工业CT技术的综述

1、工业 CT 技术的综述引言随着制造业的迅速发展， 对产品质量检验的要求越来越高， 需要对越来越多的饿、关键、复杂部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量。传统的检测方法如超声波检测、 射线照相检测等测量方法已不能满足要求。 于是， 许多先进的无损检测技术被开发应用于检测领域。ICT（ Industrial ComputedTomography简称工业CT）技术便是其中的一种。工业CT （ICT就是计算机层析照相或称计算机断层扫描成象。虽然层析成 象有关理论的有关数学理论早在 1971 年由 J.Radon 提出，但只是在计算机出现 后并与放射学科结合后才成为一门新的成象技术。在工

2、业方面特别是无损检测（NDT）与无损评价（NDE领域更加显示出其独特之处。因此，国际无损检测 界把工业CT称为最佳为检测手段。进入80年代以来，国际上主要工业化国家已 经把射线的ICT用于航空、航天、军事、冶金、机械、石油、电力、地质、考古 等部门的NDT和NDE检测对象有导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、 石油岩心、计算机芯片、精密铸件与锻件、汽车轮胎、陶瓷及高、复合材料、海 关毒品、考古化石等。我国90年代也已逐步把ICT技术用于工业无损检测领域。下面将从CT工作原理、CT图像特点、CT机的主要技术指标、描述CT图像 质量参数、应用领域、发展趋势做一介绍。一、CT工作原理电子计算机体

3、层摄影（Computed tomography，简称CT）是近十年来发展迅 速的电子计算机和X线相结合的一项新颖的诊断新技术。其原理是基于从多个投 影数据应用计算机重建图像的一种方法， 现代断层成像过程中仅仅采集通过特定 剖面（被检测对象的薄层，或称为切片）的投影数据，用来重建该剖面的图像， 因此也就从根本上消除了传统断层成像的 “焦平面 ”以外其他结构对感兴趣剖面 的干扰， “焦平面”内结构的对比度得到了明显的增强；同时断层图像中图像强度（灰度）数值能真正与被检对象材料的辐射密度产生对应的关系， 发现被检对象 内部辐射密度的微小变化。工业 CT机一般由射线源、机械扫描系统、探测器系 统、计算

4、机系统和屏蔽设施等部分组成。其结构工作原理如图 1 所示。射线源提供CT扫描成象的能量线束用以穿透试件，根据射线在试件内的衰 减情况实现以各点的衰减系数表征的 CT图象重建。与射线源紧密相关的前直准 器用以将射线源发出的锥形射线束处理成扇形射束。后直准器用以屏蔽散射信 号，改进接受数据质量。射线源常用 X 射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。电子回旋加速器从原则上说可以作 CT的射线源，但是因为强度低，几乎 没有得到实际的应用。X射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，实际应用的峰值射线能量范围从几KeV到450KeV;直线加速器的峰值射线能量一般不可调， 实际应用的峰值射线能量范围从 11

5、6MeV，更高的能量虽可以达到，主要仅 用于实验。电子辐射发生器的共同优点是切断电源以后就不再产生射线，这种内在的安全性对于工业现场使用是非常有益的。电子辐射发生器的焦点尺寸为几微米到几毫米。在高能电子束转换为X射线的过程中，仅有小部分能量转换为X射 线，大部分能量都转换成了热，焦点尺寸越小，阳极靶上局部功率密度越大，局 部温度也越高。实际应用的功率是以阳极靶可以长期工作所能耐受的功率密度确 定的。因此，小焦点乃至微焦点的的射线源的使用功率或最大电压都要比大焦点 的射线源低。电子辐射发生器的共同缺点是X射线能谱的多色性，这种连续能谱的X射线会引起衰减过程中的能谱硬化，导致各种与硬化相关的伪像。

6、图1-1 ICT工作原理简图机械扫描系统实现CT扫描时试件的旋转或平移，以及射线源一一试件一一 探测器空间位置的调整，它包括机械实现部分及电器控制系统。探测器系统用来测量穿过试件的射线信号，经放大和模数转换后送进计算机 进行图象重建。ICT机一般使用数百个到上千个探测器，排列成线状。探测器数 量越多，每次采样的点数也就越多，有利于缩短扫描时间、提高图象分辨率。计算机系统用于扫描过程控制、参数调整，完成图象重建、显示及处理等。屏蔽设施用于射线安全防护，一般小型设备自带屏蔽设施，大型设备则需在 现场安装屏蔽设施。二、CT图像特点CT图像是由一定数目由黑到白不同灰度的象素按矩阵排列所构成。这些象 素

7、反映的是相应体素的X线吸收系数。不同CT装置所得图像的象素大小及数目 不同。大小可以是 1.0X 1.0mm，0.5X0.5mm不等；数目可以是 256X256，即 65536个，或512X 512,即262144个不等。显然，象素越小，数目越多，构成 图像越细致，即空间分辨力(spatial resolution)高。CT图像的空间分辨力不如 X线 图像高。CT图像是以不同的灰度来表示，反映对X线的吸收程度。但是CT与X线图 像相比，CT的密度分辨力高，即有高的密度分辨力(density resolutiln)。大家知道，CT的成像速度很大程度上取决于扫描速度和重建速度。针对扫 描速度，医学

8、上gantry旋转的速度是很快的，往往一圈只用 0.1秒或者更少。这 意味着每个view的曝光时间很短，如果射线的强度不高，势必导致高强度的量 子噪声，而事实上，医学管头的 mA数可达几百。因此保证了射线强度较高，故 所成CT并非噪声很大。针对工业CT，目前市场上产品的扫描速度都很慢，且常采用步进扫描。为什么 工业的扫描速度不能做快？要想取得高的扫描速度，一是要求转台旋转速度快， 二要求探测器数据采集速度快，而目前工业上用的探测器的采集贞频也可以很高 啊。也可以实时采集。到底是什么因素制约了工业CT的扫描速度呢？相对而言，医疗CT更强调密度分辨率，而工业CT更强调空间分辨率；从应用角 度看，工

9、业CT上对成像时间的要求不那么高，这是由于工业CT检测的对象是不 动的，因此即使用是最慢的旋转速度也不会影像图像的质量。此外，工业CT中,对转台的转动和平移精度要求非常高，能够高速旋转并且具有高精度的的机械运 动机构代价也比较高。被测工件有各种各样，密度各异，对X射线的阻挡能力也 差异很大，有的需要X光机，有的需要高能加速器，因为要保证每个探测器吸收 足的透照射线；花费如此大的代价(高功率 X光机，快速数据采集、快速高效探 测)去追求成像速度是得不偿失的。而医用CT滑环转速可以达到2r/s，最高可到4r/s。但其承载能力一般在几百kg,再大的话轴承的抗压(考虑重力及离心力) 就是难题。工业CT

10、一般能量和功率都较高，450kev的X光机一般都有专门的冷 却系统了，很难集成。因此也很难使用滑环系统，加速器就更不用说了。转台旋 转有其自身的限制，但并不像你说的一定使用步进电机，伺服电机也经常被使用。 因此工业CT在这一点上说没有必要增加成本去高速采集图像。而医疗CT检测的 人是活的，活的人会动的，特别是心脏，一直是跳到的；此外，由于检测对象是人体， 对吸收剂量要求尽可能的少，很显示扫描时间越长吸收剂量越多，对人体越不利， 由于人体密度小便于射线穿透，所以普通 150KV的X光机就可以，而这个射线 源可以通过特殊技术，可以通过电子束旋转来实现，因此扫描速度可以做非常快， 即它把机械扫描转换

11、到了电子束扫描。因此，医疗CT扫描一圈的时间越短，由于对 象的运动造成的运动伪影就越小，基于此，医疗CT的一个重要指标就是扫描时间。 追求的是越短越好。三、CT机的主要技术指标1、扫描方式单束平移旋转方式； 窄扇形束平移旋转方式； 宽扇形束旋转旋转方式； 宽扇形束静止旋转方式； 螺旋扫描方式； 动态空间扫描方式； 电子束扫描方式。2、机架孔径机架孔径越大越好。它影响着机架的倾角，一般 CT 机的机架孔径在 600 720mm 范围。3、准直器准直器位于X线管的前方，由一些铜片、铝片组成，可以大幅度地减少散射 线的干扰，在计算机的控制下， 控制准直器开口的宽度， 从而决定扫描层的厚度。 因此，准

12、直器既可减少患者的放射剂量， 又可提高图像质量， 还决定切层的厚度。在CT扫描机中准直器分为2种；一种是X线管侧准直器，另一种是探测器 侧准直器，这两个准直器必须精确地对准。X线管侧准直器的设计很重要。因为X线管焦点的几何投影有一个半影的作 用，焦点越大，半影越大；焦点大时准直器的设计复杂，常采用多层准直器。探 测器侧准直器位于探测器的前方，用于减少散射线并限制切层厚度。准直器孔径的尺寸决定了被检体的切层厚度，常见CT机扫描所得厚度为 2、3、5、8、1 0和13 mm。准直器决定像素的厚度，但不能决定像素的 长和宽。像素的长和宽同扫描野的尺寸、采样间隔及计算软件有关。4、硬磁盘容量磁盘容量大

13、小决定着对图像数据的存储量。一般在 100 到数百个兆比特 （Mb）。5、高对比分辨率它表示CT机在高对比情况下，对物体空间大小（几何尺寸）的鉴别能力。 该指标有两种表示方式。即线对/厘米（LP/cm）和线径/毫米（mm/mm ）。6、探测器数目总的来讲，探测器的数目越多，扫描时间就越短，且收集的数据也越多，它 直接影响着图像质量的高低。7、球管热容量X线球管的热容量大，表示承受的工作时间电流大，连续工作时间可延长， 所以CT机所用X线球管的热容量越大越好。标示单位有 KHU和MHC。8、球管焦点在CT扫描成像过程中，焦点小可提高图像质量。CT所用X线球管有单焦点 和双焦点两种。9、扫描时间和

14、扫描周期扫描周期通常包括扫描时间、 数据采集系统的数据处理和恢复时间、 扫描装 置重新定位时间等。除上述例举的指标外，还有机架倾角、管电压、管电流、探测器种类。机器 功率、安装面积、机房温度要求等指标。掌握了这些技术指标，有利于对每台 CT机的性能进行比较评估或选购。四、描述 CT 图像质量参数1、对比度分辨率 对比度分辨率是当细节与背景之间具有低对比度时， 将一定大小的细节从背 景中鉴别出来的能力。对比度是表示不同物质密度差异， 表现在图像上像素间的对比度是它们灰度 间的黑白程度的对比度。 对比度常采用两种定义形式， 所以给出两种不同的结果。 当a和b分别为最大值和最小值时，a和b之间的对比

15、度可定义如下： 根据调制深度定义： 根据相对对比度定义：当a和b分别是110和100时，根据上述两种定义计算得到的对比度分别是4.76%和 9.09%,它们之间大约相差 2 倍。对比度是由X线的质决定的，而对比度分辨率是由CT成像系统的噪声所影响的，因此常常用噪声的标准偏差表示它。 然而， 固有噪声只有在没有伪像的图 象中才有可能测量，因而不易直接计算出对比度的分辨率。五、应用领域人们通常所说的CT实际上就是指X射线CT,即“X寸线电子计算机扫描术” 如今这种技术已经广泛应用于临床；计量：无损内表面测量、逆向工程、零部件 检测、3D图形分析、CAD对比；无损测试：失效分析、孔洞检测和分析、裂缝

16、检测和测量、分层检测、密度识别、内部测量点信息、法医鉴定盘謝抽邮癢祥也首先羽威“普II”舸臥輕片，然后&戒为二塑的也楣论祥+边CTt曲图慷 杲禮测工件与二耕融屛相可比辕的阜础，星匚，圄炼单就年为橙计融揺X射线是医用CT和工业CT的基础。早在2003年，德尔福公司就在考虑将 医学领域中使用的CT计算机扫描技术应用到汽车工业领域中。研发人员想利用 X光扫描技术对汽车零部件进行数字化分析， 并将工件扫描得到的数据与 CAD设 计数据进行比较，在计算机的屏幕上进行质量分析和制造公差的检验。4年时间过去了，工程师们几乎实现了预定的目的。第一台计算机CT扫描设备已于2005年投入使用，并已经成为汽车连接技

17、术重要的研发工具，在德尔 福公司的三大领域中有着广泛地应用： 即模具制造的优化；设计与工件的可视化 对比，复杂几何尺寸的测量；利用 X射线揭示隐藏的运动过程。应用计算机CT扫描技术可以进行非常有效的测量，而测量也是这种技术最 重要的功能。经验证，CT扫描技术不但能够满足汽车连接技术中典型的测量任 务（尺寸测量、材料检验），并且还有着很好的可重复性能和可再现性能。根据 德尔福公司的报告，CT扫描技术的应用将使产品研发过程中复杂零件的检测从 34周缩短到几天，这将是测量技术和质量检验技术的一次革命；同时，CT技术在扫描工件的同时就可以把数字化信息数据保存起来。因此，在上述检测中， 费时费力的书面检

18、测记录也将被完全省略。 除此以外，德尔福公司还保证该技术 可以在全球的企业中作为标准而实施，有优秀的开放性。2、CT在医疗领域未来的发展1、增加容积覆盖范围在CT获取高分辨率心脏图像发展过程中，探测器Z轴的覆盖范围有了显著增加，Z轴覆盖范围决定了在1次心动周期中采集的图 像的总的厚度，因此，Z轴覆盖范围越大，则采集过程中需要的心动周期数越少。 目前的64排CT Z轴覆盖范围为19.2mm或40mm。未来的320排CT设计中探测 器Z轴的覆盖范围有了显著增加，使得在1次心跳中采集的图像的总的厚度达到 160m m,从而能在1次心跳内完成对整个心脏的扫描，对严重心律失常的病人可以避免错层及阶梯状伪

19、影的发生，进 1步提高图象质量。320排CT另1个好 处是可以在进行心肌灌注检查时增大扫描的心肌范围， 获得大范围、 全器官的同 步动态容积数据采集和分析。但现在有关多层CT心肌灌注的研究经验在临床上的应用非常有限。如果想在将来可能问世的宽探测器容积覆盖的新型CT上进行心肌灌注检查的话，在当今CT 上还有很多基础性研究需要进行。2、降低射线剂量前面提到，在CT的未来发展中，实现扫描剂量的最小化是发展重点。心电控制的剂量调节方案是指在心电门控下的非重要期相中降低 辐射量，只有在需要重建的期相中才必须达到 1 定的球管输出值。 通常采用这种 方法可以使得射线辐射剂量控制在 10mSv之内，这是1个可以接受的剂量，但 是仍然高于有创的常规血管造影诊断检查。前瞻性心电触发联合“步进和采集” 的轴位采集方式可以给与患者更小的剂量， 原因在于扫描是仅仅在以往所选心脏 周期中进行。但是，它不能提供连续容积覆盖，而且，不同期相的心脏重建图像 不能进行功能性评估。由于心电触发轴位扫描取决于1个可靠的患者的R R间期，这种方法在严重心律不齐的患者中无法应用。 另 1 种降低辐射剂量的方法是 调整管电压。 因对比噪音比会随着管电压的减小而增加。 因此，要想获得理想的 对比噪音比，患者剂量可因为选择较低的管电压 80-100千伏而减小，CT辐