CN203749433U - 一种初步校正锥束ct系统的单孔准直装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种初步校正锥束CT系统的单孔准直装置。本实用新型的单孔准直装置包括通孔板，通孔板具有通孔，通孔的孔径可变；其中，通孔板由多片旋转叶片组成，多片旋转叶片的中心形成通孔；通孔板安装在支撑体上；或者，通孔板具有多个孔径不同的通孔；单孔准直装置位于探测器之前；通孔的中心轴垂直于探测器的成像平面。本实用新型调节探测器的位移偏差时通过对投影的解析计算获得中心射线的投影点坐标，可实现像素级别精度；调节探测器的面外角度偏差时只需观察投影形状即可估计偏差的大小和方向，而不必进行投影图像处理；本实用新型的调节方法简单，易于实现，且精度较高，可同时适用于机架式和立式的锥束CT系统。

Description

一种初步校正锥束CT系统的单孔准直装置

技术领域

本实用新型涉及生物医学成像领域，具体涉及一种用于锥束CT系统初步几何位置校正的变孔径的单孔准直装置。

背景技术

锥束CT系统采用锥形束X射线和平板探测器对物体进行扫描成像，通常有机架式和立式两种结构，如图1所示。机架式系统扫描方式为X射线源和探测器相对安装在旋转机架上，物品旋转轴与机架旋转轴重合，扫描过程中物品不动，机架旋转使X射线源和探测器同时绕物品旋转；立式系统扫描方式为X射线源和探测器不动，转台旋转使物品绕转台旋转轴旋转进行扫描。锥束CT系统一般使用FDK算法进行三维重建，可实现极高的空间分辨率。但FDK算法要求锥束CT系统的几何结构满足：X射线源中心射线垂直落在探测器成像区域中心，且对于机架式结构的锥束CT系统，要求中心射线与机架旋转轴垂直相交，对于立式结构的锥束CT系统，要求中心射线与转台旋转轴垂直相交。但由于机械加工及安装精度等问题，X射线源、探测器、旋转轴的位置无法满足算法要求的理想几何关系。系统的几何偏差会引起重建图像中产生环状或带状伪影、模糊等，降低图像空间分辨率。因此，必须对锥束CT系统进行几何校正。

现有方法中，采用单孔准直的方法对锥束CT系统的探测器的位置进行校正。将具有通孔的装置放置在探测器和X射线源之间，通孔的轴垂直于探测器的平面且过探测器的成像区域中心，对通孔成像，根据通孔的投影斑形状判断探测器是否存在位移、角度偏差，并作出相应的调节，当且仅当X射线源中心射线沿通孔的轴向入射时，能够得到孔的投影，且孔的投影无形变，如圆孔的投影斑为正圆形。为实现较高的调节精度，通常采取小孔径或轴向较长的通孔，但由于高精度对孔成像的条件要求更为苛刻，往往导致初步调节时无法迅速判断需调节的偏差方向、大小，从而导致大量盲目调节，致使调节效率降低。

实用新型内容

本实用新型针对锥束CT系统的初步校正，提出一种能够快速准确校正X射线源和探测器相对几何关系的单孔准直装置，该装置能够同时适用于机架式和立式结构的锥束CT系统。

本实用新型的目的在于提供一种初步校正锥束CT系统的单孔准直装置。

本实用新型的初步校正锥束CT系统的单孔准直装置包括通孔板，通孔板具有通孔，通孔的孔径可变；单孔准直装置位于锥束CT系统的探测器之前；通孔的中心轴垂直于探测器的成像平面；其中，通孔板由多片旋转叶片组成，多片旋转叶片的中心形成通孔；通孔板安装在支撑体上；或者，通孔板具有多个孔径不同的通孔。

锥束CT系统包括机架式锥束CT系统和立式锥束CT系统。

本实用新型采用旋转叶片组成的通孔板，可通过旋转叶片的旋转改变通孔的孔径大小。支撑体可采用套筒，通孔板放置在套筒内，套筒的中心轴平行于通孔的中心轴。支撑体的主要作用是支撑通孔板，并方便调节通孔的大小，只须满足能够辅助使通孔位于探测器前，通孔的中心轴垂直于探测器的成像平面，且通孔与探测器的成像平面之间无任何阻隔。支撑体具有一定的刚度，以保证通孔中心轴垂直。

通孔板需要具有一定的厚度，且为衰减系数较大的材料制成，如铅、钢、铁和铜等，以满足对通孔板进行投影时能够得到通孔的投影，即在投影上能够清晰分辨出通孔的投影斑的边缘。通孔板的厚度与通孔的孔径成正比，而通孔板的线性衰减系数与通孔板的厚度成反比。通孔板的厚度一般为5mm以上，通孔的最小孔径在1mm以下，最大孔径3mm，即可满足调节需要。通孔的最小孔径在0.5～1mm之间。

组成通孔板的旋转叶片的旋转方式可以是侧置旋钮式调节（类似阀门），也可以是旋转式调节（类似相机光圈）。

改变通孔的孔径不仅可以通过旋转叶片实现，还可以通过依次替换不同孔径的通孔实现。

本实用新型要实现的效果是单孔准直：将通孔板放置在探测器的成像面前，使通孔的中心轴垂直于探测器的成像面且与探测器的成像区域中心相交，通过调节旋转叶片旋转改变通孔的孔径大小；通孔的孔径d由通过X射线的临界倾斜角度α决定，临界倾斜角度α与孔径d和通孔板的厚度l的满足关系：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{d}{l}$

由于X射线源为点源，只有当通孔的孔径很小时，中心射线能够沿通孔中心轴落在探测器上，才能得到通孔无形变的投影。此时，X射线源的中心射线垂直落在探测器的中心。

由于单孔准直效果的精度由通孔的尺寸决定，即通孔的孔径一定时，通孔越长准直效果越好；通孔的长度一定时，孔径越小准直效果越好，即α越小，单孔准直的精度越高。一般的，锥束CT三维重建要求探测器面外角度偏差最大为5°，则实际中可设定α≤5°。

本实用新型进一步包括多个通孔板，多个通孔板沿着通孔的中心轴排列，每个通孔板上相对应的通孔尺寸一致，可同时调节孔径大小，起到增加通孔长度的效果。

X射线源发出锥束射线，X射线源焦点位于X轴上，中心射线沿X轴传播，旋转台绕Z轴旋转，待调整的探测器位于UO₂V平面，O₂为待调整的探测器的成像中心。

本实用新型的优点：

本实用新型采用通孔的孔径可变的通孔板，可以在不变换装置的情况下，先采用大孔径进行粗调，然后再用小孔径进行高精度的调节，从而迅速判断需调节的偏差方向、大小；调节探测器的位移偏差时通过对投影的解析计算获得中心射线的投影点坐标，可实现像素级别精度；调节探测器的面外角度偏差时只需观察投影形状即可估计偏差的大小和方向，而不必进行投影图像处理；本实用新型的调节方法简单，易于实现，且精度较高，可同时适用于机架式和立式的锥束CT系统。

附图说明

图1为锥束CT系统的原理示意图，其中（a）为机架式锥束CT系统的原理示意图，（b）为立式锥束CT系统的原理示意图；

图2为几种探测器的几何误差情况的示意图，其中，（a）和（b）为探测器在XOZ平面的投影，（c）和（d）为探测器在XOY平面的投影，（e）为探测器在YOZ平面的投影；

图3为本实用新型的单孔准直装置的一个实施例的结构示意图；

图4为本实用新型的单孔准直装置的另一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本实用新型做进一步说明。

锥束CT系统的原理如图1所示，其中（a）为机架式锥束CT系统，（b）为立式锥束CT系统。S代表光源，中心射线沿X轴传播，XYZ坐标系是以中心射线和旋转轴建立的空间坐标，O为原点。UV坐标系是以实际探测器的中心行和中心列建立的平面坐标系，理想情况下，该平面平行于YOZ，且O2位于X轴上，U平行于Y，V平行于Z。待调整的探测器位于UV平面，O₂为待调整的探测器的成像中心。

图2为几种探测器的几何误差情况的示意图。其中，（a）和（b）为探测器在XOZ平面的投影，如图2（a）所示，探测器绕U轴旋转θ；如图2（b）所示，探测器的成像中心O₂距沿V轴距离O相差ΔV。图（c）和（d）为探测器在XOY平面的投影，如图2（c）所示，探测器绕V轴旋转β；如图2（d）所示，探测器的成像中心O₂距沿U轴距离O相差ΔU。如图2（e）所示，探测器绕X轴旋转η。

本实用新型的初步校正锥束CT系统的单孔准直装置可以通过如图3所示的结构实现。如图3所示，单孔准直装置包括通孔板1，通孔板具有通孔3，通孔的孔径可变；其中，通孔板1由多片旋转叶片4组成，多片旋转叶片4的中心形成通孔3；通孔板安装在支撑体2上。支撑体2为套筒。

本实用新型的单孔准直装置还可以通过如图4所示的结构实现。如图4所示，单孔准直装置包括通孔板1，通孔板1具有多个孔径不同的通孔3，本实施例中为4个孔径不同的通孔。

利用旋转叶片的单孔准直装置对机架式锥束CT系统的初步校正，包括以下步骤：

（1）放置单孔准直装置：

旋转机架，使探测器位于旋转轨迹的最低处，此时探测器的成像面向上。

将单孔准直装置竖直放置在探测器成像面上，使通孔3的中心轴尽量靠近探测器的成像中心，此时通孔3的中心轴垂直于探测器的成像面；保持单孔准直装置不动。

（2）调节探测器的位移偏差：

首先，移动单孔准直装置，使通孔3的中心轴对准探测器的成像中心。

调节旋转叶片4旋转，使通孔3的孔径较大，对通孔3成像。若得不到通孔3的投影，则调节旋转叶片4旋转增大通孔3的孔径，再次成像，如此重复直至得到通孔3的投影；若得到通孔3的投影，通常投影斑为椭圆，则计算出椭圆中心在UV平面上坐标，根据坐标值移动单孔准直装置，使通孔3的投影斑的中心落在UV平面的中心点。此时，通孔3的中心轴对准探测器的成像中心。也可能遇到特殊情况，即通孔3的投影斑为亮度均匀的圆，则应移动单孔准直装置使圆心落在UV平面的中心点。

然后，调节探测器的位移偏差。

保持单孔准直装置与探测器的相对位置不变。

对通孔3成像，观察投影斑形状，通常投影斑为亮度不均匀的椭圆，则向椭圆较暗一侧沿短轴适当移动探测器，再次对通孔3成像，观察投影斑的形状，如此重复直至调节探测器的位移不再能增加投影斑亮度。此时，探测器的位移偏差调节完毕。

也可能遇到特殊情况，即调节前通孔3的投影斑为亮度均匀的圆，则探测器不存在位移偏差。

（3）调节探测器的面外角度偏差：

观察通孔3的投影斑，若投影斑为椭圆，且椭圆长轴方向与U轴相交，则应调节探测器向椭圆较暗一侧绕U、V轴旋转适当角度，再次对通孔3成像，如此重复直至通孔3的投影斑为亮度均匀的圆；若投影斑为椭圆，且椭圆长轴方向与U轴（或V轴）平行，则应调节探测器向椭圆较暗一侧绕U轴（或V轴）旋转适当角度，再次对通孔3成像，如此重复直至通孔3的投影斑为亮度均匀的圆。此时，探测器的面外角度偏差调节完毕。

也可能遇到特殊情况，即调节前通孔3的投影斑为亮度均匀的圆，则探测器不存在面外角度偏差。

需说明，已有文献证明探测器的面内角度偏差对锥束CT重建图像质量影响不大，因此可通过一般方法调节。

此时，锥束CT系统中X射线源与探测器相对几何偏差调节完毕。

立式锥束CT系统中X射线源与探测器的相对几何偏差情况与机架式系统相同，因此调节原理相同。不同之处为单孔准直装置的放置方式。

利用旋转叶片的单孔准直装置对立式锥束CT系统的初步校正，包括以下步骤：

（1）放置单孔准直装置：

单孔准直装置与探测器一同放置在调节台上，通过放置垫块、支架等元件，将单孔准直装置水平放置在探测器前，使通孔3的中心轴尽量靠近探测器的成像中心，此时通孔3的中心轴垂直于探测器平面；保持单孔准直装置不动。

（2）调节探测器偏差：

参照前述对机架式锥束CT系统进行几何校正的过程，对立式锥束CT系统进行几何校正。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本实用新型，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种初步校正锥束CT系统的单孔准直装置，其特征在于，所述单孔准直装置包括通孔板（1），通孔板（1）具有通孔（3），通孔（3）的孔径可变；所述单孔准直装置位于锥束CT系统的探测器之前；所述通孔（3）的中心轴垂直于探测器的成像平面；所述通孔板（1）安装在支撑体（2）上；所述通孔板（1）由多片旋转叶片（4）组成，多片旋转叶片（4）的中心形成通孔（3）；或者，所述通孔板（1）具有多个孔径不同的通孔（3）。

2.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，所述支撑体（2）采用套筒，通孔板（1）放置在套筒内，套筒的中心轴平行于通孔（3）的中心轴。

3.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，所述通孔板（1）的材料采用铅、钢、铁和铜中的一种。

4.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，所述通孔板（1）的厚度与通孔（3）的孔径成正比，通孔板（1）的线性衰减系数与通孔板（1）的厚度成反比。

5.如权利要求4所述的单孔准直装置，其特征在于，所述通孔板（1）的厚度为5mm以上，所述通孔（3）的最小孔径在1mm以下，最大孔径3mm。

6.如权利要求4所述的单孔准直装置，其特征在于，所述通孔的最小孔径在0.5～1mm之间。

7.如权利要求4所述的单孔准直装置，其特征在于，临界倾斜角度α与通孔的孔径d和通孔板的厚度l的满足关系：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{d}{l}$

临界倾斜角度α≤5°。

8.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，组成通孔板（1）的旋转叶片（4）为侧置旋钮式，或者旋转式。

9.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，进一步包括多个通孔板（1），多个通孔板沿着通孔（3）的中心轴排列，每个通孔板上相对应的通孔尺寸一致。

10.如权利要求1所述的单孔准直装置，其特征在于，所述锥束CT系统包括机架式锥束CT系统和立式锥束CT系统。