一种非旋转式计算机断层成像装置及方法与流程

本发明属于计算机断层成像(ct)扫描仪领域，特别涉及一种非旋转式计算机断层成像装置及方法。可用于医学、安检、工业检测领域。

背景技术：

ct设备在医学、安检及工业领域应用广泛。在医学及安检应用领域，主流的扫描模式依然是射线源和探测器围绕被检测对象旋转的旋转式扫描。医疗ct设备历史上出现过所谓“第五代ct”，即ge公司的电子束扫描ct(e-beamct)，采用大型扫描电子束射线管，通过电子束的快速偏转，模拟射线源焦点的快速旋转移动，不需要射线源和探测器的旋转即可完成ct扫描。但由于设备造价过高、体积过大、难以实现人体全身扫描等原因未能获得大范围使用。

目前医学ct设备的扫描速度已经达到4r/s，西门子双源ct的转速为0.27r/s，等效于单源ct旋转一圈需要0.135s，这极大地提高了医学ct成像的时间分辨率。即便如此，要想实现心脏扫描4d-ct成像，时间分辨率依然有待提高，目前，对于心脏成像，通常还需要心电门控技术辅助，在心脏的舒张和收缩末期完成ct快速扫描，对于时间分辨率比较低的设备，甚至还需要多扇区重建。但由于机械系统的旋转速度几乎已经达到极限，采用旋转式扫描提高ct时间分辨率的空间已经十分有限。在ge公司的e-beamct之后再无非旋转式的静态ct进入医疗影像设备市场。专利cn101512379a提供了一种成像几何结构，包括多个可寻址射线源和其对应的圆形或者半圆形的探测器，圆形或者半圆形探测器之间设有间隙，在间隙处布局射线源。这种结构要么是需要多组结构组合，要么在射线源正对的位置不存在探测器，前者会加长设备的长度，后者则存在数据的缺失，进而降低图像重建质量。专利cn103340641a和cn201210211462.9公布了一种双环结构，包括环形布局的射线源和环形布局的探测器，环形布局的探测器之间设有缝隙，这个缝隙是为了让射线穿过以到达环形探测器另一侧的探测单元，缝隙的存在会导致数据缺失，降低图像质量，这种结构还存在另一个缺点，即轴扫获取不到中心切片的数据。专利cn201110247455公布的静态ct扫描仪也是双环结构，但是射线源和探测器在被检测物体移动的方向错位放置，这种扫描结构，射线不正对探测器，斜射穿过物体，采集的数据严重缺失，严重不满足数据完备性条件，采用解析重建方法重建图像，重建精度较低。可以通过三维迭代重建算法一定程度上提高图像质量，但三维迭代重建算法计算效率仍难以满足实际应用需求，当然即便采用迭代重建，由于数据严重不满足tuy条件，重建的图像质量也难以达到射线源和探测器正对的水平，医疗ct成像的图像质量要求很高，因此说这种结构对于医疗ct成像来说具有明显的缺陷。

安检ct领域，美国rapiscan公司和surescan公司均有自己的静态ct产品和相应的专利如us8451974b2和us20060227932a1，美国rapiscan公司的产品(如专利us8451974b2)采用的为双环结构，整个结构包括环形布局的多个射线源和环形布局的探测器，与专利cn201110247455相似，射线源和探测器在被检测物体移动的方向错位放置，存在同样斜射引起的数据不完备的缺点。surescan公司的产品(如专利us20060227932a1)采用三级扫描模式，每一级有多个射线源和一个线阵探测器，射线源快速切换模拟旋转运动，这种扫描模式为多级静态扫描模式；其优点是射线源可以正对探测器，采用线阵探测器还可以通过后准直有效抑制散射，但是这种方案由于射线源布局数量很少，采用迭代重建后的图像质量依然比较低；同时由于采用了三级的扫描模式，使得设备的长度比较大；另外，由于在每一级多个射线源共用一个线阵探测器，扫描物体的投影数据存在缺失，也会降低重建图像的质量。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题，提高ct扫描时间分辨率，同时保证ct的成像质量，提供一种非旋转式的计算机断层成像装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：一种非旋转式计算机断层成像装置，其特征在于：

包括设置在外圈的环形分布式射线源和设置在内圈的环形探测器，以及用来输运被检测物体的传动装置，用来控制及数据处理的计算机装置。

所述分布式射线源有多个子射线源组成，多个子射线源焦点位于一个圆环的圆周上，且每个子射线源的发射出口均布局有用来限定射束范围的准直器。

所述环形探测器有多个探测器模块组成，多个探测器模块的中心位于另外一个圆环的圆周上。

所述分布式射线源焦点所在的圆和所述多个探测器模块中心点所在的圆为同心圆。

所述分布式射线源可以快速切换。

所述探测器沿被检测物体行进方向分为三段，中心探测器和两侧探测器，所述中心探测器为面阵列探测器，之间紧密排布，不存在空气缝隙。

优选地，所述分布式射线源射线能量在40kv-9mev之间。

优选地，所述分布式射线源为冷阴极碳纳米管射线源。

优选地，所述分布式射线源为基于栅控技术的热阴极射线源。所述栅控技术是指在阳极靶与阴极之间装有控制栅极，该控制栅极可以控制射线源的快速开启和关闭。

优选地，所述分布式射线源等角度均匀分布。

优选地，所述分布式射线源非等角度均匀分布。

优选地，所述中心部分探测器为单能单层探测器。

优选地，所述中心部分探测器为光子计数探测器。

优选地，所述两侧部分探测器为单能单层探测器。

优选地，所述两侧部分探测器为光子计数探测器。

优选地，所述两侧部分探测器为双能双层探测器；包括两层探测器以及位于两侧探测器之间的滤过片。

根据一些实施例，本发明提供一种非旋转式计算机断层成像方法，其特征在于：

所述成像方法中，同一时刻至少有一个子射线源在工作，多个子射线源之间快速切换，实现整圈射线源的依次发射射线。成像过程中，子射线源发射射线，通过准直器限定射束范围，使得射线仅穿过环形探测器靠近发射射线的子射线源一侧的中心部分，然后穿过物体，被环形探测器的另一侧的探测器模块接受实现信号采集。

所述成像方法中，还包括投影数据的处理方法，包括：对于每一个视角的投影数据，包括中心部分探测器接受到的信号和两侧探测器接收到的信号，对中心探测器信号和两侧探测器信号统一进行射束硬化校正，最后两种校正方法统一到同一种射线能量下。得到校正后的投影数据。

优选地，成像方法包括以下步骤：

s1：被测物品随传送装置匀速运动进入成像范围内或静置在成像范围时，分布式射线源按照一定的次序快速切换子射线源，对应探测器模块完成投影数据采集。

s2：对采集到的投影数据，分为中心部分投影和两侧部分投影，执行统一的射束硬化校正过程。

s3：根据校正的投影数据，进行ct重建，获得硬化校正后的断层图像。

根据一些实施例，本发明提供另一种非旋转式计算机断层成像方法，其特征在于：

所述成像方法中，同一时刻至少有一个子射线源在工作，多个子射线源之间快速切换，实现整圈子射线源的依次射线发射。成像过程中，子射线源发射射线，通过准直器限定射束范围，使得射线仅穿过环形探测器靠近发射射线的射线源一侧的中心部分，然后穿过物体，被环形探测器的另一侧的探测器模块接受实现信号采集。

所述成像方法中，还包括投影数据的处理方法，包括：对于每一个视角的投影数据，包括中心部分探测器接受到的信号和两侧探测器接收到的信号，对中心探测器信号和两侧探测器信号分别进行射束硬化校正，最后两种校正方法统一到同一种射线能量下。实现最终的投影数据射束硬化校正。

优选地，成像方法包括以下步骤：

s1：被测物品随传送装置匀速运动进入成像范围内或静置在成像范围时，分布式射线源按照一定的次序快速切换子射线源，对应探测器模块完成投影数据采集。

s2：对采集到的投影数据，分为中心部分投影和两侧部分投影，执行各自的射束硬化校正过程。

s3：将校正到同一能量后的两部分投影数据汇合，进行ct重建，获得硬化校正后的断层图像。

优选地，所述ct重建为解析重建算法。

优选地，所述ct重建为迭代重建算法。

优选地，分布式射线源按照一定的次序快速切换，所述次序可以是按照子射线源分布角度的位置顺序发射。

优选地，分布式射线源按照一定的次序快速切换，所述次序为事先设定的固定顺序。

优选地，分布式射线源按照一定的次序快速切换，所述次序为随机顺序。

优选地，所述射束硬化校正方法为水校正方法。

优选地，所述射束硬化校正方法为骨校正方法。

优选地，所述射束硬化校正方法为水和骨联合校正方法。

优选地，所述射束硬化校正方法为双能校正方法。

与现有技术相比，有益效果是：首先，射线源和探测器没有旋转运动，可以通过射线源的快速切换模拟射线源和探测的转动，因此可以通过加快切换速度等效提高射线源和探测器的转速，大幅度的提高检查速度，极大提高ct扫描时间分辨率；其次由于射线源和探测器是正对的，且探测器的中间没有缝隙，相对于倾斜扫描和探测器中间存在缝隙的情况，有效地减少了数据缺失，投影数据更加符合图像重建的数据完备性条件，大大提高了图像重建质量。

附图说明

图1已公布双环结构且射线源、探测器正对布局，但探测器之间有供射线穿过的缝隙的二维截面结构示意图。

图2为射线全周布局时射线源和探测器相对布局位置示意图。

图3为射线非全周布局时射线源和探测器相对布局位置示意图。

图4为本发明双环结构且射线源、探测器正对布局，但探测器之间有无缝隙的二维成像截面结构示意图。

图5为第一种探测器结构示意图。

图6为第二种二维成像结构截面示意图。

图7为第二种探测器结构示意图。

图8为采用第一种探测器结构时的成像方法流程示意图。

图9为采用第二种探测器结构时的成像方法流程示意图。

图10为一种射线源全周方形布局的成像结构示意图。

图11为一种射线源非全周方形布局的成像结构示意图。

图12为一种射线源全周多边形布局的成像结构示意图。

图13为一种射线源非全周多边形布局的成像结构示意图。

图14为一种探测器为四边形的成像结构示意图。

图15为一种探测器为六边形的成像结构示意图。

图中标号说明：10分布式射线源，10-1子射线源，11准直器，13环形探测器，13-1探测器模块，13-2中心探测器，13-3两侧探测器，12探测器电子学部分，14探测器之间的缝隙，15射线束，40探测器电子学后辐射防护结构件，41探测器电子学前辐射防护结构件，42探测器pcb板，43探测器闪烁体，60滤过片，61两侧低能闪烁体，62高能闪烁体，63中间低能闪烁体，64中心探测器和两侧探测器的分界。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

一种非旋转式计算机断层成像装置，包括：射线源，探测器，准直器，以及用来输运被检测物体的传动装置，用来控制及数据处理的计算机装置。其特征在于：所述射线源设置在外圈的环形分布式射线源10，所述探测器为设置在内圈的环形探测器13。

所述分布式射线源10有多个子射线源10-1组成，多个子射线源10-1焦点位于一个圆环的圆周上，且每个子射线源10-1的发射出口均布局有用来限定射束15范围的准直器11。

所述环形探测器13有多个探测器模块13-1组成，多个探测器模块13-1的中心位于另外一个圆环的圆周上。

所述分布式射线源10焦点所在的圆和所述多个探测器模块13-1中心点所在的圆为同心圆。

所述分布式射线源10可以快速切换。

优选地，所述分布式射线源10射线能量在40kv-9mev之间。

优选地，所述分布式射线源10为冷阴极碳纳米管射线源。

优选地，所述分布式射线源10为基于栅控技术的热阴极射线源，所述栅控技术是指在阳极靶与阴极之间装有控制栅极，该控制栅极可以控制射线源的快速开启和关闭。

优选地，所述分布式射线，10等角度均匀分布。

优选地，所述分布式射线源10非等角度均匀分布。

优选地，所述中心探测器13-2为单能单层探测器。

优选地，所述中心探测器13-2为光子计数探测器。

优选地，所述两侧探测器13-3为单能单层探测器。

优选地，所述两侧探测器13-3为光子计数探测器。

优选地，所述两侧探测器13-3为双能双层结构；包括两层探测器以及位于两层探测器之间的滤过片60。

如图2所示，实现本发明的一种分布式射线源10和环形探测器13得布局方式，为双环布局，外环为分布式射线源10，内环为环形探测器13，射线源、探测器整圈布局。

如图3所示，实现本发明的另一种分布式射线源10和环形探测器13得布局方式，为双环布局，外环为分布式射线源10，内环为环形探测器13，分布式射线源10为非整圆圈布局，环形探测器整圈布局，射线源布局角度满足ct半扫描条件。

如图4所示，为实现本发明的一种实施例。在成像过程中，分布式射线源10通过准直器11，得到一定角度锥型射线束15，该锥型射线束15又通过探测器电子学后辐射防护结构件40，探测器电子学后辐射防护结构件40既有防护探测器电子学部分12的作用，也有吸收散射线的作用，减少散射干扰，并对其他部件起到一定的防护作用。射线束15依次照射到探测器pcb板42、探测器闪烁体43上，穿过探测器pcb板42、探测器闪烁体43以后，再与对面的探测器模块13-1作用，产生ct重建需要的投影数据。射线束15与探测器闪烁体43作用会产生可见光信号，但在探测器闪烁体43的外面包有一层反射胶，可以保证可见光不会从探测器闪烁体43发出，避免照射到其他闪烁体上以引起射线信号的误差。

分布式射线源10分布在外环，通过一定次数依次发射，一个时间点只有1个子射线源10-1在发射射线束15，或者有2-3个子射线源10-1在同时发射射线束15，但需保证发射射线束15所对应的接受探测器模块13-1分布区域没有交集，即同时发出的射线束15不能照射到同一个探测器模块13-1上。

图5为上述实施例的一种探测器及其防护部件的结构，探测器电子学后辐射防护结构件40和探测器电子学前辐射防护结构件41之间设有探测器电子学部分12，探测器电子学后辐射防护结构件40安装在对应子射线源10-1的一侧，探测器闪烁体43安装在两个探测器电子学部分12之间，探测器电子学后辐射防护结构件40和探测器闪烁体43之间设有探测器pcb板42，探测器电子学后辐射防护结构件40中间设有供同侧子射线源10-1发出射线束15穿过的空隙。

如图6、图7所示，为本发明的另外一种实施例。在成像过程中，分布式射线源10通过准直器11，得到一定角度的锥型射线束15，该锥射线束15又通过探测器电子学后辐射防护结构件40之间的缝隙，探测器电子学后辐射防护结构件40既有防护探测器电子学部分12的作用，也有吸收散射线的作用，减少散射干扰，并对其他部件起到一定的防护作用。射线束15依次照射到探测器pcb板42、探测器闪烁体43上，穿过探测器pcb板42、探测器闪烁体43以后，再与对面的探测器模块13-1作用，产生ct重建需要的投影数据。

在与对应的探测器模块13-1作用时，射线束作用到三段探测器上，所述三段探测器包括中间探测器13-2和两侧探测器13-3，中间低能闪烁体63和两侧低能闪烁体61，两侧低能闪烁体61和中间低能闪烁体63的分界线为中间探测器13-2和两侧探测器13-3的分界64，其中对于中间探测器13-2部分，射线束15只穿过中间低能闪烁体61，得到低能投影信号，而对于两侧探测器13-3部分，射线束15还要穿过过滤片60和探测器pcb板42达到高能闪烁体62，产生可见光，然后可见光又与和晶体耦合的光电二极管作用并在探测器电子学部分12的作用下产生高能探测信号。这样，中间部分探测器得到单个能量的投影信号，而两侧部分探测器则得到双能投影信号。

图7为上述实施例的一种探测器及其防护部件的结构，探测器电子学后辐射防护结构件40和探测器电子学前辐射防护结构件41之间设有探测器电子学部分12，探测器电子学后辐射防护结构件40安装在对应子射线源10-1的一侧，探测器闪烁体43安装在两个探测器电子学部分12之间，探测器电子学后辐射防护结构件40和探测器闪烁体43之间设有探测器pcb板42，探测器电子学后辐射防护结构件40中间设有供同侧子射线源10-1发出射线束15穿过的空隙。环形探测器13分为三段，包括中间探测器13-2以及被中间探测器13-2分开的两侧探测器13-3，中间探测器13-2和两侧探测器13-3之间设有分界64。

对于图4所示的实施例，包含一种射束硬化校正方法，主要包括以下步骤：

s81：被测物品随传送装置匀速运动进入成像范围内或静置在成像范围时，分布式射线源10按照一定的次序快速切换，对应探测器模块13-1完成投影数据采集。

s82：对采集到的投影数据，分为中心部分投影和两侧部分投影，执行统一的射束硬化校正过程。

s83：根据校正的投影数据，进行ct重建，获得硬化校正后的断层图像。

对于图6、图7所示的实施例，包含一种如图9所示的射束硬化校正方法，其主要包括以下步骤：

s91：物品随传送装置匀速运动进入成像范围内或静置在成像范围时，分布式射线源10按照一定的次序快速切换，对应探测器模块13-1完成投影数据采集。

s92：对采集到的投影数据，分为中心部分投影和两侧部分投影，对中间部分探测器数据执行射束硬化校正过程。

s93：对采集到的投影数据，分为中心部分投影和两侧部分投影，对两侧部分探测器数据执行射束硬化校正过程。

s94：将校正到同一能量后的，中间和两侧这两部分投影数据汇合，进行ct重建，获得硬化校正后的断层图像。

图10、图11、图12、图13为分布式射线源10和环形探测器13其他布局方式，至少包括圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形方形、六边形、八边形及其他多边形中的一种或其部分图形，这些多边形空间布局均可实现本发明所述的技术方案。

图14、图15为分布式射线源和多段直线探测器的分布方式，探测器的布局方式至少包括圆形、椭圆形、三角形、正方形、长方形方形、六边形、八边形及其他多边形中的一种或其部分图形，这些探测器的多边形空间布局均可实现本发明所述的技术方案。

上述实例仅用于解释说明本发明要求保护的内容，但并不是用于限制本发明的要求保护的范围。本领域技术人员对上述实例中各组成部分进行位置改变，均属于本发明保护范围；本领域技术人员在本发明所述范围内的改进和替换，均属于本发明保护范围。