Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária.

  • Número do pedido da patente:
  • MU 7703174-1 U2
  • Data do depósito:
  • 11/09/1997
  • Data da publicação:
  • 11/07/2000
Inventores:
  • Classificação:
  • G01N 23/04
    Investiga??o ou an?lise de materiais pelo uso da radia??o de ondas ou part?culas n?o abrangidas pelo grupo ou , p. ex. raios-X, n?utrons; / pela transmiss?o de radia??o atrav?s do material; / e formando uma imagem;
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''TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO DE RESOLUÇÃO MICROMÉTRICA PARA USO EM AGROPECUÁRIA''. Desenvolvido para possibilitar a investigação, em laboratório, das propriedades físicas do solo, em nível de grãos e poros, bem como das interações entre raízes e solo. As imagens tomográficas permitirão visualizar e quantificar grãos e agregados de solo, poros e a topologia da interface deste sistema. Anteriormente, as investigações do interior do solo eram feitas utiizando-se técnicas invasivas ou técnicas que permitiram medir somente parâmetros médios globais ou em escalas iguais ou superiores à milimétrica. Caracteriza-se, além da aplicação em nível micrométrico, por possuir uma mesa posicionadora de altas resoluções angular (0,1º) e linear (1,25µm), por possui uma placa multicanal que permite contabilizar os fótons e fazer ajustes no sistema e por possuir colimadores de alta resolução (60µm e 100µm), fabricados em laboratório, O equipamento utiliza a técnica da tomografia computadorizada, onde contabilizam-se os fótons que atravessam uma amostra e, através do seu processamento em microcomputador, reconstrói-se a imagem da secção transversal da amostra no plano de feixe de raios X.

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Documento

"TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO DE RESOLUÇÃO MICROMÉTRICA PARA USO EM AGROPECUÁRIA".

A presente invenção refere-se a um tomógrafo computadorizado de resolução micrométríca para estudos em agropecuária, principalmente, 5 do sistema água-solo-planta, de maneira não invasiva. A investigação das propriedades físicas do solo, em nível de grãos e poros, é de fundamental importância para o entendimento do transporte da água e de soiutos, neste meio, bem como das interações entre raízes e solo. As imagens tomográficas permitirão visualizar e quantificar grãos e agregados de solo, 10 poros e a topologia cia interface deste sistema trifásico. O sistema, destinado ao uso em laboratório, foi desenvolvido utilizando componentes e metodologia de alta tecnologia e programas desenvolvidos na Embrapa/CNPDIA.

O equipamento em questão utiliza a técnica da reconstrução do 15 interior de corpos opacos, através da Tomografia Computadorizada de Raios X, original da medicina. Esta técnica _foi jntroduzjda na Ciência do Solo pelo CNPDIA, na escala milimétrica, com o objetivo de se medirem a umidade e a densidade médias globais de torrões. Tem sido utilizada, com sucesso, desde 1985. Reconhecendo que a maioria dos fenômenos de 20 transporte, de estabilidade estrutural e da interação solo-planta situa-se na escala submilimétrica, o Centro de Instrumentação da Embrapa, decidiu construir um tomógrafo capaz de realizar investigações, neste nível.

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As características do tomógrafo de resolução micrométrica serão descritas a seguir, bem como serão apresentadas fotos do equipamento.

Na Figura 1 pode ser vísto o diagrama de blocos do 5 equipamento, onde podem ser vistas, esquematicamente, as seguintes partes: sistema de Raios-X, modelo MG-164, da Phillips, composto de um gerador de alta de tensão (14), de até 160kV e 3kW, modelo MGG31, um painel de potência (15), modelo MGP33, um painel de comando (16), modelo MGC30 e um tubo de Raios-X (1), com foco normal de 3mm X 10 3mm, foco fino de 0,4mm X 0,4mm e potência máxima de 3kW, modelo MCN165; colimador de chumbo (2), com diâmetro externo de 40mm, diâmetro interno de 8mm e comprimento de 200mm, confeccionado na

Embrapa/CNPDIA;

colimador

da

fonte

(3),

confeccionado na

Embrapa/CNPDIA;

colimador

do

detector

(4),

confeccionado na

15 Embrapa/CNPDIA; detector de Raios-X ou gama (5), modelo 4SHA6M-1.5A, da Harshaw/Filtrol, composto de um cristal de Nal(TI), de 1"x1", e uma fotomultiplicadora; fonte de alta tensão (6), de até 3kV, modelo 556, da EG&G ORTEC; placa multicanal (7), modelo 5000, da Viking Instruments, com pré-amplificador e amplificador internos, com entrada 20 para pulsos da fotomultiplicadora de até 3,0 V/pC, impedânçia de entrada de 1 kCl, acoplamento AC, ganho ajustável, conversor ADC de 10V, impedânçia de entrada de 1kQ,, entrada unipoiar ou bipoiar e frequência

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máxima de conversão de 100MHz; mesa posicionadora, composta de controlador do estágio rotativo (8), controlador do estágio linear (9), estágio rotativo (10), modelo A3757TSP, da Time & Precision e estágio linear (11), modelo U4008MP, da Time & Precision; microcomputador 5    386SX compatível (12).

As partes acima descritas, e outras, podem ser vistas nas fotos das seguintes figuras: Figura 2 - gerador de alta tensão (14), painel de potência (15) e painel de comando (16); Figura 3 - colimador de chumbo (2) e caixa para blindagem da radiação de fuga traseira (17); Figura 4 -10    placa multicanal (7);    Figura 5 - dispositivo    de ajuste do paralelismo do feixe

(32, 33 e 34 - ver    página 6/7, linha    2    em diante); Figura 6 - amostra

composta de uma base de acrílico (35) e uma broca de 0,5mm (36), utilizada para centrar a mesa; Figura 7 - partes componentes dos colimadores, sendo    dois suportes (24    e    25) e dois núcleos, onde um é

15    confeccionado com    chumbo (20), para    o    colimador de 10Qpm, e o outro

com resina epoxy e Pb02 (20), para o colimador de 60p,m; Figura 8 -Dispositivo para furar peças de chumbo de espessura de SOO^m e diâmetro de 100pm, sendo composto de um mancai (23) e uma broca (22), com corpo de 1mm e parte ativa de lOOpm; Figura 9 - Sistema para confecção 20 dos colimadores de resina epoxy, composto de fio (26) de nylon de 100|um ou cabelo de 60pm, prendedores superior e inferior do fio (27 e 31), base centradora (28), resina epoxy com Pb02 (29) e molde (30); Figura 10 -

vista do conjunto^ Figura 11 - vista do tubo de raios-X (1) dentro da caixa de blindagem; Figura 12 - vista do sistema mecânico de movimentação da amostra e do detector (2, 3, 4, 5, 10, 11 e 13); Figura 13 - vista do sistema de alinhamento do feixe, onde podem ser vistos os dispositivos de 5 movimento linear vertical {37), angular vertical (38), linear horizontal (39) e angular horizontal (40) .

Foram desenvolvidos, ainda, para este equipamento, dois programas, sendo o primeiro para entrada dos parâmetros, pelo usuário, controle do sistema de movimentação da mesa, controle da placa 10 multicanal e aquisição de dados, o segundo para reconstrução e visualização, na tela, da imagem reconstruída.

A Tomografia Computadorizada é uma técnica que permite ver secções transversais do interior de amostras sem que seja necessário cortá-las ou fazer qualquer outro tipo de invasão. Ela utiliza o princípio da 15 atenuação da radiação nos meios materiais. A idéia básica, na Tomografia Computadorizada, é reconstruir a imagem de uma secção da amostra, através de suas projeções em várias direções, que são obtidas conforme descrito a seguir.

Em uma tomografia, a amostra (13) é colocada entre a fonte de 20 radiação (1) e o detector (5) e transladada em passos denominados passos lineares. Os fótons são contabilizados em cada parada, durante um intervalo conhecido como tempo de contagem. Ao final de uma translação

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completa, a amostra é transladada de volta à posição iniciai, rotacionada de um ângulo denominado de passo angular e inicia-se uma nova translação, acompanhada de novas leituras, Este procedimento é repetido até que se complete uma rotação total de 180°. Forma-se, assim, uma 5 matriz de dados, que são processados em um microcomputador, obtendo-se, em uma tela de monitor, a figura da secção no plano do feixe.

_ Dependendo da geometria do feixe e do_ número de detectores, os tomógrafos são classificados em quatro gerações. Na primeira geração, um único feixe fino atravessa a amostra e um único detector "lê" os 10 fótons. Na segunda geração, utilizam-se um feixe em leque, que não cobre toda a secção da.amostra, e_ vários detectores, o que diminui o número de translações necessárias. Na terceira geração, utilizam-se um feixe em leque que cobre toda a secção da amostra e vários detectores, o que dispensa a movimentação linear. Na quarta geração, os detectores são dispostos em 15 anel e o feixe é em leque, o que permite que apenas a fonte se movimente, diminuindo o tempo de aquisição. O equipamento em questão é um tomógrafo de primeira geração.

0 procedimento para se realizar uma tomografia de resolução micrométrica é ^escrito a seguir. Antes de se iniciar a tomografia 20 propriamente dita, alguns ajustes no sistemas são necessários. Inicialmente, o sistema de raio X deverá passar por um aquecimento para estabilização do número de fótons. Para este sistema, o tempo necessário,

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para se atingir tai estabilidade, é de duas horas. Outro ajuste necessário é o alinhamento entre os colimadores. Um terceiro ajuste refere-se ao paralelismo entre o feixe de raios X e a mesa posícíonadora. Este ajuste é feito utilizando-se o dispositivo da Figura 5. 0 dispositivo constitui-se de 5 uma lâmina de chumbo (32), uma base estrutural (33) e um micrômetro (34). O ajuste é feito fazendo-se varreduras com a lâmina de chumbo (32) na frente do feixe, próximas ao coiimador da fonte (3) e ao colimador do detector (4). Acompanha-se, no monitor do microcomputador, as contagens de fótons nestas posições, !endo-se, no micrômetro, a diferença 10 da altura do feixe nos dois casos. Ajusta-se a altura da mesa posicionadora para compensar as diferenças. Um último ajuste é o da posição de referência da mesa. Para tal, posiciona-se a amostra de centralização na mesa posicionadora (10 e 11). Esta amostra, mostrada na Figura 6, constitui-se de uma base de acrílico (35) e um pino de aço (36). A seguir 15 executa-se o programa micro.exe e, no menu principal, escolhe-se a opção CENTRAR A MESA. Estando a mesa centrada, o usuário pode entrar com os parâmetros da tomografia pelo teclado ou lê-los de um arquivo. Finalizados estes passos iniciais, aciona-se, no menu principal, a opção INÍCIO DA TOMOGRAFIA. Principia-se a aquisição de dados. Nas janelas de 20 situação da tomografia são informados o ângulo de varredura, a posição linear, o número de fótons lidos na posição presente e a mensagem

TOMOGRAFIA EM ANDAMENTO. Ao final da aquisição, a mensagem

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anterior é substituída por TOMOGBAFIA CONCLUÍDA. Pode-se iniciar uma nova aquisição, com novos parâmetros e um novo arquivo de saída, ou sair do programa micro.exe, através da opção ENCERRAMENTO DO PROGRAMA._.Q_ usuáriojexeçuta, então,., o programa de reconstrução e de 5 visualização da imagem (microns.exe).

A cal[bração_çlo_ sistema é efetuada utilizando-se amostras de materiais homogêneos, cujas densidades e coeficientes de atenuação são conhecidos.

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REIVINDICAÇÕES

1) "Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária", composto de um sistema de Raios-X (1), cujos fótons, após passarem por um colimador de chumbo (2), atravessam um 5 filtro (19), que transforma a radiação, de um espectro amplo de energias, para uma radiação quase-monoenergética. Estes fótons passam por um colimador (3), produzindo-se um feixe fino. Este feixe incide sobre uma amostra que poderá absorvê-lo em parte, permitindo que uma outra parte a atravesse. Os fótons que atravessam a amostra passam pelo segundo 10 colimador (4) e incidem sobre o detector de Raios-X ou gama (5), gerando pulsos de amplitudes proporcionais à suas energias. A fotomultiplicadora do detector é polarizada por uma fonte de alta tensão (6). 0 sistema é gerenciado por um microcomputador (12) que controla os movimentos, a aquisição de dados e armazena os dados adquiridos. 0 "Tomógrafo 1 5 computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária" é caracterizado por uma mesa posicionadora, de alta resolução, composta de controlador do estágio rotativo (8), controlador do estágio linear (9), estágio rotativo (10) com resolução de 0,1°, e estágio linear (11) com resolução de 1,25 pm.

20    2) . 0 "Tomógrafo computadorizado de resolução, micrométrica

para uso em agropecuária", conforme reinvindicação 1, é caracterizado por uma placa multicanal (7), que pré-amplifica e amplifica os pulsos

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provenientes da fotomultiplicadora do detector e que permite fazer a seleção da faixa de energia e a contabilização dos fótons.

3)    O "Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária" ", conforme reinvindicação 1, é caracterizado

5 por um sistema de medição do paralelismo do feixe com a mesa.

4)    O "Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária" ", conforme reinvindicação 1, é caracterizado por colimadores com diâmetros de 100 pm (20), podendo um deles ser visto na Figura 7, confeccionados em corpo de latão com uma oclusão em

10 chumbo de 0,5mm de espessura, onde é feito o furo com o dispositivo mostrado na Figura 8. O colimador é fixado dentro de um suporte (25). 0 dispositivo constitui-se de um mancai (23), de latão, e uma broca de aço (22), de 0,100 mm.

5)    O "Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica 15 para uso em agropecuária", conforme reinvindicação 1, é caracterizado

por colimadores com diâmetros inferiores a 60 pm (21), podendo um deles ser visto na Figura 7 e esquematizado na Figura 9. Estes colimadores são confeccionados com um compósito (29) de resina epoxy e Pb02, aplicado em torno de um fio de cabelo (26), dentro de um corpo de latão (30). O fio 20 de cabelo é tracionado e alinhado por um estrutura em formato de "C" (28) e dois prendedores (27 e 31). 0 colimador é fixado dentro de um suporte

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6) 0 "Tomógrafo computadorizado de resolução micrométrica para uso em agropecuária" ", conforme reinvindicação 1, é caracterizado por permitir investigar o interior de solos e outras amostras porosas, de maneira não invasiva, em nível de grãos, poros e topologia da interface 5 destes.

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Figura 1



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Figura 5


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Figura 7



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Figura 9



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Figura 11

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RESUMO

"TOMÓGRAFO COMPUTADORIZADO DE RESOLUÇÃO MICROMÉTRICA PARA USO EM AGROPECUÁRIA"

Desenvolvido para possibilitar a investigação, em laboratório, das 5 propriedades físicas do solo, em nível de grãos e poros, bem como das interações entre raízes e solo. As imagens tomográficas permitirão visualizar e quantificar grãos e agregados de solo, poros e a topologia da interface deste sistema. Anteriormente, as investigaçõ_es do interior do solo eram feitas utilizando-se técnicas invasivas ou técnicas que permitiam 10 medir somente parâmetros médios globais ou em escalas iguais ou superiores à milimétrica. Caracteriza-se, além da aplicação em nível micrométrico, por possuir uma mesa posicionadora de altas resoluções angular (0,1°) e linear (1,25pm}, por possuir uma placa multicanal que permite contabilizar os fótons e fazer ajustes no sistema e por possuir 15 colimadores de alta resolução (60p_m_ e 100p.m}., fabricados em laboratório. 0 equipamento utiliza a técnica da tomografia computadorizada, onde contabilizam-se os fótons que atravessam uma amostra e,_ através do seu processamento em microcomputador, reconstrói-se a imagem da secção transversal da amostra no plano do feixe de raios X.