CN108240998B - 计算机断层扫描 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及计算机断层扫描。描述了用于计算机断层扫描的装置，其也适用于X射线衍射。计算机断层扫描测量使用线焦点(8)，并使来自线焦点的X射线穿过垂直的狭缝(22)，并随后穿过样品到二维检测器上。拍摄多个图像，每个图像对应于围绕旋转轴线(14)旋转不同量的样品，并且被组合以创建计算机断层扫描图像。
Description
发明领域
本发明涉及在装置中执行计算机断层扫描还执行常规的X射线衍射测量的方法，以及相应的方法和软件。
发明背景
计算机断层扫描CT是用于根据多个输入图像构建计算的三维图像的技术。该技术在医学上被广泛使用。然而，用于医学计算机断层扫描的装置的成本非常高。该技术也用于工业应用，但是该装置的高成本限制了其应用。
因此，在能够产生计算机断层扫描图像以及执行可能需要X射线的其他任务(例如，X射线衍射或X射线荧光)的装置中以及在可以使用这样的装置的方法中将会有益处。通过这种方式，任何情况下都可能需要的X射线装备在工业或研究环境中也可以用于附加的断层扫描。还有一个好处是可以在对于计算机断层扫描的设定和对于其它应用的设定之间切换装置，而无需对整个装置进行彻底的重新校准。
发明概述
根据本发明的第一方面，提供了用于执行计算机断层扫描测量的方法，包括：
在X射线源中生成X射线的束；
创建在第一方向上线性延伸的X射线的线焦点；
使来自线焦点的X射线的束穿过掩模中的机械狭缝，该机械狭缝在基本上垂直于线焦点的狭缝方向上延伸；
在穿过机械狭缝之后使X射线的束穿过待测量的对象；以及
将X射线的束成像在二维检测器上。
对于特定的X射线衍射测量，使用线焦点是常规的。因此，通过使用其中输入X射线源自线焦点或被引到线焦点的配置来对样品执行CT，能够迅速地切换为使用相同的装置执行X射线衍射，而无需大量的设定和线焦点的校准。此外，对于计算机断层扫描不需要特殊的聚焦光学器件。
此外，通过使用线焦点而不是光斑焦点，本发明的实施例可以以合理的功率提供改善的分辨率，非常小的光斑大小也可以实现良好的分辨率，但是以非常低的强度以及因此非常长的测量时间为代价。
具体地，该方法可以包括将对象顺序地旋转到多个(a plurality of)位置；
针对多个位置中的每个位置，在二维检测器上捕获相应的图像；以及
根据相应的二维图像来计算对象的三维表示。
本发明人已经认识到，用于执行计算机断层扫描的计算的常规算法不可处理这里提出的几何布置。
原则上，可以捕获这些图像并执行计算。然而，通常情况下，对于计算机断层扫描的计算是非常复杂的，并且为了能够在合理的时间内获得合理的输出，优选使用已经被优化的各种常规算法之一。
发明人已经认识到，在这里提出的几何形状的情况下，能够以可以使用一个这样的常规算法的方式处理数据。具体地，存在用于根据从穿过对象的点源捕获的多个图像来计算三维图像并将所得到的图像记录在二维检测器上的常规CT算法，这样的CT过程被称为锥束CT。然而，在这里描述的方法中不存在这样的点源。因此，计算不能够只使用常规的锥束CT算法来执行。
这样的算法的一个示例在由L.Feldkamp、L.Davis和J.Kress于1984年6月在美国光学学会杂志(Journal of the Optical Society of America)的第1卷第6期的第612-619页中发表的“Practical cone–beam algorithm”中进行了描述。
因此，为了将捕获的数据转换为可以使用常规的锥束计算机断层扫描方法处理的数据，可以对二维图像进行缩放。
具体地，该方法可以包括通过对捕获的二维图像执行锥束计算机断层扫描算法来计算对象的三维表示，其中每个捕获的图像相对于垂直于第一方向的方向在平行于第一方向的方向上按缩放因子S来缩放。
S可以通过以下得出：
S＝(dmo/dso)(dsd/dmd)；
dmo是掩模和对象之间的距离；
dso是线源和对象之间的距离；
dsd是线源和检测器之间的距离；以及
dmd是掩模和检测器之间的距离。
可以执行这个缩放。
X射线源可以使用具有的原子序数在24到47的范围内的金属元素的靶，并且具有从600W到3000W的功率。
在另一方面中，本发明涉及计算机断层扫描测量装置，包括：
X射线源，其用于生成在第一方向上线性延伸的线焦点；
样品台，其用于保持待测量的样品；以及
二维检测器，其用于检测已经穿过样品台上的样品的来自X射线源的X射线，并生成二维图像；
其特征在于
掩模界定在基本上垂直于线焦点的狭缝方向上延伸的机械狭缝，该掩模被安装在线焦点和样品台之间，将来自线焦点的X射线引导通过狭缝，并随后向前通过样品台上的样品到二维检测器以创建二维图像。
样品台围绕旋转轴线是可旋转的，并且该装置还可以包括：计算机系统，其连接到样品台以用于控制对象的旋转，并连接到二维检测器以用于处理二维图像；其中，计算机系统适用于：旋转样品台以将对象顺序地旋转到多个位置；针对多个位置中的每个位置，在二维检测器上捕获相应的图像；以及根据相应的二维图像计算对象的三维表示。
注意，本文对“计算机系统”的引用可以指具有单个处理器的单个计算机或连接在一起的计算机网络。在特定实施例中，计算机系统包括用于控制样品的旋转的一个计算机和用于计算三维表示的第二计算机。
计算机系统可以适用于通过对捕获的二维图像执行锥束计算机断层扫描算法来计算对象的三维表示，其中每个捕获的图像相对于垂直于第一方向的方向在平行于第一方向的方向上按缩放因子S来缩放。
S可以通过以下得出：
S＝(dmo/dso)(dsd/dmd)；
dmo是掩模和对象之间的距离；
dso是线源和对象之间的距离；
dsd是线源和检测器之间的距离；以及
dmd是掩模和检测器之间的距离。
X射线源可以包括在铬到银的范围内的金属元素的靶。
旋转轴线可以基本上垂直于从源到检测器的轴线。
在另一方面中，本发明涉及计算机断层扫描测量装置，包括：
用于生成X射线的束的X射线源；
在第一方向上生成线焦点的X射线源，或在X射线管之后的、形成在第一方向上线性延伸的X射线的线焦点的X射线光学器件；
样品台，其用于保持待通过掩模中的机械狭缝测量的样品，该机械狭缝在基本上垂直于线焦点的狭缝方向上延伸；以及
二维检测器，其用于检测已经穿过样品台上的样品的来自X射线源的X射线，并生成二维图像；
其特征在于
掩模界定在基本上垂直于线焦点的狭缝方向上延伸的机械狭缝，该掩模被安装在线焦点和样品台之间，将来自线焦点的X射线引导通过狭缝，并随后向前通过样品台上的样品到二维检测器以创建二维图像。
在又一方面中，本发明涉及在数据载体上记录的计算机程序产品，其用于控制计算机断层扫描测量装置，该计算机断层扫描测量装置包括：X射线源，其用于生成在第一方向上线性延伸的线焦点；样品台，其围绕旋转轴线是可旋转的，以用于保持待测量的样品；二维检测器，其用于检测已经穿过样品台上的样品的来自X射线源的X射线，并生成二维图像；以及掩模，其界定在基本上垂直于线焦点的狭缝方向上延伸的机械狭缝，该掩模被安装在线焦点和样品台之间，将来自线焦点的X射线引导通过狭缝，并随后向前通过样品台上的样品到二维检测器，以创建二维图像；
其中，计算机程序产品适用于控制计算机断层扫描测量装置来：
旋转样品台以将对象顺序地旋转到多个位置；
针对多个位置中的每个位置，在二维检测器上捕获相应的图像；
以及
根据相应的二维图像来计算对象的三维表示。
在实施例中，本发明涉及在数据载体上记录的计算机程序产品，其中该计算机程序产品适于当在如本文所述的X射线装置的计算机系统上运行时使X射线装置执行以上阐述的方法。
计算机程序产品可以分开部分提供以在相应的计算机上运行。
附图说明
现在，将参照附图对本发明的实施例进行描述，其中：
图1图示了用于执行XRD测量的X射线装置；
图2图示了调整图1的装置用于执行CT测量；
图3以透视图图示了图2的布置；
图4是没有利用本发明进行的CT测量和利用本发明的进行的CT测量之间的比较；以及
图5是没有利用本发明进行的CT测量和利用本发明进行的CT测量之间的比较；以及
图6图示了可替代的X射线装置。
附图是示意性的，且未按比例进行绘制。
详细描述
参照图1和图2，X射线装置2包括生成X射线的线焦点8的X射线源4。X射线全部穿过焦线或从焦线生成。焦线在第一方向上延伸并且在垂直于第一方向的方向上具有小于线焦点的长度的2％的宽度。
注意，线焦点的有效大小可以小于X射线的实际宽度。在示例中使用的X射线管中的焦线在阳极处具有12mm×0.4mm的尺寸，但是当其被调谐到线焦点模式时在大约6°的角度处使用，这样将由样品所见的有效焦点尺寸降低了大约10倍。这意味着，当在线焦点模式下使用该管时，其提供12mm×0.04mm的有效焦点大小，而当其转到点焦点模式时，管焦点有效地为1,2mm×0.4mm。
本领域的技术人员将会认识到，具有稍微不同尺寸(例如，8mm×0.4mm、10mm×1mm或12mm×2mm)的其他管是可用的，并且这些管生成有效的长宽比通常为40至500，通常在60到300的范围内。
另外还提供了光学器件模块6。这可以是例如发散狭缝模块，其在反射布拉格-布伦塔诺(Bragg-Brentano)衍射几何形状(并且可选地，另外的索勒狭缝和掩模)中确定在样品上的照射面积。对于如图1所图示的透射几何形状，可以使用非常薄的狭缝。
为了执行如图2所图示的计算机断层扫描，光学器件6也可以使用对于照射样品和检测器足够大的发散狭缝模块。这样做的主要功能是减少散射，并防止X射线照射可能引起高背景的仪器中的其他部件。因此，当在CT和其他测量之间切换仪器时，不需要移除该部件。
然而，通常将需要移除光学器件6中存在的任何其他部件，诸如索勒狭缝。
提供了可以保持样品12的样品保持器10。样品保持器可以沿着旋转轴线14旋转。只要旋转轴线14是已知的，其就不必平行于线焦点8，因为所使用的重建算法(见下文)通常可以处理非平行的旋转轴线。
提供了二维检测器16，即具有二维的像素阵列18的检测器。
提供了控制器24，其连接到X射线源4、样品保持器10和检测器16以控制装置2和收集数据。控制器包括处理器26以及代码28，该代码被配置为使控制器执行如下所述的方法，特别是执行计算机断层扫描算法。在可替代实施例中，系统控制和数据收集在分开的计算机上。
如图1所示，如上所述的装置可以是常规的X射线衍射装置，其中X射线源4、二维检测器16和样品保持器10被安装在测角仪上。
为了进行依赖于角度的X射线衍射，样品12被安装在样品保持器上，并且使用二维检测器测量作为偏转角(通常为2θ)的函数的所得到的衍射图案。检测器可以在不被移动的情况下测量一定范围的角度2θ。
如图2和图3所示，相同的装置也可以用于执行计算机断层扫描测量(CT测量)。
为此，将掩模20在线焦点8和样品保持器10之间引入到装置中。掩模具有狭缝22，该狭缝在基本上垂直于线焦点的方向的方向上延伸，二者都基本上垂直于X射线束方向延伸。因此，参照图2中所示的x轴、y轴和z轴，X射线光束在z方向上(图2中从左到右)延伸，线焦点在y方向上(图2中从上到下)延伸，以及狭缝在x方向上(进入到纸面中)延伸。这就为如下将进行解释的计算机断层扫描测量建立了装置。
图3是示出了在基本上垂直于线焦点8的方向上延伸的狭缝22的透视图，以更好地图示出多个方向。图3示出了根据源自线焦点8和狭缝22随后通过样品12到检测器16上的X射线在检测器16上形成的图像30。
由于“样品”的英文"sample"和“源”的英文"source"二者都以相同的字母开始，因此保持在样品保持器10中的样品12将可被替代地称为对象，以避免在以下公式中样品和源之间的混淆。
注意，在以下的公式中，掩模m、被称为对象o的样品和线源s之间的距离由以下定义：
dmo是掩模和对象之间的距离；
dso是线源和对象之间的距离；
dsd是线源和检测器之间的距离；以及
dmd是掩模和检测器之间的距离。
图2未按比例。在实践中，线焦点8和狭缝22将相对靠近对象12，并且二维检测器16将离对象相对较远。
所使用的精确距离将取决于几个参数：线焦点尺寸、掩模大小，对象和检测器的大小。由于对象朝向检测器被放大，因此对于检测器距离的第一个实际限制是其大小：对象的图像还是要小于检测器。对于高分辨率的最佳位置取决于检测器的像素大小和焦点尺寸(线焦点宽度/掩模宽度)。如果检测器像素较小，则对象应更靠近检测器：如果焦点大小较小，则样品应该更靠近焦点，从而可以实现放大效果。在以下的示例中，有效的线焦点宽度为0.04mm，以及掩模20中的狭缝宽度为大约0.05mm(掩模)，其中检测器像素大小为0.055mm×0.055mm，因此良好的样品位置靠近检测器和平均焦点位置之间的中间。
在实践中，线焦点8和狭缝22理想上彼此相对靠近。为了优化(平行或垂直于线焦点的)分辨率，与在传统CT扫描仪中一样，到对象12和二维检测器16的距离将取决于焦点和掩模尺寸以及检测器像素大小。
特别地，如果掩模和线焦点宽度与检测器的像素尺寸相似，则从样品到检测器的典型距离介于样品和掩模之间距离的0.3和3倍之间，并且掩模和线焦点之间的距离通常不大于掩模和样品之间的距离。
为了执行CT测量，安装样品12，来自线焦点8的X射线的束通过X射线源4生成。束由X射线光学器件6调节。随后，使X射线穿过狭缝22、安装在样品保持器10上的样品12，并且样品的第一图像在二维检测器上被捕获。
随后，样品12由控制器24围绕轴线14旋转，并捕获样品12的另一图像。重复这一过程，直到捕获到在样品的不同旋转下的足够数量的图像。
随后，控制器根据在不同旋转轴线处捕获的多个图像来计算计算机断层扫描图像。
对于计算机断层扫描的计算通常非常复杂，并且这里描述的布置并不完全对应于标准算法中的任一个。
发明人已经认识到，可以缩放所捕获的图像以能够使用常规计算机断层扫描算法、特别是锥束计算机断层扫描算法的方式来考虑几何形状，以执行对象的三维形状的计算。鉴于这样的计算和算法的复杂性，这使得使用非常可取的现成算法成为可能。
为了缩放所捕获的图像，每个图像在平行于线焦点的方向(y方向，其是轴向方向)上按因子S缩放。S通过以下得出：
S＝(dmo/dso)(dsd/dmd)；
图像在赤道方向(x方向，其是狭缝22的纵向方向)上没有进行缩放。
本领域技术人员将认识到，重要的是y方向上的缩放相对于x方向上的缩放。因此，代替在y方向上按因子S缩放所捕获的图像，图像可以转而在x方向上按因子(1/S)进行缩放，这导致x方向和y方向之间的相同的相对缩放。
一种选择是按因子S缩放y方向，并保持x方向不缩放。在这种情况下，线焦点的位置可以用作CT重建算法中的虚拟点焦点位置。
另一种选择是按因子1/S缩放x方向，并保持y方向不缩放。在这种情况下，掩模位置被用作CT重建算法中的虚拟点焦点位置，以获得3D图像中的正确尺寸。
注意，在实践中，可以以各种方式执行缩放。在一些情况下，用于执行计算机断层扫描算法的软件可以具有与每个方向上的像素大小相关的输入，因此在这种情况下，可以通过在一个维度中输入按因子S校正的像素大小来执行缩放。例如，检测器实际上可以具有55μm×55μm的物理大小的像素，但可以通过代替输入40μm×55μm的像素大小来执行缩放。可替代地，在将图像输入到计算机断层扫描算法中之前，可以通过单独的缩放算法来缩放图像。另一种可能性是在应用计算机断层扫描算法之后缩放重建的3D图像，但是在这种情况下，缩放将需要是二维缩放。
使用通常用于X射线衍射的PANalytical X'Pert装置来执行实验。
X射线源的线焦点具有0.04mm的有效宽度，以及掩模中的狭缝具有0.04mm至0.05mm的宽度。二维检测器具有0.055mm×0.055mm的像素大小。
执行作为比较示例的锥束计算机断层扫描：不使用线焦点或狭缝而是仅使用具有的有效焦点大小为1,2mm×0,4mm的点焦点的源作为X射线的源并旋转对象。所获得的分辨率为60μm至100μm。
使用线焦点和狭缝的组合将分辨率降低到约40μm。
发现了有效亮度在二维像素检测器上变化，即图像不是平场。为了对此进行校正，平场图像在没有样品存在的情况下进行拍摄，并在样品存在的情况下通过按在平场图像中所测量的强度的倒数来缩放所测量的强度来校正图像上的亮度。
图4示出了使用铜源的玻璃纤维复合样品的结果。左侧的图像是在不使用线焦点或狭缝的情况下拍摄的，而右侧的图像示出了使用线焦点和狭缝的组合的效果。使用线焦点和狭缝的组合来优化重建的时间要快得多。由于正常的点焦点设定只能解析纤维，因此重建和图像处理更加困难和耗时，并且需要大量的手工优化工作。相比之下，使用本发明，更好的分辨率意味着不需要额外的优化。所需的功率较高(600-1500W，而不是100-200W)，但这样的功率照惯例可以借助通常用于X射线衍射测量的线焦点管设定来获得。
使用钼源，如图5所示获得了类似的结果，该图示出了对
MUPS 20mg片剂样品(阿斯利康)的测量结果。同样，左侧的图像是没有线焦点或狭缝的情况，而右侧图像示出了使用线焦点或狭缝的改进的分辨率。
使用本发明的另一好处在于，样品台所需要的只是其能够以受控的方式旋转样品(注意：我的意思是对于每个2D图像必须知道样品旋转角度)。这样的样品台可以容易地用于X射线衍射。
除了使用线焦点和狭缝的更高分辨率测量之外，线焦点的使用允许该装置快速且容易地用于常规的布拉格-布伦塔诺XRD和CT测量，这是因为每次装置在CT和XRD测量之间切换时不需要旋转或改变源，这是耗时的过程。相比之下，相同的线焦点可以用于二者。
放大率和分辨率可以根据从线焦点和狭缝到样品以及样品到检测器的距离来有效地选择。因此，通过改变这些距离可以获得不同的放大率和分辨率。
在图1的布置中，线焦点由X射线管提供。在图6中所示的另一实施例中，线焦点8由X射线聚焦光学器件6限定。同样的方法适用，但在这种情况下，分开的部件生成线焦点。注意，对于CT和常规测量，X射线聚焦光学器件可以被设定一次，并且相同的线焦点用于两个测量。
Claims (11)
1.一种执行计算机断层扫描测量的方法，包括：
在X射线源中生成X射线的束；
创建在第一方向上线性延伸的X射线的线焦点；
使来自所述线焦点的所述X射线的束穿过掩模中的机械狭缝，所述机械狭缝在基本上垂直于所述线焦点的狭缝方向上延伸；
在穿过所述机械狭缝之后使所述X射线的束穿过待测量的对象；以及
在二维检测器上对所述X射线的束成像。
2.根据权利要求1所述的方法，包括：
使所述对象顺序地旋转到多个位置；
针对所述多个位置中的每个位置，在所述二维检测器上捕获相应的二维图像；以及
根据所述相应的二维图像来计算所述对象的三维表示。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，计算所述对象的所述三维表示包括对所捕获的二维图像执行锥束计算机断层扫描算法，其中每个捕获的二维图像相对于垂直于所述第一方向的方向在平行于所述第一方向的方向上按缩放因子S来缩放。
4.根据权利要求3所述的方法，其中
S由以下得出：
S＝(dmo/dso)(dsd/dmd)；
dmo是所述掩模和所述对象之间的距离；
dso是所述X射线源和所述对象之间的距离；
dsd是所述X射线源和所述二维检测器之间的距离；以及
dmd是所述掩模和所述二维检测器之间的距离。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述X射线源使用具有的原子序数在24至47的范围内的金属元素的靶，并且所述X射线源具有从600W至3000W的功率。
6.一种计算机断层扫描测量装置，包括：
X射线源，所述X射线源用于生成在第一方向上线性延伸的线焦点；
样品台，所述样品台用于保持待测量的对象；以及
二维检测器，所述二维检测器用于检测已经穿过所述样品台上的所述对象的来自所述X射线源的X射线，并生成二维图像；
其特征在于，
掩模界定在基本上垂直于所述线焦点的狭缝方向上延伸的机械狭缝，所述掩模被安装在所述线焦点和所述样品台之间，将来自所述线焦点的X射线引导通过所述机械狭缝，并随后向前通过所述样品台上的所述对象到所述二维检测器，以创建所述二维图像。
7.根据权利要求6所述的计算机断层扫描测量装置，
其中，所述样品台围绕旋转轴线是可旋转的，
所述计算机断层扫描测量装置还包括：计算机系统，所述计算机系统连接到所述样品台以用于控制所述对象的旋转，并且所述计算机系统连接到所述二维检测器以用于处理所述二维图像；
其中，所述计算机系统适用于：
旋转所述样品台以将所述对象顺序地旋转到多个位置；
针对所述多个位置中的每个位置，在所述二维检测器上捕获相应的二维图像；以及
根据所述相应的二维图像来计算所述对象的三维表示。
8.根据权利要求7所述的计算机断层扫描测量装置，其中，所述计算机系统适用于：
通过对所捕获的二维图像执行锥束计算机断层扫描算法来计算所述对象的所述三维表示，其中每个捕获的二维图像相对于垂直于所述第一方向的方向在平行于所述第一方向的方向上按缩放因子S来缩放。
9.根据权利要求8所述的计算机断层扫描测量装置，其中，
S由以下得出：
S＝(dmo/dso)(dsd/dmd)；
dmo是所述掩模和所述对象之间的距离；
dso是所述X射线源和所述对象之间的距离；
dsd是所述X射线源和所述二维检测器之间的距离；以及
dmd是所述掩模和所述二维检测器之间的距离。
10.根据权利要求6、7、8或9中任一项所述的计算机断层扫描测量装置，其中，所述X射线源包括原子序数在24至47范围内的金属元素的靶。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有用于控制计算机断层扫描测量装置的计算机指令，所述计算机断层扫描测量装置包括：X射线源，所述X射线源用于生成在第一方向上线性延伸的线焦点；样品台，所述样品台围绕旋转轴线是可旋转的，以用于保持待测量的对象；二维检测器，所述二维检测器用于检测已经穿过所述样品台上的所述对象的来自所述X射线源的X射线，并生成二维图像；以及掩模，所述掩模界定在基本上垂直于所述线焦点的狭缝方向上延伸的机械狭缝，所述掩模被安装在所述线焦点和所述样品台之间，将来自所述线焦点的X射线引导通过所述机械狭缝，并随后向前通过所述样品台上的所述对象到所述二维检测器，以创建所述二维图像；
其中，所述计算机可读存储介质适用于控制所述计算机断层扫描测量装置来：
旋转所述样品台以将所述对象顺序地旋转到多个位置；
针对所述多个位置中的每个位置，在所述二维检测器上捕获相应的二维图像；以及
根据所述相应的二维图像来计算所述对象的三维表示。
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