基于工業(yè)CT在煤檢測上的應用

工業(yè)CT(ICT)演講：魏高洋河南理工大學能源學院

內容提要1.定義及應用2.發(fā)展史及原理3.在巖樣孔隙的應用4.發(fā)展及前景1、定義及應用定義：工業(yè)CT（ICT）就是計算機層析照相或稱工業(yè)計算機斷層掃描成象。雖然層析成象有關理論的有關數學理論早在1917年由J.Radon提出，但只是在計算機出現后并與放射學科結合后才成為一門新的成象技術。應用：在工業(yè)方面特別是在無損檢測（NDT）與無損評價（NDE）領域更加顯示出其獨特之處。因此，國際無損檢測界把工業(yè)CT稱為最佳的無損檢測手段。進入80年代以來，國際上主要的工業(yè)化國家已把X射線或γ射線的ICT用于航天、航空、軍事、冶金、機械、石油、電力、地質、考古等部門的NDT和NDE，檢測對象有導彈、火箭發(fā)動機、軍用密封組件、核廢料、石油巖芯、計算機芯片、精密鑄件與鍛件、汽車輪胎、陶瓷及復合材料、海關毒品、考古化石等。我國90年代也已逐步把ICT技術用于工業(yè)無損檢測領域。進入21世紀ICT更是得到了進一步發(fā)展已成為一種重要的先進無損傷檢測技術。2、應用原理2.1發(fā)展史1895年，倫琴（WilhelmConradRoentgen）發(fā)現了X射線，并為夫人拍下了世界上第一張X片——戴戒指的手掌照片。而后的一百多年中，醫(yī)學影像領域發(fā)生了巨大的變化，其中最為重要的突破就是CT的發(fā)明，被稱為20世紀醫(yī)學影像領域最偉大的發(fā)明之一。世界上第一張X片

1914年，俄國學者K.Maenep依照運動產生模糊的理論首先提出體層攝影的理論，即用一種特殊裝置，使想觀察的人體某層組織影像較清楚地顯示。1947年Vallebona率先獲取了以人體為模型的橫斷面影像，這種技術后來又發(fā)展成回轉人體橫斷面體層技術。1961年美國神經內科醫(yī)生Ooldendor提出了電子計算機X線體層技術的理論。CT原型機

1967年，CT的發(fā)明人亨斯菲爾德（GodfreyNewboldHounsfield）在英國EMI公司從事計算機和重建技術研究工作。在英國衛(wèi)生部門的支持下，亨斯菲爾德采用了一個合適的數學模型使計算機程序化，解決了圖像重建的難題，一臺采用X線的實驗設備誕生了。在當時的技術水準下，處理一副圖像需要一整天的時間。

第一臺臨床CT1971年，第一臺CT安裝于Atkinson-Morley醫(yī)院。每一副圖像的處理時間縮短至20分鐘左右，在使用微處理器后，處理時間進一步減少到4.5分鐘。CT的臨床實驗取得了成功。這臺CT設備只能夠對顱腦成像，還無法檢查全身其它部位。1972年，亨斯菲爾德在英國放射學研究院年會和北美放射年會（RSNA）宣讀了關于CT的第一篇論文，正式向世界宣布CT的誕生。

現代螺旋CT2.2工業(yè)CT成像原理工業(yè)CT系統(tǒng)組成示意圖技術指標：空間分辨率密度分辨率掃描重建時間射線源系統(tǒng)探測器系統(tǒng)數據采集系統(tǒng)掃描機械系統(tǒng)計算機系統(tǒng)輔助系統(tǒng)X線球管是CT機的心臟，CT賴以成像的X線就來自于球管。X線球管由電子陰極、陽極和真空管套組成，可分為固定陽極和旋轉陽極2種，多采用油冷方式，陽極靶面材質多為鎢、錸合金。陰陽極之間電壓差使電子脫離陰極，形成電子束撞擊在陽極上，1%左右的能量轉變?yōu)閄線發(fā)射出去，而99%的能量轉變?yōu)闊崮?。為了提高熱容量，還采用了“飛焦點”設計，即X線球管陰極發(fā)出的電子束，曝光是交替使用，使電子撞擊在陽極靶面的不同位置上，提高了陽極的使用效率和球管的熱容量。

X線球管

探測器的作用是接收X線并將其轉換為可供記錄的電信號，轉換效率、響應時間、動態(tài)范圍和穩(wěn)定性是其重要參數。探測器有氣體和固體2種，目前大多數CT機采用的是固體探測器。固體探測器的結構為閃爍晶體耦合光二極管，閃爍晶體多為稀土陶瓷、鍺酸鉍或碘化銫等。

模數轉換器是CT數據采集系統(tǒng)（dataacquisitionsystem，DAS）的主要組成部分，其作用是將來自探測器的模擬輸出信號放大、積分后多路混合變?yōu)閿底中盘査腿胗嬎銠C處理。

X射線與物質的相互作用光電效應康普頓效應電子對效應

X射線衰減定律比爾定律均勻物體對單能X射線的衰減多種均質材料的衰減根據射線衰減基本規(guī)律及指數函數性質可得推廣：(一般非均勻性材料)CT重建思想射線投影CT：根據一系列投影p，反求被積函數(2)重建算法二維平行束投影重建扇形束投影重建錐束重建螺旋束重建迭代重建 有興趣的同學可以參考:

(1)張朝宗《工業(yè)CT技術和原理》

(2)莊天戈《CT原理與算法》(1)CT掃描方式：平行束掃描扇形束掃描錐形束掃描螺旋束掃描錐形束掃描扇形束掃描平行束掃描工業(yè)CT重建算法螺旋束掃描1234(3)變換法-傅立葉切片定理傅立葉切片定理圖解低能高精度X射線工業(yè)CT系統(tǒng)CT掃描并形成CT圖像的過程，可分為下列8個步驟：（1）被測物體被送入機架，X線球管和探測器圍繞患者旋轉掃描采集數據；（2）射線通過被測物體，衰減后的射線被探測器接收；（3）衰減射線轉換為電信號，由放大電路放大；（4）放大后的信號經模數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，傳送給計算機；（5）計算機處理數據，包括校正和檢驗；（6）成像的卷積處理；（7）重建圖像；（8）重建完成的圖像送到顯示器顯示，或硬盤存儲。3.在巖樣孔隙的應用

眾所周知，巖石或地質樣品的孔隙度(porosity)，對于成礦流體的研究有著極其重要的意義。（1）傳統(tǒng)測試方法的缺點

傳統(tǒng)的稱重法可以得到巖石的孔隙度，但不夠精確。壓汞測孔儀法曾是主流方法之一，它的主要實驗步驟是以逐漸增大的壓力迫使汞滲入到巖石的孔隙中，爾后依據巖石孔隙的孔道直徑與施加的壓力滿足華西堡方程進行計算得到的。然而，壓汞儀得到的結果有兩點不足，一是只能得到巖石中與外部相連通的孔隙體積而得不到巖石內部孔隙的體積，二是不能表征孔隙間的連通性

而后，人們在實驗室中采用了多種測量與分析計算巖石孔隙度的方法，其測量時一般采用小塊的巖石、巖芯或巖屑，典型的方法有顯微鏡(microscopy)電子掃描顯微鏡(scanningelectronicmicroscope，SEM)、核磁共振(nuclearmagneticresonance，NMＲ)磁共振成像(magneticresonanceimaging，MＲI)等。

然而，這些巖石樣品的孔隙度測量分析方法，將不同程度對巖礦樣造成某種損傷或破壞，難于確保反映巖礦樣品內部的、原始的、原位的信息或特征?？上驳氖?/p>

工業(yè)CT(industrialcomputed

tomography)技術則可以克服這一缺點。（2）應用CT掃描系統(tǒng)在巖石不被破壞的狀態(tài)下進行巖石物理參數的測試與描述,測量裂縫和孔洞的寬度觀察基質與裂縫之間的流動過程和測量基質內飽和度隨時間的變化,測量不同驅替條件下的相對滲透率曲線與毛管壓力曲線,應用CT掃描系統(tǒng)對巖樣連續(xù)掃描,測量出巖樣不同截面上的孔隙度分布,并應用三維重建技術得到巖樣的三維孔隙變化,可以清楚地觀察到巖樣的層理變化和非均質性特征。由于CT掃描系統(tǒng)的空間分辨率是亞毫米級,測量單元含有多個孔隙與喉道,得到的是“孔群級”的孔隙分布,在“孔群級”尺度上研究孔隙分布特征。應用統(tǒng)計學方法,對不同截面上測量的孔隙度進行定量分析與表征,研究巖樣不同截面上孔隙變化特征和非均質性。（3）舉例

應用CT技術研究巖心孔隙變化特征時,共進行了2塊巖樣的CT掃描,掃描結果和巖樣參數如表1所示。每一塊巖心掃描20層,掃描層厚度ΔL為110mm,層與層之間間隔ΔS為215mm,將20層的孔隙度平均,得到CT掃描的巖樣平均孔隙度。用CT掃描技術測量的巖樣平均孔隙度與He氣測量的巖心孔隙度非常接近,相對誤差很小,為4.196%～0.143%,因此應用CT技術測量巖心孔隙度的變化是可行的。空隙變化特征以S138號、71號2塊巖樣為例,分析CT掃描巖樣結果,研究巖心孔隙變化特征。S138號、71號2塊巖樣橫截面掃描結果如圖1、圖2所示。

S138號、71號巖樣平均孔隙度變化曲線

為了更直觀地觀察巖樣孔隙變化特征,將不同截面的CT圖像沿著巖心軸向進行三維重建,得到S138號、71號2個巖樣的三維孔隙分布。如圖3、圖4。結論(1)應用CT掃描系統(tǒng)對巖樣連續(xù)掃描,測量出巖樣不同截面上的孔隙度分布,并應用三維重建技術得到巖樣的三維孔隙度變化,在“孔群級”尺度上清楚地觀察到巖樣內部的孔隙變化和非均質性特征。(2)應用CT掃描技術測量的巖樣平均孔隙度與用He氣測量的巖樣孔隙度非常接近,相對誤差約為4.196%～0.143%,應用CT技術測量巖樣孔隙度的變化是可行的。(3)S138號巖樣存在著明顯的層理現象,截面內部及截面之間的非均質性都很嚴重,巖樣兩端的平均孔隙度高于巖樣中部的孔隙度。71號巖樣截面內低孔隙區(qū)較多,高孔隙區(qū)較少,巖樣的平均孔隙度較低。4.發(fā)展及前景

國內工業(yè)CT的研制，起步與國外差不了幾年。但是，由于力量分散，投資強度低，仍停留在實驗室試驗階段。前期只有效率低的Y射線工業(yè)CT，近期才有x射線工業(yè)CT通過課題鑒定。目前仍無可供市場需要的產品問世。為了滿足需要，用戶只好引進國外產品。

先行者也是一些軍工研究單位。當他們反復論證，多方申請投資還無著落時，國內一些民用單位已建足先登，如春蘭、勝利油田等已購置了美國產品。由于工業(yè)CT對軍工產品明顯的重要性，美國已明令禁止2MeV(2百萬電子伏)以上的工業(yè)CT出口中國。

因此，當前國內市場不僅面臨一般產品為外商壟斷，而且面臨最需要的產品受封鎖一有錢也買不到的局面。我們應該打破壟斷、封鎖，組織力量，搶占這個高科技陣地。謝謝觀賞WPS

OfficeMakePresentationmuchmorefun@WPS官方微博@kingsoftwps不足之處請大家批評指正魏高洋王思科制作傅里葉切片定理

傅里葉切片定理又叫做中心切片定理。它由Bracewell于1956年在對射電天文學進行研究時提出的，它也是醫(yī)學圖像處理的理論基礎。該定理的提出，為后來在信號處理、圖像處理等領域帶來了極大的幫助。

密度函數f（x，y）在某一方向上的投影函數gθ（R）的一維傅里葉變換函數Gθ（p），是密度函數f（x，y）