（光学工程专业论文）医用光热式胶片成像系统的研究和开发.pdf

9 2 0 3 医用光热式胶片成像系统的研究和开发 摘要 光热式成像技术是医疗影像硬拷贝领域中迅速崛起的一项高新技术， 它以专 用的胶片为图像载体， 使用激光进行胶片曝光， 然后经过加热使图像显现， 不需 要使用化学药水进行复杂烦琐的显影、 定影过程。 由于光热式成像系统具有环保 节水、 操作简便等诸多优点，己 逐渐开始成为医用胶片成像系统的主流产品。目 前国 外的医 用光热式成像系统价格昂贵， 国产的系统目 前还很少， 严重制约了 该 技术在国内的推广使用。 因此降低成本、 提高系统性能是该技术走向普及所面临 的主要问题。 本论文主要涉及医用光热式成像系统的设计与实现， 详细论述了系统的设计 方案、 实现方式、 性能测试和结果分析， 研究如何开发出成本较低、 性能良好的 医用光热式成像系统。 从系统实用化的角度出发， 做了一些有益的探索工作， 初 步完成了实验样机的研制。样机中，激光光源为波长 7 8 5 n m的半导体激光器， 使用的胶片为k o d a k 的d r y v i e w激光干式胶片。 胶片的横向 扫描由 远心f - t h e t a 透镜和振镜实现，纵向扫描由步进电机驱动胶片传送辊轴实现。图像数据由p c 机通过u s b 2 .0 接口 传送至样机。结合具体的设计参数，分析了 系统的分辨率， 胶片密度均一性、 转换特性以 及非线性度偏差等， 并且通过对胶片密度转换特性 进行校正， 实现胶片密度图像与原始灰度图像的正确对应。 使用这台样机得到的 胶片图 像分辨率超过 3 0 0 d p i ， 胶片密度范围0 .4 -2 . 1 ，完成一张 ( 1 0 x 8 ) 胶片的扫描时间为 1 8 秒，基本达到了系统设计的要求。 关键词:光热式成像技术;图像:激光;扫描;密度;校正 r e s e a r c h a n d d e v e l o p me n t o f me d i c a l p h o t o t h e r mo g r a p h i c s y s t e m ab s t r a c t t h e p h o t o t h e r m o g r a p h y i s a n e w t e c h n o l o g y o f m e d i c a l f i l m h a r d - c o p y f i e l d , w h i c h e m e r g e s a t t r e m e n d o u s p a c e a t u s e s l a s e r b e a m t o e x p o s e t h e s p e c i a l f i lm , t h e n d e v e l o p s b y h e a t i n g t h e f i l m . t h e p h o t o t h e r m o g r a p h i c s y s t e m d o e s n o t u s e c h e m i c l i q u i d t o d e v e l o p a n d f i x t h e f i l m . i t h a s m a n y v i r t u e s , s u c h a s s a v i n g w a t e r , p r e v e n t i n g t h e p o l l u t i o n o f t h e e n v ir o n m e n t a n d e a s y o p e r a t i o n . a t t h e p r e s e n t t i m e , t h e p r i c e o f i m p o r t p h o t o t h e r m o g r a p h i c s y s t e m s i s v e r y h i g h , a n d d o m e s t i c p r o d u c t s a r e n t m a t u r e e n o u g h , s o i t c a n n o t b e w i d e l y u s e d i n o u r c o u n t r y . t h e m o s t i m p o r t a n t p r o b l e m s t o b e s o l v e d a r e r e d u c i n g t h e c o s t a n d i m p r o v i n g p e r f o r m a n c e o f i t . h o w t o d e s i g n a n d i m p l e m e n t a p h o t o t h e r m o g r a p h i c s y s t e m w a s i n t r o d u c e d i n t h e d i s s e r t a t i o n , m a i n l y i n c l u d i n g f o u r a s p e c t s : t h e d e s i g n s c h e m e , r e a l i z e d m e t h o d , p e r f o r m a n c e t e s t a n d r e s u lt d i s c u s s i o n . t h e s y s t e m w o u l d b e r e a s o n a b l e c o s t , g o o d p e r f o r m a n c e . f r o m t h e v i e w o f p r a c t i c a l i t y , w e d i d s o m e m e a n in g f u l w o r k a n d m a d e a n e x p e r i m e n t a l p r o t o t y p e . i n t h i s p r o t o t y p e , t h e w a v e l e n g t h o f l a s e r i s 7 8 5 n m a n d t h e f i l m i s k o d a k s d r y v i e w s e r ie s f i l m . o n e d i m e n s i o n s c a n n i n g o f t h e f i l m w as p e r f o r m e d b y a t e l e c e n t r i c f - t h e t a o b j e c t i v e w i t h a m o v i n g c o i l o p t i c a l s c a n n e r ; t h e o t h e r d im e n s i o n w a s s c a n n e d t h r o u g h a s t e p p i n g m o t o r d r i v i n g t h e r o l l e r s . t h e d a t e s o f t h e i m a g e t r a n s m i t t e d f r o m p c t o t h i s p r o t o t y p e t h r o u g h t h e u s b 2 .0 i n t e r f a c e . t h e f e a t u r e s a n d s p e c i f i c a t i o n s o f t h e s y s t e m , s u c h a s t h e r e s o l u t i o n , n o n l i n e a r d e v i a t i o n , u n i f o r m it y o f f i l m d e n s i t y a n d c h a r a c t e r s o f d e n s i t y c o n v e r s i o n , w e r e a n a l y z e d b a s e d o n t h e a c t u a l p a r a m e t e r s . i n t h e d i s s e r t a t i o n , w e a l s o c o r r e c t e d t h e c h a r a c t e r s o f d e n s it y c o n v e r s i o n , s o t h a t t h e i m a g e o f f i l m c o u l d a c c u r a t e l y c o r r e s p o n d t o t h e o r i g i n a l g r a y i m a g e . t h e r e s o l u t i o n o f t h i s p r o t o ty p e e x c e e d e d 3 0 0 d p i . t h e m i n i m a l f i l m d e n s i t y w a s 0 .4 a n d t h e m a x i m a l d e n s i t y w a s 2 . 1 . i t t o o k 1 8 s e c o n d s t o s c a n a f i l m ( 1 0 x 8 ) i n c o n c l u s i o n , t h e p e r f o r m a n c e o f t h i s p r o t o t y p e c a n m e e t t h e d e m a n d o f p h o t o t h e r m o g r a p h i c s y s t e m . k e y w o r d s : p h o t o t h e r m o g r a p h y ; i m a g e ; l as e r ; s c a n n i n g ; d e n s i t y ; c o r r e c t i o n 1 1 浙江大学硕十学位论文 第一章 绪论 数字技术己 经渗入到人类活动的各个方面，医疗领域也不例外。近些年来， 在医疗领域主要用到的摄影技术有: 计算机x线摄影( c r ) 、 数字x线摄影( d r ) . 计算机体层摄影 c t ) .磁共振成像 ( m r l ) 、数字减影血管造影 ( d s a )等， 这些医疗影像设备的共同特点是以计算机为基础， 使图像信息数字化。 而数字图 像的 显示介质不外乎两类， 胶片和荧光屏。 在这两类显示介质中， 胶片对细微结 构的 显示 效果 优于 荧光屏。 因 此， 如何将人体中 采集到的各 种 影像信息 真实、 清 晰的显示在胶片上，是科学家们一直研究的课题。传统的方法是胶片通过曝光， 然后在显影液中进行显影， 继而再通过定影液进行定影， 最后得到包含图像信息 的 胶片。1 9 9 5 年k o d a k 公司研制出了光热式胶片成像系统，其采用激光干式胶 片， 工作中无需任何液体辅助材料，出片速度快， 节水环保。 它的出现标志着医 用胶片成像技术取得革命性的进步， 从此医用干式成像技术逐步走向成熟和实用 - 化，对相关领域产生了重大的影响。 本章首先简述医用干式成像系统的概念、 分类以及z作原理等内容， 进而引 出 本论文的主要研究内容和完成的工作。 浙江大学硕士学位论文 1 . 1医用干式成像系统 1 . 1 . 1 医用干式成像系统的概况 随着科学技术的发展， 医学影像逐步进入数字化时代。 数字化医学影像， 如 c 丁 、 m r i 和d s a图像等， 可以直接进行分析诊断。 但人们往往习惯分析胶片图 像， 而且胶片对细微结构的显示效果优于荧光屏， 于是诞生了医用成像技术， 又 称为胶片硬拷贝技术。 1 9 7 2 年伴随着c t机的问世， 在成像系统方面出现了c r t 型多幅照相机。1 0年后，湿式激光成像系统问世，因其采用的是数字激光曝光 成像，成像质量及其功能均明显优于c r t型多幅照相机。所以，c r t型多幅照 相机很快被湿式激光成像系统所取代。 1 9 9 5 年， 医用成像技术的革命性成果一一 光 热式 胶片 成像系 统 ( k o d a k 公司d r y v ie w系列产品) 制 造成功川 ， 它标志 着 医用干式成像技术走向成熟和实用化; 其后又出现了一些采用其他干式成像技术 的 产品， 如a g f a 公司的d r y s t a r 系列产品和f 助公司的d ry p i x 系列产品等。 干式成像系统省去了所有冲洗设备， 操作简便， 可以一次性成像， 不需再行 显影、 定影处理， 省去了药水配置， 洗片机的维护等繁琐工作。 而且干式成像系 统对医院而言，可以节省专用场地 ( 如暗房、排废管道等)的投资; 对放射科而 言， 工作环境将变得舒适干净( 无需排废) ， 机器放置可以更灵活方便。同时， 技 术员的工作量将大为减轻 ( 不用更换化学药水) :那些常常困扰着维修人员的冲 片故障也不存在了， 机器的 保养更为方便2 .3 1 。另外湿式洗片机的定、 显影废液 以及水洗后污水大量排放造成一定程度的环境污染， 这些严重的问题是我们不可 忽视且必须着手解决的， 而干式成像系统在上述问题上显示出极大的优越性， 据 统计， 使用干式成像系统， 每年能节约1 8 8 0 0 0 0加仑显影液， 3 2 0 0 0 0 0 加仑定 影液以 及5 4 0 0 0 0 0 0 0 加仑水14 1 。当然最重要的是，它能使唯一的消耗品，每张 干式胶片的摊薄成本比湿式激式胶片加药水维护费用及场地投资等的成本大大 降低。 干式成像技术与湿式成像技术相比具有影像质量稳定性高、营运成本较低、 节水和环保等优点，已广泛应用于c t , m r i , d r , d s a等医学影像的胶片硬拷 贝上。目 前，其在国外已得到广泛应用， 仅 k o d a k公司售出了超过2 0 0 0 0台的 一一一一一一一一一一一止b i b 达1 - 9 士 41 111f.论 文 d r y v i e w系列产品 ( 截至2 0 0 2 年)15 1 。 近几年， 医 用干式 成像系统也开 始进入 于我国各大医院，逐步取代传统的湿式成像系统。 1 . 1 . 2医用干式成像系统的分类及特点 医用干式成像技术大体上可分为激光成像和非激光成像两大类， 具体见图 的概述间 图1 . 1干式成像技术的概述 1 .干式激光成像技术 干式激光成像技术又可根据显影、定影方式的不同分成光热式成像和激光诱 导成像两种 式。 。 但其胶片曝光过程基本是一样的， 都是采用激光逐点扫描曝光的方 胶片运行方向 图1 .2 是激光扫描曝光的 作原理简图 浙江大学硕士学位论文 如图1 .2 所示， 激光束在调制后通过发散透镜投射到一个在实现x轴扫描的 光学系统上， 然后激光束再通过聚焦透镜系统， 最后投射到胶片上， 完成一个像 素点的曝光。当一行扫描完成后，胶片在高精度电机的带动下精确地在 y方向 上移动一个像素的距离， 然后开始下一行的扫描， 直到完成整个胶片的“ 幅式扫 描 曝 光 ， 17 1 。 光热式成像的原理是用红外线激光扫描光热式胶片， 使胶片形成潜影， 再通 过加热处理， 使影像显现。该技术原理将在后文详细介绍。目前该技术己经达到 比 较成熟的水平， 市场上的产品也比 较多， 代表产品如k o d a k 公司的d r y v i e w 8 7 0 0 和f u j i 公司的d r y p i x 7 0 0 0 等。 光热式成像系 统与 采取其他技 术的 成 像系统 相比，有较大的优势，是目 前市场上的主流产品。 激光诱导成像技术是激光成像与单一碳基介质技术的一种结合， 其激光扫描 方式和光热式成像技术基本一样。 所不同的是该技术使用的是碳基胶片， 高精密 的激光束作用于面积很小并各自 独立的区域中的热敏附着层形成图像热潜影， 使 该区域的碳被激活; 被激活的碳吸附于胶片的覆盖层上， 然后将包含有负像的覆 盖层剥掉， 所需的正像保留在聚脂基层上， 最后覆盖上一层保护层以便永久保存。 胶片上碳素色去除的程度与入射的激光光强成正比，通过光强变化形成图像灰 度，这就是该技术的成像原理1 8 .9 ) 。这种成像技术使用的胶片不含卤化银，其表 面是均匀涂抹的碳粉， 对日光不敏感， 可在明室操作， 也不需化学处理， 片基上 的碳粉只对激光起反应。 采用激光诱导成像技术的胶片打印机主要是p o la r o i d 公 司的h e l i o s 系列产品10 1 ，因为也是采用激光扫描的方式，其分辨率和灰阶数基 本能达到光热式成像打印机的水平。 主要缺点是机器结构较复杂。目前采用的己 比较少。 2 .干式非激光成像技术 干式非激光成像技术也有几种不同的类型， 己 投入实用的主要有千式助熔热 敏技术、 热敏染料升华技术和直接热敏成像技术三种。 由于直接热敏成像技术不 产生油墨等废料，更有利于环保，而且分辨率和灰阶数也都优于其他两种技术， 所以目 前成为干式非激光成像技术的主流方向， 市场上能见到的产品大都采用这 浙江大学硕士学位论文 种技术。 直接热敏成像技术是一种非激光扫描的成像技术， 它是将图像数据转换成电 脉冲后传送到热敏头， 再显现在热敏胶片上。 热敏头由 排成一列的微小的热电阻 元件组成， 热电阻元件能将电信号转变成热能。 胶片成像时， 热电阻元件产生的 热量传递到胶片上， 胶片热敏层受热发生化学反应， 使图像显现。 电信号的强弱 变化使热电阻元件的温度升高或降低， 胶片热敏层根据受热温度的高低， 产生相 应的像素灰度。 胶片出片的速度取决于热敏头元件的温度响应时间及能力， 热敏 头元件的响应能力是靠改变电压来控制的， 理论上讲， 在瞬间要让热敏头的温度 升高降低( 决定了 每一像素的灰阶) ， 是不太可能的 所以， 这种打印 速度比 光热 成 像 型 要 慢 一 些 (1 1,121 。 侣签饭 图1 . 3热敏头结构简图 图1 . 4热敏头f 作原理简图 干式热敏胶片的特点是对温度敏感， 即温度越高， 持续时间越长， 胶片密度 就越大。 目 前使用的干式热敏胶片根据所含显像材料不同分为有机银盐胶片和纯 有机物显色剂胶片，但其结构基本相同1 3 1 采用该技术的主要 产vp g 有a g f a 公 司的d r y s t a r 3 0 0 0 , 4 5 0 0 , 5 5 0 0 系列 产品 以 及f u j i 公司的d r y p i x 3 0 0 0 等。 除了以 上介绍的几种技术以 外， 还有目 前尚处于实验室试验阶段的喷墨成像 技术， 这些干式成像技术总的发展趋势都将是提高分辨率和灰阶数， 加快出片速 度， 并更加重视环保。 可以 预言， 随着技术水平的进步， 在不久的将来， 干式成 像技术定会成为胶片硬拷贝的主要方式，推进医学影像事业的不断发展。 浙江大学硕士学位论文 1 . 2 光热式成像系统概述 1 . 2 . 1 光热式成像技术的发展历程 光 热式成像技术 ( p h o t o t h e r m o g r a p h i c简称p t g ) 诞生于 上个世 纪中 叶， 伴 随着狡酸银化合物的研制成功而出现的。1 9 6 4 年，美国3 m公司发明了干银式胶 片， 标志着一种新的成像技术出 现。 这种胶片由 对光敏感的z n o 或a g b r . 作为 a g - ) a g “ 反 应的 催化 核 心， a g + 是由 胶片中 的 v酸 银 化合 物 提 供的。 曝 光 时， 受到光照的z n o或a g b r 周围， 大量a g i 转变为a g o ， 然后进行加热， 通过胶片 中 的 有 机显影 物质一一 对苯二 酚使得a g o 转变为黑色， 影像得以 显 现出 来 17 a 第一种能直接由 相机进行曝光操作的光热式胶片诞生于1 9 7 5 年。在此之前， 光热式胶片的曝光时间远远大于传统的感光胶片。 不过即使是高速曝光的光热式 胶片，它的曝光时间仍然比传统胶片要长两个数量级左右。 8 0 年代以后，由于吸收了半导体物理研究的新成果， 新工艺， 促进了半导体 激光器的飞速发展。半导体激光器具有电注入、调制速率高、寿命长、 体积小、 使用方便等特点， 因而一些新型的成像系统选用了半导体激光器做为了光热式胶 片扫描/ 曝光光源， 其中使用的较多的是红外波段半导体激光器。1 9 8 7 年，出现 了红外感光的光热式成像胶片及使用该种胶片的成像系统l j 。 1 9 9 5 年，光热式成像技术的革命性成果一一k o d a k 公司d r y v i e w 系列产品制 造成功， 光热式成像技术成功的应用到医用胶片硬拷贝领域川 ; 之后其他公司也 推出了一系列相应的产品， 使光热成像系统逐渐成为医用胶片硬拷贝设备的主流 产品，下面是目前医用光热式胶片主要产品及开发时间的列表ro l d r y v ie w m e d i c a l x 一 r a y fi l m( k o d a k ) ， 1 9 9 5 f u j i d r y i m a g i n g f i l m d i -a l ( f u j i ) ， 1 9 9 9 d r y s t a r ( a g f a ) ， 1 9 9 6 d r y p r o ( k o n i c a ) ， 2 0 0 0 浙江大学硕十学位论文 1 . 2 . 2 光热式胶片显像的基本原理 光热式胶片的工作原理是用红外线激光辐射使光热式胶片形成潜影， 再通过 1 2 0 以 上的 热鼓进行1 5 秒的加热处理， 使影像显现， 这是胶片中的金属银颗粒 密度发生变化造成的。 当光热胶片被激光扫措后， 激光光子进入了胶片的敏感层 将银离子变成金属银原子而形成潜影。 一个高能量的激光光子， 能与胶片敏感层 中的银离子作用， 可以在多个颗粒的感光中心产生上万个银原子。 曝光后的胶片 从旋转的热鼓中吸收热能， 热能作用于所有潜影中的银原子核而显影。 通过这一 催化作用过程银原子变成可见的金属银，即形成我们常见带有不同密度的影像。 金属银数量是和曝光在胶片上的光子数成正比例的16 .1 4 ) 激光束 加热 保扩 了 层 光敏层 片葵 图像 图1 . 5光热成像原理简图 光热胶片中的银离子一部分通过曝光并加热催化形成银颗粒， 另一部分则未 被曝光催化。 传统的胶片由定影程序把未经曝光的银离子清离出胶片， 而光热式 成像没有定影程序， 胶片中未曝光的银离子还残留在胶片上面。 胶片存放环境近 似于以上所述的成像条件时，残留在胶片上的银离子则有可能继续变成银颗粒， 也就是我们俗称的继续显影. 虽然阳光中的红外线强度不能与热打印中的激光束 相比， 但同 样会出 现少量的光子进入胶片敏感层中， 与残留银离子产生催化作用， 使银离子变成金属银形成新的 潜影。 当照片贮存环境温度过高时， 照片就变灰变 黑，因此胶片一定要避光低温保存5 ,6 。 1 . 2 . 3医用光热式成像系统的 组成与功能 医 用 光 热 式 成 像 系 统 主 要由 数 据 传 输 系 统、 激 光 光 源、 激 光 功 率 调 制 及 扫 描 / 曝光系统、胶片传送系统、加热显影系统以及整机控制系统等部件构成阴. 浙江大学硕士学位论文 图1 .s 是医用光热式成像系统简图。 争表 示 图 像 数 据 传输通道 表 示 激 光 光 束 _ 表示控制信号 传输通道 二 二 ， 送 片 图1 . 5光热式成像系统简图 数据传输系统是光热式成像系统与c t , mr i 或其他医疗摄影设备的数据通 道， 它接收摄影设备的数字图像数据， 并输送到系统的存储器中。 需要胶片曝光 操作时，控制系统直接从存储器中将要打印的图像数据取出。 激光功率调制系统用于控制激光器功率， 分为直接调制和间接调制两种。 直 接调制是直接控制半导体激光器的光功率; 间接调制是半导体激光器以一个稳定 的功率输出激光， 然后在激光光路上加上调制器， 如声光调制器等，以 此来改变 激光的光功率。 胶片上某一点显影后的密度值与激光照射在该点时的光功率值成 正比， 光功率越大， 密度越高; 而激光的光功率值又是由要打印的数字图像的灰 度值决定的。激光扫描/ 曝光光学系统在1 . 1 . 2 节以 介绍过。 胶片传送系统包括送片盒、收片盒、辊轴、高精度电机及动力传动部件等。 其功能是将要曝光的胶片从送片盒内取出，经过传动装置输送到激光扫描位置， 再把己 曝光的胶片送到加热鼓进行加热显影， 最后把显影完成的胶片传送给收片 盒。 控制系统是整个光热成像系统控制中 枢，负责系统各部件状态的统筹控制， 主要包括激光器的开启或关闭， 激光功率调制系统和扫描光学系统中的电 机或振 镜调节和控制，以 及胶片传送系统的运行等等。 整个系统的工作流程是: 先通过数据传输系统将图像数据接收到机器内部的 存储器中， 然后从片盒中取出胶片， 输送到激光扫描曝光的位置， 同时控制系统 浙江大学硕士学位论文 根据图像数据控制激光器功率以及光点在胶片上的位置， 使胶片正确曝光; 每扫 描曝光一行后， 胶片在传送系统的带动下精确地向前移动一个像素的距离， 然后 开始下一行的扫描。直到完成整个胶片的 “ 幅式扫描曝光” ，最后胶片进入加热 鼓中显影， 并送至收片盒。 通过整个系统各部件的共同作用， 实现了以下一个转 化过程: 这样，摄影设备上得到的灰度图像就转化为胶片上的密度图像 16 j 浙江大学硕士学位论文 1 . 3本论文的主要研究内容和完成的工作 医用光热式成像系统与传统的w.式成像系统相比， 具有操作简单、 占 地面积 小、 营运成本较低、 节水和环保等优点。目 前市场上的医用光热式成像系统整机 都是由国外厂商生产的， 价格昂贵， 一次性投入成本较高， 限制了 其在国内中小 型医院的推广与应用， 只有在大型医院中有使用， 还有很大的市场空间。 因此将 设计一个性能良 好、成本较低的新型医用光热式成像系统的作为课题的研究方 向。由 于整个系统的研制工作是一项庞大的工作， 它包括光学、电子、 计算机软 硬件以及机械传动等诸多领域的内容， 需要课题小组成员分工合作。 结合我的专 业特点和技术特长，本人的研究内容和完成的工作主要是以下几个方面: ( 1 )针对医用光热式成像系统要达到的 性能要求， 确定了系统的结构方案， 并对 其中的控制系统、 数据传输系统和激光功率调制系统进行了器件选择和总体 设计。 ( 2 )完成系统的电路设计。 其中主控制电 路，主要是使用c p l d / f p g a实现复 杂逻辑功能，完成对系统其他部件的控制:使用u s b 2 .0 作为图像数据从上 位机传输到干式光热成像系统的数据传输接口; 然后图像数据通过激光功率 调制电路中的d / a转换， 由数字型号转变为模拟信号， 用于激光功率的调制; 还包括其他一些如扫描系统驱动信号发生电路，系统供电电路等的设计。 ( 3 ) 对一些关键的数据进行测量， 如激光器功率/ 电流曲 线、 光热式胶片特性曲 线、 数据传输系统传输速度等，此基础上完成整个系统的调试与装配。 ( 4 )由 于 胶片特性曲 线和激光器功率 / 电 流曲 线都不是线性的， 要在系统中加入胶 片密度校正环节， 使得医疗摄影设备获得的图像能正确转化为胶片的密度图 像。 ( 5 ) 使用s m p t e 和i e c测试标准对系统特性进行检测和评价，主要测试项目 有 分辨率、灰阶水平以及胶片上的密度均匀性等。 结合上述研究内容， 本论文完成了医用光热式成像系统样机主要部件的研制 以 及 样 机的 测 试。 样机中 的 激光 光 源为 s a n y o d l - 7 1 4 0 - 2 0 1 s 波长 7 8 5 n m 的 半导 体 激光器 ( 功率为7 0 m w ) ， 使用的 胶片为 k o d a k 的d r y v i e w 激光干式胶片， 复杂可 编程逻辑器件c p l d 采用a lt e r a 的m a x 7 l 2 8 s t c 1 0 0 芯片，u s b 2 .0 接口芯片为 c y p re s s 的c y 7 c 6 8 0 1 3 。 胶片的 横向扫描由 远心f - t h e t a i i 镜和振镜实现， 图像数据 浙江大学硕十学位论文 由 p c 机通过u s b 2 .0 接口 传送至样机。 使用这台样机得到的胶片图 像分辨率超过 3 0 0 d p i ， 图 像数 据传输速率为8 m b / s ， 完成一张 ( 1 0 x 8 ) 胶片的 扫描时间 为 1 8 秒，达到了系统设计的要求。 浙江大学硕士学位论文 参考文献: t 齐学军， 张英魁等. 干式与湿式 激光打印 机成像质量对比 研究. 中国 航天医药杂志 2 0 0 3 , 5 ( 2 ) : 3 1 - - 3 4 2 李国岱. 干式成像系统技术及临 床应 用.暨南大学学 报( 医学 版) 2 0 0 2 , 2 3 ( 4 ) : 1 1 7 - - 1 1 9 3 1 李 a .浅 谈干式激光相机. 医 疗装备 1 9 9 7 , 1 0 ( 1 0 ) : 3 - 4 4 b c w i l le t t . k o d a k d ry v ie w l a s e r i m a g i n g s y s t e m s ， a c s s y m p o s iu m o n g r e e n c h e m is t r y r o c h e s t e r , n y , o c t 2 0 0 0 . ( 5 1 g a h l e i t n e r a , k r e u z e r s , s c h ic k s , e t a l . d r y v e r s u s c o n v e n t i o n a l l a s e r i m a g e r s : f i l m p r o p e rt i e s a n d i m a g e q u a l it y . r a d io l o g y 1 9 9 9 ; v o l . 2 1 0 : 8 7 1 - 8 7 5 . 6 ) 刘文华， 李国岱. 光热干 式打印成像技术及热敏胶片的 应用.实用放射学杂志 2 0 0 2 , 1 8 ( 3 ) : 2 4 72 4 8 7 l 韩萍， 熊茵. 医学影 像技术丛书- c t 扫描分 册. 武汉. 湖北 科学 技术出 版社2 0 0 0 , p 8 - 2 2 1 8 1 昊 琼琏. 医用干式 胶片成像系统及其评价. 金陵医院学 报 1 9 9 9 , 1 2 ( 1 ) : 5 0 5 1 4 1 尉 颖， 张 挽时， 杨 桦. 干 式 激光 相 机的临 床 应 用， 中国 医学 影 像学 杂 志2 0 0 1 , 9 ( 2 ) : 1 4 91 5 0 汇 1 0 1 s t e r l i n g . h e l i o s m e d o l 1 4 1 7 d r y v i e w l a s e r p r i n t , 1 9 9 8 1 i l l 胡 军 武. 医 学 数 字成 像技术. 武 汉. 湖 北 科 学 技术出 版 社2 0 0 1 , p 4 8 7 - 4 9 5 1 2 1 石明国， 李雪梅， 王喜林. 数字化干式打印 成橡技术原理及应用. 实用放射学杂志 2 0 0 2 , 1 8 0 2 ) : 1 1 0 1 - 1 1 0 3 ( 1 3 d a v i d r . wh i t c o m b a d v a n c e s i n p h o t o t h e r m o g r a p h i c i m a g i n g t e c h n o l o g y b a s e d o n s i l v e r c a r b o x y l a t e s . p h o t o g r a p h i c s c i e n c e a n d p h o t o c h e m i s t r y 2 0 0 3 , 2 1 ( 1 ) : 1 - - 1 9 h a b b a l f , c a r g i l l e .b , s c h u h d . , f e r l a g . n e w d i g i t a l h a r d c o p y s y s t e m f o r m e d i c a l d i a g n o - s p i e 1 9 9 3 , v o l . 1 8 9 7 : 2 0 42 1 4 路明， 杨萍 介绍激光成像系统 铁道医学 1 9 9 6 , 2 4 ( 3 ) : 1 9 41 9 5 赵强. 医学影像设各. 上海 第二军医 大学出 版社 2 0 0 0 , p 2 3 2 - 2 3 4 41ics习6 浙江大学硕士学位论文 第二章 医用光热式成像系统设计方案 胶片密度图像必须依靠医用胶片成像系统来获得，目 前， 医用胶片成像系统 有多种实现技术和与其配套的胶片， 它们有各自 的优缺点。 光热式成像技术除具 有干式成像技术共有的优点: 节水、 坏保、占地面积小和操作简便以外， 还具有 分辨率高、 灰阶等级数多以及出片速度快等优点。 因此光热式成像系统与采用其 他技术的成像系统相比， 有较大的优势， 是目前市场上的主流产品， 有较好的市 场前景。 综合考虑各方面的因素， 本论文选择了光热式成像技术做为胶片成像系 统的 实 现技术， 使用的 胶片是k o d a k 公司d r y v i e w系列激光医用干式胶片。 本章首先简述医用光热式成像系统采用的总体方案和系统结构， 然后介绍本 论文所参与设计的主要部件概况以及系统工作流程， 最后详细介绍各主要部件的 实现方式。 浙江大学硕十学位论文 2 . 1系统总体方案、结构和工作流程 2 . 1 . 1系统总体方案和主要部件概述 本论文所研究的新型医用成像系统， 应用于医疗摄影设备所得图像的胶片拷 贝， 胶片使用的是k o d a k 公司d ry v i e w系列激光医用干式胶片。 系统采用光热 式成像技术， 基本结构与一般的医用光热式成像系统一样， 都是由数据传输系统、 激光光源、 激光功率调制及扫描/ 曝光系统、 胶片传送系统、 加热显影系统以及 整机控制系统等部件构成。 p c 机 u s b 接口 功率 调制器 控制系统 及存储器 一 一，厂7 七 j 激光器 表示图像数据 传输通道 表示激光光束 表示控制信号 传输通道 * a e ! 雨箭飞燮还色日 图2 . 1 系统总体结构简图 图2 . 1 所示的是系统总体结构， 在一些部件上采用了独特的设计: 光学扫描 系统使用振镜实现行扫描， 结构比多面镜转动扫描更为简单; 激光器功率调制采 用直接调制的方式，不需要在激光光路上添加声光调制器;图像数据传输运用 u s b 2 .0 技术，实现高速、准确的数据传输;使用c p l d芯片做为控制系统核心 并为振镜扫描生成驱动信号， 简化了整个系统的结构。 系统各部件的功能在第一 章中已 介绍，不再赘述。下面介绍本人在本项目中参与设计的部件的概况。 1 .数据传输系统 采用u s b 2 .0 作为成像系统与上位机的数据传输系统。 u s b ( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ， 通用串行总线) 是外围设备与计算机进行连接的新型接口，具有热拔插、 传 输可靠、 接口 体积小巧和低成本等诸多的优点， 2 0 0 0 年4月2 7日， c o m p a q , 浙江大学硕士学位论文 h e w le t t - p a c k a r d , i n t e l , l u c e n t , m ic r o s o ft , n e c 和p h i li p s 7 家公司 共同 发布u s b 1 0 版本， 其传输速率提高到4 8 0 m b i t s / s a随着u s b 2 .0 版本的发布， u s b越来越流 行1日 前 它己 经 成为一 种 标 准 接口 11,2 1 目 前 主 流医 用光热式成像系统的 灰阶为4 0 9 6 级( 1 2 位) ， 分 辨率为3 0 0 d p i , 出片速度为6 0 片/ 小时 ( 采用 1 4 x 1 7 胶片) 13 1 。以该出片速度工作时， 要求 图像数据 设为 1 6 位)传输到成像系统后，不暂存到存储器，直接进行操作， 此时数据传输系统应具有的最小数据传输带宽为 b _一1 4 x 1 竺 卫 些 丝= 5 .7 1 2 ili b its l s 60 ( 2 - 1 ) u s b 2 . 0 接口 具有4 8 0 m b i t s / s 的 传 输速 度， 完全 有能 力满 足医 用光热式成像 系统数据传输带宽的要求。u s b接口 通过硬件设计和数据传输协议两方面来保 证其传输的可靠性。u s b发送器、接受器和电缆的硬件规范消除了大多数可能 引起数据错误的噪声。在 u s b协议中包含了数据错误的检测机制，用来确保数 据准确无误地发送和接收。 因此使用u s b 2 . 0 接口能保证图像数据快速， 准确的 传输，达到系统对这两方面的要求11 ? 1 2 扫描系统 扫描系统由 光学扫掐和机械扫描共同实现， 光学扫描没有采用如图1 .2 所示的 传统多面镜转动扫描， 而是使用了振镜偏转扫描的方式。 采用多面镜转动扫描需 要使用电机带动多面镜转动， 在高速扫描时惯性大、 震动大。 采用振镜偏转扫描 方式能克服这些缺点，满足系统扫描的要求1 3 1 振镜 图2 . 2振镜扫描原理图 二 5 浙江大学硕士学位论文 胶片x方向为光学扫描， 由振镜的偏转摆动及f - t h e t a物镜实现， y方向为 机械扫描，由胶片传送系统驱动胶片实现。 x方向的扫描原理如图 2 .2所示，振镜绕其转轴在高速摆动，将激光束以 不同的角度反射至f - t h e t a物镜， f - t h e t a物镜将不同角度的入射光束转换为不同 的扫描位置，实现对胶片x方向的扫描。图2 . 2 中，振镜处于p 状态时，激光束 的扫描位置在胶片上的a 点; 当振镜偏转至p 时， 激光束的扫描位置也相应的移 动到胶片上的 a点。 理想f - t h e t a物镜的聚焦作用下， 扫描激光束在胶片x方向 的位移量与振镜转角成线性关系。 因此， 只要振镜转角成线性变化， 就能保证激 光光束沿胶片的x方向作线性扫描运动。因为振镜的转角与驱动信号的电压成 线性关系， 而且在一个振动周期中， 只有正程为有效扫描行程， 故要给振镜驱动 电 路提供一个占空比为k的三角波作为驱动信号1 5 1 drivi口gvol件age 图2 .3振镜驱动信号波形图 假 设 驱 动 信号 的 波形如图 2 .3 所示。 图 中t . 为 振 镜的 正 程扫 描时间， t 2 为 回 程扫描时间，t为扫描周期，扫描占空比为 = / 十 。 _ t/ t ( 2 - 2 ) 在振镜与f - t h e t a物镜扫描胶片x方向的同时，传送系统驱动胶片沿y方向 移动， 为了 实现要求的扫描分辨率， 振镜的扫描频率和步进电 机的驱动频率必须 通过控制系统进行同步控制。 3 .激光光源和功率调制系统 激光功率调制系统采用直接调制的方式，激光器驱动和功率调制合而为一 ( 本论文中统称为激光功率调制系统) ， 通过调制半导体激光器 ( l d)的输入电 浙江大学硕士学位论文 流直接控制激光输出 功率。图 2 .4 是半导体激光器的功率电 流特性曲 线， 分析该 图可知: 如果要让激光器的 输出功率和输入电压信号成线性关系， 激光器功率调 制系 统 应由 两 部 分 构 成。 偏 置电 流 源部 分 提供 功的 闽 值电 流i m ， 功率 控 制部 分 将图 像 数 据的电 压 信 号u , 转 换为电 流 信号i , 后提 供 给 l d o 功的 总 输入电 流为: i inp u ， 二 i ,h + i ,( 2 - 3 ) 由 输入电流的大小决定l d 输出光功率6 p ( mw po u t i t h i n p u t 图2 .4半导体激光器功率电 流特性曲 线 i ( ma ) k o d a k 公司 d r y vi e w 干 式 激光 胶片的 感 光光 谱 特性 波峰 位于 7 8 0 - 8 1 0 n m 处 ， l d 输出波长也应在这个范围内。由于采用的是直接调制的方式，对l d 的可调制 频率 有一定的 要 求，以 式 ( 2 - 1 ) 所举的 例子计算， 分辨率 3 0 0 d p i ， 出 片 速度最 快为6 0 片/ 小时 ( 采用1 4 x 1 7 胶片) ， l d 的调制频率应达到: 。1 4 x 1 7 x 3 0 0 r . . ,. . . 6 u m 0 . 3 5 7 mhz ( 2 - 4 ) 因此i d的调制频率应该达到m h z 量级。 4 .控制系统 控制系统是控制系统是整个光热成像系统控制中 枢， 负责系统各部件状态的 统筹控制， 主要包括图像数据的接收控制， 激光功率调制系统和扫描光学系统的 调节和控制， 以及胶片传送系统的运行等等。 在本论文设计的光热成像系统中使 用 一 块复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b le l o