Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 2, стр. 194-197

Блок предварительной обработки данных

Блок предварительной обработки данных позволяет контролировать и корректировать сохранение инварианта Радона на рентгеновских проекциях. На этом этапе происходит процедура коррекции рентгеновских проекций: удаление темнового тока детектора и нормировка данных относительно интенсивности падающего излучения в отсутствие объекта. На рис. 1 представлены характерные необработанные рентгеновские изображения: рентгеновский пучок без объекта, темновой ток детектора (изображение в отсутствие рентгеновского пучка) и изображение объекта.

Рис. 1.

Пример рентгеновских изображений, поступающих на вход модуля предварительной обработки данных.

На рис. 2 представлено отнормированная рентгеновская проекция объекта с коррекцией на форму рентгеновского пучка и собственный шум детектора.

Рис. 2.

Пример отнормированного изображения.

Этот модуль также позволяет проверить уровень стабильности пучка на разных проекциях и по желанию пользователя провести нормировку по тем областям кадра, на которых нет изображения объекта. Описанная процедура позволяет в предположении о неизменности формы рентгеновского пучка скорректировать изменение интенсивности, происходящее в ходе длительных изменений, и тем самым подавить так называемые кольцевые артефакты на томографических реконструкциях [5, 6]. В этом же модуле происходит проверка инварианта поглощения объекта при его повороте в процессе томографического исследования. Дело в том, что в процессе проведения измерения объект вращается вокруг фиксированной оси, однако при этом должен сохраняться инвариант Радона (интегральный коэффициент линейного ослабления излучения объектом): $\int {\ln (I/{{I}_{0}})} dt$ = = $\int {\int {\mu (x,y)dsdt} } $ = $\iint {\mu (x,y)}dxdy = R,$ где I₀ начальная интенсивность прямолинейного луча, а I – его интенсивность после прохождения через объект, µ – линейный коэффициент ослабления рентгеновского излучения объектом. Сумма по всем каналам логарифмированной проекции не должна зависеть от номера проекции. Нарушение этого инварианта говорит о нарушении стабильности зондирующего пучка или о появлении эффектов, отличных от поглощения, например, рассеяния или отражения. Модуль предобработки данных производит коррекцию изменения инварианта Радона следующим образом:

Пример исходной синограммы, скорректированной синограммы и значение инварианта Радона до и после коррекции представлено на рис. 3.

Рис. 3.

Слева сверху – исходная синограмма, слева снизу – скорректированная синограмма, справа – значение инварианта Радона до и после процедуры коррекции.

Модуль поиска угла наклона оси вращения объекта относительно столбцов детектора

Алгоритм, реализованный в этом модуле, опирается на предположение, что в параллельном рентгеновском пучке при повороте объекта на 180° вокруг своей оси его рентгеновское изображение становится зеркально отображенным относительно изображения, полученного при 0° (рис. 4). Исходя из этого, происходит оптимизационный поиск минимума двумерной функции различия двух изображений относительно друг друга при их взаимном повороте и сдвиге. В качестве минимизируемой функции было выбрано нормализованное среднеквадратичное отклонение (NRMSD) по всевозможным сдвигам и углам наклона оси (рис. 5). В реальных экспериментах угол наклона может составлять до 0.5 градусов, что приводит к потере разрешения по краям объекта до 4 пикселей при размере детектора 1000 на 1000 пикселей. Внедрение этой коррекции позволило существенно улучшить качество реконструкции и полностью автоматизировать процесс обработки.

Рис. 4.

а – Проекция при угле 0°, б – проекция при угле 180°, в – разница между изображениями без коррекции оси вращения, г – разница между изображениями после коррекции оси вращения.

Рис. 5.

Значение минимизируемой функции отличия между изображениями, в зависимости от сдвига оси вращения.

На рис. 6 показаны томографические реконструкции биологического объекта до и после предобработки рентгеновских проекций. Видно, что примененные коррекции позволили существенно улучшить качество томографической реконструкции: удалось избавиться от серповидных артефактов на поглощающих включениях и повысить пространственное разрешение.

Рис. 6.

Сверху – томографическая реконструкция объекта после применения коррекций, снизу – томографическая реконструкция объекта без применения коррекций.