Способ регистрации рентгеновского излучения и устройство его реализующее

Изобретение может быть применено при неразрушающем контроле и медицинской диагностике. Техническим результатом изобретения является повышение скорости получения информации при сканирующем рентгеновском контроле, увеличение разрешающей способности, обеспечение возможности регистрации и обработки формируемых рентгенограмм в базисе бинарных изображений, позволяющих существенно повысить качество получаемых изображений на основе использования мощного аппарата теории бинарных изображений. Сущность изобретения заключается в применении метода базиса бинарных изображений. Установка рентгеновского контроля тела включает в себя последовательно расположенные модули, каждый из которых содержит поликристаллический сенсор (сцинциляционный преобразователь рентгеновского излучения в видимое), линейку фоточувствительных элементов с системой накопления, управления, хранения и считывания сигнальных зарядов, регулярный оптоволоконный кабель, оптически сопряженный выходными торцами посредством фокона с последовательной группой фотодиодных линеек, а входными торцами посредством фокона с поликристаллическим сенсором. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области регистрации изображений в различных областях спектра электромагнитного излучения, в частности в рентгеновском диапазоне излучения, производимого с помощью устройств, в которых первичное рентгеновское изображение преобразуется сенсором в видимое, регистрируемое далее преобразователем изображений.

В качестве аналога заявляемого технического решения принят способ получения рентгеновского изображения (Европейский патент ЕР N 0296737, кл. G01T 1/00, G01Т 1/20, опубликован 18.02.1991 г.), содержащий источник проникающего излучения, люминесцентный экран-преобразователь, работающий на просвет, оптическую систему переноса видимого изображения с экрана на детектор изображений и защиты детектора от рентгеновских лучей, фотоэлектрический детектор изображений (ПЗС-матрица).

Основной недостаток аналога - существенное снижение эффективности сцинтилляционного экрана вследствие оптических потерь при сжатии изображения на площадь ПЗС-матрицы. Снижение эффективности сенсора приводит к необходимости повышения доз облучения объектов исследования. В ряде случаев это ограничивает использование устройства или вообще исключает возможность его применения, например в медицинской рентгенодиагностике.

Известен другой аналог заявляемого технического решения световолоконного сцинтилляционного детектора рентгеновского излучения (патент РФ № 2248011, кл. G01Т 1/20, G02B 6/00, опубликован 03.10/2005.), содержащий блок регистрации рентгеновского изучения в виде набора волоконно-оптических сцинтилляторов, передающий блок волоконно-оптической связи, выполненные в виде единого волоконно-оптического модуля, фотоприемное устройство с блоком электронной обработки сигналов в виде оптической системы пикселей.

Основной недостаток описываемого аналога - использование аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в процессе преобразования исходного аналогового сигнала в цифровую форму, вносящую временные задержки, обусловленные последовательным способом преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, что существенно сказывается на общем быстродействии вычислительной системы. Кроме того, АЦП в силу своей схемотехнической организациии ее особенностей (линейный характер преобразования) ограничивает динамический диапазон преобразования интегральной интенсивности регистрируемого оптического сигнала, имеющего существенно нелинейную (гиперболическую) форму. Таким образом, динамический диапазон, время преобразования АЦП и последовательная передача информации являются ограничивающими факторами при использовании таких систем регистрации и обработки данных в режиме реального времени для современных оптоэлектронных устройств и систем.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ ренгеновского контроля тела (варианты) и установка для его реализации (варианты) (патент РФ № 2261465, кл. G03B 42/023, опубликован 09.27.2005), заключающийся в том, что рентгеновский контроль тела осуществляют путем сканирования его предварительно сформированным коллимированным пучком рентгеновского излучения за счет синхронного независимого перемещения относительно неподвижного тела плоского вертикального пучка рентгеновского излучения и датчика, выполненного в виде вертикальной линейки детекторов излучения.

Недостатки прототипа: часть рентгеновского потока проходит сквозь преобразователь рентгеновского излучения в видимое и попадает на детектор, вызывая искажения сигнала детектора, нестабильность его параметров по площади изображения и во времени. При превышении критической дозы воздействие рентгеновского излучения приводит к выходу детектора из строя.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей и характеристик детектора, достигаемого использованием для преобразования регистрируемого аналогового сигнала в цифровую форму фототриггеров с регулируемым порогом срабатывания (ФТ), применением метода формирования базиса бинарных изображений, позволяющего расширить динамический диапазон регистрируемой интенсивности рентгеновского излучения, а также возможность максимального сжатия получаемых бинарных изображений, повышение чувствительности преобразователя за счет применения поликристаллических сенсоров, сопряженных с оптоволоконным кабелем посредством фоконов, не ограничивающих толщину сцинцилирующего слоя сенсора, а следовательно, и его чувствительность к рентгеновскому излучению.

Техническим результатом является повышение разрешающей способности (10 пар лин/мм и более) и общего быстродействия всей системы.

Поставленная задача достигается тем, что способ регистрации рентгеновского излучения путем сканирования исследуемого объекта предварительно сформированным плоским пучком рентгеновского излучения за счет перемещения объекта и источника излучения относительно друг друга, приема излучения, проходящего через объект, и в каждый момент сканирования преобразование его в излучение видимого света, которое в свою очередь преобразуют в цифровую форму, в отличие от прототипа преобразование в цифровую форму осуществляют в каждый момент сканирования в виде последовательностей бинарных изображений посредством использования линейки ФТ, преобразующих регистрируемое излучение за время экспозиции, определяемое количеством заданных уровней срабатывания ФТ, на каждом шаге сканирования, в пространственный фрагмент бинарных изображений, который передается в цифровую вычислительную машину (ЦВМ) для дальнейшей обработки.

Кроме того, плоский пучок рентгеновского излучения формируют в горизонтальной плоскости, а коллиматор перемещают по вертикали, поддерживая постоянное соотношение скоростей движения коллиматора и датчика излучения.

Кроме того, перемещение коллиматора и датчика излучения производят посредством одного шагового двигателя, а синхронизацию их движения осуществляют за счет жесткого механического соединения коллиматора и датчика излучения.

Кроме того, датчики излучения при необходимости могут быть объединены в группу, размеры которой определяются линейными размерами исследуемого объекта.

Поставленная задача достигается также устройством регистрации рентгеновского излучения, содержащим блок управления и передачи изображения, источник рентгеновского излучения с коллиматором и датчиком излучения, расположенными на направляющих, датчик излучения состоит из первого устройства для преобразования рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект, в излучение видимого света и второго устройства для преобразования излучения видимого света в электронный сигнал, в отличие от прототипа первое устройство - поликристаллический сенсор - выполнено из рентгеночувствительного сцинцилирующего материала в виде пластины, толщина которой определяет требуемую чувствительность к рентгеновскому излучению, а второе устройство представляет собой фотоприемную линейку, у которой фоточувствительная часть совпадает с линейными размерами поликристаллического сенсора, поликристаллический сенсор оптически сопряжен с фотоприемной линейкой посредством регулярного оптоволоконного кабеля с фоконами на обеих концах, причем линейные размеры фоконов совпадают с размерами поликристаллического сенсора с одной стороны и фотоприемной линейки с другой.

Кроме того, фотоприемная линейка, содержащая фоточувствительные элементы, например, фотоприемную линейку и линейку триггерров Шмита с дифференциальными каскадами на входе, включенные последовательно, причем катоды фотодиодов ФПЛ подключены к блоку управления и передачи изображения, задающему последовательные во времени значения напряжений смещения, а выход каждого триггера Шмиттта является соответствующим элементом информационной шины. Таким образом ФТ представляет собой последовательно соединенный фотодиод и триггер Шмитта.

Фотоприемная линейка (ФПЛ) представляет собой либо комплементарную МОП-структуру (чип), либо два различных функциональных узла - фотодиодную линейку и линейку триггеров Шмиттта с дифференциальным каскадом на входе каждого триггера Шмитта. В процессе регистрации образов изображения объекта исследования порог срабатывания ФТ ступенчато изменяется во времени, что позволяет получать бинарные изображения, соответствующие установленным уровням интенсивности излучения. Совокупность бинарных изображений представляет собой полный теневой образ объекта.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 показана общая схема устройства, на фиг.2 - электрическая принципиальная схема ФТ, на фиг.3 - временные диаграммы работы ФТ.

Заявляемое устройство представлено на фиг.1. Оно содержит источник рентгеновского излучения 1 сопряженный с коллиматором 2, формирующим плоский пучок рентгеновского излучения 3, пронизывающий исследуемый объект 4, поликристаллический сенсор 5, оптически сопряженный посредством системы переноса изображения и защиты ФПЛ, состоящей из фоконов 6, 7 и регулярного оптоволоконного кабеля 8 и электрически соединенных ФПЛ 9, блок управления и передачи изображения 10, ЦВМ 11. Перемещение коллиматора 2 и поликристаллического сенсора 5 относительно исследуемого объекта производят посредством одного шагового двигателя, синхронизацию их движения осуществляют за счет жесткого механического соединения коллиматора 2 и поликристаллического сенсора 5. Поликристаллический сенсор 5, фоконы 6, 7, регулярный оптоволоконный кабель 8, ФПЛ 9 представляют собой датчик излучения.

Рентгеновское излучение, прошедшее через объект исследования (на фиг.1 объект рассматривать перпендикулярно плоскости чертежа), попадает на поликристаллический сенсор и преобразуется им в излучение видимого света, которое через систему переноса изображения попадает на ФПЛ.

На фиг.2 приведена схемная реализация ФТ на основе дифференциального каскада и триггера Шмитта, содержащая транзисторы VT2, VT3, образующие дифференциальный каскад и транзисторы VT4 и VT5, образующие триггер Шмитта. Вывод Q является информационным, напряжение U_опорн задает "пороговое" значение яркости, которое необходимо регистрировать, U_VD - вход для переключения диода VD в режимы накопления и хранения, U_пит - напряжение питания.

В начальном состоянии напряжение на входах U_VD и U_опорн отсутствует и вследствие этого и на выходе Q триггера Шмитта установлен сигнал логической "1". Далее, в момент начала сканирования на вход U_опорн подается напряжение, изменяющееся во времени, задаваемое системой управления, а на фотодиод падает оптический поток, вызывающий фото-ЭДС. Если напряжение на фотодиоде VD U_VD вследствие падающего на его поверхность регистрируемого оптического потока станет равным U_опорн, то напряжение на выходе дифференциального каскада станет равным 0 и состояние выхода триггера Шмитта изменится на противоположное. Это будет сигнализировать о том, что регистрируемая яркость в данной точке превысила некоторую величину, задаваемую напряжением U_опорн. Таким образом, регулируя напряжение U_опорн от U_{опорн min} до U_{опорнmax} осуществляется регистрация изображения по слоям яркости или, что то же самое, бинарная обработка изображения.

При переходе на следующий шаг сканирования катод фотодиода соединяется с источником питания, и его чувствительность к оптическому сигналу понижается, и схема возвращается в исходное состояние. Далее, процесс сканирования повторяется.

На фиг.3 приведены временные диаграммы работы ФТ (U_дк - напряжение на выходе дифференциального каскада).

Бинарная обработка заключается в разделении всех элементов изображения на два класса по признаку яркости путем выполнения поэлементного преобразования вида

где g - выходной информационный сигнал, f₀ - некоторое "пороговое" значение яркости. Таким образом, при выполнении бинарной обработки в ФПЛ регистрируемое изображение представляется в виде последовательности логических "0" и "1" на выходах ФТ, соответствующей различным установленным уровням яркости.

Логическая "1" определяется как пороговое значение f₀. Регулировка порога переключения для всех ФТ одновременно дает возможность регистрировать изображение по "словам" яркости или, что то же самое, осуществлять квантование изображения непосредственно во время его экспозиции в ФПЛ. Благодаря этому на выходах ФПЛ обеспечивается формирование "бинарного" (двоичного изображения), которое может непосредственно передаваться в ЦВМ, что позволяет обходиться без применения АЦП.

Для преобразования рентгеновского излучения, прошедшего через объект, в излучении видимого света используется поликристаллический сенсор, линейные размеры которого совпадают с линейными размерами фотоприемной части ФПЛ, а толщина определяется необходимой чувствительностью к рентгеновскому излучению. Фотоприемная часть ФПЛ соединяется с поликристаллическим сенсором посредством регулярного оптоволоконного кабеля с фоконами на обоих концах, линейные размеры которых совпадают с размером фотоприемной части ФПЛ и поликристаллического сенсора. Если необходимо охватить для регистрации участок объекта (или целиком весь объект), больший, чем линейный размер фотоприемной части ФПЛ, необходимо и достаточно составить набор подобных модулей, оптически сопряженных с поликристаллическим сенсором требуемых линейных размеров.

Таким образом, заявляемое изобретение расширяет функциональные возможности и характеристики детектора рентгеновского излучения, заключающиеся в повышении чувствительности к рентгеновскому излучению и обеспечении высокого пространственного разрешения, достигаемого использованием для преобразования регистрируемого аналогового сигнала в цифровую форму фототриггеров (ФТ) с регулируемым уровнем срабатывания, позволяющих применить формирование базиса бинарных изображений для оптимальной передачи и обработки информации, расширить динамический диапазон регистрируемой интенсивности рентгеновского излучения.

1. Способ регистрации рентгеновского излучения путем сканирования исследуемого объекта предварительно сформированным плоским пучком рентгеновского излучения за счет перемещения исследуемого объекта и источника излучения относительно друг друга, приема излучения, проходящего через исследуемый объект, и в каждый момент сканирования преобразование его в излучение видимого света, которое в свою очередь преобразуют в цифровую форму, отличающийся тем, что преобразование в цифровую форму осуществляют в каждый момент сканирования в виде последовательностей бинарных изображений посредством использования линейки фототриггеров, преобразующих регистрируемое излучение за время экспозиции, определяемое количеством заданных уровней срабатывания фототриггеров, на каждом шаге сканирования, в пространственный фрагмент бинарных изображений, который передают в цифровую вычислительную машину для дальнейшей обработки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плоский пучок рентгеновского излучения формируют в горизонтальной плоскости, а коллиматор перемещают по вертикали, поддерживая постоянное соотношение скоростей движения коллиматора и датчика излучения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемещение коллиматора и датчика излучения производят посредством одного шагового двигателя, а синхронизацию их движения осуществляют за счет жесткого механического соединения коллиматора и датчика излучения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что датчики излучения при необходимости могут быть объединены в группу, размеры которой определяются линейными размерами исследуемого объекта.

5. Устройство регистрации рентгеновского излучения, содержащее блок управления и передачи изображения, цифровую вычислительную машину, источник рентгеновского излучения с коллиматором и датчиком излучения, расположенными на направляющих, датчик излучения состоит из первого устройства для преобразования рентгеновского излучения, прошедшего через исследуемый объект, в излучение видимого света и второго устройства для преобразования излучения видимого света в электронный сигнал, отличающееся тем, что первое устройство для преобразования - поликристаллический сенсор - выполнено из рентгеночувствительного сцинцилирующего материала в виде пластины, толщина которой определяет требуемую чувствительность к рентгеновскому излучению, а второе устройство для преобразования представляет собой фотоприемную линейку, у которой фоточувствительная часть совпадает с линейными размерами поликристаллического сенсора, поликристаллический сенсор оптически сопряжен со вторым устройством для преобразования посредством регулярного оптоволоконного кабеля с фоконами на обоих концах, причем линейные размеры фоконов совпадают с размерами поликристаллического сенсора с одной стороны и второго устройства для преобразования с другой.

6. Устройство регистрации рентгеновского излучения по п.5, отличающееся тем, что фотоприемная линейка содержит фоточувствительные элементы, например линейку фотодиодов и линейку триггеров Шмитта с дифференциальными каскадами на входе, включенные последовательно, причем катоды фотодиодов подключены к блоку управления и передачи изображения, задающему последовательные во времени значения напряжений смещения, а выход каждого триггера Шмитта является соответствующим элементом информационной шины.