CN103315761B - 一种基于线阵射线源的锥束ct系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于线阵射线源的锥束CT系统，其包括：线阵射线源、准直器、平板探测器、样品台、电力控制模块以及计算机。线阵射线源包括N个子射线源，N≥2，每个子射线源的射线束发射锥角平板探测器接收由N个子射线源发射并经过目标的射线；计算机建立目标的投影图像；计算机与电力控制模块电连接，线阵射线源与样品台的相对位置在电力控制模块控制下可调；电力控制模块为线阵射线源、样品台与平板探测器提供电源与控制信号。本发明相比传统的单射线源单次圆周扫描，减小了射线源的射线束发射锥角，降低了FDK重建算法产生的锥角效应，改善了CT重建图像质量，同时具有扫描效率高、系统结构简单、成本低、辐射剂量低的优势。

Description

一种基于线阵射线源的锥束CT系统

【技术领域】

本发明涉及计算机断层扫描技术，尤其涉及一种基于线阵射线源的锥束CT系统。

【背景技术】

目前在锥束计算机断层扫描技术（ConeBeamComputedTomography,CBCT）中，主要采用FDK（Feldkamp-Davis-Kress）重建算法，FDK重建算法由平行束推导、经适当修正得到。然而，FDK重建算法也存在一定的缺陷，即当锥角较小时（半锥角小于6°），锥角效应对重建结果影响很小，可以取得较好的重建效果；然而随着锥角的增大，锥角效应越来越明显。

诸如多层圆形扫描等其他一些小锥角扫描重建算法也存在一定缺陷。例如，多层圆形扫描通过多层圆形扫描减小扫描锥角从而改善图像质量，该重建算法简单，但需要分多段扫描，效率低；螺旋锥束扫描能够以高的纵向分辨率和对X射线的有效利用来实现快速体积重建，该重建算法沿轴向的误差分布比较均匀，可以用来解决长物体扫描问题，但其缺点是相对单个圆周扫描，扫描速度较慢，在源与探测器旋转扫描系统中需用滑环技术，机构复杂、成本高；圆加双弧轨迹、圆加直线轨迹、垂直双圆轨迹等圆周加其它轨迹的重建算法可以实现精确重建，但需要移动转台或者倾斜CT几何平面，机械实现困难，此外还需要多轨迹扫描，效率低，增大了活体扫描剂量。

【发明内容】

本发明旨在解决上述现有技术中存在的问题，提出一种基于线阵射线源的锥束CT系统。

所述基于线阵射线源的锥束CT系统包括：线阵射线源、准直器、平板探测器、样品台、电力控制模块以及计算机。其中，所述线阵射线源包括N个子射线源，N≥2，每个所述子射线源的射线束发射锥角为采用单个子射线源的射线束发射锥角；在每个所述子射线源的射线束发射口设有所述准直器；所述平板探测器接收由所述N个子射线源发射并经过所述目标的射线，形成包含所述目标信息的N个原始图像；所述计算机对所述N个原始图像进行处理，建立所述目标的投影图像；所述计算机与所述电力控制模块电连接，所述线阵射线源与所述样品台的相对位置在所述电力控制模块控制下可调；所述电力控制模块为所述线阵射线源、样品台与平板探测器提供电源与控制信号。

本发明提出的基于线阵射线源的锥束CT系统基于用多个射线源，相比传统的单射线源单次圆周扫描，减小了射线源的射线束发射锥角，大大降低了诸如FDK重建算法产生的锥角效应，改善了CT重建图像质量；同时，本发明相比单射线源扇束或小锥束螺旋扫描，由于仅需一次圆周扫描，大大地提高了扫描速度，且无需连续旋转，不需采用滑环技术，简化了系统结构，降低了系统成本。

【附图说明】

图1为本发明一实施例的基于线阵射线源的锥束CT系统结构图；

图2为本发明一实施例的线阵射线源射线束发射锥角示意图；

图3为本发明一实施例的线阵射线源射结构图；

图4为本发明一实施例的CNT射线源结构图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合具体实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。应当理解，文中所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。

本发明提供一种基于线阵射线源的锥束CT系统，所述基于线阵射线源的锥束CT系统可应用于工业及医学领域，用于对目标进行扫描、三维重建，从而获取所述目标的断层图像。

如图1所示，所述基于线阵射线源的锥束CT系统包括：线阵射线源100、准直器200、平板探测器300、样品台400、电力控制模块500以及计算机600。为帮助对本发明方案的理解，其中图1中虚线箭头仅为射线传播路径的示意，不应当理解为射线的实际传播方向；实线箭头表示所述基于线阵射线源的锥束CT系统中各个组成部分的连接关系。下文将对所述基于线阵射线源的锥束CT系统的各个组成部分及其工作原理作进一步详细描述。

所述线阵射线源100用于提供X射线。所述线阵射线源100进一步包括N个子射线源：子射线源1、子射线源2、…、子射线源N，由于本发明为基于线阵射线源的锥束CT系统，因此所述子射线源的个数N≥2。其中每个所述子射线源的射线束发射锥角为采用单个子射线源时的射线束发射锥角（如图2所示）。由此看出，N越大，即所述子射线源的数量越多，每个所述子射线源的射线束发射锥角θ越小，可以明显减小锥角效应。特别地，当半锥角（即θ/2）小于6°时，锥角效应可忽略不计。

在每个所述子射线源的射线束发射口设有所述准直器200，所述准直器200由准直器1、准直器2、…、准直器N构成，在所述子射线源1、子射线源2、…、子射线源N的射线束发射口分别设有准直器1、准直器2、…、准直器N。所述准直器用于限制由所述线阵射线源100发射的射线的视场范围（FieldofView,FOV）。

所述样品台400放置所述目标，由所述线阵射线源100发射的射线经过所述准直器200后，照射并通过所述目标，最终由所述平板探测器300接收（如图2所示）。所述平板探测器300接收由所述N个子射线源发射并经过所述目标的射线，形成包含所述目标信息的N个原始图像。

所述计算机600获取包含所述目标信息的N个原始图像，并对其进行处理与组合，建立所述目标的投影图像。其中，所述N个原始图像中的每一个原始图像代表了单个所述子射线源发射射线对所述目标进行扫描的贡献，其对应于所述目标的一小段。所述计算机600对所述N个原始图像分别进行离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform,DFT），获得信号功率谱，再对不同频率的图像按顺序组合成完整的图像，即获得了所述目标全长的常规投影图像。

一方面所述电力控制模块为所述线阵射线源100、平板探测器300、样品台400提供电源；另一方面所述计算机600发送控制信号、通过所述电力控制模块500控制所述线阵射线源100、旋转样品台400及平板探测器300同步工作，以实现多角度CT数据采集。

优选地，所述线阵射线源100固定，所述计算机600发送控制信号、通过所述电力控制模块500控制所述样品台400转动或进行三维平移运动，实现对所述目标的全景扫描。

优选地，所述N个子射线源分别独立封装。如图3所示，在本实施例中，所述基于线阵射线源的锥束CT系统还包括：N个动子（动子1、动子2、…、动子N）以及滑块（滑块1、滑块2、…、滑块N）、导轨1100、电机（图3未示）。其中，每一所述子射线源与一所述动子连接，每一所述动子与一所述滑块连接，所述滑块在所述电机驱动下可沿所述导轨1100滑动，通过调整所述滑块位置，使得所述子射线源的间距L=2Dtan(θ/2)，如此可以使所述阵射线源100在所述目标高度方向的投影可以正好衔接，避免相邻射线束接缝处对所述目标扫描存在数据重复或缺失，其中，D为所述线阵射线源100与所述目标之间的距离。

优选地，所述线阵射线源100还可以为封装所述N个子射线源的单个模块。在本实施例中，所述线阵射线源100中子射线源的间距值固定，调节所述线阵射线源100与所述目标之间的距离D′=(L′/2)/tan(θ/2)，如此可以使所述线阵射线源100在所述目标高度方向的投影可以正好衔接，避免相邻射线束接缝处对所述目标扫描存在数据重复或缺失，其中，L′为所述子射线源的间距。

优选地，所述准直器200的开孔为四边形。在本实施例中，所述准直器200开孔使得所述子射线源发射出的射线束具有水平方向张角α以及竖直方向张角β，所述α以及β值可根据所述平板探测器300的尺寸进行预先设定。所述准直器200可以对射线束进行限束，以减小所述平板探测器300边缘的散射，同时减小成像区外部不必要的辐射。

优选地，所述子射线源可采用碳纳米管（CarbonNanotube,CNT）射线源等具备栅极控制的射线源。以CNT射线源为例，如图4所示，通过在所述N个子射线源的栅极分别施加N个不同频率的选通脉冲信号（f₁,f₂,f₃,f₄,…），可以解决所述平板探测器300平面存在部分数据重叠的问题。所述基于线阵射线源的锥束CT系统根据频分多路复用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）及解复用（Demultiplexing）技术获得无数据重叠的所述目标投影图像。优选地，所述选通脉冲信号可采用占空比为50%的方波信号，如此可以使每个子通道的中心频率成分正交(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)，达到减小通道间的信号干扰的目的。

优选地，当所述线阵射线源100与所述样品台400相对位置发生变化时，所述线阵射线源100在所述计算机600控制下不发射射线，直到所述线阵射线源100与所述样品台400相对位置调整到位，从而达到减小活体目标辐射剂量的目的。

本发明提出的基于线阵射线源的锥束CT系统基于用多个射线源，相比传统的单射线源单次圆周扫描，减小了射线源的射线束发射锥角，大大降低了诸如FDK重建算法产生的锥角效应，改善了CT重建图像质量；同时，本发明相比单射线源扇束或小锥束螺旋扫描，由于仅需一次圆周扫描，大大地提高了扫描速度，且无需连续旋转，不需采用滑环技术，简化了系统结构，降低了系统成本。

虽然本发明参照当前的较佳实施方式进行了描述，但本领域的技术人员应能理解，上述较佳实施方式仅用来解释和说明本发明的技术方案，而并非用来限定本发明的保护范围，任何在本发明的精神和原则范围之内，所做的任何修饰、等效替换、变形、改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于线阵射线源的锥束CT系统，用于扫描目标，获取目标的投影图像，其特征在于，包括：线阵射线源、准直器、平板探测器、样品台、电力控制模块以及计算机，其中，

所述样品台放置所述目标；

所述线阵射线源包括N个子射线源，N≥2，每个所述子射线源的射线束发射锥角 为采用单个子射线源的射线束发射锥角；所述线阵射线源为封装所述N个子射线源的单个模块，D为所述线阵射线源与所述目标之间的距离，所述线阵射线源与所述目标之间的距离D＝(L/2)/tan(θ/2)，L为所述子射线源的间距；所述子射线源的间距L＝2Dtan(θ/2)；

所述子射线源为具备栅极控制的碳纳米管射线源，所述N个子射线源的栅极分别接收N个不同频率的选通脉冲信号，所述基于线阵射线源的锥束CT系统根据频分多路复用及解复用技术获得无数据重叠的所述目标投影图像；

在每个所述子射线源的射线束发射口设有所述准直器；所述准直器的开孔为四边形，所述准直器的开孔使得所述子射线源发射出的射线束具有水平方向张角α以及竖直方向张角β；

所述平板探测器接收由所述N个子射线源发射并经过所述目标的射线，形成包含所述目标信息的N个原始图像，N个原始图像具有不同频率成分；

所述计算机对所述N个原始图像进行处理，建立所述目标的无信息重叠的完整投影图像；

所述计算机与所述电力控制模块电连接，所述线阵射线源与所述样品台的相对位置在所述电力控制模块控制下可调；

所述电力控制模块为所述线阵射线源、样品台与平板探测器提供电源与控制信号；

所述基于线阵射线源的锥束CT系统还包括：N个动子以及滑块、导轨、电机，其中，

所述N个子射线源分别独立封装，每一所述子射线源与一所述动子连接，每一所述动子与一所述滑块连接，所述滑块在所述电机驱动下可沿所述导轨滑动。

2.根据权利要求1所述的基于线阵射线源的锥束CT系统，其特征在于，在所述线阵射线源与所述样品台的相对位置发生变化时，所述计算机控制所述线阵射线源不发射射线。

3.根据权利要求1所述的基于线阵射线源的锥束CT系统，其特征在于，所述电力控制模块控制所述样品台转动或进行三维平移运动。