王騰鈁,陳 浩,2,王 遠,2,李運鍵，胡棟材,2,于祥國，方志強，陸 遙

(1.中國工程物理研究院 應用電子學研究所，綿陽 621900；2.國家X射線數(shù)字化成像儀器中心，綿陽 621900；3.四川迪派銳科技有限公司，綿陽 621900；4.上海奕瑞光電子科技有限公司， 上海 201210)

一種國產(chǎn)平板探測器的成像測試

王騰鈁1,陳 浩1,2,王 遠1,2,李運鍵3，胡棟材1,2,于祥國4，方志強4，陸 遙4

(1.中國工程物理研究院 應用電子學研究所，綿陽 621900；2.國家X射線數(shù)字化成像儀器中心，綿陽 621900；3.四川迪派銳科技有限公司，綿陽 621900；4.上海奕瑞光電子科技有限公司， 上海 201210)

在數(shù)字射線成像中，探測器是非常重要的組成部分。通過使用國產(chǎn)0505平板探測器，采用鋼板直焊縫單壁透照方式進行試驗，根據(jù)獲得的成像結(jié)果依據(jù)相關標準分析探測器的性能，包括靈敏度、分辨率和信噪比等參數(shù)。結(jié)果表明，這款探測器符合數(shù)字射線成像相關標準中關于靈敏度和分辨率的要求。結(jié)果可為同行構建CT系統(tǒng)或DR系統(tǒng)時選擇探測器提供參考依據(jù)。

平板探測器；性能；CT成像；DR成像；靈敏度；分辨率；信噪比

數(shù)字化X射線攝影(Digital Radiography，DR)是20世紀90年代發(fā)展起來的X射線攝影新技術。該技術具有更快的成像速度、更便捷的操作、更高的成像分辨率等顯著優(yōu)點，成為數(shù)字X射線攝影技術的主導方向[1]。

平板探測器是DR系統(tǒng)中至關重要的部分。平板探測器的性能直接影響著所采集圖像的質(zhì)量，所以了解一個平板探測器的性能，對構建一套DR系統(tǒng)是非常必要的[2]。同時，隨著平板探測器在CT系統(tǒng)中的廣泛應用，筆者試驗得到的成像測試結(jié)果也可為構建CT系統(tǒng)提供參考。

目前，評價平板探測器的性能可通過測定平板探測器的靈敏度、分辨率、信噪比三個參數(shù)[3-4]來進行。文中通過采用鋼板直焊縫單壁透照方式，使用上海奕瑞光電子公司生產(chǎn)的Mercu0505NDT探測器，對7種厚度(10,20,25,30,36,42,48 mm)的鋼板直焊縫進行透照試驗，通過分析所采集的圖像，得到上述3個參數(shù)的結(jié)果來為這款探測器的應用提供參考。要完全評價一個探測器的性能，還需要分析探測器的探測效率、壞像素、響應頻率等參數(shù)[5-6]，文章由于試驗條件所限，只進行了靈敏度、分辨率、信噪比三個參數(shù)的分析，其結(jié)果可為構建 DR或CT系統(tǒng)時提供參考，為進一步的探測器性能測試及設計優(yōu)化提供依據(jù)。

1 成像試驗設備、參數(shù)及分析方法

1.1 試驗設備與參數(shù)

(1) 試驗使用國產(chǎn)0505平板探測器，其外觀如圖1所示。

圖1 上海奕瑞0505探測器

(2) 試驗所用射線機為依科思朗Smart300HP型產(chǎn)品，其參數(shù)為：管電壓50～300 kV(調(diào)節(jié)精度1.0 kV/步)；管電流0.5～3.0 mA(調(diào)節(jié)精度0.1 mA/步)；最大功率900 W；焦點尺寸1.5 mm(IEC336)；輻射角40°×55°。所用國產(chǎn)0505平板探測器的參數(shù)為：成像面積130 mm×130 mm；像元數(shù)目1 024×1 024；能量范圍20～300 kV；幀速度25 幀/s (1×1)，48 幀/s (2×2)；像元尺寸127 μm。

(3) 試驗采用鋼板直焊縫單壁透照方式成像。由于測試時使用的射線機是便攜式的，最大功率為900 W，在使用不同厚度的鋼板時需要設定不同的電壓值，而電流最大為3 mA,所以成像時功率總小于900 W；相對于固定式射線機，其功率偏小，考慮到成像質(zhì)量，最終將焦距定為800 mm，像質(zhì)計在源側(cè)。透照擺放方式如圖2所示。

圖2 0505平板探測器透照擺放方式

(4) 測試所用軟件能夠?qū)Σ杉膱D像進行處理，包含疊加降噪、改變窗寬窗位、灰度掃描、對比度增強和圖像存儲等基本數(shù)字圖像處理功能。文中對成像結(jié)果的靈敏度、空間分辨率、信噪比等的測定均使用該軟件。軟件界面示例如圖3所示。

圖3 測試所用軟件界面示例

(5) 透照參數(shù)的確定。在0505平板探測器測試過程中，所用管電壓值均依據(jù)標準NB/T 47013.11-2015《承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測》中相關要求設定。調(diào)節(jié)平板探測器的單幀采集時間控制圖像灰度值，使其得到的灰度值處于較好的范圍之內(nèi)(40%～80%)。

1.2 圖像分析方法

圖像靈敏度采用單絲像質(zhì)計進行測定[7]，單絲像質(zhì)計的型號和規(guī)格符合GB/T 23901.1《無損檢測 射線照相底片像質(zhì) 第1部分：線型像質(zhì)計 像質(zhì)指數(shù)的測定》的規(guī)定，試驗中使用的單絲像質(zhì)計的金屬絲材質(zhì)為Fe。識別單絲像質(zhì)計時，在圖像灰度均勻部位(一般是鄰近焊縫的母材區(qū))能夠清晰地看到長度不小于10 mm的連續(xù)像質(zhì)計影像時，則該絲是可識別的。

圖像空間分辨率采用雙絲像質(zhì)計進行測定[7]，雙絲像質(zhì)計的型號和規(guī)格符合GB/T 23901.5《無損檢測 射線照相底片像質(zhì) 第5部分：雙線型像質(zhì)計 圖像不清晰度的測定》的規(guī)定。雙絲像質(zhì)計的識別按照以下要求進行識別：

(1) 雙絲像質(zhì)計的識別和測量應在圖像上灰度均勻的區(qū)域內(nèi)進行，應使用不少于21行像素疊加平均。

(2) 按照圖4所示，在能夠清晰地分辨最細線對的影像處，按式(1)計算絲的可識別率R。

式中：ΔG為可分辨的最細線對的灰度差；BG為背景灰度。

(3) 當R>20%,即滿足邊緣分離大于20%的要求時，則這一線對可識別。

(4) 雙絲像質(zhì)計圖像中第一組不大于20%的線對，即為要求的最小分辨率。

圖4 雙絲像質(zhì)計可識別率圖示

依據(jù)標準NB/T 47013.11-2015，信噪比為圖像感興趣區(qū)域的信號平均值與信號標準差之比。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗中使用不同厚度(10,20,25,30,36,42,48 mm)的鋼板直焊縫進行射線透照，使用0505平板探測器進行成像。

2.1 透照10 mm厚鋼板焊縫

透照10 mm厚鋼板焊縫的影像如圖5所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，1 000 ms；疊加幀數(shù)，15;電壓,180 kV;電流,3 mA。由圖5可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第14號，線直徑0.160 mm。已知鋼板厚度為10 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為1.3%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為13號。此時0505探測器所測靈敏度為14號，高于標準1個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第8對，空間分辨率為3.125 lp·mm-1，不清晰度為0.32 mm，符合標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為71。

圖5 10 mm厚鋼板焊縫的透照圖像

2.2 透照20 mm厚鋼板焊縫

透照20 mm厚鋼板焊縫的影像如圖6所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，1 500 ms； 疊加幀數(shù)，20；電壓，230 kV ；電流，3 mA。由圖6可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第13號，線直徑0.200 mm。已知鋼板厚度為20 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為0.9%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為10號。此時0505探測器所測靈敏度為13號，高于標準3個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第8對，空間分辨率為3.125 lp·mm-1，不清晰度為0.32 mm，符合標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為80。

圖6 20 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.3 透照25 mm厚鋼板焊縫

透照25 mm厚鋼板焊縫的影像如圖7所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，2 000 ms； 疊加幀數(shù)，16；電壓，230 kV； 電流，3 mA。由圖7可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第13號，線直徑0.200 mm。已知管壁厚度為25 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為0.7%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為9號。此時0505探測器所測靈敏度為13號，高于標準4個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第7對，空間分辨率為2.5 lp·mm-1，不清晰度為0.40 mm，滿足標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為84。

圖7 25 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.4 透照30 mm厚鋼板焊縫

透照30 mm厚鋼板焊縫的影像如圖8所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，2 000 ms ；疊加幀數(shù)，24；電壓，240 kV；電流，3 mA。由圖8可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第11號，線直徑0.320 mm。已知鋼板厚度為30 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為1.0%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為9號。此時0505探測器所測靈敏度為11號，高于標準2個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第7對，空間分辨率為2.5 lp·mm-1，不清晰度為0.40 mm，滿足標準NB/T 47013.11-2015 要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為88。

圖8 30 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.5 透照36mm厚鋼板焊縫

透照36 mm厚鋼板焊縫的影像如圖9所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，3 000 ms； 疊加幀數(shù)，11；電壓，260 kV； 電流，3 mA。由圖9可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第11號，線直徑0.320 mm。已知鋼板厚度為36 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為0.8%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為8號。此時0505探測器所測靈敏度為11號，高于標準3個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第7對，空間分辨率為2.5 lp·mm-1，不清晰度為0.25 mm，符合標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為62。

圖9 36 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.6 透照42 mm厚鋼板焊縫

透照42 mm厚鋼板焊縫的影像如圖10所示。其透照參數(shù)為：單幀時間， 3 000 ms； 疊加幀數(shù)， 22；電壓，290 kV ；電流，3 mA。由圖10可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第10號，線直徑0.400 mm。已知鋼板厚度為42 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為0.9%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為8號。此時0505探測器所測靈敏度為10號，高于標準2個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第7對，空間分辨率為2.5 lp·mm-1，不清晰度為0.25 mm，符合標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為88。

圖10 42 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.7 透照48 mm厚鋼板焊縫

透照48 mm厚鋼板焊縫的影像如圖11所示。其透照參數(shù)為：單幀時間，4 000 ms； 疊加幀數(shù)，18；電壓，300 kV； 電流，2.9 mA。由圖11可見，影像可清晰識別單絲像質(zhì)計第10號，線直徑0.400 mm。已知鋼板厚度為48 mm，焊縫余高2 mm，可計算其靈敏度約為0.8%。根據(jù)標準NB/T 47013.11-2015可知，探測器應識別絲號數(shù)為8號。此時0505探測器所測靈敏度為10號，高于標準2個級別，完全滿足標準要求。影像可清晰識別雙絲像質(zhì)計第7對，空間分辨率為2.5 lp·mm-1，不清晰度為0.25 mm，符合標準NB/T 47013.11-2015要求。圖像肉眼觀察影像均勻，顆粒感較小，通過軟件計算圖像信噪比為85。

圖11 48 mm厚鋼板焊縫的透照影像

2.8 試驗數(shù)據(jù)分析

采用與以上相同的方法，分析透照其他厚度的焊縫鋼板得到的影像，將獲得的平板探測器性能參數(shù)進行整理，如表1所示。

表1 0505平板探測器性能參數(shù)

按表1數(shù)據(jù)，分別繪制靈敏度、分辨率、信噪比與鋼板厚度的關系，如圖12～14所示。

圖12 靈敏度與鋼板厚度的關系

圖13 分辨率與鋼板厚度的關系

圖14 信噪比與鋼板厚度的關系

2.9 試驗結(jié)果分析

通過分析不同厚度鋼板直焊縫透照成像的結(jié)果可得到，0505平板探測器的影像質(zhì)量滿足NB/T 47013.11-2015中關于靈敏度和空間分辨率的要求。由圖12可看出，探測器靈敏度在不同厚度鋼板下有比較明顯的變化；由圖13可看出，鋼板厚度在25～48 mm間時，空間分辨率保持不變；由圖14可看出，隨著鋼板厚度的變化，圖像整體信噪比的變化并不明顯。

3 探測器輻射損傷測試

為了解國產(chǎn)0505探測器的輻射損傷情況進行了輻射損傷破壞性測試，使用Smart300HP射線機和9 MeV加速器進行測試，保持探測器正常工作，采集圖像直到上半部圖像開始出現(xiàn)異常，亮場圖像灰度與暗場圖像灰度基本相當。在探測器輻射壽命測試過程中，探測器首次出現(xiàn)異常時，探測器接受X射線累積劑量相加為1.04×104Gray，滿足設計要求的1.0×104Gray。由于0505探測器設計工作最大電壓為300 kV,如果在這個條件下工作，探測器輻射損傷閾值應超過1.0×104Gray。

4 結(jié)論

0505平板探測器采集的影像質(zhì)量符合NB/T 47013.11-2015標準中關于靈敏度和空間分辨率的要求,滿足數(shù)字化檢測的要求，其性能達到了設計的指標要求。同時0505探測器還具備累積曝光功能，單次最大累積曝光時間為5 min。后續(xù)將圍繞測試0505探測器系統(tǒng)性能的指標進行試驗，包括探測器效率、壞像素、響應規(guī)律等，以進一步分析其性能從而改善設計，提升0505探測器產(chǎn)品的性能。

[1] 李金霞，楊旭，趙宏波.DR不同類型平板探測器性能的比較研究[J].中國醫(yī)學裝備，2011，8(8):25-27.

[2] 白玫，彭明辰.平板探測器X線成像系統(tǒng)圖像質(zhì)量分析[J].醫(yī)療設備信息， 2006，21(6)：1-3.

[3] 王鵬程，張富利，李士駿.兩種平板探測器X線攝影系統(tǒng)的成像劑量與成像質(zhì)量的比較研究[J].中華放射醫(yī)學與防護雜志,2006,26(4):94-97.

[4] 聶聰.不同平板探測器DR的比較研究[J].醫(yī)療設備信息，2007，21(4)：87-88.

[5] ASTM E 2597M-2014 實踐標準的數(shù)字探測器陣列制造表征[S].

[6] ASTM E 2698-2010 使用數(shù)字探測器陣列的射線檢測標準規(guī)范[S].

[7] NB/T 47013.11-2015 承壓設備無損檢測 第11部分：X射線數(shù)字成像檢測[S].

ImageTestofaDomesticFPD

WANGTengfang1,CHENHao1,2,WANGYuan1,2,LIYunjian3,HUDongcai1,2,YUXiangguo4,FANGZhiqiang4,LUYao4

(1.AppliedElectronicsResearchInstituteofCAEP,Mianyang621900,China;2.NationalX-RAYDigitalImagingInstrumentCentre,Mianyang621900,China;3.SichuanDPRITechnologyCo.,Ltd.,Mianyang621900,China;4.ShanghaiIRAYTechnologyCo.,Ltd.，Shanghai201210,China)

In a digital radiography system, the detector is a very important part. This paper uses domestic flat-panel detector 0505, and single-wall transillumination mode of straight weld steel plate to conduct the experiments. The performance of the detector is analyzed by comparing the sensitivity, resolution, SNR and other parameters according to the obtained results from the experiments and relevant standards. Comprehensive analysis found that this kind of detector was able to conform to the requirement of related standard of digital radiography on sensitivity and resolution. The results of study provide a reference in choosing a suitable detector for the construction of industrial CT systems or DR systems.

flat panel detector; performance; CT imaging; DR imaging; sensitivity; resolution; SNR

2016-12-05

王騰鈁(1989-)，男，碩士研究生，主要從事CT重建算法及工程應用研究

陳 浩(1978-),男，副研究員，主要從事核技術及應用研究,ultrablue@263.net

10.11973/wsjc201706006

TG

A

1000-6656(2017)06-0028-05