X射线非胶片成像技术的方法及性能评价 近年来,由于微电子技术和材料科学的发展,X射线非胶片成像技术取得了 长足得进步。成像方法和设备种类越来越多,应用领域越来越广阔,设备性能和 价格也各不相同。与此同时,由于目前没有系统全面的相关技术介绍,许多用户 受经验的限制或供货商的误导,采购了一些根本不能达到使用目的或感觉不好用 的设备,最后直接导致巨额投资失败。 本文旨在通过介绍目前市场上几种主流的非胶片成像方法,按照相关国内外 标准规定的技术指标,结合实际使用过程中的便捷性、检测效率等要求,提出了 不同方法的最佳应用领域,以期对设备使用者有所帮助或可资借鉴。 1非胶片成像技术的分类 非胶片成像技术与胶片照相技术一样,都能提供物质内部结构的可见光影 像,这种图像一般都是在计算机屏幕或视频监视器上显示出来。依据被检测物体 的运动方式和计算机软件的不同,这种显示的图像可能是透视的二维图像,也可 能是断层扫描图像,或者是两种功能同时兼备。 在通常情况下,产生二维透视图像的系统(一般被称为X射线实时成像系统) 适合于检测工作量大、对效率要求高的普通工业场合;断层扫描系统(通常称为 CT成像系统)适合检测工作量小、无效率要求、但对质量需做到万无一失的场 合。两种系统设备的组成基本一样,都是由X射线源、射线接收转换器、计算机 及软件、检测机械等四大部分构成,但断层扫描对被检测物体的运动方式、运动 精度和软件功能要求更高。 目前,国内外通常是按照射线接收转换装置来对非胶片成像技术和设备进行 分类。因为射线接收转换装置决定了成像系统的技术指标、性能、功能和应用范 1.1基于图像增强器的XTV电视成像系统 诞生于20世纪40年代的X射线图像增强器,直到90年代末一直是非胶片 成像的最主要方法,用于对一些质量要求不高的产品生产进行质量监控。 由于受器件本身的结构原理限制,这种成像系统具有图像噪声大、灵敏度低、 对比度差、图像变形、使用寿命短、不能对复杂零件进行有效检测、操作人员容 易疲劳等缺陷。为了部分弥补这些缺陷,人们提出了许多改进措施,同时对配套
X 射线非胶片成像技术的方法及性能评价 近年来，由于微电子技术和材料科学的发展，X 射线非胶片成像技术取得了 长足得进步。成像方法和设备种类越来越多，应用领域越来越广阔，设备性能和 价格也各不相同。与此同时，由于目前没有系统全面的相关技术介绍，许多用户 受经验的限制或供货商的误导，采购了一些根本不能达到使用目的或感觉不好用 的设备，最后直接导致巨额投资失败。 本文旨在通过介绍目前市场上几种主流的非胶片成像方法，按照相关国内外 标准规定的技术指标，结合实际使用过程中的便捷性、检测效率等要求，提出了 不同方法的最佳应用领域，以期对设备使用者有所帮助或可资借鉴。 1 非胶片成像技术的分类 非胶片成像技术与胶片照相技术一样，都能提供物质内部结构的可见光影 像，这种图像一般都是在计算机屏幕或视频监视器上显示出来。依据被检测物体 的运动方式和计算机软件的不同，这种显示的图像可能是透视的二维图像，也可 能是断层扫描图像，或者是两种功能同时兼备。 在通常情况下，产生二维透视图像的系统（一般被称为 X 射线实时成像系统） 适合于检测工作量大、对效率要求高的普通工业场合；断层扫描系统（通常称为 CT 成像系统）适合检测工作量小、无效率要求、但对质量需做到万无一失的场 合。两种系统设备的组成基本一样，都是由 X 射线源、射线接收转换器、计算机 及软件、检测机械等四大部分构成，但断层扫描对被检测物体的运动方式、运动 精度和软件功能要求更高。 目前，国内外通常是按照射线接收转换装置来对非胶片成像技术和设备进行 分类。因为射线接收转换装置决定了成像系统的技术指标、性能、功能和应用范 围。 1.1 基于图像增强器的 X-TV 电视成像系统 诞生于 20 世纪 40 年代的 X 射线图像增强器，直到 90 年代末一直是非胶片 成像的最主要方法，用于对一些质量要求不高的产品生产进行质量监控。 由于受器件本身的结构原理限制，这种成像系统具有图像噪声大、灵敏度低、 对比度差、图像变形、使用寿命短、不能对复杂零件进行有效检测、操作人员容 易疲劳等缺陷。为了部分弥补这些缺陷，人们提出了许多改进措施，同时对配套
设备也提出了苛刻的要求,如:使用小焦点X射线源,利用几何投影放大改善灵 敏度和分辨率;使用计算机后续图像处理系统降低图像噪声;使用光栅弥补设备 动态范围不足和避免因为射线直接照射而导致增强器损坏等。毫无疑问,采用这 些方法具有积极的效果,但负面影响却是Ⅹ射线源效率降低、静态图像处理时被 检测物体不能运动使系统丧失了实时成像的功能、设备检测范围减小和配置更加 繁杂等。 可以这样认为:基于图像增强器的X-ⅣV电视成像系统仅仅是非胶片成像技 术的第一代产品,也是一种初级产品。各种弥补图像增强器本身结构原理缺陷的 方法不但没有彻底解决问题,却使系统设备配置变得更加复杂。先进工业国家已 经将这种技术列为淘汰产品,预计在未来3~5年内,这种设备将会彻底退出市 场,到时候可能连现有设备的配件都难以采购,价格将十分昂贵。目前,一些有 实力的设备开发和供应商已经终止对这种技术的进一步投入。 1.2基于探测器阵列的DR直接数字成像系统 非胶片成像技术的诱人前景和其初级产品-基于图像增强器的X-TV电视成 像系统的龊劣表现大大激发了业界研制、开发新一代非胶片成像技术的信心。这 些努力在90年代末期得到了良好的回报,新一代基于探测器阵列的DR直接数字 成像系统成功面市,其优异的性能迅速被用户认可。而且以探测器阵列为核心, 彻底改变了射线成像设备的设计思想,降低了对配套设备的要求,派生了大量的 新产品,大大拓展了非胶片成像技术的应用范围。 DR直接数字成像技术是将一种新型的射线探测单元排列成一个阵列,并将 它们直接与大规模集成电路连在一起,同步完成射线接收、光电转换、数字化的 全过程。这种"射线-数字"的直接转换方法,大大地减小了信号长距离传输和变 换过程中产生的噪声信号,配合使用相应的滤波电路可以获得低噪声、高灵敏度 图像。组成阵列的每一个射线探测单元都是经过精加工制成的,其几何尺寸仅为 几十微米,因此具有极高的空间分辨率。特殊的制造技术可以保证探测器承受高 能X射线的直接照射而不损坏。同时,环境适应能力非常强,如抗强磁场、强电 场、高温、潮湿、灰尘等。由于采用先进的闪烁体材料,该器件无老化现象,实 际使用寿命跟集成电路相当,至少10年以上
设备也提出了苛刻的要求，如：使用小焦点 X 射线源，利用几何投影放大改善灵 敏度和分辨率；使用计算机后续图像处理系统降低图像噪声；使用光栅弥补设备 动态范围不足和避免因为射线直接照射而导致增强器损坏等。毫无疑问，采用这 些方法具有积极的效果，但负面影响却是 X 射线源效率降低、静态图像处理时被 检测物体不能运动使系统丧失了实时成像的功能、设备检测范围减小和配置更加 繁杂等。 可以这样认为：基于图像增强器的 X-TV 电视成像系统仅仅是非胶片成像技 术的第一代产品，也是一种初级产品。各种弥补图像增强器本身结构原理缺陷的 方法不但没有彻底解决问题，却使系统设备配置变得更加复杂。先进工业国家已 经将这种技术列为淘汰产品，预计在未来 3～5 年内，这种设备将会彻底退出市 场，到时候可能连现有设备的配件都难以采购，价格将十分昂贵。目前，一些有 实力的设备开发和供应商已经终止对这种技术的进一步投入。 1.2 基于探测器阵列的 DR 直接数字成像系统 非胶片成像技术的诱人前景和其初级产品-基于图像增强器的 X-TV 电视成 像系统的龊劣表现大大激发了业界研制、开发新一代非胶片成像技术的信心。这 些努力在 90 年代末期得到了良好的回报，新一代基于探测器阵列的 DR 直接数字 成像系统成功面市，其优异的性能迅速被用户认可。而且以探测器阵列为核心， 彻底改变了射线成像设备的设计思想，降低了对配套设备的要求，派生了大量的 新产品，大大拓展了非胶片成像技术的应用范围。 DR 直接数字成像技术是将一种新型的射线探测单元排列成一个阵列，并将 它们直接与大规模集成电路连在一起，同步完成射线接收、光电转换、数字化的 全过程。这种"射线-数字"的直接转换方法，大大地减小了信号长距离传输和变 换过程中产生的噪声信号，配合使用相应的滤波电路可以获得低噪声、高灵敏度 图像。组成阵列的每一个射线探测单元都是经过精加工制成的，其几何尺寸仅为 几十微米，因此具有极高的空间分辨率。特殊的制造技术可以保证探测器承受高 能 X 射线的直接照射而不损坏。同时，环境适应能力非常强，如抗强磁场、强电 场、高温、潮湿、灰尘等。由于采用先进的闪烁体材料，该器件无老化现象，实 际使用寿命跟集成电路相当，至少 10 年以上
基于探测器阵列的DR直接数字成像系统产生的图像质量完全可与胶片照相 媲美,在绝大多数领域可以代替胶片照相,跟数码相机代替普通相机一样,这种 技术将引起射线检测技术的一次革命,实现了射线检测高质量、高效率、低成本 基于探测器阵列的DR直接数字成像系统根据探测单元的排列方式不同,可 以细分为线阵和面阵两种,分别简称为线性探测器和成像面板。由于排列不同 虽然二者的基本功能和电气特性完全一致,但在检测图像的质量和配套设备的选 择方面仍有差别。线性探测器可以在其接收端口安装射线准直窗口,屏蔽周围散 射线的影响,所以图像的本底噪声非常低,几何不清晰度影响减小,因此可以使 用大焦点射线源。使用线性探测器的DR直接数字成像系统体积、重量更小,价 格更低,图像质量更好,应用范围更宽。 1.3基于柔性潜影感光板的CR间接数字成像系统 非胶片成像技术研究的出发点是多方面的。如果说基于探测器阵列的DR直 接数字成像技术研究是从降低检测成本、提髙检测质量和提高检测效率的全面解 决方案为出发点的话,那么基于柔性潜影感光板的CR间接数字成像系统研究的 主要着眼点就是纯粹的降低检测成本。CR间接数字成像技术的核心是研制了 种可反复曝光和擦清的影像板,它收集以“电子捕捉”过程而形成的目标物潜 影,然后使用激光扫描伩进行光电激发测量影像板上各点的密度,通过计算机合 成透视图像。这种技术也可以产生高质量的探伤图像,可以将影像板看作一张可 反复曝光的电子胶片(使用寿命不超过5000次),因此,从节约胶片的角度出发, 其作用是明显的,能有效地降低检测成本,但检测效率的提高并不明显 2非胶片成像设备性能评价指标 国内外有关X射线非胶片成像技术的标准基本上都是一种方法标准,对设 备、人员、关键技术指标等都有明确规定。这些指标的制定依据是力争使非胶片 成像技术产生的透照图像接近或达到普通胶片成像的影像质量,虽然在细节上有 许多不同,但涉及图像质量的主要技术指标要求的内容是一致的。 2.1相对灵敏度 检测灵敏度决定设备对物体中缺陷的检出能力,一般用百分比(%)表示。 百分比越低,灵敏度越高。在国外一般使用阶梯孔型像质计测定,国内使用线性 像质计进行测量。二者的测试结果不能完全等效,似乎国外的测量方法更加科学
基于探测器阵列的 DR 直接数字成像系统产生的图像质量完全可与胶片照相 媲美，在绝大多数领域可以代替胶片照相，跟数码相机代替普通相机一样，这种 技术将引起射线检测技术的一次革命，实现了射线检测高质量、高效率、低成本。 基于探测器阵列的 DR 直接数字成像系统根据探测单元的排列方式不同，可 以细分为线阵和面阵两种，分别简称为线性探测器和成像面板。由于排列不同， 虽然二者的基本功能和电气特性完全一致，但在检测图像的质量和配套设备的选 择方面仍有差别。线性探测器可以在其接收端口安装射线准直窗口，屏蔽周围散 射线的影响，所以图像的本底噪声非常低，几何不清晰度影响减小，因此可以使 用大焦点射线源。使用线性探测器的 DR 直接数字成像系统体积、重量更小，价 格更低，图像质量更好，应用范围更宽。 1.3 基于柔性潜影感光板的 CR 间接数字成像系统 非胶片成像技术研究的出发点是多方面的。如果说基于探测器阵列的 DR 直 接数字成像技术研究是从降低检测成本、提高检测质量和提高检测效率的全面解 决方案为出发点的话，那么基于柔性潜影感光板的 CR 间接数字成像系统研究的 主要着眼点就是纯粹的降低检测成本。CR 间接数字成像技术的核心是研制了一 种可反复曝光和擦清的影像板，它收集以“电子捕捉”过程而形成的目标物潜 影，然后使用激光扫描仪进行光电激发测量影像板上各点的密度，通过计算机合 成透视图像。这种技术也可以产生高质量的探伤图像，可以将影像板看作一张可 反复曝光的电子胶片(使用寿命不超过 5000 次)，因此，从节约胶片的角度出发， 其作用是明显的，能有效地降低检测成本，但检测效率的提高并不明显。 2 非胶片成像设备性能评价指标 国内外有关 X 射线非胶片成像技术的标准基本上都是一种方法标准，对设 备、人员、关键技术指标等都有明确规定。这些指标的制定依据是力争使非胶片 成像技术产生的透照图像接近或达到普通胶片成像的影像质量，虽然在细节上有 许多不同，但涉及图像质量的主要技术指标要求的内容是一致的。 2.1 相对灵敏度 检测灵敏度决定设备对物体中缺陷的检出能力，一般用百分比（%）表示。 百分比越低，灵敏度越高。在国外一般使用阶梯孔型像质计测定，国内使用线性 像质计进行测量。二者的测试结果不能完全等效，似乎国外的测量方法更加科学
成像设备的灵敏度指标非常重要,它直接决定了设备的使用范围和检测结果 在国内外的认可程度。用户应该依据各自行业产品质量验收的相关标准并制作专 门的试样进行测试。比如:某压力容器制造厂需要采用非胶片成像技术检测焊缝 质量,就必须要求供货商测试在焊缝厚度范围内的一组试件,评价其灵敏度指标 是否达到GB4730-1994规定的AB级质量要求,相当于要求设备的检测灵敏度优 于2.0%;再如,某铸造零件厂要求其产品内不能有尺寸大于0.1mm的铸造缺陷 而零件的最大厚度是10mm,这就要求采购的成像系统检测灵敏度达到1.0% 2.2系统分辨率 系统分辨率决定了设备产生的透照图像的清晰程度和对细节图像的识别能 力。分辨率越髙,图像越清晰。分辨率也是使用专门的分辨率测试卡进行测量的。 目前,国内外标准规定的指标是30Lp/cm(或3.0Lp/m)以上。分辨率测试卡有 扇型和栅型两种,测试结果完全相同。国内生产的分辨率测试卡精度很低,建议 向国外供货的客户选用进口卡进行测试。目前,许多射线成像设备供货商因为各 种原因都不做分辨率测试或不能测试,仅在其宣传材料上标注一个名义值,用户 看不到测试过程和结果,这属于典型的商业欺诈行为,因为绝大多数基于图像增 强器的Ⅹ-Ⅳ成像系统往往将图像增强器的分辨率标到45~72Lp/cm,而系统实 际测试还不到20Lp/cm 非常重要的一点是,上述指标用户不仅要有要求,而且要现场测试验证,并 作为设备采购和验收的依据 3射线非胶片成像技术综合性能比较 非胶片成像技术的种类及综合性能比较 设备线性R直 面板式 CR数字成图像增强 接数字成像系DR直接数字 性能 像系统 器系统 成像系统 动态灵敏 3.0~ 0.8~1.8% 2.0% 2.0% 度 图像分辨 14~ 50 Lp/cm 40 Lp/cm >40 Lp/cm 率 20Lp/cm 空间分辨 0.08mm 0.127mm 0.12mm ~0.25mm
成像设备的灵敏度指标非常重要，它直接决定了设备的使用范围和检测结果 在国内外的认可程度。用户应该依据各自行业产品质量验收的相关标准并制作专 门的试样进行测试。比如：某压力容器制造厂需要采用非胶片成像技术检测焊缝 质量，就必须要求供货商测试在焊缝厚度范围内的一组试件，评价其灵敏度指标 是否达到 GB4730-1994 规定的 AB 级质量要求，相当于要求设备的检测灵敏度优 于 2.0%；再如，某铸造零件厂要求其产品内不能有尺寸大于 0.1mm 的铸造缺陷， 而零件的最大厚度是 10mm，这就要求采购的成像系统检测灵敏度达到 1.0%。 2.2 系统分辨率 系统分辨率决定了设备产生的透照图像的清晰程度和对细节图像的识别能 力。分辨率越高，图像越清晰。分辨率也是使用专门的分辨率测试卡进行测量的。 目前，国内外标准规定的指标是 30Lp/cm（或 3.0Lp/mm）以上。分辨率测试卡有 扇型和栅型两种，测试结果完全相同。国内生产的分辨率测试卡精度很低，建议 向国外供货的客户选用进口卡进行测试。目前，许多射线成像设备供货商因为各 种原因都不做分辨率测试或不能测试，仅在其宣传材料上标注一个名义值，用户 看不到测试过程和结果，这属于典型的商业欺诈行为，因为绝大多数基于图像增 强器的 X-TV 成像系统往往将图像增强器的分辨率标到 45～72Lp/cm，而系统实 际测试还不到 20Lp/cm。 非常重要的一点是，上述指标用户不仅要有要求，而且要现场测试验证，并 作为设备采购和验收的依据。 3 射线非胶片成像技术综合性能比较 非胶片成像技术的种类及综合性能比较 设备 性能 线性 DR 直 接数字成像系 统 面板式 DR 直接数字 成像系统 CR 数字成 像系统 图像增强 器系统 动态灵敏 度 0.8～1.8% 2.0% 2.0% 3.0～ 4.0% 图像分辨 率 50 Lp/cm 40 Lp/cm >40 Lp/cm 14～ 20Lp/cm 空间分辨 0.08mm 0.127mm 0.12mm ～0.25mm
力 动态范围 4096:1 4096:1 4096:1 256:1 动态降噪 有 无 无 无 大焦点、小 大焦点、 适合焦点 小焦点 小焦点 焦点 小焦点 射线承受 450Kv 450Kv 能力 在线检测 有 无 无 无 能力 检测速度 高 较高 较低 缺陷测量 高 较高 高 低 精度 曝光5000 使用寿命 10年 10年 2~3年 次 次检测 400×310,000 <Φ100 范围(mm) 0 受环境影 不 不 不 磁场变形 响 检测不规 能 能 能 不能 则零件 系统复杂 简单 较简单 复杂 复杂 性 适合现场 方便/快捷 不 方便 不 作业 体积、重 小 大 较小 大 维修方便 方便 手续复 手续复 方便
力 动态范围 4096:1 4096:1 4096:1 256:1 动态降噪 有 无 无 无 适合焦点 大焦点、小 焦点 小焦点 大焦点、 小焦点 小焦点 射线承受 能力 450Kv 2Mv - 450Kv 在线检测 能力 有 无 无 无 检测速度 高 较高 较低 低 缺陷测量 精度 高 较高 高 低 使用寿命 10 年 10 年 曝光 5000 次- 2～3 年 一次检测 范围（mm） >10,000 <400×3 00 <430×35 0 <Φ100 受环境影 响 不 不 不 磁场变形 检测不规 则零件 能 能 能 不能 系统复杂 性 简单 较简单 复杂 复杂 适合现场 作业 方便/快捷 不 方便 不 体积、重 量 小 大 较小 大 维修方便 方便 手续复 手续复 方便
杂,时间长杂,时间长 应用历史 3年 3年 无 30年 设备价格 较高 高 非常高 较低 大批量、复小批量、 质量要求 低速度、 应用场杂结构物体室复杂结构物 低、结构简单、 高质量室内外 内外高速度、高体高质量检 品种单一的物 物体检测 质量检测 测 体室内检测 总述上表,可以得出如下结论: 1.现有的非胶片成像系统中,基于图像增强器的X-ⅣV电视成像系统性 能价格比最低,已经成为市场中的淘汰产品 2.线性DR直接数字成像系统性能价格比最髙,应用范围最宽,将会成 为非胶片成像的主流 3.非胶片成像系统投资大,只有按照相关标准进行严格测试后,才能保 证达到设备采购目的
杂,时间长 杂,时间长 应用历史 3 年 3 年 无 30 年 设备价格 较高 高 非常高 较低 应用场合 大批量、复 杂结构物体室 内外高速度、高 质量检测 小批量、 复杂结构物 体高质量检 测 低速度、 高质量室内外 物体检测 质量要求 低、结构简单、 品种单一的物 体室内检测 总述上表，可以得出如下结论： 1.现有的非胶片成像系统中，基于图像增强器的 X-TV 电视成像系统性 能价格比最低，已经成为市场中的淘汰产品； 2.线性 DR 直接数字成像系统性能价格比最高，应用范围最宽，将会成 为非胶片成像的主流； 3.非胶片成像系统投资大，只有按照相关标准进行严格测试后，才能保 证达到设备采购目的
