CN107328798B - 一种新型icl***及实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型ICL***，属于计算机分层成像领域。该***包括射线源、平板探测器、待测样品、平台，所述射线源固定于平台上，平板探测器和待测样品沿同方向平行直线运动，同时在扫描过程中平板探测器同步转动，使***在数据采集过程中平板探测器始终与射线源中心射束垂直。本发明还涉及一种新型ICL实现方法，该方法包括以下步骤：建立成像模型；采用迭代重建算法。本发明结构简单、低成本、可实现性高、可用于大尺寸板状构件的无损检测ICL***。

Description

一种新型ICL***及实现方法
技术领域
本发明属于计算机分层成像领域，涉及一种新型ICL***及实现方法。
背景技术
计算机断层成像(Computed Tomography,CT)是一项较为成熟的无损检测技术，能够有效地对物体内部结构进行成像分析，已广泛应用于工业、医学和航空等领域。在典型的扇形束工业CT***中，待测样品放置于X射线管和平板探测器之间的转台上，由X射线管产生的X射线经过物体衰减后被探测器收集储存。为了得到穿过样品薄片的重建图像至少需要180度的投影数据。由于几何限制，获取180度的投影数据对于过大尺寸的构件来说几乎是不可能的。同时对于长度和宽度远比厚度大的板状构件，如多层印刷电路板、机翼或者卫星太阳能板等，当射线束与构件接***行时，其透射强度非常低，极大影响了构件的检测效果；另一方面，为了避免碰撞，射线管和转轴的距离不能太小，从而限制了CT***的空间分辨率。在这些情况下，计算机分层扫描成像(Computed Laminography,CL)技术成为了一种替代CT的可能。
近年来，X射线计算机分层扫描成像技术的研究和发展令人瞩目。典型的CL***主要包括三部分：X射线源、探测器及载物台。其特点在于，扫描的对象是平板状的物体，CL***采用非同轴方式扫描，X射线沿与板状样本平面法线成一定角度的方向穿过，通过X射线源和探测器同步旋转运动或者做简单的相对平行运动，实现多角度对样本进行扫描。CL技术本质上是一种非同轴扫描的有限角度投影的CT技术，它属于非精确重建，通过对构件的不完全扫描，实现对其内部结构形态及缺陷的层析检测。
在过去的几十年中，针对不同应用新型CL***或方法相继被提出。2013年，Sechopoulos等研发了一种应用于医学领域的胸部计算机分层成像***(digital breasttomosynthesis,DBT)；在工业领域，也有很多不同的CL***被提出。1995年，Zhou等研发了一种用于检测大型或平板构件的X源CL***，并实验检测印刷电路板和焊缝，得到较好的结果；2010年，Maisl等介绍了CL在轻质量构件检测方面的应用；2012年，Que等建立了一套具有新扫描结构的CL***，并通过计算机模拟研究代数重建算法(ART)在CL成像中的应用；公开号为CN1643371A，名称为“成像大视野物体的***和方法”的中国发明专利申请中，提出了一种成像装置，通过移动射线源和探测器的位置实现“多扫描轨道”扫描物体，最终实现对大于探测器视野的物体进行成像；闫镔等解决了对长物体、宽物体和大物体的大视的成像问题；2015年，Liu等，在公开号为CN105319225A的中国发明专利中提出了一种工业CL成像***，该方法实现了对长宽尺度大，厚度薄的板状大物体的检测。但其存在一些不足：1)***C形臂曲率确定，射线源位置固定不变，导致***射线源到平板探测器轨迹的距离SD不可调，从而视场(Field of View,FOV)不可变，导致***灵活性不高；2)高精度C形臂制造复杂，成本高；虽然这些***在医学和工业领域的应用都获得了较好的结果，然而他们都没有聚焦***结构复杂度、成本等。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本、可实现性高、用于大尺寸板状构件的无损检测新型工业计算机分层成像(Industrial Computed Laminography,ICL)***，并且提出针对本发明CL***图像重建算法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种新型ICL***，包括射线源、平板探测器、待测样品、平台；所述射线源、所述待测样品和所述平板探测器依次放置于所述平台上；所述射线源固定于平台上，用于发出射线；所述平板探测器和所述待测样品沿垂直于所述射线源发出射线所在直线方向，做同向直线运动；在***扫描过程中，所述射线源发出射线穿过所述待测样品，所述平板探测器同步转动，保证***在数据采集过程中所述平板探测器始终与所述射线源发出射线垂直。
一种新型ICL实现方法，该方法包括以下步骤：
S1：建立成像模型；
S2：采用迭代重建算法直至图像满足实际需求。
进一步，所述成像模型为：
待测样品和探测器都沿着x轴方向同步平行移动，取扫描过程中任意一个位置探究探测器与其运动轨迹的夹角ω大小和待测样品最大扫描半径r大小，计算公式为：
Figure GDA0002298441570000021
Figure GDA0002298441570000022
其中，以X射线源距离样品轨迹最近的点为原点，样品运动方向为x轴正方向建立直角坐标系；射线源固定于a点不动；物***置为xp(p＝1,...,P)，其中P为***采集到的投影数，探测器的位置为xD；d为探测器长度的一半；ω为平板探测器面板与其运动轨迹的夹角；SO为射线源到待测样品轨迹的距离，SD为射线源到平板探测器轨迹的距离；
通过调节射线源到待测样品轨迹的距离SO和射线源到平板探测器轨迹的距离SD改变***视场角FOV；通过前后移动物体改变待测样品的放大率，根据实际待测样品大小选择合适的视场和放大率；并且在扫描过程中，平板探测器同步转动，使***在数据采集过程中其探测器面板始终与射线源中心射束垂直，减小平板探测器在扫描过程中长度变化。
进一步，所述迭代重建算法为：先把连续的图像离散化，把全部图像区域划为有限个像素，每一个像素内部是常数，构成一个待求解的矩阵，接着利用测量到的投影数据来建立一组代数方程，通过求解方程组来求得未知图像向量；具体包括以下步骤：
S201：输入投影数据pi并赋初值：其中
Figure GDA0002298441570000032
表示第j个像素的初值；
S202：计算所有射线的估计投影值：
Figure GDA0002298441570000033
其中i＝1,...,L，L表示射线总数；j＝1,...,N，N表示像素总数；pi表示第i条射线的投影值；ωij是投影系数，反映第j个像素对第i条射线积分的贡献；
S203：计算修正值，利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项，第j个像素的修正项为：
其中Wi,+表示所有像素对第i条射线积分的贡献，W+,j表示第j个像素对所有射线积分的贡献，
Figure GDA0002298441570000035
表示k次迭代第i条射线的投影值，L表示射线总数；
S204：进行修正，完成一次迭代：
Figure GDA0002298441570000036
其中xj表示当前迭代图像第j个像素值；
S205：对重建图像的所有像素点都进行一次修正后则完成了一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行S202、S203、S204的步骤，直至图像满足实际需求。
本发明的有益效果在于：
(1)但本发明提出的CL***解决了Liu等的***存在的一些不足：1)将圆弧导轨设计改为相对简单的直线和摆动扫描模式，简化了扫描结构和运动方式，降低了***成本。2)Liu等的CL***中C形臂曲率确定，射线源位置固定不变，导致***射线源到平板探测器轨迹的距离SD不可调，从而视场(Field of View,FOV)不可变。本发明提出的***不仅射线源到检测物体的距离可调，并且SD也可以根据检测对象的需要随意改动，提高了***灵活性，适应了不同的检测需求。
(2)本发明选用的探测器尺寸较小，虽然降低了***成本，但同时视场半径受到了限制，只能局部重建物体，对于大平板检测需要多次扫描才能实现牺牲了检测效率。对于这一问题本发明在探测器扫描过程中同步转动，使其面板始终与射线源中心射束垂直。相比于不做转动探测器的***，在相同的探测器长度下，本***可获得较大视场，从而成倍的减少了大平板的扫描次数，大大提高检测效率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为新型ICL***结构示意图；
图2为新型ICL***成像几何模型；
图3为用于重建的空间分辨率测试卡；
图4为无噪声扇形束90度、120度、150度有限角图像重建；
图5为图4中y＝0方向的剖面图；
图6为有噪声扇形束90度、120度、150度有限角图像重建；
为7为图6中y＝0方向的剖面图；
图8为无噪声扇形束200、300、400个投影分度150度有限角图像重建；
图9为图8中y＝0方向的剖面图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
1.成像模型
数据获取方式基于探测器和待测样品的同步平行直线运动。如图1所示，射线源固定于平台上不动，平板探测器和待测样品沿同方向平行直线运动，同时在扫描过程中平板探测器同步转动，使***在数据采集过程中探测器始终与射线源中心射束垂直。
如图2所示。以X射线源距离样品轨迹最近的点为原点，样品运动方向为x轴正方向建立直角坐标系。射线源固定于a点不动。物***置为xp(p＝1,...,P)，其中P为***采集到的投影数。探测器的位置为xD，d为探测器长度的一半。ω为平板探测器面板与其运动轨迹的夹角。SO为射线源到待测样品轨迹的距离，SD为射线源到平板探测器轨迹的距离。待测样品和探测器都沿着x轴方向同步平行移动，现取扫描过程中任意一个位置来探究探测器与其运动轨迹的夹角ω大小和待测样品最大扫描半径r大小。
Figure GDA0002298441570000051
Figure GDA0002298441570000052
本***运动方式简单、成本低、易实现，同时视场和放大率可调。一方面可通过调节射线源到待测样品轨迹的距离SO和射线源到平板探测器轨迹的距离SD来改变***FOV，另一方面可通过前后移动物体来改变待测样品的放大率，从而根据实际待测样品大小选择合适的视场和放大率。并且在扫描过程中，平板探测器同步转动，使***在数据采集过程中其探测器面板始终与射线源中心射束垂直。这一做法使探测器在扫描过程中长度变化较小，从而解决了直线运动在有限角的边缘位置探测器需求过大的问题，大大提高了探测器的利用率，降低了成本。同时对称的射线结构，简化了在迭代重建算法中投影矩阵的计算，提高了重建速度。
2.重建算法
2.1断层融合
本***中X射线源保持静止，平板探测器和待测样品同步平行运动，探测器采集储存每个角度下的单次投影数据，然后经过处理得到物体各层的图像，该方法称为断层融合技术。其本质就是反投影重建，是在有限角情况下的不完全数据重建，不同的是反投影重建法对各点进行操作，而断层融合是对各层(各行)进行操作。
断层融合方法虽然简单迅速但也有很多不足。由于其模仿经典模糊分层成像技术，在扫描过程中，仅在物体焦平面上的点能够清晰投影在探测器的相同区域，而物***于焦平面上和下面的部分会投影在探测器的不同区域，不可避免的会对重建图像造成模糊和伪影。并且该方法要求在扫描过程中放大率不能改变，给扫描结构带来了限制。虽然图像质量可以通过类似于CT反投影重建方法中的滤波技术得到改善，但即使如此断层融合的图像质量还是不如CT。不过，该方法可用于在X射线投影中具有高对比度的物体测量中，例如印刷电路板。
2.2迭代重建算法
为了进一步提高图像质量，提高***分辨率，改善扫描过程中放大率不可变的限制，可采用迭代重建算法。相比于将投影数据简单叠加的断层融合技术，迭代重建算法先把连续的图像离散化，把全部图像区域划为有限个像素，每一个像素内部是常数,如此就构成了一个待求解的矩阵,接着利用测量到的投影数据来建立一组代数方程，通过求解方程组来求得未知图像向量。本文提出的***可被建模为以下线性矩阵方程：
AX＝b (3)
b＝(b1,b2,...,bM)∈RM为投影数据其中M为数据总量，X＝(X1,...,XN)∈RN为重建物体其中N为像素点总数，A＝(amn)是***测量矩阵其中m＝1,...,M，n＝1,...,N。
经典的迭代重建算法是代数重建算法(Algebraic Reconstruction Technique,ART)，该算法在图像重建的迭代计算过程中，通过加上一个校正项来校正每个像素点的值。SIRT算法，即联合代数重建技术，是对ART算法的改进方法。同理SIRT算法在特定的投影角度下通过联合校正项的方法来进行对暂时解的更新。联合校正项，也就是由特定投影角度下所有射线共同产生的校正项。SART算法实现的基本过程如下：
(1)计算第一条射线对应的方程对每个像素点的校正项，把这些校正项寄存在一个数组里。计算第二条射线对应的方程对每个像素点的校正项,并把它们加到数组里。以此类推，直至计算完最后一条射线对应的方程对每个像素点的校正项并把它们加到数组里，至此则完成了一个投影角度下的迭代解的更新处理。
(2)把(1)中的步骤应用到其他投影角度的情况下，直到重建图像满足实际需求。
SART算法的迭代公式如下所示：
Figure GDA0002298441570000061
其中λk是松弛因子，用于抑制过度修正，k为迭代次数。i＝1,...,L，L为射线总数。j＝1,...,N，N为像素总数。pi为第i射线的投影值。ωij是投影系数，它反映了第j个像素对第i条射线的贡献。显然投影系数在方程求解过程中至关重要，它们将未知的图像和已知的投影值关联起来。整个迭代过程如下所示：
输入投影数据：pi赋初值：
Figure GDA0002298441570000062
计算所有射线的估计投影值。
Figure GDA0002298441570000063
计算修正值。第j个像素的修正项如下：
Figure GDA0002298441570000064
该修正项是利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项。
进行修正，完成一次迭代。
Figure GDA0002298441570000071
对重建图像的所有像素点都进行一次修正后则完成了一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行2、3、4的步骤，直至图像满足实际需求。
3.数值仿真
为了验证本***的有效性，我们使用空间分辨率测试卡作为待测样品做了一些初步仿真实验。由于一次直线扫描获得的投影数据为不完整的有限角数据，因此在理论上没有精确重建方法，导致重建结果都有一些数据确实造成的伪影。为了提高重建图像质量，前人已经提出了很多方法。本文采用M-SART算法对***获得的数据进行重建。图3为用于重建的空间分辨率测试卡，其图像尺寸为256×1024，像素尺寸为1×1mm2。扫描参数如表1所示。
表1仿真参数
参数 值
射线源到探测器的距离SDD(mm) 1800
射线源到物体的距离SOD(mm) 1500
探测器阵列长度(mm) 350
探测器像素尺寸(mm) 1
投影分度 200300400
一次扫描的射线源投影分度数P 350
扫描模型 等角扫描
重建图像尺寸 256×1024
像素尺寸(mm<sup>2</sup>) 1×1
迭代次数 2000
3.1不同有限角数据的图像重建
如图4为扇形束下采用M-SIRT算法对空间分辨率测试卡进行90度、120度、150度有限角无噪声图像重建，其中第一行为原始图像，红色圆圈标注部分为局部扫描的有效重建区域。图5给出了不同角度下无噪声数据重建图像在y＝0直线上的剖面图灰度值的对比图。为了进一步评估重建图像的质量，表2、表3中列出了各角度下红色区域内的均方根误差和峰值信噪比。
表2 ICL***无噪声不同有限角下重建图像均方根误差和峰值信噪比
角度 RMSE PSNR
90度 68.1281 11.4643
120度 67.6595 11.5242
150度 58.7665 12.7482
为了测试***和算法的噪声特性，我们在仿真投影数据中加入方差为无噪声数据最大值5％的高斯噪声。如图6扇形束下采用M-SIRT算法对空间分辨率测试卡进行90度、120度、150度有限角噪声图像重建，其中第一行为原始图像。图7给出了不同角度下重建图像在y＝0直线上的剖面图灰度值的对比图。
表3 ICL***有噪声不同有限角下重建图像均方根误差和峰值信噪比
角度 RMSE PSNR
90度 68.4445 11.4240
120度 67.9287 11.54897
150度 59.3292 12.6654
由以上结果可知，随着有限角度的增大，***获取的投影数据就越多，从而获得的重建图像伪影越小，图像质量就越好。而横向部分的重建结果始终十分模糊，这是由有限角度扫描在水平方向不存在投影数据造成的。我们的视场是在红色区域内部，在红色区域外部也会有少数射线穿过，虽然在此区域获得的投影数据很少，但随着有限角度的增大，这部分少量数据还是在重建结果中显现出来。同时***和算法具有较好的噪声特性。
3.2不同投影分度数据的图像重建
如图8采用M-SIRT算法对空间分辨率测试卡进行无噪声扇形束200、300、400个投影分度图像重建，其中第一行为原始图像。图9给出了投影分度下无噪声数据重建图像在y＝0直线上的剖面图灰度值大小。为了进一步评估重建图像的质量，表4中列出了各投影分度下红色区域内的均方根误差和峰值信噪比。
表4 ICL***无噪声不同投影分度下重建图像均方根误差和峰值信噪比
Figure GDA0002298441570000091
由以上结果可知，随着投影分度的增多，***获取的投影数据就越多从而获得的重建图像伪影越小，图像质量就越好。同理横向部分的重建结果始终十分模糊，这是由有限角度扫描在水平方向不存在投影数据造成的。同时此组实验都是在150度有限角下进行的，所以在视场外部区域有少量投影数据在重建结果中显现出来。
综上，本发明提出了一种运动方式简单、成本低、易实现的新型工业计算机分层成像(ICL)***。并且在***的设计中创新性的另探测器在扫描过程中同步转动，使其面板始终与射线源中心射束垂直。解决了直线运动在有限角的边缘位置探测器需求过大的问题，大大提高了探测器的利用率和***的检测效率，降低了成本，简化了迭代重建算法的计算，提高了重建速度。提出了一种改进的M-SIRT算法应用于本***。同时使用改进的M-SIRT算法对***进行了初步的扇形束二维仿真实验，验证了本***的可行性。在以后的研究中，我们将进一步改善本***，进行三维仿真实验和实际试验研究。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种新型ICL实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
S1：建立成像模型；
S2：采用迭代重建算法直至图像满足实际需求；
所述成像模型为：
待测样品和探测器都沿着x轴方向同步平行移动，取扫描过程中任意一个位置探究探测器与其运动轨迹的夹角ω大小和待测样品最大扫描半径r大小，计算公式为：
Figure FDA0002298441560000011
其中，以X射线源距离样品轨迹最近的点为原点，样品运动方向为x轴正方向建立直角坐标系；射线源固定于a点不动；物***置为xp，p＝1,...,P，其中P为***采集到的投影数，探测器的位置为xD；d为探测器长度的一半；ω为平板探测器面板与其运动轨迹的夹角；SO为射线源到待测样品轨迹的距离，SD为射线源到平板探测器轨迹的距离；
通过调节射线源到待测样品轨迹的距离SO和射线源到平板探测器轨迹的距离SD改变***视场角FOV；通过前后移动物体改变待测样品的放大率，根据实际待测样品大小选择合适的视场和放大率；并且在扫描过程中，平板探测器同步转动，使***在数据采集过程中其探测器面板始终与射线源中心射束垂直，减小平板探测器在扫描过程中长度变化。
2.如权利要求1所述的一种新型ICL实现方法，其特征在于：所述迭代重建算法为：先把连续的图像离散化，把全部图像区域划为有限个像素，每一个像素内部是常数，构成一个待求解的矩阵，接着利用测量到的投影数据来建立一组代数方程，通过求解方程组来求得未知图像向量；具体包括以下步骤：
S201：输入投影数据pi并赋初值：
Figure FDA0002298441560000013
其中
Figure FDA0002298441560000014
表示第j个像素的初值；
S202：计算所有射线的估计投影值：其中L表示射线总数；j＝1,...,N，N表示像素总数；pi表示第i条射线的投影值；ωij是投影系数，反映第j个像素对第i条射线积分的贡献；
S203：计算修正值，利用所有射线投影的修正项来计算的一个平均修正项，第j个像素的修正项为：
Figure FDA0002298441560000021
其中Wi,+表示所有像素对第i条射线积分的贡献，W+,j表示第j个像素对所有射线积分的贡献，
Figure FDA0002298441560000022
表示k次迭代第i条射线的投影值，L表示射线总数；
S204：进行修正，完成一次迭代：
Figure FDA0002298441560000023
其中xj表示当前迭代图像第j个像素值；
S205：对重建图像的所有像素点都进行一次修正后则完成了一轮迭代，以该轮迭代的结果作为暂时解，重复进行S202、S203、S204的步骤，直至图像满足实际需求。
3.基于权利要求1或2所述方法的ICL实现***，其特征在于：包括射线源、平板探测器、待测样品、平台；所述射线源、所述待测样品和所述平板探测器依次放置于所述平台上；所述射线源固定于平台上，用于发出射线；所述平板探测器和所述待测样品沿垂直于所述射线源发出射线所在直线方向，做同向直线运动；在***扫描过程中，所述射线源发出射线穿过所述待测样品，所述平板探测器同步转动，保证***在数据采集过程中所述平板探测器始终与所述射线源发出射线垂直。
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