Быстрая компьютерная томография: почему современное 3D-исследование занимает минуты вместо часов

Что такое промышленная компьютерная томография
 

Компьютерная томография (Industrial Computed Tomography, XCT) — метод неразрушающего контроля, который позволяет получить цифровую трехмерную модель изделия и исследовать его внутреннюю структуру без механического воздействия или разрушения образца.

В отличие от классической цифровой радиографии, результатом которой является двумерное проекционное изображение, компьютерная томография формирует объемную модель объекта, состоящую из миллионов отдельных элементов — вокселей.

Более подробно сравнили цифровую радиографию и томографию в статье Рентгенотелевизионная установка или компьютерная томография.

Полученный объем можно виртуально «разрезать» в любой плоскости, измерить внутренние размеры, определить объем дефектов, построить трехмерную модель пористости или выполнить сравнение с CAD-моделью. На практике компьютерная томография используется не потому, что она современная или технологичная. Ее выбирают тогда, когда другие способы контроля уже не способны дать исчерпывающую информацию.
 

Если компьютерная томография настолько эффективна, почему ее используют не всегда?
 

Многие представляют компьютерную томографию достаточно просто: объект вращается, система делает множество рентгеновских снимков, а затем программа строит трехмерную модель.

На практике исследование состоит из нескольких последовательных этапов, каждый из которых влияет на его общую продолжительность.

Основные этапы:

1. Подготовка объекта к исследованию: установка изделия, определение его положения в рабочей зоне и выбор оптимальной геометрии сканирования.
2. Настройка параметров сканирования: оператор выполняет подбор режима работы рентгеновской трубки, параметров детектора, размер будущего вокселя и другие характеристики исследования.
3. Получение серии рентгеновских проекций — во время вращения изделия регистрируется необходимое количество двумерных изображений под различными углами.
4. Выполняется реконструкция трехмерного объема — программная обработка полученных проекций и построение цифровой модели внутренней структуры изделия.
5. Подготовка результаты к анализу — сформировать сечения, трехмерные изображения и инструменты для последующего исследования объекта. 

Каждый этап требует времени. Но самым длительным традиционно являлись два процесса: получение большого количества проекций; реконструкция трехмерного объема. Именно здесь за последние годы произошли наиболее значительные изменения.

Анализ процесса показал, что далеко не все этапы одинаково влияют на общую продолжительность исследования.

  1. Увеличение размера вокселя

Воксель — это минимальный объемный элемент трехмерной модели, аналог пикселя в двумерном изображении.
При классической компьютерной томографии стремятся получить максимально мелкий воксель, поскольку это позволяет различать самые незначительные детали внутренней структуры изделия. Однако уменьшение размера вокселя приводит к увеличению объема реконструируемых данных и, как следствие, росту времени вычислений.

В режиме ускоренной компьютерной томографии размер вокселя подбирается в соответствии с поставленной задачей. Если контролируются дефекты размером в несколько десятых миллиметра или больше, использование сверхвысокого разрешения нецелесообразно.

Укрупнение вокселя уменьшает объем трехмерной модели и позволяет значительно ускорить реконструкцию без потери информации, необходимой для принятия решения.

  2. Сокращение времени стабилизации системы

Еще один фактор, влияющий на продолжительность исследования, — время стабилизации системы.
Перед регистрацией каждой рентгеновской проекции системе требуется определенное время для стабилизации положения объекта и работы исполнительных механизмов. При высокоточных метрологических исследованиях эти интервалы могут быть значительными: даже небольшие колебания способны повлиять на качество реконструкции.

В режиме быстрой компьютерной томографии время стабилизации сокращается до значения, достаточного для получения достоверных данных при решении конкретной задачи контроля. За счет этого уменьшается продолжительность всего цикла сканирования.

Для повышения производительности также применяют плоскопанельные детекторы в динамическом режиме. Они позволяют быстрее регистрировать последовательность рентгеновских изображений во время вращения изделия, сокращая время набора данных и повышая общую скорость исследования.

  3. Отказ от полупиксельной компьютерной томографии

При необходимости получения максимально высокого пространственного разрешения применяется режим полупиксельной компьютерной томографии. Он позволяет увеличить детализацию изображения, однако требует дополнительного объема данных и увеличивает время исследования.

При решении большинства производственных задач такой уровень детализации не требуется. Поэтому в режиме ускоренной компьютерной томографии полупиксельное сканирование обычно не используется, что позволяет значительно сократить время получения и обработки данных

  4. Производительные вычислительные системы

Полученные рентгеновские проекции необходимо обработать и реконструировать в трехмерный объем. Чем больше проекций и выше разрешение исследования, тем больше вычислительных ресурсов требуется для обработки данных.

Использование более производительных вычислительных систем позволяет сократить время реконструкции и быстрее получить готовую трехмерную модель для анализа.

Это особенно важно при промышленной КТ, где объем данных может быть значительным. Производительность системы определяется не только характеристиками рентгеновского источника и детектора, но и возможностями вычислительной части комплекса.

В результате ускоряется еще один этап исследования — переход от полученных проекций к готовой трехмерной модели.
Что в итоге дает ускорение.

Скорость современной КТ определяется не одним параметром. Время исследования сокращается сразу на нескольких этапах: быстрее получают проекции, уменьшают объём избыточных данных и ускоряют их обработку. Именно сочетание этих решений позволяет сократить продолжительность исследования с часов до десятков минут.
 

Быстрая компьютерная томография не заменяет классическую КТ
 

Несмотря на значительное сокращение времени исследования, ускоренная компьютерная томография не является полной заменой классической компьютерной томографии. Эти режимы решают одинаковые задачи, но в разном масштабе.

Классическая КТ ориентирована на получение максимально детализированной трехмерной модели. Она применяется в тех случаях, когда требуется предельное пространственное разрешение, высокая точность измерений или детальное исследование внутренней структуры изделия. 
 

Исследование кернов нефтяных и газовых месторождений.
Снимки, полученный с помощью Настольной системы КТ Продис
 

Быстрая компьютерная томография, напротив, предназначена для решения производственных задач, где ключевое значение имеет скорость получения достоверного результата. Контроль пористости, поиск внутренних дефектов, анализ причин возникновения брака, проверка результатов изменения технологического процесса, контроль первых изделий после переналадки оборудования — во всех этих случаях важно быстро получить информацию, достаточную для принятия инженерного решения.

Таким образом, выбор между классической и быстрой компьютерной томографией определяется тем, какая задача стоит перед специалистом.
 

Почему функцию быстрой компьютерной томографии все чаще интегрируют
в рентгенотелевизионные установки
 

Еще несколько лет назад промышленная компьютерная томография и рентгенотелевизионный контроль нередко рассматривались как отдельные технологии, требующие различного оборудования. Однако развитие вычислительных алгоритмов и аппаратной части позволило производителям объединить оба режима работы в одной системе.

Такой подход дает возможность использовать оборудование в зависимости от поставленной задачи. Объединение рентгенотелевизионного контроля и компьютерной томографии в одной системе позволяет выбирать глубину исследования в зависимости от поставленной задачи, не меняя оборудование. В результате один комплекс может использоваться как для оперативного контроля изделий, так и для проведения детального трехмерного анализа, что значительно повышает коэффициент его практического использования.

В демонстрационном центре компании «Неразрушающий контроль» представлена рентгенотелевизионная установка, объединяющая возможности цифровой радиографии и быстрой компьютерной томографии в единой защитной камере.
 

Заключение
 

Классическая и быстрая компьютерная томография не конкурируют между собой, а дополняют друг друга. Первая применяется там, где требуется максимальная детализация и высокая точность исследования, вторая — там, где на первый план выходят скорость контроля и оперативное управление производственным процессом. Выбор режима всегда определяется поставленной задачей.

Современные рентгенотелевизионные установки с функцией компьютерной томографии объединяют оба подхода в одном комплексе. В зависимости от целей исследования оператор может выполнить как экспресс-контроль изделия, так и провести детальный трехмерный анализ без использования разного оборудования.

Приглашаем на демонстрацию рентгенотелевизионной установки с функцией КТ.

Вы можете привезти собственные образцы для проведения контроля или принять участие в онлайн-демонстрации.
Демо-зал находится в г. Екатеринбург. Свяжитесь с нами:

info@ncontrol.ru   +7 343 227-333-7

Также могут быть интересны статьи
 

Рентгенотелевизионная установка или компьютерная томография

Рентгеновская томография как инструмент исследования дефектов