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(xué)家威廉倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，被認(rèn)為是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過了他幾個(gè)月的的技術(shù)突破，這種"新光線"被應(yīng)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(xué)目的使用，但該新技術(shù)的理論也被應(yīng)用到無損檢測領(lǐng)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(jì)初期，X射線被應(yīng)用于鍋爐檢測。

在下半個(gè)世紀(jì)，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(duì)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(jì)50年代，隨著圖象增強(qiáng)器的出現(xiàn)，發(fā)生了巨大的變化，*次得到了實(shí)時(shí)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(gè)屏上，可以直接觀察或通過高質(zhì)量的TV 或CCD攝像機(jī)觀察。對(duì)于實(shí)時(shí)成像，雖然圖象增強(qiáng)器具有強(qiáng)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(duì)比度。

然而，每一項(xiàng)技術(shù)都有其自己的缺點(diǎn)。化學(xué)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(shí)間。如果膠片暴光量不夠或透照角度錯(cuò)誤，必須重新進(jìn)行所有的程序，那么仍然需要20分鐘時(shí)間。如果照射許多的膠片，將需要幾個(gè)小時(shí)。此外，公司必須配備存放地點(diǎn)和經(jīng)過培訓(xùn)的員工，以保證安全操作、存儲(chǔ)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(duì)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(jí)別，已經(jīng)不可能從一個(gè)范圍寬廣的膠片密度來檢測和獲得更的數(shù)據(jù)。

對(duì)于圖象增強(qiáng)器，其應(yīng)用范圍又受其防護(hù)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(duì)于某些應(yīng)用才有用。另外，圖像增強(qiáng)器的對(duì)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(qiáng)器，存檔和分發(fā)多少也有些不便，對(duì)于圖像增強(qiáng)器的圖像存檔，需要將轉(zhuǎn)化為視頻格式；對(duì)于X射線底片則通過掃描。

數(shù)字領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)射線照相技術(shù)（computed radiography）

自從20世紀(jì)80年代引入了計(jì)算機(jī)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(shí)，才實(shí)現(xiàn)了真正的自動(dòng)化檢驗(yàn)、缺陷識(shí)別、存儲(chǔ)以及依靠人為對(duì)圖像或膠片的解釋。CR提供了有益的計(jì)算機(jī)輔助和圖像辨別、存儲(chǔ)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(fèi)用。

CR作用類似膠片，但是取代了膠片，通過影像存儲(chǔ)板，將圖像存儲(chǔ)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(xué)藥品、暗室、相關(guān)設(shè)備及膠片存儲(chǔ)。
 

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€(gè)顧客作一個(gè)成本分析，其成本包括膠片、藥液以及藥液處理。當(dāng)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(xué)藥品的回收等成本，估計(jì)每1000張X射線片節(jié)省大約6000美元，其中還不包括存儲(chǔ)膠片和暗室的成本。

關(guān)于性能，Morro說：CR 的對(duì)比度是12位或4096灰階，與膠片相仿。Morro還補(bǔ)充說：盡管其空間分辨率還沒有超過膠片，對(duì)于大多數(shù)NDT應(yīng)用已經(jīng)足夠了，CR的精度是5線對(duì)/毫米（即100µm）。由于它的對(duì)比度范圍很大，CR 能夠被應(yīng)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(duì)象的全部厚度范圍，對(duì)于膠片有時(shí)是不可能完成的。通過計(jì)算機(jī)，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(chǔ)板比膠片的成本高（14×17in），板的價(jià)格大約為700美元，但是可以被使用幾千次，其壽命決定于機(jī)械磨損程度，但實(shí)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(diǎn)是：在大多數(shù)情況下，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)室中只需要一個(gè)影像板讀取器，該讀取器與影像板是獨(dú)立的，用戶可以分別購買，這一點(diǎn)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(diǎn)是：類似膠片，不能實(shí)時(shí)。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(jìn)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(jì)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(shí)現(xiàn)X射線NDT檢測自動(dòng)化。除了不能進(jìn)行分割外和彎曲。數(shù)字平板能夠與膠片和CR同樣的應(yīng)用范圍，可以被放置在機(jī)械或傳送帶位置，檢測通過的零件，也可以采用多配置進(jìn)行多視域的檢測。在兩次照射期間，不必更換膠片和存儲(chǔ)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(jìn)行面對(duì)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(yùn)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(jìn)行處理，可以以幾秒鐘一幅圖像的速度到進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可以以每秒30幅圖像的速度進(jìn)行實(shí)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(qiáng)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(duì)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(gè)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(zhǔn)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(guān)系發(fā)出光電子，這些光電子被下面的硅光電二級(jí)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(gè)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(dá)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(duì)比度范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)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(rèn)為間接系統(tǒng)的閃爍層產(chǎn)生的光線，在到達(dá)光電探測器前，出現(xiàn)輕微的散射，因此效果不好。對(duì)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(gè)2003年4月份，Ehsan Samei and Michael Flynn發(fā)表在Med. Phys的文章《試驗(yàn)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(duì)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(dāng)精度要求小于200µm時(shí)，非晶硒板的性能好；對(duì)于精度大于200µm，非晶硅性能好。Ken Swartz還指出Kodak, Siemens, Philips, Agfa and Instrumentarium因?yàn)槠鋬?yōu)良的圖像質(zhì)量，已經(jīng)選擇了非晶硒探測器，以滿足復(fù)雜的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

下面介紹幾個(gè)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(gè)板是14位（16000灰度）對(duì)比度，空間分辨率達(dá)9線對(duì)/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(duì)/mm（139µm）、14位（16000灰度），Hologic也生產(chǎn)7.2線對(duì)/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(dá)25 MeV。所有產(chǎn)品的對(duì)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(duì)/mm（126µm）。在高速模式時(shí)，采集速度為30幅頻/秒，精度為1.29線對(duì)/mm（388µm），Varian公司也賣高能量的平板，接受能量可達(dá)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(duì)比度為12位或4096灰度，也有65000灰度的版本。

但是對(duì)無損檢測人員來講，究竟哪一個(gè)可以在相關(guān)領(lǐng)域得到真正應(yīng)用。這個(gè)問題的答案是，按照X-R-I（一個(gè)獨(dú)立的航空汽車試驗(yàn)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(jì)算機(jī)成像已經(jīng)足夠好了，它們與膠片相當(dāng)”。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(fèi)比使用成像技術(shù)大約多100萬美元。Thams認(rèn)為他自己就是一個(gè)對(duì)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(píng)論“這些技術(shù)都已經(jīng)成熟到極點(diǎn)了，比較它們就象是分割頭發(fā)一樣難”。

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

“你必須在不同的領(lǐng)域使用這些技術(shù)”他解釋說，“對(duì)于自動(dòng)的缺陷識(shí)別模式或3-D改造，使用高動(dòng)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(jìn)該技術(shù)的目的不是用自動(dòng)方法替代膠片，我們已經(jīng)取得了廣泛膠片應(yīng)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(fù)合零件，起碼使用350個(gè)膠片，當(dāng)零件在X射線機(jī)前面旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(yàn)時(shí)間，因?yàn)榱慵谛D(zhuǎn)，在零件移動(dòng)到下一個(gè)位置之前，系統(tǒng)采集和存儲(chǔ)圖像需要幾秒鐘時(shí)間。該系統(tǒng)以６到９MeV 的能量操作，對(duì)于1200mm 的碳檢測，可以以2%的對(duì)比度檢測到300µm 夾渣。

盡管進(jìn)行了許多試驗(yàn)室和生產(chǎn)環(huán)境的試驗(yàn)，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(duì)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(gè)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(yàn)管道和未爆炸武器。另外，硒板被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(shí)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(gè)更方便。他還說“對(duì)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(yàn)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(gè)位置布置圖像能力，其他技術(shù)的多功能性會(huì)抵消膠片和CR的便攜優(yōu)點(diǎn) ”。

數(shù)字板的一個(gè)缺點(diǎn)或許是其價(jià)格昂貴。膠片和CR的成本很低，幾個(gè)技術(shù)員能夠依次X射線拍攝，處理一個(gè)膠片或CR處理器。對(duì)于每個(gè)X射線工作站的計(jì)算機(jī)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(huì)通過提高生產(chǎn)效率抵消（即減少站點(diǎn)和勞動(dòng)力）。

在NDT應(yīng)用中另一個(gè)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(jìn)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(gè)爭論指出了一個(gè)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(tuán)和標(biāo)準(zhǔn)組織正在尋求如何改變檢測規(guī)范，以適應(yīng)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(yàn)要求。

盡管沒有通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，Bernstein表示：已經(jīng)有許多的公司已經(jīng)定義了實(shí)施無膠片X射線的質(zhì)量規(guī)范。他說“GE飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)公司已經(jīng)允許使用圖象增強(qiáng)器和數(shù)字探測器許多年了。事實(shí)上，自從20世紀(jì)80年代，我們公司已經(jīng)使用數(shù)字探測器進(jìn)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(duì)抗和炒做，另外的一些平板技術(shù)似乎被忽略了，是不應(yīng)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(dòng)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(duì)準(zhǔn)一個(gè)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(dá)10 MeV的高能量。

Envision公司銷售線陣列達(dá)16英尺長的CMOS系統(tǒng)，該系統(tǒng)被固定在零件穿過的自動(dòng)機(jī)械或傳送帶系統(tǒng)中。通過移動(dòng)摩托車前面的54英寸長的線性陣列，在輸出蓋上（負(fù)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(duì)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(duì)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(gè)系統(tǒng)包括150 kV 脈沖X射線源被放置在一個(gè)箱子中，能夠被應(yīng)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(duì)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(gè)小時(shí)，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(gè)重要的角色。對(duì)于NDT專業(yè)人員來講，數(shù)字平板以實(shí)時(shí)的圖像采集、存儲(chǔ)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(dòng)該技術(shù)到下一個(gè)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(duì)比度和空間分辨率、信噪比低、提高強(qiáng)度和運(yùn)營成本低等，這些說法都是在挑剔膠片和CR的缺點(diǎn)，以便把它們排擠出市場。（end）