Analysis on the causes and influencing laws of industrial CT artifacts
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摘要:
伪像是工业CT检测图像上必不可少的存在,有些伪像在CT物理学和数学中是固有、不可消除的,有些伪像可通过改变工艺参数来减弱或消除。通过伪像参考试件,介绍了几种工业CT检测图像中常见伪像的产生原因,并将参数进行调整以减弱伪像的影响。试验结果表明,工业CT伪像的产生原因与滤波片、放大倍数、采样张数、旋转中心校准、软件校正及被检样品夹具等因素有关。
Abstract:Artifacts are essential in industrial CT images. Some artifacts are inherent and cannot be eliminated in CT physics and mathematics, while others can be weakened or eliminated by changing process parameters.Therefore, the authors introduced the causes of several common artifacts in industrial CT images by using artifact reference block, and reduced the influence of artifacts by adjusting parameters.The results showed that the causes of artifacts in industrial CT were related to factors such as filters, magnification, number of sampling sheets, calibration of rotation centers, software calibration, and fixtures for the tested samples.
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Keywords:
- artifact /
- industrial CT /
- reference block /
- radiography
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工业CT检测技术作为一种先进的无损检测技术,具有成像直观、分辨率高、目标特征不受周围细节特征遮挡等优点[1-4]。其不受试件材料种类、形状和表面状况等限制,可直接给出试件的几何结构、密度特性,直接获取缺陷的位置、形貌、尺寸,实现检测结果数字化存储,解决现有常规射线检测技术可达性差、人工依赖性高、污染重、胶片存放等问题。
在工业CT检测技术不断发展的同时,CT图像中的伪像越来越受到人们的关注。伪像是CT图像上出现的与被测物体物理特征不相符的图像信息,是一种“干扰”。相比于射线照相技术,CT检测本质上更易产生伪像,甚至可以说是不可避免的,这是因为反投影过程是将投影中的一点映射为图像中的一条直线,不同于射线照相投影读数的一个误差,仅限于局部区域。伪像是CT检测图像上必不可少的存在,其限制了从图像中定量提取信息的能力,可被看作是一种广义的噪声。有些伪像是固有的、不可消除的,有些是可以通过改变参数来减弱或消除的,无论是固有伪像还是可减弱或消除的伪像,均需要先对其进行识别,因此文章通过伪像参考试件,简单介绍几种工业CT检测图像上常见的伪像及其产生原因,并同时通过调整参数来消除或减弱伪像的影响。
1. 试验方法
参考GB/T 41123.2—2021《无损检测 工业射线计算机层析成像检测 第2部分：操作和解释》制作适合文章试验的伪像参考试件。该试件是由均质钛合金Ti6Al4V材料制作成的圆柱体,圆柱体直径为50 mm,高度为30 mm。试件上加工的4个圆柱形孔直径为4 mm；圆心与边缘距离分别为11 mm（近边缘）,25 mm（远边缘）；长方体孔底面为边长为10 mm的正方形,参考试块上的孔为通孔。其结构示意如图1所示。
通过工业CT检测系统,采用不同检测参数对伪像对比试件进对比检测试验,开展工业CT伪像产生原因和影响规律分析。
2. 试验结果与分析
在工业CT中,按照GB/T 41123.1—2021《无损检测 工业射线计算机层析成像检测 第1部分：原理、设备和样品》,根据伪像的产生原因可划分为以下几类：设备产生的伪像、处理方法产生的伪像和数据采集过程中产生的伪像。设备产生的伪像主要包括环形伪像、散射伪像等；处理方法产生的伪像主要包括射束硬化伪像、锥束伪像、旋转中心偏差伪像等；数据采集过程中产生的伪像主要包括运动伪像、投影不足引起的伪像等。
2.1 环形伪像
根据ASTM E 1441—19 Standard Guide for Computed Tomography （CT）,工业CT检测过程中未使用精确的校准器校准或坏像素产生的伪像被称为环形伪像,此外,高空间分辨率也会加剧环形伪像。环形伪像以一系列同心圆的形式出现在重建图像中,中心位于CT系统的旋转中心,如图2所示。通过减小放大倍数,降低空间分辨率,获得的CT图像如图3所示,可以看出空间分辨率减小,环形伪像明显减弱。伪像处理前后的检测参数如表1所示（表中序号1为处理前检测参数,序号2为处理后检测参数）。
Table 1. 环形伪像处理前后的检测参数序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 1 440 6.668 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 3.333 2 Sn 2.2 散射伪像
在工业CT检测过程中,散射线的出现是不可避免的。虽然散射线产生的信号与一次信号相比很弱,但工业CT探测器灵敏度很高,同样能给最终的图像质量带来不利影响,一般通过增加物体至探测器距离和屏蔽的方式来减小散射线的影响。散射线引起的伪像称为散射伪像,如图4所示。通过调整物体至探测器的距离来减小散射线的影响,调整后的检测结果如图5所示,可以看出增加物体至探测器的距离,散射伪像明显减弱。散射伪像调整前后的检测参数如表2所示（表中序号1为调整前检测参数,序号2为调整后检测参数）。
Table 2. 散射伪像调整前后的检测参数序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 1 440 1.5 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 5.6 2 Sn 2.3 射束硬化伪像
工业CT检测设备的射线是一种包含了多个能量范围光子的射线束,被称为多色X射线,在射线传播过程中,低能光子相比于高能光子更易衰减,从而导致平均能量变高,射线逐渐变硬[5-6],因CT重建算法是在射线为单能的理想前提下进行的,故会引起伪像。射束硬化引起的伪像被称为射束硬化伪像,如图6所示。射束硬化伪像可通过预先滤波法和数据软件校正法进行校正,文章试验通过在射线机头位置加厚度2 mm的锡滤波片的方式,吸收低能射线以降低射束硬化程度,降低后的图像如图7所示。具体检测参数如表3所示（序号1,2分别为调整前,后的检测参数）。
Table 3. 射束硬化伪像调整前后的检测参数序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 205 220 354 1 440 4 — — 2 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn 2.4 锥束伪像
对于工业CT面阵检测,因从射线机出来的射线束为锥束,而重建算法是假设样品的所有部分都是从一组垂直于旋转轴的视角来进行观察的,此算法仅适用于射束轴上的样品部分,样品其他部分特别是上下两端会存在垂直方向的偏差从而引起伪像。该伪像被称为锥束伪像,如图8所示。一般情况下,在实际检测中为避免锥束伪像的出现,通常采用样品被检区域上下两端不处于探测器上下两端的方法来避免锥束伪像。文章试验使用直径为50 mm,高度为100 mm的钛合金均匀圆盘,具体检测参数如表4所示。
Table 4. 锥束伪像检测参数管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn 2.5 旋转中心偏差伪像
如果旋转轴测量有误差,则投影图像无法正确反投影,投影图像中的点状特征不能重建为CT图像中的点,而是呈现圆形状,总体效果呈现为垂直于旋转轴的切片出现双重影像。旋转轴的测量误差导致的伪像被称为旋转中心伪像,如图9所示。因此为确保旋转轴在旋转中心位置,一般在数据采集和图像重建时会进行旋转中心校准。采用相同检测参数,使用图像重建软件中旋转中心校正模块对检测图像进行旋转中心校正并重建图像,检测结果如图10所示,可以看出,旋转中心伪像明显减弱。试验具体检测参数如表5所示。
Table 5. 旋转中心伪像检测参数管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn 2.6 运动伪像
当被测物体在CT扫描过程中发生移动时,会在CT切片内产生沿单方向的双重影像,该影像被称为运动伪像,如图11所示。因此为防止运动伪像,需使用夹具固定被检样品,采用相同参数再次进行CT检测,检测图像如图12所示,可以看出,使用合适的夹具可以消除运动伪像。试验具体检测参数如表6所示。
Table 6. 运动伪像检测参数管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn 2.7 投影不足引起的伪像
在CT扫描过程中,若采样张数不足,将在垂直于旋转轴的CT切片中出现径向条纹,该影像被称为投影不足引起的伪像,如图13 所示。增加采样张数,增大投影数量,获得的CT图像如图14所示。调整前后的检测参数如表7所示（序号1,2分别为调整前,后的参数）。从图14中看出若重建时投影较多,投影不足产生的伪像将减弱。因此为避免投影不足引起的伪像,一般情况下采样张数设为1 000张以上。
Table 7. 投影不足引起的伪像检测参数序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 360 4 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn 3. 结论
工业CT伪像的产生原因与滤波片、检测工艺参数、图像重建参数及被检样品夹具等因素均有关,因此在进行工业CT检测前,需根据被检样品材料、形状、尺寸及射线穿透的最大厚度来选择滤波片（包括材料及厚度）、放大倍数、采样张数、旋转中心校准、软件校正及合适的被检样品夹具等来尽可能减少伪像,以提高检测图像质量。
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Table 1 环形伪像处理前后的检测参数
序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 1 440 6.668 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 3.333 2 Sn 
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Table 2 散射伪像调整前后的检测参数
序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 1 440 1.5 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 5.6 2 Sn
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Table 3 射束硬化伪像调整前后的检测参数
序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 205 220 354 1 440 4 — — 2 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn
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Table 7 投影不足引起的伪像检测参数
序号 管电压/kV 管电流/μA 采样时间/ms 采样张数/张 放大倍数 滤波片厚度/mm 滤波片材料 1 350 380 1 000 360 4 2 Sn 2 350 380 1 000 1 440 4 2 Sn
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