CN106353350A - 一种反向几何成像实验平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反向几何成像实验平台。该实验平台包括主控装置、X射线源、限束装置、第一运动装置、第二运动装置、旋转装置、探测装置，主控装置与X射线源相连，X射线源与限束装置相连，X射线源与限束装置设置于第一运动装置上，第一运动装置分别与主控装置和第二运动装置相连，旋转装置分别与主控装置和第二运动装置相连，探测装置分别与主控装置和第二运动装置相连。本发明利用反向几何成像原理不仅能够获取不同成像需求的图像数据，重建出满足不同成像需求的图像，而且使散射射线对图像的影响降低，使图像中不会产生伪影，提升了图像信号品质，同时可以降低辐射剂量。

Description

一种反向几何成像实验平台
技术领域
本发明涉及一种成像实验平台，尤其涉及一种用于辐射成像系统的反向几何成像实验平台，属于辐射成像技术领域。
背景技术
传统的CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)成像系统是通过机械运动的方式带动X射线源和大面积探测器围绕被检测物做旋转运动，从而获得一系列的原始投影数据。如图1所示，将X射线穿过被测物体2，并投影到探测器4上，通过探测器采集图像数据，经过一系列的处理使被测物体内部结构的图像重现。由于X射线源与被穿过的物质之间会发生康普顿效应，使X射线源投影到探测器的过程中会产生散射辐射，散射辐射会产生额外的曝光，如同“散射雾”一般叠加在X射线的图像上，从而降低了图像的对比度和清晰度，同时也降低了图像细微处的信噪比。
为解决上述问题，申请人在申请号为201410337142.7的中国专利申请中公开了一种采用分时分区方式的除散射辐射成像系统及其成像方法。该系统包括：X射线源，X射线准直器，扫描探测器，时序位置控制器，其中X射线源产生X射线，经过X射线准直器调整后指向扫描探测器已激活的分区。利用该发明所提供的方法去除散射，可以使散射射线对图像的影响降低，提升图像信号品质，同时降低辐射剂量。但是，这种可以降低辐射剂量的扫描射线源在市面上还没有成熟的产品。
为了对上述的新型扫描射线源进行深入研究，有必要采用反向几何成像(ReverseGeometry X-ray)技术。如图2所示，反向几何成像技术的工作原理为：将X射线源5的各个焦点(S0～Sn)轮流发射窄束X射线，投影至一个小面积的平板探测器上，形成一组可用于容积成像的图像。实践中，迫切需要设计一种成像实验平台，用以验证反向几何成像满足不同成像需求的成像参数，从而重建出高质量的断层图像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种反向几何成像实验平台。
为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种反向几何成像实验平台，包括主控装置、X射线源、限束装置、第一运动装置、第二运动装置、旋转装置、探测装置；
所述主控装置与所述X射线源相连，所述X射线源与所述限束装置相连，所述X射线源与所述限束装置设置于所述第一运动装置上，所述第一运动装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连，所述旋转装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连，所述探测装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连；
所述X射线源沿着预设的运动轨迹运动，将穿过被测物体的X射线投射到所述探测装置中。
其中较优地，所述主控装置为主控制器，所述主控制器设置有多个与所述第一运动装置和所述旋转装置相匹配的运动控制器，通过所述主控装置按照预设的X射线源的运动轨迹对所述第一运动装置与所述旋转装置进行运动控制，使所述第一运动装置与所述旋转装置对X射线源进行精确定位。
其中较优地，所述主控制器与所述探测装置中的计算机相连，通过所述探测装置中的计算机预先定义X射线源的运动轨迹，所述主控制器按照预定义的运动轨迹对所述第一运动装置进行运动控制，实现对X射线源的精确定位。
其中较优地，所述第一运动装置为四轴运动平台，所述四轴运动平台包括第一运动平台、第二运动平台、第三运动平台、第四运动平台、第一传感器、第二传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机；所述第一运动平台与所述第一电机相连，所述第二运动平台与所述第二电机相连，所述第三运动平台与所述第三电机相连，所述第四运动平台与所述第四电机相连，所述第一传感器、所述第二传感器、所述第一旋转编码器、所述第二旋转编码器分别与主控制器相连。
其中较优地，多个运动控制器与所述第一运动装置的多台电机对应相连，通过多个所述运动控制器实现所述主控制器对多台所述电机的控制，使与多台所述电机相对应的运动平台调整X射线源的焦点的运动轨迹，使X射线源的焦点运动到探测装置中探测器的有效区域，从而获取不同角度范围内的图像数据，重建出满足多种成像需求的图像。
其中较优地，所述第一运动平台为升降台，所述第二运动平台为平移台，所述第三运动平台为水平旋转台，所述第四运动平台为俯仰转台。
其中较优地，所述第二运动装置为直线运动结构，用于调节X射线源至所述探测装置中探测器及被测物体的距离。
其中较优地，所述旋转装置包括旋转载物平台、第五电机、第三旋转编码器，所述旋转载物平台与所述第五电机相连，所述第五电机与主控制器相应的运动控制器相连，所述第三旋转编码器与所述主控器相连。
其中较优地，所述X射线源为宽束X射线源，中心线对准所述探测装置中探测器的中心位置。
其中较优地，所述探测器为平板探测器，所述平板探测器的中心位置为处于采集状态的有效区域。
本发明所提供的反向几何成像实验平台，通过控制第一运动装置、第二运动装置，以及调整限束装置开口的大小以及旋转载物平台的旋转角度，使X射线源投影至探测器的有效区域，从而获取不同的图像数据重建出满足多种成像需求的图像。本实验平台利用反向几何成像原理不仅能够获取不同成像需求的图像数据，重建出满足不同成像需求的图像，而且使散射射线对图像的影响降低，使重建图像中减少产生散射伪影和锥束CT重建固有的伪影，提升了图像信号品质，同时可以降低辐射剂量。
附图说明
图1为传统CT成像的原理示意图；
图2为反向几何成像技术的原理示意图；
图3为本发明所提供的反向几何成像实验平台的结构示意图；
图4为本发明所提供的反向几何成像实验平台中，主控装置的控制原理示意图；
图5为本发明所提供的反向几何成像实验平台中，第一运动装置的结构示意图；
图6为本发明所提供的反向几何成像实验平台的工作原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。
本发明所提供的反向几何成像实验平台是基于反向几何成像技术的工作原理而设计的，利用宽束X射线源替代传统CT系统的窄束X射线；采用有效面积小(处于采集状态的区域面积小)的探测器，有效减少了散射辐射对成像信噪比的影响。该宽束X射线源有效提高了X射线的利用率，并且降低了X射线源的使用剂量，从而降低了被检测者特别是患者和医务人员所受的辐射量。
如图3所示，本发明所提供的反向几何成像实验平台包括主控装置、X射线源7、限束装置8、第一运动装置、第二运动装置15、旋转装置13、探测装置，其中，主控装置与X射线源7相连，X射线源7与限束装置8相连，并且X射线源7与限束装置8设置于第一运动装置上，第一运动装置分别与主控装置和第二运动装置15相连，旋转装置13、探测装置分别与第二运动装置15相连，探测装置、旋转装置13还与主控装置相连。通过本反向几何成像实验平台，可以控制X射线源7沿着预设的运动轨迹运动，使穿过被测物体的X射线投射到位置相对固定的探测装置中。通过探测装置采集不同的图像数据，可以重建出满足多种成像需求的图像。
在本发明的一个实施例中，主控装置是以FPGA芯片为核心的主控制器16，该主控制器16具有很高的实时性及抗干扰能力，从而提高了整体控制的可靠性。如图4所示，主控制器16设置有第一运动控制器1601、第二运动控制器1602、第三运动控制器1603、第四运动控制器1604、第五运动控制器1605。主控制器16分别与X射线源7、第一运动装置、探测装置、旋转装置13相连。其中，探测装置包括探测器14与计算机，探测器14与计算机相连，探测器14用于接收来自X射线源投影到探测器14上的图像信息，并将所接收的图像信息转化成计算机能接收的图像数据，计算机接收到该图像数据后将其进行处理，最终将完整的图像呈现在计算机的屏幕上，方便工作人员根据所显示的图像进行具体的分析。主控制器16可以按照预设的X射线源7的运动轨迹对第一运动装置与旋转载物台进行运动控制，使第一运动装置与旋转装置13对X射线源7进行精确定位，并且主控制器16还可以控制X射线源7的透射程度与曝光时序。由于主控制器16与探测器14相连，所以，主控制器16还可以控制探测器14的工作时序。该主控制器16还设置有通讯接口，可以连接计算机，通过计算机预先定义X射线源7的运动轨迹数据，根据X射线源的运动轨迹数据，进一步控制主控制器16按照预定义的运动轨迹对第一运动装置进行运动控制，实现对X射线源的精确定位。
如图5所示，第一运动装置为四轴运动平台。该四轴运动平台包括第一运动平台9、第二运动平台10、第三运动平台11、第四运动平台12、第一传感器17、第二传感器19、第一旋转编码器21、第二旋转编码器23、第一电机18、第二电机20、第三电机22、第四电机24。第一运动平台9与第一电机18相连，第二运动平台10与第二电机20相连，第三运动平台11与第三电机22相连，第四运动平台12与第四电机24相连，第一电机18与第一运动控制器1601相连，第二电机20与第二运动控制器1602相连，第三电机22与第三运动控制器1603相连，第四电机24与第四运动控制器1604相连，第一传感器17、第二传感器19、第一旋转编码器21、第二旋转编码器23分别与主控制器16相连。其中，第一运动平台9为升降台，第一电机18为升降台电机，第一传感器17为升降台位置传感器，通过升降台位置传感器17能将X射线源7的位置及时反馈给主控制器16，通过主控制器16控制升降台电机18工作，带动升降台9将X射线源7沿着竖直方向(平面坐标系中的Y轴方向，如图6所示)运动，使X射线源7能够运动至预设位置。第二运动平台10为平移台10，第二电机20为平移台电机，第二传感器19为平移台位置传感器，通过平移台位置传感器19能将X射线源7的位置及时反馈给主控制器16，通过主控制器16控制平移台电机20工作，带动平移台10将X射线源7沿着水平方向(平面坐标系中的X轴方向，如图6所示)运动，使X射线源7能够运动至预设位置。第三运动平台11为水平旋转台11，第三电机22为水平旋转台电机，通过第一旋转编码器21能将X射线源7的位置及时反馈给主控制器16，通过主控制器16控制水平旋转台电机22工作，带动水平旋转台11将X射线源7运动至预设角度α(如图6所示)，具体地，使X射线源7在水平方向的范围内定位至预设角度α。第四运动平台12为俯仰转台12，第三电机22为俯仰转台电机，通过第二旋转编码器23能将X射线源7的位置及时反馈给主控制器16，通过主控制器16控制俯仰转台电机22工作，带动俯仰转台12将X射线源7运动至预设角度β(如图6所示)，具体地，使X射线源7在与水平方向垂直的竖直方向的范围内定位至预设角度β。在X射线源7进行精确定位的过程中，由于第一传感器17、第二传感器19、第一旋转编码器21、第二旋转编码器23能够将X射线源7的实时位置及时反馈给主控制器16，主控制器16通过第一运动控制器1601、第二运动控制器1602、第三运动控制器1603、第四运动控制器1604对第一电机18、第二电机20、第三电机22、第四电机24进行控制，促使第一运动平台9、第二运动平台10、第三运动平台11、第四运动平台12调整X射线源7的焦点的运动轨迹，使X射线源7的焦点运动到探测器14的有效区域，该有效区域处于采集状态，对X射线源7能够产生响应并进行曝光。探测器14除有效区域以外的其他区域均处于非采集状态，对X射线源7不会产生任何响应。该探测器14可以选用平板探测器14，该平板探测器14的有效区域的面积可以根据实际情况进行相应的调整。为了使最终由X射线源7曝光重建的图像的对比度与清晰度更高，平板探测器14的有效区域的面积选择以尽可能小的面积为最佳。平板探测器14采用小面积的有效区域重建的图像效果，有效减少了X射线源7中散射线对成像信噪比的影响，保证了由X射线源7曝光重建的图像上不会叠加有散射线产生的额外曝光(如散射雾)。
为了使X射线源7能全部投射至平板探测器14的有效区域内，并且确定出X射线源的最佳排布方式，本发明所提供的反向几何成像实验平台采用限束装置8与第二运动装置15，该限束装置8能够将宽束的X射线源7转变成窄束的X射线源7投射至平板探测器14的有效区域内。第二运动装置15为直线运动结构，通过调节该直线运动结构可以调整SID值(X射线源7至探测器14之间的距离)与SOD(X射线源7至被测物体之间的距离)值。通过调整SID值、SOD值以及限束装置8开口的大小，大大提高了X射线源7的利用率，降低了X射线源7的使用剂量，从而降低了被检测物、被检测者(特别是患者)、医务人员实验人员等所受的辐射量。
在本发明的一个实施例中，旋转装置13包括旋转载物平台、第五电机26、第三旋转编码器25，旋转载物平台与第五电机26相连，第五电机26与第五运动控制器1605相连，第三旋转编码器25与主控制器16相连。其中，第五电机26为旋转载物平台电机，通过第三旋转编码器25能将旋转载物平台的位置及时反馈给主控制器16，通过主控制器16控制旋转载物平台电机26带动旋转载物平台转动。为了通过X射线源7获取被检测物在360°范围内的不同角度范围的多组图像，需要将被检测物置于旋转载物平台上，通过将旋转载物平台按照预设的角度依次旋转获取不同角度范围内的多组图像，即旋转载物平台带动被测物的每一次旋转均以上一次旋转的预设角度所在位置为初始位置，并沿着上一次的旋转方向继续旋转直至旋转360°。具体地，调整旋转载物平台至预设角度后，在该角度范围内选取多个X射线源7焦点进行曝光，通过探测器14采集由多个X射线源7焦点曝光后的多组图像；然后将旋转载物平台以该角度所在位置为初始位置按照顺时针或逆时针再旋转至预设角度，在该角度范围内也选取多个X射线源7焦点进行曝光，通过探测器14采集在该角度范围内由多个X射线源7焦点曝光后的多组图像。同样，采用相同的的方法重复操作，在360°范围内的各个角度范围内，每一个角度范围内均选取多个X射线源7焦点进行曝光，通过探测器14采集多组图像，然后对所有图像数据进行有选择地处理并重建生成三维图像。
本发明所提供的反向几何成像实验平台主要用于模拟静态CT成像、锥束CT成像以及断层扫描成像，但不限于模拟这三种成像方式，还可以通过该反向几何成像实验平台模拟实现更多的成像方式。下面通过具体实施例对上述三种成像方式进行详细的介绍。
实施例1
如6图所示，本发明所提供的反向几何成像实验平台实现静态CT成像模拟的过程为：设X射线源7的任一焦点为Sn，用一系列Sn点模拟拥有n个焦点的X射线源7。以X表示平行于探测器14表面的水平方向坐标轴，Y表示平行于探测器14平面的垂直方向坐标轴，坐标轴X与坐标轴Y相互垂直并相交于O点；α表示X射线源7沿X轴方向的平旋摆角角度值，β表示X射线源7沿Y轴方向的俯仰角角度值，D表示探测器14的中心，OD表示垂直于探测器14中心的一条直线。控制单一X射线源7的焦点运动至XOY平面内的一系列Sn点，分别曝光获取一组图像后，通过旋转载物平台将被测物体依次按照预设角度旋转，每旋转一定角度后，同样控制单一X射线源7的焦点运动至XOY平面内的一系列Sn点，分别曝光获取一组图像，直至获取360°范围内的多组图像。具体步骤为：第一，调整旋转载物平台的角度至预设角度r，通过平移台10位置传感器将X射线源7的实时位置反馈给主控制器16，通过主控制器16控制平移台10运动,带动X射线源7运动至预定位置x。第二，通过升降台位置传感器17将X射线源7的实时位置反馈给主控制器16，通过主控制器16控制升降台9运动,带动X射线源7运动至预定位置y。第三，通过第一旋转编码器21将X射线源7的实时位置反馈给主控制器16，通过主控制器16控制水平旋转台11运动,带动X射线源7摆动至预定角度α的位置。第四，通过第二旋转编码器23将X射线源7的实时位置反馈给主控制器16，通过主控制器16控制俯仰转台12运动,带动X射线源7摆动至预定角度β的位置。第五，检查X射线源7的焦点的运动位置是否对准探测器14的有效区域的中心位置D，如果没有对准中心位置D,通过控制第一运动装置的运动以及调整限束装置8开口的大小，对X射线源7的位置进行微调，使X射线源的中心线对准探测器14中心，从而通过探测器14获取一组图像，并对该组图像对应的具体坐标值(x，y，α，β，r)进行记录。第六，继续沿着预设角度r所在位置并按照顺时针或逆时针方向，调整旋转载物平台按照预设的角度依次旋转至360°范围内的不同的角度范围，重复步骤一～步骤五的方法获取不同角度范围内的多组图像，并记录统计对应的具体坐标值(x，y，α，β，r)。多组图像对应的坐标值组成X射线源7的运动轨迹，主控制器16与计算机相连，通过计算机预先定义X射线源7的运动轨迹数据，主控制器16按照预定义的运动轨迹对第一运动装置进行运动控制，实现对X射线源7的精确定位。第七，调整第二运动装置的位置，使SID与SOD值发生变化，对应不同的SID与SOD值，采用相同的方法获取不同的图像数据。最终实现模拟静态CT成像的目的。同时，试验人员可以根据需求对所生成的不同的三维图像进行分析，从而得出不同的结论。例如，根据所生成的不同的三维图像的成像效果，可以确定出最优的静态CT系统组成方式。
实施例2
本发明所提供的反向几何成像实验平台实现锥束CT成像模拟的过程为：如图6所示，调整第一运动装置至系统原点(图6中的O点)，调整第二运动装置至预设位置，使SID与SOD值固定不变，通过调整限束装置开口的大小，然后通过旋转载物平台将被测物体依次按照预设角度旋转(360°范围内)，每旋转一定角度分别曝光获取一张图像，直至获取360°范围内的多张图像。在此过程中，第一运动装置以及第二运动装置的位置保持不变，根据实际需求，如果需要获取不同的SID与SOD值对应的不同的图像，可以调整第二运动装置的位置，采用相同的方法获取图像，实现锥束CT成像。
实施例3
本发明所提供的反向几何成像实验平台实现断层扫描成像模拟的过程为：调整第二运动装置至预设位置，使SID与SOD值固定不变，并且保持旋转载物平台的位置也保持不变，控制单一X射线源7的焦点运动至XOY平面内的一系列Sn点，分别曝光获取一组图像。具体地的实施过程同实施例1中的步骤一～步骤五，在此不再赘述。同样，根据实际需求，如果需要获取不同的SID与SOD值对应的不同的图像，可以采用相同的方法获取不同的图像数据，实现断层扫描成像。
本发明所提供的反向几何成像实验平台，通过控制第一运动装置、第二运动装置，以及调整限束装置开口的大小以及旋转载物平台的旋转角度，使X射线投影至探测器的有效区域，从而获取不同的图像数据重建出满足多种成像需求的图像。本反向几何成像实验平台利用反向几何成像原理不仅能够获取不同成像需求的图像数据，重建出满足不同成像需求的图像，而且使散射射线对图像的影响降低，使重建图像中减少产生散射伪影和锥束CT重建固有的伪影，提升了图像信号品质，同时可以降低辐射剂量。
以上对本发明所提供的反向几何成像实验平台进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

Claims (10)

1.一种反向几何成像实验平台，其特征在于包括主控装置、X射线源、限束装置、第一运动装置、第二运动装置、旋转装置、探测装置；
所述主控装置与所述X射线源相连，所述X射线源与所述限束装置相连，所述X射线源与所述限束装置设置于所述第一运动装置上，所述第一运动装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连，所述旋转装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连，所述探测装置分别与所述主控装置和所述第二运动装置相连；
所述X射线源沿着预设的运动轨迹运动，将穿过被测物体的X射线投射到所述探测装置中。
2.如权利要求1所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述主控装置为主控制器，所述主控制器设置有多个与所述第一运动装置和所述旋转装置相匹配的运动控制器，通过所述主控装置按照预设的X射线源的运动轨迹对所述第一运动装置与所述旋转装置进行运动控制，使所述第一运动装置与所述旋转装置对X射线源进行精确定位。
3.如权利要求2所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述主控制器与所述探测装置中的计算机相连，通过所述探测装置中的计算机预先定义X射线源的运动轨迹，所述主控制器按照预定义的运动轨迹对所述第一运动装置进行运动控制，实现对X射线源的精确定位。
4.如权利要求1所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述第一运动装置为四轴运动平台，所述四轴运动平台包括第一运动平台、第二运动平台、第三运动平台、第四运动平台、第一传感器、第二传感器、第一旋转编码器、第二旋转编码器、第一电机、第二电机、第三电机、第四电机；所述第一运动平台与所述第一电机相连，所述第二运动平台与所述第二电机相连，所述第三运动平台与所述第三电机相连，所述第四运动平台与所述第四电机相连，所述第一传感器、所述第二传感器、所述第一旋转编码器、所述第二旋转编码器分别与主控制器相连。
5.如权利要求2或4所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
多个运动控制器与所述第一运动装置的多台电机对应相连，通过多个所述运动控制器实现所述主控制器对多台所述电机的控制，使与多台所述电机相对应的运动平台调整X射线源的焦点的运动轨迹，使X射线源的焦点运动到探测装置中探测器的有效区域，从而获取不同角度范围内的图像数据，重建出满足多种成像需求的图像。
6.如权利要求4所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述第一运动平台为升降台，所述第二运动平台为平移台，所述第三运动平台为水平旋转台，所述第四运动平台为俯仰转台。
7.如权利要求1所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述第二运动装置为直线运动结构，用于调节X射线源至所述探测装置中探测器及被测物体的距离。
8.如权利要求1所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述旋转装置包括旋转载物平台、第五电机、第三旋转编码器，所述旋转载物平台与所述第五电机相连，所述第五电机与主控制器相应的运动控制器相连，所述第三旋转编码器与所述主控器相连。
9.如权利要求1所述的反向几何实验平台，其特征在于：
所述X射线源为宽束X射线源，中心线对准所述探测装置中探测器的中心位置。
10.如权利要求9所述的反向几何成像实验平台，其特征在于：
所述探测器为平板探测器，所述平板探测器的中心位置为处于采集状态的有效区域。
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