核技術(shù)應(yīng)用及進展2成像技術(shù)

核技術(shù)應(yīng)用及進展2成像技術(shù)第1頁/共125頁2內(nèi)容：CT概述CT的發(fā)展歷史核成像技術(shù)的基本原理CT的優(yōu)點和局限性CT的分類醫(yī)學(xué)CT工業(yè)CT第2頁/共125頁3CT概述CT——“計算機斷層掃描成像”（是計算機與放射學(xué)結(jié)合的產(chǎn)物）ComputerizedTomography或ComputedTomography其它名稱和縮寫符號：“計算機輔助成像”(CAT)；“重建成像”（RT）；“計算機斷面成像”(CTT)；“計算機軸向斷面成像”（CTAT）。1974年5月，加拿大蒙特利爾召開的第一次國際專題討論會上，將這種顯像診斷技術(shù)正式統(tǒng)一為“CT”。第3頁/共125頁4CT的發(fā)展歷史1895年11月，倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，并用X射線拍攝了一張他夫人的手的骨骼影像，開創(chuàng)了放射診斷的紀(jì)元。第4頁/共125頁5CT的發(fā)展歷史1917年，奧地利數(shù)學(xué)家雷登（J.Radon）發(fā)現(xiàn)對二維或三維物體可以從各個方向上投影，利用數(shù)學(xué)計算方法能夠得出重建圖像，并提出了Radon變換，但由于理論需要大量數(shù)學(xué)運算而未被重視。雷登圖像重顯理論，當(dāng)時應(yīng)用于無線電天文學(xué)的圖像重顯中。第5頁/共125頁6CT的發(fā)展歷史1956年，天文學(xué)家用圖像重顯理論處理了從太陽發(fā)射來的微波吸收信息，并得到了這些數(shù)據(jù)所描繪的太陽圖。1956年，提出了一個類似“描繪太陽圖”的問題：如何從人體某段的射線投影圖得到該人體段的圖像重顯？第6頁/共125頁7CT的發(fā)展歷史1961年，無線電天文學(xué)家歐頓道爾夫用他稱為“旋轉(zhuǎn)-遷移”法實現(xiàn)了最早的圖像重顯。塑料塊10×10×4cm3碘-131源第7頁/共125頁8CT的發(fā)展歷史1963年，柯爾馬克進一步發(fā)展了投影重顯圖像的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)方法，提出用斷層多方向投影重建圖像的計算方法。1967年，杭斯菲爾德制成了第一臺可用于臨床的計算機X射線斷層攝影機。1970年，杭斯菲爾德開始了頭部掃描CT的設(shè)計。1971年9月，第一臺頭掃描CT機安裝在英國的一所醫(yī)院中，10月4日，第一個病人接受了CT掃描。1974年，萊得利研制成功了全人體掃描CT，并安裝在美國喬治鎮(zhèn)大學(xué)醫(yī)療中心。第8頁/共125頁9CT的發(fā)展歷史CT最引人注目的應(yīng)用是在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。70年代中后期，早期的工業(yè)檢測，曾直接利用醫(yī)用CT掃描設(shè)備進行石油巖芯、碳復(fù)合材料及輕金屬結(jié)構(gòu)等低密度試件的檢測（醫(yī)用CT對人體檢測可以提供高質(zhì)量的圖像，但不適用于檢測大尺寸高密度物體）。80年代初期，美國軍方首先提出制造檢測大型火箭發(fā)動機或小型精密鑄件的CT設(shè)備。第9頁/共125頁10CT的發(fā)展歷史1981年10月，在美國萊特-派特森空軍基地的資助下，美國ARACOR和噴氣戰(zhàn)略推進公司共同研制出用于導(dǎo)彈和固體火箭發(fā)動機部件檢測的工業(yè)CT系統(tǒng)。1983年3月，安裝了第一套系統(tǒng)（420kV、1m），它是世界上第一臺嚴(yán)格用于無損檢測并在用戶現(xiàn)場安裝的工業(yè)CT。1985年2月，安裝了第二套系統(tǒng)（16MeV直線加速器），可檢測直徑2.4m，長5.1m，重達50t的物體。第10頁/共125頁11CT的發(fā)展歷史進入90年代，工業(yè)CT發(fā)展迅速，目前其作為一種實用化的無損檢測手段，廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事、核能、石油、電子、機械、新材料研究、海關(guān)及考古等領(lǐng)域。我國從80年代初期開始研究CT技術(shù)。1987年和1990年清華大學(xué)分別對γ射線CT和XCT裝置進行了研究。1993年以后，重慶大學(xué)、中科院高能所等單位陸續(xù)研制出了γ射線源工業(yè)CT裝置。第11頁/共125頁12核成像技術(shù)的基本原理物理基礎(chǔ)γ射線和X射線的基本性質(zhì)γ射線和X射線都是一種電磁波，是一種光子，差別在于產(chǎn)生的方式不同。γ射線常伴隨α射線和β射線一起產(chǎn)生，是原子核從激發(fā)態(tài)躍遷至基態(tài)時放出的電磁輻射。X射線是原子內(nèi)層軌道電子退激過程或高能電子的韌致輻射所發(fā)出的電磁輻射。γ射線和X射線同光速，波長短，頻率高。第12頁/共125頁13核成像技術(shù)的基本原理物理基礎(chǔ)γ（X）通過物質(zhì)時的吸收γ射線通過物質(zhì)時可與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)。通過這三種作用，γ射線通過物質(zhì)時,部分被吸收。以上三種效應(yīng)中，對于低能γ射線和Z高的吸收物質(zhì),光電效應(yīng)占優(yōu)勢；對于中能γ射線和Z低的吸收物質(zhì),康普頓散射占優(yōu)勢；對于高能γ射線和Z高的吸收物質(zhì),光電效應(yīng)占優(yōu)勢。

第13頁/共125頁14核成像技術(shù)的基本原理CT基本原理

核成象技術(shù)的共同原理：利用與核有關(guān)的物理量在被測對象中的衰減規(guī)律或分布情況，獲得物體內(nèi)部的詳盡信息，通過電子計算機對這些信息作快速處理，最終重建被測物的內(nèi)部圖象。它們的數(shù)據(jù)獲取部分，從物理原理到具體結(jié)構(gòu)均可相距甚遠；但它們的數(shù)據(jù)處理部分。則都基于計算機信息處理和圖象重建技術(shù)。第14頁/共125頁15CT的優(yōu)點和局限性CT的優(yōu)點

能夠顯示真正的斷面圖像。獲得的圖像清晰，而且密度分辨率高。可做定量分析可利用計算機作各種圖像處理操作簡單、安全，而且對工件無破壞。醫(yī)用CT對病人的照射在安全的允許范圍內(nèi)。第15頁/共125頁16CT的優(yōu)點和局限性CT的局限性

有些病變不適合用CT檢查，或者不易被CT發(fā)現(xiàn)。直觀看到病灶的外形輪廓和范圍，但是看不到成分或者生物和化學(xué)結(jié)構(gòu)。造價高，針對性強。例如工業(yè)CT檢查的對象千差萬別，所以有不同標(biāo)準(zhǔn)和用途的工業(yè)CT。第16頁/共125頁17CT的分類——按應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)CT(MCT)工業(yè)CT(ICT)地球物理(GCT)第17頁/共125頁18CT的分類——按應(yīng)用領(lǐng)域醫(yī)學(xué)CT和工業(yè)CT的比較每一代醫(yī)用CT的出現(xiàn)，都與縮短獲取圖像時間的努力有關(guān)；工業(yè)CT雖然也把掃描時間看作重要的技術(shù)指標(biāo)，然而更關(guān)注提高空間分辨力或密度分辨力。工業(yè)CT應(yīng)用中的X射線能量通常高于醫(yī)用，從數(shù)十到數(shù)百千伏，工業(yè)CT通常采用恒壓X射線管，較少采用醫(yī)用的脈沖式X射線管。結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)代醫(yī)用CT都是保持病人靜止，因而都有相當(dāng)龐大的裝有復(fù)雜機電設(shè)備的運動部件；而工業(yè)CT都是使射線源及探測器系統(tǒng)保持靜止或作少量移動，由被測工件作必要的掃描運動。第18頁/共125頁19X射線斷層掃描(XCT)γ射線斷層掃描(γ-CT)核磁共振CT(NMR-CT)康普頓散射CT(CST)穆斯堡爾效應(yīng)CT(MET)發(fā)射型CT（ECT——EmissionCT)

a.正電子發(fā)射CT(PET——PositronEmission

CT)

b.單光子發(fā)射CT(SPECT——SinglePhotonEmission

CT)CT的分類——按技術(shù)類型第19頁/共125頁20醫(yī)學(xué)CT原理CT能取得人體任一斷層的剖面圖像；類型繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；基本組成部分類似，如圖像的顯示和處理、提高成像運算能力等過程幾乎完全相同。第20頁/共125頁21醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）橫向斷面圖各像點用x、y兩個坐標(biāo)值表示，平面圖常稱為“二維圖像”；通過測量不同位置的射線投影值，再經(jīng)數(shù)學(xué)計算實現(xiàn)重建原圖像。第21頁/共125頁22醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）X射線管和相應(yīng)位置的檢測器以同樣的速度（“同步”）逐點平行移動時，便可以得到某一方向的投影數(shù)據(jù)（圖a）；然后把X線源和檢測器組以體軸為中心旋轉(zhuǎn)一角度，得到另一組投影數(shù)據(jù)。反復(fù)進行同樣的操作，得到各個角度上的投影數(shù)據(jù)。第22頁/共125頁23醫(yī)學(xué)CT將斷面按X光管（探測器）相隔的點距，劃分為相等間隔的若干小格，每格對于X射線的衰減值，設(shè)為ui；解方程即可解出物體各個部分的衰減系數(shù)，從而建立斷面圖像。原理（頭部X射線CT）I0I0I0I0I1I2I4I3μ1μ3μ2μ4第23頁/共125頁24醫(yī)學(xué)CT原理（頭部X射線CT）完成一個斷層成像后，使探測器和放射源相對頭部移動（Z軸），可得一系列斷面圖像，則可構(gòu)成一個完整的頭顱立體圖。Z第24頁/共125頁25醫(yī)學(xué)CT類別及特點X線CT、正電子CT、單光子CT、質(zhì)子CT、超聲CT、微波CT、核磁共振CT……。從探測數(shù)據(jù)獲取方法的類別來劃分：透射方法（普通CT）、放射方法（ECT）、核磁共振方法（NMR-CT）。三種方法中最具典型意義的代表形式XCT、PECT（正電子發(fā)射CT）、NMR-CT。第25頁/共125頁26醫(yī)學(xué)CT類別及特點透射法將放射源置于受檢體一側(cè)，而探測器置于另一側(cè)。射線通過受檢體時受到衰減，衰減值反映射線經(jīng)過透射路徑時被吸收的狀況，顯然其數(shù)值決定了相應(yīng)路徑組織的構(gòu)成。各種XCT裝置都是采用透射法。第26頁/共125頁27醫(yī)學(xué)CT類別及特點放射法將同位素等放射源，采用注射等方法置于受檢體內(nèi)，它所釋放的正電子與體內(nèi)存在的電子符合作用，向相反方向射出兩束γ射線，分別由周圍相對的檢測器接收。周圍的檢測器至少有兩只，通過它們作圓周移動，可獲得所取斷面層的完整數(shù)據(jù)。γ相機屬于放射法第27頁/共125頁28醫(yī)學(xué)CT類別及特點核磁共振方法人體內(nèi)存在大量氫原子核，其具有固定的磁特性。當(dāng)人體位于強磁場時，氫核便按磁場方向進行排列。如用一高頻電信號形成附加磁場，則可使氫核偏離原排列方向。若突然再切斷這個電信號，那么氫核又趨于原排列方向，與此同時，他們發(fā)出一種很弱的、具有特征頻率的信號。利用此信號成像。第28頁/共125頁29醫(yī)學(xué)CT類別及特點廣泛使用的XCT目前，在全世界臨床使用的CT中，大多數(shù)都是XCT。按普及程度，美國、加拿大、日本、英國及歐洲各國。約有數(shù)十家廠商在從事生產(chǎn)。第29頁/共125頁30醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT原理X射線透射過受檢體后，由于被吸收使射線強度減弱。減弱的程度就是衰減系數(shù)。吸收系數(shù)u與人體不同部位組織有關(guān)。x、y是斷面不同位置的坐標(biāo)。由X射線源和檢測器組成的掃描測量系統(tǒng)，取得大量投影值送入電子計算機進行圖像重建。第30頁/共125頁31醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式移動-旋轉(zhuǎn)方式(T-R)第一種（第一代CT）:X光管和檢測器處于受檢體兩側(cè)，以筆狀射線束的形式透過受檢體，并由檢測器接受。源和探測器等間隔平行移動，每步進一次獲取一個投影數(shù)據(jù)。移動全程后（b圖），源和探測器相對受檢體作小角度旋轉(zhuǎn)，重復(fù)上述操作，直到全部旋轉(zhuǎn)180°結(jié)束。X射線散焦影響小，但掃描時間較長（3~5分），用于顱腦。第31頁/共125頁32醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式移動-旋轉(zhuǎn)方式(T-R)第二種（第二代CT）:用窄扇束（張角3~5°）代替筆狀束。檢測器增加6~30個。這種結(jié)構(gòu)使移動和旋轉(zhuǎn)次數(shù)均可減少。掃描全身僅需20~60秒，圖像質(zhì)量顯著提高。可用于頭顱和全身檢測。第32頁/共125頁33醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)方式(R-R)（第三代CT）用扇狀線（30~40°）掃描，張角覆蓋全部受檢體。檢測器排列密集，約數(shù)十個。每次掃描結(jié)束，源和探測器圍繞受檢體旋轉(zhuǎn)一角度，再重復(fù)掃描，直到360°全部旋轉(zhuǎn)。每次掃描，輻射時間極短；可獲得數(shù)百組各方向的投影值。比T-R方式可靠性高，全身掃描時間可縮短4~10秒。目前，臨床應(yīng)用較普遍。第33頁/共125頁34醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式固定-旋轉(zhuǎn)方式(S-R)（第四代）受檢體由密集排列的檢測器環(huán)繞，數(shù)目數(shù)百只，可達千余只。扇形射線束略寬于受檢體尺寸（30~60°）。進行掃描時，只有X光管在探測器內(nèi)作360°的旋轉(zhuǎn)。掃描時間更短，2~5秒，最快達1.5秒控制簡便，有效檢測范圍大、可靠性高。第34頁/共125頁35醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式四代XCT的異同參數(shù)第一代CT第二代CT第三代CT第四代CT掃描運動方式平移-旋轉(zhuǎn)平移-旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)-旋轉(zhuǎn)固定-旋轉(zhuǎn)探測器數(shù)量13－52128－511242－1088X射線束單束多束/窄束扇束廣角扇束扇形角3°－26°21°－45°48°－120°探測器的類型閃爍晶體＋光電倍增管閃爍晶體＋光電倍增管電離室閃爍晶體＋光電倍增管＋光電二極管掃描時間（秒）240－30020－2103－51－5主要應(yīng)用頭部全身全身全身第35頁/共125頁36醫(yī)學(xué)CT類別及特點XCT的掃描方式第五代CT具有實時性——能觀察器官的運動狀況，是將快速攝取的瞬態(tài)靜止圖像，依次連續(xù)顯示，使活動過程再現(xiàn)。第36頁/共125頁37醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（放射型CT）醫(yī)院中已廣泛采用的同位素掃描技術(shù)的發(fā)展。與通常CT的不同之處是射線源在成像體的內(nèi)部。ECT成像是先讓人體接受某種放射性藥物，這些藥物聚集在人體某個臟器中或參與體內(nèi)某種代謝過程，再對臟器組織中的放射性核素的濃度分布和代謝進行成像。因此，利用ECT不僅可得人體臟器的解剖圖像，還可得到生理、生化、病理過程及功能圖像。第37頁/共125頁38醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（同位素選擇）同位素——原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不等，而在元素周期表中占據(jù)同一位置的元素。已知自然元素107種，它們的同位素共有1500種左右。同位素可劃分為穩(wěn)定型和放射型兩大類。放射型又按衰變時間的長短劃分出短壽命同位素。從健康角度考慮，人體診斷多采用短壽命同位素。第38頁/共125頁39醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（放射型CT）E-CT包括三種成像裝置：γ相機，SPECT（單光子發(fā)射CT）和PET(正電子發(fā)射CT)。第39頁/共125頁40醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（γ相機）一次成像的γ照相機擅長快速的動態(tài)顯像構(gòu)成探測器（準(zhǔn)直器，閃爍晶體，光電倍增管）電子學(xué)讀出系統(tǒng)圖像顯示記錄裝置第40頁/共125頁41醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（γ相機原理）射線入射到晶體上，使晶體原子激發(fā)。退激回到基態(tài)，發(fā)射熒光。一個光子產(chǎn)生多個熒光光子。光電倍增管接受這些熒光，并將之轉(zhuǎn)換為電信號。經(jīng)過定位電路確定出入射光子的位置。放大、甄別后，記錄一個計數(shù)。處理位置信號、能量信號,呈現(xiàn)內(nèi)臟器官投影面的圖像第41頁/共125頁42相機第42頁/共125頁43醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（SPECT）在γ照相機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。以γ發(fā)射體為成像對象，其探測光子的原理和γ照相機相同。一個或兩個γ照相機探頭繞人體旋轉(zhuǎn)，獲得各個方向的投影（平面）像，二維投影數(shù)據(jù)重建后獲得橫斷面的圖像。第43頁/共125頁44醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（PET原理）同位素在體內(nèi)放射正電子，經(jīng)過組織并與其中的電子發(fā)生“湮滅”，產(chǎn)生一對相反方向運動的γ光子（511keV）。第44頁/共125頁45醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（PET原理）湮滅產(chǎn)生的光子可以逸出人體，并被探測器接收。對于收到的光子，首先轉(zhuǎn)換為電信號，在經(jīng)符合篩選出成對的光子，每一對稱為一個“事例”。通過記錄的“事例”數(shù)據(jù)，重建計算，得到受檢體平面或立體的正電子湮滅分布圖。體內(nèi)組織的分布圖與其結(jié)構(gòu)形態(tài)及病變有關(guān)。第45頁/共125頁46醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT(PET原理)符合篩選出成對的光子第46頁/共125頁47醫(yī)學(xué)CT類別及特點ECT（PET成像性能指標(biāo)）探測效率：表示獲得可用診斷圖像時，人體所接受的最小放射性劑量。主要反映探測器的接受靈敏度。時間分辨率：因為測量值是正電子湮滅所產(chǎn)生的成對γ光子事件，而單個光子是不需要的。因此，要減少偶然符合率，分辨率時間越小越好?？臻g分辨率：對病變是依據(jù)顯示的圖像進行觀察判斷的。因此，要求圖像有良好的清晰度，使得各部分組織及其變異容易相互區(qū)分開來，以便于進行早期診斷連續(xù)靈敏性：同位素診斷能進行器官的動態(tài)研究。第47頁/共125頁48醫(yī)學(xué)CTECT（PET同位素選擇）類別及特點同位素半衰期(分)用途14C20.5描繪血液的分布18F110描繪骨骼結(jié)構(gòu)H215O2.03顯示軟組織分布13NH310顯示肝的情況第48頁/共125頁49PET第49頁/共125頁50醫(yī)學(xué)CTPET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一次革命類別及特點CT的作用：為PET提供衰減校正為PET提供解剖位置信息提供診斷信息PET顯像特點：功能顯像敏感性、特異性較高缺乏精確的解剖定位第50頁/共125頁51醫(yī)學(xué)CT兼容型PET/CT類別及特點第51頁/共125頁52醫(yī)學(xué)CT兼容型PET/CT的特點類別及特點CT與PET硬件、軟件同機融合解剖圖像與功能圖像同機融合同一幅圖象既有精細(xì)的解剖結(jié)構(gòu)又有豐富生理、生化分子功能信息可用于腫瘤診斷、治療及預(yù)后隨診全過程高靈敏度、高特異性、高準(zhǔn)確性CT圖像兼做衰減校正PET、CT單獨能實現(xiàn)的，PET/CT一定能實現(xiàn)；PET/CT能實現(xiàn)的，PET或CT不一定能實現(xiàn)第52頁/共125頁53醫(yī)學(xué)CTPET/CT的發(fā)明是醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一次革命類別及特點第53頁/共125頁54醫(yī)學(xué)CTECT類別及特點目前，我國擁有：100多臺γ相機；350多臺單光子發(fā)射計算機體層顯像儀（SPECT）；12臺正電子發(fā)射斷層顯像儀（PET）。第54頁/共125頁55醫(yī)學(xué)CTNMR-CT優(yōu)點類別及特點質(zhì)子密度分布圖像，清晰地顯示腦的灰質(zhì)和白質(zhì)，在診斷多發(fā)性硬化癥及其他神經(jīng)性疾病方面有優(yōu)勢；能顯示功能和代謝過程等生理生化信息的“化學(xué)性圖像”；在儀器結(jié)構(gòu)上，不需要象XCT有較大的機械口轉(zhuǎn)動部件和一系列高精度的探測器，只要通過電子方法調(diào)節(jié)梯度磁場即實現(xiàn)掃描；沒有電離輻射；有三個特性參數(shù)，而XCT只有X射線束穿過生物組織的衰減一個物理參數(shù)，故漏診率低；第55頁/共125頁56醫(yī)學(xué)CT醫(yī)學(xué)CT發(fā)展方向隨著科技及計算機發(fā)展步伐的進一步加快，CT發(fā)展前景廣闊！會向更加小型化、高科技化、多功能化、以人為本化方向發(fā)展！將來的CT檢查技術(shù)會為人類的健康事業(yè)作出更大的貢獻！第56頁/共125頁57工業(yè)CTICT（IndustrialComputedTomography）是目前世界上公認(rèn)的最佳無損檢測技術(shù)之一其特點是在無損的情況下，采用射線對被測物的斷層進行掃描，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準(zhǔn)確、直觀地展示被測物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材質(zhì)組成和缺陷情況。ICT概況第57頁/共125頁58工業(yè)CT首先被應(yīng)用于軍工研究單位。此后不少航空航天部門也逐漸采用工業(yè)CT技術(shù)，以保證產(chǎn)品的性能。(固體火箭推進劑中危險的氣泡、脫粘缺陷，用常規(guī)手段很難檢測，而用工業(yè)CT可輕松完成)由于工業(yè)CT對軍工產(chǎn)品的重要性，國外進口工業(yè)CT設(shè)備長期受到限制，美國曾明令禁止2MeV以上的工業(yè)CT出口中國。ICT概況第58頁/共125頁59工業(yè)CTICT研究從80年代以來才開始有較快的發(fā)展。目前，國際上先進的大型工業(yè)CT系統(tǒng)：空間分辨率為10-25μm，密度分辨率為0.1-0.5%，射線能量最高達到60MeV，最高檢測尺寸達到4m。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第59頁/共125頁60工業(yè)CT美國Aracor公司是最重要的ICT研制生產(chǎn)廠家。1988年研制出2MeV的ICT1500系統(tǒng)，1990年射線能量升級為9MeV。ICT1500系統(tǒng)利用加速器產(chǎn)生的2-9MeV的射線能量，可以檢測的對象范圍很廣，從一般的工業(yè)應(yīng)用到核武器安全檢查等，ICT1500已經(jīng)在美國福特汽車公司、核武器拆卸檢查工廠等地方得到應(yīng)用。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第60頁/共125頁61工業(yè)CT1995年，Aracor公司生產(chǎn)出目前最大的商業(yè)化工業(yè)CT系統(tǒng)——ICT2500，采用15MeV的直線加速器，可以檢測直徑為2.4m、高8.6m，重60t的物體。1995年，Aracor公司還利用60MeV的加速器對直徑4m的航天飛機發(fā)動機進行了X射線檢查，但該能量的產(chǎn)品并沒有實現(xiàn)商業(yè)化。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第61頁/共125頁62工業(yè)CTBIR公司研制的ACTIS2000大型工業(yè)CT，它的射線能量達到了6MeV，最大檢測直徑為2m，高2.5m，重1000kg。日本在1994年也研制出加速器能量為12MeV的工業(yè)CT系統(tǒng)，在直徑250mm的圓鋼上能夠分辨出0.8mm的孔。近幾年，工業(yè)CT的研究范圍也擴展到基于面陣探測器的高能X射線工業(yè)CT，美國加利福尼亞大學(xué)研制出采用9MeV電子直線加速器和面陣探測器的工業(yè)CT樣機。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第62頁/共125頁63工業(yè)CT在以電子直線加速器為射線源的大型工業(yè)CT系統(tǒng)的研制上，國內(nèi)也已經(jīng)有十年的積累。1988年，清華大學(xué)首先研制成功了國內(nèi)第一臺實驗工業(yè)CT系統(tǒng)EGT1/1801993年重慶大學(xué)研制出工業(yè)CT機ICTXN-1300，后改進研制出CD-300BG、CD-50BG等機型，能夠檢測直徑為300mm的工件。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第63頁/共125頁64工業(yè)CT在以加速器為放射源的ICT研制方面，機械工業(yè)部北京自動化研究所采用9MeV直線加速器和X射線轉(zhuǎn)換屏，組成了高能X射線面陣工業(yè)CT試驗系統(tǒng)。華北工學(xué)院無損檢測中心以6MeV和10MeV的加速器為射線源，CsI閃爍晶體轉(zhuǎn)換屏和科學(xué)級CCD相機組成的探測器，對60-200mm等效鋼厚度的大型工業(yè)構(gòu)件進行了二維和三維重建。ICT國內(nèi)外研究現(xiàn)狀第64頁/共125頁65ICT：是一種重要的無損檢測技術(shù)，是物理學(xué)與計算機科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物。基于射線與物質(zhì)的相互作用原理，通過投影重建方法獲取被檢測物體的數(shù)字圖像。通過測量在不同的方位角下射線穿透被檢測物件后的投影強度，計算出物件橫截面上的衰減系數(shù)分布，轉(zhuǎn)換成像屏顯示的斷層圖像。CT裝置所得到的是被檢客體的斷層圖像。在此圖像上，客體內(nèi)各部分是分離的，而圖像的灰度值正比于物質(zhì)的密度。由于各種物質(zhì)都有自己特定的密度，因而可以由CT圖像灰度值來確定被檢客體的材料性質(zhì)。工業(yè)CT——基本原理第65頁/共125頁66工業(yè)CT——基本原理第66頁/共125頁67工業(yè)CT基本原理——一維圖像切片第67頁/共125頁68工業(yè)CT基本原理——一維圖像第68頁/共125頁69工業(yè)CT基本原理——二維圖像第69頁/共125頁70工業(yè)CT基本原理——二維圖像第70頁/共125頁71工業(yè)CT基本原理——二維圖像I0I0I0I0I1I2I4I3μ1μ3μ2μ4第71頁/共125頁72第72頁/共125頁73工業(yè)CT基本原理第73頁/共125頁74工業(yè)CT基本原理——三維圖像完成一個斷層成像后，使探測器和放射源相對物體移動（Z軸），可得一系列斷面圖像，則可構(gòu)成一個完整的立體圖。Z第74頁/共125頁75工業(yè)CT測量示意圖工業(yè)CT基本原理第75頁/共125頁76工業(yè)CT系統(tǒng)中的射線源γ射線源放射性同位素源，例如60Co

等X射線源低能X射線源(keV量級)：放射性同位素或X光管高能X射線源(MeV量級)：加速器(高壓加速器，電子直線加速器，回旋加速器等)高能X射線CT系統(tǒng)一般使用2MeV～15MeV的電子直線加速器做射線源。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第76頁/共125頁77對于直徑小于50mm等效鋼厚的中、小型工業(yè)構(gòu)件,采用450kV以下的低能X射線工業(yè)CT設(shè)備即可進行檢測。這個能量范圍的工業(yè)CT設(shè)備國內(nèi)外均有商品化的產(chǎn)品;對于等效鋼厚大于100mm的大型工業(yè)構(gòu)件,則需要采用高能X射線CT設(shè)備進行檢測。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第77頁/共125頁78高能工業(yè)CT設(shè)備科技含量高、成本巨大，當(dāng)前國際上只有少數(shù)公司有商品化的產(chǎn)品。由于高能X射線工業(yè)CT檢測設(shè)備對軍工產(chǎn)品有著明顯的重要性，是發(fā)展國防、航空、航天及大型動力設(shè)備不可缺少的基礎(chǔ)技術(shù),如火箭、導(dǎo)彈、核武器中關(guān)鍵部件的無損檢測。為此,世界上許多國家均在研制自主產(chǎn)權(quán)的高能X射線工業(yè)CT技術(shù)及設(shè)備。工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第78頁/共125頁79工業(yè)CT—高能工業(yè)CTICT2500重建的火箭發(fā)動機CT切片某橋栓的CT切片大口徑炮彈三維CT圖像第79頁/共125頁80高能工業(yè)CT原理框圖

工業(yè)CT—高能工業(yè)CT第80頁/共125頁81工業(yè)CT—高能工業(yè)CT探測器結(jié)構(gòu)線陣探測器面陣探測器第81頁/共125頁82工業(yè)CT—高能工業(yè)CT線陣探測器CT系統(tǒng)采用扇束射線對物體進行掃描,線陣探測器的個數(shù)一般在103數(shù)量級,由一系列單個探測器單元和后準(zhǔn)直器組成,較好地消除了散射的影響,重建出的CT圖像非常清晰。但一次掃描僅能重建一個二維斷面圖像,射線利用率低。第82頁/共125頁83工業(yè)CT—高能工業(yè)CT面陣探測器CT系統(tǒng)采用錐束射線,面陣CCD探測器的象素尺寸在微米數(shù)量級,象素個數(shù)在106數(shù)量級。獲得的圖像空間分辨率高。一次掃描可獲得物體一個區(qū)域的二維投影圖像,重建物體的三維圖像,故其掃描速度快,射線利用率高。由于無法采用后準(zhǔn)直，投影圖像中散射大,重建圖像質(zhì)量不如線陣探測器CT系統(tǒng)。第83頁/共125頁84工業(yè)CT的結(jié)構(gòu)射線源前后準(zhǔn)直器探測器機械掃描裝置電子學(xué)系統(tǒng)與接口計算機及外圍設(shè)備射線防護措施等高能XCT的部件配置圖工業(yè)CT—結(jié)構(gòu)第84頁/共125頁85CT圖象的后續(xù)處理多平面重組技術(shù)交互可視化技術(shù)圖像的增強技術(shù)逆向CAD處理技術(shù)圖像的縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像、銳化、平滑濾波、邊緣提取、亮度/對比度調(diào)整、偽彩色處理以及對圖像進行標(biāo)注、編輯等。工業(yè)CT—圖像后續(xù)處理第85頁/共125頁86加速器核探測器計算機控制系統(tǒng)核電子學(xué)與數(shù)據(jù)獲取技術(shù)核信息處理輻射防護與蒙卡方法輻射物理及其他方面工業(yè)CT—相關(guān)技術(shù)第86頁/共125頁87康普頓散射影響首先由于散射過程本身的隨機性，散射的存在將引起系統(tǒng)噪聲的增加；其次散射可能引起重建圖像中的偽影。

低能散射不僅隨照射視野的變化而變化，還隨深度而變化，射線能量隨深度硬化也非常明顯。在CT重建圖像計算中，由于射線能量的硬化造成了同一種物質(zhì)的像素值有變化（即同一種物質(zhì)的衰減系數(shù)μ發(fā)生變化）。這樣就造成了同一種物質(zhì)的成像不均勻,降低了圖像分辨率。工業(yè)CT—影響因素第87頁/共125頁88射束硬化：在單能X射線的情況下,射線束流強度隨吸收物質(zhì)厚度按指數(shù)函數(shù)形式衰減,衰減系數(shù)為常數(shù)。然而,實際工業(yè)CT使用的是具有連續(xù)能譜的X射線源。由于低能光子比高能光子更易于被物質(zhì)吸收,因此，在穿透物質(zhì)的過程中,射線的平均能量逐漸變高,衰減系數(shù)逐漸減小。工業(yè)CT—影響因素第88頁/共125頁89射束硬化：影響重建圖像的質(zhì)量,使得密度均勻的切片在圖像上表現(xiàn)為亮度不均。工業(yè)CT—影響因素第89頁/共125頁90測量中的非線性對重建圖像的影響

在理想情況下，γ射線光子計數(shù)率的理論值應(yīng)該與實際測量值呈線性關(guān)系。實際情況并非如此，當(dāng)光子的計數(shù)率較大時，理論值與實際測量值基本上是線性正比關(guān)系；光子計數(shù)率較小時，由于測量時的散射等因素的影響，使得實際測量值與理論值存在偏差,導(dǎo)致在CT圖像重建時產(chǎn)生偽影。工業(yè)CT—影響因素第90頁/共125頁91測量中的非線性對重建圖像的影響鐵板厚度與γ射線計數(shù)率的關(guān)系工業(yè)CT—影響因素第91頁/共125頁92測量中的非線性對重建圖像的影響工業(yè)CT—影響因素CT圖像理論模擬結(jié)果左圖：所有探測器都為線性；右圖：第260路探測器為1%非線性第92頁/共125頁93偽影：

又稱假像，它是指圖像中與被檢物體的物理參數(shù)分布沒有對應(yīng)關(guān)系的部分。偽影可能來自被檢物和CT裝置兩個方面。工業(yè)CT—影響因素第93頁/共125頁94平板校正法目標(biāo)匹配定位方法剝皮算法增強工業(yè)CT圖象的小波方法代數(shù)重建法工業(yè)CT—改進方法第94頁/共125頁95實驗校正圖像結(jié)果對比a：校正前圖像；b：校正后圖像；c：校正前后數(shù)據(jù)對比

劉金匯,安繼剛,鄔海峰,等.測量中的非線性對集裝箱CT重建圖像的影響,《同位素》(JournalofIsotopes),第18卷第122期,2005年5月.平板校正法工業(yè)CT—改進方法第95頁/共125頁96直接利用原始灰度值等原始數(shù)據(jù)的算法，對灰度變化、形變和遮擋等很敏感；采用低中級特征的算法，雖對灰度變化、形變和遮擋具有一定的穩(wěn)健性，但定位精度不高；利用高級特征算法，尋找高級特征很復(fù)雜。

故采用低中級特征中的邊緣信息定位圖像，以Hausdorff距離作相似性度量，實現(xiàn)目標(biāo)匹配定位。目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進方法第96頁/共125頁97圖1原始圖像圖2檢測后的邊緣圖象目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進方法第97頁/共125頁98圖3需定位圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進方法圖2檢測后的邊緣圖象第98頁/共125頁99圖5MTD匹配定位后的圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進方法第99頁/共125頁100圖7MTD對有噪聲圖像的匹配定位圖6加入噪聲后的圖像目標(biāo)匹配定位方法工業(yè)CT—改進方法第100頁/共125頁101剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用

待提取的目標(biāo)物體（如感興趣區(qū)域、工件缺陷）都在工件的內(nèi)層上。由于檢測工件的CT圖像是同心圓式結(jié)構(gòu),因此可以像剝皮一樣把圖像的外部一層(或幾層)物質(zhì)剝離掉，而只保留內(nèi)部感興趣區(qū)域或工件缺陷所在的部分。由此,可形象地把這種分割方法叫作剝皮法。剝皮算法工業(yè)CT—改進方法第101頁/共125頁102剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進方法第102頁/共125頁103剝皮算法的步驟框圖剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進方法第103頁/共125頁104剝皮算法各步驟的處理結(jié)果剝皮算法在工業(yè)CT圖像分割中的應(yīng)用剝皮算法工業(yè)CT—改進方法第104頁/共125頁105受物理因素的影響,投影數(shù)據(jù)存在一定的噪聲(通常為高斯白噪聲)。經(jīng)重建后在斷面圖象上噪聲加重,而且投影數(shù)據(jù)上的白噪聲,經(jīng)重建后可能轉(zhuǎn)化為斷面圖象上的非白噪聲,這給圖象的后處理工作帶來很大的困難。小波分析在時域和頻域可同時局部化,其尺度(分辨)可根據(jù)圖象邊緣的奇異性調(diào)節(jié),可放大圖象的局部細(xì)節(jié)(如邊緣),而且可過濾噪聲。增強工業(yè)CT圖象的小波方法工業(yè)CT—改進方法第105頁/共125頁106

與增強前的圖象比較具有噪聲低和邊緣突出的特點，可濾去CT圖象中的非白噪聲。增強工業(yè)CT圖象的小波方法工業(yè)CT—改進方法ICT圖像小波增強圖象第106頁/共125頁107將圖象重建轉(zhuǎn)化為求解線性方程，當(dāng)投影數(shù)據(jù)不完全時，可以把丟失的數(shù)據(jù)當(dāng)作缺少了的方程