小角度自摆式大型多层螺旋CT设备和检查方法

摘要

本发明提供一种大型多层螺旋CT设备，采用加速器X射线源和多排探测器，利用旋转的滑环让加速器与探测器在滑环上做单摆式往复转动，被扫描物体水平穿过滑环，实现对例如航空集装箱等大型物体的高分辨率三维断层成像，实现更直观、更全面、更精准的安全检查。本CT装置包括固定有加速器X光源和多排探测器的滑环，由于配重不均匀，只需提供很小的助力滑环可以围绕固定圆心做≦180度的单摆式往复摆动。扫描过程中，由于滑环摆动的角速度不均匀，投影角度也不均匀分布，因而需要特殊设计的CT图像重建算法获得全部所需三维断层图像。

说明书

技术领域

本发明涉及航空集装箱CT检查领域，特别涉及小角度自摆式大型 多层螺旋CT设备以及检查方法。

背景技术

1989年，螺旋CT(计算机断层扫描技术)开始投入临床应用，由于 螺旋CT的巨大优势，使得它逐步替代了以前的断层CT，螺旋CT相对于 断层CT的优势在于：螺旋CT可以连续不间断地采集投影数据，并通过 专门设计的重建算法得到物体的三维体数据，使得CT扫描的时间大大缩 短，提供了重建图像的Z轴分辨率，减少了运动伪迹。1991年，Elscint 公司在单层螺旋CT基础上，首先推出了双层螺旋CT，从此揭开了多层 螺旋CT飞速发展的序幕。

多层螺旋CT与单层螺旋CT的主要区别在于单层螺旋CT的探测器是 单排的，每次只能采集一层扇束投影数据，而多层螺旋CT的检测器是多 排的，可以同时采集多层锥束投影数据；因此，多层螺旋CT和单层螺旋 CT相比在性能上有了很大的提升，大大增加了X射线束的覆盖范围，有 效地提高X射线的利用率，缩短了扫描时间，能够得到更高质量的三维 重建图像。1998年，GE、Siemens、Toshiba、Philips公司推出了4层 螺旋CT；2001年，GE公司率先推出了8层；2002年，GE、Siemens、Toshiba、 Philips公司分别推出了16层螺旋CT；2005年，Toshiba公司推出了 256层螺旋CT；2007年，在美国芝加哥的第93届北美放射学会议上 Toshiba公布了其最新推出的320层螺旋CT产品。目前的多层螺旋CT 扫描速度已经超过了每秒3周，已经广泛地被应用于人体三维成像、血 管造影成像、心脏成像、脑灌注成像等领域，在多层螺旋CT技术上还发 展起来了计算机辅助手术、虚拟内窥镜技术和辅助放射治疗等新技术。

传统多层螺旋CT技术已经在医学应用上取得了巨大的成功，但在面 对大型物体三维断层成像时仍然显现出很多不足：(1)对大型物体成像 需要较高的穿透力与较大的扫描空间，而普通X光机难以达到高的穿透 力，普通小型探测器与小尺寸滑环也难以获得大的扫描空间，因而需要 采用加速器X射线源及大型探测器，这将导致扫描装置重量的大幅增加， 对滑环的承重能力与大小尺寸提出极高的需求，传统多层螺旋CT技术难 以达到。(2)由于传统多层螺旋CT采用连续旋转的滑环技术，环上的X 光机和多排探测器所需的电源都通过高速滑环供给，特别是多排探测器 在扫描过程中产生的大量投影数据需要通过无线射频技术高速传输到环 下的计算机中，极大地增加了滑环及电传部分的技术难度和成本，如果 再采用供电需求更高的加速器与大型探测器，则几乎不可能实现。

随着大面积平板探测器技术的飞速发展，医用平板探测器技术已经 相当成熟。最近十年左右，采用平板探测器的应用CT设备已经出现并日 趋成熟，例如口腔锥束CT也在临床上广泛采用。原来多层螺旋CT需要 X射线源旋转数圈才能够扫描完全的区域，使用平板探测器后可能只需 要扫描一圈就可以了，大大缩短了扫描的时间。但是由于平板探测器都 往往只能承受很低的能量与剂量，而且分辨率高，成本高，显然不适合 大型物体成像，所以，需要使用新的X射线源以及新的探测器以适用于 航空集装箱等大型物体检测。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于克服或消除现有技术中一个或多个问题， 提供一种小角度自摆式CT设备，其特征在于包括：

X射线发生装置，配置成朝向被检测对象发射X射线；

数据采集分系统，配置成采集穿过被检测对象的X射线信号执行检 测；

摆动支撑装置，X射线发生装置和数据采集分系统分别布置在摆动 支撑装置上且相互间隔分开，被检测对象放置在X射线发生装置和数据 采集分系统布置之间或从它们之间通过，所述摆动支撑装置配置成能够 在承载X射线发生装置和数据采集分系统的情况下以摆动的方式往复运 动。

本发明的一方面，提供一种利用上述的CT设备的检测方法，其特 征在于，利用X射线发生装置发射X射线并利用数据采集分系统采集X 射线信号执行检测，同时利用摆动支撑装置使得X射线发生装置和数据 采集分系统作摆动运动。

本发明的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的特征在于使用适于 检查大型对象的大功率加速器X射线源与多排探测器，通过≦180度的 往复转动和载有被检体载床的直线运动完成整个扫描过程。X射线源对 集装箱的扫描路径为螺旋折线。本发明的CT设备使用往复转动的扫描模 式，采用有线传输方式完成X射线投影数据的传输，解决了利用大型X 射线加速器进行检查涉及复杂的系统等技术难题，大大简化了系统的复 杂度、技术难度和制造成本。自摆式转动与固定频率出束的扫描方式也 简化了传动控制装置，系统将能自动确定并记录每次出束的时间并推算 出扫描角度。同时，这种扫描方式也使得被检体在扫描过程中所受的X 射线辐照剂量也大大降低。因此，本发明具有很高的市场应用潜力。

附图说明

图1是根据本发明的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的扫描示 意图

图2是根据本发明的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的滑环部 分截面示意图

图3是根据本发明的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的X光源 扫描路径示意图，其中X光源扫描路径是一条由分段螺旋线段组成的连 续非光滑螺旋折线。

图4是根据本发明的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的X光源 扫描轨迹的俯视图，其中X光源扫描路径俯视图是由一条由分段的类正 弦线组成的连续非光滑曲线，该显示的俯视图为X光源扫描起点在Z轴 正上方时。

具体实施方式

现在对本发明的实施例提供详细参考，其范例在附图中说明，图中 相同的数字全部代表相同的元件。为解释本发明下述实施例将参考附图 被描述。本系统示意图可以参见附图1和2。

本发明的一个实施例提供的小角度自摆式大型多层螺旋CT设备利 用加速器X光源和多排探测器，通过≦180度的往复转动扫描获得CT三维 图像重建所需的全部投影数据，然后利用相应的CT重建和数据处理技术 获得所照射部位的三维断层图像。

根据本发明的实施例，如图1所示，小角度自摆式大型多层螺旋 CT设备，其包括X射线发生装置1，配置成朝向被检测对象发射X射 线；和，数据采集分系统3，配置成采集穿过被检测对象6的X射线信 号执行检测。CT设备还包括摆动支撑装置，X射线发生装置1和数据采 集分系统3分别布置在摆动支撑装置上且相互间隔分开，所述摆动支撑 装置配置成能够在承载X射线发生装置1和数据采集分系统3的情况下 以摆动的方式往复运动。

根据一个实施例，X射线发生装置1包括X射线加速器光源1，以 及相应的辅助设备。由于大型集装箱体积大，使用现有技术的X射线发 生装置难以实现检测的目的。本实施例采用X射线加速器1可以发射功 率高能量大的X射线2实现对大型集装箱6的检测。通过加速器加速电 子打靶，产生X射线2，可以提供高能量锥形或扇形X射线束2。

根据一个实施例，X射线发生装置1布置在摆动支撑装置4上，随 支撑装置4可以作例如单摆式摆动的往复运动。支撑装置4的往复摆动 幅度可以不超过180度。支撑装置4的往复摆动幅度可以是小于180度 的任意角度。图2示出了滑环以180度的幅度作往复运动的示意图。

根据一个实施例，可摆动的支撑装置4可以是滑环4，X射线发生 装置1和数据采集分系统3分别布置在滑环的圆周上、相对于中心的相 对侧。摆动支撑装置4的往复摆动幅度可以不超过180度。

摆动幅度等于或小于180度是有利的。一般情况下为了对物体进行 全方位的例如360度的扫描，支撑装置4会旋转360度。然而本实施例 中的滑环4有利地在等于或小于180度的范围内旋转或摆动，减小了摆 动幅度，较小摆动角度范围有利于使得系统的设置更简单。在大型集装 箱货物检查的情形中，这是尤其有利的。众所周知，X射线加速器1具 有非常大的重量和体积，在现有技术中X射线加速器基本上都是在固定 情况下使用的，因为支撑和驱动庞大的X射线加速器1是困难的，往往 需要庞大的框架和高功率的驱动装置，这使得系统非常复杂并且对相关 的设备提出极高的要求，因而通常无法实现。以小的角度运动滑环可以 降低系统的功率消耗，相应配置的致动系统可以得以简化；并且，支撑 X射线加速器1的滑环4在运动过程中承受的动能变化量将会显著降低， 由此得以降低对支撑结构的要求，提高支撑结构的安全性，在经济上是 极为有利的。在较小摆动范围上摆动减小了被检查对象经受X射线2辐 照剂量，这在使用X射线加速器1的情形中是尤为有利的。

由于滑环只围绕圆心做≦180度往复旋转，不存在连续旋转造成的 绕线问题，因此，在扫描过程中多排探测器上采集的大量投影数据可以 通过光缆有线传输到后端的数据处理工作站中。与无线传输相比，使用 有线传输数据信号具有传输速度更快，信噪比更高的优点，其抗电磁干 扰能力也更强。在较小摆动范围上摆动使得与摆动装置连接的例如传递 信息的缆线等以较小的幅度运动，这对于大型设备来说在实际应用中极 为有利。在一些特定扫描过程中，滑环也可以≦150度、或≦120度、或 ≦100度、或≦90度、或≦70度、或≦60度、或更小的角度往复摆动， 从而实现对被检测对象的整体或局部的扫描检测。

根据一个实施例，数据采集分系统包括具有一定的或设定的探测器 面积的多排探测器阵列3。探测器的面积可以根据实际需要设置。探测器 单元一般是等距排列，也可以是等角排列，或其他非等距排列方式。多 排探测器用于获取扇形束射线的透射投影数据。该部分还包括探测器上 投影数据的读出电路和逻辑控制单元等。探测器可以是固体探测器、闪 烁体探测器，也可以是气体探测器，还可以是半导体探测器。

多排探测器可以被固定在例如转动的滑环的支撑装置4上，扫描过 程中产生的大量投影数据通过光缆、网线等线路传输到后端的数据处理 工作站中。根据本实施例，采用有线传输可以保证数据传输的速度，降 低信号在传输过程中的损失，提高信号传输的抗干扰能力；同时，可以 在很大程度上降低数据采集的技术难度和成本。

根据一个实施例，滑环4可以采用圆环形状的滑环4，如图1和2 中所示。X射线发生装置1和多排探测器3相差180度，即，相对于滑 环4的中心相对地固定在滑环上。多排探测器可以固定在滑环的内侧， 如图2中示意地示出的。如图2所示，扇形束X射线2的张角和多排探 测器3的有效探测面积由实际所需的X射线成像区域大小决定。本领域 技术人员应该理解，虽然X射线发射装置1与相应的探测器3仅在小于 180度的范围上扫描，然而根据扫描的信号仍然可以得出满足实际需要 的检查结果。

根据一个实施例，滑环4由电气系统提供助力，控制其以一定摆幅 周期转动，同时控制X射线发生装置1按固定频率发出脉冲式X射线2， 并驱动多排探测器采集投影数据。

根据一个实施例，本发明尤其有利的是利用设备重量的偏心分布而 采用单摆式运动执行扫描动作。具体地，例如，由于X射线加速器1更 重，整体的滑环的重心将因为靠近X射线加速器1方向而偏离圆心，因 而自然形成一个单摆，假设滑环4重新偏离圆心的距离为L，则摆动周 期为控制系统只需要提供少许助力，滑环4就自然的进行 周期性摆动，并保持摆幅不变。这种方式充分利用了单摆运动的自然能 量与规律，因而不需要复杂的驱动机构，只需要小的致动力即可以实现 摆动运动，使滑环4保持等幅度摆动，光源1与探测器3之间的联动完 全由时钟频率来控制，大大简化了传动控制装置，使滑环4的结构变得 更加简单、紧凑、合理，节省了成本。本实施例有利地利用滑环4的整 体中心偏置的配置，只需要施加较小的助力就可以实现滑环4的单摆式 运动，既可以简化系统驱动配置，又有利于将滑环4的单摆式运动和X 射线发射结合起来，使得系统可以自动确定并记录每次出束的时间并推 算出扫描角度，显著地简化系统的整体设置，降低成本，提高了系统的 运行可靠性，具有极大的经济意义。由此，对于一个体积和重量庞大的 设备，可以使用小得多的驱动力即可以完成扫描动作，这在实际系统的 构建和运行方面具有积极意义，从而在商业上获得成功。

由于摆动的角速度不均匀，本发明不采用光栅标尺来触发加速器出 束，而采用固定频率的出束方式，采集系统按同样的频率采集投影数据。

根据一个实施例，滑环4也可以被致动以基本上恒定线速度或角速 度运动。即，在往复运动的大部分行程中，滑环支撑这X射线加速器1 和数据采集分系统3匀速地转动，仅在往复运动的两端是加速和减速运 动。在此过程中，X射线加速器1以恒定周期发射X射线2，从而执行检 测过程。滑环4也可以被致动以其他速度作往复运动，本领域技术人员 可以根据需要设置。

根据一个实施例，CT设备还包括载床5，配置用以承载被检测对象 6穿过由X射线发生装置和数据采集分系统构成的检测区域。载床5可 以作直线运动。直线运动的载床能够在两个方向上做直线运动：升降和 平移。升降运动了为了方便将集装箱6放在载床5上，载床5可以先下 降到合适高度，集装箱6放置到载床5上之后，载床5再上升到CT扫 描所需要的高度。然后，通过载床5的平移运动把集装箱6匀速通过CT 扫描区域，完成CT扫描过程。平移的速度将由摆动的周期与对重建图 像的质量要求共同决定。

根据一个实施例，CT设备还包括控制分系统，用以控制摆动支撑 装置4的运动和X射线与数据采集分系统的操作。控制分系统让CT设 备的各部分协调工作。

根据一个实施例，CT设备还包括数据处理分系统，对由数据采集分 系统获得的投影数据进行处理，重建出物体三维立体图像。数据处理分 系统可以例如是数据处理计算机，负责数据处理，对由数据采集分系统 获得的投影数据进行处理，重建出物体三维立体图像，并通过显示器显 示出来。还可以负责整个三维立体成像安全检查系统运行过程的主控制， 包括机械控制、电气控制、安全连锁控制等。即，当CT设备采用控制分 系统和控制分系统的时候，控制分系统和数据处理分系统可以是集成在 一起的。计算机可以是高性能的单个PC，也可以是工作站或机群。显示 器可以是CRT传统显示器也可以是液晶显示器。

根据一个实施例，整个成像系统的控制、数据传输、图像重建以及 数据处理由计算机工作站完成，扫描控制信息、位置信息、投影数据等 通过数据采集系统输入到计算机工作站中，由工作站完成物体的透射图 像、断层图像以及三维立体图像的重建工作，最后在显示器上显示出来

此外，根据本发明的CT设备，投影体数据可以使用权重函数加上 锥束滤波反投影方法重建出被检物体的三维断层图像，或者在滤波反投 影方法基础上结合迭代进行重建。

根据本发明的CT设备，数据处理技术包括硬化、散射校正，金属 伪影校正，以及图像处理与模式识别。本小角度自摆式大型多层螺旋CT 设备，采用X射线加速器1为射线源，由于射线束是多色谱而不是单色 谱，存在硬化效应。本系统利用的是射线的透射衰减，在实际系统中， 还存在散射效应。同时，还需要图像处理和模式识别的相关技术，比如 图像增强，边缘检测，计算机辅助诊断等技术。

根据本发明的实施例，为到达精确的图像重建，X射线成像系统， 即X射线发生装置1和数据采集分系统3，应能够精确测量或标定以下 系统参数：X射线源点S到探测器的距离T，滑环的旋转中心O位置，S 和O的连线要保证垂直于探测器阵列平面，以及旋转中心O到探测器的 距离T₁，如图2所示。还有X射线发生装置每次曝光时源点S所在位置 的角度参量，多排探测器的物理尺寸，包括单个探测器物理尺寸和探测 器阵列的物理尺寸等。本领域技术人员应该知道，利用现有的知识可以 实现检测信号的处理以得出图像。

本小角度自摆式大型多层螺旋CT设备的特征是使用加速器X射线 源1与多排探测器3，通过≦180度的往复转动和载有被检体载床的直线 运动完成整个扫描过程，X射线源对集装箱的扫描路径为螺旋折线9。图 3中示出了X射线源的运动路径，其中8是射线源运动起点位置。本发 明的CT设备使用往复转动的扫描模式，采用有线传输方式完成X射线投 影数据的传输，大大简化了系统的复杂度、技术难度和制造成本。自摆 式转动与固定频率出束的扫描方式也简化了传动控制装置，系统将能自 动确定并记录每次出束的时间并推算出扫描角度。同时，这种扫描方式 也使得被检体在扫描过程中所受的X射线辐照剂量也大大降低。因此， 本发明具有很高的市场应用潜力。

尽管已经参考本发明的典型实施例，具体示出和描述了本发明，但 本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明 的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行形式和细节上的多种改 变。