數(shù)字射線檢測系統(tǒng)平板探測器響應(yīng)特性的研究

摘 要：數(shù)字射線檢測（DR）方法優(yōu)點(diǎn)明顯，比如量子檢測效率較高、動(dòng)態(tài)范圍比較大、成像速度較快等。這種方法在工業(yè)和醫(yī)學(xué)無損檢測中，運(yùn)用非常廣泛，DR系統(tǒng)主要成像設(shè)備是平板探測器，由于受到制造工藝和散射等因素的限制，導(dǎo)致了DR系統(tǒng)空間分辨率比較差，量子、結(jié)構(gòu)噪聲的干擾會(huì)嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。所以設(shè)法改善圖像質(zhì)量就變得尤為重要。掌握平板探測器的響應(yīng)特性可以大大提高影像質(zhì)量，降低劑量，提高檢測效率，本文研究平板探測器對(duì)X射線的能量和強(qiáng)度響應(yīng)特性，為數(shù)字射線檢測技術(shù)提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字射線檢測；平板探測器；成像設(shè)備；響應(yīng)特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.135

0 引言

射線照相技術(shù)的可靠性較強(qiáng)，現(xiàn)在已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域的無損檢測中廣泛應(yīng)用。數(shù)字平板直接成像（Director Digital Panel Radigraphy，DR），是近幾年發(fā)展起來的X射線數(shù)字化成像技術(shù)，具有快速成像，成像質(zhì)量高、成像區(qū)域均勻，動(dòng)態(tài)范圍，空間分辨率和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是目前最有可能取代傳統(tǒng)膠片成像的成像技術(shù)[1]。DR檢測在醫(yī)學(xué)疾病診斷和工業(yè)檢測評(píng)價(jià)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，獲取高質(zhì)量圖像一直是DR技術(shù)的研究熱點(diǎn)。采用平板探測器的 DR 檢測系統(tǒng)中，平板探測器響應(yīng)特性的研究對(duì)圖像質(zhì)量的提高具有重要意義。

1 DR簡介

自動(dòng)1895年倫琴發(fā)現(xiàn)射線后，射線照相技術(shù)邊逐步的運(yùn)用到了無損檢測中去，由于其可靠性較強(qiáng)，所以應(yīng)用愈加廣泛。射線檢測是通過X射線等一系列的射線來根據(jù)射線在材料中的衰減規(guī)律和穿透力來找到材料內(nèi)部存在的缺陷，對(duì)材料的性能進(jìn)行檢測。射線檢測原理和技術(shù)的基礎(chǔ)便是射線衰減規(guī)律，檢測過程中能夠生成和工件信息有關(guān)的檢測圖像。在工程檢測中，射線檢測是使用最久的無損檢測手段，在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面運(yùn)用都非常廣泛。射線膠片檢測是吧射線膠片作為檢測記錄器進(jìn)行記錄，也是應(yīng)用最早，當(dāng)前使用范圍最廣泛的一種射線檢測技術(shù)。然而膠片照相沒法達(dá)到實(shí)時(shí)成像，并且膠片照相對(duì)膠片質(zhì)量的要求較高，這也導(dǎo)致了其成本較大。并且膠片存儲(chǔ)需要嚴(yán)格的溫度、濕度控制，對(duì)環(huán)境要求很高，操作起來很不方便，不利于方便管理。最近幾年來，計(jì)算機(jī)層析技術(shù)、CCD技術(shù)、線掃描成像技術(shù)、平板探測器技術(shù)發(fā)展速度較快。這些技術(shù)都具備實(shí)時(shí)成像、實(shí)時(shí)檢測以及實(shí)時(shí)評(píng)估的優(yōu)點(diǎn)，并且數(shù)字圖像也能夠在網(wǎng)絡(luò)上被更多的人所看到及采用。射線數(shù)字成像技術(shù)首先應(yīng)用到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，早先發(fā)展速度較慢，最近幾年尤為迅速。在射線檢測領(lǐng)域中，射線數(shù)字照相技術(shù)也逐步得到了應(yīng)用，相關(guān)的研究也在不斷增加，一些標(biāo)準(zhǔn)也在制定中。

DR成像系統(tǒng)主要由X射線源、平板探測器（Flat Panel Detector，F(xiàn)PD）、工控計(jì)算機(jī)等組成。X射線源發(fā)出X射線光子，穿透工件后被平板探測器接收并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信息，將數(shù)字化信息傳輸?shù)接?jì)算中去，經(jīng)過相關(guān)的處理形成并顯示數(shù)字圖像。DR檢測系統(tǒng)于近幾年逐漸應(yīng)用于工業(yè)檢測中，隨著技術(shù)的發(fā)展，探測器性能的不斷優(yōu)化，DR成像系統(tǒng)的圖片質(zhì)量接近膠片成像，缺陷檢出率比膠片成像系統(tǒng)高出很多。

DR檢測能夠給工業(yè)檢測評(píng)價(jià)以及疾病診斷提供可靠的依據(jù)和準(zhǔn)確的信息。DR檢測技術(shù)研究中，怎樣獲得高質(zhì)量、失真較低的圖像一直是其重點(diǎn)和南段。現(xiàn)在DR檢測技術(shù)還存在很多問題需要解決。比如空間分辨率較低、元相應(yīng)沒有實(shí)現(xiàn)一致等。進(jìn)行DR檢測時(shí)有下面幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)：

（1）矯正平板檢測器。平板檢測器結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)給圖像質(zhì)量造成很大影響，想要獲得高信噪比的圖像，必須首先要對(duì)探測器進(jìn)行準(zhǔn)確的校正。

（2）數(shù)字圖像顯示和處理技術(shù)。由于DR圖像本身便是數(shù)字化的，能夠通過相關(guān)數(shù)字圖像處理技術(shù)來處理圖像，對(duì)其進(jìn)行復(fù)原或者增強(qiáng)。從而不斷提高DR圖像的實(shí)際質(zhì)量，提高其檢測效率。這便要求處理圖像時(shí)，設(shè)法去除噪聲，盡最大可能得到不失真的原有圖像的相關(guān)信息就變得尤為重要。

2 平板探測器

DR檢測系統(tǒng)采用平板探測器作為圖像采集設(shè)備，具有成像快速便捷，比傳統(tǒng)膠片擁有更高的量子檢測效率（DQE）等優(yōu)點(diǎn)。平板探測器的數(shù)字成像動(dòng)態(tài)范圍寬，散射損耗低，圖像采集快捷高速。

平板探測器根據(jù)能量轉(zhuǎn)換可以分成直接或者間接轉(zhuǎn)換兩種方式。直接轉(zhuǎn)換型的FPD使用的是光導(dǎo)體材料，在X射線曝光后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過薄膜半導(dǎo)體陣列（Thin Film Transistor array，TFT）存儲(chǔ)，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換獲得數(shù)字圖像。間接性轉(zhuǎn)換型FPD使用的是閃爍晶體。在X射線曝光后，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成為可見光，然后用稿光電二極管陣列，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并逐行取出轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。

從平板探測器本身來看，其性能參數(shù)的評(píng)價(jià)主要從三個(gè)方面進(jìn)行：空間分辨率（Spatial Resolution，SR）、量子檢測效率（Detective Quantum Efficiency，DQE）和調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）。

（1）空間分辨率。圖像可分辨最小物體直徑是由空間分辨率決定的，期測量方法在高對(duì)比度特點(diǎn)以及噪聲較低的情況下，通過較大電流以及較低電壓來測量。

（2）奈奎斯特頻率。奈奎斯特頻率是通過像素尺寸來進(jìn)行計(jì)算的，其又叫截止頻率，代表的是像素點(diǎn)中心距離。

（3）調(diào)制傳遞函數(shù)。在射線進(jìn)入平板時(shí)，其會(huì)和平板發(fā)生作用，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換時(shí)，射線衰減相關(guān)信息會(huì)被調(diào)制到模擬電壓上面，通過計(jì)算機(jī)讀出形成圖像灰度值。在這個(gè)過程中，通過MTF來進(jìn)行對(duì)比度變化的表示。

MTF函數(shù)能夠?qū)⒊上裣到y(tǒng)的圖像細(xì)節(jié)區(qū)分能力反應(yīng)出來。MTF能夠決定通過探測器進(jìn)行物體探測時(shí)，對(duì)比度的損失，其和探測器物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成有著直接關(guān)系，探測器不同其MTF也會(huì)存在很大不同。比如函數(shù)一幀空間頻率分布在 0 和截止頻率的圖像，這個(gè)圖像的MTF值在1到0之間變化。其中1表示的是在灰度范圍中對(duì)比度的有效轉(zhuǎn)換，0表示的則是這個(gè)對(duì)比度的轉(zhuǎn)換截止，也就是這個(gè)細(xì)節(jié)無法在圖像上看到。根據(jù)其定義，空間頻率為0的成像系統(tǒng)，其MTF為1，若是MTF數(shù)值出現(xiàn)下降，那么則代表空間頻率的增加，而像素尺寸又決定了極限空間頻率。MTF能夠?qū)⒖臻g分辨率和對(duì)比度的關(guān)系反映出來。MTF數(shù)值越高，反映出的圖像信息也會(huì)愈加真實(shí)。

DR平板探測器響應(yīng)特性的研究具有以下意義：

（1）重視檢測靈敏度的提高。通過數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠處理DR圖像中的模糊、噪聲等一系列的問題，更加容易找到噪聲中存在的缺陷信息，不斷的提高其檢測靈敏度。

（2）降低劑量、提高檢測效率。若是能夠在噪聲和散射都較高的情況下，得到清晰的圖像，那么能夠降低拍色所需劑量，在工業(yè)中，劑量越低意味著安全性越高，并且也能夠讓DR射線技術(shù)最大檢測厚度有一定增加。

3 響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)使用Varian Paxscan 2520V 平板探測器，對(duì)1-14mm厚的鈦合金階梯試塊透照不同能量和強(qiáng)度的X 射線，固定積分時(shí)間200ms，提取DR成像原始數(shù)據(jù)，測定灰度均值，獲取試塊不同厚度下的能量和強(qiáng)度響應(yīng)曲線。

隨著階梯試塊厚度的增大，強(qiáng)度響應(yīng)和能量響應(yīng)曲線的斜率逐漸減小，由此可以得出，DR系統(tǒng)中線衰減系數(shù)隨著強(qiáng)度和能量的增大而減小。

在DR系統(tǒng)中中積分時(shí)間極短，膠片曝光曲線中曝光量的概念在DR中無實(shí)際意義。通過管電壓代替曝光量，積分時(shí)間為200ms，透照不同管電流得到灰度值為23000的圖像時(shí)，得到管電壓與厚度的關(guān)系曲線，通過觀察，管電壓與厚度的關(guān)系圖像非常直觀，隨著管電流的增大，管電壓與厚度特性曲線的斜率相應(yīng)減小。

4 總結(jié)

在DR檢測系統(tǒng)的使用中，研究平板探測器對(duì)不同能量和強(qiáng)度 X 射線的響應(yīng)特性對(duì)合理選射線透照條件具有重要意義，可以大大改善成像質(zhì)量，輔助選擇最佳輻射劑量。

參考文獻(xiàn)：

[1]強(qiáng)天鵬.射線檢測[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2007：215.

作者簡介：王洪良（1964-），男，山東膠州人，大專，工程師，主要從事：射線與超聲無損檢測的工作。