工业CT无损检测国内外标准对比分析

对于任何一项技术来说，标准的制定是其大规模推广应用的基础，工业CT技术也不例外。工业CT标准的制定，对CT的技术术语和性能指标逐步建立了比较清楚的概念，也建立了CT设备检验和验收的科学规范。

目前与工业CT检测相关的标准共有40多项，包括国际标准（ISO）4项，美国材料试验协会标准（ASTM）7项，国家标准（GB）20项，国家军用标准（GJB）3项，行业标准12项。标准的类型有技术导则、特定检测方法、测试卡、系统性能测试方法等。

 标准体系简介 

1 ISO标准体系

国际标准化组织无损检测技术委员会射线检测分委会（ISO/TC 135/SC 5）于2002年分别发布了ISO 15708-1:2002和ISO 15708-2:2002。这两个标准提供了CT理论、使用的教程介绍以及检测方法指南。2017年，ISO 15708系列标准陆续升版。

ISO 15708:2017系列标准对工业CT检测技术用语进行了定义，规定了射线工业CT的一般原理、使用设备、样品、材料和几何形状的基本注意事项，规定了系统的操作设置、检测结果的解释，并规定了系统在执行不同检测任务时进行性能验证的基本要求，旨在为检测人员提供相关技术信息，以便在检测过程中选取合适的参数，并对检测结果进行合理分析和评定。ISO标准体系组成（CT）如下：

1.1 ISO 15708-1:2017

Non-destructive testing-radiation methods for computed tomography part 1:terminology

无损检测-工业射线计算机层析成像检测-第一部分：术语

1.2 ISO 15708-2:2017

Non-destructive testing-radiation methods for computed tomography part 2:principles, equipment and sample

无损检测-工业射线计算机层析成像检测-第二部分：原理、设备与样品

1.3 ISO 15708-3:2017

Non-destructive testing-radiation methods for computed tomography part 3:operation and interpretation

无损检测-工业射线计算机层析成像检测-第三部分：操作和解释

1.4 ISO 15708-4:2017

Non-destructive testing-radiation methods for computed tomography part 4:qualification

无损检测-工业射线计算机层析成像检测-第四部分：验证

2 ASTM标准

1995年，美国材料试验协会无损检测委员会射线分委会（ASTM E 07.01）相继发布了ASTM E 1695:95和ASTM E 1672:95。文中讨论的4篇ASTM通用标准并不像ISO标准一样对工业CT检测的全流程进行系统性的规范与指导，这些标准分别侧重于技术和原理的教程、性能参数测试、设备部件选购以及扇形射束CT。ASTM标准体系组成（CT）如下：

2.1 ASTM E 1441:19

Standard guide for computed tomography (CT)

计算机层析成像的标准指南

2.2 ASTM E 1695:20

Standard test method for measurement of computed tomography (CT) system performance

测量计算机层析成像系统性能的标准试验方法

2.3 ASTM E 1672:20

Standard guide for computed tomography (CT) system selection

选购计算机层析成像系统的标准指南

2.4 ASTM E 1570:19

Standard practice for fan beam computed tomographic (CT) examination

扇束CT检测的标准规程

3 GB标准

2012年，全国无损检测标准化技术委员会（SAC/TC 56）发布了6篇与工业CT相关的国家标准。2017年后，针对工业CT系统的性能指标测试，SAC/TC 56发布了一系列测试卡标准（文中只讨论空间分辨率和密度分辨率的测试卡标准），GB标准体系组成（CT）如下：

3.1 GB/T 29034-2012

Non-destructive testing-guide for industrial computed tomography (CT) imaging

无损检测 工业计算机层析成像（CT）指南

3.2 GB/T 29067-2012

Non-destructive testing-test method for measuring industrial computed tomography (CT) image

无损检测 CT图像测量方法

3.3 GB/T 29068-2012

Non-destructive testing-guide for industrial computed tomography (CT) system selection

无损检测 CT系统选型指南

3.4 GB/T 29069-2012

Non-destructive testing-test method for measuring industrial computed tomography (CT) system performance

无损检测 CT系统性能测试方法

3.5 GB/T 29070-2012

Non-destructive testing-industrial computed tomography (CT) general requirement

无损检测 CT检测通用要求

3.6 GB/T 35391-2017

Non-destructive testing-spatial resolution phantom for industrial computed tomography (CT) testing

无损检测 CT检测用空间分辨力测试卡

3.7 GB/T 35386-2017

Non-destructive testing-density resolution phantom for industrial computed tomography (CT) testing

无损检测 CT检测用密度分辨力测试卡

 具体内容比较 

1 设备

1.1 概述

ISO 15708-2:2017对工业CT设备中的每个部件进行了详细的分类和描述，包括射线源的分类以及不同能量范围下射线源的应用情况与特点、探测器的分类以及应用范围、描述机械运动系统的运动模式以及规定计算机在数据采集、重建和可视化中的应用。

ASTM E 1672:20和GB/T 29068-2012专门提到如何选购一套工业CT系统，对于准备采购工业CT的潜在用户极具参考价值。

这些标准对射线源、探测器、机械运动系统的要求存在差异，以下将展开详细介绍，而对采集、重建、可视化和存储系统等的要求基本一致，此处不再做分析与讨论。

1.2 射线源

1.3 探测器

1.4 机械运动系统

2 样品

ISO 15708-2:2017较为全面地描述了在检测过程中有关样品的注意事项，其中包括样品的尺寸、形状与材料。该标准限制样品尺寸，提出最理想的形状是圆柱体，并可以转动至少180°。若由于几何或者穿透限制未能采集到所有角度的投影，则可能会出现伪像。该标准含有一张不同材料和能量的10%穿透率的厚度表。通过查询该表，检测人员可以根据不同需求的待测样品来选择信噪比最好情况下的射线能量。

ASTM E 1672:20和GB/T 29070-2012中列出了样品参数与系统性能的关系：

① 样品参数包括最大回转直径、最大长度（或高度）、最大重量以及最大等效钢厚度等；

② 最大回转直径由系统最大能量、射线分布以及扫描方式等因素决定；

③ 最大长度（或高度）由立式系统的最大升降行程或卧式系统的最大平移行程决定；

④ 最大重量由系统运动部件及机械结构综合承载能力决定；

⑤ 最大等效钢厚度主要由射线源能量决定。

3 操作

ISO 15708-3:2017规定了CT系统的操作及结果解释，目的是为检测人员提供相关技术信息，以便在检测过程中选取合适的参数。

ASTM E 1441:19和GB中也对操作设置做出了相应规定。各标准具体操作指南如下：

ISO标准中规定数字化的最大辐射强度值不超过探测器饱和值的90％，能够有效避免射线过曝对探测器造成的伤害以及对检测结果的影响。ISO标准可以有效地通过体素尺寸来描述最小缺陷可检性，为缺陷检测提供了量化的途径。

4 图像质量参数

CT图像的质量参数是衡量工业CT检测效果最直观的方式。

ISO 15708-3:2017规定了对比度、噪声、信噪比、对比度噪声比以及空间分辨率这些基础的图像质量参数，并以实例的方式详细讲述了采用线对卡和固体密度差法来分别测量空间分辨率和密度分辨率的完整方法。

ASTM E 1695:20则重点讲述调制传递函数（MTF）和对比度鉴别函数（CDF）的测试方法、测量原理、测量步骤以及最终的结果分析。

GB/T 29034-2012将ISO 15708-3:2017和ASTM E 1695:20中的关于图像质量参数的内容融合在一起，更加全面。GB/T 35391-2017和GB/T 35386-2017则汇总了ISO标准和ASTM标准中所有测量密度分辨率和空间分辨率的方法。

4.1 空间分辨率

上述3份标准都以MTF来表征空间分辨率，MTF描述了CT系统的总不清晰度降低周期性图像对比度的因素，描述了CT系统对图像信号的调制（相对强度变化）的传输，是调制的空间频率。

ISO 15708-3:2017规定了两种测量MTF的方法，一种是从均匀圆柱体的CT图像获取MTF，一种是用线对卡来直接测定离散点处的MTF，并在附录中对有关线对测试卡的详细测量方法进行了完整的规定，其中包括线对卡的设计制作、测量原理以及最终的测量结果分析。

ASTM E 1695:20只详细说明了从均匀圆柱体图像获得MTF的试验方法，对重建圆柱切片边缘锐度的图像进行分析得出MTF曲线，对计算逻辑、测量过程和测量数据等方面的描述比ISO的描述更加具体和详细。

4.2 密度分辨率

密度分辨率又称对比灵敏度。ASTM E 1695:20通过CDF曲线来表征密度分辨率，而ISO 15708-3:2017通过固体密度差法和对比度噪声比来表征密度分辨率。GB/T 29034-2012中未提及密度分辨率。

ISO 15708-3:2017用对比度噪声比来衡量细节特征和背景之间衰减值是否大于背景噪声水平。通常认为对比度噪声水平不小于3时，具有良好的检测置信度，另外该标准规定了固体密度差法来测量密度分辨率的方法，参考试件由一个包含添加物的圆柱形部件组成，分为高能和低能两种模式，标准详细给出了测量添加物密度的公式，规定了如何通过相关曲线评价系统性能。

ASTM E 1695:20提出，在一定的噪声水平下，可以通过CDF曲线，近似地描述从基体判别大小为D的对比度特征的能力。CDF描述了图像噪声对其他同质材料邻域中特征可检测性（对比度灵敏度）的影响，作为该特征在体素中的大小D的函数。该测定基于对均匀圆柱体材料的CT扫描，CDF曲线是分析圆柱体切片中心的对比度和统计噪声的图像得出的。

4.3 对比细节图

在现实中，人眼能够检测到的有效对比度（成功率为50%）取决于图像噪声和特征直径。只有ASTM E 1695:20和GB/T 29034-2012规定了CDD曲线的要求，ISO 15708-3:2017标准中并没有提到。

CDF描述了特定尺寸特征的可检测性和噪声场中的最小对比度（忽略不清晰度的影响），而MTF几乎完全代表不清晰度对特征的影响。这两个量可以在CDD中统一，CDD将感知对比度和物理对比度结合起来，以表征CT系统在给定评估条件下解析和区分特征的总体能力。

5 伪像

ISO 15708-2:2017，ASTM  E 1441:19以及GB/T 29068-2012中提及的伪像成因如下所示（√表示提及，×表示未提及）。这些标准中关于伪像图像及其成因的描述，能让检测人员更好地分辨伪像，进而有效地避免伪像。

6 设备性能验证方法

各标准性能验证要求

各标准设备性能验证方法

由上可见，ISO标准对设备性能验证的方法和规定最为丰富， 且该标准规定了标准试件和模拟试件的制备方法，足以支撑设备日常使用过程中的性能验证，且验证周期最短；GB标准规定空间分辨率、密度分辨率和总体性能每年需验证一次，要求相对较松。

7 检测结果验证

 结语 

ISO、ASTM和GB的标准内容都是编者按照业内公认的基本原理、大量实际操作中积累的普适经验以及市场上主流供应商提供的商品信息总结而来。这些标准对于国内工业CT的应用与研发起到了一定的积极作用，让设备使用者和供应商对于基本术语和相关技术要求逐步建立了统一的概念。

从工业CT导则的角度，GB标准和ASTM标准都罗列出样品参数与系统性能的关系并介绍了工业CT的技术基础，如物理基础、数学基础、基本算法以及扫描方式等，ISO标准未提及。ISO标准规定了样品的注意事项，并列出了不同材料下管电压与穿透厚度的关系，为射线源的参数设置提出了指导性的参考标准。因此，GB标准和ASTM标准更偏向基础原理，而ISO标准更注重实际应用。

从设备性能评价的角度，GB标准只对总体性能、空间分辨率和密度分辨率性能评价进行规定，而ASTM标准只对总体性能、空间分辨率、密度分辨率、切片厚度以及伪像的性能评价进行规定，ISO标准则对除以上提到的参数进行性能评价外，还对焦点、探测器、机械系统等各个部件重要参数的性能评价进行了规定。由此可见，ISO标准对于设备性能评价的规定更全面且规范。

从检测方法的角度，ASTM标准专门发布了关于扇束射束CT检测标准规程，ISO标准按照检测目的将工业CT检测分为缺陷检测和尺寸测量，并对其检测步骤进行了详细规定，GB根据检测原理和经验，对射线源控制等CT检测参数给出指导性建议。在进行CT检测参数的选择时，应按需使用各个标准。

总体来说，ISO标准完整地规定了工业CT原理、设备和样品、操作和解释、验证等内容，对工业CT检测全过程提出了质量控制要求，基本涵盖了工业CT技术的方方面面，对工业CT在各个领域的应用具有高度的指导作用。ASTM系列标准的内容则更加具有针对性，主要侧重在图像性能测试、设备采购推荐、测量并校准密度上。在标定空间分辨率和密度分辨率、采购工业CT设备以及测量试样密度时，能提供详细具体的应用示例、方法与建议。GB系列标准则是充分吸取了国外优秀标准的内容并将其与国内行业发展相结合，其内容对中文读者更加友好，相对国外标准也有了不少创新之处，但内部不统一，如空间分辨率和密度分辨率在不同的国标中有不同的测量方法，需要在后续工作中进一步完善。