РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК
ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
На правах рукописи
КОНОНОВ Николай Кириллович
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ И
ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ
РЕНТГЕНОВСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.
01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва – 2006.
Работа выполнена в лаборатории фотоядерных реакций Института ядерных исследований РАН.
Научный руководитель:
д.ф-м.н. В.Г. Недорезов, ИЯИ РАН.
Официальные оппоненты:
д.ф-м.н. C.В.Акулиничев, ИЯИ 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. к.ф-м.н., Б.А.Тулупов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Работа посвящена разработке методов получения и цифровой обработки теневых рентгеновских изображений. Проведены теоретические и экспериментальные исследования характеристик различных созданных в работе детектирующих систем. Определены зависимости, которые позволяют эффективно оценивать возможности применения разрабатываемых детектирующих систем для различных задач рентгеновской интроскопии. Показано, что качество получаемых на цифровых детекторах изображений может быть улучшено за счет использования цифровых методов обработки. Поэтому значительная часть работы посвящена специализированному методу цифровой обработки получаемых изображений. Данный метод обработки позволяет повысить качество изображений и, соответственно, диагностические возможности рентгеновских интроскопов. В результате анализа и сравнения различных методов получения теневых рентгеновских изображений и проведения их сравнительного анализа, показано, что системы на основе Люминофор – Объектив - ПЗС-матрица являются оптимальными для целого ряда схем рентгеновского контроля.
Такие системы получают в последнее время все более широкое изготовлении ПЗС-матриц и, соответственно, улучшению их параметров.
Актуальность работы.
промышленной дефектоскопии, медицинской диагностике и в научных изображений. За последние два десятилетия произошел стремительный скачок развития цифровых технологий и компьютерной техники. Этот факт коренным образом изменил традиционные методы работы рентгеновских лабораторий. Наиболее значительные новшества, привнесенные цифровыми технологиями, представлены ниже:
Просмотр полученных снимков на компьютере позволяет недоступны при просмотре рентгеновских пленок на компьютеров позволяют хранить весьма большие объемы обеспечения возможна организация специализированных баз данных для хранения снимков, что позволяет В некоторых случаях возможна полная автоматизация процесса рентгеновского контроля различных изделий (например, в промышленности) благодаря цифровым компьютеров позволяет проводить рентгеновскую скопию (просмотр получаемых рентгеновских изображений в режиме реального времени) с регистрируемого кадра.
использование цифровых систем для регистрации рентгеновских изображений весьма актуальной проблемой.
Основной целью работы явилось создание детектирующих систем 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:
рентгеновских изображений и их сравнительный анализ.
детектирования (DQE) для систем на основе Люминофор – Объектив – ПЗСматрица.
Разработка системы регистрации на основе Люминофор – Объектив - ПЗС-матрица в целях получения изображений для медицинской диагностики с использованием синхротронного излучения.
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.
изображений, основанного на нормировке и фильтрации, и его внедрение в различные системы для медицинской и промышленной рентгеновской интроскопии.
Научная новизна диссертационной работы.
Для детекторов рентгеновских изображений на основе Люминофор – объектив – ПЗС – матрица разработана методика оценки квантовой эффективности детектирования (DQE), основанная на использовании источника гамма-квантов Am-241. Разработана детектирующая система с высокой чувствительностью (которая была оценена с помощью двух указанных ранее методик оценки DQE), которая была впервые использована для целей медицинской диагностики на пучке Курчатовского источника синхротронного излучения. Для монокристаллических люминофоров проведено математическое моделирование процесса формирования изображения и сделаны оценки значений предельного пространственного разрешения для различных типов люминофоров.
Практическая значимость работы.
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».
Апробация работы.
Полученные в диссертации результаты неоднократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях. По теме диссертации опубликовано 3 статьи в реферируемых журналах, а также 4 публикации по итогам научно-технических конференций.
Объем и структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 111 страницах, включая 63 рисунка, 9 таблиц и список литературы, который включает наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
Были проанализированы различные методы получения теневых рентгеновских изображений. Показано, что современные системы на основе Люминофор – Объектив ПЗС-матрица обладают определенными 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.
Разработаны две методики оценки квантовой эффективности детектирования (DQE) для детектирующих систем на основе Люминофор – Объектив – ПЗС-матрица с использованием источника гамма-квантов AmПоказано, что эти методики позволяет оперативно оценивать чувствительность разрабатываемых детектирующих систем.
Разработана детектирующая система на основе Люминофор – Объектив - ПЗС-матрица с высокой чувствительностью для получения изображений с использованием синхротронного излучения для медицинской диагностики.
разрешением 25 пл/мм с использованием монокристаллических сцинтилляторов.
особенности формирования изображения в монокристаллических сцинтилляторах и сделаны оценки значений предельного пространственного разрешения для таких сцинтилляторов.
основанный на использовании алгоритмов фильтрации, нормировки, бинирования, и др. Данный метод обработки был внедрен в различные системы для медицинской и промышленной рентгеновской интроскопии.
Личный вклад автора.
Все приведенные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии. На всех этапах работ, описанных в диссертации, им формулировались направления исследований, проводились сами исследования, обработка и анализ полученных результатов с учетом новейших достижений в области проводимых исследований. Автором было создано программное обеспечение, обеспечивающее сбор, анализ и представление данных рентгеновских интроскопов.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Представленная работа специализирована в области рентгеновской интроскопии – т.е. задачи исследования внутренней структуры объектов без их разрушения с применением рентгеновского излучения.В первой главе диссертации («Введение») описывается общая задача и основные цели настоящей работы. При разработке систем для рентгеновской интроскопии к ним выдвигаются определенные требования, которые перечислены в представленном списке:
- высокое качество изображения, которое определяется во многом характеристиками детектирующей системы;
- производительность рентгеновского интроскопа;
проводящий рентгеновские обследования (рентгеновский контроль);
- обеспечение функционирования системы при данных условиях контроля (например, при низкой температуре, вибрации, ограниченном пространстве).
Перед разработчиками рентгеновских интроскопов стоит комплексная задача подбора различных элементов и выбора параметров системы, которые позволят обеспечить интроскопию объектов с установленными требованиями. Особенное значение для разработчика имеют - правильный подбор напряжения и тока на рентгеновской трубке;
- расчет и изготовление системы фильтров и коллиматоров;
- выбор детектирующей системы, ее параметров;
- использование специализированных методов для обработки регистрируемых изображений.
В значительной мере от выбранной разработчиком детектирующей системы зависит решение задачи интроскопии. Тип позиционночувствительного детектора и его характеристики во многом определяют качество рентгенографического изображения, и, в конечном итоге, определяют возможность или невозможность осуществить исследование заданных объектов с нужным качеством и производительностью.
Во второй главе диссертации («Литературный обзор») приводятся области применения рентгеновских интроскопов, описываются основные характеристики цифровых систем регистрации рентгеновских изображений и проводится сравнительный анализ имеющихся на сегодняшний день цифровых детекторов. Показано, что одними из наиболее важных характеристик цифровых систем регистрации рентгеновских изображений являются:
- Модуляционная передаточная функция (MTF).
- Квантовая эффективность регистрации (DQE).
DQE – это величина, характеризующая эффективность передачи входного сигнала и шума на выход детектирующей системы. Приходящий на поверхность входного поля системы рентгеновский поток имеет квантовый шум, определяемый по закону Пуассона. На выходе системы, как правило, происходит относительное увеличение шума, т.к. в детекторе происходят многоступенчатые преобразования сигнала, вносящие дополнительные шумы. DQE определяется по формуле:
SNRin – отношение сигнал/шум на входе системы, а SNRout – на выходе.
Необходимо заметить, что чем ближе к единице величина DQE, тем меньшая поглощенная в объекте доза требуется для получения рентгеновского изображения необходимого качества. Таким образом, для минимизации дозы, следует создавать систему со значением DQE наиболее приближенным к единице.
рентгеновская пленка, которая имеет весьма низкую чувствительность к излучению. По этой и другим причинам получение рентгеновских снимков на плнке имеет ряд недостатков, которые можно преодолеть, используя цифровую систему регистрации рентгеновских изображений. В настоящее время преимущества применения цифровых систем становятся все более рентгенодиагностике, в промышленных системах рентгеновского контроля и во многих других областях. Основные типы цифровых детектирующих систем, их преимущества и недостатки представлены во второй главе диссертации.
В конце литературного обзора представлена детектирующая система, основанная на использовании люминофора, объектива и ПЗС-матрицы.
Схема такой системы представлена на рис.1.
Рис.1. Детектирующая система на основе Люминофор – объектив – ПЗС-матрица. 1 – источник рентг. излучения; 2 – объект исследования; 3 люминофор; 4 – объектив; 5 – камера с ПЗС-матрицей.
В этой системе теневое изображение, формируемое в люминофоре, с помощью объектива переносится на ПЗС-матрицу. Накапливаемый на ПЗСматрице сигнал считывается, преобразовывается и с помощью внешнего интерфейса ПЗС-камеры передатся в компьютер для дальнейшей обработки и представления. Показано, что в связи с развитием полупроводниковых технологий, данные системы являются наиболее универсальными и могут чувствительных ПЗС-матриц, данные системы имеют немалые преимущества перед другими видами детекторов, например, – возможность получения высокого значения DQE и высокого пространственного разрешения.
В 3-ей главе диссертации («Аппаратные средства, используемые в работе») представлены системы, которые разрабатывались и создавались в процессе работы. Для этих систем были осуществлены теоретические расчеты и на них проводились экспериментальные исследования, которые описаны в следующих главах. Эти системы представлены в следующем списке:
Система регистрации синхротронного излучения с высокой чувствительностью.
разрешением.
медицинской диагностики.
Система для контроля промышленных изделий, использующая метод двухпороговой оценки толщины просвечивания.
Система для ввода и цифровой обработки рентгеновских изображений, полученных на пленке.
В аппаратной части подробно описаны характеристики каждой из представленных систем, а также условия, при которых проводилась работа с этими системами.
В 4-ой главе диссертации («Теоретические оценки, моделирование и методы, используемые для детектирующих систем рентгеновского излучения») описаны результаты моделирования и математических расчетов, которые были выполнены в ходе написания диссертации.
Предложены две независимые методики оценки величины DQE. Также представлены выявленные в результате моделирования особенности формирования изображения в монокристаллических сцинтилляторах.
Показано влияние оптической системы на пространственное разрешение детектирующей системы.
В заключение теоретической части описывается разработанный метод обработки данных, получаемых с детектирующих систем, который позволяет существенно улучшить качество изображения, а, следовательно, и достоверность рентгеновского исследования.
В связи с тем, что имеющиеся в настоящее время методики определенные ограничения и трудности в реализации, были разработаны две методики оценки величины DQE для нулевой пространственной частоты.
Разработанные методики были применены для оценки DQE созданной детектирующей системы на основе Люминофор – объектив – ПЗС-матрица.
детектирования основана на обработке экспериментальных данных статистическими методами.
Суть данной методики – прямые измерения отношений сигнал/шум на входе и на выходе детектирующей системы с использованием источника Am с преимущественным выходом гамма-квантов 60 кэВ. Источник помещался в свинцовую защиту с узким коллиматором.
Поскольку входной поток гамма квантов подчиняется закону Пуассона, то квадрат отношения сигнал/шум на входе детектора может быть представлен следующим образом:
где N – количество гамма-квантов, падающее на входное поле детектирующей системы, N – стандартное отклонение величины N.
Таким образом, квадрат отношения сигнал/шум на входе равен количеству гамма-квантов, падающих на входную поверхность цифровой спектрометрическим способом.
детектирующей системы проводились прямой статистической обработкой детектирующую систему. Далее рассчитывался средний суммарный сигнал, и его стандартное отклонение A за большое число измерений (количество измерений не менее 100).
Отношение сигнал/шум на выходе определялось таким образом:
аналитического выражения, полученного методами теории вероятности и математической статистики. Для анализа полученных значений величины квантовой эффективности детектирования, была создана математическая модель позиционно-чувствительного детектора на основе Люминофор – объектив – ПЗС-матрица.
На рис.2. представлена цепочка преобразований, имеющая место в рассматриваемой детектирующей системе.
Рис.2. Цепочка преобразований в детектирующей системе, построенной на основе Люминофор – Объектив – ПЗС-матрица.
Было получено следующее аналитическое выражение для величины DQE:
люминофора;
Nn – количество гамма-квантов, поглощенных в люминофоре;
ne – количество электронов, образовавшихся в ячейке ПЗС-матрицы.
Все используемые в данной формуле величины легко определяются экспериментально. Большое преимущество второй методики перед первой заключается в том, что она не требует большого числа измерений. Поэтому, она может быть использована для оперативной оценки величины квантовой эффективности детектирования рассматриваемой системы получения рентгеновских изображений.
Вторым подразделом теоретической части является исследование особенностей формирования изображений в монокристаллических сцинтилляторах. При экспериментах было выявлено, что при использовании в качестве сцинтиллятора монокристаллов CsI(Tl) или BGO, возможно получение весьма высокого пространственного разрешения (более 20 пар линий на мм).
Для теоретического обоснования полученного экспериментальным образом высокого пространственного разрешения, методом Монте-Карло сцинтилляционной пластине при падении на нее квантов с различной энергией. В результате расчетов было установлено, что особое влияние на формирование изображения, и, как следствие, на пространственное разрешение в сцинтилляторе, имеет вторичное характеристическое излучение. Были рассмотрены особенности механизма формирования теневых рентгеновских изображений в монокристаллических моделирования методом Монте-Карло процессов взаимодействия первичных квантов внутри сцинтилляционного кристалла с учетом образования вторичных излучений, т.е. образования фотоэлектронов, Оже-электронов и характеристического излучения.
При энергии падающих квантов меньше энергии связи электронов Куровня в атомах сцинтиллятора размытие изображения в основном обусловлено вторичными электронами и определяется величиной их пробега в кристалле сцинтиллятора. При превышении энергии падающего кванта характеристические кванты К-серии, пробег которых значительно превышает пробег всех рождаемых вторичных электронов в точке поглощения. Эти характеристические кванты уносят с собой значительную часть энергии, переданной при поглощении первичным квантом рентгеновского излучения.
Было рассмотрено взаимодействие гамма-кванта энергией 30 и 40 кэВ с материалом сцинтиллятора CsI(Tl), энергия связи электронов K-уровня которого составляет около 33 кэВ.
При взаимодействии гамма-кванта энергией 30 кэВ с материалом сцинтиллятора CsI(Tl), его энергия большей частью поглощается в области пространства, находящейся в пределах 8 мкм вокруг точки, в которой произошло фотопоглощение первичного гамма-кванта. Такая схема представлена на рис.3.
Рис.3. Взаимодействие гамма-кванта с энергией 30 кэВ с материалом При падении на сцинтиллятор гамма-кванта с энергией 40 кэВ, особое значение имеет тот факт, что энергия падающего гамма-кванта выше энергии характеристического кванта K-серии. В случае если характеристический рассмотренной схеме при поглощении гамма-кванта 30 кэВ. В случае Характеристические кванты K-серии (их энергия составляет 28 – 30 кэВ) имеют средний пробег в сцинтилляторе CsI(Tl) 250 мкм. На рис.4 показана схема взаимодействий при падении гамма-кванта 40 кэВ.
Рис.4. Взаимодействие гамма-кванта с энергией 40 кэВ с материалом Таким образом, эти кванты уносят значительную долю энергии первичного гамма-кванта в среднем на расстояние 250 мкм от точки сцинтиллятора, характеристический квант испытывает фотопоглощение, дальнейшая схема взаимодействий аналогична рассмотренной схеме при падении гамма-квантов 30 кэВ.
На рис.5 представлены распределения поглощенной энергии в сцинтилляторе CsI(Tl) для двух энергий падающих квантов: 30 и 40 кэВ.
Поток падающих гамма-квантов ограничен свинцовым краем с одной стороны пространства. Эти распределения были получены в результате моделирования. Видно, что для энергий падающих квантов 40 кэВ, размытие края велико, а для квантов 30 кэВ – его практически нет.
Рис.5. Распределение поглощенной энергии вдоль оси Z в сцинтилляционной пластине CsI(Tl) при поглощении квантов с энергией 1 – пластина CsI(Tl); 2 – профиль падающих на пластину квантов.
Следующим подразделом теоретической части является анализ влияния оптической системы в детекторе на основе Люминофор – объектив – передаточные функции (МПФ) изображений, а также профили изображения вольфрамовой проволоки диаметром 20 мкм. Моделирование производилось при различных условиях: различных установках относительного отверстия (), различных энергиях падающих гамма-квантов (E) и при использовании различных сцинтилляторов (монокристаллов CsI(Tl) и BGO). В результате моделирования была получена количественная оценка влияния оптической системы на пространственное разрешение детектора в целом.
В конце теоретической части представлен специализированный метод обработки снимков, основной целью которого является улучшение качества визуализации изображения и повышения качества изображений, получаемых при рентгеновской интроскопии. Ниже перечислена последовательность элементарный операций, которые составляют в целом предлагаемый метод обработки:
«