PRZEMYSŁOWA RENTGENOWSKA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA

Transkrypt

1 PRZEMYSŁOWA RENTGENOWSKA TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA Dominik SENCZYK Politechnika Poznańska Sebastian MORYKSIEWICZ H. Cegielski Poznań S. A WPROWADZENIE Rentgenowska tomografia komputerowa jest metodą badania za pomocą promieniowania rentgenowskiego obiektów materialnych, pozwalającą na otrzymanie przestrzennego lub płaskiego rozkładu wybranej wielkości fizycznej na podstawie serii jednowymiarowych pomiarów i ich odpowiedniej obróbki komputerowej. Radiografia daje tylko płaski obraz cieniowy badanego obiektu zawierający informacje związane z rozkładem materii na drodze promieni, przy czym cienie elementów leżących na drodze danego promienia na różnych głębokościach w tym obiekcie nakładają się na siebie. Metodą radiografii nie można więc rozdzielić na obrazie (rentgenogramie) struktur przestrzennych wzdłuż kierunku rozchodzenia się promieniowania. Otrzymany obraz jest zawsze rzutem trójwymiarowego obiektu na płaszczyznę detektora, którym najczęściej jest film rentgenowski. Stanowi to pewne ograniczenie możliwości badawczych radiografii. Drugie jej ograniczenie polega na trudności obserwowania struktur charakteryzujących się małymi różnicami w wartościach liniowego współczynnika osłabienia promieniowania w stosunku do otaczającej materii. To ograniczenie jest szczególnie uciążliwe w radiologii medycznej, w której nie można obserwować przebiegu naczyń krwionośnych na tle tkanki mięśniowej. Różnica około 0,2% wartości liniowych współczynników osłabienia krwi i tkanki mięśniowej jest około 10-krotnie mniejsza od czułości tej metody. Z powyższych względów poszukiwano nowych rozwiązań pozbawionych wspomnianych ograniczeń, które doprowadziły do rentgenowskiej tomografii komputerowej. Pozwala ona na wyznaczenie dwuwymiarowych przekrojów ciała pacjenta, dowolnie zorientowanych w przestrzeni, ze zdolnością rozdzielczą około 0,5 mm, przy czym jest możliwe obserwowanie struktur przy różnicy wartości liniowych współczynników osłabienia wynoszącej około 0,4%. Oznacza to, że metoda ta 5-krotnie czulsza od klasycznej radiologii medycznej. Sukcesy RTK w medycynie doprowadziły do jej zastosowania w przemyśle. Schemat rentgenowskiego tomografu komputerowego stosowanego w przemyśle pokazano na rys. 1, a zasadę badania metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej na rys. 2. 1

2 Informacje zarejestrowane detektorem są poddawane odpowiedniej obróbce komputerowej, która prowadzi do rekonstrukcji obrazu badanego obiektu. Wykorzystuje ona różne procedury matematyczne (np. algorytmy: Radona, projekcji wstecznej, splotu). Rys. 1. Schemat rentgenowskiego tomografu komputerowego stosowanego w przemyśle Rys. 2. Zasada badania metodą rentgenowskiej tomografii komputerowej 2. PRODUKOWANE PRZEMYSŁOWE RENTGENOWSKIE TOMOGRAFY KOMPUTEROWE Rentgenowskie tomografy komputerowe dla celów przemysłowych produkuje kilka firm: Hytec Inc. (USA), Advanced Research and Applications Corporation (ARACOR) (USA), Wälischmiller (Niemcy), TOMO ADOUR (Francja), AEA Technology (Anglia). Firma Hytec Incorporated (USA) opracowała system FlashCT przemysłowej tomografii komputerowej do szybkiego obrazowania 3D. Stosuje się w nim płaski detektor z amorficznego krzemu, układ kontroli i sterowania, akwizycji i specjalistyczne oprogramowanie działa- 2

3 jące w systemie Windows NT/2000/XP. Przykładem jest przenośny rentgenowski tomograf komputerowy FCT P-101 (rys. 3). Rys. 3. Przenośny rentgenowski tomograf komputerowy FCT-P101 firmy Hytec Inc. (USA) Oprogramowanie obejmuje moduł akwizycji, procesu i obrazowania. Moduł FlashCT- DAQ kontroluje położenie obiektu, czas ekspozycji, kalibrację i ruch. Moduł FlashCT-DPS dokonuje konwersji danych pomiarowych w rzeczywisty obraz 3D dla wiązki wachlarzowej, równoległej lub stożkowej. Tomograf ten daje rozdzielczość 127 µm (voxel resolution), pozwala na badanie elementów do 40 cm szerokości na płaskim detektorze, jest wyposażony w lampę rentgenowską ( kv), a czas rekonstrukcji obrazu wynosi 5 min/gb. Jedną z firm produkujących rentgenowskie tomografy komputerowe dla celów przemysłowych (ICT industrial computed tomography) jest firma ARACOR (Advanced Research and Applications Corporation), która przoduje w USA w produkcji systemów obrazowania z wykorzystaniem promieniowania rentgenowskiego o dużej energii. W roku 1983 firma ta wyprodukowała pierwsze systemy tomografii komputerowej dla celów przemysłowych, a od roku 1988 produkuje systemy tomografii komputerowej z promieniowaniem rentgenowskim o dużej energii. Firma ta wytwarza systemy tomografii komputerowej 2D i 3D dla celów laboratoryjnych i przemysłowych. Wśród wytwarzanych tomografów na uwagę zasługują przemysłowe tomografy komputerowe typ ICT 1500 i ICT 2500, wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie o dużej energii odpowiednio 9 MeV i 15 MeV. Źródłem promieniowania jest lampa rentgenowska na napięcie 420 kv lub liniowy akcelerator elektronów. Produkowane są też tomografy Konoscope 160/200 i Konoscope 130/40. Są to pierwsze praktyczne urządzeniami dla objętościowej tomografii komputerowej stosowanej w przemyśle (volumetric CT system). Rentgenowska tomografia komputerowa jest cyfrową rentgenowską techniką badania, która wytwarza dokładne obrazy wewnętrznych szczegółów badanego obiektu oraz daje informację dotyczącą jego geometrii i materiału. Jako technika cyfrowa tomografia komputerowa jest kompatybilna z późniejszymi procesami cyfrowego przetwarzania, włączając dwu- i trójwymiarowe obrazowanie, metrologię i inżynierię odwrotną. Na rysunku 4 pokazano obrazy radiograficzne tego samego urządzenia uzyskane dwoma różnymi metodami: radiografią cyfrową i rentgenowską tomografią komputerową. Na radiogramie cyfrowym trudno rozróżnić elementy zaworu i ich względne położenie. Z kolei na tomogramie przedstawiającym przekrój badanego urządzenia elementy te i pierścień (O-ring) 3

4 są bardzo dobrze widoczne. Potwierdza to duże możliwości tomografii rentgenowskiej, w rozważanym przypadku większe niż radiografii cyfrowej. Rys. 4. Obraz pewnego urządzenia uzyskany metodą radiografii cyfrowej (z lewej) i rentgenowską tomografią komputerową (z prawej) Kontrola metodami rentgenowskiej tomografii komputerowej (RTK) jest potężnym narzędziem badawczym stosowanym do: wykrywania anomalii, scharakteryzowania urządzenia i materiału, analizy braków i awarii, pomiary wymiarów, inżynierii odwrotnej. Firma ARACOR skonstruowała największy w świecie i najsilniejszy system tomografii komputerowej dla Hill AFB (UT, USA) przeznaczony do kontroli silników rakiet na stałe paliwo. Jest to model ICT 2500 z akceleratorem 15 MeV, który pozwala na badania z dużą rozdielczością 3D rentgenowskich obrazów elementów mających średnicę do 2,5 m, wysokość 8,6 m i masę do kg. Z kolei tomograf ICT 1500 z akceleratorem 9 MeV jest stosowany przez Departament of Energy (USA) do kontroli broni jądrowej podczas sprawdzania jakości i demontażu. Taki sam tomograf jest stosowany w fabryce Ford Motor Company (Nondestructive Evaluation Center) w celu zmniejszenia czasu docierania elementów, optymalizacji procesów wytwarzania i polepszenia jakości. Firma ARACOR jest pionierem zastosowania RTK dla celów technologii REMAPP (Reverse Engineering, Metrology, And Part Production) stosowanej do wytwarzania brakującej lub nieistniejącej dokumentacji i wytwarzania części urządzeń z pomocą szybkich metod (rapid prototyping techniques). Współpraca z dużymi odlewniami pokazała techniczną i ekonomiczną wartość wspomagania przez RTK procesów wytwarzania (CT-assisted manufacturing processes) dla inwestycji w przemyśle odlewniczym. Niektóre rezultaty badania odlewów aluminiowych pokazują rys. 5 i 6. 4

5 Rys. 5. Obraz 3D odlewu aluminiowego Rys. 6. Obraz 2D przekroju odlewu z rys. 5 W Institute for Safety Research and Reactor Technology (ISR) w USA RTK jest stosowana w kontroli odpadów radioaktywnych. Skonstruowano prototyp tomografu dla tej kontroli, który jest stosowany w przemyśle (rys. 7). Z jego pomocą zbadano 2001 bębnów z takimi odpadami. Urządzenie zawiera źródło promieniowania, układ detekcji i mechanizm do manipulowania bębnem podczas badania. Zastosowane RTK pozwala na nieniszczącą kontrolę wspomnianych bębnów, bez ich otwierania. Główna jej zaleta to możliwość zobaczenia zawartości bębna na tomogramie. Rys. 7. Rentgenowski tomograf komputerowy do kontroli bębnów z odpadami radioaktywnymi Powyższa kontrola może być dokonana dwoma różnymi metodami tomograficznymi: metodą transmisyjnej tomografii komputerowej (Transmission Computer Tomography - TCT) i metodą emisyjnej tomografii komputerowej (Emission Computer Tomography - ECT). W przypadku metody transmisyjnej tomografii komputerowej (TCT) promieniowanie rentgenowskie penetruje bęben z odpadami, a układ detekcji mierzy natężenie promieniowania osłabionego przez badany obiekt. Obiekt ten jest przesuwany liniowo na stoliku popychacza i obracany o zadany kąt na stoliku obrotowym oraz poddawany skanowaniu. Generowane 5

6 dane transmisyjne dla różnych położeń bębna są gromadzone i po skompletowaniu wykorzystywane do rekonstrukcji obrazu dającego rozkład gęstości na poziomym przekroju odpadu w bębnie (rys. 8). W przypadku metody emisyjnej tomografii komputerowej (ECT) nie jest stosowane promieniowanie z zewnętrznego źródła, lecz korzysta się z charakterystycznego promieniowania radioaktywnego odpadu. W tym przypadku interesującą wielkością jest rozkład aktywności selektywnego radionuklidu (np. 137 Cs) na przekroju odpadu. Dane pomiarowe są opracowane przez komputer, co pozwala na uzyskanie rozkładu gęstości i aktywności na ekranie komputera. Na ich podstawie można wyciągać wnioski ilościowe. Rozkład gęstości dostarcza informacji dotyczących rodzaju i natury odpadu oraz stałej osnowy, np. materiału wypełniającego, średniej i lokalnej gęstości, wydrążeń, materiału pojemnika z cieczą, wewnętrznego konistra, cementowej otuliny i osłony. Rozkład aktywności daje informacje dotyczącą rodzaju i postaci składników radioaktywnego odpadu, np. jednorodności aktywnego produktu, aktywnych lub skażonych składników, osłony, lokalnej radioaktywności itp. Rys. 8. Tomogram uzyskany metodą emisyjnej tomografii komputerowej (ECT) pokazujący rozkład aktywności odpadu 60 Co zacementowanego w bębnie Kolejną firmą wytwarzającą tomografy komputerowe jest firma Wälischmiller (Niemcy), która wytwarza system rentgenowski RayScan. Jest to kombinowany układ dla celów radioskopii i tomografii z wiązką stożkową. System umożliwia jednoczesne uzyskanie 100 przekrojów w ciągu kilku minut badania obiektu i obrazu radioskopowego. Stanowi więc mocną metodę analizy. Badany obiekt umieszcza się na obrotowym stoliku pomiędzy źródłem promieni rentgenowskich i płaskim panelem detektora wysokiej rozdzielczości. Obraz projekcji jest tworzony dla każdego kątowego położenia obiektu. Z tych obrazów komputer oblicza absorpcję dla każdego położenia obiektu. Każdemu elementowi objętości (vokselowi) zostaje przypisana pewna wartość ze skali szarości przedstawiająca gęstość materiału w tym miejscu. Pozwala to na uzyskanie informacji dotyczącej wewnętrznej struktury badanego obiektu. Dane generowane przez system RayScan zawierają również informacje dotyczące geometrii tego obiektu. Pozwala to na pomiar grubości, odległości, promieni otworów i kątów. Pomiary te mogą być wykonane dla dowolnego przekroju 2D lub całego obiektu przestrzennego 3D. Opisywany system pozwala na konwersję danych dotyczących vokseli w dane dotyczące powierzchni. Pozwala to na porównanie z danymi CAD. 6

7 System RayScan jest szczególnie przydatny w badaniu nowych procesów wytwarzania, nowych materiałow jak również optymalizacji i monitorowania wspomnianych procesów. Może być stosowany w kontroli różnych materiałów: lekkich metali, tworzyw sztucznych, ceramiki i kompozytów. Z tego względu jest stosowany w zarówno w tradycyjnych gałęziach przemysłu takich jak przemysł samochodowy i lotniczy, jak również w innych gałęziach przemysłu wytwarzających specjalne materiały lub części o dużej odpowiedzialności i podwyższonym bezpieczeństwie. Jest również stosowany w badaniach naukowych z dziedziny archeologii, paleontologii, sztuki lu historii. Firma TOMO ADOUR (Francja) produkuje system tomografii komputerowej wyposażony w dwa generatory rentgenowskie, każdy dla innej rozdzielczości. Pierwszy, częściej stosowany w przemyśle, ma lampę rentgenowską na napięcie 450 kv z ogniskiem 1 1 mm 2, a drugi lampę z mikroogniskiem µm na napięcie 200 kv. Kolimatory formują wiązkę promieniowania padającą na układ detekcji zawierający 31 detektorów półprzewodnikowych z kryształem Bi 4 Ge 3 O 12. Możliwe do badania grubości różnych materiałów podano w tablicy 1. Tablica 1 Grubości różnych materiałów badane przy różnych napięciach dla sytemów TOMO ADOUR Materiał Grubość materiału [mm] dla napięcia 450 kv 200 kv Aluminium (bez filtra) 340 mm 80 mm Stal (z filtrem) 100 mm 40 mm Kompozyty 500 mm 80 mm Firma AEA Technology (Anglia) produkuje przemysłowy rentgenowski tomograf komputerowy TOMOHAWK (rys. 9). 7

8 Rys. 9. System TOMOHAWK dla celów radiografii cyfrowej i tomografii komputerowej Wykorzystuje on płaskie detektory, które generują obrazy radiograficzne w czasie rzeczywistym. Zbiór kompletnych radiograficznych obrazów podczas obrotu próbki w wiązce rentgenowskiej daje informację potrzebną dla uzyskania pełnego obrazu tomograficznego. Procedura rekonstrukcji z wiązką stożkową oparta na algorytmie Feldkampa jest stosowana do obliczenia zbioru danych 3D. Należy podkreślić, że algorytm ten potrzebuje tylko połowy obrotu próbki, a nie skanowania w całym przedziale od 0 o do 360 o. Rezultaty badania mogą być przedstawione w postaci wielu poziomych przekrojów 2D próbki lub jako jeden obraz 3D. Na rysunku 10 pokazano tomogramy 2D różnych aluminiowych piast kół pokazujące ich kształt, wielkość i porowatość. Urządzenie Tomohawk pozwala na badania małych wyrobów z dokładnością do 5 µm, a dużych obiektów o wymiarach do 1,2 m 1 m z dokładnością do 1 mm. Dane mogą być zbierane z 50 obrazów przekrojów poprzecznych podczas jednego obrotu w trybie 2D i precyzyjnych pomiarów bezpośrednio z obrazu uzyskanego w trybie 3D. 8

9 Rys. 10. Tomogramy 2D różnych aluminiowych piast kół Urządzenie do przemysłowej mikrotomografii komputerowej firmy Hamamatsu (Japonia) pokazano na rys. 11. Rys. 11. Urządzenie do przemysłowej mikrotomografii komputerowej firmy Hamamatsu (Japonia) Istnieją też inne tomografy komputerowe, np. w Japonii przemysłowy skaner CT 3. generacji Nitetsu Elex ELE-SCAN NX-NCP-C80-14, dający przestrzenną zdolność rozdzielczą 3 µm z lampą rentgenowską zasilaną napięciem 225 kv. 9