eng
Выпуск #7/2019
Н. Н. Потрахов, А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Е. Н. Потрахов, К. К. Гук
Рентгеновская томография
Рентгеновская томография
Просмотры: 2218
DOI: 10.22184/1992-7296.FRos.2019.13.7.688.692
В статье представлены результаты исследований в области разработки отечественных рентгеновских томографов. Описаны конструкция первого серийного рентгеновского томографа семейства МРКТ. Приведены результаты томографических исследований различных объектов.
В статье представлены результаты исследований в области разработки отечественных рентгеновских томографов. Описаны конструкция первого серийного рентгеновского томографа семейства МРКТ. Приведены результаты томографических исследований различных объектов.
Введение
Относительно недавно в сети Интернет под рубрикой «Занимательная рентгенография» один из пользователей весьма увлеченно рассказывал о просвечивании «филаментных лампочек» на системе рентгеновского контроля Nordson DAGE XD7600NT Ruby, установленной в одном из московских технических университетов. Эту установку автор сообщения определил дословно как «3D‑рентген с функцией программного томографа».
По ряду причин, и в том числе пока преподаватели ведущих отечественных вузов используют термины типа «филаментные» вместо «светодиодные», российские предприятия не производят установки, подобные этой Nordson DAGE. Однако решать задачи рентгеновского контроля в электронной промышленности, приборостроении, авиакосмической отрасли, медицине, биологии и т. д. в нашей стране необходимо. Поэтому целью данной статьи является информационный по возможности рассказ о некоторых результатах отечественных исследований в области рентгеновской томографии «высокого» разрешения – микрофокусной рентгеновской томографии.
1. Механизм формирования рентгеновского изображения
Как известно, благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение (РИ) способно проходить сквозь любые предметы. При прохождении сквозь объект исследования или, как принято говорить, рентгеновском просвечивании, РИ взаимодействует с веществом объекта. Это взаимодействие заключается, во‑первых, в ослаблении так называемого первичного пучка РИ, а, во‑вторых, также рассеивания его под самыми разными углами по отношению к первоначальному направлению своего распространения.
Ослабление РИ зависит от плотности и толщины самого объекта исследования, если он однороден, или от плотности и размеров деталей его составляющих. В результате взаимодействия прошедшее сквозь объект РИ «получает» информацию о внутреннем строении этого объекта.
С целью визуализации информации, содержащейся в так называемом скрытом рентгеновском изображении, используются специальные приемники рентгеновского изображения. В настоящее время это современные цифровые устройства на основе твердотельных детекторов РИ.
2. Рентгенография
Рентгенография (от греч. grapfo – писать, изображать) − получение изображения с помощью РИ. Для этого объект исследования располагается между источником рентгеновского излучения (ИРИ) и приемником рентгеновского изображения (ПРИ).
Рентгеновское изображение, получаемое в результате рентгенографии, содержит информацию о суммарной плотности вещества по толщине объекта исследования в каждой условной точке (пикселе) на площади рентгеновской тени или проекции объекта в плоскости ПРИ. Оно представляет собой сумму проекций от всех деталей строения объекта, наложенных друг на друга.
Соответственно рентгеновское изображение объекта исследования в классической рентгенографии характеризуется как плоское (двумерное), теневое и суммационное [2].
3. Рентгеновская томография
Рентгеновская томография (от греч. tomos – кусок, слой) в отличие от рентгенографии позволяет получить информацию о плотности вещества в каждой условной точке всего объема объекта исследования. Поэтому в результате рентгеновской томографии может быть реконструировано («нарисовано») рентгеновское изображение слоя объекта исследования определенной толщины в любом произвольном его сечении или аксонометрическое изображение всего объекта. В отличие от рентгенографии на изображение слоя не будут наложены тени от деталей строения объекта, не принадлежащих этому слою. Отсюда термин «томография» – получение изображения отдельного слоя объекта исследования.
Соответственно рентгеновское изображение объекта исследования в томографии характеризуется как объемное (трехмерное).
На рис. 1 представлен тест-объект, который может быть использован для демонстрации возможностей рентгеновской томографии. Плотность материала, из которого выполнен тест-объект, одинакова по всему объему его прямоугольного тела. Внутри тест-объекта на его продольной оси равномерно расположены три плоские детали – круг, треугольник и квадрат, выполненные из материала большей плотности.
Просвечивание тест-объекта вдоль его продольной оси по методике контактной рентгенографии (ось пучка РИ направлена вдоль продольной оси тест-объекта), как уже было отмечено, позволяет получить рентгеновский снимок, на котором тени от всех деталей наложены друг на друга (рис. 2). Очевидно, что в случае «сложного» объекта исследования с большим количеством деталей разнообразной формы, например в медицине, описание снимка, то есть обнаружение и диференциация деталей его строения на рентгеновском изображении затруднены.
Исследование тест-объекта по одному из способов рентгеновской томографии (ось пучка РИ направлена перпендикулярно продольной оси тест-объекта) позволяет получить отдельные изображения трех условных слоев (срезов) тест-объекта. Изображение каждого слоя содержит тень только от той детали, которая принадлежит данному слою (рис. 3).
В качестве примера на рис. 4 и 5 представлены результаты двух рентгенологических исследований грудной клетки взрослого пациента: контактный рентгеновский снимок (рис. 6) и томограмма во фронтальной плоскости (рис. 7).
Для осуществления рентгеновской томографии рентгеновские снимки объекта исследования выполняются последовательно с разных сторон. Производится так называемая многоракурсная съемка, дающая целый набор отдельных снимков (проекций) объекта. При этом каждая условная точка объекта исследования многократно (по числу проекций) просвечивается.
4. Микрофокусный рентгеновский томограф
Несколько лет назад на кафедре ЭПУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» были начаты исследования в области рентгеновской томографии «высокого» разрешения. Финансирование исследований проводилось в основном из собственных средств. Однако значительная часть результатов была получена в ходе реализации ряда федеральных целевых программ, в том числе при поддержке Фонда содействия инновациям. В настоящее время разработан полный комплект технических средств рентгеновской томографии, включая специализированное программное обеспечение (ПО). Но, самое главное, под руководством ведущих преподавателей кафедры создан коллектив молодых сотрудников из числа выпускников ЛЭТИ, способных ставить и решать самые амбициозные научно-технические задачи, связанные с разработкой и применением технических средств рентгеновской томографии. На рис. 6 представлена одна из последних в семействе микрофокусных рентгеновских томограф МРКТ – портативный томограф МРКТ‑04 [2].
В состав томографа входит рентгенозащитная камера для проведения рентгенографических работ. Внутри камеры расположены ИРИ моноблочного типа РАП‑150М‑0,1-5 с микрофокусной рентгеновской трубкой БС16 (IV), ПРИ на основе твердотельного плоскопанельного двухкоординатного детектора, а также автоматизированное устройство для вращения и перемещения объекта исследования вдоль оси пучка РИ.
Для управления работой основных узлов томографа, сбора и обработки проекционных данных, а также реконструкции изображения объекта исследования используется оригинальное ПО [3, 4].
Максимальное напряжение на рентгеновской трубке томографа – 150 кВ, максимальный ток трубки – 0,1 мА. Размеры входного окна детектора РИ равны 300 × 300 мм. Размер пикселя детектора РИ – 140 мкм. Размер воксела получаемого изображения составляет менее 5 мкм.
Габариты рентгенозащитной камеры (длина × ширина × высота) равны 1 100 × 670 × 550 мм, габариты приборной камеры исследования (камеры для размещения образцов) позволяют исследовать объекты размером до 210 × 250 × 250 мм. Общий вес томографа не превышает 250 кг.
В качестве примера результатов исследований, выполненных на томографе МРКТ‑04, на рис. 7 представлено трехмерное рентгеновское изображение одного из изделий отечественной электронной техники – диода Ганна. Диаметр проволочных выводов равен 20 мкм. На рис. 8 приведено изображение фрагмента печатной платы. Монтаж компонентов платы выполнен по BGA‑технологии – диаметр BGA «шариков» равен 200 мкм. На рис. 9 представлены результаты трехмерной визуализации крысы.
Заключение
Наработанный опыт создания и эксплуатации рентгеновских томографов семейства МРКТ показывает, что в нашей стране сформировался новый класс технических средств рентгеновского контроля и диагностики – портативные рентгеновские томографы. Диагностические возможности томографов этого класса позволяют решать большинство задач, до недавнего времени посильных лишь зарубежным стационарным системам рентгеновского контроля, например Nordson DAGE. Однако использование оригинальных технических решений и ключевых комплектующих отечественного производства позволило принципиально снизить габариты, вес и, самое главное, стоимость томографа. В результате дорогостоящая стационарная система рентгеновского контроля превратилась в настольный рентгенографический инструмент ,подобно известному всем специалистам и радиолюбителям тестеру, который используется для измерения параметров радиоэлектронных схем, электрических сетей и прочих изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основы рентгенодиагностической техники / Под. ред. Н. Н. Блинова: Учебное пособие. – М.: Медицина, 2002.
Подымский А. А., Потрахов Н. Н. Микрофокусные рентгеновские трубки нового поколения. Контроль. Диагностика. 2017; 4: 4–8.
Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. № 2015610017 (16.09.16). Программа моделирования процессов реконструкции томографических изображений (TomoSim). А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Н. Н. Потрахов, А. Ю. Грязнов, К. К. Жамова.
Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. № 2015610048 (16.09.16). Программа управления системой перемещения томографической установки (TomoControl). А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Н. Н. Потрахов, А. Ю. Грязнов, В. В. Клонов, И. А. Ларионов.
REFERENCE
Osnovy rentngenodiagnosticheskoj tekhniki / Pod. red. N. N. Blinova: Uchebnoe posobie. – M.: Medicina, 2002.
Podymskij A. A., Potrahov N. N. Mikrofokusnye rentgenovskie trubki novogo pokoleniya. Kontrol’. Diagnostika. 2017; 4: 4–8.
Svid. ob. ofic. reg. prog. dlya EVM. № 2015610017 (16.09.16). Programma modelirovaniya processov rekonstrukcii tomograficheskih izobrazhenij (TomoSim). A. V. Obodovskij, V. B. Bessonov, N. N. Potrahov, A. YU. Gryaznov, K. K. ZHamova.
Svid. ob. ofic. reg. prog. dlya EVM. № 2015610048 (16.09.16). Programma upravleniya sistemoj peremeshcheniya tomograficheskoj ustanovki (TomoControl). A. V. Obodovskij, V. B. Bessonov, N. N. Potrahov, A. YU. Gryaznov, V. V. Klonov, I. A. Larionov.
Относительно недавно в сети Интернет под рубрикой «Занимательная рентгенография» один из пользователей весьма увлеченно рассказывал о просвечивании «филаментных лампочек» на системе рентгеновского контроля Nordson DAGE XD7600NT Ruby, установленной в одном из московских технических университетов. Эту установку автор сообщения определил дословно как «3D‑рентген с функцией программного томографа».
По ряду причин, и в том числе пока преподаватели ведущих отечественных вузов используют термины типа «филаментные» вместо «светодиодные», российские предприятия не производят установки, подобные этой Nordson DAGE. Однако решать задачи рентгеновского контроля в электронной промышленности, приборостроении, авиакосмической отрасли, медицине, биологии и т. д. в нашей стране необходимо. Поэтому целью данной статьи является информационный по возможности рассказ о некоторых результатах отечественных исследований в области рентгеновской томографии «высокого» разрешения – микрофокусной рентгеновской томографии.
1. Механизм формирования рентгеновского изображения
Как известно, благодаря высокой проникающей способности рентгеновское излучение (РИ) способно проходить сквозь любые предметы. При прохождении сквозь объект исследования или, как принято говорить, рентгеновском просвечивании, РИ взаимодействует с веществом объекта. Это взаимодействие заключается, во‑первых, в ослаблении так называемого первичного пучка РИ, а, во‑вторых, также рассеивания его под самыми разными углами по отношению к первоначальному направлению своего распространения.
Ослабление РИ зависит от плотности и толщины самого объекта исследования, если он однороден, или от плотности и размеров деталей его составляющих. В результате взаимодействия прошедшее сквозь объект РИ «получает» информацию о внутреннем строении этого объекта.
С целью визуализации информации, содержащейся в так называемом скрытом рентгеновском изображении, используются специальные приемники рентгеновского изображения. В настоящее время это современные цифровые устройства на основе твердотельных детекторов РИ.
2. Рентгенография
Рентгенография (от греч. grapfo – писать, изображать) − получение изображения с помощью РИ. Для этого объект исследования располагается между источником рентгеновского излучения (ИРИ) и приемником рентгеновского изображения (ПРИ).
Рентгеновское изображение, получаемое в результате рентгенографии, содержит информацию о суммарной плотности вещества по толщине объекта исследования в каждой условной точке (пикселе) на площади рентгеновской тени или проекции объекта в плоскости ПРИ. Оно представляет собой сумму проекций от всех деталей строения объекта, наложенных друг на друга.
Соответственно рентгеновское изображение объекта исследования в классической рентгенографии характеризуется как плоское (двумерное), теневое и суммационное [2].
3. Рентгеновская томография
Рентгеновская томография (от греч. tomos – кусок, слой) в отличие от рентгенографии позволяет получить информацию о плотности вещества в каждой условной точке всего объема объекта исследования. Поэтому в результате рентгеновской томографии может быть реконструировано («нарисовано») рентгеновское изображение слоя объекта исследования определенной толщины в любом произвольном его сечении или аксонометрическое изображение всего объекта. В отличие от рентгенографии на изображение слоя не будут наложены тени от деталей строения объекта, не принадлежащих этому слою. Отсюда термин «томография» – получение изображения отдельного слоя объекта исследования.
Соответственно рентгеновское изображение объекта исследования в томографии характеризуется как объемное (трехмерное).
На рис. 1 представлен тест-объект, который может быть использован для демонстрации возможностей рентгеновской томографии. Плотность материала, из которого выполнен тест-объект, одинакова по всему объему его прямоугольного тела. Внутри тест-объекта на его продольной оси равномерно расположены три плоские детали – круг, треугольник и квадрат, выполненные из материала большей плотности.
Просвечивание тест-объекта вдоль его продольной оси по методике контактной рентгенографии (ось пучка РИ направлена вдоль продольной оси тест-объекта), как уже было отмечено, позволяет получить рентгеновский снимок, на котором тени от всех деталей наложены друг на друга (рис. 2). Очевидно, что в случае «сложного» объекта исследования с большим количеством деталей разнообразной формы, например в медицине, описание снимка, то есть обнаружение и диференциация деталей его строения на рентгеновском изображении затруднены.
Исследование тест-объекта по одному из способов рентгеновской томографии (ось пучка РИ направлена перпендикулярно продольной оси тест-объекта) позволяет получить отдельные изображения трех условных слоев (срезов) тест-объекта. Изображение каждого слоя содержит тень только от той детали, которая принадлежит данному слою (рис. 3).
В качестве примера на рис. 4 и 5 представлены результаты двух рентгенологических исследований грудной клетки взрослого пациента: контактный рентгеновский снимок (рис. 6) и томограмма во фронтальной плоскости (рис. 7).
Для осуществления рентгеновской томографии рентгеновские снимки объекта исследования выполняются последовательно с разных сторон. Производится так называемая многоракурсная съемка, дающая целый набор отдельных снимков (проекций) объекта. При этом каждая условная точка объекта исследования многократно (по числу проекций) просвечивается.
4. Микрофокусный рентгеновский томограф
Несколько лет назад на кафедре ЭПУ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» были начаты исследования в области рентгеновской томографии «высокого» разрешения. Финансирование исследований проводилось в основном из собственных средств. Однако значительная часть результатов была получена в ходе реализации ряда федеральных целевых программ, в том числе при поддержке Фонда содействия инновациям. В настоящее время разработан полный комплект технических средств рентгеновской томографии, включая специализированное программное обеспечение (ПО). Но, самое главное, под руководством ведущих преподавателей кафедры создан коллектив молодых сотрудников из числа выпускников ЛЭТИ, способных ставить и решать самые амбициозные научно-технические задачи, связанные с разработкой и применением технических средств рентгеновской томографии. На рис. 6 представлена одна из последних в семействе микрофокусных рентгеновских томограф МРКТ – портативный томограф МРКТ‑04 [2].
В состав томографа входит рентгенозащитная камера для проведения рентгенографических работ. Внутри камеры расположены ИРИ моноблочного типа РАП‑150М‑0,1-5 с микрофокусной рентгеновской трубкой БС16 (IV), ПРИ на основе твердотельного плоскопанельного двухкоординатного детектора, а также автоматизированное устройство для вращения и перемещения объекта исследования вдоль оси пучка РИ.
Для управления работой основных узлов томографа, сбора и обработки проекционных данных, а также реконструкции изображения объекта исследования используется оригинальное ПО [3, 4].
Максимальное напряжение на рентгеновской трубке томографа – 150 кВ, максимальный ток трубки – 0,1 мА. Размеры входного окна детектора РИ равны 300 × 300 мм. Размер пикселя детектора РИ – 140 мкм. Размер воксела получаемого изображения составляет менее 5 мкм.
Габариты рентгенозащитной камеры (длина × ширина × высота) равны 1 100 × 670 × 550 мм, габариты приборной камеры исследования (камеры для размещения образцов) позволяют исследовать объекты размером до 210 × 250 × 250 мм. Общий вес томографа не превышает 250 кг.
В качестве примера результатов исследований, выполненных на томографе МРКТ‑04, на рис. 7 представлено трехмерное рентгеновское изображение одного из изделий отечественной электронной техники – диода Ганна. Диаметр проволочных выводов равен 20 мкм. На рис. 8 приведено изображение фрагмента печатной платы. Монтаж компонентов платы выполнен по BGA‑технологии – диаметр BGA «шариков» равен 200 мкм. На рис. 9 представлены результаты трехмерной визуализации крысы.
Заключение
Наработанный опыт создания и эксплуатации рентгеновских томографов семейства МРКТ показывает, что в нашей стране сформировался новый класс технических средств рентгеновского контроля и диагностики – портативные рентгеновские томографы. Диагностические возможности томографов этого класса позволяют решать большинство задач, до недавнего времени посильных лишь зарубежным стационарным системам рентгеновского контроля, например Nordson DAGE. Однако использование оригинальных технических решений и ключевых комплектующих отечественного производства позволило принципиально снизить габариты, вес и, самое главное, стоимость томографа. В результате дорогостоящая стационарная система рентгеновского контроля превратилась в настольный рентгенографический инструмент ,подобно известному всем специалистам и радиолюбителям тестеру, который используется для измерения параметров радиоэлектронных схем, электрических сетей и прочих изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Основы рентгенодиагностической техники / Под. ред. Н. Н. Блинова: Учебное пособие. – М.: Медицина, 2002.
Подымский А. А., Потрахов Н. Н. Микрофокусные рентгеновские трубки нового поколения. Контроль. Диагностика. 2017; 4: 4–8.
Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. № 2015610017 (16.09.16). Программа моделирования процессов реконструкции томографических изображений (TomoSim). А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Н. Н. Потрахов, А. Ю. Грязнов, К. К. Жамова.
Свид. об. офиц. рег. прог. для ЭВМ. № 2015610048 (16.09.16). Программа управления системой перемещения томографической установки (TomoControl). А. В. Ободовский, В. Б. Бессонов, Н. Н. Потрахов, А. Ю. Грязнов, В. В. Клонов, И. А. Ларионов.
REFERENCE
Osnovy rentngenodiagnosticheskoj tekhniki / Pod. red. N. N. Blinova: Uchebnoe posobie. – M.: Medicina, 2002.
Podymskij A. A., Potrahov N. N. Mikrofokusnye rentgenovskie trubki novogo pokoleniya. Kontrol’. Diagnostika. 2017; 4: 4–8.
Svid. ob. ofic. reg. prog. dlya EVM. № 2015610017 (16.09.16). Programma modelirovaniya processov rekonstrukcii tomograficheskih izobrazhenij (TomoSim). A. V. Obodovskij, V. B. Bessonov, N. N. Potrahov, A. YU. Gryaznov, K. K. ZHamova.
Svid. ob. ofic. reg. prog. dlya EVM. № 2015610048 (16.09.16). Programma upravleniya sistemoj peremeshcheniya tomograficheskoj ustanovki (TomoControl). A. V. Obodovskij, V. B. Bessonov, N. N. Potrahov, A. YU. Gryaznov, V. V. Klonov, I. A. Larionov.
Отзывы читателей
