無損檢測技術(shù)及應(yīng)用研究

韓明 苗長云（天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院天津300160）

無損檢測技術(shù)及應(yīng)用研究

韓明 苗長云（天津工業(yè)大學(xué)信息與通信工程學(xué)院天津300160）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)在人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ髦邪l(fā)揮著越來越重要的作用，在食品安全、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)療診斷等檢測中有著廣泛的應(yīng)用。分析了射線檢測、磁粉檢測、超聲檢測3種無損檢測方法，并闡述了這些檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

無損檢測醫(yī)療診斷醫(yī)學(xué)應(yīng)用

0 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，現(xiàn)代化生產(chǎn)的規(guī)模越來越大，管理的方法和形式也趨于多樣性，人們對于產(chǎn)品質(zhì)量的要求也逐漸提高。常規(guī)的檢測參數(shù)、檢測手段和檢測儀器如今已難以滿足現(xiàn)代的生產(chǎn)、生活需求。從一般的單參數(shù)測量到相關(guān)多參數(shù)的綜合自動(dòng)檢測，從參數(shù)的量值測量到參數(shù)的狀態(tài)估計(jì)，從確定性的測量到模糊的判斷等等，已成為當(dāng)前檢測領(lǐng)域中的發(fā)展趨勢，正受到越來越廣泛的關(guān)注，從而形成了各種新的檢測技術(shù)和檢測方法，這些技術(shù)和方法統(tǒng)稱為現(xiàn)代檢測技術(shù)。

伴隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展，無損檢測技術(shù)（Non-destructive testing，NDT）的應(yīng)用也越來越廣泛，它可以在不損壞試件的前題下，以物理或化學(xué)方法為手段，借助先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件的內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)進(jìn)行檢查或測試。現(xiàn)代無損檢測技術(shù)正向著高精度、低輻射、智能化、信息化和交叉領(lǐng)域的前沿方向發(fā)展。目前，現(xiàn)代無損檢測技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、航空航天、電力、冶金及國防等各個(gè)領(lǐng)域。檢測技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)勢互補(bǔ)，使社會(huì)的各個(gè)行業(yè)能夠全面、協(xié)調(diào)、多元化發(fā)展，同時(shí)促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的提高。

目前常用的無損檢測方法主要包括射線檢測、磁粉檢測、渦流監(jiān)測、超聲檢測等。這些方法不僅應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、食品安全、產(chǎn)品質(zhì)量等無損檢測，也在醫(yī)療行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。通過醫(yī)學(xué)檢測可以輔助醫(yī)療診斷，比如X光透視、CT、核磁共振、B型超聲等醫(yī)學(xué)影像，也可以輔助某些疾病的治療，比如放療和化療。

1 無損檢測技術(shù)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用分析

1.1 射線檢測

射線檢測（Radiographic Testing，RT）是指當(dāng)射線穿過物體時(shí)，射線與物質(zhì)的原子將發(fā)生復(fù)雜的相互作用，導(dǎo)致透射射線強(qiáng)度衰減，而缺陷部位對射線的衰減不同于無缺陷的部位，通過分析透射射線強(qiáng)度，即可檢測出物體內(nèi)部的缺陷。

其中，X射線檢測（X-Ray）最為常用。因?yàn)槠洳ㄩL短，能量大，照在物質(zhì)上時(shí)，僅一部分被物質(zhì)所吸收，大部分經(jīng)由原子間隙而透過，穿透能力很強(qiáng)。檢測時(shí)，X射線穿過待檢材料到達(dá)光電探測器；如果遇到裂縫、氣孔和夾渣等缺陷，光電探測器根據(jù)光源的變化檢測出缺陷部位。

射線檢測不但能較直觀地顯示工件內(nèi)部缺陷的大小和形狀，還能測定材料的厚度，因而易于判定缺陷的性質(zhì)。但是這種方法檢驗(yàn)速度較慢，只宜探查氣孔、夾渣、縮孔、疏松等體積性缺陷，而不易發(fā)現(xiàn)間隙很小的裂紋和未熔合等缺陷以及鍛件和管、棒等型材的內(nèi)部分層性缺陷。

長期實(shí)驗(yàn)表明，過量的X射線會(huì)使人體的免疫力下降，并誘發(fā)疾病。因此為防止X射線對人體的傷害，必須采取相應(yīng)的防護(hù)措施。比如檢測時(shí)工作人員需穿防護(hù)服，檢測設(shè)備也應(yīng)該進(jìn)行隔離和屏蔽。

X射線在醫(yī)學(xué)檢測上有廣泛的應(yīng)用，可以進(jìn)行醫(yī)療診斷，主要是依據(jù)X射線的穿透作用以及差別吸收。由于X射線穿過人體時(shí)，會(huì)受到不同程度的吸收，通過人體后的X射線量就不一樣。這樣便攜帶了人體各部密度分布的信息，通過接收器引起的熒光作用或感光作用的強(qiáng)弱差別，（經(jīng)過顯影、定影）將顯示出不同密度的陰影。根據(jù)陰影濃淡的對比，結(jié)合臨床表現(xiàn)、化驗(yàn)結(jié)果和病理診斷，即可判斷人體某一部分是否正常。

X射線還可應(yīng)用于治療，主要依據(jù)其生物效應(yīng)。應(yīng)用不同能量的X射線對人體病灶部分的細(xì)胞組織進(jìn)行照射時(shí)，即可使被照射的細(xì)胞組織受到破壞或抑制，從而達(dá)到對某些疾病，特別是腫瘤的治療目的。但另一方面，它對正常機(jī)體也有傷害，因此不宜在短期內(nèi)作多次重復(fù)檢查或治療，避免過多的醫(yī)療照射。

CT是在X射線檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的研制成功被譽(yù)為自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以后，放射診斷學(xué)上最重要的成就。CT（computed tomography）即電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)的簡稱，又稱X線CT，可清晰地呈現(xiàn)出人體內(nèi)器官。

CT掃描的工作程序是用X線束對人體某部位一定厚度的層面進(jìn)行掃描，X線管裝在患者的上方，繞檢查部位轉(zhuǎn)動(dòng)。由探測器接收透過該層面的X射線，反映出人體各部位對X射線吸收的多少。X射線轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽夂螅晒怆娹D(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，最后輸入計(jì)算機(jī)處理，將人體各部位的圖像在熒屏上顯示出來。

CT掃描圖像是層面圖像，常用的是橫斷面。圖像以不同的灰度來表示，反映器官和組織對X射線的吸收程度。與X射線圖像相比，CT圖像不僅以不同灰度顯示其密度的高低，還可用組織對X射線的吸收系數(shù)說明其密度高低的程度，具有一個(gè)量的概念。

CT診斷由于分辨率較高，而且能做軸位成像，已廣泛應(yīng)用于臨床。但是CT掃描的輻射量通常比常規(guī)的X光檢查高出很多倍，清晰度提高的同時(shí)也增加人體在X射線中的暴露程度，所受的輻射危害增加。而且CT設(shè)備比較昂貴，檢查費(fèi)用偏高，對某些部位的檢查、診斷還有一定限度，所以不宜將CT檢查視為常規(guī)診斷手段。

1.2 磁粉檢測

磁粉檢測（Magnetic particle Testing，MT）是通過對已磁化的工件表面施加磁粉，磁粉被磁漏部位漏磁吸附并在該點(diǎn)形成磁痕顯示的一種檢測方法。該方法可用來檢測鐵磁材料焊接件、鑄件和鍛件的表面或近表面缺陷。

檢測時(shí)首先對被檢工件（鐵磁性材料）進(jìn)行外磁磁化處理，再在其表面上均勻噴灑細(xì)微粒磁粉（平均粒度為5～10mm），如果被檢工件不存在缺陷，由于導(dǎo)磁率均勻無變化，工件表面上的磁粉是均勻分布的；若其表面上存在缺陷，會(huì)產(chǎn)生磁阻變化，使缺陷處產(chǎn)生漏磁場，并形成一個(gè)小小的N-S磁極，使磁粉在缺陷處形成堆積現(xiàn)象。這種檢測的優(yōu)點(diǎn)是可有效查出鐵磁材料的表面缺陷，比其他無損檢測方法簡單、實(shí)用，且十分直觀，結(jié)果可靠。但其缺點(diǎn)是無法測出表面以下深埋的缺陷，并且只能用于檢測可被磁化的材料，無法檢測非金屬以及非導(dǎo)磁材料。

核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物，到1973年才將它應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床檢測。核磁共振全名是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI），是磁矩不為零的原子核在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。

通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。由于人體內(nèi)含有非常豐富的水，且不同的組織中水的含量也各不相同。核磁共振成像技術(shù)就是通過識(shí)別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進(jìn)而探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。

核磁共振是繼CT后醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一重大進(jìn)步。自20世紀(jì)80年代應(yīng)用以來得到快速發(fā)展。其基本原理是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)的氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按照特定的頻率發(fā)出射電信號，然后將吸收的能量釋放出來，被體外的接收器接收，最后經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的處理獲得圖像。

核磁共振成像技術(shù)還可以與X射線斷層成像技術(shù)（CT）結(jié)合為臨床診斷和生理學(xué)、醫(yī)學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)。核磁共振檢查不需注射造影劑，無電離輻射，對人體沒有不良影響。相對于CT檢測，沒有電離輻射的危害；不會(huì)出現(xiàn)偽影、重影，能更清晰地顯示更多細(xì)節(jié)，對疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。與超聲檢測相比，核磁共振成像可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，可以顯示人體任意角度的切面像。但是也存在不足之處：它的空間分辨率不及CT，成像時(shí)間較長；帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作核磁共振檢查；價(jià)格比較昂貴。

1.3 超聲檢測

超聲檢測（Ultrasonic Testing，UT）是指用超聲波來檢測材料和工件，并以超聲檢測儀作為顯示方式的一種無損檢測方法。超聲波在被檢測材料中傳播時(shí)，由于材料的聲學(xué)特性和內(nèi)部組織的變化會(huì)對超聲波的傳播產(chǎn)生一定的影響，發(fā)生反射、透射和散射。通過對超聲波受影響程度和狀況的探測，對試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進(jìn)而對其特定應(yīng)用性進(jìn)行評價(jià)的技術(shù)。

超聲波是頻率高于20 kHz的一種機(jī)械波，在超聲檢測中常用的頻率為0.5～5MHz。這種機(jī)械波在材料中能以一定的速度和方向傳播，遇到聲阻抗不同的異質(zhì)界面（如缺陷或被測物件的底面等）就會(huì)產(chǎn)生反射。這種反射現(xiàn)象可以被用來進(jìn)行超聲檢測，最常用的是脈沖回波探傷法。

超聲檢測時(shí)，脈沖振蕩器發(fā)出的電壓加在探頭上，探頭發(fā)出的超聲波脈沖通過聲耦合介質(zhì)（如機(jī)油或水等）進(jìn)入材料并在其中傳播。當(dāng)遇到缺陷后，部分反射能量沿原來途徑返回探頭，探頭又將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖，經(jīng)儀器放大顯示。根據(jù)缺陷反射波的位置和幅度（與參考試塊中人工缺陷的反射波幅度作比較），即可測定缺陷的位置和大致尺寸。

脈沖回波探傷法通常用于鍛件、焊縫及鑄件等的檢測?？砂l(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部較小的裂紋、夾渣、縮孔、未焊透等缺陷。

超聲波在醫(yī)學(xué)上可以對人體進(jìn)行檢查，稱為超聲診斷學(xué)。超聲檢查一般是用弱超聲波照射到身體上，利用人體對超聲波的反射進(jìn)行觀察，將組織的反射波進(jìn)行圖像化處理，以了解人體的內(nèi)部情況。它以強(qiáng)度低、頻率高、對人體無損傷、無痛苦、顯示方法多樣而著稱，尤其是對人體軟組織的探測和心血管臟器的血流動(dòng)力學(xué)觀察有其獨(dú)到之處。介入性超聲逐漸普及，體腔探頭和術(shù)中探頭的應(yīng)用，擴(kuò)大了診斷范圍，也提高了診斷和治療水平。

在醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用的超聲診斷儀有許多類型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超聲型等。其中常用的B型超聲檢查俗稱為“B超”，是患者在就診時(shí)經(jīng)常接觸到的醫(yī)療檢查項(xiàng)目。在臨床上使用簡便、應(yīng)用廣泛，常用于心內(nèi)科、消化內(nèi)科、泌尿科和婦產(chǎn)科等疾病的診斷。

B超檢查的原理是利用脈沖回波成像技術(shù)。首先探頭獲得激勵(lì)脈沖后向人體發(fā)射一組超聲波，并按一定的方向進(jìn)行掃描；然后經(jīng)過一段時(shí)間的延遲，探頭接收反射回來的回波信號，經(jīng)過濾波、放大等信號處理，由DSC電路進(jìn)行數(shù)字變換形成數(shù)字信號，在CPU控制下進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理；最后將合成的視頻信號傳送到顯示器，形成我們熟悉的B超圖像。根據(jù)監(jiān)測其回聲的強(qiáng)弱和延遲時(shí)間能夠判斷臟器的距離和性質(zhì)。

B超等超聲檢查的出現(xiàn)，提高了醫(yī)學(xué)檢查和治療的水平。超聲的掃查可以連續(xù)地、動(dòng)態(tài)地觀察臟器的運(yùn)動(dòng)和功能；可以追蹤病變、顯示立體變化，而不受其成像分層的限制。超聲設(shè)備易于移動(dòng)，沒有創(chuàng)傷，對于行動(dòng)不便的患者可在床邊進(jìn)行診斷。超聲檢查的費(fèi)用與其他檢查相比價(jià)格低廉，而且超聲對人體沒有輻射，對于特殊患者可以優(yōu)先采用。但超聲檢查同樣也存在一些缺點(diǎn)，在清晰度、分辨率等方面效果較差；超聲檢查需要改變體位屏氣等，受氣體的影響很大。另外超聲檢查需要專業(yè)的操作，檢查結(jié)果也易受醫(yī)師臨床技能水平的影響。

2 結(jié)束語

綜上所述，射線檢測對體積型缺陷檢測率高，但是成本較高且有輻射危害；磁粉檢測對表面及近表面的缺陷檢出率高，成本較低輻射相對??；超聲檢測對線狀缺陷檢測率高，最大的優(yōu)點(diǎn)是無輻射無污染，這也是檢測技術(shù)未來發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)代無損檢測技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的廣泛應(yīng)用，擴(kuò)大了醫(yī)療范圍，提高了診斷水平和治療效果，減少了患者的痛苦，有利于醫(yī)學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展?！?/p>

2011-01-12