Когда речь заходит о рентгеновской томографии, которая позволяет заглянуть внутрь чего-то без разрушения этого чего-то, то кажется, что дальше будут говорить о медицине. Это не всегда так, и в данной статье мы попытаемся ответить на вопрос: зачем компьютерная томография (КТ) нужна промышленности?
Нужна промышленности - это значит, что нужна предприятиям, занятым добычей сырья и топлива, производством энергии и орудий труда, обработкой материалов и продуктов, изготовлением потребительских товаров и т.д. Трудно поверить, что оценить качество сборки узлов автомобиля и внутреннюю морфологическую структуру, определяющую в конечном счете электрохимические свойства аккумуляторов, позволяет, по сути, один и тот же прибор - рентгеновский томограф. Конечно, в томографах разные требования к пространственному разрешению, разные требования к энергетическим спектрам зондов, но, повторяем, по сути, все рентгеновские томографы - это аппаратно-программные комплексы, включающие источник рентгеновского излучения, приемник ослабленного объектом того же рентгеновского излучения, схему организации сбора рентгенограмм под разными углами (проекций) и программный комплекс. Программный комплекс выполняет управление сбором рентгенограмм, проводит томографическую реконструкцию, обрабатывает и анализирует результаты реконструкции.
Поговорим обо всем по порядку. Источники и приемники различаются по способу генерации и регистрации рентгеновского излучения. Нам важно, чтобы используемый для конкретных томографических измерений режим источника и тип приемника удовлетворяли следующим основным требованиям:
Рентгеновское излучение полностью не поглощается томографируемым объектом,
Контраст, формируемый границами областей интереса в объекте, хотя бы на части проекций превышает заданную величину.
Со схемами организации сбора томографических проекций простора больше. Есть две схемы, ставшие уже классическими: круговая и спиральная. В круговой схеме источник и приемник находятся в одной плоскости во время измерений, объект НЕ смещается из своего начального положения вправо-влево или вверх-вниз. Сбор проекций под разными углами может быть организован либо вращением вокруг объекта пары излучатель-приемник, либо вращением самого объекта вокруг некоторой оси при неподвижной паре излучатель-приемник. Такая схема применима, если размер томографируемого объекта не больше поля вида приемника.
В случае, если объект протяженный, то используется спиральная схема сбора рентгенограмм. Спиральная схема может быть организована двумя способами. Первый способ: по спиральной траектории вокруг неподвижного объекта перемещается пара излучатель-приемник (рис. А). Второй: смещается объект (рис.В). При этом либо вращается пара источник-приемник по круговой траектории, либо пара источник-приемник неподвижна, вращается объект во время перемещения.
Есть специализированные схемы сбора проекций, типа приведенной на рисунке ниже.
DOI: (10.1002/send.202000017)
После того, как собран полный набор проекций, в игру вступает так называемый реконструктор. Его задача восстановить цифровое изображение объекта из набора собранных проекций. Конечно, реконструктор кроме самих проекций на вход принимает описание той самой схемы сбора проекций, о которой речь шла выше. Какие задачи приходится решать реконструктору и зачем мы уже освещали, например:
подавлять артефакты, возникающие из-за недостаточной дозы излучения,
достраивать часть объекта, которая не поместилась в поле вида детектора,
подавлять кольцевые артефакты, возникающие из-за нелинейного отклика детектора,
Другие проблемы, которые мы описывали в общих чертах в статье про наш томографический реконструктор Smart Tomo Engine (STE).
Результатом реконструкции является цифровое изображение объекта. Это воксельный объем. В каждом вокселе (объемном кубике) хранится некоторое цифровое значение, которое характеризует ослабление рентгеновского излучения источника именно этим кубиком. Этот воксельный объем используется дальше для визуализации и анализа.
Что такое томограф и что он умеет, мы разобрались. Но в промышленности-то он зачем нужен? И вот теперь самое интересное.
Томография в промышленности: производство и исследования
В отличии от медицины, где объекты и протоколы исследований не отличаются большим разнообразием, промышленная томография используются для действительно очень разных задач. Схема сканирования для контроля качества на конвейере похожа на медицинскую, только “пациентов” подают непрерывным потоком и “диагнозы” надо ставить “на лету” в автоматическом режиме.
Industrial X-Ray Computed Tomography, сканирование объектов (например, автомобилей до и после крэш-теста) требует больших томографов совсем другого размера.
Но у нас в стране, наверное, это скорее завтра, чем сегодня. А сегодня при быстром росте производства вопрос качества деталей и компонентов становится не менее важным, чем вопрос качества готовых изделий. Контроль геометрических размеров и отсутствие дефектов при производстве собственно материала деталей - вот задачи для таких машин, как томографы.
Ниже приведем лишь несколько актуальных применений:
изучение структуры новых композитных материалов, весовые качества которых (деталь из композитов может быть до 80% легче металлической), их высокая прочность и устойчивость к коррозии, высокие усталостные характеристики и износостойкость делают их предпочтительными в использовании.
контроль образования усталостных повреждений при растяжении композитных деталей.
контроль качества изделий, созданных с применением аддитивных технологий, в которых различные материалы (порошковые пластики, порошковые металлы, композиты и пр.) послойно формируют изделие.
оптимизация технологических процессов при создании биомедицинских материалов с контролем морфологической структуры самих материалов
Попробуем посмотреть на метод с другой стороны. А именно ответить на вопрос: в каких отраслях сегодня томограф был бы полезен? Начнем с машиностроения. Значимость вопроса о качестве деталей при производстве транспортных средств - локомотивов, самолетов или автомобилей не обсуждается, но ведь беды от аварий на производстве в деревообрабатывающей или химической промышленности наносят не меньший ущерб. А значит, томография может быть использована для
контроля за соблюдением размеров (отклонением от САПР-моделей) и отсутствием дефектов у деталей, созданных традиционными методами;
контроля за соблюдением размеров (отклонением от САПР-моделей) и отсутствием дефектов у “напечатанных” деталей.
Кто только не говорит сегодня о развитии микроэлектроники у нас в стране. Вот где томография становится прямо-таки рабочим инструментом, помогая сократить количество отказов в работе, посредством
анализа печатных плат,
анализа интегральных схем,
Двигаясь к энергетике и держа в голове контроль производства турбин для электростанций, сделаем остановку на производстве аккумуляторных батарей. Здесь одной из проблем является растрескивание электродов и задача его прогнозирования может быть решена путем анализа морфологической структуры.
В нефтегазовой добывающей промышленности томографы нашли свое применение с 90-ых годов прошлого столетия. Основным объектом исследований тут служит керн - образец породы цилиндрической формы, извлеченный из скважины.
Томография полноразмерного керна позволяет
количественно оценивать вторичную пустотность (в т.ч. кавернозность и трещиноватость),
степень связности кавернозности и трещиноватости,
«привязать» выявленные неоднородности (трещины и системы кавернозности) к географическим полюсам, если позволяет метод отбора кернов, перенести моделирование процессов, происходящих в керне, на пласт целиком,
на микроуровне оценивать
пористость,
проницаемость,
глинистость,
гранулометрические коэффициенты,
остаточную водонасыщенность.
Изучение изменений во времени возможно методами 4D томографии, которая позволяет оцифровать для дальнейшего изучения такие процессы, как заполнение керна водой и углеводородами [ссылка].
От огромных месторождений газа и нефти повернемся в сторону простого потребителя и его заботам. На дворе лето. Многие планируют путешествия и тут опять, здравствуй, томография. Досмотровый контроль встречает на вокзалах и в аэропортах. Автоматические системы на основе КТ сочетают высокие показатели обнаружения угроз с высокой пропускной способностью.
Метод рентгеновской компьютерной томографии поможет разглядеть содержимое транспортных контейнеров, правда, потребуется довольно крупногабаритная установка.
Наконец, не успевшие за год сгореть на работе туристы прибыли к месту отдыха, на ноги надеваются кроссовки, а впереди если не лежание под жарким солнцем, то долгий путь по пересеченной местности. Оказывается, что даже кроссовки могут быть улучшены с использованием методов анализа формы объектов, недоступных обычным методам наблюдения, но доступных КТ.
Вместо заключения
Идея данной статьи родилась давно. Нам хотелось в ней рассказать о том, где промышленная томография может найти свое применение сегодня в России, проиллюстрировать частные случаи с примерами дефектоскопии и “метрологии”. Да-да, термин “метрология” используется уже в томографии, несмотря на то, что метод только с очень большой натяжкой можно назвать косвенными измерениями. Но только одной ногой ступив в этот “лес”, мы осознали, что нарисованный в голове план не реализовать полностью в одной публикации.
По-видимому, данная статья – это лишь начало длинной прогулки, на некоторых участках которой потребуется специальное снаряжение. И мы постараемся его заранее предоставлять. До новых встреч!
