【正文】 品等。其中，應(yīng)用最為廣泛、技術(shù)最為成熟當(dāng)屬在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于其掃描時(shí)間短，可以很好地對(duì)心臟、肺部等進(jìn)行斷層成像，避免了由于生理運(yùn)動(dòng)原因造成的偽影[4]。工業(yè)CT是CT另外一方面運(yùn)用。而如今，工業(yè)CT在檢測(cè)美國(guó)的三叉戟潛射導(dǎo)彈等國(guó)防武器方面發(fā)揮著極為重要的作用。 CT的發(fā)展現(xiàn)狀自20世紀(jì)80年代以來(lái)，工業(yè)CT經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)全新的階段?？傊绾螠p小CT系統(tǒng)的誤差并提高CT的檢測(cè)速度將是今后專家學(xué)者們努力的方向。此外，俄羅斯探傷公司，德國(guó)西門(mén)子公司，日本東芝公司等在研制工業(yè)CT方面走在了世界的前列。1990年，清華大學(xué)研制出中國(guó)第一臺(tái)工業(yè)CT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。重慶大學(xué)在2004年研制出了中國(guó)第一臺(tái)大型工業(yè)CT，其研制的工業(yè)CT在檢測(cè)國(guó)家的軍事武器等方面有著舉足輕重的作用，也是“神六”“神七”零部件檢測(cè)的工業(yè)CT供應(yīng)商[8]。20多年來(lái)，我國(guó)在工業(yè)CT上從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)，已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)。 CT的基本原理CT的基本原理是基于射線跟工件物質(zhì)的相互作用，射線經(jīng)過(guò)工件后強(qiáng)度發(fā)生衰減進(jìn)而得到投影數(shù)據(jù)，將投影數(shù)據(jù)重建，得到工件的斷層圖像。X射線從工件中穿過(guò)時(shí)，便會(huì)發(fā)生散射，進(jìn)而衰減。在X射線能量一定的情況下，工件的密度越大，對(duì)X射線的衰減作用越大。假設(shè)，沿X射線上的物質(zhì)被分成很多單元，每個(gè)單元的長(zhǎng)度為?Χ，?Χ足夠小，那么每個(gè)單元內(nèi)的密度就可以認(rèn)為是均勻的，每個(gè)單元內(nèi)的衰減系數(shù)也是一定的， 所示 射線衰減示意圖由穿入第一個(gè)單元的X射線強(qiáng)度為I0，穿出第一個(gè)單元的X射線強(qiáng)度為I1， I1=I0eμ1?Χ （）式中，μ1為第一個(gè)單元的衰減系數(shù) I1既為第一個(gè)單元的X射線透射強(qiáng)度，也為第二個(gè)單元的入射強(qiáng)度。而該方程的未知數(shù)往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一，因此要圍繞著工件，在不同的方向?qū)ζ溥M(jìn)行掃描，得到足夠多個(gè)方程，進(jìn)而求出每個(gè)單元的衰減系數(shù)，重建出工件截面的CT圖像。通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)獲取的投影值進(jìn)行一定的算法處理，可求解出各個(gè)單元（即體素）的衰減系數(shù)值，獲得衰減系數(shù)值的二維分布（衰減系數(shù)矩陣）。然后，圖像面上各像素的CT值轉(zhuǎn)換為灰度，就得到圖像面上的灰度分布，此灰度分布就是CT圖像。一般來(lái)說(shuō)標(biāo)識(shí)譜疊加在連續(xù)譜之上。軔致輻射的強(qiáng)度與靶材料的原子序數(shù)成正比，與帶電粒子的電荷成反比，所以一般采用電子與原子序數(shù)大的鎢相撞，產(chǎn)生X射線。X射線主要有以下物理性質(zhì)：（1）X射線具有很強(qiáng)的穿透性。（2）X射線具有熒光作用。（3）X射線具有粒子性和波動(dòng)性。X射線有著比可見(jiàn)光更短的波長(zhǎng)，更高的能量，使得生物體暴露在X射線的環(huán)境中會(huì)受到輻射損傷。吸收射線會(huì)使物體溫度升高。而這些作用與X射線的能量范圍有關(guān)。從相互作用的觀點(diǎn)來(lái)看，X射線的線衰減系數(shù)μ與上述三種相互作用的截面（發(fā)生該種相互作用的概率）成正比，可以表示為μ∝（σph+σc+σp）式中，橫截面σ的下標(biāo)ph、c和p分別對(duì)應(yīng)了光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)三種相互作用。我們知道，軌道電子和原子核之間存在著一種成為結(jié)合能的能量，而如果入射 光電效應(yīng)示意圖光子的能量比這結(jié)合能大，入射光子便將其能量轉(zhuǎn)移給與之相對(duì)應(yīng)的軌道電子，入射光子湮滅，軌道電子在得到入射光子轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的能量之后，便沖破原子核的約束變成自由電子，該電子稱為光電子。使原子變回穩(wěn)定的方式有2種：一種是發(fā)射X射線標(biāo)識(shí)譜光子；另一種是發(fā)射俄歇電子。康普頓效應(yīng)也稱康普頓散射，指的是入射光子穿透物質(zhì)時(shí)與該原子的外層電子發(fā)生碰撞，使得外層電子從原子軌道中飛出，而光子則失去一部分能量成為散射光子射出，其方向與之前的方向有偏移。 康普頓效應(yīng)示意圖電子對(duì)效應(yīng)指的是：如果入射光子的能量達(dá)到一定值，它從原子核旁邊飛時(shí)，就會(huì)變成一正一負(fù)兩個(gè)電子。 電子對(duì)效應(yīng)示意圖由能量守恒定律可知，入射光子能量應(yīng)該滿足hν≥2m0c2≈式中，m0是電子質(zhì)量 X射線三種作用的優(yōu)勢(shì)區(qū)域示意圖X射線的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)與物質(zhì)的原子序數(shù)、考慮到工業(yè)CT的能量范圍，在以上三種作用中，對(duì)X射線影響最大的是康普頓效應(yīng)。值得注意的是，有用的射線—由射線源方向“直接”射入探測(cè)器的光子只占一小部分，而散射光子占了大部分，盡管它們的方向是雜亂無(wú)章的。所以，康普頓散射是在設(shè)計(jì)和應(yīng)用工業(yè)CT過(guò)程中始終應(yīng)該格外注意的問(wèn)題 本章小結(jié)本章在第一章的基礎(chǔ)上，通過(guò)介紹CT的歷史、應(yīng)用及發(fā)展、基本原理、掃描方式，讓人在感官上對(duì)CT有了基本的了解，進(jìn)一步明確了本文研究的對(duì)象及研究意義。第三章 工業(yè)CT的基本組成 工業(yè)CT的基本結(jié)構(gòu)工業(yè)CT系統(tǒng)包括射線源、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)等， 工業(yè)CT系統(tǒng)的組成 工業(yè)CT檢測(cè)的工作流程為：首先射線源發(fā)出射線，前準(zhǔn)直器將其調(diào)整為特定形狀（如扇形），然后射線穿過(guò)工件，后準(zhǔn)直器過(guò)濾掉穿過(guò)工件后的散射線，同時(shí)機(jī)械掃描系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以獲得足夠多的投影數(shù)據(jù)，探測(cè)器系統(tǒng)收集射線并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將信號(hào)放大，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)投影數(shù)據(jù)應(yīng)用特定的算法重建出工件截面的斷層圖像 射線源在射線源方面，工業(yè)CT應(yīng)用的主要是X射線源，也有少部分是γ射線源。因?yàn)榇蟛糠帜芰哭D(zhuǎn)化為熱能，所以陽(yáng)極必須為高熔點(diǎn)的物質(zhì)制成，常為金屬鎢，同時(shí)如何散熱成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。X射線管和直線加速器的能量范圍有所不同。工業(yè)CT上常用的γ射線源有60Co、137Cs。由于γ射線具有單一的能量，因此不會(huì)產(chǎn)生像X射線那樣的射束硬化現(xiàn)象，這是其優(yōu)點(diǎn)。射線源性能參數(shù)主要有四個(gè)：強(qiáng)度、能量、穩(wěn)定性及焦點(diǎn)尺寸。射線的焦點(diǎn)尺寸與圖像質(zhì)量有關(guān)。從本質(zhì)上看，機(jī)械掃描系統(tǒng)實(shí)際是一個(gè)位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描系統(tǒng)的精確控制，除了加工本身的要求外，機(jī)械系統(tǒng)的剛度也是不可忽視的因素，特別是在被檢測(cè)工件非常龐大笨重的情況下,同時(shí)也需要足夠的機(jī)械力來(lái)驅(qū)動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，掃描系統(tǒng)需要精確地位置測(cè)量系統(tǒng)，常用的測(cè)量元件是光柵尺和旋轉(zhuǎn)編碼器。但是精度到了一定程度后，精度的提高往往帶來(lái)成本的指數(shù)增長(zhǎng)。在經(jīng)驗(yàn)上，有個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)，就是由于機(jī)械精度的影響，是采集到的投影數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的體素距離理想的位置的最大偏差不到像素尺寸的1/3，被認(rèn)為是可接受的系統(tǒng)；距離不到1/5時(shí)，被認(rèn)為是很好地系統(tǒng)。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)的變化，逐漸形成了CT掃描模式中“代”的概念。因此，個(gè)人認(rèn)為，按照下面這種方式來(lái)劃分CT的掃描模式更有意義：按照掃描方式，分為平移—旋轉(zhuǎn)（TR）掃描方式、平移—旋轉(zhuǎn)（TR）掃描方式、螺旋掃描方式；按照?qǐng)D像重建算法，分為扇形束重建、平行束重建、錐形束重建。 TR掃描方式 RO掃描方式TR掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)器數(shù)量少，在一定程度上避免了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(zhǎng)。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。長(zhǎng)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。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。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。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(zhǎng)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(jiǎn)單，精度高公差177。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(guò)電流—電壓轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。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。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(wú)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(wú)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(mén)的閃爍體將光子轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。但其圖像質(zhì)量差，而且器件易碎，有圖像扭曲。一般來(lái)說(shuō)在150kV以下的低能應(yīng)用較好，多用于醫(yī)學(xué)CT系統(tǒng)。由于探測(cè)器一般有成千上萬(wàn)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(kāi)關(guān)。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)。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。 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。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。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。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。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。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。通常把完成CT圖像的計(jì)算機(jī)成為主計(jì)算機(jī)。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。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。CT圖像的觀測(cè)和分析成為圖像后處理。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。 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。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。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。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)。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。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。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。上式也可以寫(xiě)成： K=(aDL)2+(dSL)2