本實(shí)用新型涉及X射線成像，尤其是涉及一種X射線數(shù)字成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

當(dāng)今生物醫(yī)學(xué)上的X射線成像系統(tǒng)主要是DR成像系統(tǒng)和CT成像系統(tǒng)，而DR成像是生成二維圖形，CT成像是生成三維立體圖形。利用X射線CT成像技術(shù)及系統(tǒng)作為一種圖形成像的手段，它對一些生物醫(yī)學(xué)疾病的診斷發(fā)揮著舉足輕重的作用。

中國專利CN 104545963 A公開相鄰雙X射線源CT成像系統(tǒng)及其應(yīng)用，該系統(tǒng)包括X光源和探測器；所述X光源為相鄰雙X光源，所述相鄰雙X光源與所述探測器正相對設(shè)置；所述相鄰雙X光源發(fā)射的光子劑量相同；所述相鄰雙X光源平行于旋轉(zhuǎn)平面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供CT圖像分辨率高、低成本的一種X射線數(shù)字成像系統(tǒng)。

本實(shí)用新型設(shè)有PC端、高壓發(fā)生器、X射線球管、伺服系統(tǒng)、X射線探測器；PC端與高壓發(fā)生器的一端相連，高壓發(fā)生器的另一端和X射線球管相連，由X射線球管發(fā)出X射線；伺服系統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺和三軸伺服控制器，三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺設(shè)有升降臺、平移臺和載物臺，三軸伺服控制器的一端和PC端相連，三軸伺服控制器控制三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)；X射線探測器固定在升降臺上，升降臺固定在平移臺上，升降臺跟隨平移臺一起運(yùn)動(dòng)；X射線探測器對信號進(jìn)行采集，并將信號傳輸回PC端，被測樣品放置在載物臺上，跟隨載物臺一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；PC端對探測器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三維重建算法計(jì)算，可得到被測樣品的CT圖像，且CT圖像的分辨率高，對比度好。

所述X射線探測器可采用單/少像素X射線探測器，單/少像素X射線探測器采用16像素點(diǎn)陣，即單列16像素均勻分布的形式進(jìn)行布局，單/少像素的概念即在這里。單/少像素X射線探測器跟隨升降臺和平移臺一起運(yùn)動(dòng)，可以在大面積的范圍內(nèi)進(jìn)行二維掃描，采集到豐富的投影信息和點(diǎn)陣信號，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高分辨率的CT成像。

所述單/少像素X射線探測器包括傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路兩部分。

所述傳感器可采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電二極管作為傳感器，通過感應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，型號為S5668-121。雖然單純的硅光電二極管波長響應(yīng)范圍在X射線波長之外，但將該16元素硅光電二極管與CsI(TI)閃爍體結(jié)合起來，就能夠運(yùn)用于X射線檢測與CT成像中。

所述數(shù)據(jù)采集控制電路可采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器MCU，以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測點(diǎn)信號，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT三維重建算法使用。

本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于：本實(shí)用新型提供一種低成本X射線CT成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的使用16像素點(diǎn)陣X射線探測器，造價(jià)的成本低，而且可以實(shí)現(xiàn)大面積二維掃描，使用方便。本實(shí)用新型可以推動(dòng)X射線成像技術(shù)和系統(tǒng)的進(jìn)步和改革，提高CT圖像的對比度和分辨率。

本實(shí)用新型無疑對現(xiàn)有X射線成像技術(shù)的發(fā)展具有重大的革命性的意義。本實(shí)用新型利用單/少像素X射線探測器的二維掃描實(shí)現(xiàn)大面積高分辨的成像，為解決生物醫(yī)學(xué)CT圖像成本高、分辨率低、對比度差等問題提供一種可行的解決方案。X射線CT成像系統(tǒng)的低成本、數(shù)字化，成為了本實(shí)用新型所關(guān)注的重點(diǎn)。

本實(shí)用新型采用相鄰雙X射線源同時(shí)工作，一方面可以降低每個(gè)光源的工作功率從而延長射線管的使用壽命，另一方面可以有效減少圖像的運(yùn)動(dòng)偽影。本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)成本低，不需要對現(xiàn)有的CT設(shè)備做很大的結(jié)構(gòu)改進(jìn)；可以應(yīng)用于醫(yī)療CT或放射曝光劑量較大的工業(yè)CT中。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

參見圖1，本實(shí)用新型實(shí)施例設(shè)有PC端1、高壓發(fā)生器2、X射線球管3、伺服系統(tǒng)、X射線探測器5；PC端1與高壓發(fā)生器2的一端相連，高壓發(fā)生器2的另一端和X射線球管3相連，由X射線球管3發(fā)出X射線；伺服系統(tǒng)設(shè)有三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺和三軸伺服控制器44，三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺設(shè)有升降臺41、平移臺42和載物臺43，三軸伺服控制器44的一端和PC端1相連，三軸伺服控制器控制三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺的運(yùn)動(dòng)；X射線探測器5固定在升降臺41上，升降臺41固定在平移臺42上，升降臺41跟隨平移臺42一起運(yùn)動(dòng)；X射線探測器5對信號進(jìn)行采集，并將信號傳輸回PC端1，被測樣品放置在載物臺43上，跟隨載物臺一起旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；PC端對探測器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行錐形束半圓周采樣CT三維重建算法計(jì)算，可得到被測樣品的CT圖像，且CT圖像的分辨率高，對比度好。

所述X射線探測器可采用單/少像素X射線探測器，單/少像素X射線探測器采用16像素點(diǎn)陣，即單列16像素均勻分布的形式進(jìn)行布局，單/少像素的概念即在這里。單/少像素X射線探測器跟隨升降臺和平移臺一起運(yùn)動(dòng)，可以在大面積的范圍內(nèi)進(jìn)行二維掃描，采集到豐富的投影信息和點(diǎn)陣信號，可以實(shí)現(xiàn)低成本、高分辨率的CT成像。

所述單/少像素X射線探測器包括傳感器與數(shù)據(jù)采集控制電路兩部分。

所述傳感器可采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電二極管作為傳感器，通過感應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，型號為S5668-121。雖然單純的硅光電二極管波長響應(yīng)范圍在X射線波長之外，但將該16元素硅光電二極管與CsI(TI)閃爍體結(jié)合起來，就能夠運(yùn)用于X射線檢測與CT成像中。

所述數(shù)據(jù)采集控制電路可采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器MCU，以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測點(diǎn)信號，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT三維重建算法使用。

高壓電源是給X射線球管提供直流高電壓及電流并保持電壓電流穩(wěn)定的裝置，一般由升壓變壓器、燈絲變壓器、高壓整流濾波、電壓電流調(diào)整及穩(wěn)定、冷卻及相關(guān)安全保護(hù)等部件構(gòu)成。對于X射線管來說，有三個(gè)需要控制的物理量，分別是管電壓、管電流和照射時(shí)間：X射線管的管電流大小直接影響X射線單位時(shí)間內(nèi)的量，X射線管的管電壓大小影響X射線的穿透力。管電壓、管電流和照射時(shí)間共同決定X射線劑量的大小，因此保持管電流和管電壓的穩(wěn)定對與保證出射X射線的質(zhì)量以及劑量管控是至關(guān)重要的。

所述高壓電源采用威斯曼高壓電源提供的XRB系列150W高壓電源，能提供高壓輸出、完整的控制信號和多種輔助功能，可輸出穩(wěn)定的小紋波電壓和電流。該型高壓電源具有外部互鎖功能，能夠與輻射防護(hù)裝置和測溫組件配合，在防護(hù)裝置被人為開啟以及X射線管溫度過高時(shí)切斷供電。

X射線球管包含有陽極和陰極兩個(gè)電極，分別用于接受電子轟擊的靶材和發(fā)射電子的燈絲。X射線球管是用于產(chǎn)生X射線的裝置。

所述X射線球管采用上?？祁U維電子提供的KYW800型小功率固定陽極正負(fù)電壓X射線球管：功率80W，陽極電壓80kV，陽極電流1mA，焦點(diǎn)尺寸1mm，鈹窗厚度200μm，X射線輻射角20°，燈絲電壓約2.5V，燈絲電流約2A；采用黃銅外殼封裝，提高了散熱性能和輻射屏蔽性能，采用風(fēng)冷方式，內(nèi)灌絕緣油用于高壓絕緣和冷卻。

所述伺服系統(tǒng)用于調(diào)整單/少像素X射線探測器和樣品的空間位置，由三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺和三軸伺服控制器組成。

所述伺服系統(tǒng)采用賽凡光電提供的7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺及7SC3系列三軸伺服控制器，7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺包括7STA04A牧馬系列電動(dòng)平移臺、7SVA160千斤頂系列升降臺、7SRA1蝸輪系列電動(dòng)載物臺。7S系列三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺通過RS-232串口與7SC3系列三軸伺服控制器連接通訊，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)位移調(diào)整：利用控制器的微步進(jìn)電路設(shè)計(jì)細(xì)分步距角，提高位移分辨率；可以設(shè)置多種自動(dòng)運(yùn)行方案，控制一個(gè)或多個(gè)平臺以不同的速度、位移量、延時(shí)量自動(dòng)重復(fù)完成設(shè)定的動(dòng)作。

所述單/少像素X射線探測器傳感器部分采用日本濱松集團(tuán)制造的16元素硅光電二極管作為傳感器，通過感應(yīng)不同X射線強(qiáng)度將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，型號為S5668-121。雖然單純的硅光電二極管波長響應(yīng)范圍在X射線波長之外，但將該16元素硅光電二極管與CsI(TI)閃爍體結(jié)合起來，就能夠運(yùn)用于X射線檢測與CT成像中。

單/少像素X射線探測器所用硅光電二極管的波長響應(yīng)范圍為340-1100nm，峰值敏感波長為960nm，峰值波長光靈敏度為0.54-0.66A/W。所用CsI(TI)閃爍體的X射線敏感度為6.8nA。每個(gè)元素具有1.175mm*2.0mm的有效探測面積，相鄰間距為1.575mm，整體16元素線性排列在25.4mm長的PCB電路板上，相當(dāng)于共具備了16個(gè)探測點(diǎn)。

所述單/少像素X射線探測器數(shù)據(jù)采集控制電路部分采用ST意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F407作為微控制器MCU，以ADI亞德諾生產(chǎn)的AD轉(zhuǎn)換芯片作為AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，利用MCU自帶的FSMC接口依次讀取S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測點(diǎn)信號，并通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC端，以供后續(xù)CT重建算法使用。

S5668-121硅光電二極管傳感器轉(zhuǎn)換出的16元素探測點(diǎn)信號經(jīng)過信號調(diào)理、采樣保持(S/H)、多路復(fù)用(MUX)等過程將信號輸出連接至AD轉(zhuǎn)換芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入接口，AD轉(zhuǎn)換芯片將輸入接口上的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，同時(shí)并行傳送給MCU以供后續(xù)處理。MCU利用自帶的FSMC(可變靜態(tài)存儲控制器)接口快速穩(wěn)定讀取AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換后的傳感器信號，數(shù)據(jù)傳送效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。MCU將讀取到的傳感器信號通過RS-232串行接口實(shí)時(shí)發(fā)送至PC機(jī)。

AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)置有模擬輸入箝位保護(hù)、跟蹤保持放大器、二階抗混疊濾波器、16位逐次逼近型ADC、數(shù)字濾波器、2.5V基準(zhǔn)電壓源、基準(zhǔn)電壓緩沖以及高速并行和串行接口。采用單電源5V供電，可處理±5V和±10V真雙極性輸入信號，同時(shí)6個(gè)通道均能以200kSPS的吞吐速率采樣。輸入箝位保護(hù)電路可承受高達(dá)±16.5V的電壓。AD轉(zhuǎn)換芯片具有片內(nèi)濾波和高輸入阻抗，無需驅(qū)動(dòng)運(yùn)算放大器和外接雙極性電源供電等特性?？够殳B濾波器的3dB截止頻率為22kHz；當(dāng)采樣速率為200kSPS時(shí)，其具有40dB抗混疊抑制特性。AD轉(zhuǎn)換芯片封裝采用64腳LQFP形式，具有體積小、重量輕、可工作于-40～+80℃內(nèi)的惡劣環(huán)境、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

FSMC(Flexible Static Memory Controller，可變靜態(tài)存儲控制器)是MCU系列中特有的存儲控制機(jī)制。之所以稱為“可變”，是由于通過對特殊功能寄存器的設(shè)置，F(xiàn)SMC能夠根據(jù)不同的外部存儲器類型，發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)/地址/控制信號類型以匹配信號的速度，從而使得STM32系列微控制器不僅能夠應(yīng)用各種不同類型、不同速度的外部靜態(tài)存儲器，而且能夠在不增加外部器件的情況下同時(shí)擴(kuò)展多種不同類型的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對存儲容量、產(chǎn)品體積以及成本的綜合要求。

MCU對AD轉(zhuǎn)換芯片的采樣頻率、過采樣倍數(shù)、采樣信號輸入范圍等參數(shù)設(shè)定好后，就可以啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換芯片對傳感器輸出信號進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換。我們將AD轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換后暫存數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寄存器看成一種存儲器，通過MCU的FSMC接口與AD轉(zhuǎn)換芯片輸出接口相連，分別設(shè)定好地址建立、保持時(shí)間、數(shù)據(jù)建立時(shí)間、時(shí)鐘分頻系數(shù)、FSMC訪問模式等參數(shù)后，就可以使用FSMC接口快速穩(wěn)定讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至PC機(jī)。

通過上述高壓電源、X射線球管、伺服系統(tǒng)(三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺、三軸伺服控制器)、單/少像素X射線探測器的系統(tǒng)我們可以得到利用單/少像素X射線探測器的二維掃描實(shí)現(xiàn)大面積高分辨率CT圖像成像的方法，具體如下所述：

高壓電源與X射線球管相連，使X射線球管產(chǎn)生X射線，X射線照射在待測樣品上，經(jīng)樣品吸收衰減后在單/少像素探測器傳感器上形成不同強(qiáng)度的光強(qiáng)。單/少像素探測器通過RS-232串口線與PC機(jī)的RS-232串口相連，將得到的某時(shí)刻光強(qiáng)經(jīng)過處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并經(jīng)由RS-232串口發(fā)送至PC機(jī)。PC機(jī)上再執(zhí)行半圓周采樣重建算法得到CT圖像。

由于單/少像素探測器只具備16個(gè)探測點(diǎn)，為了得到常用的256*256或512*512乃至更多像素點(diǎn)的CT圖像，我們需要利用伺服系統(tǒng)(三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺、三軸伺服控制器)對單/少像素探測器與待測樣品放置位置進(jìn)行控制，以形成完整圖像。

三軸伺服運(yùn)動(dòng)平臺與三軸伺服控制器相連，三軸運(yùn)動(dòng)控制器通過RS-232串口線與PC機(jī)相連。