Томография. Принцип компьютерной томографии

3.1.1. Томография

Другим обязательным аспектом взаимодействия квантов и частиц с веществом является уменьшение их количества или их энергии в направлении распространения вследствие эффектов рассеяния или поглощения, сопровождающихся переходом энергии потока в другие виды энергии, подавляющим количеством - в тепло (рис.3.1.3).

Рис.3.1.3. Исходное (а) и окончательное (б) распределение интенсивности потока излучения (частиц) вследствие взаимодействия с преградой, содержащей пустоты (1), выступы (2) и инородные фазы (3)

Этот процесс в первом приближении можно описать законом Бугера:

                                                                            (3.1.6)

где I₀ - интенсивность падающего потока (количество энергии, приходящееся в каждую секунду на единицу площади, нормальную потоку), I  - интенсивность потока, преодолевшего преграду, m - линейный коэффициент ослабления, как правило, функция нескольких возможных процессов взаимодействий внутри вещества, l - толщина слоя в направлении распространения. Формула (3.1.6) отражает и физическую сущность рентгеновской и g - дефектоскопии.

Анализ величины коэффициента поглощения как функции координат m (x,y) привел к созданию метода построения объемного изображения внутренних областей, отличающихся по величине коэффициента поглощения от матрицы - метода реконструктивной вычислительной томографии.

Основной принцип компьютерной томографии заключается в облучении исследуемого объекта достаточно узким пучком проникающего излучения для большого числа направлений этого пучка относительно объекта (сканирование) и реконструкции фиксированного сечения трехмерного объекта по достаточно большому  (10000 и более) количеству проекций этого сечения с помощью быстродействующей ЭВМ.

Получение рентгеновской томограммы сводится к следующим операциям:

- просвечивание объекта проникающим рентгеновским излучением под различными углами;

- математическое воссоздание деталей структур (восстановление изображений по проекциям) с использованием ЭВМ с применением процедуры быстрого Фурье-преобразования;

- воспроизведение синтезированного ЭВМ изображения на электронно-лучевой трубке или соответствующая запись на магнитный или бумажный носитель информации.

Компьютерная томография позволяет решать следующие задачи неразрушающей диагностики и контроля непрозрачного для видимого света тела:

- воспроизводить сложные картины интересующих пространственных сечений исследуемого объекта, анализировать их строение, определять геометрические размеры с точностью до десятых долей миллиметра, количественно определять относительное расположение элементов объекта с точностью до долей процента;

- по величине линейного коэффициента поглощения m  исследовать свойства материалов (обнаруживаются различия в величине m»0,001 см^-1, в величине плотности r»0,18%);

- осуществлять неразрушающий визуальный контроль деталей внутреннего строения и дефектов (трещина с контрастом плотности 100% может быть обнаружена при относительном размере раскрытия 0,01%),

- документировать результаты в форме, удобной для дальнейшей обработки.

Первая установка для рентгеновской вычислительной томографии предназначалась для обследования мозга человека и была разработана в 1968 году английской фирмой EMI Ltd. В настоящее время успешно эксплуатируется свыше сорока моделей пяти поколений конструкций.

Кроме рентгеновских лучей для томографической визуализации внутреннего строения используются ультразвук, ядерно-магнитный резонанс, СВЧ излучение, а также активный тепловой неразрушающий контроль. В последнем случае дефектоскопия и дефектометрия осуществляются применением для импульсного нагрева изделий мощных галогенных ламп с последующим фиксированием температурного поля инфракрасным оптическим датчиком и построением изображения исследуемого объекта с помощью ЭВМ.

Метод вычислительной томографии на тепловых лучах позволил в металлических образцах обнаруживать трещиновидные дефекты с раскрытием 200 мкм на глубинах от 1 до 4,5 мм с погрешностью не выше 10% при чувствительности не менее 2,5×10^-5 м.

Томография быстро развивается, продолжительность одного испытания  сокращена до менее чем 10 секунд, увеличиваются чувствительность и точность измерений.