静态CT微焦X射线源的电子束偏转系统研究

摘要

由于常规CT的射线源仅可进行单焦点投影，为获取多视角的CT投影数据， X射线源和探测器与被检测物体需做相对旋转运动，但是目前这种传统CT扫描方式存在扫描速度难以提升、机械运动会导致图像出现伪影等问题。电子束CT是一种新型静态CT，在扫描过程中，射线源、待测物以及探测器均保持静止状态，很好地克服了传统锥束 CT 检测效率低的问题，并避免了机械运动对图像质量的影响，从而大幅提高CT空间分辨率。因此，实现超高时间分辨率的静态扫描方式具有重要实际意义和应用价值。　　高精度的电子束偏转系统是静态CT电子束多焦点X射线源的重要组成部分，其电子束偏转扫描精度、重复性、线性度等性能参数决定了静态CT系统的空间分辨率、密度分辨率等指标。本论文在国家仪器专项（2013YQ030629）支持下开展静态CT微焦X射线源的电子束偏转系统研究，具体研究内容如下：　　① 完成了电子束偏转的理论计算、仿真分析与系统设计。首先对磁场偏转的物理原理和偏转灵敏度进行了分析，然后据此确定了偏转磁场分布的物理参数，并基于霍尔效应使用高斯计对偏转磁场的磁场特性进行测试，分析了偏转扫描可能存在的偏转像差问题。最后详细说明了基于投影图像法的焦点位置偏移量计算方式，这为实现对电子束精准的控制以及后续偏转扫描实验参数的转换提供了理论基础。　　②完成了电子束偏转控制软件的设计与编程。基于MFC(Microsoft Foundation Classes)，编写了控制软件的上位机界面及功能，该软件可与下位机偏转放大器实现通信和数据传输，共包含扫描控制、参数设置、缓存查询以及数据管理四个功能模块。　　③ 完成了电子束偏转系统空间分辨率、线性度等主要重要参数的测试。基于本文设计的微焦 X 射线源电子束偏转系统，搭建了用于偏转扫描成像的静态 CT系统。用JIMA卡测得电子束偏转静态CT系统的空间分辨率可达到4μm以上；采用焦点位置测试卡进行扫描测试，结果表明电子束偏转控制量与 X 射线焦点位置的偏移量相关性高，系统具有理想的线性特性；进一步在管电压分别为40kV和60kV时，多次重复进行x和y方向的偏转扫描，并完成了多周期的扫描检测实验，验证了偏转系统具有良好的重复性及稳定性。　　④ 完成了电子束偏转静态CT扫描成像实验。以电子束偏转扫描的方式对牙签样品进行了扫描成像，获得了微米级分辨率的CT图像。证明了微焦X射线源电子束偏转系统达到了理论设计要求。

目录

1 绪 论

1.1 CT技术的发展及其应用

1.2 CT扫描方式概述

1.3 静态CT射线源的国内外研究现状

1.4.1 课题来源

1.4.2课题研究意义

1.5 课题研究内容及论文结构安排

2 静态CT射线源概述

2.1 传统热阴极X射线源

2.2.1 CNT场发射简介

2.2.2 CNT静态多束场发射X射线源原理介绍

2.2.3 CNT静态多束场发射X射线源的典型应用

2.3 电子束多焦点X射线源

2.3.1 电子束偏转扫描CT原理介绍

2.3.2 电子束多焦点X射线源的典型应用

2.4 本章小结

3 电子束偏转系统研究与设计

3.1 电子束偏转微焦X射线源结构

3.2 偏转系统原理

3.2.1 电子束偏转磁场分析

3.2.2 偏转灵敏度分析

3.3.1 偏转线圈设计

3.3.2 偏转磁场特性测试

3.4 偏转像差分析

3.5 焦点位置偏移量计算

3.6.1 电子束偏转控制软件需求分析

3.6.2 电子束偏转控制软件界面以及功能设计

3.7 本章小结

4 电子束偏转系统CT成像实验分析

4.1.1 偏转控制系统组成

4.1.2 电子束偏转CT系统装置

4.2 电子束CT成像分辨率

4.3 电子束偏转系统的偏转线性测试

4.4 电子束偏转系统重复性、稳定性测试

4.5 电子束偏转扫描静态CT成像

4.6 本章小结

5 总结和展望

5.1 论文总结

5.2 课题问题和展望

参考文献

附录

A．作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

B．作者在攻读硕士学位期间授权专利目录

C．学位论文数据集

致谢