會(huì)員動(dòng)態(tài)
日本首個(gè)測(cè)試用X射線CT系統(tǒng)發(fā)展的背后故事
島津成功開(kāi)發(fā)出前所未有的可以實(shí)現(xiàn)三維測(cè)量的測(cè)試用X射線CT系統(tǒng)。
為滿足客戶的需求，X射線CT團(tuán)隊(duì)踏入一個(gè)未知領(lǐng)域。
不能測(cè)量嗎？
如字面意思所示，無(wú)損檢測(cè)裝置是一種在對(duì)“物體”不造成破壞的情況下進(jìn)行檢查的裝置。通過(guò)使用透視物體的X射線，可以分析和檢查成像內(nèi)部的狀況。
在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和質(zhì)量控制領(lǐng)域，無(wú)損檢測(cè)裝置是一種不可或缺，且肩負(fù)重要作用的裝置。島津制作所率先推出了日本首臺(tái)醫(yī)療用X射線裝置，而應(yīng)用該設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)裝置長(zhǎng)期以來(lái)一直在不斷研發(fā)，并憑借高畫(huà)質(zhì)和可靠性取得好評(píng)。
2008年左右，通過(guò)一臺(tái)無(wú)損檢測(cè)裝置獲得立體圖像的X射線CT系統(tǒng)，取得重大的創(chuàng)新。采用GPU的高速運(yùn)算處理技術(shù)（GPGPU）登上歷史舞臺(tái)。GPU是一款專門(mén)用于處理圖像的運(yùn)算裝置，使用GPGPU還可以進(jìn)行圖像處理以外的運(yùn)算。通過(guò)構(gòu)建以GPGPU為中心的處理系統(tǒng)，可以驚人地縮短從掃描到顯示圖像的時(shí)間。
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人櫸回顧稱，“我剛?cè)肼殨r(shí)，制作三維數(shù)據(jù)需要1個(gè)或2個(gè)小時(shí)。而在接下來(lái)的短短三年內(nèi)，僅用10～20秒就能完成這項(xiàng)工作。感覺(jué)就像在收集數(shù)據(jù)的同時(shí)，完成了數(shù)據(jù)制作。”
這項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新理所應(yīng)當(dāng)?shù)厥艿筋櫩颓嗖A，備受好評(píng)。此外，有一個(gè)新的聲音傳遞到開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)。
“它不能測(cè)量尺寸？”
客戶所說(shuō)的尺寸測(cè)量是指三維測(cè)量技術(shù)。典型方法是用探針這個(gè)高精度球體描繪對(duì)象樣品的表面，收集無(wú)數(shù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后利用三維構(gòu)建坐標(biāo)信息。三維測(cè)量技術(shù)以微米為單位精確地測(cè)量尺寸，因此可以在開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)試制品是否按照原始設(shè)計(jì)完成制作，或者將得到的坐標(biāo)信息反饋給設(shè)計(jì)中使用的CAD軟件等，它是開(kāi)發(fā)領(lǐng)域不可或缺的檢查裝置。
島津的得意之作X射線CT，也是為了繪制立體圖像而獲取三維坐標(biāo)信息，在這一點(diǎn)上兩者是相同的。而且，如果通過(guò)X射線透視可以得知不可視的內(nèi)部尺寸，則其用途將得到大幅度擴(kuò)大。另外，目前的三維測(cè)量?jī)x雖然可以描繪樣品整體，但即使是小杯子那樣的物體也需要花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，這些情況并不少見(jiàn)，而X射線CT創(chuàng)新性縮短了檢查時(shí)間，只需1小時(shí)左右即可完成檢查。客戶滿懷期待也是理所當(dāng)然。
Xdimensus 300的開(kāi)發(fā)成員。照片左起依次為：分析測(cè)試事業(yè)部NDI業(yè)務(wù)部門(mén) 主任 原田大輔、基礎(chǔ)技術(shù)研究所AI解決方案部門(mén) 副主任 佐藤真、分析測(cè)試事業(yè)部NDI業(yè)務(wù)部門(mén) 主任 櫸泰行、同部門(mén)副主任 新坂拓真、分析測(cè)試事業(yè)部品質(zhì)保證部 主任 大西修平。擁有不同背景的個(gè)性團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了用戶的理想。
從零開(kāi)始
本來(lái)，對(duì)島津的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)而言，三維測(cè)量是一個(gè)未知的領(lǐng)域。
因此，團(tuán)隊(duì)成員平時(shí)去使用三維測(cè)量?jī)x的公司內(nèi)部的制作中心聽(tīng)取意見(jiàn)等，迅速吸收知識(shí)和技術(shù)。從而掌握到三維測(cè)量?jī)x所需的嚴(yán)格精度。
在測(cè)量時(shí)，為了獲得精確的測(cè)量數(shù)值，還需要確保測(cè)量裝置本身的精度。無(wú)論測(cè)量多少次，測(cè)量樣品時(shí)放置的工作臺(tái)和X射線源、接收X射線的檢測(cè)器的位置關(guān)系和角度都必須一致。為了在后期正確修正不可避免地存在的位置安裝誤差，需要進(jìn)行嚴(yán)格的校正(校準(zhǔn))，因此還需要使用專用夾具。
在開(kāi)發(fā)開(kāi)始階段擔(dān)任負(fù)責(zé)人的大西回顧稱，“即使是X射線CT，為了正確地輸出圖像，也要求各部分保證精度，并與此相對(duì)應(yīng)。不過(guò)，這次要求的精度比以往高一位數(shù)或兩位數(shù)。我們從一開(kāi)始就重新考慮了校正的步驟、手法，硬件也要求堅(jiān)固耐用。”
原田也說(shuō)，與精密儀器零件經(jīng)銷店負(fù)責(zé)人的對(duì)話至今難忘。
“諸如‘南非生產(chǎn)的產(chǎn)品很好啊’、‘還是Indian Deathlock
棒’等。關(guān)于石頭的話，剛開(kāi)始根本不知道在講什么”。
X射線發(fā)生裝置、X射線檢測(cè)器、工作臺(tái)等需要石定盤(pán)這一部件，而石定盤(pán)是與CT成像相關(guān)的主要組件的基石。溫度升高石定盤(pán)膨脹后，則不能獲得測(cè)量?jī)x所需的精度。因此，必須慎重地選擇石頭。
與誤差作斗爭(zhēng)
學(xué)生時(shí)代，新坂在CAD模型和建模研究中也使用了島津的X射線CT。
“剛加入公司時(shí)，聽(tīng)說(shuō)我被分配到CT開(kāi)發(fā)部門(mén)有些興奮，但當(dāng)我聽(tīng)到石頭很重要時(shí)，有點(diǎn)困惑。我對(duì)機(jī)械完全不了解，因此從熱膨脹知識(shí)開(kāi)始慢慢學(xué)習(xí)。“
新坂的真正實(shí)力在開(kāi)發(fā)X射線源校正技術(shù)中得到充分的發(fā)揮。
“持續(xù)發(fā)出X射線時(shí)，X射線發(fā)生裝置會(huì)產(chǎn)生熱量，發(fā)射點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏離。這導(dǎo)致放大倍率也出現(xiàn)偏差，尺寸也變得不準(zhǔn)確。為了保持發(fā)射點(diǎn)穩(wěn)定，我們創(chuàng)建了一個(gè)實(shí)時(shí)檢測(cè)X射線焦點(diǎn)位置，重構(gòu)數(shù)據(jù)時(shí)添加移動(dòng)量的程序。”
佐藤在大學(xué)時(shí)期主修數(shù)學(xué)，成功創(chuàng)建了“誤差體系”。
“這里好像會(huì)移動(dòng)，這里移動(dòng)，這里也會(huì)移動(dòng)，我列出了所有可能發(fā)生誤差的地方。無(wú)論如何敲打都會(huì)出現(xiàn)誤差，大概有幾十個(gè)部位具體我也不記得。我想到逐個(gè)消除這個(gè)誤差的方法。要么把石頭做的更加堅(jiān)固，要么抑制溫度變化。”
此處位移的溫度變化的容許范圍是20度±0.5度。根據(jù)該結(jié)果與其他部門(mén)合作，模擬送入裝置中的空調(diào)風(fēng)的方向和風(fēng)量，確定了保持裝置內(nèi)溫度均勻的位置。
其他的課題還有很多。特別是校正夾具，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化時(shí)逐漸明白模型中未發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，每天都在設(shè)計(jì)后反復(fù)進(jìn)行測(cè)試。但是，所有團(tuán)隊(duì)都深刻意識(shí)到自己肩負(fù)的職責(zé)，穩(wěn)步解決一個(gè)個(gè)問(wèn)題點(diǎn)。克服一系列困難，2017年12月，終于發(fā)布了日本首個(gè)測(cè)試用X射線CT系統(tǒng)“XDimensus 300”。
實(shí)現(xiàn)世界頂級(jí)測(cè)量精度和觀察能力的測(cè)試用X射線CT系統(tǒng)“XDimensus 300”
“與先行產(chǎn)品相比，成功實(shí)現(xiàn)更小尺寸。通常房間必須始終保持在恒定的溫度，本產(chǎn)品不需要花費(fèi)這個(gè)工夫。不必選擇安裝房間是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，設(shè)備的銷售量也在不斷增加”(大西)
要成為滿足客戶需求的理想裝置，尚且存在一些課題。但是，我們將努力攻克難題，穩(wěn)步推進(jìn)開(kāi)發(fā)工作。裝置和開(kāi)發(fā)人員的進(jìn)步將永不止步。
