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ct成像原理仿真实验心得体会

时间:2014-06-01 19:14

十六层螺旋CT

CT的主要结括两大部分:X线体层扫描装置和计算机系统。

前者主产生X线束的发生球管,以及接收和检测X线的探测器组成;后者主要包括数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。

此外,CT机还应包括图像显示器、多幅照相机等辅助设备。

X线球管和探测器分别安装在被扫描组织的两侧,方向相对。

当球管产生的X线穿过被扫描组织,透过组织的剩余射线为探测器所接收。

探测器对X线高度敏感,它将接收到的X线先变成模拟信号,再变换为数字信号,输入计算机的中央处理系统。

处理后的结果送入磁带机储存,或经数\\\/模处理后经显示器显示出来,变成CT图像,再由多幅照相机摄片以供诊断。

螺旋CT 螺旋CT机是目前世界上最先进的CT设备之一,其扫描速度快,分辨率高,图像质量优。

用快速螺旋扫描能在15秒左右检查完一个部位,能发现小于几毫米的病变,如小肝癌、垂体微腺瘤及小动脉瘤等。

其功能全面,能进行全身各部检查,可行多种三维成像,如多层面重建、CT血管造影、器官表面重建及仿真肠道、气管、血管内窥镜检查。

可进行实时透镜下的CT导引穿刺活检,使用快捷、方便、准确。

螺旋CT的具体用途与特点(部分) 1.肝动脉CT血管造影示肝内血管,指导肝癌介入治疗。

2.头颅扫描的图像清晰,无伪影。

在发现后颅凹病变上优于其他CT。

3.胸部CT扫描图像清晰度明显高于其他CT。

4.肝、胆、胰、脾及腹膜后CT扫描,检查快,图像质量好。

5.肾脏、盆腔及腰椎CT扫描检查快,图像质量好。

6.显示颅内肿瘤于血管的关系对手术至关紧要。

7.一般CT或超声不能发现的微小肝癌,在螺旋CT动脉增强扫描下原形毕露。

8.周围型肺癌和肾上腺肿瘤表面三维重建示肿瘤与血管的关系,有利于手术。

CT的工作原理 人体各种组织(包括正常和异常组织)对X线的吸收不等。

CT即利用这一特性,将人体某一选定层面分成许多立方体小块,这些立方体小块称为体素。

X线通过人体测得每一体素的密度或灰度,即为CT图像上的基本单位,称为像素。

它们排列成行列方阵,形成图像矩阵。

当X线球管从一方向发出X线束穿过选定层面时,沿该方向排列的各体素均在一定程度上吸收一部分X线,使X线衰减。

当该X线束穿透组织层面(包括许多体素)为对面探测器接收时,X线量已衰减很多,为该方向所有体素X线衰减值的总和。

然后X线球管转动一定角度,再沿另一方向发出X线束,则在其对面的探测器可测得沿第2次照射方向所有体素X线衰减值的总和;以同样方法反复多次在不同方向对组织的选定层面进行X线扫描,即可得到若干个X线衰减值总和。

在上述过程中,每扫描一次,即可得一方程。

该方程中X线衰减总量为已知值,而形成该总量的各体素X线衰减值是未知值。

经过若干次扫描,即可得一联立方程,经过计算机运算可解出这一联立方程,而求出每一体素的X线衰减值,再经数\\\/模转换,使各体素不同的衰减值形成相应各像素的不同灰度,各像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的黑白图像。

CT的密度 分析CT图像,一方面是观察解剖结构,另一方面是了解密度改变。

后者可通过测定CT值而知,亦可与周围组织的密度对比观察。

人体内肿瘤组织因部位、代谢、生长及伴随情况不同,其密度变化各异。

CT对组织的密度分辨率较高,且为横断面扫描,提高了肿瘤诊断的准确率。

各种可见光的波长范围是多少?

逆向工程的概念逆向工程(Reverse Engineering,RE)是对产品设计过程的一种描述。

在工程技术人员的一般概念中,产品设计过程是一个从无到有的过程,即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等,然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型,最终将这个模型转入到制造流程中,完成产品的整个设计制造周期。

这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程。

逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。

简单地说,逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程。

从这个意义上说,逆向工程在工业设计中的应用已经很久了。

早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。

随着计算机技术在制造领域的广泛应用,特别是数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。

通过数字化测量设备(如、激光测量设备等)获取的物体表面的空间数据,需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型,进而利用CAM系统完成产品的制造。

因此,逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。

逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。

从图1中我们可以看出,逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD\\\/CAM系统,最终与产品数据管理系统(PDM系统)融合的过程。

工程的实施需要人员和技术的高度协同、融合。

二、逆向工程实施原理:逆向工程在CAD\\\/CAM系统中的作用逆向工程技术不是一个孤立的技术,它和测量技术及现有CAD\\\/CAM系统有着千丝万缕的联系。

但是在实际应用过程中,由于大多数工程技术人员对逆向工程技术不够了解,将逆向工程技术与现有等同起来,用现有CAD\\\/CAM系统的技术水平要求逆向工程技术,往往造成人们对逆向工程技术的不信任和误解。

从理论角度分析,逆向工程技术能够按照产品的测量数据重建出与现有CAD\\\/CAM系统完全兼容的三维模型,这是逆向工程技术的最终实现目标。

但是我们应该看到,目前人们所掌握的技术,包括工程上的和纯理论上的(如曲面建模理论),都还无法满足这种要求。

特别是针对目前比较流行的大规模“点云”,更是远未达到可以直接在CAD系统中应用的程度。

因此我们认为,目前逆向工程CAD技术与现有CAD\\\/CAM系统的关系只能是一种相辅相成的关系。

现有CAD\\\/CAM系统经过几十年的发展,无论从理论还是实际应用上都已经十分成熟,在这种状况下,现有CAD\\\/CAM系统不会也不可能为了满足逆向工程建模的特殊要求变更系统底层。

另一方面,逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有CAD\\\/CAM系统,不需要另外搭建新平台。

基于这种分析,我们认为逆向工程技术在整个制造体系链中处于从属、辅助建模的地位,逆向工程技术可以利用现有CAD\\\/CAM系统,帮助其实现自身无法完成的工作。

有了这种认识,我们就可以明白为什么逆向工程技术(包括相应的软件)始终不是市场上的主流,而大多数CAD\\\/CAM系统又均包含逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。

三、逆向工程技术在模具行业中的应用从逆向工程的概念和技术特点可以看出,逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。

近年来随着生物、材料技术的发展,逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域。

但是其最主要的应用领域还是在模具行业。

由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面。

若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型,在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序,可以大大提高模具,降低模具制造成本。

逆向工程技术在我国,特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景。

这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。

在这些企业,测量设备和CAD\\\/CAM系统是必不可少的,但是由于逆向工程技术应用不够完善,严重影响了产品的精度以及生产周期。

因此,逆向工程技术与CAD\\\/CAM系统的结合对这些企业的应用有重要意义。

这一点我们在多年的技术服务过程中深有体会。

一方面各个模具企业非常欢迎在逆向工程技术,但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合适的软件产品。

这种情况严重制约了逆向工程技术在模具行业的推广。

与CAD\\\/CAM系统在我国几十年的应用时间相比,逆向工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间。

时间虽短,但逆向工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程技术人员所关注,这对提高我国模具制造行业的整体技术含量,进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用。

四、逆向工程软件逆向工程的实施需要逆向工程软件的支撑。

逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据,通过一系列的编辑操作,得到品质优良的曲线或曲面模型,并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD\\\/CAM系统中,在这些系统中完成最终的产品造型。

由于无法完全满足用户对产品造型的需求,因此逆向工程很难与现有主流CAD\\\/CAM系统,如CATIA、UG、和SolidWorks等抗衡。

很多逆向工程软件成为这些CAD\\\/CAM系统的第三方软件。

如UG采用ImageWare作为UG系列产品中完成逆向工程造型的软件,采用ICEM Surf作为逆向工程模块的支撑软件。

此外还有一些独立的逆向工程软件,如GeoMagic等,这些软件一般具有多元化的功能。

例如,GeoMagic除了处理几何以外,还可以处理以CT、MRI数据为代表的断层界面数据造型,从而使软件在医疗成像领域具有相当的竞争力。

另外一些逆向工程软件作为整体系列软件产品中的一部分,无论数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致,这样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入CAD或CAM模块中,实现了数据的无缝集成,这类软件的代表是DELCAM公司的CopyCAD。

下面介绍几个比较著名的逆向工程软件。

GeoMagic()美国RainDrop公司的逆向工程软件,具有丰富的手段,可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。

软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面,用户包括、BMW等大制造商。

ImageWare()作为UG NX中提供的逆向工程造型软件,ImageWare具有强大的测量、、误差检测功能。

可以处理几万至几百万的点云数据。

根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。

ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。

CopyCAD()CopyCAD是英国DELCAM公司系列CAD产品中的一个,主要处理测量数据的曲面造型。

DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程。

包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等诸多软件产品。

作为系列产品的一部分,CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成。

RapidForm()RapidForm是由韩国INUS公司开发的逆向工程软件。

主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模,还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。

RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具,用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。

以上介绍的是目前较常见的逆向工程软件,在国内能够见到的商品化的逆向工程软件均是国外的。

国内在逆向工程软件方面虽然也有研究,但是主要集中在几所高校。

其中以清华大学、浙江大学、南京航空航天大学在这方面的研究比较深入,这些研究成果也有一些以软件产品形式出现,由于系统稳定性、可操作性等方面的原因,这些研究性软件还没有完全具备与国外商业化软件竞争的条件。

由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件QuickForm 是国内逆向工程软件中较好的一个。

该系统采用先进的几何引擎,运行稳定性好,具有良好的可操作性。

由于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验,因此系统中的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯,这是国外软件所无法具备的。

QuickForm的另一个优势是价格优势,QuickForm的价格在同类软件中具有极强的竞争力。

同时,使用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持

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