МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Снежинский физико-технический институт
Е. Н. Симонов
ТОМОГРАФИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
РЕНТГЕНОВСКАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ ТОМОГРАФИЯ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2011
ББК 22.18 УДК 621. 386. 12/17 C37
Симонов Е.Н. Томографические измерительные информационные системы. Рентгеновская компьютерная томография: Учебное пособие. – М.:
НИЯУМИФИ, 2011. – 440 с.
В книге рассмотрен новый класс измерительных информационных систем – томографические измерительные информационные комплексы, уделяется большое внимание методологии проектирования физических, программно-математических, электронных, механических систем томографа, их системной взаимосвязи.
Пособие предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся по дисциплине «Измерительные информационные системы», а также для инженеров-физиков, инженеров-математиков и конструкторов, занимающихся вопросами физического расчета, математического моделирования и проектирования рентгеновских компьютерных томографических комплексов.
Книга будет полезна и в изучении дисциплин, связанных с методами экспериментальной физики, медицинской физики, с неразрушающим контролем оборудования и систем ЯЭУ, компьютерными информационными технологиями в ядерной энергетике.
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, проф. С.А. Терещенко д-р техн. наук, проф. И.П. Гуров д-р техн. наук, проф. Н.И. Блинов
ISBN 978-7262-1520-4 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011
Содержание |
|
Предисловие ................................................................................................ |
5 |
Глава 1. Томографические методы исследования ............................... |
8 |
1.1. История возникновения томографии ............................................. |
8 |
1.2. Отличительные особенности томографического |
|
исследования от традиционных методов рентгеновской |
|
диагностики ..................................................................................... |
16 |
1.3. Механические методы послойного рентгеновского |
|
исследования................................................................................... |
23 |
1.4. Современные методы компьютерной томографии...................... |
26 |
1.5. Анализ технических характеристик рентгеновских |
|
компьютерных томографов............................................................ |
45 |
Глава 2. Физико-математические и технические проблемы |
|
рентгеновской компьютерной томографии....................................... |
71 |
2.1. Взаимодействие рентгеновского излучения с объектом |
|
исследования................................................................................... |
71 |
2.2. Физические проблемы рентгеновской компьютерной |
|
томографии...................................................................................... |
91 |
2.3. Математические проблемы получения томографического |
|
изображения.................................................................................. |
139 |
2.4. Анализ технических задач проектирования рентгеновских |
|
компьютерных томографов................................................................. |
177 |
Глава 3. Основы проектирования рентгеновских |
|
компьютерных томографов............................................................... |
191 |
3.1. Выбор физической схемы и основных геометрических |
|
параметров сканирования ............................................................ |
191 |
3.2. Обоснование параметров рентгено–оптического тракта .......... |
195 |
3.3. Вопросы проектирования механических узлов.......................... |
250 |
3.4. Методы и средства измерения проекционных данных ............. |
257 |
3.5. Методы восстановления изображения по проекционным |
|
данным.................................................................................................. |
275 |
3.6. Требования к вычислительным процессам восстановления |
|
изображения......................................................................................... |
307 |
3.7. Вычислительные средства и программное обеспечение........... |
309 |
3.8. Система управления томографом................................................ |
313 |
3
Глава 4. Анализ погрешностей томографической |
|
реконструкции изображений.............................................................. |
317 |
4.1.Общие положения. Детерминированные и случайные факторы, влияющие на качество томографического
изображения.................................................................................. |
317 |
4.2. Критерии качества томографического изображения................. |
319 |
4.3. Классификация артефактов.......................................................... |
323 |
4.4. Методы анализа влияния детерминированных факторов......... |
326 |
4.5. Методы анализа влияния случайных факторов ......................... |
339 |
4.6. Моделирование в томографии..................................................... |
347 |
Глава 5. Рентгеновский компьютерный томограф РКТ-01 ............ |
367 |
5.1. Анализ технических требований................................................. |
367 |
5.2. Структура построения и принципы взаимодействия систем... |
377 |
5.3. Обоснование геометрических и физических параметров |
|
рентгенооптического тракта......................................................... |
381 |
5.4. Измерительно-информационная схема....................................... |
389 |
5.5. Система настройки и калибровки................................................ |
399 |
Глава 6. Пути совершенствования рентгеновских |
|
компьютерных томографов................................................................ |
413 |
6.1. Перспективы медицинской рентгеновской компьютерной |
|
томографии.................................................................................... |
413 |
6.2. Вопросы малоракурсной технической рентгеновской |
|
компьютерной томографии плотных сред.................................. |
416 |
Приложения: |
|
1. Обобщенный алгоритм предварительной обработки |
|
проекционных данных в реконструкторе томографа РКТ−01.... |
424 |
2. Вычислительный алгоритм реконструкции изображения |
|
томографа РКТ–01 ........................................................................... |
424 |
3.Набор ядер свертки (сворачивающих функций) в томографе РКТ–01 с рекомендацией их применения для определенных
областей тела человека.................................................................... |
434 |
Список использованной литературы ...................................................... |
437 |
4
Предисловие
С открытием в 80-х годах двадцатого столетия томографического метода исследования объектов с использованием математических преобразований Радона [1] связано «революционизирующее» изменение методов и способов исследования в естествознании посредством представления структуры объекта в виде его изображения в определенном слое («срезе») без наложения каких–либо «теней» от близлежащих слоев [2, 3, 4]. Томографические исследования возможно проводить практически с применением всех видов физических излучений и магнитных явлений, получая информацию о внутренней структуре вещества или объекта исследования, присущую для конкретного излучения или явления [5]. Например, при томографии с использованием ядерно-магнитного резонанса ядра атома внутренняя структура представляется в виде протонной плотности через параметры: время поперечной и продольной релаксации спинов ядер атомов; при томографии в рентгеновских лучах – в виде электронной плотности через коэффициенты линейного поглощения и рассеяния рентгеновского излучения; при томографических исследованиях с ультразвуком – в виде «сплошности» среды через ее коэффициент поглощения или диффузии и т. д.
Томографические методы исследования нашли широкое применение в различных областях науки и техники: в биологии, кристаллографии, астрофизике, геофизике, в интроскопии технических изделий [3, 6, 7].
Наибольшее применение томографические методы исследования с применением рентгеновского излучения получили в медицине и биохимии, что было отмечено двумя Нобелевскими премиями, соответственно 1979 г. (Г. Хаунсфилд, А. Кормак) и 1982 г. (А. Клуг). Это время было стартом развертывания широкомасштабного фронта научноисследовательских и конструкторских работ по созданию конкретных установок и коммерческих томографов для медицинских исследований и технологических процессов. Сложность исследовательских и опытноконструкторских работ в этой области подтверждает тот факт, что только через 10 лет после создания Г. Хаунсфилдом экспериментальной установки (1972 г.) появился первый образец коммерческого медицинского томографа
5