CN104634797A - 扇形平面/锥形束ct多转台同步扫描装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置，包括射线源、探测器、采集计算机、控制系统、图像重建软件以及至少两个同步旋转工作台，至少两个旋转工作台布置在由射线源和探测器形成的检测射线扇形平面/锥形束内，至少两个旋转工作台呈直线排列，各个旋转工作台的旋转中心依次连接形成旋转中心线，旋转中心连线与检测射线扇形平面/锥形束的中心线垂直；每个旋转工作台对应一组探测器，探测器等角度均匀布置在半径为S₀的圆弧上。本发明可实现大扇角、多转台、小工件的多对象同时CT扫描成像，避免采用大扇角、大转台、多工件放置在一个转台上扫描时射线能量需求高的难题，同时提高检测效率。

Description

扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置与方法

技术领域

本发明涉及CT扫描方法和图像重建，特别是一种扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置。

背景技术

传统扇束/锥束Ⅲ代扫描工业CT系统只提供一个旋转运动，即检测对象相对于检测扇形束/锥形束的分度旋转运动。也就是说，系统只配置一个旋转工作台，一次检测一个对象或者把多个检测对象组合后放置在同一个旋转工作台面上。

扇束/锥束Ⅲ代扫描工业CT要求射线束全包容/全覆盖检测对象，为提高检测适用性，系统通常设计较大的检测视场。实际应用中，存在检测对象尺寸不大、密度高、检测数量多的需求，如某些弹类零件、中小型汽车零部件的检测。一般地，为了提高检测效率，通常一次检测把多个检测对象均匀组装到检测工作台面上进行CT扫描。但是这种方法使检测射线穿透路径的对象等效钢参数增大，需要CT系统配置更高能量的射线源，会大大增加系统成本和使用成本。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置与方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置，包括射线源、探测器、采集计算机、控制系统、图像重建软件，还包括至少两个同步旋转工作台。至少两个同步旋转工作台布置在由射线源和探测器形成的检测射线扇形平面/锥形束内，所述至少两个旋转工作台呈直线排列，各个旋转工作台的旋转中心依次连接形成旋转中心线，旋转中心连线与检测射线扇形平面/锥形束的中心线垂直；每个旋转工作台对应一组探测器，探测器等角度的均匀布置在半径为S₀的圆弧上。

进一步，相邻的旋转工作台之间通过同步带连接，通过主驱动轴实现旋转工作台同步旋转。

进一步，多个旋转工作台中心连线与射线源中心的距离为R；其中，第i个旋转工作台与检测射线扇形平面的中心线距离为|X_i|，射线源与第i个旋转工作台的旋转中心的连线与检测射线扇形平面中心线夹角γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=a\tan \left(\frac{X_i}{R}\right)---\left(1\right)$

检测射线扇形平面/中心扇面的夹角为α

α＝Nδ  (2)

式中，所有探测器通道数为N+1，δ为相邻探测器通道的夹角。

第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i，其对应的视场全包容检测射线扇形平面的夹度为α_i，第i个旋转工作台所对应的全包容半径为r_i的检测视场的探测器通道数为m_i+1；射线源中心与第i个旋转工作台的中心距离为R_i，则第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i的III代CT扫描参数为：

$R_i=\frac{R}{\cos {\mathrm{\γ}}_i}---\left(3\right)$

${\mathrm{\α}}_i=2a\tan \left(\frac{r_i}{R_i}\right)---\left(4\right)$

$m_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$j_0=\frac{N}{2}+\frac{{\mathrm{\γ}}_i-{\mathrm{\α}}_i/2}{\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

$j_{m_i}=j_0+m_i---\left(7\right),$

式中，j₀表示第j₀个探测器通道，表示第个探测器通道。

根据上述扫描装置对工件进行扫描的方法，将多个待检测工件放置分别在旋转工作台上，射线源发出扇形/锥形射线束，整个检测射线束覆盖待检测工件；扫描过程中，扫描装置的主驱动轴带动所有旋转工作台实现同步旋转直至扫描完成，通过计算机数据采集获得工件的CT投影数据，用于重建工件二维/三维CT图像。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提出了一种扇束/锥束CT多转台同时扫描方法和同步旋转多转台装置，可实现大扇角、多转台、小工件的多对象同时CT扫描成像，避免采用大扇角、大转台、多工件放置在一个转台上扫描时射线能量需求高的难题，同时提高检测效率；设计的同步旋转工作台具有高精度的优点，该扫描方法和同步旋转工作台具有很高的实用价值。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为多转台同时CT扫描几何模型；

图2为第i个转台CT扫描几何模型；

图3为9个同步旋转工作台机械结构图，其中a为后视图，b为俯视图，c为b沿A-A向剖视图；

图4为9个同步旋转工作台运动布局图；

图5为3转台同时扫描的工业CT系统工件中心平面检测工件CT图像和测试卡CT图像。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

III代CT扫描即检测射线扇形平面全包容被检测对象的扫描方式，其主扫描运动为检测对象相对于射线源-探测器分度旋转。理论上，多转台同时扫描工业CT系统可视为多个III代扫描CT的几何组合。根据结构的不同，CT系统探测器可分为等扇角探测器和等间距探测器两种。除去几何结构参数差异，其CT扫描和图像重建算法差别不大。本发明以等扇角探测器布局为研究对象，同样适用于等间距探测器结构。

如图1～2所示，扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置，包括射线源、探测器、采集计算机、控制系统、图像重建软件，还包括至少两个同步旋转工作台，至少两个同步旋转工作台布置在由射线源和探测器形成的检测射线扇形平面/锥形束内，所述至少两个旋转工作台呈直线排列，各个旋转工作台的旋转中心依次连接形成旋转中心线，旋转中心连线与检测射线扇形平面、锥形束的中心线垂直；每个旋转工作台对应一组探测器，探测器等角度的均匀布置在半径为S₀的圆弧上。

多旋转工作台同时扫描时，每一个旋转工作台和射线源、对应的探测器通道组成一个典型III代CT扫描系统，而且其射线源和探测数据采集控制为同一套系统。因此，要求转台设计应满足III代CT扫描的要求，同时同步旋转分度。可采用每个旋转工作台独立驱动，或由一个驱动轴同步传动至所有驱动轴。由于独立驱动控制成本高，控制难度大，本发明采用同步传动方式。

如图3所示，在本发明中，相邻的旋转工作台之间通过同步带1连接，通过主驱动轴2实现旋转工作台同步旋转，同步带通过张紧机构3张紧。

旋转中心线与射线源中心的距离为R；其中，第i个旋转工作台与检测射线扇形平面的中心线距离为|X_i|，射线源与第i个旋转平台的旋转中心的连线与检测射线扇形平面中心线夹角γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=a\tan \left(\frac{X_i}{R}\right)---\left(1\right)$

检测射线扇形平面/中心扇面的夹角为α

α＝Nδ  (2)

式中，所有探测器通道数为N+1，δ为相邻探测器通道的夹角。

第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i，其对应的视场全包容检测射线扇形平面的夹度为α_i，第i个旋转工作台所对应的全包容半径为r_i的检测视场的探测器通道数为m_i+1；射线源中心与第i个旋转工作台的中心距离为R_i，则第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i的III代CT扫描参数为：

$R_i=\frac{R}{\cos {\mathrm{\γ}}_i}---\left(3\right)$

${\mathrm{\α}}_i=2a\tan \left(\frac{r_i}{R_i}\right)---\left(4\right)$

$m_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$j_0=\frac{N}{2}+\frac{{\mathrm{\γ}}_i-{\mathrm{\α}}_i/2}{\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

$j_{m_i}=j_0+m_i---\left(7\right),$

式中，j₀表示第j₀个探测器通道，表示第个探测器通道。

在进行CT扫描时，由控制系统控制，由射线源发出的X射线穿透放置在至少两个旋转工作台面上的检测对象，放置在至少两个旋转工作台面上的检测对象独立同步旋转，探测器将穿过检测对象的X射线转换为数据，并按CT扫描要求由计算机采集记录，扫描完成后图像重建软件可重建出一幅包含相应检测对象的CT二维/三维图像。

本发明提出了一种扇束/锥束CT多转台同时扫描同步旋转多转台机构。

在本实施例中，设计较多数量的同步转台(如9个转台)并根据可同时CT扫描的参数(如3个转台同时扫描)进行分组，分次(3次)进行CT扫描检测。

为实现不同扫描参数对应转台径向位置不同，实现多转台分组扫描，同时利用主旋转工作台4驱动多转台5同步分度旋转，设计的多转台扫描运动包括平移、径向、主分度驱动、分度旋转等，各运动及系统结构如图4所示。

使用上述9转台同步旋转扫描工业CT系统进行2组3转台同时CT扫描实验，其重建工业CT图像如图5所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置，包括射线源、探测器、采集计算机、控制系统、图像重建软件，其特征在于：还包括至少两个同步旋转工作台，至少两个同步旋转工作台布置在由射线源和探测器形成的检测射线扇形平面/锥形束内，所述至少两个旋转工作台呈直线排列，各个旋转工作台的旋转中心依次连接形成旋转中心线，旋转中心连线与检测射线扇形平面/锥形束的中心线垂直；每个旋转工作台对应一组探测器，探测器等角度的均匀布置在半径为S₀的圆弧上。

2.根据权利要求1所述的扇形平面/锥形束CT多转台同步扫描装置，其特征在于：相邻的同步旋转工作台之间通过同步带连接，通过主驱动轴实现旋转工作台同步旋转。

3.根据权利要求1所述的扇形平面/锥形束CT多转台同时扫描装置，其特征在于：旋转中心线与射线源中心的距离为R；其中，第i个旋转工作台与检测射线中心扇形平面的中心线距离为|X_i|，射线源与第i个旋转工作台的旋转中心的连线与检测射线中心扇形平面中心线夹角γ_i，

${\mathrm{\γ}}_i=a\tan \left(\frac{X_i}{R}\right)---\left(1\right)$

检测射线扇形平面/中心扇面的夹角为α，

α＝Nδ  (2)

式中，所有探测器通道数为N+1，δ为相邻探测器通道的夹角。

第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i，其对应的视场全包容检测射线扇形平面的夹度为α_i，第i个旋转工作台所对应的全包容半径为r_i的检测视场的探测器通道数为m_i+1；射线源中心与第i个旋转工作台的中心距离为R_i，则第i个旋转工作台的检测视场半径为r_i的III代CT扫描参数为：

$R_i=\frac{R}{\cos {\mathrm{\γ}}_i}---\left(3\right)$

${\mathrm{\α}}_i=2a\tan \left(\frac{r_i}{R_i}\right)---\left(4\right)$

$m_i=\frac{{\mathrm{\α}}_i}{\mathrm{\δ}}---\left(5\right)$

$j_0=\frac{N}{2}+\frac{{\mathrm{\γ}}_i-{\mathrm{\α}}_i/2}{\mathrm{\δ}}---\left(6\right)$

$j_{m_i}=j_0+m_i---\left(7\right),$

式中，j₀表示第j₀个探测器通道，表示第个探测器通道。

4.根据权利要求3所述的扫描装置对工件进行扫描的方法，其特征在于：将待扫描工件放置在旋转工作台上，射线源发出扇形/锥形射线束，整个检测射线束扇形包容/锥束覆盖待检测工件；扫描过程中，扫描装置的主驱动轴带动所有旋转工作台实现同步旋转直至扫描完成，通过计算机数据采集获得工件的CT投影数据，用于重建CT图像。