非晶硅平板探測器DR 成像校正方法

閔吉磊，危 荃，敖 波，*，曾亞斌

(1.無損檢測技術教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063;2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 引言

基于平板探測器的射線DR 技術是數(shù)字射線成像的發(fā)展趨勢之一，且非晶硅平板探測器是目前工業(yè)領域中應用最廣泛的類型。非晶硅平板探測器的硬件性能對DR 成像質量有著決定性的作用，而由于生產(chǎn)工藝復雜，平板探測器不可難免地存在隨機噪聲、暗場偏移、像元響應不一致和壞點等不利因素的影響，導致DR 圖像質量大大降低。為了提高平板探測器的成像質量，國內外針對平板探測器的校正開展了大量研究［1-2］，其中張定華等提出了基于統(tǒng)計模型的體積CT 系統(tǒng)平板探測器校正方法，有效減少了圖像中的偽影［3］。王慶根詳細介紹了Varian 公司的PaxScan2520 成像系統(tǒng)工作模式與方法［4］，而郭彥斌等專門針對PaxScan2520 探測器開展了增益校正研究［5］，艾維平針對美國GE 公司DXR250RT 平板探測器開發(fā)了集圖像采集、顯示、圖像處理和運動控制功能于一體的系統(tǒng)軟件［6］。由于平板探測器分非晶硅(間接轉換型)和非晶硒(直接轉換型)平板探測器，Tsutomu 對非晶硅和非晶硒平板探測器開展了兩種探測器的性能指標對比實驗研究［7］。ASTM E2597—2007 規(guī)定了數(shù)字探測器的性能技術參數(shù)，并通過蜘蛛圖劃分探測器的質量等級［8］。國內張朝宗、余建明等系統(tǒng)介紹了平板探測器的結構、分類與成像原理［9-10］。

由于平板探測器成像影響因素多，而平板探測器的校正是獲取高質量DR 圖像的前提。本研究針對PerkinElmer 公司的XRD 0822 非晶硅平板探測器，研究其暗場校正、增益校正和壞像素校正方法，并從軟件實現(xiàn)校正功能。

1 非晶硅平板探測器結構和成像原理

非晶硅平板探測器主要由閃爍體層、非晶硅光電二極管、薄膜晶體管陣列(TFT)和讀出電路組成。閃爍體層的主要功能是把入射射線轉變?yōu)闊晒?，材料一般為碘化銫(CsI)或硫氧化釓(Gd2O2S)，其中碘化銫晶體具有針狀結構，而硫氧化釓一般呈顆粒狀結構。相對而言，碘化銫對X 射線的轉換效率高，且分辨率好，而顆粒狀結構的硫氧化釓散射影響嚴重。非晶硅光電二極管的主要功能是把熒光轉化為電子，薄膜晶體管陣列用于存儲電荷，讀出電路將TFT 存儲的電荷順序讀出，并進行處理、放大、A/D 轉換，形成數(shù)字圖像。

DR 成像原理為入射X 射線撞擊閃爍體層，閃爍體吸收射線，并激發(fā)原子和分子，這些激發(fā)態(tài)的原子和分子在退激過程中產(chǎn)生可見光;非晶硅光電二極管將可見光信號轉換成電荷;這些電荷隨后被TFT 陣列中的存儲電容所收集，存儲電荷數(shù)量與入射射線的強度成正比;通過讀出電路，按一定規(guī)律掃描讀出各像素的存儲電荷，并經(jīng)過信號放大、A/D 轉換等獲得數(shù)字信號形成DR 圖像。

由于入射光子在轉化為電信號的過程中，必須先轉化為可見光再轉變?yōu)殡姾?，因此稱為間接轉換型。由于存在可見光的轉換，可見光在閃爍體內的散射和漫射造成了圖像分辨率的下降，這種圖像質量的下降不利于微小缺陷細節(jié)的檢測。雖然針狀碘化銫可以提高對X 射線的利用及降低散射，但散射光對空間分辨率的影響不能完全消除。

圖1 為PekinElmer 公司的XRD0822 非晶硅平板探測器，其中閃爍體材料為碘化銫，成像矩陣為1 024 ×1 024，探測器單元尺寸為200 μm ×200 μm，A/D 位數(shù)為16 bit。

圖1 XRD0822 平板探測器Fig.1 Flat panel detector of XRD0822

2 平板探測器輸出圖像的校正

平板探測器成像時會受到暗場漂移、響應不一致性和壞點等因素的影響，因此，必須對平板探測器進行暗場校正、增益校正和壞像素校正。

2.1 暗場校正

不開射線源的情況下對平板探測器進行數(shù)據(jù)采集仍有一定大小的信號輸出，此時采集到的圖像稱為暗場圖像，類似于膠片的本底灰霧度。暗場圖像主要與暗電流有關，暗電流受溫度影響［7］。為了研究溫度對暗場圖像的影響，在24 ℃室溫環(huán)境下，不開射線源的情況下，通電后立即采集一幅經(jīng)過50 幀疊加平均后的暗場圖像，隨后每隔5 min 采集一次暗場圖像，分別計算暗場圖像平均值。隨著平板探測器預熱時間的推移，探測器內部溫度升高，暗場圖像平均灰度值的變化趨勢如圖2。由圖2 可見探測器的暗場圖像平均灰度隨著預熱時間的推移而逐步降低，特別是探測器預熱30 min 之前的灰度下降趨勢明顯。待預熱30 min 左右后，暗場圖像灰度開始趨于穩(wěn)定。因此日常使用時，建議先預熱探測器至少30 min。

開啟射線源進行檢測工作時，實際得到的圖像灰度是疊加在暗場圖像之上的值，為了正確反映出透照工件內部結構與圖像灰度值之間的對應關系，應該設法去除疊加在實際輸出響應上的暗場圖像值，即進行暗場校正。暗場校正公式為

其中，P(x，y)為暗場校正后圖像中點(x，y)的灰度值，P0(x，y)為暗場校正前圖像中點(x，y)的灰度值，offset(x，y)為探測器預熱30 min 后，采集一定幀數(shù)(如50 幀)圖像平均后的暗場圖像中點(x，y)的灰度值。圖3 為平板探測器在暗場校正前后的輸出圖像，圖像大小均為1 024 ×1 024，從圖3a 可以看出，圖像中存在豎條狀結構噪聲，暗場校正后基本得到去除，但暗場校正后的輸出圖像灰度值并不是全為0，其分布位于0 附近，另外，還存在壞像素影響。

圖2 暗場圖像平均灰度與預熱時間的關系Fig.2 Relation between average gray of dark image and warm-up time

2.2 增益校正

雖然在線性曝光劑量范圍內平板探測器每個探測器單元對X 射線響應是線性的，但不同探測器單元的X 射線響應系數(shù)并不完全一致，即探測器單元存在響應不一致性。響應不一致性帶來的后果是相同的入射射線強度但輸出不同。因此，必須對平板探測器的輸出圖像進行增益校正。非晶硅平板探測器增益校正的一般程序為:

1)探測器初始化。

2)獲取暗場圖像。設置參數(shù)，采集50 幀或更多幀圖像得到一幅平均后的暗場圖像offset(x，y)。

3)獲取亮場圖像。不放置工件的情況下開啟射線，采集一張50 幀平均后獲得的亮場圖像Ibright(x，y)。由于實際響應曲線中像元對曝光量是非線性的，為了使用下列線性校正公式進行增益校正，應當選取合適的參數(shù)，以免亮場圖像中像元響應飽和。亮場圖像實驗參數(shù)管電壓為100 kV，管電流為2 mA，積分時間為200 ms。

4)增益校正。增益校正公式為:

其中，Iorigin(x，y)為原始曝光圖像中某點(x，y)的灰度值，Ibright(x，y)為該點在亮場圖像中的灰度值，offset(x，y)為暗場圖像中該點的灰度值，(Ibright-offset)為經(jīng)過暗場校正后的亮場圖像，(Ibright-offset)mean為經(jīng)過暗場校正后的亮場圖像平均值。由上式可以計算得到增益校正后的點(x，y)的實際灰度值。

圖4 為增益校正前后的輸出圖像對比，圖4a為只經(jīng)過暗場校正的空拍圖像，仔細觀察發(fā)現(xiàn)圖像水平方向的灰度分布有很大起伏，呈明顯的分段特性。圖4b 為經(jīng)過暗場/增益校正后采集的DR 圖像，從圖4b 可以看出灰度起伏明顯降低，除壞點和壞線位置外，其它區(qū)域灰度比較均勻。

圖3 暗場校正Fig.3 Offset corrected image

圖4 增益校正Fig.4 Gain corrected image

雖然由探測器單元響應不一致引入的結構噪聲得以大量消除，但增益校正之后的圖像中仍然存在2 根明顯的黑線。壞點和壞線是壞像素校正處理的重點對象之一。

2.3 壞像素校正

完成暗場校正和增益校正后，為了進一步消除壞像素對成像質量的影響，還要做壞像素校正處理。壞像素即壞點，是指對X 射線強度不響應或響應不良的探測器單元。由于平板探測器的制造工藝復雜，制造過程中難免存在一些不合格像素點，同時某些偏差較大的增益不一致像素，因其普通增益校正方法處理效果不佳，也將其歸為壞點。壞點可能是由于閃爍體層缺陷、光電二極管單元損壞、行列驅動線及放大器損壞引起，也可能由于平板探測器采用了多板拼接工藝產(chǎn)生拼接工藝線，該拼接工藝線也可納入壞線范疇。從成本考慮，允許探測器存在一定數(shù)量的壞點，制造商均制定了不同的接收規(guī)范，規(guī)定了每種壞點的數(shù)量、分布及位置作為探測器合格與否的判斷依據(jù)。按照對射線強度響應靈敏度的差異又可將壞點定義為以下幾類［9］:

1)死像素:像素沒有響應，或者是響應一個與探測器的射線劑量無關的常量。

2)響應過度像素:像素的灰度值大于最小21 ×21 個像素區(qū)域的中等灰度值1.3 倍，那么該像素被判定為響應過度壞像素。

3)響應不足像素:若像素的灰度值小于最小21 ×21 個像素區(qū)域的中等灰度值0.6 倍，那么該像素被判定為響應不足壞像素。

4)嘈雜壞像素:在沒有射線的情況下，30 到100 幀的圖像系列中的像素標準偏差，大于整個DDA 的像素的標準偏差的中間值6 倍，這些像素稱為嘈雜像素。

5)壞的鄰域像素:相鄰的8 個像素是壞像素，該像素也要看作為壞像素。

根據(jù)壞像素的分布類型可分為孤立壞點、壞像素簇、壞線。圖5 為本平板探測器實驗測得的按不同分布劃分的壞像素類型。

在平板探測器的使用過程中元器件老化、輻射和碰撞損傷都會產(chǎn)生新的壞點，所以定期更新壞點位置圖是十分重要的。管電壓為100 kV，數(shù)據(jù)采集總積分時間為120 s，預置的Cu 濾波片厚度為0.5 mm 的條件下，調節(jié)管電流以滿足各壞點類型的辨識。壞點圖的生成步驟如下:

1)探測器初始化。

2)嘈雜壞像素辨認。獲取總積分時間約為120 s 的暗場圖像序列(100 幀×1 200 ms/每幀)，存儲該序列以便根據(jù)其定義識別嘈雜壞像素。

3)響應異常類壞像素辨認。暗場和增益校正后，調節(jié)管電流獲得100 幀圖像平均后的單幅圖像。并確保該幅圖像平均灰度值為飽和灰度值的50%左右，使得像元對劑量的響應為線性，尋找響應過度和響應不足像素。

4)壞點圖的生成。根據(jù)壞像素的定義及分類，通過圖像編程完成各類壞像素的測量，將各壞像素統(tǒng)計后(不計入重復數(shù)據(jù))生成一張二值化的壞點位置映射圖，其中正常像元位置的灰度取0，壞點處取65 535。

圖5 壞像素分布類型Fig.5 Different types of bad pixel groups

表1 為識別出的各類壞點統(tǒng)計結果，識別出的壞點數(shù)為3 121，而制造商提供的壞點圖中壞點數(shù)為3 102。

表1 壞像素識別Table 1 Identification of bad pixels

通過與探測器制造商提供的壞點圖相比較，發(fā)現(xiàn)壞點位置吻合的數(shù)目為3 091 個，吻合度較高。因此該測試方法可以用于檢測平板探測器的新的壞像素。對于這些壞像素，有效的校正方法是“鄰域平均法”，即選擇一個固定大小(3 ×3 或5 ×5)的模板，將壞點周圍正常像元灰度值求和取平均，結果作為該壞點的校正輸出值。如果一個像素的3 ×3 鄰域正常點不低于5 個，該像素可校正，反之如果一個像素的3 ×3 鄰域壞點不低于5 個，該像素不可校正，必須采用更大的模板。

根據(jù)壞點圖，選用圖6 所示的3 ×3 校正模板對圖4b 中的壞點進行校正處理，圖7 為壞像素校正后的輸出圖像。對比校正前后的DR 圖像，壞點和壞線位置得到了很好的校正處理。然而放大觀察，發(fā)現(xiàn)第一行位置處的壞線仍存在。一些鄰域正常點小于5 的壞像素，也不適用此模板校正，否則圖像會引入較大誤差而失真。一旦遇到這些情況，因邊緣處壞線對圖像質量影響有限，可以使用相鄰正常點直接填充該壞像素。而選擇更大的模板或插值運算可以處理非邊緣區(qū)未被較小模板成功校正的像素。

圖6 壞像素校正模版Fig.6 Bad pixel correction mask of 3 ×3

圖7 壞像素校正Fig.7 Bad pixel corrected image

3 實驗結果與分析

為了驗證3 種校正對DR 成像結果的影響，選取某高壓I 級渦輪葉片，觀察葉片葉身部位3種校正處理前后的圖像質量。利用XRD0822 非晶硅平板探測器對該葉片進行DR 成像，成像參數(shù)為:射線源到探測器的距離為1 385 mm，射線源到葉片的距離為610 mm，射線源焦點尺寸為0.4 mm，管電壓為110 kV，管電流為4 mA，積分時間為2 900 ms，連續(xù)采集20 幀圖像平均處理，實驗時采用HB 7684—2000 標準要求的鎳絲型像質計來評價影像靈敏度。圖8 為渦輪葉片葉身校正前后的輸出圖像，其中圖8a 為未做暗場校正、增益校正與壞像素校正，直接采集到的DR 圖像(負片顯示)，葉身部位的灰度達到33 000 以上，葉片后緣部分區(qū)域已達到64 000 以上，灰度值偏高(表現(xiàn)為圖像偏暗)，容易造成缺陷漏檢，DR 圖像上像質計在后緣可識別15 號絲，但前緣只能識別14號絲，并且其結果受暗場漂移、響應不一致、壞點和壞線的影響，特別是受到2 條壞線的影響(表現(xiàn)為亮線)，缺陷評定時干擾缺陷的檢測，易評定出虛假缺陷。圖8b 為暗場校正、增益校正與壞像素校正后的輸出圖像(負片顯示)，圖像質量明顯提高，葉身部位的灰度達到了32 000 以上，葉片后緣部分區(qū)域達到了52 000 以上，從圖像灰度上已達到了要求，膠片照相時葉身部位檢測工藝要求最低識別15 號絲，而DR 圖像上像質計都可識別15 號絲，達到了檢測靈敏度要求。

圖8 葉片DR 圖像校正前后對比Fig.8 DR images of blade before and after offset/gain/bad pixel correction

4 結論

1)針對PE0822 非晶硅平板探測器，實現(xiàn)了平板探測器輸出圖像的暗場校正、增益校正和壞像素校正。

2)根據(jù)壞像素的分類標準，實驗測試得到了3 121 個壞點，而制造商提供的壞點圖中壞點數(shù)為3 102，由此制定了新的壞點位置圖。

3)選用某型高壓I 級渦輪葉片進行DR 成像實驗，經(jīng)過暗場校正、增益校正和壞像素校正，圖像灰度和像質計靈敏度都滿足檢測工藝要求，提高了DR 輸出圖像質量，像質計靈敏度達到了膠片照相的工藝要求。

［1］周正干，滕升華，江巍，等.X 射線平板探測器數(shù)字成像及其圖像校準［J］.北京航空航天大學學報，2004，30(8):698-701.

［2］Burtzlaff S，Voland V，Salamon M，et al.Evaluation andcorrection of readout artifacts from flat panel detectors for nondestructive testing purposes［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research，2009，607(1):183-186.

［3］張定華，卜昆，毛海鵬，等.體積CT 系統(tǒng)中的平板探測器校正方法［J］.儀器儀表學報，2005，26(2):157-163.

［4］王慶根.基于PaxScan2520 平板探測器的X 射線成像處理系統(tǒng)研究［D］.北京:機械工業(yè)自動化研究所，2005:19-35.

［5］郭彥斌，李學先.PaxScan2520 圖像系統(tǒng)在射線照相模式下的增益校正［C］.2006 全國荷電粒子源粒子束學術會議文集，北京，2006:223-224.

［6］艾維平.DXR250RT 平板探測器X 射線實時成像檢測系統(tǒng)的研究［D］.蘭州:蘭州理工大學，2007:47-78.

［7］Tsutomu G，Kichirou K，Tosiaki M，et al.An experimental comparison of flat-panel detector performance for direct and indirect system(initial experiences and physical evaluation)［J］.Journal of Digital Imaging，2006，19(4):362-370.

［8］ASTM E2597—2007 Standard practice for manufacturing characterization of digital detector arrays［S］.2007:1-18.

［9］張朝宗.工業(yè)CT 技術和原理［M］.北京:科學出版社，2009:108-113.

［10］余建明，牛延濤.CR、DR 成像技術學［M］.北京:中國醫(yī)藥科技出版社，2009:567-577.