Компьютерная томография (КТ), хотя и широко ассоциируется с медицинскими исследованиями и диагностикой, находит свое применение далеко за пределами медицинских учреждений и клиник. Этот метод открывает новые возможности для контроля качества, исследований и разработок в различных отраслях промышленности. С помощью КТ можно изучать внутреннюю структуру объектов без их физического разрушения, выявлять скрытые дефекты и анализировать материалы с высокой степенью детализации.
О настоящем и будущем компьютерной томографии в промышленности ПостНаука поговорила с начальником отдела компьютерной томографии компании Smart Engines, кандидатом физико-математических наук Мариной Чукалиной.
Что такое томография?
Томография — это метод, который позволяет заглянуть внутрь объекта, не разрушая его. Для этого объект надо просветить с разных сторон рентгеновским излучением и зарегистрировать под разными проекционными углами некоторую серию изображений. Изображения формируются, когда излучение проходит сквозь объект — ослабленный на объекте рентген падает на регистрирующие устройства, формируя картинку.
Поскольку таких изображений несколько и каждое сделано под своим углом, то с помощью математического инструмента, называемого реконструктором, рентгеновским излучением можно не только восстановить поверхность, но и изучить внутреннюю морфологическую структуру объекта, который был просканирован. Получившаяся картинка представляет собой трехмерное цифровое изображение исследуемого предмета. В рентгеновских лабораториях обычно применяется излучение не одной, а целого спектра длин волн. Это делается с целью ускорения процесса получения изображений.
Как устроен томограф
Томограф в самом простом виде состоит из трех элементов: источника, приемника и схемы. Если исследуемый объект маленький, его можно разместить на вращающейся платформе и зафиксировать. В этом случае пара «источник-приемник» остается статичной. В альтернативном подходе образец остается неподвижным на специальной стойке, в то время как вокруг него вращается пара «источник-приемник». Этот метод часто применяется в роботизированных томографических устройствах.
Как томография помогает промышленности?
Несмотря на то, что томография в первую очередь известна в медицине, в промышленности она является одним из главных инструментов для исследования внутренней структуры изделий.
Допустим, конструируется сложное изделие, состоящее из многих частей. Каждую из них можно положить в томограф и убедиться, что они находятся в идеальном состоянии. Затем начинается их скрепление, с помощью пластика, керамики или других материалов. В то время как корпус выглядит идеально, сложно увидеть, как во внутренней структуре объекта может образоваться трещина. Подвергать такие изделия давлению или температурной нагрузке нельзя. Благодаря компьютерной томографии вместо того, чтобы разбирать изделие и собирать его заново, можно просто положить его в томограф и сразу увидеть проблемное место. И, соответственно, заменить или отремонтировать сломанный объект.
Томография применяется в самых разных отраслях промышленности: от тяжелой промышленности до микроэлектроники, и даже для создания новых технологических процессов.
Искусственный интеллект в компьютерной томографии
Для того чтобы увидеть и интерпретировать внутреннюю структуру объектов, необходим «мозг», принимающий решения. Эту роль берет на себя искусственный интеллект — программное обеспечение, которое в томографии выполняет несколько важных задач.
Во-первых, это организация сборки изображений, на основании которых в дальнейшем будет работать реконструктор. Во-вторых, сама реконструкция, то есть восстановление цифровой трехмерной структуры из набора изображений, называемых рентгенограммами. Эта задача является наиболее сложной, поскольку данных часто бывает недостаточно.
Третья функция искусственного интеллекта — автоматический анализ полученного изображения. ИИ совмещает его с уже имеющейся, построенной человеком по чертежам цифровой копией объекта или же с готовым макетом изделия, если оно создано с помощью аддитивных технологий. Так, ИИ определяет, где и какая возникла проблема: появилась трещина, под давлением изменились размеры объекта или электромагнитное поле вызвало изменение физической структуры и т. д. Затем строится заключение и протокол о проведенном исследовании, тоже автоматически. Таким образом, программное обеспечение выступает «мозгом» томографа.
Ограничения компьютерной томографии и способы их преодоления
Основное ограничение заключается в том, что нужно просветить объект, не повредив его. Если речь идет о стали, например, для конструкций космических кораблей, то количество рентгеновского излучения для нее не играет роли — такие материалы не чувствительны к излучению. Однако существуют устройства, которые под воздействием рентгеновского излучения могут быть повреждены. Это касается, например, мелких объектов, изучаемых с высоким разрешением, которые легко могут быть испорчены, поскольку рентгеновское излучение может выбивать электроны. А если это микроструктура, работающая на этих самых электронах, то повреждать ее нельзя.
Это ограничение известно как ограничение дозовой нагрузки. Важным становится количество собираемых проекционных данных: с одной стороны, необходимо не повредить объект, с другой — собрать достаточно данных, чтобы воссоздать его внутренний цифровой аналог с необходимой точностью. Двух изображений, например снятых под углами 0 и 90 градусов, обычно недостаточно для точной реконструкции всего объекта изнутри.
Традиционно существовали протоколы съемки, фиксирующие, когда измерения начинаются, заканчиваются, анализируются и передаются на реконструкцию. Они не учитывали, что, если объект переместился или, например, начал таять, будучи сделанным из льда, правильно собрать картинку становится невозможным. Обнаружить и решить данную проблему помогает мониторинговая реконструкция.
Новейшие разработки в компьютерной томографии
Одним из ключевых моментов является уменьшение размера точки излучения, что позволяет достигать более высокого разрешения. Это означает, что размер вокселя в цифровом изображении будет меньше. Хотя идеально было бы иметь точечный источник излучения, на практике создать источник, излучающий большое количество квантов рентгена из маленькой точки, очень сложно. Важно, чтобы измерения проводились быстро, не занимая слишком много времени, поэтому исследователи работают над созданием мощных, но малых по размеру источников рентгеновского излучения.
К тому же для разных исследовательских задач требуются разные диапазоны рентгеновского излучения, от нескольких кэВ до нескольких сотен кэВ. Сплавы, например, нельзя просветить энергией в 1 кэВ, для того чтобы просветить металл, нужны сотни килоэлектронвольт. А вот для пластика достаточно всего нескольких кэВ, вероятность взаимодействия с излучением большей энергии крайне низкая. Это означает, что нужно разрабатывать источники, способные обеспечить широкий спектр излучения для удовлетворения разнообразных потребностей исследований.
Описывая развитие в области визуализации и анализа объектов с высоким разрешением, можно представить ситуацию, когда нужно исследовать объект, такой как мобильный телефон, с чрезвычайно высокой детализацией. Размер телефона может составлять приблизительно 15 на 10 сантиметров, а в некоторых случаях меньше, например 10 на 7 сантиметров. Основная цель — достичь возможности наблюдения за мельчайшими компонентами устройства, такими как микросхемы, с разрешением в нанометры.
Будущее томографии: 4D-технологии
Многие стремятся наблюдать, как объекты, обладающие динамической подвижностью, изменяются во времени. Значительный интерес вызывает 4D-томография: множество ученых и исследователей утверждают, что уже применяют данную технологию. Под 4D-томографией подразумевается не просто визуализация объекта в трех измерениях, но и добавление времени как четвертого измерения.
Если объект изменяется настолько медленно, что можно успеть провести полное томографическое сканирование не один раз, а множество, а затем собрать полученные данные в последовательность, создающую видео, — это и есть 4D. В таком случае появляется уникальная возможность не просто изучить объект в единичный момент времени, но и наблюдать за его эволюцией.
Конечная цель — разработка алгоритмов, которые позволяют за один цикл томографического сканирования зафиксировать изменения объекта. Это означает использование ограниченного количества проекций. Таким образом, несколько проекций позволяют нам зафиксировать одну фазу изменений, а последующие проекции — следующую. В результате получается «кино» из трансформаций объекта за время одного сканирования.
Этот подход имеет значительные преимущества, особенно с точки зрения снижения дозовой нагрузки на объект. Вместо того чтобы многократно подвергать его воздействию рентгеновских лучей, используется один цикл измерения для получения динамической информации. Это означает, что наш алгоритм извлекает максимум полезной информации из минимального количества проекций.
Будущее томографии: 4D-технологии
Многие стремятся наблюдать, как объекты, обладающие динамической подвижностью, изменяются во времени. Значительный интерес вызывает 4D-томография: множество ученых и исследователей утверждают, что уже применяют данную технологию. Под 4D-томографией подразумевается не просто визуализация объекта в трех измерениях, но и добавление времени как четвертого измерения.
Если объект изменяется настолько медленно, что можно успеть провести полное томографическое сканирование не один раз, а множество, а затем собрать полученные данные в последовательность, создающую видео, — это и есть 4D. В таком случае появляется уникальная возможность не просто изучить объект в единичный момент времени, но и наблюдать за его эволюцией.
Конечная цель — разработка алгоритмов, которые позволяют за один цикл томографического сканирования зафиксировать изменения объекта. Это означает использование ограниченного количества проекций. Таким образом, несколько проекций позволяют нам зафиксировать одну фазу изменений, а последующие проекции — следующую. В результате получается «кино» из трансформаций объекта за время одного сканирования.
Этот подход имеет значительные преимущества, особенно с точки зрения снижения дозовой нагрузки на объект. Вместо того чтобы многократно подвергать его воздействию рентгеновских лучей, используется один цикл измерения для получения динамической информации. Это означает, что наш алгоритм извлекает максимум полезной информации из минимального количества проекций.
