X射線(xiàn)數(shù)字成像及工業(yè)CT應(yīng)用對(duì)比介紹

X射線(xiàn)數(shù)字射線(xiàn)成像(Digital Radiograph, DR)和工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描（Industrial Comp

uted Tomography, ICT）是工業(yè)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中的兩個(gè)重要技術(shù)分支。DR檢測(cè)技術(shù)，是

20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的一種實(shí)時(shí)的X射線(xiàn)數(shù)字成像技術(shù)。相對(duì)于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的射線(xiàn)

膠片照相，DR檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)地對(duì)生產(chǎn)工件結(jié)構(gòu)介質(zhì)不連

續(xù)性、結(jié)構(gòu)形態(tài)以及介質(zhì)物理密度等質(zhì)量缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，因此在快速無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域里

有廣闊的發(fā)展前景。

ICT技術(shù)是一種融合了射線(xiàn)光電子學(xué)、信息科學(xué)、微電子學(xué)、精密機(jī)械和計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)

域知識(shí)的*。它以X射線(xiàn)掃描、探測(cè)器采集的數(shù)字投影序列為基礎(chǔ)，重建掃描區(qū)域

內(nèi)被檢試件橫截面的射線(xiàn)衰減系數(shù)分布映射圖像。據(jù)此圖像，可對(duì)被檢試件的結(jié)構(gòu)、密度

、特征尺寸、成分變化等物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行判讀和計(jì)量。其作為一種無(wú)損的非接觸式測(cè)

試技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、核能、兵器、汽車(chē)等領(lǐng)域產(chǎn)品和關(guān)鍵零部件的無(wú)損檢

測(cè)、無(wú)損評(píng)價(jià)以及逆向工程中。

1 X射線(xiàn)數(shù)字成像技術(shù)

相對(duì)于現(xiàn)今仍然普遍應(yīng)用的射線(xiàn)膠片照相，DR技術(shù)在很大程度上避免了圖像信息丟失的

不利因素。DR成像技術(shù)檢測(cè)速度快、探測(cè)效率高，X射線(xiàn)輻射劑量小，曝光條件易于掌

握。DR系統(tǒng)也可以方便地對(duì)圖像進(jìn)行存儲(chǔ)和后處理。因此DR技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于無(wú)損

檢測(cè)領(lǐng)域中。

1.1 X射線(xiàn)DR成像原理

DR系統(tǒng)一般由射線(xiàn)源、待測(cè)物、探測(cè)器、圖像工作站等幾部分構(gòu)成。對(duì)于DR檢測(cè)技術(shù)而

言，其核心部件是探測(cè)器。目前在工程實(shí)際中應(yīng)用的探測(cè)器主要分為兩種：圖像增強(qiáng)器和

非晶硅平板探測(cè)器。圖像增強(qiáng)器首先通過(guò)射線(xiàn)轉(zhuǎn)化屏將X射線(xiàn)光子轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，然后通

過(guò)CCD（Charge Coupled Device）相機(jī)將可見(jiàn)光轉(zhuǎn)化為視頻信號(hào)，可在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)

顯示，也可通過(guò)A/D采集卡轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)顯示和處理。非晶硅平板探測(cè)器

采用大規(guī)模集成技術(shù)，集成了一個(gè)大面積非晶硅傳感器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將

X光子轉(zhuǎn)化為電子，并最終通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。平板探測(cè)器具有

動(dòng)態(tài)范圍大和空間分辨率高的特性，可實(shí)現(xiàn)高速的DR檢測(cè)，已成為工業(yè)DR檢測(cè)技術(shù)發(fā)展

的主流。

射線(xiàn)源產(chǎn)生的X射線(xiàn)構(gòu)成入射場(chǎng)強(qiáng)，經(jīng)試件后發(fā)生衰減得到透射場(chǎng)強(qiáng)，之后透射場(chǎng)強(qiáng)作用

在探測(cè)器上最終輸出圖像。當(dāng)入射場(chǎng)強(qiáng)的射線(xiàn)照射到待測(cè)試件上時(shí)，X射線(xiàn)光子與試件物

質(zhì)原子發(fā)生相互作用，其中包括光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等。這些相互作用最

終的結(jié)果是導(dǎo)致部分X射線(xiàn)光子被吸收或散射，即X射線(xiàn)光子穿過(guò)物質(zhì)時(shí)被衰減。實(shí)際的

衰

減過(guò)程是與射線(xiàn)能量、物質(zhì)密度和原子系數(shù)相關(guān)的。

假設(shè)對(duì)于單一入射能量的X射線(xiàn)束照射到一種密度、原子序數(shù)均勻的材料發(fā)生衰減，則

衰

減公式表示為：

分別表示當(dāng)前能量下材料的光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)以及相干散射的衰減系數(shù)。

是材料的線(xiàn)性衰減系數(shù)。該式也稱(chēng)為朗伯比爾定理。

以上表明射線(xiàn)穿透物質(zhì)后，其強(qiáng)度以指數(shù)方式衰減，式中材料的線(xiàn)性衰減系數(shù)隨射

線(xiàn)能量和照射物質(zhì)的原子序數(shù)以及物質(zhì)的密度變化而變化。

一般情況下衰減系數(shù)

與射線(xiàn)能量成反比，與原子序數(shù)、物質(zhì)密度等成正比。即隨著射線(xiàn)能量的升高穿透能力

增強(qiáng)，隨著物質(zhì)密度增大射線(xiàn)越難穿透。

實(shí)際上，物質(zhì)對(duì)射線(xiàn)的衰減能力都基于單色光（單一頻率）定義的，對(duì)于連續(xù)光譜的X射

線(xiàn)，在實(shí)際衰減中會(huì)存在多個(gè)衰減系數(shù)。但是隨著物質(zhì)的厚度增加，射線(xiàn)會(huì)發(fā)生硬化以至

于最后的射線(xiàn)近似于單色光。

1.2 DR檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

X射線(xiàn)數(shù)字成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、核能、汽車(chē)等領(lǐng)域產(chǎn)品和系統(tǒng)的無(wú)損

檢測(cè)、無(wú)損評(píng)估以及逆求，檢測(cè)對(duì)象包括、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、核廢料、電路板、發(fā)動(dòng)機(jī)

葉片、汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、輪胎輪轂等，在工程質(zhì)量監(jiān)督和產(chǎn)品質(zhì)量保證方面發(fā)揮著極其

重要的作用，正逐漸成為發(fā)展現(xiàn)代化國(guó)防科技和眾多高科技產(chǎn)業(yè)的一種基礎(chǔ)技術(shù)。

2.1 CT的發(fā)展歷程

1895年德國(guó)的物理學(xué)家Wilhelm Roentgen(倫琴)發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)，CT產(chǎn)生于20世紀(jì)70年

代，但是其思想要追溯到1917年奧地利數(shù)學(xué)家Radon的貢獻(xiàn)，他論證了如何根據(jù)某些線(xiàn)

形的積分（即投影）來(lái)確定被積函數(shù)（即要重建的圖像），成功地解決了由投影重建圖

像的數(shù)學(xué)問(wèn)題，為CT技術(shù)的形成和發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。但是在當(dāng)時(shí)由于缺少有效的計(jì)

算工具，一直被束之高閣，沒(méi)有得到具體的應(yīng)用。1956年，美國(guó)斯坦福大學(xué)的教授R.N.

Bracewell將這項(xiàng)技術(shù)引入到射電天文學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)無(wú)線(xiàn)電天文學(xué)中確定產(chǎn)生微波輻射

的太陽(yáng)區(qū)域問(wèn)題，重建出太陽(yáng)的活動(dòng)圖。而最初把斷層成像術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的當(dāng)推Old

endorf，他在1961年研制了用γ射線(xiàn)進(jìn)行透射型成像的初級(jí)裝置。Kuhl和Edwards在19

63年獨(dú)立研制了發(fā)射型成像裝置，這些裝置均用類(lèi)似于反投影的算法進(jìn)行圖像重建，所得

圖像不很清晰。而投影圖像精確重建的數(shù)學(xué)方法是由美國(guó)物理學(xué)家Cormack確立的。

臨床用的計(jì)算機(jī)斷層成像掃描裝置（CT）于1967年至1970年間由英國(guó)EMI公司的工程師

Hounsfield研制成功。

隨著Godfrey Hounsfield于1967年研制成功一臺(tái)臨床CT機(jī)系統(tǒng)，使人們領(lǐng)略到了CT技

術(shù)給人類(lèi)帶來(lái)的巨大收獲。ICT技術(shù)來(lái)自于醫(yī)學(xué)CT，出現(xiàn)于二十世紀(jì)七十年代末，美國(guó)首

先利用研制的透射式ICT設(shè)備對(duì)產(chǎn)品的關(guān)鍵部件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，正是由于軍事需求的

推動(dòng)，使之得到大力發(fā)展。工業(yè)CT是一個(gè)技術(shù)含量高、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、檢測(cè)效果非常好

的技術(shù)手段。CT裝置的更新?lián)Q代，主要是為了縮短獲得圖像的時(shí)間和提高檢測(cè)的精度。

掃描時(shí)間并不作為ICT最主要的技術(shù)指標(biāo)，其發(fā)展方向主要致力于提高空間分辨率和密度

分辨率，以達(dá)到檢測(cè)各種類(lèi)型工業(yè)產(chǎn)品缺陷的精度要求。按掃描方式的變化來(lái)劃分，CT技

術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了五個(gè)重要?dú)v史階段。

2.2 CT研究現(xiàn)狀與應(yīng)用進(jìn)展

CT基礎(chǔ)研究包括：CT成像原理，CT數(shù)據(jù)探測(cè)原理，CT數(shù)據(jù)掃描模式，CT圖像重建方法，

數(shù)據(jù)和圖像處理方法等。

X射線(xiàn)CT是國(guó)內(nèi)研究廣泛的CT成像方法之一，目前的研究包括：X射線(xiàn)單能成像、

多能或多能譜成像、相位成像等。目前廣泛使用的醫(yī)學(xué)和工業(yè)CT設(shè)備均基于單能成像原

理，即利用物質(zhì)對(duì)于單能X射線(xiàn)的吸收差異進(jìn)行成像。為了改善CT圖像對(duì)物質(zhì)的區(qū)分能

力，采用兩組或多組能量或能譜的數(shù)據(jù)，通過(guò)特殊的重建方法獲取比傳統(tǒng)CT圖像更豐富

的物質(zhì)信息。相位CT是近十年發(fā)展起來(lái)的新成像方法，通過(guò)X射線(xiàn)與物質(zhì)作用時(shí)相位變

化的信息進(jìn)行成像，以改善弱吸收物質(zhì)CT成像的對(duì)比度。除X射線(xiàn)CT外，我國(guó)學(xué)者還在

電學(xué)CT方面，其中包括電容CT、電阻CT、電磁CT等，開(kāi)展了卓有成效的研究。在成像原

理方面，電學(xué)CT與X射線(xiàn)CT有一定的相似性，但也存在不少差異。

CT圖像重建方法是CT基礎(chǔ)研究的核心。CT圖像重建的任務(wù)是由CT數(shù)據(jù)重建被測(cè)物體的CT

圖像。CT圖像重建方法可以分為兩類(lèi)：解析重建方法和達(dá)代優(yōu)化重建方法。解析重建方

法優(yōu)點(diǎn)是重建速度快，但算法往往依賴(lài)于CT掃描軌道和射線(xiàn)束，圖像質(zhì)量對(duì)數(shù)據(jù)噪聲敏

感。迭代優(yōu)化類(lèi)算法本質(zhì)上不依賴(lài)CT掃描軌道和射線(xiàn)束，但突出的問(wèn)題是計(jì)算量大。近

年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)尤其是通用顯卡技術(shù)的發(fā)展，使得迭代優(yōu)化類(lèi)重建算法的研究快

速升溫，特別是基于建模和條件設(shè)計(jì)的目標(biāo)優(yōu)化的迭代重建方法成為研究熱點(diǎn)之一。此外

，壓縮感知技術(shù)給予人們關(guān)于數(shù)據(jù)采樣與圖像重構(gòu)的新思路，激發(fā)了新的研究熱點(diǎn)。下文

著重綜述CT圖像重建方法的熱點(diǎn)研究問(wèn)題和國(guó)內(nèi)在此方面的研究進(jìn)展。

2.2.1 錐束CT

錐束CT是指基于面陣列探測(cè)器的CT成像方法，其中錐束指X射線(xiàn)源焦點(diǎn)與面陣列探測(cè)器

所形成惟形射線(xiàn)束。與傳統(tǒng)基于維線(xiàn)陣列探測(cè)器的扇束CT相比，錐束CT每次可以獲得一

幅二維圖像，具有射線(xiàn)利用率高和各向分辨率相同等優(yōu)點(diǎn)。錐束CT依掃描時(shí)射線(xiàn)源焦點(diǎn)

相對(duì)于被掃描物體形成的軌跡，分成圓軌跡、螺旋軌跡、鞍形軌跡、直線(xiàn)軌跡和非標(biāo)準(zhǔn)軌

跡等。