KTU „Santakos“ slėnio mikrotomografu tyrėsi net ir Šv. Liudviko skulptūra

Nuo žmogaus dantų iki meno kūrinių amžiaus – Kauno technologijos universitete (KTU) esančiu rentgeno mikrotomografu mokslininkai yra ištyrę ne vieną netradicinį objektą. Pasirodo, pramoniniu rentgeno kompiuterinės tomografijos aparatu vykdomi tyrimai gali padėti ne tik sužinoti objekto istorinį kontekstą, bet ir pamatyti defektus, kad neįvyktų katastrofa objektą eksploatuojant.

KTU Prof. K. Baršausko ultragarso mokslo instituto vyriausioji tyrėja dr. Elena Jasiūnienė sako, jog pramoninė kompiuterinė tomografija, taip pat kaip ir medicininė tomografija, atliekama naudojant tuos pačius rentgeno spindulius.

„Įprastai, jei žmogui lūžta kaulas, daroma rentgeno nuotrauka, tačiau jei lūžis yra vietoje, kurią užstoja kiti audiniai ar kaulai, dėl ko pamatyti pažeistą vietą yra sunku – daroma kompiuterinė tomografija. Ji leidžia atkurti trimačius (3D) objekto vidinės struktūros vaizdus ar padaryti dvimačius (2D) skersinius pjūvius vaizde bet kuria kryptimi. Pramoninio tomografo veikimo principas yra lygiai toks pat, kaip ir medicininio – jis irgi atkuria 3D vaizdus“, – teigia KTU Elektros ir elektronikos fakulteto (EEF) profesorė E. Jasiūnienė.

KTU esantis rentgeno mikrotomografas „Rayscan 250E“ – vienintelis Lietuvoje. Dviejų energijų vamzdžius turintis įtaisas gali atkurti mažų objektų vaizdus didele raiška (skiriamoji geba iki 3 μm), kaip antai mikroschemas, bei prasiskverbti per didelio tankio objektus, kaip betonas ar metalas.

„Medicinoje tiriamasis objektas dažniausiai yra žmogus, todėl spindulių šaltinis bei detektorius yra sukami aplink jį. Naudojantis mūsų turimu rentgeno kompiuterinės tomografijos aparatu tiriamasis objektas yra sukamas ratu, su kiekvienu pasukimu fiksuojami vaizdai, kurie leidžia atkurti vidinės objekto struktūros tikslų vaizdą. Sukdami objektą mes padarome kelis tūkstančius nuotraukų iš skirtingų kampų, o sugeneruotą 3D modelį vėliau galime analizuoti žiūrėdami į bet kurį pjūvį“, – pasakoja E. Jasiūnienė.

Statybinių medžiagų tyrimai – siekiant išvengti nelaimių

Anot Skaitmeninio modeliavimo mokslo laboratorijos tyrėjos E. Jasiūnienės, į KTU kreipiasi įvairios įmonės iš skirtingų pramonės sektorių, siekdamos užsakyti mokslinius tyrimus su rentgeno mikrotomografu.

Pavyzdžiui, su „Rayscan 250E“ galima tirti statybinių medžiagų sudėtį, kaip antai betoną, siekiant užkirsti kelią nelaimėms. Iš betono mišinio yra liejamos įvairios statybinės konstrukcijos, elementai, kurie laikui bėgant gali sutrūkti, juose gali atsirasti defektai.

„Netaisomi defektai gali lemti šių konstrukcijų griūtį – tai viena iš pastatų griuvimo priežasčių. Tačiau su tomografu pastato nepatikrinsi; jis naudojamas tik moksliniuose tyrimuose, kai yra bandoma parinkti tam tikrus parametrus betono gamybai, kad šis atitiktų tam tikrus reikalavimus – būtų atsparus skirtingiems veiksniams“, – teigia E. Jasiūnienė.

Pradžioje specialistai pagamina įvairius mišinius ir iš šių mišinių išlietus objektus atitinkamai veikia įvairiomis jėgomis, apkrauna svoriu ir stebi šių objektų atsparumą. Vėliau šie objektai yra tiriami KTU mokslininkų, kurie skenuoja šiuos betono blokų komponentus.

„Gautuose vaizduose galima pamatyti įtrūkimus, jų tikslias vietas. Matomi ir į betono mišinį pridėti įvairaus tankio akmenukai, oro burbuliukai. Tuomet ultragarso mokslo institute dirbantys mokslininkai gali peržvelgti padarytas nuotraukas bei pasakyti kokie defektai, medžiagos pokyčiai atsirado. Dažnai sakau, jog esame defektų ieškotojai – ženklų ir pokyčių, kurių ten neturėtų būti“, – teigia KTU EEF profesorė.

Siekiant sutvirtinti liejamas betono konstrukcijas, į jas yra dedama armatūra – geležinės detalės, strypai, fibros. Tačiau sudėjus šiuos sutvirtinimus ir maišant betono mišinį maišykle, geležiniai sutvirtinimai keičia vietą, jų pasiskirstymas tampa chaotišku.

„Priklausomai nuo gamybos būdo, pasiskirstymai gali būti labai įvairūs, o mūsų atkuriami 3D struktūros vaizdai leidžia tai pamatyti. Vėliau, pagal pateiktus duomenis, yra koreguojami šie procesai siekiant išgauti tam tikrą rezultatą – tvirtesnį objektą“, – sako E. Jasiūnienė.

KTU mokslininkams yra tekę vertinti ir anglies pluošto kompozitines medžiagas – siūlus, naudojamus kuriant 3D spausdinimo mišinius. Juose buvo ieškota oro burbuliukų, kurie taip pat gali sąlygoti konstrukcijų nepatikimumą.

Jei yra medicininis, kam reikalingas pramoninis?

Statybų sektoriaus tyrimais rentgeno mikrotomografas „Rayscan 250E“ neapsiriboja. Prof. K. Baršausko ultragarso mokslo instituto darbuotojai yra analizavę  ir žmogaus dantis.

„Kai odontologai taiso dantis, pažeidimai dažnai būna kažkur giliai, danties viduje ir pasiekti šią vietą tenka naudojantis įvairiais instrumentais. Skirtingi instrumentai, skverbdamiesi pro vingiuotus danties šaknies kanalus, vienaip ar kitaip juos apgadina. Mūsų tyrimo tikslas buvo išsiaiškinti, kokius pažeidimus palieka šie instrumentai juos naudojant“, – teigia E. Jasiūnienė.

KTU mokslininkai skenavo dantis prieš instrumentų naudojimą ir po bei lygino užfiksuotus 3D vaizdus, o rezultatai leido geriau pritaikyti tam tikrų įrankių naudojimą gydant pacientus. Nors odontologai patys naudojasi medicininiais rentgeno aparatais siekdami pamatyti paciento dantų pažeidimus, tačiau moksliniuose tyrimuose, kai svarbu atkreipti dėmesį į visas objekto detales, pramonins tomografas yra pranašesnis.

„Tyrėme jau ištrauktus dantis, mat pramoninis tomografas turi labai dideles energijas – nors galime išgauti geresnės kokybės vaizdus negu naudojantis medicininiu tomografu, jis yra kenksmingesnis ir gyvas organizmas negalėtų ištverti tokios skvarbios spinduliuotės. Mokslininkai su šia įranga dirbti gali, mat ji yra apsaugotame kambaryje, pro kurio sienas tyrimo metu spinduliuotė neprasiskverbia“, – sako KTU EEF profesorė.

Rentgenu „tyrėsi“ ir Šv. Liudviko skulptūra

Rentgeno kompiuterinė tomografija leidžia nustatyti net ir meno kūrinių amžių. Štai prieš keletą metų į KTU buvo atgabenta medinė septyniolikto amžiaus Šv. Liudviko skulptūra iš Vilniaus Šv. Mikalojaus bažnyčios, kurią teko tirti rentgeno spindulių įranga siekiant išsiaiškinti, kada ji buvo pagaminta.

„Skulptūra išskaptuota iš vieno storo medžio, o mūsų turimo rentgeno aparato 3D vaizdai leido pažvelgti į jos vidų ir pamatyti susiformavusias medžio rieves ir jų skaičių. Tuomet mūsų perduotus vaizdus analizavo kiti specialistai, dendrologai, kurie iš rievių pasiskirstymo gebėjo išskaičiuoti kokio amžiaus ši skulptūra galėtų būti“, – teigia E. Jasiūnienė.

Šios gotikos ir baroko stilius primenančios skulptūros istorinis kontekstas buvo prarastas – apie ją nebuvo jokių duomenų archyviniuose šaltiniuose, o mišrus puošybos stilius ir netradicinė pušies mediena trukdė tiksliai datuoti Bažnytinio paveldo muziejuje eksponuojamą skulptūrą.

„Esame tyrę ir kitą meno objektą – kolega iš Kauno muziejaus buvo atvežęs kardą. 3D vaizdai taip pat leido pamatyti, kiek sluoksnių šis kardas turėjo, iš kokių medžiagų ir kada jis buvo gamintas“, – sako KTU profesorė.

Technologija pavojinga žmogui

Rentgeno aparatas gali tirti ir kitoms sritims aktualius objektus – mikroschemas. Šie elektronikos komponentai naudojami bene visuose įrenginiuose, o dėl jų ypač nedidelio dydžio ir daugiasluoksnės struktūros yra sunku akimi pamatyti gamybos metu atsiradusius defektus.

„Mikroschemas sudaro daugybė sluoksnių, kurie vienas kitą užstoja – pamatyti, kas yra atskirame sluoksnyje, sunku. Kompiuterinė tomografija leidžia pamatyti ar mikroschema turi defektų skirtinguose sluoksniuose, taip išvengiant nesėkmių ateityje. Juk šie objektai gali būti talpinami į ypač atsakingas struktūras, pavyzdžiui, lėktuvus ar kosminius laivus, o rentgeno aparatas gali padėti pamatyti objekto trūkumus ir leisti išvengti katastrofų“, – teigia E. Jasiūnienė.

Nors rentgeno aparatu įamžinti vaizdai leidžia užkirsti kelią nelaimėms, technologiją dažniausiai naudojama nedidelių objektų tyrimams, mat įranga kartu su tiriamuoju objektu turi būti apsaugotoje erdvėje: „Jei rentgeno aparatu naudotis norima ne tam pritaikytoje, nedidelėje laboratorijoje, o didesnėje erdvėje, ji taip pat privalo būti apsaugota – išskirstyta saugumo zonomis“.

Todėl namo ar sporto stadiono rentgeno kompiuterinės tomografijos įranga neištirsi – tam labiau tinka kiti neardomieji tyrimai. Pasak mokslininkės, tokiais atvejais dažnai pasitelkiamos skirtingos technologijos tikslesniam rezultatui gauti.

„Geriausia, kai gali naudoti keletą skirtingų metodų ar pasirinkti technologiją pagal tiriamą objektą, nes vienos technologijos geriau tinka nustatant vieno tipo defektus, o kitos – kito. Štai rentgeno tomografija leidžia pamatyti tankio pokyčius, tūrinius defektus bei sugeneruoja vizualizacijas, trimačius struktūrų vaizdus. Ultragarsas tinka nustatyti nedidelius įtrūkimus, atsisluoksniavimus“, – sako E. Jasiūnienė.

Mikrotomografas pasitarnauja ne tik mokslininkams ir verslui, bet ir studentams – jie, kartu su licencijuotais, įranga naudotis gebančiais specialistais, gali atlikti laboratorinius ar tiriamuosius darbus: „Smagu, jog galime rasti tą sąryšį tarp skirtingų mokslų ir būti naudingi vieni kitiems: suderinti skirtingas technologijas, skirtingas žinias. Tai leidžia siekti tikrosios mokslo ir verslo pažangos“.