ADAMS在机械设计中的应用
ADAMS在机械设计中的应用,清晰完整版分享一下，感谢支持前言为什么要写这本书呢?主要出于以下几个原因。第一个原因,是笔者在近十年给机械学院的研究生上“虚拟样机技术及其应用”这门课程的过程中,一直没有找到自己想要的教材。“虚拟样机技术及其应用”这门课,就其传统意义而言,就是谈 Adams应用的。但是 Adams在许多学科中都有应用,那么在选择教材的内容时,应该选择哪些方面的应用呢?是谈机械振动方面的应用,还是刚柔耦合方面的应用?是汽车设计方面的应用,还是试验设计方面的应用?当然这些知识都是有用的,但是对于学生而言,他们是否会觉得谈这种应用很突然呢?就教学规律本身而言,它讲究知识的前后衔接,要求能够给学生一个合理的符合逻辑体系的知识架构,而不是突然从天而降一个空中楼阁,让人不可拾级而上。所有机械专业的学生都学习过理论力学、机械原理和机械设计,而 Adams对这三个方面均提供了大量的支持,如果从这三门课程开始接着谈 Adams,他们会觉得熟悉而亲切,也便于迅速了解 Adams。可惜的是,笔者没有发现这样的书籍。所以很早,笔者就想从这三门课程着手,来谈 Adams对于这些学科的支持,从而为机械专业的硏究生们接触 Adams提供一个合适的切入点。第二个原因,来自于笔者给机械学院的本科生上“理论力学”和“机械原理”这两门课程中所遇到的困惑。理论力学这门课,逻辑严密,题目千变万化,很多动力学的问题,即便像笔者这样教学多年的人,初次遇见时仍旧感到束手无策。所以教学这么多年以来,笔者一直致力于寻求通用解法,希望使用这种通用解法,能够求解一切理论力学的问题。2003年笔者读博士时,偶然接触到计算多体动力学理论,此时突然发现,笔者所苦苦寻找的通用解法,实际上就是计算多体动力学所采用的基本方法。而基于这种计算多体动力学理论,已经出现了几款专门的仿真软件, Adams就是其中之一。所以笔者迅速转人到 Adams,并开始利用它来求解理论力学的各种问题,结果发现它异常好用。无论多么复杂的动力学问题,只要正确建模, Adams都可以给出相当精确的答案。这一发现让笔者如获至宝,所以在近几年给学生上理论力学这门课时,已经开始有意地在上课期间向学生推荐这款软件,也开始在机械创新设计这门机械学院的选修课中向本科生们讲解这款软件的人门知识。此外,在笔者教授机械原理这门课的过程中,更深刻地感受到该软件对于“机械原理”的重要性。机械原理主要讲机构的设计与分析,但是如果学生对于机构的动作并无感性认识,那么无论是分析还是设计都感到困难。而使用 Adams,可以迅速地对机构进行建模、仿真,之后就可以浏览动画,从而对于机构有非常直观的感性认识。除了做动画以外, Adams对于凸轮机构的设计也很有用处。鉴于以上原因,笔者以为, Adams软件并不需要等到研究生阶段才对学生介绍,而是应该在本科阶段就引入。第三个原因,来自笔者带学生参加全国机械创新设计比赛中的体会。在连续三届带领学生参加全国机械创新设计比赛的过程中,笔者深切地感受到学生们在做设计时的那种无助与茫然。他们不知道方案设计从哪里开始,如何给出一个可行的方案,也不明白所给出的方案到底有没有用,无法对方案进行正确的评估,甚至连选择电机的功率都觉得很费劲。而当好不容易给出一个方案以后,他们也不明白结构设计该如何进行。他们所设计的轴和齿轮,基本上没有经过严格的力学计算。这并非他们不想进行计算,而是因为一旦机构复杂化后,几乎无法进行力学计算。我们在学习“理论力学”的静力学部分时,较为复杂的问题也只有四五根杆件,而且还只是平面结构。而对于我们设计的机械产品,一条传动链上可能就有十几个构件,而且还是空间结构。如何根据执行端的受力,正确推算出传动链上各个构件的受力,这是一个艰巨的任务。此时,所谓的解题技巧已经完全没有用处,而只能使用通用解法,也就是一个物体列出6个方程。如果传动链上有10个物体,这就需要列出60个方程。即便我们正确地列出了60个方程,那么该如何求解这60个方程呢?难道准备用手工计算吗?这令人望而生畏。这还仅仅是静力学问题,对于动力学问题该如何处理呢?难道对每个物体列出刚体平面运动微分方程后,再追加加速度关系吗?这更令人不寒而栗。因此许多学生放弃了计算这条途径,而只能随便给一个数据。对于所给定的这个数据,他们心中一点底都没有。到产品设计、加工、装配出来以后,一旦进行加载试验,才发现作品千疮百孔,到处都是问题,似乎每个地方都可能会发生断裂或者变形过大,学生们对自己的作品毫无信心。笔者在连续经过三次这样的比赛以后,深感计算的重要性,也深感我们的确需要一些称手的工具来帮助我们计算,而非手工计算。所以,像 Adams这种进行机构力学计算的软件几乎变得必不可少。所以,笔者深感在机械专业的高等教育中引人像 Adams这样的仿真软件,已经不仅仅是种时髦,也不是一种噱头。对于机械设计而言,他们就如同空气对于人类一样的重要。传统的手工计算方法无法求解复杂机构,对于复杂机构,几乎只有借助专业软件这一条道路。如果不使用专业软件,我们在大学所学习的许多课程,在实践中将会显得毫无用处。笔者以为,这也是为什么我们所培养的学生,在工作过程中觉得大学课程没有用处的一个重要原因。许多课程,对于所研究的对象做了大幅简化,为了能够给岀解析解,使学生可以做课后作业、进行考试,这些课程只能做一些简单的习题。但是实际问题是复杂的、变化万千的,教材所给出的方法很难在实践中得到应用,这就导致了理论与实践的严重脱节,导致了“读书无用论”的泛滥。鉴于此,笔者感到很有必要写一本关于 Adams的书。在这本书中,谈论如何用它对机械专业基础课程中的问题进行求解,使学生在本科或者研究生学习阶段,就能领会这种方法,从而在日后的工作中,能够有意识地使用专业软件来辅助自己的设计,使自己所学习的知识没有白费,这就是笔者写这本书的主要原因。鉴于以上原因,笔者在本书中主要谈了 Adams在理论力学、机械原理和机械设计这三门课程中的应用。在谈这些应用的时候,笔者以例题为主线来展开讨论,这些例题,绝大部分都来自于上课时使用的教材。这样做的目的,是想告诉学生, Adams就是为解决这种问题服务的。除了谈 Adams在这三门课程中的应用外,为了解决更复杂的问题,笔者也专门开辟出两章,一章谈 Adams对于三维的复杂机构是如何进行仿真的,另一章谈如何进行编程。在机械设计过程中,我们经常需要在三维建模软件中做出装配体,然后导入 Adams中进行动力学分析,以考察结构的受力和运动。笔者发现,许多学生对于这种方式很陌生,在进行模型转换时没有使用正确的方法,结果在把模型导亼 Adams后,发现构件数目众多,给建模和调试带来了相当的困扰。笔者在多年的模型转化过程中,找到了一些经验,希望能够分享这种经验,让学生们或者机械工程师们在遇到这种问题时少走弯路。这就是笔者开辟一章谈Ad-ams对于三维复杂机构进行仿真的原因所在。至于编程那一章,来自于笔者在与许多CAE爱好者交流时他们所提出的困惑。他们发现,有时需要对 adams进行二次开发,但是市面上关于 Adams的书籍,谈 Adams二次开发的不多,有的谈到了,但是并没有给出一道完整的例题。这使得他们必须自己一点点摸索、研究、调试,而在遇到问题以后也没有人讨论,觉得自学起来十分费劲,急需得到有效的指导。此外,笔者也发现,很多CAE爱好者,虽然大学时学习过某种编程语言,但是他们实际上并没有编制过多少实用的程序,所以对于如何编程,本身就很模糊。有鉴于此,笔者专门开辟出一章,以一个折叠机构为例,非常详细地说明了如何用 Adams对之进行编程,并伃细阐释了编程中的几乎所有细节问题,包括变量的定义,编程思路的形成,等等。这是一道十分完整的例题,它来自于笔者带领学生做创新设计比赛时遇到的一个实际问题,笔者希望这种详细的讲解能够让大家进入 Adams编程的大门。因此,这应该是一本密切联系实际的书,它的目的是希望学生在学会书中的知识以后,能够在实际设计中,能在 Adams的帮助下使用自己在大学阶段所学到的专业知识;这是一本充满例题的书:第Ⅰ章就有1道单摆的入门例题,理论力学部分有l道例题,机械原理部分有10道例题,机械设计部分有6道例题,编程部分是1道完整的例题,复杂机构部分有3道例题。希望读者在学习这些例题以后,能够触类旁通,举一反三。这也是一本讲解细致的书,对于所有的例题,我们都做了相当详尽的讲解,包括在建模前的理论分析,建模中的详细说明,以及建模后的讨论与小结,等等。我们这样做的目的,是希望读者不仅仅会操作,而且能深刻理解这种操作的由来,并及时总结经验,从而能够非常清晰地理解知识和软件本身。所以,理论联系实际、大量列举例题、详细说明原理,是本书的三大特色。就总体编排而言,本书分为7章。其中,第3章、第4章和第5章,分别讨论 Adams在理论力学、机械原理和机械设计中的应用,这是本书的核心部分;第6章和第7章,分别谈论 Adams的编程以及它对于复杂机构的仿真,这算是扩展部分;第1章是对于 Adams的入门介绍,它简要地介绍了 Adams的两个核心模块: Adams/View和 Adams/ Post processor的最重要功能及一般使用过程,并以一个单摆为例说明如何使用这两个模块;第2章谈的是 Adams,/View的10种基本使用技术。因为这些技术在后面几章的建模和仿真中使用的频率相当高,为了节省全书篇幅,就在该章中对这些常用技术进行了集中讲解,而到后面几章中用到这些技术时,一带而过,所以这两章是基础。因此,本书是由基础篇(第1,2章)、核心篇(第3,4,5章)和扩展篇(第6,7章)组成的。本书的绝大部分内容由宋少云写作,由尹芳反复修改后最终定稿。在本书的写作过程中,我们得到了许多在校学生以及CAE网友的大力支持,尤其是得到了笔者所带的研究生张凤姣、李小力、侯晶晶、李祖吉、满续文的大力帮助,他们提出了很多建设性的建议和意见,并为本书的校稿付出了很多心血,在此一并感谢。本书中的模型文件,读者可以在国防工业出版社网站(htp:w.ndip.cn)“资源下载”栏目下载。由于时间紧张,本书在撰写过程中难免会有一些错误,读者若有意见和建议,请在百度中搜索“宋博士的博客”(htt://blog.sina.com.cn/doctorsongshaoyun),给我留言。目录2.3.8移动构件………………34第1章绪论2.3.9小结…341.1 Adams软件简介12.4如何建模坐标点……………341.2 Adams/View人门…………2.4.1创建单个的坐标点……341.2.1界面介绍2.4.2创建一批坐标点………351.2.2一般使用方法52.4.3小结……………………361.3 Adams/ Post Processor入门……102.5如何创建转动副和移动副…361.3.1界面介绍……2.5.1创建转动副…361.3.2一般使用方法2.5.2创建移动副371.4实例:单摆…………………142.5.3小结…………………384.1问题描述…142.6如何创建驱动381.4.2理论分析………142.6.1施加常数类型的旋转1.4.3建模……………………14驱动…………………381.4.4仿真………………182.6.2施加函数类型的旋转1.4.5后处理18驱动…381.4.6讨论242.7如何施加力…………422.7.1任务描述………………42第2章使用 Adams/view的十种基本2.7.2操作技术262.8如何使用仿真控制对话框432.1如何建模实体262.9如何创建测量………………452.1.1创建连杆………262.9.1观察结果的四种方法…452.1.2创建凸轮2.9.2测量的种类452.1.3小结2929.3创建对象测量的方法…462.2如何观察模型………302.10如何使用文本框…………482.3如何修改实体312.3.1了解构件的内部表示…31第3章 Adams在理论力学中的应用…512.3.2修改构件的名称……323.1引言…512.3.3修改构件的颜色,,323.2静力学分析………………522.3.4修改构件的可见性………323.2.1简支梁的平衡计算……522.3.5修改构件的透明度333.2.2外伸梁的平衡计算582.3.6激活/休眠构件………333.2.3平面桁架内力的计算…652.3.7删除构件343.2.4空间结构的内力计算…74Ⅶ3.3运动学分析805.2齿轮机构的建模与分析……1863.3.1牛头刨床的运动分析…805.2.1概述………………………1863.3.2凸轮机构的加速度5.2.2斜齿圆柱齿轮机构的建模分析……89与分析…883.3.3纯滚动的建模与仿真…975.2.3直齿锥齿轮机构的建模3.4动力学分析104与分析……………1963.4.1质点系动力学………1045.2.4复合轮系的建模与3.4.2三棱柱的滑动…………111仿真…1993.4.3板上有滚子的动力学5.3链传动的建模与分析205问题…………………1205.3.1概述………………………2053.4.4滑轮组的动力学1275.3.2滚子链传动的运动学建模与仿真207第4章 Adams在机械原理中的5.4带传动的建模与分析213应用1335.4.1概述…………………2134.1引言…………………1335.4.2V带传动的建模与4.2核心机构的建模……………134仿真………2154.2.1四杆机构的建模与5.5滚动轴承的建模与分析225仿真………1345.5.1概述2254.2.2六杆机构的建模与5.5.2滚轴轴承的建模与仿真……………………139仿真2264.2.3小结…………………143第6章 Adams编程入门…………2364.2.4尖底推杆盘形凸轮机构的建模436.1引言……………2364.2.5外啮合圆柱齿轮机构的6.2主要建模命令分析237建模……………1486.2.1任务分析………………2374.2.6齿轮齿条机构的6.2.2主要建模命令237建模……1536.3 Adams/view的逻辑控制语句…2464.3高级建模技术…1576.3.1如何使用循环语句……2464.3.1棘轮机构的建模……1576.3.2如何使用条件语句……2484.3.2槽轮机构的建模……1646.4程序片段的编制……2494.3.3凸轮机构的设计……1676.4.1创建关键点的算法……2494.3.4复杂机构的建模与6.4.2创建连杆的算法………252仿真………………1736.4.3创建滑块的算法…2554.3.5大型模型合并技术……1766.4.4创建转动副的算法……2566.4.5创建移动副的算法……260第5章 Adams在机械设计中的应用6.4.6创建集中力的算法…1846.4.7施加速度驱动的5.1引言…184算法…2616.5创建宏………………2627.2凸轮演示机构的运动学仿真…2756.5.1概述2627.2.1问题描述……………2756.5.2创建折叠机构的宏2627.2.2建模分析………2766.6对话框2647.2.3仿真过程2776.6.1概述2647.3单缸发动机的动力学仿真……2886.6.2创建折叠机构的7.3.1问题描述……………288对话框………………2657.3.2建模分析2896.7定义菜单2707.3.3仿真过程2806.7.1概述…2707.3.4讨论3036.7.2创建折叠机构的7.3.5小结303菜单项…殳计2717.4飞剪机的优化设…………3046.8程序的应用……………………2737.4.1问题描述3047.4.2建模分析305第7章 Adams在机械设计中的综合使用7.4.3仿真过程306275参考文献……3227.1引言…………………………275Ⅸ第1章绪论1.1 Adams软件简介Adams的英文全称是 Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System,其对应的中文翻译是“机械系统的自动动力学分析”。从该名称可以看出,该软件用于对机械系统进行动力学分析,而机械系统正是机械专业学生进行设计、分析和制造的对象,所以 Adams主要是为机械类学生服务的一款专业软件。Adams是对机械系统进行动力学分析的,这就意味着它与 AutoCAD,Po/ Engineer,Solid Works等软件的设计目的是不一样的。这些软件的主要目的是为机械设计及机械制造服务的,虽然它们也含有分析功能,但 Adams是专门为动力学分析服务的,其动力学分析功能更全面而强大。所谓动力学分析,是指对于某一个系统,当在它上面加上力和或运动后,经过计算,我们可以得到其上任何一个构件或者某个点的位移、速度、加速度,以及在运动副处(如果有的话)的受力情况。这样,对 Adams而言,它输入的是机械系统,输出的主要是位移,速度,加速度和力四种力学量我们知道,动力学分析是诸如理论力学课程所解决的问题。理论力学中已经花费了大量的篇幅谈论如何用动量定理、动量矩定理、动能定理、达朗贝尔原理以及拉格朗日方程来求解动力学问题,为什么还需要用软件来对动力学问题进行分析呢?实际上,仔细研究理论力学中的问题就可以发现,理论力学所提出的解法看似很完美,但只要机构稍微复杂一点(例如有3~5个构件),手工求解就十分麻烦。而在实际工程中我们面对的构件数目成百上千,手工计算其工作量不可思议。工作量大还只是一个方面,更麻烦的在于有些问题从数学上根本就不可能得到解析解,而只能得到所谓的数值解。在这种情况下,对机械系统进行手工动力学分析就成为一件几乎不可能完成的任务。为了解决这个难题,研究人员提出用计算机求解机械系统的动力学问题,并相应地开发出一些动力学分析软件,比较著名的如 Adams, Recurdyn, Simpack, Nucars, Samcef等。Adams只是其中之一,但也是非常重要的一款,它发展到至今也不过30多年,其创始人是美国的 Michael E. Korybalski1973年, Michael E. Korybalski在美国密西根大学安娜堡分校( University of Michigan,AnArbor)获得机械工程硕士学位后,进入福特汽车公司工作,担任产品工程师。四年后,他与人合作在密执安州安娜堡镇创立了MDI公司( Mechanical Dynamics Inc),到1980年开发出第套3D机构运动分析系统商品化软件,称为 Adams。2002年,MDI公司被 MSC Software公司收购,这样 Adams成为MSC产品线的一个组成部分,更名为MSC. Adams。经过多年的发展,如今 Adams发展成为 Adams2013版,这也是本书所使用的版本。Adams发展至今,其包含的内容已经相当广阔,在其内部包含了很多模块,可以求解的问题也超越了单个学科的范围,而成为一个多学科的仿真软件。下面以 Adams2013为例,对其组成做一个简要介绍。Adams2013中包含一系列模块,按照功能总体上可以分为四类:●基础类。包含4个模块: Adams/view主要用于建模,它是本书中使用最多的一个模块Adams/Solver用于计算,初级用户很少会直接使用它,而是在 Adams/vew中通过一个按钮间接调用该模块; Adams/ Post processor用于进行后处理,本书也会经常使用它; Adams/Insight是专门用于做虚拟试验的一个模块,本书不会涉及它●高级类。包含六个模块: Adams/Controls用于机械一控制系统的联合仿真;Adams/ Durability用于耐久性仿真; Adams/Flex用于创建柔性体; Adams/ Mechatronics用于机电一体化系统的仿真; Adams/Vibration用于振动系统的仿真;Ⅴ iew Flex用于创建柔性体●汽车类。包含七个模块: Adams/Car(汽车模块); Adams/Car Ride(平顺性分析模块);Adams/Car Truck(卡车模块); Adams/(has专业底盘模块); Adams/ riverine(传动系统模块);Adams /SmartDriver(高级驾驶员模块); Adams/ire(轮胎模块)。这些模块主要用于汽车设计中。●机械类。 Adams^. Machinery(机械模块),里面包含了对齿轮机构、带传动、链传动、轴承的建模和仿真,这主要是为通用机械设计而提供的一个模块。本书会专门开辟一章介绍其中的内容。下面将主要介绍 Adams的基础类中的两个模块: Adams/View和 Adams/ PostProcessor,它们是我们在实际仿真中用的最多的两个模块,本书的绝大部分任务都是在这两个模块中解决的。12 Adams/view入门Adams/view是 Adams系列产品的核心模块之一,主要用于机械系统的建模。本节介绍两个内容: Adams /view的界面以及 Adams/View的一般使用方法。1.21界面介绍从 Windows的【启动菜单】→【所有程序】→【 MSC Software】【 Adams2013】→【view】→【 Adams-view】进入 Adams/view的欢迎界面(图1-1)。可以看到,该欢迎界面有三个选项● New model(新模型):用于创建一个新的模型。● Existing Model(现存的模型):用于打开一个现有的模型。Exit(退出):退出 Adams/view。这里选择 New Model创建一个新模型,接着弹出了一个 Create New Model(创建新模型)的对话框(图1-2)。该对话框主要用于确定新模型的最基本属性。① Model namer(模型名)。指定该新模型的名称,请使用英文或者汉语拼音,而不要使用中文字符。② Gravity(重力)。用于指定是否需要考虑重力,以及重力的方向。运动学分析不需要考虑重力;动力学分析一般需要考虑重力;而对于静力学分析,基于问题的性质,会有选择性的考虑是否需要重力。对于该项,也可以在进入 Adams,/vew的主界面后再通过主菜单进行设置。③ Units(单位)。主要用于确定模型的长度、质量、力、时间、角度的单位。对于机械产品而言,长度通常为mm,有时候为m。对于该项,同样也可以在进入 Adams/View的主界面后,通过主菜单进行设置。
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计算机断层成像技术原理、设计、伪像和进展
作者是GE的CT部门首席科学家，此书为中文第一版计算机断层成像技术原理、设计、伪像和进展(美) Jiang hsieh著张朝宗郭志平青译王贤刚學$激化京图字:01-2005-5902内窖简介本书系统介绍了X射线CT近30年来的发展概况和有关的数学、物理基础知识以及最近的临床应用。全书共十一章,其内容新颖,深入浅出,覆盖面广,同时给出了大量参考文献供深人研究的读者参考。本书虽然着重于医学CT的各个方面,但是其基本原理和大部分问题的考虑思路与工业CT是完全一致的。因此,本书不仅可供从事有关医学图像研究的人员参考,对从事工业CT领域科研和应用的人员,也是一本极有价值的参考书。本书还可用作大专院校相关专业研究生教材。图书在版编目CP)数据计算机断层成像技术:原理、设计、伪像和进展/(美)谢强( Hsieh J.)著;张朝宗等译,一北京:科学出版社,2006ISBN7-03-016547-0Ⅰ.计…Ⅱ.①谢…②张…Ⅲ.计算机X线扫描体层摄影Ⅳ,R814,42中国版本图书馆CIP数据核字(2005)第142111号贲任編辑:向小峰黄敏/贵任校对:陈丽珠责任印制:刘士平/封面设计:黄超版权所有,者必究。未经本社许可,数字图书馆不得使用北京市版权局版权登记号图字01-2005-5902Authorized Chinese- language editionCopyright( year)SPIE. All rights reserved. No part of this book may he reproduced ortransmitted in any form or by any means, elect ronic or mechanical, including photocopying,recording or by any information storage and retrieval system, wit hout permissionin writing from the Publisher and SPIE.宀魔出版北京东黄城根北街I6号邮政编码:100717http://www.sciencep.com中·命享◆副「印刷科学出版社发行各地新华书店经销2006年2月第版开本:787×10921/162006年2月第一次印刷印张:181/2印数:1-2000宇数:470000定价:6900元如有印装质量问题,我社负责调换(科印)中文版前言CT领域的科学技术正在经历日新月异的发展。十六年前,当我刚刚跨进这个领域时,许多人认为CT已经是一门非常成熟的技术,不再需要开发和硏究。它所需要的是降低成本、提高生产效率和可靠性。历史证明这些人的观点不完全正确。虽然成本效率和可靠性仍然是CT面临的重大挑战,CT技术的开发和研究比以前任何时候都更加活跃。当这本书的英文版在两年多以前问世时,16层医用多层螺旋CT被认为是尖端产品。然而,在我写这篇前言的今天,这类CT机的地位已经被64层容积CT所取代。当这本中文版和大家真正见面时,我相信新一代产品又会出现。CT不仅可以用于医学为人类诊断疾病,它也可以效力于工业来检验核心零件的质量它还被大量地应用于动物试验去推动生物学和药学发展。它更被安装在机场和港口来保护人身和社会的安全。虽然这些CT机的应用、外观和特性大不相同,但是它们的基本原理却是一样的。它们在设计和分析上所面临的问题也大同小异。这本书虽然是基于医学CT的原理与开发,但是绝大部分的理论与分析可以同样地用于其他CT上。当我在1980年离开北京时,CT机只存在于寥寥无几的大城市医院里。如今,CT已经成为大多数医院内的基本诊断工具。CT的成功与发展是与世界各地华人的贡献分不开的。我非常感谢清华大学的张朝宗教授和王贤刚博士等将本书翻译成中文,以便使更多的华人了解CT的发展,并且为新一代CT研发做出贡献。我希望这本书可以成为初学者手中去打开CT知识的宝库的一把钥匙我也希望它能作为CT工程技术人员的工具来探索CT的未来谢强( Jiang Hsieh)2005年11月4日于美国译者序从1971年第一台临床CT设备问世以来,CT已经成为医院中不可缺少的临床诊断工具和科研手段。近年来,计算机断层成像技术( computed tomography,CT)不断取得巨大进展,出现了髙速的多层螺旋CT等先进设备。此外,CT原理(由投影重建图像)还在许多其他领域(特别值得一提的是用于工业无损检测方面)得到了应用。鉴于CT是一门新兴的多学科交叉的技术,有不少还涉及比较难懂的理论或数学推导,很难从已有的一两本参考书中找到全面的介绍。因此,广大从事CT相关的医务人员、科研工作者和工程技术人员都迫切地希望手头备有一本既从实际考虑又包括系统理论叙述的参考书。1985年,科学出版社出版了G.T. Herman1980年所著的《从投影重建图像—CT理论基础》中文版,此后国内再没有出现过全面、系统论述CT理论与技术的书籍,多年来该书在国内外一直被当作CT的经典书籍。但因出版年代较早,且重点在于论述CT图像重建的基础理论,近二十多年的CT技术的新发展在该书中没有得到反映;同时有关CT构成、设计和许多实际的关键技术问题,如伪像的产生、鉴别和校正等都没有涉及。2003年,美国SPE出版社出版了 Jiang Hsieh所著《 Computed Tomography: Princi-ple, Design, Artifacts and Recent Advances》-书可以说是很适时的。它是一本比较全面地论述CT理论和各种实践问题的书籍。该书内容几乎涉及了CT系统关键技术的各个方面,如CT系统构成、设计、图像(包括三维图像)显示技术及伪像校正等。此外该书还用大量篇幅从实用的角度来介绍螺旋CT多层螺旋CT等近年来的发展,以及心脏及心血管成像等高级CT应用。在每一章的后面列出了大量文献,对希望深入研究的读者无疑有着特别的价值。该书作者谢强( Jiang Hsieh)博士,是通用电器( General electric,GE)医疗集团首席科学家,1989年在伊利诺伊理工学院获得电子工程博士学位,在医学成像领域有18年的研究经历。他拥有92项美国专利,发表了90多篇研究论文,在国际光学工程师学会( InternationalSociety for Optical Engineering,sPIE)的医学成像会议北美放射学学会( Radiology Society ofNorth american,RSNA)年会、EEE的核科学研讨会和医学成像会议以及AAPM暑期学校等许多场合开设过有关XCT(X- ray computed tomography)的短期课程。鉴于CT是一门边缘交叉的新兴学科,许多专业术语还没有统一的汉语译法,不同行业或专业人员之间的用语就有不少差别。这给翻译工作带来一些困难。我们对待专业术语不同译法的原则是尽量选用已经广泛流传的用法。如“ computed tomography”,本书译作“计算机断层成像”,而没有选用不少书刊上出现的“体层摄影”或“层析成像”等。对不同专业人员习惯用法不同时,尽量考虑该术语出自哪个“原始专业”,如数学、物理、医学等。对于有些应用比较广泛又有相当影响但是科学性或准确性不够的用法,则尽量选用更加合理科学的译法,并希望对今后术语的合理应用产生一些影响。在这里最主要的一个例子是有些书刊把CT图像(物体衰减系数分布的图像)称为“密度”图像,并把CT数或图像“强度”ll计算机斷层成像技术:原理、设计、伪像和进展与“密度”混淆起来。这种混淆在医用CT的应用中一般不会出现问题,这是因为医用CT所检测的“材料”相对比较固定,它们对射线的衰减系数大体与密度同方向增加或减少。但是在工业CT的应用中就可能出现衰减系数和材料密度“倒置”的情况。因此本书中凡是相关的术语一概不取“密度”的译法。如“ maximum Intensity projection(MIP)”译成“最大强度投影”或“最大亮度投影”,而不译成“最大密度投影”。另一个例子是“mage”译成“图像”,不译成“影像”;“ artifacts”译成“伪像”不译成“伪影”。一则因为“图像处理”是当今门应用广泛的学科,CT只是部分地应用该学科的结论或成果;另一方面,传统物理学中影”和“像”属于不同的范畴,CT采用“像”的概念更加合理一些。尽管做了不少努力,但是由于多年来不同行业或专业人员之间用语的差别,在一些相对次要的译法上还是采用了迁就”多数的办法,因此留下了不少不够确切的地方。例如本书中“ partial volume effect”选用了大量医学书籍中所用的“部分容积效应”,但事实上“体积”和“容积”在汉语中不是同概念,从物理上说这里应当是“体积”,本应译为“部分体积效应”。由此引起许多本应译为“体积”的地方都译成了“容积”,只是在那些实在无法“兼容”的地方,就取用物理学名词。例如“voxe”,还是只能译为“体素”。为了读者査用方便,在本书最后对原书的术语索引增补了一部分术语,除优先列出本书选用的译法外也列出了部分常用译法。本书各章的译者分别是:张朝宗:前言、第一章(引言)。叶青:第二章(预备知识)第三章(图像重建)第四章(图像表征)、第五章(重要性能参数)第七章(伪像:形貌原因和校正)。郭志平:第六章(CT扫描机的主要部件)王贤刚:第八章(计算机仿真与分析)、第九章(螺旋CT)、第十章〔多层CT)、第十一章(高级CT应用)。全书校对及最后定稿由张朝宗和郭志平完成。此外,王贤刚负责与原书作者联系;郭志平完成了全书图表中文译稿的制备工作;张朝宗负责全书技术术语译文的选取和词义的甄别,编写了“中英文术语对照表”。本书译稿虽经译者多次校对和斟酌,毕竟限于译者的见识和水平,必有许多不妥乃至错误存在。望读者不吝赐教,批评指正。译者2005年9月前言近年来,X射线计算机断层成像(CT)无论在基本技术方面还是在新的临床应用方面都取得了巨大的发展。在CT的各个主要组成部分,如光管、探测器、滑环、数据获取系统和算法等方面都取得很大进步。自从螺旋CT和多层CT问世,出现了许多新的临床应用。CT经过三十多年发展以后,再次成为医学图像領域中最令人兴奋的诊断方法之可以认为,CT在其发展历史上至少出现了五代商用扫描机。由于下述理由,本书的大部分内容将集中在分析和讨论第三代CT扫描机。一方面,第一代和第二代CT得到发展的主要原因是当时技术水平的限制,体现了CT的历史演变。虽然这些扫描机在临床环境中已经完全被取代,但是在实验室里还可以看到它们。另一方面,通过对第三代CT的讨论,也基本上包括了这些扫描机的技术问题。第四代扫描机曾经扮演过重要的角色。对于单层CT而言,即便在采用螺旋技术以后,用第四代CT代替第三代CT都还是可行的。然而随着近来多层CT的引人,由于各种技术和经济的原因,第四代扫描机不再是发展的焦点。有些第四代CT碰到的技术问题也是第三代CT所共有的。另一方面,某些第四代所固有的技术问题在第三代中并没有出现反之亦然。第五代CT通常也称为电子束CT,是一种专门关注时间分辨的新设备,故而其设计和技术特点明显地和其他类型的CT扫描机不同。为了进行比较分析,在适当的地方我们也插入对其他各代扫描机的讨论本书共十一章。像其他涉及本课题的书一样,第一章概论用于回顾CT技术的发展历史,包括许多研究工作者在计算机时代以前所做的努力以及导致发展到目前我们所知道的CT扫描机的那些努力。该章还对CT扫描机各代产品的主要差别进行了全面的评述。由于本书包含了许多技术详细分析和讨论,第二章便对其背景知识进行了概括的回顾。这一章分为数学和基础物理两个部分。我们认为读者已具有徵积分统计学线性代数和基础物理等方面的一般知识,书中对这些内容不再进行详细讨论和推导。对于那些需要对上述专题做深入讨论的读者,该章最后提供了参考文献。第三章重点讨论图像重建的基本原理。为了使读者更好地理解CT图像重建原理,我们在直觉的水平上开始讨论提供了几种无需对数学公式进行严格推导的方法。接着是傅里叶切片定理的详细推导,该定理是目前大多数商用CT釆用的重建算法基础。为了便于阐述,我们将先后介绍平行束、扇形束和锥形束的滤波反投影算法。相关的各种解决途径也进行了详细的讨论。我们希望这一章能够帮助读者运用不同的算法,并理解如何选择重建核和反投影方法。为完整起见,本书对迭代重建算法也进行了简短的讨论。我们的目标是提供高水平的叙述和参考材料,使得有兴趣的读者可以更深入地探讨这个课题。图像重建之后,下一个问题就是如何观察这些图像。第四章首先讨论了传统的CT图像显示模式,包括CT强度单位的定义以及强度重现过程。然而,由于近年来CT技术的发展,传统显示模式遇到越来越严重的挑战。越来越多的射线工作者依赖新的三维工具进行图像诊断和观测。这一章的第二部分内容是论述这些新工具的原理和应用。由于图像是CT扫描机的主要输出,因此,懂得评判所生成图像质量的主要性能参数是计算机断层成像技术:原理、设计、伪像和进屐很重要的。这些参数不仅对于CT使用者,同时对于CT设计者都是重要的。第五章列出了各个主要参数,如空间分辨率、时间分辨率、低对比度分辨率、CT数准确度、噪声和剂量等。该章的重点是测量这些参数的不同方法和影响这些参数的主要因素。同时讨论了这些测量方法背后的理论和各种测量模体大多数人都把CT扫描机看成是一个单元。事实上,它是一个由许多部件组成的十分复杂的系统。在第六章里我们要深人到扫描机的内部,仔细研究每一个主要的部件。为了使读者更好地了解不同部件之间是怎么联结的我们从CT扫描机的总体结构框图开始,解释扫描过程中操作的顺序尔后概括地叙述这些部件的功能,分析它们对CT系统的影响并介绍它们的最新发展。许多因素使得单个部件或者整个系统的运行都远远不是理想的。这些不理想的条件自然会导致图像上出现伪像,也就是不代表实际物体的图像。人们通常并没有意识到CT今天能够成为一种可行的医疗设备的真正秘密,既不是第三章讨论的重建算法,也不是第四章介绍的图像显示方法,而是伪像的处理方法。事实上这是所有CT制造商很少公开讨论的技术。第七章我们给出了伪像的一般描述和不同类型。对每一种主要伪像讨论了其起因和可能的校正方法。这些校正步骤是CT标定、预处理和后处理的组成部分。因为这个题目的产权特性,只能作一些示意性的介绍。对于那些已经公开的校正方法,本书提供了数学公式以及校正的途径。因为该章放在CT技术最新进展的前面,所以有关螺旋C和多层CT伪像及其校正的内容没有包括在内。这些内容将在相关的章节内详细讨论。CT设计师或物理学家通常都希望在系统实际建成以前,能够预计一台CT系统的性能或者能够理解某种伪像的起因。第八章提供了分析的一般方法。某些仿真和分析方法很简单,属于“信封背面”即可进行的计算,然而这些方法在实践中已被证明也是十分精确和有用的。另一方面,有许多用频谱方法设计出精细的仿真方法适用于比较复杂一些的问题。该章首先详细描述某些方法尔后讨论选择仿真参数的影响。读完该章以后,读者应当可以构造自己的仿真器用来回答他们关于CT的许多问题。第九章和第十章论述近年来CT的技术进步螺旋CT和多层CT。详细讨论了每种技术在临床应用上的长处、不同的重建算法、性能建模和伪像等问题。为了易于理解,重建算法按照从易到难的顺序介绍。首先介绍基础的原理和总体思想,然后介绍简单的重建实例,最后介绍复杂一些的算法。这两章为那些已经掌握不太复杂算法的读者提供了足够的细节。鉴于这些技术的性质,重建图像更具各向同性,导致切片方向灵敏度曲线这一重要概念的引出。第九章详细地描述了建模及分析技术,以便不用通过大量实验就可以理解在不同扫描模式下或选择不同参数时切片方向灵敏度曲线的基本特点。CT新技术的出现引发了临床应用方面的许多进展。第十一章我们选择了几种重要的临床应用实例来详细讨论。有些应用如心脏病学和荧光成像,需要生理学的门控或者对目前现有算法修改。另外一些应用如灌注、肺癌筛检和结肠成像要求在图像生成以后开发扩展的算法。本书都适时地提供足够的技术细节,使读者对这些应用的原理和操作能做到基本了解。该章最后提供了许多文献供有兴趣的读者进一步研究。作者首先要向自己的父母 eR, Gao博士和B,Z. Hsieh博士表达自己的感激,是他们教我懂得了刻苦工作和自律的价值。本书中出现的许多思想、原理、结果和实例都来源于其他的书籍和研究论文,借此机会作者向这些源头表示感谢。作者要感谢密歇根大学的Jeffrey A. Fessler教授,他审阅了迭代重建的章节,他富有见解的建议和意见对该章节有前言〓二二二二计国新时早品工出計山d很大帮助。作者还要特别感谢SPTE出版社指定的评审专家: Analogic公司的 Carl crawford博士、艾奥瓦大学的 Wang ge教授以及匿名评审的另外一位专家。他们非常专业的重要意见使原稿得到了重大改进。作者还应该感激 Robarts研究所的 Ting-Yim le博士,他提供了有关CT灌注法的参考材料;以及伦敦 ImPACT研究组的 Nick keat先生,他提供了CT早期发展的历史照片。为了那些有益的讨论、共同的研究课题、突发的灵感和优美的图像,作者要感谢许多目前和过去在 GE Medical System和 GE Globa! Research center一起工作的同事。很遗憾不可能将他们的名字全部列在这里,那样就似乎在说“某人是GEMS的,某人是(RC的”。最后特别要感谢作者的夫人Ii!yJ.Gong,对本书的编写给了无条件的支持;以及孩子 Christopher和 Matthew,原谅了作者在编写本书期间没有和他们共同度过更多的时间。作者2002年12月
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