CN1994230A - X－ct扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X－CT扫描系统。包括主控制及数据处理计算机、底座、物体转台及其机械控制装置、X射线发生装置和数据采集系统，其中探测器的探测器阵列相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线垂直布置，且探测器阵列的一侧相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出一部分，该超出部分的长度小于物体转台的半径。本发明X－CT扫描系统的优点和积极效果在于：本发明利用仅覆盖物体横截面一半以上面积的X射线投影数据重建出完整的物体图像，和传统CT扫描系统相比最多能够节省一半的探测器尺寸，在保证图像重建质量的前提下，简化了X－CT的扫描系统，减少了扫描的投影数据量和图像重建的计算量。

Description

X-CT扫描系统

技术领域

本发明涉及一种X-CT扫描系统，尤其是一种探测器偏置的X-CT扫描系统。

背景技术

计算机断层成像技术(CT)在医疗诊断和工业无损检测中都有广泛的应用，在诸多的CT系统中应用最多的是扇形束或锥形束X-CT系统。由于CT圆轨道扫描方式要求的机械构造简单、便于实现，并且相应的重建算法成熟、可靠，因此，现有的X-CT扫描系统多数采用圆轨道的扫描方式，同时采用线阵(对应扇形束X-CT)或面阵探测器(对应锥形束X-CT)，探测器相对于X射线源到物体转台旋转中心的连线呈对称放置，或者在采用探测器微动技术情况下，允许稍有偏差。特别是在工业无损检测中，基于圆轨道扫描方式的X-CT系统一直占有重要地位，并沿用至今。

在圆轨道锥形束或扇形束CT重建算法中，应用最广泛的是卷积反投影算法(Filtered-backprojction algorithm，FBP)，该类算法具有数学公式简单、计算快速、易于实现等优点，例如著名的FDK算法就属于卷积反投影算法。但是，传统意义上的卷积反投影算法要求投影数据沿探测器方向上必须是非截断的，这就要求探测器在横向方向上必须具有足够的长度能够覆盖住完整的物体横断面。因此，当被测量物体体积较大时，需要X射线束具有足够的张角并且探测器的具有很大的尺寸才能够完全覆盖整个物体；这一点在某些应用中很难达到。

要检测大截面的物体，一个可行的办法就是采用二代扫描的方式：旋转+平移，通过多次扫描覆盖整个物体，再利用重排的方法获得完整的投影数据；但这种扫描方式费时费力，大大增加了系统的硬件复杂性和开销，同时数据量成倍增多，增加了计算量，降低了重建速度。

由CT扫描原理和重建理论出发，在圆轨道扫描下，数学上精确重建出完整的物体断层图像并不需要获得在360度范围内覆盖整个物体的完整投影数据，理论上讲，这些投影数据有一半的冗余，即有一半投影数据是重复的，因此精确重建出完整的物体断层图像，只需要获得该投影数据的一半即可。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种X-CT扫描系统，其不仅结构简单、成本低，而且能减少扫描的投影数据量和图像重建的计算量。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明采取以下方案：

本发明的X-CT扫描系统，包括主控制及数据处理计算机、底座、位于底座中部的用于放置待检查工件的物体转台及其机械控制装置、位于底座两侧的X射线发生装置和数据采集系统，其中，所述数据采集系统包括探测器、用于探测X射线投影数据及探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元，所述主控制及数据处理计算机用于负责X-CT系统运行过程的主控制，并对由数据采集系统获得的投影数据进行处理，重建出物体完整的三维图像，并通过显示器显示出来，其中在初始位置时，所述探测器的探测器阵列相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线垂直布置，且探测器阵列的一侧相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出一部分，该超出部分的长度小于物体转台的半径。

其中所述探测器阵列的一侧相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线的延长线超出1～5mm。

其中所述探测器为线阵探测器或面阵探测器。

其中所述X射线发生装置包括X射线加速器、X光机和放射性同位素。

(三)有益效果

本发明的X-CT扫描系统的优点和积极效果在于：本发明中，由于探测器阵列与X射线发生装置的X射线源相对于物体转台中心偏移布置，解决横向截断投影数据下的CT重建问题，包括扇形束CT和锥形束CT，使用时，待重建物体放置在物体转台的中心，利用仅覆盖待重建物体横截面一半以上面积的X射线投影数据重建出完整的物体图像，和传统CT扫描系统相比节省了部分探测器尺寸，在保证图像重建质量的前提下，简化了X-CT的扫描系统，减少了扫描的投影数据量和图像重建的计算量；同时，也在很大程度上降低了系统硬件成本。

附图说明

图1本发明的X-CT扫描系统的结构示意图；

图2是本发明中的探测器横向截断的扇形束X射线扫描方式结构示意图；

图3是本发明中的探测器横向截断的锥束X射线扫描方式结构示意图；

图4(a)是Shepp-Logan头模型模拟实验中，利用扇束探测器扫描数据重建的图像；

图4(b)是图4(a)中所述图像中间行的剖面线图；

图5是在450KeV的小CT系统上的对线对卡做的实验数据重建结果图。

图中：1.X射线发生装置；2.物体转台及其机械控制装置；3.主控制及数据处理计算机；4.探测器；5.探测器阵列；6.X射线源；7.底座。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。

参见图1和图2。图2中扇形束X射线只覆盖一半的待检查物体。本发明的X-CT扫描系统包括主控制及数据处理计算机3、底座7、位于底座7中部的用于放置待检查工件的物体转台及其机械控制装置2、位于底座7两侧的X射线发生装置1和数据采集系统。其中，所述数据采集系统包括线阵探测器、用于探测X射线投影数据及探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元，主控制及数据处理计算机3用于负责X-CT系统运行过程的主控制，并对由数据采集系统获得的投影数据进行处理，重建出物体完整的三维图像，并通过显示器显示出来。其中，线阵探测器阵列5的一侧相对于X射线发生装置1的X射线源6与物体转台中心连线的延长线平齐，即线阵探测器阵列5垂直于X射线源点和转台中心的轴线，并偏置在轴线一边放置，仅让探测器阵列一端稍过轴线即可。其中的X射线源采用X射线管、加速器射线源或同位素源，根据物体尺寸和应用背景而定。本发明中，数据采集系统中的探测器阵列比传统的CT系统少了一半的单元，整个采集系统涉及的投影数据也减少了一半。

整个CT系统的控制、数据传输、图像重建由计算机工作站完成，扫描控制信息、位置信息、投影数据等通过数据采集系统输入到计算机工作站中，由工作站完成物体的三维图像重建工作，最后在显示器上作三维显示。为到达精确的图像重建，X射线成像系统的应能够精确测量或标定以下系统参数：X射线源点到探测器阵列的距离D，X射线源点到转台旋转轴的距离R，X射线源点在成像屏上的映射位置P(u，v)，成像屏的象素尺寸d_x，转台的旋转角度θ。

本发明中使用了一种较成熟的、可以用在本发明中的X-CT扫描系统的重建算法。

该算法利用锥束重排方法，首先由探测器输出得到的360度范围内的截断的锥束投影数据重排成180度扫描范围内的平行束投影数据，然后利用卷积反投影算法重建出物体完整的三维图像。具体算法实现过程如下：

(1)在转台旋转轴设置虚拟探测器，由截断的锥束全扫描投影数据重排出180度扫描范围内在该虚拟探测器上的完整的平行束投影数据，：

$P_P(\mathrm{\θ},u,v)=P_F(\mathrm{\θ}-\arcsin \frac{u}{R},\frac{u{D}^2}{R\sqrt{D^2-u^2}},v),u\≥0$

$P_P(\mathrm{\&theta;},u,v)=P_F(\mathrm{\&theta;}+\arcsin \frac{u}{R}\&PlusMinus;\mathrm{\&pi;},\frac{-u{D}^2}{R\sqrt{D^2-u^2}},v),u<0$

上式中，P_P(θ，u，v)表示重排好的平行束投影数据，θ∈[0，π]，表示重排好的平行束在虚拟探测器上的横向坐标，D表示X射线源点到探测器的距离，R表示X射线源点到转台旋转中心的距离，L为重排好的平行束虚拟探测器宽度；

表示重排好的平行束在虚拟探测器上的纵向坐标，H为锥束CT探测器的高度，同时也是重排好的平行束虚拟探测器高度。P_F表示由CT系统探测器获得的投影数据。

由上面锥形束重排成平行束的公式我们可以看到，要重排得到180度扫描范围内的完整的平行束投影数据，我们只需要获得锥束CT系统在360度范围内u≥0或者u≤0的投影数据即可，也就是说只需要获得沿系统X射线源点到转台旋转中心连线一侧的探测器上的投影数据即可。这正是本专利最核心的内容。

(2)对重排好的投影数据按照行方向进行加权滤波

$P_{\mathrm{FP}}(\mathrm{\&theta;},u,v)=\left(\frac{R^2}{\sqrt{R^4+R^2{v}^2-u^2{v}^2}}{P}_P(\mathrm{\&theta;},u,v)\right)*h\left(u\right)$

其中，P_P(θ，u，v)为步骤(1)中重排好的平行束投影数据。h(u)为滤波函数，在这里我们采用S-L滤波函数，该函数的离散形式为：

$h\left(n\right)=\frac{-2}{{\mathrm{\&pi;}}^2(4n^2-1)},n=0,\&PlusMinus;1,\&PlusMinus;2,\mathrm{\&Lambda;}$

(3)将上面180度范围内的加权滤波后的平行束投影数据进行反投影，得到物体的完整三维图像。三维反投影公式如下：

$f(x,y,z)={\&Integral;}_0^{\mathrm{\&pi;}}{P}_{\mathrm{FP}}(\mathrm{\&theta;},u(x,y,\mathrm{\&theta;}),v(x,y,z,\mathrm{\&theta;}))\mathrm{d\&theta;}$

其中，(x，y，z)表示物体三维图像点在笛卡儿坐标空间的坐标，每个点反投影对应在虚拟探测器上的投影数据点坐标u(x，y，θ)，v(x，y，z，θ)由下面公式确定：

u(x，y，θ)＝ycosθ-x sinθ

$v(x,y,z,\mathrm{\&theta;})=\frac{z{R}^2}{(x\cos \mathrm{\&theta;}+y\sin \mathrm{\&theta;})\sqrt{R^2-u{(x,y,\mathrm{\&theta;})}^2}+R^2-u{(x,y,\mathrm{\&theta;})}^2}$

需要特别指出，上面重建公式是在X射线锥束扫描下的重建方法，而扇形X射线束扫描下的重建算法是该重建方法中包括的一种特殊情况，只需要把上面各重建公式中的变量v一项去掉即可，这里省略。

参见图3。图3中锥形束X射线只覆盖一半的待检查物体，除锥形束X射线、探测器为面阵探测器以外，其他结构与图1、图2所示相同。

本发明中，所述探测器阵列5相对于X射线发生装置1的X射线源与物体转台中心连线垂直布置，且探测器阵列5的一侧相对于X射线发生装置1的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出一部分，该超出部分的长度小于物体转台的半径，这样能够保证数据采集系统中的探测器阵列能够采集到物体一半以上面积的数据，都能够重建物体图像，因此都是可行的，比较优选的是探测器阵列5的一侧相对于X射线发生装置1的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出1～5mm。

图4(a)图4(b)、图5表示部分实验结果。图4(a)是Shepp-Logan头模型模拟实验中，利用扇束探测器扫描数据重建的图像；图4(b)是图4(a)中所述图像中间行的剖面线图；图5是利用450KeV面阵探测器小CT系统的投影数据对该算法的实验验证结果。该实验物体为线对卡，从重建结果上我们可以证明该算法能够在这种偏置布置探测器扫描情况下很好地重建物体图像，能够达到实际的工程要求指标。

本发明利用偏置探测器横向截断投影数据的X-CT扫描系统，属于在核技术应用领域中一种新的CT扫描系统，它的主要特征是在360度的X射线锥形或扇形束圆轨道扫描范围内，探测器阵列相对于系统旋转中心线偏在一边放置，探测器只覆盖被扫描物体的一半或一半多一点，利用偏置的探测器扫描到的一半的投影数据重建出完整的图像信息。

本发明的X-CT扫描系统的机械结构沿用原来的圆轨道扫描构架，不需要特别改动，仅仅需要把探测器作适当平移，使得探测器只覆盖物体截面的一半即可；也就是说和传统的CT扫描系统相比，本发明的扫描系统节省了一半的探测器尺寸，把CT系统整个扫描过程中的投影数据量减少为原来的一半，同时大大减少了CT系统中计算机硬件的开销，减少了扫描过程中的X射线的辐照剂量；相应的图像重建方法能够利用这种半探测器横向截断的投影数据准确的重建出物体的全部信息，并获得很好的重建图像质量。

以上为本发明的最佳实施方式，依据本发明公开的内容，本领域的普通技术人员能够显而易见地想到的一些雷同、替代方案，均应落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.X-CT扫描系统，包括主控制及数据处理计算机(3)、底座(7)、位于底座(7)中部的用于放置待检查工件的物体转台及其机械控制装置(2)、位于底座(7)两侧的X射线发生装置(1)和数据采集系统，其中，所述数据采集系统包括探测器(4)、用于探测X射线投影数据及探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元，所述主控制及数据处理计算机(3)用于负责X-CT系统运行过程的主控制，并对由数据采集系统获得的投影数据进行处理，重建出物体完整的三维图像，并通过显示器显示出来，其特征在于在初始位置时，所述探测器的探测器阵列(5)相对于X射线发生装置(1)的X射线源与物体转台中心连线垂直布置，且探测器阵列(5)的一侧相对于X射线发生装置(1)的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出一部分，该超出部分的长度小于物体转台的半径。

2.如权利要求1所述的X-CT扫描系统，其特征在于所述探测器阵列(5)的一侧相对于X射线发生装置(1)的X射线源与物体转台中心连线的延长线超出1～5mm。

3.如权利要求1所述的X-CT扫描系统，其特征在于所述探测器为线阵探测器或面阵探测器。

4.如权利要求1所述的X-CT扫描系统，其特征在于所述X射线发生装置(1)包括X射线加速器、X光机和放射性同位素。

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