工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對性能指標的影響
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用戶的使用技術(shù)要求顯然是整個訂購工業(yè)CT 產(chǎn)品的基點。屬于使用技術(shù)要求的內(nèi)容大致有以下方面：
⑴檢測對象的大小、形狀、重量和材料組成；
⑵基本功能， 包括斷層成像（CT）、數(shù)字成像（DR）、實時成像（RTR）、和傳統(tǒng)膠片照相（FR）。
⑶主要檢測目標，包括材料內(nèi)部缺陷（還應(yīng)區(qū)分缺陷類型，如氣孔、夾雜、疏松、裂紋、脫粘等）、材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如分析生物材料孔隙率或分布）、零件內(nèi)部尺寸（如渦輪發(fā)動機葉片）、整機或部件內(nèi)部裝配情況。
⑷對這些主要檢測目標的要求是，如檢測材料內(nèi)部缺陷，還應(yīng)提出各種缺陷的檢測靈敏度；如檢測零件內(nèi)部尺寸，應(yīng)提出檢測靈敏度和精確度。；
⑸檢測工件數(shù)量或檢測速度要求，檢測速度可以進一步考慮掃描時間、圖像重建時間、調(diào)整切片位置時間、更換檢測樣品時間。
⑹專門要求。如防爆、必要工裝或樣品檢測姿態(tài)，對接觸檢測對象有無特殊要求，如生物樣品或者工件某些位置要避免接觸或夾持等。
⑺設(shè)備運行和檢測結(jié)果，包括用戶界面、檢測結(jié)果的提供方式和格式、專門的圖像顯示及圖像后處理要求或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)處理軟件、資料文檔管理和檢測報告形式。
⑻放射性劑量和其他安全問題，應(yīng)當符合國家或行業(yè)的有關(guān)標準或法規(guī)。
⑼預(yù)期壽命和維護周期等，尤其應(yīng)當關(guān)注射線源壽命或某些成像器件的輻射損傷。
⑽設(shè)備使用條件，如場地、環(huán)境溫濕度要求，電源負荷及穩(wěn)定性要求等。
以上都是購買者的基本要求。不過一臺工業(yè)CT 顯然還有很多重要的問題，如射線源（加速器還是X 射線機，最大能量、束流強度甚至生產(chǎn)廠家等等）、輻射探測器（類型、閃爍體材料、尺寸、探測單元數(shù)量等）、準直器（材料、式樣、尺寸等等）、電子電路（如A/D 變換位數(shù)、數(shù)量、型號等等）、機械掃描系統(tǒng)（加工精度、絲杠導(dǎo)軌技術(shù)參數(shù)等）、掃描電控系統(tǒng)（采用驅(qū)動電機或位置傳感器的種類或技術(shù)參數(shù)）、計算機硬件（CPU 數(shù)量、速度、型號，內(nèi)存大小等）、計算機軟件（重建算法、通訊方式等）。
可能還有許多購買者關(guān)心的其他重要問題。這一類主要是涉及設(shè)計制造者為滿足購買者使用要求應(yīng)當考慮或選擇的技術(shù)方案的問題，購買者的任務(wù)只是審查設(shè)計制造者所選用的技術(shù)方案能否“適應(yīng)”希望達到的目標。但是有時購買者為了保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，事先對上述這一類內(nèi)容作了許多限定，替制造者完成了不少具體設(shè)計，可是這樣做的結(jié)果很可能事與愿違，甚至對系統(tǒng)設(shè)計帶來負面影響。應(yīng)當說一般的購買者并不具備設(shè)計CT系統(tǒng)的能力，他們的設(shè)計往往是東拼西湊某些廠商的技術(shù)方案而成的，并不一定是最適合于實際檢測任務(wù)要求的技術(shù)方案。在這些問題上應(yīng)當留給設(shè)計制造者一些空間，發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，而不要讓設(shè)計者的工作僅僅變成一個簡單的加工過程。購買者如果特別關(guān)注某些部件，完全有可能把這些關(guān)注轉(zhuǎn)化成對于產(chǎn)品性能的要求，合理地向制造者提出。歸根到底購買的是一臺設(shè)備，而不是某一公司的某種零件或部件，即便是這些部件何等關(guān)鍵或重要，也一定能在總體性能上體現(xiàn)出來。購買者要更多關(guān)注的應(yīng)該是設(shè)計制造者是怎樣通過具體技術(shù)方案來滿足用戶對產(chǎn)品性能的要求，如果達到這些要求的道路不止一條，下面的任務(wù)就是全面地判斷它們的優(yōu)劣，決定取舍。
驗收工作也是非常復(fù)雜的，這是因為CT 產(chǎn)品的各項技術(shù)指標的測定本身比較復(fù)雜。應(yīng)當在購買者和提供者最初簽訂合同時給于足夠細致的考慮才能減少最后的麻煩。
作為使用者顯然最希望用實際的缺陷（假定用戶的CT 系統(tǒng)主要檢測目標是材料內(nèi)部缺陷）來檢驗系統(tǒng)的能力，也可以肯定地說這是最好的檢驗方法，在可能時應(yīng)當盡量采用接近實際的試樣檢測實際的缺陷。然而完全與實際缺陷一致的標準樣品實際上往往很難制作，很多情況下制作的帶有缺陷的“標準樣品”與實際情況相差甚遠，檢測結(jié)果僅有參考意義。另一方面，相對說來被典型化的技術(shù)指標——如空間分辨率和密度分辨率還更加能夠比較客觀地反映CT 系統(tǒng)的真實性能，更容易比較出工業(yè)CT 產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。雖然國內(nèi)外關(guān)于工業(yè)CT 的空間分辨率和密度分辨率的測定方法都還沒有強制性的標準，但是有一些已被業(yè)內(nèi)普遍認可的方法應(yīng)當優(yōu)先選用，這些方法有的被列為企業(yè)內(nèi)部標準，有的被列為被標準推薦的方法。例如，測定CT 的空間分辨率采用均勻圓盤或線對測試卡的MTF 方法，測定CT 的密度分辨率采用均勻圓盤的CDF 函數(shù)法、固體或液體密度差試件和利用部分體積效應(yīng)的空氣隙試塊法等。上述種種方法雖然可能沒有簡單的對應(yīng)關(guān)系，測試結(jié)果也不一定完全一致，但不是相互排斥的?？梢栽诤贤羞x定一種或幾種驗收方法，同時應(yīng)當規(guī)定具體測試條件，使得供求雙方對產(chǎn)品技術(shù)指標達成真正的共識。
還有一些經(jīng)驗的方法可以參考[11]。例如，檢測主要目標在于發(fā)現(xiàn)夾雜等細?。ㄈ? 個像素）的高對比度缺陷，在背景均勻的情況下，其圖像對比度只要高于單個像素平均噪聲5～6 倍就可以被識別。如果感興趣區(qū)內(nèi)圖像噪聲水平是2%，小的缺陷至少要有大約10%的對比度才能被識別。再假定檢測主要目標在于鑒別大面積（如400 個像素）的微小輻射密度變化，在背景均勻的情況下，可以識別的密度變化等于3 倍單個像素平均噪聲除以像素數(shù)的平方根。如果感興趣區(qū)內(nèi)圖像噪聲水平還是2%，上述面積內(nèi)0.3%（= 3* 2%/ 400 ）的密度變化可以被識別。從上面的實例可以更進一步了解到一臺工業(yè)CT 的檢測能力與系統(tǒng)噪聲的關(guān)系是多么密切。作為參考，有人這樣來評價CT 系統(tǒng)的優(yōu)劣，圖像噪聲水平低于1%的為優(yōu)，圖像噪聲水平等于2～4%的為好，圖像噪聲水平等于5%的算中等，圖像噪聲水平大于10%的為差。
因為CT 是一種包含復(fù)雜技術(shù)的產(chǎn)品，而且大體上是非標準產(chǎn)品。所以選購CT 與普通商品有一個較大的區(qū)別就是要在性能——價格的平衡問題上給予更多關(guān)注。購買者首先應(yīng)當在以下幾個選擇中確定自己的目標：性能最好的、價格最貴的、最適合使用的或者最新奇有創(chuàng)意的。如果我們打算選購一臺最適合使用的工業(yè)CT 設(shè)備，那么就要注意避免陷入以下常見的幾個誤區(qū)。
最常見的就是“貪大求高”。不少用戶總希望CT 系統(tǒng)能夠檢測盡可能大的樣品，或者考慮到以后可能的發(fā)展，提出的最大檢測工件尺寸遠遠大于主要或經(jīng)常需要檢測的工件尺寸。購買者應(yīng)當意識到，尺寸的加大一般都要帶來成本的提高，購買者也應(yīng)當明白這種增加的成本歸根到底都是由購買者自己來承擔的；購買者往往不大容易意識到的是：檢測工件尺寸的增大總是要以技術(shù)指標的下降為代價的。
首先考慮一下空間的布置。容易理解，在射線源對于樣品的使用張角α 固定的條件下，樣品越大，只能放得越遠；射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離越大，射線源到探測器的距離也越大。射線源到探測器的最小距離
S ——射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離
計算出各種張角條件下射線源到探測器的最小距離與樣品半徑的關(guān)系，結(jié)果如圖5 所示。
圖5 射線源到探測器的最小距離與樣品半徑的關(guān)系
“求高”就是追求高的技術(shù)指標也是一種傾向。且不說很多過高的指標目前國內(nèi)外的技術(shù)都根本達不到，就算可以做到，也必然帶來成本的增加。例如機械加工的精度提高到一定程度以后，再繼續(xù)提高將帶來成本大幅度增加。訂購CT 產(chǎn)品時一定要事前在性能和費用之間考慮折中，這里包括各部件之間性能費用的折中，一般情況下某一部件費用的提升必然帶來其他部件費用的緊縮。
有一種傾向是離開實際需要，片面追求個別的高指標更為有害，最典型的就是片面追求高空間分辨率。前面已經(jīng)分析過，空間分辨率，密度分辨率和一個斷層圖像的平均產(chǎn)生時間這三項技術(shù)指標是互相制約的，一項指標的提高可能帶來其他指標的降低。對于空間分辨率也有一個認識上的誤區(qū)。有人以為探測器越小空間分辨率就一定更高，探測器數(shù)量越多系統(tǒng)越先進。這就使有些本來不適合使用面探測器，尤其是半導(dǎo)體芯片探測器的場合使用了這些探測器，不僅影響了總體性能，空間分辨率也沒有達到預(yù)想的結(jié)果?？雌饋砩厦娴恼f法似乎不合邏輯，在這里值得注意的是理論空間分辨率的極限與實際系統(tǒng)在特定條件下空間分辨率并不永遠有良好的對應(yīng)關(guān)系。如前面已經(jīng)分析過的，決定系統(tǒng)理論空間分辨率的因素并不僅僅探測器寬度一項，還有別的因素；同時任何實際的測量都是在存在系統(tǒng)噪聲的條件下進行的，探測器越小通常帶來的是信噪比低，可以想象淹沒在噪聲中的圖像如何分辨細節(jié)呢？這樣上面的結(jié)論在很多實際情況下就合乎邏輯了。為了幫助理解這個問題，我們還可以數(shù)碼相機為例，一般說來相機好壞主要看鏡頭質(zhì)量和芯片尺寸大小，并不簡單地是像素越多相機就越好；一般情況下在像素數(shù)目相同時，芯片尺寸越大越貴，也就是單個成像單元尺寸越大越好。毫無疑問，最后照片的清晰度是照相機的價格和質(zhì)量的最基本因素。
第二個誤區(qū)在于對現(xiàn)有工業(yè)CT 能力的了解不夠。雖然工業(yè)CT 的歷史與醫(yī)用CT 的歷史相差不多，由于工業(yè)CT 實際應(yīng)用的多樣性和復(fù)雜性，加上兩種CT 投入的研究力量和資金總量對比懸殊，工業(yè)CT 還遠沒有醫(yī)用CT成熟。目前工業(yè)CT 的應(yīng)用還比較有限，只是在某些領(lǐng)域取得了很成功的應(yīng)用，至于在一些有潛力而其他檢測方法無能為力的領(lǐng)域則還要不斷努力才能取得新的突破。
另外要意識到對于工業(yè)CT 設(shè)備，不可能在一次檢測中或一種工作條件下，使空間分辨率，密度分辨率和斷層圖像產(chǎn)生時間這三項技術(shù)指標上同時達到該設(shè)備的最高指標。由于工業(yè)CT 的很多技術(shù)指標是隨測試條件變化的，設(shè)備說明書給出的技術(shù)指標都是在特定的測試條件或買賣雙方所協(xié)商一致的條件下得到的，并不是任何條件下一成不變的。比起設(shè)備說明給出的指標，樣品實際指標有的會高一些，有的會低一些；甚至對于同一樣品，選用不同測試參數(shù)結(jié)果也不盡相同。例如，同一設(shè)備檢測較大的樣品得到的“絕對”技術(shù)指標就會比檢測較小的樣品時低一些，用檢測小樣品的要求檢測大樣品是不現(xiàn)實的，這是由物理學或數(shù)學等客觀存在的自然規(guī)律所決定的。從使用的角度考慮人們更應(yīng)關(guān)心的是接近于實際使用時的技術(shù)指標；同時也應(yīng)當優(yōu)先接受公認的一些標準測試條件，便于對不同設(shè)備進行性能比較。要避免簡單地從孤立的個別數(shù)字上判斷系統(tǒng)的優(yōu)劣?？偟恼f來，在考察生產(chǎn)廠家提供的CT 圖像時，應(yīng)當特別注意測試設(shè)備型號和技術(shù)條件。在這里特別希望提醒用戶們注意近年來國內(nèi)許多廠家，也包括一些國外公司提出的技術(shù)指標已經(jīng)遠遠高于技術(shù)上在國際領(lǐng)先的某些美國著名企業(yè)的事實。如果確實如此當然是大好事，但是用戶還是應(yīng)當從技術(shù)上考察一下支持這些指標的技術(shù)基礎(chǔ)。至于有的廠商把不是同一種工作條件下，甚至不是同一臺設(shè)備測得的技術(shù)指標或圖像放在一起，不加說明，魚目混珠，屬于商業(yè)利益驅(qū)動有意誤導(dǎo)用戶的行為，千萬不要上當。
還有一個對于三維圖像的認識問題。應(yīng)當說CT 從二維圖像向三維發(fā)展是一個方向。在螺旋和多層CT 出現(xiàn)以后，尤其是醫(yī)學領(lǐng)域，無論在三維圖像數(shù)據(jù)獲取還是三維圖像的利用方面都取得很大成就。近年來工業(yè)CT 對三維的關(guān)注顯然也大大增加，也取得了明顯的進展。不少地方提出“反向工程” 技術(shù)或“先進制造”等概念，如果能夠?qū)崿F(xiàn)絕對是意義重大的。然而分析一下醫(yī)學領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用的特點，就會發(fā)現(xiàn)一些問題。醫(yī)學診斷關(guān)心的尺度在mm 量級，而工業(yè)應(yīng)用往往要求到0.01mm 量級，甚至μm 量級；從醫(yī)學診斷的目標來說最大的就是人體，而工業(yè)應(yīng)用的對象一般都是100 mm 量級或者更大。僅數(shù)據(jù)量這一點就可以看出兩者相差好幾個量級，工業(yè)領(lǐng)域的難度可想而知。所以說 “反向工程”等問題在目前還只有演示意義。在三維領(lǐng)域已經(jīng)取得的成就似乎有：對較輕材料的檢測對象，用面探測器進行三維直接重建，可以大大縮短成像平均時間；或者進行三維圖像的各種立體演示，或某種程度的內(nèi)部缺陷檢測，雖然由于面探測器固有的缺點，圖像質(zhì)量可能受到某些限制；也可進行部件的內(nèi)部裝配情況顯示等。目前還有模仿醫(yī)用螺旋CT 原理研制安檢應(yīng)用的三維CT 的工作，希望未來在查毒和危險品方面得到應(yīng)用等。綜上所述，工業(yè)CT 仍在不斷發(fā)展，用戶應(yīng)當考慮本身實際需要提出適當?shù)囊蟆?
因為工業(yè)CT 的檢測比較費時，在實際操作中往往不可能作到“無遺漏”的檢測。而數(shù)字化照相即DR 的檢測速度快得多，于是出現(xiàn)了一種說法：先用DR 檢測樣品，發(fā)現(xiàn)缺陷或可疑處再用CT 檢測。這種說法不夠確切。用DR 發(fā)現(xiàn)缺陷或可疑后再用CT 檢測，固然可以更進一步精確地測定缺陷的位置和性質(zhì)。但是DR 并不能發(fā)現(xiàn)全部CT 可能發(fā)現(xiàn)的缺陷，也不能給出輻射密度的精確數(shù)值從而發(fā)現(xiàn)材料中密度的微小變化。如果不是這樣，CT存在的價值就值得懷疑了。
最后一個問題就是掃描方式的選擇，前面已經(jīng)對平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式和只旋轉(zhuǎn)(RO)方式的掃描方式做了一些分析。應(yīng)當指出，認為只旋轉(zhuǎn)(RO)方式要比平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式先進的看法可能也是認識上的一個誤區(qū)。暫且不說TR 方式能從根本上消除RO 方式難以避免的年輪狀偽像，比較適合于園對稱的回轉(zhuǎn)體的檢測，也不說探測器數(shù)量顯著減少帶來的成本降低和容易維護，就是對一般認為屬于RO 方式優(yōu)點的射線利用率高也要做具體分析。對于一個樣品尺寸變化范圍大的CT 系統(tǒng)，在檢測小樣品時，大部分探測器獲取的數(shù)據(jù)是無用的，射線利用率大打折扣。同時由于只利用了少量探測器，有可能引起正弦圖上位移方向數(shù)據(jù)量不足。雖然可以用探測器微動的方法插值做一些補救，但是RO 掃描方式檢測速度快的優(yōu)勢就要大打折扣。此外，為了控制探測器的數(shù)量并保證最佳的幾何條件，只旋轉(zhuǎn)(RO)方式的射線源到旋轉(zhuǎn)中心的距離要比平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式大，又使CT 系統(tǒng)的優(yōu)良度有所降低。綜上所述，孰優(yōu)孰劣還是要具體問題具體分析。
總之，選購工業(yè)CT 產(chǎn)品時一定要從實際需要出發(fā)，盡可能加深對工業(yè)CT 的理解，了解各個組成部分的作用以及具體怎樣影響到CT 產(chǎn)品的性能指標。這樣才可以減少盲目性，加強科學性，促使我國工業(yè)CT 的應(yīng)用更加健康順利地發(fā)展。(end) 全息投影相關(guān)文章:全息投影原理
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