本發(fā)明涉及顯微成像技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)及一種應(yīng)用靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)的成像方法。
背景技術(shù):
顯微CT是一類采用X射線成像原理進行超高分辨率三維成像的設(shè)備。它能夠在不破壞樣品的情況下,對骨骼、牙齒、活體小動物和各種材料器件進行高分辨率X射線成像,從而顯示各部分的三維圖像。
顯微CT實現(xiàn)高空間分辨在于采用了微發(fā)射焦點X射線源,高分辨探測器和幾何放大,顯微CT具有如下特征:①采用微發(fā)射焦點X射線源,這是為了獲得幾何放大并減小大發(fā)射焦點采樣引起的半影模糊;②采用高分辨率二維平板探測器;③采用圓軌道錐束掃描,通常只需旋轉(zhuǎn)一周即可完成物體掃描,成像視場較小。
而目前的顯微CT系統(tǒng)有兩種成像模式,離體成像系統(tǒng)即采用樣本旋轉(zhuǎn)的方式,和活體成像系統(tǒng)即采用掃描系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的方式。完成CT成像,都需要通過旋轉(zhuǎn);而由于旋轉(zhuǎn),其會導(dǎo)致機械誤差和運動偽影;并且其需要額外的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)部件,導(dǎo)致系統(tǒng)成本增加;再者,其旋轉(zhuǎn)速度不能太快,否則會導(dǎo)致機械運動引起的偽影,所以CT成像掃描時間較長。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
為克服上述缺陷,本發(fā)明的目的即在于提供一種靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)及及一種應(yīng)用靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)的成像方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
本發(fā)明是一種靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng),包括:X光源組件、平板探測器和樣本放置處,所述X光源組件的數(shù)量為兩個以上,所述平板探測器的數(shù)量與所述X光源組件的數(shù)量相一致,且每個所述X光源組件上均設(shè)有三個以上的光源點;每個所述X光源組件均與一個平板探測器相對準(zhǔn);所述樣本放置處設(shè)置于X光源組件與平板探測器之間的光路上,且所述X光源組件與平板探測器交替排列,使其圍成一個多邊形的排列結(jié)構(gòu),所述樣本放置處設(shè)置于該排列結(jié)構(gòu)的中心點上。
作為一種改進,所述X光源組件中每個光源點之間的距離均相等。
作為另一種改進,所述X光源組件中所有相鄰的光源點與樣本放置處所形成的夾角均相等。
本發(fā)明一種應(yīng)用如上所述靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)的成像方法,包括:
在不放置掃描樣本和不啟動X光源組件的情況下,平板探測器對標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像進行采集;
在不放置掃描樣本的情況下,啟動X光源組件中的光源點,平板探測器對每個光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像進行采集;
在獲取標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像和每個光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像后,在樣本放置處放置掃描樣本,按順序啟動X光源組件中的一個以上的光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止;
根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像和所有的被啟動光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像,對所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像進行一一校正,得到所有的CT平面圖像;
根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像。
作為一種改進,所述根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像包括:
對所有的CT平面圖像進行反log操作得到處理后的CT平面圖像;并對CT平面圖像進行加權(quán)、卷積濾波、加權(quán)反投影后獲得CT三維圖像。
作為另一種改進,所述根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像包括:
所有的CT平面圖像進行反log操作,得到處理后的CT平面圖像;對處理后的CT平面圖像中每個角度下的錐束投影數(shù)據(jù)進行求導(dǎo),并對求導(dǎo)后所得到的投影數(shù)據(jù)對預(yù)設(shè)定的螺旋軌道內(nèi)每條PI線上的CT平面圖像進行加權(quán)反投影;對于加權(quán)反投影得到的PI線上的數(shù)據(jù),沿著該條PI線求希爾伯特變換,得該條PI線上的重建結(jié)果;最后對螺旋軌道內(nèi)所有PI線上的重建結(jié)果進行重采樣,得到CT三維圖像。
作為另一種改進,所述根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像包括:
對CT平面圖像中的數(shù)據(jù)進行加權(quán),并修正光源點與其所在的X光源組件之間的距離及角度誤差,然后對不同投影角度的CT平面圖像進行水平方向上的一維濾波,最后進行三維反投影得到CT三維圖像。
作為另一種改進,所述根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像包括:
對CT三維圖像進行ART迭代,對迭代結(jié)果進行正約束和TV梯度速降后,判斷是否滿足預(yù)設(shè)的迭代終止條件,若不滿足,則繼續(xù)進行迭代,若滿足,則得到CT三維圖像。
作為一種改進,所述按順序啟動X光源組件中的一個以上的光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止包括:
啟動X光源組件中的一個光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源點并啟動另一X光源組件中的光源點,直到所有X光源組件中的光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止。
作為另一種改進,所述按順序啟動X光源組件中的一個以上的光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止包括:
將X光源組件中的所有的光源點設(shè)置為一組以上的光源組,每光源組中設(shè)有兩個以上的光源點,啟動一個光源組,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;判斷被同時啟動的光源點所發(fā)射的X射線在平板探測器上所覆蓋范圍是否相互重疊;
若不重疊,則所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源組并順時針或逆時針方向啟動另一個光源組,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止;
若重疊,則將光源組中每個光源點的X射線調(diào)制在一個獨有的頻率后再進行發(fā)送,所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,再根據(jù)其頻率解調(diào)出多個與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源點并啟動另一個光源組,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止。
進一步,所述在不放置掃描樣本和不啟動X光源組件的情況下,平板探測器對標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像進行采集包括:
在不放置掃描樣本和不啟動X光源組件的情況下,平板探測器進行多次圖像采集,得到多幅暗場圖像,
將所有暗場圖像按照對應(yīng)像素灰度值疊加求和并取平均,得到平均標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像。
進一步,所述在不放置掃描樣本的情況下,啟動X光源組件中的光源點,平板探測器對每個光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像進行采集包括:
在不放置掃描樣本的情況下,多次啟動X光源組件中的一個光源點,平板探測器對該光源點所對應(yīng)的圖像進行采集,得到多幅與該被啟動的光源點所對應(yīng)的亮場圖像;再按各亮場圖像之間對應(yīng)的像素灰度進行疊加求和并平均,得到與被啟動的光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像;
在得到與被啟動的光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像之后,再次啟動X光源組件中的另一個光源點,并采集與其所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像,直到所有光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像均已被采集為止。
本發(fā)明的靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng),其使得樣品和掃描系統(tǒng)均不需旋轉(zhuǎn),即可完成成像過程,其可以降低成本,具有消除CT運動偽影,縮短CT成像掃描時間的優(yōu)勢。
附圖說明
為了易于說明,本發(fā)明由下述的較佳實施例及附圖作詳細描述。
圖1為本發(fā)明成像系統(tǒng)的一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2為本發(fā)明成像系統(tǒng)的另一個實施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3為本發(fā)明成像方法的工作流程示意圖。
具體實施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白,以下結(jié)合附圖及實施例,對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
請參閱圖1至圖2,本發(fā)明是一種靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng),包括:X光源組件110、平板探測器120和樣本放置處130,所述X光源組件110的數(shù)量為兩個以上,X光源組件110的數(shù)目可以變更,如3、4、5等;所述平板探測器120的數(shù)量與所述X光源組件110的數(shù)量相一致,且每個所述X光源組件110上均設(shè)有三個以上的光源點111,光源點111數(shù)目可以變更,如3、4、6等;每個所述X光源組件110均與一個平板探測器120相對準(zhǔn);所述樣本放置處130設(shè)置于X光源組件110與平板探測器120之間的光路上,且所述X光源組件110與平板探測器120交替排列,使其圍成一個多邊形的排列結(jié)構(gòu),所述樣本放置處130設(shè)置于該排列結(jié)構(gòu)的中心點上。
作為一種改進,所述X光源組件110中每個光源點111之間的距離均相等。
作為另一種改進,所述X光源組件110中所有相鄰的光源點111與樣本放置處130所形成的夾角γ均相等。
請參閱圖3,下面以一個實施例對本發(fā)明一種應(yīng)用如上所述靜態(tài)高分辨顯微CT成像系統(tǒng)的成像方法進行描述,其包括:
X光源組件A和B都包含5個光源點,分別用數(shù)字1-5表示,我們用A-1表示X光源組件A中的第1個光源點,B-3表示X光源組件B中的第3個光源點;
301.采集標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像
在不放置掃描樣本和不啟動X光源組件的情況下,平板探測器進行多次圖像采集,得到多幅暗場圖像,例如可采集5-30幅暗場圖像,并將所有暗場圖像按照對應(yīng)像素灰度值疊加求和并取平均,得到平均標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像
302.采集所有的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像
在不放置掃描樣本的情況下,啟動X光源組件中的光源點,平板探測器對每個光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像進行采集;其具體可以為:
在不放置掃描樣本的情況下,多次啟動X光源組件中的一個光源點,平板探測器對該光源點所對應(yīng)的圖像進行采集,得到多幅與該被啟動的光源點所對應(yīng)的亮場圖像,例如可采集5-30幅亮場圖像;再按各亮場圖像之間對應(yīng)的像素灰度進行疊加求和并平均,得到與被啟動的光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像;
在得到與被啟動的光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像之后,再次啟動X光源組件中的另一個光源點,并采集與其所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像,直到所有光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像均已被采集為止;
以A-1光源點為例:不放置掃描物體,僅僅開啟發(fā)射焦點A-1,用探測器采集若干幅CT投影圖像(5-30幅),按對應(yīng)像素灰度疊加求和并平均,得到發(fā)射焦點A-1對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像,用表示;
303.采集所有的投影圖像
在獲取標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像和每個光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像后,在樣本放置處放置掃描樣本,按順序啟動X光源組件中的一個以上的光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止;
其中,X光源組件中的光源點啟動方式有兩種,一種為:每一時刻只有一個光源點啟動;另一種為:在同一時刻有多個光源點啟動的方式,
當(dāng)每一時刻只有一個光源點啟動時,其具體的工作方式為:啟動X光源組件中的一個光源點,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源點并啟動另一X光源組件中的光源點,直到所有X光源組件中的光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止。為了盡量降低光源發(fā)射所產(chǎn)生的熱量以延長其使用壽命,微發(fā)射焦點發(fā)射X射線的順序為:A光源中的某一發(fā)射焦點——B光源中的某一發(fā)射焦點——A光源中的某一發(fā)射焦點——B光源中的某一發(fā)射焦點……,例如:A-1到B-1到A-3到B-3……
當(dāng)在同一時刻有多個光源點啟動時,其具體的工作方式為:
將X光源組件中的所有的光源點設(shè)置為一組以上的光源組,每光源組中設(shè)有兩個以上的光源點,啟動一個光源組,被啟動的光源點所發(fā)出的X射線穿過掃描樣本后,進入平板探測器;判斷被同時啟動的光源點所發(fā)射的X射線在平板探測器上所覆蓋范圍是否相互重疊;
若不重疊,則所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,得到與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源組并順時針或逆時針方向啟動另一個光源組,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止;
若重疊,則將光源組中每個光源點的X射線調(diào)制在一個獨有的頻率后再進行發(fā)送,所述平板探測器對所進入的X射線進行采集,再根據(jù)其頻率解調(diào)出多個與被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像;在得到該投影圖像后,關(guān)閉該光源點并啟動另一個光源組,直到所有光源點均被啟動,得到所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像為止。由于,每個X射線信號調(diào)制在一個獨特的頻率,類似于一個廣播電臺的發(fā)射頻率。多個X射線信號疊加在一起,形成一個復(fù)合信號,然后進行傳輸。復(fù)合信號被X射線探測器接收后,根據(jù)不同的頻率再分解成多個單信號??梢栽诓粨p害CT掃描成像質(zhì)量的情況下,大大增加CT成像速度。
304.校正投影圖像
根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)暗場圖像和所有的被啟動光源點所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)亮場圖像,對所有的被啟動光源點所對應(yīng)的投影圖像進行一一校正,得到所有的CT平面圖像;
以A-1光源點為例,通過公式(1)對A-1光源點的投影圖像IA-1進行預(yù)處理,得到校正后的投影圖像可有效降低投影圖像IA-1的噪聲
305.三維立體重建圖像
根據(jù)X光源組件與平板探測器所圍成的排列結(jié)構(gòu)的形狀,對所有的CT平面圖像進行三維立體重建,得到CT三維圖像。對預(yù)處理后的CT平面圖像,進行CT三維重建。此處需要對CT重建算法中的軌道定義進行調(diào)整。由于傳統(tǒng)CT重建算法都是針對圓軌道或螺旋軌道,因此其重建算法中的光源和探測器軌道要相應(yīng)修改為多邊形軌道。可以采用解析重建算法(FBP、BPF、FDK)或者迭代重建算法(TV)。
應(yīng)用FBP重建算法的過程是:對所有的CT平面圖像進行反log操作得到處理后的CT平面圖像;并對CT平面圖像進行加權(quán)、卷積濾波、加權(quán)反投影后獲得CT三維圖像。
應(yīng)用BPF重建算法的過程是:對所有的CT平面圖像進行反log操作,得到處理后的CT平面圖像;對處理后的CT平面圖像中每個角度下的錐束投影數(shù)據(jù)進行求導(dǎo),并對求導(dǎo)后所得到的投影數(shù)據(jù)對預(yù)設(shè)定的螺旋軌道內(nèi)每條PI線上的CT平面圖像進行加權(quán)反投影;對于加權(quán)反投影得到的PI線上的數(shù)據(jù),沿著該條PI線求希爾伯特變換,得該條PI線上的重建結(jié)果;最后對螺旋軌道內(nèi)所有PI線上的重建結(jié)果進行重采樣,得到CT三維圖像。
應(yīng)用FDK重建算法的過程是:對CT平面圖像中的數(shù)據(jù)進行加權(quán),并修正光源點與其所在的X光源組件之間的距離及角度誤差,然后對不同投影角度的CT平面圖像進行水平方向上的一維濾波,最后進行三維反投影得到CT三維圖像。
應(yīng)用TV重建算法的過程是:對CT三維圖像進行ART迭代,對迭代結(jié)果進行正約束和TV梯度速降后,判斷是否滿足預(yù)設(shè)的迭代終止條件,若不滿足,則繼續(xù)進行迭代,若滿足,則得到CT三維圖像。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已,并不用以限制本發(fā)明,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。