便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)研究

1、便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)研究王志社，陳樹越，曾光宇，王曉霞(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051)0 引 言數(shù)字X射線成像系統(tǒng)以其在圖像獲取顯示存儲和傳輸?shù)确矫娴膬?yōu)勢被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)影像和工業(yè)無損檢測領(lǐng)域。這種傳統(tǒng)的醫(yī)用影像和工業(yè)無損檢測的X射線成像系統(tǒng)一般具有較大的工作面積，但其圖像分辨力不高，一般不超過31pixelmm；而在實際應(yīng)用中，一些觀察和分析微小部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的工作，如，集成電路的檢查、材料與元器件的無損檢測以及微小零件的探傷等，這些實際應(yīng)用并不要求有很大的工作面積，卻要求有較高的圖像清晰度，另外，運(yùn)動員、部隊以及野外作業(yè)人員遇到傷

2、害時的及時診斷，這項工作要求給受傷病人進(jìn)行及時診斷，并且，要求圖像清晰度比較高，也需要便攜式數(shù)字x射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)。近年來，國內(nèi)外都已經(jīng)開發(fā)研制成平板式的X射線像增強(qiáng)器。其工作原理是利用微通道板作為從X射線到電子的轉(zhuǎn)換元件，以及隨后的電子倍增元件，微通道板與其后面的光纖面板熒光屏近貼聚焦成像。這是目前市場上便攜式X射線成像器的核心部件。這種X射線成像儀是直接目視型的，不能輸出視頻信號，不能直接與計算機(jī)連接進(jìn)行定量測量和分析。雖然也可通過光學(xué)透鏡，將X射線像增強(qiáng)器熒光屏圖像耦合到CCD上，這樣成像體積比較大，而且，由于光能損失很大，最后，圖像的信噪比明顯降低。本文介紹的便攜式數(shù)字X射線

3、光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，利用光錐作為光學(xué)中繼元件，將X射線II代像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏輸出的增強(qiáng)的圖像耦合到CCD的光敏面上，從而形成高分辨力、數(shù)字化成像系統(tǒng)，并對其系統(tǒng)成像的空間分辨力進(jìn)行了測試和分析。1 成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理本文所介紹的便攜式數(shù)字X射線光錐耦合CCD成像系統(tǒng)，使用的X射線像增強(qiáng)器是II代像增強(qiáng)器，其有效的工作直徑為50mm，工作電壓為3570kV，工作電流為220500A，熒光輸出屏是光纖面板。CCD選用SONYCCD，其有效工作面積為6.4 mm×4.8 mm，像素尺寸為8m x8m。光錐的錐比為6：1，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。工作時，X射線通過被檢測物體投

4、射到輸入熒光屏上，激發(fā)出可見的熒光圖像，此圖像通過像增強(qiáng)器起到圖像亮度增強(qiáng)的作用。在像增強(qiáng)器光電陰極處產(chǎn)生光電子發(fā)射，形成光電子圖像。在高壓電極的作用下，光電子加速并聚焦到像增強(qiáng)器的光纖面板輸出熒光屏上，轉(zhuǎn)換為可見光圖像，投射在CCD的光敏面上，由CCD芯片將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號。1.1 光錐和CCD的耦合效率對成像系統(tǒng)信噪比的影響光錐和CCD耦合其實就是利用光學(xué)粘結(jié)劑把2個像素離散性的元器件(光錐和CCD)串聯(lián)裝配起來。這樣，從像增強(qiáng)器的熒光屏到CCD芯片表面的圖像傳輸就用不著光學(xué)透鏡，而可由光錐直接完成，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：提高了光能的利用效率，并大大減小成像體積。光錐和CCD耦合效率體現(xiàn)了

5、光錐和CCD耦合的好壞。光錐和CCD耦合效率(FOT)是指從X射線像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏上發(fā)出的光，經(jīng)過光錐和耦合介質(zhì)的損耗(Eabsorb)和傳播到CCD光敏面上的光束能量(ECCD)與X射線像增強(qiáng)器光纖面板熒光屏上發(fā)出的總的光能(Eall)之比，用數(shù)學(xué)公式表示為式中ATaper為光錐的有效數(shù)值孔徑；TR為光線經(jīng)過光錐前后端面反射損耗后的透過率；TA為光線經(jīng)過光錐傳輸時，由于光錐芯料吸收和內(nèi)反射損耗后產(chǎn)生的透過率；KC為光錐的有效填充率；Tepoxy為光線經(jīng)過耦合介質(zhì)的透過率。從式(1)中可以看出：光錐和CCD耦合的效率與光錐的有效數(shù)值孔徑、光錐的有效填充率和光錐和耦合介質(zhì)的、吸收損耗相關(guān)。

6、提高光錐與CCD的耦合效率的有效方法就是采用大數(shù)值孔徑的光錐、減少光錐端面的反射損耗和光線傳輸介質(zhì)的吸收損耗，提高光錐和耦合介質(zhì)的透過率。在成像系統(tǒng)中，X射線像增強(qiáng)器、光錐和CCD整個耦合器件最終可探測到的信號n大小可以表示為式中CCD為CCD的量子轉(zhuǎn)化效率；FOT為光錐的耦合效率；nintensifier為像增強(qiáng)器放大輸出的光子量。整個耦合器件探測到的信號噪聲主要是由X射線像增強(qiáng)器和CCD產(chǎn)生的，信號噪聲可以表示為式中 n2intensifier-noiseX射線像增強(qiáng)器產(chǎn)生的信號噪聲；n2CCD-noise為CCD產(chǎn)生的信號噪聲。因此，整個耦合器件的信噪比為由式(4)可以看出：當(dāng)X射線像增

7、強(qiáng)器的增益特別高的時候，由CCD產(chǎn)生的信號噪聲n2CCD-noise可以忽略不計，可以認(rèn)為信號噪聲與光錐和CCD耦合器件的特性無關(guān)，當(dāng)X射線像增強(qiáng)器的增益比較低的時候，CCD的噪聲大于X射線像增強(qiáng)器的噪聲的時候，整個耦合器件的信噪比為這就說明了提高光錐和CCD的耦合效率能夠提高整個耦合器件的信噪比。1.2 光錐和CCD的耦合光錐的小端面要按照CCD的有效工作面積的大小，切成一個大小與之相對應(yīng)的光纖塊，然后，把光錐的2個端面按照規(guī)定拋光，同時，要保證光錐端面的有較好的平行度和光圈數(shù)。成品的CCD器件，為了保護(hù)耙面被氧化或被灰塵污染，靶面連同線路板邊框被用石英玻璃保護(hù)窗封粘。由于光錐是端面成像，必

8、須要與CCD靶面緊密接觸，因此，首先要去除CCD的石英玻璃窗。CCD的石英玻璃窗的去除通常在超凈室中，通過機(jī)械的方法去除，同時，要保持CCD表面的清潔。光錐和CCD的芯片表面之間不能直接接觸，中間要有一種耦合介質(zhì)，耦合介質(zhì)選用的是低粘度的光敏膠，固定后折射率為1.56。這樣，不僅避免了光錐小端面與CCD直接接觸而造成CCD表面損傷的可能，更重要的是由于耦合介質(zhì)的存在，可以減少界面處光的損失和散射，提高了光錐和CCD的耦合效率，保持圖像分辨力，同時，也起到對CCD和光錐的固定。在耦合的過程中，首先，要把光敏膠涂在CCD的靶面上，然后，一邊調(diào)整，一邊在光錐大端觀察，輕輕擠壓光錐，使光敏膠在CCD靶

9、面上均勻涂開，并無氣泡產(chǎn)生，同時，使光敏膠的厚度盡可能的小，因為光敏膠的厚度越小，成像的質(zhì)量就越好。耦合的過程主要要避免損害CCD細(xì)絲引腳、涂膠的不均勻性、氣泡的產(chǎn)生和莫爾條紋等問題。1.3 光錐和X射線II代像增強(qiáng)器的耦合為了光錐大端和X射線II代像增強(qiáng)器輸出屏之間的光學(xué)耦合，普通的光學(xué)玻璃輸出屏已不能用，可以換成光纖面板或者薄的透明云母片。實驗選擇的是光纖面板來代替普通的光學(xué)玻璃作為像增強(qiáng)器的輸出屏，光纖面板的纖維直徑約為5m。光錐和X射線II代像增強(qiáng)器之間的耦合相當(dāng)于2個平板玻璃之間的耦合，耦合的過程中，可以通過CCD相機(jī)將耦合過程中的圖像傳到監(jiān)視器上，便于實時觀察，過程中主要避免涂膠的

10、不均勻性、氣泡的產(chǎn)生和莫爾條紋等問題。2 成像系統(tǒng)的空間分辨力分析與檢測2.1 空間分辨力的分析與測試?yán)脠D1對成像系統(tǒng)的空間分辨力進(jìn)行測試。測的系統(tǒng)的空間分辨力如圖2所示，一般來說，圖像經(jīng)過去除噪聲、圖像的對比度調(diào)節(jié)、CCD像元不一致性校正等處理過程可一定程度上提高圖像的清晰度。從測試的結(jié)果來看，系統(tǒng)的空間分辨力達(dá)到41 pixelmm。與X射線像增強(qiáng)器的分辨力測試結(jié)果相對比，說明了低粘度的光敏膠對成像質(zhì)量的影響比較小，耦合后仍然保持較好的分辨力。2.2 人體成像的實驗結(jié)果利用圖1裝置對人體各個部位觀察，圖3是對人的手指骨、手掌、手腕的X光透視照片。從透視照片來看，各個部位的圖像都比較清晰，能夠?qū)@些部位的骨折、骨質(zhì)增生等病變作出準(zhǔn)確的診斷。3 結(jié)論