CN114486956A - 一种基于x光透镜的低剂量微型锥束ct扫描系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统和方法。所述系统包括：带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源，平板探测器，电动旋转平移台；所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源包括X射线控制器、X射线管，用于发射扫描光线；所述电动旋转平移台包括电动旋转台、样品固定装置，对样品进行三维扫描；所述平板探测器用于将光信号转化为数字信号；所述主控计算机用于控制所述微焦斑X射线源、平板探测器和电动旋转平移台进行信号采集、控制和图像重建。采用本系统和方法可以有效缓解X射线束硬化效应引起的图像均匀性恶化问题，减少半影模糊以及X射线束的硬化伪影效应，提高图像的均一性，获得更高分辨率的CT扫描图像。
Description
技术领域
本申请涉及CT扫描成像领域，特别是涉及一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统及方法。
背景技术
随着结构和功能分子成像系统技术的发展，出现了X射线微型计算机断层成像(micro-CT)、微型磁共振成像(micro-MRI)、微型正电子发射断层成像(micro-PET)和微型单光子发射计算机断层成像(micro-SPECT)。其中，Micro-CT系统可提供高分辨率图像、快速数据采集、对骨组织高的灵敏性和软组织良好的灵敏性，尤其是在使用造影剂的情况下。
影响Micro-CT扫描仪空间分辨率的因素主要有两类：一类是几何因素，另一类是算法因素。其中几何因素方面，有效探测器孔径大小是制约空间分辨率的基本因素。有效探测器孔径越小，空间分辨率越高。有效探测器孔径大小与X射线源焦斑大小、探测器像素单元大小、X射线源焦斑到物体的距离(SOD)和X射线源焦斑到平板探测器的距离(SDD)有关。这些参数通过影响有效探测器孔径大小来影响空间分辨率的大小。其中，X射线源焦斑大小与有效探测器孔径大小成正比，X射线源焦斑尺寸越小，空间分辨率越高。此外，SOD与SDD比值越小，即物体离X射线源焦点越近，空间分辨率越好。
此外，X射线源焦斑的大小直接影响成像的清晰度。X射线源焦斑越大，半影面积增大，图像清晰度将降低。减小X射线源焦斑尺寸可以提高图像的清晰度，但较小的焦斑尺寸会导致X射线强度的降低。要达到相同的照射剂量，就必须增加照射时间或增加X射线强度增益。
多色X射线能谱导致一个重要的考虑，即光束硬化伪影。X射线吸收衰减系数与X射线能量大小具有很强的相关性，尤其是小动物成像研究所用的低能量X射线。当一束X射线透射过样品时，低能量的X射线在样品表面附近被大量吸收，导致测量到的CT值在样品边缘附近较高。通过对X射线束进行预过滤，可以增加X射线束的单色性，从而降低硬化伪影。然而，X射线束的硬化效应很难完全消除。
因此，X光束硬化、散射等物理效应和仪器效应，目前的Micro-CBCT系统获得的图像往往会出现模糊伪影，导致重建图像的空间分辨率、对比度分辨率和成像均匀性较低。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统及方法。
一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，所述系统包括：
带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源、电动旋转平移台、平板探测器以及主控计算机；
所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源包括X射线控制器、X射线管，用于发射扫描光线；
所述电动旋转平移台包括电动旋转台、样品固定装置，对样品进行三维扫描；
所述平板探测器用于探测所述微焦斑X射线源穿透样品的光信号，并将其转化为数字信号；
所述主控计算机用于控制所述微焦斑X射线源、平板探测器和电动旋转平移台进行信号采集、控制和图像重建。
在其中一个实施例中，所述毛细管聚焦X光透镜由玻璃材料制成，内壁镀有金属膜，并且为轴对称结构，沿轴方向的外形母线满足椭球方程。
在其中一个实施例中，所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源，为功率30W-50W的钨阳极靶。
在其中一个实施例中，所述平板探测器类型包括非晶硅平板探测、CMOS探测器和CCD探测器。
在其中一个实施例中，所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源，管电压为30kV-50kV，管电流为0.1mA-1mA，焦斑直径为50μm-70μm。
在其中一个实施例中，所述电动旋转平移台，可以进行360度匀速旋转。
在其中一个实施例中，所述样品固定装置，为一个顶端有盖子的圆柱体或长方体玻璃容器。
本发明所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其成像方法包括以下步骤：
将样品放置在样品容器中，由主机控制驱动旋转台旋转、控制带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源开关，设定所需的管电压和管电流大小，进行三维扫描；
确定平板探测器的成像面积，通过调整系统的放大系数，改变系统的有效视场大小和成像分辨率大小；
采集投影数据，对原始投影图像进行校正，然后采用经典的锥束FDK算法重建三维图像。
在其中一个实施例中，所述调整系统的放大系数，是通过调节X光透镜出口焦斑到旋转中心的距离，与X光透镜出口焦斑到平板探测器成像面之间的距离来实现。
在其中一个实施例中，所述采用经典的锥束FDK算法重建三维图像，是利用RAM-LAK内核函数进行滤波。
上述一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统及方法，通过采用X光透镜对Micro-CT扫描仪核心部件X射线管进行光源调控，充分利用X光透镜对低能量X射线的吸收过滤，将位于毛细管聚焦X光透镜入口焦点上的微焦斑X射线源发散的X射线束聚焦到出口焦点上，同时选择合适的微焦斑X射线源和合适的像素单元大小的探测器，调节X光透镜出口焦斑到旋转中心的距离，与X光透镜出口焦斑到平板探测器成像面之间的距离，有效地缓解了X射线束硬化效应引起的图像均匀性恶化问题，获得更小的聚焦尺寸和高的强度增益，将扫描时间缩短，从而实现更小的有效探测器孔径大小，减少半影模糊以及X射线束的硬化伪影效应，提高图像的均一性，获得更高分辨率的CT扫描图像。
附图说明
图1为一个实施例中一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统图；
图2为一个实施例中一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描方法的流程示意图；
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
如图1所示，本申请提供一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，应用于对小动物样本进行成像，从而获得活体小动物的解剖结构信息。所述成像系统包括带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源，非晶硅平板探测器，电动旋转平移台，以及用于信号采集、控制和图像重建的主控计算机。
微焦斑X射线源为功率50W的钨阳极靶，最大管电压为50kV，最大管电流为1mA，焦斑尺寸为70μm。非晶硅平板探测器采用1024×1024阵列，每个阵列的像素大小为24μm×24μm。非晶硅平板探测器闪烁屏的表面成像场大小为13cm×13cm。
SOD为毛细管聚焦X光透镜出口焦斑到旋转中心的距离，SDD为毛细管聚焦X光透镜出口焦斑到非晶硅平板探测器成像面之间的距离，SDD与SOD的比值为成像系统的放大系数。在本系统中，由于样品是小动物，选择放大系数在2.0左右，系统经过几何校准后，SOD为390.3mm，SDD为768.8mm，因此系统的放大系数为1.97，有效像素大小为64.5μm。此时成像区域的直径约为10cm，可实现成年小鼠的成像。
将小动物样品放置在旋转台上，所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源和非晶硅平板探测器分别放置于小动物样品两侧，由主控计算机通过旋转台控制器控制驱动旋转台逐步旋转360度，其中旋转速度可以进行设置，投影图像的采集步进角度为1.8度。由主控计算机控制微焦斑X射线源开关，根据样品、成像时间、分辨率等因素设定所需的管电压和管电流大小，本实施例设定微焦斑X射线源管电压为50kV，管电流为800μA。
小动物样品固定装置放置于平移旋转台上，随旋转台同步转动，所述小动物样品固定装置是透明圆柱体或长方体。在进行小动物成像时，小动物固定容器可以选择性加入组织耦合液。
X射线从微焦斑X射线源内部光源发出，经过微焦斑X射线源内部的毛细管聚焦X光透镜，照射到小动物样品上，然后投影到非晶硅平板探测器上，主控计算机通过探测器控制器控制非晶硅平板探测器对投影信息进行采集，本实施例设定非晶硅平板探测器帧频为3.0fps，共采集200幅投影图像。采集投影数据后，将采集到的数据传回主控计算机内，采用C++语言开发Windows平台下的Micro-CBCT系统运动控制数据采集与数据重构软件，对原始投影图像进行校正，然后采用经典的锥束FDK算法重建三维图像，在重建过程中，利用RAM-LAK内核函数进行滤波，以保持图像的分辨率。
上述基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，空间分辨率可以达到9.3lp/mm以上，随着X射线能量的增加，使用毛细管聚焦X光透镜的系统对比度分辨率比未使用毛细管聚焦X光透镜的CT成像分辨率提高了数倍，并且，使用毛细管聚焦X光透镜可以有效提高系统的空间分辨率和照射物体的X射线强度增益，从而提高Micro-CBCT系统的对比度分辨率。使用毛细管聚焦X光透镜将所测Micro-CBCT系统的调制传递函数(MTF)的极限空间频率提高了1.35倍，并实现了2倍以上的对比度增强。此外，通过将样品放置在毛细管聚焦X光透镜的出口焦点附近，增加了照射样品的X射线通量，从而可将扫描时间缩短，而不增加半影模糊。
在另一个实施例中，所述样品固定装置，为一个顶端有盖子的圆柱体或长方体的透光材质容器，可以完全平稳放置小动物样品。
上述基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统中的各个控制模块，包括X射线源控制器、旋转台控制器、探测器控制器，可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各控制模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的系统结构，仅仅是与本申请方案相关的部分系统结构图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者根据样品需要组合某些其他必要部件，或者具有不同的部件布置。
在一个实施例中，如图2所示，提供了一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描方法，所述方法包括如下步骤：
202将小动物样品放置在样品容器中，由主机控制驱动旋转台旋转、控制带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源开关，设定所需的管电压和管电流大小，进行三维扫描；
204确定非晶硅平板探测器的成像面积，通过调整系统的放大系数，改变系统的有效视场大小和成像分辨率大小；
206采集投影数据，对原始投影图像进行校正，然后采用经典的锥束FDK算法重建三维图像。
具体操作流程为：
(1)将质量为300g的雌性小鼠用10％氨基甲酸乙酯混合2％水合氯醛(0.9mL/kg)进行腹腔麻醉，放置于平移旋转台上的小动物样品固定装置中进行固定，盖上容器盖子；
(2)根据样品、成像时间、分辨率等因素设定系统的各个参数，具体包括所需的管电压和管电流大小、SOD、SDD长度，非晶硅平板探测器扫描帧频，投影图像采集数等。本实施例设定微焦斑X射线源管电压为50kV，管电流为800μA；SOD为390.3mm，SDD为768.8mm(放大系数为1.97)，非晶硅平板探测器帧频为3.0fps，共采集200幅投影图像；
(3)操作人员通过主控计算机打开微焦斑X射线源开关，等待1分钟后发光稳定；
(4)操作人员通过主控计算机打开平移旋转台，使其按设定的速度匀速旋转；
(5)操作人员通过主控计算机控制非晶硅平板探测器对投影图像的信息数据进行采集，并将采集数据返回主控计算机；
(6)操作人员使用Windows平台下的Micro-CBCT系统运动控制数据采集与数据重构软件，对原始投影图像进行校正，然后采用经典的锥束FDK算法重建三维图像；
在另一个实施例中，操作人员在重建三维图像的过程中，利用RAM-LAK内核函数进行滤波，以保持图像的分辨率。
应该理解的是，虽然图2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述系统包括：带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源、电动旋转平移台、平板探测器以及主控计算机；
所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源包括X射线控制器、X射线管，用于发射扫描光线；
所述电动旋转平移台包括电动旋转台、样品固定装置，对样品进行三维扫描；
所述平板探测器用于探测所述微焦斑X射线源穿透样品的光信号，并将其转化为数字信号；
所述主控计算机用于控制所述微焦斑X射线源、平板探测器和电动旋转平移台进行信号采集、控制和图像重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述毛细管聚焦X光透镜由玻璃材料制成，并且为轴对称结构，沿轴方向的外形母线满足椭球方程。
3.根据权利要求1所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源，为功率30W-50W的钨阳极靶。
4.根据权利要求1所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述平板探测器类型包括非晶硅平板探测、CMOS探测器和CCD探测器。
5.根据权利要求1至4所述的任意一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源的管电压为10kV-50kV，管电流为0.1mA-1mA，焦斑直径为20μm-70μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述电动旋转平移台，可以进行360度匀速旋转。
7.根据权利要求1所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描系统，其特征在于，所述样品固定装置，为一个顶端有盖子的圆柱体或长方体玻璃容器。
8.一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
将样品放置在样品容器中，通过主控计算机控制驱动旋转台旋转和带有毛细管聚焦X光透镜的微焦斑X射线源开关，并设定所需的管电压和管电流大小进行三维扫描；
利用平板探测器调整系统的放大系数，改变系统的有效视场大小和成像分辨率大小，确定成像面积；
采集投影数据，对原始投影图像进行校正，然后采用经典的锥束FDK算法重建三维图像。
9.根据权利要求8所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描方法，其特征在于，所述调整系统的放大系数，包括：
通过调节X光透镜出口焦斑到旋转中心的距离与X光透镜出口焦斑到平板探测器成像面之间的距离来调整系统的放大系数。
10.根据权利要求8所述的一种基于X光透镜的低剂量微型锥束CT扫描方法，其特征在于，所述采用经典的锥束FDK算法重建三维图像，包括：利用RAM-LAK内核函数进行滤波重建三维图像。
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|---|---|---|---|---|
| CN116172601A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-05-30 | 合肥锐视医疗科技有限公司 | 一种可变空间分辨率ct扫描方法、扫描装置及成像系统 |
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