CN101061959A - 带有光束受控的x射线源的x射线计算机断层造影设备 - Google Patents

带有光束受控的x射线源的x射线计算机断层造影设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种X射线计算机断层造影设备，它具有一个在平面内至少部分包围检查体积的静止的X射线检测器(2)和一个用于产生X射线辐射的静止的装置(3，4)。该装置包括一个在围绕检查体积的至少180°的角度上环形延伸的X射线源(3)以及一个或多个光扫描单元(4)，使用它们通过对X射线源(3)的扫描可以产生一个沿X射线源(3)移动的X射线焦点，从该焦点出发X射线射束(6)穿过检查体积对准静止的X射线检测器(2)的分别当时相对的检测器元件。按照本发明，将该一个或者多个光扫描单元(4)这样在X射线源(3)的中心环轴(12)的外面设置和构成，使得每一光扫描单元(4)每次仅扫描＜360°的一个角度区域，而不与环轴(12)交叉。

Description

带有光束受控的X射线源的X射线计算机断层造影设备
技术领域
本发明涉及一种X射线计算机断层造影设备，具有一个在一个平面内至少部分包围一个检查体积的静止的X射线检测器、和一个用于产生X射线辐射的静止的装置，该装置具有一个在围绕检查体积的至少180°的角度上环形延伸的X射线源、以及一个或者多个光扫描单元，使用它们通过扫描X射线源可以产生一个沿X射线源移动的X射线焦点，从该焦点出发X射线射束穿过检查体积对准静止的X射线检测器的分别当时相对的检测器元件。
背景技术
计算机断层造影设备例如在医学成像中使用，以便获取患者的身体内部的图像。计算机断层造影设备通常包括用于产生X射线辐射的装置、X射线检测器和患者支撑台，通过该患者支撑台检查对象能够在检查期间沿系统轴(所谓的Z轴)通过检查体积运动。用于产生X射线辐射的装置产生从一个围绕检查体积转动的X射线焦点发出的X射线射束。在检查体积的一个层析平面(X-Y平面)内垂直于系统轴的扇形展宽的X射线射束在检查时穿透检查对象的一个层或者患者的一个身体层，击中到与X射线焦点相对的X射线检测器的检测器元件上。X射线射束用以穿透对象的身体层的角度以及必要时患者支撑台的位置在用计算机断层造影设备拍摄图像期间通常连续变化。
转动的X射线焦点在第三代的计算机断层造影设备中通过X射线管产生，其与X射线检测器同样固定在一个可围绕检查体积转动的旋转框(支架)上。旋转框的转动速度近几年日益提高，以便在记录图像时达到较快的扫描速度。然而在第三代的计算机断层造影设备中从机械的稳定性和安全性理由出发在此期间达到了一个界限，其由于要运动的质量和由此产生的高的加速力不允许显著提升旋转框的转动速度。
在第四代的计算机断层造影设备中X射线检测器作为静止的环围绕检查体积设置，使得只需使X射线管与旋转框运动。然而在这里在进一步提高旋转框的转动速度时也有相当大的力向X射线管作用，这限制转动速度。
为避免该问题，在此期间已知了第五代的计算机断层造影设备，其中无论是用于产生X射线辐射的装置还是X射线检测器都被静止地设置。在该计算机断层造影设备中使用一个X射线靶，它在一个平面内至少部分包围计算机断层造影设备的检查体积。在该靶子上产生一个围绕检查体积运动的X射线焦点，从该焦点发出X射线辐射。因此该计算机断层造影设备完全没有机械运动的X射线管也行。在此，X射线靶要么完全地要么至少在一个大于180°的角度上围绕检查体积延伸。按照相同的方式，X射线检测器要么完全地要么在一个至少180°的角度上包围检查体积，并且被如此设置，使得从运动的X射线焦点发出的X射线射束穿透检查体积击中静止的X射线检测器的分别当时相对的检测器元件。
US 4,352,021表示一个第五代的计算机断层造影设备，其中X射线靶和X射线检测器各在一个约为210°的角度上包围检查体积。为了产生X射线焦点，用一个电子枪产生电子射束，并通过适宜的偏转在X射线靶上引导。然而，这一也被简称为EBCT(Electron Beam Computer Tomography)的公知的技术迄今由于很多缺点在临床使用中没有进一步的扩展。例如，在这种设备中检查平面的倾斜不可能。为患者的水平定位可用的区域同样像手术者接近患者的可能性一样极大地受限。一种这样的X射线计算机断层造影设备需要非常大的检查空间。通过电子射束长的路径引起焦点的不稳定性以及较大的焦点直径，由此使空间分辨率变差。复杂的电子射束光学器件和长的调整时间导致可靠性降低和患者的吞吐量极小。
为避免与长的电子射束有关的问题，US 6,181,765 B1或者US 6,731,716B2公开了第五代X射线计算机断层造影设备，其中使用一个环形的X射线管，在该X射线管内在环上分布设置多个热电子发射极。然而这种热发射极需要非常大的电功率，以便它在扫描期间保持所需要的温度。US 2002/0094064 A1公开了一种可比的装置，其中使用一个场发射源作为电子源。可以在叠置的电极结构上选择地指定冷电子源的单个区域，以便能够在局部电场上发射局部的电子。场发射流在该X射线管中通过在电子源上施加的电压而不通过像热电子发射极中那样的温度被控制。然而冷电子源尚不能为多种计算机断层造影设备应用在可接受的寿命方面产生所需要的功率/电流密度。此外数千个在X射线管内设置的发射极的电控制费用很高。
US 4,606,061显示了第五代的计算机断层造影设备的另一种结构，其中在一个完全环形包围检查体积的X射线靶上产生一个围绕检查体积移动的X射线焦点。在此，同样提供一个与X射线靶同轴的电子源环，其通过一个用激光扫描单元通过其表面引导的激光射束控制电子发射。激光扫描单元被设置在电子源环的中心的环轴上，以便能够使其在一个360°的角上对称扫描。然而该技术也不能避免所有与EBCT技术有关的问题。扫描射束路径在这种设备中必须被屏蔽，以便避免通过操作员或者在检查空间内的另外的对象被无意地中断。这也限制了在这里为水平移动患者可用的区域以及明显地限制了手术者对于患者的可接近性。
发明内容
从该现有技术出发，本发明要解决的技术问题在于，提供一种第五代的X射线计算机断层造影设备，其中对于患者的可接近性以及为水平移动患者台的可用区域不太受限，此外避免了上述给出的EBCT设备的缺点。
本计算机断层造影设备具有一个在一个平面内至少部分包围检查体积的静止的X射线检测器、和一个用于产生X射线辐射的静止的装置。用于产生X射线辐射的装置包括一个在围绕检查体积的至少180°的角度上环形延伸的X射线源、以及一个或者多个光扫描单元，使用它们通过使用一个光束对X射线源的扫描可以产生一个沿X射线源移动的X射线焦点，从该焦点出发X射线射束穿过检查体积对准静止的X射线检测器的分别当时相对的检测器元件。该计算机断层造影设备的特征在于，将该一个或者多个光扫描单元这样在X射线源的中心的环轴的外面设置和构造，使得用每一光扫描单元分别仅扫描小于360°的一个角度区域，而不与环轴交叉。将该一个或者多个光扫描单元为此目的优选这样设置和构成，使得每一光扫描单元每次仅在一个≤270°特别是≤210°的角度上扫描X射线源。此外，该一个或者多个光扫描单元优选地距环轴至少具有一定距离，其相应于包围X射线源的外壳到环轴的距离。
在计算机断层造影设备的一种结构中，X射线源包括一个由电子源和一个与其以较小距离相对的X射线靶组成的装置，其围绕检查体积在至少180°的角上环形延伸。通过用光扫描单元的光束扫描电子源，在X射线靶上产生一个沿X射线靶移动的X射线焦点。
在此，由电子源和X射线靶组成的装置可以具有一种例如由已经提到的US 6,606,061公开的结构。电子源由这样一种材料组成，该材料在由具有足够强度的光束击中时释放电子。电子通过电场在X射线靶的方向上加速，以便在击中X射线靶时以公知的方式产生X射线辐射。电子在这里例如可以使用可见光或者紫外光通过光电处理从电子源释放，或者使用红外光通过热处理从电子源释放。在一个优选的结构中使用可以通过光激活的冷电子发射极。
电子在X射线靶的方向上的加速可以通过在X射线靶和电子源之间施加高电压实现，在此电子源表示阴极，X射线靶表示阳极。电子源和X射线靶在本发明的计算机断层造影设备中可以分别成为一体地构成，或者也可以由环形装置中的多个部分组成。此外，可以在电子源的区域内设置光学偏转装置、例如曲面镜，以便使光扫描单元的以不同角度入射的光辐射垂直于电子源的表面对准。
在计算机断层造影设备的一个可选的结构中，X射线辐射直接通过击中的光束产生。这需要使用高的强度或者脉冲功率的激光脉冲，它在击中X射线源的X射线靶时在X射线靶的表面上产生热的等离子体，从该等离子体发出X射线辐射(产生等离子体的X射线辐射)。激光脉冲为此应该具有＞1014W/cm2的能量密度，以便能够在医疗诊断所需要的能量范围(50...140keV)内产生X射线辐射。
与US 4,606,061的计算机断层造影设备不同，在本专利申请的计算机断层造影设备中所述一个或者多个光扫描单元既不被设置在X射线源的环轴上，它们也不扫描相应于X射线焦点的一次完全的旋转的360°的角度。相反，将光扫描单元在该轴的外部这样设置和构成，使得用每一光扫描单元分别仅扫描360°的完全的角度区域的一个分段，而不与环轴交叉。这能够实现这样一种装置，其中带有检查对象的患者支撑台的可移动的部分能够在水平方向上任意移动，而不与光扫描单元或者它的扫描辐射或者包围它的外壳接触。由此，相对于现有技术公知的设备显著地扩展了对于水平移动可用的区域。此外，由此还改善了手术者对于支撑在患者支撑台上的患者的可接近性。
在仅使用一个光扫描单元的情况下它扫描这样一个分段，该分段为产生计算机断层造影设备照片尽管必须相应于一个≥180°的角度区域，然而要显著小于360°，以便不影响在水平方向上患者支撑台的移动性。优选地，在这种情况下环形的X射线源也不在360°的角度上延伸，而仅在扫描的角度区域内延伸。
在使用多于一个光扫描单元的情况下，只要总共被扫描的分段产生一个相关的≥180°的角度区域，则也可以通过每一单个的光扫描单元扫描一个＜180°的分段，以便能够在X射线靶上产生一个在该角度区域上运动的X射线焦点。
在一个有利的结构中提供两个光扫描单元，它们产生一个在360°的角度上环绕的X射线焦点。在此，两个光扫描单元的每一个在分别180°的角度范围上扫描X射线靶或者电子源的另一个分段。在此，不言而喻无论X射线源还是X射线检测器都作为完全的环形成。
优选地，使用激光器作为光源。一个或者多个激光扫描单元在此以公知的方式分别由一个优选是脉冲式激光器以及一个对于激光射束适宜的偏转装置组成。该偏转装置例如可以是x-y电流计扫描器，如由光学投影系统中公知的那样。偏转速度(sweep)在此在几千赫兹的范围内。在具有多个激光扫描单元的本计算机断层造影设备的一种结构中，其通过一个适宜的控制单元交替驱动，使得激光扫描单元的激光脉冲在电子源或者X射线靶上交替击中。以这种方式减小X射线靶和激光器的热负荷。
附图说明
下面根据实施例结合附图在不限制通过权利要求给出的保护范围的条件下再次详细说明本发明的X射线计算机断层造影设备。附图中：
图1以侧视图表示计算机断层造影设备的结构的例子，
图2表示激光扫描单元的扫描射束路径的例子，
图3表示接收平面可倾斜的计算机断层造影设备的结构的例子，
图4表示计算机断层造影设备的一个正视图的例子，
图5表示计算机断层造影设备的一个后视图的例子，
图6表示具有两个激光扫描单元的计算机断层造影设备的结构的例子，
图7表示两个激光扫描单元的扫描射束路径的例子，
图8表示图6的计算机断层造影设备的一个后视图的例子。
具体实施方式
图1表示按照本发明的计算机断层造影设备结构的一个例子。该计算机断层造影设备具有一个图像拍摄装置1以及一个可移动的患者支撑台8，其上在本例中支撑患者9。图像拍摄装置1在本例中由两个部分环组成，其中一个部分环包括X射线检测器2，第二部分环包括X射线源3，在本例中是一个由电子源和X射线靶组成的装置。使用激光扫描装置4通过一次扫描沿部分环形的电子源产生电子，并向X射线靶加速，使得在那里产生一个在部分环形的X射线靶上可移动的X射线焦点。激光扫描单元4的扫描区域的边界在图1中通过激光射束5表示。将X射线检测器2以及X射线源3的两个部分环这样彼此错开地设置，使得从运动的X射线焦点发出的X射线射束6穿过检查体积击中X射线检测器2的分别当时相对的检测器元件。
激光扫描单元4在本例中具有至部分环X射线源3的环轴12一定距离，该距离大于该部分环到环轴12的距离，使得带有患者9的患者支撑台8能够不受阻碍地在水平方向移动。为此目的两个距离也可以相等。此外，激光扫描单元4仅扫过大约210°的角度，使得带有患者9的患者支撑台8在运动中也不受扫描射束的限制。这点根据图2可再次明确看到，该图从另一个透视角度表示带有X射线检测器2的部分环以及带有由电子源和X射线靶组成的装置的与其相对错开的部分环。扫描单元4的扫描区域在该图中通过激光射束5表示。从该图可以看到，通过部分环规定的检查体积的最大直径在本例中是80cm，在部分环之外也不受扫描限制。通过在该例中选择的在大约210°的角度上扫描，在X射线靶上产生一个在该角度区域上运动的X射线焦点，从它发出X射线射束6。X射线射束的210°的旋转区域对于计算机断层造影拍摄是足够的。
在图1的例子中另外表示两个循环的冷却管7，通过它们在运行时冷却X射线检测器2以及X射线源3。作为冷却介质例如空气或者水是适宜的。
图3表示一个这种X射线计算机断层造影设备的示意图，其中图像拍摄装置1相对于带有在其上支撑的患者9的患者支撑台8可围绕倾斜轴10倾斜。该可倾斜性通过两个在图中表示的双箭头表示。通过图像拍摄装置1的倾斜，能够记录患者的不垂直于Z轴(检查轴)的层析图像。倾斜要求在激光扫描单元4和两个由X射线检测器2以及带有电子源和X射线靶组成的装置的部分环之间的机械连接。不言而喻，作为替代的方案是使患者支撑台8也倾斜。该倾斜例如可以按照+/-15°的倾斜角进行。
图4表示为X射线计算机断层造影设备的正视图的一个例子。在该图中可以看到带有患者9的患者支撑台8以及X射线检测器2的部分环。倾斜轴10同样被表示出来。
图5相应地表示一个这样的计算机断层造影设备的后视图，其中可以看到带有由电子源和X射线靶组成的装置的部分环、激光扫描单元4以及X射线检测器2的部分环的未被覆盖的部分。
图6表示本X射线计算机断层造影设备的另一个例示结构。在该结构中无论X射线检测器2还是由电子源和X射线靶组成的装置(X射线源3)分别构成一个完整的环，在此两环彼此被平行设置。电子源的扫描通过两个激光扫描单元4进行，它们各自扫描180°的角度，并被设置在环轴12外足够远处，以便不限制患者支撑台8的水平移动空间。图7在此再次根据激光射束5举例表示两个带有激光器L1和L2的激光扫描单元4的扫描射束路径。因此，利用该装置可以产生在360°角度上旋转的X射线焦点，从该焦点发出一个相应旋转的X射线射束6。无论用于产生X射线辐射的装置还是X射线检测器2在此都仍然被静止地设置。
激光扫描单元4的两个脉冲式激光器L1和L2在图像记录时优选地被交替运行，以便减小两个激光器以及X射线靶的热负荷。在图中概略表示两个激光器L1和L2的相应的脉冲序列。
图8最后表示在按照图6构成的计算机断层造影设备的情况下对于外壳11的形状的一个例子。
在另一种结构中，可以在X射线靶和X射线检测器2的检测器元件之间在一个围绕环轴12与X射线焦点的运动同步转动的支承框上设置一个或者多个成形元件，以便影响所产生的X射线射束6的一个或者多个射束参数。这些成形元件、特别是具有准直仪的功能的成形元件，既可以限制X射线射束6的在层析平面(X-Y平面)和/或在Z方向上的开角，也可以被构造为影响X射线射束6的强度特性或者其谱分布的过滤器。最后，这些成形元件也可以形成用于X射线检测器2的控制射束光栅。
此外，可以考虑在电子源和X射线靶之间设置一个装置，用于减少正离子在电子源的区域的量，以便提高电子源的寿命。该装置可以是一个电子系统，通过它可以施加恒定或者交变电压俘获正离子。该电子系统、例如ICE或者RICE电子系统的设置这样进行，使得一方面减小在电子源的区域中正离子的量，以便阻止这种离子轰击电子源的表面或者至少减小强度。另一方面，应该不显著地减少在电子射束的聚焦区域亦即紧在X射线靶前面的区域中正离子的量，以便中和电子射束的电子的推斥力，由此能够有助于该电子射束的聚焦性。因此，优选地与接近X射线靶相比更接近电子源地设置该电子系统。

Claims (7)

1.一种X射线计算机断层造影设备，具有一个在一个平面内至少部分包围检查体积的X射线检测器(2)、和一个用于产生X射线辐射的静止的装置(3，4)，该装置具有一个在围绕检查体积的至少180°的角度上环形延伸的X射线源(3)和一个或多个光扫描单元(4)，使用它们通过对X射线源(3)的扫描可以产生一个沿X射线源(3)移动的X射线焦点，从该焦点出发X射线射束(6)穿过检查体积对准静止的X射线检测器(2)的分别当时相对的检测器元件，
其特征在于，
将所述一个或多个光扫描单元(4)这样在环形的X射线源(3)的中心的环轴(12)的外面设置和构成，使得用每一光扫描单元(4)每次仅扫描小于360°的一个角度区域，而不与该环轴(12)交叉。
2.根据权利要求1的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
所述X射线源(3)包括一个由电子源和一个与其相对设置的X射线靶组成的装置，其中，通过所有所述一个或多个光扫描单元(4)对电子源的扫描，可以在该X射线靶上产生一个沿该X射线靶移动的X射线焦点。
3.根据权利要求1或2的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
这样设置和构成所述一个或多个光扫描单元(4)，使得其分别仅在≤270°的角度上扫描所述X射线源(3)。
4.根据权利要求1至3中任一项的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
所述一个或多个光扫描单元(4)距所述环轴(12)至少具有一定距离，该距离与包围X射线源(3)的外壳到环轴(12)的距离相对应。
5.根据权利要求1至4中任一项的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
所述X射线检测器(2)和X射线源(3)完全围绕检查体积延伸，其中，提供至少两个具有扫描区域的光扫描单元(4)，通过它们的组合可产生一个沿所述X射线源(3)在360°的角度上运动的X射线焦点。
6.根据权利要求1至5中任一项的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
用于产生X射线辐射(3，4)的装置和X射线检测器(2)构成为可以一起相对于X射线计算机断层造影设备的检查轴倾斜一个角度。
7.根据权利要求1至6中任一项的X射线计算机断层造影设备，其特征在于，
所述光扫描单元(4)具有脉冲式激光器，并且提供一个用于该光扫描单元(4)的控制单元，它控制光扫描单元(4)交替发射激光脉冲，使得该光扫描单元(4)的激光脉冲交替击中所述X射线源(3)。
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