CN107764846B - 一种正交直线扫描的cl成像系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交直线扫描的CL成像系统及分析方法，属于扫描成像领域。X射线源位于最底端，具有两个自由度即左右和上下移动并向上发射锥束X射线；载物台位于X射线源上方，能实现平面平移运动以及旋转运动；平板探测器位于载物台上方，具有两个自由度即左右和上下移动并同步接收衰减后的X射线。本方法包括：第一步，物体固定不动，平板探测器和射线源沿滑轨相对平行运动，采集一组投影数据。第二步，物体在载物台平面内旋转90度后，平板探测器和射线源同样的采取相对平行运动并采集第二组投影数据。本发明可根据检测需求调节放大比和视场大小，适应不同的检测需求。采用正交直线CL扫描，可获得两个方向的CL分辨能力。

Description

一种正交直线扫描的CL成像系统及分析方法

技术领域

本发明属于扫描成像领域，涉及一种正交直线扫描的CL成像系统及分析方法。

背景技术

近年来，X射线计算机分层扫描成像技术的研究和发展令人瞩目。典型的CL系统主要包括三部分：X射线源、探测器及载物台。检测对象放置于X射线管和平板探测器之间的载物台上，由X射线管产生的X射线经过物体衰减后被探测器收集储存。其特点在于，扫描的对象是平板状的物体，CL系统采用非同轴方式扫描，X射线沿与板状样本平面法线成一定角度的方向穿过，通过X射线源和探测器同步旋转运动或者做简单的相对平行运动，实现多角度对样本进行扫描，采集投影数据用于图像重建。CL技术本质上是一种非同轴扫描的有限角度投影的CT技术，它属于非精确重建，通过对构件的不完全扫描，实现对其内部结构形态及缺陷的层析检测。

在过去的几十年中，针对不同应用新型CL系统或方法相继被提出。2013年，Sechopoulos等研发了一种应用于医学领域的胸部计算机分层成像系统(digital breasttomosynthesis,DBT)；在工业领域，也有很多不同的CL系统被提出。1995年，Zhou等研发了一种用于检测大型或平板构件的X源CL系统，并实验检测印刷电路板和焊缝，得到较好的结果；2010年，Maisl等介绍了CL在轻质量构件检测方面的应用；2012年，Que等建立了一套具有新扫描结构的CL系统，并通过计算机模拟研究代数重建算法(ART)在CL成像中的应用；公开号为CN1643371A，名称为“成像大视野物体的系统和方法”的中国发明专利申请中，提出了一种成像装置，通过移动射线源和探测器的位置实现“多扫描轨道”扫描物体，最终实现对大于探测器视野的物体进行成像；闫镔等解决了对长物体、宽物体和大物体的大视的成像问题；2015年，Liu等在公开号为CN105319225A，CN103196929A的中国发明专利中提出了一种工业CL成像系统，该方法实现了对长宽尺度大，厚度薄的板状大物体的检测。但其存在一些不足：系统C形臂曲率确定，射线源位置固定不变，导致系统射线源到平板探测器轨迹的距离不可调，从而视场(Field of View,FOV)不可变，导致系统灵活性不高；虽然这些系统在医学和工业领域的应用都获得了较好的结果，然而他们都没有聚焦系统结构复杂度、成本等。另外传统的直线扫描CL系统仅采用单次扫描获取投影数据，由于获得的投影数据有限，重建图像分辨力有待提高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种正交直线扫描的CL成像系统及分析方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种正交直线扫描的CL成像系统，该系统包括平板探测器y方向运动机构、平板探测器x方向扫描运动机构、平板探测器、载物台、检测对象、检测对象z方向运动机构、检测对象x方向运动机构、射线源y方向运动机构、X射线源、射线源x方向扫描运动机构、系统框架和计算机；

计算机用于控制整个成像系统的运动、X射线源的开关以及接收分析成像数据，系统框架用于支撑整个成像系统，设水平方向为x方向，竖直方向为y方向，垂直于xy平面的方向为z方向；

所述平板探测器y方向运动机构驱动平板探测器沿y方向移动，平板探测器x方向运动机构驱动平板探测器沿x方向移动；

所述检测对象放置在载物台上，载物台进行轴心旋转运动；检测对象z方向运动机构驱动载物台沿z方向移动，检测对象x方向运动机构驱动载物台沿x方向移动；所述平板探测器位于检测对象上方；

所述射线源y方向扫描运动机构驱动X射线源沿y方向移动，射线源x方向扫描运动机构驱动X射线源沿x方向移动，X射线源位于载物台下方。

进一步，所述系统扫描过程中满足以下参数关系：

以检测对象的中心为原点建立空间直角坐标系；某时刻X射线源的位置为x_p，p＝1,...,P，P为一次扫描射线源投影分度数；平板探测器与视场中心在x方向的距离为x_D，任意射线投影与xz平面的夹角为θ，两条同θ角的任意射线的夹角为γ，两条同θ角的任意射线与投影中心射线投影在xz平面的夹角为α；检测对象到射线源轨迹的距离为S_O，射线源到平板探测器轨迹的距离为S_D，射线与投影中心射线的夹角为β，投影中心到射线的距离为l，l∈[-r,r]，r为视场半径；

通过调节检测对象到射线源轨迹的距离S_O和射线源到平板探测器轨迹的距离S_D来改变系统扫描视场(Field of View,FOV)，通过上下移动物体来改变检测对象的放大率，从而根据实际检测对象大小选择合适的视场和放大率。

基于所述系统的一种正交直线扫描的CL成像分析方法，该方法包括以下步骤：

S1：对系统进行建模；

S2：检测对象固定不动，X射线源向上发出X射线，平板探测器接收经过检测对象衰减后的X射线，平板探测器和射线源沿滑轨相对平行运动，采集一组一定角度的投影数据；

S3：检测对象在载物台平面旋转90度后，平板探测器和射线源相对平行运动，并采集第二组一定角度的投影数据；

S4：利用S1和S2获取的投影数据，使用SART算法进行图像重建。

进一步，所述步骤S1具体为：

系统建模为线性矩阵方程AX＝b，b＝(b¹,b²,...,b^M)∈R^M为投影数据，其中M为数据总量，X＝(X₁,...,X_N)∈R^N为重建物体其中N为体素点总数，A＝(a_mn)是系统测量矩阵，其中m＝1,...,M，n＝1,...,N。

进一步，所述使用SART算法进行图像重建具体步骤为：

S401：计算第一条射线对应的方程对每个体素点的校正项，并寄存在一个数组里；计算第二条射线对应的方程对每个体素点的校正项，并添加到数组里；直至计算完最后一条射线对应的方程对每个体素点的校正项并添加到数组里，至此则完成了一个投影角度下的迭代解的更新处理；

S402：把步骤S401应用到其他投影角度的情况下，直到重建图像满足一定的准则要求。

进一步，所述一个投影角度下的迭代解的更新处理具体为：

迭代公式为

其中λ_k是松弛因子，用于抑制过度修正，k为迭代次数，i＝1,...,L，L为射线总数；j＝1,...,N，N为体素总数，p_i为第i射线的投影值，ω_ij是投影系数，反映第j个体素对第i条射线的贡献；迭代过程具体为：

S401-1：输入投影数据p_i并赋初值：

其中

表示第j个体素的初值；

S401-2：计算所有射线的估计投影值：

其中i＝1,...,L，L表示射线总数；j＝1,...,N，N表示体素总数；p_i表示第i条射线的投影值；ω_ij是投影系数，反映第j个体素对第i条射线积分的贡献；

S401-3：计算修正值，利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项，第j个体素的修正项为：

其中W_i,+表示所有体素对第i条射线积分的贡献，W_+,j表示第j个体素对所有射线积分的贡献，

表示k次迭代第i条射线的投影值，L表示射线总数；

S401-4：进行修正，完成一次迭代：

S401-5：对重建图像的所有体素点都进行一次修正后则完成一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行步骤S401-2、S401-3、S401-4，直至符合准则要求。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供了一种正交直线扫描CL的成像方法，与传统的直线扫描CL成像方法对比，该方法在扫描过程中，物体在转台平面做90度旋转可实现两次正交直线扫描获得两个方向的CL高分辨能力。

(2)与圆周扫描CL成像方法对比，X射线源、检测对象、平板探测器三者的位置关系可根据检测对象的需要随意改动，提高了系统灵活性，适应了不同的检测需求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为正交直线扫描CL系统示意图；

图2为正交直线扫描CL系统结构布局图；

图3为正交直线扫描CL系统运动关系图；

图4为正交扫描CL系统几何模型图，(a)为扫描几何模型，(b)为扫描几何示意图；

图5为用于重建的印制电路板；

图6为60度有限角图像重建；

图7(a)为原始图像与单次直线扫描、正交直线扫描重建图像y＝128方向的灰度剖面图，(b)为左边灰度图黑色虚线长方形内的局部放大图；

图8为单次直线扫描与正交直线扫描重建图像分别与原始图像的差值图像。

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。

1成像模型

数据获取方式基于X射线源和探测器的相对平行直线运动。如图1所示，X射线源位于最底端，具有两个自由度即左右和上下移动并向上发射锥束X射线；载物台位于X射线源上方，能实现平移运动及旋转运动；平板探测器位于载物台上方，同步接收衰减后的X射线。如图2所示，1为平板探测器y方向运动机构，2为平板探测器x方向扫描运动机构，3为平板探测器，4为检测对象，5为检测对象z方向运动机构，6为检测对象x方向运动机构，7为射线源y方向运动机构，8为X射线源，9为射线源x方向扫描运动机构，10为系统框架。如图3所示，m1为平板探测器x方向扫描运动，m2为平板探测器y方向运动，m3为检测对象x方向运动，m4为检测对象z方向运动，m5为检测对象绕y方向圆周运动，m6为射线源x方向扫描运动，m7为射线源y方向运动。

本系统扫描几何模型如图4所示。以检测对象中心为原点建立空间直角坐标系。X射线源位于最底端。扫描某时刻射线源的位置为x_p(p＝1,...,P)，其中P为一次扫描射线源投影分度数。探测单元与视场中心在X轴方向的距离为x_D。θ为任意射线投影与xz平面的夹角，γ为两条同θ角的任意射线的夹角，α为两条同θ角的任意射线与投影中心射线投影在xz平面的夹角。S_O为检测对象到射线源轨迹的距离，S_D为射线源到平板探测器轨迹的距离。β为射线与投影中心射线的夹角，l为投影中心到射线的距离，其取值范围为[-r,r],r为视场半径。本系统扫描过程分为两步。第一步，物体固定不动，射线源向上发出X射线，平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，平板探测器和射线源沿滑轨相对平行运动，采集一组一定角度的投影数据。第二步，物体在载物台平面旋转90度后，平板探测器和射线源同样的采取相对平行运动并采集第二组一定角度的投影数据。然后，利用两次正交电子扫描获取的投影数据，使用SART算法进行图像重建。

图3为本系统的扫描运动关系图，其中m1为X射线源在扫描过程中的左右运动；m2、m7为上下移动用于在扫描前根据扫描对象的大小调节射线源与载物台以及平板探测器三者之间的距离从而达到改变扫描视场(Field of View,FOV)的目的以适应不同的检测需求；m5可实现扫描过程中第二步物体在载物台平面做90度旋转；m3、m4可实现物体在平面内平移运动；m6为平板探测器在扫描过程中的左右运动。现取扫描过程中任意一个位置来探究系统的几何参数间的关系。

本装置灵活多变，能进行多种扫描倾角、以及多种放大比条件下平板状物体三维层析成像。与圆周扫描CL成像方法对比，可通过调节检测对象到射线源轨迹的距离S_O和射线源到平板探测器轨迹的距离S_D来改变系统FOV，并且可上下移动物体来改变检测对象的放大率，从而根据实际检测对象大小选择合适的视场和放大率，适应了不同的检测需求。采用正交直线CL扫描，与传统的直线扫描CL成像方法对比，在扫描过程中，物体在转台平面做90度旋转可实现两次正交直线扫描，可获得两个方向的CL高分辨能力，提高了重建图像质量。

2重建算法

为了提高图像质量，提高系统分辨率，改善扫描过程中放大率不可变的限制，采用迭代重建算法。本发明提出的系统可被建模为以下线性矩阵方程：

AX＝b

b＝(b¹,b²,...,b^M)∈R^M为投影数据其中M为数据总量，X＝(X₁,...,X_N)∈R^N为重建物体其中N为体素点总数，A＝(a_mn)是系统测量矩阵其中m＝1,...,M，n＝1,...,N。

经典的迭代重建算法是代数重建算法(Algebraic Reconstruction Technique,ART)，该算法在图像重建的迭代计算过程中，通过加上一个校正项来校正每个体素点的值。SART算法，即联合代数重建技术，是对ART算法的改进方法。同理SART算法在特定的投影角度下通过联合校正项的方法来进行对中间解的更新。联合校正项，也就是由特定投影角度下所有射线共同产生的校正项。SART算法实现的基本过程如下：

2.1计算第一条射线对应的方程对每个体素点的校正项,把这些校正项寄存在一个数组里。计算第二条射线对应的方程对每个体素点的校正项，并把它们加到数组里。以此类推，直至计算完最后一条射线对应的方程对每个体素点的校正项并把它们加到数组里，至此则完成了一个投影角度下的迭代解的更新处理。

2.2把2.1中的步骤应用到其他投影角度(两段121个投影角度)的情况下，直到重建图像满足一定的准则要求。

SART算法的迭代公式如下所示：

其中λ_k是松弛因子，用于抑制过度修正，k为迭代次数。i＝1,...,L，L为射线总数。j＝1,...,N，N为体素总数。p_i为第i射线的投影值。ω_ij是投影系数，它反映了第j个体素对第i条射线的贡献。显然投影系数在方程求解过程中至关重要，它们将未知的图像和已知的投影值关联起来。整个迭代过程如下所示：

S201：输入投影数据p_i并赋初值：

其中

表示第j个体素的初值；

S202：计算所有射线的估计投影值：

其中i＝1,...,L，L表示射线总数。j＝1,...,N，N表示体素总数。p_i表示第i条射线的投影值。ω_ij是投影系数，它反映了第j个体素对第i条射线积分的贡献；

S203：计算修正值，利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项，第j个体素的修正项为：

其中W_i,+表示所有体素对第i条射线积分的贡献，W_+,j表示第j个体素对所有射线积分的贡献，

表示k次迭代第i条射线的投影值，L表示射线总数；

S204：进行修正，完成一次迭代：

S205：对重建图像的所有体素点都进行一次修正后则完成了一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行S202、S203、S204的步骤，直至符合准则要求。

3数值仿真

为了验证本系统的有效性，我们使用印制电路板作为检测对象在Matlab中做了一些初步仿真实验。由于CL直线扫描获得的投影数据为不完整的有限角数据，因此在理论上没有精确重建方法，导致重建结果都有一些数据缺失造成的伪影。为了提高重建图像质量，前人已经提出了很多方法。本发明采用SART算法对系统获得的数据进行重建。图5为用于重建的印制电路板原始图像，其图像尺寸为50×2×50mm³，重建大小为256×256×256。扫描参数如表1所示。

表1仿真参数

图6为SART算法对印制电路板进行60度有限角图像重建，其中第一幅图为用于重建的原始图像，中间第二幅图为单次直线扫描的重建图像，最后第三幅图为正交直线扫描的重建图像。每次扫描迭代次数都为100次。图7(a)给出了原始图像与单次直线扫描、正交直线扫描重建图像在y＝128直线上的剖面图灰度值的对比图，(b)图像给出了左边图像黑色虚线长方形的局部放大图。图8给出了单次直线扫描和正交直线扫描重建图像分别减去原始图像的差值图像，其中左侧为单次直线扫描减去原始图像，右侧为正交直线扫描减去原始图像。

如图8所示，重建效果较好。重建图像与原始图像对比，单用肉眼仅能略微看到单次直线扫描时的重建图像在旁边两列焊点处有竖线伪影，而正交直线扫描的重建图像较好的修正了上述伪影。为了更清晰直观的对比重建图像与原始图像，图7给出了它们在y＝128直线上的剖面图灰度值的对比图，从局部放大图中我们可以清晰看到正交直线扫描的重建结果较单次扫描更接近与原始图像。重建图像与原始图像的差值图像从另一个角度反映了重建图像的伪影和噪声信息。如图8所示，单次直线扫描减去原始图像留下的伪影明显强于正交直线扫描减去原始图像的结果，再次印证了本方法采用正交直线扫描的好处。如图8所示，重建效果较好。重建图像与原始图像对比，传统CL扫描时的重建图像焊点处有竖线伪影，而正交直线扫描的重建图像较好的修正了上述伪影。为了更清晰直观的对比重建图像与原始图像，图7给出了它们在y＝128直线上的剖面图灰度值的对比图，从局部放大图中我们可以清晰看到正交CL系统扫描的重建结果较单次扫描更接近与原始图像。重建图像与原始图像的差值图像从另一个角度反映了重建图像重建图像的高质量。如图8所示，传统CL扫描重建图像伪影明显强于正交CL系统的图像重建效果，进一步验证正交CL系统的优势。

由以上结果可知，正交直线CL扫描获取了横向和纵向两个方向的投影数据，较之单次直线CL扫描获取了更多的投影数据，从而获得的重建图像伪影越小，图像质量就越好。本方法采用正交直线CL扫描解决了单次直线CL扫描在纵向分辨率不高的问题，获取了更好的重建结果。

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 (5)

1.一种正交直线扫描的CL成像系统，其特征在于：该系统包括平板探测器y方向运动机构、平板探测器x方向扫描运动机构、平板探测器、载物台、检测对象、检测对象z方向运动机构、检测对象x方向运动机构、射线源y方向扫描运动机构、X射线源、射线源x方向扫描运动机构、系统框架和计算机；

计算机用于控制整个成像系统的运动、X射线源的开关以及接收分析成像数据，系统框架用于支撑整个成像系统，设水平方向为x方向，竖直方向为y方向，垂直于xy平面的方向为z方向；

所述平板探测器y方向运动机构驱动平板探测器沿y方向移动，平板探测器x方向扫描运动机构驱动平板探测器沿x方向移动；

所述检测对象放置在载物台上，载物台进行轴心旋转运动；检测对象z方向运动机构驱动载物台沿z方向移动，检测对象x方向运动机构驱动载物台沿x方向移动；所述平板探测器位于检测对象上方；

所述射线源y方向扫描运动机构驱动X射线源沿y方向移动，射线源x方向扫描运动机构驱动X射线源沿x方向移动，X射线源位于载物台下方；

基于所述系统的正交直线扫描的CL成像方法，包括以下步骤：

S1：对系统进行建模；

S2：检测对象固定不动，X射线源向上发出X射线，平板探测器接收经过检测对象衰减后的X射线，平板探测器和射线源沿滑轨相对平行运动，采集一组一定角度的投影数据；

S3：检测对象在载物台平面旋转90度后，平板探测器和射线源相对平行运动，并采集第二组一定角度的投影数据；

S4：利用S2和S3获取的投影数据，使用SART算法进行图像重建。

2.根据权利要求1所述的一种正交直线扫描的CL成像系统，其特征在于：所述系统扫描过程中满足以下参数关系：

以检测对象的中心为原点建立空间直角坐标系；某时刻X射线源的位置为x_p，p＝1,...,P，P为一次扫描X射线源投影分度数；平板探测器与视场中心在x方向的距离为x_D，任意射线投影与xz平面的夹角为θ，两条同θ角的任意射线的夹角为γ，两条同θ角的任意射线与投影中心射线投影在xz平面的夹角为α；检测对象到X射线源轨迹的距离为S_O，X射线源到平板探测器轨迹的距离为S_D，射线与投影中心射线的夹角为β，投影中心到射线的距离为l，l∈[-r,r]，r为视场半径；

通过调节检测对象到X射线源轨迹的距离S_O和X射线源到平板探测器轨迹的距离S_D来改变系统扫描视场FOV，通过上下移动物体来改变检测对象的放大率，从而根据实际检测对象大小选择合适的视场和放大率。

3.根据权利要求1所述系统的正交直线扫描的CL成像分析方法，其特征在于：所述步骤S1具体为：

系统建模为线性矩阵方程AX＝b，b＝(b¹,b²,...,b^M)∈R^M为投影数据，其中M为数据总量，X＝(X₁,...,X_N)∈R^N为重建物体，其中N为体素点总数，A＝(a_mn)是系统测量矩阵，其中m＝1,...,M，n＝1,...,N。

4.根据权利要求3所述的一种正交直线扫描的CL成像分析方法，其特征在于：所述使用SART算法进行图像重建具体步骤为：

S401：计算第一条射线对应的方程对每个体素点的校正项，并寄存在一个数组里；计算第二条射线对应的方程对每个体素点的校正项，并添加到数组里；直至计算完最后一条射线对应的方程对每个体素点的校正项并添加到数组里，至此则完成了一个投影角度下的迭代解的更新处理；

S402：把步骤S401应用到其他投影角度的情况下，直到重建图像满足一定的准则要求。

5.根据权利要求4所述的一种正交直线扫描的CL成像分析方法，其特征在于：所述一个投影角度下的迭代解的更新处理具体为：

迭代公式为

其中λ_k是松弛因子，用于抑制过度修正，k为迭代次数，i＝1,...,L，L为射线总数；j＝1,...,N，N为体素点总数，p_i为第i射线的投影值，ω_ij是投影系数，反映第j个体素对第i条射线积分的贡献；迭代过程具体为：

S401-1：输入投影数据p_i并赋初值：

其中

表示第j个体素的初值；

S401-2：计算所有射线的估计投影值：

其中i＝1,...,L，L表示射线总数；j＝1,...,N，N为体素点总数；p_i表示第i条射线的投影值；ω_ij是投影系数，反映第j个体素对第i条射线积分的贡献；

S401-3：计算修正值，利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项，第j个体素的修正项为：

其中W_i,+表示所有体素对第i条射线积分的贡献，W_+,j表示第j个体素对所有射线积分的贡献，

表示k次迭代第i条射线的投影值，L表示射线总数；

S401-4：进行修正，完成一次迭代：

S401-5：对重建图像的所有体素点都进行一次修正后则完成一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行步骤S401-2、S401-3、S401-4，直至符合准则要求。

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