具有三自由度运动控制的显微CT成像设备及其校准方法 【技术领域】
本发明属于显微X射线计算机断层成像技术领域，特别涉及一种显微CT成像设备的三自由度控制系统。
背景技术
20世纪70年代出现了X线计算机断层成像(x-ray computedtomography，x-ray CT或CT)，它是近代飞跃发展的计算机技术和X线检查技术相结合的产物。1971年英国EMI公司Hounsfield研究成功第一台头部CT扫描机，1975年美国Ledkey设计的第一台全身CT机问世，它是用X线束对人体进行扫描、取得信息，经计算机处理获得重建图像，从而显著扩大了人体的检查范围，提高了病变的检出率和诊断的准确率。这种诊断价值高、无痛苦、无创伤、无危险的诊断方法，是放射诊断领域中的一项重大突破。
但目前医用CT的空间分辨率只能达到毫米或亚毫米级水平，虽然已能满足肉眼宏观病变诊断的需要，但与无创显微影像学的诊断存在较大的差距。特别是某些小肿瘤(其尺寸在微米甚至亚微米数量级)，以目前的医学影像技术很难观察得到，但这些小肿瘤往往具有很大的危险性。因此人们迫切期待分辨率达到微米甚至亚微米级的医学影像设备的出现。
纵观CT技术的发展，多层螺旋CT探测器层数的增加有利于采集更大范围的容积信息并且提高采集速度，但由于工艺条件的限制，CT探测器层数的增加存在着相当大的瓶颈，使空间分辨率的进一步提高受到约束。采用锥形束重建的Micro CT(也称为显微CT、微焦点CT)给CT分辨率的提高带来了新的机遇。
与临床CT普遍采用的扇形X线束(Fan Beam)不同的是，Micro CT采用锥形X线束(Cone Beam)。采用锥形束不仅能够获得真正各向同性的容积图像，提高空间分辨率，提高射线利用率，而且在采集相同3D图像时速度远远快于扇形束CT。与传统扇形CT相比，Micro CT不仅能提高扫描速度，达到动态成像的效果；而且锥束CT还可以减少X射线辐射剂量，锥束CT一次投射剂量只相当于传统扇形CT的1/30-1/40的放射量，围绕物体一周扫描的数据量相当于扇束CT几十次扫描的结果。
Micro CT采用了与普通临床CT不同的微焦点X线球管，分辨率高达几微米，仅次于同步加速X线成像设备的水平，具有良好的“显微”作用。一个细胞的大小，平均为10μm-50μm；而细胞器的大小，约为0.2μm-1μm。所以，显微CT也就是“能看见组织和细胞图像的CT”。然而其高分辨率却带来的问题是扫描样品的体积很小，只有几个厘米。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供了一种具有三自由度运动控制的显微CT成像设备，解决了一般显微CT机械装置运动抖动严重、误差大、精度低的问题，且兼顾了辐射防护和X射线源及X射线探测器的散热问题。
为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案如下：
一种具有三自由度运动控制的显微CT成像设备，包括X射线源、X射线探测器；所述X射线源、X射线探测器间设置载物台，其特征在于所述载物台外侧设置驱动载物台在水平方向、竖直方向、旋转方向运动的驱动装置。
优选的，所述设备还包括密封盒，所述密封盒内设置X射线探测器，并与X射线源、载物台形成密闭腔室；所述载物台转轴中心、X射线源、X射线探测器同一直线。
优选的，所述X射线探测器设置在密封盒内的探测器调节板上，所述X射线源、探测器调节板分别与密封盒螺栓固定，且探测器调节板与密封盒、X射线源与密封盒间垫设簧垫圈调节。
优选的，所述载物台下端设置载物台转轴，所述载物台下端与驱动装置连接，所述驱动装置包括驱动载物台水平方向移动的水平驱动单元、驱动载物台垂直方向移动的垂直驱动单元和驱动载物台旋转一定角度的旋转驱动单元。
优选的，所述水平驱动单元包括第一驱动电机，所述载物台外侧连接水平转轴，所述第一驱动电机通过水平转轴与载物台连接驱动载物台水平移动。
优选的，所述垂直驱动单元包括第二驱动电机和从动转轴，所述传动转轴啮合有与载物台连接的垂直转轴，所述第二驱动电机的传动轴与从动转轴间套设同步带。
优选的，所述旋转驱动单元包括第三驱动电机，所述第三驱动电机为步进电机，所述步进电机与载物台下端设置的载物台转轴连接传动驱动载物台转轴旋转。
优选的，所述密封盒内设置限位装置，所述限位装置设置在载物台进行水平方向、垂直方向和旋转方向的行程上。
优选的，所述驱动装置架设安装在系统骨架上，所述系统外侧设置安全屏蔽装置；所述安全屏蔽装置为铅板密闭箱，所述密闭箱内壁铣槽，并在设备的壳体上开设机箱门。
本发明的另一目的在于提供了一种权利要求1所述的具有三自由度运动控制的显微CT成像设备的校准方法，其特征在于所述方法包括在载物台固定十字缝隙的遮光片，通过调整X射线源、X射线探测器的平面位置进行校准的步骤或检测载物台旋转运动时载物台端面的跳动量，利用获得的跳动量进行校准的步骤。
本发明的三自由度(水平方向、竖直方向、旋转方向)运动是由驱动电机来控制的，优选为由单片机控制的步进电机，负责实现载物台的水平方向(+)运动、(-)运动，负责竖直方向(+)运动、(-)运动，负责连续旋转(每步间隔0.1s，每次转动0.9度或1.8度)、单步旋转(0-360度之间任意角度)。载物台水平转轴在水平方向运动时，与X射线源和X射线探测器都需留有一定的距离，以防撞伤X射线源和X射线探测器，因此安装有限位装置。可以软件限位，在上位机软件上指定；可以通过传感器限位，采用相应的霍尔器件来实现；更直接的是采用硬限位，通过在两级增加两个螺杠，以防在软件限位及霍尔限位失效的情况下，有效保护射线源和探测器不受撞伤；载物台转轴在竖直方向运动时，上下两端之间也需有限位装置。
X射线源中心、载物台转轴中心、X射线探测器中心三者在同一条直线上，当载物台转轴中心发生偏移时可通过激光校准方法检测载物台的偏移程度，调节探测器支撑板以及固定载物台的螺母使其处于一条直线上。X射线探测器平面应垂直于X射线源中心与载物台转轴中心的连线，如不垂直，可通过固定探测器的支撑板进行调节(平移、旋转)。
控制系统外壳上设计安装有机箱门，机箱门跟机壳衔接处做到无X射线泄露。门开关连接X射线源的电源开关，只有在机箱门安全关闭后X射线源才能发射X射线。门上安装有报警灯，在门没有安全关闭或其他危险情况下报警等会亮。本发明对于最大电压为130KV、最大电流为123uA的微焦点X射线源，在主方向1m处、侧面40cm处分别用2mm铅板屏蔽箱进行密闭处理，屏蔽箱内壁铣槽，宽3mm、深1.5mm、间隔2m，可防护周围X射线剂量率达到国家规定的辐射防护安全标准0.2uSv/h以内。
本发明的有益效果
1.应用本发明的装置通过调节载物台水平方向的位置控制图像的放大倍数，以此来改变图像的空间分辨率；通过调节载物台竖直方向的位置，结合长目标物体扫描算法，可实现传统Micro-CT很难做到的对大目标物体的X射线成像以及断层重建，还可实现对扫描物体某个具体位置的扫描和重建；通过对旋转运动的控制，如单步旋转0.9度之后采集一张投影图像，旋转一周可得到400张不同角度的投影图像。
2.本装置中在水平方向(A自由度)和竖直方向(B自由度)安装限位装置，限位包括软件限位、传感器限位、硬件限位等。软件限位就是在上位机软件控制程序中设定A和B自由度的行程的最大值，可以杜绝在上位机上误操作可能产生的对机器损害的情况；传感器限位是利用霍尔器件来限位，分别在竖直方向的两端和水平方向的两端安装霍尔器件利用霍尔器件的原理进行限位；硬件限位，在水平方向两端和竖直方向的两端安装螺杠，当前两种方法都失效的情况下，进行强制限位。
3.本装置的机壳安装有机箱门，机箱门跟机壳衔接处做到无X射线泄露。门开关连接X射线源的电源开关，只有在机箱门安全关闭后X射线源才能发射X射线。门上安装有报警灯，在门没有安全关闭或其他危险情况下报警等会亮。机壳后有出线面板，X射线源、X射线探测器、机械运动系统的电源线、数据线、地线插头列于出线面板上，拆卸方便。
4.在本装置中X射线不仅仅从X射线源焦点射出，整个机头均有X射线射出，主方向为以焦点为中心的锥形束，其辐射防护要求较高。本装置对于最大电压为130KV、最大电流为123uA的微焦点X射线源，在主方向1m处、侧面40cm处分别用2mm铅板屏蔽箱进行密闭处理，可防护周围X射线剂量率达到国家规定的辐射防护安全标准0.2uSv/h以内。
综上所述，本发明设备改进了传统的用于显微CT成像的技术装置，是新型的三自由度的精确的带防护装置的显微CT成像设备，三个自由度方向运动更稳定、速度更均匀、精确度更高，有更好的辐射屏蔽效果，解决了X射线源和X射线探测器的散热问题，解决了X射线源与X射线探测器及物体旋转中心在一条线的问题，可以为后续的图像采集、图像重建提供良好的保证。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明实施例具有三自由度运动控制的显微CT成像设备的密封盒的结构示意图；
图2是图1的A-A向示意图；
图3是本发明实施例具有三自由度运动控制的显微CT成像设备的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例具有三自由度运动控制的显微CT成像设备的另一剖面结构示意图；
图5是本发明实施例具有三自由度运动控制的显微CT成像设备的的又一剖面结构示意图。
其中，1为X射线源，2为X射线探测器；3为载物台；
【具体实施方式】
为了更详尽的表述上述发明的技术方案，以下由本发明人列举具体的实施例来说明效果；需要强调的是，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。
包括
实施例如图1～图5所示，该具有三自由度运动控制的显微CT成像设备，包括X射线源1、X射线探测器2、密封盒5、用于安装X射线源和X射线探测器的密封盒、系统骨架、机箱门、安全屏蔽装置、外部框架等；所述X射线源1、X射线探测器2间设置载物台3，所述载物台外侧设置驱动载物台在水平方向、竖直方向、旋转方向运动的驱动装置。所述密封盒内设置X射线探测器2，并与X射线源1、载物台3形成密闭腔室；所述载物台3转轴中心、X射线源1、X射线探测器2同一直线。所述X射线探测器2设置在密封盒5内的探测器调节板21上，所述X射线源1、探测器调节板21分别与密封盒5螺栓固定，且探测器调节板21与密封盒5、X射线源1与密封盒间垫设簧垫圈调节。
载物台3下端设置载物台转轴，所述载物台3下端与驱动装置连接，所述驱动装置包括驱动载物台水平方向移动的水平驱动单元、驱动载物台垂直方向移动的垂直驱动单元和驱动载物台旋转一定角度的旋转驱动单元。所述水平驱动单元包括第一驱动电机41，所述载物台外侧连接水平转轴42，所述第一驱动电机41通过水平转轴42与载物台连接驱动载物台水平移动。所述垂直驱动单元包括第二驱动电机43和从动转轴44，所述传动转轴啮合有与载物台连接的垂直转轴45，所述第二驱动电机42的传动轴与从动转轴44间套设同步带。所述旋转驱动单元包括第三驱动电机46，所述第三驱动电机46为步进电机，所述步进电机与载物台下端设置的载物台转轴连接传动驱动载物台转轴旋转。
密封盒内设置限位装置，所述限位装置设置在载物台进行水平方向、垂直方向和旋转方向的行程上。所述驱动装置架设安装在系统骨架上，所述系统外侧设置安全屏蔽装置；所述安全屏蔽装置为铅板密闭箱，所述密闭箱内壁铣槽，并在设备的壳体上开设机箱门。
在CT重建中，需要样品在不同角度下的精确投影。为了达到这个目的，本实施例设计了三自由度的运动控制系统，包括驱动装置，驱动装置设置在系统骨架上，驱动装置外侧设置辐射防护系统。该控制台有三个自由度：水平方向、竖直方向和旋转。
水平方向(A自由度)，X射线源和X探测器之间的距离为315mm，X射线源和控制系统转轴之间距离为265mm。水平方向行程为300mm，运动精度为0.01mm。载物台转轴在X射线探测器和X射线源之间的运动在一条直线上，且与X射线源和X射线探测器都需留有一定的距离，防止撞伤X射线源和X射线探测器，需有限位装置(包括软件限位-在上位机软件上指定；传感器限位-霍尔器件；硬限位-通过在两级增加两个螺杠，以防在软件限位及霍尔限位失效的情况下，有效保护射线源和探测器不受撞伤)。
载物台竖直方向(B自由度)行程为200mm，运动精度为0.01mm，允许放置物体的最大长度为160mm，上下两端之间需有限位装置(包括软件限位-在上位机软件上指定；传感器限位-霍尔器件；硬限位-通过在两级增加两个螺杠)。载物台旋转(C自由度)以0.9度或0.9度的倍数转动，转动精度为0.036度。转动过程中转轴应能匀速且平稳转动，转动偏离误差可控。载物台转轴可灵活更换，以适应不同物体需要，且更换后贴合紧密，不松动，不影响转动精度。
X射线源中心、载物台转轴中心、X射线探测器中心三者在同一条直线上，X射线探测器平面垂直于X射线源中心与载物台转轴中心的连线。如不垂直，能进行简单调整。当载物台转轴中心发生偏移时可通过激光校准方法检测载物台的偏移程度，调节探测器支撑板以及固定载物台的螺母使其处于一条直线上。固定探测器的支撑板应可调(包括竖直方向、X射线源中心和X射线探测器中心连线的垂直面上)。
运动控制系统外壳上设计安装机箱门，门上有开关。机箱门开关连接X射线源的电源开关，如果门关好，则X射线源可打开，否则不能打开。机箱门由上位机软件控制，门上应有锁和报警灯。机壳后面应有出线孔，方便X射线源、探测器、机械运动系统的电源线、数据线和地线。另外，在X射线源和X射线探测器之间安装X线准直器和滤线栅的安装支架。
考虑到X射线源对生物的有害性，整个运动控制系统设有辐射防护措施，屏蔽箱内壁铣槽，宽3mm、深1.5mm、间隔2mm，X射线的辐射标准按照国家安全标准应不超过0.2uSR/h。
以上各方向运动(水平方向、竖直方向、旋转方向)步进电机由单片机控制，负责水平方向(+)运动、(-)运动，负责竖直方向(+)运动、(-)运动，负责连续旋转(每步间隔0.1s，每次转动0.9度或1.8度)、单步旋转(0-360度之间任意角度)。要求运动到位后需有反馈信号，如出现无法完成、运动超出边界、驱动器故障、门未处于关闭状态、通讯格式不正确等情况时需返回相应的故障信号。
X射线源为微焦点X射线源，且通常采用微米级焦点大小的射线源，X射线源的焦点大小是决定系统空间分辨率的因素之一。本系统中采用焦点5微米大小的射线源。整个射线源模块通过上位机用RS232串口控制，串口参数设置为38400，N，8，1。通过串口实时控制射线源的电压、电流、功率、开关等指标。运动控制系统三个自由度方向有三个步进电机驱动，而步进电机由单片机来控制，单片机和上位机通过串口通信，串口参数设置为9600，N，8，1。
探测器为高分辨率平板探测器，由闪烁体或荧光体层涂上有光电二极管作用的非晶硅层(amorphous Silicon，a-Si)加薄膜晶体管(Thin FilmTransistor，TFT)阵列构成。透过被检体后的入射X线，激发光电二极管产生电流，随之就在光电二极管自身的电容上积分形成储存电荷。每一像素的储存电荷量和与之对应范围内的入射X线光子能量与数量成正比。输出的电荷通过A/D转换器之后转换为12位数字信号输出。所采集图像的分辨率大小为1000×1000(H×W)。
该运动控制系统，应用于Micro CT系统中。可以通过以下方法来纠正及调节X射线源、载物台旋转中心、探测器中心在一条直线上。在可动部件上安装0.2mm宽十字缝隙的遮光片，在A点安装激光源，调整CCD使得光点在中心位置。移动可动部件，检查CCD成像图形，光点移动位置＜0.5mm。调整好后，将激光源去掉换上X射线源，使得光点在CCD中心位置。而载物台端面跳动检测方法：检查载物台的轴向跳动，载物台做旋转，观察μ表的跳动量＜3μ。
三个步进电机均通过单片机控制，单片机提供串口用于和PC机通信。PC机通过串口与单片机通信从而控制步进电机的运动，实现水平、竖直、旋转三个自由度的运动。X射线源、旋转载物台、X射线探测器按图1所示装配起来，通过调节X射线探测器背后的平衡板可调整X射线探测器的位置，以便校正X射线源、X射线探测器和载物台旋转中心在一条直线上。
本发明充分考虑Micro-CT的特定应用，特别设计了一套控制系统，包括三自由度运动系统、密封盒(用于安装X射线源和X射线探测器)、系统骨架、机箱门、安全屏蔽装置、外部框架等，做到成像精确、安装调试方便、操作简单安全。
上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并能够实施，不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。