CN1107882C - 多功能工业x射线成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业或安全检查用的X射线新型成像系统，其特征是它还包括有X射线束飞点扫描装置，其位置设置在X射线源与受检物之间；在控制器系统中透射束探测器(9)的灵敏体积为圆弧条形，其位置与X射线束飞点扫描装置中的限光隙缝相对应；在拖动系统中设置有可以旋转的转盘(7)。其目的是只用一套X线成像系统装置，即可分别获取分辨率可以事先用软件选择的整体或部分受检物的透视图像和所预定断面的CT断层图像。

Description

多功能工业X射线成像系统

本发明涉及一种工业或安全检查用的X射线新型成像系统，原则上亦可应用于不包含运动器官(如心脏)的人体医学影像获取。

现有工业(安全)检查X线影像装置粗略可分两大类：一类为透射成像装置，包括最简单的面状射束照射用胶片成像，以及用影像增强管配合电视摄像的适时检测系统，进而发展为以线状射束扫描计算机成像系统。另一类为X线计算机断层成像装置，即工业CT机，利用扇面射束对所要检测物的某些特写断面进行连续转动360°的扫描，所得影像信号经计算机处理获得该断层面的X线影像。

如果检查者既想要获取受检物整体透射影像，又要获取某些断面的断层影像，就必须同时购置准备两种X线成像系统，并把受检体先后安置于两种系统上分别操作后才有可能。现有X线成像系统中还不存在一套不需更换受检物和成像装置即能按需要获取受检体的整体透视影像和所感兴趣的某些断面断层影像的X线成像系统。

本发明提供一种多功能工业X射线成像系统，其目的是只用一套X线成像系统装置，通过操作选择不同的扫描方式和数学图像处理模式，即可分别获取分辨率可以事先用软件选择的整体或部分受检物的透视图像和所预定断面的CT断层图像。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种多功能工业X射线成像系统，其包括有X射线源、受检物的微机数控机械扫描拖动系统、探测器系统检测通道、微机数字图像系统，其特征在于：它还包括有X射线束飞点扫描装置，其位置设置在X射线源与检测通道之间，X射线束飞点扫描装置是由限光转轮、固定限光隙缝片及驱动电机组成，在限光转轮上均匀分布着限光隙缝，固定限光隙缝片上只有一条限光隙缝，限光转轮与驱动电机的转轴联接；在探测器系统中透射射束探测器的灵敏体积为圆弧条形，其位置与X射线束飞点扫描装置中的限光隙缝相对应；在拖动系统中的拖动台上设置有可以连续旋转的转盘；受检物安放在转盘上；微机数控机械扫描拖动系统和数字图像系统均设置有两种工作模式，即整体透视成像模式和CT断层成像模式，可由主控台上专用硬件开关或软件选择切换。

在检测通道中配置有散射探测器，包括有前散射和背散射探测器及其相应的电子附件。

检测通道的断面为圆形，按所检测物的最大断面尺寸设计检测通道内径。

本发明的工作原理是：空间(坐标)时间(序列)转换原理是飞点扫描技术的核心。飞点扫描技术已在电视摄像管、扫描电子显微镜中(电子束扫描)和光学飞点扫描管中得到广泛应用，该技术把空间平面坐标图像素点信号转变为按一定顺序排列成时间串列信号，从而使接受器尺寸不受空间分辨率限制。现有X线成像系统中还没有采用过飞点扫描技术，在行包X线检查成像系统中采用线阵列探测器的线状射束平动扫描获取透射影像信号，在工业CT成像系统中采用园弧阵列探测器扇面射束转动扫描获取CT断层影像信号，其成像空间分辨率直接由探测器阵列中单元探测器尺寸决定，并且有多少单元探测器就要配置多少道电子线路附件同时输出。本发明根据上述两种X线成像系统中均采用线状射束和阵列探测器的相似特点，分析其区别只是在于扫描运动方式不同和图像再现信号处理方式不同，得出完全可以用同一套硬件来实现两种扫描方式和图像重建模式的结论。并进一步采用飞点扫描技术，使图像空间分辨率与探测器单元尺寸无关，把直线或弧线空间位置也转化为时间串序列，而形成本发明的构思。

本发明的结构特点所带来的优点及效果：

本发明的最主要的特点是采用一台工业X射线成像系统，即可获取受检物整体透射影像，又能获取某些断面的断层影像，而不必同时购置准备两种X线成像系统，并把受检体先后安置于两种系统上分别操作。

其与现有工业X线成像装置相比，在任何时刻受检物体只受到一束针状射束照射，因而对周围辐射污染特别小，成像分辨率不受探测器尺寸限制，散射对图像干扰大为减少，采用了飞点扫描技术，可按需要增设散射探测器及相应成像系统，获取整体散射图像，从而能在金属伪装背景中发现低原子序数物体，如毒品、爆炸物及其不均匀性，可以检查一定截面尺寸长度不限的物体等等一系列突出优点。预计本发明的实施将为工业产品的特别检查、安全反毒反走私检查提供一种新的有效手段。

附图1为本发明的一个具体实施例300kv立式拖动的多功能成像系统主要部件的结构示意图；

附图2为本发明带有前散射和背散射探测器时探测的原理图。下面结合附图通过实施方式对本发明加以具体说明：

本发明系统的组成：

根据受检物体的元素组成和外形尺寸以及检查的需要，本发明可具体设计为不同透照电压等级，附加或不附加散射成像系统，不同检查通道截面尺寸，立式或卧式拖动受检物的扫描拖动方式等各种具体实施方案。其组成都包括五大部分。现在以图1300KV立式工件台的多功能成像系统为例加以说明。图1画出了该系统的X射线源，飞点扫描系统，探测器系统及受检物拖动扫描系统的主要部分及相互关系。

a)X射线源，根据所检测物体组成及尺寸，选用X线源最高电压等级可分为160KV，300KV，450KV及600KV。300KV以下X线源采用可连续工作的传统反射式阳极X线管，300KV及其以上则采用本发明人发明的透射式阳极高效工业X线机(申请号为9811400.4)作为X线源。X线源又由X线管，高压发生装置，控制器和循环水冷器组成，提供连续稳定的X线。图1中1为透射阳极X线管焦点，2为包括倍压整流部分的组分X线机头。

b)X射线束飞点扫描装置。把X线管输出X线辐射控制为连续扫描运动的点状射束。点状射束截面尺寸按所要求最高空间分辨率像素点的最小尺寸设计。由固定限光隙缝片4和限光转轮3及驱动电机5组成。限光转轮3上也均匀分布着若干限光隙缝，通过专门计算设计加工保证形成点状射束扫描的连续性和速度的均匀性。固定和活动限光隙缝是在重合金材料板上按各特定方向切割出来，其板材厚度保证所采用最高能是光子透射率低于10-3以下。驱动电机5由微机控制按所选用空间分辨率与工件台8的平动、转盘7的转动及图像接收系统信号采集同步运动。

c)探测器系统：由透射射束探测器9以其附属电子装置组成，透射探测器9的灵敏体积为圆弧条形，其宽度按透射束至该位置最大宽度(包括半强度半影区宽度)设计，圆弧尺寸按工件通道尺寸设计，厚度按所接受最大能量光子选取，长度由获取射线扫描最大宽度确定，可以由几十公分到几公尺。如需要，可选择增加散射线探测器10，其宽度以能接受射束向前和向后±30°至40°锥角范围的散射线为宜，背射线探测器中间留有让直射束通过的空隙，前散射探测器中间则留有安道透射探测器9空隙。散射探测器10附有独立的附属电子装置。注意，不论是透射探测器9和散射探测器10，收集的X线影像信号均是各由一个通道输出。与空间分辨率大小无关，不像现有的X射线扫描成像系统和CT机，分辨率越高，输出通道越多。由探测器围出的空间即为受检查物被拖动通过的检测通道，其断面为圆形。按所检测物的最大断面尺寸设计检测通道截面内径，可以为几十公分到几公尺，图1中检测通道的内径为60公分。

d)受检查物的机械扫描拖动机构及其微机数控系统，扫描拖动机构可分为水平拖动和垂直拖动两种结构，水平拖动适合于检测超长的部件，但其转动机构较复杂，图1的是垂直拖动的例子，由升降台8和安置于台上的园圈转动转盘7组成，(图中省略了驱动电机等，)受检查物6被固定在转动转盘中央。升降拖动台8的最大拖动范围根据受检查物的最大长度设计，在图1中为两公尺。其升降速度，停留位置及转盘转动速度及转动圈数均由主控微机控制，按软件程序自动进行。机械扫描拖动机构由微机数控设置有两种工作模式，即整体透视成像模式和CT断层成像模式，可由主控台上专用硬件开关或软件选择切换。

机械扫描拖动机构的数控系统根据主控软件指令分别控制工件台平动和工件的转动，并控制飞点扫描转盘转动，与影像信号采集同步进行，以完成各种工作模式所预定的扫描动作及影像信号采集。微机数控系统为机械扫描拖动机构设置有两种工作模式，即整体透视成像模式和CT断层成像扫描拖动模式，可由主控台上专用硬件开关或软件选择切换。

e)数字图像系统

数字图像系统包括信号数据的采集，贮存，图像重建(包括各种模式的重建)重建图像的贮存和荧屏显示，图像的各种处理及图像的硬考贝输出等硬件和软件。数字图像系统设置有两种工作模式，即整体透视成像模式和CT断层成像扫描拖动模式，可由主控台上专用硬件开关或软件选择切换。

机械数控系统和数字图像系统原则上可由一台CPU主机控制，还可由总系统软件控制，包括通过接口控制X线源的照射条件(KV、MA和曝光时间)，这里不把主控系统再单独分为一个组成部分。

本发明可采用两种模式获取图像，在按整体透射成像模式工作时，受检物平台在飞点扫描垂直方向匀速平动，每次扫描周期的平动距离为所定图像分辨率像素点对应的实际宽度。X线光束点在受检物上形成的空间扫描轨迹、覆盖整个受检物。数字图像系统把该轨迹各时间透射(散射)影像信号转化为对应位置图像像素点宽度即可直接获取整体透射(散射)图像。

在按CT断层成像模式工作时，受检平台固定在X线扫描线通过受检物所需断层面的位置，在飞点扫描的同时，平台转盘缓缓转动360°，数字图象系统把透射线影像信号按空间-时间对应序列存入暂存器，并按CT断层图像重建的模式重建出该断面的透射线断层影像。由于目前关于散射线图像信号计算机断层图像重建的理论和算法尚未解决，本发明在断层成像模式时暂不采用散射线探测器系统及相应电子附件(该系统只作为整体透视功能的一个选件，为有必要获取低原子序数物体影像作对比观察的用户选配)。断层成像模式还可采用平台转盘以螺旋方式运动来扫描，一次获取一定长度范围内多层断层影像信号和建立该长度受检物三维透视图象。

由于设置的前散射探测器和背散射探测器10这种结构，使隐藏在金属物12后的低原子序数物体11可探测出来，如附图2所示。

本发明的特征在于用一套设备完成多种成像功能，以下对其特征作进一步叙述：

1.系统X线最高工作电压视所检物材质、尺寸分档，可以是以轻金属小件160KV到大型集装箱600KV(档次如160KV、300KV、450KV、600KV)。其中300KV及其以上设备均采用透射阳报高效工业X线机(ZL98114400.4)作射线源。

2.按所检测物的断面尺寸设计检测通道，通道为圆形，受检物长度原则上不受限制。

3.采用点状X线射束连续反复扫描所检物断面方式工作。点状射束截面尺寸按所要求最高空间分辨率决定，任何时刻受检物通道只有一点受到射线的照射，其透射及散射线均得到完全接收式屏敝，所以本系统对环境辐射污染大大低于其它现有X线成像系统。

4.点状连续扫描射束是由飞点扫描装置在X线点射束中获取。飞点扫描装置由固定限光隙缝片4和限光转轮3组成，限光转轮3上均匀分布若干限光隙逢，其形状位置专门设计以保证点状射束扫描运动的连续性和速度均匀性。固定限光缝和转动限光缝是在重金属合金板材上按受特定方向切制而成。缝隙宽度由要求的最高空间分辨率及相对位置尺寸决定。板材厚度保证所采用最高能量光子透射率低于10-3以下。转轮电机是由微机控制按所选用空间分辨率相应转速与工作台的平动、转动及图像信号采集同步运动。

5.影像接受探测器主要包括透射线探测器9，其灵敏体积宽度为接受射束最大宽区、弧型、有效长度为探测通道直径，厚度以对所接受X线光子能量达到足够接受效率为度。因为采用空间一时间转换技术，只需一个附属电子线路通道输出。

6.如果用户需要同时获取散射图像做对比检查，以发现金属板后的低原子序物体如毒品、爆炸物等可选配散射探测器10系统，包括前散射和背散射探测器10。其有效宽度以能收集约40°锥角的前后散射光子为宜，园弧形，直径为通道直径。在前后留有让直射线通过和完全透射探测器的空隙，同样也只用一个附属电子线路通道输出，透射探测器和散射探测器各自输出到自己的图像接收和重建系统。

7.系统提供两种扫描成像方式：①整体透射(散射)影像获取的方式，此时受检物沿飞点扫描平面垂直方向平动。通过受检物长度后扫描停止。可同时在两个图像显示器中分别得到由透射和散射信号重建的半透明整体影像。散射影像中低原子序最高密度物体将得到突出显现。②CT断层模式。将受检物所需断层位置定位在飞点扫描平面受控物转动360°后扫描停止，可由收集贮存的透射信号重建该断面的CT断层图像在荧屏显现。此模式还可在一定长度范围内以螺旋运动方式扫描若干圈后停止，由收集贮存透射信号重建该长度范围内若干层的断层图像或进一步产生该长度范围的三维影像。两种图像都可贮存，进行常规数字图像处理和输出硬拷贝。

8.本系统在上述扫描运动中采用固定探测器和X线源，而平行移动或转动受检物方式工作。平行移动可设计为水平运动或垂直运动方式。

9.本系统所成图像的空间分辨率可按需要用软件控制改变相应的扫描运动束率而加以改变。例如，通过主控微机选用低一档、二档的空间分辨率、加快扫描成像速度和减少每幅较低的贮存量。

Claims (3)

1、一种多功能工业X射线成像系统，其包括有X射线源、受检物的微机数控机械扫描拖动系统、探测器系统检测通道、微机数字图像系统，其特征在于：它还包括有X射线束飞点扫描装置，其位置设置在X射线源与检测通道之间，X射线束飞点扫描装置是由限光转轮(3)、固定限光隙缝片(4)及驱动电机(5)组成，在限光转轮(3)上均匀分布着限光隙缝，固定限光隙缝片(4)上只有一条限光隙缝，限光转轮(3)与驱动电机(5)的转轴联接；在探测器系统中透射射束探测器(9)的灵敏体积为圆弧条形，其位置与X射线束飞点扫描装置中的限光隙缝相对应；在拖动系统中的拖动台(8)上设置有可以连续旋转的转盘(7)；受检物(6)安放在转盘(7)上；微机数控机械扫描拖动系统和数字图像系统均设置有两种工作模式，即整体透视成像模式和CT断层成像模式，可由主控台上专用硬件开关或软件选择切换。

2、根据权利要求1所述的多功能工业X射线成像系统，其特征在于：在检测通道中配置有散射探测器(10)，包括有前散射和背散射探测器及其相应的电子附件。

3、根据权利要求1所述的多功能工业X射线成像系统，其特征在于：检测通道的断面为圆形，按所检测物的最大断面尺寸设计检测通道内径。