Разработка полиэнергетического компьютерного томографа, основанного на импульсном источнике рентгеновского излучения, для определения близких по рентгенопоглощающим свойствам веществ и для регистрации объектов, движущихся по заданному циклу.

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10013

НазваниеРазработка полиэнергетического компьютерного томографа, основанного на импульсном источнике рентгеновского излучения, для определения близких по рентгенопоглощающим свойствам веществ и для регистрации объектов, движущихся по заданному циклу.

Руководитель Комарский Александр Александрович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-302 - Корпускулярные, плазменные и лучевые источники для исследований и практики

Ключевые слова Компьютерноая томография, двухэнергетический КТ, импульсный рентгеновский источник, рентгеновское излучение, полупроводниковый прерыватель тока, электронная эмиссия, спектр рентгеновского излучения, обработка рентгенопроекционных изображений, обогащение руд, сепарация минерального сырья

Код ГРНТИ47.29.39

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На практике компьютерная томография начала развиваться относительно недавно, это связано с появлением цифровых детекторов рентгеновского излучения и мощных рентгеновских источников. Решение проблем получения контрастных изображений на рентгеновских проекционных изображениях и компьютерных томографических (КТ) срезах для близких по плотности веществ на основе моноэнергетических пучков рентгеновского излучения даст хорошую научную основу для применения метода по определению включений в горных породах, медицинской диагностике. В работе предполагается разработка рентгеновского источника импульсного излучения с изменяемым выходным напряжением, достигающего в максимуме 600 кВ, и высокой удельной энергией. Применение такого типа генератора, а также разработка математических алгоритмов позволит из сплошного тормозного спектра выделять энергетические диапазоны близкие к моноэнергетическим, что даст возможность получать информативные снимки объектов исследования, поскольку в настоящее время используется только аппаратная часть. Данные снимки будут применены для двухэнергетической и полиэнергетической обработки. В спектре излучения описанного источника присутствуют кванты с энергиями излучения вплоть до 600 кэВ, поэтому можно получить гораздо больше моноэнергетических полос излучения, чем для источников излучения применяемых в настоящее время. Благодаря высокой энергии излучения появляется возможность просвечивать объекты эквивалентные толщине алюминия 70 мм. Развитие методов обработки для двухэнергетической КТ и разработка методов полиэнергетической КТ, повысят избирательность и точность определения искомых веществ, уменьшится время обработки, будет возможно детектирование более мелких фракций, а также удастся исключить зависимость от толщины искомых объектов. Решение поставленной проблемы приведет к развитию, как научных основ полиэнергетической проекционной рентгенографии и КТ, так и откроет возможности для широкого практического применения. Данный проект направлен на решение комплекса задач, который включает в себя как создание новой аппаратной базы для исследований, так и разработку новых методов получения рентгеновских снимков при разной энергии от источника, генерирующего импульсное рентгеновское излучение сплошного спектра, а также алгоритмов для двухэнергетической и полиэнергетической обработки рентгеновских снимков, получаемых в одной проекции и при КТ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Комарский А.А., Корженевский С.Р., Пономарев А.В., Чепусов А.С. Dual-Energy Processing of X-ray Images of Beryl in Muscovite Obtained Using Pulsed X-ray Sources Sensors, Sensors 2023, 23, 4393. (год публикации - 2023)
10.3390/s23094393

2. Комарский А.А., Пономарев А.В., Корженевский Н.С. Numerical Modeling and Experimental Study of Hidden Minerals in Waste Rock Using Dual-Energy X-ray Image Processing IEEE, Proceedings - 2023 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2023, (23240989), 825–830 (год публикации - 2023)
10.1109/ICIEAM57311.2023.10139056

3. Комарский А.А., Пономарев А.В., Криницин В.В. Application of YOLO Algorithm for Segmentation and Classification of Minerals in CT Slices Obtained by Dual- and Multi-Energy CT Proceedings - 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2024, IEEE, Proceedings - 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2024, 2024, страницы 880–885 (год публикации - 2024)
10.1109/ICIEAM60818.2024.10553944

4. Криницин В.В., Комарский А.А., Чепусов А.С., Корженевский С.Р. СНИЖЕНИЕ ВЛИЯНИЯ КРАЕВЫХ ЭФФЕКТОВ ПРИ ТОМОГРАФИЧЕСКОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЗА СЧЕТ ЗАСЫПКИ ИССЛЕДУЕМОГО ОБРАЗЦА НА ПРИМЕРЕ БЕРИЛЛОСОДЕРЖАЩЕЙ РУДЫ СПбГЭТУ «ЛЭТИ» X Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции., Криницин В.В., Комарский А.А., Чепусов А.С., Корженевский С.Р.. X Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2023. стр. 35-39. (год публикации - 2023)

5. Комарский А.А., Криницин В.В., Пономарев А.В., Чепусов А.С., Красный О.Д., Корженевский Н.С. ДВУХЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КТ БЕРИЛЛСОДЕРЖАЩЕЙ РУДЫ Изд-во СПб.:СПбГЭТУ «ЛЭТИ» X Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции., X Всероссийская научно-практическая конференция производителей рентгеновской техники. Программа и материалы конференции. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2023. стр. 31-34 (год публикации - 2023)

6. Комарский А.А., Бессонова В.А., Чепусов А.С., Красный О.Д., Корженевский Н.С. Separation of Particular Energy Bands from the Bremsstrahlung Spectrum of a Pulsed X-ray Source for the Purpose of Dual-Energy X-ray Imaging 2022 IEEE, International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences, SIBIRCON 2022,, 2022 IEEE International Multi-Conference on Engineering, Computer and Information Sciences, SIBIRCON 2022, 2022, pp. 1440–1443 (год публикации - 2022)
10.1109/SIBIRCON56155.2022.10017036

7. Комарский А.А., Корженевский С.Р., Пономарев А.В., Чепусов А.С., Криницин В.В., Красный О.Д. Comparison of Methods for Modifying the Emission Spectrum of a Pulsed X-ray Source to Determine the Most Effective Dual-Energy Image Processing Pleiades Publishing, Ltd. Russian Journal of Nondestructive Testing , Russian Journal of Nondestructive Testing, 2024, Vol. 60, No. 9, pp. 1040–1050. © Pleiades Publishing, Ltd., 2024. Russian Text © The Author(s), 2024, published in Defektoskopiya, 2024, No. 9, pp. 40–51. (год публикации - 2024)
10.1134/S1061830924602459

8. Комарский А.А., Корженевский С.Р., Криницин В.В. Method for obtaining and dual- energy processing of X-ray sinograms for identifying low-contrast ubstances in CT using sources with a continuous radiation spectrum «Компьютерная оптика Computer Optics», Самара, Komarskiy AA, Korzhenevskiy SR, Krinitsin VV. Method for obtaining and dual-energy processing of X-ray sinograms for identifying low-contrast ubstances in CT using sources with a continuous radiation spectrum. Computer Optics 2025; 49(2): 282-291. (год публикации - 2025)
10.18287/2412-6179-CO-1485

9. Komarskiy A.A., Krinitzin V.V., Korzhenevskiy N.S., Chepusov A.S., Bessonova V.A., Panin CT Scanning of an Object Moving Along a Cyclic Trajectory Using a Pulsed X-ray Source IEEE, IEEE, 2024 IEEE 3rd International Conference on Problems of Informatics, Electronics and Radio Engineering (PIERE) pp. 530-534. (год публикации - 2024)
10.1109/PIERE62470.2024.10804865

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Главным результатом данного этапа работы является разработка мультиэнергетического алгоритма обработки рентгеновских изображений, который обеспечил возможность определения близких по составу, плотности и рентгенопоглощающим свойствам веществ. Решена проблема того, что для отдельных изображений, полученных при низко-, средне- и высокоэнергетических спектрах рентгеновского излучения, на КТ срезах частицы невозможно отличить друг от друга и классифицировать, т.к. они имеют близкую яркость. Алгоритм включает в себя комбинацию методов двух- и мультиэнергетичской обработки. На первом этапе применяется двухэнергетическая обработка, что позволяет с высокой долей вероятности некоторые частицы однозначно идентифицировать. За счет мультиэнергетической обработки КТ срезов, т.е. обработки с учетом вклада всех спектров излучения, избирательность повышается и удается детектировать остальные частицы, которые практически не отличались от вмещающей породы после двухэнергетических преобразований. Классификация и сегментация частиц выполняются с использованием нейронной сети сверхточного типа YOLOv5. После локализации частиц нейронной сетью и их классификации, мы применили калоризацию, в результате чего каждый тип частиц окрашивается в отдельный цвет для визуализации и улучшения различимости на изображениях. Для проведения данного эксперимента была модернизирована система поворота образца, разработаны гальваническая и оптическая развязки для защиты блока управления и ПК от электромагнитных импульсных помех, создано ПО для автоматического управления поворотом образца, смены фильтров, запуска генератора с нужной частотой. Ядром блока управления является микроконтроллер (МК) ATMega 328, который управляет исполнительными механизмами двигателей, рентгеновским генератором, плоскопанельным рентгеновским детектором. Для более эффективного изменения спектра излучения используется изменение напряжения на импульсном рентгеновском источнике в совокупности с рентгенопоглощающими фильтрами. Регулировка выходного напряжения осуществлена за счет снижения заряда на первичном накопителе энергии и дополнительного подмагничивания сердечника трансформатора, являющегося также магнитным ключом. Данная комбинация позволяет повысить КПД импульсного рентгеновского источника до 20%, тогда как регулировка только одним из указанных способов приводит к рассогласованию контуров и потерям энергии в импульсе. Проведено КТ сканирование объекта движущегося по повторяющейся траектории с использованием импульсных источников излучения. За счет того, что длительность рентгеновской вспышки составляет порядка 50 нс, то изображение движущегося объекта получается с высокой резкостью без смазыывания. Для получения набора данных, необходимых для дальнейшей реконструкции КТ срезов, применяется синхронизации импульсов рентгена с положением объекта по датчику Холла. Объект размещен на поворотной платформе, при заданных углах поворота генерируются наносекундные рентгеновские импульсы в моменты, когда движущийся объект находится в определенном положении. Сравнительный анализ КТ срезов не показывает различий между неподвижным объектом и объектом, находящимся в движении. Результаты опубликованы в рецензируемых изданиях, представлены на Международной и Всероссийской конференциях.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Использование КТ-сканера при исследованиях динамических объектов в производственных процессах может повысить качество контроля за выпускаемой продукцией, а также помочь в разработке более надежных изделий и отдельных узлов сложных механизмов. Например, такая задача остро стоит на АО «ОДК-Пермские моторы» при разработке авиадвигателей и газотурбинных установок. Создание и внедрение новых алгоритмов обработки изображений и методов мультиэнергетического анализа рентгеновских изображений может может быть применено в биологии, горнодобывающей промышленности, досмотровом контроле. Это будет способствовать развитию высоких технологий в России. Внедрение результатов полученных в проекте и дальнейшее их развитие будет способствовать росту конкурентоспособности российских предприятий не только внутри страны, но и на международной арене.