Исследование артефактов немоноэнергетичности и рассеяния в компьютерной томографии неоднородных объектов с осевой симметрией

Предложена имитационная модель оценки артефактов немоноэнергетичности и рассеяния в компьютерной томографии в геометрии параллельного пучка на примере неоднородных объектов с осевой симметрией. Алгоритм моделирования состоит из блока формирования проекций и блока реконструкции изображений сечений объекта на основе обратного преобразования Абеля. Разработанный алгоритм реализован в виде программы на MathCad. Эффективность алгоритма и программы продемонстрирована на примере многослойного шара. Доказана близость модельных и экспериментальных оценок радиальных распределений линейного коэффициента ослабления излучения.

Список сокращений и обозначений ………………………………………………………………………………………………. 12
Сокращения ……………………………………………………………………………………………………………………………… 12
Обозначения …………………………………………………………………………………………………………………………….. 13
Нормативные документы ………………………………………………………………………………………………………….. 14
Введение ……………………………………………………………………………………………………………………………………… 17
Актуальность темы ……………………………………………………………………………………………………………………. 17
1 Обзор литературы, выбор цели диссертационных исследований и постановка задач ………………….. 23
1.1 Обзор литературы ……………………………………………………………………………………………………………….. 23
1.1.1 Рентгеновская компьютерная томография: исторические вехи и имена ………………………….. 23
1.1.2 Артефакты в рентгеновской компьютерной томографии: краткий обзор литературы ………. 27
1.1.3 Методы исследования артефактов в рентгеновской компьютерной томографии …………….. 30
1.2 Объекты контроля ……………………………………………………………………………………………………………….. 31
1.3 Цель диссертационных исследований и задачи её реализующие ………………………………………….. 33
2 Адаптация математической модели формирования синограмм применительно к объектам с осевой
симметрией………………………………………………………………………………………………………………………………….. 35
2.1 Схема формирования проекций в рентгеновской компьютерной томографии в геометрии
параллельного пучка излучения ………………………………………………………………………………………………… 35
2.2 Исходные параметры виртуальной системы РКТ …………………………………………………………………… 37
2.2.1 Характеристики источника рентгеновского излучения …………………………………………………….. 37
2.2.2 Характеристики детектора рентгеновского излучения …………………………………………………….. 38
2.2.3 Параметры поворотного стола ……………………………………………………………………………………….. 38
2.3 Адаптация модели формирования синограмм в РКТ …………………………………………………………….. 39
2.3.1 Модель формирования «идеальной» синограммы…………………………………………………………. 39
2.3.2 Связь «идеальной» синограммы и синограммы для рентгеновского излучения ………………. 40
2.3.3 Адаптация модели формирования с учётом трансформации энергетического спектра
источника рентгеновского излучения …………………………………………………………………………………….. 41
3 Алгоритмы обработки синограмм в рентгеновской компьютерной томографии…………………………… 43
3.1 Реконструкция с помощью обратного преобразования Радона……………………………………………… 43
3.1.1 Прямое преобразование Радона ……………………………………………………………………………………. 43
3.1.2 Обратное преобразование Радона …………………………………………………………………………………. 43
3.2 Реконструкция методом обратной проекции с фильтрацией …………………………………………………. 44
3.2.1 Фильтрация исходной синограммы………………………………………………………………………………… 44
3.2.2 Обратная свёртка …………………………………………………………………………………………………………… 44
3.2.3 Наличие артефакта и его мера ……………………………………………………………………………………….. 44
3.3 Оценка радиального распределения ЛКО с помощью обратного преобразования Абеля ………. 45
3.3.1 Прямое преобразование Абеля ……………………………………………………………………………………… 45
3.3.2 Обратное распределение Абеля …………………………………………………………………………………….. 46
3.3.3 Наличие артефакта и его мера в РКТ осесимметричных объектов …………………………………… 46
4 Алгоритм (программа) для имитационного моделирования артефактов в РКТ применительно к
осесимметричным объектам ………………………………………………………………………………………………………… 47
4.1 Программа формирования проекций в РКТ с учётом ужесточения пучка излучения и рассеяния
на примере многослойного шара ………………………………………………………………………………………………. 47
4.1.1 Блок формирования данных по ослаблению гамма-излучения ……………………………………….. 48
4.1.2 Блок ввода данных по ослаблению фотонного излучения ………………………………………………. 49
4.1.3 Зависимость МКО z-ого элемента, ЛКО материала детектора от энергии x, зависимость
эффективности регистрации от энергии x и толщины детектора hd ………………………………………….. 49
4.1.4 Трансформация энергетического спектра рентгеновского излучения ………………………………. 50
4.1.5 Подпрограмма-функция для вычисления толщины объекта контроля в д.с.п. для энергии x
……………………………………………………………………………………………………………………………………………… 50
4.1.6 Поток фотонов за ОК ……………………………………………………………………………………………………… 50
4.1.7 Вычисление толщины объекта по лучу с координатами (x,y) …………………………………………… 51
4.2 Алгоритм (программа) реконструкции изображений сечений на основе обратного
преобразования Абеля ……………………………………………………………………………………………………………… 53
5 Моделирование артефактов в РКТ на примере многослойного шара …………………………………………… 57
5.1 Моделирование и обработка синограмм для гамма-излучения …………………………………………….. 57
5.2 Оценка артефактов рассеяния в РКТ для моноэнергетического гамма-излучения ………………….. 62
5.3 Моделирование артефактов ужесточения пучка в РКТ ………………………………………………………….. 63
5.3.1 Энергетический спектр без учёта характеристического излучения …………………………………… 63
5.3.2 Энергетический спектр с учётом характеристического излучения ……………………………………. 66
6 Валидация имитационной модели оценки артефактов ужесточения пучка и рассеяния в
компьютерной томографии …………………………………………………………………………………………………………… 67
6.1 Сравнение модельных и экспериментальных оценок артефакта ужесточения пучка ……………… 67
6.2 Сравнение модельных и экспериментальных оценок артефакта рассеяния …………………………… 69
Заключение ………………………………………………………………………………………………………………………………….. 71
7 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение ……………………………………. 72
7.1 Оценка делового потенциала и перспектив для исследований с точки зрения
ресурсоэффективности ……………………………………………………………………………………………………………… 72
7.2 План исследования ……………………………………………………………………………………………………………… 73
7.2.1 Структура работы …………………………………………………………………………………………………………… 73
7.2.2 Определить сложность работы ………………………………………………………………………………………. 74
7.2.3 Установить график научных исследований ……………………………………………………………………… 74
7.3 Исследования и разработки бюджета …………………………………………………………………………………… 76
7.3.1 Расчет стоимости материала НТИ …………………………………………………………………………………… 76
7.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ …… 77
7.3.3 Основная заработная плата исполнителей темы …………………………………………………………….. 78
7.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые пожертвования) …………………………………. 80
7.3.5 Бюджетный исследовательский проект ………………………………………………………………………….. 81
7.4 Определение ресурсов (экономия ресурсов), финансов, бюджета, социального и
экономического равенства ………………………………………………………………………………………………………… 81
8. Социальная ответственность ……………………………………………………………………………………………………… 84
8.1 Производственная безопасность ………………………………………………………………………………………….. 84
8.2 Отклонение показателей микроклимата в помещении …………………………………………………………. 84
8.3 Превышение уровней шума …………………………………………………………………………………………………. 85
8.4 Повышенный уровень электромагнитных излучений ……………………………………………………………. 87
8.5 Поражение электрическим током ………………………………………………………………………………………… 89
8.6 Недостаточная освещённость рабочей зоны …………………………………………………………………………. 90
8.7 Пожарная опасность ……………………………………………………………………………………………………………. 95
8.8 Экологическая безопасность ………………………………………………………………………………………………… 96
8.9 Безопасность в чрезвычайных ситуациях………………………………………………………………………………. 98
8.10 Перечень нормативно-технической документации ……………………………………………………………… 99
Список публикаций студента ……………………………………………………………………………………………………. 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ………………………………………………………………………………. 101
Приложение А …………………………………………………………………………………………………………………………. 114
Literature review, selection of the goal of research and problem statement ……………………………………. 114
1 Literature review, selection of the goal of dissertation research and problem statement ……………….. 115
1.1 Literature review …………………………………………………………………………………………………………………. 115
1.1.1 X-ray computed tomography: historical milestones and names ………………………………………….. 115
1.1.2 Artefacts in X-ray computed tomography: a brief review of literature …………………………………. 119
1.1.3 Methods of studying artefacts in X-ray computed tomography…………………………………………… 121
1.2 Objects of control ………………………………………………………………………………………………………………… 122
1.3 The goal and objectives of the dissertation …………………………………………………………………………….. 122
2 Adaptation of the mathematical model of synogram formation to objects with axial symmetry …………. 123
2.1 A scheme of projection formation in X-ray computed tomography in the geometry of a parallel
radiation beam …………………………………………………………………………………………………………………………. 124
REFERENCES …………………………………………………………………………………………………………………………………