CN101548339B - 尤其适用于x射线的射束过滤器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种尤其适合在能谱CT应用中采用的射束过滤器(10)，其用于生成期望的辐射射束强度分布曲线，而不改变其能谱构成。在优选实施例中，所述射束过滤器(10)包括由吸收片(111)构成的叠置体，所述吸收片由楔形间隔(112)隔开并且聚焦于辐射源(1)。此外，所述吸收片在辐射的方向上具有变化的宽度。因此，在探测器区(2)的不同点(A，B)处，所述射束过滤器(10)掩蔽了所述辐射源(1)的不同份额。所述吸收片优选包括对待滤波的辐射具有高吸收特性的材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种插入到辐射源和探测区之间的射束过滤器。此外，本发明还涉及包括这样的射束过滤器的X射线装置。
背景技术
US 6157703描述了一种被实现为具有孔口矩阵的铜或铍板的X射线过滤器。可以有选择地使所述孔口在相对于准直器的孔的对准位置或非对准位置之间发生移位。在非对准的情况下，位于准直器孔的前面的板的金属使X射线射束发生衰减，尤其去除了低能量光子，从而使所述射束的光谱“硬化”。
发明内容
基于这种情况，本发明的目的在于提供一种滤波机构，其尤其适合在采用能谱分辨探测的装置中使用。
这一目的是通过根据本申请的实施例所述的射束过滤器和根据本申请的实施例所述的X射线装置实现的。在本申请中还公开了其它优选实施例。
根据本发明的射束过滤器被设计为插入到辐射源和探测区之间，其中，所述辐射源尤其可以是X射线源。此外，所述辐射源将具有一定的空间延展性，因而不能将其近似为点源。其通常包括相对小的辐射发射区，例如，X射线管的阳极表面。“探测区”可以只是一个虚拟的几何对象，尽管其通常对应于某一探测器装置的灵敏区。所述射束过滤器包括多个(第一)吸收体，当处于其工作位置时(即，在被设置在辐射源和探测区之间时)，所述吸收体在所述探测区的不同点处掩蔽所述辐射源的辐射发射区的不同份额(fraction)。这意味着，所述探测区上至少存在两个点，即，从所述点来看所述(空间延展的)辐射源被所述多个吸收体部分掩蔽，而且对于所述点而言，受到掩蔽的源区的份额是不同的。
所描述的射束过滤器的优点在于，辐射源所发射的辐射抵达所述探测区上的不同点的强度是不同的，因为这些点处于不同程度的半阴影内。因此，所述探测区内的强度分布能够精确地适应具体应用的要求。如果将要对患者进行(例如)X射线照射，那么能够向患者身体的中央部分提供比外围区域更高的强度。
一般而言，所述射束过滤器的吸收体可以对所述辐射源发射的辐射具有一定的透射率，从而使其掩蔽并非是彻底的。但是，在本发明的优选实施例中，所述吸收体包括基本上完全吸收X射线的材料，具体而言包括在所述辐射源发射的辐射的整个能谱上具有高度吸收特性的材料。所述材料尤其可以包括具有高(平均)原子序数Z的材料，例如，钼(Mo)或钨(W)，其对X射线具有高吸收系数。其他适当的材料包括金(Au)、铅(Pb)、铂(Pt)、钽(Ta)和铼(Re)。所述吸收体可以完全或者仅部分由上述材料中的一种构成，当然其也可以包括这些材料中的几种或所有的这些材料的混合物(合金)。使用具有高度吸收特性的材料意味着所述辐射源的受到掩蔽的点将不会通透发光，而是实际保持黑暗。因而，抵达探测区上的点的辐射强度仅由吸收体的几何结构决定，而所述几何结构能够得到非常精确的调整。另一优点在于，探测器区的某一点上的强度降低将不会暗示辐射的能谱受到了修改，因为对于辐射源的受到掩蔽的区带而言，整个能谱受到了混合抵消(blend out)，而对于未受掩蔽的区带而言，整个能谱则不受影响地通过。在需要已知的明确的源辐射能谱来实现对测量的唯一解释的能谱CT应用中，这一不存在能谱修改的强度调整尤为有用。
所述射束过滤器包括多个吸收体，当处于其工作位置时，所述吸收体在所述探测区的不同点处掩蔽所述辐射源的不同份额。此外，优选将这些吸收体的形状设计为吸收片，并将这些吸收体布置成叠置体，其中，通过中间间隔将相邻的片隔开。这样的由吸收片构成的叠置体的运作与具有多个掩蔽或遮盖光源的薄片的百叶窗类似。所述吸收片优选是平的，尽管它们一般也可以采取其他三维形状。
优选采用间隔体材料填充前述叠置体的相邻吸收片之间的中间间隔，例如，所述间隔体材料可以是聚合物，尤其是固态聚合物、泡沫聚合物或聚合物胶。所述间隔体材料为整个叠置体提供了稳定性和明确的尺寸，并且允许将整个叠置体作为致密块处理。所述间隔体材料对X射线所具有的衰减系数应当显著低于所述吸收片的材料的衰减系数。例如，对于所述辐射源发射的辐射(的整个能谱)而言，所述间隔体的衰减系数可以小于所述吸收片的衰减系数的大约5％，优选小于其1％左右。
在具有吸收片的射束过滤器的另一优选实施例中，所述片处于在至少一个公共点上相交的平面内。如果将所述辐射源布置为使其包括所述交点，那么所发射的辐射将基本在所述平面的方向上传播。因此，所述辐射将撞击到与所述片平面平行的吸收片上，从而确保高吸收效率。应当注意，如果所述平面是确切的平面，并且在两个公共点上相交，那么它们必然沿整条线相交。
在前述实施例的进一步演变当中，至少一个吸收片具有变化的宽度，其中，所述宽度是相对于既定点沿径向测量的。所述点优选是所述吸收片所处的平面的公共交点，因为其将确保起始于所述点的射线将撞击到其平面内的对应吸收片的整个宽度上。
在前述情况下，所述吸收片的变化的宽度优选在所述吸收片的中央区域取得最小值。如参照附图所述，其将在穿过射束过滤器的辐射的中央区域产生强度峰值，这一点在(例如)CT应用中是有利的。
所述吸收片任选具有变化的厚度，其中，所述厚度可以在同一吸收片上的不同点之间以及不同吸收片上的各点之间变化。所述吸收片的厚度是能够通过对其进行调谐而跨越所述探测区建立期望的强度分布曲线的另一参数。
在本发明的进一步演变中，所述射束过滤器包括第二多个吸收体，所述第二吸收体可以相对于前述第一多个吸收体移动，并且被布置为使得光线可以接连通过所述第一多个吸收体和所述第二多个吸收体。因此，所述辐射源发射的光线必须接连通过所述第一和第二多个吸收体。由于所述第一和第二多个吸收体能够相对于彼此移动，因而有可能有选择地改变分别受到所述第一和第二多个吸收体掩蔽的辐射源的各区带之间的重叠，进而改变总的掩蔽程度。因而，能够通过使所述第二多个吸收体相对于所述第一多个吸收体移动而相对简单地改变跨越探测区的强度分布。
本申请还限定了另外的有利实施例。
本发明还涉及一种X射线装置，尤其是采用计算机断层摄影(CT)扫描器的形式的X射线装置，其包括辐射源和上述类型的射束过滤器。已经解释过了，所述射束过滤器几乎能够在相关联的探测区建立任何期望的强度分布曲线，同时将对辐射源的能谱的变化降至最低，甚至使其不发生变化。这一点对于能谱CT扫描器尤为有用，因为其要求通过受到X射线辐射的对象的辐射具有已知的、明确的能谱。
附图说明
本发明的这些和其他方面参考下文描述的实施例将变得明了且得到阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，在附图中：
图1通过透视图示意性地示出了根据本发明的具有射束过滤器的X射线装置；
图2示出了具有一个由吸收片构成的叠置体的射束过滤器的第一实施例的几何结构；
图3示出了图2的射束过滤器的顶视图；
图4示出了沿图3的IV-IV线得到的截面图；
图5示出了沿图3的V-V线得到的截面图；
图6通过与图4和图5中类似的表示方式示出了射束过滤器的第二实施例，所述射束过滤器包括两个由吸收片构成的叠置体；
图7示出了在使所述由吸收片构成的叠置体相对于彼此移位时的图6所示的射束过滤器。
在附图中，采用同样的附图标记或者相差100的整数倍的附图标记表示等同或类似的部件。
具体实施方式
在下文中将相对于在X射线装置中，尤其是在能谱CT扫描器中的应用说明根据本发明的射束过滤器，但是本发明不限于此，也可以有利地结合其他类型的电磁辐射应用本发明。
能谱CT是一项非常有前景的技术，其能够实现对体内的不同元素的辨别。一般而言，能谱CT基于这样的事实，即，各种化学元素在衰减系数的能量依赖性方面表现出显著的差异。为了测量这一能量依赖性，在探测器一侧需要某种能量鉴别。此外，进入待成像的对象的辐射的主能谱必须覆盖一个宽的能量范围。能谱CT的一个重要部分就是测量光吸收对衰减系数的影响，所述测量有赖于对能量相当低的光子的探测。
在现代的CT扫描器中，出于降低剂量的目的，可以采用所谓的“蝴蝶结型”过滤器根据患者的体形调整沿扇方向的光子通量，即，患者中央的较大厚度需要较高的强度，而对于其身体外围的逐渐降低的厚度而言，较低的强度就够了。可以通过厚度发生变化的诸如铝的轻金属实现这样的过滤器。但是，这种用于能谱CT的方案的缺点在于，所述过滤器将改变初级辐射沿扇方向的能谱形状。对于光吸收的测量具有很高的重要性的低能量光子将尤其受到衰减。因此，这将降低所述扇形的边缘范围(regime)内的能谱解卷积的可能性，其中，在所述边缘范围内，所述蝴蝶结型过滤器表现出了其最大厚度。
出于这些原因，需要一种替代的射束过滤器，其允许控制X射线射束，尤其是扇形射束的强度分布曲线，与此同时将对辐射能谱的修改降至最低或者在理想的情况下不存在修改。
为了实现上述目的，这里提出了采用多个吸收体，从探测区的不同点来看所述吸收体对所述辐射源构成了不同程度的遮蔽或掩盖。图1示出了原理设置，其包括位于空间延展的X射线源1(例如，X射线管的阳极区域)和探测器区2(例如，数字X射线探测器的闪烁器材料或直接转换材料)之间的射束过滤器10。射束过滤器10包括由被中间间隔112隔开的吸收片111构成的叠置体100。辐射源1发射的X射线X在抵达探测器区2之前必须通过射束过滤器10。这些射线中的一些将自由通过中间间隔112，而其他射线将撞击到吸收片111上，在该处这些射线将基本上被完全吸收。因此，通过对所述辐射的“部分全吸收”(“部分”是相对于所述射束的整个射线集合而言的，“全”是相对于单独的受到吸收的射线而言的)实现了X射线射束的衰减，其中，经衰减的辐射基本上保持了其初始的能谱图。
图1通过示出图像IA和IB的放大草图说明了这一滤波原理，其中，借助所述图像IA和IB分别从探测区2上的中心点A和外围点B看到了辐射源1的区域。由于吸收片111的具体形状的原因，中心图像IA中掩蔽了辐射源1的区带MA的总面积小于外围图像IB中掩蔽了辐射源1的区带MB的总面积。因此，如探测区上面的沿通过点A和B的线x的强度Φ的分布曲线所示，照射中心点A的射束强度将高于照射外围点B的射束强度(应当注意，如果将诸如患者的中央厚度最大的对象安置在射束过滤器10和探测区2之间，那么所述强度分布曲线将重新得到均衡)。由于在要么完全通过要么不通过的方式下，点A和B处的总辐射仅由自由通过射束过滤器10的辐射构成(而不是或者仅在最低的程度上由通过吸收片的辐射构成)，因而抵达点A和B的总辐射的能谱构成基本保持相同。
图2示出了根据本发明的射束过滤器10的第一实施例的主要几何结构。这一射束过滤器10包含由基本具有相同形状的吸收片111构成的叠置体100，其中，所述形状对应于两个对边以不同的弯曲半径弯曲的四边形(其中，所述凸边的弯曲半径大于所述凹边的弯曲半径)。平的吸收片111中的每者均处于平面P上，其中，所有的这些平面P都通过公共线L，进而通过公共“焦点”F相交(公共焦点F还处于吸收片111的对称线上)。
在将射束过滤器10应用到(例如)诸如图1所示的装置的X射线装置中时，将辐射源1的位置设置为使其包括前述焦点F。于是源1发射的辐射大致从焦点F沿径向传播(未必对于所有的射线都是这样，因为辐射源1不是数学意义上的点，而是具有一定的有限延展度)。射束过滤器10的一个重要方面在于，沿以焦斑F为原点的半径r测量的其吸收片111的宽度是变化的。从图3所示的由吸收片111构成的叠置体100的顶视图中能够很好地看到，这一宽度在吸收片111的边缘取得最大值dB，并朝向吸收片111的中央逐渐降低，在所述中央处其取得其最小值dA。
图4和图5分别示出了沿图3的IV-IV线和V-V线的截面图。可以看出，射束过滤器10包括由(在这一例子中为五个)吸收片111构成的叠置体100，所述五个吸收片由(四个)中间间隔体112隔开，所述中间间隔体对于X辐射而言是透明的，而且其可以由(例如)聚甲基丙烯酰亚胺硬泡沫材料(在市场上可以以来自德国Degussa的
的名称买到)构成。吸收片111通常由高度吸收的材料构成，例如，由钼或钨构成。此外，由于所述吸收片布置在各平面P内(图2)，因而所述吸收片朝向X辐射源1聚焦。如各图针对平行于所述设置的中心对称轴传播的X射线所示，与吸收片111具有短宽度dA的射束过滤器10的中心部分相比，吸收片111具有高宽度dB的射束过滤器10的边缘部分吸收了辐射源1所发射的辐射中的更大的份额。
可以通过各种方式修改所描述的射束过滤器10的设计，例如，通过：
-相对于间隔体片112的厚度改变高度吸收片111的厚度(垂直于所述片平面测量的)，
-使整个叠置体100倾斜，
-使吸收片111适当变形。
图6和图7示出了射束过滤器20的具有可调的吸收特性的第二设计，所述射束过滤器20包含由两个分别由吸收片111和211构成的叠置体100和200，其中，这些叠置体中的每者具有类似于上述射束过滤器10的设计。将由吸收片111、211构成的两个叠置体100、200沿X射线传播方向一前一后放置。因此，X射线必须在其抵达探测器之前经过叠置体100、200二者。如果使叠置体100、200相对于彼此发生移位，那么能够改变X射线辐射源1的受到吸收片111、211掩蔽的区域。就这一方面而言，图6示出了使两个叠置体100、200的吸收片对准的布置，而图7则示出了使第二叠置体200相对于第一叠置体100发生一定移位的布置，所述移位在输出端导致了降低的射束强度。
在所描述的具有多层结构的初级射束过滤器的实施例中，由于衰减是通过部分全吸收实现的，因而几乎不改变辐射的能谱形状。有利地，可以将所述射束过滤器应用到医疗CT，尤其是能谱CT当中。
最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤的存在，“一”并不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征要素和特征要素的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为对其范围的限制。
Claims (14)
1.一种用于插入到辐射源和探测区(2)之间的射束过滤器(10；20)，其中，所述射束过滤器包括多个吸收体(111；211)，当处于其工作位置时，所述吸收体在所述探测区(2)的不同点(A，B)处掩蔽所述辐射源(1)的辐射发射区的不同份额，其中，所述吸收体的形状被设计为吸收片(111；211)，并且将所述吸收体布置成具有中间间隔(112)的叠置体(100；200)，并且其中，所述多个吸收片的形状对应于两个对边以不同的弯曲半径弯曲的四边形。
2.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述辐射源是X射线源(1)。
3.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述吸收体(111；211)包括基本上完全吸收X射线的材料。
4.根据权利要求3所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述材料是选自由Mo、W、Au、Pb、Pt、Ta和Re构成的组的材料。
5.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述中间间隔填充有间隔体材料(112)，与所述吸收片的材料相比，所述间隔体材料对X射线具有较低的衰减系数。
6.根据权利要求5所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述间隔体材料(112)是聚合物。
7.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述吸收片(111；211)处于在至少一个公共点(F，L)上相交的各平面(P)内。
8.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，至少一个吸收片(111；211)具有变化的宽度(dA，dB)，所述宽度是相对于既定点(F)沿径向测量的。
9.根据权利要求1所述的射束过滤器(10，20)，
其特征在于，所述两个对边以不同的弯曲半径进行弯曲，从而使得所述吸收片包括在沿所述对边的中央位置处与所述对边垂直的方向上的最小宽度(dA)。
10.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，
其特征在于，所述吸收片(111；211)具有变化的厚度。
11.根据权利要求1所述的射束过滤器(20)，
其特征在于，将所述吸收片布置成吸收片的两个叠置体：吸收片的第一叠置体(100)和吸收片的第二叠置体(200)，其中吸收片的所述第二叠置体(200)能够相对于吸收片的所述第一叠置体(100)移动，而且吸收片的所述第一叠置体(100)和所述第二叠置体(200)能够被光线接连通过。
12.根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)，其特征在于，两个弯曲的对边限定出凸边和凹边，其中，所述凸边的弯曲半径大于所述凹边的弯曲半径。
13.一种X射线装置，其包括辐射源(1)和根据权利要求1所述的射束过滤器(10；20)。
14.根据权利要求13所述的X射线装置，其中所述X射线装置是CT扫描器。
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