Симонов Томографические измерителные информационные системы 2011

Рис. 1.13. Реконструированная по проекциям карта в рентгеновском излучении наложена на фотографию неба с остатком сверхновой, снятую

в ультрафиолетовом диапазоне

Интересный пример использования естественного томографа Земля–Солнце содержится в работе [3]. Используя аппаратуру для измерения интегральной плотности электронов вдоль прямой Солнце–Земля, можно получить двумерное изображение, в котором яркость каждой точки примерно пропорциональна полной плотности электронов вдоль одной из многих параллельных линий. Такое изображение является двумерной проекцией трехмерного распределения плотности электронов. Так как Солнце вращается вокруг своей оси, то мы получаем проекции по различным направлениям, и по этим проекциям можно получить трехмерное распределение плотности электронов.

Восстановление изображения плотности электронов в короне были использованы для получения изображения Солнца в тех направлениях, под которыми его невозможно видеть с Земли. На рис. 1.14 представлен вид Солнца, полученный на основе трехмерного восстановления с точки, находящимся над северным полюсом Солнца на оси его вращения.

31

Рис. 1.14. Полученная путем реконструкции картина Солнца с точки, находящейся над северным полюсом Солнца на оси его вращения

На рис. 1.15 приведена возможная схема, использующая принцип реконструкции для восстановления полей примесей, загрязняющих атмосферу Земли [3].

	S
Dj	Z j

Рис. 1.15. Схема для реконструкции изображений полей примесей с помощью лазера (S – лазер; {Zj} – система зеркал; {Dj} – система детекторов)

Томографические методы нашли интересное применение в геофизике [7]. На рис. 1.16 показаны типичные схемы для получения сейсмической томограммы определенного участка земной коры.

32

	Поверхность (приемник)	Скважина (источник)
источник)		(приемник)
Скважина (		Скважина

Скважина (приемник)

Рис. 1.16. Две типичные схемы получения проекционных данных в геофизике

Методы сейсмического томографирования нашли применение при разведке полезных ископаемых, контроле за напряжением в угольных шахтах, изучении горных пород в связи с захоронением радиоактивных отходов и т.д. На рис. 1.17 показана томограмма межскважиннойобластив Каруне(Швеция).

Рис. 1.17. Томограмма распределения скорости сейсмических волн в межскважинной области в Каруне

33

Интенсивное внедрение методов КТ происходит в микроскопии и дефектоскопии.

Целесообразность использования томографии в микроскопии связана с тем, что надлежащая фокусировка излучения на заданную поверхность в ряде случаев недостижима с помощью существующих методов. На практике это проявляется в затенении структур в оптической и электронной микроскопии [3].

На рис. 1.18, а представлена электронная микрограмма бактериофага. Длина черной полосы внизу рисунка соответствует 1000 Å (10–7 м). На рис. 1.18, б в области, ограниченной прямоугольником, часть отростка показана с еще большим увеличением. На рис. 1.18, в видна дифракционная картина, создаваемая этой частью отростка.

а

б

в

Рис. 1.18. Реконструкция отростка бактериофага

г

Модель строения этих объектов, полученная на основе оптического дифракционного анализа с низким разрешением, показывает, что сам отросток составлен из частей толщиной 38 Å с аксиальной

34

вращательной симметрией в виде стенки с углом скручивания 41,5°. Если предположить, что все эти сечения идентичны, то одна электронная микрограмма создает достаточно большое число проекций и тем самым делает возможным восстановление трехмерного изображения (рис. 1.18, г).

Необходимо отметить, что в настоящее время почти все сколь- ко-нибудь крупные исследования биологических структур немыслимы без электронного микроскопа с использованием методов томографии.

Стала привычной диагностика различных диэлектрических изделий с помощью рентгеновской КТ в дефектоскопии. Достигаемое при этом локальное разрешение составляет 15 мкм при диаметре исследуемой области, равном 240 мм. Проводится контроль узлов реактивных двигателей и турбин, конструкций вертолетов и конденсаторов. С помощью рентгеновской компьютерной томографии имеется возможность принципиального решения задачи дефектоскопии гексагональной решетки ТВЭЛов ядерных реакторов. Аналогичная задача решается с использованием в качестве источника излучения быстрые нейтроны.

Снимки, полученные с помощью пучков нейтронов, можно использовать для восстановления изображений, а следовательно, инспекции топливных узлов ядерных реакторов, которые находятся внутри стальных связок, допускающих проверку. На рис. 1.19, а показана топливная связка с 91 тепловыделяющим элементом. В этом узле находятся три контрольных элемента, которые в сечении при реконструкции изображения должны давать пустые места. Типичный снимок этого топливного узла, получаемый с помощью нейтронов показан на рис. 1.19, б. Изображение сечения, восстановленное по 20 таким снимкам топливного узла, показано на рис. 1.19, в.

В аэро- и гидродинамике возникает необходимость изучать несимметричные распределения полей плотности, температуры, скорости и т. д. Применение методов КТ в аэродинамике, где с помощью импульсной голографической интерферометрии изучались характеристики несимметричных распределений полей плотности газа около конуса при разных углах атаки, показало их эффективность [11].

35

Падающий пучок нейтронов

	Фильтр из кадмия
10°	Связка из 91 тепловыделяющего
	элемента, сориентированная

под углом 10° к направлению пучка нейтронов

	р
	е
	м
	з
	а	м
	р
		с
	й
		8
	ы,
	н		5
	ь
	л
	а
	е
	Р

а

Затемненные элементы имеют пустые секции

Фильтр из гадолиния Фольга из индия Экран из кадмия

б							в

Рис. 1.19. Нейтронная радиограмма и томограмма топливной связки

Эмиссионные измерения используются для восстановления поля коэффициентов испускания турбулентного водороднокислородного пламени. Интересна схема компьютерной томографии для излучения нестационарных струйных течений [12] (рис. 1.20.)

36

Лазер

Рис. 1.20. Схема диагностики нестационарных струйных течений с помощью лазера

Одним из перспективных методов сбора данных и реконструкции изображения по проекциям является метод, основанный на использовании явления ядерного магнитного резонанса.

Когда объект исследования помещен в градиентное магнитное поле, то резонансная частота магнитного резонанса от ядер или неспаренных электронов зависит от величины приложенного в данном месте магнитного поля. Суммарный сигнал от области пересечения поверхности магнитного поля трехмерного объекта является одним из элементов одномерной проекции трехмерного сигнала. В поле с постоянным линейным градиентом график таких сигналов от частоты является одномерной проекцией полной интенсивности сигнала в направлении, перпендикулярном вектору градиента. Если изменять направление градиента поля, то можно получать данные и о других проекциях, и по ним восстановить двухили трехмерное изображение объектов. Для примера на рис. 1.21 приведены макетный объект в виде пластмассового диска диаметром 14 мм с N- образной полостью в нем, заполненной водой, а так же графики

37

нескольких проекций, полученные методом ядерного магнитного резонанса [3]. Реконструированное изображение этого макетного объекта приведено на рис. 1.22.

105° 75°

135°	45°

175°

14 мм

y	3 мм

2 мм 15°

z

B

x

Рис. 1.21. Изображение тест-объекта, а также выборочные спектры частей, являющиеся проекционными данными

Рис. 1.22. Изображение тест-объекта (рис. 1.21), реконструированное на 180 проекциях методом ядерного магнитного резонанса

38

На рис. 1.23 показан ЯМР-томограф на сверхпроводящем магните 0,5 Тл для всего тела человека, на рис. 1.24 изображения, получаемые на ЯМР-томографе.

Рис. 1.23. ЯМР-томограф со сверхпроводящим магнитом на 0,5 Тл

а

б

в

Рис. 1.24. Томографические изображения мозга человека, полученные на ЯМР-томографе:

а – время поперечной релаксации атомов Т1; б – время продольной релаксации атомов Т2; в – плотность протонов водорода

39

Все большее развитие приобретает эмиссионная реконструктивная томография. Ее цель – количественно определить временные изменения в химических процессах, протекаемых в организме человека, и физиологических потоках инъектированных соединений, меченных радиоактивными изотопами. Здесь применяют два направления:

на основе цифровой гамма-камеры Энгера, где используют долгоживущие изотопы;

на основе ПЭТ-томографии, где используются, как правило, короткоживущие изотопы.

В обоих случаях распределение, которое необходимо восстановить, соответствует распределению радиоактивности в сечении объекта исследования, а измерения используются для оценки общей активности вдоль линии с известным положением. На рис. 1.25

и1.26 приведены снимки томографической гамма-камеры и ПЭТтомографа.

а

б

Рис. 1.25. Томографическая гамма-камера (а), имеющая две цифровых камеры Энгера. Определяется распределение изотопа по гамма-излучению (б)

Самые большие успехи достигнуты рентгеновской трансмиссионной компьютерной томографией. Суть ее можно изложить при помощи двух рисунков. На рис. 1.27 приведен эскиз типичной ус-

40