CN205758588U - 一种x射线数字成像系统 - Google Patents

Abstract

一种X射线数字成像系统，涉及X射线成像。设PC端、高压发生器、X射线球管、伺服系统、X射线探测器；PC端与高压发生器的一端相连，另一端和X射线球管相连；伺服系统设有三轴伺服运动平台和三轴伺服控制器，三轴伺服运动平台设有升降台、平移台和载物台，三轴伺服控制器一端和PC端相连，三轴伺服控制器控制三轴伺服运动平台的运动；X射线探测器固定在升降台上，升降台固定在平移台上，升降台跟随平移台一起运动；X射线探测器对信号进行采集，将信号传输回PC端，被测样品放置在载物台上，跟随载物台一起旋转运动；PC端对探测器采集到的数据进行锥形束半圆周采样CT三维重建算法计算，可得被测样品的CT图像，分辨率高，对比度好。

Description

一种X射线数字成像系统

技术领域

本实用新型涉及X射线成像，尤其是涉及一种X射线数字成像系统。

背景技术

当今生物医学上的X射线成像系统主要是DR成像系统和CT成像系统，而DR成像是生成二维图形，CT成像是生成三维立体图形。利用X射线CT成像技术及系统作为一种图形成像的手段，它对一些生物医学疾病的诊断发挥着举足轻重的作用。

中国专利CN 104545963 A公开相邻双X射线源CT成像系统及其应用，该系统包括X光源和探测器；所述X光源为相邻双X光源，所述相邻双X光源与所述探测器正相对设置；所述相邻双X光源发射的光子剂量相同；所述相邻双X光源平行于旋转平面。

发明内容

本实用新型的目的在于提供CT图像分辨率高、低成本的一种X射线数字成像系统。

本实用新型设有PC端、高压发生器、X射线球管、伺服系统、X射线探测器；PC端与高压发生器的一端相连，高压发生器的另一端和X射线球管相连，由X射线球管发出X射线；伺服系统设有三轴伺服运动平台和三轴伺服控制器，三轴伺服运动平台设有升降台、平移台和载物台，三轴伺服控制器的一端和PC端相连，三轴伺服控制器控制三轴伺服运动平台的运动；X射线探测器固定在升降台上，升降台固定在平移台上，升降台跟随平移台一起运动；X射线探测器对信号进行采集，并将信号传输回PC端，被测样品放置在载物台上，跟随载物台一起旋转运动；PC端对探测器采集到的数据进行锥形束半圆周采样CT三维重建算法计算，可得到被测样品的CT图像，且CT图像的分辨率高，对比度好。

所述X射线探测器可采用单/少像素X射线探测器，单/少像素X射线探测器采用16像素点阵，即单列16像素均匀分布的形式进行布局，单/少像素的概念即在这里。单/少像素X射线探测器跟随升降台和平移台一起运动，可以在大面积的范围内进行二维扫描，采集到丰富的投影信息和点阵信号，可以实现低成本、高分辨率的CT成像。

所述单/少像素X射线探测器包括传感器与数据采集控制电路两部分。

所述传感器可采用日本滨松集团制造的16元素硅光电二极管作为传感器，通过感应不同X射线强度将光信号转换为电信号，型号为S5668-121。虽然单纯的硅光电二极管波长响应范围在X射线波长之外，但将该16元素硅光电二极管与CsI(TI)闪烁体结合起来，就能够运用于X射线检测与CT成像中。

所述数据采集控制电路可采用ST意法半导体生产的STM32F407作为微控制器MCU，以ADI亚德诺生产的AD转换芯片作为AD模数转换器，利用MCU自带的FSMC接口依次读取S5668-121硅光电二极管传感器转换出的16元素探测点信号，并通过RS-232串行接口实时发送至PC端，以供后续CT三维重建算法使用。

本实用新型的技术效果在于：本实用新型提供一种低成本X射线CT成像系统，该系统的使用16像素点阵X射线探测器，造价的成本低，而且可以实现大面积二维扫描，使用方便。本实用新型可以推动X射线成像技术和系统的进步和改革，提高CT图像的对比度和分辨率。

本实用新型无疑对现有X射线成像技术的发展具有重大的革命性的意义。本实用新型利用单/少像素X射线探测器的二维扫描实现大面积高分辨的成像，为解决生物医学CT图像成本高、分辨率低、对比度差等问题提供一种可行的解决方案。X射线CT成像系统的低成本、数字化，成为了本实用新型所关注的重点。

本实用新型采用相邻双X射线源同时工作，一方面可以降低每个光源的工作功率从而延长射线管的使用寿命，另一方面可以有效减少图像的运动伪影。本实用新型的实现成本低，不需要对现有的CT设备做很大的结构改进；可以应用于医疗CT或放射曝光剂量较大的工业CT中。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型实施例设有PC端1、高压发生器2、X射线球管3、伺服系统、X射线探测器5；PC端1与高压发生器2的一端相连，高压发生器2的另一端和X射线球管3相连，由X射线球管3发出X射线；伺服系统设有三轴伺服运动平台和三轴伺服控制器44，三轴伺服运动平台设有升降台41、平移台42和载物台43，三轴伺服控制器44的一端和PC端1相连，三轴伺服控制器控制三轴伺服运动平台的运动；X射线探测器5固定在升降台41上，升降台41固定在平移台42上，升降台41跟随平移台42一起运动；X射线探测器5对信号进行采集，并将信号传输回PC端1，被测样品放置在载物台43上，跟随载物台一起旋转运动；PC端对探测器采集到的数据进行锥形束半圆周采样CT三维重建算法计算，可得到被测样品的CT图像，且CT图像的分辨率高，对比度好。

所述X射线探测器可采用单/少像素X射线探测器，单/少像素X射线探测器采用16像素点阵，即单列16像素均匀分布的形式进行布局，单/少像素的概念即在这里。单/少像素X射线探测器跟随升降台和平移台一起运动，可以在大面积的范围内进行二维扫描，采集到丰富的投影信息和点阵信号，可以实现低成本、高分辨率的CT成像。

所述单/少像素X射线探测器包括传感器与数据采集控制电路两部分。

所述传感器可采用日本滨松集团制造的16元素硅光电二极管作为传感器，通过感应不同X射线强度将光信号转换为电信号，型号为S5668-121。虽然单纯的硅光电二极管波长响应范围在X射线波长之外，但将该16元素硅光电二极管与CsI(TI)闪烁体结合起来，就能够运用于X射线检测与CT成像中。

所述数据采集控制电路可采用ST意法半导体生产的STM32F407作为微控制器MCU，以ADI亚德诺生产的AD转换芯片作为AD模数转换器，利用MCU自带的FSMC接口依次读取S5668-121硅光电二极管传感器转换出的16元素探测点信号，并通过RS-232串行接口实时发送至PC端，以供后续CT三维重建算法使用。

高压电源是给X射线球管提供直流高电压及电流并保持电压电流稳定的装置，一般由升压变压器、灯丝变压器、高压整流滤波、电压电流调整及稳定、冷却及相关安全保护等部件构成。对于X射线管来说，有三个需要控制的物理量，分别是管电压、管电流和照射时间：X射线管的管电流大小直接影响X射线单位时间内的量，X射线管的管电压大小影响X射线的穿透力。管电压、管电流和照射时间共同决定X射线剂量的大小，因此保持管电流和管电压的稳定对与保证出射X射线的质量以及剂量管控是至关重要的。

所述高压电源采用威斯曼高压电源提供的XRB系列150W高压电源，能提供高压输出、完整的控制信号和多种辅助功能，可输出稳定的小纹波电压和电流。该型高压电源具有外部互锁功能，能够与辐射防护装置和测温组件配合，在防护装置被人为开启以及X射线管温度过高时切断供电。

X射线球管包含有阳极和阴极两个电极，分别用于接受电子轰击的靶材和发射电子的灯丝。X射线球管是用于产生X射线的装置。

所述X射线球管采用上海科颐维电子提供的KYW800型小功率固定阳极正负电压X射线球管：功率80W，阳极电压80kV，阳极电流1mA，焦点尺寸1mm，铍窗厚度200μm，X射线辐射角20°，灯丝电压约2.5V，灯丝电流约2A；采用黄铜外壳封装，提高了散热性能和辐射屏蔽性能，采用风冷方式，内灌绝缘油用于高压绝缘和冷却。

所述伺服系统用于调整单/少像素X射线探测器和样品的空间位置，由三轴伺服运动平台和三轴伺服控制器组成。

所述伺服系统采用赛凡光电提供的7S系列三轴伺服运动平台及7SC3系列三轴伺服控制器，7S系列三轴伺服运动平台包括7STA04A牧马系列电动平移台、7SVA160千斤顶系列升降台、7SRA1蜗轮系列电动载物台。7S系列三轴伺服运动平台通过RS-232串口与7SC3系列三轴伺服控制器连接通讯，可自动实现位移调整：利用控制器的微步进电路设计细分步距角，提高位移分辨率；可以设置多种自动运行方案，控制一个或多个平台以不同的速度、位移量、延时量自动重复完成设定的动作。

所述单/少像素X射线探测器传感器部分采用日本滨松集团制造的16元素硅光电二极管作为传感器，通过感应不同X射线强度将光信号转换为电信号，型号为S5668-121。虽然单纯的硅光电二极管波长响应范围在X射线波长之外，但将该16元素硅光电二极管与CsI(TI)闪烁体结合起来，就能够运用于X射线检测与CT成像中。

单/少像素X射线探测器所用硅光电二极管的波长响应范围为340-1100nm，峰值敏感波长为960nm，峰值波长光灵敏度为0.54-0.66A/W。所用CsI(TI)闪烁体的X射线敏感度为6.8nA。每个元素具有1.175mm*2.0mm的有效探测面积，相邻间距为1.575mm，整体16元素线性排列在25.4mm长的PCB电路板上，相当于共具备了16个探测点。

所述单/少像素X射线探测器数据采集控制电路部分采用ST意法半导体生产的STM32F407作为微控制器MCU，以ADI亚德诺生产的AD转换芯片作为AD模数转换器，利用MCU自带的FSMC接口依次读取S5668-121硅光电二极管传感器转换出的16元素探测点信号，并通过RS-232串行接口实时发送至PC端，以供后续CT重建算法使用。

S5668-121硅光电二极管传感器转换出的16元素探测点信号经过信号调理、采样保持(S/H)、多路复用(MUX)等过程将信号输出连接至AD转换芯片模数转换器的输入接口，AD转换芯片将输入接口上的模拟信号转换为数字信号，同时并行传送给MCU以供后续处理。MCU利用自带的FSMC(可变静态存储控制器)接口快速稳定读取AD转换芯片转换后的传感器信号，数据传送效率高，实时性强。MCU将读取到的传感器信号通过RS-232串行接口实时发送至PC机。

AD转换芯片内置有模拟输入箝位保护、跟踪保持放大器、二阶抗混叠滤波器、16位逐次逼近型ADC、数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速并行和串行接口。采用单电源5V供电，可处理±5V和±10V真双极性输入信号，同时6个通道均能以200kSPS的吞吐速率采样。输入箝位保护电路可承受高达±16.5V的电压。AD转换芯片具有片内滤波和高输入阻抗，无需驱动运算放大器和外接双极性电源供电等特性。抗混叠滤波器的3dB截止频率为22kHz；当采样速率为200kSPS时，其具有40dB抗混叠抑制特性。AD转换芯片封装采用64脚LQFP形式，具有体积小、重量轻、可工作于-40～+80℃内的恶劣环境、抗干扰性强等特点。

FSMC(Flexible Static Memory Controller，可变静态存储控制器)是MCU系列中特有的存储控制机制。之所以称为“可变”，是由于通过对特殊功能寄存器的设置，FSMC能够根据不同的外部存储器类型，发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度，从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器，而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器，满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。

MCU对AD转换芯片的采样频率、过采样倍数、采样信号输入范围等参数设定好后，就可以启动AD转换芯片对传感器输出信号进行采样与转换。我们将AD转换芯片内部模数转换后暂存数据的数据寄存器看成一种存储器，通过MCU的FSMC接口与AD转换芯片输出接口相连，分别设定好地址建立、保持时间、数据建立时间、时钟分频系数、FSMC访问模式等参数后，就可以使用FSMC接口快速稳定读取转换后的数据，并经由RS-232串口发送至PC机。

通过上述高压电源、X射线球管、伺服系统(三轴伺服运动平台、三轴伺服控制器)、单/少像素X射线探测器的系统我们可以得到利用单/少像素X射线探测器的二维扫描实现大面积高分辨率CT图像成像的方法，具体如下所述：

高压电源与X射线球管相连，使X射线球管产生X射线，X射线照射在待测样品上，经样品吸收衰减后在单/少像素探测器传感器上形成不同强度的光强。单/少像素探测器通过RS-232串口线与PC机的RS-232串口相连，将得到的某时刻光强经过处理后转换为数字信号并经由RS-232串口发送至PC机。PC机上再执行半圆周采样重建算法得到CT图像。

由于单/少像素探测器只具备16个探测点，为了得到常用的256*256或512*512乃至更多像素点的CT图像，我们需要利用伺服系统(三轴伺服运动平台、三轴伺服控制器)对单/少像素探测器与待测样品放置位置进行控制，以形成完整图像。

三轴伺服运动平台与三轴伺服控制器相连，三轴运动控制器通过RS-232串口线与PC机相连。

Claims (5)

1.一种X射线数字成像系统，其特征在于设有PC端、高压发生器、X射线球管、伺服系统、X射线探测器；PC端与高压发生器的一端相连，高压发生器的另一端和X射线球管相连，由X射线球管发出X射线；伺服系统设有三轴伺服运动平台和三轴伺服控制器，三轴伺服运动平台设有升降台、平移台和载物台，三轴伺服控制器的一端和PC端相连，三轴伺服控制器控制三轴伺服运动平台的运动；X射线探测器固定在升降台上，升降台固定在平移台上，升降台跟随平移台一起运动；X射线探测器对信号进行采集，并将信号传输回PC端，被测样品放置在载物台上，跟随载物台一起旋转运动。

2.如权利要求1所述一种X射线数字成像系统，其特征在于所述X射线探测器采用单/少像素X射线探测器。

3.如权利要求2所述一种X射线数字成像系统，其特征在于所述单/少像素X射线探测器采用16像素点阵。

4.如权利要求2所述一种X射线数字成像系统，其特征在于所述单/少像素X射线探测器包括传感器与数据采集控制电路。

5.如权利要求4所述一种X射线数字成像系统，其特征在于所述传感器采用日本滨松集团制造的16元素硅光电二极管作为传感器。