工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響
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1.1 工業(yè)CT 概述
CT 即計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，是英語(yǔ)Computed Tomography 的縮寫。而tomography 一詞源于希臘字tomos，意思是一種能對(duì)單個(gè)平面照相，同時(shí)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(duì)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(gè)孤立的點(diǎn)A 和B：A 點(diǎn)在焦平面上而B 點(diǎn)在焦平面以外。A 點(diǎn)和B 點(diǎn)投射到X 膠片上的陰影對(duì)應(yīng)地標(biāo)注為A1 和B1，如圖 1(a)。這時(shí)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(dòng)（例如如圖所示，X 射線源向左運(yùn)動(dòng)而X膠片向右運(yùn)動(dòng)）到第二個(gè)位置。我們要確保固定點(diǎn)A 生成的陰影A2 與A 點(diǎn)在第一位置生成的陰影A1 重合。這一點(diǎn)很容易通過設(shè)置X 射線源和X 膠片移動(dòng)的距離，使它們正比于對(duì)A 點(diǎn)相應(yīng)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖 1(b)。然而固定點(diǎn)B 在第二位置生成的陰影B2 與B1 是不重合的。這就是因?yàn)锽 點(diǎn)不在焦平面上，從B 點(diǎn)到X 射線源和B 點(diǎn)到膠片的距離比偏離了對(duì)A 點(diǎn)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(dòng)時(shí)，B 點(diǎn)生成的陰影形成了一個(gè)直線段，這個(gè)性質(zhì)對(duì)焦平面以外上下的任何點(diǎn)都是適用的。應(yīng)該注意到不聚焦的那些點(diǎn)生成的陰影強(qiáng)度降低了，這是由于陰影分布到一個(gè)擴(kuò)展了的面積上。而所有焦平面上的點(diǎn)都保持了原來(lái)膠片上的圖像位置，其陰影仍然是一個(gè)點(diǎn)，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(gè)投影數(shù)據(jù)應(yīng)用計(jì)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(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”以外其他結(jié)構(gòu)對(duì)感興趣剖面的干擾，“焦平面”內(nèi)結(jié)構(gòu)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。事實(shí)上，低對(duì)比度可探測(cè)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(wú)損檢測(cè)技術(shù)都沒有這個(gè)能力。因?yàn)闆]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(gòu)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(guó)EMI 出現(xiàn)世界上第一臺(tái)醫(yī)用CT 掃描設(shè)備以來(lái)，CT 技術(shù)一直迅速發(fā)展?，F(xiàn)在CT 已成為最常用的臨床診斷工具之一。而近年來(lái)螺旋CT 的出現(xiàn)又使這個(gè)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(diǎn)。其檢測(cè)圖像沒有被檢測(cè)的“切片”以外結(jié)構(gòu)材料的干擾可發(fā)現(xiàn)檢測(cè)對(duì)象內(nèi)部極小的材料密度變化。同時(shí)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(lái)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(cè)量零件內(nèi)部尺寸。近年來(lái)，鑒于各種其他無(wú)損檢測(cè)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(cè)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(duì)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(shí)際應(yīng)用情況下并無(wú)很大害處，然而在精確定量分析檢測(cè)結(jié)果時(shí)就有可能導(dǎo)致一些錯(cuò)覺。
由于檢測(cè)對(duì)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(cè)對(duì)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(duì)比較小。但是工業(yè)CT 的檢測(cè)對(duì)象就要廣泛得多，從微米級(jí)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(cè)對(duì)象；關(guān)心的檢測(cè)要求從各類內(nèi)部缺陷到裝配結(jié)構(gòu)和尺寸測(cè)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(cè)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(gè)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(diǎn)是因?yàn)槠浼夹g(shù)復(fù)雜，設(shè)備價(jià)格相對(duì)高昂。設(shè)備的使用和維護(hù)相對(duì)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(cè)速度較慢。
1.2 工業(yè)CT 的主要部件和它們的特點(diǎn)
一個(gè)工業(yè)CT 系統(tǒng)至少應(yīng)當(dāng)包括射線源，輻射探測(cè)器，樣品掃描系統(tǒng)，計(jì)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?yàn)閺?qiáng)度低，幾乎沒有得到實(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(shí)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(shí)驗(yàn)。電子輻射發(fā)生器的共同優(yōu)點(diǎn)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(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)極靶可以長(zhǎng)期工作所能耐受的功率密度確定的。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，這種連續(xù)能譜的X 射線會(huì)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(diǎn)是它的能譜簡(jiǎn)單，同時(shí)有消耗電能很少，設(shè)備體積小且相對(duì)簡(jiǎn)單，而且輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)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(diǎn)”尺寸增大。在工業(yè)CT 中較少實(shí)際應(yīng)用。
同步輻射本來(lái)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(shí)際只能用于檢測(cè)1mm 左右的小樣品，用于一些特殊的場(chǎng)合。
1.2.2 輻射探測(cè)器
工業(yè)CT 所用的探測(cè)器有兩個(gè)主要的類型——分立探測(cè)器和面探測(cè)器
1.2.2.1 分立探測(cè)器
常用的X 射線探測(cè)器有氣體和閃爍兩大類。
氣體探測(cè)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(diǎn)是探測(cè)效率不易提高，高能應(yīng)用有一定限制；其次探測(cè)單元間隔為數(shù)毫米，對(duì)于有些應(yīng)用顯得太大。
應(yīng)用更為廣泛的還是閃爍探測(cè)器。閃爍探測(cè)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(hào)噪聲比，但是因?yàn)槠骷叽绱?，難以達(dá)到很高的集成度，造價(jià)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
評(píng)論