Рентгеновская микротомография (микро-КТ, англ. X-ray microtomography или micro-CT) — метод неразрушающего трёхмерного исследования внутренней структуры объектов, основанный на получении и компьютерной обработке множества рентгеновских проекций, снятых под разными углами. Главным отличием микротомографии от классической медицинской или промышленной рентгеновской томографии является существенно более высокое пространственное разрешение (вплоть до субмикронного), что позволяет изучать детали microstructure[англ.] материалов на уровне отдельных зёрен, пор и микротрещинWithers P.J., Bouman C., Carmignato S., et al. X-ray computed tomography. Nature Reviews Methods Primers. 2021;1(1):18. .
История Основы метода были заложены в 1970-х годах, однако широкое распространение микро-КТ получила с конца 1990-х — начала 2000-х годов благодаря развитию высокоразрешающих рентгеновских детекторов и росту вычислительных мощностей, необходимых для обработки больших массивов данных. Первые коммерческие микро-томографы появились в 1990-х годах. С тех пор метод активно развивается в сторону повышения разрешения, скорости сканирования и появления специализированных режимов (например, фазово-контрастная томография).
Принцип работы Принцип действия микро-КТ аналогичен классической компьютерной томографии, но с использованием более точной механики позиционирования образца и более чувствительных детекторов.
Образец помещается между рентгеновской трубкой и детектором. Рентгеновская трубка генерирует пучок рентгеновских лучей, который проходит через образец и ослабляется в зависимости от плотности и атомного состава материала в каждой точке (закон Бугера-Ламберта-Бера). Детектор фиксирует ослабленный пучок, формируя двумерное проекционное изображение (радиографический снимок). Образец (или система «трубка-детектор») поворачивается на небольшой шаг (например, 0.2–0.5 градуса), и процесс повторяется. За полный оборот (на 180 или 360 градусов) набирается серия из сотен или тысяч проекций. Полученный набор проекций обрабатывается математическим алгоритмом реконструкции (чаще всего используется метод фильтрованных обратных проекций или итеративные алгоритмы), который вычисляет трёхмерное распределение коэффициента ослабления рентгеновского излучения внутри образца. Результатом реконструкции является трёхмерный массив данных, состоящий из вокселей — трёхмерных пикселей.
Размер вокселя в микротомографии может составлять от долей микрона до десятков микрон, что определяет предел разрешения метода. Например, в исследовании Химули В.В. использовался размер вокселя 4,995 мкм.
Аппаратура Типичный микро-томограф состоит из следующих основных компонентов:
Источник рентгеновского излучения: обычно используется Рентгеновская трубка с микрофокусной или нанофокусной мишенью. Чем меньше размер фокусного пятна, тем выше потенциальное разрешение и резкость изображения. Система позиционирования: высокоточные моторы, позволяющие вращать образец с минимальным шагом и (опционально) перемещать его для изменения увеличения или сканирования крупных объектов по частям (конусный пучок). Детектор: высокочувствительные цифровые детекторы (на основе ПЗС или КМОП-матриц) со сцинтилляционным слоем, преобразующим рентгеновское излучение в видимый свет. Компьютер с ПО: для управления процессом сканирования, реконструкции и последующего анализа данных.
Существуют как лабораторные настольные микро-томографы, так и специализированные установки, использующие синхротронное излучение, которое обеспечивает на порядки более высокую яркость и когерентность пучка, позволяя проводить исследования с беспрецедентным качеством и применять фазово-контрастные методики.
Обработка и анализ данных Первичным результатом микро-КТ является трёхмерный массив серых полутонов, где интенсивность каждого вокселя пропорциональна рентгеновской плотности материала в данной точке. Для получения количественной информации этот массив проходит несколько этапов обработки:
Предобработка: фильтрация шумов с использованием различных алгоритмов (например, медианный фильтр, Non-local MeansKong H., Wu J., Liang W., et al. An improved non-local means algorithm for CT image denoising. Multimedia Systems. 2024;30(2):79. , Gaussian blur) для улучшения качества данных. Сегментация: разделение вокселей на фазы (например, «поры» и «матрица») путём задания пороговых значений яркости. Это критически важный этап, определяющий достоверность всех последующих расчётов. В результате создаётся бинарная трёхмерная модель. Количественный анализ: на основе сегментированной модели рассчитываются различные параметры:
* Объёмные доли фаз (пористость в геологии, объёмная доля включений в материаловедении). * Размер, форма и ориентация структурных элементов (зёрен, пор, поровых каналов). * Характеристики связности (например, количество соединений в поровой сети). * Топологические характеристики (извилистость каналов). * Определение репрезентативного элементарного объёма (REV). Для анализа часто используется специализированное программное обеспечение, такое как VGStudio, Avizo, ImageJ с плагинами, а также отраслевые пакеты вроде GeoDictCayron C., Lowe T., Thompson A., MacDonald E. Comparison of dimensional measurements from images acquired by synchrotron tomography with VGSTUDIO MAX and ImageJ. In: Proceedings of the Special Interest Group Meeting on Advancing Precision in Additive Manufacturing. Bedford, UK, 2021. Pp. 98-101..
Применение Микро-КТ нашла широкое применение во множестве научных и промышленных областей благодаря своей способности неразрушающе визуализировать внутреннюю структуру.
Геология и нефтегазовое дело Это одна из ключевых областей применения метода. Микро-КТ используется для:
Цифровой анализ керна: построение цифровых моделей породы для расчёта фильтрационно-ёмкостных свойств (проницаемости, пористости), изучения структуры порового пространства, анизотропии свойствPonomarev A.A., Kadyrov M.A., Tugushev O.A., et al. Digital core reconstruction research: challenges and prospects. Geology, Ecology, and Landscapes. 2024;8(1):49–56. . Изучения текстур и структур горных пород, ориентации зёрен и микротрещинYang Y., Wang D., Yang J., Wang B., Liu T. Fractal analysis of CT images of tight sandstone with anisotropy and permeability prediction. Journal of Petroleum Science and Engineering. 2021;205:108919. . Анализа процессов многофазной фильтрации (вытеснения нефти или газа) непосредственно внутри образца породыJing W., Zhang L., Li A., et al. Phase behaviors of gas condensate at pore scale: direct visualization via microfluidics and in-situ CT scanning. SPE Journal. 2024;29(5):2566–2577. .
Материаловедение
Изучение внутренних дефектов (пор, микротрещин) в металлах, керамике, композитах и полимерах. Анализ структуры композиционных материалов (распределение армирующих волокон или частиц). Контроль качества аддитивного производства (3D-печати)Wang S., Qu H., Yu S., Zhang S.X. Nondestructive investigation on close and open porosity of additively manufactured parts using an X-ray computed tomography. Materials Today: Proceedings. 2022;70:124–130. . Изучение процессов коррозии и разрушения материалов.
Биология и медицина
Микро-КТ в биологии: изучение морфологии мелких животных, насекомых, растений. Создание анатомических атласов (например, костной структуры мышей). Исследование структуры костной ткани (костный трабекулярный анализ), зубов. Анализ биомедицинских материалов и скаффолдов для тканевой инженерии.
Палеонтология и археология
Неразрушающее изучение внутреннего строения окаменелостей (например, черепов динозавров, зубов древних млекопитающих) без их повреждения. Анализ внутренней структуры археологических артефактов (керамики, янтаря с инклюзами, мумий мелких животных).
Другие области
Криминалистика (анализ улик). Пищевая промышленность (изучение структуры продуктов). Фармацевтика (анализ структуры таблеток и гранул).
Преимущества и ограничения Преимущества:
Неразрушающий характер: образец остаётся неповреждённым и может быть использован для других видов анализа. Трёхмерность: получение полной 3D-информации о внутренней структуре, в отличие от 2D-методов (микроскопия шлифов). Количественность: возможность получения точных численных характеристик структуры. Минимальная подготовка образцов: часто не требует сложной пробоподготовки.
Ограничения:
Размер образца: обычно ограничен несколькими сантиметрами из-за необходимости просвечивания объекта. Разрешение и контраст: для очень плотных или, наоборот, слабоконтрастных материалов (например, углеводороды в порах) может быть сложно достичь хорошего качества изображения. Время сканирования: получение изображений с высоким разрешением может занимать несколько часов. Стоимость: оборудование и его обслуживание являются дорогостоящими. Артефакты: возможны артефакты изображения (например, «звёздное засвечивание» вокруг сильно поглощающих объектов, эффект «затвердевания» пучка).
См. также
Рентгеновская томография Компьютерная томография Рентгеновское излучение Неразрушающий контроль Цифровой анализ керна
Примечания
Литература
Withers P.J., Bouman C., Carmignato S., et al. (2021). X-ray computed tomography. Nature Reviews Methods Primers. 1(1):18. Stock S.R. (2019). MicroComputed Tomography: Methodology and Applications. CRC Press. ISBN 978-1-138-59685-6. Категория:Компьютерная томография Категория:Томография