【文章內(nèi)容簡介】 避免了RO掃描方式的固有缺點(diǎn)，如年輪狀偽像，可以檢測(cè)大型工件，同時(shí)探測(cè)器數(shù)量少降低了設(shè)備成本；缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，掃描時(shí)間長。RO掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是有更高的射線利用效率，掃描速度更快；缺點(diǎn)是所檢測(cè)的工件的儲(chǔ)存受限。作為工業(yè)CT的核心部件，探測(cè)器是整個(gè)CT系統(tǒng)中技術(shù)含量最高的組件之一，它定量地記錄X射線的強(qiáng)度，對(duì)重建圖像的質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。探測(cè)器系統(tǒng)將X射線強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過放大后再從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。探測(cè)器的性能對(duì)工業(yè)CT的性能有著重要的影響，探測(cè)器系統(tǒng)的主要性能參數(shù)有:尺寸、穩(wěn)定性、效率、響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)范圍等。探測(cè)器的尺寸指的是它的長度、寬度、高度。長度對(duì)X射線的轉(zhuǎn)換效率有重要影響，寬度主要影響最終圖像的空間分辨率，而高度決定了X射線束切片的厚度，進(jìn)而影響圖像質(zhì)量。探測(cè)器的穩(wěn)定性是指隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的延長，依然可以得到一致響應(yīng)的能力，尤其在工業(yè)CT系統(tǒng)經(jīng)常要長時(shí)間掃描的情況下更顯得重要，其對(duì)投影數(shù)據(jù)的精度有一定的影響。探測(cè)器的效率是指X射線的光子進(jìn)入探測(cè)器后轉(zhuǎn)化為有效測(cè)量信號(hào)的比例。效率越高，則信噪比越高，掃描時(shí)間也可以相應(yīng)縮短。探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間對(duì)采樣速率和投影數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生著十分重要的影響。探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍越大，則在工件厚度變化大的情況下仍然有良好的密度分辨率。探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間指的是探測(cè)器從接收到X射線光子到將其轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的探測(cè)信號(hào)所需的時(shí)間，其對(duì)采樣速率和投影數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生著十分重要的影響。，則在工件厚度變化大的情況下仍然有良好的密度分辨率。工業(yè)CT中的探測(cè)器可分為兩種：分立探測(cè)器、面探測(cè)器。分立探測(cè)器有閃爍體光電二極管、氣體探測(cè)器、閃爍體光電倍增管, ,下面簡單介紹一下三種分立探測(cè)器：（1）閃爍體光電二極管的優(yōu)點(diǎn)：探測(cè)器的寬度小，探測(cè)效率高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，用這種探測(cè)器設(shè)計(jì)的工業(yè)CT系統(tǒng)具有極高的性能；缺點(diǎn)是附加噪聲大，輸出信號(hào)小。這是目前工業(yè)CT中使用得最多的探測(cè)器工業(yè)CT探測(cè)器系統(tǒng)的要求容許值動(dòng)態(tài)范圍高105~106量子吸收率高90%幾何效率高80%~90%時(shí)間響應(yīng)快衰減常數(shù)10μs余輝低%,照射后100ms輻射漂移低≤%，在掃描時(shí)間最長的情況下探測(cè)器之間相互干擾小3%探測(cè)器均與度高（使得偽影低）材料純度%探測(cè)單元響應(yīng)時(shí)間差異小相差%探測(cè)器材料的機(jī)械加工方法簡單，精度高公差177。10μm多排探測(cè)器的可行性D?4排化學(xué)穩(wěn)定性如耐潮濕，耐酸堿熱膨脹系數(shù)小熱膨脹系數(shù)105/176。C降低散射射線的可行性散射線占比3%費(fèi)用低且易維護(hù) 工業(yè)CT探測(cè)器系統(tǒng)的性能參數(shù)（2）閃爍體光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是附加噪聲小，信噪比高，輸出信號(hào)大；缺點(diǎn)是受光電倍管的尺寸大，進(jìn)而造成組裝精度低，使得圖像質(zhì)量較低氣體探測(cè)器是射線進(jìn)入電離室形成電流，再通過電流—電壓轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是排列緊密，一致性好，設(shè)備簡單，成本低廉，使用方便；缺點(diǎn)是氣體難以充分吸收射線，使得探測(cè)效率不高。面探測(cè)器的射線利用效率比分立探測(cè)器高得多，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像，也適合進(jìn)行三維直接成像，主要有三種類型：、高分辨率率半導(dǎo)體芯片、圖像增強(qiáng)器和平板探測(cè)器。（1）高分辨率率半導(dǎo)體芯片指的是集成在同一基片上的電荷耦合器件圖像傳感器（CCD）或光電二極管陣列。此類探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)器尺寸小，固有的空間分辨率高價(jià)格低廉；缺點(diǎn)是難以有效抑制散射線的干擾，無法控制相鄰探測(cè)器單元之間的光學(xué)和輻射的串?dāng)_，總體性能無法與分立探測(cè)器相比（2）圖像增強(qiáng)器是一種采用真空器件的傳統(tǒng)面探測(cè)器，也需要專門的閃爍體將光子轉(zhuǎn)化為可見光。這是讀出速度最快的探測(cè)器，通?？蛇_(dá)15~30幀/秒。但其圖像質(zhì)量差，而且器件易碎，有圖像扭曲。（3）平板探測(cè)器是一種新型的面探測(cè)器，由非晶硅或者非晶硒加薄磨晶體管陣列構(gòu)成，主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，優(yōu)點(diǎn)是使用簡單，沒有圖像扭曲，圖像質(zhì)量好；缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍小，難以解決散射和竄擾的問題。一般來說在150kV以下的低能應(yīng)用較好，多用于醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)指的是從探測(cè)器輸出到計(jì)算機(jī)讀入之間的電子電路，包括探測(cè)器輸出信號(hào)的放大、信號(hào)的AD變換和數(shù)字信號(hào)的輸出等電路。由于探測(cè)器一般有成千上萬個(gè)通道，而AD變換電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且價(jià)格相對(duì)昂貴，從經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)維護(hù)兩個(gè)方面考慮，一般不可能為每個(gè)探測(cè)器都配備獨(dú)立的AD轉(zhuǎn)換電路，因此會(huì)對(duì)探測(cè)器的通道適當(dāng)?shù)姆纸M，共用AD變換電路，在放大電路和變換電路之間要設(shè)置多路選擇開關(guān)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要指標(biāo)大致應(yīng)該有通道總數(shù)、AD變換位數(shù)和數(shù)據(jù)處理速度等，但這些指標(biāo)都是表面的。對(duì)于CT性能有決定性影響的是信噪比，盡管信噪比不是僅由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一個(gè)部分決定，但如前所說，一個(gè)良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的噪聲對(duì)于整個(gè)CT系統(tǒng)的噪聲應(yīng)當(dāng)可以忽略不計(jì)。AD變換位數(shù)AD變換電路本身最重要的，位數(shù)過少會(huì)影響射線強(qiáng)度測(cè)量點(diǎn)額精度，但是位數(shù)的增加也往往意味著變換速度的降低和價(jià)格的增長，所以要折中選取。以往市售的快速AD變換器的最大位數(shù)是16位，對(duì)于有些系統(tǒng)來說這個(gè)范圍還不夠大。采用“浮點(diǎn)技術(shù)”和AD變換兩部分組裝在一起做成模塊，可達(dá)到20位以上的范圍，在工業(yè)CT領(lǐng)域有足部取代傳統(tǒng)AD變換器的趨勢(shì)。 準(zhǔn)直器按照布置方式與用途分，準(zhǔn)直器有前準(zhǔn)直器和后準(zhǔn)直器兩種，通常制作材料是鉛和鎢等原子序數(shù)較大的金屬，其基本作用是即僅局限于某空間區(qū)域的射線進(jìn)入探測(cè)器，其他部分的射線則被屏蔽不能進(jìn)入探測(cè)器。前準(zhǔn)直器安裝在射線源和工件之間。對(duì)于二維CT，射線源發(fā)出的射線是立體的，將其從錐形過濾成扇形束便是前準(zhǔn)直器的作用。理論上說，前準(zhǔn)直器的縫越細(xì)，則扇形束越薄，但會(huì)降低到達(dá)探測(cè)器射線的強(qiáng)度，所以有一定的限度。前準(zhǔn)直器從源頭減少了進(jìn)入工作區(qū)域的無用射線，也從源頭減少了散射線的總量。后準(zhǔn)直器的作用是使得探測(cè)器只接受垂直射來的X射線，而將散射線擋住或者直接吸收。后準(zhǔn)直器的孔徑影響重建圖像的空間分辨率，也會(huì)在影響噪聲水平的基礎(chǔ)上影響密度分辨率。而實(shí)際上，同一CT系統(tǒng)常配有不同的幾個(gè)后準(zhǔn)直器，可以根據(jù)需要選擇。對(duì)于工業(yè)CT和醫(yī)用CT來說，前后準(zhǔn)直器在尺寸上的配合是有所不同的。醫(yī)用CT更多地考慮降低病人的射線照射劑量，所以從限制射線束有效寬度的張角來看，前準(zhǔn)直器更狹窄一些，后準(zhǔn)直器僅僅是為了減少經(jīng)過人體后的散射線。工業(yè)CT則不同，工業(yè)CT的后準(zhǔn)直器一般要比前準(zhǔn)直器要狹窄一些，射線束的有效尺寸是由后準(zhǔn)直器決定的。相對(duì)于輻射劑量來說，工業(yè)CT的探測(cè)器有效孔徑的控制的重要性要更高一些。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要完成的基本工作是采集過程的掃描控制、CT圖像的重建、CT圖像的觀測(cè)和分析，由硬件和軟件組成。采集數(shù)據(jù)過程的掃描控制的主要任務(wù)是按照預(yù)定的掃描模式對(duì)個(gè)運(yùn)動(dòng)分系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令、同步控制探測(cè)器系統(tǒng)讀出它投影數(shù)據(jù)，并控制其分時(shí)，分批送到主計(jì)算機(jī)供重建圖像用。通常把完成CT圖像的計(jì)算機(jī)成為主計(jì)算機(jī)。醫(yī)用CT為了及時(shí)得到CT圖像，常用專用的陣列處理機(jī)來完成大量的重建工作。目前CT算法中最大量的還是乘加運(yùn)算，同時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量非常大，所以對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)的要求是運(yùn)算速度快和存儲(chǔ)容量大。優(yōu)質(zhì)顯卡中的GPU可以并行地完成浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算速度可以明顯比直接使用個(gè)人計(jì)算機(jī)中的GPU明顯提高，近年來越來越多使用GPU來提高CT圖像的重建和處理速度。計(jì)算機(jī)軟件無疑是CT的核心技術(shù)，對(duì)于CT的性能有著重要的影響，計(jì)算機(jī)軟件，尤其是圖像重建和圖像處理技術(shù)包含十分廣泛的內(nèi)容。需要指出的是，數(shù)據(jù)采集完成后，軟件的“活動(dòng)舞臺(tái)”已經(jīng)確定，不良的計(jì)算機(jī)軟件只會(huì)降低CT本來可以達(dá)到的圖像質(zhì)量，而良好的計(jì)算機(jī)軟件的作用僅僅是盡可能利用已有信息，盡可能得到好的結(jié)果。CT圖像的觀測(cè)和分析成為圖像后處理。由于人眼的分辨能力所限，顯示器的亮度僅僅分為256級(jí)，而CT圖像多半是采用16位二進(jìn)制，窗寬窗位是最常用也是最有效的觀測(cè)方法。對(duì)于圖像處理的方法，除了窗位窗寬，還有平滑、增強(qiáng)、銳化等。三維可視化技術(shù)是近年來越來越廣泛地運(yùn)用到工業(yè)CT中。 本章小結(jié)本章是本文的一個(gè)重點(diǎn)之一，全面系統(tǒng)地介紹了工業(yè)CT設(shè)備的組成，包括了射線源、機(jī)械掃描系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、準(zhǔn)直器和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這幾大系統(tǒng)使得工業(yè)CT從移動(dòng)工件進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描到最后的重建圖像有條不紊地進(jìn)行。本章介紹了各個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)的工作原理，對(duì)比了各種探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)，也闡述了發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。當(dāng)今的CT朝著檢測(cè)時(shí)間短、檢測(cè)范圍大、重建圖像質(zhì)量高的方向發(fā)展，盡管目前出現(xiàn)了螺旋CT使得CT構(gòu)成出現(xiàn)了較大變化，但由于成本等諸多原因，使得上述的CT結(jié)構(gòu)在很長時(shí)間內(nèi)仍是主流，是設(shè)備供應(yīng)商研發(fā)的主方向。第四章 工業(yè)CT圖像質(zhì)量的影響因素分析 圖像質(zhì)量的含義簡而言之，工業(yè)CT的作用就是用來檢測(cè)工件的缺陷，而檢測(cè)效果如何，最終體現(xiàn)在得到的CT圖像上。對(duì)于CT圖像的質(zhì)量，最重要的兩方面是：空間分辨率與密度分辨率。其中，空間分辨率與密度分辨率顯得更為重要些，兩者也存在一定的聯(lián)系，從頻譜分析的觀點(diǎn)來看，空間分辨率側(cè)重的是在高頻段（也就是高對(duì)比度）的分辨率，而密度分辨率側(cè)重的是在低頻段（也就是低對(duì)比度）的分辨率。工業(yè)CT設(shè)備和外界因素正是通過影響這兩方面性能指標(biāo)來影響工業(yè)CT圖像質(zhì)量的，所以分析下面就分析這兩方面性能指標(biāo)。 空間分辨率空間分辨率，也叫高對(duì)比度分辨率，定性地表示CT成像系統(tǒng)顯示微小細(xì)節(jié)的能力。定量地表示為單位長度上能顯示的線對(duì)數(shù)（lp/mm）或者為單位面積內(nèi)能顯示的像素?cái)?shù)（pp/inch），前者應(yīng)用更為廣泛。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意的是，空間分辨率包括了兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)，截面平面（即xy平面）和垂直截面平面的方向（即z軸方向）。后者主要與掃描的斷層厚度有關(guān)，根據(jù)先進(jìn)的發(fā)展水平，z軸方向的空間分辨率往往比xy平面的低很多。通過上一章關(guān)于工業(yè)CT設(shè)備組成的介紹，我們知道，工業(yè)CT的空間分辨率主要圖像重建算法，機(jī)械掃描系統(tǒng)的精度等的影響，前者決定了CT圖像孔徑分辨率能達(dá)到的極限值，兩者共同決定了工業(yè)CT空間分辨率的實(shí)際值。從物理角度出發(fā)，不考慮機(jī)械掃描等帶來的系統(tǒng)誤差時(shí)，工業(yè)CT圖像的極限空間分辨率歸根到底是由于射線等效束寬K決定的,K值越小，則空間分辨率越高，下面從K值得影響因素來分析空間分辨率。 K=d2+[aT1]2T （41） 上式中，T為系統(tǒng)的幾何放大倍數(shù)，T=L/S，S為工作臺(tái)中心和X射線球管之間的距離，L為探測(cè)器和X射線球管之間的距離；d為探測(cè)器的孔徑；a為X射線球管的直徑。上式也可以寫成： K=(aDL)2+(dSL)2 42 上式中，D=LS,為探測(cè)器和工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離由式（41）可以看出，僅從獨(dú)立的因素考慮，減小探測(cè)器孔徑或者X射線球管尺寸都可以減小K值，也就是提高了空間分辨率。由式（42）可以看出：①在X射線球管到探測(cè)器之間的距離L一定時(shí)，單獨(dú)減小X射線球管到工作臺(tái)中心之間的距離或者是工作臺(tái)中心到探測(cè)器之間大的距離，對(duì)K值得影響并不大②D/S的值較大，也就是工作臺(tái)中心到探測(cè)器的距離比其到X射線源的距離大很多時(shí)，減小X射線球管的尺寸d，K值減小不明顯③S/L的值較大，也就是工作臺(tái)中心到X射線球管的距離比其到探測(cè)器的距離大很多時(shí)，減小X射線球管的直徑d，K值減小并不明顯。綜上，要想提高CT圖像的空間分辨率，可以在工作臺(tái)中心離探測(cè)器較遠(yuǎn)時(shí)，較小射線源尺寸；也可以在射線源離工作臺(tái)中心較遠(yuǎn)時(shí)，減小探測(cè)器孔徑。 密度分辨率密度分辨率，又稱對(duì)比度分辨率，定性地反映分辨被檢測(cè)對(duì)象上密度（嚴(yán)格地說是射線衰減系數(shù)）差別的能力，定量地表示為在給定面積上能夠分辨的細(xì)節(jié)與基本材料之間的最小對(duì)比度。前面已經(jīng)提高，工業(yè)CT的作用是為了檢測(cè)到工件內(nèi)部的缺陷，而發(fā)現(xiàn)缺陷正是由工件內(nèi)部的密度的變化引起的。因此，密度分辨率這一性能指標(biāo)對(duì)工業(yè)CT有基礎(chǔ)性的作用，首先是要能發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部缺陷，然后再提看得清不清楚才有意義，后者涉及的也就是空間分辨率。密度分辨率的大小取決于微小細(xì)節(jié)相對(duì)于噪聲的幅度，也就是說系統(tǒng)的密度分辨率取決于系統(tǒng)的信噪比（有用信息與干擾信息的比）。工業(yè)CT系統(tǒng)的噪聲主要分為4個(gè)方面：①射線源不穩(wěn)定等導(dǎo)致的射線強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)漲落②機(jī)械系統(tǒng)掃描定位造成的誤差③射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種噪聲(如探測(cè)器響應(yīng)的不一致性引起的噪聲) ④由于采用了近似處理而使得重建算法帶來的誤差。理論上講，好的CT系統(tǒng)應(yīng)該能使以上各種噪聲盡可能地小，使其