㈠ 工業CT與醫用CT性能要求差別
本文主要是幫助那些不十分熟悉工業CT 物理原理的讀者理解工業CT 技術參數對性能指標的影響，以便在選擇和購買工業CT 設備時，能恰如其分地提出技術要求，合理地在性能和價格之間取得折衷。
1 工業CT 的基本特點
1.1 工業CT 概述
CT 即計算機斷層成像技術，是英語Computed Tomography 的縮寫。而tomography 一詞源於希臘字tomos，意思是一種能對單個平面照相，同時去除其他平面結構影響的X 射線照相技術。用傳統人體透視方法，三維的人體沿X 射線的方向被壓縮成了兩維的圖像，體內所有骨骼結構和組織都重疊在一起，使得感興趣對象的清晰程度大為下降。這樣盡管它有極好的空間解析度（分辨緊鄰的高反差物體的能力），可是最後只有很差的低反差解析度（從背景上區分低反差物體的能力）。因此導致了傳統斷層成像技術的出現[8]。
傳統斷層成像的基本原理如圖1 所示。先考慮病人體內兩個孤立的點A 和B：A 點在焦平面上而B 點在焦平面以外。A 點和B 點投射到X 膠片上的陰影對應地標注為A1 和B1，如圖 1(a)。這時膠片上生成的圖像和傳統照相完全沒有區別，然後使X 射線源和X 膠片同步地沿相反方向運動（例如如圖所示，X 射線源向左運動而X膠片向右運動）到第二個位置。我們要確保固定點A 生成的陰影A2 與A 點在第一位置生成的陰影A1 重合。這一點很容易通過設置X 射線源和X 膠片移動的距離，使它們正比於對A 點相應的距離來實現，如圖 1(b)。然而固定點B 在第二位置生成的陰影B2 與B1 是不重合的。這就是因為B 點不在焦平面上，從B 點到X 射線源和B 點到膠片的距離比偏離了對A 點相應的距離比。當X 射線源和膠片沿一條直線（自然是相反方向）連續運動時，B 點生成的陰影形成了一個直線段，這個性質對焦平面以外上下的任何點都是適用的。應該注意到不聚焦的那些點生成的陰影強度降低了，這是由於陰影分布到一個擴展了的面積上。而所有焦平面上的點都保持了原來膠片上的圖像位置，其陰影仍然是一個點，相應的強度沒有減小。
圖1 傳統斷層成像的原理
雖然這種斷層成像技術在生成清晰的感興趣平面的圖像方面取得一些成功，但它們並沒有增加物體的反差，也不能根本上去除焦平面以外的其他結構。明顯損害了圖像的質量。
現代斷層成像技術——即CT，是基於從多個投影數據應用計算機重建圖像的一種方法，現代斷層成像過程中僅僅採集通過特定剖面（被檢測對象的薄層，或稱為切片）的投影數據，用來重建該剖面的圖像，因此也就從根本上消除了傳統斷層成像的「焦平面」以外其他結構對感興趣剖面的干擾，「焦平面」內結構的對比度得到了明顯的增強；同時斷層圖像中圖像強度（灰度）數值能真正與被檢對象材料的輻射密度產生對應的關系，發現被檢對象內部輻射密度的微小變化。事實上，低對比度可探測能力（LCD）是CT 和常規射線照相之間的關鍵區別。這也是CT 在臨床上迅速得到接受的最主要因素。
需要強調的是，除了CT 技術以外的所有無損檢測技術都沒有這個能力。因為沒有重疊結構的干擾，圖像的解釋要比傳統射線照相容易得多。新的購買者能很快看懂CT 的結果因此從上世紀70 年代初英國EMI 出現世界上第一台醫用CT 掃描設備以來，CT 技術一直迅速發展。現在CT 已成為最常用的臨床診斷工具之一。而近年來螺旋CT 的出現又使這個技術前進一大步。
工業CT 的基本原理與醫用CT 相同，因此也具有醫用CT 所有的基本特點。其檢測圖像沒有被檢測的「切片」以外結構材料的干擾可發現檢測對象內部極小的材料密度變化。同時圖像的解釋要比傳統射線照相容易得多。
因此工業CT 也被廣泛用來檢查機械零部件內部結構或裝配正確性，還可以用於非破壞測量零件內部尺寸。近年來，鑒於各種其他無損檢測手段的大量研究沒有得到令人滿意的結果，工業CT 又被認為是檢查毒品和爆炸物最有應用前景的手段。
值得注意的是CT 檢測得到的是輻射密度分布圖像，更專業一些應當稱之為射線線性衰減系數的分布圖像。由於在大多數情況下輻射密度與材料密度有近似的對應關系，人們往往把CT 圖像誤認為就是一般（材料）密度的分布圖像。這種混淆在很多實際應用情況下並無很大害處，然而在精確定量分析檢測結果時就有可能導致一些錯覺。
由於檢測對象的不同，工業CT 與醫用CT 差別很大，以至從外表上幾乎看不出多少相似的地方。醫用CT 的檢測對象基本上是人體或器官，材料密度和外形尺寸的變化范圍相對比較小。但是工業CT 的檢測對象就要廣泛得多，從微米級的集成電路到超過一米的大型工件，從密度低於水的木材或其它多孔材料到高原子序數的重金屬材料都是CT 檢測對象；關心的檢測要求從各類內部缺陷到裝配結構和尺寸測量，也各不相同。這就使不同用途的工業CT 系統所用的射線源、射線探測器和系統結構很不相同，甚至工業CT 系統之間的外形也大不相同。從這個意義上說，理解工業CT 比理解醫用CT 也許更加困難。
工業CT 的缺點是因為其技術復雜，設備價格相對高昂。設備的使用和維護相對難度也較大。另外重建斷層圖像需要採集的數據量龐大檢測速度較慢。
1.2 工業CT 的主要部件和它們的特點
一個工業CT 系統至少應當包括射線源，輻射探測器，樣品掃描系統，計算機系統（硬體和軟體）等。
1.2.1 射線源的種類
射線源常用X 射線機和直線加速器，統稱電子輻射發生器。電子迴旋加速器從原則上說可以作CT 的射線源，但是因為強度低，幾乎沒有得到實際的應用。X 射線機的峰值射線能量和強度都是可調的，實際應用的峰值射線能量范圍從幾KeV 到450KeV；直線加速器的峰值射線能量一般不可調，實際應用的峰值射線能量范圍從1 ～16MeV，更高的能量雖可以達到，主要僅用於實驗。電子輻射發生器的共同優點是切斷電源以後就不再產生射線，這種內在的安全性對於工業現場使用是非常有益的。電子輻射發生器的焦點尺寸為幾微米到幾毫米。在高能電子束轉換為X 射線的過程中，僅有小部分能量轉換為X 射線，大部分能量都轉換成了熱，焦點尺寸越小，陽極靶上局部功率密度越大，局部溫度也越高。實際應用的功率是以陽極靶可以長期工作所能耐受的功率密度確定的。因此，小焦點乃至微焦點的的射線源的使用功率或最大電壓都要比大焦點的射線源低。電子輻射發生器的共同缺點是X 射線能譜的多色性，這種連續能譜的X 射線會引起衰減過程中的能譜硬化，導致各種與硬化相關的偽像。
同位素輻射源的最大優點是它的能譜簡單，同時有消耗電能很少，設備體積小且相對簡單，而且輸出穩定的特點。但是其缺點是輻射源的強度低，為了提高源的強度必須加大源的體積，導致「焦點」尺寸增大。在工業CT 中較少實際應用。
同步輻射本來是連續能譜，經過單色器選擇可以得到定向的幾乎單能的高強度X 射線，因此可以做成高空間解析度的CT 系統。但是由於射線能量為20KeV 到30KeV，實際只能用於檢測1mm 左右的小樣品，用於一些特殊的場合。
1.2.2 輻射探測器
工業CT 所用的探測器有兩個主要的類型——分立探測器和面探測器
1.2.2.1 分立探測器
常用的X 射線探測器有氣體和閃爍兩大類。
氣體探測器具有天然的準直特性，限制了散射線的影響；幾乎沒有竄擾；且器件一致性好。缺點是探測效率不易提高，高能應用有一定限制；其次探測單元間隔為數毫米，對於有些應用顯得太大。
應用更為廣泛的還是閃爍探測器。閃爍探測器的光電轉換部分可以選用光電倍增管或光電二極體。前者有極好的信號雜訊比，但是因為器件尺寸大，難以達到很高的集成度，造價也高。工業CT 中應用最廣泛的是閃爍體—光電二極體組合。
應用閃爍體的分立探測器的主要優點是：閃爍體在射線方向上的深度可以不受限制，從而使射入的大部分X 光子被俘獲，提高探測效率。尤其在高能條件下，可以縮短獲取時間；因為閃爍體是獨立的，所以幾乎沒有光學的竄擾；同時閃爍體之間還有鎢或其他重金屬隔片，降低了X 射線的竄擾。若將隔片向前延伸形成準直器還可以擋住散射X 射線；分立探測器可以達到16～ 20 bits 的動態范圍，而且不致因為散射和竄擾性能降低。分立探測器的讀出速度很快，在微秒量級。同時可以用加速器輸出脈沖來選通數據採集，最大限度減小信號上疊加的雜訊。分立探測器對於輻射損傷也是最不敏感的。
分立探測器的主要缺點是像素尺寸不可能做得太小，其相鄰間隔(節距)一般大於0.1mm；另外價格也要貴一些。
有一些關於CdZnTe 半導體探測器陣列用於工業CT 的報導。半導體探測器俗稱為固體電離室，由於本身對X 射線靈敏，無須外加閃爍體，這種探測器尺寸可以做得較小，沒有光學的竄擾。如果探測單元之間沒有重金屬隔片，仍然無法避免散射X 射線的影響。應當說這是一種很有應用前景的CT 探測器，但目前還有餘輝過長等一些技術問題需要解決。
1.2.2.2 面探測器
面探測器主要有三種類型：高分辨半導體晶元、平板探測器和圖像增強器。半導體晶元又分為CCD 和CMOS。CCD 對X 射線不敏感，表面還要覆蓋一層閃爍體將X 射線轉換成CCD 敏感的可見光。平板探測器和圖像增強器本質上也需要內部的閃爍體先將X 射線轉換成這些器件敏感波段的可見光。
半導體晶元具有最小的像素尺寸和最大的探測單元數，像素尺寸可小到10 微米左右，探測單元數量取決於硅單晶的最大尺寸，一般直徑在50mm 以上。因為探測單元很小，信號幅度也很小，為了增大測量信號可以將若幹探測單元合並。為了擴大有效探測器面積可以用透鏡或光纖將它們光學耦合到大面積的閃爍體上。用光纖耦合的方法理論上可以把探測器的有效面積在一個方向上延長到任意需要的長度。使用光學耦合的技術還可以使這些半導體器件遠離X 射線束的直接輻照，避免輻照損傷。
用半導體晶元也可以組成線探測器陣列，每個探測單元對應的閃爍體之間沒有隔離或者在許多探測單元上覆蓋一整條閃爍體，具有面探測器的基本特徵，除了像素尺寸小的優點以外，其性能無法與分立探測器相比。圖像增強器是一種傳統的面探測器，是一種真空器件。名義上的像素尺寸＜100μm，直徑152～457mm(6～18in)。讀出速度可達15～30 幀/s，是讀出速度最快的面探測器。由於圖像增強過程中的統計漲落產生的固有雜訊，圖像質量比較差，一般射線照相靈敏度僅7～8%，在應用計算機進行數據疊加的情況下，射線照相靈敏度可以提高到2%以上。另外的缺點就是易碎和有圖像扭曲。