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X射线数字成像及工业CT应用对比介绍

浏览次数:237发布日期:2023-11-17

X射线数字射线成像(Digital Radiograph, DR)和工业计算机断层扫描(Industrial Comp

uted Tomography, ICT)是工业无损检测领域中的两个重要技术分支。DR检测技术,是

20世纪90年代末出现的一种实时的X射线数字成像技术。相对于现今仍然普遍应用的射线

胶片照相,DR检测的优点就是实时性强,可以在线实时地对生产工件结构介质不连

续性、结构形态以及介质物理密度等质量缺陷进行无损检测,因此在快速无损检测领域里

有广阔的发展前景。


ICT技术是一种融合了射线光电子学、信息科学、微电子学、精密机械和计算机科学等领

域知识的*。它以X射线扫描、探测器采集的数字投影序列为基础,重建扫描区域

内被检试件横截面的射线衰减系数分布映射图像。据此图像,可对被检试件的结构、密度

、特征尺寸、成分变化等物理、化学性质进行判读和计量。其作为一种无损的非接触式测

试技术,广泛应用于航空、航天、核能、兵器、汽车等领域产品和关键零部件的无损检

测、无损评价以及逆向工程中。


1 X射线数字成像技术

相对于现今仍然普遍应用的射线胶片照相,DR技术在很大程度上避免了图像信息丢失的

不利因素。DR成像技术检测速度快、探测效率高,X射线辐射剂量小,曝光条件易于掌

握。DR系统也可以方便地对图像进行存储和后处理。因此DR技术被广泛地应用于无损

检测领域中。


1.1 X射线DR成像原理

DR系统一般由射线源、待测物、探测器、图像工作站等几部分构成。对于DR检测技术而

言,其核心部件是探测器。目前在工程实际中应用的探测器主要分为两种:图像增强器和

非晶硅平板探测器。图像增强器首先通过射线转化屏将X射线光子转换为可见光,然后通

过CCD(Charge Coupled Device)相机将可见光转化为视频信号,可在监视器上实时

显示,也可通过A/D采集卡转化为数字信号输入到计算机显示和处理。非晶硅平板探测器

采用大规模集成技术,集成了一个大面积非晶硅传感器阵列和碘化铯闪烁体,可以直接将

X光子转化为电子,并最终通过数模转换器(ADC)转变成为数字信号。平板探测器具有

动态范围大和空间分辨率高的特性,可实现高速的DR检测,已成为工业DR检测技术发展

的主流。


射线源产生的X射线构成入射场强,经试件后发生衰减得到透射场强,之后透射场强作用

在探测器上最终输出图像。当入射场强的射线照射到待测试件上时,X射线光子与试件物

质原子发生相互作用,其中包括光电效应、康普顿效应和相干散射等。这些相互作用最

终的结果是导致部分X射线光子被吸收或散射,即X射线光子穿过物质时被衰减。实际的

减过程是与射线能量、物质密度和原子系数相关的。


假设对于单一入射能量的X射线束照射到一种密度、原子序数均匀的材料发生衰减,则

减公式表示为:


分别表示当前能量下材料的光电效应、康普顿效应以及相干散射的衰减系数。


是材料的线性衰减系数。该式也称为朗伯比尔定理。


以上表明射线穿透物质后,其强度以指数方式衰减,式中材料的线性衰减系数随射

线能量和照射物质的原子序数以及物质的密度变化而变化。


一般情况下衰减系数


与射线能量成反比,与原子序数、物质密度等成正比。即随着射线能量的升高穿透能力

增强,随着物质密度增大射线越难穿透。


实际上,物质对射线的衰减能力都基于单色光(单一频率)定义的,对于连续光谱的X射

线,在实际衰减中会存在多个衰减系数。但是随着物质的厚度增加,射线会发生硬化以至

于最后的射线近似于单色光。


1.2 DR检测技术的应用


X射线数字成像技术广泛应用于航空、航天、兵器、核能、汽车等领域产品和系统的无损

检测、无损评估以及逆求,检测对象包括、火箭发动机、核废料、电路板、发动机

叶片、汽车发动机气缸、轮胎轮毂等,在工程质量监督和产品质量保证方面发挥着极其

重要的作用,正逐渐成为发展现代化国防科技和众多高科技产业的一种基础技术。

2.1 CT的发展历程


1895年德国的物理学家Wilhelm Roentgen(伦琴)发现X射线,CT产生于20世纪70年

代,但是其思想要追溯到1917年奥地利数学家Radon的贡献,他论证了如何根据某些线

形的积分(即投影)来确定被积函数(即要重建的图像),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。但是在当时由于缺少有效的计

算工具,一直被束之高阁,没有得到具体的应用。1956年,美国斯坦福大学的教授R.N.

Bracewell将这项技术引入到射电天文学领域,针对无线电天文学中确定产生微波辐射

的太阳区域问题,重建出太阳的活动图。而最初把断层成像术应用于医学领域的当推Old

endorf,他在1961年研制了用γ射线进行透射型成像的初级装置。Kuhl和Edwards在19

63年独立研制了发射型成像装置,这些装置均用类似于反投影的算法进行图像重建,所得

图像不很清晰。而投影图像精确重建的数学方法是由美国物理学家Cormack确立的。

临床用的计算机断层成像扫描装置(CT)于1967年至1970年间由英国EMI公司的工程师

Hounsfield研制成功。


随着Godfrey Hounsfield于1967年研制成功一台临床CT机系统,使人们领略到了CT技

术给人类带来的巨大收获。ICT技术来自于医学CT,出现于二十世纪七十年代末,美国首

先利用研制的透射式ICT设备对产品的关键部件进行无损检测,正是由于军事需求的

推动,使之得到大力发展。工业CT是一个技术含量高、应用领域广泛、检测效果非常好

的技术手段。CT装置的更新换代,主要是为了缩短获得图像的时间和提高检测的精度。

扫描时间并不作为ICT最主要的技术指标,其发展方向主要致力于提高空间分辨率和密度

分辨率,以达到检测各种类型工业产品缺陷的精度要求。按扫描方式的变化来划分,CT技

术发展经历了五个重要历史阶段。


2.2 CT研究现状与应用进展


CT基础研究包括:CT成像原理,CT数据探测原理,CT数据扫描模式,CT图像重建方法,

数据和图像处理方法等。


X射线CT是国内研究广泛的CT成像方法之一,目前的研究包括:X射线单能成像、

多能或多能谱成像、相位成像等。目前广泛使用的医学和工业CT设备均基于单能成像原

理,即利用物质对于单能X射线的吸收差异进行成像。为了改善CT图像对物质的区分能

力,采用两组或多组能量或能谱的数据,通过特殊的重建方法获取比传统CT图像更丰富

的物质信息。相位CT是近十年发展起来的新成像方法,通过X射线与物质作用时相位变


化的信息进行成像,以改善弱吸收物质CT成像的对比度。除X射线CT外,我国学者还在

电学CT方面,其中包括电容CT、电阻CT、电磁CT等,开展了卓有成效的研究。在成像原

理方面,电学CT与X射线CT有一定的相似性,但也存在不少差异。


CT图像重建方法是CT基础研究的核心。CT图像重建的任务是由CT数据重建被测物体的CT

图像。CT图像重建方法可以分为两类:解析重建方法和达代优化重建方法。解析重建方

法优点是重建速度快,但算法往往依赖于CT扫描轨道和射线束,图像质量对数据噪声敏

感。迭代优化类算法本质上不依赖CT扫描轨道和射线束,但突出的问题是计算量大。近

年来随着计算机硬件技术尤其是通用显卡技术的发展,使得迭代优化类重建算法的研究快

速升温,特别是基于建模和条件设计的目标优化的迭代重建方法成为研究热点之一。此外

,压缩感知技术给予人们关于数据采样与图像重构的新思路,激发了新的研究热点。下文

着重综述CT图像重建方法的热点研究问题和国内在此方面的研究进展。


2.2.1 锥束CT


锥束CT是指基于面阵列探测器的CT成像方法,其中锥束指X射线源焦点与面阵列探测器

所形成惟形射线束。与传统基于维线阵列探测器的扇束CT相比,锥束CT每次可以获得一

幅二维图像,具有射线利用率高和各向分辨率相同等优点。锥束CT依扫描时射线源焦点

相对于被扫描物体形成的轨迹,分成圆轨迹、螺旋轨迹、鞍形轨迹、直线轨迹和非标准轨

迹等。





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