工業(yè)CT技術(shù)參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響
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用戶的使用技術(shù)要求顯然是整個(gè)訂購(gòu)工業(yè)CT 產(chǎn)品的基點(diǎn)。屬于使用技術(shù)要求的內(nèi)容大致有以下方面：
⑴檢測(cè)對(duì)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(shí)時(shí)成像（RTR）、和傳統(tǒng)膠片照相（FR）。
⑶主要檢測(cè)目標(biāo)，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(dòng)機(jī)葉片）、整機(jī)或部件內(nèi)部裝配情況。
⑷對(duì)這些主要檢測(cè)目標(biāo)的要求是，如檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷，還應(yīng)提出各種缺陷的檢測(cè)靈敏度；如檢測(cè)零件內(nèi)部尺寸，應(yīng)提出檢測(cè)靈敏度和精確度。；
⑸檢測(cè)工件數(shù)量或檢測(cè)速度要求，檢測(cè)速度可以進(jìn)一步考慮掃描時(shí)間、圖像重建時(shí)間、調(diào)整切片位置時(shí)間、更換檢測(cè)樣品時(shí)間。
⑹專門要求。如防爆、必要工裝或樣品檢測(cè)姿態(tài)，對(duì)接觸檢測(cè)對(duì)象有無(wú)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(yùn)行和檢測(cè)結(jié)果，包括用戶界面、檢測(cè)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(cè)報(bào)告形式。
⑻放射性劑量和其他安全問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)符合國(guó)家或行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)。
⑼預(yù)期壽命和維護(hù)周期等，尤其應(yīng)當(dāng)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(chǎng)地、環(huán)境溫濕度要求，電源負(fù)荷及穩(wěn)定性要求等。
以上都是購(gòu)買者的基本要求。不過(guò)一臺(tái)工業(yè)CT 顯然還有很多重要的問(wèn)題，如射線源（加速器還是X 射線機(jī)，最大能量、束流強(qiáng)度甚至生產(chǎn)廠家等等）、輻射探測(cè)器（類型、閃爍體材料、尺寸、探測(cè)單元數(shù)量等）、準(zhǔn)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(hào)等等）、機(jī)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(dòng)電機(jī)或位置傳感器的種類或技術(shù)參數(shù)）、計(jì)算機(jī)硬件（CPU 數(shù)量、速度、型號(hào)，內(nèi)存大小等）、計(jì)算機(jī)軟件（重建算法、通訊方式等）。
可能還有許多購(gòu)買者關(guān)心的其他重要問(wèn)題。這一類主要是涉及設(shè)計(jì)制造者為滿足購(gòu)買者使用要求應(yīng)當(dāng)考慮或選擇的技術(shù)方案的問(wèn)題，購(gòu)買者的任務(wù)只是審查設(shè)計(jì)制造者所選用的技術(shù)方案能否“適應(yīng)”希望達(dá)到的目標(biāo)。但是有時(shí)購(gòu)買者為了保證最終產(chǎn)品的質(zhì)量，事先對(duì)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(jì)，可是這樣做的結(jié)果很可能事與愿違，甚至對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)負(fù)面影響。應(yīng)當(dāng)說(shuō)一般的購(gòu)買者并不具備設(shè)計(jì)CT系統(tǒng)的能力，他們的設(shè)計(jì)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(shí)際檢測(cè)任務(wù)要求的技術(shù)方案。在這些問(wèn)題上應(yīng)當(dāng)留給設(shè)計(jì)制造者一些空間，發(fā)揮他們的創(chuàng)造性，而不要讓設(shè)計(jì)者的工作僅僅變成一個(gè)簡(jiǎn)單的加工過(guò)程。購(gòu)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(duì)于產(chǎn)品性能的要求，合理地向制造者提出。歸根到底購(gòu)買的是一臺(tái)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(lái)。購(gòu)買者要更多關(guān)注的應(yīng)該是設(shè)計(jì)制造者是怎樣通過(guò)具體技術(shù)方案來(lái)滿足用戶對(duì)產(chǎn)品性能的要求，如果達(dá)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(yàn)收工作也是非常復(fù)雜的，這是因?yàn)镃T 產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定本身比較復(fù)雜。應(yīng)當(dāng)在購(gòu)買者和提供者最初簽訂合同時(shí)給于足夠細(xì)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(shí)際的缺陷（假定用戶的CT 系統(tǒng)主要檢測(cè)目標(biāo)是材料內(nèi)部缺陷）來(lái)檢驗(yàn)系統(tǒng)的能力，也可以肯定地說(shuō)這是最好的檢驗(yàn)方法，在可能時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量采用接近實(shí)際的試樣檢測(cè)實(shí)際的缺陷。然而完全與實(shí)際缺陷一致的標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)際上往往很難制作，很多情況下制作的帶有缺陷的“標(biāo)準(zhǔn)樣品”與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)，檢測(cè)結(jié)果僅有參考意義。另一方面，相對(duì)說(shuō)來(lái)被典型化的技術(shù)指標(biāo)——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(shí)性能，更容易比較出工業(yè)CT 產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于工業(yè)CT 的空間分辨率和密度分辨率的測(cè)定方法都還沒有強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)，但是有一些已被業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)可的方法應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選用，這些方法有的被列為企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，有的被列為被標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法。例如，測(cè)定CT 的空間分辨率采用均勻圓盤或線對(duì)測(cè)試卡的MTF 方法，測(cè)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(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，測(cè)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(yàn)收方法，同時(shí)應(yīng)當(dāng)規(guī)定具體測(cè)試條件，使得供求雙方對(duì)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)達(dá)成真正的共識(shí)。
還有一些經(jīng)驗(yàn)的方法可以參考[11]。例如，檢測(cè)主要目標(biāo)在于發(fā)現(xiàn)夾雜等細(xì)?。ㄈ? 個(gè)像素）的高對(duì)比度缺陷，在背景均勻的情況下，其圖像對(duì)比度只要高于單個(gè)像素平均噪聲5～6 倍就可以被識(shí)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(duì)比度才能被識(shí)別。再假定檢測(cè)主要目標(biāo)在于鑒別大面積（如400 個(gè)像素）的微小輻射密度變化，在背景均勻的情況下，可以識(shí)別的密度變化等于3 倍單個(gè)像素平均噪聲除以像素?cái)?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(shí)別。從上面的實(shí)例可以更進(jìn)一步了解到一臺(tái)工業(yè)CT 的檢測(cè)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(lái)評(píng)價(jià)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?yàn)镃T 是一種包含復(fù)雜技術(shù)的產(chǎn)品，而且大體上是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。所以選購(gòu)CT 與普通商品有一個(gè)較大的區(qū)別就是要在性能——價(jià)格的平衡問(wèn)題上給予更多關(guān)注。購(gòu)買者首先應(yīng)當(dāng)在以下幾個(gè)選擇中確定自己的目標(biāo)：性能最好的、價(jià)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(gòu)一臺(tái)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(gè)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(cè)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(cè)工件尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主要或經(jīng)常需要檢測(cè)的工件尺寸。購(gòu)買者應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，尺寸的加大一般都要帶來(lái)成本的提高，購(gòu)買者也應(yīng)當(dāng)明白這種增加的成本歸根到底都是由購(gòu)買者自己來(lái)承擔(dān)的；購(gòu)買者往往不大容易意識(shí)到的是：檢測(cè)工件尺寸的增大總是要以技術(shù)指標(biāo)的下降為代價(jià)的。
首先考慮一下空間的布置。容易理解，在射線源對(duì)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(yuǎn)；射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離越大，射線源到探測(cè)器的距離也越大。射線源到探測(cè)器的最小距離
S ——射線源到旋轉(zhuǎn)中心距離
計(jì)算出各種張角條件下射線源到探測(cè)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(cè)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(biāo)也是一種傾向。且不說(shuō)很多過(guò)高的指標(biāo)目前國(guó)內(nèi)外的技術(shù)都根本達(dá)不到，就算可以做到，也必然帶來(lái)成本的增加。例如機(jī)械加工的精度提高到一定程度以后，再繼續(xù)提高將帶來(lái)成本大幅度增加。訂購(gòu)CT 產(chǎn)品時(shí)一定要事前在性能和費(fèi)用之間考慮折中，這里包括各部件之間性能費(fèi)用的折中，一般情況下某一部件費(fèi)用的提升必然帶來(lái)其他部件費(fèi)用的緊縮。
有一種傾向是離開實(shí)際需要，片面追求個(gè)別的高指標(biāo)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(guò)，空間分辨率，密度分辨率和一個(gè)斷層圖像的平均產(chǎn)生時(shí)間這三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是互相制約的，一項(xiàng)指標(biāo)的提高可能帶來(lái)其他指標(biāo)的降低。對(duì)于空間分辨率也有一個(gè)認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)。有人以為探測(cè)器越小空間分辨率就一定更高，探測(cè)器數(shù)量越多系統(tǒng)越先進(jìn)。這就使有些本來(lái)不適合使用面探測(cè)器，尤其是半導(dǎo)體芯片探測(cè)器的場(chǎng)合使用了這些探測(cè)器，不僅影響了總體性能，空間分辨率也沒有達(dá)到預(yù)想的結(jié)果?？雌饋?lái)上面的說(shuō)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(shí)際系統(tǒng)在特定條件下空間分辨率并不永遠(yuǎn)有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如前面已經(jīng)分析過(guò)的，決定系統(tǒng)理論空間分辨率的因素并不僅僅探測(cè)器寬度一項(xiàng)，還有別的因素；同時(shí)任何實(shí)際的測(cè)量都是在存在系統(tǒng)噪聲的條件下進(jìn)行的，探測(cè)器越小通常帶來(lái)的是信噪比低，可以想象淹沒在噪聲中的圖像如何分辨細(xì)節(jié)呢？這樣上面的結(jié)論在很多實(shí)際情況下就合乎邏輯了。為了幫助理解這個(gè)問(wèn)題，我們還可以數(shù)碼相機(jī)為例，一般說(shuō)來(lái)相機(jī)好壞主要看鏡頭質(zhì)量和芯片尺寸大小，并不簡(jiǎn)單地是像素越多相機(jī)就越好；一般情況下在像素?cái)?shù)目相同時(shí)，芯片尺寸越大越貴，也就是單個(gè)成像單元尺寸越大越好。毫無(wú)疑問(wèn)，最后照片的清晰度是照相機(jī)的價(jià)格和質(zhì)量的最基本因素。
第二個(gè)誤區(qū)在于對(duì)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(shí)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(duì)比懸殊，工業(yè)CT 還遠(yuǎn)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(cè)方法無(wú)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(shí)到對(duì)于工業(yè)CT 設(shè)備，不可能在一次檢測(cè)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(shí)間這三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上同時(shí)達(dá)到該設(shè)備的最高指標(biāo)。由于工業(yè)CT 的很多技術(shù)指標(biāo)是隨測(cè)試條件變化的，設(shè)備說(shuō)明書給出的技術(shù)指標(biāo)都是在特定的測(cè)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(shuō)明給出的指標(biāo)，樣品實(shí)際指標(biāo)有的會(huì)高一些，有的會(huì)低一些；甚至對(duì)于同一樣品，選用不同測(cè)試參數(shù)結(jié)果也不盡相同。例如，同一設(shè)備檢測(cè)較大的樣品得到的“絕對(duì)”技術(shù)指標(biāo)就會(huì)比檢測(cè)較小的樣品時(shí)低一些，用檢測(cè)小樣品的要求檢測(cè)大樣品是不現(xiàn)實(shí)的，這是由物理學(xué)或數(shù)學(xué)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(shí)際使用時(shí)的技術(shù)指標(biāo)；同時(shí)也應(yīng)當(dāng)優(yōu)先接受公認(rèn)的一些標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件，便于對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行性能比較。要避免簡(jiǎn)單地從孤立的個(gè)別數(shù)字上判斷系統(tǒng)的優(yōu)劣?？偟恼f(shuō)來(lái)，在考察生產(chǎn)廠家提供的CT 圖像時(shí)，應(yīng)當(dāng)特別注意測(cè)試設(shè)備型號(hào)和技術(shù)條件。在這里特別希望提醒用戶們注意近年來(lái)國(guó)內(nèi)許多廠家，也包括一些國(guó)外公司提出的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于技術(shù)上在國(guó)際領(lǐng)先的某些美國(guó)著名企業(yè)的事實(shí)。如果確實(shí)如此當(dāng)然是大好事，但是用戶還是應(yīng)當(dāng)從技術(shù)上考察一下支持這些指標(biāo)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(tái)設(shè)備測(cè)得的技術(shù)指標(biāo)或圖像放在一起，不加說(shuō)明，魚目混珠，屬于商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)有意誤導(dǎo)用戶的行為，千萬(wàn)不要上當(dāng)。
還有一個(gè)對(duì)于三維圖像的認(rèn)識(shí)問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)說(shuō)CT 從二維圖像向三維發(fā)展是一個(gè)方向。在螺旋和多層CT 出現(xiàn)以后，尤其是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無(wú)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(lái)工業(yè)CT 對(duì)三維的關(guān)注顯然也大大增加，也取得了明顯的進(jìn)展。不少地方提出“反向工程” 技術(shù)或“先進(jìn)制造”等概念，如果能夠?qū)崿F(xiàn)絕對(duì)是意義重大的。然而分析一下醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和工業(yè)應(yīng)用的特點(diǎn)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些問(wèn)題。醫(yī)學(xué)診斷關(guān)心的尺度在mm 量級(jí)，而工業(yè)應(yīng)用往往要求到0.01mm 量級(jí)，甚至μm 量級(jí)；從醫(yī)學(xué)診斷的目標(biāo)來(lái)說(shuō)最大的就是人體，而工業(yè)應(yīng)用的對(duì)象一般都是100 mm 量級(jí)或者更大。僅數(shù)據(jù)量這一點(diǎn)就可以看出兩者相差好幾個(gè)量級(jí)，工業(yè)領(lǐng)域的難度可想而知。所以說(shuō) “反向工程”等問(wèn)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(duì)較輕材料的檢測(cè)對(duì)象，用面探測(cè)器進(jìn)行三維直接重建，可以大大縮短成像平均時(shí)間；或者進(jìn)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(cè)，雖然由于面探測(cè)器固有的缺點(diǎn)，圖像質(zhì)量可能受到某些限制；也可進(jìn)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(lái)在查毒和危險(xiǎn)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(dāng)考慮本身實(shí)際需要提出適當(dāng)?shù)囊蟆?
因?yàn)楣I(yè)CT 的檢測(cè)比較費(fèi)時(shí)，在實(shí)際操作中往往不可能作到“無(wú)遺漏”的檢測(cè)。而數(shù)字化照相即DR 的檢測(cè)速度快得多，于是出現(xiàn)了一種說(shuō)法：先用DR 檢測(cè)樣品，發(fā)現(xiàn)缺陷或可疑處再用CT 檢測(cè)。這種說(shuō)法不夠確切。用DR 發(fā)現(xiàn)缺陷或可疑后再用CT 檢測(cè)，固然可以更進(jìn)一步精確地測(cè)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(jià)值就值得懷疑了。
最后一個(gè)問(wèn)題就是掃描方式的選擇，前面已經(jīng)對(duì)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(dāng)指出，認(rèn)為只旋轉(zhuǎn)(RO)方式要比平移—旋轉(zhuǎn)(TR)方式先進(jìn)的看法可能也是認(rèn)識(shí)上的一個(gè)誤區(qū)。暫且不說(shuō)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(duì)稱的回轉(zhuǎn)體的檢測(cè)，也不說(shuō)探測(cè)器數(shù)量顯著減少帶來(lái)的成本降低和容易維護(hù)，就是對(duì)一般認(rèn)為屬于RO 方式優(yōu)點(diǎn)的射線利用率高也要做具體分析。對(duì)于一個(gè)樣品尺寸變化范圍大的CT 系統(tǒng)，在檢測(cè)小樣品時(shí)，大部分探測(cè)器獲取的數(shù)據(jù)是無(wú)用的，射線利用率大打折扣。同時(shí)由于只利用了少量探測(cè)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(cè)器微動(dòng)的方法插值做一些補(bǔ)救，但是RO 掃描方式檢測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)就要大打折扣。此外，為了控制探測(cè)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(wèn)題具體分析。
總之，選購(gòu)工業(yè)CT 產(chǎn)品時(shí)一定要從實(shí)際需要出發(fā)，盡可能加深對(duì)工業(yè)CT 的理解，了解各個(gè)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(biāo)。這樣才可以減少盲目性，加強(qiáng)科學(xué)性，促使我國(guó)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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