SVILUPPO DI UN SISTEMA DI CONTROLLO ED ACQUISIZIONE DATI PER X-RAY SPOT MICROTOMOGRAPHY

Laureando: Giulio Fragiacomo Relatore: Prof. Sergio Carrato Correlatrice: Dott. Lucia Mancini

TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA

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.

CCD cameraCCD camera

TurntableTurntable

Microtomography setupMicrotomography setup

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.

La microtomografia computerizzata a Trieste

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

trasferimento parallelo

orologio parallelo

orologio seriale

registro di trasferimento

fotodiodo

registro seriale

amplificatore

A/D

al frame grubber

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.

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

y

z

turn-table

X-ray tube

sample

scintillator layer

detector (CCD)

planar radiographs PC

X-ray cone-beam

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.

La gestione dei motori e dell’acquisizione dati

ComandiComandi

Echo

Trigger

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.

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

Larghezza provino ≈ 4.5 mmDiametro provino ≈ 4 mm

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.

Confronto tra le radiografie

Tube parameters: 70 KV, 200 μAMagnification ≈ 512 bit mode, binning 2×2 texp = 2.4 sec

Beamline parameters:

E = 20 KeV

DCCD-sample = 10 cm

CCD pixel size = 3.85 m

16 bit mode, binning 1x1

texp = 12 sec

Radiografia di un’arenaria realizzata utilizzando il microtomografo...

... e con luce di sincrotrone

Confronto tra le radiografie

Radiografia del legno realizzata utilizzando il microtomografo...

...e con luce di sincrotrone

Tube parameters: 50 kV, 200 μAMagnification ≈ 712 bit mode, binning 2×2texp = 6.5 sec

Beamline parameters:E = 13 KeVDCCD-sample = 5 cmCCD pixel size = 3.85 m16 bit mode, binning 1x1texp = 3.5 sec

…le informazioni di tutti i punti di ogni riga vengono rappresentate in modo efficace nel sinogramma

t

t

Dalla proiezione al sinogramma

Ogni punto dell’oggetto durante la rotazione traccia una sinusoide…

Dal sinogramma alla slice

PROIEZIONI RETROPROIEZIONI

Algoritmo di retroproiezione filtrata (Filtered Back Projection)

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 μAMagnification ≈ 612 bit mode binning 4×4texp = 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.