CN202305443U

CN202305443U - Ct系统

Info

Publication number: CN202305443U
Application number: CN2011203686734U
Authority: CN
Inventors: 邢宇翔; 李溪韵; 沈乐; 陈志强; 张丽; 李亮; 赵自然; 肖永顺
Original assignee: GRANPECT Co Ltd; Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Current assignee: GRANPECT Co Ltd; Tsinghua University; Nuctech Co Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-09-30

Abstract

本实用新型公开了一种CT系统。所述CT系统包括射线源、射线探测器、数据采集与处理单元、主控制器、相机组和标记组以及标记组处理单元，其中，所述标记组被固定在受检物体表面；所述相机组用来获得所述标记组在其上的投影；所述标记组处理单元根据所述投影得出所述标记组的初始位置以及旋转后的位置信息，从而计算得到受检物体的旋转矩阵和位移量。采用本实用新型CT系统对机械控制精度要求不高。

Description

CT系统

技术领域

本实用新型总体涉及X光计算机断层成像领域，且特别涉及一种CT系统。

背景技术

计算机断层成像（CT）是一种基于X射线扫描数据而得到受检物体图像，进而可以得知受检物体的内部信息的检测技术。该技术已经广泛应用于医疗、机械制造、航空航天、国防军工等领域。使用该技术得到的受检物体的图像具有清晰直观、分辨率高、便于分析和存储等优点。

传统CT的实现是基于X光机和高能加速器等X射线源对受检物体进行照射，并在对应的探测器采集数据，在扫描过程中通过CT系统的旋转架等的旋转平移等而使X射线在不同角度下穿过受检物体，从而得到受检物体不同位置的光强数据（也即扫描数据，又可称为投影数据），利用所得到的扫描数据可以重建出受检物体的断层图像。

传统CT系统需要精确地控制扫描过程中受检物体和加速器以及探测器的相对位置，以满足对断层图像重建所需的数据条件。因此传统CT系统通常包括射线源、射线探测器、数据采集与处理系统、主控制器以及机械控制系统，其中，所述射线探测器探测所述射线源发射的X射线并将其转换成数字信号以传送给数据采集与处理单元；所述射线源和所述数据采集与处理单元以及所述机械控制系统由所述主控制器控制。另外，机械控制系统用来控制受检物体和加速器（即射线源）以及射线探测器之间的相对位置。传统CT系统的机械控制系统通常包括直线导轨、旋转架等。由于该机械控制系统结构复杂，所以不仅使传统CT系统的整体成本高昂，而且为了保证系统的机械精度，安装一套这样的工业CT系统一般需要长时间的调试，对异形大尺寸受检物体还存在很大的机械布局和控制的实现困难。在工业应用中，这使得我们无法实现CT系统快速部署和移动，同时无法适应复杂环境。

另外，随着断层图像重建方法技术的发展，使得对于CT数据构成的要求得以降低。例如基于代数迭代的重建方法结合先验条件可以在几何关系不规律的有限扫描数据情况下实现对受检物体的断层图像的重建。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种对机械控制精度要求不高的CT系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型CT系统的技术方案包括射线源、射线探测器、数据采集与处理单元、主控制器，其中，所述射线探测器探测所述射线源发射的X射线并将其转换成数字信号以传送给所述数据采集与处理单元；所述射线源和所述数据采集与处理单元由所述主控制器控制，所述CT系统还包括相机组和标记组以及标记组处理单元，其中：

所述标记组被固定在受检物体表面；

所述相机组用来获得所述标记组在其上的投影；

所述标记组处理单元根据所述投影得出所述标记组的初始位置以及旋转后的位置信息，从而计算得到受检物体的旋转矩阵和位移量。

优选地，所述相机组包括以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机。

优选地，所述相机组包括以球面透镜作为镜头的面阵CCD相机。

其中，所述标记组中的标记点由单色反光材料制成或者具有单色反光材料的涂层。

所述相机组中的相机的镜头上添加有对应颜色的滤光片。

优选地，所述标记组至少包括三个标记点。

所述CT系统可以包括多个相机组且这多个相机组的视野范围能够覆盖在扫描过程中所述标记组中的所有标记点可能出现的区域。

优选地，所述相机组包括至少三个相机且这些相机分布在以被监视区域中心为中心的圆弧上。

进一步地，以所述中心为坐标原点建立坐标系，如果在xy平面内以被监视区域中心为中心的圆弧上分布了三个相机，则左右两个相机的镜头顺着z轴方向摆放而中间的相机的镜头平行于xy平面方向摆放。

与现有技术相比，本实用新型CT系统的有益效果为：

首先，由于本实用新型CT系统没有采用传统CT系统中的复杂的机械控制系统，而取代之的是相机组和标记组以及标记组处理单元。因此，本实用新型CT系统在机械控制方面的精度要求不高且容易安装和部署，从而具有更大的灵活性和适用性。

其次, 由于本实用新型采用将标记组固定在受检物体表面，也就是说标记组能够随着受检物体的旋转而旋转。这样根据标记组初始位置和旋转后的位置信息可以获得受检物体的旋转矩阵和位移量，再根据所述旋转矩阵和位移量以及重建参数就可以重建出CT图像。即使对于大型受检物体，通过本实用新型的技术方案也能够得到每次扫描后的精确几何关系从而使得对超大物体的CT检测成为可能。

再者，即使受检物体的运动受到外界因素干扰，仍能通过本实用新型CT系统得到准确的运动轨迹并实现精确重建，因此本实用新型CT系统的抗干扰性强。

附图说明

在下文中，将结合下列图形对本实用新型进行描述，其中，同样的附图标记表明同样的元素，在附图中：

图1示出了依据本实用新型CT系统的一个实施例的简化结构示意图；

图2示出了采用本实用新型CT系统的一个实施例进行图像重建的流程图；

图3为以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机的成像原理示意图；

图4为柱面透镜相对于标记点摆放的位置示意图；

图5示出了标记组的形态及方向向量定义的示意图；

图6为以待重建区域中心位置为坐标原点建立的坐标系的示意图；

图7是依据本实用新型的一个实施例进行多段直线CT扫描的简化布局；

图8是直线轨迹滤波反投影算法示意图；

图9是采用本实用新型的技术方案和采用传统方案分别得到的CT重建图像以及原始模型的示意图。

具体实施方式

下列详细说明实际上仅仅是示例性的，并非意图限制本实用新型或者本实用新型的应用和使用。如本文所使用的，词“示例性”意指“用作示例、例子或示范”。因此，本文被描述为“示例性”的任何实施例不必被解释为比其它实施例优选或有利。本文所描述的所有实施例都是示例性实施例，其被提供用来使得本领域技术人员能够制作或使用本实用新型，而并非限制本实用新型的范围，本实用新型的范围由权利要求来限定。

如图1所示，其示出了依据本实用新型的一个实施例的CT系统的简化结构示意图。在图1中，该示例性实施例所图示的CT系统包括射线源1、射线探测器2、数据采集与处理单元3、主控制器4，其中，所述射线探测器2探测所述射线源1发射的X射线并将其转换成数字信号以传送给所述数据采集与处理单元3；所述射线源1和所述数据采集与处理单元3由所述主控制器4控制。另外，本实用新型CT系统还包括相机组5和标记组7以及标记组处理单元6，其中：

所述标记组7被固定在受检物体表面；所述相机组5用来获得所述标记组7在其上的投影；所述标记组处理单元6根据投影得出所述标记组7的初始位置以及旋转后的位置信息，从而计算得到受检物体的旋转矩阵和位移量。

对于该旋转矩阵和位移量（也可称为平移量），它们是用来在三维解析几何、计算机视觉以及定位领域中描述物体位置和方向信息的常用量。旋转矩阵一般指在空间内某点旋转前后所在坐标系的对应关系。假设有一固定模型，该模型是一系列点坐标a的集合。如果对该模型进行平移则模型内所有点坐标满足a’=a+a₀, 其中a₀为模型的位移量，a表示平移前各点的坐标，a’为平移后各点的坐标；如果对整个模型进行旋转，则模型内所有点的坐标满足a’=aM，其中M例如可以为3×3的旋转矩阵，根据xyz轴各个方向旋转角度的大小可以唯一确定旋转矩阵中的各元素的数值。综上可知物体在三维空间内的运动引起的坐标变化可以由a’= aM+a₀表示。在本文中，旋转矩阵指受检物体初始位置所在坐标系与旋转后所在坐标系的对应关系。

其中，所述相机组5包括以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机。

另外，所述相机组5也可以包括以球面透镜作为镜头的面阵CCD相机。

对于所述标记组7中的标记点可以由单色反光材料制成或者具有单色反光材料的涂层。在所述相机组5中的相机的镜头上添加有对应颜色的滤光片。也就是说，如果标记点由绿色反光材料制成，那么在相机的镜头上应添加绿颜色的滤光片，这样可以滤去其它颜色的干扰。

此外，所述标记组7至少包括三个标记点。

其中，所述CT系统可以包括多个相机组5且这多个相机组5的视野范围能够覆盖在扫描过程中所述标记组7中的所有标记点可能出现的区域。

此外，所述相机组5可以包括至少三个相机且这些相机分布在以被监视区域中心为中心的圆弧上。以所述中心为坐标原点建立坐标系，如果在xy平面内以被监视区域中心为中心的圆弧上分布了三个相机，则左右两个相机的镜头例如顺着z轴方向摆放而中间的相机的镜头平行于xy平面方向摆放。

对于标记组处理单元6，其首先根据标记组7在相机组5上的投影得到标记组7的初始位置（此时，受检物体也处于初始位置，即受检物体未被旋转），然后再根据受检物体旋转后的标记组7在相机组5上的投影得到旋转后标记组7的位置信息。通过标记组7的初始位置和旋转后的位置信息即可得到受检物体的旋转矩阵和位移量，从而根据所得到的旋转矩阵和位移量，采用任何已知的CT图像重建方案就可以得到受检物体的CT重建图像。

下面，介绍一个柱面透镜的成像原理。如图3所示，当标记点71到线阵CCD相机的镜头的距离远远大于焦距时，其在焦平面位置的线阵CCD相机上的投影将是一个点，设该点的位置为z，对于线阵CCD，其输出为与单位时间内成像单元上光通量成正比的离散一维信号，通过寻找该信号峰值的位置便可确定投影点的位置，该投影与柱面透镜光心线和标记点71在同一平面内。对于标记组7中单个标记点71的定位过程，设柱面透镜的焦距为f，线阵CCD相机中心位置为z-₀，线阵CCD相机中心位置与柱面透镜光心线所在的平面定义为中心平面，标记点71所在平面与中心平面的夹角为θ，则有：。设中心平面法向量为n，柱面透镜光心线方向向量q，m=n×q，则标记点所在面的法向量n’为：n’=ncosθ-msinθ；设相机镜头中心位置为C₀，标记点71位置为C_i，则所确定的平面方程为：

;对于一个相机组5中三个不同的相机所确定出的三个不同的平面，根据三个平面确定一点的原理则有：

其中，C₀₁,C_02, C₀₃分别为三个相机的镜头中心位置，n₁’, n₂’, n₃’为每个镜头确定出的该标记点71所在平面的法向量，解此线性方程组即可得到标记点71的位置C_i。同理可以得到标记组7中其它标记点71的位置。

对于标记组7的位置信息，例如此标记组7具有三个标记点71，则其位置可以由四个向量来表示，分别是标记组中心位置C和三个描述标记组朝向的单位向量u,v,w，如图5所示，其示出了标记组7的形态及方向向量定义的示意图。在图5中，标记组7由三个标记点组成，设三个标记点的空间坐标分别为c₁,c₂,c-₃，则C=(c₁+c₂+c₃)/3，u=(c₁-C)/|c₁-C|，v=(c₂-C)/|c₂-C|，w=u×v，受检物体移动或旋转后标记组7的位置信息记为C’,u’,v’,w’。同理，C’,u’,v’,w’也可以根据上面描述计算得出。

相应地，如图2所示，其示出了采用本实用新型CT系统的一个实施例进行图像重建的流程图。在该图中，包括步骤：

1）将标记组7固定在受检物体表面并通过相机组5和标记组处理单元6得到所述标记组7的初始位置；

2）在每次受检物体被旋转到某位置后且在该某位置对受检物体进行扫描前通过相机组5和标记组处理单元6获得旋转后标记组7的位置信息；

3）根据所述标记组7的初始位置和旋转后的位置信息获得受检物体的旋转矩阵和位移量；

4）根据所述旋转矩阵和位移量以及重建参数来重建CT图像。

从上述可知，本方法通过将标记组7固定在受检物体表面并通过相机组5和标记组处理单元6得到标记组7的初始位置；在每次受检物体旋转后，也即标记组7旋转后再获得旋转后标记组7的位置信息。根据标记组7的初始位置和旋转后的位置信息即可得到标记组7的旋转矩阵和位移量，也就是受检物体的旋转矩阵和位移量，这是因为标记组7是固定在受检物体表面上的，这样标记组7就随着受检物体的旋转而旋转，所以通过比较标记组7旋转后的位置信息与标记组7的初始位置之间的旋转关系以及位移关系就可以得到受检物体旋转后的位置与受检物体初始位置之间的旋转关系以及位移关系。接着根据所述旋转矩阵和位移量以及重建参数等来重建CT图像。

其中，所述相机组5包括以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机。所述相机组5还可以包括以球面透镜作为镜头的面阵CCD相机。

其中，所述标记组7中的标记点由单色反光材料制成或者具有单色反光材料的涂层。相应地，在相机组5中的相机的镜头上添加有对应颜色的滤光片，这样可以滤去其它颜色的干扰。

经实验证明，所述标记组7至少包括三个标记点。

优选地，所述相机组5的数目为两个以上且这些相机组的视野范围能够覆盖在扫描过程中所述标记组7中的所有标记点可能出现的区域。

此外，所述相机组5包括至少三个相机且这些相机分布在以被监视区域中心为中心的圆弧上。

以所述中心为坐标原点建立坐标系，如果在xy平面内以被监视区域中心为中心的圆弧上分布了三个相机，则左右两个相机的镜头顺着z轴方向摆放而中间的相机的镜头平行于xy平面方向摆放。

下面以采用以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机组成的相机组5为例来详述本实用新型CT系统的技术方案，其中每一个相机组5由三个以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机，采用两个标记组（如图7所示），每个标记组包括三个标记点。

对于每一个线阵CCD相机组5的摆放，如图4所示，在该示例中以被监视区域中心o作为坐标原点建立坐标系，把三个线阵CCD相机51、52、53分别布置在半径为R的圆弧上，其中左右两个线阵CCD相机51和53的镜头顺坐标系的z轴方向摆放，中间的CCD相机的柱面镜头平行于xy平面方向摆放。关于线阵CCD相机51、52和53的视角、到目标区域的距离、在圆弧上的位置等参数可以根据实际系统的尺寸和精度要求而具体设定，例如当相机组5被用来监视1.5m×1.5m的方形区域内标记点71的位置，则可以把视角为30度的镜头摆放在距目标区域中心3m的位置，每个镜头之间在圆弧上相隔45度，来实现对标记点的拍摄以便确定其位置信息。

下面以待重建区域中心位置为坐标原点建立坐标系，如图6所示，把此坐标系定义为系统坐标系。

将标记组5固定在受检物体表面之后，通过相机组5和标记组处理单元6得到所述标记组7的初始位置，即（C,u,v,w），其中C为标记组中心位置坐标，u,v,w为描述标记组朝向的单位向量，即三个标记点的单位方向向量。受检物体移动或旋转后标记组7的位置信息记为（C’,u’,v’,w’）。

标记组方向向量构成的坐标系（图6中以C为原点uvw为坐标轴的坐标系）与系统坐标系（如图6所示）之间的对应关系为矩阵R，该矩阵R满足关系：

；

因此，

。

受检物体旋转后，也即标记组7旋转后的方向向量所构成的坐标系（图6中以C’为原点u’v’w’为坐标轴的坐标系）与系统坐标系（如图6所示）之间的对应关系为矩阵R’，该矩阵R’满足关系：

；

因此，。

则对于受检物体内的任意点，设其初始位置在系统坐标系下的坐标为a，以及在uvw坐标系下的坐标为a₀，旋转后在系统坐标系下的坐标为a’，则满足如下公式：

(a-C)R=a₀

(a’-C’)R’=a₀

通过上述公式可以得到坐标a’和a的关系为：

a’=aRR’^-1+C’-CRR’^-1,

因此，受检物体的旋转矩阵为和位移量

。

由于C为初始位置时标记组7中心位置坐标，C’为旋转后标记组7中心位置坐标，R和R’可以通过上面描述得出，因此可以得出受检物体的旋转矩阵为

和位移量

。

得到了受检物体的旋转矩阵和位移量之后，就可以根据该旋转矩阵和位移量，采用现有技术已知重建方案来重建CT图像。众所周知，现在存在很多种方法来重建CT图像，例如代数迭代法、滤波反投影法等等。

对于代数迭代方法，其公式如下：

，

其中f为重建图像的向量表示，g表示射线对应的投影值，H={h_ij}对应于每条射线与重建物体图像的几何关系，满足，其中每一个元素h_ij表示第i条射线穿过图像中第j个像素的长度。对于射线源1所发射的每条X射线，我们把其几何关系的定义为由射线源位置p和单位方向向量r来表示，也即每条射线由（p，r）来表示。则h_ij的数值可由像素j的位置和射线i的参数(p,r)来求解，即由（p,r）来确定直线方程并求其穿过像素j的长度，k表示迭代次数。

设第j条射线的参数为(r_j,p)的射线，其中r_j=(r_x,r_y,r_z)，p=(p_x,p_y,p_z)，由于每个像素的形状为正立方体，设第i个像素所表示的正立方体六个面分别在x₀; x₁; y₀; y₁; z₀; z₁位置，根据正方体的六个面定义该像素，则第i个像素的范围为x₀<x<x₁，y₀<y<y₁，z₀<z<z₁。则第i条射线所在直线方程为：x=p_x+t×r_x; y=p_y+t×r_y; z=p_z+t×r_z;其中t为直线参数。将z₀带入直线方程得t=(z- p_z)/r_z;x= p_x+(z- p_z)×r_x/r_z;y= p_y+(z- p_z)×r_y/ r_z，判断所得的x,y是否满足x₀<x<x₁，y₀<y<y₁，如果满足则记t_i=t，(i=1,2为符合该条件的t的编号)，以此类推分别带入z₁, x₀,x₁,y₀,y₁并找出符合条件的t₁和t₂，如果能找到两个符合条件的t，则h_ij=|t₁-t₂|，否则h_ij=0。

由于已经得出了受检物体的旋转矩阵

和位移量

，因此可以得出受检旋转后等效的X射线位置p’和方向r’：

p’=p₀R’R^-1+C-C’RR’^-1;

r’=r₀R’R^-1;

其中p₀,r₀为初始位置射线源1在系统坐标系中的位置和方向。

H_i=[h_i1…h_in]则表示第i条X射线的投影与所经过的像素的关系，满足g_i=H_if，其中n为图像的总像素数，g_i为第i条射线的投影值。代数迭代算法的核心思想就是通过解方程g=Hf中的f来得到断层图像。对于扫描得到的投影数据，按照以上方法对每条数据的射线进行迭代就可以重建出目标断层的图像。

对于滤波反投影方法，通常在机械条件能使扫描轨迹比较规律的情况下采用此方法进行CT断层图像重建。以多段直线CT扫描为例，如图7所示，扫描过程首先是射线源1和射线探测器2先相对于受检物体做直线轨迹扫描，之后再旋转受检物体，在下一个角度下进行直线CT扫描。在本例中配有两个相机组5和5’，这两个相机组5和5’的视野范围的间隔由预计的旋转角度决定。以三段直线CT扫描为例，射线源1的张角为60度，每次直线扫描后把受检物体旋转60度，两个相机组5和5’分别用来监视受检物体表面相隔60度的两个区域。初始标记组7放置在相机组5的视野范围内，旋转60度后标记组7出现在相机组5’的视野范围内，根据两个相机组5和5’确定的标记组7旋转前后的位置差异来得到受检测物体相对于初始位置的旋转矩阵和位移量，由旋转矩阵R_i和位移量C_i表示。

对于多段直线CT扫描，定义每一段扫描得到的投影数据为g_i(l,t)，如图8所示，l表示射线源和探测器在轨道上的位置，t表示探测器单元在探测器上的位置。对于每一段投影数据g_i，重建出对应的图像f_i，其公式为：

其中，p(l,t)为扫描所得到的投影数据，D表示射线源到探测器的距离，以重建图像中心为原点建立系统坐标系，z轴垂直于重建图像所在平面，其中a=(x,y,0)表示重建图像中像素的位置，l’=x-t/2-t×y/D表示t位置的探测器单元过(x,y)位置的像素所对应的射线源位置，h(l)为对应的SL或RL滤波函数。根据得到的f_i结合所得到的受检物体的旋转矩阵

和位移量

，在此基础上对每组数据进行图像融合，所得到的重建图像f为：

其中，a=(x,y,0)表示图像中像素的坐标，R_i=

，C_i=

如图9所示，其图示了受检物体的原始模型与采用本实用新型和非本实用新型方案得到的该受检物体的CT重建图像。在该图9中，中间一幅为，采用传统方案得到的CT重建图像；最左边为受检物体的原始模型，最右边为采用本实用新型CT系统得到的受检物体的CT重建图像。从此图9中可以看出，采用本实用新型CT系统得到的受检物体的CT重建图像更接近于该受检物体的原始模型。

尽管在本实用新型的上述详细说明中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应该理解存在大量的变体。还应当理解一个或多个示例性实施例仅是示例，并且不以任何方式限制本实用新型的范围、适用性或配置。相反，上述详细说明将为本领域技术人员提供便捷路线图以用于实施本实用新型的示例性实施例。应当理解在不脱离所附权利要求中所阐述的本实用新型范围的情况下，可以在示例性实施例中所描述的元素的功能和布置方面进行各种变化。

Claims

1. 一种CT系统，其包括射线源、射线探测器、数据采集与处理单元、主控制器，其中，所述射线探测器探测所述射线源发射的X射线并将其转换成数字信号以传送给所述数据采集与处理单元；所述射线源和所述数据采集与处理单元由所述主控制器控制，其特征在于，所述CT系统还包括相机组和标记组以及标记组处理单元，其中：

所述标记组被固定在受检物体表面；

所述相机组用来获得所述标记组在其上的投影；

2. 如权利要求1所述的CT系统，其中，所述相机组包括以柱面透镜作为镜头的线阵CCD相机。

3. 如权利要求1所述的CT系统，其中，所述相机组包括以球面透镜作为镜头的面阵CCD相机。

4. 如权利要求2或3所述的CT系统，其中，所述标记组中的标记点由单色反光材料制成或者具有单色反光材料的涂层。

5. 如权利要求4所述的CT系统，其中，所述相机组中的相机的镜头上添加有对应颜色的滤光片。

6. 如权利要求5所述的CT系统，其中，所述标记组至少包括三个标记点。

7. 如权利要求6所述的CT系统，其中，所述CT系统可以包括多个相机组且这多个相机组的视野范围能够覆盖在扫描过程中所述标记组中的所有标记点可能出现的区域。

8. 如权利要求7所述的CT系统，其中，所述相机组包括至少三个相机且这些相机分布在以被监视区域中心为中心的圆弧上。

9. 如权利要求8所述的CT系统，其中，以所述中心为坐标原点建立坐标系，如果在xy平面内以被监视区域中心为中心的圆弧上分布了三个相机，则左右两个相机的镜头顺着z轴方向摆放而中间的相机的镜头平行于xy平面方向摆放。