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锐珂工业 White Paper | 澄清数字成像的迷思

锐珂工业

2025-08-29

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White Paper

澄清数字成像的迷思

在确定数字射线成像质量时

对清晰度的错误认知

引言

在Carestream NDT White Paper系列中，我们不仅希望分享我们的技术发展和产品组合，还希望分享我们的员工通过与像您这样的客户并肩工作而获得的知识和实践经验。我们致力于以简单明了的方式分享这些知识和经验，以便于我们的读者实际应用到日常工作中。

本系列针对但不限于以下行业的无损检测专业人员：石油和天然气、核能、建筑、铸造、能源生产、航空航天、运输、汽车、军事和国防、农业、艺术品修复和博物馆文物，以及无损检测服务公司。

引言

图像质量评价存在怎样的错误认知？

在数字射线成像技术中，清晰度是一个重要因素，有助于检测不连续性。然而，整体图像质量取决于多个因素，包括图像亮度、清晰度以及整体噪声水平。射线成像技术可有效检测材料内部不连续性，包括气孔、夹杂物、缩孔以及裂纹等。

一般而言，不连续性可定义为材料或部件物理结构或构造中存在的预期或非预期中断，简而言之就是在特定材料类型与厚度条件下的局部材料缺失现象。在实际图像解读过程中，关键在于目标特征是否得到了充分视觉呈现。

所谓错误认知，是一种虚假的表面认识。在数字射线成像领域，人们普遍存在将图像质量提升等同于图像中细节解析能力提高的认知偏差。这种观点认为细节可辨程度的提升必然促成不连续性检出概率 (POD) 的提高。有时的确是如此；但是在特定情况下，降低图像清晰度反而能提升不连续性的检出效果。这究竟是何原因？

图像质量相关术语的含义

依据 ASTM E1316 无损检测标准术语，射线成像定义为“由穿透性辐射穿过所检查材料产生的任何可检索图像。此类图像包括硬拷贝、胶片或数字图像。” 换言之，这是辐射穿透物体到达探测器过程中形成的阴影图像。吸收辐射的程度取决于所检测部件的材料类型和厚度。射线成像技术可有效检测材料内部不连续性，包括孔洞、气孔、金属或非金属夹杂物、缩孔以及裂纹等。

图 1 展示了在合适的记录介质中形成影像射线成像的基本物理原理和几何原理。记录介质或探测器上的暗区表示射线照相不透明的不连续性的形状。如图 1-A 所示，当理想化地将射线成像所用辐射源视为单一的几何点时，会产生两个值得关注的现象：1) 物体“O”在探测器“C”上投射的阴影边缘清晰；2) 所产生阴影有所放大，放大程度取决于物体与探测器的距离，以及辐射源与物体的距离。

图1：阴影形成的一般几何原理示意图，改编自《现代工业射线成像》

如果考虑辐射源的实际物理尺寸而非将其理想化成单一几何点时，如图 1-B 和图 1-C 所示，则辐射源的每一点均会在探测器上产生独立的物体阴影，这些阴影的叠加形成了检测对象边缘的半影区或几何不清晰度区。图 1-B 和图 1-C 还进一步揭示了焦斑尺寸与源到探测器的距离对半影形成的影响。半影区域越大，不清晰度越高，导致射线成像的几何失真程度随之增加。由于对不清晰度的过度关注，某些放射技术人员误认为提高空间分辨率是获得优质射线成像的唯一途径。

当探测器垂直于辐射源与探测器连线放置时，如图 1-D 所示，物体所产生的阴影形状可能与物体的形状相似；而将探测器倾斜于该线放置时，如图 1-E 和图 1-F 所示，则会导致物体所产生的阴影失真。此外，物体间的空间关系也可能失真。图 2 展示了两个圆形物体所产生的阴影可能呈现为两个分离的清晰圆形（参见图 2-A）或呈现为由两个相交圆形构成的单一图像（参见图 2-B）。

图2：阴影形成过程中空间关系的失真示意图，改编自《现代工业射线成像》

依据 ASTM E1316 无损检测标准术语，几何不清晰度 (Ug) 定义为“射线图像中的半影，取决于 (1) 辐射源的尺寸，(2) 辐射源到物体的距离，(3) 物体到探测器的距离”。

图3：几何不清晰度示意图，改编自《现代工业射线成像》

图 3 展示了几何不清晰度定义中概述的三个因素对几何不清晰度的影响。由公式可知，通过减小焦点尺寸、增加源到探测器的距离以及减小物体到探测器的距离，均可有效改善几何不清晰度。

依据 ASTM E1316 无损检测标准术语，归一化图像不清晰度 (Uim) 定义为“射线图像检测对象特征出现模糊化（主要源于探测器特性），该测量在物体紧贴探测器平面且无几何放大的条件下进行。”

表1(a) 列出了 ASTM E2698 定义的不同材料厚度下最大归一化图像不清晰度，表1(b) 列出了 ASME BPVC 第五卷第 2 条定义的几何不清晰度容差（最大允许不清晰度需依据上述不清晰度公式计算）：

表1(a)：最大归一化图像不清晰度，改编自 ASTM E2698

表1(b)：最大几何不清晰度，改编自 ASME BPVC 第五卷第 2 条

突破只关注不清晰度的局限

在工业射线成像检测中，检出各部分不连续性的关键在于不连续性的图像是否具备足够的对比度以供识别。不连续性成像对比度受多重因素影响，通常称之为射线成像对比灵敏度。对比灵敏度用于衡量评估人员区分射线图像中信号水平与噪声关系的能力，并可用于估算最小可检测材料厚度差异或衰减变化。

对比灵敏度是区分图像特征所需的最小对比噪声比的倒数。物体对比度由穿透样品的辐射强度范围决定。随着穿透能力的提升，物体对比度呈下降趋势，这是由于更多波长的辐射能够穿透样品的较厚和较薄部分，导致不连续性区域与正常区域之间的曝光差异减小。射线成像对比度由物体对比度和探测器对比度共同决定。

SNR 是工业射线成像领域另一个至关重要的图像质量指标。它可以绘制为射线剂量的函数，用于评估图像质量水平。SNR 的计算可采用两种不同方法。第一种方法使用至少包含 4000 个像素值的矩形感兴趣区域 (ROI)，其定义如下：

为进一步提高计算精度，第二种方法使用至少包含 8000 个像素值的矩形 ROI，并对最大 SRb 进行归一化处理。此外，该方法在分子中采用中值替代平均值。其具体定义如下：

注意：数值 88.6 μm 用于矩形 ROI 与胶片系统颗粒度计算所用圆形孔径之间的归一化，iSRbmax 表示在 20% 水平处测得的基本空间分辨率插值最大值。

随着对比噪声比 (CNR) 的提升，不连续性检测能力相应增强。提高相对特定对比度 (μeff) 并降低噪声水平是提升射线图像不连续性检测能力的核心要素。不连续性达到可观察状态时的值被称为感知阈值。CNR 可通过两种方法进行计算。两种方法均需首先在透度计图像的 4T 孔内绘制一个 ROI，并在透度计孔附近的区域绘制相同的 ROI。两种可行计算方法如下所示：

注意：DICOM 计算方法采用加权平均合并标准差，而 ASTM 计算方法仅采用外部孔的标准差。

对比噪声比的第三种计算公式为：

等效透度灵敏度计 (EPS) 是工业射线成像中另一个广泛应用的图像质量指标。依据 ASTM E1316 无损检测标准术语，等效透度灵敏度计的定义为：“透度计厚度，以射线成像的截面厚度百分比表示，其中可在相同射线成像条件下看到 2T 孔”。

EPS 衡量了对比灵敏度随剂量的变化关系，并根据定性目视观察做出可检测性评估。检测时将四块具有不同厚度、不同孔径的板块置于厚吸收体上进行曝光。其中三块板块各含三排孔（每排 30 个孔），一块板块含四排孔（每排 30 个孔）。判定标准为观察者必须能在任一排中识别出 30 个孔中的至少 15 个，该排才被认为达到分辨要求。每个指定排对应已计算出的对比灵敏度。采用 EPS 板块进行剂量序列测试，可用于确定特定射线照相成像系统参数下的最小合格像素值。

某些接受过大量不清晰度成像技术培训的放射技术人员会错误地认为，图像质量的提升必然与空间分辨率的改善相关联。实际上，图像质量是 SNR 和 SRb 共同作用的结果。通过提高每单位面积的量子密度（通过增加辐射剂量）和抑制散射以降低噪声水平，可实现图像质量的优化。将清晰度视为决定图像质量的唯一关键因素是一种错误认知，因为图像中不连续性的可检测性同样依赖于通量和噪声。在工业射线成像领域，图像质量由 SNR 和 SRb 共同决定，也可通过 CNR 和 EPS 来表征。图像或成像系统具有更高的清晰度并不必然意味着其具有更优的图像质量。为了提升探测能力，SNR 和 SRb 都需要最大化，但这两个参数通常呈反比关系，即一个指标的提升往往伴随着另一个指标的下降。

可通过补偿原理来阐述图像质量与可检测性之间的关系。具体而言：对于给定材料厚度差异，必须达到可接受的 CNR 才能检测到不连续性。放射技术人员可通过提升 SNR 来弥补清晰度的不足，这通常是通过增加辐射剂量水平来完成的。提升 SNR 可补偿 SRb 的不足，从而维持整体图像质量水平。同样，只有在保持 SNR 的前提下，清晰度的提升才能改善检测能力。