X射线CCD图像传感器

李万瑞 谢植民 曹清肖

摘要：现代科学技术的发展，尤其是医疗影像高科技事业的发展，对图像传感器的某此突出性能提出更高的要求。为满足现代科学技术发展的需要，仅靠图像传感器自身性能的提高已经显得力不从心。为此，人们将一些能够提高图像传感器某些特殊性能的工艺与其他器件等和图像传感器组合起来，构成具有特殊功能的图像传感器件。医学图像对发现早期病情、确诊病情、了解治疗效果、确定后续治疗计划，都有着至关重要的作用。X射线成像是获取医学图像的重要方式，它经历了胶片成像、CR成像和DR成像的发展历程。

关键词：CCD;X 射线性质及成像;医学图像处理

1.引言

基于高分辨率CCD的X射线数字成像系统是近年发展起来的-种越来越受医疗机构欢迎的X射线数字诊断系统，本章在介绍X射线成像技术发展历程的基础上，分析了研制基于CCD医用X射线数字成像系统的意义。

1.1 X射线医学成像展简介

1895年11月8日，德国物理学家伦琴在调试一组阴极射线管时，发现了能使远处的乳胶片感光的X射线，并用X射线给他夫人的手拍下了人类史上第一张医学图像，很快X射线就被应用于医疗诊断，在医学诊断中发挥了巨大的作用。X射线是波长介于紫外线和y射线之间的电磁辐射，波长在0.01-100A之间，X射线具有很强的穿透能力，根据量子理论，x射线服从c=hv=hc/h，其中h为普朗克常量，v为振动频率，C表示为光速，A为波长。波长越短的X射线能量越大，通常，波长小于0.1A的称超硬X射线，在0.1-1A范围内的称硬X射线，1-10A范围内的称软X射线。X射线与γ射线本质上都是高能光子，但是通常原子核核内能级跃迁产生的高能光子称为y射线，核外电子跃迁产生的高能光子称为X射线。主要有光电效应、康普顿散射和电子对效应三种形式。

1.2 X射线成像原理

X射线成像的基本原理是根据X射线对物体的穿透能力以及穿透过程中由于物体结构和密度不均匀，对X射线的衰减作用不同而造成的出射线强度不同。当X射线射入物体时，与物体的原子和电子相互作用，因物体的吸收和散射使其强度衰减，衰减程度因物体各部分的密度、厚度、结构的不同而不同。经过不同衰减程度的射线，其强度不再均匀，将其转化为可见光并通过成像设备收集后即可形成反应物体内部结构的图像

2.X射线成像技术在医学领域应用

2.1 胶片成像技术

胶片成像技术是最初的X射线成像检测技术，也是应用最广泛和最基本的成像技术，目前仍然有广泛的应用。胶片成像技术随着增感屏的发现和发展，很快从最初的胶片直接成像发展为胶片-增感屏成像。将增感屏紧贴胶片前侧，或者使用两个增感屏前后紧贴胶片置于暗盒中，x射线照射病人后在胶片上形成影像，将胶片显影、定影后可成可见光图像。增感屏能够增加胶片的感光度，在此系统中，胶片感光量的95%来自前后增感屏，5%来自x射线的直接照射，因此，胶片-增感屏系统与胶片直接成像系统相比，可以大大减少照射剂量。

2.2 计算机X射线成像（CR） 技术

1981年日本富士公司推出数字化X射线成像（Computed Radiography即CR）技术]。CR工作原理是：采用影像板记录X射线成像的潜影，再用激光激励影像板，将潜影转化为光信号，光导收集光信号送入光电倍增管放大，再经过模数转换成数字图像后送计算机进行存储和图像处理。影像板通过强光照射可以清除潜影反复使用。

2.3 直接数字化X射线成像（DR）技术

90年代末，出现了数字化X射线成像技术。DR又可分为直接数字化X射线成像和间接数字化X射线成像。DR的工作原理是：通过转换屏将X射线转换为可见光，再通过光敏元件等将其转换为数字信号。从可见光到数字信号的转换可通过摄像器材拍摄可见光图像，如采用CCD或CMOS相机、摄像器材实时成像，并将影像数字化输出，该方式称为间接耦合。间接耦合方式中由于转换屏面积较大，而摄像器材面积小，需要通过中间装置来进行耦合，通常有透镜耦合、光锥耦合和电子光学耦合三种方式。

3.图像采集

3.1系统模块及功能

医学图像采集与处理软件在遵从DICOM标准的基础上，除了需要实现图像的采集、存储、管理、处理等功能外，还应该实现基本的病人信息管理、病历管理、系统管理、网络通信等功能。根据实际应用的需要，医学图像采集与处理系统由系统管理、病人管理、病历管理、图像处理、数据处理、网络通信、及帮助系统七个模块组成。其中，每个功能模块都由若干相应的子功能模块组成。

3.2系统管理

系统管理由系统设置、用户信息、用户权限和系统日志四个部分组成。其中，系统设置包括医院信息的设置、数据库服务器的设置、以及用户界面的设置等;用户信息和用户权限的操作可以归结为用户管理，所谓用户是指系统的用户，而用户通常可以分为管理员和一般用户，两者有着不同的权限;系统日志用来记录系统用户的操作情况。

3.3图像处理

图像处理按功能分为观看图像、图像标注和图像处理三个子功能。其中，观看图像主要实现多窗口显示、拼图、旋转、移动、缩放等功能;图像标注则包含文字标注合同几何形状标注等;图像处理有反相、调窗、局部处理、分割、裁剪、平滑、锐化、降噪、提取边缘、灰度均衡、图像相加减、图像平均、融合等。具体方法将在后续章节介绍。

3.4网络通信

网络通信主要实现的是网络通信與控制等功能，例如用计算机远程控制照相机、或者控制远程计算机、图像传输、接收外部数据等。一个实用的医学图像处理系统，需要和外部系统进行通信，如前所述的远程控制、数据传输等，因此需要有网络通信功能实现数据共享。

4.总结

本文详细介绍了CCD医用 X 射线成像、医学图像处理。介绍了医用传感器在生活中的应用和发展。X射线用于医疗影像分析已经多年，多年来人们不断的研究和探索。X射线与CCD传感器的应用使得我们在医学方面上得到进一步的发展。同时，也推动着我国科技事业的发展，为社会做出了巨大贡献。

参考文献：

[1] 王庆有，孙学珠.CCD应用技术[M]. 天津;天津大学出版社，1993.

[2] 王庆有. 光电传感器应用技术[M]. 北京机械工业出版社，2014.1.

[3] 基于CCD的软X射线成像系统研究 肖昌金，张涛.科学技术与工程 2007（06）.

河南工学院 河南 新乡 453003