X射线计算机层析成像技术解析

X射线三维成像可以实现物体内部的无损检测。但是对于大尺寸的板状样品的三维成像一直是业界的难题，层析成像技术是目前解决这一难题的最佳方法。

一、 什么是层析成像？

目前比较被大众熟知的Computed Tomography（CT）通常被翻译为计算机断层成像。最早的实验室CT扫描机由英国Godfrey Hounsfield于1967年建成，第一台可供临床应用的CT设备于1971年安装在医院。CT自发明以来，经历了多代发展，这里就不再赘述。

简单理解，CT就是求解一个线性方程组，最终得到的结果就是CT图像。CT扫描就是构造方程组的过程，每一条被探测器接收的射线就代表了一个方程。对二维断层成像而言，要想得到好的求解结果，需要平面内任意方向的射线。这也是要求射线源-探测器组合相对于成像目标旋转360度的原因（出于严谨考虑，这里声明不考虑短扫描等情形）。

层析成像技术，早在1921年就已经出现。这个时期的层析成像可以称之为传统层析成像。由于信息交流的不便，多个国家的研究者分别独立提出了层析成像的方法，并且给予了不同的命名。目前流传下来比较被大家接受的是Tomosynthesis和Laminography。现在用于乳腺癌筛查的钼靶成像（只是用了钼靶射线源而已），严格讲应该叫作数字乳腺层析成像（Digital Breast Tomosynthesis，简称为DBT）。而工业上比较习惯于用Laminography，我们延续了这种用法。在进行中文翻译的时候为了跟计算机断层成像区分，我们将Tomosynthesis和Laminography都翻译为层析成像。CL全称即Computed Laminography。

二、 传统层析成像 

CL与CT到底有什么区别？在前面我们已经提到CT成像一般需要射线绕物体一周。而在有些时候这是无法实现的。比如，现场条件受限或者物体在某些角度太长，射线无法穿透。比如大尺寸的板状物体。对于下图接近一米长的PCB，如果采用显微CT扫描，只能采用先切割的破坏性方法。

如果非得用一个简单粗暴的标准区分CT和CL：画一个过物体的平面，如果射线源和探测器的运动轨迹不跨越这个平面，就可以认为这是CL。

可以通过下图了解传统层析成像的原理。通过采集不同角度的投影数据（那时还只有胶片），将胶片简单叠加在一起，其中一层的数据会被增强（这一层称为焦平面）。下图中Plane 2的数据（以圆形代表其细节）就被增强了。传统层析成像，每次只能增强一个焦平面内的结构，而其它层的图像仍然是模糊的。

三、 现代层析成像

我们所说的层析成像一般都是指现代层析成像。这里的现代是相对于上面的传统而言的。现代层析成像是指采用了数字探测器和图像重建算法的层析成像。其成像结果中每一层都得到增强。虽然与CT相比，由于其数据缺失，会造成层间混叠（后面我们会着重介绍）。但在很多应用场景，这是能得到的最好的结果。

下图是几种常见的层析成像结构。如果将有限角CT也称作CL的话，可以认为是第5种结构。这里我们对各种成像结构的成像能力进行简单的分析。（I）结构简单，但数据缺失过于严重（扫描的角度等于射线的张角）；（II）仅能扫描中心区域；（III）(IV)相似，可以扫描任意区域，但在探测器的运动细节上有差异。其机械实现和数据处理上的差异过于专业，我们在这里就不再展开讨论。

四、 层间混叠

这是CL避免不了的问题。首先通过下图来了解一下层间混叠是什么样子。其表现就是横向的边缘被弱化了。为什么会出现这个问题呢？这得从傅里叶中心切片定理讲起，还是算了吧，简单点理解就是缺少了横向穿过物体的射线。为什么会缺少？因为这个方向射线穿不透啊，回忆一下前面一米长的PCB。

如果你对上面的图像不满意，不如换个方向看看。是不是感觉好了很多。

有没有办法彻底解决这个问题？针对特定的扫描对象，使用复杂的模型，效果会有所提高，但离实用还有很长的距离。 

五、 CL的优点 

谈完缺点再来聊聊优点。首先，就像前面提到的，这是现有条件下能得到的最好的结果。

CL可以对大尺寸的板状物体得到非常高的分辨率。目前，射线源的焦点尺寸可以小到几百纳米。要想实现高分辨成像，需要射线源尽可能靠近物体，而CL这种扫描方式可以很容易的实现这一点。采用光学放大透镜的探测器的显微CT，样品可以不靠近射线源，但是由于射线的利用率底，扫描的时间会很长，难以满足快速检测的需求，且同样无法解决射线在有些角度下无法穿透的问题。

下面再来聊聊CL另外一个优点。CT和CL图像最终表示的是物质对射线的线衰减系数（与射线能量、物质原子序数、物质密度等有关系）。一般趋势，线衰减系数随射线能量的增加而减小，简单点理解就是能量越高的射线越不容易被物质吸收。不同材料衰减系数的差异也随射线能量的增加而减小。由于CL始终沿着容易穿透的方向照射物体，可以使用较低能量的射线，因此能够获得较高的密度分辨能力。

六、 国内CL研究进展

与国外相比，国内对于CL技术的研究起步较晚。北京航空航天大学、中国科学院高能物理研究所等单位是国内最早开展CL成像研究的机构。

在科技部重大科学仪器设备开发项目支持下，2015年，由中国科学院高能物理研究所和古脊椎动物与古人类研究所共同成功研发专用于“板状化石”的显微CL仪器，并在2016年中安装到中科院脊椎动物演化与人类起源重点实验室高精度CT中心，该仪器同时服务其他科研院所，中国科学院南京地质古生物研究所、中国地质科学院地质研究所、北京自然博物馆、安徽博物院、广西自然博物馆、北京大学，云南大学、西北大学、首都师范大学等，累计检测化石750余件。为板状化石的三维无损检测提供了全新工具，起到了不可替代的作用。该仪器的实验结果，助力研究人员在《Nature》、《Science》等期刊上发表论文20余篇，其中五项成果分别入选并领衔2018年、2019年、2020年和2021年中国古生物学十大进展。

专用于“板状化石”的显微CL设备及其应用

集成电路和电力电子领域也存在大量的板状产品。随着封装集成度和密度不断提高，对其内部结构缺陷检测要求空间分辨率达到微米甚至亚微米级。2019年，在科技部重大科学仪器设备开发项目支持下，中国科学院高能物理研究所针对电子器件封装检测需求，研制了具有亚微米级缺陷检测能力的X射线三维分层成像仪，关键指标达到国际先进水平。为了更好的进行X射线精密检测设备的推广，中国科学院高能物理研究所在2021年成立了锐影检测科技（济南）有限公司。

X射线三维分层成像仪及其应用

2021年，锐影检测科技（济南）有限公司成功研发了用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）焊接缺陷检测的专用CL设备。彻底解决了超声法和X射线DR成像无法检测带散热柱的IGBT模块的问题。设备实现了大视野快速成像，可以自动定位DBC焊接区域，自动进行气孔缺陷的识别，计算气孔率、最大气孔率、最大气孔尺寸，适用于在线检测。技术指标达到国际领先水平。

IGBT焊接缺陷检测专用CL

CL与DR方法对于IGBT基板焊料层气孔检测效果的比较

总结

随着科研及制造业的升级，对CL检测设备的精度、检测速度和智能化水平提出了更高的要求。新型CL设备的研发将是科研机构及X射线无损检测公司面临的挑战和历史机遇。 

参考文献：

【1】 Jiang Hsieh, Computed Tomography Principles, Design, Artifacts, and Recent Advances 3rd edition, SPIE PRESS.

【2】 Buzug, Thorsten M. Computed tomography: from photon statistics to modern cone-beam CT. Springer, 2008.

【3】 Zenghui Wei, Lulu Yuan, Baodong Liu, Cunfeng Wei, Cuili Sun, Pengfei Yin, and Long Wei, A micro-CL system and its applications. Review of Scientific Instruments, 88, 115107, 2017.

【4】 Zuber M, Laaß M, Hamann E, Kretschmer S, Hauschke N, van de Kamp T, Baumbach T, Koenig T. Augmented laminography, a correlative 3D imaging method for revealing the inner structure of compressed fossils. Sci Rep. 2017 Jan 27;7:41413. doi: 10.1038/srep41413. PMID: 28128302; PMCID: PMC5269749.

【5】 https://mp.weixin.qq.com/s/_SyUUlHpJNXrLxHFKYwydw

本文作者：锐影检测科技（济南）有限公司