基于平板探测器DR成像系统的对比灵敏度研究

何奕奕

（四川省理化计量无损检测有限责任公司，成都　610100）

摘要:随着数字成像技术的发展，基于平板探测器的DR系统成像必将成为今后工业领域的主要射线检测技术。为了更易于了解和使用DR成像系统，研究DR系统的性能是一项重要的工作。本课题通过分析处理实验数据，分析和测出基于平板探测器DR成像系统的对比灵敏度。

通过改变管电流、管电压、大小焦点或积分时间来研究它们对DR系统的对比灵敏度的影响。使用对比灵敏度试块，在规定管电压、管电流条件下，测出系统的对比灵敏度为2%。

关键字：平板探测器、DR系统、对比灵敏度

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

在基于平板探测器的DR系统成像中,平板探测器将X射线转换成电信号，故而，DR系统所得到的数字图像质量是否合格关键取决于平板探测器的特性。平板探测器精密度高，并且价值高昂，其内部的构造包括闪烁体层、非晶硅层（光电二极管）、薄膜晶体管（TFT）和读出电路。当入射X射线透照到闪烁体层上时，闪烁体被激发而发光，从而产生可见光光子，完成从X射线到可见光子的转换，光电二极管被可见光子激发从而产生电流，而光电二极管本身带有电容，电流就在其电容慢慢积累，变成储存电荷，每个像素的储存电荷与入射的X射线本身自带的能量是正比关系。被控制电路控制下，各个像素对应的储存电荷会有规律的被读出，通过光纤传输到外部的采集系统，并形成数字信号输出，由计算机建立数字图像。这种通过实时成像技术得到的图像，其优点包括分辨率很高、动态范围很广、使用寿命长。由于平板探测器是用大规模非晶硅做的，所以又称为非晶硅影像板。

基于平板探测器DR系统的特点：第一，具有较高的分辨率，得到的数字图像比较清晰并且细腻，这是DR系统比较显著的优点；第二，在进行X射线透照时，可以实时显示数字图像；第三，相对于传统的X射线胶片检测技术来说，DR系统能降低X射线的曝光剂量；第四，DR系统所得到图像具有可交换性；第五，存储方便，方便交流。另外，时代在进步，信息的时代来临，计算机信息、数字图像的处理技术以及X射线实时成像技术将会越来越成熟、完美，基于平板探测器的DR成像系统将会是以后无损检测领域的主要检测手段。

基于平板探测器DR系统的主要性能指标是空间分辨力、对比灵敏度和不清晰度。而本次研究的对比灵敏度定义为能够于图像上产生眼睛更能够识别最小的厚度差变化，通常是用该最小厚度差占试样总厚度的百分比表示，它表征了系统能够识别的、与X射线束的照射方向相同的方向上发现缺陷本身最小的尺寸。

2 平板探测器DR成像系统的组成及基本原理

2.1 平板探测器DR系统的基本原理

相对于常规X射线，DR系统用平板探测器来捕获X射线，取代了胶片的位置，实现了将X线信号转换为电信号，完成了X线影像的数字化过程。平板探测器作为DR系统最核心的部件，是由探测器阵列和阵列控制器两部分组成的，探测器阵列是由非晶硅涂层、TFT阵列以及外壳组成，工作时，间接方式通过闪烁体把入射的X射线转化为可见光光子，直接方式是通过本身材料直接将入射的X射线转化为可见光光子，完成把入射的X射线信号转化为图像电信号，经由TFT收集，再经A/D转换及量化，从而获得X射线数字图像。而探测器阵列是被阵列控制器控制的，阵列控制器还能够读取并将读取的影像数据传送到系统，让系统对影像数据进行分析处理。

平板探测器DR成像的基本过程包括两个步骤：第一个步骤，将入射的X射线信号转化成电信号；第二个步骤，将电信号转化为数字信号，通过读出电路，把各个像元对应的数字信号读出来，最后输出成数字图像。详细的说，第一个步骤就是在像元饱和周期内，将入射的X射线转化为电荷，并且，X射线的光子数量和转换的电荷几乎就是正比关系。平板探测器实现第一个步骤的方式分为直接和间接：直接方式是把X射线光子直接转化成电荷；间接方式是通过闪烁体层把入射的X射线转化为可见光光子，然后再转化为电荷。第二个步骤是读出各个像元对应的数字信号，每个像元对应的数字信号会自动组合为一个整体的数字图像；每个像元都会聚集电荷，释放后能够再次积累。读出电信号的周期内，各个像素会从自身的电容释放电荷，按照顺序依次进行。将同一行各个像素释放出来的电荷进行放大以及数字化，按照先进先出的规律存到队列里。处于先入先出队列(FIFO)中的数据通过接收器上的数据连接器进行传输：一个像素时钟内传送一个12位宽的数据。接收器上的每一行依次重复这个过程，直到所有行的电荷都传输完毕。

间接方式的平板探测器工作过程和原理：当入射的X射线透照到闪烁体层时，闪烁体受到激发而发光，将入射X射线转化成可见光光子，光电二极管被可见光光子激发后产生电流，光电二极管自身带有电容，产生的电流会在电容上积分，成为储存电荷，储存电荷和被像素吸收的X射线能量存在正比关系。受到控制电路的控制，有规律的读出各个像素内部积累的存储电荷，通过光纤传输到外部的采集系统，并形成数字信号输出，由计算机建立数字图像。

直接方式下平板探测器的工作工程及原理，曝光时，X线光子与非晶硒涂层通过电离作用，形成电子空穴对，在电场的作用下，电荷聚积在TFT阵列的信号存储电容中，经过信号放大器的放大后，再由读出电路读出，就能够得到电压信号。由于电荷数量和电压信号存在正比关系，而电荷数量还与X射线能量存在正比关系，故而，可以得知电压信号和X射线能量也存在正比关系。在一定的X射线剂量内，电压信号和X射线强度存在严格的正比关系。最后由TFT阵列检出和A/D转换后获取图像。如图2-1为直接方式的平板探测器成像原理，图2-2为间接方式的平板探测器成像原理

图2-1 平板探测器成像原理（间接方式）

图2-2 平板探测器成像原理（直接方式）

基于平板探测器DR成像系统的原理就是把平板探测器的工作原理作为基本原理，由系统控制台统一控制，应用先进的数字图像处理技术，在标准的透照条件下，得到比较高质量的数字图像。

2.2 DR系统的基本组成

平板探测器DR系统包括高压发生器、X射线管、控制系统、计算机、数据采集仪和平板探测器。如图2-3为高压发生器、图2-4为X射线管、图2-5为平板探测器、图2-6为射线机控制台

图2-3 高压发生器图2-4 X射线管

图2-5 平板探测器图2-6 射线机控制台

其中，高压发生器是采用数字化控制技术，通过高频整流，获得高质量高千伏电压。平板探测器作用是非晶硅涂层接收X射线，通过TFT阵列收集、转换X射线信号为电信号，实现X光信号的数字化，获得X线影像数据。

3 平板探测器DR对比灵敏度的实验内容及结果分析

本课题主要研究的基于平板探测器DR系统性能的对比灵敏度。

3.1 DR系统的对比灵敏度

3.1.1实验材料

测试对比灵敏度使用对比灵敏度试块（如图3-1为对比灵敏度试块的正面拍摄图，图3-2和3-3为对比灵敏度试块的主视图和剖面图），在60kV左右的管电压条件下，分别改变管电流、管电压、大小焦点及积分时间，对比分析实验数据。

图3-1对比灵敏度试块实物图

图3-2 对比灵敏度试块表层结构

图3-3 对比灵敏度试块剖面图

对比灵敏度试块的基本结构是在一定厚度的矩形试块上均匀分布四个适当深度的平底孔，本实验使用的是6mm厚度的对比灵敏度试块，其孔号及孔深如表3-1

表3-1 对比灵敏度试块的平底孔深度

孔号	1	2	3	4
孔深（mm）	0.06	0.12	0.18	0.24

孔1,2的误差在0.01mm内，孔3,4的误差在0.02内。

3.1.2 大小焦点对于对比灵敏度的影响

第一组对比：曝光条件，管电压为190kV，管电流为3mA，积分时间为300ms，大焦点（1.0mm），如图3-4为对比灵敏度试块表面整体的灰度变化情况，图3-5为对比灵敏度试块上能看清楚的最小孔的灰度变化情况，即2%孔的灰度变化情况，其上方图像是对应的对比灵敏度试块的DR成像经过分析图，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的数字图像表面上画根线，得到了灰度的性变化图（如图3-4），可以判断出大概在对比灵敏度试块的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ软件在对比灵敏度试块的2%孔上画根线，得到了它的灰度变化情况（如图3-5）

图3-4 整体线性灰度变化图3-5 大焦点

由图中数据处理得出，采用大焦点（1.0mm）曝光，对比灵敏度试块2%孔变化的灰度差百分比为：

（19119-18938）/（19402-18938）=39% > 20%

所以，对比灵敏度符合，即对比灵敏度为2%。

当大焦点（1.0mm）改为小焦点（0.4mm），其他参数保持不变时，如图3-6为对比灵敏度试块表面整体的灰度变化情况，图3-7为对比灵敏度试块上2%孔的灰度变化情况，其上方图像是对应的对比灵敏度试块的DR成像分析图，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的数字图像表面上画根线，得到了灰度的性变化图（如图3-6），可以判断出大概在对比灵敏度试块的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ软件在对比灵敏度试块的2%孔上画根线，得到了它的灰度变化情况（如图3-7）

图3-6 整体灰度线性变化图3-7 小焦点

由图中数据处理得出，采用小焦点（0.4mm）曝光，对比灵敏度试块2%孔变化的灰度差百分比为：

（18974-18801）/（19345-18801）=32% > 20%

所以，对比灵敏度符合，即对比灵敏度为2%。

参考这两组数据，当其他曝光条件保持相同，采用小焦点时，对比灵敏度试块的2%孔灰度变化为32%，明显小于采用大焦点时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化。

第二组对比：曝光条件，管电压为200kV，管电流为3mA，积分时间为300ms，采用大焦点（1.0mm）时，对比灵敏度试块2%灰度变化如图3-8，采用小焦点（0.4mm）时对比灵敏度试块2%灰度变化如图3-9，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-8 大焦点图3-9 小焦点

在曝光条件为大焦点（1.0mm）时，对比灵敏度试块2%孔变化的灰度差百分比为

（21266-21104）/（21620-21104）=31% >20%

在曝光条件为小焦点（0.4mm）时，对比灵敏度试块2%孔变化的灰度差百分比为

（21018-20860）/（21549-20860）=23%>20%

对比可以得出，在保持其他透照条件相同的情况下，采用小焦点时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化小于采用大焦点时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化。

总结以上两组对比，可以得出，在相同条件下，采用大焦点更有利于提高DR系统的灵敏度。

原因分析：采用大焦点情况下信噪比相对于采用小焦点来说更高，曝光宽容度更大，从而提高DR系统的对比灵敏度。

3.1.3 管电压对于相对灵敏度的影响

第一组对比：曝光条件，管电流为2mA，积分时间为300ms，大焦点，如图3-10和3-11分别是在管电压为190kV和200kV条件下对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-10 190kV 图3-11 200kV

由图像数据处理得出，管电压为190kV时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（19119-18938）/（19402-18938）=39%

由图像数据处理得出，管电压为200kV时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21266-21104）/（21620-21104）=31%

对比可知，相同条件下，采用管电压为190kV时，对比灵敏度试块最小能看清的2%孔的灰度变化要高于采用200kV时对比灵敏度试块2%的灰度变化。

第二组对比：曝光条件，管电流为2mA，积分时间为300ms，小焦点，如图3-12和3-13分别是在管电压为190kV和200kV条件下对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-12 190kV 图3-13 200kV

由图像数据处理得出，管电压为190kV时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（18974-18801）/（19345-18801）=32%

由图像数据处理得出，管电压为200kV时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21018-20860）/（21549-20860）=23%

对比可知，相同条件下，采用管电压为190kV时，对比灵敏度试块最小能看清的2%孔的灰度变化要高于采用200kV时对比灵敏度试块2%的灰度变化。

总结以上两组对比，可以得出，相同条件，在不影响拍摄效果的前提下，降低管电压能有利于提高DR系统的对比灵敏度。

原因分析：理论上，增加管电流有利于提高系统的对比灵敏度，但在实验过程中，存在一些失误，导致了这个结果。

3.1.4 管电流对于对比灵敏度的影响

第一组对比：曝光条件，管电压为200kV，积分时间300，大焦点，如图3-14和3-15分别是管电流为3mA和4mA时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-14 3mA 图3-15 4mA

由图像数据处理得出，管电流为3mA时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21266-21104）/（21620-21104）=31%

由图像数据处理得出，管电流为4mA时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（26709-26534）/（27453-26534）=19%

对比可知，相同条件下，采用管电流为3mA时，对比灵敏度试块最小能看清的2%孔的灰度变化要高于采用4mA时对比灵敏度试块2%的灰度变化。

第二组对比：曝光条件，管电压为200kV，积分时间300，小焦点，如图3-16和3-17分别是管电流为3mA和4mA时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-16 3mA 图3-17 4mA

由图像数据处理得出，管电流为3mA时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21018-20860）/（21549-20860）=23%

由图像数据处理得出，管电流为4mA时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21048-20954）/（21472-20954）=18%

对比可知，相同条件下，采用管电流为3mA时，对比灵敏度试块最小能看清的2%孔的灰度变化要高于采用4mA时对比灵敏度试块2%的灰度变化。

总结以上两组对比，可以得出，相同条件，在不影响拍摄效果的前提下，降低管电流能有利于提高DR系统的对比灵敏度。

原因分析：理论上，增加管电流有利于提高系统的对比灵敏度，但在实验过程中，存在一些失误，导致了这个结果。

3.1.5 积分时间对于对比灵敏度的影响

第一组对比：曝光条件，管电压为200kV，管电流为4mA，大焦点，如图3-18和3-19分别是积分时间为200ms和300ms时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-18 200ms 图3-19 300ms

由图像数据处理得出，积分时间为200ms时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（26757-26624）/（27366-26624）=18%

由图像数据处理得出，积分时间为300ms时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（26709-26534）/（27453-26534）=19%

对比可知，相同条件下，积分时间为200ms和300ms对于对比灵敏度试块的2%孔灰度变化影响不大。

第二组对比：曝光时间，管电压为200kV，管电流为4mA，小焦点，如图3-20和3-21分别是积分时间为200ms和300ms时对比灵敏度试块的2%孔灰度变化情况，其上面的图是对应的DR数字图像，使用ImageJ软件处理，在对比灵敏度试块的2%孔画根线，得出其灰度变化情况

图3-20 200ms 图3-21 300ms

由图像数据处理得出，积分时间为200ms时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（26734-26592）/（27446-26592）=17%

由图像数据处理得出，积分时间为300ms时对比灵敏度试块的2%孔变化的灰度差百分比为

（21048-20954）/（21472-20954）=18%

对比可知，相同条件下，积分时间为200ms和300ms对于对比灵敏度试块的2%孔灰度变化影响不大。

总结以上两组对比，可以得出，其他条件相同的情况下，积分时间对系统对比灵敏度影响不大。

原因分析：稍微改变积分时间对于曝光剂量影响不大，所以对于对比灵敏度影像也不大。

3.1.6 标准规定下对比灵敏度的测量

标准规定：附加衰减体膜时，在200kV、3mA条件下曝光，系统对比灵度达到2%。

如图3-22为对比灵敏度试块的DR成像，多次拍摄都能分辨出2%孔；如图3-23为对比灵敏度试块整体灰度的变化情况；图3-24为对比灵敏度试块的2%孔的灰度变化情况。使用ImageJ软件处理DR图像，在对比灵敏度试块的数字图像表面上画根线，得到了灰度的性变化图（如图3-23），可以判断出大概在对比灵敏度试块的2%孔上灰度差百分比在20%左右，然后在用ImageJ软件在对比灵敏度试块的2%孔上画根线，得到了它的灰度变化情况（如图3-24）