CN111077173A - 一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统 - Google Patents

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周日峰
唐杰
胡小龙
谢东洋
刘渝川
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/046—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material using tomography, e.g. computed tomography [CT]

Abstract

本发明涉及一种倒置结构大视场Mirco‑CT扫描成像系统，属于图像成像领域。该系统包括基于电子束扫描方式产生面阵微焦点的X射线射线源、COMS或CCD超高分辨率小型化探测器、精密转台以及计算机与CT图像重建系统等组成。该系统既具有扫描视场大、信噪比高、结构简单等优点，还可在降低对射线源焦点尺寸条件下仍可获得很高的空间分辨率，突破了射线源焦点尺寸限制CT分辨率的提高的技术瓶颈，解决了传统Micro‑CT几何放大成像方式存在扫描视场小、射线源剂量弱、扫描效率低等缺点和不足。

Description

一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统
技术领域
本发明属于图像成像领域，涉及一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统。
背景技术
Micro-CT(Micro Computed Tomography)，又称显微CT或微焦CT，是一种非破坏性的三维显微成像技术。其利用X射线对样品进行扫描获得微米分辨的三维图像，能直观地显示、测量和分析样本的内部微小结构。相对于扫描电子显微镜(Scanning Electronmicroscope，SEM)、衍射成像仪(Diffraction Imaging，DEI)、共焦激光扫描显微镜(Confocal Laser Scanning Microscopy，CLSM)等显微技术，Micro-CT具有许多优点，既可以在无损情况下获取样品的内部信息，又由于样品的扫描检测可以在常温常压下进行，因此样品无需复杂耗时的预处理过程，也避免了样品在预处理过程中被损伤破坏。基于Mirco-CT其独特的优点，目前在生物、医学、材料、地质、农业、考古、微观力学、先进制造、电子学等行业领域已成为一种不可缺少的检测手段，并具有极为广阔的应用前景。
目前传统Mirco-CT如图1所示，由微焦点X射线源、探测器、精密转台以及计算机和CT图像重建软件等组成。为了获得较高的空间分辨率，传统Mirco-CT的几何放大倍率M达到几百甚至上千倍以上。几何放大倍率过大会直接导致许多问题：其一，检测视场很小，检测的样品尺寸大多情况甚至小于1毫米；其二，几何放大倍率M增大后(如图2所示)，会导致图像半影区(亦称几何不清淅度)变大，因此传统Mirco-CT的空间分辨率完全依赖于X射线源焦点尺寸。但是，焦点尺寸过小(小于1μm)，受射线靶功率的限制，X射线剂量率会急剧下降，导致探测器信噪比差，扫描检测时间长，影响CT图像质量。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：包括电子束扫描面阵微焦射线源、超高分辨率探测器和精密转台；
所述电子束扫描面阵微焦射线源与超高分辨率探测器保持一定距离；
所述电子束扫描面阵微焦射线源通过多次投影覆盖住整个检测物体；
所述检测物体位于倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统的视场范围内；
电子束扫描面阵微焦射线源按时间序列逐点扫描发出X射线束，X射线束穿过检测物体后，由超高分辨率探测器同步完成图像采集；
检测物体旋转一分度角度后，电子束扫描面阵微焦射线源和超高分辨率探测器再完成另一分度下的图像采集，检测物体依次旋转，直到完成360度的扫描。
可选的，所述电子束扫描面阵微焦射线源的焦点布置为1×1～1024×1024的阵列，有效焦点尺寸优于2μm，电子束在透射靶面扫描的总范围为5～20mm。
可选的，所述超高分辨率探测器为CCD或COMS超高分辨率探测器，像元尺寸为4～12μm。
可选的，所述超高分辨率探测器分辨率优于20lp/mm，有效探测面积为10～35×10～35mm2。
可选的，精密转台双向重复分度精度优于0.0011°；绝对精度优于0.01°；径向跳动：≤3μm；轴向跳动：≤10μm。
本发明的有益效果在于：
1)大视场：检测物体尺寸大，视场直径决定于电子束扫描范围大小。
2)高空间分辨率：采用CCD小型超高分辨率探测器，在几何放大倍数(M)小、射线源有效焦点尺寸较大情况下，可获得超高空间分辨率，突破了射线源焦点尺寸限制CT的分辨率提高的技术瓶颈，降低了对射线源焦点尺寸要求；
3)高信噪比：探测器物理尺寸小，散射X射线接收量较少，有利于提高探测器信噪比；
4)图像质量好：由于采用电子束偏转扫描方式，相对于碳纳管分布式场射线X射线源(201410800756.4)，射线束的稳定性和一致性好，有利于减少CT环状等伪影提高。同时电子束扫描射线源焦点的数量和位置可根据Mirco-CT检测需要进行调节，有利于获得高质量的CT图像。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为传统几何放大Mirco-CT结构示意图；
图2为射线源焦点尺寸对图像不清淅度的影响；
图3为几何放大扫描模式对比图；图3(a)为Micro-CT几何放大扫描模式示意图；图3(b)为倒置Micro-CT扫描模式示意图；
图4为电子束扫描面阵微焦射线源结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
针对传统Mirco-CT扫描成像系统存在的不足，本发明提出了一种射线源和探测器几何结构倒置的新型大视场超高分辨Mirco-CT扫描成像方式。图3为几何放大扫描模式对比图；图3(a)为Micro-CT几何放大扫描模式示意图；图3(b)为倒置Micro-CT扫描模式示意图；这种射线源和探测器几何结构倒置的Mirco-CT成像方式(图3(b))与传统Mirco-CT几何放大扫描模式(图3(a))有明显的不同。这种扫描方式有两个关键部件。关键部件一，采用电子束扫描面阵微焦射线源(如图4)。这种射线源焦点数量1×1～1024×1024之间可任意设置，有效焦点尺寸优于2μm，电子束在透射靶面扫描的总范围：5～20mm；关键部件二，CCD或COMS超高分辨率探测器，像元尺寸4～12μm，最优像素尺寸为5.4μm；有效探测面积:10～35×10～35mm2。关键部件三，精密转台双向重复分度精度优于0.0011°；绝对精度优于0.01°；径向跳动：≤3μm；轴向跳动：≤10μm。电子束扫描面阵射线源按时间序列逐个焦点扫描发出X射线束，X射线束穿过检测物体后由超高分辨率探测器同步完成图像采集。检测物体旋转一分度角后，射线源和探测器再完成另一分度下的图像采集，这样检测物体依次旋转直到完成360度一周扫描。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：包括电子束扫描面阵微焦射线源、超高分辨率探测器和精密转台；
所述电子束扫描面阵微焦射线源与超高分辨率探测器保持一定距离；
所述电子束扫描面阵微焦射线源通过多次投影覆盖住整个检测物体；
所述检测物体位于倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统的视场范围内；
电子束扫描面阵微焦射线源按时间序列逐个焦点发出X射线束，X射线束穿过检测物体后，由超高分辨率探测器同步完成图像采集；
检测物体旋转一分度角度后，电子束扫描面阵微焦射线源和超高分辨率探测器再完成另一分度下的图像采集，检测物体依次旋转，直到完成360度的扫描。
2.根据权利要求1所述的一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：所述电子束扫描面阵微焦射线源的焦点在1×1～1024×1024阵列范围内根据检测样品的需要设置，有效焦点尺寸优于2μm，电子束在透射靶面扫描的总范围为5～20mm。
3.根据权利要求1所述的一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：所述超高分辨率探测器为CCD或COMS超高分辨率探测器，像元尺寸为4～12μm。
4.根据权利要求3所述的一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：所述超高分辨率探测器分辨率优于20lp/mm，有效探测面积为10～35×10～35mm2。
5.根据权利要求1所述的一种倒置结构大视场Mirco-CT扫描成像系统，其特征在于：所述精密转台的双向重复分度精度：0.0011°；绝对精度：0.01°；径向跳动：≤3μm；轴向跳动：≤10μm。
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