1　引　言

　　1895年,德国物理学家威廉伦琴发现了X射线,这被认为是19世纪的重大发现。目前,X射线的探测和成像技术在医疗、工业和航天领域里得到广泛的应用,已成为疾病诊断、无损探测和天文观察的重要手段[1-3]。为了更加安全、有效地利用X射线,人们致力于新型X射线探测器和系统的研究,使得在X射线照射强度较低的情况下也能获得满意的图像观察效果。

　　随着X射线检测和诊断技术的发展,X射线数字成像检测以其高效率、低成本、特别是数字图像的可交换性和存储方便等特点成为X射线检测的发展趋势[4-5]。在医学牙科诊断、工业电子元器件无损检测等领域,多需要成像面积小,分辨率高,能够观察内部微细结构,为准确诊断和判别损伤和缺陷提供准确依据的检测技术,这对微小型、高分辨率X射线数字成像系统的开发和研究提出了新的课题,国外已经有多家公司如SCHICK、SIRONA、IOX、SUNI、E2V、DENOP-TICX、HAMAMATSU、SIGMA、MPS等分别研制出了用于牙科诊断的微小型数字X射线成像系统,并已经开始投入使用,正在逐步取代传统的X射线胶片牙科诊断设备[6]。X射线数字成像方法与X射线胶片照相方法在基本原理上是相同的。胶片照相方法的原理是X射线穿透工件或诊断部位,部分射线能量被材料吸收,其余的射线能量穿过工件后使胶片感光,在底片上产生灰度差异的影像,从而达到检测目的;而X射线数字成像方法是将穿透的射线能量经X射线图像转换器件转换为可见图像,经计算处理后,在显示器屏幕上观察检测结果。

　　目前在牙科诊断方面,国内医院仍然普遍采用胶片式X射线照相方式,系统操作复杂,需要照相、洗像和诊断等多个过程,费用高、诊断周期长。欧美等发达国家正在逐步采用直接数字成像系统代替传统的胶片照相方式,而我国还没有该类成型的产品,鉴于该产品直观、易用的特点,以及未来广阔的应用前景和巨大的市场需求潜力,本文进行了微型X射线数字成像系统的研究工作。

　2　微型X射线数字成像系统的组成

　　微型X射线数字成像系统的组成如图1所示。系统主要由4个部分组成:X射线源、X射线敏感CCD、CCD驱动与接口电路、图像获取与处理软件。X射线源控制器控制射线源产生X射线,X射线透过物体后其强度分布携带了被测部件的信息,透过的X射线到达X射线敏感CCD内的X射线转换屏,通过转换屏转换为可见光图像,每一点出射的可见光强度与入射的X射线辐射剂量成正比,转换屏直接贴在CCD的光敏面上,转换屏出射的可见光直接被CCD的光敏面接收、经过一定时间的照射曝光,形成一定灰度的图像,读出CCD图像信号经A/D转换后,通过USB2.0接口与计算机及数据获取与处理软件进行数据通讯,实现图像采集、存储和处理,然后利用获取的图像对被测目标的损伤或缺陷情况进行诊断和检测。其中核心部分是X射线敏感CCD相机及其图像信号的计算机采集。

　3　X射线敏感CCD

　　X射线敏感CCD是本系统的关键器件,关系到系统的成像性能。X射线敏感CCD是数字成像平板探测器(Flat Panel Detector,FPD)的一种,平板探测器技术是20世纪90年代后期发展起来的新型射线无损检测技术[7-8]。作为目前最先进的数字化成像技术,FPD技术有许多优点,它被认为是目前唯一可以取代传统胶片照相的技术。X射线敏感CCD是一种间接获取图像的FPD,主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon,a-Si)再加TFT阵列构成的平板检测器组成。此类平板闪烁体或荧光体层经X射线曝光后,可以将X射线光子转换为可见光,而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号,经过TFT阵列获得数字图像。间接FPD由于有可见光的转换过程,因此会有光的散射问题,因而影响图像的分辨率。

　　对于一些小物体的检测来说,不需要很大的成像面积,但需要有足够高的分辨率,此系统中图像传感器采用的是E2V公司的牙医专用X射线全帧CCD,如图2所示。该X射线敏感CCD的性能指标如下:

　4　X射线敏感CCD的驱动电路设计

　　目前国内外对X射线数字成像系统的研究已经做了大量的工作[9-12]。通过对X射线敏感CCD静态和动态电压及驱动时序的深入分析理解,综合考虑各种因素,对整个系统进行了总体设计[13-14]。该系统的总体框图如图3所示。

　　首先通过USB接口把来自USB总线的+5 V电源通过DC-DC变换以及稳压等技术产生系统所需的各种电源电压,其中大部分电源要求纹波要小,诸如模拟电路等关键部分还要达到很低的电源噪声。

　　单片机是整个系统的控制核心,负责各个部件协调工作。此外,单片机和USB2.0接口芯片还用于实现计算机和该系统的通信过程。该通信过程用来传递计算机发来的命令以及把图像传回到计算机。

　　两片低功耗CPLD产生系统所需的各种时序。其中CPLD1主要用于产生帧存储器控制所需的地址和读写控制信号, CPLD2主要产生CCD需要的驱动时序。当然两片CPLD之间也有一些信号用于两者之间的通信。

　　CPLD2产生的驱动时序波形需要经过驱动器后才可以加到X射线CCD上,驱动的目的主要是产生CCD所需的脉冲电平,同时能够提供一定的驱动电流。因为CCD的各个栅级节电容都较大,而且驱动工作频率也较高,为了提高电荷的转移效率以保证图像质量,驱动器必须要有足够的驱动能力。模拟前端主要负责对X射线CCD输出的模拟信号进行处理。首先输出的模拟信号要经过前端跟随,然后经过电平搬移及低噪声放大电路,输出符合A/D量化电平要求的信号。最后,信号进入A/D内进行量化。

　　量化后的数字图像信号,在CPLD的控制下暂存到帧存储器中。当计算机要获取图像时,单片机和USB2.0接口芯片负责把帧存储器中的图像数据通过USB总线传送到计算机。

　5　X射线图像的采集与处理

　　X射线数字成像系统的软件用于实现图像获取和图像处理功能,系统软件采用模块化结构设计。其模块结构如图4所示,由USB接口驱动模块、图像获取模块、图像处理模块、图像管理模块组成,软件系统基于Windows操作系统平台,采用C++编程语言编制。各模块的主要功能如下:

　　(1) USB接口驱动模块:用于软件系统与X射线数字成像系统硬件的数据通讯,并从USB接口为硬件系统提供电源,简化系统结构。

　　(2)图像获取模块:控制X射线敏感探头的曝光,并通过USB2.0接口读取图像数据流,然后合成为灰度图象,并将图像暂时存贮到计算机。

　　(3)图像处理模块:可实现对图像的缩放、去噪、浮雕、锐花、伪彩色等处理,还可以实现窗位的调整,图像的漫游、反白等操作。

　　(4)图像管理模块:用于对图像进行分类管理,建立受检者图像数据库。便于时间序列图像的搜索、浏览和对比,并将报告保存成电子文档供查阅。

　6　微型X射线数字成像系统的测试

　　为了检验X射线数字成像系统的性能,对系统的技术指标进行了测试,主要进行了辐射剂量的对比测试和分辨率测试。

　　6.1　辐射剂量的对比测试

　　与X射线胶片相比,数字成像具有更高的射线灵敏度,只需要很少的剂量就可以获得良好的图像[15]。X射线的长期照射会导致人体组织的癌变,因此,应用X射线直接数字成像系统就有可能在不影响影像质量的前提下降低被检者受照射剂量,保护受检者的健康。对比测试采用牙科诊断X射线胶片和自行研制的数字成像系统,以获得足够对比度的图像为准,测试目标为牙齿模型和分辨率测试卡。X射线机的焦点尺寸对对比测试采用的X射线机的技术参数如下:

　　球管电压:　　65 kV

　　球管电流: 1 mA

　　X光球管焦点:0.8 mm×0.8 mm

　　照射直径: 6 cm

　　曝光时间: (0.01-2.5) s(可调)

　　图5和图6分别为利用研制的X射线数字成像系统获得的牙齿模型与分辨率板图像,对于牙齿模型,数字成像系统获得图5的图像需要的曝光时间为20 ms,要获得对比度相近的胶片图像需要的曝光时间为200~300 ms,前者是后者辐射剂量的7%~10%;对于分辨率测试卡图像,数字成像系统获得图6的图像获得的曝光时间为30 ms,胶片获得对比度相近的图像需要的曝光时间为300 ms,前者是后者辐射剂量的10%。从测试结果来看,获得同样对比度的X射线图像,数字成像系统所需的X射线辐射剂量远远低于胶片,仅为后者的10%或更低,大大降低了受检者的辐射伤害。

　　6.2　分辨率测试

　　分辨率是考核系统成像质量的重要指标,也是射线检测设备质量验收的重要依据,需要采用质量检测器具进行客观的测量,一般采用分辨率测试卡来检测图像的分辨率[16-17]。

　　X射线图像分辨率是以能够分辨清楚黑白相间线条的能力来表示。黑白相间的线条简称线对(LP),一对黑白相间的线条称为一个线对,在单位宽度范围内能够分辨清楚的线对数越多,表示图像越清晰。分辨率的线性表达单位是线对(lp/mm)。X射线分辨率测试卡的结构与传统的光学分辨率测试卡不同,测试卡中用铅与钨做成的复合材料作栅条,这是因为铅和钨的密度高,能吸收较多的射线,与相邻间距的空间在图像上能形成较大的对比度,便于辨认;栅条厚度为0.05~0.2 mm是为了减少材料厚度对几何不清晰度的影响;栅条做成直边形,而不做成圆角过渡,是为了更真实地反映边缘效应对几何不清晰度的影响,使之能更真实地反映图像分辨率。

　　分辨率测试卡选用德国PTW Freiburg公司制造的TYP 81分辨率测试卡,共有26组不同间距的栅条,栅条长度L=20 mm,栅条厚度为0.05mm,栅条宽度偏差为5%,每组栅条对应的线对数在0.6~10 lp/mm之间,最高线对数为10lp/mm,图像分辨率和不清晰度的测试过程如下:

　　(1)将分辨率测试卡紧贴X射线敏感CCD的表面,并使栅条方向与CCD像元行排列方向平行;

　　(2)通过适当调整X射线机的曝光时间,获得对比度适当的X射线图像,并适当调整分辨率测试卡的方向;

　　(3)移动分辨率测试卡在X射线探头的位置,获得不同栅条的图像,对图像进行适当的处理,在显示屏上观察测试卡的影像,观察到栅条刚好分离的一组线对,则该组线对所对应的分辨率即为图像分辨率。

　　(4)图像不清晰度的确定,在显示屏上观察测试卡影像,观察到栅条刚好重合的一组线对,则该组线对所对应的栅条间距即为图像不清晰度。

　　图7为测得的分辨率测试卡图像,从左到右依次为7.0、8.0、9.0、10.0 lp/mm。从图中可以看到, X射线成像系统可以清晰地分辨出10 lp/mm的栅条,而根据系统采用的CCD和性能分析表明,该数字成像系统的分辨率可达到14 lp/mm以上,而目前只具备10 lp/mm的分辨率测试能力,从图像测试结果来看,系统的分辨率远远>10 lp/mm。

7　结　论

　　常规医疗X射线检查照射是受检者辐射受照射剂量负担的主要来源,基于平板探测器的DR系统由于探测器自身结构决定其具有更高的X射线量子检出效率(DQE),数字X射线成像系统具有较大的动态范围,较宽广的曝光条件选择,较先进的传输影像的性能,灵活的数字化后处理的潜力等优点。

　　研制完成的微型X射线数字成像系统具有如下特点:(1)辐射剂量低,仅为传统牙片的20%,这对医患双方和口腔诊疗环境的保护均非常有利,应用中显示出进一步大幅度降低被检者受照射剂量的潜力;(2)分辨率高,研究和测试表明,研制完成的数字X射线成像系统的分辨率>10 lp/mm,在口腔医学和微小部件无损检测方面应用潜力巨大;(3)数据处理灵活,数字成像以计算机技术为基础,具有多种图像处理能力如放大、逆反、边缘增强等功能,有助于提取特定的诊断特征。

参考文献:

　　[1]　张丽平,黄廉卿.工业X射线照相技术的应用与展望[J].光机电信息,2005,(1):25-28.

　　ZHANG L P, HUANG L Q. Application of Industrial X-ray and its developing trend[J].OME Information,2005,(1):25-28. (in Chinese)

　　[2]　SPERSCHNEIDER E.自动实时X射线检测技术在半导体制程控制中的应用[J].电子工业专用设备,2003,106:27-31.

　　SPERSCHNEIDER E. Off-axes X-ray technology creating a better view of semiconductor manufacture[J].Equip-ment for Electronic Products Manufacturing,2003,106:27-31. (in Chinese)

　　[3]　曾祥照,彭志华.计算机在X射线数字化实时成像无损检测中的应用[J].压力容器,2000,17(2):77-81.

　　ZENG X ZH, PENG ZH H. Application of computer to digital X-ray real-time imaging non-destructive inspection[J].CPVT,2000,17(2):77-81.(in Chinese)

　　[4]　苟量,王绪本,曹辉.X射线成像技术的发展现状和趋势[J].成都理工学院学报,2002,29(2):227-232.

　　GOU L, WANG X B, CAO H. The present state and future development of X-ray imaging technology[J].J。Chengdu Institute of Physics and Technology,2002,29(2):227-232.(in Chinese)

　　[5]　ROWLANDS J。Current advances and future trends in X-ray digital detectors for medical applications[J].IEEETrans Instrum and Measurement,1998,47(6):1415-1419.

　　[6]　于渤源,貊大卫,邹建宏,等.一种直接数字化的X射线扫描成像(DR)系统[J].中国医学装备,2005,2(4):42-45.

　　YU B Y, BAI D W, ZOU J H,et al.. Introduction of a direct digital radiography(DR)system[J].China MedicalEquipment,2005,2(4):42-45. (in Chinese)

　　[7]　YAFFE M J.X-ray detector for digital radiology[J].Phy. Med. Biol.,1997,42(1):1-5.

　　[8]　程耀瑜,胡鸱,韩焱,等.高精度X射线数字成像检测中图像快速采集方法[J].兵工学报,2003,24(4):537-539.

　　CHENG Y Y, HU Y, HAN Y,et al..Quick data acquistion method in high precision X-ray digital image testing[J].ACTA Armamentar,2003,24(4):537-539.(in Chinese)

　　[9]　程耀瑜,韩焱,王明泉.基于射线像增强器和视频相机的数字成像检测系统研制[J].华北工学院测试技术学报,2001,15(4):209-212.

　　CHENG Y Y, HAN Y, WANG M Q,et al.. Development of a digital X-ray imaging inspection system based onvideo camera and image intensifier[J].Journal of Test and Measurement Technology, 2001,15(4):209-212. (inChinese)

　　[10]　巴晓艳,滕永平.影响工业X射线数字化成像质量的因素分析及图像复原[J].北方工业大学学报,2002,14(1):76-79.

　　BA X Y,TENG Y P. Analysis of factors influencing quality of X-ray digital radiography and image correction[J].J。North China Univ。of Tech. ,2002,14(1):76-79.(in Chinese)

　　[11]　MANSSION L G,KHEDDACHE S,BORJESSION J,etal.. Digital chest radiography with a large image intensifi-er[J].Europ。J。Radia1。1989,9:208-212.

　　[12]　李哲,贾欣志.X射线敏感ICCD图像传感器研究[J].光学精密工程,2005,13(6):754-758.

　　LI ZH, JIA X ZH. Research on X-ray sensitive ICCD image sensor[J].Opt. Precision Eng., 2005,13(6):754-758. (in Chinese)

　　[13]　李云飞,司国良,郭永飞.科学级CCD相机的噪声分析及处理技术[J].光学精密工程,2005,13(Supp.):158-163.

　　LI Y F, SI G L, GUO Y F. Noise analyzing and processing for scientific grade CCD[J].Opt. Precision Eng.,2005,13(Supp.):158-163. (in Chinese)

　　[14]　万峰,范世福.以C8051F020为核心的CCD驱动与采集系统的设计[J].光学精密工程,2005,13(增):179-182.

　　WANG F, FAN SH F. Development of CCD driving and sampling circuit for CCD based on C8051F020[J].Opt. Precision Eng., 2005,13(Supp.):179-182. (in Chinese)

　　[15]　BRAUERS A. X-ray sensing properties of a lead oxide photoconductor combined with and amorphous silicon TFTarray[C].Master. Res. Soc. Symp. Proc.,1998, 507:321-325.

　　[16]　曾祥照.射线实时成像检测中的图像清晰度与分辨率[J].无损检测,2003,25(3):133-139.

　　ZENG X ZH. The definition and resulotion of image in real-time radiographic testing[J].NDT,2003,25(3):133-139.(in Chinese)

　　[17]　马跃洲,艾维平,张昌青.平板探测器X射线数字成像质量[J].兰州理工大学学报,2007,33(2):20-24.

　　MA Y ZH,AI W P,ZHANG CH Q. X-ray digital imaging quality of flat panel detector[J].Journal of LanzhouUniversity of Technology,2007,33(2):20-24.(in Chinese)

　　作者简介:郑玉权(1972-),男,吉林长春人,研究员,主要从事光学遥感成像技术、超光谱成像、光学设计、X射线成像等方面的研究。E-mail: zhengyq@sklao、ac、cn