Работа выполнена в лаборатории фотоядерных реакций Института ядерных исследований РАН.
Научный руководитель:
д.ф-м.н.
В.Г. Недорезов, ИЛИ РАН.
Официальные оппоненты:
д.ф-м.н.
С.В.Акулиничев, ИЛИ РАН.
к.ф-м.н.
В.В. Ломоносов, РНЦ «Курчатовский институт».
Ведущая организация:
НИИЯФ МГУ
Защита состоится
года в
часов
на заседании диссертационного совета Д.002.119.01 Института ядерных исследований РАН по адресу: 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а.
*
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.
Автореферат разослан_________________________________________________.
Ученый секретарь *.
диссертационного совета Д.002.119.01
к.ф.-м.н., Б.А.Тулупов.
2
Оглавление.
1. Введение.............................................................5
2. Литературный обзор.................................................11
2.1. Области применения рентгеновской интроскопии...................11
2.1.1. Медицинская рентгенодиагностика............................11
2.1.2. Рентгеновская интроскопия в промышленности..................13
2.1.3. Обеспечение безопасности....................................15
2.1.4. Получение рентгеновских изображений для научных исследований. 16
2.2. Основные характеристики цифровых систем регистрации рентгеновских изображений..........................................17
2.3. Различные типы детектирующих систем и их сравнительный анализ. 21
2.3.1. Компьютерная радиография....................................22
2.3.2. Система на основе РЭОПа.....................................23
2.3.3. Сканирующие детектирующие системы на основе фотодиодных линейных детекторов............................................25
2.3.4. Плоские панели на основе аморфных полупроводников...........26
2.3.5. Система на базе Люминофор - объектив - ПЗС-матрица..........28
2.4. Компоненты детектирующей системы на основе Люминофор -объектив - ПЗС-матрица.............................................29
2.4.1. Люминофор...................................................29
2.4.2. Объектив....................................................31
2.4.3. ПЗС-матрица.................................................31
2.4.4. Использование нескольких ПЗС-матриц.........................33
2.5. Пространственное разрешение различных детектирующих систем 36
3. Аппаратные средства, используемые в работе..........................37
3.1. Система регистрации синхротронного излучения с высокой чувствительностью..................................................37
3.2. Детектирующая система с высоким пространственным разрешением.40
3.3. Цифровой усилитель рентгеновского изображения для медицинской диагностики........................................................41
3.4. Система для контроля промышленных изделий, использующая метод двухпороговой оценки толщины просвечивания.........................45
3.5. Система для ввода и цифровой обработки рентгеновских изображений, полученных на пленке...............................................47
4. Теоретические оценки, моделирование и методы, используемые для детектирующих систем рентгеновского излучения..........................48
4.1. Методика оценки величины БОЕ, основанная на статистических методах обработки..................................................49
4.2. Методика оценки величины БОЕ с использованием аналитического выражения..........................................................51
4.3. Исследование особеїшостей формировашія изображений в монокристаллических сцинтилляторах.................................52
3
4.3.1. Краевые распределения поглощенной энергии в сцинтилляторе CsI(Tl)........................................................53
4.3.2. Влияние вторичного характеристического излучения при взаимодействии рентгеновских квантов с материалом монокристалла... 63
4.4. Исследование влияния оптической системы на пространственное разрешение.........................................................70
4.5. Метод цифровой обработки теневых рентгеновских изображении, основанный на использовании специальных фильтров...................77
5. Экспериментальные исследования и получение практических результатов. .....................................................................84
5.1. Определение величины DQE для различных исполнений детектирующей системы на основе Люминофор - объектив - ПЗС-матрица............................................................84
5.2. Исследование характеристик получаемых изображений для медицинской диагностики с использованием синхротронного излучения. 85
5.3. Получение изображений с высоким разрешением на детектирующей системе с монокристаллическим сцинтиллятором.......................87
5.4. Экспериментальное подтверждение результатов исследования формировать изображения в сцинтилляторах...........................91
5.5. Получение изображений на цифровом усилителе рентгеновских изображений с использованием разработанного метода обработки 94
5.6. Внедрение системы двухпороговой оценки толщины просвечивания промышленных изделий в производственный процесс....................97
6. Заключение.........................................................102
7. Список литературы..................................................105
4
1. Введение.
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-ех р(—//•*), где:
10 - интенсивность излучения перед поглотителем;
I - интенсивность излучения за поглотителем;
р - линейный коэффициент ослабления;
х - 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.
7
Также необходимо отметить, что мощность современных компьютеров позволяет проводить рентгеновскую скопню (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 - объектив -ПЗС - матрица разработана методика оценки квантовой эффективности детектирования (ОС?Е), основанная на использовании источника гамма-квантов Ат-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 (0(}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 Люминофор -Объектив - 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.
9
- Київ+380960830922