X射线工业CT物理设计及图像重建

兰州大学硕士学位论文X射线工业CT物理设计及图像重建姓名刘郁纪申请学位级别硕士专业粒子物理与原子核物理指导教师李公平20100501摘要工业CT技术，具有直观、准确、无损伤等特点。其原理主要是射线通过扫描工件得到断层投影值，由图像重建算法重建出断层图像。工业CT是在无损状态下检测物体断层的灰度图像，以其灰度值来分辨被检测断层内部的缺陷、几何结构、材质种类等。理论上工业CT检测不受检测物体的材料、形状和表面状况的影响，可以精确地给出检测物体的二维及三维图像，是目前国际上公认的最佳无损检测手段。目前医用CT技术已经发展成熟，完全商业化，而八十年代开始的工业CT技术在国内外虽然有一定的进展，但在工业应用中还有存在很多问题。为了进一步应用和发展工业CT技术，本文在前人的基础上，对X射线工业CT物理设计的某些方面进行了研究。研究的主要内容包括工业CT的系统结构；X射线源的性能参数设计及选用机械扫描系统的设计及性能参数的选择；探测器系统中的探测器种类选择、探测器阵列的组成方式；扫描方式的选择；准直器的设计空间分辨率、成像时间等CT系统性能参数的计算分析。经过工业CT各个部分及整体性能的设计分析，设计了一套250KEV能量的X射线机工业CT系统。目前工业C，I系统一般采用完全投影数据的滤波反投影FBP重建算法，但在实际中由于某些客观因素无法检测完全的投影数据，使得该算法失效。而ART算法将图像重建问题转化为求解线性方程组，当投影数据不完全时，可以看作是缺少了一些方程，如果方程组有解，通过迭代逼近的方法，可以求解方程组。因而该算法适合于不能获得完备投影数据场合的图像重建。本文在介绍ART算法的基础上，对ART算法权因子的计算进行了研究，得出了一种切实可行的权因子算法；通过C语言编程在VC平台下对该权因子计算算法的进行了仿真验证，实验结果表明通过SIDDON改进算法与快速算法的图像重建比较，得出两种算法权因子计算时间相当，SIDDON改进算法重建时间为快速算法的12，并且它们重建的图像质量也相当。因此，在重建效率上，SIDDON改进算法是快速算法的2倍。兰州大学硕士毕业论文关键词工业CT无损检测图像重建迭代算法ARTX射线权因子N摘要ABSTRACTINDUSTRIALCTTECHNOLOGYHASTHECHARACTERISTICSOFDIRECT，PRECISE，NONDESTRUCTIVE，ETCITSPRINCIPLEISTHATWECANGETMAINFAULTSPROJECTIONVALUETHROUGHSCANNINGTHEWORKPIECESANDTHENRECONSTRUCTIONFAULTIMAGESTHROUGHACERTAINIMAGESRECONSTRUCTEDALGORITHMINDUSTRIALCTCANDETECTGRAYIMAGEOFOBJECTSFAULTUNDERNONDESTRUCTIVEDETECTIONFAULTCONDITION，WITHUSINGITSGRAYSCALEVALUETODISTINGUISHDETECTEDTHEINTERNALDEFECTS，GEOMETRICALSTRUCTURE，MATERIAL，ETCTHEORETICALLY,INDUSTRIALCTTESTINGISNOTAFFECTEDBYTHEMATERIALS，SHAPEANDSURFACECONDITIONSOFTHETESTEDOBJECTITALSOCANPRECISELYGIVEOBJECTDETECTIONOFTWODIMENSIONALANDTHREEDIMENSIONALIMAGES，WHICHHASBEENRECOGNIZEDTHEBESTMEANSOFNONDESTRUCTIVEEXAMINATIONNOWINTHEINTERNATIONALITYNOW,MEDICALCTTECHNOLOGYANDFULLYCOMMERCIALIZATIONWHILEINDUSTRIALCTTECHNOLOGYHAVEALOTOFPROBLEMSININDUSTRIALAPPLICATIONSTHOUGHITHAVEGOTTENSOMEPROGRESSATHOMEANDABROADSINCETHE1980SINORDERTODEVELOPEANDAPPLYOFTHEINDUSTRIALCTTECHNOLOGYFURTHER,WEHAVESTUDIEDSOMEASPECTSOFTHEPLAYSICALDESIGNOFXRAYINDUSTRIALCTBASEDONTHEWORKSOFTHEPRIORTHEMAINCONTENTSINCLUDETHESTRUCTUREOFINDUSTRIALCTSYSTEM，THEDESIGNANDSELECTIONOFXRAYSOURCEPARAMETERS，THEDESIGNOFMECHANICALSCANNINGSYSTEMANDSELECTIONOFPERFORMANCEPARAMETERS，THESELECTIONOFDETECTORPROBESYSTEMTYPE，THEDETECTORARRAYANDSCANNINGMODE，THEDESIGNOFCOLLIMATOR,THECALCULATIONANDANALYSISOFCTSYSTEMPERFORMANCEPARAMETERSSUCHASSPATIALRESOLUTION，DENSITYIMAGINGRESOLUTIONANDIMAGINGTIME，ECTAFTERWEANALYSEANDDESIGNTHEUNITYASWELLASALLPARTSOFINDUSTRIALCT,WEHAVEDECIDEDTODESIGNTHEINDUSTRYCTSYSTEMWITH250KEVENERGYXRAYMACHINEATPRESENT,PRACTICALINDUSTRIALCTSYSTEMUSUALLYADOPTSFILTEREDBACKPROJECTIONFBPALGORITHMWHICHASKEDFULLYPROJECTIONDATATORECONSTRUCTIIITHEIMAGEBECAUSEOFSOMEOBJECTIVEFACTORS，WEUSUALLYCANNOTGETFULLPROJECTIONDATAINREALITY,SOTHISMETHODISNOTUSEDWHILETHEARTALGORITHMSOLVETHATPERFECTLYBYTRANSLATINGIMAGINGRECONSTRUCTIONPROBLEMINTOSOLVINGLINEAREQUATIONSWHENTHEPROJECTIONDATAISNOTFULL，WECANSEEITASLACKSSOMEEQUATIONSIFTHEREISSOLUTIONFORTHEEQUATIONS，WECANCALCULATEITBYUSINGTHEAPPROACHOFITERATIVEALGORITHMSOTHISAPPROACHISAPPROPRIATEFORIMAGINGRECONSTRUCTION，WHENWEDONOTGETFULLPROJECTIONDATAINTHISPAPER,WESTUDIEDARTALGORITHMASWELLASITSWEIGHTFACTORONTHEFORMERWORKINTHISCONTENT，WEIGHTFACTORWASSTUDIEDINORDERTOFINDANOPTIMALWEIGHTFACTORALGORITHMWESIMULATEDTHEALGORITHMFACTORTHROUGHCLANGUAGEPROGRAMMINGINTHEVCPLATFORMTHEEXPERIMENTALRESULTSHAVESHOWNTHATTHECOMPUTETIMEOFWEIGHTFACTOROFSIDDONIMPROVEALGORITHMISEQUALTOTHATOFFASTALGORITHMBUTRECONSTRUCTIONTIMEOFSIDDONIMPROVEALGORITHMISHALFTHATOFTHEFASTALGORITHMWHILETHEIRIMAGEQUALITYAREQUITETHESAMETHEREFORE，THEEFFICIENCYOFRECONSTRUCTIONOFSIDDONIMPROVEALGORITHMISDOUBLETHATOFFASTALGORITHMKEYWORDINDUSTRIALCT,NONDESTRUCTIVEEXAMINATION，IMAGERECONSTRUCTION,ITERATIVEALGORITHM，ARTALGEBRAICRECONSTRUCTIONTECHNIQUE，XRAY,WEIGHTFACTORIV原创性声明本人呈交的学位论文X射线工业CT物理设计及图像重建，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名掣盆丝日期一矿F髟关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或者向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入相关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名到盔绉导师签名日期硷芝2第一节CT历史简介第一章绪言1895年11月，伦琴发现了X射线；1896年贝克勒尔发现了Y射线。从此射线检测技术便应运而生。最初的射线检测技术是X射线照片照相技术，这种技术也是目前医学中最常用的射线检测技术之一。随着科学技术的发展，又相继出现了Y射线照相技术、中子照相技术、X射线实时成像RTR及计算机层析成像技术COMPUTEDTOMOGRAPHY，其中计算机层析成像技术简称CT。1921年BOCAGE描述了一种只对感兴趣平面A成像清楚，A平面的上下平面成像模糊的设备。此种设备利用了射线源移动平面与探测器平面反向同步移动的原理，如图L所示，他的这些工作奠定了传统断层成像技术的发展基础。射线源移动平面面图L经典断层成像术原理图图L中，射线源移动平面与探测器平面同步反向移动，在探测器平面兰州大学硕士毕业论文中检测到成像平面A上A、B点几何关系一致，而成像平面上平面的C点与下平面的D点经过探测器平面检测后，几何关系发生变化，因此成像会变模糊。投影图像重建的实验工作可以追溯到1940年乜1，但由于当时的计算机技术比较落后，所以发展比较缓慢。1967年，英国EMI中心研究实验室的LTOUNSFIELD开始了第一台I临床CT的研制，而第一台实验室扫描机也于当年完成。在当时，由于射线源强度低，需要9天时间才能完成一幅图像的数据采集；由于计算机速度慢，用迭代法重建图像求解28000个联立的方程需要25H。随着CT技术的发展，新的图像重建算法、高强度的X射线源及高性能的探测器不断得到应用，扫描时间由原来的几天减少到一小时以内，重建时间也大幅度提高，一幅256256像素的图像重建时间一般不会超过LMIN。第二节CR的应用及前景21CT的应用在医学应用领域中，有着长久的历史，并且门类齐全。同时CT技术也被广泛应用于航空、航天、军事工业、核能、石油、电子、机械、新材料研究、海关及考古等多种领域，检测对象包括导弹、火箭发动机、军用密封组件、核废料、石油岩芯、芯片、精密铸件和锻件、洗车轮胎、陶瓷复合材料、海关毒品、考古化石等。较其它无损检测技术，CT成像技术密度分辨率高并且没有重叠信息，因此被称为最佳的无损检测手段。口1医用CT种类繁多，如心脏CT、脑CT、肺CT。在医学中的应用主要侧重于扫描时间短，这样病人所受的照射少，并可把做周期运动的器官看作静止不动，如用于心脏成像的CT扫描一幅图片仅需100MS；另外医用CT所用的射线源能量低，一般使用管电压低于150KV的X射线源，而且所用的X射线管是脉冲式的这仍然是为了减少病人所受的辐射剂量到最低；为了防止病人在扫描过程中受到运动损伤，医用CT的扫描平台床固定不动，2第一章绪言即病人固定。工业CT与上所述的相反。CT技术在无损检测方面也有着广泛的应用。在上世纪八十年代美国就曾花费数百万美元研制工业CT，用于检测军用的火箭发动机。现在，CT技术可以检测各种密度高、厚度大的材料，如钢板焊缝的无损检测、水泥制品质量的检查、电力电容器质量的检验等。这种检测手段可以确保各种材料在使用之前得到最严格的检查，大大提高了现代汽车、飞机、导弹等一系列的军用民用的产品质量。目前，我国正大力发展核电站，而作为核电站核心的反应堆的监督检测，是核电安全发展的重中之重，先进的工业CT技术可以通过作出它的三维图来实时精确的检测反应堆的运行状况，及早地发现并消除安全隐患。另外，C，R技术也频繁用于考古、宝石鉴定等活动，它可以在不破坏文物、宝石的情况下构造出其内部结构，从而确定它们的成份组成、结构以及它所发生的化学物理变化等。CT技术还可以用于农林业的发展，目前已经生产出可以测量活树的移动式CT，这种CT可清楚的检测出活树的年轮及含水状况，使得我们可以在不破坏植物的情况下了解植物的状况。从而评估化学工厂、发电厂等对森林生态环境的影响。此外，CT技术在地球物理方面也有着重要的应用。随着CT技术的发展，它在地球资源勘探、地震预测、地质构造等方面有着非常重要的作用，特别对地震预报将越来越准确。目前，地球进入地壳活动期，地震越来越频繁，对地震预测的要求越来越高，也越来越迫切。22CT的发展状况及前景我国从二十世纪九十年代初开始引进和研究工业C，R技术。到目前为止，我国的CT技术取得了一定的进展。1988年清华大学研制成国内第一个Y射线工业CT试验装置1990年清华大学与北京航空材料研究所合作研制成国内第一台X射线工业CT试验系统；2000年清华大学将高能工业CT列入重大科研项目，进行国产化论证，并经过几年的努力，高能工业CT的试验研制取得了巨大成功；重庆大学也研发了用于实验室原理展示的CT系统。兰州大学硕士毕业论文30多年来，从微焦点X射线源的高分辨CT系统到加速器射线源大型工业CT系统；从线探测器阵列的高性能工业CT系统到采用面探测器的三维直接成像的工业CT系统，我国工业CT的研制和应用取得了明显的进步。相对而言，国外的发展比国内要早。70年代末到80年代中期，以上LMORGAN教授为首的一批美国科学家同时作为SMS公司和IDM公司的主要负责人先后推出了两个系列的工业CT产品CITA200系列和IRISTM系列。现在美国EIR公司则推出了ACTIS、REDAPT、KCTACTIS等一系列的X射线工业CT产品，加拿大原子能公司推出AECL系列产品，德国西门子公司也推出了它们的产品，俄罗斯INDIROTRS公司推出了一系列的X射线工业CT产品，日本东芝公司推出了TOSCANNER一3000、4000、以及20000系列，日立公司已推出了X射线工业CT产品等等。在最新应用方面，CT技术已成功应用于地质中石油渗流过程的动态检测、工业生产中实时监测控制等，同时工业CT技术与CADCAM结合起来的应用也得到了很大程度的发展。在性能技术指标上，XCT的空间分辨率已达到201PMM，可检测出05MM的气孔，可分辨出约0025LX3MM的裂纹，同时，密度分辨率也可达到O501。在以Y射线作为射线源的工业CT中，空间分辨率可达025MMIMM，可以检测到尺寸为0IMM3的孔隙、宽度为0025MM的裂纹。现在，CT技术正朝着更短的扫描时间、更快的成像速度、更高的空间分辨率及密度分辨率方向发展。小体积、大功率的驻波式直线加速器；低噪声、高效率的阵列固体探测器；快速的图像重建算法；多源、多探测器阵列技术H1等已逐渐成为工业CT中最新的研究方向。第三节CT的基本原理我们知道，当射线穿透均匀物体时会与物体发生相互作用，射线随穿透厚度按指数规律衰减I厶E叩1I式中，IO为射线的初始强度，I为射线穿透物体后的强度，X为4第一章绪言卿仃肋4O“C4仃P2仃砌与射线能量、吸收物质的原子序数有关。按照MARMIER拍1计算出叫2翰眵产Q3式中，TTLO是电子的静止质量，C为光速，Z为物质的原子系数，口、Q。兰州火学硕七毕业论文在相对论情况下吒1血4等Z5力Y4通过3、4式可知，光电相互作用截面随入射光子能量的增大而减小、随物质的原子序数的增大而迅速增大五次方。康普顿效应指的是当入射光子穿透物质时与该物质原子的外层电子发生碰撞时，一部分能量传递给电子使它脱离原子，同时光子损失一部分能量形成散射光子。对能量较低的光子HV2M。C2，入射光子转化成一个正电子和一个负电子的过程。入射光子的能量除转化为两个电子的静止能量外，剩余部分将成为正负电子的动能，但是这两个电子间的动能是随机分配的。电子对效应截面随入射光子能量的增大而增大但当入射光子能量大于IOMEV后趋向饱和，与原子序数的平方成反比。图2显示了不同入射光子能量与不同的物质原子序数相互作用时时三种截面的关系。6第一章绪言FH；时旆非南ZB芯占优势再坫忐卜仲妯应占优势出曲”U“”“。“7。、。LOP120CNO“C2仃P图2不同入射光子能量与不同物质原子序数三种相互作用关系1917年，奥地利数学家RADON证明了命题如果已经知道一个空间函数所有方向的线积分，那么可以求出该空间函数。因此，在实际操作中，我们只要获得一空间函数中各个方向足够多的积分，该空间函数就可以被求出。在CT成像中，我们就是通过先获得各方向上足够多的射线投影即积分，然后再利用射线投影来求出物质的线性衰减系数分布即空间函数，而线衰减系数与物质的密度有一定的对应关系前面分析已经得出物体的线衰减系数与物体本身有关，通过这种对应关系我们可以求出物质的密度分布，从而确定物质的一些相关性能。在一般情况下，我们认为线衰减系数与物质的密度成正比关系。若一物体在空间中是分层均匀的，并认为每一层的线衰减系数相同当每层足够薄的时候，可以认为同层的物体均匀，如图3所示。蛩一一7IL。勘R夕LL2II图3射线穿过非均匀物体时的衰减情况7兰州大学硕士毕业论文图3中以为第I层的线衰减系数，薯为射线穿过第F层的长度在此分析中把射线看作线，那么当射线穿透该物质时射线的强度，如下式来表示。，IOE一LXI2工2一X一5变换5式得2X2珂X以LN争6当薄层厚度趋于零而_0时，6式变为N争PX出LN争77式中LN厶7称为射线的投影P。射线的初始强度厶及穿过物质后的强度，都可以通过探测器测得，因此对于一条射线投影值P是己知的。由RADON的数学证明我们知道，只要获得足够多投影值P就可以求出X。这些入射射8第二章工业CT的结构第一节工业CT的基本结构工业CT系统的基本结构包括射线源、机械扫描系统、探测器系统、控制系统、数据采集系统、防护系统以及用于图像重建的计算机系统。它们之间的关系如图4所示。图4工业CT的基本结构工业CT检测的基本流程为首先，控制系统控制射线源产生射线，射线经前准直器整形后，穿过扫描平台上的工件，由探测系统获得衰减后的射线强度转化为电信号并处理然后经数据采集卡上的模数AD转化为数字形式的投影值，并传送给计算机，由计算机存储起来。同时，控制系统控制扫描平台平移、转动，以获得足够多的投影值；然后计算机系统采用一定的图像重建算法重建图像，并进行相应的伪像处理及图像后处理；最后分析重建后的图像，得出被检测工件的内部缺陷结果并把重建图像存储归档。兰州大学硕士毕业论文第二节射线源工业CT主要采用X射线源、Y射线源。常用的X射线源主要有X射线机、直线电子加速器。X射线源的优点是射线强度大，扫描时间短，但是X射线发射的射线能量是连续谱，会引起射束硬化从而导致伪像的产生。X射线机由六大部分组成X射线机头、控制台、电源系统、冷却系统、正高压及负高压。图5为X射线机的原理图。图5X射线机的组成X射线是高速电子束流撞击阳极靶时产生的，但在撞击过程中大部分能量转变为热能，其中只有小部分转化为X射线。产生X射线需要有畅通无阻运动的电子束、加速电子的电场、阳极靶以及冷却系统因为在电子撞击阳极靶过程中会产生大量的热能，需要对射线源进行冷却，表1是一台450KVPX射线机的典型技术参数51表L，450KVP工业探伤用恒压双焦点X射线机的技术参数X射线管名义管电压450KV连续工作额定功率小焦点大焦点，下同1500W4500W焦点尺寸D25RAMD55MM固定过滤器23MMFE1OMMCU10第_二章工业CT的结构靶材料W辐射视野40。辐射泄漏LOMSVH冷却介质油冷却介质流量14LMIN管头质量95KG恒压高压发生器管电压范围20450KV管电压调整最小步长02KV步高压精确度1设定值02KV高压重复度固定温度下001最大高压值高压波纹10M高压电缆LOVMA，MIN40V高压温度漂移80PPM设定值管电流范围015MH管电流调整最小步长0OLMH步管电流精确定固定温度下02设常值士001MA管电流重复性固定温度下2UA管电流温度漂移50PPMOC设定值30PPM可选最大输出功率4500W控制单元尺寸WTTD483MMX133MMX300MM控制单元质量125KG高压发生器单元尺寸WXHXD340MM350628MM高压发生器质量45KG高压绝缘油罐单元尺寸WHD514MM364MMX624MM高压绝缘油罐单元质量80KG高压电缆长度标准长度LOM兰州大学硕士毕业论文注LPPM10一。常用的Y射线源有气O、137CS。气。的能谱为双峰，能量分别为1173MEV和1332MEV。137CS为单峰，能量为0662MEV。由于Y射线源具有确定的能量，所以不会产生类似于X射线源的射束硬化现象是它的优点。但如果保持和X射线源相同的焦点尺寸时，Y射线源就会由于强度小而延长扫描时间、降低密度分辨率。射线源主要的性能参数有射线的能量、强度、稳定性及焦点尺寸。射线的能量确定了射线能穿透的工件厚度；射线的强度是影响扫描时间和密度分辨率最主要的因素之一；射线的稳定性将影响到所测投影数据的精确性；射线的焦点尺寸是影响空间分辨率最主要的因素之一。前准直器与射线源配套，主要作用是对射线源发出的射线整形，并挡住大部分从射线源发出的射线。在设计时要选用密度大、耐辐照的材料，并且能保证它的厚度能挡住那些射线使得射线衰减至11000。第三节机械扫描系统因为要实现工件与射线源探测器系统之间的相对运动，在不同方向上测量投影数据，所以需要机械扫描系统。由于工件、CT系统所处环境、用户要求等不一样，机械扫描系统在外形上会千差万别，但是它的主要性能参数仍然包括扫描方式、工件特性直径、高度、重量范围、位移特性移动自由度、方向、范围、速度、移动精度、控制方法等。工业C，R中用到的扫描方式主要有平移加旋转TR方式和仅旋转RO方式，如图6所示。12第二章工业CT的结构平移誓辩薯鬈十分鬟T转掇翼阵瑚A平移加旋转扫描方式B仅旋转扫描方式图6工业CT常用的两种扫描方式平移加旋转方式的优点是所用探测器个数少、成本低、工件尺寸可以较大；缺点是扫描时间长、机械设计相对复杂。仅旋转方式的优点是扫描速度快；缺点是所检测的工件尺寸受限。机械扫描系统的移动精度对整个工业CT的空间分辨有重要影响。但在提高它的移动精度的同时，它的成本将会呈指数大幅度提高。控制方式有伺服电机驱动、步进电机驱动等。目前先进的机械扫描系统移动轴都采用直流伺服电机驱动，绝对和相对位置编码器提供闭环位置或速度控制。第四节探测器系统探测器的主要性能参数探测器效率、尺寸、线性度、稳定性、响应时间、动态范围、通道数量、均匀一致性。作为工业C，R的核心部件，它的性能对工业CT的性能有着重要的影响。探测器效率是探测器在采集入射光子时，在将其转换成测量信号过程中的一种有效性量度，它与探测器能量转换材料的种类、探测器之间的死区间隔等因素有关，探测效率越高，越有利于缩短扫描时间、提高信噪比。探测器的尺寸包括闪烁体的长、高、宽。高度决定了切片的厚度，长度影响转换效率，宽度对空间分辨率起着重要影响。兰州大学硕士毕业论文探测器线性度是指探测器产生的信号在一定范围内与入射强度成正比的能力。线性度影响投影数据的精度。探测器的稳定性是指系统随工作时间的增加，探测器仍然能够对信号产生一致响应的能力。稳定性也影响投影数据的精度。探测器响应时间是指探测器从接收射线光子到获得稳定的探测信号所需的时间，它是影响独立采样速率及投影数据质量的关键因素。探测器动态范围是指探测器线性响应射线强度的范围，通常定义为最大输出信号与最小输出信号的比率，动态范围决定了CT系统穿透工件的最大半值层个数。目前应用的工业CT系统半值层个数为78个。动态范围大，则被测工件在材料厚度变化大的情况下也能保持良好的对比灵敏度。工业CT中选用的探测器主要有分立探测器和面探测器。常用的分立探测器有闪烁体光电倍增管、闪烁体光电二极管、气体电离室探测器。在介绍闪烁体探测器之前，首先介绍一下闪烁体的一些基本情况闪烁体的基本作用是将波长较短的X射线转换成能被光电转换器件接收的波长较长的荧光一般在380一780NM波段。CT系统选用的闪烁体必须对X射线有较大的衰减系数，满足这个条件的是高原子序数成分的固态无机闪烁体。CT系统常用的的闪烁体有NAIT1、CSIT1、BGO、CDWO,等。表2是CT系统几种常用闪烁体的物理特性。表2，几种闪烁体的物理特性畸1闪烁体CSIT1CSINACDW04BG0密度GCM345145179713熔点K89489415981323热胀系数K1541064910_610210。67106解理面无硬度MHO224。45514第二章工业CT的结构闪烁体CSIT1CSINACDW04BG0潮解性弱强不不发射峰值波长NM550420470540480最短波长NM320300330320折射率对于峰值波长1791842223215发光衰减时间IIS1O6320500003耐受辐照损伤RAD103106102103光产额光子MEVX射5210356X381034412X104158X10310线103103104103光电子产额相对NAIT1X射线458525301520余辉6MS后0550055001L闪烁体光电倍增管的优点是输出信号大，附加噪声小；缺点是受光电倍增管形状和尺寸限制最小直径为10MM，很难得到高的组装精度，整个工业CT的空间分辨率受到限制。闪烁体光电二极管的优点是有效区域和死区间隔的尺寸可以达91，探测器的宽度可以小到013MM，因此用与这种探测器配套的其它工业CT组件来设计工业CT系统，可以得到极高的性能；缺点是输出信号小，附加噪声相对较大，这种探测器是目前工业CT系统中用得最多的一种。气体电离室探测器是将射线入射到高压气体的电离室内，使气体电离产生电子和正离子，电子和正离子在电场的作用下分别流向电离室内的阳极和阴极，形成电流，再通过电流一电压的转换放大形成电压信号。常用的气体为氙气，其密度为1909CM3。气体电离室的优点是探测器之间的一致性好，排列密度可以做到很高，适用于仅旋转的扫描方式。缺点是气体对射线的吸收效率低，相对于NAIT1来说其探测效率不会超过60。兰州大学硕士毕业论文因为工业CT中采用图6所示的平移加旋转扫描方式或仅旋转扫描方式，所以分立的探测器必须按一定的形状排列起来形成探测器阵列。在二维CT中一般有两种阵列方式第一种将探测器排列成等角间距圆弧形状，所有探测器处在以射线焦点为圆心的圆弧上，相邻两个探测器间的距离相等即相邻探测器夹角相同；第二种将探测器排列成直线等距阵列，两相邻探测器间距相等，所有探测器在一条直线上，射线源焦点与探测器阵列中心连线垂直于探测器阵列直线，所有探测器相对于中心连线呈对称分布。这两种探测器阵列各有优点，第一种探测器在数据处理上简单，但是准直器设计相对复杂。第二种恰好反之。面探测器有着比分立探测器高得多的射线利用率，可以进行实时或准实时的动态照相，也适合于三维直接成像。主要有三种类型高分辨率半导体芯片、平板探测器及图像增强器。高分辨率半导体芯片的优点是价格便宜、探测器尺寸小、固有空间分辨能力高；缺点是输出信号小、附加噪声大、并且无法防止相邻探测单元之间光学和辐射的窜扰，其总体性能没有分立探测器高。平板探测器主要用于医学领域，其优点是使用简单、没有图像扭曲；缺点是对高能X射线探测效率低、难以解决散射和窜扰问题，另外动态范围太窄。一般在150KV以下的低能应用效果较好。图像增强器的优点是获取数据速度快，是所有CT系统探测中获取数据速度最快的；其缺点是固有噪声大、器件易碎、图像有扭曲。后准直器将穿透物体后的薄片扇形束分割成数条极细的射线束，每个闪烁体对应一条准直缝，改变后准直器孑L径宽度可以改变CT系统的空间分辨率。在后准直器设计过程中为了防止通道间射线的窜扰和光窜扰，各通道之间的隔条应使用极高密度的材料，同时应使散射射线强度衰减到01以下。在同一CT系统中，通常有不同的后准直器以满足不同的CT系统性能参数的要求。16第二章工业CT的结构第五节数据采集系统数据采集系统的作用是将探测器输出信号转换为计算机需要的数字信号并输入到计算机。主要过程是将探测器输出的弱电流电压信号用前级积分放大电路进行放大，通过模数AD转换器将模拟量转换成二进制数字信号，然后送入计算机用以图像重建。数据采集系统的主要性能参数有低噪声、高稳定性、标定本底偏差和增益变化的能力、线性度、灵敏度、动态范围和转换速率等。常用数据采集卡来采集数据。在选择数据采集卡时主要要考虑输入模式单端输入或者差分输入、分辨率、输入范围、采样速率、精度和噪声等。输入模式单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于输入信号为高电平高于LV信号源与采集端之间的距离较短小于15R，并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要使用差分输入。在差分输入的方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。输入范围是指数据采集卡能够量化处理的最大、最小输入电压值。数据采集卡提供了数个可以选择的输入范围，在实际使用中它与分辨率、增益等配合，以获得最佳的测量精度。分辨率是模数转换所使用的位数。分辨率越高，输入信号的细分程度就越高，能够识别的信号变化量就越精确。增益表示输入信号被处理前放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范围，使模数转换能尽量地细分输入信号。采样率决定了模数转换的速率，这也是控制系统控制时序的参考参数之一。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精度就很差。根据奈斯特采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍以上，采集到的数据才可以有效地复现出原始的采集信号。噪声将会引起输入信号畸变。噪声可以是计算机外部的或者内部的。T7兰州大学硕士毕业论文要抑制外部噪声误差，可以使用适当的信号调理电路，也可以增加采样信号点数，再取这些信号的平均值以抑制噪声误差。总之，输入范围、分辨率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟变化量。此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的变化，通常叫转换宽度CODEWIDTH。其算式为转换宽度输入范围增益X2分辨事而采样率决定了信号数字的精度，噪声决定了输入信号的畸变情况等。第六节控制系统控制系统负责射线源的开关、扫描平台的平移转动、数据采集系统开关、防护系统启停等。CT系统中射线源、扫描平台、探测器系统与数据采集系统配合使用时，为了准确对应采集到的投影与位置信息的关系，必须按严格的时序要求来控制。整个控制过程都是通过计算机控制单片机发出相应的时序信号来控制相关组件实现的。第七节图像重建图像重建系统负责将数据采集系统采集过来的投影数据按一定的图像重建算法重建图像，并对图像进行处理、分析，最后给出工件的鉴定评测结果，图像重建的内容具体见第四章。第八节防护系统防护系统的作用是防止射线对人体及设备的辐照损伤。CT系统除了计算机图像重建所用的计算机在铅房外，其它结构都在一定厚度的铅房内，并且铅房内外有紧急电源开关、射线源开关。在平常运行中，应该通过铅房外的计算机控制系统来控制和监控整个CT系统的运行。在铅房内对探测器系统、数据采集系统、机械扫描系统、射线源本身及相应的控制线路都有严格18第二章工业CT的结构的防护屏蔽措施。对这些组件主要采用屏蔽防护，对CT运行工作人员采用时间防护、距离防护及屏蔽防护三者结合的综合防护。19第三章工业C1I的物理设计第一节工业CT的主要性能参数工业CT的主要性能参数有空间分辨率、密度分辨率、检测时间、图像重建时间、图像尺寸、扫描方式、所采用的辐射源、工件范围直径、高度、质量、材料等等。其中空间分辨率、密度分辨率、检测时间、重建时间为整个工业CT系统的核心指标。在实践中通常用空间分辨率、密度分辨率、伪像三个方面来表征工业CT的图像质量。11空间分辨率空间分辨率是工业CT系统鉴别和区分微小缺陷能力的量度，定量地表示为能够分辨两个细节的最小间距。空间分辨率的实用单位是单位长度上的线对数1PMM。常用线对卡或丝状、孔状测试卡进行测定。由于用肉眼观测测试卡测定的方法容易受测试者的主观影响，值得推荐的测定方法是我国国军际GJB531卜2004采用的MTF方法N一1。决定C1系统空间分辨率的理论极限因素有射线源焦点尺寸、探测器孔径和几何条件，另外机械系统的精度、数据采集系统和重建算法也会对空间分辨率起着重要影响，这两方面共同确定了CT系统能够达到的空际空间分辨率。通常所说空间分辨率指切平面XY方向上，但是在垂直于切平面方向上Z轴也有空间分辨率，它主要受切片厚度控制。射线等效束宽计算见图7是分析空间分辨率的出发点，因为射线等效束宽BW从物理上确定了系统可能达到的极限分辨率西1。兰州大学硕一B毕业论文1JS、D。缈貉獭鼍4JQ。一嘞移。掣钕“，礞雾QIJ，_一一_一一一_弋4圈I、射线源J；探测身级疵么，；J。严分扫摧成像点扫描中心图7射线等效束宽示意图B形巫互叵巫M8式中，D为探测器孔径；A为射线源焦点尺寸；GLS,L为射线源到探测器距离，S为射线源到扫描平台中心距离。8式可以写为物理意义更加清楚的形式一腑9式中，D为扫描平台中心到探测器距离。令彳D，BS，CD三。L。口则9式可写为BW口扛丽10各种参数的计算结果如表3所示，分别画出BWADA和BWALD的关系曲线，如图8、图9所示。第三章工业CT的物理设计表3，不同条件下射线等效束宽BWA4A2BC2LD2LD4LD5LD8LD10LD20DALO7LO79082088091095DA05056045045046046048DA02O51029026O22021020DA01050026O22O12013011DA005050025O20013011O07DA002O50025O20013010005至CDA图8不同LD时BWADA的关系曲线兰州大学硕士毕业论文薹图9不同DA时BWAL仍的关系曲线从表3、图8和图9可以得到结论射线源焦点尺寸一定时，减小探测器孔径可以减小射线等效束宽BW；当LD较小时，减小探测器孔径，BW的减小并不显著，而当LD较大时，BW才有显著变化；当DA05时，BW几乎与LD没有关系；射线源尺寸一定时，探测器孔径减小到一定程度以后，对减小等效束宽的作用不再明显。按照GJB53112004推荐的方法，将系统MTF曲线上调制度为10处对应的空间频率定义为CT系统的空间分辨率。这样规定的空间分辨在数值上要高于系统的截止频率1BW，前者一般是后者的13,15倍。12密度分辨率密度分辨率是分辨给定面积CT图像上射线衰减系数差别对比度的能力。定量地表示为给定面积上能够分辨的细节给定面积与基体材料之间的最小对比度。密度分辨率主要取决于CT的图像噪声水平。密度分辨率的测定也可以用GJB531卜2004推荐的方法，即统计标准模体CT图像上给定尺寸方块的CT值，求出其标准偏差，采用三倍标准偏差为密度分辨率，这表示有95以上的可信度。密度分辨率经常采用一些传统测定方法如利用部分体积效应形成不同平均密度的方法，或制备不同密度的液体试件或固24第三章业CT的物理设计体试件的测试方法。但是液体试件的密度相对于工业CT应用来说太低，用液体试件测定出来的值与实际的工业CT系统本身密度分辨率有较大的差别。而采用固体试件又往往因为成分不同而导致辐射密度与材料密度有时并没有简单的对应关系，另外，同种材料本身各部分密度又未必均匀，这样测定出来的密度分辨率往往也不准确，因此标准试样的制作是一项重要而又相当复杂精细的工作。影响密度分辨率的主要因素是信噪比，噪声的主要来源包括射线源的量子噪声统计涨落及射线源的不稳定、数据采集系统的噪声探测器能量响应的不一致性、射线检测系统强度响应非线性及各种电子学噪声、位置测量的误差及图像重建算法近似处理等带来的噪声，其中量子噪声为最主要的噪声。密度分辨率除了GJB53112004推荐的方法外，还经常采用普通人眼以50可信度能够发现相对密度变化来定义的密度分辨率N引，即型100磐100DBEE11,UBDUB式中，A，为细节缺陷材料的线衰减系数；,UB为基体材料的线衰减系数；仃为CT系统图像噪声；P为CT像素宽度；D为被观测细节缺陷的尺寸；C为经验系数，通常取2，5之间。以下以常用的闪烁体一光电二极管探测器阵列为例，分析了信号形成的全过程，对于其他类型探测器的基本考虑其方法都差不多。这些分析可以得出在射线源强度一定的情况下，对如何提高输出信号强度与质量。射线从射线源中射出，进入单个探测器的射线强度取决于探测器孔径对源点所张的立体角因为射线源强度一定。在射线源到探测器距离相同的条件下，探测器尺寸越小或者有效孔径越小，进入探测器的射线强度越低。在这种为提高空间分辨率而减少进入探测器光子的情况下，如果要保持原来的入射光子数，就只能延长测量时间。在探测器尺寸有效孔径固定的情况下，缩短探测器与射线源的距离会使探测器有效孔径对射线源所张的立体角增大，这样进入探测器的射线强度会比远距离探测器一射线源情形时要大兰州大学硕士毕业论文得很因为射线源强度随距离呈平方反比关系，所以在CT设计过程中，尽可能使探测器阵列与射线源距离小，使系统紧凑。射线穿过被测工件时，射线强度受到衰减。射线在穿透长路径或等效原子序数高的样品时，射线要受到更多的衰减，接收到的信号就要减弱，射线强度的统计涨落将会增大，当射线强度的统计涨落增大到一定程序时，CT图像的质量就会受到严重的影响。因此CT系统设计过程中，要适当选择射线源能量，避免射线受到过大的衰减。经验数据表明，对于性能良好的分立探测器，射线强度在自己的投影路径上衰减超过500倍约等于9个半值层时，图像质量会受到明显的影响。在工业CT所用的能区，射线与物质相互作用占优势的是康普顿效应，即射线穿透检测样品时要产生大量的散射。由于检测样品在探测器附近，这些散射源相对探测器所张的立体角大，因此散射线将会增加探测器的“本底“，这不仅减小了探测器的动态范围，同时由于散射“本底”并不稳定，它会随着样品几何开关及扫描位置而变化，这在“有用射线”受到较大衰减时往往不能忽略，应当采用有效措施来抑制散射线的影响。从计算空间分辨率来看，把后准直器看成射线探测器更为合适。因为穿过后准直器的射线到达闪烁体后，射线的能量通过射线与物质的相互作用被闪烁体吸收并发光。闪烁体一般设计为长方体，为了保证一定的空间分辨率，通常垂直于射线那个方向的尺寸很小，这样光子虽然被闪烁体所阻挡，但并不是全部能量都能被闪烁体吸收，一部分能量“逃逸出闪烁体，其中一部分还会形成对相邻探测器单元的射线窜扰。射线能量越高，闪烁体越薄，这个问题越严重。因此信号幅度较低，射线窜扰增加和能量响应不一致是为了提高空间分辨率所付出的代价。接着是光电转换问题。第一步是光电二极管的收集效率问题。闪烁晶体内每一个发光点都可以看成一个微光源，向4Z方向发光，光收集的效率应当考虑的是几何收集效率光电二极管对微光源所张立体角和光的传输效率光在闪烁体内的传输损失和边界反射的损失。薄闪烁体会引起光窜扰、加剧能量响应不一致。闪烁体的发光光谱应当与光电二极管敏感波长相第三章工业CT的物理设计匹配。空间分辨率与密度分辨率是相互制约的，在同一CT系统中，提高空间分辨率则相应的会降低密度分辨率。被检物体大小改变时，密度分辨率也会发生变化，两者之积为一常数，称为对比度细节常数，它取决于射线的剂量和工业CT装置的性能。为了提高空间分辨率，通过减小探测器准直孔宽度、增加扫描矩阵的像素数目是有效的，但它受到密度分辨率的限制即剂量大小，在一定密度分辨率下，提高一倍空间分辨率就要减少12像素宽度，而剂量则要增加八倍。因此，在所有工业CT装置的最高空间分辨率与最高密度分辨均是分别测试得到的，不可能在同一测试条件下，两者均得到最佳值。工件尺寸对CT系统也有重要的影响，主要体现在射线源到探测器的距离随工件尺寸线性增加。从前面的分析中知道，射线源到探测器的距离的增加使探测器处的射线强度按照距离的平方关系迅速降低，这将导致检测的性能下降；另外由于工件回转半径是扫描平台中心旋转中心到探测器之间距离D的极限，工件回转半径增加将使得LD的增大受到限制，在射线源到探测器的距离一定的条件下，限制了系统极限空间分辨率的提高。13伪像从形貌上CT的伪像分为条状、阴影、环状和带状四类。条状伪像经常表现为横穿图像的明显直线不一定平行。条纹出现的原因在于孤立测量中的不一致性，这样在用滤波反投影算法重建时就会出现条状伪像因为滤波反投影算法是把一个点的数据映射到图像域中一条直线上。数据采集过程的内在问题、机械故障或不同观测之间的突然变化等都会引起不一致性。阴影伪像经常出现在高对比度物体附近。阴影伪像的产生原因也是投影测量中的不一致性。和条状伪像不同的是，阴影是由偏离真实测量结果的一组通道或投影观测导致的。因为信号中没有明显不连续性，这些误差产生的图像没有清晰的边界。兰州大学硕士毕业论文环状和带状伪像主要是由于旋转扫描方式引起的。从产生伪像的物理来源进行分析，对工业CT系统影响较