CN101529996A - 用于立体旋转阳极管的切换方案 - Google Patents

Abstract

对于x射线管而言，焦斑温度是一个关键因素。根据本发明的示范性实施例，提供了一种具有同步单元的检查设备，所述同步单元为具有两个阳极的立体管提供了这样一种操作模式，在所述模式中，使阳极旋转频率与所述阳极之间的切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。由此可以使焦斑温度显著降低。

Description

用于立体旋转阳极管的切换方案

本发明涉及断层摄影成像领域。具体而言，本发明涉及一种用于检查感兴趣对象的检查设备、一种用于检查设备的同步单元、一种检查感兴趣对象的方法、一种计算机可读介质以及一种程序单元。

常规锥束计算机断层摄影扫描器可以设有立体x射线管。这样的管可以使视场得到相当大的扩展，并且可以使轴向(axial)锥束计算机断层摄影中的锥束伪影显著减少。扩展的视场实现了对探测器面积的有效利用，而探测器面积正是计算机断层摄影(CT)扫描器的主要成本动因之一。但是更为重要的是，有可能减少用于(例如)心脏CT的圆形扫描中的锥束伪影。之后，可以根据圆形扫描重建整个心脏。

必须在切换模式下操作立体管，即，每次只有一个焦点发射x射线，并且在视图之间完成两个焦点之间的快速切换。显然，在一个阳极内消耗的平均功率只是总功率的一半，由此可以得到这样的效果，即，与正常情况下的单个阳极的温度升高相比，两个阳极内的温度升高都较少。

但是，只有在长的时间尺度(即，比总扫描时间长得多的时间尺度)上，所述效果才会变得明显，因为在扫描开始时，最大焦斑温度受到在电子束穿过时聚焦轨迹内的每一点所经历的短时间温度升高的主导。图4针对单阳极(只一个焦点，无切换)的情况对此给出了图示。

人们希望得到改进的x射线立体管操作模式，在所述模式中，每一阳极平均必须只能消耗总功率的一半的这一事实将使得扫描期间的阳极温度更低。

因而，与单阳极管相比，这样的操作模式可以允许提高峰值功率。

根据本发明的一个示范性实施例，提供了一种用于检查感兴趣对象的检查设备，所述检查设备包括：具有适于生成电磁辐射的第一阳极和第二阳极的源以及同步单元，其中，所述第一和第二阳极适于作为以阳极旋转频率旋转的旋转阳极，其中，使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换，其中，所述同步单元适于使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，所述同步对应于t_阳极/t_切换＝m*n-1，其中，t_阳极为1/(阳极频率)，t_切换是在被切换至另一阳极之前电子束停留在第一阳极上的时间(反之亦然)，n是阳极的数量，m是整数值，例如，m＝1；2；3；4；......

因此，可以提供一种检查设备，其具有以同步旋转频率旋转的旋转阳极。总的来说，其可以为具有多个阳极的x射线管提供一种改进的照射方案。

根据本发明的另一示范性实施例，所述源适于作为立体旋转阳极x射线管。

换言之，所述源包括两个阳极圆盘和两个阴极。

根据本发明的另一示范性实施例，所述同步单元适于使阳极旋转频率与切换频率同步，从而使切换频率是阳极旋转频率的半整数倍。

因此，通过一种特殊的方式使阳极的旋转频率(f_阳极)与切换频率(f_切换)同步，即，使切换频率是阳极旋转频率的半整数倍，例如，s＝f_切换/f_阳极＝2.5；3.5；4.5；5.5......对于两个聚焦轨迹内的每一点而言，其可以使电子束实施的两次相继照射之间的时间间隔最大化。

根据本发明的另一示范性实施例，将所述检查设备配置为由计算机断层摄影设备和相干散射计算机断层摄影设备构成的组中的一个。

根据本发明的另一示范性实施例，所述检查设备还包括布置在电磁辐射源和探测器单元之间的准直器，其中，所述准直器适于对所述电磁辐射源发射的电磁辐射束进行准直，以形成轴向锥束或扇束。

此外，根据本发明的另一示范性实施例，将所述检查设备配置成由材料测试设备、医学应用设备和微型CT系统构成的组中的一个。

本发明的应用领域可以是医学成像，具体而言，可以是心脏成像。

根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于检查设备的同步单元，其中，所述同步单元适于连接至具有用于生成电磁辐射的第一阳极和第二阳极的源，其中，所述第一和第二阳极适于作为以阳极旋转频率旋转的旋转阳极，其中，使电磁辐射的生成以切换频率在第一和第二阳极之间切换，并且其中，所述同步单元适于使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

由此可以实现一种同步单元，可以将所述同步单元设置成用于对当前检查设备进行重新装备的单个模块，以便提供一种改进的操作模式。

根据本发明的另一示范性实施例，所述同步单元适于使立体x射线管同步。

根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种采用检查设备对感兴趣对象进行检查的方法，所述方法包括如下步骤：以阳极旋转频率旋转第一和第二阳极；通过所述第一和第二阳极之一生成电磁辐射；使电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；以及使所述阳极旋转频率和所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

此外，根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种计算机可读介质，其中存储有用于检查感兴趣对象的计算机程序，在由处理器执行时，所述计算机程序使所述处理器实施上述方法步骤。

此外，根据本发明的另一示范性实施例，提供了一种用于检查感兴趣对象的程序单元，在由处理器执行时，所述程序单元使所述处理器实施上述方法步骤。

可以通过计算机程序，即通过软件；或者通过采用一个或多个专用电子优化电路，即通过硬件；或者以混合形式，即借助于软件部件和硬件部件，来实现所述检查感兴趣对象的方法。

优选将根据本发明的实施例的程序单元加载到数据处理器的工作存储器内。因而，可以将所述数据处理器配备为执行本发明的方法的实施例。可以通过任何适当的程序设计语言，例如，C++来编写所述计算机程序，并且可以将所述计算机程序存储到诸如CD-ROM的计算机可读介质上。而且，可以从诸如万维网的网络获得所述计算机程序，通过所述网络，可以将所述计算机程序下载到图像处理单元或处理器或者任何适当的计算机内。

可以看出，本发明的示范性实施例的要旨在于，提供了一种检查设备，其适于通过一种特殊的方式使阳极旋转频率与切换频率同步，即，对于聚焦轨迹内的每一点而言，使电子束实施的两次相继照射之间的时间间隔最大化。可以通过使切换频率同步，从而使所述切换频率是阳极旋转频率的半整数倍实现这一目的。因而，可以降低每一阳极的温度，从而允许x射线源的总功率提高或者焦点尺寸减小。

本发明的这些及其他方面将从下文中描述的各实施例中变得显而易见，并参考其进行阐述。

在下文中，将参照下列附图说明本发明的示范性实施例。

图1示出了根据本发明的示范性实施例的检查设备的示意性表示；

图2示出了单焦点管(左)和立体x射线管(右)的基本几何结构；

图3示出了根据本发明的示范性实施例的立体管构造的示意性表示；

图4示出了常规x射线管的单个阳极上的焦斑温度的性态；

图5示出了立体管的阳极之一上的焦斑温度的性态；

图6示出了根据本发明的示范性实施例的立体管的阳极之一上的焦斑温度的性态；

图7示出了根据本发明的示范性实施例的流程图；

图8示出了用于执行根据本发明的方法的示范性实施例的根据本发明的图像处理装置的示范性实施例。

附图中的图示是示意性的。在不同的附图中，类似或等同的元件具有相同的附图标记。

图1示出了根据本发明的计算机断层摄影扫描器系统的示范性实施例。图1所描绘的计算机断层摄影设备100是一种锥束CT扫描器。所述CT扫描器包括扫描架101，其可以围绕旋转轴102旋转。利用电动机103驱动扫描架101。附图标记104表示诸如X射线源的辐射源，根据本发明的一个方面，所述辐射源发射多色或单色辐射，并且其包括X射线管。

附图标记105表示用于将辐射源104所发射的辐射束形成为锥形辐射束106的窗孔系统。对锥束106加以引导，使其穿过布置在扫描架101的中央，即CT扫描器的检查区域内的感兴趣对象107，并撞击到探测器108上。从图1可以看出，将探测器108布置在扫描架101上与辐射源104相对的位置，从而使探测器108的表面被锥束106所覆盖。图1所描绘的探测器108包括多个探测器元件123，每一探测器元件能够探测到已被感兴趣对象107散射或者穿过感兴趣对象107的X射线。

在对感兴趣对象107进行扫描的过程中，使辐射源104、窗孔系统105和探测器108按照箭头116指示的方向沿扫描架101旋转。为了实现扫描架101、辐射源104、窗孔系统105和探测器108的旋转，将电动机103连接至电动机控制单元117，电动机控制单元117又连接至可以包括同步单元的重建单元118。

例如，感兴趣对象107可以是安置在操作台119上的患者。在对(例如)患者107的心脏130的扫描过程中，扫描架101围绕患者107旋转，焦斑沿圆形或其他轨迹(例如，鞍形轨迹)移动。因此，在不使操作台119发生平行于旋转轴102的位移的情况下执行了圆形扫描。

但是，应当指出，检查设备100还可以适于执行螺旋扫描(例如，通过移动所述台119)。

此外，可以提供心电图装置135，在由探测器108探测因通过心脏130而衰减的X射线时，心电图装置135将测量患者107的心脏130的心电图。之后将与测得的心电图相关的数据发送至重建单元118。

将探测器108连接至重建单元118。重建单元118接收探测结果，即，来自探测器108的探测器元件123的读出，并基于这些读出确定扫描结果。此外，重建单元118与电动机控制单元117通信，以便使借助电动机103和120实现的扫描架101的移动与操作台119相协调。

重建单元118可以适于根据探测器108的读出重建图像。可以将重建单元118生成的重建图像通过接口122输出至显示器(图1中未示出)。

可以通过数据处理器实现重建单元118，从而对来自探测器108的探测器元件123的读出进行处理。

重建单元118对测得的数据，即，心脏计算机断层摄影数据和心电图数据进行处理，而重建单元118又可以通过图形用户界面140受到控制。

但是，应当注意，本发明不限于这一具体的数据获取和重建。

图2示出了用于心脏CT的立体x射线管的原理。在左侧描绘出常规(单焦斑)几何结构，在右侧描绘出对应的立体焦点几何结构。

就单焦斑几何结构而言，焦斑201朝向感兴趣对象107发射电磁辐射束。所述束由探测器108进行探测。这里，可探测到的束尺寸受到对应于射线202、203的探测器尺寸的限制。附图标记102表示扫描器旋转轴。在所描绘的情况下，并不能采用圆形扫描对整个心脏成像。

就在右侧所描绘的立体焦点几何结构而言，存在两个焦斑204、205，每一焦斑都朝向感兴趣对象107发射之后将由探测器108探测的电磁辐射。而且，对于焦斑204而言，可检测到的辐射束受到外侧射线206、207的限制，对于焦斑205而言，可检测到的辐射束受到外侧射线208、209的限制。

对于相同层数的探测器而言，单个焦斑可能在单个圆形扫描中不足以覆盖整个感兴趣对象(其可以是患者的心脏)107，而双焦点几何结构则可能完全覆盖感兴趣对象107。

应当注意，与螺旋扫描形成对照的是，圆形扫描意味着患者沿z方向不存在移动。焦斑间的距离取决于所使用的CT扫描器的具体几何性质，尤其是探测器宽度、焦斑到探测器的距离以及所研究的对象的尺寸。对于典型的CT扫描器几何结构而言，需要为心脏扫描提供120mm的视场(FOV)。可以采用大约90mm的焦斑距离和具有128层的锥束探测器实现这一目的。

但是，可以根据具体情况实现其他几何结构。

图3示出了具有两个旋转阳极圆盘301、302和两个阴极303、304的立体管300的配置。可以采用这样的具有两个旋转阳极圆盘301、302的立体管来实现图2所描绘的两个焦点。

在下文中更加详细地描述了根据本发明的一个方面的用于操作立体管的方法，凭借所述方法甚至能够在短时间内(即，在扫描过程中)显著降低焦斑温度。

图4示出了在电子束第一次403、第二、第三和第四次404、第91次405以及无穷次数406后通过阳极上的给定固定点的短时间间隔内常规x射线管的单个阳极上的焦斑温度的性态的模型计算。

水平轴401以毫秒为单位描绘出时间(从-0.10ms到0.10ms的范围内)，垂直轴402描绘出从0(即，室温)到室温以上4500度的范围内的温度。

图5示出了在电子束第一次503、第二、第三和第四次504、第91次505以及无穷次数506后通过阳极上的给定固定点的短时间间隔内立体管的阳极之一上的焦斑温度的性态。同样，垂直轴502的0温度对应于室温。水平轴501以ms为单位描绘出从-0.1到0.1ms的范围内的时间。

将功率(power)切换频率选择为阳极旋转频率的整数倍(s＝10)。

图5针对与图4中基本相同的参数集示出了焦斑温度，与图4中的参数差异仅在于功率以1800Hz的频率振荡，该频率是阳极旋转频率的十倍。由于这里的阳极切换频率是阳极旋转频率的整数倍而不是半整数倍，因而功率切换在短时间之后仅存在很微小的影响。这一小的影响的原因在于在，与一个阳极的参考情况相比，在90转(0.5s)之后最大焦斑温度几乎不变。但是，在长时间之后，两个阳极之间的功率共享的效果就会变得直观。

图6示出了在阳极的旋转发生第一次603、第二次607、第三次604、第四次608、第91次605、第92次609、无穷大奇数次数606之后以及无穷大偶数次数610之后的短时间间隔内立体管的阳极之一上的固定点的焦斑温度的性态。

假设s＝整数，所述阳极之一的束的聚焦轨迹上的一些点将在所述阳极的每一转当中被电子束击中。而其他点则从不被击中。假设s＝半整数，那么所述聚焦轨迹上的点只有在阳极的每隔一转中(即，在阳极的第一转、第三转等当中)才会被所述束击中，而在第二转、第四转等当中则不会被击中。因此，来自所述束的热功率在阳极上的分布更加均匀。

与图6相关的参数是与图4所示的参考情况中相同的参数。其功率振荡频率为1710Hz(对应于阳极旋转频率的9.5倍)。水平轴601以ms为单位描绘出时间，垂直轴602描绘出温度，其中，0温度仍然对应于室温。

由于s为半整数值的原因，聚焦路径上的固定点只有每隔一转才会受到照射。这种情况可能对已经经历过短时间之后的温度性态产生强烈影响，因为在这种情况下，与只有单个阳极的情况相比有效聚焦路径长度增大了一倍。但是，即使聚焦路径长度加倍，温度下降的程度仍然可能不足2倍。在给定的例子中，0.5s之后的下降大约为20％，在大量的转周之后所述下降的程度随时间增大至大约35％。显然，可以利用这一20％的温度节省，通过提高总功率或者降低焦斑尺寸而使焦斑内的能量密度提高20％。因而，如果将切换频率选择为阳极旋转频率的半整数倍，那么可以实现最大的x射线功率输出。

应当注意，总的来说，可以将本发明的构思引申为具有多个阳极的x射线管。例如，对于n个阳极而言，假设t_切换是束停留在一个阳极上的时间。如果依次照射各阳极，那么阳极的t_切换和旋转时间t_阳极应当满足下述同步条件：t_阳极/t_切换＝m*n-1，其中，例如，m＝1；2；3；4......(m必须是整数)。

通过这种方法，有效聚焦路径长度是所述阳极之一上的聚焦路径长度的n倍，因而与“一个阳极的管”相比，可以使“m个阳极的管”的可能功率提高最大化。

图7示出了根据本发明的用于检查感兴趣对象，当然还用于使阳极旋转频率与切换频率同步的示范性方法的流程图。

所述方法从步骤1开始，在步骤1中，使第一和第二阳极以阳极旋转频率旋转。之后，在步骤2中，通过第一和第二阳极之一生成电磁辐射。之后，在步骤3中，将电磁辐射的生成从第一(或第二)阳极切换至第二(或第一)阳极。之后，在步骤4中，通过第一和第二阳极中的另一个生成电磁辐射，随后重新切换至步骤2中的阳极。使阳极旋转频率与切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

图8示出了用于执行根据本发明的方法的示范性实施例的根据本发明的数据处理装置800的示范性实施例。

图8所描绘的数据处理装置800包括连接至存储器802的中央处理单元(CPU)或图像处理器801，所述存储器802用于存储描绘诸如患者的心脏或行李物品的感兴趣对象的图像。根据本发明的一个方面，所述中央处理单元802可以包括同步单元(图8中未描绘出)。

可以将所述数据处理器801连接至诸如计算机断层摄影扫描器的多个输入/输出网络或诊断装置。此外，还可以将数据处理器801连接至诸如计算机监视器的显示装置803，所述显示装置用于显示在数据处理器801中计算或调整的信息或图像。操作员或用户可以通过键盘804和/或在图8中未描绘出的其他输入/输出装置与数据处理器801交互。

此外，通过总线系统805，还可能将图像处理和控制处理器801连接至(例如)监视感兴趣对象的运动的运动监视器。例如，在对患者的肺部进行成像的情况下，运动传感器可以是呼气传感器。在对心脏进行成像的情况下，所述运动传感器可以是心电图仪。

可以将本发明的示范性实施例作为给CT扫描器控制台、成像工作站或PACS工作站的软件选项而出售。

可以将本发明应用于立体旋转管。这种类型的管对于具有大的锥角的轴向锥束CT可能尤为有用，因为与单焦点管相比，其能够使锥束伪影显著减少，并且能够提供更大的视场。

应当注意，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”不排除多个。此外，还可以将与不同的实施例相关联地进行描述的元件组合起来。

还应当注意，权利要求中的附图标记不应理解为对权利要求范围的限定。

Claims (12)

1、一种用于检查感兴趣对象(107)的检查设备，所述检查设备(100)包括：

具有适于生成电磁辐射的第一阳极(301)和第二阳极(302)的源(104)；

同步单元(118)；

其中，所述第一和第二阳极适于作为以阳极旋转频率旋转的旋转阳极；

其中，使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；

其中，所述同步单元(118)适于使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步；

其中，所述同步对应于t_阳极/t_切换＝m*n-1；

其中，t_阳极为1/(阳极频率)；

其中，t_切换是电子束停留在所述第一阳极上的时间；

其中，n是阳极的数量；并且

其中，m是整数。

2、根据权利要求1所述的检查设备，

其中，所述源(104)适于作为立体旋转阳极x射线管。

3、根据权利要求1所述的检查设备，

其中，所述第一阳极或所述第二阳极的聚焦路径上的固定点只有在所述阳极的每隔一转中才会受到照射。

4、根据权利要求1所述的检查设备，

其中，所述同步单元(118)适于使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

5、根据权利要求1所述的检查设备，将其配置为由计算机断层摄影设备和相干散射计算机断层摄影设备构成的组中的一个。

6、根据权利要求1所述的检查设备，还包括准直器(105)和探测器单元(108)；

其中，将所述准直器(105)布置在电磁辐射源(104)和所述探测器单元(108)之间；

其中，所述准直器(105)适于对所述电磁辐射源(104)发射的电磁辐射束进行准直，以形成轴向锥束或扇束。

7、根据权利要求1所述的检查设备，将其配置为由材料测试设备、医学应用设备和微型CT系统构成的组中的一个。

8、一种用于检查设备的同步单元(118)，

其中，所述同步单元(118)适于连接至具有用于生成电磁辐射的第一阳极(301)和第二阳极(302)的源(104)；

其中，所述第一和第二阳极适于作为以阳极旋转频率旋转的旋转阳极；

其中，使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；

其中，所述同步单元(118)适于使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

9、根据权利要求8所述的同步单元(118)，其中，所述源(104)适于作为立体x射线管。

10、一种采用检查设备对感兴趣对象进行检查的方法，所述方法包括如下步骤：

使第一和第二阳极以阳极旋转频率旋转；

通过所述第一和第二阳极之一生成电磁辐射；

使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；以及

使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

11、一种计算机可读介质(702)，其中存储有用于检查感兴趣对象的计算机程序，在由处理器(701)执行时，所述计算机程序使所述处理器实施如下步骤：

使第一和第二阳极以阳极旋转频率旋转；

通过所述第一和第二阳极之一生成电磁辐射；

使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；

使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

12、一种用于检查感兴趣对象的程序单元，在由处理器(701)执行时，所述程序单元使所述处理器实施如下步骤：

使第一和第二阳极以阳极旋转频率旋转；

通过所述第一和第二阳极之一生成电磁辐射；

使所述电磁辐射的生成以切换频率在所述第一和第二阳极之间切换；

使所述阳极旋转频率与所述切换频率同步，从而使所述切换频率是所述阳极旋转频率的半整数倍。

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