CN114813798B - 用于表征材料内部结构及成分的ct检测装置和成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置和成像方法，底座中央设有旋转轴，旋转轴上设有被测物端X轴，被测物端X轴上设有被测物端Y轴，被测物端Y轴上设有被测物端Z轴，被测物端Z轴上设有样品台；旋转轴一侧设有射线源端X轴，射线源端X轴上设有射线源端Y轴，射线源端Y轴上设有射线源端Z轴，射线源端Z轴上设有射线源；旋转轴另一侧设有探测器端X轴，探测器端X轴上设有探测器端Y轴，探测器端Y轴上设有探测器端Z轴和平板探测器，探测器端Z轴上设有光子计数探测器；本发明利用光子计数探测器能量分辨成像的优势，结合图像映射模型，弥补CT检测装置对材料成分表征的不足，实现等效原子序数成像。

Description

用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置和成像方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，尤其涉及一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置和成像方法。
背景技术
目前主要采用液相色谱、离子色谱、等离子体质谱、红外、XPS等技术对材料成分、纯度、杂质残留进行表征分析，而这些技术均为微量、有损型测试，无法满足宏观状态下产品的无损成分分析需求，因此，针对目前材料无损测试分析的科学技术问题，探索宏观、无损的成分表征方法具有重要意义。
X射线CT成像技术由于对材料进行宏观、无损的三维结构表征的优势，被广泛用于医疗、安检、工业无损检测等领域，但目前CT技术由于射线多色性以及成像伪影的原因，对材料内部的成分及密度测量还存在困难。近年来，随着X射线光子计数探测器技术的问世，促使新型X射线能谱技术应运而生，其能将每个入射光子按能量所属区间分别计数，通过设置电子学阈值消除暗电流噪声，提高图像信噪比，减少图像伪影，同时基于能量分辨能力，利用多种X射线能量成像，经处理可获得被扫描物体的原子序数等信息，实现高精度密度均匀性检测。将能谱技术与常规CT技术的优势相结合，可实现材料宏观、无损的内部结构与成分融合成像。
当前能谱CT技术的研究主要集中于扫描成像、数据采集、图像重建等方面，没有形成能谱CT技术的系统研究，因此，需要对能谱CT融合成像系统进行详细的装置设计、成像应用方法研究。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置和成像方法，本发明的CT检测装置包括光子计数探测器、平板探测器、射线源、机械运动机构，能够同时对检测样品进行无损结构及成分表征分析。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置，包括底座，所述底座中央设有旋转轴，所述旋转轴上设有被测物端X轴，所述被测物端X轴上设有被测物端Y轴，所述被测物端Y轴上设有被测物端Z轴，所述被测物端Z轴上设有样品台；
所述旋转轴一侧设有射线源端X轴，所述射线源端X轴上设有射线源端Y轴，所述射线源端Y轴上设有射线源端Z轴，所述射线源端Z轴上设有射线源；
所述旋转轴另一侧设有探测器端X轴，所述探测器端X轴上设有探测器端Y轴，所述探测器端Y轴上设有探测器端Z轴和平板探测器，所述探测器端Z轴上设有光子计数探测器；
所述被测物端X轴、射线源端X轴、探测器端X轴在所述底座上的投影在一条直线上。
进一步方案为，所述平板探测器用于检测样品内部结构成像，所述光子探测器用于检测样品内部成分成像。
本发明另一方面还提供了上述装置的成像方法，包括多能量段成像、切片重建、感兴趣区域扫描、等效原子序数表征，对被测物进行内部结构及成分表征，获得被测物内部结构和成分的融合成像结果。
进一步方案为，所述多能量段成像依靠光子计数探测器实现，对被测物的衰减投影信号进行能量阈值分段成像，将不易被平板探测器区分的信息在多能量段投影结合运算，实现直观分析评判。
进一步方案为，所述感兴趣区域扫描利用平板探测器对检测样品进行全局DR成像，通过DR图像感兴趣区域选取，结合成像坐标系与实际坐标系转化，利用机械运动实现感兴趣区域的光子计数探测成像；
所述成像坐标系与实际坐标系转化公式为：
(ΔXobj,ΔYobj)＝μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)/λflat
(ΔXobj,ΔYobj)＝μphoton*(Xphoton-roi-c-Xphoton-c,Yphoton-roi-c-Yphoton-c)/λphoton
式中(ΔXobj,ΔYobj)为实际被测物坐标系中感兴趣区域中心与被测物中心的偏移量，λflat和λphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的成像几何放大比，μflat和μphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的单像素实际尺寸，(Xflat-c,Yflat-c)为平板DR投影图像中物体的中心坐标，(Xflat-roi-c,Yflat-roi-c)为平板DR投影图像中选取的感兴趣区域中心坐标，同理，(Xphoton-c,Yphoton-c)和(Xphoton-roi-c,Yphoton-roi-c)分别为光子计数DR投影图像的中心坐标和感兴趣区域中心坐标；
在系统几何参数自动校准后，(Xflat-c,Yflat-c)与(Xphoton-c,Yphoton-c)的实际空间位置一致，依靠探测器端的X轴进行放大比调节，保证λflat＝λphoton，光子计数探测平面位置利用探测器端的Y轴与Z轴调整，调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)；若由于机械行程或探测条件导致λflat≠λphoton，则调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)*λphoton/λflat。
进一步方案为，所述等效原子序数表征利用光子对检测样品进行多能量段投影采集，通过切片重建将多能量段投影转为多能量段切片，结合等效原子序数计算公式进行映射，获得检测样品等效原子序数切片图像。
所述等效原子序数计算公式为：
Figure BDA0003650539910000031
其中
Figure BDA0003650539910000032
代表相除切片图像，/>
Figure BDA0003650539910000033
代表低能段切片图像，/>
Figure BDA0003650539910000034
为高能段切片图像，高、低能衰减系数可分解为光电效应与康普顿散射，fp(E)和fc(E)分别表示光电效应、康普顿散射与入射能量的关系，n取值3.94，在能量确定的情况下，将相除图像
Figure BDA0003650539910000035
和等效原子序数Z按三个参数的指数模型进行关系建立。
进一步方案为，将平板或光子计数探测器单能量段投影获取内部结构切片图像，并获取内部等效原子序数切片图像，在内部结构切片图像上将等效原子序数切片图像以不同颜色进行绘制，图像中心像素点为对齐基准，获得内部结构和成分的融合成像结果；
对于λflat≠λphoton的情况，等效原子序数切片图像需要进行λphoton/λflat倍缩放，在平板探测器获得的内部结构切片图像上，以图像中心像素点为对齐基准，绘制缩放后的等效原子序数切片图像，舍弃超过内部结构切片图像矩阵索引范围的像素点。
本发明的有益效果在于：
本发明的一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置和成像方法，通过CT扫描进行样品的成分表征，弥补液谱、质谱、红外、XPS等微量、有损型测试技术的不足，实现材料宏观、无损的内部结构与成分融合成像。检测装置主要包括光子计数探测器、平板探测器、射线源、机械运动机构，平板探测器对检测样品内部结构进行三维成像，光子计数探测器对检测样品关键位置成分状态进行表征；该CT检测装置的成像方法包括多能量段成像、切片重建、感兴趣区域扫描、等效原子序数表征；利用光子计数探测器能量分辨成像的优势，结合图像映射模型，弥补CT检测装置对材料成分表征的不足，实现等效原子序数成像，通过融合成像方法，最终实现被测物的内部结构与成分自动CT检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构图。
1：射线源；2：射线源端Z轴；3：射线源端Y轴；4：射线源端X轴；5：底座；6：样品台；7：被测物端Z轴；8：被测物端Y轴；9：被测物端X轴；10：旋转轴；11：探测器端X轴；12：探测器端Y轴；13：探测器端Z轴；14：平板探测器；15：光子计数探测器。
图2为本发明的探测中心调节流程图；
图3为本发明的系统成像几何参数自动调节流程图；
图4为本发明的感兴趣区域探测图；
图5为本发明实施例获取的不同能量段CT切片；a)高能量段CT切片，b)低能量段CT切片，c)多能量段融合CT切片；
图6为本发明实施例获取的单晶件能谱相除切片；
1)高纯Ti、2)Al、3)LiF、4)SiO2、5)Si、6)Al2O3
图7为本发明的内部结构和成分融合成像示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在任一实施例中，如图1所示，本发明的一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置，包括：包括底座5，所述底座5中央设有旋转轴10，所述旋转轴10上设有被测物端X轴9，所述被测物端X轴9上设有被测物端Y轴8，所述被测物端Y轴8上设有被测物端Z轴7，所述被测物端Z轴7上设有样品台6；
所述旋转轴10一侧设有射线源端X轴4，所述射线源端X轴4上设有射线源端Y轴3，所述射线源端Y轴3上设有射线源端Z轴2，所述射线源端Z轴2上设有射线源1；
所述旋转轴10另一侧设有探测器端X轴11，所述探测器端X轴11上设有探测器端Y轴12，所述探测器端Y轴12上设有探测器端Z轴13和平板探测器14，所述探测器端Z轴13上设有光子计数探测器15；
所述被测物端X轴9、射线源端X轴4、探测器端X轴11在所述底座5上的投影在一条直线上。
在一个具体的实施例中，本发明的CT检测装置，可通过被测物端X轴和Y轴的调节，保证被测物探测中心位于旋转轴线，调节方法如图2，系统首先进行几何参数校准，确定固定扫描条件下的几何放大比λ；之后判断被测物是否为回转体，如果被测物为回转体，则旋转轴转至90°，标记被测物成像最右侧边界坐标(X1,Y1)，再将旋转轴转至-90°，标记被测物成像最右侧边界坐标(X1,Y2)，调节被测物X轴使得被测物成像最右侧边界位于坐标(X1,(Y2+Y1)/2)，旋转轴转至0°，调节被测物Y轴使得被测物成像最右侧边界位于坐标(X1,(Y2+Y1)/2)；如果被测物不为回转体，旋转轴转至90°，调节被测物端X轴使被测物成像中心(Xoc1,Yoc1)位于图像中心(Xc,Yoc1)，被测物端X轴的移动距离为(Xc-Xoc1)*探测器像元尺寸/λ，之后旋转轴转至0°，调节被测物端Y轴使被测物成像中心(Xoc2,Yoc1)位于图像中心(Xc,Yoc1)，被测物端Y轴的移动距离为(Xc-Xo2)c*探测器像元尺寸λ/；调节完成后，被测物探测中心已位于旋转轴线，最后被测物端的Z轴进行被测物高度调节，可将被测物投影移至探测器成像中心，便于被测物成像。
在一个具体的实施例中，本发明的CT检测装置，利用射线源端的Y轴与Z轴调节射线束的中心位置，利用探测器端的Y轴调节探测器端的中心位置；利用射线源端和探测器端的X轴进行成像几何放大比调节，检测装置可实现CT系统成像几何参数自动调节，自动调节流程如图3，同时可对被测物感兴趣区域进行聚焦成像，保证检测全过程自动化。
在任一实施例中，本发明提供一种用于表征材料内部结构及成分的CT成像方法，所述CT成像方法包括多能量段成像、切片重建、感兴趣区域扫描、等效原子序数表征，能够对被测物进行内部结构及成分表征，获得被测物内部结构和成分的融合成像结果。
在一个具体的实施例中，本发明的CT检测方法，其中所述多能量段成像依靠光子计数探测器实现，对被测物的衰减投影信号进行能量阈值分段成像，将不易被平板探测器区分的信息在多能量段结合运算(权重加、减法)中凸显，实现直观分析评判。如图5，分别为高、低两个能量段下的CT切片图像，显示窗口为0～0.1，高能段的金属伪影弱于低能段(1号物体区域)，但低能段的对比度明显强于高能段(2号物体区域)，通过结合运算，可获得高对比度、低伪影噪声的多能量段融合图像结果。
在一个具体的实施例中，本发明的CT检测方法，其中所述感兴趣区域扫描如图4，利用平板探测器对检测样品进行全局DR成像，通过DR图像感兴趣区域选取，结合成像坐标系与实际坐标系转化，利用机械运动实现感兴趣区域的光子计数探测成像。
所述成像坐标系与实际坐标系转化公式为：
(ΔXobj,ΔYobj)＝μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)/λflat
(ΔXobj,ΔYobj)＝μphoton*(Xphoton-roi-c-Xphoton-c,Yphoton-roi-c-Yphoton-c)/λphoton
式中(ΔXobj,ΔYobj)为实际被测物坐标系中感兴趣区域中心与被测物中心的偏移量，λflat和λphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的成像几何放大比，μflat和μphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的单像素实际尺寸，(Xflat-c,Yflat-c)为平板DR投影图像中物体的中心坐标，(Xflat-roi-c,Yflat-roi-c)为平板DR投影图像中选取的感兴趣区域中心坐标，同理，(Xphoton-c,Yphoton-c)和(Xphoton-roi-c,Yphoton-roi-c)分别为光子计数DR投影图像的中心坐标和感兴趣区域中心坐标。
在系统几何参数自动校准后，(Xflat-c,Yflat-c)与(Xphoton-c,Yphoton-c)的实际空间位置一致，依靠探测器端的X轴进行放大比调节，保证λflat＝λphoton，光子计数探测平面位置利用探测器端的Y轴与Z轴调整，调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)；若由于机械行程或探测条件导致λflat≠λphoton，则调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)*λphoton/λflat。
在一个具体的实施例中，本发明的CT检测方法，其中所述等效原子序数表征利用光子对检测样品进行多能量段投影采集，通过切片重建将多能量段投影转为多能量段切片，结合等效原子序数计算公式进行映射，获得检测样品等效原子序数切片图像。
所述等效原子序数计算公式为：
Figure BDA0003650539910000081
其中
Figure BDA0003650539910000082
代表相除切片图像，/>
Figure BDA0003650539910000083
代表低能段切片图像，/>
Figure BDA0003650539910000084
为高能段切片图像，高、低能衰减系数可分解为光电效应与康普顿散射，fp(E)和fc(E)分别表示光电效应、康普顿散射与入射能量的关系，n取值3.94，在能量确定的情况下，可将相除图像
Figure BDA0003650539910000085
和等效原子序数Z按三个参数的指数模型进行关系建立。
通过三种以上标准物进行模型参数确定，相除切片图像依据关系模型可映射到等效原子序数切片图，所述标准物采用纯度不低于99.99％的单晶成型件。为进一步提升材料识别成像量化分析精度，检测样品应与标准物同时检测，并且检测样品的等效原子序数应在标准物的原子序数极值范围内。图6为本发明实施例上获取的单晶标准在相除切片图像，表1为依据关系模型映射得到的等效原子序数结果，结果显示标准件的等效原子序数识别误差小于3％。
表1能谱CT处理结果表
Figure BDA0003650539910000086
根据本公开的一些实施例的CT成像方法，其中所述内部结构和成分的融合成像过程如图7，利用平板或光子计数探测器单能量段投影获取内部结构切片图像，依据等效原子序数计算公式获取内部等效原子序数切片图像，在内部结构切片图像上将等效原子序数切片图像以不同颜色进行绘制，图像中心像素点为对齐基准，获得内部结构和成分的融合成像结果。
对于λflat≠λphoton的情况，等效原子序数切片图像需要进行λphoton/λflat倍缩放，在平板探测器获得的内部结构切片图像上，以图像中心像素点为对齐基准，绘制缩放后的等效原子序数切片图像，舍弃超过内部结构切片图像矩阵索引范围的像素点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (5)

1.一种用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置，其特征在于，包括底座，所述底座中央设有旋转轴，所述旋转轴上设有被测物端X轴，所述被测物端X轴上设有被测物端Y轴，所述被测物端Y轴上设有被测物端Z轴，所述被测物端Z轴上设有样品台；
所述旋转轴一侧设有射线源端X轴，所述射线源端X轴上设有射线源端Y轴，所述射线源端Y轴上设有射线源端Z轴，所述射线源端Z轴上设有射线源；
所述旋转轴另一侧设有探测器端X轴，所述探测器端X轴上设有探测器端Y轴，所述探测器端Y轴上设有探测器端Z轴和平板探测器，所述探测器端Z轴上设有光子计数探测器；
所述被测物端X轴、射线源端X轴、探测器端X轴在所述底座上的投影在一条直线上；
所述的用于表征材料内部结构及成分的CT检测装置的成像方法，包括多能量段成像、切片重建、感兴趣区域扫描、等效原子序数表征，对被测物进行内部结构及成分表征，获得被测物内部结构和成分的融合成像结果；
所述感兴趣区域扫描利用平板探测器对检测样品进行全局DR成像，通过DR图像感兴趣区域选取，结合成像坐标系与实际坐标系转化，利用机械运动实现感兴趣区域的光子计数探测成像；
所述成像坐标系与实际坐标系转化公式为：
(ΔXobj,ΔYobj)＝μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)/λflat
(ΔXobj,ΔYobj)＝μphoton*(Xphoton-roi-c-Xphoton-c,Yphoton-roi-c-Yphoton-c)/λphoton
式中(ΔXobj,ΔYobj)为实际被测物坐标系中感兴趣区域中心与被测物中心的偏移量，λflat和λphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的成像几何放大比，μflat和μphoton分别为平板探测器和光子计数探测器的单像素实际尺寸，(Xflat-c,Yflat-c)为平板DR投影图像中物体的中心坐标，(Xflat-roi-c,Yflat-roi-c)为平板DR投影图像中选取的感兴趣区域中心坐标，同理，(Xphoton-c,Yphoton-c)和(Xphoton-roi-c,Yphoton-roi-c)分别为光子计数DR投影图像的中心坐标和感兴趣区域中心坐标；
在系统几何参数自动校准后，(Xflat-c,Yflat-c)与(Xphoton-c,Yphoton-c)的实际空间位置一致，依靠探测器端的X轴进行放大比调节，保证λflat＝λphoton，光子计数探测平面位置利用探测器端的Y轴与Z轴调整，调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)；若由于机械行程或探测条件导致λflat≠λphoton，则调整量为μflat*(Xflat-roi-c-Xflat-c,Yflat-roi-c-Yflat-c)*λphoton/λflat。
2.如权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，所述平板探测器用于检测样品内部结构成像，所述光子计数探测器用于检测样品内部成分成像。
3.如权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，所述多能量段成像依靠光子计数探测器实现，对被测物的衰减投影信号进行能量阈值分段成像，将不易被平板探测器区分的信息在多能量段投影结合运算，实现直观分析评判。
4.如权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，所述等效原子序数表征利用光子对检测样品进行多能量段投影采集，通过切片重建将多能量段投影转为多能量段切片，结合等效原子序数计算公式进行映射，获得检测样品等效原子序数切片图像；
所述等效原子序数计算公式为：
Figure QLYQS_1
其中
Figure QLYQS_2
代表相除切片图像，/>
Figure QLYQS_3
代表低能段切片图像，/>
Figure QLYQS_4
为高能段切片图像，高、低能衰减系数可分解为光电效应与康普顿散射，fp(E)和fc(E)分别表示光电效应、康普顿散射与入射能量的关系，n取值3.94，在能量确定的情况下，将相除图像/>
Figure QLYQS_5
和等效原子序数Z按三个参数的指数模型进行关系建立。
5.如权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，将平板或光子计数探测器单能量段投影获取内部结构切片图像，并获取内部等效原子序数切片图像，在内部结构切片图像上将等效原子序数切片图像以不同颜色进行绘制，图像中心像素点为对齐基准，获得内部结构和成分的融合成像结果；
对于λflat≠λphoton的情况，等效原子序数切片图像需要进行λphoton/λflat倍缩放，在平板探测器获得的内部结构切片图像上，以图像中心像素点为对齐基准，绘制缩放后的等效原子序数切片图像，舍弃超过内部结构切片图像矩阵索引范围的像素点。
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