基于X射线的小动物成像micro_CT系统_李昊

ISSN 1000-0054CN 11-2223/N
清华大学学报(自然科学版)J Tsingh ua Univ (Sci &Tech ),2009年第49卷第6期
2009,V o l.49,N o.6w 28
http ://qhx bw.chinajo
基于X 射线的小动物成像micro -CT 系统
李　昊,　郭晓莲,　唐智伟,　张　辉,　胡广书
(清华大学生物医学工程系,北京100084)
收稿日期:2008-06-24
基金项目:国家“九七三”重点基础研究发展计划资助项目
(2006CB705700)
作者简介:李昊(1984—),男(汉),江苏,硕士。

通讯联系人:胡广书,教授,E-mail :h gs-dea @tsinghua.ed
摘　要:为了实现针对小动物特别是小鼠的高空间分辨率的断层成像,设计了一个基于X 射线的mic ro -C T 系统。

该系统包括X 光源、CM O S 平板探测器、步进电机控制的转台、相应的机械结构及计算机采集控制软件。

数据采集系统经校准后使用。

利用FD K (Feldkamp -Dav is -K ress )锥束算法,重建得到小鼠断层图像。

图像重建像素100μm ×100μm ×160μm,能够很好地分辨出骨骼和肺部的图像,对比度分辨率高,可分辨10mg /mm 3的密度差异。

该系统可用于小动物成像并且获得满意的图像质量,将成为进行小动物功能和解剖成像的有力工具。

关键词:电子计算机体层扫描;小动物成像;X 射线中图分类号:R 445.3
文献标识码:
A
文章编号:1000-0054(2009)06-0884-04
X -ray micro -CT system for small
animal imaging
LI Hao ,G UO Xiaolian ,TAN G Zhiwei ,
ZHANG Hui ,HU Guangshu
(Department of Biomedical Engineering ,Tsinghua University ,
Beijing 100084,China )Abs tract :An X-ray micro-C T (compu ted tomog raph y)s ystem w as developed for high resolu tion tom og raphic im aging of small animals,es pecially s mall mice.Th e s ystem includes an X-ray tube,CM O S flat panel detector,data acquisition s oftw are,and a rotational s tage driven by stepper moto r.Th e components are in troduced along w ith th e sys tem data acquisition and calib ration for small mous e tomog raphic imag es created using the FDK (Feldkamp-Davis-Kress )cone b eam recons truction alg orith m.Th e reconstructed 100μm ×100μm ×160μm images can easily differen tiate the s keleton and lung and hav e good contras t resolu tion to distinguish d ensity differences of 10mg /mm 3.The s ys tem produces ex cellent images fo r small animal imaging as a pow erful tool for small animal anatomical and functional imaging.Key words :com puted tomog raph y;s mall animal imaging;X-ray
小动物,特别是小型啮齿动物,已经成为生物和医学研究实验室用来建立人类疾病模型或者测试新药和治疗方法的动物选择。

无损成像技术被认为是
在器官或者动物全身层面对小动物进行活体生物检测的有用工具。

但是,临床CT 的空间分辨率通常为1mm ,无法满足对于小动物成像空间分辨率的要求[1]。

X 射线平板探测器和高容量微焦点X 射线管
的发展,使得获得小切片和小动物的高分辨率CT 图像成为了可能[2-5]。

Micro -C T 系统的扫描可以用来作为预临床研究时针对不同器官系统进行的无损扫描
[6-9]
,具有高分辨率高信噪比的优势。

本文开发的系统实现了对小鼠的高分辨率断层成像,其一个主要的设计目的是与正在进行研发的小鼠光学成像系统相结合,得到的新双模态成像系统可以同时生成功能图像和解剖图像,而解剖图像信息也可以用来辅助重建光学断层图像。

该micro-C T 系统主要由微焦点固定阳极X 光源,CM OS 数字平板探测器和步进电机驱动的旋转台及机械调整结构组成。

系统的设计目标是产生高分辨率的三维图像,其空间体积的重建范围为直径4cm,高4cm 。

在系统的搭建中,采用了基于CMO S 技术的平板探测器作为micro -CT 的探测器。

在数据采集过程中,针对采用硬件的特点,设计了高帧率的采集时序。

本文描述了系统设计中的不同方面,系统校准以及系统的评估,展示了重建图像的结果。

1　系统描述
本文设计的micro-CT 系统包括4个主要子系
统:微焦点固定阳极X 光源、CM OS 平板探测器、步进电机控制的旋转台以及相应的机械调整结构和采集控制计算机以及相应的软件系统,如图1a 所示。

图1　系统示意图及数据采集时序
1.1　X光源
在micro-CT系统中使用的X光源是牛津仪器(Ox ford Instrum ents,USA)的5000系列固定阳极X光管。

X光管由Spellman公司(Spellma n Electro nic Co rpo ra tio n,US A)的MNX50P50进行供电。

这样的组合可以产生4～50kV的高压以及最大1.0m A的阳极管电流。

同时,采用M NX50P50中的标准接口控制(standard interface contro ller, SIC)设置,进行远程网络控制。

1.2　探测器
探测器在决定图像的空间分辨率中起着重要的作用,本系统采用了日本滨松公司(Hamamatsu Pho to nics K.K.,Japa n)基于CMO S的平板探测器C7921CA02。

该款探测器包括了一个碘化铯的闪烁层和一个1056×1056像素,52.8mm×52.8m m的大面积高分辨率的CMO S阵列(50μm×50μm)。

CM OS阵列的输出被数字化为12位的信号,并且可以获得4帧/s的读出速率。

如果采用像素合并模式(pix el binning),在4×4合并的情况下,可以将读出速率提高到16帧/s。

相对于常用的CCD相机,CM OS平板探测器解决了CCD相机成像尺寸小的缺点,其系统功耗、微型化方面也大大优于CCD相机,并且有很好的抗辐射性能。

随着CM OS工艺技术的迅速发展,高质量、低成本的CM OS平板探测器会有更加广泛的应用。

在国内,本文作者率先在micro-C T系统中采用此类平板探测器,并获得较好的图像质量。

1.3　机械装置
出于成本和与光学系统结合的考虑,系统采取旋转老鼠以获得各角度投影数据的方案。

其中旋转运动是通过步进电机(A012,华维浩润仪器,北京)进行驱动,其分辨率可以达到0.00125°,重复定位精度小于0.005°。

步进电机驱动的转台被放置在一个有20cm的游程的精密平移台上,进而来改变小鼠的投影放大倍率。

为了相对容易地对探测器进行几何位置的校准,分别在水平方向和竖直方向采用了两个紧密的平移台,保证探测器的中心正对X射线管的焦点。

同时,在平移台上加装了倾斜台来进行俯仰角度的调整。

1.4　采集控制主机以及软件
采集控制主机是基于Xeon的Dell服务器,采用Window s X P操作系统。

采集软件由Visual C++开发,允许用户控制系统的各个部分。

2　数据采集
由于X射线管对平板探测器持续照射,每次采集数据前需要进行一次刷新操作。

而在采集过程中,物体总是在旋转使得数据采集问题变得更加复杂。

为了获得一个可能的最大采集速度,本文特别针对所选用的平板探测器的成像特点设计了采集时序,并且对系统不同组件之间的同步进行了仔细校正。

对于每次如图1b所示的静止期,发送给平板探测器两个触发信号,一个进行刷新操作另外一个进行图像读出。

通过调整旋转的时间和角度,使得旋转在读图像和刷新两次触发信号的间期进行,进而可以良好地捕捉到物体静止的图像。

在这种设计下,可以获得最大2帧/s的采集速率。

3　系统校准
在实际的micro-CT系统搭建中,为了保证系统采集得到的数据符合重建算法的要求,需要调整并校准系统。

3.1　几何校准
系统几何参数的偏差,会造成采集的数据不符
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李　昊,等:　基于X射线的小动物成像micro-C T系统
合重建算法的要求从而造成重建图像质量的退化。

为了修正系统的几何参数,特别是探测器和X光源的相对位置,本文设计了如图2a所示的校正模具。

杯盖中心有一圆孔,其位置图2b中点A所示,杯身底部有一钢珠,其位置如图2b中点B所示。

使用时,用压具将杯盖和杯身一起装配在探测器的表面,并保证A点位于整个探测器的中心位置。

调整探测器的位置和俯仰角度,使得B的投影与A的投影重合。

可以从图2b中看出,当且仅当焦点与探测器中心的连线垂直于探测器时,B的投影与A的投影重合,从而达到了几何校准的目的。

图2　几何校准模具
3.2　探测器校准
在没有X射线照射的情况下,由于光电二极管和薄膜晶体管的漏电流以及数据采集电路中电荷放大器零点漂移的影响,探测器各像元仍有一定的输出值,这就是偏置误差。

通常情况下,可以认为每个像元的偏置误差是固定不变的,因此能够将其消除。

经过偏置误差修正后,图像灰度曲线仍有较大起伏,且呈明显的分段特性,而整幅图像的灰度分布则呈现规则的柱状,这是由像元响应不一致性引起的。

利用以下公式可以对像元响应不一致性和偏置误差进行校正:
I c(x,y)=c I r(x,y)-I d(x,y) I f(x,y)-I d(x,y)
.
其中:I r为输出的原图图像,I d为暗场图像,I f为亮场图像,I c为修正了像元响应不一致性后的图像,c为I f(x,y)-I d(x,y)的像素均值。

4　重建算法
目前在micro-C T中普遍采用的图像重建算法是锥束滤波反投影重建,最流行的算法是著名的针对平板探测器的FDK(Feldkamp-Dav is-Kress)算法[10]。

其核心算法和扇束的滤波反投影很类似,分为加权,滤波和反投影3步。

FDK算法虽然是最为常用的算法,但是从理论上来说,其仅仅是用于锥束重建的近似公式,因为一个单独的圆轨道扫描不满足重建数据的完备性条件。

对小的锥角来说,该算法可以获得比较满意的结果,但是当锥角变大时,会产生阴影伪影和条状伪影,被重建物体的形状也会发生扭曲。

由于在FDK的算法中,反投影的计算量极其的庞大,目前,笔者正在进一步在搭建完成的micro-C T平台上进行基于DSP处理器的硬件加速的相关研究工作。

5　结　果
5.1　系统评估
分别使用了QRM(QRM Gmb H,Germa ny)的线体模和低对比度体模对系统的空间分辨率和对比度分辨率进行了测量。

其线体模是在一个直径32 m m,高40m m的圆筒中距离中心1mm和12mm的位置分别放置了2个直径10μm的钨丝来进行空间分辨率的测试。

重建得到的图像可以获得点扩散函数(PSF)所需要的数据,对其进行Fourier变换可以得到调制转移函数(M TF)。

从M T F可以反映出系统的空间分辨率,如图3所示,可以看到系统的空间分辨率可以达到3lp/mm(lp为线对)。

图3　系统的调制传递函数MTF
低对比度体模由环氧树脂基材制成,是直径32 m m,高40m m的圆柱体。

在其内部嵌有4根有细小
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密度差异的圆柱体,直径分别为1mm 和2.5mm ,与
基材的密度差异分别为10mg /mm 3和50mg /mm 3。

重建得到的断层图像如图4所示,由图可知该系统可以分辨小到10mg /m m 3
的密度差异。

图4　
低对比度分辨率体模的重建图像
图5　小鼠重建图像
5.2　对小动物成像的结果
小鼠肺部的重建结果和骨骼的体绘制如图5所示。

图像重建像素为100μm ×100μm ×160μm,从图5a 肺部图像可以看到,骨骼和肺可以被很容易地
被确认,这个是micro-CT 的强项。

软组织也可以被分辨出来,如皮下脂肪层和支气管。

同时,骨和其他组织之间的差异帮助出色地绘制出骨的结构,如图5b 所示。

进一步的系统校准和伪像去除可以在未来的工作中继续进行。

6　结　论
研制了一套基于CM OS 平板探测器的micro-C T 系统,在保证高分辨率成像质量的前提下,该系统在微型化、功耗及价格方面有明显的优势。

同时针对系统成像方式及该平板探测器的成像特点,用自己设计新的采集时序,对数据采集进行了优化,并对系统的几何参数和探测器进行了矫正。

使用体模测量了系统的空间分辨率和对比度分辨率。

系统被用于小动物成像并且获得了满意的图像质量。

整个系
统与正在研制的光学成像系统一起,将会成为对小
动物进行解剖和功能成像的有力工具。

对系统进行如射线硬化等的进一步校正可以进一步提高图像质量。

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