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  • 2019-12-25

    工业CT的起源:医疗CT

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         工业CT的前期发展依赖于医用CT,医疗CT的实验工作可以退潮到1940年,包含以下几位研究断层层成像技术的先驱。

          1940年Gabriel Frank描述了现代断层成像技术的基本思想;21年以后,洛杉矶市的美国神经科医生Oldendorf在非常类似后来用于计算机断层成像原理的基础上进行了一系列实验;1963年Kuhl和Edward应用放射性同位素提出了横向断层成像方法,后来该方法进一步发展和改进成为今天的发射计算机断层成像(ECT)。这些努力的不足之处是那时还没有精确的图像重建技术,另外,这些努力在当时还不可能得到现代计算机技术帮助。

          Cormack报道了第一台实际建成的计算机断层(CT)扫描机的研究结果。他的工作可以追溯到1955年,在他辞去自己的医学物理工作(那时他是Capetown唯一的核物理学家)以后,Groote Schuur医院要求他每周花一天半时闻从事同位素应用的工作。在分析辐射治疗计划时,Cormack意识到了解X射线吸收系数在人体内分布的重要性,他想要重建组织的吸收系数以提高辐射治疗的精确性。他在1956年末休假期间在Harvard大学推导了图像重建的数学理论,1957年回到南非后又用实验模拟检验了他的理论。

          他使用了一个直径20cm、厚5cm的圆盘,圆盘中心是二个直径1.13cm的纯铝柱体,四周是一个铝合金圆环。圆盘外面再包上一个橡木圆环。辐射源为准直的Co-6o,探测器使用了一个盖革计数管。圆盘以5cm的步长平移通过了射线形成线扫描,由于圆对称性,圆盘只在一个角度位置作平移扫描(其他角度的线扫描应当是相同的)。应用这样的重建技术计算了铝和木头的吸收系数。1963年他在Tufts大学(1957年他开始到该校物理系工作)又用不对称的铝一塑料模体重复了他的实验。这个模体外圈是一个铝圆环象征骨骼,内部填充树脂表示软组织,在树脂内的两个圆盘代表肿瘤,仍然用准直的7射线束作为射线源,在180度范围内以7.5°的增量作25次线性扫描。两次实验的结果分别发表于1963年和1964年。令人遗憾的是,那时很难进行必要的计算,几乎没有人注意到他的工作。

          英国EMI中心研究实验室的Hounsfield于1967年开始了第一台临床CT扫描机的研制。在研究模体识别技术的同时,他和Cormack相互独立地得到了可以由测量穿过人体不同方向的X射线数据重建人体内部结构的结论。Hounsfield的初步计算指出,应用这种方法切片内X射线吸收系数的测量精度可以达到0.5%,比起传统射线照相差不多改进了100倍。第一台实验室扫描机于1967年建成,样品每旋转1°作一次线性扫描(在每次线性扫描时样品保持静止)。由于镅源的下射线强度较低,需要9天时间才能完成数据采集,产生一幅图像。与Cormack用的重建方法不同,在应用插值法,更高强度的X射线管扫描时间减少到9h,测量精度也从4%提高到0.5%。

          在进一步改进了数据获取和重建技术后,第一台基于现代断层成像原理的可供临床应用的CT扫描机于1971年9月建成,并安装在Atkinson-Morley医院,4.5min即可生成图像。1971年11月4日,对长了一个很大囊肿的病人作了首次C丁扫描,图像上可以清晰地看清病理。从此CT开始广泛进人人类的生活,成为重要的医疗诊断设备,CT技术被认为是20世纪后期最伟大的科技成果之一。鉴于Cormack和Housfield两人作出的杰出贡献,于1979年,Hounsfield和Cormack获得诺贝尔医学奖。

          医疗CT的成功很快地得到了工业界的注意。开始阶段主要还是直接利用医用CT设备直接扫描工业样品,以后由于工业样品与医学检测对象的巨大差异,工业CT逐步发展成为一个独立的体系。

          尽管如此,无论医用还是工业应用,基本原理是相同的,许多技术也是相通的。而且医用CT总比工业CT先行一步,所以如果说工业CT的基本技术大都是借鉴医用CT的也不算过分。

          工业CT不像医用CT的检测对象那样比较单一,因此从结构尺寸到外形设计差异很大。一台典型的立式多功能X射线工业CT设备照片,有X射线机,还有平板探测器,紧邻的是一套精密的分立探测器。X射线机和平板探测器中间是被检测工件,工件下方是扫描工作台,左上方是前端控制柜,内有大部分前端电子电路、扫描控制系统和前端工控计算机。由计算机管理全部前端设备,并将全部数据通过网络传输到主控室的主计算机上,所谓立式结构指的是固定工件的扭描工作台的旋转轴是竖直的。事实上医用CT中的病床基本上是水平放,而且病床不旋转,仅有前后运动而工业CT无论是立式还是卧式,都是优先选工件旋转方式。

          时代发展到今天,工业CT已经成为一门独立的方向,尤其在无损检测,失效分析,数模比对方面,工业CT扫描检测展现出无与伦比的优势。


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