Об авторе: Владимир Арлазаров, генеральный директор Smart Engines, доктор технических наук.
Обычно словосочетание «компьютерная томография» (КТ) ассоциируется с медициной. С помощью томографа врач может проверить состояние костей или внутренних органов пациента. Однако КТ также используется в промышленности. Томографы помогают анализировать структуру материалов, находить трещины и дефекты у деталей самолета, проверять подлинность драгоценных камней.
История компьютерной томографии
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл новый тип излучения с очень короткой длиной волны, который проникал сквозь объекты. В 1901 году за свое открытие ученый получил Нобелевскую премию по физике. Это излучение позже назвали рентгеновским. В 1917 году Иоганн Радон разработал «Преобразование Радона» — математическую теорию, помогающую получить более четкое изображение объектов внутри прозрачного материала. Эта теория послужила основой для создания первого математического алгоритма для КТ.
Во второй половине XX века американский физик Аллан Кормак занимался разработкой математического метода, который использовал рентгеновские лучи для создания трехмерного изображения внутренних органов. Параллельно с ним британский инженер Годфри Хаунсфилд пытался создать «ЭМИ-сканер» — первый в мире физический сканер для компьютерной томографии. Изобретатель работал в компании Electric & Music Industries (EMI), которая заключила контракт на запись лейблов с The Beatles. Успех от продажи пластинок до того не особо известной группы принес EMI огромную прибыль, часть из которой пошла на финансирование разработки Хаунсфилда. В 1969 году сканер был готов, после чего прошли клинические испытания.
Первую официальную компьютерную томографию провели 1 октября 1972 года на пациентке, у которой предположительно был поражен головной мозг. За открытия в области КТ Годфри Хаунсфилд и Аллан Кормак в 1979 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Сначала компьютерные томографы использовались только для сканирования мозга, но с 1976 года стали доступны системы, которые могли «просветить» все тело пациента. К 1980 году аппараты КТ стали широко доступны в медицинских учреждениях, а с начала 1990-х их начали применять для промышленных и научных целей.
Как работает томограф
Томограф состоит из источника рентгеновского излучения, приемника, куда регистрируется излучение, и системы детектора-излучателя, которая вращается вокруг неподвижно лежащего пациента (в медицинском томографе) или держателя образца (в промышленном томографе).
На первом этапе объект помещается в томограф, задается количество кадров, экспозиция — время, за которое происходит создание одного «снимка», и многие другие параметры. Далее происходит сбор рентгеновских проекций. Он осуществляется по нескольким схемам. Чаще всего прибегают к круговой или спиральной.
В круговой схеме источник и приемник остаются в одной плоскости во время измерений, и объект никак не двигается: ни влево-вправо, ни вверх-вниз. Проекции собираются под разными углами путем вращения источника и приемника вокруг объекта или наоборот — путем вращения самого объекта вокруг оси, в то время как источник и приемник остаются неподвижными. Этот метод подходит, если размер объекта, который сканируется, целиком отображается в кадрах с приемника.
Если объект протяженный, то для сбора рентгеновских изображений задействуется спиральная схема. Здесь либо по спиральной траектории вокруг неподвижного объекта перемещаются излучатель и приемник, либо смещается сам объект.
После того как получены все рентгенограммы, их начинает обрабатывать компьютерная программа на базе сложной математики. Этот процесс может сопровождаться подавлением артефактов — искажений, которые возникают на рентгенограммах из-за наличия шумов, неидеальной калибровки прибора или движения условного пациента во время измерений.
После того как все математические расчеты оказываются выполнены, на выходе получается 3D-изображение томографируемого объекта.
Применение компьютерной томографии в промышленности
В отличие от медицины, где объекты и протоколы исследований не отличаются большим разнообразием (поскольку все живые существа состоят из примерно одинакового набора «материалов» — кости, жировые ткани и тому подобное), промышленная томография используется в разных областях. Среди них — самолетостроение и машиностроение, микроэлектроника и полупроводники, нефтедобыча и топливно-энергетическая отрасль, аддитивные технологии.
Самолето- и машиностроение
В промышленных секторах, занимающихся производством машин, самолетов и прочей крупной «подвижной» техники, компьютерная томография используется для целей дефектоскопии, то есть обнаружения трещин, растяжений и прочих дефектов деталей, а также для контроля за тем, чтобы они были нужного размера. В целом процедура сканирования в промышленном томографе мало отличается от аналогичного процесса в медицинском. Разве что на конвейере процесс томографирования можно значительно ускорить, поскольку там не нужно целое изображение в хорошем качестве, главное — не пропустить дефекты.
КТ также используют во время краш-тестов новых моделей автомобилей. В частности, делаются снимки машин до и после столкновения, чтобы позже проверить, какие части авто стоит улучшить. Для этих целей используются томографы, порой превышающие размеры человека в несколько раз, и в ходе испытаний иногда приходится задействовать даже подъемные краны, которые перемещают авто с места на место.
Микроэлектроника
Что касается микроэлектроники, то КТ здесь применяется, например, для анализа печатных плат и интегральных схем. При помощи трехмерных исследований специалисты проверяют качество спайки электронных компонентов, отслеживают, не нарушена ли геометрия упаковки, и это позволяет отлавливать возможные дефекты, тем самым сокращая количество отказов в работе транзисторов и микросхем.
Топливно-энергетическая отрасль
В топливно-энергетической отрасли КТ используют с 1990-х годов XX века для исследования керна — образца породы, который извлекается из скважины с помощью специального оборудования. Обследовав внутреннее состояние этого объекта, можно определять такие характеристики всего пласта породы, как остаточная водонасыщенность (количество воды, которое остается в породах или почвах после того, как вода прошла или была удалена из них), содержание глины в ней, количество пустот в виде пещер и трещин, где могут содержаться полезные ископаемые, и тому подобное. Все эти данные помогают определить потенциал нефтедобычи конкретного места, и на их основе решают, бурить скважину или нет.
Не меньшего внимания заслуживает дефектоскопия. Компьютерная томография позволяет нефтяникам проверить, насколько износилось оборудование, избежав при этом остановки производства. КТ проверяет состояние труб и швов между ними, определяет состояние оборудования, где сжигают природный газ, а также проводит диагностику танкеров и нефтеналивных терминалов.
Исследование драгоценных камней
Компьютерная томография используется для проверки подлинности драгоценных камней. Возьмем, например, жемчуг и две его разновидности: натуральный и культивированный. Оба вида образуются внутри моллюска в результате образования перламутра вокруг чужеродного тела. Во втором случае имеет место вмешательство человека — в раковину положили маленький шарик из пластмассы или иного материала, чтобы потом из него получилась драгоценная бусина. Культивированный жемчуг дешевле натурального, поскольку в природе подобные натуральные камни «без посторонней помощи» появляются достаточно редко. Чтобы избежать случаев, когда более дешевые драгоценности пытаются выдать за более дорогие, можно применить КТ и определить, имеет ли сердцевина бусины природное происхождение или там находится тот самый шарик.
Еще один пример использования КТ — проверка сапфира, трещины в котором были заполнены свинцовым стеклом в ходе реставрационных работ. С помощью томографии можно узнать, сколько в получившемся изделии стекла. При этом, в отличие от рентгена, с помощью которого можно лишь увидеть трещины камня, компьютерная томография позволяет оценить их объем и создать трехмерную модель, с которой потом сможет работать ювелир.
3D-печать
В изделиях аддитивного производства сложная внутренняя геометрия, что значительно затрудняет обследование их внутреннего строения с помощью ультразвука, инфракрасного излучения и других методов неразрушающего контроля (техники и процессы, используемые для оценки состояния материалов, изделий или конструкций без их разрушения или повреждения).
Кроме того, большой сложностью может стать то, что предметы, произведенные из разных материалов, сложнее просканировать, поскольку способы, с помощью которых проверяют одни компоненты, могут оказаться едва ли пригодными для исследования других материй. КТ не только решает эти проблемы, но также помогает получить количественную информацию об объеме пустот, трещин и прочих изъянов, содержащихся в одном изделии. В свою очередь эти данные затем используются для анализа влияния параметров процесса 3D-печати на характеристики конечного продукта. Иными словами — объект после печати сканируется, полученное изображение сравнивается с 3D-моделью, и выявленные дефекты помогают, например, корректировать настройки принтера.