數字射線檢測系統平板探測器響應特性的研究

摘 要：數字射線檢測（DR）方法優點明顯，比如量子檢測效率較高、動態范圍比較大、成像速度較快等。這種方法在工業和醫學無損檢測中，運用非常廣泛，DR系統主要成像設備是平板探測器，由于受到制造工藝和散射等因素的限制，導致了DR系統空間分辨率比較差，量子、結構噪聲的干擾會嚴重影響圖像質量。所以設法改善圖像質量就變得尤為重要。掌握平板探測器的響應特性可以大大提高影像質量，降低劑量，提高檢測效率，本文研究平板探測器對X射線的能量和強度響應特性，為數字射線檢測技術提供指導。

關鍵詞：數字射線檢測；平板探測器；成像設備；響應特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.135

0 引言

射線照相技術的可靠性較強，現在已經在各個領域的無損檢測中廣泛應用。數字平板直接成像（Director Digital Panel Radigraphy，DR），是近幾年發展起來的X射線數字化成像技術，具有快速成像，成像質量高、成像區域均勻，動態范圍，空間分辨率和靈敏度高等優點，被認為是目前最有可能取代傳統膠片成像的成像技術[1]。DR檢測在醫學疾病診斷和工業檢測評價領域發揮重大作用，獲取高質量圖像一直是DR技術的研究熱點。采用平板探測器的 DR 檢測系統中，平板探測器響應特性的研究對圖像質量的提高具有重要意義。

1 DR簡介

自動1895年倫琴發現射線后，射線照相技術邊逐步的運用到了無損檢測中去，由于其可靠性較強，所以應用愈加廣泛。射線檢測是通過X射線等一系列的射線來根據射線在材料中的衰減規律和穿透力來找到材料內部存在的缺陷，對材料的性能進行檢測。射線檢測原理和技術的基礎便是射線衰減規律，檢測過程中能夠生成和工件信息有關的檢測圖像。在工程檢測中，射線檢測是使用最久的無損檢測手段，在工業生產的各個方面運用都非常廣泛。射線膠片檢測是吧射線膠片作為檢測記錄器進行記錄，也是應用最早，當前使用范圍最廣泛的一種射線檢測技術。然而膠片照相沒法達到實時成像，并且膠片照相對膠片質量的要求較高，這也導致了其成本較大。并且膠片存儲需要嚴格的溫度、濕度控制，對環境要求很高，操作起來很不方便，不利于方便管理。最近幾年來，計算機層析技術、CCD技術、線掃描成像技術、平板探測器技術發展速度較快。這些技術都具備實時成像、實時檢測以及實時評估的優點，并且數字圖像也能夠在網絡上被更多的人所看到及采用。射線數字成像技術首先應用到醫學領域中，早先發展速度較慢，最近幾年尤為迅速。在射線檢測領域中，射線數字照相技術也逐步得到了應用，相關的研究也在不斷增加，一些標準也在制定中。

DR成像系統主要由X射線源、平板探測器（Flat Panel Detector，FPD）、工控計算機等組成。X射線源發出X射線光子，穿透工件后被平板探測器接收并轉換為電信號，再由A/D轉換電路將其轉換成數字化信息，將數字化信息傳輸到計算中去，經過相關的處理形成并顯示數字圖像。DR檢測系統于近幾年逐漸應用于工業檢測中，隨著技術的發展，探測器性能的不斷優化，DR成像系統的圖片質量接近膠片成像，缺陷檢出率比膠片成像系統高出很多。

DR檢測能夠給工業檢測評價以及疾病診斷提供可靠的依據和準確的信息。DR檢測技術研究中，怎樣獲得高質量、失真較低的圖像一直是其重點和南段。現在DR檢測技術還存在很多問題需要解決。比如空間分辨率較低、元相應沒有實現一致等。進行DR檢測時有下面幾點關鍵技術：

（1）矯正平板檢測器。平板檢測器結構噪聲會給圖像質量造成很大影響，想要獲得高信噪比的圖像，必須首先要對探測器進行準確的校正。

（2）數字圖像顯示和處理技術。由于DR圖像本身便是數字化的，能夠通過相關數字圖像處理技術來處理圖像，對其進行復原或者增強。從而不斷提高DR圖像的實際質量，提高其檢測效率。這便要求處理圖像時，設法去除噪聲，盡最大可能得到不失真的原有圖像的相關信息就變得尤為重要。

2 平板探測器

DR檢測系統采用平板探測器作為圖像采集設備，具有成像快速便捷，比傳統膠片擁有更高的量子檢測效率（DQE）等優點。平板探測器的數字成像動態范圍寬，散射損耗低，圖像采集快捷高速。

平板探測器根據能量轉換可以分成直接或者間接轉換兩種方式。直接轉換型的FPD使用的是光導體材料，在X射線曝光后轉化為電信號，通過薄膜半導體陣列（Thin Film Transistor array，TFT）存儲，再經過A/D轉換獲得數字圖像。間接性轉換型FPD使用的是閃爍晶體。在X射線曝光后，能夠將其轉換成為可見光，然后用稿光電二極管陣列，將其轉換為電信號并逐行取出轉換為數字圖像。

從平板探測器本身來看，其性能參數的評價主要從三個方面進行：空間分辨率（Spatial Resolution，SR）、量子檢測效率（Detective Quantum Efficiency，DQE）和調制傳遞函數（Modulation Transfer Function，MTF）。

（1）空間分辨率。圖像可分辨最小物體直徑是由空間分辨率決定的，期測量方法在高對比度特點以及噪聲較低的情況下，通過較大電流以及較低電壓來測量。

（2）奈奎斯特頻率。奈奎斯特頻率是通過像素尺寸來進行計算的，其又叫截止頻率，代表的是像素點中心距離。

（3）調制傳遞函數。在射線進入平板時，其會和平板發生作用，并進行光電轉換。在轉換時，射線衰減相關信息會被調制到模擬電壓上面，通過計算機讀出形成圖像灰度值。在這個過程中，通過MTF來進行對比度變化的表示。

MTF函數能夠將成像系統的圖像細節區分能力反應出來。MTF能夠決定通過探測器進行物體探測時，對比度的損失，其和探測器物理結構構成有著直接關系，探測器不同其MTF也會存在很大不同。比如函數一幀空間頻率分布在 0 和截止頻率的圖像，這個圖像的MTF值在1到0之間變化。其中1表示的是在灰度范圍中對比度的有效轉換，0表示的則是這個對比度的轉換截止，也就是這個細節無法在圖像上看到。根據其定義，空間頻率為0的成像系統，其MTF為1，若是MTF數值出現下降，那么則代表空間頻率的增加，而像素尺寸又決定了極限空間頻率。MTF能夠將空間分辨率和對比度的關系反映出來。MTF數值越高，反映出的圖像信息也會愈加真實。

DR平板探測器響應特性的研究具有以下意義：

（1）重視檢測靈敏度的提高。通過數字圖像處理技術能夠處理DR圖像中的模糊、噪聲等一系列的問題，更加容易找到噪聲中存在的缺陷信息，不斷的提高其檢測靈敏度。

（2）降低劑量、提高檢測效率。若是能夠在噪聲和散射都較高的情況下，得到清晰的圖像，那么能夠降低拍色所需劑量，在工業中，劑量越低意味著安全性越高，并且也能夠讓DR射線技術最大檢測厚度有一定增加。

3 響應特性實驗與結果分析

本實驗使用Varian Paxscan 2520V 平板探測器，對1-14mm厚的鈦合金階梯試塊透照不同能量和強度的X 射線，固定積分時間200ms，提取DR成像原始數據，測定灰度均值，獲取試塊不同厚度下的能量和強度響應曲線。

隨著階梯試塊厚度的增大，強度響應和能量響應曲線的斜率逐漸減小，由此可以得出，DR系統中線衰減系數隨著強度和能量的增大而減小。

在DR系統中中積分時間極短，膠片曝光曲線中曝光量的概念在DR中無實際意義。通過管電壓代替曝光量，積分時間為200ms，透照不同管電流得到灰度值為23000的圖像時，得到管電壓與厚度的關系曲線，通過觀察，管電壓與厚度的關系圖像非常直觀，隨著管電流的增大，管電壓與厚度特性曲線的斜率相應減小。

4 總結

在DR檢測系統的使用中，研究平板探測器對不同能量和強度 X 射線的響應特性對合理選射線透照條件具有重要意義，可以大大改善成像質量，輔助選擇最佳輻射劑量。

參考文獻：

[1]強天鵬.射線檢測[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2007：215.

作者簡介：王洪良（1964-），男，山東膠州人，大專，工程師，主要從事：射線與超聲無損檢測的工作。