工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對性能指標(biāo)的影響
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1.1 工業(yè)CT 概述
CT 即計算機(jī)斷層成像技術(shù)，是英語Computed Tomography 的縮寫。而tomography 一詞源于希臘字tomos，意思是一種能對單個平面照相，同時去除其他平面結(jié)構(gòu)影響的X 射線照相技術(shù)。用傳統(tǒng)人體透視方法，三維的人體沿X 射線的方向被壓縮成了兩維的圖像，體內(nèi)所有骨骼結(jié)構(gòu)和組織都重疊在一起，使得感興趣對象的清晰程度大為下降。這樣盡管它有極好的空間分辨率（分辨緊鄰的高反差物體的能力），可是最后只有很差的低反差分辨率（從背景上區(qū)分低反差物體的能力）。因此導(dǎo)致了傳統(tǒng)斷層成像技術(shù)的出現(xiàn)[8]。
傳統(tǒng)斷層成像的基本原理如圖1 所示。先考慮病人體內(nèi)兩個孤立的點A 和B：A 點在焦平面上而B 點在焦平面以外。A 點和B 點投射到X 膠片上的陰影對應(yīng)地標(biāo)注為A1 和B1，如圖 1(a)。這時膠片上生成的圖像和傳統(tǒng)照相完全沒有區(qū)別，然后使X 射線源和X 膠片同步地沿相反方向運(yùn)動（例如如圖所示，X 射線源向左運(yùn)動而X膠片向右運(yùn)動）到第二個位置。我們要確保固定點A 生成的陰影A2 與A 點在第一位置生成的陰影A1 重合。這一點很容易通過設(shè)置X 射線源和X 膠片移動的距離，使它們正比于對A 點相應(yīng)的距離來實現(xiàn)，如圖 1(b)。然而固定點B 在第二位置生成的陰影B2 與B1 是不重合的。這就是因為B 點不在焦平面上，從B 點到X 射線源和B 點到膠片的距離比偏離了對A 點相應(yīng)的距離比。當(dāng)X 射線源和膠片沿一條直線（自然是相反方向）連續(xù)運(yùn)動時，B 點生成的陰影形成了一個直線段，這個性質(zhì)對焦平面以外上下的任何點都是適用的。應(yīng)該注意到不聚焦的那些點生成的陰影強(qiáng)度降低了，這是由于陰影分布到一個擴(kuò)展了的面積上。而所有焦平面上的點都保持了原來膠片上的圖像位置，其陰影仍然是一個點，相應(yīng)的強(qiáng)度沒有減小。
圖1 傳統(tǒng)斷層成像的原理
現(xiàn)代斷層成像技術(shù)——即CT，是基于從多個投影數(shù)據(jù)應(yīng)用計算機(jī)重建圖像的一種方法，現(xiàn)代斷層成像過程中僅僅采集通過特定剖面（被檢測對象的薄層，或稱為切片）的投影數(shù)據(jù)，用來重建該剖面的圖像，因此也就從根本上消除了傳統(tǒng)斷層成像的“焦平面”以外其他結(jié)構(gòu)對感興趣剖面的干擾，“焦平面”內(nèi)結(jié)構(gòu)的對比度得到了明顯的增強(qiáng)；同時斷層圖像中圖像強(qiáng)度（灰度）數(shù)值能真正與被檢對象材料的輻射密度產(chǎn)生對應(yīng)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)被檢對象內(nèi)部輻射密度的微小變化。事實上，低對比度可探測能力（LCD）是CT 和常規(guī)射線照相之間的關(guān)鍵區(qū)別。這也是CT 在臨床上迅速得到接受的最主要因素。
需要強(qiáng)調(diào)的是，除了CT 技術(shù)以外的所有無損檢測技術(shù)都沒有這個能力。因為沒有重疊結(jié)構(gòu)的干擾，圖像的解釋要比傳統(tǒng)射線照相容易得多。新的購買者能很快看懂CT 的結(jié)果因此從上世紀(jì)70 年代初英國EMI 出現(xiàn)世界上第一臺醫(yī)用CT 掃描設(shè)備以來，CT 技術(shù)一直迅速發(fā)展。現(xiàn)在CT 已成為最常用的臨床診斷工具之一。而近年來螺旋CT 的出現(xiàn)又使這個技術(shù)前進(jìn)一大步。
工業(yè)CT 的基本原理與醫(yī)用CT 相同，因此也具有醫(yī)用CT 所有的基本特點。其檢測圖像沒有被檢測的“切片”以外結(jié)構(gòu)材料的干擾可發(fā)現(xiàn)檢測對象內(nèi)部極小的材料密度變化。同時圖像的解釋要比傳統(tǒng)射線照相容易得多。
因此工業(yè)CT 也被廣泛用來檢查機(jī)械零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)或裝配正確性，還可以用于非破壞測量零件內(nèi)部尺寸。近年來，鑒于各種其他無損檢測手段的大量研究沒有得到令人滿意的結(jié)果，工業(yè)CT 又被認(rèn)為是檢查毒品和爆炸物最有應(yīng)用前景的手段。
值得注意的是CT 檢測得到的是輻射密度分布圖像，更專業(yè)一些應(yīng)當(dāng)稱之為射線線性衰減系數(shù)的分布圖像。由于在大多數(shù)情況下輻射密度與材料密度有近似的對應(yīng)關(guān)系，人們往往把CT 圖像誤認(rèn)為就是一般（材料）密度的分布圖像。這種混淆在很多實際應(yīng)用情況下并無很大害處，然而在精確定量分析檢測結(jié)果時就有可能導(dǎo)致一些錯覺。
由于檢測對象的不同，工業(yè)CT 與醫(yī)用CT 差別很大，以至從外表上幾乎看不出多少相似的地方。醫(yī)用CT 的檢測對象基本上是人體或器官，材料密度和外形尺寸的變化范圍相對比較小。但是工業(yè)CT 的檢測對象就要廣泛得多，從微米級的集成電路到超過一米的大型工件，從密度低于水的木材或其它多孔材料到高原子序數(shù)的重金屬材料都是CT 檢測對象；關(guān)心的檢測要求從各類內(nèi)部缺陷到裝配結(jié)構(gòu)和尺寸測量，也各不相同。這就使不同用途的工業(yè)CT 系統(tǒng)所用的射線源、射線探測器和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很不相同，甚至工業(yè)CT 系統(tǒng)之間的外形也大不相同。從這個意義上說，理解工業(yè)CT 比理解醫(yī)用CT 也許更加困難。
工業(yè)CT 的缺點是因為其技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備價格相對高昂。設(shè)備的使用和維護(hù)相對難度也較大。另外重建斷層圖像需要采集的數(shù)據(jù)量龐大檢測速度較慢。
1.2 工業(yè)CT 的主要部件和它們的特點
一個工業(yè)CT 系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包括射線源，輻射探測器，樣品掃描系統(tǒng)，計算機(jī)系統(tǒng)（硬件和軟件）等。
1.2.1 射線源的種類
射線源常用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可以作CT 的射線源，但是因為強(qiáng)度低，幾乎沒有得到實際的應(yīng)用。X 射線機(jī)的峰值射線能量和強(qiáng)度都是可調(diào)的，實際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從幾KeV 到450KeV；直線加速器的峰值射線能量一般不可調(diào)，實際應(yīng)用的峰值射線能量范圍從1 ～16MeV，更高的能量雖可以達(dá)到，主要僅用于實驗。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點是切斷電源以后就不再產(chǎn)生射線，這種內(nèi)在的安全性對于工業(yè)現(xiàn)場使用是非常有益的。電子輻射發(fā)生器的焦點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，焦點尺寸越小，陽極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實際應(yīng)用的功率是以陽極靶可以長期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點乃至微焦點的的射線源的使用功率或最大電壓都要比大焦點的射線源低。電子輻射發(fā)生器的共同缺點是X 射線能譜的多色性，這種連續(xù)能譜的X 射線會引起衰減過程中的能譜硬化，導(dǎo)致各種與硬化相關(guān)的偽像。
同位素輻射源的最大優(yōu)點是它的能譜簡單，同時有消耗電能很少，設(shè)備體積小且相對簡單，而且輸出穩(wěn)定的特點。但是其缺點是輻射源的強(qiáng)度低，為了提高源的強(qiáng)度必須加大源的體積，導(dǎo)致“焦點”尺寸增大。在工業(yè)CT 中較少實際應(yīng)用。
同步輻射本來是連續(xù)能譜，經(jīng)過單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強(qiáng)度X 射線，因此可以做成高空間分辨率的CT 系統(tǒng)。但是由于射線能量為20KeV 到30KeV，實際只能用于檢測1mm 左右的小樣品，用于一些特殊的場合。
1.2.2 輻射探測器
工業(yè)CT 所用的探測器有兩個主要的類型——分立探測器和面探測器
1.2.2.1 分立探測器
常用的X 射線探測器有氣體和閃爍兩大類。
氣體探測器具有天然的準(zhǔn)直特性，限制了散射線的影響；幾乎沒有竄擾；且器件一致性好。缺點是探測效率不易提高，高能應(yīng)用有一定限制；其次探測單元間隔為數(shù)毫米，對于有些應(yīng)用顯得太大。
應(yīng)用更為廣泛的還是閃爍探測器。閃爍探測器的光電轉(zhuǎn)換部分可以選用光電倍增管或光電二極管。前者有極好的信號噪聲比，但是因為器件尺寸大，難以達(dá)到很高的集成度，造價也高。工業(yè)CT 中應(yīng)用最廣泛的是閃爍體—光電二極管組合。 全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
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