Развитие метода мультиэнергетической радиографии и разработка спектрозонального рентгеновского детектора

• Автор: Лелюхин, Александр Сергеевич
• Шифр специальности: 05.11.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Оренбург
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЦИФРОВОЙ РЕНТГЕНОГРАФИИ
1.1 Формирование изображения в пучке рентгеновских лучей
1.2 Статистические ограничения метода
1.3 Экологические ограничения метода
1.4 Традиционная рентгенография
1.5 Мультиэнергетические методы радиографии
ГЛАВА 2. КРИТЕРИЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОГО АТОМНОГО НОМЕРА ТКАНИ ВКЛЮЧЕНИЯ
2.1 Характеристические углы тканей
2.2 Погрешности, возникающие при измерении характеристических углов
2.3 Калибровка системы и определение эффективного атомного номера
ткани включения
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ АТОМНЫХ НОМЕРОВ ТКАНЕЙ
3.1 Экспериментальная установка
3.2 Методика проведения эксперимента
3.3. Экспериментальные результаты
3.4 Исследование влияния фильтрации излучения
3.5 Калибровка системы регистрации по универсальным зависимостям
ГЛАВА 4 СПЕКТРОЗОНАЛЬНИЙ РЕНТГЕНОВСКИЙ ДЕТЕКТОР
4.1 Структура газового спектрозонального рентгеновского детектора
4.2 Эффективность регистрации рентгеновского излучения
4.3 Пороговый контраст и динамический диапазон детектора
4.4 Оптимизация параметров конвертора излучений
4.5 Распределение электрического потенциала в конверторе излучений
4.6 Методика изготовления конвертора излучений
4 7 Математическая модель детектора
4.7.1 Схема физического процесса, протекающего в детекторе
4.7.2 Алгоритмы и программа расчета параметров детектора
4.7.3 Абсорбция излучения
4.7.4 Конверсия излучения
4.7.5 Пространственное разрешение
4.7.6 Расчет взаимодействий
4.7.7 Визуализация результатов
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДЕТЕКТОРА И СИСТЕМЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
5.1 Квантовая эффективность регистрации спектрозонального детектора
5.2 Размытие изображения металлическими фольгами
5.3 Пространственное разрешение спектрозонального детектора
5.4 Имитационная модель спектрозональной системы визуализации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ
В диссертации описаны исследования, выполненные автором в Оренбургском государственном университете. Основные результаты этих исследований опубликованы в работах /1-21/. Проведенный цикл работ посвящен развитию методов мультиэнергетической радиографии и разработке спектрозонального газонаполненною приемника-преобразователя рентгеновского излучения, обладающего высокой квантовой эффективностью регистрации в широком энергетическом диапазоне.
В качестве приемника-преобразователя рентгеновского излучения традиционно используется рентгеновская пленка, способная под действием рентгеновских квантов изменять свои физические свойства и фиксировать скрытое изображение в результате последующей физико-химической обработки. Но применение в медицинской практике рентгеновской пленки в сочетании с усиливающими экранами требует значительных дозовых нагрузок на объект исследования в процессе формирования скрытого изображения в пучке рентгеновских лучей. Помимо этого пленочным методам присущи большой расход дорогостоящих рентгеновских фотоматериалов и длительный, трудоемкий процесс получения и обработки изображений.
Современное состояние уровня техники позволяет переходить на более экологичные методы диагностики, в основе которых лежат новые информационные технологии.
Расширить диагностические возможности обычной рентгенографии можно путем применения мультиэнергетических методов регистрации и рентгеновских детекторов, обеспечивающих воспроизведение изображений в нескольких спектральных диапазонах.
Объекты исследования (ОИ), визуализирующиеся на рентгеновских снимках, как правило, являются сложными недетерминированными
пространственными и энергетическими фильтрами по отношению к первичному рентгеновскому пучку. Следовательно, спектральный состав рентгеновского излучения за ОИ несет дополнительную информацию о его структуре. Как отмечается в работах H.H. Блинова и P.E. Быкова /84, 85/, анализ спектрального состава излучения, прошедшего сквозь объект исследования, повышает информативность рентгеновской диагностики. Спектрозональные методы регистрации предполагают воспроизведение серии рентгеновских изображений одной сцены, полученных при различных эффективных энергиях излучения в пределах нескольких спектральных зон. Синтез рентгеновских изображений, зарегистрированных в различных спектральных областях, увеличивает число оценочных параметров, что обеспечивает получение более информативных снимков, увеличивает возможности последующей математической обработки и позволяет задействовать цветовое зрение человека в процессе интерпретации спектрозональных изображений.
Таким образом, в отличие от традиционных методов, фиксирующих лишь теневую картину, по которой можно обнаружить на изображении отклонения от анатомического рисунка, снектрозональные методы регистрации позволяют идентифицировать физическую природу ткани включения, визуализирующегося на снимке. Так, например, на флюорограмме (рентгенограмме) кальцинаты и сосуды в ортопроекции могут выглядеть одинаково. Дифференцировать объект в данном случае можно, выполнив дополнительные рентгенографические исследования (в другой проекции, томограммы и т. д.), что ведет к увеличению дозовой нагрузки на пациента и дополнительным материальным затратам. Однако известны также методы восстановления эффективного атомного номера и электронной плотности вещества ткани' включения путем проведения мультиэнергетической радиографии. С учетом того, что очень часто распознавание кальцинатов проводится у тубинфицированных детей, определение за один снимок эффективного атомного номера включения, формирующего тень на изображении, приобретает особый смысл.
Подставляя найденные коэффициенты в формулу для расчета эффективного атомного номера вещества ткани включения, получим:
7- =3 -с:А-Ф[С?В,-с?А)
сш V-с?в2)-{свтл2 -сАтвг)’
Рассуждая аналогично, можно найти соотношение для расчета эффективного атомного номера и по углу в. Однако подстановка (2.6) в соотношение (2.4) для угла 0 приводит к решению квадратного уравнения относительно 2]т и, следовательно, к неоднозначности в определении 2СЮ. Исходя из физического смысла эффективного атомного номера ткани, запишем:
а) а
где а = Т2{г(Е, )2 + г(£,„)2 + т(Е, )2)- z(Eh)2;
Р = T2{z(Eh ) У = Т2 {а(Е„ У + a(Em )2+а(Е,)2)-a{Ehf ;Т = cos в.
Коэффициенты z(Eh) и a(Eh) можно записать по индукции в виде, аналогичном решению системы (2.8):
С*А,-с!В,
r(Eh)
'h 2
В) А 2 — В, А с£вх-cl а
ВХЛ2 - В2А,
Полученные выше соотношения дают возможность идентифицировать ткани по характеристическим углам путем построения изображения в градациях в или <р и позволяют определять по калибровочным данным эффективные атомные номера включений, визуализирующихся на цифровых снимках.