CN107796834A - 一种正交电子直线扫描cl成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种正交电子直线扫描CL成像系统及方法，属于扫描成像领域。该系统包括平板探测器y方向运动机构、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、系统框架和计算机；本系统扫描过程包括：X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿横向和纵向分时分别发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集两组正交的投影数据信息。利用两组投影数据，使用SART算法进行图像重建。本发明一方面简化了系统结构、避免了机械运动误差；另一方面通过两次正交直线扫描分别捕捉扫描对象两个方向的投影数据，进一步改善CL分辨能力。

Description

一种正交电子直线扫描CL成像系统及方法

技术领域

本发明属于扫描成像领域，涉及一种正交电子直线扫描CL成像系统及方法。

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。

在公开号为CN104757988A，名为“一种电子直线扫描微焦点CT扫描系统及方法”的中国发明专利中，提出了一种电子直线扫描CT成像系统，采用线阵列点状X射线靶微焦点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CT扫描系统。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。本发明在此基础上，利用线阵列点状X射线源电子束直线扫描的优点，同时采用大面积平板探测器构建电子直线扫描CL成像系统。与传统直线扫描CL成像系统相比，CL扫描过程为电子束扫描，大大简化了系统结构。同时，传统的直线扫描CL系统采用单次扫描获取投影数据，由于获得的投影数据有限，重建图像在纵向的分辨率较差，从而影响了重建图像质量，本发明通过两次正交直线扫描获得扫描物体更多投影数据，进一步提高CL系统分辨力。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种正交电子直线扫描CL成像系统及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种正交电子直线扫描CL成像系统，包括平板探测器y方向运动机构、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、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射线源的电子直线扫描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中心投影径向运动；

所述检测对象放置在载物台上；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方向运动机构驱动X射线源沿中心投影径向运动，X射线源位于载物台下方，X射线源包含正交面阵点状X射线靶，使X射线源射束沿x方向和z方向两个方向偏转并向上发射锥束X射线。

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为为面阵点状X射线在一个方向的靶点数；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，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)，从而根据实际检测对象大小选择合适的视场。

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：X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿横向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集一组一定角度的投影数据信息；

S3：X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿纵向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集第二组一定角度的投影数据信息；

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。

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，该方法可获得两个方向的CL高分辨能力。

(2)该方法采用电子直线扫描方法，通过控制X射线源电子束偏转，实现X射线焦点在正交面阵点状X射线靶上分时出束。在每次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，系统不需配置直线扫描运动机构，简化了系统结构、避免了机械运动误差。

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为正交电子扫描CL系统示意图；

图2为正交电子扫描CL系统结构布局图；

图3为正交电子扫描CL系统运动关系图；

图4为正交电子扫描CL系统几何模型图；(a)为a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射线源的电子直线扫描。如图1所示，X射线源(含正交面阵点状X射线靶)位于最底端，由正交面阵点状X射线靶可沿横向和纵向两个方向向上发射锥束X射线；载物台位于X射线源上方，用于放置平板状物体；大面积平板探测器位于载物台上方，用于接收衰减后的X射线；

图2为正交电子扫描CL系统结构布局图，1为平板探测器y方向运动机构，2为平板探测器，3为检测对象，4为检测对象z方向运动机构，5为检测对象x方向运动机构，6为射线源y方向运动机构，7为X射线源，8为系统框架。

图3为正交电子扫描CL系统运动关系图，m1为平板探测器y方向运动，m2为检测对象x方向运动，m3为检测对象z方向运动，m4为射线源y方向运动。

本系统扫描几何模型如图4所示，图4(a)为a扫描几何模型，(b)为扫描几何示意图。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。扫描某时刻射线源靶点的位置为x_p(p＝1,...,P)，其中P为面阵点状X射线在一个方向的靶点数。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X-Z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X-Z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。本系统通过控制射线源电子束偏转，实现X射线焦点在正交面阵点状X射线靶上分时出束。本系统扫描过程分为两步。第一步，X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿横向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集一组一定角度的投影数据信息。第二步，X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿纵向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集第二组一定角度的投影数据信息。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、m4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；m2、m3可实现物体在平面内平移运动；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、多种放大比条件下平板状物体三维层析成像，并最大限度的简化系统的机械运动复杂度。系统存在以下优势：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，该方法可获得两个方向的CL高分辨能力。2、该方法采用电子直线扫描方法，通过控制X射线源电子束偏转，实现X射线焦点在正交面阵点状X射线靶上分时出束。在每次电子直线扫描时，射线源、探测器和检测对象均处于静止状态，系统不需配置直线扫描运动机构。

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，反映第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，反映第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

如图6为SART算法对印制电路板进行进行传统CL系统扫描获得的重建图像，其中图6最左边为用于重建的原始图像，图6中间为传统CL扫描的重建图像，图6最右边为电子束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)给出了原始图像与传统CL扫描、电子束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)为(a)指定区域的局部放大图。图8是传统CL扫描和电子束正交CL扫描重建图像与原始图像的差值图像，分别对应左右两列。

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，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，进一步验证正交CL系统的优势。

由以上结果可知，与传统的直线扫描CL成像方法对比，正交直线CL扫描可获得两个方向投影数据，从而提高CL的分辨能力。本方法采用正交直线CL扫描解决了单次直线CL扫描在分辨能力不高的问题，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 (6)

1.一种正交电子直线扫描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、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、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射线源的电子直线扫描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中心投影径向运动；

所述检测对象放置在载物台上；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方向运动机构驱动X射线源沿中心投影径向运动，X射线源位于载物台下方，X射线源包含正交面阵点状X射线靶，使X射线源射束沿x方向和z方向两个方向偏转并向上发射锥束X射线。

2.根据权利要求1所述的一种正交电子直线扫描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为为面阵点状X射线在一个方向的靶点数；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，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(FieldofView,FOV)，从而根据实际检测对象大小选择合适的视场。

3.基于权利要求1所述系统的一种正交直线扫描的CL成像分析方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：对系统进行建模；

S2：X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿横向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集一组一定角度的投影数据信息；

S3：X射线源焦点由正交面阵点状X射线靶上沿纵向分时发出X射线，大面积平板探测器接收经过扫描对象衰减后的X射线，采集第二组一定角度的投影数据信息；

S4：利用S1和S2获取的投影数据，使用SART算法进行图像重建。

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。

5.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。

6.根据权利要求5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，用于修正补偿，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：

<mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>L</mi> </munderover> <mfrac> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mo>+</mo> </mrow> </msub> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>p</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>p</mi> <mi>i</mi> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <msub> <mi>W</mi> <mrow> <mo>+</mo> <mo>,</mo> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mfrac> </mrow>

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。