Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики

Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиационной техники, а именно к микродозовой рентгеноскопии, рентгенодиагностике и может быть использовано при неразрушающем контроле различных материалов, изделий и объектов с помощью импульсных рентгеновских лучей, а также для микродозовой медицинской рентгенодиагностики.

Известен способ [1] получения рентгеновского изображения, включающий облучение импульсным рентгеновским излучением стоящего за исследуемым предметом конвертера, преобразующего рентгеновское излучение в видимое, съемку полученного изображения видеокамерой, преобразование сигнала из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и передачу изображения.

Недостатком данного способа является то, что формирование и регистрация изображения осуществляется при облучении пакетом рентгеновских импульсов. Синхронизацию видеокамеры осуществляют только по первому импульсу пакета рентгеновских импульсов. Пакет состоит из 4-10 импульсов. При этом видеокамера регистрирует не только полезный сигнал на рентгенооптическом трансформаторе в момент прихода рентгеновских импульсов, а также радиационные и собственные шумы. Это, в свою очередь, сильно снижает соотношение сигнал-шум.

Известен способ [2] получения рентгеновского изображения включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным преобразователем и регистрацию оптического изображения с помощью оптоэлектронной аналого-цифровой информационной системы. При этом время облучения и регистрации оптического изображения устанавливается меньше или равное излучательному времени рентгенолюминесцентного преобразователя, а начало экспозиции фотоэлектронного устройства синхронизуют по времени с рентгеновским импульсом.

Недостатком способа [2] является то, что в момент прихода просвечивающего объект рентгеновского импульса на рентгенооптическом трансформаторе наряду с полезным сигналом также возможна регистрация радиационной космической вспышки. Это снижает соотношение сигнал-шум.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является способ [3] получения рентгеновского изображения, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным с рентгеновским источником и последующим преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения. При этом время облучения и регистрации оптического изображения выбирается в интервале между радиационными космическими импульсами.

Недостатком способа [3] при его высокой чувствительности является то, что в момент прихода просвечивающего объект рентгеновского импульса на рентгенооптическом трансформаторе наряду с полезным сигналом также возможна регистрация рассеянной на объекте и оснастке радиационной вспышки собственного рентгеновского аппарата. Это снижает соотношение сигнал-шум.

Целями изобретения являются снижение лучевого воздействия на объект, повышение чувствительности и качества изображения исследуемого предмета.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ включает просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным с рентгеновским источником и последующим преобразованием сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения. При этом время облучения и регистрации оптического изображения выбирается в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «новизна».

Заявителю неизвестно из уровня техники о наличии следующих признаков:

1. Длительность наносекундного облучения и регистрации оптического изображения находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Кроме того, при взаимодействии признаков получается новый технический результат - значительно уменьшается (по отношению к прототипу) соотношение сигнал-шум.

На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для реализации данного способа. На фигуре 2 отображена плотность распределения частоты радиационных космических импульсов по их амплитуде.

Способ осуществляется следующим образом.

Исследуемый объект (2) просвечивают импульсом рентгеновского источника (1), у которого время запуска задается, а амплитуда фиксируется системой управления, контроля и преобразования сигналов (5). Стоящий за объектом (2) рентгенолюминесцентный конвертор (3) преобразует рентгеновское изображение в видимое, которое поступает на синхронизованную во времени с рентгеновским источником облучения оптоэлектронную информационную систему (4), электрические сигналы с которой через систему управления, контроля и обработки информации (5) транслируется на монитор (6). При этом наносекундное облучение и регистрация проходят по времени в интервале между радиационными космическими и рассеянными рентгеновскими импульсами по команде оптоэлектронной системы (4), которая также отслеживает в окрестности рентгенолюминесцентного конвертора (3) радиационный рассеянный и космический шум. Оптоэлектронная информационная система (4) представляет собой ЭОП с ПЗС материей, ФЭУ и т.д. Временнее распределение паразитных рассеянных наносекундных рентгеновских импульсов от исследуемого объекта, оснастки и конструкций помещения определяется их пространственным расположением по отношению к конструкции рентгенолюминесцентного конвертора.

В качестве рентгенолюминесцентного конвертора (преобразователя) используются рентгенолюминофоры, у которых излучательное время меньше временного интервала между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами. Регистрацию оптического изображения с рентгенолюминесцентного преобразователя можно проводить различными фотоприемниками, синхронизованными во времени с рентгеновским источником облучения. Например, используют сочлененный с импульсной ПЗС матрицей импульсный управляемый электронно-оптический преобразователь (ЭОП), время экспозиции которого находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рентгеновскими импульсами. Рентгеновский сигнал на выходе исследуемого объекта можно регистрировать набором, представляющим собой матрицу, линейку, диск, и др., составленным из однотипных рентгенолюминесцентных преобразователей, сочлененных с фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) или высокочувствительными блоками на основе p-i-n фотодиодов. Усиление сигналов в ФЭУ или p-i-n фотодиодных блоках происходит в течении времени, которое находится в интервале между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.

Пример 1. Контролируемый объект облучают рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью рентгенолюминесцентного преобразователя на основе пластины PbWO₄, у которого полное излучательное время, примерно 10 нс. При этом ЭОП-ПЗС система имеет экспозицию τ_o=10 нс. Регистрация оптического изображения синхронизована по времени с рентгеновским источником. Длительность импульсов космического происхождения не превышают 1 нс. Чувствительность ЭОП-ПЗС системы, как и в прототипе, достигает предельной величины по усилению оптического изображения на ЭОПе (2⋅10⁴ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ~10 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=10 кГц τ_o=10 нс, f≤1 Гц вероятность (А) регистрации паразитного космического импульса пренебрежимо мала, не превышает 0,0001 (А=τ_of /F<0,0001). Кроме того, с рентгенолюминесцентного преобразователя ЭОП-ПЗС система в интервале до 10 нс практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 10 до 100 нс. То есть в данном случае первый паразитный рентгеновский импульс рассеивается на металлической оснастке объекта и затем достигает рентгенолюминесцентный преобразователь по суммарной дистанции 3 м, последний, еще наблюдаемый, рассеивается на металлической конструкции стен с полным расстоянием 30 м. Как показали испытания, по сравнению с прототипом при снижении радиационной дозы облучения в 4 раза (с 2⋅10^-6 Р до 5⋅10^-7 Р) и одинаковой энергии рентгеновских квантов 250 кэВ предельная толщина контролируемых стальных деталей без потери качества изображения осталась такой же - 16 см.

Пример 2. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью матрицы (5×4) или линейки (1×20), собранных из 20 рентгенолюминесцентных преобразователей, изготовленных из сцинтилляционной пластмассы СЦ-305 (полное излучательное время τ_o=3,5 нс), с которыми сочленены ФЭУ, работающие без искажений в импульсном стробируемом режиме. Работа этих ФЭУ синхронизована с рентгеновским источником так, что начало экспозиции происходит спустя 1 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. При этом ФЭУ регистрируют полезный сигнал рентгенолюминесцентных преобразователей в течение τ_o=3,5 нс. Данная система обладает значительным усилением оптического изображения (2⋅10⁵ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования ~100 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=100 кГц, τ_o=3,5 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса остается пренебрежимо малой и не превышает 0,0003. В данном случае с рентгенолюминесцентного преобразователя ФЭУ в интервале до 4 нс практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 4 до 100 нс. Проведенные испытания показали, что соотношение сигнал-шум по сравнению с прототипом увеличено в 10 раз при одинаковой радиационной дозе облучения (2⋅10^-6 Р). Наряду с этим при одинаковой энергии рентгеновских квантов (250 кэВ) предельная толщина контролируемых стальных деталей осталась такой же - 20 см, но заметно улучшилось качество изображения.

Пример 3. Контролируемый объект облучают в однократном режиме рентгеновским импульсом длительностью 1 нс. Преобразование рентгеновского излучения в оптическое производят с помощью матрицы (10×10) или линейки (100×1), собранных из 100 рентгенолюминесцентных преобразователей, изготовленных из сцинтилляционной пластмассы ВС-422 (полное излучательное время τ_o=2,5 нс), с которыми сочленены p-i-n фотодиоды, которые работают без искажений в импульсном стробируемом режиме. Работа этих p-i-n фотодиодов синхронизована с рентгеновским источником так, что начало экспозиции происходит спустя 1 нс от начала импульса излучения рентгенолюминесцентного преобразователя. При этом p-i-n фотодиоды регистрируют полезный сигнал рентгенолюминесцентных преобразователей в течение τ_o=2,5 нс. Система p-i-n фотодиодов с малошумящими наносекундными усилителями и драйверами обладает значительным усилением оптического изображения (10⁶ раз). При таком усилении регистрирующая система может зафиксировать сопутствующий импульс из серии космических вспышек, проявляющихся на рентгенолюминесцентном конверторе с частотой следования 500 кГц (фиг. 2). Отсюда при F=500 кГц, τ_o=2,5 нс, f<1 Гц вероятность регистрации паразитного космического импульса остается пренебрежимо малой и не превышает 0,0015. При этом с рентгенолюминесцентного преобразователя в интервале до 2,5 нс система на основе p-i-n фотодиодов практически не регистрирует паразитное рентгеновское излучение рентгеновского аппарата, рассеянного от объекта, оснастки крепления объекта и конструкций помещения. В данном примере паразитное рассеянное рентгеновское излучение представляет собой последовательность импульсов в интервале от 2,5 до 100 нс. Проведенные испытания показали, что по сравнению с примером 3 при одинаковой радиационной дозе облучения (2⋅10^-6 Р), при одинаковой энергии рентгеновских квантов (250 кэВ) толщина исследуемых стальных деталей без потери качества изображения увеличена с 20 до 24 см.

Таким образом, достижение цели подтверждено экспериментально. Использование предлагаемого изобретения по сравнению с известным изобретением дает следующее преимущества:

- повышение чувствительности метода;

- увеличение соотношения сигнал-шум;

- увеличение толщины контролируемых объектов;

- снижение лучевой нагрузки на объект.

Источники информации

1. Патент РФ №2153848, А61В 6/00, Н05G 1/20. От 10.08.2000.

2. Патент РФ №2206886. Способ получения рентгеновского изображения. От 30.07.2001. А61В 6/00, Н05G 1/22, G01N 23/04. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Климов Н.Н., Лиясов А.Н., Курбака А.П.

3. Патент РФ на изобретение №2273844. Способ импульсной микродозовой рентгеновской диагностики. От 10.04.06. Кл. G01N 23/04. Барышников В.И., Колесникова Т.А., Чирков В.Ю.

Способ наносекундной микродозовой рентгеновской диагностики, включающий просвечивание объекта импульсным рентгеновским излучением, преобразование прошедшего объект излучения рентгенолюминесцентным конвертором, регистрацию оптического изображения фотоэлектронным устройством, синхронизованным во времени с рентгеновским источником, преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую, запоминание, обработку и трансляцию изображения, отличающийся тем, что облучение объекта и регистрацию его оптического изображения производят в интервале времени между радиационными космическими и сопутствующими рассеянными рентгеновскими импульсами.