（生物医学工程专业论文）基于活体小动物的micro+ct硬软件系统研制与开发.pdf

摘要 摘要 论文题目：基于活体小动物的m i c r oc t 硬软件系统研制与开发 学校名称：东南大学 研究生姓名：张勇 导师姓名：顾宁教授 本文的主要工作首先分析了小动物m i c r oc t 的基本原理，深入研究了小动物m i c r oc t 的系统结构。分析了影响系统空间分辨率和密度分辨率的各种因素，并在此基础上选择最合 适的x 射线源，选择分辨率和量子效率较高的c c d 探测器等作为本系统的核心硬件设备。 设计最稳定和最精确的机械运动平台，并设计最合适的系统结构，使得系统空间分辨率、密 度分辨率以及系统稳定性得到有效提高。考虑到x 射线的危险性，设计了独特的防护结构， 确保使用安全。 在上述硬件系统的基础上，根据小动物m i c r oc t 系统的基本原理，设计了相应的软件 控制系统以及图像采集系统。实现了对x 射线源、载物台及c c d 的控制。实现了图像采集、 归档及预处理等基本功能。做到各个软件模块之间相互独立，软件接口可复用，软件结构易 于调试以及软件系统的稳定性。 针对c c d 可能出现的各种噪声，分析了噪声的成因，提出了有效地解决方法。针对c c d 像元产生的不一致，为此建立了数学模型，提出了相应的校正方法。 最后，针对传统小动物m i c r oc t 系统视野范围较小的缺陷，本文研究了长目标物体扫 描方法，提出了分段扫描、分段重建的方法，并用此方法对小老鼠进行了实验。 关键词：小动物m i c r oc t ；硬件结构；控制系统：图像校正；长目标体扫描 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ha n dd e v e l o pt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fm i c r oc ts y s t e mf o rs m a l la n i m a l i m 硒n g s c h o o l ：s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a u t h o r ：z h a n gy o n g s u p e r v i s o r ：p r o f g un i n g 1 f 1 _ l i sd i s s e r t a t i o nf o c u so nt h eb a s i cp r i n c i p a l so fm i c r oc ts y s t e m d e e p l yr e s e a r c ht h e m i c r oc ts y s t e ma r c h i t e c t u r e v a r i o u sf a c t o r sa r ea n a l y z e dw h i c hi n f l u e n c em i c r oc ts y s t e m s p a t i a lr e s o l u t i o na n dc o n t r a s tr e s o l u t i o n , o nt h i sb a s i s ，t h eo p t i m a ls o l u t i o nw h i c hi n c l u d et h e m o s ts u i t a b l ex - r a ys o u w e ，m o s ts t a b l ea n da c c u r a t em e c h a n i c a lm o v e m e n tp l a t f o r ma n dc c d d e t e c t o r sw h i c hh a v et h eh i g h e rs p a t i a lr e s o l u t i o nc a nb ec h o o s e nf o ri m p r o v i n gt h es y s t e ms p a t i a l r e s o l u t i o na n ds y s t e ms t a b i l i t y t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e d a n g e r so fx - m ys o u r c e ，au n i q u e p r o t e c t i v es t r u c t u r ei sd e s i g n e df o rs a f e l y 嗽 b a s e do nm i c r oc th a r d w a r es y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h em i c r oc ts y s t e mp r i n c i p l e s ，t h e c o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ec o n t r o l s y s t e m a n d i m a g i n ga c q u i s i t i o ns y s t e m w h i c hc a nb e d e s i g n e d i m a g i n gp r e - p r o c e s s i n gf u n c t i o n si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dw h i c ht a l li m p r o v et h e q u a l i t y o fp r o j e c t i o n i m a g e s a n db u i l dt h es o l i df o u n d a t i o nf o rt h et h r e e - d i m e n s i o n a l r e c o n s t r u c t i o n i nt h ef a c eo ft h en o i s eo fc c dd e t e c t o r s , t h ec a u s e so fk i n d so fn o i s ei sa n a l y s i s e d ，t h e e f f e c t i v es o l u t i o nt or e s o l v et h e mi s p r o p o s e d f o rt h ec c dp i x e l sp h o t o r e s p o n c ep r o d u c e d i n c o n s i s t e n t , a n dab e t t e rm a t hm o d e li se s t a b i l i s h e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gc o r r e c t i o nm e t h o d sa r e b r o u g h ta b o u t l a s t l y , l i m i tt ot h el i m i t e dv i e wo ft r a d i t i o n a lm i c r oc ts y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h e l o n g - o b j e c ts c a n n i n gm e t h o d p r o p o s e ds e g m e n t a t i o ns c a n , s e g m e n t a t i o nr e c o n s r u c t i o n i tc a l lg a i n ab e t t e rr e s u l tu s i n gt h i sm e t h o d k e yw o r d s ：m i c r oc tf o rs m a l la n i m a l ；h a r d w a r ea r c h i t e c t u r e ；c o n t r o ls y s t e m ：i m a g e c o r r e c t i o n ：l o n g - o b j e c ts c a n n i n g i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 课题背景及意义1 1 1 1 c t 的产生和发展1 1 1 2m i c r oc t 产生的背景和意义2 1 2 国内外研究现状。3 1 3 论文主要工作和内容4 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计6 2 1m i c r oc t 系统基本原理6 2 2 影响小动物m i c r oc t 系统结构设计的因素7 2 2 1 f d k 重建算法对锥束系统几何结构的要求8 2 2 2 成像系统模糊度的影响。9 2 2 2 1 焦点尺寸对系统模糊度的影响1 0 2 2 2 2 探测器对系统模糊度的影响l l 2 2 2 3 系统复合模糊度1 2 2 2 3 成像系统对比度分辨率。1 3 2 2 4 照射量对成像系统结构的影响。1 3 2 3 小动物m i c r oc t 系统结构的设计1 4 2 3 1 x 射线源。1 4 2 3 2 x 射线探测器。1 4 2 3 3 机械运动系统设计及硬件偏差校正方法1 5 2 3 3 1 机械运动系统设计1 5 2 3 3 2 小动物m i c r oc t 机械系统硬件偏差校正方法1 7 2 3 4 系统防护及框架设计1 9 2 3 4 1 密封盒设计1 9 2 3 4 2 系统框架设计。2 0 2 4 结束语2 l 第三章小动物m i c r oc t 控制采集系统的软件设计。2 3 3 1 控制软件系统设计目标2 3 3 2 控制软件整体设计思路2 3 3 2 1 控制系统主体软件框架。2 3 3 2 2 控制系统软件实施流程2 5 3 3 旋转载物台模块的软件设计2 7 3 4 x 射线源模块的软件设计3 0 3 5 图像采集与处理模块软件设计3 2 3 6 结语3 3 第四章小动物m i c r oc t 投影图像的噪声抑制方法研究3 4 4 1 c c d 探测器噪声产生的原因与分析3 4 东南大学硕士学位论文 4 2 投影图像的噪声抑制方法3 5 4 2 1 暗电流噪声抑制。3 5 4 2 2 系统随机噪声抑制3 6 4 2 3 改进的极值中值滤波。3 7 4 2 4 小波阈值去噪3 8 4 2 5 c c d 探测器光响应不一致性校正3 8 4 2 6m i c r oc t 投影图像综合校正方法3 9 4 2 7 实验结果及分析。3 9 4 3 结语4 0 第五章小动物m i c r oc t 的长目标体扫描方法的研究4 1 5 1 传统m i c r oc t 扫描方法的缺陷与不足4 l 5 2 应用于活体小动物的长目标物体扫描方法研究4 l 5 2 1 长目标物体扫描的基本思路。4 l 5 2 2 长目标物体扫描的具体实现方法4 l 5 2 3 小动物样本的m i c r oc t 实验4 2 5 3 结语4 7 第六章总结及展望4 8 6 1 工作总结4 8 6 2 未来工作展望4 8 致谢4 9 参考文献5 0 附件l 5 3 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 9 6 7 年，g o d f r e yn h o u n s f i e l d ! m 】发明了世界上第一台c t 设备。能够从多个角度拍摄x 片，采集被摄物体的三维信息，在不破坏物体的情况下观察其内部结构。1 9 7 0 年起，国外的医院 和医疗机构开始使用c t 诊断疾病。目前这技术已经广泛的用于各种领域，例如医学、工业以 及材料的等领域。 随着计算机技术的发展，新的成像模式不断出现。超声波成像、放射性核医学成像、 m r i 、计算机x 射线成像( c r ) 和数字减影成像( d s a ) 等技术开始被应用到医学成像领 域中。m r i 用于可以清楚的获得病变的解剖结构信息。正电子发射断层成像( p e t 【3 1 ) 是反 映基因、分子、代谢及功能状态发生病变的显像设备。磁共振成像显微技术( 积m m 】) 作 为一种用于在体研究软组织结构的重要技术，在脑功能成像和基因表现研究上表现出众。 由于小动物和人类基因的同源性，小动物是研究人类各种疾病的重要工具之一。但是限 于传统成像仪器的低分辨率，小动物成像技术发展一直比较滞后。直到2 0 世纪8 0 年代出现 了m i c r oc t 技术，m i c r oc t 具有微米级的空间分辨率，很适合小动物成像研究。并能够以 无损方式精确获得物体的三维结构信息，通过断层重建以及三维可视化等方式表现出来。 i i 1c t 的产生和发展 早在1 9 1 7 年，奥地利数学家r a d o n 就从理论上证明，利用x 射线投影数值可以重建出二 维断层解剖图像或三维图像。按r a d o n 的理论进行图像重建时的数据量巨大，所以直到高速 电子计算机出来后才可能重建出断层数据。 1 9 7 2 年h o u s e f i e l d 研制成功用于临床脑组织检查的第一台头部c t 。此后又出现了全身 c t 、心脏c t 、螺旋c t 、多层螺旋c t 等。c 1 是用x 线束对被检测对象具体部位一定厚度的层 面进行扫描，由探测器接收透过该层面的x 线，转交为可见光后，由光电转换器转变为电信 号，再经模拟数字转换器转为数字信号，输入计算机处理。扫描所得信息经计算而获得每 个体素的x 线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵。数字矩阵可存储于磁盘或光盘中。经数 字模拟转换器把数字矩阵的每个数位转为由黑到白不等灰度的小方块，并按矩阵排列，即 构成c t 图像【6 j 。c t 设备主要由以下三部分组成：扫描部分，由x 射线源、探测器和扫描架 组成；计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；图像显示和存储系统，将 经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或用多幅照相机或激光照相机将图像摄下。 c t 技术经历了快速的发展，主要表现为从原始的第一代演进到第三代和第四代同时存 在和发展的阶段。扫描时间从几十分钟缩短到了几分钟。图像分辨率和清晰度大幅提高。上 世纪8 0 年代，经历了第三代、第四代机型的全面发展和提高的过程。至1 9 8 5 年前后，扫描速 东南大学硕士学位论文 度、重建速度、空间分辨率、时间分辨率以及密度分辨率均大幅度提高，三维重建成为实用 功能。成像和归档方面，开始出现高分辨率的显示仪器。从上世纪8 0 年代末期至今，c t 技 术发展进入了一个新的阶段。1 9 8 9 年产生了螺旋c t 扫描方式，是在滑环技术的基础上引出 一种新的扫描技术，属于在第三代的基础上发展起来的。螺旋c t 大致可分为单层螺旋c t 和 多层螺旋c t 。多层螺旋c t 是在单层螺旋c t 的基础上发展起来的。螺旋c t 以快速扫描成像， 采集容积数据，以及由此带来的多轴面重建、三维重建和回顾性重建等多重优势等，使医学 c t 进入到一个崭新的阶段。 c t 发展到现在，各个方面的性能都得到了很大的提高。主要体现在：1 空间分辨率的 提高，空间分辨率已经从最初的厘米级别提高到亚毫米级别；2 时间分辨率的提高：由于将 机械装置改进为电子束装置，使得c t 的时间分辨率大大提高；3 密度分辨率的提高，密度 分辨率的典型值为o 1 1 之间；4 计算机技术的巨大发展，目前所用的计算机，比起最早 c t 所用到的计算机运算速更快，存储量更大。虽然c t 技术取得了极大的发展，但临床医 用c t 的空间分辨率最高也只有亚毫米级水平，而且密度分辨率和时间分辨率都无法满足人 们对小动物成像的需求。 1 1 2m i c r oc t 产生的背景和意义 传统c t 在临床诊断应用中起到了革命性的作用。然而，在实验室研究小动物时却无法 派上用场，其主要原因在于c t 系统空间分辨率的限制。举例来说，临床c t 扫描人体获得 的分辨率通常为1 m m 3 体素，而对于小动物研究来说其分辨率则应达到5 0ur n 左右。c t 空 间分辨率的提高主要依赖于x 射线源焦斑大小以及c c d 探测器。近年来，球管x 射线源的 焦斑大小已经可以做到微米级。c c d 探测器的分辨率也已经达到千万像素级别。计算机运 行速度和内存容量的飞速提高，使得获取小动物高分辨率的c t 图像成为可能，而这种c t 就是通常意义上的微型c t ( m i c r oc t ) 。m i c r oc t 被定义为测定体素的空间分辨率小于1 0 0 l im 的c t 系统，该级别的空间分辨率使得系统的采样体积小于l n l ( 1 0 母l ) 。 m i c r oc t 一般包括：l 、x 射线源：2 、三自由度载物台：3 、c c d 探测器。m i c r oc t 的基本原理是：x 射线源连续的产生锥形束x 射线，穿过载物台上的被测物体，在探测器 上成像。探测器后端连接电脑数据采集系统，直接将图像数据读入到电脑中。这时电脑获得 的是旋转载物台上的样本在某一角度下的二维投影图像。旋转载物台转到下一个角度，得到 第二个角度下的二维投影图像。如此旋转一周，依次得到被测样本在不同角度下的二维投影 图像序列。对得到的投影序列根据需求进行图像预处理，之后，对投影图像序列进行断层重 建，得到断层图像序列。将断层图像序列使用各种可视化方法显示出来。 m i c r oc t 已经被大量应用于对小动物成像的研究。早期的m i c r oc t 就被应用于骨质疏 松症和骨关节炎潜伏期动物模型中骨骼结构和密度的研究。m i c r oc t 尤其适合应用于骨密 度测量，这是由于骨骼与软组织之间具有很高的信号差异。而有些研究小组已经将m i c r o c t 技术用于无损检测骨小梁结构。m i c r oc t 还被应用于获取实验中被植入肿瘤的大鼠骨小梁 2 第一章绪论 的3 d 结构。m i c r oc t 已经成为精确测量骨体视学、体积和微结构中变化的一种精确的工具。 近来，m i c r oc t 被用于微小结构模型研究，从而离体和在体计算骨小梁的弹性。由于m i c r o c t 技术是无创的，所以也被用来测量完整样本在被压缩时的张力。m i c r oc t 的应用也不仅 仅局限于潜伏期的研究，还可以应用于离体的人类骨样本微结构的分析。在骨质疏松症研究 中，科学家们使用离体m i c r oc t 系统对假手术和切除卵巢的大鼠进行成像。类似的3 d 数 据能够很容易地重构出冠状、径向或横向的显示位面，从而对骨矿物质组成和骨的结构进行 研究。这就意味着m i c r oc t 可以用来改善医学影像的空间分辨率，m i c r oc t 将对2 l 世纪 的临床医学产生巨大的影响。 1 2 国内外研究现状 早期的用于小动物成像m i c r oc t 系统典型的配置原理图如下。 8 u b j e c t 0 只a y o u r c e 图1 1 早期的m i c r o c t 系统结构 被照射物体放在旋转载物台上，而旋转载物台放在x 射线探测器和x 射线源之间。上个世 纪8 0 年代，可用的x 射线探测器像元巨大，以至于无法提供用于小动物成像的所需的较高 的空间分辨率。后来x 射线胶片取代线状探测器结构，x 射线胶片被处理和数字化，这样 可以在用于重建小动物器官中获得较高的空间分辨率( 1 5 0 i _ t m ) 。1 9 8 4 年，b u r s t e i n 7 1 等发文 章称：研制出使用9 0 k v 电压的x 射线源和每行5 1 2 个像元的线性x 射线探测器阵列的m i c r o c t 。之后，面阵列探测器取得了巨大的发展，分辨率得到了很大的提升。1 9 8 4 年f e l d k a m p l a 等提出了著名的锥型束重建算法如k 算法i s ，f d k 算法为锥形束m i c r oc t 的发展 奠定了坚实的基础。在1 9 8 7 年f l 趴n e 巧【9 悃同步x 射线源作为射线源，使用带闪烁体的二 维c c d 探测器作为接收屏，在此基础上开发了一套m i c r oc t 系统。同一时期，福特汽车公 司研究院也研制出应用于工业领域的m i c r oc t 系统，该系统使用球管x 射线源和图像增强 器作为核心部件。该系统首先被用于研究有关节炎的猪软体骨结构【1 0 1 ，人的多孔骨结构【1 1 l ， 以及骨小梁结构【1 2 】等。 上世纪9 0 年代至今，大量研究者及研究机构开发出了各种用途的m i c r oc t 系纠1 3 - 2 0 。 3 东南大学硕士学位论文 这些系统中大部分使用c c d 探测器，微焦点球管x 射线源等。可以重建的图像分辨率从2 0 m i c r o n s 到1 0 0 m i c r o n s 。1 9 9 9 年美国能源部橡树岭国家实验室研发出了性能较高的m i c r oc t 系统，该系统的分辨率可以达到5 0l im ，拍摄1 0 2 4 平行投影数据需2 - 3 分钟，采集3 6 0 度信息需1 5 分钟乜2 0 0 3 年s a n gc h u ll e e 池1 等人在p h y s i c si nm e d i c i n ea n db i o l o g y 上发表了使用平板探测器的微型c t 系统，该探测器的分辨率为7 1 p m m 。2 0 0 5 年，比利时 s k y s c a n 公司提出了纳米级断层成像的概念并成功研制出纳米级的c t ( n a n o - c t ) 。此后关于 显微c t 的报道层出不穷，技术日趋进步。系统空间分辨率从微米级到亚微米级再到纳米级， 重建时间从几十分钟缩短至几分钟。 目前国外已有商业化的小动物m i c r o c t 产品，如比利时s k y s c a n 乜3 1 公司生产的m i c r o c t s k y s c a n l l 7 2 、s k y s c a n l l 7 3 、s k y s c a n l l 7 4 、v i v os k y s c a n l 0 7 6 以及n a n o - c ts k y s c a n 2 0 1 1 等产品：瑞士s c a n c o 公司生产的用于对活体小动物进行成像的v i v a c t 4 0 、v i v a c t 7 5 以及 x t r e m ec t ；g e 哺公司的e x p l o r el o c u ss pp r e - c l i n i c a ls p e c i m e nm i c r oc t 等，但这些 设备大多价格昂贵。 国内方面，华中科技大学防圳是较早研究活体小动物微型c t 的单位，他们是在x 射线 数字摄像( d r ) 的基础上进行改进，系统的空间分辨率达到1 0 1 p m m 。2 0 0 8 年8 月份，中科 院深圳先进技术研究院他的也上马了m i c r oc t 的项目，不过未有相关成果的报道。总之，国 内研究活体小动物m i c r oc t 只是刚刚起步，生产m i c r oc t 的公司更是一片空白。这显然很 不利于显微c t 技术在国内发展和应用的。 1 3 论文主要工作和内容 本文研究了小动物m i c r oc t 的背景意义、基本原理、系统性能指标、系统结构、系统 性能优化、图像校正及系统应用等内容。根据m i c r oc t 特点，探讨如何在条件允许范围内 提高系统的空间分辨率、密度分辨率及时间分辨率；研究相应的图像处理方法，在不影响扫 描速度的前提下，改善图像质量；研究适用于活体小动物的长目标扫描方法，实现了小动物 的应用研究等。本文的主要内容将围绕从理论到实践的思路展开，包括如下章节： 第一章：绪论主要介绍了本课题开展的背景意义及国内外现状。简要论述医学成像技 术、c t 技术及m i c r oc t 技术的发展。 第二章：本章主要研究了m i c r oc t 的系统基本原理，设计了系统的几何结构。研究影 响系统性能参数的各种指标：包括空间分辨率和密度分辨率等。并在此基础上设计旋转载物 台、机械运动系统。根据f d k 算法对锥柬系统结构的要求，不断调整系统的运动参数及几何 结构。针对x 射线额有害性，设计了独特的防护系统，确保安全使用。 第三章：本章主要论述了m i c r oc t 控制系统主要模块的软件实施流程及图像采集系统 的整体流程。包括对x 射线源的控制，旋转载物台的控制及图像采集软件的实现。 第四章：本章主要论述m i c r oc t 系统中c c d 探测器的图像校正方法研究，包括c c d 探 测器的噪声抑制及响应不一致校正。 4 第五章：本章研究了用于小动物的长目标体扫描方法，并应用该方法研究小老鼠的 m i c r oc t 图像。 第六章：对全文内容做出总结，并对后续工作做出展望。 、 5 东南大学硕士学位论文 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计 小动物g i c r oc t 系统性能的主要指标：包括系统的空间分辨率、密度分辨率、扫描时 间以及重建时间等。本章将从影响空间分辨率和密度分辨率的因素入手，研究与之相关的小 动物m i c r oc t 的系统结构设计及系统性能评价等。着重论述小动物m i c r oc t 的基本原理、 几何结构、机械运动平台、系统硬件偏差校正、防护设计、系统框架等。 2 1 g i c r oc t 系统基本原理 小动物m i c r oc t 主要由三部分组成：l 、x 射线源；2 、旋转载物台；3 、x 射线探测器 等。m i c r oc t 基本原理是x 射线源连续的产生锥形束x 射线，穿过载物台上的被测物体， 在探测器上成像。探测器后端连接电脑数据采集系统，直接将图像数据读入到电脑中。这时 电脑获得的是旋转载物台上的样本在某一角度下的二维投影图像。旋转载物台转到下一个角 度，得到第二个角度下的二维投影图像。如此旋转一周，依次得到被测样本在不同角度下的 二维投影图像序列。对得到的投影序列根据需求进行图像预处理，之后，对投影图像序列进 行断层重建，得到断层图像序列。将断层图像序列使用各种可视化方法显示出来。图2 1 为 m i c r oc t 的基本原理图。 画国画 6 - 可视化 5 断层 图2 1 小动物m i c r o c t 原理图 小动物m i c r oc t 一般采用两种设计结构：立式结构如图2 - 2 和机架式结构如图2 3 。 6 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计 图2 - 2 立式结构：l 、载物台，2 、c c d 探测器，3 、x 射线源，4 、p c 机 图2 - 3 机架式结构：l 、c c d 探测器，2 、x 射线源，3 、载物台，4 、步进电机，5 、 机械运动平台 由于机架式结构对机械运动系统要求很高，要求系统有较高的精确性和稳定性，故机械 层面较难实现；立式结构则实现相对容易，故本系统采用立式结构设计。 2 2 影响小动物m i c r oc t 系统结构设计的因素 小动物m i c r oc t 系统结构设计的目标就是尽可能获得较高的系统性能参数。小动物 m i c r oc t 系统的性能指标主要表现在系统的空间分辨率和密度分辨率。空间分辨率主要取 决于系统的复合模糊度，模糊度又取决于x 射线源的焦点尺寸、探测器的像元大小以及系 统的几何结构等因素；密度分辨率则主要取决于x 射线的照射剂量、x 射线光子能量以及 探测器的像元大小等。 首先微型c t 系统结构应能满足f d k 算法对系统结构的基本要求。其次设计一个好的 小动物m i c r oc t 系统须有较高的空间分辨率和较高的密度分辨率。 7 东南大学硕士学位论文 影响空间分辨率的主要因素包括： l 、x 射线源焦斑大小： 2 、x 射线探测器的分辨率，闪烁体的转换效率和闪烁体分辨率等； 3 、系统几何结构，物体放大倍率； 4 、机械运动平台精度： 5 、重建算法： 影响密度分辨率的主要因素； l 、x 射线光子能量： 2 、x 射线源管电流； 3 、x 射线源的光子辐射密度； 4 、c c d 分辨率； 5 、机械转台的旋转稳定度： 6 、被照射物体的厚度； 2 2 1f d k 重建算法对锥束系统几何结构的要求 如图2 _ 4 所示为理想的锥束c t 系统的几何结构。与探测器平面垂直的x 射线称为锥束 的中心射线，与探测器垂直并通过射线源焦点的平面称为中平面。根据f d k 算法原理，f d k 算法对c t 系统的几何结构有如下要求： l 、旋转轴与中平面垂直，同时与探测器像元阵列的列方向平行，与其行方向垂直； 2 、过射线源焦点做垂直于探测器平面的直线，该直线经过旋转轴； 3 、旋转轴的转动保持稳定，即在转动时，转轴始终和中平面保持垂直； 4 、第二点所述的垂线在探测器平面的焦点是用于f d k 重建的投影图像中心： 5 、f d k 算法要求，知道射线源到探测器的距离，射线源到载物台转轴的距离，以及射 线源在探测器上投影点的坐标； 本文主要从硬件设计角度考虑以上问题的解决。 r f d 8 再o ，0 ) 探测鑫平面 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计 图2 - 4 理想锥束c t 系统的空间坐标系和探测器平面坐标系 如图2 4 所示，以旋转轴和中心射线的交点为原点建立系统坐标系( 础力，旋转轴为z 轴，射线源与旋转轴的垂线为x 轴，水平方向为y 轴。在理想条件下，源到探测器的垂线和 源到旋转轴的垂线在同一条直线上，都在x 轴上。在探测器平面上建立坐标系“v ) ，探测器 左上角点为原点，射线源在探测器上的投影坐标为( v o ) ，“轴为像元矩阵的横向方向， ， 轴为像元矩阵的纵向方向。理想条件下，甜轴平行于y 轴，轴平行于z 轴。对于理想的几 何结构现在定义如下几个参数： 1 u o ：中心射线与探测器平面的交点的水平位置： 2 砌：中心射线与探测器平面的交点的竖直位置； 3 r f d 射线源到探测器平面的距离； 4 r n 射线源到旋转中心( 原点) 的距离： 实际设计的系统都会存在偏差的，如果这些偏差不会随着时间而改变，那么就叫稳定性 偏差。则这种偏差是可以校正的，校正方法分为算法校正和硬件校正。 2 2 2 成像系统模糊度的影响 在小动物m i c r oc t 系统设计过程中，系统的空间分辨率是首要考虑的问题。空间分辨 率是指成像系统区分或分开互相靠近的物体的能力。 一个特定成像过程的分辨能力取决于成像模糊度。通常由小物点的模糊图像的线度表示 物点图像的模糊程度。图像呈现模糊时，单个物体的图像就开始连在一起直至互相分割的物 体不能在区分。对于要能分辨的物体，它们分离的距离必须按成像的模糊度成比例的增加， 也就是图像越模糊，也就是系统的分辨率越差。通常影响系统的模糊度【2 9 l 的因素包括以下 几个：l ，x 射线源焦斑尺寸；2 、探测器的分辨率：3 、物体的放大倍率；4 、物体的运动模 糊。 9 东南大学硕士学位论文 图2 - 5 小动物m i c r oc t 几何结构 图( 2 5 ) 是小动物m i c r oc t 的立式几何结构图：射线源和探测器位于两边，物体位于 中间。x 射线源到载物台的距离为丸，载物台到探测器的距离为九 在x 射线图像形成过程中，若物体离探测器有一定距离的话，图像通常是被放大的。 放大量或放大率定义为： 肘：盘盘( 2 1 ) d 盥 通过物体向射线源方向移动、向探测器方向移动或改变x 射线源到探测器的距离可以 调整物体的放大倍数m 。 2 2 2 1 焦点尺寸对系统模糊度的影响 在x 射线成像系统中，焦斑通常都有一定几何尺寸的。x 射线源的焦点不是理想的点 或x 射线束不是平行x 射线束会造成图像边缘的模糊，从而影响成像系统的空间分辨率。 1 0 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计 焦点铰小 只有本影 图像清晰 焦点较大 有半影 圈像模糊 图2 - 6 焦点尺寸对图像模糊度的影响 焦斑对模糊度的影响主要在于较大的焦斑会存在本影或半影的问题，焦斑越大形成的半影就 越大，半影越大图像越模糊。 x 射线源焦斑和图像模糊度之间的关系可以用以下公式来描述【3 0 】： a f ：等巧，删 ( 2 2 ) m h ”m a f 为焦点引起的图像模糊度，m 为物体放大倍数，一删为物体焦斑大小。从以上 关系可以看出，要得到较高的分辨率应使m 的值无限接近于l ，理想情况是与探测器平面 重合。实际上旋转载物台无限靠近探测器，那么所成影像将不受x 射线源尺寸大小的影响。 这时候系统的空间分辨率就依赖于c c d 探测器的分辨率了。 2 2 2 2 探测器对系统模糊度的影响 x 射线成像系统的像素间距也是影响系统模糊度的主要因素之一。探测器的像素间距为 x d ，图像的模糊度可用以下式子表示【3 1 1 。 饬= 髟万1 ( 2 3 ) 饬表示由探测器所引起的图像模糊度，m 表示系统放大倍数。当探测器确定，饬受放大倍 率m 的影响。载物台向x 射线源方向移动，将使物体的放大倍数m 增大，图像将会变得清 晰。当然放大倍数也不可能无限的增大，随着载物台向x 射线源方向移动，由于x 射线源 的锥角固定，导致系统的视野将会变小。所以应该在保证系统视野的前提下，适当提高放大 倍数。 东南大学硕士学位论文 2 2 2 3 系统复合模糊度 由于在采集图像数据时，物体是处于静止状态的，所以物体的运动模糊可以忽略。此时 系统模糊度为焦点模糊和探测器模糊所形成的复合模糊。 在射线源和探测器确定的前提下，前面提到的焦点和探测器这两种模糊源产生的模糊度 取决于物体所处的位置。对大多数系统来说，总会找到一个模糊度最小值。系统的复合模糊 度定义为【3 2 1 ： 广。- = 。 置删= b 厂2 + 饬2 ( 2 4 ) 表示系统的复合模糊度。本系统中使用到射线源的焦斑大小取在4 w a t t ，4 5 - 1 3 5 k v 时为7 p r o ，c c d 探测器的像素大小为9 m 。根据公式( 2 2 ) 、公式( 2 3 ) 和公式( 2 4 ) 得 出系统在焦点尺寸和探测器分辨率确定的前提下系统模糊度随系统放大倍数变化的情况。图 ( 2 - 7 ) 为系统模糊度随系统放大倍数变化的情况。可见，焦点所引起的系统模糊和探测器 做引起的系统模糊基本相当。当减小放大倍数时，焦点所引起的模糊度改善，而探测器引起 的模糊度升高。两条曲线有个焦点，就是系统复合模糊度最理想的点，经计算此处的放大倍 数2 2 5 左右。估算出系统的分辨率为5 5 5 2 5 i l m 。 图2 - 7c c d 的系统模糊度随放大倍数的变化情况 b t 曲线表示复合模糊度随系统放大倍数的变化情况，b d 曲线表示探测器模糊度随系统 放大倍数的变化情况。b f 曲线是焦点模糊度随系统放大倍数变化情况。 第二章小动物m i c r oc t 系统的硬件结构设计 2 2 3 成像系统对比度分辨率 对比度是c t 图像表示不同物质密度差异、或对x 射线透射度微小差异的量。表现在图 像上像素间的对比度。对比度的定义如下1 ： i _ 筹i 1 0 0 眨5 ， 式中a 、b 为不同物质的c t 值。 这里c t 值定义为【3 1 】： c t ：= 2 0 b j e a - 2 w a t e r1 0 0 0 ( 2 6 ) p 船 对比度分辨率是c t 表现不同物质密度的能量，通常影响对比度的因素包括x 射线能量、 x 射线光子密度、被照射物体厚度、探测器的分辨率以及噪声水平等。 系统的对比度分辨率可用下式来表示： 6 ，t k 三- = c r ( 2 7 ) 这里磊r 为c t 测量值的标准差，d 为被照射物体厚度，为依赖于x 射线能量的线性衰减 系数，n 为进入系统视野的光子数，a x 为x 射线探测器的像素大小。 从以上公式可以看出。当被照射物体材料且厚度一定时，减小管电压，致使x 射线能 量降低。这时候x 射线被吸收的比较多，分辨率较好。当管电压较高，x 射线较硬时，x 射线被吸收的少，这时候对比度分辨率就比较低。所以在照射某种物体时总有一个最优的x 射线能量，能使对比度分辨率最佳。当然，随着物体厚度的增加，最优x 射线能量也会增 大。 2 2 4 照射量对成像系统结构的影响 x 射线源到探测器的距离影响系统的密度分辨率。如果x 射线源到探测器距离变大，意 味着系统放大倍数可提高，空间分辨率可通过放大倍数来改善。但是探测器上接收到的有效 光子密度会大量减少，导致图像动态范围不够，影响系统的密度分辨率。所以找到一个合适 的距离也是设计系统时要考虑的问题。 当x 射线源向外辐射能量时，总的辐射量并未变化，但它的浓度在减小。在任何给定距 离上浓度反比于射线束所覆盖的面积，而射线束所覆盖的面积正比于离源距离的平方。因此 可推断辐射的浓度与离源距离的平方成反比。 4 f 凡= ( 2 8 ) 一 冗d ，为照射面积上的光子密度( 光子流量) ，为x 射线源的总照射量单位为伦琴( r ) ，d 东南大学硕士学位论文 为x 射线源到c c d 探测器的距离。取一帧图像的曝光时间为1 s ，在管电压为1 3 0 k v 下，电 流为6 0 u a 的情况下，x 射线源照射量为0 3 7 r 。c c d 探测器闪烁体材料为碘化铯，i m e v 的x 射线光子经过碘化铯转化后，可输出大约2 8 5 0 0 个可见光光子，转化后的可见光光子的波长 为5 5 0 n m 。在输入光波长为5 5 0 r 皿的条件下，c c d 探测器的量子效率为0 1 3 。5 5 0 n m 波长的 单光子能量约为3 6 e v ，c c d 探测器单像素满阱电荷容量为6 0 0 0 0 e v 。c c d 探测器的分辨率为 4 0 0 8 x 2 6 7 2 。则经过计算得出最优的x 射线源离探测器的距离约为1 7 0 m 。 2 3 小动物m i c r oc t 系统结构的设计 小动物m i c r oc t 系统结构设计要考虑尽可能的提高空间分辨率和密度分辨率。x 射线 源的焦斑和c c d 的像素间距直接影响图像分辨率。锥柬系统的几何结构、机械运动系统以及 载物台的精度和稳定度也会影响m i c r oc t 的性能。考虑到x 射线的有害性，设计尽可能安 全的防护框架等。 2 3 1x 射线源 根据2 2 节的结论，x 射线源的焦点大小直接影响小动物m i c r oc t 系统的空间分辨率。 而x 射线源的辐射锥角，x 射线源的功率，以及x 射线源自身的结构都会影响小动物m i c r o c t 系统结构的设计。 小动物组织细胞通常都在5 0 姗左右，这就要求系统的空间分辨