CN102565842A - 一种x射线旋转采集成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在不牺牲空间分辨率和成像速度的情况下获得高灵敏度的X射线旋转采集成像系统，包括一用于控制高压发生器产生高压电脉冲以及控制探测器时序电路产生控制时序的主控制器，所述高压发生器连接有球管，所述探测器时序电路连接在探测器上，探测器还连接在一图像采集卡上，所述图像采集卡连接一影像采集与处理计算机系统；所述探测器与球管分别安装在一旋转机架的两端，所述旋转机架通过一固定轴承安装在一固定机架上，所述旋转机架与固定轴承之间还设置有一机架滑轨；一准直器通过插槽定位在所述球管的金属外壳上；所述准直器的前端、球管上安装有一X射线复合折射透镜阵列，所述探测器为X射线TDI-CDD探测器。

Description

一种X射线旋转采集成像系统

技术领域

本发明涉及一种X射线旋转采集成像系统。

背景技术

目前常用的X射线旋转采集成像系统的平板探测器主要为动态非晶硅平板探测器和动态非晶硒平板探测器。影响探测器成像质量的因素有：平板的DQE(探测量子效率)、MTF(光学传递函数)、采集灰阶、空间分辨率和最小像素尺寸等重要因素构成。

动态非晶硅平板探测器采用间接能量转换方式。间接能量转换探测器的结构主要是由闪烁体或荧光体层加具有光电二极管作用的非晶硅层再加TFT(ThinFilm Transistor)阵列构成。其原理为闪烁体或荧光体层经X射线曝光后，将X射线光子转换为可见光，而后由具有光电二极管作用的非晶硅层变为图像电信号，最后获得数字图像。在间接能量转换探测器的图像采集中，由于有X射线转换为可见光的过程，因此会有可见光的散射问题，从而导致图像的空间分辨率与对比度解析能力降低。

动态非晶硒平板探测器由于使用了直接能量转换方式，主要是使用非晶硒层加薄膜半导体阵列构成。由于非晶硒是一种光电导材料，因此经X射线曝光后直接形成电子-空穴对，产生电信号，通过TFT检测阵列，再经A/D转换获得数字化图像。由于使用了直接能量转换方式，从根本上避免了间接能量转换方式中可见光的散射带来的图像分辨率下降问题。虽然动态非晶硒平板探测器具有很高的图像分辨率和探测量子效率，但是在技术和生产工艺上要求极高，而且动态非晶硒平板探测器对环境要求比较苛刻，且容易出现坏点。

间接转换平板探测器的极限DQE比较高，但是随着空间分辨率的提高，其DQE下降得较多；而直接转换平板探测器的极限DQE不如间接转换平板探测器的极限DQE高。

总体而言，动态非晶硅平板探测器存在量子检测效率低，曝光剂量大，图像空间分辨率低，成像速度较慢，环境要求高，成本高等缺点；动态非晶硒平板探测器存在制造工艺复杂，曝光剂量大，成像速度慢，工作环境要求苛刻，成本高等缺点。

目前X射线TDI-CCD探测器可以做到10lp/mm的物理分辨率，像素尺寸仅为27um*27um，80dB的动态范围。由于使用了TDI(积分延迟)技术，X射线TDI-CCD探测器具有极高的灵敏度。同时可以使用先进的微机电加工技术拼接X射线TDI-CCD探测器，使像元线阵之间的缝合距离小于77um，使得芯片的填充因子更高。使用更高的时钟频率读出像素，可以实现影像的高速传输速度。使用光纤锥替代传统的增强屏，提高了X射线的利用率，从而减少X射线剂量。使用X射线TDI-CCD探测器可以提高X射线的成像分辨率，提高图像的刷新速度，减少X射线的辐射剂量。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种在不牺牲空间分辨率和成像速度的情况下获得高灵敏度的X射线旋转采集成像系统。

为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种X射线旋转采集成像系统，包括一用于控制高压发生器产生高压电脉冲以及控制探测器时序电路产生控制时序的主控制器，所述高压发生器连接有球管，所述探测器时序电路连接在探测器上，探测器还连接在一图像采集卡上，所述图像采集卡连接一影像采集与处理计算机系统；所述探测器与球管分别安装在一旋转机架的两端，所述旋转机架通过一固定轴承安装在一固定机架上，所述旋转机架与固定轴承之间还设置有一机架滑轨；一准直器通过插槽定位在所述球管的金属外壳上；所述准直器的前端、球管上安装有一X射线复合折射透镜阵列，所述探测器为X射线TDI-CDD探测器。

进一步的，所述的球管的中心、准直器的开口中心、X射线复合折射透镜阵列的中心和探测器的焦面中心位于同一直线上。

进一步的，所述旋转机架为“C”型臂结构。

优选的，所述X射线复合折射透镜阵列为平面抛物形X射线复合折射透镜阵列，透镜凹面为平面抛物形，使用时把多个相同材料和相同结构的平面抛物形X射线复合折射透镜沿着X射线入射方向排列组成一个平面抛物形X射线复合折射透镜阵列。

优选的，所述X射线复合折射透镜阵列为Kinform透镜。

优选的，所述X射线复合折射透镜阵列为锯齿形X射线复合折射透镜阵列，所述锯齿形X射线复合折射透镜阵列由两排棱镜沿着X射线入射方向张开微小的角度排列组成。

优选的，所述X射线复合折射透镜阵列为气泡型X射线复合折射透镜阵列，所述气泡型X射线复合折射透镜阵列是在充满有机材料的中空玻璃管中冲入气泡，所述气泡之间自然形成了所需的透镜结构。

进一步的，所述X射线复合折射透镜阵列的材料为Li、Be、B、C、Al、Cu、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂和含Li、Be、B、C、Al、Cu的复合材料中的任意一种。

本发明的X射线旋转采集成像系统中，旋转机架可绕固定轴承匀速旋转，也可绕机架滑轨滑动，所述的球管中心、准直器开口中心、X射线复合折射透镜阵列中心和X射线TDI-CCD探测器焦面中心位于同一直线上，患者身体介于X射线复合折射透镜阵列和探测器之间，所述的球管由高压控制器控制，球管根据高压发生的高压电脉冲，发出相同频率的X射线光脉冲，所述探测器由探测器时序电路控制，探测器时序电路主要提供探测器内部工作所需的高频时钟频率，并控制探测器内部电荷转移、行扫描、消隐和行读出电路等器件。

所述的影像采集和处理计算机系统主要用于采集在图像采集卡中拼接好的完整图像，并对采集到的影像进行预处理和显示。影像采集和处理计算机还可以使用三维重建软件对采集到的不同角度的透视影像进行三维重建，并在显示器上显示重建后的三维影像。

与现有技术相比本发明采用X射线TDI-CCD探测器取代现有的动态非晶硅平板探测器或非晶硒平板探测器，同时使用多个X射线复合折射透镜阵列构成光学系统用于折转X射线光路并聚焦成像于X射线TDI-CCD探测器焦面上，在空间分辨率、成像速度和反应灵敏度上都有较佳的表现。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的X射线旋转采集成像系统的影像链结构示意图。

图2是本发明的X射线旋转采集成像系统的旋转机架部分的结构示意图。

图3是本发明的旋转机架旋转采集成像和探测器像元中电荷延迟积分的示意图。

图4是本发明的一实施例的实现X射线聚焦成像的平面抛物形X射线复合折射透镜阵列示意图。

图5为本发明的一实施例的实现X射线聚焦成像的Kinform透镜结构示意图。

图6为本发明的一实施例的实现X射线聚焦成像的锯齿形X射线复合透镜结构示意图。

图7为本发明的一实施例的实现X射线聚焦成像的气泡型X射线复合透镜结构示意图。

图中标号说明：

1、固定支架	2、固定轴承
		3、固定轴承延长线	4、机架滑轨
5、旋转机架	6、球管
		61、T时刻X射线路径	7、准直器
8、X射线复合折射透镜阵列	81、平面抛物形X射线复合折射透镜阵列
		811、平面抛物形	82、Kinform透镜
83、锯齿形X射线复合折射透镜阵列	84、气泡型X射线复合折射透镜阵列
		841、气泡	842、有机材料
843、中空玻璃管	9、X射线TDI-CCD探测器
		93、电荷转移方向	94、焦面
10、患者身体	101、患者身体旋转方向
		11、检查床	12、主控器
13、探测器时序电路	14、图像采集卡
		15、影像采集与处理计算机系统	16、高压发生器

具体实施方式

参见图1和图2所示，一种X射线旋转采集成像系统，包括一用于控制高压发生器16产生高压电脉冲以及控制探测器时序电路13产生控制时序的主控制器12，所述高压发生器16连接有球管6，所述探测器时序电路13连接在探测器9上，探测器9还连接在一图像采集卡14上，所述图像采集卡14连接一影像采集与处理计算机系统15；所述探测器9与球管6分别安装在一旋转机架5的两端，所述旋转机架5通过一固定轴承2安装在一固定机架1上，所述旋转机架5与固定轴承2之间还设置有一机架滑轨4；一准直器7通过插槽定位在所述球管6的金属外壳上；所述准直器7的前端安装有一X射线复合折射透镜阵列8，所述探测器9为X射线TDI-CDD探测器。

如图2所示，系统的球管6和X射线TDI-CCD探测器9分别安装于旋转机架5的两端，旋转机架5通过固定轴承2安装在固定机架1上，使旋转机架5能够绕固定轴承2旋转，旋转的角度等于或大于180度。

如图1和图2所示，球管6安装于旋转机架5的底端。主控器12控制的高压发生器16向球管6发送一定频率的高压电脉冲，球管6继而产生相同频率的X射线光脉冲。准直器7安装在球管6的下端，可直接通过插槽定位在球管6的金属外壳上。X射线经过准直器7后，X射线的口径被缩小，发散角也减小。X射线经过准直器7后，经X射线复合折射透镜阵列8聚焦，在穿透患者身体10和检查床11后，成像在探测器9的焦面94上。

如图2所示，旋转机架5可采用C型臂结构，可通过机架滑轨4做圆弧形的运动。由上所述，旋转机架5通过固定轴承2和机架滑轨4，可以做绕固定轴承2的旋转运动和沿机架滑轨4的圆弧形滑动。

如图3所示为探测器9在旋转机架5旋转采集图像时的工作原理。由于旋转机架5绕固定轴承2做旋转运动，所以球管6和探测器9就围绕着患者身体10做圆周运动，球管6和探测器9两者做圆周运动的圆心在固定轴承延长线3上。因为球管6和探测器9所作的圆周运动以固定轴承延长线3为圆心，并非以患者身体10为旋转中心，故存和患者身体存在相对运动。为表述和作图方便，在图3中表述为患者身体10在绕固定轴承延长线3做旋转运动，患者身体旋转的方向图注为101。

高压发生器16发出高压电脉冲的频率为f，则两个相邻高压电脉冲的时间间隔为Δt＝1/f。在某一时刻T，球管6出射的X射线经过准直器7和X射线复合折射透镜阵列8会聚后，沿着T时刻X射线穿过人体的路径61成像到X射线TDI-CCD探测器的像元上。由于TDI-CCD探测器的延迟积分的技术，探测器像元中的电荷在X射线TDI-CCD探测器时序电路13控制下不断沿着列方向转移。

当电荷转移到最后一列时，由探测器9的电荷读出电路按行读出电荷，经过滤波等处理转移到图像采集卡14中。图像采集卡14根据探测器时序电路13的时序控制信号，按行拼接影像组成一帧投影影像并被影像采集和处理计算机系统15读入到内存中。

旋转机架5不断旋转，探测器9不断积累并输出行图像到图像采集卡14，并在图像采集卡14中拼接成不同角度下患者的单帧透视影像，并由影像采集和处理计算机系统15读入到内存中，通过三维重建软件重建三维影像，最后显示到显示器上。

若系统工作在透视模式下，则读入到内存中投影影像经过校正、增强等预处理直接显示在影像采集和处理计算机的显示器上。

由于X射线的波长仅为0.1nm-100nm，普通的光学系统难以有效的聚焦成像X射线，故而需要使用具有特殊结构的X射线复合折射透镜阵列8。

如图4所示为平面抛物形X射线复合折射透镜阵列81，是目前较为常用的复合透镜结构。透镜的凹面811为平面抛物形，使用时把多个相同材料和相同结构的透镜沿着X射线入射方向排列组成一个透镜阵列，使出射的X射线最终成像在探测器9的焦面94上。平面抛物形X射线复合折射透镜阵列81能消除象差，提高聚焦和成像质量，最为重要的是该结构具有高分辨率成像的特点。但是该结构对X射线吸收较强，不仅影响焦斑处的强度增益，也限制了有效孔径。

如图5所示为Kinform透镜82的几何结构，该透镜具有最小吸收结构，具有折射和衍射的联合特性，能大大降低透镜对X射线的吸收和散射。该透镜结构的设计思想主要是降低材料的吸收，与其他结构的透镜相比，Kinform透镜82能去除引起X射线2π整数倍相位变化的材料，从而降低光学吸收损耗，但不改变整个透镜的特性。Kinform透镜82的成像分辨率较高，且理论上能达到94％的聚焦效率。

如图6所示为锯齿形X射线复合折射透镜阵列83的结构。该透镜是由两排棱镜沿着X射线入射方向张开微小的角度排列组成。该透镜结构简单，制作容易，且透镜表面粗糙度要求也远低于抛物形的X射线复合透镜。该结构近似于一个平抛物面结构，所以对X射线的吸收也较强烈。

如图7所示为气泡型X射线复合折射透镜阵列84的结构。该透镜是在充满有机材料842的中空玻璃管843中冲入气泡841，气泡之间自然形成了所需的透镜结构。气泡型X射线复合折射透镜阵列84与其他结构的X射线复合折射透镜阵列相比具有明显的优势。首先其透镜的表面是由液体张力作用形成的，所以其表面粗糙度几乎为零；其次由于所使用的有机材料842对X射线吸收较小，可以沿X射线入射方向放置数百个气泡型X射线复合折射透镜阵列84，从而在短焦距和高透过率下实现聚焦和成像；再次，该结构的透镜制作较为简单，完全可以在一般实验室中完成。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种X射线旋转采集成像系统，包括一用于控制高压发生器(16)产生高压电脉冲以及控制探测器时序电路(13)产生控制时序的主控制器(12)，所述高压发生器(16)连接有球管(6)，所述探测器时序电路(13)连接在探测器(9)上，探测器(9)还连接在一图像采集卡(14)上，所述图像采集卡(14)连接一影像采集与处理计算机系统(15)；所述探测器(9)与球管(6)分别安装在一旋转机架(5)的两端，所述旋转机架(5)通过一固定轴承(2)安装在一固定机架(1)上，所述旋转机架(5)与固定轴承(2)之间还设置有一机架滑轨(4)；一准直器(7)通过插槽定位在所述球管(6)的金属外壳上；其特征在于：所述准直器(7)的前端安装有一X射线复合折射透镜阵列(8)，所述探测器(9)为X射线TDI-CDD探测器。

2.根据权利要求1所述的X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述的球管(6)的中心、准直器(7)的开口中心、X射线复合折射透镜阵列(8)的中心和探测器(9)的焦面中心位于同一直线上。

3.根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述旋转机架(5)为“C”型臂结构。

4.根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述X射线复合折射透镜阵列(8)为平面抛物形X射线复合折射透镜阵列(81)，透镜凹面(811)为平面抛物形，使用时把多个相同材料和相同结构的平面抛物形X射线复合折射透镜沿着X射线入射方向排列组成一个平面抛物形X射线复合折射透镜阵列(81)。

5.根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述X射线复合折射透镜阵列(8)为Kinform透镜(82)。

6.根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述X射线复合折射透镜阵列(8)为锯齿形X射线复合折射透镜阵列(83)，所述锯齿形X射线复合折射透镜阵列(83)由两排棱镜沿着X射线入射方向张开微小的角度排列组成。

7.根据根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述X射线复合折射透镜阵列(8)为气泡型X射线复合折射透镜阵列(84)，所述气泡型X射线复合折射透镜阵列(84)是在充满有机材料(842)的中空玻璃管(843)中充入气泡(841)，所述气泡(841)之间自然形成了所需的透镜结构。

8.根据权利要求1或2所述的X射线旋转采集成像系统X射线旋转采集成像系统，其特征在于：所述X射线复合折射透镜阵列(8)的材料为Li、Be、B、C、Al、Cu、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、环氧树脂和含Li、Be、B、C、Al、Cu的复合材料中的任意一种。

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