Разработанный алгоритм обработки рентгеновских изображений в целях идентификации и высокоточного определения координат характерных точек (реперов) объекта исследования состоит из следующих этапов [8]:
* калибровка рентгеновского тракта;
* фильтрация рентгеновского изображения;
* стробирование и идентификация изображений реперов с использованием данных 3D-модели;
* расчет координат реперов с субпиксельной точностью;
* преобразование координат и отображение трехмерного рентгеновского изображения.
Для достижения требуемой точности измерений выполняются коррекция искажений рентгеновского тракта с использованием предварительной калибровки по специальному тестовому изображению, по которому вычисляется матрица поправочных коэффициентов, и затем коррекция геометрических искажений исходных рентгеновских изображений. Отличительной особенностью предложенного метода коррекции является использование в качестве тестового изображения проволочной сетки.
После калибровки осуществляется предварительная пространственно-временная фильтрация изображения объекта, в простейшем случае — путем гауссовой фильтрации исходного изображения.
Затем проводится локализация (стробирование) изображения на фоне различных помех, возможных в реальных условиях работы. Для этого используется априорная трехмерная 3D-модель, обеспечивающая стробирование только тех участков кадра изображения, в которых должны находиться характерные признаки изображения естественных или искусственных реперов (точек, границ, изломов линий, локальных образований и др.).
Далее обработка изображений выполняется только в пределах, ограниченных стробами, селектирующими изображение в ограниченных зонах кадра изображения.
Выделение границы изображения реализуется специальным анизотропным фильтром границы, имеющим, например, форму дуги. Начальная регулировка радиуса дуги для анизотропного фильтра выполняется при настройке на индивидуальные свойства характерных признаков, которые хранятся в модели.
Результаты измерений позволяют контролировать позицию и ориентацию оси наблюдения даже в том случае, когда изображение частично перекрыто или недостаточно контрастно.
Идентификация характерных признаков изображения выполняется на основе сравнения с моделью. Основная цель идентификации состоит в исключении помех, похожих по форме на изображения характерных признаков, но расположенных в зонах, не совпадающих с моделью. При этом выполняется нумерация всех характерных признаков изображения для последующих расчетов линейного смещения и углов поворота оси наблюдения.
Измерение координат центра изображения реперов с субпиксельной точностью осуществляется стандартной процедурой, описанной ниже. В результате вычисляются координаты X и Y с точностью не менее, чем 0, 1 пикселя.
Расчет углов поворота (фz и фу ) по изображению, а также расчет углов конвергенции двух позиций наблюдения и ввода поправок на торсионный угол поворота осей наблюдения (фх) выполняется на основе соотношений, изложенных в [8]. Измерение торсионного угла вращения (фх) необходимо для ввода поправок в расчет углов поворота исходных изображений при визуализации.
Автоматическое слежение за положением объекта компенсирует изменение расстояния до объекта и возможные смещения относительно центра во время работы. Выделение зоны интереса при слежении за изображением выполняется с использованием предикции по модели, особенно в случае потери изображения во время непроизвольного движения объекта контроля (в медицине).
Анализ траектории непроизвольных движений объекта в пространстве выполняется для обеспечения надежности (достоверности) результатов измерений. Для этого используется специальный алгоритм анализа траектории движений на основе селекции движений изображений характерных признаков.
Координаты изображения реперов рассчитываются по исходному изображению в пределах локальных зон стробирования изображения, причем проводится вторичная фильтрация, но не всего изображения, а только отдельных его участков, соответствующих стробам. Это существенно повышает быстродействие и помехоустойчивость алгоритма.
Для обеспечения высокой точности измерений координат X и Yср в плоскости изображения, превышающей разрешающую способность исходного изображения, выполняется так называемая субпиксельная обработка.
Расчет Хср проводится с использованием промежуточных значений взвешенных сумм Sj’ амплитуд
bji и суммы амплитуд изображения Sj", полученных вдоль строки изображения, состоящего из n элементов с координатами xf:
Применение разработанного метода для технических систем
Для технических систем досмотра, диагностики и неразрушающего контроля предложенный метод обеспечивает возможность пространственного анализа внутренней структуры и автоматизированного контроля процессов, происходящих внутри объектов и технических систем. При наблюдении трехмерных рентгеновских изображений по сравнению с анализом двумерных изображений, как показывает практика, существенно сокращается время распознавания внутренних деталей объекта и значительно возрастает надежность идентификации. Круг прикладных проблем, решаемых с применением данной методики, чрезвычайно широк. Одной из них является изучение методов обнаружения и идентификации ВВ. Весьма актуально автоматизировать контроль динамики изменений в объектах или процессах, например, процессы лазерной сварки и резки материалов.
Использование предложенного метода для организации оперативного досмотра транспортных средств, багажа и ручной клади позволит разработать принципиально новую технологию таможенного досмотра, основанную на использование комплекса портативных приборов автоматизированного трехмерного рентгеновского контроля.
Результаты данной работы в области рентгеновской интроскопии могут быть в определенной мере использованы для других типов неразрушающего контроля, в том числе изотопного и ультразвукового.
Применение прикладных результатов исследований возможно в различных отраслях энергетики, транспорта, в таможенных и других службах рентгеновской интроскопии объектов.
Предусмотрена возможность передачи трехмерных рентгеновских изображений по локальной вычислительной сети пользователя, а также реализация современных телекоммуникационных технологий с передачей всей необходимой информации по любым каналам связи и сети Интернет.
Медицинские методики проведения хирургических операций с использованием трехмерного рентгеновского контроля
В ходе проведенных исследований была выполнена адаптация метода трехмерного рентгеновского анализа, разработанного для технических объектов, в целях его использования для контроля и диагностики различных биологических объектов.
Были проведены экспериментальные исследования с использованием различных фантомов и стандартного рентгеновского оборудования отечественного производства (рентгеновский аппарат РУМ 20М и усилитель рентгеновского изображения УРИ М2) без изменения его конструкции, с использованием методов и технических средств, позволяющих получать трехмерное рентгеновское изображение в реальном масштабе времени.
Сравнительный анализ точности позиционирования инструмента по глубине и времени выполнения операции по обычному (двухмерному) изображению и трехмерному рентгеновскому изображению подтвердил эффективность предложенного метода.
Наши исследования и многочисленные эксперименты на фантомах доказали на практике принципиальную возможность обеспечения надежной и высокоточной локализации зоны интереса объекта и совмещения с ней медицинских инструментов по трем координатам непосредственно в ходе операции.
Рассматривая цифровые трехмерные изображения, врач-рентгенолог, несомненно, будет реже ошибаться при оперативной диагностике травм и заболеваний, что в свою очередь снизит уровень послеоперационных осложнений и отказов от операционного вмешательства.
Для диагностики биологических объектов из-за большей сложности и неопределенности их внутренней структуры по сравнению с техническими объектами гораздо сильнее проявляются преимущества разработанных методов трехмерной рентгеновской диагностики, особенно для оперативной диагностики подвижных (живых) организмов в медицине и ветеринарии.
Некоторые иллюстрации возможности использования метода регистрации и визуализации трехмерных рентгеновских изображений в медицине, непосредственно в ходе диагностических операций, полученные с использованием системы "СОВА-М" [8], приведены на рис. 7, 8 (см. третью сторону обложки) и рис. 9, 10 (см. четвертую сторону обложки).
По результатам проведенных исследований и разработки методик подана заявка на получение патента Российской Федерации [9].
Заключение
В результате проведенных исследований разработан новый метод, позволяющий реализовать трехмерный рентгеновский контроль и диагностику технических и биологических объектов в режиме реального времени, в том числе путем модернизации имеющегося рентгеновского оборудования.
Применение разработанного метода трехмерного рентгеновского контроля особенно эффективно, если нарушители сознательно размещают недозволенные вложения в багаже или ручной клади за другими предметами, препятствуя их обнаружению по двухмерному рентгеновскому изображению.
Распознавание недозволенных вложений в таких случаях с использованием трехмерного изображения может выполняться более надежно, за меньшее время или при меньшей квалификации персонала, обеспечивая тем самым высокую экономическую эффективность разработанных методов и технических средств.
Для решения актуальных задач оперативного досмотра транспортных средств и грузов, направленных на борьбу с терроризмом и незаконным перемещением через границу или по территории страны оружия, наркотиков, обнаружения ВВ и др., планируется:
* разработать новые технологии применения трехмерной регистрации и визуализации для дооснащения рентгенотелевизионных систем, имеющихся на таможенных постах и в спецподразделениях;
* экспериментально методами полунатурного моделирования опробовать возможности обнаружения и пространственной локализации ВВ в багаже или транспортных средствах.
В области медицины планируется использовать результаты работы для трехмерной рентгеновской диагностики в процессе выполнения целого ряда медицинских операций, в том числе ангиографии и современных малоинвазивных хирургических операций.
