（物理电子学专业论文）远程数字化x光机技术和系统研究.pdf

摘要 n 5 7 1 43 3 x 光机数字化技术是x 光影像成像的大势所趋。本文结合与湖南光电科技有限 公司委托研制项目远程数字化x 光机系统研制，以及江苏省科技厅立项项目具 有可移动数字化x 光射线成像机，开展了x 光机的数字化技术与系统研究工作。主 要内容如下： 论文简述了x 光机的国内外发展、现状及应用，国内外x 光机的数字化技术水 平，指出我国的x 光机现状，阐述了本文的研究背景和意义。 进行了有关x 光机原理的研究，分析了x 光发生，x 光与物质相互作用以及x 光影像成像原理。 介绍了x 光机系统的硬件结构。重点介绍了射线发生装置结构，新型影像成像 器件的成像原理与设计，图像采集卡的视频图像数字化原理，图像处理器设计。并从 理论上分析了硬件系统的参数和性能。 设计了x 光机系统软件。详细介绍了x 光图像的数字化、图像采集、同步采集 控制、数字图像处理、图像保存和远程传输、图像数据库的建立和查询等设计方法。 对全文的工作进行总结，指出有待进一步研究的问题。 关键词：x 光影像成像，数字化器，图像处理器，数据传输，数字图像处理，数据库 同步控制射线检测 a b s t r a c t t h e d i g i t i z i n gx r a yi m a g e i st h et r e n do f x - r a yi m a g es y s t e ma st h ep a r to f r e s e a r c h p r o j e e l sn a m e dr e m o t ed i g i t i z i n gx - r a yi m a g es y s t e ma p p l i e do n t h ea i r f i e l d sa n dm o v a b l e d i g i t i z i n gx r a yi m a g es y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o no p e n su pe a r l ys t u d yo fd i g i t i z i n gx r a y t e c h n o l o g ya n ds y s t e m t h ec o n t e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da sf o l l o w i n g i np a r t l ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y , t h ea p p l i c a t i o na n dt h ed i g i t i z i n gt e c h n o l o g ya t h o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e db r i e f l y t h e n ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ei m p o r t a n c e o f t h i sd i s s e r t a t i o na r ee x p l a i n e d 。 i np a r t2 ，t h e o r e t i c a ls t u d yr e l a t e dt ox r a yi m a g i n gi si n t r o d u c e d ，s u c ha ss p e c i f y i n g x r a yp r i n c i p l ei n t h e 1 e v e lo f a t o m ，s u m m a r i z i n gt h ei n t e r a c t i o nr e l a t o no fx - r a yw i t h o t h e rs u b s t a n c ea n da l s ot h et h e o r y o f x - r a yi m a g i n g i n p a r t 3 t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h e i m a g i n gs y s t e mi s i n t r o d u c e d a l s ot h e c a p a b i l i t ya n dp a r a m e t e r o ft h es y s t e mi sa n a l y z e d i np a r t4 ，s y s t e ms o f t w a r ec o m b i n e da l lt h es y s t e mi sd e s i g n e di nw h i c h d i g i t i z i n go f x r a yi m a g e s ，v i d e oc a p t u r e ，d i g k a li m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g e ss a v i n g a n dr e m o t e t r a n s m i s s i o n ，i m a g ed a t a b a s ea n da l s oh o w t oe n s u r et h es y n c h r o n i z a t i o no fc o n t r o la n d c a p t u r ea r ed o n e i np a n5 ，t h ew h o l ew o r ki ss u m m a r i z e da n ds o m e p r o b l e m sr e m a i n i n g t ob es o l v e d a r e p o i n t e do u t k e yw o r d s ：x - r a yi m a g i n g ，d i g i t i z e r s ，i m a g ep r o c e s s o hd a t at r a n s m i s s i o n ，d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g ，d a t a b a s e s ，s y n c h r o n o u sc o n t r o l l i n g ，p e n e t r a t i n gr a d i a t i o nt e s t s 硕士学位论文第一章绪论 1 绪论 本章简述了国内外数字化x 光影像技术发展背景、现状与应用，阐述了 x 光影像技术研制目的和意义以及本论文所做的工作。 1 1x 光影像技术发展背景、现状及应用 1 1 1x 光影像技术的发展背景 在过去的2 0 世纪中，x 光影像技术经历了从孕育、成长到发展的过程。它在 医学、检测、工业探伤等方面是功不可没的。 c t 的问世被公认为伦琴发现x 线以来的重大突破，因为它标志了医学影像 设备与计算机相结合的里程碑。1 9 8 1 年6 月在布鲁塞尔召开的第1 5 届国际放射 学会学术会议上，首次提出了数字化x 射线成像技术的物理概念及临床应用结 果，使医学影像技术步入了数字化的新纪元。事实上，医学影像技术的数字化 趋势在近1 0 多年已渐趋明晰。代表国际医学影像技术最高水平的”北美放射学 年会”( r s n a ) ，不论从学术报告及展览中均体现出医学影像设备的数字化是大 势所趋。据资深专家估计，其进程可能相当快。预计全世界5 0 的放射科将在5 年内实现无胶片化，7 0 的放射科将在1 0 年内实现。 1 1 2x 光影像技术的现状及应用 迄今，x 射线成像和处理技术已经经历了一个世纪的发展，在其之前七 十多年的发展中，尽管x 射线图像的清晰度，分辨率都有了明显的改进，但 以胶片为主的医学图像采集，显示储存和交换技术以及图像清晰度和分辨率 的进一步提高并无突破性的进展。随着计算机和微电子技术的发展及其在医 学探测领域的应用，从根本上克服了传统x 射线成像中存在的问题，并开辟 了数字化成像技术发展的新里程。 x 射线成像技术经历了胶片一一增感屏成像技术，影像增强器成像技术， 数字化成像技术的三大历史发展过程。 1 胶片一一增感屏成像技术 胶片一一增感屏成像技术是上世纪最普遍使用的x 射线成像技术。它属 于射线照相法( r a d i o g r a p h y ) 。这种成像技术是通过使涂有感光乳剂的胶片 感光基本原理成像。其结构原理如图1 1 。用增感屏增加胶片感光度。增感 屏是用某些金属盐类涂在纸或塑料基体上而成，它能将吸收的x 射线转换成 可见光。用两个增感屏夹着一张胶片压紧在一个避光的暗盒中，在x 射线的 硕士学位论文第一章绪论 2 作用下，胶片感光量的9 5 来自前后两个增感屏所转移的可见光，5 来自x 射线直接作用。这样比没有增感屏的摄影所需的x 射线剂量大幅度地减少。 x 射线 卜 斗 i1 斗 li 啼 i 前增感屏 后增感屏 图1 1胶片一一增感屏成像原理图 这种成像技术是建立在胶片上，需要消耗大量的胶片以及占用庞大的储 存空间，阅读和查找胶片都很不方便，且x 射线直接感光的效率低，图像质 量较差。 2 影像增强器成像技术 这种成像技术属于射线实时成像法( r a d i o s c o p y ) 。影像增强器主要是 由输入屏、输出屏、阴极、阳极和聚焦极组成的电真空器件，它可以把x 射 线影像增强并转换为可见光图像。影像增强器的输入屏涂有碘化铯荧光粉， 紧贴输入屏的内侧是涂有锑铯光电阴极。在x 射线的作用下输入屏的荧光粉 发光激发阴极产生光电效应发射出电子，这些电子在靠近输入屏一端的阳极 高压电场的作用下高速飞向输出屏，激发荧光材料发光，经过这一转换过程 使输出屏上的可见光增强了几十到几万倍。从而可以大幅度减少x 射线剂量。 影像增强器通常要与摄像系统配合使用，摄像机把图像拍摄下来转换成电视 视频信号，再通过监视器观察记录的影像。其结构原理如图1 2 所示。 三图三 叵三卜匠 图1 2影像增强器成像原理图 带影像增强器的x 射线成像方式较胶片一增感屏方式在图像质量上有了 很大的提高，分辨率可达2 l p m m ，对比度也可达1 0 级以上，在图像储存方面， 可利用录像机把视频信号记录在磁带上，不过磁带记录的图像质量较差，通 常只能作为教学和学术交流用。需要保存图像资料时，仍使用胶片一一增感 屏成像方式获得胶片图像。 卜u 觥口 硕士学位论文第一章绪论 3 数宇化x 射线成像技术 数字化x 射线成像技术可直接获得数字信号。数字化x 射线成像技术主 要有三种类型：存储板x 射线成像系统( c r ) ，电荷耦合器件( c c d ) 探测器 和薄膜晶体管( t f t ) 平板探测器。 1 ) 存储板x 射线成像系统 存储板x 射线系统是x 射线成像技术的新突破，它能够把被照射后潜在 存储板上的x 射线影像转化成数字图像信号。存储板是在类似增感屏的基板 上涂上荧光激发物质，当x 射线照射时，一部分入射能量被磷吸收并潜影在 存储板上。然后通过激光扫描，激发存储的能量以可见光释放，各个点x 射 线辐射强度被测量并数字化，数字影像最终显示在激光打印胶片上或在影像 工作站之前进行对比及空间频率增强，再发送到图像处理系统。存储扳被可 见光照射而清除影像，可以多次重复使用。这种系统能提供稳定的最佳密度 的高质量图像，不管x 射线照射是否变化，即使x 射线照射技术错误也可避 免重复检查，并潜在地降低射线辐射。其缺点是在高千伏摄影时检出效率相 对较低，对散射线敏感度增强，存储板图像转化成数字信号需要激光扫描， 转换过程复杂且成本较高。 2 ) c c d 探测器 c c d 探测器是一个电荷耦合器件它能将x 射线转换成电荷量。c c d 探测 器使用间接转换方式，即在探测之前先把x 射线转化为可见光。将入射到射 线闪烁屏的可见光通过透镜或针状碘化铯耦合到光电二极管上，光电二极管 将可见光转化为电荷，再通过计算机将每个像素的电荷量读出，形成数字化 图像信号。c c d 的优点是固有噪声系数低，尽管使用缩微技术使光量子传输 效率降低，仍能获得高度的探测能力。另外c c d 的动态范围广，对入射信号 有很好的线性响应，具有高度的空间分辨率和基本上达1 0 0 的填充系统。 3 ) 平板探测器 平板探测器是使用薄膜晶体管阵列而成。平板探测器有两种类型，其一 为直接转换型，直接将x 射线转换成电荷并能由计算机直接读出为数字信号； 其二为间接转换型，包含中间媒介转换。 直接转换平板探测器，其基本原理是用非晶态硒涂在晶体管( t f t ) 阵列 上，入射的x 射线光子在硒层中产生电子一一空穴对，在外加电场作用下， 电子和空穴向相反的方向移动形成电流，电流在薄膜晶体管中积分成为储存 电荷。每一个晶体管的储存电荷量对应于入射的x 射线光子的能量与数量， 所以每一个薄膜晶体管就成了一个采集影像最小单元的像素。在每个像素范 围内还制造出一个场效应管，它起开关的作用，在计算机控制电路的触发下 硕士学位论文第一章绪论4 把像素储存电荷顺序传送到外电路中去。这就是像素信号的读出，像素信号 经放大器放大后被同步地转换成数字信号。 间接转换平板探测器是由探测器矩阵组成，矩阵中的最小单元( 像素) 是由薄膜非晶态氢化硅制成的光电二极管，它在可见光的照射下能产生电流。 在光电二极管矩阵上覆有掺铊的碘化铯 c s i ( t i ) 闪烁光电晶体。当x 射 线照射在闪烁发光晶体层时，x 射线光子能量转化为可见光光子发射，可见 光激发光电二极管产生电流，这种电流在光电二极管自身的电容上积分形成 储存电荷。每个像素的储存电荷量与对应范围内入射x 射线的光子能量及数 量成正比，探测器矩阵在行和列的方向都与外电路相联并被编码。在专门控 制电路作用下按一定的规律把各个像素的储存电荷读出，形成数字信号输出， 传送给处理计算机建立图像。 由于平板探测器的尺寸较大，无需进行光学缩影，能有效地传输能量， 因此，即使用较高噪声的平板探测器也可获得较佳的图像质量。 1 1 3 数字化x 射线成像技术的现况 迄今为止计算机放射摄影( c o m p u t e dr a d i o g r a p h y ，c r ) 市场覆盖面较 广。据说这是最符合放射科传统工作流程的技术方式。但因受制于图像质量、 实时显示及操作等方面的因素，使直接数字化摄影( d i r e c tr a d i o g r a p h y ， d r ) 成为开发的热点。主要应用近年异军突起的平板薄膜晶管( t h i nf i i m t r a n s i s t o r ) 技术( 有源阵列) 制成”高分辨实时成像板。采集图像。 现阶段，国内外把研究的重点放在数字化x 光机上。推出的产品可归纳 为间接型与直接型两种。间接型由探测器矩阵( d e t e c t o rm a t r i x ) 组成，矩 阵中的最小单元( 像素) 是由薄膜非晶态硅制成的光电二极管，用以将光转 换成电荷沉积。在光电二极管矩阵上被覆有掺铊的碘化铯 c s l ( t i ) 闪烁 光电晶体，透过被检体后的入射x 线在闪烁晶体上产生可见光，可见光激发 光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷。 每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射x 线光子能量与数量成正 比。直接型则是用非晶态硒涂覆在t f t 阵列上。透过被检体后的入射x 线在 硒层中产生电子一空穴对，在外施偏压的电场作用下，电子和空穴向相反方向 移动形成电流，随之在t f t 积分形成储存电荷。间接型与直接型均有一定的 技术难点。前者的缺点为结构性c s i 的制造工艺较直接型的非晶态硒层的制 造工艺复杂，且需光敏二极管。后者的缺点是要外加数千伏高压，这会对t f t 开关构成威胁。因此还必须在结构工艺上加以改进。 硕士学位论文第章绪论 5 1 2 x 光影像技术研制目的和意义 继9 1 1 事件后，各国在机场安全检测方面重新进行严密的布防，防患 于未然。受湖南光电科技有限公司委托，在原有机场检测装备的基础上，研 制生产一套附加安检设施，即机场安检数字化x 光机。这种x 光机要求较大 的接受面，同时要求被检测图像能够进行网络传输。本项目是整套设施中子 系统，研制成功后，将改变机场安全检测过程中对旅客鞋底检测流程，通过 符合国家卫生防疫安全标准的低剂量x 光的透射，将危险分子暗藏鞋底的金 属及毒品等危险物质，通过计算机数字检测显示，及时准确地消除不安全因 素。避免以往旅客必须脱鞋检测引起的诸多不便。 医学影像中以计算机断层扫描技术为基础的x c t 、m r i 、p e t 及s p e c t 等均属本质数字图像。而目前在医院中应用最为广泛的传统x 线摄影尚未进 入数字图像家族。因此，如何将连接放射医学影像与数字化未来之间的链条 上一直断着的一环连上，自然成为专业人士致力研究的课题。2 0 0 3 年s a r s 在中国乃至整个亚洲肆虐，严重影响了人们的正常的生活。对s a r s 患者检查 的手段除了体温测量外，还需作进一步的深入检查，主要是利用x 光机检查 患者的肺部，判断患者的肺部是否发生病变。常规的x 光机体积大，影像增 强器直径小，通常只有6 。和9 。，一般由日本和法国进口，其成本占整机价格 的5 0 以上，价格也随着尺寸大小而成倍增长。且不能对肺部一次性成像， 需要利用机械装置对x 光机进行移动，甚至需要患者站立检查。通常的x 光 机位于专用的透视室，不能在床边检查，需要息者频繁出入病房和透视室， 不仅给患者和医务人员带来了不便，而且患者频繁走动易使他人受到感染。 为此，有必要研制一种能够移动、低剂量、数字化、大幅面的x 光机，用于 s a r s 患者的床边检查，实现快速诊断。同时为了对病灶进行详细分析，可对 图像进行计算机处理，使像质得到进一步改善。并且通过图像的计算机网络 传输，实现远程诊断，防止交叉感染。 针对以上需求，本论文进行了项目的前期设计，自行研制了一种适合现 在国内市场发展的大尺寸1 4 影像成像器件，用以取代进口影像增强器，该技 术将军用技术向民用技术转换，填补国内像增强器需进口的缺憾。搭建了基 本的远程数字化x 光机系统，能够将信息通过特定的图像格式存储于计算机 图像数据库，并通过局域网实现远程传输。 1 3 本论文的主要工作 针对论文的研究目的，在查阅了大量中外科技文献的基础上，围绕着检 硕士学位论文第一章绪论 6 测理论与测试技术做了以下几方面的工作： ( 1 ) 研究了x 光机系统的工作原理，以及它的现状和发展情况。讨论了x 光机已有成像技术。 ( 2 )研制了新型影像成像器件。通过大量的实验和理论总结，形成了器 件性能的理论评估和分析平台。 ( 3 ) 搭建了整个x 光检测平台，并将系统与局域网相连，实现图像远程 传输，便于远程检测。研制了计算机和x 光发生装置同步的模块。 ( 4 )研制了噪声去除实时图像处理器，运用图像处理算法解决噪声对x 光图像影响，提高图像的质量。 ( 5 )在整个系统平台的基础上，编写了计算机软件，实现数字化x 光图 像，同步触发，图像数据库，数字图像处理，数字图像远程传输等功能。 ( 6 )联调整个系统平台，分析整体系统性能，指出不足之处。 硕士学位论文第二章x 光检测原理 7 2 x 光检测原理 2 1 x 光检测的基本原理 2 1 1x 射线发生机理 自1 8 9 5 年伦琴发现x 射线以来，x 射线得到了不断地应用。x 光机就是 其中一例。在x 光机系统中，射线的产生是由高速电子轰击阳极靶体产生的。 高速电子轰击靶体时，能量发生转换，质量小的电子迅速减速，电子动 能一部分转化为热能，另一部分转换为辐射能产生轫致辐射。由普朗克量子 理论可知，每个量子的电磁辐射产生的光子能量可以表示为： e = h - y = 二二：=( 2 1 ) 五 式中：e 为每个量子的光能：h = 6 6 2 6 1 0 “j s 为普朗克常数；y 是辐射频 率；五为辐射波长；c = 2 9 9 8 x1 0 。m s 为光速。 由于阳极和阴极之间存在电位差，质量为i l l 的电子( m = 9 。1 1 1 0 _ 2 8 9 ) 由零速度加速到v 撞击x 射线管的阳极，运动电子的动能部分转换为光量子 辐射，其最短波长为： 缸= 够= 等( 犯詈( t o n ) ( 2 - 2 ) 由此可见，x 射线谱是波长以k 为下限的连续谱，因此x 射线辐射称为 “白色辐射”。普通射线( i m e v 以下) 由x 射线管产生，而高能x 射线具有 较短的波长，因而产生高能x 射线必须由运动速度足够高的电子撞击靶体， 这需要电子加速器。 x 射线具有以下特性：能穿透物体；不可见光；光谱在电磁波光谱内； 波长范围广：直线散射；以光速传播：能使萤光物质发光；能使底片感光： 能造成散射线。 2 2x 射线与物质的相互作用 x 射线与普通光一样，它具有波粒二象性。当x 光透过物体时，与构成 物体的原予和电子相互作用，表现出粒子特性。检测用x 射线是利用高速运 动带电粒子撞击金属靶体产生轫致辐射而产生的，由于运动粒子的动能不同， 产生的x 射线波长不同，穿透物体的能力也不同。 x 射线进入物体时，会有三种情形发生：被物体吸收( a b s o r p t i o n ) ，产 硕士学位论文第二章x 光检测原理8 生散射( s c a t t e r ) 以及穿透( p e n e t r a t i o n ) 现象。除一部分穿透物体继续 沿入射方向传播外，其余的在与物体相互作用的复杂物理过程中被衰减吸收， 其能量转换过程由图2 1 1 所示。 ) ( 光强 斗 厶 物 体 敲射x 射钱( 相干与非相干) 电子( 反冲电子、氇歇电子、光电子) 透射x 射线 荧光x 射线 热能 图2 1 1x 射线与物体的相互作用 当一束x 射线穿透物质时，其强度被衰减。这不仅仅是一简单的射线吸 收过程，而是包含了许多过程。射线透射物质的同时，部分射线与物质的原 子相互作用，产生二次辐射，这些辐射线具有与入射束不同的传播方向和能 量，因此，常将吸收和衰减看成两相互共存的过程。 一束单色x 射线穿透一层均匀厚度的物质时，射线将按指数衰减，入射 强度随被穿透物体的厚度增加而衰减，如图2 1 2 所示： a x ， 图2 i 2x 射线穿透物体强度衰减示意图 式中：为材料密度系数；j o ，j l ，j ：分别是入射前后的x 光强度；a 为物 体厚度；x 为物体内空隙长度。出射后强度可表示如下： ，i = jo p 4 ( 2 3 ) j2 =jo e 。”。一。 ( 2 4 ) 以上方程中衰减系数是在射线为单色和窄束入射的条件下获取的，射线 的衰减是图2 1 1 中所有的相互作用过程的共同结果。在射线成像检测中， 引起射线衰减的主要过程有光电吸收、瑞利( r a y le i g h ) 散射、康普顿 ( c o m p t o n ) 散射和电子对效应。 x 射线的吸收是一个复杂的过程，沿一定运动方向的x 射线光子与物质 的电子相互碰撞后，向周围散开，初始的x 射线转换为：波长不同，但传播 方向辐同的x 射线以及传播方向不同的射线，这种射线即为散射射线。 瑞利散射主要是产生低能光子，入射的光子与原子中的电子作用后，入 硕士学位论文 第二章x 光检测瓯理 9 射能量继续以与入射方向几乎相同的方向向前传播形成相干散射这对于 高原子序数物质的影响是重要的。 射线产生衰减的另一个重要因素是由c o m p t o n 散射或称为粒子散射引起 的。这种散射主要发生在高能射线条件下，当高速运动的光子能量高于原子 核对电子的束缚力后，它的电子被弹起，在不同于射线传播方向上产生电子 和不同波长的散射光子，散射光子的波长向长波方向偏移形成非相干散射。 由此，c o m p t o n 散射射线不仅波长互不相同，其频率和相位也是随机的，不 能相互干涉，入射能量越高，产生c o m p t o n 散射的概率越大。 电子对效应产生的最低能量是1 0 2 m e v ，如果一个能量大于1 0 2 m e v 光 子产生电子对时，刚该光子随着电子和质子的产生而消失r 由于质子存在的 时间较短，所以，在质子淹没的过程中，产生轫致辐射。导致能量在0 5 m e v 的散射。 因此，式( 2 5 ) 的线衰减系数是光电效应f 、康普顿效应叮以及电子对 效应k 等因素引起的总衰减，郎： “= f + 仃+ r( 2 5 ) 图2 1 3 给出了金属铁的线衰减系数与x 射线能量的关系曲线。由圉 可知，在不同的能量范围内，各种散射和吸收具有不同的衰减。 j ? l ；- 9 a y i 口，口h ? 晰 人 c o m p t o n 、， l i e m c m r t e r、p h o t o 日i e c t r ! 壁! ，_ p a i r 一 、 ? e f f e c t 7p 删u c t i o n x - r a ye n e r g y ( m e v ) 图2 1 3铁的线衰减系数与x 射线能量的关系曲线 图2 1 4 显示了水、铝、铁、铜、铅、钨在不同能量下的线衰减系数的 计算结果m 。由图可知，不同的物质卢值是不一样的，即不同的物质对x 射 线的衰减是不一样的。 射线衰减过程中的每一效应都由原子的作用截面决定，光子作用的总截 面是光电效应截面、瑞利散射截面、康普顿散射截面和电子对效应截面之和， 一一芒lu中|=!ieo兰星己。il母妻j 硕士学位论文第二章x 光检测原理1 0 8 川 | 一ot 刚f e 6 心i； n 一 = 多 r a d i a t i o ne n e l 讲【m e v ) 图2 1 ，4不同物质在不同能量下的线衰减系数 作用截面大则光予被衰减的概率大。 由上述分析可见，入射光子在与物质作用后，一部分产生衰减和散射， 另一部分则以原来的方向到达记录介质，形成被检测物质的内部结构的图像， 这就是射线成像检测的基本原理。实际上，在射线与物质的作用过程中，部 分衰减但未被吸收的散射光予也同时到达记录介质，因此，射线形成的灰度 图像是散射光子和透射光子的共同作用的结果。 由于散射特别是非相干散射和电子对效应产生的散射光子的传播方向 与透射光子不同，散射光子造成图像边缘的模糊和产生散射灰雾，引起射线 成像检测图像的对比度和空间分辨率的降低。在射线成像检测中，常用积累 因素b u f ( b u i l du pf a c t o r ) 来衡量散射线和透射线对图像的贡献。设透射 射线的强度为，。，j ，表示随之产生的散射线强度，刚积累因素b u f 表示为： b u f ：1 + 立( 2 6 ) 3p 积累因素可通过实验和计算的方法求得，图2 1 5 为在不同能量条件下， 由实验获取的不同厚度钢板与积累因素之间的关系益线1 。 尽管测量的积累因素具有较大误差，但它基本反映了散射射线和透射射 线之间的关系。由图可见，随之能量的增加，积累因素降 氐，同时随之钢板 厚度的增加，积累因素增加。 2 3x 射线成像检涌原理 x 射线具有较强的穿透能力，能够穿过大多数适当厚度的物体。x 射线照 硕士学位论文第二章x 光检测原理 射到被探测物上，并穿过物体后，因物体吸收和散射而使其强度衰减，它在 各处的衰减程度则因其所经过部位的厚度、结构或有无缺陷而异，结果便形 成了一幅射线强度分布不同的“影像”，并可被置于物体后的胶片或荧光屏等 记录或显示，以供检测。 论文采用自行研制的影像前端，将x 射线透过物体形成的透射像记录成 模拟视频信号，通过数字化仪将模拟信号转换成数字信号，进入计算机以供处 理和检测，并通过局域网实现远程传输。 喜 蚕 耋 |甲t 一 7 v 乡 二 - 杉多 多 7 i p m m5 4 5 n m 3 0 s 论文研制了两种尺寸接受面的成像前端，分别采用了9 和2 l 。大小的增 感屏，将两种情况下的成像前端进行比较，得出相应的理论依据，从而指导 实际成像器件的研制。 3 3 2 信号增强部分 论文采用了超二代像增强器，它使用微通道板来实现倍增，将微弱的光 学图像转换为明亮的可见光图像。本系统使用微光系统代替了传统影像增强 器。其中微光系统与前转换增感屏以及后转换c c d 的光谱匹配起着关键的作 用。 3 3 2 1 微光增强器的工作结构和原理分析 微光像增强器实际是带光阴极的、具有电子放大和显像功能的电子器 件，由于具有增强图像亮度的功能，又称为“亮度增强器”。微光像增强器由 四部分组成： ( 1 ) 光电阴极：把入射的光学图像转变为强度相当的光电子图像。当微 弱的光学图像投射到光阴极时，阴极面内侧的光电发射材料由于光电效应发 出电子，电子的密度与图像的亮度成正比。这样来自增感屏的微光图像被转 换成电子图像，形成“电子潜像”。电子潜像相对于目标是倒立的。 ( 2 )电子光学系统：把已增强的光电子图像聚焦到荧光屏上。像管的 中部是聚焦电极，电极上加静电场，对电子具有“聚焦成像”功能，从而使 硕士学位论文 第三章远程数字化x 光机系统9 阴极面上的电子潜像变成荧光屏上的电子潜像( 正立) 。“电子透镜”实现电 子加速是亮度增强的关键。阴极发出的光电子受到阳极电压的吸引，向荧光 屏加速飞去，高速撞击荧光屏，激发大量光子。 ( 3 ) 荧光屏：把已聚焦的光电子图像转换为比输入明亮的光学图像。 荧光屏把一个电子转换为一群光子，从而完成了亮度增强过程。荧光屏发射 可见光光子，电子潜像被转化为可见光图像 ( 4 ) 纤维光学面板：在输入端把平面的输入光像变成曲面，在输出端 把曲砸的输出光像变成平面。 3 3 2 2 微光增强器的背景噪声 由于像增强器的光阴极发射和信号感生等因素，造成附加的对比度变差， 这个附加噪声使荧光屏产生一个背景亮度。假设像管荧光屏上的背景亮度为 厶，目标亮度为厶，则图像对比度为： c ：! 生生2 = ( 生生! 厶+ 厶 ：姓 厶+ 厶 = ( 1 - i - ，) _ 。c ( 3 4 ) 式中：厶为荧光屏上与目标相邻的景物亮度：c 为光阴极面上的图像对比度； c 为有附加背景噪声时荧光屏上图像对比度；，为对比度恶化系数，可表示 为： ，= l 6 厶 ( 3 5 ) 用，可表示图像对比度的恶化程度。 低的背景噪声是像增强器的基本工作条件，为保证微光器件有良好的像 质，要求像增强器光阴极面上对应于背景亮度的等效背景照度( e b i ) 值小于 l o 。氏数量级。高的增益和低的背景是微光像增强器工作的基本条件。 3 3 2 3 微光增强器的响应度 像增强器的电子增强机构只能使已获得的目标信息增强而不能增强来自 目标的任何信息。系统获得的目标信息大小取决于像增强器光阴极的响应度。 响应度包括两个方面：一是像增强器光阴极的灵敏度；二是光阴极光谱响应 与增感屏发出的微弱光谱的匹配程度。根据多碱光电阴极光谱响应的表达式 1 2 9 ) ： 沁，= 型等铲e 1 2 4 0 0 * p a r e - 芦_ e - a r ( j ) d ， e ， 硕士学位论文 第三章远程数字化x 光机系统2 0 式中：a 是入射光波长；乃是光电阴极光谱响应的截止频率；。( 。) 是光电阴 极的光吸收系数；d 是光电阴极的厚度；b 是常数，对不同工艺形成的光电阴 极b 值不同：是光电子逸出深度的倒数；p 是阴极结构参数，反映了阴极 膜的有序度和光电发射性能。根据此公式作出光电响应曲线图3 3 7 。 ，o o ，0 09 0 0 图3 3 7微光像增强器光电响应曲线 可知峰值波长在6 7 0 h m 左右。且在区阃5 0 0 n m 一7 0 0 n m ，曲线上升平缓， 由增感屏出射的绿光波长峰值在5 4 5 n m 左右，己接近像增强器的峰值波长。 其峰值波长范围与可见光摄像头光谱相匹配。 3 3 3 光电转换部分 光电转换部分采用高性能高分辨率的w a t e c 公司的c c d 将从微光像增强 器出来的可见光转换为视频信号。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是电荷耦合器件的简称，是7 0 年代初发展 起来的半导体光电集成器件。c c d 摄像机一般包括以下几个部分：光学系统、 片状c c d 电荷耦合器件以及c c d 驱动电路。它具有灵敏度高、噪声小、动态 范围大、几何精度高和光谱响应宽等优点。 1 ) 灵敏度高。c c d 具有很高的光电效应量子效率。它的噪声几乎接近于 零。灵敏度超过其它传统光电探测器( 如光电倍增管和光电增强二极管阵列 多道探测器) 。 2 ) 波长响应区域宽。c c d 不仅精度很高，而且在1 0 0 1 l o o n m 宽的光谱 区域，c c d 都有很高的量子效率。 3 ) 动态线性晌应范围宽。在正常工作条件下，c c d 探测器的所有微元同 时曝光。整片探测器的动态响应范围取决于每个微元的动态响应特性。c c d 硕士学位论文第三章远程数字化x 光机系统 具有异常宽的动态响应范围和理想的响应线性，宽达1 0 个数量级。 4 ) 几何尺寸稳定，耐过度曝光。在长时间运转时，c c d 的几何、热、光 电性能都很稳定。从c c d 摄像机光谱响应曲线( 图3 3 8 ) 可以看出，光谱 响应的峰值在8 0 0 h m 波长附近。波长在5 0 0 n m - - 1 0 0 0 n m 之间，c c d 具有较高 的响应度，这与微光像增强器非常匹配。 j , , a t m 图3 3 8c z 1 0 6 c c d 光谱响应曲线 c c d 摄像机最前端都是由一个光学镜头物体成像在c c d 光敏面上。合理 选择并安装光学镜头是保证清晰成像并获得正常视频信号的关键。光学镜头 的主要参数指标应根据不同接口、c c d 光敏面光学格式、视场、焦距等来确 定。 焦距是c c d 光学镜头的首要参数，直接关系到视场角的大小。一般短焦 距镜头给出较大的视场角，长焦距镜头将构成小视场角。面阵c c d 摄像器件 的尺寸一般有1 英寸，2 3 英寸，1 2 英寸，1 3 英寸和1 4 英寸，它们 的大小也会影响到镜头的视场角。当使用同样的镜头时，尺寸小的c c d 摄像 器件产生的视场角要小。论文采用1 2 英寸黑白c c d 摄像机。 系统中采用的c c d 其他参数如下：总像素为8 l l ( h ) x 5 0 8 ( v ) ，有效 像素为7 6 8 ( h ) x 4 9 4 ( v ) 。像素单元尺寸为8 4 a nx 9 8 , t a n 。水平分辨 率大于5 7 0 电视线。灵敏度为1 0 - 4 工溉，信噪比大于5 0 d b 。 微光像增强器与c c d 之间采用了光纤耦合的方式。这种方式较光学透镜 耦合，简单易行且紧密性好，在微光条件下工作时，轻微图像质量下降不易 被发现，光能利用率高于透镜耦舍。 3 4 图像处理器 针对x 光图像最突出的特性：噪声较大。论文采用实时图像处理器对x 光视频图像进行处理。图像处理器主要实现去噪，对比度增强，极性翻转和 图像上下翻转以及视频帧的回放。在图像去噪处理中涉及到多帧累加的算法。 硕士学位论文 第三章远程数字化x 光机系统 3 4 1 图像处理器算法原理 系统采用了多帧累加法进行图像去噪处理。多帧累加法是处理随机噪声的 主要方法，一般随机噪声服从泊松分布，显然光子数越多，光子的起伏越小。 因此，在射线图像处理中，消除随机躁声最常用的也是最有效的方法是多帧累 加法。 假定噪声是平均值为0 ，随机分布的信号。若 ，( 工，y ) = s ( x ，y ) + n ( x ，y ) ( 3 - 7 ) 式中：s ( x ，y ) 是无噪声图像；n ( x ，y ) 是图像的噪声；f ( x ，y ) 为叠加了噪声的 图像。如果有n 帧图像累加，则可以用 夕( ，) = 吉z ( 五力 ( 3 8 ) 来逼近无噪声原图像s ( x ，y ) ，因为 e ，( 墨y ) ) = 去喜e m ( 薯y ) ) = 去喜最( k y ) = s ( 毛y ) ( 3 9 ) 是无偏估计。估计误差为 o - 2 f = e 协列m c 捌2 ) = e c 接肫棚叫训2 ) f ，、 “ 唼忡，_ y ) 】2 10 r2”(3-10) 由此可得，当几帧图像累加时，物体韵无噪声躁图像作重复线性累加， 而随机噪声则作二次项累加。n 个帧图像累加后，信号放大了n 倍。噪声放 大了倍，s n 提供了n 倍。 3 4 2 图像处理器硬件构成 多帧累加法硬件结构实现示意图如图3 4 1 所示。 a ) c c d 出来的视频信号为模拟信号，需要经过p h i l i p s 公司的视频接口处 理芯片s a a 7 1 1 1 a 数字化后形成高速码流，由f p g a 控制存入4 片s r a m 中。其 中，s a a 7 1 l l a 视频解码芯片主要完成对模拟视频信号的数字化，把隔行扫描 的彩色全电视信号( c v b s ) 转换成c c l r - - 6 0 1 格式的数字视频信号。 s a a 7 1 l l a 工作模式的设定和状态读取通过i2 c 总线完成。s a a 7 1 1 1 a 通 过片内的数字锁相环控制视频同步，有专门的奇偶场信号r t s o 、场同步信号 v r e f 、行同步信号h r e f 和像素时钟信号l l c 2 从独立管脚引出。这样就省去 了额外的锁相环电路，简化了采样控翩电路的设计。在4 2 2 y j v ( 1 6 h i t ) 格式 情况下，s a a 7 1 1 a 的数字视频的输出时序如图3 4 2 所示。s a a 7 1 i i a 拥有 硕士学位论文 第三章远程数字化x 光机系统 图3 4 1 图像处理器电路框图 l l c 1 _ l r 、厂1 _ - r _ 1 广1 _ 4 l 厂_ l 厂1 j l - c r e f 。一一寸、一，：、 、，1 _ 、1 l _ l f l _ f 1 - 广1 _ j w 一厂寸了三三了1 y n = = = = = ) c = = = 3 c = = = = = ) c = ：= = = ) c = = u v n c 韦寻 ；孑c 丰磊) = # 云x 高 图3 4 2 s a a 7 1 1 1 a 的数字视频输出时序 2 路亮度和色度梳状滤波器。可对亮度、对比度、光圈和饱和度进行控制。 系统通过对s a a 7 1 1 1 a 的调整实现了对比度增强。 b ) f p g a 主要实现了三个功能模块：控制模块、运算模块、地址发生模 块。控制模块负责图像数据的采集控制以及数据的读写控制：运算模块负责 图像数据多帧累加计算；地址发生模块则产生地址序列，使得图像数据顺序 从s r a m 中读出和写入。f p g a 将数据依次存入4 个$ r a m 中，为保证实时性， 在第五帧图像到来时，图像数据是处理和写入同时进行的，在控制信号的低 电平到来时，读出4 个s r a m 中的位置相同的位，进行累加处理。处理好的位 数据输出给b t l 2 l ：高电平到来时，将第五帧的相应的位数据写入第一个s r a m 中的相应被处理过的地址处。以此类推，第六帧存入第二个$ r a m 中，第七帧 存入第三个s r a m 中，第八帧存入第四个s r a m 中，这样循环的对相应的s r a m 进行处理和写入，实现了图像的实时处理。 c ) 经处理后的数据从f f g a 中输出后，在b t l 2 1 芯片中重新组成视频信 号，可以方便计算机采集或显示器显示。 d ) m c u 在本系统中主要是提供人机接口，由操作人员通过面板控制实 现去噪，对比度增强，极性翻转和图像上下翻转以及视频帧回放等操作。极 硕士学位论文第三章远程数字化x 光机系统 2 4 性翻转是在f p g a 接受到m c u 控制信号后，用2 5 5 减去每次采集进来的图像数 据，得到图像的反像。图像的上下翻转是f p g a 将图像在s r a m 中的存储位置 上下颠倒。f p g a 在接受到m c u 发送的视频帧回放信号后，停止采集图像数据， 将s r a m 中的数据直接传输到b t l 2 1 显示回放。 3 4 3 实时视频图像处理结果分析 图3 4 3 为实时图像处理器整体实物图，而图3 4 4 则为处理器的控制 面板。在调试过程中，实时图像处理器将从新型影像增强器出来的视频信号 作简单处理后，送入图像采集卡作数字化转换，提供计算机以数字信号。 图3 4 5 为未经图像处理器处理的标准测试板射线在计算机中的显示 图，图3 4 6 为对比度增强后标准测试板射线计算机图，图3 4 7 和图3 4 8 分别为经过2 帧和4 帧累加处理的标准测试板射线在计算机中的显示图。 图3 4 3 实时图像处理器 图3 4 4 处理器面板 图3 4 5 未处理的测试板射线图图3 4 6 增强处理后测试板图 图3 4 72 帧处理的测试板图 图3 4 84 帧处理的测试板图 硕士学位论文第三章远程数字化x 光机系统 3 5x 光影像数字化 视频信号需要经过数字化才能进入计算机系统，论文采用嘉恒公司o k 型号的专业黑白图像采集卡将x 光视频图像信号采样并作a d 转换成数字信 号，实现x 光图像数字化。图3 5 1 为图像采集卡。 图3 5 1o k 图像采集卡 系统采集卡具备如下特点： 高速8 b i t sa d 转换，采样主频率从4 m h z 一6 5 m h z 自动调节； 采集点阵从4 8 0 x 4 8 0 到2 0 4 8 x 1 0 2 0 可调。 可支持8 位和2 4 位及3 2 位图象采集，图像无失真实时显示。 能采集单场、单帧、间隔几帧和连续帧图像，精确到场。 3 5 1 视频信号的采样