nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp bằng tai x

Bộ công thương Cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa Việt nam Viện máy và dụng cụ công nghiệp Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Báo cáo tóm tắt thực hiện đề tài 178.09 RD/HĐ-KHCN Tên đề tài: “Nghiên c

Nghiªn cøu øng dông kü thuËt chôp ¶nh c¾t líp

b»ng tia X cho kiÓm tra c¸c chi tiÕt m¸y

Kü s− C¬ khÝ CTM

Cö nh©n CNTT

Cö nh©n M¹ng TT

& truyÒn th«ng

Cö nh©n VËt lý h¹t nh©n

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

ViÖn m¸y vµ dông cô c«ng nghiÖp

2

Bộ công thương Cộng hoà x∙ hội chủ nghĩa Việt nam

Viện máy và dụng cụ công nghiệp Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Báo cáo tóm tắt

thực hiện đề tài 178.09 RD/HĐ-KHCN

Tên đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp bằng tia X

cho kiểm tra các chi tiết máy”

Cấp quản lý: Bộ Công Thương

Cơ quan thực hiện: Viện máy và dụng cụ công nghiệp

Theo tinh thần và nội dung của Hợp đồng nghiên cứu khoa học và phát triển

công nghệ số 178.09 RD/HĐ-KHCN, ký ngày 23/03/2009 với Bộ Công thương, Viện

máy và dụng cụ công nghiệp đã hoàn thành đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật

chụp ảnh cắt lớp bằng tia X cho kiểm tra các chi tiết máy”

I.> Các nội dung nghiên cứu và tiến trình thực hiện:

1 Thời gian bắt đầu: 01/2009

2 Nghiên cứu tổng quan về thiết bị và ứng dụng các hệ thống chụp ảnh cắt lớp bằng

tia X dùng trong công nghiệp

từ tháng 01/2009 đến tháng 03/2009

3 Tiến hành thiết kế tổng thể kỹ thuật hệ thống thiết bị kiểm tra chi tiết máy bằng

chụp ảnh cắt lớp tia X

từ tháng 04/2009 đến tháng 05/2009

4 Tiến hành nghiên cứu, xây dựng phần mềm tái tạo ảnh, phục vụ cho việc kiểm tra

khuyết tật của các chi tiết máy

từ tháng 11/2009 đến tháng 06/2010 + Xây dựng module phần mềm để điều khiển bộ truyền động bằng máy tính

từ tháng 01/2010 đến tháng 06/2010 + Xây dựng module phần mềm để điều khiển chu trình chung của hệ thống

4

Qua các kết quả thu được trong quá trình thử nghiệm, hệ thống được thiết kế,

chế tạo đã đáp ứng được tất cả các yêu cầu đề ra của đề tài

II.> Sử dụng kinh phí đề tài:

Kinh phí được cấp cho đề tài đã được sử dụng đúng mục đích, theo đúng như

các hạng mục đã nêu trong dự toán ban đầu Toàn bộ kinh phí từ nguồn NSNN của đề

tài (250.000.000 VNĐ - Hai trăm năm mươi triệu đồng) đã được sử dụng hết

- Mua vật tư, nguyên, nhiên, vật liệu, tài liệu, dụng cụ phục vụ cho công việc

thực hiện đề tài

- Thuê khoán chuyên môn

- Vật tư, văn phòng phẩm, công tác phí

III.> Kết luận và hướng phát triển:

Đề tài 178.09 RD/HĐ-KHCN đã được hoàn thành và đáp ứng được các mục

tiêu đặt ra ban đầu

Sản phẩm của đề tài đã được thử nghiệm tại cơ sở, đạt được các chỉ tiêu chất

lượng, kỹ thuật mong muốn

Kết quả của đề tài là nền tảng cho việc phát triển, hoàn thiện sản phẩm: thiết bị

ứng dụng công nghệ chụp cắt lớp CT để kiểm tra các đối tượng trong công nghiệp

bằng tia X nói riêng và tiến tới có thể thiết kế, chế tạo các sản phẩm, thiết bị ứng dụng

tia X nói chung

Để kết quả của đề tài có thể được ứng dụng rộng rãi hơn, nhóm thực hiện đề tài

kiến nghị:

- Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện để có thể đưa sản phẩm của đề tài vào hoạt

động thực tế trong dây chuyền sản xuất

- Mở rộng các nghiên cứu để có thể thiết kế, chế tạo ra các sản phẩm cho các

ứng dụng khác trong đời sống xã hội trên cơ sở ứng dụng công nghệ chụp cắt

+ Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

+ Mục tiêu đề tài

Nội dung chính

Phần I: Tổng quan về thiết bị và việc ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp

cho kiểm tra các đối tượng trong công nghiệp bằng tia X

Phần II: Thiết kế tổng thể của hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X ứng

6

Mục lục

Mở đầu

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Mục tiêu nghiên cứu và các nội dung thực hiện chính của đề tài

nội dung chính

09

09 10

Phần I Tổng quan về thiết bị và việc ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp

cho kiểm tra các đối tượng trong công nghiệp bằng tia X

12

1.> Tổng quan về nhu cầu và tình hình ứng dụng các thiết bị kiểm tra các chi

tiết, sản phẩm trong công nghiệp

12

1.1 Các phương pháp kiểm tra các chi tiết, sản phẩm trong công nghiệp 12

1.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT 12

1.3 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ RT (Radio Graphic Test): 13

1.4 Hệ thống kiểm tra bằng tia X, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT: 14

2.> Tổng quan về hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT 14

2.2 Nguyên lý của kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT 15

2.3 Phân loại các phương pháp quét ảnh theo thế hệ máy CT Scanner 15

3.> Tổng quan về quá trình tái tạo và xử lý ảnh CT 19

Phần II Thiết kế tổng thể của hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X ứng

dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp CT

22

1.> Các yêu cầu đối với hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X 22

2.> Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống 22

3.> Thiết kế kỹ thuật của hệ thống 24

3.1 Phần kết cấu cơ khí, bộ nguồn phát, điều khiển tia X 24

Phần IV Thiết kế chi tiết bộ truyền động gá chi tiết phục vụ cho quá trình

49

2.> Quá trình thử nghiệm, đánh giá tính năng hoạt động của toàn bộ hệ thống 542.1 Thử nghiệm, đánh giá đối với bộ truyền động 552.2 Thử nghiệm, đánh giá chức năng thu nhận dữ liệu X-Ray và khả năng thể hiện

sự hấp thụ năng lượng tia X

Mở đầu

Ngày nay tia X đã trở nên rất quen thuộc đối với mọi đối tượng trong cuộc sống

xã hội bởi nó ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như : nghiên cứu khoa

học, y tế, an ninh, quốc phòng, trong công nghiệp, v.v Hầu hết các ứng dụng tia X

đều dựa trên tính chất đặc trưng của tia X là bức xạ điện từ xuyên thấu, có bước sóng

ngắn hơn sóng ánh sáng Tia X tác động vào các phần tử vật chất và xuyên qua chúng,

hình ảnh nhận được ở phía sau là các vùng sáng tối khác nhau Sự hấp thụ bức xạ tia

X của các chất phụ thuộc vào tỷ trọng và nguyên tử lượng của chất ấy Dựa trên hình

ảnh nhận được khi tia X xuyên qua đối tượng người ta có thể xác định được nhiều tính

chất hóa-lý của đối tượng mà không cần các phân tích hóa học hay phá hủy chúng

Một trong những ứng dụng quan trọng của tia X trong công nghiệp là trong

phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ - RT (RadioGraphic Test), thuộc nhóm

các phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non Destructive Testing– NDT), đây là

phương pháp thông dụng để xác định khuyết tật của mối hàn, sản phẩm đúc, chi tiết

máy, v.v Phương pháp kiểm tra không phá hủy bằng chụp ảnh bức xạ có khá nhiều

ưu điểm như : nhanh, không tiêu hao vật tư, không ô nhiễm môi trường, có thể số hóa

kết quả, v.v

Từ phương pháp chụp ảnh bức xạ, kết hợp với khả năng tính toán, xử lý dữ liệu,

xử lý ảnh trên máy tính người ta đã phát triển ra phương pháp dùng tia X - ứng dụng

kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT để kiểm tra các khuyết tật của các sản phẩm, chi tiết

máy Đây là phương pháp kiểm tra cho kết quả rất chính xác và thường được sử dụng

để kiểm tra các sản phẩm, chi tiết máy quan trọng

Các thiết bị kiểm tra bằng tia X, ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp CT có

công nghệ tương đối phức tạp và đòi hỏi sự kết hợp của nhiều lĩnh vực như : vật lý hạt

nhân, điện tử, điều khiển, cơ khí chính xác và CNTT nên hầu hết các hãng trên thế

giới tham gia nghiên cứu, chế tạo nhóm sản phẩm này đều phải có được các bí quyết

của riêng họ Vì các ứng dụng tia X có những đặc thù riêng nên việc trao đổi, phổ

biến kiến thức, bí quyết về nhóm sản phẩm này là rất hạn chế Vì lý do này nên việc

nghiên cứu, chế tạo và phát triển nhóm sản phẩm này cũng không phải là quá rộng rãi

và điều này cũng làm cho các thiết bị trong nhóm sản phẩm này có giá thành khá cao

9

Cho tới nay, tại Việt Nam, chỉ có một số dây chuyền tự động trong sản xuất lắp ráp thiết bị cơ, thuỷ khí, điện, điện tử, cơ điện tử của một số công ty nước ngoài là có trang bị thiết bị kiểm tra chi tiết máy bằng tia X theo dây chuyền nhập đồng bộ Đây

là các thiết bị cung cấp độc quyền của một số hãng châu Âu, Bắc Mỹ, G7 như: North Star Imaging (Mỹ), Tomo Adour (Pháp), YXLON International X-ray (CHLB Đức), Hamamatsu (Nhật bản)

Hiện tại, chưa có đơn vị, công ty nào tại Việt nam có khả năng thực hiện toàn

bộ các công đoạn từ nghiên cứu, thiết kế tới chế tạo ra các sản phẩm này, một số đơn

vị mới chỉ dừng lại ở mức nghiên cứu, thiết kế một phần hoặc cung cấp các dịch vụ kỹ thuật cho nhóm thiết bị ứng dụng tia X

Việc Việt Nam sớm nghiên cứu thiết kế và chế tạo được thiết bị ứng dụng chụp cắt lớp CT để kiểm tra chi tiết máy là hết sức cần thiết, nhằm vừa tự trang bị, giảm chi phí nhập ngoại, đồng thời nâng cao trình độ sản xuất không những của các ngành sản xuất liên quan, còn thúc đẩy ngành cơ điện tử nói chung, và đặc biệt là ngành đo lường và tin học công nghiệp, phát triển theo hướng chuyên sâu, có được những sản phẩm công nghệ cao, tương đương trình độ khu vực và thế giới

Viện Máy và Dụng cụ công nghiệp – IMI Holding (Viện IMI) là đơn vị đã và

đang triển khai nhiều đề tài nghiên cứu cấp Bộ, cấp Nhà nước có liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng tia X Vừa qua Viện IMI đã được Nhà nước trang bị Phòng

kỹ thuật tia X thuộc Phòng Thí nghiệm Cơ điện tử-IMI Holding, đây là phòng thí nghiệm bao gồm tương đối đầy đủ các thiết bị để nghiên cứu, chế tạo ra các sản phẩm ứng dụng tia X Trong quá nghiên cứu, triển khai các đề tài, Viện IMI cũng đã xây dựng được một đội ngũ cán bộ có nhiều kinh nghiệm trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các thiết bị ứng dụng tia X Đây là các điều kiện thuận lợi để Viện IMI thực hiện

đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp bằng tia X cho kiểm tra các chi tiết máy”

* Mục tiêu của đề tài:

Với các điều kiện thuận lợi của mình, Viện IMI đã tập trung nhiều nguồn lực

để hoàn thành các mục tiêu mà đề tài đã đề ra Cụ thể các mục tiêu đó là : + Nắm bắt và làm chủ công nghệ ứng dụng X-Ray trong kiểm tra khuyết tật các chi tiết máy, ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp CT

10

+ Thiết kế tổng thể hệ thống và xây dựng, chế tạo một số module quan trọng

của thiết bị kiểm tra khuyết tật chi tiết máy bằng tia X

+ Tích hợp, thử nghiệm thiết bị để tiến tới đưa được sản phẩm vào hoạt động

trong dây chuyền sản xuất thực tế

* Các nội dụng thực hiện chính của đề tài:

Căn cứ theo các mục tiêu mà đề tài đã đặt ra và căn cứ theo các nội dung đăng

ký thực hiện trong thuyết minh đề tài Nhóm đề tài đã xác định cụ thể các nội dung

công việc cần thực hiện là :

+ Tiến hành nghiên cứu tổng quan về các phương pháp và thiết bị kiểm tra các

đối tượng trong công nghiệp, ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp bằng tia X

+ Tiến hành thiết kế tổng thể kỹ thuật hệ thống thiết bị kiểm tra chi tiết máy

bằng chụp ảnh cắt lớp tia X (chỉ tiến hành thiết kế nguyên lý hệ thống)

+ Lựa chọn các thiết bị, module phần cứng phù hợp với yêu cầu của đề tài

Xem xét, lựa chọn từ phòng ‘Kỹ thuật tia X’-Viện IMI các thiết bị hạt nhân của hệ

thống mà nằm ngoài khuôn khổ nhiệm vụ (thiết kế, chế tạo hoặc mua) của đề tài, bao

gồm: khung sườn vỏ máy, nguồn phát tia X, hệ thống thu thập dữ liệu X-Ray

(detectors, board xử lý dữ liệu, module kết nối với máy tính, module phần mềm SDK)

+ Tiến hành thiết kế, chế tạo bộ truyền động để gá đối tượng kiểm tra phục vụ

cho quá trình chụp cắt lớp CT

+ Tiến hành xây dựng và hoàn thiện các module phần mềm: module phần mềm

thực hiện việc thu thập dữ liệu X-Ray; module phần mềm tái tạo ảnh CT; module

phần mềm để điều khiển bộ truyền động bằng máy tính; module phần mềm để điều

khiển chu trình chung của hệ thống

+ Tích hợp, thử nghiệm và đánh giá các chức năng chính của toàn bộ hệ thống

chụp cắt lớp chi tiết máy bằng tia X

11

nội dung chính

phần I Tổng quan về thiết bị và việc ứng dụng công nghệ chụp

ảnh cắt lớp cho kiểm tra các đối tượng trong công

nghiệp bằng tia X

1 Tổng quan về nhu cầu và tình hình ứng dụng các thiết bị kiểm tra các chi tiết, sản phẩm trong công nghiệp

1.1 Các phương pháp kiểm tra các chi tiết, sản phẩm trong công nghiệp:

Hiện nay yêu cầu để kiểm tra khuyết tật của các chi tiết, sản phẩm trong công nghiệp như: các chi tiết máy, các sản phẩm đúc, các mối hàn hoặc việc xác định độ chịu nén, chịu uốn của các loại vật liệu như bê tông, cốt thép hầu như là các yêu cầu bắt buộc trong các quy trình, dây chuyền sản xuất trong công nghiệp

Các phương pháp kiểm tra được chia thành hai nhóm là: nhóm các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT (Non Destructive Testing) và nhóm các phương pháp kiểm tra phá hủy - DT (Destructive Testing) Trong hai nhóm này thì nhóm các phương pháp kiểm tra không phá hủy có các ưu điểm sau:

- NDT không làm ảnh hưởng tới khả năng sử dụng của vật kiểm tra sau này

- NDT có thể kiểm tra 100 % sản phẩm, trong khi DT thì chỉ có thể kiểm tra xác suất

- NDT có thể kiểm tra ngay khi vật kiểm nằm trên dây chuyền sản xuất mà không phải dừng dây chuyển sản xuất

Do nhóm phương pháp NDT có một số ưu điểm như trên so với nhóm phương pháp DT nên hiện nay phần lớn các dây chuyền sản xuất đều áp dụng phương pháp kiểm tra NDT

1.2 Các phương pháp kiểm tra không phá hủy - NDT:

Kiểm tra không phá hủy là việc sử dụng các phương pháp khác nhau để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật kiểm mà không làm tổn hại

đến khả năng sử dụng của chúng

Kiểm tra không phá hủy dùng để phát hiện các khuyết tật như là nứt, rỗ, xỉ, tách lớp, hàn không ngấu, không thấu trong các mối hàn , kiểm tra độ cứng của vật

12

liệu, kiểm tra độ ẩm của bê tông (trong cọc khoan nhồi), đo bề dày vật liệu trong

trường hợp không tiếp xúc được hai mặt (thường ứng dụng trong tàu thủy), đo cốt thép

(trong các công trình xây dựng ),v.v

Kiểm tra không phá hủy gồm nhiều phương pháp khác nhau, từ phương pháp

đơn giản nhất là phương pháp kiểm tra bằng mắt đến các phương pháp phức tạp như

chụp cắt lớp bằng phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân, tuy nhiên có thể tạm chia

thành hai nhóm phương pháp đó là:

+ Nhóm phương pháp kiểm tra NDT thông thường: bao gồm các phương pháp kiểm

tra không phá hủy thông dụng:

Trong các phương pháp NDT đã nêu trên, mỗi phương pháp đều có ưu điểm

riêng, không phương pháp nào có thể thay thế được phương pháp nào ứng với mỗi

trường hợp cụ thể mà ta lựa chọn những phương pháp kiểm tra phù hợp

1.3 Phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh phóng xạ RT (Radio Graphic Test):

Đối với các hệ thống kiểm tra trong các dây chuyền sản xuất trong công nghiệp

tức là các vật kiểm tra là các chi tiết máy, sản phẩm đúc hoặc các mối hàn thì phương

pháp thường được áp dụng là phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT dựa trên nguyên lý cơ bản là chụp ảnh bức

xạ của vật kiểm đối với tia X, hoặc tia Gama, vì là ảnh bức xạ do đó nó không chỉ

phản ánh tính chất bề mặt mà sẽ cho thấy rõ tính chất của vật liệu và đặc tính bên

trong của vật kiểm

Phương pháp RT có khá nhiều ưu điểm như : nhanh, không tiêu hao vật tư,

không ô nhiễm môi trường, có thể số hóa kết quả, v.v Các thiết bị kiểm tra khuyết

13

tật các sản phẩm trong công nghiệp bằng tia X đã được một số các hãng nổi tiếng trên thế giới tập trung vào nghiên cứu, chế tạo như : North Star Imaging (Mỹ), Tomo Adour (Pháp), YXLON International X-ray (CHLB Đức), Hamamatsu (Nhật bản), GE Inspection Technologies, NDT System, Viscom AG, X-ItSystem, v.v Sản phẩm của các hãng cũng rất đa dạng, từ những máy trạm lớn cố định tới những hệ máy nhỏ xách tay, từ các máy chuyên dùng được thiết kế riêng cho việc kiểm tra các đối tượng đặc biệt đến những loại phổ thông áp dụng được cho nhiều đối tượng kiểm tra

Gần đây với sự phát triển của kỹ thuật số, thì các thiết bị RT cũng được tập trung nghiên cứu, phát triển theo hướng số hoá, điều này giúp cho tiện lợi hơn về mặt

kỹ thuật, trao đổi thông tin, kết quả, công tác lưu trữ cũng như quản lý

Công nghệ chụp ảnh X-quang kỹ thuật số ra đời đã loại bỏ được nhiều nhược

điểm của chụp X-quang dùng phim như: tốn thời gian chụp, chiếu, rửa phim, cũng như vật tư tiêu hao trong quá trình sử dụng đồng thời lại phát huy được thế mạnh của

kỹ thuật điện tử số và công nghệ phần mềm xử lý ảnh do đó trong phương pháp RT thi việc dùng X-Quang kỹ thuật số đang dần thay thế việc dùng phim cổ điển

1.4 Hệ thống kiểm tra bằng tia X, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT:

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của máy tính đặc biệt ở khả năng, tốc độ tính toán cho phép có thể xử lý hàng triệu triệu phép tính / 1 giây, điều này đã tạo cơ

sở cho việc xây dựng các hệ thống kiểm tra theo phương pháp chụp ảnh phóng xạ RT, ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT Các hệ thống với cấu hình này cho phép đưa

ra nhiều bức ảnh phóng xạ của vật kiểm theo nhiều lớp với các góc chiếu khác nhau thay vì chỉ là một bức ảnh phóng xạ của vật kiểm, do vậy nâng cao rất nhiều khả năng cũng như độ chính xác của hệ thống kiểm tra

Trong các hệ thống kiểm tra theo phương pháp RT mà có ứng dụng kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT thì hệ thống xử lý CT Scanner đóng vai trò chính trong việc quyết

định tính chính xác của hệ thống Đây là hệ thống phức tạp bao gồm từ các thiết bị phần cứng: bộ phát tia, các detectors, bộ truyền động, hệ thống thu nhận ảnh, phần mềm phân tích và xử lý ảnh, phần mềm nhận đánh dấu-nhận dạng hình ảnh, v.v

2 Tổng quan về hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT:

2.1.Khái niệm về chụp ảnh cắt lớp CT:

Chụp ảnh cắt lớp CT là một kỹ thuật tạo ảnh lớp cắt cùng với sự hỗ trợ của máy tính tạo ra các hình ảnh chụp cắt lớp sắc nét, rõ ràng Công việc này được thực hiện

14

thông qua việc thực hiện một thủ tục hay một chuỗi hoạt động được gọi là sự tái tạo

ảnh từ các hình chiếu, một kỹ thuật hoàn toàn dựa trên các cơ sở toán học

2.2 Nguyên lý của kỹ thuật chụp ảnh cắt lớp CT:

Về nguyên tắc, người ta chiếu vào vật cần kiểm tra, ví dụ đầu người, một tia X

thật mảnh theo một hướng nhất định, rồi bố trí detector để đo, biết được tia X chiếu

theo hướng đó bị hấp thụ mạnh/yếu như thế nào, tức là biết được mật độ vật chất tổng

cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo một hướng Người ta lần lượt thay đổi

hướng chiếu, nói cách khác là quét tia X theo những hướng khác nhau, để lần lượt thu

được mật độ vật chất tổng cộng của các thể tích phần tử nằm dọc theo những hướng

khác nhau đó Từ những số liệu thu được, người ta tính toán ra mật độ vật chất của

từng thể tích phần tử Muốn vậy, phải xây dựng những thuật toán phức tạp, phải thực

hiện một khối lượng tính toán rất lớn, phải dùng máy tính tốc độ cao mới thực hiện

nhanh được Vì thế, người ta đặt tên là phép chụp ảnh cắt lớp có sự trợ giúp của máy

tính, gọi tắt là CT (computer aided tomography hay computed tomography)

Sơ đồ khối của hệ thống máy quét CT

2.3 Phân loại các phương pháp quét ảnh theo thế hệ máy CT Scanner:

Kể từ khi được đưa vào sử dụng, người ta đã cố gắng cải thiện, nâng cao hiệu

quả của hệ thống thiết bị CT đặc biệt trong việc giảm thời gian tạo ảnh, bằng cách cải

tiến hệ thống quét Những hệ thống quét này khác nhau chủ yếu về số lượng và cách

bố trí các cảm biến, mỗi hệ thống quét đều có những ưu và nhược điểm riêng

X được phát và thu Quá trình tiếp diễn cho tới khi số lượng tín hiệu thu được đủ lớn

để tái tạo ảnh

Hệ thống này hiện tại hầu như không được ứng dụng vì chỉ sử dụng một phần năng lượng rất nhỏ, không đáng kể của nguồn bức xạ từ bóng X quang trong khi năng lượng bức xạ từ Anode của bóng có thể bao trùm một góc thì chùm tia bức xạ thực dụng để đo lại chỉ nằm trong góc 10-4 Radian Bởi vậy, một mặt công suất của bóng X quang bị hạn chế, mặt khác do nhu cầu cần thiết phải tạo được liều bức xạ tại cảm biến đủ để đo nên máy không thể chuyển động với vận tốc cao

Với hệ thống này để tạo ảnh một lớp cắt cần một thời gian dài cỡ vài phút Tuy nhiên, trong thực tế, việc giảm thời gian tạo ảnh chỉ có thể đạt được nhờ tăng số lượng kênh đo cho một lớp cắt, các máy CT đã được phát triển theo hướng này

2.3.2 Các máy CT thế hệ thứ hai:

16

Cấu trúc : Thay vì dùng một đầu dò, đến thế hệ này đã dùng một chùm

đầu dò khoảng 20-30 chiếc bố trí cận kề nhau trong hướng quét, Chùm tia quét có

dạng hình quạt

Phương pháp quét : tương tự như thế hệ thứ nhất, hệ thống đo thực hiện hai loại

dịch chuyển đó là : dịch chuyển song song và dịch chuyển tịnh tiến

Với cách bố trí hệ thống đo này, nguồn bức xạ tia X từ bóng X quang được sử dụng

hiệu quả hơn nhiều, có thể thực hiện được nhiều phép chiếu tương ứng với số lượng

cảm biến và thu được nhiều dữ liệu đo đồng thời, vì vậy góc quay và khoảng giửa hai

lần chiếu theo mặt sẽ tăng, kết quả giảm tổng số bước quét phẳng và số lần quay của

hệ thống đo Với hệ thống này, tuỳ thuộc vào số cảm biến thời gian tạo ảnh một lớp

cắt trong khoảng từ 10-60 giây Tuy nhiên do quá trình cơ học khi chuyển động ngang

hay quay, việc giảm thời gian tạo ảnh xuống thấp hơn nữa đối với hệ thống đo này

không thể thực hiện được

2.3.3 Máy CT thế hệ thứ ba:

Cấu trúc : Số lượng đầu dò tăng đến vài trăm cái và được bố trí trên một vòng

cung đối diện và gắn cố định với bóng X quang Chùm tia X phát ra theo hình rẻ quạt

với góc từ 30-60o tuỳ theo số lượng đầu dò và bao trùm toàn bộ tiết diện lớp cắt

Phương pháp quét : Hệ thống đo quay quanh đối tượng một góc 3600 để thực

hiện một lớp cắt Khi quay tia X có thể hoặc được phát thành xung tại những góc cố

định hoặc được phát liên tục

Với cấu trúc này, nguồn bức xạ tia X được sử dụng tối ưu, hơn nữa hệ thống đo

chỉ thực hiện một kiểu chuyển động quay và quay liên tục chứ không phải từng bước

Thời gian chụp ngắn nhất giảm xuống chỉ còn cỡ một vài giây

2.3.4 Máy CT thế hệ thứ 4:

17

Cấu trúc : khác với những máy thuộc thế hệ trước, bóng X quang và đầu dò gắn chặt với nhau, cùng dịch chuyển hoặc quay Máy thế hệ thứ 4 có hệ thống đầu dò tách biệt với bóng X quang, đó là một tập hợp nhiều đầu dò được bố trí trên một vòng tròn bao quanh khoang chiếu

Phương pháp quét : Bóng X quang quay tròn quanh vật thể chiếu, chùm tia phát thành hình rẻ quạt bao phủ vùng cần kiểm tra, các phần tử cảm biến sẽ được

đóng/ngắt theo quy luật nhất định phù hợp với chuyển động quay của bóng Bóng quay tròn, các bộ cảm biến tạo thành vòng tròn đứng yên

Ưu điểm của loại máy thuộc thế hệ thứ 4: Thời gian chụp ngắn nhất tương tự như thế hệ thứ 3, cỡ một đến vài giây Không bị nhiễu hình ảnh tròn (ring artifact) như thường xảy ra đối với máy thuộc thế hệ thứ 3 Tuy nhiên máy có cấu trúc phức tạp vì số lượng đầu dò lớn hơn rất nhiều

2.3.5 Máy CT thế hệ thứ 5:

Hình 1.5: Sơ đồ quét của Spiral CT (thế hệ máy CT thứ 5)

Thế hệ CT thứ năm đang được sử dụng phần lớn ngày nay là Helical CT (Spiral CT) với dạng quét hình xoắn ốc Kỹ thuật Slip-ring (chổi quét - cổ góp) được áp dụng vào máy CT giúp quá trình quét được thực hiện nhiều vòng liên tục mà các thế hệ trước không làm được Do đó, tốc độ quét, không gian quét được cải thiện rất nhiều

18

Kỹ thuật Slip-ring, là một cải tiến về mặt cơ điện, dùng cổ góp và chổi quét Tất

cả năng lượng và tín hiệu điều khiển của phần tĩnh được truyền đến phần động thông

qua hệ thống Slip-ring có các slip-ring riêng lẻ song song dành cho detector, tube,

truyền dữ liệu

Không chỉ phát triển về cấu hình quét, công nghệ CT còn có nhiều cải tiến

quan trọng khác Chùm tia X ban đầu chỉ là chùm hẹp dạng mỏng (Fan Beam), càng

về sau càng lớn hơn thành chùm dạng nón (Cone Beam), tăng thể tích chiếu và giảm

thời gian thực hiện phép chụp Thể tích chiếu tăng lên đồng nghĩa với lượng dữ liệu

lớn hơn nhiều, cần đường truyền và bộ nhớ lớn hơn, đem lại độ chính xác cao hơn

Hình 1.6: Sự thay đổi của dạng chùm tia X

3 Tổng quan về quá trình tái tạo và xử lý ảnh CT:

Trong hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT thì đóng vai trò quan trọng là phần mềm

thu nhận và tái tạo ảnh CT, trong đó do đặc thù của ảnh CT nên quá trình tái tạo ảnh

CT đóng vai trò như là quá trình xây dựng dữ liệu đầu vào cho tính toán, xử lý của

phần mềm - tức là đầu vào dữ liệu cho cả hệ thống chụp ảnh cắt lớp CT Do vậy việc

chọn lựa, xây dựng thuật toán tái tạo ảnh CT là khâu quan trọng, quyết định tới sự

hoạt động của cả hệ thống

3.1 Giới thiệu và tổng quan

ảnh CT khác với ảnh X quang ở vài chi tiết cụ thể Những vấn đề này khác

nhau ở cách tạo ảnh Sự định dạng của ảnh CT phải trải qua nhiều bước

+ ảnh CT được bắt đầu với việc quét pha Trong pha đó, một chùm tia X mỏng

có hướng chiếu khi xuyên qua những cạnh (edges) của phần vật thể chiếu để tạo ảnh

bức xạ khi đi qua phần vật thể chiếu được đo bằng dãy detector Các detector này

không thể tạo ra được ảnh CT hoàn chỉnh mà nó chỉ cho hình viền của một đường

19

chiếu Dữ liệu đường viền là đo sự suy giảm của tia X từ bóng phát tia tới những detector riêng lẻ Để có đủ thông tin cho việc tạo nên một ảnh đầy đủ, chùm tia X quay vòng, hoặc quét, xung quanh thiết diện cắt để tạo nên đường viền từ những góc

độ khác nhau Điển hình, hàng trăm vùng tạo được và dữ liệu đường viền của mỗi vùng được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính Tổng số đo sự đâm xuyên tạo nên số vùng

và số tia X nằm trong khoảng giới hạn cho mỗi vùng Tổng thời gian quét cho một lớp cắt khoảng từ 0.35s tới 15s, phụ thuộc vào việc thiết kế máy quét (scanner mechanism) và người điều khiển chọn kiểu quét thay đổi Chất lượng của ảnh có thể cải tiến bằng cách tăng thời gian quét

+ Pha thứ 2 của việc tạo ảnh là dựng ảnh, được thực hiện bằng máy tính số, nó

là một phần của hệ thống CT Dựng ảnh là thực hiện bằng một quá trình toán học đó

là việc chuyển đổi dữ liệu quét của các vùng (views) riêng lẻ về dạng số hoá, hoặc số hóa bức xạ bức ảnh ảnh được cấu tạo bởi dãy phần tử ảnh riêng lẻ gọi là pixel Những pixel này được đặc trưng bằng một giá trị số, hoặc là chỉ số CT Các giá trị đặc biệt cho mỗi pixel quan hệ với mật độ của 'mật độ vật chất' ở trong những nguyên tố thể tích tương ứng gọi là voxel Dựng ảnh thường mất vài giây, phụ thuộc vào sự phức tạp của bức ảnh và khả năng của máy tính ảnh số sẽ được lưu trữ ở trong bộ nhớ máy tính

+ Pha cuối cùng là chuyển đổi ảnh số thành hiển thị video vì vậy có thể nhìn trực tiếp được hoặc có thể được ghi ở trên phim Bước này được thực hiện bằng những thành phần điện tử, nó thực hiện chức năng chuyển đổi số sang tương tự

3.2 Quá trình chụp ảnh cắt lớp:

3.2.1 Quét thăm dò hoặc quét toàn cảnh Bóng phát tia và detector được lắp ráp trên một khung có vị trí cố định đối nhau, bộ gá vật thể chiếu di chuyển trên một khoảng cách bao trùm vùng kiểm tra Một ảnh chiếu được tạo nên từ đo các mức suy giảm “line-byline” Kết quả những hướng chiếu khác cũng tương tự đối với việc xuất hiện những tia được quy ước Hình

ảnh tạo ra là tập hợp của rất nhiều ảnh xếp chồng (như trong phương pháp chụp Xquang thông thường), rộng bằng bề dày của lớp cắt (đã được xác định) Dựa trên hình ảnh toàn cảnh này để lập chương trình tạo ảnh cắt lớp

3.2.2 Quét cắt lớp

20

Bóng phát tia và cụm đầu dò quay quanh vật thể chiếu một góc 360 để thực

hiện một lớp cắt Bộ gá vật thể chiếu dịch chuyển một khoảng cách bằng bề dày lớp

cắt sau mỗi lớp cắt theo phương thức quét gián đoạn hoặc di chuyển liên tục với một

tốc độ cố định (tốc độ chuyển động tịnh tiến của bộ gá vật thể chiếu phải phù hợp với

tốc độ quay tròn của giàn quay để xác định khoảng cách giửa các lớp cắt) theo

phương thức quét xoắn ốc Đối với phương pháp quét xoắn ốc trong khi đang thu nhận

tomogram, hệ thống bóng/detector vẫn tiếp tục quay tròn quanh bộ gá vật thể chiếu

Những hướng chiếu thu được từ những vị trí của những góc kế tiếp nhau trên vòng

quay là nhanh

Đo cường độ đường viền với những mức cường độ tại những detector Mỗi

hướng chiếu sẽ có một cường độ đường viền tương ứng (hướng chiếu của lớp cắt quét

cho một kênh)

Việc lựa chọn chiều dày lớp cắt bằng cách sử dụng một máy tính điều khiển bộ

chuẩn trực ở bóng phát tia Bóng phát tia, trong quá trình quét, có thể hoạt động theo

hai phương thức:phát tia liên tục hoặc phát tia theo xung Hiện nay hầu hết máy CT

đều được thực hiện theo phương thức phát tia theo xung vì giảm được công suất phát

tia, tránh cho bóng phải hoạt động căng thẳng Để thu thập mẫu dữ liệu, bóng phát tia

được bật tắt hàng nghìn lần trong một vòng quay

3.2.3 Tiền xử lý và hậu xử lý

Xử lý ảnh của quá trình dựng ảnh CT được thực hiện qua 3 bước bắt đầu từ việc

đo cường độ những đường viền Đường viền được chuyển đổi để định dạng theo yêu

cầu của việc tính toán, xử lý ở bước này chính là tiền xử lý Dữ liệu tín hiệu thô trải

qua quá trình xử lý trước khi đưa vào để tái tạo ảnh và lúc này việc dựng ảnh thì tự nó

có thể xử lý để nâng cấp những nét đặc trưng cho nó hoặc loại bỏ nhiễu, sự sai lệch

các mức suy giảm, hoặc do công nghệ còn chưa hoàn hảo (như hiệu ứng chùm tia

cứng và lỗi đường thẳng)

Quá trình xử lý thường tuân theo quy trình sau:

- Xử lý dữ liệu tín hiệu - Singnal data processing

- Xử lý ảnh - Image processing

- Planar projection view (topogram or scout view)

- Fast Fourier Transforms

21

phần II thiết kế tổng thể của hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X ứng dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp CT

1 Các yêu cầu đối với hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X:

Theo mục tiêu đề ra của đề tài, hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X sẽ nhằm vào các đối tượng kiểm tra là các chi tiết của các máy công cụ, các sản phẩm

đúc cỡ nhỏ tới trung bình, cụ thể kích thước bao max của vật kiểm là: 20cm x 20 cm, trong đó độ dày max của thành vật kiểm là 4 cm

Từ các mục tiêu của đề tài, nhóm đề tài đưa ra sơ bộ các yêu cầu mà hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X cần phải đáp ứng như sau:

- Hệ thống kiểm có khoang soi: > 15 cm x 20 cm (W x H)

- Vật kiểm được làm từ các vật liệu kim loại, độ dày của vật kiểm: <4 cm

- Quá trình kiểm tra có thể phát hiện được các khuyết tật rỗ, nứt từ 5mm trở lên

- Quá trình kiểm tra từng vật kiểm là rời rạc (phải gắn vật kiểm vào bộ gá)

- Thời gian để kiểm tra một vật kiểm tối đa là: < 10 phút

- Kết quả chụp ảnh cắt lớp vật kiểm được lưu trữ trên máy tính để phục vụ cho việc quản lý, theo dõi sau này

2 Sơ đồ và nguyên lý làm việc của hệ thống:

Từ các yêu cầu kỹ thuật ở phần trước, nhóm đề tài đã đưa ra sơ đồ cấu trúc, nguyên lý làm việc của hệ thống như sau:

Bộ phát tia X Collimator

+ Các thành phần chính của hệ thống:

Hệ thống bao gồm các thành phần, module chính sau:

(1) Bộ phát tia X, bao gồm: nguồn phát, ống phát tia, bảng mạch + bộ điều khiển từ

xa

Căn cứ theo yêu cầu mà hệ thống cần đáp ứng, nhóm đề tài đã lựa chọn bộ phát

tia X với thông số kỹ thuật cơ bản như sau:

* Hiệu điện thế sử dụng: từ 70 kv - đến 100 kv

* Kiểu hoạt động: hoạt động liên tục 100% công suất

* Làm mát: bằng tra dầu kín

* Khả năng đâm xuyên qua vật liệu: tối thiếu 0,8 cm; tối đa 5 cm

* Liều lượng cho 1 lần kiểm tra: 0.1 mR max

* Kiểu chùm tia: chùm tia hình quạt (fan beam)

(2) Collimator: là tấm chắn với tác dụng làm mảnh tia X theo đúng hình quạt, tập

trung năng lượng vào đúng dãy detectors hình chữ L

(3) Bộ gá đối tượng kiểm tra: để gá đối tựợng kiểm tra trên đó và chuyển động tịnh

tiến theo bước min là 0,5cm trong khoang kiểm tra Tại mỗi bước, khi dừng lại để tiến

hành chụp cắt lớp đối tượng thì bộ gá sẽ xoay đối tượng 3600 quanh trục tịnh tiến

Quá trình xoay được thực hiện theo từng bước 300

(4) Detectors: dãy detectors được bố trí theo hình chữ L, bao gồm 8 Detector Head

Board (DH), mỗi board gồm 128 channel, với độ rộng mỗi detector là 0.8mm Tất cả

các DH này được nối nối tiếp tới board thu thập/xử lý tín hiệu - Signal Procesing

Board (SP) của XDAS

(5) XDAS (X-Ray Data Aquisition System): là hệ thống thu thập dữ liệu X-Ray được

sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng X-Ray linescan XDAS giao tiếp thẳng với PC qua

giao diện USB2

(6) PC: Bao gồm phần mềm thu thập dữ liệu, tái tạo ảnh CT và phần mềm điều khiển

- Step 3: Nhấn nút 'X-Ray ON' trên bàn điều khiển; Bộ phát tia X bắt đầu hoạt

động; Bộ gá tĩnh tiến vào 1 bước trong khoang chụp

- Step 4: Tại vị trí mỗi bước, bộ gá tiến hành xoay đối tượng đi 3600 với mỗi bước xoay là 300 Tại mỗi hướng chiếu, thu được 01 ảnh bức xạ của lớp cắt đó của đối tượng Như vậy tại mỗi lớp cắt sẽ có 12 ảnh bức xạ của lớp đó được truyền sang PC để phần mềm thu nhận và tiến hành xử lý, tái tạo ảnh CT Thời gian cho toàn bộ quá trình này là 12 giây

- Step 5: Bộ gá tĩnh tiến thêm 01 bước (độ dài của 01 bước này có thể được điều chỉnh, ngầm định là 0,5 cm), toàn bộ quá trình được lặp lại như Step 4

- Step 6: Khi hết chiều dài kiểm (tối đa là 20cm), hệ thống sẽ tự động tắt nguồn phát tia X

- Step 7: Toàn bộ ảnh 3D của đối tượng được hiển thị trên màn hình; Tối đa là

40 lớp cắt của đối tượng đã được chụp và lưu trữ Nếu thấy cần thiết xem lại ảnh chụp của lớp cắt nào thì có thể view, room ảnh đó trên màn hình

- Step 8: Chuyển động bộ gá để đưa đối tượng kiểm ra vị trí ở B1 Chu kỳ làm việc kết thúc

3 Thiết kế kỹ thuật của hệ thống:

Qua sơ đồ cấu trúc và nguyên lý làm việc đã xây dựng ở phần trước, nhóm đề tài đã đưa ra thiết kế kỹ thuật của hệ thống như sau:

3.1 Phần kết cấu cơ khí, bộ nguồn phát, điều khiển tia X:

Toàn bộ hệ thống được xây dựng trên cơ sở máy soi hành lý Dynavision 400A của hãng Control Screening:

24

Máy soi bằng tia X - Dynavision 400A

Các thông số chính của máy Dynavision 400A:

- Chuyển đối tượng soi bằng băng tải

- Khoang chiếu: rộng 64 cm; cao 38 cm

- Nguồn phát tia X: maximum 90 kv, vận hành ở 85 kv Cường độ cho 01 lần

kiểm 0.1 mR; Hình dạng tia: fan beam

- Bố trí detectors: hình L

Với các thông số kỹ thuật như trên, chúng ta thấy rằng máy Dynavision 400A

hoàn toàn thích hợp để tích hợp cho hệ thống kiểm tra chi tiết máy bằng tia X, ứng

dụng công nghệ chụp ảnh cắt lớp CT theo như mục tiêu đã đề ra của đề tài

3.2 Hệ thống thu nhận dữ liệu X-ray:

25

Qua phân tích yêu cầu đối với hệ thống là sản phẩm của đề tài, nhóm thực hiện

đề tài đã chọn hệ thống XDAS (X-Ray Data Acquisition System) của hãng Electron Tubes Limited - UK Cấu trúc của hệ thống XDAS lựa chọn cho hệ thống như sau:

SP-01

PC

Detector Head Board-DH Signal Processing Board - SP

Các thông số kỹ thuật của hệ thống XDAS:

- Thời gian tích phân: từ 10 às đến 100s

- Tỷ lệ signal / noise: > 10000:1

- Tốc độ quét: max 20 kHz

- Dual energy option

- Detector type: Scintillator type

- Data: 16 bit

- Dimensions: DH (101 mm x 110 mm); SP (101 mm x 122 mm)

- Non - linearity: <0.1 %

- Detetor pitch: 0.8 mm hoặc 1.6 mm

- Interface: RS 485, max 9600 Baud

- Power suply: + 5V and +12V

26

Chu trình xử lý trong XDAS như sau:

- Detector head block diagram:

- Signal processing block diagram:

- System block diagram:

Qua các thông số kỹ thuật của XDAS có thể thấy rằng XDAS hoàn toàn phù

hợp để xây dựng hệ thống theo mục tiêu của đề tài Cụ thể thiết kế hệ thống của đề tài

sử dụng 08 board DH, 01 board SP, và 01 XDAS controler/ USB interface

27

3.3 Bộ gá đối tượng kiểm tra:

Đáp ứng các yêu cầu sau:

- Chuyển động tịnh tiến theo phương dọc buồng chiếu (vuông góc với chùm tia) Bước của chuyển động: tối thiểu là 0,5 cm

- Bộ gá có cơ cấu xoay đối tượng chiếu 3600 quanh trục dọc Bước của mỗi lần quay là 300, thời gian xoay + thời gian dừng lại để chụp là 01 s cho mỗi góc quay (tổng cộng là 12s cho một lớp)

Toàn bộ thiết kế chi tiết (phục vụ quá trình chế tạo, lắp đặt) sẽ được trình bày chi tiết tại phần 4 của báo cáo

3.4 Các Module phần mềm trong hệ thống:

Hệ thống bao gồm các module phần mềm sau:

+ Module phần mềm thu nhận dữ liệu X-Ray

+ Module phần mềm xử lý dữ liệu, tái tạo ảnh CT

+ Module phần mềm điều khiển hệ thống truyền động

+ Module phần mềm điều khiển chu trình chung của hệ thống

Phần mềm thu thập dữ liệu X-Ray được xây dựng trên cơ sở thiết bị USB và công cụ phát triển SDK của hãng Electron Tubes Limited Phần mềm xử lý dữ liệu và tái tạo ảnh CT được xây dựng trên các phần mềm, công cụ sẵn có của đơn vị

XDAS-thực hiện đề tài và đặc biệt là dựa trên “thuật toán chiếu lọc ngược” để tái tạo ảnh

CT Chi tiết về hai module phần mềm này sẽ được trình bày ở phần 3 của báo cáo Phần mềm điều khiển hệ thống truyền động và phần mềm điều khiển chu trình chung của hệ thống được thực hiện qua card đa chức năng PCI-1711 – Advantech Chi tiết về các module phần mềm này bao gồm chu trình điều khiển, nguyên lý, cơ sở

để thiết kế xây dựng và giao diện sẽ trình bày ở phần 4 và phần 5 của báo cáo

28

phần III Các module phần mềm cho việc thu thập, xử lý dữ liệu tia

X và tái tạo ảnh CT

Quá trình thu nhận dữ liệu X-Ray, xử lý dữ liệu, tái tạo ảnh CT của hệ thống

thiết bị kiểm tra chi tiết máy bằng tia X, sẽ được thực hiện thông qua hai module phần

mềm sau:

+ Module phần mềm thu nhận dữ liệu X-Ray

+ Module phần mềm xử lý dữ liệu, tái tạo ảnh CT

1 Phần mềm thu nhận dữ liệu X-Ray:

Được xây dựng, phát triển trên cơ sở phần mềm X-Ray Data Acquisition của

hãng Electron Tubes Limited Đây là phần mềm thu thập dữ liệu đa năng, cho phép

tương thích với cả 3 giao tiếp để thu nhận dữ liệu là: EPP (on LPT1), PCI 7300 data

acquisition card, XDAS USB adaptor

Cấu hình giao tiếp mà nhóm đề tài chọn lựa để thực hiện cho hệ thống thiết bị là

XDAS USB adaptor

Hình 3.1 Giao diện chọn giao tiếp của phần mềm thu thập data

Phần mềm thu thập dữ liệu có các chức năng chính sau:

+ Đặt tần số quét: thiết lập tốc độ thu thập dữ liệu (2,5MHz – 20 MHz), thông

số này sẽ quyết định số line dữ liệu sẽ được lấy về trong một đơn vị thời gian

+ Phần mềm thu thập dữ liệu cho phép đáp ứng tới 31 module, mỗi module ở

đây là 01 board DH, mỗi board DH bao gồm 128 kênh dữ liệu

29

+ Phần mềm cho phép tách dữ liệu ở hai mức năng lượng Vì đặc điểm của hệ detector mà nhóm đề tài sử dụng là đáp ứng cho nguồn tia X năng lượng kép (dual energy), do đó với mỗi board DH sẽ có 64 kênh ở mức năng lượng thấp và 64 kênh ở mức năng lượng cao

+ Phần mềm cho phép thay đổi chế độ thu thập dữ liệu: câu lệnh (thu thập đủ

01 frame là dừng) hay là thu thập liên tục

+ Phần mềm có màn hiển thị thể hiện dữ liệu thu về liên tục theo thời gian thực Kết quả có thể view ở các chế độ khác nhau như: line, bar, graphic, v.v

+ Phần mềm cho phép thực hiện các thao tác hiệu chỉnh: đặt thời gian tích phân, hiệu chỉnh giá trị thu về, đặt ngưỡng, v.v

Hình 3.2 Giao diện chính của module phần mềm thu thập dữ liệu X-Ray

Do vậy trong phần này nhóm đề tài sẽ trình bày các nghiên cứu tổng quan về

các thuật toán tái cấu trúc, các phân tích về ưu, nhược điểm của từng thuật toán và

cuối cùng là chi tiết về thuật toán tái tạo ảnh được lựa chọn của nhóm đề tài

Thuật toán tái cấu trúc hình ảnh được lựa chọn chính là cơ sở để nhóm đề tài áp

dụng, phát triển và triển khai cho phù hợp với các yêu cầu của hệ thống thiết bị kiểm

tra chi tiết máy bằng tia X

2.1 Khái quát về quá trình tái cấu trúc hình ảnh:

Tái cấu trúc hình ảnh là quá trình tổng hợp nhiều đồ thị (mảng 1 chiều) thành

hình ảnh 2-D của một lớp cắt vật thể Quá trình này đòi hỏi một thuật toán tái cấu trúc

phù hợp và hiệu quả

Các thuật toán tái cấu trúc hình ảnh có thể chia làm 2 nhóm cơ bản tùy theo

bản chất của thuật toán: phương pháp khai triển (transform method) và phương pháp

mở rộng chuỗi (series expansion method)

Phương pháp khai triển gồm: thuật toán khai triển Fourier ngược (Inverse

Fourier Transfrom) và thuật toán chiếu ngược lọc (Filtered Back-projection), trong đó

thuật toán tái cấu trúc chiếu ngược lọc với nhiều ưu điểm vượt trội đang được sử dụng

rất thông dụng Trong khuôn khổ báo cáo này chúng tôi xin đề cập khái quát đến các

phương pháp tái cấu trúc hình ảnh và chi tiết hơn về thuật toán chiếu ngược lọc cho

hình chiếu song song

2.2 Cỏc phương phỏp tỏi cấu trỳc hỡnh ảnh

2.2.1 Phương phỏp khai triển (Transform Methods):

Phương phỏp khai triển bao gồm cỏc thuật toỏn: khai triển Fourier ngược

(Inverse Fourier Transfrom) và chiếu ngược lọc (Filtered Back-projection) Trong đú,

thuật toỏn chiếu ngược lọc là sự kết hợp và kế thừa giữa thuật toỏn khai triển Fourier

và chiếu ngược đơn thuần Bản chất của phương phỏp là dựng nhiều phương trỡnh vi

phõn 1 chiều để tỏi cấu trỳc hỡnh ảnh dưới dạng một hàm số 2 chiều

* Thuật toỏn chiếu ngược đơn thuần:

Với thuật toỏn chiếu ngược, tia X đi qua lỏt cắt được chia thành cỏc phần tử

đều nhau, mang một giỏ trị của hệ số suy giảm tuyến tớnh tổng cộng của tia đú Bằng

cỏch cộng tất cả cỏc hệ số suy giảm tuyến tớnh cho mỗi phần tử sau từng phộp chiếu,

ta thu được một mảng 2 chiều chứa cỏc giỏ trị hệ số suy giảm tuyến tớnh à(x,y) để cú

* Thuật toỏn khai triển Fourier ngược:

Thuật toỏn khai triển Fourier ngược sử dụng khai triển Radon để phõn chia hệ

số suy giảm tuyến tớnh ở cỏc gúc thành cỏc thành tố tần số cú độ khuếch đại khỏc nhau, giống như việc phõn biệt õm thanh bởi cỏc nốt nhạc Từ những thành tố tần số này, dữ liệu được tổng hợp trong một khụng gian tần số và sau đú được tỏi cấu trỳc thành hỡnh ảnh nhờ vào khai triển Fourier ngược

32

+ Nhược điểm: đối với thuật toán khai triển Fourier ngược, biến số xác định trên

miền số ảo, gây khó khăn cho việc xử lý số liệu trên máy vi tính và thường chỉ dùng

trên lý thuyết

* Thuật toán chiếu ngược lọc:

Thuật toán chiếu ngược lọc có cơ sở là thuật toán khai triển Fourier với bộ lọc thích

hợp để “làm trơn” dữ liệu hình chiếu trước khi áp dụng cách thức chiếu ngược

Những hàm lọc thông dụng nhất là các hàm lọc cao tần để giảm nhiễu và làm trơn

hình ảnh, và các hàm lọc thấp tần Ngoài ra, thuật toán này còn sử dụng một chuỗi

các phương pháp toán học khác trong quá trình tái cấu trúc: cuộn chập, khai triển

Hilbert, nội suy…

2.2.2 Phương pháp mở rộng chuỗi (Series Expansion Methods)

Đây là phương pháp đại số mô tả các hệ số suy giảm tuyến tính như là ẩn của

hệ phương trình đại số Bề mặt lát cắt vật thể được chia thành các ô đều nhau dạng N

x M pixels

33

Mỗi tia X, được xem như có độ dày xác định, đi qua một số pixel và quét qua

đó một trọng số wij mà tổng đại số của chúng được gọi là “tổng của tia”, nghĩa là tổng

hệ số hấp thụ tuyến tính trên toàn tia đó Sau khi quét ở nhiều góc khác nhau, ta sẽ thu được một hệ M phương trình của N ẩn wij, hay một ma trận cỡ MxN của wijvà ta cần tìm ma trận đó Ví dụ, một ma trận hình ảnh chỉ với kích thước 256 x 256 pixels thì ta cần có tối thiểu M=65536 phương trình để giải hệ, như thế ma trận của hệ phương trình sẽ có cỡ là 65536 x 65536 Thông thường, máy tính có thể giải được hệ phương trình lớn hơn thế, nhưng thật khó để có thể thu được số hình chiếu lớn như vậy Do đó, ta phải áp dụng các phương pháp nội suy, như bình phương cực tiểu… Phương pháp này được áp dụng đa dạng bằng nhiều thuật toán khác nhau, như ART (Algebraic Reconstruction Technique - Kỹ thuật tái cấu trúc đại số), ILST (Iterative Least-square Techniqe - Kỹ thuật quy hồi bình phương nhỏ nhất), SIRT (Simultaneous Iterative Reconstruction Technique- Kỹ thuật tái cấu trúc lặp đồng thời)…

+ Nhược điểm: Phương pháp đại số mặc dù đơn giản hơn phương pháp khai triển nhưng tồn tại những hạn chế rất quan trọng so với phương pháp khai triển tích phân, đó là:

34

- Phương pháp này yêu cầu thu thập toàn bộ dữ liệu trước khi được xử

lý, chứ không thể vừa thu thập vừa xử lý dữ liệu liền kề

- Phương pháp này không thể xử lý được số lượng quá lớn dữ liệu

- Với vật chất phân bố không đồng đều trên toàn miền 360o, kết quả của

phương pháp mắc sai số rất lớn

- Để áp dụng được phương pháp đại số ta cần biết chính xác đường đi

của từng tia X, điều này là bất khả thi bởi tia X luôn bị tán xạ và cấu

hình máy quét CT không phải là “lý tưởng”

2.2.3 Lựa chọn thuật toán chiếu ngược lọc:

Hiện nay, thuật toán chiếu ngược lọc được sử dụng phổ biến bởi nó khắc phục

được những nhược điểm của các thuật toán khác, đồng thời có thêm những ưu điểm

riêng như:

+ Dễ dàng thực hiện trên máy tính, đòi hỏi ít bộ nhớ và thời gian xử lý

+ Dữ liệu từ các hình chiếu có thể được lọc và chiếu ngược liên tục, độc lập mà

không cần lưu trữ

+ Chất lượng hình ảnh tái cấu trúc nhờ chiếu lọc ngược cao hơn hẳn các thuật

toán khác

+ Thuật toán này không chỉ có thể áp dụng với hầu hết các cấu hình CT phẳng

mà còn được phát triển lên dành cho CT xoắn ốc hiện đại

Qua khái quát về các thuật toán tái cấu trúc hình ảnh và phân tích ưu nhược

điểm của các thuật toán, xem xét tới mọi yếu tố của hệ thống, thiết bị đang được sử

dụng để thực hiện đề tài, nhóm thực hiện đề tài đã quyết lựa chọn “thuật toán chiếu

ngược lọc” làm cở sở để áp dụng và phát triển cho module phần mềm tái cấu trúc

ảnh của đề tài

2.3 Thuật toán chiếu ngược lọc:

2.3.1 Các bước khai triển của thuật toán chiếu ngược lọc:

Bước đầu tiên, ta định nghĩa hình chiếu được sử dụng trong thuật toán này:

Hình dưới đây biểu diễn hình chiếu của vật thể ở một góc θ, nghĩa là phương chiếu

tạo với phương x của trục tọa độ góc một góc θ Giả sử f(x,y) là hàm phân bố hệ số

Khai triển Fourier của hàm P θ (t) cho ta giá trị của F(u,v) dọc theo đường BB’

như minh họa dưới đây:

36