专利名称：成像系统及方法
技术领域：
本发明涉及生物医学成像技术，特别是对小动物进行数字X射线透射成像、断层扫描成 像以及三维立体成像的成像系统及方法。
背景技术：
数字X射线透射成像技术是目前较为成熟的医学成像技术，并已经成功应用于临床。该 技术对于骨组织的研究有着很重要的作用，能提供小动物详细的结构信息。微型CT，也有人 称之为显微CT，与医院用CT的区别主要是在空间分辨率上。医院用CT的空间分辨率一般为毫 米数量级，而显微CT的空间分辨率可以达到微米数量级。
申请号为200510135935. 1的中国发明专利申请公开了一种X-CT扫描系统，包括主控制及 数据处理计算机、底座、物体转台及其机械控制装置、X射线发生装置和数据采集系统，其 中探测器的探测器阵列相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线垂直布置，且探 测器阵列的一侧相对于X射线发生装置的X射线源与物体转台中心连线的延长线平齐或超出一 部分，该超出部分的长度小于物体转台的半径。该CT系统的特点是样本旋转，而光源和探测 器不动，这种成像方式在拍摄小动物的过程中， 一旦动物样本发生移动，外形就会因运动扭 曲而产生形变，这样在不断旋转投影的过程中，动物样本始终处于运动形变的状态，相对于 动物静止的投影状态会产生明显的伪影，这种伪影称为运动伪影，这种运动伪影会给样本的 拍摄效果带来很大影响。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供成像系统及方法，用于解决现有技术中存在的小动物 CT成像过程中发生的形变和运动伪影问题。 本发明提供一种成像系统，其包括 样本载物台，用于放置需成像的样本； 射线源部分，用于发射射线； 射线探测采集部分，用于接收射线图像；
旋转控制部分，该旋转控制部分两端分别固定连接所述射线源部分与射线探测部分，用 于带动所述射线源部分与射线探测部分旋转；
计算机，用于向所述射线源部分、旋转控制部分及射线探测采集部分发送控制指令，以 及接收所述射线探测采集部分接收到的图像并进行成像处理。本发明还提供一种成像方法，该方法包括
A、 输入期望的成像要求，计算相关参数，发送控制指令；
B、 射线源部分与射线探测部分固定在旋转控制部分的两端，根据所述控制指令，射线 源部分发射射线，射线探测部分采集射线透射过样本后的投影图像；
C、 对所述投影图像进行成像处理。
由上可知，本发明提供的成像系统和方法中，X射线探测器、载物台和X射线源由下至上 依次排列，它们的中心位于同一直线上，X射线源和探测器被固定在旋转支架两端，围绕样 本作圆周运动。这样，采用本发明的方法进行样本拍摄时，样本在数据采集过程中保持水平 静止的自然形态，在X射线源和探测器围绕样品旋转采集数据的过程中，样本始终保持初始 的形态，消除了样本旋转采集系统中由于运动而产生的小动物形变的运动伪影。
图l是本发明实施例中的成像系统结构图2是本发明实施例中的射线源控制器的结构图3是本发明实施例中的旋转机架的结构图4是本发明实施例中旋转机架上的平板探测器固定架和微焦点射线源固定架的俯视图
图5是本发明实施例中成像方法的流程图； 图6是本发明实施例中实验大鼠的透视投影图7是本发明实施例中在图5中平面位置上重建的一张断层图像；
图8是本发明实施例中对实验大鼠头部进行三维重建后立体绘制的效果图。
具体实施例方式
本发明实施例提供了对小动物进行成像的系统和方法，利用光源和探测器旋转方式取代 了样本旋转方式，保持样本静止，光源和探测器绕其旋转，解决了样本旋转带来的形变和运 动伪影问题。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的成像系统具体包括
计算机l，电机驱动器2，电动旋转机构3，射线源控制器4，微焦点X射线源5，数据采集 设备6，平板探测器7，旋转机架8，样本载物台IO。
微焦点X射线源5与射线源控制器4的一个接口相连，射线源控制器4的另一接口与计算机l的通信端口相连；平板探测器7与数据采集设备6相连，数据采集设备6通过数据传输线与计 算机1相连。
微焦点X射线源5和平板探测器7固定在旋转机架8的两端，旋转机架8安装在电动旋转机 构3上，电动旋转机构3直接被固定在底座上，然后通过底座安放在地面上。电机驱动器2的 一接口与电动旋转机构3相连，另一接口和计算机l的通信端口相连。
样本载物台10直接被固定在底座上。
其中，
计算机l，用于设置并向射线源控制器4和电机驱动器2发送控制指令，并接收数据采集 设备6发送的数字X射线图像，以及对该图像进行成像处理。
电机驱动器2，通过通信串口与计算机l相连，用于接收计算机l发送的控制指令，根据 计算机l发送的指令，通过驱动电缆驱动电动旋转机构3的转动，从而带动旋转机架8两端的 微焦点X射线源5和平板探测器7的旋转。所述控制指令可以为设置旋转速度以及旋转步进数 的指令，电机驱动器2解析串口指令后，根据控制指令中携带的旋转速度及步进数等信息驱 动电动旋转机构3的转动。
电动旋转机构3，用于在电机驱动器的驱动下，带动其两端的微焦点X射线源5和平板探 测器7的旋转。该电动旋转机构可以为步进电机或伺服电机。
射线源控制器4，通过通信并口与计算机l相连，该通信并口可以为打印口。射线源控制 器4用于接收计算机1发送的控制指令，控制微焦点X射线源5的供电电源的通和断，电源通则 射线源发出射线，电源断则中断射线发射。当射线源控制器4接收到计算机1发送的微焦点X 射线源5开的指令时，微焦点X射线源5发出射线，这时首先可以选择需要的微焦点X射线源5 的焦点大小，在微焦点X射线源5焦点大小选定后选定射线管的电压值，最后在一定的范围内 确定管电流值。
射线源控制器4的结构以及与微焦点X射线源5的连接方式如图2所示，其实现原理为通 过并口的TTL电平，驱动继电器的绕组线圈，接通或者关断220V供电电路。该结构包括以下 部分
计算机通讯并口 11 ，用于接收计算机1发送的代表控制指令的高低电平； 数字反相器12，用于将计算机l发出的高电平转变为低电平，低电平转变为高电平。为 什么要进行反相呢？
直流电源13，用于提供数字反向器12和三极管14所需电压。
三极管14，三极管14的基极连接到反相器12，接收反相器12反向驱动后的高低电平，三极管14的集电极连接5V直流电源13。在三极管导通的情况下，将直流电源13的电流放大，触 发继电器17和信号指示灯。
发光二极管15，发光二极管15和继电器17的电磁绕组并联，作为信号指示灯，用来指示 继电器触点开关的通断状况，如果触点开关导通，则发光二极管15发光。
交流电源16，在继电器17开的情况下，为微焦点射线源通电。
继电器17，用于通过继电器的触发连通微焦点射线源的电路，继电器17与微焦点X射线 源5和220V交流电源16共同构成一个回路，只要继电器接通，射线源就开始工作；继电器断 开，射线源就停止工作。
当计算机发出微焦点射线源开的高电平时，通过信号线接通数字反向器输出低电平，此 时三极管导通将直流电源电流放大，触发继电器和微焦点射线源开关的指示灯，继电器触发 后会连通微焦点射线源所在的交流电路，此时微焦点射线源发出射线；反之当计算机发出微 焦点射线源关的低电平时，通过信号线接通数字反向器输出高电平，此时三极管不被导通， 继电器在低电流的直流电源下不工作，微焦点射线源所在交流电路处于断路状态，微焦点射 线源不发射X射线。
微焦点X射线源5，用于在射线源控制器4的控制下，向小动物样本发射X射线。微焦点X 射线源5的焦点在1微米一100微米范围内，管电压在10千伏一100千伏范围内。
数据采集设备6，通过PCI插槽与计算机1相连，并通过数字接口与平板探测器7相连，一 方面接收计算机发送的平板探测器7的连通、平板探测器的预处理、平板探测器的数据采集 等控制指令，另一方面接收平板探测器7探测到的X射线透射过物体后的投影图像，并发送给 计算机l。这样，计算机1就可以通过数据采集设备6控制平板探测器的工作，并接收探测器 采集的数据。
平板探测器7，平板探测器7和微焦点X射线源5—起被固定在旋转机架8的两端，用于探 测微焦点X射线源5发出的X射线，该射线透射过样品载物台10上面的样品9后被平板探测器7 所接收，再通过数据传输线传送到数据采集设备6。该平板探测器7可以是非晶硅平板探测器 或非晶硒平板探测器。
旋转机架8，两端分别固定连接微焦点X射线源5和平板探测器7，中部与电动旋转机构3 相连，能够在电动旋转机构3的带动下旋转。在对小动物样本的成像过程中，微焦点X射线源 5和平板探测器7围绕旋转机架8作圆周运动，从而对样本多角度成像，样本静止又可以消除 样本运动带来的运动伪影。
旋转机架8的结构如图3和图4所示，旋转机架8主要是用40mn^40mm型号为FSA-181A的型材搭建而成，具体尺寸如图3中标注，单位米。主要包括竖直旋转支撑架、微焦点射线源 固定架和平板探测器固定架，在图3中左图(a)是旋转机架的正视图，右图(b)是旋转机 架的侧视图，图4中的A和B分别为平板探测器固定架和微焦点射线源固定架的俯视图。竖直 旋转支撑架、微焦点射线源固定架和平板探测器固定架之间是通过M8的T形螺母固定。麻烦 将图4中的虚线重画一下，否则打印出来不清楚
样本载物台IO，用于放置小动物样本。在拍摄成像时，被测小动物样本9平卧于样本载 物台10上，样品载物台10是一个三维平移台组成，因此样本载物台的位置可以调整，目的是 为了保证样本9处于微焦点X射线源5和平板探测器7的旋转中心。
通过以上成像系统，利用光源和探测器旋转方式取代了样本旋转方式，保持样本静止， 光源和探测器绕其旋转，解决了样本旋转带来的形变和运动伪影问题。本发明为获取更为理 想的小动物影像创造了有利条件，为研究小动物结构信息提供了有效的研究工具。
图5是本发明实施例提供的成像方法的流程图，包括以下步骤
步骤501、用户输入期望的成像要求。主要是由用户向计算机输入必要的参数，包括样 本长度、所需分辨率等，样本长度是需要成像物体的总长度，所需分辨率是最终重建切片图 象的空间分辨率。
步骤502、计算机根据成像要求计算相关参数。比如放大倍率、旋转步进数、平移步进 数等等，放大倍率是指微焦点射线源、探测器间的距离与微焦点射线源、成像物体间距离的 比值，旋转步进数是指旋转支架每步旋转的角度，平移步进数是指旋转支架需要平移的距离 ，假设需要成像的物体长度为20cm，而系统每次只能成像的长度为5cm，那么只能通过4次平 移旋转支架每次平移5 cm来实现成像20 cm的长度。
步骤503、打开射线源。计算机控制X射线源发射X射线，并且在整个数据采集过程中射 线源一直打开。
步骤504、旋转机架按计算机预先设定的旋转步进数旋转一个步进。 步骤505、采集一帧X射线的投影图。
步骤506、拍摄是否完成？如果还未完成，则执行步骤504;否则执行下一步。 步骤507、关闭射线源，拍摄结束，存储采集的数据，计算机对这些图像数据进行成像 处理。
下面以一个具体拍摄实验为例，阐述以上实施例的效果。该实验的生物材料是SD大鼠， 除去尾部长度约为100mm。动物饲养和实验严格按照中华人民共和国《实验动物管理条例》 要求进行。对大鼠进行麻醉后平放到载物台上。调整载物台的位置，使得成像区域正好对准大鼠的头部。
X射线源电压为70千伏，电流为0.3毫安；成像速度为l帧/秒。图6是一张实验大鼠的透 视投影图，大鼠头部的骨骼和轮廓都十分清晰，亮度和对比度都很理想。图6是图5中平面位 置上重建的一张断层图像，从断层图中可以清晰地区分出大鼠的骨骼和软组织，载物台的影 像也很清晰。图8是采集多帧图像后，对大鼠头部进行三维重建后立体绘制的效果图，头骨 、脊椎、肩胛、前爪都很清晰。
由上可知，本发明提供的成像系统和方法，X射线探测器、载物台和X射线源由下至上依 次排列，它们的中心位于同一直线上，X射线源和探测器被固定在旋转支架两端，围绕样本 作圆周运动。这样，采用本发明的方法进行样本拍摄时，样本在数据采集过程中保持水平静 止的自然形态，在X射线源和探测器围绕样品旋转采集数据的过程中，样本始终保持初始的 形态，相比样本旋转、X射线源和探测器静止的CT系统来讲，消除了样本旋转采集系统中由 于运动而产生的小动物形变的运动伪影。
权利要求
权利要求1一种成像系统，其特征在于，该系统包括样本载物台，用于放置需成像的样本；射线源部分，用于发射射线；射线探测采集部分，用于接收射线图像；旋转控制部分，该旋转控制部分两端分别固定连接所述射线源部分与射线探测部分，用于带动所述射线源部分与射线探测部分旋转；计算机，用于向所述射线源部分、旋转控制部分及射线探测采集部分发送控制指令，以及接收所述射线探测采集部分接收到的图像并进行成像处理。
2.根据权利要求l所述的系统，其特征在于，所述样本载物台由一个 三维平移台组成，位置能够调整，用于保证样本位于所述射线源部分与射线探测部分的旋转 中心。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括 射线源控制器，用于接收计算机发送的控制指令，控制所述射线源部分发射射线及中 断射线发射。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述射线源控制器具体包括计算机通讯并口 ，用于接收计算机发送的代表控制指令的高低电平； 数字反相器，用于将计算机l发出的高电平转变为低电平，低电平转变为高电平； 直流电源，用于提供所述数字反向器和三极管所需电压；三极管，基极连接所述反相器，集电极连接所述直流电源，用于将所述直流电源的电 流放大及触发继电器；交流电源，用于在继电器导通的情况下为所述射线源部分充电； 继电器，用于通过通断来触发所述射线源部分的电路工作状态。
5 根据权利要求4所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括 发光二极管，与所述继电器的电磁绕组并联，用来在所述三极管的触发下指示继电器 的通断状况，导通时则发光。
6 根据权利要求1至5中任意一项所述的系统，其特征在于，该系统 进一步包括电机驱动器，用于接收计算机发送的控制指令，控制所述旋转控制部分带动射线源部 分与射线探测部分旋转。
7 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括 数据采集设备，用于接收所述射线探测采集部分采集到的射线图像发送给计算机，以 及接收所述计算机的控制指令控制射线探测采集部分的工作状态。
8 根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述射线源部分的焦点 在1微米一100微米范围内，管电压在10千伏一100千伏范围内。
9 一种成像方法，其特征在于，该方法包括A、 输入期望的成像要求，计算相关参数，发送控制指令；B、 射线源部分与射线探测部分固定在旋转控制部分的两端，根据所述控制指令，射线 源部分发射射线，射线探测部分采集射线透射过样本后的投影图像；C、 对所述投影图像进行成像处理。
10 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述射线源部分与射 线探测部分围绕旋转控制部分作圆周运动，对所述样本多角度成像。
全文摘要
本发明公开了一种成像系统，其包括样本载物台，放置需成像的样本；射线源部分，发射射线；射线探测采集部分，接收射线图像；旋转控制部分，两端分别固定连接射线源部分与射线探测部分，带动射线源部分与射线探测部分旋转；计算机，向射线源部分、旋转控制部分及射线探测采集部分发送控制指令，以及接收射线探测采集部分接收到的图像并进行成像处理。本发明还相应地提供一种成像方法，输入期望的成像要求，计算相关参数，发送控制指令；射线源部分与射线探测部分固定在旋转控制部分的两端，根据控制指令，射线源部分发射射线，射线探测部分采集射线透射过样本后的投影图像；对投影图像进行成像处理。本发明解决了样本旋转带来的形变和运动伪影问题。
文档编号A61B6/03GK101455574SQ20091030011
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月8日 优先权日2009年1月8日
发明者正 方, 杨孝全, 邓子林, 骆清铭, 辉 龚 申请人:华中科技大学