CN103654820A - 一种x-射线层析设备模拟装置 - Google Patents

一种x-射线层析设备模拟装置 Download PDF

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刘红林
章健
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Abstract

本发明提供了一种X-射线层析设备模拟装置，X-射线源、被测物体、探测装置，至少还包括调节系统，所述调节系统用以支撑并调节所述X-射线源、被测物体和探测装置中任意一个或任意组合的位置、方向或角度。所述模拟装置能够模拟X-射线层析设备各种可能的状态，具有相当的灵活性和通用性。

Description

一种X-射线层析设备模拟装置
技术领域
本发明涉及计算机X-射线层析技术领域，尤其涉及X-射线层析设备模拟装置。
背景技术
与普通的X-射线摄影只能提供三维物体的空间信息重叠的二维投影不同，X-射线层析技术能够有效而准确地获取物体内部的三维结构信息，基于其多角度投影重构这一基本原理开发的各种层析设备，包括CT和断层合成等，已经被广泛的应用在医疗、安检、工业检测以及科学研究的各个领域。如何进一步优化现有设备、开发新的技术和设备，拓宽层析技术的应用领域，提升其应用价值一直以来都是人们的兴趣所在，也是研究的重点。
由于X-射线层析设备具体的结构和设计随着应用的不同会有显著的不同，例如医疗诊断CT普遍采用源-探测器组绕着病人旋转的结构，新型的安检CT原型机则采用了具用一定几何分布的多个相对静止的射线源，控制射线源开关的顺序从多角度照射被测物体，而科研使用的微型CT则多保持源-探测器组不动，旋转物体实现多角度投影数据采集。
由于X-射线层析设备的多样性和复杂性，现有的开发测试平台往往都是针对某一特定的设备，根据具体应用的技术指标建造相应的模拟和测试平台，然后在此平台上对系统设计的可行性，结构设计的优化，性能的测试等进行相应的研究和评估。但是这样针对特定设备所设计的模拟装置往往只适用于特定的结构，应用的范围受到限制。同时这些平台也不具有跨平台的通用性，从而成为研究结合不同技术平台的新方案的瓶颈。其导致的结果是研究开发的成本居高不下、周期过长、效率低下。
发明内容
本发明的目的是提供一种X-射线层析设备模拟装置，能够模拟层析设备各种可能的状态，具有相当的灵活性和通用性，为X-射线层析技术相关的开发和应用提供一个高效、快速和经济的模拟和检测平台。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：包括X-射线源、被测物体、探测装置，其特征在于，至少还包括调节系统，所述调节系统用以支撑并调节所述X-射线源、被测物体和探测装置中任意一个或任意组合的位置、方向或角度。
进一步的，所述调节系统包括支撑并调节所述X-射线源的第一调节装置、支撑并调节所述被测物体的第二调节装置、以及支撑并调节探测装置的第三调节装置。
进一步的，所述第一调节装置与第三调节装置的自由度之和大于等于6。
进一步的，所述第二调节装置至少有6个自由度。
进一步的，所述第一调节装置具有6个自由度，所述第三调节装置具有6个自由度。
进一步的，所述第一调节装置、第二调节装置和第三调节装置中的任一均至少包括θZ角度调节模块、水平度θX、θY调节模块、Z方向升降调节模块和XY水平位置调节模块。
进一步的，所述第二调节装置的θZ角度调节模块的角度调节范围为0～360度。
进一步的，X-射线源、被测物体和探测装置中的至少两个设置在同一运动轨道上；或者用以调节所述X-射线源、被测物体和探测装置的所述调节装置至少两个设置在同一运动轨道上。
进一步的，所述运动轨道的形状为圆形、直线、S形状、或8字形。
进一步的，所述调节系统为可编程控制的机械臂。
本发明由于采用以上所述技术方案，使得所述模拟装置可以自由调节X-射线源、被测物体、探测装置的位置、方向或角度，使得该模拟装置可以更大范围地适用于不同的X-射线层析设备，如通过调节装置改变X-射线源和探测装置的相对位置就能实现从CT到断层合成设备模拟的切换。本发明的模拟装置具有通用性，各种形式的CT和断层合成都可以在所述模拟装置上实现，对于一些新型的技术方案，如乳腺断层合成和平板探测器等，也能在所述模拟装置上直接实现，从而有效降低不同设备单独开发的研发成本，而且可以缩短研发周期。
附图说明
本发明X-射线层析设备模拟装置由以下的实施例及附图详细给出。
图1为本发明实施例的(a)系统结构和(b)X-射线源、被测物体和探测装置相对位置示意图；
图2为本发明实施例1中被测物体的调节装置的结构示意图；
图3为本发明实施例1中探测器的调节装置的结构示意图；
图4为本发明断层合成扫描原理示意图；
图5为本发明实施例2的系统结构示意图。
具体实施方式
以下将对本发明X-射线层析设备模拟装置作进一步的详细描述。
如图1中(a)和(b)所示的一个实施例的模拟装置的系统示意图，包括X-射线源1、被测物体2、探测装置3，所述调节系统包括用于支撑并调节所述X-射线源1的第一调节装置4、支撑并调节所述被测物体2的第二调节装置5、支撑并调节探测装置3的第三调节装置6，以及监测并控制以上所述被调节对象和调节系统的控制装置7。图1(a)中，双线箭头表示控制装置7对箭头指向方的状态监测和调整，单线箭头表示控制装置7对被测物体2的状态监测和干预。
本实施例为CT(Computed Tomography，计算机断层成像)的模拟装置，如图1中(b)所示，单一点状X-射线源1从出射窗口发出X-射线，经过被测物体2吸收后，被探测装置3吸收探测。所述X-射线源1固定在一个刚性支架上；所述被测物体2和探测装置3分别固定于第二调节装置5和第三调节装置6上，所述第二调节装置5和第三调节装置6本身具有六个自由度，可根据被调节对象的需要通过自动或手动进行独立调节，实现所载器件的空间位置、方向和角度达到模拟装置工作的需要。本实施例不同于传统的CT扫描仪，因为在传统的CT扫描仪中，被测物体是不转动的，而是在一个竖直或近似竖直的平面上转动X-射线源和/或探测装置；而在本实施例中，被测物体2被固定在一个旋转平台上，X-射线源1和探测装置3的相对位置关系调整确定后就保持固定。转动被测物体2，可实现CT对被测物体2多角度投影数据的采集。
如图2所示，并结合图1，第二调节装置5包括θZ角度调节模块51、θXθY水平度调节模块52，Z方向升降调节模块53和XY水平位置调节模块54。所述第二调节装置5至少能实现6个自由度的调节，所述θZ角度调节模块51的角度调节范围为0～360度。其中θXθY水平度调节块52和XY水平位置调节块54得以保证θZ角度调节模块51围绕着CT等效旋转轴心进行旋转。当然，旋转中心相对CT等效旋转轴心偏离和倾斜的情况也可以模拟。在该实施例中，选择θZ角度调节模块51和Z方向升降调节模块53的组合运动方式，还能够实现CT的序列扫描和螺旋扫描。由于θZ角度调节模块51的转速和Z方向升降调节模块53的升降速分别可调，这样就可以研究层析设备关于螺距、时间分辨率等因素与成像质量的关系或影响。
如图3所示，并结合图1，所述第三调节装置6包括θZ角度调节模块61、θXθY水平度调节模块62、Z方向升降调节模块63和XY水平位置调节模块64，可以调节所述探测装置3在六个自由度内进行精确的位置、方向和角度的调节，从而保证X-射线源1和探测装置3之间准确的相对位置。在本实施例中X-射线源1静止不动，虽然第一调节装置4的自由度为零，但是与第三调节装置自由度之和等于6。又由于X-射线源1静止，因而不用考虑转动时其尺寸和重量等参数带来的限制，更利于早期新技术新想法的检验。
在本实施例中，还可以将所述X-射线源1或第一调节装置4、被测物体2或第二调节装置5，以及探测装置3或第三调节装置6设置于轨道上实现相对位置的调节。所述轨道的形状可以是直线、圆形、S形状或8字形等。
上述实施例中，以所述层析设备模拟装置模拟CT成像为例进行说明。作为其他实施方案，本发明还可以用于断层合成成像的模拟。断层合成成像装置是一种有限角度的X-射线层析技术，比较典型的动态断层合成扫描原理如图4所示。图中单一的点近似X-射线源8绕着一个圆形轨迹运动(圆形转动轨迹和物体9上的一个等效中心构成一个圆锥面)，探测装置10在这个圆锥的反向延长线上形成的圆锥面上沿着另一个圆形轨迹同步运动，配合其相应的重建算法得到物体的准三维图像。断层合成的一个特征是投影数据的覆盖角度小于180度。这种图像的空间分辨率往往不是各向同性的，其Z方向的空间分辨率往往比XY平面的分辨率要低。但其优点是采集的投影数大大降低，扫描时间也大大缩短，可以广泛地用于对于扫描速度、扫描空间以及辐射剂量有特殊限制的三维成像相关的应用中。由于本发明的调节系统，可以通过调节装置改变X-射线源和探测器Z方向的相对位置就能实现从CT工作状态到断层合成设备工作状态的转换，不仅使X射线层析设备模拟的通用性大大提高，而且不同转换非常灵活和方便。
近年来随着新型的X-射线源阵列技术、平板探测器和三维重建算法的发展，使得X-射线层析技术的应用范围不断拓展。为了进一步扩大层析技术的应用边界，新的射线源几何排列、源-探测器的相对几何关系、探测器的几何形状等因素的调节或变更正逐步吸引着越来越多的研究兴趣。为了更有效地研究这一类新型X-射线层析技术，卓越的研究工具将是必需的。一个简便可行的方案通过可编程控制的机械臂分别支撑和调节X-射线管和平板探测器，如图5所示。X-射线管19和探测器21分别被固定在两个可编程控制的机械臂18和22上。通过机械臂18和22的运动轨迹和方向，可以在任意空间位置精确控制X-射线管19和探测器21的空间取向，从而可以模拟任意形式的X-射线层析成像系统的结构和扫描方式，例如，扫描X-射线管19获得射线源阵列的效果等。扫描得到的投影序列再结合相应的重建算法，就可以得到物体20一系列的断层图像。物体20也可以固定在一个可编程自动控制的机械臂上。这一模型对于各种新型X-射线层析系统以及相应重建算法的研究、测试和评估具有重要的意义。
除上述机械臂的实现方式外，本发明中层析设备模拟装置中的调节系统还可以为滑轨或升降台。
由于以上仅为本发明的较佳实施例，本发明的保护范围不应受此限制，即凡是依本发明的权利要求书及本发明说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，均应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种X-射线层析设备模拟装置，包括X-射线源、被测物体、探测装置，其特征在于，至少还包括调节系统，所述调节系统用以支撑并调节所述X-射线源、被测物体和探测装置中任意一个或任意组合的位置、方向或角度。
2.如权利要求1所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述调节系统包括支撑并调节所述X-射线源的第一调节装置、支撑并调节所述被测物体的第二调节装置、以及支撑并调节探测装置的第三调节装置。
3.如权利要求2所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述第一调节装置与第三调节装置的自由度之和大于等于6。
4.如权利要求3所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述第二调节装置的自由度不小于6。
5.如权利要求3所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述第一调节装置具有6个自由度，所述第三调节装置具有6个自由度。
6.如权利要求2所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述第一调节装置、第二调节装置和第三调节装置中的任一均至少包括θZ角度调节模块、水平度θX、θY调节模块、Z方向升降调节模块和XY水平位置调节模块。
7.如权利要求6所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述第二调节装置的θZ角度调节模块的角度调节范围为0～360度。
8.如权利要求1所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，X-射线源、被测物体和探测装置中的至少两个设置在同一运动轨道上；或者用以调节所述X-射线源、被测物体和探测装置的所述调节装置至少两个设置在同一运动轨道上。
9.如权利要求8所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述运动轨道的形状为圆形、直线、S形状、或8字形。
10.如权利要求1所述的X-射线层析设备模拟装置，其特征在于，所述调节系统为可编程控制的机械臂、导轨或升降台或其组合。
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