TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA
SVILUPPO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO ED
ACQUISIZIONE DATI PER X-RAY SPOT
MICROTOMOGRAPHY
Laureando:
Relatore:
Correlatrice:
Giulio Fragiacomo
Prof. Sergio Carrato
Dott. Lucia Mancini
Cosa significa tomografia?
La tomografia è una tecnica di analisi non distruttiva che permette
la ricostruzione di sezioni di un oggetto e quindi del suo volume, a
partire da proiezioni dell’oggetto stesso
E’ una tecnica che sfrutta le capacità penetranti dei raggi X per
illuminare un corpo denso ed investigarne la struttura interna.
La microtomografia computerizzata a Trieste
Attualmente alla linea SYRMEP (SYnchrotron Radiation for
MEdical Physics) di ELETTRA è possibile effettuare misure di
microtomografia utilizzando la luce di sincrotrone caratterizzata da
elevatissima brillanza, monocromaticità e coerenza spaziale.
Turntable
CCD camera
Microtomography setup
La microtomografia computerizzata a Trieste
Alla linea SYRMEP verrà affiancata la stazione TOMOLAB. Tale
stazione permetterà di alleggerire il lavoro ora svolto alla linea
ed inoltre di realizzare delle microtomografie di oggetti che, per
motivi energetici, non sono adatti ad esser analizzati tramite la
luce di sincrotrone.
Scopo della tesi:
Dotare la stazione microtomografica computerizzata TOMOLAB di
un’interfaccia utente user-friendly.
Gli elementi che compongono il microtomografo
Per capire meglio il funzionamento della stazione TOMOLAB è
necessario dare una breve descrizione degli elementi che la
compongono:
un cabinet schermato su ruote;
una sorgente di raggi X a microfuoco;
tre motori in corrente continua con relativi controllori;
una telecamera CCD;
un personal computer.
Solo gli ultimi tre elementi sono stati considerati fondamentali ai fini
del lavoro svolto.
La telecamera CCD
Nella progettazione di una stazione microtomografica la scelta del
detector viene effettuata in modo da ottenere il miglior accoppiamento
con la sorgente in termini di risoluzione spaziale e campo di vista.
orologio seriale
A/D
registro
seriale
amplificatore
orologio parallelo
registro di
trasferimento
fotodiodo
trasferimento
parallelo
al frame
grubber
I motori di posizionamento
La stazione TOMOLAB è dotata di tre
motori in corrente continua adibiti alla
traslazione del campione ed alla
rotazione dello stesso durante una
misura di microtomografia.
E’ di fondamentale importanza disporre
di motori ad elevata risoluzione,
accuratezza e ripetibilità di movimento.
Ogni motore è dotato del suo
controllore ed è gestito in maniera
indipendente dal programma che è
oggetto di questa tesi.
Principi di funzionamento del microtomografo
I raggi X, prodotti dalla sorgente, attraversano il campione in esame, il
quale è posto su di un piatto rotante. Dopo essere stata attenuata
durante l’attraversamento, la radiazione viene raccolta da un sistema
di rilevamento (detector) che è collocato dalla parte opposta del
campione. Il detector registra immagini 2D del campione (proiezioni) e
le invia all’elaboratore il quale avrà il compito di ricostruire la struttura
3D del campione.
sample
detector (CCD)
X-ray tube
q
z
y
turn-table
X-ray
cone-beam
scintillator
layer
planar radiographs
PC
La gestione dei motori e dell’acquisizione dati
I programmi realizzati posizionano il campione inviando, attraverso la
porta seriale, i comandi inseriti dall’operatore.
Essi, inoltre, sincronizzano il movimento del motore rotativo con
l’acquisizione delle proiezioni mediante un segnale di tipo onda
quadra inviato attraverso la porta parallela.
Comandi
Echo
Trigger
Dati
Comandi
L’interfaccia utente realizzata per il controllo dei motori
Per quanto riguarda il posizionamento del campione per acquisire
una singola radiografia e l’immagine a campo vuoto (flat) l’utente
dispone dell’interfaccia grafica sottostante.
Prime radiografie realizzate
Dopo aver posizionato correttamente i campioni utilizzando il
programma appena descritto, si sono acquisite le prime immagini.
Come provini si sono scelti un cilindro di arenaria ed un poliedro di
legno d’abete rosso in quanto materiali di interesse per analisi
microtomografiche.
Diametro provino ≈ 4 mm
Larghezza provino ≈ 4.5 mm
Confronto tra le radiografie
Radiografia di un’arenaria realizzata utilizzando il microtomografo...
Tube parameters: 70 KV, 200 μA
Magnification ≈ 5
12 bit mode, binning 2×2
texp = 2.4 sec
... e con luce di sincrotrone
Beamline parameters:
E = 20 KeV
DCCD-sample = 10 cm
CCD pixel size = 3.85 mm
16 bit mode, binning 1x1
texp = 12 sec
Confronto tra le radiografie
Radiografia del legno realizzata utilizzando il microtomografo...
Tube parameters: 50 kV, 200 μA
Magnification ≈ 7
12 bit mode, binning 2×2
texp = 6.5 sec
...e con luce di sincrotrone
Beamline parameters:
E = 13 KeV
DCCD-sample = 5 cm
CCD pixel size = 3.85 mm
16 bit mode, binning 1x1
texp = 3.5 sec
Dalla proiezione al sinogramma
Ogni punto dell’oggetto durante la rotazione traccia una sinusoide…
q
y
tx
…le informazioni di tutti i punti di ogni
riga vengono rappresentate in modo
efficace nel sinogramma
q
f(x,y)
r
qp
x
t
Dal sinogramma alla slice
Algoritmo di retroproiezione filtrata (Filtered Back Projection)
A
PROIEZIONI
B
RETROPROIEZIONI
L’interfaccia utente realizzata per la microtomografia
L’interfaccia utente realizzata per il programma di gestione della
misura di tomografia si occupa di sincronizzare il movimento del
motore rotativo con l’acquisizione delle immagini da parte della
telecamera CCD.
La prima misura di microtomografia realizzata
Rivetto in plastica e acciaio.
Tube parameters:
90 KV, 200 μA
Magnification ≈ 6
12 bit mode
binning 4×4
texp = 0.6 sec
Slice ricostruite
slice n. 400
slice n. 650
Conclusioni
Da questa breve presentazione si può concludere che:
Attualmente, anche grazie al corretto funzionamento del
programma di pilotaggio motori, è possibile acquisire delle
radiografie utilizzando la stazione TOMOLAB;
Con la costruzione del sinogramma del rivetto si è provata
l’efficacia del programma di sincronizzazione il quale, una volta
ottimizzato l’algoritmo di ricostruzione delle immagini, darà il
via alla messa in esercizio del microtomografo;
Le interfacce utente realizzate sono semplici ed intuitive
lasciando all’operatore solo il compito di inserire i parametri
necessari per una misura radiografica e/o tomografica.
Si ringrazia per la cortese attenzione.
