CN107748341A - 高衬度低剂量相位衬度ct成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，包括：基座、旋转台、成像平台及沿轴向嵌入设置在所述旋转台内部圆心处的样品台；所述成像平台上沿光路方向依次设置有X射线光源、源光栅、分束光栅、供所述样品台的上部伸缩穿出的开孔、分析光栅和探测器；所述的源光栅、分束光栅和分析光栅均为弧形状，其圆心均位于所述X射线光源处。本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置能够利用高能量的X光源实现较大的穿透深度，从而应用于厚样品(几十厘米)乃至人体的高衬度、低剂量成像。并且本发明的成像装置既能实现样品台旋转，又能实现成像***旋转，稳定可靠、能够提供该成像技术所需要的精度要求。
Description
技术领域
本发明涉及X光成像技术领域，特别涉及一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置。
背景技术
传统X射线成像技术是基于物质对X射线吸收性质的不同，对于金属等重元素材料构成的物质，传统X射线成像技术能够得到很好的图像衬度，但是对于碳、氧、氮、氧等轻元素材料组成的物质，如医学成像中的乳腺、血管、脂肪、软骨等人体软组织，它们对X射线的吸收非常微弱，这些组织在传统X射线成像技术下获得的图像是一片模糊、分辨不清的。
X射线相位衬度成像技术通过探测X射线穿过物质的相位变化(即相移)来进行成像的，由于在硬X射线波段(10-100keV)，对于碳、氢、氮、氧等轻元素，其相干散射截面(即相移截面)是各自吸收截面的1000多倍。因此理论上来说，对于那些由轻元素组成的物质，硬X射线相位衬度成像技术能够提供比传统吸收衬度成像高上千倍的图像衬度和测量灵敏度。
然而，目前该技术的成像能量主要在30keV左右，在人体模型内的穿透深度只有5厘米，因此只适合对薄样品(如小鼠)进行成像研究，而且因为X光机发出的光子通量低，需要长时间(大约26小时)的曝光时间来减少噪声，增加图像质量。另外，基于目前的理论框架构建的相衬CT机器中，在构架旋转进行旋转的时候，需要三块光栅一起围绕样品旋转，同时需要保证三块光栅严格对准，但是在旋转过程中，重力、机械制造误差、机械装配误差、机械震动、热膨胀等因素都会严重影响三块光栅的对准。因此，他们的***对机械稳定性有非常苛刻的要求，目前国内外大多数只能建立样品台旋转而成像***静止不动的简单桌面平台，还没有出现成像***旋转的CT装置投入使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，包括：基座、设置于所述基座上方的旋转台、设置于所述旋转台上的成像平台及沿轴向嵌入设置在所述旋转台内部圆心处的样品台；
所述成像平台上沿光路方向依次设置有X射线光源、源光栅、分束光栅、供所述样品台的上部伸缩穿出的开孔、分析光栅和探测器；
所述分束光栅下端设置有微位移步进机构，所述微位移步进机构包括柔性铰链机构和压电陶瓷推动机构；
所述源光栅和分束光栅下端均设置有姿态调整机构；
所述的源光栅、分束光栅和分析光栅均为弧形状，其圆心均位于所述X射线光源处。
优选的是，所述源光栅上还设置有用于调整X射线入射范围的光阑机构。优选的是，所述X射线光源与源光栅之间设置有隔热装置。
优选的是，所述样品台包括升降机构、平面调节机构和旋转机构。
优选的是，所述姿态调整机构包括X,Y,Z三轴平移调整机构和绕X,Y,Z三个轴旋转的三轴调节机构。
优选的是，所述基座与旋转台之间通过径向轴系和推力轴系连接。
优选的是，所述旋转台下端还连接有用于传输电信号与数据信号的滑环，所述滑环下方设置有固接于所述基座上的滑环读数支架。
优选的是，所述旋转台中央设置有力矩电机。
优选的是，所述基座底部设置有调平地脚。
优选的是，所述高衬度低剂量相位衬度CT成像装置进行检测工作时的数据采集过程包括以下步骤：
步骤1：采集无样品时当所述分束光栅分别处于预先设定的第一采集位、第二采集位、第三采集位和第四采集位时的所述探测器检测到的数据，将采集到的四组数据分别作为上述四个采集位的背景强度；
步骤2：进行样品的各个断层的数据采集，其具体包括：
步骤2-1：固定所述分束光栅至所述第一采集位；
步骤2-2：控制所述旋转台以0.5周/秒的转速旋转，控制所述探测器以2.5ms每帧的速率采集数据，所述旋转台旋转一周后停止采集；
步骤2-3：通过所述微位移步进机构驱动所述分束光栅移动至所述第二采集位，重复所述步骤2-2；
步骤2-4：通过所述微位移步进机构驱动所述分束光栅移动至所述第三采集位，重复所述步骤2-2；
步骤2-5：通过所述微位移步进机构驱动所述分束光栅移动至所述第四采集位，重复所述步骤2-2，完成样品的一个断层的数据采集；
步骤3：控制所述样品台沿轴向移动设定的距离，再重复所述步骤2，以进行样品的下一断层的数据采集；
步骤4：数据分离重构：将由上述步骤采集的样品的每一断层中分束光栅处于四个采集位时的采集得到的4组数据分别组合为一套数据，完成数据采集。
本发明的有益效果是：本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置能够利用高能量的X光源实现较大的穿透深度，从而应用于厚样品(几十厘米)乃至人体的高衬度、低剂量成像，本发明能大大降低样品所接受的辐射剂量。并且本发明的成像装置既能实现样品台旋转，又能实现成像***旋转，稳定可靠、能够提供该成像技术所需要的精度要求。本发明***稳定性高，易于安装制造，且操作方便，能很好的满足用户需求，具有广阔的市场前景。
附图说明
图1为本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的结构示意图；
图2为本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的剖视图；
图3为本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的样品台的结构示意图；
图4为本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的源光栅的结构示意图；
图5为本发明的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的分束光栅的结构示意图。
附图标记说明：
1—基座；2—旋转台；3—成像平台；4—样品台；5—径向轴系；6—推力轴系；7—滑环；8—滑环读数支架；9—力矩电机；10—调平地脚；30—X射线光源；31—源光栅；32—分束光栅；33—开孔；34—分析光栅；35—探测器；36—微位移步进机构；37—姿态调整机构；38—隔热装置；40—升降机构；41—平面调节机构；42—旋转机构；310—光阑机构；370—三轴平移调整机构；371—三轴调节机构371。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-5所示，本实施例的一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，包括：基座1、设置于基座1上方的旋转台2、设置于旋转台2上的成像平台3及沿轴向嵌入设置在旋转台2内部圆心处的样品台4；成像平台3上沿光路方向依次设置有X射线光源30、源光栅31、分束光栅32、供样品台4的上部伸缩穿出的开孔33、分析光栅34和探测器35；基座1与旋转台2之间通过径向轴系5和推力轴系6连接；旋转台2中央设置有力矩电机9；样品台4包括升降机构40、平面调节机构41和旋转机构42，升降机构40实现样品台4的轴向升降，旋转机构42实现样品台4绕轴向的旋转调节，平面调节机构41用于调节旋转机构42在水平方向上的位移，通过调节旋转机构42上的样品的水平方向的位置，可调节X射线光源30的扫描范围的大小；成像平台3的材质选用花岗岩；基座1底部设置有调平地脚10。
源光栅31、分束光栅32和分析光栅34均为弧形状，其圆心均位于X射线光源30处。
源光栅31和分束光栅32下端均设置有姿态调整机构37。姿态调整机构37包括X,Y,Z三轴平移调整机构370和绕X,Y,Z三个轴旋转的三轴调节机构371。三轴平移调整机构370实现X,Y,Z三方向的运动调节，三轴调节机构371实现绕X,Y,Z三个轴的旋转调节，从而通过姿态调整机构37用于实现上下左右前后方向及三个旋转方向的调节。调节机构上还设置有锁紧机构。
源光栅31上还设置有用于调整X射线入射范围的光阑机构310，X射线光源30与源光栅31之间设置有隔热装置38。
分束光栅32下端设置有微位移步进机构36，微位移步进机构36包括柔性铰链机构和压电陶瓷推动机构。
旋转台2下端还连接有用于传输电信号与数据信号的滑环7，滑环7与上端的旋转台2上的电信号与数据信号传输线连接，滑环7下方设置有固接于基座1上的滑环读数支架8。滑环读数支架8用于将滑环7的电信号与数据信号传输至外部的控制器。
高衬度低剂量相位衬度CT成像装置进行样品检测时，通过X射线照射样品，并进行数据采集，以获取CT图像。
X光源是一个发射出锥束射线的光源。源光栅31位于距离X光源的焦点100mm处,由于成像***具有几何放大因子,源光栅31的面积因此没有必要太大,只要其在探测器35上的投影大于探测器35的接收面积即可,从工艺上面来讲,面积较小的光栅更容易加工制作,更能保证其均匀性,并且成本低。源光栅31包括光阑机构31，用于调整X射线入射范围，这样在后面的成像过程中,可以使探测器35只在有莫尔条纹的区域接收光子,使光阑完全挡住射向没有莫尔条纹区域的光子,这样可以提高探测器35采集图像的精确度,增加探测器35的使用寿命。
分束光栅32设置于X光源焦点400mm处，分析光栅34设置于X光源焦点处1600mm处，样品台4位于旋转台2的圆心处，设置于分束光栅32的后面，探测器35设置于分析光栅34的后面。
为保证成像***的精度，转台主轴径向跳动不超过10微米，轴向窜动误差不超过37微米，转台定位精度不超过0.1rad.
成像时，首先源光栅31把毫米量级的X光源分成一系列的线光源,对每一个线光源而言,它在分束光栅32处的空间相干长度大于分束光栅32的周期,这样分束光栅32在相干光照明下,通过太保效应会在分析光栅34位置处形成自成像，
然后通过Lau效应，分束光栅32在各个线光源照明下产生的自成像条纹会相互错开一个周期,从而非相干的叠加在一起,自成像条纹的强度会得到大大的加强。
接着分束光栅32的自成像条纹和分析光栅34会形成莫尔条纹,如果分束光栅32的自成像条纹和分析光栅34的条纹之间有一个微小的夹角,或者分束光栅32自成像条纹的周期和分析光栅34的周期之间存在微小的差异,那么在分析光栅34后面通过X射线探测器35即可检测到周期非常大的莫尔条纹。
然后,X射线在穿过样品的时候会发生折射,光线的偏折会引起莫尔条纹形状的扭曲,体现在实际试验中,即是像素光强的变化。通过测量每一个像素强度的变化,即可得到样品的折射图像。
高衬度低剂量相位衬度CT成像装置的数据采集过程(即成像过程)包括以下步骤：
步骤1：采集无样品时分束光栅32分别处于预先设定的第一采集位、第二采集位、第三采集位和第四采集位时的探测器35检测到的数据，将采集到的四组数据分别作为上述四个采集位的背景强度；
步骤2：进行样品的各个断层的数据采集，其具体包括：
步骤2-1：固定分束光栅32至第一采集位；
步骤2-2：控制旋转台2以0.5周/秒的转速旋转，控制探测器35以2.5ms每帧的速率采集数据，旋转台2旋转一周后停止采集；
步骤2-3：通过微位移步进机构36驱动分束光栅32移动至第二采集位，重复步骤2-2；
步骤2-4：通过微位移步进机构36驱动分束光栅32移动至第三采集位，重复步骤2-2；
步骤2-5：通过微位移步进机构36驱动分束光栅32移动至第四采集位，重复步骤2-2，完成样品的一个断层的数据采集；
步骤3：控制样品台4沿轴向移动设定的距离，再重复步骤2，以进行样品的下一扇束断层的数据采集；
步骤4：数据分离重构：将由上述步骤采集的样品的每一断层中分束光栅32处于四个采集位时的采集得到的4组数据分别组合为一套数据，完成数据采集。后续再进行数据分离与CT重构。其中，采用与传统PS方案相同的方法进行数据分离与CT重构。
其中，4个采集位置沿呈弧形的分束光栅32的弧形延长线布置，即4个采集位置与分束光栅32处于同一圆周上，故在进行数据采集时，需使分束光栅32做弧线运动，通过压电陶瓷推动机构进行驱动，推动分束光栅32运动，由柔性铰链机构进行位移限制，限制分束光栅32的运动路线为弧线，从而通过微位移步进机构36实现分束光栅32的弧线运动。
在另一种实施例中，可以成像***不转，通过样品台4的旋转实现物体的成像。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (10)
1.一种高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，包括：基座、设置于所述基座上方的旋转台、设置于所述旋转台上的成像平台及沿轴向嵌入设置在所述旋转台内部圆心处的样品台；
所述成像平台上沿光路方向依次设置有X射线光源、源光栅、分束光栅、供所述样品台的上部伸缩穿出的开孔、分析光栅和探测器；
所述分束光栅下端设置有微位移步进机构，所述微位移步进机构包括柔性铰链机构和压电陶瓷推动机构；
所述源光栅和分束光栅下端均设置有姿态调整机构；
所述的源光栅、分束光栅和分析光栅均为弧形状，其圆心均位于所述X射线光源处。
2.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述源光栅上还设置有用于调整X射线入射范围的光阑机构。
3.根据权利要求2所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述X射线光源与源光栅之间设置有隔热装置。
4.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述样品台包括升降机构、平面调节机构和旋转机构。
5.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述姿态调整机构包括X,Y,Z三轴平移调整机构和绕X,Y,Z三个轴旋转的三轴调节机构。
6.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述基座与旋转台之间通过径向轴系和推力轴系连接。
7.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述旋转台下端还连接有用于传输电信号与数据信号的滑环，所述滑环下方设置有固接于所述基座上的滑环读数支架。
8.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述旋转台中央设置有力矩电机。
9.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述基座底部设置有调平地脚。
10.根据权利要求1所述的高衬度低剂量相位衬度CT成像装置，其特征在于，所述高衬度低剂量相位衬度CT成像装置进行检测工作时的数据采集过程包括以下步骤：
步骤1：采集无样品时当所述分束光栅分别处于预先设定的第一采集位、第二采集位、第三采集位和第四采集位时的所述探测器检测到的数据，将采集到的四组数据分别作为上述四个采集位的背景强度；
步骤2：进行样品的各个断层的数据采集，其具体包括：
步骤2-1：固定所述分束光栅至所述第一采集位；
步骤2-2：控制所述旋转台以0.5周/秒的转速旋转，控制所述探测器以2.5ms每帧的速率采集数据，所述旋转台旋转一周后停止采集；
步骤2-3：通过所述微位移步进机构驱动所述分束光栅移动至所述第二采集位，重复所述步骤2-2；
步骤2-4：通过所述微位移步进机构驱动所述分束光栅移动至所述第三采集位，重复所述步骤2-2；
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步骤3：控制所述样品台沿轴向移动设定的距离，再重复所述步骤2，以进行样品的下一断层的数据采集；
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