計算機數(shù)字化X射線成像

CR(Computed Radiography

計算機數(shù)字化X射線成像

編者按：計算機數(shù)字化X射線檢測技術(shù)作為一種新的無損檢測方法已進入工業(yè)產(chǎn)品的無損檢測領(lǐng)域。 本文概述了計算機數(shù)字化X射線檢測技術(shù)的基本原理與成像技術(shù)及應(yīng)用前景，為推廣應(yīng)用計算機數(shù)字化X射線檢測技術(shù)，應(yīng)加強科研與標(biāo)準(zhǔn)化制訂、數(shù)字化射線檢測的技術(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，由計算機計算出一個數(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)展了無損檢測領(lǐng)域代表性方法之一的“工業(yè)用X射線膠片法”，被稱為數(shù)碼圖像檢測系統(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X射線得到鮮明圖像的特點，而且作為數(shù)碼化圖像系統(tǒng)，也是一種劃時代的能夠順應(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)過程不同點，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，用射線機進行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，通過洗片藥水進行化學(xué)處理（濕式）	在明亮的環(huán)境下，通過專用的“IP讀出裝置進行光學(xué)處理”（干式）
檢查操作	使用高亮度觀片燈，對膠片進行評價	通過高精細CRT進行檢查，由于是數(shù)碼化，可實現(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，來進行數(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，是可以進行“全體像”檢查、確認的數(shù)碼化射線檢查系統(tǒng)。

特點：

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

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

( 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EDR自動靈敏度調(diào)整機構(gòu)的穩(wěn)定讀出，對任何檢查對象，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，也可通過電腦充分利用各種數(shù)據(jù)。

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

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

2．   系統(tǒng)的特點

（1）  廣闊的動態(tài)范圍，寬緯度

作為圖像感光板（IP）的很大的特性，具有廣闊的動態(tài)范圍（圖1），在整個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，如果能把圖像信號收入此寬廣范圍內(nèi)就可以進行圖像化，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：                                 

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)拍攝條件和檢查對象不能一概而論，但一般來說，可達到C5類 膠片的10倍以上。另外，IP對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”是放射線透過檢查對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”“照射時間”可以比圖2所示的更低。微小的放射線量也可實現(xiàn)圖像化，但射線量過小會影響到像的質(zhì)量。     

    圖2  C5類膠片同CR系統(tǒng)靈敏度比較

有效利用的要點：

l  由于縮短了拍攝時間，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間較長的檢查對象。

（3）  IP可以反復(fù)使用

可以用感光板進行圖像的記錄、擦除，并可重復(fù)使用。

圖3 通過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)。在進行拍攝的時候，透過檢查對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”暫時記憶并儲存。在IP表面（白色面），有防止“熒光體”受污染及遭傷擊的透明“保護層”，在其背面有一層黑色遮光的“背面保護層”，整體厚度約為600—700um。同其它電子射線檢測傳感器相比，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），在此過程中，受發(fā)光波長中的長波光的照射，再一次使發(fā)光增強的現(xiàn)象（圖5-③）。此現(xiàn)象隨時間的增長而減弱，射線照射后到讀出為止的時間變長的話，所得到的發(fā)光減少，但通常1—2天時間的話，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的藍光，而最為有效地使輝盡發(fā)光發(fā)生的激發(fā)波長是640mm的紅光。

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

4．    圖像信息的讀出（IP圖像讀出裝置）

（1）   IP圖像讀出裝置

使用此裝置從專用暗盒內(nèi)自動取出拍攝好的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。具體如下，移動IP的同時，在直角方向用轉(zhuǎn)動多面體反射鏡（多邊反射鏡）使激光掃描IP表面，這樣得到的PSL通過集光導(dǎo)管導(dǎo)入光電子增倍管，變換成電子信號，電子信號被進一步放大，通過模擬/數(shù)碼變換，成為10bit（1024等級）的數(shù)碼信號。參數(shù)數(shù)據(jù)在讀出時隨同輸入試驗編號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)被自動清除殘留的信息，退回到原來的暗盒內(nèi)，以備下次拍攝使用。

（2）  EDR自動靈敏度調(diào)整機構(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的轉(zhuǎn)化為圖像數(shù)據(jù)的話，會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”的功能被稱作EDR。

（3）  輸出圖像的自動圖像處理

     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，通過選擇拍攝菜單和采用前記的EDR功能，使圖像處理在被認為無論何種拍攝情況下都能適合的狀態(tài)下進行并被顯示。關(guān)于“圖像形成參數(shù)”，在第5點中進行講述。另外拍攝菜單的名稱，讀出模式，以及參數(shù)設(shè)定值的變更、追加，也可通過簡單的操作隨意進行。

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，通過無交織方式的清晰畫面進行檢查判定，感覺上用看X射線膠片一樣。

CRT畫面可以分割成1/2，1/4大小，在各自的畫面中，其獨立的濃度變化，反差變化，空間頻率強調(diào)、擴大、縮小、尺寸計算、轉(zhuǎn)動等圖像處理，可通過簡單的鼠標(biāo)操作實時進行。比如，在各畫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條件表示，研究缺陷的位置，及種類的多方面比較等。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，從而達到圖像數(shù)據(jù)有效充分利用的目的。

圖像整理歸檔，通過本裝置附屬的DVD-RAM驅(qū)動，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“圖像形成參數(shù)”制作而成。

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

    回轉(zhuǎn)量：反差（圖6-①）

    等級類型（圖6-②）

    回轉(zhuǎn)中心（圖6-③）      

    等級換檔：濃度（圖6-④）

此外，與強調(diào)度有關(guān)的“頻率處理”有3個參數(shù)：

頻率等級順序（RN）、頻率類型（RT）、頻率強調(diào)度（RE）。

可以簡單的用下列公式進行處理。RT 為圖像濃度領(lǐng)域的“強調(diào)類型”圖表目錄，有10種類型。

                        

圖6 層次等級處理

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:美國早在十年前就制訂了相關(guān)CR標(biāo)準(zhǔn)，其中美國ASNT學(xué)會也已專門開展了數(shù)字化射線檢測技術(shù)的人員培訓(xùn)與資格鑒定工作，中國大陸地區(qū)目前主要由上海麒濟國際培訓(xùn)與資格鑒定中心定期開展此項培訓(xùn)與人員資格鑒定工作。

本文作者：詹建輝  南昌航空大學(xué)無損檢測專業(yè)學(xué)士  中國機械工程學(xué)會射線高級，美國無損檢測學(xué)會射線高級，中國特種設(shè)備協(xié)會射線中級，與江蘇特檢院共同參與CR國家標(biāo)準(zhǔn)的制訂。

本文轉(zhuǎn)自金試檢測認證平臺 http://www.qa-ndt.com