ЭТАЛОННЫЙ ОБЪЕКТ ДЛЯ РЕНТГЕНОДЕНСИТОМЕТРИИ
REFERENCE OBJECT FOR X-RAY DENSITOMETRY

Изобретение относится к рентгеновским исследованиям объектов, а точнее к устройствам для рентгеноденситометрии, и может быть использовано в неразрушающем контроле для определения чувствительности радиографического контроля, определения плотности или толщины внутренних деталей непрозрачных объектов при анализе рентгеновского изображения, в медицине и стоматологии для определения плотности костной ткани. Кроме того, может быть использовано для определения эквивалента ослабления по алюминию, меди, свинцу, слоя половинного ослабления определенными металлами, для оценки качества рентгеновского излучения.
Известен эталон для рентгеноденситометрии, выполненный в виде пластины со ступенчато изменяющейся толщиной. Каждая ступень является элементом калиброванного ослабления рентгеновского излучения (аналог: патент Республики Беларусь BY 1782, МПК G01J 1/04. Эталон для денситометрического определения оптической плотности материалов. Авторы: Белодед Л.В., Маркварде М.М. 2005.03.30).
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения вследствие искажения результатов измерения при расположении плоскости эталона не перпендикулярно рентгеновскому лучу, а под некоторым углом.
Наиболее близким к заявленному является эталонный объект для рентгеноденситометрии, представляющий собой набор параллельно расположенных элементов этого объекта различной калиброванной толщины, выполненных в форме цилиндров, подвижно соединенных между собой (Прототип: авт. свид. SU 1275276, МПК G01N 23/04, G01N 9/24. Эталонный объект для рентгеноденситометрии. Авторы: Рыбаков А.И., Черний А.Н., Куликов Е.А., опубл. 07.12.1986).
В известном устройстве элементы различной калибровочной степени ослабления выполнены в виде металлических цилиндров разной толщины. Степень ослабления рентгеновского излучения задается диаметром цилиндра. Цилиндрическая форма придает нечувствительность точности измерений к углу расположения цилиндрического элемента по отношению к рентгеновскому лучу в плоскости сечения цилиндра.
Недостатком известного устройства является низкая точность измерения степени ослабления рентгеновского излучения из-за геометрических искажений при отклонении оси цилиндров от перпендикулярности рентгеновскому лучу. Кроме того, к низкой точности измерения приводит неравномерная толщина поглощающего слоя металла у цилиндра. Для измерения степени ослабления излучения заданной толщиной металла, из которого изготовлен цилиндр, пригодна лишь узкая область цилиндра, расположенная вдоль его центральной оси вблизи его осевого сечения, которая несет информацию о его калибровочной толщине. Причем точность измерения дополнительно снижается с уменьшением диаметра ослабляющих элементов (цилиндров), используемых для получения малых степеней ослабления излучения. Все указанные недостатки усложняют и затрудняют процесс измерения.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков известного решения, то есть повышение точности проведения рентгеноденситометрии и расширение геометрического размера поля калибровочной степени ослабления эталонного объекта.
Поставленная задача решается тем, что в эталонном объекте для рентгеноденситометрии, содержащем набор элементов различной калибровочной степени ослабления рентгеновского излучения, согласно изобретению, элементы эталонного объекта выполнены в виде металлических оболочек сферической формы, имеющих одинаковый наружный диаметр и различную толщину, а также центрально расположенную полость, которая заполнена однородной смесью из металлического порошка того же металла, что и металл оболочек, и рентгенопрозрачного наполнителя, при этом калибровочную степень ослабления рентгеновского излучения каждого элемента эталонного объекта определяют через эквивалентную толщину этого элемента, которую вычисляют с помощью формул:
h=2[k(0.5D-d)+d]
и
где h - калибровочная степень ослабления рентгеновского излучения элемента эталонного объекта, выраженная через эквивалентную толщину того же металла, из которого изготовлена оболочка этого элемента, мм;
D - заданный наружный диаметр оболочек элементов эталонного объекта, мм;
d - заданная толщина металлической оболочки элемента эталонного объекта, мм;
k - вычисленная объемная доля металлического порошка того же металла, что и металл оболочки элемента в смеси с рентгенопрозрачным наполнителем.
Технический результат изобретения выражается в независимости калибровочной степени ослабления от угла падения луча рентгеновского излучения и в повышении равномерности распределения ослабляющих свойств элементов по их сечению. Независимость калибровочной степени ослабления от угла падения луча рентгеновского излучения обеспечивается центрально-симметричной формой сферической оболочки. Задавая толщину сферической оболочки, можно изменять калибровочную степень ослабления при неизменном заданном наружном диаметре каждого элемента эталонного объекта. Применение смеси, заполняющей полость, выравнивает эквивалентную толщину на большей части сечения сферического элемента за счет того, что геометрическая толщина слоя металла сферической оболочки для проходящего рентгеновского луча увеличивается от центра к периферии, а геометрическая толщина слоя заполняющей смеси, наоборот, уменьшается к периферии. При этом поглощательная способность заполняющей смеси зависит от объемной доли металлического порошка, а рентгенопрозрачный наполнитель удерживает частицы порошка, обеспечивая однородность смеси. Для заданных наружного диаметра и толщины оболочки элемента эталонного объекта объемную долю порошка металла вычисляют по предложенной формуле, при этом эквивалентная толщина элемента выравнивается на большей части его сечения, обеспечивая тем самым расширение геометрического размера поля калибровочной степени ослабления элемента заявленного эталонного объекта.
Техническая сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 показан набор из пяти элементов эталонного объекта, диаметральный разрез (цифрами обозначен порядковый номер элемента объекта в наборе);
на фиг. 2 - объемный вид элемента эталонного объекта с частичным вырезом в его оболочке, полость которой заполнена смесью металлического порошка с рентгенопрозрачным наполнителем;
на фиг. 3 - график вычисленной эквивалентной толщины каждого из семи элементов заявляемого эталонного объекта с одинаковым наружным диаметром оболочек, составляющим 10 мм (для сравнения пунктирными линиями приведены показатели толщины элементов прототипа);
на фиг. 4 - рентгеновский снимок эталонного объекта, состоящего из пяти элементов (цифрами обозначен порядковый номер элемента объекта в наборе).
Заявляемый эталонный объект для рентгеноденситометрии содержит набор из нескольких (например, из 5-7) элементов 1 различной калибровочной степени ослабления рентгеновского излучения. Элементы 1 выполнены в виде металлических оболочек 2 сферической формы, имеющих одинаковый наружный диаметр D, величину которого задают в зависимости от области применения и конкретных условий измерения. В качестве материала металлических оболочек 2 могут быть использованы, например, медь или алюминий. Оболочки 2 имеют различную толщину d, наименьшую величину которой задают для первой в наборе оболочки 2 и ступенчато увеличивают для каждой последующей оболочки 2. Каждая из оболочек 2 имеет полость (на чертежах не обозначено), расположенную в ее центральной части (фиг. 1 и 2). С увеличением толщины d оболочек 2 объем полости уменьшается. Каждая полость заполнена однородной смесью 3 металлического порошка, изготовленного из того же металла, что и металл оболочек 2, и рентгенопрозрачного наполнителя, который может представлять собой, например, порошок полистирола или эпоксидную смолу, а также другие органические и неорганические вещества и материалы, способные фиксировать равномерно распределенные частицы металлического порошка в полости оболочек 2. Объемную долю металлического порошка в однородной смеси 3 с рентгенопрозрачным наполнителем вычисляют таким образом, чтобы она обеспечивала наилучшую равномерность ослабления рентгеновского излучения в пределах рабочей области сечения элементов 1. Ввиду того что элементы 1 предложенного эталонного объекта имеют различную толщину d оболочек 2 и разное объемное содержание металлического порошка в смеси 3 с рентгенопрозрачным наполнителем, калибровочную степень ослабления рентгеновского излучения каждого элемента 1 эталонного объекта определяют через эквивалентную толщину этого элемента 1, которую вычисляют с помощью формул:
h=2[k(0.5D-d)+d]
и
где h - калибровочная степень ослабления рентгеновского излучения элемента 1 эталонного объекта, выраженная через эквивалентную толщину того металла, из которого изготовлена оболочка 2 этого элемента 1, мм;
D - заданный наружный диаметр оболочек 2 элементов 1 эталонного объекта, мм;
d - заданная толщина металлической оболочки 2 элемента 1 эталонного объекта, мм;
k - вычисленная объемная доля металлического порошка того же металла, что и металл оболочки 2 элемента 1 в однородной смеси с рентгенопрозрачным наполнителем.
На фиг. 3 показаны рассчитанные с помощью формул кривые эквивалентной толщины семи элементов 1 заявляемого эталонного объекта с одинаковым наружным диаметром D оболочек 2, составляющим 10 мм (для сравнения пунктирными линиями приведены показатели толщины элементов прототипа). Зависимости эквивалентной толщины каждого элемента заявляемого объекта от расстояния до центра по радиусу имеют области практически постоянных значений (горизонтальные участки), которые определяют геометрический размер поля калибровочной степени ослабления элементов 1. Из фиг. 3 видно, что предложенное техническое решение позволяет расширить геометрический размер поля калибровочной степени ослабления в пределах от 4 до 9 мм сечения сферического элемента 1 диаметром 10 мм, в то время как у прототипа геометрический размер поля калибровочной степени ослабления не превышает 1 мм (пунктирные линии на фиг. 3).
Ниже приведены примеры выполнения предлагаемого эталонного объекта.
1. Пример медного эталонного объекта
Предлагаемый эталонный объект для рентгеноденситометрии может состоять из семи элементов 1, выполненных в виде медных оболочек 2 с наружным диаметром D равным 10 мм, изготовленных из листовой меди разной толщины d. Полости сферических оболочек 2 заполнены однородной смесью 3 из порошка меди с порошком полистирола. Характеристики элементов 1 представлены в таблице 1, где использованы следующие обозначения:
d - заданная толщина медной фольги, из которой выполнена оболочка 2 элемента 1, мм;
k - вычисленная объемная доля порошка меди в смеси 3 с порошком полистирола;
h - эквивалентная толщина элемента 1, ммCu.
2. Пример алюминиевого эталонного объекта
Предлагаемый эталонный объект для рентгенденситометрии может состоять из семи элементов 1, выполненных в виде алюминиевых оболочек 2 сферической формы с заданным наружным диаметром D 10 мм, изготовленных из листового алюминия разной толщины d. Полости сферических оболочек 2 заполнены однородной смесью 3 из порошка алюминия с порошком полистирола. Характеристики элементов 1 представлены в таблице 2, где использованы следующие обозначения:
d - заданная толщина алюминиевой фольги, из которой выполнена оболочка 2 элемента 1, мм;
k - вычисленная объемная доля порошка алюминия в смеси 3 с порошком полистрола;
h - вычисленная эквивалентная толщина элемента 1, ммAl.
3. Пример промышленного изготовления эталонного объекта
1. Заданный наружный диаметр D металлических оболочек 2 элементов 1 выбран равным 5 мм.
2. Заданный материал, из которого изготавливают оболочки 2, - листовая медь разной толщины: от минимально возможной для меди с точки зрения ее механических свойств до максимальной, т.е. 1-2 мм для выбранного наружного диаметра D оболочки 2. Выбран набор листовой меди с толщиной листов 0,1 мм; 0,2 мм; 0,4 мм; 0,8 мм; 1,5 мм.
3. Вычисляют по формуле для выбранной толщины d оболочки 2 оптимальные объемные доли порошка меди в эпоксидной смоле:
результаты вычисления показаны в таблице 3.
4. Вычисляют эквивалентную толщину медных элементов 1 в наборе эталонного объекта по формуле
h=2[k(0.5D-d)+d],
результаты вычисления показаны в таблице 4.
6. Штампуют любым известным способом полусферы оболочек 2 выбранного одинакового наружного диаметра (5 мм) из медных листовых пластин разной выбранной толщины.
7. Приготавливают однородную смесь медного порошка с эпоксидной смолой в объемном соотношении 0,085 Cu / 0,915 эпоксидной смолы. Заполняют этой смесью две полусферы из медного листа толщиной 0,1 мм и соединяют полусферы с образованием оболочки 2. Получен первый элемент 1 эталонного объекта, выполненный в виде заполненной упомянутой смесью оболочки 2 сферической формы, с вычисленной эквивалентной толщиной элемента 1, равной 0,61 ммCu.
8. Приготавливают однородную смесь медного порошка с эпоксидной смолой в объемном соотношении 0,155 Cu / 0,845 эпоксидной смолы. Заполняют этой смесью две полусферы из медного листа толщиной 0,2 мм и соединяют полусферы с образованием оболочки 2. Получен второй элемент 1 эталонного объекта, выполненный в виде заполненной упомянутой смесью оболочки 2 сферической формы, с вычисленной эквивалентной толщиной элемента 1, равной 1,11 ммCu.
9. Приготавливают однородную смесь медного порошка с эпоксидной смолой в объемном соотношении 0,272 Cu / 0,728 эпоксидной смолы. Заполняют этой смесью две полусферы из медного листа толщиной 0,4 мм и соединяют полусферы с образованием оболочки 2. Получен третий элемент 1 эталонного объекта, выполненный в виде заполненной упомянутой смесью оболочки 2 сферической формы, с вычисленной эквивалентной толщиной элемента 1, равной 1,94 ммCu.
10. Приготавливают однородную смесь медного порошка с эпоксидной смолой в объемном соотношении 0,456 Cu / 0,444 эпоксидной смолы. Заполняют этой смесью две полусферы из медного листа толщиной 0,8 мм, и соединяют полусферы с образованием оболочки 2. Получен четвертый элемент 1 эталонного объекта, выполненный в виде заполненной упомянутой смесью оболочки 2 сферической формы, с вычисленной эквивалентной толщиной элемента 1, равной 3,15 ммCu.
11. Приготавливают однородную смесь медного порошка с эпоксидной смолой в объемном соотношении 0,703 Cu / 0,297 эпоксидной смолы. Заполняют этой смесью две полусферы из медного листа толщиной 1,5 мм и соединяют полусферы с образованием оболочки 2. Получен пятый элемент 1 эталонного объекта, выполненный в виде заполненной упомянутой смесью оболочки 2 сферической формы, с вычисленной эквивалентной толщиной элемента 1, равной 4,41 ммCu.
Предложенный эталонный объект работает следующим образом. Набор из пяти элементов 1 эталонного объекта прикрепляют к рентгеновской пленке (не показано). Производят рентгеновский снимок изучаемого материала одновременно с набором элементов 1. Проводят проявление рентгеновского снимка (фиг. 4). Готовое аналоговое изображение материала и эталонного объекта сканируют и трансформируют в цифровое, исследуют с помощью ПЭВМ, находят значение оптической плотности изображения каждого элемента 1 эталонного объекта. Строят график зависимости оптической плотности изображений элементов 1 от их эквивалентной толщины металла. Сопоставляя оптическую плотность изображения материала на рентгеновском снимке с графической зависимостью, находят эквивалентную толщину металла для исследуемого материала.
Предложенный эталонный объект может быть применен в стоматологической практике при определении плотности костной ткани зубов пациента.
В этом случае набор элементов 1 эталонного объекта цепочкой друг за другом согласно порядковым номерам помещают в тонкую рентгенопрозрачную эластичную трубку (не показано). В таком виде эталонный объект размещают между зубами верхней и нижней челюстей пациента. Производят рентгеновский снимок зубов и эталонного объекта. Проявляют рентгеновский снимок. Готовое аналоговое изображение материала и эталонного объекта сканируют и трансформируют в цифровое, исследуют с помощью ПЭВМ, находят значение оптической плотности изображения каждого элемента 1 эталонного объекта. Строят график зависимости оптической плотности изображений элементов 1 эталонного объекта от их эквивалентной толщины металла. Сопоставляют оптическую плотность изображения материала на рентгеновском снимке с графической зависимостью, находят эквивалентную толщину металла для исследуемого зуба пациента. Эквивалентную толщину металла для исследуемого зуба пересчитывают известным способом в минеральную плотность костной ткани зуба.
Заявленный эталонный объект по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности рентгеноденситометрических измерений за счет нечувствительности его элементов 1 к углу их установки по отношению к оси рентгеновского луча благодаря сферической форме элементов 1. Дополнительно точность по сравнению с прототипом повышается в результате заполнения полости сферической оболочки 2 элементов 1 смесью 3 металлического порошка с рентгенопрозрачным веществом в вычисленном соотношении.
Предложенное техническое решение позволяет повысить равномерность распределения ослабляющих свойств элементов по их сечению, расширяя таким образом геометрический размер поля калибровочной степени ослабления рентгеновского излучения элементом 1. За счет увеличения поля калибровочной степени ослабления облегчается процесс измерения и повышается его точность.