CN1092877A - X射线透视仪、摄片装置以及成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明的X射线透视仪、摄片装置和成像系统， 包括一种发明人提出的采用X射线光阴极的平板型 X射线像增强器。这种透视仪显示的透视图像面积 大、畸变小、分辨率高，并具有足够高的亮度，因而可 以直接观察，而不必采用电视摄像机转换，由电视监 示器显示。加装上普通照相机可以由可见光底片实 现摄片功能。还可包括CCD摄像机、图像处理器、 激光打印机或计算机显示系统，进一步扩大应用功 能。这些设备或系统可广泛用于医疗、工业无损探伤 以及安全透视检查等。

Description

本发明涉及医疗和工业无损探伤应用的Ⅹ射线透视仪等设备和系统，特别是采用平板型Ⅹ射线像增强器的Ⅹ射线透视仪，Ⅹ射线透视摄片装置以及Ⅹ射线透视成像系统。

目前广泛应用的Ⅹ射线透视仪等设备均采用静电聚焦倒像式Ⅹ射线像增强器。这种Ⅹ射线像增强器如图4所示，包括一具有Ⅹ射线输入窗402的真空管壳401。真空管壳401的内部，与输入窗402相对配置弯曲基板403。在弯曲基板403与输入窗相反的另一侧表面上依次淀积着输入荧光屏404以及光电面405。还在真空管壳的输出侧配置了阳极406以及输出荧光屏407，并沿真空管壳内部的侧壁设置了聚焦电极408。这种增强器采用间接转换工作方式，即透过被照体的Ⅹ光子首先由输入荧光屏吸收，转换成可见光光子输出，此微弱的可见光光子流再经过可见光光电面转换成光电子。光电子在聚焦电极与阳极所构成的电子透镜的加速聚焦作用下，轰击输出荧光屏，在输出荧光屏上获得相对于Ⅹ射线透射像亮度增强5000-10000倍的可见光像。对于这种Ⅹ射线像增强器，其亮度增益来自于对光电子的加速和所输出的可见光像的缩小。这种输出图像是光电子像通过静电聚焦方式倒像转移到输出荧光屏上的，因而一般缩小100倍。这种图像大小，通常无法直接观察，其输出需用电视摄像管接收，在电视监视器上显示。因而，这类Ⅹ射线透视仪等设备缺点在于：（1）体积庞大，相当笨重，运用不便;（2）边缘图像像差较大，边缘畸变大于6%;分辨率较低，即使是中心处分辨率最好也仅为3-4lp/mm左右，通常只有2lp/mm左右;（3）制造极为复杂，成本高;（4）因下面提到的原因，Ⅹ射线摄片仍需另外的机构，不能直接对输出荧光屏的输出图像拍摄来实现摄片功能，因而无法用同一Ⅹ光机实现摄片和透视两种功能。

本申请发明人佘永正等分析上述缺点产生的原因，认为主要是与采用静电聚焦倒像式Ⅹ射线像增强器密切相关。而这种Ⅹ射线像增强器的低分辨率又是主要障碍。通常Ⅹ光底片的分辨率必须要达到8-10lp/mm才可以用于诊断依据。因此美国食品与药物管理局（FDA）迄今未认可上面所述的Ⅹ射线透视仪的输出图像可作为诊断依据。也正是基于这种原因，透视仪后的各级应用设备即使分辨率再高，也要受到其Ⅹ射线像增强器分辨率的“瓶颈”制约。例如，前面提及的摄片功能，尽管照相机以及所用的可见光底片分辨率远高于8-10lp/mm，但拍摄出的底片仍然无法用于诊断，大大降低了其应用价值。

本申请发明人佘永正等人发明的中国专利CN88102912中提出过一种平板型Ⅹ射线像增强器。这类Ⅹ射线像增强器在具有输入窗的真空管壳中设有光电阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间近贴聚焦。其中，光电阴极是将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阴极，Ⅹ射线光阴极与微通道板之间近贴聚焦。这类Ⅹ射线像增强器实现直接转换的工作方式，即从Ⅹ光子直接转换成光致电子，并且利用近贴聚焦，因而在保证有相当转换效率的基础上分辨率高，还具有体积小、工艺简单、正品率高、成本低等优点。

另外，本申请申请人在本申请同一天还提出了“平板型Ⅹ射线像增强器及其制造方法”的发明专利申请（发明专利申请号941＿＿＿），在此援引归并于本文。在该申请中，为进一步提高Ⅹ射线转换效率，抑制闪烁噪声以减小其对空间分辨率的影响，平板型Ⅹ射线像增强器采用一种改进的Ⅹ射线光阴极。它是一种复合Ⅹ射线光阴极。包括阴极基底和发射体层，发射体层由作为Ⅹ射线吸收体和光电子发射体的重金属层，透射次级电子发射体组成。此外，为了进一步提高Ⅹ射线尤其是高能Ⅹ射线的转换效率，以扩大Ⅹ射线像增强器在硬Ⅹ射线波段的应用，该发明还在微通道板输入端面一体形成有轻金属膜电极、细金属丝栅网和透射次级电子发射层。

本发明的一个目的在于提供一种采用平板型Ⅹ射线像增强器，体积小、成本低、便于运用且透视分辨高的Ⅹ射线透视仪。

本发明的另一个目的在于提供一种采用平板型Ⅹ射线像增强器，可以同时实现透视和摄片功能的Ⅹ射线透视摄片装置。

本发明还有一个目的在于提供一种采用平板型Ⅹ射线像增强器，可处理透视图像以进一步扩展应用功能的Ⅹ射线透视成像系统。

本发明的Ⅹ射线透视仪包括：工作电源;向待照体照射Ⅹ射线的Ⅹ光源，使透过被照体的Ⅹ射线透视图像变换为经增强的可见光图像的Ⅹ射线像增强器，其中上述Ⅹ射线像增强器是平板型Ⅹ射线像增强器，该增强器在具有输入窗的真空管壳中设有将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及Ⅹ射线光阴极与微通道板之间均近贴聚焦。

本发明的Ⅹ射线透视摄片装置包括：工作电源;向待照体照射Ⅹ射线的Ⅹ光源;使透过被照体的Ⅹ射线透射图像变换为经增强的可见光图像的Ⅹ射线像增强器;拍摄Ⅹ射线像增强器可见光图像的相机，其中上述Ⅹ射线像增强器是平板型Ⅹ射线像增强器，在具有输入窗的真空管壳中设有将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及Ⅹ射线光阴极与微通道板之间均近贴聚焦。

本发明的Ⅹ射线透视成像系统包括：工作电源;向待照体照射Ⅹ射线的Ⅹ光源;使透过被照体的Ⅹ射线透射图像变换为经增强的可见光图像的Ⅹ射线像增强器;将Ⅹ射线像增强器的可见光图像变换为图像电信号的摄像元件;对摄像元件所输出的图像电信号进行处理的图像处理电路，其中上述Ⅹ射线像增强器是平板型Ⅹ射线像增强器，在具有输入窗的真空管壳中设有将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及Ⅹ射线光阴极与微通道板之间均近贴聚焦。

根据本发明，Ⅹ射线透视仪由于采用平板型Ⅹ射线像增强器，入射图像（Ⅹ射线透射图像）与输出图像（输出荧光屏显示的可见光图像）尺寸比为1∶1，因此输出图像大，可直接观察输出荧光屏上的图像，无需象以往那样经电视摄像机转换再在监示器上将输出图像放大，所以这种Ⅹ射线透视仪价格远低于目前应用的透视仪。而且，Ⅹ射线像增强器采用近贴聚焦，因此无边缘畸变。图像分辨率可以做到与通常的Ⅹ光底片分辨率相近。Ⅹ射线透视摄片装置由于采用平板型Ⅹ射线像增强器，可以由普通相机和可见光底片直接摄取该增强器的可见光图像，从而达到Ⅹ光机同时具备透视和摄片两种用途的目的。Ⅹ射线透视成像系统由于采用平板型Ⅹ射线增强器，其输出图像分辨率得到提高，而可以被进一步处理用于各种扩展的应用功能。

本发明上述以及其它目的、特征和效果通过以下参照附图对实施例的说明将更为清楚。

图1是本发明第一实施例Ⅹ射线透视仪的样机图。

图2是本发明第二实施例Ⅹ射线透视摄片装置的局部结构图。

图3是本发明第三实施例Ⅹ射线透视成像系统的示意图。

图4是目前应用的静电聚焦倒像式Ⅹ射线像增强器的示意图。

以下先说明本发明中应用的平板型Ⅹ射线像增强器。

典型的平板型Ⅹ射线像增强器是一个采用Ⅹ射线光阴极、微通道板和显示荧光屏的真空器件。Ⅹ射线光阴极和微通道板之间以及微通道板和显示荧光屏之间电子都是近贴聚焦。

前面提及的同日提交的专利申请中，本申请发明人佘永正等对这类现有的平板型Ⅹ射线像增强器的进一步研究表明，显示荧光屏所出现的闪烁噪声来自微通道板内电子增益的指数式脉冲幅度分布。这是因为在单个通道内电子是在电场加速下通过与通道内壁多次碰撞而获得倍增的。若吸收一个Ⅹ光子只产生一个光电子并进入单根通道，由于倍增过程的统计特性，每次入射的单个光电子产生的电子增益不是常数，而是呈指数形式变化，因而在显示荧光屏上显现为亮度的变化，即闪烁噪声。若同时入射于同一通道的光电子数不是一个而是多个，则指数分布形式将改变而趋于平缓，从而使闪烁噪声降低。当代表吸收一个Ⅹ光子事件所产生的同时进入同一通道的光电子数（包括初光电子和次级电子）大于20时，微通道板的闪烁噪声将被抑止。因此，为消除闪烁噪声，需提供一种倍增机制使Ⅹ射线光阴极每吸收一个Ⅹ光子后产生的光电子数大于（或等于）20，也就是说，需要提高Ⅹ射线的电子转换效率。

根据这一思想，对现有的平板型Ⅹ射线像增强器提出了改进，主要是在铝箔支撑层（简称铝层）上淀积了重金属层，作为Ⅹ射线吸收体和初光电子发射体。在重金属层上再淀积一透射次级发射体。重金属层吸收Ⅹ光子产生的高能初光电子由透射次级电子发射体倍增，这样将使同时进入微通道板同一通道的电子数增加，从而减小由于通道中电子增益呈指数式脉冲高度分布引起的闪烁噪声，同时Ⅹ射线光阴极灵敏度增高，在高能Ⅹ光子范围尤为明显。

为了进一步增加进入微通道中的电子数，在微通道板的输入端面增加轻金属膜电极，细金属栅网和透射次级电子发射层，其制作方法是在细金属丝栅网上覆盖一层薄金属膜，在轻金属膜上栅网一侧淀积透射次级电子发射层。该透射次级电子发射层既是重金属层和透射次级电子发射体产生的光电子及次级电子的透射次级电子发射倍增极，还可以进一步作为入射Ⅹ射线的吸收体，并在其中产生高能初光电子及次级电子。透射次级电子发射体和轻金属膜间距小于0.4毫米，使之近贴聚焦。因而使进入同一通道的电子数进一步增加，有利于进一步降低微通道板的闪烁噪声，同时进一步提高Ⅹ射线光阴极灵敏度。制备于微通道板输入端通道内壁的密度从内壁到外表面逐渐降低的次级电子发射层将进一步提高Ⅹ射线像增强器的灵敏度。

改进的平板型Ⅹ射线像增强器经实验证明，可以直接将Ⅹ射线图像转换成电子图像，在宽的Ⅹ射线波段内均具有更高的灵敏度，而且闪烁噪声明显抑止，同时具有良好的空间和时间分辨率。

下面将说明应用上述平板型Ⅹ射线像增强器的Ⅹ射线透视设备或系统。从以下说明不难知道，正是上述平板型Ⅹ射线像增强器在分辨率、Ⅹ射线电子转换效率、灵敏度等诸方面性能得到了充分提高，才得以使这些应用成为可能和更为广泛。

图1是本发明第一实施例Ⅹ射线透视仪的样机图。110是样机机架，可以在地面上移动，并且能够实现Ⅹ光源116和Ⅹ射线像增强器114的前后、升降运动。112是C臂，用于固定Ⅹ光源116和Ⅹ射线像增强器114，并可使它们同时作360°旋转运动。Ⅹ光源116可以是Ⅹ光管或放射性同位素源。若采用同位素源就不再需要Ⅹ光源供电电源，有利于实现小型化。在这种情况下，通常同位素源剂量小，Ⅹ射线像增强器最好采用如上所述的改进的、Ⅹ射线电子转换效率高的像增强器。111是向Ⅹ光源116（本实施例中采用的是小型Ⅹ光管）以及平板型Ⅹ射线像增强器114提供各种高低电压的工作电源。115是观察罩，人眼可以由此直接观察透视图像。观察罩115端口上有螺纹，如后面将会提到的，可以与CCD摄像机或普通照相机配接。117是Ⅹ光源116出射处的准直器，在准直器内端加有滤波器，即一种Ⅹ射线半值层厚度为3-7mm的铝层，具体厚度视Ⅹ光管靶压而定。Ⅹ光源116中具有双层铅防护罩，使出射的主射线只能通过准直器117落到像增强器114的有效视场范围内，使得泄漏的Ⅹ射线极低。这里所采用的平板型Ⅹ射线像增强器其有效直径可以根据需要为4吋、6吋、8吋或更大。这种透视仪图像面积大，畸变小，分辨率高，并且具有足够的亮度，因而可以直接观察像增强器显示的较清晰的透视图像。这一特点是现有透视仪无法做到的。另外，这种透视仪由于具备这些优异性能，因而也为以下说明的应用提供了良好的基础。

图2是本发明第二实施例Ⅹ射线透视摄片装置的局部结构图。本实施例利用第一实施例中的Ⅹ射线透视仪，在Ⅹ射线像增强器214之后加装一普通照像机231，该照相机231直接拍摄平板型Ⅹ射线像增强器214的可见光输出图像。由于平板型Ⅹ射线像增强器214具有高空间分辨率，输出的可见光图像分辨率与Ⅹ光底片相近，照相机及其所用的可见光底片分辨本领又远高于Ⅹ光底片，因此拍出的缩小的照片仍十分清晰，与Ⅹ光底片相近。照相机231如图2所示通过观察罩内壁的前述螺纹以及匹配的接圈232与像增强器214相接，而且接圈232长度为某一固定长度，以便两者距离正好使像增强器上显示的透视图像清晰地成像于照相机231的可见光底片上。这样，拆装照相机就能很方便地使同一个透视仪可分别用于透视观察和摄片。而且摄片后的底片处理过程方便，摄出的底片较Ⅹ光片小，容易保存，而且价格低廉。底片置于投影机上即可获得得清晰放大的图像，读片相当简便。

图3是本发明第三实施例Ⅹ射线透视成像系统的示意图。本实施例是在第一实施例中Ⅹ射线透视仪的基础上加装摄像元件，一般是CCD摄像机，也可以采用高分辨率电视摄象机。该摄像机按第二实施例所述方式配接在观察罩上。摄像机320摄取像增强器（图3中未图示）所显示的可见光图像，将变换出的光电信号送至一图像处理电路321。图像经它处理后，可以送给打印机（或激光打印机）322使之打印输出透视图像;或者送给显示器325或监视器324以连续显示或定格显示透视图像;或者输入微机显示，或由光盘驱动器323将透视图像存储于光盘中加以保存;或者经电话线326等通信设备和网络作远距离传输。另外，图像处理电路321还可以实现以下功能：控制输入图像的对比度和亮度;对数帧电视图像进行实时平均以消除噪音背景;自动或手动调节对比度;用彩色显示器进行假彩色的颜色对比度增强;实时变焦直到细致地观察单个像素;增强单个像素或线性轮廓;测定被检物长度或面积;实时边缘图像增强;各种数字滤波以增强细节;屏幕显示字符等。这种透视成像系统大大扩展了应用功能，尤其是可以实现无底片的Ⅹ射线图像存储、管理系统和准实时地远距离传输Ⅹ射线图像的功能，代表着Ⅹ射线透视成像系统未来的发展方向。

以上叙述的仅是本发明示范性实施例，但本发明可以有多种变化均可加以实施，它们应由后面所附的权利要求书限定。

Claims (10)

1、一种X射线透视系统包括：工作电源；向待照体照射X射线的X光源；使透过被照体的X射线透射图像变换为经增强的可见光图像的X射线像增强器，其特征在于所述X射线像增强器是平板型X射线像增强器，它在具有输入窗的真空管壳中设有将X射线直接转换成光电子的X射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及X射线光阴极与微通道板之间均为近贴聚焦。

2、一种Ⅹ射线透视系统包括：工作电源;向待照体照射Ⅹ射线的Ⅹ光源;使透过被照体的Ⅹ射线透射图像变换为经增强的可见光图像的Ⅹ射线像增强器，其特征在于还包括：拍摄Ⅹ射线像增强器可见光图像的相机，其中所述Ⅹ射线像增强器是平板型Ⅹ射线像增强器，它在具有输入窗的真空管壳中设有将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阻极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及Ⅹ射线光阴极与微通道板之间均为近贴聚焦。

3、一种Ⅹ射线透视系统包括：工作电源;向待照体照射Ⅹ射线的Ⅹ光源;使透过被照体的Ⅹ射线透射图像变换为经增强的可见光图像的Ⅹ射线像增强器，其特征在于还包括：将Ⅹ射线像增强器的可见光图像变换为图像电信号的摄像元件;对摄像元件所输出的图像电信号进行处理的图像处理电路，其中所述Ⅹ射线像增强器是平板型Ⅹ射线像增强器，它在具有输入窗的真空管壳中设有将Ⅹ射线直接转换成光电子的Ⅹ射线光阴极、起电子倍增作用的微通道板、以及输出荧光屏，微通道板与输出荧光屏之间以及Ⅹ射线光阴极与微通道板之间均为近贴聚焦。

4、如权利要求1-3任一项所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于Ⅹ射线光阴极可直接制备于微通道板输入面上。

5、如权利要求1-3任一项所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于Ⅹ射线阴极是一种复合Ⅹ射线光阴极，包括阴极基底和发射体层，发射体层由作为Ⅹ射线吸收体和光电子发射体的重金属层，透射次级电子发射体组成。

6、如权利要求1-3任一项所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于所述微通道板在其输入端面一体地形成有轻金属膜电极、细金属丝栅网和透射次级电子发射层。

7、如权利要求1-3任一项所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于所述微通道板输入端的通道内壁形成有密度自内壁向其表面逐渐降低的次级电子发射层。

8、如权利要求1-3任一项所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于所述输入窗为钛箔、铝箔、可伐合金箔和平面玻璃中的任意一种。

9、如权利要求3所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于所述图像处理电路是包含模数变换器和图像存储器的微机，所述系统还至少包括与该微机相连的以下任意一种外设：用于打印输出透视图像的打印机;用于实时连续显示或定格显示透视图像的显示器;用于保存透视图像的外部存储器;用于远距离传输透视图像的通信装置。

10、如权利要求3所述的Ⅹ射线透视系统，其特征在于所述图像处理电路至少包括以下任意一种模块;对图像的对比度和亮度进行控制的对比度和亮度运算模块;对数帧图像进行实时平均以消除噪音背景的实时平均运算模块;对图像数据进行数字滤波以增强细节的数字滤波模块;对图像进行假彩色的颜色对比度增强模块。

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