【導(dǎo)讀】本文在前半部分對(duì)。質(zhì)量的影響因素以及改善圖像質(zhì)量的措施。盡管工業(yè)CT已經(jīng)得到了快速的發(fā)展，但仍然存在不少的問(wèn)。題，使得其與醫(yī)用CT相比，在普及率、設(shè)備成本等方面仍存在較大的劣勢(shì)。為了進(jìn)一步發(fā)展和推廣工。該方法利用攝影測(cè)量的原理，通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)在重建坐標(biāo)系和像片坐標(biāo)系這兩個(gè)坐標(biāo)系的坐標(biāo)，利用其。轉(zhuǎn)換關(guān)系來(lái)確定射線源與射線的位置。同時(shí)，為了驗(yàn)證新方法的可行性，本文還運(yùn)用Pro/建立簡(jiǎn)單。的CT模型進(jìn)行仿真，再用MATLAB編程驗(yàn)算，得出了該方法具有可行性的結(jié)論。

　　

【正文】 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(kāi)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(shuō)， 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(guò)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(zhǎng)，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(lái)說(shuō)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(guò)濾 成扇形束 便是前準(zhǔn)直器的作用 。理論上說(shuō)，前準(zhǔn)直器的縫越細(xì)，則扇形束越四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 工業(yè) CT 設(shè)備分析與掃描定位方法 17 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(wú)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(lái)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(lái)說(shuō)， 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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)， 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) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要完成的基本工作是采集過(guò)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(guò)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(lái)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(lái)越來(lái)越多使用 GPU 來(lái)提高 CT 圖像的重建和處理速度。 計(jì)算機(jī)軟件無(wú)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(lái)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(lái)越來(lái)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)四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 工業(yè) CT 設(shè)備分析與掃描定位方法 18 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(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍是主流，是設(shè)備供應(yīng)商研發(fā)的主方向。 四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 工業(yè) CT 設(shè)備分析與掃描定位方法 19 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(jiǎn)而言之，工業(yè) CT的作用 就是用來(lái)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(lái)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(guò)影響這兩 方面性能指標(biāo) 來(lái) 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(zhǎng)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(guò) 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(lái)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(lái)分析空間分辨率。 ???????????K = √??2+[??(?? ? 1)]2?? ?????????????????????????????（ 4 ?1） ????? 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 = √(??????)2 + (??????)2???????????????????????????????????(4 ?2)???? 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 ② D/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射線源的距離大很四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 工業(yè) CT 設(shè)備分析與掃描定位方法 20 多時(shí) ， 減小 X射線球管的尺寸 d， K 值減小 不明顯 ③ S/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(shuō)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(shuō) 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(lái)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，使其相對(duì)于射線強(qiáng)度信息處于微不足道的地位。 下面 從射線從發(fā)出到被探測(cè)的過(guò)程出發(fā)，著重講下如何減少噪聲，提高 工業(yè) CT 系統(tǒng)的 密度分辨率 。 X射線從工件穿過(guò)時(shí)， 由于前述的三種作用，將會(huì)衰減。而 X射線在穿透密度較大或者是體積較大的 工件 時(shí)，會(huì)衰減得更為厲害 ， 當(dāng)衰減達(dá)到一定程度時(shí)將會(huì) 較大降低密度分辨率，進(jìn)而 給 重建 圖像質(zhì)量 造成不良影響 。而對(duì)于同一工件，射線的能量越高，衰減得越少，所以在檢測(cè)大型工件時(shí)，高能 CT 系統(tǒng)更能顯示出其優(yōu)勢(shì)。 X 射線 進(jìn)入探測(cè)器，在射線初始強(qiáng)度 一定的情況下，探測(cè)器檢測(cè) 到的射線強(qiáng)度與探測(cè)器的 孔徑成正比。由上節(jié)可知，為了提高空間分辨率可以 減小探測(cè)器孔徑，但必定會(huì)使得進(jìn)入探測(cè)器的光子數(shù)減少，進(jìn)而密度分辨率下降，為了彌補(bǔ)這缺陷就要使得 掃描時(shí)間延長(zhǎng)?，F(xiàn)在工業(yè) CT 的掃描時(shí)間較長(zhǎng) ，正是這個(gè)原因造成的。 此外，探測(cè)器接收到的射線強(qiáng)度與探測(cè)器到射線源之間 距離的平方成反比， 基于這條理由， 把 工業(yè) CT系統(tǒng)做得越緊湊越好。 此外，對(duì)于原子序數(shù)較大的材料 ，如前所述，康普頓散射 將是對(duì) X射線衰減起主要作用 。被散射的 X射線光子越多，會(huì)使得被探測(cè)到的“有用光子”相對(duì)減少，進(jìn)而造成 系統(tǒng)的信噪比下降，也會(huì)造成密度分辨率降低 。 四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 工業(yè) CT 設(shè)備分析與掃描定位方法 21 改善圖像質(zhì)量 的 措施 綜上所述 ,要使得整個(gè)工業(yè) CT系統(tǒng)處于最佳性能狀態(tài) ,要考慮各方面的因素 ,而這些因素之間往往是相互牽制的。最后， 值得一提的是 ，影響工業(yè) CT 圖像 質(zhì)量 的兩個(gè)指標(biāo)（空間分辨率和密度分辨率）的各種技術(shù)方法中，可以分為兩類：一類是提高圖像質(zhì)量的一方面指標(biāo)，便會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)指標(biāo)的下降；第二類是可以同時(shí)導(dǎo)致兩方面指標(biāo)的提高或者降低。而又以第一類技術(shù)方法居多。 對(duì)于第一類，比如 在檢測(cè)各部分密度相近的工件時(shí)，為了提高密度分辨率，可以增大探測(cè)器孔徑 ， 但 孔徑的 增大 會(huì)使得 進(jìn)入探測(cè)器的 “ 無(wú)用 光子” 增多 ， 從而導(dǎo)致空間 分辨率降低，這就是以降低空間分辨率為代價(jià)來(lái)提高密度分辨率 ，這種方法對(duì)技術(shù)水平要求不高 。 而 對(duì)于第二類， 比如在交點(diǎn)尺寸不變時(shí)，增大射線源的功率，便可以使得 射線強(qiáng)度增大，進(jìn)而使得散射和衰減都減小，圖像更清晰，也就是同時(shí)改善了空間分辨率和時(shí)間分辨率；又比如 機(jī)械掃描定位的精度提高，會(huì)使得投影數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，再利用這些數(shù)據(jù)無(wú)疑會(huì)得到圖像質(zhì)量更高的圖像，也就是同時(shí)提高了兩個(gè)分辨率 。 而世界上工業(yè) CT 的主要研發(fā)國(guó)家為了 提高 CT 精度，改善圖像質(zhì)量，使用著 不同的方法，現(xiàn)歸納起來(lái)如下： （ 1） 提高機(jī)械掃描 定位 系統(tǒng)的精度 （ 2） 增大 X射線的劑量與能量 （ 3） 使用微焦點(diǎn) X射線球管 （ 4） 降低掃描斷層的厚度 （ 5） 增大探測(cè)器矩陣 （ 6） 改進(jìn)圖像重建算法 本章小結(jié) 在本章，著重講了 工業(yè) CT 系統(tǒng)的兩個(gè)核心指標(biāo)：空間 分辨率和密度分辨率。這兩方面指標(biāo)都是在最終重建得到