工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對性能指標(biāo)的影響
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應(yīng)用閃爍體的分立探測器的主要優(yōu)點是：閃爍體在射線方向上的深度可以不受限制，從而使射入的大部分X 光子被俘獲，提高探測效率。尤其在高能條件下，可以縮短獲取時間；因為閃爍體是獨立的，所以幾乎沒有光學(xué)的竄擾；同時閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片，降低了X 射線的竄擾。若將隔片向前延伸形成準(zhǔn)直器還可以擋住散射X 射線；分立探測器可以達(dá)到16～ 20 bits 的動態(tài)范圍，而且不致因為散射和竄擾性能降低。分立探測器的讀出速度很快，在微秒量級。同時可以用加速器輸出脈沖來選通數(shù)據(jù)采集，最大限度減小信號上疊加的噪聲。分立探測器對于輻射損傷也是最不敏感的。
分立探測器的主要缺點是像素尺寸不可能做得太小，其相鄰間隔(節(jié)距)一般大于0.1mm；另外價格也要貴一些。
有一些關(guān)于CdZnTe 半導(dǎo)體探測器陣列用于工業(yè)CT 的報導(dǎo)。半導(dǎo)體探測器俗稱為固體電離室，由于本身對X 射線靈敏，無須外加閃爍體，這種探測器尺寸可以做得較小，沒有光學(xué)的竄擾。如果探測單元之間沒有重金屬隔片，仍然無法避免散射X 射線的影響。應(yīng)當(dāng)說這是一種很有應(yīng)用前景的CT 探測器，但目前還有余輝過長等一些技術(shù)問題需要解決。
1.2.2.2 面探測器
面探測器主要有三種類型：高分辨半導(dǎo)體芯片、平板探測器和圖像增強(qiáng)器。半導(dǎo)體芯片又分為CCD 和CMOS。CCD 對X 射線不敏感，表面還要覆蓋一層閃爍體將X 射線轉(zhuǎn)換成CCD 敏感的可見光。平板探測器和圖像增強(qiáng)器本質(zhì)上也需要內(nèi)部的閃爍體先將X 射線轉(zhuǎn)換成這些器件敏感波段的可見光。
半導(dǎo)體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數(shù)，像素尺寸可小到10 微米左右，探測單元數(shù)量取決于硅單晶的最大尺寸，一般直徑在50mm 以上。因為探測單元很小，信號幅度也很小，為了增大測量信號可以將若干探測單元合并。為了擴(kuò)大有效探測器面積可以用透鏡或光纖將它們光學(xué)耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測器的有效面積在一個方向上延長到任意需要的長度。使用光學(xué)耦合的技術(shù)還可以使這些半導(dǎo)體器件遠(yuǎn)離X 射線束的直接輻照，避免輻照損傷。
用半導(dǎo)體芯片也可以組成線探測器陣列，每個探測單元對應(yīng)的閃爍體之間沒有隔離或者在許多探測單元上覆蓋一整條閃爍體，具有面探測器的基本特征，除了像素尺寸小的優(yōu)點以外，其性能無法與分立探測器相比。圖像增強(qiáng)器是一種傳統(tǒng)的面探測器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜100μm，直徑152～457mm(6～18in)。讀出速度可達(dá)15～30 幀/s，是讀出速度最快的面探測器。由于圖像增強(qiáng)過程中的統(tǒng)計漲落產(chǎn)生的固有噪聲，圖像質(zhì)量比較差，一般射線照相靈敏度僅7～8%，在應(yīng)用計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加的情況下，射線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點就是易碎和有圖像扭曲。
平板探測器通常用表面覆蓋數(shù)百微米的閃爍晶體（如CsI）的非晶態(tài)硅或非晶態(tài)硒做成。像素尺寸127 或200μm，平板尺寸最大約45cm（18in ）。讀出速度大約3～7.5 幀/s。優(yōu)點是使用比較簡單，沒有圖像扭曲。圖像質(zhì)量接近于膠片照相，基本上可以作為圖像增強(qiáng)器的升級換代產(chǎn)品。主要缺點是表面覆蓋的閃爍晶體不能太厚，對高能X 射線探測效率低；難以解決散射和竄擾問題，使動態(tài)范圍減小。在較高能量應(yīng)用時，必須對電子電路進(jìn)行射線屏蔽。一般說使用在150kV 以下的低能效果較好。
面探測器的基本優(yōu)點是不言而喻的——它有著比線探測器高得多的射線利用率，特別是適合于DR 成像，可以達(dá)到實時或準(zhǔn)實時的動態(tài)照相。面探測器也比較適合用于三維直接成像。所有面探測器由于結(jié)構(gòu)上的原因都有共同的缺點，即射線探測效率低；無法限制散射和竄擾；動態(tài)范圍小等。高能范圍應(yīng)用效果較差。
1.2.3 樣品掃描系統(tǒng)
樣品掃描系統(tǒng)形式上像一臺沒有刀具的數(shù)控機(jī)床，從本質(zhì)上說應(yīng)當(dāng)說是一個位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從重要性來看，位置數(shù)據(jù)與射線探測器測得的射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)并無什么不同。僅僅將它看成一個載物臺是不夠全面的，盡管設(shè)計掃描系統(tǒng)時首先需要考慮的是檢測樣品的外形尺寸和重量，要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和驅(qū)動力來保證以一定的機(jī)械精度和運動速度來完成掃描運動。同樣還要考慮，選擇最適合的掃描方式和幾何布置；確定對機(jī)械精度的要求并對各部分的精度要求進(jìn)行平衡；根據(jù)掃描和調(diào)試的要求選擇合適的傳感器以及在計算機(jī)軟件中對掃描的位置參數(shù)作必要的插值或修正等等。
工業(yè)CT 常用的掃描方式是平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式和只旋轉(zhuǎn)(RO)方式兩種。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)后者比前者更為先進(jìn)。然而在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)說是各有特點。只旋轉(zhuǎn)掃描方式無疑具有更高的射線利用效率，可以得到更快的成像速度；然而，平移—旋轉(zhuǎn)的掃描方式的偽像水平遠(yuǎn)低于只旋轉(zhuǎn)掃描方式；可以根據(jù)樣品大小方便地改變掃描參數(shù)（采樣數(shù)據(jù)密度和掃描范圍），特別是檢測大尺寸樣品時其優(yōu)越性更加明顯；源—探測器距離可以較小，提高信號幅度；以及探測器通道少可以降低系統(tǒng)造價便于維護(hù)等。該兩種掃描方式從系統(tǒng)設(shè)計上還是有所不同的，有的系統(tǒng)聲稱同時具有兩種掃描方式的大都還是基于RO 方式的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行TR 掃描時只是部分避免了RO 掃描的固有缺點——如消除年輪狀偽像，并且可以掃描較大樣品，但是不一定能采用最佳幾何條件。
計算機(jī)軟件無疑是CT 的核心技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后， CT 圖像的質(zhì)量已經(jīng)基本確定，不良的計算機(jī)軟件只能降低CT 圖像的質(zhì)量，而良好的計算機(jī)軟件能充分利用已有信息，得到盡可能好的結(jié)果。
1.3 工業(yè)CT 的主要性能指標(biāo)
制造工業(yè)CT 最初的目的是解決用其他無損檢測方法檢查不出或檢測效果不佳的問題。很自然，使用者最關(guān)心的顯然是用CT 能夠檢測出的各種缺陷的最小尺寸。然而由于實際問題的復(fù)雜性，各種實際條件下的缺陷難以嚴(yán)格描述。為了能比較不同CT 系統(tǒng)的性能引入了空間分辨率和密度分辨率的概念。
類似空間分辨率和密度分辨率的概念，醫(yī)學(xué)界根據(jù)本身檢測特點常用高對比度分辨力和低對比度分辨力的概念。根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)[12]，前者是指物體與勻質(zhì)環(huán)境的X 射線線性衰減系數(shù)的相對值＞10%時，CT 圖像能分辨該物體的能力；而后者是指物體與勻質(zhì)環(huán)境的X 射線線性衰減系數(shù)的相對值＜1%時分辨該物體的能力。
工業(yè)CT 的空間分辨率指的是該設(shè)備分辨相互緊密靠近物體的能力，用單位長度上的線對數(shù)(lp/mm)來表示。常用線對卡或絲狀和孔狀測試卡進(jìn)行測定，但是用肉眼觀測測試卡測定的方法往往受到測試者的主觀影響，比較客觀的測定方法是我國軍標(biāo)[9] [10]推薦采用的MTF 方法。
空間分辨率要在兩個正交方向上測量：切片平面（x-y）內(nèi)和垂直于切片平面（x-y）的z 方向上。兩者有著巨大差異。
密度分辨率又叫對比度分辨率，是分辨給定面積上映射到CT 圖像上射線衰減系數(shù)差別的能力，和醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的低對比度分辨力的概念非常接近，取決于CT 圖像噪聲水平。前面已經(jīng)提到，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，這個特性是CT 在臨床上迅速得到接受的一個主要因素。工業(yè)CT 的情況也差不多，材料中缺陷能否被發(fā)現(xiàn)主要取決于這一技術(shù)指標(biāo)，而不是空間分辨率。密度分辨能力的測定也可以用我國軍標(biāo)推薦的方法[10]，即統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)模體的CT 圖像上給定尺寸方塊CT 值，求出標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為密度分辨能力表示95%以上的可信度。密度分辨能力也有一些傳統(tǒng)的測定方法，如利用部分體積效應(yīng)形成不同平均密度的方法，或制備不同密度的液體試件或固體試件的測試方法。但是液體試件多用鹽水制備，密度值往往與工業(yè)CT 檢測對象相差甚遠(yuǎn)；固體試件又往往因為成分不同，輻射密度與材料密度有時并沒有簡單對應(yīng)關(guān)系，同種材料（如石墨）本身各部分密度又未必均勻，都容易引起誤會，在實際應(yīng)用中需要特別注意。
除了上面兩個主要技術(shù)指標(biāo)以外，特別需要提到的是CT 偽像。偽像的定義并不像我們能預(yù)期的那樣清楚。理論上，偽像可被定義為CT 圖像中數(shù)值與物體真實衰減系數(shù)之間的差異。盡管該定義足夠?qū)挘灾劣谀馨瑤缀跛蟹抢硐雸D像，但它沒有多少實際價值。因為根據(jù)該定義，幾乎CT 產(chǎn)生的所有圖像都包含“偽像”。與常規(guī)的射線照相相比，CT 系統(tǒng)本質(zhì)上容易產(chǎn)生偽像。CT 圖像是由大量投影生成的，通常要使用大約106個獨立測量數(shù)據(jù)形成一個二維圖像。由于反投影過程的本質(zhì)是將投影中一點映射到圖像中一條直線，投影讀數(shù)的一個誤差不像常規(guī)射線照相的情形，不再限于局部區(qū)域。由于不準(zhǔn)確測量的結(jié)果就是表現(xiàn)為重建圖像中的誤差，所以CT 產(chǎn)生偽像的概率明顯更高。事實上，我們甚至可以進(jìn)一步斷言，CT 圖像中大部分像素都是以某種外形或形式出現(xiàn)的“偽像”。這些誤差或偽像對于檢測人員有些只是令人煩惱。有些則可能產(chǎn)生誤判。在實際應(yīng)用中，必須著重考慮的是那些影響檢測人員判斷的差異或偽像。
系統(tǒng)的運行的不理想的條件自然會導(dǎo)致圖像上出現(xiàn)偽像，人們通常并沒有意識到CT 今天能夠成為一種可行的醫(yī)療設(shè)備（工業(yè)CT 也一樣）的真正秘密，既不是成千上萬篇論文討論的重建算法，也不是令人“眼花繚亂”的圖像顯示方法，而是偽像的處理方法。換句話說就是如果不能有效限制或降低偽像的水平，CT 圖像可能沒有任何實際應(yīng)用價值。
另外一個重要的技術(shù)指標(biāo)是斷層圖像的平均生成時間，它主要是由掃描時間（采集數(shù)據(jù)）與計算時間（圖像重建時間）兩部分組成的，更廣義地還應(yīng)當(dāng)考慮改變切片位置和更換樣品的時間。前面已經(jīng)提到檢測速度相對比較慢，也就是速度低是工業(yè)CT 的一個主要缺點，這主要是因為重建斷層圖像需要采集龐大的數(shù)據(jù)量更因為大量數(shù)據(jù)的計算也需要相當(dāng)?shù)臅r間。但目前現(xiàn)代工業(yè)CT 使用高端個人計算機(jī)已可滿足要求，圖像重建所需要的時間相對于掃描時間幾乎可以忽略。通常工業(yè)CT 生成一個斷層圖像的時間要比醫(yī)用CT 長得多，大概從以幾分鐘到幾十分鐘。
從原理上說，CT 系統(tǒng)生成一個斷層圖像的時間與其空間分辨率和密度分辨率互相制約的，因此在實際應(yīng)用中往往只能折衷選取。
工業(yè)CT 的主要技術(shù)指標(biāo)還有很多，如軟件功能，放射性劑量和系統(tǒng)安全性都十分重要，由于篇幅所限，不再贅述。
2.工業(yè)CT 技術(shù)參數(shù)對性能指標(biāo)的影響
綜上所述密度分辨能力比起空間分辨能力更為重要。然而人們總是特別關(guān)注空間分辨能力，所以我們還是從空間分辨率開始。正如大家所知道的，CT 的空間分辨率主要取決于射線源焦點的尺寸、探測器孔徑和幾何條件；整個機(jī)械系統(tǒng)的精度、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重建算法也有一定影響。前者決定了CT 系統(tǒng)空間分辨能力的極限，前者和后者共同的作用決定了系統(tǒng)實際能夠達(dá)到的空間分辨能力。
2.1 空間分辨率
首先自然想到的是盡量減小探測器的尺寸，因為射線源的選擇余地似乎不大。毫無疑問減小探測器尺寸或更精確地說減小探測器有效孔徑可以使系統(tǒng)空間分辨率提高，但是需要深入一點定量地考察各種參數(shù)的影響。我們可以從分析射線等效束寬計算公式開始，因為射線等效束寬BW 從物理上確定了系統(tǒng)可能達(dá)到的極限分辨率(圖2)。
圖2 射線等效束寬計算
d ——探測器孔徑；
M ——幾何放大倍數(shù)；
M = L / S ；
D——探測器到旋轉(zhuǎn)中心距離；
L ——射線源到探測器距離；
S ——射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離。
令 A = D/L；B = S/L=1/M；C=d/a
式中 A ——探測器的幾何等效倍率
B ——射線源的幾何等效倍率
C ——探測器孔徑與射線源尺寸之比
則式(2)可改寫為：
表1 不同幾何條件下的射線等效束寬（BW/a）的值 
從圖3 中可以看出，在射線源尺寸一定時，減小探測器孔徑d 可以減小射線等效束寬BW，也就是提高了系統(tǒng)的空間分辨率。同時我們還可以看出減小探測器孔徑的時候，射線等效束寬BW 減小的倍率與L/D 密切相關(guān)。L/D 較小時，BW 的減小并不顯著；只有L/D 較大時，探測器孔徑減小，BW 才有顯著的變化。即當(dāng)樣品的旋轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)離探測器的時候，減小探測器孔徑或者直接減小探測器的尺寸并不能有效地提高系統(tǒng)空間分辨率，只有當(dāng)樣品的旋轉(zhuǎn)中心足夠地靠近探測器的時候，減小探測器孔徑或者直接減小探測器的尺寸才能有效地提高系統(tǒng)空間分辨率。還有一個有趣的現(xiàn)象是：當(dāng)d/a 為0.4～0.5 附近時，當(dāng)L/D≥4 以后，BW 幾乎與L/D 沒有關(guān)系，也就是說旋轉(zhuǎn)中心的遠(yuǎn)近與空間分辨率幾乎沒有關(guān)系。 全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
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