CN114732426B - 一种三维超快x光ct成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维超快X光CT成像系统及成像方法，包括真空罩，真空罩内按照电子束传播路径依次包括电子枪、聚焦线圈、偏转线圈和电子束靶材；X光射出真空罩后依次经过扫描区域和X射线探测器面板型阵列；扫描区域包括扫描介质；真空罩上设置有涡轮分子泵，电子束靶材对应位置设置有电子束图像采集监测装置；电子束靶材的倾斜表面上设置有N个电子束偏移监测箔片，电子束偏移监测箔片和电子束焦斑扫描路径平行且相间布置；本发明采用电子束高速扫描的方式可以提高X射线扫描速度，获得高时间与空间分辨率的重建图像序列，可以实现实时成像；可以对扫描区域内的对象进行三维扫描并成像；不需要通过二维扫描获得的重建图片堆叠成三维图像。
Description
技术领域
本发明涉及辐射成像技术领域，具体涉及一种三维超快X光CT成像系统及成像方法。
背景技术
计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)成像技术凭借其非侵入式无损伤探测特点在石油工程、化学工程、热能工程、核工程、工业探伤、安全检查和医学影像等行业和领域发挥着越来越重要的作用。目前绝大多数CT装置采用滑环在直线式轨道、环形轨道或螺旋形轨道上移动来完成受照对象的扫描。该种机械运动式扫描的主要缺点在于扫描速度慢、噪音和振动大。尤其对于工业生产中亟待解决的多相流相间界面捕捉和分相份额精确测量难题，传统CT装置因为扫描过程中的运动速度远小于多相流体的流动速度，造成重建图像中相间界面模糊的情况。这一方面不利于获取精确的分相份额，另一方面相间的传质特性难以给出，从而严重阻碍多相流模型的发展。同时，在医学影像领域，若CT装置的扫描速度过慢，患者在受照过程中轻微的移动会使得重建图像模糊。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题提供一种满足多相流相间界面的高分辨率成像以及患者受照部位的实时高空间分辨率显像的三维超快X光CT成像系统及成像方法。
本发明采用的技术方案是：
一种三维超快X光CT成像系统，包括真空罩，真空罩内按照电子束传播路径依次包括电子枪、聚焦线圈、偏转线圈和电子束靶材；电子束照射到靶材上后，产生X光；X光射出真空罩后依次经过扫描区域和X射线探测器阵列；扫描区域包括扫描介质；真空罩上设置有涡轮分子泵，电子束靶材对应位置设置有电子束图像采集监测装置；电子束靶材的倾斜表面上固定安装有N个电子束偏移监测箔片，电子束偏移监测箔片和电子束焦斑扫描路径平行且相间布置。
进一步的，所述电子束靶材对应位置设置有电子束靶材水冷装置；水冷装置围绕电子束靶材设置或设置在电子束靶材一侧。
进一步的，所述扫描介质设置在容器内。
进一步的，所述电子束靶材的倾斜表面与X射线探测器阵列相对布置。
进一步的，所述聚焦线圈为环形和多边形中的一种；偏转线圈为条形、弧形和圆环形中的一种。
进一步的，所述电子束靶材为棱柱形和环形中的一种；电子束偏移监测箔片为直线形、折线形和曲线形中的一种。
进一步的，所述X射线探测器阵列为线性面板型阵列和弧形面板型阵列中的一种；X射线探测器面板型阵列中同一行或同一列的探测器单元与电子束焦斑路径平行；偏转线圈的长边与电子束焦斑扫描路径平行。
进一步的，所述X射线探测器阵列和真空罩均为可移动装置。
进一步的，还包括控制装置，控制装置连接X射线探测器阵列、涡轮分子泵、电子枪、聚焦线圈、偏转线圈和水冷装置。
一种三维超快X光CT成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1：启动涡轮分子泵，真空罩内的压力维持在10-5Pa；启动X射线探测器面板型阵列进行光子暗计数，采集环境本底计数，以矩阵形式存储；
步骤2：启动电子枪，电子枪产生的电子束经过聚焦线圈产生的电磁场，汇集成焦斑投射到电子束靶材中的一条电子束焦斑路径上；通过偏转线圈内变化的电流产生的电磁场控制电子束焦斑在电子束靶材上高速运动；在电子束焦斑路径上产生X光源阵列；
步骤3：电子束射出真空罩后，进入扫描区域，经过衰减；衰减后的X光子被X射线探测器面板型阵列收集并输出透射光子数值矩阵；
步骤4：根据步骤3得到的透射光子数值矩阵和步骤2得到的X光源阵列与X射线探测器面板型阵列的空间位置矩阵，通过解析式或迭代式重建算法即可获得扫描区域内介质情况。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过偏转线圈产生的高频交变磁场控制电子束的扫描方向，实现经过聚焦线圈汇聚后的电子束沿着电子束焦斑路径的高频高速运动产生往复运动的高通量X射线，同时通过阵列探测器的高频采样配合与快速图像重建算法，最终获得高时间与空间分辨率的重建图像序列，从而实现快速实时成像或高空间精度离线成像；
(2)本发明可以通过电子束在电子束靶材倾斜表面的不同高度处设置的电子束焦斑路径上的运动以及X射线探测器面板型阵列的配合来实现对受照物的三维立体扫描，然后通过三维锥形射线解析式或迭代式重建算法完成图像重建，即不需要通过二维平面扫描获得的重建数据沿着扫描平面法向堆叠出三维图像，从而在极大提升三维成像速度的同时还减少了图像重建伪影。
附图说明
图1为本发明中的三维超快X光CT成像系统的正视图。
图2为本发明中的三维超快X光CT成像系统的俯视图。
图中：1-电子枪，2-电子束，3-聚焦线圈，4-偏转线圈，5-电子束焦斑路径，6-电子束偏移监测箔片，7-电子束靶材，8-X射线束，9-容器，10-介质，11-气泡，12-X射线探测器面板型阵列，13-水冷装置，14-真空罩，15-涡轮分子泵，16-电子束图像采集监测装置，17-扫描区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
如图1和图2所示，一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，包括真空罩14，真空罩14内按照电子束传播路径依次包括电子枪1、聚焦线圈3、偏转线圈4和电子束靶材7；电子束照射到靶材上后，通过韧致辐射原理产生X光；X光射出真空罩14后依次经过扫描区域17和X射线探测器面板型阵列12；扫描区域17包括扫描介质10；真空罩14上设置有涡轮分子泵15，电子束靶材7对应位置设置有电子束图像采集监测装置16(设置在电子束靶材附近位置，只要能够实现电子束图像采集即可)；电子束靶材7的倾斜表面上固定安装有N个电子束偏移监测箔片6，电子束偏移监测箔片6和电子束焦斑扫描路径5平行且相间布置，间隔距离通常为毫米量级。监测装置16为摄像头，镜头朝向电子束靶材7的倾斜表面。选择的摄像头具有耐高温和抗电磁干扰的特性。电子枪1中电子加速电压大于100kV，且电子束流强度大于50mA。
真空罩14可以选择碳纤维、铝和铍等原子序数小的材料，同时在结构强度允许的情况下，应尽可能减薄真空罩14壁厚，从而减小真空罩14对X射线束8的吸收和散射影响。
电子束靶材7对应位置设置有电子束靶材水冷装置13；水冷装置13围绕电子束靶材7设置或设置在电子束靶材7一侧。扫描介质10设置在容器9内，容器9位于扫描区域17的内部(扫描区域17内部的受照对象可以根据应用场景进行调整，比如医疗领域中可以使人体位于扫描区域17的内部)。电子束靶材7的倾斜表面与X射线探测器面板型阵列12相对布置。
聚焦线圈3为环形和多边形中的一种；其通过线圈内变化电流产生的电磁场来达到将电子束2汇集成焦斑的功能。偏转线圈4为条形、弧形和圆环形中的一种，其通过线圈内高频变化的电流来实现电子束2沿着电子束焦斑路径5的高速移动。电子束靶材7为棱柱形和环形中的一种；电子束靶材7的材料可以选择铅或钨。
电子束靶材7的倾斜表面上的电子束偏移监测箔片6和电子束焦斑路径5，两者的形状均可以为直线形、折线形或曲线形中的一种。
X射线探测器面板型阵列12为线性面板型阵列和弧形面板型阵列中的一种；X射线探测器面板型阵列12同一行或同一列的探测器单元与电子束焦斑路径5应保持平行；偏转线圈4的长边与电子束焦斑扫描路径5平行。
X射线探测器面板型阵列12和真空罩14均为可移动装置。可以相向或相背移动，以适应不同尺寸的扫描区域17。也可以向同一方向平移，以获得扫描区域内不同位置处的投影数据。还包括控制装置，控制装置连接X射线探测器面板型阵列12、涡轮分子泵15、电子枪1、聚焦线圈3、偏转线圈4和水冷装置13。
一种三维超快X光CT成像系统的成像方法，包括以下步骤：
步骤1：启动涡轮分子泵15，将真空罩14内的空气抽出；真空罩14内的压力维持在10-5Pa；启动X射线探测器面板型阵列12进行光子暗计数，采集环境本底计数，以矩阵形式存储；
步骤2：启动电子枪1，电子枪1产生的电子束经过聚焦线圈3产生的电磁场，汇集成焦斑投射到电子束靶材7中的一条电子束焦斑路径5上；可以通过X射线束的直线、弧形或环形的扫描方式获得足够数量的射线投影值来实现图像重建。
通过偏转线圈4内变化的电流产生的电磁场控制电子束焦斑在电子束靶材7上高速运动；在电子束焦斑路径5上产生X光源阵列；代替传统CT装置通过机械移动产生多个X光源点的方法。
如图1所示，电子束靶材7的倾斜表面上分布这四条电子束焦斑路径5，其中N＝4；电子束2三维扫描过程如下：
在偏转线圈4的电学控制下，电子束焦斑首先沿着距离偏转线圈最近的电子束焦斑扫描路径5高速运动。到达路径端点后，电子束焦斑平移至第二条电子束焦斑扫描路径5上继续高速移动，直至焦斑在第四条电子束焦斑扫描路径5上完成扫描。扫描过程结束后会获得一帧三维重建图像所需的投影数据量，若要成像速率大于或等于1000帧/秒，则需要在1秒内持续完成上述过程至少1000次。
电子束2扫描过程中，电子束偏移监测箔片6监测电子束焦斑是否偏离电子束焦斑路径5；电子束图像采集监测装置16监测电子束2的出束和亮度是否正常。水冷装置13不间断对电子束靶材7进行冷却。
步骤3：电子束照射到靶材上后，通过韧致辐射原理产生X光。X光射出真空罩14后，进入扫描区域17，经过衰减；衰减后的X光子被X射线探测器面板型阵列12的每个探测器单元收集并输出透射光子数值矩阵；X射线探测器面板型阵列12输出的是电学脉冲信号，在经过前置信号放大器、主放大器和脉冲整形电路后，信号被整形为方波脉冲；方波脉冲经过单通道或多通道射线能量筛选电路被分类或过滤清除后，通过脉冲计数装置对每个通道的方波脉冲个数进行计数，计数结果最终以矩阵形式输出至计算机中完成保存。；
步骤4：根据步骤3得到的透射光子数值矩阵和步骤2得到的X光源阵列与X射线探测器面板型阵列12的空间位置矩阵，通过解析式或迭代式重建算法即可获得扫描区域17内介质情况。如图1所示，本实施例中扫描介质为水，最终可以得到扫描区域17内气泡在水中的分布情况。
图1和图2中的扫描区域17只是示例性的给出了存在工业生产中常见矩形通道内气液两相流结构。由于X射线束的穿透性较差，因此矩形通道管壁可以选择如钛合金这样的结构强度高且原子序数低的材料。同时在保证管道承压性能的基础上，应尽量减薄矩形通道管壁的壁厚。
本发明中X射线探测器面板型阵列12示例性选择的是长和宽均为1cm，厚度为2cm的CdZnTe半导体单元组成。X射线探测器面板型阵列12可以为线性阵列、曲线形阵列、板形阵列或曲面形阵列。
本发明与现有的CT成像系统相比，采用电子束高速扫描的方式避免滑环的使用，极大的提高了X射线扫描速度。进而可以获得高时间与空间分辨率的重建图像序列，在计算能力足够的情况下，可以实现实时成像。该装置特有的高速与图像高分辨率特性，使其在医疗、工业、科研和安检等领域有着很大的应用价值。本发明方法可以直接对扫描区域内的研究对象进行三维扫描并成像，取代了传统CT装置获得的二维切片式影像学图片。如果用于医疗检查器械中，可以提高医学影像科接收患者的效率，减小患者因受照时间长带来的辐射剂量超标风险；三维影像学几何模型中病灶显像得更清楚，异物尺寸更易精确且清晰确定。
Claims (10)
1.一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，包括真空罩（14），真空罩（14）内按照电子束传播路径依次包括电子枪（1）、聚焦线圈（3）、偏转线圈（4）和电子束靶材（7）；电子束照射到靶材上后，产生X光；X光射出真空罩（14）后依次经过扫描区域（17）和X射线探测器面板型阵列（12）；扫描区域（17）包括扫描介质（10）；真空罩（14）上设置有涡轮分子泵（15），电子束靶材（7）对应位置设置有电子束图像采集监测装置（16）；电子束靶材（7）的倾斜表面上固定安装有N个电子束偏移监测箔片（6），电子束偏移监测箔片（6）和电子束焦斑扫描路径（5）平行且相间布置；电子束偏移监测箔片（6）监测电子束焦斑是否偏离电子束焦斑扫描路径（5）；电子束图像采集监测装置（16）监测电子束（2）的出束和亮度是否正常。
2.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述电子束靶材（7）对应位置设置有水冷装置（13）；水冷装置（13）围绕电子束靶材（7）设置或设置在电子束靶材（7）一侧。
3.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述扫描介质（10）设置在容器（9）内。
4.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述电子束靶材（7）的倾斜表面与X射线探测器面板型阵列（12）相对布置。
5.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述聚焦线圈（3）为环形和多边形中的一种；偏转线圈（4）为条形、弧形和圆环形中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述电子束靶材（7）为棱柱形和环形中的一种；电子束偏移监测箔片（6）为直线形、折线形和曲线形中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述X射线探测器面板型阵列（12）为线性阵列和弧形阵列中的一种；X射线探测器面板型阵列（12）同一行或同一列的探测器单位与电子束焦斑扫描路径（5）平行；偏转线圈（4）的长边与电子束焦斑扫描路径（5）平行。
8.根据权利要求1所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，所述X射线探测器面板型阵列（12）和真空罩（14）均为可移动装置。
9.根据权利要求2所述的一种三维超快X光CT成像系统，其特征在于，还包括控制装置，控制装置连接X射线探测器面板型阵列（12）、涡轮分子泵（15）、电子枪（1）、聚焦线圈（3）、偏转线圈（4）和水冷装置（13）。
10.一种如权利要求1～9任一所述一种三维超快X光CT成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：启动涡轮分子泵（15），真空罩（14）内的压力维持在10-5Pa；启动X射线探测器面板型阵列（12）进行光子暗计数，采集环境本底计数，以矩阵形式存储；
步骤2：启动电子枪（1），电子枪（1）产生的电子束经过聚焦线圈（3）产生的电磁场，汇集成焦斑投射到电子束靶材（7）中的一条电子束焦斑扫描路径（5）上；通过偏转线圈（4）内变化的电流产生的电磁场控制电子束焦斑在电子束靶材（7）上高速运动；在电子束焦斑扫描路径（5）上产生X光源阵列；
步骤3：电子束射出真空罩（14）后，进入扫描区域（17），经过衰减；衰减后的X光子被X射线探测器面板型阵列（12）收集并输出透射光子数值矩阵；
步骤4：根据步骤3得到的透射光子数值矩阵和步骤2得到的X光源阵列与X射线探测器面板型阵列的空间位置矩阵，通过解析式或迭代式重建算法即可获得扫描区域（17）内介质情况。
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