射线数字成像技术发展

1、射线数字成像技术发展摘要：射线数字成像是一种先进辐射成像技术，是辐射成像技术的重要发展方向，该技术利用射线观察物体内部的技术。这种技术可以在不破坏物体的情况下获得物体内部的结构和密度等信息，并且通过计算机进行图像处理和判定。目前已经广泛应用于医疗卫生、国民经济、科学究等领域。关键词：辐射成像 射线数字成像1引言自德国物理学家伦琴1895年发现X射线以来，射线无损探伤作为一种常规的无损检测方法在工业领域应用已有近百年的历史，人们一直使用胶片记录X（）射线穿过被检物件后的影像，其中60多年来，则一直使用增感屏配合胶片来获取高品质的影像，曝光过后的胶片经过化学处理，产生可视的影像后，在观片灯上显示出

2、来以供读取、分析及判断。胶片-增感屏系统可使射线检测人员实现对影像的采集、显示和存储。这种方法操作简单，产生的图像质量优异，功能效用全面，因此该技术在包括核工业在内的工业、医疗领域一直被广泛使用。胶片照相法的不足在于检测周期长，因为需要暗室处理，检测周期在320个小时不等；大量底片造成保存上的困难，查阅不便；胶片成本高；曝光时间长；在大量的检测工作面前，需要大量人力资源；底片难以共享，某些焊缝底片在需要专家共同研讨评定时，该弊端特别明显；不利于环境保护等。无法满足目前工业化生产和竞争日益激烈的需要。随着科学技术和设备制造能力的进步，例如电子技术、光电子技术、数字图像处理技术的发展；高亮度高分辨

3、率显示器的诞生；高性能计算机/工作站的广泛应用；计算机海量存储、宽带互联网的发展，使得数字成像技术挑战传统胶片成像方式在技术上形成可能。以射线DR、CR和CT为代表的数字射线成像技术，结合远程评定技术将是无损检测技术领域的一次革命。数字射线照相技术具有检测速度快，图像保存方便，容易实现远程分析和判断，是未来射线检测发展的方向1。2 射线数字化图像基本概念2.1 数字图像概念数字图像2（digital image）是传统X射线与现代计算机技术结合的产物。X射线图像是X射线穿过三维物体后，在二维平面上的一个投影。图像本身是二维的，它包含着X射线投影方向的密度信息。2.1.1模拟图像与数字图像模拟图

4、像是指空间坐标位置和信息量变化程度均连续变化的图像，也称连续图像。数字图像是指空间坐标位置和信息量变化程度均离散数字量表示的图像。（1）模拟图像 对于胶片射线检测，底片记录或显示几乎完全透明（无色）到几乎不透明（黑色）的一个连续的灰阶范围。它是射线穿透物体的投影，这种灰度差别即为某一部局所接受的辐射强度的模拟，或从另一个角度讲为相应物体（结构）对射线衰减程度的模拟。底片影像中的点与点之间是连续的，中间没有间隔，感光密度随着标点的变化呈连续变化。影像中每处亮度呈连续分布，具有不确定的值，只受亮度最大值和最小值的限制。（2）数字图像 数字(digital)成像方法是采用结构逼进法，影像最大值与最小

5、值之间的系列亮度值是离散的，每个像点都具有确定的数值，这种影像就是数字影像。数字图像是一种规则的数字量的集合来表示的物理图像，大量不同灰度（亮度）的点组成的二维点阵，当含有足够多的点，且点与点之间间距足够小时，看上去就是一副完整的图像。数字图像的表达有两个要素，点阵的大小和每个点阵的灰度值。 将模拟量转换为数字信号的器件称为模/数(A/D)转换器3(analogue to digital converter)。A/D转换器把模拟量(如电压、电流、频率、脉宽、位移、转角等)通过取样转换成离散的数字量，这个过程称为数字化。转化后的数字信号输入计算机图像处理器进行数字逻辑运算，处理后重建出图像，这种

6、由数字量组成的图像就是数字图像。由此可见，数字影像是将模拟影像分解成有限的小区域，这个小区域中量度的平均值用一个整数表示，即数字图像是由许多不同密度的点组成的。2.1.2矩阵和像素（1）矩阵 原始的射线图像是一幅模拟图像，不仅在空间而且在振幅(衰减值)都是一个连续体。计算机不能识别未经转换的模拟图像，只有将图像分成无数的单元，并赋予数字，才能进行数字逻辑运算。数字化成像（DR）探测器的本身就是划分为无数个小区域矩阵，计算机成像（CR）的激光对IP板潜影的读取中“采样”过程，就是把连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集。矩阵是由纵横排列的直线相互垂直相交而成，一般纵行线条数与横行线条数相等，各

7、直线之间有一定的间隔距离，呈栅格状，这种纵横排列的栅格就叫矩阵。矩阵越大，栅格中所分的线条数越多，图像越清晰，分辨率越强。常见的矩阵有512×512，1024×1024，2048×2048，每组数字表示纵横的线条数，两者的乘积即为矩阵的像素量，即信息量。（2）像素矩阵中被分割的小单元称为像素。像素是构成数字图像的最小元素 。 图像的数字化是将模拟图像分解为一个矩阵的各个像素，测量每个像素的衰减值，并把测量到的数值转变为数字，再把每个点的坐标位置和数值输入计算机。像素大小决定空间分辨率。若假定图像的尺寸大小是固定的，而点的大小是可变的，则分辨率表示了图像致密的程度。

8、数字化图像中，分辨率的大小直接影响图像的品质，像素越小（一定视野范围内，像素点越多），分辨率越高，图像越清晰，如图2.1、图2.2、图2.3所示。图2.1 低分辨率 图2.2 较低分辨率 图2.3 一般分辨率2.2 数字图像形成光学图像、照片以及人的眼睛看到的一切景物，都是模拟图像， 这类图像无法直接用计算机处理。为了使图像能在电子计算机中作处理运算，必须将模拟图像转化为离散数字所表示的图像4，这一过程一般包括采样和量化两个步骤。（1）数字图像采样图像采样是对连续图像在一个空间点阵上取样，是将在空间上连续的图像转换成离散的采样点（即像素）集的操作。具体的做法就是对图像在水平方向和垂直方向上等间

9、隔地分割成矩形网状结构，所形成的矩形微小区域，称之为像素点。一幅图像画面可被表示成M×N个像素构成的离散像素点的集合， M×N称为图像的分辨率。采样间隔太小，则增大数据量；太大，则会发生信息的混叠，导致细节无法辨认。为了寻求图像更多的细节和更高的分辨率，人们希望使用更密集空间像素点阵，但是，每提高一步像素点阵就会使图像数据成倍增加，图像成本也提高。（2）数字图像量化数字图像的量化就是赋予一副空间离散后图像中空间像素的数值。在图像的数字化处理中，采样所得到的像素灰度值必须进行量化，即分成有效的灰度级，才能进行编码送入计算机内运算和处理。图像的灰度量化是数字图像的一个重要步骤，

10、由于计算机一般采用二进制，其中每一个电子逻辑电路具有“0”和“1”两种状态，对图像的量化和存储是以这种逻辑单位为基础。数字成像系统的实际量化等级数则由量化过程中实际选用的量化位数决定，如果采样量化位数为n，图像量化级别数为m，则m=2n，例如，当n等于8时，m等于256个数量级。目前主流的CR设备系统量化位数为16位，灰度精度为65536灰度级。黑白图像是指图像的每个像素只能是黑或者白，没有中间的过渡，故又称为值图像。2值图像的像素值为0或者1，如图2.4所示。灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息，如图2.5所示。 图2.4 黑白图像示意图 图2.5 灰度图像

11、示意图2.3 数字图像处理数字图像处理是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术5。一般来说，对射线检测数字图像进行处理（加工、分析）的主要目的有以下2个方面：（1）提高图像的视感质量，如进行图像灰度变换，增强、抑制某些成分，对图像进行几何变换等，以改善图像的质量。（2）提取图像中所包含的某些特征或特殊信息，这些被提取的特征或信息往往为计算机分析图像提供便利。一般来说，对射线检测数字图像进行处理相应地有2种主要方法：（1）图像增强和复原：图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量，如去除噪声，提高图像的清晰度等。图像增强不考虑图像降质的原因，突出图像中所感兴趣的

12、部分。如强化图像高频分量，可使图像中物体轮廓清晰，细节明显；如强化图像低频分量，可减少图像中噪声影响。图像复原要求对图像降质的原因有一定的了解，再采用某种滤波方法，恢复或重建原来的图像。（2）图像分割：图像分割是数字图像处理中的关键技术之一。图像分割是将图像中有意义的特征部分提取出来，其有意义的特征有图像中的边缘、区域等，这是进一步进行图像识别、分析和理解的基础。数字图像处理优点主要有以下4个方面： （1）再现性好 数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化。只要图像在数字化时准确地表现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的

13、再现。（2）处理精度高 按目前的技术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，这主要取决于图像数字化设备的能力。现代扫描仪可以把每个像素的灰度等级量化为16位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到满足任一应用需求。（3）适用面宽 图像的数字处理方法适用于任何一种图像，图像可以来自多种信息源，它们可以是可见光图像，也可以是不可见的波谱图像，射线检测数字图片处理就是一个例子。（4）灵活性高 图像处理大体上可分为图像的像质改善、图像分析和图像重建三大部分，每一部分均包含丰富的内容。数字图像处理不仅能完成线性运算，而且能实现非线性处理，即凡是可以用数学公式或逻辑关系来表达的一切运算均可用数

14、字图像处理实现。3 射线检测数字化成像技术及其发展过程 3.1射线检测数字化成像技术发展过程德国物理学家威廉伦琴，在1895年发现的X射线，被认为是19世纪的重大发现之一。这种“新光线”首先被应用于检查骨折和确定枪伤中子弹的位置。尽管X射线最初被医学目的使用，但该新技术的理论也被应用到无损检测领域。例如，早期锌板的X射线，就暗示了应用于焊接质量控制的可能性。在20世纪初期，X射线被应用于锅炉检测。由射线源发射的X射线穿过物体，然后由紧贴着增感屏的胶片接受。通过控制胶片的感光时间和X射线源能量，采用合适的焦距，并对散射线进行控制，改善胶片的对比度和空间分辨率，在低能量下得到了良好的图像效果。胶片

15、成像技术目前在工业领域仍旧在广泛应用。在20世纪50年代，随着图象增强器的出现，射线检测发生了巨大的变化，通过射线实时成像系统，人们第一次看到了实时的清晰的图像。通过图像放大器，从荧光屏上采集X射线，然后聚焦在另外一个屏上，便可以直接观察或通过高质量的TV 或CCD摄像机进行观察。自从20世纪80年代引入了计算机成像技术（CR），X射线成像发生了巨大的变化。CR提供了有益的计算机辅助和图像辨别、存储和数字化传输，剔除了胶片的处理过程和节省了由此产生的费用。在20世纪90年代后期，X射线数字平板技术产生。该技术与胶片或CR的处理过程不同，采用X射线图像数字读出技术，真正实现了X射线NDT检测技术

16、的自动化。除了不能进行分割和弯曲外，数字平板能够与胶片和CR有同样的应用范围，可以被放置在机械或传送带位置，检测通过的零件，也可以采用多配置进行多视域的检测。在两次照射期间，不必更换胶片和存储荧光板，仅仅需要几秒钟的数据采集，就可以观察到图像，与胶片和CR的生产能力相比，有巨大的提高。1995年，CMOS活性像元探头诞生，CMOS（ Complementary Metal Oxide Silicon）是互补金属氧化硅半导体，是由许多集成的记忆芯片构成，由美国NASA宇航中心加利福尼亚技术研究所喷气推进实验室的三名工程师发明的。2000年，CMOS射线探测器诞生。3.2射线检测数字化成像技术基本

17、原理3.2.1射线实时成像检测系统所谓射线实时成像检测技术，是指在曝光的同时就可观察到所产生的图像的检测技术。这就要求图像能随着成像物体的变化迅速改变，一般要求图像的采集速度至少达到25帧/s（PAL制）。能达到这一要求的装置有较早使用的X射线荧光检测系统，以及目前正在应用的图像增强器6工业射线实时成像检测系统。图像增强器是系统最重要的部件，它由外壳、射线窗口、输入屏、聚焦电极和输出屏组成。射线窗口由钛板制成，既具有一定强度，又可以减少对射线的吸收。输入屏包括输入转换屏和光电层。输入转换屏采用CsI晶体制作，其发射的可见光处于蓝色和紫外谱范围，以与光电层的谱灵敏度相匹配，输入转换屏吸收入射射线

18、，将其能量转换为可见光发射。光电层将可见光能量转换为电子发射。聚焦电极加有2530kV的高压，加速电子，并将其聚集在输出屏。输出屏将电子能量转换为可见光发射。在图像增强器中实现上述的转换过程：射线可见光电子可见光经过图像增强器所得到的可见光图像亮度，比简单的荧光屏图像亮度可提高30倍至10000倍。图像增强器输出屏上的可见光图像，由数字式摄像机摄取，将模拟信号转换为数字信号，然后送入图像处理器，进行各种图像处理以改善图像质量，处理后的图像送入显示器显示。图3-1是CCD图像增强器成像示意图。图3-1 CCD图像增强器成像示意图与常规射线照相相比，图像增强器射线实时成像检测系统有以下优点和局限性

19、：Ø 工件一送到检测位置就可以立即获得透视图像，检测速度快，工作效率比射线照相高数十倍；Ø 不使用胶片，不需要处理胶片的化学药品，运行成本低，且不造成环境污染；Ø 检测结果可转换为数字化图像用光盘等储存器存放，存储、调用、传送比胶片快；Ø 图像质量，尤其空间分辨率和清晰度低于胶片射线照相；Ø 图像增强器体积较大，检测系统应用的灵活性和适用性不如普通射线照相装置；Ø 设备一次投资较大；Ø 显示器视域有局限，图像的边沿容易出现扭曲失真。图像增强器的对比度和空间分辨率也不能和其他的技术相提并论灵敏度低；存档和分发也非常麻烦，必需将

20、其转化为视频格式；该种技术发展前景不大，在各种新技术面前面临淘汰。适用范围为220mm的钢及有色金属材料制成的气瓶对接焊缝X射线实时成像射线检测标准GB17925-1999气瓶对接焊缝X射线实时成像检测颁布。该技术在我国气瓶射线检验中应用较广。3.2.2计算机成像技术CR(Computed Radiography)CR检测技术7是指射线透过工件后的信息记录在成像板（IP）上，经扫描装置读取，再由计算机生出数字化图像的技术。整个系统由成像板、激光扫描装置、数字图像处理系统（计算机及软件）和存储系统组成。X射线透照时，IP板荧光物质内部晶体中的电子被激励并被俘获到一个较高能带（半稳定的高能状态）,

21、形成潜在影像。再将该IP板置入CR读出设备内用激光束扫描该板，在激光激发下（激光能量释放被俘获的电子），光激发荧光中心的电子将返回它们的初始能级，并产生可见光发射（蓝色的光）。 激发出的蓝色可见光被自动跟踪的集光器（光电接收器）收集，再经光电转换器转换成电信号，放大后经模拟/数字转换器（A/D）转换成数字化影像信息，送入计算机进行处理，最终形成射线照相的数字图像并通过监视器荧光屏显示出人眼可见的灰阶图像供观察分析。图3-2是CR成像示意图。图3-2 CR成像示意图(1)CR技术特点Ø 对比度高：16位（bit）65556灰度（传统胶片在2000左右）；Ø 得益于很高灰度范围

22、，宽容度大，一次投照长度大；Ø CR技术可对成像板获取信息进行放大增益，减少曝光量，产生的数字图像存储、传输、提取、观察方便。图像处理软件可以改善图像质量；Ø 据了解目前最新CR系统精度可达25线对/毫米（即20µm），媲美胶片射线技术水平（AGFA D3胶片说明书，黑度为2.0时，底片颗粒度为16µm。一般胶片溴化银颗粒度为0.5µm5µm）；Ø 与胶片一样，也能够分割CR屏和弯曲，可以被使用5000次以上，其寿命决定于机械磨损程度；Ø 单板的价格昂贵，但实际比胶片更便宜 ；Ø 适合任何射线源(包括Ir

23、-192源)；可以完全电池操作，无需电源，适合现场工作。(2)CR技术不足Ø 类似胶片，不能实时；Ø 虽然比胶片速度快，但是必须将CR屏从X射线拍摄现场拿走，然后将其放入读取器中； Ø 不能在潮湿等极端环境中使用； Ø 和成像板相比，效率还不算高。3.2.3数字平板直接成像技术（DR）数字平板直接成像8（Director Digital Panel Radigraphy）是近几年才发展起来的全新的数字化成像技术。数字平板技术与胶片或CR的处理过程不同，在两次照射期间，不必更换胶片和存储荧光板，仅仅需要几秒钟的数据采集，就可以观察到图像，检测速度和效率大大

24、高于胶片和CR技术。除了不能进行分割和弯曲外，数字平板与胶片和CR具有几乎相同的适应性和应用范围。数字平板的成像质量比图像增强器射线实时成像系统好很多，不仅成像区均匀，没有边缘几何变形，而且空间分辨率和灵敏度要高很多。数字平板技术有非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）和CMOS三种。（1）非晶硅（a-Si）成像原理非晶硅数字平板结构如下：由玻璃衬底的非结晶硅阵列板，表面涂有闪烁层碘化铯，其下方是按阵列方式排列的薄膜晶体管电路（TFT）组成。TFT像单元的大小直接影响图像的空间分辨率，每一个单元具有电荷接收电极信号存储电容和信号传输器。通过数据网线和扫描电路连接。 光子首先撞击其板上的闪烁层(

25、碘化铯)，该闪烁层以所撞击的射线能量成正比的关系发出光电子，这些光电子被下面的硅光电二极管阵列采集到，将它们转化成电荷，再将这些电荷转换为每个像素的数字值。扫描控制器读取电路将光电信号转换为数字信号， 数据经处理后获得的数字化图像在显示器上显示。 由于转换X射线为光线的中间媒体是闪烁层，因此被称作间接图像方法。图3-3是DR间接成像示意图。图3-3 DR间接成像示意图(2)非晶硒（a-Se）成像原理： 非晶硒数字平板结构和非晶硅有所不同，其表面不用碘化铯闪烁层而直接用硒涂层。 光子撞击硒层，硒层直接将X射线转化成电荷，然后将电荷转化为每个像素的数字值，故该技术也叫直接图像法。扫描控制器读取电路

26、将光电信号转换为数字信号，数据经处理后获得的数字化图像在显示器上显示。图3-4是DR直接成像示意图。图3-4 DR直接成像示意图 非晶硒或非晶硅元件按吸收射线量的多少产生正比例的正负电荷对，储存于薄膜晶体管内的电容器中，所存的电荷与其后产生的影像黑度成正比。扫描控制器读取电路将光电信号转换为数字信号，数据经处理后获得的数字化成像在影像监视器上显示。图像采集和处理包括图像的选择、图像校正、噪声处理、动态范围，灰阶重建，输出匹配等过程，在计算机控制下完全自动化。上述过程完成后，扫描控制器自动对平板内的感应介质进行恢复。上述曝光和获取图像整个过程一般仅需几秒钟至十几秒。 目前非晶硅和非晶硒的空间分辨

27、率尚不如胶片。非晶硒与非晶硅相比，前者能提供更好的空间分辨率，这是因为间接系统的闪烁层产生的光线，在到达光电探测器前，会出现轻微的散射，因此，效果不好。对于硒板成像系统，电子是由X射线直接撞击平板，产生的散射很小，因此，图像精度较高。当要求分辨率小于200m时应使用非晶硒板。而当允许分辨率大于200m时，可考虑使用非晶硅。非晶硅板的另一优点是获取图像速度比非晶硒板更快，最快可达到每秒30幅图像，在某些场合可以代替图像增强器使用。 非晶硅（a-Si）和非晶硒（a-Se）两种成像板的优点和局限性：Ø 空间分辨率低于胶片，但是对比度范围却远远超过胶片；Ø 成像速度快，产生的数字图

28、像存储、传输、提取、观察方便；Ø 通过图像处理，可以改善图像质量；Ø 该种技术本身特点，空间分辨率提高空间不大；Ø 对环境要求高，容易破碎；Ø 价格昂贵；Ø 成像板面积没有胶片大。(3) CMOS成像板 CMOS数字平板由集成的CMOS记忆芯片构成，所谓的“CMOS”（Complementary Metal Oxide Silicon）是互补金属氧化物硅半导体。 “活性像元探头技术”是指把所有的电子控制和放大电路放置于每一个图像探头上，取代一般探测器在边沿布线的结构。这种结构使CMOS探测器比其他探测器的抗震性更强，寿命更长，见图3-5。探测器

29、的填充系数是活性区域表面的百分比，是表征器件探测光电子的能力的指标，填充系数越高，其灵敏度就越高。CMOS探测器的填充系数高达90%以上，高出非晶体硅探测器约为60%。对于一般的探测器，当其中单个的像素被直接的辐射过度照射时，将产生浮散，原因是：像素把信号传输给每行和每列的电子放大器，当一个或更多的像素被过度照射后，同行和同列其他像素会其受影响产生浮散或拖影现象。而CMOS在很高的能量辐射情况下也能够很好的工作，这是由于CMOS探测器的每一个像素是被独立放大的，不受相邻像素的影响，因而能够消除或减少这种现象。图3-5 活性像元探头技术示意图CMOS成像板技术特点：Ø 寿命长Ø 工作温度范围大Ø 填充系数高Ø 灵敏度高Ø 较小的图像浮散Ø 空间分辨率的比较高3.3小结不同的射线数字成像技术成像效果有一定差异，图像增强器的空间分辨率约为100300微米，非晶硅/硒接收板的空间分辨率约为 80150微米，CMOS探测器的空间分辨率约为 50150