Przemysłowa radiografia komputerowa (CR) z użyciem płyt obrazowych - Wymagania jakościowe według norm europejskich

Transkrypt

1 Przemysłowa radiografia komputerowa (CR) z użyciem płyt obrazowych - Wymagania jakościowe według norm europejskich Jan Kielczyk ENERGOMONTAŻ-PÓŁNOC Technika Spawalnicza i Laboratorium Sp. z o.o. Radiografia komputerowa wykorzystuje zamiast błony luminoforową płytę obrazową (IP) wielokrotnego użytku. Płyta posiada fotoaktywną powłokę materiału fluoroscencyjnego, 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 jest wychwytywane i przetwarzana na ciąg cyfr, stanowiący w rzeczywistości obraz cyfrowy. Zaletą technologii IP jest wysoka liniowość, wysoki zakres dynamiczny > 10 5, wysoka czułość ok cykli użytkowania, brak procesu ciemniowego i możliwość przetwarzania obrazu. Wadą jest ograniczona rozdzielczość przestrzenna i wysoka czułość w zakresie niskiej energii, co powoduje dużą wrażliwość na promieniowanie rozproszone. 1. Wymagania dla radiografii komputerowej i klasyfikacji systemów W marciu b.r. ukazały się projekty końcowe norm: Pr EN ,2:2005. Dokumenty te określają podstawowe parametry systemów radiografii komputerowej w celu umożliwienia uzyskania zadawalających i powtarzalnych wyników w sposób ekonomiczny. Dokumenty odnoszą się do wymagań radiografii błonowej określonych w EN i ISO Klasa systemu CR wynika z użycia określonej płyty obrazowej w połączeniu z warunkami ekspozycji, typu skanera i parametrów skanowania. 1

2 1.1 Terminy i definicje Zdefiniowane są następujące terminy: klasa systemu radiografii komputerowej czułość CEN (S CEN ) stosunek sygnału do szumu (SNR) funkcja przenoszenia modulacji (MTF) fantom CR fluktuacja wiązki laserowej (laser beam jitter), poślizg skanera (scanner slippage), podstawowa rozdzielczość przestrzenna Kwalifikacje personelu Zakłada się, że przemysłowa radiografia komputerowa przeprowadzana jest przez personel kwalifikowany. Aby udowodnić te kwalifikacje zaleca się certyfikowanie personelu wg EN 473 lub ISO Wskaźniki jakości CR wskaźnik jakości czułości kontrastowej (Aneks B), wskaźnik jakości typu podwójny pręcik wg EN 462-5, wskaźnik jakości par linii zbieżnych, wskaźnik jakości liniowości, tarcza T, wskaźnik jakości poślizgu skanera, wskaźnik jakości cieniowania (shading), wskaźnik jakości osiowości wiązki centralnej (ślimak BAM) Procedury stosowania wskaźników jakości CR Wskaźniki jakości CR zostały zaprojektowane do oceny jakości systemu. Wybrany zestaw wskaźników lub fantom CR zawierający wszystkie rodzaje wskaźników jest umiejscowiony na kasecie z płytą i eksponowany źródłem promieniowania z odległości 1m. Przy energii promieniowania ponad 100 kev między wskaźnikami jakości a IP wstawiany jest ekran ołowiany o grubości 0,1mm, aby zmniejszyć promieniowanie rozproszone. Uzyskany obraz poddawany jest ocenie Blednięcie płyt obrazowych (fading) Intensywność zatrzymanego przez płytę obrazu będzie się z czasem zmniejszała. Pomiar charakterystyki blednięcia powinien być okresowo przeprowadzany. Aby zapewnić prawidłowe warunki ekspozycji efekt blednięcia powinien być uwzględniony. 2

3 1.4. Procedury dla ilościowych pomiarów parametrów jakości obrazu Pomiar unormowanego stosunku sygnał-szum Metoda stopniowanej ekspozycji Zastosowane wyposażenie badawcze (Rys.1) i algorytm są zgodne z EN i ISO Do pomiaru SNR przyjęto następujące kroki (patrz także EN 584-1): IP z przednimi i tylnymi okładkami Pb 0,1mm w typowej kasecie ustawiona jest przed aparatem rentgenowskim z anodą wolframową. Ekspozycja z zastosowaniem filtra Cu 8 wykonywana jest przy takim napięciu, aby warstwa pół-chłonna dla Cu wynosiła 3,5mm. Wynosi to w przybliżeniu 220 kv. Klucz 1 Lampa rentgenowska 2 Filtr Cu 3 Kolimator 4 Diafragma 5 IP w kasecie Rys.1. Schemat układu do metody stopniowanej ekspozycji. Ustalenie wymaganego dokładnego napięcia lampy (kv) poprzez wykonanie pomiaru ekspozycji przy użyciu lampy rentgenowskiej i filtra Cu 8mm. Następnie wykonywana jest druga ekspozycja przy zwiększeniu grubości filtra Cu do 11,5 mm i oblicza się stosunek pierwszego i drugiego odczytu. Jeśli ten stosunek jest różny od 2, koryguje się wartość kv w górę lub w dół i powtarza pomiary aż do uzyskania stosunku równego 2. 3

4 Dla radiografii gamma z użyciem Ir 192 pomiary przeprowadza się z użyciem ekranów Pb 0,3mm umieszczonych przed i za IP. Filtr Cu 8mm także jest użyty. Intensywność sygnału I meas i odchylenie standardowe δ PSL obliczane będą z regionów pozbawionych cieniowania i artefaktów. δ PSL obliczana będzie jako wartość odniesienia do rozdzielczości 100 μm mierzonej za pomocą okrągłej przysłony lub 88,6 μm w przypadku osłony kwadratowej. Ostateczna wartość δ PSL100 jest obliczana przez δ PSL100 = δ PSL (SR max / 88,6) gdzie SR max jest maksymalną wartością podstawowej rozdzielczości przestrzennej mierzonej w kierunku prostopadłym i równoległym do kierunku skanowania lasera. Znormalizowana SNR jest obliczna przez SNR = I meas / δ PSL Metoda klina schodkowego Stosowana jest do pomiaru SNR a także ilościowego określania czułości kontrastowej. Do tego celu używany jest klin miedziany zawierający co najmniej 12 stopni o jednakowo wzrastających grubościach w ustawieniu pokazanym na Rys.2. Maksymalna grubość klina powinna absorbować 90% promieniowania wiązki centralnej, co wymaga grubości 11,7mm. Aby pokryć zakres dwóch lub więcej rzędów wielkości należy wykonać co najmniej dwie ekspozycje o różniących się parametrach. Odległość między klinem schodkowym a IP powinna być 500mm aby zredukować wpływ promieniowania rozproszonego. Zalecane jest powiększenie 2x. Powierzchnia każdego stopnia powinna mieć wymiar 20x20mm ( 400m 2 ). Szczegóły dotyczące pomiarów i obliczeń są takie same jak dla metody stopniowanej ekspozycji. 4

5 Klucz 1 Lampa rentgenowska 2 Filtr Cu 3 Kolimator 4 Klin schodkowy z miedzi 5 IP w kasecie Rys.2. Schemat pomiaru SNR metodą klina schodkowego Określanie nieostrości Dla celów Klasyfikacji pomiar można przeprowadzać przy napięciu 220 KV, dla zastosowań z niskimi energiami przy napięciu 90 kv. Stosowane są trzy metody pomiaru Metoda MTF Dla badania podstawowej rozdzielczości przestrzennej i obliczenia MTF wykonuje się obraz komputerowy obiektu o wysokiej gęstości z ostrą krawędzią. Odległości ogniskowa 1m i wymiar ogniska 1mm. Otrzymany obraz jest analizowany następująco: a) Kalibracja obrazu powinna być tak wykonana, aby intensywność sygnału była liniowa w stosunku do dawki promieniowania b) MTF obliczana jest z pierwszej pochodnej profilu widma modułu Fouriera i normowana do 1 przy częstotliwości 0 5

6 Podstawowa rozdzielczość przestrzenna określona jest z wartości MTF przy 20%. Odpowiadające temu wartość rozdzielczości SR obliczana jest z równania SR = 1 / (2 MTF 20 ) Metoda podwójnego pręcika Do badania podstawowej rozdzielczości przestrzennej może być zastosowany wskaźnik jakości obrazu typu podwójny pręcik opisany w normie EN Pierwsza para pręcików widocznych jako pojedynczy pręcik może być przejęta do określenia nieostrości. Jest to para, na obrazie której rowek między pręcikami jest mniejszy niż 20% jak na Rys. 3. Klucz Długość w mm Intensywność sygnału w dowolnych jednostkach Rys. 3 Kryterium rozdzielczości do oceny profili podwójnego pręcika. Podstawowa rozdzielczość przestrzenna odpowiada połowie mierzonej nieostrości Wskaźniki jakości par linii zbieżnych Wskaźniki te składają się z par linii zbieżnych i skali w lp / mm. Podstawowa rozdzielczość przestrzenna (SR) obliczana jest z równania SR = ½ R gdzie R jest odczytaną wartością w lp/mm Inne próby 6

7 Zniekształcenie geometryczne System transportowy JP powinien uniemożliwiać przechylanie się lub wichrowanie kasety, gdyż powoduje to geometryczne zniekształcenie obrazu. Próbę wykonuje się przez wykonanie ekspozycji wskaźnika jakości liniowość przestrzennej (skala mm lub dokładniejsza) wykonanego z materiału o wysokiej absorpcji promieniowania. Zmierzona nieliniowość przestrzenna powinna być niższa niż 2% odniesiona do każdego wymiaru płyty Funkcje wiązki laserowej W próbie tej określa się nierozdzielność linii skanowania wiązki laserowej, fluktuację wiązki, zanik sygnału i ognisko. Dokonuje się ekspozycji tarczą T wykonanej z materiału o wysokiej absorpcji. Fluktuacja wiązki laserowej oceniana jest przez badania krawędzi tarczy T na obrazie. Krawędzie powinny być proste i ciągłe. Porównanie obrazu komputerowego i wydruku pozwala na ocenę drukarki Rozmazania i rozbłyski Sprawdza się radiogramy komputerowe tarczy T na obecność nadmiernej intensywności lub smużenia w obszarach o dużym kontraście gęstości. Próba powinna być przeprowadzana przez porównanie ekspozycji o małym i dużym natężeniu Poślizg skanera Poślizg płyt obrazowych w skanerze i każde zakłócenie systemu skanującego i odczytującego prowadzi do różnych intensywności linii w jednorodnie eksponowanym obrazie. Dlatego sprawdzany jest radiogram komputerowy tarczy poślizgu skanera na obecność odchyleń skanowanych linii. Odchylenie między intensywnością linii powinno być mniejsze lub równe szumowi mierzonemu wewnątrz jednej z tych linii Cieniowanie Próba przeprowadzana jest celem zapewnienia, że intensywność skanowania lasera jest jednorodna i sprawdzenia osiowości układu przewodnik światła / fotopowielacz. Przy próbie przeprowadzanej przez wytwórcę płyta eksponowana jest źródłem z odległości > 5 m aby uzyskać jednorodną wiązkę. Użytkownik może stosować tę próbę do badania długoterminowej stabilność przy SDD > 1 m. Na komputerze średnia wartość piksela środka krawędzi płyty mierzona jest na zlinearyzowaną intensywność, a na wydrukowanej błonie gęstość optyczna mierzona jest densytometrem. Zewnętrzne obszary obrazu nie powinny mieć wartości 7

8 intensywności piksela lub gęstości optycznej różniącej się o więcej niż ± 10% wartości obszaru centralnego. Fantom CR opisany w Aneksie B zawiera wskaźniki jakości cieniowania, które spełniają powyższe wymagania Kasowanie Przy wykonaniu wszystkich prób, wykasowana płyta obrazowa zostanie bez ekspozycji obrobiona z użyciem czytnika CR. Jeśli pozostał obraz utajony oznacza to, że czas kasowania był za krótki lub jednostka kasująca działa wadliwie. Możliwy obraz utajony powinien mieć intensywność mniejszą niż 1% zlinearyzowanej intensywności Artefakty IP Każda płyta powinna posiadać numer seryjny. Płyta eksponowana przy najniższym kv stosowanym do kontroli i następnie skanowana, a wynik skanowania przechowywany w kartotekach. Służy to identyfikacji ewentualnych artefaktów. Użytkownik powinien mieć stały dostęp do kartotek artefaktów obrazów IP aby uniknąć problemu z interpretacją. 1.5 Klasyfikacja systemu CR i interpretacja wyników System CR jest sklasyfikowany zgodnie z Tab. 1. Klasyfikacja systemu CR jest określona przez minimalne znormalizowane wartośći SNR (SNR IPX ) pokazane w Tab. 1 i wartości uzyskiwanej maksymalnej podstawowej rozdzielczości przestrzennej SR max w μm. Tab. 1 Ocena systemu CR według minimalnej znormalizowanej SNR przy minimalnej intensywności sygnału I IPX Klasa systemu CEN Minimalna znormalizowana SNR IP 1/Y 130 IP 2/Y 117 IP 3/Y 78 IP 4/Y 65 IP 5/Y 52 IP 6/Y 43 UWAGA 1: Znormalizowane wartości SNR z Tab 1 są podobne do tych z EN Są obliczane przez SNR=log(e) (Gradient/ziarnistość z Tabeli 1 normy EN 584-1) Pomierzone wartości SNR są obliczane z danych zlinearyzowanego sygnału UWAGA 2: Y jest maksymalną podstawową rozdzielczością przestrzenną 8

9 1.5.1 Symbol klasyfikacja składa się z dwóch wartości: 1. Przyporządkowanie do jednej z klas IP zgodnie z Tab.1 Pomierzona znormalizowana wartość SNR powinna być większa lub równa do przyporządkowanej wartośći minimalnej znormalizowanej SNR w Tab Pomierzona maksymalna podstawowa rozdzielczość przestrzenna zaokrąglona do najbliższego stopnia 10 μm. Symbol podawany jest w następującej postaci: IP _ X/Y Przykładowo system sklasyfikowany jako IP 3 / 100 charakteryzowany jest przez znormalizowaną SNR 7,8 (Tab. 1) i maksymalną podstawową rozdzielczość przestrzenną 100 ηm Określenia czułości CEN Czułość CEN S ISO obliczana jest jako dawka K S potrzebna do eksponowania IP z wartością intensywności I IPX przez S ISO = K -1 S (K S w Greyach). Czułość CEN podawana jest odpowiednio do klasy systemu. Dla tego samego systemu podawana są różne czułości CEN w zależności od klasy systemu. Wytwórca systemu dostarcza czułość CEN i wartość I IPX w zależności od typu płyty obrazowej, użytego skanera i jego parametrów. Czułość CEN może być podawana w stopniach odpowiednio do wartości Tab. 2. 9

10 Tab. 2. Określenie czułości CEN S CEN z dawki K S w Greyach koniecznej do odczytu intensywności I IPX 10

11 1.6 Aneks A (informacyjny) Przykład pomiaru I IPX 1.7 Aneks B (informacyjny) Wskaźniki jakości CR Wszystkie opisane w normie wskaźniki jakości CR są zlokalizowane w przedmiocie badawczym zwanym Fantom CR. Składa się on z płytki nośnej z materiału o niskiej absorpcji. Rys 4 pokazuje układ wskaźników. A Tarcza T do próby fluktuacji lasera i pomiaru MTF (114x5 mm, mosiądz) B IQI typu podwójny pręcik wg EN C osiowanie wiązki centralnej (ślimak BAM) D wskaźniki jakości par linii zbieżnych E EL, EC, ER punkty pomiarowe do korekty cieniowania F Element ustalający położenie kasety (nie pojawia się na obrazie) G pasek jednorodny (AL; 0,5 mm) H przezroczysta płyta I linijka ze skalą cal / cm do sprawdzania liniowości J wskaźniki jakości czułość kontrastowej (AL 12,7 mm, Cu 6,4 mm stal nierdzewna 6,4 mm grubości) Rys. 4. Przykład Fantomu CR zawierającego wskaźniki jakości kwalifikowania systemu radiografii komputerowej Próba cieniowania (Shading test) Wykorzystywane są trzy otwory ø19x0,3mm wykonane w płycie nośnej Fantomu CR Osiowanie wiązki centralnej Stosowany jest wskaźnik jakości osiowania CR (ślimak BAM) pokazany na Rys. 5. Tarcza składa się ze zwoju (wysokość 1,5 do 2,0 mm) cienkiej folii ołowianej oddzielonej przekładką z materiału o małej absorpcji o grubości 0,1 mm. Obraz radiograficzny tarczy 11

12 pokazuje odchylenie od prostopadłego ustawienia źródła promieniowania. Struktura wskaźnika zanika przy odchyleniu > 5. Klucz 1 Folia ołowiana o grubości d 1 2 Folia nakładkowa Rys.5 Wskaźnik jakości osiowania (ślimak BAM) Wskaźnik jakości czułości kontrastowej Istnieją trzy wskaźniki włączone do Fantomu CR wykonane z aluminium, miedzi i stali nierdzewnej. Różnice grubości wyfrezowanych stopni J, K, L, M wynoszą 1%, 2%, 3, % i 4% całkowitej grubości T wskaźnika. Klucz 1 Materiały (Al.,Cu, lub SS) Wymiary: B 19 mm C 76,2 mm D 6,4 mm E 15,9 mm F 6,4 mm G 6,4 mm Rys. 6. Wskaźnik jakości czułości kontrastowej Aneks C (informacyjny) Przewodnik do stosowania różnych prób i metod. 12

13 2. Zasady ogólne badania metalowych materiałów promieniami X i gamma (w oparciu o normę Pr. EN ) Norma posiada niemal identyczny układ jak EN 444, jest zgodna z wymaganiami EN 1435, EN i ISO Techniki radiografii komputerowej również podzielone są na dwie klasy: Klasa A techniki podstawowe, Klasa B techniki udoskonalone. Rysunek przedstawiający maksymalne napięcie w funkcji prześwietlonej grubości i rodzaju materiału, tablica określająca zakres prześwietlanych grubości w przypadku źródeł promieniowania gamma i urządzeń promieniowania X o energii co najmniej równiej 1 MeV oraz nomogram do określania minimalnej odległości źródło-obiekt posiadają identyczne wartości liczbowe co norma EN 444 i EN Różniące się od EN 444 i EN 1435 postanowienia są następujące: 2.1. Konieczność stosowania do każdej ekspozycji oprócz wskaźnika IQI pręcikowego lub schodkowo-otworkowego również wskaźnika typu podwójny pręcik Dla różnych źródeł promieniowania i zakresów grubości, minimalne klasy systemu IP podane są w Tab. 3 i Tab. 4. Tabele te pokazują zalecane materiały okładek i grubości metalu. Tab. 3. Klasy systemu IP i okładek metalowych dla radiografii komputerowej stali, miedzi i stopów niklu. 13

14 Tab.4. Klasy systemu IP i okładki metalowe dla aluminium i tytanu Tablica 5 podaje wymaganą maksymalną nieostrość (wartość wskaźnika IQI typu podwójny pręcik) i wielkość piksela skanera w zależności od energii promieniowania i grubości ścianek. Tab.5. Wymagane rozdzielczość przestrzenna systemu w zależności od energii i grubości ścianek Minimalna intensywność odczytu radiogramu komputerowego Intensywności odczytu są analogiczne do minimalnych gęstości optycznych w radiografii błonowej. 14

15 Każdy wykonany radiogram komputerowy powinien być zweryfikowany zgodnie z Tab. 6. Tab.6. Intensywność odczytu radiogramów komputerowych Aby uniknąć nadmiernych intensywności tła powstających z ekspozycji z naturalnego promieniowania, IP powinny być kasowane przed użyciem zawsze, gdy kasowanie przed użyciem było przeprowadzane więcej niż dwa tygodnie temu Radiogramy komputerowe powinny być oglądane w zacienionym pomieszczeniu na monitorze, a wydrukowane kopie na negatoskopie spełniającym wymagania EN Monitor powinien mieć luminancję 100 cd / m 2 i rozdzielczość 1280x1024 pikseli z wielkością piksela 150 do 300 μm. Stosunek luminancji monitora L max / L min 100:1. Literatura 1) Pr. EN Marzec Badania nieniszczące Przemysłowa radiografia komputerowa z użyciem luminoforowych pamięci płyt obrazowych. Część 1: Klasyfikacja systemów. 2) Pr. EN Marzec Badania nieniszczące Przemysłowa radiografia komputerowa z użyciem luminoforowych pamięciowych płyt obrazowych. Część 2: Zasady ogólne badania metalowych materiałów promieniami X i gamma. 15