小角度自摆式大型多层螺旋ct设备的制作方法

小角度自摆式大型多层螺旋ct设备的制作方法
【专利摘要】本使用新型提供一种大型多层螺旋CT设备，采用加速器X射线源和多排探测器，利用旋转的滑环让加速器与探测器在滑环上做单摆式往复转动，被扫描物体水平穿过滑环，实现对例如航空集装箱等大型物体的高分辨率三维断层成像，实现更直观、更全面、更精准的安全检查。本CT装置包括固定有加速器X光源和多排探测器的滑环，由于配重不均匀，只需提供很小的助力滑环可以围绕固定圆心做≦180度的单摆式往复摆动。扫描过程中，由于滑环摆动的角速度不均匀，投影角度也不均匀分布，因而需要特殊设计的CT图像重建算法获得全部所需三维断层图像。
【专利说明】小角度自摆式大型多层螺旋CT设备

【技术领域】
[0001] 本使用新型涉及航空集装箱CT检查领域，特别涉及小角度自摆式大型多层螺旋 CT设备。

【背景技术】
[0002] 1989年，螺旋CT(计算机断层扫描技术）开始投入临床应用，由于螺旋CT的巨大 优势，使得它逐步替代了以前的断层CT，螺旋CT相对于断层CT的优势在于：螺旋CT可以连 续不间断地采集投影数据，并通过专门设计的重建算法得到物体的三维体数据，使得CT扫 描的时间大大缩短，提供了重建图像的Z轴分辨率，减少了运动伪迹。1991年，Elscint公 司在单层螺旋CT基础上，首先推出了双层螺旋CT，从此揭开了多层螺旋CT飞速发展的序 唇。
[0003] 多层螺旋CT与单层螺旋CT的主要区别在于单层螺旋CT的探测器是单排的，每次 只能采集一层扇束投影数据，而多层螺旋CT的检测器是多排的，可以同时采集多层锥束投 影数据；因此，多层螺旋CT和单层螺旋CT相比在性能上有了很大的提升，大大增加了 X射 线束的覆盖范围，有效地提高X射线的利用率，缩短了扫描时间，能够得到更高质量的三维 重建图像。1998 年，GE、Siemens、Toshiba、Philips 公司推出了 4 层螺旋 CT ;2001 年，GE 公司率先推出了 8层；2002年，GE、Siemens、Toshiba、Philips公司分别推出了 16层螺旋 CT ;2005年，Toshiba公司推出了 256层螺旋CT ;2007年，在美国芝加哥的第93届北美放 射学会议上Toshiba公布了其最新推出的320层螺旋CT产品。目前的多层螺旋CT扫描速 度已经超过了每秒3周，已经广泛地被应用于人体三维成像、血管造影成像、心脏成像、脑 灌注成像等领域，在多层螺旋CT技术上还发展起来了计算机辅助手术、虚拟内窥镜技术和 辅助放射治疗等新技术。
[0004] 传统多层螺旋CT技术已经在医学应用上取得了巨大的成功，但在面对大型物体 三维断层成像时仍然显现出很多不足：（1)对大型物体成像需要较高的穿透力与较大的扫 描空间，而普通X光机难以达到高的穿透力，普通小型探测器与小尺寸滑环也难以获得大 的扫描空间，因而需要采用加速器X射线源及大型探测器，这将导致扫描装置重量的大幅 增加，对滑环的承重能力与大小尺寸提出极高的需求，传统多层螺旋CT技术难以达到。（2) 由于传统多层螺旋CT采用连续旋转的滑环技术，环上的X光机和多排探测器所需的电源都 通过高速滑环供给，特别是多排探测器在扫描过程中产生的大量投影数据需要通过无线射 频技术高速传输到环下的计算机中，极大地增加了滑环及电传部分的技术难度和成本，如 果再采用供电需求更高的加速器与大型探测器，则几乎不可能实现。
[0005] 随着大面积平板探测器技术的飞速发展，医用平板探测器技术已经相当成熟。最 近十年左右，采用平板探测器的应用CT设备已经出现并日趋成熟，例如口腔锥束CT也在临 床上广泛采用。原来多层螺旋CT需要X射线源旋转数圈才能够扫描完全的区域，使用平板 探测器后可能只需要扫描一圈就可以了，大大缩短了扫描的时间。但是由于平板探测器都 往往只能承受很低的能量与剂量，而且分辨率高，成本高，显然不适合大型物体成像，所以， 需要使用新的X射线源以及新的探测器以适用于航空集装箱等大型物体检测。
[0006] 实用新型内容
[0007] 鉴于此，本使用新型的目的在于克服或消除现有技术中一个或多个问题，提供一 种小角度自摆式CT设备，其特征在于包括：
[0008] X射线发生装置，配置成朝向被检测对象发射X射线；
[0009] 数据采集分系统，配置成采集穿过被检测对象的X射线信号执行检测；
[0010] 摆动支撑装置，X射线发生装置和数据采集分系统分别布置在摆动支撑装置上且 相互间隔分开，被检测对象放置在X射线发生装置和数据采集分系统布置之间或从它们之 间通过，所述摆动支撑装置配置成能够在承载X射线发生装置和数据采集分系统的情况 下以摆动的方式往复运动。
[0011] 根据本实施新型的一方面，摆动支撑装置的往复运动是利用摆动支撑装置的重心 偏置的单摆式往复运动。
[0012] 根据本实施新型的一方面，摆动支撑装置的往复运动在除去两端部分的大部分行 程上是匀速的。
[0013] 根据本实施新型的一方面，摆动支撑装置是滑环，X射线发生装置和数据采集分系 统布置在滑环的圆周上且位于相对于中心的相对侧。
[0014] 根据本实施新型的一方面，摆动支撑装置的往复摆动最大幅度不超过180度。
[0015] 根据本实施新型的一方面，X射线发生装置是大功率X射线加速器。
[0016] 根据本实施新型的一方面，X射线发生装置提供锥形或扇形X射线束。
[0017] 根据本实施新型的一方面，数据采集分系统包括多排探测器阵列。
[0018] 根据本实施新型的一方面，CT设备还包括载床，配置用以承载被检测对象穿过由 X射线发生装置和数据采集分系统构成的检测区域。
[0019] 根据本实施新型的一方面，载床能够沿两个方向作直线运动，包括升降和平移。
[0020] 根据本实施新型的一方面，CT设备还包括控制分系统，用以控制摆动支撑装置的 运动和X射线与数据采集分系统的操作。
[0021] 根据本实施新型的一方面，CT设备还包括数据处理分系统，对由数据采集分系统 获得的投影数据进行处理，重建出物体三维立体图像。
[0022] 本使用新型的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的特征在于使用适于检查大型 对象的大功率加速器X射线源与多排探测器，通过S 180度的往复转动和载有被检体载床 的直线运动完成整个扫描过程。X射线源对集装箱的扫描路径为螺旋折线。本使用新型的 CT设备使用往复转动的扫描模式，采用有线传输方式完成X射线投影数据的传输，解决了 利用大型X射线加速器进行检查涉及复杂的系统等技术难题，大大简化了系统的复杂度、 技术难度和制造成本。自摆式转动与固定频率出束的扫描方式也简化了传动控制装置，系 统将能自动确定并记录每次出束的时间并推算出扫描角度。同时，这种扫描方式也使得被 检体在扫描过程中所受的X射线辐照剂量也大大降低。因此，本使用新型具有很高的市场 应用潜力。

【专利附图】

【附图说明】
[0023] 图1是根据本使用新型的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的扫描示意图
[0024] 图2是根据本使用新型的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的滑环部分截面示 意图
[0025] 图3是根据本使用新型的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的X光源扫描路径 示意图，其中X光源扫描路径是一条由分段螺旋线段组成的连续非光滑螺旋折线。
[0026] 图4是根据本使用新型的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的X光源扫描轨迹 的俯视图，其中X光源扫描路径俯视图是由一条由分段的类正弦线组成的连续非光滑曲 线，该显示的俯视图为X光源扫描起点在Z轴正上方时。

【具体实施方式】
[0027] 现在对本使用新型的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中相同的数 字全部代表相同的元件。为解释本使用新型下述实施例将参考附图被描述。本系统示意图 可以参见附图1和2。
[0028] 本使用新型的一个实施例提供的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备利用加速器 X光源和多排探测器，通过=180度的往复转动扫描获得CT三维图像重建所需的全部投影 数据，然后利用相应的CT重建和数据处理技术获得所照射部位的三维断层图像。
[0029] 根据本使用新型的实施例，如图1所示，小角度自摆式大型多层螺旋CT设备，其包 括X射线发生装置1，配置成朝向被检测对象发射X射线；和，数据采集分系统3,配置成采 集穿过被检测对象6的X射线信号执行检测。CT设备还包括摆动支撑装置，X射线发生装置 1和数据采集分系统3分别布置在摆动支撑装置上且相互间隔分开，所述摆动支撑装置配 置成能够在承载X射线发生装置1和数据采集分系统3的情况下以摆动的方式往复运动。
[0030] 根据一个实施例，X射线发生装置1包括X射线加速器光源1，以及相应的辅助设 备。由于大型集装箱体积大，使用现有技术的X射线发生装置难以实现检测的目的。本实 施例采用X射线加速器1可以发射功率高能量大的X射线2实现对大型集装箱6的检测。 通过加速器加速电子打靶，产生X射线2,可以提供高能量锥形或扇形X射线束2。
[0031] 根据一个实施例，X射线发生装置1布置在摆动支撑装置4上，随支撑装置4可以 作例如单摆式摆动的往复运动。支撑装置4的往复摆动幅度可以不超过180度。支撑装置 4的往复摆动幅度可以是小于180度的任意角度。图2示出了滑环以180度的幅度作往复 运动的不意图。
[0032] 根据一个实施例，可摆动的支撑装置4可以是滑环4, X射线发生装置1和数据采 集分系统3分别布置在滑环的圆周上、相对于中心的相对侧。摆动支撑装置4的往复摆动 幅度可以不超过180度。
[0033] 摆动幅度等于或小于180度是有利的。一般情况下为了对物体进行全方位的例如 360度的扫描，支撑装置4会旋转360度。然而本实施例中的滑环4有利地在等于或小于 180度的范围内旋转或摆动，减小了摆动幅度，较小摆动角度范围有利于使得系统的设置更 简单。在大型集装箱货物检查的情形中，这是尤其有利的。众所周知，X射线加速器1具有 非常大的重量和体积，在现有技术中X射线加速器基本上都是在固定情况下使用的，因为 支撑和驱动庞大的X射线加速器1是困难的，往往需要庞大的框架和高功率的驱动装置，这 使得系统非常复杂并且对相关的设备提出极高的要求，因而通常无法实现。以小的角度运 动滑环可以降低系统的功率消耗，相应配置的致动系统可以得以简化；并且，支撑X射线加 速器1的滑环4在运动过程中承受的动能变化量将会显著降低，由此得以降低对支撑结构 的要求，提高支撑结构的安全性，在经济上是极为有利的。在较小摆动范围上摆动减小了被 检查对象经受X射线2辐照剂量，这在使用X射线加速器1的情形中是尤为有利的。
[0034] 由于滑环只围绕圆心做=180度往复旋转，不存在连续旋转造成的绕线问题，因 此，在扫描过程中多排探测器上采集的大量投影数据可以通过光缆有线传输到后端的数据 处理工作站中。与无线传输相比，使用有线传输数据信号具有传输速度更快，信噪比更高的 优点，其抗电磁干扰能力也更强。在较小摆动范围上摆动使得与摆动装置连接的例如传递 信息的缆线等以较小的幅度运动，这对于大型设备来说在实际应用中极为有利。在一些特 定扫描过程中，滑环也可以=150度、或=120度、或=100度、或=90度、或=70度、或 S 60度、或更小的角度往复摆动，从而实现对被检测对象的整体或局部的扫描检测。
[0035] 根据一个实施例，数据采集分系统包括具有一定的或设定的探测器面积的多排探 测器阵列3。探测器的面积可以根据实际需要设置。探测器单元一般是等距排列，也可以是 等角排列，或其他非等距排列方式。多排探测器用于获取扇形束射线的透射投影数据。该 部分还包括探测器上投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器、 闪烁体探测器，也可以是气体探测器，还可以是半导体探测器。
[0036] 多排探测器可以被固定在例如转动的滑环的支撑装置4上，扫描过程中产生的大 量投影数据通过光缆、网线等线路传输到后端的数据处理工作站中。根据本实施例，采用有 线传输可以保证数据传输的速度，降低信号在传输过程中的损失，提高信号传输的抗干扰 能力；同时，可以在很大程度上降低数据采集的技术难度和成本。
[0037] 根据一个实施例，滑环4可以采用圆环形状的滑环4,如图1和2中所示。X射线 发生装置1和多排探测器3相差180度，S卩，相对于滑环4的中心相对地固定在滑环上。多 排探测器可以固定在滑环的内侧，如图2中示意地示出的。如图2所示，扇形束X射线2的 张角和多排探测器3的有效探测面积由实际所需的X射线成像区域大小决定。本领域技术 人员应该理解，虽然X射线发射装置1与相应的探测器3仅在小于180度的范围上扫描，然 而根据扫描的信号仍然可以得出满足实际需要的检查结果。
[0038] 根据一个实施例，滑环4由电气系统提供助力，控制其以一定摆幅周期转动，同 时控制X射线发生装置1按固定频率发出脉冲式X射线2,并驱动多排探测器采集投影数 据。
[0039] 根据一个实施例，本使用新型尤其有利的是利用设备重量的偏心分布而采用单摆 式运动执行扫描动作。具体地，例如，由于X射线加速器1更重，整体的滑环的重心将因为 靠近X射线加速器1方向而偏离圆心，因而自然形成一个单摆，假设滑环4重新偏离圆心的 距离为L，则摆动周期为

【权利要求】
1. 一种小角度自摆式CT设备，其特征在于包括： X射线发生装置，配置成朝向被检测对象发射X射线； 数据采集分系统，配置成采集穿过被检测对象的X射线信号执行检测； 摆动支撑装置，X射线发生装置和数据采集分系统分别布置在摆动支撑装置上且相互 间隔分开，被检测对象放置在X射线发生装置和数据采集分系统布置之间或从它们之间通 过，所述摆动支撑装置配置成能够在承载X射线发生装置和数据采集分系统的情况下以摆 动的方式往复运动。
2. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，摆动支撑装置的往复运动是利用摆动支 撑装置的重心偏置的单摆式往复运动。
3. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，摆动支撑装置的往复运动在除去两端部 分的大部分行程上是匀速的。
4. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，摆动支撑装置是滑环，X射线发生装置和 数据采集分系统布置在滑环的圆周上且位于相对于中心的相对侧。
5. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，摆动支撑装置的往复摆动最大幅度不超 过180度。
6. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，X射线发生装置是大功率X射线加速器。
7. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，X射线发生装置提供锥形或扇形X射线 束。
8. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，数据采集分系统包括多排探测器阵列。
9. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括载床，配置用以承载被检测对象穿 过由X射线发生装置和数据采集分系统构成的检测区域。
10. 如权利要求9所述的CT设备，其特征在于，载床能够沿两个方向作直线运动，包括 升降和平移。
11. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括控制分系统，用以控制摆动支撑 装置的运动和X射线与数据采集分系统的操作。
12. 如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括数据处理分系统，对由数据采集 分系统获得的投影数据进行处理，重建出物体三维立体图像。
【文档编号】G01N23/04GK204064976SQ201420486422
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】康克军, 陈志强, 李元景, 张丽, 赵自然, 刘耀红, 顾建平, 李亮, 邢宇翔 申请人:清华大学, 同方威视技术股份有限公司