Nowe cyfrowe systemy wykrywania

KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
Nowe cyfrowe systemy wykrywania
w radiologii przemysłowej - postęp i ograniczenia
Eric Deprins
Agfa Gevaert N.V. Mortsel, Belgia
*32 3 444 8279, *32 3 444 8243
[email protected]
Streszczenie
Dzisiejsze techniki w dziedzinie radiografii cyfrowej mogą zastąpić 30 % całej radiografii
błonowej. Tylko kilka z tych zastosowań rzeczywiście zastąpiło błonę. Decyzja o przejściu na system
cyfrowy zależy od kosztu, wymagań jakościowych, schematu roboczego i przepustowości. Obrazy cyfrowe
posiadają wiele zalet pod względem manipulacji obrazem i schematu roboczego. Ale mimo licznych zalet,
przed podjęciem decyzji o przestawieniu swojej organizacji z radiografii tradycyjnej na cyfrową trzeba
rozważyć wiele aspektów.
W niniejszym referacie przedstawiono przegląd różnych zastosowań radiografii cyfrowej przy
użyciu dzisiejszych technik, wraz z doświadczeniami pionierów radiografii cyfrowej. Techniki skanowania
błon, radiografii komputerowej i radiografii bezpośredniej przy użyciu różnych rodzajów detektorów
płytowych mają swoje specyficzne pola zastosowań i swoich klientów. Chcąc zastąpić błonę systemem
cyfrowym użytkownicy radiografii muszą wziąć pod uwagę dzisiejszy stan techniki, korzyści jakie daje
radiografia cyfrowa i jakie są jej ograniczenia.
1. Wprowadzenie
Jak wiedzą doświadczeni użytkownicy metod NDT, do całkowitego spełnienia wymagań
konkretnego zastosowania kontrolnego może być potrzebne użycie kilku metod. To samo odnosi
się do radiografii, w której opracowano szeroki asortyment błon do konkretnych wymagań
jakościowych i wydajnościowych. Obecnie dla radiografii dostępna jest nie tylko błona, ale przy
dzisiejszych osiągnięciach technicznych możliwe jest wykonanie szerokiego zakresu kontroli
NDT przy użyciu rozwiązań cyfrowych, które są niezawodne i efektywne pod względem
kosztów. Poprawiona jakość obrazu w cyfrowych systemach radiograficznych może objąć coraz
więcej zastosowań, a digitalizacja zastosowań radiograficznych powoduje usprawnienie
schematu roboczego dzięki dostępności obrazów cyfrowych.
2. System radiografii cyfrowej
2.1. Stanowisko robocze
Przed opisem szczegółów detektorów cyfrowych należy przedstawić najważniejszy
element systemu radiografii cyfrowej. Wydajność stanowiska roboczego i towarzyszącego
oprogramowania określa wydajność systemu cyfrowego. Podczas gdy rozwój techniki cyfrowej
zawsze nadąża za rozwojem przemysłu medycznego, nie można zapomnieć, że zastosowania
NDT mają całkiem inne wymagania niż szpitale i że radiograficzne schematy robocze muszą być
dostosowane do potrzeb przemysłu.
Główne funkcje stanowiska roboczego można opisać jako:
• sterowanie zbieraniem obrazu cyfrowego,
• wyświetlanie i analiza obrazów cyfrowych,
• zarządzanie informacjami i danymi,
• sterowanie wydajnością.
1
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
Rys. 1. System cyfrowy RADView
2.1.1. Zbieranie obrazu cyfrowego
Jedno oprogramowanie stanowiska roboczego może sterować dowolnym rodzajem
urządzenia do zbierania obrazu. Wiele różnych zastosowań daje możliwość wykorzystania takich
technik jak skanowanie błony, radiografia komputerowa lub radiografia bezpośrednia, w
zależności od wymagań wydajnościowych, warunków roboczych lub wymaganej jakości obrazu.
2.1.2. Wyświetlanie i analiza obrazu
Poza stworzeniem przyjaznych dla użytkownika, powszechnie stosowanych narzędzi do
obróbki obrazu, takich jak wzmocnienie kontrastu, wyostrzanie, panoramowanie, przewijanie i
powiększanie, które czynią ocenę obrazów cyfrowych o tyle łatwiejszą niż przeglądanie błon na
kopioramce, obecnie rozwój oprogramowania zmierza bardziej w kierunku dokładności
pomiarów i poprawy schematu roboczego. Stanowisko robocze RADView będzie się wkrótce
komunikować z bazami danych aplikacji zewnętrznych, takich jak bazy danych kontroli jakości
w rafineriach lub pakiety sterowania produkcją w zakładach produkcji seryjnej.
Ponadto w oprogramowaniu dostępne będą bardziej zaawansowane narzędzia
pomiarowe. We współpracy z firmami BASF i BAM, firma Agfa będzie wkrótce oferować
skomplikowane narzędzie programowe do pomiaru grubości ścianki, zaprojektowane specjalnie
do zastosowań w linii. Oprogramowanie przyjmuje jako wzorzec odniesienia odległość źródło obiekt oraz nominalną średnicę rury i oblicza resztkową grubość ścianki w pewnym zadanym
obszarze.
Część szerszego zakresu możliwości dzisiejszych systemów radiografii cyfrowej stanowi
także gładszy pomiar profilu gęstości liniowej przez uśrednienie różnych linii, pomiar kąta i
pomiar powierzchni.
2.1.3. Zarządzanie informacjami i danymi
Moc systemów radiografii cyfrowej polega nie tylko na możliwościach tworzenia obrazu,
ale także na zarządzaniu danymi związanymi z pewnym obrazem. Wszystkie dane mogą być
ręcznie lub automatycznie wprowadzane do bazy danych w stanowisku roboczym. W bardziej
skomplikowanych systemach radiografii cyfrowej dane mogą być sprzężone z obrazem w czasie
2
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
ekspozycji przy użyciu wstępnie zdefiniowanej listy roboczej (patrz niżej w części "Systemy
radiografii cyfrowej").
Co ważniejsze, baza danych jest zaprojektowana w taki sposób, żeby zawsze zachowane
były dane oryginalnego obrazu, co zapobiega manipulacji obrazem przed bezpiecznym
zapisaniem oryginalnych danych. Jest to potrzebne w celu późniejszego wykorzystania obrazu
jako materiału dowodowego, co oczywiście byłoby niemożliwe, gdyby oryginalna zawartość
obrazu została zmieniona.
2.1.4. Sterowanie wydajnością
Ponieważ stanowisko robocze jest komputerem kompatybilnym z Windows 2000, do
komunikacji ze światem zewnętrznym mogą być stosowane wszystkie zwykłe urządzenia
peryferyjne, łącznie z drukarkami, sieciami itd. Samo oprogramowanie przewiduje łatwe opcje
tworzenia raportów albo zapisywania obrazów na CD lub DVD.
2.2. Digitalizacja błony
Niedawna klasyfikacja systemów digitalizacji błon doprowadziła do wzmocnienia
istniejących przetworników AC. Przetworniki te wciąż, tak jak przedtem, skanują oryginalne
obrazy radiograficzne z rozdzielczością 50 µm przy bardzo wysokiej dokładności. Ale
poprzednio skaner był ograniczony do maksymalnej gęstości optycznej 4,0 i w zakresie gęstości
3,5 - 4,0 nie była zapewniona czułość kontrastu 0,02, przez co sam skaner był klasyfikowany w
klasie A. Obecnie skaner w zestawie RADView osiąga gęstość optyczną 4,7 przy spełnieniu
wszystkich warunków rasowego skanera klasy B.
Tak jak poprzednio, system wykorzystuje wiązkę laserową HeNe, która jest odchylana w
poprzek błony za pomocą wielokątnego systemu luster. Soczewka F-Teta zapobiega
zniekształceniom obrazu przez utrzymywanie niezmienionej odległości optycznej wiązki
laserowej we wszystkich punktach skanowanego obszaru. Proces wzmacniania logarytmicznego
zapewnia wysokie stosunki sygnału do szumu aż do wartości 4,70 D.
Przed wysyłką każdy skaner jest kalibrowany i cechowany, a z każdą maszyną dostarczany jest
dokument LUT, specyficzny dla danej jednostki. Zapewnia to skanowanie bez błędów obrazu
przy możliwie najwyższej precyzji, powtarzalności i szybkości. Digitalizacja błony o wymiarach
14 x 17 cali może być wykonana w ciągu 7 sekund.
System RADView jest efektywnym kosztowo rozwiązaniem dla każdego, kto chce
wykonywać digitalizację błon w celu archiwizacji, łatwego przesyłania obrazu lub
wykorzystania jego zaawansowanych możliwości przeglądania.
2.3. Radiografia komputerowa
Radiografia komputerowa wykorzystuje zamiast błony płytę obrazową wielokrotnego
użytku. Płyta ta posiada fotoaktywną powłokę materiału fluorescencyjnego, która wychwytuje
obrazy.
Pod działaniem promieniowania rentgenowskiego elektrony wewnątrz kryształów luminoforu są
wzbudzane i uwięzione w quasistabilnym stanie o wyższej energii. Czytnik CR skanuje płytę za
pomocą wiązki laserowej.
Energia wiązki laserowej uwalnia uwięzione elektrony, powodując emisję światła
widzialnego. Światło to jest wychwytywane i przetwarzane w cyfrowy strumień bitów, który
koduje obraz cyfrowy.
• Żadnych powtórnych zdjęć
Luminofory magazynowe na płycie obrazowej posiadają szczególnie szeroki zakres dynamiczny.
Daje to wysoką tolerancję na zmienne warunki ekspozycji i więcej stopni
swobody przy wyborze dawki ekspozycyjnej. W konsekwencji konieczność
wykonywania powtórnych zdjęć zostaje drastycznie zredukowana.
3
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
• Obniżenie dawki
Szeroka tolerancja ekspozycji płyt obrazowych w wielu przypadkach umożliwia wizualizację
całej informacji diagnostycznej przy tylko jednej ekspozycji. W ten sposób użycie
płyt obrazowych powoduje znaczne zmniejszenie wielkości dawki. Ponadto fakt,
że czułość jest około 10 razy większa niż czułość tradycyjnej błony powoduje
skrócenie czasów ekspozycji, a przez to znaczne obniżenie dawki.
• Długa żywotność
Płyty obrazowe NDT są zabezpieczone wierzchnią powłoką EBC (utwardzanie wiązką
elektronów). Wytwarzanie powłoki EBC jest zastrzeżoną technologią firmy Agfa
do utwardzania powłoki lakieru prepolimerowego w polimer o wysokiej gęstości
na powierzchni warstwy luminoforu. Zapewnia to doskonałe zabezpieczenie płyt
przed zużyciem mechanicznym i dużą odporność na roztwory chemicznych
środków czyszczących. W ten sposób zapewniona jest doskonała trwałość płyty
obrazowej RADView.
• Jakość obrazu
Ostatnie osiągnięcia w rozwoju medycznych systemów CR, stosowanych w mammografii,
znalazły zastosowanie także w dziedzinie badań nieniszczących. Podczas gdy do niedawna
jakość obrazu mogła być porównywana z jakością D7 lub D8, obecnie jest porównywalna z
jakością D5 lub nawet D4.
2.3.1. Stacjonarny skaner CR (RADView CR Tower)
Najnowszy skaner w asortymencie wyrobów firmy Agfa został zaprojektowany dla
największego udogodnienia digitalizacji płyt obrazowych 20 x 25 cm i 35 x 43 cm. Praktyczny
system kasetowy ogranicza do minimum manipulacje płytami. Kasetę umieszcza się na tacy
podawczej skanera. Wewnętrzny mechanizm wyjmuje płytę z kasety, transportuje ją do wnętrza
skanera, wymazuje płytę po skanowaniu i umieszcza ją z powrotem w kasecie. Następnie kaseta
zostaje rozładowana ze skanera, gotowa do następnej ekspozycji.
Specjalnie zaprojektowane kasety NDT z wbudowanymi blachami ołowianymi
pozwalają na uniknięcie zbędnych manipulacji płytami, zwiększając ich żywotność 3 razy.
Skaner stanowi niezawodne, efektywne kosztowo rozwiązanie dla zastosowań ruchomych, o
małej objętości, w których wymagane jest zajmowanie małej powierzchni. System ten jest łatwy
w użytkowaniu i wymaga niewielu zabiegów konserwacyjnych, zapewniając niezawodną i
powtarzalną pracę urządzenia.
Kasety CR są wyposażone w programowalne moduły elektroniczne, które można
programować za pomocą ręcznej stacji identyfikacyjnej (lub stacji ID). Powoduje to znaczną
poprawę płynności pracy. Stacja ID jest programowana przez główne stanowisko robocze i
zawiera listę roboczą. Lista robocza może być tworzona na stanowisku roboczym lub może
pochodzić z zewnętrznej aplikacji. Zespół roboczy rozpoczyna pracę z pewną ilością kaset i
stacją ID, i za każdym razem przed wykonaniem ekspozycji dane dotyczące ekspozycji są
kopiowane ze stacji ID do kasety poddanej ekspozycji. Pod koniec dnia pracy wprowadza się
kasety do skanera, który ma zdolność jednoczesnego odczytywania obrazu i modułu
elektronicznego, zapewniając skopiowanie danych z modułu w odpowiednich polach bazy
danych, wraz z obrazem. Kasety są identyfikowane w czasie ekspozycji, a nie w czasie
skanowania, przez co unika się błędów ludzkich przy wprowadzaniu danych.
2.3.2. Przenośny skaner CR (RADView CR 100)
W zastosowaniach, które wymagają specjalnych rozmiarów płyt lub przenośnego
skanera, nie można używać stacjonarnego skanera, takiego jak CR Tower. Zwłaszcza dla takich
czynności firma Agfa oferuje zwarte i uniwersalne urządzenie do skanowania.
Po ekspozycji płyty są ręcznie wyjmowane z kaset i wkładane do skanera w celu odczytania.
4
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
Skaner RADView CR 100 skanuje dowolne rozmiary i kształty płyt do szerokości 35 cm.
2.4. Radiografia bezpośrednia
Systemy DR są przeznaczone do zwiększenia skuteczności kontroli na dwóch
poziomach:
• Po pierwsze, systemy te dają możliwość szybszego przebiegu kontroli dzięki
natychmiastowemu sprzężeniu zwrotnemu.
• Po drugie, wewnątrz i pomiędzy urządzeniami kontrolnymi systemy te mogą zwiększać
przepustowość obrazów diagnostycznych przez układ sieciowy.
Przy zastosowaniu systemów radiografii bezpośredniej Wasze urządzenia będą w stanie
wykorzystać najdogodniejsze miejsce kontroli i zapewnić, że kontrola zostanie wykonana
szybko i dokładnie. Po zebraniu, które trwa kilka sekund, można natychmiast oglądać obrazu na
monitorze i przesyłać je tam, gdzie trzeba. A ponieważ obrazy są cyfrowe, wielokrotne kopie
danych obrazu są zawsze identyczne.
2.4.1. Płyty z amorficznym selenem
Płyty te wykorzystują układ tranzystorów cienkowarstwowych (TFT) pokryty
amorficznym selenem do wychwytywania i przetwarzania energii promieniowania RTG
bezpośrednio na sygnały cyfrowe, bez użycia scyntylatorów lub luminoforu. Z powodu
braku rozrzutu i optymalnego stosunku sygnału do szumu jakość obrazu jest bliska jakości
obrazu na błonie o średniej ziarnistości.
Ograniczeniem detektora selenowego jest wąski zakres temperatury wymagany dla użycia
amorficznego selenu. Czy to w czasie pracy, czy przy składowaniu lub transporcie, detektor
musi pozostawać w temperaturze od 5°C do 30°C dla uniknięcia zniszczenia warstwy
selenowej. W przypadku stosowania wyższych energii selen jest także wrażliwy na zjawy
(>180 kV). Ograniczenia te powodują, że płyty selenowe mają zastosowanie tylko w bardzo
specyficznych przypadkach, przy bardzo ściśle kontrolowanych warunkach.
2.4.2. Płyty z amorficznym krzemem
Płyty z amorficznym krzemem wykorzystują scyntylator, składający się z jodku cezu lub
tlenosiarczku gadolinu, który przetwarza padające promieniowanie RTG w światło widzialne.
Światło to jest przetwarzane na ładunek elektryczny przez układ czujników z amorficznego
selenu. Wcześniejsze rozwiązania detektorów aSi wykazywały wysoki poziom szumu, który
powodował, że były wykorzystywane tylko w zastosowaniach działających w czasie
rzeczywistym.
Współczesny stan rozwoju techniki, wraz z narzędziami programowymi pozwalającymi
na uśrednienie wielokrotnych ramek, spowodował taką poprawę stosunku sygnału do szumu, że
jakość obrazu płyt aSi przekracza jakość obrazu systemów CR i zbliża się do jakości obrazu
detektorów aSi. Ponadto aSi jest o wiele mniej wrażliwy na warunki otoczenia, co czyni go
przydatnym do zastosowań zewnętrznych i niekontrolowanych.
2.4.3. Ograniczenia płyt DR (1)
Podczas gdy detektory płytowe są często opisywane jako detektory radiograficzne
przyszłości, wieloletni dostawcy tych detektorów gromadzą obecnie doświadczenia dotyczące
żywotności tych płyt. Dzięki doświadczeniom zdobytym na rynku medycznym okazało się, że w
rzeczywistości żywotność ta została drastycznie przeszacowana i może być, w zależności od
cyklu pracy i dawek stosowanych do detektorów, niezwykle krótka. Zarówno w systemach
statycznych jak i systemach czasu rzeczywistego widzimy, że wymiana detektora po 10 - 12
miesiącach nie jest czymś wyjątkowym, chociaż zawsze musimy zauważać, że odnosi się to do
zastosowań, w których używane są płyty. Jest jednak ważne, żeby przed rozważeniem użycia
5
KRAJOWA KONFERENCJA BADAŃ RADIOGRAFICZNYCH - „POPÓW 2003”
22 - 24 września 2003 r
detektorów płytowych w swoim otoczeniu produkcyjnym dokonać szczegółowej oceny
związanego z tym ryzyka.
Oprócz tej kwestii pozostaje problem martwych pikseli. Jest nieodłączne od procesu
produkcyjnego, że każda płyta posiada mniej lub więcej nieczynnych pikseli, które na obrazie
pojawiają się jako czarne punkty. W większości przypadków oprogramowanie może eliminować
te martwe piksele, ale wciąż trzeba sobie zdawać sprawę z tego, że one istnieją i że na obrazie są
zastąpione przez fałszywe punkty.
Zarówno producenci płyt jak dostawcy systemów muszą wziąć odpowiedzialność za te
problemy. Wyzwaniem dla badaczy detektorów pozostaje znalezienie rozwiązania obu tych
problemów, ponieważ stanowią one poważne zagrożenie dla przyszłości radiografii
bezpośredniej.
Literatura i przypisy
1. Detektory płytowe – Detektory przyszłości? Raport z badań, dr Matthias Purschke, Agfa
NDT Pantak Seifert (w języku niemieckim)
6