二.数字化X射线照相检测(Digital Radiography,简称DR) |
本文所述的DR成像技术是狭义上的直接数字化照相,即DDR(DirectDigit Radiography)或者DR(directradiography),通常指采用电子成像板技术-平板检测器技术(FPD Technique)。 |
电子成像板由大量微小的带有薄膜晶体管(TFT)的探测器成阵列排列而成。由于电子转换模式不同又分为间接转换型DR和直接转换型DR: |
(1)间接转换型DR系统(IndirectDR,简称IDR)的关键部件是获取图像的平板探测器(FPD),由X线转换层与非晶硅光电二极管、薄膜晶体管、信号储存基本像素单元及信号放大与信号读取等组成。FPD目前已经可以达到127x127μm像素和17x17英寸的面积,可用做普通X线数字照相。 |
间接FPD的结构为多层结构,主要是由闪烁体(目前主要有碘化铯CsI)或荧光体(硫氧化钆GdSO)层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphousSilicom,a-Si)再加TFT阵列构成平板检测器。此类FPD的闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,可以将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的低噪声非晶硅层(TFT阵列)吸收可见光并转换为电信号,其后的过程则与直接FPD相似,读出电路将每个像素的数字化信号传送到计算机的图像处理系统集成为X射线影像,*后获得数字图像显示。间接FPD由于有可见光的转换过程,因此会有光的散射问题,而影响图像的分辨率。 |
(2)直接转换型DR系统(DirectDR,简称DDR)应用的DirectRay技术可以直接获取和转换X射线能量成为数字信号,不需要通过媒介或其他方法获取和转换入射的X射线能量。目前有两种,一种为线扫描,一种为FPD。 |
直接FPD的结构主要是由非晶硒层(amorphous Selemium,a-Se)加薄膜半导体阵列(Thin FilmTransistorarray,TFT)构成平板检测器。非晶硒是一种光电导材料,经X射线曝光后由于电导率的改变就形成图像电信号,通过TFT检测阵列俘获与转换X射线能量直接成为数字信号,再经A/D转换、处理而获得数字化图像并在显示器上显示。 |
线扫描成像探测器为线状结构,采用动态线扫描技术直接接收X射线光子,有两种形式,一种为多丝正比室,一种是电离室。从X射线管发出的圆锥扇形X射线束,经水平狭缝形成平面扇形X射线束,通过被透照物体射入水平放置的探测器窗口。机械扫描系统使X射线管、水平狭缝及探测器沿垂直方向作均匀的同步运动,每到一个新位置作一次水平探测记录,如此重复进行,从头到尾扫描一次就完成一幅X射线图像的拍摄。 |
图像的采集与处理系统由前置放大器、A/D转换器、缓存器、CPU等组成。整个曝光过程完成后,在计算机内存中形成一幅640x640或1024x1024矩阵的数字图像。 |
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线扫描的动态范围与系统的探测灵敏度和密度分辨率有关,线扫描具有独特的大动态范围,当显示器质量很高时可以观察到120倍以上的动态对比图像,比传统X射线机对胶片拍照更好,可以清晰地在一次拍片中同时再现密度悬殊的组织。线扫描成像技术中,X射线被严格限制在很窄的缝隙中,克服了散射线造成的干扰,本底噪声几乎为“0”,探测灵敏度高,使原本被本底噪声淹没的微弱的X线也能被检测出来,能够分辨出面成像不能看到的更加细微的密度差别,密度分辨率更高。线扫描成像的缺点是需要一定的扫描时间,一张14x17英寸大小的区域*快需2秒钟,所以不能实现实时扫描,不适应动态摄影。 |
线扫描成像的扫描时间短,所需X射线剂量低,动态范围宽和较低的价格,使其具有良好的发展前景,而且可以通过类似相控阵自动超声波(AUT)的导轨、现场扫描,线性阵列沿管道焊缝外部均匀运动一周即可将结果读入并进入计算机。 |
直接转换型DR的平板检测器为多层平板状结构,但没有荧光转换层,它直接将X射线转换成电信号,能提供一个完整的扫描场,可在14x17英寸/35x43cm的图像面积上使用2560x3072的探测单元矩阵(例如由二维排列的139x139μm薄膜晶体管TFT层上涂敷500μm厚的非晶硒,其上是介质层和表面电极层及保护层等构成)。在探测器结构上施加一个偏压,当入射的X线光子在非晶硒层激发出电子穴偶对时,电子和空穴在偏置电压下反向运动,产生电流,与每个探测单元相连的单独的存储电容收集这些电荷在阵列中以定制的电子学规则读出,亦即在TFT中形成电信号,经放大电路和控制电路采集各TFT像素单元电荷,并经A/D转换变成数字信号,送到计算机处理以数字图像显示便于即时观察。 |
因此,DR检测系统的组成可以简单地表述为:射线源-检测对象-射线成像探测器-图像数字化系统-数字图像处理系统。 |
DR的装置包括射线成像探测器及影像后处理和记录部分(计算机、打印机和其他存储介质)。 |
Agfa公司的DR板
| 美国瓦里安公司的DR平板探测器
| 非晶硒平板检测器的改进和提高主要表现在进一步缩小像素单元以提高图像的分辨率;提高检测器对X线的转换率以降低X射线剂量;以及配套研发高质量的图像处理软件以进一步提高图像质量。 从理论上说,直接DR板的量子转换效率要比间接DR板更高。但在目前,间接DR板的稳定性较好。据估计,随着DR系统的不断改进和提高,产品日渐成熟,价格降低,它们将能逐步取代CR,但在目前,DR和CR将会共存一段较长时间。 |
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三.CR与DR的共同点与差异 |
(1)共同点 |
DR与CR都是将X射线影像信息转化为数字影像信息,不以X射线胶片为记录和显示信息的载体。 |
传统的X射线照相需要的曝光剂量相对较大,且X射线照相一旦完成,影像的质量就不能再改善,当质量达不到要求时往往需要重拍,带来复拍工作量、胶片消耗、工作效率与进度等负担。CR与DR的动态范围广,有很宽的曝光宽容度,并且线性好(如CR的核心部件-荧光存储板SPP能使照射的X线能和发光量有1:1000以上的直线相关),可提供的数据量大、分辨率高、数据获取速度快,相对普通的增感屏-胶片系统体现出独特的优势,即使在一些曝光条件难以掌握的部位,或者X射线曝光参数有不足,也能获得很好的图像,可免除曝光不足或过度、洗片条件误差等造成黑度错误或划伤等导致的影像不清晰,再加上采用了图象增强等技术,使得照相检测的一次透照成功率提高,减少重拍,降低了废片率,减少复拍补照的工作量和胶片消耗,节约了资源。 |
CR与DR虽然在成像原理方面有区别,但是一旦获得了数字化信号图像并经图像处理系统处理时,就可以在一定范围内任意改变图像的特性,可以根据需要进行各种的图像后处理来实现图像的优化以达到*佳的视觉效果,从而大大提高了图像质量。这是CR与DR优于X线照片之处,因为传统X线照片上的影像特性是不能改变的。 |
目前数字化图像的灰阶已能由胶片的256级提升至2048级,图像的层次变得更加丰富,图像的细节表现力更加细腻,图像变得更加清晰,亦即进一步提高了图像分辨率。此外,通过专用软件实现图像滤波降噪、边缘增强锐化、窗宽窗位调节、灰阶对比度调整、影像放大漫游、黑白翻转、图像平滑、图像拼接以及距离、面积、密度测量、数字减影、伪彩色处理等各种功能,改善影像的细节,将未经处理的影像中所看不到的特征信息在荧屏上显示,从而使图像更为清晰。获得分辩率高、清晰、细腻的图像,可从中提取出丰富可靠的判断信息,为影像判断中的细节观察、前后对比和定量分析提供支持。 |
图像处理系统的重要功能有: |
灰阶处理:使数字信号转换为黑白影像对比,在人眼能辨别的范围内进行选择,以达到*佳的视觉效果,有利于观察不同的组织结构。 |
窗位处理:以某一数字信号为0,即中心,使一定灰阶范围内的组织结构,以其对X线吸收率的差别,得到*佳的显示,同时可对这些数字信号进行增强处理,提高影像对比度,有利于显示组织结构。 |
数字减影处理:在数字X射线照片的情况下,能从当前的X线照片减去先前的X线照片产生即时减影图像以增强间隔性改变的区域,能显著改善提高判断的**度,据资料介绍,用即时减影改善后其灵敏度可从84%提高到97%;且在判读时间上平均减少19.3%。 |
此外还有X线吸收率减影处理、配置高性能的系统设备以提高系统固有分辨率等等。 |
从理论上说,数字化图像是由像素来组成图像,它的空间分辨率不如传统胶片模拟图像的高,但是由于人眼对空间分辨率的感知有一定的限度,超过这个限度即不可分辨。以X射线CT为例,它的高密度分辨率是胶片无法比拟的,从图像的对比度、宽容度和所具备的灰阶指数都优于胶片,因此,图像质量和所得到的信息远远超过胶片的模拟图像。 |
当然,在透照工艺上仍然要注意选择适合的射线能量;选用小焦点或微焦点的X射线源;选择*佳图像放大倍数;屏蔽无用射线和散射线;选用密度数高的材料过滤软射线,减少低能射线的散射作用;用铅质窗口限制主射线束的面积,减少散射线的作用;对工件被检测区域以外的表面实行有效的屏蔽,尽量减少散射线的影响和干扰信号的影响等等。 |
CR与DR的X射线转换效率高(屏感光度高),因此比传统胶片法照相检测所需X射线的剂量要低得多,再通过数字化图像处理技术就能得到高清晰的图像,明显缩短了曝光时间,同时也使操作者减少了受X射线辐射的危害,而且X线发生器也只需要在较小功率下工作就能满足要求。 |
图像的质量取决于它的信噪比,而这又与X射线的有效利用率有直接关系。量子检测效率有机结合了图像的对比度,噪声,空间分辨率和X射线的剂量等因素。由于数字化成像板感光介质的感光曲线与普通X光胶片不同,在对比度和宽容度上有较大的动态范围,再加上特别是DR检测器的高灵敏度,使得数字化成像的量子检测效率可以从传统胶片的20-30%提高到60-70%。从而使X射线剂量可以大大降低,CR摄影条件为传统X线摄影的1/2-2/3;DR与CR相比更为明显,可以降低2/3以上的剂量。由于照相需要的曝光时间仅仅为一般胶片的1/2-2/3,可使操作人员接受的照剂量下降一个数量级,且降低了X线机的负荷,相对地延长了机器的使用寿命,故障率降低,维修费用也相应降低,更环保更经济。 |
与传统胶片法照相检测相比,CR与DR技术的应用不需要洗片过程,没有了显影、定影液等化学药品的消耗,不但能节约大量胶片、药水、洗片机、暗室处理的辅助设备器材以及胶片存储等的费用,节省了环保投资,还能比较好地进行质量的控制。 |
数字化图像可存储在光盘,磁带和磁盘等存储器中,为电子存档与通讯系统的应用创造了条件,并可借助网络发送到其他地方进行远程评定(例如检测公司可以集中技术水平*高的底片评定人员进行评定,减少了评片人员,使评定结果更公正,更合理,或者建立由专家组成的远程评定中心,遇到疑难问题还能够用会诊的办法解决。同时也可以传送给例如待培训人员、专家顾问、监理、质量监督检查、业主等部门,他们都可以及时看到焊缝的图像,做到资料共享,极大地提高了影像信息的利用率)。在一块硬盘或一片光盘上可以存储大量的图像,每一幅图像的存储成本就很低,随着数字存储技术的不断发展,存储成本还可以进一步降低。在需要硬拷贝的地方,还可以使用激光打印机打印输出。通常以光盘储存*好,因为光盘占用储存空间极小,而且储存的信息20年以上也不会发生影象质量变化。 |
数字化照相的应用提高了无损检测的管理水平和效率,可方便、迅速、可靠地归档,长时间存储其信噪比也不会变坏,且任意调用不会丢失信息,从而将从根本上改变传统的对胶片的手工管理方式,防止丢片和片损情况的发生。数字化存储不但节约了大量胶片,还节约了大量用于底片的存储空间和管理人员,也可以使资料的存储时间得以延长,从而降低底片的存档成本。 |
(2)差异 |
CR与DR的比较 |