工業(yè)CT的基本原理

工業(yè)CT發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)經(jīng)歷了五代，不過(guò)，不管哪一代工業(yè)CT，工業(yè)CT的基本原理都是一樣的。

工業(yè) CT 系統(tǒng)通常由射線源、機(jī)械掃描系統(tǒng)與自動(dòng)控制系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成 。其中， 最核心的原理是：計(jì)算機(jī)控制射線源發(fā)出射線束，數(shù)控掃描平臺(tái)承載被測(cè)物體，可以在計(jì)算機(jī)控制下移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，平板探測(cè)器則負(fù)責(zé)采集掃描數(shù)據(jù)；屏蔽設(shè)施確保射線不外泄以及掃描過(guò)程的安全；最后，計(jì)算機(jī)通過(guò)采集到的投影數(shù)據(jù)重建工業(yè) CT 切片圖像，并對(duì)圖像中存在的缺陷進(jìn)行分類。

下面，我們就工業(yè)CT基本原理涉及到的幾個(gè)組件做一個(gè)介紹：

一、射線源

工業(yè)CT最常用的射線源是X射線機(jī)和直線加速器，統(tǒng)稱電子輻射發(fā)生器。

X射線機(jī)和直線加速器產(chǎn)生X射線的機(jī)理大體相同，都是利用高速電子轟擊靶物質(zhì)的過(guò)程中，電子突然減速引起的所謂軔致輻射除軔致輻射以外，高速電子和靶物質(zhì)的內(nèi)層電子作用時(shí)還可能發(fā)生一些特征輻射。特征輻射的能量與靶材料原子序數(shù)有關(guān)，大致在數(shù)千電子伏到數(shù)十千電子伏的范圍，市售X射線機(jī)的峰值射線能量范圍從數(shù)十千電子伏到450keV。工業(yè)CT由于內(nèi)在性能的要求，對(duì)X射線機(jī)的基本要求除了合適的最高工作電壓以外，還要求足夠的電流強(qiáng)度、較小的焦點(diǎn)、良好的穩(wěn)定性和可靠性。常見(jiàn)的X射線機(jī)按焦點(diǎn)尺寸可分為納米射線管、微米射線管、小焦點(diǎn)射線管、常規(guī)焦點(diǎn)射線管等。

二、機(jī)械掃描與自動(dòng)控制系統(tǒng)

此系統(tǒng)的主要部件是運(yùn)動(dòng)控制器本身，主要負(fù)責(zé)被檢測(cè)工件的旋轉(zhuǎn)、平移和射線源-探測(cè)器等掃描運(yùn)動(dòng)軸的掃描運(yùn)動(dòng)。在工業(yè)CT掃描過(guò)程中，掃描運(yùn)動(dòng)控制器需要實(shí)時(shí)采集各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的位置信息，實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制;同時(shí)，需要監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)、控制射線源和采集系統(tǒng)在預(yù)定位置分別出束和采集。因此，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制性能好壞將會(huì)直接影響工業(yè)CT掃描位置的精度、采集數(shù)據(jù)的有效性和圖像重建的準(zhǔn)確性。

三、探測(cè)器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

工業(yè)CT所用的平板探測(cè)器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換可以分成直接或者間接轉(zhuǎn)換兩種方式。直接轉(zhuǎn)換型的FPD使用的是光導(dǎo)體材料，在x射線曝光后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)薄膜半導(dǎo)體陣列(Thin Film Transistoraray，TFT)存儲(chǔ)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字圖像。間接性轉(zhuǎn)換型FPD使用的是閃爍晶體。在x射線曝光后，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成為可見(jiàn)光，然后用稿光電二極管陣列，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并逐行取出轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

四、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要完成的基本工作是采集數(shù)據(jù)過(guò)程的掃描控制、CT圖像的重建和CT圖像的觀測(cè)、分析和管理。由此決定了計(jì)算機(jī)硬件和軟件的結(jié)構(gòu)與組成。

通常把完成CT圖像重建的計(jì)算機(jī)稱為主計(jì)算機(jī)。主計(jì)算機(jī)上應(yīng)當(dāng)裝有完整的系統(tǒng)操作的人機(jī)對(duì)話界面，能完成對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行所有的操作，并能反饋回全部系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的信息。主計(jì)算機(jī)要完成全部掃描數(shù)據(jù)的獲取，包括一部分重建之前的預(yù)處理，最后重建出CT圖像。醫(yī)用CT為了及時(shí)得到重建圖像，常常用專用的陣列處理機(jī)完成大量的重建計(jì)算。但是工業(yè)CT圖像一般用個(gè)人計(jì)算機(jī)就已經(jīng)可以滿足要求。目前CT算法中最大量的還是乘加運(yùn)算，同時(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量大，所以對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)的基本要求是運(yùn)算速度快和內(nèi)存容量大。優(yōu)質(zhì)顯卡中的GPU可以并行地完成浮點(diǎn)運(yùn)算，計(jì)算速度可以比直接使用個(gè)人計(jì)算機(jī)中的CPU明顯提高，近年來(lái)越來(lái)越多的人使用GPU提高CT圖像重建和處理的速度。

計(jì)算機(jī)軟件無(wú)疑是CT的核心技術(shù)，對(duì)于CT的性能有重大影響。計(jì)算機(jī)軟件尤其是圖像重建技術(shù)和圖像處理技術(shù)包含一些內(nèi)容十分廣闊的主題。需要指出的是數(shù)據(jù)采集完成以后，軟件的“活動(dòng)舞臺(tái)”也已經(jīng)確定，CT圖像的質(zhì)量已經(jīng)基本確定，不良的計(jì)算機(jī)軟件只會(huì)降低CT本來(lái)可以達(dá)到的圖像質(zhì)量，而良好的計(jì)算機(jī)軟件的作用僅僅是盡可能充分利用已有信息，得到盡可能好的結(jié)果。

五、輔助系統(tǒng)（輔助電源和安全系統(tǒng)）

一個(gè)工業(yè)CT系統(tǒng)的部件往往都自帶可以獨(dú)立使用市電的電源系統(tǒng)。但對(duì)于那些不能保證電壓穩(wěn)定或干擾嚴(yán)重的電網(wǎng)，就需要有專業(yè)的供電系統(tǒng)。

作為CT系統(tǒng)比較專業(yè)的問(wèn)題是輻射防護(hù)在應(yīng)用加速器的高能X射線CT系統(tǒng)的過(guò)程中，射線的防護(hù)措施更需要許多專業(yè)的知識(shí)，提供工業(yè)CT系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家應(yīng)當(dāng)提供盡可能詳盡的注意事項(xiàng)。在使用工業(yè)CT設(shè)備的過(guò)程中，需要考慮兩類安全防護(hù)問(wèn)題:一類是對(duì)操作人員的，特別要注意對(duì)泄漏或散射X射線的防護(hù)；另一類是對(duì)那些精密電子設(shè)備的防護(hù)，如晶體管類集成電路等一般都經(jīng)受不起很大劑量的照射。

以上是工業(yè)CT基本原理和系統(tǒng)的介紹，工業(yè) CT 技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)械、光學(xué)物理等多項(xiàng)技術(shù)，它可以保證被檢測(cè)物體在不被物理破壞的情況下獲得物體的斷層圖像，是目前發(fā)展國(guó)防科技、航空航天技術(shù)及大型項(xiàng)目必不可少的技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事、核能、石油、電子機(jī)械，新材料研究，考古等眾多領(lǐng)域。

了解工業(yè)CT的原理后，我們可以有的放矢選擇適合自己的工業(yè)CT設(shè)備，如是提高射線源的功率，還是擴(kuò)大探測(cè)器的面積，抑或是選擇CPU更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等等。

工業(yè)CT的原理并不復(fù)雜，但是由于工業(yè)CT是一個(gè)集合系統(tǒng)，如何將優(yōu)秀的子模塊組合成為一個(gè)強(qiáng)大的或是適合自我需求的工業(yè)CT設(shè)備，則需要專業(yè)的工程師的咨詢服務(wù)。