无损检测技术及应用研究

韩明 苗长云（天津工业大学信息与通信工程学院天津300160）

无损检测技术及应用研究

韩明 苗长云（天津工业大学信息与通信工程学院天津300160）

随着科学技术的发展，无损检测技术在人们日常生活和工作中发挥着越来越重要的作用，在食品安全、工业生产和医疗诊断等检测中有着广泛的应用。分析了射线检测、磁粉检测、超声检测3种无损检测方法，并阐述了这些检测技术在医学上的应用。

无损检测医疗诊断医学应用

0 引言

随着科学的发展和社会的进步，现代化生产的规模越来越大，管理的方法和形式也趋于多样性，人们对于产品质量的要求也逐渐提高。常规的检测参数、检测手段和检测仪器如今已难以满足现代的生产、生活需求。从一般的单参数测量到相关多参数的综合自动检测，从参数的量值测量到参数的状态估计，从确定性的测量到模糊的判断等等，已成为当前检测领域中的发展趋势，正受到越来越广泛的关注，从而形成了各种新的检测技术和检测方法，这些技术和方法统称为现代检测技术。

伴随着现代检测技术的发展，无损检测技术（Non-destructive testing，NDT）的应用也越来越广泛，它可以在不损坏试件的前题下，以物理或化学方法为手段，借助先进的技术和设备器材，对试件的内部及表面的结构、性质、状态进行检查或测试。现代无损检测技术正向着高精度、低辐射、智能化、信息化和交叉领域的前沿方向发展。目前，现代无损检测技术已经广泛应用于工业、交通、航空航天、电力、冶金及国防等各个领域。检测技术在其他领域的应用可以实现资源共享和优势互补，使社会的各个行业能够全面、协调、多元化发展，同时促进国家经济发展和人民生活水平的提高。

目前常用的无损检测方法主要包括射线检测、磁粉检测、涡流监测、超声检测等。这些方法不仅应用于工业生产、食品安全、产品质量等无损检测，也在医疗行业中发挥着重要的作用。通过医学检测可以辅助医疗诊断，比如X光透视、CT、核磁共振、B型超声等医学影像，也可以辅助某些疾病的治疗，比如放疗和化疗。

1 无损检测技术及医学应用分析

1.1 射线检测

射线检测（Radiographic Testing，RT）是指当射线穿过物体时，射线与物质的原子将发生复杂的相互作用，导致透射射线强度衰减，而缺陷部位对射线的衰减不同于无缺陷的部位，通过分析透射射线强度，即可检测出物体内部的缺陷。

其中，X射线检测（X-Ray）最为常用。因为其波长短，能量大，照在物质上时，仅一部分被物质所吸收，大部分经由原子间隙而透过，穿透能力很强。检测时，X射线穿过待检材料到达光电探测器；如果遇到裂缝、气孔和夹渣等缺陷，光电探测器根据光源的变化检测出缺陷部位。

射线检测不但能较直观地显示工件内部缺陷的大小和形状，还能测定材料的厚度，因而易于判定缺陷的性质。但是这种方法检验速度较慢，只宜探查气孔、夹渣、缩孔、疏松等体积性缺陷，而不易发现间隙很小的裂纹和未熔合等缺陷以及锻件和管、棒等型材的内部分层性缺陷。

长期实验表明，过量的X射线会使人体的免疫力下降，并诱发疾病。因此为防止X射线对人体的伤害，必须采取相应的防护措施。比如检测时工作人员需穿防护服，检测设备也应该进行隔离和屏蔽。

X射线在医学检测上有广泛的应用，可以进行医疗诊断，主要是依据X射线的穿透作用以及差别吸收。由于X射线穿过人体时，会受到不同程度的吸收，通过人体后的X射线量就不一样。这样便携带了人体各部密度分布的信息，通过接收器引起的荧光作用或感光作用的强弱差别，（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。

X射线还可应用于治疗，主要依据其生物效应。应用不同能量的X射线对人体病灶部分的细胞组织进行照射时，即可使被照射的细胞组织受到破坏或抑制，从而达到对某些疾病，特别是肿瘤的治疗目的。但另一方面，它对正常机体也有伤害，因此不宜在短期内作多次重复检查或治疗，避免过多的医疗照射。

CT是在X射线检测基础上发展起来的，它的研制成功被誉为自伦琴发现X射线以后，放射诊断学上最重要的成就。CT（computed tomography）即电子计算机X射线断层扫描技术的简称，又称X线CT，可清晰地呈现出人体内器官。

CT扫描的工作程序是用X线束对人体某部位一定厚度的层面进行扫描，X线管装在患者的上方，绕检查部位转动。由探测器接收透过该层面的X射线，反映出人体各部位对X射线吸收的多少。X射线转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经过A/D转换器转为数字信号，最后输入计算机处理，将人体各部位的图像在荧屏上显示出来。

CT扫描图像是层面图像，常用的是横断面。图像以不同的灰度来表示，反映器官和组织对X射线的吸收程度。与X射线图像相比，CT图像不仅以不同灰度显示其密度的高低，还可用组织对X射线的吸收系数说明其密度高低的程度，具有一个量的概念。

CT诊断由于分辨率较高，而且能做轴位成像，已广泛应用于临床。但是CT扫描的辐射量通常比常规的X光检查高出很多倍，清晰度提高的同时也增加人体在X射线中的暴露程度，所受的辐射危害增加。而且CT设备比较昂贵，检查费用偏高，对某些部位的检查、诊断还有一定限度，所以不宜将CT检查视为常规诊断手段。

1.2 磁粉检测

磁粉检测（Magnetic particle Testing，MT）是通过对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该点形成磁痕显示的一种检测方法。该方法可用来检测铁磁材料焊接件、铸件和锻件的表面或近表面缺陷。

检测时首先对被检工件（铁磁性材料）进行外磁磁化处理，再在其表面上均匀喷洒细微粒磁粉（平均粒度为5～10mm），如果被检工件不存在缺陷，由于导磁率均匀无变化，工件表面上的磁粉是均匀分布的；若其表面上存在缺陷，会产生磁阻变化，使缺陷处产生漏磁场，并形成一个小小的N-S磁极，使磁粉在缺陷处形成堆积现象。这种检测的优点是可有效查出铁磁材料的表面缺陷，比其他无损检测方法简单、实用，且十分直观，结果可靠。但其缺点是无法测出表面以下深埋的缺陷，并且只能用于检测可被磁化的材料，无法检测非金属以及非导磁材料。

核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学和生物，到1973年才将它应用于医学临床检测。核磁共振全名是核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，NMRI），是磁矩不为零的原子核在外磁场作用下自旋能级发生塞曼分裂，共振吸收某一定频率的射频辐射的物理过程。

通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。由于人体内含有非常丰富的水，且不同的组织中水的含量也各不相同。核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。

核磁共振是继CT后医学影像学的又一重大进步。自20世纪80年代应用以来得到快速发展。其基本原理是将人体置于特殊的磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内的氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按照特定的频率发出射电信号，然后将吸收的能量释放出来，被体外的接收器接收，最后经过电子计算机的处理获得图像。

核磁共振成像技术还可以与X射线断层成像技术（CT）结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据。核磁共振检查不需注射造影剂，无电离辐射，对人体没有不良影响。相对于CT检测，没有电离辐射的危害；不会出现伪影、重影，能更清晰地显示更多细节，对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。与超声检测相比，核磁共振成像可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，可以显示人体任意角度的切面像。但是也存在不足之处：它的空间分辨率不及CT，成像时间较长；带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作核磁共振检查；价格比较昂贵。

1.3 超声检测

超声检测（Ultrasonic Testing，UT）是指用超声波来检测材料和工件，并以超声检测仪作为显示方式的一种无损检测方法。超声波在被检测材料中传播时，由于材料的声学特性和内部组织的变化会对超声波的传播产生一定的影响，发生反射、透射和散射。通过对超声波受影响程度和状况的探测，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。

超声波是频率高于20 kHz的一种机械波，在超声检测中常用的频率为0.5～5MHz。这种机械波在材料中能以一定的速度和方向传播，遇到声阻抗不同的异质界面（如缺陷或被测物件的底面等）就会产生反射。这种反射现象可以被用来进行超声检测，最常用的是脉冲回波探伤法。

超声检测时，脉冲振荡器发出的电压加在探头上，探头发出的超声波脉冲通过声耦合介质（如机油或水等）进入材料并在其中传播。当遇到缺陷后，部分反射能量沿原来途径返回探头，探头又将其转变为电脉冲，经仪器放大显示。根据缺陷反射波的位置和幅度（与参考试块中人工缺陷的反射波幅度作比较），即可测定缺陷的位置和大致尺寸。

脉冲回波探伤法通常用于锻件、焊缝及铸件等的检测。可发现工件内部较小的裂纹、夹渣、缩孔、未焊透等缺陷。

超声波在医学上可以对人体进行检查，称为超声诊断学。超声检查一般是用弱超声波照射到身体上，利用人体对超声波的反射进行观察，将组织的反射波进行图像化处理，以了解人体的内部情况。它以强度低、频率高、对人体无损伤、无痛苦、显示方法多样而著称，尤其是对人体软组织的探测和心血管脏器的血流动力学观察有其独到之处。介入性超声逐渐普及，体腔探头和术中探头的应用，扩大了诊断范围，也提高了诊断和治疗水平。

在医学临床上应用的超声诊断仪有许多类型，如A型、B型、M型、扇形和多普勒超声型等。其中常用的B型超声检查俗称为“B超”，是患者在就诊时经常接触到的医疗检查项目。在临床上使用简便、应用广泛，常用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科等疾病的诊断。

B超检查的原理是利用脉冲回波成像技术。首先探头获得激励脉冲后向人体发射一组超声波，并按一定的方向进行扫描；然后经过一段时间的延迟，探头接收反射回来的回波信号，经过滤波、放大等信号处理，由DSC电路进行数字变换形成数字信号，在CPU控制下进一步进行图像处理；最后将合成的视频信号传送到显示器，形成我们熟悉的B超图像。根据监测其回声的强弱和延迟时间能够判断脏器的距离和性质。

B超等超声检查的出现，提高了医学检查和治疗的水平。超声的扫查可以连续地、动态地观察脏器的运动和功能；可以追踪病变、显示立体变化，而不受其成像分层的限制。超声设备易于移动，没有创伤，对于行动不便的患者可在床边进行诊断。超声检查的费用与其他检查相比价格低廉，而且超声对人体没有辐射，对于特殊患者可以优先采用。但超声检查同样也存在一些缺点，在清晰度、分辨率等方面效果较差；超声检查需要改变体位屏气等，受气体的影响很大。另外超声检查需要专业的操作，检查结果也易受医师临床技能水平的影响。

2 结束语

综上所述，射线检测对体积型缺陷检测率高，但是成本较高且有辐射危害；磁粉检测对表面及近表面的缺陷检出率高，成本较低辐射相对小；超声检测对线状缺陷检测率高，最大的优点是无辐射无污染，这也是检测技术未来发展的趋势。现代无损检测技术在医学上的广泛应用，扩大了医疗范围，提高了诊断水平和治疗效果，减少了患者的痛苦，有利于医学的创新和发展。■

2011-01-12