Development and application of high-performance cone-beam industrial X-ray CT system

高性能锥束工业X射线CT系统研制与应用 Development and application of high-performance cone-beam industrial X-ray CT system corresp first-author E-mail：yungore@163.com E-mail：yungore@163.com 阳庆国（1979-），男，湖南衡阳人，博士，正高级工程师，2007年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位，主要从事X射线无损检测技术研究与装备研发。E-mail： yungore@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665654&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665659&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665657&type= 22.01332855 32.00399780 阳庆国 （1979-），男，湖南衡阳人，博士，正高级工程师，2007年于中国科学院上海光学精密机械研究所获得博士学位，主要从事X射线无损检测技术研究与装备研发。E-mail： yungore@163.com yungore@163.com 谭伯仲（1987-），男，四川南充人，博士，高级工程师，2015年于华中科技大学获得博士学位，主要从事X射线无损检测技术研究与装备研发。E-mail： tan0814@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665662&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665671&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41665667&type= 22.01333237 32.00400162 谭伯仲 （1987-），男，四川南充人，博士，高级工程师，2015年于华中科技大学获得博士学位，主要从事X射线无损检测技术研究与装备研发。E-mail： tan0814@163.com tan0814@163.com 中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900 中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900 China Academy of Engineering Physics， Institute of Fluid Physics， Mianyang 621900， China China Academy of Engineering Physics， Institute of Fluid Physics， Mianyang 621900， China 提升工业CT检测系统的技术性能一直是射线无损检测领域系统研发人员和用户共同追求的目标。基于这一目标，提出了采用耦合闪烁屏与科学级面阵CMOS相机的CT图像探测方法，本文介绍了利用该方法在微焦点工业CT系统硬件研制和软件开发方面涉及的重要工程技术细节。给出了自主研发的抗辐照X射线数字相机与商用平板探测器的实测技术指标对比结果、X射线CT集成软件（CTER MAX）与商用软件在CT重建算法计算效率方面的对比结果以及CT系统空间分辨率检测结果。结果表明：抗辐照X射线数字相机具备超高像素采样、低噪声、高动态范围、高分辨、耐辐照、低成本等优势，尤其在空间分辨率上较平板探测器有更大的提升空间，使用更为灵活，适应更多应用场景需求；CTER MAX软件功能完整、操作友好、较商业软件在计算性能上有约4.5倍的速度提升；CT系统综合空间分辨率最高为5 μm，与射线源焦斑尺寸相当。整个系统运行稳定可靠、可推广应用于航空发动机叶片、岩芯检测等各工业无损检测领域。 Improving the technical performance of the industrial computed tomography （CT） testing system has always been the common objective of the system’s R&D personnel and users in the field of radiographic nondestructive detection. To this end， a CT image detection method using a scintillation screen coupled with a scientific level-filter array complementary metal–oxide–semiconductor （CMOS） camera is proposed. The important engineering details associated with the hardware and software development of the micro focus industrial CT system using this method are introduced. The comparison results of the measured technical parameters of the independently developed anti-radiation X-ray digital camera and those of the commercial flat panel detector are presented. In addition， the comparison results of the computed efficiency of the CT reconstruction algorithm of the X-ray CT integrated software （CTER MAX） and that of an equivalent commercial software， as well as the detection results of the CT system spatial resolution are described. The results indicate that the anti-radiation X-ray digital camera has advantages including ultra-high pixel sampling， low noise， high dynamic range， high resolution， radiation resistance， and low cost. In terms of spatial resolution， it has more scope for improvement than the flat panel detector and is more adaptable to meeting the needs of more application scenarios. The CTER MAX software has complete functionality and is user-friendly. Compared with the commercial software， it has approximately 4.5 times faster computing rate. The comprehensive spatial resolution of the CT system is 5 μm， which is equivalent to the focal spot size of the radiation source. The system is stable and reliable， and it can be extensively used in various industrial nondestructive detection fields， such as the detection of defects in aircraft engine leaves （or blades） and rocks. 工业CT 无损检测 X射线数字相机 锥束 图像 industrial CT digital X-ray camera non-destructive detection cone beam image 1 引 言 1 工业计算机断层扫描成像（简称工业CT）技术是20世纪70年代在医用CT基础上发展起来的先进无损检测技术 ［ 1 1 - 2 2 1-2 ］ ，国际无损检测界把工业CT称为最佳的无损检测手段。它是在不破坏物体结构的情况下，利用X射线的穿透能力，通过计算机算法重建来生成物体三维图像或二维图像的射线检测方法。工业CT检测不受试件材料种类、形状结构及表面状况等限制，可以获得与试件几何结构、材料组分及密度特性相对应的二维或三维图像，已广泛应用于航天、航空、军工、汽车制造、石油、电子、机械、新能源、考古等诸多领域 ［ 3 3 - 7 7 3-7 ］ 。 随着工业制造业的迅速发展，对产品质量检验的要求越来越高，需要对越来越多的关键、复杂零部件甚至产品内部缺陷进行严格探伤和内部结构尺寸精确测量，人们对于工业CT检测仪器的技术性能的要求也日益提高。当前中低能段商用工业CT仪采用的技术路线基本上是采用微焦点X射线源与商用平板探测器集成方式 ［ 8 8 ］ 。受这两方面设备制造极限性能的制约，CT仪器的整体硬件性能很难得到进一步提升。由于CT图像探测器性能直接影响CT采集的原始投影图像质量，因此一些CT设备研制人员也尝试采用非平板探测器的技术路线，其中最常见的是采用闪烁体屏耦合面阵CCD相机的图像探测器 ［ 9 9 ］ 。CCD相机具备低噪声、高动态范围、图像一致性好等优势，能有效提升CT投影的原始图像质量。但由于高端科学级CCD价格昂贵，并且存在单幅图像读取时间过长，系统较为复杂，使用不如平板探测器简便，因此限制了其应用。近年来，随着CMOS技术的发展，面阵CMOS相机的性能越来越接近CCD相机，并且具备芯片像素小，像素数量多，读取时间短，成本低等优势，因此，使用科学级CMOS相机替代CCD相机用于CT图像的探测也就具备了实用价值 ［ 10 10 ］ 。 基于闪烁体耦合科学级面阵CMOS技术路线，中物院流体物理研究所自主研制了多款用于射线图像探测的抗辐照X射线数字相机，并将其应用于工业CT系统和仪器研发上，本文将以首款高分辨X射线CT仪器样机系统为例，对其硬件研制和软件开发涉及的重要工程技术细节进行简要介绍和阐述，最后通过实际的实验和应用证明，该类型工业CT系统具备优异的技术性能、友好的操作体验，良好的稳定性和可靠性，可以推广应用于各工业无损检测领域。 2 系统构成及其工作原理 1 图1 图1 和 图2 图2 分别为基于抗辐照X射线数字相机的高性能锥束工业CT系统及其配套的抗辐照X射线数字相机的原理图和实物照片。它主要由微焦点射线源、运动控制系统、抗辐照X射线数字相机、仪器主机系统（含防辐射的仪器外壳、安装平台、供电模块、照明模块、报警及门机连锁模块及数据通讯模块等）以及高性能图像工作站系统等组成。射线源与抗辐照X射线数字相机之间距离基本固定，待检工件位于射线源与相机之间，通过三维精密位移控制台控制几何位置关系，工件安装在高精度旋转台的台面上，旋转台可实现全周角度范围的角度旋转控制。仪器的硬件控制与数据传输通过电光转换后由光纤传输到远程工作站上，操作人员通过自主研发的专用软件采集不同角度下的CT投影图像并实现三维CT重建，用于后续分析。 3 系统研制 1 3.1　抗辐照X射线数字相机 2 抗辐照X射线数字相机是本文所述CT仪的核心设备组件之一，如 图1 图1 所示，它主要由闪烁体X射线转换屏、反射镜、铅玻璃、成像镜头、CMOS相机以及带铅屏蔽的仪器外壳等组成。闪烁体屏转换X射线为可见光，并利用成像镜头把屏上可见光图像经反射镜后成像在CMOS芯片上，形成X射线数字图像并传送给计算机处理存储。 闪烁体屏、成像镜头以及科学级面阵CMOS是抗辐照X射线数字相机的关键部件。闪烁体屏的厚度和发光效率分别影响系统的空间分辨率和图像采集效率，本文所述相机采用成熟的CsI：Tl整体屏，厚度为0.2 mm，尺寸为200 mm×200 mm。成像镜头综合考虑工作距离以及收光效率，选用焦距135 mm、数值孔径为1/1.8的商用镜头；CMOS相机的选型则需要综合考虑CMOS相机的噪声、动态范围、量子探测效率、靶面尺寸、像素尺寸、帧率等指标参数。本文选择光速视觉科技有限公司生产的QHY600相机。QHY600相机是国产科学级CMOS相机，产品广泛用于国内外科研单位的天文观测，相机设计和应用较成熟。相机暗场读出噪声约为5.7 ADU，对应动态范围11 500 （81 dB），像素阵列为9 600×6 422，像素尺寸为3.76 μm，原生16位输出，全画幅图像读出时间约为0.7 s。经过相机整体优化设计，其有效视场为190 mm×127 mm，屏上像素尺寸为19.79 μm，像素可自由合并，并且像素独立无串扰。 为测试CTER-XDC-190-A型抗辐照X射线数字相机的综合性能，开展了与某医用平板探测器的对比成像实验。成像物体为紧贴在探测器前的标准星形分辨率测试卡。实验中射线源的管电压设置为100 kV，管电流设置为200 μA，源距离平板探测器距离为497 mm，距离相机532 mm。平板探测器单帧曝光时间为440 ms，积分5幅获得总共曝光2.2 s的单幅图像（Test-A），抗辐照X射线数字相机先后采集两幅图像，一幅图像采用2×2像素累加合并，曝光2.2 s（Test-B），另一幅图像采用2×2像素平均合并，曝光时间22 s（Test-C）。每个曝光时长下，各自分别采集暗场和空场图像，用于图像的光场校正。为方便引用，上述三次成像实验分别标记为Test-A，Test-B和Test-C。 图3 图3 ~ 图5 图5 分别给出了三幅图像的原始X射线投影图像。可以看到在2×2像素累加合并模式下，Test-B的图像的平均灰度与Test-A的相当，说明抗辐照X射线数字相机和平板探测器在相同曝光时长下的最终的射线响应灵敏度差不多。Test-A图像中的黑线是平板探测器的拼接狭缝。 图6 图6 ~ 图8 图8 给出了经过光场校正后的分辨率板局部细节展示。从图中可以看出Test-A的10线对基本不可分辨，而Test-B和Test-C则可较好的肉眼分辨10线对。这也可以从 图9 图9 中的剖线图中清楚地反映出来，表明抗辐照X射线数字相机最高可以分辨到10 lp以上，而平板探测器在10 lp几乎不可分辨。 图10 图10 是8线对处的剖线图，参照双丝计成像对比度标准计算方法 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ ，8线对处Test-A的图像对比调制度约为15.19%，而Test-B和Test-C的图像对比调制度约为22.84%。除分辨率指标，图像信噪比也是一项反映探测器性能的重要指标，通过对 图6 图6 ~ 图8 图8 取空白像素区域进行统计，得到Test-A的信噪比为41.92 dB，Test-B的信噪比为33.13 dB，Test-C的信噪比为43.31 dB。因此，在相同曝光条件下，平板探测器的图像信噪比优于抗辐照X射线数字相机2×2累加像素合并工作模式，但劣于长曝光的平均合并工作模式。在同样曝光条件下相机的信噪比低于平板探测器，是因为相机的屏上像素尺寸要比平板探测器小，单个像素接收的光子数量相对少些，同时相机的光子收集效率相对也要低一些，但得益于相机的超高像素数量，图像的信噪比可以通过更高的像素合并或者适当延长曝光时间来弥补，从而具备更好的应用灵活性，尤其是对于成像时间要求不高，但对图像高分辨和高采样的DR工业检测应用中，该类型探测器将具备更大的技术优势。两个探测器其他实测技术指标可参考 表1 表1 。 抗辐照X射线数字相机 平板探测器 外形尺寸 1 260 mm×350 mm×260 mm 210 mm×214 mm×35 mm 有效视场 190 mm×127 mm 120 mm×120 mm 图像像素 9 600×6 422 2 400×2 368 像素尺寸 19.79 μm 50 μm 对比调制度 22.84%@8 lp/mm 15.19%@8 lp/mm 信噪比 33.13 dB@2.2 s/43.31 dB@22 s 41.92 dB@2.2 s 动态范围 11 500 850 帧率 1.4 FPS@16 bit 2 FPS@14 bit 经过长期运行测试，得益于良好辐射屏蔽设计，该型相机长时间辐照无损伤，运行稳定可靠。该型相机还具备超高像素采样，低噪声、高动态范围、高分辨、耐辐照等优势，抗辐照X射线数字相机全部国产化研制，具有较好的成本优势。通过调节镜头聚焦参数以及像素合并方式，该型探测器还能够动态调整视野范围，图像亮度以及信噪比，能够更灵活地适应不同应用场景。 3.2　软件开发 2 当前大部分商用工业CT仪器只提供CT仪器的控制与图像CT扫描软件，CT图像重建功能以及后续的CT体数据及切片处理分析依赖第三方软件，各软件数据格式及接口不统一，使得检测人员的使用体检不佳。基于上述考虑，自主开发了涵盖CT检测全流程的一体化集成软件系统CTER MAX，其软件界面和架构设计分别如 图11 图11 和 图12 图12 所示。软件采用模块化可插拔式设计思想，具备易调试、维护与升级，提升程序的易用性、可靠性和稳定性。集成软件共分为四大分软件系统：（1）仪器硬件控制软件；（2）科学图像处理软件（CTER IMAGE）；（3）CT工程管理软件（CTER PROJECT）；（4）体数处理分析软件（CTER VOLUME）。其中硬件控制软件又由许多独立分软件组成，包括射线源控制软件，用于设置射线源参数及控制出光；相机控制软件，用于控制相机进行图像采集；平移台运动控制软件以及旋转台控制软件；CTER IMAGE是一款通用的科学图像处理软件，包含图像输入输出、采集、批图像浏览、显示、处理与分析等功能。CTER PROJECT 是CT工程软件，具备CT工程文件的创建、存储、管理、CT扫描、CT重建及生成报告等功能，软件中集成多项关键算法与创新技术，如CPU与GPU协同并行的高效重建算法以及各类CT伪影抑制算法；CTER VOLUME是另一款独立的三维体数据处理程序，用于体数据的读写、三维体积渲染、切片显示、体数据后处理以及体数据分析等功能，初步实现了空隙/夹杂定量分析功能，其他更多定量分析功能还在进一步开发当中。上述各分系统可作为独立软件运行也可集成在统一软件CTER MAX的框架下，协调完成CT检测所需的全流程任务。软件采用C++语言编写，内部数据格式统一，界面友好，运行效率高，支持各种硬件拓展，具备跨平台移植性。 3.3　锥束CT重建加速算法 2 锥束CT重建是利用锥束CT系统采集的X射线投影图像，通过一定的算法计算得到样品的三维体数据信息。目前，常用锥束CT重建算法主要是加权滤波反投影算法（Feldkamp Davis Kress， FDK）、代数迭代算法（Algebraic Reconstruction Technique， ART）、精确重建算法（Grangeant，Katsevich，BPF算法等）。FDK算法可进行高度并行化计算，因此重建速度快，且在小锥角下重建效果较好，广泛应用于工业CT领域 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ 。 锥束CT图像重建涉及海量的数据和计算，对计算机性能和重建算法的速度提出了严峻的挑战。近年来，随着计算机图像处理器（GPU）性能的快速提升，高性能的GPU数据并行处理能力可以大大加速CT重建这一过程。CTER MAX软件的CT重建算法除图像的读取采用CPU并行外，其余部分全部采用GPU进行并行计算，使用GPU进行三维重建计算时，需要对显卡的访存结构进行优化，充分利用共享显存存储中间变量，利用纹理显存进行二维插值中像素的存取，进一步提高计算效率。针对超大数据重建，单张显卡不能一次性容纳全部投影数据和体数据，因此，需要对数据进行分块处理，对于多张显卡，则需要根据不同显卡的功耗和计算能力进行自动任务分配。 对CTER MAX软件与某商业软件的计算效率进行了对比测试。计算采用台式工作站。投影数据为1 080幅2 500×2 500采样的16位图像，重建体积为2 500 3 的32位浮点数，存储体积达到62.5 GB。采用单显卡计算时，不包括固定的图像读取与体数据存储时间，商业软件计算耗时741 s，而CTER MAX预处理采用CPU，反投影采用GPU计算共耗时223 s，而如果全流程GPU计算则只需164 s，采用双显卡全流程GPU计算只需要118 s。在当前计算条件下， CTER MAX相较于商业软件的计算加速比高达4.5倍。对于更大数据容量的计算，加速效果将更为显著。 此外，CTER-MAX软件在重建算法中也采用了一些创新技术，如计算效果和性能较优的新型环形伪影校正技术、硬化伪影校正技术、散射伪影校正技术以及螺旋伪影校正技术等，由于篇幅限制，该部分技术内容将在后续的论文中发表。 4 实验与应用 1 4.1　空间分辨率测试实验 2 为测试CT系统对实际物体的极限三维空间分辨能力，开展了QRM-Nano标准体模的CT成像实验，通过体模内置的微型分辨率硅板来观测或判读系统的空间细节分辨能力。实验中射线源管电压设置为70 kV，管电流设置为60 μA，在此功率条件下，射线源的焦斑尺寸约为5 μm，相机采用2×2像素合并，源物距54 mm，源探测器距离532 mm，成像放大比9.85。共扫描720幅2 000×2 000原始投影图像，单幅图像采集耗时约3.6 s，其中图像曝光2.5 s，图像读取和传输耗时0.9 s，转台步进耗时约0.2 s。重建体素尺寸为2 μm。 图13 图13 是CT重建XZ切片结果及不同分辨率线对组的剖线图。从图像上看，不论横向纵向6 μm线对组有很强的对比调制度，5 μm线对组调制度有所降低但仍可较好分辨，4 μm线对组调制度紊乱，不可分辨。因此，综合判断，系统的极限分辨率约为5 μm，与微焦点源的焦斑尺寸相当。 4.2　应 用 2 本文介绍的工业CT系统类型属于微焦点CT设备范畴，在工业检测领域主要瞄准中小尺寸产品或部件进行高分辨率内部缺陷或结构检测。 图14 图14 展示了该型CT仪在航空发动机叶片检测上的应用，从重建图像中可以看到，CT硬化伪影和环形伪影抑制得很好，叶片边缘锐利清晰。 图15 图15 展示了在岩石夹杂定量检测中的应用，基于重建体积，自研的CTER-VOLUME软件可以较为准确地给出岩石高密度夹杂的体积、表面积、等效直径、空间位置等量化统计信息及三维渲染显示。 5 结 论 1 本文基于现代工业CT仪器系统技术性能提升需求，提出了采用耦合闪烁屏与科学级面阵CMOS相机的CT图像探测方法，介绍了采用该方法的CT系统的结构和工作原理，简要阐述了基于该方法在系统硬件研制和软件开发中的重要技术细节，给出了抗辐照X射线数字相机和商用平板探测器的实测技术指标对比结果以及自研软件与商用软件计算效率测试对比结果。然后对整个系统开展了分辨率测试实验，实验结果表明，该系统的最高分辨率为5 μm，与系统采用的射线源焦斑尺寸相当。最后通过两个典型的应用展示，表明该类型工业CT系统具备优异的技术性能，友好的操作体验，高可靠性和稳定性，能够推广应用于各工业无损检测领域。 参考文献 张朝宗 ， 郭志平 ， 张朋 . 工业CT技术和原理 ［M］. 北京 ： 科学出版社 ， 2009 . 工业CT技术和原理 ZHANG CH Z ， GUO ZH P ， ZHANG P . 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