Marcin Bajorek Zobaczyć Niewidoczne Metody Tomografii Termicznej

Marcin Bajorek
Politechnika Gdańska
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji I Informatyki
Katedra InŜynierii Biomedycznej

Termografia jest najskuteczniejszą oraz najwygodniejszą metodą
odwzorowania temperaturowego. Stanowi bardzo wygodne narzędzie przy
wykrywaniu wielu usterek, awarii, jak równieŜ ich zapobieganiu. Termografia
wykorzystywana się w takich dziedzinach przemysłu jak:
budownictwo
ciepłownictwo
diagnostyka układów energoelektronicznych
diagnostyka urządzeń mechanicznych
medycyna
Niewątpliwą zaletą termografii jest jej nie inwazyjność. Termografia pozwala
to na wykonanie pomiaru bez ingerencji w proces przemysłowy, jak równieŜ
pomiary temperatury w miejscach niedostępnych, lub w których
wykorzystanie tradycyjnych metod było by bardzo trudne, bądź wręcz
niemoŜliwe.

Aparatura termowizyjna widzi pole temperaturowe na
powierzchni obiektu, poniewaŜ „kaŜde ciało o temperaturze
wyŜszej od zera bezwzględnego wypromieniowuje energię w
postaci promieniowania temperaturowego”. Jest to związane ze
wzbudzeniem atomów spowodowanym przez ich ruch cieplny.
Promieniowanie temperaturowe ciał odbywa się w podczerwieni
o tym krótszej długości fali im wyŜsza jest temperatura ciała, np.:
dla ciał o temperaturze 20˚C (ok. 300 K) maks.
promieniowania przypada na ok. 10 µm;
dla ciał o temperaturze 600 ˚ C (ok. 900 K)
maks. promieniowania przypada na ok. 3 µm
część energii jest wypromieniowywana w czerwonym świetle
widzialnym;
dla ciał o temperaturze 6000K (słońce) maks promieniowania
przypada na 0,5 µm – człowiek widzi światło 0,4 do 0,8 µm.
Dodatkową zaletą jest moŜliwość obserwacji jej wartości
równocześnie we wszystkich punktach badanego wycinka
powierzchni

Celem badania jest określenie właściwości obiektu w czasie
trwania procesów przejściowych, takich jak grzanie i
chłodzenie. Obiekt badany jest pobudzany sygnałem cieplnym,
a formą odpowiedzi obiektu na to pobudzenie jest zmiana
temperatury. Szybkość tych zmian zawiera informację o
wartościach pojemności i przewodności cieplnej,
charakteryzujących strukturę wewnętrzną badanego obiektu.

Źródło pobudzenia
Kamera
termowizyjna
39
38
37
T[`C]
36
35
34
33
32
31
Obiekt
Defekt
30
0 10 20 30 40 50 60 70 80
t[s]

Elektroenergetyk
a
* Materiały pochodzą ze strony www.termografia.pl

Pod pojęciem tym rozumiemy wizualizację struktury
wewnętrznej badanego obiektu na podstawie pomiarów
dynamicznych procesów termicznych, poprzez pełną
wizualizację 3-D rozkładu parametrów termicznych badanego
obiektu:
pojemność
przewodność termiczna
Przewagą tomografii nad zwykłymi metodami projekcji obrazu
jest moŜliwość określenia lokalizacji występujących zmian
struktury (defektu) w przekroju lub w pełnej geometrii obiektu.

Pobudzenie
Numeryczna
reprezentacja
Model badanego
obiektu
Obiekt rzeczywisty -
pomiar
Wynik
pomiaru
Wynik
symulacji
Funkcja błędu
Funkcja modyfikacji
parametrów modelu
Nie
Wartość błędu
akceptowalna
Tak
Rozwiązanie

W celu zbadania moŜliwości zidentyfikowania
niejednorodności w strukturze materiału
wykonano fantomy pomiarowe,
Fantom o rozmiarach 9x9cm i grubości 1cm,
wykonano z materiału o znanych parametrach,
Następnie nawiercono w nim otwory o róŜnych
parametrach:
RóŜna średnica (3mm, 5mm, 7mm) na tej samej
głębokości – 2mm,
Stała średnica (5mm)na zmiennej głębokości
(2mm, 3mm, 4mm).

Wykonano serię eksperymentów zgodnie z procedurą
stosowaną w aktywnej termografii dynamicznej,
Obiekt był ogrzewany przez generator fali cieplnej, o
znanych parametrach pobudzenia, następnie
zarejestrowana została faza powrotu temperatury
obiektu do stanu ustalonego.
Stosując metody analizy
wykorzystywane w ADT w łatwy
sposób moŜna zlokalizować
defekt, jednak nie moŜna w
dokładny sposób wyznaczyć jego
rzeczywistych rozmiarów oraz
parametrów termicznych.

Uzyskane wyniki poddano uproszczonej procedurze
rekonstrukcji.
ZałoŜono, Ŝe rekonstruowana struktura składa się z
dwóch materiałów o znanych parametrach, nieznane
jest natomiast połoŜenie oraz rozmiar defektów.
Wynik rekonstrukcji rozkładu
przewodności termicznej w
badanym fantomie, rozkład
przewodności termicznej na
głębokości 3.5 mm (po
prawej),
rozkład przewodności
termicznej na głębokości 4.5
mm (po prawej)

Zaprezentowane wyniki rekonstrukcji, potwierdzają Ŝe dla
tak przyjętych załoŜeń, algorytmy tomografii termicznej dają
obiecujące rezultaty potwierdzające moŜliwość pełnej
identyfikacji defektów
Jednak w przypadku nie przyjęcia tak ścisłych załoŜeń
względem struktury obiektu(znane parametry termiczne),
algorytm nie dostarczył tak obiecujących rezultatów
Procedura TT ciągle wymaga intensywnych badań, które
pozwolą na poprawę dokładności rekonstrukcji,
równocześnie skracając czas przeprowadzanych obliczeń.

Ciągle obecnym problemem w diagnostyce oparzeń jest jak
najszybsze zdiagnozowanie rany oparzeniowej i zakwalifikowanie
jej do odpowiedniego sposobu leczenia:
zachowawczego,
chirurgicznego.
Decyzję tę naleŜy podjąć jak najszybciej - najlepiej w pierwszej
lub drugiej dobie od momentu wywołania urazu.

Pomiary przeprowadzono zgodnie z procedurami
badań wykorzystywanych w aktywnej termografii
dynamicznej.
KaŜdy eksperyment składał się z dwóch faz:
o
o
schłodzenie badanego obszaru do temperatury otoczenia, w
wyniku zastosowania nadmuchu zimnym strumieniem dwutlenku
węgla.
rejestracja powrotu temperatury do stanu pierwotnego, po
wyłączeniu chłodzenia.
Do rejestracji zastosowano kamerę A320G firmy
FLIR, a częstotliwość rejestracji wynosiła 5 klatek
na sekundę.

Spośród wielu moŜliwych do postawienia problemów
odwrotnych, najbardziej ogólnym, ale równocześnie
najbardziej poŜądanym byłoby uzyskanie pełnej
informacji o strukturze
Rozwiązanie problemu jest moŜliwe na podstawie
znajomości warunków pobudzenia, stanu
początkowego badanego obiektu oraz
zarejestrowanej odpowiedzi cieplnej na powierzchni
obiektu w wyniku zastosowanego pobudzenia o
znanych parametrach. Jest to problem bardzo
złoŜony, szczególnie w strukturach biologicznych.

W związku z tym w celu urealnienia i praktycznego
wykorzystania zaproponowanych procedur zostały
przyjęte załoŜenia upraszczające. Zdefiniujmy problem
rekonstrukcyjny w następujący sposób:
znane są liczba warstw oraz ich parametry termiczne;
znane są warunki graniczne w stanie ustalonym, w
chwili rozpoczęcia eksperymentu;
znane są parametry pobudzenia;
nieznana jest grubość poszczególnych warstw.

Algorytm rekonstrukcyjny porównuje wyniki pomiaru z wynikami
symulacji niezaleŜnie dla kaŜdego piksela.
Zastosowany algorytm rekonstrukcji moŜna podzielić na dwa
etapy:
w pierwszym ustalony jest typ oparzenia,
w drugim etapie następuje rekonstrukcja grubości poszczególnych
warstw, po kaŜdej wykonanej symulacji funkcja modyfikacji
parametrów modelu ustala nową grubość warstw niezaleŜnie dla
kaŜdego piksela.
Przykładowy czas przeprowadzenia proce-dury pełnej
rekonstrukcji dla powierzchni o rozmiarach 100x100 pikseli
wynosi 90 minut, co wciąŜ jest nie akceptowalne w badaniach
klinicznych. W opisanym przypadku symulowany czas
zachodzących procesów wymiany ciepła wynosił 120s, obliczenia
przeprowadzono na standardowym komputerze klasy PC.

A - Oparzenie
B - Głębokość
C-Klasyfikacja

A - Oparzenie
B - Głębokość
C-Klasyfikacja

Wymuszenie pobudzenia cieplnego o kontrolowanych
parametrach, przeprowadzone eksperymenty badające
właściwości zastosowanego źródła pobudzenia strumień
dwutlenku węgla – pokazują Ŝe konieczne jest opracowanie
algorytmu wyznaczającego współczynnik wnikania α,
niezaleŜnie dla kaŜdego piksela, co umoŜliwiło
zasymulowanie warunków nierównomiernego chłodzenia.
Istotnym problemem mającym wpływ na dokładność
rekonstrukcji są ruchy badanego obszaru (oddechowe,
drgania i inne artefakty). Aktualnie trwają pracę nad
algorytmem dopasowania do siebie poszczególnych klatek
termogramu ich wyniki wskazują na moŜliwość istotnej
poprawy a nawet eliminacji tego problemu

Metoda TT wykorzystująca wyniki pomiarów
uzyskiwanych metodami aktywnej termografii
dynamicznej daje podstawy do tworzenia
termicznych obrazów trójwymiarowych,
skorelowanych ze strukturą wewnętrzną
badanego obiektu.
W porównaniu z obrazami parametrycznymi
stałych czasowych, tworzonych w ADT, tu
wynik jednoznacznie odnosi się parametrów
termicznych obiektu