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安防视频监控系统中的X射线摄像机


X射线,是由高速带电粒子与物质原子的内层电子相互作用而发出的,它的波长短、光子能量大、透过能力强。X射线的本质与可见光、红外光、紫外光以及宇宙射线完全相同,均属于电磁辐射,具有波粒二重性。它的波长范围在10-3~10nm,短波方向与γ射线相接,长波方向与紫外光相接,一般称波长在0.1-10nm的X射线为软X射线,波长在0.001~0.1nm的X射线为硬X射线。X射线在医学透视、无损探伤、X射线衍射、天文学、材料学等方面有着广泛的应用。

为减小X光对人体的危害,最有效的方法有三种。

•减小X光照射的剂量,在低剂量X光的照射下,采用对穿透后的X光进行图像增强的办法获得比高剂量照射同样的效果。

•利用图像传感器将现场图像传送到安全区进行观测,这既可以使医务人员离开现场,又可以通过计算机进行图像计算、处理、存储和传输。

•上述两种方法的结合,是最理想的方法。用CCD图像传感器的特性和X光像增强器,就可以完成上述两种方法的有机结合。

一、X射线成像器件的类型

(1)X射线胶片成像技术。这是世界上最早的探测X射线的方法,有很高的分辨率,可以长期保存观察,因而到目前一直被大量使用。但其缺点是X射线胶片光量子效率极低,X射线剂量大,需要单独的拍片室和冲洗室,不能实时观察,不便于储存和处理,且属事后(非实时)处理,因而被发展起来的各种X射线荧光转换屏所部分替代。

(2)X射线荧光转换屏技术。它由输入窗基底、反光金属膜、X射线荧光粉、含铅的透光玻璃等层组成。其中荧光粉原子受X射线光子激发,产生人眼或照相版敏感的荧光,其亮度正比于输入点的X射线辐照强度。荧光转换屏输出光处理方式是:

•供人眼直接观察,如医院的大型透视仪,但对人体有伤害,现很少使用。

•可供照相底板拍成照片,现还在广泛应用。

•利用摄像机将其图像转换成电视(TV)图像,供人观看,或转化为数字图像进行保存和处理。

•CR(Computed Radiongraphy)成像技术。使用激发荧光(IP)板来代替增感屏和胶片的组合,该荧光板经X射线照射后会有电子激发,从而得到对应的X射线强弱影像信息,经激光束扫描获得光信号,再由模/数转换而成数字信息送入微机处理。

•在荧光屏上集成光电二极管阵列,将图像转换成数字图像,该技术属于间接数字X射线影像(Indirect Digital Radiograph,IDR)技术。

(3)X射线影像增强器成像技术。X射线影像增强器成像技术有两种方式。

•利用X射线光电阴极,X射线激发光电子,然后将光电子像增强转换成可见光图像,再通过光学系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时观看的视频信号。

•利用X射线转换屏,将转换荧光粉与可见光光电阴极做成一体,荧光粉发出的光,致使光电阴极发射光电子,将光电子像增强成像在输出荧光屏上,而后通过光学系统将光学图像耦合到电视摄像机上形成可实时观看的视频信号。

(4)直接数字化成像技术。直接数字X线影像(Direct Radiograph,DR)或DDR(Direct Digital Radiograph)技术将X射线光直接转换成电子信号,然后再转换成图像。由于光电与计算机处理技术的发展,从根本上改变了医学影像采集、显示、存储、交换方式和手段,从而产生了X射线胶片信息数字化、X射线计算机断层扫描技术、X射线TV影像、X射线影像光电二极管阵列成像等,使X射线成像技术正在进行着一场重大的变革。

二、X射线摄像机

X射线摄像机系统的组成与原理框图如图1所示。

图1 X射线摄像系统组成原理框图

由图1可知,它是将上述X射线荧光转换屏技术与X射线影像增强器成像技术将不可见的X射线像转换为可见光像后,再利用CCD摄像机将其转换为视频图像,然后通过视频同轴电缆输出到另一房间的监视器上显示,供人们观看。并且,它还可将CCD摄像机输岀的视频信号,通过A/D转换送入微机系统进行处理与保存。这种摄像系统目前已广泛用于医疗检测诊断、工业探伤等检测,以及飞机场车站等交通入口的安全检测。

这种X射线安检系统对付潜在的恐怖分子方面非常有效,因为它可以探测出乘客身上所有固体物的形状,包括传统金属探测装置不容易发现的塑胶炸药或陶瓷尖刀等。有了这种安检设备,安检人员就没有必要再动手对一些乘客进行搜身检査,从而避免与乘客的矛盾。

三、直接数字X射线影像系统

直接数字X射线影像DR或DDR是最新型的X射线成像器件,目前已经成功制造出以硒为基底,直接转换的能实现高清晰的数字透视和射线照相的平面X射线探测器。这种平面探测器是面积为23cmx23cm的二维平面,它由光电材料(非晶态硒)和-系列薄膜晶体管阵列(TFT)组成,该薄膜晶体管上的探测元尺寸为150μmx150μm。该探测器能以高达30幅图像的速率实现数字透视和射线照相,并提供有很好的空间分辨率的数字动态像和静态像。这种光图像探测器能适用于各种不同的检查,从一般的射线照相到肠胃、心脏,以及血管的检查,都将有很多临床上的优势。

利用直接转换平面图像探测器来获得动态图像,通过将穿过人体或物体的X射线直接转换成电信号以产生完全的数字动态和静态图像。X射线转换单元如图2(a)所示,在该单元中,非晶态的硒被用作光电材料,将X射线转换成电信号。当X射线照射到一层非晶态硒上时,便产生正负电荷,其数量正比于X射线的照射量。接上几千伏的电压,产生的电荷就会沿着电场方向移动,并作为光电流被存储起来。

图2 直接X射线成像的像元结构及像元电路

TFT技术被用来在一块玻璃底面上制作一个200万以上的探测器元阵列,如图2(b)所示,每个探测器元包括一个电容和一个TFT,当X射线照射到转换单元时,产生的电荷便聚焦到电容器里。若TFT被一束从快速变化单元发出的处理信号激活时,存储的电荷便被作为电信号读出到快速变化单元。该单元产生的处理信号连续激活探测器元阵列中探测元的薄膜晶体管,由于这些处理信号而产生的电信号被放大,并被传送到A/D转换器。

由于直接转换法不存在光的散射,而间接转换方式将在X射线转换为光时,光的散射会导致图像质量恶化。因此,与间接转换方式相比,直接转换方式的水平分辨率要高出1.5~2倍。与最好的间接成像方式相比,直接成像方式剂量下降一半,仍然能获得质量很好的图像。目前,1536x1536个像素的直接成像器件已研制成功,像素间距为150μm,在9inx9in的面积中,能够以30帧/秒的速度将影像读取出来,并且17inx17in的大尺寸X射线传感器已达到了实用化水平,它能够拍摄胸部和大腿部位等大范围的X线图像,不仅可用于医疗设备,而且可将其用于半导体的无损检査和食品的防异物设备及安全检测等领域。

直接X射线数字成像系统的体积与质量小,图像质量好,应用范围也较宽。