CN104698016B - 一种多次平移的交错螺旋工业ct扫描成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，属于CT扫描技术领域。该方法在扫描期间载物转台一直进行单向旋转，转台在两次螺旋扫描间隙只需要沿平行于探测器的方向横向平移，无需径向运动，通过射线源和探测器的轴向往返运动实现交错螺旋扫描。本发明提供的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，适用于III代CT大尺寸工件的高精度快速三维成像，该方法利用现有III代线阵探测器CT系统实现了高精度快速三维成像，扫描过程无需进行探测器物理插值，在保证检测精度的前提下，简化了CT系统结构，降低CT系统制造成本，并且有效的提高了检测效率。

Description

一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法

技术领域

本发明属于CT扫描技术领域，涉及一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法。

背景技术

受限于探测器的体积和成本，目前大型高能工业CT设备主要的布局依然是II代、III代或是II+III代，探测器基本上是线阵探测器，很少有面阵探测器。因此检测效率较低，检测的成本较高。高能CT为减少探测器之间的串扰，一般在射线进入探测器之前要先通过一个“隧道型”准直器进行射线准直，由于每1个探测器单元都需有与之相对应的准直器，客观上造成了单位长度探测器数量少，单个探测器成本高、无法进行大规模集成。在不增加探测密度的情况下，为提高CT的空间分辨率，常用的方法是进行物理插值(在扫描过程中，通过探测器的摆动或者物体的移动，得到多次扫描数据，然后将这些数据拼成一个扇束数据)。如果检测区域不是一个断层，而是某个范围，常用的方法是逐层扫描，由于检测成本的关系，层间距离一般较大。在两层扫描之间，加速器需要停止出束(因为加速器的寿命是有限的，其核心部件的寿命在500～800小时左右)，因而检测效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，该方法在保证CT的空间分辨率情况下，能够提高检测效率，降低检测成本。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，该方法包括以下步骤：

S1：将待测工件放置到扫描转台上，根据检测要求对待测工件进行固定；

S2：根据检测要求设置CT扫描的视场大小、检测距离与成像尺寸检测参数；根据检测参数要求计算CT扫描的螺距和扫描转台平移步距；

S3：根据探测器大小、成像尺寸、采样时间，确定射线源、探测器同步运动速度与检测平台旋转速度；

S4：将射线源、探测器同步移动至待扫描物体的区域的底部，同时进行射线源、探测器同步运动与扫描转台旋转运动；

S5：待射线源、探测器同步运动超出检测范围后即完成第一次螺旋扫描；停止射线源、探测器同步运动，将扫描转台平移一个步距，在平移过程中无需停止转台的旋转运动；

S6：将射线源、探测器向相反方向同步运动再次扫描待测工件完成第二次螺旋扫描；

S7：重复S5、S6，直至扫描转台平移N-1步，完成整个螺旋扫描；N为根据检测参数确定需要做N次螺旋扫描；

S8：对S4和S6采集到的投影数据进行重排；

S9：对S8重排后的数据采用迭代重建算法进行CT图像重建。

进一步，所述扫描转台平移的步距为，

其中，R为弧形探测器的半径，两个相邻探测单元的夹角为△γ。

进一步，所述S8中投影数据进行重排的方法为，重建层的投影角范围限制在一个较小的范围内，加速器CT重建层的投影角范围为12°-18°，球管机CT重建层的投影角范围为30°-40°，采用有限角重建方法进行CT图像重建。

进一步，所述S9采用迭代重建算法进行CT图像重建，具体步骤为：采用TV正则化方法对每个螺旋重建，然后将所有结果叠加，再将叠加结果进行校正；在算法实现过程中引入先验信息；采用并行加速算法实现快速重建。

本发明的有益效果在于：本发明提供的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，对现有三代线阵螺旋CT机的扫描方式进行了改造，去除了探测器物理插值结构，以扫描台平移来替代实现图像插值，降低了CT机的硬件成本；扫描中采用待测物体连续旋转、探测器与射线源同步运动方式实现交错螺旋扫描路径，提高了扫描效率，降低了CT检测成本；图像重建采用TV正则化法结合先验知识、重建质量高、分辨率好。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明所述方法的流程图；

图2为两次螺旋三维示意图；

图3为两次螺旋三维俯视图；

图4为四次物理插值的平移示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

本发明提供的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，该方法的流程如图1所示。由于物体绕转台顺时针旋转等效于射线源和探测器绕转台逆时针旋转，类似地，物体绕转台逆时针旋转等效于射线源和探测器绕转台顺时针旋转，为描述方便起见，以下的描述都是假设物体固定不动，射线源和探测器绕转台旋转，同时假设射线源和探测器沿转台轴向平移。以下的叙述以4次转台平移来具体说明交错螺旋的扫描原理。所述方法包括以下步骤：

S1：将待测工件放置到扫描转台上，根据检测要求对工件进行必要的固定以防止工件在旋转和平移时发生位置变化；

S2：根据检测要求设置CT扫描的视场大小、源到物体旋转中心的距离、旋转中心到探测器的距离与成像尺寸等检测参数，根据检测参数要求(即成像空间分辨率)计算CT扫描的螺距和扫描转台平移步距；

图2为第一次和第二次螺旋扫描的结构及其俯视图，图3为4次螺旋扫描时，在起始角或者终止角的俯视图中一个探测单元所对应射线束的示意图。

假设两个相邻探测单元的夹角为△γ，则射线源和探测器每次的平移距离(即扫描转台平移的步距)为

该距离由平移的次数决定。其中R为弧形探测器的半径。

S3：根据探测器大小、成像尺寸采样时间，确定射线源、探测器同步运动速度与检测平台旋转速度；

S4：将射线源、探测器同步移动至扫描物体的待测区域的底部，开启射线源；待射线源出束稳定后同时进行射线源、探测器同步运动与扫描转台旋转运动；

S5：待射线源、探测器同步运动超出检测范围后即完成第一次螺旋扫描，停止射线源、探测器同步运动，将扫描转台平移一个步距，平移过程中无需停止转台的旋转运动并保持射线源开启状态；

S6：将射线源、探测器向相反方向同步运动再次扫描待测工件完成第二次螺旋扫描；

S7：重复S5、S6，直至扫描转台平移N-1步，完成整个螺旋扫描；N为根据检测参数确定需要做N次螺旋扫描；

假设待检测区域为有限长的圆柱形，以圆柱体中心建立如图1所示的直角坐标系o-xyz，根据图2和图3，将交错螺旋的扫描过程描述如下：在检测过程中，射线源和探测器首先沿平行于y轴的方向向y轴的负半轴平移然后射线源和探测器绕物体顺时针旋转，同时射线源和探测器沿平行于z轴的方向的向上移动，得到第一次螺旋扫描；射线源和探测器继续沿顺时针方向旋转，射线源和探测器再次沿平行于y轴的方向向y轴的正半轴平移△d如图4所示，然后射线源和探测器沿平行于z轴的方向的向下移动，得到第二次螺旋扫描；依此类似方式进行第三次和第四次螺旋扫描。

S8：对S4和S6采集到的投影数据进行重排；

投影数据进行重排的方法为：将重建层的投影角范围限制在一个较小的范围内，加速器CT重建层的投影角范围为12°-18°，球管机CT重建层的投影角范围为30°-40°，而不是传统的180°或者360°，采用有限角重建方法进行CT图像重建。

S9：对S8重排后的数据采用迭代重建算法进行CT图像重建。

迭代重建算法进行CT图像重建，具体步骤为：采用TV正则化方法对每个螺旋重建，然后将所有结果叠加，再将叠加结果进行校正；在算法实现过程中引入先验信息；采用并行加速算法实现快速重建。

由上述的描述过程可知，在检测过程中，考虑到某些特定的检测对象，如固体火箭发动机等，只能绕一个方向旋转，射线源和探测器始终绕物体顺时针方向旋转，射线源和探测器在两次螺旋扫描之间需要做一次平移运动，通过射线源和探测器沿平行于转台轴线的方向上下平移形成了交错螺旋结构。在图像重建阶段，由于采用了改进的重建算法，只需要知道每次旋转的起始角、扫描长度、螺距和轴向平移的方向，考虑到大多数情况下，转台是不能径向平移的，本发明所述方法不需要转台径向平移，也不需要转台在下次扫描前回到起始位置，更关键的是加速器只需要在扫描开始和结束时开关一次，中间不需要停止出束，从而提高了检测效率，节约了检测成本。同时，这种扫描方式不需要探测器进行物理插值，简化了CT系统的机械结构和控制算法，有效降低CT系统的成本。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (4)

1.一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：将待测工件放置到扫描转台上，根据检测要求对待测工件进行固定；

S2：根据检测要求设置CT扫描的视场大小、检测距离与成像尺寸检测参数；根据检测参数要求计算CT扫描的螺距和扫描转台平移步距；

S3：根据探测器大小、成像尺寸、采样时间，确定射线源、探测器同步运动速度与检测平台旋转速度；

S4：将射线源、探测器同步移动至待扫描物体的区域的底部，同时进行射线源、探测器同步运动与扫描转台旋转运动；

S5：待射线源、探测器同步运动超出检测范围后即完成第一次螺旋扫描；停止射线源、探测器同步运动，将扫描转台平移一个步距，在平移过程中无需停止转台的旋转运动；

S6：将射线源、探测器向相反方向同步运动再次扫描待测工件完成第二次螺旋扫描；

S7：重复S5、S6，直至扫描转台平移N-1步，完成整个螺旋扫描；N为根据检测参数确定需要做N次螺旋扫描；

S8：对S4和S6采集到的投影数据进行重排；

S9：对S8重排后的数据采用迭代重建算法进行CT图像重建。

2.根据权利要求1所述的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，其特征在于：所述扫描转台平移的步距为，

$\mathrm{\Δd}=R\tan \left(\frac{1}{4}\mathrm{\Δ\γ}\right),$

其中，R为弧形探测器的半径，两个相邻探测单元的夹角为△γ。

3.根据权利要求1所述的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，其特征在于：所述S8中投影数据进行重排的方法为，将重建层的投影角范围限制在较小的范围内，加速器CT重建层的投影角范围为12°-18°，球管机CT重建层的投影角范围为30°-40°，采用有限角重建方法进行CT图像重建。

4.根据权利要求1所述的一种多次平移的交错螺旋工业CT扫描成像方法，其特征在于：所述S9采用迭代重建算法进行CT图像重建，具体步骤为：采用TV正则化方法对每个螺旋重建，然后将所有结果叠加，再将叠加结果进行校正；在算法实现过程中引入先验信息；采用并行加速算法实现重建。