一种探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法技术

本发明专利技术属于Ｘ射线计算机层析成像（ＣＴ）技术领域，具体为一种探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描三维数字成像方法。该方法将面阵探测器偏置放置，以Ｘ射线源产生的锥束Ｘ射线，相对于构件长宽表面以一定角度倾斜透照构件成像区域。在扫描过程中，射线源与面阵探测器静止，构件绕旋转轴等角步长旋转３６０度，面阵探测器在每个旋转角度下获取经构件调制后的射线信号。利用本发明专利技术提出的数据截断平滑预处理方法和滤波反投影重建算法，根据３６０度扫描角度下面阵探测器获取的数据，即可重建获得扫描区的三维计算机断层图像。相较于传统倾斜扫描方法，本发明专利技术方法在系统硬件和扫描速度不变条件下，可将倾斜扫描成像视野提高１倍，重建质量高，过程简单、高效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，属于X射线计算机层析成像(CT)

技术介绍
在X射线CT系统中，X射线源发出X射线，从不同角度穿过被检测物体的某一区域， 放置于射线源对面的探测器在相应角度接受，然后根据各角度射线不同程度的衰减，利 用一定的重建算法和计算机进行运算，重建出物体被扫描区域的射线线衰减系数分布映 射图像，从而实现由投影重建图像，无损地再现物体在该区域内的介质密度、成分和结 构形态等特征。现行的CT技术，无论是2D-CT，还是3D-CT，均需要射线扫描被检结构断层所在的整 个截面。于是，对于长、宽尺寸大而厚度小的板、壳结构的层析检测，射线不可避免要 对比厚度尺寸大得多的长、宽尺寸所在截面作透视扫描。显然这种扫描透视投影数据灵 敏度和空间分辨率，与从厚度方向扫描相比，要低得多，于是重建出的断层图像对结构 细节分辨率必然很低；况且，当长、宽尺寸达到数米级时，也无法实施这种层析扫描。 因此，现有常规CT技术对长、宽尺寸大而厚度小的结构，无法提供有效的层析检测技术。 为此，薄板层析成像(CL)技术被提出。它采用圆、直线或螺旋扫描轨迹，对板壳结构 实施倾斜扫描，利用一定的重建算法进行层析成像。王宏钧等，代数重建技术在板壳 结构断层重建中的应用，光学技术，2006， 32 (2) : 168-170中，研究了一种CL方法， 采用圆扫描轨迹和代数重建技术对板壳结构进行层析成像，如图1所示。当该方法扫描 图1中构件时，需要面阵探测器尺寸大于等于ABCD的尺寸。CL在实际应用中面临的一个主要问题是，受扫描原理和探测器面积的影响，成像视 野小，检测效率低。目前，尚未发现有提高CL成像视野的方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是针对传统CL成像面临的成像视野小、检测效率低的问题，提供，在系统硬件和扫描速度不变条件下，可将倾斜扫描成像视野提高l倍，重建质量高，过程简单、高 效。本专利技术的技术解决方案:探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方 法，其特征在于包括如下步骤(1) 设置面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描几何结构，形成数字射线 投影图像获取系统；(2) 进行面阵探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描，获得一组二维数字射线 投影图像序列；(3) 记录射线源到面阵探测器距离z。、射线源到旋转中心z'。、射线倾斜角度p、面 阵探测器水平方向探测通道个数m和垂直方向探测通道个数n，数字射线投影图像数据 截断长度^(4) 根据上述参数^、 ？。、 p、 m、 n和5,利用面阵探测器偏置的大视野锥束X 射线倾斜扫描三维数字成像数据截断预处理平滑方法，对步骤(2)得到的二维数字射 线投影图像序列数据截断边缘进行平滑，得到平滑后的数字射线投影图像序列；(5) 依据步骤(4)得到的数字射线投影图像序列，利用面阵探测器偏置的大视野 锥束X射线倾斜扫描三维数字成像滤波反投影重建算法，重建扫描区域的三维层析图像。本专利技术的扫描原理如图1:物体在转台带动下旋转；在每个旋转角度下，偏置的面 阵探测器ABGH将穿过物体的射线转换成电信号送到计算机，形成投影数据；当转台旋 转360度即完成扫描；根据扫描形成的投影数据，利用本专利技术的面阵探测器偏置的大视 野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像数据截断预处理平滑方法和滤波反投影重建算法进 行预处理和重建，即可获得物体三维层析图像。本专利技术的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像数据截断预处理平滑方法如下-尸'(z， r,釣=尸(义，:r, .r， -) (i)其中，尸(义,y,釣为虚拟面阵探测器ABCD获取的二维数字射线投影图像序列，在实际 面阵探测器ABGH获取的数据基础上补零产生；尸'(m"为平滑后的二维数字射线投影 图像序列，必(I，y，A)为平滑函数，^和r为虚拟面阵探测器ABCD探测通道位置，-为 旋转角度。本专利技术的四个大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像数据截断预处理平滑函数如下'0 -緒^<0 0.5 7 = 0①1 0<]T<iV/26<formula>formula see original document page 7</formula>其中，W为虚拟面阵探测器ABCD成像区域的宽度，5为数据截断长度。 本专利技术的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像滤波反投影重建算法如下:<formula>formula see original document page 7</formula>其中，/W'力为重建的三维函数，"W")为坐标系x"r"z"中坐标，W，y'A为平滑后的二维数字射线投影图像序列，h(n为理想滤波函数h^)-IPl的傅立叶变化，义和r为虚拟面阵探测器ABCD探测通道位置，"为旋转角度，^为射线源到面阵探测器距离，？。为旋转中心到面阵探测器距离，^为射线倾斜角度。 下面进一步推导义和y的计算公式(3)和(4)。根据图1几何结构，等式(6)给出了I和r'y"Z"间的坐标变换关系。对于给 定的重建坐标系X'T'Z"中任意重建点("y"'z")，可以通过等式(7)在坐标系^中以(x'，/，/)表示。等式(8)表示了一条穿过重建点"'，,，z')的射线的空间方程。等式(9) 表示了探测器平面。联立等式(7)、 (8)和(9)，我们可以得到义和y的计算公式(10) 和(11)。根据图l扫描结构，我们还可以得到等式(12)。利用等式(12)，即可将 公式(10)和(11)简化得到公式(3)和(4)。 = -i 3 '及2 《(6)cos/3 -sin^ 0 0.sin々 cos- 0 00 0 100 0 0 1'1 0 0 0—0 cos伊 一sin伊 00 stop cos伊 000 0 1《0 00 01 0_)/ =—x"siny5cosp + ycos^cosp + z"sinp + yc1 r' = ;c"sin y9sinp — _y"cos/ sin^ + 2"cos^ + zc'工-A = "X = z-zc =fz = 0工,z —z 一(7)(8)(9)(10):0(11)(12)2 —zcxc =0， =0， xc'=0， 7C'如图1，为了获得ABCD的扫描成像视野，传统CL需要采用尺寸大于ABCD的探测器。 但是，对于本专利技术方法，采用尺寸大于ABEF的探测器即可获得ABCD的扫描成像视野。 因此，在使用相同大小探测器情况下，本专利技术方法可扩大成像视野l倍。本专利技术与现有技术相比的优点如下-(1) 本专利技术使用同样大小的探测器，可扩大成像视野l倍；(2) 本专利技术只需要进行一次360度扫描，检测效率高(3) 本专利技术扫描结构简单，易于工程实现。 附图说明图1为本专利技术一种探测器偏置的大视野锥束X射线倾斜扫描三维数字成像方法对应 的扫描几何结构图；图2为经典的人体胸部仿真模型；图3是倾斜角度为45度时，探测器ABGH在多个扫描角度下获取的人体胸部仿真模 型的二维投影图像；图4是倾斜角度为45度时，探测器ABCD在多个扫描角度下获取的人体胸部仿真模 型的二维投影图像；图5a是倾斜角度为45度时，采用平滑公式①对探测器ABCD在多个扫描角度下获 取的人体胸部仿真模型的二维投本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描三维数字成像方法，其特征在于包括如下步骤：　（１）设置面阵探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描几何结构，形成数字射线投影图像获取系统；　（２）进行面阵探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描， 获得一组二维数字射线投影图像序列；　（３）记录射线源到面阵探测器距离ｚ↓［ｃ］、射线源到旋转中心ｚ′↓［ｃ］、射线倾斜角度φ面阵探测器水平方向探测通道个数ｍ和垂直方向探测通道个数ｎ，数字射线投影图像数据截断长度δ；　（４）根据上 述参数ｚ↓［ｃ］、ｚ′↓［ｃ］、φ、ｍ、ｎ和δ，利用面阵探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描三维数字成像数据截断预处理平滑方法，对步骤（２）得到的二维数字射线投影图像序列数据截断边缘进行平滑，得到平滑后的数字射线投影图像序列；　（５） 依据步骤（４）得到的数字射线投影图像序列，利用面阵探测器偏置的大视野锥束Ｘ射线倾斜扫描三维数字成像滤波反投影重建算法，重建扫描区域的三维层析图像。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：傅健，江柏红，周星余，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]