Čo je to CT skenovanie – úvod (I.) – 3D Skenovanie

Výpočtová tomografia (Počítačová tomografia – CT) je pre širokú verejnosť pomerne známou metódou z odboru lekárstva, kde nachádza uplatnenie v oblasti diagnostiky. Lekárom výpočtovej tomografie (ďalej len CT) umožňuje zobraziť v rezoch telo pacienta a presnejšie stanoviť diagnózu. Od 70. rokov minulého storočia, kedy CT vstúpila do medicínskej praxe, došlo k rapídnemu rozvoju výpočtovej technológie a jej sprístupneniu pre ostatné odbory vedy a priemyslu. Tu sa objavuje CT ako priemyselná tomografia alebo CT skenovanie a patrí dnes už medzi nenahraditeľnú metódu nedeštruktívneho testovania a kontroly kvality.

Lekárske CT a jeho dnes bežne dostupné kancelárske modifikácie na priemyselné a vedecké účely.

Princíp výpočtovej tomografie

Tomografia znamená v preklade zobrazenie v rezoch (gr. Tom-rez, grafein-písať). Bez vonkajšieho zásahu nám teda umožňuje doslova vidieť dovnútra tela objektu, vzorky alebo 3D naskenovať opticky neprístupný priestor. Ako je to možné?

CT využíva zdroj röntgenového žiarenia a snímač na zachytenie rádiografických snímok. Takých, aké poznáte od lekára pri stanovení diagnózy napr. fraktúry končatiny. Tento princíp zobrazenia sa nazýva rádiografia a vzniká priechodom RTG žiarenia vzorkou a zachytením jeho obrazu na tienidle zobrazovača. RTG žiarenie má na rozdiel od svetelného dostatočnú energiu na to, aby prešlo bez odrazu cez predmet. Útlm RTG žiarenia rastie s hustotou materiálu a tak na výslednej snímke vidíme tmavé a svetlé miesta (podľa hustoty materiálu v dráhe lúča). RTG lúče sú v detektore prevedené na viditeľné žiarenie a digitalizované. Každému pixelu na je podľa útlmu priradená hodnota odtieňa šedej v danej bitovej hĺbke.

V tejto prvej fáze CT, rádiografickom zobrazení, môžeme tento jednoduchý princíp zobrazenia využiť na inšpekciu vzorky, zostáv, defektov ale aj potravín a pod. v reálnom čase a odhaliť hľadané vady a defekty.

Už obyčajným presvietením objektu môžeme okamžite získať cenné informácie, ktoré môžu viesť k vyriešeniu daného problému

Ak umiestnime vzorku na otočný stolík, môžeme pomocou rádiografie získať súbor 2D snímok objektov v jeho 360 ° rotácii. Z tých je možné neskôr zrekonštruovať výsledný 3D model. Pre dobrý výsledok je nutné urobiť stovky a niekedy až tisíce takýchto snímok. Podmienka rotácie vzorky v tienenej inšpekčnej komore tomografu do značnej miery určuje maximálnu veľkosť skenovaného objektu, rovnako tak ako výkon zdroja RTG (röntgenky) musí byť dostatočný na prežiarenie vzorky a získanie kvalitných snímok.

Inšpekčná komora malého tomografu RTG zdrojom (1), vzorkou (3) na otočnom stolíku (2) a snímačom/detektorom (4). Súbor rádiografických snímok pre proces rekonštrukcie filtrovanou spätnou projekciou.

Tieňový obraz na detektore je zobrazený s príslušným zväčšením, ktoré určuje ohnisková vzdialenosť objektu od zdroja RTG. Pri veľmi malých vzorkách v tesnej blízkosti röntgenky môžeme vďaka tomu dosiahnuť aj sub-mikrónové rozlíšenie a skenovať veľmi jemné, mikroskopické štruktúry a objekty.

Po prvej fáze získania súboru rádiografických snímok objektu tzv. akvizíciu, nasleduje proces rekonštrukcie pri ktorej sa z týchto snímok vytvorí 3D model. Pri procese rekonštrukcie je kľúčovým princípom CT matematická aplikácia tzv. filtrovanej spätnej projekcie. Ide o inverzný algoritmus Radonovej transformácie, ktorý každou jednotlivou projekciou vyplní celý priestor a po ich sčítaní je odfiltrovaný šum.

Vľavo objekt s rotujúcim zdrojom RTG žiarenia a detektorom, na ktorom vidíme meniace sa hodnoty útlmu. Ten je znázornený uprostred tzv. sinogramom. V pravo je pomocou spätnej filtrovanej projekcie (FBP) simultánne z daného sinogramu rekonštruovaný pôvodný rez. Zdroj: Samuli Siltanen (University of Helsinki)

3D objekt po rekonštrukcii zobrazený v rezoch v jednotlivých osiach

Po rekonštrukcii teda získame 3D objekt s rezy v jednotlivých osiach X, Y, Z daného súradného systému. Na rozdiel od ostatných optických metód 3D skenovania, kde výstupom je väčšinou polygónová sieť (.stl, .obj), teda iba informácie o viditeľnom povrchu, pri CT skenovaní je objekt zobrazovaný pomocou tzv. voxelov (objemových elementov). Každému voxelu je podľa útlmu RTG žiarenia priradená hodnota odtieňa šedej v danej bitovej hĺbke. Hranica (objekt/priestor), teda povrch rekonštruovaného modelu určí nastavenie úrovne prahu (treshhold) pre proces determinácie povrchu. Najjednoduchším spôsobom je využiť stred medzi priemernou hodnotou pozadia a materiálu (ISO50). Tá potom určí, čo bude objekt a čo priestor. (Nutno dodať, že v praxi používame pokročilejšie metódy.) Nakoniec získame model s precízne zachytenou geometriou komplexného povrchu, ale ešte máme k dispozícii celé telo objektu zložené z jednotlivých voxelov, z ktorých každý nesie svoju informáciu. Práve to robí z CT jeden z najsilnejších nástrojov nedeštruktívnej analýzy a testovania.

Ilustračná (zjednodušená) vizualizácia rozdielnej reprezentácie pomocou voxelov a polygónovej siete. Vľavo objemový model z voxelov, vpravo model povrchu zložený z trojuholníkovej siete.

Výsledný povrch po pokročilej determinácii povrchu za použitia hodnôt okolitých voxelov.

Kde sa CT skenovanie používa

Využitie CT sú viac menej zhodné s aplikáciami laserového a optického skenovania. Nachádza teda uplatnenie hlavne pri rozmerovej kontrole, ale aj napríklad prototypingu a digitalizácii. Pri priemyselnej výpočtovej tomografii sa však aplikačné pole rozširuje o celý rad oblastí, ktoré vyplývajú z využitia voxelovej reprezentácie (zachytenia vnútornej štruktúry) k následným analýzam a simuláciám.

Takto získané výsledky je možné použiť na vyhodnotenie (vizualizácia, farebná mapa, histogram, štatistické vyhodnotenie .. ) porozity/inklúzií, porovnanie s CAD modelom, hrúbky stien, orientácia vlákien, štruktúry poréznych materiálov, na simulácie pevnosti a prúdenia, ale aj na pôsobivé vizualizácie segmentácia.

Detekcia 3 najväčších pórov v programe VG Studio MAX

Výpočtová tomografia je efektívny nástroj pre kontrolu, vývoj a výskum napríklad v automobilovom a leteckom priemysle, aditívnej výrobe a rôznych oblastiach strojného inžinierstva, kde potrebujeme využiť nedeštruktívne, neinvazívne metódy analýzy a kontroly kvality. Z oblastí vedeckých disciplín sa jedná o využitie výhod mikrotomografie tiež napr. v biológii, geológii, archeológii alebo paleontológii. V rade vedeckých experimentov sa tiež využíva skenovanie in situ, teda snímanie vzorky za špecifických fyzikálnych podmienok (teplota, tlak, vákuum a pod.) v to prispôsobených prípravkoch. Ako je z vyššie uvedeného zrejmé, možnosti výpočtovej tomografie sú obrovské. Môžeme tiež predpokladať, že s vývojom nových typov snímačov a postupujúcou automatizáciou sa bude priemyselná CT objavovať v najrôznejších aplikáciách čoraz častejšie.