數(shù)字X射線成像技術(shù)的發(fā)展歷程

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，被以為是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射線最初被醫(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。
熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|
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，第一次得到了實時的清楚的圖像。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，固然圖象增強用具有強大的性能，直到最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。化學處理X射線膠片，從圖像的采集到技術(shù)職員的檢測，通常需要20分鐘的滯后時間。假如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。假如照射很多的膠片，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，以保證安全操縱、存儲和處理膠片沖洗藥液。固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精確的數(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年代引進了計算機化的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)生的用度。

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。在很多情況下，該技術(shù)很輕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。

在這些方面降低本錢，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�顧客作一個本錢分析，其本錢包括膠片、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本錢，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本錢。

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愛好的位置。

與膠片一樣，也能夠分割CR影像板和彎曲，固然存儲板比膠片的本錢高（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，不能使用在濕潤的環(huán)境中和極真?zhèn)�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，然后將其放進讀取器中。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)的所有的上風。

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，有巨大的進步。

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，替換圖像增強器，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（稱呼不正確，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、檢丈量子效率和大量的愛因斯坦理論，看起來都差未幾，即在保證最好的對比度和最小噪音的情況下，誰的空間分辨率更高。Bedford, Massachusetts-based Hologic 公司主要研制硒成像平板，以為間接系統(tǒng)的閃爍層產(chǎn)生的光線，在到達光電探測器前，出現(xiàn)稍微的散射，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，有大量公然的研究，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)效率上風”。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》，廣州市駿凱電子科技有限公司通過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由于其優(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)模式操縱，也可以以每秒30幅頻速度操縱，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：該公司的最高精度的平板是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，其最高接受能量可達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。

但是對無損檢測職員來講，究竟哪一個可以在相關領域得到真正應用。這個題目的答案是，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以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先驅(qū)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)目和周期”。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換膠片，我們已經(jīng)取得了廣泛膠片應用和帶遠控平板檢測了很多零件。”

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，最少使用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，由于零件在旋轉(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 的能量操縱，對于1200mm 的碳檢測，可以以2%的對比度檢測到300μm 夾渣。

盡管進行了很多試驗室和生產(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)境的影響不是題目，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。廣州市駿凱電子科技有限公司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)場實際的題目是環(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，假如要照射40或50張圖像，則必須考慮其圖像處理題目。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的本錢很低，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)本錢大約為15萬美元，增加數(shù)目的X射線平板將增加同樣的本錢，但這些會通過進步生產(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題目就是固定的像素，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)四周的像素進行人工更改（即內(nèi)插法）也許這些在某些產(chǎn)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)范要求在膠片上假如在感愛好的區(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題目，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很多。

這個爭論指出了一個終極的考慮：產(chǎn)業(yè)上接受無膠片X射線檢測。Thams說：目前various產(chǎn)業(yè)團體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)。廣州市駿凱電子科技有限公司他還說他的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。

盡管沒有通用的產(chǎn)業(yè)標準，Bernstein表示：已經(jīng)有很多的公司已經(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)答應使用圖象增強器和數(shù)字探測器很多年了。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，最大可丈量尺寸為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。廣州市駿凱電子科技有限公司以色列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)在的產(chǎn)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。使用電池操縱，該系統(tǒng)可以工作2個小時，假如選擇無線遠控的X射線源以及圖像傳輸配置，能夠在200米范圍操縱。

結(jié)論

盡管CR是膠片替換的選擇技術(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)職員來講，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換技術(shù)——如改善對比度和空間分辨率、信噪比低、進步強度和運營本錢低等，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。