（粒子物理与原子核物理专业论文）X射线工业CT物理设计及图像重建.pdf

摘要工业CT技术，具有直观、准确、无损伤等特点。其原理主要是:射线 通过扫描工件得到断层投影值，由图像重建算法重建出断层图像。工业CT是 在无损状态下检测物体断层的灰度图像，以其灰度值来分辨被检测断层内部 的缺陷、几何结构、材质种类等。理论上工业CT检测不受检测物体的材料、形状和表面状况的影响，可以精确地给出检测物体的二维及三维图像，是目 前国际上公认的最佳无损检测手段。目前医用CT技术已经发展成熟，完全商业化，而八十年代开始的工业 CT技术在国内外虽然有一定的进展，但在工业应用中还有存在很多问题。为了进一步应用和发展工业CT技术，本文在前人的基础上，对X射线工业 CT物理设计的某些方面进行了研究。研究的主要内容包括工业CT的系统结 构；X射线源的性能参数设计及选用；机械扫描系统的设计及性能参数的选 择；探测器系统中的探测器种类选择、探测器阵列的组成方式；扫描方式的 选择；准直器的设计；空间分辨率、成像时间等CT系统性能参数的计算分 析。经过工业CT各个部分及整体性能的设计分析，设计了一套250keV能量 的X射线机工业CT系统。目前工业CT系统一般采用完全投影数据的滤波反投影(FBP)重建算 法，但在实际中由于某些客观因素无法检测完全的投影数据，使得该算法失 效。而ART算法将图像重建问题转化为求解线性方程组，当投影数据不完全 时，可以看作是缺少了一些方程，如果方程组有解，通过迭代逼近的方法，可以求解方程组。因而该算法适合于不能获得完备投影数据场合的图像重 建。本文在介绍ART算法的基础上，对ART算法权因子的计算进行了研究，得出了一种切实可行的权因子算法；通过C语言编程在VC平台下对该权因 子计算算法的进行了仿真验证，实验结果表明：通过siddon改进算法与快速 算法的图像重建比较，得出两种算法权因子计算时间相当，siddon改进算法 重建时间为快速算法的1/2,并且它们重建的图像质量也相当。因此，在重 建效率上，siddon改进算法是快速算法的2倍。兰州大学硕士毕业论文关键词：工业CT无损检测图像重建迭代算法ART X射线权因子H摘要AbstractIndustrial CT technol og y has the characteristics of direct,precise,nondestructive,etc.Its principl e is that we can g et main faul ts projection val ue throug h scanning the workpieces and then reconstruction faul t imag es throug h a certain imag es reconstructed al g orithm.Industrial CT can detect g ray imag e of objects faul t under nondestructive detection faul t condition,with using its g rayscal e val ue to disting uish detected the internal defects,g eometrical structure,material,etc.Theoretical l y,industrial CT testing is not affected by the material s,shape and surface conditions of the tested object.It al so can precisel y g ive object detection of two-dimensional and three-dimensional imag es,which has been recog nized the best means of nondestructive ex amination now in the intemational ity.Now,medical CT technol og y and ful l y commercial ization.Whil e industrial CT technol og y have a l ot of probl ems in industrial appl ications thoug h it have g otten some prog ress at home and abroad since the 1980s.In order to devel ope and appl y of the industrial CT technol og y further,we have studied some aspects of the physical desig n of X-ray industrial CT based on the works of the prior.The main contents incl ude the structure of industrial CT system,the desig n and sel ection of X-ray source parameters,the desig n of mechanical scanning system and sel ection of performance parameters,the sel ection of detector probe system type,the detector array and scanning mode,the desig n of col l imator,the cal cul ation and anal ysis of CT system performance parameters such as spatial resol ution,density imag ing resol ution and imag ing time,ect.After we anal yse and desig n the unity as wel l as al l parts of industrial CT,we have decided to desig n the industry CT system with 250keV energ y X-ray machine.At present,practical industrial CT system usual l y adopts fil tered backprojection(FBP)al g orithm which asked ful l y projection data to reconstructin兰州大学硕士毕业论文the imag e.Because of some objective factors,we usual l y can not g et ful l projection data in real ity,so this method is not used.Whil e the ART al g orithm sol ve that perfectl y by transl ating imag ing reconstruction probl em into sol ving l inear equations.When the projection data is not ful l,we can see it as l acks some equations.If there is sol ution for the equations,we can cal cul ate it by using the approach of iterative al g orithm.So this approach is appropriate for imag ing reconstruction,when we do not g et ful l projection data.In this paper,we studied ART al g orithm as wel l as its weig ht factor on the former work.In this content,weig ht factor was studied in order to find an optimal weig ht factor al g orithm.We simul ated the al g orithm factor throug h C l ang uag e prog ramming in the VC pl atform.The ex perimental resul ts have shown that the compute time of weig ht factor of siddon-improve al g orithm is equal to that of fast al g orithm.But reconstruction time of siddon-improve al g orithm is hal f that of the fast al g orithm whil e their imag e qual ity are quite the same.Therefore,the efficiency of reconstruction of siddon-improve al g orithm is doubl e that of fast al g orithm.Keyword:Industrial CT,Nondestructive ex amination,Imag e reconstruction,Iterative Al g orithm,ART(Al g ebraic reconstruction technique),X-ray,Weig ht factor原创性声明本人呈交的学位论文X射线工业CT物理设计及图像重建,是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文 所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：对御%日期:利八匚玷关于学位论文使用授权的声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产 权归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论 文的规定，同意学校保存或者向国家有关部门或机构送交论文的 纸质版和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入相关数据库进行检索，可 以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署 名单位仍然为兰州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。论文作者签名：河商 为 导师签名:卜耳 日期：M.S、/第一章绪言第一节CT历史简介1895年11月，伦琴发现了 X射线；1896年贝克勒尔发现了 Y射线。从此射线检测技术便应运而生。最初的射线检测技术是X射线照片照相技术，这种技术也是目前医学 中最常用的射线检测技术之一。随着科学技术的发展，又相继出现了Y射线 照相技术、中子照相技术、X射线实时成像(RTR)及计算机层析成像技术(Computed Tomog raphy),其中计算机层析成像技术简称CT。1921年Bocage描述了一种只对感兴趣平面a成像清楚，a平面的上下 平面成像模糊的设备。此种设备利用了射线源移动平面与探测器平面反向同 步移动的原理，如图1所示，他的这些工作奠定了传统断层成像技术的发展 基础。射线源移动平面图1经典断层成像术原理图图1中，射线源移动平面与探测器平面同步反向移动，在探测器平面 兰州大学硕士毕业论文中检测到成像平面a上A、B点几何关系一致，而成像平面上平面的c点与 下平面的d点经过探测器平面检测后，几何关系发生变化，因此成像会变模 糊。投影图像重建的实验工作可以追溯到1940年叱但由于当时的计算机 技术比较落后，所以发展比较缓慢。1967年，英国EMI中心研究实验室的/fos/Ve/d开始了第一台临床 CT的研制，而第一台实验室扫描机也于当年完成。在当时，由于射线源强 度低，需要9天时间才能完成一幅图像的数据采集；由于计算机速度慢，用 迭代法重建图像求解28000个联立的方程需要2.5ho随着CT技术的发展，新的图像重建算法、高强度的X射线源及高性能 的探测器不断得到应用，扫描时间由原来的几天减少到一小时以内，重建时 间也大幅度提高，一幅256X256像素的图像重建时间一般不会超过Imino第二节CT的应用及前景2.1 CT的应用在医学应用领域中，有着长久的历史，并且门类齐全。同时CT技术也 被广泛应用于航空、航天、军事工业、核能、石油、电子、机械、新材料研 究、海关及考古等多种领域，检测对象包括导弹、火箭发动机、军用密封组 件、核废料、石油岩芯、芯片、精密铸件和锻件、洗车轮胎、陶瓷复合材料、海关毒品、考古化石等。较其它无损检测技术，CT成像技术密度分辨率高 并且没有重叠信息，因此被称为最佳的无损检测手段。医用CT种类繁多,如心脏CT、脑CT、肺CT。在医学中的应用主要 侧重于扫描时间短，这样病人所受的照射少，并可把做周期运动的器官看作 静止不动，如用于心脏成像的CT扫描一幅图片仅需100ms：另外医用CT所 用的射线源能量低，一般使用管电压低于150kV的X射线源，而且所用的X 射线管是脉冲式的（这仍然是为了减少病人所受的辐射剂量到最低）;为了 防止病人在扫描过程中受到运动损伤，医用CT的扫描平台（床）固定不动，2第一章绪声即病人固定。工业CT与上所述的相反。CT技术在无损检测方面也有着广泛的应用。在上世纪八十年代美国就 曾花费数百万美元研制工业CT，用于检测军用的火箭发动机。现在，CT技 术可以检测各种密度高、厚度大的材料，如钢板焊缝的无损检测、水泥制品 质量的检查、电力电容器质量的检验等。这种检测手段可以确保各种材料在 使用之前得到最严格的检查，大大提高了现代汽车、飞机、导弹等一系列的 军用民用的产品质量。目前，我国正大力发展核电站，而作为核电站核心的 反应堆的监督检测，是核电安全发展的重中之重，先进的工业CT技术可以 通过作出它的三维图来实时精确的检测反应堆的运行状况，及早地发现并消 除安全隐患。另外，CT技术也频繁用于考古、宝石鉴定等活动，它可以在 不破坏文物、宝石的情况下构造出其内部结构，从而确定它们的成份组成、结构以及它所发生的化学物理变化等。CT技术还可以用于农林业的发展，目前已经生产出可以测量活树的移 动式CT,这种CT可清楚的检测出活树的年轮及含水状况，使得我们可以在 不破坏植物的情况下了解植物的状况。从而评估化学工厂、发电厂等对森林 生态环境的影响。此外，CT技术在地球物理方面也有着重要的应用。随着CT技术的发展，它在地球资源勘探、地震预测、地质构造等方面有着非常重要的作用，特别 对地震预报将越来越准确。目前，地球进入地壳活动期，地震越来越频繁，对地震预测的要求越来越高，也越来越迫切。2.2 CT的发展状况及前景我国从二十世纪九十年代初开始引进和研究工业CT技术。到目前为止，我国的CT技术取得了一定的进展。1988年清华大学研制成国内第一个Y射 线工业CT试验装置；1990年清华大学与北京航空材料研究所合作研制成 国内第一台X射线工业CT试验系统；2000年清华大学将高能工业CT列 入重大科研项目，进行国产化论证，并经过几年的努力，高能工业CT的试 验研制取得了巨大成功；重庆大学也研发了用于实验室原理展示的CT系统。3兰州大学硕士毕业论文30多年来，从微焦点X射线源的高分辨CT系统到加速器射线源大型工业CT 系统；从线探测器阵列的高性能工业CT系统到采用面探测器的三维直接成 像的工业CT系统，我国工业CT的研制和应用取得了明显的进步。相对而言，国外的发展比国内要早。70年代末到80年代中期，以 工人松r的教授为首的一批美国科学家（同时作为SMS公司和IDM公司的 主要负责人）先后推出了两个系列的工业CT产品（CITA200系列和IRISTM 系列）。现在美国EIR公司则推出了 ACTIS、REDAPT、KCT-AC-TIS等一系 列的X射线工业CT产品，加拿大原子能公司推出AECL系列产品，德国西门 子公司也推出了它们的产品，俄罗斯Indirotrs公司推出了一系列的X射线 工业CT产品，日本东芝公司推出了 T0SCANNER-3000、4000、以及20000 系列，日立公司已推出了 X射线工业CT产品等等。在最新应用方面，CT 技术已成功应用于地质中石油渗流过程的动态检测、工业生产中实时监测控 制等，同时工业CT技术与CAD/CAM结合起来的应用也得到了很大程度的发 展。在性能技术指标上，X-CT的空间分辨率已达到201p/mnb可检测出 0.5mm的气孔，可分辨出约0.025Xl X3mm的裂纹，同时，密度分辨率也可 达到0.5%在以Y射线作为射线源的工业CT中，空间分辨率可达 0.25mm-1mm,可以检测到尺寸为0.Imm?的孔隙、宽度为0.025mm的裂纹。现在，CT技术正朝着更短的扫描时间、更快的成像速度、更高的空间 分辨率及密度分辨率方向发展。小体积、大功率的驻波式直线加速器；低噪 声、高效率的阵列固体探测器；快速的图像重建算法；多源、多探测器阵列 技术等已逐渐成为工业CT中最新的研究方向。第三节CT的基本原理我们知道，当射线穿透均匀物体时会与物体发生相互作用，射线随穿 透厚度按指数规律衰减：（1）式中，为射线的初始强度，/为射线穿透物体后的强度，x为 4第一章绪者射线所穿过物体的厚度，”为物体的线性衰减系数(它决定于射线与物体相 互作用的关系)。工业CT中主要考虑的相互作用有：光电效应、康普顿效应及电子对效 应。线性衰减系数与上述三种相互作用的截面成正比：(2)(2)式中，b的下标夕力、c、0分别表示光电效应、康普顿效应、电子对效 应的截面。其中，光电效应指的是：入射X射线光子穿透物质过程中，如果入射 光子的能量大于轨道电子与原子核的结合能，入射光子与原子的轨道电子相 互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，入射光子消失。获得能量的轨道 电子克服原子核的束缚成为自由电子，这种自由电子称为光电子，其中最容 易成为光电子的电子来自原子的K壳层。光电子的能量等于入射光子能量减 去光电子的结合能。发生光电效应时，原子的电子壳层上留出空位，使原子 处于激发态。这种激发态不稳定，退激过程有两种：一种是外层电子向内层 跃迁填补空位，同时发出X射线光子；另一种是将激发能传递给与原子核结 合较松的外层电子，使之从原子中发射出来，称为俄歇电子。这两种过程产 生的X射线能量都不大，最大仅数十千电子伏，对于工业CT的影响比较小。与射线能量、吸收物质的原子序数有关。按照裕加M等计算出 来的结果。如下所示：在非相对论情况下，K壳层的光电截面为：(3)式中，外是电子的静止质量，c为光速，Z为物质的原子系数，a、ath 为常数。5兰州大学硕士毕业论文在相对论情况下:ak-1.5/等-Z5（rlh（4）hv通过（3）、（4）式可知，光电相互作用截面随入射光子能量的增大 而减小、随物质的原子序数的增大而迅速增大（五次方）。康普顿效应指的是：当入射光子穿透物质时与该物质原子的外层电子 发生碰撞时，一部分能量传递给电子使它脱离原子，同时光子损失一部分能 量形成散射光子。对能量较低的光子,康普顿相互作用截面 与能量无关，与穿透物质的原子序数成正比；在光子能量较高时（hvNm）,康普顿相互作用截面与能量近似成反比，与穿透物质的原 子序数仍成正比。对于中等能量的光子，康普顿效应在各种元素中起主要的 作用。电子对效应指的是：当入射光子从原子核旁经过时，如果能量足够高（2m0?）,入射光子转化成一个正电子和一个负电子的过程。入射光子 的能量除转化为两个电子的静止能量外，剩余部分将成为正负电子的动能，但是这两个电子间的动能是随机分配的。电子对效应截面随入射光子能量的 增大而增大（但当入射光子能量大于l OMeV后趋向饱和），与原子序数的平 方成反比。图2显示了不同入射光子能量与不同的物质原子序数相互作用时时三 种截面的关系。6第一章绪言图2不同入射光子能量与不同物质原子序数三种相互作用关系1917年，奥地利数学家而证明了命题：如果已经知道一个空间函 数所有方向的线积分，那么可以求出该空间函数。因此，在实际操作中，我 们只要获得一空间函数中各个方向足够多的积分，该空间函数就可以被求 出。在CT成像中，我们就是通过先获得各方向上足够多的射线投影（即积 分），然后再利用射线投影来求出物质的线性衰减系数分布（即空间函数），而线衰减系数与物质的密度有一定的对应关系（前面分析已经得出物体的线 衰减系数与物体本身有关），通过这种对应关系我们可以求出物质的密度分 布，从而确定物质的一些相关性能。在一般情况下，我们认为线衰减系数与 物质的密度成正比关系。若一物体在空间中是分层均匀的，并认为每一层的 线衰减系数相同（当每层足够薄的时候，可以认为同层的物体均匀），如图 3所示。图3射线穿过非均匀物体时的衰减情况7兰州大学硕士毕业论文图3中必为第i层的线衰减系数，玉为射线穿过第i层的长度（在此分 析中把射线看作线），那么当射线穿透该物质时射线的强度/如下式来表示。一（，1/+2乙+，”乙）0匕变换（5）式得+2工2+匕=In T(6)当薄层厚度趋于零（七t 0）时，（6）式变为b T/ixdx=In（7）式中In号称为射线的投影P。射线的初始强度及穿过物质后的强度/都可以通过探测器测得，因此对于一条射线投影值P是已知的。由而d。的 数学证明我们知道，只要获得足够多投影值P就可以求出4（外。这些入射射 线满足关系：在各个方向上均匀分布。8第二章工业CT的结构第一节工业CT的基本结构工业CT系统的基本结构包括射线源、机械扫描系统、探测器系统、控 制系统、数据采集系统、防护系统以及用于图像重建的计算机系统。它们之 间的关系如图4所示。二射线源前准直器据集统 数采系后准直器探 测 器?计II算:机*z机械扫描运动系统 控制系统 僵置 阻示图4工业CT的基本结构工业CT检测的基本流程为：首先，控制系统控制射线源产生射线，射 线经前准直器整形后，穿过扫描平台上的工件，由探测系统获得衰减后的射 线强度转化为电信号并处理：然后经数据采集卡上的模数(A/D)转化为数 字形式的投影值，并传送给计算机，由计算机存储起来。同时，控制系统控 制扫描平台平移、转动，以获得足够多的投影值；然后计算机系统采用一定 的图像重建算法重建图像，并进行相应的伪像处理及图像后处理；最后分析 重建后的图像，得出被检测工件的内部缺陷结果并把重建图像存储归档。兰州大学硕士毕业论文第二节射线源工业CT主要采用X射线源、Y射线源。常用的X射线源主要有X射线 机、直线电子加速器。X射线源的优点是射线强度大，扫描时间短，但是X 射线发射的射线能量是连续谱，会引起射束硬化从而导致伪像的产生。X射线机由六大部分组成：X射线机头、控制台、电源系统、冷却系统、正高压及负高压。图5为X射线机的原理图。图5 X射线机的组成X射线是高速电子束流撞击阳极靶时产生的，但在撞击过程中大部分能 量转变为热能，其中只有小部分转化为X射线。产生X射线需要有畅通无阻 运动的电子束、加速电子的电场、阳极靶以及冷却系统（因为在电子撞击阳 极靶过程中会产生大量的热能，需要对射线源进行冷却），表1是一台 450kVpX射线机的典型技术参数表1,450kVp工业探伤用恒压双焦点X射线机的技术参数X射线管名义管电压450kV连续工作额定功率（小焦点/大焦点，下同）1500W/4500W焦点尺寸d=2.5mm/d=5.5mm固定过滤器2.3mmFe+l.OmmCu第一章工业CT的结构靶材料W辐射视野40辐射泄漏10mSv/h冷却介质油冷却介质流量14L/min管头质量95kg恒压高压发q三器管电压范围20450kV管电压调整垠小步长0.2kV/步高压精确度（土1%设定值0.2%）kV高压重复度（固定温度下）0.01%最大高压值高压波纹（10m高压电缆）10V/mA,min.40V高压温度漂移80ppm/设定值管电流范围0 15mA管电流调整最小步长0.01mA/步管电流精确定（固定温度下）（0.2%设定值0.01%）mA管电流重复性（固定温度下）2uA管电流温度漂移50ppm/设定值 30ppm/（可选）最大输出功率45001控制单元尺寸（WXHXD）483mmX133mmX300mm控制单元质量12.5kg高压发生器单元尺寸（WXHXD）340mm X 350 X 628nun高压发生器质量45kg高压绝缘油罐单元尺寸（WXHXD）514nun X 364mm X 624mm高压绝缘油罐单元质量80kg高压电缆长度标准长度10mn兰州大学硕士毕业论文注：l ppm=10-6o常用的Y射线源有。、RCsJCo的能谱为双峰，能量分别为1.173MeV 和L 332MeV。，Cs为单峰，能量为0.662MeV。由于射线源具有确定的能 量，所以不会产生类似于X射线源的射束硬化现象是它的优点。但如果保持 和X射线源相同的焦点尺寸时，Y射线源就会由于强度小而延长扫描时间、降低密度分辨率。射线源主要的性能参数有射线的能量、强度、稳定性及焦点尺寸。射 线的能量确定了射线能穿透的工件厚度；射线的强度是影响扫描时间和密度 分辨率最主要的因素之一；射线的稳定性将影响到所测投影数据的精确性；射线的焦点尺寸是影响空间分辨率最主要的因素之一。前准直器与射线源配套，主要作用是对射线源发出的射线整形，并挡 住大部分从射线源发出的射线。在设计时要选用密度大、耐辐照的材料，并 且能保证它的厚度能挡住那些射线（使得射线衰减至1/1000）o第三节机械扫描系统因为要实现工件与射线源（探测器系统）之间的相对运动，在不同方 向上测量投影数据，所以需要机械扫描系统。由于工件、CT系统所处环境、用户要求等不一样，机械扫描系统在外 形上会千差万别，但是它的主要性能参数仍然包括扫描方式、工件特性（直 径、高度、重量范围）、位移特性（移动自由度、方向、范围、速度）、移 动精度、控制方法等。工业CT中用到的扫描方式主要有：平移加旋转（TR）方式和仅旋转（R0）方式，如图6所示。第一章工业CT的结构M个分度筏我a）平移加旋转扫描方式b）仅旋转扫描方式图6工业CT常用的两种扫描方式平移加旋转方式的优点是所用探测器个数少、成本低、工件尺寸可以 较大；缺点是扫描时间长、机械设计相对复杂。仅旋转方式的优点是扫描速 度快；缺点是所检测的工件尺寸受限。机械扫描系统的移动精度对整个工业CT的空间分辨有重要影响。但在 提高它的移动精度的同时，它的成本将会呈指数大幅度提高。控制方式有伺服电机驱动、步进电机驱动等。目前先进的机械扫描系 统移动轴都采用直流伺服电机驱动，绝对和相对位置编码器提供闭环位置（或速度）控制。第四节探测器系统探测器的主要性能参数：探测器效率、尺寸、线性度、稳定性、响应 时间、动态范围、通道数量、均匀一致性。作为工业CT的核心部件，它的 性能对工业CT的性能有着重要的影响。探测器效率是探测器在采集入射光子时，在将其转换成测量信号过 程中的一种有效性量度，它与探测器能量转换材料的种类、探测器之间的死 区间隔等因素有关，探测效率越高，越有利于缩短扫描时间、提高信噪比。探测器的尺寸包括闪烁体的长、高、宽。高度决定了切片的厚度，长度影响转换效率，宽度对空间分辨率起着重要影响。13兰州大学硕士毕业论文探测器线性度是指探测器产生的信号在一定范围内与入射强度成正 比的能力。线性度影响投影数据的精度。探测器的稳定性是指系统随工作时间的增加，探测器仍然能够对信 号产生一致响应的能力。稳定性也影响投影数据的精度。探测器响应时间是指探测器从接收射线光子到获得稳定的探测信号 所需的时间，它是影响独立采样速率及投影数据质量的关键因素。探测器动态范围是指探测器线性响应射线强度的范围，通常定义为 最大输出信号与最小输出信号的比率，动态范围决定了 CT系统穿透工件的 最大半值层个数。目前应用的工业CT系统半值层个数为78个。动态范围 大，则被测工件在材料厚度变化大的情况下也能保持良好的对比灵敏度。工业CT中选用的探测器主要有分立探测器和面探测器。常用的分立探 测器有：闪烁体光电倍增管、闪烁体光电二极管、气体电离室探测器。在介绍闪烁体探测器之前，首先介绍一下闪烁体的一些基本情况：闪 烁体的基本作用是将波长较短的X射线转换成能被光电转换器件接收的波 长较长的荧光（一般在380780nm波段）。CT系统选用的闪烁体必须对X 射线有较大的衰减系数，满足这个条件的是高原子序数成分的固态无机闪烁 体。CT系统常用的的闪烁体有Nai（Tl）.CsI（TD、BGO、CdWO,等。表2 是CT系统几种常用闪烁体的物理特性。表2,几种闪烁体的物理特性闪烁体CsI(Tl)CsI(Na)CdWO4BGO密度/（g/城）4.514.517.97.13熔点/K89489415981323热胀系数/不54X10、49X1010.2X10-7X10*解理面-无硬度/Mho2244.5514第一章工业CT的结构闪烁体CsI(T1)CsI(Na)CdW04BGO潮解性弱强不不发射峰值波长/加550420470/540480最短波长/nm320300330320折射率（对于峰值波长）1.791.842.2-2.32.15发光衰减时间/u s10.6320/50000.3耐受辐照损伤/rad10s106102-103光产额/光子/MeV（X射 线）52 X IO)56 X10338 X 1()3 44 x103L 2X10L 5X1048 X IO?10 X103光电子产额/相对Nal（Tl）：（X射线）458525 3015 20余辉（6ms后）/%0.5 5.00.5100.11闪烁体光电倍增管的优点是输出信号大，附加噪声小；缺点是受光 电倍增管形状和尺寸限制（最小直径为10廊），很难得到高的组装精度，整个工业CT的空间分辨率受到限制。闪烁体光电二极管的优点是有效区域和死区间隔的尺寸可以达9:1,探测器的宽度可以小到0.13nun,因此用与这种探测器配套的其它工业CT组 件来设计工业CT系统，可以得到极高的性能；缺点是输出信号小，附加噪 声相对较大，这种探测器是目前工业CT系统中用得最多的一种。气体电离室探测器是将射线入射到高压气体的电离室内，使气体电 离产生电子和正离子，电子和正离子在电场的作用下分别流向电离室内的阳 极和阴极，形成电流，再通过电流一电压的转换放大形成电压信号。常用的 气体为放气，其密度为1.90g/cni气体电离室的优点是探测器之间的一致 性好，排列密度可以做到很高，适用于仅旋转的扫描方式。缺点是气体对射 线的吸收效率低，相对于Nal（Tl）来说其探测效率不会超过60%。15兰州大学硕士毕业论文因为工业CT中采用图6所示的平移加旋转扫描方式或仅旋转扫描方 式，所以分立的探测器必须按一定的形状排列起来形成探测器阵列。在二维 CT中一般有两种阵列方式：第一种将探测器排列成等角间距圆弧形状，所 有探测器处在以射线焦点为圆心的圆弧上，相邻两个探测器间的距离相等（即相邻探测器夹角相同）：第二种将探测器排列成直线等距阵列，两相邻 探测器间距相等，所有探测器在一条直线上，射线源焦点与探测器阵列中心 连线垂直于探测器阵列直线，所有探测器相对于中心连线呈对称分布。这两 种探测器阵列各有优点，第一种探测器在数据处理上简单，但是准直器设计 相对复杂。第二种恰好反之。面探测器有着比分立探测器高得多的射线利用率，可以进行实时或准 实时的动态照相，也适合于三维直接成像。主要有三种类型：高分辨率半导 体芯片、平板探测器及图像增强器。高分辨率半导体芯片的优点是价格便宜、探测器尺寸小、固有空间 分辨能力高；缺点是输出信号小、附加噪声大、并且无法防止相邻探测单元 之间光学和辐射的窜扰，其总体性能没有分立探测器高。平板探测器主要用于医学领域，其优点是使用简单、没有图像扭曲；缺点是对高能X射线探测效率低、难以解决散射和窜扰问题，另外动态范围 太窄。一般在150kV以下的低能应用效果较好。图像增强器的优点是获取数据速度快，是所有CT系统探测中获取数 据速度最快的；其缺点是固有噪声大、器件易碎、图像有扭曲。后准直器将穿透物体后的薄片扇形束分割成数条极细的射线束，每个 闪烁体对应一条准直缝，改变后准直器孔径宽度可以改变CT系统的空间分 辨率。在后准直器设计过程中为了防止通道间射线的窜扰和光窜扰，各通道 之间的隔条应使用极高密度的材料，同时应使散射射线强度衰减到0.1%以 下。在同一 CT系统中，通常有不同的后准直器以满足不同的CT系统性能参 数的要求。16第二章工业CT的结构第五节数据采集系统数据采集系统的作用是将探测器输出信号转换为计算机需要的数字信 号并输入到计算机。主要过程是将探测器输出的弱电流（电压）信号用前级 积分放大电路进行放大，通过模/数（A/D）转换器将模拟量转换成二进制 数字信号，然后送入计算机用以图像重建。数据采集系统的主要性能参数有:低噪声、高稳定性、标定本底偏差和增益变化的能力、线性度、灵敏度、动 态范围和转换速率等。常用数据采集卡来采集数据。在选择数据采集卡时主 要要考虑：输入模式（单端输入或者差分输入）、分辨率、输入范围、采样 速率、精度和噪声等。输入模式：单端输入以一个共同接地点为参考点。这种方式适用于 输入信号为高电平（高于IV）信号源与采集端之间的距离较短（小于1 5 ft）,并且所有输入信号有一个公共接地端。如果不能满足上述条件，则需要 使用差分输入。在差分输入的方式下，每个输入可以有不同的接地参考点。由于消除了共模噪声的误差，所以差分输入的精度较高。输入范围是指数据采集卡能够量化处理的最大、最小输入电压值。数据采集卡提供了数个可以选择的输入范围，在实际使用中它与分辨率、增 益等配合，以获得最佳的测量精度。分辨率是模/数转换所使用的位数。分辨率越高，输入信号的细分 程度就越高，能够识别的信号变化量就越精确。增益表示输入信号被处理前 放大或缩小的倍数。给信号设置一个增益值，就可以实际减小信号的输入范 围，使模/数转换能尽量地细分输入信号。采样率决定了模/数转换的速率，这也是控制系统控制时序的参考 参数之一。采样率高，则在一定时间内采样点就多，对信号的数字表达就越 精确。采样率必须保证一定的数值，如果太低，则精度就很差。根据奈斯特 采样理论，采样频率必须是信号最高频率的两倍以上，采集到的数据才可以 有效地复现出原始的采集信号。噪声将会引起输入信号畸变。噪声可以是计算机外部的或者内部的。兰州大学硕士毕业论文要抑制外部噪声误差，可以使用适当的信号调理电路，也可以增加采样信号 点数，再取这些信号的平均值以抑制噪声误差。总之，输入范围、分辨率以及增益决定了输入信号可识别的最小模拟 变化量。此最小模拟变化量对应于数字量的最小位上的变化，通常叫转换宽 度(Code Width)。其算式为：转换宽度=输入范围/(增益X 2分辨力而采样率决定了信号数字的精度，噪声决定了输入信号的崎变情况等。第六节控制系统控制系统负责射线源的开关、扫描平台的平移转动、数据采集系统开 关、防护系统启停等。CT系统中射线源、扫描平台、探测器系统与数据采集系统配合使用时，为了准确对应采集到的投影与位置信息的关系，必须按严格的时序要求来控 制。整个控制过程都是通过计算机控制单片机发出相应的时序