GBT 29034-2012 无损检测 工业计算机层析成像(CT)指南

无损检测工业计算机层析成像(CT)指南IGB/T29034—2012 V V 12规范性引用文件 1 14概述 1 1 14.3CT的优势 24.4CT的局限性 3 3 3 4 4 4 45CT技术基础 45.1概述 45.2物理基础 5 7 7 75.3.3求解方程组重建图像 75.3.4迭代重建算法 8 9 9 9 95.4.3二代扫描 9 95.4.5四代扫描 5.4.6锥束扫描 5.4.7螺旋扫描 6系统基本组成 Ⅱ6.3探测系统 136.4机械扫描系统 6.5数据采集传输系统 6.6控制系统 6.7图像处理系统 6.8辐射安全防护系统 7性能指标 7.2对比度 7.2.1对比度的定义 7.2.2对比度差 7.3分辨力 7.3.1概述 7.4.2噪声对重建的影响 7.4.3噪声的估计 7.4.4噪声对对比度的影响 20 7.6性能预测与检验 227.6.1系统探测能力 227.6.2性能预测 227.6.3性能检验 238精度和偏差 图1CT图像与传统射线照相的比较 2图2CT的工作原理图 3 5 5 6 6 8图8一代扫描 图9二代扫描 图10三代扫描 图11四代扫描 图12锥束扫描 Ⅲ图13螺旋扫描 图14工业CT系统组成示意图 图16CT系统射线束几何描述 图17定性表示对比度差为△μ的细节通过CT检测后的图像 图18细节在背景材料上的实际CT扫描结果 20 图23实际CT系统的理论和实验CDD曲线(常数c为8.5) VV1GB/T12604.11无损检测术语工业计算机层析成像(CT)检测2以获得切片平面的空间信息。CT信息来源于从不同视角得到图像为1024×1024或2048×2048的矩阵。CT成像相当于切开被测物体检查它的内部特性，通过连续CT切片能得到物体内部的三维ACT切片视图图2描述了CT的工作原理图。图2a)中函数fo₁(x′)表示在某个角度下测量得到的一组投影数物体进行可靠的重建。在图2的例子中只使用四个方向的投影数据就能通过反投影初步显示出被测物4.3CT的优势CT的最大优势是能无损伤地得到物体切片的密度分布图像。CT图像比一般的投影射线照相法3入射X射线b)360度的数据才能获得高质量图像。在有些情况下被测物的尺寸和透射率限制了数据的采集，虽然数CT图像的另一个缺点是可能会出现伪影。伪影是CT图像上出现的与试件的结构及物理特性无用线阵CT进行完整的三维扫描是很耗时的，以1024×1024的图像为例，单幅图像的典型扫描时4空间分辨力定量地表示为能分辨的两个点的最小间距，表征CT系统在足够信噪CT图像上能检测到的最小细节和能分辨的最小细节是不同的。小于一个像素的细节会影响到与分辨能力和可探测能力的不同是CT的一个重要问密度分辨力又称对比度灵敏度，表征CT系统在足够信噪比条件下辨别物体中指定大小区域空间分辨力反映的是分辨紧密相邻物体的能力，密度分辨力反映的是CT图像上能检测统计噪声限制了CT图像的对比度分辨力。CT图像上的统计噪声表现为加在CT图像上的随机所有的成像系统都存在伪影。CT伪影有不同的表现形式。射束硬化会在图像上形成杯状伪影，表现为均匀材质物体的CT图像中CT密度从中心向边缘逐渐增大。不同密度材料的分界面上产生的在其他参数相同的条件下，伪影的种类和严重性是比较不同CT系统性能指标的两个重要因素。5电子对效应σ=t6qq5.2.4图5给出了三种主要的相互作用的示意图。发生光电效应时，原子作为整体与入射射线发生作用，入射射线被完全吸收。由于能量和动量守恒，原子被反冲并发射出一个电子，随后的衰减过程会导致特征X射线和次级电子的产生。从图4可以看出，光电效应在低能部分起主要作用。5.2.5发生康普顿散射时，入射射线与电子相互作用，发生非弹性散射，这个过程中射线损失了能量，这种散射也称为非相干散射。由于能量和动量守恒，电子发生反冲并且射线以更低的能量被散射到不同的方向。虽然射线没有被吸收，但是已经偏离了初始方向。在射线照相设备中大部分散射线都来源于康普顿散射。从图4可以看出，康普顿散射在中能部分起主要作用。5.2.6发生电子对效应时，入射射线与原子核周围的电场发生相互作用并被完全吸收，在这个过程中产生正负电子对。电子对的产生保证了能量和动量守恒。正电子最终与电子相互作用产生湮没辐射。从图4可以看出，电子对效应在高能部分起主要作用。q图5射线与物质的三种相互作用的示意图5.2.7射线穿过物体时受到射线路径上物体的吸收或散射而导致强度衰减，衰减规律由Lambert定律确定，见式(1)。即射线穿过物体所受到的衰减是沿该射线路径线性衰减系数的线积分值的卷积函I₀——入射射线强度I——透射射线强度；p(x,y)———路径l的线性衰减系数分布。I图6Lambert定律示意图7 (2)线性衰减系数的线积分值p(1)称为投影数据。当射线从不同方向和位置穿过该物体时，对应路径上的投影数据p(1)均可照此求出，从而得到一个投影数据集合。由于物体的线性衰减系数与射线穿过减系数的二维分布也可视为密度的二维分布，所以切片图像能反映物体切片的结构关系和物质组成。由式(2)可以看出CT的图像重建问题归结为由投影数据p(1)的集合来计算p(x,y)的反演问题。5.3.1CT图像CT图像就是图像f(x,y)在二维空间坐标和亮度上都已离散化了的图像，因此可以把一幅数字图模有128×128,256×256,512×512,1024×1024,2048×2048等。雷当变换是由J.Randon在1917年建立的数学变换。如果一个函数在某个特定区域内的值是有数的雷当变换。由函数的雷当变换推导函数的过程称为雷当反变换。雷当反变换的存在为CT图像重由投影数据p(1)集合计算线性衰减系数分布μ(x,y)最直接的做法是求解方程组。如图7,假定有一个3×3单元构成的切片，各单元的线性衰减系数分别为p,三条平行射线由三个视角穿过该切片，测得沿各条射线路径上的线性衰减系数和分别为P;,由此可以建立一个由9个独立方程构成的方程85.3.4迭代重建算法9解析重建算法是利用投影值，通过数学变换计算被测物体线性衰减系数分布有效抑制CT投影的低频扩散效应，加强投影数据中高频细节信号。而反投影是在投影路径的每个像利用平行束或扇束投影数据可重建出物体的断面图像，再利用序列CT断面图像可重构三维体数据，也可利用锥束投影数据直接重建三维体数据。锥束CT重建算法分为近似重建算法和精确重建算法两类。FDK算法及其改进形式是最常用的近似重建算法，主要用于圆周扫描轨迹的锥束CT重建，也被推广到螺旋扫描轨迹的锥束CT重建。精确重建算法仍在发展之中，代表性的算法有GrangeaCT扫描是沿着多个视角依次对物体特定区域的射线透射率进行测量的过程，射线源和探测器与图8一代扫描图9二代扫描静止的探测器阵列静止的探测器阵列四代扫描也只使用旋转扫描，见图11。与三代扫描的区别在于探测器排列成环形阵列且静止不图11四代扫描图13螺旋扫描工业CT最常用的射线源是X射线机和电子直线加速器，有时也使用放射性同位素源和同步辐射源。探测系统用于测量到达探测器的射线强度，将入射射线强度转换为电信号。工业CT所用的探测器按照物理结构形态可以分为线阵探测器和面阵探测器。线阵探测器是线状排统提供所需扫描检测的多自由度高精度的运动功能。根据机械结构的布局，常见的工业CT系统分为重建用。数据采集传输系统主要包括信号调理与转换单元、数据采集控制单元和数据传输控制单元。6.7图像处理系统6.8辐射安全防护系统7性能指标7.1概述7.2对比度CT中对比度定义为细节与背景材料线性衰减系数之差占背景材料线性衰减系数的百分比，见式 (5)度需要乘以比例因子h/t。7.2.2对比度差细节在背景材料上的理想CT扫描结果见图15。线性衰减系数为H的细节在线性衰减系数为μb的背景材料上的CT图像见图15a),图15a)中的CT值轮廓曲线见图15b),识别细分辨力和噪声会对图15b)中的轮廓曲线和图15c)中的概率分布函数产生影响。图15细节在背景材料上的理想CT扫描结果7.3分辨力7.3.1概述CT图像等价于物体函数与点扩展函数(PSF)的卷积，PSF是系统对理想点模型的响应函数。由于点扩展函数的影响，小细节对应的图像尺寸可能变大，使得边界模糊不清，同时会降低实际图像的对比7.3.2PSF的简单近似PSF可以近似为直径为BW的圆柱，BW称为等效射束宽度，见式(7):M=L/qd——探测器宽度；a——射线源焦点尺寸；L——射线源到探测器的距离；其几何关系见图16。图16CT系统射线束几何描述图17定性地表示了对比度差为△μ的细节通过点扩展函数为PSF的CT系统后得到的CT图像。图17a)显示的是直径为BW的PSF和直径为SW的较小细节的卷积结果(SW<BW)。细节的成像是低了细节的对比度，而且增加了细节的宽度。图17b)显示的是直径为BW的PSF和直径为BW的细节的卷积结果。细节的成像是一个底为2BW,对比度差为△p的圆锥。图17c)显示的是直径为BW的PSF和直径为LW的较大细节的卷积结果(LW>BW)。细节的成像是下底为(LW+BW),上底为BWb)了s最大为BW/2。重建图像的表示也是离散的，采样定理要求重建图像的像素尺寸样才能保证空间分辨力。在图17所示的卷积条件下，最小的细节至少占据4个像素。细节在背景材料上的实际CT扫描结果见图18。图18a)所示的是图15a)中的理想工件与PSF卷积并进行离散采样的结果，细节CT值轮廓曲线的边界处呈阶梯变化。图18b)所示的是新的PDF,细b)H图19所示的是宽度为BW的PSF与宽度为D、间距为2D的周期性细节的卷积结果。当D≥BWb)图19宽度为BW的PSF与宽度为D、间距为2D的周期性细节的卷积结果图19(续)7.3.5CT系统MTF的理论描述系统的MTF可以表示成各组成部分MTF的乘积。MTF近似等于圆形对称PSF的一维傅立叶(Ramachandran滤波函数)(Shepp&Logan滤波函数)需要中间位置的值，所以需要采用插值，Fnr(f插值得到的数据以宽度为△p的网格显示，这实际上等同于一个卷积，Fprx(f)表示显示函数的傅立7.3.6MTF曲线绘制理想情况下可以用式(8)描述的PSF与MTF的关系来测量系统的MTF。然而，实际应用中不存求一阶导数来获得线扩展函数(LSF),用LSF来近似PSF,对LSF进行傅立叶变换得到系统的MTF。图20描述了由一个简单的圆柱体图像获取MTF的过程。采用圆柱体是因为一旦确定了它的质0a)图20由圆柱体CT图像获得MTF的过程7.4.1概述声也是无法避免的。量子统计噪声服从泊松分布，使得测量到的光子均值为n,给定采样周期内测量到光子数在n±√n范围内的概率大约为68.3%。7.4.2噪声对重建的影响 (9) (10)s——投影数据的采样间隔；7.4.3噪声的估计值的自然对数。同样，探测器电子仪器和散射的射线