專利名稱：計算機化層面攝影系統及方法
技術領域：
本發明涉及計算機化層面攝影系統及方法，更具體但非排他性地涉及 工業應用的X射線計算機化層面攝影檢測系統和方法。更具體而言，本發 明涉及通過使用待掃描物體的投影來確定中心射線。
背景技術：
工業應用的常規X射線微計算機化層面攝影("CT")系統包括X 射線源、用于定位和旋轉待掃描物體的操縱體/旋轉體以及X射線檢測器 (照相機)。好的CT掃描需要精確確定中心射線。中心射線有時稱為等 通道(iso-channel)并且是是檢測器的旋轉中心的虛擬投影。
大部分的扇形束微CT檢測系統也配備有二維檢測作為它們的基本功 能。這些系統經常需要操縱體從一個位置移動到另一個位置并且需要旋轉 體安裝在操縱體上和從操縱體上移除。因為這種柔性，每次移動操縱體或 旋轉體都需要首先確定中心射線。即使與同一個操縱體配合， 一般情況下 系統也會產生相差很大難以接受的兩個中心射線位置。
此問題的共同解決方案在于每次CT掃描之前使用線模型(wire phantom)來校準中心射線位置。為此，線模型放置在旋轉軸線上，并且 以預定角度布置旋轉360度。線模型的所有角度的投影被記錄并且用于確 定中心射線。線模型一般非常小，使得其可以被認為是所有角度的點。在 扇形束形狀下，由于線模型與旋轉軸線的偏離較小，所以中心射線被簡單 確定為線模型的正弦圖(sinogram)的中心。使用線模型確定中心射線位 置引起許多問題，包括但不限于降低CT處理的速度、當改變線模型的 物體時由于不同重量、不同固定狀態等引入誤差，由此影響最終CT圖像 質量；以及不能夠自動進行CT掃描。當需要大的放大倍率時產生大的誤 差，物體必須被放置得接近源。在此情況下，操縱體需要移動遠離源，使
得存在用于改變線模型的物體的空間，反之亦然。
發明內容
根據第一優選方面，提供一種計算機化層面攝影系統，其包括
(a) 固定X射線源，用于產生扇形束；
(b) 固定數字檢測器；以及
(C)操縱器，用于保持和旋轉待檢測的物體； 其中，將旋轉物體在所述固定數字檢測器上的左右投影用于確定中心 射線位置，所述物體的圖像重構基于所述中心射線位置。
根據第二優選方面，提供一種計算機化層面攝影方法，其包括
(a) 在固定X射線源處產生X射線的扇形束；
(b) 在固定數字檢測器處檢測X射線； (C)使用操縱體旋轉待檢測的物體；
(d) 確定所述物體在所述固定數字檢測器上的左右投影；
(e) 從所述左右投影確定中心射線位置；以及
(f) 使用所述中心射線位置重構所述物體的圖像。 物體的投影的正弦圖可以用于判定中心射線位置。可以通過識別正弦
圖的左右端來判定中心射線。
物體的左投影、固定X射線源以及物體的右投影之間的夾角可以用于 判定中心射線位置。中心射線平分所述夾角。
將所述物體上到旋轉中心的最大半徑的部分用于判定所述物體在所述 固定數字檢測上的左右投影，所述部分的左投影為最左側投影，所述右投 影為最右側投影。或者，所述物體的產生更清楚對比度的點的左右投影用 于判定所述中心射線位置。所述點包括由比所述物體更致密的材料制成的 相對小的物體，所述相對小的物體附裝到所述物體。所述相對小的物體遠 離所述物體上受關注的至少一個區域附裝到所述物體上，以使得重構的圖 像質量不受影響。
為了能夠完全理解本發明并容易地將其應用于實際應用中，現在通過
本發明的非限制性的優選實施例進行描述，參考附圖描述本發明。 在附圖中
圖l (a)是一般現有技術的工業應用的X射線微CT系統的示意圖； 圖l (b)圖示現有技術的CT掃描和重構系統；
圖2是使用圖1 (a)和1 (b)的CT系統進行現有技術CT掃描處理 的流程圖3 (a)是使用用于中心射線確定的線模型的現有技術的CT系統的 示意圖3 (b)是用于中心射線確定的實際線模型的照片；
圖3 (c)是由其投影產生的現有技術模型線的正弦圖的示例；
圖4 (a)圖示第一優選實施例，其中將具有不同直徑的多個球的物體 用于CT掃描；
圖4 (b)是第一優選實施例的C'T掃描處理的流程圖5 (a)示出用隨機選擇的到中心通道的距離的旋轉軸線的線模型確 定的第一優選實施例的中心射線；
圖5 (b)示出直接用形狀和材料都差別很大的物體確定的中心射線， 其中所有物體均如圖5 (a)以相同旋轉軸線的掃描；
圖6 (a)是用筆形鉆石切割機帽的演示；
圖6 (b)是圖6 (a)的物體的2D投影；
圖6 (c)是圖6 (a)的物體的重構圖像；
圖7 (a)是用雕刻陶瓷貓頭鷹(owl)的演示；
圖7 (b)是圖7 (a)的物體的2D投影；
圖7 (c)是圖7 (a)的物體的重構圖像；
圖8 (a)是用胡桃(walnut)的演示；
圖8 (b)是圖8 (a)的物體的2D投影；
圖8 (c)是圖8 (a)的物體的重構圖像；
圖9 (a)是用鋁泡沬的演示；
圖9 (b)是圖9 (a)的物體的2D投影；
圖9 (c)是圖9 (a)的物體的重構圖像；
圖10是第二實施例與圖4 (a)相對應的圖；而 圖11是第三實施例中與圖4 (a)相對應的圖。
具體實施例方式
待檢測物體的CT掃描在360度上或在180度加上扇形束角度的弧上 以選定角度進行。記錄每個角度的投影。這些投影然后被用于中心射線確 定和圖像重構。該方法的原理是選定物體切片的正弦圖的左端和右端來自 物體上距離物體旋轉軸線的半徑最大的點。中心射線平分由兩個端點和X 射線源點所形成的角。因此，利用關于中心通道(一直是固定的)的現有 知識，中心射線可以通過幾何關系來確定。如果不需要較高的精度的話， 或者識別的左右端彼此接近，或者由左投影和右投影相對于中心通道的角 都較小，則中心射線可以簡單地確定為正弦圖的左右端的中心。
圖1 (a)示出常規現有技術的微CT系統的示意圖。其包括固定X射 線源、固定平板X射線檢測器12以及具有用于保持、移動和旋轉待檢測 物體16的旋轉體18的操縱體14。操縱體14可以是高精度定位平臺，其 可以至少沿X、 Y和/或Z方向移動；旋轉體18可以繞與檢測器陣列的一 個維度平行對準的軸線旋轉。X射線扇形束20從X射線源IO產生，經過 物體16并投影到撿測器12上。系統的放大倍數由源到物體的距離30 (SOD)(即，從10到16)和源到圖像距離32 (SID)(即，從10到 12)所確定。
圖1 (b)圖示CT掃描的布置。中心射線(等通道)22被限定為旋圍 軸線X在檢測器12上的投影。中心通道24是X射線投影在其上的檢測器 單元，并且其垂直于檢測器12的平面。像素大小26是檢測器12的每個單 元28的大小。
圖2和3 (a)示出使用這樣的現有技術微CT掃描的常規CT掃描。 在CT掃描之前，待檢測的物體16安裝在旋轉體18上，并且識別物體16 的最佳掃描位置(201)。選擇對所有掃描角度均具有良好對比度的適當 管電壓和管電流。然后，移除物體16，并進行偏差的校準(202)、增益 的校準(203)以及調整楔的校準(204)。安裝線模型34 (205)。線模
型34通常是固定在塑料管中的直線。在其掃描用于中心射線22的確定 (206)過程中，其由旋轉體18保持并以預定角度步驟旋轉360度。然 后，從所有角度獲得的所有檢測結果來生成正弦圖，并將其用于確定中心 射線22的位置。如是未能成功地識別中心射線22，則使用更大直徑的線 模型34，直到確定中心射線22。在成功確定中心射線22后，移除線模型 34，并且將待檢測物體16再次安裝在旋轉體18上(207)。設置相應的 CT掃描參數(208)，并進行CT掃描(209)。通常獲得的對物體16的 檢測結果，重構物體16的橫截面圖像。
圖3 (b)示出實際線模型的照片，圖3 (c)是從其檢測結果中生成 的線模型的正弦圖的示例。
圖4圖示第一實施例的原理，其中將具有距離旋轉軸線44不同半徑 的四個球的物體16用于CT掃描。在掃描了一個整圓或者180度加上扇形 束角度弧的情況下，僅具有最大半徑的球36在檢測器12上產生最寬的投 影。即，所選擇的切片的正弦圖的左邊緣40和右邊緣42是在物體16的片 中的最大半徑球36。因此， 一旦給出旋轉軸線44的位置，就使用最大半 徑球36的半徑確定以下項的夾角
左切點M，其中提供最左側點40的束產生與球36的切線；
源10;以及
右切點N，其中提供最右側點42的束產生與球36的切線 ("MSN")。
通過找出投影的左邊緣40和右邊緣42的對應掃描角度，可以確定 MSN角度。因為中心射線22必須平分MSN角，故可獲得中心射線22的 角度。通過使用公知的邊緣檢測運算法則，可以識別左邊緣40和右邊緣 42。可以使用諸如曲線匹配(curve fitting)的其他方法來提高子像素水平 的精確度。
確定MSN的一個方法是使用已知的中心通道24和檢測器像素大小 26。如上所述，中心通道24被限定為垂直于檢測器陣列的射線。在X射 線源10和檢測器12固定的情況下，中心通道24和檢測器像素大小28 — 直是固定的，并且不會改變，除非移動源10和/或檢測器12。例如可能因
為更換損壞的照相機而產生上述情況。基于已知的中心通道C和檢測器1 素大小P，則可以如下計算中心射線
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
其中，§^是源到檢測器的距離(單位/mi) ; 5^、圧、^分別是
從中心射線點O、投影的左端L和投影的右端R到中心通道點C的距離
(單位像素)。全部^、 5^、匸、^都是矢量，并且其符號根據它 們相對于中心通道的相對位置確定。
<formula>complex formula see original document page 9</formula>
對于其中5C 5C "s'c sc的情況，上述公式可以簡
化如下
在識別中心射線點O的情況下，可以開始重構處理。
圖4 (b)是CT掃描的流程圖。安裝物體16并設置參數(401)。在 物體16位于輻射區域外側的情況下移動操縱體后，進行偏差校準 (402)、增益校準(403)以及調整楔校準(404)產生效果。利用穩定 的X射線源IO和數字檢測器12，此步驟可以每天進行一次，并且僅需在 改變管電壓或電流時重復一次。具有物體16的操縱體移動返回旋轉體18 上的先前位置(405)，并進行掃描(408)和重構(407)。
基于此CT掃描，可以實現比上述系統更簡單的一步式微CT檢測系 統，并且使得可以自動進行確定系統參數設置、物體的定位、偏差校準、 增益校準、調整楔校準、CT掃描以及圖像重構。自動系統參數設置可以 通過下面完成對照射下的物體進行圖像分析，或者檢查基于系統參數和 物體性能之間關系(包括形狀和大小)產生的查找表格。自動物體定位可 以通過分析照射下的物體圖像來實現。
圖5 (a)示出用隨機選擇的旋轉軸線的線模型34確定的中心射線 22。線模型34被故意放置成距離旋轉軸線特定距離，以產生到旋轉軸線 的半徑。
圖5 (b)總結了用形狀和材料都不相同的物體確定的中心射線。所有
物體以圖5 (a)的相同旋軸線進行掃描。中心射線的值可以使用它們自身 的投影數據來適當地確定。變化與通過重復研究使用線模型34觀察的一 致。
圖6是用筆形鉆石切割機帽的演示。圖6 (a)物體的2D投影；圖6 (b)是識別的正弦圖的左端和右端的一個切片的正弦圖；以及圖6 (c) 是物體的重構切片圖像。
圖7 (a)是用雕刻陶瓷貓頭鷹(owl)的演示；圖7 (a)是物體的2D 投影；圖7 (b)是識別的正弦圖的左端和右端的一個切片的正弦圖；以及 圖7 (c)是物體的重構切片圖像。
圖8是胡桃的演示。圖8 (a)是物體的2D投影；圖8 (b)是識別的 正弦圖的左端和右端的一個切片的正弦圖；以及圖8 (c)是物體的重構切 片圖像。
圖9是鋁泡沫的演示。圖9 (a)是物體的2D投影；圖9 (b)是識別 的正弦圖的左端和右端的一個切片的正弦圖；以及圖9 (c)是物體的重構 切片圖像。
圖IO是第二實施例，其中由致密材料制成的相對小的物體50被粘附 到待檢測的物體16上，待檢測物體16具有特殊結構或材料密度分布。小 物體50可以放置在物體16的無關緊要的區域，使得不會影響物體16的重 要區域。CT掃描然后可以以上述方式進行。由于物體16的特殊結構和材 料特性分布，會不能夠產生適當的邊緣識別的良好投影對比度，故使用小 物體50產生必須的對比度。
圖ll示出第三實施例，其中，不使用具有較大半徑36的物點(object point)的投影。將產生比其周圍點更清楚的對比度的點38的投影用于計 算中心射線22。
CT處理由此被簡化并且具有更好的用戶友好性。還可以將所有的校 準處理集成到CT掃描處理中，以提高自動化。
雖然已經描述了本發明的上述優選實施例，但是本領域一般技術人員
應當理解，在不偏離本發明的情況下可以在設計或構造細節上做出許多變 更或修改。
權利要求
1.一種計算機化層面攝影系統，包括(a)固定X射線源，用于產生扇形束；(b)固定數字檢測器；以及(c)操縱器，用于保持并旋轉待檢測的物體；其中，將旋轉物體在所述固定數字檢測器上的左右投影用于確定中心射線位置，基于所述中心射線位置進行所述物體的圖像重構。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中所述物體的投影的正弦圖被用于 確定所述中心射線位置。
3. 根據權利要求1或2所述的系統，其中，夾角被用于確定所述中心 射線位置，所述夾角在所述物體的左投影、所述固定X射線源以及所述物 體的右投影之間。
4. 根據權利要求3所述的系統，其中所述中心射線平分所述夾角。
5. 根據權利要求3或4所述的系統，其中，將所述物體的到旋轉中心 具有最大半徑的部分用于確定所述物體在所述固定數字檢測器上的左右投 影，所述部分的左投影為最左側投影，所述右投影為最右側投影。
6. 根據從屬于權利要求2的權利要求3-5中任一項所述的系統，其 中，己知所述檢測器的中心通道和像素大小，通過識別所述正弦圖的左右 端來確定所述中心射線。
7. 根據權利要求3或4所述的系統，其中，所述物體的產生更清楚對 比度的點的左右投影被用于確定所述中心射線位置。
8. 根據權利要求7所述的系統，其中，所述點包括由比所述物體更致 密的材料制成的相對小的物體，所述相對小的物體附裝到所述物體。
9. 根據權利要求8所述的系統，其中，所述相對小的物體遠離所述物 體上受關注的至少一個區域附裝到所述物體上，以使得重構的圖像質量不 受影響。
10. —種計算機化層面攝影方法，包括(a)在固定X射線源處產生X射線的扇形束；(b)在固定數字檢測器處檢測X射線； (C)使用操縱體旋轉待檢測的物體；(d) 確定所述物體在所述固定數字檢測器上的左右投影；(e) 從所述左右投影確定中心射線位置；并且(f) 使用所述中心射線位置重構所述物體的圖像。
11. 根據權利要求IO所述的方法，其中，所述物體的投影的正弦圖被 用于確定所述中心射線位置。
12. 根據權利要求10或11所述的方法，其中，夾角被用于確定所述 中心射線位置，所述夾角在所述物體的左投影、所述固定X射線源以及所 述物體的右投影之間。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述中心射線平分所述夾角。
14. 根據權利要求12或13所述的方法，其中，將所述物體的具有到 旋轉中心的最大半徑的部分用于確定所述物體在所述固定數字檢測器上的 左右投影，所述部分的左投影為最左側投影，所述右投影為最右側投影。
15. 根據當從屬于權利要求11時的權利要求12-14中任一項所述的方 法，其中，己知所述撿測器的中心通道和像素大小，通過識別所述正弦圖 的左右端來確定所述中心射線。
16. 根據權利要求12或13所述的方法，其中，所述物體的產生更清 楚對比度的點的左右投影被用于確定所述中心射線位置。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中，所述點包括由比所述物體更 致密的材料制成的相對小的物體，所述相對小的物體附裝到所述物體。
18. 根據權利要求17所述的方法，其中，所述相對小的物體遠離所述 物體上受關注的至少一個區域附裝到所述物體上，以使得重構的圖像質量 不受影響。
全文摘要
一種計算機化層面攝影系統，包括固定X射線源(10)，用于產生扇形束(20)；固定數字檢測器(12)；以及操縱器(14)，用于保持和旋轉待檢測的物體。將旋轉物體在所述固定數字檢測器上的左右投影用于確定中心射線位置，所述物體的圖像重構基于所述中心射線位置。還公開了對應的方法和裝置。
文檔編號G01N23/02GK101341395SQ200580052293
公開日2009年1月7日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者通 劉 申請人:新加坡科技研究局
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
