CN104597062A - 一种柱形束大视场x射线ct成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柱形束大视场X射线CT成像系统，由射线源系统、毛细管调制系统，样品台系统及探测器系统依次光学同轴组成，射线源系统和样品台系统的成像目标样品之间设置用于形成调制射线源使其形成柱形束X射线的毛细管装置，射线源系统的X射线源与毛细管调制系统的毛细管相连接，以获取柱形平行光束，探测器系统采用多通道信号处理器进行数据采集。本发明所涉及的成像系统，其射线源系统和探测器系统固定不动，转台可以转动，射线源通过毛细管调节系统调制后发出的是柱形束X射线，样品台只需要旋转180度即可完成一次常规扫描，这样可以获取的数据是完备的，利用平行束重建属于精确重建，与常规相比，可以节省一半的扫描时间。

Description

一种柱形束大视场X射线CT成像系统

技术领域

本发明涉及显微CT扫描成像技术领域，尤其是涉及一种柱形束大视场X射线CT成像系统。

背景技术

目前，通常的X射线CT成像的主流方式为圆轨迹锥形束，这样扫描的视野相对较大，能够较快地进行扫描成像。然而，利用这种锥束扫描成像，受扫描轨迹、重建算法的限制，所获取的数据往往不完备，重建的算法也是近似重建，加之物理降质因素如散射等影响，重建图像质量和效率往往会存在不同程度的下降；尤其在扩大成像视野方面，多组锥形束的扫描、拼接更为复杂，所对应的重建公式也需要进行特殊的设计。如何能够简单、有效的获取大视场X射线CT成像，备受关注。

通过公开专利文献检索，发现两篇相关专利文献：

1、一种X射线产生装置、静态CT成像系统及X射线产生方法(CN103426704A)，包括基极、栅极、聚焦极和X射线阳极靶，还包括至少一入射光源，照射所述基极中的基底部分，其中所述基底上设置有具有光敏电阻效应的涂层；第一光源调节装置，用于控制所述入射光源照射在在所述基底上的位置或移动。本发明提供的X射线产生装置通过控制光信号对电子源发射面积大小、空间位置、以及移动进行自由调控，并由此实现对于相应聚焦点大小、球管电流大小、以及X射线束产生位置的控制；包括该X射线产生装置的静态CT成像系统，可以通过相应的光信号扫描控制代替现有静态CT装置中基于传统电路单独控制和驱动多个X射线源的方法。

2、一种同步辐射X射线相位衬度CT成像系统及实验方法(CN1965760)。装置由单色器晶体、样品转台、分析晶体、电离室和成像探测器组成，样品转台由三个转动和两个平动来组成。同步辐射X射线相位衬度CT成像方法流程，其具体步骤如下：步骤S1，不同成像模式下相位衬度成像条件的确定；步骤S2，相位衬度CT成像实验数据的获取；步骤S3，相位衬度成像实验数据的重建。

通过技术特征的对比，上述公开专利文献与本发明申请差异较大，不会影响本发明申请的新颖性及创造性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种柱形束大视场X射线CT成像系统以及相应的成像方法，该装置能够简单、精确的实现大视野的扫描、拼接、重建。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

一种柱形束大视场X射线CT成像系统，由射线源系统、毛细管调制系统，样品台系统及探测器系统依次光学同轴组成，射线源系统和样品台系统的成像目标样品之间设置用于形成调制射线源使其形成柱形束X射线的毛细管装置，射线源系统的X射线源与毛细管调制系统的毛细管相连接，以获取柱形平行光束，探测器系统采用多通道信号处理器进行数据采集。

而且，所述射线源系统由X方向位移台、Y方向位移台、射线源垫板及射线源构成，X方向位移台上垂直水平位移Y方向位移台，Y方向位移台上固装射线源垫板，在射线源垫板上固装射线源，射线源提供初始X射线。

而且，所述毛细管调制系统由毛细管五轴运动平台、毛细管固定座、毛细管组件构成，该毛细管调节平台为五轴运动平台，在五轴运动平台上平面安装毛细管固定座，在该毛细管固定座上水平卡装毛细管组件，该毛细管组件由金属帽、毛细管、高密度海绵管及金属保护壳同轴构成，毛细管同轴安装在高密度海绵管内，高密度海绵管同轴穿装入金属保护管内并通过金属帽进行同轴封装锁死。

而且，所述样品台系统是由一个固定底座上的旋转台和在旋转台上固装的X、Y、Z三个方向的平移台构成。

而且，所述探测系统是由X，Y两个方向的线性平台、探测器支撑板及光耦探测器组成，探测器为高分辨的光耦探测器，光耦探测器实现2X，4X，10X，20X，40X倍的光学放大。

一种柱形束大视场X射线CT成像系统进行成像的方法，步骤是：

⑴大视野扫描之前，将射线源和样品调整到固定的位置，尽量使射线源和探测器之间的距离尽量小；

⑵开启射线源，样品台沿着Y向平移，每平移一次，获取一组数据，根据样品尺寸可以进行N次平移，获取N组数据；

⑶将样品沿着Z方向移动1次，同样，进行N次平移获取N组数据；

⑷根据样品高度，进行M次Z向移动，总计获取M*N组数据；

⑸旋转一个固定角度，重复上述过程，直至完成180度范围的扫描。

而且，对于步骤⑸的每一个固定的角度，对于M*N组数据，无需重排，直接拼接。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明可以实现不同尺度样品的高分辨率CT成像，目前成像视野与分辨率一般为1000：1，即1mm的样品能够实现1微米的分辨；而本发明中能够对几个毫米甚至1厘米的样品实现1微米分辨率的成像，仅通过样品台平移、升降对大样品进行扫描，这种扫描方式通过机械控制，很容易实现，获取的数据可以直接利用平行束重建算法，无需拼接，重排、插值。

2、本发明所述的扫描方式无需通过几何放大来实现高的分辨率，因此射线源和探测器的距离可以很近，这样射线源的强度损失会大幅度减少，即亮度较高；此外，由于毛细管调制后获取的是柱形X射线，因此没有焦点尺寸引起的图像模糊，同时也能够避免焦斑漂移引起的图像伪影。

3、本发明所涉及的成像系统，其射线源系统和探测器系统固定不动，转台可以转动，射线源发出的是柱形束X射线，样品台只需要旋转180度即可完成一次常规扫描，这样可以获取的数据是完备的，利用平行束重建属于精确重建，与常规360度扫描相比，可以节省一半的扫描时间。

附图说明

图1为本发明的系统连接结构示意图；

图2为本发明毛细管调制系统中毛细管组件安装在毛细管固定座上的爆炸图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种柱形束大视场X射线CT成像系统，由射线源系统、毛细管调制系统，样品台系统及探测器系统依次光学同轴组成，射线源系统和样品台系统的成像目标样品之间设置用于形成调制射线源使其形成柱形束X射线的毛细管装置，射线源系统的X射线源与毛细管调制系统的毛细管相连接，以获取柱形平行光束，探测器系统采用多通道信号处理器进行数据采集。

各构成系统的结构如下：

射线源系统由X方向位移台18、Y方向位移台17、射线源垫板2及射线源1构成，X方向位移台上垂直水平位移Y方向位移台，Y方向位移台上固装射线源垫板，在射线源垫板上固装射线源，由此实现射线源在X方向、Y方向的垂直二维位移，射线源提供初始X射线。

毛细管调制系统由毛细管五轴运动平台、毛细管固定座、毛细管组件构成，该毛细管调节平台为五轴运动平台，分别为x轴平台16、Y轴平台14、Z轴平台15、tip轴平台13、tilt轴平台3，可实现X、Y、Z、tip、tilt五个自由度的运动；在五轴运动平台上平面固装毛细管固定座4，在该毛细管固定座上水平卡装毛细管组件，该毛细管组件由金属帽22、毛细管21、高密度海绵管20及金属保护壳19同轴构成，毛细管同轴安装在高密度海绵管内，高密度海绵管同轴穿装入金属保护管内并通过金属帽进行同轴封装锁死；毛细管调制射线源系统发出的X射线，使其转化为柱形束，毛细管运动平台用于调整毛细管的位姿，保证毛细管与射线源的出射窗口对准，并且保证射线源靶点与毛细管入口距离为毛细管的焦距，还可以通过更换不同的毛细管实现不同能量的改变。

样品台系统是由一个固定底座上的旋转台5和在旋转台上固装的X轴平移台6、Y轴平移台12及Z轴平移台7三个方向的平移台构成。扫描样品时，可通过控制安装在固定底座上的旋转扫描样品台实现样品的旋转运动。样品台系统可以通过沿着Z方向移动样品，进行多个半圆形(不同高度上多个180度扫描)扫描，获取的多组数据可以根据样品台移动的空间位置信息，进行无间隙直接拼接，而且这样的扫描轨迹获取的数据是完备的，可以实现超长样品的扫描。样品后端可放置与毛细管平行的滤线栅，能够减少散射线进入探测器。

探测系统是由X轴线性平台11、Y轴线性平台10两个方向的线性平台以及探测器支撑板9、光耦探测器8组成，所用探测器为高分辨的光耦探测器，光耦探测器有不同的放大镜头能够实现2X，4X，10X，20X，40X倍的光学放大，因此能够实现不同分辨率的成像，通过X，Y两个方向的线性平台，能够调整探测器位置。

本发明的光源系统中，毛细管距离光源靶点的位置通过毛细管五轴运动平台进行精确定位，射线源连接后获取的是柱形束X射线。通过设计不同的毛细管能够实现柱形束焦点尺寸的调节，提高了射线源的亮度，同时可以调节X射线能段范围。利用毛细管调制射线源后，能够避免焦斑漂移对采集图像的影响。

本发明采用多轴运动控制器进行本系统运动部件的整体管控，采用多通道信号采集处理器进行数据采集。多轴运动控制器包含有16个电机的驱动控制功能，可以按照工作站的的指令操作管理射线源x，y两个方向的移动，样品台系统旋转并在x，y，z三个方向的移动，毛细管调制系统在5个方向上的运动，探测器在两个方向的移动，电机可以是步进电机或直流电机或侍服电机。多通道信号采集处理器包含有2个或以上信号采集通道，兼有信号采集、滤波、放大等常规信号处理功能，能够对探测器采集的图像进行处理，并快速上传给工作站。

本发明在工作台上采用柱形束大视场X射线CT成像软件，包括CT数据扫描模块、CT图像重构软件模块和图像显示模块等。软件工作基本流程是：工作站向多轴运动控制器发出控制指令，进行射线源、毛细管、探测器的位置调整，旋转样品台根据指令调整检测样品；然后，工作站向多通道信号采集处理器发出信号采集指令，根据指令要求，控制CT成像单元进行信号采集，并上传工作站，由工作站根据应用要求，进行三维重建，同时利用图像显示模块进行显示。

本发明的成像方法是：

⑴大视野扫描时，根据样品尺寸，将射线源和样品调整到固定的位置，尽量使射线源和探测器之间的距离尽量小；

⑵然后将被测样品置于样品台，并开启射线源和探测器，设置相关的参数，包括：射线源的电压和电流，光耦探测器的光学倍率、积分时间、合并帧数等，使得被测物能够清晰成像；

(3)将样品移出视场，扫描获取亮场数据；

(4)样品台沿着Y向平移，每平移一次，获取一组数据，根据样品尺寸可以进行N次平移，获取N组数据；

⑸然后样品沿着Z方向移动1次，同样，进行N次平移获取N组数据；

(6)根据样品高度，进行M次Z向移动，总计获取M*N组数据；

(7)然后旋转一个固定角度，重复上述过程(5)-(6)，直至完成180度范围的扫描。

(8)关闭射线源，扫描获取暗场数据；需要说明的是，对于每一个固定的角度，对于M*N组数据，无需重排，直接拼接即可。即将每一个Z轴确定位置，N次连续平移的数据直接拼接即可。

利用上述获取的数据，可以直接采用平行束滤波反投影算法进行重建，数据是完备的，重建算法是精确的，可以获得被测物体的三维重建信息。由于算法具有并行性，因此可以直接通过GPU进行加速，实现重建。

下面申请人给出基于本系统和方法的一个特殊实施例，即大尺寸板状物体厚度的一致性测试。对于大尺寸板状物的厚度测试，则无需旋转及三维重建，只需操作上述成像过程中的(1)-(6)即可。由于射线源发出的是柱形平行束X射线，将板状物体放置在与出束方向垂直的面上，经被测物衰减后的X射线被光耦探测器探测，探测器的图像可以反映被测物体厚度的变化。由于上述过程包含了对样品沿着Y，Z方向的多次平移，将其进行处理与组合，能够实现对大的板状物体的厚度不一致测量。

Claims (7)

1.一种柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：由射线源系统、毛细管调制系统，样品台系统及探测器系统依次光学同轴组成，射线源系统和样品台系统的成像目标样品之间设置用于形成调制射线源使其形成柱形束X射线的毛细管装置，射线源系统的X射线源与毛细管调制系统的毛细管相连接，以获取柱形平行光束，探测器系统采用多通道信号处理器进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：所述射线源系统由X方向位移台、Y方向位移台、射线源垫板及射线源构成，X方向位移台上垂直水平位移Y方向位移台，Y方向位移台上固装射线源垫板，在射线源垫板上固装射线源，射线源提供初始X射线。

3.根据权利要求1所述的柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：所述毛细管调制系统由毛细管五轴运动平台、毛细管固定座、毛细管组件构成，该毛细管调节平台为五轴运动平台，在五轴运动平台上平面安装毛细管固定座，在该毛细管固定座上水平卡装毛细管组件，该毛细管组件由金属帽、毛细管、高密度海绵管及金属保护壳同轴构成，毛细管同轴安装在高密度海绵管内，高密度海绵管同轴穿装入金属保护管内并通过金属帽进行同轴封装锁死。

4.根据权利要求1所述的柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：所述样品台系统是由一个固定底座上的旋转台和在旋转台上固装的X、Y、Z三个方向的平移台构成。

5.根据权利要求1所述的柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：所述探测系统是由X，Y两个方向的线性平台、探测器支撑板及光耦探测器组成，探测器为高分辨的光耦探测器，光耦探测器实现2X，4X，10X，20X，40X倍的光学放大。

6.一种根据权利要求1所述的柱形束大视场X射线CT成像系统进行成像的方法，其特征在于：步骤是：

⑴大视野扫描之前，将射线源和样品调整到固定的位置，尽量使射线源和探测器之间的距离尽量小；

⑵开启射线源，样品台沿着Y向平移，每平移一次，获取一组数据，根据样品尺寸可以进行N次平移，获取N组数据；

⑶将样品沿着Z方向移动1次，同样，进行N次平移获取N组数据；

⑷根据样品高度，进行M次Z向移动，总计获取M*N组数据；

⑸旋转一个固定角度，重复上述过程，直至完成180度范围的扫描。

7.根据权利要求6所述的柱形束大视场X射线CT成像系统，其特征在于：对于步骤⑸的每一个固定的角度，对于M*N组数据，无需重排，直接拼接。