數(shù)字X射線成像技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)---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(shù)都有其自己的缺點,?；瘜W處理X射線膠片,，從圖像的采集到技術(shù)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(shù)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(shù)（computed radiography）

自從20世紀80年代引入了計算機化的X射線技術(shù)（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(shù)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(shù),，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?？量蹋荒苁褂迷诔睗竦沫h(huán)境中和的溫度條件下,。

CR比其他數(shù)字技術(shù)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(shù)。

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(shù)前進了一大步，但是卻不能提供X射線數(shù)字技術(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)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)?，平板以每?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(shù),，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(shù)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(shù)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(shù)大約多100萬美元,。Thams認為他自己就是一個對于各種技術(shù)之間以及與膠片較量的很好的裁判員,。他還評論“這些技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)”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(shù)代表Greg Budner 說：“我們推進該技術(shù)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(shù)能否經(jīng)受住和膠片及CR技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù),。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(shù)

隨著硒板和硅板之間的對抗和炒做,，另外的一些平板技術(shù)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(shù)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(shù),，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(shù)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(shù)——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）