平移计算机体层拍片技术:一种新的数据采集方案

平移计算机体层拍片技术:一种新的数据采集方案

1。介绍

今天,在非医学应用中,例如X射线计算机断层扫描(CT)被广泛用于工业非破坏性测试(NDT),或作为一种工具,在研究和开发发展实验室[1,2]。虽然,各种CT数据采集的方法已被开发出来,以满足不同的应用,今天,所有的系统的基础上的对象的旋转。可替换地,这可以通过以下来实现对象周围的旋转检测器和X射线源的,但数学上这两种方法是等效的。

图1:经典的平行光束的几何形状的计划。 CT成像的常规数据采集需要传输测量从至少180°的视角。在工业的非破坏性测试,通常的X-射线源和相应的检测器是固定的并且该对象是旋转机械之间。

在图所示的CT原则。 1,最简单的实现,经典的反中旋转的数据采集方案。为了提高扫描速度,今天大多数系统中使用一个扇形束型或什至锥形束几何结构,和一个单一的旋转过程中,通过采用多行或平板探测器获得一个以上的片(一个全面西伯引入计算机断层扫描一般,见[3])。

一个众所周知的替代的物理真实的3-D图像重建是一个高科技多米尼克的称为数字断层合成这需要一个共平面的运动的X射线源和检测器的对象的每一侧上。虽然获得的图像,以及角度的数目是有限的,最小化的数据采集过程中断​​层合成测量urement(比较的旋转的3-D CT),将所得的图像质量是相应地恶化,和最经常,断层合成是不为一个全面的3-D CT的等效替代。

然而,在现实中有许多物体,这是可取的是在审验通过X-射线CT,但不容许的旋转运动,例如像非常沉重的观测对象不能被访问从各个方向。比如,这样的对象可以是一个管,定位在建筑物拐角(图2)或位于的壁内的电缆通道。

图2 - 左边:A管位于在角落里的一个房间。此对象是不可访问传统的180°的视角的数据采集的X-射线源和检测器旋转。如果有足够的剩余空间之间的配管和插入一个薄的线性检测器阵列或平板检测器,一个平移的CT数据采集,如在这方面的贡献提出的壁,是可行的。右手边:虚拟仿真研究中,研究横截面。灰色圆圈表示一个大的管小管内,绿点标记的电缆。内部的细节,如裂缝,钻孔或丢失的电线也包括在内。

2。材料与方法

在本文中,我们提出了一个新的数据采集方法称为翻译周志武CT [4]。

的直链状,仅平移运动的X射线源(图3)的基础上,这个新技术。鉴于源XS的某个距离的对象,每个检测器的位置y定义一个不同的的射线角度θ相对于该对象。这允许用于获取一组不同的视角。或者,从一个单一的检测器位置中,每个源间的距离对应的另一个投影。歧管的不同的源到对象的距离为透射图像记录后的单个数据集被合并排序ac-盘带他们的角度取向的射线。由此,叔坐标描述的最短距离的透视中心测量(FOM)的字段。

这种新方法是来自观察两者的方向(角度)的最短距离的各射线相对于对象的变化,如果该距离之间的X-射线源和探测器被修改。换句话说:由一个或多个直线运动的X射线源的旋转运动被取代朝向该ob对象要被检查。

新的平移数据采集方案的数学描述中2-D平面由以下两个公式:

首先,有光线角θ,源位置Xs和关联的检测器通道y之间的关系的。

其次,距离t射线角度和源位置的函数给出。

每个单一的光线被定义的两个参数,t和θ。使用的两个方程,完整的参数空间的区域内的,其上覆盖的平移运动,可以被确定。

图3:数据采集与线性平移源只计划。营业外支出相比要少得多的旋转设置。检测器(绿色垂直线)被固定在物体后面的。的蓝色圆圈(半径RM)表示该字段的测量(FOM),它包围的横截面,其内的任何对象。从红色的箭头可以看出,通过对象的变化作为管的光线行进的角度移动朝向或远离该对象。

击中在精确的90°的检测器的表面被称为射线的X-射线源(在此被定义的x方向)的中心射线。不改变,而源被翻译的中心光线的角度相对于固定对象,因此没有附加的信息被获取。故意的,中心射线被转移​​到的边缘的FOM。的序列,中央射线下的地区预计将产生的图像质量最差性。另外,这是显而易见的,翻译周志武唯一的运动可以通过以下来实现的角度范围内的光线被限制到小于90°,​​在一个无限长的检测器的限制,和源极相邻对象的位置(XS = 0 )。图。 4。这表明其实这件事。

图4:θ - T-图展示的一部分,完整的数据范围需要重建的一个片(正弦图)。如果在0°和180之间的每个角度°射线测量领域的中心的距离应在-1和+1之间变化。一个单一的翻译,在180°的窦腔X线照相的有限的一部分将被充满。原则上,一个单一的翻译不能提供所有的角方向180°以内

为了克服这种内在的弱点,平移的方法,我们实施加一个扩展的数据采集方案,采用两个译本(图5)。

图5:直向前延伸的平移方法。的平移运动施加两次,用90°的角度偏移。第二个翻译产率数据中的间隙为90°和180°之间的角度。

虚拟数据产生一个幻象,它类似于一个数的详细内管,例如:较小的管道或电缆(图2)。的X-射线源的每个线性平移期间,200的位置进行采样,与0.1间距相对于被取为单位:RM = 1的FOM半径。因此,源到对象的距离的0和19.9之间变化,这是相当于约10倍的直径的对象。虚拟检测器是模拟具有512像素和0.01像素到像素的增量。因此,检测器的线性尺寸是相当于对象的直径的约2.5倍。在两个直线运动(图4),的情况下,都具有相同的参数,如上述那样进行了模拟。

了一套完整的数据,为了比较,在平行光束的几何形状(图1)进行了模拟。明确地说,对于每一个200的角度位置在180°范围内的FOM(直径2以任意单位)的衰减档案中采样256平行光线与显示的距离为0.01。进行重建一个完整的180°的数据集,以及与减少的角度范围为120°和90°度,以比较的图像质量的退化,与各自的结果为平移技术。

对于图像重建一个国家的最先进的ART(代数重建技术)算法被用来在整个研究[5]。从图。四是显而易见的,一个直接的滤波反投影做法只会导致图像质量较差,由于内在的不完全的投影数据。所有的图像具有256×256像素的像素大小0.01 0.01相对的FOM。

3。结果

图5显示的重建从传统的平行光束的几何形状的旋转为主的数据采集。完整的180°的角度范围内的图像质量是每完美的,而快速降解减少至120°和90°的范围内时。利用的角度范围内,可以直接看见从轮廓的最外管的壁。

与180,120度和90度的角度范围,分别为(从左至右)由平行射束数据的重构。所有的图像重建代数重建技术与艺术。

显示了各自的成果转化CT技术翻译90°角偏移分别只有两个译本。

从平移期间获得一个翻译(0°,左手侧)的数据,并在两个正交的方向中的翻译(0°和90°,右手侧的重构)

显然,由一个单一的翻译得到的图像质量是不够的(图7中,左手侧)。通过添加第二个翻译,与源运动方向偏移90°,图像质量改善显着(图7,右侧)。作为预先预测的,最少的信息可以来自沿中央光线(左上角)的。除了这一点,模拟束的四乘四电缆描绘清楚(左侧),以及较大的管包括狭缝和孔(右下)。

在这一点上,有必要强调的是,同样的标准适用于所有数据集ART重建。然而,尚未作出任何适应或平移的情况下优化。然而,有两个翻译所取得的结果是已经媲美的旋转约90°的角度范围内,根据本研究中所用的参数,这是相当于100突起。

4。总结与展望

我们已通过模拟所示的横截面成像,基于CT透视源只与翻译类型运动侦察结构是可行的。没有旋转的对象或设备,我们能描绘出的边的一个大管子的大部分地区内的细节。

它必须指出,根据检查对象的详细信息中的,其特征在于,相对于背景的高对比度。重建构造像素的定量解释仍然是一个有点难度。

最简单的方法,数据采集,本文提出,应使2-D和3-D成像的这些对象普遍认为,这是无法访问的CT测量测量,例如:在近距离到其他对象或结构内的墙壁或大型机械的管道。 3-D转化CT成像的扩展,使用2-D平板探测器是不言而喻的。

当然,我们的新的技术可以用于在所有的情况下,包括那些,其中该ob对象是来自各方面的访问,但转动的机械设置是很难实现的,例如在实地测量的管道,发电机,电缆通道或电气设备。由于平移设置是简单和直接的(参见图8),它可以是优选的机械更复杂和昂贵的旋转设置。一个特别广阔的应用前景,转化CT检查是3-D的集装箱,这是典型的过大,过重,可旋转。

建议设置为系统实现了翻译CT方法。调整的设置是简单和直接的。由于一个典型的平移轴线(1)的线性度是非常准确的,主要的问题是源运动方向正交的平板检测器的取向。

尽管如此,com-削减到一个完整的平行光束的数据集,在旋转180°后的对象或在X-射线源和检测器,分别测量由平移CT方法实现的图像质量更糟糕的是。

未来将作出努力,在提高CT重建structions翻译质量的探索多种方式:

建议设置为一个系统,实现了翻译CT方法。

进一步的数学分析的平移数据采集的帮助以优化扫描参数。由于模拟研究的结果是非常令人鼓舞的,目前的努力目标的规范和实现的原型转化CT系统。其新颖的功能将探讨在各种应用中,特别是在检查的部分,这样的飞机的尾翼和旋转的CT数据采集的电梯无法评估。此外,应用程序的翻译CT进行测试的问题在土木工程领域是非常有前途的,太。

 

参考文献

[1] T.福克斯,T.舍恩,R.汉克等人,“定量CT作为一种工具,用于工业检测方面的进展,”欧洲会议材料与结构在航天2008,26 - 2008年5月27日VDI Berichte 2028 425-430页。

[2] T. Fuchs和R.汉克,“任务驱动设计,工业检测的X射线系统,”IEEE核科学研讨会和医学影像会议,NSS / MIC 2008年,德累斯顿,德国,19 - 25 2008年10月;第523 - 527页

[3] AC革新和M.斯莱尼“的原则计算机断层成像,”清华大学出版社,1988

[4]欧洲专利申请中

[5] G.戈登,等人,“代数重建技术(ART)的三维电子显微镜和X-射线摄影”,J. Theoret。生物学。 29(1970年),第471-481页。


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