Zobaczyć więcej – tomograficzne obrazy 3D dr Laurent Babout dr inż. Marcin Janaszewski mgr inż. Michał Postolski mgr inż. Łukasz Jopek Katedra Informatyki Stosowanej, WEEiA, PŁ XI Festiwal Nauki Techniki i Sztuki, IFE-PŁ, 14 kwietnia 2011r

Spis treści Dlaczego obrazy 3D są potrzebne? Zalety tomografii rentgenowskiej Zasada działania tomografii Zastosowanie tomografii rentgenowskiej do analizy pęknięć korozyjnych w materiałach Zastosowanie tomografii rentgenowskiej w ilościowej analizie drzew oskrzelowych Plan prezentacji jest następujący

Dlaczego obrazy 3D są potrzebne? Świat jest trójwymiarowy. Obrazy 2D pokazują wiele ale nie pokazują co jest przed. Czasami obrazy 2D prowadzą do błędnej interpretacji (dwa obiekty w 2D mogą stanowić jeden obiekt w 3D) Wizualizacja stereoskopowa obrazów 3D otwiera nowe możliwości i dostarcza dużo zabawy

Zalety tomografii rentgenowskiej Nieinwazyjna metoda diagnostyki Generuje obrazy 3D Umożliwia badanie różnego rodzaju obiektów: istoty żywe, materiały, procesy przemysłowe, produkty przemysłowe, różne dziedziny nauki CAD

Zasada działania tomografii rentgenowskiej Natężenie przekrój obiektu 1 Detektor I0 I Transformata Radona kąt (°) Piksel Piksel 600 Filtrowana projekcja wsteczna (inwersja transformaty Radona) Zasada działania tomografii rentgenowskiej jest prosta. Próbka jest umieszczona pomiędzy źródłem promieni X i detektorem. Natężenie promienia padającego (I0) podczas przechodzenia przez próbkę zmienia się ponieważ jest absorbowane w różnym stopniu przez różne komponenty obiektu. Stąd każdy piksel detektora rejestruje natężenie promieniowania I, które jest niższe od natężenia promienia padającego. Podczas rotacji próbki profil natężenia zmienia się i kombinacja tych profili jako funkcja kąta rotacji tworzy tak zwany synogram, który jest dalej używany do rekonstrukcji obrazu obiektu z wykorzystaniem inwersji transformaty Radona. Obraz tomograficzny  mapa 3D lokalnego współczynnika pochłaniania

Eksploracja 3D szczeliny korozyjnej Korozja jest wszędzie i może w różny sposób wpływać na nasze życie codzienne …również w przemyśle stanowi duży problem Mikrostruktura materiału powinna być optymalizowana pod kątem odporności na korozję

W jaki sposób obrazy tomograficzne mogą pomóc? Analiza zjawisk we wnętrzu materiału Uzyskanie lepszej korelacji i zrozumienia interakcji szczeliny korozyjnej z mikrostrukturą Jak szczelina rozrasta się od powierzchni materiału do jego wnętrza Jak, gdzie i kiedy powstają wiązadła mostowe Ułatwia wyznaczanie lepszych modeli mikrostruktury Umożliwia analizę pełnej historii pęknięć. Wymaga przeprowadzenia eksperymentu in situ.

Eksperyment* wymaga przygotowań … i środków ostrożności 302 pręt stali nierdzewnej (Φ0.4mm) Pojemnik z kwasem (K2S4O6 – pH 2) SR: 0.7 μm, E=30 keV, 1500 projekcji, czas skanowania: 30 min. srednica specjalnie zaprojektowanej maszyny wytrzymałościowej heksaoksodisiarczan potasu wewnętrzna rura PMMA stosowana jest jako pojemnik na roztwór, natomiast druga, większa, zapewnia przeniesienie obciążenia między dolnym i górnym uchwytem w maszynie wytrzymałościowej *przeprowadzony w ID19 “X-ray microtomography” beam-line w ESRF (Grenoble, Francja. url: www.esrf.eu)

Rendering 3D próbki materiału W trakcie Próba rozciągania i atak korozyjny jest początek przebiegu dużego pęknięcia.

Podróż 3D do wnętrza próbki Wewnątrz probki, można zidentyfikować liczbę nieciągłości w obrazach dwu-wymiarowych. Można wykazać, że są one mostami lub więzadłami łączącymi przeciwne strony pęknięcia, przez translację ramki obserwacyjnego w przód i w tył wokół interesujących nas obszarów. Wzrokowa detekcja mostów może być podatna na błędy i jest tylko jakościowa. Dlatego, detekcja automatyczna jest najbardziej odpowiednim rozwiązaniem w celu zarówno jednoznacznego zlokalizowania wiązadła mostowego. W obiekcie reprezentującym szczelinę 3D mosty reprezentowane są przez tunele ktory mogą być rozpoznane i wydobywane z uzyskaniem algorytmem wypełniania otworów Algorytm wypełniania otworów rozpoznaje i wydobywa wiązadła mostowe

Historia degradacji próbki aż do jej rozerwania Pełna historia procesu pękania: nałożenie obrazu szczeliny i mostów na popękaną powierzchnię próbki Rozchodzenie się tego pęknięcia doprowadziło do uszkodzenia próbki. Pełna historia procesu pękania: nałożenie obrazu szczeliny i mostów na popękaną powierzchnię próbki

Nowe kierunki badań: porównanie z innymi technikami wizualizacji Mikroskopia elektronowa ten zestaw danych porównano z danymi tomografii dyfrakcyjnej DCT w celu analizy właściwości krystalograficznych wiązadła mostowego wzdłuż pęknięcia Dyfrakcyjna tomografia kontrastowa

Ilościowy opis oskrzeli na bazie obrazów tomograficznych Tchawica Oskrzela główne Oskrzela płatowe (6 to15 mm) Oskrzeliki (1 to 5mm) Oskrzeliki końcowe (0.7mm)

Choroby oskrzeli Astma Przewlekła obturacyjna choroba płuc Choruje 300 milionów na Świecie. 250000 tyś ludzi umiera rocznie. Przewlekła obturacyjna choroba płuc WHO przewiduje, że POChP w 2030 roku stanie się 4 przyczyną zgonów na Świecie. Aktualnie stosowane jedynie leczenie objawowe

Nowoczesne badanie oskrzeli Na wejście procesu ilościowej analizy oskrzeli

Program do ilościowej analizy drzew oskrzelowych 2 algorytmy segmentacji drzewa oskrzelowego 10 algorytmów szkieletyzacji drzewa oskrzelowego Konwersja szkieletu do grafu Możliwość wyboru dowolnej gałęzi grafu 5 algorytmów generacji wektorów równoległych do szkieletu Możliwość dokonania przekroju 2D prostopadłego do szkieletu w dowolnym wokselu wybranej gałęzi 3 algorytmy pomiaru prześwitu i grubości ścianki oskrzeli na bazie przekroju 2D

Wynik segmentacji oskrzeli

Wynik szkieletyzacji

Konwersja szkieletu do postaci grafu

Wyznaczanie objętości każdej gałęzi oskrzela

Selekcja przekroju 2D

Wykres pola prześwitu oskrzeli dla wybranej gałęzi

Detekcja granic ściany oskrzeli

Realizowane projekty Zamykanie i wypełnianie otworów w obiektach występujących na obrazach tomograficznych Współpraca: Uniwersytet Paryż Wschodni Zastosowanie zamykania i wypełniania otworów do detekcji wiązadeł mostowych na bazie tomograficznych obrazów pęknięć korozyjno naprężeniowych w stali nierdzewnej Współpraca: Uniwersytet w Manchesterze , Segmentacja obrazów tomograficznych stopów tytanu o strukturze płytkowej. Współpraca: MATEIS, INSA Lyon Francja Ilościowa analiza oskrzeli na bazie tomograficznych obrazów klatki piersiowej Współpraca: Uniwersytet Medyczny w Łodzi, Uniwersytet Paryż Wschodni Budowa profesjonalnego systemu wizualizacji stereoskopowej współpraca: Uniwersytet w Manchesterze i Uniwersytet Paryż Wschodni Institut national des sciences appliquées

lbabout@kis.p.lodz.pl, janasz@kis.p.lodz.pl Dziękujemy za uwagę lbabout@kis.p.lodz.pl, janasz@kis.p.lodz.pl Katedra Informatyki Stosowanej Bud. WEEIA (A10) pok. 318