CN101720492B - 用于生成x-射线辐射并且具有根据需要调节的大的实焦点和虚焦点的装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种用于生成X-射线辐射的装置，其包括形成为球形的一部分的阳极(9)。所述装置还包括至少一个虚焦点元件(4)，适于发射所生成的光子以产生有用光束场。与先前公知的用于生成-X-射线的具有倾斜阳极表面的X-射线管和装置相比，根据本发明的装置具有更大的实焦点。因此，在假设两种装置的加速电压和每一个阳极表面单位的电子密度相等的情况下，与先前公知的X-射线管相比，根据本发明的装置能够实现每单位时间增加的辐射量。虚焦点元件(4)能够适于具体的应用领域。由于高的光子密度以及可以适于需要的焦点，可以避免时间和几何相关的成像误差。在利用根据本发明的装置生成有用辐射时，在光束场中，光子在质量和能量方面可以均匀分配，这使得在整个有用光束场中实现相等的成像条件成为可能。

Description

用于生成X-射线辐射并且具有根据需要调节的大的实焦点和虚焦点的装置

技术领域

本发明涉及X-射线辐射的生成，该X-射线辐射主要用于医学诊断和治疗，而且还用于诸如工业中的材料控制和航空中的行李控制的其它领域。

背景技术

对于本领域的技术人员来说，迄今为止，公知X-射线管的公知问题是由于焦点尺寸导致的几何不清晰度以及在对运动的人体器官进行成像时由于相对长的曝光时间导致的运动不清晰度。另一公知问题是在整个光束场上不均匀的光子能量分布。

所有这些问题具有相同的基本原因，即从阳极表面提取光子的方式。近年来，已经对X-射线管进行了许多改进以降低这些公知问题的负面影响。其中，已经进行了如下改善：最小化焦点的尺寸、使管电压均匀以及增加管电流以增加每单位时间的光子量等。然而，这些设备都不得不降低管电流或者增加焦点尺寸，降低管电流会对每单位时间的光子数量有影响并且从而增大了运动不清晰度的风险，并且增加焦点尺寸会导致几何不清晰度。

先前公知的具有倾斜阳极表面的X-射线管导致总能量输出和每光子能量从阳极侧到阴极侧变化很大。通常将这一问题称为跟效应。这一问题由光子从倾斜阳极表面发出而引起，其导致所发出的有用辐射的不均匀滤波。实际上，阴极侧上的能量输出可以比阳极侧上的能量输出高出达30％。这些问题对于本领域的技术人员来说是公知的，并且根据X-射线管的基本装置来配置先前公知的X-射线管以降低该负面影响。用于降低跟效应的负面影响的一个配置示例是：在胸腔成像中，将阳极侧朝人体向下。这是为了补偿朝人体向上的辐射的较高吸收。

由于以前使用的检测器只是人类肉眼，所以上述问题还不是很重要。对于人类肉眼，几何相关的限制是：在白天，大约25厘米的观看距离，每毫米大约5个线对，以及大致2％亮度差的对比度分辨率。但是，近年来，与成像相关的电子和计算机技术的发展使得使用更加有效的检测器成为可能。这一新技术对辐射源提出了增加的要求。这需要增加的每单位时间的光子密度以及降低的焦点尺寸。此外，期望在整个光束场上光子能量是均匀分布的。

存在许多公知的具有圆形阳极的X-射线管。US 2004114712公开一种使用非平面阳极的成像系统，这使得在对着靶的电场辐射方向上进行荧光扫描的物体可见。所存在的问题是该X-射线管不发射聚焦的光束。

EP 1599883公开一种X-射线管，其中阳极具有沿宽角度发射X-射线辐射的圆锥形状。该阳极具有薄的靶层。所存在的一个问题是该X-射线管不发射聚焦的光束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于生成X-射线辐射的装置，其中降低或完全克服了上述的几何不清晰度、运动不清晰度以及跟效应的问题。

上述目的通过提供根据权利要求1的装置来实现。

为了清楚地说明本发明，下面详细描述设置有部分球形阳极的本发明装置的优选实施例。

根据该优选实施例，该装置包括被设计为球形表面一部分的阳极以及放置在该球形阳极表面的中心中或者其周围的电子源，例如白炽灯丝。此外，该装置包括至少一个虚焦点元件，其适于发射所生成的光子为这里所指定的有用光束场。

根据本发明的装置具有实焦点表面(电子靶区域)，其比由当前公知的具有倾斜阳极表面的X-射线管结构所产生的焦点表面更大。因此，通过根据本发明的装置能够实现每单位时间增加的辐射量。这是假定阴极与阳极之间的加速电压相等并且每阳极表面单位的电子密度相等。虚焦点元件可以适于具体的应用领域。在对可移动物体进行成像时，使高的光子密度优先，而在对小的不可移动细节成像时，使小的焦点优先。这能够避免与时间和几何体相关的成像误差。在利用根据本发明的装置生成有用辐射时，在光束场中，光子在质量和能量方面被进一步均匀分布，这使得检测器的能量依赖性不影响图像质量。

其中，可以将焦点元件设计为点焦点，多点焦点，狭缝焦点或者设计为多焦点。

本发明的另一优点在于，X-射线管的虚焦点可以适于接近皮肤表面的肿瘤治疗，这使得与通常使用的高能量加速器相比以低成本制造设备成为可能。

由于阳极上的实焦点表面(电子靶区域)比虚焦点中的开口区域大，因此该装置是唯一的。

附图说明

参照附图来详细地描述本发明。在附图中：

图1示出了用于生成X-射线辐射的装置的示例图，其中通过虚焦点发射有用辐射。

图2示出了具有虚焦点的装置的简化图，其中通过薄的阳极发射辐射。该阳极足够厚以使阳极材料中的所有电子减速，但是该阳极足够薄以仅吸收具有最低能量的辐射光子。按照这种方式，阳极材料用作提取有用辐射的主要滤波器。对于本领域的技术人员来说，计算最佳的阳极厚度的知识是公知的。

图3示出了具有虚焦点的装置，其中通过电子加速器来加速电子并且通过磁透镜将电子引导至阳极。

图4示出了表示具有虚焦点、具有90度偏转的电子加速器以及磁透镜的装置的示例图。

图5示出了本发明的实施例，其中该装置具有球形阳极以及用于立体成像的两个焦点。

图6示出了本发明的实施例，其中该装置具有球形阳极以及用于立体成像的两个焦点。通过阳极发射辐射。

图7是示出不同类型的焦点形状的示例图。

图8是示出在使用多焦点技术处理接近皮肤表面的肿瘤时的辐射处理几何体的示例图。

具体实施方式

本发明描述一种用于生成X-射线辐射的装置，其使用包括逆着阳极表面的电子减速的现有技术来生成光子(轫致辐射)，但是使用全新的技术以利用所形成的光子进行成像或者治疗。

根据图1的装置可以用于多个应用领域。只是要根据需要改变管电压、管电流、焦点形状和滤波。

参照先前公知的X-射线管，起点可以是1平方毫米的焦点尺寸，即1mm×1mm，最大管电流是1000mA并且管电压是100kV。

与先前公知的将焦点表面设计得尽可能小的焦点设计相比，本发明提供一种方案，其中将实焦点表面设计得尽可能大。这通过根据本发明的用于生成X-射线辐射的装置包括形成为部分球形的阳极9来实现。例如可以根据公知的阳极板的尺寸，即，大约120mm，来选择该球形的直径。如果将该表面的四分之一用作焦点表面，则将是大约11000平方毫米。在假定每阳极表面单位相同电子密度的情况下，由于电子从阴极到形成为球形的阳极9的相等分布，与先前公知的X-射线管相比，可以将减速辐射(轫致辐射)光子的数量增加11000倍。

在100kV加速电压下，沿所有方向相等地扩散减速辐射光子。这意味着，只要在球形的中心轴上或者其附近发射光子，就会实现光子能量和总能量输出从整个阳极表面的相等分布。如果阳极22足够薄，也可以在阳极22的后面发射光子。按照这种方式，所产生的光束场将变得更加同质和对称。最远离出口(即，管的虚焦点)的光子与最接近该出口的光子相比将获得的小延迟将具有大致0.03纳秒的持续时间。这使得本发明在对例如心脏的运动器官成像时尤其有利。作为在休息时人体内移动最快的器官，心脏在大约0.03纳秒内可以移动大约0.03纳米。本发明实现了在大多数成像情况中运动不清晰度变得不明显的效果。

可以按照多种方式排列从阴极到阳极9的电子束。下面描述了两个示例。

第一示例是根据本发明的用于生成X-射线辐射的装置，其依照先前公知的X-射线管，适于使用灯丝，该灯丝提供构成阳极球形中心周围的空间电荷的热释放电子。

另一示例是根据本发明的用于生成X-射线辐射的装置，其使用可能包括例如90度角偏转的电子加速器以及用于在整个阳极表面上分配电子的磁透镜。

可以按照许多方式形成位于一个或者多个虚焦点中的一个或者多个开口。独立于有用辐射所发射的方向，可以将虚焦点中的一个开口例如形成为在图1、图2、图3、图4、图5和图6中示出的双漏斗形。然而，可以根据应用来改变该一个或者多个开口。

图7中示出了开口的不同形式的示例。这些开口可以适于点形的阴影成像，可以是用于截面成像的狭缝，可以成形为用于立体成像的双点形状，用于治疗的具有可变能量深度的多开口形状。

每一个虚焦点可以设置有滤波器封装5，适于特定的成像或者治疗场景。按照已建立的理论来调整滤波器5。

所有的示例装置都必须包括包含真空的真空壳体以及围绕产生辐射的区域的辐射保护。所有的示例装置还可以包括根据该装置的具体应用领域选择的一个或者多个滤波器。

图1示出了用于生成X-射线辐射并且具有虚焦点4的装置示例图。用于生成X-射线辐射的装置包括形成为球形的阳极9。阴极包括例如是灯丝的电子源10，该电子源10放置在阳极球形的中心中或者对称地围绕该阳极球形的中心。有利的是，该阴极包括聚焦反射器11。该反射器的任务是引导和分配从阴极到阳极表面的电子。根据一个实施例，将虚焦点4设置为稍微位于球形阳极9的中心旁边。实焦点表面1是形成为球形的阳极表面的一部分。当逆着阳极材料使电子减速时，生成减速辐射2。此外，图1中示出了被从阴极灯丝到阳极加速的电子3。该装置包括具有符合条件的尺寸和形状的虚焦点4。在虚焦点处，可以根据该装置的具体应用范围选择放置滤波器封装5的位置。通过虚焦点4发射和分配所产生的有用辐射15。该装置必须包括一些类型的辐射保护7，使得有害且没用的辐射不会离开该装置。图1说明了该装置的内部球形，阴极和阳极，应该由包含真空的玻璃壳体或者不同材料的类似壳体包围，所述真空防止不会由于与气体分子的碰撞而破坏电子轨道。该装置包括或者连接到根据先前公知技术的任何类型的曝光开关12、高压电源13以及灯丝电源14。

图2是用于生成X-射线辐射的具有虚焦点4的装置简化图，其中通过薄的球形阳极22发射辐射。在阳极中产生减速辐射20。根据该实施例，将虚焦点4设置在球形阳极22上方，从而沿球形阳极22上方的方向发射所产生的有用辐射15。根据该实施例，例如是灯丝的辐射源10以及聚焦反射器11也设置在球形阳极22的中心。图2还示出了根据该实施例的外部辐射保护19，其是包括形成为球形的阳极22的该装置的内部部分的封装。

图3是用于生成X-射线辐射并且具有虚焦点4的装置，其中通过电子加速器32对电子进行加速并且通过磁透镜31将该电子导向薄的球形阳极22。在阳极中产生减速辐射。根据该实施例，将虚焦点4设置在球形阳极22的上方，并且因此沿球形阳极22上方的方向发射所产生的有用辐射27。根据该实施例，在球形阳极22上方均匀地分散电子束。图3还示出了根据该实施例的外部辐射保护19，其是包括形成为球形的阳极22的该装置的内部部分的封装。

图4是具有虚焦点4以及具有90度偏转装置38的电子加速器32以及磁透镜31的装置的示例图。在该实施例的一种替代中，与图1所示的类似，该装置包括较厚类型的阳极，其中通过磁透镜31并且潜在地通过偏转装置38来发射所发出的有用辐射。由于所生成的磁场不受该X-射线辐射影响，所以这是可能的。图4中未示出辐射保护和真空壳体，但是他们与图3所示的辐射保护19和真空壳体8类似。

图5示出了本发明的实施例，其中该装置具有包括用于立体成像的两个焦点4a和4b的球形阳极。通过两个虚焦点4a和4b发射所发出的有用辐射43。从阴极的灯丝10到阳极9对电子进行加速。两个虚焦点单元4a，4b在尺寸和形状上是符合条件的。可以根据该装置的具体应用领域在虚焦点单元4a、4b处设置和选择滤波器封装5a、5b。通过虚焦点单元4a、4b分配发出的有用辐射43。该装置包括一些类型的辐射保护7。图5说明了该装置的内部球形应该由包括真空8的真空壳体包围。

图6示出了本发明的实施例，其中该装置具有薄的球形阳极9，该阳极9具有用于立体成像的两个焦点4a、4b。通过阳极9发射辐射。这两个虚焦点单元4a、4b在尺寸和形状上是符合条件的。可以根据该装置的具体应用领域在虚焦点单元4a、4b处设置和选择滤波器封装5a、5b。通过虚焦点单元4a、4b分配发出的有用辐射50。该装置包括一些类型的辐射保护7。

图6说明了该装置的内部球形应该由包括真空8的真空壳体包围。

图7是表示不同类型的虚焦点的示例图。图7中示出了用于不同类型治疗的多点焦点56a。多点焦点56a的形状确定聚焦深度56b。图7还示出了多点焦点56a的截面A-A 56c的示例。

图7中还示出了多狭缝焦点57a以及该多狭缝焦点57a的截面A-A 57b的示例。

图7说明了狭缝焦点58a的示例。图7还说明了狭缝焦点58a的截面A-A 58b的示例。

图7还示出了点焦点59a以及点焦点59a的截面A-A 59b的简化图。

图8是在使用多焦点技术处理接近皮肤表面的肿瘤时辐射处理几何体的示例图。该装置包括灯丝10、聚焦反射器11和薄的球形阳极22。适于该具体目的，可以利用滤波器57实现多点焦点56a。还示出了肿瘤组织的区域70和健康组织的区域71。肿瘤深度是根据该肿瘤位置最深(距离皮肤最远)的部分dn 72与该肿瘤最表面(最接近皮肤)部分d0 73获得的测量值。根据患者皮肤到肿瘤中心的距离来计算处理深度d 75的中心。到患者的距离D 74是从患者的皮肤到多点焦点56a的较外部分的距离。聚焦深度是D+d。

本发明并不限于上述实施例，而是可以在所附权利要求的范围内对其进行各种修改。例如，只要采取合适的电子源，阳极可以是不同的形状，其中可以包括球形(如上所述)、平面、圆柱形、抛物线形等。作为另一示例，如果考虑需要或者为了提高效率，X-射线管可以具有冷却系统。

Claims (19)

1.一种用于生成X-射线辐射的装置，其中，所述装置适于成像或治疗，所述装置包括：

电子源(10)，其适于在电子目标区域上大约以相等的分布发射电子；

阳极(9)，其适于为所述电子源的所述电子目标区域并且所述阳极包括一种材料，所述材料适于在逆着所述阳极的表面使得从所述电子源发射的电子减速时生成轫致辐射光子，以及

至少一个虚焦点元件(4)，所述虚焦点元件(4)包括至少一个虚焦点，所述虚焦点元件(4)适于发射所产生的辐射为一个或多个有用的光束场(15)，所述虚焦点面积小于所述阳极上的所述电子目标区域，并且所述阳极和所述虚焦点元件适于通过所述虚焦点实现来自所述阳极的光子的大致平均分布，并且所述虚焦点用作所述虚焦点元件的所述有用光束场的焦点。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述电子源(10)包括倾斜的聚焦反射器(11)，以便引导来自所述电子源(10)的所述电子的主要部分撞击所述阳极(9)上的所述表面的一部分，所述表面的该部分构成实焦点(1)。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的装置，其中，将一个或多个虚焦点元件(4)设置在所述阳极(9)的相同侧上作为所述电子源(10)。

4.根据权利要求1-2中任意一项所述的装置，将一个或多个虚焦点元件(4)设置在所述阳极的相对侧上作为所述电子源(10)。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其中，所述装置包括设置在与所述阳极(9)的中心的距离相同处的两个虚焦点(4a，4b)。

6.根据权利要求1-4中任意一项所述的装置，其中，所述装置包括被设置成将所出射的X-射线束聚焦成大致一点的多点虚焦点(56a)。

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的装置，其中，所述虚焦点元件(4)包括在其中心(59)具有至少一个开口的漏斗形内表面，所述开口适于发射所述轫致辐射光子。

8.根据权利要求1-6中任意一项所述的装置，其中，所述虚焦点元件(4)包括至少一个适于使所述轫致辐射光子通过的狭缝状开口，并且其中所述内表面具有两个相对于所述中心倾斜的相对侧和两个相对的直侧(57，58)。

9.根据权利要求1-8中任意一项所述的装置，其中，所述阳极(9)形成为球形表面的一部分，并且所述电子源(10)设置在虚拟球形的中心或者对称地围绕所述虚拟球形的中心设置，其中所述球形的一部分构成所述阳极。

10.根据权利要求1-8中任意一项所述的装置，其中，所述阳极(9)形成为平面表面的一部分，并且所述电子源(10)设置为在整个所述表面上给出基本相等的电子密度。

11.根据权利要求1-8中任意一项所述的装置，其中，所述阳极(9)形成为圆柱表面的一部分，并且所述电子源(10)设置为在整个所述表面上给出基本相等的电子密度。

12.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述电子源包括灯丝(10)。

13.根据权利要求1-11中任意一项所述的装置，其中，所述电子源包括电子加速器(32)。

14.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述装置完全或部分位于包含真空的真空壳体(8)内。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，一个或多个虚焦点元件(4)位于所述真空壳体(8)的外部。

16.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述装置具有辐射保护(7)，以防止除了通过一个或多个虚焦点之外从所述装置发射辐射。

17.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述虚焦点元件(4)设置有滤波器封装(5)。

18.根据前述权利要求中任意一项所述的装置，其中，所述装置包括制冷系统。

19.一种用于生成X-射线辐射的装置，其中，所述装置适于成像或治疗，所述装置包括：

电子源(10)，其适于在电子目标区域上大约以相等的分布发射电子；

阳极(9)，其适于为所述电子源的所述电子目标区域并且所述阳极包括一种材料，所述材料适于在逆着所述阳极的表面使得从所述电子源发射的电子减速时生成轫致辐射光子，并且所述阳极(9)形成为球形表面的一部分，并且将所述电子源(10)设置在虚拟球形的中心或者对称地围绕所述虚拟球形的中心设置，其中所述球形的一部分构成所述阳极表面，以及

至少一个虚焦点元件(4)，所述虚焦点元件(4)包括至少一个虚焦点，所述虚焦点元件(4)适于发射所产生的辐射为一个或多个有用的光束场(15)，所述虚焦点面积小于所述阳极上的所述电子目标区域，并且所述阳极和所述虚焦点元件适于通过所述虚焦点实现来自所述阳极的光子的大致平均分布，并且所述虚焦点用作所述虚焦点元件的所述有用光束场的焦点。

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