Možnosti využití RTG a CT diagnostiky (ne) jen v elektrotechnice – 2. část

CT diagnostika

Navážeme na článek o RTG diagnostice voidů z minulého čísla a více se zaměříme na problematiku nedestruktivního testování pomocí 3D CT technologie. Zmíníme princip rekonstrukce informací o sledovaném objektu, problematiku artefaktů i to, jak s nimi bojovat.

Obr. 1 Příklad RTG snímku, kdy zářič, vzorek a snímač jsou pod sebou v jedné přímce – chyba u zvýrazněné součástky není vidět

Pojďme se nejprve podívat na RTG systémy, které jsou doplněny o možnost statického upevnění předmětu a částečné rotace snímače oproti zářiči. Pomocí tohoto uspořádaní jsme schopni provádět diagnostiku vzorku z různých úhlů pohledu, aniž bychom byli nuceni se vzorkem jakkoliv manipulovat. Díky tomu jsme schopni diagnostikovat chyby, které se při klasickém uspořádání (zářič, vzorek, snímač ve statické poloze) obtížně detekují, zejména jsou-li v nějaké nevhodné poloze. Na obrázku 1 je uveden příklad 2D snímku (zářič, vzorek a snímač jsou pod sebou v jedné přímce) elektroniky uvnitř špatně přístupného pouzdra. Na první pohled zde nevidíme žádnou chybu, navíc některé součástky si vzájemně stíní. Rotací snímače oproti zářiči docílíme jiného úhlu pohledu zkoumané oblasti, viz obrázek 2. Na tomto obrázku je chyba jasně patrná – prasklé pouzdro součástky.

Obr. 2 Jiný pohled na snímek z obrázku 1, po rotaci snímače oproti zářiči je na pouzdře součástky jasně patrná prasklina

Požadavek na přesné nedestruktivní testování materiálů s sebou přinesl vývoj technologií schopných vytvořit virtuální obraz zkoumaného objektu. Zejména oblast medicíny přispěla k tvorbě a silnému nasazení systémů pracujících na principu spojení rentgenových snímků zkoumaných objektů a výpočetních algoritmů, které spojením dostupných informací o měřicí soustavě dokáží vytvořit trojrozměrný obraz zkoumaného objektu. V zásadě se jedná o použití integrálních transformací dvourozměrných snímků za předpokladu, že je v první řadě známé uspořádání soustavy zářič a detektor RTG a v druhé řadě vzájemný posun objektu a měřicí soustavy.

Obr. 3 Vzájemná rotace RTG a vzorku

Obecně lze tyto systémy rozdělit na s homogenním (plošným) nebo bodovým zdrojem RTG záření a s posuvným či rotačním pohybem objektu vzhledem k RTG soustavě. V praxi je běžný a dobře známý princip vzájemné rotace objektu a RTG soustavy. Obecně známým uspořádáním je stacionární pracovní stůl se zkoumaným objektem, v medicíně člověkem, kolem kterého obíhá soustava zářič–snímač. Toto uspořádání s sebou nese vyšší nároky na konstrukci zařízení, a tím i cenu, avšak má nespornou výhodu v nižších nárocích na upevnění zkoumaného vzorku. V případě zkoumání měkkých materiálů, jako jsou tkáně nebo i živé organizmy, se mnohdy jedná o jedinou možnou variantu. Při nižších nárocích na zařízení nebo v případě požadavků inspekce dostatečně tuhých vzorků lze s úspěchem použít konstrukčně méně náročných soustav, kde vzorek rotuje mezi statickým uspořádáním zářič- snímač, viz obrázek 3.

Obr. 4 První příklad „stínů“ v rentgenově měkčím materiálu za kovovými součástmi − mechanické uspořádání neumožňuje kvalitní inspekci v místech, kde jsou kovové části v zákrytu

Vraťme se nyní k vlastní 3D CT technologii. Z hlediska nároků na výpočetní přesnost použitých transformací je výhodné použít rotačních systémů oproti posuvným, neboť v průběhu snímkování se získává informace o snímaných strukturách v celém rozsahu 360°. Transformace použitá k rekonstrukci snímku má tak informaci ke každému voxelu (voxel, nebo-li volumetric element, je částice objemu v pravidelné mřížce 3D prostoru, analogie s pixelem v 2D prostoru) „ze všech úhlů pohledu“ oproti čistě posuvným systémům, kde je informace limitně ze 180°, v praxi však cca 120°. Nejznámější užívanou transformací je tzv. Radonova transformace, která na základě znalosti vzájemného úhlu natočení pořízených dvourozměrných snímků přepočítává příspěvky pohltivostí jednotlivých voxelů vzorku z polárních souřadnic do kartézských. V praxi se ještě používají různé modifikace pro korekce excentricit rotací soustavy, teplotní stability a podobně. Veškeré vlivy, které v konečném důsledku zkreslují informaci v rekonstruovaném objektu, se nazývají artefakty.

Obr. 5 Druhým příkladem je 3D rekonstrukce kabelové průchodky, kde je nalezen chybějící materiál, avšak je nutno správně ohodnotit artefakty − stíny za kovovými vodiči

Problémem při inspekci různorodých materiálů je fenomén artefaktů vznikajících tvrzením RTG paprsku. Na jeho vysvětlení je nutno odbočit k teorii získávání RTG obrazu a ilustraci na dvou extrémech, které představují kovové materiály a plasty, viz obrázky 4 a 5. V první řadě je nutno si uvědomit, že RTG obraz je obrazem průběhu různého útlumu při průchodu paprsku materiálem. Zde se projeví nejen tloušťka, kterou musí paprsek projít, ale i pohltivost materiálu, která je obecně ještě závislá na energii fotonů, která materiálem prostupuje. Zjednodušeně lze zobecnit tvrzení tím, že plasty pohlcují nízkoenergetické fotony a kovy vysokoenergetické. V druhé řadě je nutno zmínit, že nelze libovolně generovat fotonové dávky s danou energií, pro vysoké energie s sebou nese dávka vždy i nezanedbatelné množství nízkoenergetických fotonů, viz vyzařovací spektrum na obrázku 6. A konečně v třetí řadě je nutno uvést, že běžně používané elektronické snímače měří celkový úhrn dopadající energie na snímač. Důsledkem je pak vznik artefaktů v „plastových“ částech sledovaného vzorku v úhlech, kde paprsek prostupuje přes kovové části. Tvoří se jakoby „stín“ tvrdých paprsků, ve kterém nelze rozlišovat struktury plastů. Do značné míry lze s uvedeným fenoménem bojovat, pokud je známý materiál RTG tvrdšího materiálu. Výpočetní cestou lze zavést korekce rozdílných pohltivostí. Nebo praktičtější cestou lze předem odfiltrovat nízkoenergetické fotony pomocí filtru ze stejného materiálu, jako je ten sledovaný. I zde však platí limity použitého zařízení, ať už je to dynamický rozsah, odstup signál- šum použitého snímače, nebo celkový vyzářitelný výkon z RTG zářiče.

Obr. 6 Energetické vyzařovací spektrum fotonů

Kolektiv autorů:

Ing. Petr Ježdík, Ph.D.

Ing. Karel Dušek, Ph.D.

Ing. Michal Brejcha

Ing. Lenka Hájková

Ing. Ladislav Pospíšil

www.lvr.fel.cvut.cz