数字X射线成像技术的发展历程

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数字X射线成像技术的发展历程

作者：Dirk Dusharme    来源：《Quality Digest Magazine》

在1895年，德国物理学家威廉伦琴发现了X射线，被以为是19世纪的重大发现。经过了他几个月的的技术突破，这种"新光线"被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的位置。尽管X射线最初被医学目的使用，但该新技术的理论也被应用到无损检测领域。例如，早期锌板的X射线，暗示了焊接质量控制的可能性，20世纪初期，X射线被应用于锅炉检测。     在下半个世纪，X射线技术---尽管长期不变--没有发生巨大的变化，由射线源发射的X射线穿过物体，然后通过胶片或荧光屏接受。胶片的对比度和空间分辨率，随胶片的速度和X射线源的控制，使用带胶片的荧光增感屏，在低能量下，得到了较好的图像效果。     在20世纪50年代，随着图象增强器的出现，发生了巨大的变化，第一次得到了实时的清楚的图像。通过图像放大器，从荧光屏上采集X射线，聚焦在另外一个屏上，可以直接观察或通过高质量的TV 或CCD摄像机观察。对于实时成像，固然图象增强用具有强大的性能，直到最近之前仍然选择胶片保存大的图像、高质量的空间分辨率及对比度。     然而，每一项技术都有其自己的缺点。化学处理X射线胶片，从图像的采集到技术职员的检测，通常需要20分钟的滞后时间。假如胶片暴光量不够或透照角度错误，必须重新进行所有的程序，那么仍然需要20分钟时间。假如照射很多的胶片，将需要几个小时。此外，公司必须配备存放地点和经过培训的员工，以保证安全操纵、存储和处理胶片冲洗药液。固然胶片的空间分辨率较好，但是，胶片线性不好和对比度范围狭窄，再加上人的眼睛的局限性，辨别能力不能超过100的灰度级别，已经不可能从一个范围宽广的胶片密度来检测和获得更精确的数据。     对于图象增强器，其应用范围又受其防护体积庞大和视域的限制，而且图像的边沿出现扭曲，只有中心位置的图像对于某些应用才有用。另外，图像增强器的对比度和空间分辨率也不能和其他的技术相提并论。无论胶片还是图像增强器，存档和分发多少也有些不便，对于图像增强器的图像存档，需要将转化为视频格式；对于X射线底片则通过扫描。     数字领域：计算机射线照相技术（computed radiography）     自从20世纪80年代引进了计算机化的X射线技术（CR），X射线成像发生了巨大的变化。直到此时，才实现了真正的自动化检验、缺陷识别、存储以及依靠人为对图像或胶片的解释。CR提供了有益的计算机辅助和图像辨别、存储和数字化传输，剔除了胶片的处理过程和节省了由此产生的用度。     CR作用类似胶片，但是取代了胶片，通过影像存储板，将图像存储在其内部。在很多情况下，该技术很轻易的被翻新成胶片基的系统，但不需要胶片、化学药品、暗室、相关设备及胶片存储。     在这些方面降低本钱，就以为着快速回收投资，例如，Fuji 公司的DR NDT产品部的Fred Morro说：“我们为每个顾客作一个本钱分析，其本钱包括胶片、药液以及药液处理。当然，这些取决于用量，但是ROI比以前少了”。     美国Envision公司研制成功CMOS数字化平板，节省了胶片、处理和化学药品的回收等本钱，估计每1000张X射线片节省大约6000美元，其中还不包括存储胶片和暗室的本钱。     关于性能，Morro说：CR 的对比度是12位或4096灰阶，与胶片相仿。Morro还补充说：尽管其空间分辨率还没有超过胶片，对于大多数NDT应用已经足够了，CR的精度是5线对/毫米（即100μm）。由于它的对比度范围很大，CR 能够被应用于所有的数字X射线技术，通过一次曝光就可以获得多数拍摄对象的全部厚度范围，对于胶片有时是不可能完成的。通过计算机，你可以浏览全部厚度范围的任何感爱好的位置。     与胶片一样，也能够分割CR影像板和弯曲，固然存储板比胶片的本钱高（14×17in），板的价格大约为700美元，但是可以被使用几千次，其寿命决定于机械磨损程度，但实际比胶片更便宜。另外也和胶片一样，使用条件要求非常苛刻，不能使用在湿润的环境中和极真个温度条件下。     CR比其他数字技术的优点是：在大多数情况下，在整个实验室中只需要一个影像板读取器，该读取器与影像板是独立的，用户可以分别购买，这一点就区别于其它的采集和读取一体的数字技术。     CR的缺点是：类似胶片，不能实时。尽管比胶片速度快，但是必须将影像板从X射线曝光室移走，然后将其放进读取器中。CR使得无胶片X射线技术前进了一大步，但是却不能提供X射线数字技术的所有的上风。 数字平板     在20世纪90年代后期，数字平板产生了。该技术与胶片或CR的处理过程不同，采用X射线图像数字读出技术，真正实现X射线NDT检测自动化。除了不能进行分割外和弯曲。数字平板能够与胶片和CR同样的应用范围，可以被放置在机械或传送带位置，检测通过的零件，也可以采用多配置进行多视域的检测。在两次照射期间，不必更换胶片和存储荧光板，仅仅需要几秒钟的数据采集，就可以观察到图像，与胶片和CR的生产能力相比，有巨大的进步。     目前，两种数字平板技术正在市场上进行面对面的竞争：即非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）。表面上，这两种的平板都是以同样的运行方式：通过面板将提取X射线转化成为数字图像。面板无需象胶片一样进行处理，可以以几秒钟一幅图像的速度到进行数据采集，也可以以每秒30幅图像的速度进行实况采集。另外，由于它们的精度高和视域宽，平板以每秒30幅的速度显示图像，替换图像增强器，是比较理想的。然而，以每秒30的幅频将使图像的精度降低。     对于非晶硒的平板技术，X射线将撞击硒层，硒层直接将X射线转化成电荷，然后将电荷转化为每个像素的数字值，这种叫做直接图像的方法。支持者们称非晶硒比非晶硅提供了更好的空间分辨率。     一般称呼为非晶硅板（称呼不正确，即使用了非晶硅），X射线首先撞击其板上的闪烁层，该闪烁层以所撞击的射线能量成正比的关系发出光电子，这些光电子被下面的硅光电二级管阵列采集到，并且将它们转化成电荷，再将这些电荷转换为每个像素的数字值。由于转换X射线为光线的中间媒体是闪烁层，因此被称作间接图像方法。闪烁层一般由铯碘化物或轧氧硫化物组成，铯碘化物是较理想的材料。其支持者们称：非晶硅板比非晶硒板的幅频更快，可达到每秒30幅图像。     两种技术的空间分辨率都接近胶片，但是对比度范围却远远超过胶片的性能。     两者之间的争议主要在理论上，更多谈到模转换功能、检丈量子效率和大量的爱因斯坦理论，看起来都差未几，即在保证最好的对比度和最小噪音的情况下，谁的空间分辨率更高。Bedford, Massachusetts-based Hologic 公司主要研制硒成像平板，以为间接系统的闪烁层产生的光线，在到达光电探测器前，出现稍微的散射，因此效果不好。对于硒板成像系统，电子是由X射线直接撞击平板，产生的很小的散射，因此图像精度较高。     “我争论的不仅仅是理论上的”Hologic Inc 公司的Ken Swartz 说，“现在，有大量公然的研究，比较了直接的和间接的探测器产生的图像质量和生产效率上风”。他指出了一个2003年4月份，Ehsan Samei and Michael Flynn发表在Med. Phys的文章《试验比较直接和间接数字化射线（DR）系统的探测器性能》，通过GE 和Philips公司对Hologic公司的直接成像板与其它间接成像板的比较，得出结论：当精度要求小于200μm时，非晶硒板的性能好；对于精度大于200μm，非晶硅性能好。Ken Swartz还指出Kodak, Siemens, Philips, Agfa and Instrumentarium由于其优良的图像质量，已经选择了非晶硒探测器，以满足复杂的医学应用。     下面介绍几个生产厂家的平面成像板技术参数：     Agfa公司：该公司提供11×16英寸硅板，为12位（灰度4096），精度127μm，Agfa公司也组装了Hologic 公司的14×17英寸的硒板。这两种板都能够满足现场温度要求。     GE公司：目前GE公司提供4种数字化硅板，平板尺寸从63到256平方英寸，可以以静态模式操纵，也可以以每秒30幅频速度操纵，所有的4个板是14位（16000灰度）对比度，空间分辨率达9线对/mm（55μm），没有几何放大。     Hologic Inc公司：该公司的14×17英寸的硒板，精度为3.6线对/mm（139μm）、14位（16000灰度），Hologic也生产7.2线对/mm(70 μm )的平板。     PerkinElmer公司：该公司的最高精度的平板是16×16英寸的，精度为200μm。其8×8英寸平板的精度为400μm，采集速度为7幅频/秒，其最高接受能量可达25 MeV。所有产品的对比度16位或65000灰度。     Varian公司：该公司的12×16英寸的硅板，精度为3.97线对/mm(126μm)。在高速模式时，采集速度为30幅频/秒，精度为1.29线对/mm（388μm），Varian公司也卖高能量的平板，接受能量可达9 MeV，这样便有可能检测27英寸以下厚度的铝铸件。其产品的对比度为12位或4096灰度，也有65000灰度的版本。     但是对无损检测职员来讲，究竟哪一个可以在相关领域得到真正应用。这个题目的答案是，按照X-R-I（一个独立的航空汽车试验室）测试总裁Scott Thams的说法“它们都行”。Thams 解释“我们发现非晶硒、非晶硅以及计算机成像已经足够好了，它们与胶片相当”。X-R-I 80-90% X射线检测工作是使用胶片，使用胶片每年花费比使用成像技术大约多100万美元。Thams以为他自己就是一个对于各种技术之间以及与胶片较量的很好的裁判员。他还评论“这些技术都已经成熟到极点了，比较它们就象是分割头发一样难”。     生产厂商也承认没有一种技术十全十美的，都取决于其不同的实际应用类型。平板检测器和图像管的先驱PerkinElmer公司的 Mario Gauer说：“对于NDT，争论哪种技术的精度更高，将没有实际意义”。     “你必须在不同的领域使用这些技术”他解释说，“对于自动的缺陷识别模式或3-D改造，使用高动态范围和良好信噪比的检测器，将减少图像数目和周期”。无论硒板还是硅板，都数字板的生产效率。     Varian Medical Systems Security & Inspection Products 公司的技术代表Greg Budner 说：“我们推进该技术的目的不是用自动方法替换胶片，我们已经取得了广泛胶片应用和带远控平板检测了很多零件。”     Budner还指出：在安装了数字平板X射线系统后，检测Ariane V 卫星填筑火箭的效率增加。在安装以前，检测柱形碳复合零件，最少使用350个胶片，当零件在X射线机前面旋转时，几乎每一度照射一次射线。使用数字化平板， Varian公司减少X射线的检验时间，由于零件在旋转，在零件移动到下一个位置之前，系统采集和存储图像需要几秒钟时间。该系统以６到９MeV 的能量操纵，对于1200mm 的碳检测，可以以2%的对比度检测到300μm 夹渣。     尽管进行了很多试验室和生产环境的试验，但是Thams和其他的同行们还不能确定数字平板技术能否经受住和胶片及CR技术同样恶劣的现场环境。他说：“数字板易碎，其灵敏度随温度变化”，他还解释：它们也需要电源和电缆，即使CR和胶片不需要的场合。     Varian公司和GE公司表示环境的影响不是题目，GE公司已经热稳性定系统，该装置对于太阳光不敏感；Varian表示它的系统没有热稳定性也能很好的工作。两个公司都有硅板装置，被使用在环境恶劣的沙漠地区检验管道和未爆炸武器。另外，硒板被应用于医学领域和50°到86°F室温情况下，在超出该温度范围，必须配备加热和冷却系统。     GE公司检测技术部的Mike Bernstein说 ：现场实际的题目是环境不太重要，重要的是便携式CR、胶片和数字平板哪个更方便。他还说“对于一套胶片，使用CR完成很好”；“例如，其便携性使得其用于检验管道很方便，并且可以稍微弯曲，假如要照射40或50张图像，则必须考虑其图像处理题目。比较采集图像和快速简单地在下一个位置布置图像能力，其他技术的多功能性会抵消胶片和CR的便携优点 ”。     数字板的一个缺点或许是其价格昂贵。胶片和CR的本钱很低，几个技术员能够依次X射线拍摄，处理一个胶片或CR处理器。对于每个X射线工作站的计算机系统本钱大约为15万美元，增加数目的X射线平板将增加同样的本钱，但这些会通过进步生产效率抵消（即减少站点和劳动力）。     在NDT应用中另一个考虑的题目就是固定的像素，固定的像素或固定线（即像素的行）是该技术固有的，但是可以根据四周的像素进行人工更改（即内插法）也许这些在某些产业上不被接受。Thams说：依次类推，考虑在航空行业，检测规范要求在胶片上假如在感爱好的区域内，有人为的缺陷（划痕、针孔、气泡等），那么必须重新照射该照片。 Bernstein不把固定像素看作是题目，并且指出GE公司平板的固定像素仅仅100平方μm，而胶片的人为缺陷要大很多。     这个争论指出了一个终极的考虑：产业上接受无胶片X射线检测。Thams说：目前various产业团体和标准组织正在寻求如何改变检测规范，以适应数字X射线技术。他还说他的X射线工作仍然使用胶片的80-90%的原因，是公司规定的试验要求。     尽管没有通用的产业标准，Bernstein表示：已经有很多的公司已经定义了实施无胶片X射线的质量规范。他说“GE飞机发动机公司已经答应使用图象增强器和数字探测器很多年了。事实上，自从20世纪80年代，我们公司已经使用数字探测器进行了多于3000万幅图象工作。” 其它技术     随着硒板和硅板之间的对抗和炒做，另外的一些平板技术似乎被忽略了，是不应该的。如COMS X射线，该有趣的新产品来自美国Aalaska的Envision Product Design公司，这种产品就是扫描平板，它是由线性X射线探测器阵列和内置在平板内的驱动系统，该板厚为3英寸，最大可丈量尺寸为24×36英寸，这种平板同样被使用在前面描述的方式。     该技术原理是，扫描器横扫过平板（类似文挡扫描仪），在X射线触发闪烁材料之前，对准一个要通过的窄曹，该材料囤积在光纤的末端（见右边的图示）。为避免CMOS探测器被X射线破坏，光纤的末端与X射线扫描头成直角连接COMS探测器，探测器被放置在钨铅屏蔽罩中。该系统能够承受高达10 MeV的高能量。     Envision公司销售线阵列达16英尺长的CMOS系统，该系统被固定在零件穿过的自动机械或传送带系统中。通过移动摩托车前面的54英寸长的线性阵列，在输出盖上（负游码）产生图像。采集54×84英寸的图像需要110秒钟。     Envision公司的平板和线性阵列空间分辨率为80μm、对比度为12位或4096灰度。该公司还销售常规的4×4英寸的CMOS平板阵列，空间分辨率为50μm及12位对比度。     前面已经提到，数字平板的反面争论之一是现场工作必须要求电源和电缆线。以色列Vidisco公司公布了生产一种叫做Flat FoX便携式无线硅板系统，其广告资料上介绍，整个系统包括150 kV 脉冲X射线源被放置在一个箱子中，能够被应用在任何没有交流电的地方，该系统也可以与现在的产业X射线源一起使用。其11×16英寸的硅板的对比度为12-16位、空间分辨率为127--400μm。使用电池操纵，该系统可以工作2个小时，假如选择无线远控的X射线源以及图像传输配置，能够在200米范围操纵。 结论     尽管CR是胶片替换的选择技术，我们期待数字平板，可能是硅板，将成为无损检测X射线市场上的下一个重要的角色。对于NDT专业职员来讲，数字平板以实时的图像采集、存储和传输使不再需要胶片或CR成为可能。GE, Varian, Agfa, Siemens, PerkinElmer及其它公司将推动该技术到下一个水平。不过尽管大多数数字平板制造厂商声称他们提供的检测工具胜于胶片替换技术——如改善对比度和空间分辨率、信噪比低、进步强度和运营本钱低等，这些说法都是在挑剔胶片和CR的缺点，以便把它们排挤出市场。(end)