主要观点总结
X射线计算机断层扫描（简称CT）技术自诞生以来已发展为科学研究和工业应用的重要无损检测手段。它可在不破坏样品的情况下进行内部结构的三维可视化和量化分析。在法医学、地球科学、博物馆、材料科学和生命科学等多个领域，CT技术发挥着重要作用。此外，CT也是增材制造（AM）的关键工具，用于评估内部结构。尽管实验室级设备可实现较短时间的扫描采集，但科研和工业界对更快的采集速度仍有需求。英国工程与物理科学研究委员会发布的断层扫描路线图及文献分析显示，速度是主要挑战之一。未来，CT技术的发展将朝向更高速、高通量及实时重建的方向，尽管这需要在扫描速度与质量间找到最佳平衡点。
关键观点总结
关键观点1: CT技术的重要性与应用
CT技术作为无损检测手段，在医学、科学研究及工业领域广泛应用，如法医学的骨骼扫描、地球科学的岩石分析、博物馆的标本数字化保存、材料科学的研究等。
关键观点2: CT在增材制造中的角色
CT是增材制造中评估内部结构的关键工具，能够精确测量内外部特征，支持设计规格对比评估。
关键观点3: 速度与质量的权衡
尽管实验室级设备可实现较快的扫描采集，但速度和图像质量之间的平衡仍是一个挑战。快速扫描需要优化参数，确保数据质量满足观察和测量目标。
关键观点4: 高通量CT的发展
高通量CT通过自动化样品更换系统、传送带等方式提高检测效率，但可能面临分辨率降低的问题。
关键观点5: 原位CT技术
原位CT技术用于研究样品在外部刺激（如机械加载、热处理等）下的动态特性，但可能需要牺牲一定的分辨率。
关键观点6: CT技术的未来趋势
CT技术的发展将朝着更高速、高通量及实时重建的方向前进，需要解决速度与质量之间的平衡问题，并开发新的硬件和算法来提高采集速度和重建效率。
正文
设备明显更大，这是由于需要固定源
-
物体和源
-
探测器距离以适应多种样品尺寸。
Warnett
等人探索了类似机场行李扫描仪的实时断层扫描系统在增材制造计量中的应用潜力，如图
2(c)
所示。这种几何结构包含一条传送带，配备了
900
个可单独控制的固定
X
射线源环和固定探测器环。研究表明这种系统具有应用前景，但同样受到分辨率限制。
高通量
CT
的另一个关键方面是实时重建能力，即数据在接收的同时进行处理和重建，这被视为内联质量控制自动化的基础要素。
Buurlage
等人开发了一种
仅重建关键切片
的方法，比传统的整体
3D
体积重建更为高效。这种方法确实支持实时检查，但
其适用场景有限，例如当已知特征预期出现在特定兴趣区域时
。
Janssens
等人提出了一种基于神经网络的希尔伯特变换，能够执行快速内联
X
射线检查，
直接将有限角度投影数据转换为
3D
体积
。他们证明了该算法比传统的滤波反投影（
FBP
）重建更快，通过在传送带几何结构中扫描核桃实现了高质量图像的极速重建
——
仅需
200
毫秒。然而，该算法所需的训练时间意味着这种方法
最适合对相似物体的高通量检测
。
Körner
等人研究了通过从正弦图中插值缺失信息来减少投影数量的方法，并评估了其对地形测量的影响。结果表明，当将所需
投影数量减少高达
60%
时
，这种插值法仍能提供足够的信息。尽管显示出潜力，但该研究
仅限于单一材料立方体样品
，对不同复杂度物体的分辨率影响仍需更全面的理解。
上述所有创新方法虽各具特色，但都面临共同的局限性：
它们要么仅适用于特定应用场景，要么面临分辨率降低的问题
。
1.2
原位
CT
技术概述
原位
CT
是指在
CT
机器内部扫描过程中，样品处于非静态条件下的成像技术。
在文献中，原位
CT
技术还有多种同义术语，如
4DCT
（其中额外的维度是时间）、时间性
CT
、延时
CT
和时间分辨成像等，但这些术语本质上都指向同一概念：在一段时间内进行的一系列体积扫描，以
捕捉样品随时间变化的动态特性
。
需要特别指出的是，原位
CT
的时间尺度可以从
秒级到天级
不等，这主要取决于所研究的物理、化学或生物过程的特性。某些快速变化的现象（如液体流动）可能需要每隔几秒甚至更短时间进行一次扫描，而某些缓慢进行的过程（如材料蠕变或植物生长）则可能每天一次扫描就足够了。
在原位
CT
领域，术语的使用常常存在混淆。特别是当加载发生时进行采集的技术对于实验室
CT
来说是相对较新的，并继续添加到这一混乱的术语体系中
——
这类扫描特别被称为
"
连续
"
或
"
动态
"
扫描。为了澄清这些概念，需要明确指出，
原位并不一定意味着快速采集，而是指在样品受到外部刺激（如机械加载、热处理等）过程中进行的
CT
扫描
。
然而，确实存在一个（大）子集的实验，其中速度至关重要，例如观察运行中锂电池的形态变化或孔隙尺度实验。
提高高速扫描能力不仅可以拓展原位实验的范围，还能在相同时期观察更多离散时间点
，从而更深入地理解各种现象的细节。
图
3.
高速扫描的概念和范围
1.3
原位
CT
的历史和应用
基于实验室的原位
CT
技术始于
20
世纪
90
年代早期，首次发表的研究案例可追溯到
Breunig
等人的工作，他们提出了一个
"
简单加载框架
"
来研究
疲劳裂纹的形成与扩展
。这一领域的发展得到了数字体积相关（
Digital Volume Correlation
）分析技术的有力支持，该技术由
Bay
等人开发，允许通过原位成像获得的图像堆栈进行三维应变计算和变形测量，文献中有大量相关研究案例。
基于实验室的原位
CT
研究的应用范围与传统
CT
一样广泛，涵盖了不同时间分辨率的多种科学和工程问题。
在生命科学领域，原位
CT
可用于跟踪通常需要数天的生长过程：
Blunk
等人研究了种子的发芽过程，
Lowe
等人研究了昆虫的变态，
Keyes
等人研究了因植物根生长导致的土壤变形。
在材料科学领域，孔隙率（类似）测量也在原位环境中进行，但在不同应用和时间尺度范围内展开。例如，水泥合成泡沫的失效机制的缓慢过程和泡沫混凝土因干燥而收缩的研究可能每天一次或更少的扫描就足够了，而对于面包烘焙和啤酒泡沫变形等情况则需要快速扫描。
在力学领域，基于实验室的原位
CT
实验有多种应用：从玻璃纤维增强复合材料的拉伸加载实验到腐蚀损伤的研究，尽管目前许多此类研究仍在同步加速器源上进行，因为这些过程需要更短的曝光时间。
Vavřík
等人的研究表明，他们可以用实验室设备达到
3.4
毫秒的曝光时间
，这已经使得使用
4DCT
成像研究更多动态过程成为可能。
图
4.
原位
CT
成像的例子
：
(a)
根系随时间的变化，时间尺度为数周。
(b)
水泥浆中的水传输，图像间隔半小时。
(c)
松饼的烘焙过程，时间分辨率为
11.3
秒。
2
高速
CT
采集参数优化
CT
扫描过程包括三个主要阶段：采集、重建和分析。采集阶段是整个过程的起点，在这一阶段，被测物体被放置在
X
射线源和探测器之间的工作台上。在标准采集过程中，工作台旋转，同时探测器在多个角度捕获投影图像。研究人员可以设置的参数包括：
放大倍率、源功率、电压、曝光时间、物理滤片的添加、像素合并、平均处理、投影数量和扫描模式
等。
为了获得可供分析的三维体积图像，需要对投影图像进行数学重建。这通常使用设备供应商提供的软件完成，该软件通常实现了
FBP/FDK
算法，尽管在高级应用中还可能使用其他重建算法。
对于尺寸测量应用，准确估计测量误差至关重要，这应包括扫描过程中产生的各种误差源。这些误差可分为五个主要类别：
CT
系统本身的误差、数据处理误差、测试对象特性导致的误差、环境因素和操作者因素
。
许多研究者已经详细研究了这些因素的影响，例如几何错位对测量结果的影响、测试对象表面特性的影响、
X
射线管和探测器的物理特性和性能、温度变化的重要性、射束硬化和散射对尺寸测量的影响，以及噪声对测量不确定性的贡献等。同样，数据处理的影响也应纳入考虑范围，包括数据过滤的影响和后处理的贡献等。
图
5.
描述
CT
测量的一些主要影响因素
为了进行高质量的
CT
扫描，操作者必须选择一组合适的采集参数，这些参数最终影响采集时间和图像质量。
目前尚无确定最佳扫描参数的标准分析方法
，虽然已有研究尝试使该过程更加自动化。现有的国际标准如
BSI BS EN ISO 15708
和
VDI/VDE 2630
未提供参数选择的具体协议，这导致不同操作者对同一对象可能采用截然不同的采集参数。有经验的用户通常会了解不同参数的影响，但并非所有使用
CT
系统的人员都充分理解这些参数对最终图像的影响。
以下将详细解释各个采集参数及其对重建图像的影响，并讨论如何优化这些参数以减少采集时间同时保证图像质量。
图
6. CIMAT
（华威大学
WMG
