CN102590243B - 一种铁路铸件全身ct扫描成像方法 - Google Patents

Abstract

一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，它包括有射线源、线阵探测器和扫描转台，扫描成像步骤为：1）将铸件放置于扫描转台上，并初始化CT扫描参数；2）对铸件进行多次、多角度扫描，完成一次扫描得到一幅DR图像数据；3）采集到的DR图像数据进行重排；4）初始化重建参数；5）采用SART迭代重建算法重建三维CT图像；6）显示铸件切片图像或可视化铸件的具体数据。它扫描速度快，重建三维图像质量高，影像不重叠分辨率高，有效提高铁路铸件的扫描效率。

Description

一种铁路铸件全身CT扫描成像方法

技术领域

本发明涉及一种CT成像方法，特别是一种用于铁路铸件CT扫描成像的方法。

背景技术

工业计算机层析成像技术（简称工业CT）是无损检测界公认的最佳的无损检测技术。它利用射线穿过物体发生衰减这一性质，将传感器获得的数据进行重建从而获得被检测物体的三维灰度图像，清晰、准确、直观的反映物体的内部结构、材料密度和缺损状况。工业CT在工业界得到了广泛运用，检测的铸件尺寸有小到几毫米大到几米的范围。

在铁路铸件的生产过程中，由于生产工艺的原因铸件成品或多或少地存在一些缺陷，比如气孔、缩孔、夹杂等。工业CT可以帮助质检人员检测铸件内部存在的缺陷，防止由于产品缺陷而带来的灾难事故。可以说工业CT技术对保证铁路铸件质量和提高生产效率具有重要的实际意义。

工业CT扫描方式有：一代扫描、二代扫描（TR扫描）、三代扫描（RO扫描）和锥束扫描等。目前常用的扫描方式有二代扫描和三代扫描，他们都是使用线阵探测器扫描的。随着工业技术的发展，有些工业CT使用面阵探测器并发展成为锥束扫描方式。如公开号CN102062740A的中国发明专利所公布的锥束CT扫描成像方法及系统，平移探测器，使成像视场覆盖被扫描物体至少一半的部分；对被扫描物体进行扫描，将视场扩大为原来的多倍。还有螺旋锥束扫描方式，铸件在转台上匀速旋转，面阵探测器和射线源同时在竖直方向做平移运动，形成一种螺旋的轨迹，虽然锥束扫描方式具有采集数据量大，全身扫描速度快的优点，但是由于面阵探测器结构上的原因，锥束扫描有明显的缺点，即无法限制散射和串扰，动态范围小，尤其是可接受的射线能量低，一般只接受450KV能量及其以下的X射线，而大尺寸、高密度的铁路铸件常常需要兆电子伏级别的射线才能穿透，所以锥束CT扫描不能用于大尺寸、密度高的铁路铸件检测。

二代扫描方式和三代扫描方式可以使用后准直器，有利于屏蔽散射射线，并且探测器的动态范围大，可接受射线能量高，适合大型、高密度铸件的扫描。二代扫描方式需要作平移运动和旋转运动，扫描时间较长，而三代扫描方式只需要作旋转运动，扫描效率高于二代扫描方式，因此三代扫描方式被广泛用于工业CT。当我们对铁路铸件进行全身扫描时，传统的三代CT扫描是一个断层接着一个断层地连续扫描，重建后形成一个连续的切片图像集合。在扫描间距相同的情况下，被检物体越高，扫描的层数越多，相应扫描时间就越长。如果将铁路铸件（比如摇枕、侧架）竖直放置在转台上，则扫描层数很多；如果将铁路铸件平放在转台上，那么扫描的垂直距离会减少，可是同时也增加了射线穿透的等效厚度，即射线所穿过的区域更大了，这样往往会导致射线穿不透，重建的结果会出现金属伪影；带严重金属伪影的图像所显示的内部结构模糊不清，图像质量通常不能满足检测需要，因此这种方法行不通。有时为了节约扫描时间，不得不增大扫描层间间距，这样就减少了扫描层数，但是轴向分辨率被降低了。如果轴向结构复杂时，低分辨率将会丢失许多重要的信息。

因此，需要寻找一种能够适用于铁路铸件检测的CT扫描成像方法，其扫描速度快，检测效率高，且能得到高质量、高分辨率的三维重建图像。

发明内容

本发明的目的就是提供一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，它扫描速度快，重建三维图像质量高，影像不重叠分辨率高，有效提高铁路铸件的扫描效率。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它包括有射线源、线阵探测器和扫描转台，其特征在于，扫描成像步骤为：

1）将铸件放置于扫描转台上，铸件断层包裹在射线源与线阵探测器所形的宽扇形射束内，并初始化CT扫描参数； 

2）按照步骤1）中所述扫描参数，对铸件进行多次、多角度扫描，完成一次扫描得到一幅DR图像数据； 

3）对步骤2）中所采集到的DR图像数据进行重排； 

4）初始化重建参数； 

5）根据步骤3）中所得到的重排后的DR图像数据，采用SART迭代重建算法重建三维CT图像；

6）根据步骤5）中重建的CT图像，显示铸件切片图像或可视化铸件的具体数据。

进一步，步骤1）中所述的初始化CT扫描参数包括有被检铸件的视场直径、DR扫描行程、转台旋转的次数和转台旋转夹角。

进一步，步骤2）中所述对铸件进行扫描的方法为：

2-1）以铸件的初始放置位置为初始扫描位置，自上而下扫描铸件，获得第一幅DR图像数据                                               

；

2-2）以初始化CT扫描参数中的转台旋转夹角为旋转角度，旋转转台，自下而上扫描铸件，获得第二幅DR图像数据

；

2-3）判断所有扫描过程是否已获得铸件半个圆周扫描的DR图像，若是则转向步骤2-6），若否则转向步骤2-4）；

2-4）以初始化CT扫描参数中的转台旋转夹角为旋转角度，旋转转台，自上而下扫描铸件，获得第N-1幅DR图像数据

，并转向步骤2-5）；

2-5）以步骤2-4）的旋转角度旋转转台，自下而上扫描铸件，获得第N幅DR图像数据，N为当前扫描次数，并转向步骤2-3）；

2-6）停止扫描，并转向步骤3）。

进一步，步骤3）中的重排方法为：

3-1）定义自上而下扫描得到的DR图像数据为正向，自下而上扫描得到的DR图像数据为反向，将所有反向DR图像数据进行反转，转换为正向；

3-2）组合DR图像数据中相同行的数据，各自组成铸件的所有断层影像数据。

进一步，步骤4）中所述初始化重建的参数包括有，有效探测器个数、有效扇束张角和重建图像的大小。

进一步，SART迭代重建算法具体步骤为：

5-1）取一层铸件断层的投影数据，进行取对数操作；

5-2）利用以下公式，对每个铸件进行迭代重建；

，

式中

，

分别为第

 与

 次子迭代过程中的第个像素值，

表示第

条射线穿过第

个像素的长度，

 表示第

 条射线的实测投影值, 为第

 条射线的模拟投影值（或称为线积分值），

表示重建图像中像素的个数，

表示取遍所有像素， 

表示第

个投影视角下所有射线索引的集合，为松弛因子。

5-3）取下一层铸件断层的投影数据，重复步骤5-1）和步骤5-2），直到重建完所有铸件断层。

进一步，每层断层的迭代重建计算方法为：

对图像

赋初值

,按投影角度进行迭代。

在第1个投影视角下分别取射线进行图像投影，生成模拟投影数据，计算实际投影与模拟投影的差值，将差值乘上松弛因子后反投影到图像上，获得修正图像

。在第2个投影视角下，在上一次修正的图像上进行投影，将实际投影与模拟投影之差乘以松弛因子，再反投影到图像上，获得修正图像

,有

个投影视角，那么经过

次修正将获得图像

。

将估计值

的模拟投影与实际投影之间的距离作为判断是否进行下一轮迭代的判据,若距离大于小于给定阈值，则需要进行下一次轮迭代，将

赋为初值，按上述相同的步骤进行迭代,若计算的距离小于给定的阈值，则停止迭代，将重建结果保存到体数据中。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明利用现有线阵CT机的结构实现铁路铸件的快速全身扫描与检测，铸件只需竖直安装在转台上，易于被射线穿透，不会出现严重硬化伪影。本发明的扫描时间明显减少，实现扫描过程只需在现有控制程序中增加一部分控制代码即可，不用改动硬件部分，成本较低。图像重建算法采用SART算法，可以解决有限角采样的问题，能有效的抑制伪影和噪声，重建图像质量好，分辨率高。本发明具有扫描检测速度快、成本低、图像质量好的优点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1为本发明扫描成像的流程框图；

图2为本发明铸件检测时的状态示意图；

图3为图2的俯视图；

图4为射线源和探测器相对被检测铸件的运动轨迹图。

图中：1. 转台；2. 铸件；3. 线性探测器；4. 射线源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

扫描时，将待检测铸件放置在转台上，如图2所示，以转台台面的中心为原点建立直角坐标系XYZ，Z轴为与转台中心轴线重合的坐标轴，XY平面平行于射线源和线性探测器组成的扇面，且垂直于Z轴；将铸件放在固定的直角坐标系XYZ中，铸件断层必须被扫描射束所包围。扫描重建包括以下步骤：

初始化扫描参数：扫描之前要求对CT扫描参数作初始化设置，扫描参数主要包括被检铸件的视场直径；DR扫描的行程，此参数应大于铸件放置在转台上的高度；转台旋转的次数；相邻两次DR扫描的夹角或转台每次旋转的角度。

扫描：扫描前待检测铸件2设置在转台1上，转台转到初始角度后停止；线性探测器3和射线源4沿Z轴方向平移到铸件2顶部以上，打开射线源，使射线源4和探测器3同时沿Z轴向下平移扫描，探测器3采集数据后进行校正就得到一幅DR图像；转台1再旋转一个固定的角度后停止，射线源4和探测器3同时沿Z轴向上平移扫描，探测器3采集数据后进行校正就得到另一幅DR图像。重复上述扫描过程直到获得铸件2半个圆周扫描的DR图像。图4显示了扫描过程中机械运动轨迹，水平坐标

是转台1的旋转角度，垂直坐标是Z轴。

数据重排：扫描采集的一幅DR图像为一个二维向量，设为

，所有

幅DR图像按扫描顺序依次为

，

 …，

为偶数，把从上往下扫描定义为正向扫描，把从下往上扫描定义为反向扫描；可知，

，…

等奇数次扫描的DR图像为正向图，，，…

等偶数次扫描的DR图像为反向图。将反向图像作垂直翻转变换改成正向图。设DR图像大小为

行×

列，一行的投影数据为

，DR图像可表示为

，将

与

，与

，以些类推，进行两两交换得到结果图即完成垂直翻转变换。将所有反向图按上述方法进行垂直翻转变换，最后获得正向扫描图像。将所有DR图像中相同行数据提取出来组成三代扫描投影数据，三代扫描投影是同一断层扫描所采集的数据，而重排后的DR图像中的行号就代表某一个高度的断层，取某个相同行的数据就可以组成某个断层的投影，一层投影数据是一个大小的数据矩阵，

为一行探测器的个数。从DR图像第一行到第

行依次提取断层投影，按顺序存储，最后获得连续扫描的投影体数据，大小为

。

重建三维CT图像：利用三代等角扇束迭代重建算法连续重建铸件2的CT切片图像，最后形成铸件2的三维体数据。处理过程包括以下步骤：

初始化重建参数；获取有效探测器个数，有效扇束的张角，重建图像的大小等。

从步骤3得到的投影体数据中取一层投影数据，对投影数据进行取对数操作。

利用以下的SART迭代重建公式重建图像：

，

式中

，

分别为第

 与 次子迭代过程中的第

个像素值，

表示第

条射线穿过第

个像素的长度，

 表示第

 条射线的实测投影值, 

为第

 条射线的模拟投影值（或称为线积分值），

表示重建图像中像素的个数，

表示取遍所有像素， 

表示第

个投影视角下所有射线索引的集合，为松弛因子。

具体步骤如下：

对图像

赋初值

；

按投影角度进行迭代。

在第1个投影视角下分别取射线进行图像投影，生成模拟投影数据，计算实际投影与模拟投影的差值，将差值乘上松弛因子后反投影到图像上，获得修正图像

。类似地，在第2个投影视角下，在上一次修正的图像上进行投影，将实际投影与模拟投影之差乘以松弛因子，再反投影到图像上，获得修正图像

。如果有

个投影视角，那么经过

次修正将获得图像。

将估计值

的模拟投影与实际投影之间的距离作为判断是否进行下一轮迭代的判据。如果距离大于小于给定阈值，则需要进行下一次轮迭代，将

赋为初值，按上述相同的步骤进行迭代。如果计算的距离小于给定的阈值，则停止迭代，将重建结果保存到体数据中。

扫描时，射线源和探测器同步沿z轴升降，作半个圆周的DR扫描，获得多张DR图像，扫描时间少于传统扫描方式的扫描时间。例如一个3米长的铸件，竖直放在6MeV直线加速器工业CT转台上接受全身扫描，加速器射线脉冲频率为150HZ，纵向分辨率为1毫米，每个视角下采集一个脉冲的数据。如果采用传统的分层连续扫描方式，那么将扫描3000层，假设每层扫描256个分度，一层扫描需要256/150秒，总共需要3000×256/150秒=5120秒。如果采用本发明的扫描方式，每个分度扫描3000/150，而只需扫描128个分度，总共需要128×3000/150秒=2560秒。显著减少重铸时间。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，它包括有射线源、线阵探测器和扫描转台，其特征在于，扫描成像步骤为：

1）将铸件放置于扫描转台上，铸件断层包裹在射线源与线阵探测器所形的宽扇形射束内，并初始化CT扫描参数； 

2）按照步骤1）中所述扫描参数，对铸件进行多次、多角度扫描，完成一次扫描得到一幅DR图像数据； 

3）对步骤2）中所采集到的DR图像数据进行重排；

4）初始化重建参数；

5）根据步骤3）中所得到的重排后的DR图像数据，采用SART迭代重建算法重建三维CT图像；

6）根据步骤5）中重建的CT图像，显示铸件切片图像或可视化铸件的具体数据；

步骤2）中所述对铸件进行扫描的方法为：

2-1）以铸件的初始放置位置为初始扫描位置，自上而下扫描铸件，获得第一幅DR图像数据                                                

；

2-2）以初始化CT扫描参数中的转台旋转夹角为旋转角度，旋转转台，自下而上扫描铸件，获得第二幅DR图像数据

；

2-3）判断所有扫描过程是否已获得铸件半个圆周扫描的DR图像，若是则转向步骤2-6），若否则转向步骤2-4）；

2-4）以初始化CT扫描参数中的转台旋转夹角为旋转角度，旋转转台，自上而下扫描铸件，获得第N-1幅DR图像数据

，并转向步骤2-5）；

2-5）以步骤2-4）的旋转角度旋转转台，自下而上扫描铸件，获得第N幅DR图像数据

，N为当前扫描次数，并转向步骤2-3）；

2-6）停止扫描，并转向步骤3）。

2.如权利要求1所述的一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，其特征在于：步骤1）中所述的初始化CT扫描参数包括有被检铸件的视场直径、DR扫描行程、转台旋转的次数和转台旋转夹角。

3.如权利要求1所述的一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，其特征在于，步骤3）中的重排方法为：

3-1）定义自上而下扫描得到的DR图像数据为正向，自下而上扫描得到的DR图像数据为反向，将所有反向DR图像数据进行反转，转换为正向；

3-2）组合DR图像数据中相同行的数据，各自组成铸件的所有断层影像数据。

4.如权利要求1所述的一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，其特征在于：步骤4）中所述初始化重建的参数包括有，有效探测器个数、有效扇束张角和重建图像的大小。

5.如权利要求3所述的一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，其特征在于，SART迭代重建算法具体步骤为：

5-1）取一层铸件断层的投影数据，进行取对数操作；

5-2）利用以下公式，对每个铸件进行迭代重建；

，

式中

，分别为第 与

 次子迭代过程中的第

个像素值，表示第

条射线穿过第

个像素的长度，

 表示第

 条射线的实测投影值, 

为第 条射线的模拟投影值（或称为线积分值），

表示重建图像中像素的个数，

表示取遍所有像素， 表示第个投影视角下所有射线索引的集合，为松弛因子；

5-3）取下一层铸件断层的投影数据，重复步骤5-1）和步骤5-2），直到重建完所有铸件断层。

6.如权利要求5所述的一种铁路铸件全身CT扫描成像方法，其特征在于，每层断层的迭代重建计算方法为：

对图像

赋初值

,按投影角度进行迭代；

在第1个投影视角下分别取射线进行图像投影，生成模拟投影数据，计算实际投影与模拟投影的差值，将差值乘上松弛因子后反投影到图像上，获得修正图像

；

在第2个投影视角下，在上一次修正的图像上进行投影，将实际投影与模拟投影之差乘以松弛因子，再反投影到图像上，获得修正图像,有

个投影视角，那么经过次修正将获得图像

；

将估计值的模拟投影与实际投影之间的距离作为判断是否进行下一轮迭代的判据,若距离大于小于给定阈值，则需要进行下一次轮迭代，将

赋为初值，按上述相同的步骤进行迭代,若计算的距离小于给定的阈值，则停止迭代，将重建结果保存到体数据中。

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