【毕业设计】基于sl—ie型模拟机影像系统的研究

学号4109005011泰山医学院毕业设计（论文）题目基于SLIE型模拟机影像系统的研究院（部）系放射学院所学专业生物医学工程年级、班级2009级本科一班完成人姓名秦莉莉指导教师姓名专业技术职称邱建峰副教授2013年6月1日论文原创性保证书我保证所提交的论文都是自己独立完成，如有抄袭、剽窃、雷同等现象，愿承担相应后果，接受学校的处理。专业班级签名年月日摘要目的分析IE型放射治疗模拟机影像系统的结构，探讨影像系统的工作原理及流程，改进系统的硬件部分，探索查找故障的途径和解决故障的方法，保障影像系统的正常工作，提高图像质量，减少故障率。方法本文论述了影像系统的工作原理、基本结构，详细介绍模拟机影像系统的组成、基本原理、各个组成部件的结构及工作流程，并对硬件部分进行了改进。分析了解常见的故障，找到故障的原因并解决故障。结果改进后的图像质量显著提高，实现数字化升级，更好地服务于临床。结论影像系统是IE型模拟机的重要组成部分，通过对硬件的改进，可以更全面的透析影像系统，提高图像质量，使定位片拍摄环节实现数字化升级。关键词影像系统；工作原理；硬件改进；故障ABSTRACTOBJECTIVEBYANALYZINGTHESTRUCTUREOFIETYPERADIOTHERAPYSIMULATORIMAGINGSYSTEM,DISCUSSINGTHEWORKINGPRINCIPLEANDPROCESSOFIT,ANDIMPROVINGTHESYSTEMSHARDWAREPART,WECANEXPLORETHEWAYSOFFINDINGFAULTANDRESOLVINGTROUBLESTOSECURETHEIMAGESYSTEMWORKNORMALLY,THUSIMPROVINGIMAGEQUALITYANDREDUCINGTHEFAILURERATEMETHODSTHISTHESISDISCUSSESTHEWORKINGPRINCIPLEANDBASICSTRUCTUREOFTHEIMAGESYSTEMITALSOINTRODUCESTHECOMPOSITIONSANDBASICTHEORYOFTHISSYSTEM,CONFORMATIONSANDWORKFLOWOFITSCOMPONENTSYETTHEHARDWAREHASBEENIMPROVEDINADDITIONTO,ITANALYZESTHECOMMONFAULTTOFINDOUTTHECAUSEOFTHEPROBLEMANDSOLVETHEMRESULTSIMPROVEDIMAGEQUALITYENHANCESSIGNIFICANTLYANDHASACHIEVEDDIGITALUPGRADETOMAKEABERRERSERVICEFORCLINICCONCLUSIONIMAGINGSYSTEMISANIMPORTANTPARTOFIESIMULATORINTHISSTUDY,THEIMAGINGSYSTEMCANBEDIALYZEDCOMPREHENSIVELYTHROUGHIMPROVINGTHEPARTOFHARDWARE,INWHICHWAYWECANIMPROVETHEQUALITYOFIMAGETHENTHESECTORSABOUTSHOOTINGWILLACHIEVEUPGRADEKEYWORDSIMAGESYSTEMWORKINGPRINCIPLEFAULT目录前言第一章概述11影像系统简介12X射线的产生及成像1第二章影像系统组成31X线管32影像增强器43CCD摄像机74液晶显示器11第三章影像系统的原理及改进151X线管工作原理152影像增强器工作原理173CCD摄像机工作原理194液晶显示器原理235硬件改进24第四章影像系统与成像质量261有效焦点262入射X线263CCD摄像机27第五章影像系统常见故障281X线管故障282影像增强器故障283CCD摄像头故障294液晶显示器故障30第六章总结31参考文献33致谢34前言肿瘤患者的放射治疗要经历从就诊、计划、治疗到出院随访四个阶段，具体分成定位阶段、计划设计、计划确认、计划实施四个环节。设计好的治疗计划不一定是能执行1的，要在模拟机或CT模拟机上进行射野模拟验证，看是否适于在治疗机上实施，一旦计划被验证可以执行，应在患者体表或相应的固定面膜、体模上做出相应的射野标记，然后开出治疗单，制备相应的挡野铅块、组织补偿板。放射治疗模拟机先是利用X射线成像系统得到病灶部位的X线影像，然后通过模拟机的运动模拟放射治疗的过程，再在模拟中通过影像系统观察病灶的部位，与相邻组织间的位置关系，再通过界定器确定辐射野的位置、尺寸，确定射野挡板的位置，最后验证治疗计划的可行性，保证放射治疗的质量。普通诊断X线机不能满足放射治疗机源轴距80100CM的要求，而且诊断时患者体位不是放射治疗时的体位，会造成靶区中心及辐射野的偏移，所以X射线诊断片所做的治疗计划很难做治疗前的模拟观察。随着数字计算影像重建和先进技术的发展现已出现CT模拟机。SLIE型模拟机是众多模拟机中的一种，其基本结构包括准直器、支臂、旋转臂、机架、影像部件、底座、治疗床、手控器和控制部件。一般来讲，影像部件最易出现故障，其重要性不言而喻。本文采用理论与实践相结合的研究方法，切实地把原理与实际结合起来。通过搜集IE型模拟机影像系统的相关产品的资料，从X射线产生传输方面研究基本原理和整机工作的关系，着重介绍了影像系统各组成部件的结构、基本原理及工作流程，并对硬件部分进行了改进，同时也对实习中遇到的故障进行分析和总结。本篇文章主要介绍IE型模拟机影像系统工作原理及对某些硬件的改进措施，具有重要的理论和实践意义。第一章概述1影像系统简介11医学影像史及分类1895年伦琴发现X射线，19011930年增感屏、体层、旋转阳极X线管相继出现，19311930年间又出现了超声、CT、核医学，19711980年开始应用于PET、MRI、MICROWAVE，从1981年至今，多形式影像系统及PACS已相当成熟。医学影像分为结构性影像（CT，MRI，XRAY，ULTRASOUND）、功能性成像（FUNCTIONALMRI，NUCLEARMEDICINE）和融合性成像（CTSPECT，MRISPECT，CTPET，MRIPET，CTMRI）。12影像系统的构成SLIE型模拟机的影像系统主要由X线管、影像增强器、CCD摄像机、液晶显示器等构成。其结构如图11所示。主要作用是首先X线管产生X射线，然后影像增强器把X线影像转换成可见光影像，CCD摄像机把影像增强器输出的可见光光信号转换成电信号，最后显示器用于显示最终的成像图像。图11影像系统的构成2X射线的产生及成像X射线是由大量带负电的电子，经高压静电场的加速作用，以高速撞击由重金属制成的靶极（即阳极ANODE，通常是钨金属制成的）而产生。由于阳极金属原子结构的内部作用，高速电子的能量会消失而被转换成别种形式，其中99会转换成热的状态，仅约1的能量转换成X射线（电磁波的一种）。这些能量转换就在X线管内部发生。AB图12X线成像基本原理如图12所示，由于X射线具有穿透性，当其照射物体后，如果物体具有密度差异便产生强弱不同的X射线，即形成X线对比度（反映了物体两部分之间的密度差异X线影像）。X线对比度影像增强图像系统、DR、CR系统或其他系统处理后变成灰度对比度（可见光影像），显示于荧光屏供医生观察。第2章影像系统组成1X线管11X线管组成图21是旋转阳极X线管结构图。它由阳极、阴极和玻璃壳3部分组成。它与固定阳极相比，主要是阳极构造不同。阳极部分由靶面转子、转轴、轴承和定子等组成。旋转阳极转子连接由无氧铜构成的旋转阳极靶，相当于异步电动机笼型转子。灯丝、集射罩等2组成偏离管子中心轴线的阴极。灯丝引线阴极阳极定子转子图21旋转阳极X线管结构图12X线管的基本特性参数在传统的X射线成像系统中，操作人员通过对图像的主观评价来对射线源的管电压和管电流进行反复的调节，最后根据经验获取最佳的参数值。X线管的基本特性参数包括3结构参数和电参数2个方面。结构参数是指X线管结构所决定的各种参数，如靶面倾斜角度、有效焦点、外形尺寸、质量、管壁的滤过铅当量、阳极转速、工作温度、冷却和绝缘强度等。电参数是指X线管电特性的规格参数，如灯丝加热电压和电流，最大管电流、管电压，最长曝光时间，最大允许功率等。虽然其参数很多，特别要注意以下几项参数（1）最大管电压是指加于X线管两极之间的最高电压值，单位为千伏（KV）。此值由X线管的长度、形状、绝缘介质的种类以及管套的形式等决定。若超过最大管电压值，将导致管壁放电或击穿。（2）最大管电流是指某一管电压和曝光时间内所允许的最大电流平均值，单位为毫安（MA）。在调整管电流时不得超过额定值，否则将导致焦点面过热而损坏或缩短灯丝的寿命。（3）最长曝光时间是指在某一管电压和管电流条件下所允许的最长曝光时间，单位为秒（S）。使用中若超过此值，热量的积累将使焦点面过热而损坏。2影像增强器影像增强器是X射线技术中主要的光电转换设备,其功能是将入射的X射线模式转换成为对应的可见光学图像的设备，这个可见的光学图像通过CCD或摄像机记录下来。影4像增强器由增强管、壳体和电源三部分构成。21增强管X线穿过病人身体后，由于病人各组织的密度不同，对X线的吸收程度亦不一样，因而形成一个强度受密度调制的X线图像。增强管的输入屏能将X线图像转换成荧光图像，经增强管进行图像增强后，在增强管的输出屏上获得亮度大大增强的荧光图像。故增强管亦称为X线影像增强管。其结构如图22所示。它主要由输入窗、闪烁晶体、光电阴极、电极、输出荧光屏、输出窗、管壳等组成。图22增强管的结构示意图（1）输入窗它是X线的入射窗口，由球面（或双曲面）状玻璃或对X线吸收较小的薄金属板等构成。（2）闪烁晶体它是X线换能器，可将X线图像转换成荧光图像。近代都采用碘化铯作为闪烁体，它能将X线转换成蓝光，蓝光强度与入射的X线强度成正比。（3）光电阴极它是一层极薄的光电发射膜。光电阴极受光照射时逸出光电子。光电子密度与入射的蓝光强度成正比。（4）电极管内一些特制的金属零件称为电极，最接近输出端的为阳极，中间的电极为栅极，最接近输入端为光电阴极。在阳极和光电阴极之间加直流正电压，对光电阴极逸出的光电子起定向加速作用。在栅极上加一定的直流电位，对阴极发射的电子束起聚焦作用。（5）输出荧光屏它是在玻璃基板上涂敷一层荧光粉，其上敷有一层铝膜，高速电子可以通过铝膜到达荧光粉层。此时电子能量将转换成可见荧光，铝膜的作用是防止光的反向传播以及给电子提供电气通路。（6）输出窗它由玻璃或光纤面板制成，是输出荧光屏上的荧光图像输出窗口，摄像头可摄取此窗口上的荧光图像。图23增强管光纤输出屏示意图（7）管壳它由输入窗、管身（金属或玻璃），输出窗等构成。它是一个大型的真空器件。只有高真空下，由光电阴极发射的光电子在到达输出屏时才不会与任何气体分子发生碰撞，管子才能正常工作。22增强管的主要技术参数增强管是影像增强器的核心部件。衡量增强管质量优劣的主要参数如下（1）转换系数它是衡量X线增强管转变效率高低的一个物理量。它的定义为输出屏亮度和输入屏接受的X线剂量率之比。式（21）中B为增强管输出荧光屏的亮度（CD/MERRORNOBOOKMARKNAME2GIVEN），R为增强管入射面处的X线剂量率（MR/S），是转换系数。越高，达到XGX摄像亮度所需的X线剂量率就越低。各增强管的不同。其中值高的增强管，输出同样亮度的荧光图像，所需要输入的X线强度小。值高的增强管对X线的灵敏度高。反X之，低的增强管对X线的灵敏度低。XG（2）分辨力它是衡量增强管分解图像细节能力的物理量。以每厘米能区分的线对数来表示分辨力的大小，单位为LPCM。分辨力的测量可用专门的线对卡。每厘米可分变得线对数越多，分辨力就越高，输出的图像就越清楚。（3）对比度它是体现增强管输出图像反差强弱的物理量。通常情况下，对比度越高，增强管输出图像所包含的层次就越多。式（22）中A是图像中最亮点的数，B是图像中最暗点的数，比值C就是对比XLXL度。（4）视野是指在一定的电极电压下，用与影像增强管轴线平行的X线照射时，在输出屏上显示的最大输入影像的尺寸。固定6、7、9、12英寸，可变11、7；9、4；4、6、14英寸。（5）X线吸收率表示输入屏荧光体层对X线的吸收能力输入屏逐渐采用了原子序数较高的碘化铯作为荧光物质，以增强吸收能力，同时可使荧光体层变薄，达到提高X线吸收率而又不降低分辨能力的目的。增强管的价格昂贵，使用中必须注意不透视时，工作状态的增强管应避免接受较强的X线辐射，否则会缩短其使用寿命；不允许强X线或强光线从光学系统进入增强管的输入屏，否则会影响输出屏的寿命；增强管对磁场很敏感，应置于外界磁场很小的环境中使用，他的周围不能防止磁性物体。若增强管累计曝光3小时，工作剂量率为5MRMIN（相当于一般肠胃检查剂量），则其寿命为1389年（23）工作剂量分钟天工作小时年工作天数伦琴对应对应剂量寿命604570706345表21部分增强管的主要参数输入屏尺寸（CM）型号转换系数（DSMMR）分辨力（LPCM）对比度厂家6”RTH6202CG18056151东芝9”RHT9206CG5RHP9204CP4D2501504042（9”）50（7”）15117112”RTP12301CG5RTP12302CG51401403636（12”）44（9”）52（7”）2012016”VX1250VX14002002004040141201瓦里安9”6”、5”VX1500VX16002002004050405314120112”9”、10”VX180020032422013CCD摄像机电荷耦合器件CCD（CHARGECOUPLEDDEVICES）是一种半导体器件，根据它的光敏特性，即在光照下能产生与光强度成正比的电子电荷量，可形成电信号，被广泛应用与成像系统。CCD摄像器件由很多个光敏单元组成。用于成像的CCD摄像器件有两种一种是线阵式，它的光敏单元有序地排成一行或一行，用于传真机、扫描仪等；另一种是面阵式，它的光敏单元以行列方式排列成矩阵，用于摄像、数码相机等。31面阵CCD的三种基本类型CCD作为摄像机中的光电传感器,必须能接受一幅完整的光像,所以CCD必须排列成二维阵列的形式,称为面阵CCD。面阵CCD的每列都是一个如前所述的线阵CCD移位寄存器,而列之间有由扩散形成的阻挡信号电荷的势垒,该势垒叫做沟阻,可以防止电荷从与转移方向相垂直的方向流走。面阵CCD有下面三种基本类型（1）帧转移型FT型,FRAMETRANSFER帧转移型面阵CCD如图24A所示。摄像器件分为光敏成像区和存储区两部分。在场正程期间,在光敏成像区积累信号电荷；在场消隐期间,由垂直CCD移位寄存器把信号电荷全部高速传送到存储区,存储区的信号在每一行消稳期间向前推进一行。在行正程期间,由水平CCD移位寄存器逐像素读出信号。帧转移型CCD在帧转移期间,全部电荷在成像区移动,一列中的每一个像素都被这列中后面的其他像素的光线照射过,因此景物中的亮点就会在图像上产生一条垂直亮带,这个现象称为拖尾。图24帧行间转移性CCD（2）行间转移型IT型,INTERLINETRANSFER行间转移型面阵CCD如图24B所示。摄像器件的光敏成像部分和存储部分以垂直列相间的形式组合。在场正程期间,在成像列积累信号电荷,场消隐期间一次转移到相应的存储列上。存储列的信号在每一行消隐期间沿垂直方向下移一个单元在正程期间,由水平CCD移位寄存器逐像素读出信号。在行间转移型CCD中,电荷包在存储列中每行时间移动一行距离,经过一场才能将全部电荷移出,虽然存储列采用光屏蔽,但斜射光和多次反射光仍会形成假信号而产生拖尾。（3）帧行间转移型FIT型帧行间转移型面阵CCD如图24C所示。成像区与行间转移型CCD相似,成像区与存储区的关系与帧转移型CCD相似。在帧行间转移型CCD中,电荷包从成像区向存储区转移是在场消隐期间进行的,而且是在光屏蔽和存储列中进行的,基本上不存在拖尾。32性能参数电荷耦合器件（CHARGECOUPLEDDEVICE，CCD）的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面板上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号。与其它器件如CMOS等相比，最突出的特点是它以电荷作为信号，而大多数器件是以电流或者电压作为信号。CCD以其高动态范围、低噪声、技术成熟等优点而广泛应用于航空航天、卫星侦察、军事保安监控、天文观测、通讯、机器视觉、广播、电影电视、医学窥镜、微光摄像等领域。而在CCD应用系统的设计当中，一个极其关键的环节就是对CCD芯片进行选型，并对它的性能参数进行精确测量。CCD的各项性能参数在很大程度上决定了探测系统的性能。EMVA1288标准由欧洲机器视觉协会负责制定，该标准对CCD的典型性能参数进行了标准化。主要性能参数如下所示（1）量子效率QUANTUMEFFICIENCYCCD在波长照射下产生的光电子数和入射光子数之比。该参数表征了CCD对不同波长光的敏感程度。（2）响应度（RESPONSIVITY）CCD在给定波长单色光照明下，信号电压与曝光量之比。该参数从总体上描述了CCD量子效率和系统增益。（3）动态范围（DR，DYNAMICRANGE）CCD像元所能探测的最大光信号和最小光信号之比。（4）暗信号非均匀度（DSNU，DARKSIGNALNONUNIFORMITY）CCD在无光照条件下，各像元的暗输出电压的标准差与其平均值的比值。（5）光子响应非均匀度（PRNU，PHOTORESPONSENONUNIFORMITY）CCD在50曝光条件下，各像元输出电压的标准差与其平均值的比值。该参数给出了CCD整体对输入光信号的响应情况（此时光波长取量子效率最大对应的波长）。（6）非线性度误差（LE，NONLINEARITYERROR）描述CCD产生的电信号与入射光强之间偏离线性关系的程度。（7）双倍温度常数（TD）当其它条件不变而温度上升时，暗电流增大为测量环境下暗电流的两倍时，所对应的温度值。依照标准，有如下的物理模型图25光子入射单个象素的物理模型当入射光照射到CCD像元上时，由光电效应产生光电子，存储在相应的势阱里面。当完成电荷积分之后，由电荷转移电路将电荷从势阱中提取出来，转移到外电路，经电容转成电压信号，将电压信号输入放大器放大。最后信号经过AD转换成数字信号，送入计算机进行处理。CCD像元无法将光子所携带的能量完全转换成电信号，并且在CCD电路当中也存在转移效率、暗噪声、量化噪声等非理想因素。实际的信号转移图26如下所示图26光子入射单个像素当然数学模型从上图可知，在曝光时间内，平均有个入射光子（波长）转换成个光电子。EXPTPE由定义可知在内，设像元光敏面的面积为A，入射照度为E，则EXPT在CCD成像中，电荷信号将会被转化成电压信号，最后经AD转换成数字信号。整个过程可以看成是一个线性的变换，其变换系数即为系统增益K。因此最终的平均数字量等于Y（2）（DEK6）式（26）中表示系统中随机起伏等原因产生的暗电子。将式（24）、（25）代入D（26）式式（27）中定义噪声。可以看出，模型中认为噪声与时间无关。CCD的KDARKD性能参数当中，量子效率的大小决定了CCD对不同波长单色光的灵敏度，当量子效率较低时，入射光能量利用率也低，不利于CCD成像。4液晶显示器41液晶显示器的分类医用显示器从结构上划分，主要有阴极摄像管（CATHODERAYTUBE，CRT）和液晶显示器（LIQUIDCRYSTALDISPLAY，LCD两种。随着技术的发展和人们要求的不断提高,消费者对原来传统的阴极射线管CRT显示器的体积大、重量大和功耗大的缺点越来越不满意。特别是在便携式、小型化和低功耗的应用中,人们期望着体积小、重量轻和功耗小的平板显示器的出。在这种需求的推动下,液晶平板显示器首先应运而生。由于液晶显示器（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射,平面直显示以及影像稳定不闪烁等多方面的优势,在近年来技术驱动及价格不断下跌的吸引下,占领了相当大的市场,有逐渐取代CRT主流地位的趋势。液晶显示器使用了目前最新的全彩显示技术，成像原理简单易懂。整个液晶显示技术的核心是让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。就技术方面而言，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为“SUBSTRATES”，中间夹着一层液晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使光束顺利通过。液晶显示器具有图像清晰精确、平面显示、体积小、重量轻、能耗低、工作电压低等优点。随着医院数字化的发展，医疗成像显示器将急剧增长,LCD显示器将被广泛使用。液晶是一种介于固体与液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物,一般固态晶体具有方向性,而液态晶体这种特殊物质,除了具有一般固体晶体的方向性外,同时又具有液体的流动性。改变固态晶体方向必须旋转整个晶体,改变液态晶体就不用那么麻烦,它的方向性可经由电场或磁场来控制。最常用的液晶型式为向列NEMATIC液晶,分子形状为细长棒形,在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则旋转90度排列,产生透光度的差别,在电源ON/0即状态下,会产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需的图像。如图27所示。（A）通电前（B）通电后图27液晶分子的排列改变液晶的方向视液晶的成分而有所不同,有的液晶和电场平行时位能较低,所以当外加电场时会朝着电场方向转动,相对的,也有液晶是对应电场垂直时位能较低。由于液晶对于外加力量电场或磁场敏感,从而呈现了方向性的效果,也导致了当光线人射液晶中时,必然会按照液晶分子的排列方式行进,产生了自然的偏转现象。液晶显示器按照显示方式可分为正像显示、负像显示、透过型显示、反射型显示、半透过型显示、单色显示和彩色显示。按照驱动方式可分为静态驱动STATIC、单纯矩阵驱动以及主动矩阵驱三种。而其中,单纯矩阵型又是俗称的被动式,可分为扭转向列型TN和超扭转式向列型STN两种；主动矩阵型则以薄膜式晶体管型TFT为目前主流。TN和STN又称无源型LCD,TFT又称为有源型LCD液晶显示属被动显示,只有在有外光源的条件下无论是环境光还是背光源才能实现显示。背光源的功耗是液晶本身功耗的几百倍,因此在有无背光源的两大类液晶显示中,反射式液晶在节能省电的场合具有相当优势。表22TN、STN及TFT型液晶显示器之比较表类别TNSTNTFT原理液晶分子，扭转90度扭转180度270度液晶分子，扭转90度特性黑白、单色低对比（201）黑白、彩色（26万色）低对比、较TN较佳（401）彩色（1667万色）高对比、较STN较佳（3001）全色彩化否否可媲美CRT之全彩色动画显示否否可媲美CRT视角30度以下40度以下80度以下面板尺寸13寸112寸617寸以上应用范围电子表、计算器电子词典、移动电话彩色笔记本计算机、投影机、超薄平面彩色电视42液晶显示器的性能和特点LCD的性能主要取决于其亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间等。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量，画面均匀度则和辅助光学模块有很大关系，而LCD的亮度主要取决于背光光源的光亮度。当然，整个模组的设计也是影响产品亮度的一个重要因素。亮度是衡量显示器发光强度的重要指标。高亮度也就意味着显示器对其工作的周围环境的抗干扰能力更高，主要针对LCD的TC003认证标准对亮度指标做出了较高的要求，高亮度已经成为衡量液晶板品质的重要参数之一。从技术角度来说，提高亮度的方法有三种提高液晶板的光通过率，但这是有极限的；增加背光灯管数量，亮度有很大提高，在相同的参数下，液晶的亮度效果要好一些，不过更多的冷阴极荧光管意味着功率消耗增大；通过在荧光屏表面加入数层带有特殊化学涂层的薄膜光学物质对外来光线进行处理，一方面折射成不同的比例，使反射的光线得以改变方向并互相抵消，另一方面能最大限度地吸收外来光线，改变光线传播的波长和反射，经过这样的处理后，就能最大限度地减少外来光线在荧光屏造成的反射，把在荧光屏上产生的反光度和反光面积降低至最低的程度，从而使背光源的光线能更好地透过液晶层，使亮度更高，反射更低。目前，LCD的响应时间主要有6MS、12MS、16MS、25MS之分，他们所采用的液晶面板也是不一样的。LCD的亮度可达500CD/以上，对比度可达5501以上，响应时间小于2M25MS，已能满足诊断的需求。LCD的可视角度已达到水平160、垂直135以上的超宽视角。第3章影像系统的原理及改进1X线管工作原理X线是一种波长极短的电磁波，产生X线必须具备以下三个条件以某种方法获得一定数量的电子。以某种方法使这些电子沿一定方向高速运动。在电子运动的路径上，设有急速阻止其运动的物质。在X线成像系统中，对X线成像质量影响最大的因素之一5就是X线管的焦点。因此，实际工作中对X线管的焦点要求比较严格。实际焦点实际焦点是指灯丝发射的电子经聚焦后在靶面上的轰击面积。目前，医用X线管的灯丝都是绕成螺管状，所成焦点为一长方形，故称线焦点。实际焦点的宽度，主要取决于聚焦罩的形状、宽度和深度。实际焦点越大，X线管的容量就越大，曝光时间就可以缩短。我国生产的X线管大多数采用单槽或阶梯槽结构，聚焦罩及其电位分布，如图31所示。图31电子轨迹在电场作用下，实际焦点面上的电子密度分布不同，其X线辐射强度的分布呈单峰、双峰甚至多峰型，如图32所示。在同样焦点尺寸的情况下，焦点中央辐射强度越强（呈高斯分布），其影像分辨率越高；其次为矩形分布；最差为双峰分布。医学诊断用X线管的焦点一般是双峰分布。图32X线辐射强度分布有效焦点实际焦点在X线管轴垂直方向的投影，成为有效焦点,或目视焦点。当靶角（阳极靶面与X线投照方向的夹角）为时，设实际焦点的长度为AC；则投影后的有效焦点长度ACSIN，宽度不变。即BACSIN。有效焦点与实际焦点之间的关系如图33所示。图33实际焦点与有效焦点越靠近阳极，沿管轴分布的X线辐射强度下降的越多。这是因为高速电子不仅轰击在靶面上，而且还穿透到靶内某一深度，穿过靶内的深度越深，靶对它的吸收越多，相对辐射出的射线强度就越低。由于辐射强度分布不一致，因此能够利用的X线辐射范围是一定的。一般为06（为靶角）。旋转阳极X线管较好地解决了提高功率和缩小焦点之间的矛盾。高速运动的电子束由偏离X线管中心轴线的阴极射出，轰击到转动的靶面上。如图34所示。由于高速运动的电子束轰击靶面所产生的热量，被均匀地分布在转动的圆环面上，承受电子束轰击的面积因阳极旋转而大大增加（实际焦点的尺寸不变、空间位置不图34旋转阳极X线管的焦点变），使热量分布面积大大增加，因此可有效地提高X线管功率，并通过适当减小实际焦点尺寸和靶角，以使有效焦点减小成为可能。2影像增强器工作原理21影像转换及增强过程如图35所示，X线穿过人体被检部位后，由于患者各组织的密度、厚度不同，对X线的吸收程度亦不一样，因而形成一个强度受密度、厚度调制的X线图像。输入屏把接受的X线影像转换成可见光影像，并由输入屏的光电阴极转换成电子影像。光电子在阴极电位、聚焦电极电位及阳极电位共同形成的电子透镜作用下聚焦、加速、冲击，在输出屏上形成缩小、倒立并增强了（电子密度增大）的电子影像。电子像再由输出屏转换成可见光像。阳极电位越高，光电子的运动速度越快，撞击输出屏时的动能越大，激发的电子越多，输出屏亮度越高。图35影像增强器工作原理示意图增强管的有效视野一般为614，最常用的视野是9，有些增强管的视野多是可变的，如11/7，10/6，9/5的可变视野增强管。22亮度增益影像增强管的主要用途是提高影像亮度，便于摄像机摄像。输出屏影像亮度与输入屏影像亮度之比定义为影像增强管的亮度增益。亮度增益与以下两个因素有关（1）缩小增益增强管的输入屏面积大，输出屏面积小，输入屏上光电阴极发出的电子经电子透镜后集中投射到面积较小的输出屏上，使输出屏单位面积接受的电子数量增加很多，导致输出屏亮度提高，称为缩小增益。其关系是缩小增益输入屏有效面积/输出屏有效面积输入屏有效直径2/输入屏有效直径2。如某一影像增强管输入屏有效直径为23CM，输出屏有效直径为254CM，则缩小增益为增益232/254281，即单纯由于面积的缩小，其输出屏的亮度是输入屏荧光层发出荧光亮度的81倍。（2）流量增益是指在增强管内，由于阳极电位的加速作用，光电子获得较高能量，撞击到输出屏荧光层时，能激发多个光子，光电子能量越大，激发出的光子越多，荧光亮度越强。这种增益称为流量增益（又称能量增益）。增强管的流量增益一般在50100倍左右。增强管的亮度增益等于缩小增益与流量增益的乘积。总增益一般在103104之间。增益过大，量子噪声明显，影响影像质量。23变野功能影像增强器内部增加了一对辅助阳极，改变辅助阳极和聚焦极的电位，即可改变电子透镜的放大倍率。提高阳极电位，放大倍率增大，输入屏上的影像远离中央部分投射到了输出屏范围以外，从而使输入屏中心一定范围的影像成像在输出屏上（小视野）。如图36所示。应注意的是小视野充分利用了输出屏的分辨力，使用较小视野时，由于缩小增益减小，要维持原来的输出亮度，必须适当增加X线的输出量。图36影像增强器变野功能示意图3CCD摄像机工作原理CCD摄像器件由光电转换、电荷存储、电荷转移以及信号输出等部分构成。（1）光电转换和储存常见的光电转换器件有MOS电容器型和光敏二极管型两大类。MOS电容器型在P型半导体SI衬底的表面上用氧化的方法生成一层厚度约100150NM的，再在表面蒸镀一层金属以形成多晶硅，在金属层和衬底间加一个2SIO2SI正电压，形成了一个MOS电容器，如图37A所示。当光线照射时，光子穿过透明金属层及氧化层，进入P型或N型）SI衬底，部分SI原子的价电子将因吸收光子能量而脱离原子核的束缚，变成自由电子，同时形成空穴，这些电子和空穴因光照而产生，因此称为光生电荷亦称为信号电荷。信号电荷在外加电场的作用下，分别向两极移动。当金属层和衬底间所加电压达到开启电压时，硅衬底与界面处的电势（称为界面势或表面势）2SIO就会发生变化。此时，衬底中的多数载流子被排斥而形成耗尽层，即势阱。势阱的深度决定于金属电极与衬底间所加电压的高低。由于势阱的势能较低，信号电荷将存储在势阱中，形成电荷包。势阱界面势必将随聚集的电子数目增多而降低。图38是有电荷存储的势阱原理图。AMOS电容的结构示意图（B）光敏二极管图37光敏元件光生电荷的多少决定于入射光子的能量和数量。每个电荷包的电荷量与对应像素的亮度成正比。这样，一幅光学图像就转变为相应的电荷图像。但MOS电容的储存容量有限，当光生电荷超过MOS电容的储存容量时，将发生溢出。图38有电荷存储的势阱原理图光敏二极管型在P型SI衬底上扩散一个N区域而形成的PN结二极管，其结构如图37B所示。多晶硅二极管加反向偏置，形成一个定向电荷区，即耗尽区。光子穿过多晶硅二极管时，将产生光生电子空穴对。在耗尽区内，光生电子空穴分离，光生电子被收集到耗尽区形成电荷包，称为信号电荷。耗尽区对电子而言是一个势能很低的区域，称为陷阱。此陷阱能够存储的最大电荷量叫做陷阱容量，它与所加偏置电压近似呈正比。光敏二极管与MOS电容相比，具有灵敏度高、光谱响应宽、蓝光响应好、暗电流小等优点，所以在CCD摄像器件中，光敏二极管型已逐渐取代了MOS电容器型。（2）电荷转移由于CCD是由一系列MOS电容或光敏二极管经紧密排列而构成的器件，而且都做在同一衬底上，同衬底材料为P型硅或N型。下面以P型硅衬底MOS电容型CCD为例,介绍CCD的电荷转移。图39是三相（三组彼此有相位差的时钟脉冲）驱动CCD电荷转移的物理过程。ATTBTT12CTTDTT34E图39CCD电荷转移的物理过程图中有4个金属电极，当各电极上加如图39E所示的有一定相位差的脉冲时时刻，由于电极上所加脉冲为高电平且幅度大于器件的阈值电压。此时，在下1T11面的半导体与氧化物的界面上，便会处于深耗尽状态，即形成了势阱。此时，若器件表面受光照射，所有光生电子将存储在下面的势阱内。由于此时、电极处于脉冲的低电123平，不会形成势阱，当然也不会存储电荷，如图39A所示。在时刻，、电极上所加脉冲均为高电平。由于电极间距极小，与电极2T1212下面的势阱将产生耦合。由于电极下面的势阱已存储了一些光生电子，因而其界面势下1降，势阱变浅，所以电极下面的势阱存储的光生电子便会向电极下面的势阱中移动12。显然，随着光生电子从电极下面的势阱向电极下面的势阱转移，电极下面的势22阱中的界面势也会下降，如图39B所示。在时刻，由于电极上的脉冲幅度越来越低，因此其电极下的势阱也越来越浅，3T1电极下面的势阱仍处于较深状态，所以光生电荷会继续从电极下面的势阱向电极下212面的势阱转移，如图39C所示。时刻，电极完全处于脉冲的低电平状态，电极仍为高电平，因此存储在4T12电极下面的势阱中的光生电荷将全部转移到电极下面的势阱中，如图39C所示。12在以上时钟脉冲作用下，随着势阱位置及深度的定向移动便会使存储在势阱中的光生电荷也随之定向转移。这一过程重复进行，就可将信号电荷按一定方向从一个MOS电容转移到临近的另一个MOS电容。这就是CCD摄像器件中的电荷转移或电荷耦合的物理过程在实际的CCD摄像器件中,转移电极很多。在三相驱动CCD摄像器件中，将第1、4、7电极并联，加上时钟脉冲；将第2、5、8电极并联，并加上脉冲1；将第3、6、9电极并联，并加上脉冲。这样，信号电荷在一个时钟周期内会23通过由、构成的一个单元，或者说一“位”。另外，也有二相或四相驱动CCD摄123像器件。3信号输出CCD摄像器件以电荷耦合方式工作,而所需要的视频信号是电压或电流。因此,输出部分的任务就是在保证输出信号信噪比及带宽的情况下将信号电荷变换为信号电压或电流。信号输出部分由输出门、浮置电容、复位门和源极跟随器场效应管输出级组成，如图310所示。其工作原理为在时刻，信号电荷储存在电极下面的势阱中，浮置电容处1T2于上一次复位后的高电平；在时刻，变为低电平，驱动信号电荷通过输出门给浮置电2T2容充电，导致浮置电容两端的电压降落，使输出场效应管栅极电位下降，输出电流变大，由源极负载电阻输出的电压信号OS变大。输出门OG必须加一个固定直流偏压，以便形成必要的电位梯度。为拾取下一个光敏单元的信号电荷，浮置电容必须复位到起始状态。故在时刻，复位门RS上加一个复位脉冲，复位门导通，浮置电容上的电荷完全放掉，电3T位复位高电平。重复上述过程，从而获得连续的电压信号（视频信号）。图310输出电路部分的结构及波形图4液晶显示器原理LCD与传统的CRT显示器工作原理相比有所不同，传统的CRT显示器主要是依靠显像管内的电子束轰击荧光屏内侧的荧光粉来发光，在显示器内部人造电磁场的控制下，电子束会发生一定角度的偏转，扫描目标单元格的荧光粉而显示不同的色彩。而TFTLCD（薄膜晶体管驱动型液晶显示器）却是采用“背光”原理，使用灯管作为背光光源，通过辅助光学模组和液晶层对光线的控制来达到理想的显示效果。液晶面板主要是由两块无钠玻璃夹着一个由偏光板、液晶层和彩色滤光片构成的夹层所组成，见图311。偏光板、彩色滤光片决定了有多少光可以通过，以及生成何种颜色或灰阶的光线，从而显示出彩色或灰阶图像。扭曲向列（TWISTEDNEMATIC液晶被灌在两个制作精良的平面之间构成液晶层，这两个平面上列有许多沟槽，单独平面上的沟槽都是平行的，但是这两个平行的平面上的沟槽却是互相垂直的。位于两个平面间液晶分子的排列会形成一个Z轴向90的逐渐扭曲状态。背光光源即灯管发出的光线通过液晶显示屏背面的背光管和反光膜，产生均匀的背光光线，这些光线通过后层会被液晶进行Z轴向的扭曲，从而能够通过前层平面，作为显示器的亮态（最高亮度）。如果给液晶层加电压将会产生一个电场，液晶分子就会重新排列，光线无法扭转从而不能通过前层平面，以此来阻断光线，呈现暗态（最小亮度）。如果电场不特别强，液晶分子处于半树立状态，旋光作用也处于半完全状态，则会有部分光透过前层平面，可呈现出中间不同等级的灰阶和亮度。图311TFTLCD结构图液晶显示器的背光灯（冷阴极荧光管）射出的光线经过反射板和导光板使光线平铺展开，经过偏光膜、玻璃基板、配向膜射入液晶材料中。TFTLCD是利用薄膜技术做成的硅电晶体电极，采用扫描法来选择任意一个显示点（即像素点）的开与关。当背光源的光线射到液晶时，液晶分子在外加电场的作用下，其排列方式会发生变化，进而会改变穿透液晶的光线角度；这些光线还必须经过前方的彩色滤色片（内含配向膜）和另一个偏光膜。只要改变激励液晶的电压值，就可以控制最后射出的光线强度与色彩，并在液晶屏上显示出有不同深浅颜色的像素。实际工作中，列电极上加选通脉冲，行电极上加顺序扫描驱动电压，图像信号同步地加在信号电极上，通过液晶的光线受到图像信号的调制，从实现图像显示。5硬件改进放射治疗模拟机的重要功能之一就是拍摄放射野定位片和放射野证实片，但其传统的屏片拍摄技术存在着曝光量大、图像质量差等诸多缺陷。这里对传统的SLIC型X线放疗模拟机胶片暗盒的盒槽进行了改造，利用诊断科的CR，使定位片拍摄环节实现数字化。改进方法如图312所示，主要对位于模拟机影像增强器顶面的原配12英寸15英寸胶片暗盒的盒槽部分进行改造。拆下原配盒槽，在原位分别加装40MM宽、420MM长（与盒槽等长）、3MM厚的延长钢板各一块，用于加宽盒槽宽度，再将原配盒槽固定在延长钢板上，使其宽度恰好适合插入14英寸17英寸的CR标准配置的IP板。图312暗盒盒槽改造示意图进行拍片时，模拟机定位方式不变，当需要拍摄照射野定位片或照射野证实片时，原操作为放置内置12英寸15英寸胶片的胶片暗盒改为放置诊断科现使用的14英寸17英寸的CR标准IP板，然后按适合CR所需的曝光条件摄片。完成拍摄后的IP版送到诊断科，在CR工作站上完成图像采集和后处理。改造后所采集的图像尺寸明显变大，省略了原技术必需的胶片拍摄、冲洗环节，淘汰了必配的自动洗片机，既节约了设备购置、维修、养护等成本，又避免了自动洗片机不断产生的废弃液所带来的环境污染。较原技术相比，曝光宽容度加大，消灭了原技术的废片率，同时缩短了定位时间。同时降低了X线曝光量，减小了患者的辐射损伤，延长了X线机管球的寿命，提高了图像密度分辨率，更有利于靶区勾画。除此之外，获得的数字化影像后处理功能强大，增加了信息的显示功能。还可通过PACS传输，且长期、可靠、有效保存影像。靶区设计勾画也可通过二种方式完成，增加了选择性。X线模拟定位机仅做了部分硬件改造，巧妙利用医院现有的CR设备，实现了定位片拍摄的数字化升级，节省了数百万元设备更新资金。第4章影像系统与成像质量放疗医生通过模拟机可提供肿瘤和重要器官的影像信息，用于治疗方案的验证与模拟。病灶及井形界定线图像越清晰，越有利于治疗方案的制定。影响图像质量的因素主要有有效焦点尺寸、入射X线的剂量和质量、遮光器、镜头光圈、影像增强器、摄像机、窗宽、窗位、滤线栅技术等。1有效焦点有效焦点尺寸越小，影响清晰度就越高，如图41所示。当有效焦点为点光源时，图像的边界分明，几何模糊小，影像清晰度高；有效焦点越大，图像边界上的半影也越大，几何模糊大，影像清晰度降低。减小有效焦点，势必减小实际焦点，X线管的功率随之减小，曝光时间需增加，这将会引起运动模糊。由此可见，减小焦点面积以减小几何模糊、改善影响清晰度和增大X线管的功率以缩短曝光时间、减小运动模糊是一对矛盾。图41焦点与影像清晰度的关系2入射X线射线剂量越少，射线量子杂波越明显。管电压太高，射线质量太硬，被射物体对比度就降低。一般同样的射线剂量，减少射线管电流，增大射线管电压，就可减少被照者所受辐射剂量。但是，在图像质量方面就会造成被射物体对比度降低。要获得具有良好对比度的透视图像，就必须下功夫降低射线管电压。降低透视管电压，主要有下列几个方法增大射线管电流、打开摄像机光圈、提高摄像系统放大器增益。后两者主要提高系统灵敏度，降低射线剂量。由于病人各组织的密度、厚度不同，当X线穿过人体被检部位后，对X线的吸收程度亦不一样，因而形成一个强度受密度、厚度调制的X线图像。3CCD摄像机摄像机是一个决定X射线电视图像质量的重要装置，特别是灵敏度特性和余像特性非常重要。灵敏度特性对X射线透视图像的对比度及辐射剂量很有影响，但是所需的灵敏度应根据辐射剂量和影像增强器的辉度条件设定。给系统灵敏度带来影响的重要原因有影像增强器输入面X射线剂量率、影像增强器转换因子、镜头光圈、摄像机灵敏度、摄像机电路放大率、监视器对比度等。第5章影像系统常见故障放射治疗模拟机的影像系统长期工作在大电流、高功率状态下，它是模拟机故障的高发部件。影像系统与成像质量的好坏有着密切关系，所以是左右着模拟机设备性能的关键。及时正确的查找和排除影像系统的故障对整机的维修有重要意义。以下是我在山东新华医疗器械科技有限公司实习期间遇到的影像系统典型故障，在此作一归纳小结。1X线管故障故障现象开机后X线机进入自检程序，自捡结果正常，说明主机各个部分的软件程序没有问题。然后遂行进行拍片实验，工作正常。但进行TV透视时，听到高压发生器内声音异常，而且控制台内有烧焦的气味。故障分析与检修拍片正常，说明主机控制程序、拍片执行程序、高压变压器等工作正常，也说明其主机的微机板、灯丝板、电源板等工作是正常的。进行TV透视时，听到高压发生器内声音有异常,而且控制台内有烧焦的气味。打开控制台后盖进行检查，发现电源板保险管，以及两只灯丝板保险管同时烧坏。高压发生嚣内声音有异常，说明TV透视时高压变压器负载过大，3只保险管同时烧坏，说明TV透视时出现故障,导致15V交流电源电压及X管灯丝加热点路的70V供电电源被保护。经检查，15V电源和80V电源都是正常的。将高压电缆从高压变压器的插座上拔下，进行低条件透视，工作正常。用同样的办法捡查高压电缆，工作也是正常的。这样，问题肯定出在该线机的线管上。关闭主机，并将电源开关断开,卸下线管，打开其窗口,以便观察。开机后观察发现该线管的高压变压器的油不够,有气泡。而且油的颜色浑浊，可能存在高压放电观象,这样,导致负载过大,灯丝板电路烧毁。打开线管,发现油的液面低于阳极端的护罩,以致于被高压击穿。用704绝缘胶涂在阳极端护罩上，晾干后安装好。并用高压油冲洗线管，然后进行烘干、真空处理、注油、封装。最后，将线管安装在诊断床上，再开机，进行低条件TV透视，工作正常，然后训练线管。至此故障排除，X线机恢复正常。小结在曝光时，应严格按使用规格表进行，不得过负荷使用，特别要防止连续过载发生，在大多数线机中，没有连续过载保护装置，全靠操作人员适度掌握，在实际损坏的线管中，大多数是连续负荷过载所造成的。2影像增强器故障故障现象透视时，监视器图像不停闪烁。持续几天后，监视器突然无图像，但透视管电流有显示，摄影正常。故障分析与检修透视管电流有显示，摄影正常，说明线输出正常，故障可能出在影像增强器、摄像机、监视器系统。在对本机进行检测时，摄像机利用外界光源摄像，监视器