Рентгеновская вычислительная томография
Томографией называют методику получения послойного рентгеновского изображения. С ее помощью можно получать изображение слоя, лежащего на определенной глубине исследуемого объекта. Томографический снимок получают, синхронно перемещая излучатель и детектор.
Вычислительная рентгеновская томография обеспечивает получение изображения поперечного слоя исследуемого сварного шва с помощью математической обработки множества рентгеновских изображений одного итого же объекта, сделанных под разными углами.
Упрощенная схема комплекса для вычислительной томографии:
1 — рентгеновское питающее устройство РПУ; 2 — источник ионизирующего излучения; 3 — объект; 4 — стол; 5 — коллиматоры; 6 — детекторы; 7 — привод вращения; 8 — центральный пульт; 9 — ЭВМ; 10 — аналого-цифровой преобразователь; 11 — блок памяти; 12 — запись на магнитный диск: 13 — блок воспроизведения; 14 — пульт управления; 15 — дисплей 1; 16 — дисплей 2;17 — фотокамера
Схема развития систем для рентгеновской вычислительной томографии
Допустим, необходимо сфотографировать под разными углами полупрозрачный цилиндр, помещенный в круглую банку с водой. Полоски 1, 2, 3 на рисунке — это проявленные негативы. Если их сложить под теми же углами, при которых производили снимок, то получим картину, похожую на изображение поперечного сечения цилиндра в банке с водой. Картина не изменится, если вместо обычной фотографии сделать фотографии узких поперечных полосок, а затем развернуть эти полоски в плоскость. Чем больше сделано снимков и чем меньше сдвинется угол при снимке, тем ближе полученное изображение к истинному изображению сечения. Но сколько бы снимков не накладывать друг на друга, всегда останутся вокруг полученного сечения звездообразные искажения, которые видны на рисунке. На следующем этапе «восстановления» сечения их необходимо убрать. Это можно сделать фильтрацией, например, с помощью оптических частотных фильтров точно так же, как отфильтровывают мешающие частоты в электронных устройствах с помощью электронных фильтров. В вычислительной томографии вместо физического наложения фотографий используют математические аналоги такого суммирования и математические методы фильтрации.
При рентгеновской вычислительной томографии рентгеновский излучатель И, испускающий узкий луч, перемещается в направлении, показанном стрелкой. Одновременно в том же направлении движется чувствительный к рентгеновскому излучению детектор Д, расположенный по другую сторону объекта. Детектор все время регистрирует узкий луч, прошедший через объект. Если в качестве объекта исследования взять тот же упомянутый цилиндр, то за одно поперечное движение (сканирование) сигнал, зарегистрированный детектором Д, будет такой, как показано на рисунке, где провал сигнала соответствует пересечению луча и цилиндра.
Повторяя движение и регистрацию сигналов детектора, можно получить их набор. Из простого сопоставления этих сигналов можно со значительной вероятностью заключить, что исследуемое сечение представляет собой круг, расположенный эксцентрично относительно оси вращения.
Когда имеют дело с ответственными сварными швами, число сканирований должно быть очень большим — до 300 для получения одного слоя, а массив цифровые данных, полученных от детектора, с которыми должен оперировать ЭВМ в процессе расчета изображений, достигает мегабайта.
На рентгеновской пленке даже очень высокого качества различаются изменения плотности объекта не менее чем на 1 %, т. е. рентгенографический контроль обладает контрастной чувствительностью на уровне 1 % Контрастная чувствительность изображения вычисли тельного томографа достигает 0,5 и даже 0,2 %, что существенно выше, чем при рентгенографическом контроле. Все остальные параметры изображения, полученного на вычислительном томографе (пространственная и временная разрешающие способности, геометрическая и динамическая нерезкости) не уступают изображению на рентгеновской пленке.
За последние десять лет разработано четыре поколения вычислительных томографов. Такое снижение достигается прежде всего тем, что вместо одного детектора и точечного рентгеновского луча вводят линейку детекторов, работающих одновременно, и веерный плоский рентгеновский луч. При этом варианте отпадает необходимость в последовательном перемещении излучателя и детектора. В последних моделях осуществляется непрерывное вращение системы излучатели — детекторы, а рентгеновское излучение включается импульсно; одновременно производится считывание сигнала со всех детекторов линейки. Существуют системы с кольцевым набором детекторов, где вращается лишь один излучатель. В процессе исследования система совершает от половины до полного оборота и выполняет за это время 200—400 включений.
В упрощенном виде схема комплекса для вычислительной томографии приведена на рисунке. В томографе, как и в обычном рентгенографическом аппарате, имеется рентгеновское питающее устройство ЭРПУ и излучатель. Только уровень стабилизации излучения в них на несколько порядков выше. Схема движения излучателя и детектора соответствует приведенной на рисунке е. Импульсы рентгеновского излучения проходят через исследуемый объект и регистрируются одновременно всеми детекторами линейки. Сигналы детекторов поступают в блок памяти, а оттуда последовательно считываются аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и поступают в центральную ЭВМ для обработки. Восстановленное изображение записывается для долговременного хранения на магнитный диск или ленту, а для оперативной работы выводится на экран дисплея. Магнитный диск содержит всю информацию об исследовании. На нем может быть записано изображение нескольких слоев (8—10) в зависимости от задач контроля.
Контрастная чувствительность современных томографов составляет 4—5 ед. оптической плотности. Столь большое количество информации не может быть воспроизведено одновременно на экране современного дисплея. Поэтому блок воспроизведения изображения позволяет выбирать так называемую область интереса, т. е. смешать среднее значение яркости от нулевого значения в зависимости от исследуемого сварного шва. Предусмотрена также возможность выбирать «ширину окна», т. е. пределы воспроизводимых на экране дисплея плотностей. Естественно, если пределы выбраны так, что диапазон плотностей превышает возможности дисплея, изображение будет воспроизведено с меньшей чувствительностью. Одновременно изображение дисплея содержит буквенную и цифровую информацию о дате, месте, номере исследования, толщине выделяемого слоя, об изделии и т. п.
Помимо перечисленных возможностей обработки изображения, в большинстве систем предусмотрен ряд дополнительных манипуляций с изображением, расширяющих возможности его анализа и интерпретации.
На изображение могут накладываться масштабные сетки, по которым определяют точные координаты заданной зоны и расстояния дефекта от определенных точек на наружной поверхности изделия. Плотность интересующей зоны, обведенная световым пером, может быть распечатана в цифрах с помощью цифропечатающего устройства. Широкое распространение наряду с черно-белыми полутоновыми дисплеями имеют также цветные, где изображения даются в условных цветах. В некоторых системах предусмотрено вычитание двух изображений.
Программное обеспечение предназначено для реализации функций управления и выполнения вычислительных операций рентгеновским компьютерным томографом во всех режимах его работы. Программное обеспечение строится на основе общего математического обеспечения используемого управляющего вычислительно комплекса. При разработке программы обеспечивается модульный принцип, а основными языками для программных модулей является один или несколько языков операционной системы.
Операционная система ориентирована на диски и должна обеспечивать функционирование в режиме реального времени и работу с несколькими пультами в диалоговом режиме, а также работу со спецпроцессором восстановления.
Посредством операционной системы выполняются программы управления томографом, сканирования сварного шва, восстановления изображения из полученных проекций, анализа изображения, а также тестирования работоспособности оборудования ЭВМ и самого томографа. В режиме ожидания сканирования под управлением операционной системы проводится тестирование узлов ЭВМ, и данные тестирования выводятся на дисплей.
На экран видеотерминала выводится полутоновая графическая и алфавитно-цифровая информация, Вместе с изображением среза располагается клин градаций яркости. Шкала содержит равномерные градации от черного до белого и служит для регулирования изображения по контрастности и яркости; кроме того, совместно с данными о ширине и центре окна плотностей ее используют для визуальной оценки плотности.
В современных томографах применяют диалоговый режим, основанный на использовании видеотерминала с алфавитно-цифровой функциональной клавиатурой и устройств типа светового пера. Так, можно выполнять свыше 30 функций по визуализации, обработке и передаче информации об изображении полученного среза сварного шва.
Одной из важнейших функций настройки является дискриминирование, т. е. выбор диапазона коэффициентов ослабления для визуализации на полутоновом видеотерминале. При этом оператор выбирает и указывает с помощью специальных ручек интересующий его диапазон коэффициентов ослабления. Этот диапазон называют окном плотностей. Элементы изображения, имеющие коэффициенты ослабления выше верхней границы окна, изображаются белым, а элементы, имеющие коэффициенты ослабления ниже нижней границы,— черным. Элементы, имеющие плотность в пределах окна, изображаются различными градациями яркости от белого до черного. При этом различие в яркости между различными плотностями в пределах окна значительно увеличивается. С уменьшением ширины окна, т. е. диапазона, увеличивается контрастность между близкими плотностями. Оператор имеет возможность не только изменять диапазон, но и передвигать диапазон единичными шагами по всей шкале плотностей, т. е. исследовать интересующие его плотности с большой точностью.
Для указания точки на экране реализовано так называемое электронное перо. Оно может быть выполнено различными способами. С помощью светового пера оператор может указывать интересующие его точки на изображении, кроме того, может рисовать контуры различной конфигурации. Чтобы анализировать некоторую область, называемую зоной интереса, оператор с помощью пера обводит ее границу и нажатием клавиши вызывает эту зону. Результаты статистической обработки зоны интереса высвечиваются на экране в виде квадрата, наложенного на изображение. Область изображения, находящаяся внутри квадрата, может быть увеличена до размера экрана.
В настоящее время успешно применяются методы эмиссионной гамматомографии, электронно-позитронной томографии, томографии на основе ядерного магнитного резонанса, ультразвуковой томографии. На очереди электронный парамагнитный резонанс и еще малоизученный, но весьма перспективный диапазон сверхвысоких радиочастот.
Электронно-позитронная томография отличается только тем, что используется изотоп с энергией гамма-излучения выше 1 МэВ. При этом, взаимодействуя с объектом, каждый квант создает эффект образования пары электрон — позитрон. Замечательным свойством этого эффекта является то, что электрон и позитрон образуются одновременно и летят точно в противоположные стороны. Возникает возможность, определяя траекторию их полета и совпадения времени каждого события, вычислять точные координаты, т. е. строить изображение.
