專利名稱：以放射性同位素作為射線源的微型ct裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于層析成像及微技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種采用放射性同位素作為射線源，對(duì)微小物體進(jìn)行輻照，并就其透射強(qiáng)度加以探測(cè)和數(shù)字化，從而對(duì)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)施動(dòng)態(tài)成像的以放射性同位素作為射線源的微型CT(ComputerTomograph-CT)裝置。
背景技術(shù)：
近年來，自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是朝微型化邁進(jìn)。隨著微/納米技術(shù)的飛速發(fā)展，各式各樣的微系統(tǒng)技術(shù)及納米器件、檢測(cè)裝置等相繼被提出。微系統(tǒng)以其價(jià)格低廉和性能卓越而對(duì)世人產(chǎn)生了不可阻擋的誘惑力(劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京科學(xué)出版社，2000)?？梢钥吹剑?dāng)前各類微系統(tǒng)的尺寸正被超乎尋常地降低，而同時(shí)它們卻保持了與原有大系統(tǒng)相同甚至更好的性能，各種令人驚訝的成就比肩接踵。實(shí)際上，建立盡可能緊湊的系統(tǒng)多年來一直是工程實(shí)踐的主旋律，人們?yōu)榇俗鞒龅呐梢杂萌蚍秶募夹g(shù)創(chuàng)新來衡量。為能制造出充分精細(xì)的系統(tǒng)，無數(shù)的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)被投入此類技術(shù)的研究。比如，過去司空見慣的龐大光學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)目前已可制成相當(dāng)緊湊的集成化微光路系統(tǒng)，其完成的功能可與大系統(tǒng)相匹敵，而價(jià)格則相當(dāng)便宜，且操作十分簡(jiǎn)便。此外，也有其它一些微技術(shù)相繼問世，如微能源系統(tǒng)、微傳感器、微成像系統(tǒng)等(劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京科學(xué)出版社，2000)。本實(shí)用新型著重于發(fā)展用以檢測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的微型成像系統(tǒng)，這也是微系統(tǒng)技術(shù)研究熱潮中的一種嘗試。
我們知道，物體的功能是與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的，普通的光學(xué)顯微鏡主要用于觀測(cè)表面形貌，但對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)卻無能為力。人們?yōu)榇税l(fā)展了一系列替代方法，如基于電阻抗、磁場(chǎng)、聲、光、X射線、γ射線等的體視鏡。事實(shí)上，自從倫琴發(fā)現(xiàn)X-射線并獲得人手的透視影像后，這種對(duì)物體穿透能力極強(qiáng)的射線就被引入到攝影及成像領(lǐng)域，形成了許許多多的技術(shù)產(chǎn)品。
由于X射線、γ射線等穿透物體的能力很強(qiáng)，因而可用于對(duì)物體內(nèi)部進(jìn)行透視。其中，X射線一般是由高速電子在與物質(zhì)相互作用而減速的過程中產(chǎn)生的韌致輻射，而γ射線則主要由放射性同位素在核衰變過程中釋放(安繼剛等著，鈷-60數(shù)字輻射成像裝箱檢測(cè)系統(tǒng)，北京清華大學(xué)出版社，2003)。在輻射測(cè)量中，當(dāng)X、γ射線的輻射光子與物體發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)發(fā)生光電吸收、康普頓散射及電子對(duì)產(chǎn)生，X、γ射線穿過物質(zhì)時(shí)，其光子會(huì)被部分吸收；而且，若待測(cè)物質(zhì)的性質(zhì)及質(zhì)量厚度等不同，則探測(cè)屏上所接收到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有所變化，因而測(cè)出這些變化，就可能推算出物質(zhì)內(nèi)部的非均勻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，此即輻射成像的基本原理(如圖2所示)。
通常，射線源可采用X射線機(jī)、核素及加速器等實(shí)現(xiàn)，用于測(cè)量、記錄輻射強(qiáng)度分布的傳統(tǒng)載體即位置靈敏傳感器一般包括感光膠片、熒光屏及“像增強(qiáng)器”等，此類位置靈敏傳感器的分辨率甚至可在微米量級(jí)，因而可用于檢測(cè)微小結(jié)構(gòu)。但這些傳統(tǒng)方法對(duì)曝光時(shí)間有要求，且獲得圖像的手續(xù)比較繁瑣。與此不同的是，實(shí)時(shí)性較好的數(shù)字輻射成像技術(shù)則克服了這些缺點(diǎn)(安繼剛等著，鈷-60數(shù)字輻射成像裝箱檢測(cè)系統(tǒng)，北京清華大學(xué)出版社，2003)。1971年由Hounsfield等首次研制出并獲得諾貝爾獎(jiǎng)的計(jì)算機(jī)層析(Computer Tomograph-CT)成像裝置，就是數(shù)字輻射成像技術(shù)方面的重大突破。至今此類方法已拓展應(yīng)用到許多領(lǐng)域，如集裝箱檢測(cè)(安繼剛等著，鈷-60數(shù)字輻射成像裝箱檢測(cè)系統(tǒng)，北京清華大學(xué)出版社，2003)。特別是，我國近年來在此領(lǐng)域內(nèi)也取得一系列重大進(jìn)展，如康克軍等以加速器為輻射源，發(fā)明了雙車移動(dòng)式集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)(康克軍等，以加速器為輻射源的雙車移動(dòng)式集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)，中國發(fā)明專利99122363.2；康克軍等，一種車載機(jī)動(dòng)式射線照相檢測(cè)系統(tǒng)，中國發(fā)明專利02146207.0)；安繼剛等直接采用放射性同位素作為輻射源，發(fā)明了γ數(shù)字輻射成象無損檢測(cè)裝置(安繼剛等，移動(dòng)式γ數(shù)字輻射成象無損檢測(cè)方法與裝置及其用途，中國發(fā)明專利96102080.6；安繼剛等，一種大型客體數(shù)字輻射成象檢測(cè)裝置，中國發(fā)明專利99110839.6)，由于避免了X-射線加速器的建造，因而可大大簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)及降低設(shè)備成本。以上裝置在海關(guān)部門的大型集裝箱檢測(cè)方面正發(fā)揮著重要作用。
可以看到，前面所闡述的裝置的出發(fā)點(diǎn)都集中于發(fā)展大型輻射成像設(shè)備上。迄今，由上述途徑發(fā)展出的微型化數(shù)字成像裝置在全球范圍內(nèi)均鮮有報(bào)道。比利時(shí)SkyScan公司，采用類似醫(yī)用CT的原理，借助X射線顯微光學(xué)及X射線斷層重構(gòu)(CT)技術(shù)，推出一類微型CT系統(tǒng)，由于其新穎性，該技術(shù)在提出后不久就被歐盟科技部列為100項(xiàng)重大科技產(chǎn)品。但遺憾的是，此系統(tǒng)由于仍需要設(shè)置用于產(chǎn)生X射線的機(jī)構(gòu)，因而總體體積實(shí)際上不可能作得很小。此外，其他一些研究機(jī)構(gòu)也相繼提出過一些微型CT系統(tǒng)(Johnson，et al，Three-dimensionalmicrotomographic analysis system，United States Patent 5,402,460；中譯三維微層析圖像分析系統(tǒng)，美國專利5,402,460)，但它們也同樣需要能產(chǎn)生X-射線的裝置，因而也存在如上所說的微型化障礙。
針對(duì)上述不足，本實(shí)用新型將從新的技術(shù)路線出發(fā)，提供一種無須X射線機(jī)構(gòu)或加速器的微型化CT裝置，本實(shí)用新型的核心在于直接采用放射性同位素作為輻射源，來對(duì)物體進(jìn)行直接透視，由此實(shí)現(xiàn)的數(shù)字輻射成像裝置甚至可作到手機(jī)大小。相比于已有的用于檢測(cè)大型物體的數(shù)字輻射成像檢測(cè)裝置以及基于X射線的微型CT裝置，本實(shí)用新型提供的裝置是一種高度微型化的裝置，在觀念乃至應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)內(nèi)涵等方面均明顯區(qū)別于已有裝置，可望在微小物體的測(cè)試方面發(fā)揮重要作用。
由此發(fā)展出的微型CT的一種重要用途可體現(xiàn)在生物醫(yī)學(xué)方面，比如可采用此類裝置考察生命系統(tǒng)內(nèi)的細(xì)觀和微觀結(jié)構(gòu)問題，并將其與生物個(gè)體的整體功能關(guān)聯(lián)起來，從而揭示出相應(yīng)的生物學(xué)規(guī)律。除此，該類系統(tǒng)在其他方面的檢測(cè)價(jià)值也是顯而易見的，此處不一而足。可以預(yù)見的是，這種微型化、低成本的CT裝置必然會(huì)大大有助于微器件研究的開展。以往的數(shù)字輻射成像裝置的體積往往過于龐大，價(jià)格高得驚人，僅用于極特殊部門如海關(guān)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等，在推廣應(yīng)用上存在很大困難。本實(shí)用新型提供的微型CT裝置可彌補(bǔ)這些不足，因而具有重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。
本實(shí)用新型還采用大量離散布置的探測(cè)元件構(gòu)成陣列探測(cè)器件，取代傳統(tǒng)的位置靈敏傳感器，可分別探測(cè)出所在位置的輻射強(qiáng)度，并實(shí)時(shí)給出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)數(shù)字信號(hào)直至圖像，由此即可反映出所探測(cè)位置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。圖2給出的是數(shù)字輻射成像的原理過程。其中射線源發(fā)出的射線通過由兩塊重金屬板構(gòu)成的前準(zhǔn)直器的縫隙后，會(huì)形成片狀的射線束，此片狀射線束穿過被檢物后，再經(jīng)過同樣由兩塊重金屬板構(gòu)成的后準(zhǔn)直器的縫隙，入射到陣列探測(cè)器上，由探測(cè)器元件結(jié)合計(jì)算機(jī)信號(hào)處理，即可重構(gòu)出物體的內(nèi)部信息。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種高度微型化的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置；從有別于現(xiàn)有的數(shù)字輻射成像系統(tǒng)主要集中于發(fā)展大型集裝箱檢測(cè)設(shè)備的觀念出發(fā)，提供一種高度集成化和微型化的計(jì)算機(jī)層析成像裝置。該裝置拓展了已有的大型設(shè)備概念，可望在微小物體的檢測(cè)上發(fā)揮重要作用。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下本實(shí)用新型提供的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，包括依次集成放置在隔離室13中底座8上的帶屏蔽開關(guān)的輻射源1、前準(zhǔn)直器2、樣品夾持裝置或樣品臺(tái)3、后準(zhǔn)直器5和陣列探測(cè)器7；以及數(shù)據(jù)采集器儀10和計(jì)算機(jī)11；或者數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)微芯片71和微型液晶顯示器79；所述的樣品夾持裝置或樣品臺(tái)3包括樣品夾或樣品臺(tái)，固定支持樣品夾或樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)軸31，固定安裝在底座8上的滑軌4，所述轉(zhuǎn)軸31安裝在滑軌4內(nèi)，并在所述滑軌4內(nèi)滑動(dòng)；所述樣品夾上設(shè)有中心孔32；控制樣品夾持裝置或樣品臺(tái)3運(yùn)動(dòng)的由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)；所述的數(shù)據(jù)采集儀10分別連接陣列探測(cè)器7及計(jì)算機(jī)11；所述的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)微芯片71分別連接陣列探測(cè)器7和微型液晶顯示器79；所述輻射源(1)包括放置在輻射源箱體中心處的Co-60、銥Ir-192，銩Tm-170或銫Cs-137，其初始質(zhì)量從1納克到1克范圍內(nèi)。
所述輻射源箱體為由鎢或鉛制成的箱體，其前端面設(shè)有供輻射線出射的射線出射小孔12；所述屏蔽開關(guān)為一由啟動(dòng)開關(guān)控制的鎢或鉛材質(zhì)的活動(dòng)金屬片67，設(shè)置在輻射源射線出射的路徑上；所述前準(zhǔn)直器2和后準(zhǔn)直器5分別為由鎢或鉛制成的金屬片，所述前準(zhǔn)直器2上設(shè)有第一狹縫21，所述后準(zhǔn)直器5上設(shè)有第二狹縫6；所述的隔離室13為由鎢或鉛制成的壁厚為1cm到1mm的箱體。
所述隔離室13的上表面上設(shè)置一透明的有機(jī)玻璃觀察窗14。所述的隔離室13的整體尺寸為30cm×30cm×30cm到2cm×2cm×2cm。所述的射線出射小孔12的直徑為1cm到0.1mm。所述的輻射源箱體的整體形狀為正方體、圓柱體或球體；其整體尺寸在5cm×5cm×5cm到1cm×1cm×1cm范圍，壁厚為2cm到0.1mm。所述的陣列探測(cè)器8為線陣閃爍晶體探測(cè)器、面陣平板探測(cè)器、影像增強(qiáng)器或數(shù)字X-射線冷卻CCD相機(jī)。所述的輻射源1、陣列探測(cè)器7為1至6對(duì)。所述的輻射源1與前準(zhǔn)直器2集成為一體，前準(zhǔn)直器2設(shè)置在輻射源1出口；所述的后準(zhǔn)直器5、陣列探測(cè)器7，以及數(shù)據(jù)采集、處理及存儲(chǔ)微芯片71，微型液晶顯示屏79集成為一體。
本實(shí)用新型提供的采用放射性同位素對(duì)微小物體進(jìn)行輻照，并對(duì)透射強(qiáng)度加以探測(cè)和數(shù)字化，從而對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)施動(dòng)態(tài)成像的微型計(jì)算機(jī)層析成像(Computer Tomograph-CT)裝置，可按下列方案實(shí)施，包括輻射源探傷機(jī)、屏蔽閥門、前準(zhǔn)直器、后準(zhǔn)直器、隔離室、控制機(jī)構(gòu)、陣列探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、樣品平臺(tái)等。其中，輻射源探傷機(jī)、前準(zhǔn)直器、樣品平臺(tái)、后準(zhǔn)直器、陣列探測(cè)器等按順序集成布置在隔離室的底板上；樣品平臺(tái)通過轉(zhuǎn)軸連接有控制機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)及電路等執(zhí)行器，由計(jì)算機(jī)控制，可根據(jù)需要變動(dòng)樣品的空間位置，從而獲取不同部位的圖像；數(shù)據(jù)采集儀連接陣列探測(cè)器及計(jì)算機(jī)，且數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)布置在隔離室之外，便于操作。整套裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且操作簡(jiǎn)便，是一種高度集成化的便攜式微型CT裝置。而在傳統(tǒng)的宏觀或微型CT裝置中，各部件均是分離放置在不同的大空間內(nèi)，如本實(shí)用新型所提供的以同位素為射線源并將所有部件封裝集成到一塊底板上的技術(shù)路線，至今還未在科技文獻(xiàn)及專利申請(qǐng)中報(bào)道，在微成像領(lǐng)域內(nèi)是一種嶄新的觀念。
本實(shí)用新型中，用于成像的射線源可有多種選擇，比如采用工業(yè)上常用的常規(guī)鈷Co-60探傷機(jī)，其鈷源活度不大，可在11.1TBq(300Ci)以下，且最終衰變物為穩(wěn)定的同位素鎳(Ni)，沒有任何污染，可由專業(yè)公司回收；鈷Co-60的半衰期為5.27年，其γ射線能量在1.33和1.17MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度大于2.5cm的鐵、黃銅和其它中等密度的金屬。此外，射線源也可在以下幾類同位素中選用，如在非常需要輕便小型設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，同位素銥Ir-192是一種理想的射線源，其半衰期為74.3天，γ射線為0.31、0.47和0.6MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度為3～75mm的鋼；另外，也可選用銩Tm-170，其半衰期129天，γ射線0.084、0.052MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度為0.8mm的鋼或13mm的鋁，可用于內(nèi)部組件如飛機(jī)部件和復(fù)合材料的檢測(cè)；當(dāng)然，也可選用銫Cs-137，其半衰期30.1年，γ射線0.66MeV。當(dāng)將上述各種同位素用作本實(shí)用新型提供的微型CT的射線源時(shí)，所需的量均極小，因而因其輻射而產(chǎn)生的危險(xiǎn)性很小。這些射線源易于在專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)制作出，用戶可根據(jù)所需要的各種結(jié)構(gòu)形式和尺寸直接購買或委托定制，且可定期更換而用于新的成像。所以，本實(shí)用新型所涉及的輻射部件易于實(shí)現(xiàn)。
在本實(shí)用新型提供的微型CT裝置中，若臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦較大時(shí)，除計(jì)算機(jī)外，整套裝置可放置于總體尺寸范圍在30cm×30cm×30cm到2cm×2cm×2cm內(nèi)的隔離室內(nèi)；但若采用微數(shù)據(jù)采集、處理及存儲(chǔ)芯片代替計(jì)算機(jī)時(shí)，則所有部件均可封裝在隔離室內(nèi)，成為一體的微型CT裝置。隔離室一般采用重金屬如鎢或鉛制成，以隔離輻射，其壁厚為0.2mm到1mm；隔離室上表面可設(shè)置一個(gè)透明的有機(jī)玻璃觀察窗，用于觀察樣品的位置，其尺寸在6cm×6cm到0.5cm×0.5cm范圍；該觀察窗也可不作設(shè)置。
具有一定放射性的同位素封裝于輻射源探傷機(jī)的容器中心處，容器形狀可呈正方體、圓柱體或球體，尺寸在5cm×5cm×5cm到1cm×1cm×1cm范圍，壁厚為2cm到1mm。由于輻射源的發(fā)射呈各向同性，本實(shí)用新型在輻射源容器的右側(cè)開設(shè)有供輻射線出射的通向外界的小孔(直徑在1cm到0.1mm)，在此路徑上還設(shè)置有屏蔽開關(guān)，用于阻斷或開通射線的出射。
計(jì)算機(jī)采集及處理可采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本電腦完成。當(dāng)然，也可將數(shù)據(jù)采集、處理及存儲(chǔ)功能集成到一塊微芯片上，而相應(yīng)圖像則顯示在一微型屏幕上，由此發(fā)展出的微型CT裝置甚至可與手機(jī)大小相當(dāng)。
用于夾持或擺放樣品的樣品臺(tái)通過轉(zhuǎn)軸固定在隔離室底部的滑軌上，且位于前、后準(zhǔn)直器之間，可在步進(jìn)電機(jī)的控制下沿上、下、左、右移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。由此，通過調(diào)整樣品與出射的同位素射線的相對(duì)位置，可以獲得樣品的空間結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型裝置中，陣列探測(cè)器采用常見的陣列探測(cè)器即可，比如，可采用線陣閃爍晶體探測(cè)器、面陣平板探測(cè)器、影像增強(qiáng)器或高精度數(shù)字X-射線冷卻CCD相機(jī)(High Resolution Digital X-ray cooled CCD Camera)等。而且，當(dāng)前的進(jìn)展已使得加工微/納米光電探測(cè)器等成為可能，這使得本裝置的空間探測(cè)分辨率可望得到更進(jìn)一步提高，且由于本CT裝置針對(duì)的是微小樣品，因而探測(cè)器的尺寸可以作得極小，這也是與傳統(tǒng)數(shù)字輻射成像裝置不同的地方。本裝置中，前、后準(zhǔn)直器由鎢、鉛等金屬制成，其中心開有縫隙，供射線透過。
總之，本實(shí)用新型所涉及的各類裝置及傳感器均易于購買或制作，因而整套微型CT裝置是不難實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)用新型的關(guān)鍵之處在于將以往的大型數(shù)字輻射成像的原理應(yīng)用于發(fā)展高度微型化的CT裝置，從而提供了一種概念嶄新的微小型CT裝置，這是對(duì)傳統(tǒng)輻射成像技術(shù)在實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用領(lǐng)域方面的一個(gè)觀念性的革新。雖然該裝置的實(shí)現(xiàn)部分采用了已有的成像原理，但設(shè)備在概念和內(nèi)涵乃至應(yīng)用領(lǐng)域上完全不同于已有設(shè)備，至今，基于同位素射線源的微型CT裝置在國內(nèi)外還未見報(bào)道，這種集成化的技術(shù)有望開辟出一個(gè)嶄新的微型CT儀器領(lǐng)域。
當(dāng)前，微型CT的研究在國際上正逐步引起研究人員的高度重視，但迄今僅有基于X-射線源的微型X-CT得以發(fā)展出，而且，一經(jīng)提出，就得到普遍的推崇；但是，由于此類裝置的運(yùn)行必須有用以產(chǎn)生X-射線的裝置，而X-射線裝置在目前的水平上不可能作得很小，因而其體積的進(jìn)一步微小化存在難以逾越的困難。本實(shí)用新型由于直接采用微量的放射性同位素作為射線源，因而省去了空間體積可觀的X-射線機(jī)或加速器裝置，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，并能較好地保證成像質(zhì)量，將為微型成像領(lǐng)域增加一套強(qiáng)有力的工具。
本實(shí)用新型提供的微型CT裝置，是對(duì)微成像技術(shù)的一個(gè)概念性突破。沿著這種采用放射性同位素充當(dāng)微型CT的射線源的技術(shù)路線，還可拓展出更多實(shí)用化的微型CT裝置模式，并不僅限于以上所闡述的設(shè)備形式，以下僅列舉出數(shù)例。


附圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為數(shù)字輻射成像原理圖；附圖3為帶屏蔽開關(guān)67的示意圖；附圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖5為采用三對(duì)輻射源和陣列探測(cè)器的實(shí)施例示意圖。
附圖6為采用滑軌式輻射源和陣列探測(cè)器的實(shí)施例示意圖
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本實(shí)用新型實(shí)施例1圖1為本實(shí)用新型提供的采用放射性同位素對(duì)微小物體進(jìn)行輻照，并對(duì)透射強(qiáng)度加以探測(cè)和數(shù)字化，從而對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)施動(dòng)態(tài)成像的微型計(jì)算機(jī)層析成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例。由圖可知，本實(shí)用新型提供的微型CT裝置，包括輻射源1；前準(zhǔn)直器2；前準(zhǔn)直器上的第一縫隙21；樣品臺(tái)3；樣品臺(tái)支撐轉(zhuǎn)軸31；滑軌4；后準(zhǔn)直器5；后準(zhǔn)直器上的第二縫隙6；陣列探測(cè)器7；底座8；電路連線9；數(shù)據(jù)采集儀10；計(jì)算機(jī)11；射線出射小孔12；隔離室13；隔離室觀察孔14；同位素射線源66；屏蔽開關(guān)的鎢材質(zhì)的活動(dòng)金屬67。其中，輻射源1、前準(zhǔn)直器2、樣品臺(tái)3、后準(zhǔn)直器5、陣列探測(cè)器7等按順序集成布置在隔離室13的底座8上；隔離室13由底座8及上蓋72組成，且上蓋72可與底座脫離；樣品臺(tái)3連接有控制機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)及電路等，由計(jì)算機(jī)11控制；數(shù)據(jù)采集儀10連接陣列探測(cè)器7及計(jì)算機(jī)7，且數(shù)據(jù)采集儀10及計(jì)算機(jī)11布置在隔離室13之外。輻射源1、滑軌4均連有電路，可通過計(jì)算機(jī)控制其上的開關(guān)動(dòng)作。整套裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低且操作簡(jiǎn)便，是一種高度集成化的便攜式微型CT裝置。
本實(shí)用新型中，用于成像的射線源1可有多種選擇，比如采用工業(yè)上常用的常規(guī)鈷Co-60探傷機(jī)，其鈷源活度不大，可在11.1TBq(300Ci)以下，且最終衰變物為穩(wěn)定的同位素鎳(Ni)，沒有任何污染，可由專業(yè)公司回收；鈷Co-60的半衰期為5.27年，其γ射線能量在1.33和1.17MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度大于2.5cm的鐵、黃銅和其它中等密度的金屬。此外，射線源也可在以下幾類同位素中選用，如在非常需要輕便小型設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，同位素銥Ir-192是一個(gè)理想的射線源，其半衰期為74.3天，γ射線為0.31、0.47和0.6MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度為3～75mm的鋼；另外，也可選用銩Tm-170，其半衰期129天，γ射線0.084、0.052MeV，一般主要用來檢測(cè)厚度為0.8mm的鋼或13mm的鋁，可用于內(nèi)部組件如飛機(jī)部件和復(fù)合材料的檢測(cè)；當(dāng)然，也可選用銫Cs-137，其半衰期30.1年，γ射線0.66MeV。當(dāng)將上述各種同位素用作微型CT的射線源時(shí)，所需的量均極小如在1納克到1克范圍，因而因其輻射而造成的危險(xiǎn)性很小。這些射線源易于在專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)制作出，用戶可直接購買或定制，且可定期更換而用于新的成像。所以，本實(shí)用新型所涉及的輻射部件易于實(shí)現(xiàn)。
實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型時(shí)，計(jì)算機(jī)采集及處理可采用臺(tái)式計(jì)算機(jī)或筆記本式計(jì)算機(jī)完成。整套裝置除計(jì)算機(jī)11及數(shù)據(jù)采集儀10外，放置于總體尺寸范圍在30cm×30cm×30cm到2cm×2cm×2cm內(nèi)的隔離室13內(nèi)；隔離室由重金屬鎢或鉛制成，其壁厚為1cm到1mm；隔離室13上表面可設(shè)置一個(gè)透明的有機(jī)玻璃觀察窗14，其尺寸在6cm×6cm到1cm×1cm范圍；該觀察窗14也可不作設(shè)置。
如圖3所示，放射性同位素66封裝于輻射源箱體1的中心處，其形狀可為正方體、圓柱體或球體，尺寸在5cm×5cm×5cm到1cm×1cm×1cm范圍，壁厚為2cm到1mm；由于輻射源的發(fā)射呈各向同性，本實(shí)用新型采用在輻射源1右側(cè)，開設(shè)出供同位素66輻射線出射的通向外界的射線出射小孔12(直徑在1cm到0.1mm)，在此路徑上設(shè)置有開關(guān)控制的鎢(或鉛)質(zhì)的活動(dòng)金屬片67，用于阻斷或開通射線的出射。
用于夾持樣品的樣品臺(tái)3設(shè)置在隔離室13底部的滑軌4上，其中心為直徑在1mm到5cm的中心空孔32，利于射線穿過；樣品夾可由兩片結(jié)構(gòu)尺寸完全一致的平片組成，待測(cè)樣品夾持于兩平片之間，再通過平片上的螺釘即可固定牢靠，當(dāng)然也可采用其他類似固緊機(jī)構(gòu)，此處不一而足。中心孔32位于前準(zhǔn)直器2和后準(zhǔn)直器5之間，可在步進(jìn)電機(jī)的控制下沿上、下、左、右移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。由此，通過調(diào)整樣品與出射的同位素射線的相對(duì)位置，可以獲得樣品的空間結(jié)構(gòu)。
本實(shí)用新型裝置中，陣列探測(cè)器7采用常規(guī)的陣列探測(cè)器即可，比如，在裝置中可采用線陣閃爍晶體探測(cè)器、面陣平板探測(cè)器、影像增強(qiáng)器或高精度數(shù)字X-射線冷卻CCD相機(jī)(High Resolution Digital X-ray cooled CCD Camera)等。而且，當(dāng)前的進(jìn)展已使得加工微/納米光電探測(cè)器成為可能，這使得本裝置的空間探測(cè)分辨率可望得到更進(jìn)一步的提高。本裝置中，前、后準(zhǔn)直器2、3由重金屬鎢、鉛制成，其中心開有尺寸在5mm×5mm到0.1mm×0.1mm的第一縫隙21、第二縫隙6，供射線透過。
應(yīng)該指出的是，一般用作本實(shí)用新型的同位素射線源66應(yīng)滿足如下要求活度小于11.1TBq(300Ci)，應(yīng)與結(jié)構(gòu)材料相容，且不能對(duì)周圍環(huán)境造成影響使用壽命的不利因素。而且，輻射源、陣列探測(cè)器可按1至6對(duì)組合在一起，輻射源和陣列探測(cè)器之間的位置也可相互調(diào)整，由此相互配合來對(duì)物體進(jìn)行空間層析成像。
本實(shí)用新型所提供的采用放射性同位素作為射線源，對(duì)微小物體進(jìn)行層析成像的微型CT裝置，其使用方式如下打開隔離室13的上蓋72，將樣品夾持到樣品夾的中心孔32處并固定好，打開計(jì)算機(jī)。于是，通過計(jì)算機(jī)控制，打開射線源1的活動(dòng)金屬片67，射線源即朝小孔12外進(jìn)行輻射，經(jīng)由前準(zhǔn)直器2的第一縫隙21，到達(dá)樣品，再到達(dá)后準(zhǔn)直器5的第二縫隙6，直至陣列探測(cè)器7上，通過數(shù)據(jù)采集儀10及計(jì)算機(jī)11即可進(jìn)行數(shù)字重構(gòu)，由此實(shí)時(shí)得到樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2本實(shí)用新型提供的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，并不限于以上結(jié)構(gòu)，可衍生出更多形式的微型CT成像裝置。比如，可將數(shù)據(jù)采集及處理、存儲(chǔ)等功能集成到一塊芯片上，相應(yīng)圖像則顯示在一微型屏幕上，則甚至可由此發(fā)展出在整體尺寸上與手機(jī)、相機(jī)大小相當(dāng)或更小的微型CT裝置。此處進(jìn)一步給出一個(gè)實(shí)施例。其技術(shù)路線是將前面所述的各部件全面集成，以最大限度地縮小整套裝置的體積。在本實(shí)施例中，我們將所有部件如射線源1，前、后準(zhǔn)直器2、5，樣品臺(tái)3、探測(cè)器7、數(shù)據(jù)采集處理及存儲(chǔ)微芯片71及微型顯示器79均集成封裝到一起，即成為如圖4所示的高度一體化的微型CT成像裝置。這種結(jié)構(gòu)看上去有些像一部照相機(jī)或手機(jī)，但其內(nèi)涵和功能顯然完全不一樣。
在如圖4所示的微型CT裝置中，前準(zhǔn)直器2與射線源1制作成一體，此處可為固定方式直接制作在射線源1的出射小孔12路徑上，也可以制作成小孔21可在該外表面的上下、左右方向上滑動(dòng)的情況(圖中未畫出)，類似地，射線源的內(nèi)部也可作成部分中空或其他復(fù)雜結(jié)構(gòu)，所以，微小化的CT可采用更多有效的結(jié)構(gòu)，而大型CT由于局部結(jié)構(gòu)改進(jìn)所帶來的效果提升并不明顯，因而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上選擇余地較??；樣品臺(tái)3的形式可采用不同于實(shí)施例1所用夾具的形式，可采用一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)和升降的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，這樣可直接將待測(cè)樣品擺放其上加以透視即可；另外，后準(zhǔn)直器6也與探測(cè)器7、數(shù)據(jù)采集與處理微芯片71、微型顯示器79制作成一體。同時(shí)，在樣品臺(tái)3的空間部位，可在上表面設(shè)置一有機(jī)玻璃蓋73作為觀察窗。測(cè)試時(shí)，可將有機(jī)玻璃蓋73掀起，將待測(cè)微小物體擱置在樣品臺(tái)3的上表面，開啟微型CT裝置的各個(gè)電開關(guān)75，即可對(duì)物體進(jìn)行透視成像并將其動(dòng)態(tài)顯示在微型液晶顯示器79上。這些圖像既可存儲(chǔ)在存儲(chǔ)芯片內(nèi)供隨后分析，也可通過電纜將其信號(hào)直接傳輸?shù)狡胀ㄓ?jì)算機(jī)或筆記本電腦的大屏幕上加以處理和顯示。可見，采用這種掌上成像裝置，可以獲得物體的空間結(jié)構(gòu)，這屬于一種新觀念下的透視相機(jī)，擴(kuò)大了傳統(tǒng)照相機(jī)的內(nèi)涵。
以上實(shí)施例中，所選用材料均可與實(shí)施例1相同。但裝置尺寸由于選擇微芯片后，得以更大限度的縮小，其中各部件相對(duì)尺寸可根據(jù)需要加以選擇配合，比如其邊長范圍可在1nm到10cm之間，由此制成的整套微型CT的尺寸可在10cm×10cm×10cm到2cm×2cm×2cm范圍。這樣，即實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高度集成化的微型CT裝置。與前面所述的比利時(shí)SkyScan公司發(fā)展的微型X光CT相比，本實(shí)用新型達(dá)到了真正的微型化，其體積與現(xiàn)有手機(jī)尺寸相當(dāng)甚至更小。這在技術(shù)上大大拓展了以往的CT概念。
本實(shí)用新型提供的采用放射性同位素建立的微型CT裝置具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，射線源用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型輻射成像設(shè)備的情況，因而使用十分安全；其最突出的優(yōu)點(diǎn)還在于，整套裝置的尺寸可以很小，因而突破了以往大型CT或微型CT的技術(shù)思路，并易于方便地推廣應(yīng)用到大量的檢測(cè)領(lǐng)域中；也由于這些特點(diǎn)，使得本實(shí)用新型裝置的成本很低，使用更靈活，適用面更廣。
實(shí)施例3本實(shí)用新型提供的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，也不限于以上給出的僅設(shè)置有單一輻射源和陣列探測(cè)器的情況，還可擴(kuò)展為1至6對(duì)的相對(duì)應(yīng)的輻射源和陣列探測(cè)器結(jié)構(gòu)。圖5給出的是采用三對(duì)輻射源1和陣列探測(cè)器7的微型CT裝置示意圖。其中，每對(duì)輻射源和陣列探測(cè)器用于對(duì)由該輻射源所發(fā)出的射線在傳輸路徑上所穿透的物體的透視情況進(jìn)行數(shù)字化成像。這樣，綜合三對(duì)輻射源和陣列探測(cè)器的透視結(jié)果，將其采集到計(jì)算機(jī)或微芯片內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖像重構(gòu)，就可一次獲得并在屏幕上顯示出所觀測(cè)物體的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而獲取其全部空間信息。
實(shí)施例4本實(shí)用新型提供的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，還可將一對(duì)輻射源和陣列探測(cè)器制作在環(huán)形的滑軌上，從而通過控制其滑動(dòng)，來實(shí)施對(duì)物體多個(gè)角度的整體成像，由此也可得到物體的整體結(jié)構(gòu)。圖6給出的是采用滑軌式輻射源和陣列探測(cè)器的微型CT裝置示意圖，根據(jù)需要調(diào)整輻射源(1)和陣列探測(cè)器(7)在滑軌(虛線環(huán)部分)上的位置，即對(duì)射線所穿透的物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，由此通過多次轉(zhuǎn)動(dòng)，也能獲得物體的整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。
權(quán)利要求1.一種以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，包括一輻射源；數(shù)據(jù)采集儀器(10)和計(jì)算機(jī)(11)；或者數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)微芯片(71)和微型液晶顯示器(79)；其特征在于，所述輻射源為依次集成放置在隔離室(13)中底座(8)上的帶屏蔽開關(guān)的輻射源(1)；還包括前準(zhǔn)直器(2)、樣品夾持裝置或樣品臺(tái)(3)、后準(zhǔn)直器(5)和陣列探測(cè)器(7)；所述的樣品夾持裝置或樣品臺(tái)(3)包括樣品夾或樣品臺(tái)，固定支持樣品夾或樣品臺(tái)的轉(zhuǎn)軸(31)，固定安裝在底座(8)上的滑軌(4)，所述轉(zhuǎn)軸(31)安裝在滑軌(4)內(nèi)，并在所述滑軌(4)內(nèi)滑動(dòng)；所述樣品夾上設(shè)有中心孔(32)；控制樣品夾持裝置或樣品臺(tái)(3)運(yùn)動(dòng)的由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)；所述的數(shù)據(jù)采集儀(10)分別連接陣列探測(cè)器(7)及計(jì)算機(jī)(11)；所述的數(shù)據(jù)采集、處理和存儲(chǔ)微芯片(71)分別連接陣列探測(cè)器(7)和微型液晶顯示器(79)；所述輻射源(1)包括放置在輻射源箱體中心處的Co-60、銥Ir-192，銩Tm-170或銫Cs-137，其初始質(zhì)量從1納克到1克范圍內(nèi)；所述輻射源箱體為由鎢或鉛制成的箱體，其前端面設(shè)有供輻射線出射的射線出射小孔(12)；所述屏蔽開關(guān)為一由啟動(dòng)開關(guān)控制的鎢或鉛材質(zhì)的活動(dòng)金屬片(67)，設(shè)置在輻射源射線出射的路徑上；所述前準(zhǔn)直器(2)和后準(zhǔn)直器(5)分別為由鎢或鉛制成的金屬片，所述前準(zhǔn)直器(2)上設(shè)有第一狹縫(21)，所述后準(zhǔn)直器(5)上設(shè)有第二狹縫(6)；所述的隔離室(13)為由鎢或鉛制成的壁厚為1cm到1mm的箱體。
2.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述隔離室(13)的上表面上設(shè)置一透明的有機(jī)玻璃觀察窗(14)。
3.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的隔離室(13)的整體尺寸為30cm×30cm×30cm到2cm×2cm×2cm。
4.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的射線出射小孔(12)的直徑為1cm到0.1mm。
5.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的輻射源箱體的整體形狀為正方體、圓柱體或球體；其整體尺寸在5cm×5cm×5cm到1cm×1cm×1cm范圍，壁厚為2cm到0.1mm。
6.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的陣列探測(cè)器(8)為線陣閃爍晶體探測(cè)器、面陣平板探測(cè)器、影像增強(qiáng)器或數(shù)字X-射線冷卻CCD相機(jī)。
7.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的輻射源(1)、陣列探測(cè)器(7)為1至6對(duì)。
8.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的輻射源(1)與前準(zhǔn)直器(2)集成為一體，前準(zhǔn)直器(2)設(shè)置在輻射源(1)出口；所述的后準(zhǔn)直器(5)、陣列探測(cè)器(7)，以及數(shù)據(jù)采集、處理及存儲(chǔ)微芯片(71)，微型液晶顯示屏(79)集成為一體。
9.按權(quán)利要求1所述的以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，其特征在于，所述的輻射源(1)和陣列探測(cè)器(7)制作在環(huán)形的滑軌上。
專利摘要一種以放射性同位素作為射線源的微型CT裝置，包括依次集成在隔離室底座上的帶屏蔽開關(guān)的輻射源、前準(zhǔn)直器、樣品夾持裝置、后準(zhǔn)直器和陣列探測(cè)器；以及數(shù)據(jù)采集器儀和計(jì)算機(jī)；樣品夾持裝置的轉(zhuǎn)軸安裝在底座上滑軌內(nèi)，其運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制機(jī)構(gòu)控制；數(shù)據(jù)采集儀分別連接陣列探測(cè)器及計(jì)算機(jī)；輻射源包括放在鎢或鉛箱體中心處的初始質(zhì)量1納克到1克的Co－60、銥Ir－192，銩Tm－170或銫Cs－137；箱體前端面設(shè)射線出射小孔；屏蔽開關(guān)為由啟動(dòng)開關(guān)控制的鎢或鉛金屬片，設(shè)在射線出射的路徑上；前、后準(zhǔn)直器材質(zhì)鎢或鉛，其上設(shè)有狹縫。是一種高度集成化的微型CT裝置，無須加速器或X射線機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、操作簡(jiǎn)便。
文檔編號(hào)G01N23/04GK2819219SQ20052001695
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者劉靜, 李政 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所