专利名称：一种适用于锥束xct系统中的二自由度转台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种锥束XCT系统中的转台，更特别地说，是指一种适用于锥束 XCT系统的图像重建坐标系原点标定时用的转台。
背景技术：
近些年来，随着计算机技术的飞速发展和面阵探测器的出现，锥束XCT (Cone-beam X-ray Computed Tomography)NDT (Non-destructiveTesting)Wff^fli 点。在众多的CT重建算法中，考虑到运算量和工程实现难度，FDK(FeIdkamp-Davis-Kress) 类型的算法最为实用，也一直是实际工程应用中的主流。根据FDK算法要求，需要精确知道图像重建坐标系原点的位置，即射线源的焦点 在面阵探测器的成像平面上的投影点坐标。一般射线源与面阵探测器的成像平面之间的距 离为1. 5m 2m。但在实际的成像系统中，由于射线源的焦点和面阵探测器的成像平面的准 确位置无法直接测量得到，从而使得焦点在成像平面上的投影点的位置难以精确测量。因 此，投影点的误差会影响重建图像的精度，造成伪影的产生，影响图像的分辨力和细节的有 效检出。在“利用非线性最小二乘估计锥束扫描三维CT重建几何参数，北京航空航天大学 学报，2005，31 (10) :1135-1139”中提出了一种非线性最小二乘估计的测量方法。其思想就 是计算空间一质点在不同转角下的投影坐标，质点理论投影坐标与实际求得的投影坐标之 间应满足误差最小，通过求解满足此条件的非线性最小二乘解，即得到投影坐标原点参数 值。非线性最小二乘估计结果受参数向量的初始值影响较大，容易产生病态的解。作者张全红在“X射线工业CT成像优化研究[D].北京北京航空航天大学机械工 程及自动化学院，2006”中提出了利用夹芯面包板测量图像重建坐标系原点的方法，夹芯面 包板由长准直比的准直栅构成，当对面包板进行成像时，惟有焦点发出的主射线通过准直 栅成像，通过对准直栅DR(Digital Radiography)图像的灰度分布统计和拟合，计算出射线 源焦点投影的位置。该方法测量精度较低，操作起来难度较大。
发明内容本实用新型的目的是提出一种适用于锥束XCT系统的图像重建坐标系原点标定 过程中获取X轴向或Y轴向上位置的二自由度转台，其由Y轴向导轨、X轴向导轨、滑块和 支撑架组成；支撑架由升缩杆和套筒组成，升缩杆的一端能够在套筒内上下滑动，升缩杆的 另一端上用于放置球状目标体，支撑架的底部设有导柱，导柱能够在X轴向导轨的滑道中 滑动；X轴向导轨的上方设有滑道，滑块安装在X轴向导轨的下方；X轴向导轨与Y轴向导轨 通过滑块滑动连接；二自由度转台摆放在射线源与面阵探测器之间的任意位置，且二自由 度转台中的Y轴向导轨垂直于面阵探测器的成像平面。该二自由度转台能够方便的实现球 状目标体在面阵探测器的成像平面上的投影成像，使得锥束XCT系统中进行的图像重建坐 标系原点标定更加简单。[0007]所述的二自由度转台，其Y轴向导轨的长度为IOOOmm 1200mm，X轴向导轨的长 度为500_ 800_。所述的二自由度转台，其面阵探测器为平面阵列探测器。所述的二自由度转台，其球状目标体的直径为IOmm 30mm。
图1是锥束XCT系统中球状目标体在锥束射线场下的成像示意图。图IA是本实用新型设计的支撑架结构。图IB是本实用新型设计的二自由度转台结构图。图2A和图2B是球状目标体在X轴向移动前后的成像示意图。图3A和图3B是球状目标体在Y轴向移动前后的成像示意图。图4是面阵探测器4采集到的DR投影合成图像。图5A是160kV锥束XCT系统使用2年后的CT重建图像。图5B是重新进行160kV锥束XCT系统图像重建坐标系原点标定后的CT重建图 像。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。本实用新型提出的一种适用于锥束XCT系统的图像重建坐标系原点标定方法，是 出厂前对锥束XCT系统的图像重建坐标系原点Od (X。，Z0)进行标定，或者是锥束XCT系统经 一段时间使用后，对图像重建坐标系原点Od(x。，z。)的位置进行校正时而采用的一种较为简 便、易操作的标定方法。一套锥束XCT系统一般由硬件部分和软件部分组成，其中，硬件部 分包括有射线源、多自由度载物台、探测器、控制器和PC机；软件部分(存储在PC机的硬盘 中)包括有CT控制单元、图像重构单元、图像处理与可视化单元。在本实用新型中(参见图1、图1A、图IB所示)，不采用锥束XCT系统中原有的多 自由度载物台，而采用由支撑架8、X轴向导轨7和Y轴向导轨6构成的二自由度二自由度 转台。支撑架8由升缩杆81和套筒83组成，升缩杆81的一端能够在套筒83内上下滑动， 升缩杆81的另一端上用于放置球状目标体3，支撑架8的底部设有导柱82，导柱82能够在 X轴向导轨7的滑道72中滑动，从而确定球状目标体3在X轴向上的位置；X轴向导轨7的 上板面上设有滑道72，该滑道72用于安装支撑架8的导柱82，从而实现支撑架8沿X轴向 导轨7的轴向滑动，X轴向导轨7的下方安装有滑块71，X轴向导轨7通过滑块71与Y轴 向导轨6安装，且使X轴向导轨7沿Y轴向导轨6的轴向方向滑动；Y轴向导轨6的长度为 1000 1200mm，X轴向导轨7的长度为500 800mm。支撑架8的一端设有升缩杆81，另一 端设有导柱82，升缩杆81能够在套筒83内滑动，支撑架8的升缩杆81上放置球状目标体 3。二自由度转台位于射线源1与面阵探测器4之间任意位置，并在二自由度转台的升缩杆 81的顶部放置一球状目标体3。当射线源1射出的锥束射线2照射到球状目标体3上时， 球状目标体3会在阵探测器4的成像平面5上形成投影图像31 (即DR投影图像)。本实用新型是对射线源1的焦点P投射在面阵探测器4的成像平面5上的投影点 0d(xo,zo)的位置进行标定，采用单球状目标体3在锥束场下，在同一 X轴向位置下、通过移动单球状目标体3在射线源1与面阵探测器4之间的位置(即沿着Y轴向导轨6移动)，使 得成像平面5上形成两个不同Y轴向位置下的DR投影图像；然后采用图像处理方法提取出
工 KT2 一 ^/、
两个DR投影图像的中心坐标，连接两个中心点构成直线方程z=r _r (hm) + ； 重复进行不同X轴向位置下的两个不同Y轴向位置下的DR投影图像获取，以此得到的多个
JclX + ζ -bx
直线方程重构出超定方程组j2 _ 2最后在图像处理与可视化单元中依据该超定
·■···* *
>
k^x ~l· ζ — b^
方程组求解得到源焦点P在成像平面5上的投影坐标点Od(X。，Z0)，即得到图像重建坐标系 原点坐标。该测量的结果应用于图像重构单元和CT控制单元中。参见图2A、图2B所示的球状目标体3沿X轴向移动成像。将支撑架8的导柱82 在X轴向导轨7上由后向前每次移动一段距离Δχ(Δχ= 15mm 20mm)后到达的位置记 为Pxn，X表示沿X轴向移动，N表示沿X轴向的移动次数，N = 5 7。球状目标体3沿X轴 向移动的起始位置记为Pxi，其他位置依次记为Px2，Px3，……，PXN。参见图3A、图3B所示的球状目标体3沿Y轴向移动成像。当支撑架8在X轴向导 轨7上的位置确定后，X轴向导轨7在Y轴向导轨6上由左向右每次移动一段距离Δ y ( Δ y =IOOmm 150mm)后到达的位置记为PY(XN)，Y表示沿Y轴向移动，XN表示球状目标体3在 X轴向上的位置点，N表示沿X轴向的移动次数，N = 5 7。依据图2Α、图2Β、图3Α、图3Β所示，采用本实用新型中的投影点位置标定方法，首 先是支撑架8在X轴向导轨7上移动到某一位置Pxn时，然后沿Y轴向导轨6由左向右移动 一段距离Ay后到达一个位置。当球状目标体3在X轴向上的位置为Pxi时，再沿Y轴移动 一段距离Δ y后到达的位置记为PY(X1)，依次类推，则Px2对应ΡΥ(Χ2)，Px3对应ΡΥ(Χ3)，……，Pxn 对应 Py (ΧΝ)。在应用二自由度转台的锥束XCT系统中，对图像重建坐标系原点标定包括有下列 步骤第一步将二自由度转台摆放在射线源1与面阵探测器4之间的任意位置，且二 自由度转台中的Y轴向导轨6垂直于面阵探测器4的成像平面5，支撑架8的底部安装在X 轴向导轨7与Y轴向导轨6的垂直位置，将一个球状目标体3安装在升缩杆81的顶部；如 图1所示，图中二自由度转台是为了直观表达安装关系，采用了简示的二自由度转台，对于 二自由度转台的具体结构请参见图IA和图IB所示。第二步开启射线源设备出射锥束射线2，调整升缩杆81的高度，使锥束射线2能 够照射球状目标体3在面阵探测器4的成像平面5上出现有DR投影图像31 ；第三步(A)调整导柱82在X轴向导轨7上的位置，记为位置Pxi (第一位置Pxi)， 在该第一位置Pxi下面阵探测器4采集到球状目标体3在成像平面5上的DR投影图像记为 B11 (第一位置投影B11)，第一位置投影B11的中心坐标记为Q11 (xn, Z11)；(B)在第一位置Pxi下，将X轴向导轨7沿Y轴向导轨6从左向右移动一段距离 Δ y到达位置PY(X1)(第一移动位置ΡΥ(Χ1)后，面阵探测器4采集到球状目标体3在成像平面 5上的DR投影图像记为B12 (第一移动位置投影B12)，第一移动位置投影B12的中心坐标记为Ql2 (X12，Z12)；在本实用新型中，对DR投影图像进行边缘检测、阈值分割、轮廓细化与轮廓追踪， 以得到DR投影图像的轮廓点坐标，然后利用最小二乘拟合法回归出DR投影图像的中心坐 标。其中边缘检测、阈值分割、轮廓细化与轮廓追踪、最小二乘拟合求取中心坐标为已公开 的图像、图形处理方法。第四步㈧再调整导柱82在X轴向导轨7上的位置，记为位置Px2(第二位置Px2)， 在该第二位置Px2下面阵探测器4采集到球状目标体3在成像平面5上的DR投影图像记为 B21 (第二位置投影B21)，第二位置投影B21的中心坐标记为Q21 (x21, z21)；(B)在第二位置Px2下，将X轴向导轨7沿Y轴向导轨6从左向右移动一段距离Ay 到达位置PY(X2)(第二移动位置ΡΥ(Χ2))后，面阵探测器4采集到球状目标体3在成像平面5 上的DR投影图像记为B22 (第二移动位置投影B22)，第二移动位置投影B22的中心坐标记为 Q22 (Χ22 ‘ Ζ22)‘第五步依次调整导柱82在X轴向导轨7上的位置，分别记为位置Px3，……， Pffl(N = 5 7次)，面阵探测器4分别采集到球状目标体3在成像平面5上的DR投影图像 分别记为B31，……，Bni ；则B31的中心坐标Q31 (x31, Z31)，Bni的中心坐标Qni (xN1, zN1)；在位置 Px3，……，Pxn下，将球状目标体3沿Y轴向导轨6移动一段距离Δ y后到达位置PY(X3)，……， PY(ffl)，则面阵探测器4分别采集到球状目标体3在成像平面5上的DR投影图像分别记为
B32, ......，ΒΝ2 ；则B32的中心坐标Q 32 VX32' Ζ32 )，Bn2的中心坐标Q Ν2 (ΧΝ2，ΖΝ2 )。为了叙述方便，
Px3称为第三位置，Py(X3)称为第三移动位置，Pxn称为第N位置，ΡΥ(ΧΝ)称为第N移动位置，B31 称为第三位置投影，B32称为第三移动位置投影，Bni称为第N位置投影，Bn2称为第N移动位 置投影。第六步(Α)连接中心点Q11和Q12，得到第一直线方程Ζ=ΖΥ12_1" (χ-χη) + ζη>χ
表示面阵探测器4的成像平面5坐标系XOZ的X轴上的参数，ζ表示面阵探测器4的成像 平面5坐标系XOZ的Z轴上的参数；(B)连接中心点Q21和Q22，得到第二直线方程ζ='22 J21 (X-X21) +Z21',(C)连接中心点Q31和Q32得到第三直线方程z = ^2 二，1+ % ；......；(D)连接中心点Qni和Qn2得到第N直线方程z=ZrN2 _ZYm+
ΛΝ2 ““ ΛΛΠ(E)联立在一次测量过程(N = 5 7次)中所有的直线方程，得到超定方程组 kxx + z-bx
k2x + ζ = b2 且
……，k -fiLZin. k -faLZfai kN = Zm~Zm , b _￡ιζ￡ιιΧΛ
K1 —9 K2 一9Y _ r—Λ ^11 -r ^u y
kNX =X12- X22 -X21^2 X沿X12 一JC11
ι 一 2^21 一 ^22丄τ 一 ^Nl 一 ^N2丄
办2 ~X X2l + Z2l ^N =X XN\ + ZN\
X22 — X2lXN2 一 XN1kxx + ζ = Jb1 k χ ^ b第七步采用最小二乘法解求解超定方程组
权利要求一种锥束XCT系统用二自由度转台，其特征在于由Y轴向导轨(6)、X轴向导轨(7)、滑块(71)和支撑架(8)组成；支撑架(8)由升缩杆(81)和套筒(83)组成，升缩杆(81)的一端能够在套筒(83)内上下滑动，升缩杆(81)的另一端上用于放置球状目标体(3)，支撑架(8)的底部设有导柱(82)，导柱(82)能够在X轴向导轨(7)的滑道(72)中滑动；X轴向导轨(7)的上方设有滑道(72)，滑块(71)安装在X轴向导轨(7)的下方；X轴向导轨(7)与Y轴向导轨(6)通过滑块(71)滑动连接；二自由度转台摆放在射线源(1)与面阵探测器(4)之间的任意位置，且二自由度转台中的Y轴向导轨(6)垂直于面阵探测器(4)的成像平面(5)。
2.根据权利要求1所述的二自由度转台，其特征在于Y轴向导轨(6)的长度为 IOOOmm 1200mm，X轴向导轨(7)的长度为500mm 800mm。
3.根据权利要求1所述的二自由度转台，其特征在于面阵探测器(4)为平面阵列探 测器。
4.根据权利要求1所述的二自由度转台，其特征在于球状目标体(3)的直径为 IOmm 30mmo
专利摘要本实用新型公开了一种用于锥束XCT系统中的二自由度转台，其由Y轴向导轨、X轴向导轨、滑块和支撑架组成；支撑架由升缩杆和套筒组成，升缩杆的一端能够在套筒内上下滑动，升缩杆的另一端上用于放置球状目标体，支撑架的底部设有导柱，导柱能够在X轴向导轨的滑道中滑动；X轴向导轨的上方设有滑道，滑块安装在X轴向导轨的下方；X轴向导轨与Y轴向导轨通过滑块滑动连接；二自由度转台摆放在射线源与面阵探测器之间的任意位置，且二自由度转台中的Y轴向导轨垂直于面阵探测器的成像平面。该二自由度转台能够方便的实现球状目标体在面阵探测器的成像平面上的投影成像，使得锥束XCT系统中进行的图像重建坐标系原点标定更加简单。
文档编号G01N23/00GK201765199SQ20102013053
公开日2011年3月16日 申请日期2010年3月15日 优先权日2010年3月15日
发明者王远, 许州, 陈浩, 黎明 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所