工業(yè)CT技術(shù)的綜述

工業(yè)CT技術(shù)的綜述引言隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢查的規(guī)定越來(lái)越高，需要對(duì)越來(lái)越多的餓、核心、復(fù)雜部件甚至產(chǎn)品內(nèi)部缺點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格探傷和內(nèi)部構(gòu)造尺寸精確測(cè)量。傳統(tǒng)的檢測(cè)辦法如超聲波檢測(cè)、射線攝影檢測(cè)等測(cè)量辦法已不能滿足規(guī)定。于是，許多先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于檢測(cè)領(lǐng)域。ICT（IndustrialComputedTomography—簡(jiǎn)稱工業(yè)CT）技術(shù)便是其中的一種。工業(yè)CT（ICT）就是計(jì)算機(jī)層析攝影或稱計(jì)算機(jī)斷層掃描成象。即使層析成象有關(guān)理論的有關(guān)數(shù)學(xué)理論早在1971年由J.Radon提出，但只是在計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后并與放射學(xué)科結(jié)合后才成為一門新的成象技術(shù)。在工業(yè)方面特別是無(wú)損檢測(cè)（NDT）與無(wú)損評(píng)價(jià)（NDE）領(lǐng)域更加顯示出其獨(dú)特之處。因此，國(guó)際無(wú)損檢測(cè)界把工業(yè)CT稱為最佳為檢測(cè)手段。進(jìn)入80年代以來(lái)，國(guó)際上重要工業(yè)化國(guó)家已經(jīng)把射線的ICT用于航空、航天、軍事、冶金、機(jī)械、石油、電力、地質(zhì)、考古等部門的NDT和NDE，檢測(cè)對(duì)象有導(dǎo)彈、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、軍用密封組件、核廢料、石油巖心、計(jì)算機(jī)芯片、精密鑄件與鍛件、汽車輪胎、陶瓷及高、復(fù)合材料、海關(guān)毒品、考古化石等。我國(guó)90年代也已逐步把ICT技術(shù)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。下面將從CT工作原理、CT圖像特點(diǎn)、CT機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)、描述CT圖像質(zhì)量參數(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢(shì)做一介紹。一、CT工作原理電子計(jì)算機(jī)體層攝影（Computedtomography，簡(jiǎn)稱CT）是近十年來(lái)發(fā)展快速的電子計(jì)算機(jī)和X線相結(jié)合的一項(xiàng)新穎的診療新技術(shù)。其原理是基于從多個(gè)投影數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)算機(jī)重建圖像的一種辦法，當(dāng)代斷層成像過(guò)程中僅僅采集通過(guò)特定剖面（被檢測(cè)對(duì)象的薄層，或稱為切片）的投影數(shù)據(jù)，用來(lái)重建該剖面的圖像，因此也就從根本上消除了傳統(tǒng)斷層成像的“焦平面”以外其它構(gòu)造對(duì)感愛(ài)好剖面的干擾，“焦平面”內(nèi)構(gòu)造的對(duì)比度得到了明顯的增強(qiáng)；同時(shí)斷層圖像中圖像強(qiáng)度（灰度）數(shù)值能真正與被檢對(duì)象材料的輻射密度產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)被檢對(duì)象內(nèi)部輻射密度的微小變化。工業(yè)CT機(jī)普通由射線源、機(jī)械掃描系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和屏蔽設(shè)施等部分構(gòu)成。其構(gòu)造工作原理如圖1所示。射線源提供CT掃描成象的能量線束用以穿透試件，根據(jù)射線在試件內(nèi)的衰減狀況實(shí)現(xiàn)以各點(diǎn)的衰減系數(shù)表征的CT圖象重建。與射線源緊密有關(guān)的前直準(zhǔn)器用以將射線源發(fā)出的錐形射線束解決成扇形射束。后直準(zhǔn)器用以屏蔽散射信號(hào)，改善接受數(shù)據(jù)質(zhì)量。射線源慣用X射線機(jī)和直線加速器，統(tǒng)稱電子輻射發(fā)生器。電子回旋加速器從原則上說(shuō)能夠作CT的射線源，但是由于強(qiáng)度低，幾乎沒(méi)有得到實(shí)際的應(yīng)用。X射線機(jī)的峰值射線能量和強(qiáng)度都是可調(diào)的，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范疇從幾KeV到450KeV；直線加速器的峰值射線能量普通不可調(diào)，實(shí)際應(yīng)用的峰值射線能量范疇從1～16MeV，更高的能量雖能夠達(dá)成，重要僅用于實(shí)驗(yàn)。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)是切斷電源后來(lái)就不再產(chǎn)生射線，這種內(nèi)在的安全性對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用是非常有益的。電子輻射發(fā)生器的焦點(diǎn)尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉(zhuǎn)換為X射線的過(guò)程中，僅有小部分能量轉(zhuǎn)換為X射線，大部分能量都轉(zhuǎn)換成了熱，焦點(diǎn)尺寸越小，陽(yáng)極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實(shí)際應(yīng)用的功率是以陽(yáng)極靶能夠長(zhǎng)久工作所能耐受的功率密度擬定的。因此，小焦點(diǎn)乃至微焦點(diǎn)的的射線源的使用功率或最大電壓都要比大焦點(diǎn)的射線源低。電子輻射發(fā)生器的共同缺點(diǎn)是X射線能譜的多色性，這種持續(xù)能譜的X射線會(huì)引發(fā)衰減過(guò)程中的能譜硬化，造成多個(gè)與硬化有關(guān)的偽像。圖1-1ICT工作原理簡(jiǎn)圖機(jī)械掃描系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)CT掃描時(shí)試件的旋轉(zhuǎn)或平移，以及射線源——試件——探測(cè)器空間位置的調(diào)節(jié)，它涉及機(jī)械實(shí)現(xiàn)部分及電器控制系統(tǒng)。探測(cè)器系統(tǒng)用來(lái)測(cè)量穿過(guò)試件的射線信號(hào)，經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后送進(jìn)計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖象重建。ICT機(jī)普通使用數(shù)百個(gè)到上千個(gè)探測(cè)器，排列成線狀。探測(cè)器數(shù)量越多，每次采樣的點(diǎn)數(shù)也就越多，有助于縮短掃描時(shí)間、提高圖象分辨率。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于掃描過(guò)程控制、參數(shù)調(diào)節(jié)，完畢圖象重建、顯示及解決等。屏蔽設(shè)施用于射線安全防護(hù)，普通小型設(shè)備自帶屏蔽設(shè)施，大型設(shè)備則需在現(xiàn)場(chǎng)安裝屏蔽設(shè)施。二、CT圖像特點(diǎn)CT圖像是由一定數(shù)目由黑到白不同灰度的象素按矩陣排列所構(gòu)成。這些象素反映的是對(duì)應(yīng)體素的X線吸取系數(shù)。不同CT裝置所得圖像的象素大小及數(shù)目不同。大小能夠是1.0×1.0mm，0.5×0.5mm不等；數(shù)目能夠是256×256，即65536個(gè)，或512×512，即262144個(gè)不等。顯然，象素越小，數(shù)目越多，構(gòu)成圖像越細(xì)致，即空間分辨力(spatialresolution)高。CT圖像的空間分辨力不如X線圖像高。CT圖像是以不同的灰度來(lái)表達(dá)，反映對(duì)X線的吸取程度。但是CT與X線圖像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力(densityresolutiln)。大家懂得，CT的成像速度很大程度上取決于掃描速度和重建速度。針對(duì)掃描速度，醫(yī)學(xué)上gantry旋轉(zhuǎn)的速度是很快的，往往一圈只用0.1秒或者更少。這意味著每個(gè)view的曝光時(shí)間很短，如果射線的強(qiáng)度不高，勢(shì)必造成高強(qiáng)度的量子噪聲，而事實(shí)上，醫(yī)學(xué)管頭的mA數(shù)可達(dá)幾百。因此確保了射線強(qiáng)度較高，故所成CT并非噪聲很大。針對(duì)工業(yè)CT，現(xiàn)在市場(chǎng)上產(chǎn)品的掃描速度都很慢，且常采用步進(jìn)掃描。為什么工業(yè)的掃描速度不能做快？要想獲得高的掃描速度，一是規(guī)定轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度快，二規(guī)定探測(cè)器數(shù)據(jù)采集速度快，而現(xiàn)在工業(yè)上用的探測(cè)器的采集貞頻也能夠很高啊。也能夠?qū)崟r(shí)采集。終究是什么因素制約了工業(yè)CT的掃描速度呢？相對(duì)而言，醫(yī)療CT更強(qiáng)調(diào)密度分辨率，而工業(yè)CT更強(qiáng)調(diào)空間分辨率；從應(yīng)用角度看，工業(yè)CT上對(duì)成像時(shí)間的規(guī)定不那么高，這是由于工業(yè)CT檢測(cè)的對(duì)象是不動(dòng)的，因此即使用是最慢的旋轉(zhuǎn)速度也不會(huì)影像圖像的質(zhì)量。另外，工業(yè)CT中，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)和平移精度規(guī)定非常高，能夠高速旋轉(zhuǎn)并且含有高精度的的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)代價(jià)也比較高。被測(cè)工件有多個(gè)各樣，密度各異，對(duì)X射線的阻擋能力也差別很大，有的需要X光機(jī)，有的需要高能加速器，由于要確保每個(gè)探測(cè)器吸取足的透照射線；耗費(fèi)如此大的代價(jià)（高功率X光機(jī)，快速數(shù)據(jù)采集、快速高效探測(cè)）去追求成像速度是得不償失的。而醫(yī)用CT滑環(huán)轉(zhuǎn)速能夠達(dá)成2r/s，最高可到4r/s。但其承載能力普通在幾百kg，再大的話軸承的抗壓(考慮重力及離心力）就是難題。工業(yè)CT普通能量和功率都較高，450kev的X光機(jī)普通都有專門的冷卻系統(tǒng)了，很難集成。因此也很難使用滑環(huán)系統(tǒng)，加速器就更不用說(shuō)了。轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)有其本身的限制，但并不像你說(shuō)的一定使用步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)也經(jīng)常被使用。因此工業(yè)CT在這一點(diǎn)上說(shuō)沒(méi)有必要增加成本去高速采集圖像。而醫(yī)療CT檢測(cè)的人是活的,活的人會(huì)動(dòng)的,特別是心臟,始終是跳到的；另外，由于檢測(cè)對(duì)象是人體，對(duì)吸取劑量規(guī)定盡量的少，很顯示掃描時(shí)間越長(zhǎng)吸取劑量越多，對(duì)人體越不利，由于人體密度小便于射線穿透，因此普通150KV的X光機(jī)就能夠，而這個(gè)射線源能夠通過(guò)特殊技術(shù)，能夠通過(guò)電子束旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此掃描速度能夠做非?？?，即它把機(jī)械掃描轉(zhuǎn)換到了電子束掃描。因此,醫(yī)療CT掃描一圈的時(shí)間越短,由于對(duì)象的運(yùn)動(dòng)造成的運(yùn)動(dòng)偽影就越小,基于此,醫(yī)療CT的一種重要指標(biāo)就是掃描時(shí)間。追求的是越短越好。三、CT機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)１、掃描方式單束平移－旋轉(zhuǎn)方式；窄扇形束平移－旋轉(zhuǎn)方式；寬扇形束旋轉(zhuǎn)－旋轉(zhuǎn)方式；寬扇形束靜止－旋轉(zhuǎn)方式；螺旋掃描方式；動(dòng)態(tài)空間掃描方式；電子束掃描方式。２、機(jī)架孔徑機(jī)架孔徑越大越好。它影響著機(jī)架的傾角，普通CT機(jī)的機(jī)架孔徑在600—720mm范疇。３、準(zhǔn)直器準(zhǔn)直器位于Ｘ線管的前方，由某些銅片、鋁片構(gòu)成，能夠大幅度地減少散射線的干擾，在計(jì)算機(jī)的控制下，控制準(zhǔn)直器開(kāi)口的寬度，從而決定掃描層的厚度。因此，準(zhǔn)直器既可減少患者的放射劑量，又可提高圖像質(zhì)量，還決定切層的厚度。在ＣＴ掃描機(jī)中準(zhǔn)直器分為２種；一種是Ｘ線管側(cè)準(zhǔn)直器，另一種是探測(cè)器側(cè)準(zhǔn)直器，這兩個(gè)準(zhǔn)直器必須精確地對(duì)準(zhǔn)。Ｘ線管側(cè)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)很重要。由于Ｘ線管焦點(diǎn)的幾何投影有一種半影的作用，焦點(diǎn)越大，半影越大；焦點(diǎn)大時(shí)準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)復(fù)雜，常采用多層準(zhǔn)直器。探測(cè)器側(cè)準(zhǔn)直器位于探測(cè)器的前方，用于減少散射線并限制切層厚度。準(zhǔn)直器孔徑的尺寸決定了被檢體的切層厚度，常見(jiàn)ＣＴ機(jī)掃描所得厚度為２、３、５、８、１０和１３mm。準(zhǔn)直器決定像素的厚度，但不能決定像素的長(zhǎng)和寬。像素的長(zhǎng)和寬同掃描野的尺寸、采樣間隔及計(jì)算軟件有關(guān)。４、硬磁盤容量磁盤容量大小決定著對(duì)圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量。普通在100到數(shù)百個(gè)兆比特（Mb）。５、高對(duì)比分辨率它表達(dá)CT機(jī)在高對(duì)比狀況下，對(duì)物體空間大?。◣缀纬叽纾┑蔫b別能力。該指標(biāo)有兩種表達(dá)方式。即線對(duì)/厘米（LP/cm）和線徑/毫米（mm/mm）。６、探測(cè)器數(shù)目總的來(lái)講，探測(cè)器的數(shù)目越多，掃描時(shí)間就越短，且收集的數(shù)據(jù)也越多，它直接影響著圖像質(zhì)量的高低。７、球管熱容量X線球管的熱容量大，表達(dá)承受的工作時(shí)間電流大，持續(xù)工作時(shí)間可延長(zhǎng)，因此CT機(jī)所用X線球管的熱容量越大越好。標(biāo)示單位有KHU和MHC。８、球管焦點(diǎn)在CT掃描成像過(guò)程中，焦點(diǎn)小可提高圖像質(zhì)量。CT所用X線球管有單焦點(diǎn)和雙焦點(diǎn)兩種。９、掃描時(shí)間和掃描周期掃描周期普通涉及掃描時(shí)間、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解決和恢復(fù)時(shí)間、掃描裝置重新定位時(shí)間等。除上述例舉的指標(biāo)外，尚有機(jī)架傾角、管電壓、管電流、探測(cè)器種類。機(jī)器功率、安裝面積、機(jī)房溫度規(guī)定等指標(biāo)。掌握了這些技術(shù)指標(biāo)，有助于對(duì)每臺(tái)CT機(jī)的性能進(jìn)行比較評(píng)定或選購(gòu)。四、描述CT圖像質(zhì)量參數(shù)１、對(duì)比度分辨率對(duì)比度分辨率是當(dāng)細(xì)節(jié)與背景之間含有低對(duì)比度時(shí)，將一定大小的細(xì)節(jié)從背景中鑒別出來(lái)的能力。對(duì)比度是表達(dá)不同物質(zhì)密度差別，體現(xiàn)在圖像上像素間的對(duì)比度是它們灰度間的黑白程度的對(duì)比度。對(duì)比度常采用兩種定義形式，因此給出兩種不同的成果。當(dāng)a和b分別為最大值和最小值時(shí)，a和b之間的對(duì)比度可定義以下：根據(jù)調(diào)制深度定義：根據(jù)相對(duì)對(duì)比度定義：當(dāng)a和b分別是110和100時(shí)，根據(jù)上述兩種定義計(jì)算得到的對(duì)比度分別是4.76%和9.09%,它們之間大概相差2倍。對(duì)比度是由Ｘ線的質(zhì)決定的，而對(duì)比度分辨率是由ＣＴ成像系統(tǒng)的噪聲所影響的，因此常慣用噪聲的原則偏差表達(dá)它。然而，固有噪聲只有在沒(méi)有偽像的圖象中才有可能測(cè)量，因而不易直接計(jì)算出對(duì)比度的分辨率。五、應(yīng)用領(lǐng)域人們普通所說(shuō)的CT事實(shí)上就是指X射線CT，即“X射線電子計(jì)算機(jī)掃描術(shù)”，如今這種技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床；計(jì)量：無(wú)損內(nèi)表面測(cè)量、逆向工程、零部件檢測(cè)、3D圖形分析、CAD對(duì)比；無(wú)損測(cè)試：失效分析、孔洞檢測(cè)和分析、裂縫檢測(cè)和測(cè)量、分層檢測(cè)、密度識(shí)別、內(nèi)部測(cè)量點(diǎn)信息、法醫(yī)鑒定。X射線是醫(yī)用CT和工業(yè)CT的基礎(chǔ)。早在，德?tīng)柛９揪驮诳紤]將醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用的CT計(jì)算機(jī)掃描技術(shù)應(yīng)用到汽車工業(yè)領(lǐng)域中。研發(fā)人員想運(yùn)用X光掃描技術(shù)對(duì)汽車零部件進(jìn)行數(shù)字化分析，并將工件掃描得到的數(shù)據(jù)與CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，在計(jì)算機(jī)的屏幕上進(jìn)行質(zhì)量分析和制造公差的檢查。4年時(shí)間過(guò)去了，工程師們幾乎實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目的。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)CT掃描設(shè)備已于投入使用，并已經(jīng)成為汽車連接技術(shù)重要的研發(fā)工具，在德?tīng)柛９镜娜箢I(lǐng)域中有著廣泛地應(yīng)用：即模具制造的優(yōu)化；設(shè)計(jì)與工件的可視化對(duì)比，復(fù)雜幾何尺寸的測(cè)量；運(yùn)用X射線揭示隱藏的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。應(yīng)用計(jì)算機(jī)CT掃描技術(shù)能夠進(jìn)行非常有效的測(cè)量，而測(cè)量也是這種技術(shù)最重要的功效。經(jīng)驗(yàn)證，CT掃描技術(shù)不僅能夠滿足汽車連接技術(shù)中典型的測(cè)量任務(wù)（尺寸測(cè)量、材料檢查），并且尚有著較好的可重復(fù)性能和可再現(xiàn)性能。根據(jù)德?tīng)柛９镜膱?bào)告，CT掃描技術(shù)的應(yīng)用將使產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中復(fù)雜零件的檢測(cè)從3～4周縮短到幾天，這將是測(cè)量技術(shù)和質(zhì)量檢查技術(shù)的一次革命；同時(shí)，CT技術(shù)在掃描工件的同時(shí)就能夠把數(shù)字化信息數(shù)據(jù)保存起來(lái)。因此，在上述檢測(cè)中，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的書(shū)面檢測(cè)統(tǒng)計(jì)也將被完全省略。除此以外，德?tīng)柛９具€確保該技術(shù)能夠在全球的公司中作為原則而實(shí)施，有優(yōu)秀的開(kāi)放性。2、CT在醫(yī)療領(lǐng)域?qū)?lái)的發(fā)展1、增加容積覆蓋范疇在CT獲取高分辨率心臟圖像發(fā)展過(guò)程中，探測(cè)器Z軸的覆蓋范疇有了明顯增加，Z軸覆蓋范疇決定了在1次心動(dòng)周期中采集的圖像的總的厚度，因此，Z軸覆蓋范疇越大，則采集過(guò)程中需要的心動(dòng)周期數(shù)越少?，F(xiàn)在的64排CTZ軸覆蓋范疇為19.2mm或40mm。將來(lái)的320排CT設(shè)計(jì)中探測(cè)器Z軸的覆蓋范疇有了明顯增加，使得在1次心跳中采集的圖像的總的厚度達(dá)成160mm，從而能在1次心跳內(nèi)完畢對(duì)整個(gè)心臟的掃描，對(duì)嚴(yán)重心律失常的病人能夠避免錯(cuò)層及階梯狀偽影的發(fā)生，進(jìn)1步提高圖象質(zhì)量。320排CT另1個(gè)好處是能夠在進(jìn)行心肌灌注檢查時(shí)增大掃描的心肌范疇，獲得大范疇、全器官的同時(shí)動(dòng)態(tài)容積數(shù)據(jù)采集和分析。但現(xiàn)在有關(guān)多層CT心肌灌注的研究經(jīng)驗(yàn)在臨床上的應(yīng)用非常有限。如果想在將來(lái)可能問(wèn)世的寬探測(cè)器容積覆蓋的新型CT上進(jìn)行心肌灌注檢查的話，在當(dāng)今CT上尚有諸多基礎(chǔ)性研究需要進(jìn)行。2、減少射線劑量前面提到，在CT的將來(lái)發(fā)展中，實(shí)現(xiàn)掃描劑量的最小化是發(fā)展重點(diǎn)。心電控制的劑量調(diào)節(jié)方案是指在心電門控下的非重要期相中減少輻射量，只有在需要重建的期相中才必須達(dá)成1定的球管輸出值。普通采用這種辦法能夠使得射線輻射劑量控制在10mSv之內(nèi)，這是1個(gè)能夠接受的劑量，但是仍然高于有創(chuàng)的常規(guī)血管造影診療檢查。前瞻性心電觸發(fā)聯(lián)合“步進(jìn)和采集”的軸位采集方式能夠給與患者更小的劑量，因素在于掃描是僅僅在以往所選心臟周期中進(jìn)行。但是，它不能提供持續(xù)容積覆蓋，并且，不同期相的心臟重建圖像不能進(jìn)行功效性評(píng)定。由于心電觸發(fā)軸位掃描取決于1個(gè)可靠的患者的R－R間期，這種辦法在嚴(yán)重心律不齊的患者中無(wú)法應(yīng)用。另1種減少輻射劑量的辦法是調(diào)節(jié)管電壓。因?qū)Ρ仍胍舯葧?huì)隨著管電壓的減小而增加。因此，要想獲得抱負(fù)的對(duì)比噪音比，患者劑量可由于選擇較低的管電壓80-100千伏而