基于工业CT在煤检测上的应用

1、工业工业CT(ICT)CT(ICT)1 1、定义及应用、定义及应用定义：工业定义：工业CT（ICT）就是）就是计算机计算机层析照相层析照相或称或称工业计算机断层扫描工业计算机断层扫描成象。成象。虽然层析成象有关理论的有关数学虽然层析成象有关理论的有关数学理论早在理论早在1917年由年由J.Radon提出，提出，但只是在计算机出现后并与放射学但只是在计算机出现后并与放射学科结合后才成为一门新的成象技术科结合后才成为一门新的成象技术。应用：在工业方面特别是在应用：在工业方面特别是在无损检测（无损检测（NDTNDT）与无损评）与无损评价（价（NDENDE）领域更加显示出其独特之处。因此，国际无领域更

2、加显示出其独特之处。因此，国际无损检测界把工业损检测界把工业CTCT称为最佳的无损检测手段。称为最佳的无损检测手段。 进入进入8080年代以来，国际上主要的工业化国家已把年代以来，国际上主要的工业化国家已把X X射线或射线或射线的射线的ICTICT用于用于航天、航空、军事、冶金、机航天、航空、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古械、石油、电力、地质、考古等部门的等部门的NDTNDT和和NDENDE，检测，检测对象有对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶油岩芯、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车

3、轮胎、陶瓷及复合材料、海关毒品、考古化石瓷及复合材料、海关毒品、考古化石等。我国等。我国9090年代也年代也已逐步把已逐步把ICTICT技术用于工业无损检测领域。进入技术用于工业无损检测领域。进入2121世纪世纪ICTICT更是得到了进一步发展已成为一种重要的先进无损更是得到了进一步发展已成为一种重要的先进无损伤检测技术。伤检测技术。2 2、应用原理、应用原理2.12.1发展史发展史18951895年年，伦琴（，伦琴（Wilhelm Wilhelm Conrad RoentgenConrad Roentgen）发现）发现了了X X射线，并为夫人拍下射线，并为夫人拍下了世界上第一张了世界上第一张

4、X X片片戴戒指的手掌照片。而戴戒指的手掌照片。而后的一百多年中，医学后的一百多年中，医学影像领域发生了巨大的影像领域发生了巨大的变化，其中最为重要的变化，其中最为重要的突破就是突破就是CTCT的发明，被的发明，被称为称为2020世纪医学影像领世纪医学影像领域最伟大的发明之一。域最伟大的发明之一。 世界上第一张X片 1914 1914年年，俄国学者，俄国学者K.MaenepK.Maenep依照运动产生依照运动产生模糊的理论首先提出体模糊的理论首先提出体层摄影的理论，即用一层摄影的理论，即用一种特殊装置，使想观察种特殊装置，使想观察的人体某层组织影像较的人体某层组织影像较清楚地显示。清楚地显示。

5、19471947年年VallebonaVallebona率先获取了以率先获取了以人体为模型的横断面影人体为模型的横断面影像，这种技术后来又发像，这种技术后来又发展成回转人体横断面体展成回转人体横断面体层技术。层技术。19611961年年美国神美国神经内科医生经内科医生OoldendorOoldendor提提出了电子计算机出了电子计算机X X线体层线体层技术的理论。技术的理论。 CT原型机 1967 1967年年，CTCT的发明人亨斯菲的发明人亨斯菲尔德（尔德（Godfrey Newbold Godfrey Newbold HounsfieldHounsfield）在英国）在英国EMIEMI公公

6、司从事计算机和重建技术研司从事计算机和重建技术研究工作。在英国卫生部门的究工作。在英国卫生部门的支持下，亨斯菲尔德采用了支持下，亨斯菲尔德采用了一个合适的数学模型使计算一个合适的数学模型使计算机程序化，解决了图像重建机程序化，解决了图像重建的难题，一台采用的难题，一台采用X X线的实线的实验设备诞生了。在当时的技验设备诞生了。在当时的技术水准下，处理一副图像需术水准下，处理一副图像需要一整天的时间要一整天的时间。 第一台临床CT19711971年年，第一台，第一台CTCT安装于安装于Atkinson-MorleyAtkinson-Morley医院。每医院。每一副图像的处理时间缩短一副图像的处理

7、时间缩短至至2020分钟左右，在使用微分钟左右，在使用微处理器后，处理时间进一处理器后，处理时间进一步减少到步减少到4.54.5分钟。分钟。CTCT的临的临床实验取得了成功。这台床实验取得了成功。这台CTCT设备只能够对颅脑成像，设备只能够对颅脑成像，还无法检查全身其它部位还无法检查全身其它部位。19721972年年，亨斯菲尔德在英国，亨斯菲尔德在英国放射学研究院年会和北美放射学研究院年会和北美放射年会（放射年会（RSNARSNA）宣读了）宣读了关于关于CTCT的第一篇论文，正的第一篇论文，正式向世界宣布式向世界宣布CTCT的诞生。的诞生。 现代螺旋CT2.22.2工业工业CTCT成像原理成像

8、原理工业CT系统组成示意图p技术指标：p空间分辨率p密度分辨率p扫描重建时间射线源系统探测器系统数据采集系统扫描机械系统计算机系统辅助系统X线球管是CT机的心脏，CT赖以成像的X线就来自于球管。X线球管由电子阴极、阳极和真空管套组成，可分为固定阳极和旋转阳极2种，多采用油冷方式，阳极靶面材质多为钨、铼合金。阴阳极之间电压差使电子脱离阴极，形成电子束撞击在阳极上，1%左右的能量转变为X线发射出去，而99%的能量转变为热能。为了提高热容量，还采用了“飞焦点”设计，即X线球管阴极发出的电子束，曝光是交替使用，使电子撞击在阳极靶面的不同位置上，提高了阳极的使用效率和球管的热容量。 X线球管 探测器探测

9、器的作用是接收X线并将其转换为可供记录的电信号，转换效率、响应时间、动态范围和稳定性是其重要参数。探测器有气体和固体2种，目前大多数CT机采用的是固体探测器。固体探测器的结构为闪烁晶体耦合光二极管，闪烁晶体多为稀土陶瓷、锗酸铋或碘化铯等。 模数转换器是CT数据采集系统（data acquisition system，DAS）的主要组成部分，其作用是将来自探测器的模拟输出信号放大、积分后多路混合变为数字信号送入计算机处理。p X射线与物质的相互作用n 光电效应n 康普顿效应n 电子对效应p X射线衰减定律n 比尔定律0 xII e 均匀物体对单能X射线的衰减多种均质材料的衰减1 12 21 12

10、 200 =IN NN NllllllII eeee根据射线衰减基本规律及指数函数性质可得根据射线衰减基本规律及指数函数性质可得推广推广：l dleII)(0(一般非均匀性材一般非均匀性材料料)CT重建思想l dleII)(0l dlIIp)(ln0射线投影射线投影CT：根据一系列投影：根据一系列投影p，反求被积函数，反求被积函数(2) 重建算法p二维平行束投影重建p扇形束投影重建p锥束重建p螺旋束重建p迭代重建p有兴趣的同学可以参考:p(1) 张朝宗 工业CT技术和原理p(2) 庄天戈 CT原理与算法(1) CT扫描方式：p平行束扫描p扇形束扫描p锥形束扫描p螺旋束扫描锥形束扫描扇形束扫描平

11、行束扫描工业CT重建算法螺旋束扫描1234(3) 变换法-傅立叶切片定理( cos , sin )( , )FP 傅立叶切片定理图解低能高精度X射线工业CT系统CT扫描并形成CT图像的过程，可分为下列8个步骤：（1）被测物体被送入机架，X线球管和探测器围绕患者旋转扫描采集数据；（2）射线通过被测物体，衰减后的射线被探测器接收；（3）衰减射线转换为电信号，由放大电路放大；（4）放大后的信号经模数转换器将模拟信号转换为数字信号，传送给计算机；（5）计算机处理数据，包括校正和检验；（6）成像的卷积处理；（7）重建图像；（8）重建完成的图像送到显示器显示，或硬盘存储。3. 众所周知，岩石或地质样品的孔

12、隙度众所周知，岩石或地质样品的孔隙度( porosity)( porosity)，对于成矿流体的研究有着极其重要的意义。对于成矿流体的研究有着极其重要的意义。（1 1）传统测试方法的缺点）传统测试方法的缺点 传统的称重法传统的称重法可以得到岩石的孔隙度，但不够精确。可以得到岩石的孔隙度，但不够精确。 压汞测孔仪法压汞测孔仪法曾是主流方法之一，它的主要实验步曾是主流方法之一，它的主要实验步 骤是以逐渐增大的压力迫使汞渗入到岩石的孔隙中，骤是以逐渐增大的压力迫使汞渗入到岩石的孔隙中，尔后依据岩石孔隙的孔道直径与施加的压力满足华尔后依据岩石孔隙的孔道直径与施加的压力满足华西堡方程进行计算得到的。然而

13、，压汞仪得到的结西堡方程进行计算得到的。然而，压汞仪得到的结果有两点不足，一是只能得到岩石中与外部相连通果有两点不足，一是只能得到岩石中与外部相连通的孔隙体积而得不到岩石内部孔隙的体积，二是不的孔隙体积而得不到岩石内部孔隙的体积，二是不能表征孔隙间的连通性能表征孔隙间的连通性 而后，人们在实验室中采用了多种测量与分析计算而后，人们在实验室中采用了多种测量与分析计算岩石孔隙度的方法，其测量时一般采用小块的岩石、岩石孔隙度的方法，其测量时一般采用小块的岩石、岩芯或岩屑，典型的方法有岩芯或岩屑，典型的方法有显微镜显微镜( microscopy) ( microscopy) 电子扫描显微镜电子扫描显微

14、镜( scanning electronic microscope( scanning electronic microscope，SEM) SEM) 、核磁共振核磁共振( nuclear magnetic resonance( nuclear magnetic resonance，NMNM) ) 磁共振成像磁共振成像( magnetic resonance imaging( magnetic resonance imaging，M MI) I) 等。等。 然而，这些岩石样品的孔隙度测量分析方法，将不然而，这些岩石样品的孔隙度测量分析方法，将不同程度对岩矿样造成某种损伤或破坏，难于确保反同程度

15、对岩矿样造成某种损伤或破坏，难于确保反映岩矿样品内部的、原始的、原位的信息或特征。映岩矿样品内部的、原始的、原位的信息或特征。可喜的是可喜的是 工业工业CT ( industrial computed tomography) CT ( industrial computed tomography) 技技术则可以克服这一缺点。术则可以克服这一缺点。（2 2）应用）应用CT 扫描系统在岩石不被破坏的状态下进行岩石物理参数的测试与描述,测量裂缝和孔洞的宽度观察基质与裂缝之间的流动过程和测量基质内饱和度随时间的变化 ,测量不同驱替条件下的相对渗透率曲线与毛管压力曲线,应用CT 扫描系统对岩样连续扫描,

16、测量出岩样不同截面上的孔隙度分布,并应用三维重建技术得到岩样的三维孔隙变化,可以清楚地观察到岩样的层理变化和非均质性特征。由于CT 扫描系统的空间分辨率是亚毫米级,测量单元含有多个孔隙与喉道,得到的是“孔群级”的孔隙分布,在“孔群级”尺度上研究孔隙分布特征。应用统计学方法,对不同截面上测量的孔隙度进行定量分析与表征,研究岩样不同截面上孔隙变化特征和非均质性。（3 3）举例）举例 应用CT 技术研究岩心孔隙变化特征时,共进行了2 块岩样的CT 扫描,扫描结果和岩样参数如表1所示。每一块岩心扫描20 层, 扫描层厚度L 为110 mm ,层与层之间间隔S 为215 mm ,将20 层的孔隙度平均,

17、得到CT 扫描的岩样平均孔隙度。用CT 扫描技术测量的岩样平均孔隙度与He 气测量的岩心孔隙度非常接近, 相对误差很小, 为4.196 %0.143 % ,因此应用CT 技术测量岩心孔隙度的变化是可行的。空隙变化特征空隙变化特征以以S138 S138 号、号、71 71 号号2 2块岩样为例块岩样为例, ,分析分析CT CT 扫扫描岩样结果描岩样结果, ,研究岩心孔隙变化特征。研究岩心孔隙变化特征。S138 S138 号、号、71 71 号号2 2 块岩样横截面扫描结果如图块岩样横截面扫描结果如图1 1 、图图2 2 所示。所示。 S138 号、71 号岩样平均孔隙度变化曲线 为了更直观地观察

18、岩样孔隙变化特征为了更直观地观察岩样孔隙变化特征, ,将不将不同截面的同截面的CT CT 图像沿着岩心轴向进行三维重图像沿着岩心轴向进行三维重建建, ,得到得到S138S138号、号、71 71 号号2 2 个岩样的三维孔隙个岩样的三维孔隙分布。分布。如图如图3 3、图、图4 4。结论(1) (1) 应用应用CT CT 扫描系统对岩样连续扫描扫描系统对岩样连续扫描, ,测量出岩样不测量出岩样不同截面上的孔隙度分布同截面上的孔隙度分布, ,并应用三维重建技术得到岩并应用三维重建技术得到岩样的三维孔隙度变化样的三维孔隙度变化, ,在在“孔群级孔群级”尺度上清楚地观尺度上清楚地观察到岩样内部的孔隙变

19、化和非均质性特征。察到岩样内部的孔隙变化和非均质性特征。(2) (2) 应用应用CT CT 扫描技术测量的岩样平均孔隙度与用扫描技术测量的岩样平均孔隙度与用He He 气测量的岩样孔隙度非常接近气测量的岩样孔隙度非常接近, ,相对误差约为相对误差约为4.196 4.196 % %0.143 % ,0.143 % ,应用应用CT CT 技术测量岩样孔隙度的变化是技术测量岩样孔隙度的变化是可行的。可行的。(3) S138 (3) S138 号岩样存在着明显的层理现象号岩样存在着明显的层理现象, ,截面内部及截面内部及截面之间的非均质性都很严重截面之间的非均质性都很严重, ,岩样两端的平均孔隙岩样两

20、端的平均孔隙度高于岩样中部的孔隙度。度高于岩样中部的孔隙度。71 71 号岩样截面内低孔隙号岩样截面内低孔隙区较多区较多, , 高孔隙区较少高孔隙区较少, , 岩样的平均孔隙度较低。岩样的平均孔隙度较低。4.4. 国内工业国内工业 CT CT的研制，起步与国外差不了几年。但的研制，起步与国外差不了几年。但是，由于力量分散，投资强度低，仍停留在实验室试是，由于力量分散，投资强度低，仍停留在实验室试验阶段。前期只有效率低的验阶段。前期只有效率低的Y Y射线工业射线工业CTCT，近期才有，近期才有x x射线工业射线工业CTCT通过课题鉴定。目前仍无可供市场需要的通过课题鉴定。目前仍无可供市场需要的产品问世。为了满产品问世。为了满 足需要，用户只好引进国外产品。足需要，用户只好引进国外产品。 先行者也是一些军工研究单位。当他们反复论证，先行者也是一些军工研究单位。当他们反复论证，多方申请投资还无着落时，国内一些民用单位已建足多方申请投资还无着落时，国内一些民用单位已建足先登，如春兰、胜利油田等已购置了美国产品。由于先登，如春兰、胜利油田等已购置了美国产品。由于工业工业 CT CT对军工产品明显的重要性，美国已明令禁止对军工产品明显