Технология рентгеновской томографии

1. Что такое излучение (радиация)

1.1 Определение излучения

Радиация (ионизирующее излучение), это отделённые от атомарного ядра элементарные заряженные частицы - альфа-лучи, электроны, гамма-лучи и рентгеновские лучи, при этом атомное ядро одного элемента переходит в другое атомное ядро.

Определение типа и толщины экранирующего материала в зависимости от типа и интенсивности излучения.

Рисунок 1.1 Проникающая способность по типу излучения

• Естественное излучение: излучение природы, например, неба и земли, пищи и человеческого тела.
• Искусственное излучение: излучение, произведенное по необходимости, например, на атомных электростанциях, рентгеновских устройствах, оборудовании для лечения рака, бытовой технике и т. д.

Классификация излучения

• Ионизирующее излучение: излучение, вызывающее ионизацию, то есть явление, при котором орбитальные электроны атомов, составляющих вещество, выбрасываются (например) альфа-лучами, бета-лучами, нейтронными лучами, гамма-лучами, рентгеновскими лучами и т. д.
• Неионизирующее излучение: излучение, не вызывающее ионизации (например) солнечные лучи, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи, видимые лучи.

1.2 Предел дозы излучения

Предел дозы: верхний предел дозы облучения, которую может переносить конкретный человек в течение определенного периода времени.

В соответствии с СанПиН 2.6.1.2523-09 "Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009" в статье III содержатся Основные пределы доз.

Примечания:

*(1) Допускается одновременное облучение до указанных пределов по всем нормируемым величинам.

*(2) Основные пределы доз, как и все остальные допустимые уровни воздействия персонала группы Б, равны 1/4 значений для персонала группы А. Далее в тексте все нормативные значения для категории персонал приводятся только для группы А.

*(3) Относится к дозе на глубине 300 мг/см².

*(4) Относится к среднему по площади в 1 см² значению в базальном слое кожи толщиной 5 мг/см² под покровным слоем толщиной 5 мг/см². На ладонях толщина покровного слоя - 40 мг/см². Указанным пределом допускается облучение всей кожи человека при условии, что в пределах усредненного облучения любого 1 см². площади кожи этот предел не будет превышен. Предел дозы при облучении кожи лица обеспечивает непревышение предела дозы на хрусталик от бета-частиц.

• Что такое радиоактивность? - Интенсивность излучения радиоактивного материала [Единица: Беккерель (Бк)] (например) 1 Бк (Беккеррель) = 1 ядро ??распадается каждую секунду = 1 dps (dps = распад в секунду)
• Что такое радиация? - Поток энергии, излучаемый нестабильным веществом с высокой энергией, чтобы найти стабильное состояние [единица измерения: Siebert Sv, зиверт Зв)] (например) 1Зв (зиверт) = 1Гр (Грей) x [Вт] = доза излучения на единицу массы x вес в зависимости от типа излучения = степень вреда для человеческого организма.

2. Что такое рентген

2.1 Рентгеновское открытие

Рисунок 2.1 Вильгельм Конрад Рентген и рука г-жи Рентген (первый открыватель рентгеновского излучения и первое рентгеновское изображение)

8 ноября 1895 года немецкий физик Вильгельм Рентген (1845-1923) случайно обнаружил, что флуоресценция вызывается лучами изображения во время эксперимента с использованием экранированной катодной трубки.

2.2 Рентгеновские функции

Рисунок 2.2 Типы излучений и длины волн

• Электромагнитные волны, длина волны которых достаточно мала до размера атома, обладают высокой энергией и обладают свойством проникать в материалы.
• Чем выше напряжение ускорения, тем короче длина волны. Чем короче длина волны рентгеновского излучения, тем больше коэффициент проникновения и четче картинка.
• Рентгеновские лучи широко используются в качестве оборудования для неразрушающего контроля предметов и медицинского оборудования, в котором используется принцип, согласно которому коэффициент пропускания изменяется в зависимости от плотности и химического состава.
• Использование функций рентгена:
  • Характеристики проникающего материала: внутренний структурный контроль человеческого тела / промышленный неразрушающий контроль
  • Дифракционные характеристики рентгеновских лучей: анализ структуры материала.

2.3 Условия генерации рентгеновских лучей

• Электрический нагрев нити для генерации термоэлектронов.
• Поддержание вакуума внутри рентгеновского генератора: условие для беспрепятственного движения электронов
• Требуемая цель: рентгеновское излучение возникает при столкновении электронов с целью.
• Ускорение электронов: ускорение электронов к цели за счет повышения высокого напряжения - интенсивность рентгеновского излучения.

2.4 Получение рентгеновского изображения

• Раздельная внутренняя / внешняя структура по разнице пропускания излучения в зависимости от плотности видимого продукта
  • Высокая плотность: плохое пропускание рентгеновского излучения, поэтому светоизлучающий элемент меньше реагирует - Низкое значение рентгеновского излучения.
  • Низкая плотность: хорошее пропускание рентгеновских лучей, поэтому светоизлучающее устройство лучше реагирует - Высокое значение рентгеновского излучения.
• Значение, соответствующее степени излучения света светоизлучающим устройством, компьютеризировано и отображается как контраст (градации серого).
• Существует разница в стоимости в зависимости от технических характеристик устройства приема рентгеновского изображения (детектора).

3. Конфигурация рентгеновского оборудования

Рисунок 3.1 Конфигурация рентгеновского оборудования

• Генератор рентгеновских лучей (источник): устройство, которое генерирует рентгеновские лучи,
• Привод (манипулятор): загрузка и перемещение образцов и деталей,
• Детектор рентгеновского излучения (приемник рентгеновских изображений): детектор, считывающий рентгеновские изображение,
• Программное обеспечение: обработка данных, управление компонентами оборудования, обработка рентгеновских изображений, анализ дефектов, компьютерная томография и т. д.

3.1 Генератор рентгеновских лучей (закрытый и открытый)

Рисунок 3.2 Закрытая трубка

Рисунок 3.3 Открытая трубка

Таблица 3.1 Сравнение трубок (закрытая и открытая)

3.2 Генератор рентгеновских лучей (микро и большой)

Рисунок 3.4 Микрофокусная трубка

Рисунок 3.5 Большая фокусная трубка

3.3 Классификация рентгеновского генератора

Базовая конфигурация рентгеновского генератора (источника рентгеновского излучения)

• Рентгеновская трубка: оборудование, которое непосредственно генерирует рентгеновское излучение.
• Генератор высокого напряжения (Генератор): оборудование, которое обеспечивает высокое напряжение для генерации рентгеновских лучей.
• Охладитель: оборудование, которое охлаждает высокую температуру, выделяемую в рентгеновской мишени.
• Вакуум: оборудование, поддерживающее высокий вакуум внутри рентгеновской трубки.

Классификация рентгеновского генератора

Открытый / Закрытый: классифицируется в зависимости от того, является ли рентгеновский генератор вакуумным.

• Закрытая трубка: генератор, использующий рентгеновскую трубку в вакууме стеклянной колбы.
• Открытая труба: генератор, который создает состояние вакуума с помощью вакуумного оборудования при работе оборудования.

Микро / Мини / Большой: классифицируются в соответствии с размером фокуса, в котором создается рентгеновский снимок.

• Микро (менее 10 мкм)
• Мини (10 мкм - 100 мкм)
• Большой (более 100 мкм)

3.4 Сравнение генераторов рентгеновского излучения

Таблица 3.2 Сравнение генераторов рентгеновского излучения

3.5 Рентгеновский генератор «Фокусное пятно»

• Фокусное пятно: точка, в которой электрон сталкивается с целью.
• Размер фокусного пятна

4 Вт (цель) и 10 Вт (цель)

Рисунок 3.6 Сравнение изображений по размеру фокусного пятна

• Размер фокальной точки, в которой рентгеновское излучение генерируется от цели.
• Диаметр фокусного пятна.
• Важный фактор, определяющий разрешение.
• Меньший размер уменьшает геометрическое размытие и улучшает качество экрана и возможность наблюдать мелкие детали.
• Существует разница в степени искажения при получении увеличенного изображения объекта в зависимости от размера фокусного пятна.

3.6 Сценический манипулятор (привод)

• Устройство, способное перемещать, вращать и наклонять столик или заземляющее устройство в желаемое положение.
• Когда образец большой, требуется приводное устройство, потому что область, которую можно увидеть с помощью рентгеноскопии, ограничена.
• Есть горизонтальное и вертикальное перемещение предметного столика, рентгеновского генератора и рентгеновского устройства.
• Точность поворотного стола и приводного устройства требуется для высокоточного сбора данных КТ.

3.7 Приемник рентгеновского изображения (детектор рентгеновского излучения)

Плоскопанельный детектор

Рисунок 3.9 FPD (плоскопанельный детектор)

• Сцинтиллятор: в качестве флуоресцентного материала существует два типа COS Cal.
• CMOS, CCD, TFT: фотодиод
• Основной принцип FPD: сигнал рентгеновского излучения преобразуется в видимый свет с помощью сцинтиллятора (люминофора). >> Видимый свет преобразуется в электрический сигнал с помощью фотодиода. >> Сигнал, сохраненный в каждом обращении к матрице фотодиодов (транзистора), передается на компьютер с высокой скоростью.

Усилитель изображения

Рисунок 3.11 Усилитель изображения

Рисунок 3.12 Структура усилителя изображения

Основной принцип: рентгеновское излучение проходит через входное окно из алюминия (Al) с высоким пропусканием рентгеновского излучения и низким уровнем искажения >> Поглощается люминофорным экраном (scintillator, сцинтиллятор) и преобразуется в видимый свет >> Фотокатодом видимый свет преобразуется в оптоэлектронное изображение >> Ускорение фотоэлектронов постоянным напряжением >> Фокусировка электрической линзой >> Оптоэлектронное изображение, преобразованное обратно в видимый свет

3.8 Сравнение приемников рентгеновских изображений (FPD и У.И)

Таблица 3.3 Сравнение детекторов (FPD и I.I)

4. Рентгеновский снимок

4.1 Характеристики напряжения и тока

Рисунок 4.1 Спектр рентгеновского излучения в зависимости от тока трубки и изменения напряжения трубки.

• Tube Voltage (напряжение трубки, кВп): определяет энергетический спектр рентгеновского излучения. Изменение условий в зависимости от толщины и материала образца.
• Tube Current (ток трубки, мА): определяет интенсивность рентгеновского излучения.
• Exposure Time (время экспозиции, сек): Определяет рентгеновскую экспозицию.

4.2 2D изображение

• Различие внутренней / внешней структуры в разнице светопропускании в зависимости от плотности видимого продукта
• Высокая плотность: плохое пропускание рентгеновского излучения, поэтому светоизлучающее устройство меньше реагирует - низкая мощность рентгеновского излучения
• Низкая плотность: хорошее пропускание рентгеновского излучения, поэтому светоизлучающее устройство реагирует лучше - Высокая мощность рентгеновского излучения
• Значение, соответствующее степени излучения света светоизлучающим устройством, компьютеризировано и отображается как контраст (градации серого).
• Разность уровней в соответствии со спецификацией устройства приема рентгеновских изображений (детектора), (например) 14 бит = 16384 уровня, 16 бит = 65536 уровней градаций серого.

4.3 Изображения рентгеновской компьютерной томографии (КТ)

• Процесс получения 3D-изображений путем компьютерного анализа перекрывающейся области каждого отдельного рентгеновского изображения из множества, полученных путем поворота образца на 360 градусов с изменением интенсивности рентгеновского излучения.
• Внутреннюю часть образца можно понять более интуитивно и ясно, поэтому компьютерную томографию можно использовать для анализа дефектов продукта и внутренней структуры, для сравнения с результатами стандартных измерений и т. д.
• Точность инструмента важна, потому что образец (промышленное использование) или рентгеновскую систему (медицинское использование) необходимо вращать при съемке - в этом компания DUKIN занимает передовые позиции.