螺旋计算机断层成像

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利申请

加(10)申请公布号CN110376223A

(43)申请公布日2019.10.25

(21)申请号201910337466.3

(22)申请日2014.03.31

(30)优先权数据

61/808,4242013.04.04US

(62)分案原申请数据

201480019227.92014.03.31

(71)申请人伊利诺斯工具制品有限公司

地址美国伊利诺伊州

(72)发明人约瑟夫•施勒希特埃里克•弗雷

朱丽安•诺埃尔

(74)专利代理机构上海脱颖律师事务所31259

代理人脱颖

(51)lnt.CI.

GO1N23/046(2018.01)

权利要求书3页说明书11页附图13页

(54)发明名称

螺旋计算机断层成像

(57)摘要

用于螺旋计算机断层成像的X射线成像系

统，该X射线成像系统可包括X射线发生器、一个

或多个辐射探测器、旋转平台、线性平移平台、运

动控制系统，以及数据获取系统。所述旋转平台

具有旋转轴，所述旋转轴设置成垂直于由X射线

发生器发射的X射线束的轴。所述线性平移平台

可配置用于沿着与所述旋转平台的所述旋转轴

对准的轴线性地移动所述旋转平台。所述运动控

制系统可同步化所述旋转平台的旋转运动和所

述线性平移平台的线性运动。所述数据获取系统

可包括配置用于接收用户输入参数的处理器。所

述处理器可至少部分地基于所述用户输入参数

v来配置所述X射线成像系统以获取射线照片。所

星述处理器可从所述射线照片生成三维图像。

3

Z

g

g

CN110376223A权利要求书1/3页

1.一种X射线成像系统,所述X射线成像系统包括：

X射线发生器；

辐射探测器；

旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转轴设置成垂直于由所述X射线发生器发

射的X射线束的轴；

线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台的所述旋转轴设置的运动

轴；

运动控制系统，所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平

台的线性运动；以及

数据获取系统，所述数据获取系统包括一个或多个处理器,所述处理器配置成：

输出用户界面(UI)；

经由所述用户界面接收多个用户输入参数，所述多个用户输入参数包括线性扫描范

围、螺距以及螺旋组高度，所述线性扫描范围指示物体的高度；

至少部分地基于所述线性扫描范围、螺距和/或螺旋组高度来确定螺旋计算机断层

(CT)扫描期间待执行的螺旋组的总数目，所述螺旋组中的每组为螺旋中的若干连续旋转,

所述连续旋转的投影射线照片具有给定百分比的竖直重叠；

至少部分地基于所述多个用户输入参数来配置所述数据获取系统，以在所述螺旋计算

机断层(CT)扫描期间从所述辐射探测器获取射线照片；以及

至少部分地基于所述射线照片生成所述物体的三维图像，所述物体在所述旋转平台

上。

2.根据权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述辐射探测器包括平板辐射探测器。

3.根据权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述X射线发生器提供能量范围为20keV

到600keV的X射线。

4.根据权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述辐射探测器包括透镜耦合的高分辨

率X射线探测器。

5.根据权利要求4所述的X射线成像系统，其中所述透镜耦合的高分辨率X射线探测器

具有在0.1微米到10微米的范围内的像素大小。

6.根据权利要求5所述的X射线成像系统，其中所述辐射探测器进一步包括平板探测

器，所述平板探测器具有在从25微米到300微米的范围内的像素大小。

7.根据权利要求4所述的X射线成像系统，其中所述辐射探测器进一步包括平板探测

器，并且所述透镜耦合的高分辨率X射线探测器和所述平板探测器在所述X射线成像系统之

中可切换。

8.根据权利要求1所述的X射线成像系统，其中所述辐射探测器包括线性二极管阵列型

辐射探测器。

9.根据权利要求1所述的X射线成像系统，其中：

所述数据获取系统进一步配置成至少基于所述线性扫描范围来计算所述多个用户输

入参数中的另一个用户输入参数，

其中所述另一个用户输入参数为以下中的一个:每组的旋转次数、每次旋转的投影数

目、每一投影的高度差、每一投影的角度差、所述计算机断层扫描中的总高度差、所述计算

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CN110376223A权利要求书2/3页

机断层扫描中转过的总度数、或在所述计算机断层扫描期间获取的投影的总数目。

10.一种方法，所述方法包括：

输出用户界面(UI)；

经由所述用户界面接收多个用户输入参数，所述多个用户输入参数包括线性扫描范

围、螺距以及螺旋组高度，所述线性扫描范围指示物体的高度；

至少部分地基于所述线性扫描范围、螺距和/或螺旋组高度来确定螺旋计算机断层

(CT)扫描期间待执行的螺旋组的总数目，所述螺旋组中的每组为螺旋中的若干连续旋转,

所述连续旋转的投影射线照片具有给定百分比的竖直重叠；

至少部分地基于所述多个用户输入参数来配置X射线成像系统以在所述螺旋计算机断

层(CT)扫描期间获取射线照片，所述X射线成像系统包括：

X射线发生器；

辐射探测器；

旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转轴设置成垂直于由所述X射线发生器所

发射的X射线束的轴；

线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台的所述旋转轴设置的运动

轴；以及

运动控制系统，所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平

台的线性运动；以及

至少部分地基于所述射线照片生成所述物体的三维图像，所述物体在所述旋转平台

上。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述X射线发生器提供能量范围为20keV到

600keV的X射线。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述辐射探测器包括透镜耦合的高分辨率X射线

探测器。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述透镜耦合的高分辨率X射线探测器具有在

0.1微米到10微米的范围内的像素大小。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述辐射探测器进一步包括平板探测器,所述平

板探测器具有在从25微米到300微米的范围内的像素大小。

15.根据权利要求12所述的方法，其中所述辐射探测器进一步包括平板探测器,并且所

述透镜耦合的高分辨率X射线探测器和所述平板探测器在所述X射线成像系统中可切换。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述辐射探测器包括线性二极管阵列型辐射探

测器。

17.根据权利要求10所述的方法,其中：

所述方法进一步包括至少基于所述线性扫描范围来计算所述多个用户输入参数中的

另一个用户输入参数，

其中所述另一个用户输入参数为以下中的一个:每组的旋转次数、每次旋转的投影数

目、每一投影的高度差、每一投影的角度差、所述计算机断层扫描中的总高度差、所述计算

机断层扫描中转过的总度数、或在所述计算机断层扫描期间获取的投影的总数目。

18.一种非瞬时的计算机可读取数据存储媒介，所述计算机可读取数据存储媒介具有

3

CN110376223A权利要求书3/3页

存储在其上的指令,所述指令当被执行时，使得计算系统：

输出用户界面(UI)；

经由所述用户界面接收多个用户输入参数，所述多个用户输入参数包括线性扫描范

围、螺距以及螺旋组高度，所述线性扫描范围指示物体的高度；

至少部分地基于所述线性扫描范围、螺距和/或螺旋组高度来确定螺旋计算机断层

(CT)扫描期间待执行的螺旋组的总数目，所述螺旋组中的每组为螺旋中的若干连续旋转,

所述连续旋转的投影射线照片具有给定百分比的竖直重叠；

至少部分地基于所述多个用户输入参数来配置X射线成像系统以在所述螺旋计算机断

层(CT)扫描期间获取射线照片，所述X射线成像系统包括：

X射线发生器；

辐射探测器；

旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转轴设置成垂直于由所述X射线发生器所

发射的X射线束的轴；

线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台的所述旋转轴设置的运动

轴；以及

运动控制系统，所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平

台的线性运动，以使得由所述旋转平台支撑的样本上的一点划出螺旋状或螺旋式图案的轨

迹似及

至少部分地基于所述射线照片生成所述物体的三维图像，所述物体在所述旋转平台

上。

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CN110376223A说明书1/11页

螺旋计算机断层成像

[0001]本申请是申请日为2014年3月31日、国际申请号为PCT/US2014/032422、国家申请

号为201480019227.9、发明名称为“螺旋计算机断层成像'的发明专利申请的分案申请。

[0002]本申请案请求在2013年4月4日提交的美国临时专利申请No.61/808,424的权益，

所述专利的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

[0003]本公开涉及计算机断层成像。

背景技术

[0004]X射线计算机断层成像(CT)是一种使用经计算机处理的X射线来生成物体的断层

图像的程序。物体的断层图像是所述物体的概念上二维的“切面”的图像。计算装置可使用

所述物体的断层图像来生成所述物体的三维图像。X射线CT可出于工业目的用于进行物体

的无损评估。

发明内容

[0005]一般说来,本公开描述了一种用于螺旋(即，旋式)计算机断层成像(CT)的X射线成

像系统。所述X射线成像系统包括X射线发生器、一个或多个辐射探测器、旋转平台、线性平

移平台、运动控制系统，以及数据获取系统。所述X射线发生器可发射扇形的或者锥形的X射

线束。所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转轴设置成基本上垂直于所述X射线束的轴。所述

线性平移平台被配置用于沿着与所述旋转平台的所述旋转轴对准的轴线性地移动所述旋

转平台。所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平台的线性运

动，以使得由所述旋转平台支撑的样本上的一点划出旋式或者螺旋图案的轨迹。因此，所述

旋转平台可沿着一轴线性地移动，同时围绕相同的轴旋转。所述数据获取系统包括一个或

多个配置用于接收用户输入参数的处理器。所述一个或多个处理器至少部分地基于用户输

入参数来配置所述X射线成像系统以获取射线照片。所述一个或多个处理器至少部分地基

于所述射线照片生成三维图像。

[0006]在一个实例中，本公开描述了一种X射线成像系统，所述X射线成像系统包括:X射

线发生器;一个或多个辐射探测器;旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述旋转轴设置

成垂直于由X射线发生器发射的X射线束的轴;线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着

所述旋转平台的旋转轴设置的运动轴;运动控制系统，所述运动控制系统同步化所述旋转

平台的旋转运动和所述线性平移平台的线性运动，以使得由所述旋转平台支撑的样本上的

一点划出旋式或者螺旋图案的轨迹；以及数据获取系统，所述数据获取系统包括一个或多

个处理器，所述处理器配置用于:接收用户输入参数;至少部分地基于所述用户输入参数来

配置所述X射线成像系统以获取射线照片；以及至少部分地基于所述射线照片生成三维图

像。

[0007]在另一实例中，本公开描述了一种方法，所述方法包括:接收用户输入参数;至少

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CN110376223A说明书2/11页

部分地基于所述用户输入参数来配置X射线成像系统以获取射线照片，所述X射线成像系统

包括:X射线发生器;一个或多个辐射探测器;旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述旋

转轴设置成垂直于由X射线发生器发射的X射线束的轴;线性平移平台，所述线性平移平台

具有沿着所述旋转平台的旋转轴设置的运动轴；以及运动控制系统,所述运动控制系统同

步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平台的线性运动，以使得由所述旋转平台支

撑的样本上的一点划出旋式或者螺旋图案的轨迹；以及至少部分地基于所述射线照片生成

三维图像。

[0008]在另一实例中，本公开描述了一种非瞬时的计算机可读数据存储媒介，所述存储

媒介具有存储在其上的指令，所述指令当被执行时，使得计算系统:接收用户输入参数；至

少部分地基于所述用户输入参数来配置X射线成像系统以获取射线照片，所述X射线成像系

统包括:X射线发生器;一个或多个辐射探测器;旋转平台，所述旋转平台具有旋转轴，所述

旋转轴设置成垂直于由X射线发生器发射的X射线束的轴;线性平移平台，所述线性平移平

台具有沿着所述旋转平台的旋转轴设置的运动轴；以及运动控制系统，所述运动控制系统

同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平台的线性运动，以使得由所述旋转平台

支撑的样本上的一点划出旋式或者螺旋图案的轨迹；以及至少部分地基于所述射线照片生

成三维图像。

[0009]将以附图和以下描述来阐明一个或多个实例的细节。根据描述和附图，以及根据

权利要求书，其他特征、目的和优点将变得显而易见。

附图说明

[0010]图1是具有示意元件和块元件两者的系统图，示出了根据本公开的一个或多个实

例的示例性仪表设置。

[0011]图2是方块图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性透镜耦合的高分辨

率X射线探测器。

[0012]图3A是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性系统参数设置界

面。

[0013]图3B是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性常规（即，非旋式）

计算机断层成像（CT）扫描设置界面。

[0014]图3c是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的另一种示例性常规（即，非

旋式）CT扫描设置界面。

[0015]图3D是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性旋式CT扫描设置界

面。

[0016]图3E是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的另一种示例性旋式CT扫描

设置界面。

[0017]图3F是示意图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性图像预览界面。

[0018]图4A是示意图，示出了使用旋式CT获取的示例性三维结构的体积绘制。

[0019]图4B是示意图，示出了图4A的三维结构的第一示例性横截面图像。

[0020]图4c是示意图，示出了图4A的三维结构的第二示例性横截面图像。

[0021]图4D是示意图，示出了图4A的三维结构的第三示例性横截面图像。

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CN110376223A说明书3/11页

[0022]图4E是示意图，示出了图4A的三维结构的示例性横截面图像。

[0023]图5是根据本公开的一种或多种技术的加权背投影函数构建方式的概念图。

[0024]图6是流程图，示出了根据本公开的一种或多种技术的工业CT系统的示例性操作。

具体实施方式

[0025]X射线计算机断层成像(CT)是一种用于在医学成像和工业无损评估(NDE)中非侵

入性地或者非破坏性地获取三维结构的常用技术。本公开的技术提供了一种用于使用X射

线CT技术获取物体(例如，细长物体)的三维(3D)结构的设备。本公开的技术还提供了所述

设备的仪表配备、用户控制机制和软件算法。所述设备可用于天然存在物体的NDE,天然存

在物体为诸如岩心样本，以及所制造的部件和系统。所述设备可包括X射线源、辐射探测器

和旋转平台。所述旋转平台可旋转样本，以便可从不同观测角度获取射线照片。所述X射线

源、辐射探测器和旋转平台可各自安装在线性定位平台上，以按照不同的几何构型来安置X

射线源、辐射探测器和旋转平台。在本公开所描述的一种示例性配置中，所述系统可提供从

0.5微米到100微米的分辨率范围。

[0026]图1是具有示意元件和块元件两者的系统图，示出了根据本公开的一个或多个实

例的示例性仪表设置。如在图1的实例中所示，工业CT系统10可包括X射线源12、辐射探测器

14,以及计算系统22。虽然在图1的实例中未示出，但是工业CT系统10除了辐射探测器14之

外还可包括一个或多个辐射探测器。

[0027]样本可被安装在旋转平台16上。示例性类型的样本包括机器、岩心，或者其它类型

的物体。在典型实例中，旋转平台16的旋转轴17垂直于X射线束轴19(即，由X射线发生器12

发射的X射线束18的轴)。相应地，随着所述样本在X射线束18下旋转，工业CT系统10可以不

同的投影角度获取射线照片。在图1的实例中，X射线束18是锥形的。在其它实例中，X射线束

18是扇形的。在一些实例中,X射线源12可提供能量范围为20keV到600keV的X射线。

[0028]此外，工业CT系统10可包括竖直平台20,所述竖直平台20可竖直地移动。旋转平台

16被安装或者以另外的方式耦合到竖直平台20,以使得当竖直平台20竖直地移动时旋转平

台16也竖直地移动。竖直平台20的运动可与旋转平台16的旋转运动同步，以使得由旋转平

台16和/或竖直平台20支撑的样本上的一点划出旋式或者螺旋图案的轨迹。在其他实例中，

旋转平台16可沿其它方向线性地移动。例如，工业CT系统10可包括在除竖直方向以外的方

向中移动旋转平台16的平台。因此，本公开可将竖直平台20称为“线性平移平台20”。以此方

式，工业CT系统10可包括线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着旋转平台16的旋转轴

设置的运动轴。线性平移平台20沿着旋转平台16的旋转轴17运动导致旋转平台16(以及安

装在旋转平台16上的任何样本)沿着旋转平台16的旋转轴17运动。

[0029]辐射探测器14可包括如图1的实例中所示的平板X射线探测器(FPD)。在其他实例

中，辐射探测器14可包括透镜耦合的闪烁探测器、线性二极管阵列(LDA)，或者另一类型的

辐射探测装置。因此，工业CT系统10可包括一个或多个辐射探测器，所述辐射探测器包括以

下至少一者:平板辐射探测器、透镜耦合的高分辨率X射线探测器，以及线性二极管阵列辐

射探测器。

[0030]此外，在图1的实例中，工业CT系统10包括计算系统22。计算系统22可包括一个或

多个计算装置，诸如个人计算机、膝上型计算机、服务器计算机、大型计算机、专用计算机等

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CN110376223A说明书4/11页

等。在一些实例中，计算系统22可定位成远离工业CT系统10的其它部件。例如，从工业CT系

统10的其它部件的用户的视角，计算系统22可存在于“云”中。

[0031]计算系统22可实施运动控制系统24和计算机控制的数据获取系统26。运动控制系

统24可同步化旋转平台16的旋转运动和线性平移平台20的线性运动。在其他实例中，运动

控制系统24可与数据获取系统26分开实施。

[0032]数据获取系统26可接收来自一个或多个用户的输入参数。在一些实例中，数据获

取系统26可接收用户输入输入参数的指示（例如来自输入装置，如键盘、触摸屏等等，或者

远程计算装置）。数据获取系统26可至少部分地基于用户输入参数来配置所述X射线成像系

统以获取射线照片。此外，数据获取系统26可从辐射探测器14（和/或工业CT系统10的其它

辐射探测器）获取射线照片，数字地记录所述射线照片，以及处理所述射线照片。例如，数据

获取系统26可至少部分地基于所述射线照片来生成三维图像。以此方式，数据获取系统26

可获取射线照片，数字地记录所述射线照片，以及从所述射线照片重构三维图像。

[0033]在示例性CT循环中，测试中的样本可跨180度的范围旋转，在所述旋转期间以特定

间隔获取射线照片。随后可将所述射线照片在数学上组合成表示测试中的样本的三维结构

的三维体积数据。这种类型构造的缺陷可为视野受限,这是因为仅可检查所述样本暴露于X

射线锥形束的部分。因此，对于细长的样本,在各个CT循环期间仅可成像部分体积。为了成

像完整样本，必须对样本的不同部分独立地执行一系列的多个CT循环，并且随后必须将所

得的一系列三维图像数字地缝合以获得完整结构的图像。

[0034]本公开的技术可通过使用其运动轴平行于样本长轴的机动线性平台（motorized

linearstage）来克服此缺陷。在CT扫描期间，所述线性平台（例如，线性平移平台20）可按

照与旋转平台16的旋转运动同步化的方式，连续地跨X射线锥形束（例如,X射线束18）移动

整个样本。对于此种附加运动，样本上的一点可有效地划出旋式或者螺旋图案的轨迹。因

此，这种方法可在本文被称作旋式CT或者螺旋CT。使用这种技术，可在单个循环中扫描细长

的样本，而无需用户干预或者附加的数字缝合。本公开的技术可相较于传统技术，提供用于

广泛应用的显著优点。

[0035]本公开的技术可主要应用于侧重于高分辨率应用的工业CT系统。工业CT系统10可

包括若干新颖元件。例如，工业CT系统10可包括新颖的仪表配备设计，包括并入了用于大范

围分辨率和视野组合的探测器的新颖探测器设计。在另一实例中，工业CT系统10可使用用

于处理射线照片和进一步从所述射线照片重构三维图像的新颖数值算法。

[0036]FPD可包括闪烁材料层，如碘化钠，所述闪烁材料层制造在玻璃探测器阵列上的非

晶硅上。所述闪烁体层可吸收X射线并且可发射可见光光子，随后用固态探测器探测所述可

见光光子。辐射探测器14的像素大小可在从数十到数百微米的范围内。例如，辐射探测器14

可包括具有从25微米到300微米范围内的像素大小的FPD。

[0037]FPD是目前在体积CT设置中的工业CT系统中最常用的探测器。FPD一般在大部分应

用中提供10T00微米的分辨率，以及从10mm到400mm的视野。这种设计可良好适用于具有粗

糙特征的物体，如印刷电路板和机械加工或浇铸部件。更高的分辨率可通过使用透镜耦合

的探测器系统来实现，所述透镜耦合的探测器系统使用具有各种放大倍数的透镜来实现

0.5微米到10微米的分辨率和1mm到50mm的视野。这种设计可良好适用于具有精细特征尺寸

的物体，诸如生物系统中的集成电路部件或者细胞结构。在相反的尺寸范围处，可使用大于

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CN110376223A说明书5/11页

300keV的高能X射线来穿透较大的物体,诸如完全组装的机器系统。在这些应用中，LDA探测

器往往被用于减少因为散射辐射导致的对比度减小。

[0038]图2是方块图，示出了根据本公开的一种或多种技术的示例性透镜耦合的高分辨

率X射线探测器50。工业CT系统10的辐射探测器14可包括透镜耦合的高分辨率X射线探测器

50。透镜耦合的X射线探测器50可使用附加的光学透镜52来将所发射的可见光54中继到探

测器56,诸如如图2的实例中所示的电荷耦合器件（CCD）或者互补型金属氧化物半导体

（CMOS）探测器。当辐射探测器14的闪烁体层吸收由X射线发生器12或者其它X射线源发射的

X射线时，所述闪烁体层可发射可见光54。

[0039]透镜52可提供在0.5x到100x范围内的放大倍数，由此使得透镜耦合的X射线探测

器50的有效像素大小在0.1到20微米之间。在一些实例中，透镜耦合的X射线探测器50具有

0.1微米到10微米的像素大小。在图2的实例中，镜子58将可见光54从透镜52引导到探测器

56。此外，在图2的实例中，透镜52被安装在旋转转台60中，所述旋转转台60包括一个或多个

附加透镜，诸如透镜62。转台60可旋转或者以另外方式重构成使得所发射的可见光54传送

穿过透镜62而不是透镜52。透镜52和透镜62可具有不同的焦距并且因此可用于实现不同的

分辨率和/或视野。例如，透镜52可为广视野透镜，以及透镜62可为高分辨率透镜。

[0040]为了进一步减轻每一探测器技术（即,FPD技术、透镜耦合的高分辨率X射线探测器

技术，以及LDA技术）的视野和分辨率限制，本公开的工业CT系统10可组合这三种类型的探

测器技术中的两种或更多种技术。例如，工业CT系统10可包括FDP和透镜耦合组合式探测器

系统，以产生多尺度成像系统，所述多尺度成像系统能够进行对完整组件的系统尺度的

NDE,以及亚微米尺度的详细检查。例如，工业CT系统10可包括具有在0.1微米到10微米范围

的像素大小的透镜耦合的高分辨率探测器，以及具有从25微米到300微米的范围的像素大

小的平板探测器。在该实例中，工业CT系统10可包括用于在至少所述透镜耦合的高分辨率X

射线探测器和所述平板探测器之间切换的机械机构。旋式CT的使用可进一步提供对于细长

物体具有此分辨率和视野组合的延伸扫描长度,所述细长物体为诸如完整的岩心样本或者

飞弹（missile）。

[0041]图3A-图3F是示意图，示出根据本公开的一种或多种技术用于旋式CT的示例性用

户控制界面。具体地，图3A是示意图，示出示例性系统参数设置界面100。图3B是示意图，示

出示例性常规（即，非旋式）CT扫描设置界面150。图3c是示意图，示出根据本公开的一种或

多种技术的另一示例性常规（即，非旋式）CT扫描设置界面。图3D是示意图，示出示例性旋式

CT扫描设置界面200。图3E是示意图，示出根据本公开的一种或多种技术的另一示例性旋式

CT扫描设置界面。图3F是示意图，示出示例性图像预览界面250。具体地，图像预览界面250

图示仿真环境。

[0042]图3A的系统参数设置界面100包括用于控制工业CT系统10的用户界面（UI）元件。

工业CT系统10的UI元件可使数据获取系统26来接收旋式CT和非旋式CT两者所共用的用户

参数输入。例如，系统参数设置界面100包括用于控制平台旋转（即，旋转平台16）的UI元件

102,用于控制X射线源（例如,X射线发生器12）的位置的UI元件104,用于控制辐射探测器14

的位置的UI元件106,用于控制平台放大倍数（例如，旋转平台16相对于X射线发生器12和辐

射探测器14的位置）的UI元件108,以及用于控制辐射探测器14的放大倍数水平的UI元件

110。此外，系统参数设置界面100包括UI元件集合112,所述UI元件集合112用于控制是否应

9

CN110376223A说明书6/11页

该停用在CT扫描期间未使用的运动轴，例如UI元件108和110。系统参数设置界面100中的回

复原位（home）UI元件可驱动平台旋转到固定的参考位置。系统参数设置界面100中的重置

UI元件将当前的平台旋转角设置为零。

[0043]图3B的常规CT扫描设置界面150可包括用于配置工业CT系统10来执行非旋式CT扫

描的UI元件。例如，常规CT扫描设置界面150可包括用于输入将在CT扫描期间捕获的投影数

目的栏152。常规CT扫描设置界面150还可包括用于一跳帧（投影）以同步化所需的X射线探测

器获取速度与平台旋转速度，从而减轻运动模糊的UI元件。可使用“帧平均（fr.average）”

UI元件将多个帧一起平均成单一投影，从而减少噪音。此外，常规CT扫描设置界面150可包

括用于启动CT扫描的按钮154和用于启动工业CT系统10的校准过程的另一按钮156。此外，

常规CT扫描设置界面150包括下拉框158,所述下拉框158用于控制在CT扫描中获取的射线

照片的像素位深。常规CT扫描设置界面150还包括文本框160,所述文本框160用于输入旋转

平台16在CT扫描期间旋转通过的度数范围。所述度数范围可大于或等于0。在一些情况下，

所述度数范围可大于360度。此外，常规CT扫描设置界面150包括文本框162,所述文本框162

用于输入从数据获取系统28开始编号在CT扫描期间获取的射线照片的编号。所述射线照片

的编号可用来后续对在CT扫描期获取的个别射线照片的指代。常规CT扫描设置界面150还

可提供用于获取（快照）成像系统当前位置的屏幕快照或者记录在一段时间内成像视窗的

一系列屏幕快照（视频）的UI元件。

[0044]如上文所指示的，图3c是示意图，示出根据本公开的一种或多种技术的另一示例

性常规（即，非旋式）CT扫描设置界面170。可通过选择标记为“VorteX”的复选框172来显示

图3c中的螺旋扫描设置界面。用户可在“扫描高度”输入栏中输入线性移动的范围。可使用

“扫描设置”下拉元件176来选择扫描类型。扫描设置下拉元件176中的选项可包括快速扫

描、中速扫描或者精细扫描，这反映了扫描时间与质量的折衷。所述扫描设置选择可与扫描

高度组合来自动地选择其它扫描相关参数。当用户输入扫描高度和设置时，数据获取系统

28可接收用户输入所述扫描参数的指示。

[0045]数据获取系统28可输出图3D的扫描设置界面200,以响应于接收到用户输入的选

择常规CT扫描设置界面150中的螺旋扫描复选框154和/或高级复选框156,或者常规CT扫描

设置界面170中的复选框172和/或高级复选框178的指示来进行显示。根据本公开的一种或

多种技术，用户可在高级菜单中输入少量扫描参数，诸如线性平台扫描范围（即，线性扫描

范围）和任选地通过每一旋式旋转线性移动的范围，以及旋转次数。线性扫描范围参数在图

3D的实例中被指示为“零件高度（partheight）”。当用户输入此扫描参数时,数据获取系统

28可接收用户输入所述扫描参数的指示。

[0046]计算系统22可执行数据获取控制程序，来基于这些用户输入和其它几何参数（诸

如，X射线源光点大小、探测器像素大小、放大倍数等等）自动地优化关键的图像获取参数

（诸如，投影总数、角距、线性运动和旋转运动的相对速率）。此图像获取参数在本文中还可

被称作“数据获取参数”。可用一组专用的数学算法来执行此优化，所述专用数学算法例如

计算防止欠采样伪影（artefact）和适应用户的获取时间预算所必需的投影数目。

[0047]以此方式,此计算装置可使用一种或多种算法来至少部分地基于线性扫描范围确

定一种或多种附加的数据获取参数，以及可至少部分地基于此一种或多种附加的数据获取

参数来配置X射线成像系统以获取射线照片。在一个实例中，数据获取系统26可接收用户输

10

CN110376223A说明书7/11页

入参数，所述用户输入参数仅由线性扫描范围和时间比质量扫描设置构成。在该实例中，数

据获取系统26使用算法来确定附加的数据获取参数,诸如投影数目、跳帧数、螺距和旋转次

数。

[0048]因为相较于常规CT设置，旋式CT输入更复杂并且一些关键输入参数可较不直观,

所以具有此类优化系统来减少用户工作可有助于使此技术实用，对于跨越较宽的分辨率和

视野范围的多尺度X射线成像系统来说尤其如此。

[0049]例如，在图3D的实例中，数据获取系统28可接收用户在栏202中输入零件高度的指

示。所述零件高度可指示测试中的零件（例如，样本）的高度（或者长度）。作为响应,数据获

取系统28可至少部分地基于所述零件高度计算在旋式CT扫描设置界面200中显示的其它

值，诸如螺距、螺旋组的数目、每组的旋转次数、每次旋转的投影数目、每一投影的高度差、

每一投影的角度差、指示每一螺旋组所施加的经滤波加权的设置比例、CT扫描中的总高度

差、CT扫描中转过的总度数、在CT扫描期间样本的总旋转次数，以及在CT扫描期间获取的投

影（例如，射线照片）的总数。数据获取系统28可接收用户输入螺旋组高度和在CT扫描期间

的旋转次数的指示，并且可使数据获取系统28更新其参数计算。螺旋组包括螺旋中的若干

连续旋转，所述连续旋转的投影射线照片具有例如50%的竖直重叠。螺旋组高度是螺旋组

的竖直延伸。当用户输入所述扫描参数时，数据获取系统28可接收用户输入所述扫描参数

的指示。除了在旋式CT扫描设置界面200中输入的值之外,数据获取系统28还可使用在常规

CT扫描设置界面150中输入的值来计算在图3D中示出的扫描汇总参数。以此方式，用户无需

人工计算或者输入这些参数；而是计算扫描汇总参数,诸如来自扫描高度的投影总数和每

一投影的高度。

[0050]如上文所指示的，图3E是示意图，示出根据本公开的一种或多种技术的另一示例

性旋式CT扫描设置界面230。旋式CT扫描设置界面230在某些方面类似于图3D的旋式CT扫描

设置界面200,但是还包括若干不同的特征。

[0051]数据获取系统28可输出图3E的扫描设置界面200,以响应于接收到用户输入的选

择常规CT扫描设置界面150中的螺旋扫描高级复选框166,或者常规CT扫描设置界面170中

的复选框172和/或高级复选框178的指示来进行显示。根据本公开的一种或多种技术，用户

可在高级对话框中输入少量扫描参数，诸如线性平台的扫描范围（即，线性扫描范围）、螺旋

组高度236,以及旋转次数238。线性扫描范围参数在图3E的实例中被指示为“扫描高度”元

件232。

[0052]在图3E的实例中，数据获取系统28可至少部分地基于所述扫描高度、螺距、螺旋组

高度和/或旋转次数，来计算螺旋组数目、每组的旋转次数、每次旋转的投影数目、每一投影

的高度差、每一投影的角度差、CT扫描中的总高度差、CT扫描中的转过的总度数、在CT扫描

期间样本的总旋转次数，以及在CT扫描期间获取的投影（例如，射线照片）的总数。

[0053]图4A-4E示出了根据本公开的一种或多种技术，使用旋式CT技术和常规CT技术扫

描的测试结构的示例性图像。通过使用FPD探测器，用以如上所述算法优化的参数来获取数

据。常规CT图像仅显示整个结构的较小区域。为了获得完整结构，可执行若干此类扫描，然

后在后处理中数字地缝合。与此相反，旋式CT图像是在单个循环中获取的。所述旋式CT数据

还显示出相较于常规CT更高的对比度和分辨率，以及更少的伪影。

[0054]图4A是示意图，示出使用旋式CT获得的示例性三维结构的体积再现。图4B是示意

11

CN110376223A说明书8/11页

图，示出图4A的三维结构的第一示例性横截面图像。图4c是示意图，示出图4A的三维结构的

第二示例性横截面图像。图4D是示意图，示出图4A的三维结构的第三示例性横截面图像。换

言之，使用旋式CT获得的三维结构被作为体积再现示出于图4A中，并且其横截面图像是在

图4B、图4c和图4D中沿着三根轴示出的。

[0055]图4E是示意图，示出图4A的三维结构的示例性横截面图像。换言之，为了进行比

较，常规体积CT的结果示出于图4E中。常规CT图像中的伪影在图4E中示出的重构区域的顶

部和底部处最显著,在所述顶部和底部处图像以高锥角暴露于X射线。此类伪影对于含有与

旋转轴垂直对准的基本上平坦的结构的结构尤其常见。虽然在常规CT扫描期间这些暴露角

是固定的，但是随着线性平移平台20的平移，这些暴露角的螺旋扫描次序可改变。因此，这

些高角度伪影的影响可通过滤波投影射线照片而被减少或者消除。因此，数据获取系统26

（图1）的一个或多个处理器可配置用于对所获取的射线照片执行数字滤波计算，从而减少

与X射线束的特定锥角（例如，高锥角）相关联的伪影。可取决于样本类型而使用若干可能的

滤波器。

[0056]例如，数据获取系统26的一个或多个处理器可配置用于对所获取的射线照片执行

数字滤波计算，所述数字滤波计算包括高斯型数字滤波器。换言之,数据获取系统26可使用

高斯型数字滤波器来滤波每一射线照片。在该实例中，经加权的背投影滤波函数，诸如高斯

型函数力=耳r9"•k-Pnur可用于以平滑改变的方式给出对小角度切面的更大加权，其

中g=&xp|-S]以及，如在图5的实例中所指示的。因此，图5是根据本公开的一

种或多种技术的加权背投影函数构建方式的概念图解。

[0057]在另一实例中，数据获取系统26可使用阶梯函数数字滤波器来滤波每一所获取的

射线照片。阶梯函数可以特定的角度形成锐截止。因此，数据获取系统26的一个或多个处理

器可配置用于执行数字滤波计算，所述数字滤波计算包括阶梯函数数字滤波器。

[0058]图6是流程图，示出根据本公开的一种或多种技术的工业CT系统的示例性操作。图

6的示例性操作是参照图1的示例性系统解释的。然而，在图6中示出的技术并非必须局限于

在图1的系统中使用，也可在其它系统中使用。

[0059]在图6的实例中，数据获取系统（例如，数据获取系统26）可接收用户输入参数

（300）。换言之，所述数据获取系统可接收用户输入参数的用户输入指示。在一些实例中，所

述数据获取系统可接收用户输入的线性扫描范围。所述线性扫描范围可为线性平移平台

（例如，线性平移平台20）的线性运动范围。此外，在该实例中，所述数据获取系统可使用一

种或多种算法来至少部分地基于所述线性扫描范围确定一个或多个附加的数据获取参数。

[0060]所述数据获取系统可至少部分地基于所述用户输入参数来配置X射线成像系统

（例如，工业CT系统10）以获取射线照片（302）。如在本公开的其他地方所描述的,X射线成像

系统可包括X射线发生器（例如，X射线发生器12）；一个或多个辐射探测器（例如，辐射探测

器14）；旋转平台（例如，旋转平台16），所述旋转平台具有设置成垂直于由X射线发生器所发

射的X射线束的轴的旋转轴；以及线性平移平台,所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台

的所述旋转轴设置的轴。此外，所述X射线成像系统可包括运动控制系统（例如，运动控制系

统24），所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所述线性平移平台的线性运

12

CN110376223A说明书9/11页

动。所述数据获取系统可至少部分地基于所述射线照片来生成三维图像(304)o

[0061]以下段落提供本公开的另外的实例。

[0062]实例1.一种X射线成像系统，所述X射线成像系统包括:X射线发生器;一个或多个

辐射探测器;旋转平台，所述旋转平台具有设置成基本上垂直于由所述X射线发生器所发射

的X射线束的轴的旋转轴;线性平移平台，所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台的所述

旋转轴设置的轴;运动控制系统，所述运动控制系统同步化所述旋转平台的旋转运动和所

述线性平移平台的线性运动；以及数据获取系统，所述数据获取系统包括一个或多个处理

器，所述处理器配置用于:接收用户输入参数;至少部分地基于所述用户输入参数来配置所

述X射线成像系统以获取射线照片；以及至少部分地基于所述射线照片来生成三维图像。

[0063]实例2.根据实例1所述的X射线成像系统，其中所述一个或多个辐射探测器包括平

板辐射探测器。

[0064]实例3.根据实例1或实例2所述的X射线成像系统，其中所述数据获取系统的所述

一个或多个处理器进一步配置用于执行对所述射线照片的数字滤波计算。

[0065]实例4.根据实例3所述的X射线成像系统，其中所述数字滤波计算包括高斯型数字

滤波器。

[0066]实例5.根据实例3或者实例4所述的X射线成像系统，其中所述数字滤波计算包括

阶梯函数数字滤波器。

[0067]实例6.根据实例1到实例5中任一项所述的X射线成像系统，其中所述X射线发生器

提供能量范围为20keV到600keV的X射线。

[0068]实例7.根据实例1到实例6中任一项所述的X射线成像系统，其中所述一个或多个

辐射探测器包括透镜耦合的高分辨率X射线探测器。

[0069]实例8.根据实例7所述的X射线成像系统，其中所述透镜耦合的高分辨率X射线探

测器具有在0.1微米到10微米的范围内的像素大小。

[0070]实例9.根据实例8所述的X射线成像系统，其中所述一个或多个辐射探测器包括具

有从25微米到300微米范围内的像素大小的平板探测器。

[0071]实例10.根据实例7或者实例8所述的X射线成像系统，其中所述一个或多个辐射探

测器包括平板探测器，以及所述X射线成像系统还包括用于在至少所述透镜耦合的高分辨

率X射线探测器和所述平板探测器之间切换的机械机构。

[0072]实例11.根据实例1到实例10中任一项所述的X射线成像系统，其中所述一个或多

个辐射探测器包括线性二极管阵列型辐射探测器。

[0073]实例12.根据实例1到实例11中任一项所述的X射线成像系统，其中所述用户输入

参数由线性扫描范围构成,并且所述数据获取系统的所述一个或多个处理器配置用于：使

用一个或多个算法来至少部分地基于所述线性扫描范围确定一个或多个附加的数据获取

参数；以及至少部分地基于所述一个或多个附加的数据获取参数来配置所述X射线成像系

统以获取所述射线照片。

[0074]实例13.根据实例12所述的方法，其中用于确定所述附加的数据获取参数的所述

一种或多种算法包括一种或多种嵌入算法。

[0075]实例14.根据实例1到实例13中任一项所述的X射线成像系统，其中所述数据获取

系统是计算机控制的。

13

CN110376223A说明书10/11页

[0076]实例15.根据实例1到实例14中任一项所述的X射线成像系统，其中所述数据获取

系统的所述一个或多个处理器配置用于数字地记录所述射线照片。

[0077]实例16.一种根据实例1到实例15中任一项配置的X射线成像系统。

[0078]实例17.一种根据本文公开的任何技术的X射线成像系统。

[0079]实例18.一种X射线成像系统，所述X射线成像系统包括:X射线发生器;一个或多个

辐射探测器，所述辐射探测器包括平板辐射探测器、透镜耦合的高分辨率X射线探测器，以

及线性二极管阵列;旋转平台，所述旋转平台具有设置成垂直于X射线束轴的轴;线性平移

平台，所述线性平移平台具有沿着所述旋转平台的所述轴设置的轴;运动控制系统，所述运

动控制系统配置用于同步化所述旋转平台和所述线性平移平台的运动；以及计算机控制的

数据获取系统，所述计算机控制的数据获取系统接收用户输入参数、获取射线照片、数字地

记录射线照片、执行对所述射线照片的数字滤波计算，以及执行计算机代码来根据所述射

线照片重构三维图像。

[0080]实例19.根据实例18所述的X射线成像系统，其中所述X射线发生器提供能量范围

为20keV到600keV的X射线。

[0081]实例20.根据实例18或者实例19所述的X射线成像系统，所述X射线成像系统包括

透镜耦合的高分辨率探测器，所述透镜耦合的高分辨率探测器具有在0」微米到10微米的

范围内的像素大小。

[0082]实例21.根据实例18到实例20中任一项所述的X射线成像系统，所述X射线成像系

统包括:线性二极管阵列型辐射探测器。

[0083]实例22.根据实例18到实例21中任一项所述的X射线成像系统，所述X射线成像系

统包括:透镜耦合的高分辨率探测器，所述透镜耦合的高分辨率探测器具有在0.1微米到10

微米的范围内的像素大小；以及平板探测器，所述平板探测器具有从25微米到300微米的范

围内的像素大小；以及机械机构，所述机械机构用于在所述透镜耦合的高分辨率探测器和

所述平板探测器之间切换。

[0084]实例23.根据实例18到实例22中任一项所述的X射线成像系统，其中所述用户输入

参数仅由线性扫描范围构成，并且使用嵌入算法来确定附加的数据获取参数。

[0085]实例24.根据实例18到实例23中任一项所述的X射线成像系统，其中使用高斯型数

字滤波器来处理每一射线照片。

[0086]实例25.根据实例18到实例24中任一项所述的X射线成像系统，其中使用阶梯函数

数字滤波器来处理每一射线照片。

[0087]实例26.一种根据实例18到实例25中任一项配置的X射线成像系统。

[0088]本公开的技术可在多种装置或者设备中实施。在本公开中描述了各种部件、模块

或者单元，来强调配置用于执行所公开的技术的装置的多个功能方面，但是所述功能方面

不一定必须用不同的硬件单元来实现。相反，如上所述，各种单元可组合成一个硬件单元，

或者通过相互作用的硬件单元集合来提供，所述相互作用的硬件单元集合包括如上所述的

一个或多个处理器与合适的软件和/或固件协作。

[0089]在一个或多个实例中，所描述的特定功能可在硬件、软件、固件，或者它们的任意

组合中实施。如果在软件中实施，那么所述功能可作为一或多个指令或者代码存储在计算

机可读取媒介上，或者经由计算机可读取媒介传送，以及由基于硬件的处理单元执行。计算

14

CN110376223A说明书11/11页

机可读取媒介可包括计算机可读取存储媒介，所述计算机可读取存储媒介对应于有形媒介

如数据存储媒介，或者对应于通信媒介,所述通信媒介包括促进例如根据通信协议将计算

机程序从一个地方传递到另一个地方的任何媒介。用这样的方式，计算机可读取媒介一般

可对应于⑴有形的计算机可读取存储媒介，其为非瞬时的;或者⑵通信媒介，诸如信号或

者载波。数据存储媒介可为任何可用的媒介，所述媒介可由一个或多个计算机或者一个或

多个处理器访问来取得指令、代码和/或数据结构，以用于实施本公开中所描述的技术。计

算机程序产品可包括计算机可读取媒介。

[0090]举例来说(但并非限制)，此类计算机可读取存储媒介可包括RAM、R0M、EEPR0M、CD-

R0M或者其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置，闪存，或者可以用来存储指令

或数据结构形式的所需程序代码并且可以被计算机访问的任何其他媒介。而且，任何连接

都可以被适当地称作计算机可读取媒介。例如，如果指令是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞

线、数字用户线路(DSL),或者诸如红外线、无线电和微波的无线技术从网站、服务器或者其

它远程源传送的，那么所述同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL,或者诸如红外线、无线电和微

波的无线技术被包括在媒介的定义中。然而，应当理解的是，计算机可读取存储媒介和数据

存储媒介不包括连接、载波、信号，或者其它瞬时媒介，而是替代地指代非瞬时的、有形的存

储媒介。如本文所使用的，磁盘(disk)和光盘(disc)包括压缩光盘(CD)、激光盘、光盘、数字

多功能光盘(DVD)、软盘及蓝光光盘，其中磁盘(disks)通常磁性地再现数据，而光盘

(discs)通常用激光来光学地再现数据。上述的组合也应该被包括在计算机可读取媒介的

范围内。

[0091]指令可用一个或多个处理器执行，所述处理器为诸如一个或多个数字信号处理器

(DSP)、通用微处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)，或者其它等效的

集成或者离散的逻辑电路。相应地，如本文所用的术语“处理器”可指代上述结构中的任意

结构,或者任何其它适用于实施本文描述的技术的结构。此外，在一些方面中，本文描述的

功能可提供于专用硬件和/或软件模块中。此外，所述技术的特定部分可在一个或多个电路

或者逻辑元件中实施。

[0092]已经描述了各个实例。这些和其它实例在以下权利要求书的范围内。

15

CN110376223A说明书附图1/13页

16

CN110376223A说明书附图2/13页

50

60

图2

17

CN110376223A说明书附图3/13页

100

乂技术开发.•・

w并m酉r关a闭m

仿真

方式M0]@64HZmax增益|0.25pF▼Ifps|5▼

口实时平均[2y|#framesavg

-扫描设置---------；----------

源-目的地2而I源-物体【画】「50

夹具

滤波器

-仿真【升•发】运动运动控制器-----------------

「平台旋转-------------f112

□锁定其他轴【CT模式】匣码|重置］|ready

度

数

102

源向上/向下【mm】104

E回