CN104757988A - 一种电子直线扫描微纳焦点ct扫描系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统及方法，属于CT扫描技术领域。该扫描系统包括线阵列微纳焦点X射线源，滤波片，检测对象，旋转工作台，探测器，数据采集系统，机械系统，控制系统，计算机，显示屏；所述X射线源包含线阵点状X射线靶；本发明提供的一种CT扫描方法，通过多次射线源线阵点状X射线靶电子直线扫描，获得多组投影数据，然后进行图像重建，所述图像重建包括加权、滤波和反投影。该方法在每一次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，避免了机械运动误差、微小震动等微纳尺度CT扫描的影响。

Description

一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统及方法

技术领域

本发明属于CT扫描技术领域，涉及一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统及方法。

背景技术

传统微纳CT扫描系统采用微纳单焦点X射线源、线阵列或面阵列探测器，扫描时射线源－探测器相对检测对象连续或间歇分度旋转，同时由计算机采集不同角度的探测器数据(投影)，用于图像重建。一般，投影角应覆盖180°～360°角度范围。然而，当CT扫描系统分辨力小于1微米时，扫描过程的机械运动误差、微小震动等会影响CT成像。因此，微纳CT扫描系统的稳定性和机械扫描运动要求高，系统难度大；另外，微纳CT扫描系统以高分辨力重构CT图像所需X射线投影的扫描持续时间较长，单焦点射线源长时间出束会产生大量的热，易造成金属靶烧蚀或融化。为解决此问题，我们提出一种使用线阵点状X射线靶微纳焦点X射线源、大尺寸直线阵列探测器或大面积平板探测器、精密分度转台的微纳CT扫描系统，采用线阵点状X射线靶电子直线扫描和检测对象分度的CT扫描方法：线阵点状X射线靶一次电子直线扫描可获得一组一定角度的投影数据，通过对应检测对象不同分度角度的多次电子直线扫描即能获得不小于180°的投影数据用于CT图像重建。这种扫描方法每一次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，能够避免机械运动、微小震动等对CT成像的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统及方法，这种扫描方法在每一次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，避免了机械运动、微小震动等对CT成像的影响。

本发明的目的之一是提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统；本发明的目的之二是提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统，该扫描系统包括线阵列微纳焦点X射线源(含线阵点状X射线靶)，滤波片，检测对象，旋转工作台，探测器，数据采集系统，机械系统，控制系统，计算机，显示屏；

通过控制射线源电子束偏转，实现X射线焦点在线阵点状X射线靶上分时出束。由线阵点状X射线靶发出的X射线，经过滤波片，穿透检测对象，到达探测器，探测器将X射线衰减后的信息转换为电信号并经采集系统传入计算机，经计算机进行图像重建处理后显示；所述检测对象放置在旋转工作台上。

进一步，该扫描系统中对应于射线源线阵点状X射线靶某靶点位置的投影，穿过视场的射线与x轴的夹角为θ，

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{c}{\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_d-x_k}\right),x_k<0,x_k\&NotEqual;x_d\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2},x_k=x_d\\ \mathrm{\&pi;}{-\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_k-x_d}\right),x_k\&GreaterEqual;0,x_k\&NotEqual;x_d\end{array}\right.,$

其中，S_d为射线源到探测器的距离；x_d为探测单元与视场中心在x轴方向的距离；x_k为扫描某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K，K为线阵点状X射线靶点数。

进一步，该扫描系统中穿过视场的射线与投影中心射线的距离为l，

$l={(x_k^2+S_o^2)}^{\frac{1}{2}}\sin \mathrm{\&gamma;},$

其中，x_k为扫描中某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K，K为线阵点状X射线靶点数；S₀为射线源到扫描视场中心的距离； 为投影中心射线与x轴的夹角，l的取值范围为[-R,R]，R为视场半径。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，所述CT扫描方法包括以下步骤：

S1：通过射线源线阵点状X射线靶一次电子直线扫描获得一组一定角度的投影数据；

S2：一次扫描完成后，旋转工作台带动检测对象分度旋转一个角度，重复电子直线扫描过程；

S3：通过多次的电子直线扫描获得不小于180°的投影数据；

S4：通过计算机进行CT图像重建并显示结果。

进一步，所述S1中一次电子直线扫描的射线源线阵列X射线靶结构为等间距线阵点状X射线靶。

进一步，所述S1射线源线阵点状X射线靶一次电子直线扫描，系统的扫描参数满足以下条件：

其中，等效扫描角度最小覆盖[0,π]区间，通过n次电子扫描完成；射线源线阵点状X射线靶焦点数为K,焦点间距为δ，为一次电子扫描第k个投影中心射线与x轴夹角；x_k为扫描中某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K；S₀为射线源到扫描视场中心的距离；S_d为射线源到探测器的距离；x_d为探测单元与视场中心在x轴方向的距离；函数ceil(a)为大于a的最小整数。

进一步，所述S4进行CT图像重建，具体包括以下步骤：

S41：加权过程，

P^w(x_k,x_d)＝P(x_k,x_d)*|cos(γ)|

P(x_k,x_d)为采集的投影数据，P^w(x_k,x_d)为加权后的投影数据，x_k为靶点在水平方向的位置，x_d为投影数据对应探测单元在水平方向的位置，γ为射线与投影中心射线的夹角；

S42：滤波过程，

P^f(x_k,x_d)＝P^w(x_k,x_d)*h(x_d)，

P^f(x_k,x_d)为滤波后的投影数据，h(x_d)为空域的S-L型斜坡滤波器，

S43：反投影过程，

$f(x,y)={\&Integral;}_0^n{\&Integral;}_{x_1}^{x_K}\frac{1}{U^2}{P}^f(x_k,x_d,\mathrm{\&xi;}){\mathrm{dx}}_k\mathrm{d\&xi;},$

其中，为反投影权因子；n为电子直线扫描次数，即一次CT扫描工件分度旋转的次数，ξ＝1,…,n；

所述反投影过程包括二重积分，首先在一个分度下，根据靶点位置计算经过重建点的投影地址并获取投影，然后进行加权累加；然后在每一个分度下都重复同样的加权累加过程，完成反投影。

进一步，所述方法在进行每一次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统及方法，该微纳CT扫描系统主要包括线阵列微纳焦点X射线源(含线阵点状X射线靶)、大尺寸直线阵列探测器或大面积平板探测器、精密分度转台等。该系统稳定性较好，在每一次电子扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，避免了机械运动、微小震动等对CT扫描的影响。考虑到本发明所述系统的CT射线源扫描轨迹是分段直线，这种扫描轨迹不是正规曲线，本发明提出了一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，该方法中的重建算法，可以直接应用于该系统的投影数据进行图像重建，具有较好的抗噪能力且运算速度快。

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为本发明所述CT扫描系统的结构；

图2为本发明所述系统的CT扫描中间断层的二维几何模型；

图3为实验1仿真图像采用Shepp-Logan模型；

图4为试验1采用本发明所述方法进行图像重建后结果；

图5为试验1的局部图；

图6为试验2仿真图像采用新设计的模型2；

图7为试验2采用本发明所述方法进行图像重建后结果；

图8为试验2的局部图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统包括：线阵列微纳焦点X射线源1(包含线阵点状X射线靶2)，滤波片3，检测对象4放置在精密旋转工作台5上，探测器6，数据采集7，机械系统8，控制系统9，计算机10，图像重建和显示11。其工作原理是：由线阵点状X射线靶2发出的X射线，经过滤波片3，穿透检测对象4，到达探测器6，其X射线衰减后的信息由探测器6转换为电信号并经采集系统7采集后传入计算机11。通过控制射线源电子束分时扫描，实现X射线焦点在射线靶2上的直线扫描，对应的可采集到一组一定角度的投影数据信息。一次扫描完成后，精密旋转工作台5带动检测样品4分度旋转一个角度后，重复电子直线扫描过程。重复多次上述扫描过程，可获得足够的投影数据，由图像重建和显示11获得CT图像。

该CT扫描系统的CT扫描中间断层的二维几何模型如图2所示，R为视场半径。给定扫描某时刻射线源靶点位置x_k(k＝1,2,…,K)，K为线阵点状X射线靶点数，即电子直线扫描一次可获得的投影数。设θ为穿过视场的射线与x轴的夹角，l为其与投影中心射线的距离，S₀为射线源到扫描视场中心的距离，S_d为射线源到探测器的距离。则任一穿过视场的射线可由θ，l唯一定义，

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{c}{\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_d-x_k}\right),x_k<0,x_k\&NotEqual;x_d\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2},x_k=x_d\\ \mathrm{\&pi;}{-\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_k-x_d}\right),x_k\&GreaterEqual;0,x_k\&NotEqual;x_d\end{array}\right.,---\left(1\right)$

其中，x_d为探测单元与视场中心在x轴方向的距离。设 为投影中心射线与x轴的夹角，则有

$l={(x_k^2+S_o^2)}^{\frac{1}{2}}\sin \mathrm{\&gamma;}.---\left(2\right)$

式(2)中，参数l取值范围[-R,R]。

本发明提供一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，包括以下几个步骤：

S1：通过射线源线阵点状X射线靶一次电子直线扫描获得一组一定角度的投影数据；

S2：一次扫描完成后，旋转工作台带动检测对象分度旋转一个角度，重复电子直线扫描过程；

S3：通过多次的电子直线扫描获得不小于180°的投影数据；

S4：通过计算机进行CT图像重建并显示结果。

射线源线阵点状X射线靶一次电子直线CT扫描过程，等效于传统CT扫描时被检测工件分度旋转(投影)一定角度。射线源线阵点状X射线靶结构包括等间距和非等间距(等效等投影角度)两种方式。

当射线源线阵点状X射线靶结构为等间距线阵点状X射线靶结构时，假定等效扫描角度最小覆盖[0,π]区间,通过n次电子扫描(工件分度)完成。当重建图像矩阵为N×N时，我们知道[0,π]区间的投影数应为左右。设射线源线阵点状X射线靶焦点数为K,焦点间距为δ，为投影中心射线与x轴的夹角，则CT扫描系统参数及扫描参数应满足:

$K\&GreaterEqual;\frac{N}{n}\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}---\left(4\right)$

$x_k=(k-\frac{K+1}{2})\mathrm{\&delta;}---\left(5\right)$

其中，函数ceil(a)大于a的最小整数。

本发明的CT射线源扫描轨迹是分段直线，这种扫描轨迹不是正规曲线，因此很难推导出它的解析算法。三代CT的滤波反投影重建算法是精确重建算法，具有较好的抗噪能力和运算速度较快等特性；三代CT扫描源轨迹是圆形，与本发明的扫描轨迹不一样，因此不能直接拿来使用，我们将其进行了推广并形成本发明的重建算法。本发明的重建算法包括三个过程：加权、滤波和反投影。

(1)加权过程：

P^w(x_k,x_d)＝P(x_k,x_d)*|cos(γ)|         (6)

P(x_k,x_d)是采集的投影数据，P^w(x_k,x_d)是加权后的投影数据，x_k是靶点在水平方向的位置，x_d是投影数据对应探测单元在水平方向的位置，γ为射线与投影中心射线的夹角。工件旋转到不同分度，新的CT扫描过程相同，因此加权公式也相同。

(2)滤波过程：

P^f(x_k,x_d)＝P^w(x_k,x_d)*h(x_d)        (7)

P^f(x_k,x_d)是滤波后的投影数据，h(x_d)是空域的S-L型斜坡滤波器，其公式如下：

$h\left(x_d\right)=\frac{2}{{\mathrm{\&pi;}}^2\left({1-4x}_d^2\right)}---\left(8\right)$

(3)反投影过程：

$f(x,y)={\&Integral;}_0^n{\&Integral;}_{x_1}^{x_K}\frac{1}{U^2}{P}^f(x_k,x_d,\mathrm{\&xi;}){\mathrm{dx}}_k\mathrm{d\&xi;}---\left(9\right)$

其中，是反投影权因子。n为电子直线扫描次数，即一次CT扫描工件分度旋转的次数，ξ＝1,…,n。

从公式(9)可以看出，反投影包括二重积分，首先在一个分度下，根据靶点位置计算经过重建点的投影地址并获取投影，然后进行加权累加。在每一个分度下都重复同样的加权累加过程，就完成了反投影。

仿真与试验：

线阵点状X射线靶X射线源电子束直线CT扫描仿真试验采用等间距X射线靶，大面积平板探测器，系统参数和CT扫描参数见表1。

表1 CT扫描参数

实验1：

仿真实验图像采用Shepp-Logan模型，如图3所示，并在模型图像上加上了一排2μm直径的圆孔。扫描图像的视场直径为0.5mm，重建图像矩阵大小为1024×1024。经过仿真扫描与图像重建得到如下结果，如图4和图5所示，经过比较可以看出，2μm的圆孔能够较容易分辨出来。

实验2：

仿真实验图像采用新设计的模型2，如图6所示，模型图像有几种宽度不同的间隔条纹和几种直径不同的圆孔，最小圆孔直径为一个像素。扫描图像的视场直径为0.5mm，重建图像矩阵大小为1024×1024。经过仿真扫描与图像重建得到如下结果，如图7和图8所示，经过比较可以看出，0.5μm的圆孔能够分辨出来。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统，其特征在于：该扫描系统包括线阵列微纳焦点X射线源，滤波片，检测对象，旋转工作台，探测器，数据采集系统，机械系统，控制系统，计算机，显示屏；所述线阵列微纳焦点X射线源包含线阵点状X射线靶；

通过控制射线源电子束偏转，实现X射线焦点在线阵点状X射线靶上的分时出束；由线阵点状X射线靶发出的X射线，经过滤波片，穿透检测对象，到达探测器，探测器将X射线衰减后的信息转换为电信号并经采集系统传入计算机，经计算机进行图像重建处理后显示；所述检测对象放置在旋转工作台上。

2.根据权利要求1所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统，其特征在于：该扫描系统中穿过视场的射线与x轴的夹角为θ，

$\mathrm{\&theta;}=\left\{\begin{array}{c}{\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_d-x_k}\right),x_k<0,x_k\&NotEqual;x_d\\ \frac{\mathrm{\&pi;}}{2},x_k=x_d\\ \mathrm{\&pi;}-{\tan }^{-1}\left(\frac{S_d}{x_k-x_d}\right),x_k\&GreaterEqual;0,x_k\&NotEqual;x_d\end{array}\right.,$

其中，S_d为射线源到探测器的距离；x_d为探测单元与视场中心在x轴方向的距离；x_k为直线扫描某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K，K为线阵点状X射线靶的靶点数。

3.根据权利要求1所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描系统，其特征在于：该扫描系统中穿过视场的射线与投影中心射线的距离为l，

$l={(x_k^2+S_o^2)}^{\frac{1}{2}}\sin \mathrm{\&gamma;},$

其中，x_k为直线扫描某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K，K为线阵点状X射线靶的靶点数；S₀为射线源到扫描视场中心的距离；γ为射线与投影中心射线的夹角， 为投影中心射线与x轴的夹角，l的取值范围为[-R,R]，R为视场半径。

4.一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，其特征在于：所述CT扫描方法包括以下步骤：

S1：通过射线源线阵点状X射线靶一次电子直线扫描获得一组一定角度的投影数据；

S2：一次扫描完成后，旋转工作台带动检测对象分度旋转一个角度，重复电子直线扫描过程；

S3：通过多次的电子直线扫描获得不小于180°的投影数据；

S4：通过计算机进行CT图像重建并显示结果。

5.根据权利要求4所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，其特征在于：所述S1中射线源线阵列X射线靶结构为等间距线阵点状X射线靶。

6.根据权利要求5所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，其特征在于：所述S1射线源线阵点状X射线靶一次电子直线扫描，系统的扫描参数满足以下条件：

$K\&GreaterEqual;\frac{N}{n}\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2},$

$x_k=(k-\frac{K+1}{2})\mathrm{\&delta;}$

其中，等效扫描角度最小覆盖不小于[0,π]区间，通过n次电子扫描完成；射线源线阵点状X射线靶焦点数为K,焦点间距为δ，为投影中心射线与x轴的夹角；x_k为直线扫描某时刻射线源靶点位置，k＝1,2,…,K；S₀为射线源到扫描视场中心的距离；S_d为射线源到探测器的距离；x_d为探测单元与视场中心在x轴方向的距离；函数ceil(a)为大于a的最小整数。

7.根据权利要求4所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，其特征在于：所述S4进行CT图像重建，具体包括以下步骤：

S41：加权过程，

P^w(x_k,x_d)＝P(x_k,x_d)*|cos(γ)|

P(x_k,x_d)为采集的投影数据，P^w(x_k,x_d)为加权后的投影数据，x_k为靶点在水平方向的位置，x_d为投影数据对应探测单元在水平方向的位置，γ为射线与投影中心射线的夹角；

S42：滤波过程，

P^f(x_k,x_d)＝P^w(x_k,x_d)*h(x_d)，

P^f(x_k,x_d)为滤波后的投影数据，h(x_d)为空域的S-L型斜坡滤波器，

S43：反投影过程，

$f(x,y)={\&Integral;}_0^n{\&Integral;}_{x_1}^{x_K}\frac{1}{U^2}{P}^f(x_k,x_d,\mathrm{\&xi;}){\mathrm{dx}}_k\mathrm{d\&xi;},$

其中，为反投影权因子；n为电子直线扫描次数，即一次CT扫描工件分度旋转的次数，ξ＝1,…,n；

所述反投影过程包括二重积分，首先在一个分度下，根据靶点位置计算经过重建点的投影地址并获取投影，然后进行加权累加；然后在每一个分度下都重复同样的加权累加过程，完成反投影。

8.根据权利要求4所述的一种电子直线扫描微纳焦点CT扫描方法，其特征在于：所述方法在进行每一次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态。