專利名稱：大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束ct掃描成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CT掃描成像方法，特別涉及一種大尺寸工業(yè)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法。
背景技術(shù)：
大尺寸管道(如石油輸油管道、天然氣輸氣管道等)在現(xiàn)實(shí)工業(yè)中被大量使用，其從制造到使用往往要經(jīng)歷各種工藝加工、貯存、運(yùn)輸、裝卸等過(guò)程，在這些過(guò)程中的每一步管道各部分可能發(fā)生某些變化，產(chǎn)生某些缺陷，對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)是防止災(zāi)難事故發(fā)生和減少經(jīng)濟(jì)損失的必要措施，具有重要的實(shí)際意義?，F(xiàn)有技術(shù)中，管道普遍采用無(wú)損檢測(cè)的方法，無(wú)損檢測(cè)不需要拆裝管道，方法快捷方便；但是現(xiàn)在大量采用的透視成像檢測(cè)方法，無(wú)法避免射線方向上物體的重疊效應(yīng)，無(wú)法做到真正的立體成像；而工業(yè)CT技術(shù)是國(guó)際無(wú)損檢測(cè)界公認(rèn)的最佳無(wú)損檢測(cè)手段。以清晰、直觀的圖像方式顯示被檢測(cè)物體的內(nèi)部信息。在CT檢測(cè)技術(shù)中，螺旋錐束掃描方式和相應(yīng)的成像方法可以解決長(zhǎng)物體(比如管道)的檢測(cè)問(wèn)題，檢測(cè)效率高，其重建圖像軸向分辨率好。而在工業(yè)上常有待檢測(cè)物體的橫向尺寸較大，而探測(cè)器的尺寸相對(duì)于被檢測(cè)物體的尺寸太小，射線束無(wú)法覆蓋整個(gè)物體的橫截面甚至橫截面的一半。為解決這一問(wèn)題，出現(xiàn)了將射線源和探測(cè)器多次同步偏轉(zhuǎn)，直到物體被射線束完全覆蓋為止的掃描方式，由于需要射線源和探測(cè)器多次同步偏轉(zhuǎn)，增加了機(jī)械實(shí)現(xiàn)的難度；重建時(shí)，將偏置掃描的投影數(shù)據(jù)重排為大錐角的錐束的投影數(shù)據(jù)，投影數(shù)據(jù)重排將產(chǎn)生重排誤差。還有一種大尺寸物體的錐束雙螺旋CT掃描成像方法，掃描過(guò)程不需要射線源和探測(cè)器偏轉(zhuǎn)，僅需轉(zhuǎn)臺(tái)和待檢測(cè)工件沿水平方向平移兩次；重建時(shí)不需要投影數(shù)據(jù)的重排和插值，但兩次掃描的螺旋軌跡必需重合，且工業(yè)上常有經(jīng)兩次掃描射線束也不能完全覆蓋待檢測(cè)物體的橫截面。而對(duì)于管道我們最關(guān)心的是其管壁部分是否有缺陷，而并不需要獲得管道整個(gè)橫截面的圖像。為解決探測(cè)器尺寸相對(duì)于管道橫向尺寸太小的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道檢測(cè)問(wèn)題，將射線源偏轉(zhuǎn)和探測(cè)器偏置放置，使射線束覆蓋管道中心截面一側(cè)的管壁區(qū)域，就產(chǎn)生了管道的外部CT問(wèn)題。在外部CT中，待重建區(qū)域中的每個(gè)點(diǎn)都只能被有限掃描角度下的射線覆蓋，而在其他的掃描角度下其投影數(shù)據(jù)是缺失的。這種投影數(shù)據(jù)的缺失會(huì)造成重建圖像某些方向邊緣的模糊，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些偽影，且外部CT重建問(wèn)題非常不適定。但是外部CT 具有更短的掃描時(shí)間，更低的射線劑量，并且可以避免中心高密度物質(zhì)或流動(dòng)液體對(duì)外圍管壁圖像的影響等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較高的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。由于外部掃描在每個(gè)掃描角度下其投影數(shù)據(jù)是截?cái)嗟模渲亟▎?wèn)題是非常不適定的。而現(xiàn)有的外部CT重建方法大多都是基于二維的扇束掃描，且很難用于實(shí)際含噪數(shù)據(jù)的精確重建，并且不能解決長(zhǎng)管道的檢測(cè)問(wèn)題?；趬嚎s感知(CS)理論的總變差最小化(TVM)的CT重建算法(參見E. Sidky and X. Pan, “Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by constrained，total-variation minimization",Phys. Med. Biol. , Vol 53，pp 4777-4807， 2008.)對(duì)解決CT重建中的投影數(shù)據(jù)截?cái)?、稀疏采樣、有限角等欠采樣和不適定問(wèn)題非常有效(該算法假設(shè)被重建的物體具有稀疏的梯度，即物體為分片常數(shù)，因?yàn)殍T件中的同種材料(或人體內(nèi)的相同組織)具有相同或近似的衰減系數(shù)，這一特征在CT圖像上的表現(xiàn)就是圖像的灰度值為近似分段常數(shù)，也就是說(shuō)其梯度圖像是稀疏的)。然而，對(duì)于外部CT重建問(wèn)題，該算法只能得到扭曲的重建圖像。因此，需要一種能夠適用于大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁檢測(cè)的CT掃描成像方法，掃描過(guò)程易于機(jī)械實(shí)現(xiàn)，掃描速度快，且能得到高質(zhì)量的三維重建圖像。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種能夠適用于大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁檢測(cè)的CT掃描成像方法，掃描過(guò)程易于機(jī)械實(shí)現(xiàn)，掃描速度快，且能得到高質(zhì)量的三維重建圖像；具有檢測(cè)速度快、影像不重疊且分辨率高、能解決長(zhǎng)而大的管道檢測(cè)問(wèn)題等優(yōu)點(diǎn)O本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，待檢測(cè)管道設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，以旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，X軸為原點(diǎn)與射線源的連線并且正方向?yàn)閺脑c(diǎn)指向射線源，y軸為沿旋轉(zhuǎn)臺(tái)橫向并垂直X軸的坐標(biāo)軸，Z軸為與旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心軸線重合的坐標(biāo)軸，將管道放在固定的直角坐標(biāo)系XYZ中，管道的中心與原點(diǎn)
重合，管道的內(nèi)外徑分別為rin和r。ut，在區(qū)域
權(quán)利要求
1.一種大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，待檢測(cè)管道( 設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)上，以旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)的中心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，Χ軸為原點(diǎn)與射線源的連線并且正方向?yàn)閺脑c(diǎn)指向射線源G)，y軸為沿旋轉(zhuǎn)臺(tái)⑴橫向并垂直χ軸的坐標(biāo)軸， ζ軸為與旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)中心軸線重合的坐標(biāo)軸，將管道放在固定的直角坐標(biāo)系MZ中，管道的中心與原點(diǎn)重合，管道的內(nèi)外徑分別為rin和r。ut，在區(qū)域Ω = I rin < rMi}外，重建圖像的值為零，^為管道上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)向量，其特征在于包括以下步驟51掃描掃描前待檢測(cè)管道( 設(shè)置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)上，面板探測(cè)器C3)沿y軸方向平移偏置，同時(shí)射線源(4)偏轉(zhuǎn)，使錐形射線束沿y軸的張角能夠覆蓋待檢測(cè)管道( 橫截面的一側(cè)管壁部分；掃描過(guò)程中，使旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)帶動(dòng)待檢測(cè)工件( 旋轉(zhuǎn)，同時(shí)使射線源(4) 和探測(cè)器(3)同步地沿ζ軸升降，形成以旋轉(zhuǎn)臺(tái)(1)中心軸線為軸線，射線源(4)到旋轉(zhuǎn)臺(tái) (1)中心軸線的距離為半徑的一個(gè)螺旋形掃描軌跡，直至沿ζ軸掃描完待檢測(cè)管道O)，通過(guò)掃描和數(shù)據(jù)采集獲得管壁區(qū)域的外部螺旋錐束CT投影數(shù)據(jù)，用于重建管壁圖像；52管道( 被檢測(cè)管壁區(qū)域的三維重建將待重建的管道體數(shù)據(jù)離散化后得到N維圖像向量/=U,/2,· ,Λ/經(jīng)過(guò)管道區(qū)域的掃描射線組成M維投影數(shù)據(jù)義=[灼,尸2, · ,ρΜ]τW= (Wij)為MXN維投影系數(shù)矩陣，其中《〃表示第j個(gè)像素對(duì)第i條射線的貢獻(xiàn)率；利用改進(jìn)的外部螺旋錐束CT迭代重建算法，重建管道被檢測(cè)管壁區(qū)域三維圖像，包括以下步驟521初始化重建參數(shù)；522投影到凸集POCS步，使模擬投影和實(shí)際投影數(shù)據(jù)保持一致性，并引入先驗(yàn)信息；523圖像全變差最小化TVM步，用于使重建圖像的全變差達(dá)到最小；524子區(qū)域平均化SA步，用于使重建圖像的灰度達(dá)到分片常數(shù)；53顯示管道三維重建圖像或二維切片圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，其特征在于步驟S21中的重建參數(shù)包括以下參數(shù)中的至少一個(gè)參數(shù)設(shè)置投影到凸集POCS步和圖像全變差最小化TVM步的子循環(huán)迭代次數(shù)N。_t的初始值、TV最速下降法的迭代次數(shù)Ngrad的初始值、SART迭代的松弛因子β的初始值、迭代過(guò)程中β縮小的比例β-的初始值、TV最速下降法迭代過(guò)程的松弛因子α的初始值、迭代過(guò)程中控制最速下降法迭代過(guò)程的松弛因子演化參數(shù)α -和rmax的初始值；并將重建圖像賦的初始值設(shè)置為0 ；其中，α -表示TV最速下降法在迭代過(guò)程的松弛因子的縮小比例，rmax用來(lái)控制在迭代過(guò)程中TV最速下降法的松弛因子是否減少α red。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，其特征在于步驟S22中投影到凸集即POCS步，具體包括以下步驟5221保存上次主循環(huán)迭代獲得的N維重建圖像向量/于/。中，其中，/。表示臨時(shí)存儲(chǔ)重建圖像的臨時(shí)變量；5222通過(guò)以下的SART迭代公式更新重建圖像向量k=\ 2其中，Ct1表示第1個(gè)旋轉(zhuǎn)方向下所有射線索引的集合；1 = 1,2.,ΝΦ,ΝΦ表示投影的 采樣總的旋轉(zhuǎn)方向數(shù)，
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，其特征在于步驟S23圖像全變差最小化即TVM步，具體包括以下步驟5231按以下公式來(lái)計(jì)算參數(shù)經(jīng)POCS步后重建圖像的模擬投影數(shù)據(jù)/ = ▼/，經(jīng)POCS 步后重建圖像的模擬投影數(shù)據(jù)與實(shí)際投影數(shù)據(jù)間的差異W=IjP-I^SPOCS步后重建圖像的改變量辦=|/-/J若是第一次主循環(huán)迭代，將TV最速下降法的松弛因子α變?yōu)樾碌淖?速下降法的松弛因子dtvg，它是松弛因子α和圖像改變量dp的積，即dtvg= α X dp，給TV最小化迭代賦初值Λ =/. 5232通過(guò)以下最速下降法公式來(lái)實(shí)現(xiàn)最小化重建圖像的全變差 通過(guò)下面的公式來(lái)計(jì)算重建圖像的全變差關(guān)于體素的梯度向量
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，其特征在于步驟S24中子區(qū)域平均化即SA步用于使重建圖像的灰度達(dá)到分片常數(shù)；具體包括以下步驟5241設(shè)置曲面演化參數(shù)迭代次數(shù)Nev。luti。n，時(shí)間步長(zhǎng)At，長(zhǎng)度參數(shù)μ，使Heaviside 函數(shù)正則化的參數(shù)ξ ；演化過(guò)程中的確定參數(shù)A1, λ2，υ，用來(lái)控制曲面演化過(guò)程中的能量泛函，一般情況下，取A1= A2= 1, υ = 0 ；5242初始化曲面Γ ；5243用中心到曲面Γ的符號(hào)距離函數(shù)初始化水平集函數(shù)0 . 5244通過(guò)以下公式計(jì)算正則化后的Heaviside函數(shù)好Hj = (1+2ΒΓο Βη(Φ/ξ)/3 )/2, j = 1，·，Ν;其中，Hj表示重建圖像向量第j個(gè)體數(shù)的Heaviside函數(shù)值，Φ」表示重建圖像向量第 j個(gè)體數(shù)的水平集函數(shù)值，通過(guò)以下公式計(jì)算Dirac測(cè)度<5 由正則化后的Heaviside函數(shù)Hj關(guān)于φ」求導(dǎo)得
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，其特征在于步驟Sl中，所述探測(cè)器C3)平移偏置和射線源(4)偏轉(zhuǎn)，使錐形射線束沿y軸的張角覆蓋管道( 橫截面的一側(cè)管壁區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的外部螺旋錐束CT掃描成像方法，涉及一種外部螺旋錐束CT掃描成像方法，掃描前將射線源偏轉(zhuǎn)和面陣探測(cè)器偏置，使錐形射線束覆蓋管道橫截面的一側(cè)管壁區(qū)域；掃描時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)管道繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)射線源和探測(cè)器沿轉(zhuǎn)軸方向同步升降掃描，獲得管壁區(qū)域的外部螺旋錐束CT投影數(shù)據(jù)；通過(guò)本發(fā)明改進(jìn)的外部螺旋錐束CT迭代重建算法得到待檢測(cè)管壁區(qū)域的三維圖像；本發(fā)明利用小尺寸面陣探測(cè)器和現(xiàn)有CT機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)大尺寸工業(yè)長(zhǎng)管道管壁的檢測(cè)，掃描過(guò)程易于機(jī)械實(shí)現(xiàn)，且采用一次螺旋錐束掃描，其檢測(cè)速度快；管壁的重建圖像質(zhì)量好、分辨率高，易于對(duì)管道進(jìn)行無(wú)損評(píng)價(jià)。
文檔編號(hào)G01N23/04GK102331433SQ20111014271
公開日2012年1月25日 申請(qǐng)日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者余維, 劉寶東, 曾理, 郭吉強(qiáng) 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)