CN113030134A - 用于icf靶三维重建的三轴ct成像装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置以方法，其中装置包括ICF靶放置腔体、Z轴转台、XY轴X光源、Z轴X光源、XY轴探测器和Z轴探测器。采用以上技术方案的用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置及方法，仅使用三个方向的透射图像就可以重建靶的三维结构，无需传统CT成像技术所要求的大量投影数据才能精确重建，因此，极大地简化了CT成像技术的扫描机构和记录机构，具有简便，小型和灵活的特点，具有广阔且重要的应用前景。

Description

用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置及方法
技术领域
本发明涉及激光惯性约束聚变技术领域，具体涉及一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置及方法。
背景技术
在激光惯性约束聚变(ICF，Inertial Confinement Fusion)中，实验用靶的三维结构参数是ICF物理实验数据分析的重要输入条件，其准确程度对物理实验结果的精确分析具有重要的参考意义。目前，靶的结构随着实验规模的扩大越发复杂，使得靶的三维空间结构的准确测量越加困难。传统的CT成像技术通过对靶的多个角度的X光透射成像获得多幅靶的二维透射图像，然后再利用CT成像重建算法获取靶的三维结构参数。
ICF实验用靶一般为毫米尺度低密度材料和空腔组合的几何结构，而传统CT成像目标一般为人体组织以及大型工业元器件。因此，ICF实验用靶在尺度、材质和几何结构等方面与传统CT成像的目标具有很大的不同。所以传统的CT成像技术不适合直接应用于ICF靶目标测量。
在激光惯性约束聚变技术领域，现有CT成像技术及装置存在以下不足：1、现有靶三维测量采用的仍然是传统CT成像技术，即通过旋转靶目标，采集大量的二维透射图像，然后利用CT重建算法进行重建靶的三维结构，这造成整个检测设备过于庞大，采集系统过于复杂，成本较高和效率低下；2、由于ICF靶材质种类繁多，对于X射线的能量具有一定要求，所以需要针对特定靶匹配不同的X光源能量，这涉及到不同X光源的切换，对目前复杂庞大的一体化设备几乎是不现实的；3、目前CT成像设备的重建算法基本都是和设备固化一起的，用户无法根据实际情况灵活地做更优化的更改设计。
发明内容
为解决以上的技术问题，本发明提供了一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置及方法。
其技术方案如下：
一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其要点在于，包括用于放置ICF靶目标的ICF靶放置腔体、用于带动ICF靶放置腔体绕Z轴转动的Z轴转台、沿水平方向分布在ICF靶放置腔体两侧的XY轴X光源和XY轴探测器以及沿竖直方向分布在ICF靶放置腔体两侧的Z轴X光源和Z轴探测器，所述ICF靶放置腔体上开设有两个沿X轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的X轴过孔、两个沿Y轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的Y轴过孔和两个沿Z轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的Z轴过孔，所述Z轴转台上沿其转动轴线方向开设有转台通孔，该转台通孔与两个Z轴过孔在空间上呈直线排布，所述XY轴X光源能够发出沿水平方向射向X轴过孔或Y轴过孔的X光，所述Z轴X光源能够发出沿竖直方向射向Z轴过孔的X光。
采用以上结构，用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置能够实现ICF靶目标三维结构的探测，获得ICF靶目标结构的内部空间几何参量以及外形；由于本三轴CT成像装置仅需三轴CT成像，极大的简化了传统CT成像技术所需的多角度扫描机构和记录系统，降低了成本，提高了工作效率。
作为优选：所述ICF靶放置腔体为中空正方体结构，所述ICF靶目标固定在ICF靶放置腔体的中心位置，两个X轴过孔、两个Y轴过孔和两个Z轴过孔分别开设在ICF靶放置腔体六侧表面的中心位置。采用以上结构，结构简单可靠，既便于加工，又便于安装在Z轴转台上，同时便于直观观察。
因为X光对不同材料的吸收系数不同，由此导致透射图像可能在某一能量的吸收较弱，造成图像对比度不佳，所以为了解决这个问题，作为优选：所述XY轴X光源和Z轴X光源均能同时发出至少两束对准ICF靶目标、且具有不同特征能量的X射线。使用多种不同特征线能量的X光源，目的是使得ICF靶目标的透射图像清晰，这样应用CT重建算法进行重建时能够极大的提高重建精度。
作为优选：所述Z轴转台置于XY轴平移台上，所述XY轴平移台开设有正对转台通孔的平移台通孔。采用以上结构，以便于调整ICF靶目标的位置，使XY轴X光源和Z轴X光源发出的X光能够准确透射ICF靶目标。
一种用于ICF靶三维重建的方法，其要点在于，包括以下步骤：
S1、XY轴X光源发射X光，X光从X轴过孔或Y轴过孔进入ICF靶放置腔体后透射ICF靶目标，XY轴探测器记录从另一X轴过孔或Y轴过孔出射的X光；
S2、Z轴转台带动ICF靶放置腔体旋转90°，XY轴X光源发射X光，X光从Y轴过孔或X轴过孔进入ICF靶放置腔体后透射ICF靶目标，XY轴探测器记录从另一Y轴过孔或X轴过孔出射的X光；
S3、Z轴X光源发射X光，X光从Z轴过孔后透射ICF靶目标，Z轴探测器记录从另一Z轴过孔出射的X光；
S4、通过反演完成靶的三维重建。
采用以上方法，通过自行编制的CT算法可以重建ICF靶目标的三维结构，具有灵活便捷的特点，可以针对特定情况更改重建算法，以便适用特殊靶的情况，因此具有广阔且重要的应用前景。
作为优选，所述步骤S4按照以下步骤进行：
S41、确定X轴、Y轴和Z轴方向的三幅二维透射图像与光源强度之间的关系：
Figure BDA0002953568380000031
式(1)中，I0为XY轴X光源和Z轴X光源发射的X光的强度，E0代表XY轴X光源和Z轴X光源发射的特征线的中心能量，μ(x,y,z,E0)代表的是ICF靶目标的对应于X光能量为E0的吸收系数，x,y,z代表ICF靶目标所在区域的坐标，X,Y,Z代表XY轴探测器与Z轴探测器所在平面的坐标，
Figure BDA0002953568380000032
Figure BDA0002953568380000033
和
Figure BDA0002953568380000034
分别代表ICF靶目标在X轴、Y轴和Z轴方向的透射强度分布，dl代表X射线穿过ICF靶目标的长度单元；
S42、基于式(1)得出ICF靶目标的三维吸收系数分布的积分：
Figure BDA0002953568380000035
S43、基于CT成像技术重建算法中的最大似然算法，对式(2)求解，重建ICF靶目标的三维结构：
Figure BDA0002953568380000041
式(3)中，x是ICF靶目标待测变量的集合，yi是测量获得的第i个方向的透射强度，λi是利用式(1)计算获得的其中一个方向的透射强度，aij是投影射线束与源区的某个位置的相关长度，μj是靶目标某个空间位置的吸收系数，P(x|y)代表条件概率，D代表X光源透射成像的方向的数目，M是靶目标区空间离散的总数，i和j分别代表靶区域的离散编号和探测面离散编号，argmax(ln(g(x))是使得似然函数ln(g(x))区得最小值时的x的值，即求最大似然取极小值的自变量。
采用以上方法，通过将X轴、Y轴和Z轴方向的二维透射图像，利用式(3)的算法，能够重建ICF靶目标的三维结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
采用以上技术方案的用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置及方法，仅使用三个方向的透射图像就可以重建靶的三维结构，无需传统CT成像技术所要求的大量投影数据才能精确重建，因此，极大地简化了CT成像技术的扫描机构和记录机构，具有简便，小型和灵活的特点，具有广阔且重要的应用前景。
附图说明
图1为用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置的结构示意图；
图2为Z轴转台和XY轴平移台其中一个视角的配合关系示意图；
图3为Z轴转台和XY轴平移台另外一个视角的配合关系示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
如图1-图3所示，一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其主要包括ICF靶放置腔体7、Z轴转台6、XY轴平移台5、XY轴X光源1、Z轴X光源2、XY轴探测器3和Z轴探测器4。其中，Z轴转台6为电控转台，XY轴平移台5为电控平移台，结构简单可靠，控制精度高。
其中，ICF靶放置腔体7用于放置ICF靶目标8，ICF靶放置腔体7安装在Z轴转台6上，Z轴转台6用于带动ICF靶放置腔体7绕Z轴转动，Z轴转台6安装在XY轴平移台5上，XY轴平移台5用于带动ICF靶放置腔体7和Z轴转台6在水平方向上移动，从而调节ICF靶目标8的位置，使XY轴X光源1和Z轴X光源2发出的X光能够准确透射ICF靶目标8，XY轴X光源1和XY轴探测器3沿水平方向分布在ICF靶放置腔体7的两侧，XY轴X光源1发出的X光透射ICF靶目标8后被XY轴探测器3记录，Z轴X光源2和Z轴探测器4沿竖直方向分布在ICF靶放置腔体7的两侧，Z轴X光源2发出的X光透射ICF靶目标8后被Z轴探测器4记录。
具体地说，ICF靶放置腔体7上开设有两个沿X轴方向对称分布在ICF靶目标8两侧的X轴过孔7a、两个沿Y轴方向对称分布在ICF靶目标8两侧的Y轴过孔7b和两个沿Z轴方向对称分布在ICF靶目标8两侧的Z轴过孔7c。Z轴转台6上沿其转动轴线方向开设有转台通孔6a，XY轴平移台5开设有正对转台通孔6a的平移台通孔5a，平移台通孔5a、转台通孔6a与两个Z轴过孔7c在空间上呈直线排布，XY轴X光源1能够发出沿水平方向射向X轴过孔7a或Y轴过孔7b的X光，Z轴X光源2能够发出沿竖直方向射向Z轴过孔7c的X光。
进一步地，ICF靶放置腔体7为中空正方体结构，ICF靶目标8固定在ICF靶放置腔体7的中心位置，两个X轴过孔7a、两个Y轴过孔7b和两个Z轴过孔7c分别开设在ICF靶放置腔体7六侧表面的中心位置。本实施例中，两个X轴过孔7a和两个Y轴过孔7b方孔，Z轴过孔7c为30mm～50mm的圆孔，相应的，平移台通孔5a和转台通孔6a也为30mm～50mm的圆孔。
进一步地，XY轴X光源1和Z轴X光源2均能同时发出至少两束对准ICF靶目标8、且具有不同特征能量的X射线。本实施例中，XY轴X光源1和Z轴X光源2均能同时发出三束不同特征能量的X射线，使得ICF靶目标8的透射图像清晰，这样应用CT重建算法进行重建时能够极大的提高重建精度。
一种用于ICF靶三维重建的方法，包括以下步骤：
S1、XY轴X光源1发射X光，X光从X轴过孔7a进入ICF靶放置腔体7后透射ICF靶目标8，XY轴探测器3记录从另一X轴过孔7a出射的X光，为第一幅ICF靶目标的二维透射图像，记为I2XD(Y,Z)。
S2、Z轴转台6带动ICF靶放置腔体7旋转90°，XY轴X光源1发射X光，X光从Y轴过孔7b进入ICF靶放置腔体7后透射ICF靶目标8，XY轴探测器3记录从另一Y轴过孔7b出射的X光，为第二幅ICF靶目标的二维透射图像，记为
Figure BDA0002953568380000065
S3、Z轴X光源2发射X光，X光从Z轴过孔7c后透射ICF靶目标8，Z轴探测器4记录从另一Z轴过孔7c出射的X光，为第三幅ICF靶目标的二维透射图像，记为
Figure BDA0002953568380000066
S4、通过反演完成靶的三维重建，按照以下步骤进行：
S41、确定X轴、Y轴和Z轴方向的三幅二维透射图像与光源强度之间的关系：
Figure BDA0002953568380000061
式(1)中，I0为XY轴X光源和Z轴X光源发射的X光的强度，E0代表XY轴X光源和Z轴X光源发射的特征线的中心能量，μ(x,y,z,E0)代表的是ICF靶目标的对应于X光能量为E0的吸收系数，x,y,z代表ICF靶目标所在区域的坐标，X,Y,Z代表XY轴探测器与Z轴探测器所在平面的坐标，
Figure BDA0002953568380000062
Figure BDA0002953568380000063
和
Figure BDA0002953568380000064
分别代表ICF靶目标在X轴、Y轴和Z轴方向的透射强度分布，dl代表X射线穿过ICF靶目标的长度单元；
S42、基于式(1)得出ICF靶目标的三维吸收系数分布的积分：
Figure BDA0002953568380000071
S43、对式(2)求解μ(x,y,z)的过程就是ICF靶目标的三维重建过程，基于CT成像技术重建算法中的最大似然算法，重建ICF靶目标的三维结构：
Figure BDA0002953568380000072
式(3)中，x是ICF靶目标待测变量的集合，yi是测量获得的第i个方向的透射强度，λi是利用式(1)计算获得的其中一个方向的透射强度，aij是投影射线束与源区的某个位置的相关长度，μj是靶目标某个空间位置的吸收系数，P(x|y)代表条件概率，D代表X光源透射成像的方向的数目，M是靶目标区空间离散的总数，i和j分别代表靶区域的离散编号和探测面离散编号，argmax(ln(g(x))是使得似然函数ln(g(x))区得最小值时的x的值，即求最大似然取极小值的自变量。通过将X轴、Y轴和Z轴正交方向的二维透射图像，利用式(3)的算法重建靶的三维结构。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其特征在于：包括用于放置ICF靶目标的ICF靶放置腔体、用于带动ICF靶放置腔体绕Z轴转动的Z轴转台、沿水平方向分布在ICF靶放置腔体两侧的XY轴X光源和XY轴探测器以及沿竖直方向分布在ICF靶放置腔体两侧的Z轴X光源和Z轴探测器，所述ICF靶放置腔体上开设有两个沿X轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的X轴过孔、两个沿Y轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的Y轴过孔和两个沿Z轴方向对称分布在ICF靶目标两侧的Z轴过孔，所述Z轴转台上沿其转动轴线方向开设有转台通孔，该转台通孔与两个Z轴过孔在空间上呈直线排布，所述XY轴X光源能够发出沿水平方向射向X轴过孔或Y轴过孔的X光，所述Z轴X光源能够发出沿竖直方向射向Z轴过孔的X光。
2.根据权利要求1所述的用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其特征在于：所述ICF靶放置腔体为中空正方体结构，所述ICF靶目标固定在ICF靶放置腔体的中心位置，两个X轴过孔、两个Y轴过孔和两个Z轴过孔分别开设在ICF靶放置腔体六侧表面的中心位置。
3.根据权利要求1所述的用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其特征在于：所述XY轴X光源和Z轴X光源均能同时发出至少两束对准ICF靶目标、且具有不同特征能量的X射线。
4.根据权利要求1所述的用于ICF靶三维重建的三轴CT成像装置，其特征在于：所述Z轴转台置于XY轴平移台上，所述XY轴平移台开设有正对转台通孔的平移台通孔。
5.一种用于ICF靶三维重建的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、XY轴X光源发射X光，X光从X轴过孔或Y轴过孔进入ICF靶放置腔体后透射ICF靶目标，XY轴探测器记录从另一X轴过孔或Y轴过孔出射的X光；
S2、Z轴转台带动ICF靶放置腔体旋转90°，XY轴X光源发射X光，X光从Y轴过孔或X轴过孔进入ICF靶放置腔体后透射ICF靶目标，XY轴探测器记录从另一Y轴过孔或X轴过孔出射的X光；
S3、Z轴X光源发射X光，X光从Z轴过孔后透射ICF靶目标，Z轴探测器记录从另一Z轴过孔出射的X光；
S4、通过反演完成靶的三维重建。
6.根据权利要求5所述的用于ICF靶三维重建的方法，其特征在于，所述步骤S4按照以下步骤进行：
S41、确定X轴、Y轴和Z轴方向的三幅二维透射图像与光源强度之间的关系：
Figure RE-FDA0003036788310000021
式(1)中，I0为XY轴X光源和Z轴X光源发射的X光的强度，E0代表XY轴X光源和Z轴X光源发射的特征线的中心能量，μ(x,y,z,E0)代表的是ICF靶目标的对应于X光能量为E0的吸收系数，x,y,z代表ICF靶目标所在区域的坐标，X,Y,Z代表XY轴探测器与Z轴探测器所在平面的坐标，
Figure RE-FDA0003036788310000022
Figure RE-FDA0003036788310000023
和
Figure RE-FDA0003036788310000024
分别代表ICF靶目标在X轴、Y轴和Z轴方向的透射强度分布，dl代表X射线穿过ICF靶目标的长度单元；
S42、基于式(1)得出ICF靶目标的三维吸收系数分布的积分：
Figure RE-FDA0003036788310000025
S43、基于CT成像技术重建算法中的最大似然算法，对式(2)求解，重建ICF靶目标的三维结构：
Figure RE-FDA0003036788310000026
式(3)中，x是ICF靶目标待测变量的集合，yi是测量获得的第i个方向的透射强度，λi是利用式(1)计算获得的其中一个方向的透射强度，aij是投影射线束与源区的某个位置的相关长度，μj是靶目标某个空间位置的吸收系数，P(x|y)代表条件概率，D代表X光源透射成像的方向的数目，M是靶目标区空间离散的总数，i和j分别代表靶区域的离散编号和探测面离散编号，argmax(ln(g(x)))是使得似然函数ln(g(x))区得最小值时的x的值，即求最大似然取极小值的自变量。
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