Вычислительный томограф

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

О П И С А Н И Е 972346

ИЗЬВРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) За алеко 2 1.04.80(2l ) 2914570/18-25 (5! )М. Кл.

QO1 Н 23/08 с присоединением заявки М еоеудврствеииый комитет

СССР (23) Приоритет оо делен изобретений и открытий

Опубликовано 07 11.82 Бюллетень ЛЙ 41 (53) УД К621.386 (088.8) Дата опубликования описания 07.11.82

Э. И. Вайнберг, И. А. Казак, В. В. Клкев, В. П. Курозаев и Г. 3, Плоткина

1. 4 ( (72) Авторы изобретения

C 1 > ч4

-.1

Научно-исследовательский институт интроскопии (7I ) Заявитель (547 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫИ ТОМОГРАФ

Изобретение относится к технике нераэрушающего контроля и может быть испсаьзовано для контроля промышленных иэделий и целей медицинской диагностики.

Известны вычислительные томографы, содержащие сканирующую систему, источник излучения, например, рентгеновского, блок детекторов, блок датчиков пространственных координат, блок предварительной обработки измерительных данных, блок пространственно-частотной фильтрации одномерных проекций методом свертки, блоки обратного проецирования и суммирования отфильтрованных данных памяти иэображения (1).

Указанные устройства обеспечивают реконструкцито томограмм при значительном объеме вычислительных операций и не позволяют реализовать процесс реконструкции в реальном масштабе времени даже при ограниченном формате матрицы изображения.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является вычислительный томограф, содержащий источник проникающего излучения, блок детекторов, 5 держатель исследуемого объекта, средства для приведения источника и блока детекторов в движение относительно держателя исследуемого объекта, блок предваритель-. ной обработки сигналов детекторов, под1о ключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частотной фильтрации, выполненный в виде генератора весовых множителей, являющихся функцией кратчайшего расстояния от элемента матрипы восста15 новления до измерительной траектории, и перемножителей, подключенный к блоку предварительной обработки сигналов детекторов, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, под. ключенный .к блоку пространственно-частотной фильтрации, память изображений, подключенную к блоку обратного проецирования. блок датчиков пространственных коор3 9723 динат, входом подключенный к средствам приведения источника и блока детекторов в движение, а выходами — к блоку предварительной обработки и блоку обратного суммирования и проецирования фильтрован- $ ных величин С2 .

Известное устройство обеспечивает возможность построения томограммы в реальном времени только при использовании большого количества параллельно работаю-10 ших перемножителей.

Llem изобретения - повышение быстродействия при уменьшении сложности и количества используемого оборудования, повышение информативности получаемых 1$ иэображений.

Поставленная цель достигается тем, что в вычислительном томографе, содержашем источник проникаюшего излучения, блок детекторов, держатель исследуемого объекта, средства для приведения источника и блока детекторов в дви1кение относительно держателя исследуемого объекта, блок предварительной обработки сигналов детекторов, подключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частотной фильтрации, подключенный к блоку предварительной обработки сигналов детекторов, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, подключенный к блоку пространственночастотной фильтрации, память иэображений, подключенную к блоку обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, блок датчиков пространствен.M ных коорбинат, входом подключенный к средствам для приведения источника и блока детекторов в движение, а выходами - к блоку предварительной обработки сигналов детекторов и блоку обратного 40 проецирования и суммирования, фильтрованных величин, блок пространственночастотной фильтрации выполнен в виде блока двойного дифференцирования одномерных проекций. .4$

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого вычислительного то-. мографа; на фиг. 2 - система координат, используемая при описании работы вычислительного томографа; на фиг. 3 и 4$0 вариантыисполнения предлагаемого устройства.

Вычислительный томограф содержит сканирующую систему 1, служащую средством для приведения источника 2 излу$$ чения и блока 3 детектора в движение относительно держателя (не показан), блок 4 датчиков пространственных коор46 4 динат, блок 5 предварительной обработки измерительных данных, блок 6 дифференцирования второго порядка, представляюший собой блок пространственно-частотной фильтрации„блок 7 обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, блок 8 памяти изображения, исследуемый объект 9, установленный на держателе, механизм 1О многооборотного вращения, механизм 11 однократного перемешения.

Источник 2излучения " и блок 3 детекторов расположены в плоскости контролируемого сечения по разные стороны от объекта 9 контроля. Сканирующая система 1 и составляющие ее механизмы 10 и 11 определяют относительное положение блоков 2, 3 и 9 в процессе сканирования и механически связаны с блоком датчиков пространственных координат, выход которого связан с входами блока 5 предварительной обработки измерительных данных и блока 7 обратного проецирования. В свою очередь, выход блока 3 детекторов связан с входом блока 5, выход которого связан с входом блока 6 дифференцирования второго порядка, выход которого соединен с входом блока 7. Вход блока 8 памяти изображения соединен с выходом блока 7 обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин .

В традиционной системе координат (фиг. 2), используемой для описания задач реконструкции при проецировании (просвечивании) параллельными лучами. Двумерная функция ф (Х, у ) соответствует, например, распределению линейного коэффициента ослабления монохроматического рентгеновского излучения по перечному сечению контролируемого объекта. Прямые линии, параллельные оси 5 и расположенные к оси 9 под углом ч, являются проецирующими лучами и описываются уравнением вида

l = ХСО5Ч+151И 4), где )" - длина перпендикуляра, оп Гшенного из начала координат х, м на отдельный луч.

Параллельная проекция двумерной функции. И (X,Э ) на ось Г, определяемую углом Ч, вдоль нормали может быть выражена в виде

+ОО +СО

P(r,× ) =,0 (Х,Ч)65= ХД (м, )6 (ХСОМ+

972346

/л (х, „) + Ч )МйЬ, $S

5 где 5(1 J — дельта-функция Дирака.

Формально задача реконструкции сводится к решению (2) с восстановлением неизвестного распределения,д(У,У ) по. экспериментально определенным p (Г ф ). 5

По новому алгоритму каждая проекция (2) сначала подвергается пространственной фильтрации путем формирования второй производной по V

Затем формируется выходное распределение p (X Y ) в виде суммы результатов 15 обратного проецирования предварительно отфильтрованных проекций: рл()()=I Р()(сж9+ 61иЧ,М)И (4) о 20

Очевидно, что реконструкция с помошью такого алгоритма, который может быть назван алгоритмом обратного проецирования с фильтрацией двойным дифференциро25 ванием (ОПФДД), в принципе возможна без применения операций умножения и позволяет проводить полный объем вычислительной обработки независимо для любого . участка проекции. Интересной особенностью алгоритма ОПФДД является возможность независимого и быстрого вычисления искомого распределения в интересуюшей исследования точке (или области) беэ проведения полной реконструкции. всего изображения. При этом столь сушествениые достоинства алгоритма ОПФДД не сопряжены со сколь-нибудь значительным, снижением качества и диагностической информативности реконструируемых иэобра-

40 жений.

Для того, чтобы количественно оценить, насколько точно предложенный алгоритм

ОПФДД реконструирует исходную пространственную структуру P (X J )), удобно перейти в пространство спектров, подверг45 нув соотношения (2 - (4) преобразованию

Фурье. Откуда, полагая p (Г, т ) и ограниченными по протяженности, 3Y

IIOlI HM л S0

elXx,Кч) =! К I e(XX,

М х K y) = JJ р(х, ) Ехр(-g МЬК„+ где P(Kg, КY) - двумерный пространст венный спектр исходного распределения,О (Х,Ч)

6 — спектр восстановленного изображения фС-X)В,K =< x Ч.

Таким образом, алгоритм ОПФДД поз воляет восстановить пространственное

h распределение p ()(,Y ), сохраняющее детальную геометрическую структуру исходного распределения,Ц (Х,Ч ), при от носительно усиленных верхних пространственных частотах. Такое изображение будет визуально восприниматься как более резкое с несколько подчеркнутыми контурами границ малоконтрастных неоднородностей и включений. Следует оч метить, что подобная трансформация изоб ражения является желательной в боль» шинстве прикладных задач, так как информационными прежде всего являются изменения свойств контролируемых структур и их контуры. Согласно (5) пространст венное расположение соответствуюших элементов структуры при реконструкции

ОПФДД восстанавливается точно, с. полным сохранением масштаба и инвариантно к сдвигу.

Важно отметить, что алгоритм ОПФДД не исключает возможности направленного изменения пространс твенно-частотнЫх ха рактеристик изображения в процессе ре конструкции. Так, при необходимости сохранения постоянной составляюшей и усиления вклада низкочастотных гармоник отфильтрованную проекцию (3) можно дополнить в необходимой пропорции исходными неотфильтрованными данными.

Р„(, f) =(.Р(г,9)- (р(г,q)) д ) При этом основные структурные особенности алгоритма ОПФДД сохраняются.

Реконструкция с помошью ОПФДД на увеличенном формате матрицы позволяет достичь сушественного повышения сложности исследуемых структур, а при использовании быстродействуюших многоканальных систем - резко повысить производительность вплоть до реализации восстановления динамических продессов. Простота аппаратурного выполнения алгоритма

ОПФДД позволяет наряду с шаровыми использовать аналоговые вычислительные устройства.

Использование многоканального блока 3 детекторов в предлагаемом устройстве хотя и желательно для повышения быст родействия, но не является необходимым.

В некоторых случаях, с целью снижения затрат, целесообразно применение

7 9723 блока 3 детекторов, насчитывающего всего несколько, например три, примыкавших друг к другу канала. В этом случае, с учетом наличия блока 6 двойного диф ференцирования, сканирующую систему 1 целесообразно выполнить в виде механиз» мов быстрого многооборотного вращения

10 и относительно медленного однокрач ного перемешения 11 в плоскости слоя.

В одних случаях такое перемещение мо40 жет быть линейным, в других предпочти» тельно угловое, например, при применении массивного источника излучения.

Такое конструктивное решение вычислительного томографа выгодно отличается !3 от традиционных систем с большим числом возвратно-поступательных и, вследствие этого, инерционных сканирований.

Предлагаемое конструктивное выполнение вычислительного томографа позволяет 20 резко снизить механические ограничения ввиду отсутствия многократных ускорений в процессе сканирования одного сечения при возможности реализации реконструкции томограммы сразу в темпе получения из-- мерительных данных.

Использование предлагаемого вычислительного томографа снизит затраты на оборудование, существенно облегчит практическую реализацию вычислительных то- 30 мографов для медицинской и промышленной диагностики и позволит создать установки, работающие в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

Вычислительный томограф, содержащий источник проникающего излучения, блок детекторов, держатель исследуемого объек46

О та, средства для приведения источника и блока детекторов в движение относительно держателя исследуемого объекта, блок предварительной обработки сигналов де- текторов, подключенный к блоку детекторов, блок пространственно-частотной фильтрации, подключенный к блоку предварительной обработки сигналов детекторов, блок обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, подключенный к блоку пространственно-частотной фильтрации, память изображения, подключенную к блоку обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, блок датчиков пространственных координат, входом подключенный к средствам для приведения источника и блока детекторов в движение, а выходами — к блоку предварительной обработки сигналов детекторов и блоку обратного проецирования и суммирования фильтрованных величин, о т л и ч а юш и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия при уменьшении сложности и количества используемого оборудования, повышение информативности получаемых изображений, блок пространственно-час тотной фильтрации выполнен в виде блока ! двойного дифференцирования одномерных проекций.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Современное состояние и перспективы развития компьютерной аксивльной томографии. Обзорная информация, ТС-7, вып. 6. М., UHHHTOH, приборостроения, 1979, с. 37, 59.

2. Патент СССР по заявке

% 2897008/18-25, кл. 6 01 N 23/08, 1979 (прототип) .

972346

Составитель К. Кононов

Редактор А..Фролова Техред А.Бабине Корректор О, Билак

Заказ 850S/32 Тираж 887 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113036, Москва, Ж-35, Раущская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4