專(zhuān)利名稱(chēng)：一種適用于錐束xct系統(tǒng)中的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種錐束XCT系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)臺(tái)，更特別地說(shuō)，是指一種適用于錐束 XCT系統(tǒng)的圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定時(shí)用的轉(zhuǎn)臺(tái)。
背景技術(shù)：
近些年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和面陣探測(cè)器的出現(xiàn)，錐束XCT (Cone-beam X-ray Computed Tomography)NDT (Non-destructiveTesting)Wff^fli 點(diǎn)。在眾多的CT重建算法中，考慮到運(yùn)算量和工程實(shí)現(xiàn)難度，F(xiàn)DK(FeIdkamp-Davis-Kress) 類(lèi)型的算法最為實(shí)用，也一直是實(shí)際工程應(yīng)用中的主流。根據(jù)FDK算法要求，需要精確知道圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置，即射線(xiàn)源的焦點(diǎn) 在面陣探測(cè)器的成像平面上的投影點(diǎn)坐標(biāo)。一般射線(xiàn)源與面陣探測(cè)器的成像平面之間的距 離為1. 5m 2m。但在實(shí)際的成像系統(tǒng)中，由于射線(xiàn)源的焦點(diǎn)和面陣探測(cè)器的成像平面的準(zhǔn) 確位置無(wú)法直接測(cè)量得到，從而使得焦點(diǎn)在成像平面上的投影點(diǎn)的位置難以精確測(cè)量。因 此，投影點(diǎn)的誤差會(huì)影響重建圖像的精度，造成偽影的產(chǎn)生，影響圖像的分辨力和細(xì)節(jié)的有 效檢出。在“利用非線(xiàn)性最小二乘估計(jì)錐束掃描三維CT重建幾何參數(shù)，北京航空航天大學(xué) 學(xué)報(bào)，2005，31 (10) :1135-1139”中提出了一種非線(xiàn)性最小二乘估計(jì)的測(cè)量方法。其思想就 是計(jì)算空間一質(zhì)點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)角下的投影坐標(biāo)，質(zhì)點(diǎn)理論投影坐標(biāo)與實(shí)際求得的投影坐標(biāo)之 間應(yīng)滿(mǎn)足誤差最小，通過(guò)求解滿(mǎn)足此條件的非線(xiàn)性最小二乘解，即得到投影坐標(biāo)原點(diǎn)參數(shù) 值。非線(xiàn)性最小二乘估計(jì)結(jié)果受參數(shù)向量的初始值影響較大，容易產(chǎn)生病態(tài)的解。作者張全紅在“X射線(xiàn)工業(yè)CT成像優(yōu)化研究[D].北京北京航空航天大學(xué)機(jī)械工 程及自動(dòng)化學(xué)院，2006”中提出了利用夾芯面包板測(cè)量圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)的方法，夾芯面 包板由長(zhǎng)準(zhǔn)直比的準(zhǔn)直柵構(gòu)成，當(dāng)對(duì)面包板進(jìn)行成像時(shí)，惟有焦點(diǎn)發(fā)出的主射線(xiàn)通過(guò)準(zhǔn)直 柵成像，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)直柵DR(Digital Radiography)圖像的灰度分布統(tǒng)計(jì)和擬合，計(jì)算出射線(xiàn) 源焦點(diǎn)投影的位置。該方法測(cè)量精度較低，操作起來(lái)難度較大。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提出一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定 過(guò)程中獲取X軸向或Y軸向上位置的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其由Y軸向?qū)к墶軸向?qū)к墶⒒瑝K和 支撐架組成；支撐架由升縮桿和套筒組成，升縮桿的一端能夠在套筒內(nèi)上下滑動(dòng)，升縮桿的 另一端上用于放置球狀目標(biāo)體，支撐架的底部設(shè)有導(dǎo)柱，導(dǎo)柱能夠在X軸向?qū)к壍幕乐?滑動(dòng)；X軸向?qū)к壍纳戏皆O(shè)有滑道，滑塊安裝在X軸向?qū)к壍南路?；X軸向?qū)к壟cY軸向?qū)к?通過(guò)滑塊滑動(dòng)連接；二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)擺放在射線(xiàn)源與面陣探測(cè)器之間的任意位置，且二自由 度轉(zhuǎn)臺(tái)中的Y軸向?qū)к壌怪庇诿骊囂綔y(cè)器的成像平面。該二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)能夠方便的實(shí)現(xiàn)球 狀目標(biāo)體在面陣探測(cè)器的成像平面上的投影成像，使得錐束XCT系統(tǒng)中進(jìn)行的圖像重建坐 標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定更加簡(jiǎn)單。[0007]所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其Y軸向?qū)к壍拈L(zhǎng)度為IOOOmm 1200mm，X軸向?qū)к壍拈L(zhǎng) 度為500_ 800_。所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其面陣探測(cè)器為平面陣列探測(cè)器。所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其球狀目標(biāo)體的直徑為IOmm 30mm。

圖1是錐束XCT系統(tǒng)中球狀目標(biāo)體在錐束射線(xiàn)場(chǎng)下的成像示意圖。圖IA是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的支撐架結(jié)構(gòu)。圖IB是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。圖2A和圖2B是球狀目標(biāo)體在X軸向移動(dòng)前后的成像示意圖。圖3A和圖3B是球狀目標(biāo)體在Y軸向移動(dòng)前后的成像示意圖。圖4是面陣探測(cè)器4采集到的DR投影合成圖像。圖5A是160kV錐束XCT系統(tǒng)使用2年后的CT重建圖像。圖5B是重新進(jìn)行160kV錐束XCT系統(tǒng)圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定后的CT重建圖 像。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)用新型提出的一種適用于錐束XCT系統(tǒng)的圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定方法，是 出廠(chǎng)前對(duì)錐束XCT系統(tǒng)的圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)Od (X。，Z0)進(jìn)行標(biāo)定，或者是錐束XCT系統(tǒng)經(jīng) 一段時(shí)間使用后，對(duì)圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)Od(x。，z。)的位置進(jìn)行校正時(shí)而采用的一種較為簡(jiǎn) 便、易操作的標(biāo)定方法。一套錐束XCT系統(tǒng)一般由硬件部分和軟件部分組成，其中，硬件部 分包括有射線(xiàn)源、多自由度載物臺(tái)、探測(cè)器、控制器和PC機(jī)；軟件部分(存儲(chǔ)在PC機(jī)的硬盤(pán) 中)包括有CT控制單元、圖像重構(gòu)單元、圖像處理與可視化單元。在本實(shí)用新型中(參見(jiàn)圖1、圖1A、圖IB所示)，不采用錐束XCT系統(tǒng)中原有的多 自由度載物臺(tái)，而采用由支撐架8、X軸向?qū)к?和Y軸向?qū)к?構(gòu)成的二自由度二自由度 轉(zhuǎn)臺(tái)。支撐架8由升縮桿81和套筒83組成，升縮桿81的一端能夠在套筒83內(nèi)上下滑動(dòng)， 升縮桿81的另一端上用于放置球狀目標(biāo)體3，支撐架8的底部設(shè)有導(dǎo)柱82，導(dǎo)柱82能夠在 X軸向?qū)к?的滑道72中滑動(dòng)，從而確定球狀目標(biāo)體3在X軸向上的位置；X軸向?qū)к?的 上板面上設(shè)有滑道72，該滑道72用于安裝支撐架8的導(dǎo)柱82，從而實(shí)現(xiàn)支撐架8沿X軸向 導(dǎo)軌7的軸向滑動(dòng)，X軸向?qū)к?的下方安裝有滑塊71，X軸向?qū)к?通過(guò)滑塊71與Y軸 向?qū)к?安裝，且使X軸向?qū)к?沿Y軸向?qū)к?的軸向方向滑動(dòng)；Y軸向?qū)к?的長(zhǎng)度為 1000 1200mm，X軸向?qū)к?的長(zhǎng)度為500 800mm。支撐架8的一端設(shè)有升縮桿81，另一 端設(shè)有導(dǎo)柱82，升縮桿81能夠在套筒83內(nèi)滑動(dòng)，支撐架8的升縮桿81上放置球狀目標(biāo)體 3。二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)位于射線(xiàn)源1與面陣探測(cè)器4之間任意位置，并在二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的升縮桿 81的頂部放置一球狀目標(biāo)體3。當(dāng)射線(xiàn)源1射出的錐束射線(xiàn)2照射到球狀目標(biāo)體3上時(shí)， 球狀目標(biāo)體3會(huì)在陣探測(cè)器4的成像平面5上形成投影圖像31 (即DR投影圖像)。本實(shí)用新型是對(duì)射線(xiàn)源1的焦點(diǎn)P投射在面陣探測(cè)器4的成像平面5上的投影點(diǎn) 0d(xo,zo)的位置進(jìn)行標(biāo)定，采用單球狀目標(biāo)體3在錐束場(chǎng)下，在同一 X軸向位置下、通過(guò)移動(dòng)單球狀目標(biāo)體3在射線(xiàn)源1與面陣探測(cè)器4之間的位置(即沿著Y軸向?qū)к?移動(dòng))，使 得成像平面5上形成兩個(gè)不同Y軸向位置下的DR投影圖像；然后采用圖像處理方法提取出
工 KT2 一 ^/、
兩個(gè)DR投影圖像的中心坐標(biāo)，連接兩個(gè)中心點(diǎn)構(gòu)成直線(xiàn)方程z=r _r (hm) + ； 重復(fù)進(jìn)行不同X軸向位置下的兩個(gè)不同Y軸向位置下的DR投影圖像獲取，以此得到的多個(gè)
JclX + ζ -bx
直線(xiàn)方程重構(gòu)出超定方程組j2 _ 2最后在圖像處理與可視化單元中依據(jù)該超定
·■···* *
>
k^x ~l· ζ — b^
方程組求解得到源焦點(diǎn)P在成像平面5上的投影坐標(biāo)點(diǎn)Od(X。，Z0)，即得到圖像重建坐標(biāo)系 原點(diǎn)坐標(biāo)。該測(cè)量的結(jié)果應(yīng)用于圖像重構(gòu)單元和CT控制單元中。參見(jiàn)圖2A、圖2B所示的球狀目標(biāo)體3沿X軸向移動(dòng)成像。將支撐架8的導(dǎo)柱82 在X軸向?qū)к?上由后向前每次移動(dòng)一段距離Δχ(Δχ= 15mm 20mm)后到達(dá)的位置記 為Pxn，X表示沿X軸向移動(dòng)，N表示沿X軸向的移動(dòng)次數(shù)，N = 5 7。球狀目標(biāo)體3沿X軸 向移動(dòng)的起始位置記為Pxi，其他位置依次記為Px2，Px3，……，PXN。參見(jiàn)圖3A、圖3B所示的球狀目標(biāo)體3沿Y軸向移動(dòng)成像。當(dāng)支撐架8在X軸向?qū)?軌7上的位置確定后，X軸向?qū)к?在Y軸向?qū)к?上由左向右每次移動(dòng)一段距離Δ y ( Δ y =IOOmm 150mm)后到達(dá)的位置記為PY(XN)，Y表示沿Y軸向移動(dòng)，XN表示球狀目標(biāo)體3在 X軸向上的位置點(diǎn)，N表示沿X軸向的移動(dòng)次數(shù)，N = 5 7。依據(jù)圖2Α、圖2Β、圖3Α、圖3Β所示，采用本實(shí)用新型中的投影點(diǎn)位置標(biāo)定方法，首 先是支撐架8在X軸向?qū)к?上移動(dòng)到某一位置Pxn時(shí)，然后沿Y軸向?qū)к?由左向右移動(dòng) 一段距離Ay后到達(dá)一個(gè)位置。當(dāng)球狀目標(biāo)體3在X軸向上的位置為Pxi時(shí)，再沿Y軸移動(dòng) 一段距離Δ y后到達(dá)的位置記為PY(X1)，依次類(lèi)推，則Px2對(duì)應(yīng)ΡΥ(Χ2)，Px3對(duì)應(yīng)ΡΥ(Χ3)，……，Pxn 對(duì)應(yīng) Py (ΧΝ)。在應(yīng)用二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的錐束XCT系統(tǒng)中，對(duì)圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定包括有下列 步驟第一步將二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)擺放在射線(xiàn)源1與面陣探測(cè)器4之間的任意位置，且二 自由度轉(zhuǎn)臺(tái)中的Y軸向?qū)к?垂直于面陣探測(cè)器4的成像平面5，支撐架8的底部安裝在X 軸向?qū)к?與Y軸向?qū)к?的垂直位置，將一個(gè)球狀目標(biāo)體3安裝在升縮桿81的頂部；如 圖1所示，圖中二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)是為了直觀(guān)表達(dá)安裝關(guān)系，采用了簡(jiǎn)示的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)于 二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)請(qǐng)參見(jiàn)圖IA和圖IB所示。第二步開(kāi)啟射線(xiàn)源設(shè)備出射錐束射線(xiàn)2，調(diào)整升縮桿81的高度，使錐束射線(xiàn)2能 夠照射球狀目標(biāo)體3在面陣探測(cè)器4的成像平面5上出現(xiàn)有DR投影圖像31 ；第三步(A)調(diào)整導(dǎo)柱82在X軸向?qū)к?上的位置，記為位置Pxi (第一位置Pxi)， 在該第一位置Pxi下面陣探測(cè)器4采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面5上的DR投影圖像記為 B11 (第一位置投影B11)，第一位置投影B11的中心坐標(biāo)記為Q11 (xn, Z11)；(B)在第一位置Pxi下，將X軸向?qū)к?沿Y軸向?qū)к?從左向右移動(dòng)一段距離 Δ y到達(dá)位置PY(X1)(第一移動(dòng)位置ΡΥ(Χ1)后，面陣探測(cè)器4采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面 5上的DR投影圖像記為B12 (第一移動(dòng)位置投影B12)，第一移動(dòng)位置投影B12的中心坐標(biāo)記為Ql2 (X12，Z12)；在本實(shí)用新型中，對(duì)DR投影圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)、閾值分割、輪廓細(xì)化與輪廓追蹤， 以得到DR投影圖像的輪廓點(diǎn)坐標(biāo)，然后利用最小二乘擬合法回歸出DR投影圖像的中心坐 標(biāo)。其中邊緣檢測(cè)、閾值分割、輪廓細(xì)化與輪廓追蹤、最小二乘擬合求取中心坐標(biāo)為已公開(kāi) 的圖像、圖形處理方法。第四步㈧再調(diào)整導(dǎo)柱82在X軸向?qū)к?上的位置，記為位置Px2(第二位置Px2)， 在該第二位置Px2下面陣探測(cè)器4采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面5上的DR投影圖像記為 B21 (第二位置投影B21)，第二位置投影B21的中心坐標(biāo)記為Q21 (x21, z21)；(B)在第二位置Px2下，將X軸向?qū)к?沿Y軸向?qū)к?從左向右移動(dòng)一段距離Ay 到達(dá)位置PY(X2)(第二移動(dòng)位置ΡΥ(Χ2))后，面陣探測(cè)器4采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面5 上的DR投影圖像記為B22 (第二移動(dòng)位置投影B22)，第二移動(dòng)位置投影B22的中心坐標(biāo)記為 Q22 (Χ22 ‘ Ζ22)‘第五步依次調(diào)整導(dǎo)柱82在X軸向?qū)к?上的位置，分別記為位置Px3，……， Pffl(N = 5 7次)，面陣探測(cè)器4分別采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面5上的DR投影圖像 分別記為B31，……，Bni ；則B31的中心坐標(biāo)Q31 (x31, Z31)，Bni的中心坐標(biāo)Qni (xN1, zN1)；在位置 Px3，……，Pxn下，將球狀目標(biāo)體3沿Y軸向?qū)к?移動(dòng)一段距離Δ y后到達(dá)位置PY(X3)，……， PY(ffl)，則面陣探測(cè)器4分別采集到球狀目標(biāo)體3在成像平面5上的DR投影圖像分別記為
B32, ......，ΒΝ2 ；則B32的中心坐標(biāo)Q 32 VX32' Ζ32 )，Bn2的中心坐標(biāo)Q Ν2 (ΧΝ2，ΖΝ2 )。為了敘述方便，
Px3稱(chēng)為第三位置，Py(X3)稱(chēng)為第三移動(dòng)位置，Pxn稱(chēng)為第N位置，ΡΥ(ΧΝ)稱(chēng)為第N移動(dòng)位置，B31 稱(chēng)為第三位置投影，B32稱(chēng)為第三移動(dòng)位置投影，Bni稱(chēng)為第N位置投影，Bn2稱(chēng)為第N移動(dòng)位 置投影。第六步(Α)連接中心點(diǎn)Q11和Q12，得到第一直線(xiàn)方程Ζ=ΖΥ12_1" (χ-χη) + ζη>χ
表示面陣探測(cè)器4的成像平面5坐標(biāo)系XOZ的X軸上的參數(shù)，ζ表示面陣探測(cè)器4的成像 平面5坐標(biāo)系XOZ的Z軸上的參數(shù)；(B)連接中心點(diǎn)Q21和Q22，得到第二直線(xiàn)方程ζ='22 J21 (X-X21) +Z21',(C)連接中心點(diǎn)Q31和Q32得到第三直線(xiàn)方程z = ^2 二，1+ % ；......；(D)連接中心點(diǎn)Qni和Qn2得到第N直線(xiàn)方程z=ZrN2 _ZYm+
ΛΝ2 ““ ΛΛΠ(E)聯(lián)立在一次測(cè)量過(guò)程(N = 5 7次)中所有的直線(xiàn)方程，得到超定方程組 kxx + z-bx
k2x + ζ = b2 且
……，k -fiLZin. k -faLZfai kN = Zm~Zm , b _￡ιζ￡ιιΧΛ
K1 —9 K2 一9Y _ r—Λ ^11 -r ^u y
kNX =X12- X22 -X21^2 X沿X12 一JC11
ι 一 2^21 一 ^22丄τ 一 ^Nl 一 ^N2丄
辦2 ~X X2l + Z2l ^N =X XN\ + ZN\
X22 — X2lXN2 一 XN1kxx + ζ = Jb1 k χ ^ b第七步采用最小二乘法解求解超定方程組
權(quán)利要求一種錐束XCT系統(tǒng)用二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于由Y軸向?qū)к?6)、X軸向?qū)к?7)、滑塊(71)和支撐架(8)組成；支撐架(8)由升縮桿(81)和套筒(83)組成，升縮桿(81)的一端能夠在套筒(83)內(nèi)上下滑動(dòng)，升縮桿(81)的另一端上用于放置球狀目標(biāo)體(3)，支撐架(8)的底部設(shè)有導(dǎo)柱(82)，導(dǎo)柱(82)能夠在X軸向?qū)к?7)的滑道(72)中滑動(dòng)；X軸向?qū)к?7)的上方設(shè)有滑道(72)，滑塊(71)安裝在X軸向?qū)к?7)的下方；X軸向?qū)к?7)與Y軸向?qū)к?6)通過(guò)滑塊(71)滑動(dòng)連接；二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)擺放在射線(xiàn)源(1)與面陣探測(cè)器(4)之間的任意位置，且二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)中的Y軸向?qū)к?6)垂直于面陣探測(cè)器(4)的成像平面(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于Y軸向?qū)к?6)的長(zhǎng)度為 IOOOmm 1200mm，X軸向?qū)к?7)的長(zhǎng)度為500mm 800mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于面陣探測(cè)器(4)為平面陣列探 測(cè)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其特征在于球狀目標(biāo)體(3)的直徑為 IOmm 30mmo
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于錐束XCT系統(tǒng)中的二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)，其由Y軸向?qū)к墶軸向?qū)к?、滑塊和支撐架組成；支撐架由升縮桿和套筒組成，升縮桿的一端能夠在套筒內(nèi)上下滑動(dòng)，升縮桿的另一端上用于放置球狀目標(biāo)體，支撐架的底部設(shè)有導(dǎo)柱，導(dǎo)柱能夠在X軸向?qū)к壍幕乐谢瑒?dòng)；X軸向?qū)к壍纳戏皆O(shè)有滑道，滑塊安裝在X軸向?qū)к壍南路?；X軸向?qū)к壟cY軸向?qū)к壨ㄟ^(guò)滑塊滑動(dòng)連接；二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)擺放在射線(xiàn)源與面陣探測(cè)器之間的任意位置，且二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)中的Y軸向?qū)к壌怪庇诿骊囂綔y(cè)器的成像平面。該二自由度轉(zhuǎn)臺(tái)能夠方便的實(shí)現(xiàn)球狀目標(biāo)體在面陣探測(cè)器的成像平面上的投影成像，使得錐束XCT系統(tǒng)中進(jìn)行的圖像重建坐標(biāo)系原點(diǎn)標(biāo)定更加簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)G01N23/00GK201765199SQ20102013053
公開(kāi)日2011年3月16日 申請(qǐng)日期2010年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者王遠(yuǎn), 許州, 陳浩, 黎明 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所