CN107678154A - 一种超分辨率显微ct成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超分辨率显微CT成像系统，该系统包括X射线源、X射线转换可见光装置、显微成像装置、中继成像装置、科学级相机、多轴载物运动装置和控制装置，X射线源发射出的X射线穿透被测目标，经由X射线转换可见光装置线性转换成二维可见光光场分布，该二维可见光光场分布从X射线转换可见光装置的出射面向后传播，并作为物方投射到显微成像装置，经由显微成像装置第一次显微放大成像，然后投射到中继成像装置，经由中继成像装置第二次中继放大成像；中继成像装置包括位于中继成像装置的平行光路上的亚像素扫描件，亚像素扫描件用于控制中继成像装置的成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，以获得一系列像元细分的二维图像。本发明能够突破系统原有成像硬件造成的限制，实现超分辨率成像。
Description
技术领域
本发明涉及显微CT(英文全称为“computed tomography”)技术领域，特别是涉及一种超分辨率显微CT成像系统。
背景技术
基于光耦和可见光科学级相机的显微CT系统是目前国际领先的高分辨率X射线成像技术，其基本原理是利用闪烁体将X射线转换成可见光，然后利用显微镜组将可见光分布放大成像在科学级相机芯片上。与常规的基于平板科学级相机的X射线成像相比，该类成像方法除了在X射线部分可进行几何投影放大之外，还能利用光学显微系统进行二次放大，从而实现更高分辨率的X射线成像。在该类系统中，最终成像分辨率是由显微物镜的放大倍率、数值孔径(NA)以及相机芯片的像元尺寸共同决定。考虑到实际的应用需求和硬件限制，例如视野、科学级相机芯片的像元尺寸等因素，已有的此类系统在给定成像视场的情况下，分辨率均存在上限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超分辨率显微CT成像系统来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的，本发明提供一种超分辨率显微CT成像系统，所述超分辨率显微CT成像系统包括X射线源、X射线转换可见光装置、显微成像装置、中继成像装置、科学级相机、多轴载物运动装置和控制装置，其中：所述X射线源向放置在所述多轴载物运动装置上的被测目标投射锥形光束，用于完全辐照所述被测目标与所述X射线源相对的侧面；所述X射线转换可见光装置和所述X射线源分别布置在所述被测目标的两侧，所述X射线转换可见光装置的出射面布置在所述显微成像装置的物面上，所述中继成像装置设在所述显微成像装置与所述科学级相机之间，所述科学级相机探测面位于所述中继成像装置的成像面上；所述X射线源发射出的X射线穿透所述被测目标投射到所述X射线转换可见光装置的入射面，经由所述X射线转换可见光装置线性转换成二维可见光光场分布，该二维可见光光场分布从所述X射线转换可见光装置的出射面向后传播，并作为物方投射到所述显微成像装置，经由所述显微成像装置第一次显微放大成像，然后投射到所述中继成像装置，经由所述中继成像装置第二次中继放大成像；所述中继成像装置包括位于所述中继成像装置的平行光路上的亚像素扫描件，所述亚像素扫描件用于控制所述中继成像装置的成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，以获得一系列像元细分的二维图像。
进一步地，所述亚像素扫描件包括二轴倾斜镜，所述二轴倾斜镜的反射面与所述显微成像装置的出射光束相对，且所述法线与所述出射光束的光轴的夹角小于90度，所述控制装置通过转动所述二轴倾斜镜来调节所述夹角大小，以控制所述中继成像装置的成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移。
进一步地，所述二轴倾斜镜的最大偏摆角的范围为1～20mrad，角度定位精度为0.02～1μrad，时间带宽不超过3kHZ，所述中继成像装置成像面在其所在的平面内的步进量范围为1/10～1/2的所述科学级相机的像元尺寸，该像元尺寸范围为3μm～26μm。
进一步地，所述显微成像装置还包括会聚透镜和显微物镜组件，其中：所述显微物镜组件和会聚透镜依序布置在所述X射线转换可见光装置的出射面的一侧；所述二轴倾斜镜设在所述会聚透镜与所述科学级相机之间，且位于所述显微物镜组件的出瞳共轭面，所述二维图像先后依序由所述显微物镜组件和所述会聚透镜投射到所述二轴倾斜镜的反射面，再在所述二轴倾斜镜的反射作用下投射到所述科学级相机的探测面上。
进一步地，所述中继成像装置还包括中继透镜和扫描物镜，其中：所述中继透镜位于所述会聚透镜的焦平面之外，所述扫描物镜为fθ镜头，所述二轴倾斜镜布置在所述中继透镜和扫描物镜之间的平行光路上。
进一步地，所述会聚透镜设在能够沿光轴方向平移的调焦装置上。
进一步地，所述显微物镜组件包括多个不同放大倍率的显微物镜和安装各所述显微物镜的转塔。
进一步地，所述X射线转换可见光装置包括闪烁体安装件、盖玻片和闪烁体，其中：所述闪烁体安装件为两端开口的筒体结构，其一端以可拆卸的方式套装在所述显微物镜外，另一端设有环形的盖玻片安装板，所述盖玻片安装板的通孔中心位于所述显微物镜的光轴上；所述盖玻片由压环压紧固定在所述盖玻片安装板的外侧，且所述盖玻片平面垂直于所述显微物镜的光轴；所述闪烁体以粘接的方式设在所述盖玻片的外侧，且所述闪烁体的最佳光耦区域定位于所述显微物镜的近光轴区域。
进一步地，所述超分辨率显微CT成像系统还包括图像后处理装置，所述图像后处理装置包括：图像配准模块，其用于接收所述科学级相机采集到的低分辨率的所述二维图像，并根据预设的像元细分精度和所述二轴倾斜镜的位置，计算各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系，并将计算出来的各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系作为搜索低分辨图像重新排列的参数的起始点，然后细分各所述低分辨率的二维图像，通过二维平移搜索计算获得使得各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，最后依据各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，重新组合排列各所述低分辨率的二维图像之间的像素，得到初始高分辨图像；图像反卷积模块，其用于接收所述图像配准模块输出的所述初始高分辨率的二维图像，并基于正则化的反卷积算法，得到期望高分辨率的二维图像。
本发明通过亚像素扫描件控制中继成像装置成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，这样可以在探测面上获得一系列像元细分的二维图像，因此能够突破系统原有成像硬件造成的限制，实现超分辨率成像。
附图说明
图1是本发明所提供的超分辨率显微CT成像系统的原理性示意图。
图2是图1中的超分辨率显微CT成像系统一实施例的结构示意图。
图3是图2中的中继成像装置一实施例的扫描成像原理示意图。
图4是图1中的图像后处理装置一实施例的结构示意图。
图5是图1中的X射线转换可见光装置与显微物镜之间的连接关系示意图。
图6是图5中的闪烁体安装件的剖面示意图。
图7是采用现有的显微CT成像系统获得的图像(左列)和本发明的超分辨率显微CT成像系统获得的图像(右列)的对比示意图。
图8是采用本发明的超分辨率显微CT成像系统对不同细分像元下样品的成像对比示意图。
附图标记：
| 1 | X射线源 | 2 | 显微成像装置 |
| 3 | 中继成像装置 | 4 | 科学级相机 |
| 5 | 多轴载物运动装置 | 6 | 控制装置 |
| 7 | 图像后处理装置 | 8 | 调焦装置 |
| 9 | 被测目标 | 10 | X射线转换可见光装置 |
| 11 | 闪烁体安装件 | 12 | 盖波片 |
| 13 | 闪烁体 | 11a | 盖波片安装板 |
| 21 | 会聚透镜 | 22 | 显微物镜组件 |
| 31 | 二轴倾斜镜 | 32 | 中继透镜 |
| 33 | 扫描物镜 | 41 | 探测面 |
| 71 | 图像配准模块 | 72 | 图像反卷积模块 |
| 221 | 显微物镜 | 222 | 转塔 |
具体实施方式
在附图中，使用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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示，本实施例所提供的超分辨率显微CT成像系统包括X射线源1、X射线转换可见光装置10、显微成像装置2、中继成像装置3、科学级相机4、多轴载物运动装置5和控制装置6，其中：
X射线源1采用的是微焦点锥束X射线，其向放置在多轴载物运动装置5上的被测目标投射锥形光束，用于完全辐照所述被测目标与所述X射线源1相对的侧面。
X射线转换可见光装置10和X射线源1分别布置在所述被测目标的两侧，X射线转换可见光装置10的出射面布置在所述显微成像装置2的物面上。X射线源1发射出的X射线穿透被测目标9投射到闪烁体21的入射面，经由闪烁体21线性转换成二维可见光光场分布，该二维可见光光场分布从闪烁体21的出射面向后传播，并作为物方投射到显微成像装置2，经由显微成像装置2第一次显微放大成像。
中继成像装置3设在所述显微成像装置2与科学级相机4之间，经由显微成像装置2第一次显微放大成像的二维图像投射到中继成像装置3。中继成像装置3包括亚像素扫描件，所述亚像素扫描件用于控制中继成像装置3成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，以获得一系列像元细分的二维图像。此处的“像元细分”和“亚像素”都可以理解为科学级相机4的像元尺寸更小的数量级。
科学级相机4的探测面位于中继成像装置3的成像面上，经由中继成像装置3第二次中继放大成像的二维图像，最后由科学级相机4的探测面探测到。科学级相机4是个高灵敏度科学级CCD相机，用于捕捉微弱的经由闪烁体21转换的可见光二维分布。科学级相机指包括科学级CMOS相机(sCMOS)、科学级CCD相机及电子倍增CCD相机(EMCCD)在内的量子效率较高的相机。
需要说明的是，本实施例的超分辨率显微CT成像系统在使用时，需要对科学级相机4进行初始化操作，该初始化操作具体包括：利用控制装置6调节(比如俯仰调节、平转调节、绕光轴旋转等)的科学级相机4的探测面41，使科学级相机4的探测面41的中心位于超分辨率显微CT成像系统的光轴上。还可以微量地旋转科学级相机4，使得科学级相机4的探测面41上的像素排列方向和中继成像装置3的成像面的平移方向尽可能平行。当然上述操作也也可以手动完成。
本实施例通过亚像素扫描件控制中继成像装置3成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，这样可以在探测面41上获得一系列像元细分的二维图像，因此能够突破系统原有成像硬件造成的限制，实现超分辨率成像。
如图2和图3所示，在一个实施例中，所述亚像素扫描件包括二轴倾斜镜31，二轴倾斜镜31设在显微成像装置2与科学级相机4之间，控制装置6通过转动二轴倾斜镜31来调节二轴倾斜镜31的反射面与显微成像装置2的光轴的夹角大小，以控制中继成像装置3成像面在其所在的平面内进行亚像素二维平移。
在一个实施例中，二轴倾斜镜31可以采用二轴扫描振镜实现，也可以采用倾斜镜实现，其的最大偏摆角的范围为1～20mrad，角度定位精度为0.02～1μrad，时间带宽不超过3kHZ，中继成像装置3成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移的步进量范围为1/10～1/2的科学级相机4的像元尺寸，科学级相机4的像元尺寸范围为3μm～26μm。
在一个实施例中，显微成像装置2还包括显微物镜组件22和会聚透镜21，其中：显微物镜组件22和会聚透镜21依序布置在X射线转换可见光装置10的出射面的一侧。二轴倾斜镜31设在会聚透镜21与科学级相机4之间，且位于显微物镜组件22的出瞳共轭面，所述二维图像先后依序由所述显微物镜组件22和会聚透镜21投射到二轴倾斜镜31的反射面，再在二轴倾斜镜31的反射作用下投射到科学级相机4的探测面上。优选地，显微物镜组件22包括多个不同放大倍率的显微物镜221和安装各显微物镜221的转塔222。转塔222可安装多个不同倍率、不同数值孔径、相同齐焦距离的显微物镜221，根据实际成像需要电动切换至成像光路中。转塔222的通光孔径需要适配所安装显微物镜221中数值孔径最大的需要。
在一个实施例中，中继成像装置3还包括中继透镜32和和扫描物镜33，其中：中继透镜32位于会聚透镜21的焦平面之外，中继透镜32设在会聚透镜21和二轴倾斜镜31的反射面之间。二轴倾斜镜31布置在中继透镜32和扫描物镜33之间的平行光路上。通过转动二轴倾斜镜31来调节二轴倾斜镜31的反射面与显微成像装置2的光轴的夹角大小，以控制扫描物镜33的会聚焦面上二维图像产生垂轴面内的整体二轴平移，以实现所述中继成像装置3成像面在其所在的平面内进行亚像素二维平移。扫描物镜33为f镜头，其是一个会聚成像镜头，并具有很好的平场、消畸变、消色差的成像性能。扫描物镜33能够将经由二轴倾斜镜31产生了附加倾斜量的不同视角平行光束会聚成像在后续的科学级相机4的探测面41上。
在一个实施例中，会聚透镜21设在能够沿光轴方向平移的调焦装置8上。会聚透镜21采用的是管镜，并以夹持的方式安装在调焦装置8上。调焦装置8具有二维垂轴向平移和一维轴向平移的功能，其中轴向平移需要电动精确控制，控制量不超过100mm，位置精度优于5μm，用于补偿显微物镜组件22物方对焦的轴向误差。
在一个实施例中，闪烁体21的封装件由夹具24夹持固定在显微物镜221的入射端面，闪烁体21的入射面和出射面垂直于显微物镜221的光轴，且中心位于显微物镜221的光轴上。夹具24可为闪烁体21提供轴向和垂轴向的微位移调节。
如图5和图6所示，在一个实施例中，X射线转换可见光装置10包括闪烁体安装件11、盖玻片12和闪烁体13，其中：闪烁体安装件11为两端开口的筒体结构，闪烁体安装件11的一端以可拆卸的方式套装在显微物镜221外，闪烁体安装件11的伸出于限位物镜21之外的另一端设有环形的盖玻片安装板11a。盖玻片安装板11a的通孔中心位于显微物镜221的光轴上，盖玻片安装板11a螺纹连接在闪烁体安装件11的内侧壁。盖玻片12由压环(图中未示出)压紧固定在盖玻片安装板11a的外侧，且使得盖玻片12平面垂直于显微物镜221的光轴。闪烁体13以粘接的方式设在盖玻片12的外侧，也就是说，盖玻片12未附着闪烁体13的一侧朝向显微物镜221。闪烁体13的最佳光耦区域定位于所述显微物镜221的近光轴区域。
如图4所示，在一个实施例中，所述超分辨率显微CT成像系统还包括图像后处理装置7，图像后处理装置7包括图像配准模块71和图像反卷积模块72，其中：
图像配准模块71用于接收科学级相机4采集到的低分辨率的所述二维图像，并根据预设的像元细分精度和二轴倾斜镜31的位置，计算各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系，并将计算出来的各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系作为搜索低分辨图像重新排列的参数的起始点，然后细分各所述低分辨率的二维图像，通过二维平移搜索计算获得使得各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，最后依据各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，重新组合排列各所述低分辨率的二维图像之间的像素，得到初始高分辨图像。通过图像配准模块71可以减少因为计算和成像噪声带来的配准误差。
图像反卷积模块72用于接收图像配准模块71输出的所述初始高分辨率的二维图像，并基于正则化的反卷积算法，得到期望高分辨率的二维图像。由于重排、配准后的初始高分辨图仍然收到系统PSF的影响，导致分辨率未达到最优。因此通过图像反卷积模块72的基于正则化的反卷积算法，进一步得到高分辨率图像，具体算法如下：
设u为初始图像，f为待求的高分辨图像，R为卷积核函数，那么可通过求解下列最优化函数，来得到待求的高分辨图像f：
上述最优化问题可利用投影到凸集(POCS)方法进行求解。
利用上述实施例中的超分辨率显微CT成像系统获得的超分辨测试结果如下：
图7左侧为原始图像的结果，右侧为超分辨成像的结果.可以看到通过超分辨成像处理，图像已清晰很多。图8为不同细分像元下样品的超分辨成像结果，从图像中可以看到超分辨可显著提高图像清晰度，另外随着细分倍数的提高，图像愈加清晰。
上述各实施例中，控制装置6主要包括对X射线源1、显微物镜222的切换、会聚透镜21的轴向运动、二轴倾斜镜31及科学级相机4提供高精度控制及时序信号的系统。该硬件控制系统包含FPGA板，单片机等在内的硬件系统，也包含硬件系统上运行的自主开发的软件程序。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解：可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，包括X射线源(1)、X射线转换可见光装置(10)、显微成像装置(2)、中继成像装置(3)、科学级相机(4)、多轴载物运动装置(5)和控制装置(6)，其中：
所述X射线源(1)向放置在所述多轴载物运动装置(5)上的被测目标投射锥形光束，用于完全辐照所述被测目标与所述X射线源(1)相对的侧面；
所述X射线转换可见光装置(10)和所述X射线源(1)分别布置在所述被测目标的两侧，所述X射线转换可见光装置(10)的出射面布置在所述显微成像装置(2)的物面上，所述中继成像装置(3)设在所述显微成像装置(2)与所述科学级相机(4)之间，所述科学级相机(4)的探测面位于所述中继成像装置(3)的成像面上；
所述X射线源(1)发射出的X射线穿透所述被测目标投射到所述X射线转换可见光装置(10)的入射面，经由所述X射线转换可见光装置(10)线性转换成二维可见光光场分布，该二维可见光光场分布从所述X射线转换可见光装置(10)的出射面向后传播，并作为物方投射到所述显微成像装置(2)，经由所述显微成像装置(2)第一次显微放大成像，然后投射到所述中继成像装置(3)，经由所述中继成像装置(3)第二次中继放大成像；
所述中继成像装置(3)包括位于所述中继成像装置(3)的平行光路上的亚像素扫描件，所述亚像素扫描件用于控制所述中继成像装置(3)的成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移，以获得一系列像元细分的二维图像。
2.如权利要求1所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述亚像素扫描件包括二轴倾斜镜(31)，所述二轴倾斜镜(31)的反射面与所述显微成像装置(2)的出射光束相对，且所述法线与所述出射光束的光轴的夹角小于90度，所述控制装置(6)通过转动所述二轴倾斜镜(31)来调节所述夹角大小，以控制所述中继成像装置(3)的成像面上的整体二维图像在垂轴面内进行亚像素二维平移。
3.如权利要求2所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述二轴倾斜镜(31)的最大偏摆角的范围为1～20mrad，角度定位精度为0.02～1μrad，时间带宽不超过3kHZ，所述中继成像装置(3)成像面在其所在的平面内的步进量范围为1/10～1/2的所述科学级相机(4)的像元尺寸，该像元尺寸范围为3μm～26μm。
4.如权利要求1至3中任一项所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述显微成像装置(2)还包括会聚透镜(21)和显微物镜组件(22)，其中：
所述显微物镜组件(22)和会聚透镜(21)依序布置在所述X射线转换可见光装置(10)的出射面的一侧；
所述二轴倾斜镜(31)设在所述会聚透镜(21)与所述科学级相机(4)之间，且位于所述显微物镜组件(22)的出瞳共轭面，所述二维图像先后依序由所述显微物镜组件(22)和所述会聚透镜(21)投射到所述二轴倾斜镜(31)的反射面，再在所述二轴倾斜镜(31)的反射作用下投射到所述科学级相机(4)的探测面上。
5.如权利要求4所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述中继成像装置(3)还包括中继透镜(32)和扫描物镜(33)，其中：所述中继透镜(32)位于所述会聚透镜(21)的焦平面之外，所述扫描物镜(33)为fθ镜头，所述二轴倾斜镜(31)布置在所述中继透镜(32)和扫描物镜(33)之间的平行光路上。
6.如权利要求5所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述会聚透镜(21)设在能够沿光轴方向平移的调焦装置(8)上。
7.如权利要求4所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述显微物镜组件(22)包括多个不同放大倍率的显微物镜(221)和安装各所述显微物镜(221)的转塔(222)。
8.如权利要求6所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，所述X射线转换可见光装置(10)包括闪烁体安装件(11)、盖玻片(12)和闪烁体(13)，其中：所述闪烁体安装件(11)为两端开口的筒体结构，其一端以可拆卸的方式套装在所述显微物镜(221)外，另一端设有环形的盖玻片安装板(11a)，所述盖玻片安装板(11a)的通孔中心位于所述显微物镜(221)的光轴上；所述盖玻片(12)由压环压紧固定在所述盖玻片安装板(11a)的外侧，且所述盖玻片(12)平面垂直于所述显微物镜(221)的光轴；所述闪烁体(13)以粘接的方式设在所述盖玻片(12)的外侧，且所述闪烁体(13)的最佳光耦区域定位于所述显微物镜(221)的近光轴区域。
9.如权利要求2至8中任一项所述的超分辨率显微CT成像系统，其特征在于，还包括图像后处理装置(7)，所述图像后处理装置(7)包括：
图像配准模块(71)，其用于接收所述科学级相机(4)采集到的低分辨率的所述二维图像，并根据预设的像元细分精度和所述二轴倾斜镜(31)的位置，计算各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系，并将计算出来的各所述低分辨率的二维图像之间的空间位置关系作为搜索低分辨图像重新排列的参数的起始点，然后细分各所述低分辨率的二维图像，通过二维平移搜索计算获得使得各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，最后依据各所述低分辨率的二维图像之间的距离最小的参数，重新组合排列各所述低分辨率的二维图像之间的像素，得到初始高分辨图像；
图像反卷积模块(72)，其用于接收所述图像配准模块(71)输出的所述初始高分辨率的二维图像，并基于正则化的反卷积算法，得到期望高分辨率的二维图像。
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