses) and restoration of the tomographic image using standard programs for tomographs of the fourth generation, and a system of X-ray contrast benchmarks is preliminarily applied to the object, the object is X-rayed together with the reference points , according to the distortion of the projections of the reference points on the detector in different angles, the geometry of the irradiation is determined and, after the program transformation of the coordinates of the straight lines on the detectors, corresponding to the investigated section of the object, in the arcs of a circle centered in the middle of the object, the tomographic image of the section of interest of the object is restored using standard programs for tomographs of the fourth generation , characterized in that in order to obtain a tomographic image of cross-sections of fast processes, the object is irradiated by pulse synchronization by x-ray sources simultaneously from different angles, and the radiation of each source is strictly collimated, and is recorded by only one detector.