射线数字成像检测技术

摘要：介绍多种射线数字成像(DR)系统的组成及成像机理，分析其性能指标、优缺点及应用领域。

光子放大的 DR 系统(如图像增强器 DR 系统)实时性好，但适应的射线能量低，沧州欧谱检测灵敏度相对较低；其 它系统的检测灵敏度较高但成像时间较长。DR 系统成像方式的主要区别在于射线探测器，除射线转换方 式外，影响系统检测灵敏度的主要因素是散射噪声和量子噪声；可采用加准直器和光量子积分降噪的方 法提高检测灵敏度。

关键词：射线检验；数字成像系统；综述 中图分类号：TGll5.28 文献标识码：

A 文章编号：1000-6656(2003109-0468-04 DIGITAL RADIOGRAPHIC TECHNOLOGY HAN Yan （Center of Modern NDT ＆ E, North China Institute of Technology, Taiyuan 030051, China) Abstract: The structure and imaging principle of digital radiographic （DR） systems are introduced. And thecharacteristics, performances, advantages, disadvantages and applications of the systems are analyzed. The DR sys-tern with photon amplification such as the DR system with intensifier can get real-time imaging, but it fits for lowerenergy and its inspection sensitivity is lower. The systems working with high energy can obtain higher sensitivity,while is time-eonsurning. The imaging way of a DR system depends on the detector used, and the factors influencinginspection sensitivity are the quantum noise from ray source and scatter noise besides the transform way of rays.Quantum integration noise reducer and collimator can be used to improve the inspection sensitivity of the system. Keywords:Radiography; Digital imaging system; Survey

射线检测技术作为产品质量检测的重要手段，经过百年的历史，已由简单的胶片和荧屏射线照相发 展到了数字成像检测。随着信息技术、计算机技术和光电技术等的发展，射线数字成像检测技术也得到 了飞速的发展，新的射线数字成像方法不断涌现，给射线探伤赋予了更广泛的内涵，同时也使利用先进 网络技术进行远程评片和诊断成为可能。

目 前 工 业 中 使 用 的 射 线 数 字 成 像 检 测 技 术 主 要 包 括 射 线 数 字 直 接 成 像 检 测 技 术(Digital Radio—graphy，简称 DR)和射线数字重建成像检测技术，如工业 CT(Industry Computed Tomography， 简称 ICT)。以下将在介绍 DR 检测系统组成的基础上，重点分析系统的成像原理、特点、特性及应用场 合。

1 DR 检测系统简介 DR 检测系统组成见图 1。按照图像的成像方式分为线扫描成像和面扫描成像；根据成像过程可分为 直接和间接式 DR 系统。以下重点介绍直接 DR 系统。 图 1 DR 检测系统组成框图 1.1 直接式 DR 系统 直接 DR 成像系统主要分为图像增强器成像系统、平板型成像系统和线阵扫描成像系统等。

图 2 为图像增强器式 DR 系统，主要通过射线视频系统与数字图像处理系统集成实现。系统采用射 线--可见光--电子--电子放大--可见光的光放大技术，是将射线光子由转换效率较高的主射线转换屏转换为 可见光图像，可见光光子经光电转换变为电子，而后对电子进行放大，放大后的电子聚集在小屏上再次转换为可见光图像。通过上述增强后的图像亮度可放大 l 万倍以上，这样的图像即使在自然光条件下也是 清晰的。用普通视频摄像机拾取图像即可获取好的图像，并可通过电视屏幕实时观察。 图 2 图像增强器

DR 检测系统框图 1． X 射线源 2．被测工件 3．X 射线图像增强器 4．摄像机 5．数字图像处理系统 图 3 开放式平板型

DR 检测系统示意图 1．X 射线源 2．被测工件 3．X 射线转换屏 4．反射镜 5．摄像机 6．图像处理系统 图 3 为开放式平板 DR 系统组成框图。该系统采用了传统的透视成像技术，将射线图像通过转换屏 直接转换为可见光图像，而后由低照度的摄像机摄取转换屏上的图像。

转换屏采用闪烁晶体屏作为转换 器件，常用的闪烁晶体屏有碘化钠(NaI)屏、沧州欧谱碘化铯(CsI)屏及其光纤屏等。当射线与闪烁体相互作用时， 闪烁体的原子和分子产生电离和激发，部分电离和激发能量以光的形式释放出来，形成闪烁。当转换屏 放置在被检工件后部，工件内部结构的投影以微光形式显示在转换屏上，光学转换后图像由图像传感器 转换为图像信号。光屏系统组合灵活，可由多屏组合成大视场的检测系统，适用于不同射线能量和不同 尺寸工件的检测，但成像后的图像亮度较低，必须使用低照度高信噪比的图像传感器(如 Sitcon 硅靶管摄 像机，低照度高信噪比电荷耦合器件(CCD)摄像机等)才能获取较好的图像质量。

图 4 TFT 平板型 DR 检测系统示意图 1．X 射线源 2．被测工件 3．TFT 转换系统 4．图像处理系统 图 4 是薄膜晶体管(TFT)阵列屏，也称平板型(FPD)DR 系统。该系统是近年来发展起来的一种新型 DR 系统，其关键在于射线成像探测器即 TFT 探测器。目前应用的 TFT 系统有两种转换形式，即①射线 被非晶材料硒 A-Se 吸收转换为电荷。②射线被非晶硅材料射线转换屏(如 Gd202S2Tb)转换为可见光。上述光--电或光--光转换结果由 TFT 转换为电信号，图像信号经数字化后，通过类似于 CCD 摄像机的扫 描时钟读人数字图像处理系统。 图 5 线扫描 DR 检测系统示意图 1. X 射线源 2.前准直器 3.被测工件 4.后准直器 5.射线转换屏 6.线阵图像传感器 7.图像处理系统 图 5 是线扫描式 DR 系统。该系统的探测器采用线阵方式，在低能下应用的探测器与 TFT 探测器工 作原理基本相同，是 TFT 平板型扫描成像系统的一种特殊形式。目前主要使用的光电线阵传感器有线阵 CCD 图像传感器和互补型金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在高能下，光电探测器主要有光电倍 增管和半导体二极管阵列。检测时，用射线探测器扫描被检工件，形成工件的二维数字图像。

该形式的 DR 系统已广泛用于安全检测(如行李和包裹检查)和大型设备(如集装箱等)检测。 1.2 间接式 DR 系统 间接式 DR 系统分为胶片扫描数字成像系统(FDR)和射线计算机照相(CR)等。 FDR 技术是利用高精度透射式扫描仪将射线胶片扫描后转换成数字化图像，再输入计算机，利用数字 图像处理系统对其进行分析判读的方法。FDR 系统包括射线照相系统、透视式数字化扫描系统和数字图 像处理三个子系统。 CR 技术是近年来迅速发展的有望代替射线照相的类似于干板照相的技术。CR 技术利用可重复使用 的成像板代替胶片，该成像板由对光敏感的存储荧光物质组成。当激光束扫描该成像板时，存储的潜像 会释放出可见光，可见光被俘获后转换成数字图像，由计算机进行处理。

2 比较分析 上述几种 DR 系统的差异仅在于射线探测器及其数字化过程，其性能对比见表 1。

2.1 图像增强器 DR 系统[1.2] 由于受图像增强管的结构和工艺的限制，与其它系统相比，沧州欧谱图像增强器系统动态范围较小，对比灵 敏度较低，一般适合在低能条件下(≤450keV)应用。可采用多帧叠加降噪的方法提高系统动态范围和检测灵敏度。其优点是成像时间短，能实时(25 帧/s)观察透视图像，适合于工件和结构件的动态检测。在静态 条件下，可达到 1.6％左右的对比灵敏度和 2Lp/mm 左右的空间分辨力，如采用高空间分辨力的摄像机可 进一步提高空间分辨力。

2.2 开放式平板型 DR 系统 ［3］ 开放式平板型成像系统的优点是适应能量范围宽，检测灵敏度高，通过组合可达较大的成像视场， 在高能射线成像中广泛使用。如 5mm 厚 CsI(Te)转换屏在 60keY 透照条件下，利用 3kbit×2kbit×12bit 的 科学级 CCD 摄像机获取 200mm×200mm 的图像可达到 5Lp/mm 的空间分辨力和 0.8％的对比灵敏度。

在 6MeV 能量下，可达 0.5％的对比灵敏度和 3.6Lp/mm 的空间分辨力。该系统的缺点是成像时间长，获 得高的检测灵敏度需低照度(<10 -4 Ix)大动态范围(>60dB)和高空间分辨力的图像传感器。视频成像时，量 子噪声影响较大，常采取多帧叠加方法进行降噪处理。适用于静态条件下的检测，在生产线上使用则需 采用步进式控制。

2.3TFT 平板 DR 系统 ［4］ TFT 平板成像系统在医学领域得到了推广和应用，并于近年逐渐在工业领域推广。在工业上使用的 A-Si TFT 系统的射线转换方式类似于开放式系统。由于射线转换屏(Gd2 02S：Tb)较薄，射线转换效率 较低，当管电流较小或源一物距较大时，要达到大的动态范围需增加曝光时间(一般需几秒)。与开放式系 统比较，转换图像直接耦合到光电阵列，转换屏较薄，像元之间窜扰小，且无需光学系统，因此几何畸 变小。其缺点是射线直接照射在 TFT 阵列上，在高能射线工作时需采取特殊的防护措施；此外，该系统 需较长的曝光时间，适合静态条件下的检测，在生产线上使用则需采用步进式控制。目前，在工业中应 用较多的为A-Si TFT转换屏，平板尺寸达282mmX406mm，图像像素达2232×3200；像素尺寸达127µm， 动态范围为 2000：1，有效数据 12bit。在 80keY X 射线透射条件下，调制传递函数(MTF)特性在幅值灵 敏度为 35％时，其空间分辨力可达 3.0Lp/mm。

2.4 线扫描 DR 系统 线扫描 DR 系统与 TFT 系统类似。采用准直器系统降低了散射因素的影响，提高了系统的动态范围 和检测灵敏度，可达到较高的对比灵敏度和空间分辨力。当成像检测时需与机械系统同步扫描。此外， 由于射线直接照射，适用能量较低。对于高能射线应用，由于受探测器体积限制，很难达到高的空间分 辨力。近年来随着半导体集成工艺的发展，在低能范围，每个探测器的几何尺寸可达 0．08mmX O.08mm， 动态范围达 12bit，因此适用于焊缝检测。目前，该探测器 DR 系统分辨力达 6.0Lp/mm，对比灵敏度可 达 O.8％。 2.5 CR 系统[5] CR 系统与胶片照相类似，成像质量接近于胶片。与 TFT 系统比较，其优点是便携，读出设备与成 像屏分离，后处理后可重复使用。

此外，其动态特性线性度比胶片好。与胶片照相法相比，成像时间短， 只需几秒，适用于野外环境。

3 讨论

除图像增强器 DR 系统外，上述 DR 系统检测灵敏度均较高，但成像时间长，沧州欧谱主要原因在于工业成像 检测时，射线源的射线光子相对于医学较低，量子噪声较大，因此提高系统检测灵敏度的有效方法之一 是利用数字方式或模拟方式进行光子积分降噪，即多帧叠加或增加曝光时间。上述射线成像探测器系统 的主要特点是提高了光子转换效率，降低了损耗，同时降低了射线转换介质膜的厚度，可以减少光晕和 散射等因素的影响。

4 结论

从对几种常用 DR 系统的分析比较可见，DR 系统的区别仅在于射线成像探测器的工作原理。TFT 平板 型探测器和 CR 是目前发展迅速的两种 DR 技术，成像时间较长。

部分 TFT 产品具有视频输出功能，但 由于受射线转换效率的限制，系统的检测灵敏度会降低。不同的 DR 系统适合于不同的应用领域和检测对象，目前尚未面世能同时满足成像质量和检测速度要求的产品。 DR 系统信息获取可分为射线图像转换和数字图像处理两部分。在此重点介绍了 DR 信息获取的基本 原理即射线成像原理，对另一重要内容——射线图像数字化和数字图像处理，本文未作讨论。 参考文献： [1] 郑世才．射线实时成像检验技术第一讲射线实时成像检验技术发展概况[J]．

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