CN111665269A - 一种平行x射线ct成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平行X射线CT成像装置，包括：X射线管；X射线导管，包括一段抛物线聚焦导管和一段直线导管，直线导管内部布置有金属格栅；导管支架，固定设置在所述X射线导管的底部；用于接收X射线的高精度探测器。X射线管设置在所述抛物线聚焦导管的一侧，X射线管的光源位于抛物线聚焦导管的所在抛物线的焦点上。通过将点散射光反射为平行光，成像分辨率由探测器分辨率决定，而不由射线管的靶焦点尺寸决定，本发明采用高精度探测器即可达到高成像分辨率，因此可以采用大功率X射线管作为射线源穿透较厚的样品，缩短成像时间，大幅提高检测效率。

Description

一种平行X射线CT成像装置

技术领域

本发明涉及CT成像领域，具体涉及一种X射线CT成像装置。

背景技术

为了解决如电路板、3D打印复杂构件等小型样品的检测，通常需要利用X射线来对关键部位进行高精度的CT成像，以获知其内部结构和焊接质量等状况。

传统工业CT采用X射线球管作为射线源，X射线球管所发出的X射线穿透待检测的样品后，到达射线探测器，从而实现CT成像。CT图像的质量会受到一些性能指标和参数的影响，如分辨率、噪声、对比度和图像轨迹等，而空间分辨率又会受到CT成像几何因素影响，其中一大几何因素为射线管的靶焦点尺寸。

传统工业CT原理决定了：对于发出点散射式光线的X射线球管而言，成像分辨率会直接受到球管的靶焦点尺寸大小的影响。因焦点小的球管产生较窄的X射线，可获得较高的空间分辨率，球管的靶焦点尺寸越小，成像分辨率也就越高。目前的工业CT全部是采用点散射式的X射线进行成像，分辨率由射线管的靶焦点尺寸决定，而不是由探测器的精度决定，如果不改变球管的靶焦点尺寸，成像分辨率就不能提高，就算采用高精度的探测器进行成像，也难以提高图像质量。

因此，目前要实现较高精度的CT成像，就需要选用靶焦点尺寸较小的X射线管，也就意味着要采用小功率射线管。小功率射线管的X射线能量相应会低很多，难以穿透较厚样品，由于探测器需要接收到足够的X射线能量才能实现清晰成像，所以小功率射线管的成像时间也会非常长，导致检测效率低下。

通过发射平行光形式的X射线则可以解决这个问题。对于平行光而言，探测器的分辨率是影响成像分辨率的最重要因素(与普通摄像机的成像原理类似)，因此，如果能将点散射式的X射线转为平行光形式的X射线，则可以通过选用高精度探测器来提高成像质量，而不再受X射线管靶焦点尺寸的限制。但是，受限于X射线球管本身的结构和发射原理，其无法直接发射出平行射线。目前，还没有相关的CT成像检测装置。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种平行X射线CT成像装置，其通过将X射线管发射出来的点散射光转化为平行光，同时采用高精度探测器探测器来接收X射线完成高精度CT成像。

本发明采用以下的技术方案来实现：

一种平行X射线CT成像装置，包括：作为发射源的X射线管；X射线导管，包括一段抛物线聚焦导管和一段直线导管，所述抛物线聚焦导管为中空的抛物线回转体，所述直线导管为圆柱状，内部布置有金属格栅；所述抛物线聚焦导管和所述直线导管一体成型并相互连通；导管支架，所述导管支架固定设置在所述X射线导管的底部；用于接收X射线的高精度探测器；所述X射线管设置在所述抛物线聚焦导管的一侧，所述X射线管的光源位于所述抛物线聚焦导管的所在抛物线的焦点上，待检测的样品设置在所述直线导管的一侧，所述高精度探测器设置在所述样品相对于所述直线导管的另一侧，以接收由所述X射线管发射并依次通过所述X射线导管和所述样品的X射线。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括样品回转座；所述样品可转动连接于所述样品回转座上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括X-Y移动平台，所述X-Y移动平台包括相互垂直设置的第一滑轨组件和第二滑轨组件；所述第一滑轨组件包括第一滑轨、第一滑台以及用于驱动所述第一滑台的第一丝杠电机，所述第二滑轨组件包括第二滑轨、第二滑台以及用于驱动所述第二滑台的第二丝杠电机；所述第二滑轨固定连接在所述第一滑台上，所述样品回转座固定连接在所述第二滑台上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括底座，所述第一滑轨固定连接在所述底座上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括垂直设置在所述底座上的第一侧板，所述X射线管设置在所述第一侧板上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括设置在所述第一侧板上的第三滑轨组件；所述第三滑轨组件包括第三滑轨和第三滑台，所述第三滑轨固定连接在所述第一侧板上，所述X射线管固定连接在所述第三滑台上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括探测器滑台；所述探测器滑台连接在所述第一滑轨上，并位于所述第一滑台的侧部；所述高精度探测器固定设置在所述第一滑台上。

进一步地，所述平行X射线CT成像装置还包括第二侧板和第四滑轨组件；所述第二侧板垂直设置在所述探测器滑台上，所述第四滑轨组件包括第四滑轨和第四滑台，所述第四滑轨固定连接在所述第二侧板上，所述高精度探测器固定连接在所述第四滑台上。

进一步地，所述X射线导管为超镜导管，所述超镜导管内部为真空状态。

进一步地，所述超镜导管的两端开口设置有用于密封的铝合金窗口。

相比于现有技术，本发明能达到的有益效果为：

在X射线进入X射线导管后：基于抛物线的光学原理，抛物线聚焦导管段将点散射式的光转化为平行光；直线导管段内部安装的金属格栅能吸收散射角度过大的X射线，降低入射样品的X射线散射角，对平行光作进一步的均匀化处理；两导管段协同将点散射式的光线转化为平行光，平行光穿透样品后被高精度探测器接收到，从而形成高清晰度成像。

由于穿透样品的射线为平行光，因此成像分辨率由探测器分辨率决定，而不再由射线管的靶焦点尺寸决定，提高探测器分辨率即可提高成像分辨率。相比于传统工业CT需采用靶焦点尺寸小(小功率)的X射线管才能提高成像分辨率，本发明只要采用高精度探测器即可达到高成像分辨率，因此可以采用大功率X射线管作为射线源，而不会影响到成像质量。大功率X射线管的射线能量高，能穿透较厚的样品，有效地对厚样品完成检测；同时缩短成像时间，大幅提高检测效率。

附图说明

图1所示为本发明的立体示意图；

图2所示为本发明的另一立体示意图；

图3所示为X射线导管的正视图；

图4所示为图3中A-A面的剖视图；

图5所示为图3中B-B面的剖视图；

图6所示为本发明采用平行X射线成像模式的成像原理示意图；

图7所示为本发明采用平行X射线成像模式的另一成像原理示意图；

图8所示为本发明采用普通工业CT模式的成像原理示意图；

图9所示为本发明采用普通工业CT模式的另一成像原理示意图。

图中：10、X射线管；20、X射线导管；21、抛物线聚焦导管；22、直线导管；221、金属格栅；30、导管支架；40、高精度探测器；50、样品回转座；60、X-Y移动平台；61、第一滑轨；62、第一滑台；63、第一丝杠电机；64、第二滑轨；65、第二滑台；66、第二丝杠电机；70、底座；80、第一侧板；90、第三滑轨组件；100、探测器滑台；110、第二侧板；120、第四滑轨组件；130、样品。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

参阅图1-图2，本发明公开了一种平行X射线CT成像装置，包括：X射线管10、X射线导管20、导管支架30和高精度探测器40。其中，X射线管10作为发射源，用于发出点散射式的X射线。X射线导管20用于将点散射式的光转化为平行光，其包括一段抛物线聚焦导管21和一段直线导管22；抛物线聚焦导管21为中空的抛物线回转体，其横截面为抛物线状，直线导管22为圆柱状，内部布置有金属格栅221(见图3-图5)，具体地说，金属格栅221包括多片垂直布置的金属片以及多片水平布置的金属片，两者间相互垂直；抛物线聚焦导管21和直线导管22一体成型并相互连通。导管支架30固定设置在X射线导管20的底部，用于稳定支承X射线导管20。高精度探测器40用于接收X射线并进行CT成像。

上述各部件的位置关系为：X射线管10设置在抛物线聚焦导管21的一侧，X射线管10的光源位于抛物线聚焦导管21的所在抛物线的焦点上，待检测的样品130设置在直线导管22的一侧，高精度探测器40设置在样品130相对于直线导管22的另一侧。

本发明的工作原理为：X射线管10发出点散射式光线，射线首先进入到抛物线聚焦导管21内，基于抛物线的光学性质，经焦点的光线在经抛物线反射后平行于抛物线的对称轴，因此抛物线聚焦导管21可以将点散射光反射为平行光。同时由于加工精度的原因，难以制造出绝对平滑的抛物线表面，因此反射出的光线未必是完全平行的。因此，在直线导管22段内安装了金属格栅221，其可以阻挡散射角过大的X射线，从而降低X射线散射角，对平行光作进一步的均匀化处理，使入射样品130的光线更大程度地接近于完全平行。经X射线导管20出来后的平行光穿透样品130，然后被高精度探测器40接收到，再经外部配置的高性能计算机进行数据处理和图像重建，即可完成CT成像。

具体地，高精度探测器40采用微米级分辨率X射线探测器，其探测精度优于目前普通工业CT探测器。X射线管10采用大功率射线管，缩短成像时间，提高检测效率。

优选地，参阅图1，本发明还包括样品回转座50。待检测的样品130可转动连接在样品回转座50上，可以旋转样品130从而进行位置调整，便于对样品130上的不同位置进行检测。

优选地，本发明还包括X-Y移动平台60。参阅图2，X-Y移动平台60相互垂直设置的第一滑轨组件和第二滑轨组件，第一滑轨组件包括第一滑轨61、第一滑台62以及用于驱动第一滑台62的第一丝杠电机63；第二滑轨组件包括第二滑轨64、第二滑台65以及用于驱动第二滑台65的第二丝杠电机66；第二滑轨64固定连接在第一滑台62上，样品回转座50固定连接在第二滑台65上。X-Y移动平台60可以使样品130在X方向和Y方向上均能实现平移，从而进行位置调整，配合样品回转座50的旋转功能，使X射线可以投射在样品130的各个位置。

优选地，参阅图1，本发明还包括用于总体支承的底座70，第一滑轨61固定连接在底座70上。

优选地，参阅图1，本发明还包括垂直设置在底座70上的第一侧板80，X射线管10设置在第一侧板80上，第一侧板80起到为X射线管10提供安装位置的作用。进一步优选，本发明还包括设置在第一侧板80上的第三滑轨组件90，第三滑轨组件90包括第三滑轨和第三滑台，第三滑轨固定连接在第一侧板80上，X射线管10固定连接在第三滑台上；进一步地，还可以设置直线电机连接第三滑台，以驱动第三滑台上下运动。第三滑轨组件90的作用在于使X射线管10具备了高度调整功能。

优选地，参阅图1，本发明还包括探测器滑台100，探测器滑台100连接在第一滑轨61上，并位于第一滑台62的侧部，高精度探测器40固定设置在第一滑台62上，使高精度探测器40可以沿X射线轴向方向进行平移，便于根据样品130大小不同来调整高精度探测器40位置。

优选地，参阅图1-图2，本发明还包括第二侧板110和第四滑轨组件120。第二侧板110垂直设置在探测器滑台100上，第四滑轨组件120包括第四滑轨和第四滑台，第四滑轨固定连接在第二侧板110上，高精度探测器40固定连接在第四滑台上；进一步地，还可以设置直线电机连接第四滑台，以驱动第四滑台上下运动。第四滑轨组件120的作用在于使高精度探测器40具备了高度调整功能。

通过更换不同高度的导管支架30，也可以对X射线导管20的高度进行调整。通过导管支架30、第三滑轨组件90、第四滑轨组件120的配合调整，可以使X射线管10、样品130、高精度探测器40处于同一轴线上。

优选地，X射线导管20采用超镜导管，超镜导管内部为真空状态。超镜导管的内表面具有多层喷涂效果，能有效提高反射效果，内部真空能保证超镜导管的传输效率。需要说明的是，超镜导管在本领域为现有技术，可以直接购得，在此不对其具体材料进行赘述。

优选地，超镜导管的两端开口设置有用于密封的铝合金窗口。铝合金的中子穿透性较好，能降低X射线的能量损耗。

本装置具有两种成像模式，一种是平行X射线成像模式，一种是普通工业CT模式，可根据实际检测需要进行灵活切换。(a)采用平行X射线成像模式时：参阅图6-图7，调整好X射线管10的高度、样品130的水平位置及高度、高精度探测器40的水平位置和高度，X射线经过抛物线聚焦导管21反射成平行光，再经过直线导管22多次反射以提高均匀度，高精度探测器40接收到穿透样品130的X射线并进行成像，探测器分辨率越高，成像分辨率越高，和普通摄像机原理一样。(b)采用普通工业CT成像模式时，参阅图8-图9，只需移除X射线导管20和导管支架30，并调整X-Y移动平台60和探测器滑台100的位置，即可进行常规工业CT成像操作。

通过对上述实施例的详细阐述，可以理解，本发明具有以下的技术效果：

(1)由于穿透样品的射线为平行光，因此成像分辨率由探测器分辨率决定，而不再由射线管的靶焦点尺寸决定，提高探测器分辨率即可提高成像分辨率。相比于传统工业CT需采用靶焦点尺寸小(小功率)的X射线管才能提高成像分辨率，本发明只要采用高精度探测器即可达到高成像分辨率，因此可以采用大功率X射线管作为射线源，而不会影响到成像质量。大功率X射线管的射线能量高，能穿透较厚的样品，有效地对厚样品完成检测；同时缩短成像时间，大幅提高检测效率。

(2)X射线管具备高度调整功能。

(3)样品具备X方向、Y方向的水平移动以及旋转功能。

(4)探测器具备平移和高度调整功能。

(5)通过超镜导管提高X射线的传输效率。

(6)具备两种成像模式，可根据检测需求进行灵活切换。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种平行X射线CT成像装置，其特征在于，包括：

作为发射源的X射线管；

X射线导管，包括一段抛物线聚焦导管和一段直线导管，所述抛物线聚焦导管为中空的抛物线回转体，所述直线导管为圆柱状，内部布置有金属格栅；所述抛物线聚焦导管和所述直线导管一体成型并相互连通；

导管支架，所述导管支架固定设置在所述X射线导管的底部；

用于接收X射线的高精度探测器；

所述X射线管设置在所述抛物线聚焦导管的一侧，所述X射线管的光源位于所述抛物线聚焦导管的所在抛物线的焦点上，待检测的样品设置在所述直线导管的一侧，所述高精度探测器设置在所述样品相对于所述直线导管的另一侧，以接收由所述X射线管发射并依次通过所述X射线导管和所述样品的X射线。

2.如权利要求1所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括样品回转座；所述样品可转动连接于所述样品回转座上。

3.如权利要求2所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括X-Y移动平台，所述X-Y移动平台包括相互垂直设置的第一滑轨组件和第二滑轨组件；所述第一滑轨组件包括第一滑轨、第一滑台以及用于驱动所述第一滑台的第一丝杠电机，所述第二滑轨组件包括第二滑轨、第二滑台以及用于驱动所述第二滑台的第二丝杠电机；所述第二滑轨固定连接在所述第一滑台上，所述样品回转座固定连接在所述第二滑台上。

4.如权利要求3所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括底座，所述第一滑轨固定连接在所述底座上。

5.如权利要求4所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括垂直设置在所述底座上的第一侧板，所述X射线管设置在所述第一侧板上。

6.如权利要求5所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括设置在所述第一侧板上的第三滑轨组件；所述第三滑轨组件包括第三滑轨和第三滑台，所述第三滑轨固定连接在所述第一侧板上，所述X射线管固定连接在所述第三滑台上。

7.如权利要求4所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括探测器滑台；所述探测器滑台连接在所述第一滑轨上，并位于所述第一滑台的侧部；所述高精度探测器固定设置在所述第一滑台上。

8.如权利要求7所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述平行X射线CT成像装置还包括第二侧板和第四滑轨组件；所述第二侧板垂直设置在所述探测器滑台上，所述第四滑轨组件包括第四滑轨和第四滑台，所述第四滑轨固定连接在所述第二侧板上，所述高精度探测器固定连接在所述第四滑台上。

9.如权利要求1所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述X射线导管为超镜导管，所述超镜导管内部为真空状态。

10.如权利要求9所述的平行X射线CT成像装置，其特征在于，所述超镜导管的两端开口设置有用于密封的铝合金窗口。

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