高分辨率計算機斷層掃描的制作方法
【專利說明】高分辨率計算機斷層掃描
[0001]此申請要求于2013年4月12日提交的美國臨時專利申請?zhí)?1/811，151的權(quán)益，該臨時申請的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文。
技術(shù)領域
[0002]本發(fā)明涉及X射線數(shù)字放射顯影和計算機斷層掃描。
【背景技術(shù)】
[0003]X射線數(shù)字放射顯影(DR)是使用數(shù)字X射線探測器(諸如平板探測器、電荷耦合器件(CCD)相機或互補金屬氧化物半導體(CMOS)相機或線性二極管陣列(LDA))的常用非侵入性和非破壞性的成像技術(shù)。X射線計算機斷層掃描(CT)是使用在不同視角下獲得的計算機處理后的X射線放射照片來產(chǎn)生物體的3維圖像的程序。物體的斷層圖像是物體的概念上的二維“切片”的圖像。計算設備可以使用物體的斷層圖像來產(chǎn)生物體的3維圖像。X射線CT可以用于工業(yè)目的以進行物體的非破壞性評估。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]通常，本發(fā)明涉及工業(yè)X射線計算機斷層掃描(CT)和非破壞性評估(NDE)。本發(fā)明描述了一種裝置和圖像獲取方法，其可以將二維(2D)X射線放射顯影和三維(3D)x射線CT技術(shù)的有效視場擴展超出裝置中使用的探測器的物理尺寸，以及將有效圖像分辨率增加超出像素尺寸。本發(fā)明的技術(shù)提供了用于該裝置的儀器設計、用戶控制機構(gòu)以及軟件算法。該裝置可以用于自然存在的物體(諸如巖心樣品)以及制造的部件和系統(tǒng)(諸如金屬鑄件、發(fā)動機部件以及整個發(fā)動機單元)的NDE。裝置可以包括X射線源、放射探測器以及樣品操縱器，每個都具有相關聯(lián)的運動控制系統(tǒng)。樣品操縱器可以將樣品放置成使得可以在不同的位置和視角處獲得放射照片。
[0005]在一個實例中，本發(fā)明描述了一種X射線成像系統(tǒng)，包括:配置成發(fā)射X射線束的X射線產(chǎn)生器；二維像素化區(qū)域放射探測器，其具有垂直于X射線束的發(fā)射方向布置的平面，其中第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，其中第一和第二平移臺被配置成沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的平移軸移動放射探測器；以及圖像獲取系統(tǒng)，其被配置成:在沿著平移軸中的一個或兩個的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比放射探測器的像素尺寸精細的距離，并且集合放射照片以形成具有比所獲取的放射照片更精細的分辨率的復合放射照片。
[0006]在另一個實例中，本發(fā)明描述了一種X射線成像系統(tǒng)，包括:配置成發(fā)射X射線束的X射線產(chǎn)生器；二維像素化區(qū)域放射探測器，其具有垂直于X射線束的發(fā)射方向布置的平面，其中第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，其中第一和第二平移臺被配置成沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的平移軸移動放射探測器；以及圖像獲取系統(tǒng)，其被配置成:在沿著平移軸中的一個或兩個的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比沿各自平移軸的放射探測器的線性尺寸小的距離，并且將放射照片集合成為比該系列放射照片中的每個放射照片大的復合放射照片。
[0007]在另一個實例中，本發(fā)明描述了一種方法，包括:在沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的第一或第二平移軸的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比放射探測器的像素尺寸精細的距離，放射探測器具有垂直于由X射線產(chǎn)生器發(fā)射的X射線束的發(fā)射方向布置的平面，其中第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，其中第一和第二平移臺被配置成沿著第一和第二平移軸移動放射探測器；以及集合放射照片以形成具有比所獲取的放射照片精細的分辨率的復合放射照片。
[0008]在另一個實例中，本發(fā)明描述了一種方法，包括:在沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的第一或第二平移軸的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比分別沿著第一平移軸或第二平移軸的放射探測器的線性尺寸小的距離，其中放射探測器具有垂直于由X射線產(chǎn)生器發(fā)射的X射線束的發(fā)射方向布置的平面，第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，并且第一和第二平移臺被配置成沿著第一和第二平移軸移動放射探測器；以及將放射照片集合成為比該系列放射照片中的每個放射照片大的復合放射照片。
[0009]在另一個實例中，本發(fā)明描述了一種上面存儲有指令的永久計算機可讀數(shù)據(jù)存儲媒介，所述指令在被執(zhí)行時使得計算系統(tǒng):在沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的第一平移軸或第二平移軸的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比放射探測器的像素尺寸精細的距離，放射探測器具有垂直于由X射線產(chǎn)生器發(fā)射的X射線束的發(fā)射方向布置的平面，其中第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，其中第一和第二平移臺被配置成沿著第一和第二平移軸移動放射探測器；以及集合放射照片以形成具有比所獲取的放射照片精細的分辨率的復合放射照片。
[0010]在另一個實例中，本發(fā)明描述了一種上面存儲有指令的永久計算機可讀數(shù)據(jù)存儲媒介，所述指令在被執(zhí)行時使得計算系統(tǒng):在沿著平行于放射探測器的探測器像素的定位方向的第一平移軸或第二平移軸的不同探測器位置處獲取一系列放射照片，不同探測器位置分開比分別沿著第一平移軸或第二平移軸的放射探測器的線性尺寸小的距離，其中放射探測器具有垂直于由X射線產(chǎn)生器發(fā)射的X射線束的發(fā)射方向布置的平面，第一平移臺和第二平移臺承載放射探測器，并且第一和第二平移臺被配置成沿著第一和第二平移軸移動放射探測器；以及將放射照片集合成為比該系列放射照片中的每個放射照片大的復合放射照片。
[0011]在附圖和以下描述中闡述一個或多個實例的細節(jié)。其他特征、目標和優(yōu)點將從描述、附圖和權(quán)利要求中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的示例性儀器設置的示意性圖式。
[0013]圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的探測器運動系統(tǒng)的示例性實施的圖示。
[0014]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的示例性儀器設置的示意性圖式，其中工業(yè)計算機斷層掃描(CT)系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)臺。
[0015]圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的示例性超分辨率圖像獲取過程的概念圖。
[0016]圖5A示出了示例性常規(guī)X射線放射照片。
[0017]圖5B示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)捕獲的示例性超分辨X射線放射照片。
[0018]圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的示例性鑲嵌圖像獲取和集合過程的概念圖。
[0019]圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的工業(yè)CT系統(tǒng)的示例性操作的流程圖。
[0020]圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的工業(yè)CT系統(tǒng)的示例性操作的流程圖。
【具體實施方式】
[0021]X射線放射顯影(DR)和計算機斷層掃描(CT)是在醫(yī)療成像和工業(yè)非破壞性評估(NDE)中非侵入性或非破壞性獲得三維結(jié)構(gòu)的常用方法。本發(fā)明的一個或多個示例性技術(shù)涉及X射線CT的工業(yè)應用。圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個或多個技術(shù)的示例性儀器設置的示意性圖式。如圖1的實例中所示，工業(yè)CT系統(tǒng)10可以包括X射線源12和放射探測器14。X射線源12可以發(fā)射X射線束16。因此，在一些實例中，本發(fā)明可以將X射線源12或類似設備稱為“X射線產(chǎn)生器”。在一些實例中，X射線束16可以是錐形的。在其他實例中，X射線束16可以是扇形的。在一些實例中，X射線源12產(chǎn)生具有20keV至600keV的能量范圍的X射線。在其他實例中，X射線源12可以產(chǎn)生其他能量范圍內(nèi)的X射線。
[0022]可以將樣品安裝在操縱器上。在工業(yè)CT系統(tǒng)10中，操縱器可以包括具有垂直于X射線束軸的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)臺(即，旋轉(zhuǎn)臺)。旋轉(zhuǎn)臺可以被配置成承載和旋轉(zhuǎn)樣品，并且可以安置在X射線源12 (即，X射線產(chǎn)生器)與放射探測器14(即，放射探測器)之間。因此，當樣品在X射線束16中旋轉(zhuǎn)時，可以在不同的投影角度獲取放射照片。因此，在操縱器包括旋轉(zhuǎn)臺的一些實例中，工業(yè)CT系統(tǒng)10的計算系統(tǒng)可以在用于不同旋轉(zhuǎn)角度的不同探測器位置處獲取放射照片，并且處理這些放射照片以將放射照片集合為樣品的3維放射照片。
[0023]放射探測器14可以包括圖1的實例中示出的平板X射線探測器(FPD)。在其他實例中，放射探測器14可以包括透鏡耦合閃爍探測器、線性二極管陣列(LDA)或者另一種類型的X射線探測器。FH)可以包括閃爍材料層，諸如制造在玻璃探測器陣列上的非晶硅上的碘化銫。閃爍體層吸收X射線并且發(fā)射可見光子，這些可見光子依次由固態(tài)探測器探測。探測器像素尺寸可以在數(shù)十到數(shù)百微米的范圍內(nèi)。在放射探測器14包括平板X射線探測器的一些實例中，放射探測器14的像素尺寸可以在25微米到250微米的范圍內(nèi)。在一些實例中，放射探測器14的像素尺寸可以在約25微米到約250微米的范圍內(nèi)。此外，常見商用Fro的視場可以在約loo微米到500微米的范圍內(nèi)。商用Fro可以用于要求大視場的應用中。
[0024]高分辨率應用可能需要透鏡耦合探測器，所述探測器使用光學透鏡來將發(fā)射的可見光轉(zhuǎn)發(fā)到探測器，諸如電荷耦合設備(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)探測器。在一些實例中，透鏡可以提供在lx至ΙΟΟχ的范圍內(nèi)的放大率，由此使得有效像素尺寸在0.1至20微米之間。在放射探測器14包括透鏡耦合探測器的一些實例中，放射探測器14的像素尺寸在0.1微米至10微米的范圍內(nèi)。此外，在放射探測器14包括透鏡耦合探測器的一些實例中，視場可以在0.2mm至25mm的范圍內(nèi)。
[0025]使用兩種類型的探測器(例如，F(xiàn)PD和透鏡耦合閃爍探測器)，在圖像分辨率與視場之間可以存在折中。此外，在一些應用中，用戶可能希望擴大視場超出探測器的物理尺寸或者增加分辨率超出像素尺寸直接支持的分辨率。本發(fā)明的技術(shù)描述了儀器設計、圖像獲取方法或計算機算法來體現(xiàn)精確的探測器運動系統(tǒng)，從而實現(xiàn)這兩個沖突的目的(即，增加的圖像分辨率和增加的視場)。
[0026]根據(jù)本發(fā)明的一個或多個示例性技術(shù)，X射線數(shù)字放射顯影(DR)或CT系統(tǒng)在探測器系統(tǒng)中包括精確運動系統(tǒng)，從而使得探測器系統(tǒng)(包括放射探測器14)可以在垂直于X射線束16的主軸并且沿著放射探測器14(即，X射線探測器)的像素的列和行的方向上在X射線束中平移。這可以實現(xiàn)一個或多個目標，諸如以下兩個目標。首先，通過在不同的兩個或更多個位置獲取放射照片，每個位置分開大于(例如，遠大于)放射探測器14的像素尺寸但是小于探測器尺寸的間隔，放射探測器14可以覆蓋比放射探測器14的物理尺寸大的區(qū)域。這些數(shù)字放射照片隨后可以在數(shù)字上“拼接”在一起從而形成具有較大視場的復合放射照片。其次，通過在放射探測器14處于以小于像素尺寸的間隔分開的兩個或更多個位置時獲取放射照片，可以實現(xiàn)子像素尺寸取樣。在某些光學配置中并且使用某些類型的樣品的情況下，可以使用這種技術(shù)來產(chǎn)生具有更精細分辨率的復合放射照片。在實際應用中這兩種技術(shù)可以結(jié)合以顯著增加成像視場和分辨率中的一個或兩個。此外，可以將這兩種技術(shù)進一步與常規(guī)容積CT和螺旋CT技術(shù)結(jié)合，以增加3維(3D)重建容積及其分辨率。
[0027]在投影型X射線放射顯影和CT系統(tǒng)中，諸如圖1的工業(yè)CT系統(tǒng)10中，光學分辨率可以由X射線源(例如，X射線產(chǎn)生器12)的尺寸以及用來取樣和記錄形成在其上的X射線圖像的X射線探測器(例如，放射探測器14)來確定。在某些成像條件下，實際圖像可以含有比探測器像素尺寸精細的特征。例如，如果圖1的工業(yè)CT系統(tǒng)10在2x放大率幾何形狀中具有50 μπι的X射線源尺寸，則工業(yè)CT系統(tǒng)10可以在具有50 μm的最小特征尺寸的探測器平面上形成圖像。當使用具有200 μπι像素尺寸的平板探測器時，X射線圖像未被足夠地取樣，并且可需要子像素取樣來實現(xiàn)最大可能分辨率。這可以通過使用子像素尺寸的遮罩或以子像素間隔平移探測器來實現(xiàn)。后一種方法(即，以子像素間隔平移探測器)在一些情況下可能是有利的，這是因為后一種方法可以利用現(xiàn)有的探測器運動臺而無需額外硬件。平移樣品可能不會實現(xiàn)與平移放射探測器相同的效果，這是因為平移樣品可能改變成像幾何形狀。
[0028]圖1的工業(yè)CT系統(tǒng)10可以克服上述缺點中的一個或多個。在圖1的實例中，工業(yè)CT系統(tǒng)10包括X平移臺18和y平移臺20。x平移臺18和y平移臺20可以被配置成沿著平行于放射探測器14的定位方向或探測器像素的平移軸(例如，X和y平移軸)來移動放射探測器14。因此，工業(yè)CT系統(tǒng)10可以包括二維像素化區(qū)域放射探測器14，其具有垂直于X射線束16的發(fā)射方向(S卩，X射線束16的束軸)布置并且承載于兩個獨立的平移臺上的平面，所述平移臺各自具有平行于探測器像素的定位的軸。盡管X并不必對應于水平方向并且y并不必對應于豎直方向，但是本發(fā)明也可以將X平移臺18稱為水平平移臺18并且可以將y平移臺20稱為豎直平移臺24。
[0029]此外，工業(yè)CT系統(tǒng)10可以包括X平臺線性編碼器22和y平臺線性編碼器24?！癤”和“y”維度可以是正交，并且在一些情況下可以指代水平和豎直維度。然而，X并不必對應于水平方向并且y并不必對應于豎直方向。因此，盡管本發(fā)明也可以將X平臺線性編碼器22稱為水平平臺線性編碼器22，并且可以將y平臺線性編碼器24稱為豎直平臺線性編碼器24，但是技術(shù)可以擴展為可以正交或者不成交的其他維度，X平臺線性編碼器22和y平臺線性編碼器24可以是兩個獨立的線性編碼器，其具有比探測器像素尺寸(即，放射探測器14的像素的尺寸)的四分之一精細的分辨率。X平臺線性編碼器22和7平臺線性編碼器24可以平行于兩個平移臺(即，X平移臺18和y平移臺22)布置。X平臺線性編碼器22和y平臺線性編碼器24由各自的平移臺驅(qū)動，以提供平移臺的移位的直接測