X射线计算机断层扫描（XCT）技术自诞生以来已经从单纯的医学诊断工具发展成为科学研究和工业应用中不可或缺的无损检测手段。这种成像技术允许在不破坏或拆解样品的情况下，对其内部结构进行三维可视化和量化分析，因此在众多领域中展现出巨大价值。
法医学家利用CT技术扫描骨骼以识别伤害形成机制，这在工具痕迹分析方面具有革命性意义，相关分析结果已作为科学证据在司法程序中得到认可。
在地球科学领域，CT技术被广泛应用于岩石孔隙度和颗粒分析以及流体流动研究。博物馆和自然历史收藏机构则利用CT技术对珍贵且可能随时间退化的标本进行数字化保存。
材料科学家特别关注材料在荷载作用下的响应行为，CT技术使他们能够研究从损伤和裂纹表征到聚合物复合材料中的纤维分布等多种现象。
在水泥基材料研究方面，CT技术可以确定材料内部组分确定、水泥水化过程追踪、孔结构和裂缝判定、外界物质迁移以及钢筋锈蚀等。原位CT技术还可以原位、连续观察材料内部微观结构的演变过程，为研究水泥基材料的性能和耐久性提供了新视角。
在生命科学领域，传统的二维显微镜技术已经因CT成像技术的引入而得到显著拓展。值得注意的是，CT技术不仅服务于学术研究，也已成为工业创新尤其是制造业的关键工具。
增材制造（AM）技术因其能够直接打印复杂几何形状而备受瞩目，而CT是唯一能够无损检测内部结构并与设计规格进行对比评估的方法。这一特性使CT技术相比其他无损检测方法具有明显优势，例如，光学检测仅提供外表面信息，而超声波测试在适用物体类型和表面处理方面存在较大局限性。
内外部特征的精确测量对于功能设计至关重要，而关于CT作为计量系统的重复性和再现性的研究仍在不断深入。尽管当前实验室级设备已能实现（几十）分钟量级的扫描采集时间，但科研和工业界仍然迫切需要更快的采集速度。
英国工程与物理科学研究委员会（EPSRC）2018年发布的断层扫描路线图证实了这一趋势，其中"39%的受访者表示速度是阻碍其研究的因素"，且"时间分辨成像是未来的核心需求"。通过分析过去十年中涉及高速CT应用的出版物数量（图1），我们可以清晰地观察到这一领域的迅速发展。
图1. 过去几年中关于高速和原位CT的出版物数量，按同步加速器和实验室级扫描分类。2021年的数据不完整，但包括截至7月的出版物。
传统上，高速CT扫描主要在同步加速器设施中进行，这是因为其高强度单色光束允许实现秒级的采集时间。对于亚秒级采集时间（尤其是在亚微米体素分辨率下），同步加速器光源仍然是不可替代的。
然而，近年来实验室级CT设备的硬件性能不断提升，在更高分辨率下提供更快的扫描速度，使其在许多应用场景中成为同步加速器的可行替代方案。更重要的是，实验室级CT设施的可用性和可访问性远高于同步加速器设施。
过去三十年间，曝光时间已显著缩短：在九十年代，高分辨率扫描通常需要数天时间，而现在可实现的最短曝光时间已降至约20毫秒，这使得一分钟内完成完整扫描成为可能。关于实验室级快速扫描的硬件改进和限制的更多详细信息可参考Bultreys等人的研究。
然而，提高扫描速度并非没有代价。X射线CT标准，如BSI BS EN ISO 15708 和VDI/VDE 2630，强调了参数控制对优化图像质量的重要性，以获得准确、可重复的测量结果。多项标准化研究从实验室间比较到校准和精度测试用标准样品的开发均表明，规范化程序的制定对CT技术的进一步发展至关重要。
例如，Carmignato进行的国际比较研究表明，即使对于专业用户，尺寸测量的可追溯性仍然是一个亟待解决的问题。Moroni和Petrò的研究强调了进一步完善操作程序的必要性，他们的结论是"即使是专业操作人员也难以选择合适的参数来获得最佳性能估计"。此外，du Plessis等人指出，尽管micro-CT是金属增材制造件的理想检测工具，但要使其成为普遍接受的评估标准，仍需更大程度的标准化和协议开发。
在高速扫描领域，建立图像质量与扫描速度之间平衡的最佳实践尤为重要。要找到这种平衡，需要对图像质量进行量化评估，但目前XCT领域尚无标准的综合评价指标，应根据具体应用目的来确定适当的质量标准。Du Plessis等人提出了一种评估图像质量的度量方法，但其适用范围仅限于单一材料对象。
值得注意的是，"高速"这一术语在XCT领域并无严格定义。一般而言，当采集参数调整超出标准协议使扫描时间显著快于常规（通常为一小时以上）时，即可称为高速扫描。要实现最短的扫描时间，需要根据具体应用进行参数平衡，确保所获得的数据质量，无论是一分钟还是十分钟的扫描结果，都必须满足观察和测量目标特征的基本要求。
然而，目前关于高速CT的文献大多集中讨论其应用（主要是原位实验），而较少关注如何优化参数以实现最短采集时间。这些研究通常仅提供其使用的扫描参数，却未能解释参数选择的理由以及如何在速度与质量间找到最佳平衡点。
本综述旨在全面分析为提高速度可以在采集参数中做出的权衡，评估当前实验室级高速CT的实施方法，并识别可进一步改进以缩短采集时间的关键环节。
文章首先介绍快速扫描的不同应用领域，然后详细解析影响采集时间的关键参数，对高速CT扫描中先前使用的参数进行评估，最后提出具有指导意义的建议。这将帮助一般用户了解当前快速扫描实践并改进其扫描效率，同时为专业用户提供关于如何进一步优化采集时间的见解。
一、基于实验室的高速CT应用
实验室级高速CT扫描的实现具有双重意义：一方面，它使动态现象的成像和测量成为可能，这在过去主要依赖同步加速器设施；另一方面，它促进了高通量检测的发展，这对工业生产线尤为重要，理想情况下，成像检测应与生产速率同步，实现对单个零件质量问题的实时识别。
本节将首先探讨高通量CT的技术发展，然后详细介绍学术研究中受益于高速扫描的各类应用。
1）高通量CT
在考虑减少单个物体的采集时间以实现高通量扫描前，必须首先解决样品交换过程中的效率问题。Bauza等人展示了在工业环境中利用多部件夹具自动进行样品叠加扫描的方法，显著提高了检测效率。然而，物体的尺寸、形状和材料特性会限制这种方法的适用性，例如，叠加扫描受设备尺寸和所需体素分辨率的制约，或可能导致样品损伤。
值得注意的是，叠加的物体无需完全相同，因为可以针对每次扫描单独优化设置参数。例如，Hipsley等人通过将多个小型化石打包在一起，仅用三次叠加扫描就完成了对每个化石的3D体积重建，显著缩短了总扫描时间。尽管这种方法仅适用于有限的学术应用场景，自动化样品更换系统仍展现出广阔前景。目前，部分制造商已开发专门的系统解决方案，如蔡司公司的自动加载模块，支持一次加载多达14个样品。
Eberhorn等人提出了一种用于内联XCT的自动处理概念，通过引入工业机器人重新设计实验室XCT设置，该机器人负责样品拾取并在扫描位置精确定位，实现了加载和测量程序的集成，这一创新已被众多设备制造商采纳。
一些研究者将系统几何结构确定为实现高样品通量的关键限制因素，并开发了利用传送带的创新方法，如图2所示。De Schryver等人设计了一种在物体沿静态源和探测器移动的同时进行旋转的扫描方式，并应用精确的数学重建算法。这种几何结构显著提高了样品通量，但代价是可检测特征尺寸（约0.7毫米）因运动引起的模糊效应而降低；这表明更高的通量（即更快的扫描）通常意味着分辨率的牺牲。
图2. 高通量CT的不同几何结构
从传统实验室micro-CT中的静态源和探测器配置转变，图2(b)展示了一种受医用CT启发的龙门式替代方案。在这种设计中，源和探测器沿传送带上的样品以高速螺旋轨迹移动。与前述方法类似，可检测特征尺寸较传统micro-CT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。
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
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。
二、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）的有经验操作者提供的采集协议
1）放大倍率优化
CT扫描的第一步通常是将物体对准视野并设置合适的放大倍率，这直接决定了体素大小。在这里，需要明确区分体素大小和空间分辨率这两个概念：体素是体积图像中具有相关灰度值的最小元素的大小，而空间分辨率是扫描中可观察到的最小物体特征的尺寸度量，通常由多个体素组成。空间分辨率被定义为能够将两个特征区分为独立实体的最小分离距离。
放大倍率由以下公式给出：
M = SDD/SOD
其中SDD是源到探测器的距离，SOD是源到物体的距离。
这个公式表明，只要相应地改变源到物体距离，使用不同的源到探测器距离可以实现相同的放大倍率。然而，机器的物理尺寸限制了这些距离的最小和最大值；物体必须足够靠近源以获得高放大倍率，同时还需确保其可以旋转而不发生碰撞，而探测器的位置也受到机器测量室尺寸的限制。
在实际操作中，当探测器和物体都可以相对于源移动时，操作者应该注意所选择的距离组合，因为它们会影响图像中的噪声水平。较小的SDD会产生更亮的投影图像，因为X射线强度遵循反平方定律。这意味着如果距离减半，投影图像的亮度将增加四倍，从而允许更快的采集时间，尽管这可能增加锥束伪影的影响。
2）电压和功率优化
在对准物体并设置放大倍率后，下一步是设置X射线源的初始电压。一个常用的参考指南是：对于聚合物等轻质材料使用较低电压（约80 kV），对于金属等重材料或较大物体使用较高电压（约160 kV）。电压决定了X射线多色谱的最大能量，而实际产生的平均能量通常会低得多，这在后续步骤中可以通过滤片进行调整。
设置了初始电压后，操作者应该设置合适的管功率，原则是使焦点大小与体素大小相匹配。焦点大小被定义为从测量装置看到的X射线管阳极上发射X射线的有效区域。更高的功率会增加电子束的强度，增加焦点处的热量，从而增大焦点大小。因此，功率对空间分辨率有直接的限制作用，因为较大的焦点会增加半影效应（也称为模糊效应），导致图像中样本边缘模糊。当焦点大小超过体素大小时，这种模糊效应变得尤为明显。
遵循焦点与体素匹配的原则同时最大化功率是非常重要的，因为更高的功率会增加单位时间内产生的X射线光子数量，从而减少采集时间，但将功率保持在合理范围内可以最小化半影效应对图像质量的负面影响。
3）曝光时间、电压和滤片优化
曝光时间、电压和滤片是用于优化投影图像亮度和对比度的三个关键参数。在探测器的动态范围和系统安全限制内，获得灰度值分布广泛的直方图是产生高质量CT图像的关键。曝光时间直接与每次投影检测到的光子数量成正比，较长的曝光时间意味着更亮的投影图像和更低的噪声水平，但代价是更长的总采集时间。
在实际操作中，如果观察到投影图像中最小灰度值（通常对应于穿过样品最厚部分的射线）计数过高或过低，可以通过调整电压或更换滤片来优化。为特定测量任务选择最佳电压和滤片组合通常是一项需要经验和尝试的复杂任务。
电压设置了X射线光谱的最大能量，而实际的平均能量通常要低得多。滤片（通常是金属片，如铜、铝等）通过选择性地吸收低能X射线来提高光谱的平均能量，产生的光谱具有更好的穿透能力。这种增强的穿透能力（对于密度大或尺寸大的样品可能是必需的）是以光谱总强度降低为代价的，因为滤片会吸收一部分射线。
在优化过程中，如果在初始电压设置和无滤片条件下观察到最小灰度值计数太低（表明穿透不足），应考虑增加电压或添加/增加滤片厚度，以允许更好的穿透。反之，如果最小灰度值计数太高，则应考虑降低电压或减少滤片厚度。这种平衡直接影响着X射线光谱的平均能量，而平均能量在很大程度上决定了图像的对比度；通常情况下，平均能量越低，对比度越好，但穿透能力也越弱。
图7. 使用Spektr 3.0工具包[100]生成的不同光谱示例，展示了电压和滤片选择的影响。
4）投影数量优化
设置合适的投影数量是CT扫描优化的最后一个关键步骤。理论上，最佳投影数量应根据信号处理理论中的奈奎斯特采样准则来确定。该准则规定，为了忠实重建图像，最小投影数量应为：
π/2·窗口大小
其中窗口大小是探测器的像素宽度。
这个公式基于理论上完全重建图像所需的信息量。然而，在实际应用中，特别是在追求更快采集时间的情况下，研究人员可能会考虑使用低于这一理论值的投影数量。
Villarraga-Gómez和Smith的研究探讨了欠采样（使用少于理论所需的投影数）对图像质量和尺寸测量的影响。他们得出的重要结论是，虽然欠采样会导致图像质量明显下降，但对于基本的尺寸测量（如长度、直径等）的准确性影响相对较小。然而，这一结论并不适用于需要高精度表面信息的平面度、圆柱度等形状测量任务。因此，在选择投影数量时，应根据具体的测量任务和精度要求进行权衡。
5）其他参数
对于较有经验的操作者来说，还有一些最后的考虑因素。一个设置是选择连续采集或逐步旋转采集。换句话说，是在连续旋转的同时获取投影，还是在等间隔停止旋转时获取投影。后一种选择大约需要1.7倍的时间，但可以减少运动伪影的存在。另一个选择是在每个角度采集多个投影并将它们平均为单个投影（因此称为平均化），这显著减少了噪声的影响。
最后一个常见选项是像素合并。在这个过程中，通常将2×2或3×3的像素方块合并为一个像素，使图像亮度成比例增加（分别是×4或×9），因为信号强度被累加。这以牺牲空间分辨率为代价，因为有效像素/体素尺寸增加（加倍或三倍），但图像亮度的增加允许成比例降低曝光时间，从而加快采集速度。通常，像素合并确实允许系统内设置更短的最小曝光时间，因为这通常由探测器的数据传输速度定义，这在快速扫描的情况下特别有吸引力。
6）如何更快地扫描
理论上，采集持续时间为：
投影数量×曝光时间
这假设物体的旋转是连续的，并且不需要时间进行数据存储。例如，如果物体在每次投影时停止旋转，采集时间应大约乘以1.7，这可以包含在应用中，但在速度方面显然不切实际。
因此有两个选择：降低曝光时间或减少投影数量。首先，降低曝光时间将减少每次投影的光子数，从而降低亮度。如果要保持动态范围，可以通过增加功率来补偿，因为这会增加光子率。由于更高的功率也会产生更大的焦点尺寸，这可能会降低图像的清晰度，如图8所示。为了观察不清晰度，故意展示了极端案例，适合的参数取决于具体应用，但对于定性目的，潜在的采集速度增益可能很显著。
图8. 使用TESCAN UniTom XL以25μm体素尺寸采集的泡沫重建图像，固定kV和投影数量，但增加功率和因此增大的焦点尺寸，导致采集时间减少。(a) 25 W。标准焦点尺寸25μm，持续时间3016秒。(b) 50 W。50μm焦点，持续时间1598秒。(c) 75 W。75μm焦点，持续时间1101秒。(d) 100 W。100μm焦点，持续时间845秒。(e) 125 W。125μm焦点，持续时间694秒。
第二个选择是使用像素合并，例如，将四个像素合并为一个。这样做的优势是亮度增加四倍，代价是分辨率降低。第三个选择是减小源探测器距离，这会增加到达探测器的光子数量，但可能受到机器的机械限制（不可能实现）。第四个选择是设置更高的电压，亮度增加的代价是对比度降低。
图9显示了以增加的电压和不同滤片厚度扫描的双相物体，以说明这一点，相应光谱的例子可以在图7中找到。也可以不补偿较低的曝光时间，接受较低的动态范围，但这会导致图像对比度较低且噪声更多。
图9. 使用ZEISS Xradia Versa 620以0.4μm体素尺寸采集的含TiB2粒子的AlSi基体重建图像，固定功率和投影数量，但增加电压和不同厚度的玻璃（SiO2）滤片。(a) 60 kV和0.35 mm滤片（标准），持续时间12小时25分钟。(b) 60 kV和0.15 mm滤片，持续时间11小时34分钟。(c) 80 kV和0.15 mm滤片，持续时间9小时51分钟。(d) 80 kV和0.35 mm滤片，持续时间10小时43分钟。(e) 100 kV和0.35 mm滤片，持续时间9小时0分钟。
应该获取的投影数量由奈奎斯特准则定义。为了在不违反奈奎斯特准则的情况下减少投影数量，可以减小窗口大小。这可以通过像素合并来实现，这有效地将窗口大小减半，从而使所需的投影数量减半，再次强调，代价是分辨率降低。
确切地说，像素合并在采集时间方面有两种影响，一是对曝光时间，二是对投影数量，因此在所有考虑因素中影响最为显著。一种影响较小的减少有效窗口大小的方法是调整放大倍率，允许更温和的减少而不是缩小50%，但虽然你减少了投影数量，却没有获得像素合并带来的亮度增益。也可以不遵循奈奎斯特准则，在不改变窗口大小的情况下减少投影数量。
图10显示了使用不同投影数量扫描同一物体的情况。可以观察到，较低的投影数量会导致更多的噪声和伪影，但再次强调，适度的减少可能足够，而不会降低测量精度。
图10. 使用TESCAN UniTom XL以25μm体素尺寸采集的泡沫重建图像，固定kV和功率，但逐渐减少投影数量，作为奈奎斯特采样规则的百分比。(a) 100%（3016个投影），持续时间346秒。(b) 80%（2412个投影），持续时间277秒。(c) 60%（1810个投影），持续时间208秒。(d) 40%（1206个投影），持续时间138秒。(e) 20%（603个投影），持续时间69秒。
三、不同商用CT当前使用参数的评估
现有的研究多聚焦于应用本身，而非如何优化参数以实现最短采集时间。这种现状导致文献中关于扫描参数的信息有限，且缺乏选择背后的理由与权衡分析。
这里通过全面回顾2010-2021年间发表的高速XCT相关文献，系统评估当前参数使用状况，并探讨可能的改进方向。研究限定在非医疗CT系统的应用范围内，特别关注采集时间在一小时以内的高速和原位扫描案例，以期为该领域参数优化提供数据支持和实践指导。
1）采集时间分析
通过对近600篇期刊文章的分析，本研究发现不同制造商的XCT系统在高速扫描能力和应用分布上存在显著差异。ZEISS系统在高速和原位扫描领域最为常用，其出版物数量超过其他任何制造商50%以上。然而，这些应用主要集中在采集时间超过一小时的情况，这可能反映了用户群体对扫描速度关注较低，或是因其较早整合商业可用的原位装置，使研究人员更容易进行此类实验。
相比之下，TESCAN系统展现出最高比例的超高速采集（1分钟以下），其应用分布明显偏向最高速度实验。这一特点可能源于其技术优势，但由于其相对较晚进入市场（最早出版物出现于2016年），总体应用文献数量相对较少。这种制造商间的差异不仅反映了技术能力的不同，也体现了各自市场定位和用户群体特征的差异。
图11. 不同商业可用XCT系统制造商的出版物数量概览，按采集时间细分。
2）曝光时间与图像质量的权衡
表1概述了实验室设备上执行的最快采集时间。
表1. 文献搜索中确定的实验室系统上执行的最快扫描CT概览，按采集时间排序，类似的具有12秒采集时间的出版物可见于。
Dewanckele等人的采集时间为9.4秒，明显是市售设备中最快的。目前市场上唯一能够实现这种速度的系统均由TESCAN制造，他们将4D扫描作为其市场独特卖点。其他系统制造商中，Nikon能够实现1分钟扫描，但仅从曝光时间角度考虑，速度慢了一倍多。
表中没有ZEISS的扫描数据；虽然他们的设备已执行过4D扫描，但主要用于长时间过程，扫描时间超过1小时。作为比较，在2000×2000探测器模式下不进行像素合并时，ZEISS Xradia设备的典型最短曝光时间为1.0秒，而Nikon可达到0.133秒，TESCAN则为0.05秒（通过像素合并可实现更快速度，如表中所示）。
这些曝光时间的限制不仅取决于系统探测器的规格及其在设置中的可用性，还可能受软件进一步限制以确保扫描质量，ZEISS Versa就是这种情况。探测器甚至可能因安装而异，这就是为什么未进一步说明是否可以使用更快的曝光时间，但目前常见的平板探测器安装是Varian/Perkin Elmer 1621或4343（或其变种）。
曝光时间影响探测器接收的强度，这是理想情况下为获得最佳图像质量而需要最大化的参数。一些系统允许缩短SDD（源-探测器距离），使用户能够减少曝光时间同时保持相同的光子强度。
在所有系统中减少曝光时间的另一种方法是增加源功率。这将增加单位时间内的光子数量，从而可以使用更低的曝光时间。然而，这可能导致焦点尺寸增大，最终导致明显的模糊。
图12展示了不同文献中采集时间低于1小时的焦点尺寸（μm）与体素尺寸（μm）的关系。特定研究中的焦点尺寸是通过将所述功率与制造商提供的该源的焦点尺寸值关联确定的。虚线表示最佳情况，即模糊度最小化；体素尺寸等于焦点尺寸。
图12. 各确定出版物中的焦点大小与体素大小对比。焦点大小已从制造商系统材料和个人通信中确定，但可能不反映机器当时的校准。
预期大多数数据点大致沿此线分布，可能有少数在线上方，表明它们为了速度而牺牲了质量，但有相当数量的点在阈值下方。对于那些焦点尺寸大于体素尺寸的情况，作者们可能/希望已确认他们的图像质量对预期用途没有明显影响。
需要注意的是，由于软件将焦点尺寸维持在10瓦特以下的3或4微米，ZEISS Xradia操作员永远不会违反焦点尺寸要求；这些研究占据了线下很大比例。使用Baker Hughes系统的实验几乎都超过了这一限制，North Star Imaging的少数实验也是如此。Nikon基础检查在线两侧分布更加均匀，表明如果有益的话，许多人可以通过增加功率来缩短采集时间，从而减少曝光和采集时间。
对于表1和图12中基于TESCAN的文献分析，一个有趣的观察是：理论上可以增大焦点尺寸，因为扫描的体素尺寸相对较大。然而，该系统的源-探测器几何结构可能特别紧凑，更可能的情况是在所选曝光参数和像素合并设置下已达到探测器不饱和状态下的最大灰度值。
调整功率并非减少曝光时间的唯一选择，但它是可以直接从已发表文献中获取信息的选项。如图9所示，提高电压也能增加亮度，但可能会降低对比度。根据具体应用，对比度降低可能并非关键因素，因此可以实现更快的采集时间。
此外，我们假设这些研究充分利用了探测器的整个动态范围，尽管这一点在任何出版物中都未明确说明。未充分利用完整动态范围会导致投影图像变暗，可能增加噪声水平。同样，作者们基本未提供探测器增益信息（增益会以增加噪声为代价放大探测器接收信号），我们假设增益和放大率设置为最大值，以实现可能的最短曝光时间。
由于所有降低曝光时间的选项都会在某种程度上降低图像质量，用户需要评估他们在特定应用中愿意做出哪些妥协，以最小化负面影响。
3)投影数量与重建质量
除减少曝光时间外，减少投影数量是加快扫描的另一重要策略。使用传统滤波反投影（FBP）重建方法时，投影数量理论上应遵守奈奎斯特采样规则以获得最佳图像质量。研究发现，在实验室进行原位和高速扫描时，绝大多数操作者并未严格遵守这一规则，平均仅使用建议投影数的60%。
图13.在文献调查的快速扫描中单次扫描的投影数量/(π/2·窗口大小)直方图。当数字为1或更高时，奈奎斯特采样规则得到遵守。
特别值得注意的是，采集时间不足5分钟的超高速扫描中，投影数量的减少更为显著。在这种情况下，图像质量与时间分辨率之间的权衡更加倾向于后者。例如，Luksic等人在其玻璃熔化过程中的起泡实验中，58秒的扫描时间导致明显的图像处理挑战，但宏观气孔特征仍清晰可见，足以支持其研究目标。
图14. 玻璃熔化过程中起泡的实验，其中使用了约10%所需的投影。(a)初始原始重建带有图像伪影。(b)修复后的重建。(c)泡沫内气泡分割。
值得关注的是，虽然大多数高速/原位研究仍采用传统FBP重建，但迭代重建方法正逐渐显示出潜力。在文献搜索的596项研究中，有9项采用了迭代重建算法，这些方法通常能以更少的投影数量实现可接受的重建质量。例如，Myers等人在两相流体流动实验中使用的迭代算法将所需投影数从720减少到仅72个，时间分辨率提高了十倍。尽管这些先进重建方法在同步辐射装置中更为常见，但在实验室基础的高速/原位实验中仍相对罕见，代表了未来的发展方向。
四、讨论
实验室中的高速原位实验已在多种制造商系统上得到广泛应用。在调研期间，蔡司(ZEISS)系统在该领域占50%以上，这些应用主要集中在采集时间超过一小时的情况。研究表明，TESCAN系统实现了最快的数据采集速度（1分钟以下），分析结果显示这主要归因于其较短的可用曝光时间。
备注：使用TESCAN系统发表的文献平均仅采用了推荐投影数的60%，虽然不符合奈奎斯特采样准则，但这与其他专注于快速原位扫描的研究结果相当。
研究发现，许多操作者可通过增大光斑尺寸以匹配体素尺寸来提高扫描速度，从而在不损失图像质量的前提下缩短曝光时间，尽管受硬件和软件限制，并非所有系统都能实现这一优化。
大多数操作者未能满足奈奎斯特采样规则，这表明在不影响用于测量和观察的图像质量的情况下，可适当减少推荐的投影数量。然而，即使调整这些采集协议，对某些特定应用而言，扫描时间仍可能过长，这解释了为何在操作者熟悉标准化参数选择流程的前提下，会采用更少的投影数和更大的光斑尺寸（以增加功率）。最终，用户在做出这些决策时，应始终确保图像质量足以满足其特定的观察和测量需求。
五、高速原位CT的发展和挑战
对原位实验日益增长的兴趣，以及对适用目的高通量分辨率的需求，正驱动着实验室CT系统向更快成像方向发展。目前，大多数基于实验室的原位扫描速度仍相对较慢，最快的采集仅限于少数商业机器和自行搭建的CT系统。
基于之前的讨论，显而易见，在如何最小化高速和原位扫描采集时间方面存在方法不一致的问题。根据比较结果和实际操作经验，建议采取以下措施：
- 将光斑尺寸最大化，使其与体素尺寸相匹配。这将实现最快的曝光时间，同时保持最佳亮度和动态范围。
- 应用像素合并读出（Binning）技术。大多数研究利用此技术实现高速采集，因为对于2×2Binning，亮度会增加四倍，相应影响曝光时间，这通常超过了分辨率减半带来的负面影响。此外，投影数量可以减半，使扫描时间提高八倍。
- 根据经验，使用约60%的推荐投影量可获得可用的图像质量，但用户应验证这是否适合其特定应用。
上述因素影响最大，但还有一些偏离标准化参数选择的方法可以显著减少曝光时间，尽管它们对测量精度和图像质量的影响目前难以在采集前准确量化：
- 提高能量(kV)会略微增加亮度，允许减少曝光时间，但可能会降低图像对比度。
- 超过功率/光斑尺寸规则将按比例增加亮度，但可能增加图像模糊度。
- 应用低于最佳值的曝光时间导致动态范围未被充分利用，可能增加噪声并降低对比度。
图像质量和测量精度的影响既与样品相关，也与具体任务相关，将图像质量和速度与适用目的联系起来，为不同应用创建快速扫描协议的更多研究仍然至关重要。
未来硬件的改进有望在不牺牲图像质量的前提下提高采集速度。目前新型X射线源的发展将使实验室能力更接近同步加速器设施。Gruse等人展示了可缩小规模用于工业应用的激光驱动源，这些源利用45飞秒的X射线脉冲提供微米级分辨率的快速扫描。Hornberger等人展示了具有高平均通量和亮度的紧凑型光源，尽管目前成本昂贵。
最小化需要采集的数据量将对提高采集速度产生最显著影响。新硬件的发展相对缓慢，但利用更少数据的算法已经可用。众多研究表明，通过使用各种迭代重建方法，较少数量的投影可能足以获得适当的图像质量和测量精度。
然而，大多数操作者仍使用制造商提供的FBP重建方法。若操作者希望使用迭代重建，通常需要通过开源软件实现一定程度的编程，这对典型操作者而言属于"专业级"难度，尽管有更快采集时间的优势，但使用率不高。除迭代重建外，机器学习方法也展现出处理更少数据的潜力，但对新手用户而言，目前在可访问性上仍属于"专家/专业"级别。
迭代算法当前的主要缺点是需要更强大的计算能力，导致重建时间显著延长，尽管随着更强大GPU的普及，这一时间正在缩短。当考虑"扫描"同时包含采集和重建时间时，通过减少投影获得的更快采集优势可能被延长的重建持续时间所抵消。
在高通量情况下影响最大，因为通常需要立即获得结果；即使是原位实验也可能受到影响，如果不希望等待数天/数周/数月才能获得数据。随着计算能力的快速提升，这种情况未来可能会改变。这既体现了对原位测量迭代重建的兴趣，也显示了基于扫描所需信息制定协议的需求，以及迭代方法在减少投影数量方面的巨大潜力。
参考资料
E A Zwanenburg, M A Williams and J M WarnettReview of high-speed imaging with lab-based x-ray computed tomography 2021 DOI 10.1088/1361-6501/ac354a
