20081109070715工业CT简介(固鸿)

X射线工业CT简介一、 工业CT的发展历程CT产生于20世纪70年代，但其物理根源可追溯到19世纪末。1895年伦琴发现了一种能够穿过物体的不明射线，命名为X射线，并因此在1901年成为诺贝尔物理奖的第一位获得者。20世纪初，X射线透射成像开始应用于临床医学诊断。CT的算法起源要追溯到奥地利数学家J.Radon于1917年提出的观点：任何物体均可用无限多个投影来表示；反之,如果知道无限多个投影，便可重建该物体对象。他成功地解决了由投影重建图像的数学问题，为CT技术的形成和发展奠定了理论基础，但在当时由于缺少有效的计算工具，一直被束之高阁，没有得到具体应用。最初把断层成像术应用于医学领域的是Oldendor,他在1961年研制了用Y射线进行透射型成像的初级装置。1963年美国物理学家Cormack首先提出用断层的多方向投影重建断层图像的代数计算方法。第一台临床用的计算机断层成像扫描装置于1967年至1970年间由英国HMI公司的工程师Hounsfield研制成功。Hounsfield和Cormack两人也因对CT技术的卓越贡献而同获1979年诺贝尔医学奖。CT技术首先应用于医学领域，对人体的病灶作断层扫描，然后以图像方式分析和确定病状，被称为医用CT(MedicalCT即MCT)。至今，医用CT已经家喻户晓，成为临床医学诊断不可或缺、最为有效的手段。工业CT(IndustrialCT，ICT)技术是在七十年代才逐渐开始研究的。七十年代初期，曾直接利用医学CT的扫描设备进行工业检测，但始终不能满足实际检测的需要，于是进行了大量工业CT的研制工作，美、德、日、俄等国家在相关领域有不少成果。美国在70年代末首先开始相关研究，1983年世界首台工业CT安装；1988年美国ARACOR公司研制出2MeVICT1500,1990年升级为9MeV,1995年又生产了15MeV的ICT2500,并试验60MeV工业CT；1994年日本研制成功12MeV工业CT；BIR、YXLON、HYTEC、OMEGA等公司也是工业CT领域的佼佼者。现在全世界有数百台各种工业CT,产业化工业CT的射线源能量从50keV~15MeV。工业CT主要用于工业产品无损检测(NDT)和无损评价(NDE)，根据被检工件的材料及尺寸选择不同能量的X射线。工业CT技术能紧密、准确地再现物体内部的三维立体结构，能定量地提供物体内部的物理、力学特性，如缺陷的位置及尺寸、密度的变化及水平，异型结构的形状及精确尺寸，物体内部的杂质及分布等。其功能和特性在很多方面超过其他无损检测手段，如常规X光检测，超声检测，涡流检测技术。它为航空、航天、兵器等工业领域的精密零部件的无损检测提供了新的方法，被国际无损检测界誉为最佳无损检测手段。二、 工业CT和医学CT的区别工业CT和医学CT在基本原理和功能组成上是相同的，但因检测对象不同，技术指标及系统结构就有较大差别：其一，扫描方式不同。医学CT按扫描方式可分为五代，其更新换代主要为了缩短获得图像的时间和检测精度，而工业CT仍以第二代和第三代扫描方式为主，其目的是为了取得更高辨别能力。其二，射线源能量不同。医用CT的检测对象是人体，采用的射线能量相对较低，一般管电压在150kV以下;工业CT为了穿透大厚度的产品，必须采用高能量的射线源，如Co-60和15MeV的高能直线加速器。其三，结构方式不一样。医学CT需要保持被扫描的病人静止，因而都有相当庞大的装有复杂机电设备的运动部件，采用的是卧式装置；工业CT是把被检测的产品固定在工作台上，任其旋转和平移运动，很多装置采用立式结构。三、工业CT的基本原理X射线是由高速运动的电子打在靶物质上而从靶物质中激发出来的电磁波。工业CT的物理原理与医用CT相似，均是基于射线与物体的相互作用原理。射线的电磁波本质决定了它和带电粒子及物质的相互作用方式。当一定能量的射线穿越物体时，由于产生光电效应、康普顿效应及电子对效应等物理过程，射线与物质原子的一次碰撞中就损失大部分能量，射线(也即入射光子)将被物质吸收，使得射线强度发生衰减。如图1所示，假设入射强度为10的单色射线穿过厚度为L,线性衰减系数为“的物体时，探测器检测到的射线强度I服从比尔定理(Beer'slaw)，即I=10•exp(-yL)。图1射线穿过衰减系数为“(x,y)的物质的情况对于一般的物体，设“(x,y)为被测物体某断面的线性衰减系数的分布函数，则入射强度I。和出射强度I满足：「［1I=10-exp-J卩(x,y)dxdyL(1)p=lnJ卩(x,y)dxdyIL(2)称P为射线穿过物体后的投影值，也就是通常所说的射束和。由上式可以看出，投影值p是被检物体某断面的线性衰减系数分布函数沿射线路径的线积分值。变动方向和角度可得到各个方向、不同位置上的投影值。这属于数学上的正问题，而CT在理论上是反问题，即如何由一系列投影值P来反求线性衰减系数分布函数，也即由投影重建图像。早在1917年，丹麦数学家雷当(J.Radon)的研究工作已为CT技术开辟了道路，他证明了由Radon变换重新得到原函数的逆变换的存在性。后人不断提出实现Radon逆变换的算法。Radon变换和Fourier切片定理构成了图像重建技术的数学理论基础，并带动CT图像重建算法的一系列发展。重建算法随扫描方式的不同而不同，归纳起来，通常图像重建的方法有这么几种，即解联立方程组的方法，反投影法，迭代重建法，卷积法，付里叶变换法，小波分析法，对于商用的工业CT,在选择重建算法时，需要综合考虑到计算时间，图像伪影等相关问题。卷积反投影法是目前工业CT(包括医用CT)最普遍采用的方法，它是先把投影数据作卷积运算，然后反投影，当然也可以先作反投影，然后对反投影图像进行卷积运算。四、 X射线工业CT的基本扫描方式(1)第一代(平移+旋转扫描方式)如图1所示，第一代工业CT由一只X线管和1个晶体探测器组成。X线束被准直器准

直为铅笔芯粗细的笔形线束，故又称笔形束工业CT。X线管与探测器连为一体，X线管产生的笔形束穿过工件照射到与其相对的探测器上，两者同步相对于工件作直线平移扫描，获得一系列透射测量数据后停止平移，在相对工件中心旋转微小角度后，做与上次方向相反的直线扫描运动并继续获取测量数据。重复上述过程，直到得到足以用于重建的数据。第一代工业CT的X线利用率低、扫描时间长、数据少、图像质量较差，所以已被淘汰。图1第一代扫描方式示意（2）第二代（平移＋旋转扫描方式）如图2所示，它是在第一代扫描方式基础上发展起来的，使用单源、小角度扇形X射线束和多个探测器。射线扇束不能完全把被测工件包容住，所以也需要类似第一代那样，进行相对工件的平移、旋转运动。其速度已比第一代方式大大提高，且检测范围大，扫描参数可灵活适应不同尺寸工件，特别适于大型工件的检测。图2第二代扫描方式示意（3）第三代（纯旋转方式）如图3所示，它采用单射线源、大扇角的X射线束和足够多的探测器，完全包容被检测工件断面，从而只需相对工件进行旋转即可获得重建所需数据。此方式运动简单、效率高、检测时间短，但视野固定，且探测器通道间隔会导致伪影，虽然可通过系统的改进来减小其影响，但图像质量依然会有所下降。图3第三代扫描方式示意另外，工业CT系统通常均可进行DR扫描，可作为前期检测工序，在短时间内获得工件的大致结构，以便进一步对特定位置进行精细的CT扫描。对工件中感兴趣的局部进行特定的精细扫描，也是工业CT的实用功能。另外，若使用面阵探测器代替线阵探测器，用锥束扫描代替扇束扫描，可进一步提高射线利用率、降低扫描时间，而且在平行和垂直断面方向可获得相同的体素大小，但它的重建算法较复杂，实际检测效果也有待提高。四）工业CT检测系统的工作原理和基本构成简单而言，X射线工业CT可以分为射线源分系统、探测器分系统、数据获取分系统、扫描机械分系统、扫描控制分系统、重建检查分系统等。其工作原理是：通过射线源分系统产生X射线；X射线在穿透物质时会被吸收，不同密度的物质对X射线的吸收也不同；射线穿透被探测器物质后被探测器所吸收；探测器将接收到的射线转换成电压或电流信号；数据获取分系统将模拟电信号转换成数字信号，然后传送到重建检查分系统；重建检查分系统对输入的信号进行图像数据处理，得到可供分辨的图像供人使用，并可保存。扫描机械分系统和扫描控制分系统构成CT机构架，并使系统可控地运转。1）X射线源分系统：基于X射线的工业CT系统，通常用X射线管或电子直线加速器做为射线源。为满足对大型工件（等效钢厚度超过50〜60mm）的检测需要，需采用电子直线加速器为X射线源系统。加速器全名“带电粒子加速器”，利用电磁场加速带电粒子如电子、质子、离子等，可以使粒子的速度达到接近光速。工业CT上采用行波电子直线加速器或驻波电子直线加速器，电子运动轨道为直线，以微波为功率载体，电子加速后打到靶上，激发X射线。目前最常用的是驻波电子直线加速器，其优点在于：同能量下，机型小、重量轻、结构轻便、效率高；自动聚焦可实现很小的靶点；加速场强高，电子可实现低电压注入；全密封结构，真空度高，真空稳定性好。电子直线加速器分系统主要由X射线头、控制台、调制器柜、稳压电源、水冷机组等组成。X射线头用于产生射线，是加速器的主体部分；加速管用于加速电子，是加速器的核心器件；准直器限定照射野大小，屏蔽射野外X射线束以避免散射；控制台是加速器运行的操作平台；水冷机组提供合乎加速器系统要求的冷却水；调制器柜内是一些控制电路和辅助电路。探测器分系统：将由射线源产生并透过被检物体的X射线脉冲转换为光电信号，其性能和工业CT系统的主要性能指标密切相关。X射线和探测器之间的基本作用原理和其他物质并无区别，但探测器能将发生作用后产生的变化表达传递出来。工业CT探测器可以采用气体电离探测器、闪烁体光电倍增管探测器、闪烁体光电二极管探测器等。闪烁晶体耦合光电二极管阵列是目前高能工业CT中最普遍采用的方案。数据获取分系统：包括前放电子电路、A/D变换模块及数据传输模块，位于获取的原始电信号和计算机处理的传递中枢位置，反映被检工件状态位置，控制工件运动状态。低噪声、宽动态范围的数据获取系统可将探测器输出的电信号更准确地转换为数字信号，并传送到重建与检查分系统。扫描装置分系统：采用高精密机械扫描系统，承载被检测工件、射线源、探测器，并完成系统工作过程中的各种运动。包括加速器平台、探测器平台、回转工作台、平移扫描机构等。扫描控制分系统：采用高精度机械运动数控系统，完成扫描过程的控制及驱动、实时位置测量，并负责系统配电、安全连锁及监控。包括扫描驱动模块、配电装置、安全联锁装置、闭路监视装置和声光报警装置等。重建与检查分系统：由计算机硬件和软件系统组成，并与X射线源、数据获取、扫描控制等分系统进行信息互联，负责CT检测系统的系统操作。以人机界面形式，实现扫描检测任务、系统自检、安全监控，以及图像重建(数据校正、二维和三维的重建)、图像检查(处理、分析与测量)、存储、数据库管理等各项功能。各分系统之间关系如图4所示。控制信号―数据信号・・・・・*图4工业CT检测系统逻辑框图工业CT的主要技术指标工业CT有三个联系紧密的重要性能指标：空间分辨率一一也称几何分辨率，是指从CT图像中能够辨别最小物体的能力。可以用对小孔的分辨能力或每毫米线对数来表示。密度分辨率——在一定密度基体材料内工业CT系统能检测出的最小密度变化。因为像素叠加能提高信噪比，密度分辨率定义在给定测量面积基础上。工业CT密度分辨率可以达到0.5%以下。扫描时间一一工业CT的扫描时间是指获取一个断层图像所需投影数据的时间，其耗时远比医用CT长，可达几分钟到几个小时。另外，工业CT的重要指标还有：所能检测的工件尺寸和重量；射线源的特点（能量大小、焦点尺寸、剂量大小、出束角度等）；成像模式（二代、三代、DR、实时成像等）；图像重建时间；图像矩阵大小，等等。六） 辐射防护射线工业CT检测系统的射线能量大、剂量率高，所以其辐射防护与辐射安全设计必须符合国家射线装置辐射安全与环境标准要求，应该在具有良好屏蔽能力和通风能力的专用厂房内使用。同时，通过声光警示、安全联锁、辐射剂量报警仪、摄像监控、广播设备等来确保工作人员及公众、环境安全。七） 北京固鸿科技有限公司工业CT基本情况在前面介绍过国外工业CT的发展情况，在国内，清华大学、中科院高能所、重庆大学、中国工程物理研究院等也都先后进行过工业CT及相关关键技术的研究,紧跟国际先进水平。固鸿科技的核心技术是以清华大学多年研究及产业化的成果为基础，在研发实力、技术先进性、产业化水平和能力上处于国内领先、国际一流的地位。本公司已经研制生产了一系列（2MeV、4MeV、6MeV、9MeV、15MeV能量等）电子直线加速器工业CT系统以及160KV〜450KV基于X射线机的