Вибростол для плитки: Доступ ограничен: проблема с IP

Содержание

Вибростол для тротуарной плитки и не только

Вибростол-это именно то без чего не обойдется изготовление тротуарной плитки.


Вибростол нужен для изготовление тротуарной плитки, и прочих изделий из бетона которые изготавливаются методом вибропрессования. Я себе сделал вибростол для изготовления колпаков на столбы и крышек на фундамент. Рама стола сделана из уголка 30 мм.

 

 

И состоит из двух частей, нижней и верхней которые между собой соединены пружинами.

 

 

Нижняя часть рамы состоит из двух уголков, которые сварены между собой арматурой толщиной 12 мм, и к каждой части уголка приварено по две трубки диаметром 30 мм, на которые садятся пружины. Пружины я взял от клапанов двигателя внутреннего сгорания (от какого именно не знаю, просто подошли, вот и использовал их). Верхняя часть стола сделана из того же уголка 30 мм и сварена в рамку размером 890 мм* 460 мм. Снизу к углам рамки приварены куски трубы диаметром 30 мм, которые садятся на пружины. Также к рамке приварен двигатель, который является источником вибрации. Это простой двигатель от промышленной швейной машинки на 240 Вт и 1400 об/мин, на вал которого садится эксцентрик.

 

 

Сам эксцентрик размещается посредине рамки, для равномерного распределения вибраций.

 

 

 

Формы у меня из АВS пластика.

 

 

Перед заливкой смазываю форму Эмульсол, специальная жидкость похожая на отработку, используется для того чтобы изделие легко выходило из формы и бетон не оставался на стенках.

 

 

Вибростол включаю на одну минуту, затем выключаю и разглаживаю бетон шпателем.

 

 

Бетон делаю в такой пропорции: отсев — 2,5 части, песок — 1,5 части, цемент М500 — 1 часть, краситель и пластификатор согласно инструкции к этим компонентам. Для большой крышки сделан каркас, потому что пластик слишком тонкий, чтобы держать форму под таким весом.

 

 

Размеры колпаков 400*400 мм и 1000 *400 мм. И после того как колпаки подсохли они имеют такой вид.

 

 

 

Вибростол также можно использовать для изготовления тротуарной плитки и других изделий из бетона, которые формуются вибропрессованием, для этого нужно только изменить размер платформы стола и по надобности увеличить вес эксцентрика, для более эффективной работы вибратора.

Всем спасибо за внимание.

Как сделать вибростол своими руками, чертежи

Несмотря на свой «юный» возраст, тротуарная плитка набирает в нашей стране популярность. Причины этого понятны – материал предлагает отличные технические параметры, эстетичность, экологичность, а также более чем доступную цену. Плитку можно изготовить самостоятельно. В связи с тем, что покупка фабричного станка связано со значительными тратами, нами будет рассмотрена сборка вибростола в домашних условиях.

Принцип работы вибростола

Прежде чем переходить непосредственно к изготовлению вибростола, разберёмся, что это такое. Вибростол – приспособление, поверхность которого может совершать колебательные движения с заранее заданной частотой – порядка 3000 колебаний за минуту. Он может быть использован для производства тротуарной плитки и других изделий из бетона, по технологии вибролитья. С его помощью можно проводить следующие работы:

  • Трамбовать цементные, асфальтобетонные смеси с разными фракциями;
  • Изготавливать памятники, тротуарную плитку, подоконники, еврозаборы и прочее;
  • Производить пеноблоки.

Устройство вибростола для производства тротуарной плитки не отличается сложностью – основу составляет надёжная станина, сверху на которой крепится рабочая поверхность, удерживаемая посредством подвесов или пружин. Эта столешница — важнейший компонент, на ней располагаются рабочие формы с бетоном.

В нижней части станины устанавливается электродвигатель нужной мощности, с расположенным на валу эксцентриком. Последний отвечает за радиальное перемещение центра тяжести у мотора, что обеспечивает тому непрерывное вибрирование.

Как правило, самодельный вибростол оснащают двигателями марки ИВ-99 или ИВ-98.

От мотора колебания передаются на рабочий стол, дальше к стальным и полимерным формам. Происходит постепенное оседание, уплотнение бетона, с одновременным выходом из него воздушных пузырьков. Это позволяет получить высококачественное изделие, невосприимчивое к нагрузкам и температурным колебаниям.

Материалы и инструменты для работы

Чтобы сделать вибростол нам потребуется:

  • Стальная труба;
  • Металлический уголок или профиль швеллерный 50х50 мм;
  • Стальной лист под столешницу;
  • Пластины из стали;
  • Электродвигатель требуемой мощности;
  • Стальные пружины или рессоры для обеспечения вибрации;
  • Крепёжные элементы – болты и шайбы;
  • Сварочный аппарат;
  • Болгарка;
  • Электродрель;
  • Измерительный и разметочный инструмент.

Последовательность проведения работ

Что же, переходим к изготовлению стола для производства тротуарной плитки. Для начала свариваем из швеллера или уголка его основание. Габариты вибростола любые – всё зависит от конкретной ситуации и предпочтений мастера, но наиболее часто они имеют размер 700х700 мм (смотрите чертежи для ознакомления). Важно, чем больше стол, тем мощнее должен быть двигатель. В качестве ножек можно использовать металлическую трубу – высота произвольная, главное, чтобы двигатель не касался пола.

Для большей устойчивости под ножки привариваем пластины. Впрочем, подобное решение актуально лишь для переносной вариации вибростола для изготовления тротуарной плитки, в противном случае ножки можно просто вкопать в землю и залить бетонным раствором.

По углам полученной станины, а также по центру продольных боковин устанавливаем стальные пружины. Их потребуется 6 штук, а взять их можно от клапанов. Устанавливать их следует в предварительно сваренные стаканы.

Эти пружины и обеспечивают вибрацию при работе. Сверху на пружины мы укладываем стальной лист, толщиной от 8 мм, к нижней плоскости которого прикручиваем электродвигатель, дополнительно фиксируя его к уголку или швеллеру, расположенному поперёк вибростола. Поверх листа укладываем заранее подготовленные формы и заливаем их раствором. Готовые формы можно купить в любом магазине стройматериалов, а в случае необходимости их без проблем можно сделать самостоятельно.

Важно, чтобы мотор имел разбалансировку, иначе никакой вибрации не получится. Регулирование амплитуды колебаний достигается посредством вращения особого болта, зафиксированного в эксцентрике контргайкой.

Заключение

Мы с вами разобрались, как сделать простейший вибростол по производству тротуарной плитки своими руками. Особой сложностью сборка не отличается, главное заранее подготовить всё необходимое для работы, быть внимательным и терпеливым. Удачи!

Вибростол

Вибростолы

Основным и незаменимым инструментом, для производства изделий методом вибролитья, таких как: брусчатка, тротуарная плитка, различные виды облицовочной плитки и других мелкоштучных изделий, является вибростол. Конструкция наших вибростолов, выгодно выделяет нас из основной массы производителей оборудования:

1. Мощная станина обеспечивает устойчивость вибростола при работе.
2. Столешница выполнена из листа толщиной 6 мм и швеллера 10.

3. Резиновые упругие виброэлементы имеют больший срок службы по сравнению с пружинами.

 

 

 

Каким требованиям, должен отвечать правильный вибростол для тротуарной плитки?

Во первых: вибростол должен иметь столешницу из металла достаточной толщины, чтобы она не прогибалась под действием сил вибрации.


Столешницы на наших вибростолах выполнены из металла толщиной 6 мм и дополнительно усилены швеллером 10. Площадка, на которую крепиться вибратор, имеет толщину 16мм.

Во вторых: упругие элементы должны иметь достаточную энергоемкость, чтобы обеспечивать колебания столешницы, но не передавать их на станину.
На вибростолах, нашего производства, используются резиновые упругие элементы, которые имеют гораздо больший срок службы, по сравнению с пружинами. Если пружины успешно справляются с вертикальными вибро нагрузками, то  горизонтальные нагрузки, от вибрации, для них губительны. Резиновые упругие элементы лишены этого недостатка и успешно выносят нагрузки в любом направлении.

В третьих: на вибростоле должен быть установлен только один вибратор!
Два вибратора, на одной площадке, при работе, всенепременно будут входить то в резонанс, то в противофазу, тем самыми непредсказуемо увеличивать или гасить вибрации друг-друга.

Это происходит из-за того, что невозможно абсолютно синхронизировать работу, даже одинаковых вибраторов. Последствия такой работы: нестабильная вибрация на столешнице (как следствие некачественные изделия) быстрый выход из строя подшипников вибраторов и даже механические повреждения как столешницы, так и корпусов вибраторов.

 

 

 

Виброплощадки

 

 

Для изготовления более крупных бетонных изделий, блоков ФБС, дорожных плит, лотков, перемычек и пр.

необходимо наличие виброплощадки. Конструктивно, виброплощадка для уплотнения бетона, включает в себя раму-основание и секции виброплит, необходимое количество которых подбирается исходя из размеров форм, на каждой виброплите установлен собственный вибратор.

 

 

 

 
  Наименование   Цена (с НДС)
  Вибростол 1000 х 1000 мм.
Вибратор ИВ-99 380/ 220
  99 000р. / 105 000р.
  Вибростол 800 х 1600 мм.
Вибратор ИВ-99 380/ 220
  109 000р. / 114 000р.
  Вибростол 1000 х 2000 мм.
Вибратор ИВ-98 380/ 220
  135 000р. / 143 000р.
  Виброплощадка
виброплита 1000 х 1000, вибратор ИВ-98
  91 000р. Х на количество виброплит

 

 

 

 

 

 

 

Блокировка асфальтоукладчиков 20000 — Вибратор Таблица изготовление от Batala

Подробнее:

Продажа продукта:

1 блок22
Минимальный Заказ Количество
Автоматический сорт Автоматический
Источник питания Diesel Engine
портативный (Y / N) да скорость смешивания барабана 20R / мин
Состояние новых
бренд
Материал чугун
Тип барабанного смесителя Смеситель с опрокидывающимся барабаном
Лопасти 8

Бетономешалка, бетономешалки, бетоносмесители, бетоносмесители, экспортеры бетоносмесителей, производители бетоносмесителей в пенджабе, бетономешалка в индии, омане, германии, франции, америке, южной африке a, нигерия, оман, порт сохар, бетоносмеситель, производители бетоносмесителей, экспортеры бетоносмесителей, бетоносмеситель в джамму и кашмире, бетоносмеситель в батале, бетоносмеситель в индии, бетоносмеситель в пенджабе, бетоносмеситель лакшми, раджу супер бетономешалка, бетономешалка в сринагаре, бетономешалка в махарастре, бетономешалка в гуджрате, бетономешалка в морби, бетономешалка в андхра-пардеш, БЕТОННАЯ СМЕСЬ МАШИНА МАЛЫХ ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ И ПОСТАВЩИКОВ. Бетономешалка Без бункера
#Бетономешалка нормальная#Бетономешалка с подъемником # Бетономешалка с воронкой # Бетономешалка с воронкой и подъемником # Реверсивная бетономешалка Машина для бетоносмесителей Производители цементных смесей Производители цементных смесей дистрибьюторы
Lakshmi Brand НАША ПРОДУКЦИЯ С ДОБАВЛЕННОЙ ЦЕННОСТЬЮ: • СТРОИТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ • бетоносмеситель с одним мешком/двумя мешками • Бетонные заводы с реверсивными / тарельчатыми / двухвальными смесителями. • Бетономешалка с подъемником./ смеситель с подъемником • Бетономешалка с гидравлическим бункером и подъемником двухполюсного / четырехполюсного типа • Бетономешалка с механическим бункером • Переносные строительные подъемники и обычные строительные подъемники. )• Лебедки, ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ• Автоматический TILEPRESS для соединения брусчатки / плитки и т. д. • Тарельчатые смесители / Роликовые тарельчатые смесители. • Машины для производства пустотелых блоков для укладки яиц. • Блокировочные плитоукладчики / Блоки / кирпичные заводы / машины • Вибрационные столы и пластик / ПВХ Формы для изготовления брусчатки/плитки с глянцевой верхней отделкой Блок/плитка/камень• Установки для производства кирпичей из летучей золы/известково-песчаных кирпичей• Машина для производства плитки из брусчатки. Завод по производству весовых блоков clc lite
. промышленное оборудование, токарный станок, формовочный станок, дрель, рулинг, гибочный станок
Мы гарантируем вам лучшее качество нашей продукции и послепродажное обслуживание на долгие годы. Мы надеемся, что вы дадите нам возможность поставить вашей уважаемой организации вышеуказанное оборудование.
• Машины для производства пустотелых блоков для яиц. • Тарельчатые смесители/ Роликовые тарельчатые смесители. • Автоматический TILEPRESS для соединения брусчатки/ плитки и т. д. • Блокировочные плиты для брусчатки/блоков/кирпича. Установки/машины• Вибрационные столы и формы для пластика/ПВХ для изготовления глянцевой брусчатка/ плиткаБлок/Плитка/Камень• Заводы по производству кирпича для производства кирпичей из летучей золы/кирпичей из силикатного известняка.промышленное оборудование, токарный станок, формовочный станок, дрель, намоточный станок, гибочный станок
Благодарим и с нетерпением ждем вашего ценного ответа. С наилучшими пожеланиями, Aggarwal Sales Corporation ключевое слово)
смеситель
бетоносмеситель без бункера
бетоносмеситель с бункером и подъемником
бетоносмеситель с подъемником (ключевое слово)
смеситель с подъемником (ключевое слово)бетономешалка с подъемником и бункером
смеситель с бункером и двухстоечным подъемником

бетон машина для производства бетонных блоков-(ключевое слово)
машина для производства бетонных блоков
машина для производства бетонных блоков
машина для производства цементных блоков
машина для производства бетонных блоков
машина для производства пустотелых блоков
машина для производства бетонных пустотелых блоков
машина для производства бетонных блоков тип укладки яиц
машина для укладки бетонных блоков Цена машины для производства бетонных блоков
или стоимость
производителей бетонных блоков в Пенджабе

машины для производства плитки с блокировкой — (ключевое слово)

машины для производства плитки с блокировкой

Дополнительная информация:

  • Код товара: ASCELECTRIC845
  • Условия оплаты: Аккредитив, T/T (банковский перевод), D/P, D/A
  • 3 Порт отправки: GUJRAT

Блокировка плитки Вибрационный стол Производитель, поставщик в Нойде, Уттар-Прадеш

Описание продукта

SK Tiles Machinery представляет превосходный набор вибрационного оборудования , такого как вибростол с блокировкой плитки , который обеспечивает безупречное оседание компактных, сухих и сыпучих материалов в контейнерах. Это обеспечивает значительное увеличение веса нетто контейнера или уменьшение размера содержимого для облегчения использования контейнеров меньшего размера. Это помогает снизить расходы на упаковку и доставку. Мы предлагаем как электромагнитные, так и электромеханические версии для различных областей применения. Они доступны по ведущим отраслевым ставкам.

Наша фирма входит в число известных компаний, предлагающих широкий ассортимент вибростолов превосходного качества. Этот стол специально разработан для изготовления цементной плитки.Предлагаемый стол произведен, используя компоненты высокого качества и современную технологию. Мы уверяем наших клиентов, что наш диапазон — качество, проверенное на предопределенных параметрах, чтобы соответствовать международным стандартам. Кроме этого, наши престижные клиенты могут помочь всему диапазону, согласно их потребностям, по очень конкурентоспособной цене.


Спецификация

400-800 кг

70005

01 штуку

Максимальный вес

Размер машины

120 х 30 дюйма

Crompton

коробка передач

мощность в HP

3

Марка материала

31 MS

 

Ваш поиск лучших вибрационных столов для брусчатки заканчивается

Если вы занимаетесь производством брусчатки, вам может понадобиться вибростол для той же цели. Если у вас есть старый и вы искали новейший, вы можете найти лучшего производителя вибрационных столов в Калькутте. При покупке убедитесь, что им легко пользоваться, устанавливать и обслуживать. Покупка у известного производителя на самом деле гарантирует, что стол, который вы покупаете, прочный, антикоррозийный и долговечный.

Вы можете хорошо сосредоточиться на своем бизнесе

Когда у вас есть хорошие машины для производства брусчатки, вам не нужно слишком много думать о других вещах.Вы можете получить предложение от производителя при заказе или запросе мозаичной плитки r для изготовления вибростола в Калькутте. Когда вы получаете эти машины от экспертной компании, преимущество заключается в том, что они будут соответствовать международным стандартам, а разработка и производство продукта станут довольно простыми. Для новых компаний, которым еще предстоит завоевать известное имя, использование таких высококачественных машин и инструментов будет иметь хороший след на рынке. Sp, рано или поздно они начнут получать более качественные заказы.Вибрационные столы для строительных материалов подходят для бетонной напольной плитки, настенной плитки и бетонной брусчатки.

Как использовать вибростолы для создания цветной мозаики?

Самый важный вопрос, который может возникнуть у строительных компаний, — как использовать вибростолы для изготовления цветной мозаики. Все, что вам для этого понадобится, это бетонная смесь и цветная смесь. Поскольку это набор из двух соединенных столов, на первом столе следует оставить модули толщиной 10 мм, а затем оставить его на вибрации.Затем на столе 2 и следует держать смесь в формочках из ПВХ, куда также помещается краска в основу. Пусть стол 2 й тоже вибрирует 60 секунд. Теперь их переложат на кастинговые столы. Используя эти вибрационные столы, можно избежать попадания воздуха в смесь или отливки. Также будет хорошая сегрегированная смесь. Для лучших вибрационных столов вы можете проверить блоков асфальтоукладчика, делающих вибрационный стол в Калькутте.

На что обратить внимание при покупке вибростола?

Когда вы, как производитель мозаичной плитки или других строительных материалов, решили купить хороший вибростол для облегчения процесса, вам следует обратить внимание на некоторые важные особенности продукта.Вибрационный стол, который вы покупаете, должен быть прост в использовании и иметь большую эффективность. Когда вы работаете, должно быть меньше шума, и он не должен быть слишком неуклюжим или сложным в использовании. Они должны быть основаны на двигателе, и поэтому работа станет очень простой. Когда вы покупаете его, просто ознакомьтесь с деталями гарантии. Как правило, компании с достаточной репутацией предоставляют гарантию на один год. Двигатель должен иметь гарантию на замену в течение определенного срока. Они должны быть просты в использовании, так как если вы вставите вилку и включите ее, она должна быть готова к использованию.

Как сделать заказ?

Вы можете доработать хорошего и известного производителя вибростола и получить предложение первым. Когда вас устраивают сроки и стоимость, вы действительно можете получить соответствующие результаты. Поэтому убедитесь, что вы размещаете заказ в ближайшее время, а также узнайте о стоимости перевозки, стоимости доставки или стоимости упаковки. Вот некоторые из важных вещей, которые вы должны иметь в виду. Когда вы хорошо разбираетесь в мозаичной плитке, вы должны получать хорошие заказы, а для этого потребуются хорошие производственные машины и материалы.

(PDF) Разработка и оценка эффективности усовершенствованного вибростола для производства древесно-цементных плит

OMONIYI & ETANNIBI Euro. Дж. Адв. англ. Tech., 2020, 7(8):31-39

________________________________________________________________________________

39

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИЯ

Двухформовочная электрическая вибрационная машина для производства цементно- композитной черепицы, способная выдерживать нагрузку 100 Н

амплитуда 0.4 мм и частота 1500 об/мин была разработана в соответствии с основными инженерными принципами. Его производительность

производительности составляла в среднем около 102 римских плиток в час. Машина работала удовлетворительно, увеличив производительность

, улучшив уплотнение и устранив пустоты, что привело к получению плит с улучшенными свойствами, которые выгодно отличают плиты

от обычных плит

.

ССЫЛКИ

[1]. К. Датье и В. Гор (1998). Инновационные конструкции древесно-бамбуко-кирпичных композитов. 5-я Всемирная конференция

по деревообработке, Монтё, Швейцария: Деревообработка, 1998 г., стр. 526-633.

[2]. Миятакэ, Т. Фуджи, Ю. Хирамацу, Х. Абэ и М. Тоносаки, Производство древесно-стружечного цементного композита

для конструкционных целей. П. Эванс, Древесно-цементные композиты в Азиатско-Тихоокеанском регионе, Канберра: ACIAR. 2002,

с.148-152.

[3]. Т. Мохамед, «Влияние смешивания некоторых древесных и недревесных лигноцеллюлозных материалов на свойства

цементно-стружечных плит, связанных смолой». Кандидатская диссертация представлена ​​на кафедру лесных товаров и

промышленности Хартумского университета. 2004.

[4]. Л. Бежо, П. Такатс и Н. Васс, Разработка композитных балок на цементной основе. ActaSilvatica и

LingariaHungrarica, 2005, 1(1), 111-119.

[5].Н. Пападопулос, Г. Нталос и И. Какарас, Механические и физические свойства OSB на цементном основании.

HolzalsRoh-und Werkstoff, 2006, 64, 517-518.

[6]. Ю. Ван, Х. Ву и В. Ли, Армирование бетона переработанными волокнами: обзор. Журналы материалов

Гражданское строительство, 2000, 12(4), 314-319

[7]. П. Эванс, Древесно-цементные композиты в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Материалы семинара, Канберра,

Австралия: Материалы ACIAR.2000. 163 с.

[8]. О. Онуагулучи и Н. Бантиа, Цементные композиты, армированные натуральными волокнами на растительной основе: обзор. Цемент

и бетонные композиты, 2016, 1-48.

[9]. Т. Беван и М. Лаурино, Окончательный отчет по проекту: Таблица вибрации для группы разработчиков CVBT-VT4. 2010.

[10]. Моракиньо, У. Саллейман и Д. Явас, Дизайн и разработка машины для изготовления плитки. International

Journal of Engineering Research and Technology (IJERT), 2013, 2(8), 2415-2427.

[11]. Н. Анекар, В. Руивале, С. Нимбалкар и П. Рао, Проектирование и испытания вибровозбудителя с неуравновешенной массой

. Международный журнал исследований в области техники и технологий, 2014 г., 3(8), 107-112.

[12]. Ф. Бир и Э. Джонстон, Механика машин. Образование Макгроу-Хилл. 1981.

[13]. Р. Хурми и Дж. Гупта, Учебник проектирования машин. Eurasia Publishing House (pvt) Ltd, Нью-Дели, Индия,

2005.

[14].АСТМ С642-06. Стандартный метод испытаний на плотность, абсорбцию и пустоты в затвердевшем бетоне, ASTM

International, США, 2006 г.

[15]. ASTM D7063/D7063M-11, Стандартный метод испытаний эффективной пористости и эффективных воздушных пустот образцов уплотненной битумной дорожной смеси

, ASTM International, США, 2011 г.

[16]. ASTM D1037. Стандартный метод испытаний для оценки свойств древесноволокнистых и древесно-стружечных материалов

, ASTM, США.2006.

[17]. З.Ф. Фархана, Х. Камарудин, Р. Азми и А.М. Мустафа Аль Бакри, Взаимосвязь между водопоглощением

и пористостью геополимерной пасты. Материаловедческий форум, 2015, том 803, 166-172

[18]. АО Олоруннисола и С. Агравал, Влияние концентрации NaOH и содержания волокна на физико-

механические свойства композиционных материалов из ротангового волокна, связанных цементом. Пролиньо, 2015, 11(4), 192–198.

[19]. Т.Е. Omoniyi, Потенциал масличной пальмы (Elaeisguineensis) Пустые фруктовые пучки Волокна Цементные композиты для применения в строительстве

.Агроинженерия, 2019, 1, 153-163.

Компьютерная томография в темном поле достигает человеческого масштаба

Значение

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) является сегодня одним из наиболее часто используемых диагностических методов трехмерной визуализации. Традиционно этот неинвазивный метод создает контраст путем измерения характеристик ослабления рентгеновского излучения различными тканями. Учитывая волновую природу рентгеновских лучей, дополнительный контраст может быть достигнут за счет дальнейшего измерения их свойств малоуглового рассеяния (темного поля).Это дает дополнительную ценную диагностическую информацию о микроструктуре ткани, которую иначе нельзя было бы разрешить. В нашей работе мы перевели этот волнооптический механизм с оптической скамьи на прототип компьютерной томографической системы размером с человека. Это включало интеграцию интерферометра в клинический КТ-гентри и преодоление ряда связанных с этим проблем, связанных с вибрациями, непрерывным вращением гентри и большим полем зрения. Эта разработка делает доступной дополнительную контрастную рентгенографию для реальных медицинских применений.

Abstract

Рентгеновская компьютерная томография (КТ) является сегодня одним из наиболее часто используемых методов трехмерной медицинской визуализации. Он совершенствовался в течение нескольких десятилетий с использованием самых последних инноваций, включая технологии двухэнергетического и спектрального подсчета фотонов. Тем не менее, было обнаружено, что механизмы волно-оптического контраста — помимо используемого в настоящее время ослабления рентгеновского излучения — предлагают потенциал дополнительной информации, особенно о микроструктуре ткани, которая иначе не была бы разрешена.Одним из таких подходов является визуализация в темном поле, которая недавно была внедрена и уже продемонстрировала значительно улучшенные радиологические преимущества на моделях мелких животных, особенно при заболеваниях легких. Однако до сих пор КТ в темном поле еще не могла быть переведена в человеческий масштаб и была ограничена настольными системами и системами для мелких животных с продолжительностью сканирования в несколько минут и более. В основном это связано с тем, что адаптация и масштабирование до механической сложности, скорости и размера человеческого КТ-сканера до сих пор оставались нерешенной задачей. Здесь мы сообщаем об успешной интеграции интерферометра Талбота-Лау в клиническую КТ-гентри и представляем результаты КТ в темном поле фантома антропоморфного тела размером с человека, реконструированного из одного сканирования вращения, выполненного за 1 с. Кроме того, мы представляем наши ключевые аппаратные и программные решения для ранее нерешенных препятствий, которые до сих пор не позволяли трансформировать КТ в темном поле с оптической скамьи в быстро вращающийся КТ-гентри со всеми сопутствующими проблемами, такими как вибрации, непрерывное вращение, и большое поле зрения.Эта разработка позволит в ближайшем будущем проводить клинические исследования с использованием компьютерной томографии в темном поле на людях.

Компьютерная томография (КТ) обеспечивает получение трехмерных изображений высокого разрешения с быстрым (доли секунды) временем сбора данных для медицинской радиологии (1). Его универсальность позволяет использовать его в самых разных областях и, таким образом, делает его незаменимым инструментом в диагностической визуализации. Например, совсем недавно оказалось, что компьютерная томография играет решающую роль в клинической практике в борьбе с COVID-19 (2). Несмотря на то, что до сих пор они были очень успешными, существующие подходы КТ [включая последние двухэнергетические и спектральные подходы (3)] создают контраст исключительно на основе различий в затухании в ткани.Как недавно было показано, значительный дополнительный диагностический потенциал заключается в использовании дополнительной волновой природы рентгеновских лучей, что приводит к рефракции и малоугловому рассеянию в качестве дополнительных каналов сигнала. Ряд доклинических исследований доказал, что, в частности, сигнал малоуглового рассеяния (обычно называемый темным полем) очень ценен для диагностики и определения стадии заболеваний легких, таких как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) (4, 5). , фиброз легких (4, 6), пневмония (7) и рак легких (8).Это связано с тем, что сигнал в темном поле собирает дополнительную информацию о микроструктурных свойствах паренхимы легкого, что выходит за пределы разрешения используемых в настоящее время методов КТ (9, 10) и, тем не менее, не требует более высокой дозы, чем обычная КТ.

Рентгеновская компьютерная томография в темном поле, основанная на решетчатом интерферометре, была первоначально внедрена в высокоярких синхротронных источниках (11), а затем была успешно перенесена на более доступные медицинские рентгеновские трубки (12, 13).Был достигнут ряд важных технических достижений в изготовлении необходимой решетчатой ​​оптики (14⇓⇓⇓–18), а также были введены новые подходы к обработке данных (19⇓⇓⇓–23). Совсем недавно были разработаны первые клинические прототипы для двухмерной рентгенографической рентгенографии на основе решеток, что еще раз убедительно подтверждает значительную пользу диагностической информации, особенно при заболеваниях легких (24⇓⇓–27). Однако внедрение в систему компьютерной томографии человеческого масштаба для первых клинических исследований пока не может быть достигнуто.В основном это связано с заметно возросшими технологическими проблемами, связанными с требуемым большим полем зрения для сканирования человеком, цилиндрической геометрией интерферометра и быстро и непрерывно вращающимся гентри. Кроме того, быстрое время вращения (доли секунды) со всеми связанными с ним вибрационными нестабильностями поставило множество до сих пор нерешенных алгоритмических проблем, которые вообще не были решены с помощью существующих в настоящее время настольных систем или систем для мелких животных, включающих сбор данных шагами и выстрелами и типичное время сбора данных. от нескольких минут до часов (4, 26).

Здесь мы теперь сообщаем о 1) технологическом подходе, который позволил построить систему темного поля CT на основе компактного, обратного и цилиндрически изогнутого интерферометра рентгеновской решетки; 2) связанный алгоритмический подход с технологическим конвейером, который может компенсировать неизбежные вибрации в быстровращающейся системе ГНКТ; и 3) результаты для антропоморфного фантома грудной клетки в масштабе человека, полученные в течение времени сканирования 1 с.

Конструкция системы

Существует несколько вариантов получения изображения в темном поле. Обычно использование интерферометра Талбота-Лау считается наиболее многообещающим подходом к визуализации в темном поле в медицинских целях (28). Основная проблема внедрения интерферометра Талбота-Лау в КТ-портал связана с необходимыми рентгеновскими оптическими решетками, которые имеют типичные характеристики в микрометровом диапазоне, но при этом должны быть точно расположены по всему полю зрения. Помимо проблем, связанных с изготовлением и монтажом решеток, периоды их мелкого помола делают систему чрезвычайно чувствительной к дрейфам и вибрациям, которые неизбежны, поскольку портал CT представляет собой быстровращающуюся платформу.Хотя гентри (то есть вращающаяся часть системы) отделен от окружающей среды воздушным подшипником (29), он по-прежнему несет несколько вибрирующих компонентов, таких как насосы и рентгеновская трубка с быстро вращающимся анодом (30).

Чтобы максимизировать чувствительность интерферометра и одновременно наилучшим образом использовать ограниченное пространство на гентри, мы решили расположить три решетки в обратной геометрии (31), как показано на рис. 1 A . Решетки G 0 и G 1 расположены вплотную друг к другу, а G 2 расположены на противоположной стороне отверстия.Это позволяет эффективно использовать доступное пространство на гентри и по-прежнему сохраняет первоначальный диаметр отверстия КТ 70 см для пациента. Расстояния L и d , а также характеристики решетки были оптимизированы для специфической геометрии установки и рентгеновского спектра в моделировании на основе распространения Френеля для максимальной видимости интерференционных полос, что является ключевым параметром производительности для темных изображений. визуализация поля (15). В отличие от обычных интерферометров Талбота-Лау, в которых используется прямоугольная конструкция G 1 , результаты нашего моделирования на рис.1 C демонстрируют превосходные характеристики для решетки G 1 с треугольным профилем (32). Кроме того, моделирование также показывает, что по сравнению с обычными лабораторными установками относительно большой размер фокального пятна медицинского высокопроизводительного источника рентгеновского излучения приводит к значительно более жестким допускам для позиционирования и периодов решетки. Как показано на рис. 1 D , отклонения периода G 1 в нанометровом масштабе или отклонения межрешеточного расстояния L в субмиллиметровом масштабе вызовут значительную потерю видимости.Представленные модели используют размер источника 1,1 мм. Для высокой стабильности и точного позиционирования были разработаны специальные крепления для решетки, показанные на рис. 1 E и F . Кривизна этих креплений фокусируется в пятне источника рентгеновского излучения, что адаптирует интерферометр к чрезвычайно расходящейся геометрии луча (33). Это требует изгиба решеток, поскольку они изготавливаются на плоской подложке.

Рис. 1.

Конструкция системы компьютерной томографии в темном поле в масштабе человека. ( A ) Схема интерферометра Талбота-Лау, интегрированного в обычную медицинскую компьютерную томографию.Изогнутые решетки в инверсной геометрии позволяют расположить G 0 и G 1 близко к источнику. Большой G 2 расположен рядом с извещателем. Формирование контраста показано в приложении SI , рис. S1. ( B ) Портал КТ, оснащенный интерферометром Талбота-Лау. Большой G 2 , закрывающий детектор, виден, а крепления G 0 и G 1 скрыты коллиматорной коробкой. Фантом грудной клетки человека располагается на кушетке пациента.( C ) Анализ параметров прямоугольных и треугольных решеток G 1 . Максимальная производительность (то есть видимость полос) ожидается при рабочем цикле 0,5 и 18,5 мкм по высоте для треугольного профиля. ( D ) Моделирование показывает, что производительность сильно зависит от параметров. Небольшие отклонения в периодичности G 1 в нанометровом диапазоне или в длине L в миллиметровом диапазоне вызывают необратимую потерю производительности. ( E ) Специализированное приспособление G 0 и G 1 для изгиба решеток для фокусировки в пятно источника рентгеновского излучения. Жесткий монтаж важен для обеспечения устойчивости при непрерывном вращении при высоких центробежных силах. ( F ) Сшивание G 2 с помощью модульной регулируемой рамы для индивидуального размещения 13 плиток. Точное управление положением и вращением, а также долговременная стабильность во время вращения являются ключевыми аспектами этого компонента ( SI Приложение , рис. S2).

Решетки G 0 и G 1 , смонтированные вместе, встраиваются в коллиматорный бокс системы КТ.Решетка G 2 устанавливается непосредственно перед детектором, как показано на рис. 1 B и F и СИ Приложение , рис. S2. Самым большим компонентом интерферометра является решетка G 2 , которая должна покрывать около 80 см длины дуги, чтобы поддерживать поле зрения 45 см. Решетки такого размера в настоящее время можно комбинировать только из нескольких плиток меньшего размера, как показано на рис. 1 F и SI Приложение , рис. S2. Это увеличивает сложность системы, поскольку все отдельные решетки должны быть тщательно выровнены относительно друг друга, но это позволяет при необходимости заменять плитки.

Процедура оптимизации и характеризации

Из-за типичных энергий, используемых в клинических КТ-системах (от 80 до 120 кВпик), изготовление структур с мелкой решеткой для интерферометра Тальбота–Лау чрезвычайно сложно, так как очень сильно поглощающие структуры (> 200 мкм), но с размерами элементов в несколько микрометров. Несмотря на то, что золото используется в качестве поглощающего материала из-за его высокого поперечного сечения поглощения рентгеновских лучей, тонкие периодические линии должны иметь высоту более 200 мкм для приемлемой производительности.Для изготовления таких структур с высоким соотношением сторон мы выбрали процесс глубокой рентгеновской LIGA (по-немецки «Lithographie, Galvanik, Abformung») (14, 34), поскольку он превосходит методы, основанные на травлении кремния (соотношения сторон <80). (18, 35) и подходит для решетчатых подложек, пригодных для изгиба (16, 17, 33). На рис. 2 A пример решетчатой ​​структуры высотой 280 мкм с соотношением сторон, превышающим 100, демонстрирует самые последние результаты изготовления LIGA. Чтобы тщательно контролировать и улучшать процесс изготовления на этом уровне и обеспечивать покрытие всей поверхности детектора с достаточным качеством решетки и низким уровнем дефектов, мы разработали специальный анализ углового рентгеновского пропускания (AXT), который расширяет стандарт процесс контроля качества (36).С этой целью мы назначаем коэффициент формы качества, чтобы охарактеризовать изготовленные решетки. Как показано на рис. 2 C E , решетки в основном отличного качества, только с некоторыми дефектами, ограниченными внешними левой и правой областями G 0 и G 1 . Поскольку эти области не влияют на требуемое поле зрения, они не влияют на общую производительность системы.

Рис. 2.

Основные рабочие параметры и вибрационный анализ. ( A ) Изображение фрагмента решетки G 0 , полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии.Вверху видны остаточные структуры сопротивления, включая опорные мосты. При средней высоте 280 мкм и периоде 4,8 мкм он демонстрирует высокое соотношение сторон ~115. В SI Приложение , рис. S3, показана визуализация для визуализации высокого соотношения сторон. ( B ) Рентгеновская микроскопия с высоким разрешением G 2 зазора между двумя плитками. ( C E ) Оценка качества плитки G 0 , G 1 и примера G 2 с использованием анализа AXT.Фактор формы является мерой, напрямую связанной с качеством решетки. Коэффициент равен нулю для идеально прямоугольных решеток (G 0 и G 2 ) и единице для идеально треугольных решеток, таких как G 1 . Плитки G 2 имеют неизменное качество и лишь незначительные дефекты. G 0 и G 1 в основном хорошего качества, с дефектами по левому и правому краям. Эти дефекты терпимы, так как ширина макета немного больше, чем необходимо.( F ) Данные проекции без выборки показывают типичные муаровые полосы в необработанных данных. При обработке исходных данных создаются изображения интенсивности и видимости. Видимость напрямую связана с характеристиками интерферометра, а измеренная пиковая видимость до 30 % является хорошим результатом, учитывая спектр жесткого рентгеновского излучения 80 кВпик. График средней видимости по столбцу показан в Приложении SI , рис. S4. ( G ) Анализ синограммы необработанных данных, показывающий колебания полос во времени.Полную синограмму можно найти в SI Приложение , рис. S5. ( H ) Детальный анализ колебаний показывает угловую зависимость и высокочастотную вибрацию. Угловая зависимость (оранжевая кривая) воспроизводится от скана к скану. Врезки показывают, что высокая частота хорошо дискретизируется за счет короткого времени экспозиции, поскольку амплитуда от пика до пика ограничена 1,5π.

Последние достижения в области производства теперь позволяют изготавливать G 0 и G 1 требуемых размеров и малых радиусов изгиба, что снижает возможные ошибки при сборке и повышает стабильность.Однако гораздо больший размер G 2 все равно приходится собирать из нескольких отдельных плиток, что реализуется с помощью специализированного модульного крепления. Это позволяет нам комбинировать и регулировать изогнутые плитки решетки внутри гентри с размером зазора менее 100 мкм и в то же время поддерживать непрерывную фазу на плитках, чтобы избежать артефактов сшивки (17). Пример представлен на передаваемом изображении с высоким разрешением зазора сшивания на рис. 2 B , где красная линия указывает на непрерывный период.

Для оценки производительности и стабильности системы здесь анализируется тестовый набор данных без выборки. На рис. 2 F необработанные данные, выдаваемые детектором, показывают ожидаемую картину муаровых полос. В качестве меры производительности установки мы анализируем интенсивность I 0 и видимость (13) V 0 , как показано на рис. 2 F , которые получаются путем обработки необработанных данных проекции. Желаемым эффектом является изменение интенсивности на детекторе, которое оптимизирует применяемую дозу облучения.Хотя обычно это достигается с помощью фильтра-бабочки в обычной клинической КТ, здесь это вызвано частичным затенением рентгеновского луча в G 0 , которое увеличивается в сторону больших углов веера от центра детектора. Из-за большого размера пятна источника и малого угла приема большого аспектного отношения G 0 все большая часть излучения пересекает структуру решетки неперпендикулярно и, таким образом, затухает. Кроме того, это приводит к вырождению щелевых источников для больших углов веера (т.е., где пятно источника рентгеновского излучения больше) (30). Этот эффект приводит к уменьшению видимости влево и вправо, как видно на изображении видимости на рис. 2 F . Тем не менее, наиболее важная центральная область работает хорошо с максимальной видимостью 26% в центре, что близко к результатам моделирования, показанным на рис. 1. Включая внешние области, где видимость падает из-за частичного затенения в G . 0 снижает производительность (графическая версия находится в SI Приложение , рис.S4), средняя видимость интерферометра составляет около 20%.

Для анализа стабильности установки на синограмме на рис. 2 G показано, как колеблется картина интерференционных полос во время измерения. Заметим, что фаза интерференции изменяется на 2π, если любую из решеток сдвинуть относительно других на полный период. Механические детали, такие как вентиляторы, система охлаждения и привод анода, вызывают вибрации интерферометра, вызывающие наблюдаемые колебания полос. Хотя эта частота определяется возбуждающими механическими компонентами, результирующая амплитуда настраивается жесткостью опор решетки.На рис. 2 H показан анализ колебаний за один полный оборот. В дополнение к высокочастотным колебаниям наблюдается медленное изменение фазы, связанное с угловым положением гентри. Этот низкочастотный фазовый переход одинаков для каждого оборота и возникает, предположительно, из-за деформации системы, вызванной дисбалансом гантри, а также центробежными и гравитационными силами.

Алгоритмический подход

В отличие от обычно используемых подходов «шаг и выстрел» (11) и медленного времени вращения в настольных лабораторных установках или системах с небольшими животными, наша быстро вращающаяся клиническая КТ-система вызывает большое разнообразие дрейфов и вибраций, что приводит к к сильным флуктуациям интенсивности, видимости и фазы, как показано на рис.2. Следовательно, все разработанные до сих пор методы обработки не могут быть применены, поскольку они не могут, например, правильно обрабатывать локальные вариации интенсивности, которые являются одной из основных причин артефактов, обнаруженных нами во время разработки этой системы компьютерной томографии в темном поле.

Поэтому мы разработали алгоритмический подход к обработке данных, который может справиться с различными проблемами, изложенными выше. Как показано на рис. 3 A и C , мы анализируем эталонное сканирование без выборки, чтобы извлечь постоянные характеристики системы от сканирования к сканированию, такие как средняя производительность, и используем линейные комбинации массивов коррекции для моделирования колебаний в интенсивность, видимость и фаза в показаниях каждого отдельного детектора.На рис. 3 A перечислены различные эталонные этапы обработки, а на рис. 3 B показаны итоговые характеристики системы. Единственная информация, которая не сохраняется от сканирования к скану, — это высокочастотная составляющая (около 175 Гц) коэффициентов массива коррекции, которая представлена ​​на рис. 3 E в качестве примера для трех массивов коррекции интенсивности. Только низкочастотная составляющая, выделенная оранжевым цветом, сохраняется среди разных сканов, поэтому во время обработки выборки необходимы дополнительные расширения.

Рис. 3.

Стратегия обработки данных. ( A ) Эталонный конвейер обработки для извлечения постоянных характеристик системы от сканирования к сканированию из сканирования с воздуха. Здесь мы вводим поправки на локальные флуктуации интенсивности и сжатие информации с использованием PCA. ( B ) Характеристики интерферометра и корректирующая матрица являются результатом эталонной обработки. ( C ) Конвейер обработки выборки на основе обработки скользящего окна. Поскольку высокочастотные колебания отличаются от эталонного сканирования, мы используем шаг оптимизации для определения оптимальной линейной комбинации массивов коррекции для оценки параметров свободных полос текущего образца и, таким образом, для подавления артефактов вибрации.( D ) Результаты оптимизации поправочного коэффициента с использованием априорной информации из эталонного сканирования. ( E ) Коэффициенты трех массивов коррекции интенсивности. Дрейф, зависящий от углового положения (оранжевый), является последовательным от сканирования к скану и может использоваться в качестве априорной информации на этапе оптимизации коррекции. ( F ) Трехмерная диаграмма рассеяния трех коэффициентов коррекции интенсивности после вычитания низкочастотного компонента, показанная на E .Можно наблюдать корреляцию, которую также можно использовать на этапе оптимизации в качестве априорных знаний. ( G и H ) Реконструкции затухания и темного поля FBP после обычной обработки скользящего окна, соответственно. Обе модальности страдают от артефактов вибрации, так как высокая частота не корректируется во время обработки. ( I и J ) Затухание и реконструкция FBP в темном поле после расширенной обработки, соответственно, которая успешно удаляет артефакты вибрации, обеспечивая более четкую реконструкцию в обоих модальностях.Для лучшей визуализации фона нижние правые углы на G и I показаны в измененном цветовом диапазоне от –1200 до –600 единиц Хаунсфилда.

Игнорирование высокочастотной составляющей коэффициентов приводит к сильным артефактам на восстановленных изображениях, как показано на рис. 3 G и H . Чтобы решить эту проблему, мы разработали итеративную оптимизацию для извлечения высокочастотной составляющей, которая является неоднозначной, поскольку информация об образце и высокочастотные колебания могут совпадать.Чтобы подавить этот эффект перекрестных помех, мы упорядочиваем данные, такие как ожидаемая частота и амплитуда вариации, а также другие характеристики, которые сохраняются от сканирования к сканированию, например, корреляции между различными коэффициентами. На рис. 3 F показаны высокочастотные компоненты трех поправочных коэффициентов интенсивности, демонстрируя их корреляцию, поскольку они ограничены эллиптической кривой.

После этой оптимизации создается индивидуальная эталонная коррекция для каждой выборочной проекции.Он включает в себя как низкочастотную, так и высокочастотную составляющие поправочных коэффициентов, которые показаны синими графиками на рис. 3 D . Последующая томографическая реконструкция с фильтрованной обратной проекцией (FBP) (37), показанная на рис. 3 I и J , теперь не содержит артефактов, вызванных вибрацией. Остальные низкочастотные шумоподобные структуры на темнопольном изображении обусловлены артефактами движения. Этот артефакт можно эффективно подавить с помощью более продвинутых методов обработки (22).

Все сканы, представленные в этой статье, представляют собой аксиальные сканы с одним оборотом, измеренные при времени вращения 1 с. Поскольку гентри непрерывно вращается, для извлечения сигнала применяется метод скользящего окна (19). В то время как вибрации в интерферометре обычно вызывают только трудности, наша установка фактически использует индуцированное высокочастотное изменение фазы. Как показано на рис. 2 H , вибрация гарантирует относительно адекватную выборку фазы по крайней мере на 1,5 π при сравнительно небольших размерах окна всего в 10 проекций.Если бы это собственное фазовое колебание отсутствовало, нам потребовался бы исполнительный механизм для смещения одной решетки во время сканирования, подобно обычному подходу с пошаговым изменением фазы (11). Общая продолжительность от сбора данных до реконструкции готового образца составляет менее 15 минут.

Первые результаты

Для оценки количественных характеристик этого первого прототипа системы компьютерной томографии в темном поле человеческого масштаба мы использовали фантом, состоящий из различных материалов в пластиковых трубках (рис. 4 G ). Восстановленные изображения затухания и темного поля показаны на рис.4 A и D соответственно. Можно отличить не только сильно ослабляющую воду и полиоксиметилен (ПОМ) от менее плотных (т. е. менее ослабляющих) материалов, но также малоугловое рассеяние рентгеновских лучей, индуцированное этими материалами. Темнопольный канал изображения позволяет нам различать пены, порошки и составы ваты, поскольку сигнал темного поля собирает информацию о тонкой структуре и пористости (9, 38).

Рис. 4.

Результаты КТ в темном поле в масштабе человека.( A C ) Обычные (затухающие) томограммы цилиндрического фантома и модифицированного фантома грудной клетки человека с двумя разными вставками. Они не содержат артефактов и позволяют нам легко различать различные поглощающие материалы, такие как кости, мягкие ткани и воздух. ( D F ) Соответствующие реконструкции темного поля, показывающие рассеивающую способность различных материалов. Сигнал темного поля явно носит дополнительный характер, и мы даже наблюдаем инверсию контраста для материалов с высоким коэффициентом рассеяния, но низкой плотностью (например,г., неопрена или ваты). Увеличенные вставки в C и F выделяют область дополнительными вставками материала. ( G и H ) Фотографии цилиндрического фантома и клинического фантома грудной клетки человека с черной неопреновой вставкой соответственно. ( I ) Таблица различных материалов HUa и HUd из реконструкции, показанной в A и D , включая их SD. Стрелки указывают на качественную классификацию сигнала в пределах общего измеренного диапазона сигнала соответствующей модальности контраста. Количественная мультимодальная визуализация позволяет расширить восприятие КТ-изображений и будет полезна для различных диагностических задач. Расширенная дифференциация материалов, основанная на затухании и рассеянии, особенно перспективна для пористых материалов и материалов с низкой плотностью (например, неопрена, порошковых материалов или волокнистых материалов, таких как шерсть) и, таким образом, может обеспечить значительные преимущества для диагностики легких.

Чтобы оценить систему с точки зрения потенциального будущего клинического применения, мы использовали модифицированный фантом грудной клетки человека на основе коммерчески доступного продукта (Lungman; Kyoto Kagaku), который представляет собой грудную клетку туловища с обхватом 94 см.Для моделирования легочной ткани мы вставили кусочки неопрена, пористость которых моделирует микроструктуру легочных альвеол и является подходящей заменой ( SI Приложение , рис. S6) (38). Мы также подготовили вставки из пластиковых труб, как показано на рис. 4 H , для оценки дополнительных материалов. На рис. 4 B и C показаны обычные реконструкции затухания с простыми вставками из неопрена и нескольких материалов. Резкие и свободные от артефактов затухающие изображения показывают ожидаемый хороший контраст костей наряду с очень слабым сигналом от области легких, что является типичной особенностью легочной ткани.На соответствующих КТ-изображениях в темном поле (рис. 4 E и F ) мы можем наблюдать, что можно визуализировать дополнительную информацию о рассеивающих свойствах пены. Пористый неопрен и мелкозернистый сахар выделяются в канале темного поля, в то время как гомогенные материалы, такие как ПОМ и мягкие ткани, не генерируют сигнала. Синтетические кости фантома также, по-видимому, обладают заметно сильной характеристикой рассеяния под малыми углами.

В частности, из увеличенных областей рис.4 C и F видно, что модальность темного поля имеет более низкое разрешение по сравнению с изображением с затуханием. Это вызвано эффектом размытия, присущим подходу извлечения сигнала скользящего окна, и может быть устранено методами итеративной реконструкции на основе модели (22). Однако важно отметить, что сигнал в темном поле показывает свойства объемной ткани субразрешения, не зависящие от фактического пространственного разрешения томограммы, что делает относительной потребность в КТ в темном поле с высоким разрешением.

Основываясь на этих результатах, мы пришли к выводу, что наш прототип КТ в темном поле может извлекать ценную информацию о структуре субразрешения в клинических условиях. Комбинация затухания и темнопольного контраста может облегчить количественную дифференциацию конкретных типов тканей, чего нельзя достичь только за счет затухания. По аналогии с единицами Хаунсфилда, которые используются в качестве количественной меры для CT затухания (мы называем их HUa), мы предлагаем следующее уравнение для преобразования измеренного коэффициента линейной диффузии ε (39⇓⇓–42) в шкала единицы Хаунсфилда в темном поле (HUd) для количественной КТ в темном поле (4): HUd (x)=1000·ε(x)−ε0εнеопрен−ε0.

Эта шкала откалибрована для εнеопрена в качестве эталонного материала для темного поля, а ε0 равно нулю для воздуха в качестве нерассеивающего эталона. Количественные результаты визуализации в темном поле с помощью нашего прототипа сканера показаны на рис. 4 I ( SI Приложение , на рис. S7 показана расширенная таблица). Стрелки качественно указывают силу сигнала в соответствующей модальности контраста и демонстрируют, что различные комбинации обеих количественных шкал, HUa и HUd, позволяют более четко идентифицировать физические свойства образца.

Обсуждение

Таким образом, мы продемонстрировали систему компьютерной томографии в темном поле, которая может отображать размер грудной клетки человека с полем зрения 45 см за одну секунду. Все оставшиеся до сих пор технические проблемы были преодолены, и решения были объединены в одну систему. А именно, большое поле зрения достигается за счет изогнутых решетчатых структур для высоких энергий рентгеновского излучения, которые жестко закреплены на клиническом КТ-гентри, и подхода к обработке, который компенсирует артефакты, вызванные вибрацией.

Эта работа сосредоточена на демонстрации того, что КТ в темном поле на основе стандартной медицинской КТ-платформы технически осуществима. Таким образом, наши результаты ограничены фантомными исследованиями и небольшим охватом. В настоящее время мы продолжаем увеличивать объем реконструкции одного сканирования за счет спирального сбора и реконструкции. Спиральная съемка необходима для охвата всей области легких за одну задержку дыхания. Это необходимо для удовлетворения клинических требований в отношении удобства использования, времени сбора данных и дозы облучения для утверждения регулирующими органами первых исследований пациентов in vivo.

Для инноваций в клинической КТ представленная реализация интерферометра Талбота-Лау на непрерывно вращающемся гентри является важной вехой. В частности, тот факт, что продемонстрированное доказательство концепции требует лишь незначительных модификаций распространенного устройства, позволяет быстро перевести его на клиническое применение и коммерциализацию. Мы ожидаем, что подобные реализации темного поля возможны в большинстве существующих CT-гентри. Кроме того, предлагаемая темнопольная КТ не только полностью совместима, но и даже выгодна в сочетании с другими инновациями (например,g., двухэнергетические детекторы и детекторы со счетом фотонов), которые в настоящее время внедряются производителями (43). Следовательно, мы видим темное поле на основе решеток в дорожной карте для будущих инноваций в области компьютерной томографии.

Для клинической реализации мы предлагаем шкалу HUd для сигнала темного поля. Имея традиционную HUa и дополнительную реконструкцию HUd рядом, мы уверены, что дальнейшая диагностическая информация может быть эффективно интерпретирована. В МРТ аналогичная двойственность механизмов контрастирования, а именно Т1 и Т2, уже хорошо известна и успешно применяется в клинической практике.После того, как системы КТ в темном поле будут одобрены и доступны в клиниках, мы ожидаем немедленного воздействия на визуализацию легких (4, 27), как это уже было продемонстрировано в предыдущих исследованиях ХОБЛ, эмфиземы, фиброза и рака легких на мелких животных. Потенциальные дальнейшие клинические применения включают обнаружение инородных тел (44) и характеристику микроструктуры трабекулярной кости (45) и кальцификации, поскольку они могут возникать в тканях или в виде бляшек в кровеносных сосудах, а также дифференциацию между различными типами камней в почках (46).В контексте клинического перевода представленная работа представляет собой последнюю веху перед первым исследованием пациента.

Материалы и методы

Принцип интерферометрии Талбота–Лау

Решетчатый интерферометр рентгеновского излучения используется для одновременного измерения ослабления, преломления и малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (12, 13). Решетки представляют собой узоры, состоящие из множества параллельных поглощающих линий с фиксированной периодичностью (14, 16, 17). Решетка G 1 вносит тонкую модуляцию интенсивности падающего излучения с периодичностью в несколько микрометров.Для разрешения этой линейчатой ​​картины перед детектором расположена высокопоглощающая анализаторная решетка G 2 . Следовательно, модуляция интенсивности субпиксельного размера преобразуется эффектом муара в низкочастотную интерференционную картину, разрешаемую детектором. Дополнительная исходная решетка G 0 разделяет излучение некогерентного рентгеновского источника на множество щелевых источников, которые удовлетворяют требованиям когерентности для этого метода (12). Ослабление излучения образцом вызывает уменьшение интенсивности, а преломление и малоугловое рассеяние вызывают небольшие искажения и изменение контраста генерируемой интерференционной картины соответственно. Приложение SI , на рис. S1 показана упрощенная иллюстрация процессов взаимодействия. Обычный метод извлечения сигнала включает в себя запись так называемой ступенчатой ​​кривой, где одна из решеток точно перемещается в несколько шагов в течение одного периода (11). Сравнение двух ступенчатых кривых, полученных с образцом и без него на пути луча, позволяет нам выделить свойства затухания, рассеяния и фазового сдвига измеряемого объекта (11, 13). Во вращающемся портале контролируемое движение решеток невозможно, потому что нестабильность, такая как центробежные силы и системные вибрации, возмущает систему.Поэтому мы используем представленный альтернативный подход к выделению сигнала, который включает моделирование всех движений решетки в измеренных данных.

Моделирование интерферометра

Чтобы найти оптимальную геометрию установки и параметры решетки, мы используем волновое оптическое моделирование, основанное на распространении Френеля, подобное предыдущей работе в ссылках. 47 и 48. Моделирование позволяет оценить интенсивность, видимость и количество полос на детекторе для заданного набора параметров системы.В отличие от других упомянутых волновых оптических моделей, здесь на ряд детекторов распространяется только одномерный волновой фронт. Это по-прежнему достаточно хорошо описывает реакцию интерферометра на различные параметры и является более эффективным в разработке и реализации.

Различные решетки, взаимодействующие с фронтом волны во время распространения, изготавливаются в точном соответствии с техническими условиями их изготовления и их механическими свойствами. Все соответствующие параметры геометрического дизайна, такие как период, высота, рабочий цикл, доля перемычки и профиль решетки (т.е., угол наклона и радиус изгиба), настраиваются. Для реалистичного взаимодействия материалов свойства материала подложки, ламелей решетки и материалов полимерной матрицы можно получить из библиотеки xraylib (49).

Поскольку в реализованной геометрии решетки изогнуты цилиндрически для фокусировки в пятно источника рентгеновского излучения, расходимостью излучения можно пренебречь и достаточно модели плоской волны. Это упрощает моделирование, но имеет тот недостаток, что не учитывается неперпендикулярное распространение через решетчатые структуры.

Для включения спектральных зависимостей системы в структуру реализован спектр рентгеновской трубки, спектральная фильтрация и эффективность детектора. Это делается путем параллельного распространения нескольких монохроматических волновых фронтов — по одному для каждого элемента энергии — и, наконец, интегрирования результирующих сигналов детектора.

Для окончательного определения характеристик интерферометра смоделированный G 2 подвергается ступенчатой ​​обработке по всему периоду решетки, что дает ступенчатую кривую с равноудаленными точками выборки.Затем эта кривая обрабатывается, как описано в ref. 13 и дает нам интенсивность, видимость и дифференциальную фазу анализируемой конфигурации параметров. По дифференциальной фазе соседних пикселей можно рассчитать количество полос на детекторе.

Поскольку увеличенный размер источника рентгеновского излучения оказывает огромное влияние на производительность системы, он включен в моделирование. Это делается путем рассмотрения всех щелей G 0 , которые вносят вклад в точку отбора проб в плоскости G 2 .Обычно это не требуется для моделирования лабораторных микрофокусных рентгеновских трубок, потому что здесь вносят вклад только несколько щелей, которые можно упростить до одной щели в качестве приближения.

Принимая во внимание это разнообразие параметров и эффектов, моделирование достигает реалистичных результатов и близко соответствует экспериментальным характеристикам.

Изготовление решеток и параметры

Все решетки были изготовлены методом «прямой» глубокой рентгеновской LIGA, который включает рентгеновскую литографию с синхротронным излучением и последующее гальванопокрытие золотом (Karlsruhe Institute of Technology and Microworks GmbH) (14, 16, 34).Чтобы избежать деформаций длинных и мелких решетчатых структур, используется «мостовая» конструкция, в которой ламели фоторезиста стабилизированы и соединены между собой небольшими мостиками фоторезиста (например, рис. 2 A и B ). В основе решеток лежат графитовые или полиимидные подложки, которые, в отличие от кремния, также подходят для требуемых малых радиусов изгиба. G 1 был изготовлен путем наклонного экспонирования стандартной прямоугольной маски (32) под углом 6,7°. Вместе с ростом примерно 18.5  мкм, наклонные ламели дают эффективно треугольный профиль высоты, если они проецируются перпендикулярно подложке. Периоды решетки составляют 4,805, 4,34 и 45  мкм для G 0 , G 1 и G 2 соответственно. В представленной реализации технология изготовления решеток для G 0 ограничивает чувствительность системы, поскольку более мелкие периоды, чем 4,8  мкм, в настоящее время недоступны в требуемом качестве для спектров жесткого рентгеновского излучения. Скважности (отношение ширины ламелей золота к периоду) составляют ∼0.5, а высота золотых структур составляет около 280 мкм для плиток G 0 и около 300 мкм для плиток G 2 .

Определение характеристик решетки

Метод анализа AXT, используемый для характеристики решетки, обеспечивает отображение нескольких параметров решетки с пространственным разрешением и первоначально был предложен для прямоугольных поглощающих решеток с большим соотношением сторон (36). Однако он также применим к нашей фазовой решетке G 1 с учетом двух аспектов. Во-первых, треугольный профиль высоты G 1 получается за счет проекции наклонных ламелей, а не за счет решетчатых структур треугольной формы. Во-вторых, ограничение метода поглощающими решетками с высоким соотношением сторон удалось избежать за счет использования спектра с низкой энергией 30 кВпик. При высоте структуры примерно 18,5 мкм это дает достаточный контраст в измерениях AXT. Фактор формы рассчитывается по периоду и рабочему циклу, а также по высоте и наклону ламелей относительно подложки. Следовательно, он представляет собой подходящую меру качества, указывающую степень наклона ламелей. Идеально прямоугольные ламели описываются нулевым значением.Если ламели наклонены так, что проекция, перпендикулярная подложке, дает треугольный профиль по высоте, коэффициент формы равен единице.

Подавление затенения с помощью изогнутых решеток

Поглощающие рентгеновские решетки G 0 и G 2 , изготовленные для этой установки с помощью процесса LIGA, состоят из тонких ламелей, ориентированных перпендикулярно поверхности подложки (14). Таким образом, на плоских подложках решетки с высоким коэффициентом сжатия работают должным образом только в геометрии с параллельными лучами. В геометрии с расходящимся лучом угол падения лучей меняется, и из-за высоты поглощающих структур частичное поглощение приводит к потере интенсивности и видимости. Только рентгеновские лучи, пересекающие решетку перпендикулярно поверхности подложки, не подвержены затенению. Следовательно, решение по подавлению артефакта затенения в геометрии веерного луча состоит в том, чтобы изогнуть решетку так, чтобы фокальное пятно ламелей совпадало с пятном источника рентгеновского излучения (33). В приложении SI , рис.S3 визуализация визуализирует высокое соотношение сторон и процесс гибки G 0 . При таком подходе полезное поле зрения может быть расширено при использовании решеток с большим соотношением сторон (50). Для достижения малых радиусов изгиба гибкие материалы подложки, такие как графит и полиимид, заменили хрупкие подложки из кремния и стекла. Для используемых одномерных решетчатых структур достаточно цилиндрического изгиба решеток, чтобы уменьшить артефакт затенения.

Расширенная обработка эталона

По сути, идея введенной обработки эталона состоит в том, чтобы извлечь всю постоянную информацию от сканирования к сканированию из сканирования без образца.В представленной системе характеристики интерферометра и характерные образцы вибрации стабильны во времени и, таким образом, также присутствуют в сканах образцов. Например, колебания интенсивности следуют определенной частоте, амплитуде и характеру. Поскольку тот же паттерн появляется с той же частотой и амплитудой при последующем сканировании образца, его вклад можно скорректировать во время обработки и реконструкции образца. Коррекция, основанная исключительно на сканировании образца, была бы невозможна, потому что дифференциация между флуктуациями интенсивности и данными образца была бы затруднена и могла бы привести к перекрестным помехам.Во время эталонной обработки задача заключается в эффективном выявлении и разделении встречающихся шаблонов таким образом, чтобы их можно было исправить во время обработки образца.

Как показано на рис. 3 A , эталонная обработка представляет собой многоэтапный подход, который оптимизирует измеренные данные для модели данных интерферометрии Талбота-Лау. Он начинается со стандартного извлечения сигнала (т.е. восстановления фазы), которое дает интенсивность интерферометра I 0 , видимость V 0 и фазу P 0 .Хотя на этом раннем этапе результаты сильно искажены вибрациями, этот результат является исходным предположением для следующих шагов.

Механические колебания системы перемещают и деформируют решетки относительно друг друга и, следовательно, вызывают периодические колебания фазы, интенсивности и видимости. Мы обнаружили, что можем эффективно моделировать эти изменения с помощью двумерных полиномиальных функций низкого порядка, и соответствующим образом расширили модель данных. Поскольку G 2 состоит из нескольких плиток, на этом шаге они должны быть смоделированы по отдельности с помощью мозаичных полиномиальных шаблонов.

При таком расширении видимость и фазовые флуктуации уже достаточно хорошо описываются моделью, а в остатке остаются только флуктуации интенсивности. Используя анализ основных компонентов (PCA) остатка, можно дополнительно выделить наиболее доминирующие модели изменения интенсивности. Результирующие шаблоны коррекции интенсивности изображены на рис. 3 B как Ri,1−3, а соответствующий коэффициент интенсивности на проекцию ci,1−3 показан на рис. 3 D .Помимо двух шаблонов интенсивности Ri,2 и Ri,3, вызванных затенением, существует постоянный шаблон Ri,1 для всех пикселей, который корректирует глобальное изменение интенсивности (например, флуктуацию потока рентгеновской трубки).

На заключительном этапе обработки модель данных и идентифицированные шаблоны коррекции сжимаются с использованием PCA. Этот шаг необходим для упрощения паттернов и уменьшения количества свободных параметров (т. е. полиномиальных коэффициентов) при обработке выборки. В частности, мозаично определенные полиномиальные шаблоны не могут иначе быть оптимизированы для сканирования образца из-за высокого риска подгонки локально определенных шаблонов к образцу. Для извлечения наиболее доминирующих паттернов видимости и изменения фазы все полиномиальные паттерны суммируются и анализируются с помощью PCA. Результаты показаны на фиг. 3 B , где снова доминируют постоянные шаблоны Rv,1 и Rp,1 для всех пикселей. Для наглядности важны еще два паттерна. Подобно картинам интенсивности, они в основном представляют собой большие градиенты, подразумевая, что изменения видимости в первую очередь вызваны небольшими изменениями затенения луча на решетке G 0 .

В результирующих паттернах изменения фазы Rp,1−6 хорошо видна мозаичная природа G 2 , но, поскольку кажется, что все плитки колеблются связанным образом, предлагаемый подход к сжатию на основе PCA работает.

После всех этих этапов эталонной обработки характеристики интерферометра I 0 , V 0 и P 0 также извлекаются без каких-либо артефактов и могут использоваться для коррекции во время обработки. .

В то время как на рис. 3 B показаны попиксельные постоянные свойства системы от сканирования к сканированию, на рис. Из этих коэффициентов также может быть извлечена некоторая постоянная информация от сканирования к сканированию, в частности низкочастотное поведение, которое, например, выделено на рис. 3 E оранжевым цветом, а также частоты и амплитуда колебаний . Фаза колебаний коэффициентов, очевидно, уникальна для каждого скана и должна быть оптимизирована при обработке выборки.

Извлечение сигнала со скользящим окном

Извлечение сигнала со скользящим окном представляет собой компромисс между осуществимостью и производительностью для систем, которые постоянно вращаются (19). Окно нескольких последовательных проекций преобразуется в единую проекцию интенсивности и видимости, расположенную в центре обрабатываемого набора проекций. Чтобы свести к минимуму артефакты движения (т. е. видимые на рис. 3 J в виде низкочастотных шумоподобных структур) из-за изменения угла проекции в последующих проекциях, размер окна должен быть небольшим. С другой стороны, окно должно быть достаточно большим, чтобы обеспечить хорошую фазовую выборку в идеальном диапазоне 2π. На данный момент наша установка использует высокочастотное изменение фазы с рис. 2 H . Генерация гарантирует адекватную выборку фазы по крайней мере 1,5 π в пределах достаточно малого размера окна, состоящего всего из 10 проекций. Если собственные колебания установки не будут находиться в требуемом диапазоне, потребуется либо привод, либо дополнительная стабилизация установки. Поскольку этот подход объединяет несколько проекций в одну, разрешение томографической реконструкции снижается, поскольку в этом процессе трудно восстановить особенно острые края без каких-либо артефактов.Однако этот недостаток принимается, поскольку потеря разрешения незначительна, а пространственное разрешение в настоящее время не является основной задачей. С вычислительной точки зрения этот метод выгоден, потому что это чрезвычайно быстрый метод извлечения сигнала, поскольку это линейная задача, которая может быть решена аналитически.

При визуализации в темном поле зависимость характеристик интерферометра от энергии приводит к артефакту, подобному усилению луча при обычном затухании контраста (51).При измерении нерассеивающего материала, такого как POM или вода, создается поправка на жесткость луча. Эта коррекция применяется перед реконструкцией FBP (37) всех представленных изображений. В качестве примера результатов извлечения сигнала до реконструкции синограммы сигнала передачи и сигнала темного поля цилиндрического фантома (рис. 4 A , D и G ) показаны в SI Приложение , Рис. S5.

Калибровка сигнала в темном поле

Сила сигнала в темном поле зависит от размера элемента малоугловых рассеивающих структур, а также от нескольких системных параметров, таких как чувствительность интерферометра или спектр рентгеновского излучения (9) .По сути, реконструированные значения можно откалибровать по тому, что мы называем HUd. Подобно шкале затухания Хаунсфилда, это должно обеспечить количественную согласованность между различными системами компьютерной томографии в темном поле (4). Мы выбираем неопреновую пену и воздух в качестве эталонных калибровочных материалов. Неопрен является подходящим материалом для моделирования микроструктуры альвеол легких ( SI Приложение , рис. S6) (38), демонстрируя очень слабое затухание, но сильный сигнал в темном поле. Однако в будущей работе требуется дальнейшая оценка долгосрочной стабильности.Шкала HUd определяется значением 1000 для неопрена как сильно рассеивающего материала и значением 0 для воздуха и любого другого нерассеивающего материала. Это дает такое же впечатление от изображения, как и изображения с затуханием, поскольку области с более низкой плотностью рассеяния темнее. В частности, для визуализации легких использование положительных чисел для HUd обеспечивает четкую дифференциацию от единиц затухания Хаунсфилда, которые в основном отрицательны для легочной ткани. В отличие от систем темного поля для рентгенографии, представленная реализация КТ и последующая калибровка сигнала обеспечивают количественную визуализацию. В то время как рентгенографические системы имеют препятствия для изображения из-за ребер и различной анатомической формы грудной клетки или легких, что может затруднить оценку, наша система решает эту проблему. Томографическая реконструкция и предлагаемая калибровка обеспечивают воспроизводимость уровня сигнала и отсутствие перекрывающихся структур.

Система КТ и оценка дозы

Прототип КТ в темном поле основан на современной системе Philips Brilliance iCT SP. Портал по умолчанию оснащен воздушной опорой, что обеспечивает низкий уровень вибраций на вращающемся портале (29).Представленные сканы были получены в аксиальном режиме с использованием спектра 80 кВпик и тока трубки 550 мА. С немодифицированной системой КТ эти настройки привели бы к индексу дозы объемной компьютерной томографии (CTDIvol) 13 мГр. Учитывая, что G 0 поглощает около 50% генерируемого рентгеновского потока до того, как излучение достигает пациента, мы оцениваем, что CTDIvol составляет около 7 мГр для продемонстрированных результатов прототипа КТ в темном поле. Это значение дозы находится в пределах клинически применимого диапазона для КТ органов грудной клетки взрослых с современными системами КТ (52).

Для реконструкций мы использовали все 2400 проекций, полученных во время одного вращения гентри с временем вращения 1 с. Представленная реализация использует 32 строки детектора и покрывает более 90% исходных столбцов детектора. В результате получается объем реконструкции диаметром 450 мм. Расширение установки до 64 и более линий детекторов возможно за счет модернизации решеток G 2 с большим охватом.

Поскольку решетки G 0 и G 1 были встроены в коллиматорную коробку, оригинальный фильтр-бабочка пришлось снять.В то время как частичное затенение большого фокусного пятна рентгеновского излучения в G 0 приводит к аналогичной модуляции интенсивности, будущая компьютерная томография в темном поле может быть оптимизирована путем добавления специально разработанного фильтра-бабочки для оптимального снижения дозы и подавления артефактов.

Доступность данных

Все данные исследования включены в статью и/или Приложение SI .

Благодарности

Мы благодарим Юлию Герцен, Даниэлу Пфайффер, Александра Фингерле, Эрнста Руммени, Петера Ноэля, Юргена Мора, Аманду Плейер, Стефана Лёшера, Свена Превраля, Ами Альтман и Сломо Готмана за их помощь, поддержку и преданность запуску этот сложный проект.Эта работа была проведена при поддержке Карлсруэ Nano Micro Facility (https://www.knmf.kit.edu/), исследовательской инфраструктуры Гельмгольца в Технологическом институте Карлсруэ. Мы признательны за поддержку Института перспективных исследований Мюнхенского технического университета, финансируемого German Excellence Initiative, гранта Европейского исследовательского совета h3020 Advanced Grant 695045 и Philips GmbH Market DACH.

Сноски

    • Принято 26 декабря 2021 г.
  • Вклад авторов: М.

LEAVE A REPLY

Ваш адрес email не будет опубликован.