射线探测器是射线数字成像系统中的关键器件，探测器性能很大程度上决定了成像系统的图像质量[1-2]。成像过程为间接转换形式的射线探测器，多采用类似三明治的内部结构，其优点在于结构紧凑、不存在几何畸变。通常三明治结构上层为射线荧光物质[3]，将X射线转化为可见光；中层为a-Si:H光电二极管的感光单元阵列，将可见光转化为电子；下层为薄膜晶体管(Thin Film Transistor, TFT)集成电路，将每一感光单元对应的电荷读出，经模数转换器(Analog to Digit, A/D)转换后形成数字图像。目前，数字射线探测器中常用的荧光材料有Gd2O2S(Tb)和CsI(Tl)，两种荧光材料经射线辐照后会发出绿色可见光：Gd2O2S(Tb)在胶片照相时用作增感屏材料，其晶体为粉末状分布，具有较高的光转换效率；CsI(Tl)晶体结构多采用化学气相沉积技术制成，晶体排列为针状，可有效降低射线探测时的串扰。制造数字射线探测器时，需要综合考虑探测效率、分辨能力两个指标并进行一定取舍；科研人员不断进行技术探索，如采用更适合的荧光转换材料[4-5]、制作更加结构化的荧光晶体[6]，以提升探测器的成像性能。
数字射线探测器在实际使用前，应进行校正处理，以解决射线探测器中各个探测单元输出不均匀一致的问题[7-9]。探测器经有效校正后，可很大程度上抑制结构噪声[10]，提高图像的信噪比，提升缺陷的检出能力[11]；换言之，若探测器校正不好，射线检测中缺陷漏检率将明显增加。因此，射线探测器的校正效果对于保障射线检测的灵敏度具有重要意义。通常对探测器校正时的射线能量较低，而实际检测时探测器接收的射线能量较高，这种能量差异会引起射线检测图像质量的降低。梁丽红等[7, 11]提出了等效能谱方法、二次校正方法：在校正探测器时采用无缺陷的高密度材料，可使探测器校正时的射线能量与工件透照时的射线能量相一致；二次校正方法旨在解决超出成像系统线性范围后引起的亮度不一致问题。Jensen等[12]进行了试验分析，指出X射线源对于射线面阵探测器性能有重要的影响，因射线能谱的变化导致了探测器使用性能的改变。针对射线探测器校正状态依赖于射线源与探测器间距离的问题，Yu等[13]提出了一种迭代计算方法，可依据最小、最大距离下两种探测器的校正状态，提取出特定距离下的探测器校正参数。对于射线成像系统而言，实际射线检测中，检测对象多种多样，探测器校正参数也各异，校正后的探测器在使用中不时会出现不稳定状态，导致射线检测图像质量不可控或严重劣化。本文分析了影响探测器校正性能的要素，通过试验开展探测器校正方法的优化研究，以探索改善探测器校正性能的方法，从而为射线检测图像质量的稳定可控提供有效保障。
1 数字射线探测器的校正方法 1.1 射线探测器的校正程序一般校正数字射线探测器按如下程序进行：1)在没有射线辐照情况下获取探测器暗电流输出，作为偏移量数据(Ioffset)；2)在一定射线辐照时获取探测器输出，作为增益输出数据(Igain)；3)由探测器的Ioffset和Igain，计算探测器校正因子(k)；4)通过校正因子，对射线检测时的探测器响应I进行校正，得到校正后的结果(Ical)；5)对探测器中存在的坏像素，采用邻域插值方法进行校正。
如射线探测器的A/D转换为16位（输出最大灰度值为65535），其校正因子计算如下：
| $ k\left( {i, j} \right)\frac{{{2^{16}}-1}}{{{I_{{\rm{gaub}}}}\left( {i, j} \right)-{I_{{\rm{offset}}}}\left( {i, j} \right)}} $ | (1) |
式中：(i, j)代表图像数据的行与列坐标值。
未做校正前，探测器在射线辐照下的输出为I，经校正处理后，对应结果为[14]：
| $ {I_{{\rm{cal}}}}(i, j) = \left[{I(i, j)-{I_{{\rm{offset}}}}(i, j)} \right] \times k(i, j) $ | (2) |
如果探测器响应I与Igain相同，则通过式(2)计算后，输出为射线探测器的最大灰度值。
在探测器制造过程中，电子元器件、荧光材料的制备环节会产生不良响应，或无响应的探测单元，被称为坏像素[15]（包括单个坏像素、成行坏像素、聚集坏像素等）；对于特定的探测器而言，坏像素的状态相对固定，坏像素的位置分布一般由生产厂家提供，如探测单元被标明为坏像素，则无需再计算校正因子，而是通过对其邻域完好像素的响应进行插值获取其输出值。因此，射线探测器的校正过程，关键是对每一探测单元确定出校正因子，少量坏像素的存在并不直接影响校正结果。
从式(2)得出，校正因子对射线探测器的校正处理有重要影响。由式(1)可知，影响校正因子的因素有两个，分别为探测单元的偏移量数据和增益输出数据。在没有射线辐照情况下，偏移量数据主要源于电子噪声，这一数值基本上不存在较大的变化，应在一个较小的范围内有所波动。而增益输出数据则受到射线辐照量的影响，其值高低取决于探测单元接收到的射线能量和强度。因此，探测器的校正因子或者说探测器的校正处理主要受到增益输出数据的影响。
1.2 射线探测器的信号转换过程对成像过程为间接转换形式的射线探测器而言，接收射线形成数字图像的过程包括6个阶段：射线入射、射线吸收、射线转换为可见光、光发射、光耦合和光电转换。探测器中的荧光材料吸收入射的射线后，发射荧光产生光量子；荧光材料对射线光子吸收效果越好，则成像过程中得到的光量子越多；探测器中这一信号转换过程的效果可通过量子转换效率(Detective Quantum Efficiency, DQE)进行评价。
射线探测器中荧光材料的发光效果[5]与荧光材料厚度(w)和入射射线能量(E)有关。
| $ {\psi _\lambda }{\rm{ = }}\int_0^E {\psi (E)\eta (E){\eta _{\rm{c}}}} \int_0^\psi {{{\bar \psi }_Q}{{\bar g}_\lambda }{\rm{d}}w{\rm{d}}E} $ | (3) |
式中：ψλ为荧光材料的发射光谱；ψ(E)为射线能谱；η(E)为特定射线能量下的荧光材料的吸收效率；ηc为荧光材料吸收射线进行光转换的比例；
综上所述，从射线探测器的信号转换过程来看，增益输出数据或探测器在特定射线辐照下的输出，取决于入射的射线能谱、探测器内荧光材料特性、光电元件的转换效果等因素。因此，射线能谱特性会对射线探测器的校正效果产生重要的影响。
2 优化射线数字探测器校正方法的试验射线数字探测器校正效果很大程度上影响到射线检测的图像质量，因探测器校正不合适，会导致检测图像中出现明显异常，如灰度不均匀、噪声增加、信噪比降低。如何对射线数字探测器进行合理校正，是应用数字射线成像技术时需要着力解决的一个重要问题。
针对数字射线成像中探测器校正方法的优化技术进行了试验研究。射线探测器为美国PerkinElmer公司的面阵列探测器，探测器的像元尺寸为0.2mm，像元数为1024×1024（除去部分边缘像元，有效输出数为1000×1000），A/D转换位数为16位；射线机最高电压为450 kV，焦点尺寸为1.0 mm；射线检测系统采用π型臂的操作方式，保证射线源与探测器中心对正并使两者间距可调。射线检测系统如图 1所示。
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图 1 射线检测系统示意图 Figure 1 Sketch of radiographic testing system |
从式(1)可知，校正射线探测器时只需一个增益输出数据即可。对这种单点校正处理的可靠性进行了试验分析，如表 1所示。选取的增益输出量值的高低影响到后续的探测器校正，对增益输出量值如何影响校正效果进行了试验分析，如表 2所示。
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表 1 校正的可靠性分析 Table 1 Credibility test on calibration of detector |
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表 2 增益输出量值影响校正效果的分析 Table 2 Effect test of gain output data on calibration of detector |
从式(3)可知，射线光谱特性将对射线探测器的校正效果产生重要的影响。对于不同射线能量下探测器校正效果进行了分析，情况如表 3所示。
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表 3 射线能量影响校正效果的分析 Table 3 Analysis of effect of X-ray energy on calibration of detector |
在按照表 1-3进行试验时，射线源距离探测器为1200 mm，射线机窗口前没有放置任何滤板、光阑。试验中，射线探测器采集成像的积分时间、内部增益参数的设定均保持一致。
3 结果分析 3.1 单点校正的可靠性射线探测器输出与射线强度间存在较好线性关系，是对探测器进行单点校正的前提。为检验射线探测器输出与射线强度间的线性关系，依照表 1进行了试验。
在75 kV、9.0 mA的校正条件下，使用75 kV、8.0 mA的射线透照参数，获取的射线检测图像如图 2所示。直观来看，校正后的图像灰度很均匀。
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图 2 探测器校正后输出图像 Figure 2 Calibrated image from digital detector array |
在图像中心及其四周设定了5个矩形评定区域，区域大小为200×200；区域0与其余4个区域的水平间距、垂直间距保持为220。
对表 1对应的试验结果图像，分别计算图像中心区域（区域0）的平均灰度值，然后将图像灰度值与射线透照参数进行线性分析，结果如图 3所示。经校正后，射线探测器的输出灰度与射线透照参数存在良好线性关系；另外，探测器输出图像整体上灰度很均匀，5个矩形区域的平均灰度值几乎没有差异。在对探测器进行校正时，所用的射线能量有所不同，但对应探测器输出仍保持高度线性。
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图 3 射线探测器输出的线性度测试结果 Figure 3 Linearity between radiant exposure and detector's output |
按表 1试验时，生成了三个校正文件(*.rg)，每个校正文件内均包含了相应的偏移量数据和增益输出数据。依据图 1中线段所示的位置，在校正文件的图像中取中心部位的一行，获得不同校正条件下探测器的偏移量值和增益输出数值，如图 4所示。
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图 4 校正文件的数据(a)偏移量值，(b)增益输出值 Figure 4 Line profile analysis in the calibration file (a) Offset value, (b) Gain value |
图 4(a)为探测器中心一行像元的偏移量数值。理想情况下，探测器像元的偏移量数据应大致相同，因其与射线辐照量无关。从图 4(a)可知，三种校正条件下的偏移量数值整体表现出较强的随机性，位置在50~150处的探测单元的偏移量数值相对稍高些。校正条件为75 kV、100 kV时，探测器像元输出的偏移量数值基本一致，这符合预期。但校正条件为150 kV时，探测器像元输出的偏移量数值却稍有增加（探测器进行增益校正时需承受一定的射线辐照，可能辐照后探测器内部状态有少许变化）。
图 4(b)为探测器中心一行像元的增益输出数值。从图 4(b)可看到，因探测器制造单元的不同、射线辐照场强分布的不同，探测器像元的增益输出量区别明显。所用探测器阵列（型号为XRD0820）由多块宽度相同的较小面板拼接而成，每块面板的宽度为128像素；在图 4(b)曲线中可明显看到，因探测单元拼接而形成的信号不连续现象。因射线机管电压的差异，探测器接收的射线能谱特性不同，探测像元的输出特性相应改变。总的来看，探测器中心一行像元的增益输出呈现为非线性特征。
综合图 4与图 3可知，虽然探测器像元的输出具有随机性、非线性的特点，但通过校正处理后却能够获取均匀的响应输出；对探测器进行校正时虽然只测量了一个射线辐照量，但在很大范围内能够将探测器对射线辐照的响应校正为均匀值，且探测器校正值与射线辐照量间呈现线性关系。表明采用单点校正方式能够可靠保证探测器的校正效果，不同射线能量下探测器仍可保持线性输出。
3.2 增益输出量值对校正效果的影响依据表 2进行试验，分析了增益输出量值高低对于探测器校正结果的影响。在相同75 kV的射线机管电压下，校正程序第二步所获取的增益输出数据随射线机管电流的不同而有所差异：射线机管电流为9.0 mA时获得的增益输出量值较高，灰度值范围45000~54000；管电流为5.0 mA的增益输出量的灰度值范围27000~32000；管电流为2.5 mA时增益输出量较低，灰度值范围16200~18200。
增益输出量值高低对探测器校正后图像灰度值的影响结果如图 5(a)所示。从中可明显看出，校正时选取增益输出量值高低不同，但探测器校正后仍可保持线性输出。增益输出量值虽然不同，但经过校正，探测器均能将接收的射线辐照按照线性规律转化为相应的灰度值输出，只是输出灰度值对应的射线辐照量不同：若探测器校正时增益输出量值较低，则探测器的线性斜率较大，即在较低的射线辐照量就能输出较高的图像灰度值。
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图 5 增益输出数据影响探测器校正效果的对比分析(a)对图像灰度值的影响，(b)对图像信噪比的影响 Figure 5 Effect of gain output value on calibration of detector (a) Gray value analysis, (b) SNR analysis |
增益输出量值高低对探测器校正后图像信噪比的影响结果如图 5(b)所示。可以看出，校正时选取增益输出量值高低对探测器校正后输出的信噪比影响明显。校正条件为75 kV、9.0 mA时，探测器可输出的信噪比较高，最高值达到1158；而校正条件为75 kV、2.5 mA时，探测器可输出的信噪比较低，最高值为592。从信噪比与射线辐照量间的关系来看，在校正条件为75 kV、9.0 mA时，图像信噪比与射线辐照量间存在较好的定量关系；将图像信噪比与射线辐照量进行拟合，可知信噪比与射线辐照量的平方根存在一定线性关系。校正条件为75 kV、5.0 mA和75 kV、2.5 mA时，探测器获取图像的信噪比与射线辐照量的平方根也基本上存在线性关系，但在特定点(1.5 mA)会出现异常；与图像灰度值相比，信噪比对图像质量的变化更为敏感，作为图像质量评价指标将更为准确。
信噪比是射线探测器的一个重要成像参数，关系到异常缺陷影像的检出与识别。为实现高缺陷检出效果，目前相关检测标准[16]中均对射线检测图像信噪比的最低值进行了限定。从图 5(b)可知，探测器校正时增益输出量值的高低很大程度上影响了信噪比参数。校正时增益输出量值较低时，虽然探测器可按线性关系将射线辐照量转化为相应的灰度值输出，但输出图像的信噪比却并不高；与增益输出量值较高下进行的校正处理对比，达到同样的灰度值输出，探测器所接收的射线辐照量较少；射线辐照量少，则射线量子噪声会增加，从而限制了信噪比数值的提高。由此可知，在射线检测时探测器经校正后输出的灰度值高，并不一定说明射线透照参数选用合适；要获得高的信噪比，对探测器校正时应使增益输出量值达到较高值，如探测器最大输出灰度值的80%左右。
3.3 射线能量对校正效果的影响根据表 3进行实验，分析了射线能量对校正效果的影响。改变射线机管电压，在75 kV、100 kV、150 kV下分别对射线探测器进行校正，之后在相同的射线辐照量下，使用三种不同的校正状态去获取相应的射线检测图像。
透照条件为75 kV、6 mA时，探测器中心部位的一行所对应的灰度值如图 6(a)所示。校正条件为75 kV时，中心一行的灰度很均匀；而校正条件为100 kV、150 kV时，中心一行的灰度存在一定的变化趋势，呈现出左低右高的形态。
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图 6 射线能量对探测器校正效果的影响(a) 75 kV、6 mA透照结果对比，(b) 100 kV、1.3 mA透照结果对比 Figure 6 Effect of X-ray energy on calibration of detector (a) Results of 75 kV and 6 mA, (b) Results of 100 kV and 1.3 mA |
透照条件为100 kV、1.3 mA时，探测器中心部位的一行所对应的灰度值如图 6(b)所示。校正条件为100 kV时，中心一行的灰度很均匀。校正条件为75 kV、150 kV时，中心一行的灰度均存在一定的变化趋势，但两者的趋势相反：校正条件为75 kV时，灰度值左高右低，图像左边明显比右边亮度高；校正条件为150 kV时，灰度值左低右高，图像右边比左边亮度高。
从图 6可看出，因校正时所用射线能量不同，在接收同样的射线辐照量后，探测器的响应输出会有明显差异。探测器接收的射线能量与校正时射线能量一致，此时探测器会有均匀的输出，能达到校正输出的预期效果。探测器接收的射线能量高过或低于校正时的射线能量，将会破坏探测器输出的平整性，使探测器校正后输出的效果明显降低；这将会在探测器输出图像中叠加一个不均匀的背景，从而不利于异常影像的识别，降低了射线检测的灵敏度。为避免这一问题，应尽量使探测器校正时与成像时的射线能量相同。
3.4 校正技术优化因探测器校正效果的不同，在同样的透照条件下将会造成射线检测图像质量存在差异，为保证射线检测图像质量稳定可控，应设法对探测器的校正进行优化。
从式(2)可知，经校正后探测器的输出图像由两个可分离的部分组成，其一为探测器像元在特定射线辐照下的输出，其二为校正因子。对于探测器像元而言，如果射线辐照条件不变，则对应像元的输出应大致不变；而探测器像元的输出乘以不同的校正因子，则会获取不同的校正效果。因此，为确保探测器校正效果，需选取适合的校正因子。
射线检测中获取的图像是探测器经校正后的输出图像。结合校正图像数据，应用式(2)可将校正后图像还原为初始图像，即一定射线辐照量下的探测器响应，即：
| $ I(i, j) = {I_{\rm{cal}}}(i, j)/k(i, j) + {I_{{\rm{offset}}}}(i, j) $ | (4) |
依据表 3进行实验时，序号为7、9、12所用的透照参数相同，但对比后发现射线检测图像灰度特征存在明显差别，参见图 6(a)，这种差别源于射线能谱对探测器校正效果的影响，所用的校正文件（校正因子）受到了射线能谱的影响。如前所述，探测器的校正过程由两个可分离的步骤组成，序号为7、9、12对应的校正因子已知，则可通过逆变换的方式，将试验所得校正输出图像还原为特定射线辐照下探测器的响应。探测器中心部位的一行所对应的灰度值，通过式(4)进行逆变换处理后，其结果如图 7(a)所示。从图 7(a)可明显看到，变换处理后的数据已趋于一致，这符合预期，因为探测器在相同射线辐照下的响应大体相同。
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图 7 探测器校正的两种变换处理(a)校正后图像数据的逆变换，(b)通过校正因子改善图像质量 Figure 7 Two transformation in detector's calibration (a) Invers transformation of the detector's response, (b) Improvement of image quality by calibration factor |
校正因子对探测器校正效果的影响至关重要。使用了不合适的校正因子，将使射线检测图像质量劣化。对于质量劣化的射线检测图像，可通过两个操作步骤有效提高图像质量。步骤1是将劣化的射线检测图像通过式(4)进行逆变换，使其还原为特定射线辐照下探测器的响应；步骤2则是对特定射线辐照下探测器的响应进行合理校正，此时校正因子项对应的射线能量要与射线检测时的能量相同，如式(5)所示。
| $ {I_{{\rm{cal2}}}}(i,j) = \left[ {I(i,j) - {I_{{\rm{offset}}}}(i,j)} \right]{k_2}(i,j) $ | (5) |
依据表 3进行实验，序号11、14对应的射线检测参数均为150 kV、1.2 mA；所不同的是，二者校正因子不同，测试14所用校正因子适当，测试11则使用了不合适的校正因子。测试11对应的校正效果差，射线检测图像中灰度轮廓线存在明显的非线性变化，图像质量很大程度上劣化。结合逆变换、应用合适校正因子（能量同为150 kV）处理后，劣化图像有很大程度的改善。作为对照，劣化图像的改善效果可与实际良好校正后的输出结果相媲美，如图 7(b)所示。
4 结语1) 因制造工艺原因，射线探测器各像元在特定射线辐照下的输出表现出不一致，但经校正处理后，像元间的不一致情况明显得到抑制。校正良好的探测器，输出的射线检测图像灰度值与接收的射线辐照量间存在线性关系，各像元的灰度值较为均匀。对探测器进行校正时虽然只测量了某一个射线辐照量，但在较大范围内能够将探测器对射线辐照的响应校正为均匀值。
2) 校正因子的两个因素对射线探测器的校正效果存在重要影响，其一是校正因子数值的大小，其二是校正因子是否适合，针对射线数字探测器校正方法的优化应着眼于此。分析表明：在线性范围内提高射线探测器的校正因子数值，可获得更高的图像信噪比，从而有利于提高图像质量；在探测器校正时使射线能量与射线检测时的能量相同，可在射线检测时获得良好校正输出。
3) 校正后探测器的输出图像为探测器像元在特定射线辐照下的输出与校正因子相乘的结果，且校正因子是可分离的。对因使用不合适的校正因子而得到的质量劣化的射线检测图像，可通过两个操作步骤改善图像质量。步骤1是将劣化图像还原为特定射线辐照下探测器的响应，步骤2是使用合适的校正因子对还原后的探测器响应进行合理校正。
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