CT结构

CT结构（共4篇）

CT结构 篇1

摘要：本文介绍了CT球管的结构组成及工作原理, 总结了球管的日常保养及预防措施, 对球管的常见故障进行分析, 例举了相关的实例。

关键词：CT球管,结构原理,维护保养,故障检修

CT (Computed Tomography) 即计算机体层摄影, 是目前人体内部组织器官解剖形态结构的最主要的影像手段系统, 尤其是检查有密度和形态变化的疾病敏感病灶, 由它引起的影像诊断技术的革命推动了医学迅速发展。

CT是由X线体层扫描装置和计算机系统两部分组成, 前者主要由产生X线束的发生器和球管, 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。CT的工作原理是用X线束对人体的某一部分按一定厚度的层面进行扫描, 当X线射向人体组织时, 部分射线被组织吸收, 部分射线穿过人体被检测器接收, 产生信号。因为人体各种组织的疏密程度不同, X线的穿透能力不同, 所以检测器接收到的射线就有了差异。将所接收的这种有差异的射线信号, 转变为数字信息后由计算机进行处理, 输出到显示的荧光屏上显示出图像。

目前CT影像已成为现代医院不可缺少的常规诊断技术, 其核心装置CT球管是成本最高的耗材, 因此系统了解CT球管的结构原理, 正确掌握其使用方法和常见故障, 精心养护延长其使用寿命是极为有意义的工作。

1 CT球管的结构及工作原理

1.1 CT球管的结构剖面图 (见图1)

球管主要是由管芯、管套、散热器、绝缘油以及一些附属配件等组成。其中管芯是球管的核心部件, 它是由阳极和阴极组成。

管芯的制造工艺相当复杂, 对于大功率的管芯世界上只有少数厂家能生产。

CT机用的是旋转阳极管芯, 阳极部分主要由靶面、转子和轴承等组成。这种管芯能在小的焦点下使用更大的电流进行工作, 从金属散热的角度分析, 任何金属对热的传导都有热阻, 管芯在小焦点、大电流工作的情况下, 在阳极靶面会产生高温, 如果电子束不断的变换轰击位置, 变点为环就可以保证管芯在更大的电流下工作, 使靶面受到电子束轰击的位置产生的热量的足够的时间向金属内部传导, 靶面就不会出现大功率管芯在曝光时的功率可以达到100kW以上, 其中99%的功率变成了热, 只有1%以下的功率转变为X射线, 所有的热都会留在阳极上, 散热对旋转阳极管芯来说尤为重要。

1.2 CT管工作原理

CT球管实际上是一个大的高真空的阴极射线二极管, 是产生X线的系统, 其工作过程为:由12V电流供于阴极灯丝加热, 并产生自由电子云集, 这时向阴阳两极加40-150kV高压电时, 电势差陡增, 在高压强电场驱动下, 处于活跃状态的自由电子束, 由阴极高速撞击阳极钼基钨靶, 并发生能量转换, 约1%的电能形成了X线, 由窗口发射, 99%则转换为热能, 由散热系统散发。

2 日常保养及预防措施

在长期工作中, 因阳极不断蒸发的金属附着在管壁, 或阴极灯丝逐渐因点燃而变细, 内阻增大, 使其发射电子的能力减低, CT机的球管受曝光次数的限制, 是易耗品。CT球管一般使用寿命为10—20万次, 如果经过精心的养护, 寿命可以增加50%。为了延长CT球管的寿命, 我们要做好日常保养工作。

1) 日常保养

(1) 定期检查球管的油循环是否正常及定期清洁散热片上的灰尘。

(2) 定期检测和监视电源状态, 三相电源的相位、相辐均衡稳定, 不移相以及地线的阻值, 接地是否良好, 电压不能超过额定的±15%。高压电缆与球管的接触要良好, 确保高压电缆插头的硅垫和高压硅脂完好, 接触零部件无杂质。

(3) 定期检测球管的各种工作参数, 主要包括对管电流、管电压、曝光时间以及过载保护装置的校正和检修。不要超出阳极热容量或散热比率, 防止超负荷使用。

(4) 做好维护计划, 维护工作记录和故障排除纪录等建档工作。

2) 预防措施

(1) 每天早晨或停止扫描5h以上时, 应对球管进行预热后再扫描, 这样可以延长球管的寿命。

(2) 尽量避免采用长时间连续扫描的模式, 尽可能的在两次扫描之间间隔一定的时间, 让球管冷却下来再进行下一次扫描。

(3) 球管老化后, 应相应的调整扫描参数, 重建参数表。

(4) 经常检查球管冷却系统的工作状况, 发现问题应及时排除。

3 CT球管的常见故障及检修

1) 常见故障现象

(1) 高压控制回路及高压电缆故障:包括接头老化、氧化、接触不良、绝缘性下降、造成高压的过压、欠压或击穿, 高压变压器短路, 高压电容打火或击穿。导致成像性能下降, 雪花点增多, 图像伪影, 甚至不能成像。

(2) 灯丝电路故障:灯丝发射的均匀性下降, 图像雪花点增多, 或灯丝熔断开路, 有高压无管电流或电流波动大, 导致不出射线, 图像为大理石面, 原因由于使用寿命已到, 灯丝老化, 应急时, 可考虑将大小灯丝电路互换及工作参数调整。

(3) 旋转阳极故障:不转或低速, 高速轴承噪声大, 其原因一是旋转阳极轴承磨损或靶面碎屑过多卡死, 二是定子线圈开路或内部匝间短路, 旋转控制器和逆变触发故障。

(4) 高压打火:分为管套内和管芯内打火。A、管套内打火是由于管套内有汽泡或管套内绝缘油或部分绝缘材料的绝缘性下降所造成。管套内有汽泡则是由于球管工作时内部温度很高, 瞬间可达3000℃以上, 管套内绝缘油热胀冷缩, 绝缘油的体积膨胀和收缩靠球管内的气囊调节。如果油路密封件老化或弹性失效, 空气就会进入形成汽泡, 较小时会听见打火声, 汽泡较大时, 则停机报过载。

B、管芯内打火是由于管芯的真空度下降所造成的。管芯的真空度下降通常是由于球管存放时间过长、管芯内各种材料的放气、球管经常在超负荷条件下使用或管芯制造不良等原因产生的。管芯真空度下降会引起过载, 不能曝光或高压跳闸。

(5) 温湿度控制、高压kV、灯丝电流mA等检测电路故障。

(6) 冷却循环系统故障油泵或风扇由于长期工作而磨损失效, 温度及压力传感器失灵, 开关误报警, 热交换器污染影响散热效率, 热量无法及时散发, 至使玻管过热而膨胀破裂。

2) 检修实例

(1) 故障一:无法完成球管的预热

故障检修:查看高压部分各部件, 其中包括逆变器、高压变压器箱、高压电缆及X线球管均没发现异常。拔下阴极高压电缆头进行空载试验, 仍无法预热。拔下阳极高压电缆头, 故障依旧。电缆没有发现击穿现象, 测试阻抗正常。做阳极油箱隔离实验, 没有阳极过流错误发生。将阳极逆变器与阴极逆变器交换位置, 也没有阳极过流错误发生。故判断CT球管损坏, 更换球管后故障排除。

故障分析:由于日常工作不良习惯, 不预热球管, 就接通高压进行扫描, 使其突然高温而造成球管阳极靶面烧伤, 从而造成了球管的损坏。

故障二:扫描时有高压加上, 但是无管电流或电流不稳定。

故障分析:对于X线球管来讲, 只要阴极灯丝加热到有电子发射能力, 在阴、阳两极间加上正向高压, 其两极间必定有电流通过。所以在扫描时有高压而无管电流, 经查灯丝供电又正常的情况下, 多为球管灯丝开路。这可通过直接测量灯丝电阻确认。

故障检修:经测量球管灯丝电阻, 确定灯丝断开, 更换球管后, 恢复正常。

4 结论

球管是一款相当昂贵的高值耗材, 因需定期更换, 球管更换经费占据了CT设备运转成本中的较大部分。因此, 掌握球管的原理以及多发故障类型与维修保养方法, 对CT设备的正常使用和CT设备功能的实现, CT设备使用寿命的延长, 以及CT设备使用成本的降低, 均具有重大意义。[[[

参考文献

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CT结构 篇2

冻融劈裂试验是现行规范规定的沥青混合料抗水损害性能标准试验方法之一, 沥青路面水损害的发生是水和交通荷载对混合料各种不良影响的外在表现, 这些不良影响不仅体现在其宏观路用性能的衰减上, 还应体现在其内部微观结构的变化上, 本文正是本着这样的目的进行研究, 以混合料马歇尔试件CT图像为依托, 通过对试件冻融劈裂试验前后内部结构特征的识别, 从微观角度揭示冻融劈裂作用对沥青混合料的影响。

2 马歇尔试件初始内部结构CT扫描

选用三种级配即AC-16、SAC-16和SMA-16型沥青混合料, 在选定的扫描条件下对其马歇尔试件进行CT扫描, 三个试件各层位的CT扫描图像分别见图1～图3。CT图像当中的浅色部分为高密度区, 对应于沥青混合料中的集料和沥青胶浆, 深色部分为低密度区, 代表的是空隙。从图中可以看出, 对于沥青混合料的内部微观结构而言, 马歇尔试件内部空隙分布很不均匀, 试件的空隙集中分布在其底部, 即试件进行第一个50次击实时的底面, 试件中部各层空隙很少。

3 马歇尔试件初始内部结构分析

从微观结构讲, 试件内部的空隙率及空隙分布对混合料的水敏感性应存在较大影响。因此将试件内部空隙率及空隙分布作为分析其内部结构的切入点, 对其各扫描层位的CT图像分别进行分析。对于每个试件实测而得的实际空隙率, 理论上讲, 如果对试件进行连续扫描, 则所有扫描层的空隙率之和应与试件的实测空隙率完全吻合, 考虑到经济性, 本次研究对试件进行了12个层位的扫描。

3.1 马歇尔试件初始CT图像的二值化

为了进行试件CT图像内部空隙率的计算和空隙分布特征分析, 需进行图像的二值化, 其目的在于将空隙与沥青胶浆和集料从图像上区分开来, 即进行空隙的提取。所以混合料CT图像的二值化实际上就是确定区分空隙与沥青胶浆和集料图像灰度的阈值。论文采用美国Scion公司研发的Scion Image软件进行图像的二值化, 该软件基于双峰法进行图像的数字化, 认为灰度分布图中两个峰值之间的介质应为同一介质, 双峰法的具体做法是初步确定区分空隙与沥青胶浆和集料的阈值后, 再采用反复试算法微调该阈值, 其步骤如下:

(1) 确定使试件每个层位空隙率之和等于其实测空隙率的灰度阈值;

(2) 根据确定的灰度阈值, 计算每一层位的实际空隙率。

因为级配不同以及试件在图像增强和对比度调整等数字图像处理过程中的差异, 所以需为每种级配的试件独立选取和确定灰度阈值, 根据上述原则, 对于AC-16试件, 确定灰度值小于177的图像代表空隙, 灰度值大于177的图像代表沥青胶浆和集料;而SAC-16和SMA-16的阈值则分别为182和180, 图4～图6为采用上述阈值得到的三个试件二值化后的CT图像。

3.2 马歇尔试件初始内部空隙分布

获得了混合料试件内部各层位二值化后的扫描图像后, 即可带入每个试件图像二值化时采用的灰度阈值, 运用Scion Image软件的灰度计算功能得到其各自12个扫描层位的空隙率, 并进而得到三个试件空隙率随试件高度变化的分布情况见图7。从图中亦可看出马歇尔试件的空隙呈不均匀分布, 上部和中部空隙较少, 底部空隙分布较集中。同时从CT扫描原图像还可以看出, 试件内部的胶浆和粗集料亦呈不均匀分布, 在空隙较集中的试件底部胶浆相对较少, 而粗集料则相对较多。

4 冻融劈裂后试件内部结构分析

试件内部的初始结构组成会影响其在冻融劈裂后内部结构的变化特性, 对于冻融劈裂后的试件, 仍然从其CT扫描图像的二值化入手分析其内部结构的特点。

4.1 冻融劈裂后试件CT图像的二值化

采用同样的方法进行图像的二值化, 三个试件冻融劈裂试验后相应12个层位的CT扫描结果示于图8～图10, 二值化后的图像见图11～图13。

4.2 冻融劈裂后试件内部空隙分布

以二值化图像为基础, 按同样的方法进行各扫描层位空隙率的计算, 得到三种级配试件冻融劈裂前后相应各层位空隙率分布的对比情况, 试件初始空隙率大的地方冻融劈裂后空隙率增大幅度很大, 反之, 试件初始空隙率小的地方其空隙率增大幅度则较小。

5 冻融劈裂对混合料影响的CT图像分析

5.1 冻融劈裂后试件内部空隙分布结构的变化

从文中图像处理结果可以看出, 试件冻融劈裂后破坏多发生在其初始空隙分布较密集处, 可见初始空隙多、水容易进入的部位是在荷载作用下易发生破坏的薄弱部位, 冻融劈裂对混合料试件的破坏作用与试件的空隙分布结构密切相关。在试件底部和上部空隙分布较集中的位置, 冻融劈裂试验后试件内部产生了沿沥青胶浆和粗集料接触面的明显开裂。分析其产生原因, 在冻融过程中, 水分进入并停留在试件中, 显然在试件底部和上部空隙分布集中的位置进入的水要多一些, 在-18℃的低温处理条件下, 结冰使得水分在试件内膨胀, 而在60℃水浴中保温时试件中的水又会融化, 这种胀缩作用在短时间内一定程度上强化了水对混合料的影响, 经水胀缩作用后, 试件在有水进入的空隙部位已变得较为薄弱, 所以受到劈裂作用时空隙等内部损伤易在这些部位继续发展。

5.2 冻融劈裂后试件内部沥青胶浆与集料粘结的变化

从试件内部CT图像的微观特征看, 冻融劈裂后其损坏大多出现在沥青胶浆与集料尤其是粗集料的粘结面上, 显示沥青与集料之间的粘结受到了水的置换和剥落破坏, 这和水分子具有氢键, 其极性较沥青强, 因而更易润湿集料表面有关。因此, 从冻融劈裂试件的内部破坏特征看, 空隙的扩展多从原有空隙处开始, 且沿沥青胶浆与集料的接触面发展。

6 结语

CT结构 篇3

关键词：多层螺旋CT,后处理技术,眼眶正常相关结构,临床诊断,应用价值

眼眶是容纳眼球等组织的四边锥形骨腔, 其内有人体重要的感受器[1]。由于眼眶体积较小, 内部结构较为复杂、精细, 一旦受到外界强烈碰撞, 易发生眼眶骨折, 给患者的生活带来严重影响, 眼眶骨质结构中部分正常结构与线样骨折的影像学表现相似, 极易造成漏诊或过度诊断[2]。因此, 对眼眶内部结构的正确认识是判断是否存在骨折、病变的重要前提。目前, 临床上对于眼眶结构的检查主要依靠X线片及CT等影像学手段, 但常规影像学检查方法对眼眶精细结构的检出还存在不足, 不能为临床诊断提供完全可靠的依据[3]。本研究收集2015年5月-2016年4月在笔者所在医院进行多层螺旋CT检查的210例无眶骨外伤史的患者图像, 分析多层螺旋CT后处理技术在眼眶正常相关结构诊断中的应用价值, 现报告如下。

1 资料与方法

1.1 一般资料

收集2015年5月-2016年4月在笔者所在医院进行多层螺旋CT检查的210例无眶骨外伤史的患者图像, 其中男115例, 女95例;年龄10~78岁, 平均 (35.29±2.24) 岁。对所有接受CT检查的患者均做好颈部及以下非扫描部位的遮挡保护, 以减少不必要的照射, 若患者年龄较小, 则设定合适的更低条件扫描。

1.2 方法

1.2.1多层螺旋CT扫描

采用日本东芝公司生产的多排螺旋CT扫描仪对患者眶骨部位进行扫描。将扫描参数设置为:矩阵512×512, 视野310 mm×310 mm, 准直径为1.0 mm, 螺距为1.0。根据患者的病情程度及范围对眼眶及上下相应范围进行扫描, 并将薄层重建之后的数据传至工作站进行图像后处理, 重建间隔为50%, 采用软组织及骨算法对图像进行VR及MPR处理。

1.2.2图像MPR后处理

(1) 冠状位图像标准化:于横断面上调整好代表冠状位置的标志线, 保证双侧眼眶对称显示在冠状面上, 同时在矢状面上将代表冠状位的标志线调整好, 保证其标志线与鼻底的水平线相垂直 (图1、图2) 。 (2) 横轴位图像标准化:将横断位上代表冠状位置的标志线放置在视神经管的水平位置, 并将矢状面上代表周围的标志线调整至与前颅底平行, 同时将冠状面上代表周围的标志线进行调整, 使两侧视神经管可以对称显示在轴位上 (图3、图4) 。

1.3 观察指标

对比常规扫描图像和经MPR处理后的标准轴位图像的对称显示情况, 图像调整结束后, 对颧蝶缝、颧骨缝、颧额缝、眶下管、眶上切迹、晶状体及视神经管进行比较分析, 评价标准为:同一结构需准确处于同一平面的两侧, 且所显示的程度相同, 其中, 对称显示率=对称显示例数/总例数×100%。

1.4 统计学处理

采用SPSS 22.0软件进行数据处理, 计量资料用 (±s) 表示, 比较用t检验, 计数资料以率 (%) 表示, 比较用X2检验, P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

图像所反映的解剖标志, 根据所得到的标准化轴位图像及冠状位图像等, 分析图像中所呈现对称的颧蝶缝、颧额缝、颧骨管 (图5) 、眶下管 (图6) 、眶上切迹 (图7) 、晶状体及视神经管, 此次研究中, 根据MPR调整后图像可得, 颧额缝、颧骨管、眶下管、眶上切迹、晶状体及视神经管对称性优于常规扫描的图像, 差异均有统计学意义 (P<0.05) , 但颧蝶缝扫描凸显显示比较差异无统计学意义 (P>0.05) , 见表1。

注:图5A:常规扫描轴位图像显示右眼眶外侧壁见一横行骨质不连续;图5B:标准冠状位图像显示A图中骨质不连续处为颧骨管

注:图6A:冠状位显示右侧眼眶下壁骨质不连续;图6B:曲面重建后斜矢状位显示A图中骨质不连续处为眶下管断面

注:图7A:表示常规扫描图像横轴位显示的右眼眶上壁骨质不连续;图7B:VR图像显示了A图中骨质不连续处为眶上切迹

3 讨论

眼眶体积较小, 位置较浅, 眶壁骨性结构及内部结构较为复杂, 眼眶的生理学及病理学基础亦较复杂。因此, 正确的认识眼眶的结构及各个结构的相关功能, 是做出准确诊断的重要前提之一[4]。临床上对于眼眶结构的检查主要包括X线片、超声、MR及CT等影像学检查, 但每种检查方式均存在优劣性, 以CT检查为例, CT是目前应用最为广泛的检查方式, 早期的CT检查技术不够完善, 检查后图像无法得到较好的处理, 未全面、完整的反映眼眶结构, 需进行多角度、多次的扫描, 若患者在检查过程中无法配合医生进行体位的摆放, 将对CT的成像造成严重的影响, 在反复检查的过程中, 不仅增加了患者受到的辐射剂量, 同时还延长了检查时间, 增加了患者的痛苦[5,6]。

随着医学技术的发展, 多层螺旋CT的出现减少了患者检查的时间, 且检查精细度得到明显的提高。采用多层螺旋CT检查最大的优势在于强大的后处理功能。患者在做完首次扫描后, 得到的影像学数据可通过多层螺旋CT后处理技术进行重建, 在经过MPR处理后, 重建后的图像质量同样具有较高的分辨率。由此可见, MPR处理后的图像可以替代斜矢状位及冠状位的扫描图像, 同时大大降低了患者检查次数及检查中受到的辐射剂量[7]。此外, 对原始数据进行薄层重建后, 层厚越薄, 图像显示的空间分辨率越高, 图像的质量越好, 通过MPR调整, 可得到标准化的矢状位、冠状位及轴位的图像, 设置好相关的扫描参数后, 可准确快速地重建眶骨相关结构, 在检查双侧眼眶中具有明显的优势[8]。

本研究分析多层螺旋CT后处理技术在眼眶正常相关结构诊断中的应用价值, 结构显示, 经MPR调整后的标准图像可知, 对颧额缝、颧骨管、眶下管、眶上切迹、晶状体及视神经管对称性优于常规扫描的图像, 而对颧蝶缝的显示差异无统计学意义 (P>0.05) , 表明鼻底水平线与上述眼眶结构不垂直, 由于眼眶的解剖结构较为复杂, 若患者双侧眼眶结构不对称, 即使采用后处理技术, 也无法在同一层面上将双侧眼眶对称显示。为此, 医生在阅片时需注意观察多个层面, 并根据周围组织发生的病理性、继发性改变、临床症状及病史对患者做出详细病情的判断, 避免片面的图像显示给出不正确的临床诊断, 耽误患者的治疗。由此可见, 采用多层螺旋CT后处理技术可清晰地显示眼眶后处理图像, 对眼眶及其周边结构对称性显示, 且扫描效果优于常规扫描, 临床医生对处理后的重组图像进行观察, 可有效的缩短阅片时间、降低阅片量, 对提高临床诊断效率具有重要的意义。

综上所述, 多层螺旋CT后处理技术在眼眶正常相关结构诊断中大大缩短了患者检查时间, 减少了患者在检查过程中所受的辐射剂量, 降低误诊及漏诊率, 为临床的诊治及手术方案的制定提供了重要的临床依据, 在临床应用中具有较高的应用价值, 值得推广使用。

参考文献

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CT结构 篇4

1 分维值与微观结构参数分析

根据分形理论,在d维欧式空间中的分形体某个测量的物理量满足[18]:

式(1)中,F(λ)为待测物理量;L0为参考线性常数;λ 为测量线性尺度; d为欧式空间维数; D为分形维数。

在无标度区间内,多孔介质单位体积中直径大于 λ 的孔隙累积数与直径分布满足

式(2)中,Nc为单位体积中直径大于 λ 的孔隙累积数;λ 为直径;L为测量尺度;A为比例系数。

碳酸盐岩储层孔洞发育,为分形多孔介质。此处,对于分形多孔介质存在两种不同的理解:有学者将固相颗粒视为分形体,孔洞等非固相虽然满足累积数量-直径分布的幂律关系,但不属于严格意义上的分形体;另有学者将孔洞等非固相视为分形体,而固相颗粒满足累积数量-直径分布的幂律关系[19]。考虑到天然多孔介质的固体颗粒级配良好,直径 λ跨度范围约为三个量级,且为连续分布,如从若干微米到若干毫米,具有统计自相似性和标度不变性[18]。现采用第一种观点,视固相颗粒为分形体,伴生的孔洞满足式(2)。

以处于无标度区间内的孔洞最大半径、最小半径为限,得到单位体积多孔介质中的孔洞总数

式(3) 中,λmax为孔洞最大直径;λmin为孔洞最小直径;N为单位体积孔洞总数。

对式(2) 中的 λ 求微分,可得单位体积分形多孔介质中孔隙直径的概率密度函数

孔隙度和渗透率[18,19]与分形维数的关系式为

式中,ф 为孔隙度;k为渗透率;τ 为平均迂曲度。

综合式(3)和式(5)、式(6)可得

由式(7)、式(8) 可知,如果确定单块岩心所有CT扫描图像孔洞总数N、分形理论成立的无标度区间内孔洞直径的上下限 λmax和 λmin、分形维数D,即可计算出岩心孔隙度 ф和渗透率k;反之,可由室内实验所测的 ф 和k计算分形维数D。

2 CT图像处理分析

选取4 块安岳气田震旦系碳酸盐岩储层7 cm全直径岩心(表1) 进行CT扫描( 扫描间隔0. 076mm),每块岩心得到1 300 余张CT图像,共计5 177张(图1)。

采用基于Matlab的自编程序处理CT图像,将原始RGB图像转换为像素值分布在0 ~ 255 的灰度图,为更好突出孔洞,提高前景和背景的对比度,降低边缘噪声影响,提高程序对目标的识别、提取能力,运用中值滤波法[20]对灰度图像进行处理,最后采用最大类间距法确定分割阈值实现图像二值化,统计9 块岩心的平均孔隙度与室内实测孔隙度的相关性如图2 所示,实测值与统计值相吻合,证明图像分割阈值选取合适。

最后,可得到基质像素为1,孔洞像素为0 的990 × 990 像素的二值图像。

由于CT图像二值化后像素值梯度只有三种可能

式(9)中,∇f为像素值梯度; fi、fj为像素值。

通过计算某点与相邻点之间的像素值梯度,判断该像素点是否属于孔洞部分。这样,就实现了对单张CT图片不同位置、不同形态、不同大小的孔洞的识别,并统计包含的像素点数量,即可得到其物理面积的大小(图片分辨率为75 μm/像素),最后输出单块岩心所有孔洞面积及孔洞总数。由于真实孔洞的形态复杂多样,难以获取特征参数,可将各孔洞视为与其等面积的圆形区域,从而得到每个孔洞的等效半径,即为上述公式中的 λ,满足连续分布且跨度范围为若干个量级(如1 号岩心孔洞等效半径 λ分布在0. 1 ~ 10 mm范围内,跨度为3 个量级,其中(0. 1 ~ 1 mm) 内的孔洞占总数的72. 7% ,(1 ~ 10mm) 内的孔洞比例为7. 7% ,其他为微小孔洞,见图3 的要求。

在无标度区间内,多孔介质才是严格的分形体,伴生的孔洞的累积数量和直径分布才遵循幂律关系,在双对数坐标下有

即累积数量和孔洞等效直径呈线性关系,直线斜率的负值即为分形维数D。当CT图像中孔洞的等效直径超过无标度区间,累积数量和等效直径偏离线性关系,准确界定无标度区间上下限及无标度区间内的孔洞总数N是计算孔洞分形维数的关键。

针对单块岩心,设置一系列等步长参考常数 λi(取 λmin≤λi≤λmax,且步长为0. 02),并统计输出对应的累积数量Nci,然后在双对数坐标内绘制Nci与λi关系曲线(图4)。

由图4 可知,等效直径与累积数量在较小直径范围内呈双对数线性关系,而随着直径的增大,逐渐偏离线性关系,表明CT图像中的较小孔洞具有分形特征,其等效直径均处于无标度区间,而较大孔洞的直径超出无标度区,须准确界定无标度区间内孔洞最大直径 λmax及对应的单位体积孔洞总数Ncmax。

手动划分线性部分常常具有很大程度的不确定性[21],结果往往是随机的,这就给分形维数的计算带来了很大的误差,为了避免人为因素的干扰,编制程序分析计算等效直径与累积数量双对数关系曲线一阶导数,曲线的非线性部分的导数值波动较大,可将波动出现的前一个数据点作为无标度区间内孔洞最大直径 λmax,实现了无标度区的自动判定,提高了计算结果的客观性和准确度(图5)。

对所选4 块碳酸盐岩直径7 cm全直径岩心CT图像开展分析计算,统计单块岩心单位体积孔洞数量及等效半径,确定无标度区间上下限,计算分维值D、孔隙度 ф及渗透率k,结果如表2 所示。

4 块岩心的分维值D在( 1. 277 3,1. 644 9 ) 之间,孔洞越发育,孔隙结构越复杂,分维值越大。将固相分形多孔介质的观点与分形分维的物理意义相结合,分维值越大,表明固相颗粒配级越好,尺度分布范围越大,与此对应的孔洞形态也越复杂,分布密度和尺度范围越大。

将分维值带入式(7)、式(8)中得到的孔隙度和渗透率值与实验测量值线性相关度高(表2),孔隙度和渗透率理论值均小于实测值,其中渗透率的理论值约为实测值的67. 2% ,孔隙度的理论值约为实测值的79. 7% 。由于CT图片分辨率有限,无法有效识别更小孔隙;另外,分维值的选取依赖于无标度区间,限于程序运算精度,尚不能精确界定无标度区间上下限和分维值大小,因此部分孔隙结构未被分析计算,故而导致孔渗的理论结果均小于实测值(图6)。

通过CT图像处理得到孔洞的分维值,并依据理论公式计算的孔渗值具有较高的准确度,可用此方法计算或检验实测孔渗值;同样,若已知分形多孔介质的孔渗值,可求得对应孔隙结构的分维值,为探究多孔介质的分形特征提供了一个新的角度和方法。

3 结论与认识

基于CT图像分析处理,探究了碳酸盐岩孔洞结构的分形特征及其与孔渗参数的关系,主要结论如下。

(1) 碳酸盐岩储层属于固相分形多孔介质,其中伴生的孔洞等非固相满足累积数量-直径分布的幂律关系,即具有统计意义上的分形特征。

(2) 采用最大类间距法对CT图像的二值化处理可有效识别孔洞等结构,突出较大孔洞结构特征,所得孔隙度与实测值相关性好。

(3) 岩心分维值计算结果表明,固相颗粒配级越好,尺度分布范围越大,孔隙结构越复杂,分维值越大。