CN108535289B - 一种x射线成像装置 - Google Patents
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Abstract
公开了一种X射线成像装置，该装置可以包括：转台，其设置在底座上并且在被驱动时围绕竖直方向上的纵向轴线旋转；探测器，其经由穿过转台的中孔的第一支撑结构连接到底座；样品台，其经由第二支撑结构连接到转台；以及射线源，其设置于经由第三支撑结构连接到底座。该装置能够同时支持包括计算机层析成像和计算机断层成像的多种模式。
Description
技术领域
本公开总体上涉及X射线成像领域，并且具体地涉及一种X射线成像装置，其能够同时支持包括计算机层析成像和计算机断层成像的多种模式。
背景技术
X射线成像已经被广泛地应用于医学诊断、工业无损检测、安检、科研等领域。医学诊断用的计算机断层成像(CT)装置检测的对象通常是人或动物，装置的结构相对固定。相比于医学检测，工业CT检测的对象不固定，用于工业无损检测的CT成像设备的结构根据不同的检测需求而不同。
专用于诸如芯片这样的板状物体的X射线三维层析成像技术可以在不破坏板状物体的情况下对板状物体的内部结构进行三维成像。这样的计算机层析成像(CL)技术能够有效地解决在对板状物体应用计算机断层成像方法的情况下由于入射的X射线在垂直样品表面和平行样品表面两个方向的光程差异过大而导致的问题。
为了兼容传统的CT模式并充分地利用现有的射线源和探测器，对于采用CL技术的装置，往往需要添加额外的横向转台，并且在CL和CT两种模式之间切换的情况下需要安装或拆除转台。
发明内容
本公开的实施例提供了一种X射线成像装置，该装置可以包括：转台，其设置在底座上并且在被驱动时围绕竖直方向上的纵向轴线旋转；探测器，其经由穿过转台的中孔的第一支撑结构连接到底座；样品台，其经由第二支撑结构连接到转台；以及射线源，其设置于经由第三支撑结构连接到底座。
根据本公开的实施例的X射线成像装置能够针对不同的样品采用不同的成像模式，例如多角度投影成像、CT成像、CL成像等。每种成像模式均能够自由地调节放大比、成像视野等，从而能够实现不同的空间分辨率。不同的成像模式可以共用相同的样品台支撑结构，从而能够有效地节约成本，并有利于不同成像模式之间的快速切换。
另外，在根据本公开的实施例的X射线成像装置中，在CL扫描的过程中，仅转台旋转，运动的自由度低，从而能够控制和实现高精度的扫描和检测；而且，还可以通过调节样品的位置对样品的任意感兴趣区域进行成像，因此具有很高的灵活性。
附图说明
图1示出根据本公开的实施例的X射线成像装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来描述根据本公开的实施例的方法和系统。应当理解，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1示出根据本公开的实施例的X射线成像装置的结构示意图。如图1所示，根据本公开的实施例的X射线成像装置可以包括射线源2、探测器4、转台6和样品台7。另外，该X射线成像装置还可以包括控制单元10。
射线源2可以是任何适当的能够产生例如X射线的装置。
在一个实施例中，射线源2可以通过相应的控制线或连接线与控制单元10相连，并且可以通过相应的控制线或连接线接收来自控制单元10的控制指令和参数以便产生并发射符合期望要求(例如，具有期望的强度和/或角度)的X射线。在另外的实施例中，射线源2也可以通过无线的方式与控制单元10通信。
射线源2可以通过相应的支撑结构3与装置的底座1相连。根据不同的实施例，射线源2的空间位置可以是固定的，也可以在三维空间中运动。
相应地，用于连接射线源2和底座1的支撑结构3可以具有固定的形状或结构，也可以具有诸如机械臂这样的可变形或可调节的结构。
在支撑结构3具有可变的形状或可调节的结构的情况下，可以通过手动的方式使支撑结构3的形状改变。在另外的实施例中，支撑结构3也可以被设计成在其内部包括适当的控制机构和驱动机构，从而能够通过例如液压、气压、电气、机械等不同的驱动方式来改变外部形状，进而使射线源2能够在三维空间中运动和/或定位到期望的位置处。例如，这样的支撑结构3的示例可包括多自由度机械臂。
样品台7可以是薄的平板或者能够夹持或承载样品9以使从射线源2发射的射线穿透样品9的任何适当的机构或结构。
如图1所示，样品台7可以连接到支撑结构8的一端。支撑结构8可以具有诸如机械臂这样的可变的形状或可调节的结构，以便能够调节样品台7在三维空间中的位置。
在一个实施例中，样品台7可以经由在支撑结构8的末端的旋转机构13连接到支撑结构8。旋转机构13在被驱动时可以围绕旋转机构13的中心轴旋转，从而带动样品台7及其上的样品9旋转。在一个实施例中，旋转机构13的中心轴可以与竖直方向的纵向轴线Z垂直，即，对应于水平方向。支撑结构8还可以包括其他驱动机构，以控制样品台7在三维空间中实现任意位置调节，这样的支撑结构8可利用多自由度机械臂容易地实现。
支撑结构8的另一端可以固定在转台6上，并且可以随着转台6一起围绕竖直方向上的纵向轴线Z旋转。
在一个实施例中，支撑结构8可以包括适当的控制机构和驱动机构。例如，控制机构可以接收来自控制单元10的控制指令和/或控制参数，并且根据所接收的指令和/或参数控制驱动机构工作，以使支撑结构8进行期望的运动或产生期望的形态。
转台6可以设置在底座1上，并且可以例如在电力的驱动下围绕纵向轴线Z旋转任意角度或者在预定范围内的角度。在一个实施例中，用于转台6以及固定在转台6上的支撑结构8的供电线路和/或控制线路可以通过例如滑环与电源(未示出)和/或控制器10相连。转台6可以通过相应的控制线或连接线接收来自控制单元10的控制指令和参数，以便按照指定的速度和/或角度转动；支撑结构8也可以通过相应的控制线或连接线接收来自控制单元10的控制指令和参数，以便将样品台7移动到指定的位置。
探测器4可以接收由射线源2产生并穿过样品台7及其上的样品9的射线，并将所接收到的射线转化为电信号。如图1所示，从射线源2产生并最终到达探测器4的射线可以是锥形束。
探测器4和射线源2可以分别设置于样品台7所在的水平平面的两侧，以使得射线源2产生的射线能够穿过样品台7及其上的样品9，并最终被探测器4接收。例如，在样品台7位于例如射线源2的下方(例如，正下方或斜下方)的情况下，可以将探测器4设置于样品台7的下方(例如，正下方或斜下方)。
探测器4可以安装在支撑结构5上，支撑结构5可穿过转台6的中心部分安装到底座1上。支撑结构5可以包括横臂和升降机构。如图1所示，横臂和升降机构可以相互垂直地设置。如图1中在竖直方向上的双向箭头所示，该升降机构可以穿过转台6的中孔并连接底座1和支撑结构5的横臂，并且能够升高和降低，从而调节支撑结构5的横臂到底座1的距离，从而调节支撑结构5的横臂上的探测器4与底座1或射线源2的相对位置关系。
支撑结构5还可以包括设置在横臂上的支架，支架的两端分别连接横臂和探测器4。如图1中在水平方向上的双向箭头所示，支架可以在横臂上沿着横臂的延伸方向(即，水平方向)来回移动。例如，在图1的示例中，横臂上的支架可以从靠近横臂的左端的位置A向右移动至靠近横臂的右端的位置B，从而调节探测器4和射线源2在水平方向上的相对位置关系。
在一个实施例中，支架在横臂上能够移动的范围相对于纵向轴线Z可以不是对称的。例如，对于在横臂上规定支架能够在横臂上移动的范围的两个端点，与射线源2位于纵向轴线Z的同一侧的端点可以设置在射线源2的正下方，并且相比于该端点到纵向轴线Z的距离，位于纵向轴线Z的另一侧的另一个端点到纵向轴线Z的距离可以更大或更小。这样的设计有利于在同时支持多种扫描模式的情况下方便地控制射线源2、样品9和探测器4的相对位置关系。
在支架的另一端，探测器4可以经由设置在支架上的转轴11与支架相连。如图1中的弧线形式的双向箭头所示，探测器4可以围绕穿过成像平面的转轴11转动，从而调节或改变探测器4的用于接收来自射线源2的射线束的表面的俯仰角。在一个实施例中，转轴11的延伸方向可以垂直于横臂的延伸方向。
在一个实施例中，支撑结构5的内部可以包括适当的控制机构和驱动机构。例如，控制机构可以接收来自控制单元10的控制指令和/或控制参数，并且根据所接收的指令和/或参数控制驱动机构工作，以使支撑结构5执行例如上述的升降、横向移动和/或调节俯仰角等动作，从而在各种扫描模式下调节成像的放大比、成像视野等。
可以通过控制单元10控制支撑结构5，以将探测器4控制或调节为在任何位置处均面向射线源2，使得从射线源2发射出的射线能够沿着由射线源2的焦点和探测器4中心确定的直线而垂直地照射到探测器4的接收射线的表面上。例如，控制单元10可以根据相应的控制参数确定射线源2的位置、射线源2要发出的射线的角度和样本台7的位置，然后通过简单的几何运算确定支撑结构5的高度、探测器4的横向位置和俯仰角，进而对支撑结构5执行例如升降、横向移动和/或调节俯仰角等动作，使得探测器4面向射线源2。
探测器4的供电线和数据线可以分别连接到电源和控制单元10。为了避免缠绕，例如，探测器4的供电线和数据线可以通过转台6的中孔分别连接到电源和控制单元10。
控制单元10可以具有数据分析和处理能力的任何适当的处理装置或处理部件，例如包括通用或专用处理器的通用或专用计算机，并且可以被配置为实现成像过程的运动控制(例如，装置中的任何可变形或可调节的支撑结构的变形和/或调节和/或运动和/或移动和/或转动等)、射线控制(例如，控制射线源2发射射线的强度和/或角度等)、数据采集(例如，通过控制探测器2、支撑结构5和8以及转台6，来控制数据采集的时间和频率等以及探测器2采集数据的精细度等)、投影数据显示、断层图像重建和显示、数据分析和处理等各种功能。
根据不同的实施例中，控制单元10可以通过有线(例如，通过前文所述的控制线)或者无线的方式与装置中的其他部件(例如，射线源2，探测器4，转台6，支撑结构3、5、8等)进行通信，以便接收数据以及发送指令和/或控制参数等。
例如，控制单元10可以通过无线的方式与支撑结构5通信，以便向支撑结构5发送例如与升降、移动横臂、轴11的转动有关的参数，从而控制调节探测器4相对于射线源2的位置和/或角度。
另外，装置还可以包括电源(未示出)，以向装置中的各个部件(例如，控制单元10、射线源2等)供电。在另外的实施例中，装置中的各个部件可以具备单独的电源(例如电池)，也可以采用无线电源技术向装置中的各个部件进行供电，使得装置中的各个部件能够更自由地运动而不受物理连线的限制，并且可以省去例如滑环等结构的设置。
根据本公开的实施例的X射线成像装置能够支持不同的成像模式，例如投影成像模式、CT成像模式和CL成像模式。
在投影成像模式下，例如，可以手动地或者通过控制单元10自动地调节探测器4的位置和俯仰角，使得由射线源2产生的射线能够沿着不同的方向穿过样品台7上的样品9，从而采集从不同角度的投影数据。
在CT成像模式下，例如，可以手动地将探测器4调整至射线源2的正下方，或者通过控制单元10自动地控制探测器4运动到射线源2的正下方，例如图1中的位置B。在扫描的过程中，可以控制支撑结构8绕横向轴旋转，从而带动样品台7上的样品9绕横向轴旋转。在能够确保样品9不与其他机械结构碰撞的情况下，可以使样品9旋转任意的角度。
在CT扫描过程中，可以使样品9旋转360度，并且控制探测器4采用连续式或步进式的数据采集方式。在连续式数据采集的情况下，可以使样品9始终保持旋转状态。在步进式数据采集的情况下，可以使样品9旋转，并在经过预定角度后停止旋转，然后控制探测器4采集数据；然后，使样品9继续旋转，并在经过与先前相同或不同的预定角度后停止旋转，然后控制探测器4采集数据；如此反复，直到样品9旋转360度为止。
为了避免碰撞，在CT扫描过程中，也可以使样品9的总的旋转角度小于360度，从而实现有限角扫描。
然后，控制单元10可以接收通过CT扫描采集到的投影数据并执行图像重建算法，从而获得CT图像。
如果样品9为诸如芯片这样的板状物体，则可以将装置的工作模式切换至CL成像模式。
在CL成像模式下，如图1所示，可以控制支撑结构8以将样品9的位置调节成使得样品9的感兴趣区域的中心与纵向轴线Z重合或者位于纵向轴线Z附近(例如，到纵向轴线Z的距离小于预定阈值)。然后，可以调节探测器4的位置和俯仰角，使得经过射线源2的焦点和探测器中心的直线与纵向轴线Z形成夹角，例如图1中的位置A。可以控制该夹角大于0度且小于90度。同时，可以使由射线源2产生的射线的锥形束能够至少覆盖样品的感兴趣区域。
在CL扫描过程中，可以控制射线源2和探测器4保持不动，并使样品台7及样品台7上的样品9随着转台6旋转。总的旋转角度可以为360度。在另外的实施例中，总的旋转角度可以小于360度或者大于360度。
根据需要，在CL扫描过程中，可以控制探测器4采用连续式或步进式的数据采集方式。在连续式数据采集的情况下，可以使样品9始终保持旋转状态。在步进式数据采集的情况下，可以使样品9旋转，并在经过预定角度后停止旋转，然后控制探测器4采集数据；然后，使样品9继续旋转，并在经过与先前相同或不同的预定角度后停止旋转，然后控制探测器4采集数据；如此反复，直到样品9旋转到总的旋转角度为止。
然后，控制单元10可以接收通过CL扫描采集到的投影数据并执行图像重建算法，从而获得CL图像。
已经描述了本公开的一些实施例。然而，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。可以在不脱离本公开的范围的情况下，对本文中所描述的方法和系统在形式上做出各种省略、替换和改变。
Claims (5)
1.一种X射线成像装置，包括：
转台，其设置在底座上并且在被驱动时围绕竖直方向上的纵向轴线旋转，所述转台具有中孔；
第一支撑结构，其穿过所述转台的中孔；
探测器，其经由所述第一支撑结构连接到所述底座；
第二支撑结构，所述第二支撑结构是一端固定在所述转台上的机械臂；
旋转机构，设置在所述第二支撑结构的末端，所述旋转机构在被驱动时围绕所述旋转机构的中心轴旋转，所述旋转机构的中心轴与所述纵向轴线垂直；样品台，其经由所述旋转机构连接到所述第二支撑结构，所述样品台经由所述第二支撑结构连接到所述转台而随着所述转台围绕所述纵向轴线旋转，并且在所述旋转机构被驱动时跟随所述旋转机构围绕所述旋转机构的中心轴旋转；
第三支撑结构，所述第三支撑结构是一端固定在所述底座上的机械臂；以及
射线源，其经由所述第三支撑结构连接到所述底座，
其中，所述第一支撑结构位于所述样品台的下方，所述第一支撑结构包括升降机构、横臂和支架，所述横臂位于所述样品台和所述转台之间，所述升降机构穿过所述转台的中孔并连接所述底座和所述横臂，所述支架可移动地设置在所述横臂上并连接所述探测器和所述横臂，
其中，所述样品台设置在所述射线源的下方，所述探测器设置在所述样品台的下方。
2.根据权利要求1所述的X射线成像装置，其中，所述探测器经由所述支架上的转轴连接到所述支架，以通过围绕所述转轴转动来改变俯仰角。
3.根据权利要求1所述的X射线成像装置，其中，所述支架在所述横臂上的可移动范围相对于所述纵向轴线是不对称的。
4.根据权利要求1所述的X射线成像装置，其中，所述探测器的俯仰角被配置为使得由所述射线源的焦点和所述探测器的中心所确定的直线垂直于所述探测器的接收射线的表面。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的X射线成像装置，还包括：
控制单元，其通过有线或无线的方式连接到所述转台、所述探测器、所述射线源、所述第一支撑结构、所述第二支撑结构和所述第三支撑结构中的一个或多个。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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