平板探測(cè)器圖像性能優(yōu)化分析研究電子信息工程專業(yè)

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1、 平板探測(cè)器的圖像性能優(yōu)化 摘　要 X射線成像技術(shù)在醫(yī)療、工業(yè)探傷、航空航天等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。平板探測(cè)器因?yàn)閾碛衅焚|(zhì)突出、數(shù)據(jù)傳輸便利、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)而深受青睞。 集成電路的規(guī)?；l(fā)展以及非晶硅產(chǎn)業(yè)的突飛猛進(jìn)，推動(dòng)著數(shù)字X-Ray平板探測(cè)器行業(yè)的發(fā)展高潮。隨著人類數(shù)字化步伐的加快，X-Ray成像技術(shù)借著數(shù)字化信息發(fā)展的東風(fēng)邁著大步向數(shù)字信息時(shí)代跨進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，平板探測(cè)器(FPD)作為數(shù)字成像革命的關(guān)鍵性產(chǎn)品進(jìn)入人們的視野，人們將之稱為影像增強(qiáng)儀后常規(guī)X-Ray射線成像領(lǐng)域的最大一次革命[1]。當(dāng)前，醫(yī)療體外診斷、工業(yè)無(wú)損探傷以及PCBA生產(chǎn)檢查是是X射線數(shù)字成像技

2、術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域，但在其他領(lǐng)域的應(yīng)用也具有廣闊的發(fā)展前景。 本文為大家詳細(xì)介紹了DR成像系統(tǒng)的發(fā)展歷程以及其各個(gè)部分的功能。探測(cè)器的發(fā)展經(jīng)歷了膠片成像，計(jì)算機(jī)成像直至如今的數(shù)字成像時(shí)代，隨著技術(shù)的突破，DR圖像已經(jīng)具備快捷、穩(wěn)定以及圖像性能突出等優(yōu)點(diǎn)。平板探測(cè)器主要包含轉(zhuǎn)換介質(zhì)、圖像采集單元以及圖像傳輸單元。平板探測(cè)器最顯著的特點(diǎn)是體積小，質(zhì)量輕，便于攜帶且圖像性能突出。受限于各種各樣的原因，成像過(guò)程中必然會(huì)引入噪聲使圖像質(zhì)量降低，存在影響醫(yī)生的診斷正確性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，定位影響圖像質(zhì)量的噪聲來(lái)源、噪聲特性以及信噪之間的關(guān)系，并對(duì)圖像信號(hào)作降噪處理，對(duì)圖像細(xì)節(jié)作增強(qiáng)處理，提升圖像的質(zhì)量成為平板

3、探測(cè)器研究的重要方向。 本文研究了DR系統(tǒng)噪聲的形成原因，其一般分為暗電流噪聲、不均勻性以及基于康普頓效應(yīng)引起的隨機(jī)噪聲。利用多一般的處理措施能夠有效處理掉絕大部分噪聲信號(hào)，但高斯噪聲會(huì)極大程度的影響圖像質(zhì)量且處理極其困難。基于目前普遍應(yīng)用的高斯模型以及拉普拉斯模型對(duì)DR圖像中的多尺度高頻信息無(wú)法有效的描述，噪聲處理效果并不理想，本文主要應(yīng)用的是基于 Laplace- Impact混合模型實(shí)現(xiàn)的最小均方誤差估計(jì)去噪算法（MMSE）。此算法線利用雙樹復(fù)小波對(duì)DR圖像進(jìn)行分解處理，再利用局部的均方差數(shù)值對(duì)系統(tǒng)的噪聲參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，之后通過(guò) MMSE估計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻系數(shù)的優(yōu)化，最后基于逆小波變換實(shí)現(xiàn)其

4、高頻小波系數(shù)的優(yōu)化，并重新轉(zhuǎn)化為圖像。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,LI-MMSE算法在對(duì)高斯噪聲的處理中明顯優(yōu)于BLM-GSM和SoftLMap這兩種圖像處理算法。 關(guān)鍵詞：X射線，平板探測(cè)器，圖像，噪聲，拉普拉斯，LI-MMSE算法 48 THE IMAGE PERFORMANCE OPTIMIZATION OF FLAT PANEL DETECTOR ABSTRACT X-ray imaging technology has been widely used in many fields such as medical treatment, industrial e

5、xploration and aerospace. Because of its advantages such as high quality, convenient data transmission and stable performance, the flat detector is very popular. The scale development of integrated circuits and the advance of amorphous silicon industry are driving the development of the X-ray flat

6、panel detector. With the acceleration of the digitization of human beings, X-ray imaging technology is stepping into the digital information age with the development of digital information. With the development of science and technology, flat panel detector (FPD) as a key product of digital imaging

7、revolution into people's field of vision, people called it as the biggest revolution in the field of conventional X-Ray imaging after Image intensifier. At present, medical diagnosis, industrial nondestructive flaw detection in vitro and PCBA production inspection is the main application field for X

8、-ray digital imaging, but it also has a board development prospects for the other application. The document introduces the development course of X-ray imaging system and its functions. The detector experienced from the film imaging, computer imaging to digital imaging, with the technology breakthro

9、ugh, DR image has the advantage of fast, stable and outstanding performance. The plate detector mainly includes conversion medium, image acquisition unit and image transmission unit. The most notable feature of the panel detector is small volume, light weight, easy to carry and prominent image perfo

10、rmance. Due to all kinds of reasons, it is inevitable to introduce noise in the imaging process to reduce the quality of the image, and there is a risk of influencing the accuracy of the doctor's diagnosis. Therefore, affect the image quality of noise source, noise characteristic and the relation be

11、tween the signal-to-noise, the image signal and the noise reduction processing, enhancement of image detail processing, improve the quality of the image has become an important direction of flat panel detector research. The document researches the formation cause of the imaging noise of DR system,

12、which is mainly divided into the dark current noise, the inhomogeneity and the random noise caused by Compton effect. Using multiple frames to calculate the average, multipoint linear fitting, and average filtering treatment measures can effectively get rid of most of the noise signal, but the Gauss

13、ian noise would greatly affect image quality and deal with extremely difficult. As the generally applied Gaussian and Laplace model can’t effectively described the multi-scale high frequency information of the DR image and the noise processing effect is not ideal, the treatment measure of the docume

14、nt is the minimum mean square error (MMSE) which is based on the Laplace - Impact mixed model. At first, the algorithm to use the dual tree complex wavelet to make the DR images decomposition, then through the MMSE estimation approach to achieve the optimization of high frequency coefficients, at

15、last use the inverse wavelet transform approach to achieve the optimization of the high frequency wavelet coefficients, and to convert into images. According to the experiment results, the LI-MMSE algorithm is significantly better than BLM-GSM and SoftLMap in the processing of gaussian noise. Keywo

16、rds: X-ray, tablet detector, image, noise, Laplace, LI-MMSE algorithm 目錄 摘　要 I ABSTRACT II 第一章 緒論 1 1.1 X-Ray探測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)介 1 1.2 膠片成像系統(tǒng) 1 1.3 計(jì)算機(jī)X-Ray成像系統(tǒng) 2 1.4 數(shù)字X-Ray成像系統(tǒng) 3 1.5 平板探測(cè)器的意義 3 1.6 本文的主要內(nèi)容 4 第二章 X光系統(tǒng)簡(jiǎn)介 5 2.1 X射線成像原理 5 2.2 DR系統(tǒng)硬件組成 6 2.2.1 高壓發(fā)生器與球管 6 2.2.2 手閘與控制盒 7 2.2.3

17、 數(shù)字化探測(cè)器 7 2.2.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 9 2.3 本章小結(jié) 10 第三章 數(shù)字X-Ray探測(cè)器工作原理 11 3.1 數(shù)字平板探測(cè)器的分類 11 3.1.1 以轉(zhuǎn)換層分類的探測(cè)器類型 11 3.1.2 以信號(hào)檢測(cè)分類的探測(cè)器類型 12 3.2 數(shù)字X-Ray探測(cè)器工作基本原理 13 3.2.1 閃爍體 13 3.2.2 TFT面板 14 3.2.3 信號(hào)采集單元 15 3.3 本章小結(jié) 16 第四章 數(shù)字圖像處理理論簡(jiǎn)介 17 4.1 圖像質(zhì)量的基本概念 17 4.1.1 空間域表征 17 4.1.2 頻率域表征 17 4.1.3 灰階表征 18 4.1

18、.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 18 4.2 數(shù)字圖像處理的基本概念 19 4.2.1 數(shù)字圖像噪聲 20 4.2.2 圖像降噪算法 21 4.2.3 圖像增強(qiáng)算法 23 4.3 X射線圖像的質(zhì)量分析 24 4.4 本章小結(jié) 25 第五章 多尺度DR圖像去噪 26 5.1 系統(tǒng)噪聲去除 26 5.1.1 暗電流校正 26 5.1.2 圖像的不均勻校正 27 5.1.3 散點(diǎn)噪聲去噪算法 29 5.2 高斯噪聲多尺度去噪理論基礎(chǔ) 30 5.2.1 噪聲的尺度衰減性 30 5.2.2 小波系數(shù)的尺度間相關(guān)性 30 5.2.3 小波系數(shù)的尺度內(nèi)相關(guān)性 31 5.3 高斯噪聲去噪算

19、法 31 5.3.1 BLS-GSM去噪算法 32 5.3.2 SoftLMAP去噪算法 33 5.4 基于Laplce-Impact模型的去噪算法 34 5.4.1 DT-CWT高頻系數(shù)的Laplace-Impact模型 34 5.4.2 基于Laplace-Impact混合模型的MMSE估計(jì)算法 36 5.4.3 局部方差估計(jì) 36 5.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 37 5.5.1 人工噪聲去噪 37 5.5.2 實(shí)際DR圖像去噪 38 5.5.3 窗口大小對(duì)去噪效果的影響 40 5.6 本章小結(jié) 41 第六章 總結(jié)與展望 42 參考文獻(xiàn) 43 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或

20、錄用的論文 47 致謝 48 第一章 緒論 1.1 X-Ray探測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)介 1895年，著名物理學(xué)家威廉·倫琴在暗室中因?yàn)槟z片對(duì)光線的感應(yīng)而發(fā)現(xiàn)了X射線的存在[2]。隨著X射線被人們熟識(shí)，針對(duì)放射學(xué)領(lǐng)域的研究開啟了科學(xué)發(fā)展的新歷程，同時(shí)也推動(dòng)了化學(xué)和醫(yī)學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展。醫(yī)療領(lǐng)域?qū)射線成像技術(shù)的廣泛應(yīng)用，引起了醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的技術(shù)革新。 X射線指的是一種波長(zhǎng)介于0.001nm~10nm的短波長(zhǎng)電磁波[3]，X-Ray因其高穿透性而被人所熟知以及認(rèn)可。 當(dāng)X射線對(duì)物體進(jìn)行透射后，被照射物體對(duì)X射線的相位特征參數(shù)以及振幅特征參數(shù)進(jìn)行衰減調(diào)制處理，從而形成與物

21、理內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息相對(duì)應(yīng)的能量特征。首張X-Ray透射照片發(fā)布后，由于突破性技術(shù)開發(fā)的不斷推動(dòng)，直至今日，放射學(xué)一直在持續(xù)不斷的快速發(fā)展，在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的方方面面均能夠看到其應(yīng)用[4-6]。雖然如今各式各樣的影像技術(shù)不斷更新，核磁共振和計(jì)算機(jī)斷層掃描等更先進(jìn)的影像技術(shù)在很多疾病的檢查上已取代傳統(tǒng)的X射線診斷，但其仍是放射診斷的首要依據(jù)。 X-Ray探測(cè)器主要將X-Ray的能量通過(guò)設(shè)備轉(zhuǎn)換成與照射強(qiáng)度成對(duì)應(yīng)關(guān)系的可采樣的電荷信號(hào)。通常而言，人體被照射部位截面的內(nèi)部組織密度對(duì)X-Ray射線的衰減程度決定到達(dá)醫(yī)用探測(cè)器表面的X-Ray射線信號(hào)的強(qiáng)弱。譬如骨骼這類高密度人體組織對(duì)X射線的吸收能力很高，到

22、達(dá)X-Ray探測(cè)器表面的能量就較少，而如脂肪等密度低的人體組織對(duì)X射線的吸收能力很低，因此到達(dá)X-Ray探測(cè)器表面的X射線能量較多。我們用吸收系數(shù)m表示人體不同部位對(duì)X射線的吸收情況，探測(cè)器接收到的能量強(qiáng)度反映出各個(gè)人體部位不同的m值，從而可以對(duì)人體組織的特性進(jìn)行分析處理[7]。X-Ray探測(cè)器主要利用X-Ray成像技術(shù)將人體肉眼無(wú)法直接觀察的物體內(nèi)部信息轉(zhuǎn)換為人體肉眼可視的圖像信息。 X-Ray成像技術(shù)的發(fā)展歷程一般分為膠片成像、計(jì)算機(jī)成像、數(shù)字化成像，下面詳細(xì)介紹了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 1.2 膠片成像系統(tǒng) 膠片成像是最早應(yīng)用于X-Ray成像的成像技術(shù)，其中第一張X-Ray成像照片

23、是1895年倫琴對(duì)其夫人的手透射形成的，如下圖1-1所示。由于膠片感應(yīng)X射線的效率及其低下，滿足輻射條件所需的X射線的劑量極大，會(huì)對(duì)人體噪聲較嚴(yán)重的危害，因此用膠片直接成像這種方式并不能滿足醫(yī)學(xué)診斷應(yīng)用的實(shí)際需求[8-9]。 圖1-1 倫琴夫人的手的X-Ray膠片 Fig. 1-1 X-Ray Image of Mrs. Roentgen’s Hand 20世紀(jì)初期，鎢酸鈣被研究人員證明是一種性能優(yōu)越的X射線熒光材料，從而進(jìn)入醫(yī)療診斷領(lǐng)域的視線，并得到廣泛的應(yīng)用。增感屏的主要材料為鎢酸鈣，可以以較高的效率的將X射線轉(zhuǎn)換為熒光，利用膠片對(duì)熒光的高感知成像，該種處理方式能夠明顯的提升成像

24、系統(tǒng)的靈敏度[10]。隨著基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以稀土元素為主的熒光材料開始進(jìn)入專家學(xué)者的視野，并被廣泛應(yīng)用于增感屏的生產(chǎn)。屏膠系統(tǒng)可以有效的提高成像系統(tǒng)對(duì)X射線的靈敏度，目前為止其仍是一種普遍適用的醫(yī)療診斷系統(tǒng)。 無(wú)論膠片直接成像還是利用屏膠結(jié)合的方式成像，其本質(zhì)都是使用膠片對(duì)X射線透過(guò)物體形成的圖像進(jìn)行記錄，因此我們將之統(tǒng)稱為膠片成像。膠片成像因其能滿足較高的空間分辨率的優(yōu)點(diǎn)，得到市場(chǎng)應(yīng)用的認(rèn)可，但本質(zhì)上是一種模擬成像技術(shù)，因此仍然具有動(dòng)態(tài)范圍小的缺陷。但是受限于膠片的不易存貯，且后期處理不方便，至20世紀(jì)末開始數(shù)字式X射線成像漸漸取代膠片成像，目前膠片成像主要應(yīng)用在發(fā)展較為落后的醫(yī)院。膠

25、片成像主要受限于效率低下，需要浪費(fèi)很多的人力資源，并且無(wú)法形成實(shí)時(shí)成像。 在分辨率的性能指標(biāo)方面，膠片成像具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，醫(yī)生能夠觀察到更細(xì)微的病變信息。但使用實(shí)時(shí)成像性能突出的平板探測(cè)器代替老式的膠片成像仍是科技發(fā)展的必然。 1.3 計(jì)算機(jī)X-Ray成像系統(tǒng) 20世紀(jì)80年代，計(jì)算機(jī)X-Ray成像技術(shù)通過(guò)圖像板的方式率先實(shí)現(xiàn)了X-Ray的數(shù)字化成像。 圖像板能夠代替增感屏或者膠片實(shí)現(xiàn)對(duì)入射X射線的記錄，其與信號(hào)讀出裝置共同構(gòu)成了CR系統(tǒng)，其主要成分為含有稀土元素的多晶粉末。圖像板吸收X射線后其內(nèi)部電子以及空穴受到激發(fā)，以捕獲態(tài)的形式貯存起來(lái)，從而形成潛像。在避光的常溫環(huán)境

26、下，圖像板貯存的潛像能夠保留幾個(gè)小時(shí)甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，在此期間利用讀出裝置即可將圖像板中的圖像數(shù)據(jù)讀出。讀出裝置利用激光掃描的方式釋放圖像板中貯存的電子和空穴并散發(fā)出熒光,并通過(guò)內(nèi)部的 接收裝置接收熒光信號(hào)并形成數(shù)字圖像。 CR系統(tǒng)僅在膠片系統(tǒng)的基礎(chǔ)上去除了膠片以及增感屏，并新增IP板以及與其適配的讀出裝置就完成了成像功能的實(shí)現(xiàn)，因此升級(jí)成本較其實(shí)不高，但靈敏度以及動(dòng)態(tài)范圍等性能參數(shù)卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)膠片成像系統(tǒng)。但CR成像仍具有很大的不便性，需要借助輔助設(shè)備才能完成成像工作，成像過(guò)程中存在的機(jī)械移動(dòng)以及光線散射等不可避免存在的問(wèn)題會(huì)使圖像質(zhì)量下降且影響工作效率。 1.4 數(shù)字X-Ray成像系

27、統(tǒng) 1975年，人們實(shí)現(xiàn)了a-Si薄膜的摻雜，從而為非晶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展指明了方向。 薄膜工藝因?yàn)槠渫怀龅碾妼W(xué)性能以及襯底材料的選擇廣泛從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)單晶工藝升級(jí)。薄膜工藝具備制作工藝方便，生產(chǎn)成本低廉、尺寸面積較大的特性，這些方面的優(yōu)點(diǎn)為平板探測(cè)器的批量化應(yīng)用提供必須的條件[11]。 1986年，數(shù)字化放射攝影（DR）的物理概念首次被專家學(xué)者提出，并提交了關(guān)于DR成像的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用報(bào)告。當(dāng)時(shí)的DR技術(shù)定義的是通過(guò)影像增強(qiáng)器實(shí)現(xiàn)的數(shù)字化攝影，主要包含有影像增強(qiáng)器、光電攝影管、CCD探測(cè)器、監(jiān)視器以及A/D轉(zhuǎn)換器件。 國(guó)外的X-Ray成像技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展以及深入的研究，目前已經(jīng)十分成熟，

28、隨著近些年來(lái)的快速發(fā)展，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的數(shù)字成像，該技術(shù)的廣泛適用性代表了X-Ray成像技術(shù)未來(lái)的發(fā)展道路。 DR系統(tǒng)指的是應(yīng)用于常規(guī)醫(yī)療診斷的數(shù)字成像系統(tǒng)，其主要組成部分為電子暗盒、掃描單元、控制系統(tǒng)以及影像采集單元，其主要利用電子暗盒實(shí)現(xiàn)X射線到數(shù)字圖像的轉(zhuǎn)化。當(dāng)前，DR成像系統(tǒng)主要是基于非晶硅技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的。 目前，通用、飛利浦。西門子、東軟以及萬(wàn)東等主流醫(yī)療設(shè)備供應(yīng)商都有先進(jìn)的DR產(chǎn)品面向市場(chǎng)，圖1-2展示了一款目前市場(chǎng)上常規(guī)的一款平板探測(cè)器的類型。 本論文的主要研究對(duì)象為數(shù)字平板探測(cè)器的圖像性能優(yōu)化，下文中的X射線探測(cè)器均為滿足想前DR系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)字X射線探測(cè)器。

29、 圖1-2 X-Ray平板探測(cè)器產(chǎn)品 Fig. 1-2 The Product of FPD 1.5 平板探測(cè)器的意義 傳統(tǒng)的X-Ray成像技術(shù)一般指的是基于模擬信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，其圖像分辨較低，且圖像質(zhì)量較差。傳統(tǒng)的探測(cè)器一般為光電倍增管和NaI閃爍晶體的結(jié)構(gòu)組合，該類探測(cè)器中的主要成分存在以下缺點(diǎn)：NaI容易受到空氣潮解，光電倍增管需要高壓保持工作且探測(cè)器體積較大。而通過(guò)硅鋰漂移實(shí)現(xiàn)的探測(cè)器因?yàn)槭艿降蜏貤l件的限制無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。膠片成像系統(tǒng)作為早期的成像設(shè)備，在貧窮落后以及偏遠(yuǎn)地區(qū)的醫(yī)院仍然在使用，但是其成像效率低且自動(dòng)化程度差，并不能實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸以及數(shù)字圖

30、像的保存，無(wú)法滿足目前主流應(yīng)用的需求。 CCD以及CMOS晶片雖然具有尺寸面積很小的優(yōu)勢(shì)，但是因?yàn)槠洳荒苄纬蓪?shí)際尺寸大小的影響，并且產(chǎn)品的壽命周期較短，設(shè)備成本高，無(wú)法得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可。X-Ray平板探測(cè)器利用一比一成像獲得分辨率較高的數(shù)字圖像，并具有易于存儲(chǔ)以及傳輸?shù)奶匦?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了其他類型的探測(cè)器，因此能夠滿足大面積X-Ray射線數(shù)字平板圖像探測(cè)器是市場(chǎng)上當(dāng)之無(wú)愧的寵兒。20世紀(jì)，整個(gè)半導(dǎo)體行業(yè)的很多技術(shù)并不成熟導(dǎo)致平板探測(cè)器行業(yè)的發(fā)展不盡人意，而國(guó)內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)、陣列基板工藝等技術(shù)相較國(guó)外又落后較多。目前，國(guó)內(nèi)的相關(guān)技術(shù)水平仍很不成熟，該項(xiàng)技術(shù)落后國(guó)外幾十年，因此具備生產(chǎn)自主研發(fā)的X

31、-Ray數(shù)字平板探測(cè)器具有十分重要的意義。 早期的成像技術(shù)主要為模擬成像，主要以模擬信號(hào)的方式完成圖像信號(hào)的接收，具有成像精度差，不易保存且運(yùn)輸困難的缺點(diǎn)，且相關(guān)技術(shù)壁壘難以突破。 相對(duì)而言，數(shù)字成像具有高精度的優(yōu)點(diǎn)，而且模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度也能夠滿足數(shù)字成像的精度需求，轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微電子集成電路發(fā)展的同步，且易于存儲(chǔ)。一般10Mb左右的圖片大小即可以清晰完整的涵蓋醫(yī)生所需要關(guān)心的信息，并且可以在互聯(lián)網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)圖像的交互，方便異地醫(yī)院實(shí)現(xiàn)技術(shù)交流及探討。基于以上分析，針對(duì)平板探測(cè)器的圖像性能的優(yōu)化有利于推進(jìn)平板探測(cè)器的市場(chǎng)進(jìn)程，且可推動(dòng)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，為醫(yī)療診斷領(lǐng)域的發(fā)展作出杰出貢獻(xiàn)。 1

32、.6 本文的主要內(nèi)容 本文主要基于下述內(nèi)容討論了平板探測(cè)器性能優(yōu)化的相關(guān)課題。 第一章主要詳細(xì)介紹了X-Ray探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展歷史及其研究意義。 第二章對(duì)成像系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成進(jìn)行了詳細(xì)的描述。 第三章通過(guò)對(duì)平板探測(cè)器基本原理的介紹讓大家能夠?qū)ζ溆斜容^深入的了解。 第四章通過(guò)對(duì)圖像處理的理論的介紹讓大家了解了圖像處理的基本概念。 第五章通過(guò)為大家介紹了系統(tǒng)噪聲的分類以及常用的去噪算法，并提出此提出了一種具有較好的實(shí)用效果的LI-MMSE估計(jì)算法。 第六章主要為對(duì)本文相關(guān)內(nèi)容的總結(jié)并對(duì)圖像處理優(yōu)化算法的未來(lái)發(fā)展的展望。 第二章 X光系統(tǒng)簡(jiǎn)介 2.1 X射線成像原理

33、 X-Ray射線因?yàn)槠涓吣芰刻匦允怪畬?duì)物體照射時(shí)能夠透過(guò)物體本身，這是X射線成像得以實(shí)現(xiàn)的前提。同時(shí)，人體各個(gè)不同部位存在密度以及厚度的差異，致使到達(dá)探測(cè)器表面的能量并不一致，從而顯示為明暗程度不同的圖像。圖2-1為X射線成像原理示意圖。 圖2-1 X射線成像原理 Fig. 2-1 X-Ray Image-Forming Principle 從圖2-1(a)我們可以看到，成像載體對(duì)X射線經(jīng)過(guò)被透射物體衰減后的吸收情況。厚度相同的物體受到X射線的透射時(shí)，通過(guò)在成像載體上顯示亮暗程度不同的灰白圖像來(lái)表示各個(gè)部位的密度。 但當(dāng)組織厚度與密度均相同的物體受到X射線的透射時(shí)，所形成的圖像上

34、的各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的數(shù)值是相同的，如圖2-1(b)所示。由此可知，X光片上所形成的圖像只能反映物體組織在二維空間的情況，而而無(wú)法反映物體內(nèi)部的三維空間分布。 X射線成像的本質(zhì)是體現(xiàn)物體各個(gè)部位對(duì)X射線的衰減程度，因物體本身的密度或者厚度的差異，使得到達(dá)接收物質(zhì)表面各個(gè)點(diǎn)的X射線的強(qiáng)度值是不一樣的。如圖2-2，將物體受到透射時(shí)的入射以及出射強(qiáng)度用IO，IO’表示。 圖2-2 X射線衰減示意圖 Fig. 2-2 X-Ray Damping Diagram 當(dāng)均勻物體△Z受到平行光線IO的輻射時(shí)，定義入射和出射光子數(shù)為N和?N，它們存在以下關(guān)系： ?N=-μN(yùn)?Z

35、 (2-1) 式中μ為線性衰減系數(shù)，“-”表示光子數(shù)目減少。由式(2-1)可知，入射光子數(shù)、被探測(cè)物體的厚度及其物理特性共同決定了衰減的光子數(shù)目。 對(duì)(2-1)積分我們可以得到 NiNodNN= -μ0ddz (2-2) 上式中d表示待測(cè)介質(zhì)厚度，Ni表示X射線的入射光照強(qiáng)度，No表示出射光照強(qiáng)度，則對(duì)式(2-2)求解可以得到 No=Niexp(-μd) (2-3) 由上式可知，X射線的光子數(shù)以及光子的頻率共同決定了

36、X射線的強(qiáng)度，且兩者成正比關(guān)系，其表達(dá)式為： I=Njhvj (2-4) 式中Nj為頻率是vj的光子數(shù)量。 通常，輻射的X射線由能量功率譜不同的線束組成，但我們能夠進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，從而得到表達(dá)式 IO '= IOexp?(-μd) (2-5) 由式(2-5)我們能夠得出物體厚度與衰減程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度在一定程度上也會(huì)直接決定衰減因子μ的大小。相比較而言，需要根據(jù)實(shí)際情況確定在系統(tǒng)成像過(guò)程中起主導(dǎo)

37、作用的是密度還是厚度。以心臟和肋骨為例，心臟部位具有密度低而厚度大的特點(diǎn)，而肋骨的密度高而厚度小，因此X射線透射肋骨受到的衰減強(qiáng)于心臟，心臟形成的影響亮度高于肋骨。 2.2 DR系統(tǒng)硬件組成 圖2-3為DR系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)圖，其構(gòu)成包含有高壓發(fā)生器、機(jī)架、球管、平板探測(cè)器、控制單元以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。下面會(huì)逐一地介紹DR系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。 圖2-3 DR 系統(tǒng)框架圖 Fig. 2-3 DR System Frame 2.2.1 高壓發(fā)生器與球管 圖2-4為高壓發(fā)生器的原理框圖，高壓發(fā)生器首先通過(guò)三相整流的處理將交流電轉(zhuǎn)化為直流電信號(hào)，再利用斬波處理的方式將高頻分量濾除使之成

38、為平穩(wěn)的直流電壓，后通過(guò)逆變處理后輸入到高頻變壓器，后通過(guò)高頻整流后得到我們需要的正負(fù)直流高壓，形成陰極和陽(yáng)極，從而產(chǎn)生激勵(lì)球管所需的高壓電場(chǎng)。 圖2-4 高壓發(fā)生器的原理框圖 Fig. 2-4 Structure Diagram of Generator DR系統(tǒng)成像時(shí)，操作者通過(guò)對(duì)高壓發(fā)生器的kV值、mA值和照射時(shí)間的調(diào)節(jié)即可得到醫(yī)療診斷所需的合適的曝光劑量。因?yàn)椴∪四挲g，體型以及實(shí)際需求各不相同，必須配置不同的曝光參數(shù)才能夠采集到比較理想的診斷圖像。高壓發(fā)生器一般具有AEC自動(dòng)曝光模式功能，曝光前我們需要先輸入一個(gè)預(yù)期的閾值，當(dāng)劑量達(dá)到我們的設(shè)定值時(shí)就自動(dòng)結(jié)束曝光動(dòng)作。 X射

39、線主要通過(guò)球管產(chǎn)生，其主要組成部分為大體積高真空的陰極射線二極管。它主要通過(guò)12V左右電壓對(duì)陰極燈絲的加熱，從而形成大量自由電子，自由電子受到強(qiáng)電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)就會(huì)高速撞擊鉬基鎢靶，并將能量轉(zhuǎn)化為X射線。在此過(guò)程中，絕大部分能量以熱能的方式消耗掉，僅剩余約1%的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為X射線，因此為了保證球管的連續(xù)正常工作必須做好散熱處理。 2.2.2 手閘與控制盒 手閘與控制盒的工作流程如下圖所示，其主要負(fù)責(zé)完成各工作單元的交互，并實(shí)現(xiàn)對(duì)曝光信號(hào)的操控。 圖2-5 控制盒流程 Fig. 2-5 Control Box Diagram 手閘開關(guān)分為兩檔，手閘通過(guò)與控制臺(tái)以及控制盒的直接連接的

40、方式實(shí)現(xiàn)其功能，控制臺(tái)主要通過(guò)與高壓發(fā)生器的通信實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制，而控制盒通過(guò)通信方式完成與計(jì)算機(jī)以及高壓發(fā)生器的信息交互工作。 手閘的第一檔主要完成曝光的準(zhǔn)備工作，且當(dāng)平板探測(cè)器和高壓發(fā)生器完成準(zhǔn)備工作后，會(huì)將一個(gè)反饋信號(hào)提供給控制盒以及控制臺(tái)。待完成反饋信號(hào)的接收后，才會(huì)允許對(duì)手閘第二檔開關(guān)的操作，該開關(guān)會(huì)觸發(fā)球管的曝光動(dòng)作。待高壓發(fā)生器曝光結(jié)束后，數(shù)字化探測(cè)器采集探測(cè)器被X-Ray照射后的圖像，并將圖像傳輸給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 2.2.3 數(shù)字化探測(cè)器 在數(shù)字成像系統(tǒng)中，數(shù)字探測(cè)器采集X射線透過(guò)物體后衰減得到的信號(hào)，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)。目前市場(chǎng)上普遍應(yīng)用的數(shù)字探測(cè)器的種類能

41、夠分為電荷耦合探測(cè)器(CCD)和數(shù)字平板探測(cè)器(FPD)。根據(jù)轉(zhuǎn)換材料的區(qū)別，我們又將數(shù)字平板探測(cè)器稱為非晶硅及非晶硒平板探測(cè)器。非晶硅平板探測(cè)器利用閃爍發(fā)光體實(shí)現(xiàn)X射線到可見光的轉(zhuǎn)化，之后再將其變成數(shù)字信號(hào)，而后者則直接將X射線轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。圖2-6為三種常見數(shù)字探測(cè)器的示意簡(jiǎn)圖。 圖2-6 數(shù)字化X射線探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖 Fig. 2-6 Digital X-Ray Detector Block Diagram 由圖2-6（a）可知，CCD探測(cè)器通過(guò)閃爍體完成X射線與可見光之間的轉(zhuǎn)化，并利用透鏡將其耦合到CCD陣列上。它主要利用的是在P型硅的表面可以生成二氧化硅的特性，以及多晶態(tài)硅的

42、鍍層技術(shù)。在電場(chǎng)作用下P型硅會(huì)形成低勢(shì)能區(qū)域，我們將其稱為勢(shì)阱，其深度隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而加深，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光生電子的貯存。所貯存的光生電子的數(shù)量由光照決定，且兩者成正比關(guān)系，因此本質(zhì)上光生電子的數(shù)量反映出照射的光子強(qiáng)度，從而我們可以得到照射的X射線的強(qiáng)度。CCD單元中各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所貯存的電荷信號(hào)的數(shù)量與其所形成的圖像呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系。CCD探測(cè)器最突出的優(yōu)點(diǎn)是良好的空間分辨率，與此同時(shí)其一致性也較為突出。但諸如事物的兩面性，CCD探測(cè)器仍然有其不可避免的技術(shù)缺陷： (1) 轉(zhuǎn)換效率低：增感屏作為CCD探測(cè)器的常用轉(zhuǎn)換介質(zhì)，因此增感屏本身的特性參數(shù)直接決定了探測(cè)器的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)和光子檢測(cè)效

43、率(DQE)參數(shù)的極致。 (2) 生產(chǎn)工藝難度大：CCD存在大面積制造工藝?yán)щy的窘境，僅能通過(guò)多塊拼接的方式才能實(shí)現(xiàn)大尺寸面積應(yīng)用的需求，該生產(chǎn)方式大大地降低了產(chǎn)品的可靠性，同時(shí)接縫的間隙也會(huì)降低圖像的質(zhì)量。 (3) 像素尺寸較大：CCD的最小尺寸決定了探測(cè)器像素單元的體積，并且受限于CCD的制造工藝，CCD已逐漸不能滿足主流市場(chǎng)應(yīng)用的需求，無(wú)法滿足DR系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。 非晶硅探測(cè)器的基本像素單元主要分為光電二極管以及薄膜晶體管。光電二極管的結(jié)構(gòu)主體為非晶態(tài)氫化硅，當(dāng)該物質(zhì)受到可見光的照射時(shí)就會(huì)形成電流，以閃爍體作為轉(zhuǎn)換媒介即可完成X射線至可見光和電流的逐步轉(zhuǎn)換，并以積分的形式存儲(chǔ)在

44、電容表面。由此可知，各個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)所貯存的電荷量由到達(dá)其表面的X射線能量決定，與與之成正比關(guān)系。 在硬件電路的控制下，通過(guò)逐行掃描，從左到右的方式將各個(gè)像素點(diǎn)中的電荷依次釋放并讀取，并以數(shù)字信號(hào)的形式傳送到計(jì)算機(jī)，最后，計(jì)算機(jī)處理并顯示在圖像中。探測(cè)器所成圖像的動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)膠片成像，其參數(shù)能夠達(dá)到1比10000，且數(shù)字信號(hào)能夠以14bit的方式進(jìn)行傳輸，因此DR的密度分辨率十分突出。 如圖2-6 (c)所示，非晶硒探測(cè)器與另外兩者存在較大差異，其光電轉(zhuǎn)換層主要有涂有非晶硒的薄膜晶體管陣列構(gòu)成。常用的大尺寸數(shù)字探測(cè)器主要為14*17英寸以及17*17英寸，前者一般用于拍攝各個(gè)不同部分且便于

45、攜帶，而后者主要用于固定式診斷。由于偏壓電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，硒層內(nèi)部存在的電子以及空穴對(duì)會(huì)進(jìn)行反方向的運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生電流，最終會(huì)通過(guò)積分后以電荷的形式貯存在薄膜晶體管中。各單位像素內(nèi)部還設(shè)計(jì)有場(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)其開關(guān)動(dòng)作完成各個(gè)像素點(diǎn)中電荷的釋放和貯存動(dòng)作。電荷信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路的處理后就能轉(zhuǎn)化為我們所需要的數(shù)字信號(hào)，并形成數(shù)字圖像。 相對(duì)而言，非晶硅探測(cè)器的整體性能要優(yōu)于非晶硒探測(cè)器，但是其價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后者，因此目前仍不具備廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的平板探測(cè)器基本上都是利用非晶硅的多塊拼接技術(shù)，各個(gè)像素單元的拼接處存在一定大小的盲區(qū)，對(duì)于小尺寸物體的成像質(zhì)量較差。目前GE等公司都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)整體式的數(shù)字平板的量

46、產(chǎn)，其數(shù)據(jù)讀出時(shí)間較短，至少比早期的數(shù)字平板探測(cè)器的讀出時(shí)間快10倍。較短的曝光時(shí)間間隔，轉(zhuǎn)換效率的提高以及良好地降溫處理，為三維成像等DR的高級(jí)臨床應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。整體式的非晶硅探測(cè)器技術(shù)可以有效地將各個(gè)數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)的數(shù)字化處理，在極大的降低了系統(tǒng)噪聲的引入的前提下，大大的加速的圖像信息的傳輸效率。 2.2.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) DR成像系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般指的是包含有計(jì)算機(jī)、控制系統(tǒng)以及圖像處理軟件在內(nèi)的系統(tǒng)單元。DR系統(tǒng)具有低曝光劑量，圖像采集快捷，圖像對(duì)比度高，圖像分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。DR系統(tǒng)成像過(guò)程中，軟件系統(tǒng)需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與平板探測(cè)器進(jìn)行復(fù)雜的邏輯交互，并對(duì)

47、平板探測(cè)器所采集到數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析處理。軟件系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)曝光單元的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)平板探測(cè)器的控制，針對(duì)采集圖像進(jìn)行處理以及將處理完成后的圖像對(duì)外輸出。操作臺(tái)負(fù)責(zé)幫助系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集、傳輸工作、高壓發(fā)生器的曝光工作以及數(shù)字圖像后處理。圖2-7為大家詳細(xì)的介紹了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作流程。操作臺(tái)軟件與DR系統(tǒng)的交互主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)，一般常用的可以滿足DR系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)要求的網(wǎng)絡(luò)接口為標(biāo)準(zhǔn)的百兆網(wǎng)甚至千兆網(wǎng)接口或者Cameralink接口。CameraLink主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)量傳輸量較大的場(chǎng)景（如動(dòng)態(tài)平板探測(cè)器），數(shù)據(jù)傳輸量最大可達(dá)至5.4Gb/S。 圖2-7 DR軟件流程圖 Fig.

48、 2-7 DR Software Flow Diagram 2.3 本章小結(jié) DR系統(tǒng)主要由硬件以及軟件兩部分組成，本章主要通過(guò)對(duì)X射線的成像原理以及DR系統(tǒng)的組成單元的介紹讓大家得以比較系統(tǒng)的了解了DR系統(tǒng)。本章為大家介紹了X射線的發(fā)生單元，并對(duì)目前市場(chǎng)上的主流探測(cè)器的性能進(jìn)行了初步的講解以及評(píng)估。本章最后，還為大家深入地介紹了DR系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)軟件部分的工作原理和操作流程。 第三章 數(shù)字X-Ray探測(cè)器工作原理 從本文第二章的介紹以及探測(cè)器市場(chǎng)的發(fā)展方向，我們能夠預(yù)見到針對(duì)數(shù)字平板探測(cè)器的研究必然會(huì)成為國(guó)內(nèi)各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的熱門選擇。本章主要對(duì)平板探測(cè)器的工作方式進(jìn)行比較

49、詳細(xì)地講解。 3.1 數(shù)字平板探測(cè)器的分類 數(shù)字X射線探測(cè)器的組成結(jié)構(gòu)主要為兩部分，兩者分別是將入射X射線轉(zhuǎn)化為其他信號(hào)輸出的X-Ray轉(zhuǎn)換層以及對(duì)轉(zhuǎn)換層輸出信號(hào)進(jìn)行采集的單元。下面我們將平板探測(cè)器從轉(zhuǎn)換層以及信號(hào)檢測(cè)器兩部分進(jìn)行研究。 3.1.1 以轉(zhuǎn)換層分類的探測(cè)器類型 數(shù)字式X射線探測(cè)器從轉(zhuǎn)換介質(zhì)可分為直接轉(zhuǎn)換型探測(cè)器和間接轉(zhuǎn)換型探測(cè)器兩種類型。 圖3-1 X-Ray探測(cè)器信號(hào)轉(zhuǎn)換示意圖 Fig. 3-1 X-Ray Detector Signal Change Schematic Diagram 圖3-1為不同分類的兩種探測(cè)器的信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作原理圖。如圖3

50、-1(a)所示，X-Ray到達(dá)直接轉(zhuǎn)換型探測(cè)器表面后被轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)采集電路完成圖像的獲取。直接轉(zhuǎn)換型探測(cè)器的光導(dǎo)材料一般為厚度在200μm到1000μm內(nèi)的非晶硒(a-Se)材料。如圖3-1(b)所示，間接型探測(cè)器的主要原理是將其所接收到的X射線先轉(zhuǎn)換成可見光信號(hào)，之后利用光電二極管將其轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，最后利用電荷采集電路實(shí)現(xiàn)圖像的獲取。 直接轉(zhuǎn)換型數(shù)字X射線探測(cè)器，通過(guò)強(qiáng)電壓的作用實(shí)現(xiàn)了X射線和電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并且在電場(chǎng)的作用下，電荷信號(hào)能以垂直的方式快速漂移到兩極。直接轉(zhuǎn)換檢型探測(cè)器的量子檢測(cè)效率非常高，而X射線轉(zhuǎn)換層的空間分辨率遠(yuǎn)高于間接轉(zhuǎn)換型[13]。 間接型的數(shù)字X

51、射線探測(cè)器是利用熒光材料的特性來(lái)完成X射線到可見光的轉(zhuǎn)換，再使用一般的處理措施即可完成可見光信號(hào)的采集，但是熒光的散射會(huì)降低產(chǎn)品本身的空間分辨率性能[14]。間接型探測(cè)器充分地利用光電二極管的光電探測(cè)能力，但仍存在光散射等問(wèn)題，因此實(shí)際應(yīng)用中將光電二極管作為單個(gè)像素組成TFT陣列以提高探測(cè)器的總體性能。 3.1.2 以信號(hào)檢測(cè)分類的探測(cè)器類型 數(shù)字X-Ray探測(cè)器根據(jù)信號(hào)檢測(cè)的類型可以分為檢測(cè)可見熒光信號(hào)的CCD或CMOS類以及檢測(cè)電荷信號(hào)的氫化非晶硅類。 (1)圖像傳感器探測(cè)器 基于CCD或CMOS技術(shù)的探測(cè)器種類屬于常規(guī)的基于可見光成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)的圖像傳感器。伴隨著21世界消費(fèi)

52、類電子市場(chǎng)的快速發(fā)展，CCD和CMOS技術(shù)得以蓬勃發(fā)展，但由于其本身技術(shù)瓶頸的原因，目前市場(chǎng)上的應(yīng)用均屬于小尺寸，而沒(méi)有大尺寸的產(chǎn)品上市。 (2)非晶硅探測(cè)器 氫化非晶硅是一種摻雜氫元素到非晶硅中的非晶態(tài)半導(dǎo)體材料，它的主要優(yōu)勢(shì)在于突出的電氣性能以及機(jī)械特性，同時(shí)能夠兼容于標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制作工藝，能夠廣泛應(yīng)用于大面積圖像顯示。 我們一般將基于基于a-Si:H技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字式X-Ray探測(cè)器稱作平板探測(cè)器 (FPD)。這類平板探測(cè)器主體組成單元為薄膜晶體管陣列，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外觀簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)，且兼?zhèn)錂z測(cè)電荷信號(hào)和熒光信號(hào)的功能。 圖3-2 氫化非晶硅(a-Si:H)陣列結(jié)構(gòu)圖(2x3)

53、 Fig. 3-2 Structure Frame of a-Si:H Array(2x3) 圖3-2為氫化非晶硅的陣列結(jié)構(gòu)示意圖，TFT的開關(guān)控制線和數(shù)據(jù)讀出線以縱橫交錯(cuò)的方式排列，而像素點(diǎn)排布于兩者的間隙之中，利用逐行掃描的方式可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)像素中貯存的電荷信號(hào)的采集并將其傳輸?shù)叫盘?hào)讀出電路。直接轉(zhuǎn)換型FPD中，TFT晶體管和存儲(chǔ)電容構(gòu)成單位像素，存儲(chǔ)電容負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和傳輸充電信號(hào)的工作。間接轉(zhuǎn)換型FPD中，TFT晶體管和光電二極管共同構(gòu)成單元像素點(diǎn)，其中接收光電信號(hào)以及貯存?zhèn)鬏旊姾尚盘?hào)的工作主要由光電二極管完成。非晶硅類平板探測(cè)器作為大面積成像，能夠滿足絕大部分的醫(yī)療診斷的需求，但受限于a-

54、Si:H的制作工藝，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的最小尺寸為70μm，否則FPD的信噪比和靈敏度參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生大幅度的下降[15]。 3.2 數(shù)字X-Ray探測(cè)器工作基本原理 當(dāng)前CT和超聲等主流的醫(yī)療設(shè)備均是以數(shù)字技術(shù)為主，但主流的X-Ray成像仍是模擬技術(shù)，本文主要的研究對(duì)象是間接轉(zhuǎn)換的a-Si:H平板探測(cè)器。圖3-3為大家介紹了典型的數(shù)字X-Ray探測(cè)器的結(jié)構(gòu)，由上至下的疊層分別為：碳纖維板、閃爍體、TFT面板、支撐結(jié)構(gòu)件、信號(hào)采集單元、支撐結(jié)構(gòu)件。碳纖維板具有輕質(zhì)量、弱衰減性、高強(qiáng)度以及優(yōu)秀的平整性的特點(diǎn)，是作為探測(cè)器前端面板最適合的材料；TFT面板主要完成可見光與電荷信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換；信號(hào)采集

55、單元的工作是完成電荷信號(hào)的讀取并將轉(zhuǎn)換完成后的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。平板探測(cè)器中的主要功能單元模塊分別是閃爍體、TFT面板以及硬件電路。 圖3-3 探測(cè)器疊層圖 Fig. 3-3 Detector Stacked Graph 3.2.1 閃爍體 1948年，Hofstadte發(fā)現(xiàn)NaI :Tl具有優(yōu)良的閃爍性能，從而開辟了閃爍晶體的應(yīng)用發(fā)展之路。 閃爍體指的是能夠吸收高能粒子或者X射線并且可以散發(fā)處可見光子的材料，它們是輻射探測(cè)領(lǐng)域扮演著不好或缺的角色。閃爍體的主要特性為在放射性粒子通過(guò)時(shí)會(huì)受到激發(fā)，從而散發(fā)出熒光脈沖。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，基于閃爍晶體的成像技術(shù)在放射醫(yī)院、工

56、業(yè)無(wú)損探傷等方方面面得到了廣泛的應(yīng)用。 圖3-4 閃爍晶體的分類 Fig. 3-4 Classification of scintillating crystal 平板探測(cè)器中主要包含的閃爍體主要為兩大類，分別為碘化銫晶體和硫氧化釓晶體，兩者主要是材質(zhì)存在一定的差異，但本身均是實(shí)現(xiàn)X射線至可見光的轉(zhuǎn)換。如圖3-4所示，碘化銫晶體是一種柱狀晶體，而硫氧化釓晶體屬于一種層狀結(jié)構(gòu)。硫氧化釓對(duì)X射線的轉(zhuǎn)換效率高于碘化銫，且價(jià)格比碘化銫低廉，通過(guò)普通工藝即可實(shí)現(xiàn)硫氧化釓在基板上的涂布，但硫氧化釓的散射效應(yīng)無(wú)法控制。碘化銫的轉(zhuǎn)化效率遜色于硫氧化釓較多，但是其結(jié)構(gòu)特性使其能夠有效地控制X射線和可見

57、光的散射。 從能量轉(zhuǎn)換方式來(lái)看，非晶硅平板探測(cè)器屬于間接轉(zhuǎn)換型，而非晶硒探測(cè)器屬于直接轉(zhuǎn)換型。非晶硅平板探測(cè)器先利用閃爍體涂層實(shí)現(xiàn)X射線與可見光的轉(zhuǎn)換，之后通過(guò)TFT完成可見光信號(hào)至電荷信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在這過(guò)程中可見光不可避免的會(huì)有散射，圖像的空間分辨率會(huì)有一定下降，從而影響平板探測(cè)器的成像質(zhì)量。 非晶硒探測(cè)器中，硒層受到X射線的照射后會(huì)產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，并在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反向電流并以電荷的方式貯存。各個(gè)晶體管內(nèi)所貯存電荷數(shù)與入射的X射線成正比關(guān)系，利用專用電路即可實(shí)現(xiàn)電荷讀取。但是整個(gè)激發(fā)過(guò)程中，非晶硒層不會(huì)有可見光形成，不會(huì)形成光的散射作用，可以得到滿足使用需求的高空間分辨率的圖像。

58、 3.2.2 TFT面板 TFT主要指的是基于薄膜晶體管陣列工藝實(shí)現(xiàn)的顯示器。應(yīng)用于平板探測(cè)器行業(yè)的主要是基于非晶硅技術(shù)實(shí)現(xiàn)的TFT面板，簡(jiǎn)稱A-Si TFT)，其結(jié)構(gòu)及原理與MOS器件非常相似。非晶硅平板探測(cè)器主要基于碘化銫涂層或硫氧化釓?fù)繉右约癟FT實(shí)現(xiàn)，TFT的主要功能為將閃爍晶體涂層生成的可見光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)存儲(chǔ)。存儲(chǔ)的電荷信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集電路以及AD轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)，傳送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后形成數(shù)字信號(hào)。 圖3-5所示為非晶硅面板的電路簡(jiǎn)圖，可知一個(gè)非晶硅面板通常包含很多個(gè)像素，每個(gè)像素所占據(jù)的空間一般為100um~200um。以常規(guī)的應(yīng)用于17x17inch的平板探測(cè)器為例，一

59、般單個(gè)pixel的大小為139um，則整個(gè)面板所容納的Pixel可以達(dá)到3072x3072，約為940萬(wàn)像素點(diǎn)。利用行掃描的方式進(jìn)行圖像采集的話，需要將圖像分為3072行，每行打開時(shí)讀取1x3072個(gè)像素，分為3072行進(jìn)行逐行掃描，即可完成單幀圖像的采集工作。 圖3-5 非晶硅面板電路簡(jiǎn)圖 Fig. 3-5 A-Si TFT Circuit Design 3.2.3 信號(hào)采集單元 圖3-6為某款探測(cè)器的產(chǎn)品打開圖，其功能模塊主要分為時(shí)序控制部分、驅(qū)動(dòng)掃描部分、信號(hào)讀取部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分以及信號(hào)傳輸部分。在時(shí)序控制電路的控制下，行掃描驅(qū)動(dòng)電路將TFT中累積的電荷信號(hào)逐行掃描，

60、并利用AD轉(zhuǎn)換電路得到我們需求的數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到PC系統(tǒng)。 圖3-6 探測(cè)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 Fig. 3-6 Flat Panel Detector Internal Structure Diagram 3.3 本章小結(jié) 本章主要從平板探測(cè)器的轉(zhuǎn)換層和信號(hào)檢測(cè)兩方面對(duì)平板探測(cè)器的分類進(jìn)行講解，并對(duì)各個(gè)分類進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。通過(guò)對(duì)平板探測(cè)器的疊層結(jié)構(gòu)的介紹，詳細(xì)的說(shuō)明了各個(gè)功能單元的作用以及工作原理。 第四章 數(shù)字圖像處理理論簡(jiǎn)介 4.1 圖像質(zhì)量的基本概念 相較于傳統(tǒng)的屏—片（Screen—film，SF）系統(tǒng)，數(shù)字式探測(cè)器通常被認(rèn)為具有更高的靈敏度、更低的固有

61、噪聲和更大的動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)[16]。除探測(cè)器本身的特點(diǎn)，更由于數(shù)字系統(tǒng)的成像能力也由信號(hào)處理、數(shù)字圖像后處理和信息決定[17]。因此，X射線成像系統(tǒng)的性能評(píng)估中數(shù)字探測(cè)器的圖像質(zhì)量直接決定系統(tǒng)成像的效果。 數(shù)字圖像能夠在空間域和頻率域里得到表征[18]。 空間域主要是在空間中將圖像的數(shù)據(jù)信息用長(zhǎng)度或者位置的方式進(jìn)行描述。也可以理解為在二維（2D）空間平面中用于表示圖像數(shù)字信息的灰階強(qiáng)度圖像矩陣。頻率域是指在正弦強(qiáng)度曲線圖像中的數(shù)字信息強(qiáng)度變化率。 4.1.1 空間域表征 X射線圖像指二維區(qū)域里的物體在不同曝光強(qiáng)度下的空間表征。利用二維函數(shù)fx,y可以表示單色X射線圖像的光照強(qiáng)度，

62、式中x,y表示的是圖像在某點(diǎn)的坐標(biāo)位置，坐標(biāo)fx,y的數(shù)值跟該點(diǎn)的圖像亮度成正比[19]。 圖像往往表現(xiàn)為每一個(gè)顏色波段的二維整數(shù)陣列，或一連串的二維陣列。數(shù)字化的亮度值叫做。以任意坐標(biāo)為例，其亮度值我們也成稱灰階值[19]，其亮暗程度[20]能夠用f值表示。 數(shù)字圖像的函數(shù)能夠用矩陣方式表示為： fx,y=f0,0 f(0,1)f(1,0) f(1,1)?f(0,N-1)?f(1,N-1)??f(M-1,0)f(M-1,1) ??f(M-1,N-1 (4-1) 其中，0≤fx,y?L，通常L=16383，以14bit探測(cè)器為例。

63、 二維陣列中的各個(gè)方格元素定義為圖像像素。數(shù)字圖像所包含的MxN個(gè)像素能夠用一個(gè)橫縱為MxN的矩陣表示，其各個(gè)像素的位于M和N矩陣中。 4.1.2 頻率域表征 從前面的描述我們可以知道，X射線成像是對(duì)物體在二維區(qū)域的曝光強(qiáng)度的空間表征。我們可以從頻率域的角度用另一種方式表示空間域中的圖像信息。在頻率域中，這種表示方式的作用在于：它可以變換原始未加工的數(shù)據(jù)，執(zhí)行某個(gè)圖像測(cè)量和處理無(wú)信息丟失或無(wú)噪聲引入的操作[18]。此外，執(zhí)行頻率域代替空間域的這些操作往往有利于圖像的計(jì)算機(jī)后處理。 一個(gè)簡(jiǎn)單的空間頻率的概念可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述[18]： I=sinωx

64、 (4-2) 其中，I 是強(qiáng)度，x是在圖像的距離，ω是空間頻率。公式4-2表達(dá)的空間頻率的概念闡述了強(qiáng)度率在正弦曲線從-1(黑色)到1(白色)范圍的圖像。 傅里葉理論認(rèn)為所有圖像在合適的條件下均能夠用一系列x和y方向的正弦信號(hào)的總和的方式進(jìn)行表述。空間頻率表示為周期/毫米值：當(dāng)與限制在5周期/毫米的系統(tǒng)相比，10周期/毫米的空間頻率描述數(shù)字系統(tǒng)對(duì)物體出眾的復(fù)制能力。此外，頻率域顯示用于數(shù)字探測(cè)器定量測(cè)試，如調(diào)制傳遞函數(shù)、量子檢測(cè)效率和噪聲功率譜。圖像的傅立葉變換能夠精確的表示圖像信息，且其處理過(guò)程中并不會(huì)造成任何

65、信息的丟失。 4.1.3 灰階表征 數(shù)字X線圖像由呈現(xiàn)不同灰影的像素組成，每個(gè)像素代表圖像中一個(gè)單一的點(diǎn)的灰階。數(shù)字X線圖像的基本組成單元為像素，而各個(gè)像素均有一個(gè)特定的數(shù)值，用來(lái)表示該點(diǎn)位置的圖像灰階大小。在一系列精細(xì)的步驟中，灰階覆蓋從黑到白的全部范圍的灰影，通常為4096以上不同灰影。 假設(shè)圖像的灰階范圍為4096則說(shuō)明圖像的所有像素均以12bit的數(shù)字進(jìn)行表示。圖4-1為同一張圖像的原始圖像以及其灰度直方圖表示。從圖像強(qiáng)度直方圖提取的信息顯示出每張其灰階分布。 圖4-1 圖像的原始圖及其直方圖表示 Fig. 4-1 The original image and th

66、e column diagram expression 由于像素值和曝光之間存在大的動(dòng)態(tài)范圍和線性關(guān)系，對(duì)觀察者來(lái)說(shuō)，在圖像顯示(亮度或黑度）和輻射曝光之間建立視覺(jué)相關(guān)性是非常困難的。數(shù)字圖像處理算法提供了一個(gè)圖像處理的能力[21]，并提供了一個(gè)受歡迎的被稱為“窗口’的技術(shù)。 4.1.4 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià) 圖像質(zhì)量評(píng)估應(yīng)結(jié)合成像系統(tǒng)的物理特性、系統(tǒng)的整體性能和觀察者水平[22]。然而，Tapiovaara認(rèn)為：物理測(cè)量結(jié)果、體模評(píng)估與臨床表現(xiàn)之間的關(guān)系尚未被充分理解[22]。表4-1提供了一個(gè)寬頻譜的圖像質(zhì)量的評(píng)估方式。這些方法中的一部分主要集中在成像系統(tǒng)的物理特性，其他的則是關(guān)于圖像質(zhì)量的主觀評(píng)價(jià)；部分方法用于整個(gè)成像鏈包括人類觀察者（觀察者水平），而其他方法則用于系統(tǒng)的一部分（通常是物理測(cè)量）。 表4-1 診斷圖像步驟的質(zhì)量評(píng)估方法 目標(biāo)水平 研究?jī)?nèi)容 測(cè)量 最低 X線攝影技術(shù) 設(shè)備特性 曝光參數(shù) 主要物理特性 對(duì)比度 空間分辨率 噪聲 信噪比 系統(tǒng)整體性能 量子檢測(cè)效率 圖像質(zhì)量指數(shù) 細(xì)節(jié)對(duì)比度分辨率 仿真體模圖像 受試者