Nghiên cứu chế tạo thiết bị chụp cắt lớp điện toán thế hệ thứ tư khảo sát tháp công nghiệp có đường kính < 2 m

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
17Số 56 - Tháng 09/2018
I. GIỚI THIỆU CHUNG
Chụp cắt lớp điện toán CT là một công 
cụ chẩn đoán hiệu quả và không thể thiếu trong 
y tế trong nhiều năm qua. Với những ưu điểm 
vượt trội, CT cũng đã được ứng dụng rất rộng 
rãi trong các lĩnh vực khác như công nghiệp và 
nghiên cứu khoa học. Trong khi thiết bị CT y tế 
chỉ phục vụ đối tượng là con người thì đối tượng 
ứng dụng của thiết bị CT công nghiệp đa dạng 
hơn rất nhiều. Đa số thiết bị CT công nghiệp phổ 
biến hiện nay được sử dụng trong nhà, sử dụng 
máy phát tia X, hình ảnh đạt được có độ phân 
giải không gian ở mức độ milimét, kích thước 
vật thể tối đa vào khoảng 300 mm. Một số rất ít 
thiết bị CT công nghiệp có thể di chuyển để ứng 
dụng trên các đối tượng lớn hơn ngoài trời, đặc 
biệt là trên các đối tượng trong các nhà máy, công 
trường sản xuất. Khả năng của các thiết bị dạng 
này hạn chế, hình ảnh đạt được có độ phân giải 
không gian thấp, thời gian chụp lâu. Tuy nhiên, 
một vài thiết bị dạng này có khả năng ứng dụng 
trên các đối tượng có kích thước đến 2 m [1].
Hình 1. Các thiết bị CT với kích thước và 
năng lượng bức xạ tương ứng
Ngày nay, kỹ thuật chụp cắt lớp điện toán CT đã trở thành một công cụ chẩn đoán tiêu chuẩn 
trong y tế và là một phương pháp kiểm tra không phá hủy hữu ích trong lĩnh vực công nghiệp. Các 
thiết bị CT sử dụng tia gamma có nhiều ưu điểm nổi trội khi ứng dụng trên các đối tượng kích thước 
lớn công nghiệp do gamma có khả năng xuyên sâu vào vật liệu có mật độ cao hiệu quả hơn tia X. 
Trong những năm qua, Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công nghiệp đã thiết kế và chế 
tạo nhiều thiết bị CT công nghiệp gamma ứng dụng cho nhiều đối tượng khác nhau như thiết bị CT 
thế hệ thứ nhất g-ORBIT, thiết bị CT thế hệ thứ 3 g-COMET và gần đây là thiết bị CT kích thước lớn 
g-OCTOPUS. Với việc sử dụng nguồn gamma Co-60 có hoạt độ từ khoảng 100 mCi và một mảng 08 
đầu dò NaI(Tl) có kích thước (2 x 2) inch, thiết bị g-OTOPUS có thể ứng dụng hiệu quả trên đối tượng 
tháp công nghiệp có đường kính đến 2 m.
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHỤP
CẮT LỚP ĐIỆN TOÁN THẾ HỆ THỨ TƯ
KHẢO SÁT THÁP CÔNG NGHIỆP
CÓ ĐƯỜNG KÍNH < 2 m
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
18 Số 56 - Tháng 09/2018
Hình 1 mô tả một cách tổng quát các 
chủng loại thiết bị CT sử dụng cho các mục đích 
khác nhau tương ứng với kích thước đối tượng 
và năng lượng bức xạ được sử dụng. Đối với 
các thiết bị CT ở cấp độ micromet, kích thước 
vật thể không quá 20 cm thì tia X có năng lượng 
thấp dưới 100 keV được sử dụng. CT trong y tế 
sử dụng tia X có năng lượng từ 60 cho đến dưới 
200 keV. Các thiết bị CT công nghiệp cố định sử 
dụng cho đối tượng có kích thước dưới 50 cm sử 
dụng tia X có năng lượng lớn hơn 400 keV, năng 
lượng bức xạ cỡ 600 keV được sử dụng cho các 
đối tượng từ có kích thước từ 25 cm cho đến dưới 
80 cm. Kích thước vật thể lớn hơn nữa thì năng 
lượng bức xạ cũng tăng tương ứng. Trong một 
số trường hợp với vật thể kích thước lớn, độ dày 
lớn, mật độ cao thì cần sử dụng đến tia X trên 2 
MeV. Các thiết bị CT công nghiệp cố định, sử 
dụng trong nhà thường sử dụng máy phát tia X, 
các thiết bị CT công nghiệp di động thường sử 
dụng nguồn đồng vị như Am-241, Se-75, Ir-192, 
Cs-137, Co-60.
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân 
trong công nghiệp đã thiết kế và chế tạo được 
thiết bị chụp cắt lớp điện toán CT thế hệ thứ 
nhất có cấu hình 1 nguồn - 1 đầu dò [2,3] có tên 
g-GORBIT, thiết bị CT thế hệ thứ 3 cải tiến với 1 
nguồn - 12 đầu dò [4,5] có tên g-COMET. Trong 
đó thiết bị g-GORBIT đã được xuất khẩu đến một 
số phòng thí nghiệm trên thế giới và đã được sử 
dụng khá hiệu quả [6]. Thiết bị g-COMET là sản 
phẩm của đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết 
kế và chế tạo chụp cắt lớp điện toán ứng dụng 
trong công nghiệp dầu khí ở Việt Nam” với phần 
mềm tái tạo hình ảnh i-COMET đã được đăng 
ký quyền tác giả. Với cấu hình quạt 12 đầu dò, 
g-COMET có thể chụp cắt lớp vật thể có đường 
kính 600 mm trong thời gian 2 giờ, tiết kiệm thời 
gian rất nhiều so với g-GORBIT.
Với kích thước đối tượng tối đa đến 600 
mm, khá lớn so với các thiết bị CT công nghiệp 
cùng loại trên thế giới nhưng g-GORBIT và 
g-COMET chỉ có thể áp dụng trên đối tượng 
đường ống hoặc thiết bị công nghiệp kích thước 
nhỏ. Đáp ứng nhu cầu từ công nghiệp về khảo sát 
thiết bị có kích thước lớn hơn, Trung tâm hiện 
đang chế tạo và thử nghiệm một thiết bị có kích 
thước gantry lên đến 2,5 m, có khả năng chụp cắt 
lớp các thiết bị có đường kính lên đến 2 m. Phần 
cứng thiết bị được mô tả trong phần II, phần III 
mô tả về phương pháp tái tạo hình ảnh ứng dụng 
cho cấu hình thiết bị tương ứng và phần IV là 
một số kết quả thử nghiệm ban đầu trên vật mẫu 
và phần V là kết luận và hướng nghiên cứu, phát 
triển tiếp theo để hoàn thiện thiết bị.
II. PHƯƠNG PHÁP TÁI TẠO HÌNH ẢNH
Chụp cắt lớp điện toán CT là một quy 
trình gồm 3 bước cơ bản: i) đo đạc số liệu hình 
chiếu theo cấu hình của thiết bị, ii) tái tạo hình 
ảnh chụp cắt lớp từ bộ số liệu hình chiếu đo được 
và iii) xử lý, hiển thị và lưu trữ hình ảnh. Về cơ 
bản thì bước đo đạc số liệu được thực hiện theo 2 
cấu hình cơ bản: i) cấu hình song song và ii) cấu 
hình chùm quạt. Hình ảnh chụp cắt lớp được tái 
tạo từ bộ số liệu hình chiếu bằng các thuật toán 
và hình học của cấu hình đo. Các thuật toán là 
các nguyên lý chung có thể áp dụng được cho các 
cấu hình đo đạc, điểm quan trọng nhất là việc xây 
dựng hình học đúng của cấu hình đo để áp dụng 
các thuật toán trên nó. Như vậy, để tái tạo hình 
ảnh từ bộ số liệu hình chiếu đo được từ một thiết 
bị, phải có phần mềm tái tạo hình ảnh tương ứng 
với hình học đo của thiết bị đó.
Thiết bị g-OCTOPUS là một thiết bị có 
cấu hình thế hệ thứ 3 cải tiến với hình học đo hình 
quạt. Hình học đo này khác với hình học đo của 
thế hệ thứ 3 thông thường ở đặc điểm về tâm của 
cung tròn bố trí đầu dò. Hình 2 mô tả hình học 
của cấu hình thế hệ thứ 3 thông thường, hình 5 
mô tả hình học của một cấu hình thế hệ thứ 3 cải 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
19Số 56 - Tháng 09/2018
tiến. Các thông số tính toán cơ bản liên quan đến 
hình học trong việc tái tạo hình ảnh được trình 
bày ở các công thức từ (1) đến (6).
Hình 2. Hình học đo cấu hình thế hệ thứ 3
Các ký hiệu trên hình bao gồm: 
- D là khoảng cách từ nguồn đến tâm hệ 
đo,
- Điểm cần tính có tọa độ (x,y),
- γ là góc mở của chùm tia phân kỳ tại 
điểm đang xét,
- β là góc quay của các hình chiếu hợp với 
trục tung y.
Mối liên hệ giữa L, γ theo x, y: 
( ) [ ] [ ]22 sin.cos.cos.sin.,, βββββ yxyxDyxL ++−+= (1)
 (2)





−+
+
= −
ββ
ββ
γ
cos.sin.
sin.cos.
tan 1
yxD
yx
Hình 3. Hình học đo của cấu hình thế hệ 
thứ 3 cải tiến
Trường hợp cấu hình chùm tia phân kỳ 
thế hệ thứ 3 cải tiến.
( ) [ ] [ ]22 sin.cos.cos.sin.,, hyxyxDyxL +++−+= βββββ (3)
 





−+
++
= −
ββ
ββγ
cos.sin.
sin.cos.
tan 1
yxD
hyx
(4)
Trong kỹ thuật chụp cắt lớp CT, sự kết 
hợp của các hình chiếu ở tất cả các góc chiếu khác 
nhau sẽ thu được một tập số liệu 2 chiều hay còn 
gọi là sinogram P(β,γ). Sự biến đổi giá trị hấp thụ 
tuyến tính tại điểm có tọa độ (x,y) sang sinogram 
P(β,γ) được gọi là biến đổi Radon.
Trong trường hợp cấu hình thế hệ thứ 3 
cải tiến, biến đổi Radon được mô tả như sau:
∫ ∫
∞
∞−
∞
∞−
=





−= γγ
β µ
γ
γβ dd
I
I
P lL .
)(
ln),( ),(
0 
(5)
Biến đổi Radon ngược (iRadon) là quá 
trình ngược của biến đổi Radon, tức là quá trình 
tái dựng lại hình ảnh từ dữ liệu hình chiếu đo được 
bằng cách sử dụng các thuật toán khác nhau.
( ) ( ){ }γβµ ,, 1 pyx −ℜ= (6)
Các thuật toán phổ biến được áp dụng 
trong kỹ thuật chụp cắt lớp điện toán bao gồm 
thuật toán chiếu ngược có lọc (FBP) dùng phương 
pháp giải tích, thuật toán tái tạo đại số (ART) 
dùng phương pháp đại số và thuật toán tối đa hóa 
kỳ vọng (EM) dùng phương pháp thống kê. Hiện 
nay, số liệu đo đạc từ thiết bị g-OCTOPUS đã 
được cơ bản tái tạo thành công bằng thuật toán 
FBP. Các hình ảnh chụp từ các vật mẫu sẽ được 
giới thiệu trong phần tiếp theo của báo cáo này.
III. MÔ TẢ PHẦN CỨNG THIẾT BỊ 
Thiết bị có tên là g-OCTOPUS với gantry 
có đường kính 2500 mm. Thiết bị sử dụng 1 
nguồn phóng xạ Co-60 có hoạt độ khoảng 100 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
20 Số 56 - Tháng 09/2018
mCi và 08 đầu dò nhấp nháy NaI (Tl) với kích 
thước tinh thể (2 x 2) inch. Nguồn và đầu dò được 
bố trí dạng hình quạt trên gantry ở các vị trí như 
mô tả trên Hình 4.
Hình 4. Mô tả cấu hình thiết bị
Hai đầu dò cạnh nhau (ví dụ như đầu dò 
số 1 và đầu dò số 2) lệch nhau một góc 22,5O với 
tâm là tâm của gantry. Hai đầu dò này sẽ lệch 
nhau một góc 11,25O nếu lấy tâm là nguồn phóng 
xạ. Chùm tia phóng xạ dạng hình quạt phát ra từ 
nguồn có góc mở khoảng 95O sẽ bao phủ từ đầu 
dò #1 đến hết một đầu dò giả định #8n (với n là 
số lần dịch chuyển trung gian của các đầu dò). 
Với n lần dịch chuyển trung gian, số liệu thu nhận 
được trên 1 hình chiếu sẽ có 8n tia chiếu. Tùy 
vào từng bài toán cụ thể, số hình chiếu và số tia 
chiếu trên mỗi hình chiếu dễ dàng được thiết lập 
thông qua phần mềm điều khiển tự động. Hình 
5a là hình chụp phần gantry của thiết bị và hình 
5b chụp khối điều khiển tự động và thu nhận số 
liệu đo đạc. Gantry là một cơ cấu xoay có 3 lớp, 
ở đó lớp dưới cùng cố định, lớp giữa và lớp giữa 
có thể xoay tròn. Trên gantry ngoài nguồn phóng 
xạ và 8 đầu dò phóng xạ được chuẩn trực như thể 
hiện trong hình 5a thì còn có 2 động cơ bước M1 
và M2.
Trong đó M1 là động cơ vận hành 2 lớp 
trên của gantry xoay còn M2 chỉ vận hành để 
xoay lớp trên cùng của gantry.
Hình 5b là khối điều khiển tự động và thu 
nhận số liệu đo đạc phóng xạ. Khối điều khiển này 
có 2 khối con: i) khối điều khiển chuyển động và 
ii) khối 08 máy đo hạt nhân đơn kênh. Hai khối 
này vận hành đồng bộ với nhau qua phần mềm 
điều khiển tự động và thu nhận số liệu. Khối 08 
máy đo hạt nhân đơn kênh kết nối với 08 đầu dò 
NaI(Tl) thông qua các bộ cáp đồng trục dài 25 m. 
Mạch điều khiển trung tâm kết nối và điều khiển 
các máy đo hạt nhân. Việc thiết lập cao thế làm 
việc cho đầu dò, ngưỡng đo, thời gian đo được 
thực hiện hoàn toàn qua máy tính. Số liệu đo từ 
mỗi kênh được gửi về máy tính theo từng bó số 
liệu sau mỗi 50 miligiây. Do đó, thời gian đo cho 
mỗi phép đo phải là bội số của 50, ví dụ 100, 250, 
500, 1000 giây.
Hình 5a. Phần gantry của thiết bị 
Hình 5b. khối điều khiển tự động và thu nhận số 
liệu
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
21Số 56 - Tháng 09/2018
IV. MỘT SỐ KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM
Phần này trình bày sơ lược về kết quả ứng 
dụng ban đầu của thiết bị g-OCTOPUS trên vật 
mẫu mô phỏng đối tượng công nghiệp. Với mục 
tiêu ứng dụng hiệu quả vào thực tiễn nên một số 
cơ cấu chuyển động của g-OCTOPUS đã được 
nghiên cứu để rút ngắn tổng thời gian vận hành đo 
đạc một cách hợp lý, đáp ứng yêu cầu về an toàn 
và hiệu quả của nhà máy công nghiệp. Bảng 1 thể 
hiện tổng thời gian vận hành đo đạc với các thông 
số vận hành khác nhau. Với t là thời gian đo của 
từng phép đo, n là số lần dịch chuyển trung gian, 
N là số hình chiếu cần đo, thiết bị có thể chụp một 
lát cắt trong 3 giờ cho 128 hình chiếu với 256 tia 
chiếu trên một hình chiếu.
Bảng 1. Tổng thời gian đo đạc với các 
thông số vận hành khác nhau
Tổng 
góc quay 
Tổng số hình 
chiếu (N) 
Số lần dịch chuyển 
trung gian (n) 
Thời gian 
đo (t) 
Tổng thời 
gian (giờ) 
3600 128 31 1000 ms 3,8 
3600 128 63 1000 ms 4,9 
3600 128 63 2000 ms 7,3 
Hình 6 là hình chụp thiết bị và vật mẫu. 
Vật mẫu có kích thước lớn với đường kính 1,7 
m bao gồm 2 thành phần là bê tông và thép. Do 
đặc trưng của cầu hình thiết bị nên các tia gamma 
truyền qua vật thể không được chuẩn trực vật lý. 
Việc loại bỏ tán xạ được thực hiện bằng cách cắt 
ngưỡng điện tử. Hình 7 minh họa sinogram của 
của một bộ số hiệu hình chiếu. Hình 8a là hình 
ảnh tái tạo với bộ số liệu đo với N=256, n = 63, 
t = 2000 ms. Hình 8b thể hiện hình chụp 3D của 
vật thể. Việc đánh giá định lượng hiện vẫn đang 
được triển khai bằng việc tiến hành thêm nhiều 
thí nghiệm, trích xuất dữ liệu tái tạo, áp dụng các 
tiêu chuẩn đánh giá,  Báo cáo này chỉ trình bày 
một cách khái quát các kết quả đạt được về việc 
chế tạo thiết bị, việc đánh giá chất lượng thiết bị 
và đánh giá định lượng hình ảnh tái tạo sẽ được 
trình bày ở một báo cáo khác.
Hình 6. Thiết bị g-OCTOPUS và vật mẫu
Hình 7. Sinogram của một bộ số liệu hình 
chiếu
Hình 8a. Hình ảnh tái tạo vật mẫu với 
N=256, n = 63, t=2000 ms
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
22 Số 56 - Tháng 09/2018
Hình 8b. Hình ảnh tái tạo 3D của vật mẫu
V. KẾT LUẬN
Thiết bị g-OCTOPUS là một thiết bị 
chụp cắt lớp điện toán công nghiệp kích thước 
lớn, có thể dễ dàng di chuyển để vận hành tại 
hiện trường. Được chế tạo với mục đích phục 
vụ công tác kiểm tra, bảo dưỡng trong sản xuất, 
g-OCTOPUS có thể cung cấp đến khách hàng các 
thông tin và hình ảnh rất trực quan mà không có 
một kỹ thuật nào có thể thực hiện được trên đối 
tượng đó. Thiết bị hiện vẫn đang trong giai đoạn 
nghiên cứu và phát triển hoàn thiện trong khuôn 
khổ của một đề tài cấp Bộ. Qua một số kết quả 
ban đầu, sơ bộ có thể đánh giá được tiềm năng 
ứng dụng to lớn của thiết bị. Tuy nhiên, để có thể 
đánh giá một cách khoa học khả năng ứng dụng, 
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong công 
nghiệp hiện đang xúc tiến một đề tài với nhà máy 
lọc dầu Dung Quất với mục tiêu đưa thiết bị vào 
thử nghiệm trên một đối tượng cụ thể tại nhà máy, 
làm cơ sở đánh giá năng lực công nghệ và ứng 
dụng thiết bị trong thời gian tới ở phạm vi rộng 
hơn tại nhà máy lọc dầu Dung Quất nói riêng và 
các nhà máy khác nói chung.
Trần Thanh Minh, Đặng Nguyễn Thế 
Duy,Nguyễn Văn Chuẩn, Bùi Trọng Duy, 
Nguyễn Thanh Châu
Trung tâm Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân 
trong công nghiệp
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Kim Jong Bum, Development of gamma 
ray tomographic system for industrial plant 
inspection, PhD thesis, KAIST, 2011
[2] Đặng Nguyễn Thế Duy và các cộng sự 
“Nghiên cứu chế tạo thử nghiệm thiết bị CT công 
nghiệp loại 1 nguồn – 1 đầu dò quy mô phòng 
thí nghiệm“, báo cáo đề tài cấp cơ sở, mã số CS 
08/06-01, 2009.
[3] Đặng Nguyễn Thế Duy và các cộng sự 
“ Thiết bị chụp cắt lớp thử nghiệmkhảo sát các 
thiết bị công nghiệp, Hội nghị Khoa học và công 
nghệ hạt nhân lần thứ 8, 2009.
[4] Nguyễn Hữu Quang và các cộng sự 
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị chụp cắt lớp 
điện toán ứng dụng trong công nghiệp dầu khí ở 
Việt Nam”, báo cáo đề tài cấp nhà nước, mã số 
KC.05.20/11-15, 2016.
[5] Đặng Nguyễn Thế Duy và các cộng sự “A 
third generation gamma-ray industrial computed 
tomography systems for pipeline inspection”, 
Jurnal Teknologi, 77:17 (2015), p 49 – 53, www.
jurnalteknologi.utm.my, eISSN 2180–3722
[6] Ghiyas-ud-Din, S. Gul, I. H. Khan, I. R. 
Chughtai, “Determination of flow patterns across 
a 90o horizontal bend during two-phase flow 
operation by gamma computer tomography”, 
presented in the TRACER - 7: 7th. International 
Conference on Tracers and Tracing Methods 
held in Marrakech, Morocco from 13-15 October 
2014.