线阵列扫描成像技术优化

1.线阵列扫描成像系统原理

由X射线机发出经准直为扇形的一束X射线，穿过被检工件，被X射线闪烁体材料直接与光敏二极管相接触制成的线扫描成像器（在图2-23中为LDA探测器）接收，将X射线直接转换成数字信号，然后传送到图像采集控制器和计算机中。每次扫描LDA探测器生成的图像仅是一条直线，为获得完整图像，就必须使被检件做匀速运动，经过相对固定的LDA探测器反复扫描。扫描结束后，计算机对每次得到的数据进行计算、组合重建，在显示器上显示出完整图像，从而完成成像过程，如图2-24的所示。

图2-23 线阵列探测器外形图

图2-24 线阵列扫描成像系统简图

2.线阵列扫描器制造工艺和特点

LDA线阵列成像器是线阵列扫描数字成像系统的关键设备，其制造工艺及参数，对成像器的质量有很大影响。

典型的成像器组成：闪烁体、光敏二极管阵列、探测器前端、数据采集系统、控制单元、机械装置、辅助设备、软件等。

（1）闪烁体

LDA数字成像器使用闪烁体把X射线转换为可见光。一般的光敏二极管在30kV以上的X射线照射下无法达到要求的吸收率，无法实现检测。检测常用闪烁体由掺有铊（TI）的碘化铯（CsI）和钨酸镉（CdWO₄）构成。新型闪烁体材料包括钆陶瓷闪烁体，如Gd₂ O₂ S（GOS）和Y₂ O₃ Gd₂ O₃（YGO₃）等。

闪烁体特性如下：

1）吸收率：由闪烁体材料的原子序数和密度决定；

2）余辉：是停止照射后仍滞留在闪烁体中余辉的百分比；

3）光输出：包括光波长，发射光子数量及均匀性。闪烁体发出的光波长中只有500nm以上光波长才能被光敏二极管接收，转换电信号。

（2）光敏二极管阵列

光敏二极管阵列（LDA），由大量二极管排列组合而成，可设计各种形状，其性能不仅取决于二极管特性，与阵列结构也有关。阵列用来测量闪烁体发出的光数量，闪烁体安装在光敏二极管表面。

LDA主要性能指标如下：

1）光反应性：二极管的光电转换能力，不同的光敏二极管对光波适应性不同，所以按闪烁体和X射线源来选光敏二极管型号；

2）二极管尺寸：尺寸越小，制造出的LDA分辨率越高；

3）填充系数：指LDA成像面积中活性区域占总面积的百分比。由于相邻光敏二极管间存在死区，所以像素间距并不等于光敏二极管的尺寸，填充系数越大，LDA性能越好（见图2-25）。

图2-25 典型光敏二极管的像素形状尺寸

（3）数据采集系统(www.xing528.com)

数据采集系统分为探测器前端部分为预放大电路，用来收集和放大光敏二极管输出弱电流（几百微安），以提高信噪比。放大转换电路功能使信号放大和模数（A/D）转换。预放大后信号仍很小，需增益调节放大器进一步放大，才能符合模数转换条件。探测器前端与放大转换电路集成在同一单元，这样由LDA线阵扫描输出的就是信号，从而避免输出过程中引入噪声。

（4）控制单元

控制单元包括控制和数字信号处理电路以及图像采集接口电路，主要根据计算机接收数据的方式来控制探测器，这些数据包括校准请求、图像采集、积分时间以及校准或其他设置数据。计算机向探测器的发送数据方法使用最多的是RS-232接口。控制电路的主要功能之一是为模数转换系统和图像采集提供定时的请求信号。

数字信号处理电路执行各种信号的门转换、标准化、校正和逻辑处理等功能。

图像采集接口电路，提供探测器和计算机之间通信功能，为图像采集卡传输和缓冲数据。RS-422通常作为标准接口形式。

（5）机械设备

机械设备包括系统主机、X射线机和准直器、X射线入射窗口、工件传送装置等。系统主机是将前端器件、放大转换电路及控制电路安装在一个金属壳内，金属壳起到电磁屏蔽作用。

（6）辅助设备

检测中若有工件运动不恒定或LDA的扫描速度和工件运动不同步，产生图像变形（拉长或缩短），此时光电旋转编号等辅助设备来检测工件的位移。保证图像不失真。

（7）软件

软件由控制软件和成像软件两部分组成。控制软件功能是控制LDA扫描，以及积分时间、动态校正等。成像软件的功能是将采集到的数据还原成图像，并对图像进行各种处理。

3.线阵列扫描成像器的技术特性

1）空间分辨率：主要由像素尺寸和排列决定。像素间距越小，空间分辨率就越高。实际用光敏二极管制造的LDA的像素尺寸在80～250μm²。当前LDA中最小的像素间距为0.25mm，但随着像素尺寸减小，用于产生信号X射线的剂量也会相应地减小。若像素的宽度和高度减半用于产生信号所需的X射线的剂量就会增加四倍以上。

2）动态范围：动态范围是指成像器可识别的由X射线转换成数字图像的灰度等级。一般情况下动态范围理论值应该是成像器A/D转换器的bit数（通常为12bit，即4096级），实际使用过程中由于转换器件（光敏二极管）的非线性特性，使得动态范围要低于理论值。

3）动态校准：动态校准在很大的程度上影响着光敏二极管阵列的工作性能。校准可在模拟部分进行，也可在数字部分进行，或者是模拟、数字部分同时进行。

基准校准包括补偿和放大，它们可分别针对每一个像素进行，像素之间补偿偏差由光敏二极管的溢出电流和放大补偿水准确定。而放大变化则是由闪烁体材质不均匀性引起的。此外，光敏二极管转换不一致性及非线性特性也是需要动态校准原因。温度变化时，引起光敏二极管转换偏差，根据预设补偿模式给予校准。

4）扫描速度：扫描速度取决于探测器扫描线的积分时间长短，最新探测器采用并行读数探测器方式，可使用更长的线阵列，而不降低扫描速度。

扫描线的最短的积分时间，不仅仅取决电路性能本身，还取决于X射线通量大小。若X射线流量不强X射线的统计错误会很高的，信号就会淹没在噪声中。

具体扫描速度是每条线的积分时间从几百微秒到几十毫秒不等，换算后的最大扫描速度约为2m/s，这当然取决于扫描方向上要求的分辨率。

5）与射线相关的设计：大多数的LDA采用直流恒压经准直的扇形光束的X射线机，电压在160kV以下，最高可达450kV。再高就使用直线加速器可达几兆电子伏（MeV），γ射线在某些场合下使用。

由于射线源不同，在LDA的设计上会有显著的差异。首先要解决的是优化闪烁体，实现闪烁体与X射线能量的匹配。当使用能量较高X射线时，必须保证闪烁体能承受高能量光子的轰击。其次是X射线的屏蔽和准直，X射线会增加电子线路的噪声，所以屏蔽和准直很重要。

6）阵列的几何外形：因为系统采用模块化的结构，探测器线阵列也就按功能作成相对简单的形状。二极管阵列可以有多种不同排列方式，除普通的直线形（工业CT用）外，还有L形（行李扫描用）、拱形（工业CT用）和U形等。