RTG detekce míry poškození dřevených prvků staveb
Příspěvek prezentuje diagnostickou metodu založenou na rentgenovém (RTG) zobrazení degradované dřevní hmoty. Samotná RTG technika využívá obrazových informací zpracovaných pomocí 2D rovinné transformace. Získaný rentgenový snímek je vyhodnocen ve speciálně navržených programech, jejichž výsledkem je obrazová předloha deklarující míru poškození dřevěných konstrukčních prvků se statistickým zhodnocením zastoupení degradovaných částí prvku. Metoda známá z medicínské nebo veterinární praxe je založena na kvalitním RTG snímku diagnostikovaného materiálu a velmi efektivním zpracováním obrazu.
1. Úvod
Mezi možné nedestruktivní metody určující míru poškození je možné řadit i ty, které používají zdroj aktivního elektromagnetického ionizujícího záření s vlnovou délkou v intervalu 10−8 m až 10−12 m. Přichází v úvahu systém antén, používaných v diagnostice karcinomů prsa [1] nebo aplikace rentgenové diagnostické metody známé v medicínské nebo veterinární praxi [2]. Při využití rentgenových zařízení nastává problém s vyhodnocením objemového poškození detekovaného materiálu. Problém nalezení vhodného diagnostického postupu pro detekování rozsahu poškození konstrukčních prvků byl v posledních letech poměrně významně analyzován. V této souvislosti je hlavní zájem směřován na výzkum heterogenních a anizotropních materiálů jakým je dřevo, jako stavební materiál a zároveň jako druh organické heterogenní hmoty. Situaci ztěžuje skutečnost, že každý diagnostikovaný prvek, díky míře heterogenity dřeva, je unikát a neexistuje identický shodný prvek. Příspěvek představuje řešení ve vyhod-nocení získané obrazové předlohy snímku transparentní rentgenovou metodou s vysokou mírou rozlišení obrazu.
2. RTG zařízení
Rentgenové pracoviště (obr. 1) se skládá z rentgenového přístroje (obr. 2), panelu rentgenového záření a řídící stanice v transportním kufru (obr. 3), který obsahuje speciální notebook se softwarem pro rychlý náhled RTG snímků, nabíjecí modul pro snímací senzor a WiFi router pro komunikaci s RTG senzorem a pracovní stanicí.
Obr. 1 Principielní zapojení RTG pracovištěVysokofrekvenční RTG přístroj EcoRay HF 1040 (obr. 2) má rozsah expozičního napětí 40–100 kV a rozsah mAs 0,32–50 mAs [2, 3]. Mobilní zařízení o velikosti 344 mm × 191 mm × 188 mm funguje komplexně s DDR receptorem obrazu (RTG panel, obr. 3) pro přímou digitalizaci obrazové předlohy (RTG snímek).
Obr. 2 Rentgenový přístroj (0,32–100 mAs, 0–40 kV)RTG bezdrátový panel Aero DR obsahuje zabudovanou baterii, která umožňuje provést přibližně 120 snímků při plném nabití. Nabíjení se provádí vložením do nabíjecí kolébky, která se součástí transportním kufru, obr. 3.
Obr. 3 RTG bezdrátový panel a transportní kufrPracovní stanice pro výpočet míry poškození biologické struktury obsahuje dva speciálně vyvinuté softwary pro: 1) statistické zhodnocení míry poškození 1) a 2) lokalizaci larvy uvnitř struktury.
2.1 Program pro 2D zhodnocení míry poškození
Pro potřeby praxe a přesného určení míry poškození byl vyvinut program (Rentgen segmentation), který provádí spojitou segmentaci obrazové předlohy do 5 různých kategorií podle intenzit RTG snímku, obr. 4 a 5. Vychází z předpokladu, že při degradaci dochází ke změně hustoty a tím složení studovaného prvku. Tyto změny se pak projeví v barevné intenzitě RTG snímků a jsou statisticky vyhodnoceny, obr. 5. Program zobrazuje procentuální zastoupení sledovaného jevu v obrazové předloze, za předpokladu, že je vizuálně detekovatelný a spojitý [3].
Obr. 4 Studovaný vzorek a prostředí programu k rychlého náhledu RTG snímkuFunkce programu je založena na kvalitním snímku rentgenového diagnostikovaného materiálu a velmi efektivním zpracováním obrazu, který je segmentován a filtrován. Pro zpracování obrazu byly použity filtry (otsu, binary a mean filtr), které byly do výsledného obrazu implementovány pomocí konvolučních technik, obr. 5 a 6 [3]. Postup zpracování (obr. 5) znázorňuje jednotlivé kroky postupné filtrace s identifikací hlavních prahových hodnot ze vstupního rentgenového snímku až po výsledný interpretační kompozit spolu s kvantifikací jednotlivých segmentů obrazu.
Obr. 5 Postup filtrace RTG snímků a výsledná interpretace segmentovaného obrazu
![Obr. 6 Vyhodnocení poškození v celém objemu dřeva, příčný a podélný směr snímání [3]](/docu/clanky/0126/012684o23.jpg)
Obr. 6 Vyhodnocení poškození v celém objemu dřeva, příčný a podélný směr snímání [3]
Obr. 7 Model pro lokalizaci objektu uvnitř biologické struktury o rozměru 146 mm × 109 mm
Obr. 8 Přípravky pro lokalizaci objektu uvnitř biologické struktury
Obr. 9 Měření studie „A“ pro lokalizaci objektu uvnitř biologické struktury (rozmístění objektů je: a = 5 cm, d2 = 8 cm, c3 = 3 cm, b4 = 2 cm, e1 = 4 cm)
2.2 Lokalizace objektu uvnitř biologické struktury
Pro zpřesnění detekce poškození byl vyvinut ve spolupráci s Ústavem teoretické a experimentální elektrotechniky na FEKT VUT v Brně speciální software, který umožňuje lokalizaci objektů uvnitř biologické struktury snímané 2D technikou. Tento software byl testován na RTG snímcích, které byly pořízeny při měření s referenčními měrkami. Pro simulaci larev dřevokazného hmyzu uvnitř biologické struktury byl použit špendlík (důvodem je výborná identifikovatelnost kovu v RTG snímku) a objekt bylo nutné nasnímat alespoň ze dvou úhlů (optimálně 90°). V laboratorních podmínkách se nabízí možnost měření ve všech třech osách trojrozměrného sytému, avšak skutečná měření v prostředí in situ (např. krovu) již toto nastavení nemusí umožnit z důvodu konstrukce zkoumaných objektů. Proto bylo měření provedeno pro dva úhly, a to 0° a 90°. Získané snímky pomocí dalšího zpracování umožňují dobrou představu o umístění objektu (larva hmyzu) v biologické struktuře. Pro toto měření byl vyroben laboratorní model (fantom), obr. 7 [4].
Pro měření přesné lokalizaci byly vyrobeny měrky s kalibrovanými ryskami délek po 10 mm pro definovanou orientaci a odečet při jejich vkládání do vytvořených otvorů modelu. Pro vlastní měření byly ještě na jednom konci opatřeny 8 mm dlouhým kovovým špendlíkem (obr. 8) pro zvýšení kontrastu a možnost detekce v RTG obrazu [3, 4].
Vlastní měření bylo provedeno pro všechny tři strany přípravku (studie „A“, „B“ a „C“), vždy ze dvou pohledů otočených o 90°. Pro každou studii byly do gravírovaných terčíků vloženy kovové špendlíky pro možnost kalibrace vzdáleností při vyhodnocování obrazu. V příspěvku jsou uvedeny pouze výsledky pro studii A, obr. 9–12.
Obr. 10 Pohledové situace „A“ pro měření lokalizace objektu uvnitř biologické struktury
Obr. 11 RTG snímky situace „A“ při měření lokalizace objektů v biologické struktuřeRTG snímky byly pořízeny z pohledů P1 a P2, obr. 9. Z těchto pohledů byl uvedeným softwarem složen 3D model uvedený na obr. 12. Ten umožňuje libovolné natáčení a náhled ze zvolené strany. Pro zjištění hloubky byl vyexportován pohled P3, který je uveden na obr. 12. Níže uvedená tabulka (tab. 1) již porovnává reálné hodnoty s hodnotami vypočtenými.
| Vzorek | Hloubka objektu | Rozdíl | ||
|---|---|---|---|---|
| Experiment | Výpočet | [cm] | [%] | |
| a | 5 | 5 | 0 | 0,0 |
| b4 | 2 | 2 | 0 | 0,0 |
| c3 | 3 | 3,1 | −0,1 | 3,3 |
| d2 | 8 | 7,8 | 0,2 | −2,5 |
| e1 | 4 | 3,7 | 0,3 | −7,5 |
Obr. 12 3D zobrazení vypočteného modelu rozmístění objektů v biologické struktuře, pohled P1 a P3Je zřejmé, že hodnoty spolu úzce korelují. Odchylky jsou způsobeny nepřesností zasunutí referenčních objektů do struktury dřeva a také kvalitou vytvořených otvorů, které nejsou kolineární, kolmé a odchylkou způsobenou projekcí RTG obrazu na 2D snímač.
Nepřesnost vzniká z faktu, že zdroj RTG záření vytváří sféricky šířené záření a projekce bez korekce dopadá na senzor RTG záření – plochý – lineární. Dochází tedy ke zkreslení vlastního RTG snímku, ze kterého se výpočet provádí. Přesto výsledky dokazují, že je možné lokalizovat objekty v objemu biologické struktury s přesností lepší než jednotky mm [3, 4]. Tato přesnost je pro použití této lokalizační metody i v případě reálného obrazu vzorku s larvou hmyzu přijatelná. Tuto skutečnost dokazuje obrázek 13, kde jsou zobrazeny vzorky o průřezu 190 mm × 220 mm s nainfikovanými larvami tesaříka krovového (Hylotrupes bajulus L.) o velikosti 20 mm umístěných v hloubkách: 1) 30 mm (vzorek 5) odpovídající v modelu (tab. 1, obr. 12) značení c3 a za 2) v hloubce 80 mm (vzorek 2) odpovídající v modelu značení d2. Pro srovnání kontrastu larvy (označeno červenou barvou) s kovovým předmětem je na posledním snímku vzorku 2D umístěn kovový předmět (vrták) ve stejné hloubce jako larva, avšak v jiném směru. Vzorky byly snímány v úhlech 0°–360° a to vždy ve směru hodinových ručiček (značeno směr A–D). Na snímcích jsou patrné i samotné anomálie struktury dřeva jako jsou například suky a trhliny.
Obr. 13 Zobrazení rozmístění objektu (larva Hylotrupes bajulus L.) uvnitř struktury dřeva v hloubkách 3 cm (5A, 5C) a 8 cm (2D)
Realizace využití RTG zařízení pro detekci dřevěných prvků staveb je zobrazeno na obr. 14.
Obr. 14 Měření v krovové konstrukci zámku v Dolní Lutyni a roubené stavby Mlýna v Kozlovicích3. Závěr
Článek prezentuje výsledky testované rentgenové transparentní diagnostické metody pro snímání 2D obrazu a vyhodnocení 3D kvality s ohledem na zadané parametry snímku. Parametry byly nastaveny tak, aby se zobrazily části snímku s mírou poškození heterogenní struktury dřeva jako stavebního prvku. Během vývoje metody byla provedena řada laboratorních a terénních měření v in situ krovu, které potvrdily správnost návrhu a možnost uplatnění systému v oblasti nedestruktivní diagnostiky kvality (poškození) dřevěných prvků konstrukce.
Poděkování
Výsledky v příspěvku vznikly ze spolupráce společnosti Thermo Sanace s.r.o. a UTEE FEKT VUT Brna a za finanční podpory FEKT-S-14-2545/2014, SIX CZ.1.07/2.3.00/30.0005 a společnosti Thermo Sanace s.r.o.
Literatura
- [1] M. O'Halloran, M. Glavin, and E. Jones. Channel-Ranked beamformer for the earlyde-tection of breast cancer, Progress In Electromagnetics Research, PIER 103, 153{168, 2010, Boston, USA
- [2] FOMEI: divize RTG. [online]. [cit. 2015-02-17]. Dostupné z: http://radiodiagnostika.fomei.com/veterinarni-reseni/veterinarni-mobilni-rtg-pristroje.html
- [3] Fiala, P., Koňas, P., Friedl, Šmíra, P., Dohnal. P., Hanzelka. M., Nasswettrová, A. Combined X-ray Diagnostics of Heterogeneous Biological Material. Progress In Electromagnetics Research Symposium Proceedings, Taipei, March 25–28, 2013
- [4] Fiala, P.; Friedl, M.; Cap, P.; Konas, P.; Smira P.; Naswettrova, A. Non Destructive Method for Detection Wood-destroying Insects. In Progress in Electromagnetics Research Symposium 2014, Guangzhou. Progress In Electromagnetics. 2014. s. 1642–1646. ISBN: 978-1-934142-28-8. ISSN: 1559-9450
The paper presents a diagnostic method based on X-ray imaging of degraded wooden mass. The technology uses the reduction of image information to 2D planar transformation. A gained X-ray (RTG) image is processed in specifically designed programs. A result is an image which detects the degree of damage in wooden structural elements and includes statistical evaluation of degraded part share in the element. The method known from the medical or veterinary practice is based on a high-quality X-ray image of a diagnosed material and on a highly-efficient image processing.