ВведениеХимическая неоднородность в пространственных измерениях является распространенной проблемой при использовании биоматериалов, таких как древесина. Структурная и полимерная анизотропность возникает в натуральной древесине, например, через распределение экстрактивных веществ сердцевины, а также может быть результатом обработки древесины, например, химическими агентами в процессе пропитки. Помимо современных процессов, которые создают функциональные материалы из древесной основы зависящих от процесса распределение химических веществ также актуальны в традиционных пропиточных обработках древесины, которые предотвращают быструю деградацию при наружном применении. Выявление областей применения древесных материалов с недостаточным или чрезмерным поглощением химических веществ требует современных методов химической и физической визуализации для анализа химических свойств образца в пространственных измерениях. Однако применение таких методов визуализации к древесине затруднено из-за ее сложного иерархического, анизотропного построения. Древесина выглядит как компактное твердое тело в макроскопическом масштабе, но состоит из длинных и полых клеток на микроскопическом уровне. Например, клетки волокон в лиственных породах древесины обычно имеют длину 0,5–2 мм и диаметр 10–60 мкм. Поэтому химическую неоднородность необходимо учитывать на макроскопическом уровне древесного продукта в масштабе нескольких миллиметров и более, а также по клеткам в микронном масштабе (Brunswick P. et al., [1] и Deklerck V. et al, [2]).Ярким примером процесса обработки, основанном на равномерном распределении химического вещества в древесине на разных пространственных уровнях, является пропитка термореактивными смолами, такими как фенолформальдегидная смола. Пропитка не только повышает твёрдость древесины, но и защищает её от грибкового поражения и изменений размеров, вызванных поглощением воды. При модификации пропиткой древесину сначала пропитывают водным раствором мономера или олигомера фенолоформальдегидной-смолы с помощью вакуума и/или давления. Затем пропитанную древесину высушивают, а смолу отверждают при нагревании, чтобы сформировать крупные макромолекулы, которые необратимо фиксируются в структуре древесины. Условия пропитки и этап термической обработки определяют распределение смолы (или других химических веществ) в обработанной древесине на макроскопическом и клеточном уровнях (Томина и др. [25]).На микроскопическом уровне проникновение термореактивной смолы в клеточную стенку древесины является необходимым условием для достаточной защиты. Смола заполняет пространство в клеточных стенках, которое в противном случае занимала бы вода, и древесина остается в постоянно набухшем состоянии. Это повышает стабильность размеров и устойчивость обработанной древесины к гнилостным грибам. Однако распределение смолы на макроскопическом уровне, в масштабе нескольких миллиметров или сантиметров, не менее важно. В этом масштабе градиенты нагрузки смолой могут приводить к пространственным различиям в усадке и, следовательно, создавать напряжения, сотовые расщелины и трещины. Сильно модифицированные поверхностные слои также могут не препятствовать гниению в менее модифицированных внутренних слоях обработанной доски, поскольку гнилостные грибы могут проникать через участки древесины с высокой степенью модификации, чтобы добраться до других участков обработанной древесиныНа сегодняшний день наиболее распространенным методом исследования структурных особенностей пород древесины является разрушающий отбор проб образцов и изучение анатомических особенностей древесины в процессе микроскопии. Во многих областях отбор образца для деструктивного анализа не представляет проблемы. Однако в других случаях (например, культурные объекты) даже небольшой образец представляет собой значительный разрыв в исходном материале и необратимое изменение целостности объекта.Для удовлетворения потребности в неразрушающей идентификации древесины, исследуются и разрабатываются инструменты неразрушающего анатомического анализа. Например, химическое профилирование с использованием масс-спектрометрии всё чаще применяется для идентификации древесины (Shang D. et al. [3]). Совсем недавно для изучения анатомии древесины была применена микромагнитно-резонансная томография (Stagno V. et al. [4]). Однако разрабатываемые способы имеют определенные ограничения.Метод рентгеновской томографии на сегодняшний день является наиболее разработанным методом неразрушающего исследования внутренней структуры древесины. Этот инструмент позволяет визуализировать те же анатомические особенности, что и стандартный микроскопический анализ. При первом внедрении рентгеновской КТ в медицине качество сканирования было слишком низким, чтобы визуализировать древесину для получения какой-либо анатомической информации. По мере развития технологий, а впоследствии и улучшения качества сканирований, рентгеновская КТ была применена при исследованиях тканей растений ([Frias M. et al., [5], Duncan K. E. et al. [6], Dierickx S. et al.[7]). Начиная с 2009 года были опубликованы многообещающие эксперименты и тематические исследования, доказывающие жизнеспособность метода описательной и количественной идентификации древесины (Rankin K. E. et al. [8], Stelzner J. et al. [9]). Поскольку метод рентгеновской томографии позволяет различить плотности веществ, в связи с чем его возможно применять для контроля качества пропитки древесины.Компьютерная рентгеновская микротомография является удобным инструментом неразрушающего контроля, в литературе встречается достаточно работ по исследованиям строения древесины и ее пористости. (Koddenberg T., Zauner M., Militz H. [10], Karahara I. et al. [12], Hwang S. W., Tazuru S., Sugiyama J. [11,13]).Недавние опубликованные исследования, несмотря на низкое разрешение по сравнению с современными технологиями, показывают, что данную неразрушающую технологию можно систематически использовать для выявления наличия или отсутствия следов ветвления, то есть неровностей, связанных с ветвлением, таких как сучки, в дубе. В последние годы рентгеновская микротомография высокого разрешения показала себя как перспективный метод для количественного анализа анатомии растений и древесины. Авторы одного из исследований смогли визуализировать трёхмерную структуру различных растений, таких как секции пальмы, дуба, ананаса, цветка тюльпана и соцветия Leucospermum tottum, с использованием относительно низкого линейного разрешения в 50 микрометров. Для изучения внутренней структуры древесины, были созданы трёхмерные модели срезов бука, дуба, сердцевины ели, пихты Дугласа, сосны обыкновенной, тика и эвкалипта, а также арабидопсиса, который не является древесным растением.Можно считать, что метод компьютерной рентгеновской микротомографии достаточно молодой и не обладает, практически – не включает в себя стандартов, которые давали бы одинаковые результаты анализа. Это связано, во-первых, с широким разнообразием конфигураций компьютерных рентгеновских микротомографов, которые отличаются своей конфигурацией и вшитыми в программное обеспечение режимами сканирований, реконструкции и обработки данных. Кроме этого, каждое сканирование образцов является практически уникальным, так как на конечный результат могут повлиять такие факторы как температура, микродвижения образца во время сканирования, износ томографической камеры и рентгеновской трубки и другие. Все эти факторы вызывают различные артефакты при сканировании, которые не всегда возможно устранить. Очень распространенная и дискуссионная тема связана с определением градации серого цвета для математических расчётов геометрических свойств того или иного элемента образца. Существуют различные подходы с использованием нейросетей, математических алгоритмов автоматизированного выбора, например градации серого цвета пор, но общепринятой методикой исследования на сегодняшний день является определение градацией «на глаз» оператора микротомографа. (Ponomarev A. et al. [14], Герке К.М. [15]).Задачей с точки зрения компьютерной рентгеновской микротомографии в контексте данного исследования выступило изучение морфологических особенностей пустотного пространства древесины с оценкой открытой пористости, распределения пор по размерам, а также с отдельным анализом пустотного пространства с пространственным определением и оценкой размеров пор заполненных пропиткой и пустых пор. Также наша группа исследователей выполнила 3D моделирование древесины без пропитки, с пропиткой с отдельной сегментацией пропитки в порах.