Способ импульсной микродозовой рентгеновской диагностики

Использование: для неразрушающего контроля различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для медицинской рентгенодиагностики. Сущность: заключается в том, что способ включает просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизированным во времени с рентгеновским источником, преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения, при этом облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими импульсами. Технический результат: повышение чувствительности изображения исследуемого предмета и снижение дозы облучения материала рентгеновским излучением. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиационной техники, а именно к рентгеноскопии, рентгенодиагностике, и может быть использовано при неразрушающем контроле различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для медицинской рентгенодиагностики.

Известен способ [1] радиационной дефектоскопии, включающий просвечивание контролируемого объекта потоком проникающего излучения с получением оптического изображения объекта и анализ указанного изображения.

Недостатком этого способа является низкая чувствительность.

Известен способ [2] получения рентгеновского изображения, включающий облучение импульсным рентгеновским излучением стоящего за исследуемым предметом конвертера, преобразующего рентгеновское излучение в видимое, съемку полученного изображения видеокамерой, преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и передачу изображения.

Недостатком данного способа является то, что формирование и регистрация изображения осуществляется при облучении пакетом рентгеновских импульсов. Синхронизацию видеокамеры осуществляют только по первому импульсу пакета рентгеновских импульсов. Пакет состоит из 4-10 импульсов. При этом видеокамера регистрирует не только полезный сигнал на рентгенооптическом трансформаторе в момент прихода рентгеновских импульсов, а также радиационные и собственные шумы. Это в свою очередь сильно снижает соотношение сигнал-шум.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому, является способ [3] получения рентгеновского изображения, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным преобразователем и регистрацию оптического изображения с помощью оптоэлектронной аналого-цифровой информационной системы. При этом время облучения и регистрации оптического изображения устанавливается меньше или равное излучательному времени рентгенолюминесцентного преобразователя, а начало экспозиции фотоэлектронного устройства синхронизуют по времени с рентгеновским импульсом.

Недостатком способа [3] при его высокой чувствительности является то, что в момент прихода просвечивающего объект рентгеновского импульса на рентгенооптическом трансформаторе наряду с полезным сигналом также возможна регистрация радиационной космической вспышки. Это снижает соотношение сигнал-шум.

Целями изобретения являются снижение лучевого воздействия на объект, повышение чувствительности и качества изображения исследуемого предмета.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным с рентгеновским источником и последующим преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения. При этом время облучения и регистрации оптического изображения выбирается в интервале между радиационными космическими импульсами.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Длительность облучения и регистрации оптического изображения находится в интервале между радиационными импульсами космического происхождения.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - значительно уменьшается (по отношению к прототипу) соотношение сигнал-шум.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фигуре 2 отображена плотность распределения частоты радиационных космических импульсов по их амплитуде.

Способ осуществляется следующим образом:

Исследуемый объект 2 просвечивают импульсом рентгеновского источника 1, у которого время запуска задается, а амплитуда фиксируется системой управления, контроля и преобразования сигналов 5. Стоящий за объектом 2 рентгенолюминесцентный конвертор 3 преобразует рентгеновское изображение в видимое, которое поступает на синхронизованную во времени с рентгеновским источником облучения оптоэлектронную информационную систему 4, электрические сигналы с которой через систему управления, контроля и обработки информации 5 транслируется на монитор 6. При этом облучение и регистрация проходят по времени в интервале между радиационными космическими импульсами по команде оптоэлектронной системы 4, которая также отслеживает в окрестности исследуемого объекта радиационный космический шум. Оптоэлектронная информационная система 4 представляет собой ПЗС матрицу, ЭОП, ФЭУ и т.д.

В качестве рентгенолюминесцентного конвертора (преобразователя) используются рентгенолюминофоры, у которых излучательное время меньше временного интервала между радиационными космическими импульсами. Регистрацию оптического изображения с рентгенолюминесцентного преобразователя можно проводить различными фотоприемниками синхронизованными во времени с рентгеновским источником облучения. Например, используют импульсный фотоэлектронный матричный аналого-цифровой прибор с зарядовой связью (ПЗС матрица), экспозиция которого меньше временного интервала между радиационными космическими импульсами. Для повышения чувствительности оптического сигнала используют сочлененный с импульсной ПЗС матрицей импульсный управляемый электронно-оптический преобразователь (ЭОП), время экспозиции которого находится в интервале между радиационными космическими импульсами. Рентгеновский сигнал на выходе исследуемого объекта можно регистрировать набором, представляющим собой матрицу, линейку, диск, и др., составленным из однотипных рентгенолюминесцентных преобразователей, сочлененных с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ). Усиление сигналов в ФЭУ происходит в течение времени, которое находится в интервале между радиационными космическими импульсами.

Пример 1. Контролируемый объект облучают с частотой f=0,1-15 Гц рентгеновскими импульсами длительностью t=10 нс (энергия квантов 120 кэВ). Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя на основе эффективного люминофора ZnS-Cds-Ag, у которого полное излучательное время (˜2τ) составляет 3 мкс. При этом ПЗС матрица имеет экспозицию τ_о=1 мкс, что меньше излучательного времени (τ≈1,5 мкс) рентгенолюминесцентного преобразователя. Регистрация оптического изображения синхронизована по времени с рентгеновским источником. Длительность импульсов космического происхождения не превышают 12 нс. Плотность распределения амплитуды по частоте следования космических импульсов представлена на фиг.2. При максимальной чувствительности данной системы ПЗС матрица может зарегистрировать сопутствующие мощные космические импульсы с рентгенолюминесцентного преобразователя, которые идут с частотой следования F=1-2 Гц (см. фиг.2). Поэтому с учетом величин τ_о=1 мкс, f=15 Гц вероятность (А) регистрации ПЗС матрицей космической радиационной вспышки практически стремится к нулю (А=τ_оfF<0,00001). Отсюда следует, что даже при f=15 Гц ПЗС матрица регистрирует практически только полезный сигнал рентгенолюминесцентного преобразователя и не регистрирует радиационный космический фон и внешние оптические шумы. В прямых измерениях при получении изображения объект облучался рентгеновским импульсом длительностью t=10 нс и мощностью (Р) 10⁴ Р/с, в момент когда на рентгенолюминесцентный преобразователь действует космический импульс и в интервал времени между космическими радиационными импульсами, когда отсутствует люминесценция возбуждаемая космическими вспышками. Эксперименты показали, что по сравнению с прототипом при одинаковой дозе облучения (D) (D=Pt=10⁴ Р/с × 10^-8с=10^-4 Р, 1 Р≈1 рад) соотношение сигнал-шум увеличилось в ˜10 раз, что существенно повысило чувствительность к дефектам и качество изображения объекта.

Пример 2. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 10 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью пластины рентгенолюминесцентного преобразователя на основе кристалла NaI-T1, у которого полное излучательное время примерно 650 нс. На вход ПЗС матрицы, работающей с минимальной экспозицией 1 мкс подключен управляемый электронно-оптический преобразователь (ЭОП) с экспозицией 100 нс. Работа ЭОПа синхронизована с рентгеновским источником и ПЗС матрицей так, что начало экспозиции изображения ПЗС матрицей происходит спустя 50 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. В этом случае радиационная доза облучения задана такой же, что и в примере 1.

ЭОП-ПЗС матрица регистрирует полезный сигнал рентгенолюминесцентного преобразователя в течение τ_о=100 нс. ЭОП обладает значительным усилением оптического изображения (от 100 до 20000 раз). В данном случае чувствительность регистрирующей системы без потери качества изображения увеличена в 2000 раз. При такой чувствительности регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ˜1 кГц (фиг.2). Отсюда при F=1 кГц, τ_о=100 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса не превышает 0,0001. В этом случае, как показали испытания по методу примера 1, в сравнении с прототипом без ухудшения соотношения сигнал шум и неизменной энергии рентгеновских квантов 250 кэВ предельная толщина контролируемых стальных деталей без потери качества изображения увеличена с 10 см до 12 см.

Пример 3. Контролируемый объект облучают рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя на основе пластины из композиционного состава Се³⁺:Y₂SiO₅ и CsI, у которого полное излучательное время, примерно 40 нс. В этом случае также дополнительно на вход ПЗС матрицы, работающей с минимальной экспозицией 1 мкс подключен управляемый ЭОП с экспозицией 10 нс. Работа электронно-оптического преобразователя синхронизована с рентгеновским источником и ПЗС матрицей так, что начало экспозиции изображения ПЗС матрицей происходит спустя 8 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. Следовательно, ПЗС матрица регистрирует полезный сигнал рентгенолюминесцентного преобразователя в течение τ_о=10 нс. Чувствительность системы по сравнению с примером 2 была увеличена еще в 10 раз и достигла предельной величины по усилению оптического изображения на ЭОПе (20000 раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ˜10 кГц (фиг.2). Отсюда при F=10 кГц, τ_о=10 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса не превышает 0,0001. В этой серии исследований начальная мощность радиационной дозы Р=10⁴ Р/с. Доза радиационного облучения D=P t=10⁴ Р/с × 10^-9с=10^-5P. Как показали испытания по методу примера 1, по сравнению с прототипом при дополнительном снижении радиационной дозы облучения в 5 раз (2·10^-6P) и одинаковой энергии рентгеновских квантов 250 кэВ предельная толщина контролируемых стальных деталей без потери качества изображения осталась такой же - 16 см.

Пример 4. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью матрицы (5×4) или линейки (1×20), собранных из 20 рентгенолюминесцентных преобразователей, изготовленных из сцинтилляционной пластмассы ТУ6094425-77 (полное излучательное время 20 нс), с которыми сочленены ФЭУ, работающие без искажений в импульсном стробируемом режиме. Работа этих ФЭУ синхронизована с рентгеновским источником так, что начало экспозиции происходит спустя 2 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. При этом ФЭУ регистрируют полезный сигнал рентгенолюминесцентных преобразователей в течение τ_о=20 нс. Данная система обладает значительным усилением оптического изображения (200000 раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ˜ 100 кГц (фиг.2). Отсюда при F=100 кГц, τ_о=20 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса не превышает 0,001. Однако учитывая, что амплитуда регистрируемых рентгенолюминесцентным преобразователем паразитных космических импульсов с высокой частотой повторения на один-три порядка ниже, чем для космических шумов, регистрируемых в примерах 1-3 (см.фиг.2), получаем, что итоговый вклад космических шумов в примере 4 не более чем для примеров 2-3. Испытания, проведенные по методу примера 1, показали, что при радиационной дозе облучения, такой же как в примере 3, соотношение сигнал-шум увеличено в 10 раз. Наряду с этим при одинаковой энергии рентгеновских квантов (250 кэВ), толщина исследуемых стальных деталей увеличена по сравнению с примером 3 с 16 до 20 см.

Источники информации

1. Зайдель И.Н., Леонова Н.И., Гурвич В.А., Куклев С.В. Успехи в разработке и исследовании медицинских рентгеновских электронно-оптических преобразователей // Люминесцентные приемники и преобразователи ионизирующего излучения, Новосибирск: Наука, 1985. - С.94-98.

2. Патент РФ №2153848, А 61 В 6/00, Н 05 G 1/20. Опубликован 10.08.2000 г.

3. Патент РФ №2206886, А 61 В 6/00, Н 05 G 1/22, G 01 N 23/04. Опубликован 30.07.2001 г.

Способ импульсной микродозовой рентгеновской диагностики, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным во времени с рентгеновским источником, преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения, отличающийся тем, что облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими импульсами.