Способ томографической оценки распределения плотности и эффективного атомного номера вещества

 

Изобретение относится к методам диагностики и неразрушающего контроля на основе рентгеновской и гамма-томографии и предназначено для применения в авиации, космонавтике, атомной энергетике, нефтяной и газовой промышленности, машиностроении, медицине. Способ заключается в восстановлении линейных коэффициентов поглощения и рассеяния путем регистрации прошедшего без взаимодействия рассеянного излучения и решения системы уравнений лучевых сумм и математического моделирования. По отношению полученных коэффициентов поглощения и рассеяния восстанавливается распределение эффективного атомного номера. По распределению эффективного атомного номера и линейного коэффициента рассеяния восстанавливается распределение плотности вещества. Технический результат: определение распределения эффективного атомного номера инвариантно к распределению плотности и определение распределения плотности инвариантно к распределению атомного номера. 5 ил.

Изобретение относится к методам диагностики как в технике (неразрушающий контроль и дефектоскопия агрегатов, веществ, материалов, изделий), так и в медицине (рентгеноскопия, маммография), а именно к томографическим методам исследования объектов на рассеянном излучении.

Область применения: авиация, космонавтика, атомная энергетика, нефтяная и газовая промышленность, машиностроение, медицина.

Целью заявляемого изобретения является получение более полной информации о распределении свойств в исследуемом объекте. Например, в маммографии - выявление области с наиболее вероятным возникновением опухолей, в том числе злокачественных, в технических приложениях - идентификация распределения веществ с различными плотностями и эффективными атомными номерами.

Известны устройства для получения изображений внутренней структуры объекта, основанные, как правило, на принципе регистрации распределения интенсивности прошедшего через объект излучения (US, 3961186, G 01 N 23/20, 01.06.76; US, 4549307, G 03 B 41/16, 22.10.85; RU, 2119660, G 01 N 23/201, 27.09.98), однако данные технические решения не позволяют провести идентификацию распределения веществ с различными плотностями и эффективными атомными номерами.

Известен значительный ряд томографов на обратнорассеянном коллимированном излучении (US, 4123654, G 01 N 23/20, 31.10.78; US 4495636, G 01 N 23/20, 22.01.85) в которых, как правило, реконструкция плотности проводится на основе регистрации фотонов, рассеянных лишь одним или несколькими пикселами объекта и в ограниченном угловом диапазоне. Это приводит к крайне незначительному числу регистрированных фотонов от всех рассеянных в объекте, что отражается на низкой разрешающей способности реконструкции, относительно высокой радиационной нагрузке на объект и низкой производительности контроля. К недостатку данных томографов также относится то, что они не позволяют получить численную реконструкцию, а дают возможность лишь визуальной оценки распределения плотности, что приводит к низкой точности определения плотности.

В настоящее время известен способ реконструкции распределения плотности (В.А. Горшков. Томограф на неколлимированном рассеянном излучении// Дефектоскопия РАН, 1999 г., N 9,). В указанном способе производят узкоколлимированное облучение объекта с различными углами и координатами рентгеновским или гамма-излучением, измеряют интенсивность рассеянного неколлимированного излучения.

При многократном облучении объекта, представленного в виде совокупности пиксел, в пределах которых линейный коэффициент рассеяния может быть принят постоянным, по массиву интенсивности регистрации рассеянного излучения можно получить распределение линейного коэффициента рассеяния, а следовательно, и плотности.

Этот объект выбран в качестве прототипа к объекту данной заявки. Данный прототип позволяет: - повысить число регистрированных фотонов; - повысить разрешающую способность реконструкции; - снизить радиационную нагрузку на объект; - повысить производительность контроля; - получить не визуальную, а численную оценку распределения плотности, что повышает точность реконструкции.

Однако данный прототип не позволяет провести идентификацию распределения веществ с различными плотностями и эффективными атомными номерами.

Задачей заявляемого изобретения является определение распределения эффективного атомного номера вне зависимости (инвариантно) от распределения плотности и определение распределения плотности вне зависимости (инвариантно) от распределения эффективного атомного номера.

Так как отношение коэффициентов полного поглощения и рассеяния для энергий менее 200 кэВ зависят от эффективного атомного номера, создается предпосылка к решению задачи определения распределения как эффективного атомного номера, так и распределения плотности вещества.

Поставленная задача изобретения решается тем, что в способе томографической оценки распределения плотности и эффективного атомного номера согласно изобретению осуществляют восстановление распределения линейного коэффициента рассения и полного поглощения, определяют отношение линейного коэффициента комптоновского рассеяния к полному коэффициенту поглощения, по которому можно оценить эффективный атомный номер и по нему в совокупности с линейным коэффициентом комптоновского рассеяния плотность.

Способ оценки линейного коэффициента рассеяния заключается в следующем.

Объект разбивается на пикселы i,j.

В объект вводится узкоколлимированное излучение под различными углами и при различных координатах x,y. Схемы сканирования могут быть различными: с одной, двух, трех, четырех сторон объекта.

Для каждого угла и координаты измеряется интенсивность рассеянного объектом неколлимированного излучения и формируется массив чисел рассеянных и зарегистрированных детектором фотонов N^d_i(,x,y), Восстановление (реконструкция) линейного коэффициента поглощения _t(i) осуществляется на основе линейной системы уравнений = S, (1) где - n-мерный вектор, определяющий распределение линейного коэффициента комптоновского рассеяния в n пикселах реконструируемого объекта; S - m-мерный вектор, определяющий массив лучевых сумм, измеренных при различных координатах и углах сканирования (x,y,);
- матрица длин траекторий распространения фотонов в каждом пикселе при различных координатах и углах сканирования (x,y,);
m элементов вектора определяются как

где N₀ - исходное число фотонов;
N_i^d - число рассеянных и зарегистрированных детектором в i-том измерении фотонов при вводе излучения в координату x,y, угле ввода ;
k_i - отношение коэффициентов комптоновского рассеяния к полному в i-том измерении (для заданной энергии исходного излучения);
_i - доля рассеянного излучения, зарегистрированная детектором в i-том измерении.

Детектирование может осуществляться с одной, двух и т.п. сторон объекта. Если объект позволяет, то детектор может охватывать объект со всех сторон.

Одновременно измеряется интенсивность сквозного прошедшего без взаимодействия излучение объектом излучения.

Этим формируется массив чисел фотонов, прошедших без взаимодействия и зарегистрированных детектором N_d(x,y,).
Восстановление (реконструкция) линейного коэффициента поглощения _t(i,j) осуществляется на основе линейной системы уравнений

где S(x,y,) - измеренная лучевая сумма коэффициентов рассеяния (отклик);
_t(i,j) - линейный коэффициент полного поглощения i,j-ro пиксела объекта;
L(i,j) - величина пути фотона в i,j-м пикселе объекта.

Измеренная лучевая сумма коэффициентов поглощения (отклик) определяется как

где N₀ - исходное число фотонов;
N_d(x,y,) - число рассеянных и зарегистрированных детектором фотонов при вводе излучения в координату x,y при угле ввода .
Значение коэффициентов k_i, _i в формуле (2) на первом этапе неизвестны, и, как правило, принимаются равными единице, что является крайне грубым приближением при проведении численной реконструкции.

Данные коэффициенты могут быть определены путем статистического моделирования при известных распределениях линейных коэффициентов рассеяния и поглощения. (Лейпунский О.И., Новожилов Б.В., Сахаров В.Н. Распространение гамма-квантов в веществе. ФизМат.М.,1960. Стр. 44-53) по следующей процедуре.

На первом шаге в качестве начальных оценок принимаются:
k_i - равным отношению массовых коэффициентов для заданной энергии источника для атомного номера, при отсутствии априорной информации - либо 1, либо среднее его значению для легких элементов; при наличии априорной информации об объекте - отношение коэффициента рассеяния к коэффициенту поглощения для элемента с атомным номером, ближайшим к эффективному атомному номеру объекта;
_i - оценивается из геометрии расположения детектора (отношения сферического угла, в котором располагается детектор к полному сферическому углу 4).
После первого расчета распределения линейных коэффициентов рассеяния и поглощения по формулам
= S,



осуществляется моделирование процесса взаимодействия фотонов с объектом, на основании которого уточняются коэффициенты k_i, и _i.
После этого повторяется процедура реконструкции по этим же формулам и затем повторным моделированием уточняются коэффициенты k_i и _i.
Данная процедура повторяется до тех пор, пока не стабилизируется результат реконструкции.

Реконструкция распределения эффективного атомного номера осуществляется по восстановленному отношению линейного коэффициента рассеяния к линейному коэффициенту поглощения. Так как это отношение для различных атомных номеров различны (для легких элементов наибольшее различие имеет место при энергии фотонов 40-60 кэВ) и известны (см. там же стр. 163-194), по реконструируемым значениям коэффициентов оценивается распределение эффективного атомного номера.

Реконструкция распределения плотности осуществляется на основе восстановленного атомного номера и линейного коэффициента поглощения (или рассеяния).

Технический результат заключается в определении распределения эффективного атомного номера инвариантно к распределению плотности и определение распределения плотности инвариантно к распределению атомного номера.

Примеры, доказывающие реализуемость предлагаемого способа:
- реконструкция композитного материала (авиационная обшивка) (фиг. 1-3),
- сечения молочной железы (фиг.4),
- искусственного объекта с включениями различной плотности и эффективного атомного номера (фиг. 5).

Томограмма авиационных сандвичевых композиционных материалов с сотовыми наполнителями, полученная на томографе Комскан (фиг. 1), показывает, что томография на коллимированном рассеянном излучении не выявляет с такой степенью достоверности дефекты сотовой структуры, с какой это возможно с применением неколлимированного рассеянного излучения. Реконструкция на неколлимированном рассеянном излучении (фиг. 2,3) показала достаточно высокое качество реконструкции дефектов сотового наполнителя.

На представленных реконструкциях достаточно хорошо видны все дефекты сотовой структуры: обрыв, непроклей, смятие.

Исследования показали, что для такого класса объектов двустороннее облучение (фиг. 3) практически не приводит к значимому повышению адекватности реконструкции сотового наполнителя по сравнению с односторонним (фиг. 2).

На фиг. 4 представлены сечение фантома молочной железы и полученные отклики (графическое представление интенсивности рассеянного излучения) при облучении его с четырех сторон. Полученные отклики являлись информационной основой реконструкции.

Как видно из фиг. 4, восстановленное распределение плотности сечения молочной железы практически адекватно распределению контролируемого объекта.

На фиг. 5 представлен искусственный объект с включениями материалов с различным эффективным атомным номером. Для наглядности форма включений с различным эффективным атомным номером по форме представлена символами соответствующего элемента периодической системы на фоне материала с эффективным атомным номером, равным атомному номеру кремния. При этом плотность слоев изменялась в пределах 0,5-2,5 г/см³. На реконструкции, полученные на основе неколлимированного рассеянного и трансмиссионного излучения, оказывают влияние распределения как эффективного атомного номера, так и плотности. По этим реконструкциям нельзя однозначно судить о причине изменения цветности различных областей изображения. Как видно, на реконструкции эффективного атомного номера и плотности практически совпадают с распределениями их в объекте. Такой подход позволяет существенно расширить информативность контроля.

Формула изобретения

Способ томографической оценки распределения плотности и эффективного атомного номера, заключающийся в многократном узкоколлимированном облучении объекта с различными углами и координатами рентгеновским или гамма-излучением и измерении интенсивности рассеянного неколлимированного излучения и на основании многократного решения системы уравнений лучевых сумм коэффициентов рассеяния
= S, (1)
где - n-мерный вектор, определяющий распределение линейного коэффициента комптоновского рассеяния в n пикселах реконструируемого объекта;
S - m-мерный вектор, определяющий массив лучевых сумм, измеренных при различных координатах и углах сканирования (x,y,)
- матрица длин траекторий распространения фотонов в каждом пикселе при различных координатах и углах сканирования (x,y,),
m элементов вектора определяются как

где N₀ - исходное число фотонов;
N_i^d - число рассеянных и зарегистрированных детектором в i-том измерении фотонов при вводе излучения в координату х, у, угле ввода ;
k_i - отношение коэффициентов комптоновского рассеяния к полному в i-том измерении (для заданной энергии исходного излучения);
_i - доля рассеянного излучения, зарегистрированная детектором в i-том измерении,
восстанавливается распределение коэффициента рассеяния, отличающийся тем, что в процессе облучения объекта измеряется интенсивность сквозного прошедшего излучения и на основании системы уравнений лучевых сумм полных коэффициентов поглощения

где S(x,y,) - измеренная лучевая сумма коэффициентов поглощения - отклик;
_t(i,j) - линейный коэффициент полного поглощения i,j-го пиксела объекта;
L(i,j) - величина пути фотона в i,j-м пикселе объекта,
измеренную лучевую сумму коэффициентов поглощения - отклик - определяется как

где N^t_d(x,y,) - число фотонов, прошедших без взаимодействия и зарегистрированных детектором при вводе излучения в координату х, у при угле ввода ,
определяется распределение линейного коэффициента поглощения по отношению коэффициентов рассеяния и поглощения, оценивают распределение эффективного атомного номера, на основании которого и восстановленных линейных коэффициентов поглощения или рассеяния вычисляют фактическое распределение плотности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5