PL229533B1 - Sposób mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych, w szczególności w badaniach płaskich lub przestrzennych obiektów zobrazowanych tomografem komputerowym, charakteryzujący się tym, że cały wzornik (1) lub jego fragmenty lub komponenty przeznaczone do jego budowy i stanowiące wyznaczniki jego parametrów fizycznych zobrazowuje się poprzez skanowanie w wysokiej rozdzielczości, to jest minimum dwa razy wyższej od rozdzielczości w jakiej wzornik będzie wykorzystywany w późniejszych badaniach i uzyskuje się kolekcję obrazów warstwowych wzornika lub jego fragmentu lub komponentu, na podstawie których poprzez odczyt informacji z obrazu danego przekroju bezpośrednio ustala się dystrybucję materiału i/lub współczynnika absorpcji, przy czym informacje o współczynniku absorpcji wraz z współrzędnymi dla każdego woksela, które stanowią tzw. przestrzenną dystrybucję współczynnika absorpcji dla danego fragmentu wzornika zapisuje się i przechowuje w trójwymiarowej macierzy, w pamięci elektronicznej, po czym z wykorzystaniem tych informacji oblicza się współczynnik korekcyjny, który dla każdego woksela określa odchyłkę od wartości teoretycznej parametrów danego fragmentu lub komponentu wzornika wynikającej z założeń produkcyjnych, stanowiąc tzw. indywidualną dla danego fragmentu lub komponentu wzornika mapę dokładności jego wykonania, po czym indywidualną mapę dokładności wykonania fragmentu wzornika lub jego komponentów zapisuje się w zbiorczym pliku stanowiącym definicję dokładności wykonania dla całego wzornika.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych, w szczególności w badaniach płaskich lub przestrzennych obiektów zobrazowanych tomografem komputerowym.

Sposób rentgenowskiej tomografii komputerowej polega na rejestrowaniu tak zwanych projekcji tomograficznych, które stanowią podstawę komputerowej rekonstrukcji mającej na celu uzyskanie dwuwymiarowych obrazów uwidaczniających przekroje przez badany obiekt. Przekroje te mogą być następnie wykorzystane jako podstawa komputerowej rekonstrukcji trójwymiarowej bryły badanego obiektu. Ponieważ podstawowym zastosowaniem tomografii komputerowej jest badanie człowieka bądź zwierzęcia, aby ustalić stan organów wewnętrznych, wyniki tomografii komputerowej najczęściej przedstawiane są w postaci przekrojów poprzecznych, bądź rekonstrukcji trójwymiarowej, w których obraz przedstawiany jest w tzw. skali Hounsfielda. Skala ta określa stopień absorpcji promieniowania wewnątrz skanowanego obiektu i jest najczęściej wizualizowana w postaci skali szarości, w której najmniejsze natężenie, na przykład kolor biały, oznacza maksymalny w danym przedziale stopień absorpcji promieniowania rentgenowskiego, a największe natężenie, na przykład kolor czarny, oznacza minimalny w danym przedziale stopień absorpcji promieniowania rentgenowskiego. Wartość stopnia absorpcji w tak zwanych jednostkach Hounsfielda dla tkanek biologicznych została określona jako względna wielkość odniesienia do własności absorpcji promieniowania rentgenowskiego przez wodę. Skala Hounsfielda zapewnia możliwości obrazowania badanego obiektu w stopniu wystarczającym do przeprowadzenia diagnostyki obrazowej. Jednak w tej metodzie nie ma możliwości ustalenia ilościowej i bezwzględnej wartości zobrazowanej gęstości badanego obiektu i praktycznej oceny tej wartości.

W wysokorozdzielczej tomografii komputerowej, to jest w mikrotomografii bądź nanotomografii nie posługujemy się skalą Hunsfielda a jedynie skalą szarości zapisaną w 256 (8 bits), bądź 65 500 min (16 bits unsign short) odcieniach szarości lub skalą zmiennoprzecinkową od -32 000 do 32 000 (32 bits float), które są nadal skalami względnymi, nie pozwalającymi na określenie ilościowych parametrów fizycznych.

Z dotychczasowego stanu techniki znane są sposoby ustalania parametrów fizycznych badanego obiektu zobrazowanego tomografem komputerowym. Na przykład z opisu patentowego PL213008 znany jest sposób ustalania gęstości fizycznej badanego obiektu zobrazowanego tomografem komputerowym oraz fantom (wzornik) do realizacji tego sposobu. W rozwiązaniu tym zaproponowano wzornik gęstości fizycznej obiektu zobrazowanego tomografem komputerowym posiadający kształt listwy wykonanej z materiału możliwie nie absorbującego promieniowania rentgenowskiego, wewnątrz której wzdłuż jej długości są wykonane przelotowe cylindryczne otwory, korzystnie siedem równoległych otworów wypełnionych wymiennie materiałem w różnym stopniu absorbującym promieniowanie rentgenowskie, stanowiące porównawcze wyznaczniki kategorii gęstości fizycznej, korzystnie w zakresie wartości od 0 mg HA/ccm do 1200 mg HA/ccm.

Z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.409092 znany jest również sposób ustalania parametrów fizycznych badanego obiektu zobrazowanego tomografem komputerowym oraz układ do realizacji tego sposobu. Zadaniem tego wynalazku jest stworzenie możliwości praktycznego ilościowego ustalania parametrów fizycznych, zwłaszcza gęstości fizycznej i współczynnika absorpcji promieniowania rentgenowskiego badanego obiektu, z wykorzystaniem tomografii komputerowej, w tym mikrotomografii i nanotomografii. Zastosowany w rozwiązaniu układ charakteryzuje się tym, że wzornik ustalanych parametrów fizycznych zainstalowany jest pomiędzy źródłem promieniowania rentgenowskiego a detektorem lub korzystnie bezpośrednio na detektorze, poza platformą obrotową tomografu, na której umieszcza się skanowany obiekt, w taki sposób, aby obraz rentgenowski wzornika zawierał się w obrazie projekcji zapisywanej podczas procesu skanowania obiektu, przy czym wzornik składa się z listwy, w której wykonany jest co najmniej jeden przelotowy lub nieprzelotowy otwór, korzystnie cylindryczny, wypełniony materiałem stanowiącym wyznacznik ustalanego parametru fizycznego, umożliwiającym pośrednie lub bezpośrednie wyznaczenie wartości parametru fizycznego w skanowanym obiekcie.

Znane dotychczas rozwiązania, w tym wskazane powyżej, nie zapewniają jednak wystarczającej dokładności, co wynika z braku możliwości wykonania idealnego wzornika. Idealny wzornik powinien stanowić pozbawione błędów precyzyjne odwzorowanie parametrów fizycznych, których znane wartości zostaną wykorzystane do wyznaczenia tzw. krzywej kalibracyjnej.

Tymczasem w praktyce nawet przy zachowaniu wysokiej jakości materiałów, procesów produkcyjnych i kontroli jakości, w uzyskiwanym produkcie, to jest wzorniku, występują odchylenia od założonej

PL 229 533 Β1 normy, które są określone z dokładnością do ilości materiału użytego w produkcji (masy i/lub objętości), a nie z dokładnością do jego homogenicznej dystrybucji w obszarze wzornika. W procesie produkcji komponentów wzornika, na przykład prętów wykonanych z materiału o różnym współczynniku absorpcji promieniowania rentgenowskiego, dochodzi do istotnych odchyleń od zakładanej wartości wypadkowego współczynnika absorpcji. Cecha ta dotyczy większości wzorników stosowanych w tomografii czy mikrotomografii. Niedoskonałości technologiczne w budowie wzorników nie są dotychczas uwzględniane w dalszych obliczeniach i mogą zniekształcać wynik ustalanych parametrów fizycznych badanego obiektu. Ma to miejsce zwłaszcza w przypadku pomiarów o rozdzielczości zbliżonej do rozmiarów ziaren materiałów wykorzystywanych w budowie wzornika. W przypadku wzorników do pomiaru tkanki kostnej jest to proszek hydroksyapatytowy, w którym zakres średnicy ziarna wynosi od 5 do nawet 30 mikrometrów, a więc dla pomiarów wykonywanych z podobną rozdzielczością rozrzut uzyskiwanych wyników może być dość znaczny przez brak informacji o dystrybucji materiału we wzorniku.

Zadaniem niniejszego wynalazku jest stworzenie możliwości praktycznego ilościowego i precyzyjnego ustalania nie tylko ilości materiału wykorzystanego do budowy wzornika i zapewnienia w nim określonego zakresu parametrów fizycznych, ale także precyzyjnego pomiaru wynikowej dystrybucji tego materiału indywidualnie dla każdego wyprodukowanego wzornika, a następnie zapisanie indywidualnej karty korekcji parametrów, która może być wykorzystana każdorazowo podczas stosowania wzornika w badaniach obiektu z wykorzystaniem tomografii komputerowej, w tym także mikrotomografii.

Zadanie to udało się rozwiązać poprzez opracowanie sposobu mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych, w szczególności w badaniach płaskich lub przestrzennych obiektów zobrazowanych tomografem komputerowym, którego istota polega na tym, że wzornik zanim zostanie zastosowany do ustalania - metodami znanymi na przykład z opisu patentowego PL213008 lub polskiego zgłoszenia patentowego P.409092 - parametrów fizycznych obiektu zobrazowanego tomografem komputerowym, poddawany jest rygorystycznej kontroli wykonania, która polega na utworzeniu przestrzennej wysokorozdzielczej mapy odchyleń wartości parametrów fizycznych od wartości zakładanych teoretycznie.

Sposób według wynalazku polega na tym, że cały wzornik lub jego fragmenty lub komponenty przeznaczone do jego budowy i stanowiące wyznaczniki jego parametrów fizycznych zobrazowuje się poprzez skanowanie w wysokiej rozdzielczości, to jest minimum dwa razy wyższej (uzyskując mniejszy rozmiar woksela w zrekonstruowanych danych), korzystnie pięć razy wyższej od rozdzielczości w jakiej wzornik będzie wykorzystywany w późniejszych badaniach.

Proces wysokorozdzielczego skanowania przeprowadza się z zastosowaniem obrazowania z wykorzystaniem promieniowania polichromatycznego w skanerach laboratoryjnych wyposażonych w lampę rentgenowską, lub z wykorzystaniem promieniowania polichromatycznego filtrowanego w celu odcięcia fotonów o niskiej energii, lub monochromatyzowanego, lub fal elektromagnetycznych, w szczególności tomografii optycznej, metod spektroskopowych, w tym spektroskopii warstwowej, metod mikroskopii świetlnej, confocalnej, metod ultradźwiękowych, akustycznych, mikrofalowych bądź najkorzystniej z zastosowaniem stanowiska synchrotronowego z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego wysokoenergetycznego monochromatycznego lub monochromatyzowanego.

Uzyskuje się kolekcję obrazów warstwowych wzornika lub jego fragmentu lub komponentu, na podstawie których poprzez odczyt informacji z obrazu danego przekroju bezpośrednio ustala się dystrybucję materiału i/lub współczynnika absorpcji, korzystnie dystrybucję, wartość współczynnika absorpcji i rozmiary ziaren materiału.

Informacje o współczynniku absorpcji wraz z współrzędnymi dla każdego woksela, które stanowią tzw. przestrzenną dystrybucję współczynnika absorpcji dla danego fragmentu wzornika zapisuje się i przechowuje w trójwymiarowej macierzy, w pamięci elektronicznej, w szczególności w pliku, bądź kilku plikach, w pamięci flash, lub na dysku twardym SSD, lub na dysku twardym HDD, w postaci elektronicznej.

Po czym z wykorzystaniem tych informacji oblicza się współczynnik korekcyjny w następujący sposób:

wsp. korekcyjny = Wp - Wz [jednostka fizyczna] Wp-Wz wsp. korekcyjny względny = —— * 100 [%]

Gdzie:

Wp- wartość teoretyczna zakładana na etapie produkcji wzornika l/l/z - wartość zmierzona.

PL 229 533 Β1

Współczynnik korekcyjny dla każdego woksela określa odchyłkę od wartości teoretycznej parametrów danego fragmentu lub komponentu wzornika wynikającej z założeń produkcyjnych, stanowiąc tzw. indywidualną dla danego fragmentu lub komponentu wzornika mapę dokładności jego wykonania, po czym indywidualną mapę dokładności wykonania fragmentu wzornika lub jego komponentów zapisuje się w zbiorczym pliku stanowiącym definicję dokładności wykonania dla całego wzornika.

Wartość współczynnika korekcyjnego stosuje wraz z wzornikiem w taki sposób, że dla danego woksela wzornika uwzględnia się odpowiednią wartość współczynnika korekcyjnego do skorygowania wartości parametru fizycznego uwzględnianego następnie w obliczeniach krzywej kalibracyjnej.

Współczynnik korekcyjny oraz współczynnik korekcyjny względny dotyczą dwóch możliwości korygowania wskazań wzornika. Na podstawie wartości mianowanych obliczonego współczynnika korekcyjnego można bezpośrednio skorygować wartości wyznaczników jego parametrów fizycznych. Na podstawie współczynnika korekcyjnego można także wyznaczyć współczynnik korekcyjny względny w procentach odchylenia od wartości teoretycznej i dalej korzystać z tego parametru.

Następnie wzornik może być skanowany metodami znanymi na przykład z opisu patentowego PL213008 lub polskiego zgłoszenia patentowego P.409092.

Na etapie wykonywania kalibracji sposobami znanymi na przykład z wyżej wymienionych wynalazków, dla co najmniej jednej warstwy wzornika odczytuje się wartość natężenia szarości obrazu w jednostkach względnych poprzez odczytanie z obrazu projekcji wartości piksela, która w skali szarości odzwierciedla natężenie promieniowania rentgenowskiego po przejściu przez komorę skanera i wzornik, a następnie koryguje się tę wartość o współczynnik korekcyjny obliczony na podstawie zapisanych w mapie wzornika wartości teoretycznej oraz wartości zmierzonej na etapie mapowania. Dla tak skorygowanych wartości w jednostkach względnych kontynuowany jest proces kalibracji opisany między innymi w ww. wynalazkach znanych ze stanu techniki.

Zaletami sposobu według wynalazku jest zwiększenie dokładności wzornika w stosowanej metodzie ilościowego pomiaru parametrów fizycznych obiektu badanego tomograficznie. Wyższa jakość wynikająca ze stosowania wynalazku, to jest mapowania rozkładu parametrów wyprodukowanego wzornika, wynika nie tylko z założeń konstrukcyjnych i przestrzegania procedury produkcji komponentów i złożenia wzornika, ale przede wszystkim każdy wzornik jest po wyprodukowaniu dostarczany z protokołem walidacyjnym. Przestrzenna informacja o współczynniku korekcyjnym podana jest dla fragmentu lub korzystnie dla całego wzornika z określoną dokładnością pomiarową wynikającą z rozdzielczości obrazowania na etapie wykonywanej walidacji wyprodukowanych komponentów, fragmentu wzornika, bądź całości wzornika.

Stosowanie wzornika umożliwia - dzięki znanemu rozkładowi współczynnika korekcyjnego - skorygowanie krzywej kalibracyjnej stosowanej do obliczeń parametrów dla badanego obiektu.

Wzornik stosowany w sposobie według wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie realizacji na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w rzucie aksonometrycznym wzornik ustalanych parametrów fizycznych badanego obiektu, z trzema otworami przelotowymi wypełnianymi materiałem stanowiącym wyznacznik ustalanego parametru fizycznego.

Przykład 1

Przykładowy sposób mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych przeprowadzono z wykorzystaniem wzornika 1, którego głównym elementem konstrukcyjnym jest listwa 2, wewnątrz której wykonane są wzdłużnie i równolegle do siebie trzy cylindryczne przelotowe otwory 3. Wewnątrz otworów umieszczone są szczelnie trzy pręty o kształcie cylindrycznym oraz gabarytach dopasowanych do średnicy otworów 3 w listwie 2, to jest o długości 40 mm i średnicy 0,5 mm. Listwa 2 wykonana jest z żywicy polimetakrylanowej (PMMA), która posiada gęstość mineralną tkanki kostnej równą 0 mgHA/ccm. Pręty wykonane są z mieszaniny żywicy epoksydowej i syntetycznego hydroksyapatytu HA. Proporcje wagowe mieszaniny obu materiałów dobrane są w taki sposób, aby wypadkowa gęstość mineralna w każdym z prętów wyniosła odpowiednio 50, 200,400 mgHA/ccm.

Każdy pręt wzornika 1 zobrazowano poprzez skanowanie na stanowisku synchrotronowym z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego monochromatycznego, w taki sposób, że uzyskiwana rozdzielczość obrazu była zdefiniowana przez rozmiar woksela o wymiarach 2x2x2 pm i uzyskano 20 000 przekrojów poprzecznych zapisanych w pojedynczym pliku, w taki sposób, że na każdym przekroju widać obraz przekroju pręta. Wartości zmierzone gęstości mineralnej ustalono na podstawie wartości współczynnika absorpcji promieniowania uzyskiwanych z pomiaru synchrotronowego i zapisano

PL 229 533 Β1 w pliku. Następnie dla każdego woksela obrazu należącego do pręta odczytano wartość gęstości mineralnej z pliku i porównano z wartością teoretyczną jaką zdefiniowano dla danego pręta na etapie jego produkcji, w ten sposób uzyskano współczynnik korekcyjny, a następnie po odniesieniu go do wartości teoretycznej jako współczynnik korekcyjny względny. Obliczenia te wykonano według wzorów:

wsp. korekcyjny = Wp - Wz [jednostka fizyczna]

Wp-Wz wsp. korekcyjny względny = —— * 100 [%] gdzie:

Wp- wartość teoretyczna zakładana na etapie produkcji wzornika

Wz-wartość zmierzona, a wyniki obliczeń dla wybranego woksela w każdym z trzech prętów pokazano w tabeli 1.

Tabela 1

Gęstość mineralna	wsp. korekcji
teoretyczna (założenia produkcyjne)	zmierzona na podstawie obrazu wysokorozdzielczego
mg/ccm	mg/ccm	mg/ccm	%
50	40	10	20
200	220	-20	-10
400	390	10	2,5

Następnie po zmontowaniu wzornika, był on wykorzystywany w pomiarach gęstości, gdzie - znanym sposobem - obliczana była krzywa kalibracyjna, przy czym wartości zmierzone dla obszarów prętów we wzorniku przed obliczeniem krzywej były korygowane z wykorzystaniem wyznaczonego współczynnika korekcyjnego.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sposób mapowania rozkładu parametrów fizycznych wzornika stosowanego w badaniach z wykorzystaniem fal elektromagnetycznych, w szczególności w badaniach płaskich lub przestrzennych obiektów zobrazowanych tomografem komputerowym, znamienny tym, że cały wzornik (1) lub jego fragmenty lub komponenty przeznaczone do jego budowy i stanowiące wyznaczniki jego parametrów fizycznych zobrazowuje się z wykorzystaniem promieniowania polichromatycznego w skanerach laboratoryjnych wyposażonych w lampę rentgenowską, lub z wykorzystaniem promieniowania polichromatycznego filtrowanego w celu odcięcia fotonów o niskiej energii, lub monochromatyzowanego, lub fal elektromagnetycznych, w szczególności tomografii optycznej, metod spektroskopowych, w tym spektroskopii warstwowej, metod mikroskopii świetlnej, confocalnej, metod ultradźwiękowych, akustycznych, mikrofalowych bądź najkorzystniej z zastosowaniem stanowiska synchrotronowego z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego wysokoenergetycznego monochromatycznego lub monochromatyzowanego, poprzez skanowanie w wysokiej rozdzielczości, to jest minimum dwa razy wyższej, korzystnie pięć razy wyższej od rozdzielczości w jakiej wzornik będzie wykorzystywany w późniejszych badaniach i uzyskuje się kolekcję obrazów warstwowych wzornika lub jego fragmentu lub komponentu, na podstawie których poprzez odczyt informacji z obrazu danego przekroju bezpośrednio ustala się dystrybucję materiału i/lub współczynnika absorpcji, korzystnie dystrybucję, wartość współczynnika absorpcji i rozmiary ziaren materiału, przy czym informacje o współczynniku absorpcji wraz z współrzędnymi dla każdego woksela, które stanowią tzw. przestrzenną dystrybucję współczynnika absorpcji dla danego fragmentu wzornika zapisuje się i przechowuje w trójwymiarowej macierzy w pamięci elektronicznej, bądź kilku plikach, w pamięci flash, lub na dysku twardym SSD, lub na dysku twardym HDD, w postaci elektronicznej, po czym z wykorzystaniem tych informacji oblicza się współczynnik korekcyjny w następujący sposób:

   PL 229 533 Β1 wsp. korekcyjny = Wp - Wz [jednostka fizyczna]

   Wp-Wz wsp. korekcyjny względny = —— * 100 [%] gdzie:

   Wp- wartość teoretyczna zakładana na etapie produkcji wzornika

   Wz - wartość zmierzona, który dla każdego woksela określa odchyłkę od wartości teoretycznej parametrów danego fragmentu lub komponentu wzornika wynikającej z założeń produkcyjnych, stanowiąc tzw. indywidualną dla danego fragmentu lub komponentu wzornika mapę dokładności jego wykonania, po czym indywidualną mapę dokładności wykonania fragmentu wzornika lub jego komponentów zapisuje się w zbiorczym pliku stanowiącym definicję dokładności wykonania dla całego wzornika.