多孔陶瓷锥束CT重建质量优化

2021-02-15张士晶朱秀森赵清海王树鹏刘海强张晓峰邬冠华

失效分析与预防 2021年6期

张尤，张士晶,*，朱秀森，赵清海，王树鹏，刘海强，张晓峰，邬冠华

（1.无损检测技术教育部重点实验室 (南昌航空大学), 南昌 330063；2.大连长丰实业总公司, 辽宁大连 116038；3.中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司, 沈阳 110043；4.核工业工程研究设计有限公司, 北京 101300）

0 引言

多孔陶瓷材料是一种以刚玉砂、碳化硅、堇青石等材料为主要原料，由粘结剂、增孔剂等辅助成分经高温烧制形成的具有三维立体骨架结构的新型陶瓷材料[1-2]。多孔陶瓷具有陶瓷材料特有的耐高温、耐腐蚀、化学稳定性好和尺寸稳定性高的特性，同时其内部均匀分布的相互贯通的孔洞，使其具备孔隙率高、体积密度小、比表面积大的特点。特殊的结构和优良的特性使得多孔陶瓷材料在冶金、化工、电子、能源、生物、环保和航空等领域被广泛应用，如用于气体液体过滤和净化分离、化工催化、吸声减震、生物医学、复合材料骨架和高速飞行器高温隔热等[3-7]。

由于多孔陶瓷材料生产工艺复杂，难以避免地会产生夹杂、裂纹、孔隙密闭、孔径大小及分布不均匀等缺陷，且多孔陶瓷作为一种硬度高、韧性差的脆性材料，其陶瓷骨架容易在运输、装配和使用过程中发生断裂。以上缺陷的存在不仅影响多孔陶瓷的外观，还会直接或间接影响多孔陶瓷在流体过滤、化工催化和减震等方面的性能，甚至带来严重的安全隐患。

计算机断层成像（Computed tomography，CT）是一种在不破坏被检物体的前提下获取其不同角度下二维投影图像并借助计算机重建算法还原物体三维结构信息的射线检测方法[8]。CT对气孔类缺陷具有很高的检测灵敏度，且不受工件材料种类和几何形状的限制，可用于多孔陶瓷结构尺寸、材料均匀性、微孔率的精确测量和整体微裂纹、气孔等缺陷的检测[9]。锥束CT是利用锥形射线束和面阵探测器采集投影图像，并采用相应的重建算法重建出物体三维结构的成像技术，是一种三维CT。与传统二维CT相比，锥束CT具有扫描速度快，射线利用率高，空间分辨率高且各向同性等优点[10]。张松[11]对新型轻质陶瓷基复合材料的工业CT图像进行处理后，改善了缺陷定量表征精度，并借助CT值与材料质量衰减系数的理论关系计算出结构特性复杂材料的密度，评估了材料的均匀性；熊瑛等[12]使用微焦点CT系统对薄壁陶瓷基复合材料进行了检测，结果表明孔型缺陷检测灵敏度能够达到亚毫米级，能够实现材料孔隙率的测定；Li 等[13]采用工业CT技术对多孔镁复合材料的微观结构进行了研究。

获取高质量投影图像是CT检测的重要环节，现存的成像噪声、散射伪影、射束硬化和投影畸变是对后续图像处理和CT重建质量影响较大的亟待解决的问题。杨富强[14]分析了曝光参数对涡轮叶片CT成像质量的影响，提出了实现CT高质量成像的工艺方案；闫瑞菊[15]基于射线散射核提出了CT图像散射校正方法，在降低图像噪声的同时突出了图像边缘，降低了伪影，提高了图像对比度；唐天旭等[16]使用散射校正板有效评估了射线穿过工件后的散射信号分布，通过校正有效改善了CT图像的质量，减少了散射伪影。

本研究针对多孔陶瓷结构的特殊性选择锥束CT技术进行检测。为获取高质量投影图像，提高CT成像的可靠性和重建图像质量，研究滤波板位置、透照电压、旋转轴倾斜校正和重建图像数量等因素对重建效果的影响，得到多孔陶瓷锥束CT检测的优化参数，为多孔陶瓷CT检测工艺研究、质量优化和微观形貌分析提供数据支持。

1 多孔陶瓷锥束CT检测试验

1.1 试验样品

试验样品为圆柱形多孔陶瓷，其直径约为55 mm，高度约为15 mm，实物如图1所示。

图1 多孔陶瓷实物样品Fig.1 Physical sample of porous ceramics

1.2 CT检测系统与试验设备

锥束CT系统工作时，被检工件置于旋转台，保证射线源、被检工件中心与探测器中心处于同一水平线上，设定所需的管电压、管电流和积分时间等，通过计算机控制射线源发出X射线，经探测器数字图像采集系统接收，存储为二维的投影图像，再由计算机控制旋转台旋转设定的角度，进行下一张图像的采集。所需的图像采集完成后，通过计算机软件进行三维重建，系统如图2所示。

图2 锥束 CT 检测系统Fig.2 Cone-beam CT test system

本试验所用的锥束CT设备由DR设备加装机械装置及其控制系统所组成。射线源为ISOVOLT320 Titan E 型 X 射线机，最大管电压为320 kV，最小管电压为 5 kV，焦点尺寸为 0.4 mm。探测器为XRD 0822型平板探测器，闪烁体材料为 CsI，像素单元尺寸为 200 μm×200 μm，成像矩阵为 1024×1024，A/D 位数为 16 位。通过控制台设置X、Y轴参数控制工件的水平位置，经Z轴进行工件升降，由R轴控制工件的旋转。使用VGStudioMAX3.0 三维可视化软件对采集到的二维投影图像进行重建。试验透照布置如图3所示。

图3 锥束 CT 试验透照布置Fig.3 Cone-beam CT test transillumination layout

1.3 试验方案

为研究投影图像质量对多孔陶瓷重建质量的影响，采用控制变量法，在固定曝光量为1200 mA•ms的条件下，改变滤波板位置、管电压，采集试样二维投影图像。在后续重建过程中改变旋转轴倾斜校正角度和投影数量，获取CT重建图像。试验方案设计如表1所示。

表1 试验方案设计Table 1 Test scheme design

1.4 图像评价指标

CT检测中，散射、伪影和几何畸变是影响被检试样成像和重建质量的主要因素，通过信噪比（Signal to noise ratio， SNR）、对比度噪声比（Contrast to noise ratio，CNR）[16]和能量梯度函数值（Energy of gradient，EOG）[17]3 个图像评价指标对重建后切片的图像质量进行定量评价。

SNR和CNR用来评价图像细节可识别性，EOG可用来评价图像清晰度。三者的计算公式分别为：

式中：SA为切片图像中被检试样感兴趣区域的灰度均值；SB为背景区域的灰度均值； σB为背景区域的灰度值标准差； A 与 B 均为面积 50×50 pixel的正方形选区，如图4所示；f(x,y)为切片图像中对应像素点的灰度值。

图4 切片图像质量评定区域Fig.4 Slice image quality assessment area

2 CT重建结果分析

2.1 滤波板位置对CT重建图像质量的影响

将1 mm厚的铜板分别放在射线源侧（试样前）、探测器侧（试样后）进行滤波，其他透照参数与重建参数相同，结果如图5所示。可见，与射线源侧所得图像相比，滤波板置于探测器侧所得图像中试样边缘伪影少。由图6可知，探测器侧滤波的水平切片图像的SNR、CNR较高，说明在探测器侧进行滤波得到的投影图像噪声低、对比度高，但EOG值略低，即图像清晰度有所降低。原因在于多孔陶瓷材料结构复杂，进行射线检测时，探测器中接收到的光子能量包括了物体本身的散射，滤波板放置在射线源侧时无法对试件的散射信号进行过滤，导致图像噪声较高，对比度降低。但从另一方面考虑，滤波板放置在射线源侧时，使射线束线质硬化，增大透照宽容度，信号中的高频成分增加从而使得投影图像中试样的边缘锐化，细节更清晰，所以EOG更大。

图5 不同滤波板位置对应的多孔陶瓷CT重建图像Fig.5 CT reconstruction images of porous ceramics with different filter plate positions

图6 滤波板位置对多孔陶瓷CT重建图像质量的影响Fig.6 Impact of filter plate positions on quality of reconstructed CT images of porous ceramics

试验表明，对多孔陶瓷进行CT检测与重建时，滤波板位置会影响投影图像的质量，从而影响CT重建结果。在CT图像采集阶段需要对信噪比、对比度和清晰度进行综合考虑来决定滤波板的放置位置。

2.2 透照电压对CT重建图像质量的影响

对15 mm厚的多孔陶瓷试样进行初步试验，管电压设为85 kV时射线基本可以穿透试样。考虑到多孔陶瓷具有大厚度比的特性，在研究透照电压对多孔陶瓷CT重建图像质量的影响时，将透照电压从 85 kV提升至 130、140 kV。目的是为了提高透照厚度宽容度，其他参数保持一致（表1中试验2~试验4），结果如图7、图8所示。对比可见，管电压从 85 kV 提高到 130 kV，SNR、CNR 和EOG均明显增加，继续增大电压到140 kV 时，SNR和CNR基本保持不变，而EOG减小。采用130 kV管电压进行透照时，重建后的切片图像轮廓清晰，无明显散射伪影，表明不同透照电压下采集的投影图像对CT重建质量有一定影响。管电压为130 kV时，多孔陶瓷试样的三维重建图像的噪声最低，对比灵敏度和清晰度最高，图像更贴近试样真实形貌。

图7 不同透照电压对应的多孔陶瓷CT重建图像Fig.7 Reconstructed CT images of porous ceramics with different transillumination voltages

图8 透照电压对多孔陶瓷CT重建图像质量的影响Fig.8 Impact of transmission voltages on quality of reconstructed CT images of porous ceramics

透照电压对CT重建图像质量的影响是多方面的。首先，当管电压升高时，射线光子平均能量增加，线质变硬，到达探测器的射线强度大幅度增加，进而使光子噪声降低，所以SNR增加。CNR除了受噪声影响外还与主因对比度有关，电压升高使衰减系数降低，导致主因对比度有所下降，但噪声随管电压升高降低的幅度更大，起主导作用，所以CNR增加。而EOG受CNR和固有不清晰度共同影响，固有不清晰度随着电压的升高而迅速增加，因此在管电压低于130 kV 之前，CNR对EOG影响超过固有不清晰度，起主导作用，所以EOG随管电压增加而迅速达到峰值。当管电压继续增加到140 kV，固有不清晰度的影响超过CNR居主导地位，所以EOG反而下降。

综上所述，当透照电压适当提高时，可增加信噪比，提高图像清晰度。但射线能量过高时，会对对比度和清晰度产生不利影响。因此针对复杂工件进行CT检测时，需要对上述因素进行综合考虑，通过实验来获取较优的透照电压。

2.3 旋转轴倾斜校正对CT重建图像质量的影响

反投影算法中，坐标系原点的位置即被测物体旋转轴轴线的位置，其精确度在很大程度上会影响图像的质量[18]。实际扫描过程中机械转台与被测物体的定位存在偏移和精度不足等问题，导致旋转轴中心发生偏移，在反投影重建过程中给投影地址的计算带来误差，使得被透照的物体上某一点的投影经过反投影算法计算后偏离实际位置，从而出现环状伪影、重影等现象。

为验证旋转轴倾斜校正对重建质量的影响，以试验3的投影图像为数据基础，进行3次CT重建，旋转轴倾斜校正的角度分别为软件校正算法计算所得的−1.06°和参考设置的−5°、5°，重建结果如图9所示。对比图9中3组图像的水平切片图和垂直切片图，在−5°、5°校正条件下，多孔陶瓷图像边缘有明显伪影，且垂直切片图中多孔陶瓷图像有明显内凹状畸变。图像质量定量评价结果如图10所示，3组图像的信噪比相差较小，而−1.06°校正后重建所得图像的对比度和清晰度有明显提升，边界较为清晰，质量最高。结果表明，试验所用CT系统存在旋转轴倾斜误差，通过软件计算或者实际测量得到校正所需的角度，经旋转轴倾斜校正后可以明显提高CT重建质量，减少重建伪影和几何畸变，提高图像清晰度。

图9 不同旋转轴倾斜校正角度对应的多孔陶瓷CT重建图像Fig.9 Reconstructed CT images of porous ceramics with different tilt correction angles of rotation axis

图10 旋转轴倾斜校正角度对多孔陶瓷CT重建图像质量的影响Fig.10 Impact of rotation axis tilt correction angle on quality of reconstructed CT images of porous ceramics

2.4 投影数量对CT重建图像质量的影响

根据反投影重建算法原理，当投影数量趋于无穷大时，反投影后得到的像素点灰度值趋于真实值；当投影数量相对较少时，反投影重建之后的图像与真实图像之间存在较大的误差。

为研究投影数量对多孔陶瓷CT重建的影响，在对试验3的结果进行−1.06°旋转轴倾斜校正的基础上，等间距选取45、180、720张投影图像进行重建，结果如图11所示。

图11 不同投影数量对应的多孔陶瓷CT重建图像Fig.11 CT reconstruction images of porous ceramics with different number of projections

由图11可见：当投影数量为45张时，图像出现大量条状伪影，图中的试样结构残缺严重，轮廓模糊，难以用于缺陷检测和微观形貌分析；投影数量为180张时，试样外形尚可分辨，但试样边缘和背景区域出现明显伪影；当投影数量为720张时，多孔陶瓷外形结构完整，边界清晰，无明显伪影。由图12定量评价可知，随着投影数量的增加，重建后图像的SNR、CNR和EOG均显著提高，整体而言，多孔陶瓷CT重建图像质量与投影数量存在正相关关系。