能量自适应的X射线三维CT系统研究进展

2017-11-16

CT技术，特别是工业CT，一直是发展高科技产业和航空航天、国防装备等现代装备工业的重要基础装备，各个国家均列为核心技术进行保护。在工业领域，一些复杂的关键与重要部件的质量直接影响系统的性能，例如航空发动机叶片、航天飞行器执行部件、飞行器制导执行机构、引信、大马力柴油机缸盖等，均关系着整个工程系统试验、运行的成败，必须对其质量进行无损检测，将安全隐患消灭在萌芽之中。此类关重部件的共同特点是结构复杂、内部结构厚薄差异大，部分为高低密度复合结构。但是此类复杂结构件在进行X射线检测时，由于射线透射方向上等效厚度（相对于X射线的衰减能力）变化率较大，探测器成像系统动态范围有限，固定能量成像模式易出现过曝光和欠曝光的共存现象，投影信息缺失严重，从而影响CT重建图像的质量和检测灵敏度。

国家自然科学基金科学仪器基础专项“能量自适应的X射线三维CT系统”（项目编号：61227003）的总体目标是研发一种成像系统与检测对象优化匹配的X射线三维CT系统，在不改变现有系统的物理组成的基础上，通过能量自适应控制、递变能量成像、高动态融合与重建等技术创新，扩展成像系统的动态范围，满足我国复杂装备产品质量检测需求，推动智能X射线CT成像技术的发展，提升我国X射线三维CT装备技术水平和国际竞争力。

经过刻苦攻关，中北大学信息探测与处理山西省重点实验室的研究人员突破了成像系统与检测对象自适应匹配的X射线优化成像理论与方法，实现了能量自适应的X射线发生控制系统的自主研发，完成图像信息的优化获取；突破了递变能量下的射线图像序列融合理论和方法以及递变能量CT重构理论和方法，实现了复杂结构件的三维CT重构，完成能量自适应的X射线三维CT系统样机的研制，为我国智能CT的发展以及装备研发提供了理论支撑和技术保障。项目执行期间，发表能量自适应高动态DR/CT成像论著1部，在Physical Review E、Measurement Science and Technology、Journal of X-ray Science and Technology、PLOS ONE等国际期刊和《物理学报》《光学学报》等国内期刊发表论文40篇，SCI收录15篇。培养博士研究生5名、硕士研究生15名，获得软件著作权2项，相关科技成果获山西省科技进步二等奖1项。

一、主要研究进展

（一）主要理论研究成果

1．项目在分析递变能量图像序列灰度特征的基础上，提出了序列间灰度增益分布直方图的概念，设计了基于递变能量图像序列线性约束的能量自适应控制策略，建立了基于线性散布度和平均对比度的射线成像质量综合评价模型，并通过融合模板的递归控制，实现了单投影角度下的能量自适应闭环控制，同时提出了基于三次样条插值的CT旋转角度间射线能量自适应控制，完成了能量与检测对象优化匹配的CT投影优化获取。

2．基于射线图像的IQI灵敏度和变能量图像灰度的统计假设检验，论证了最佳灰度带的存在性，提出了变能量图像序列有效子集递归提取算法，实现了变能量图像序列的有效区域提取，有效地克服了过曝光和欠曝光区域对多谱融合的影响。同时，提出了基于比例增益直方图和Randon变换的有效信息提取方法、基于ICA的变能量射线图像散射校正和基于分形的变能量射线图像增强方法，有效提高了图像序列质量。

3．考虑递变能量图像序列融合的信息完整性，提出了多种融合方法（基于能量适定性模型、基于主成分分析、基于图像间灰度一致性、基于图像有效区域选择）；考虑复杂结构件融合细节信息，提出了基于无下采样的Contourlet变换（NSCT）的图像序列融合方法；考虑融合灰度与能量之间的非线性问题，提出了基于分段线性约束的变能量投影序列融合算法；针对融合图像灰度物理表征问题，提出了基于神经网络的X射线多谱融合的物理表征评估算法，有效地扩展了成像系统的动态范围，实现了复杂异形工件的高动态DR成像。

4．基于投影追踪和多谱衰减，建立了变能量多谱CT虚拟模型，验证了变能量CT成像原理及方法的可行性，同时对实际的变能量CT实验的参数设置，提供了理论依据。针对变能量投影序列融合过程中由于噪声放大引起的CT重建图像质量差，提出了负对数解调融合重建方法，通过压缩图像灰度范围，改变递变电压有效子集序列灰度恢复权值获取方式，抑制噪声放大水平，凸显重建图像细节信息，有效地保证了CT重建质量，实现了复杂结构件高动态CT成像。结合变能量投影数据的多能性，提出了变能量X射线多能CT统计重建算法，通过建立变能量投影数据采集模型和衰减系数模型，设计变能量投影序列窗函数，保证变能量CT投影数据与重建算法多能假设的一致性，进一步抑制了噪声和伪影，提高了CT重建质量。

（二）样机系统

针对现有阶梯式递变的高压发生器存在的不可控及高压纹波问题，基于能量自适应控制的理论研究成果，自主设计了线性递变式高压发生器。在此基础上，基于实验室现有机械平台，完成了450kV能量自适应的X射线三维CT系统集成。进一步集成所提出的能量控制、高动态融合、高动态CT重建等算法模块，完成上位机软件平台的研发。

图1所示的450kV样机系统所达到的技术指标如下：

具备能量自适应调节功能，能够依据检测对象有效厚度的变化，自适应调节射线能量，实现信息的优化获取；系统采用模块化设计，通用性和可移植性较强；管电压自适应调节范围为1～450kV；管电流自适应调节范围为1～30mA（恒功率模式）；管电压、管电流递变方式为直线递变，且递变斜率实时可调；管电压满量程递变时间为4s～1h之间可调；管电流满量程递变时间为500ms～1h之间可调；在射线能量调节极限范围内，针对等效钢厚4～60mm（厚度比1:15）的复杂结构件在高灵敏度成像，相对于12bit的射线数字探测器直接成像，投影图像动态范围扩展≥16倍；CT图像有效信息利用率提高＞50%。

二、主要创新点

1．与检测对象相关的能量自适应的3D-CT成像理论和方法。根据检测对象的结构和密度自适应调节射线成像系统的能量，使成像系统与检测对象实现优化匹配，实现能量匹配的优化成像。

2．与检测对象相关的图像序列非线性融合，使射线成像系统的动态范围得到充分的扩展，系统的检测灵敏度得到极大的提高。

3．基于检测对象透照信息的X射线能量预测及反馈控制技术，保证系统优化成像的实现。

4．与能量自适应扫描相对应的递变能量三维CT重建技术与系统，使CT系统的检测能力及灵敏度得到极大的提高。

三、成果应用情况

（一）检测技术服务

目前完成的样机系统依托山西省现代无损检测中心对相关企业进行技术服务，目前负责大同天力涡轮增压有限公司全年的发动机涡轮叶片的高动态DR检测以及淮海工业集团引信保险机构的高动态CT检测，年技术服务费达150万元。

（二）技术企业推广

针对新能源汽车中的锂电池的内部装配结构检测，考虑到电池内部铝芯和铜芯的密度差异，采用项目提出的递变能量X射线成像技术，自主研发了锂电池的内部装配结构检测系统，实现了铝芯和铜芯的同时成像。该系统已在合肥国轩高科动力能源有限公司进行应用。

针对复杂管道焊缝检测问题，如变壁厚管道、倒角焊缝等，基于项目提出的递变能量成像技术，以激光测距系统结果为能量递变依据，自主研发了管状结构综合参数自动检测技术与系统，可一次完成管全长、管内径、管圆度、管轴直线度、管槽缠角、槽对称度、槽宽/深等几何参数及焊缝缺陷的在线、实时自动检测。该系统主要用于山西利民工业有限责任公司定向管综合参数的自动检测。同时还应用到北京华海天安科贸有限公司、交城伟仕达机械设备有限公司机械设备中相关管道产品的尺寸检测。

（三）国际合作与应用

与澳大利亚联邦科学与工业研究组织合作，利用上海光源的同步辐射加速器，结合项目组提出的变能量X射线多谱CT成像方法，实现了石油岩芯的组分及物理结构的微焦点成像，同时将数据规范微结构模型（DCM），实现了岩芯的精确微观结构表征，准确地计算了包括渗透性在内的其他物理特性，为石油储存量及开采度提供了数据支撑。

专家简介

韩焱，1957年6月生，博士、教授、博士生导师，山西省新世纪学术技术带头人，山西省中青年拔尖人才，享受政府特殊津贴的突出贡献专家。1982年本科毕业于南京理工大学电子工程专业，1987年中北大学兵器测试技术专业毕业并获硕士学位，1998年北京理工大学信号与信息处理专业毕业并获博士学位，2010年在英国曼彻斯特大学做高级访问学者。

现为信息探测与处理山西省重点实验室、山西省现代无损检测工程中心主任。电子测试国防科技重点实验室、机电工程与控制国防科技重点实验室学术委员会委员，重庆大学教育部工业CT无损检测工程中心技术委员会主任。中国指挥与控制学会常务理事，中国体视学会常务理事，中国机械工程学会理事，中国无损检测射线专业委员会副主任委员，山西省机械工程学会副理事长、无损检测学会理事长，中国兵工学会太赫兹技术分会常务理事。近年来，组织完成20余项省部级以上科研课题，获国家科技进步三等奖1项，国家教育系统科技进步二等奖2项，国防科技进步二等奖和三等奖各1项，山西省科技进步二等奖5项，兵器工业总公司科技进步二等奖2项。