高分辨率计算机断层扫描的制作方法
【专利说明】高分辨率计算机断层扫描
[0001]此申请要求于2013年4月12日提交的美国临时专利申请号61/811，151的权益，该临时申请的全部内容以引用的方式并入本文。
技术领域
[0002]本发明涉及X射线数字放射显影和计算机断层扫描。
【背景技术】
[0003]X射线数字放射显影(DR)是使用数字X射线探测器(诸如平板探测器、电荷耦合器件(CCD)相机或互补金属氧化物半导体(CMOS)相机或线性二极管阵列(LDA))的常用非侵入性和非破坏性的成像技术。X射线计算机断层扫描(CT)是使用在不同视角下获得的计算机处理后的X射线放射照片来产生物体的3维图像的程序。物体的断层图像是物体的概念上的二维“切片”的图像。计算设备可以使用物体的断层图像来产生物体的3维图像。X射线CT可以用于工业目的以进行物体的非破坏性评估。
【发明内容】
[0004]通常，本发明涉及工业X射线计算机断层扫描(CT)和非破坏性评估(NDE)。本发明描述了一种装置和图像获取方法，其可以将二维(2D)X射线放射显影和三维(3D)x射线CT技术的有效视场扩展超出装置中使用的探测器的物理尺寸，以及将有效图像分辨率增加超出像素尺寸。本发明的技术提供了用于该装置的仪器设计、用户控制机构以及软件算法。该装置可以用于自然存在的物体(诸如岩心样品)以及制造的部件和系统(诸如金属铸件、发动机部件以及整个发动机单元)的NDE。装置可以包括X射线源、放射探测器以及样品操纵器，每个都具有相关联的运动控制系统。样品操纵器可以将样品放置成使得可以在不同的位置和视角处获得放射照片。
[0005]在一个实例中，本发明描述了一种X射线成像系统，包括:配置成发射X射线束的X射线产生器；二维像素化区域放射探测器，其具有垂直于X射线束的发射方向布置的平面，其中第一平移台和第二平移台承载放射探测器，其中第一和第二平移台被配置成沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的平移轴移动放射探测器；以及图像获取系统，其被配置成:在沿着平移轴中的一个或两个的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比放射探测器的像素尺寸精细的距离，并且集合放射照片以形成具有比所获取的放射照片更精细的分辨率的复合放射照片。
[0006]在另一个实例中，本发明描述了一种X射线成像系统，包括:配置成发射X射线束的X射线产生器；二维像素化区域放射探测器，其具有垂直于X射线束的发射方向布置的平面，其中第一平移台和第二平移台承载放射探测器，其中第一和第二平移台被配置成沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的平移轴移动放射探测器；以及图像获取系统，其被配置成:在沿着平移轴中的一个或两个的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比沿各自平移轴的放射探测器的线性尺寸小的距离，并且将放射照片集合成为比该系列放射照片中的每个放射照片大的复合放射照片。
[0007]在另一个实例中，本发明描述了一种方法，包括:在沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的第一或第二平移轴的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比放射探测器的像素尺寸精细的距离，放射探测器具有垂直于由X射线产生器发射的X射线束的发射方向布置的平面，其中第一平移台和第二平移台承载放射探测器，其中第一和第二平移台被配置成沿着第一和第二平移轴移动放射探测器；以及集合放射照片以形成具有比所获取的放射照片精细的分辨率的复合放射照片。
[0008]在另一个实例中，本发明描述了一种方法，包括:在沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的第一或第二平移轴的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比分别沿着第一平移轴或第二平移轴的放射探测器的线性尺寸小的距离，其中放射探测器具有垂直于由X射线产生器发射的X射线束的发射方向布置的平面，第一平移台和第二平移台承载放射探测器，并且第一和第二平移台被配置成沿着第一和第二平移轴移动放射探测器；以及将放射照片集合成为比该系列放射照片中的每个放射照片大的复合放射照片。
[0009]在另一个实例中，本发明描述了一种上面存储有指令的永久计算机可读数据存储媒介，所述指令在被执行时使得计算系统:在沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的第一平移轴或第二平移轴的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比放射探测器的像素尺寸精细的距离，放射探测器具有垂直于由X射线产生器发射的X射线束的发射方向布置的平面，其中第一平移台和第二平移台承载放射探测器，其中第一和第二平移台被配置成沿着第一和第二平移轴移动放射探测器；以及集合放射照片以形成具有比所获取的放射照片精细的分辨率的复合放射照片。
[0010]在另一个实例中，本发明描述了一种上面存储有指令的永久计算机可读数据存储媒介，所述指令在被执行时使得计算系统:在沿着平行于放射探测器的探测器像素的定位方向的第一平移轴或第二平移轴的不同探测器位置处获取一系列放射照片，不同探测器位置分开比分别沿着第一平移轴或第二平移轴的放射探测器的线性尺寸小的距离，其中放射探测器具有垂直于由X射线产生器发射的X射线束的发射方向布置的平面，第一平移台和第二平移台承载放射探测器，并且第一和第二平移台被配置成沿着第一和第二平移轴移动放射探测器；以及将放射照片集合成为比该系列放射照片中的每个放射照片大的复合放射照片。
[0011]在附图和以下描述中阐述一个或多个实例的细节。其他特征、目标和优点将从描述、附图和权利要求中变得显而易见。
【附图说明】
[0012]图1是根据本发明的一个或多个技术的示例性仪器设置的示意性图式。
[0013]图2是根据本发明的一个或多个技术的探测器运动系统的示例性实施的图示。
[0014]图3是根据本发明的一个或多个技术的示例性仪器设置的示意性图式，其中工业计算机断层扫描(CT)系统包括旋转台。
[0015]图4是示出了根据本发明的一个或多个技术的示例性超分辨率图像获取过程的概念图。
[0016]图5A示出了示例性常规X射线放射照片。
[0017]图5B示出了根据本发明的一个或多个技术捕获的示例性超分辨X射线放射照片。
[0018]图6是示出了根据本发明的一个或多个技术的示例性镶嵌图像获取和集合过程的概念图。
[0019]图7是示出了根据本发明的一个或多个技术的工业CT系统的示例性操作的流程图。
[0020]图8是示出了根据本发明的一个或多个技术的工业CT系统的示例性操作的流程图。
【具体实施方式】
[0021]X射线放射显影(DR)和计算机断层扫描(CT)是在医疗成像和工业非破坏性评估(NDE)中非侵入性或非破坏性获得三维结构的常用方法。本发明的一个或多个示例性技术涉及X射线CT的工业应用。图1是根据本发明的一个或多个技术的示例性仪器设置的示意性图式。如图1的实例中所示，工业CT系统10可以包括X射线源12和放射探测器14。X射线源12可以发射X射线束16。因此，在一些实例中，本发明可以将X射线源12或类似设备称为“X射线产生器”。在一些实例中，X射线束16可以是锥形的。在其他实例中，X射线束16可以是扇形的。在一些实例中，X射线源12产生具有20keV至600keV的能量范围的X射线。在其他实例中，X射线源12可以产生其他能量范围内的X射线。
[0022]可以将样品安装在操纵器上。在工业CT系统10中，操纵器可以包括具有垂直于X射线束轴的旋转轴的旋转台(即，旋转台)。旋转台可以被配置成承载和旋转样品，并且可以安置在X射线源12 (即，X射线产生器)与放射探测器14(即，放射探测器)之间。因此，当样品在X射线束16中旋转时，可以在不同的投影角度获取放射照片。因此，在操纵器包括旋转台的一些实例中，工业CT系统10的计算系统可以在用于不同旋转角度的不同探测器位置处获取放射照片，并且处理这些放射照片以将放射照片集合为样品的3维放射照片。
[0023]放射探测器14可以包括图1的实例中示出的平板X射线探测器(FPD)。在其他实例中，放射探测器14可以包括透镜耦合闪烁探测器、线性二极管阵列(LDA)或者另一种类型的X射线探测器。FH)可以包括闪烁材料层，诸如制造在玻璃探测器阵列上的非晶硅上的碘化铯。闪烁体层吸收X射线并且发射可见光子，这些可见光子依次由固态探测器探测。探测器像素尺寸可以在数十到数百微米的范围内。在放射探测器14包括平板X射线探测器的一些实例中，放射探测器14的像素尺寸可以在25微米到250微米的范围内。在一些实例中，放射探测器14的像素尺寸可以在约25微米到约250微米的范围内。此外，常见商用Fro的视场可以在约loo微米到500微米的范围内。商用Fro可以用于要求大视场的应用中。
[0024]高分辨率应用可能需要透镜耦合探测器，所述探测器使用光学透镜来将发射的可见光转发到探测器，诸如电荷耦合设备(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)探测器。在一些实例中，透镜可以提供在lx至ΙΟΟχ的范围内的放大率，由此使得有效像素尺寸在0.1至20微米之间。在放射探测器14包括透镜耦合探测器的一些实例中，放射探测器14的像素尺寸在0.1微米至10微米的范围内。此外，在放射探测器14包括透镜耦合探测器的一些实例中，视场可以在0.2mm至25mm的范围内。
[0025]使用两种类型的探测器(例如，FPD和透镜耦合闪烁探测器)，在图像分辨率与视场之间可以存在折中。此外，在一些应用中，用户可能希望扩大视场超出探测器的物理尺寸或者增加分辨率超出像素尺寸直接支持的分辨率。本发明的技术描述了仪器设计、图像获取方法或计算机算法来体现精确的探测器运动系统，从而实现这两个冲突的目的(即，增加的图像分辨率和增加的视场)。
[0026]根据本发明的一个或多个示例性技术，X射线数字放射显影(DR)或CT系统在探测器系统中包括精确运动系统，从而使得探测器系统(包括放射探测器14)可以在垂直于X射线束16的主轴并且沿着放射探测器14(即，X射线探测器)的像素的列和行的方向上在X射线束中平移。这可以实现一个或多个目标，诸如以下两个目标。首先，通过在不同的两个或更多个位置获取放射照片，每个位置分开大于(例如，远大于)放射探测器14的像素尺寸但是小于探测器尺寸的间隔，放射探测器14可以覆盖比放射探测器14的物理尺寸大的区域。这些数字放射照片随后可以在数字上“拼接”在一起从而形成具有较大视场的复合放射照片。其次，通过在放射探测器14处于以小于像素尺寸的间隔分开的两个或更多个位置时获取放射照片，可以实现子像素尺寸取样。在某些光学配置中并且使用某些类型的样品的情况下，可以使用这种技术来产生具有更精细分辨率的复合放射照片。在实际应用中这两种技术可以结合以显著增加成像视场和分辨率中的一个或两个。此外，可以将这两种技术进一步与常规容积CT和螺旋CT技术结合，以增加3维(3D)重建容积及其分辨率。
[0027]在投影型X射线放射显影和CT系统中，诸如图1的工业CT系统10中，光学分辨率可以由X射线源(例如，X射线产生器12)的尺寸以及用来取样和记录形成在其上的X射线图像的X射线探测器(例如，放射探测器14)来确定。在某些成像条件下，实际图像可以含有比探测器像素尺寸精细的特征。例如，如果图1的工业CT系统10在2x放大率几何形状中具有50 μπι的X射线源尺寸，则工业CT系统10可以在具有50 μm的最小特征尺寸的探测器平面上形成图像。当使用具有200 μπι像素尺寸的平板探测器时，X射线图像未被足够地取样，并且可需要子像素取样来实现最大可能分辨率。这可以通过使用子像素尺寸的遮罩或以子像素间隔平移探测器来实现。后一种方法(即，以子像素间隔平移探测器)在一些情况下可能是有利的，这是因为后一种方法可以利用现有的探测器运动台而无需额外硬件。平移样品可能不会实现与平移放射探测器相同的效果，这是因为平移样品可能改变成像几何形状。
[0028]图1的工业CT系统10可以克服上述缺点中的一个或多个。在图1的实例中，工业CT系统10包括X平移台18和y平移台20。x平移台18和y平移台20可以被配置成沿着平行于放射探测器14的定位方向或探测器像素的平移轴(例如，X和y平移轴)来移动放射探测器14。因此，工业CT系统10可以包括二维像素化区域放射探测器14，其具有垂直于X射线束16的发射方向(S卩，X射线束16的束轴)布置并且承载于两个独立的平移台上的平面，所述平移台各自具有平行于探测器像素的定位的轴。尽管X并不必对应于水平方向并且y并不必对应于竖直方向，但是本发明也可以将X平移台18称为水平平移台18并且可以将y平移台20称为竖直平移台24。
[0029]此外，工业CT系统10可以包括X平台线性编码器22和y平台线性编码器24。“X”和“y”维度可以是正交，并且在一些情况下可以指代水平和竖直维度。然而，X并不必对应于水平方向并且y并不必对应于竖直方向。因此，尽管本发明也可以将X平台线性编码器22称为水平平台线性编码器22，并且可以将y平台线性编码器24称为竖直平台线性编码器24，但是技术可以扩展为可以正交或者不成交的其他维度，X平台线性编码器22和y平台线性编码器24可以是两个独立的线性编码器，其具有比探测器像素尺寸(即，放射探测器14的像素的尺寸)的四分之一精细的分辨率。X平台线性编码器22和7平台线性编码器24可以平行于两个平移台(即，X平移台18和y平移台22)布置。X平台线性编码器22和y平台线性编码器24由各自的平移台驱动，以提供平移台的移位的直接测