CR成像原理概述

盧遠(yuǎn)盛　喻杰

摘 要：輻射成像屬于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的范疇，X射線成像是目前輻射成像的主要應(yīng)用領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)生活與醫(yī)療衛(wèi)生方面具有廣泛前景。一定條件下產(chǎn)生的X射線可以在熟知其放射性衰減規(guī)律的基礎(chǔ)上加以利用。光電效應(yīng)是計(jì)算機(jī)X射線攝影應(yīng)用的基礎(chǔ)，輔助以含有PSL材料的IP板與光電倍增管、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器等設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的無(wú)損觀察。

關(guān)鍵詞：X射線；CR；光激勵(lì)發(fā)光；光電倍增管

前言

自倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之后，人類(lèi)對(duì)于不打開(kāi)暗盒而探究?jī)?nèi)部存放的東西這一問(wèn)題有了最直接的答案。在當(dāng)今生活中，無(wú)論是在機(jī)場(chǎng)或者是地鐵，不用挨個(gè)打開(kāi)旅客的行李即可完成安檢，人們對(duì)此早已習(xí)以為常。

在旅行安檢，科學(xué)研究，產(chǎn)品質(zhì)檢等方面，運(yùn)用了相同原理去探索內(nèi)部物品的方法，我們稱(chēng)之為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。所謂無(wú)損檢測(cè)是相對(duì)于“有損檢測(cè)”來(lái)說(shuō)的，例如我們想探究一個(gè)實(shí)心圓球的內(nèi)部是否有空腔，可以一片一片（這占用了大量工時(shí)）地切開(kāi)檢查其內(nèi)部結(jié)構(gòu)再下結(jié)論。但是如果這個(gè)實(shí)心圓球非常寶貴，造價(jià)很高，再用這樣的方法就顯得不合時(shí)宜?；蛘咴诠S中進(jìn)行了批量生產(chǎn)，圓球數(shù)量達(dá)到了幾百甚至成千上萬(wàn)個(gè)，就算使用抽樣調(diào)查，該方法帶來(lái)的檢測(cè)成本也是難以承受的，畢竟用于切開(kāi)的圓球并不產(chǎn)生利潤(rùn)。所以迫切需要一種能夠在對(duì)物品不產(chǎn)生損壞的前提下探究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，達(dá)到高效準(zhǔn)確并且節(jié)約的目的。

1 X射線應(yīng)用的原理

1.1 X射線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn)

X射線是一種低能的電磁輻射，可由高速帶電粒子流撞擊靶材料產(chǎn)生。其與物質(zhì)作用主要有光電效應(yīng)、散射效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)三種方式[1]。

1.1.1 光電效應(yīng)。X射線在一次作用中將全部能量損失，能量大部分被分配給光電子的動(dòng)能，釋放出光電子。這在低能電磁輻射與物質(zhì)相互作用中占有最主導(dǎo)地位。

1.1.2 散射效應(yīng)。散射效應(yīng)有康普頓散射與相干散射兩種情況，光子能量比較低的情況下以康普頓散射為主。

1.1.3 電子對(duì)效應(yīng)。必須在電磁輻射能量大于1.02MeV時(shí)才會(huì)發(fā)生，天然元素的特征X射線都達(dá)不到這個(gè)發(fā)生限。

1.2 X射線的衰減規(guī)律

從放射性規(guī)律得知，平面內(nèi)若有一束強(qiáng)度為I0的X射線穿透被檢查材料后，自身到的衰減與物質(zhì)的密度、厚度、以及X射線的初始能量有關(guān)。如果被檢查物體外部及內(nèi)部都是均勻的，那么就符合放射性衰減的指數(shù)規(guī)律[2]：

其中I為出射X射線強(qiáng)度，I0為出射X射線強(qiáng)度，？滋為衰減常數(shù)，用來(lái)表征不同材質(zhì)對(duì)射線的阻止能力，s為材料的厚度。

那么相應(yīng)的，單純X射線通過(guò)內(nèi)部為N種均勻物質(zhì)的物體的衰減規(guī)律為：

若是整個(gè)平面內(nèi)的材料情況都不均勻，設(shè)衰減常數(shù)分布為f（x，y），那么X射線沿著路徑L的射線衰減情況為：

1.3 成像技術(shù)分類(lèi)

1.3.1 膠片成像技術(shù)。早期的輻射成像技術(shù)與普通拍照成像區(qū)別不大，都采用膠片進(jìn)行照相，由于具有技術(shù)上的低門(mén)檻與設(shè)備上的低成本優(yōu)勢(shì)，哪怕在今天也一樣擁有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然采用照相的方法也有比較顯著的不足，體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面[4]：（1）膠片要通過(guò)曝光，顯影，定影，干燥才能被直接觀察，時(shí)效性不佳。（2）膠片受到自身產(chǎn)品質(zhì)量與處理過(guò)程中的外部因素的影響，成像質(zhì)量不會(huì)完全一致。（3）膠片的菲林成份含有貴金屬銀，大量使用在成本上不劃算。（4）在顯影、定影過(guò)程中使用的試劑會(huì)引起環(huán)境問(wèn)題，需要進(jìn)行廢液處理。（5）非數(shù)字化材料的保存與共享不便在當(dāng)今信息化時(shí)代顯得突出。

1.3.2 無(wú)膠片成像技術(shù)。實(shí)際上最早的輻射成像并沒(méi)有膠片的存在，歷史上著名的第一份利用X射線留下的影像，就是投射到了熒光屏上而被倫琴所發(fā)現(xiàn)。但是這一直接觀察法在現(xiàn)代社會(huì)已經(jīng)基本被淘汰，原因在于在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，醫(yī)生在黑暗中直接用肉眼觀察熒光屏上的投影圖像，將接受長(zhǎng)時(shí)間的不必要的照射，而這對(duì)醫(yī)務(wù)人員的身體健康是不利的。在工業(yè)探傷上，采用的劑量會(huì)更大，對(duì)人體的損傷是不可接受的。所以隨著科技的發(fā)展紛紛出現(xiàn)了眾多其他形式的無(wú)膠片成像技術(shù)，以便能更好的滿(mǎn)足工作的需要。

2 CR成像技術(shù)

2.1 CR

CR，是computed radiograph的簡(jiǎn)稱(chēng)，亦翻譯為計(jì)算機(jī)X線攝影。它改進(jìn)了前述直接觀察法的一些弊端，現(xiàn)階段在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。其原理是X射線穿透物件或人體后，在成像板上面留下潛影，再通過(guò)激發(fā)得到所存的信息，最終送往計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)。這樣就實(shí)現(xiàn)了輻射裝置和最終屏幕在空間上的徹底分開(kāi)，使得醫(yī)務(wù)人員可以在遠(yuǎn)距離或者經(jīng)過(guò)屏蔽處理的墻體后對(duì)圖像進(jìn)行觀察與對(duì)醫(yī)療的判斷，而自身并不受到輻射的影響。

CR最大的優(yōu)勢(shì)在于所用的成像板IP（Imaging plate），上面覆蓋有一層PSL材質(zhì)，X射線通過(guò)時(shí)將會(huì)留下潛影，其能量在激發(fā)下將會(huì)釋放出來(lái)，電信號(hào)被后續(xù)處理電路進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換之后就可以得到數(shù)字化圖像，如果再通過(guò)DA轉(zhuǎn)換，成型濾波后輸出就可以方便的查看，值得一提的是成像板是可以多次重復(fù)利用的，這就顯現(xiàn)出在環(huán)保與成本上的優(yōu)勢(shì)。

2.2 PSL

其中PSL為光激勵(lì)發(fā)光現(xiàn)象[4]，化學(xué)組成為BaFCl：Eu2+，可以對(duì)不同劑量的X射線具有不同的響應(yīng)。當(dāng)摻雜了激活劑離子取代基質(zhì)陽(yáng)離子而形成發(fā)光中心，陰離子則成為色心陷阱，當(dāng)對(duì)其進(jìn)行X射線照射時(shí)，將會(huì)因?yàn)楣怆娦?yīng)產(chǎn)生大量的自由電子，自由電子被陷阱所捕獲，就相當(dāng)于信息被“儲(chǔ)存”在了IP板中，再用長(zhǎng)波照射IP板，通過(guò)遂穿就可以將其激勵(lì)釋放出PSL，這就是PSL的原理。一般來(lái)說(shuō)BaFCl、BaFBr、BaFI的發(fā)光效果最好，也是最常用的材料。

需要特別指出的是，理想狀態(tài)下經(jīng)歷了激勵(lì)照射之后PSL會(huì)立即產(chǎn)生，而停止照射后會(huì)即刻停止。實(shí)際上會(huì)有一個(gè)發(fā)光衰減的過(guò)程，如果此時(shí)進(jìn)行下一輪的X照射將會(huì)導(dǎo)致前后圖像疊加，影響圖片分辨率，所以在其中摻雜有Eu2+，可將衰減時(shí)間控制在0.8μs以?xún)?nèi)，這個(gè)時(shí)間非常的短，從而提高掃描的速度與縮小掃描的間隔，大大提高了效率。

數(shù)字化成像的流程大致如圖3所示。

2.3 光電倍增管及A/D轉(zhuǎn)換

光電倍增管（側(cè)窗式）內(nèi)部構(gòu)造與外形如圖4所示，主要由光電陰極作發(fā)射極、若干個(gè)倍增極（亦稱(chēng)之為打拿級(jí)）作為放大級(jí)，金屬陽(yáng)極作為收集器，在外部電路的輔助下，可以將微弱光信號(hào)轉(zhuǎn)為高增益的電信號(hào)輸出，并且在一定范圍內(nèi)是線性的[5]。

進(jìn)入光電陰級(jí)的光強(qiáng)F0與輸出的電流IK有如下關(guān)系：

IK=SKF0

SK是光電陰極對(duì)入射光強(qiáng)的反應(yīng)靈敏度。

其工作原理為入射光進(jìn)入管內(nèi)后，射向含有光電材料的光陰級(jí)，光陰級(jí)產(chǎn)生一個(gè)光電子，由于光陰級(jí)與第一倍增級(jí)之間有較高的電勢(shì)差，所以光電子將加速撞擊第一倍增級(jí)，產(chǎn)生3-5個(gè)次級(jí)電子。由于每一倍增極之間的電勢(shì)差約為200V，所以可以產(chǎn)生大量的光電子，如此反復(fù)幾次以后，最終在陽(yáng)極進(jìn)行收集與輸出。

經(jīng)過(guò)光電倍增管（實(shí)質(zhì)上是前置電壓靈敏放大器）輸出的電信號(hào)（電流），不能直接推動(dòng)后續(xù)的相應(yīng)設(shè)備，還需要主放大電路進(jìn)行功率放大，這樣我們才可以得到可以直接利用的輸入信號(hào)。這一信號(hào)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是模擬的，與進(jìn)入窗口的光子數(shù)量成正比，要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化的處理以后才可以通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算得到診斷信息，這就需要A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程是先對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣，取樣結(jié)束后進(jìn)入保持狀態(tài)，同時(shí)把取樣的電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再按照不同的編碼形式給出轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后就可以進(jìn)行下一批次的取樣了。

3 結(jié)束語(yǔ)

CR成像原理大致過(guò)程可以總結(jié)為：射線穿過(guò)被檢查物質(zhì)后的剩余能量被IP板保存，IP板在二次激發(fā)光釋光材料PSL的作用下，可以把所儲(chǔ)存的信息導(dǎo)出，并通過(guò)光電倍增管與后續(xù)主放大電路的信號(hào)放大，再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換程序與硬件變?yōu)閿?shù)字化圖像加以利用與保存。在當(dāng)今社會(huì)CR具有成像速度快，應(yīng)用培訓(xùn)成本低，設(shè)備體積小等優(yōu)勢(shì)，在小型工廠與社區(qū)醫(yī)院具有廣泛的前景。

參考文獻(xiàn)

[1]曹利國(guó).核地球物理勘察方法[M].原子能出版社，1991.

[2]王同權(quán)，魏曉東，李宏杰.X射線的衰減和能量沉積計(jì)算[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2007（4）.

[3]李月卿.醫(yī)學(xué)影像成像理論[M].人民衛(wèi)生出版社，2010.

[4]趙輝，王永生.光激勵(lì)發(fā)光衰減的理論分析與研究[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997（1）.

[5]陳成杰.光電倍增管[M].原子能出版社，1988.

作者簡(jiǎn)介：盧遠(yuǎn)盛（1988-），男，漢族，廣西南寧，研究生，成都理工大學(xué)，核技術(shù)方向。