[发明专利]大尺寸工业长管道管壁的外部螺旋锥束CT扫描成像方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种CT扫描成像方法，特别涉及一种大尺寸工业管道管壁的外部螺旋锥束CT扫描成像方法。

背景技术

大尺寸管道(如石油输油管道、天然气输气管道等)在现实工业中被大量使用，其从制造到使用往往要经历各种工艺加工、贮存、运输、装卸等过程，在这些过程中的每一步管道各部分可能发生某些变化，产生某些缺陷，对其进行无损检测是防止灾难事故发生和减少经济损失的必要措施，具有重要的实际意义。

现有技术中，管道普遍采用无损检测的方法，无损检测不需要拆装管道，方法快捷方便；但是现在大量采用的透视成像检测方法，无法避免射线方向上物体的重叠效应，无法做到真正的立体成像；而工业CT技术是国际无损检测界公认的最佳无损检测手段。以清晰、直观的图像方式显示被检测物体的内部信息。在CT检测技术中，螺旋锥束扫描方式和相应的成像方法可以解决长物体(比如管道)的检测问题，检测效率高，其重建图像轴向分辨率好。而在工业上常有待检测物体的横向尺寸较大，而探测器的尺寸相对于被检测物体的尺寸太小，射线束无法覆盖整个物体的横截面甚至横截面的一半。为解决这一问题，出现了将射线源和探测器多次同步偏转，直到物体被射线束完全覆盖为止的扫描方式，由于需要射线源和探测器多次同步偏转，增加了机械实现的难度；重建时，将偏置扫描的投影数据重排为大锥角的锥束的投影数据，投影数据重排将产生重排误差。还有一种大尺寸物体的锥束双螺旋CT扫描成像方法，扫描过程不需要射线源和探测器偏转，仅需转台和待检测工件沿水平方向平移两次；重建时不需要投影数据的重排和插值，但两次扫描的螺旋轨迹必需重合，且工业上常有经两次扫描射线束也不能完全覆盖待检测物体的横截面。而对于管道我们最关心的是其管壁部分是否有缺陷，而并不需要获得管道整个横截面的图像。

为解决探测器尺寸相对于管道横向尺寸太小的大尺寸工业长管道检测问题，将射线源偏转和探测器偏置放置，使射线束覆盖管道中心截面一侧的管壁区域，就产生了管道的外部CT问题。在外部CT中，待重建区域中的每个点都只能被有限扫描角度下的射线覆盖，而在其他的扫描角度下其投影数据是缺失的。这种投影数据的缺失会造成重建图像某些方向边缘的模糊，同时也会产生一些伪影，且外部CT重建问题非常不适定。但是外部CT具有更短的扫描时间，更低的射线剂量，并且可以避免中心高密度物质或流动液体对外围管壁图像的影响等优点，因此具有较高的研究价值和实际意义。由于外部扫描在每个扫描角度下其投影数据是截断的，其重建问题是非常不适定的。而现有的外部CT重建方法大多都是基于二维的扇束扫描，且很难用于实际含噪数据的精确重建，并且不能解决长管道的检测问题。基于压缩感知(CS)理论的总变差最小化(TVM)的CT重建算法(参见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.)对解决CT重建中的投影数据截断、稀疏采样、有限角等欠采样和不适定问题非常有效(该算法假设被重建的物体具有稀疏的梯度，即物体为分片常数，因为铸件中的同种材料(或人体内的相同组织)具有相同或近似的衰减系数，这一特征在CT图像上的表现就是图像的灰度值为近似分段常数，也就是说其梯度图像是稀疏的)。然而，对于外部CT重建问题，该算法只能得到扭曲的重建图像。

因此，需要一种能够适用于大尺寸工业长管道管壁检测的CT扫描成像方法，扫描过程易于机械实现，扫描速度快，且能得到高质量的三维重建图像。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种能够适用于大尺寸工业长管道管壁检测的CT扫描成像方法，扫描过程易于机械实现，扫描速度快，且能得到高质量的三维重建图像；具有检测速度快、影像不重叠且分辨率高、能解决长而大的管道检测问题等优点。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种大尺寸工业长管道管壁的外部螺旋锥束CT扫描成像方法，待检测管道设置在旋转台上，以旋转台的中心为原点建立直角坐标系，x轴为原点与射线源的连线并且正方向为从原点指向射线源，y轴为沿旋转台横向并垂直x轴的坐标轴，z轴为与旋转台中心轴线重合的坐标轴，将管道放在固定的直角坐标系XYZ中，管道的中心与原点重合，管道的内外径分别为r_in和r_out，在区域为管道上任意一点的坐标向量)外，重建图像的值为零，包括以下步骤：