202201平板探测器图像性能优化122111已修改

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1、上海交通大学工程硕士专业学位论文平板探测器的图像性能优化学 校： 上海交通大学院 系： 电子信息与电气工程学院班 级：学 号：工程硕士生：朱东工程领域：控制工程导 师：路林吉 教授导 师：谢靖 高级工程师上海交通大学2017年12月21日Shanghai Jiao Tong University for Master Degree of EngineeringTHE IMAGE PERFORMANCE OPTIMIZATION OF FLAT PANEL DETECTORAuthor: Dong ZhuSpecialty: Control EngineeringAdvisor: LinJi L

2、uAdvisor: Jing XieShanghai Jiao Tong UniversityShanghai, P.R. ChinaDec 21,2017学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期： 年 月 日上海交通大学学位论文版权使用授权书保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打

3、“”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日平板探测器的图像性能优化摘要X射线成像技术在医疗、工业探伤、航空航天等众多领域得到广泛的应用。平板探测器因为拥有品质突出、数据传输便利、性能稳定等优势而深受青睐。集成电路的规模化发展以及非晶硅产业的突飞猛进，推动着数字X-Ray平板探测器行业的发展高潮。随着人类数字化步伐的加快，X-Ray成像技术借着数字化信息发展的东风迈着大步向数字信息时代跨进。随着科学技术的发展，平板探测器(FPD)作为数字成像革命的关键性产品进入人们的视野，人们将之称为影像增强仪后常规X-Ray射线成像领域的最大一次革命1。当前，医疗体外诊断、

4、工业无损探伤以及PCBA生产检查是是X射线数字成像技术的主要应用领域，但在其他领域的应用也具有广阔的发展前景。本文为大家详细介绍了DR成像系统的发展历程以及其各个部分的功能。探测器的发展经历了胶片成像，计算机成像直至如今的数字成像时代，随着技术的突破，DR图像已经具备快捷、稳定以及图像性能突出等优点。平板探测器主要包含转换介质、图像采集单元以及图像传输单元。平板探测器最显著的特点是体积小，质量轻，便于携带且图像性能突出。受限于各种各样的原因，成像过程中必然会引入噪声使图像质量降低，存在影响医生的诊断正确性的风险。因此，定位影响图像质量的噪声来源、噪声特性以及信噪之间的关系，并对图像信号作降噪处

5、理，对图像细节作增强处理，提升图像的质量成为平板探测器研究的重要方向。本文研究了DR系统噪声的形成原因，其一般分为暗电流噪声、不均匀性以及基于康普顿效应引起的随机噪声。利用多一般的处理措施能够有效处理掉绝大部分噪声信号，但高斯噪声会极大程度的影响图像质量且处理极其困难。基于目前普遍应用的高斯模型以及拉普拉斯模型对DR图像中的多尺度高频信息无法有效的描述，噪声处理效果并不理想，本文主要应用的是基于 Laplace- Impact混合模型实现的最小均方误差估计去噪算法（MMSE）。此算法线利用双树复小波对DR图像进行分解处理，再利用局部的均方差数值对系统的噪声参数进行估计，之后通过 MMSE估计实

6、现对高频系数的优化，最后基于逆小波变换实现其高频小波系数的优化，并重新转化为图像。根据实验结果,LI-MMSE算法在对高斯噪声的处理中明显优于BLM-GSM和SoftLMap这两种图像处理算法。关键词：X射线，平板探测器，图像，噪声，拉普拉斯，LI-MMSE算法THE IMAGE PERFORMANCE OPTIMIZATION OF FLAT PANEL DETECTORABSTRACTX-ray imaging technology has been widely used in many fields such as medical treatment, industrial explo

7、ration 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 panel

8、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 revolu

9、tion into peoples 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-ray di

10、gital 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 breakthrough, DR i

11、mage 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 performance. D

12、ue 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 doctors diagnosis. Therefore, affect the image quality of noise source, noise characteristic and the relation between the

13、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, which is mai

14、nly 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 Gaussian noise wo

15、uld greatly affect image quality and deal with extremely difficult. As the generally applied Gaussian and Laplace model cant 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 document is the min

16、imum 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 last use the in

17、verse 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.Keywords: X-ray, table

18、t detector, image, noise, Laplace, LI-MMSE algorithm目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1 X-Ray探测发展简介1 胶片成像系统1 计算机X-Ray成像系统2 数字X-Ray成像系统3 平板探测器的意义3 本文的主要内容4第二章X光系统简介52.1 X射线成像原理52.2 DR系统硬件组成6 高压发生器与球管6 手闸与控制盒7 数字化探测器7 计算机系统9 本章小结10第三章数字X-Ray探测器工作原理11 数字平板探测器的分类11 以转换层分类的探测器类型11 以信号检测分类的探测器类型12 数字X-Ray探测器工作基本原理13

19、 闪烁体133.2.2 TFT面板14 信号采集单元15 本章小结16第四章数字图像处理理论简介17 图像质量的基本概念17 空间域表征17 频率域表征17 灰阶表征18 图像质量评价18 数字图像处理的基本概念19 数字图像噪声20 图像降噪算法21 图像增强算法234.3 X射线图像的质量分析24 本章小结25第五章多尺度DR图像去噪26 系统噪声去除26 暗电流校正26 图像的不均匀校正27 散点噪声去噪算法29 高斯噪声多尺度去噪理论基础30 噪声的尺度衰减性30 小波系数的尺度间相关性30 小波系数的尺度内相关性31 高斯噪声去噪算法315.3.1 BLS-GSM去噪算法325.3.

20、2 SoftLMAP去噪算法33 基于Laplce-Impact模型的去噪算法345.4.1 DT-CWT高频系数的Laplace-Impact模型34 基于Laplace-Impact混合模型的MMSE估计算法36 局部方差估计36 实验结果与分析37 人工噪声去噪37 实际DR图像去噪38 窗口大小对去噪效果的影响40 本章小结41第六章总结与展望42参考文献43攻读硕士学位期间已发表或录用的论文47致谢48第一章 绪论1.1 X-Ray探测发展简介1895年，著名物理学家威廉伦琴在暗室中因为胶片对光线的感应而发现了X射线的存在2。随着X射线被人们熟识，针对放射学领域的研究开启了科学发展的

21、新历程，同时也推动了化学和医学等学科的快速发展。医疗领域对X射线成像技术的广泛应用，引起了医学诊断领域的技术革新。X射线指的是一种波长介于0.001nm10nm的短波长电磁波3，X-Ray因其高穿透性而被人所熟知以及认可。当X射线对物体进行透射后，被照射物体对X射线的相位特征参数以及振幅特征参数进行衰减调制处理，从而形成与物理内部结构信息相对应的能量特征。首张X-Ray透射照片发布后，由于突破性技术开发的不断推动，直至今日，放射学一直在持续不断的快速发展，在医学诊断领域的方方面面均能够看到其应用4-6。虽然如今各式各样的影像技术不断更新，核磁共振和计算机等更先进的影像技术在很多疾病的检查上已取

22、代传统的X射线诊断，但其仍是放射诊断的首要依据。X-Ray探测器主要将X-Ray的能量通过设备转换成与照射强度成对应关系的可采样的电荷信号。通常而言，人体被照射部位截面的内部组织密度对X-Ray射线的衰减程度决定到达医用探测器表面的X-Ray射线信号的强弱。譬如骨骼这类高密度人体组织对X射线的吸收能力很高，到达X-Ray探测器表面的能量就较少，而如脂肪等密度低的人体组织对X射线的吸收能力很低，因此到达X-Ray探测器表面的X射线能量较多。我们用吸收系数m表示人体不同部位对X射线的吸收情况，探测器接收到的能量强度反映出各个人体部位不同的m值，从而可以对人体组织的特性进行分析处理7。X-Ray探测

23、器主要利用X-Ray成像技术将人体肉眼无法直接观察的物体内部信息转换为人体肉眼可视的图像信息。X-Ray成像技术的发展历程一般分为胶片成像、计算机成像、数字化成像，下面详细介绍了相关技术的发展。1.2 胶片成像系统胶片成像是最早应用于X-Ray成像的成像技术，其中第一张X-Ray成像照片是1895年伦琴对其夫人的手透射形成的，如下图1-1所示。由于胶片感应X射线的效率及其低下，满足辐射条件所需的X射线的剂量极大，会对人体噪声较严重的危害，因此用胶片直接成像这种方式并不能满足医学诊断应用的实际需求8-9。图1-1 伦琴夫人的手的X-Ray胶片Fig. 1-1 X-Ray Image of Mrs

24、. Roentgens Hand20世纪初期，钨酸钙被研究人员证明是一种性能优越的X射线荧光材料，从而进入医疗诊断领域的视线，并得到广泛的应用。增感屏的主要材料为钨酸钙，可以以较高的效率的将X射线转换为荧光，利用胶片对荧光的高感知成像，该种处理方式能够明显的提升成像系统的灵敏度10。随着基础科学技术的发展，以稀土元素为主的荧光材料开始进入专家学者的视野，并被广泛应用于增感屏的生产。屏胶系统可以有效的提高成像系统对X射线的灵敏度，目前为止其仍是一种普遍适用的医疗诊断系统。无论胶片直接成像还是利用屏胶结合的方式成像，其本质都是使用胶片对X射线透过物体形成的图像进行记录，因此我们将之统称为胶片成像。

25、胶片成像因其能满足较高的空间分辨率的优点，得到市场应用的认可，但本质上是一种模拟成像技术，因此仍然具有动态范围小的缺陷。但是受限于胶片的不易存贮，且后期处理不方便，至20世纪末开始数字式X射线成像渐渐取代胶片成像，目前胶片成像主要应用在发展较为落后的医院。胶片成像主要受限于效率低下，需要浪费很多的人力资源，并且无法形成实时成像。在分辨率的性能指标方面，胶片成像具有十分明显的优势，医生能够观察到更细微的病变信息。但使用实时成像性能突出的平板探测器代替老式的胶片成像仍是科技发展的必然。1.3 计算机X-Ray成像系统20世纪80年代，计算机X-Ray成像技术通过图像板的方式率先实现了X-Ray的数

26、字化成像。图像板能够代替增感屏或者胶片实现对入射X射线的记录，其与信号读出装置共同构成了CR系统，其主要成分为含有稀土元素的多晶粉末。图像板吸收X射线后其内部电子以及空穴受到激发，以捕获态的形式贮存起来，从而形成潜像。在避光的常温环境下，图像板贮存的潜像能够保留几个小时甚至更长的时间，在此期间利用读出装置即可将图像板中的图像数据读出。读出装置利用中贮存的电子和空穴并散发出荧光,并通过内部的接收装置接收荧光信号并形成数字图像。CR系统仅在胶片系统的基础上去除了胶片以及增感屏，并新增IP板以及与其适配的读出装置就完成了成像功能的实现，因此升级成本较其实不高，但灵敏度以及动态范围等性能参数却远远超过

27、胶片成像系统。但CR成像仍具有很大的不便性，需要借助辅助设备才能完成成像工作，成像过程中存在的机械移动以及光线散射等不可避免存在的问题会使图像质量下降且影响工作效率。1.4 数字X-Ray成像系统1975年，人们实现了a-Si薄膜的掺杂，从而为非晶半导体技术的发展指明了方向。薄膜工艺因为其突出的电学性能以及衬底材料的选择广泛从而实现了对单晶工艺升级。薄膜工艺具备制作工艺方便，生产成本低廉、尺寸面积较大的特性，这些方面的优点为平板探测器的批量化应用提供必须的条件11。1986年，数字化放射摄影（DR）的物理概念首次被专家学者提出，并提交了关于DR成像的临床医学应用报告。当时的DR技术定义的是通过

28、影像增强器实现的数字化摄影，主要包含有影像增强器、光电摄影管、CCD探测器、监视器以及A/D转换器件。国外的X-Ray成像技术经过长期的发展以及深入的研究，目前已经十分成熟，随着近些年来的快速发展，已经实现了真正意义上的数字成像，该技术的广泛适用性代表了X-Ray成像技术未来的发展道路。DR系统指的是应用于常规医疗诊断的数字成像系统，其主要组成部分为电子暗盒、控制系统以及影像采集单元，其主要利用电子暗盒实现X射线到数字图像的转化。当前，DR成像系统主要是基于非晶硅技术得以实现的。目前，通用、飞利浦。西门子、东软以及万东等主流医疗设备供应商都有先进的DR产品面向市场，图1-2展示了一款目前市场上

29、常规的一款平板探测器的类型。本论文的主要研究对象为数字平板探测器的图像性能优化，下文中的X射线探测器均为满足想前DR系统应用的数字X射线探测器。图1-2 X-Ray平板探测器产品Fig. 1-2 The Product of FPD1.5 平板探测器的意义传统的X-Ray成像技术一般指的是基于模拟信号处理技术实现的应用，其图像分辨较低，且图像质量较差。传统的探测器一般为光电倍增管和NaI闪烁晶体的结构组合，该类探测器中的主要成分存在以下缺点：NaI容易受到空气潮解，光电倍增管需要高压保持工作且探测器体积较大。而通过硅锂漂移实现的探测器因为受到低温条件的限制无法得到广泛应用。胶片成像系统作为早期

30、的成像设备，在贫穷落后以及偏远地区的医院仍然在使用，但是其成像效率低且自动化程度差，并不能实现图像数据的实时传输以及数字图像的保存，无法满足目前主流应用的需求。CCD以及CMOS晶片虽然具有尺寸面积很小的优势，但是因为其不能形成实际尺寸大小的影响，并且产品的寿命周期较短，设备成本高，无法得到市场的广泛认可。X-Ray平板探测器利用一比一成像获得分辨率较高的数字图像，并具有易于存储以及传输的特性，远远超过了其他类型的探测器，因此能够满足大面积X-Ray射线数字平板图像探测器是市场上当之无愧的宠儿。20世纪，整个半导体行业的很多技术并不成熟导致平板探测器行业的发展不尽人意，而国内集成电路设计、阵列

31、基板工艺等技术相较国外又落后较多。目前，国内的相关技术水平仍很不成熟，该项技术落后国外几十年，因此具备生产自主研发的X-Ray数字平板探测器具有十分重要的意义。早期的成像技术主要为模拟成像，主要以模拟信号的方式完成图像信号的接收，具有成像精度差，不易保存且运输困难的缺点，且相关技术壁垒难以突破。相对而言，数字成像具有高精度的优点，而且模数转换的精度也能够满足数字成像的精度需求，转换技术实现了微电子集成电路发展的同步，且易于存储。一般10Mb左右的图片大小即可以清晰完整的涵盖医生所需要关心的信息，并且可以在互联网上实现图像的交互，方便异地医院实现技术交流及探讨。基于以上分析，针对平板探测器的图像

32、性能的优化有利于推进平板探测器的市场进程，且可推动科学技术的进步，为医疗诊断领域的发展作出杰出贡献。1.6 本文的主要内容本文主要基于下述内容讨论了平板探测器性能优化的相关课题。第一章主要详细介绍了X-Ray探测器技术的发展历史及其研究意义。第二章对成像系统的软硬件构成进行了详细的描述。第三章通过对平板探测器基本原理的介绍让大家能够对其有比较深入的了解。第四章通过对图像处理的理论的介绍让大家了解了图像处理的基本概念。第五章通过为大家介绍了系统噪声的分类以及常用的去噪算法，并提出此提出了一种具有较好的实用效果的LI-MMSE估计算法。第六章主要为对本文相关内容的总结并对图像处理优化算法的未来发展

33、的展望。第二章 X光系统简介2.1 X射线成像原理X-Ray射线因为其高能量特性使之对物体照射时能够透过物体本身，这是X射线成像得以实现的前提。同时，人体各个不同部位存在密度以及厚度的差异，致使到达探测器表面的能量并不一致，从而显示为明暗程度不同的图像。图2-1为X射线成像原理示意图。图2-1 X射线成像原理Fig. 2-1 X-Ray Image-Forming Principle从图2-1(a)我们可以看到，成像载体对X射线经过被透射物体衰减后的吸收情况。厚度相同的物体受到X射线的透射时，通过在成像载体上显示亮暗程度不同的灰白图像来表示各个部位的密度。但当组织厚度与密度均相同的物体受到X射

34、线的透射时，所形成的图像上的各个坐标点的数值是相同的，如图2-1(b)所示。由此可知，X光片上所形成的图像只能反映物体组织在二维空间的情况，而而无法反映物体内部的三维空间分布。X射线成像的本质是体现物体各个部位对X射线的衰减程度，因物体本身的密度或者厚度的差异，使得到达接收物质表面各个点的X射线的强度值是不一样的。如图2-2，将物体受到透射时的入射以及出射强度用IO，IO表示。图2-2 X射线衰减示意图Fig. 2-2 X-Ray Damping Diagram当均匀物体Z受到平行光线IO的辐射时，定义入射和出射光子数为N和，它们存在以下关系： (2-1)式中为线性衰减系数，“”表示光子数目减

35、少。由式(2-1)可知，入射光子数、被探测物体的厚度及其物理特性共同决定了衰减的光子数目。对(2-1)积分我们可以得到 (2-2)上式中d表示待测介质厚度，Ni表示X射线的入射光照强度，No表示出射光照强度，则对式(2-2)求解可以得到 (2-3)由上式可知，X射线的光子数以及光子的频率共同决定了X射线的强度，且两者成正比关系，其表达式为： (2-4)式中Nj为频率是的光子数量。通常，辐射的X射线由能量功率谱不同的线束组成，但我们能够进行简化处理，从而得到表达式 (2-5)由式(2-5)我们能够得出物体厚度与衰减程度的对应关系，但是监测点的密度在一定程度上也会直接决定衰减因子的大小。相比较而言

36、，需要根据实际情况确定在系统成像过程中起主导作用的是密度还是厚度。以心脏和肋骨为例，心脏部位具有密度低而厚度大的特点，而肋骨的密度高而厚度小，因此X射线透射肋骨受到的衰减强于心脏，心脏形成的影响亮度高于肋骨。2.2 DR系统硬件组成图2-3为DR系统的框架结构图，其构成包含有高压发生器、机架、球管、平板探测器、控制单元以及计算机系统。下面会逐一地介绍DR系统的各个功能模块。图2-3 DR 系统框架图Fig. 2-3 DR System Frame2.2.1 高压发生器与球管图2-4为高压发生器的原理框图，高压发生器首先通过三相整流的处理将交流电转化为直流电信号，再利用斩波处理的方式将高频分量滤

37、除使之成为平稳的直流电压，后通过逆变处理后输入到高频变压器，后通过高频整流后得到我们需要的正负直流高压，形成阴极和阳极，从而产生激励球管所需的高压电场。图2-4 高压发生器的原理框图Fig. 2-4 Structure Diagram of GeneratorDR系统成像时，操作者通过对高压发生器的kV值、mA值和照射时间的调节即可得到医疗诊断所需的合适的曝光剂量。因为病人年龄，体型以及实际需求各不相同，必须配置不同的曝光参数才能够采集到比较理想的诊断图像。高压发生器一般具有AEC自动曝光模式功能，曝光前我们需要先输入一个预期的阈值，当剂量达到我们的设定值时就自动结束曝光动作。X射线主要通过球

38、管产生，其主要组成部分为大体积高真空的阴极射线二极管。它主要通过12V左右电压对阴极灯丝的加热，从而形成大量自由电子，自由电子受到强电场的驱动就会高速撞击钼基钨靶，并将能量转化为X射线。在此过程中，绝大部分能量以热能的方式消耗掉，仅剩余约1%的能量会转化为X射线，因此为了保证球管的连续正常工作必须做好散热处理。2.2.2 手闸与控制盒手闸与控制盒的工作流程如下图所示，其主要负责完成各工作单元的交互，并实现对曝光信号的操控。图2-5 控制盒流程Fig. 2-5 Control Box Diagram手闸开关分为两档，手闸通过与控制台以及控制盒的直接连接的方式实现其功能，控制台主要通过与高压发生器

39、的通信实现对其的控制，而控制盒通过通信方式完成与计算机以及高压发生器的信息交互工作。手闸的第一档主要完成曝光的准备工作，且当平板探测器和高压发生器完成准备工作后，会将一个反馈信号提供给控制盒以及控制台。待完成反馈信号的接收后，才会允许对手闸第二档开关的操作，该开关会触发球管的曝光动作。待高压发生器曝光结束后，数字化探测器采集探测器被X-Ray照射后的图像，并将图像传输给计算机系统。2.2.3 数字化探测器在数字成像系统中，数字探测器采集X射线透过物体后衰减得到的信号，并转化为数字信号传输至计算机。目前市场上普遍应用的数字探测器的种类能够分为电荷耦合探测器(CCD)和数字平板探测器(FPD)。根

40、据转换材料的区别，我们又将数字平板探测器称为非晶硅及非晶硒平板探测器。非晶硅平板探测器利用闪烁发光体实现X射线到可见光的转化，之后再将其变成数字信号，而后者则直接将X射线转化为数字信号。图2-6为三种常见数字探测器的示意简图。图2-6 数字化X射线探测器结构图Fig. 2-6 Digital X-Ray Detector Block Diagram由图2-6（a）可知，CCD探测器通过闪烁体完成X射线与可见光之间的转化，并利用透镜将其耦合到CCD阵列上。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，以及多晶态硅的镀层技术。在电场作用下P型硅会形成低势能区域，我们将其称为势阱，其深度随着电

41、场强度的增大而加深，从而实现对光生电子的贮存。所贮存的光生电子的数量由光照决定，且两者成正比关系，因此本质上光生电子的数量反映出照射的光子强度，从而我们可以得到照射的X射线的强度。CCD单元中各个坐标点所贮存的电荷信号的数量与其所形成的图像呈现对应关系。CCD探测器最突出的优点是良好的空间分辨率，与此同时其一致性也较为突出。但诸如事物的两面性，CCD探测器仍然有其不可避免的技术缺陷：(1) 转换效率低：增感屏作为CCD探测器的常用转换介质，因此增感屏本身的特性参数直接决定了探测器的调制传递函数(MTF)和光子检测效率(DQE)参数的极致。(2) 生产工艺难度大：CCD存在大面积制造工艺困难的窘

42、境，仅能通过多块拼接的方式才能实现大尺寸面积应用的需求，该生产方式大大地降低了产品的可靠性，同时接缝的间隙也会降低图像的质量。(3) 像素尺寸较大：CCD的最小尺寸决定了探测器像素单元的体积，并且受限于CCD的制造工艺，CCD已逐渐不能满足主流市场应用的需求，无法满足DR系统技术的发展趋势。非晶硅探测器的基本像素单元主要分为光电二极管以及薄膜晶体管。光电二极管的结构主体为非晶态氢化硅，当该物质受到可见光的照射时就会形成电流，以闪烁体作为转换媒介即可完成X射线至可见光和电流的逐步转换，并以积分的形式存储在电容表面。由此可知，各个坐标点所贮存的电荷量由到达其表面的X射线能量决定，与与之成正比关系。

43、在硬件电路的控制下，通过的方式将各个像素点中的电荷依次释放并读取，并以数字信号的形式传送到计算机，最后，计算机处理并显示在图像中。探测器所成图像的动态范围远超过传统胶片成像，其参数能够达到1比10000，且数字信号能够以14bit的方式进行传输，因此DR的密度分辨率十分突出。如图2-6 (c)所示，非晶硒探测器与另外两者存在较大差异，其光电转换层主要有涂有非晶硒的薄膜晶体管阵列构成。常用的大尺寸数字探测器主要为14*17英寸以及17*17英寸，前者一般用于拍摄各个不同部分且便于携带，而后者主要用于固定式诊断。由于偏压电场的驱动，硒层内部存在的电子以及空穴对会进行反方向的运动从而产生电流，最终会

44、通过积分后以电荷的形式贮存在薄膜晶体管中。各单位像素内部还设计有场效应管，通过其开关动作完成各个像素点中电荷的释放和贮存动作。电荷信号经过放大电路的处理后就能转化为我们所需要的数字信号，并形成数字图像。相对而言，非晶硅探测器的整体性能要优于非晶硒探测器，但是其价格要远远高于后者，因此目前仍不具备广泛应用的基础。传统的平板探测器基本上都是利用非晶硅的多块拼接技术，各个像素单元的拼接处存在一定大小的盲区，对于小尺寸物体的成像质量较差。目前GE等公司都已经实现整体式的数字平板的量产，其数据读出时间较短，至少比早期的数字平板探测器的读出时间快10倍。较短的曝光时间间隔，转换效率的提高以及良好地降温处理

45、，为三维成像等DR的高级临床应用提供了可靠的技术基础。整体式的非晶硅探测器技术可以有效地将各个数据线上的数据进行单独的数字化处理，在极大的降低了系统噪声的引入的前提下，大大的加速的图像信息的传输效率。2.2.4 计算机系统DR成像系统中的计算机系统一般指的是包含有计算机、控制系统以及图像处理软件在内的系统单元。DR系统具有低曝光剂量，图像采集快捷，图像对比度高，图像分辨率高的优点。DR系统成像过程中，软件系统需要通过网络接口与平板探测器进行复杂的逻辑交互，并对平板探测器所采集到数字信号进行分析处理。软件系统主要功能是实现对曝光单元的控制，实现对平板探测器的控制，针对采集图像进行处理以及将处理完

46、成后的图像对外输出。操作台负责帮助系统实现图像信息的采集、传输工作、高压发生器的曝光工作以及数字图像后处理。图2-7为大家详细的介绍了计算机系统的工作流程。操作台软件与DR系统的交互主要通过网络接口实现，一般常用的可以满足DR系统传输数据要求的网络接口为标准的百兆网甚至千兆网接口或者Cameralink接口。CameraLink主要应用于数据量传输量较大的场景（如动态平板探测器），数据传输量最大可达至。图2-7 DR软件流程图Fig. 2-7 DR Software Flow Diagram2.3 本章小结DR系统主要由硬件以及软件两部分组成，本章主要通过对X射线的成像原理以及DR系统的组成单

47、元的介绍让大家得以比较系统的了解了DR系统。本章为大家介绍了X射线的发生单元，并对目前市场上的主流探测器的性能进行了初步的讲解以及评估。本章最后，还为大家深入地介绍了DR系统的计算机软件部分的工作原理和操作流程。第三章 数字X-Ray探测器工作原理从本文第二章的介绍以及探测器市场的发展方向，我们能够预见到针对数字平板探测器的研究必然会成为国内各个研究机构的热门选择。本章主要对平板探测器的工作方式进行比较详细地讲解。3.1 数字平板探测器的分类数字X射线探测器的组成结构主要为两部分，两者分别是将入射X射线转化为其他信号输出的X-Ray转换层以及对转换层输出信号进行采集的单元。下面我们将平板探测器

48、从转换层以及信号检测器两部分进行研究。3.1.1 以转换层分类的探测器类型数字式X射线探测器从转换介质可分为直接转换型探测器和间接转换型探测器两种类型。图3-1 X-Ray探测器信号转换示意图Fig. 3-1 X-Ray Detector Signal Change Schematic Diagram图3-1为不同分类的两种探测器的信号转换的工作原理图。如图3-1(a)所示，X-Ray到达直接转换型探测器表面后被转化为电荷信号，并通过信号采集电路完成图像的获取。直接转换型探测器的光导材料一般为厚度在200m到1000m内的非晶硒(a-Se)材料。如图3-1(b)所示，间接型探测器的主要原理是将

49、其所接收到的X射线先转换成可见光信号，之后利用光电二极管将其转化为电荷信号，最后利用电荷采集电路实现图像的获取。直接转换型数字X射线探测器，通过强电压的作用实现了X射线和电荷信号的转换，并且在电场的作用下，电荷信号能以垂直的方式快速漂移到两极。直接转换检型探测器的量子检测效率非常高，而X射线转换层的空间分辨率远高于间接转换型13。间接型的数字X射线探测器是利用荧光材料的特性来完成X射线到可见光的转换，再使用一般的处理措施即可完成可见光信号的采集，但是荧光的散射会降低产品本身的空间分辨率性能14。间接型探测器充分地利用光电二极管的光电探测能力，但仍存在光散射等问题，因此实际应用中将光电二极管作为

50、单个像素组成TFT阵列以提高探测器的总体性能。3.1.2 以信号检测分类的探测器类型数字X-Ray探测器根据信号检测的类型可以分为检测可见荧光信号的CCD或CMOS类以及检测电荷信号的氢化非晶硅类。(1)图像传感器探测器基于CCD或CMOS技术的探测器种类属于常规的基于可见光成像技术实现的图像传感器。伴随着21世界消费类电子市场的快速发展，CCD和CMOS技术得以蓬勃发展，但由于其本身技术瓶颈的原因，目前市场上的应用均属于小尺寸，而没有大尺寸的产品上市。(2)非晶硅探测器氢化非晶硅是一种掺杂氢元素到非晶硅中的非晶态半导体材料，它的主要优势在于突出的电气性能以及机械特性，同时能够兼容于标准的半导

51、体制作工艺，能够广泛应用于大面积图像显示。我们一般将基于基于a-Si:H技术实现的数字式X-Ray探测器称作平板探测器 (FPD)。这类平板探测器主体组成单元为薄膜晶体管阵列，具有结构紧凑，外观简洁的优点，且兼备检测电荷信号和荧光信号的功能。图3-2 氢化非晶硅(a-Si:H)阵列结构图(2x3)Fig. 3-2 Structure Frame of a-Si:H Array(2x3)图3-2为氢化非晶硅的阵列结构示意图，TFT的开关控制线和数据读出线以纵横交错的方式排列，而像素点排布于两者的间隙之中，利用实现各个像素中贮存的电荷信号的采集并将其传输到信号读出电路。直接转换型FPD中，TFT晶

52、体管和存储电容构成单位像素，存储电容负责存储和传输充电信号的工作。间接转换型FPD中，TFT晶体管和光电二极管共同构成单元像素点，其中接收光电信号以及贮存传输电荷信号的工作主要由光电二极管完成。非晶硅类平板探测器作为大面积成像，能够满足绝大部分的医疗诊断的需求，但受限于a-Si:H的制作工艺，目前能够实现的最小尺寸为70m，否则FPD的信噪比和灵敏度参数都会产生大幅度的下降15。3.2 数字X-Ray探测器工作基本原理当前CT和超声等主流的医疗设备均是以数字技术为主，但主流的X-Ray成像仍是模拟技术，本文主要的研究对象是间接转换的a-Si:H平板探测器。图3-3为大家介绍了典型的数字X-Ra

53、y探测器的结构，由上至下的叠层分别为：碳纤维板、闪烁体、TFT面板、支撑结构件、信号采集单元、支撑结构件。碳纤维板具有轻质量、弱衰减性、高强度以及优秀的平整性的特点，是作为探测器前端面板最适合的材料；TFT面板主要完成可见光与电荷信号之间的转换；信号采集单元的工作是完成电荷信号的读取并将转换完成后的数字信号传输到计算机。平板探测器中的主要功能单元模块分别是闪烁体、TFT面板以及硬件电路。图3-3 探测器叠层图Fig. 3-3 Detector Stacked Graph3.2.1 闪烁体1948年，Hofstadte发现NaI :Tl具有优良的闪烁性能，从而开辟了闪烁晶体的应用发展之路。闪烁体

54、指的是能够吸收高能粒子或者X射线并且可以散发处可见光子的材料，它们是辐射探测领域扮演着不好或缺的角色。闪烁体的主要特性为在放射性粒子通过时会受到激发，从而散发出荧光脉冲。经过半个多世纪的发展，基于闪烁晶体的成像技术在放射医院、工业无损探伤等方方面面得到了广泛的应用。图3-4 闪烁晶体的分类Fig. 3-4 Classification of scintillating crystal平板探测器中主要包含的闪烁体主要为两大类，分别为碘化铯晶体和硫氧化钆晶体，两者主要是材质存在一定的差异，但本身均是实现X射线至可见光的转换。如图3-4所示，碘化铯晶体是一种柱状晶体，而硫氧化钆晶体属于一种层状结构。

55、硫氧化钆对X射线的转换效率高于碘化铯，且价格比碘化铯低廉，通过普通工艺即可实现硫氧化钆在基板上的涂布，但硫氧化钆的散射效应无法控制。碘化铯的转化效率逊色于硫氧化钆较多，但是其结构特性使其能够有效地控制X射线和可见光的散射。从能量转换方式来看，非晶硅平板探测器属于间接转换型，而非晶硒探测器属于直接转换型。非晶硅平板探测器先利用闪烁体涂层实现X射线与可见光的转换，之后通过TFT完成可见光信号至电荷信号的转换。在这过程中可见光不可避免的会有散射，图像的空间分辨率会有一定下降，从而影响平板探测器的成像质量。非晶硒探测器中，硒层受到X射线的照射后会产生大量电子空穴对，并在电场的作用下产生反向电流并以电荷

56、的方式贮存。各个晶体管内所贮存电荷数与入射的X射线成正比关系，利用专用电路即可实现电荷读取。但是整个激发过程中，非晶硒层不会有可见光形成，不会形成光的散射作用，可以得到满足使用需求的高空间分辨率的图像。3.2.2 TFT面板TFT主要指的是基于薄膜晶体管阵列工艺实现的显示器。应用于平板探测器行业的主要是基于非晶硅技术实现的TFT面板，简称A-Si TFT)，其结构及原理与MOS器件非常相似。非晶硅平板探测器主要基于碘化铯涂层或硫氧化钆涂层以及TFT实现，TFT的主要功能为将闪烁晶体涂层生成的可见光转换为电信号存储。存储的电荷信号通过信号采集电路以及AD转换后形成数字信号，传送至计算机系统后形成

57、数字信号。图3-5所示为非晶硅面板的电路简图，可知一个非晶硅面板通常包含很多个像素，每个像素所占据的空间一般为100um200um。以常规的应用于17x17inch的平板探测器为例，一般单个pixel的大小为139um，则整个面板所容纳的Pixel可以达到3072x3072，约为940万像素点。利用的方式进行图像采集的话，需要将图像分为3072行，每行打开时读取1x3072个像素，分为3072行完成单帧图像的采集工作。图3-5 非晶硅面板电路简图Fig. 3-5 A-Si TFT Circuit Design3.2.3 信号采集单元图3-6为某款探测器的产品打开图，其功能模块主要分为时序控制部

58、分、驱动、信号读取部分、数模转换部分以及信号传输部分。在时序控制电路的控制下，行驱动电路将TFT中累积的电荷信号逐行，并利用AD转换电路得到我们需求的数字信号后发送到PC系统。图3-6 探测器内部结构图Fig. 3-6 Flat Panel Detector Internal Structure Diagram3.3 本章小结本章主要从平板探测器的转换层和信号检测两方面对平板探测器的分类进行讲解，并对各个分类进行了详细的介绍。通过对平板探测器的叠层结构的介绍，详细的说明了各个功能单元的作用以及工作原理。第四章 数字图像处理理论简介4.1 图像质量的基本概念相较于传统的屏片（Screenfilm

59、，SF）系统，数字式探测器通常被认为具有更高的灵敏度、更低的固有噪声和更大的动态范围等优点16。除探测器本身的特点，更由于数字系统的成像能力也由信号处理、数字图像后处理和信息决定17。因此，X射线成像系统的性能评估中数字探测器的图像质量直接决定系统成像的效果。数字图像能够在空间域和频率域里得到表征18。空间域主要是在空间中将图像的数据信息用长度或者位置的方式进行描述。也可以理解为在二维（2D）空间平面中用于表示图像数字信息的灰阶强度图像矩阵。频率域是指在正弦强度曲线图像中的数字信息强度变化率。4.1.1 空间域表征X射线图像指二维区域里的物体在不同曝光强度下的空间表征。利用二维函数可以表示单色

60、X射线图像的光照强度，式中表示的是图像在某点的坐标位置，坐标的数值跟该点的图像亮度成正比19。图像往往表现为每一个颜色波段的二维整数阵列，或一连串的二维阵列。数字化的亮度值叫做。以任意坐标为例，其亮度值我们也成称灰阶值19，其亮暗程度20能够用值表示。数字图像的函数能够用矩阵方式表示为： (4-1)其中，二维阵列中的各个方格元素定义为图像像素。数字图像所包含的MxN个像素能够用一个横纵为MxN的矩阵表示，其各个像素的位于M和N矩阵中。4.1.2 频率域表征从前面的描述我们可以知道，X射线成像是对物体在二维区域的曝光强度的空间表征。我们可以从频率域的角度用另一种方式表示空间域中的图像信息。在频率

61、域中，这种表示方式的作用在于：它可以变换原始未加工的数据，执行某个图像测量和处理无信息丢失或无噪声引入的操作18。此外，执行频率域代替空间域的这些操作往往有利于图像的计算机后处理。一个简单的空间频率的概念可以用一个简单的数学表达式来描述18： (4-2)其中， 是强度，是在图像的距离，是空间频率。公式4-2表达的空间频率的概念阐述了强度率在正弦曲线从-1(黑色)到1(白色)范围的图像。傅里叶理论认为所有图像在合适的条件下均能够用一系列和方向的正弦信号的总和的方式进行表述。空间频率表示为周期/毫米值：当与限制在5周期/毫米的系统相比，10周期/毫米的空间频率描述数字系统对物体出众的复制能力。此外

62、，频率域显示用于数字探测器定量测试，如调制传递函数、量子检测效率和噪声功率谱。图像的傅立叶变换能够精确的表示图像信息，且其处理过程中并不会造成任何信息的丢失。4.1.3 灰阶表征数字X线图像由呈现不同灰影的像素组成，每个像素代表图像中一个单一的点的灰阶。数字X线图像的基本组成单元为像素，而各个像素均有一个特定的数值，用来表示该点位置的图像灰阶大小。在一系列精细的步骤中，灰阶覆盖从黑到白的全部范围的灰影，通常为4096以上不同灰影。假设图像的灰阶范围为4096则说明图像的所有像素均以12bit的数字进行表示。图4-1为同一张图像的原始图像以及其灰度直方图表示。从图像强度直方图提取的信息显示出每张其灰阶分布。图4-1 图像的原始图及其直方图表示Fig. 4-1 The original image and the column diagram expression由于像素值和曝光之间存在大的动态范围和线性关系，对观察者来说，在图像显示(亮度或黑度）和辐射曝光之间建立视觉相关性是非常困难的。数字图像处理算法提供了一个图像处理的能力21，并提供了一个受欢迎的被称为“窗口的技术。4.1.4 图像质量评价图像质量评估应结合成像系统的物理特性、系统的整体性能和观察者水平22。然而，