CN107515229A - 一种多自由度工业x射线断层成像系统 - Google Patents

一种多自由度工业x射线断层成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多自由度工业X射线断层成像系统，其包括：X射线源，其产生的X射线照射置于载物台上的待检对象；探测器，其探测穿过所述待检对象的X射线；载物台，其设有摆角调节机构，所述摆角调节机构驱动所述载物台绕Y轴摆动；其中，所述X射线源和探测器均具有Z向自由度。本申请提供的技术方案可实现待检工件的两种成像模式，通过载物台摆角调整功能和X射线源与探测器的反方向同步联动曝光采集可实现待检工件的多角度层析成像，通过载物台摆角调整和载物台的旋转相配合可实现待检工件的多角度断层重建成像，从而更好的满足工业检测的需求。

Description

一种多自由度工业X射线断层成像系统
技术领域
本发明涉及一种工业X射线断层成像系统。更具体地说，本发明涉及一种多自由度工业X射线断层成像系统。
背景技术
工业X射线断层成像技术(CT，Computed Tomography)是一种无损的数字化测量方法。它利用射线对物体进行扫描，从投影数据中重建出被测物体的切片图像和三维图像，进而对任意形状，尤其是对结构封闭的工业器件进行各种分析。X射线断层成像系统已成为当今最先进的成像技术之一，凭借其非接触、无破坏性、高分辨率、无影像重叠等优点成为工业中不可或缺的重要技术。
但目前的工业X射线断层成像设备通常只有载物台前后、左右、上下和旋转四个自由度。采用这种形式的设备进行物件3D成像时，只能对垂直于竖直轴的物体切片进行扫描，不能实现物体其他角度的切片成像。在实际工业零件的检测中，经常需要根据不同工件的形状尺寸和待检测区域的分布，在不同角度不同方位进行断层扫描，以便获得更好的检测结果。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种多自由度工业X射线断层成像系统，其能够使射线源从待检工件的不同角度进行扫描，实现物体多角度断层重建，从而满足X射线断层扫描多角度断层检测的需求。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种多自由度工业X射线断层成像系统，其包括：
X射线源，其产生的X射线照射置于载物台上的待检对象；
探测器，其探测穿过所述待检对象的X射线；
载物台，其设有摆角调节机构，所述摆角调节机构驱动所述载物台绕Y轴摆动；
其中，所述X射线源和探测器均具有Z向自由度。
优选的是，其中，所述载物台还设有X、Y、Z三方向上的平移运动机构。
优选的是，其中，所述载物台还设有以Z方向为旋转中心线的回转运动机构。
优选的是，其中，滑环，其设于所述回转运动机构与所述摆角调节机构之间，实现所述摆角调节机构的供电和信号传输，避免载物台旋转过程中线路的缠绕。
优选的是，其中，还包括：
校准单元，其采集校准体模在360度旋转范围内的投影数据，并通过所述投影数据计算得到断层成像系统的真实几何尺寸。
高质量的CT成像是实现工件无损检测精准测量和准确识别的关键所在，在X射线断层成像系统的实际应用中，由于机械设备本身几何位置反馈精度达不到重建算法的精度要求，影响重建图像质量，由此为获取高质量的重建图像，需要对系统的几何尺寸进行校正。
优选的是，其中，所述校准体模包括：
支撑载体；
若干个球体，其固设于所述支撑载体的不同高度位置；
其中，所述球体的密度大于所述支撑载体的密度。
本申请文件的校准方法是基于校准体模上的标记点(即小球质心点)在圆轨道扫描范围内投影的特点，计算得到系统的几何参数。
优选的是，其中，所述球体的密度高于7g/cm3，以提高校准精度。
优选的是，其中，所述圆柱体和所述载物台的密度均低于1.5g/cm3。
优选的是，其中，所述载物台的平移运动机构、以及所述X射线源和探测器的相向运动均是通过伺服电机驱动滚柱丝杠沿导轨作直线运动实现。
优选的是，其中，所述回转运动机构和所述摆角调节机构通过由伺服电机驱动的涡轮蜗杆机构实现。
本发明至少包括以下有益效果：
本申请提供的技术方案可实现待检工件的层析成像模式和断层成像模式，通过载物台摆角调整功能和X射线源与探测器的反方向同步联动曝光采集可实现待检工件的X射线的多角度层析成像，通过载物台摆角调整和载物台的旋转相配合可实现待检工件的多角度断层重建成像，从而更好的满足工业检测的需求。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一实施例中多自由度工业X射线断层成像系统主体的结构示意图；
图2为本发明另一实施例中应用于工业无损检测的多自由度X射线断层成像系统的结构示意图；
图3为本发明另一个实施例中校准体模的结构示意图。
图中：1、工作站，2、运动控制器，3、X射线断层成像系统主体，4、校准体模，101、X射线源立柱，102、X射线源升降调整轴，103、X射线源，104、探测器立柱，105、探测器升降调整轴，106、探测器，107、载物台左右调节轴，108、载物台前后调节轴，109、载物台升降调节轴，110、载物台旋转轴，111、滑环，112、载物台摆角调节轴，113、载物台，114、整机底座。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了根据本发明的一种实现形式，其中包括：
载物台，其设有载物台摆角调节轴112，所述摆角调节轴112驱动所述载物台绕Y轴摆动；
X射线源103，其产生X射线，并使用产生的X射线照射置于载物台上的待检对象；
探测器106，所述探测器106探测穿过所述待检对象的X射线，以获取X射线数据。
其中，所述X射线源103固设于X射线源升降调整轴102的工作台面上，探测器106固设于探测器升降调整轴105的工作台面上，分别实现X射线源和探测器均的Z向自由度，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。
在这种技术方案中，X射线源立柱101底部与整机底座114上表面固定连接，X射线源升降调整轴102与X射线源立柱101固定连接，X射线源103与X射线源升降调整轴工作台面固定连接，探测器立柱104底部与整机底座114上表面固定连接，探测器升降调整轴105与探测器立柱104固定连接，探测器106与探测器升降调整轴105工作台面固定连接，X射线源103与探测器106相对一定距离设置，并保持X射线源103的焦点正对探测器106的中心，载物台113底部与载物台摆角调节轴112上表面固定连接，通过X射线源及探测器反方向同步联动曝光采集配合载物台摆角调节轴的摆角调节功能，可实现物体的多角度层析成像功能。
在另一方案中，所述载物台还设有以Z方向为旋转中心线的回转运动机构。参照图1，载物台旋转轴110与载物台摆角调节轴112相配合，可实现物体的多角度断层成像功能。
在另一方案中，所述载物台还设有X、Y、Z三方向上的平移运动机构。参照图1，载物台左右调节轴107底部与整机底座114上表面固定连接，调节方向为X射线源103焦点与探测器106中心点连线方向，载物台前后调节轴108底部与载物台左右调节轴107上表面固定连接，其调节方向垂直于X射线源103焦点与探测器106中心点的连线方向，载物台升降调节轴109底部与载物台前后调节轴108上表面固定连接，其调节方向为竖直方向，载物台升降调节轴109工作台面安装有L型载物台面。
在另一实例中，还包括：
滑环111，其设于所述回转运动机构与所述摆角调节机构之间，实现所述摆角调节机构的供电和信号传输。参照图1，滑环111底部与载物台旋转轴110台面固定连接，滑环111上表面与载物台摆角调节轴112底部固定连接，地面电源及控制信号通过滑环111实现对所述载物台摆角调节轴112驱动电机的供电与通信，从而避免载物台旋转轴110旋转过程中线路的缠绕。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求实施摆角调节机构供电与通信传输的不同态样。
在另一实例中，还包括：
校准单元，其采集校准体模在360度旋转范围内的投影数据，并通过所述投影数据计算得到断层成像系统的真实几何尺寸。
在另一实例中，所述校准体模4包括：
支撑载体；
若干个球体，其固设于所述支撑载体的不同高度位置；
其中，所述球体的密度大于所述支撑载体的密度。
参照图3，作为校准体模的一种实现方式，支撑载体为圆柱体，沿所述圆柱体轴向方向上间隔设有若干个盲孔；球体，其固设于盲孔端部；其中，所述球体的密度大于所述圆柱体的密度。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求实施校准体模的不同态样。
所述球体的密度高于7g/cm3，可选自钢珠等，但不限于此；所述圆柱体的密度低于1.5g/cm3，可选自PMMA等，但不限于此。
在另一实例中，所述载物台的密度低于1.5g/cm3，并且载物台台面高出摆动台台面一定距离，该距离保证穿过工件的X射线不与所述载物台摆角调节轴金属台面相交，并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求实施穿过工件的X射线不与载物台摆角调节轴金属台面相交的不同态样。
在另一实例中，所述载物台的平移运动机构、以及所述X射线源和探测器的Z向自由度均是通过伺服电机驱动滚柱丝杠沿导轨作直线运动实现。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求实施载物台在X、Y、Z方向上的直线运动、以及X射线源和探测器在Z向运动的不同态样。
在另一实例中，所述回转运动机构和所述摆角调节机构通过由伺服电机驱动的涡轮蜗杆机构实现。并且，这种方式只是一种较佳实例的说明，但并不局限于此。在实施本发明时，可以根据使用者需求实施载物台旋转和摆角调节的不同态样。
参照图2，工作站1与X射线源103直接通信，实现所述X射线源的曝光控制，工作站1与探测器106直接通信，实现探测器106曝光信号采集与存储，工作站1与运动控制器2相连，运动控制器2与各运动轴驱动电机相连，工作站1通过对所述运动控制器2发送控制信号，实现对所述载物台五轴调节机构及射线源与探测器升降调节轴的运动控制。
工作站1内还包含一套基于CUDA的GPU加速层析重建和断层重建算法、系统几何尺寸校准算法和重建断层数据的三维可视化算法。在进行X射线断层成像时，每次调节载物台位置后，均应先通过所述校准算法对系统几何尺寸进行校准，并将校准结果反馈给所述基于CUDA的GPU加速重建算法，所述重建算法根据此校准结果对后续物体断层扫描数据进行重建，最后通过所述三维可视化算法实现物体成像区域的三维可视化。在进行X射线层析成像时不需要对系统几何位置进行校准，只通过系统控制软件的位置反馈获得系统各部件几何位置，通过调用工作站内层析重建算法对层析扫描数据进行重建，获得待成像物体某层的图像。
采用本申请文件提供的多自由度工业X射线断层成像系统可实现两种成像模式：断层成像模式和层析成像模式，以满足在工业实际应用中对工件检测速度、成像质量、分辨率等的不同需求。
X射线断层成像模式的工作流程为：
1、所有设备上电，打开工作站软件操作界面；
2、工作站软件通过运动控制器控制射线源、探测器及载物台移动到合适位置，具体为：1)射线源升降调整轴、探测器升降调整轴回零(此位置确保射线源焦点垂直于探测器平面的线交于探测器平面的中心一定范围内)；2)载物台前后移动至转轴轴线同射线源焦点与探测器中心连线相交；3)载物台左右移动至系统合适的放大比；4)载物台升降移动至物体待检测区域完全处于系统FOV内；5)摆角调整台摆至预期物体切片断层扫描角度；
3、系统几何尺寸校准，具体为：1)校准体模放置在载物台偏离回转中心一定位置并固定；2)控制旋转轴按一定速度旋转，球管曝光并采集体模360度的投影数据；3)运行工作站内系统校准算法，获得校准结果并保存
4、待检测物体成像并显示，具体为：1)将带检测物体固定至载物台，物体体心尽量靠近载物台回转中心；2)控制旋转轴按一定速度旋转，球管曝光并采集360度的投影数据；3)运行工作站内重建算法，对投影数据进行断层重建，获得若干断层的DICOM图像；4)运行工作站内的数据三维可视化算法，实现待检测物体的三维可视化。
X射线层析成像模式工作流程为：
1、所有设备上电，打开工作站软件操作界面；
2、工作站软件通过运动控制器控制射线源、探测器及载物台移动到合适位置，具体为：1)射线源升降移动至最大行程一半位置，探测器升降移动至某位置，该位置确保过射线源焦点垂直于探测器平面的垂线交于探测器平面中心一定范围内；2)载物台前后移动至转轴轴线同射线源焦点与探测器中心连线相交；3)载物台左右移动至系统合适的放大比；4)载物台升降移动至物体待检测区域完全处于系统FOV内；5)摆角调整台摆至预期物体切片断层扫描角度；
3、待检测物体层析成像，具体为：1)将带检测物体固定至载物台，物体体心尽量靠近载物台回转中心；2)控制射线源升降轴、探测器升降轴按一定速度比例反向运动(该速度比例根据系统几何位置及待层析成像物体层面位置确定)，球管曝光并连续采集不同位置的投影数据；3)运行工作站内重建算法，对投影数据进行层析重建，获得待成像层面的图像。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的多自由度工业X射线断层成像系统的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施例中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，包括：
X射线源，其产生的X射线照射置于载物台上的待检对象；
探测器，其探测穿过所述待检对象的X射线；
载物台，其设有摆角调节机构，所述摆角调节机构驱动所述载物台绕Y轴摆动；
其中，所述X射线源和探测器均具有Z向自由度。
2.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述载物台还设有X、Y、Z三方向上的平移运动机构。
3.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述载物台还设有以Z方向为旋转中心线的回转运动机构。
4.如权利要求3所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，还包括：
滑环，其设于所述回转运动机构与所述摆角调节机构之间，实现所述摆角调节机构的供电和信号传输。
5.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，还包括：
校准单元，其采集校准体模在360度旋转范围内的投影数据，并通过所述投影数据计算得到断层成像系统的真实几何尺寸。
6.如权利要求5所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述校准体模包括：
支撑载体；
若干个球体，其固设于所述支撑载体的不同高度位置；
其中，所述球体的密度大于所述支撑载体的密度。
7.如权利要求6所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述球体的密度高于7g/cm3，所述圆柱体和所述载物台的密度均低于1.5g/cm3。
8.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，当所述射线照射置于载物台上待检对象时，所述穿过待检对象的X射线不与所述摆角调节机构相交。
9.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述载物台的平移运动机构、以及所述X射线源和探测器的Z向自由度均是通过伺服电机驱动滚柱丝杠沿导轨作直线运动实现。
10.如权利要求1所述的多自由度工业X射线断层成像系统，其特征在于，所述回转运动机构和所述摆角调节机构通过由伺服电机驱动的涡轮蜗杆机构实现。
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Application publication date: 20171226

Assignee: Suzhou smaiev Technology Co., Ltd.

Assignor: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology, Chinese Academy of Sciences

Contract record no.: 2019320010020

Denomination of invention: Multi-degree-of-freedom industrial X-ray tomography system

License type: Common License

Record date: 20190514

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