一种伪双能x射线线阵成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种伪双能X射线线阵成像系统，该成像系统采用单源伪双能成像结构，在低能探测芯片和高能探测芯片之间加滤波铜片以构成伪双能探测模块，多组伪双能探测模块首尾依次串接可构成更大长度的伪双能成像系统。X射线高能和低能线阵探测芯片均用遮光薄膜包裹，以抑制散射光线干扰、提高伪双能图像采集的清晰度。该成像系统的X射线线阵探测芯片体积小可拆卸，便于携带。系统主要由电源模块，伪双能探测模块，图像采集模块，SD卡存储模块，网络传输模块和图像显示模块组成，其中采用FPGA作为主控芯片，采用W5300网络模块传输数据，可实现高速和远距离伪双能图像的传输和伪双能图像的实时显示。
【专利说明】一种伪双能X射线线阵成像系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及辐射成像【技术领域】，具体涉及一种伪双能X射线线阵成像系统。可实 现1?速和远距尚伪双能图像的传输和伪双能图像的实时显不，减少操作难度，提1?伪双能 图像采集质量。
【背景技术】
[0002] 目前X射线双能成像技术主要分为真双能和伪双能两种。其中真双能成像系统采 用两个独立的能够产生高低两种不同能量的X射线源和两组响应不同能谱的探测器，利用 真双能系统进行射线检测，需要X射线源能级切换，每切换一次X射线能级进行一次扫描， 不同能级下获得的灰度图像必须进行严格的像素匹配，以保证高低能灰度图像同一位置的 像素有相同的射线路径，才能正确分析出X射线在该路径上的能量衰减；伪双能系统需要 进行特殊设计，采用单一 X射线源产生连续的X射线能谱，在高能探测器和低能探测器之间 加滤波铜片，X射线穿透物体后先经过低能探测器，再穿过滤波铜片最后到达高能探测器， 低能探测器响应X射线连续能谱的低频部分，经过滤波铜片滤除低能光谱后，高能探测响 应X射线连续能谱的高频部分，由此得到与真双能系统近似的双能量值。
[0003] 真双能探测器获得高低能图像数据所需的扫描时间长，而且获得高低能灰度图像 数据后还需进行像素匹配，操作复杂；伪双能操作系统获得的高低能灰度图像，其相同位置 的像素对应同一射线路径，能准确反映在该路径上X射线能量的衰减状况。伪双能系统与 真双能系统相比结构简单，成本较低。
[0004] 目前广泛应用于工业的双能数字射线成像系统以线阵或平板探测器为主，价格昂 贵，体积较大不易携带，给施工现场双能射线检测带来了极大的困难。
【发明内容】
[0005] 为了克服上述现有技术的不足，本发明设计了一种伪双能X射线线阵成像系统来 解决上述弊端。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0007] -种伪双能X射线线阵成像系统，包括：
[0008] 由多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组；
[0009] 所述伪双能探测模块包括均用遮光薄膜覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低 能探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能 A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体和第一光敏单元， 高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体和第二光敏单元；
[0010] 与伪双能探测模块组通信的中央处理单元；
[0011] 与中央处理单元通过网络通信连接的上位机；
[0012] 伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传递给上 位机以灰度图像显示，实现快速远距离传输图像数据；
[0013] 为伪双能探测模块组和中央处理单元供电的电源模块；
[0014] 所述上位机发送采样命令后，中央处理单元（FPGA)内部的A/D寄存器配置驱动模 块和W5300时序驱动模块工作，在驱动模块控制下完成A/D模块内部寄存器的基本配置和 W5300模块的复位操作；中央处理单元检测到配置完成后启动伪双能探测芯片时序驱动模 块，A/D采样时序控制模块和双口 RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描； A/D采样时序控制模块包含多个模拟信号处理通道，能同时对多组伪双能探测模块采样； 高、低能A/D模块内部转换后的16位数字量以高8位，低8位的模式在双口 RAM时序控制 模块控制下分别输出到中央处理单元内部不同地址的双口 RAM暂存，网络模块通过数据总 线读取双口 RAM的数据发送给上位机实时显示，同时外部SD卡能够读取双口 RAM数据存储 备份，便于后期图像处理；对采集到的高低能图像数据进行算法处理，根据算法处理后得到 原子序数及材料密度信息进行物质识别。
[0015] 所述上位机完成伪双能图像采集的控制与传输，主要实现SOCKET通讯和灰度图 像的实时显示功能；上位机设置为TCP客户端模式，与服务器端W5300进行网络通讯；上位 机将采样、行频、采样速率命令下达给下位机同时接收下位机的双能图像数据，并以灰度图 像显示；下位机接收上位机的控制命令并执行相应的操作，同时将采集的图像数据由网络 模块高速传输给上位机。
[0016] 本发明中：
[0017] 1.伪双能X射线线阵成像系统选用性价比高，体积小的线阵探测芯片构成伪双能 探测模块。多组伪双能探测模块首尾依次串接可构成更大长度的伪双能成像系统，可根据 现场需要拆卸安装。
[0018] 2.低能探测芯片和高能探测芯片之间加滤波铜片以构成伪双能探测模块（图2) 来获得高低能探测数据。X射线线阵探测芯片用遮光薄膜包裹，有效的抑制散射光线，消除 干扰，提高伪双能图像采集的清晰度，同时保护双能探测芯片，降低芯片损坏概率。
[0019] 3.采用X射线数字化成像技术，扩展网络传输功能。伪双能探测模块采集到的信 号经过一系列处理后通过以太网传递给上位机软件以灰度图像显示，可实现快速远距离传 输图像数据，工作人员远离现场操作，可以避免X射线辐射。
[0020] 本发明选用高能和低能X射线线阵探测芯片构成为双能X射线探测模块，多个伪 双能探测模块首尾依次串接可构成更大长度的伪双能成像系统。该伪双能X射线线阵成像 系统可拆卸、可根据需要改变长度，便于携带。
[0021] 上位机发送采样命令后，FPGA内部A/D寄存器配置驱动模块和W5300时序驱动模 块工作，在驱动模块控制下完成A/D模块内部寄存器的基本配置和W5300模块的复位操作。 FPGA检测到配置完成后启动伪双能探测芯片时序驱动模块，A/D采样时序控制模块和双口 RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描。A/D采样模块包含多个模拟信号处 理通道，可以同时对多组伪双能探测模块采样。每个伪双能探测模块由高能X射线线阵探 测芯片、低能X射线线阵探测芯片、高能A/D模块和低能A/D模块组成。高低能A/D模块内 部转换后的16位数字量以高8位，低8位的模式在双口 RAM时序控制模块控制下分别输出 到FPGA内部不同地址的双口 RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口 RAM的数据发送给 上位机实时显示，同时外部SD卡可以读取双口 RAM数据存储备份，便于后期图像处理。对 采集到的高低能图像数据进行算法处理，根据算法处理后得到原子序数及材料密度等信息 进行物质识别。
[0022] 上位机完成伪双能图像采集的控制与传输，主要实现SOCKET通讯和灰度图像的 实时显示功能。上位机设置为TCP客户端模式，与服务器端W5300进行网络通讯。上位机 将采样、行频、采样速率等命令下达给下位机同时接收下位机的双能图像数据，并以灰度图 像显示。下位机接收上位机的控制命令并执行相应的操作，同时将采集的图像数据由网络 模块高速传输给上位机。
[0023] FPGA控制硬件协议栈芯片W5300设计实现以太网网络传输模块，用ping命令可 以验证传输模块的连通性。W5300网络模块软件设计的主要任务是在ISE编译环境下用 Verilog实现对W5300的状态机设计，主要是W5300的复位操作，W5300初始化，S0CKET0初 始化，及发送数据和接收数据5个过程。图4和图5针对发送数据和接收数据两个过程给 出了详细的流程图描述。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为伪双能探测系统整体硬件框图；
[0025] 图2为X射线伪双能探测示意图；
[0026] 图3为伪双能探测系统内部结构不意图；
[0027] 图4为W5300发送数据流程图；
[0028] 图5为W5300读取数据流程图；
[0029] 图中，1.X射线源，2.低能闪烁体，3.第一光敏单元，4.滤波铜片，5.高能闪烁体， 6.第二光敏单元，7.遮光薄膜，8.数据采集系统，9.上位机，10.电源板，11.探测器主控 板，12.线阵探测电路板。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0031] 具体设计步骤如下：
[0032] 1.伪双能探测模块设计
[0033] 选用低能X射线线阵探测芯片和高能X射线线阵探测芯片，并在低能X射线线阵 探测芯片和高能X射线线阵探测芯片之间加滤波铜片4以构成伪双能探测模块，伪双能探 测模块示意图如图2所示。多个伪双能探测模块首尾依次串接可构成更大长度的伪双能探 测模块组。X射线高能和低能线阵探测芯片均用遮光薄膜7包裹，以抑制散射光线干扰，提 高伪双能图像采集的清晰度。
[0034] 伪双能探测模块包括均用遮光薄膜7覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能 探测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片4 ;低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能 A/D模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体2和第一光敏单 元3,高能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体5和第二光敏单元6。第一光敏单元3和第 二光敏单元6采集的模拟信号均传输于数据采集系统8。
[0035] 2.伪双能探测模块的信号采集与数据存储
[0036] 如附图3所示，该伪双能成像系统由电源板10,探测器主控板11和伪双能线阵探 测电路板12相互配合实现。电源板10主要供给探测器主控板11和伪双能线阵探测板12 所需的电压。伪双能线阵探测电路板主要包含伪双能探测模块和A/D采样模块，实现信号 采集和A/D转换。探测器主控板11主要是FPGA最小系统、网络传输模块和数据存储模块， 实现网络传输和数据存储功能。
[0037] 结合附图1对伪双能探测模块的信号采集与存储作详细说明。伪双能探测模块的 信号采集与数据存储主要由X射线线阵芯片时序驱动模块，X射线线阵探测采集模块，高速 A/D转换模块和外部数据存储模块组成。
[0038] 上位机9发送采样命令后，FPGA内部A/D寄存器配置驱动模块和W5300时序驱动 模块工作，在驱动模块控制下完成A/D模块内部寄存器的基本配置和W5300模块的复位操 作。FPGA检测到配置完成后启动X射线线阵探测芯片的时序驱动模块，A/D采样时序控制 模块和双口 RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描。伪双能探测模块内部 靠近X射线源1的低能探测芯片响应连续能谱的低能部分，铜片后面的高能探测芯片响应 高能部分，X射线线阵探测芯片内部可以实现光电转换和信号放大调整，直接输出A/D采样 模块所需的高低能模拟信号。A/D采样模块包含多个模拟信号处理通道，可以同时对多组 伪双能探测模块采样。每个伪双能探测模块由高能X射线线阵探测芯片、低能X射线线阵 探测芯片、高能A/D模块和低能A/D模块组成。高低能A/D模块内部转换后的16位数字量 以高8位，低8位的模式在双口 RAM时序模块控制下分别输出到FPGA内部不同地址的双口 RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口 RAM的数据发送给上位机实时显示，同时外部SD 卡可以读取双口 RAM数据存储备份，便于后期图像处理。对采集到的高低能图像数据进行 算法处理，根据算法处理后得到原子序数及材料密度等信息进行物质识别。
[0039] 3.伪双能图像采集控制与图像数据传输
[0040] 伪双能图像采集控制与图像数据传输主要由网络传输模块和上位机图像显示模 块组成。伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传递给上位 机9以灰度图像显示，实现快速远距离传输图像数据。
[0041] 本发明利用FPGA控制硬件协议栈芯片W5300设计实现以太网网络传输模块， W5300芯片内部集成10Base/100Base TX以太网物理层和TCP/IP协议栈，可以通过简单的 配置和外部线路连接实现以太网数据传输功能。
[0042] W5300网络模块的软件设计主要任务是在ISE编译环境下用Verilog实现对 W5300的状态机设计，主要是W5300的复位操作，W5300初始化，S0CKET0初始化，及发送数 据和接收数据5个过程。下面对软件流程作详细说明。由步骤2所述，上位机软件发送采 样命令后FPGA上电，首先要进行W5300的上电复位操作，且复位信号至少保持2us低电平， 然后等待至少l〇ms高电平使得W5300内部锁相环稳定。软件设计时用25M时钟计数来实 现复位操作，2us*25MHZ = 50,计数值到50后复位信号拉高，12ms*25MHZ = 300000,计数 值到300000复位信号保持高电平，W5300复位操作完成。
[0043] W5300模块的初始化主要是主机接口设置、网络信息设置和内部TX/RX存储器分 配。根据W5300写操作时序，配置W5300的硬件地址寄存器、网关、子网掩码和本机IP地址 寄存器，配置W5300工作在16位数据总线直接寻址模式，存储单元寄存器采用默认设置即 前8个8K字节存储单元分配给TX寄存器，后8个8K字节分配给RX寄存器。
[0044] 在本发明中W5300工作在TCP模式下，通过S0CKET0发送并接收数据，只需要对 S0CKET0初始化。S0CKET0初始化主要是设置通信协议、本机端口号、目标端口号、目的硬件 地址和目的IP。设置完成后执行OPEN命令打开SOCKETO端口，若SOCKETO状态寄存器变为 S0CK_INIT，则S0CKET0初始化设置完成。运行LISTEN命令设置W5300为服务器模式，读取 SOCKETO状态寄存器变为SOCK_LISTEN，则W5300服务器模式设置成功。读SOCKETO状态寄 存器变为SOCK_ESTIBLISH，则W5300和上位机成功建立连接。为测试网络模块连通性，将 系统通过网线与计算机连接，系统上电后将软件编译下载至硬件平台。在DOS命令环境下 输入ping202. 194. 201. 55命令，计算机发送4个ICMP回显请求给网络模块，本系统与计算 机网络层连接成功。此时再输入arp-a命令，DOS环境显示了 W5300模块的源IP地址和源 MAC地址的映射关系，此时确定了网络层的连通性，网络模块和上位机便可以进行通讯了。 具体的发送和接收数据设计流程图分别见图4和图5。
[0045] W5300网络模块最高速率可达50Mbps，可以实现远距离数据传输，工作人员远离 现场操作，能避免X射线辐射。W5300网络模块操作简单，可靠性强，传输速率快，有很高的 实用价值。
[0046] 上位机9主要完成伪双能图像采集的控制与传输。上位机9实现SOCKET通讯和 灰度图像的实时显示功能。上位机设置为TCP客户端模式，与服务器端W5300进行网络通 讯。上位机将采样、行频、采样速率等命令下达给下位机同时接受下位机的双能图像数据， 并以灰度图像显示。下位机接收上位机的控制命令并执行相应的操作，同时将采集的图像 数据由网络模块高速传输给上位机。
【权利要求】
1. 一种伪双能X射线线阵成像系统，其特征在于，包括： 由多组伪双能探测模块首尾依次串接组成的伪双能探测模块组； 所述伪双能探测模块包括均用遮光薄膜覆盖的低能探测芯片和高能探测芯片，低能探 测芯片和高能探测芯片之间设有滤波铜片；低能探测芯片和高能探测芯片分别与低能A/D 模块和高能A/D模块相连；低能探测芯片包括上下设置的低能闪烁体和第一光敏单元，高 能探测芯片包括上下设置的高能闪烁体和第二光敏单元； 与伪双能探测模块组通信的中央处理单元； 与中央处理单元通过网络通信连接的上位机； 伪双能探测模块组采集到的信号经过中央处理单元处理后通过以太网传递给上位机 以灰度图像显示，实现快速远距离传输图像数据； 为伪双能探测模块组和中央处理单元供电的电源模块。
2. 如权利要求1所述的伪双能X射线线阵成像系统，其特征在于，所述上位机发送采 样命令后，中央处理单元内部的A/D寄存器配置驱动模块和W5300时序驱动模块工作，在 驱动模块控制下完成A/D模块内部寄存器的基本配置和W5300模块的复位操作；中央处理 单元检测到配置完成后启动伪双能探测芯片时序驱动模块，A/D采样时序控制模块和双口 RAM时序控制模块，伪双能探测模块开始像素逐行扫描；A/D采样时序控制模块包含多个模 拟信号处理通道，能同时对多组伪双能探测模块采样；高、低能A/D模块内部转换后的16位 数字量以高8位，低8位的模式在双口 RAM时序控制模块控制下分别输出到中央处理单元 内部不同地址的双口 RAM暂存，网络模块通过数据总线读取双口 RAM的数据发送给上位机 实时显示，同时外部SD卡能够读取双口 RAM数据存储备份，便于后期图像处理；对采集到的 高低能图像数据进行算法处理，根据算法处理后得到原子序数及材料密度信息进行物质识 别。
3. 如权利要求1所述的伪双能X射线线阵成像系统，其特征在于，所述上位机完成伪双 能图像采集的控制与传输，主要实现SOCKET通讯和灰度图像的实时显示功能；上位机设置 为TCP客户端模式，与服务器端W5300进行网络通讯；上位机将采样、行频、采样速率命令下 达给下位机同时接收下位机的双能图像数据，并以灰度图像显示；下位机接收上位机的控 制命令并执行相应的操作，同时将采集的图像数据由网络模块高速传输给上位机。
【文档编号】H04N5/32GK104065889SQ201410294426
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】李振华, 徐胜男 申请人:山东大学