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基于CCD的辐射成像系统

 

引言

近年来,随着CCD相机、X射线转换屏等相关技术的迅速发展,CCD开始大量应用于辐射成像系统中,典型的应用有:基于CCD的DR(Digit Radiography)医疗影像系统、基于CCD的工业无损探伤及质量检测系统、以及基于CCD的安全检查系统。所有这些系统对CCD的要求各不相同, 但其基本原理类似,都有一些共同特点。本文从X射线探测技术、辐射成像系统基本原理及在辐射成像系统中的CCD选型等方面对基于CCD的辐射成像系统进行 了简要的介绍。

1.X射线探测技术基本知识

从本质上来说,X射线与可见光一样,都是电磁波,只是波长更短。可见光的波长范围为390nm - 780nm,而X射线的波长范围是0.001nm~10nm。
X射线是由X射线管内加速后的高能电子撞击阳极金属靶面而产生的。一般来说,如果管电压是100kV,则我们说此X射线管产生的X射线“能量”是 100kV。但实际上X光管发出的X射线是一种连续光谱,光子最大能量不会超过100keV,最大能量对应的光子的波长就是这束X射线的短波限,可以由以下公式来计算:

例如,如果加速电子的管电压是100kV,则其产生的X射线谱最短波长不小于0.0124nm。

X射线的强度是指垂直于X射线传播方向单位面积在单位时间内所通过的所有X射线的能量总和, 常用的单位是J/cm2.s。从光子来角度来说,X射线的强度I是由单光子能量hµ和它的单位时间内的数目n两个因素决定的,即I=nhµ。普通X光管发出的连续X射线谱,其强度最大值在1.5λ0(λ0是光谱的短波限),而不是在λ0处。

X射线与物质相互作用时,产生各种不同的复杂的过程。就其能量转换而言,一束X射线通过物质时,会被分为三部分:一部分被散射,一部分被吸收,一部分透过 物质继续沿原来的方向传播。散射发出的X射线与透过物质的X射线都是可以探测到的,探测其二维强度分布形成的图像分别就是背散射X射线图像与透视X射线图 像。就目前来说,CCD还无法应用于背散射成像,所以本文只讨论X射线透视成像。

2.X射线透视成像技术

在X射线与物质的相互作用方面,就透视成像来说,可以将其简单总结为以下四点:

  • 物体密度越大,X射线越不容易穿透;
  • 物体的厚度大,X射线越不容易穿透;
  • X射线能量越高,穿透能力越强;
  • X射线的强度越大,穿透的光子数目越多,对探测器灵敏度的要求也就越低。

因此设计一套透视成像系统时,我们需要重点关注的是被探测物的组成(密度)与体积(厚度)以及所要求的测量精度,据此,我们要计算探测所需要的X射 线的能量与强度以及探测器的灵敏度与分辨率。

与可见光无法穿透非透明物体不同,X射线几乎可以穿透任何物质,只是不同物质对X射线的阻挡能力不同,因此可以使用X射线进行透视成像,以下以线阵X射线 成像为例简要介绍X射线成像基本原理。

上图是一套线扫描X射线成像系统示意图。由X光管②产生的X射线③穿透被检测物体⑥后,入射到线阵探测器④上。由于X射线与物体的相互作用,入射到探测器上的X射线就带有了物体内部的信息。探测器探测不同入射点X射线的强度并将其转换为数字信息传输到计算机⑤中,并通过软件在显示器①上显示出来的也 就是被检物体的透视图像。

本例中,X射线是使用的扇形束,对应的探测器是线阵探测器,因此一次成像的图像只是线阵图像。通过对被检物进行垂直于线阵方向扫描,就可以得到面阵的图像。凌云公司代理的美国X-Scan公司的X射线探测器就是这种线阵探测器,可以用于完成X射线线阵扫描成像。

而如果不使用扇形束,而直接使用锥形束,并使用面阵探测器,则可以不用机械扫描,只需单次成像就可以得到面阵透视图像,基于面阵CCD的DR系统就是一 种X射线面阵成像设备。

上图是一种基于CCD的DR透视成像系统原理示意图。与普通X射线透视成像系统类似,从射线源发出的X射线经过被检物后,将透视X射线图像成像在了 增感屏上,增感屏则将X射线转换成可见光,此可见光图像就可以被CCD相机拍摄下来,并进行数字化处理与显示,从而可以实时地得到被检物的X射线透视图像。

3.辐射成像与可见光成像的主要区别

辐射成像与可见光成像系统的基本原理和组成基本相同,它们都需要有光源、被检物体、探测器与图像显示及处理系统,但两者也有明显的区别:

  • 摆放位置、成像方式不同:可见光成像系统一般来说,光源与探测成像系统在目标的同一侧,相机通过镜头收集物体反射的极少的一部分可见光来 成像。辐射成像系统一般来说,射线源与探测器在物体的两侧(背散射系统除外),探测器接收的是所有穿透过被检物的X射线来成像。
  • 图像尺寸与成像装置尺寸不同:可见光成像只需要通过镜头收集物体反射的极少的一部分光线来进行成像,其所成的像一般是缩小了的图像,因此 可见光成像装置可以做得非常小,例如普通的消费类数码相机。但X射线无法与可见光一样,通过镜头进行聚焦或缩小从而缩小图像与探测器的尺寸,相反透视图像 都是对被检物进行放大后的图像,因此射线成像装置一般都比被检测物体大,所以其尺寸比较大。
  • 图像不同:可见光图像一般是彩色图像,当然也可以采集只有光强信息的灰度图像。辐射成像一般只记录辐射强度信息,而不探测其光谱信息,所 以一般都是灰度图像 ,真正的彩色图像极少 。
  • 除此以外,由于可见光一般对人体无害,而射线对人体是有害的,所以辐射成像一定要注意进行辐射防护。为了对被检测的人或物体尽可能少造成 损伤,一般要求X射线强度越小越好,这样被检测的人吸收的剂量就越小。而为了达到在X射线强度比较低的情况下还能进行有效的探测成像,就要求X射线探测系 统的灵敏度越高越好。

4.适用于辐射成像系统的CCD的主要特点及选型要求

对于一套辐射成像系统研发人员来说,辐射成像系统的总体设计选型过程大致有以下几个步骤

  • 了解被检物的组成、体积与尺寸等方面的特点,计算确定所需要的X射线的能量与强度;
  • 分析系统的工作与应用环境及流程,确定选用脉冲X光机还是连续X光机,确定同步方式,确定X光机的选型;
  • 了解检测分辨率、灵敏度及动态范围方面的要求,在此基础上根据X射线的能量与强度来选择适当的X射线转换屏完成将透视X射线转换成可见光 的功能;
  • 根据转换屏发射的可见光的光谱及强度等信息,综合检测性能要求来确定后端CCD相机的选型及光学系统的结构与组成。
  • 一般来说,辐射成像系统对CCD及其光学系统的要求主要有以下几个方面:
  • 高灵敏度:为了尽可能减少被检测的人或物吸收的剂量,一般来说,使用X射线的强度越低越好,这就要求后端的转换屏的效率越高越好,CCD 成像系统的灵敏度越高越好。对CCD成像系统来说,主要有两条途径:一是,CCD光学系统必须有大的口径,以保证尽可能多收集转换屏发出的可见光,提高收 集效率,以提高整套系统的灵敏度。如果被检物的尺寸不太大,可以考虑使用光纤光锥(optical fiber tapers)直接耦合CCD的方式来提高收集效率;二是,尽可能提高CCD的灵敏度,其方式包括使用大象元尺寸的CCD、使用致冷的方式来降低CCD的 噪声等。
  • 高信噪比与高动态范围:辐射成像一般只是灰度成像,无法进行彩色成像,只能通过图像灰度的差别来对物体进行分辨。以CCD DR系统对人体检查为例,人体骨骼与肌肉组织对X射线的阻挡能力有较大差别,不同的人及人体不同部位检测厚度也有较大差别,但是正常细胞与癌细胞对X射线 的吸收能力只有很微小的差别,因此在透视图像中其强度差别也很小,只有CCD具有高的信噪比与高的动态范围才可能满足要求。
  • 高分辨率:以用于进行人体检查的DR系统为例,对癌症患者来说,早发现早治疗是非常重要的。为了能在早期及时发现癌细胞,就需要CCD系 统具有较高的分辨率以便及时发现早期的非常小的癌细胞组织。
  • 结构设计:尽管CCD对透视的X射线不感光不成像,但X射线的长期照射对CCD芯片会产生损伤,因此在光学结构设计中应该采用图2所示的 类似方式,对可见光进行反射的方法来保证成像的同时避免CCD及其电路被X射线直接照射。另外,在结构设计方面还要注意整系统的辐射防护,保证被检物及操作人员的安全。

以上只是说的用于辐射成像系统的CCD相机的一般要求,但并不是所有的辐射成像系统对CCD都有很高的要求。例如用于普通安检的基于CCD的辐射成 像系统,其对动态范围与分辨率的要求就不太高,但对接口形式与同步方式方面可能会有一些特殊的要求。北京凌云公司自主研发的TB相机就是一款专门针对X射 线成像系统研制的相机,其具有分辨率高、动态范围大的特点;公司代理销售的其它厂商生产的不同档次的相机则几乎可以满足各类基于CCD的辐射成像系统的需要。

 
 

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