CN102572307A - 暗盒式数字化x线扫描成像板 - Google Patents

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Abstract

暗盒式数字化X线扫描成像板，属于信号采集与数字成像领域，其在成像板的正面中央位置有TDI-CCD感光狭缝，侧面位置有电源接口和数据输出接口，暗盒内部包含有TDI-CCD驱动模块、TDI-CCD输出信号处理模块、信号模数转换及USB传输模块。TDI-CCD驱动模块的输出端接TDI-CCD器件的输入端，TDI-CCD器件的输出端接TDI-CCD输出信号处理模块的输入端，TDI-CCD输出信号处理模块的输出端接信号模数转换及USB传输模块的输入端，信号模数转换及USB传输模块经输出接口输出图像数据。与传统的胶片成像相比，用此成像板成像时无需显影、定影的化学处理过程，减少了环境污染，而且成像时直接得到数字图像，便于进行图像的显示、后处理、存储和传输。

Description

暗盒式数字化X线扫描成像板
技术领域
本发明属于信号采集与数字成像领域，特别涉及了一种利用X射线直接数字化成像的成像板。 
背景技术
目前，探测X线的成像装置主要有胶片成像方式和IP板成像方式，其中，胶片成像方式对患者辐射量相对较大，成像时间和影像诊断时间较长，而且胶片需显影、定影的化学处理过程，会产生一定的环境污染。IP板成像方式是在胶片式成像方式的基础上改进而来的，IP板接收X线曝光后会形成潜影，然后将IP板送入激光扫描设备，通过激光扫描已曝光的IP板后即可得到图像数据，这种成像方式是一种间接数字化的成像方式。而本发明提供的暗盒式数字化X线扫描成像板是一种直接数字化成像方式，当暗盒成像板接收到X线照射后即可通过USB端口将图像数据输出给计算机，无需通过激光扫描设备，操作简单，应用范围更广，是一种真正意义上的数字化成像。 
本发明中探测X线的器件为延时积分电荷藕合器件(TDI-CCD)，它是基于对同一目标多次曝光累加，通过时间延迟积分的方法，增加光能的收集。与一般线阵CCD相比，TDI-CCD具有在不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度的性能，在低照度下通过时间延迟积分可获得高质量的图像信息，信噪比更高，且可大大减少所需X光的辐射强度。 
用TDI-CCD进行数字成像时，需要有TDI-CCD驱动模块、TDI-CCD输出信号处理模块以及信号模数转换及USB传输模块。每个模块都非常重要，TDI-CCD驱动模块给TDI-CCD芯片引脚提供一定的时序脉冲信号，驱动其正常工作；TDI-CCD输出信号处理模块针对TDI-CCD输出信号的特点进行必要的滤波、放大和直流电位的调节；信号模数转换及USB传输模块将处理后的模拟信号转换为数字信号，经USB输出，最终实现直接数字化成像。 
发明内容
为了实现X线的直接数字化成像，本发明提供了一种暗盒式数字化X线扫描成像板。在成像板的正面中央位置有TDI-CCD感光狭缝，侧面位置有电源接口和输出接口，暗盒内部包含有TDI-CCD驱动模块、TDI-CCD输出信号处理模块、信号模数转换及USB传输模块。TDI-CCD驱动模块的输出端接TDI-CCD器件的输入端，TDI-CCD器件的输出端接TDI-CCD输出信号处理模块的输入端，TDI-CCD输出信号处理模块的输出端接信号模数转换及USB传输模块的输入端，信号模数转换及USB传输模块经输出接口输出图像数据。 
所述的暗盒式数字化X线扫描成像板的外部尺寸为：长为200～328mm，宽为 150～178mm，厚度为14mm。 
所述的暗盒式数字化X线扫描成像板中所用的TDI-CCD型号为日本HAMAMATSU公司的S7199。 
所述的输出接口为USB2.0接口。 
所述的TDI-CCD驱动模块由晶振、CPLD器件、拨码开关电路、信号调理电路组成。其中，晶振为20MHz的有源晶振，CPLD器件是Altera公司MAX7000A系列EPM7512，拨码开关电路中选用的是10位拨码开关，信号调理电路由时钟驱动芯片DS0026组成。晶振为CPLD器件提供全局时钟，拨码开关电路的输出信号做为调节积分时间的控制信号接CPLD器件的输入端，CPLD器件输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接TDI-CCD器件的输入端。下载到CPLD器件中的程序用Verilog HDL语言编写而成。用CPLD器件产生TDI-CCD驱动信号的同时，也设计产生了信号模数转换及USB传输模块中所需的外部采样时钟信号和外部触发信号。 
所述的TDI-CCD输出信号处理模块由三级电路组成：第一级滤波放大电路、第二级信号直流电位调节电路和第三级信号次级放大电路。其中，第一级滤波放大电路由运算放大器AD744组成，第二级信号直流电位调节电路由运算放大器AD8045和滑动变阻器组成，第三级信号次级放大电路由运算放大器AD8045组成。TDI-CCD器件的输出端接第一级滤波放大电路的输入端，第一级滤波放大电路的输出端接第二级信号直流电位调节电路的输入端，第二级信号直流电位调节电路的输出端接第三级信号次级放大电路的输入端，第三级信号次级放大电路的输出信号作为信号模数转换及USB传输模块的输入信号。 
所述的信号模数转换及USB传输模块由模数转换器、FIFO存储器、FPGA器件和USB接口组成。其中，模数转换器采用AD9238芯片，FIFO存储器深度为128M字节，USB为USB2.0接口。TDI-CCD输出信号处理模块的输出信号作为模数转换器AD9238的输入信号，FPGA控制器控制触发模式和采样时钟的选择信号也作为模数转换器AD9238的输入信号，模数转换器AD9238输出端口接128M字节的FIFO存储器，FIFO存储器的输出端口接FPGA器件的输入端口，FPGA器件的输出端接USB2.0。 
本发明提供的暗盒式数字化X线扫描成像板在成像时可以有两种扫描方式：一是X线发射器和TDI-CCD保持静止，被照射物体以一定的速率定向运动；二是被照射物体保持静止，X线发射器和TDI-CCD围绕被照射物体以一定的速率，按照既定轨迹如直线或曲线进行运动。由于TDI-CCD的工作原理与普通线阵CCD的工作原理有所不同，它要求TDI-CCD的延时积分速率和被照射物体的运动速率或X线发射器运动速率要严格匹配，且TDI-CCD的延时积分方向和被照射物体的像移方向要相同，否则就得不到正确的图像信息。 为此，本发明中TDI-CCD驱动模块中设计了10位拨码开关电路来改变积分时间，从而改变TDI-CCD延时积分速率，实现了上述速率的匹配。 
本发明与现有的胶片和IP板成像装置相比具有如下优点及有益效果：与传统的胶片成像相比，用此成像板成像时无需显影、定影的化学处理过程，减少了环境污染，而且成像直接得到数字图像，便于进行图像的显示、后处理、存储和传输。与IP板式成像相比，用此成像板成像时，无需激光扫描读取设备，是真正意义上的直接数字化成像。而且，此成像板成像时所需X光辐射量小，成像速度快，灵敏度高，动态范围广，操作简单，可直接得到数字信号。此外，本发明可用于一般X线成像、物体非破坏性检验及直接数字化全景口腔成像系统，也可用于实现传统全景口腔系统中替换胶片或IP板的直接数字化升级。 
附图说明
图1为时间延时积分电荷耦合器件信号电荷转移结构示意图 
图2为积分时间可调的TDI-CCD驱动电路 
图3为TDI-CCD输出信号处理电路 
图4为信号模数转换及USB传输模块框图 
图5暗盒式数字化X线扫描成像板外观结构示意图 
具体实施方式
本发明提供了一种暗盒式数字化X线扫描成像板。下面结合附图进一步说明本发明的结构、工作原理、工作过程及具体实施方式。 
时间延时积分电荷耦合器件(TDI-CCD)的工作周期可分为感光阶段和信号电荷转移阶段。在感光阶段中，光敏单元进行感光，垂直移位寄存器暂不工作，水平移位寄存器中已保存有上一帧电荷信号，在P1H和P2H水平驱动脉冲的作用下，向串行输出端按顺序依次转移电荷，并在求和门控信号SG的作用下由OS端输出，同时复位脉冲RG清除水平移位寄存器中残余的电荷。在电荷转移阶段中，水平移位寄存器暂不工作，感光阶段存储于存储栅中的电荷信号转移到垂直移位寄存器中，信号电荷在垂直转移脉冲P1V和P2V驱动下，并行地在垂直移位寄存器中进行转移，并通过转移栅极将信号电荷转移到水平移位寄存器中，等待TDI-CCD进入下一次感光阶段，信号电荷的转移如图1所示。 
TDI-CCD正常工作所需要的十一路驱动信号都是由CPLD产生的，以水平驱动脉冲P1H为例，其产生和处理过程如图2所示。首先有源晶振产生全局时钟输入给CPLD，根据TDI-CCD对P1H的时序要求，用Verilog HDL编程实现，输出信号设为P1H，此时的P1H为TTL电平信号，必须利用时钟驱动芯片对其进行电平转换，本发明中采用芯片DS0026，其工作频率范围为5～10MHz，在驱动1000pF容性负载时上升时间可达20ns，并且具有宽 的输出电压范围，可达到20V。根据TDI-CCD对驱动信号电平的要求，将DS0026的正电源端接+3V，负电源端接-8V时，即可产生高电平为+3V和低电平为-8V的驱动信号。 
在TDI-CCD的输出信号中，存在着多种干扰和噪声，TDI-CCD输出信号处理模块目的就是滤除TDI-CCD输出信号中的噪声、提高信噪比，为后级电路提供高质量的图像信号。TDI-CCD输出信号处理模块中第一级电路由AD744组成，电路可实现滤波和初级放大功能。同时，为了满足后级信号模数转换及USB传输模块对输入信号电平的要求，用第二级和第三级电路来实现对信号直流电位的调节和次级放大，直流电位的调节通过滑动变阻器来实现，次级放大通过AD8045来实现。TDI-CCD输出信号处理电路如图3所示，输入信号OS，经三级处理电路后得到OS1。 
信号模数转换及USB传输模块中，主要包括A/D转换器、FIFO存储器、FPGA控制器和USB接口电路四部分，模块框图如图4所示。其中，外触发和外时钟是由TDI-CCD的驱动模块中的CPLD器件产生的，由FPGA控制器来控制触发方式和时钟信号的选择，TDI-CCD输出信号经信号处理模块后，输入给A/D转换器，图4中采集信号1即为TDI-CCD输出信号中的一路信号。当TDI-CCD的驱动模块接收到外部触发信号后，可无延时的触发其开始进行采集的数据，然而采集信号1进入模数转换模块后需要经过一定时间的延时后才开始进行A/D转换。故本发明中设计采用延时触发的方式，即可保证图像数据无误的实时采集、实时存储和实时传输。采集信号1被转换成数字信号后，最终经USB接口电路输出。 
本发明的暗盒式数字化X线扫描成像板外观结构图如图5所示，TDI-CCD的驱动模块、TDI-CCD输出信号处理模块、信号模数转换及USB传输模块都集成于暗盒中。暗盒外部尺寸为(200～328)mm×(150～178)mm×14mm，TDI-CCD感光狭缝尺寸为150mm×7.2mm。此外，暗盒包含有电源接口和USB2.0输出接口。 

Claims (7)

1.一种暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：其包括有暗盒成像板，在暗盒成像板正面中央位置有150mm×7.2mm的TDI-CCD感光狭缝，侧面位置有电源接口和USB2.0输出接口，在暗盒成像板内部包含有TDI-CCD驱动模块、TDI-CCD输出信号处理模块、信号模数转换及USB传输模块；其特征在于：TDI-CCD驱动模块的输出端接TDI-CCD器件的输入端，TDI-CCD器件的输出端接TDI-CCD输出信号处理模块的输入端，TDI-CCD输出信号处理模块的输出端接信号模数转换及USB传输模块的输入端，信号模数转换及USB传输模块经USB2.0接口输出数据。
2.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：所述暗盒成像板的外部尺寸为(200～328)mm×(150～178)mm×14mm。
3.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：所述TDI-CCD感光狭缝的尺寸为长150mm，宽7.2mm。
4.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：TDI-CCD驱动模块中，有源晶振提供全局时钟送入CPLD器件，实现时间积分可调功能的拨码开关电路也接CPLD器件的输入端口，CPLD器件输出端接信号调理电路的输入端，信号调理电路的输出端接TDI-CCD器件的输入端；拨码开关电路中选用的是10位拨码开关，信号调理电路中选用的是时钟驱动芯片DS0026。
5.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：TDI-CCD输出信号处理模块中，TDI-CCD器件的输出端接由运算放大器AD744组成的第一级滤波放大电路，第一级滤波放大电路的输出端接第二级由运算放大器AD8045和滑动变阻器组成的信号直流电位调节电路的输入端，第二级信号直流电位调节电路的输出端接第三级由运算放大器AD8045组成的信号次级放大电路的输入端，第三级信号次级放大电路的输出信号作为信号模数转换及USB传输模块的输入信号。
6.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：信号模数转换及USB传输模块中，将TDI-CCD输出信号处理模块的输出信号作为模数转换器AD9238的输入信号，FPGA控制器控制触发模式和采样时钟的选择信号也作为模数转换器AD9238的输入信号，模数转换器AD9238输出端接128M字节的FIFO存储器，FIFO存储器的输出端接FPGA器件的输入端，FPGA器件的输出端接USB2.0端口。
7.如权利要求1所述的暗盒式数字化X线扫描成像板，其特征在于：所用的TDI-CCD是日本HAMAMATSU公司的一款延时积分CCD器件S7199-01，通过拨码开关实现时间延时积分功能；所用的CPLD是Altera公司MAX7000A系列EPM7512；下载到CPLD中的程序使用的是Verilog HDL语言；用CPLD产生TDI-CCD驱动信号的同时，也设计产生了 信号模数转换及USB传输模块中所需的外部采样时钟信号和外部触发信号。 
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