基于平板探測器DR成像系統(tǒng)的對比靈敏度研究

何奕奕

（四川省理化計量無損檢測有限責(zé)任公司，成都　610100）

摘要:隨著數(shù)字成像技術(shù)的發(fā)展，基于平板探測器的DR系統(tǒng)成像必將成為今后工業(yè)領(lǐng)域的主要射線檢測技術(shù)。為了更易于了解和使用DR成像系統(tǒng)，研究DR系統(tǒng)的性能是一項重要的工作。本課題通過分析處理實驗數(shù)據(jù)，分析和測出基于平板探測器DR成像系統(tǒng)的對比靈敏度。

通過改變管電流、管電壓、大小焦點或積分時間來研究它們對DR系統(tǒng)的對比靈敏度的影響。使用對比靈敏度試塊，在規(guī)定管電壓、管電流條件下，測出系統(tǒng)的對比靈敏度為2%。

關(guān)鍵字：平板探測器、DR系統(tǒng)、對比靈敏度

The Contrast Sensitivity Of DR Imaging System Based On The Flat Panel Detector

Abstract：With the development of the digital imaging technology, the DR system Based on the flat panel detector become the important Radiographic Detecting Technology in industrial field. The researches of the DR system are the vital steps to understand and utilize the DR imaging system better. Basing on the experiential data, this article will test and analyze the functions of the DR system based on the flat panel detector, which contrast sensitivity.

Their influences to the contrast sensitivity of DR system will be researched by changing the tube voltage, tube current and the size of focus or integration time. The contrast sensitivity is 2%when the tube voltage and tube current are controlled by contrast sensitivity test block.

Keywords：Flat panel detector, DR system, contrast sensitivity.

1 引言

在基于平板探測器的DR系統(tǒng)成像中,平板探測器將X射線轉(zhuǎn)換成電信號，故而，DR系統(tǒng)所得到的數(shù)字圖像質(zhì)量是否合格關(guān)鍵取決于平板探測器的特性。平板探測器精密度高，并且價值高昂，其內(nèi)部的構(gòu)造包括閃爍體層、非晶硅層（光電二極管）、薄膜晶體管（TFT）和讀出電路。當(dāng)入射X射線透照到閃爍體層上時，閃爍體被激發(fā)而發(fā)光，從而產(chǎn)生可見光光子，完成從X射線到可見光子的轉(zhuǎn)換，光電二極管被可見光子激發(fā)從而產(chǎn)生電流，而光電二極管本身帶有電容，電流就在其電容慢慢積累，變成儲存電荷，每個像素的儲存電荷與入射的X射線本身自帶的能量是正比關(guān)系。被控制電路控制下，各個像素對應(yīng)的儲存電荷會有規(guī)律的被讀出，通過光纖傳輸?shù)酵獠康牟杉到y(tǒng)，并形成數(shù)字信號輸出，由計算機建立數(shù)字圖像。這種通過實時成像技術(shù)得到的圖像，其優(yōu)點包括分辨率很高、動態(tài)范圍很廣、使用壽命長。由于平板探測器是用大規(guī)模非晶硅做的，所以又稱為非晶硅影像板。

基于平板探測器DR系統(tǒng)的特點：第一，具有較高的分辨率，得到的數(shù)字圖像比較清晰并且細膩，這是DR系統(tǒng)比較顯著的優(yōu)點；第二，在進行X射線透照時，可以實時顯示數(shù)字圖像；第三，相對于傳統(tǒng)的X射線膠片檢測技術(shù)來說，DR系統(tǒng)能降低X射線的曝光劑量；第四，DR系統(tǒng)所得到圖像具有可交換性；第五，存儲方便，方便交流。另外，時代在進步，信息的時代來臨，計算機信息、數(shù)字圖像的處理技術(shù)以及X射線實時成像技術(shù)將會越來越成熟、完美，基于平板探測器的DR成像系統(tǒng)將會是以后無損檢測領(lǐng)域的主要檢測手段。

基于平板探測器DR系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)是空間分辨力、對比靈敏度和不清晰度。而本次研究的對比靈敏度定義為能夠于圖像上產(chǎn)生眼睛更能夠識別最小的厚度差變化，通常是用該最小厚度差占試樣總厚度的百分比表示，它表征了系統(tǒng)能夠識別的、與X射線束的照射方向相同的方向上發(fā)現(xiàn)缺陷本身最小的尺寸。

2 平板探測器DR成像系統(tǒng)的組成及基本原理

2.1 平板探測器DR系統(tǒng)的基本原理

相對于常規(guī)X射線，DR系統(tǒng)用平板探測器來捕獲X射線，取代了膠片的位置，實現(xiàn)了將X線信號轉(zhuǎn)換為電信號，完成了X線影像的數(shù)字化過程。平板探測器作為DR系統(tǒng)最核心的部件，是由探測器陣列和陣列控制器兩部分組成的，探測器陣列是由非晶硅涂層、TFT陣列以及外殼組成，工作時，間接方式通過閃爍體把入射的X射線轉(zhuǎn)化為可見光光子，直接方式是通過本身材料直接將入射的X射線轉(zhuǎn)化為可見光光子，完成把入射的X射線信號轉(zhuǎn)化為圖像電信號，經(jīng)由TFT收集，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及量化，從而獲得X射線數(shù)字圖像。而探測器陣列是被陣列控制器控制的，陣列控制器還能夠讀取并將讀取的影像數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)，讓系統(tǒng)對影像數(shù)據(jù)進行分析處理。

平板探測器DR成像的基本過程包括兩個步驟：第一個步驟，將入射的X射線信號轉(zhuǎn)化成電信號；第二個步驟，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過讀出電路，把各個像元對應(yīng)的數(shù)字信號讀出來，最后輸出成數(shù)字圖像。詳細的說，第一個步驟就是在像元飽和周期內(nèi)，將入射的X射線轉(zhuǎn)化為電荷，并且，X射線的光子數(shù)量和轉(zhuǎn)換的電荷幾乎就是正比關(guān)系。平板探測器實現(xiàn)第一個步驟的方式分為直接和間接：直接方式是把X射線光子直接轉(zhuǎn)化成電荷；間接方式是通過閃爍體層把入射的X射線轉(zhuǎn)化為可見光光子，然后再轉(zhuǎn)化為電荷。第二個步驟是讀出各個像元對應(yīng)的數(shù)字信號，每個像元對應(yīng)的數(shù)字信號會自動組合為一個整體的數(shù)字圖像；每個像元都會聚集電荷，釋放后能夠再次積累。讀出電信號的周期內(nèi)，各個像素會從自身的電容釋放電荷，按照順序依次進行。將同一行各個像素釋放出來的電荷進行放大以及數(shù)字化，按照先進先出的規(guī)律存到隊列里。處于先入先出隊列(FIFO)中的數(shù)據(jù)通過接收器上的數(shù)據(jù)連接器進行傳輸：一個像素時鐘內(nèi)傳送一個12位寬的數(shù)據(jù)。接收器上的每一行依次重復(fù)這個過程，直到所有行的電荷都傳輸完畢。

間接方式的平板探測器工作過程和原理：當(dāng)入射的X射線透照到閃爍體層時，閃爍體受到激發(fā)而發(fā)光，將入射X射線轉(zhuǎn)化成可見光光子，光電二極管被可見光光子激發(fā)后產(chǎn)生電流，光電二極管自身帶有電容，產(chǎn)生的電流會在電容上積分，成為儲存電荷，儲存電荷和被像素吸收的X射線能量存在正比關(guān)系。受到控制電路的控制，有規(guī)律的讀出各個像素內(nèi)部積累的存儲電荷，通過光纖傳輸?shù)酵獠康牟杉到y(tǒng)，并形成數(shù)字信號輸出，由計算機建立數(shù)字圖像。

直接方式下平板探測器的工作工程及原理，曝光時，X線光子與非晶硒涂層通過電離作用，形成電子空穴對，在電場的作用下，電荷聚積在TFT陣列的信號存儲電容中，經(jīng)過信號放大器的放大后，再由讀出電路讀出，就能夠得到電壓信號。由于電荷數(shù)量和電壓信號存在正比關(guān)系，而電荷數(shù)量還與X射線能量存在正比關(guān)系，故而，可以得知電壓信號和X射線能量也存在正比關(guān)系。在一定的X射線劑量內(nèi)，電壓信號和X射線強度存在嚴(yán)格的正比關(guān)系。最后由TFT陣列檢出和A/D轉(zhuǎn)換后獲取圖像。如圖2-1為直接方式的平板探測器成像原理，圖2-2為間接方式的平板探測器成像原理

圖2-1 平板探測器成像原理（間接方式）

圖2-2 平板探測器成像原理（直接方式）

基于平板探測器DR成像系統(tǒng)的原理就是把平板探測器的工作原理作為基本原理，由系統(tǒng)控制臺統(tǒng)一控制，應(yīng)用先進的數(shù)字圖像處理技術(shù)，在標(biāo)準(zhǔn)的透照條件下，得到比較高質(zhì)量的數(shù)字圖像。

2.2 DR系統(tǒng)的基本組成

平板探測器DR系統(tǒng)包括高壓發(fā)生器、X射線管、控制系統(tǒng)、計算機、數(shù)據(jù)采集儀和平板探測器。如圖2-3為高壓發(fā)生器、圖2-4為X射線管、圖2-5為平板探測器、圖2-6為射線機控制臺

圖2-3 高壓發(fā)生器圖2-4 X射線管

圖2-5 平板探測器圖2-6 射線機控制臺

其中，高壓發(fā)生器是采用數(shù)字化控制技術(shù)，通過高頻整流，獲得高質(zhì)量高千伏電壓。平板探測器作用是非晶硅涂層接收X射線，通過TFT陣列收集、轉(zhuǎn)換X射線信號為電信號，實現(xiàn)X光信號的數(shù)字化，獲得X線影像數(shù)據(jù)。

3 平板探測器DR對比靈敏度的實驗內(nèi)容及結(jié)果分析

本課題主要研究的基于平板探測器DR系統(tǒng)性能的對比靈敏度。

3.1 DR系統(tǒng)的對比靈敏度

3.1.1實驗材料

測試對比靈敏度使用對比靈敏度試塊（如圖3-1為對比靈敏度試塊的正面拍攝圖，圖3-2和3-3為對比靈敏度試塊的主視圖和剖面圖），在60kV左右的管電壓條件下，分別改變管電流、管電壓、大小焦點及積分時間，對比分析實驗數(shù)據(jù)。

圖3-1對比靈敏度試塊實物圖

圖3-2 對比靈敏度試塊表層結(jié)構(gòu)

圖3-3 對比靈敏度試塊剖面圖

對比靈敏度試塊的基本結(jié)構(gòu)是在一定厚度的矩形試塊上均勻分布四個適當(dāng)深度的平底孔，本實驗使用的是6mm厚度的對比靈敏度試塊，其孔號及孔深如表3-1

表3-1 對比靈敏度試塊的平底孔深度

孔號	1	2	3	4
孔深（mm）	0.06	0.12	0.18	0.24

孔1,2的誤差在0.01mm內(nèi)，孔3,4的誤差在0.02內(nèi)。

3.1.2 大小焦點對于對比靈敏度的影響

第一組對比：曝光條件，管電壓為190kV，管電流為3mA，積分時間為300ms，大焦點（1.0mm），如圖3-4為對比靈敏度試塊表面整體的灰度變化情況，圖3-5為對比靈敏度試塊上能看清楚的最小孔的灰度變化情況，即2%孔的灰度變化情況，其上方圖像是對應(yīng)的對比靈敏度試塊的DR成像經(jīng)過分析圖，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的數(shù)字圖像表面上畫根線，得到了灰度的性變化圖（如圖3-4），可以判斷出大概在對比靈敏度試塊的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ軟件在對比靈敏度試塊的2%孔上畫根線，得到了它的灰度變化情況（如圖3-5）

圖3-4 整體線性灰度變化圖3-5 大焦點

由圖中數(shù)據(jù)處理得出，采用大焦點（1.0mm）曝光，對比靈敏度試塊2%孔變化的灰度差百分比為：

（19119-18938）/（19402-18938）=39% > 20%

所以，對比靈敏度符合，即對比靈敏度為2%。

當(dāng)大焦點（1.0mm）改為小焦點（0.4mm），其他參數(shù)保持不變時，如圖3-6為對比靈敏度試塊表面整體的灰度變化情況，圖3-7為對比靈敏度試塊上2%孔的灰度變化情況，其上方圖像是對應(yīng)的對比靈敏度試塊的DR成像分析圖，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的數(shù)字圖像表面上畫根線，得到了灰度的性變化圖（如圖3-6），可以判斷出大概在對比靈敏度試塊的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ軟件在對比靈敏度試塊的2%孔上畫根線，得到了它的灰度變化情況（如圖3-7）

圖3-6 整體灰度線性變化圖3-7 小焦點

由圖中數(shù)據(jù)處理得出，采用小焦點（0.4mm）曝光，對比靈敏度試塊2%孔變化的灰度差百分比為：

（18974-18801）/（19345-18801）=32% > 20%

所以，對比靈敏度符合，即對比靈敏度為2%。

參考這兩組數(shù)據(jù)，當(dāng)其他曝光條件保持相同，采用小焦點時，對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化為32%，明顯小于采用大焦點時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化。

第二組對比：曝光條件，管電壓為200kV，管電流為3mA，積分時間為300ms，采用大焦點（1.0mm）時，對比靈敏度試塊2%灰度變化如圖3-8，采用小焦點（0.4mm）時對比靈敏度試塊2%灰度變化如圖3-9，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-8 大焦點圖3-9 小焦點

在曝光條件為大焦點（1.0mm）時，對比靈敏度試塊2%孔變化的灰度差百分比為

（21266-21104）/（21620-21104）=31% >20%

在曝光條件為小焦點（0.4mm）時，對比靈敏度試塊2%孔變化的灰度差百分比為

（21018-20860）/（21549-20860）=23%>20%

對比可以得出，在保持其他透照條件相同的情況下，采用小焦點時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化小于采用大焦點時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化。

總結(jié)以上兩組對比，可以得出，在相同條件下，采用大焦點更有利于提高DR系統(tǒng)的靈敏度。

原因分析：采用大焦點情況下信噪比相對于采用小焦點來說更高，曝光寬容度更大，從而提高DR系統(tǒng)的對比靈敏度。

3.1.3 管電壓對于相對靈敏度的影響

第一組對比：曝光條件，管電流為2mA，積分時間為300ms，大焦點，如圖3-10和3-11分別是在管電壓為190kV和200kV條件下對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-10 190kV 圖3-11 200kV

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電壓為190kV時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（19119-18938）/（19402-18938）=39%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電壓為200kV時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21266-21104）/（21620-21104）=31%

對比可知，相同條件下，采用管電壓為190kV時，對比靈敏度試塊最小能看清的2%孔的灰度變化要高于采用200kV時對比靈敏度試塊2%的灰度變化。

第二組對比：曝光條件，管電流為2mA，積分時間為300ms，小焦點，如圖3-12和3-13分別是在管電壓為190kV和200kV條件下對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-12 190kV 圖3-13 200kV

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電壓為190kV時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（18974-18801）/（19345-18801）=32%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電壓為200kV時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21018-20860）/（21549-20860）=23%

對比可知，相同條件下，采用管電壓為190kV時，對比靈敏度試塊最小能看清的2%孔的灰度變化要高于采用200kV時對比靈敏度試塊2%的灰度變化。

總結(jié)以上兩組對比，可以得出，相同條件，在不影響拍攝效果的前提下，降低管電壓能有利于提高DR系統(tǒng)的對比靈敏度。

原因分析：理論上，增加管電流有利于提高系統(tǒng)的對比靈敏度，但在實驗過程中，存在一些失誤，導(dǎo)致了這個結(jié)果。

3.1.4 管電流對于對比靈敏度的影響

第一組對比：曝光條件，管電壓為200kV，積分時間300，大焦點，如圖3-14和3-15分別是管電流為3mA和4mA時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-14 3mA 圖3-15 4mA

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電流為3mA時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21266-21104）/（21620-21104）=31%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電流為4mA時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（26709-26534）/（27453-26534）=19%

對比可知，相同條件下，采用管電流為3mA時，對比靈敏度試塊最小能看清的2%孔的灰度變化要高于采用4mA時對比靈敏度試塊2%的灰度變化。

第二組對比：曝光條件，管電壓為200kV，積分時間300，小焦點，如圖3-16和3-17分別是管電流為3mA和4mA時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-16 3mA 圖3-17 4mA

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電流為3mA時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21018-20860）/（21549-20860）=23%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，管電流為4mA時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21048-20954）/（21472-20954）=18%

對比可知，相同條件下，采用管電流為3mA時，對比靈敏度試塊最小能看清的2%孔的灰度變化要高于采用4mA時對比靈敏度試塊2%的灰度變化。

總結(jié)以上兩組對比，可以得出，相同條件，在不影響拍攝效果的前提下，降低管電流能有利于提高DR系統(tǒng)的對比靈敏度。

原因分析：理論上，增加管電流有利于提高系統(tǒng)的對比靈敏度，但在實驗過程中，存在一些失誤，導(dǎo)致了這個結(jié)果。

3.1.5 積分時間對于對比靈敏度的影響

第一組對比：曝光條件，管電壓為200kV，管電流為4mA，大焦點，如圖3-18和3-19分別是積分時間為200ms和300ms時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-18 200ms 圖3-19 300ms

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，積分時間為200ms時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（26757-26624）/（27366-26624）=18%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，積分時間為300ms時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（26709-26534）/（27453-26534）=19%

對比可知，相同條件下，積分時間為200ms和300ms對于對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化影響不大。

第二組對比：曝光時間，管電壓為200kV，管電流為4mA，小焦點，如圖3-20和3-21分別是積分時間為200ms和300ms時對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化情況，其上面的圖是對應(yīng)的DR數(shù)字圖像，使用ImageJ軟件處理，在對比靈敏度試塊的2%孔畫根線，得出其灰度變化情況

圖3-20 200ms 圖3-21 300ms

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，積分時間為200ms時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（26734-26592）/（27446-26592）=17%

由圖像數(shù)據(jù)處理得出，積分時間為300ms時對比靈敏度試塊的2%孔變化的灰度差百分比為

（21048-20954）/（21472-20954）=18%

對比可知，相同條件下，積分時間為200ms和300ms對于對比靈敏度試塊的2%孔灰度變化影響不大。

總結(jié)以上兩組對比，可以得出，其他條件相同的情況下，積分時間對系統(tǒng)對比靈敏度影響不大。

原因分析：稍微改變積分時間對于曝光劑量影響不大，所以對于對比靈敏度影像也不大。

3.1.6 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下對比靈敏度的測量

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：附加衰減體膜時，在200kV、3mA條件下曝光，系統(tǒng)對比靈度達到2%。

如圖3-22為對比靈敏度試塊的DR成像，多次拍攝都能分辨出2%孔；如圖3-23為對比靈敏度試塊整體灰度的變化情況；圖3-24為對比靈敏度試塊的2%孔的灰度變化情況。使用ImageJ軟件處理DR圖像，在對比靈敏度試塊的數(shù)字圖像表面上畫根線，得到了灰度的性變化圖（如圖3-23），可以判斷出大概在對比靈敏度試塊的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ軟件在對比靈敏度試塊的2%孔上畫根線，得到了它的灰度變化情況（如圖3-24）