（光学专业论文）计算机x射线成像系统cr读出系统设计与实验研究.pdf

北京交通火学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 计算机x 射线成像系统( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，简称c r ) 相对于传统的胶 片拍摄法而言，具有曝光剂量小，动态范围广、曝光宽容度好，操作方便，影像 板能重复使用，可获得数字化图像、可进行图像处理等优点。所以，c r 系统在医 学诊断方面得到广泛应用，近年来也不断应用于石油天然气、电力及航天领域。 读出装置是c r 系统的关键和核心，读出技术的发展影响着c r 系统的进步，如何 提高读出装置的扫描速度和收集效率，如何更简单有效的实现读出装置，降低成 本，一直以来都是读出技术中最重要的问题之一。 本文首先简述了c r 系统的发展过程和国内外现状，介绍了c r 系统的工作流 程，影像板的工作原理及特性，以及读出装置的工作原理。在此基础上，设计了 荧光收集系统，通过实验研究确定出读出装置的关键参数；最后，确定读出装置 的系统图及各元件参数与位置，实现读出装置的设计；然后由机械d n i 和装配得 到c r 样机。所设计的c r 读出器样机具有体积小，结构简单，成本低的特点。 本论文的主要工作：在实验的基础上确定出读出装置设计的最佳参数，并且 采用一种全新光学系统来实现荧光的激发和收集，并最终设计出一种具有自主知 识产权的c r 系统读出装置样机。 关键词：计算机x 射线成像系统，影像板，读出原理，荧光收集，读出装置 分类号：t h 7 4 1 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hx - r a yf i l mp h o t o g r a p h ys y s t e m ，t h ec o m p u t e dr a d i o g r a p h y ( c r ) h a sa d v a n t a g e so f h i g hs e n s i t i v i t y , w i d ed y n a m i cr a n g e ，d i r e c td i g i t i z a t i o no ft h ei m a g e ， a n dar e u s e di m a g i n gp l a t e ( i p ) t h e r e f o r e ，i ti sw i d e l yu s e di nm e d i c a ld i a g n o s i s ，a n d h a sb e e nu s e di nt h eo i l ，n a t u r a lg a s ，e l e c t r i c i t ye n g i n e e r i n ga n da v i a t i o ni nr e c e n ty e a r s t h ec rs y s t e mi sc o m p r i s e do ft h er e a d o u td e v i c e ，t h ep r o c e s s o ra n dt h ee r a s e r ，o f w h i c h ，t h er e a d o u td e v i c ei st h ec o r ep a r t t h u st h ei m p r o v e m e n to ft h er e a d o u td e v i c e w i l lh a v ei m p a c to nt h ed e v e l o p m e n to ft h ew h o l ec rs y s t e m i nt h i sr e s e a r c hf i e l dh o w t oi m p r o v ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n ds c a n n i n gs p e e di sa l w a y st h ef o c u sp o i n t s i nt h i sp a p e r ，f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ec rs y s t e m ，p r i n c i p l eo ft h e i m a g i n gp l a t ea n dt h er e a d o u td e v i c ew e r ei n t r o d u c e d t h e ne x p e r i m e n t a ls y s t e mw a s s e tu ps e p a r a t e l yt oc o l l e c tf l u o r e s c e n c e ，o nt h eb a s i so ft h ee x p e r i m e n t s ，t h eb e s t p a r a m e t e r so f t h er e a d o u td e v i c ew e r ea c q u i r e d f i n a l l y ，an e wr e a d o u tm e t h o dw a s p r o p o s e d i th a sa d v a n t a g e so fs i m p l e ，c o m p a c ts t r u c t u r e ，a n dl o w c o s t t h em a i n c o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ri st of i n dt h eb e a s tp a r a m e t e r so ft h er e a d o u ts y s t e mt h r o u g h s e v e r a le x p e r i m e n t s f u r t h e r m o r ear e a d o u td e v i c eo fc rs y s t e mw h i c ha d o p t san e w o p t i c a ls y s t e mt oe x c i t ea n d c o l l e c tf l u o r e s c e n c ew i t ho u ri n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi s d e s i g n e d k e y w o r d s - t h ec rs y s t e m ；i m a g i n gp l a t e ；p r i n c i p l eo ft h er e a d e r ；f l u o r e s c e n c e c o l l e c t i o n ；r e a d o u td e v i c e 北京交通大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 参研 i 签字同期：2 咖罗年今月巧一只 | 导师签名：77 乡僵秋 签字日期：罗年 致谢 本论文的工作是在我的导师冯其波教授和邵双运副教授的悉心指导下完成 的，冯老师严谨的治学态度，邵老师扎实的理论和实验基础、科学的工作方法给 了我极大的帮助和影响，在此衷心感谢三年来两位老师对我的关心和指导。 崔建英高工、高瞻教授、陈士谦高工，谢芳副教授、张斌副教授、匡翠方博 士、张志峰博士对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，郑猛师兄、吴思进师兄、徐楠师兄，蔡文亮、 芦毅、高岩、毛雅亚、方横楚、宋超、史增辉、高晓婧、贾佳同学对我论文中的 部分研究工作和平时的学习、生活给予了热情帮助，在此谨向他们以及所有曾支 持和帮助过我工作和学习的老师、同学表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北 京交 通大学硕士学位论文 绪论 1 1 论文的背景和研究意义 1 绪论 石油、天然气等一直是国家的支柱产业，而能源的运输则是能源发展中至关 重要的一环，对运输管道进行及时有效地检测与维护是一项重要的工作。传统的 检测方法是x 射线胶片拍摄法，因其拍片速度慢、暗室处理麻烦、无法进行图像 处理、胶片不能重复利用等缺点已经成为制约焊管生产和检测的瓶颈【l 】，因此开发 一种更方便、快速、准确的检测方法则变得十分必要。c r 系统的出现，为解决这 种难题提供了方法。 c r 系统最先由富士胶片公司( f u j if i l m ) 研制开发，1 9 8 1 年，美国成功研制 了i p ( i m a g ep l a t e ) 系统，由r 本的富士公司将其推向市场【2 1 ，在医疗领域得 到了广泛应用，但是在工业无损检测领域还未受到足够重视【3 1 。目前，我国无论在 医疗领域还是在工业领域所用的c r 系统均为国外进口，价格高、不具有自主知识 产权，为此研制具有自主知识产权的c r 系统，并将其用于无损检测领域就显得异 常必要。为实现此目的，本论文基于国家科技支撑计划项目生命线工程和特种 设备安全保障关键技术与工程示范2 0 0 6 b a k 0 2 b o 卜1 6 研制出一台适用于工业 探伤的计算机x 射线成像系统( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，简称c r ) 样机，本论文承 担其读出装置光学系统的设计与研究。 1 2 c r 系统及读出装置的国内外研究现状 c r 系统自面世以来，在扫描技术、图像质量、外观体积等方面不断发展进步。 扫描技术由最初的点扫描发展到线扫描：图像分辨率也不断提高，例如，2 0 0 5 年 通用的c r 系统分辨率为l o l p m m 4 】；近年来，c r 的外观体积也不断趋于灵巧轻便化， 2 0 0 7 年，通用生产的轻便便携式c r 机重量只有l l 公斤【5 j 。截止至u 2 0 0 0 年，国际最主 要的五家c r 成像设备生产商为：a g f a 医疗系统，f u j i 医疗系统，伊斯曼柯达健康 成像，k o n i c a 成像系统和l u m i s y s 公司【2 j 。其中，富士公司的技术和质量以及销售 量均占有主导地位，几乎垄断了国际市场【6 】。近年来，富士公司更是生产出能够双 面读取的c r 成像仪，取得更丰富的图像信息和更高的设备效率 7 1 。 在c r 系统中，读出装置是其中最重要的组成部分，而读出装置的改进和提高 一直是c r 系统的技术难点和重点，同时，读出技术的提高也反映了c r 系统的进步。 北京 交通 大 学硕士 学位 论 文绪论 总结过去三十年内c r 系统读出装置的发展状况，我们可以看到：大多数读出装置 都是基于“飞点扫描 法，简单来说就是：x 射线曝光影像板后，能量信息以潜影 的形式存储在影像板内，用激光通过扫描转镜激发影像板，潜影信息以荧光的形 式被激发出来，激发出的荧光由光电倍增管接收，进行光电转换及模数转换后输 入电脑形成数字化图像。如图1 2 1 所示。 多面体转镜 图1 2 1 飞点扫描结构示意图 在飞点扫描法中，光扫描系统一般来说都是采用多面体棱镜旋转和f 0 透镜成 像的方式，但这种方式在荧光收集效率、探测器信噪比、扫描速度等方面存在许 多待改进之处。 在改进方面，有人提出了采用滤波装置提高信噪比的方法，取得了很好的效 果【8 】。这种滤波片是根据激发光和受激荧光波长不同的特点，使得光收集装置只允 许荧光通过，过滤了激发光，提高了探测器的信噪比，得到了广泛的应用。 在荧光收集技术和提高荧光收集效率方面，有的采用椭球腔的反射或平面镜 反射，将荧光尽可能反射到光电探测器，来提高荧光收集效率。荧光收集则可以 采用光纤收集，或用一组探测器的收集方法。例如，m o r r o n e 和l u c i a n o 提出用椭 球腔的反射来增加入射到光电探测器的荧光量，如图1 2 2 ( a ) 中所示，图中标号2 所示即为椭球面反射腔。此装置中还使用光纤作为光导收集装置，在入射端将光 纤沿扫描线排列为一条直线，出射端做成环状覆盖在探测器的接收表面以增加收 集效率 9 1 。c h a n 和y a l ie 等人设计的读出装置中也采用椭球面反射腔，图1 2 2 ( b ) 所示，不同之处在于此装置采用一组探测器直接接收荧光，提高荧光的收集效率 和图像的分辨率【i o 】。 2 北京交通大学硕士学 位 论文 绪论 2 f 1 6 。5 2 2 ( a )( b ) 图1 2 2 ( a ) 采用椭球面反射腔和光纤收集荧光的读出装置结构图 ( b ) 采用椭球面反射腔和一组探测器收集荧光的读出装置结构图 以上两种读出装置采用的方法都可以获得比较理想的荧光收集效果，但是仍 然存在一些缺点。首先椭球腔的制作困难且代价高昂；同时，该设计中并没有考 虑到如何解决受激荧光在探测器表面被反射的问题。k o d a k 公司的b r a n d t 等人采 用几块平板反射镜很好的解决了荧光在探测器表面被反射后再收集的问题，从而 提高了荧光的收集效率，而且平面反射板的制作比起椭球面反射腔要简单一些， 一定程度上降低了成本【i 。 影像板除可以平放在平台上进行扫描，利用影像板柔韧、可弯曲的特点，还 可以设计出圆筒形的读出装置，结构如图1 2 3 所示： 该装置是由两层圆筒相套而成。内层圆筒上开有环形的缝隙，以使得扫描光 束通过。当反射镜4 8 随旋转轴5 2 转动时，由激光器发射的光束4 4 便随反射镜4 8 的转动而对外层3 0 进行扫描。成像板具有柔软可弯的性质，因此可以贴附在3 0 上进行扫描。由于4 8 在圆心的位置，所以光束会垂直射入到外层3 0 上，不需要 使用造价较高的f0 透镜。而且此装置中，外层3 0 采用了气动驱动，可以有效减 小因传动机械震动所导致的图像质量下斛1 2 】。 3 北 京交 通大学硕 士 学位论文绪论 图1 2 3 圆筒形读出装置结构图 一般的影像板读出装置都是激发装置和荧光收集装置位于影像板的正面( 含 荧光物质层) 一侧，透明影像板被研制出以后，对这种透明影像板可以采取从底 部进行探测的方法l i 引。 在底部探测的启发下，富士公司又研制出双面读出设备，具体结构如图1 2 4 所示：该设备上半部分与一般的飞点扫描方法完全相同，不同就在于成像板底部 增加了另一套荧光收集装置。所使用的影像板也是透明底层的特殊成像板。双面 读取装置在进行扫描时两个探测器同时工作，自同一张i p 的两个面获得激发光波 信号，然后再将这两个面的信号通过特定的优化比率进行叠加，合成一个信息更 丰富的影像数据输出图像。由于采用这种方法，尽管影像板的发光层和激光激发 装置有一定的距离，探测器还是可以很有效地检测到来自影像板底部的激发光波， 而这些光波携带着一定量被发光物吸收的x 射线信息的，普通c r 系统是无法获得 的。双面读取系统由于使用了这些被探测器吸收的光波获得了更丰富的图像信息， 提高了设备的效率【l 训。 4 北京交 通 大学硕 士 学位论文绪论 图1 2 4 双面读取装置结构图 点扫描经过多年发展，技术成熟可靠，是目前商业设备中最常应用的方法。 但是它在扫描速度上存在缺陷，扫描转镜如果以过高的速度旋转，机械稳定性就 会下降，还会造成元件磨损增大，影响图像质量。为解决这个问题，行扫描成为 人们改进c r 系统读出装置的研究方向之一。行扫描需要做到一次扫描一行，相比 逐点扫描，速度有很大提高。富士公司提出的行扫描装置，采用激光二极管列阵 发光，发出的光经柱面透镜汇聚成一条激光扫描线对影像板进行扫描，在扫描中 所用的探测器一般是c c d 阵列【l 列。使用行扫描的扫描系统不仅能大幅的提高扫描 时间，而且可以缩小扫描和探测系统所占用的空间，富士公司还进一步把行扫描 装置中的扫描光系统和荧光收集系统集成在一起做成探测头【l 6 。 我国影像板及c r 系统研究起步较晚，复旦大学在1 9 9 0 年研制出一套成像板x 线 摄影( 简称c r i p ) 实验装置，并在此基础上推出于1 9 9 2 年推出一台试验样机旧。 j ! u 2 0 0 2 年，全世界有1 0 0 0 0 多台c r 投入使用，而国内至1 j 2 0 0 3 年有5 0 0 多台c r 投入使 用l z j ，至1 j 2 0 0 6 年，国内还没有生产自己c r 产品的公司，只有少数组装外国公司c r 的企业【6 j 。目前，我国c r 系统在技术和生产数量上都与国际水平有一定差距。因此 自主研发能够满足医疗和工业领域使用要求的c r 产品对于我国来说是十分有意义 的。 5 北京交 通 大学硕 士 学位论文绪论 随着石油天然气长输管线制管标准的提高，管端、补焊等处的x 射线照相检验 以其显示直观，检测灵敏度和分辨率高等特点，成了国内外重要长输管线检出线 状危害性缺陷，保障管线质量的重要手段，c r 系统继承工业x 射线胶片拍摄法的优 点，同时还能克服x 射线胶片拍摄法的不足，c r 系统的成本较高使其在利润不高 工业探伤领域裹足不前，而在医疗领域成功推广。要体现c r 系统在工业探伤领域 的优点，不仅要成倍提高影像板的探测效率和影像板的影像质量，而且要大幅降 低探测成本1 3 j 。 1 3 论文的主要研究内容及要完成的目标 本论文的主要研究内容和目标为： 1 ) 设计一种实验装置实现荧光的有效收集，在此装置基础上，通过实验研究 明确影像板发射荧光特性与读出装置几个关键参数的关系，由此确定在设 计读出装置时关键参数的最佳取值。 2 ) 在关键参数取值选定的基础上，完成一种新的读出装置的设计，本论文主 要涉及影像板扫描和荧光收集的光学系统设计。 3 ) 总结所设计读出装置的优点与不足，针对不足之处，提出一种改进方案。 6 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 2 1c r 系统构成 2 c r 成像技术 c r 系统主要由：信息记录和采集部分( 由x 射线源和影像板完成) 、影像扫描 部分( 由读出器完成) 、图像的后续处理( 由计算机完成) 和存储( 由存储器件完 成) 等四部分构成【1 8 】。 影像板( i m a g ep l a t e ，又称成像板，或简称i p 板) 是由辉尽性荧光物质构 成的，它能将x 射线信息以潜影的形式储存起来，完成信息的记录。当遇到强光 激发出，再将信息以荧光的形式释放。影像板是c r 系统的核心元件，类似x 射线 胶片透射中胶片的作用【1 9 1 。 c r 系统的具体工作流程如图2 1 1 所示：影像板( i p ) 被x 射线曝光以后， 形成潜影信息，完成x 射线能量信息的存储；然后将影像板送入读出器进行扫描 读出，读出器中的激发光将潜影信息以荧光的形式激发出来，荧光被读出器中的 光电倍增管接收后转换成电信号，再经模数转换变成数字输入电脑，在电脑中形 成数字图像，这个过程即为影像板的读出过程；数字图像在计算机中进行图像处 理后输入存储器保存起来，经读出器扫描后的影像板还有部分残余信息，在重新 使用影像板前，可用擦除器中的强光将残余信息擦喇硎。 图2 1 1c r 系统工作流程图 7 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 2 2 影像板原理及特性 2 2 1 影像板原理 影像板( i p ) 作为c r 系统的核心元件，承担着信息采集和记录的作用。影像 板由某些荧光发射物质构成，这些荧光发射物质即为可受光刺激的感光聚合物涂 层，主要荧光物质为含有微量二价铕的卤化钡晶体，例如：富士公司的影像板其 荧光物质为：召。朋，：彰+ u 9 】。 这些荧光物质初次被激发时，将能量信息以潜影的形式保存下来；遇到第二 次激发时，再将潜影信息以荧光的形式释放出来。我们将这种现象称为光致发光 ( p h o t o s ti m u l a t e dl u m in e s c e n c e ，p s l ) ，这种荧光物质叫做辉尽性荧光物质 ( p h o t o s t i m u l a b l es u b s t a n c e ) 【2 l 】。 下面以富士公司的影像板( 含荧光物质：b ：彰+ 晶体) 为例来介绍其工作 原理【1 9 】【2 2 1 ，图2 2 1 为艘：e + 的能级示意图，f 从b s 图中我们可以看到： 当对影像板进行x 射线曝光时，荧光物质内部晶体( b 。f b ：砰+ ) 中的电子被投 射到影像板上的x 射线能量激励，电子从价带被激发到导带，, 即e h ：+ 寸e h “，并且 被b r 一和f 的空位所俘获，在半稳定的高能态上储存下来形成潜影。这个半稳定 的高能态称为光激发射荧光中心，也n f 中心。这个过程叫做x 射线信息的记忆， 完成x 射线能量信息的采集和记录。如图2 2 1 中实线所示。 用激光束扫描i p 板，激光能量被俘获在半稳定高能态( f 中心) 的电子吸收， 电子被释放，f 中心的电子将返回导带，并向价带跃迁，即函，+ 一勘2 + ，在这个过 程中伴随荧光产生。这种荧光发射的强度与原来接收的x 射线能量成比例，因此可 以通过探测荧光的强度来获得入射x 射线的强度，这个过程叫做潜影信息的读出， 潜影信息的读出要由设计的读出装置来完成。如图2 2 1 中虚线所示，通过这个过 程，完成x 射线信息的读出。 激发出的荧光经光电探测器接收到，需行光电转换和模数转换，变成数字信 号送入计算机进行处理，最终形成数字化图像。 8 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 奇市 一 t 2 5e v 一 6 6“t e ，e 。、 v7 f ( b r ) 4 6e v 8 2c v 3 2 e v _一 p 一2 + ，p 一3 + 价带 圈一回 图2 2 1b a f b , ：e + 能级示意图 激发荧光的量依赖于影像板初次激发的x 射线量，同时还受到读出装置中一些 参数的影响，怎样最多激发出荧光，以及最多的收集激发出的荧光，是在设计读 出装置需要考虑到的重要因素。 2 2 2 影像板结构 影像板的厚度一般约为半毫米，具有柔韧性、可弯曲成一定形状放置。一张 影像板可重复利用上万次，影像板的寿命根据不同的厂家及扫描机构的不同，日 本富士的影像板给出的寿命为大于1 0 0 0 0 小时：美国柯达的为3 0 0 0 0 小时【6 1 。 影像板通常由如下几部分构成【1 8 】： 下涂层 背表面保护层 蕊心心渊 忒忒蕊测 彩钐 表面保护层 荧光层 基板支持体 图2 2 2 影像板结构图 9 北京交通大学硕士学位论文cr成像技术 1 ) 表面保护层：一般采用聚脂树脂类纤维制成高密度聚合物硬涂层，可防止 荧光物质层受损伤，保障影像板耐受机械磨损，免于受化学清洗液腐蚀，使其耐 用性高、使用寿命长。在使用阅读器处理影像板时应注意不要强力弯曲以保障其 寿命。 2 ) 辉尽性荧光物质层：通常厚约3 0 0 i lm ，由辉尽性荧光物质( 例如含有微量 素砭+ 的b 。x b ，：彰+ ，x = c 1 、b r 、i ) 与多聚体溶液混匀，均匀涂布在基板上，表 面复以保护层构成。 这种感光聚合物具有非常宽的动态范围，对于不同的曝光条件有很高的宽容 度，在选择曝光量时可以有更多的自由，从而可以使一次拍照成功率大大提高。 在一般情况下只需要一次曝光就可以得到全部可视的判断信息，而且相对于传统 的胶片法来说，它的x 射线转换率高，需要的曝光剂量也大大减少，可少至传统胶 片法的1 5 - 1 2 0 。 3 ) 基板( 支持体) ：相当于x 射线胶片的片基，它既是辉尽性荧光物质的载 体，又是保护层。多采用聚脂树脂做成纤维板，厚度在2 0 0 - 3 5 0l zm 。基板通常为 黑色，背面常加一层吸光层( 图2 2 2 0 ? 的下涂层) 。 4 ) 背面保护层：其材料和作用与表面保护层相同。 影像板可在普通室内明间进行操作，无需暗室处理，处理速度快。i p 板可装 入标准的x 射线胶片盒中与铅或其他适当的增感屏一起使用，曝光后，可手工将其 从胶片盒取出，插入阅读器进行成像处理，在重新用于曝光之前需要使用专门的 擦除器( 消光器) 处理。 2 2 3 影像板特性 1 ) 发射光谱与激发光谱：辉尽性荧光体可发出蓝一紫光，它由荧光体内少量 的二价铕离子产生，发光强度依激发影像板的光线波长而定。辉尽性荧光强度与 读取照射光波长的关系曲线称为激发光谱( e m i s s i o ns p e c t r u m ) 2 1 】【2 3 1 ，如图2 2 3 所示【6 】。从图中可以看出，用6 0 0 r i m 左右波长的红色光读取时，荧光激发能量最强。 在读取光激发下，已储存x 线能量的影像板中辉尽性荧光体发射出强度与x 线能量成正比的蓝一紫光，并在3 9 0 4 0 0 n m 波长处取得峰值【2 1 】【2 3 】。辉尽性荧光强 度与其波长的关系曲线称为发射光谱，如图2 2 3 所示【6 】。 辉尽性荧光物质的荧光晶体为勘2 + 晶体，当掺杂不同的卤化物杂质时，其激发 光谱和发射光谱的峰值稍有差异。例如，吃皿：砰+ 荧光体，发射光谱的中心波长 为3 9 0 + 2 0 d j n 的蓝光，最佳的激发波长为6 3 0 n m 左右红光【1 9 1 ； 1 0 北京交通大学硕士学位论文 cr成像技术 3 历 c c 5 0 06 0 07 0 0 w a v e l e n g t h ( r i m ) 图2 2 3 发射光谱与激发光谱 2 ) 影像板的时间响应特征【6 】：当停止用激光照射荧光体时，辉尽性发光按其 衰减规律逐渐终止。荧光体被二次激发后，激发出的荧光强度达到初始值的1 e 的时间称为光发射寿命期，影像板的光发射寿命期约为o 8 胪。荧光衰减时间极 短，因此，一般不会发生采集和读出信息的重叠，即影像板具有很好的时间响应 特征，如图2 2 4 所示： 图2 2 4 影像板荧光体的时间响应 ( 砧 o 8 6 4 2 o ， o o o 谯 n 北京交通大学硕士学位论文 cr成像技术 3 ) 影像板的动态范围：影像板发射荧光的量依赖于第一次激发的x 射线量， 研究表明在1 0 4 的范围内具有良好的线性和动态范围【2 l 】。i p ( 影像板) 的动态范围 比屏片组合宽得多，胶片只有1 0 2 【2 4 1 。 图2 2 5 中所示即为影像板的动态范围和线性图线【捌 x t y 神翻o n “10 0i l m 2 图2 2 5 影像板的动态范围和线性 4 ) 影像板存储信息的消退：x 射线激发影像板后，信息潜影被存储于荧光体 内，在读出前的存储期间，一部分被俘获的光电子将逃逸，从而使第二次激发时 荧光体发射的辉尽性发光强度减小，这种现象称为消退【2 5 1 。 影像板的消退现象很轻微，如图2 2 6 所利2 2 】：读出前，存储8 小时荧光体 的发光量减少2 5 ，但由于c r 设备对光电倍增管增益的补偿，按标准条件曝光的 影像板在额定存储时间内几乎不受消退的影响。若i p 的曝光不足和存储过久，则 会由于x 线光子数不足和天然辐射的影响，致使噪声加大。因此，最好在第一次 激发后的8 小时内读出i p 的信息【2 1 1 。 1 2 一民_o翟-_cn；一臼篮 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 a c 昱 - 芒 鼍 i 茁 黼t 畸 图2 2 6 影像板的消退特性 影像板被扫描完成后，可用强光( 5 0 0 w 的白炽灯) 照射约3 秒即可消除残余 的潜影，即i p 板可重复使用【2 6 j 。 5 ) 天然辐射的影响：影像板除对x 射线敏感，对其它形式的电磁波也敏感， 如紫外、y 等射线，随着这些射线能量的积蓄，在i p 上会以影像的形式被检测出 来。因此，使用前应先用激发光线消除这些影响，在影像板不使用时，应存放在 暗盒中【2 1 】。 2 3c r 系统的读出原理 c r 的读取过程就是用特定波长的激光作为激发光源，经光学扫描系统对已存 在潜影的成像板进行均匀快速的扫描，并把激发出的荧光用特殊的光导器件传送 到光电探测器中转化为电信号。电信号经过模数转换为数字信号成为可以在计算 机上观察的图像【2 刀。 c r 系统虽然在读出技术上不断提高创新，但几乎所有c r 系统读出器都是基于 “飞点扫描”的方法。“飞点扫描概括说来即：用聚焦后的激光束激发储存在 辉尽性荧光物质中的潜像，整个屏面上每次只激励一个点，然后采用适当的光学 收集器，捕获从每个点发出的荧光，由光电探测器将其转换为模拟信号，然后经 过取样和量化获得数字图像【2 引。 要完成整张板的扫描，还须借助一定的传动装置，具体如图2 3 1 所示：随 着影像板的匀速移动，激光束由摆动式反光镜或旋转多面体反光镜进行反射，并 由f - 0 透镜聚焦在影像板上，对影像板整体进行精确而均匀地扫描。受激光激发 1 3 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 而产生的辉尽性荧光被高效光导器采集和导向，经光电倍增管进行光电转换和放 大，再由a d 转换成数字图像信号。当影像板扫描完成一行后，载物平台在电机 控制下，使影像板在垂直于扫描线的方向上向前移动一个微小距离，再进行下一 行扫描，直到扫描完一张影像板后，就能得到一幅完整的数字图像 2 9 1 。 图2 3 1 读出原理图 管 在点扫描的基础上，可以通过各种改进方法提高其扫描速度和图像质量，点 扫描读出方法的改进重点之一在其光学扫描系统和荧光收集系统。光扫描系统中 用旋转电机带动扫描镜旋转进行扫描，扫描转镜的选取在一定程度上决定扫描的 方法。荧光收集系统多采用反射镜将荧光尽可能多的反射到光电探测器。 c r 系统读出器的分辨率达到1 0 l p 唧，扫描速率可达每秒5 0 行，能提供快速的 线性输出。i p 的读出通量( t h r o u g h o u t ) 随不同的c r 设备有不同，一般为6 0 幅小 时【6 】【3 0 1 。 为了能扫描高分辨力的i p 板，必须采用相应的高分辨阅读器，为了提高效率， 还要提高扫描i p 板的速度，因此必须采用高速、高分辨率的激光扫描和放大系统 以及高速且性能良好的机械传送系统，还必须有高速且性能稳定的图像处理和存 储系统，采用专用软件以改善图像质量【l 引。 c r 系统与照相胶片类似，成像质量接近于胶片，由于影像板具有柔韧性，传 统x 射线能摄照的部位也都可以用c r 成像，对c r 图像的观察与分析也与传统x 射线 照片相同。所不同的只是c r 图像是由一定数目的像素所组成，c r 图像的空间分辨 率低于胶片，但是它的图像密度分辨率高于胶片，传统x 射线胶片不如c r 图像信息 1 4 北京交通大学硕士学位论文 c r成像技术 量大【1 8 】【3 1 1 。 c r 与直接式d r 成像系统比较，d r 为直接成像，由探测器直接产生数字图像。 c r 为间接成像，它首先通过影像板产生潜影，再通过读取装置产生图像，由于为 二次成像，既增加了成像环节，又丢失部分图像信息，降低了图像的信噪比；d r 系统无光学散射引起的图像模糊，其清晰度主要由像素尺寸大小决定。c r 系统在 受到照射时，存在散射现象，可以引起图像模糊。但是，c r 系统也有d r 所不具备 的优点：便携、读出设备与影像板分离，代替胶片的影像板可重复使用，动态特 性线性度比胶片好，需要的曝光时间短，适用于野外环境。同时，c r 的成本l e d r 要小，d r 与x 射线机的匹配性也不如c r 。所以，在短时期内c r 不会被d r 取代【3 2 】- 【3 7 1 。 在c r 系统中，由于读取装置的电、光学等特性是影响图像质量的重要因素之 一，所以，在研制影像板读取装置时要注意以下几点【3 8 】： 1 ) x 曝光量对激励荧光信噪比的影响，因i p 板x 曝光不用荧光增感屏，所 以i p 板的灵敏度比x 光胶片要高，而且x 光曝光量，激励光，荧光这三 者存在一定的比例关系，对信噪比的影响较大。 2 ) 激发光束的功率、直径、波长，及激励光入射i p 板的角度等，都对成像 质量有影响。 3 ) 荧光收集器对4 0 0 n m 蓝光的高效传输，并有最佳的收集效率，保证高的信 噪比。 4 ) i p 板擦除对信噪比的影响。对不同的x 光曝光能量，激励读取后还残留 着x 光能量信息，有的可读数次，如擦除不净，就会影响信噪比。 5 ) 光电及传动系统的噪声：在读出过程中，外来、反射光的干扰、光学系统 的噪声、电流、机械传导系统的稳定程度，都直接影响着图像质量。 1 5 北京交通大学硕士学位论文 cr 读出系统元件参数确定及实验研究 3c r 读出系统元件参数确定及实验研究 c r 系统的潜影信息的读出可以简单概括为：信息的激发和荧光的收集。因此， 研制出一台c r 系统读出装置样机，需要考虑两个问题：用什么样的方式去激发影 像板，能激发出最多的荧光量；以及怎样尽可能多地收集这些荧光，这两个问题 的解决都须借助一定的光学系统来完成，这就是读出装置光学系统设计的目的。 信息的激发称为扫描系统，荧光的收集称为荧光收集系统，可以用结构框图简单 描述，如图3 1 所示： 图3 1 荧光激发和收集框图 在扫描系统中，激发荧光的多少，主要与激发光源的波长、功率、入射方向 等因素有关，除此之外还要考虑到激发光直径大小、光电探测器及传动装置对图 像分辨率的影响，这些因素都是在进行读出装置样机研制前需要确定的关键参数。 为了解决读出装置这些参数的选取问题，需要通过实验，研究这些参数与激 发荧光的关系，为实现这一目的，我们要设计一种实验装置。此实验装置首先要 实现荧光的有效收集，只有观察到荧光信息，才能通过改变实验条件来确定来激 发光功率、光束直径、激发光入射方向等参数与激发荧光量的关系，并进一步得 到这些参数的最佳取值。若实验装置若能有效的收集荧光，后面要设计的读出装 置的荧光收集系统可参照此实验装置来实现。 基于这一目的，我们先设计一种荧光收集系统，设计时应该满足【3 9 】： 1 ) 尽可能多地将激发出的荧光进行反射； 2 ) 被反射的荧光应该尽可能多地进入光电探测器； 3 ) 能有效的将荧光和激光以及其他杂散光分离，除去可能进入光电探测器的 激光及其他杂散光。 1 6 北京交通大学硕士学位论文 cr 读出系统元件参数确定及实验研究 3 1 实验装置的设计 3 1 1 实验装置的结构 从上述三方面考虑一种荧光收集系统的实现方法，将这种荧光收集系统作为 研究参数最佳取值的实验装置。 通过对比以往的读出装置可以看到：对荧光的反射比较多地应用椭球面反射 腔，或者平面反射镜来实现。荧光收集也多采用光纤排，或者光电探测器列阵。 这些方法一般会存在结构复杂、实现难度大，元件加工困难，成本高等缺点。 本着设计一种结构简单、易于实现、成本低廉的读出装置的目的，我们将采 用分光镜来实现荧光收集，为了较多地收集荧光，将荧光从影像板激发以后，首 先利用大相对孔径的透镜将荧光发散角缩小，变成平行光，再利用荧光和激光波 长相差较大的特点，设计一种特殊的分光镜，使其具有透射激发光，反射荧光的 特性，如此可以将荧光和激发光进行分离。被分光镜反射的荧光由透镜聚焦后送 入光电倍增管进行光电转换，经过模数转换送入计算机形成数字图像。在荧光进 入光电倍增管之前，须在光电倍增管前面加滤波片，将少量的激光和杂散光滤掉。 据此设计出荧光收集系统，如图3 1 1 所示： 图3 1 1 荧光收集系统结构图 在此系统中，激光器、扩束准直镜、分光镜、透镜1 满足同轴共路，激光由 准直系统准直后，经滤波片1 到达分光镜，透射后经聚焦透镜1 入射到影像板上， 此时，已经被x 射线曝光的影像板激发出荧光，大部分荧光经聚焦透镜1 聚焦后 到达分光镜，由分光镜反射，经聚焦透镜2 和滤波片2 到达光电倍增管，被光电 1 7 北京变通大学硕+ 学位论文 cr 读出系统元件参数确定及实验研究 倍增管接收，经光电转换后在电脑中得到荧光强度随时问的变化图线。 本文设计的系统中，激发光源选用功率5 m w ，波长6 3 3 n m 的h e n e 激光器，滤 波片1 的作用是滤掉红光中的杂散光；镀膜分光镜的作用是允许激光透射，荧光 反射；滤波片2 的作用为只允许3 9 04 0 0 n m 的荧光透过，从而将激光和背景光滤 掉。 激光扫描过程中，垂直入射到影像板的共轴光束位置不动，影像板由步进电 机驱动进行横向移动，完成影像板横向行扫描。扫完一行以后，纵向位置由高度 可调的光具座控制完成换行。 31 2 实验装置有效性验证 由于激发出的荧光用肉跟无法观察到，而且能量很弱，光电倍增管只能得到光 强信息无法得到波长信息。所以，首先通过实验验证本收集装置所收集到的光 信号是否为荧光，以确定此荧光接收系统的有效性。 在图3 1 1 中所示的实验装置下进行此实验，实验装簧实物图如图3l2 所示： 图3 1 2 实验装置实物图 将影像板分成三个区域，左右两侧在x 射线曝光时放置厚铅板遮挡，中间区域 不用铅板遮挡。如图3l _ 3 所示：左右两侧用厚锚板的遮挡，几乎未被x 射线曝光， 所以称无鼹光区域：而中间区域未被遮挡则为曝光区。 通过这种方法使曝光到影像板上的x 射线能量产生梯度分布，根据影像板的工 北京交通大学硕士学位论文c r 读出系统元件参数确定厦实验研究 作原理，被激发的辉尽性荧光强度与曝光的x 射线能量成比例。因此，经本实验装 置得到的荧光曲线也应成梯度分布，而背景光或激光则无此性质。所以，可由扫 描到的图线形状确定接收到的光信号是否为荧光。 一置 t j i _ 放置钳版 无曝光区 域 图3 13 影像板x 射线曝光示意图 影像板x 射线曝光条件为：电压7 0 k v ，电流2 a ，曝光时间2 5 s 。 被x 射线曝光的区域大约位于中间位置，范围：从a 到b 约为6 c m ，从c n d 约为 1 5 c m 。影像板如上图所示放置，影像板由步进电机驱动从b 向a 移动，扫描光束则 相对地在 b 方向之间进行移动，完成对影像板的横向扫描。 当激发光由 到b 做横向扫描，得到结果如图3 1 4 所示： 1 0 0 0 9 0 0 。0 0 7 0 0 6 0 0 善s o o 兰枷 o 。 1 0 0 o 固3 14 由荧光收集装置得到的荧光曲线 北京交通大学硕士学位论文 cr 读出系统元件参数确定及实验研究 实验所得图线呈梯度变化，两侧能量几乎为零，对应影像板没有曝光的区域， 中问能量值凸起，对应中问曝光区域。实验结果与实际情况符合得很好，可以证 明此荧光收集装置收集的有效性，若此系统的荧光收集效率能满足读出装置样机 设计的要求，则可以将此系统荧光收集的实现方法应用于后面设计的读出装置中。 下面通过计算来确定此系统的荧光收集效率。 3 1 3 荧光收集效率计算 成本较低的设计目的，并且能有效收集到荧光。下面通过计算得到此收集装置的 收集效率。 荧光收集效率的计算公式为【删： 一咖呻= 昙i 南s i n 。1 ( 南0 ) 2 + 1 2 + h 2 ) + ( 3 - 1 - 1 ) 南r - - s i h n 一( 丽舞h ) 1 = n i f 2 = = = = = = | i 国2 + 2i 国2 + ，2 + 2 l 公式中：国是指荧光接收孔径的宽；z 是指荧光接收孔径的长；h 是指荧光接 收孔径距离影像板的高度。 此荧光收集系统将应用于后面的读出装置设计。被激励出的荧光在影像板表 面发生散射，可以将散射面看成一个半球面。聚焦透镜l ( 或扫描透镜) 接收到的 荧光区域可以看作一个圆锥面，如图3 1 5 所示：此圆锥面的截面为一圆形( 图中 椭圆示意) ，为了对应上面公式的参量，可将此圆面等效成一个长宽相等的正方形 ( 图中方形示意) 。 图3 1 5 计算荧光收集效率示意图 将g o = ，= 1 8 o o m m ，h = 1 5 o o m m 代入公式( 3 1 1 ) ，通过计算可得此收集装置 的收集效率约为6 4 。 在上述计算中，e o , l ，h 的具体取值是根据：设计的读出装置外观尺寸，我们 北京交通大学硕士学位论文 cr 读出系统元件参数确定及实验研究 要求扫描透镜安装在距离影像板约为15 6 0 m m 处，所以取h = 15 o o m m 。按照读出装 置样机设计的要求，样机收集效率应满足6 0 以上，若己知收集效率为6 0 ，由公 式( 3 - 1 1 ) 可推得：0 9 = ，约为1 8 0 0 m m 。 上述结果不仅确定了读出装置的收集效率，还为我们在后面设计读出装置时， 确定扫描透镜的参数提供了依据。在选择扫描透镜接收荧光时，透镜的有效孔径 必须大于1 8 o o m m ：4 能保证荧光收集效率在6 0 以上，同时，结合读出装置样机空 间尺寸的要求，根据这两个标准我们可以确定出扫描透镜的参数。 综上所述，本实验装置不仅有效的实现荧光收集，而且结构简单、易于实现， 收集效率也较好地满足了读出装置的设计要求，可以作为要设计的读出装置的荧 光收集系统。 3 2 影像板发射荧光特性研究以及读出系统参数选择 3 2 1 由影像板的激发和发射光谱确定的元件参数最佳值 根据影像板的激发和发射光谱的特性，我们可以确定激励光的波长、光电探 测器选取、滤波片的滤波范围、分光镜的透射和反射波长范围等参数： 1 ) 影像板的激发和发射光谱特性，为我们寻找最佳的激励光波长提供了参考 依据。本论文使用的是富士公司影像板，根据其发射和激发光谱可知，其 发射光谱的中心波长为3 9 0 + _ 2 0r i m 的蓝光，最佳的激发波长为6