便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统研究

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    引 言
　　数字X射线成像系统以其在图像获取显示存储和传输等方面的优势被广泛地应用于医学影像和工业无损检测领域。这种传统的医用影像和工业无损检测的X射线成像系统一般具有较大的工作面积，但其图像分辨力不高，一般不超过31pixel/mm;而在实际应用中，一些观察和分析微小部件内部结构的工作，如，集成电路的检查、材料与元器件的无损检测以及微小零件的探伤等，这些实际应用并不要求有很大的工作面积，却要求有较高的图像清晰度，另外，运动员、部队以及野外作业人员遇到伤害时的及时诊断，这项工作要求给受伤病人进行及时诊断，并且，要求图像清晰度比较高，也需要便携式数字x射线光锥耦合CCD成像系统。
　　近年来，国内外都已经开发研制成平板式的X射线像增强器。其工作原理是利用微通道板作为从X射线到电子的转换元件，以及随后的电子倍增元件，微通道板与其后面的光纤面板荧光屏近贴聚焦成像。这是目前市场上便携式X射线成像器的核心部件。这种X射线成像仪是直接目视型的，不能输出视频信号，不能直接与计算机连接进行定量测量和分析。虽然也可通过光学透镜，将X射线像增强器荧光屏图像耦合到CCD上，这样成像体积比较大，而且，由于光能损失很大，最后，图像的信噪比明显降低。
　　本文介绍的便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统，利用光锥作为光学中继元件，将X射线II代像增强器光纤面板荧光屏输出的增强的图像耦合到CCD的光敏面上，从而形成高分辨力、数字化成像系统，并对其系统成像的空间分辨力进行了测试和分析。

　　1 成像系统的结构及工作原理
　　本文所介绍的便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统，使用的X射线像增强器是II代像增强器，其有效的工作直径为50mm，工作电压为35～70kV，工作电流为220～500μA，荧光输出屏是光纤面板。CCD选用SONYCCD，其有效工作面积为6.4 mm×4.8 mm，像素尺寸为8μm x8μm。光锥的锥比为6：1，系统的结构示意图如图1。
　　




　　工作时，X射线通过被检测物体投射到输入荧光屏上，激发出可见的荧光图像，此图像通过像增强器起到图像亮度增强的作用。在像增强器光电阴极处产生光电子发射，形成光电子图像。在高压电极的作用下，光电子加速并聚焦到像增强器的光纤面板输出荧光屏上，转换为可见光图像，投射在CCD的光敏面上，由CCD芯片将光学图像转换为视频信号。
　　1.1 光锥和CCD的耦合效率对成像系统信噪比的影响
　　光锥和CCD耦合其实就是利用光学粘结剂把2个像素离散性的元器件(光锥和CCD)串联装配起来。这样，从像增强器的荧光屏到CCD芯片表面的图像传输就用不着光学透镜，而可由光锥直接完成，这样做的优点是：提高了光能的利用效率，并大大减小成像体积。光锥和CCD耦合效率体现了光锥和CCD耦合的好坏。
　　光锥和CCD耦合效率(ηFOT)是指从X射线像增强器光纤面板荧光屏上发出的光，经过光锥和耦合介质的损耗(Eabsorb)和传播到CCD光敏面上的光束能量(ECCD)与X射线像增强器光纤面板荧光屏上发出的总的光能(Eall)之比，用数学公式表示为
　　




　　式中ATaper为光锥的有效数值孔径;TR为光线经过光锥前后端面反射损耗后的透过率;TA为光线经过光锥传输时，由于光锥芯料吸收和内反射损耗后产生的透过率;KC为光锥的有效填充率;Tepoxy为光线经过耦合介质的透过率。
　　从式(1)中可以看出：光锥和CCD耦合的效率与光锥的有效数值孔径、光锥的有效填充率和光锥和耦合介质的、吸收损耗相关。提高光锥与CCD的耦合效率的有效方法就是采用大数值孔径的光锥、减少光锥端面的反射损耗和光线传输介质的吸收损耗，提高光锥和耦合介质的透过率。
　　在成像系统中，X射线像增强器、光锥和CCD整个耦合器件最终可探测到的信号n大小可以表示为
　　




　　式中ηCCD为CCD的量子转化效率;ηFOT为光锥的耦合效率;nintensifier为像增强器放大输出的光子量。
　　整个耦合器件探测到的信号噪声主要是由X射线像增强器和CCD产生的，信号噪声可以表示为
　　




　　式中 n2intensifier-noiseX射线像增强器产生的信号噪声;n2CCD-noise为CCD产生的信号噪声。因此，整个耦合器件的信噪比为
　　




　　由式(4)可以看出：当X射线像增强器的增益特别高的时候，由CCD产生的信号噪声n2CCD-noise可以忽略不计，可以认为信号噪声与光锥和CCD耦合器件的特性无关，当X射线像增强器的增益比较低的时候，CCD的噪声大于X射线像增强器的噪声的时候，整个耦合器件的信噪比为
　　




　　这就说明了提高光锥和CCD的耦合效率能够提高整个耦合器件的信噪比。
　　1.2 光锥和CCD的耦合
　　光锥的小端面要按照CCD的有效工作面积的大小，切成一个大小与之相对应的光纤块，然后，把光锥的2个端面按照规定抛光，同时，要保证光锥端面的有较好的平行度和光圈数。成品的CCD器件，为了保护耙面被氧化或被灰尘污染，靶面连同线路板边框被用石英玻璃保护窗封粘。由于光锥是端面成像，必须要与CCD靶面紧密接触，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净室中，通过机械的方法去除，同时，要保持CCD表面的清洁。
　　光锥和CCD的芯片表面之间不能直接接触，中间要有一种耦合介质，耦合介质选用的是低粘度的光敏胶，固定后折射率为1.56。这样，不仅避免了光锥小端面与CCD直接接触而造成CCD表面损伤的可能，更重要的是由于耦合介质的存在，可以减少界面处光的损失和散射，提高了光锥和CCD的耦合效率，保持图像分辨力，同时，也起到对CCD和光锥的固定。
　　在耦合的过程中，首先，要把光敏胶涂在CCD的靶面上，然后，一边调整，一边在光锥大端观察，轻轻挤压光锥，使光敏胶在CCD靶面上均匀涂开，并无气泡产生，同时，使光敏胶的厚度尽可能的小，因为光敏胶的厚度越小，成像的质量就越好。耦合的过程主要要避免损害CCD细丝引脚、涂胶的不均匀性、气泡的产生和莫尔条纹等问题。
　　1.3 光锥和X射线II代像增强器的耦合
　　为了光锥大端和X射线II代像增强器输出屏之间的光学耦合，普通的光学玻璃输出屏已不能用，可以换成光纤面板或者薄的透明云母片。实验选择的是光纤面板来代替普通的光学玻璃作为像增强器的输出屏，光纤面板的纤维直径约为5μm。
　　光锥和X射线II代像增强器之间的耦合相当于2个平板玻璃之间的耦合，耦合的过程中，可以通过CCD相机将耦合过程中的图像传到监视器上，便于实时观察，过程中主要避免涂胶的不均匀性、气泡的产生和莫尔条纹等问题。
　　2 成像系统的空间分辨力分析与检测
　　2.1 空间分辨力的分析与测试
　　利用图1对成像系统的空间分辨力进行测试。测的系统的空间分辨力如图2所示，一般来说，图像经过去除噪声、图像的对比度调节、CCD像元不一致性校正等处理过程可一定程度上提高图像的清晰度。从测试的结果来看，系统的空间分辨力达到41 pixel/mm。与X射线像增强器的分辨力测试结果相对比，说明了低粘度的光敏胶对成像质量的影响比较小，耦合后仍然保持较好的分辨力。
　　




　　2.2 人体成像的实验结果
　　利用图1装置对人体各个部位观察，图3是对人的手指骨、手掌、手腕的X光透视照片。从透视照片来看，各个部位的图像都比较清晰，能够对这些部位的骨折、骨质增生等病变作出准确的诊断。
　　




　　3 结论
　　本文研究的便携式数字X射线光锥耦合CCD成像系统具有幅面小、分辨力高的特点，通过对系统的空间分辨力的测试，表明系统的空间分辨力能够达到41pixel/mm，整个系统的成像效果比较好，能够满足小部件的无损检测和医学成像的要求。同时，这套成像系统携带方便、成本低、应用范围比较广，便于在国内实现生产化。