Цифровая рентгеновская радиография и трехмерная томография для НК

Об автОрах Сотрудники Атомного исследовательского центра им. Х. Д. Бхабха, г. Мумбаи (Бомбей): Умеш Кумар Научный сотрудник, Ph.D. (физика). Работает в Отделе атомной энергии с 1989 г. Научные интересы – промышленные радиационные системы визуализации изображения, цифровая радиография и томография. Участник нескольких программ МАГАТЭ по промышленному использованию ионизирующих излучений и радионуклидных источников. Гуршаран Сингх Руководитель Отдела применения радионуклидов, Ph.D. (физика). Стаж работы 32 года. Специалист по разработке приборов с закрытыми источниками излучения и радиоактивных меток применительно к задачам НК и т.д. 

               

Умеш Кумар

Научный сотрудник,  Ph.D. (физика).

Работает  в Отделе  атомной энергии с 1989 г. Научные интересы – промышленные радиационные  системы визуализации изображения, цифровая радиография  и томография.  Участник нескольких  программ МАГАТЭ  по промышленному использованию ионизирующих излучений  и радионуклидных источников.

 Гуршаран Сингх

Руководитель Отдела  применения радионуклидов, Ph.D. (физика).  Стаж работы 32 года. Специалист  по разработке приборов с закрытыми  источниками излучения и радиоактивных  меток применительно  к задачам НК и ТД.

 

Введение

Традиционная промышленная радиография  основана  на  принципе  получения изображений  скрытых объектов (дефектов)  на  фотографическом  носителе с помощью  гамма или  рентгеновского излучения. Такая радиография в течение многих  десятилетий   использовалась в промышленности для исследования различных объектов  и стала незаменимым инструментом контроля  качества в производственном процессе и техническом обслуживании. Сегодня пленочная радиография стандартизована во многих областях  применения.  Несмотря  на то, что пленочная радиография предлагает лучшее пространственное разрешение, ограниченное свойствами фотоэмульсии, существует ряд существенных недостатков этого метода, таких как низкая скорость контроля и невозмож- ность проведения контроля в реальном времени и в процессе производства. В отношении анализа  стоимости и эффективности, хотя пленочная радиография и представляет собой более легкую альтернативу,  когда речь идет о начальном капиталовложении, затраты на покупку расходных материалов со временем могут стать непомерно высокими.

Промышленная томография также набирает обороты, но еще не достигла  той массовости, что цифровая радиография (ЦР), в основном из-за узкой специализации.  В результате, не существует  универсальных стандартизованных систем компьютерной  томографии  (КТ). В отличие от медицинской томографии, в промышленной КТ нет ограничений по радиационному облучению объекта контроля (ОК). Кроме того, в большинстве случаев, в объектах промышленного контроля нет внутреннего движения. Все это, в сравнении с медицинской томографией, предоставляет гораздо большую свободу в выборе рабочих параметров. Особые преимущества получения томографических изображений могут быть сформулированы следующим образом:

– эта технология  позволяет  получить карту приближенного распределения коэффициента поглощения излучения на каждый пиксель томограммы для заданной эффективной энергии первичного излучения,  что обеспечивает высокую точность обнаружения даже небольших изменений (дефектов) в исследуемом  объекте;

–  полученные размеры дефектов являются абсолютными (не проекция или эквивалентные размеры). Помехами, влияющими на четкость изображения, являются  только  фон и эффекты рассеяния. Таким образом, трехмерная томограмма показывает реальную форму и размеры дефекта.

Рис. 1. Схема получения  радиографического и томографического изображений.

На  рис. 1  проиллюстрировано  основное отличие КТ от традиционной радиографии,  когда  информация  с  плоскости P1 проецируется  в одну линию LL, тогда как в томографическом изображении сохраняется вся пространственная информация. В КТ под различными углами зрения получается множество данных, которые переводятся в цифровой формат, и таким образом воспроизводится матрица изображения.  Так с помощью КТ можно «нарезать» ОК слоями и исследовать его изнутри, зафиксировать различные отклонения от нормы, провести замеры и выявить   возможные   аномалии   материала и структуры. Кроме того, используя смежные слои, можно получить трехмерное изображение  ОК. Основной задачей систем КТ является получение большого числа очень точных измерений с помощью пропускания  сквозь  ОК гамма или рентгеновского  излучения  с соблюдением определенных геометрических  параметров.

В промышленном применении КТ существуют следующие режимы просвечивания:

1. Сканирование параллельным пучком  –  самое  простое   с  технической точки зрения. Измерения проводятся с помощью остронаправленного коллимированного пучка гамма или рентгеновского излучения и детектора. Проекция профиля получается при линейном перемещении пучка.

2. Использование узкого веерного пучка   и   линейного   детектора   позволяет сократить время сканирования. Поступательно-вращательное движение все-таки применяется, однако время сканирования сокращается при увеличении шага. Алгоритмы воспроизведения несколько  сложнее,  чем при применении параллельного пучка, поскольку требуется обработка данных проецирования узкого  веерного пучка.

3. Обычный веерный рентгеновский пучок засвечивает большое количество индикаторных элементов детектора, расположенных   по  дуге  (изогонально)   или по прямой линии (коллинеарно). Объект полностью охватывается пучком. Объект поворачивается на 360°, поступательное движение не требуется. В результате для получения одного изображения достаточно только вращательного движения. Объект   может   вращаться   непрерывно или с остановками. В этом режиме сканирования  плоскопанельный детектор  и конический пучок излучения обеспечивают одновременное получение множества линий проекции и воспроизведение объ- емного изображения.  На сегодняшний день среди различных устройств получения двумерных проекций наибольшее распространение получили плоскопанельные детекторы на основе аморфного кремния. Их можно использовать как в прямой ЦР, так и в КТ.

Сцинтилляторы, используемые для получения изображений, в том числе и в КТ, можно грубо разделить на две группы: монокристаллические и керамические. Монокристаллические сцинтилляторы, такие как NaI(Tl), CsI (Tl), CdWO4 и Bi4Ge3O12, используются в гамма-камерах, системах досмотра багажа, в рентгеновских детекторах в КТ, в блок-детекторах в позитроноэмиссионной томографии и в физике высоких энергий. Кроме того, детекторы на основе NaI(Tl) часто используются в геофизических исследованиях скважин, аэротопографических съемках, толщинометрии, анализе проб полезных ископаемых, а также в больших спектрометрах и рентгеновских телескопах. Технология приготовления/спекания порошка для редкоземельных сцинтилляторов обеспечивает высокую производительность и однородное качество. Сцинтилляторы на основе гадолиния оксисульфида (GOS) – это светопроницаемые керамические сцинтилляторы. Выбор сцинтиллятора для медицинской томографии и низковольтных промышленных компьютерных томографов зависит от таких параметров как световой выход, время затухания и плотность.

В рентгеновской  КТ широко применяются линейные детекторы.  Как правило, системы КТ с линейными детекторами работают в режиме веерного пучка. В немедицинской томографии рентгеновский  источник  и детектор  неподвижны, а  ОК  вращается  во  время  сканирования. При веерном сканировании для воспроизведения томографического изображения  с использованием стандартного  алгоритма  рирпроекции   нужны  равноудаленные   угловые  проекции всего объекта при его повороте на 360°. В этой статье мы описываем, не вдаваясь в технические подробности, две экспериментальные рентгеновские томографические системы, разработанные в нашей лаборатории.

В   немедицинском    применении   гамма или рентгеновская  томография часто рассматривается в качестве дополнительного  к  традиционной  инструмента НК. При условии доступности недорогих линейных детекторов и рентгеновских аппаратов  постоянного  потенциала, можно с наименьшими затратами разработать   томографическую систему для экспериментальных целей. В экспериментальной   системе  для  промышленной томографии, структурная схема которой  приведена  на рис. 2, использован линейный детектор со сцинтиллятором; такие детекторы часто применяются для радиографии  объектов  низкой плотности в производстве. При разработке экспериментальной системы КТ особое внимание нужно уделить согласованности работы элементов системы, неустойчивости движения  и искажениям, возникающим вследствие  непрерывного  спектра и рассеяния рентгеновского излучения. В томографических системах, состоящих из различных модулей-детекторов, манипуляторов, сопутствующих инструментов и проч., возможно возникновение помех в воспроизведенных изображениях вследствие отсутствия  синхронизации между модулями системы. Несинхронность работы механического  сканирующего механизма и устройства сбора данных приводит к искажениям воспроизведенных томографических изображений. 

 

Рис. 2. Экспериментальная низкоэнергетическая  томографическая  система с линейным набором детекторов: 1 – объект контроля; 2 – рентгеновская  трубка; 3 – высоковольтный генератор; 4 – пульт управления рентгеновским аппаратом; 5 – компьютер; 6 – фреймграббер; 7 – блок  управления  движением; 8 – блок  питания; 9 – оптический триггер;  10 – линейка детекторов


 


 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Экспериментальная рентгеновская томографическая установка для промышленного применения

 

 

Для корректировки матрицы преобразования был опробован принцип нахождения минимальной разницы сигнала. В алгоритме корректировки для получения 360° проекции вращающегося объекта  используется набор данных преобразования одномерных профилей. Первый одномерный профиль берется за точку отсчета 0°, а остальные профили вычитаются из него. Результаты эксперимента подтверждают правильность такого алгоритма. Основная идея заключается  в том, чтобы идентифицировать проекцию, наиболее сходную в 0°, и считать ее проекцией  360°. Применение такого  метода особенно полезно в случаях возникновения сложностей в соединении замкнутых подсистем интерфейсной связью. Предложенный алгоритм также можно использовать в программах предварительной обработки данных для воспроизведения томографического изображения.

Рассмотрим экспериментальную томографическую систему, разработанную в лаборатории. Она состоит из рентгеновского источника, линейного детектора  Xscan 0.8-410, компьютеризированного сканирующего механизма и сопутствующих инструментов,  включая аппаратное и программное обеспечение. На рис. 2 показана струк- турная схема всей установки, а на рис. 3 – часть существующей системы. На фотографии виден трехосевой манипулятор с вращающим механизмом, пусковой механизм и детектор.  В эксперименте был использован рентгеновский  аппарат постоянного потенциала  с напряжением 160 кВ/10 мА и фокусным  пятном  1,5 – 0.4 (IEC 336) с рентгеновской  трубкой  швейцарской  фирмы Comet (MXR-160/0.4-1.5) и генератором Gulmay (Великобритания). Минимальное фокусное пятно меньше разрешения детектора. Напряжение на аноде устанавливается с шагом 1 кВ, а ток – с шагом 1 мА. Чем меньше шаг, тем лучше работа детектора. Рентгеновское излучение проходит через  бериллиевое  окно  рентгеновской  трубки с фильтрацией 0,8 – 0,1 мм. Зона  охвата  рентгеновского  излучения  –  40°.  Пульсации  выходного напряжения  и тока составляют  0,05 %/ч от заданной величины. Томографической системе, описанной в этой статье, требуется 10 – 20 с на сканирование, и мы предполагаем, что в течение этого интервала времени поток рентгеновского излучения  стабилен.

Для  перемещения  ОК и регулировки  системы используется управляемый компьютером трехосевой   манипулятор   с  шаговым  электродвигателем. Такая система более эффективна, чем системы с манипуляторами  на основе сервомоторов. Горизонтальная ось параллельна детектору  и используется для регулировки  пучка.  Вертикальная   ось  используется  для  выбора плоскостей  сканирования и вертикального перемещения ОК. Ось вращения обеспечивает опору и вращение ОК. Расстояние от источника до детектора S  = 1120 мм. Расстояние от источника  до  центра  вращения  S  = 920 мм.  Такая конфигурация обеспечивает геометрическое увеличение  1,22.  В  данном  эксперименте  использовалась только  часть матрицы детектора, т. е. 260 индикаторных  элементов,  расположенных симметрично вокруг центрального луча, полностью охватывают область воспроизведения. При таком устройстве системы угол веерного пучка приблизительно равен 10°, и все пиксели детектора получают относительно равномерный поток рентгеновского излучения.

Табл. 1: Спецификация линейного детектора      

 

 

 

 

 

 

 

Пример  комбинирования ЦР и КТ для исследования промышленного ОК.

Целью эксперимента была визуализация деталей, находящихся внутри ОК. Такие детали трудно рассмотреть, используя только проекционный (радио- графический) метод. Фотография  ОК, использованного в эксперименте по совмещению радиографического и томографического методов получения изображений, показана на рис. 4. Внутрь тонкостенного металлического контейнера с продольным сварным швом была помещена секция, состоящая из двенадцати сваренных вместе алюминиевых труб. Для получения радиографической проекции с контрастностью, достаточной для визуализации структуры внутри контейнера, была найдена максимальная ра- диационная толщина. Цифровые данные, полученные на линейном детекторе, были обработаны для получения типичного рентгеновского  изображения  (рис. 5). Линейный детектор калибровался при напряжении на рентгеновской  трубке  100 кВ. ОК был установлен на платформу и приведен в вертикальное движение синхронно с системой сбора данных. Полученные 12-битные цифровые данные были масштабированы в 256 градаций  серого.

На   радиографическом изображении (рис. 5а) четко видны внутренние детали.

 

 Рис. 4. Фотография ОК – серийный металлический контейнер (∅ 100 мм, высота 100 мм)

с изогнутыми сваренными вместе алюминиевыми трубками (12 шт.), частично заполненный водой

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. Радиографическое изображение контейнера

без воды (а) и частично заполненного водой (б)

 

 

 

На   радиографическом    изображении (рис. 5а) четко видны внутренние деталиобъекта,  сварной  шов стенки  контейне- ра, перепады толщины в местах сварки труб, а также плавный градиент толщины, 

возникающий из-за цилиндрической формы контейнера. Изображение  на рис. 5б было получено при частичном заполнении  контейнера  водой.  Таким образом мы увеличили  радиационную толщину в нижней части контейнера и уменьшили контраст так, что алюминиевая структура внутри заполненной водой части объекта стала почти невидна. Напряжение рентгеновской  трубки  (100 кВ)  не  менялось при  получении   обоих изображений,  и, как видно, этого напряжения  во втором случае оказалось  недостаточно. 

Рис. 6. Типичные томографические изображения
сечений контейнера:
а – по А1 и б – по А2
на рис. 5б

На рис. 6а показано томографическое изображение  поперечного  сечения контейнера  с водой  по А1 (рис. 5б). Четко видно сечение тонкой стенки контейнера, утолщение в зоне сварного шва и сечения алюминиевых труб, находящихся в воде. В однородной структуре воды заметен некоторый зернистый  шум, вызванный низким соотношением сигнал/шум во  входном  сигнале.  В сравнении с радиографическим  изображением  на рис. 5б  это  изображение   содержит  гораздо  больше  информации  о  внутренних элементах ОК. На рис. 6б приведено еще одно томографическое  сечение по А2 над уровнем воды. В этом сечении трубы сильно изогнуты, что видно по вытянутой форме их сечений. В выбранное сечение попадают не все трубы, а только их часть. Контрастность позволяет  различить  все детали,  которые  мы должны были увидеть  в данном сечении.

 

Рентгеновская система с напряжением420 кВ  на  основе  плоскопанельного детектора

Недавно мы разработали  промышленную рентгеновскую систему на основе рентгеновского аппарата постоянного потенциала  с  напряжением   до  420 кВ  и плоскопанельного детектора на аморфном кремнии (рис. 7 – 9). Система была собрана  не так  давно,  и пока  получены только некоторые первые результаты. Программное обеспечение также было разработано в нашей лаборатории (рис. 10). В настоящее время изучается работа системы с различными  параметрами.

Работа системы в режиме КТ (предварительные результаты)

Согласно  спецификации  производителя, промышленный  плоскопанельный детектор с соответствующим  экранирующим устройством можно использовать   при рентгеновском  напряжении  до  420 кВ.  Этот   детектор, обеспечивающий высокое качество цифрового изображения, снабжен 12-ти битным   АЦП. Активная  зона детектора –  400 × 2800 мм. Программно управляемая  экспозиция   может  варьироваться  в различных  комбинациях тока и напряжения, а детектор может быть откалиброван как по темновому току,   так  и  по  однородности   излучения для задания требуемого времени экспозиции. Специальные  функции интерфейса позволяют использовать плоскопанельный детектор в автоматическом режиме. В томографии такой режим необходим, поскольку для воспроизведения изображения требуется обработка большого числа двумерных проекций. Для воспроизведения томографического изображения по алгоритму Фельдкемпа требуется ряд подготовительных корректировок. В нашем эксперименте для воспроизведения изображений  было использовано специализированное программное обеспечение. Трехмерное томографическое отображение данных было получено с помощью программы IDL.

В качестве объекта для получения томографического изображения использовался электрический чайник. ОК изготовлен из пластмассы низкой плотности и содержит металлические компоненты, такие как нагревательный элемент, винты и проч. Действительная матрица проецирования достаточно велика (3000×2000 пикселей), поэтому для воспроизведения томографического изображения требуется большое  количество  (> 1500) равноугольных проекций, что опять-таки требует длительного времени сканирования. В данной конфигурации время, необходимое для получения одной цифровой  проекции,   передачи   данных  и  механических  манипуляций, составляет  30 – 55 с. Количество   угловых   сканирований   было  ограничено  до  100 – 200  проекций, и размер матрицы был соответственно уменьшен. На следующих трех рисунках показаны изображения, сделанные под углами 0°, 90° и 180° (рис. 11). На трех двумерных томографических изображениях  (рис. 12) четко видны внутренние детали – сечение ручки чайника, водяной отсек, нагревательный элемент. На рис. 13 приведены полученные трехмерные изображения нагревательного  элемента  в двух проекциях. 

 

Рис. 7. Схема установки для рентгеновской цифровой радиографии:

1 – объект контроля; 2 – рентгеновская трубка; 3 – пульт управление трубкой; 4 – пульт управления; 5 – интегрирующая цепь; 6 – компьютер оператора; 7 – распечатка изображения; 8 – система обработки данных; 9 – линейка детекторов     

 

 

 

 

 

 

 

 

       


                         
                                                                                                                                                                   

   

Рис. 8. Установка для рентгеновской цифровой радиографии в защитной кабине          

                      


 

 

 

 

 

 

 




Рис. 9. Рабочее место оператора установок для рентгеновской цифровой радиографии и 3D томографии

 

 

 

 


 

 

 

 


 

 

 

Рис. 10. Программный интерфейс оператора установок для рентгеновской цифровой радиографии и 3D томографии


 

 

 

 


 


 

Рис. 11: Цифровые проекции изображения объекта под углами 0°, 90° и 180°. Три горизонтальные линии на среднем рисунке примерно соответствуют плоскостям, в которых получены томографические изображения, приведенные на рис. 12


 

 


 

 

 

 

 


 

Рис. 12. Цифровые проекции объекта (см. пояснения в тексте)

 

 

 

 

 

 

Рис. 13. Трехмерные изображения нагревательного элемента в двух проекциях

 

 

 

 

 

Заключение

В статье описана опытно-конструкторская работа, проведенная в Отделе применения радионуклидов в Центре атомных исследовании  в Бомбее. Целью работы было получение двумерных и объемных изображений  в экспериментальных томографических системах немедицинского  применения. В большинстве  разработок применялись доступные узлы  и комплектующие.  В статье  обсуждаются некоторые виды систем компьютерной томографии и их достоинства. Анализируются данные  сканирования и воспроизведенные изображения. Определено, что в воспроизведенных изображениях  наблюдаются шум и помехи. Ведутся работы по оптимизации различных параметров систем, таких как время экспозиции, разрешение, предварительная обработка данных и общая геометрия сканирования. Для подготовки этого материала мы использовали очень много литературных данных, часть которых представлена  в списке литературы.

Литература

1. Standard Guide for Computed Tomography (CT) Imaging /ASTM E 1441-00. – USA, ASTM, 2000.

2. Besson G. CT image reconstruction from fan- parallel  data.  –  Med.  Phys.  1999.  V. 26.  No. 3. P. 415–426.

3. Brooks  R. A., Di Chiro G. Principles  of com- puter assisted tomography in radiographic and ra- dioisotopic imaging. – Phys. Med. Biol. 1976. V. 21. No. 5. P. 689–732.

4. van Ejik C. W. E. Inorganic scintillators in medi- cal imaging. – Phys. Med. Biol. 2002. No. 8. V. 47. P. R85–R106.

5. Carlsson  C.  A.  Imaging  modalities  in  x-ray computerized tomography and in selected volume tomography. – Phys. Med. Biol. 1999. V. 44. No. 3. P. R23–R56.

6. Gilboy  W. B. X-ray  and  γ-ray  tomography  in NDE  applications.  –    Nucl.  Instrum.  Meth.  Phys. Res. 1984. V. 221. No. 1. P. 193–200.

7. Greskovish  C.,  Duclos  S.  Ceramic  Scintilla- tors / Rep. No. 96CRD166 /  Technical Inform. Ser.– GE Res. & Develop. Center, 1996.

8. Kak A. C., Slaney M. Principles  of Compute- rized Tomographic Imaging. – New York: IEEE Press,1988. – 329 p.

9. Kouris K., Spyrou N. M., Jackson D. F. Imaging with ionising radiations. V. 1. – Surrey Univ. Press,1982.

10. Spahn M., Stronzer M., V lk M. et al. Digital Radiography with a Large-Area, Amorphous-Silicon, Flat-Panel X-Ray Detector System. – Investigative Radiology. 2000. V. 35. No. 4. P. 260–266.

11. Metals Handbook Ninth Edition. V. 17, Non- destructive evaluation and quality control, ASM International, Materials Park, OH 44073 (1989)

12. Baba R., Konno Y., Ueda K., Ikeda S. Com- parison of flat-panel detector and image-intensifier detector for cone-beam CT. – Comput. Med. Imag. Graph. 2002. V. 26. No. 3. P. 153–158.

13. Tang  X., Ning  R., Yu. R., Conover  D. Cone beam volume CT image artifacts caused by defec- tive cells in X-ray flat panel imagers and the artifact removal using a wavelet analysis based algorithm.– Med. Phys. 2001. V. 28. No. 5. P. 812–825.

14. Kumar  Umesh,  Pendharkar  A.  S.,  Rama- krishna G. S., Kailas S. A statistical correction method  for  minimization  of  systemic  artifact  in a continuous-rotate  X-ray  based industrial  CT system.  –  Nucl.  Instr.  Meth.  Phys.  Rev. A. 2003. V. 515. No. 3. P. 829–839.

15. Kumar U., Ramakrishna  G. S. A mixed ap- proach to artifacts minimization in a continuous- rotate X-ray based tomographic imaging system using  linear  detector  array.  –  Appl.  Radiat.  Isot.

2002. V. 54. No. 4. P. 543–555.

Статья получена 28 апреля 2008 г.

                                                                                

     




 

                                                                                                                           




Просмотров: 2788

Дата: Четверг, 27 Сентября 2012

Новости