一种多级能量型静态安检CT系统及成像方法与流程

本发明涉及一种多级能量型静态安检ct系统(以下简称静态安检ct系统)，同时也涉及该多级能量型静态安检ct系统的成像方法，属于辐射成像技术领域。

背景技术：

随着国内外对安检技术精度要求的进一步提高，在民航、海关等重要场所，传统透视安检设备有逐步被ct设备取代的趋势；并且，对安检技术精度要求提高的同时，其检测速度也提出了更高的要求。

现有的安检ct设备分为两类，一类是基于滑环技术的螺旋ct设备。该螺旋ct设备中，射线源和探测器需要围绕被测物体旋转，目前安检ct最高转速可达到每秒4圈左右，旋转过程中各部件需要承受巨大的离心力，这对关键部件的设计提出了更高的要求，尤其对于大孔径的安检ct来讲，由于扫描的视场角更大，旋转中心到关键部件的距离会更大，同等转速下，关键部件需要承受的离心力就会更大。同时，当螺旋ct设备旋转速度提高后，整个螺旋ct设备的可靠性，安全性，稳定性及寿命均会受到一定程度的影响。因此，旋转速度达到一定的程度，就难以再继续提高，而实际应用中，安检对检查速度的要求越来越高。另外，螺旋安检ct中一般会使用滑环来进行供电以及数据、控制信号的传输，滑环系统中用来数据传输和供电的碳刷寿命比较短，这使得维修成本增大和维修周期减短；并且，驱动射线源和探测器旋转的传动装置的噪音也会带来用户体验不佳。

另一类是静态ct设备。该静态ct设备没有滑环，射线源和探测器无相对被检测物体的旋转运动。并且，静态ct设备相较于螺旋ct设备具有检查速度快、维修成本低，可靠性高等特点，近年来受到安检领域重视。但是，现有的静态ct技术还难以兼顾双能成像、成像质量、散射抑制等多种要求，仍然存在明显的不足。

技术实现要素：

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种多级能量型静态安检ct系统。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种多级能量型静态安检ct系统的成像方法。

为了实现上述目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多级能量型静态安检ct系统，包括至少一组n级影像链结构，所述n级影像链结构底部的内侧设置有行李传输带，所述n级影像链结构和所述行李传输带通过机架固定在所述静态安检ct系统的预设位置上，其中n为正整数；

各组所述n级影像链结构在行李通道的前进方向上依次顺序布置，并且，相邻组所述n级影像链结构之间错位布局。

其中较优地，每组所述n级影像链结构由n个单级影像链单元组成；

每组所述n级影像链结构中的各所述单级影像链单元在行李通道的前进方向上依次顺序布置，并且，相邻所述单级影像链单元之间错位布局。

其中较优地，每个所述单级影像链单元包括多焦点x光射线源和探测器组件；其中，所述多焦点x光射线源所形成的多个焦点中，相邻焦点之间为等间距直线排布、等角度圆弧式排布或者等角度曲线式排布中的任意一种。

其中较优地，对于同一个所述单级影像链单元，所述多焦点x光射线源所形成的多焦点中，位于最外侧的两个焦点到虚拟旋转中心的连线分别与位于中间位置的焦点到虚拟旋转中心的连线之间所形成的夹角不大于5°，并且，位于最外侧的两个焦点到虚拟旋转中心的连线所形成的夹角不大于10°。

其中较优地，所述多焦点x光射线源所形成的多个焦点中，与每个焦点对应的射线束张开的扇角覆盖行李通道的边缘；并且，各所述单级影像链单元的所述多焦点x光射线源和所述探测器组件形成的等效旋转角度不低于180°+max(theta1，theta2，theta3，…，thetam)，其中，max(theta1，theta2，theta3，…，thetam)为在与所述多焦点x光射线源所形成的多个焦点对应的射线束张开的扇角中选取最大的扇角。

其中较优地，所述多级能量型静态安检ct系统中还设置有用于控制各所述单级影像链单元的每个射线管或射线源发射/停止发射的栅控开关。

其中较优地，所述探测器组件包括圆弧形探测器支架和多个探测器，多个所述探测器布置在以行李通道的中心为圆心的所述圆弧探测器支架上，并且多个所述探测器正对所述多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置。

其中较优地，所述探测器为单能探测器、双能夹层探测器、光子计数探测器中任意一种或多种的组合。

其中较优地，当所述探测器为所述单排探测器时，所述单排探测器与所述多焦点x光射线源的焦点共xy平面，并且所述单排探测器正对所述多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置；

当所述探测器为所述多排探测器时，所述多排探测器中的中间排探测器与所述多焦点x光射线源的多个焦点共xy平面，并且所述多排探测器正对所述多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种成像方法，通过上述的多级能量型静态安检ct系统实现，包括如下步骤：

行李或包裹进入行李通道，按照预设时序，控制各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点依次曝光，并通过对应的探测器组件采集行李或包裹经过各单级影像链单元时的投影数据；

当所述行李或包裹到达每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元时，从行李或包裹的第一个断层图像开始，依次对各断层图像进行重建和识别；

当行李或包裹离开每组所述n级影像链结构的最后一个单级影像链单元后，完成投影数据的采集，并继续依次对余下断层图像进行重建和识别；

完成整个所述行李或包裹的各所述断层图像的重建和识别后，给出报警信息，以完成一个所述行李或包裹的完整检测。

本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统，一方面采用多个由多焦点x光射线源和探测器组件组成的单级影像链单元，构成n级影像链结构。通过n级影像链结构中不同时序射线源的曝光，可生成比螺旋ct具有更高时间分辨率、更多能谱级别的图像，提高行李中的违禁品的识别率以及行李检查速度。另一方面，本静态安检ct系统摆脱对滑环依赖，并且多焦点x光射线源和探测器不需要旋转，实现无旋转静态成像。同时由于本静态安检ct系统没有旋转部件，从而降低设备的维护成本和噪音，提高设备的稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供的静态安检ct系统的剖面图；

图2为本发明所提供的静态安检ct系统的内部结构图；

图3为本发明所提供的静态安检ct系统中，n级影像链结构的结构图；

图4为本发明所提供的静态安检ct系统中，相邻单级影像链单元的光路示意图；

图5为本发明所提供的静态安检ct系统中，单级影像链单元的光路示意图；

图6为本发明所提供的静态安检ct系统中，单排探测器的结构图；

图7为本发明所提供的静态安检ct系统中，多排探测器的结构图；

图8为本发明所提供的静态安检ct系统的成像方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统包括依次连接的外壳1、进货口屏蔽帘2及出货口屏蔽帘7，在外壳1内部设置有至少一组n级影像链结构5，在n级影像链结构5底部的内侧设置有行李传输带4，n级影像链结构5和行李传输带4通过机架8固定在本静态安检ct系统的预设位置上，以便于行李传输带4将被检行李或包裹3运送至n级影像链结构5，通过n级影像链结构5完成投影数据的采集，并将所采集的投影数据传输至计算机生成该被检行李或包裹3的三维断层图像。

其中，每组n级影像链结构5由n个单级影像链单元组成，n的范围优选10～30。例如，假设在本静态安检ct系统中，每组n级影像链结构5为由5个单级影像链单元组成的5级影像链结构，如图3所示，该5级影像链结构分别包括单级影像链单元5-1、单级影像链单元5-2、单级影像链单元5-3、单级影像链单元5-4及单级影像链单元5-5。

如图4所示，为了实现不同行李或包裹的多个扫描视角需求，每组n级影像链结构5中的各单级影像链单元在行李通道的前进方向上依次顺序布置，并且，相邻单级影像链单元之间可以以相同或不同的角度错位布局，即相邻单级影像链单元之间需要错开一定角度θ(如单级影像链单元5-1与单级影像链单元5-2之间错开角度θ)。例如，每组n级影像链结构5中，第一个单级影像链单元布置在0°位置，第二个单级影像链单元相对于第一个单级影像链单元沿圆周方向错开角度θ，第三个单级影像链单元相对于第二个单级影像链单元沿圆周方向错开角度θ，依次类推下去……。其中，相邻单级影像链单元之间错开的角度θ和每组n级影像链结构的单级影像链单元的数量的选择需要根据实际成像需求调整。例如，根据每组n级影像链结构5的各个单级影像链单元所形成一定角度的围绕物体旋转的投影范围(围绕物体旋转的角度)，调整每组n级影像链结构中相邻单级影像链单元之间错开的角度θ和单级影像链单元的数量。

同样，为了实现不同行李或包裹的多个成像角度的需求，各组n级影像链结构5在行李通道的前进方向上依次顺序布置，并且，相邻组n级影像链结构5之间可以以相同或不同的角度错位布局，即相邻组n级影像链结构5之间需要错开一定角度。其中，相邻组n级影像链结构5之间错开的角度和n级影像链结构的组数的选择需要根据实际成像需求调整。

如图5所示，每个单级影像链单元包括多焦点x光射线源9和探测器组件10。多焦点x光射线源9可以由m个射线管封装成一个整体射线源，m的范围优选2～24个；多焦点x光射线源9也可以由多个小射线源装配成一个组件。其中，多焦点x光射线源9所形成的多个焦点中，相邻焦点之间可以成等间距直线排布，还可以成等角度圆弧式或曲线式排布。

具体的说，由于每组n级影像链结构5的各单级影像链单元之间在xy平面内存在一个虚拟旋转中心，该虚拟旋转中心在xy平面内的坐标为(0，0)，每个单级影像链单元的虚拟旋转中心坐标相同，即共用旋转中心。虚拟旋转中心在xy平面内的坐标为(0，0)为每组n级影像链结构5的各单级影像链单元所围合成的弧形结构的圆心坐标。其中，如图1和图2所示，xy平面指的是，以与行李传输带4宽度方向平行的方向作为x轴，以垂直于行李传输带4表面向上的方向作为y轴，以行李传输带4长度方向作为z轴；由x轴与y轴所组成的平面即为xy平面。

为了保证本静态安检ct系统的成像视野足够大(fov足够大)，使得每个单级影像链单元的多焦点x光射线源9的多个焦点能够共用同一个探测器组件，并且还保证本静态安检ct系统实现双能成像时，双能夹层探测器的像素能正对位，如后面所述的高低能探测器的低能探测器的像素与高能探测器的像素正对位，以使得低能探测器各像素的成像数据与高能探测器各像素的成像数据一一对应，对于同一个单级影像链单元，多焦点x光射线源9所形成的多焦点中，位于最外侧的两个焦点到虚拟旋转中心的连线分别与位于中间位置的焦点到虚拟旋转中心的连线之间所形成的夹角不大于5°，并且，位于最外侧的两个焦点到虚拟旋转中心的连线所形成的夹角不大于10°。

多焦点x光射线源9所形成的多个焦点中，由于不同焦点对应的射线管或射线源(小射线源)的位置不同，因此不同焦点对应的射线束张开的扇角可能不同，可以分别对应表示theta1，theta2，theta3，……thetam。其中，与每个焦点对应的射线束张开的扇角覆盖行李通道的边缘，以保证与每个焦点对应的射线管或射线源(小射线源)发射的x射线束能够完全覆盖被检行李或包裹。另外，每组n级影像链结构5中，各单级影像链单元的多焦点x光射线源9和探测器组件10形成一定角度的围绕物体旋转的投影范围，为了保证当多焦点x光射线源9发射射线束，对应的探测器组件将接受等效围绕物体旋转的投影数据，各单级影像链单元的多焦点x光射线源9和探测器组件10形成的等效旋转角度不低于180°+max(theta1，theta2，theta3，…，thetam)，从而使得多焦点x光射线源9和探测器组件形成的等效旋转角度满足半扫描的数据范围；max(theta1，theta2，theta3，…，thetam)为在与多焦点x光射线源9所形成的多个焦点对应的射线束张开的扇角中选取最大的扇角。

在本静态安检ct系统中还设置有用于控制每组n级影像链结构5中单级影像链单元的每个射线管或射线源(小射线源)快速发射/停止发射x射线束的栅控开关。根据本静态安检ct系统的行李传输带4的运行速度、每组n级影像链结构5中各探测器组件的排数及其响应时间，控制多焦点x光射线源9的不同焦点(如焦点9-1～9-3)的曝光先后顺序和曝光剂量的大小。

如图5所示，探测器组件10包括圆弧形探测器支架13和多个探测器11，多个探测器11布置在以托运行李通道的中心为圆心(圆心12)的圆弧探测器支架13上，并且多个探测器正对多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置。多个探测器(探测器11-1和探测器11-n)之间所形成的多焦点x光扫描区域应该足够大到覆盖整个被检行李通道15。

其中，探测器组件10中，探测器11可以为单能探测器、双能夹层探测器、光子计数探测器中任意一种或多种的组合。例如，假设探测器采用的是双能夹层探测器，该双能夹层探测器为高低能探测器；如图6所示，每个高低能探测器由位于上层的低能探测器111和位于下层的高能探测器112组成；当被检行李或包裹3从进货口通过行李传输带4依次通过某一组n级影像链结构的各个单级影像链单元时，每个单级影像链单元都会从多焦点x射线源9中按时序发出扇形x射线束，对应每个单级影像链单元的探测器组件10的高低能探测器就会接收到通过货物衰减后的x射线束，该x射线束中含有低能和高能x光谱，探测器组件10中的低能和高能探测器分别接收对应的x光信号数据，并将该数据传输到后台计算机，每一个被检行李或包裹都会得到来自n级影像链结构所采集的数据，通过一定的算法处理将其生成该行李或包裹的三维断层图像。

根据成像范围的需求，探测器组件10中的探测器可以是单排或多排探测器。如图6所示，当成像范围较小时，可以选取单排探测器，此时，该单排探测器与多焦点x光射线源的焦点共xy平面，并且单排探测器正对多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置。如图7所示，当成像范围较大时，可以选取多排探测器件，此时，该多排探测器中的中间排探测器和多焦点x光射线源的多个焦点共xy平面，并且多排探测器正对多焦点x光射线源的多个焦点的中间位置。

如图2所示，本静态安检ct系统还包括高压发生器6，用于给每个多焦点x光射线源提供高压。当探测器组件10中的探测器采用单能探测器时，由于每个多焦点x光射线源的工作电压可以是不同的电压，控制高压发生器6发射的高压，使得每个多焦点x光射线源处于不同的工作电压，进而可以实现本静态安检ct系统完成双能成像，三能成像或多能成像。除此之外，还可以将探测器采用双能夹层探测器实现本静态安检ct系统完成双能成像，例如，采用高低能探测器采用同一电压值，实现本静态安检ct系统完成双能成像；或者，将探测器组件采用光子计数探测器实现本静态安检ct系统完成多能成像。

以上具体描述了本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统的结构，下面详细说明本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统的成像方法。

如图8所示，本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统的成像方法，包括如下步骤：

步骤s1：行李或包裹进入行李通道，按照预设时序，控制各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点依次曝光，并通过对应的探测器组件采集包裹经过各单级影像链单元时的投影数据。

当行李或包裹从进货口通过行李传输带4依次通过某一组n级影像链结构的各个单级影像链单元时，根据本静态安检ct系统的行李传输带4的运行速度、每组n级影像链结构5中各探测器组件的排数及其响应时间，通过栅控开关控制每组n级影像链结构5中的各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点的曝光先后顺序和曝光剂量的大小。

由于各单级影像链单元的多焦点x光射线源每次只有一个射线管或射线源能够发射射线束，因此，按照各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点的曝光先后顺序，通过栅控开关可以一次控制各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的一个射线管或射线源同时发射射线束。这样，通过栅控开关即可控制各单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点依次曝光，每个单级影像链单元的多焦点x光射线源中的焦点曝光后投影到对应的探测器组件上，从而通过对应的探测器组件采集行李或包裹经过各单级影像链单元时的投影数据。各单级影像链单元的探测器组件采集的投影数据会传输到后台计算机。

步骤s2：当行李或包裹到达每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元时，从行李或包裹的第一个断层图像开始，依次对各断层图像进行重建和识别。

由于一个行李或包裹的三维断层图像由多个断层图像组成，并且，每个行李或包裹的三维断层图像中，每个断层图像由行李或包裹对应的断层位置依次经过当前组n级影像链结构的所有单级影像链单元后，将各单级影像链单元所采集的该断层位置的投影数据进行重建，形成的与该断层位置对应的断层图像。

当行李或包裹到达每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元时，当前组n级影像链结构的各单级影像链单元已完成对行李或包裹头部断层位置的投影数据的采集，因此，可以根据所采集的投影数据，实现对行李或包裹头部断层位置对应的第一断层图像的重建，并通过计算机预先安装的识别程序(例如为现有安检ct常用的图像识别程序)，并根据第一断层图像的衰减系数、电子密度、等效原子序数，对所重建的第一断层图像进行识别，以判断该断层图像中是否有违禁物品存在。随着行李或包裹的行进，行李或包裹的多个断层位置依次通过每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元，此时，采用第一断层图像的重建和识别方法依次对行李或包裹的其它断层图像依次进行重建和识别。

需要强调的是，后台计算机可以采用解析重建算法或迭代重建算法对行李或包裹的每一个断层图像进行重建；后台计算机还可以采用解析和迭代混合重建算法对行李或包裹的每一个断层图像进行重建。其中，当每组n级影像链结构的单级影像链单元的个数与每个单级影像链单元的多焦点射线源的焦点数的乘积较大时，如该乘积大于720时，优选采用解析重建算法对行李或包裹的每一个断层图像进行重建；关于解析重建算法的实现过程可以参见李保磊等人的论文《x射线双能计算机层析成像投影分解的优化迭代方法》(刊载于《光学学报》，2017，10：365-374)、xiangyangtang等人的论文《athree-dimensional-weightedconebeamfilteredbackprojection(cb-fbp)algorithmforimagereconstructioninvolumetricct-helicalscanning》(刊载于《physmedbio》，51(2006)855–874)。

每组n级影像链结构的单级影像链单元的个数与每个单级影像链单元的多焦点射线源的焦点数的乘积较小时，如该乘积小于360时，优选采用迭代重建算法对行李或包裹的每一个断层图像进行重建。关于迭代重建算法的实现过程，可以参见ruoqiaozhang等人的论文《model-basediterativereconstructionfordual-energyx-rayctusingajointquadraticlikelihoodmodel》(刊载于《ieeetransactionsonmedicalimaging》，2014，33:117-134)。

当每组n级影像链结构的单级影像链单元的个数与每个单级影像链单元的多焦点射线源的焦点数的乘积，在360～720之间时，优选采用解析和迭代混合重建算法对行李或包裹的每一个断层图像进行重建；关于解析和迭代混合重建算法的实现过程，可以参见mengfeili等人的论文《accurateiterativefbpreconstructionmethodformaterialdecompositionofdualenergyct》(刊载于《ieeetransactionsonmedicalimaging》，2018)。

步骤s3：当行李或包裹离开每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元后，完成投影数据的采集，并继续依次对余下断层图像进行重建和识别。

当行李或包裹离开每组n级影像链结构的最后一个单级影像链单元后，完成当前组n级影像链结构对行李或包裹投影数据的采集，采用步骤s2的方法，继续对当前行李或包裹中未进行重建和识别的余下断层图像，依次进行断层图像的重建和识别。

步骤s4：完成整个行李或包裹的各断层图像的重建和识别后，给出报警信息，以完成一个包裹或包裹的完整检测。

当完成行李或包裹的各断层图像的重建和识别后，如果识别出该行李或包裹中可能存在违禁物品，即给出报警信息，以便于安检人员进行后续的开包检验工作。

本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统，一方面采用多个由多焦点x光射线源和探测器组件组成的单级影像链单元，构成n级影像链结构。通过n级影像链结构中不同时序射线源的曝光，可生成比螺旋ct具有更高时间分辨率、更多能谱级别的图像，提高行李中的违禁品的识别率以及行李检查速度。另一方面，本静态安检ct系统摆脱对滑环依赖，并且多焦点x光射线源和探测器不需要旋转，实现无旋转静态成像。同时由于本静态安检ct系统没有旋转部件，从而降低设备的维护成本和噪音，提高设备的稳定性。

以上对本发明所提供的多级能量型静态安检ct系统及成像方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。