医用X射线CCD探测器的系统设计

摘要：医用X射线CCD探测器采用了KAF-09000面阵CCD作为图像传感器。详细介绍了闪烁体荧光屏与镜头的选择、CCD的数据采集、千兆以太网在数据传输上的运用。经过一系列的测试分析，性能指标达到临床诊断要求，并优于国外同类产品。

关键词：探测器;驱动时序;千兆以太网

引言

数字化直接射线摄影DR，具有图像传输速度快、图像分辨率高等一系列优势，逐渐成为DR发展的主导方向，并获得各方的肯定[1]。探测器是DR的重要部件，其作用是将X射线穿透人体组织的数字图像信息传输到医学工作站。为了不断提高国内医用X射线CCD探测器的技术水平，研制出基于KAF-09000的医用X射线CCD探测器，与国外探测器进行横向对比，其性能参数指标优于国外产品。

1 CCD探测器系统简介

医用X射线CCD探测器系统比较复杂，一般包含机械系统、光路系统、CCD芯片、CCD驱动电路及图像采集与存储、千兆以太网数据传输、半导体制冷、温度控制等一系列部件构成。

2 光学系统简介

2.1 闪烁体荧光屏选择

閃烁体荧光屏是将X射线转变为可见光的介质。CCD探测器主流闪烁体主要分为两类：碘化铯与硫氧化钆。从转换效率来看，硫氧化钆要高于碘化铯，但由于硫氧化钆无法控制散射，实际使用较少。碘化铯由于是针状晶体，能够将较高的热量积蓄并迅速散发出去，从而延长了闪烁体的寿命。因此本系统设计闪烁体采用碘化铯。

2.2 镜头选择

镜头用于将X射线闪烁体产生的荧光图像传输至CCD芯片上的X射线数字成像系统。由于荧光图像的亮度低，要求镜头具有极强的聚光能力，因此需要相对孔径大的镜头。该镜头使用大量低色散高品质的光学玻璃，采用多层高增透镀膜及完善的镜筒内部清杂散光处理。在无渐晕相对孔径为0.92的调节下，在56lp/mm时1视场的调制传递函数在0.3以上，0.9视场的调制传递函数在0.4以上。

3 电子系统设计

3.1大面阵CCD传感器简介及AD采集

本医用X射线CCD探测器的CCD芯片采用ON的KAF-09000是有效像元数为9.3M的高性能的帧转移面阵CCD图像传感器。具有高灵敏度的透明栅极电极、高分辨率、高量子效率、低噪声结构、宽动态范围等优点。

AD9826是亚德诺的一款针对CCD的低功耗单通道AD转换器，包含15 MSPS的CDS、PGA、16位采样率。AD9826的工作时序由相关双采样驱动时钟和模拟数字转换时钟两方面构成。本设计选用的是Xilinx的XC6SLX25。先进行VHDL编程和编译后，再使用ISE内置仿真器ISim进行设计功能的功能仿真、综合仿真、布线后仿真，从而验证系统的最终可行性。

3.2 千兆以太网数据传输

CCD探测器采用千兆以太网的方式与医学工作站软件进行图像数据通信，采用这种方式要比USB通信方式传输距离长、传输速率更高;比光纤通信方式使用更方便。

千兆以太网通信由FPGA、以太网收发器、RJ45网络接口以及其他一些外围电路等构成。本设计中以太网收发器采用88E1111芯片。MAC控制器采用FPGA内部集成的IP核。FPGA编程实现UDP协议发送图像数据，当检测发现传输丢帧时重新传输，直到图像所有数据正确完整的传输。

3.3 温度数据采集

CCD探测器为实现高质量图像的要求，因此CCD芯片必须在低温下工作。本设计采用了半导体制冷器件，CCD芯片与半导体制冷元件处于密封的腔体中。半导体制冷元件位于密封腔体的边缘，其冷端通过紫铜块将低温传递至CCD芯片处，半导体制冷元件的热端装配风扇加以散热，以维持CCD芯片保持持续的低温状态。FPGA采集密封腔体内部温度传感器的温度数据，最终通过千兆网传输给工作站软件。在CCD探测器处于非成像采集和传输的情况下，可获取CCD芯片处的制冷温度数据。

4 医用X射线CCD探测器性能参数

4.1 图像噪声

图像噪声一般由读出噪声和热噪声构成[2]。读出噪声一般由系统电路的运行频率和电路原理决定，而热噪声则主要由 CCD器件自身性能如曝光积分时间及工作温度有关，两者必须分开定型定量测试、分析总结来不断优化系统设计以提高探测器的图像质量。

本探测降低读出噪声的方法是每次有效触发CCD曝光时，先关闭快门采集一帧暗场图像数据，再打开快门曝光有效的人体组织图像数据，最后将获得的人体图像减去之前的暗场图像数据，这样去除了图像背景噪声。

当CCD的工作温度每降低7摄氏度，CCD的热噪声便会降低50%。所以本探测器降低热噪声的方法是将半导体制冷器件处的CCD芯片在零下10摄氏度工作，同时做好防结露设计。

4.2 千兆以太网传输速度

采用千兆以太网SmartBits测试仪，KAF-09000在 4M 的采样速率下千兆以太网的传输速度约为 80MByte/s，满足CCD每帧图像18M Byte传输图像的要求。

4.3 与国外同类产品对比

探测器参数性能数据见图1。

根据拍摄人体胸片的RAW图像文件对比，图2为QXR-9探测器图像，图3为自研D900A探测器图像。韩国Vieworks的QXR-9探测器未能将肺纹理很好的拍摄出来，同时图像噪点大，图像发白。而自研D900A探测器的图像整体效果对比度比较好，一些细小的纹理清晰可见，胸椎及膈肌部位效果也比较好。从测试数据和临床人体图像可看出自研D900A探测器具有较低的图像噪声、较高的图像分辨率、较优的图像动态范围等一系列优点。

5 总结

自研X射线D900A探测器的经过从光学系统的闪烁体和镜头的选型，电子系统的软硬件的设计调试等研发过程。经过一系列的测试分析，性能指标达到临床诊断要求，并优于国外同类产品。

参考文献

[1]南京普爱医疗设备股份有限公司.《数字化U型臂X射线摄影系统技术报告》.2011.

[2]张大海， 姚大志.高速科学CCD Camera系统设计[J].光电工程， 2005 1～6.