工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響
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時(shí)間：2013-04-09
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應(yīng)用閃爍體的分立探測(cè)器的主要優(yōu)點(diǎn)是：閃爍體在射線方向上的深度可以不受限制，從而使射入的大部分X 光子被俘獲，提高探測(cè)效率。尤其在高能條件下，可以縮短獲取時(shí)間；因?yàn)殚W爍體是獨(dú)立的，所以幾乎沒(méi)有光學(xué)的竄擾；同時(shí)閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片，降低了X 射線的竄擾。若將隔片向前延伸形成準(zhǔn)直器還可以擋住散射X 射線；分立探測(cè)器可以達(dá)到16～ 20 bits 的動(dòng)態(tài)范圍，而且不致因?yàn)樯⑸浜透Z擾性能降低。分立探測(cè)器的讀出速度很快，在微秒量級(jí)。同時(shí)可以用加速器輸出脈沖來(lái)選通數(shù)據(jù)采集，最大限度減小信號(hào)上疊加的噪聲。分立探測(cè)器對(duì)于輻射損傷也是最不敏感的。
分立探測(cè)器的主要缺點(diǎn)是像素尺寸不可能做得太小，其相鄰間隔(節(jié)距)一般大于0.1mm；另外價(jià)格也要貴一些。
有一些關(guān)于CdZnTe 半導(dǎo)體探測(cè)器陣列用于工業(yè)CT 的報(bào)導(dǎo)。半導(dǎo)體探測(cè)器俗稱(chēng)為固體電離室，由于本身對(duì)X 射線靈敏，無(wú)須外加閃爍體，這種探測(cè)器尺寸可以做得較小，沒(méi)有光學(xué)的竄擾。如果探測(cè)單元之間沒(méi)有重金屬隔片，仍然無(wú)法避免散射X 射線的影響。應(yīng)當(dāng)說(shuō)這是一種很有應(yīng)用前景的CT 探測(cè)器，但目前還有余輝過(guò)長(zhǎng)等一些技術(shù)問(wèn)題需要解決。
1.2.2.2 面探測(cè)器
面探測(cè)器主要有三種類(lèi)型：高分辨半導(dǎo)體芯片、平板探測(cè)器和圖像增強(qiáng)器。半導(dǎo)體芯片又分為CCD 和CMOS。CCD 對(duì)X 射線不敏感，表面還要覆蓋一層閃爍體將X 射線轉(zhuǎn)換成CCD 敏感的可見(jiàn)光。平板探測(cè)器和圖像增強(qiáng)器本質(zhì)上也需要內(nèi)部的閃爍體先將X 射線轉(zhuǎn)換成這些器件敏感波段的可見(jiàn)光。
半導(dǎo)體芯片具有最小的像素尺寸和最大的探測(cè)單元數(shù)，像素尺寸可小到10 微米左右，探測(cè)單元數(shù)量取決于硅單晶的最大尺寸，一般直徑在50mm 以上。因?yàn)樘綔y(cè)單元很小，信號(hào)幅度也很小，為了增大測(cè)量信號(hào)可以將若干探測(cè)單元合并。為了擴(kuò)大有效探測(cè)器面積可以用透鏡或光纖將它們光學(xué)耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測(cè)器的有效面積在一個(gè)方向上延長(zhǎng)到任意需要的長(zhǎng)度。使用光學(xué)耦合的技術(shù)還可以使這些半導(dǎo)體器件遠(yuǎn)離X 射線束的直接輻照，避免輻照損傷。
用半導(dǎo)體芯片也可以組成線探測(cè)器陣列，每個(gè)探測(cè)單元對(duì)應(yīng)的閃爍體之間沒(méi)有隔離或者在許多探測(cè)單元上覆蓋一整條閃爍體，具有面探測(cè)器的基本特征，除了像素尺寸小的優(yōu)點(diǎn)以外，其性能無(wú)法與分立探測(cè)器相比。圖像增強(qiáng)器是一種傳統(tǒng)的面探測(cè)器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜100μm，直徑152～457mm(6～18in)。讀出速度可達(dá)15～30 幀/s，是讀出速度最快的面探測(cè)器。由于圖像增強(qiáng)過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)漲落產(chǎn)生的固有噪聲，圖像質(zhì)量比較差，一般射線照相靈敏度僅7～8%，在應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)疊加的情況下，射線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點(diǎn)就是易碎和有圖像扭曲。
平板探測(cè)器通常用表面覆蓋數(shù)百微米的閃爍晶體（如CsI）的非晶態(tài)硅或非晶態(tài)硒做成。像素尺寸127 或200μm，平板尺寸最大約45cm（18in ）。讀出速度大約3～7.5 幀/s。優(yōu)點(diǎn)是使用比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有圖像扭曲。圖像質(zhì)量接近于膠片照相，基本上可以作為圖像增強(qiáng)器的升級(jí)換代產(chǎn)品。主要缺點(diǎn)是表面覆蓋的閃爍晶體不能太厚，對(duì)高能X 射線探測(cè)效率低；難以解決散射和竄擾問(wèn)題，使動(dòng)態(tài)范圍減小。在較高能量應(yīng)用時(shí)，必須對(duì)電子電路進(jìn)行射線屏蔽。一般說(shuō)使用在150kV 以下的低能效果較好。
面探測(cè)器的基本優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的——它有著比線探測(cè)器高得多的射線利用率，特別是適合于DR 成像，可以達(dá)到實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)照相。面探測(cè)器也比較適合用于三維直接成像。所有面探測(cè)器由于結(jié)構(gòu)上的原因都有共同的缺點(diǎn)，即射線探測(cè)效率低；無(wú)法限制散射和竄擾；動(dòng)態(tài)范圍小等。高能范圍應(yīng)用效果較差。
1.2.3 樣品掃描系統(tǒng)
樣品掃描系統(tǒng)形式上像一臺(tái)沒(méi)有刀具的數(shù)控機(jī)床，從本質(zhì)上說(shuō)應(yīng)當(dāng)說(shuō)是一個(gè)位置數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，從重要性來(lái)看，位置數(shù)據(jù)與射線探測(cè)器測(cè)得的射線強(qiáng)度數(shù)據(jù)并無(wú)什么不同。僅僅將它看成一個(gè)載物臺(tái)是不夠全面的，盡管設(shè)計(jì)掃描系統(tǒng)時(shí)首先需要考慮的是檢測(cè)樣品的外形尺寸和重量，要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和驅(qū)動(dòng)力來(lái)保證以一定的機(jī)械精度和運(yùn)動(dòng)速度來(lái)完成掃描運(yùn)動(dòng)。同樣還要考慮，選擇最適合的掃描方式和幾何布置；確定對(duì)機(jī)械精度的要求并對(duì)各部分的精度要求進(jìn)行平衡；根據(jù)掃描和調(diào)試的要求選擇合適的傳感器以及在計(jì)算機(jī)軟件中對(duì)掃描的位置參數(shù)作必要的插值或修正等等。
工業(yè)CT 常用的掃描方式是平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式和只旋轉(zhuǎn)(RO)方式兩種。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)后者比前者更為先進(jìn)。然而在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)說(shuō)是各有特點(diǎn)。只旋轉(zhuǎn)掃描方式無(wú)疑具有更高的射線利用效率，可以得到更快的成像速度；然而，平移—旋轉(zhuǎn)的掃描方式的偽像水平遠(yuǎn)低于只旋轉(zhuǎn)掃描方式；可以根據(jù)樣品大小方便地改變掃描參數(shù)（采樣數(shù)據(jù)密度和掃描范圍），特別是檢測(cè)大尺寸樣品時(shí)其優(yōu)越性更加明顯；源—探測(cè)器距離可以較小，提高信號(hào)幅度；以及探測(cè)器通道少可以降低系統(tǒng)造價(jià)便于維護(hù)等。該兩種掃描方式從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上還是有所不同的，有的系統(tǒng)聲稱(chēng)同時(shí)具有兩種掃描方式的大都還是基于RO 方式的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行TR 掃描時(shí)只是部分避免了RO 掃描的固有缺點(diǎn)——如消除年輪狀偽像，并且可以?huà)呙栎^大樣品，但是不一定能采用最佳幾何條件。
計(jì)算機(jī)軟件無(wú)疑是CT 的核心技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成以后， CT 圖像的質(zhì)量已經(jīng)基本確定，不良的計(jì)算機(jī)軟件只能降低CT 圖像的質(zhì)量，而良好的計(jì)算機(jī)軟件能充分利用已有信息，得到盡可能好的結(jié)果。
1.3 工業(yè)CT 的主要性能指標(biāo)
制造工業(yè)CT 最初的目的是解決用其他無(wú)損檢測(cè)方法檢查不出或檢測(cè)效果不佳的問(wèn)題。很自然，使用者最關(guān)心的顯然是用CT 能夠檢測(cè)出的各種缺陷的最小尺寸。然而由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性，各種實(shí)際條件下的缺陷難以嚴(yán)格描述。為了能比較不同CT 系統(tǒng)的性能引入了空間分辨率和密度分辨率的概念。
類(lèi)似空間分辨率和密度分辨率的概念，醫(yī)學(xué)界根據(jù)本身檢測(cè)特點(diǎn)常用高對(duì)比度分辨力和低對(duì)比度分辨力的概念。根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]，前者是指物體與勻質(zhì)環(huán)境的X 射線線性衰減系數(shù)的相對(duì)值＞10%時(shí)，CT 圖像能分辨該物體的能力；而后者是指物體與勻質(zhì)環(huán)境的X 射線線性衰減系數(shù)的相對(duì)值＜1%時(shí)分辨該物體的能力。
工業(yè)CT 的空間分辨率指的是該設(shè)備分辨相互緊密靠近物體的能力，用單位長(zhǎng)度上的線對(duì)數(shù)(lp/mm)來(lái)表示。常用線對(duì)卡或絲狀和孔狀測(cè)試卡進(jìn)行測(cè)定，但是用肉眼觀測(cè)測(cè)試卡測(cè)定的方法往往受到測(cè)試者的主觀影響，比較客觀的測(cè)定方法是我國(guó)軍標(biāo)[9] [10]推薦采用的MTF 方法。
空間分辨率要在兩個(gè)正交方向上測(cè)量：切片平面（x-y）內(nèi)和垂直于切片平面（x-y）的z 方向上。兩者有著巨大差異。
密度分辨率又叫對(duì)比度分辨率，是分辨給定面積上映射到CT 圖像上射線衰減系數(shù)差別的能力，和醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的低對(duì)比度分辨力的概念非常接近，取決于CT 圖像噪聲水平。前面已經(jīng)提到，低對(duì)比度可探測(cè)能力（LCD）是CT 和常規(guī)射線照相之間的關(guān)鍵區(qū)別，這個(gè)特性是CT 在臨床上迅速得到接受的一個(gè)主要因素。工業(yè)CT 的情況也差不多，材料中缺陷能否被發(fā)現(xiàn)主要取決于這一技術(shù)指標(biāo)，而不是空間分辨率。密度分辨能力的測(cè)定也可以用我國(guó)軍標(biāo)推薦的方法[10]，即統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)模體的CT 圖像上給定尺寸方塊CT 值，求出標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用三倍標(biāo)準(zhǔn)偏差為密度分辨能力表示95%以上的可信度。密度分辨能力也有一些傳統(tǒng)的測(cè)定方法，如利用部分體積效應(yīng)形成不同平均密度的方法，或制備不同密度的液體試件或固體試件的測(cè)試方法。但是液體試件多用鹽水制備，密度值往往與工業(yè)CT 檢測(cè)對(duì)象相差甚遠(yuǎn)；固體試件又往往因?yàn)槌煞植煌椛涿芏扰c材料密度有時(shí)并沒(méi)有簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系，同種材料（如石墨）本身各部分密度又未必均勻，都容易引起誤會(huì)，在實(shí)際應(yīng)用中需要特別注意。
除了上面兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)以外，特別需要提到的是CT 偽像。偽像的定義并不像我們能預(yù)期的那樣清楚。理論上，偽像可被定義為CT 圖像中數(shù)值與物體真實(shí)衰減系數(shù)之間的差異。盡管該定義足夠?qū)挘灾劣谀馨瑤缀跛蟹抢硐雸D像，但它沒(méi)有多少實(shí)際價(jià)值。因?yàn)楦鶕?jù)該定義，幾乎CT 產(chǎn)生的所有圖像都包含“偽像”。與常規(guī)的射線照相相比，CT 系統(tǒng)本質(zhì)上容易產(chǎn)生偽像。CT 圖像是由大量投影生成的，通常要使用大約106個(gè)獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)形成一個(gè)二維圖像。由于反投影過(guò)程的本質(zhì)是將投影中一點(diǎn)映射到圖像中一條直線，投影讀數(shù)的一個(gè)誤差不像常規(guī)射線照相的情形，不再限于局部區(qū)域。由于不準(zhǔn)確測(cè)量的結(jié)果就是表現(xiàn)為重建圖像中的誤差，所以CT 產(chǎn)生偽像的概率明顯更高。事實(shí)上，我們甚至可以進(jìn)一步斷言，CT 圖像中大部分像素都是以某種外形或形式出現(xiàn)的“偽像”。這些誤差或偽像對(duì)于檢測(cè)人員有些只是令人煩惱。有些則可能產(chǎn)生誤判。在實(shí)際應(yīng)用中，必須著重考慮的是那些影響檢測(cè)人員判斷的差異或偽像。
系統(tǒng)的運(yùn)行的不理想的條件自然會(huì)導(dǎo)致圖像上出現(xiàn)偽像，人們通常并沒(méi)有意識(shí)到CT 今天能夠成為一種可行的醫(yī)療設(shè)備（工業(yè)CT 也一樣）的真正秘密，既不是成千上萬(wàn)篇論文討論的重建算法，也不是令人“眼花繚亂”的圖像顯示方法，而是偽像的處理方法。換句話(huà)說(shuō)就是如果不能有效限制或降低偽像的水平，CT 圖像可能沒(méi)有任何實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
另外一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)是斷層圖像的平均生成時(shí)間，它主要是由掃描時(shí)間（采集數(shù)據(jù)）與計(jì)算時(shí)間（圖像重建時(shí)間）兩部分組成的，更廣義地還應(yīng)當(dāng)考慮改變切片位置和更換樣品的時(shí)間。前面已經(jīng)提到檢測(cè)速度相對(duì)比較慢，也就是速度低是工業(yè)CT 的一個(gè)主要缺點(diǎn)，這主要是因?yàn)橹亟〝鄬訄D像需要采集龐大的數(shù)據(jù)量更因?yàn)榇罅繑?shù)據(jù)的計(jì)算也需要相當(dāng)?shù)臅r(shí)間。但目前現(xiàn)代工業(yè)CT 使用高端個(gè)人計(jì)算機(jī)已可滿(mǎn)足要求，圖像重建所需要的時(shí)間相對(duì)于掃描時(shí)間幾乎可以忽略。通常工業(yè)CT 生成一個(gè)斷層圖像的時(shí)間要比醫(yī)用CT 長(zhǎng)得多，大概從以幾分鐘到幾十分鐘。
從原理上說(shuō)，CT 系統(tǒng)生成一個(gè)斷層圖像的時(shí)間與其空間分辨率和密度分辨率互相制約的，因此在實(shí)際應(yīng)用中往往只能折衷選取。
工業(yè)CT 的主要技術(shù)指標(biāo)還有很多，如軟件功能，放射性劑量和系統(tǒng)安全性都十分重要，由于篇幅所限，不再贅述。
2.工業(yè)CT 技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響
綜上所述密度分辨能力比起空間分辨能力更為重要。然而人們總是特別關(guān)注空間分辨能力，所以我們還是從空間分辨率開(kāi)始。正如大家所知道的，CT 的空間分辨率主要取決于射線源焦點(diǎn)的尺寸、探測(cè)器孔徑和幾何條件；整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的精度、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和重建算法也有一定影響。前者決定了CT 系統(tǒng)空間分辨能力的極限，前者和后者共同的作用決定了系統(tǒng)實(shí)際能夠達(dá)到的空間分辨能力。
2.1 空間分辨率
首先自然想到的是盡量減小探測(cè)器的尺寸，因?yàn)樯渚€源的選擇余地似乎不大。毫無(wú)疑問(wèn)減小探測(cè)器尺寸或更精確地說(shuō)減小探測(cè)器有效孔徑可以使系統(tǒng)空間分辨率提高，但是需要深入一點(diǎn)定量地考察各種參數(shù)的影響。我們可以從分析射線等效束寬計(jì)算公式開(kāi)始，因?yàn)樯渚€等效束寬BW 從物理上確定了系統(tǒng)可能達(dá)到的極限分辨率(圖2)。
圖2 射線等效束寬計(jì)算
d ——探測(cè)器孔徑；
M ——幾何放大倍數(shù)；
M = L / S ；
D——探測(cè)器到旋轉(zhuǎn)中心距離；
L ——射線源到探測(cè)器距離；
S ——射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離。
令 A = D/L；B = S/L=1/M；C=d/a
式中 A ——探測(cè)器的幾何等效倍率
B ——射線源的幾何等效倍率
C ——探測(cè)器孔徑與射線源尺寸之比
則式(2)可改寫(xiě)為：
表1 不同幾何條件下的射線等效束寬（BW/a）的值 
從圖3 中可以看出，在射線源尺寸一定時(shí)，減小探測(cè)器孔徑d 可以減小射線等效束寬BW，也就是提高了系統(tǒng)的空間分辨率。同時(shí)我們還可以看出減小探測(cè)器孔徑的時(shí)候，射線等效束寬BW 減小的倍率與L/D 密切相關(guān)。L/D 較小時(shí)，BW 的減小并不顯著；只有L/D 較大時(shí)，探測(cè)器孔徑減小，BW 才有顯著的變化。即當(dāng)樣品的旋轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)離探測(cè)器的時(shí)候，減小探測(cè)器孔徑或者直接減小探測(cè)器的尺寸并不能有效地提高系統(tǒng)空間分辨率，只有當(dāng)樣品的旋轉(zhuǎn)中心足夠地靠近探測(cè)器的時(shí)候，減小探測(cè)器孔徑或者直接減小探測(cè)器的尺寸才能有效地提高系統(tǒng)空間分辨率。還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象是：當(dāng)d/a 為0.4～0.5 附近時(shí)，當(dāng)L/D≥4 以后，BW 幾乎與L/D 沒(méi)有關(guān)系，也就是說(shuō)旋轉(zhuǎn)中心的遠(yuǎn)近與空間分辨率幾乎沒(méi)有關(guān)系。 全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
評(píng)論