Разработка методов получения и цифровой обработки рентгеновских изображений

Представленная работа посвящена разработке цифровых методов получения рентгеновских изображений. Традиционно рентгеновская интроскопия объектов[1,2] проводится с использованием рентгеновской пленки [3]. Однако, стремительное развитие цифровых технологий за последние 10 лет, а также усовершенствование различных методов регистрации рентгеновского излучения не только увеличили качество изображений, но позволили также решить ряд важных задач для медицинской диагностики, дефектоскопического контроля промышленных изделий, различных научных исследований, включая разработку новых методов с использованием синхротронного излучения.

Основной задачей рентгеновской интроскопии является получение теневого рентгеновского изображения, его обработка и представление оператору, который должен принять окончательное решение о качестве исследуемого объекта. На рис. 1 представлена схема исследования внутренней структуры объекта с помощью рентгеновского интроскопа.

Рис. 1. Рентгеновский интроскоп. 1 — приемник излучения- 2 — объект исследования- 3 — рентгеновская трубка- 4 — система коллиматоров.

Значение величины сигнала в каждой точке регистрируемого изображения зависит от ослабления потока рентгеновских квантов внутри 5 объекта исследования. Как известно, поглощение излучения в объекте в общем виде описывается следующей формулой [4]: = /0 • ехр (-// • х) 5 где:

10 — интенсивность излучения перед поглотителем;

I — интенсивность излучения за поглотителемц — линейный коэффициент ослаблениях — толщина поглотителя.

Полученное изображение несет информацию о структуре и, в частности, о внутренних неоднородностях в объекте исследования, которая необходима для формирования заключения о качестве объекта.

Перед разработчиками рентгеновских интроскопов стоит комплексная задача подбора различных элементов и выбора параметров системы, которые позволят обеспечить интроскопию объектов с заданной точностью с нужной производительностью и при имеющихся условиях контроля. Особенное значение имеет дозовая нагрузка[5] на объект исследования и на персонал, производящий рентгеновский контроль. Поэтому задачей разработчика является оптимизация параметров рентгеновской системы, в частности являются необходимыми:

• правильный подбор напряжения и тока на рентгеновской трубке[6];

• расчет и изготовление системы фильтров и коллиматоров;

• выбор детектирующей системы, ее параметров;

• использование специализированных методов для обработки регистрируемых изображений.

Цифровые детектирующие системы рентгеновских изображений являются неотъемлемой частью современного рентгеновского интроскопа. Актуальность работы обусловлена большим спросом на цифровые детектирующие системы в промышленной дефектоскопии, медицинской диагностике и в научных исследованиях. За последние два десятилетия произошел стремительный скачок развития цифровых технологий и компьютерной техники и этот факт коренным образом изменил традиционные методы работы рентгеновских лабораторий. Наиболее значительные новшества, привнесенные цифровыми технологиями, представлены ниже:

1. Просмотр полученных снимков на компьютере позволяет выполнять целый ряд операций, которые были недоступны при просмотре рентгеновских пленок на негатоскопах.

2. Магнитные и оптические носители современных компьютеров позволяют хранить весьма большие объемы данных (большое количество снимков), при этом занимаемый ими объем незначителен.

3. При создании соответствующего программного обеспечения возможна организация специализированных баз данных для хранения снимков, что позволяет существенно улучшить работу рентгеновских лабораторий.

4. В некоторых случаях возможна полная автоматизация процесса рентгеновского контроля благодаря цифровым методам обработки данных, и использования специализированного программного обеспечения и технических средств, которые позволяют свести участие человека в процессе контроля к минимуму.

5. Существует ряд задач, при которых возможно использование только цифровых методов регистрации изображений. Например, в костной денситометрии происходит селективное выделение костной компоненты в теле пациента (при вычитании мягких тканей). В результате пользователю выдается изображение, которое соответствует доле рентгеновского излучения, поглощенного в кости за вычетом излучения, которое было поглощено в мягких тканях. На основании этого изображения вычисляется минеральная плотность костной ткани, которая необходима для диагностики остеопороза. На рентгеновской пленке такой вид рентгеновского исследования в принципе невозможен.

Также необходимо отметить, что мощность современных компьютеров позволяет проводить рентгеновскую скопию (просмотр получаемых рентгеновских изображений в режиме реального времени) с использованием цифровой обработки и анализа каждого регистрируемого кадра.

Совокупность всех перечисленных выше факторов делает использование цифровых систем для регистрации рентгеновских изображений весьма актуальной проблемой.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что для детекторов рентгеновских изображений на основе Люминофор — объективПЗС — матрица разработана методика оценки квантовой эффективности детектирования (ОС^Е), основанная на использовании источника гамма-квантов Аш-241. Также разработана детектирующая система с высокой чувствительностью (которая была оценена с помощью двух указанных ранее методик оценки 0(}Е), которая была впервые использована для целей медицинской диагностики на пучке Курчатовского источника синхротронного излучения (СИ). Для монокристаллических люминофоров проведено математическое моделирование процесса формирования изображения и сделаны оценки значений предельного пространственного разрешения для различных типов люминофоров.

Практическая значимость работы заключена в том, что созданные детектирующие системы и разработанные алгоритмы обработки изображений успешно используются при решении задач медицинской диагностики и промышленной дефектоскопии в научных и производственных организациях, в том числе на станции «Медиана» в КЦСИ РНЦ КИ, в НГДУ «Альметьевнефть», ОАО «Сургутнефтегаз».

Полученные в диссертации результаты неоднократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в реферируемых журналах [7−9], а также 4 публикации по итогам научно-технических конференций [10−13].

Основной целью работы явилось создание детектирующей системы на основе Люминофор — объектив — ПЗС-матрицы и внедрение метода цифровой обработки рентгеновских изображений, позволяющего повысить качество рентгеновской интроскопии. Основные задачи, решаемые в представленной работе, представлены ниже:.

1. Исследование различных методов получения теневых рентгеновских изображений и их сравнительный анализ.

2. Разработка методик оценки квантовой эффективности детектирования фС) Е) для систем на основе Люминофор — Объектив — ПЗС-матрица.

3. Разработка системы регистрации синхротронного излучения на основе Люминофор — Объектив — ПЗС-матрица в целях получения изображений для медицинской диагностики.

4. Разработка детектирующей системы на основе ЛюминофорОбъектив — ПЗС-матрица с высоким пространственным разрешением и математическое моделирование процесса формирования изображения в монокристаллическом сцинтилляторе, используемом в данной системе.

5. Разработка метода обработки теневых рентгеновских изображений, и его внедрение в различные системы для медицинской и промышленной рентгеновской интроскопии.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Были проанализированы различные методы получения теневых рентгеновских изображений. Показано, что современные системы на основе Люминофор — Объектив — ПЗС-матрица обладают определенными преимуществами благодаря своей универсальности, гибкости и возможности получения высокого пространственного разрешения при высокой чувствительности к излучению. Цифровые системы представляют большие возможности для решения различных практических задач благодаря специализированным математическим методам обработки данных.

2. Разработаны две методики оценки квантовой эффективности детектирования (0(}Е) для детектирующих систем на основе ЛюминофорОбъектив — ПЗС-матрица с использованием источника гамма-квантов Аш-241. Показано, что эти методики позволяет оперативно оценивать чувствительность разрабатываемых детектирующих систем.

3. Разработана детектирующая система на основе ЛюминофорОбъектив — ПЗС-матрица с высокой чувствительностью для получения изображений с использованием синхротронного излучения для медицинской диагностики.

4. Разработана детектирующая система с пространственным разрешением 25 пл/мм с использованием монокристаллического сцинтилляторов.

5. С помощью математического моделирования выявлены особенности формирования изображения в монокристаллических сцинтилляторах и сделаны оценки значений предельного пространственного разрешения для таких сцинтилляторов.

6. Разработан метод обработки рентгеновских изображений, основанный на использовании алгоритмов фильтрации, нормировки, бинирования, и др. Данный метод обработки был внедрен в различные системы для медицинской и промышленной рентгеновской интроскопии.

2. Литературный обзор.

В настоящей главе приведен литературный обзор, в котором представлены основные области, которые затронуты в настоящей работе. В начале рассматриваются различные области применения рентгеновских интроскопов, а также описывается специфика их применения в различных задачах. Затем описываются общие характеристики цифровых систем регистрации теневых рентгеновских изображений и представляются применяемые в настоящее время основные типы детектирующих систем. Поскольку акцент в настоящей работе уделяется системе, построенной на основе Люминофор — Объектив — ПЗС-матрица, подробно описываются все компоненты данной системы.

6.

Заключение

.

Все полученные в ходе работы теоретические оценки и модели были подтверждены экспериментально. В частности, можно утверждать, что результаты оценки БС>Е, полученные двум представленным методикам, хорошо согласуются между собой. Данные методики были использованы для оценки БС) Е системы для регистрации синхротронного излучения, в которой требовалась высокая чувствительность к излучению и возможность регистрировать низкоэнергетические кванты.

Представленный в работе метод обработки изображений показал свою эффективность практически для всех типов рассмотренных в работе цифровых систем. Его применение позволяет существенно расширить диагностические качества рентгеновских интроскопов и, соответственно, повысить достоверность результата рентгеновского исследования.

Полученные с использованием СИ изображения свидетельствуют о высоком уровне исполнения созданной детектирующей системы и позволяют говорить о перспективах использования такого типа систем для исследования биологических объектов, в частности для решения задачи маммографии.

Полученные результаты по пространственному разрешению системы на основе Люминофор — объектив — ПЗС-матрица являются весьма высокими. Величина разрешения в 25 пл/мм намного превышает значения разрешения для большинства современных цифровых систем регистрации рентгеновских изображений (как правило, не более 10 пл/мм). Для обоснования этого факта в работе была предпринята попытка оценки предельного пространственного разрешения детектирующих систем на основе Люминофор — объектив — ПЗС-матрица. В результате можно констатировать: такое высокое пространственное разрешение удалось получить исключительно благодаря использованию монокристаллического сцинтиллятора, ПЗС-матрицы с низким уровнем шумов, который обеспечивался наличием термоэлектрического охлаждения ПЗС-матрицы до -50°С, а также подбором оптимального напряжения на рентгеновской трубке. Именно это сочетание позволило добиться пространственного разрешения 25 пар линий/мм.

Создание усилителя рентгеновского изображения показало, что использование цифровой ПЗС-камеры высокого разрешения с прогрессивной разверткой и высокой частотой обновления кадров, а также мощного компьютера для обработки и представления вводимого изображения позволяет реализовывать рентгеновскую скопию для медицинских целей с высоким качеством изображения.

Внедрение системы для контроля остаточной толщины стенок стальных труб на нескольких нефтегазодобывающих предприятиях России показало ее высокую надежность и неплохую производительность. Особенно стоит отметить, что данная система позволяет контролировать трубы с плохим качеством поверхности, которое не позволяет использовать более быстрый ультразвуковой метод контроля.

Ниже представлены основные результаты диссертационной работы:

• Изучены различные методы получения теневых рентгеновских изображений и проведён их сравнительный анализ. Показано, что системы на основе Люминофор — Объектив — ПЗС-матрица обладают значительными преимуществами.

• Для детекторов рентгеновских изображений на основе ПЗСматрицы разработаны две независимые методики оценки квантовой эффективности детектирования (ИС^Е), основанные на использовании источника гамма-квантов Ат-241.

• Разработана детектирующая система с высокой чувствительностью в целях медицинской диагностики для регистрации синхротронного излучения.

• Создана детектирующая система с пространственным разрешением не менее 25 пар линий/мм.

• Для монокристаллических люминофоров проведено математическое моделирование процесса формирования изображения и сделаны оценки значений предельного пространственного разрешения для различных типов люминофоров.

• Разработан метод обработки рентгеновских изображений, основанного на нормировке и фильтрации изображения, который был успешно внедрен в различные системы для медицинской и промышленной рентгеновской интроскопии.