工业CT基本组成

由重建CT图像的基本过程出发，我们可以想象一下组成一台工业CT设备的基本要求：它应该能够量 X射线穿透被检物体以后射线的强度，同时能够完成X射线机-探测器系统与被检测物体之间的扫描运动，从而获得重建CT图像所需的完整数据；最后射线源辐射探测器用这些数据通过一定的算法重建出物体的断面图像。自然地，从扫描到重建图像都被检测工件是由计算机来控制或完成计算的。这样，一数据采集机械系统计算机系统个工业CT系统大致应包括下列的基本部件（图3）:射线源、辐射探测器和准直器、数据采集系统。样品扫描机械系统、计算机系图像显示数据存储图CT系统组成示意图统（硬件和软件）及辅助系统（如辅助电源和辐射安全系统等）等。

1.常用的扫描模式

按照扫描方式，可以分为平移旋转（TR）扫描方式、只旋转（RO）扫描方式和螺旋扫描方式三大类；按照图像重建算法，可以分为平行束重建、扇形束重建和锥形束重建三大类。

工业CT目前最常用的是TR和RO两种扫描方式（即传统说法的二代和三代扫描模式）。近年来，螺旋扫描方式在工业CT中的应用也在不断增加。其中，TR扫描方式（二代）对应了平行束图像重建算法，而RO扫描方式（三代）对应了扇形束重建算法。螺旋扫描方式及锥形束重建算法相对比较复杂属于更加专门的问题，在后续内容中也只能对目前发展动态作一些概述。

TR扫描模式：在CT的原始扫描方式（一代）中，射线源和探测器相对于检测工件要做旋转和平移两种相对运动，也应该算TR扫描方式。由于仅仅采用了一个X射线探测器，每移动一步仅能测得一个投影数据，从X射线管中发射的大部分射线都没有得到利用，效率很低。人们最容易产生的想法就是应用多个探测器（探测器线阵列），在平移的每个x射线探测器位置一次可以测得多个投影数据，效率即可成倍提高。这样就产生了现在称为TR的第二代扫描模式。图是采用6个探测器的TR扫描方式示意图。在任何瞬间从6个不同角度测量，X射线源和探测器仍然需要直线移动。如果每个探 测器对于X射线源的张角是1°，在X射线源和探测器完成平移运动以后，每次可以旋转6°。

TR扫描模式的运动组合可以用图说明，每个视角下完成一次平移扫描，直到旋转半周或一周。可以看出，与第一代的单探测器扫描模式不同，多探测器扫描模式下测得的投影数据在正弦图上的分布并不是均匀的方形点阵。如果需要变换成像单探测器那样的方形点阵，需要将测得的数据经过插值后重排。

 进一步增加探测器数量，使射线源和线探测器阵列组成的扇形能够包括整个被检测工件的范围，只要射线源-探测器组成的扇形围绕工件旋转360°，射线源探测器系统不用做平行移动就可以获得重建CT图像的完整数据。这样射线的利用效率可以显著提高，省去了费时的多次平移往复运动，完成一次完整扫描的时间可以显著提高。这就是目前在医学应用中占有绝对统治地位的RO扫描模式（螺旋扫描模式也可以看成是RO扫描模式的变体），历史上将RO扫描模式称为第三代扫描模式，如图所示。

RO和TR两种扫描模式看似仅为探测器数量多少的变化，实际上两者之间的差别是很大的。前面曾经提到，TR扫描模式的CT图像重建用的是平行束算法，而RO扫描模式的图像重建属于扇形束算法。它们的正弦图也很不同。RO模式下横坐标直接表示探测器单元的编号，纵坐标表示射线源探测器组成的扇形围绕工件所做的相对旋转角度。

上述两种扫描模式，都可以归结为步进采集模式，是一种单次扫描方式。其检测过程由数据获取周期与非数据获取周期交替组成。也就是在完成重建一个C断层图像所需完全的数据获取以后，要将工件移动到获取下一个断层图像的位置，在移动到下一个位置的过程中不进行数据采集。

2.射线源

工业CT最常用的射线源是X射线机和直线加速器，统称电子辐射发生器。

X射线机和直线加速器产生X射线的机理大体相同，都是利用高速电子轰击靶物质的过程中，电子突然减速引起的所谓轫致辐射除轫致辐射以外，高速电子和靶物质的内层电子作用时还可能发生一些特征辐射。特征辐射的能量与靶材料原子序数有关，大致在数千电子伏到数十千电子伏的范围，相对于大多数工业CT检测的射线能量来说较低，可以不用专门考虑其影响。

X射线机和直线加速器加速电子的机理有所不同，射线机内就是由电子枪发射出的电子简单地在电场中加速，电子到达阳极时的能量就等于阴阳两极之间的电位差。习惯上用kV表示两极之间的电位差，以便与X射线能量单位（keV、MeV）相区分X射线机的峰值射线能量和强度都是可调的，市售X射线机的峰值射线能量范围从数十千电子伏到450keV。电子加速器的加速原理要复杂得多，不同类型的加速器也有所不同。探伤用电子直线加速器有行波加速器和驻波加速器两种。直线加速器的峰值射线能量一般不可调，实际应用的峰值射线能量范围为1~16eV，更高的能量虽可以达到，但主要用于有限的实验工作中。

探伤用X射线机也有许多种类。工业CT由于内在性能的要求，对X射线机的基本要求除了合适的最高工作电压以外，还要求足够的电流强度、较小的焦点、良好的稳定性和可靠性。常见的X射线机按焦点尺寸可分为纳米射线管、微米射线管、小焦点射线管、常规焦点射线管等。以下是几种典型X射线机阳极靶功率密度等比较 ：

对于射线无损检测的应用，行波电子直线加速器和驻波电子直线加速器的技术指标并没有很大的差别。目前工业CT应用主要选用驻波电子直线加速器的原因是它的结构更加紧凑。几种不同能量的驻波电子直线加速器典型技术数据如表所示：

3.探测器和准直器

工业CT所用的探测器按照物理结构形态大致可以分为两种主要的类型分立探测器和面探测器。分立探测器是比较传统的线状排列的探测器阵列。从字面上可以理解，这种阵列中的探测单元之间具有较明显的独立性。每个探测单元不仅射线转换部分独立，而且多半带有自己的准直器和前端的电子电路。另一类在工业CT里常用到的探测器阵列，它们各探测单元的射线转换部分不独立，多数情况下是一块“连续的闪烁屏。在这里我们把它们合成一类，总称为面探测器。这样分类是因为对于工业CT而言，同类型之间有一些非常基本的共同点，而不同类型的探测器之间有着重要性能差别。

3.1分立探测器

分立探测器常用的探测单元有气体和闪烁两大类。

气体探测器的优点是具有天然的准直特性，较好地限制了散射线的影响，几乎没有窜

扰，且器件一致性好。其缺点是探测效率不易提高，能应用有一定限制，探测单元间隔

为数毫米，对于有些应用显得太大。

应用更为广泛的还是闪烁探测器。闪烁探测器的光电转换部分可以选用光电倍增管或光电二极管。前者有极好的信噪比，但是因为器件尺寸大，难以达到很高的集成度，造价也高，可以根据实际情况选用。工业CT中应用最多的是闪烁体光电二极管组合。

应用闪烁体的分立探测器阵列的主要优点为:

（1）探测单元有独立的射线准直器，可以有效地抑制散射线。

（2）闪烁体在射线方向上的深度可以不受限制，从而使射入的大部分X射线光子被俘获，提高了探测效率，增大了通常情况下非常微弱的输入信号。尤其在高能条件下，这个特点更加明显。

（3）因为闪烁体是独立的，所以几乎没有相邻探测单元之间的光学窜；同时闪烁体之间还有钨或其他重金属隔片，可以有效地控制探测单元之间的射线窜扰。

（4）分立探测器一般都有比较完善的前端电子电路，以保证最小的电子学噪声。

（5）探测器本身具有16~20bit的动态范围。在存在电子学噪声、散射和窜扰等干扰的条件下，仍然可以保持比较大的有效动态范围。

（6）分立探测器的读出速度很快，在微秒量级。同时可以用加速器输出脉冲来选通数据采集，最大限度地减小信号上叠加的噪声。

（7）分立探测器对于辐射损伤也是最不敏感的。分立探测器是可以提供最好信噪比的探测器。它的主要缺点是单元尺寸不可能做得太小，其相邻间隔（节距）

0.1mm；另外其价格也要比面探测器的高一些。

3.2面探测器

面探测器主要有三种类型：高分辨半导体芯片平板探测器和图像增强器。在这里主要介绍平板探测器，平板探测器（FPD）是比较新型的面探测器，按能量转换方式可分为直接和间接两类。

间接FPD的结构主要是由表面覆盖闪烁晶体的具有光电二极管作用的非晶硅层（amorphous Silicon，a-si）加薄膜晶体管（thin film transistor，tfT）阵列构成的。闪烁晶体厚度大约数百微米或更薄一些。其原理为闪烁体将射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接FPD的图像采集中，由于有转换为可见光的过程，因此会有光的散射问题，从而导致图像的空间分辨率及对比度解析能力的降低。闪烁体目前主要使用的是碘化铯或硫氧化钆两种。

直接FPD的结构主要是由非晶硒层（amorphous Selenium，a-se）加薄膜晶体管阵列构成的。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后直接形成电子空穴对，产生电信号。通过TFT检测阵列读出，再经AD转换（数字/模拟转换）获得数字化图像从根本上避免了间接转换方式中可见光的散射导致的图像分辨率下降的问题。直接转换式FPD对于大物体的检出能力与间接转换型大致相同，但对于微小病变，直接转换型具有更强的检出能力。在医学应用领域有着特别的意义。另外，非晶硒对于X射线的转换能力不如专门的闪烁晶体，较高能量的工业应用自然要差一些。

不管是非晶硒、非晶硅还是CCD，平板探测器使用一定年限或者经过一定次数曝光，老化损坏是不可避免的。所以平板需要经常地进行校准，用软件剔除那些已经损坏的单元。同时射线辐照损伤会使转换层老化，效率降低这与累积的照射剂量有关，所以使用中要将没有检测物体阻挡的直接受照射部分尽可能屏蔽起来，延长器件的使用寿命。此外，非晶硒怕冷，非晶硅怕潮，对于工作环境都有一定的限制。

平板探测器像素尺寸数十微米到200μm，平板尺寸最大约18英寸（45cm），读出速度为3~7.5帧/s。由于它的主要市场在医学领域，参数大体上是根据医用的要求确定的。FPD的优点是使用比较简单，没有图像扭曲。图像质量接近于胶片照相，显著好于图像增强器，基本上可以作为图像增强器的升级换代产品。其主要缺点是表面覆盖的闪烁晶体不能太厚，与分立探测器相比，对高能X射线探测效率低，难以解决散射和窜扰问题，使实际动态范围大大减小。在较高能量应用时，还要注意对电子电路进行射线屏蔽。一般说在150kV以下的低能应用效果较好。

面探测器的基本优点是不言而喻的—它有着比线探测器高得多的射线利用率，特别是适合透视（DR）成像，可以进行实时或准实时的动态照相。面探测器也比较适合用于三维直接成像。另外，所有面探测器由于结构上的原因都有共同的缺点，即射线探测效率低，无法限制散射和窜扰，动态范围小等。高能范围应用效果一般较差。有一些关于CdZnTe半导体探测器阵列用于工业CT的报道，半导体探测器也称为固体电离室。这种探测器的结构似乎介于上述的分立探测器和面探测器之间，既可以做成一维的线探测器阵列，也可以做成面阵列形式。CdZnTe本身具有对X射线较高的线衰减系数，无须外加闪烁体，这种探测器尺寸可以做得较小，没有光学的窜扰。如果探测单元之间没有重金属隔片，仍然无法避免散射x射线的影响。CdZnTe半导体探测器还具有能量测量特点，这是其他CT探测器所不具备的，也许在某些特殊场合可以找到它的应用。应当说这是一种很有应用前景的CT探测器，但目前还有余辉过长等一些技术问题需要解决。

3.3准直器

准直器可以分为前准直器和后准直器两种。通常用铅钨甚至贫铀等重金属材料制成。虽然它们的基本作用都是挡掉多余的射线但仔细考虑起来作用还是有所不同的。

前准直器安装在射线源和工件之间。对于二维的CT，前准直器的作用是挡住大部分从X射线源发出的射线，把锥形束变成扇形束。原则上说扇形的厚度薄一些好，但是必须以不明显降低到达探测器上的射线强度为度。由于控制的是射束的立体角，准直器安放得离射线源越近，尺寸可以越小。前准直器从源头上减少了进入“工作区域”的无用射线，也就从源头上减少了散射线的总量。

后准直器又分为平面内准直器和垂直平面的准直器。所谓平面内指的是在重建CT图像的平面方向，按照功能来说，平面内准直器决定了工件上被检测的切片厚度。垂直平面的准直器主要用于分立探测器阵列，形状像一组栅格，一般排列成对准射线源的圆弧形。垂直平面准直器的狭缝宽度是决定系统本征空间分辨率的主要因素之一，从某种意义上说，它们才是真正的“探测器”，而原有的探测器在某种意义上说只不过是射线强度记录设备。

4.数据采集系统

数据采集系统主要指的是从辐射探测器输出直到计算机读入之间的电子电路。由于CT系统的最后性能指标受到射线强度统计涨落和散射线等干扰的限制，而这些影响因素目前还几乎没有有效的方法进行改善，所以从系统设计的理念上说，应当使数据采集系统对CT系统的最后性能指标没有明显影响。

数据采集系统应当包括探测器输出信号的放大信号的AD变换和数字信号的输出等电路。由于探测器一般都有成百上千个通道从经济性和系统维护两个方面考虑，一般不可能每个探测器通道都配备独立的AD变换电路，因此对探测器的通道就会适当分组，共用结构比较复杂且价格相对昂贵的AD变换电路，这样在信号的放大电路与信号的AD变换电路之间需要设置模拟多路选择开关电路。为了保证整套电路协调一致工作，硬件时序电路（或相应的软件管理程序）及时钟电路（或由外部触发信号保证系统内外的同步）都是必不可少的。

数据采集系统的主要指标大致应该有通道总数、AD变换位数和数据处理速度等但是这些指标都是表面上的。对于CT性能有决定性影响的应当是信号噪声比，在这里我们把噪声广义地理解为一切干扰信号与无用信号的总和（包括计数本底和统计涨落在内）。尽管信噪比并不是仅由数据采集系统一个部分决定的，但是如前所说，一个良好的数据采集系统的噪声相对于整个CT系统的广义噪声”来说应当可以忽略。

对于有放大单元的电路系统而言，前级的贡献一般比后级更为重要，分立探测器阵列的每个通道有独立的前置放大器，无论是噪声还是线性动态范围都可以选择最佳的设计条件。而面探测器系统的前端电路多半是集成的无论是噪声还是线性动态范围都很难达到最理想的设计。虽然噪声水平实际上是数据采集系统的核心指标，然而遗憾的是很难针对各种不同的探测器系统制定出统一的测试标准，也就没有简单的办法比较各个CT系统之间性能的优劣。最终只能由对CT图像的影响来判别，以致人们容易忽略数据采集系统噪声水平的重要意义。

AD变换位数往往代表了AD变换电路本身最重要的性能，位数过少固然会影响射线强度测量的精度，但是位数的增加往往也意味着变换速度的降低和价格的增长，所以也要折中选取。到达AD变换器输入端的最大辐射强度信号是由X射线源、探测器的效率与几何条件及放大器的增益等条件决定的，而可用的到达AD变换器输入端的最低辐射强度信号应当与等效的“噪声总和”同数量级，比噪声水平低很多的信号在CT设备内是没有实际意义的。我们可以把有效噪声水平到最大信号之间称为信号的“有效动态范围”，这对于不同的工业CT系统是大不相同的，这个范围应当是确定AD变换合理位数的客观标准。以往市售的快速AD变换器芯片最大位数是16位，对有些CT系统来说这个范围还不够大。采用“浮点放大”技术，可以保持AD变换的有效数据位数大体不变，而提高了AD变换器的动态范围。也可以把“浮点放大”和AD变换两部分组装在一起做成模块，达到20位以上的动态范围。目前使用Dlta -Sigma-技术的AD变换模块可以达到20位以上的动态范围，在工业CT领域内有逐步代替传统AD变换器的趋势。

5.机械扫描系统

工业CT的扫描机械系统并不是单纯的载物工作台，而是为了实现工件和射线源探测器系统之间的相对运动，在不同方位测量投影数据而专门设计的一种数控扫描工作台。

数控扫描工作台形式上就像一台没有刀具的数控机床。必须考虑检测样品的外形尺寸和重量，要有足够的机械强度和驱动力来保证以一定的机械精度和运动速度来完成扫描运动。同样重要的事情是还要从物理上考虑选择最适合的扫描方式和几何布置；确定扫描机械系统的精度要求，并对各部分的精度要求进行平衡；根据扫描和调试的要求选择合适的传感器以及在计算机软件中对扫描的位置参数作必要的插值或修正等。从本质上说，扫描机械系统实际是一个位置数据采集系统。从对于最后成像质量的影响来看，位置数据与射线探测器测得的射线强度数据并没有什么不同。

实现对扫描系统的精确控制，除了加工本身的要求外，机械系统的刚度也是不可忽视的，特别在被检工件比较巨大笨重时更是如此。运动的驱动部件一般选用步进电机或伺服电机。相比之下，步进电机比较适合于轻便廉价的系统，伺服电机得到了更多的应用。无论采用哪一种电机驱动，精确的测量系统常常是不可少的。特别是那些经常运行于启停状态的电机，更要靠独立且精确的位置测量系统来监测运动的准确性，常用的位置测量元件是光栅尺和旋转编码器。安装这些设备不仅是为了防止电机“丢步”同时还应该注意导轨丝杠等可能存在的“空行程”。因此在安装位置的选择上应当有所考虑。

仅从对于最后检测效果考虑，机械系统的精度自然是越高越好。但是到了一定程度以后，加工精度的提高往往带来生产成本呈指数般地上升。合理的要求是在成本没有快速上升以前，达到尽可能高的加工精度。通常情况下，都希望机械加工精度能够高到几乎不是CT图像质量的影响因素，实际上还是只能在价格和性能之间折中。经验上有一个很好的参照标准，就是测量投影数据时的像素尺寸大小。如果在完成采集一个断层所需要的全部数据的过程中，由于机械精度的影响，使采集到投影数据对应的“体素”距离理想位置最大偏差不到像素尺寸的1/3时，被认为是可以接受的系统；偏离理想位置不到1/5时，被认为是很好的系统。

前说到了在工业CT领域常用的两种扫描方式，即TR方式和RO方式。RO扫描方式无疑具有更高的射线利用效率，以得到更快的成像速度；然而，TR扫描方式的伪像水平远低于RO扫描方式的，可以根据样品大小方便地改变扫描参数（采样数据密度和扫描范围），特别是检测大尺寸样品时其优越性更加明显；射线源探测器距离较小，从而提高信号幅度；另外，探测器通道少还有降低系统造价、便于维护等重要优点。TR方式比起RO方式除了必须增加工件扫描运动之外，系统设计上也有所不同。同时具有两种扫描方式的系统，实际上还是基于RO方式的结构，在进行TR扫描时只是部分避免了RO扫描的固有缺点，如消除年轮状伪像，并且可以扫描较大样品。但从根本上说，为了迁就RO扫描几何条件的要求，往往增加了射线源到探测器的距离，牺牲了一些非常贵的信号强度。所以说同时具有两种扫描方式的CT，采用的几何条件对于TR方式来说很可能不是最佳的。

6.计算机硬件和软件

计算机系统要完成的基本工作是采集数据过程的扫描控制、CT图像的重建和CT图像的观测、分析和管理。由此决定了计算机硬件和软件的结构与组成。

采集数据过程的扫描控制的主要任务是按照预定的扫描模式对控制各运动分系统的电机驱动器发出命令、测定运动的实际位置并通过反馈系统保证运动准确性符合预定的技术要求、同步地控制射线源及射线测量系统按照预定的位置读出测量投影数据，并在分配好的时间段里将位置数据和射线强度数据分期、分批传送到主计算机内供重建CT图像使用。不同CT设备的扫描控制计算机系统的复杂程度可以有很大差别，单板机、工控机、PLC（可编程逻辑控制器）或与个人计算机的混合系统在实际中都被采用。需要强调的是，整个扫描过程中都应该在无人干预控制的情况下运行，所以系统还要有很好的保护功能，无论机架本身还是机架与工件之间都不能发生碰撞。

通常把完成CT图像重建的计算机称为主计算机。主计算机上应当装有完整的系统操作的人机对话界面，能完成对计算机进行所有的操作，并能反馈回全部系统运行状态的信息。主计算机要完成全部扫描数据的获取，包括一部分重建之前的预处理，最后重建出CT图像。医用CT为了及时得到重建图像，常常用专用的阵列处理机完成大量的重建计算。但是工业CT图像一般用个人计算机就已经可以满足要求。目前CT算法中最大量的还是乘加运算，同时需要处理的数据量大，所以对个人计算机的基本要求是运算速度快和内存容量大。优质显卡中的GPU可以并行地完成浮点运算，计算速度可以比直接使用个人计算机中的CPU明显提高，近年来越来越多的人使用GPU提高CT图像重建和处理的速度。

计算机软件无疑是CT的核心技术，对于CT的性能有重大影响。计算机软件尤其是图像重建技术和图像处理技术包含一些内容十分广阔的主题。需要指出的是数据采集完成以后，软件的“活动舞台”也已经确定，CT图像的质量已经基本确定，不良的计算机软件只会降低CT本来可以达到的图像质量，而良好的计算机软件的作用仅仅是尽可能充分利用已有信息，得到尽可能好的结果。

CT图像的观测、分析可以统称为图像后处理。比较传统也是最基本的还是对平面图像的处理。由于人眼的分辨能力所限，显示器的亮度仅仅分为256级，而CT图像多半采用16位二进制，窗宽窗位调整是最常用也是最有效的观测工具。其他可能还有各种有关图像的缩放、图像的增强、伪彩色处理以及对图像进行标注和编辑等一般图像处理工具，图像的分析工具与CT检测的应用目的，即使用者关心的是内部缺陷还是内部装配情况等有关，三维图像可视化技术近年来较多地应用到工业CT中。目前常用的是VGStudio MAX软件。

CT图像的管理对于实际应用是不可缺少的部分能够直接引用数字化的管理，把被检测工件的检测结果建立成便于查阅的档案也是CT的一个优点。为了适应档案存储和查阅的要求，从硬件上应当选择可靠的存储介质，并保证足够的储存空间。值得注意的是，一般刻录光盘不一定能永久保存档案资料，其可靠性不一定比大容量的硬盘更可靠。对于资料的备份和更新问题还没有解决到可以让人完全放心的程度。

7.辅助系统（辅助电源和安全系统）

一个工业CT系统的部件往往都自带可以独立使用市电的电源系统。但对于那些不能保证电压稳定或干扰严重的电网，就需要有专业的供电系统。

作为CT系统比较专业的问题是辐射防护在应用加速器的高能X射线CT系统的过程中，射线的防护措施更需要许多专业的知识，提供工业CT系统的生产厂家应当提供尽可能详尽的注意事项。在使用工业CT设备的过程中，需要考虑两类安全防护问题:一类是对操作人员的，特别要注意对泄漏或散射X射线的防护；另一类是对那些精密电子设备的防护，如晶体管类集成电路等一般都经受不起很大剂量的照射。

关于安全，国家有一系列专门的规定和标准，都必须严格遵守。任何工业CT设备都应有符合安全防护要求的辐射工作场所，装备完备的安全联锁装置。