CN110940684A - 一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法，为医用放射影像模体内部质量状态和结构信息获取提供一种X射线扫描三维断层的成像装置；其解决的技术方案是包括平台、运动机构、射线管和探测器，所述的平台包括底座和相对安装在底座上的两个立柱，所述的底座上滑动连接有工件运动平台，所述的工件运动平台上转动连接有工件转台，所述的射线管和探测器分别上下滑动连接在两个立柱相对的一面上；本发明实现对材料密度的定性检测，实现工业CT对材料CT值材质密度的测量。

Description

一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法
技术领域
本发明涉及医学计量技术领域，具体是一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法。
背景技术
医用放射影像模体用于对放射影像设备如CT、CR/DR、DSA等进行计量检测和质量控制。根据CT、CR/DR、DSA等医学放射影像设备的国家检测标准、规程及规范，需要使用具有合格资质的模体进行相应性能检测。我国目前对医用放射影像设备的性能评价缺乏系统的评价方法，而影像设备的检测设备即模体的量值溯源问题尚未解决，这就造成了该类设备的质控缺失。
X射线工业计算机层析成像(Industrial Computed Tomography，简称工业CT或ICT)是一种融合了射线光电子学、信息科学、微电子学、精密机械和计算机科学等领域知识的高新技术。它以X射线扫描、探测器采集的数字投影序列，重建扫描区域内被检试件横截面的射线衰减系数分布的映射图像。据此图像，可对被检试件的结构、密度、特征尺寸、成分变化等物理、化学性质进行判读和计量，在功能和特性很多方面超过其他无损检测手段，被国际无损检测界称为最佳无损检测手段。
本发明提供一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法来解决模体溯源问题，为医用放射影像模体内部质量状态和结构信息获取提供一种X射线扫描三维断层成像技术。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本发明提供一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法，为医用放射影像模体内部质量状态和结构信息获取提供一种X射线扫描三维断层的成像装置。
本发明包括平台、运动机构、射线管和探测器，所述的平台包括底座和相对安装在底座上的两个立柱，所述的底座上滑动连接有工件运动平台，所述的工件运动平台上转动连接有工件转台，所述的射线管和探测器分别上下滑动连接在两个立柱相对的一面上；
所述的运动机构包括分别设置在两个立柱相对面上的射线管垂直运动机构和探测器垂直运动机构，所述的运动机构还包括设置在底座上的工件运动平台横向运动机构和转台竖向运动机构，所述的运动机构还包括设置在工件运动平台上的转台旋转机构。
优选的，所述的工件运动平台横向运动机构包括固定连接在底座内的横向电机，所述的横向电机输出轴上固定连接有横向螺杆，所述的横向螺杆穿过滑动连接在底座上的工件运动平台，所述的横向螺杆两端均设置有限位开关；
所述的底座上固定连接有横向滑轨，工件运动平台下端固定连接有滑动连接在横向滑轨上的横向滑块。
优选的，所述的转台竖向运动机构包括固定连接在工件运动平台内的竖向电机，所述的竖向电机输出轴上固定连接有竖向螺杆，所述的竖向螺杆穿过滑动连接在工件运动平台上的工件转台，所述的竖向螺杆两端均设置有限位开关；
所述的工件运动平台上固定连接有竖向滑轨，所述的工件转动下端固定连接有滑动连接在竖向滑轨上的竖向滑块。
优选的，所述的转台旋转机构包括固定连接在工件转台上的旋转电机，所述的旋转电机上固定连接有工件托盘；
所述的工件托盘上开设有T形槽。
优选的，线管垂直运动机构包括固定连接在两个立柱中的一个上的射线管电机，所述的射线管电机的输出轴上固定连接有射线管螺杆，所述的射线管螺杆穿过上下滑动连接在立柱上的管头支架，所述的管头支架水平安装有所述的射线管。
优选的，述的探测器垂直运动机构包括固定连接在两个立柱中的一个上的探测器电机，所述的探测器电机的输出轴上固定连接有探测器螺杆，所述的探测器螺杆穿过上下滑动连接在立柱上的探测器底座，所述的探测器底座上设置有安装孔阵列，所述的探测器安装在安装孔阵列上。
优选的，还包括控制单元、驱动单元和数据采集图像处理软件系统，所述的驱动单元包括伺服电机驱动模块和高精密转台驱动模块，所述的伺服电机驱动模块和横向电机、竖向电机、射线管电机、探测器电机均电连接，所述的高精密转台驱动模块和旋转电机电连接；
所述控制单元和驱动单元、探测器、射线管电连接且内部安装有数据采集图像处理软件系统。
优选的，还包括射线防护安全联锁和设备防护安全联锁；
射线防护安全联锁包括射线机门机联锁、报警灯联锁及安全踏板或红外联锁；
设备防护安全联锁包括射线机冷却联锁、运动限位联锁及射线管和探测器光幕联锁。
优选的，所述的底座和两个立柱均为光学件大理石材质并采用整块无裂隙大理石抛光研磨而成。
优选的，所述的数据采集图像处理软件系统包括空间分辨率模块、密封分辨率模块和CT值模块，其中：
对于模体空间分辨率模块的检测，利用基于灰度信息的半峰值测量法完成线对卡线宽和占空比测量；
对密度分辨率模块的检测是根据图像信息获取ROI区域的CT值，以检测其对比度水平。对于CT值模块的检测，根据图像信息，获取相应材料的CT值，通过与材料的标称值进行比对检测。
本发明为医用放射影像模体内部质量状态和结构信息获取提供一种X射线扫描三维断层的成像装置，采用五轴运动机构对医用放射影像模体进行三维测量检定；利用基于灰度信息的半峰值测量法完成线对卡线宽和占空比测量；对密度分辨率模块的检测是根据图像信息获取ROI区域的CT值，以检测其对比度水平；采用扇形束扫描方式，将重建图像的像素值转换为材料的CT值，通过调用标准数据库，实现对材料密度的定性检测，实现工业CT对材料CT值材质密度的测量。
附图说明
图1为本发明立体示意图一。
图2为本发明立体示意图二。
图3为本发明底座及其相关结构立体示意图。
图4为本发明工件运动平台右视示意图。
图5为本发明探测器垂直运动机构立体示意图。
图6为本发明探测器底座立体示意图。
图7为本发明射线管运动机构立体示意图。
图8为本发明管头支架立体示意图。
具体实施方式
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图1至图8对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的结构内容，均是以说明书附图为参考。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，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组件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的限制。
下面将参照附图描述本发明的各示例性的实施例。
实施例一，本发明为一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，包括平台1、运动机构、射线管64和探测器，所述的平台1包括底座2和相对安装在底座2上的两个立柱3，参考图1，所述的底座2上滑动连接有工件运动平台4，所述的工件运动平台4上转动连接有工件转台5，工件转台5用于承载要检定的装置，所述的射线管64和探测器分别上下滑动连接在两个立柱3相对的一面上；
所述的运动机构包括设置在分别设置在两个立柱3相对面上的射线管垂直运动机构6和探测器垂直运动机构7，所述的运动机构还包括设置在底座2上的工件运动平台横向运动机构8和转台竖向运动机构9，所述的运动机构还包括设置在工件运动平台4上的转台旋转机构10；
底座2是大理石材质的光学平台1，采用整块无裂隙大理石抛光研磨而成，上边布置有用于驱动工件运动平台4纵向移动的导轨丝杠、交流伺服电机和限位开关11等元器件；
射线管64立柱3也是大理石材质的光学平台1，同样采用整块无裂隙大理石抛光研磨而成，立柱3上布置有用于驱动射线管64升降的导轨丝杠、交流伺服电机和限位开关11等元器件，射线管64安装在管头支架63上，通过管头支架63与运动机构连接，射线管64水平安装，管头支架63可以调整射线管64的倾斜和布置角度，适应射线管64出束靶角，射线管64支架预留微焦点射线管64的安装平台1；
探测器立柱3也是大理石材质的光学平台1，同样采用整块无裂隙大理石抛光研磨而成，立柱3上布置有用于驱动探测器升降的导轨丝杠、交流伺服电机和限位开关11等元器件，探测器安装在通用型探测器底座73上，通用型探测器底座73上设计有安装孔阵列74，可以适配安装各种规格的线阵探测器或平板探测器，通过探测器底座73可以调整探测器的位姿，以保证射线出束和探测器的位置关系；
工件运动平台4安装在底座2的水平导轨上，也是大理石材质的光学平台1，工件运动平台4上布置有用于驱动工件水平横向运动的运动轴，用于调整扫描位置，包括导轨丝杠、交流伺服电机和限位开关11等元器件，高精密度转台安装在水平横向运动轴上，用于旋转工件，可完成步进或连续旋转实现CT扫描，高精密转台上安放有工件托盘102，工件托盘102带有T型槽，可装夹固定工件或工件工装。
实施例二，在实施例一的基础上，所述的工件运动平台横向运动机构8包括固定连接在底座2内的横向电机81，所述的横向电机81输出轴上固定连接有横向螺杆82，所述的横向螺杆82穿过滑动连接在底座2上的工件运动平台4，所述的横向螺杆82两端均设置有限位开关11；
所述的底座2上固定连接有横向滑轨83，工件运动平台4下端固定连接有滑动连接在横向滑轨83上的横向滑块84；
所述的转台竖向运动机构9包括固定连接在工件运动平台4内的竖向电机91，所述的竖向电机91输出轴上固定连接有竖向螺杆92，所述的竖向螺杆92穿过滑动连接在工件运动平台4上的工件转台5，所述的竖向螺杆92两端均设置有限位开关11；
所述的工件运动平台4上固定连接有竖向滑轨93，所述的工件转动下端固定连接有滑动连接在竖向滑轨93上的竖向滑块94；
所述的转台旋转机构10包括固定连接在工件转台5上的旋转电机101，所述的旋转电机101上固定连接有工件托盘102；
所述的工件托盘102上开设有T形槽103；
射线管垂直运动机构6包括固定连接在两个立柱3中的一个上的射线管电机61，所述的射线管电机61的输出轴上固定连接有射线管螺杆62，所述的射线管螺杆62穿过上下滑动连接在立柱3上的管头支架63，所述的管头支架63水平安装有所述的射线管64，射线管64侧预留安装微焦点管头的挂板；
所述的探测器垂直运动机构7包括固定连接在两个立柱3中的一个上的探测器电机71，所述的探测器电机71的输出轴上固定连接有探测器螺杆72，所述的探测器螺杆72穿过上下滑动连接在立柱3上的探测器底座73，所述的探测器底座73上设置有安装孔阵列74，所述的探测器安装在安装孔阵列74上，探测器孔阵列尺寸为80cm×80cm，间距50mm×50mm，攻M6的螺纹通孔阵列，便于安装不同类型探测器及调整位置。
实施例三，在实施例二的基础上，还包括控制单元、驱动单元和数据采集图像处理软件系统，所述的驱动单元包括伺服电机驱动模块和高精密转台驱动模块，所述的伺服电机驱动模块和横向电机81、竖向电机91、射线管电机61、探测器电机71均电连接，所述的高精密转台驱动模块和旋转电机101电连接；
所述控制单元和驱动单元、探测器、射线管64电连接且内部安装有数据采集图像处理软件系统；
还包括射线防护安全联锁和设备防护安全联锁；
射线防护安全联锁包括射线机门机联锁、报警灯联锁及安全踏板或红外联锁；
设备防护安全联锁包括射线机冷却联锁、运动限位联锁及射线管64和探测器光幕联锁；
其中，控制单元是整个电控系统的中枢，用于接收扫描指令和驱动运动单元，并监控运动状态和安全状况。控制模块采用德国西门子公司的PLC控制系统及多轴伺服驱动系统，包括转台纵向移动X轴、横向移动Y轴、垂直移动Z轴和旋转R轴，每个运动轴既可以独立运动，又可以同时运动，在运动轴末端有零位开关和硬限位开关11。
采用以太网通讯协议与主控计算机连接通讯，控制软件从计算机向控制单元指令，完成各种操作， 系统还配置用于现场操作的带有人机界面的触摸屏控制单元，采用西门子12寸彩色触摸面板人机界面，控制柜及操作台；触屏控制软件可以对各个运动机构进行控制，与图形工作站通过以太网进行通讯，具有系统状态显示、自诊断和报警功能，具有一键初始化功能，可对运动参数进行设置和调整，便于客户在设备现场操作调整设备；
驱动单元包括驱动单元驱动模块和高精密转台驱动模块，用于控制各直线运动轴和工件转台5，采用编码器定位方式，可满足CT扫描定位精度要求；
为确保操作人员安全，同时保证设备和检测样品安全，系统配置了完善的安全联锁机构，其中包括：射线防护安全联锁，设备安全联锁，射线防护安全联锁：射线防护安全联锁包括射线机门机联锁，报警灯联锁及安全踏板或红外联锁，设备安全联锁：设备安全联锁包括射线机冷却联锁，运动限位联锁及射线管64、探测器光幕联锁；
所有电气控制元件都安装在电控柜中，除上述部件外，电控柜中还安装有电源模块和控制电路所用的接触器继电器等元件。
实施例四，在实施例一的基础上，所述的数据采集图像处理软件系统包括空间分辨率模块、密封分辨率模块和CT值模块，其中：
对于模体空间分辨率模块的检测，利用基于灰度信息的半峰值测量法完成线对卡线宽和占空比测量；
对密度分辨率模块的检测是根据图像信息获取ROI区域的CT值，以检测其对比度水平。对于CT值模块的检测，根据图像信息，获取相应材料的CT值，通过与材料的标称值进行比对检测。
该装置运动系统高精度高可靠性设计，整体系统集成化设计，定位精度达到0.01mm，可检测样品的直径达到600mm，样品台承重不低于100kg。采用高分辨率、高动态范围的线阵列探测器，高束流稳定性的射线源，扇形束扫描，有效降低质降，保证图像灵敏度和分辨率， CT成像的空间分辨率达到3Lp/mm，CT成像密度分辨率达到0.5%。
采用快速连续扫描模式，扫描速度得到较大提升，采用GPU集群快速重建算法，重建速度较传统CPU重建速度提升两个数量级，解决ICT处理海量数据速度慢的瓶颈问题，数据采集及重建算法的优化和快速实现。能够完成样品图像的长度、直径、角度、面积、体积等几何参量的测量，从CT断层图像上将重建得到的衰减系数分布（灰度值）转换为CT值，并以标准模体对系统CT值精度进行校准，最终实现CT值的精确测量，对样品材质进行定性分析。
同时，该装置也可用于航空、航天、核能、兵器、汽车等领域产品和关键部件的无损检测、无损评估以及逆向工程中。

Claims (10)

1.一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，包括平台（1）、运动机构、射线管（64）和探测器，所述的平台（1）包括底座（2）和相对安装在底座（2）上的两个立柱（3），所述的底座（2）上滑动连接有工件运动平台（4），所述的工件运动平台（4）上转动连接有工件转台（5），所述的射线管（64）和探测器分别上下滑动连接在两个立柱（3）相对的一面上；
所述的运动机构包括设置在分别设置在两个立柱（3）相对面上的射线管垂直运动机构（6）和探测器垂直运动机构（7），所述的运动机构还包括设置在底座（2）上的工件运动平台横向运动机构（8）和转台竖向运动机构（9），所述的运动机构还包括设置在工件运动平台（4）上的转台旋转机构（10）。
2.根据权利要求1所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，所述的工件运动平台横向运动机构（8）包括固定连接在底座（2）内的横向电机（81），所述的横向电机（81）输出轴上固定连接有横向螺杆（82），所述的横向螺杆（82）穿过滑动连接在底座（2）上的工件运动平台（4），所述的横向螺杆（82）两端均设置有限位开关（11）；
所述的底座（2）上固定连接有横向滑轨（83），工件运动平台（4）下端固定连接有滑动连接在横向滑轨（83）上的横向滑块（84）。
3.根据权利要求2所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，所述的转台竖向运动机构（9）包括固定连接在工件运动平台（4）内的竖向电机（91），所述的竖向电机（91）输出轴上固定连接有竖向螺杆（92），所述的竖向螺杆（92）穿过滑动连接在工件运动平台（4）上的工件转台（5），所述的竖向螺杆（92）两端均设置有限位开关（11）；
所述的工件运动平台（4）上固定连接有竖向滑轨（93），所述的工件转动下端固定连接有滑动连接在竖向滑轨（93）上的竖向滑块（94）。
4.根据权利要求3所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，所述的转台旋转机构（10）包括固定连接在工件转台（5）上的旋转电机（101），所述的旋转电机（101）上固定连接有工件托盘（102）；
所述的工件托盘（102）上开设有T形槽（103）。
5.根据权利要求4所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，射线管垂直运动机构（6）包括固定连接在两个立柱（3）中的一个上的射线管电机（61），所述的射线管电机（61）的输出轴上固定连接有射线管螺杆（62），所述的射线管螺杆（62）穿过上下滑动连接在立柱（3）上的管头支架（63），所述的管头支架（63）水平安装有所述的射线管（64）。
6.根据权利要求5所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，所述的探测器垂直运动机构（7）包括固定连接在两个立柱（3）中的一个上的探测器电机（71），所述的探测器电机（71）的输出轴上固定连接有探测器螺杆（72），所述的探测器螺杆（72）穿过上下滑动连接在立柱（3）上的探测器底座（73），所述的探测器底座（73）上设置有安装孔阵列（74），所述的探测器安装在安装孔阵列（74）上。
7.根据权利要求6所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，还包括控制单元、驱动单元和数据采集图像处理软件系统，所述的驱动单元包括伺服电机驱动模块和高精密转台驱动模块，所述的伺服电机驱动模块和横向电机（81）、竖向电机（91）、射线管电机（61）、探测器电机（71）均电连接，所述的高精密转台驱动模块和旋转电机（101）电连接；
所述控制单元和驱动单元、探测器、射线管（64）电连接且内部安装有数据采集图像处理软件系统。
8.根据权利要求6所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，还包括射线防护安全联锁和设备防护安全联锁；
射线防护安全联锁包括射线机门机联锁、报警灯联锁及安全踏板或红外联锁；
设备防护安全联锁包括射线机冷却联锁、运动限位联锁及射线管（64）和探测器光幕联锁。
9.根据权利要求1-8中任一所述的一种医用放射影像模体计量标准装置，其特征在于，所述的底座（2）和两个立柱（3）均为光学件大理石材质并采用整块无裂隙大理石抛光研磨而成。
10.根据权利要求6所述的一种医用放射影像模体计量标准装置及模体检测方法，其特征在于，所述的数据采集图像处理软件系统包括空间分辨率模块、密封分辨率模块和CT值模块，其中：
对于模体空间分辨率模块的检测，利用基于灰度信息的半峰值测量法完成线对卡线宽和占空比测量；
对密度分辨率模块的检测是根据图像信息获取ROI区域的CT值，以检测其对比度水平，对于CT值模块的检测，根据图像信息，获取相应材料的CT值，通过与材料的标称值进行比对检测。
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