X射線(xiàn)數字成像及工業(yè)CT應用對比介紹

X射線(xiàn)數字射線(xiàn)成像(Digital Radiograph, DR)和工業(yè)計算機斷層掃描（Industrial Comp

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

20世紀90年代末出現的一種實(shí)時(shí)的X射線(xiàn)數字成像技術(shù)。相對于現今仍然普遍應用的射線(xiàn)

膠片照相，DR檢測的優(yōu)點(diǎn)就是實(shí)時(shí)性強，可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)地對生產(chǎn)工件結構介質(zhì)不連

續性、結構形態(tài)以及介質(zhì)物理密度等質(zhì)量缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測，因此在快速無(wú)損檢測領(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)、精密機械和計算機科學(xué)等領(lǐng)

域知識的*。它以X射線(xiàn)掃描、探測器采集的數字投影序列為基礎，重建掃描區域

內被檢試件橫截面的射線(xiàn)衰減系數分布映射圖像。據此圖像，可對被檢試件的結構、密度

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

試技術(shù)，廣泛應用于航空、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、無(wú)損評價(jià)以及逆向工程中。

1 X射線(xiàn)數字成像技術(shù)

相對于現今仍然普遍應用的射線(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)檢測速度快、探測效率高，X射線(xiàn)輻射劑量小，曝光條件易于掌

握。DR系統也可以方便地對圖像進(jìn)行存儲和后處理。因此DR技術(shù)被廣泛地應用于無(wú)損

檢測領(lǐng)域中。

1.1 X射線(xiàn)DR成像原理

DR系統一般由射線(xiàn)源、待測物、探測器、圖像工作站等幾部分構成。對于DR檢測技術(shù)而

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

非晶硅平板探測器。圖像增強器首先通過(guò)射線(xiàn)轉化屏將X射線(xiàn)光子轉換為可見(jiàn)光，然后通

過(guò)CCD（Charge Coupled Device）相機將可見(jiàn)光轉化為視頻信號，可在監視器上實(shí)時(shí)

顯示，也可通過(guò)A/D采集卡轉化為數字信號輸入到計算機顯示和處理。非晶硅平板探測器

采用大規模集成技術(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光子轉化為電子，并最終通過(guò)數模轉換器（ADC）轉變成為數字信號。平板探測器具有

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

的主流。

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

在探測器上最終輸出圖像。當入射場(chǎng)強的射線(xiàn)照射到待測試件上時(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、康普頓效應和相干散射等。這些相互作用最

終的結果是導致部分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)密度和原子系數相關(guān)的。

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

衰

減公式表示為：

分別表示當前能量下材料的光電效應、康普頓效應以及相干散射的衰減系數。

是材料的線(xiàn)性衰減系數。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，其強度以指數方式衰減，式中材料的線(xiàn)性衰減系數隨射

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

一般情況下衰減系數

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

增強，隨著(zhù)物質(zhì)密度增大射線(xiàn)越難穿透。

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

線(xiàn)，在實(shí)際衰減中會(huì )存在多個(gè)衰減系數。但是隨著(zhù)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檢測技術(shù)的應用

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

檢測、無(wú)損評估以及逆求，檢測對象包括、火箭發(fā)動(dòng)機、核廢料、電路板、發(fā)動(dòng)機

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

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

2.1 CT的發(fā)展歷程

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

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

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

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

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

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

的太陽(yáng)區域問(wèn)題，重建出太陽(yáng)的活動(dòng)圖。而最初把斷層成像術(shù)應用于醫學(xué)領(lǐng)域的當推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裝置。Kuhl和Edwards在19

63年獨立研制了發(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學(xué)方法是由美國物理學(xué)家Cormack確立的。

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

Hounsfield研制成功。

隨著(zhù)Godfrey Hounsfield于1967年研制成功一臺臨床CT機系統，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)自于醫學(xué)CT，出現于二十世紀七十年代末，美國首

先利用研制的透射式ICT設備對產(chǎn)品的關(guān)鍵部件進(jìn)行無(wú)損檢測，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、應用領(lǐng)域廣泛、檢測效果非常好

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)間和提高檢測的精度。

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

分辨率，以達到檢測各種類(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)重要歷史階段。

2.2 CT研究現狀與應用進(jìn)展

CT基礎研究包括：CT成像原理，CT數據探測原理，CT數據掃描模式，CT圖像重建方法，

數據和圖像處理方法等。

X射線(xiàn)CT是國內研究廣泛的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。目前廣泛使用的醫學(xué)和工業(yè)CT設備均基于單能成像原

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

力，采用兩組或多組能量或能譜的數據，通過(guò)特殊的重建方法獲取比傳統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成像的對比度。除X射線(xiàn)CT外，我國學(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基礎研究的核心。CT圖像重建的任務(wù)是由CT數據重建被測物體的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)量對數據噪聲敏

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)題是計算量大。近

年來(lái)隨著(zhù)計算機硬件技術(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計的目標優(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)于數據采樣與圖像重構的新思路，激發(fā)了新的研究熱點(diǎn)。下文

著(zhù)重綜述CT圖像重建方法的熱點(diǎn)研究問(wèn)題和國內在此方面的研究進(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)與面陣列探測器

所形成惟形射線(xiàn)束。與傳統基于維線(xiàn)陣列探測器的扇束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)軌跡和非標準軌

跡等。