CN112461872B - 基于双微球模体的显微ct焦斑漂移测量系统及补偿方法 - Google Patents

基于双微球模体的显微ct焦斑漂移测量系统及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于双微球模体的显微CT焦斑漂移测量系统，包括：射线源、样品旋转台、由光学显微镜、CCD、置于光学显微镜前的闪烁体共同组成的CCD光学耦合探测器，其特征在于，还包括置于射线源前端的双微球模体单元和两个位移传感器单元，双微球模体单元的投影位于测量系统视场内，两个位移传感器单元，一个用于测量射线源的位移，一个用于测量CCD光学耦合探测器的位移。本发明同时给出采用此种测量系统实现的显微CT焦斑漂移测量和补偿方法。

Description

基于双微球模体的显微CT焦斑漂移测量系统及补偿方法
技术领域：
本发明涉及一种高分辨显微CT系统的焦斑漂移测量及补偿方法。
背景技术：
CT(Computed Tomography，计算机断层成像)技术是利用X射线穿透样品，穿透后的X射线携带样品信息被探测器接收成像，并利用重构算法实现样品内部三维结构检测的一种技术，空间分辨率是系统的关键指标之一。根据空间分辨率的不同，通常将CT分为工业CT、显微CT、纳米CT等，其中，显微CT是指空间分辨率介于0.5～10μm的CT系统。
其中，基于光学耦合探测器的显微CT技术是一种主流的高分辨显微CT技术，其基本原理是利用闪烁体将X射线转换成可见光，然后利用显微镜组将可见光放大成像至CCD芯片上，从而实现高放大比高分辨率的X射线成像。此类系统采用几何—光学的两级放大结构，可以有效提高系统空间分辨率，使系统空间分辨率达到微米/亚微米量级。但这放大了由于射线源焦斑漂移引起的图像偏移，严重影响系统成像质量。因此，对射线源焦斑漂移进行测量及补偿引起的图像偏移就尤为重要。
目前，用于对射线源焦斑漂移进行检测的方法有单球法、双球法、漂移向量法等，然而，以上方法均只对焦斑漂移进行定性检测，无法实现定量测量，且不能有效补偿焦斑漂移引起的图像偏移。因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术中的缺陷，以实现焦斑漂移的测量及补偿。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高分辨显微CT焦斑漂移测量及补偿方法来克服或至少减轻现有技术中的缺陷。技术方案如下：
一种基于双微球模体的显微CT焦斑漂移测量系统，包括：射线源、样品旋转台、由光学显微镜、CCD、置于光学显微镜前的闪烁体共同组成的CCD光学耦合探测器，其特征在于，还包括置于射线源前端的双微球模体单元和两个位移传感器单元，双微球模体单元的投影位于测量系统视场内，两个位移传感器单元，一个用于测量射线源的位移，一个用于测量CCD光学耦合探测器的位移。
采用所述的测量系统实现的显微CT焦斑漂移测量及补偿方法，该方法包括如下步骤：
(1)开启射线源，以不大于0.5°的步长旋转样品台，采集多帧高分辨率图像，称之为投影图像Pk，同时获取采集每幅图像时的两个位移传感器数据，分别记为DSk与DDk，其中DSk为射线源位移传感器数据，DDk为探测器位移传感器数据；；
(2)利用获得的高分辨率图像中的双微球模体图像及对应的位移传感器数据实现射线源焦斑漂移的定量化测量，包括：
①利用光学显微镜对双微球模体的球心距进行离线测量，记为Dcal；
②利用霍夫变换对投影图像Pk中双微球投影的圆心进行亚像素提取，并结合CCD像素尺寸获得双微球投影图像球心距Dmea；
③计算射线源焦斑到双微球模体的距离SPD，
Figure BDA0002728296050000021
其中，SDD为射线源焦斑到闪烁体的距离，Mopt为CCD光学耦合探测器的放大倍数；
④计算焦斑漂移量在图像上的放大倍数Mshift，
Figure BDA0002728296050000022
⑤以第一幅高分辨率图像为基准，计算投影图像中双微球中心的偏移量，记为(U‘k,V’k)；
⑥结合两个位移传感器数据，对因机械偏移引起的图像偏移进行剔除，获取因射线源焦斑偏移引起的图像偏移，记为(Uk,Vk)，其中，
Figure BDA0002728296050000023
⑦射线源焦斑漂移的定量化测量，其在Y轴和Z轴的偏移量记为(uk,vk)
Figure BDA0002728296050000024
(3)利用步骤(2)所获得的射线源焦斑漂移定量化测量数据，对获得的高分辨率图像中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿，再对补偿后的高分辨率图像进行三维重建。
步骤(3)具体包括：
①计算因射线源焦斑漂移引起的样品图像偏移量，记为(Xk,Yk)
Figure BDA0002728296050000025
其中，SOD为射线源焦斑到样品旋转台中心旋转轴的距离；
②利用所得到样品图像偏移量对投影图像中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿；
③对补偿后的投影图像进行三维重建。
本发明的技术特点和创新：利用双微球模体和电容式位移传感器对射线源焦斑漂移进行了定量化测量，并实现了射线源焦斑漂移引起图像偏移的补偿，从而提高系统的空间分辨率。
附图说明：
图1高分辨显微CT焦斑漂移测量系统及补偿流程图。
图2高分辨显微CT焦斑漂移测量系统结构图；具体包括：射线源1；双微球模体单元2；旋转台3；CCD光学耦合探测器4，包括闪烁体5，物镜6，管镜组7，反光镜8，CCD 9；电容式位移传感器单元10。
图3双微球模体单元示意图
具体实施方式：
本发明的目的在于提供一种高分辨显微CT焦斑漂移测量及补偿方法，从而提高显微CT重建结果的三维空间分辨率，所述的测量方法简单、实用、可靠。
本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种高分辨显微CT焦斑漂移测量及补偿方法，其流程如图1所示，具体可通过如下方案实施：
步骤1：在图2所示的高分辨显微CT系统射线源1前端安装双微球模体单元2，并通过设计加工在碳纤维板上的四个顶丝调整其位置，使双微球在CCD 9上的投影位于视场内靠上区域；利用磁性表座安装固定电容式位移传感器单元10，使其正对射线源1、CCD光学耦合探测器4侧面，以监测射线源1、CCD光学耦合探测器4发生的机械偏移；如图2所示；
步骤2：开启射线源1，调整射线源1电压、电流、CCD光学耦合探测器4采集时间等相关参数，使其满足成像需求；通过闪烁体5将穿透双微球模体单元2及样品后的射线转化为可见光，利用CCD光学耦合探测器4进行光学放大并成像，获得高分辨扫描数据；以不大于0.5°的步长旋转旋转台3，带动样品旋转，获得不同角度下的高分辨扫描数据，记为Pk，k＝1，……K，其中，k表示第k个角度；同时获取每帧图像对应下的电容式位移传感器10的数据，分别记为DSk与DDk，其中DSk为射线源位移传感器数据，DDk为探测器位移传感器数据；
步骤3：利用所述步骤2中获得的所述投影图像Pk中的双微球模体图像及对应的电容式位移传感器数据实现射线源焦斑漂移的定量化测量；“定量化测量”具体实施如下：
步骤31：利用光学共聚焦显微镜对双微球模体的球心距进行离线测量，记为Dcal；
步骤32：利用霍夫变换对投影图像Pk中双微球投影的圆心进行亚像素提取，并结合CCD像素尺寸获得双微球投影图像球心距Dmea；
步骤33：计算射线源焦斑到双微球模体的距离SPD，
Figure BDA0002728296050000041
其中，SDD为射线源焦斑到闪烁体的距离，Mopt为光学显微镜组的放大倍数；
步骤34：计算焦斑漂移量在图像上的放大倍数Mshift，
Figure BDA0002728296050000042
步骤35：以第一幅图像为基准，计算投影图像中双微球中心的偏移量，记为(U‘k,V’k)；
步骤36：结合电容式位移传感器数据，对因机械偏移引起的图像偏移进行剔除，获取因射线源焦斑漂移引起的图像偏移，记为(Uk,Vk)，其中，
Figure BDA0002728296050000043
步骤37：射线源焦斑漂移的定量化测量，其在Y轴和Z轴的偏移量记为(uk,vk)
Figure BDA0002728296050000044
步骤4：利用所述步骤3中获得的射线源焦斑漂移定量化测量数据，对所述步骤2中获得的所述高分辨扫描数据Pk中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿；再对补偿后的投影图像进行三维重建。“补偿”具体实施如下：
步骤41：计算因焦斑漂移引起的样品图像偏移量，记为(Xk,Yk)
Figure BDA0002728296050000045
步骤42：利用步骤41得出的偏移量对投影图像中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿。
步骤43：对补偿后的投影图进行三维重建。

Claims (2)

1.一种基于双微球模体的显微CT焦斑漂移测量系统实现的焦斑漂移补偿方法，显微CT焦斑漂移测量系统包括：射线源、样品旋转台、由光学显微镜、CCD、置于光学显微镜前的闪烁体共同组成的CCD光学耦合探测器，还包括置于射线源前端的双微球模体单元和两个位移传感器单元，双微球模体单元的投影位于测量系统视场内，两个位移传感器单元，一个用于测量射线源的位移，一个用于测量CCD光学耦合探测器的位移，包括如下步骤：
(1)开启射线源，以不大于0.5°的步长旋转样品台，采集多帧高分辨率图像，称之为投影图像Pk，同时获取采集每幅图像时的两个位移传感器数据，分别记为DSk与DDk，其中DSk为射线源位移传感器数据，DDk为探测器位移传感器数据；
(2)利用获得的高分辨率图像中的双微球模体图像及对应的位移传感器数据实现射线源焦斑漂移的定量化测量，包括：
①利用光学显微镜对双微球模体的球心距进行离线测量，记为Dcal；
②利用霍夫变换对投影图像Pk中双微球投影的圆心进行亚像素提取，并结合CCD像素尺寸获得双微球投影图像球心距Dmea；
③计算射线源焦斑到双微球模体的距离SPD，
Figure FDA0003942030080000014
其中，SDD为射线源焦斑到闪烁体的距离，Mopt为CCD光学耦合探测器的放大倍数；
④计算焦斑漂移量在图像上的放大倍数Mshift，
Figure FDA0003942030080000011
⑤以第一幅高分辨率图像为基准，计算投影图像中双微球中心的偏移量，记为(U‘k,V’k)；
⑥结合两个位移传感器数据，对因机械偏移引起的图像偏移进行剔除，获取因射线源焦斑偏移引起的图像偏移，记为(Uk,Vk)，其中，
Figure FDA0003942030080000012
⑦射线源焦斑漂移的定量化测量，其在Y轴和Z轴的偏移量记为(uk,vk)
Figure FDA0003942030080000013
(3)利用步骤(2)所获得的射线源焦斑漂移定量化测量数据，对获得的高分辨率图像中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿，再对补偿后的高分辨率图像进行三维重建。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
①计算因射线源焦斑漂移引起的样品图像偏移量，记为(Xk,Yk)
Figure FDA0003942030080000021
其中，SOD为射线源焦斑到样品旋转台中心旋转轴的距离；
②利用所得到样品图像偏移量对投影图像中的样品图像位置进行修正，实现高分辨显微CT焦斑漂移的补偿；
③对补偿后的投影图像进行三维重建。
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