X射線ct成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】X射線CT成像系統(tǒng)，涉及X射線成像。設(shè)有PC端、高壓發(fā)生器、X射線球管、伺服系統(tǒng)、X射線探測(cè)器；PC端與高壓發(fā)生器的一端相連，另一端和X射線球管相連；伺服系統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和三軸伺服控制器，三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有升降臺(tái)、平移臺(tái)和載物臺(tái)，三軸伺服控制器的一端和PC端相連，三軸伺服控制器控制三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)；X射線探測(cè)器固定在升降臺(tái)上，升降臺(tái)固定在平移臺(tái)上，升降臺(tái)跟隨平移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)；X射線探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，將信號(hào)傳輸回PC端，被測(cè)樣品放置在載物臺(tái)上，跟隨載物臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；PC端對(duì)探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三維重建算法計(jì)算，可得被測(cè)樣品的CT圖像，分辨率高，對(duì)比度好。
【專利說明】
X射線CT成像系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及X射線成像，尤其是涉及一種低成本X射線CT成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)上的X射線成像系統(tǒng)主要是DR成像系統(tǒng)和CT成像系統(tǒng)，而DR成像是 生成二維圖形，CT成像是生成三維立體圖形。利用X射線CT成像技術(shù)及系統(tǒng)作為一種圖形成 像的手段，它對(duì)一些生物醫(yī)學(xué)疾病的診斷發(fā)揮著舉足輕重的作用。
[0003] 中國(guó)專利CN 104545963 A公開相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)及其應(yīng)用，該系統(tǒng)包括X 光源和探測(cè)器;所述X光源為相鄰雙X光源，所述相鄰雙X光源與所述探測(cè)器正相對(duì)設(shè)置;所 述相鄰雙X光源發(fā)射的光子劑量相同；所述相鄰雙X光源平行于旋轉(zhuǎn)平面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種CT圖像分辨率高、低成本的X射線CT成像系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明設(shè)有PC端、高壓發(fā)生器、X射線球管、伺服系統(tǒng)、X射線探測(cè)器;PC端與高壓發(fā) 生器的一端相連，高壓發(fā)生器的另一端和X射線球管相連，由X射線球管發(fā)出X射線；伺服系 統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和三軸伺服控制器，三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有升降臺(tái)、平移臺(tái)和載 物臺(tái)，三軸伺服控制器的一端和PC端相連，三軸伺服控制器控制三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)； X射線探測(cè)器固定在升降臺(tái)上，升降臺(tái)固定在平移臺(tái)上，升降臺(tái)跟隨平移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng);X射線 探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并將信號(hào)傳輸回PC端，被測(cè)樣品放置在載物臺(tái)上，跟隨載物臺(tái)一起 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);PC端對(duì)探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三維重建算法計(jì)算，可得 到被測(cè)樣品的CT圖像，且CT圖像的分辨率高，對(duì)比度好。
[0006] 所述X射線探測(cè)器可采用單/少像素 X射線探測(cè)器，單/少像素 X射線探測(cè)器采用16 像素點(diǎn)陣，即單列16像素均勻分布的形式進(jìn)行布局，單/少像素的概念即在這里。單/少像素 X射線探測(cè)器跟隨升降臺(tái)和平移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，可以在大面積的范圍內(nèi)進(jìn)行二維掃描，采集到 豐富的投影信息和點(diǎn)陣信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高分辨率的CT成像。
[0007] 所述單/少像素 X射線探測(cè)器包括傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路兩部分。
[0008] 所述傳感器可采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電二極管作為傳感器，通過感 應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，型號(hào)為S5668-121。雖然單純的娃光電二極管波 長(zhǎng)響應(yīng)范圍在X射線波長(zhǎng)之外，但將該16元素硅光電二極管與CsI(TI)閃爍體結(jié)合起來，就 能夠運(yùn)用于X射線檢測(cè)與CT成像中。
[0009] 所述數(shù)據(jù)采集控制電路可采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器M⑶， 以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取 S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測(cè)點(diǎn)信號(hào)，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí) 發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT三維重建算法使用。
[0010]所述單/少像素 X射線探測(cè)器軟件算法部分主要包括AD轉(zhuǎn)換芯片初始化與MCU的 FSMC接口初始化兩部分。MCU對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的采樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號(hào)輸入范圍等 參數(shù)設(shè)定好后，就可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換。MCU對(duì)其自帶的 FSMC接口分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí)鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模式等 參數(shù)后，就可以使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由RS-232串口 發(fā)送至PC機(jī)。
[0011] 本發(fā)明用錐形束半圓周采樣CT三維重建算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到 CT圖像。本算法為逆投影重建，僅需進(jìn)行略大于180°的旋轉(zhuǎn)拍照，載物臺(tái)只需旋轉(zhuǎn)略大于 180°即可。半圓周采樣算法可以在0~3Ι+2Θ的范圍內(nèi)得到足夠的重建數(shù)據(jù)，其中Θ為扇角。半 圓周采樣算法明顯減少了掃描的數(shù)據(jù)量。在同樣的間隔角下，半軌道掃描將大大減少掃描 劑量并不會(huì)對(duì)重建圖像造成影響，是可以實(shí)際使用的算法。
[0012] 本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明提供一種低成本X射線CT成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的使用 16像素點(diǎn)陣X射線探測(cè)器，造價(jià)的成本低，而且可以實(shí)現(xiàn)大面積二維掃描，使用方便。本發(fā)明 利用獨(dú)創(chuàng)特有的信號(hào)采集系統(tǒng)和錐形束半圓周采樣CT三維重建算法進(jìn)行圖像重現(xiàn)，所計(jì)算 呈現(xiàn)出的CT圖像分辨率高。本發(fā)明可以推動(dòng)X射線成像技術(shù)和系統(tǒng)的進(jìn)步和改革，提高CT圖 像的對(duì)比度和分辨率。
[0013] 本發(fā)明無疑對(duì)現(xiàn)有X射線成像技術(shù)的發(fā)展具有重大的革命性的意義。本發(fā)明利用 單/少像素 X射線探測(cè)器的二維掃描實(shí)現(xiàn)大面積高分辨的成像，為解決生物醫(yī)學(xué)CT圖像成本 高、分辨率低、對(duì)比度差等問題提供一種可行的解決方案。X射線CT成像系統(tǒng)的低成本、數(shù)字 化，成為了本發(fā)明所關(guān)注的重點(diǎn)。
[0014] 本發(fā)明采用相鄰雙X射線源同時(shí)工作，一方面可以降低每個(gè)光源的工作功率從而 延長(zhǎng)射線管的使用壽命，另一方面可以有效減少圖像的運(yùn)動(dòng)偽影。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)成本低，不 需要對(duì)現(xiàn)有的CT設(shè)備做很大的結(jié)構(gòu)改進(jìn);可以應(yīng)用于醫(yī)療CT或放射曝光劑量較大的工業(yè)CT 中。
[0015] 本發(fā)明利用單/少像素 X射線探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)采集，之后利用錐形束半圓周采樣CT 三維重建算法生成CT圖像，所呈現(xiàn)的CT圖像分辨率高。
【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0017] 圖2為半圓周采樣算法說明。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有PC端1、高壓發(fā)生器2、X射線球管3、伺服系統(tǒng)、X射線探 測(cè)器5; PC端1與高壓發(fā)生器2的一端相連，高壓發(fā)生器2的另一端和X射線球管3相連，由X射 線球管3發(fā)出X射線；伺服系統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和三軸伺服控制器44,三軸伺服運(yùn)動(dòng) 平臺(tái)設(shè)有升降臺(tái)41、平移臺(tái)42和載物臺(tái)43,三軸伺服控制器44的一端和PC端1相連，三軸伺 服控制器控制三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng);X射線探測(cè)器5固定在升降臺(tái)41上，升降臺(tái)41固定 在平移臺(tái)42上，升降臺(tái)41跟隨平移臺(tái)42-起運(yùn)動(dòng);X射線探測(cè)器5對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并將信號(hào) 傳輸回PC端1，被測(cè)樣品放置在載物臺(tái)43上，跟隨載物臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);PC端對(duì)探測(cè)器采集 到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三維重建算法計(jì)算，可得到被測(cè)樣品的CT圖像，且CT圖 像的分辨率高，對(duì)比度好。
[0019] 所述X射線探測(cè)器可采用單/少像素 X射線探測(cè)器，單/少像素 X射線探測(cè)器采用16 像素點(diǎn)陣，即單列16像素均勻分布的形式進(jìn)行布局，單/少像素的概念即在這里。單/少像素 X射線探測(cè)器跟隨升降臺(tái)和平移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)，可以在大面積的范圍內(nèi)進(jìn)行二維掃描，采集到 豐富的投影信息和點(diǎn)陣信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高分辨率的CT成像。
[0020] 所述單/少像素 X射線探測(cè)器包括傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路兩部分。
[0021] 所述傳感器可采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電二極管作為傳感器，通過感 應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，型號(hào)為S5668-121。雖然單純的娃光電二極管波 長(zhǎng)響應(yīng)范圍在X射線波長(zhǎng)之外，但將該16元素硅光電二極管與CsI(TI)閃爍體結(jié)合起來，就 能夠運(yùn)用于X射線檢測(cè)與CT成像中。
[0022]所述數(shù)據(jù)采集控制電路可采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器M⑶， 以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取 S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測(cè)點(diǎn)信號(hào)，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí) 發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT三維重建算法使用。
[0023]所述單/少像素 X射線探測(cè)器軟件算法部分主要包括AD轉(zhuǎn)換芯片初始化與MCU的 FSMC接口初始化兩部分。MCU對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的采樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號(hào)輸入范圍等 參數(shù)設(shè)定好后，就可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換。MCU對(duì)其自帶的 FSMC接口分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí)鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模式等 參數(shù)后，就可以使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由RS-232串口 發(fā)送至PC機(jī)。
[0024] 本發(fā)明用錐形束半圓周采樣CT三維重建算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，得到 CT圖像。本算法為逆投影重建，僅需進(jìn)行略大于180°的旋轉(zhuǎn)拍照，載物臺(tái)只需旋轉(zhuǎn)略大于 180°即可。半圓周采樣算法可以在0~3Ι+2Θ的范圍內(nèi)得到足夠的重建數(shù)據(jù)，其中Θ為扇角。半 圓周采樣算法明顯減少了掃描的數(shù)據(jù)量。在同樣的間隔角下，半軌道掃描將大大減少掃描 劑量并不會(huì)對(duì)重建圖像造成影響，是可以實(shí)際使用的算法。
[0025] 圖2是半圓周采樣算法說明。x，y是被重建像素的坐標(biāo)，β是CT的旋轉(zhuǎn)角，γ是穿過 被重建像素的射線扇角，Θ是β和γ的角度之和，R是X射線點(diǎn)光源到旋轉(zhuǎn)中心的距離，L是X射 線點(diǎn)光源到被重建像素的距離，U是L在R方向上的投影，a是與R方向垂直的坐標(biāo)系，t是與L 方向垂直的坐標(biāo)系，P是這條光線上材料對(duì)X射線的吸收強(qiáng)度，P是這條光線抵達(dá)探測(cè)器上的 最終強(qiáng)度，ymax是探測(cè)器邊緣的最大張角，F(xiàn) t是投影光線的權(quán)值，ω (β，γ )是窗函數(shù)。
[0026] 高壓電源是給X射線球管提供直流高電壓及電流并保持電壓電流穩(wěn)定的裝置，一 般由升壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流濾波、電壓電流調(diào)整及穩(wěn)定、冷卻及相關(guān)安全保護(hù) 等部件構(gòu)成。對(duì)于X射線管來說，有三個(gè)需要控制的物理量，分別是管電壓、管電流和照射時(shí) 間:Χ射線管的管電流大小直接影響X射線單位時(shí)間內(nèi)的量，X射線管的管電壓大小影響X射 線的穿透力。管電壓、管電流和照射時(shí)間共同決定X射線劑量的大小，因此保持管電流和管 電壓的穩(wěn)定對(duì)與保證出射X射線的質(zhì)量以及劑量管控是至關(guān)重要的。
[0027] 所述高壓電源采用威斯曼高壓電源提供的XRB系列150W高壓電源，能提供高壓輸 出、完整的控制信號(hào)和多種輔助功能，可輸出穩(wěn)定的小紋波電壓和電流。該型高壓電源具有 外部互鎖功能，能夠與輻射防護(hù)裝置和測(cè)溫組件配合，在防護(hù)裝置被人為開啟以及X射線管 溫度過高時(shí)切斷供電。
[0028] X射線球管包含有陽(yáng)極和陰極兩個(gè)電極，分別用于接受電子轟擊的靶材和發(fā)射電 子的燈絲。X射線球管是用于產(chǎn)生X射線的裝置。
[0029]所述X射線球管采用上?？祁櫨S電子提供的KYW800型小功率固定陽(yáng)極正負(fù)電壓X 射線球管:功率80W，陽(yáng)極電壓80kV，陽(yáng)極電流1mA，焦點(diǎn)尺寸1mm，鈹窗厚度200μπι，Χ射線輻射 角20°，燈絲電壓約2.5V，燈絲電流約2Α;采用黃銅外殼封裝，提高了散熱性能和輻射屏蔽性 能，采用風(fēng)冷方式，內(nèi)灌絕緣油用于高壓絕緣和冷卻。
[0030] 所述伺服系統(tǒng)用于調(diào)整單/少像素 X射線探測(cè)器和樣品的空間位置，由三軸伺服運(yùn) 動(dòng)平臺(tái)和三軸伺服控制器組成。
[0031] 所述伺服系統(tǒng)采用賽凡光電提供的7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及7SC3系列三軸伺 服控制器，7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括7STA04A牧馬系列電動(dòng)平移臺(tái)、7SVA160千斤頂系 列升降臺(tái)、7SRA1蝸輪系列電動(dòng)載物臺(tái)。7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過RS-232串口與7SC3系 列三軸伺服控制器連接通訊，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整：利用控制器的微步進(jìn)電路設(shè)計(jì)細(xì)分步 距角，提高位移分辨率;可以設(shè)置多種自動(dòng)運(yùn)行方案，控制一個(gè)或多個(gè)平臺(tái)以不同的速度、 位移量、延時(shí)量自動(dòng)重復(fù)完成設(shè)定的動(dòng)作。
[0032] 所述單/少像素 X射線探測(cè)器包含硬件電路與軟件算法兩部分內(nèi)容。所述單/少像 素 X射線探測(cè)器硬件部分包括傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路兩部分。
[0033] 所述單/少像素 X射線探測(cè)器傳感器部分采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電 二極管作為傳感器，通過感應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，型號(hào)為S5668-121。雖 然單純的娃光電二極管波長(zhǎng)響應(yīng)范圍在X射線波長(zhǎng)之外，但將該16兀素娃光電二極管與Cs I (TI)閃爍體結(jié)合起來，就能夠運(yùn)用于X射線檢測(cè)與CT成像中。
[0034]單/少像素 X射線探測(cè)器所用硅光電二極管的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍為340-1100nm，峰值敏 感波長(zhǎng)為960nm，峰值波長(zhǎng)光靈敏度為0.54-0.66A/W。所用CsI (TI)閃爍體的X射線敏感度為 6·8ηΑ。每個(gè)元素具有1.175mm*2.0mm的有效探測(cè)面積，相鄰間距為1.575mm，整體16元素線 性排列在25.4mm長(zhǎng)的PCB電路板上，相當(dāng)于共具備了 16個(gè)探測(cè)點(diǎn)。
[0035]所述單/少像素 X射線探測(cè)器數(shù)據(jù)采集控制電路部分采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的 STM32F407作為微控制器MCU，以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU 自帶的FSMC接口依次讀取S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測(cè)點(diǎn)信號(hào)，并 通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT重建算法使用。
[0036] S5668-121娃光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16兀素探測(cè)點(diǎn)信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、米樣 保持(S/H)、多路復(fù)用(MUX)等過程將信號(hào)輸出連接至AD轉(zhuǎn)換芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入接口， AD轉(zhuǎn)換芯片將輸入接口上的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)并行傳送給MCU以供后續(xù)處理。 MCU利用自帶的FSMC(可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)接口快速穩(wěn)定讀取AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的傳感器 信號(hào)，數(shù)據(jù)傳送效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。MCU將讀取到的傳感器信號(hào)通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā) 送至PC機(jī)。
[0037] AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)置有模擬輸入箝位保護(hù)、跟蹤保持放大器、二階抗混疊濾波器、16位 逐次逼近型ADC、數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速并行和串行接口。采 用單電源5V供電，可處理± 5V和± IOV真雙極性輸入信號(hào)，同時(shí)6個(gè)通道均能以200kSPS的吞 吐速率采樣。輸入箝位保護(hù)電路可承受高達(dá)± 16.5V的電壓。AD轉(zhuǎn)換芯片具有片內(nèi)濾波和高 輸入阻抗，無需驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外接雙極性電源供電等特性?？够殳B濾波器的3dB截止頻 率為22kHz;當(dāng)采樣速率為200kSPS時(shí)，其具有40dB抗混疊抑制特性。AD轉(zhuǎn)換芯片封裝采用64 腳LQFP形式，具有體積小、重量輕、可工作于-40~+80°C內(nèi)的惡劣環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。 [0038] FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）是MCU系列中 特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。之所以稱為"可變"，是由于通過對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠 根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類型以匹配信號(hào)的速度，從 而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器，而且 能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類型的靜態(tài)存儲(chǔ)器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)存 儲(chǔ)容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。
[0039] MCU對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的采樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號(hào)輸入范圍等參數(shù)設(shè)定好后， 就可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換。我們將AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn) 換后暫存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器看成一種存儲(chǔ)器，通過MCU的FSMC接口與AD轉(zhuǎn)換芯片輸出接口 相連，分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí)鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模式等參數(shù) 后，就可以使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至PC機(jī)。 [0040] 通過上述高壓電源、X射線球管、伺服系統(tǒng)(三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、三軸伺服控制器）、 單/少像素 X射線探測(cè)器的系統(tǒng)我們可以得到利用單/少像素 X射線探測(cè)器的二維掃描實(shí)現(xiàn) 大面積高分辨率CT圖像成像的方法，具體如下所述：
[0041 ]高壓電源與X射線球管相連，使X射線球管產(chǎn)生X射線，X射線照射在待測(cè)樣品上，經(jīng) 樣品吸收衰減后在單/少像素探測(cè)器傳感器上形成不同強(qiáng)度的光強(qiáng)。單/少像素探測(cè)器通過 RS-232串口線與PC機(jī)的RS-232串口相連，將得到的某時(shí)刻光強(qiáng)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) 并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至PC機(jī)。PC機(jī)上再執(zhí)行半圓周采樣重建算法得到CT圖像。
[0042]由于單/少像素探測(cè)器只具備16個(gè)探測(cè)點(diǎn)，為了得到常用的256*256或512*512乃 至更多像素點(diǎn)的CT圖像，我們需要利用伺服系統(tǒng)(三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、三軸伺服控制器)對(duì) 單/少像素探測(cè)器與待測(cè)樣品放置位置進(jìn)行控制，以形成完整圖像。
[0043] 三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)與三軸伺服控制器相連，三軸運(yùn)動(dòng)控制器通過RS-232串口線與 PC機(jī)相連，通過配套的上位機(jī)軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制，包括旋轉(zhuǎn)、平移、 升降。我們將單/少像素探測(cè)器放置于7SVA160千斤頂系列升降臺(tái)上，7SVA160千斤頂系列升 降臺(tái)放置于7STA04A牧馬系列電動(dòng)平移臺(tái)上，這樣就可以通過控制器實(shí)現(xiàn)單/少像素探測(cè)器 平移與升降的動(dòng)作，最終得到某一探測(cè)角度下完整的256*256圖像。另外，根據(jù)CT圖像成像 原理的要求，我們將待測(cè)樣本放置于7SRA1蝸輪系列電動(dòng)載物臺(tái)上，通過控制器控制待測(cè)樣 本的旋轉(zhuǎn)，這樣就可以得到不同探測(cè)角度下的圖像。重復(fù)此步驟，最終可以得到多個(gè)探測(cè)角 度下的256*256圖像，再經(jīng)由PC機(jī)上的半圓周采樣重建算法得到CT圖像。
[0044] 所述半圓周采樣重建算法具體內(nèi)容如下：
[0045] 在平行光束的重建算法中，我們發(fā)現(xiàn)其積分域在0~π之間。而對(duì)于扇形束而言，〇 ~的范圍不足以重建準(zhǔn)確的斷層圖像。因此扇形束重建的積分域在0~2π之間。其實(shí)，〇~2 積分范圍中，明顯有重疊的射束。如果考慮到以最少的非重疊射線束重建斷層圖像，可以 用少于0~2π的范圍重建。這就是半圓周采樣算法的產(chǎn)生的原因。
[0046] 半圓周采樣算法可以在0~π+2θ的范圍內(nèi)得到足夠的重建數(shù)據(jù)，其中Θ為扇角。半 圓周采樣算法明顯減少了掃描的數(shù)據(jù)量。在同樣的間隔角下，半軌道掃描將大大減少掃描 劑量并不會(huì)對(duì)重建圖像造成影響，是可以實(shí)際使用的算法。而且半圓周采樣算法也是螺旋 算法基礎(chǔ)。因此半軌道FDK算法是通用算法中必須研究的內(nèi)容。下面先介紹扇形束半圓周采 樣算法。
[0047]平行光束和扇形束的算法可以分別由兩類參數(shù)來表示（0，t)和(β，γ )，如圖2所 不。
[0048] 可以得到如下關(guān)系：
[0049] θ=β+ γ ,t = R sin γ
[0050] 或者等價(jià)為
[0051] β = θ-γ , γ =arcsin(t/R)
[0052] 在平面探測(cè)器中，如果是扇形光源，則有γ =arctan(a/R)。
[0053] 由濾波逆投影的公式
[0054]
[0055] 平行束在區(qū)間θε[0，π]內(nèi)就可以完成完備的數(shù)據(jù)重建。而從我們可以把扇形束重 建區(qū)間變?yōu)棣耬 [- γ max，π+ γ max]，這樣，相對(duì)于原始算法的βe [0，231]的全軌道算法，可稱之 為半圓周采樣算法。半圓周采樣算法可以以任意角度為起始位置，只要其行程滿足Ji+2y max 這個(gè)條件即可;半圓周采樣算法在采集數(shù)據(jù)的起始和終止位置會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)范 圍在扇角土 Ymax內(nèi)。
[0056]對(duì)于二維算法的理解是有助于理解錐束光算法的。通常把半圓周采樣重建用光滑 窗濾波。半圓周采樣數(shù)據(jù)可以在逆投影之前做一次篩選，這樣測(cè)量?jī)纱蔚耐队皵?shù)據(jù)乘以相 應(yīng)的權(quán)值并分類統(tǒng)一化。最簡(jiǎn)單的窗函數(shù)就是二值函數(shù)，把冗余數(shù)據(jù)濾除。但是這樣會(huì)產(chǎn)生 大量的偽影。
[0057]介紹如下窗函數(shù)來消除偽影
[0058]
[0059] 經(jīng)過上述利用單/少像素 X射線探測(cè)器的二維掃描實(shí)現(xiàn)大面積高分辨率CT圖像成 像原理及算法的詳細(xì)介紹說明，可以理解本發(fā)明具體的實(shí)施方式。
[0060] 所述少像素 X射線探測(cè)器軟件算法部分主要包括MCU接口初始化與AD轉(zhuǎn)換芯片初 始化兩部分。
[0061] FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)是MCU系列中 特有的存儲(chǔ)控制機(jī)制。之所以稱為"可變"，是由于通過對(duì)特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠 根據(jù)不同的外部存儲(chǔ)器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號(hào)類型以匹配信號(hào)的速度，從 而使得MCU系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲(chǔ)器。
[0062]微控制器MCU對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的采樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號(hào)輸入范圍等參數(shù)設(shè) 定好后，就可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換。我們將AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi) 部模數(shù)轉(zhuǎn)換后暫存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器看成一種存儲(chǔ)器，通過MCU的FSMC接口與AD轉(zhuǎn)換芯片 輸出接口相連，分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí)鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模 式等參數(shù)后，就可以使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至 PC機(jī)。
[0063]本錐形束半圓周采樣及對(duì)應(yīng)重建算法可以在0~π+2θ的范圍內(nèi)得到足夠的重建數(shù) 據(jù)，其中Θ為扇角。本算法明顯縮短采樣時(shí)間、減少了掃描的數(shù)據(jù)量。在同樣的間隔角下，半 軌道掃描將大大減少掃描劑量并不會(huì)對(duì)重建圖像造成影響，是可以實(shí)際使用的算法。
[0064]本發(fā)明利用單/少像素 X射線探測(cè)器在二維平面上進(jìn)行大面積的掃描，之后利用獨(dú) 創(chuàng)特有的信號(hào)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)上，再利用錐形束半圓周采樣CT三維重建算法進(jìn) 行圖像重現(xiàn)。本發(fā)明提供的一種低成本X射線CT成像系統(tǒng)成本低，所呈現(xiàn)的CT圖像分辨率 尚。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有PC端、高壓發(fā)生器、X射線球管、伺服系統(tǒng)、X射線 探測(cè)器;PC端與高壓發(fā)生器的一端相連，高壓發(fā)生器的另一端和X射線球管相連，由X射線球 管發(fā)出X射線;伺服系統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和三軸伺服控制器，三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)有 升降臺(tái)、平移臺(tái)和載物臺(tái)，三軸伺服控制器的一端和PC端相連，三軸伺服控制器控制三軸伺 服運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng);X射線探測(cè)器固定在升降臺(tái)上，升降臺(tái)固定在平移臺(tái)上，升降臺(tái)跟隨平 移臺(tái)一起運(yùn)動(dòng);X射線探測(cè)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，并將信號(hào)傳輸回PC端，被測(cè)樣品放置在載物 臺(tái)上，跟隨載物臺(tái)一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);PC端對(duì)探測(cè)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三 維重建算法計(jì)算，得到被測(cè)樣品的CT圖像。2. 如權(quán)利要求1所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述X射線探測(cè)器采用單/少像素 X 射線探測(cè)器。3. 如權(quán)利要求2所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述單/少像素 X射線探測(cè)器采用16 像素點(diǎn)陣。4. 如權(quán)利要求2所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述單/少像素 X射線探測(cè)器包括傳 感器與數(shù)據(jù)采集控制電路。5. 如權(quán)利要求4所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述傳感器采用日本濱松集團(tuán)制造 的16元素硅光電二極管作為傳感器。6. 如權(quán)利要求4所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集控制電路采用ST意法 半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器M⑶，以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn) 換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探 測(cè)點(diǎn)信號(hào)，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT三維重建算法使用。7. 如權(quán)利要求2所述X射線CT成像系統(tǒng)，其特征在于所述單/少像素 X射線探測(cè)器軟件算 法部分主要包括AD轉(zhuǎn)換芯片初始化與M⑶的FSMC接口初始化兩部分。MCU對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片的采 樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號(hào)輸入范圍參數(shù)設(shè)定后，啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn) 行采樣與轉(zhuǎn)換;MCU對(duì)其自帶的FSMC接口分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí) 鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模式參數(shù)后，使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)， 并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至PC機(jī)。
【文檔編號(hào)】G01N23/083GK105943071SQ201610352174
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】方正, 曾富榮, 江建烽, 陳文斌
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)