一种分布式静态CT系统及成像方法与流程

一种分布式静态ct系统及成像方法
技术领域
1.本发明涉及辐射成像技术领域，尤其涉及一种分布式静态ct系统及成像方法。


背景技术：

2.在基于x射线的爆炸物检查技术中，x射线计算机断层扫描成像技术(简称“ct技术”)因其自身特有的优势，在安全检查领域被高度重视。
3.目前的安检ct设备主要分为基于滑环技术的螺旋ct和静态ct设备。螺旋ct设备通常将射线源和探测器布置在旋转机架上，通过滑环技术解决机架连续旋转的问题。由于部件所受的离心力随旋转速度平方增加，所以扫描速度的提高对机架性能有很高的要求。此外旋转过程中机架的角度精度和位置精度对成像质量也有极大的影响。这就导致其机械加工精度高，整个设备的成本较高，难以实现大孔径高速成像。
4.静态ct设备采用射线源和探测器在扫描过程中静止，无旋转运动的方式。所以其较螺旋ct有着扫描速度快，成本低等优点，这在安全检查和医疗成像上有重要意义。
5.现有技术中公开了一种静态ct成像系统，其探测器偏置的布局使得传统的解析重建算法失效，需要开发相应的重建算法，扫描时序控制对于射线源的快速开关和探测器的实时采集有较高的要求，整环布置的射线源和探测器提高了整个设备的成本。
6.在另一种静态ct系统中，集中布置了大量的影像链单元，物体在完全通过所有的影像链单元后才能获取到重建所需的完整投影数据，不能实现物体的快速成像。


技术实现要素：

7.鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种分布式静态ct系统及成像方法，用以解决现有静态ct系统需要布设多个成像单元，整体设备成本高、不能快速成像的问题。
8.本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
9.一方面，本发明提供了一种分布式静态ct系统，包括：机架以及安装在所述机架上的成像单元；所述成像单元包括沿传送物体的输送通道设置的多组，每组所述成像单元包括1个或多个分散布设的多焦点射线源以及探测器组件；每组所述成像单元内的等效旋转角度为60
°‑
360
°
。
10.可选地，每组所述成像单元中，所述多焦点射线源的多个焦点分布在沿所述输送通道的一个或多个平面上。
11.可选地，多组所述成像单元构成沿所述输送通道的多个成像平面，所述成像平面相互平行，或者不同所述成像平面之间设置有夹角。
12.可选地，多组所述成像单元之间所述多焦点射线源和所述探测器组件的布设方式为不相似、旋转相似或者旋转倾斜后相似中的一种或几种。
13.可选地，所述探测器组件相对所述多焦点射线源成排布设，包括与多焦点射线源相对的单排探测器，或者多排探测器的中心排探测器。
14.可选地，多组所述成像单元分别设置在相互平行的不同成像平面上，且所述成像
平面均垂直于所述物体的输送方向。
15.可选地，每组所述成像单元包括设置在所述输送通道外围的多个子模块，多个所述子模块构成的成像平面倾斜设置在物体的输送方向上，所述子模块包括成对设置的射线源以及与所述射线源对应的探测器。
16.可选地，所述多焦点射线源与所述探测器组件之间设置有准直器。
17.可选地，所述准直器包括设置在所述多焦点射线源出束口的前准直器，以及设置在所述探测器组件前端的后准直器。
18.可选地，所述成像单元不少于两组，多组所述成像单元沿物体的输送方向间隔交错布置。
19.可选地，每组所述成像单元中的多焦点射线源及探测器组件在物体输送方向上的投影互不重叠，多个所述成像平面重叠区域所对应的夹角不超过10
°
。
20.另一方面，本发明还提供了一种静态ct成像方法，采用上述的分布式静态ct系统，包括如下步骤：成像模块分布式多焦点射线源中射线源的开闭和数据采集顺序为单一成像单元内射线源按照从一侧边缘向另一侧边缘的方向依次开闭，或者为按照随机的方式进行。
21.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
22.(1)在整个成像系统内，需要满足各个成像单元的等效旋转角度之和为180度加扇角，才能达到精确重建条件，本发明通过采用特定的射线源和探测器的布设方式，使得单一成像单元内的等效旋转角度n(α或α+β+γ)大于一定的数值，具体而言是60
°
≤n≤360
°
，从而可以实现在减少成像单元的布设数量的前提下仍能重建出高质量的图像，并且由于减少了成像单元的数量，因此能够实现物体的快速成像。
23.(2)本发明通过控制多组成像单元在x-y平面的投影所对应的区域之间(即不同的成像平面之间)不重叠，或者不应有太大的重叠部分，具体地，是控制成像平面重叠区域相对于虚拟中心点所对应的夹角m不超过10
°
，能够避免出现多个投影平面之间重叠部分的投影数据的冗余叠加累积，有效减少了成像单元在输送通道上的设置数量，且能够保证成像单元的辐射范围。
24.(3)本发明通过将多个成像单元在z向(物体输送方向)上分散布置(即多个成像单元的成像区域没有交叉)，能够实现多个不同成像单元在物体输送通道上的间隔排布，并且能够使射线源完全充分地作用到被检测物体，有效降低了ct系统的整体设备成本。
25.(4)通过将成像单元沿物体输送通道分组，能够实现对每个成像单元的独立扫描控制，避免了对所有扫描数据进行整合后才能获取到的完整投影数据，有效提高了成像效率。
26.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
附图说明
27.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
28.图1为本发明实施例1中的射线源与探测器的布设结构示意图；
29.图2为本发明实施例2中的射线源与探测器的布设结构示意图；
30.图3为本发明实施例3中的射线源与探测器的布设结构示意图；
31.图4为多组成像单元在x-y平面的投影所对应的区域对应到虚拟中心的位置关系图；
32.图5为整个成像系统包括的多个成像单元为旋转相似关系的结构示意图。
33.附图标记：
34.1-射线源焦点；2-探测器组件；3-虚拟中心点；4-fov区域；5-多焦点射线源；6-一个成像单元在x-y平面的投影所对应的区域；7-另一个成像单元在x-y平面的投影所对应的区域；8-第一静态成像单元；8-1-第一探测器；8-2-第一多焦点射线源；9-第二静态成像单元；9-1-第二探测器；9-2-第二多焦点射线源；10-第三静态成像单元；10-1-第三探测器；10-2-第三多焦点射线源。
具体实施方式
35.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
36.本发明的一个具体实施例，公开了一种分布式静态ct系统，包括：机架以及安装在所述机架上的成像单元，所述成像单元包括沿传送物体的输送通道设置的多组，每组所述成像单元包括多个分散布设的射线源以及探测器组件，每组所述成像单元内的等效旋转角度为60-360
°
。
37.本发明的分布式静态ct系统包括机架，以及常见ct系统的物体输送部件，物体在输送部件所构成的输送通道上行进，且在行进过程中进行扫描。其中物体输送部件包括在安检ct中的运动电机以及输送带，或者在医疗ct上的运动电机及ct扫描床，物体在输送通道的进出口上设置有由铅门帘构成的射线屏蔽装置。沿输送通道上设置有分布式成像单元，分布式成像单元固定在静态ct的预设位置上，物体依靠输送部件通过输送通道，各个成像单元数据采集后，完成扫描过程实现静态ct成像。
38.本发明中将物体在输送通道内的运动方向定义为z向，依据右手坐标系定义x和y向。成像单元在与x-y平行的平面上设定二维成像视野(fov)，即单个切片的重建区域范围，二维成像视野等同于通道入口处的尺寸，也就是切片可包含所扫描物体的信息，将fov区域的中心点定义为虚拟中心点。
39.每组成像单元包括分散布设的多焦点射线源5和探测器组件2，分布式射线源包括多个射线源焦点1，射线源优选基于碳纳米管的冷阴极x射线管或基于栅控技术的热阴极x射线管。每组成像单元中的射线源焦点1分布在沿输送通道的一个或多个平面上，可以排布为直线或弧线，其相邻焦点间可以为等间距布设，也可以为非等间距布设的形式。不同成像单元所对应的分布式多焦点射线源排布可以为相同的布置形式，也可以为不同形式的组合，此外每个射线源可以设定管电压、高低压切换、相邻焦点高低压切换等。每组成像单元中探测器组件2包括与多焦点射线源5相对的单排探测器，或者多排探测器的中心排探测器。
40.另外，多组成像单元中的多焦点射线源5与排列分布的探测器组件2构成沿输送通
道的多个成像平面，多个成像平面可以平行于x-y平面，即与z轴呈90
°
夹角；也可以不平行于x-y平面，即与z轴不呈90
°
夹角；另外，多个不平行于x-y平面的成像平面之间还可以为不平行的关系，即每个成像平面与z轴之间设置有不同的倾斜角度。
41.通过将多焦点射线源5与探测器组件2采用分散布设的形式，相较于整环布设的射线源和探测器的形式，能够减少射线源和探测器的排布数量，降低设备成本。结合沿输送通道设置的多组成像单元，能够在行进过程中实时成像，提高物体的成像效率。
42.以下以不同实施例的形式对射线源与探测器组件的布设形式进行展开说明。
43.实施例1
44.参见图1，本实施例中的每组成像单元包括平行于x-y平面的分布式多焦点射线源5以及探测器组件2。其中射线源焦点1沿直线等距排布，探测器组件2包括与射线源焦点1设置在同一平面的单排探测器，设置在边缘的两个射线源焦点1的射线覆盖范围包含了以虚拟中心点3为中心的整个fov区域4。
45.多个成像单元构成了多个平行于x-y平面的成像平面，且多个相互平行的成像平面均垂直于物体的输送方向。
46.实施例2
47.参见图2，本实施例中的每组成像单元包括平行于x-y平面的分布式多焦点射线源5以及探测器组件2。其中射线源焦点1在同一平面上沿折线排布，探测器组件2与射线源焦点1相对设置，探测器组件2同样以折线排布的形式进行设置。折线排布的探测器组件2与折线排布的多焦点射线源5整体呈六边形的成像结构，多焦点射线源5的多个射线源焦点1所对应的照射区域均覆盖整个fov区域4。探测器组件2为多排探测器，图2中仅仅展示了中间排探测器，其余排探测器平行于中间排排探测器沿z向排布。
48.需要说明的是，图2中示出的是呈折现排布的多个射线源焦点1位于同一平面内的情形，并且多排探测器中的中间排探测器也位于该平面内的情形。实际上，不同的射线源焦点1可以沿x轴或者y轴旋转一定的角度，即射线源焦点1可以分布在不同的平面上。另外，除了中间排探测器，其余排探测器平行于中间排排探测器沿z向排布。
49.实施例3
50.参见图3，本实施例中的每组成像单元包括设置在输送通道外围的多个子模块，具体包括三个相对设置的子模块，每个子模块中的多焦点射线源5与探测器组件2分别对应设置，三个子模块设置在同一平面上，能够形成同一个成像平面。需要说明的是，本实施例中的每组成像平面可以平行于x-y平面，也可以整体绕x轴或y轴旋转一定的角度，即不再平行于x-y平面，或者在物体的输送方向上整体倾斜设置。
51.每个子模块包括成对设置的单排射线源及单排探测器，三个子模块构成了每组成像单元的六边形的成像结构。
52.在每个子模块的多焦点射线源5和探测器组件2上均设置有准直器，其中准直器设置在多焦点射线源5与探测器组件2之间，具体包括设置在多焦点射线源5出束口的前准直器，以及设置在探测器组件2前端的后准直器，通过设置的准直器能够保证各个子模块之间的相互独立，使得每个子模块上的射线源的射线开启互不影响，从而加速成像速度。
53.通过相互独立的成像子模块，能够在物体行进过程中独立进行子模块的成像，并不需要物体在通过整个输送通道后再重整成像数据，保证了成像过程的便捷性，提高成像
效率。
54.本实施例中的每个子模块均没有覆盖整个fov区域4，但是整体环绕fov区域4的布局方式也无疑增大了等效旋转角度，即每组成像单元整体增大了对输送通道整体的照射面，从而保证每组成像单元对物体的有效成像。
55.另外，每组成像单元可以为相互平行的关系，即每组成像单元构成的成像平面均平行于x-y平面，或者相对于x-y平面的倾斜角度相同。也可以为不平行的关系，即每个成像平面相对于x-y平面的倾斜方向或者倾斜角度不同，可根据具体的成像需要进行调整。
56.本发明中在每个射线源的出束口均设置有前准直器，能够将射线束限制在虚拟中心点附近，从而降低辐射剂量及保证良好的图像质量。此外还可设置相应滤波片，以过滤掉部分低能射线。成像模块分布式多焦点射线源5中射线源的开闭和数据采集可以采用设计的顺序，可以为单一成像单元内射线源按照从一侧边缘向另一侧边缘的方向依次开闭，也可以为完全随机的方式进行。
57.为了减少在整个输送通道上的成像单元的设置数量，尽量降低输送通道的长度，多组成像单元沿物体的输送方向间隔交错布置，每组成像单元内的等效旋转角度需要大于一定的数值，本发明中每组成像单元的等效旋转角度为60
°‑
360
°
。
58.间隔交错布置是指构成成像单元的所有部件所对应的z向坐标范围没有交集。例如可以沿z向摆放多个如图1中平行于x-y平面的成像单元，此时每个成像单元的所有部件所对应的z向坐标范围没有交集。
59.参见图1-图2，对于每组成像单元内所有射线源连续排布的情况，则将等效旋转角度定义为边缘的两个射线源焦点与其所在二维平面内的虚拟中心点的连线形成的夹角；参见图3，对于间断设置的成像单元中，将各自模块内边缘焦点与虚拟中心点的连线的夹角累加后的数值作为最后的等效旋转角度。
60.图1中，两个位于边缘的射线源焦点与虚拟中心点连线所形成的夹角α为100
°
。
61.图2中，两个位于端部的射线源焦点与虚拟中心点连线所形成的夹角α为90
°
。
62.图3中，三个子模块中分别位于边缘的两个射线源焦点与虚拟中心点连线所形成的夹角α、β以及γ累加后的角度为110
°
。
63.对于探测器的形式，可以为单能探测器、双能探测器、光子计数探测器中的任意一种或多种的组合，根据射线源的布置形式，探测器可以为单排探测器或者是多排探测器。在探测器上还可设置后准直器，以屏蔽散射射线，以降低不必要的辐射剂量。
64.通过前准直器及后准直器的相互结合，能够使前准直器限制射线源的射线范围，并使后准直器过滤散射射线，保证了进入探测器的射线尽量沿着射线源和探测器之间的方向进行照射。
65.为了在静态条件下实现多角度成像，需要多组成像单元，本发明中成像单元的数量不少于两组，多组成像单元在位置上不存在彼此重叠。具体地，基于成像单元沿物体输送方向间隔交错布置的形式，每组成像单元中的射线源及探测器在物体输送方向上的投影互不重叠。结合图1中的布设形式，成像单元可以沿z向即物体输送方向设置多个平行于x-y平面的成像单元，每个成像单元的所有部件所对应的z向坐标范围没有交集，同时准直器的使用也可以避免成像单元之间的影响。
66.本发明中的多组成像单元在z向上并不是简单重复的关系，如果按照相同的布局
沿z向重复排布在对物体照射时并不能达到有效的检测目的，这就需要多组成像单元在x-y平面的投影所对应的区域之间(即不同的成像平面之间)不应有太大的重叠部分，具体地，一个成像单元在x-y平面的投影所对应的区域6和另一个成像单元在x-y平面的投影所对应的区域7相对于虚拟中心点所对应的夹角m不超过10
°
，如图4所示。通过该种设置方式，能够避免出现多个投影平面之间重叠部分的投影数据的冗余叠加累积，有效减少了成像单元在输送通道上的设置数量，且能够保证成像单元的辐射范围。
67.整个成像系统所需的成像单元数量与每组成像单元中等效旋转角度以及多组成像平面重叠区域相对于虚拟中心点所对应的夹角有关，需要根据实际成像需求调整。在其中一个具体的示例中，三个成像单元相对虚拟中心点的覆盖角度分别为90
°
、100
°
、110
°
，且不同成像平面重叠区域相对于虚拟中心点所对应的夹角m都是0
°
，则总的等效旋转角度为300
°
，在一定程度上满足了精确重建的条件。为了得到更加全面的重建数据，该示例中成像单元的数量不少于两组。
68.需要说明的是，本实施例的分布式静态ct系统所包括的多组成像单元之间多焦点射线源和探测器组件的布设方式可以为不相似、旋转相似或者旋转倾斜后相似中的一种或几种。参见图5，三个成像单元之间是旋转相似的关系，三者共同构成一个ct成像系统。
69.具体而言，第一静态成像单元8由第一探测器8-1和第一多焦点射线源8-2构成，第二静态成像单元9由第二探测器9-1和第二多焦点射线源9-2构成，第三静态成像单元10由第三探测器10-1和第三多焦点射线源10-2构成。
70.本发明中每组成像单元的扫描时序控制可以相互独立，即每组成像单元可以看成一个独立的成像单元。当然还可以对所有成像单元的扫描时序控制做整体考虑设计，比如在单一时刻只有一组成像单元的射线源开启，或者单一成像单元内射线源按照从一侧边缘向另一侧边缘的方向依次开闭，或者完全按照随机的方式进行。
71.通过本发明中的分布式静态ct系统，能够实现不同成像单元的间隔交错布置，使不同成像单元之间不存在交叉重叠，进而使每组成像单元中成像平面没有交叉。分散布设的射线源及探测器，保证了在降低设备成本的同时，能够实现物体在输送过程中的数据采集，提高了成像效率。
72.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。