CN111896566A - 一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法，涉及CT扫描系统领域，同步辐射光源对应所述第一探测器，所述普通X射线光源对应所述第二探测器；所述同步辐射光源的光路与所述普通X射线光源的光路垂直；所述第一探测器和所述第二探测器成像区域的中心重叠；所述载物台的中心轴线为成像中心轴，对齐于所述第一探测器和所述第二探测器的视野中心。本发明对样品建立体素模型，以代数法重建图像；普通CT扫描获得大范围区域内充足角度采样的低精度信息，同步辐射扫描精度高但成像区域小，获得成像区域内充足角度采样的高精度信息和周围区域部分角度采样的高精度信息，两者结合可提高同步辐射成像范围及普通CT成像精度。

Description

一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法

技术领域

本发明涉及CT扫描系统领域，尤其涉及一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法。

背景技术

同步辐射光源原理是由同步电子轨道加速器产生的高亮度、高相干性的X射线。将同步辐射光源应用于CT扫描，可以获得相对于传统CT更高质量的图像，观察到更细微结构。由于同步辐射具有高相干性，可以进行相干成像，获得组织结构的透射率相位信息。

同步辐射来自同步电子轨道加速器，经过校直和单色滤波等步骤后，通过一个固定闸口引出。引出的同步辐射光线为平行射线，截面较小。以上海同步光源为例，X射线成像及生物医学工程应用线站的最大束斑尺寸为长45毫米，高5毫米。

将同步辐射应用于CT成像时，采用高精度的平面探测器，最大探测范围小于光线束截面；光源与探测器预先校准，使得探测器与光线束垂直并完全位于光线束范围内。载物台为光源与探测器之间，本身可在水平面内旋转并且上下移动，扫描开始前需要校准旋转中心。

CT扫描成像时，光闸持续打开，载物台按设定速率旋转，同时探测器按相同间隔时间连续曝光记录不同角度的探测结果。同步辐射光源亮度高，探测器所需要的曝光时间短，可以在短时间内完成一次扫描、采集大量角度的数据。扫描结束后，得到多个角度多个层的X射线投影结果，采用CT重建算法重建得到物体多层的断层图像。

同步辐射光源亮度高，可以快速完成一次扫描，得到多层的高精度CT图像，但是受限于光束和探测器面积，视场小，不能一次完成对较大物体的扫描。同步辐射光源机时紧张，需要提高扫描效率获得更多扫描数据。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法，扩大成像视场，提高扫描效率。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是同步辐射光源成像视场小，无法一次完成对大截面物体扫描，同时缩短完成一次扫描的时间，有限的时间内完成更多样品的扫描。

为实现上述目的，本发明提供了一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法，其特征在于，包括同步辐射光源、普通X射线光源、第一探测器、第二探测器和载物台；其中，所述同步辐射光源对应所述第一探测器，所述普通X射线光源对应所述第二探测器；所述同步辐射光源的光路与所述普通X射线光源的光路垂直；所述第一探测器和所述第二探测器成像区域的中心重叠；所述载物台的中心轴线为成像中心轴，对齐于所述第一探测器和所述第二探测器的视野中心。

进一步地，所述同步辐射光源由同步电子轨道加速器产生，经过垂直校准、单色滤波后，通过光闸引出平面束射线。

进一步地，所述第一探测器成像精度范围为0.1um至15um，较佳范围为0.3um至9um。

进一步地，所述普通X射线光源为锥形束光源或平面扇形束光源。

进一步地，所述第二探测器为平面探测器、弧形探测器和线性探测器中的一种，平面探测器探测高度不小于所述第一探测器探测高度，探测长度为所述第一探测器探测长度2至8倍；弧形探测器和线性探测器探测长度为所述第一探测器探测长度2至8倍。

进一步地，所述同步辐射光源、所述普通X射线光源、所述第一探测器和所述第二探测器安装后固定，不可进行移动。

进一步地，所述载物台由三层构成，包括底部、中部和上部，由高精度伺服电机控制，使得所述载物台可进行水平、竖直、水平面内旋转三个运动。

进一步地，所述底部安装导轨，使得所述载物台可在水平面内进行一定程度的校准。

进一步地，所述中部安装升降轴，使得所述载物台可在竖直方向内进行升降运动，调整样品的探测截面。

进一步地，所述上部安装旋转轴，使得所述载物台可按照设定速率进行360度旋转。

进一步地，本申请还提供了一种增加同步辐射光源成像范围的方法，包含以下步骤：

步骤1：对样品建立体素模型；

步骤2：依照所述第一探测器和所述第二探测器的探测器精度及扫描参数分别建立系统矩阵；

步骤3扫描获得探测器数据，使用所述两系统矩阵采用代数法重建CT图像。

进一步地，所述体素模型中，体素的尺度小于所述第二探测器探测精度。

进一步地，所述系统矩阵依照体积积分法建立，以探测器探测精度作为射线宽度，以射线与体素相交体积与体素体积之比作为该体素对某一角度某探测器元件的采样系数。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益技术效果：

1、扩大成像视场，一次完成对大截面物体的扫描，无需多次扫描和配准数据。

2、利用同步辐射光源和高精度探测器，能够得到比普通CT更高精度的图像。

3、提高扫描效率，缩短完成一次扫描的时间，有限时间内完成更多样品的扫描。

4、同步辐射光源亮度高，结合普通X射线光源可得到高精度的图像。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的俯视图；

图2是本发明的一个较佳实施例的侧视图；

图3是本发明的重建算法流程图；

图4是本发明的一个较佳实施例的仿真实验结果；

其中，1-同步辐射光源，2-高精度平面探测器，3-普通X射线光源，4-大范围平面探测器，5-载物台，6-同步辐射光源成像范围，7-普通X射线光源成像范围，8-中心轴线，9-样品。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1和图2所示，本发明提供了一种增加同步辐射光源成像范围的装置及方法，同步辐射光源1及对应的高精度平面探测器2、普通X射线光源3及对应的大范围平面探测器4、载物台5。

同步辐射光源1由同步电子轨道加速器产生，经过垂直校准、单色滤波等步骤后，通过光闸引出平面束射线，最大光斑束尺寸为45mm×5mm，同步辐射光源1本身不能移动。高精度平面探测器2的成像精度为0.1um至15um，较佳范围为0.3um至9um，这个成像范围较小。同步辐射光源1及对应的高精度平面探测器2用于提供低噪声、高分辨率但较小视野的探测数据。

普通X射线光源3为锥形束光源，对应的大范围平面探测器4，探测面积远大于高精度平面探测器2的探测面积。普通X射线光源3及对应的大范围平面探测器4提供低分辨率但大视野的探测数据。大范围平面探测器4的高度不低于高精度平面探测器2的高度。

载物台5由三层构成，包括底部、中部和上部，由高精度伺服电机控制，可进行水平，竖直、水平面内旋转三个运动，载物台5底部安装导轨，可在水平面内进行一定程度的校准；载物台5中部安装升降轴，可在竖直方向内进行升降运动，调整样品9的探测截面；载物台5上部安装旋转轴，可按照设定速率进行360度旋转。

样品9放置于载物台5上，载物台5可以围绕中心轴线8进行可控速率的水平旋转，自身的上下平移和水平面内的平移运动。

同步辐射光源1及对应的高精度平面探测器2、普通X射线光源3及对应的大范围平面探测器4形成两组扫描系统，产生的同步辐射光源成像范围6和普通X射线光源成像范围7形成匹配，即中心轴线8分别位于高精度平面探测器2和大范围平面探测器4视野的中心，同步辐射光源成像范围6和普通X射线光源成像范围7的中心重叠，原本同步辐射光源成像范围6之外的区域，有部分同步辐射光源1探测数据和完全的普通X射线光源3探测数据，用于进行高精度成像。本发明采用普通X射线光源3补充同步辐射光源1不能完全探测的部分，扩大同步光源的成像范围。

同步辐射光源1及对应的高精度平面探测器2、普通X射线光源3及对应的大范围平面探测器4安装后固定，不可进行移动。样品9放置于载物台5上进行扫描，载物台5的中心轴线8为成像中心轴，对齐于高精度平面探测器2和大范围平面探测器4的视野中心。

扫描前需要将载物台5的位置进行校准，包括对暗电流、背景光线和旋转误差进行校准，调整载物台5高度使得样品9位于视野中心。

暗电流校准步骤是在同步辐射光源1和普通X射线光源3未打开时，曝光高精度平面探测器2和大范围平面探测器4，并记录探测数据。

背景光线校准步骤是在启动同步辐射光源1和普通X射线光源3时，曝光高精度平面探测器2和大范围平面探测器4，并记录探测数据。

旋转误差校准步骤是将一个细的金属探针安装于载物台5的中心，金属探针位于中心轴线8的位置，设定载物台5的旋转速率和角度、高精度平面探测器2和大范围平面探测器4的曝光时间和曝光间隔时间，其参数与正式扫描时相同；持续启动同步辐射光源1和普通X射线光源3，载物台5开始旋转，同时高精度平面探测器2和大范围平面探测器4开始记录数据。

正式扫描过程与旋转误差校准过程相似，样品9放置于载物台5上并进行一定程度的固定，调整载物台5高度使得样品9位于视野中心，打开同步辐射光源1的光闸和普通X射线光源3，驱动载物台5的旋转轴以设定的速率匀速转动，高精度平面探测器2和大范围平面探测器4以设定的间隔时间进行曝光，记录一系列探测数据并将其存储到硬盘等存储器中；调整载物台5高度，重复上述步骤扫描样品另一高度部分。对于较高的样品，需要多次调整载物台5高度并扫描。对同一高度的样品扫描结果，采用同一体素模型建模；联合两组探测数据，采用投影关系和智能算法进行重建求解。

普通X射线光源3可以换成为平面扇形束光源，对应的探测器为弧形探测器或线性探测器，扫描采用步进的形式，样品9旋转到一定角度停止，同步辐射光源1探测的数据采集后，载物台5高度移动，增加上下平移过程，完成扇形束对不同层物体的扫描。弧形探测器或线性探测器的探测长度是高精度平面探测器2的探测长度的2至8倍。

本发明还提供了一种增加同步辐射光源成像范围的方法，其重建算法如图3所示，首先对样品建立体素模型，体素大小应小于探测器2的探测精度；设定扫描所需要的参数；结合扫描参数和样品体素模型，对高精度平面探测器2和大范围平面探测器4分别建立系统矩阵，系统矩阵采用体积积分模型，以探测器探测精度作为射线宽度，以射线与体素相交体积与体素体积之比作为该体素对某一角度某探测器元件的采样系数；结合扫描获得数据和两系统矩阵，采用代数重建法重建CT图像。

图4所示为仿真重建结果，采用Shepp-Logan头部仿真模型，大小设定为512*512；普通CT探测器精度为4，同步辐射探测器精度为1；同步辐射扫描范围半径为普通CT的1/3；普通CT扫描360个角度，同步辐射扫描512个角度；以滤波反投影法分别重建普通CT和同步辐射结果。普通CT可以重建完整图像但精度较差，可以观察到边缘部分较为模糊；同步辐射成像精度较高，区域边界较为清晰，但扫描范围不足，重建结果仅能观察到中心区域且视场边缘有伪影；联合重建结果具有完整图像并且精度高于普通CT结果，并且同步辐射视场内重建图像精度高于周围区域，符合预期假设。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，包括同步辐射光源、普通X射线光源、第一探测器、第二探测器和载物台；其中，所述同步辐射光源对应所述第一探测器，所述普通X射线光源对应所述第二探测器；所述同步辐射光源的光路与所述普通X射线光源的光路垂直；所述第一探测器和所述第二探测器成像区域的中心重叠；所述载物台的中心轴线为成像中心轴，对齐于所述第一探测器和所述第二探测器的视野中心。

2.如权利要求1所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述同步辐射光源由同步电子轨道加速器产生，经过垂直校准、单色滤波后，通过光闸引出平面束射线。

3.如权利要求2所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述第一探测器成像精度范围为0.1um至15um。

4.如权利要求3所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述普通X射线光源为锥形束光源或平面扇形束光源。

5.如权利要求4所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述第二探测器为平面探测器、弧形探测器和线性探测器中的一种，平面探测器探测高度不小于所述第一探测器探测高度，探测长度为所述第一探测器探测长度2至8倍；弧形探测器和线性探测器探测长度为所述第一探测器探测长度2至8倍。

6.如权利要求5所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述同步辐射光源、所述普通X射线光源、所述第一探测器和所述第二探测器固定设置，不可进行移动。

7.如权利要求6所述的增加同步辐射光源成像范围的装置，其特征在于，所述载物台由三层构成，包括底部、中部和上部，由高精度伺服电机控制，使得所述载物台可进行水平、竖直、水平面内旋转三个运动。

8.基于如权利要求1所述的装置的增加同步辐射光源成像范围的方法，包含以下步骤：

步骤1：对样品建立体素模型；

步骤2：依照所述第一探测器和所述第二探测器的探测器精度及扫描参数分别建立系统矩阵；

步骤3：扫描获得探测器数据，使用所述两系统矩阵采用代数法重建CT图像。

9.如权利要求8所述的增加同步辐射光源成像范围的方法，其特征在于，所述体素模型中，体素的尺度小于所述第二探测器探测精度。

10.如权利要求9所述的增加同步辐射光源成像范围的方法，其特征在于，所述系统矩阵依照体积积分法建立，以探测器探测精度作为射线宽度，以射线与体素相交体积与体素体积之比作为该体素对某一角度某探测器元件的采样系数。

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