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射线检测不再是工科生的专属:体积X射线成像技术用于人文社科教学同样出彩
发布:kittyll   时间:2015/12/11 9:56:03   阅读:876 
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戴维森学院 图片来源:网络

编制按:戴维森学院(Davidson College)是一所文理院校。建校于1837年,面积556英亩,位于北卡罗来纳州一个叫做大卫森的小镇上。学院现有在校生1800多人。严格的入学要求及考试,使得戴维森学院吸引了来自全世界的优秀学生。悠久的历史和高质量高素质的教学团队,保证了学生们的任何学术上以及生活上的所需。该校不仅有23个罗德奖学金获得者(哥伦比亚大学有26个,伯克利22个,宾夕法尼亚大学19个),且一直排名全美前10位。戴维森学院设有诸多本科专业,譬如人类学、生物学、化学、经济学、英语、德语、历史、数学、音乐、哲学、物理、政治学、心理学、宗教、社会学和西班牙等。——来自百度百科

戴维森学院(Davidson College)的学生在整个课程期间都在应用一种新的体积X射线成像系统。物理学教授Dan Boye将该系统评价为“戴维森跨学科游戏规则的改变者”,他认为学院可以通过应用这种体积X射线成像系统,来帮助学生进一步理解人文和社会科学的热点话题。

Boye补充道:“通过物理系与其他各系学生之间就该系统的合作,能够促进跨学科的学习和研究。”

文理学院的学生和教师“跳出既有框架”的思想,促成了一种新的体积X射线无损检测(NDT)应用技术。那些平时不接触也不熟悉无损检测技术及应用的学生,反而更有可能为无损检测的世界带来新的理念。

体积X射线成像系统

当前的体积X射线成像系统分为许多不同的类型。其中最简单的技术已经长期应用于医学影像学中,检测时对象保持静止,而X射线源在+X的方向上移动,成像器(通常为胶片)在-X的方向上移动。这能够使检测对象单个水平面的X射线图像准确对焦,通常也称这个平面为支点平面。检测对象的其它几个平面可以通过改变图像的几何形状来进行成像。

更为现代化的体积成像技术包括X射线断层摄影术和层析X射线照相组合技术。

ASTM国际标准ASRM E 1316对X射线断层摄影术的定义是,在一个检测对象中,相对于指定平面外的排斥结构,为指定平面提供图像的放射学技术。

在医学影像学中广泛使用的计算机断层扫描(CT)现在也已经成为了无损检测中的一种常用检测技术。

层析X射线照相组合术通常指的是在有限数量的视图中,X射线定向通过检测对象,以重建对象内部多个图像平面的技术。

戴维森学院的这个项目中的体积X射线成像断层摄影术相对来说要简单一些。该技术利用了一系列从不同角度拍摄的传统二维X射线图像。图像再现软件要求输入的二维图像细节是已知的:即成像系统源、检测对象和检测器的几何形状和距离。这些图像特性可以通过使用一个固定式系统(如图1所示),以非常高的精度来进行确定。
 
图1.典型的针对体积成像系统的成像几何示意图。旋盘上的物体成像角度是已知的。这种方法可以在X射线控制室中使用。

X射线源被固定于一个角度,通常角度为45°,然后定向通过放置在X射线图像检测器上的检查对象。使用以下任何底片都可以对图像进行记录:可以是胶片和计算机X射线感光底片,或者是戴维森的系统中使用的203.2mm×254mm(8in.×10in.)电荷耦合器件扁平感光底片。
 
通过使用重建软件,计算机显示器中会显示出用于进行计算的提示及数字图像。只需要四个不同角度的输入图像,就能够获取有效的重建图像,当然,如果输入的图像越多,那么获取的重建图像的清晰度和分辨率自然也就越高。
 
在现场环境中,将旋盘固定并正确放置检测对象,这样就能够获取输入图像。此外,通过使用校准装置(而不需使用固定装置)同样可以进行体积检测。每个输入图像的校准图像都能够提供重建所需的信息。
 
通过数字化断层合成技术,使用常规透射X射线图像的数据集,即可实现体积图像的重建。检测员能够根据重建的图像,来对物体总的X射线图像体积进行分析检测,同时根据潜在特征,通过对任意方向的扫描,将本身模糊的特征显示出来。
 
如果你使用的是一台标准的台式电脑,对于检测所得到的相对较少的数据量,能够放宽其次秒级成像时间点的计算能力要求。
 
该系统的便携性、可扩展性、快速检测性及其测量检测对象任何面的能力,即使不能说一定优于其他诸如计算机断层扫描技术、正电子放射断层造影术、超声检测技术和磁共振成像技术等,但至少也具备可比性。
 
戴维森学院对X射线技术的研究历史

当前的这个项目只不过是戴维森学院在X射线技术上取得的最新成就。
 
早在20世纪之前,戴维森学院以及之后其物理系与华盛顿与李大学(Washington and Lee University)的院长Henry Louis Smith合作研究了克鲁克斯放电管。Smith当时读到了一个引人入胜的故事,这个故事是伦琴(Roentgen)关于新射线的发现,随后他在课堂上将这些信息分享给了学生们。在1896年1月12日,有三个学生使用克鲁克斯放电管,成功地使X射线图像在胶片上曝光。在这三个小时中,这三个学生对一个鸡蛋、放大镜、尸体手指和其他几个对象进行了曝光。这是北美首次实现的X射线图像,并在之后的出版物中进行了描述(Lafferty, 1926)。
 
1921年,Smith 在致Lafferty的一封信中,描述了其早期胶片和荧光X射线的研究工作。在看完了有线新闻关于新发现的报道不久后,Smith就对一具尸体手中的一颗子弹进行了X射线照射,《夏洛特观察家报》对这件事情进行了报道(观察家报,1896年)。这引起了一名男子的注意,因为该男子知道当时有一名年轻的姑娘生命垂危,这名姑娘吞下了一根顶针,但医生无法确定其位置到底是在食道中还是在咽喉中。在与Smith进行过讨论之后,女孩的家人赶紧从当地驾驶了一辆货车,将Smith和其X射线设备一起接了过来。这些设备包括克鲁克斯放电管、一块非常重的蓄电池和一个非常大的电感器。Smith用床单将女孩悬挂在他的放电管和荧光屏之间,开始对顶针的位置进行搜索。准备进行手术的医生必须要确认顶针的位置。他们将一根柔性钢管顺着女孩的食道插入,此时Smith则观察其透视图像。他确定食道中没有顶针,所以顶针一定是在女孩的气管中。医生进行手术时有一定的难度,因为顶针比气管要稍微大一些,最终姑娘脱离了生命危险。
 
据Otto Glasser在X射线发现栏目报道的广泛评论中可以发现,戴维森这些早期获取的X射线成果要早于常春藤联合会学校(Glasser, 1934)。Glasser于1896年1月31日在哈佛对X射线的研究成果做了报告,随后于同年2月3日及2月6日,分别在达特茅斯学院和耶鲁大学作了报告。
 
在1896年年初,Thomas Edison第一次使用了X射线透视检查。1896年5月,爱迪生在纽约市国家电器展览会上,对X射线透视进行了公开演示。Glasser的评论中还提到了达特茅斯学院的Edwin Frost于早期进行的医用X射线应用,当时对Eddy McCarthy手臂骨折处拍摄了X光片,获取的图像帮助医生对手臂骨折处进行固定。
 
加拿大麦吉尔大学的John Cox也列举了一个X射线早期在医学上的应用。1895年圣诞节,一位名叫Tolson Cunning的人被枪击中了腿部。医生们始终无法找到子弹的位置,直到Cox做了一个时长45分钟的X射线曝光,才帮助医生找到了子弹的位置。这次检测在1896年2月8号的蒙特利尔每日见证报(Montreal Daily Witness)中的一篇文章中提到。X射线胶片也在法律适用范围内,Cunning在1896年3月用胶片起诉开枪者(Sullivan, 2011)。

戴维森学院的X射线技术研究现状

有确凿的证据表明,戴维森物理系的教师和学生于1896年开拓了新的科学领域,当时他们在美国本土首次拍摄了X射线图像。
 
现今,戴维森学院的物理研究者同样面临着一个类似的重大机遇,他们可以在全国率先实现这一革命性的体积X射线无损成像系统。该系统将一系列从不同角度拍摄检测对象的常规二维X射线图像,组合成一个三维的体积型图像,并且可以进行旋转,从任何角度或平面进行探测。
 
操作者可以调节屏幕上的滑动触点,以控制图像的对比度和分辨率,也可以对图像进行旋转、倾斜和缩放。学生在操作器械时学到的技能,能够为学生将来对其他影像学系统的操作打下良好基础。
 
先前描述的体积X射线成像技术,文理学院已经多次将其使用在未公开的应用程序中了。其中一项是对莫扎特所有的一个乐谱架进行的检测,他们发现部分零件是用反向螺纹拧在一起的。
 
还有日本天皇要求使用体积X射线检测技术,来检测他的瓷壶手柄是否被人改动过。
 
另外通过检测还发现,一般情况下一个工艺复杂的明代花瓶没有裂纹,是由于其内表面的伸缩接缝所致的。
 
Phillip Wall是戴维森学院最近的毕业生,其专业是物理和数学,去年夏天他在实验室学习体积X射线系统,并编写了用户协议。
 
他说,“我越发感觉到这对戴维森来说是多么了不起的事,作为第一批操作的学生,这真是一次令人兴奋的开拓创新。” Wall现在在路易斯安那州立大学攻读医学物理学硕士学位。
 
体积X射线成像系统的团队见图2。图中没有Steven Keller,他已被美国弗吉尼亚大学医学院接收,进行生物物理学和生物医学成像研究。Keller在中皮德蒙特社区学院无损检测系,在美国无损检测学会北卡罗莱纳州学生分会的指导教授Rand Ernst的帮助下使用3D成像来检测钢板焊缝。
 
图2.体积X射线成像系统的团队,包括(后排左起)教授Dan Boye、Rebecca Garner、 Ryan Kozlowski和(坐着的)Phillip Wall。

Wall进行的检测包括:一次是对自己的iPod进行了检测,揭示了其内部部件是互相堆叠的;另一次是在高校档案管内对一个封闭的祷告盒进行检测,以确定其中是否藏有卷轴;他还对一个中国风格的没有盖子的酒壶进行了检测,发现其内部有空心梃,使得酒壶在倒酒的时候,酒不会洒出来。
 
除了前面提到的那些系统应用,Boye认为考古学家也可以运用该系统来对发现于沉船中的有图案硬币的单个面进行检测。
 
图3是由阿拉斯加州地区物理专业的Kozlowski,从相同角度对25分硬币顶层和底层所进行的检测。二维检测可以同时显示叠加的两个面。Kozlowski还获得了其在夏天的研究经费来对文物进行检测研究,这些文物包括来自“女王安妮复仇号”(The Queen Anne’s Revenge)和“海盗黑胡子”(Blackbeard)旗舰号沉船中的硬币。这些文物目前由北卡罗莱纳州格林维尔的东卡罗莱纳大学文化资源部QAR文物修复工作室进行处理。关于这个项目的更多信息可以从外部文献中获取(Link和Welsh, 2012)。
 
图3.阿拉斯加州25分硬币表面图像的重建: (a)可见光;(b)反面;(c)正面

文理学院的学生对于使用该系统检测那些因覆盖色而发生变化的画作的结果很感兴趣。
 
为了进行概念验证,物理专业的Garner使用不同的金属颜料创作出一幅垂直条纹的画作,然后将该画置于横条纹画作上方,用金属钉固定于木质画框中。图4显示了画作的可见光图像和二维图像。底部的三维图像显示了该系统的隔离能力,能够只显示出底层的横条纹画作。
 
图4.在一个木制画框中的双层画像:(a)可见光覆盖层的画面;(b)二维X光画面;(c)只有横条纹底层的平面画面。

Boye计划在未来招募更多的学生来学习这个系统,以满足其他专业和外部人员想要来学习的需求。Boye也非常乐意与那些为体积X射线图像系统提供帮助的外部企业开展新的合作。

结论及未来展望

戴维森学院开创的体积X射线成像系统,在其历史悠久的文理学院X射线技术中开拓了一个新的概念。很明显,未来的体积X射线成像研究工作能为学院的人文社会科学研究方案做出贡献。

在无损检测应用中,该技术在未来所能做出的贡献我们不得而知,但该技术本身是非常有趣且耐人寻味的。文理学院的学生和教师究竟可以为未来发展做出什么样的贡献,让我们拭目以待。

作者:Dan Boye和Harold Berger
原文出处:《Materials Evaluation》2014年第9期第1087页
来源:材料与测试
译者:兔子小光

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