GB／T 41123.1-2021  无损检测 工业射线计算机层析成像检测 第1部分：原理、设备和样品

在CT扫描过程中，首先获取被测物体的多个投影，然后由这些投影数据重建出CT图像。图像重 建是CT层析成像的主要步骤，也是该技术与其他射线成像技术的区别。 重建软件可在重建过程中对CT投影数据进行校正，如：降低噪声、校正射束硬化和(或)散射等。 不同的CT系统，其重建结果可为一组CT切片图像或三维CT图像。

4.4.3可视化和分析

此步骤包括所有用于从重建的CT图像中提取所需的信息的操作和数据处理。 可视化能对二维（切片视图）或三维（体积）进行处理。二维可视化允许用户沿着指定的轴（通常它 能是任意的路径）检查数据切片图像。 对于三维成像，根据不同算法的光照模型生成相应体显示或表面显示。尽管三维特征在屏幕上以 二维的形式重叠显示，体显示的优点是其显示内容很好对应了人的视觉感知。 在可视化过程中，尤其是在CT体数据三维显示时，可出现成因不同的附加伪像。软件的采样、滤 波、分类以及融合产生的伪像取决于所使用的软硬件及可视化处理任务，因此，这类伪像不包括在4.5 规定的伪像。尽管如此，用户宜了解在可视化过程中可能出现的数据偏差。 执行不同的数字滤波操作能突出显示感兴趣区域的特征。所有滤波操作具有一个共同的特征，即 在增强数据的一个或多个属性时劣化其他属性，如突出显示边缘影响对物体内部结构的识别。因此对 于特定的任务，宜在了解数字滤波器的优缺点后再谨慎便用。 用于三维可视化的计算机宜能处理内存中的全部感兴趣区域的数据。相应的显示器宜具有足够的 分辨率和动态范围，并根据给定的可视化任务进行设置。按照ISO9712的规定确保操作人员具有适当

水利常用表格4.5CT图像中的伪像

伪像是CT图像上出现的与被测物体物理特征不相符的图像信息。产生伪像的原因能划分为以下 几类：数据采集过程产生的伪像、设备产生的伪像（由于射线束有限宽度、射线散射、系统不稳定性以及 探测器的特性）和处理方法产生的伪像（如射束硬化）。伪像也能划分为采集伪像（如射线散射伪像、环 形伪像）和重建伪像（如锥束伪像）。某些伪像能通过调整相应参数来消除，面而其他伪像只能在一定程度 上减弱。伪像可能影响特定的测量或分析过程，但也可对其他分析没有影响。考虑到此种情况，在相关 分析任务中应先判断图像伪像的类型和影响。 在本文件中，噪声和部分体积效应不归类为伪像。 GB/T41123.3一2021中5.5给出了伪像的说明，

(SNR中的信号)太弱导致对比度下降。然而，信噪比并不随电压急剧变化，通过铝对X射线衰减的仿 真表明，调节电压设置透射率为35%或40%时，信噪比仅比峰值下降20%。对于给定的样品尺寸，保 证固定信噪比所需的X射线曝光量与分辨率（给定探测器）的四次方成正比。例如，使分辨率加倍则曝 光量增加16倍，分辨率增加10倍则曝光量增加10000倍。因此，比较两个系统的图像质量时，严格使 用相同或相似的样品

大多数工业CT系统使用电激励的X射线源，这些射线源能划分为以下三种类型： 一开放式射线管（或真空可拆卸）X射线装置； 一密封式射线管恒压X射线装置； 一直线加速器。 每一种射线源都具有相应的特性；部分CT系统具有多个射线源，因此其能检测的样品范围更广。 除考虑成本外，选择合适的X射线源取决于被检测样品的参数（尺寸、组成成分和材料密度）以及检测 分辨率。 X射线源制造商通常标注了单焦点尺寸，这是在特定能量设置下的测量的“标称值”，焦点尺寸随着 使用的电压（kV)和电流（μA/mA)变化而变化，功率越大则焦点越大。 焦点尺寸和特征识别能力（有时系统制造商使用该名称）与CT系统的空间分辨率不相同。特征识 别能力是系统显示某个物体图像或物体内一定尺寸的特征的能力。例如，利用焦点尺寸为5μm的CT 系统可检测并显示由直径1um的金属丝制成的密集交叉网线的图像。这表明了金属丝材料的X射线 衰减特性，而不是CT系统的实际分辨率，见4.4.1。 通常对X射线束进行滤波，通过减少低能X射线以降低散射和射束硬化效应。 详细内容见附录A。

辐射探测器用于测量不同路径下穿过物体的X射线。探测器的作用是把接收到的又射线信号转 换成常规电子技术能处理的电信号。每个投影的射线束数量应与CT图像矩阵一侧的像元数量相当。 现代CT成像系统大多采用大型探测器阵列，探测器阵列通常包含成百上千甚至数百方个传感器。 可在射线穿透路径中位于探测器前（在被测物体后）插入滤波材料作为探测器的滤波片。滤波片根 据其材料特性吸收（和散射)辐射，见5.1。此外，当射线穿过探测器外壳时，探测器也进行一定程度的滤 波。可使用其他的滤波方法降低检测到的散射强度。 常用的探测器有以下三种类型： a）气体电离探测器； b）闪烁体探测器； c）半导体探测器。 详细内容见附录A，

机械系统提供了被测物体、射线源和探测器之间的相对运动。理论上，被测物体相对于射线源和 测器运动或者射线源和探测器相对于被测物体运动本质是一样的。实际应用中，应根据被测物体的 量、大小或特征，决定使用哪种运动方式。 详细内容见附录A。

5.5采集、重建、可视化和存储系统

每个CT系统都具有数据采集系统，以获取系列投影（数字射线图像）。通常，数据采集系统控制机 械系统，也控制X射线源。 投影数据在数据采集期间或之后传递给图像重建系统。重建系统可集成在数据采集系统中，也可 为一个独立的设备。 重建系统获得投影数据后，在扫描同时或在扫描完成后重建为CT图像。该CT图像随后传输到 可视化系统进行分析。 考虑CT图像的离线存储和归档。 详细内容见附录A。

由于获取CT投影数据能持续一段时间，检测结果易受到外部因素的影响。因此把CT系统放置 在外部环境影响小的地点是比较重要的。CT系统的减振隔振程度影响CT系统的最高分辨率。例如， 亚微米级别的设备比毫米级别的设备更容易受到外部因素影响。 外部因素可能来自自然环境条件的影响，如温度、湿度、热源和振动。理想情况下，一个高分辨率的 CT系统宜和坐标测量机（三坐标测量仪）一起放在可控制温度和湿度的隔振平台上，但实际使用中通 常并不具备这种条件，能采用以下解决方案： 一确保设备位于坚固的地板上，不受脚步、车辆的振动或者机械振动的影响； 设备使用时，放置在温度波动较小的区域； 设备安装在减振垫上； 采购具有温度稳定系统或温度补偿设计的设备（即在小温度范围内保持位置精度的设备）； 设备安置远离热源（锅炉、散热器等）。 通过严格控制CT系统外部因素影响，可提高检测图像质量

6.2X射线源的稳定性

CT要求定位精度高和成像一致。影响这些基本要求的因素很多，其中最重要的是X射线源的稳 定性。 理想情况下，要获得最好的CT成像结果，X射线源要求保持一致的射线强度、焦点尺寸和焦点 位置。 应遵循X射线源供应商提供的生成稳定的X射线束的建议。 在某些CT系统中，可在图像采集和处理过程中调整图像强度，以适应扫描过程中X射线强度的德 小变化。

6.3机械系统的稳定性

精度、可重复性和稳定性是CT系统的机械装置应考思的关键因素。与CT数据扫描相关的各 统的运动定位精度（即放大、平移、垂直和最重要的旋转）应优于CT系统的最高分辨率的1/5。 T系统由3000个投影数据生成像素大小为5μm的三维CT体数据，那么它的直线定位精度小 1，旋转定位精度达到1/15000转

8.1样品的尺寸和形状

能扫描的物体的大小和形状取决于许多因素。物体不宜太小，因为焦点的大小限制了能达到的分 辨率；物体也不宜太大，因为即使在射线源最大能量下，都无法保证所有角度具有足够的透射率。 为了达到最佳的检测效果，物体的长宽比宜较小，样品理想的形状是圆柱体。此外，完整的CT重 建应至少扫描180°加射线源射束张角。因此，物体做足够角度的旋转运动。 在某些情况下，物体的几何形状或者衰减能力限制了物体所有部分获得投影数据的角度范围。由 于物体的某些部分并没有在所有角度成像，这种CT扫描得到的CT图像可能存在伪像，

8.2材质（包括管电压/穿透厚度关系表）

表1中列出了在不同射线电压下，射线透过率为10%时部分材料的标称厚度，单位为毫米（mm）。 经典的X射线光谱来自蒙特卡罗计算（参考文献[1]、[2]适用于高达300kV的电压）。X射线衰减光 谱是在美国国家标准与技术研究所的XCOM数据库中获得的。电压在225kV及以下使用碘化艳 (CsI)闪烁体，高于225kV时使用硫氧化（GADOX)闪烁体。值得注意的是，在使用10mm厚的钨 酸镉(CdWO)闪烁体替代硫氧化（GADOX)闪烁体时，衰减方面几乎没有明显的差别，但探测到的 光子更多。 如5.1中所述，10%的透射率是CT图像获得最佳信噪比的推荐值。然而，透射率更低的数据仍然 能使用，因此可增加物体的检测厚度。增加采集时间能补偿透射率低，但是可更容易因为散射和硬化产 生伪像。 表1仅作为近似的指导，用来表示不同X射线系统中获得最佳图像的样品材料厚度，特别注意弧 形几何体上的线长度也宜在考虑范围内。

A.1.1开放式射线管X射线装置

图A.1开放式射线管示意图

A.1.2密封式射线管X射线装置

密封式射线管的工作方式与开放式射线管基本相同，其真空室顾名思义是个密封容器。这意味着 当灯丝或靶材最终失效时不能更换。在大多数情况下，能保留射线管外壳并安装替换的射线管或“插人 件”。 由于无法在密封单元中更换灯丝，所以通常使用较粗直径的灯丝，且电子束不会紧密聚焦在同样不 能替换的靶材料上。这导致密封式射线管的标称焦点尺寸比开放式射线管大（通常大于250μm），但是 它们能在更高的功率设置下工作。 密封式射线管通常用于成像尺寸或密度较大的样品。在这些样品中，穿透比最高分辨率更重要。 通常情况下，密封式射线管的能量范围为0kV～450kV和0mA～60mA（电压不连续），更高能量的 密封式射线管正在研发中。 当然也有“微焦点”密封式射线管X射线源，但是为了实现它们的小焦点尺寸和合理的管寿命，它 们比相同指标的开放式射线管运行的功率更低

射线管和密封式射线管X射线源的靶主要为透身

A.1.4.2 透射靶

合的薄靶材料上。相互作用保持在靶 个小区域，由于靶和窗口材料都很薄，固有滤波也最小。 透射靶的焦点尺寸最小，因为焦点距离输出窗口非常近，所以可实现最高的几何放大倍数。然而 通常使用风冷或热交换进行冷却，由于冷却能力有限需要保持低功率，所以X射线束的强度较低

电子束聚焦在一个有角度的靶材料块或杆上，相互作用发生在靶面上或非常靠近靶面，生成的X射 线束与电子束处于靶的同一侧，通过窗口输出。 由于靶材料通常通过风冷直接冷却，因此使用循环冷却水或油能使用更大能量的电子束。 尽管反射靶的焦点大于透射靶并且焦点和样品之间的距离更大（几何放大倍数更小），但是X射线 强度远大于透射靶，并且形成了一个更规则的锥束。 由于X射线束只需经过输出窗口，而不必经过靶材料，因此反射靶更少受到靶材的固有滤波。这 使得使用反射靶的光源更适合低密度材料的低能射线检测。

A.1.4.4其他靶类型

除了反射靶和透射靶外，开 一些是CT用户所感 ，例如高速旋转阳极靶之类的靶组件， （式射线管功率同时保持非常小的焦点，

无论靶类型或材料如何， 域形成一个“凹坑”，其中的物质已经以等 离子体的形式蒸发掉，形成凹坑，导致焦点尺寸 只能通过更换管子来解决这个问题，开放式射线 管的优点是可更换靶材料，或者在某些 的轰击位置

A.1.4.6X射线靶材和滤波

几乎所有的工业密封式射线管和开放式射线管X射线装置都使用钨作为标准靶材。密封式射线 管一般不使用其他金属靶材，但是在更专业的开放式射线管中常常使用其他金属靶材。 钨的替代金属能用于提供不同的特征文射线，以改善低衰减系数样品的低能量检测， 所有的X射线装置都具有来自目标材料和输出窗口的固有滤波，但是通过外部添加已知厚度的金 属滤波片可提高图像质量。 特征×射线的使用和滤波片的作用不

入射文射线会电离探测器内的情性元素，该情性元素可是气态的，如果压力足够高也可是液态的。 电离的电子通过施加电势差向阳极加速运动工程施工数据，在这个过程中产生与入射信号成比例的电荷。CT系统 使用的电离探测器通常以电流积分方式工作，而不是脉冲计数方式。在该技术的某些实现中，还能设计 对电荷进行放大。电离探测器坚固耐用，且适用于不同的实现方法。单个探测器能分割成包含数百个 离散单元的线阵列。这种探测器已成功用于2MeVX射线源，并有望在更高的能量下使用，

A.2.3半导体探测器

入射射线转换为电荷。

通过样品运动、X射线源/探测器运动或者两者同时运动获取投影数据序列用于重建二维切片或三 维体积。在大多数情况下，旋转运动围绕垂直主X射线束的轴旋转。还有一些针对特定问题的其他运 动形式，不属于本文件讨论的范围。 样品放置在转台上旋转或者X射线源和探测器围绕样品旋转，按一定的规律获得投影。根据CT 重建算法的要求，在投影采集序列中，旋转运动持续半圈、一圈或几圈。 除了旋转运动之外，一些CT系统在采集期间通过X射线束增加随机线性运动（一种称为“抖动”或 “梭动”的技术）。该运动的距离和方向被非常精确地记录下来，以便捕获的投影在平场和失真校正时重 新排列。这种随机运动用于减少由X射线探测器中的常规缺陷引起的伪像。另一种用于减少伪像的 机械方法是执行“连续旋转一个采集周期”，此处旋转运动不是逐步增加的，而是连续且非常缓慢的旋 转，并且由探测器的读出时间确定重建的增量位置。 大多数工业CT系统具有水平X射线轴，但是也有使用垂直X射线轴的机器。这些CT系统要么 像医疗CAT（计算机轴向层析成像）扫描系统一样工作，X射线源和探测器围绕处于水平平面的样品旋 转，要么在垂直安装的旋转台上设置样品夹持装置固定样品。具有垂直安装旋转台的CT系统往往把 样品限制在一个较小的尺寸，以确保样品能安全固定到旋转台上。 在使用线阵列X射线探测器的CT系统中，应增加样品在旋转轴高度位置上的相对运动轴。当生 成三维重建的数据集时，充许切片位置得到增量调整或移动。

A.4采集、重建、可视化和存储系统

CT系统的数据采集由系统的主控单元控制。通常采用计算机作为主控单元，同时集成了系统制 造商提供的控制软件及相应的操作接口。通过该接口，用户对CT系统的各种控制器进行操作：如X射 线控制器、机械系统和成像系统，以及自动控制CT扫描并在某些条件下进行重建。除了基于计算机的 控制外，一些系统还具有可手动操作的“操纵杆”控制个别机械运动轴，这些操纵杆发出的信号通过控制 软件进行接收，以确保在任何时候都确定机械系统位置。 根据不同的控制单元，操作人员在进行CT扫描之前自行设置X射线、机械系统和成像参数，选择 预编程的CT扫描序列（用于重复检查相同的组件），或者启动自动序列以查找理想的参数，然后开始 扫描。 控制系统应记录重建所需的信息。信息包括样品台的位置，X射线设置参数，校正方法，CT投影 的文件名，体素大小，投影数量，角度增量等。

重建软件能安装在来 集群/计算机网络）上。CT投影重建为 CT图像的计算机配置

大多CT系统制造商在其重建软件中包含了简单的切片查看功能，但很少包含用于显示和分析三 维CT图像的体绘制软件。CT图像的显示和分析一般为专有的独立可视化软件包。 使用可视化软件文化标准，用户能在传统显示器或高级三维显示设备上，以三维格式检查、分段、分割和测量 数据。

CT投影数据及重建的CT图像占用计算机大量的存储空间，容易占满计算机存贮空间，因此硬盘 驱动器的数据管理非常重要。用户需要确定存储数据类型和数量、检索方式以及存档方式。 在考要保留哪些数据时，应由用户决定是保留原始的CT投影图、仅保留CT图像、处理CT图像 的结果，还是保留所有三种图像数据。 保留原始的CT投影数据，可对数据进行重新处理，以核实结论，或者随着重建技术的进步，可更有 效地对数据进行再处理，测试新算法或新硬件。 如果只保留CT图像，则重新评估受到原重建算法或重建所涵盖区域和分辨率的限制， 保留结果图像占用存储空间最少，但要求对原始结论有把握，不需要重新分析数据且已获得充分的 信息