基于临床CT数字体相关和有限元分析的股骨内部变形场研究

目的验证基于临床CT的数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法在测量股骨内部变形场时的准确性,并通过DVC进一步测量股骨在跌倒情况下的内部变形,验证基于临床CT的有限元分析方法(finite element analysis,FEA)在计算股骨内部变形场的准确性。方法使用猪股骨,模拟侧向跌倒姿态,进行分步力学加载实验,同步进行多次CT成像。通过重复扫描和虚拟位移验证DVC方法的准确性。DVC以子体积作为配准两组图像的研究对象,分别设置8、12、16和20 mm的子体积进行测试。量化误差指标包括位移系统误差-平均值(mean)、位移随机误差-标准差(standard deviation,SD)、应变准确度-平均绝对误差(mean absolute error,MAER)和应变精确度-标准差误差(standard deviation of the error,SDER)。基于CT图像建立股骨有限元模型,模拟实验条件,计算股骨内部位移,与DVC测量的内部变形场对比验证。结果基于临床CT的DVC方法重复扫描位移偏差小于0.013 mm,MAER和SDER均小于200με;虚拟位移偏差小于0.098 mm,MAER为1093~1687με,SDER为604~1267με,远小于骨组织屈服应变。FEA计算的位移和DVC测量的位移之间具有较强的相关性(R^(2)≥0.76,P<0.05)。结论基于临床CT的DVC方法可以准确测量股骨内部变形场,并且基于临床CT的有限元模型可以准确计算股骨内部变形场。

基于数字体相关方法的3D打印材料内部变形测量

采用工业CT设备获取3D打印材料试样受载变形前后的三维数字体图像,并使用数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法计算出试样内部三维位移场和三维应变场,研究试样在载荷作用下的内部变形与损伤演化规律,通过设计制作具有1700 N拉压加载能力的原位加载装置,结合微纳CT设备建立拥有原位加载与观测能力的DVC方法实验装置,其最高成像分辨率可达10μm。结果表明:对采用激光选区熔化(selective laser melting,SLM)工艺方法制作的3D打印铝合金试样进行原位拉伸实验,并使用DVC方法获取试样内部的全场位移与应变数据,测得的弹性模量数据与常规实验方法结果完全吻合,验证了使用DVC方法对内部位移场和应变场进行测量的有效性。

运用数字体相关方法追踪呼吸过程中肺部肿瘤和胸腔的运动

目的研究数字体相关(digital volume correlation,DVC)方法测量肺部肿瘤和胸腔随患者呼吸运动的变形及位移情况的可行性。方法利用DVC跟踪胸腔内组织三维运动的算法,通过四维CT成像技术拍摄肺癌患者一个完整的呼吸过程。以吸气开始为初始状态,确定肿瘤和胸腔位置,运用DVC软件,分析初始状态下肺部4个特征体域在20%、40%、60%、80%和100%呼吸相位下以及胸腔上4个特征体域在100%呼吸相位下的三维位移值。结果肿瘤的位移和变形的误差在1 mm以内,胸腔的位移和变形的误差在0.5 mm以内;肿瘤在呼吸过程中沿人体竖直方向运动最大,胸腔在吸气结束时刻沿人体前后方向运动最大。结论 DVC测试技术可用于检测呼吸过程中肺部肿瘤和胸腔等胸部组织的位移和变形情况。本研究为基于DVC方法实现肺部肿瘤无创、非射线、实时的图像引导放射治疗提供了依据。

采用数字图像体相关方法的核级石墨断裂特性研究

为研究核工程备选石墨(SNG742细粒石墨)的断裂性能,探明材料的三维断裂力学特性,对压缩双裂纹圆孔板(DCDC)试件进行压缩试验,使用X射线计算机断层扫描(XCT)技术对试件内部进行测量。采用数字图像体相关(DVC)方法对XCT扫描图像进行分析,获得了DCDC试件的三维位移场和应变场。通过对比DVC和有限元模型的x方向应变场,反演了试件的弹性模量。结果表明,当弹性模量取10.6 GPa时,有限元模拟结果与试验结果最接近,二者的最小应变误差约为0.09×10^(-3)。此外,利用XCT图像中裂缝与周围区域灰度差异明显的特点,定量分析了尺度上与主裂缝宽度接近的内部缺陷,整体上受拉区域的缺陷密度高于受压区域的,其平均值大约是受压区域的2.7倍。从试件的位移场得到裂缝的三维特征,分析表明:局部裂缝长度沿试件厚度方向呈现内部高、表面低的分布规律,裂缝张开位移与局部裂缝长度成正比,裂尖张开角基本保持不变,约为1.5°。最后,分析了裂缝前缘处应变,发现应变不随局部裂缝长度的变化而改变,其值始终保持在5.8×10^(-3)上下。本研究方法可为通过小尺寸试件获得材料的断裂参数提供思路,研究结果可为研究核级石墨的三维断裂特性提供直接的试验证据。

基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。

物体内部三维位移场分析的数字图像体相关法

数字图像体相关法是二维数字图像相关法在三维空间的拓展,它可以实现物体内部三维变形场的全场测量。针对数字图像体相关法的位移测量精度,提出一种组合式三维亚像素位移算法,并通过计算机仿真实验对算法进行了验证和分析,给出了该方法的相关函数形式、整像素搜索方法以及亚像素搜索算法,并用算法对计算机模拟的三维图像进行了相关运算,最后将运算结果与仿真过程给定的理论位移值进行对比。仿真实验得到的三维亚像素位移值与理论位移值的误差均值为0.000 2voxel,结果表明该算法对于测量物体内部三维位移场具有很好的可靠性,且测量精度较高。

基于数字体图像相关法的TATB基PBX材料内部变形测量

研究采用μ‑CT对单轴压缩过程中的三氨基三硝基苯(TATB)基高聚物黏结炸药(Polymer Bonded Explosives,PBX)试件进行了原位扫描,获得了不同载荷下试件的三维数字体图像;采用基于反向组合高斯‑牛顿配准算法(Inverse Compositional Gauss‑Newton,IC‑GN)的局部数字体图像(Digital Volume Correlation,DVC)方法分析了试件加载前后的2组数字体图像,获得了试件内部具有亚体素精度的三维位移场和应变场;基于获得的应变场根据胡克定律弹性本构关系,重建试件内部的三维应力场。研究结果表明,基于μ‑CT和DVC结合的内部变形测量技术能够直观地揭示试件内部应变局部化区域的产生,并识别亚体素微裂纹在样品中的位置。

提高数字体图像相关算法精度和计算效率的方法

在处理大量数据的情况下,通过利用图像一阶灰度梯度来计算三维位移场分布,采用亚体素位置三元三次灰度插值法来提高位移计算精度和效率.仿真实验验证了该方法的正确性.

数字体图像相关方法的亚体素算法性能研究

高性能的亚体素位移测量算法是提高数字体图像相关方法测量精度的关键因素之一,选取最佳算法具有十分重要的指导意义,文中总结三种最为常见的亚体素位移测量算法,即拟合算法、前向累加牛顿-拉弗森(FA-NR)算法以及三维反向高斯-牛顿(IC-GN)算法,通过计算机模拟散斑体图像平移实验和椎骨零应变实验,对比不同算法的测量精度和计算效率。平移实验结果表明:IC-GN算法的测量精度最优,最大误差为0.0060 voxel,而拟合算法精度最低且稳定性较差,然而其优势是计算效率快,其计算效率是IC-GN算法的6.41倍,更是高于FA-NR算法的20倍之多。零应变实验结果表明,IC-GN算法和FA-NR算法在原位扫描时测量精度及稳定性均同样优于拟合算法。综合两组实验结果表明,IC-GN算法为最佳亚体素位移测量算法。

基于数字体图像相关的亚像素位移算法分析

数字体图像相关法~[1],通过分析发生形变前后的图像来获得形变位移场,诸多研究者在测量系统和搜索方法上有大量研究,用来提高检测速度,但对于提高测量精度方面不足以达到预期,于是提出了亚像素插值相关方法与亚像素位移算法,通过对算法的改进可知,当测量精度为0.1像素时,相当于硬件测量系统提高了10倍分辨率,本文主要对两种基本的亚像素算法进行分析,即三维的拟合法与灰度梯度法。

数字体图像相关方法中的残余灰度场计算研究

残余灰度场是变形前后数字体图像中对应体素点的灰度之差。在基于有限单元的全局数字体图像相关(DVC)方法中,残余灰度场作为计算区域各体素点匹配质量的目标函数,可直接计算获得,并可用于材料内部损伤演化或裂纹扩展的精细表征。然而,当前广泛使用的基于图像子体块的局部DVC只能获得计算区域内各离散计算点的位移、应变和相关系数信息,无法直接计算区域内各体素点的残余灰度。相较于相关系数和变形信息,残余灰度场可实现逐体素的匹配质量评价,在内部损伤或裂纹扩展的可视化观测和准确定位方面具有显著优势。为能在局部DVC中获得残余灰度场信息,提出一种简单有效的残余灰度场计算方法。该方法基于三维Delaunay四面体剖分算法,并利用有限元框架对局部DVC离散计算结果进行稠密插值,以获取逐体素连续位移场,并将其用于变形体图像校正。模拟和真实实验结果表明,基于局部DVC测量结果后处理计算获得的残余灰度场不仅可以实现精准的损伤定位,还能观测到裂纹形貌以及界面脱黏行为。所提方法弥补了当前局部DVC在精细化匹配质量评价方面的不足,有望拓展该方法在材料和结构内部损伤观测和定位中的应用。

基于CT成像和数字体图像相关法的岩石内部变形场量测方法的研究进展

在采矿工程、边坡工程、隧道工程、水利水电工程及新兴的岩体工程如深埋油气储库、地下核废料处置库、地热开发等生产开发过程中,岩石是主要工程对象.直观观测与定量表征应力场、渗流场和温度场等多物理场耦合作用下岩石内部非连续结构演化始终是岩石力学重要和具有挑战性的研究内容.高精度微CT能够在微细观甚至纳米尺度上观测岩石内部结构,通过与数字体图像相关法结合,可实现岩石内部变形场的透明可视化与定量解析,为岩石的非连续结构与多物理场效应的透明解析和推演提供了新的有效途径.本文回顾了近年来微焦点CT在岩石内部结构检测、数字岩心和内部变形场量测方面的应用,详细阐述了CT原位扫描实验与数字体图像相关法的原理及主要进展,分析了岩石微细观结构对应变场测量精度的影响及数字体图像相关法在岩石内部变形测量中的典型应用,探讨了数字体图像相关法测量岩石内部变形场面临的挑战.

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.

DVC中内部散斑质量评价及计算体素点的优化选择

数字体图像相关方法(digital volume correlation,DVC)是一种可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学测试技术,通过分析由体图像成像设备(如X-ray CT)获取的物体变形前后的三维体图像,DVC可获得物体内部具有亚体素精度的三维变形信息.在应用DVC测量内部变形时,被测试样体图像的内部散斑质量对其测量精度有着重要影响.本文从DVC算法位移测量误差的理论分析和数值模拟实验两方面证实了DVC的位移测量误差与计算子体块的灰度梯度平方和(sum of square subvolume intensity gradient,SSSIG)值呈负相关关系,即:计算子体块的SSSIG值越大,其位移测量精度越高,因此SSSIG可用于体图像内部散斑质量的定量评价.尽管直接增加计算子体块尺寸可以增加SSSIG,但是较大计算子体块内更多的计算点会导致计算量的显著增加.为此,本文进一步提出一种计算体素点优化选择方法,该方法通过将计算子体块中灰度梯度较小的体素点剔除出计算,以实现在增大计算子体块尺寸的同时不会显著增加计算量.模拟和真实实验结果显示了该计算体素点优化选择方法的有效性.

基于梯度的数字体图像相关方法测量物体内部变形

数字体图像相关方法通过分析两幅以体素为单位的三维体图像获得物体内部的三维变形信息。在利用数字体图像相关方法测量物体内部变形的过程中,整体素的位移场可以通过简单的空域搜索获得,因此如何计算亚体素位移是提高该方法位移测量精度的关键。介绍了一种基于空间灰度梯度的亚体素位移测量算法,并用计算机模拟生成的可精确控制位移的三维散斑体图像和真实的激光扫描共焦显微镜三维体图像测试了该算法的计算精度和计算效率。结果表明,基于梯度的亚体素位移测量算法原理简单,计算效率高,可用于实际物体内部变形的高精度测量。

基于数字图像体相关的物体内部三维位移场分析

在二维数字图像相关算法的基础上,推导了三维数字图像体相关算法,并应用于物体内部的三维位移场分析。用计算机模拟方法对SR-CT重建的物体内部三维图像施加已知变形,对变形前后三维数字图像进行体相关运算,获得三维位移场。在计算亚像素位移时,本文提出了一种三维的基于灰度梯度的算法,给出了梯度函数,阐述了数字模拟三维体相关的计算过程,通过数字模拟实验证明了算法的正确性和可靠性。

数字体图像相关方法研究进展

数字体图像相关方法是可测量物体内部三维全场变形的先进实验力学方法.通过匹配由数字体成像设备获取的被测物体变形前后的两组数字体图像,该方法能够获得物体内部亚体素精度的三维位移场和全场应变.得益于新型体成像设备的不断涌现、图像配准算法的持续改进以及高性能并行计算技术的快速发展,数字体图像相关方法已在生物医学、固体力学、岩土力学、材料科学等领域获得许多令人瞩目的重要应用.本文对过去20多年数字体图像相关方法中出现的各种位移和应变测量算法进行了系统回顾和评述,分析了该方法当前的局限和所面临的挑战.可以预期,数字体图像方法在实验力学领域中将扮演更为重要的角色,并有望在更多科研和工程领域中获得应用.

数字体图像相关方法中基于迭代最小二乘法的物体内部变形测量

本文提出一种基于迭代最小二乘法的亚体素位移测量算法。该算法模型结合了符合实际情况的线性灰度变化模型和线性位移映射函数,采用仅需变形后体图像一阶灰度梯度的迭代最小二乘法计算亚体素位移和位移梯度。由于该算法采用的模型符合实际情况,因而具有更高的位移测量精度和更广泛的适用性。此外,由于仅需变形后体图像的一阶灰度梯度,无需计算其二级灰度梯度,因此极大地减小了计算复杂性。计算机模拟实验显示基于迭代最小二乘的亚体素位移测量算法原理简单、易于实现,具有较强的抗干扰能力,可用于真实体图像内部三维变形的高精度分析。

高斯预滤波对数字体图像相关测量的影响

图像噪声会严重影响数字体图像相关(DVC)方法的测量精度,因此,通过数值模拟平移实验、真实重扫描实验和压缩实验研究了图像噪声及高斯预滤波对DVC位移测量结果的影响。实验结果表明,高斯预滤波能显著降低图像的噪声水平,从而减小由噪声引起的系统误差,但对插值误差的影响较小,原因是高斯预滤波会降低图像的灰度梯度。因此,高斯预滤波可以显著提高经典前向累加牛顿-拉弗森算法的精度,但对反向组合高斯-牛顿算法的精度影响不大。此外,高斯预滤波处理可提升2种算法中各计算点的相关系数,得到匹配度更高的子体块。

花岗岩残积土复杂次生裂隙的分类与损伤特征

裂隙的萌生、拓展演化对土体的损伤与破坏至关重要。为了研究岩土工程性状复杂的花岗岩残积土在荷载作用下内部细观裂隙的演化规律,利用CT扫描土体的三轴压缩过程,获得一系列重构数字体图像;引入裂隙体积重叠率用于改进笔者提出的裂隙分类方法,提高其在判断变形前后两裂隙团连通性的准确性。研究结果表明:裂隙体积重叠率的变化对湮灭型裂隙和新生型裂隙影响轻微,但对其余类型裂隙有不同程度的影响,表现为试样变形越大其影响也越大,综合选取裂隙体积重叠率为0.05时具有较好效果。随着轴向加载的增大,其中湮灭型裂隙和新生型裂隙的体积含量随着轴向应变的增大而增大,且新生型裂隙的体积含量增长更快,而复合型裂隙的体积含量呈衰减趋势,其余3种裂隙的体积含量均较小。通过分析不同类型裂隙的分形特征显示,裂隙的分形维数与体积含量变化相似,其中湮灭型裂隙、新生型裂隙和合并型裂隙呈增长趋势,新生型裂隙的分形维数增长最快,说明新生型裂隙更能够反映试样的剪切破坏过程。该研究成果将为岩土体的裂隙损伤分析提供理论与技术支持。