LASSO, P. R. O.

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lU)IimMinistério daCiência e TecnologiaII.lfAL.Il.AçJ.omrsn Unlvef"S&'acIe leunl'@docu,â'"~~~,!~~~&jXMXXXII CONGRESSOBRASILEIRODE CIÊNCIA DO SOLOo SOLO E A PROOUÇÃODE BIDENERGIA,PERSPECTIVAS E DESAFIOS2 .1 de '2051, d. 2009f,rt.lm-CECONFEA.CR~~CEMini!;tério daAgncuíturil, Pecuáriae Abastecimento'rIftIlÇ)f:mSociedade Brasileira demCiência do Solo Universidade Federaldo CearA·Rul.inç~IUFC/'.~/Otimização de Parâmetros para Aquisição de Imagens Tomográficasde Amostras de SoloPAULO RENATO ORLANDI LASSO(I), CARLOS MANOEL PEDRO VAZ(2) & OSNY OLIVEIRASANTOS BACCHl(3)RESUMO - A tomografia computadorizada tem semostrado uma poderosa ferramenta para análise nãodestrutiva do solo, permitindo a visualização de suaestrutura interna (organização dos agregados, poros,canais, presença de raízes, sementes, insetos, etc.).Além disso, permite a medida de atributos físicos dosolo como a densidade, umidade e porosidade. estetrabalho é mostrado um estudo sobre os efeitos dosdiversos parâmetros que devem ser ajustados noequipamento para a aquisição das imagenstomo gráficas de solo, sobre o tempo necessário à cadaaquisição bem como sobre a qualidade das imagensobtidas. Adotaram-se como indicadores de qualidade aclareza visual das imagens e a definição dos picos dohistograma de coeficientes de atenuação. A partir dosresultados, é possível concluir que qualidades melhoressão obtidas em aquisições com rotações de 360°, com autilização de filtros de alumínio ou alumínio + cobre eque a qualidade melhora com o aumento do número dequadros (jrames) utilizados para média até o limite de15 quadros. Entretanto, concluiu-se também quemedidas para melhorar a qualidade das imagensacarretam, em geral, maiores tempos de duração dasaquisições.Palavras-Chave: (solos; imagens; tomografia,raios X)IntroduçãoA tomografia computadorizada de raios-X é umatécnica que permite a visualização de seçõestransversais e a medida de parâmetros morfológicos dointerior de materiais sem destruí-los. É também umatécnica de caracterização e medida de atributos fisicosde amostras de diferentes materiais. O princípio defuncionamento do microtomógrafo de raios-X baseia-se na propriedade dos materiais absorverem estaradiação de forma diferenciada dependendo de suacomposição química e densidade.A tomografia computadorizada de raios-X foiprimeiramente introduzida na área de diagnósticomédico onde foi bastante difundida, causando grandeimpacto na qualidade dos diagnósticos chegando aoponto de seus idealizadores serem agraciados com oPrêmio obel de Medicina em 1979.Particularmente na área de ciência do solo, houvegrande avanço na utilização da tomografiacomputadorizada para o estudo de processos de infi Itraçãode água no solo e de medida de outros atributos físicoscomo a densidade, umidade e poros idade. Esses trabalhosforam pioneiramente desenvolvidos na década de 80 porPetrovic et aI. (1982) [I], Hainsworth e Aylmore (1983)[2] e Crestana et aI. (1986) [3].A qualidade das imagens tomográficas depende doadequado ajuste dos parâmetros de aquisrçao doequipamento como: o ângulo de rotação da amostra, ofiltro selecionado para ajustar a banda de energias dos raiosX e o número de quadros iframes) utilizados no processode média a fim de melhorar a relação sinal/ruído dasimagens.Por outro lado, o tempo de aquisição das imagens étambém afetado pelo conjunto de parâmetros selecionados.Este tempo é um fator importante, pois tem impacto diretona vida útil do tubo de raios X que é o componente maiscaro do sistema.Neste trabalho é realizado um estudo sobre os efeitosdos parâmetros: ângulo de rotação da amostra, filtroselecionado e o número de quadros (jrames) utilizadossobre a qualidade das imagens obtidas e sobre o tempo deaquisição das imagens, buscando verificar oscompromissos existentes entre eles visando sua otimização.Material e MétodosAs imagens tomográficas foram obtidas com oMicrotomógrafo de Raios X modelo 1172 de fabricação daSkyScan instalado no Laboratório de Técnicas Nuclearesda Embrapa Instrumentação Agropecuária na cidade deSão Carlos - SP, seguindo as orientações de SkyScan(2005)[4] e Lasso et aI. (2008) [5].Como amostra foi utilizado um torrão de NitossoloVermelho eutroférrico em forma cilíndrica comaproximadamente 2cm de diâmetro e 3cm de alturamostrado na Figura I, já no suporte de amostras domicrotomógrafo.A tensão e corrente de trabalho do tubo de raios X sãorespectivamente 100kV e 100~A. Foram obtidas imagenscom resolução de Sum variando-se os seguintesparâmetros: I) Ângulo de rotação (180° e 360°), 2) Filtro(I) Doutorando do Departamento de Fisica do Solo, Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo. Av. Centenário, 303,Campus da ESALQ, Piracicaba, SP, CEP 13400·970. Evmail: lasso@cnpdia.embrapa.br(1) Pesquisador Doutor da Embrapa Instrumentação Agropecuária, Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária. Ria XV de Novembro, 1452, SãoCarlos, SP, CEP 13561·206.(3) Professor Doutor MS III do Departamento de Fisica do Solo, Centro de Energia Nuclear na Agricultura, Universidade de São Paulo. Av.Centenário, 303, Campus da ESALQ, Piracicaba, SP, CEP 13400-970.Apoio financeiro: FINEP e EMBRAPA.(sem filtro, filtro de alumínio e filtro de alumínio +cobre) e 3) Número de quadros (jrames) para oprocesso de média (5, 10, 15 e 20 quadros).Adotaram-se como indicadores de qualidade, aclareza visual das imagens e a definição dos picos nohistograma de coeficientes de atenuação obtidos paracada imagem. Cada pico deste histograma estárelacionado a um determinado tipo de material daamostra; assim, quanto mais definidos e separados sãoestes picos, melhor é a definição da imagem quanto aosdiferentes materiais existentes na amostra.ResultadosOs tempos de duração das aquisições em função de cadaparârnetro selecionado são mostrados na Tabela I.As imagens tomográficas e histogramas decoeficientes de atenuação obtidos com ângulos derotação da amostra de 180° e 360° são mostrados naFigura 2.As imagens tomo gráficas e histogramas decoeficientes de atenuação das seções transversais denúmero 62, 559 e 730 obtidas com os modos: semfiltro, filtro de alumínio e filtro de alumínio + cobresão mostradas na Figura 3.As imagens tomográficas e histogramas decoeficientes de atenuação obtidos com 5, 10 15 e 20quadros, bem como os gráficos da média doscoeficientes de atenuação e do seu desvio padrão emfunção do número de quadros são mostrados na Figura4.DiscussãoNa Figura 2 observa-se que a utilização do ângulode rotação de 360° melhorou a definição da imagem eaumentou a separação entre os picos dos histogramasde coeficientes de atenuação, definindo-os melhor emrelação ao uso do ângulo de rotação de 180°. Alémdisso, a utilização do ângulo de rotação de 360°praticamente dobrou o tempo de aquisição das imagensem relação ao uso do ângulo de rotação de 180°,conforme se observa na Tabela I.De acordo com os histogramas de coeficientes deatenuação mostrados na Figura 3, o filtro de alumínio(AI) é o que melhor separa e define os picos enquantoque a pior situação é quando não se usa filtro nenhum(No). Entretanto, as imagens obtidas com o filtro dealumínio + cobre (AI + eu) são as que apresentarammelhor qualidade visual, com melhor contraste emelhor definição das bordas dos agregados. Segundo aTabela I, as aquisições com filtro de alumínio (AI) esem uso de filtro (No) gastaram o mesmo tempo de 33minutos, sendo praticamente 50% do tempo gasto pelaaquisição com o filtro de alumínio + cobre (AI + Cu).A Figura 4 mostra imagens obtidas com o número dequadros crescente (5, 10, 15 e 20 quadros). O histogramade coeficientes de atenuação para 5 quadros apresentaapenas um pico e desvio padrão alto. Entr tanto, a medidaque o número de quadros aumenta, o histograma começa aesboçar a existência de dois picos sobrepostos e o desviopadrão diminui, indicando melhoria na definição daimagem. A partir de 15 quadros pode-se considerar quenão há mais ganhos, pois o desvio padrão fica constante.Os dados da Tabela I mostram que o tempo dasaquisições é diretamente proporcional ao número dequadros utilizados. Esta relação pode ser expressa pelaEquação I, com R2 igual a 0,99.t = 2,34 q + 5 (I)Onde t é o tempo das aquisições e q é o número de quadros(frames) utilizados no processo de médias.ConclusõesCom base nos resultados apresentados, é possívelconcluir que o melhor conjunto de parâmetros para fazeraquisição de imagens tomográficas de amostras de soloscom o microtomógrafo SkyScan modelo I 172 é: ângulode rotação da amostra de 360°, utilização de filtro dealumínio ou alumínio e cobre e uso de 15 quadros(jrames) para o processo de média.AgradecimentosOs autores agradecem pelo apoio financeiro à FINEP(processo 01.06.0555.00) e à EMBRAPA.Referências[I] PETROVIC, A. M.; SIEBERT, J. E.; RIEKE, P. E. Soil bulkdensity in three dimensions by cornputed tomographyscanning. Soil Science Society of America Journal, Madison, v.46, p. 445-450, 1982.[2] HAINSWORTH, J. M.; AYLMORE, L. A. G. The use ofcomputer-assisted tomography to determine spatial disrributionof soil water contento Australian Journal 01 Soi! Research,Victoria, v. 21, p. 435-440, 1983.[3] CRESTANA, S.; CESAREO, R.; MASCARENHAS, S. Usinga computed miniscanner in soil science. Soil Science,Baltimore, v. 142, p. 56-61,1986.[4] SK YSCAJ'I. Skyscan 1172: Desktop X-ray microtomograph:instruction manual. Aartselaar, c2005. 54 p.[5] LASSO, P R. O.; VAZ, C. M. P.; NAIME, J. de M.Recomendações para utilizaçâo do microtomàgrofo de raios-XSky Scan 1172 em ciências agrárias e biológicas. São Carlos,SP: Embrapa lnstrumentação Agropecuária, 2008. 22 p.(Embrapa lnsrrurnentação Agropecuária. Documentos, 37).Tabela 1. Tempos de duração das aquisições em função do ângulo de rotação da amostra, do tipo de filtroselecionado e do número de quadros utilizados para o processo de média.Angulo de rotação da Filtro selecionado Número de quadros utilizadosamostra180° -7 33 mino Sem filtro -7 33 mino 5 Quadros -7 17 mino360° -7 62 mino Alumínio -7 33 mino 10 Quadros -7 28min.Alumínio. + cobre -7 61 mino 15 quadros -7 40 mino20 quadros -7 52 minoFigura 1. Amostra de Nitossolo Vermelho eutroférricoutilizada nos experimentos, já posicionada no portaamostras do microtomógrafo.4 -soi 360·-air360·soi180·3 -a"180·111C:::::Io 2u~O000 0.01 0.02 0.03 004 0.05~ (em")Figura 2. Imagens tomográficas.e histogramas de coeficientes de atenuação obtidos com ângulos de rotaçãoda amostra de 180° e 360°.nomer no Mer 35no filter3.0 35-501 3.0 -soil2.5 3025 2.520(f) (f) 2 O(f)2.0C C C:::J 1.5 :::J :::Jo o 1 5 o 1 5o o o~ 1 O ~ 1.01 O0.5 05 0.500 O O 0.00.0 02 000 0.02 0.04 0.06 0.00 0.01 002 0.03 0.04iJ.(cm"') iJ.(cm"') iJ.(cm"')Figura 3. Imagens tomográficas e histogramas de coeficientes de atenuação obtidos com os modos: sem filtro,filtro de alumínio e filtro de alumínio + Cobre.0.123.0 -------.--lC ltill_1I2.5 -H5lt_t, 0102.0 -1.5 ·E 008~ -_-501.0"-0.5006 .-------.00 ----------00400 01 0.2 0.3 • 6 8 10 12 1• 16 18 20 22iJ.(cm"') #framesFigura 4. Imagens tomográficas e histogramas de atenuação obtidos com 5, 10 15 e 20 quadros, bem como osgráficos da média dos coeficientes de atenuação linear e do seu desvio padrão em função do númerode quadros.

Otimização de parametros para aquisição de imagens tomográficas de amostras de solo.

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