CN101231254B - 双源三维立体成像系统和成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型三维立体成像系统及成像方法，采用双X射线源和双探测器，两个X射线源分别沿两条成一定角度且错开布置的直线导轨运动，探测器阵列固定，而被检测物体则沿垂直于X射线源和探测器所在平面的直线运动。该成像系统和成像方法能够实现真正的三维立体成像，并且具有结构相对简单，待检测物体或者X射线源及探测器不需要旋转，检查速度较快，货物通过速度较高等特点；因此本发明具有应用于快速安全检查领域和大物体检查领域的潜力。和单源单直线扫描结构相比，本发明能够实现真正意义的三维图像检查，图像质量明显好于单源单直线扫描系统。

Description

双源三维立体成像系统和成像方法

技术领域

本申请涉及辐射成像领域，更具体地，涉及一种三维立体成像系统和成像方法。

背景技术

安全检查在反恐、打击贩毒走私等领域有十分重要的意义。美国911之后，航空、铁路等公共场所对安全检查越来越重视。随着打击贩毒走私的深入，对海关集装箱、行李物品等的检查要求也越来越高。

目前的安全检查系统以辐射成像系统为主流，在辐射成像领域又以透视成像为主，三维立体成像系统相对应用较少。这是因为：实用的安全检查系统一般需要在线实时检查，这就要求检查系统扫描成像速度非常快，比如民航物品检查，要求通过速度是0.5m/s，目前，即使是大螺距的螺旋CT(计算机断层成像)也很难达到这个要求；另外对于很多大型物体，比如海关集装箱，无论是集装箱旋转还是源和探测器旋转都比较困难，加上CT系统设备成本高，诸多因素限制了能够立体成像的CT系统在安全检查领域的广泛使用。然而，与辐射透视成像系统以及层析成像系统相比，CT三维立体成像系统最大的优势是能够很好地解决射线方向上物体的重叠效应，实现真正的三维立体成像，从而在很大程度上提高安全检查的能力。

随着CT技术的发展，特别是人们对螺旋扫描、直线扫描等多种扫描方式的CT技术的研究积累使得研究、生产能够实现海运集装箱、航空集装箱、大中型运输车辆等大型设备的CT立体成像检查成为可能。传统的CT扫描系统一般是X射线源和探测器固定，物体围绕某个中心轴旋转；或X射线源和探测器沿某个固定圆形支架旋转，而物体沿直线运动。第二种扫描形式的CT系统正是目前在医疗中应用最多的螺旋CT扫描系统，但是这种X射线源和探测器围绕物体转动的构造很难在集装箱、运输车辆这些大型设备上完成，因为为了保证被检查物体的通过速度和成像质量，需要X射线源和探测器以较快的角速度沿圆形支架做圆周运动，对于集装箱等大型设备需要很大半径的支架，这样当X射线源如加速器和探测器阵列转动起来时就会产生很大的离心力，因此这样巨大的旋转CT设备在工程上具有极大的难度。

CT重建理论的研究已经证明对于扫描路径为直线的CT成像系统，如果直线无限长，就可以精确重建CT断层图像；而在实际应用中扫描路径总是有限长度的，因此单直线扫描CT只能够近似地重建出被扫描物体的三维立体图像，成像的质量较差难以满足实际应用的需求。如果扫描轨迹是两个或多个直线段，就有可能获取180度内的投影数据，从而实现精确重建断层图像，并且可以大大地减小单段直线扫描需要的探测器长度。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用双段直线轨道扫描的三维立体成像系统和成像方法，解决大型设备安全检查中X射线源、探测器和待检测设备旋转困难，单段直线扫描成像质量较差等难题，实现了集装箱、运输车辆等大型设备的在线三维立体成像检查。

根据本发明，提供了一种三维立体成像系统，该系统包括：射线发生装置，沿第一轴和第二轴往复辐射射线，以透射沿垂直于第一轴和第二轴的方向直线运动的待检查物体，所述第一轴和第二轴彼此成一定角度布置，且相互错开而处在不同的平面内；第一阵列探测器和第二阵列探测器，分别平行与第一轴和第二轴，且与第一轴和第二轴相对放置，检测透射待检查物体的射线，得到投影数据；以及数据处理装置，用于对第一阵列探测器和第二阵列探测器检测到的投影数据进行处理，得到待检查物体的三维立体图像。此外，本发明提供了一种三维立体成像方法。

本发明最大的特点是采用两段直线轨迹而不是圆或者螺旋轨道完成对集装箱或车辆等大中型设备的三维立体扫描成像。由于不需要物体旋转，并天然利用安全检查中被检查物体一般都是直线传动的特点，因此机械设计相对简单。由于X射线发生装置直线运动，不存在圆或者螺旋中的加速度问题，检查通过速度可以比较高。与传统透视相比，本发明可以得到物体断层图像、立体图像，解决透射图像存在的物体重叠问题。

本发明通过两段直线轨迹，实现被照物体180度扫描，可以准确重建断层图像。

因此，本发明和传统的CT成像系统相比，以直线轨迹扫描代替圆轨迹扫描，实现快速立体成像，并且成本低，便于工程实现。和传统透视成像相比，本发明既能得到透视图像，又能得到三维立体图像，突破了传统透视图像不能解决物体重叠的难题，既满足安全检查中快速通关的要求，又可以解决大物体(如集装箱、大型车辆等)旋转困难的问题，具有很高的市场应用潜力。同时，本发明也可以应用于其他无损检测领域。

附图说明

图1示出了根据本发明实施例的三维立体成像系统在待检查物体运动方向的俯视示意图；

图2示出了根据本发明实施例的三维立体成像系统的侧面示意图；

图3示出了根据本发明实施例在三维立体成像检查系统中抽取得到一个视角的透视图像示意图；

图4示出了由投影体数据重排平行束投影的示意图；

图5示出了X射线源相对于物体呈现折线运动的轨迹。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明实施例的三维立体成像系统在待检查物体运动方向的俯视示意图；图2示出了根据该实施例的三维立体成像系统的侧面示意图。如图1和2所示，本发明的成像系统包括射线发生装置、数据采集分系统、主控制及数据处理计算机。

射线发生装置包括X射线加速器、X光机或者放射性同位素，以及相应的辅助设备。本实施例中，射线发生装置包括两个X射线源101和102，它们分别沿两条成一定角度放置的导轨201和202做直线运动，这两条导轨错开一小段距离布置，并不在一个平面上，如图2所示。两条导轨成一定角度错开放置，在如下对实施例的描述以及附图中，为方便起见，假定两条导轨互相垂直。

在这种实施例中，本发明的系统还包括机械传动控制部分(未示出)。机械传动控制部分包括往返移动X射线源101和102的传动装置和控制系统，其中，两个X射线源101和102分别沿两条导轨201和202由电动机控制做往复直线运动，以完成直线扫描。此外，机械传动控制部分还可以包括传输待检查物体301的直线传输装置，其中，待检查物体301沿直线传输装置做直线运动(下文设定待检查物体运动方向为Z方向)。待检查物体301也可以直接由车装载匀速通过。这种情况下，不需要传送待检查物体的直线传输装置。机械传动控制部分的关键是实现两个X射线源101和102分别沿两条导轨201和202平稳地做往复直线运动。

可选地，X射线源也可以采用两条长的靶轨，利用电磁场控制电子束快速扫描打靶，产生沿直线扫描的X射线束，代替沿导轨运动的X射线源。由于这种电磁场控制的电子束能够实现快速扫描打靶，因此这种X射线源能够完成快速的直线扫描。如果系统采用这种结构，那么由于这种X射线源本身就能够实现直线扫描，因此不需要运动导轨以及相应的推进电动机。

数据采集分系统主要包括线阵探测器或面阵探测器(图中阵列探测器401和402)，一般是等距排列，也可以是等角排列，用于获取锥形束或扇形束射线的透射投影数据；该部分还包括探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器，也可以是气体探测器，还可以是闪烁体探测器。探测器可以是单排的也可以是多排的，一般地，为了获得更好的CT重建立体图像，采用多排探测器。阵列探测器401或402的总长度(K)与X射线源101或102到阵列探测器401或402的垂直距离(T)有关，在X射线源101或102发出的射线张角(Ф)一定的情况下(本发明中要求射线张角90度即可)，距离越大，总长度越大，基本关系是：

$K=2T\tan \frac{\mathrm{\Φ}}{2}---\left(1\right)$

阵列探测器401和402分别在X射线源101和102的对边固定放置。在采集数据时，探测器上的投影数据空间采样间隔(Δd)是固定的，X射线源101和102沿直线导轨201和202匀速运动，假设运动速度为v_X，时间采样间隔(Δt)也是均匀的，那么每次采样X射线源沿直线导轨移动的距离就是：

Δd_X＝v_X·Δt                 (2)

被检查物体301沿垂直于X射线束的方向(Z向)做匀速直线运动，假设运动速度为v_O。两段阵列探测器401和402同步采集数据，每次X射线源101或102从导轨201或202一端运动到另外一端形成一组投影数据，根据这一组投影数据就能够重建出一个物体的断层图像。X射线源多次往复移动采集到的投影体数据就能够重建出物体的完整三维立体图像。另外，也可以从这些投影数据中获得透射图像。下文将详细阐述该系统的成像方法。

主控制及数据处理计算机501负责整个三维立体成像系统运行过程的主控制，包括机械控制、电气控制、安全连锁控制等，并对由阵列探测器401和402获得的投影数据进行处理，抽取组合出物体两个视角处的透视图像，重建出物体三维立体图像，并通过显示器显示出来。计算机可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。显示器可以是CRT传统显示器也可以是液晶显示器。

以下参考图3～5描述本发明的成像方法。

图3示出了由三维立体成像系统中一个X射线发生装置抽取得到一个视角的透视图像示意图。一般地，只需要两个垂直视角的透视图像就能够满足检测的要求；应该指明：此处获得的透视图像是扇形束透视扫描图像。根据两个垂直视角下的透视图像安全检查人员能够相对更容易地发现被检查物体中是否存在可疑物品，同时利用计算机图像分割、模式识别等图像处理算法可以实现自动处理功能。具体的由投影体数据抽取组合透视图像的计算方法如下：

(1)两个垂直视角的透视图像分别由X射线源101、102的投影数据抽取获得。假定X射线源101获得的水平方向上的透视图像为视角1，X射线源102获得的竖直方向上的透视图像为视角2。

(2)以竖直方向视角2为例，详细介绍透视图像计算过程(如图3所示)：沿水平轨道202往复移动的X射线源102每次通过水平轨道中间点O时，抽取出相应的一幅扇形束或锥形束投影数据，然后把扫描完整个物体后抽取的多幅投影数据组合成完整的视角2处的二维透视图像。

(3)水平视角1处的透视图像可以按照步骤(2)所述由阵列探测器401获得的投影体数据抽取得到。

本发明中采用重排滤波反投影重建算法(Rebinning FBP)，从投影数据重建断层图像。下面详细介绍一种针对单排探测器阵列的三维立体成像系统的重排滤波反投影重建算法。图4示出了由投影体数据重排平行束投影示意图。图5是X射线源102相对于物体的折线运动轨迹，通过X射线源102以及相应的阵列探测器402获得的投影数据，可以重排得到0°～90°范围内的物体某个横断面的平行束投影：

(1)首先建立如下坐标系：在垂直于被检测物体301运动方向(Z向)的平面上建立x-O′-y坐标系，x轴平行于阵列探测器402和X源平移导轨202，与阵列探测器402的距离为T₂；y轴垂直于阵列探测器402和X源平移导轨202，并通过它们的中心点O″和O。

(2)重排好的平行束投影数据，角度上用

表示，由阵列探测器402获得的投影数据可以重排出角度范围

的平行束投影数据，此处

的角度数据以和y轴正方向夹角为准。为了直观的表述重排出的平行束投影数据，通过坐标系原点O′设置一个虚拟探测器601，虚拟探测器601的长度为2s_m，探测单元的尺寸为Δs，Δs的大小和真实阵列探测器402探测单元的物理尺寸Δd，以及每次时间采样X射线源102沿直线导轨202移动的距离Δd_X在数值上是很接近的，一般地，取这三个数值相等。同样地，通过阵列探测器401获得的投影数据可以重排出角度范围

的平行束投影数据。

(3)如图4所示，需要重排的平行束投影角度为

所发射的射线通过O′的X射线源102的位置为C，此时：

而此射线打到真实阵列探测器402上的位置为C′，此时：

虚拟探测器601上点A处的坐标用s表示，要获得s处角度为的投影数据，需要先求出X射线源102的位置A′和相应射线打到真实阵列探测器402上的位置A″。

通过上面确定出的X射线源102的位置A′和相应的X射线在真实阵列探测器402上的投影位置A″就能够得到角度为

且通过虚拟探测器601中s点的平行束投影数据

(4)如图5所示，由于被检测物体301在Z轴方向上随时间t是有平移的，相对于物体来说X射线源的扫描轨迹是一条折线的形式，因此前面步骤(3)中所述的重排方法还需要考虑物体平移的因素。当选定要重建的断层t₀(表示时刻t₀对应的被X射线源扫描的物体横截面)时，该断层重建需要的重排平行束投影数据可以表示为

t₀断层和X射线源的扫描轨迹相交于点G′，也就是说，只有重排平行束投影数据

时计算出的OC恰好在点G′上时，此时的

不需要在时间轴t方向上进行插值，可以直接由阵列探测器402所测量得到的投影数据得到。除此以外的0°～90°重排投影数据

均需要在时间轴t上进行插值才能得到：

用

表示由时刻t，X射线源102运动到G′扫描断层t得到投影数据能够重排出的部分平行束投影线；当t＝t₀时，

只能够提供少量的重排平行束投影

需要通过其他时刻t₁、t₂的平行X射线投影插值得到其余的

t₁、t₂可以由下面公式计算得到：

或

或

(5)由重排好的平行束投影数据，进行三维立体断层体数据重建的过程可以看成是二维平行束滤波反投影重建，假设反投影重建完的三维立体断层体数据表示为f(x，y，t)，此处t表示时间，可以看作是被检测物体沿Z轴随时间运动的空间坐标。

其中，

这里，虚拟探测器601等距排列，探测单位大小为Δs，

表示前面重排出的平行束投影体数据。s_m表示虚拟探测器阵列601的半长度。h为卷积函数核，理论值为：

$h\left(l\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}\left|\mathrm{\ω}\right|e^{j2\mathrm{\π\ωl}}\mathrm{d\ω}---\left(13\right)$

一般采用S-L滤波函数，该函数的离散形式为：

$h\left(n\right)=\frac{-2}{{\mathrm{\π}}^2(4n^2-1)},$ n＝0，±1，±2，           ^(14)

另外，在本立体成像系统中，如果采用X射线加速器或者X光机为射线源，由于射线束是多色谱而不是单色谱，存在硬化效应。本系统利用的是射线的透射衰减，在实际系统中，还存在散射效应。由于是安全检查，还需要图像处理和模式识别的相关技术，比如图像增强，边缘检测，危险品智能识别等技术。因此，本发明中还将应用到一些数据处理技术，包括硬化、散射校正，金属伪影校正，以及图像处理与模式识别。

以上描述了本发明的示例性而非限制性的实施例。本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求及其等同物所限定的本发明的范围的前提下，可以做出各种修改和替换。

Claims (14)

1.一种三维立体成像系统，包括：

射线发生装置，包括沿第一轴往复运动辐射X射线的第一射线发生装置和沿第二轴往复运动辐射X射线的第二射线发生装置，所述第一射线发生装置辐射的X射线以及所述第二射线发生装置辐射的X射线分别透射沿垂直于第一轴和第二轴的方向直线运动的待检查物体，所述第一轴和第二轴彼此成一定角度布置，且相互错开而处在不同的平面内；

第一阵列探测器和第二阵列探测器，分别平行与第一轴和第二轴，且与第一轴和第二轴相对放置，检测透射待检查物体的射线，得到投影数据；以及

数据处理装置，用于对第一阵列探测器和第二阵列探测器检测到的投影数据进行处理，得到待检查物体的三维立体图像。

2.如权利要求1所述的系统，其中第一轴和第二轴彼此互相垂直。

3.如权利要求1所述的系统，其中，

所述第一射线发生装置包括：

第一射线源，用于产生射线；

第一导轨，处于所述第一轴上，

其中，所述第一射线源沿所述第一导轨进行往复直线运动，

所述第二射线发生装置包括：

第二射线源，用于产生射线；

第二导轨，处于所述第二轴上，

其中，所述第二射线源沿所述第二导轨进行往复直线运动。

4.如权利要求3所述的系统，还包括机械传动控制部分，用于控制第一和第二射线源的运动。

5.如权利要求1所述的系统，其中，

所述第一射线发生装置包括：

第一靶轨，沿所述第一轴设置；

所述第二射线发生装置包括：

第二靶轨，沿所述第二轴设置；

所述射线发生装置还包括：

电子束扫描装置，用于以电子束往复扫描所述第一靶轨和第二靶轨，从而所述第一射线发生装置和第二射线发生装置分别产生射线。

6.如权利要求1～5之一所述的系统，其中第一阵列探测器或第二阵列探测器的总长度K由如下公式确定：

$K=2T\tan \frac{\mathrm{\Φ}}{2}$

其中，T是射线发生装置中第一轴或第二轴与第一阵列探测器或第二阵列探测器之间的垂直距离，Φ是所述射线发生装置所发射的射线的张角。

7.如权利要求6所述的系统，其中射线张角Φ是90度。

8.如权利要求1～5之一所述的系统，其中射线发生装置所产生的射线在每一时间采样间隔中沿第一轴或第二轴移动的距离等于第一阵列探测器或第二阵列探测器上投影数据的空间采样间隔。

9.如权利要求1～5之一所述的系统，其中数据处理装置根据第一阵列探测器和第二阵列探测器所检测到的投影数据，利用重排滤波反投影重建算法，得到物体垂直于其运动方向的各个断层的三维立体图像。

10.如权利要求1～5之一所述的系统，其中数据处理装置分别根据第一阵列探测器和第二阵列探测器所检测到的投影数据，得到两个视角处的二维透视图像。

11.一种三维立体成像方法，包括：

沿第一轴和第二轴往复辐射射线，以透射沿垂直于第一轴和第二轴的方向直线运动的待检查物体，所述第一轴和第二轴彼此成一定角度布置，且相互错开而处在不同的平面内；

检测透射待检查物体的射线，得到投影数据；以及

对检测到的投影数据进行处理，得到待检查物体的三维立体图像。

12.如权利要求11所述的方法，其中第一轴和第二轴彼此互相垂直。

13.如权利要求11所述的方法，其中对投影数据进行处理的方法包括重排滤波反投影重建算法。

14.如权利要求11所述的方法，其中对投影数据进行处理的方法包括：

在沿第一轴和第二轴往复辐射射线时，每次当辐射射线的射线源通过与第一轴或第二轴中心相对应的位置，得到相应的一组第一投影数据和一组第二投影数据；

随着待检查物体的直线运动，得到多组第一投影数据和多组第二投影数据；以及

分别根据多组第一投影数据和多组第二投影数据，得到第一视角和第二视角处的二维透视图像。

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