工業(yè)CT技術(shù)和原理

前言

工業(yè)計算機斷層成像（industrial cornputed tomography）簡稱工業(yè)CT，是一種依據(jù)外部投影數(shù)據(jù)重建物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像的無損檢測技術(shù)。工業(yè)CT出現(xiàn)的時間雖比目前醫(yī)院里常用的醫(yī)用CT稍晚，也有30多年的歷史了，但其在我國的“知名度”遠不及醫(yī)用CT，只是近年來才開始受到越來越多無損檢測人員的關(guān)注。目前醫(yī)用CT已經(jīng)成為不可缺少的臨床診斷工具，對其發(fā)展做出重要貢獻的Comack和Hounsfield得到了科學界最高榮譽獎——諾貝爾獎。實際上，工業(yè)CT是一種有廣泛應用前景的檢測工具，有著其他無損檢測手段所不具備的許多重要功能。在國外，工業(yè)CT不僅已經(jīng)應用到航空航天、火工品、精密機械等重要產(chǎn)品的檢測方面，還用到汽車、石油、地質(zhì)、考古、木材等許多領域。近年來國內(nèi)關(guān)于它的應用和發(fā)展也很迅速。利用工業(yè)CT可以非接觸、非破壞地檢測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，得到?jīng)]有重疊的數(shù)字化圖像，不僅可以精確地給出物體內(nèi)部細節(jié)的三維位置數(shù)據(jù)，還可以定量地給出細節(jié)的輻射密度數(shù)據(jù)，最后一點是任何其他無損檢測手段所不具有的重要特點，在這方面與醫(yī)用CT幾乎是一樣的。另外，工業(yè)CT的檢測對象要比醫(yī)用CT廣泛得多，從微米級的集成電路到直徑1m以上的大型工件，從密度低于水的木材或其他多孔材料到高原子序數(shù)的重金屬材料，都是工業(yè)CT的檢測對象。工業(yè)CT的檢測要求從各類內(nèi)部缺陷到裝配結(jié)構(gòu)和尺寸測量也各不相同。這就使不同用途的工業(yè)CT系統(tǒng)所用的射線源、射線探測器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與醫(yī)用CT很不相同，即使不同用途的工業(yè)CT系統(tǒng)之間往往也有很大差別。從這個意義上說，理解工業(yè)CT比理解醫(yī)用CT更加困難。

內(nèi)容概要

　　《工業(yè)CT技術(shù)和原理》結(jié)合作者約20年來從事工業(yè)CT科研和制造工作的經(jīng)驗和體會，對工業(yè)CT的理論基礎、基本技術(shù)作了比較系統(tǒng)的介紹?！豆I(yè)CT技術(shù)和原理》分為入門篇和中級篇兩部分。入門篇著重介紹工業(yè)CT理論和實際應用中最基礎的概念，盡可能減少數(shù)學推導和涉及原子核物理學方面專門知識，主要面向一般工程技術(shù)人員，使具有大專水平甚至高中數(shù)理基礎的人員都可以讀懂。中級篇論述了工業(yè)CT技術(shù)中稍微深入一些的問題，并在最后對三維圖像、反向工程及相襯CT等較新技術(shù)也作了簡要介紹，為希望進一步鉆研CT技術(shù)的人員提供進入專業(yè)學習的橋梁?！豆I(yè)CT技術(shù)和原理》可用作CT設計研究人員或大專院校研究生參考書。

書籍目錄

前言入門篇第1章 引言1.1 從“盒子里裝的是什么”談起1.2 用未知數(shù)X定義的射線1.3 無膠片照相技術(shù)1.4 “要把西瓜切開才能看清楚”1.5 傳統(tǒng)斷層成像技術(shù)1.6 怎樣才能免除重疊圖像的干擾1.7 歷史性的突破1.8 現(xiàn)代工業(yè)CT實例參考文獻第2章 預備知識2.1 數(shù)字化圖像2.2 投影2.3 理解圖像重建的概念2.4 投影數(shù)據(jù)和正弦圖2.5 與CT應用相關(guān)的幾個物理問題2.5.1 射線與物質(zhì)的相互作用2.5.2 不可抗拒的統(tǒng)計規(guī)律2.5.3 部分體積效應2.5.4 射線的多色性和硬化參考文獻第3章 工業(yè)CT的基本組成3.1 工業(yè)CT常用的兩種掃描模式3.2 工業(yè)CT系統(tǒng)常用的射線源3.3 射線探測器和準直器3.3.1 分立探測器3.3.2 面探測器3.3.3 準直器3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3.5 掃描機械系統(tǒng)3.6 計算機硬件和軟件3.7 輔助系統(tǒng)（輔助電源和安全系統(tǒng)）參考文獻第4章 工業(yè)CT系統(tǒng)的性能和指標4.1 工業(yè)CT的性能參數(shù)概述4.2 圖像對比度4.3 點擴散函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)4.3.1 點擴散函數(shù)對CT圖像的影響4.3.2 調(diào)制傳遞函數(shù)對CT圖像的影響4.4 噪聲對CT圖像的影響4.5 CDD曲線4.6 偽像概述4.7 工業(yè)CT系統(tǒng)的驗收和指標測定4.7.1 檢測空間分辨率的傳統(tǒng)模體和方法4.7.2 檢測密度分辨率的傳統(tǒng)模體和方法4.7.3 圓盤法檢測空間分辨率和密度分辨率參考文獻第5章 工業(yè)CT的安裝、調(diào)試和使用5.1 安裝安全注意事項5.2 工業(yè)CT的安裝與預調(diào)5.2.1 土建施工5.2.2 主體設備機械安裝5.2.3 主機設備電器安裝5.2.4 機電系統(tǒng)冷運行5.2.5 X射線機出束試驗和正式運行前的輻射安全檢查5.2.6 探測器一準直器位置的進一步調(diào)整5.3 工業(yè)CT系統(tǒng)的精細調(diào)整5.3.1 探測器效率校正5.3.2 DR掃描流程和工業(yè)CT各種掃描流程調(diào)試5.3.3 旋轉(zhuǎn)中心位置的確定——薄壁圓筒法5.3.4 旋轉(zhuǎn)中心在不同掃描位置下的校正5.4 CT系統(tǒng)總體性能指標測定和功能調(diào)試5.4.1 工業(yè)CT切層位置的確定5.4.2 CT值的標準化處理和標定5.4.3 功能調(diào)試和總體性能指標測定5.5 工業(yè)CT運行操作5.5.1 工業(yè)CT系統(tǒng)運行需要注意的事項5.5.2 工業(yè)CT系統(tǒng)工作流程5.6 工業(yè)CT的輻射安全措施5.6.1 安全系統(tǒng)的構(gòu)成5.6.2 安全聯(lián)鎖及故障處理流程5.7 工業(yè)CT測試結(jié)果的觀測參考文獻第6章 工業(yè)CT系統(tǒng)的選擇和設計6.1 工業(yè)CT系統(tǒng)的兩類技術(shù)參數(shù)6.2 空間分辨率和技術(shù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系6.3 密度分辨率和技術(shù)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系6.4 選擇CT系統(tǒng)時值得注意的幾個問題6.4.1 工件尺寸對系統(tǒng)性能的影響6.4.2 探測器尺寸及數(shù)量的選擇6.4.3 測試技術(shù)指標時的技術(shù)條件6.4.4 三維圖像重建和三維反演技術(shù)的應用6.4.5 DR方法的有限檢測能力6.4.6 掃描方式的選擇6.5 工業(yè)CT系統(tǒng)設計舉例參考文獻中級篇第7章 CT掃描數(shù)據(jù)采集技術(shù)7.1 X射線在物質(zhì)中的能量轉(zhuǎn)移7.2 比釋動能和X射線強度的估算方法7.3 輻射探測器7.3.1 工業(yè)CT用輻射探測器的主要特點7.3.2 工業(yè)CT常用輻射探測器7.4 探測器效率7.4.1 量子轉(zhuǎn)換效率7.4.2 準直器7.4.3 x射線在探測器陣列中的能量沉積7.5 輻射探測器測量數(shù)據(jù)的預處理7.5.1 射線源強度的校正7.5.2 輻射探測效率器的能量響應特性的校正7.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電子電路7.6.1 關(guān)于電子電路的基本考慮7.6.2 電子電路的結(jié)構(gòu)參考文獻第8章 工業(yè)CT圖像重建算法8.1 預備知識8.1.1 Radon變換8.1.2 Fourier變換8.1.3 中心切片定理8.2 平行束投影的幾種重建算法8.2.1 直接Fourier變換重建算法8.2.2 濾波反投影重建算法8.2.3 Radon反演算法8.3 平行束投影的反投影濾波重建算法8.3.1 一元函數(shù)的Hilbert變換8.3.2 有限區(qū)間上的Hilbert逆變換8.3.3 圖像的Hilbert變換8.3.4 圖像的Hilbert變換圖像與投影的關(guān)系8.4 扇束濾波反投影重建算法8.4.1 扇束掃描幾何參數(shù)和坐標系統(tǒng)8.4.2 扇束濾波反投影重建公式8.5 RT掃描模式的反投影濾波重建算法8.5.1 轉(zhuǎn)臺多次偏置的RT掃描模式8.5.2 轉(zhuǎn)臺單側(cè)多次偏置的RT掃描的DBP公式8.5.3 算法實現(xiàn)步驟8.5.4 數(shù)值實驗8.6 迭代重建算法8.6.1 CT圖像重建離散模型8.6.2 離散模型的常用求解方法8.6.3 代數(shù)重建算法8.6.4 優(yōu)化問題和：Richardson迭代算法8.6.5 EM迭代算法8.6.6 子集排序迭代算法8.7 錐束CT重建算法簡介參考文獻第9章 計算機仿真與CT偽像9.1 計算機仿真9.2 計算機仿真在工業(yè)CT中的應用9.3 仿真頭部模型和仿真數(shù)據(jù)的產(chǎn)生9.4 物理相關(guān)性能的計算機仿真9.5 CT偽像的仿真實驗9.6 偽像形貌分類參考文獻第10章 CT相關(guān)技術(shù)10.1 三維圖像的顯示(可視化)方法10.1.1 基于等值面的體繪制10.1.2 直接體繪制第11章 相襯CT

章節(jié)摘錄

插圖：入門篇第1章 引言1.1　從“盒子里裝的是什么”談起在1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以前，想要在不打開盒子的情況下看清盒子里放的東西，幾乎是不可能的，除非盒子是用透明材料做成的。如今在車站或機場，不用打開旅客的行李進行安全檢查，已經(jīng)司空見慣了。在人類的科學研究、生產(chǎn)活動乃至醫(yī)療診斷中，類似“不打開盒子看清盒子里的東西”的問題可以說是成千上萬，隨時可以碰到。這種技術(shù)用一個術(shù)語來概括，叫做“無損檢測”?！盁o損檢測”這個術(shù)語最先出現(xiàn)在材料科學領域。因為任何材料嚴格地說都不是完美無缺的，所以人們在使用這些材料時，自然會想到材料內(nèi)部不可避免存在的各種缺陷對它們的應用到底有沒有影響，或者說有多大的影響。作為問題的第一步自然是首先要弄清缺陷的大小、形狀、數(shù)量、位置以及它們的性質(zhì)，也就是所謂“探傷”，然后才有可能進一步對缺陷的影響作出“評價”。所謂“無損檢測”首先是相對于“有損檢測”來說的。例如，檢測一塊鑄鐵毛坯，要查清內(nèi)部的氣孔，將其一片片地鋸開固然是一種辦法；然而，這樣做不僅費工費時，材料也因被徹底破壞而無法使用。人們當然不會百分之百地把每個產(chǎn)品都如此檢查一遍，只能對于每種產(chǎn)品的不同批號、不同原料或者不同工藝進行抽樣檢查。在沒有找到更好的方法以前，這種看似愚笨的方法對于大規(guī)模生產(chǎn)過程來說，也是一種辦法，抽樣檢查的結(jié)果從統(tǒng)計學的觀點看還是具有指導意義的。然而抽樣方法的檢測畢竟只具有統(tǒng)計意義，并不能完全代表未經(jīng)檢測的那些產(chǎn)品的質(zhì)量，抽樣的比例越小代表性越差。這樣的檢測方法對于重要性一般的產(chǎn)品，對于那些損壞后僅僅會造成有限經(jīng)濟損失的產(chǎn)品是可以接受的；如果對于重要性高的材料或零件，致命的缺陷可能意味著嚴重的后果。例如，飛機上小小零件的損壞很可能帶來機毀人亡的重大事故，這時抽樣檢測方法就顯得可靠性不夠了。人們顯然需要尋找更好的非破壞檢測方法，也就是“無損檢測”方法，它不僅可以節(jié)約成本，還能保證所使用的材料或零件具有更高的可靠性。

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《工業(yè)CT技術(shù)和原理》的目標在于系統(tǒng)介紹工業(yè)x射線CT的必要知識，幫助讀者建立清晰的整體概念，提供進一步學習和研究的“接口”?！豆I(yè)CT技術(shù)和原理》共11章，分入門篇和中級篇兩個部分。入門篇從實用角度詳細地介紹了工業(yè)CT的基本知識；中級篇概要地論述了數(shù)據(jù)采集和圖像重建算法等工業(yè)CT的關(guān)鍵技術(shù)、計算機仿真。CT偽像和三維顯示等較深入的相關(guān)問題以及相襯CT的基本概念。

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