X射線數字成像及工業CT應用對比介紹

X射線數字射線成像(Digital Radiograph, DR)和工業計算機斷層掃描（Industrial Comp

uted Tomography, ICT）是工業無損檢測領域中的兩個重要技術分支。DR檢測技術，是

20世紀90年代末出現的一種實時的X射線數字成像技術。相對于現今仍然普遍應用的射線

膠片照相，DR檢測的優點就是實時性強，可以在線實時地對生產工件結構介質不連

續性、結構形態以及介質物理密度等質量缺陷進行無損檢測，因此在快速無損檢測領域里

有廣闊的發展前景。

ICT技術是一種融合了射線光電子學、信息科學、微電子學、精密機械和計算機科學等領

域知識的*。它以X射線掃描、探測器采集的數字投影序列為基礎，重建掃描區域

內被檢試件橫截面的射線衰減系數分布映射圖像。據此圖像，可對被檢試件的結構、密度

、特征尺寸、成分變化等物理、化學性質進行判讀和計量。其作為一種無損的非接觸式測

試技術，廣泛應用于航空、航天、核能、兵器、汽車等領域產品和關鍵零部件的無損檢

測、無損評價以及逆向工程中。

1 X射線數字成像技術

相對于現今仍然普遍應用的射線膠片照相，DR技術在很大程度上避免了圖像信息丟失的

不利因素。DR成像技術檢測速度快、探測效率高，X射線輻射劑量小，曝光條件易于掌

握。DR系統也可以方便地對圖像進行存儲和后處理。因此DR技術被廣泛地應用于無損

檢測領域中。

1.1 X射線DR成像原理

DR系統一般由射線源、待測物、探測器、圖像工作站等幾部分構成。對于DR檢測技術而

言，其核心部件是探測器。目前在工程實際中應用的探測器主要分為兩種：圖像增強器和

非晶硅平板探測器。圖像增強器首先通過射線轉化屏將X射線光子轉換為可見光，然后通

過CCD（Charge Coupled Device）相機將可見光轉化為視頻信號，可在監視器上實時

顯示，也可通過A/D采集卡轉化為數字信號輸入到計算機顯示和處理。非晶硅平板探測器

采用大規模集成技術，集成了一個大面積非晶硅傳感器陣列和碘化銫閃爍體，可以直接將

X光子轉化為電子，并最終通過數模轉換器（ADC）轉變成為數字信號。平板探測器具有

動態范圍大和空間分辨率高的特性，可實現高速的DR檢測，已成為工業DR檢測技術發展

的主流。

射線源產生的X射線構成入射場強，經試件后發生衰減得到透射場強，之后透射場強作用

在探測器上最終輸出圖像。當入射場強的射線照射到待測試件上時，X射線光子與試件物

質原子發生相互作用，其中包括光電效應、康普頓效應和相干散射等。這些相互作用最

終的結果是導致部分X射線光子被吸收或散射，即X射線光子穿過物質時被衰減。實際的

衰

減過程是與射線能量、物質密度和原子系數相關的。

假設對于單一入射能量的X射線束照射到一種密度、原子序數均勻的材料發生衰減，則

衰

減公式表示為：

分別表示當前能量下材料的光電效應、康普頓效應以及相干散射的衰減系數。

是材料的線性衰減系數。該式也稱為朗伯比爾定理。

以上表明射線穿透物質后，其強度以指數方式衰減，式中材料的線性衰減系數隨射

線能量和照射物質的原子序數以及物質的密度變化而變化。

一般情況下衰減系數

與射線能量成反比，與原子序數、物質密度等成正比。即隨著射線能量的升高穿透能力

增強，隨著物質密度增大射線越難穿透。

實際上，物質對射線的衰減能力都基于單色光（單一頻率）定義的，對于連續光譜的X射

線，在實際衰減中會存在多個衰減系數。但是隨著物質的厚度增加，射線會發生硬化以至

于最后的射線近似于單色光。

1.2 DR檢測技術的應用

X射線數字成像技術廣泛應用于航空、航天、兵器、核能、汽車等領域產品和系統的無損

檢測、無損評估以及逆求，檢測對象包括、火箭發動機、核廢料、電路板、發動機

葉片、汽車發動機氣缸、輪胎輪轂等，在工程質量監督和產品質量保證方面發揮著極其

重要的作用，正逐漸成為發展現代化國防科技和眾多高科技產業的一種基礎技術。

2.1 CT的發展歷程

1895年德國的物理學家Wilhelm Roentgen(倫琴)發現X射線，CT產生于20世紀70年

代，但是其思想要追溯到1917年奧地利數學家Radon的貢獻，他論證了如何根據某些線

形的積分（即投影）來確定被積函數（即要重建的圖像），成功地解決了由投影重建圖

像的數學問題，為CT技術的形成和發展奠定了理論基礎。但是在當時由于缺少有效的計

算工具，一直被束之高閣，沒有得到具體的應用。1956年，美國斯坦福大學的教授R.N.

Bracewell將這項技術引入到射電天文學領域，針對無線電天文學中確定產生微波輻射

的太陽區域問題，重建出太陽的活動圖。而最初把斷層成像術應用于醫學領域的當推Old

endorf，他在1961年研制了用γ射線進行透射型成像的初級裝置。Kuhl和Edwards在19

63年獨立研制了發射型成像裝置，這些裝置均用類似于反投影的算法進行圖像重建，所得

圖像不很清晰。而投影圖像精確重建的數學方法是由美國物理學家Cormack確立的。

臨床用的計算機斷層成像掃描裝置（CT）于1967年至1970年間由英國EMI公司的工程師

Hounsfield研制成功。

隨著Godfrey Hounsfield于1967年研制成功一臺臨床CT機系統，使人們領略到了CT技

術給人類帶來的巨大收獲。ICT技術來自于醫學CT，出現于二十世紀七十年代末，美國首

先利用研制的透射式ICT設備對產品的關鍵部件進行無損檢測，正是由于軍事需求的

推動，使之得到大力發展。工業CT是一個技術含量高、應用領域廣泛、檢測效果非常好

的技術手段。CT裝置的更新換代，主要是為了縮短獲得圖像的時間和提高檢測的精度。

掃描時間并不作為ICT最主要的技術指標，其發展方向主要致力于提高空間分辨率和密度

分辨率，以達到檢測各種類型工業產品缺陷的精度要求。按掃描方式的變化來劃分，CT技

術發展經歷了五個重要歷史階段。

2.2 CT研究現狀與應用進展

CT基礎研究包括：CT成像原理，CT數據探測原理，CT數據掃描模式，CT圖像重建方法，

數據和圖像處理方法等。

X射線CT是國內研究廣泛的CT成像方法之一，目前的研究包括：X射線單能成像、

多能或多能譜成像、相位成像等。目前廣泛使用的醫學和工業CT設備均基于單能成像原

理，即利用物質對于單能X射線的吸收差異進行成像。為了改善CT圖像對物質的區分能

力，采用兩組或多組能量或能譜的數據，通過特殊的重建方法獲取比傳統CT圖像更豐富

的物質信息。相位CT是近十年發展起來的新成像方法，通過X射線與物質作用時相位變

化的信息進行成像，以改善弱吸收物質CT成像的對比度。除X射線CT外，我國學者還在

電學CT方面，其中包括電容CT、電阻CT、電磁CT等，開展了卓有成效的研究。在成像原

理方面，電學CT與X射線CT有一定的相似性，但也存在不少差異。

CT圖像重建方法是CT基礎研究的核心。CT圖像重建的任務是由CT數據重建被測物體的CT

圖像。CT圖像重建方法可以分為兩類：解析重建方法和達代優化重建方法。解析重建方

法優點是重建速度快，但算法往往依賴于CT掃描軌道和射線束，圖像質量對數據噪聲敏

感。迭代優化類算法本質上不依賴CT掃描軌道和射線束，但突出的問題是計算量大。近

年來隨著計算機硬件技術尤其是通用顯卡技術的發展，使得迭代優化類重建算法的研究快

速升溫，特別是基于建模和條件設計的目標優化的迭代重建方法成為研究熱點之一。此外

，壓縮感知技術給予人們關于數據采樣與圖像重構的新思路，激發了新的研究熱點。下文

著重綜述CT圖像重建方法的熱點研究問題和國內在此方面的研究進展。

2.2.1 錐束CT

錐束CT是指基于面陣列探測器的CT成像方法，其中錐束指X射線源焦點與面陣列探測器

所形成惟形射線束。與傳統基于維線陣列探測器的扇束CT相比，錐束CT每次可以獲得一

幅二維圖像，具有射線利用率高和各向分辨率相同等優點。錐束CT依掃描時射線源焦點

相對于被掃描物體形成的軌跡，分成圓軌跡、螺旋軌跡、鞍形軌跡、直線軌跡和非標準軌

跡等。