專利名稱：成像系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及生物醫(yī)學成像技術，特別是對小動物進行數(shù)字X射線透射成像、斷層掃描成 像以及三維立體成像的成像系統(tǒng)及方法。
背景技術：
數(shù)字X射線透射成像技術是目前較為成熟的醫(yī)學成像技術，并已經(jīng)成功應用于臨床。該 技術對于骨組織的研究有著很重要的作用，能提供小動物詳細的結構信息。微型CT，也有人 稱之為顯微CT，與醫(yī)院用CT的區(qū)別主要是在空間分辨率上。醫(yī)院用CT的空間分辨率一般為毫 米數(shù)量級，而顯微CT的空間分辨率可以達到微米數(shù)量級。
申請?zhí)枮?00510135935. 1的中國發(fā)明專利申請公開了一種X-CT掃描系統(tǒng)，包括主控制及 數(shù)據(jù)處理計算機、底座、物體轉臺及其機械控制裝置、X射線發(fā)生裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其 中探測器的探測器陣列相對于X射線發(fā)生裝置的X射線源與物體轉臺中心連線垂直布置，且探 測器陣列的一側相對于X射線發(fā)生裝置的X射線源與物體轉臺中心連線的延長線平齊或超出一 部分，該超出部分的長度小于物體轉臺的半徑。該CT系統(tǒng)的特點是樣本旋轉，而光源和探測 器不動，這種成像方式在拍攝小動物的過程中， 一旦動物樣本發(fā)生移動，外形就會因運動扭 曲而產(chǎn)生形變，這樣在不斷旋轉投影的過程中，動物樣本始終處于運動形變的狀態(tài)，相對于 動物靜止的投影狀態(tài)會產(chǎn)生明顯的偽影，這種偽影稱為運動偽影，這種運動偽影會給樣本的 拍攝效果帶來很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供成像系統(tǒng)及方法，用于解決現(xiàn)有技術中存在的小動物 CT成像過程中發(fā)生的形變和運動偽影問題。 本發(fā)明提供一種成像系統(tǒng)，其包括 樣本載物臺，用于放置需成像的樣本； 射線源部分，用于發(fā)射射線； 射線探測采集部分，用于接收射線圖像；
旋轉控制部分，該旋轉控制部分兩端分別固定連接所述射線源部分與射線探測部分，用 于帶動所述射線源部分與射線探測部分旋轉；
計算機，用于向所述射線源部分、旋轉控制部分及射線探測采集部分發(fā)送控制指令，以 及接收所述射線探測采集部分接收到的圖像并進行成像處理。本發(fā)明還提供一種成像方法，該方法包括
A、 輸入期望的成像要求，計算相關參數(shù)，發(fā)送控制指令；
B、 射線源部分與射線探測部分固定在旋轉控制部分的兩端，根據(jù)所述控制指令，射線 源部分發(fā)射射線，射線探測部分采集射線透射過樣本后的投影圖像；
C、 對所述投影圖像進行成像處理。
由上可知，本發(fā)明提供的成像系統(tǒng)和方法中，X射線探測器、載物臺和X射線源由下至上 依次排列，它們的中心位于同一直線上，X射線源和探測器被固定在旋轉支架兩端，圍繞樣 本作圓周運動。這樣，采用本發(fā)明的方法進行樣本拍攝時，樣本在數(shù)據(jù)采集過程中保持水平 靜止的自然形態(tài)，在X射線源和探測器圍繞樣品旋轉采集數(shù)據(jù)的過程中，樣本始終保持初始 的形態(tài)，消除了樣本旋轉采集系統(tǒng)中由于運動而產(chǎn)生的小動物形變的運動偽影。


圖l是本發(fā)明實施例中的成像系統(tǒng)結構圖2是本發(fā)明實施例中的射線源控制器的結構圖3是本發(fā)明實施例中的旋轉機架的結構圖4是本發(fā)明實施例中旋轉機架上的平板探測器固定架和微焦點射線源固定架的俯視圖
圖5是本發(fā)明實施例中成像方法的流程圖； 圖6是本發(fā)明實施例中實驗大鼠的透視投影圖7是本發(fā)明實施例中在圖5中平面位置上重建的一張斷層圖像；
圖8是本發(fā)明實施例中對實驗大鼠頭部進行三維重建后立體繪制的效果圖。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例提供了對小動物進行成像的系統(tǒng)和方法，利用光源和探測器旋轉方式取代 了樣本旋轉方式，保持樣本靜止，光源和探測器繞其旋轉，解決了樣本旋轉帶來的形變和運 動偽影問題。
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的成像系統(tǒng)具體包括
計算機l，電機驅(qū)動器2，電動旋轉機構3，射線源控制器4，微焦點X射線源5，數(shù)據(jù)采集 設備6，平板探測器7，旋轉機架8，樣本載物臺IO。
微焦點X射線源5與射線源控制器4的一個接口相連，射線源控制器4的另一接口與計算機l的通信端口相連；平板探測器7與數(shù)據(jù)采集設備6相連，數(shù)據(jù)采集設備6通過數(shù)據(jù)傳輸線與計 算機1相連。
微焦點X射線源5和平板探測器7固定在旋轉機架8的兩端，旋轉機架8安裝在電動旋轉機 構3上，電動旋轉機構3直接被固定在底座上，然后通過底座安放在地面上。電機驅(qū)動器2的 一接口與電動旋轉機構3相連，另一接口和計算機l的通信端口相連。
樣本載物臺10直接被固定在底座上。
其中，
計算機l，用于設置并向射線源控制器4和電機驅(qū)動器2發(fā)送控制指令，并接收數(shù)據(jù)采集 設備6發(fā)送的數(shù)字X射線圖像，以及對該圖像進行成像處理。
電機驅(qū)動器2，通過通信串口與計算機l相連，用于接收計算機l發(fā)送的控制指令，根據(jù) 計算機l發(fā)送的指令，通過驅(qū)動電纜驅(qū)動電動旋轉機構3的轉動，從而帶動旋轉機架8兩端的 微焦點X射線源5和平板探測器7的旋轉。所述控制指令可以為設置旋轉速度以及旋轉步進數(shù) 的指令，電機驅(qū)動器2解析串口指令后，根據(jù)控制指令中攜帶的旋轉速度及步進數(shù)等信息驅(qū) 動電動旋轉機構3的轉動。
電動旋轉機構3，用于在電機驅(qū)動器的驅(qū)動下，帶動其兩端的微焦點X射線源5和平板探 測器7的旋轉。該電動旋轉機構可以為步進電機或伺服電機。
射線源控制器4，通過通信并口與計算機l相連，該通信并口可以為打印口。射線源控制 器4用于接收計算機1發(fā)送的控制指令，控制微焦點X射線源5的供電電源的通和斷，電源通則 射線源發(fā)出射線，電源斷則中斷射線發(fā)射。當射線源控制器4接收到計算機1發(fā)送的微焦點X 射線源5開的指令時，微焦點X射線源5發(fā)出射線，這時首先可以選擇需要的微焦點X射線源5 的焦點大小，在微焦點X射線源5焦點大小選定后選定射線管的電壓值，最后在一定的范圍內(nèi) 確定管電流值。
射線源控制器4的結構以及與微焦點X射線源5的連接方式如圖2所示，其實現(xiàn)原理為通 過并口的TTL電平，驅(qū)動繼電器的繞組線圈，接通或者關斷220V供電電路。該結構包括以下 部分
計算機通訊并口 11 ，用于接收計算機1發(fā)送的代表控制指令的高低電平； 數(shù)字反相器12，用于將計算機l發(fā)出的高電平轉變?yōu)榈碗娖剑碗娖睫D變?yōu)楦唠娖?。?什么要進行反相呢？
直流電源13，用于提供數(shù)字反向器12和三極管14所需電壓。
三極管14，三極管14的基極連接到反相器12，接收反相器12反向驅(qū)動后的高低電平，三極管14的集電極連接5V直流電源13。在三極管導通的情況下，將直流電源13的電流放大，觸 發(fā)繼電器17和信號指示燈。
發(fā)光二極管15，發(fā)光二極管15和繼電器17的電磁繞組并聯(lián)，作為信號指示燈，用來指示 繼電器觸點開關的通斷狀況，如果觸點開關導通，則發(fā)光二極管15發(fā)光。
交流電源16，在繼電器17開的情況下，為微焦點射線源通電。
繼電器17，用于通過繼電器的觸發(fā)連通微焦點射線源的電路，繼電器17與微焦點X射線 源5和220V交流電源16共同構成一個回路，只要繼電器接通，射線源就開始工作；繼電器斷 開，射線源就停止工作。
當計算機發(fā)出微焦點射線源開的高電平時，通過信號線接通數(shù)字反向器輸出低電平，此 時三極管導通將直流電源電流放大，觸發(fā)繼電器和微焦點射線源開關的指示燈，繼電器觸發(fā) 后會連通微焦點射線源所在的交流電路，此時微焦點射線源發(fā)出射線；反之當計算機發(fā)出微 焦點射線源關的低電平時，通過信號線接通數(shù)字反向器輸出高電平，此時三極管不被導通， 繼電器在低電流的直流電源下不工作，微焦點射線源所在交流電路處于斷路狀態(tài)，微焦點射 線源不發(fā)射X射線。
微焦點X射線源5，用于在射線源控制器4的控制下，向小動物樣本發(fā)射X射線。微焦點X 射線源5的焦點在1微米一100微米范圍內(nèi)，管電壓在10千伏一100千伏范圍內(nèi)。
數(shù)據(jù)采集設備6，通過PCI插槽與計算機1相連，并通過數(shù)字接口與平板探測器7相連，一 方面接收計算機發(fā)送的平板探測器7的連通、平板探測器的預處理、平板探測器的數(shù)據(jù)采集 等控制指令，另一方面接收平板探測器7探測到的X射線透射過物體后的投影圖像，并發(fā)送給 計算機l。這樣，計算機1就可以通過數(shù)據(jù)采集設備6控制平板探測器的工作，并接收探測器 采集的數(shù)據(jù)。
平板探測器7，平板探測器7和微焦點X射線源5—起被固定在旋轉機架8的兩端，用于探 測微焦點X射線源5發(fā)出的X射線，該射線透射過樣品載物臺10上面的樣品9后被平板探測器7 所接收，再通過數(shù)據(jù)傳輸線傳送到數(shù)據(jù)采集設備6。該平板探測器7可以是非晶硅平板探測器 或非晶硒平板探測器。
旋轉機架8，兩端分別固定連接微焦點X射線源5和平板探測器7，中部與電動旋轉機構3 相連，能夠在電動旋轉機構3的帶動下旋轉。在對小動物樣本的成像過程中，微焦點X射線源 5和平板探測器7圍繞旋轉機架8作圓周運動，從而對樣本多角度成像，樣本靜止又可以消除 樣本運動帶來的運動偽影。
旋轉機架8的結構如圖3和圖4所示，旋轉機架8主要是用40mn^40mm型號為FSA-181A的型材搭建而成，具體尺寸如圖3中標注，單位米。主要包括豎直旋轉支撐架、微焦點射線源 固定架和平板探測器固定架，在圖3中左圖(a)是旋轉機架的正視圖，右圖(b)是旋轉機 架的側視圖，圖4中的A和B分別為平板探測器固定架和微焦點射線源固定架的俯視圖。豎直 旋轉支撐架、微焦點射線源固定架和平板探測器固定架之間是通過M8的T形螺母固定。麻煩 將圖4中的虛線重畫一下，否則打印出來不清楚
樣本載物臺IO，用于放置小動物樣本。在拍攝成像時，被測小動物樣本9平臥于樣本載 物臺10上，樣品載物臺10是一個三維平移臺組成，因此樣本載物臺的位置可以調(diào)整，目的是 為了保證樣本9處于微焦點X射線源5和平板探測器7的旋轉中心。
通過以上成像系統(tǒng)，利用光源和探測器旋轉方式取代了樣本旋轉方式，保持樣本靜止， 光源和探測器繞其旋轉，解決了樣本旋轉帶來的形變和運動偽影問題。本發(fā)明為獲取更為理 想的小動物影像創(chuàng)造了有利條件，為研究小動物結構信息提供了有效的研究工具。
圖5是本發(fā)明實施例提供的成像方法的流程圖，包括以下步驟
步驟501、用戶輸入期望的成像要求。主要是由用戶向計算機輸入必要的參數(shù)，包括樣 本長度、所需分辨率等，樣本長度是需要成像物體的總長度，所需分辨率是最終重建切片圖 象的空間分辨率。
步驟502、計算機根據(jù)成像要求計算相關參數(shù)。比如放大倍率、旋轉步進數(shù)、平移步進 數(shù)等等，放大倍率是指微焦點射線源、探測器間的距離與微焦點射線源、成像物體間距離的 比值，旋轉步進數(shù)是指旋轉支架每步旋轉的角度，平移步進數(shù)是指旋轉支架需要平移的距離 ，假設需要成像的物體長度為20cm，而系統(tǒng)每次只能成像的長度為5cm，那么只能通過4次平 移旋轉支架每次平移5 cm來實現(xiàn)成像20 cm的長度。
步驟503、打開射線源。計算機控制X射線源發(fā)射X射線，并且在整個數(shù)據(jù)采集過程中射 線源一直打開。
步驟504、旋轉機架按計算機預先設定的旋轉步進數(shù)旋轉一個步進。 步驟505、采集一幀X射線的投影圖。
步驟506、拍攝是否完成？如果還未完成，則執(zhí)行步驟504;否則執(zhí)行下一步。 步驟507、關閉射線源，拍攝結束，存儲采集的數(shù)據(jù)，計算機對這些圖像數(shù)據(jù)進行成像 處理。
下面以一個具體拍攝實驗為例，闡述以上實施例的效果。該實驗的生物材料是SD大鼠， 除去尾部長度約為100mm。動物飼養(yǎng)和實驗嚴格按照中華人民共和國《實驗動物管理條例》 要求進行。對大鼠進行麻醉后平放到載物臺上。調(diào)整載物臺的位置，使得成像區(qū)域正好對準大鼠的頭部。
X射線源電壓為70千伏，電流為0.3毫安；成像速度為l幀/秒。圖6是一張實驗大鼠的透 視投影圖，大鼠頭部的骨骼和輪廓都十分清晰，亮度和對比度都很理想。圖6是圖5中平面位 置上重建的一張斷層圖像，從斷層圖中可以清晰地區(qū)分出大鼠的骨骼和軟組織，載物臺的影 像也很清晰。圖8是采集多幀圖像后，對大鼠頭部進行三維重建后立體繪制的效果圖，頭骨 、脊椎、肩胛、前爪都很清晰。
由上可知，本發(fā)明提供的成像系統(tǒng)和方法，X射線探測器、載物臺和X射線源由下至上依 次排列，它們的中心位于同一直線上，X射線源和探測器被固定在旋轉支架兩端，圍繞樣本 作圓周運動。這樣，采用本發(fā)明的方法進行樣本拍攝時，樣本在數(shù)據(jù)采集過程中保持水平靜 止的自然形態(tài)，在X射線源和探測器圍繞樣品旋轉采集數(shù)據(jù)的過程中，樣本始終保持初始的 形態(tài)，相比樣本旋轉、X射線源和探測器靜止的CT系統(tǒng)來講，消除了樣本旋轉采集系統(tǒng)中由 于運動而產(chǎn)生的小動物形變的運動偽影。
權利要求
權利要求1一種成像系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括樣本載物臺，用于放置需成像的樣本；射線源部分，用于發(fā)射射線；射線探測采集部分，用于接收射線圖像；旋轉控制部分，該旋轉控制部分兩端分別固定連接所述射線源部分與射線探測部分，用于帶動所述射線源部分與射線探測部分旋轉；計算機，用于向所述射線源部分、旋轉控制部分及射線探測采集部分發(fā)送控制指令，以及接收所述射線探測采集部分接收到的圖像并進行成像處理。
2.根據(jù)權利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述樣本載物臺由一個 三維平移臺組成，位置能夠調(diào)整，用于保證樣本位于所述射線源部分與射線探測部分的旋轉 中心。
3.根據(jù)權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進一步包括 射線源控制器，用于接收計算機發(fā)送的控制指令，控制所述射線源部分發(fā)射射線及中 斷射線發(fā)射。
4.根據(jù)權利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述射線源控制器具體包括計算機通訊并口 ，用于接收計算機發(fā)送的代表控制指令的高低電平； 數(shù)字反相器，用于將計算機l發(fā)出的高電平轉變?yōu)榈碗娖?，低電平轉變?yōu)楦唠娖剑?直流電源，用于提供所述數(shù)字反向器和三極管所需電壓；三極管，基極連接所述反相器，集電極連接所述直流電源，用于將所述直流電源的電 流放大及觸發(fā)繼電器；交流電源，用于在繼電器導通的情況下為所述射線源部分充電； 繼電器，用于通過通斷來觸發(fā)所述射線源部分的電路工作狀態(tài)。
5 根據(jù)權利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進一步包括 發(fā)光二極管，與所述繼電器的電磁繞組并聯(lián)，用來在所述三極管的觸發(fā)下指示繼電器 的通斷狀況，導通時則發(fā)光。
6 根據(jù)權利要求1至5中任意一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng) 進一步包括電機驅(qū)動器，用于接收計算機發(fā)送的控制指令，控制所述旋轉控制部分帶動射線源部 分與射線探測部分旋轉。
7 根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)進一步包括 數(shù)據(jù)采集設備，用于接收所述射線探測采集部分采集到的射線圖像發(fā)送給計算機，以 及接收所述計算機的控制指令控制射線探測采集部分的工作狀態(tài)。
8 根據(jù)權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述射線源部分的焦點 在1微米一100微米范圍內(nèi)，管電壓在10千伏一100千伏范圍內(nèi)。
9 一種成像方法，其特征在于，該方法包括A、 輸入期望的成像要求，計算相關參數(shù)，發(fā)送控制指令；B、 射線源部分與射線探測部分固定在旋轉控制部分的兩端，根據(jù)所述控制指令，射線 源部分發(fā)射射線，射線探測部分采集射線透射過樣本后的投影圖像；C、 對所述投影圖像進行成像處理。
10 根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述射線源部分與射 線探測部分圍繞旋轉控制部分作圓周運動，對所述樣本多角度成像。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種成像系統(tǒng)，其包括樣本載物臺，放置需成像的樣本；射線源部分，發(fā)射射線；射線探測采集部分，接收射線圖像；旋轉控制部分，兩端分別固定連接射線源部分與射線探測部分，帶動射線源部分與射線探測部分旋轉；計算機，向射線源部分、旋轉控制部分及射線探測采集部分發(fā)送控制指令，以及接收射線探測采集部分接收到的圖像并進行成像處理。本發(fā)明還相應地提供一種成像方法，輸入期望的成像要求，計算相關參數(shù)，發(fā)送控制指令；射線源部分與射線探測部分固定在旋轉控制部分的兩端，根據(jù)控制指令，射線源部分發(fā)射射線，射線探測部分采集射線透射過樣本后的投影圖像；對投影圖像進行成像處理。本發(fā)明解決了樣本旋轉帶來的形變和運動偽影問題。
文檔編號A61B6/03GK101455574SQ20091030011
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月8日 優(yōu)先權日2009年1月8日
發(fā)明者正 方, 楊孝全, 鄧子林, 駱清銘, 輝 龔 申請人:華中科技大學