RU2745304C1 - X-ray tomography method and device for its implementation - Google Patents
X-ray tomography method and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2745304C1 RU2745304C1 RU2020133674A RU2020133674A RU2745304C1 RU 2745304 C1 RU2745304 C1 RU 2745304C1 RU 2020133674 A RU2020133674 A RU 2020133674A RU 2020133674 A RU2020133674 A RU 2020133674A RU 2745304 C1 RU2745304 C1 RU 2745304C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- ray
- separate
- output
- images
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
- G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Группа изобретений относится к способу рентгеновской томографии и устройству для его осуществления. Область применения охватывает техническую диагностику, например исследование и аттестацию материалов.The group of inventions relates to an X-ray tomography method and a device for its implementation. The scope covers technical diagnostics such as material research and qualification.
Известны и широко применяются различные способы и устройства рентгеновской томографии, например, рентгеновской диагностики [1, 2, 3].Various methods and devices of X-ray tomography are known and widely used, for example, X-ray diagnostics [1, 2, 3].
Существенным признаком этих способов и устройств является то, что формируется рентгеновское излучение, которым облучается объект исследования. По анализу проходящего через объект исследования излучения выносится решение о характеристиках внутренней структуры объекта.An essential feature of these methods and devices is that X-ray radiation is formed, which irradiates the object of study. Based on the analysis of the radiation passing through the object of study, a decision is made on the characteristics of the internal structure of the object.
Недостатки способов и устройств заключаются в низкой точности оценки внутренней структуры объекта, малом быстродействии, низких функциональных возможностях (незначительный класс диагностируемых объектов) и опасностью применения для обслуживающего персонала из-за значительного рентгеновского излучения.The disadvantages of the methods and devices are in the low accuracy of assessing the internal structure of the object, low speed, low functionality (insignificant class of diagnosed objects) and the danger of use for maintenance personnel due to significant X-ray radiation.
В качестве прототипа рассмотрим способ, реализующий рентгеновскую компьютерную томографию [4]. Устройство, реализующее этот способ, содержит блок рентгеновского излучателя, блок электромеханики, выполненный с возможностью обеспечения сканирующих перемещений блока рентгеновского излучателя, на пути выходного рентгеновского пучка которого последовательно расположены исследуемый объект и соответствующий детектор.As a prototype, consider a method that implements X-ray computed tomography [4]. A device that implements this method comprises an X-ray emitter unit, an electromechanical unit configured to provide scanning movements of the X-ray emitter unit, in the path of the X-ray output beam of which the object under study and the corresponding detector are sequentially located.
Недостатки способа и устройства заключаются в низкой точности и быстродействия анализа внутренней структуры объекта, невысоких функциональных возможностях, невозможности дефектоскопии крупногабаритных объектов, невозможности работы с вычислительной сетью любой топологии.The disadvantages of the method and device are the low accuracy and speed of analysis of the internal structure of the object, low functionality, the impossibility of flaw detection of large objects, the impossibility of working with a computer network of any topology.
Задача настоящего изобретения состоит в повышении точности и быстродействия восстановления и анализа трехмерной структуры объекта, расширении функциональных возможностей, повышении быстродействии работы и обеспечения возможности работы в вычислительной сети любой топологии.The objective of the present invention is to improve the accuracy and speed of recovery and analysis of the three-dimensional structure of the object, expanding functionality, increasing the speed of work and ensuring the ability to work in a computer network of any topology.
Решение поставленной задачи достигается тем, что, как и в прототипе, в заявленном способе рентгеновской томографии, заключающимся в том, что облучают и воспринимают массив изображения энергетического спектра рентгеновского излучения, проходящего через объект, при этом, восстанавливают изображения по теневым проекциям объекта, затем формируют, сравнивают и анализируют текущие и эталонные интегральные характеристики изображения объекта, определяют дефекты объекта и отображают результаты анализа объекта, причем восстановление трехмерного изображения осуществляют при вращении и смещении объекта по трем взаимно перпендикулярным осям системы координат, связанной с рабочей зоной объекта при корректировке управления последней, а текущие и эталонные интегральные характеристики изображения объекта формируют в виде спектральных и фрактальных признаков, а также геометрические признаки локальных и интегральных участков изображений объекта определяют в виде параметров, площадей, радиусов, длины, ширины, количества точек перегиба контура, геометрических центров элементов изображений, кроме того формируют псевдоцветные изображения внутренней микроструктуры объекта и уменьшают до безопасного уровня рентгеновское излучение и вибрацию. The solution to this problem is achieved by the fact that, as in the prototype, in the claimed method of X-ray tomography, which consists in the fact that an array of images of the energy spectrum of X-ray radiation passing through the object is irradiated and perceived, while the images are restored from the shadow projections of the object, then , the current and reference integral characteristics of the object image are compared and analyzed, the object defects are determined and the results of the object analysis are displayed, and the restoration of the three-dimensional image is carried out when the object is rotated and displaced along three mutually perpendicular axes of the coordinate system associated with the object's working area when adjusting the control of the latter, and current and reference integral characteristics of the object image are formed in the form of spectral and fractal features, as well as geometric features of local and integral sections of the object images are determined in the form of parameters, areas, radii, length, width In addition, they form pseudo-color images of the internal microstructure of the object and reduce X-ray radiation and vibration to a safe level.
Отличие заключается в том, что блок рентгеновского излучения и блок детекторов устанавливаются на отдельной скобе, обеспечивающей смещение по вертикальной и горизонтальной осям и смещения блока рентгеновского излучения и блока детекторов вдоль оптической оси, и угловые наклоны в вертикальной и горизонтальной плоскостях блока рентгеновского излучения и блока детекторов, осуществляют сжатие и фильтрацию восстановленных изображений, классифицируют дефекты и распределяют вычислительные операции. The difference lies in the fact that the X-ray unit and the detector unit are installed on a separate bracket, which provides vertical and horizontal displacement and displacement of the X-ray unit and the detector unit along the optical axis, and angular tilts in the vertical and horizontal planes of the X-ray unit and the detector unit , perform compression and filtering of the restored images, classify defects, and distribute computational operations.
Кроме того, сжатие восстановленных изображений осуществляется специализированным форматом хранения трехмерных теневых проекций в виде воксельного октодерева, извлечения трехмерных теневых проекций путем распаковки дерева, удаление фоновых шумов на изображениях теневых проекций методом обрезания граничных яркостей по градиентам.In addition, the compression of the reconstructed images is carried out by a specialized format for storing three-dimensional shadow projections in the form of a voxel octree, extracting three-dimensional shadow projections by unpacking a tree, removing background noise in shadow projection images by cutting the boundary brightness by gradients.
Кроме того, вычислительные операции производятся путем распределения нагрузки на аппаратные блоки, масштабирования и сокращения времени выполнения операций за счет разделения программного обеспечения на три независимых части - клиент, сервер, визуализатор. In addition, computational operations are performed by distributing the load on hardware units, scaling and reducing the execution time of operations by dividing the software into three independent parts - client, server, and visualizer.
Кроме того, вычислительные операции объединены в виде интегрированной среды, позволяющей управлять и одновременно взаимодействовать с несколькими аппаратными блоками, функционировать в вычислительной сети любой топологии.In addition, computing operations are combined in the form of an integrated environment that allows you to manage and simultaneously interact with several hardware units, to function in a computer network of any topology.
Поставленная задача достигается также, что как и известное заявленное устройство рентгеновской томографии содержит последовательно соединенные блок рентгеновского излучения, объект, блок детекторов, первый аналого-цифровой преобразователь и электронно-вычислительную машину, ко второму входу которой подключен второй аналого-цифровой преобразователь, входом соединенный через блок измерения энергетического спектра рентгеновского излучения с вторым выходом блока детектора, а выход электронно-вычислительной машины подключен к блоку электромеханики, оно также содержит, во-первых, последовательно соединенные двунаправленными линиями, введенными между дополнительными выходами и входами электронно-вычислительной машины блок восстановления трехмерных изображений, блок формирования цветных псевдоизображений, блок связи с Интернетом, отдельным входом, подключенным через блок дефектоскопии к отдельному выходу блока восстановления трехмерных изображений, и блок нейросетевого метрологического обеспечения, во-вторых, управляемая рабочая зона, введенная между выходами и входами объекта и блока электромеханики, отдельными двунаправленными линиями, подключенными через блок адаптивного структурно-перестраиваемого управления, соединенным отдельной двунаправленной связью с управляемой рабочей зоной, к электронно- вычислительной машине, в-третьих, между дополнительными выходом и выходом объекта и входами выходами электронно-вычислительной машины включены блок лазерного оптико-телевизионного метрологического обеспечения и второй интерфейс, соединенные двунаправленными линиями, в-четвертых, защитный корпус от рентгеновского излучения и вибрации, отдельным выходом подключенным к второму выходу блока рентгеновского излучения, а первым выходом, подключенным к отдельным входам блока рентгеновского излучения, объекта, блока электромеханики, блока детекторов, блока измерения энергетического спектра рентгеновского излучения, первый аналого-цифровой преобразователь, второй аналогово-цифровой преобразователь, блок нейросетевого метрологического обеспечения, блок дефектоскопии, блок восстановления трехмерных изображений и блок формирования цветных псевдоизображений, а другими двунаправленными линиями соединенным с управляемым источником питания, блока регулирования температуры и адаптивного блока виброизоляции, подключенного отдельными двунаправленными линиями через интерфейс к электронно-вычислительной машине, причем, во-первых, блок регулирования температуры соединен двумя отдельными двунаправленными линиями с интерфейсом, а другой отдельной двунаправленной линией соединен с защитным корпусом от рентгеновского излучения и вибрации, во-вторых, управляемый источник питания соединен отдельными двунаправленными линиями с интерфейсом, а выходом - со всеми блоками устройства, в-третьих, блок формирования цветных псевдоизображений подключен к монитору, в-четвертых, управляемая рабочая зона выполнена в виде электромехатронного модуля на основе магнитопроводов-роторов, имеющих возможность смещать исследуемый объект по трем взаимно-перпендикулярным направлениям и разворачивать исследуемый объект вокруг трех взаимно перпендикулярных осей, в-пятых, упомянутый блок адаптивного структурно-перенастраиваемого управления выполнен в виде системы автоматического регулирования с переменной структурой, в-шестых, блок адаптивного структурно-перестраиваемого управления выполнен в виде системы автоматического регулирования с переменной структурой, в-седьмых, блок лазерного оптико-телевизионного метрологического обеспечения выполнен в виде триангуляционного измерителя положения исследуемого объекта, в-восьмых, блок нейросетевого метрологического обеспечения выполнен в виде адаптивной схемы, содержащей обучаемый слой нейронов и выходной слой нейронов, обеспечивающих калибровку изображений при его четкой и нечеткой кластеризации, в-девятых, блок восстановления трехмерных изображений выполнен в виде последовательных схем захвата теневых проекций, реконструкции виртуальных сечений, создания предварительных сечений и построения 3D-изображения, в-десятых, блок дефектоскопии выполнен в виде последовательных схем реконструкции методом пространственной области, градиентным методом, корреляционным методом, нейронных сетей и схемы обозначения дефектов, управляемых по запросу пользователя на поиск и анализ дефектов, в-одиннадцатых, блок формирования цветных псевдоизображений выполнен в виде последовательности схем оценки плотностей слоев 3D-реконструкции, сопоставления псевдоцветов различным слоям 3D-реконструкции и формирования 3D-псевдореконструкции изображений, в-двенадцатых, защитный корпус от рентгеновского излучения выполнен в виде экрана рентгеновского излучения на основе многослойного защитного материала, в-тринадцатых, адаптивный блок виброизоляции выполнен в виде пружинно-механических демпферов, в-четырнадцатых, блок регулирования температуры выполнен в виде адаптивного регулятора температуры внутри корпуса томографа, содержащего воздушную принудительную вентиляцию и водяной отвод тепла, в-пятнадцатых, управляемый источник питания выполнен в виде бесперебойного источника питания, содержащего блок аккумуляторов, блок солнечной батареи и блок питания от электрической сети. The task is also achieved that, like the known claimed X-ray tomography device, it contains a series-connected X-ray unit, an object, a detector unit, a first analog-to-digital converter and an electronic computer, to the second input of which a second analog-to-digital converter is connected, the input is connected through a unit for measuring the energy spectrum of X-ray radiation with a second output of the detector unit, and the output of the electronic computer is connected to the electromechanics unit, it also contains, firstly, a unit for the restoration of three-dimensional images, connected in series by bidirectional lines introduced between the additional outputs and the inputs of the electronic computer , a block for the formation of color pseudo-images, a block of communication with the Internet, a separate input connected through the flaw detection block to a separate output of the block for the restoration of three-dimensional images, and a block of neural network metrological support secondly, a controlled working area introduced between the outputs and inputs of the object and the electromechanics unit, by separate bidirectional lines connected through the adaptive structurally reconfigurable control unit, connected by a separate bidirectional connection with the controlled work area, to an electronic computer, in- thirdly, between the additional output and output of the object and the inputs and outputs of the electronic computer, a laser optical-television metrological support unit and a second interface connected by bidirectional lines are included; fourthly, a protective case against X-ray radiation and vibration, a separate output connected to the second output of the unit X-ray radiation, and the first output connected to separate inputs of the X-ray unit, object, electromechanics unit, detector unit, X-ray energy spectrum measurement unit, the first analog-to-digital converter, the second analog-to-digital converter an initiator, a neural network metrological support unit, a flaw detection unit, a three-dimensional image recovery unit and a color pseudo-imaging unit, and by other bidirectional lines connected to a controlled power source, a temperature control unit and an adaptive vibration isolation unit connected by separate bidirectional lines through an interface to an electronic computer, moreover, firstly, the temperature control unit is connected by two separate bi-directional lines with the interface, and another separate bi-directional line is connected to the protective housing against X-ray radiation and vibration, secondly, the controlled power supply is connected by separate bi-directional lines to the interface, and the output is connected to all blocks of the device, thirdly, the block for forming color pseudo-images is connected to the monitor, fourthly, the controlled working area is made in the form of an electromechatronic module based on magnetic core-rotors having the ability b shift the object under study in three mutually perpendicular directions and rotate the object under investigation around three mutually perpendicular axes, fifthly, the said adaptive structurally reconfigurable control unit is made in the form of an automatic control system with a variable structure, sixth, an adaptive structurally reconfigurable control unit control system is made in the form of an automatic control system with a variable structure, seventh, the laser optical-television metrological support unit is made in the form of a triangulation meter of the position of the object under study, eighth, the neural network metrological support unit is made in the form of an adaptive circuit containing a trained layer of neurons and the output layer of neurons that provide image calibration with its clear and fuzzy clustering, ninth, the three-dimensional image recovery unit is made in the form of sequential schemes for capturing shadow projections, reconstructing virtual sections, creating tenth, the flaw detection unit is made in the form of sequential reconstruction schemes using the spatial domain method, gradient method, correlation method, neural networks and defect designation schemes, controlled at the user's request for searching and analyzing defects, in- eleventh, the block for the formation of color pseudo-images is made in the form of a sequence of schemes for assessing the densities of 3D-reconstruction layers, comparing pseudo-colors to different layers of 3D-reconstruction and forming a 3D-pseudo-reconstruction of images; protective material, thirteenth, the adaptive vibration isolation unit is made in the form of spring-mechanical dampers, in the fourteenth, the temperature control unit is made in the form of an adaptive temperature controller inside the tomograph housing containing forced air ventilation and water removal of heat, fifteenth, the controlled power supply is made in the form of an uninterruptible power supply containing a battery pack, a solar battery unit and a power supply unit from the electrical network.
Новым является то, что оно дополнительно содержит управляемый блок электромеханики, выполненного в виде четырехкоординатного манипулятора.What is new is that it additionally contains a controlled electromechanical unit made in the form of a four-axis manipulator.
Кроме того, ступенчато-управляемый высоковольтный блок питания выполнен в виде высоковольтного преобразователя с фиксированным установлением напряжения.In addition, the step-controlled high-voltage power supply is made in the form of a high-voltage converter with a fixed voltage setting.
Кроме того, блок охлаждения выполнен в виде принудительного жидкостного охлаждения путем циркуляции воды или специальной жидкостной смеси.In addition, the cooling unit is made in the form of forced liquid cooling by circulating water or a special liquid mixture.
Кроме того, блок калибровки дефектоскопии выполнен в виде накладываемой регулярной сетки на восстановленное 3D изображение, также учета погрешности оптической системы.In addition, the flaw detection calibration unit is made in the form of a superimposed regular grid on the reconstructed 3D image, also taking into account the error of the optical system.
Кроме того, блок подготовки паспорта объекта сортирует несплошности или включения по размеру и форме - круг, треугольник, квадрат, трапеция, линии, овал, неправильная структура.In addition, the block for preparing the passport of the object sorts discontinuities or inclusions by size and shape - circle, triangle, square, trapezoid, lines, oval, irregular structure.
Кроме того, блок управления выполнен в виде синхронизатора и установления тестового и рабочего режима работы блока рентгеновского излучения, а блока детекторов и блока измерения энергетического спектра рентгеновского излучения. In addition, the control unit is made in the form of a synchronizer and setting the test and operating mode of the X-ray unit, and the detector unit and the unit for measuring the X-ray energy spectrum.
Предлагаемый способ и устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1 - фиг. 6. The proposed method and device is illustrated by the drawings shown in FIG. 1 to FIG. 6.
На фиг. 1 дана структурная схема устройства.FIG. 1 is a block diagram of the device.
На фиг. 2 представлен общий вид четырех координатный электромехатронный блок, управляемой рабочей зоны.FIG. 2 shows a general view of a four-coordinate electro-mechatronic unit, a controlled working area.
На фиг. 3 показана оптическая схема рентгеновской топографии.FIG. 3 shows the optical scheme of X-ray topography.
На фиг. 4 представлена структурная схема интегрированной среды программного обеспечения устройства. FIG. 4 shows a block diagram of the integrated software environment of the device.
На фиг. 5 дан пример работы устройства (преобразование изображений).FIG. 5 shows an example of device operation (image conversion).
На фиг. 6 приведены примеры восстановленных внутренних структур.FIG. 6 shows examples of restored internal structures.
На фиг. 1 представлена структурная схема устройства, которая содержит следующие узлы:FIG. 1 shows a block diagram of the device, which contains the following nodes:
1 - объект;1 - object;
2 - блок рентгеновского излучения (БРИ);2 - X-ray unit (BRI);
3 - блок детекторов;3 - block of detectors;
4 - первый аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) ;4 - the first analog-to-digital converter (ADC);
5 - блок измерения энергетического спектра рентгеновского излучения (БИЭСРИ);5 - block for measuring the energy spectrum of X-ray radiation (BIESRI);
6 - второй АЦП;6 - second ADC;
7 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ) ;7 - electronic computing machine (PC);
8 - блок электромеханики;8 - block of electromechanics;
9 - управляемая рабочая зона;9 - controlled working area;
10 - блок адаптивного структурно-перестраиваемого управления (БАСПУ);10 - block of adaptive structurally reconfigurable control (BASPU);
11 - защитный корпус от рентгеновского излучения и вибрации (ЗКРИВ);11 - protective case against X-ray radiation and vibration (ZKRIV);
12 - адаптивный блок виброизоляции;12 - adaptive vibration isolation block;
13 - блок регулирования температуры (БРТ) ;13 - temperature control unit (BRT);
14 - интерфейс;14 - interface;
15 - блок дефектоскопии;15 - flaw detection unit;
16 - блок восстановления трехмерных изображений (БВТИ) ;16 - block for restoration of three-dimensional images (BVTI);
17 - блок формирования цветных псевдоизображений (БФЦП);17 - block for the formation of color pseudo-images (BFTsP);
18 - блок связи с Интернетом (БСИ) ;18 - block of communication with the Internet (BSI);
19 - монитор;19 - monitor;
20 - блок нейросетевого метрологического обеспечения (БНМО) ;20 - block of neural network metrological support (BNMO);
21 - блок лазерного оптико-телевизионного метрологического обеспечения;21 - block of laser optical-television metrological support;
22 - второй интерфейс;22 - second interface;
23 - блок калибровки дефектоскопии;23 - flaw detection calibration unit;
24 - блок подготовки паспорта изделия;24 - unit for preparation of the product passport;
25 - блок управления;25 - control unit;
26 - управляемый блок электромехатроники;26 - controlled block of electromechatronics;
27 - ступенчато управляемый высоковольтный блок питания;27 - step-controlled high-voltage power supply unit;
28 - блок охлаждения.28 - cooling unit.
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Блок рентгеновского излучения (БРИ) 2 облучает объект 1, который размещается на управляемой рабочей зоне (УРЗ) 9. Рентгеновские лучи БРИ 2, проникая через объект 1, поступают на блок детекторов 3, воспринимающий поэлементно полный кадр изображения внутренней структуры объекта 1. Аналоговый сигнал от блока детекторов 3 оцифровывается АЦП 4 и поступает на ЭВМ 7, на второй вход которой приходит цифровой сигнал от второго АЦП 6, преобразующий сигнал от блока измерения энергетического спектра рентгеновского излучения (БИЭСРИ) 5. Этот блок измеряет составляющие спектра сигнала, снимаемого с блока детекторов 3.X-ray unit (BRI) 2
Считывание изображения блоком детекторов 3 осуществляется при вращении объекта 1 вокруг вертикальной оси и смещении объекта 1 по двум взаимно-перпендикулярным осям в горизонтальной плоскости и смещении объекта 1 в вертикальной плоскости. На фиг. 2 показана система координат, повороты и смещения объекта 1. The image is read by the block of
Такие манипуляции с объектом 1 производятся блоком электромеханики 8 через управляемую рабочую зону (УРЗ) 9, куда устанавливается объект 1. Уточнение (корректировка) перемещений УРЗ 9 осуществляется блоком адаптивного структурно-перестраиваемого управления (БАСПУ) 10. Цифровые сигналы от первого АЦП 4 и второго АЦП 6 поступают на ЭВМ 7, которая преобразует сигналы в цифровой массив, отображающий кадр энергетического спектра рентгеновского изображения. Such manipulations with
С помощью блока восстановления трехмерных изображений (БВТИ) 16 восстанавливается трехмерное изображение внутренней структуры объекта 1 по его теневым проекциям. Затем блок калибровки дефектоскопии 23 калибрует считываемые изображения с помощью регулярной сетки, накладываемой на изображение, восстановленное блоком 16. Кроме этого, блоком калибровки дефектоскопии 23 учитываются погрешности оптической системы. После этого блоком дефектоскопии 15 определяются несплошности (дефекты - трещины, включения мусора и т.п. 4). Блок подготовки паспорта объекта 24 сортирует (классифицируем) несплошности (включения) по размеру (длина, ширина, площадь) и форме (круг, овал, неправильная форма, линия). Затем блок формирования псевдоцветных изображений (БФЦП) 17, используя информацию от БВТИ 16, представляет на экране монитора 19 псевдоцветное изображение. Результаты работы устройства передаются от блока дефектоскопии 15 и БФЦП 17 в систему Интернет через блок связи с Интернетом 18.With the help of the block for restoration of three-dimensional images (BVTI) 16, a three-dimensional image of the internal structure of the
Все перечисленные блоки устройства, включая объект 1, располагаются в защитном корпусе от рентгеновского излучения (ЗКРИВ) 11, который, во-первых, обеспечивает изоляцию окружающей среды от рентгеновского излучения, во-вторых, осуществляет нормальную температуру внутри корпуса 11 путем регулирования температуры блоком регулирования температуры (БРТ) 13, в-третьих, исключения вибрации от окружающей среды с помощью адаптивного блока виброизоляции (АБИ) 12. Кроме этого, блок детекторов 3 охлаждается блоком охлаждения 3, осуществляющим жидкостное (водяное, специальной смеси) и воздушное охлаждение по специальной программе, управляемой от ЭВМ 7 через первый интерфейс 13. Управление АБИ 12 и БРТ 13 производится от ЭВМ 7 через интерфейс 14. Блок нейросетевого метрологического обеспечения (БНМО) 20 осуществляет метрологическую проверку устройства в эталонном (предварительном) и рабочем состоянии.All of the above blocks of the device, including
Блок лазерного оптико-телевизионного метрологического обеспечения (БЛОТМО) 21 обеспечивает метрологическую проверку устройства (контроль размещения объекта 1 в рабочей зоне 9), при этом используется принцип триангуляции для контроля местоположения объекта 1 [5]. Связь БЛОТМО 21 с ЭВМ 7 производится с помощью интерфейса 22.The block of laser optical-television metrological support (BLOTMO) 21 provides metrological verification of the device (control of the placement of
Электропитание блоков устройства осуществляется управляемым источником питания (УИП) 23, который содержит аккумулятор, блок солнечной батареи и блок питания от сети 220 вольт (50 герц). Кроме того, с помощью ступенчато-управляемого высоковольтного блока питания 27 устанавливается необходимое высоковольтное напряжение. На этом один цикл работы устройства заканчивается.The power supply of the units of the device is carried out by a controlled power source (UPS) 23, which contains a battery, a solar battery unit and a power supply unit from a 220 volt (50 hertz) network. In addition, with the help of a step-controlled high-voltage power supply unit 27, the required high-voltage voltage is set. This completes one cycle of the device.
На фиг. 2 представлен четырех координатный электромехатронный блок 9 (управляемая рабочая зона), который содержит следующие узлы:FIG. 2 shows a four-coordinate electro-mechatronic unit 9 (controlled working area), which contains the following nodes:
29 - направляющая по оси X;29 - guide along the X axis;
30 - направляющая по оси Y;30 - guide along the Y axis;
31 - исполнительный блок вращения рабочей зоны вокруг вертикальной оси Z;31 - executive unit of rotation of the working area around the vertical axis Z;
32 - планшайба (предметный столик);32 - faceplate (stage);
33 - направляющая по вертикальной оси Z;33 - guide along the vertical Z axis;
34 - скоба крепления;34 - fastening bracket;
35 - приемник блока детекторов 3;35 - receiver of the block of
36 - электропривод смещения скобы 33 (по оси Z);36 - electric drive of the
37 - электропривод смещения рабочей зоны по осям X, Y и вращения рабочей зоны вокруг оси Z;37 - electric drive of displacement of the working area along the X, Y axes and rotation of the working area around the Z axis;
38 - рентгеновский излучатель;38 - X-ray emitter;
На фиг. 2 показаны стрелками смещенная по осям X, Y, Z.FIG. 2 are shown by arrows shifted along the X, Y, Z axes.
Четырех координатный электромехатронный блок 9 (управляемая рабочая зона) функционирует следующим образом. На предметный столик (закрепляемый на планшайбе 32) размещается объект 1, который с помощью исполнительного блока вращения 31 вращается вокруг вертикальной оси Z на 360° на n раз и перемещается с помощью исполнительного блока вращения 31 по осям X и Y. С помощью электропривода 36 смещается скоба 33 по вертикальной оси Z, на которой устанавливаются рентгеновский излучатель 38 и приемник 3D блока детекторов 35. Кроме этого, излучатель 38 может смещаться по оси 
На фиг. 3 представлена схема формирования геометрической нерезкости от фокусного расстояния: 1 - источник излучения, 2- элемент объекта контроля, 3 - матрица блок детектора.FIG. 3 shows a diagram of the formation of geometric blur from the focal length: 1 - radiation source, 2 - element of the controlled object, 3 - matrix of the detector unit.
Объект исследования является самым важным источником данных для определения таких параметров, как энергия рентгеновского излучения (напряжение на трубке), тип источника рентгеновского излучения, толщина защитных свинцовых экранов (от рассеянного излучения) и схема просвечивания. Все эти параметры выбираются в зависимости от геометрических размеров контролируемого изделия, чтобы чувствительность контроля не превышала половины размера по глубине минимального из недопустимых дефектов. Конкретные значения недопустимых дефектов регламентируются технической документацией на контролируемый объект.The object of investigation is the most important data source for determining such parameters as the X-ray energy (tube voltage), the type of the X-ray source, the thickness of the protective lead screens (against scattered radiation) and the transmission pattern. All these parameters are selected depending on the geometrical dimensions of the inspected product, so that the sensitivity of the inspection does not exceed half the size in depth of the minimum of unacceptable defects. The specific values of unacceptable defects are regulated by the technical documentation for the controlled object.
И для светового, и для ионизирующего излучения действуют одни и те же законы геометрической оптики при образовании тени (полутени). Тень, формируемая объектом исследования, к размеру соответствующего объекта исследования (фиг. 3).For both light and ionizing radiation, the same laws of geometric optics apply to the formation of a shadow (penumbra). The shadow formed by the research object to the size of the corresponding research object (Fig. 3).
Математически проекционное увеличение M можно вычислить по следующим отношениям:The projection magnification M can be mathematically calculated from the following ratios:
где 
Степень геометрической нерезкости любой тени зависит от размеров источника излучения (фокусного пятна или активной части) и от положения контролируемого объекта между источником и радиационным изображением (фиг. 3)The degree of geometric unsharpness of any shadow depends on the size of the radiation source (focal spot or active part) and on the position of the controlled object between the source and the radiation image (Fig. 3)
Суммарная погрешность рентгенооптической системы характеризует степень геометрической неточности:The total error of the X-ray optical system characterizes the degree of geometric inaccuracy:
где 
Если детектор помещать в непосредственной близости от объекта контроля, то 
Условие соразмерности геометрической нерезкости определяют из следующего: 
Фокусное расстояние 
Для определения фокусного расстояния используют соотношение:To determine the focal length, use the ratio:
Увеличение фокусного расстояния
Для уменьшения (или устранения) погрешности используется специальные дополнительные смещения и повороты блока рентгеновского излучения и блока детекторов.To reduce (or eliminate) the error, special additional displacements and rotations of the X-ray unit and the detector unit are used.
На фиг. 4 дана структурная схема интегрированной среды управления устройства, которая содержит модуль управления блоками, модуль реконструкции 3D-модули (изображения), модуль дефектоскопии и модуль визуализации и аналитики.FIG. 4 is a block diagram of the integrated control environment of the device, which contains a block control module, a 3D reconstruction module (images), a defectoscopy module, and a visualization and analytics module.
Преимущества и характеристики вычислительной среды:Advantages and characteristics of the computing environment:
1) Специальный формат хранения теневых проекций, позволяющий оптимизировать процесс считывания данных с дисковой системы, а также экономить время реконструкции и сократить требуемый для реконструкции объем памяти.1) A special format for storing shadow projections, which allows optimizing the process of reading data from the disk system, as well as saving reconstruction time and reducing the amount of memory required for reconstruction.
При послойной реконструкции 3D-модели для реконструкции каждого слоя используются данные одновременно со всех теневых проекций. Очевидно, что при реконструкции определенного слоя используются соответствующие слои на изображениях теневых проекций. During layer-by-layer reconstruction of a 3D model, data from all shadow projections are used simultaneously to reconstruct each layer. Obviously, when reconstructing a certain layer, the corresponding layers in the images of shadow projections are used.
Пример теневой проекции изображен на фиг. 5а. Если преобразовать набор теневых проекций в набор слоев теневых проекций, где каждое изображение соответствуют последовательности одного и того же слоя со всех теневых проекций, как показано на фиг. 5б, получатся такие исходные данные, которые будут считываться единожды, последовательно и непрерывно при послойной реконструкции. An example of a shadow projection is shown in FIG. 5a. If we transform a set of shadow projections into a set of shadow projection layers, where each image corresponds to a sequence of the same layer from all shadow projections, as shown in FIG. 5b, we obtain such initial data that will be read once, sequentially and continuously during layer-by-layer reconstruction.
Высота изображения в пикселях соответствует общему числу теневых проекций, линия 1 на изображении - слой первой теневой проекции, линия N - тот же слой N-ой теневой проекции.The height of the image in pixels corresponds to the total number of shadow projections,
2) Программное обеспечение управления аппаратной частью томографа создано для многопоточной работы с блоками устройства, что позволяет одновременно взаимодействовать с несколькими блоками устройства вместо последовательного взаимодействия у прототипа.2) The software for controlling the hardware of the tomograph is designed for multi-threaded work with the device blocks, which allows you to simultaneously interact with several device blocks instead of serial interaction with the prototype.
3) Программное обеспечение создано для работы в распределенной вычислительной сети любой топологии, что обеспечивает легкое экстенсивное (путем увеличения числа вычислительных блоков) масштабирование производительности системы реконструкции.3) The software is designed to work in a distributed computer network of any topology, which provides easy extensive (by increasing the number of computing units) scaling of the reconstruction system performance.
4) Программное обеспечение разделено на три независимых части (клиент, сервер, визуализатор) которые позволяют выполнять необходимые действия без использования лишних компонентов устройства, что экономит память и увеличивает стабильность работы устройства.4) The software is divided into three independent parts (client, server, visualizer) that allow you to perform the necessary actions without using unnecessary device components, which saves memory and increases the stability of the device.
На фиг. 6 приведен пример восстановленных внутренних структур (3D-изображений) объектов: FIG. 6 shows an example of reconstructed internal structures (3D images) of objects:
а) шуруп;a) screw;
b) микросхема;b) microcircuit;
c) конденсатор;c) capacitor;
d) материал.d) material.
Восстановленные 3D изображения характеризуются высоким качеством (четкостью, контрастностью, геометрической не искаженностью).The restored 3D images are characterized by high quality (clarity, contrast, geometric non-distortion).
По сравнению с известными, предлагаемые способ и устройство имеют лучшие характеристики:Compared with the known, the proposed method and device have better characteristics:
1) высокими точностными характеристиками за счет, во-первых, прецизионного перемещения и вращения объекта при сканировании относительно блока рентгеновского излучения и блока детекторов, во-вторых, перемещения по вертикальной оси скобы, с закрепленной на ней блока рентгеновского излучения и блока детекторов, в-третьих, смещение блоков рентгеновского излучения и детекторов вдоль оптической оси и наклоны этих блоков в вертикальной и горизонтальной плоскостей;1) high precision characteristics due, firstly, to the precise movement and rotation of the object when scanning relative to the X-ray unit and the detector unit, and secondly, the movement along the vertical axis of the bracket, with the X-ray unit and the detector unit attached to it, c- third, the displacement of the blocks of X-ray radiation and detectors along the optical axis and the tilt of these blocks in the vertical and horizontal planes;
2) высокими точностными характеристиками за счет сжатия, восстановления и анализа трехмерных изображений внутренней структуры объекта, осуществляемым специализированным форматом хранения, извлечения и обработки теневых проекций, введения специальной метрологической калибровки дефектоскопии восстановляемых изображений;2) high precision characteristics due to compression, restoration and analysis of three-dimensional images of the internal structure of the object, carried out by a specialized format for storing, extracting and processing shadow projections, introducing a special metrological calibration of flaw detection of restored images;
3) повышение производительности вычислительных операций за счет оптимального распределения вычислительной нагрузки на блоки устройства, масштабирования и сокращения времени выполнения операций;3) increasing the productivity of computational operations due to the optimal distribution of the computational load on the device blocks, scaling and reducing the time for performing operations;
4) расширение функциональных возможностей путем оценки широкого класса дефектов крупногабаритных объектов;4) expansion of functionality by assessing a wide class of defects in large-sized objects;
5) расширение функциональных возможностей за счет работы устройства с любой топологией вычислительной системы;5) expansion of functionality due to the operation of the device with any topology of the computing system;
6) высокой точностью работы за счет регулирования температуры блока детекторов путем принудительного жидкостного циркулирования;6) high accuracy of work due to temperature control of the detector unit by forced liquid circulation;
7) Высокой точностью работы за счет ступенчатого управления высоковольтным напряжением рентгеновским излучением.7) High precision of work due to the stepwise control of high-voltage voltage by X-ray radiation.
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемые способ и устройство обладают повышенной точностью восстановления трехмерной структуры объекта, расширенными функциональными возможностями, улучшенными удобствами работы и исключения опасного рентгеновского излучения для обслуживающего персонала.Thus, in comparison with the prototype, the proposed method and device have an increased accuracy of restoring the three-dimensional structure of an object, enhanced functionality, improved usability and the elimination of hazardous X-ray radiation for maintenance personnel.
Источники информацииSources of information
1. Лиев А. Х. Сканирующее рентгеновское устройство. Патент RU 94023023 (А1), МПК A61B 6/00, опубл. 1996.05.20.1. Liev A. Kh. Scanning X-ray device. Patent RU 94023023 (A1), IPC A61B 6/00, publ. 1996.05.20.
2. Johnson Roger H., Nelson Alan. United States Patent 5,402,460. Three-dimensional microtomographic analysis system.2. Johnson Roger H., Nelson Alan. United States Patent 5,402,460. Three-dimensional microtomographic analysis system.
3. Малинова П. И. и др. Рентгеновский компьютерный томограф. Заявка на патент RU 2004101619 (А1), МПК A61B 6/00, опубл. 10.07.2005.3. Malinova PI and other X-ray computed tomograph. Patent application RU 2004101619 (A1), IPC A61B 6/00, publ. 10.07.2005.
4. Способ рентгеновской томографии и устройство для его осуществления. Патент RU 2505800 МПК G01N 23/04, опубл. 27.01.2014.4. X-ray tomography method and device for its implementation. Patent RU 2505800
5. Богомолов Е. Н. и др. Современные методы исследования материалов и нанотехнологий (лабораторный практикум). - Томск: Издательский дом Томского государственного университета, 2013. - 412 с. 5. Bogomolov EN and other Modern methods of research of materials and nanotechnology (laboratory workshop). - Tomsk: Tomsk State University Publishing House, 2013. - 412 p.
Claims (11)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133674A RU2745304C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | X-ray tomography method and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133674A RU2745304C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | X-ray tomography method and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2745304C1 true RU2745304C1 (en) | 2021-03-23 |
Family
ID=75159147
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133674A RU2745304C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | X-ray tomography method and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2745304C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780295C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Method for assessing the nature of a metal fracture using neural network classification and fractal analysis |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1581281A1 (en) * | 1988-02-02 | 1990-07-30 | А.П.Золотухин | Method of forming image in computer tomography of head |
| US5119408A (en) * | 1990-10-31 | 1992-06-02 | General Electric Company | Rotate/rotate method and apparatus for computed tomography x-ray inspection of large objects |
| SU1811289A1 (en) * | 1990-08-21 | 1995-03-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики | Method of tomographic investigation of density of body |
| RU2071725C1 (en) * | 1993-06-22 | 1997-01-20 | Научно-производственная коммерческая фирма "Ренси Лтд." | Computer-based tomograph |
| US20100278440A1 (en) * | 2009-04-30 | 2010-11-04 | General Electric Company | Nondestructive inspection method and system |
| RU2505800C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method for x-ray tomography and apparatus for realising said method |
-
2020
- 2020-10-14 RU RU2020133674A patent/RU2745304C1/en active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1581281A1 (en) * | 1988-02-02 | 1990-07-30 | А.П.Золотухин | Method of forming image in computer tomography of head |
| SU1811289A1 (en) * | 1990-08-21 | 1995-03-27 | Всесоюзный научно-исследовательский институт технической физики | Method of tomographic investigation of density of body |
| US5119408A (en) * | 1990-10-31 | 1992-06-02 | General Electric Company | Rotate/rotate method and apparatus for computed tomography x-ray inspection of large objects |
| RU2071725C1 (en) * | 1993-06-22 | 1997-01-20 | Научно-производственная коммерческая фирма "Ренси Лтд." | Computer-based tomograph |
| US20100278440A1 (en) * | 2009-04-30 | 2010-11-04 | General Electric Company | Nondestructive inspection method and system |
| RU2505800C2 (en) * | 2012-05-10 | 2014-01-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ) | Method for x-ray tomography and apparatus for realising said method |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| U 1811289 A1, 27.03.1995. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2780295C1 (en) * | 2021-12-15 | 2022-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) | Method for assessing the nature of a metal fracture using neural network classification and fractal analysis |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11670053B2 (en) | Method of non-destructive imaging of the internal structure and device for carrying out the method | |
| Weissenböck et al. | Dynamic volume lines: Visual comparison of 3D volumes through space-filling curves | |
| CN108601572B (en) | X-ray imaging system and method for constructing two-dimensional X-ray image | |
| KR100576228B1 (en) | A multiple view angle x-ray stereoscopic imaging method and system | |
| RU2541860C2 (en) | Device and method of processing projection data | |
| JP2005504571A (en) | Multifunctional cone beam imaging apparatus and method | |
| KR20010081097A (en) | Computerized tomography for non-destructive testing | |
| Rouwane et al. | Architecture-Driven Digital Image Correlation Technique (ADDICT) for the measurement of sub-cellular kinematic fields in speckle-free cellular materials | |
| RU2505800C2 (en) | Method for x-ray tomography and apparatus for realising said method | |
| Yang et al. | New reconstruction method for x-ray testing of multilayer printed circuit board | |
| CN103325141A (en) | 3D model construction method based on non-isocentre C-shaped arm 2D projected image | |
| US12086923B2 (en) | Surface determination using three-dimensional voxel data | |
| Lin et al. | Calibration method of center of rotation under the displaced detector scanning for industrial CT | |
| CN116310080A (en) | Single-frame structured optical gear fault three-dimensional measurement method and system based on deep learning | |
| RU2745304C1 (en) | X-ray tomography method and device for its implementation | |
| CN112051285B (en) | Intelligent nondestructive detection system integrating X-ray real-time imaging and CT (computed tomography) tomography | |
| US20070189437A1 (en) | General saddle cone beam CT apparatus and three-dimensional reconstruction method | |
| JP2003344316A (en) | Reconstitution method of inclined three-dimensional x- ray ct image | |
| JP2006517823A (en) | Computer tomography method using helical relative movement and cone beam | |
| US20230260172A1 (en) | Deep learning for sliding window phase retrieval | |
| Sasov | Desktop x-ray micro-CT instruments | |
| Grandin | Early-state damage detection, characterization, and evolution using high-resolution computed tomography | |
| JP2013506825A (en) | Sample inspection method by radiosynthetic | |
| KR20030004736A (en) | Method for embodying 3-dimensional image of x-ray photographing unit | |
| Wang et al. | Filtering path variable FDK (v-FDK) reconstruction algorithm for circular cone-beam CT |