Micro-CT系統(tǒng)的設計

鄢蘇鵬，劉正明

解放軍第一醫(yī)院 醫(yī)學工程科，甘肅 蘭州 730000

引言

Micro-CT（也稱為顯微CT）被定義為測定體素的空間分辨率小于100 μm的CT系統(tǒng)[1]。它采用了與普通臨床CT不同的微焦點X線球管，分辨率高達幾個微米，具有良好的“顯微”作用[2]。Micro-CT能夠在不破壞樣品的情況下，對骨骼、牙齒、活體小動物和各種材料器件進行高分辨率（＜10 μm）X線成像，獲取樣品內部詳盡的三維結構信息，從而顯示各部分的三維圖像，分辨率遠遠高于臨床CT[3-5]。除了生物學、醫(yī)學、新藥開發(fā)和材料學的應用之外，Micro-CT還廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、工程、珠寶、古生物學和考古學等領域[6]。

目前市面上的成品Micro-CT系統(tǒng)，多是用來對離體組織或者活體小鼠成像，成像視野小，管電壓小，不能對大動物或大物體進行成像[7]。而本研究就是要設計一種大視野、大管電壓的Micro-CT系統(tǒng)，用于兔子的成像。Micro-CT一般包括X線管、探測器和機械裝置等[8]。Micro-CT的基本原理是：X射線源連續(xù)的產生錐形束X射線，穿過載物臺上的被測物體，在探測器上成像。探測器后端連接電腦數據采集系統(tǒng)，旋轉一周依次得到被測樣本在不同角度下的二維投影圖像序列。對得到的投影序列根據需求進行圖像預處理，之后對投影圖像序列進行斷層重建，得到斷層圖像序列。將斷層圖像序列使用各種可視化方法顯示出來。

1 系統(tǒng)的硬件設計

1.1 系統(tǒng)類型

Micro-CT系統(tǒng)主要由X射線源、X射線探測器和機械掃描結構等3部分組成，并由一臺計算機作為控制處理單元實現系統(tǒng)的整體控制[9]。根據系統(tǒng)的機械結構的不同，將系統(tǒng)分為轉臺式和轉桶式兩種，見圖1。兩種系統(tǒng)類型的對比，見表1。

圖1 Micro-CT的機械掃描結構轉臺式（a）轉桶式（b）

表1 兩種系統(tǒng)類型的比較

在我們設計的系統(tǒng)中，采用轉臺式的掃描方式。利用一個電控旋轉臺，控制物體的旋轉，利用多個電控位移臺，實現物體的前后左右的移動。這樣不僅實現方便，調整簡單，而且能達到較高的空間分辨率[2]。

1.2 X線管和探測器的選擇

系統(tǒng)所能達到的最高空間分辨率受到系統(tǒng)焦斑大小、探測器像素大小、機械穩(wěn)定性、系統(tǒng)幾何放大倍數、重建算法等多種因素的影響，其中設備的硬件參數起著更為決定性的作用。設X射線源的焦斑大小F，探測器像素大小d，用SDD和SOD分別表示X射線源到探測器中心和到物體的距離，參見圖2，定義系統(tǒng)的放大倍數為M=SDD/SOD，則射線的等效束寬BW[2]可表示為：

BW從物理上確定了系統(tǒng)可能達到的極限分辨率。

圖2 Micro-CT系統(tǒng)幾何位置示意圖

X線管在選擇時，管電壓在足夠大，能夠穿透兔子的情況下，焦點的大小要盡可能小，以使成像的結果盡可能好，3款均滿足要求（表2）。

表2 不同的X線管

探測器在選擇時，因為要保證大視野（大于10 cm），所以探測器的尺寸要大，而且探測器像素的大小要盡量小，以使確保成像質量，同時讀出速率也不能低，不然采集時間過長，照射劑量太大，導致兔子死亡，會使活體成像沒有意義，3個測試款探測器均滿足要求（表3）。

將以上的X線管和探測器兩兩組合起來，選定視野直徑為15 cm，計算其系統(tǒng)的極限空間分辨率，見表4。

可以看出來，L9421-02和2923的組合，其保證15 cm視野的情況，系統(tǒng)的極限空間分辨率在這些組合里是最小的，但是考慮到成本的問題，我們選擇了Ultrabright 90和2321，系統(tǒng)能達到的最小空間分辨率為49.2423 μm，能夠實現高分辨率、大視野的目標。

表3 不同的探測器

表4 不同X線管和探測器組合系統(tǒng)極限空間分辨率的情況

1.3 SOD和SDD的設計

源到物體的距離SOD和源到探測器的距離SDD是系統(tǒng)的安裝時必要考慮的兩個量，它們決定了源、物體、探測器之間的相對關系。當探測器尺寸一定且需要的視野一定時，則系統(tǒng)的幾何放大倍數M就確定了，則SDD/SOD的值也確定了。但如果SDD太大的話，會使到達探測器的X線光子數目減少，降低對比度分辨率[9]；如果SDD太小，為保證重建結果，錐角控制在10°以下，則視野變小，探測器成像面積沒有有效利用。

如圖3所示，為了有效利用探測器的面積，而且為了保證成像質量，要求錐角θ小于10°[10]，所以SDD、θ、探測器寬度A滿足如下關系：

圖3 計算SDD的示意圖

2 系統(tǒng)的軟件設計

2.1 FDK重建算法

FDK算法，它由Feldkamp等[11]在1984年提出，因其易于實現、執(zhí)行效率高等優(yōu)點，在圓軌道錐束CT中廣泛應用。FDK算法是一種解析的近似重建算法，在錐角比較大的時候存在錐束偽影，為了解決錐束偽影問題，很多人提出了改進的FDK算法[12]。在錐角比較小的情況下，FDK重建結果比較好。使用FDK 算法重建時，必須在360°掃描范圍內具有充足的投影數據，否則圖像中將產生偽影[11]。

錐束CT掃描幾何結構，見圖4。設射線源到旋轉中心的距離為R，射線源到探測器距離為D，稱射線源到探測器中心且與探測器垂直的射線為中心射線，FDK算法重建公式為：

其中gI(u,v,λ)代表投影數據，λ為投影角度，（u,v）為虛擬探測器的橫、縱坐標；ξ為從射線源出發(fā)過點x→的射線與中心射線的夾角，斜坡函數；； 反 投 影 需 要 加 權

圖4 錐形束重建算法的坐標系

2.2 程序流程及各模塊說明

（1）預處理。對各數據點做預處理，乘以cosξ，ξ是指數據點到源的連線和中心點到源的連線的夾角。

（2）濾波。若選擇no filter（無濾波器），則只進行算法中的斜坡濾波，如果選擇濾波器，則還要使用用戶選擇的濾波器對數據進行濾波，濾波均是通過卷積實現[13]。

（4）輸出。重建完成之后，根據用戶輸入的路徑保存重建圖像，同時可以在程序右上方瀏覽各層的圖像，還可以將各層圖像保存。

2.3 重建結果展示

重建程序，見圖5。投影數據使用3D phantom模型（3D SHEPP-LOGON模型）仿真投影，該模型在CT算法仿真實驗和性能評價中被普遍采用[14]。重建后選取的四層圖像，見圖6。從這四幅圖中可以看出，重建算法很好地體現了不同層面之間的不同，而且各層面成像結果也很清楚。

圖5 重建程序界面

圖6 不同層面的成像結果

3 結語

本研究設計的Micro-CT系統(tǒng)，成像視野大，管電壓大，能夠滿足對于活體兔子成像的實驗需求，彌補了市面上成品Micro-CT成像視野小、管電壓小、價格昂貴、不能滿足特定實驗需求的缺點。

但因安裝過程會導致系統(tǒng)幾何位置產生誤差[9]，而誤差對成像效果有較大的影響，重建圖像中將會出現偽影，嚴重時將導致重建結果沒有意義[15]。因此，下一步重點將針對系統(tǒng)安裝完成后的幾何位置誤差，進行校正方法的軟件設計與實現。同時，還可對重建算法進行進一步優(yōu)化，引入并行計算，提高重建速度[16]。

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