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计算机射线照相检测(CR)的发展及应用

发布时间:2016-11-17 阅读:0次

俞康桢
德华材料检测有限公司
 
摘要本文介绍了计算机射线照相检测(CR)的发展近况,并提出今后应用的前景。
关键词:计算机射线照相检测(CR);近况;前景
Development and Application of the computed radiography (CR)
AbstractThe recent development of the computed radiography (CR). Then the applicable foreground of the computer radiography.
Key words:Computed radiography (CR); recent; foreground
 
 
 
作者简介:俞康桢(1936—)男,研究员级工程师,长期从事无损检测及理化检测工作。1992年起享受政府特殊津贴。
 
前言
    对工件进行射线曝光检测时,若用成像板(imaging plate简称IP板)作为记录介质,然后将曝光后的IP板插入扫描仪扫描,读取。再在显示器上显示图像,这一过程称为:计算机射线照相检测(Computed Radiography 简称:CR)。该技术得以成功,可追溯到1917年奥地利数学家雷唐 (Randon) 提出:用高度准直、极细的X射线来环绕人体某一部位作断层扫描。一部分射线被人体吸收,一部分未被吸收的射线穿透人体后可被检测器接收。而这些模拟信号,若经过数据处理和计算后,可重新建立图像。但该论文发表后一直未被重视。
 
    直到1955年美国理论物理学家科马克(Alan MacLeod Cormack)由于对放射性治疗和诊断感兴趣,他发现医生在计算放射剂量时把非均质的人体作为均质看待。他认为应把人体构造和组成特征的切面图像表现出来,经过努力终于解决了计算机断层扫描技术的理论问题。在1963年他建议用X射线扫描进行图像重建,并提出了精确的数学推算方法。20世纪70年代英国EMI公司的工程师豪斯菲尔德(N.Hounsfield)在参考科马克发表的应用数学重建图像理论的基础上,把电子计算机断层照相技术引入医学,使电子计算机技术与X射线机相结合,完成图像重建过程。
 
    1971年,豪斯菲尔德研制成功的世界上第一台X射线计算机断层扫描仪(Computerized Tomography,简称CT)。从此,在医学领域就应用了该技术,尤其应用于医学诊断上。豪斯菲尔德和科马克也因此于1979年获得诺贝尔生理、医学奖。
 
    使用电子计算机技术与X射线照相相结合完成图像重建的理论就是CR技术的理论基础。[1]

1 CR工作原理

    CR是在工业射线检测的基础上发展起来的。其基本原理是射线束透过被检测工件时,由于被检测工件对射线的吸收和散射等,使射线强度发生衰减。衰减程度与其所经过的工件各部位的厚度、结构及缺陷(即密度变化)等因素有关。从而形成了一幅与被检工件相关的射线强度分布图——即射线影像信息图。将该射线影像信息记录在由辉尽性荧光物质制成的存储荧光板上,又称影像板或成像板(简称IP)上,这个过程称为曝光过程。(见图1)[2]
  
IP板感光后在荧光物质中形成潜影,然后将具有潜影的IP板置入全自动成像板扫描仪(见图2)。[3]

 

    用扫描仪中激光束对已曝光的IP板进行精细扫描读取,再由电子计算机图像处理系统处理得到数字化图像。经数字∕模拟转换器转换,在监视器荧光屏上显示出图像(见图3)。[4]

 
    完成图像读取过程后,IP板的影像信息数据可通过施加强光照射来消除。HD-CR35 NDT成像板扫描仪具有强光照射擦除影像信息的擦除功能。这样就可以使IP板重复使用(见图4)。[5]
 
 
 
    由此可见,成像板和成像板扫描仪是计算机射线照相检测(CR)过程中起着非常关键作用的两大部件。

2 成像板的构造

    成像板是成像系统的关键器件,是采集和记录图像信息的载体。它替代了传统的胶片和增感屏。可按实际应用需要切割成各种不同规格的IP。该板构造一般由四部分组成:
 
①表面保护层:采用聚酯树脂类纤维制造的高密度聚合物硬涂层,耐磨损、透光率高,不受外界温度、湿度变化的影响。作用是防止光激励发光物质层在使用过程中受到损伤。
 
②辉尽性荧光物质层:由光激励发光(PSL)物质和多聚体共同组成。PSL物质为发光材料,受到射线照射时会产生辉尽性荧光(形成潜影)。这些辉尽性荧光物质与多聚体溶液混匀,均匀涂布在基板上,再在其表面复以保护层。PSL物质的结晶体颗粒的平均直径在4~7μm。颗粒直径增大,发光强度增加,但图像清晰度降低。多聚体一般为硝化纤维素、聚酯树脂、丙稀及聚氯酸酯等,是PSL物质的载体。在涂布层中均匀分布,极具有柔软性和机械强度,并免受温度、湿度、辐射和激光等因素而影响理化性质的变化。
 
③基板:基板的材料是聚乙烯对苯二酸酯(PET),厚度为200~350μm。作用是保护PSL物质层,避免激光在PSL物质层产生界面反射,提高图像清晰度。有的IP板为了防止光透过基板,还在基板中增加了吸光层。
 
④背面保护层:背面保护层制作材料与表面保护层相同。作用是防止使用过程中成像板之间的摩擦损伤。[6]

3 成像板扫描仪的工作原理

    曝光过程中,射线穿透被检测工件后,当透过射线照射到达成像板上,由于曝光后的成像板吸收了射线而发生电离作用,在光激励荧光物质中晶体后即产生电子∕空穴对(陷阱),将一个基态(常态)的电子∕空穴对跃迁到激发态,以俘获电子的形式存储射线的能量形成潜影。然后将已形成的潜影的成像板置入扫描仪中,用扫描仪中激光束精细扫描成像板,在激光束激发下使成像板里处于激发态的荧光物质中晶体的电子∕空穴对加适当波长的激光能量的激励下返回到基态,将俘获的能量以可见光的形式放射出来。这种光发射的强度与原来接收的射线剂量成比例。成像板发射荧光的量与用于一次激发的射线量在一定范围内(1:104)具有良好的线性。扫描仪中的光电接收器接收可见光,并通过光电倍增管将接收到的光信号转换成电压,经过增幅,输入模∕数转换器转换成数字信号,进入计算机进行处理,从而得到数字化的射线照相图像。这就是成像板扫描仪的工作原理。(见图5)[7]

 

4 CR技术系统的组成

    由IP板作为系统采集和记录图像信息的载体的CR系统的组成,一般如下:
射线源:X射线或γ射线机;
被检测工件;
成像板(IP);
成像板扫描仪;
电子图像处理系统;
图像显示器;
数据记录系统。
 
上述组成中可简化为4个主要步骤组成:
①图像存储在成像板(IP)内,通过射线的曝光,曝光引起成像板里IP的含磷层存储射线图像;
②在成像板扫描仪上阅读的过程期间,聚焦激光束激发存储的射线图像数据以可见光的形态释放;
③发射出的光可捕(俘)获和探测,然后转换成数字化的电信号,最后以数字图像显示在联机的计算机的监视器上;
④在内部成直线的擦除器上清除IP上的残留数据,这样就准备好可以进行下一次曝光了。

5 CR的特点

    从本质上讲, CR也是一种工业射线检测。但它与常规射线照相检测技术相比较,只是将常规射线照相检测所用之胶片以成像板(IP)所代替。而且成像板可以重复使用,最好的成像板可以使用20000次左右。从而实现了射线图像数字化。也开创了无胶片化的新时代。由此体现了计算机射线照相检测(CR)的鲜明特点。

5.1射线图像数字化(无胶片)

    由于不再用传统的胶片和底片冲洗设备,从而也消除化学溶液和金属污染环境,有利环保,节约投资。由于采集系统宽容度的提高和计算机图像处理技术的应用,对曝光不足或过量都可通过计算机进行修正,这就减少返工和补透照。也不再有底片划伤、黑度超标或不足,等等。

5.2数字化计算机存储

    数字化计算机存储,传送降低存储成本,不再需要庞大的底片库,底片保存地也得到妥善解决,从而节省土地.

5.3网络传输和远程评定

    宽带网络传输方便快捷,能完全实现远程集中评片,可杜绝人为因素的影响,防止舞弊行为的发生。

5.4射线低剂量化

    由于数字化成像板感光介质的感光特性曲线与射线胶片不同。其对比度和宽容度有较大的动态范围。使数字化成像的曝光时间仅为一般胶片的1/2~2/3。曝光量可减少10%~60%或更多。可使操作人员接收的照射剂量下降很多(一个数量级),也降低了X射线机的负荷。相对延长机器的使用寿命,也相应降低了设备故障和维修费用。从而使射线检测过程更环保,更安全,更经济。

6 CR的近况与前景

    CR经过多年的不断发展,除在医学上广泛应用外,在工业射线检测方面也得到应用。在一些工业的重要方面,对管路腐蚀壁厚的测量,其精度可达0.2~0.3mm。
 
    根据文献介绍, 德国DUeRR NDT 公司从1941年开始致力于无损检测技术的发展,DUeRR是世界上第一家设计、制造、使用12.5μM激光点扫描仪的公司,并同时制造了高分辨率的荧光物质存贮成像板(IP)符合EN14784和ASTM2446的要求。高分辨率HDIP成像板和HD-CR35扫描仪相结合的系统,其基本的空间分辨率可达到40μM,并已通过BAM(德国联邦材料检验局)的认证。可应用于核工业、石油、电力等焊缝检测,航空铸造叶片的检测等。
 
    虽然CR具有鲜明的特点,并已成功应用在医学和工业等领域。但是要全面扩大CR,还存在一些急需解决的问题。

6.1 提高图像分辨率

    为使CR能在射线照相过程中应用,应充分利用计算机技术以提高工业数字射线图像的分辨率。例如:
①系统中配置高性能、高分辨率的IP图像扫描仪;
②选择最佳曝光参数,选用微焦点或小焦点射线源后,屏蔽散射线及无用射线,选用高密度材料制造的过滤片,滤去软射线;工件检测区实行有效屏蔽,减少散射线;
③充分运用计算机图像处理技术对采集的图像进行叠加,降低噪声信号,增强图像灰度,锐化图像边界,平滑对比强度——提高图像分辨率;
④给予图像像素更大的灰度等级,如对黑白图像,可将灰度等级从8bit+256级提高到10bit+1024级或12bit+4096级,甚至16bit+65536级,使图像更加清晰。

6.2 加强CR的立法和培训工作

①在工业射线照相检测领域中,如何改变检测人员的传统理念,逐步放弃胶片成像而选择成像板成像,这需要一个立法和宣传及培训过程。
②如何保证图像的真实性,防止图像的恶意修改,要设计提供特殊格式的图像,使之无法修改,树立诚信为本的准则,完善管理机制。
③缺乏数字化检测的指导性文件。由于现行的射线照相检测指导性文件大都采用胶片为记录载体,不适合用于数字化检测。为了大力推广数字化检测技术,应尽快立法,由有关标准化编制机构组织专家编制有关指导性数字化射线照相检测文件。
④大力开展CR技术的演示和推广工作。
⑤进行CR技术人员培训,关系到数字化检测系统能否进一步扩大应用获得成功,关键是人员培训。使目前传统的射线检测人员尽快能操作计算机从事数字化工作,以改变多年形成的工作习惯,以适应新的数字化检测工作。

7 结论

    工业射线照相过程中引进计算机射线照相检测(CR)。积极应用射线图像的数字化进程是大势所趋。它将引导射线照相检测技术提高到一个新的水平。它不但节约大量胶片;显、定影液,洗片机和底片的贮存费用;绿色环保;还能较好的进行质量控制。如能将数字化检测技术引进到射线检测中普遍应用,必将引起一次重大的变革,从而将创造一个射线检测的新纪元。
 

参考文献:

[1]中国科学院高能物理研究所,高能科普园
[2][3][4][5][7]DUeRR NDT GmbH&Co,产品与介绍资料
[6]CR和DR成像技术,夏纪真,资料汇编
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