CN111552002A - 一种三源摆动螺旋安检ct成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三源摆动螺旋安检CT成像装置及方法，属于安检CT领域。该装置包括三套射线源‑探测器，呈圆周均布式排列，用于对传送带上的行李实现检测。扫描过程中，三组射线源‑探测器由电机驱动，每组射线源‑探测器分别负责120°往复摆动，并结合传送带直线运动实现对传送带输送的行李进行摆动螺旋扫描。在本发明中，由于每组射线源‑探测器只需实现120°扫描，有利于使用线缆传输射线源和探测器检测所需电能及信号。通过三组射线源‑探测器协同工作以获得物体360°全螺旋扫描数据，系统结构简单。本发明采用SIRT算法对投影数据进行图像重建，SIRT算法能减小投影数据不一致的影响，提高重建图像质量。
Description
技术领域
本发明属于安检CT领域，涉及一种三源摆动螺旋安检CT成像装置及方法
背景技术
公共安全是关系到人民生命财产安全的大问题，公共场所人流量大，潜在危险比较多，排除安全隐患，保障公共秩序事关重大。现今安全检查已经成为航空、铁路、地铁和码头等公共场所的重要安全措施，传统安检设备采用X射线透射方式，容易造成影像重叠，使得感兴趣对象清晰度大为下降，难以检查到隐藏物品，而危险物品既有液体，又有固体，气体等，形式千变万化，这就要求安检设备能够全面、准确、有效地检查出危险物。X射线计算机断层成像技术(Computed Tomography，CT)能够对扫描物体内部进行三维成像，清楚地展示物体内部结构，且对不同密度的物质具有较好的区分度。目前常用的安检CT都会使用滑环技术，滑环能够解决螺旋扫描时的射线源球管的供电和探测器数据传输的问题，但是它的结构复杂，制作难度大，价格昂贵，且属于易损耗部件。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其采用摆动螺旋扫描方式。三组射线源-探测器只需在一定角度内摆动，故可以采用线缆进行电力和数据传输，大大降低了使用滑环传输电力和数据的复杂程度。相比于滑环，线缆允许提供更高的电压传输和更可靠的信号传输，有利于检测大件行李，且耐磨损、成本相对较低。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，包括三组射线源-探测器、电机、齿轮、中空齿圈、传送装置以及轴承；
每组射线源-探测器相对应，射线源焦点、旋转中心和探测器中心对齐，三个射线源均匀分布在以旋转中心为圆心的同一圆周上，对应的探测器均匀分布在以旋转中心为圆心的另一圆周上，且三组射线源-探测器中心处于同一平面。三组射线源-探测器全部固定在中空齿圈上，齿圈中空部分设置传送装置，用来承载被测物体；电机带动齿轮旋转，齿轮带动与之啮合的中空齿圈旋转，同时带动射线源-探测器组旋转。
进一步，探测器采用线阵探测器或多排线阵探测器。
进一步，该成像装置还包括主控单元、计算机处理单元和图像显示单元；
所述主控单元用于控制传送装置的匀速运动，控制三组射线源和探测器的开启和关闭，控制电机的转动；电机带动射线源和探测器运动，实现物体360°扫描；并将探测器采集到的数据传输到计算机处理单元进行图像重建工作，重建后的图像显示在图像显示单元。
进一步，该装置的视场大小由三组探测器的有效长度L、射线源焦点到旋转中心的距离SOD、以及射线源焦点到探测器中心的距离SDD决定：
其中，
进一步，该装置检测时，射线源-探测器组围绕旋转中心做圆周往复摆动，传送装置沿着垂直于射线源-探测器中心平面，且使扫描物体通过射线源-探测器的旋转中心的方向运动。
进一步，射线源位置向量S的位置坐标轨迹为：
其中，θ表示探测器的旋转角度，T为一组射线源-探测器理论上单向旋转360°传送带步进的距离(实际为每组射线源-探测器摆动120°时传送带步进的距离为T/3)；
用向量D定义探测器的位置，U,V用以刻画探测器的姿态，则探测器的位置坐标轨迹为：
U＝(cosθ,sinθ,0)×d
V＝(0,0,1)×d
其中，d是探测器像素单元高度。
更进一步，该成像装置的图像重建方法具体为：基于迭代的图像重建方法可表示为对如下线性方程的求解，
p＝Af+e
其中，
表示投影数据，
表示投影矩阵，由重建模型和系统几何结构决定，
为重建图像，e表示测量偏差和噪声。本发明采用联合迭代重建技术(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT)对上式进行求解。SIRT迭代公式可表示为：
其中，λ是松弛因子，Ai＝[ai:]表示投影矩阵第i行向量。
本发明的有益效果在于：与普通螺旋CT射线源-探测器需要旋转360°不同，本发明CT设备由于每组射线源-探测器只需实现120°扫描，有利于使用线缆传输运动和检测所需电能及信号。通过三组射线源-探测器协同工作以获得物体360°全扫描数据，在扫描过程中控制电机转动的角度，且要求电机能够实现正反转。
为保证安检过程的快速有效，设计检测物品沿着垂直于射线源-探测器阵面的方向以匀速行进，扫描整个物体后即可得到物体的三维扫描数据。物体前进的过程中射线源-探测器组旋转摆动，三个射线源相对于物体的运动轨迹为一条变异螺旋轨迹。
本发明设备一次扫描可以得到三组投影数据，对这三组投影数据按照探测器编码顺次排列，得到一个整合的投影数据，对该数据进行重建即可得到重建图像，提高了整体检测速度。
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为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明所述CT成像装置的平面布置图；
图3为本发明的摆动螺旋线示意图；
图4为锥束重建模型；
图5为一个射线源的运动轨迹的展开图；
图6为本发明的实施例框架图；
图7为本发明的重建结果图，其中(a)为重建三维图像图，(b)为沿x方向第60层切片重建图像，(c)沿y方向第70层切片重建图像，(d)沿z方向第65层切片重建图像。
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。
请参阅图1～图7，图1为本发明优选的一种三源摆动螺旋安检CT结构示意图，中空齿圈6用于连接电机7和小齿轮8，在中空齿圈6上固定有三组射线源-探测器，分别为射线源2和探测器3；检测物品4放置在传送装置5上面，随着传送装置5做匀速直线运动；轴承1一端固定于机架，一端连接中空齿圈5。
1、计算视场大小
三组射线源-探测器围绕旋转中心做圆周摆动，每组射线源焦点-旋转中心-探测器中心对齐，三个射线源焦点、三个探测器分别具有相同的半径，分布在同一平面内，定为xoy平面，如图2所示。在该结构中视场大小的计算很重要，它决定了能够检测的物体的尺寸，确定与视场大小有关的因素，方便对结构进行设计。在图2中可以看到，三源摆动螺旋CT视场区域FOV为三组射线源的有效射线所组成的圆形区域，FOV的半径R的计算公式如式(1)-(2)所示。
其中，α表示射线源的有效张角，L表示探测器有效长度，SOD表示射线源焦点到旋转中心的距离，SDD表示射线源焦点到探测器中心的距离。
2、扫描方式
检查对象的行进轨迹为直线，垂直于xoy平面即沿着z轴并通过旋转中心做匀速直线运动。当物体进入射线源-探测器面阵的时候电机带动固定有射线源-探测器的机架进行往复摆动，同时开启全部射线源，探测器收集投影数据，根据物体的长度可以调整射线源-探测器的摆动次数和物体行进距离。
图3所示为三源摆动螺旋轨迹线的示意图，如图3(a)所示螺旋线整体呈现上升的趋势，单条螺旋线呈“之”字形，三条螺旋线在同一xoy平面有三个点；如图3(b)所示三条螺旋线在xoy平面组成一个完整的圆，其中每个射线源的轨迹是圆弧的1/3。规定探测器中心到旋转中心o所连成的线段与y轴正方向逆时针转动组成的角度为θ，则三组射线源-探测器的角度范围分别是[0,2π/3]，[2π/3,4π/3]，[4π/3,2π]。
由于本实施例选用多线阵探测器和锥束射线，射线源到旋转中心的距离不变，因此，本实施例利用锥束重建方法进行图像重建，在进行锥束重建时用到如图4所示的锥束重建示意图。
下面用公式刻画射线源、探测器的运动轨迹。为了方便理解，可以将摆动螺旋扫描运动分为两部分：其一是射线源-探测器围绕旋转中心做圆周摆动，其二是将检测物体的运动等效为射线源-探测器沿z轴方向做匀速直线运动。下面以射线源为例进行详细说明：
(1)射线源-探测器的圆周摆动
在圆周摆动轨迹中，单个射线源(以1号射线源为例)在其角度范围内(由于射线源和探测器一一对应，因此这里用探测器的角度范围表示)的平面坐标表示如下：
S1l＝(SODsinθ,-SODcosθ,0)，θ∈[0,2π/3] (3)
其中，SOD表示射线源焦点到旋转中心的距离，θ表示探测器的旋转角度。
(2)射线源-探测器沿z轴方向做匀速直线运动
在匀速直线运动轨迹中，单个射线源(以1号射线源为例)在其角度范围内的垂直方向坐标表示如下：
其中，T为一组射线源-探测器理论上单向旋转360°传送带步进的距离(实际为每组射线源-探测器摆动120°时传送带步进的距离为T/3)。
将上述(1)和(2)两部分运动合并，则射线源位置向量S的坐标轨迹如下：
由于射线源-探测器是往复摆动的，因此以1号射线源为例，θ值先从0转动到2π/3，再从2π/3转动到0。
同理可以得到探测器的坐标轨迹，为了准确描述探测器的运动，用向量D定义探测器的位置，用向量U和V刻画探测器姿态，则探测器的位置坐标轨迹如下：
U＝(cosθ,sinθ,0)×d (7)
V＝(0,0,1)×d (8)
其中，d是探测器单元高度。
3、螺距计算
图5所示为一个射线源运动轨迹的展开图，该图验证了单个射线源的运动轨迹为“之”字形。在螺旋CT中一个重要的参数是螺距h，它是指射线源球管旋转360°时检测台的进床距离与探测器的准直宽度的比值。
其中，T为一组射线源-探测器理论上单向旋转360°传送带步进的距离(实际为每组射线源-探测器摆动120°时传送带步进的距离为T/3)，N为探测器排数，d为探测器单元像素高度。
4、实施例框架说明
图6所示为本发明装置的实施例框架，主控制单元10有如下几方面的控制作用：用于控制传送装置11的运动，要求准确控制传送装置11的匀速运动，保证数据采集的准确性；用于控制三组射线源和探测器(即射线发生装置12和数据采集装置13)的开启和关闭；用于控制电机的转动，实现电机正反转，同时还要保证电机转动的一致性，不能出现停顿和过转情况，电机带动射线源和探测器运动，实现物体360°扫描。将探测器采集到的数据传输到计算机处理单元15进行图像重建工作，重建后的图像显示在图像显示单元16，包括重建三维图像、各截面断层图像，可供工作人员查看。
为了使重建结果精确，应准确控制各项运动参数，包括：电机转动的角度及转动角速度和传送装置的移动速度。同时应确定各项重建参数值，包括：探测器单元大小、探测器阵列大小、每组射线源到旋转中心的距离、探测器到旋转中心的距离、螺距、摆动次数和扫描角度数等。
5、重建方法
CT重建方法主要分为两大类，解析重建算法和迭代重建算法，基于迭代的图像重建方法可表示为对如下线性方程的求解，
p＝Af+e (10)
其中，
表示投影数据，
表示投影矩阵，由重建模型和系统几何结构决定，
为重建图像，e表示测量偏差和噪声。由于投影矩阵非常庞大，对式(10)直接求解会占用大量的内存空间和计算资源，本发明采用联合迭代重建技术(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique，SIRT)对式(10)进行求解。其SIRT迭代公式可表示为：
其中，λ是松弛因子，Ai＝[ai:]表示投影矩阵第i行向量。SIRT算法利用平均修正值可以降低随机测量误差和噪声影响，减小投影数据不一致的影响，重建图像质量较好。
6、重建结果
三个探测器可同时接收到三组投影数据，对这三组投影数据按照探测器编码顺次排列，可以合成一个投影数据，然后利用SIRT方法对投影数据进行重建。本发明调用ASTRA[1]的部分模块，根据上述图像重建算法对一个行李箱模型进行仿真实验，仿真实验参数如表1所示：
表1仿真实验扫描参数
行李箱模型重建三维图像如图7(a)所示，三个方向分别是x、y、z，行李箱里面放置有不同密度不同形状的物体。三个方向的切片重建结果如图7(b)、7(c)、7(d)所示。从图中可以看出，重建图像完整清晰，边缘较好。
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 (7)
1.一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，该CT成像装置包括三组射线源-探测器、电机、齿轮、中空齿圈、传送装置以及轴承；
每组射线源-探测器相对应，射线源焦点、旋转中心和探测器中心对齐；三个射线源均匀分布在以旋转中心为圆心的同一圆周上，对应的探测器均匀分布在以旋转中心为圆心的另一圆周上，且三组射线源-探测器中心线处于同一平面；三组射线源-探测器全部固定在中空齿圈上，齿圈中空部分设置传送装置，用来承载被测物体；电机带动齿轮旋转，齿轮带动与之啮合的中空齿圈旋转，同时带动射线源-探测器组旋转。
2.根据权利要求1所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，检测时，射线源-探测器组围绕旋转中心在120°范围内往复摆动；检测物体由传送装置传送，沿射线源-探测器旋转轴向方向做匀速直线进动。
3.根据权利要求1所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，探测器采用线阵探测器或多排线阵探测器。
4.根据权利要求1所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，该成像装置还包括主控单元、计算机处理单元和图像显示单元；
所述主控单元用于控制传送装置的运动，射线源和探测器的开启和关闭，电机的转动；计算机处理单元负责数据采集、传输、处理以及图像重建；重建后的图像通过图像显示单元进行输出、显示。
5.根据权利要求1所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，该装置的视场大小R由三组探测器的有效长度L、射线源焦点到旋转中心的距离SOD、以及射线源焦点到探测器中心的距离SDD决定：
其中，
6.根据权利要求1所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，该装置以旋转中心为坐标原点建立坐标系，其数学模型描述过程为：
U＝(cosθ,sinθ,0)×d
V＝(0,0,1)×d
其中，S、D分别表示射线源、探测器位置，U、V用以刻画探测器的姿态，θ表示探测器的旋转角度，T为一组射线源-探测器理论上单向旋转360°传送带步进的距离，d是探测器单元高度。
7.根据权利要求6所述的一种三源摆动螺旋安检CT成像装置，其特征在于，该成像装置的图像重建方法具体为：采用联合迭代重建技术(Simultaneous IterativeReconstruction Technique，SIRT)，通过重建图像中的某一像素的所有射线的修正值来确定这一像素的平均修正值；SIRT迭代公式表示为：
其中，
表示投影数据；
表示投影矩阵，由重建模型和系统几何结构决定；
为重建图像，k为迭代次数，λ是松弛因子，Ai＝[ai:]表示投影矩阵第i行向量。
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