【正文】 因素,而這些因素之間往往是相互牽制的。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?，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。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。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。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。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。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。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。 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。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。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）。 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。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。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。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)。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。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。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。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。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。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。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。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。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。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。理論上說(shuō)，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)直器安裝在射線源和工件之間。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)。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。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。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。（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(jiǎn)單，沒(méi)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(wèn)題。這是讀出速度最快的探測(cè)器，通?？蛇_(dá)15~30幀/秒。（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。它的優(yōu)點(diǎn)是排列緊密，一致性好，設(shè)備簡(jiǎn)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。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。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(jiǎn)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。，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。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)器的穩(wěn)定性是指隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的延長(zhǎng)，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(zhǎng)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)器的尺寸指的是它的長(zhǎng)度、寬度、高度。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(guò)放大后再?gòu)哪M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。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。而目前工業(yè)CT中，最普及的是TR和RO兩種掃描模式，并用平行束重建圖像。但后來(lái)隨著CT的發(fā)展，“代”的概念已經(jīng)不能反映技術(shù)先進(jìn)與落后，加上很多新的掃描方式已經(jīng)難以歸入“代”的范疇，至今人們使用“代”的概念往往僅是簡(jiǎn)單表示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。對(duì)于掃描模式，從CT誕生之日開始，提高掃描速度一直是CT掃描的主旋律，究其方法，基本都是改變射線源的運(yùn)動(dòng)軌跡，增加探測(cè)器的數(shù)量或者改變探測(cè)器的布置方式等。合理的要求是在成本沒(méi)有達(dá)到快速增長(zhǎng)時(shí)，盡可能地提高精度，使得機(jī)械精度相對(duì)于其他因素，其對(duì)圖像質(zhì)量的影響可以忽略不計(jì)。僅從最后的檢測(cè)效果考慮，機(jī)械系統(tǒng)的精度當(dāng)然是越高越好。運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件常用步進(jìn)電機(jī)或者伺服電機(jī)，其中步進(jìn)電機(jī)更適合廉價(jià)輕便的系統(tǒng)。從對(duì)最后重建圖像質(zhì)量的影響程度上看，機(jī)械掃描系統(tǒng)測(cè)得的位置數(shù)據(jù)與探測(cè)器測(cè)得的射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)具有同等重要的位置。 機(jī)械掃描系統(tǒng)工業(yè)CT的機(jī)械掃描系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單的一個(gè)載物工作臺(tái)，而是一種專門設(shè)計(jì)的數(shù)控工作臺(tái)，它為了達(dá)到射線—探測(cè)器與工件之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并在不同的方位測(cè)量X射線投影數(shù)據(jù)的目的。射線的強(qiáng)度會(huì)影響CT系統(tǒng)的整體噪聲水平；射線的能量決定了能穿透工件的厚度，同時(shí)也影響重建圖像的分辨率；射線的穩(wěn)定性很大程度上影響掃描數(shù)據(jù)的精確度。但在焦點(diǎn)尺寸與X射線源相同時(shí)，γ射線強(qiáng)度小，會(huì)因此延長(zhǎng)掃描時(shí)間，降低密度分辨率，這是其缺點(diǎn)。前者的峰值有兩個(gè)，后者僅有一個(gè)。X射線管的最大能量是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整的，一般為3keV到450keV，這主要在醫(yī)學(xué)CT上使用；而直線加速器的最大能量一般是固定不變的，一般為100keV~16MeV，而盡管發(fā)射比這能量更高的X射線在技術(shù)上本身也不成問(wèn)題，但目前幾乎都僅僅在科研試驗(yàn)中運(yùn)用。事實(shí)上，X射管能夠輸出的最大功率不是由高壓發(fā)生器方面決定的，而是由陽(yáng)極靶的散熱能力決定的。射線管和直線加速器是主要的X射線源，它們產(chǎn)生X射線的原理沒(méi)有太大的差異，都是利用高速電子束轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生，只有小部分（一般最高不超過(guò)10%）轉(zhuǎn)化為X射線，其它都是以熱能的形式散發(fā)出去了。同時(shí)，在最后一節(jié)，還介紹了CT的物理知識(shí)，X射線是CT得以廣泛應(yīng)用的物理基礎(chǔ)，它為后面的設(shè)備在減小誤差方面提供了理論依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)大型工件時(shí)，“有用射線”將會(huì)變得很弱，射入探測(cè)器的散射線完全可能超出這部分射線，造成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的嚴(yán)重干擾。經(jīng)過(guò)康普頓效應(yīng)，入射光子并沒(méi)有被吸收，而是變成了能量更低的，改變了方向的另一個(gè)光子而已。在光子能量較高，且材料原子序數(shù)較大時(shí)，電子對(duì)效應(yīng)將成為三種相互作用中最重要的一種。一般來(lái)說(shuō)，入射光子的能量越大，飛出電子和入射光子原方向的角度越小，散射光子與入射光子的角度也越小，向前散射的光子越多。但這兩種方式的能量較低（不超過(guò)10keV），對(duì)工業(yè)CT的影響可以忽略不計(jì)[11]。光電效應(yīng)的公式為Ee=hvW式中，Ee為光電子的能量， hv為入射光子的能量，W軌道電子的結(jié)合能光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，電子殼層上便有了一個(gè)空缺的位置，這使得原子整體并不穩(wěn)定，也就是處于激發(fā)態(tài)。光電效應(yīng)也稱光電吸收，指的是入射X射線光子穿透物質(zhì)時(shí)與該物質(zhì)的原子的整體發(fā)生的作用。在工業(yè)CT系統(tǒng)中，200kV~10MV的范圍應(yīng)用最為廣泛[10]，對(duì)應(yīng)的，康普頓效應(yīng)、光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)是三種主要作用形式。 X射線與物質(zhì)相互作用X射線穿過(guò)物體時(shí)，會(huì)和內(nèi)部原子發(fā)生一系列相互作用。（5）X射線具有熱作用。粒子性主要表現(xiàn)為穿過(guò)物體過(guò)程中，能對(duì)物質(zhì)發(fā)生作用傳遞能量；波動(dòng)性主要表現(xiàn)在空中傳播時(shí)，能夠發(fā)生干涉和衍射等現(xiàn)象 （4）X射線波長(zhǎng)短，能量大。X射線照射到某些化合物，如磷、鎢酸鈣等時(shí)，便會(huì)發(fā)出熒光，熒光的強(qiáng)弱跟射線的強(qiáng)度成正比關(guān)系。X射線能穿透很多肉眼看起來(lái)并不透明的物體，如人體、木材甚至是鋼板等，這是它用來(lái)檢測(cè)的基礎(chǔ)。（2）標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生機(jī)理：標(biāo)識(shí)譜是高速電子進(jìn)入靶金屬原子內(nèi)部，將內(nèi)部電子撞出， 標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生使之發(fā)生電離，產(chǎn)生空穴，根據(jù)能量最低原理，在外層的電子將向內(nèi)層躍遷，電子在躍遷過(guò)程中發(fā)出X射線光子，由于電子躍遷產(chǎn)生的能量是量子化的，因此X射線的能量也是量子化的，或者說(shuō)X射線的譜線是線狀分立的， X射線物理性質(zhì)X射線之所以在檢測(cè)行業(yè)能得到比一般的電磁波更為廣泛地應(yīng)用，得益于它有著與其它電磁波不一樣的性質(zhì)。X射線由兩部分組成，一部分為連續(xù)譜，另一部分的是標(biāo)識(shí)譜，兩者的產(chǎn)生機(jī)理不同，下面分別介紹：（1）連續(xù)譜的產(chǎn)生機(jī)理：高速的電子束轟擊靶材料后，電子與靶材料的原子發(fā)生碰撞，電子的速度驟降，能量急劇減小，其能量向外輻射，即產(chǎn)生軔致輻射[9]，對(duì)連續(xù)譜的定量分析如下：設(shè)v0為電子入射的時(shí)速度， E剩為電子被碰撞后的能量， ?E為前后相差的能量，則?E=1/2mv02E剩其中，?E是以光子的形式向外輻射，因?yàn)楫?dāng)射線源的加速電壓一定的時(shí)候，v0是一定的，初始能量1/2mv02是一定的，而E剩也是連續(xù)的，則?E也是連續(xù)的，即產(chǎn)生了連續(xù)譜。 CT物理知識(shí) X射線產(chǎn)生機(jī)理X射線是高速電子束轟擊金屬靶產(chǎn)生的，它由兩部分構(gòu)成，一部分是的波長(zhǎng)是連續(xù)的，稱為連續(xù)譜；另一部分的波長(zhǎng)是分立的，稱為標(biāo)識(shí)譜，也叫特征譜。再按CT值的定義，把各個(gè)單元的衰減系數(shù)值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)像素的CT值，得到CT值的二維分布（CT值矩陣）。在此，有必要對(duì)CT圖像作出說(shuō)明，CT圖像的本質(zhì)是衰減系數(shù)μ圖像。假設(shè)，第二個(gè)單元的透射強(qiáng)度為I2，衰減系數(shù)為μ2，則 I2=I1eμ2?Χ=I0eμ1?Χeμ2?Χ=I0e?Χ（μ1+μ2） ()以此類推，可以得到 In，即最后一個(gè)單元的透射強(qiáng)度 In=I0e?Χ（μ1+μ2+…+μn） ()式()可轉(zhuǎn)化為μ1+μ2+…+μn=ln?