數(shù)字X射線成像技術的發(fā)展歷程

在1895年，德國物理學家威廉倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，被認為是19世紀的重大發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過了他幾個月的的技術突破，這種"新光線"被應用于檢查骨折和確定槍傷中子彈的位置。盡管X射線zui初被醫(yī)學目的使用，但該新技術的理論也被應用到無損檢測領域。例如，早期鋅板的X射線，暗示了焊接質(zhì)量控制的可能性，20世紀初期，X射線被應用于鍋爐檢測。

在下半個世紀，X射線技術---盡管長期不變--沒有發(fā)生巨大的變化，由射線源發(fā)射的X射線穿過物體，然后通過膠片或熒光屏接受。膠片的對比度和空間分辨率，隨膠片的速度和X射線源的控制，使用帶膠片的熒光增感屏，在低能量下，得到了較好的圖像效果。

在20世紀50年代，隨著圖象增強器的出現(xiàn)，發(fā)生了巨大的變化，*次得到了實時的清晰的圖像。通過圖像放大器，從熒光屏上采集X射線，聚焦在另外一個屏上，可以直接觀察或通過高質(zhì)量的TV 或CCD攝像機觀察。對于實時成像，雖然圖象增強器具有強大的性能，直到zui近之前仍然選擇膠片保存大的圖像、高質(zhì)量的空間分辨率及對比度。

然而，每一項技術都有其自己的缺點。化學處理X射線膠片，從圖像的采集到技術人員的檢測，通常需要20分鐘的滯后時間。如果膠片暴光量不夠或透照角度錯誤，必須重新進行所有的程序，那么仍然需要20分鐘時間。如果照射許多的膠片，將需要幾個小時。此外，公司必須配備存放地點和經(jīng)過培訓的員工，以保證安全操作、存儲和處理膠片沖洗藥液。雖然膠片的空間分辨率較好，但是，膠片線性不好和對比度范圍狹窄，再加上人的眼睛的局限性，辨別能力不能超過100的灰度級別，已經(jīng)不可能從一個范圍寬廣的膠片密度來檢測和獲得更的數(shù)據(jù)。

對于圖象增強器，其應用范圍又受其防護體積龐大和視域的限制，而且圖像的邊沿出現(xiàn)扭曲，只有中心位置的圖像對于某些應用才有用。另外，圖像增強器的對比度和空間分辨率也不能和其他的技術相提并論。無論膠片還是圖像增強器，存檔和分發(fā)多少也有些不便，對于圖像增強器的圖像存檔，需要將轉(zhuǎn)化為視頻格式；對于X射線底片則通過掃描。

數(shù)字領域：計算機射線照相技術（computed radiography）

自從20世紀80年代引入了計算機化的X射線技術（CR），X射線成像發(fā)生了巨大的變化。直到此時，才實現(xiàn)了真正的自動化檢驗、缺陷識別、存儲以及依靠人為對圖像或膠片的解釋。CR提供了有益的計算機輔助和圖像辨別、存儲和數(shù)字化傳輸，剔除了膠片的處理過程和節(jié)省了由此產(chǎn)生的費用。

CR作用類似膠片，但是取代了膠片，通過影像存儲板，將圖像存儲在其內(nèi)部。在許多情況下，該技術很容易的被翻新成膠片基的系統(tǒng)，但不需要膠片、化學藥品、暗室、相關設備及膠片存儲。
 

在這些方面降低成本，就以為著快速回收投資，例如，F(xiàn)uji 公司的DR NDT產(chǎn)品部的Fred Morro說：“我們?yōu)槊總€顧客作一個成本分析，其成本包括膠片、藥液以及藥液處理。當然，這些取決于用量，但是ROI比以前少了”。

美國Envision公司研制成功CMOS數(shù)字化平板，節(jié)省了膠片、處理和化學藥品的回收等成本，估計每1000張X射線片節(jié)省大約6000美元，其中還不包括存儲膠片和暗室的成本。

關于性能，Morro說：CR 的對比度是12位或4096灰階，與膠片相仿。Morro還補充說：盡管其空間分辨率還沒有超過膠片，對于大多數(shù)NDT應用已經(jīng)足夠了，CR的精度是5線對/毫米（即100µm）。由于它的對比度范圍很大，CR 能夠被應用于所有的數(shù)字X射線技術，通過一次曝光就可以獲得多數(shù)拍攝對象的全部厚度范圍，對于膠片有時是不可能完成的。通過計算機，你可以瀏覽全部厚度范圍的任何感興趣的位置。

與膠片一樣，也能夠分割CR影像板和彎曲，雖然存儲板比膠片的成本高（14×17in），板的價格大約為700美元，但是可以被使用幾千次，其壽命決定于機械磨損程度，但實際比膠片更便宜。另外也和膠片一樣，使用條件要求非常苛刻，不能使用在潮濕的環(huán)境中和的溫度條件下。

CR比其他數(shù)字技術的優(yōu)點是：在大多數(shù)情況下，在整個實驗室中只需要一個影像板讀取器，該讀取器與影像板是獨立的，用戶可以分別購買，這一點就區(qū)別于其它的采集和讀取一體的數(shù)字技術。

CR的缺點是：類似膠片，不能實時。盡管比膠片速度快，但是必須將影像板從X射線曝光室移走，然后將其放入讀取器中。CR使得無膠片X射線技術前進了一大步，但是卻不能提供X射線數(shù)字技術的所有的優(yōu)勢。

數(shù)字平板

在20世紀90年代后期，數(shù)字平板產(chǎn)生了。該技術與膠片或CR的處理過程不同，采用X射線圖像數(shù)字讀出技術，真正實現(xiàn)X射線NDT檢測自動化。除了不能進行分割外和彎曲。數(shù)字平板能夠與膠片和CR同樣的應用范圍，可以被放置在機械或傳送帶位置，檢測通過的零件，也可以采用多配置進行多視域的檢測。在兩次照射期間，不必更換膠片和存儲熒光板，僅僅需要幾秒鐘的數(shù)據(jù)采集，就可以觀察到圖像，與膠片和CR的生產(chǎn)能力相比，有巨大的提高。

目前，兩種數(shù)字平板技術正在市場上進行面對面的競爭：即非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）。表面上，這兩種的平板都是以同樣的運行方式：通過面板將提取X射線轉(zhuǎn)化成為數(shù)字圖像。面板無需象膠片一樣進行處理，可以以幾秒鐘一幅圖像的速度到進行數(shù)據(jù)采集，也可以以每秒30幅圖像的速度進行實況采集。另外，由于它們的精度高和視域?qū)挘桨逡悦棵?0幅的速度顯示圖像，替代圖像增強器，是比較理想的。然而，以每秒30的幅頻將使圖像的精度降低。

對于非晶硒的平板技術，X射線將撞擊硒層，硒層直接將X射線轉(zhuǎn)化成電荷，然后將電荷轉(zhuǎn)化為每個像素的數(shù)字值，這種叫做直接圖像的方法。支持者們稱非晶硒比非晶硅提供了更好的空間分辨率。

一般稱呼為非晶硅板（稱呼不準確，即使用了非晶硅），X射線首先撞擊其板上的閃爍層，該閃爍層以所撞擊的射線能量成正比的關系發(fā)出光電子，這些光電子被下面的硅光電二級管陣列采集到，并且將它們轉(zhuǎn)化成電荷，再將這些電荷轉(zhuǎn)換為每個像素的數(shù)字值。由于轉(zhuǎn)換X射線為光線的中間媒體是閃爍層，因此被稱作間接圖像方法。閃爍層一般由銫碘化物或軋氧硫化物組成，銫碘化物是較理想的材料。其支持者們稱：非晶硅板比非晶硒板的幅頻更快，可達到每秒30幅圖像。

兩種技術的空間分辨率都接近膠片，但是對比度范圍卻遠遠超過膠片的性能。

兩者之間的爭議主要在理論上，更多談到模轉(zhuǎn)換功能、檢測量子效率和大量的愛因斯坦理論，看起來都差不多，即在保證的對比度和zui小噪音的情況下，誰的空間分辨率更高。Bedford, Massachusetts-based Hologic 公司主要研制硒成像平板，認為間接系統(tǒng)的閃爍層產(chǎn)生的光線，在到達光電探測器前，出現(xiàn)輕微的散射，因此效果不好。對于硒板成像系統(tǒng)，電子是由X射線直接撞擊平板，產(chǎn)生的很小的散射，因此圖像精度較高。

“我爭論的不僅僅是理論上的”Hologic Inc 公司的Ken Swartz 說，“現(xiàn)在，有大量公開的研究，比較了直接的和間接的探測器產(chǎn)生的圖像質(zhì)量和生產(chǎn)效率優(yōu)勢”。他指出了一個2003年4月份，Ehsan Samei and Michael Flynn發(fā)表在Med. Phys的文章《試驗比較直接和間接數(shù)字化射線（DR）系統(tǒng)的探測器性能》，通過GE 和Philips公司對Hologic公司的直接成像板與其它間接成像板的比較，得出結(jié)論：當精度要求小于200µm時，非晶硒板的性能好；對于精度大于200µm，非晶硅性能好。Ken Swartz還指出Kodak, Siemens, Philips, Agfa and Instrumentarium因為其優(yōu)良的圖像質(zhì)量，已經(jīng)選擇了非晶硒探測器，以滿足復雜的醫(yī)學應用。

下面介紹幾個生產(chǎn)廠家的平面成像板技術參數(shù)：

Agfa公司：該公司提供11×16英寸硅板，為12位（灰度4096），精度127µm，Agfa公司也組裝了Hologic 公司的14×17英寸的硒板。這兩種板都能夠滿足現(xiàn)場溫度要求。

GE公司：目前GE公司提供4種數(shù)字化硅板，平板尺寸從63到256平方英寸，可以以靜態(tài)模式操作，也可以以每秒30幅頻速度操作，所有的4個板是14位（16000灰度）對比度，空間分辨率達9線對/mm（55µm），沒有幾何放大。

Hologic Inc公司：該公司的14×17英寸的硒板，精度為3.6線對/mm（139µm）、14位（16000灰度），Hologic也生產(chǎn)7.2線對/mm（70 µm ）的平板。

PerkinElmer公司：該公司的zui高精度的平板是16×16英寸的，精度為200µm。其8×8英寸平板的精度為400µm，采集速度為7幅頻/秒，其zui高接受能量可達25 MeV。所有產(chǎn)品的對比度16位或65000灰度。

Varian公司：該公司的12×16英寸的硅板，精度為3.97線對/mm（126µm）。在高速模式時，采集速度為30幅頻/秒，精度為1.29線對/mm（388µm），Varian公司也賣高能量的平板，接受能量可達9 MeV，這樣便有可能檢測27英寸以下厚度的鋁鑄件。其產(chǎn)品的對比度為12位或4096灰度，也有65000灰度的版本。

但是對無損檢測人員來講，究竟哪一個可以在相關領域得到真正應用。這個問題的答案是，按照X-R-I（一個獨立的航空汽車試驗室）測試總裁Scott Thams的說法“它們都行”。Thams 解釋“我們發(fā)現(xiàn)非晶硒、非晶硅以及計算機成像已經(jīng)足夠好了，它們與膠片相當”。X-R-I 80-90% X射線檢測工作是使用膠片，使用膠片每年花費比使用成像技術大約多100萬美元。Thams認為他自己就是一個對于各種技術之間以及與膠片較量的很好的裁判員。他還評論“這些技術都已經(jīng)成熟到極點了，比較它們就象是分割頭發(fā)一樣難”。

生產(chǎn)廠商也承認沒有一種技術十全十美的，都取決于其不同的實際應用類型。平板檢測器和圖像管的PerkinElmer公司的 Mario Gauer說：“對于NDT，爭論哪種技術的精度更高，將沒有實際意義”。

“你必須在不同的領域使用這些技術”他解釋說，“對于自動的缺陷識別模式或3-D改造，使用高動態(tài)范圍和良好信噪比的檢測器，將減少圖像數(shù)量和周期”。無論硒板還是硅板，都數(shù)字板的生產(chǎn)效率。

Varian Medical Systems Security & Inspection Products 公司的技術代表Greg Budner 說：“我們推進該技術的目的不是用自動方法替代膠片，我們已經(jīng)取得了廣泛膠片應用和帶遙控平板檢測了許多零件。”

Budner還指出：在安裝了數(shù)字平板X射線系統(tǒng)后，檢測Ariane V 衛(wèi)星填筑火箭的效率增加。在安裝以前，檢測柱形碳復合零件，起碼使用350個膠片，當零件在X射線機前面旋轉(zhuǎn)時，幾乎每一度照射一次射線。使用數(shù)字化平板， Varian公司減少X射線的檢驗時間，因為零件在旋轉(zhuǎn)，在零件移動到下一個位置之前，系統(tǒng)采集和存儲圖像需要幾秒鐘時間。該系統(tǒng)以６到９MeV 的能量操作，對于1200mm 的碳檢測，可以以2%的對比度檢測到300µm 夾渣。

盡管進行了許多試驗室和生產(chǎn)環(huán)境的試驗，但是Thams和其他的同行們還不能確定數(shù)字平板技術能否經(jīng)受住和膠片及CR技術同樣惡劣的現(xiàn)場環(huán)境。他說：“數(shù)字板易碎，其靈敏度隨溫度變化”，他還解釋：它們也需要電源和電纜，即使CR和膠片不需要的場合。

Varian公司和GE公司表示環(huán)境的影響不是問題，GE公司已經(jīng)熱穩(wěn)性定系統(tǒng)，該裝置對于太陽光不敏感；Varian表示它的系統(tǒng)沒有熱穩(wěn)定性也能很好的工作。兩個公司都有硅板裝置，被使用在環(huán)境惡劣的沙漠地區(qū)檢驗管道和未爆炸武器。另外，硒板被應用于醫(yī)學領域和50°到86°F室溫情況下，在超出該溫度范圍，必須配備加熱和冷卻系統(tǒng)。

GE公司檢測技術部的Mike Bernstein說 ：現(xiàn)場實際的問題是環(huán)境不太重要，重要的是便攜式CR、膠片和數(shù)字平板哪個更方便。他還說“對于一套膠片，使用CR完成很好”；“例如，其便攜性使得其用于檢驗管道很方便，并且可以稍微彎曲，如果要照射40或50張圖像，則必須考慮其圖像處理問題。比較采集圖像和快速簡單地在下一個位置布置圖像能力，其他技術的多功能性會抵消膠片和CR的便攜優(yōu)點 ”。

數(shù)字板的一個缺點或許是其價格昂貴。膠片和CR的成本很低，幾個技術員能夠依次X射線拍攝，處理一個膠片或CR處理器。對于每個X射線工作站的計算機系統(tǒng)成本大約為15萬美元，增加數(shù)量的X射線平板將增加同樣的成本，但這些會通過提高生產(chǎn)效率抵消（即減少站點和勞動力）。

在NDT應用中另一個考慮的問題就是固定的像素，固定的像素或固定線（即像素的行）是該技術固有的，但是可以根據(jù)周圍的像素進行人工更改（即內(nèi)插法）也許這些在某些工業(yè)上不被接受。Thams說：依次類推，考慮在航空行業(yè)，檢測規(guī)范要求在膠片上如果在感興趣的區(qū)域內(nèi)，有人為的缺陷（劃痕、針孔、氣泡等），那么必須重新照射該照片。 Bernstein不把固定像素看作是問題，并且指出GE公司平板的固定像素僅僅100平方µm，而膠片的人為缺陷要大許多。

這個爭論指出了一個zui終的考慮：工業(yè)上接受無膠片X射線檢測。Thams說：目前various工業(yè)集團和標準組織正在尋求如何改變檢測規(guī)范，以適應數(shù)字X射線技術。他還說他的X射線工作仍然使用膠片的80-90%的原因，是公司規(guī)定的試驗要求。

盡管沒有通用的工業(yè)標準，Bernstein表示：已經(jīng)有許多的公司已經(jīng)定義了實施無膠片X射線的質(zhì)量規(guī)范。他說“GE飛機發(fā)動機公司已經(jīng)允許使用圖象增強器和數(shù)字探測器許多年了。事實上，自從20世紀80年代，我們公司已經(jīng)使用數(shù)字探測器進行了多于3000萬幅圖象工作。”

其它技術

隨著硒板和硅板之間的對抗和炒做，另外的一些平板技術似乎被忽略了，是不應該的。如COMS X射線，該有趣的新產(chǎn)品來自美國Aalaska的Envision Product Design公司，這種產(chǎn)品就是掃描平板，它是由線性X射線探測器陣列和內(nèi)置在平板內(nèi)的驅(qū)動系統(tǒng)，該板厚為3英寸，zui大可測量尺寸為24×36英寸，這種平板同樣被使用在前面描述的方式。

該技術原理是，掃描器橫掃過平板（類似文擋掃描儀），在X射線觸發(fā)閃爍材料之前，對準一個要通過的窄曹，該材料囤積在光纖的末端（見右邊的圖示）。為避免CMOS探測器被X射線破壞，光纖的末端與X射線掃描頭成直角連接COMS探測器，探測器被放置在鎢鉛屏蔽罩中。該系統(tǒng)能夠承受高達10 MeV的高能量。

Envision公司銷售線陣列達16英尺長的CMOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)被固定在零件穿過的自動機械或傳送帶系統(tǒng)中。通過移動摩托車前面的54英寸長的線性陣列，在輸出蓋上（負游碼）產(chǎn)生圖像。采集54×84英寸的圖像需要110秒鐘。

Envision公司的平板和線性陣列空間分辨率為80µm、對比度為12位或4096灰度。該公司還銷售常規(guī)的4×4英寸的CMOS平板陣列，空間分辨率為50µm及12位對比度。

前面已經(jīng)提到，數(shù)字平板的反面爭論之一是現(xiàn)場工作必須要求電源和電纜線。以色列Vidisco公司公布了生產(chǎn)一種叫做Flat FoX便攜式無線硅板系統(tǒng)，其廣告資料上介紹，整個系統(tǒng)包括150 kV 脈沖X射線源被放置在一個箱子中，能夠被應用在任何沒有交流電的地方，該系統(tǒng)也可以與現(xiàn)在的工業(yè)X射線源一起使用。其11×16英寸的硅板的對比度為12-16位、空間分辨率為127--400µm。使用電池操作，該系統(tǒng)可以工作2個小時，如果選擇無線遙控的X射線源以及圖像傳輸配置，能夠在200米范圍操作。

結(jié)論

盡管CR是膠片替代的選擇技術，我們期待數(shù)字平板，可能是硅板，將成為無損檢測X射線市場上的下一個重要的角色。對于NDT專業(yè)人員來講，數(shù)字平板以實時的圖像采集、存儲和傳輸使不再需要膠片或CR成為可能。GE, Varian, Agfa, Siemens, PerkinElmer及其它公司將推動該技術到下一個水平。不過盡管大多數(shù)數(shù)字平板制造廠商聲稱他們提供的檢測工具勝于膠片替代技術——如改善對比度和空間分辨率、信噪比低、提高強度和運營成本低等，這些說法都是在挑剔膠片和CR的缺點，以便把它們排擠出市場。（end）