計(jì)算機(jī)數(shù)字化X射線成像

CR(Computed Radiography

計(jì)算機(jī)數(shù)字化X射線成像

編者按：計(jì)算機(jī)數(shù)字化X射線檢測(cè)技術(shù)作為一種新的無(wú)損檢測(cè)方法已進(jìn)入工業(yè)產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域。 本文概述了計(jì)算機(jī)數(shù)字化X射線檢測(cè)技術(shù)的基本原理與成像技術(shù)及應(yīng)用前景，為推廣應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)字化X射線檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)加強(qiáng)科研與標(biāo)準(zhǔn)化制訂、數(shù)字化射線檢測(cè)的技術(shù)培訓(xùn)及人員資格考核的工作。

前言

傳統(tǒng)的X線成像是經(jīng)X線投照，將影像信息記錄在膠片上，在顯定影處理后，影像才能于底片上顯示。而CR是將X線投照的影像信息記錄在影像板（image plate，IP）上，經(jīng)讀取裝置讀取，由計(jì)算機(jī)計(jì)算出一個(gè)數(shù)字化圖像，復(fù)經(jīng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，于熒屏上顯示出灰階圖像。CR與DR同屬數(shù)字化成像。“CR系統(tǒng)”發(fā)展了無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域代表性方法之一的“工業(yè)用X射線膠片法”，被稱(chēng)為數(shù)碼圖像檢測(cè)系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)方法。全面繼承了“工業(yè)用X射線膠片方法”（IX膠片方法）所具有的通過(guò)X射線得到鮮明圖像的特點(diǎn)，而且作為數(shù)碼化圖像系統(tǒng)，也是一種劃時(shí)代的能夠順應(yīng)各種現(xiàn)代要求的系統(tǒng)方式。

l  基本的操作過(guò)程的比較

“IX膠片方法”和“CR系統(tǒng)”，從拍攝到檢查、保管，其基本的作業(yè)過(guò)程不同點(diǎn)，如下所示：

	“IX膠片方法”	“CR系統(tǒng)”
拍攝操作	把膠片放入暗袋中，用射線機(jī)進(jìn)行X射線照射	基本相同，但取代膠片的是采用可反復(fù)使用的圖像感光板
顯像（可視化）	在暗室環(huán)境中，通過(guò)洗片藥水進(jìn)行化學(xué)處理（濕式）	在明亮的環(huán)境下，通過(guò)專(zhuān)用的“IP讀出裝置進(jìn)行光學(xué)處理”（干式）
檢查操作	使用高亮度觀片燈，對(duì)膠片進(jìn)行評(píng)價(jià)	通過(guò)高精細(xì)CRT進(jìn)行檢查，由于是數(shù)碼化，可實(shí)現(xiàn)更易看清的圖像處理
保管和數(shù)據(jù)利用	把膠片作為實(shí)物保管，如要轉(zhuǎn)存于電腦，必須變換為數(shù)碼參數(shù)	圖像被記錄于大容量的DVD-RAM，已被數(shù)碼化，可有效利用于其他

1．   CR系統(tǒng)

是取代IX膠片，采用可反復(fù)使用的感光板，來(lái)進(jìn)行數(shù)碼化射線檢查的系統(tǒng)。作為“IX膠片方法”的發(fā)展系統(tǒng)、繼承保持能反映真實(shí)的、具有良好可視性的鮮明圖像。另外，一次性圖像化的最大范圍可到35*43cm，是可以進(jìn)行“全體像”檢查、確認(rèn)的數(shù)碼化射線檢查系統(tǒng)。

特點(diǎn)：

（1）具有4位數(shù)（10.000倍）以上的寬廣動(dòng)態(tài)范圍，是寬緯度的系統(tǒng)。

（2）同C5類(lèi)膠片相比較，具有10倍以上的高靈敏度，可實(shí)現(xiàn)X射線照射時(shí)間的縮短。

( 3）IP可重復(fù)使用，輕薄型且柔軟可彎曲，是具有良好可操作性的射線檢查器件。

( 4）通過(guò)EDR自動(dòng)靈敏度調(diào)整機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定讀出，對(duì)任何檢查對(duì)象，一次操作就可得到良好的圖像。

( 5）由于是數(shù)碼化圖像，可以用各種圖像處理方法調(diào)整成容易檢查辨別的圖像，也可通過(guò)電腦充分利用各種數(shù)據(jù)。

( 6）實(shí)現(xiàn)了X射線檢查的工作環(huán)境的改善，不需要暗室，可進(jìn)行明室處理。

( 7）可以輸出高質(zhì)量的膠片，并且是沒(méi)有處理液、水、廢液的完全干式系統(tǒng)。

2．   系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）  廣闊的動(dòng)態(tài)范圍，寬緯度

作為圖像感光板（IP）的很大的特性，具有廣闊的動(dòng)態(tài)范圍（圖1），在整個(gè)4位數(shù)（以上）的寬廣范圍內(nèi)，擁有良好直線性的射線靈敏度，如果能把圖像信號(hào)收入此寬廣范圍內(nèi)就可以進(jìn)行圖像化，同膠片相比較，不太有必要拘泥于拍攝條件。                                                                       

            圖1   IP的發(fā)光特性

有效利用的要點(diǎn)：                                 

l  壁厚差較大的部件的拍攝（用1張圖像就可基本完成）

l  可實(shí)現(xiàn)拍攝條件的放寬，減少拍攝失敗

（2）  高靈敏度“CR系統(tǒng)”所具有的另外一個(gè)很大的特性是“高靈敏度”。雖然靈敏度水平根據(jù)拍攝條件和檢查對(duì)象不能一概而論，但一般來(lái)說(shuō)，可達(dá)到C5類(lèi) 膠片的10倍以上。另外，IP對(duì)γ等高能量射線也具有靈敏性，但靈敏度的優(yōu)先性減小。圖2為“IX膠片”同“CR系統(tǒng)”的靈敏度比較。

* “拍攝電壓”是放射線透過(guò)檢查對(duì)象所必需的能量的最低限，因此基本上同使用膠片的電壓相同。

*  “電流”“照射時(shí)間”可以比圖2所示的更低。微小的放射線量也可實(shí)現(xiàn)圖像化，但射線量過(guò)小會(huì)影響到像的質(zhì)量。     

    圖2  C5類(lèi)膠片同CR系統(tǒng)靈敏度比較

有效利用的要點(diǎn)：

l  由于縮短了拍攝時(shí)間，可以增加大批檢查的處理量。

l  特別有利于檢查拍攝單位時(shí)間較長(zhǎng)的檢查對(duì)象。

（3）  IP可以反復(fù)使用

可以用感光板進(jìn)行圖像的記錄、擦除，并可重復(fù)使用。

圖3 通過(guò)IP形成圖像的原理

3．    圖像感光板

（1）   結(jié)構(gòu)具有良好的平面性和柔軟性，以350um厚的聚乙烯化合物（PET）材料為基底，在上面涂抹能發(fā)生“輝盡發(fā)光”的特殊熒光體物質(zhì)。在進(jìn)行拍攝的時(shí)候，透過(guò)檢查對(duì)象的射線作為與放射線量成比例的電子能，以全面分布的形式被此“熒光體層”暫時(shí)記憶并儲(chǔ)存。在IP表面（白色面），有防止“熒光體”受污染及遭傷擊的透明“保護(hù)層”，在其背面有一層黑色遮光的“背面保護(hù)層”，整體厚度約為600—700um。同其它電子射線檢測(cè)傳感器相比，更薄更輕更緊湊，而且有良好的柔軟性。

圖4  IP結(jié)構(gòu)圖

（2）   熒光體的發(fā)光（輝盡發(fā)光的構(gòu)成）

CR作為一種把儲(chǔ)存的射線像（潛在像）可視化的方法，利用了PhotostimulatedLuminescence（輝盡發(fā)光，PSL）現(xiàn)象，所謂PSL現(xiàn)象，即熒光體受射線刺激發(fā)光，隨著刺激的結(jié)束，發(fā)光急劇衰減（圖5-②），在此過(guò)程中，受發(fā)光波長(zhǎng)中的長(zhǎng)波光的照射，再一次使發(fā)光增強(qiáng)的現(xiàn)象（圖5-③）。此現(xiàn)象隨時(shí)間的增長(zhǎng)而減弱，射線照射后到讀出為止的時(shí)間變長(zhǎng)的話，所得到的發(fā)光減少，但通常1—2天時(shí)間的話，圖像并不受很大影響。

                        

             圖5  輝盡發(fā)光的特性圖

（3）熒光體的成分及性質(zhì)

作為顯示輝盡現(xiàn)象的熒光體，CR采用的是帶銪活性鋇熒光鹵化物（BaFBrI：Eu2+）。這種熒光體發(fā)出光波為400mm的藍(lán)光，而最為有效地使輝盡發(fā)光發(fā)生的激發(fā)波長(zhǎng)是640mm的紅光。

這個(gè)波長(zhǎng)的差，在讀取時(shí)，對(duì)于分離“發(fā)光信號(hào)”是一個(gè)重要的特性，“BaFBrI：Eu2+”由于其發(fā)光光譜和激發(fā)光譜的分開(kāi)距離相當(dāng)大，所以用一般的光學(xué)過(guò)濾器就可把激發(fā)光和發(fā)光充分分離開(kāi)。

4．    圖像信息的讀出（IP圖像讀出裝置）

（1）   IP圖像讀出裝置

使用此裝置從專(zhuān)用暗盒內(nèi)自動(dòng)取出拍攝好的IP，在裝置的讀出部分以熒光的形式放出IP中的射線信息，讀出后轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)。具體如下，移動(dòng)IP的同時(shí)，在直角方向用轉(zhuǎn)動(dòng)多面體反射鏡（多邊反射鏡）使激光掃描IP表面，這樣得到的PSL通過(guò)集光導(dǎo)管導(dǎo)入光電子增倍管，變換成電子信號(hào)，電子信號(hào)被進(jìn)一步放大，通過(guò)模擬/數(shù)碼變換，成為10bit（1024等級(jí)）的數(shù)碼信號(hào)。參數(shù)數(shù)據(jù)在讀出時(shí)隨同輸入試驗(yàn)編號(hào)等信息一起送往圖像顯示，文件裝置，讀出完畢的IP在裝置內(nèi)被自動(dòng)清除殘留的信息，退回到原來(lái)的暗盒內(nèi)，以備下次拍攝使用。

（2）  EDR自動(dòng)靈敏度調(diào)整機(jī)構(gòu)

     作為IP的傳感器件，其特性如前所述，X射線感光范圍4位數(shù)（以上），且整個(gè)感光范圍的反應(yīng)為直線。但是，如果把此4位數(shù)的寬廣感光范圍原封不動(dòng)的轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)的話，會(huì)形成濃度分解度較差的圖像。因此“CR”首先把4位數(shù)的領(lǐng)域變換成參數(shù)識(shí)讀，用此參數(shù)作為矩形直方圖，然后在解析了圖像的特性后找出“有效圖像領(lǐng)域”再轉(zhuǎn)化成10bit的圖像數(shù)據(jù)。象這樣從全體感光范圍內(nèi)找出“有效圖像領(lǐng)域”的功能被稱(chēng)作EDR。

（3）  輸出圖像的自動(dòng)圖像處理

     用EDR功能制作“10bit 的圖像數(shù)據(jù)”，為了在讀出階段能輸出良好的圖像，預(yù)先設(shè)定每一拍攝菜單的“讀出模式”和“圖像形成參數(shù)”，因此，在讀出前，通過(guò)選擇拍攝菜單和采用前記的EDR功能，使圖像處理在被認(rèn)為無(wú)論何種拍攝情況下都能適合的狀態(tài)下進(jìn)行并被顯示。關(guān)于“圖像形成參數(shù)”，在第5點(diǎn)中進(jìn)行講述。另外拍攝菜單的名稱(chēng)，讀出模式，以及參數(shù)設(shè)定值的變更、追加，也可通過(guò)簡(jiǎn)單的操作隨意進(jìn)行。

5．   圖像顯示文件裝置

（1）    功能：

在像素1600（橫）*1200（縱）的“高輝度，高精細(xì)21型黑白CRT”上，圖像和編匯信息被顯示成高質(zhì)量的圖像，通過(guò)無(wú)交織方式的清晰畫(huà)面進(jìn)行檢查判定，感覺(jué)上用看X射線膠片一樣。

CRT畫(huà)面可以分割成1/2，1/4大小，在各自的畫(huà)面中，其獨(dú)立的濃度變化，反差變化，空間頻率強(qiáng)調(diào)、擴(kuò)大、縮小、尺寸計(jì)算、轉(zhuǎn)動(dòng)等圖像處理，可通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作實(shí)時(shí)進(jìn)行。比如，在各畫(huà)面中表示同一零部件不同拍攝角度的圖像、同一圖像用不同的圖像處理?xiàng)l件表示，研究缺陷的位置，及種類(lèi)的多方面比較等。在易看清的狀態(tài)下被處理的編匯圖像，可以以“JPEG”或者“BMP”文件形式的輸往網(wǎng)絡(luò)中的其它驅(qū)動(dòng)，從而達(dá)到圖像數(shù)據(jù)有效充分利用的目的。

圖像整理歸檔，通過(guò)本裝置附屬的DVD-RAM驅(qū)動(dòng)，記錄在大容量的“DVD-RAM”上。這種圖像被可逆壓縮為1/2的微型信息（1/4畫(huà)面圖像1張約占2MB空間）收錄于文件中。

（2）  圖像處理的概要

CR圖像基本上由以下7個(gè)“圖像形成參數(shù)”制作而成。

圖6所示為“層次等級(jí)處理”的現(xiàn)實(shí)，這部分的參數(shù)由4個(gè)參數(shù)組成：

    回轉(zhuǎn)量：反差（圖6-①）

    等級(jí)類(lèi)型（圖6-②）

    回轉(zhuǎn)中心（圖6-③）      

    等級(jí)換檔：濃度（圖6-④）

此外，與強(qiáng)調(diào)度有關(guān)的“頻率處理”有3個(gè)參數(shù)：

頻率等級(jí)順序（RN）、頻率類(lèi)型（RT）、頻率強(qiáng)調(diào)度（RE）。

可以簡(jiǎn)單的用下列公式進(jìn)行處理。RT 為圖像濃度領(lǐng)域的“強(qiáng)調(diào)類(lèi)型”圖表目錄，有10種類(lèi)型。

                        

圖6 層次等級(jí)處理

CR的頻率處理公式：

Sout = Sort+ RE（RT） * （Sorg – Sus）

Sus = ∑Sorg/ （RN的覆蓋尺寸）2

Sout：頻率處理圖像       Sorg：原圖像

結(jié)束語(yǔ):美國(guó)早在十年前就制訂了相關(guān)CR標(biāo)準(zhǔn)，其中美國(guó)ASNT學(xué)會(huì)也已專(zhuān)門(mén)開(kāi)展了數(shù)字化射線檢測(cè)技術(shù)的人員培訓(xùn)與資格鑒定工作，中國(guó)大陸地區(qū)目前主要由上海麒濟(jì)國(guó)際培訓(xùn)與資格鑒定中心定期開(kāi)展此項(xiàng)培訓(xùn)與人員資格鑒定工作。

本文作者：詹建輝  南昌航空大學(xué)無(wú)損檢測(cè)專(zhuān)業(yè)學(xué)士  中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)射線高級(jí)，美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)射線高級(jí)，中國(guó)特種設(shè)備協(xié)會(huì)射線中級(jí)，與江蘇特檢院共同參與CR國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

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