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新型X光影像探测器及成像系统研究

作　者: 喻春雨
导　师: 常本康
学　校: 南京理工大学
专　业: 光学工程
关键词: X射线成像数字化X射线成像 X射线影像增强器微光像增强器调制传递函数光谱兼容性机场足部安检
分类号: O434.1
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在过去的一个世纪里，X射线成像技术经历了胶片—增感屏成像技术、影像增强器成像技术、计算机X射线成像技术、平板探测器成像技术和计算机层析扫描技术的历史发展过程，它在医学、检测和工业探伤等方面是功不可没的。在实时数字化的平片成像方面，国外近年来推出平板探测器成像技术，它具有视野大、成像性能好的优点，但是其价格昂贵，我国很少进口；我国较多进口法国和日本的X射线影像增强器来组装医用X射线成像机。它的价格也较高，成像视野不易制得很大，而且任一部分出现问题会使整管报废。因此，需要研制一种大视野、高质量、低成本的X射线影像探测器。基于我国对一种新型X射线影像探测器的需求和南京市科技局的《用于防恐安检的12″新型X射线影像增强器的研制》项目和江苏省科技厅的《具有可移动数字化X射线成像机》项目，本文设计了新型的X射线影像探测器并研制了X射线成像系统，其研究的主要内容如下：第一章主要介绍了X射线成像技术的原理及发展背景和本文研究的背景及意义。第二章详细介绍了本文X射线成像系统的设计思想和系统组成及设计理论。设计的重点是新型X射线影像探测器。建立了分辨率数学模型并对新型X射线影像探测器成像性能进行了理论分析；研究了探测器的组成器件之间的光谱匹配情况，对有效的利用光能起到重要的指导作用，从而提高图像质量；提出了X射线成像系统视频接收器件的分辨率所应达到的标准，以保证图像不失真地输出终端。第三章对本文设计的X射线成像系统的成像性能从图像对比度、分辨率、噪声三个方面进行了分析，分析的重点是图像分辨率。首先应用第二章建立的分辨率模型对系统的总分辨率进行了理论分析，找到了限制系统分辨率的瓶颈所在，并给出了解决的方法；应用调制传递函数对系统的成像性能进行了分析，并求得了系统调制传递函数曲线，分析结果和利用分辨率模型求得的结果相符；利用图像最佳放大倍数对系统的成像条件进行了分析，并结合变焦镜头，最大限度地降低几何模糊度，从而提高系统分辨率。第四章应用数字图像处理知识并结合本文图像的特点，讨论了有效改善图像质量的方法，有助于做好图像的后处理工作。第五章介绍了实时图像处理器的硬件设计和图像处理模块的设计。第六章介绍了本文设计的机场足部安检X射线成像系统，并将其与军区医院的X射线成像系统在组成、成像性能、视野和价格等方面进行了详细的比较。结果说明：设计的成像系统性价比远远高于军区医院的成像系统，并满足大视野成像要求，成像质量达到透视检测标准。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-23
  1.1 X射线成像技术  12-19
    1.1.1 X射线基本概念  12-13
    1.1.2 X射线成像原理  13-15
    1.1.3 X射线成像技术的发展与现状  15-19
  1.2 本文研究的背景和意义  19-21
    1.2.1 本文研究的背景  19
    1.2.2 本文研究的应用价值  19-20
    1.2.3 与本文有关的项目  20
    1.2.4 本文研究的设计方案  20-21
  1.3 本文研究的主要工作  21-23
2 X射线成像系统的组成及设计理论  23-52
  2.1 X射线源  23-25
    2.1.1 球管中的焦距  24
    2.1.2 球管的阳极特性和灯丝加热特性  24-25
  2.2 X射线滤线栅  25-26
  2.3 新型 X射线影像探测器  26-42
    2.3.1 传统X射线影像增强器  26-27
    2.3.2 新型X射线影像探测器结构组成  27-34
    2.3.3 光谱兼容性分析  34-38
    2.3.4 X射线影像探测器分辨率数学模型及理论值  38-40
    2.3.5 距离平方反比定律的应用  40-42
  2.4 视频采集及显示装置  42-47
    2.4.1 视频采集:装置-CCD摄像机  42-47
    2.4.2 显示器解析率要求  47
  2.5 X射线成像系统操控制台  47-48
  2.6 脚踏开关的红外线联动控制  48-50
  2.7 实时图像处理器  50-51
  2.8 本章小结  51-52
3 X射线成像系统成像性能研究  52-75
  3.1 图像对比度  52
  3.2 系统分辨率研究  52-70
    3.2.1 图像模糊的主要原因  52-60
    3.2.2 系统分辨率理论分析  60-63
    3.2.3 系统调制传递函数  63-66
    3.2.4 最佳放大倍数  66-70
  3.3 X射线成像系统噪声分析  70-73
    3.3.1 微光像增强器的噪声  70-71
    3.3.2 CCD摄像机噪声  71-72
    3.3.3 X光图像的量子理论分析  72-73
  3.4 本章小结  73-75
4 数字图像处理  75-87
  4.1 计算机数字图像处理  75-77
    4.1.1 视频信号的采样  76
    4.1.2 模拟采样信号的A/D转换  76-77
  4.2 实时图像处理器  77
  4.3 图像处理算法  77-86
    4.3.1 背景均一去本底噪声  78-79
    4.3.2 多帧累加去随机噪声  79
    4.3.3 图像对比度增强  79-86
  4.4 本章小结  86-87
5 实时图像处理器系统的硬件设计  87-102
  5.1 X光实时图像处理器的原理及设计思想  87-88
    5.1.1 X光图像处理器的原理框图  87
    5.1.2 X光图像处理器的设计思想  87-88
  5.2 图像处理流程  88
  5.3 实时图像处理器的硬件设计  88-92
    5.3.1 图像处理器的核心-FPGA的设计  88-89
    5.3.2 DSP引导加载的设计  89-90
    5.3.3 CPLD的设计  90-92
  5.4 图像处理器的软件实现  92-101
    5.4.1 FPGA功能模块的设计  92-96
    5.4.2 DSP的软件实现  96-101
  5.5 本章小结  101-102
6 机场足部安检X射线成像系统  102-106
  6.1 成像系统组成及工作原理  102-103
  6.2 系统成像性能  103-106
7 结束语  106-108
  7.1 本文的工作总结  106
  7.2 本文的创新点  106-107
  7.3 有待进一步研究的问题和发展建议  107-108
致谢  108-109
参考文献  109-115
发表论文情况  115-116
获奖情况  116

新型X光影像探测器及成像系统研究

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