CN102088909A - 具有有效阳极散热的x射线系统 - Google Patents

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Abstract

提供用于高分辨率成像应用具有提高的额定功率的X射线系统。X射线源包括至少一个集成致动器单元(206，206′，206a或206b)，用于通过相对于固定参考位置移动X射线源阳极(204，204′，204a′或204b′)的位置进行至少一个平移和/或旋转位移。这有助于克服由于焦点位置(205)阳极过热造成的功率限制。此外，可提供聚焦单元(203)和/或偏转装置(211，211a或211b)，所述聚焦单元用于使阳极的焦点(205)聚焦调整以补偿所述阳极位移导致的焦点大小的偏差，所述偏转装置用于产生电场和/或磁场使电子束(202，202a或202b)沿着与旋转阳极的位移运动方向相反的方向偏转。

Description

具有有效阳极散热的X射线系统
技术领域
本发明涉及用于高分辨率成像应用具有增强额定功率的X射线系统，更具体地，涉及基于X射线的图像采集系统的多种系统结构，该图像采集系统使用旋转阳极型X射线源，或替代地使用以碳纳米管(CNT)技术制造的空间分布X射线源阵列，因此如从一组采集的2D投影数据精确重建快速运动物体(例如心脏)所需，允许较高采样率以使所采集CT图像具有增强时间分辨率。根据本发明，每一X射线源包括至少一个集成致动器单元，用于通过相对于固定参考位置移动X射线源阳极位置进行至少一个平移和/或旋转位移，其中所述固定参考位置可例如由安装板或提供投射在所述阳极上的电子束的电子束发射阴极所给定。此外，可提供聚焦单元和/或偏转装置，所述聚焦单元用于使阳极的焦点聚焦调整以补偿所述阳极位移导致的焦点大小的偏差，所述偏转装置用于产生使电子束沿着与旋转阳极位移运动方向相反的方向偏转的电场和/或磁场。 
背景技术
常规高能X射线管典型地包括真空室，其中包含加热或灯丝电流通过的阴极灯丝。在阴极与同样位于真空室中的阳极之间施加通常在40kV至160kV之间量级的高压电势。该高压电势导致管电流或电子束从阴极经真 空室内部的真空区域流到阳极。电子束以充足能量投射在阳极的小区域或焦点上，以产生X射线。 
目前，高能X射线源最重要的功率限制因素之一是其阳极材料的熔点。同时，成像系统高空间分辨率要求较小焦点，这导致焦点处能量密度非常高。遗憾的是，施加至这种X射线源的大多数能量被转化为热量。从电子束能量转化为X射线能量的转换效率最高在约1％与2％之间，但在许多情况下更低。因此，高能X射线源阳极承载极大热负荷，特别是在焦点内(约为几平方毫米范围的区域)，如果不采取特殊热控制措施，这可导致管破坏。有效散热是开发现有高能X射线源所面临最大的挑战之一。 
X射线阳极常用的热控制技术包括： 
-采用能够耐受非常高温度的材料； 
-采用能够存储大量热量的材料，因为难以从真空管中输送出热量； 
-通过采用小角度阳极增大有效热焦点区域而不增大光学焦点；和 
-通过旋转阳极增大有效热焦点区域。 
除具有高冷却能力的高能X射线源外，使用具有移动靶(例如旋转阳极)的X射线源非常有效。与固定阳极相比，旋转阳极型X射线源具有可将焦点中所产生热量快速散布的优点，使得避免破坏阳极材料(例如融化或分裂)这可允许以较短扫描时间使得能量增加，由于探测器覆盖范围更宽，现代CT系统中典型地从30秒减小至3秒。焦点轨迹相对于电子束的速度越高，电子束将其能量沉积到同样小体积材料中的时间越短，并由此所产生的峰值温度越低。 
实现高焦点轨迹速度可通过设计阳极为具有较大直径(例如10cm)的旋转盘并高速(例如高于150Hz)旋转该盘而实现。但是，当阳极在真空中旋转时，热能传递至管外侧主要取决于辐射，这不如固定阳极中使用的液体冷却有效。旋转阳极则设计为高储热能力，阳极与管壁之间具有良 好热辐射交换。与旋转阳极相关的另一难点在于轴承系统在真空下运转以及该系统对阳极高温破坏性力量的防护。早期的旋转阳极X射线源，阳极储热能力有限是管高性能的主要障碍。随着新技术的引入，这种情况得以改变。例如，可预知钎焊至阳极的石墨块显著增加储热和散热容量，液体阳极轴承系统(滑动轴承)可提供与周围冷却液的热传导，并提供旋转壁管使得对旋转阳极的背侧可直接液体冷却。 
如果X射线成像系统用于描述运动物体，典型地要求高速生成图像以避免出现运动图像失真。实例如人体心脏的CT扫描(心脏CT)：在此情况下，最好在小于100ms时间内以高分辨率和高覆盖范围进行心脏全CT扫描，即在一个心搏周期内心脏处于休息状态的时间范围内。但是，高速生成图像要求相应X射线源具有高峰值功率性能。 
目前基于碳纳米管技术的X射线微源的近期发展使得X射线系统具有固定的空间分布的X射线源。CNT技术由此意味着X射线源具有高空间分辨率和快速开关能力的优势，这可由此产生具有固定而非旋转X射线源的新一代CT扫描结构。但是，空间分布的X射线源其图像质量的限制因素是所述源的最小节距，该节距也确定了固定CT或微CT设置中特定X射线源的开关频率所给定的最大图像采集频率。 
发明内容
谈到基于CNT的X射线源总是指微型化电子束发射器与阳极的大小在几个毫米范围内。但是即使微型化X射线源也面临前述热问题。提供旋转阳极对于CNT型X射线源也是可供选择的，但当然如果我们考虑系统具有分布的微型X射线源且有数百个甚至数千个X射线源，则在每一X射线源中实现微旋转阳极的投入将较高。此外，带有电机的微真空系统其可靠性可能是一个问题，因其不易于实现(即使可能且也是可供选择 的)。更简单的方法是阳极材料较小运动，通过辐射阳极不同区域使得焦点在阳极上发生相对运动以将焦点所散发的热量快速散布。 
于是本发明一个目的是提供能够克服上述问题的新型X射线管设置。 
针对该目的，本发明第一示例性实施例涉及一种X射线扫描系统，包括空间分布的、可顺序地开关的X射线源阵列，所述X射线源以给定开关频率通过可编程的开关顺序选定(addressed)，其中，每一X射线源包括：具有平面X辐射发射表面的阳极，所述表面相对于入射电子束方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在所述阳极上焦点位置处；至少一个集成致动器单元，用于使所述阳极相对于产生所述电子束的至少一个固定电子束发射阴极进行至少一个平移和/或旋转位移运动。于是，所述至少一个集成致动器单元可例如由当在其上施加电场时产生机械应力或应变的压电晶体致动器所赋予，从而沿一定方向移动阳极。作为替代，当然也可使用任一其它类型的致动器，例如机械、电机驱动、静电、磁力、液压或气动致动器。这样，可增加被加热区域，X射线源输出处可能有更高X射线功率。 
根据本发明，可预知致动器控制单元，它用于根据焦点位置的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元进行的阳极的平移和/或旋转位移运动的大小、方向、速度和/或加速度。因此该致动器控制单元可以适合根据用于顺序地开关所述X射线源的开关频率来控制由所述至少一个集成致动器单元进行的阳极的平移和/或旋转位移运动的大小、方向、速度和/或加速度，使得通过所述X射线扫描系统执行的图像采集步骤产生一组2D投影图像，所述图像允许所关注图像体的精确3D重建，而不会出现模糊或暂时混叠图像失真。 
此外，每一X射线源可包括至少一个聚焦单元，用于将电子束聚焦在所述X射线源阳极的X辐射发射表面上的焦点位置；聚焦控制单元，用于 调节阳极的焦点的聚焦，使得由于阳极相对于所述至少一个固定电子束发射阴极的平移和/或旋转位移所导致的焦点大小的偏差得到补偿。 
根据该实施例，优选地可预知所述阳极的平移位移运动在所述阳极的倾斜角方向沿着直线位移线行进，所述阳极的平移和/或旋转位移运动的大小可在焦点大小或更大范围内。 
特别地所述阳极发射的X射线束导向同一X射线束方向并由此导向同一视场，而与所述阳极的倾斜角无关以及与所述位移运动无关。 
所述空间分布的X射线源可以由使用碳纳米管形式的场发射阴极的多个单独可选定的X射线微源赋予，所述至少一个固定电子束发射阴极也可以由碳纳米管技术实现。 
本发明另一示例性实施例涉及一种X射线扫描系统，包括至少一个旋转阳极型X射线源，所述X射线源具有大体盘形的旋转阳极，其中，所述至少一个X射线源的所述旋转阳极具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在所述阳极上焦点位置。所述X射线扫描系统因此包括：至少一个集成致动器单元，用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极相对于固定安装板进行至少一个平移位移运动；以及致动器控制单元，用于根据焦点位置处的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元进行的所述旋转阳极的平移位移运动的大小、方向、速度和/或加速度。而且，可以设置至少一个偏转装置，用于产生电场和/或磁场使所述电子束沿着与所述旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向偏转；以及偏转控制单元，用于调节所述电场和/或磁场强度，使得由于所述旋转阳极相对于所述固定安装板的平移位移所导致的焦点位置偏差得到补偿。 
通过向外移动焦点同时以补偿方式移动整个X射线源以使X射线束的位置相对于机架与探测器保持不变，可增加X射线源的热容量。电子束偏转由此增大焦点轨迹的散热体积，并提高即时可用的热容量。 
根据该实施例，至少一个集成致动器单元可以由电动机或当电场施加到其上时产生机械应力或应变的压电晶体致动器赋予。 
此外，优选地可预知阳极的平移位移在阳极倾斜角方向沿着直线位移线行进。 
本发明又一示例性实施例涉及一种X射线扫描系统，包括两个或多个旋转阳极型X射线源，每个X射线源具有大体盘形的旋转阳极，其中，这些旋转阳极中的每个具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在相应阳极上焦点位置。所述X射线扫描系统包括：至少一个集成致动器单元，用于通过相对于固定安装板移动每个X射线源进行至少一个平移位移运动；以及至少一个另一集成致动器单元，用于在两个或多个X射线源焦点的位置相对彼此进行至少一个平移位移运动。此外，设置有至少一个偏转装置，用于产生电场和/或磁场使所述电子束沿着与所述旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向偏转；以及偏转控制单元，用于调节所述电场和/或磁场的强度，使得相应的X射线源的焦点位置相对于由从所述X射线源的旋转阳极发射的X辐射而辐射的X射线探测器的偏差得到补偿，所述偏差是由于所述旋转阳极相对于固定安装板的平移位移所导致的。 
换言之，可预知通过向外移动其焦点而同时以补偿方式移动整个管以使X射线束的位置相对于X射线扫描系统机架以及与所述机架附连的特定探测器保持不变，从而增加X射线源的热容量。电子束的运动增大了焦点轨迹的散热体积并由此提高了即时可用的热容量。 
根据本实施例另一方面，可预知致动器控制单元，用于根据焦点位置处的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元进行的相应阳极的平移位移运动的大小、方向、速度和/或加速度。此外，所述致动器控制单元也可适合于根据待扫描的所关注区域的大小来控制在两个或多个X射线源的焦点的位置相对彼此的平移位移运动的大小和/或方向。 
在这方面，优选地可预知旋转阳极的平移位移运动在阳极倾斜角方向沿着直线位移线行进。用于相对彼此调节特定X射线源的焦点位置的平移位移运动可以相对于所述X射线扫描系统配备的旋转机架的转子在轴向和/或径向方向沿着直线位移线行进。 
根据本实施例的另一实施例，所述X射线源位于单个真空箱体中，所述箱体包括由波纹管系统所连接的两个部分，所述波纹管允许相对于旋转机架的转子在切线和径向方向调节焦点位置。相对于这些X射线源共用的公共电子束发射阴极最接近的X射线源可以具有风车型刃状阳极。 
附图说明
本发明的这些和其它优点方面将根据以下实施例通过实例并参考附图加以说明。其中， 
图1a显示现有技术已知的常规CT扫描设备的结构； 
图1b显示图1a所示的CT扫描设备的示意性结构图； 
图2a显示根据本发明第一示例性实施例具有碳纳米管(CNT)型电子束发射器的X射线源的新型配置，所述碳纳米管(CNT)型电子束发射器产生投射在位于X辐射发射阳极表面上的焦点位置的电子束，所述表面相对于电子束方向法向的平面倾斜，其中通过两个固定安装的压电致动器使所述阳极在所述电子束方向平移地位移； 
图2b显示图2a所描述配置的改型，其中通过单独控制的前述两个固定安装的压电致动器使所述阳极不仅在所述电子束方向平移地位移，也围绕焦点位置旋转地位移； 
图3a显示根据本发明第二示例性实施例具有碳纳米管(CNT)型电子束发射器的X射线源另一新型配置，所述电子束发射器产生投射在位于X辐射发射阳极表面上的焦点位置的电子束，所述表面相对于电子束方向的法向平面倾斜，其中通过固定安装的压电致动器使所述阳极沿其倾斜表面的倾斜角度方向平移地位移。 
图3b显示图3a所描述配置的改型，其中通过单独控制的两个固定安装的压电致动器使所述阳极不仅在所述电子束方向平移地位移，也围绕焦点位置旋转地位移。 
图4显示现有技术已知常规旋转阳极盘的剖视图(轮廓)。 
图5a显示根据本发明第三示例性实施例旋转阳极型X射线管的剖视图，根据本发明一个示例性实施例具有X辐射发射阳极，所述阳极具有相对于阴极所发射电子束方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，所述X射线管配备有致动器单元以及偏转装置，所述致动器单元用于使所述至少一个X射线源旋转阳极沿其倾斜表面的倾斜角度方向相对于固定安装板进行至少一个平移位移运动，所述偏转装置用于产生使所述电子束沿着与旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向偏转的电场和/或磁场； 
图5b显示图5a所示X射线管的改型，具有另一致动器单元用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极沿着与阳极的旋转轴方向平行的方向相对于所述固定安装板进行至少一个平移位移运动； 
图6a与图6b显示具有两个旋转阳极型X射线管的示意性描述应用方案，所述阳极具有可变焦点距离，其中所述焦点距离可根据待扫描的所关注区域的大小调节； 
图7a显示具有两旋转阳极型X射线管的应用方案，每一管均具有X辐射发射阳极，根据本发明一个示例性实施例，所述阳极具有相对于电子束方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，每一所述X射线管均配备有两个致动器装置，用于使它们的焦点相对于至少一个固定安装板沿着与阳极的旋转轴平行的方向进行平移位移，且均配备有偏转装置用于产生使所发射的电子束偏转使得旋转阳极的平移位移运动得到补偿的电场和/或磁场； 
图7b显示用于更宽的所关注区域情况下的图7a所示应用方案； 
图8a显示具有两旋转阳极型X射线管的应用方案，每一管均具有X辐射发射阳极，在焦点轨迹内部部分被加热的情况下，根据本发明一个示例性实施例所述阳极具有相对于电子束方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，每一所述X射线管均配备有两个致动器装置，用于它们的焦点沿它们的倾斜表面的倾斜角度方向相对于至少一个固定安装板进行平移位移，且均配备有偏转装置，用于产生使所发射电子束沿着相反方向偏转使得阳极的平移位移运动得到补偿的电场和/或磁场； 
图8b显示焦点轨迹外部部分被加热情况下图8a所示应用方案。 
具体实施方式
以下，根据具体改进并参考附图对根据本发明一个示例性实施例的X射线扫描系统进行更详细描述。 
图1a显示已知技术CT成像系统的结构。在如图1a所描述的现有CT成像系统中，安装在旋转机架101上的X射线源102围绕患者身体107或待检查的任一其它物体的纵轴线108旋转，同时产生扇形或锥形X射线束106。X射线探测器阵列103通常与所述X射线源102的位置径向相对地安装在所述机架101上，所述X射线探测器阵列围绕患者纵轴线108以同一方向旋转，同时将检测到的通过患者身体107时已衰减的X射线转换为电信号。在计算机或工作站113上运行的图像绘制与重建系统112则根据体数据集重建患者体内的平面重建图像、表面遮盖显示或体绘制图像。 
在如图1b所描述的示意性结构图中，仅仅显示单排探测器元件103a(即探测器排)。通常，如参考序号103所代表的多切片探测器阵列包括多个平行排的探测器元件103a，使得在扫描过程中同时可获得与多个准平行或平行切片对应的投影数据。替代地，可利用区域探测器以采集锥形束数据。探测器元件103a可完全环绕患者。图1b也显示单个X射线源102；但是，许多这种X射线源也可围绕机架101设置。 
X射线源102的运行由CT系统100的控制机构109进行调控。该控制机构包括X射线控制器110，它为一个或多个X射线源102提供能量以及时间信号。属于所述控制机构109的数据采集系统111(DAS)从探测器单元103a将模拟数据采样并将这些数据转换为数字数据以便后续数据处理。图像重建器112从数据采集系统111接收所采样并数字化的X射线数据，并进行高速度图像重建过程。图像重建器112可例如为置于计算机113中的专用硬件或该计算机所执行的软件程序。所述重建图像则被用作计算机113的输入，所述计算机将图像存储在大容量存储设备114中。计算机113也可通过用户接口或图形用户界面(GUI)接收信号。具体地，所述计算机可从操纵台115接收命令和扫描参数，在一些结构中操纵台可包括键盘和鼠标(未图示)。相关的显示器116(例如阴极射线管显示 器)可使操作者观察所重建图像以及来自计算机113的其他数据。操作者给出的命令和参数被计算机113用于向X射线控制器110、数据采集系统111和床台电机控制器117(也称为“运动控制器”)提供控制信号和信息，所述床台电机控制器控制机械化患者床台104以在机架101中安放患者107。具体地，患者床台104移动所述患者通过机架开口105。 
在一些结构中，计算机113包括存储设备118(也称为“介质读取器”)，例如磁盘驱动器、CD-ROM驱动器或DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备或包括例如以太网设备等网络连接设备的任何其它数字设备，以从计算机可读介质(例如磁盘119、CD-ROM、DV或例如网络或互联网等另一数据源)读取指令和/或数据。计算机可编程以完成此处所述功能，此处术语“计算机”不仅限于本领域所称计算机的这些集成电路，但更宽泛地指计算机、处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路和其它可编程电路。 
根据本发明第一示例性实施例具有碳纳米管(CNT)型电子束发射器201的X射线源新型配置200a被显示在图2a中，所述电子束发射器产生电子束202，电子束202投射在位于X辐射发射阳极204的表面上的焦点205的位置，所述表面相对于电子束方向的法向平面倾斜。由该图可知，通过两个固定安装的压电致动器206和206′可使所述阳极在所述电子束方向平移地位移。所生成的X射线束则可平行移位距离d。作为该配置的替代，也可使用单个压电致动器206。与压电控制同步，聚焦须对齐以在阳极靶204上获得同样大小的焦点。因此，压电致动器206和206′的延伸量Δl优选地与X射线束的所需平行移位d相同。 
该配置的改型参见图2b，其中通过两个单独控制的固定安装的压电致动器206和206′使所述阳极不仅在所述电子束方向平移地位移，也围绕焦 点位置205旋转位移锐角θ。如此，不仅平行束移位是可能的，也可通过移动束方向获得较大覆盖范围。 
由此两种结构提供与虚拟光源移位对应的束运动，所述移位有利地可用于优化采样条件，以获得提高的空间分辨率。 
根据图2a与图2b所描述的设置几何形状的另一改进，可预知另一压电致动器(未图示)可例如位于在绘图平面之后。例如，可提供位于阳极204的边缘位置或其它转角的至少三个或四个致动器的新型配置。这可使在至少一个另一直线或曲线方向平移地或旋转地移动所述阳极，例如在绘图平面法向的平移方向并由此在电子束202方向的法向，或在围绕与所述电子束传播方向一致的旋转轴线的旋转方向，如果每一致动器被单独控制，则可在完整立体角度Ω＝4π(以球面弧度给出，sr)上进行扫描。 
根据本发明第二示例性实施例具有CNT型电子束发射器201的X射线源另一新型配置被显示在图3a，所述电子束发射器产生投射在位于X辐射发射阳极204的表面上的焦点205位置的电子束202，所述表面相对于所示电子束方向的法向平面倾斜。由该图可知，通过固定安装的压电致动器206可使所述阳极在沿其倾斜表面的倾斜角度方向平移地位移。这可为一维或二维运动。需达到的距离应至少为焦点大小，但当然较大运动(例如两倍焦点大小或更大的运动)可允许多个目标点彼此相邻，对于整体能量而言局部温度分布可改善。不管所述阳极倾斜角度的阳极几何形状如何，所述运动不会导致不同X射线束方向或几何形状。 
图3b中描述该配置的改型，其中通过两个固定安装的压电驱动206和206′可使所述阳极204不仅可在所述电子束202方向平移地位移，也可围绕焦点位置旋转地位移。于是，压电致动器206和206′的延伸量相对较小，且以投射在倾斜阳极表面上的X射线束总是覆盖同一视场的方式调节阳极204。因此，有必要具有位置略有不同的第二CNT发射器201′(也可 是调节聚焦的装置)。只要X射线源单元的“最终”输出束总是以大致相同光束质量覆盖同一视场，CNT发射器的快速开关能力也允许多个发射器设置。不同配置也可通过校准步骤加以调节。 
参考图2a和图2b所示的设置和几何形状，根据图3a和图3b所示的该第二示例性实施例的设置几何形状，也可预知例如位于绘图平面后面的另一压电致动器(未图示)。新型配置仍包括位于阳极204边缘位置或转角的至少三个或四个致动器，如果这些致动器中的每个被单独控制，则可在完整立体角度Ω＝4π(sr)上进行扫描，这是可实现的可设想的设计选择。 
现有技术已知的常规旋转阳极盘的剖视图(轮廓)显示于图4中。其包括具有平面的X辐射发射表面的旋转阳极204′，所述表面相对于入射电子束202的法向平面成锐角倾斜，所述入射电子束投射在所述阳极上焦点205位置，所述焦点安装在围绕旋转轴线旋转所述阳极的旋转轴209上。由图4可见，旋转阳极上焦点处所产生的热量限于非常狭窄的环形区域205a，所述区域在倾斜阳极表面下方延伸大约一厘米。这可导致过热，除非额定功率受限。则当前任务为增大“即时”可用的储热能力。因此热量可占用的体积需尽可能大。 
具有X辐射发射阳极204′的旋转阳极型X射线管剖视图显示于图5a中，根据本发明一个示例性实施例，所述阳极具有相对于阴极所发射电子束202方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置。所述X射线管因此配备有致动器单元206a以及偏转装置211，所述致动器单元用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极204′沿其倾斜表面的倾斜角度方向相对于固定安装板207进行至少一个平移位移运动，所述偏转装置用于产生电场和/或磁场，电场和/或磁场沿着与旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向使所述电子束偏转。在CT扫描过程中，电子 束202逐渐向外偏转以增大焦点轨迹的热传播体积并提高即时可用热容量。使用致动器206a，通过同时沿着在阳极的倾斜角度的方向延伸的位移线212移动X射线源，焦点位置相对于安装板保持恒定。 
在图5b中显示该X射线管的改型，图中显示参考图5a描述的包括另一致动器单元206a′的配置，所述致动器单元206a′用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极204′沿平行于阳极的旋转轴209的方向相对于所述固定安装板207进行至少一个平移位移运动。 
图6a和图6b显示了具有可变焦点距离的两个旋转阳极型X射线管的两个示意性描述的应用方案，这可能是为了进行轴向锥形束CT所需的。根据此处所描述的实施例，提供致动器装置用于根据待扫描的所关注区域(ROI)的大小调节焦点距离以降低剂量并使得锥形束图像失真最小。该ROI长度和宽度在脑部研究的情况下分别可在六与八厘米之间，在心脏和肺部研究中则在10与16厘米之间。为此，连续调节是所需的。一个方案可以在扫描开始之前沿旋转轴209的轴向方向通过致动器206a’机械地调节并移动X射线源。 
在图7a中显示了具有旋转阳极型两个X射线管应用方案，每一X射线管具有X辐射发射阳极204a′或204b′，根据本发明一个示例性实施例，所述阳极具有相对于电子束202a或202b方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置。在图7b中显示用于扫描更宽的所关注区域的相似应用方案。由这些附图可见，所述X射线管分别配备有两个致动器装置206a与206a′或206b与206b′，用于使它们的焦点沿着平行于阳极的旋转轴209a和209方向相对于至少一个固定安装板207进行平移位移。此外，每一X射线管配备有偏转装置211a或211b，用于产生电场和/或磁场，电场和/或磁场使电子束偏转使得旋转阳极的平移位移运动得到补偿。管可例如安装在CT扫描系统的机架的转子上以产生两个 不同的辐射扇束。根据此处所描述的实施例，第一致动器206a′或206b′分别可调节焦点距离最大为20厘米，可根据待扫描的所关注区域的大小例如在扫描患者之前移动所述管的至少一个。此外，第二(或组合)致动器206a或206b分别允许所述X射线管在扫描过程沿它们的阳极角沿着两个单独的位移线212a和212b中的相应一个移位。在扫描过程中两管均提供至少一个平直运动，该运动可能需耗时1秒到20秒。在这方面，应注意每一位移线为特定管焦点沿该阳极的倾斜表面与各阳极204a′或204b′的旋转轴线的连接处的延伸。通过协调并同时(反向)偏转各阴极所发射的电子束，焦点位置相对于所述阳极发射的X射线束所辐射的探测器位置保持不变。 
在图8a中显示具有旋转阳极型两个X射线管的应用方案，每一所述管具有X射线发射阳极204a′或204b′，根据本发明一个示例性实施例，所述阳极具有相对于电子束202a或202b方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置。由此，可预知焦点轨迹的内部部分被加热。图8b显示焦点轨迹的外部部分被加热的相似应用方案。如图所示，X射线管均配备有两致动器装置206a与206a′或206b与206b′，用于使它们的焦点沿它们的倾斜表面的倾斜角度的方向相对于至少一个固定安装板207进行平移位移。它们均配备有偏转装置211a或211b用于产生电场和/或磁场，电场和/或磁场使所发射的电子束以相反方向偏转，使得旋转阳极的平移位移运动得到补偿。 
在本发明另一示例性实施例中，两X射线管位于单个真空箱体中，所述箱体可例如由波纹管系统连接的两部分组成。在“波纹管设计”的另一实施例中，两X射线管均共用同一阴极，与共用的阴极最接近的一个X射线管可具有风车型刃状阳极。当其刃部之一与电子束相交时，该最接近的阳极被电子束击中。则远端阳极不起作用，反之亦然。所述波纹管系统由 此允许相对于CT扫描系统旋转机架的转子在切线和轴线方向调节焦点位置。 
根据上述第三示例性实施例，本发明的优点在于提供用于轴向较大锥形束CT的组合X射线源以产生至少两个焦点，从而避免遗漏数据的问题和固有的锥形束图像失真。由于扫描时间可能太短难以使热量传播相当长距离，通过在更大焦点轨迹上散发热量，焦点的热负荷显著降低。为达到这点，X射线管在CT系统机架转子上基本径向地移位，焦点位置到探测器的距离保持不变，并使它们的电子束适当(反向)偏转。由此，X射线管的额定功率可大大提高。替代地或此外，可使用具有降低热稳定性的阳极材料。由于致动器可以任何方式实现以调节焦点距离，额外努力则是合理的。 
本发明基于以下先决条件，即在选择双管方案的情况下使用致动器用于对轴向锥形束CT双焦点源的焦点距离进行轴向调节。该创造性的步骤由此在于提供致动器装置用于使X射线管相对于固定安装板平移位移，以在进行扫描步骤过程中执行X射线管平移位移运动。同时，投射在X射线管焦点位置的电子束可在径向方向被偏转。于是，当散热的面积和体积以及因此焦点轨迹之下即时可用的储热能力增强时，可实现焦点最高温度的降低，这可用于获得提高的额定功率。 
发明应用 
本发明可应用于X射线成像任何领域，其范围例如微CT、层析X射线摄影、X射线与CT应用等，以及任何X射线源类型，特别用于旋转阳极型X射线源、基于CNT发射器的X射线源或配备有例如较小热发射器等的任何其它类型电子束发射器的X射线源。尽管此处所述X射线扫描装置被描述为属于医学配置，应认为本发明益处可扩展至非医学成像系统， 例如典型地用于工业配置或交通配置的系统，例如但不限于用于机场或任何其它类型的交通中心的包裹扫描系统。本发明特别地用于要求以高峰值功率快速采集图像的应用方案，例如基于X射线的材料检测领域；或例如心脏CT或其它X射线成像应用等医学成像领域，用于实时采集快速移动物体(例如心脏)的图像数据。 
尽管本发明已经通过附图和前述描述进行了详细阐释和描述，这种阐释和描述被认为是示意性或示例性而非限制性的，这表示本发明不限于所公开的实施例。在本领域技术人员实施要求保护的本发明时，通过研究这些附图、公开和随附的权利要求，应理解或完成所公开实施例的其它变更。在各项权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一个”并不排除复数形式。此外，应注意权利要求中任一参考符号不应视为对本发明范围的限制。 
参考符号列表及其含义 
100  现有技术已知的常规CT成像系统 
101  常规CT成像系统100的旋转机架 
102  安装到旋转机架101的X射线源或管102 
103  与所述X射线源或管102径向相对地安装到旋转机架101的X射线探测器阵列103 
103a  多个探测器元件103a，所述X射线探测器阵列103配备多个探测器元件103a，它们一起对穿过在X射线探测器阵列103与X射线源102之间的物体(例如待检查患者身体107)的投射X射线进行感测 
104  常规CT成像系统100的机械化患者床台，该患者床台移动患者107通过机架开口105 
105  所述旋转机架101的圆柱形机架开口105 
106  从所述X射线源或管102朝向在所述旋转机架101相对侧设置的X射线探测器阵列103投射的X射线扇形或锥形束 
107  平躺在患者床台104上的患者 
108  所述旋转机架101的旋转轴线，典型地与患者纵轴线一致 
109  常规CT成像系统100的控制机构 
110  向所述X射线源102或多个X射线源提供功率和时间信号的X射线控制器 
111  属于所述控制机构109的数据采集系统(DAS)，所述控制机构从探测器元件103a采样模拟数据并将数据转换为数字信号用于后续处理 
112  从数据采集系统111接收采样并数字化的X射线数据以及进行高速图像重建的图像重建器 
113  重建图像的图像数据作为其输入的计算机或工作站113 
114  与所述计算机113连接的大容量存储设备114 
115  所述计算机从其接收命令和扫描参数的操作者控制台，例如包括键盘和鼠标(未图示) 
116  使得操作者将从计算机113接收的重建图像数据可视化的关联显示装置(例如阴极射线管显示装置) 
117  控制机械化患者床台104以在旋转机架101内将患者107定位的电机控制器(也称为“运动控制器”) 
118  储存设备(也称为“介质读取器”)，例如磁盘驱动器、CD-ROM驱动器、DVD驱动器、磁光盘(MOD)设备或例如网络连接设备(例如以太网设备)等任何其它数字化设备，用于从计算机可读介质119读取指令和/或数据 
119  计算机可读介质，例如磁盘、CD-ROM、DVD或例如网络或互联网等任何其它数字源 
200a  根据本发明第一示例性实施例的新型配置X射线源，具有碳纳米管(CNT)型电子束发射器，所述电子束发射器产生投射在位于X辐射发射阳极表面上的焦点位置的电子束，所述表面相对于电子束方向的法向平面倾斜，其中通过两个固定安装的压电致动器使所述阳极在所述电子束方向平移地位移 
200b  图2a所描述的配置的改型，其中通过前述两个固定安装的压电致动器使所述阳极不仅在所述电子束方向平移地位移，也围绕焦点位置旋转地位移 
201   用于产生电子束202的电子束发射阴极 
201′ 用于产生另一电子束202的另一电子束发射阴极 
201a  用于产生电子束202a的第一X射线管的电子束发射阴极 
201b  用于产生电子束202b的第二X射线管的电子束发射阴极 
202   阴极201所发射的电子束 
202a  所述第一X射线管的阴极201a所发射的电子束 
202b  所述第二X射线管的阴极201b所发射的电子束 
203处于固定位置的聚焦单元，用于将电子束202聚焦在焦点205的位置，所述焦点在所述X射线源阳极204的X辐射发射表面上 
203′ 用于聚焦第二焦点的聚焦单元203 
203″ 用于聚焦所述第二焦点的聚焦单元203 
204   具有平面X辐射发射表面的阳极，所述表面相对于入射电子束202方向的法向平面成锐角倾斜，所述入射电子束投射所述阳极上焦点位置205处 
204′ 具有平面X辐射发射表面的旋转阳极，所述表面相对于入射电子束202方向的法向平面成锐角倾斜，所述入射电子束投射在所述阳极上焦点位置205处 
204a′所述第一X射线管的旋转阳极，所述阳极具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束202方向的法向平面成锐角倾斜，所述入射电子束投射在所述阳极上焦点位置205处 
204b′所述第二X射线管的旋转阳极，所述阳极具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束202方向的法向平面成锐角倾斜，所述入射电子束投射在所述阳极上焦点位置205处 
205   在所述阳极204或204′的倾斜表面上的焦点位置 
205′ 所述第二X射线管的倾斜表面上另一焦点的第一位置 
205″ 所述第二X射线管的倾斜表面上所述另一焦点的第二位置 
205a  狭窄环形区域，在较短扫描时间过程中电子束所产生的热量可到达，它趋于过热 
205a′用于散热的大体积(大的热容量，降低的温度) 
205b1 焦点轨迹上的第一焦点位置 
205b2 焦点轨迹上的第二焦点位置 
206集成致动器单元，用于使阳极204相对于至少一个固定电子束发射阴极201进行至少一个平移和/或旋转位移运动，所述阴极用于产生所述电子束202 
206′ 集成致动器单元，用于使阳极204相对于至少一个固定电子束发射阴极201进行至少一个平移和/或旋转位移运动，所述阴极用于产生所述电子束202 
206a  第一X射线管的第一集成致动器单元，由电动机或当其上施加电场时产生机械应力或应变的压电晶体致动器所赋予 
206a’所述第一X射线管的第二集成致动器单元，由电动机或当其上施加电场时产生机械应力或应变的压电晶体致动器所赋予 
206b  第二X射线管的第一集成致动器单元，由电动机或当其上施加电场时产生机械应力或应变的压电晶体致动器所赋予 
206b’所述第二X射线管的第二集成致动器单元，由电动机或当其上施加电场时产生机械应力或应变的压电晶体致动器所赋予 
207   固定安装板 
208   所述阳极204所发射的X射线束 
208a  所述第一X射线管的所述阳极204a所发射的X射线束 
208b  所述第二X射线管的所述阳极204a所发射的X射线束 
209   所述X射线管的旋转阳极轴(转子) 
209a  所述第一X射线管的旋转阳极轴(转子) 
209b  所述第二X射线管的旋转阳极轴(转子) 
210   所述X射线管的管悬架 
210a  所述第一X射线管的管悬架 
210b  所述第二X射线管的管悬架 
211   偏转装置，用于产生电场和/或磁场使所述阴极201所发射的电子束202沿着与阳极204或204’的平移位移运动方向相反的方向偏转 
211a  所述第一X射线管的偏转装置，用于产生电场和/或磁场使所述阴极201a所发射的电子束202a沿着与旋转阳极204a’平移位移运动方向相反的方向偏转 
211b  所述第二X射线管的偏转装置，用于产生电场和/或磁场将所述阴极201b所发射的电子束202b沿着与旋转阳极204b’平移位移运动方向相反的方向偏转 
212   直线位移线(也称为“机械位移线”)，沿着阳极204或204’的倾斜角度方向延伸 
212a  直线位移线(“机械位移线”)，沿着阳极204a’的倾斜角度方向延伸 
212b  直线位移线(“机械位移线”)，沿着阳极204b′的倾斜角度方向延伸 
300a  根据本发明第二示例性实施例的X射线源的另一新型配置，具有碳纳米管(CNT)型电子束发射阴极201，所述阴极产生电子束202投射在X辐射发射阳极204表面上的焦点205位置，所述表面相对于电子束方向的法向平面倾斜，其中通过固定安装的压电致动器206使所述阳极沿其倾斜表面的倾斜角度方向平移地位移 
300b  图3a所示的该配置的改型，其中通过两个固定安装的压电致动器206与206’使所述阳极204不仅在所述电子束202方向平移地位移也可围绕焦点位置旋转地位移 
400   现有技术已知的常规旋转阳极盘的设计剖视图(轮廓) 
500a  根据本发明第三示例性实施例的旋转阳极型X射线管的剖视图，具有X辐射发射阳极204′，所述阳极具有相对于阴极所发射电子束202方向的法向平面倾斜的表面，根据本发明一个示例性实施例所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，所述X射线管配备有致动器单元206a，用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极204′沿其倾斜表面的倾斜角度方向相对于固定安装板20进行至少一个平移位移运动，且配备有偏转装置，用于产生电场和/或磁场使所述电子束沿着与旋转阳极平移位移运动方向相反的方向偏转 
500b  图5a所示的X射线管的改型，具有另一致动器单元206a′用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极204′沿着与阳极的旋转轴209平行的方向相对于所述固定安装板207进行至少一个平移位移运动， 
600a+b两示意性描述的应用方案，具有可变焦点距离的两个旋转阳极型X射线管，其中所述焦点距离根据待扫描的所关注区域的大小调节 
700a  具有两个旋转阳极型X射线管的应用方案，每个X射线管具有X辐射发射阳极204a′或204b′，根据本发明一个示例性实施例所述阳极具有相对于电子束202a或202b方向的法向平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，每一所述X射线管分别配备有两致动器装置206与206a′或206b与206b′，用于使它们的焦点沿着与阳极的旋转轴209a与209b平行的方向相对于至少一个固定安装板207进行平移位移，且均配备有偏转装置211a或211b，用于产生电场和/或磁场使电子束偏转以使旋转阳极的平移位移运动得到补偿 
700b  与应用方案700a相似的应用方案，用于更宽的所关注区域 
800a  具有两旋转阳极型X射线管的应用方案，每一管具有X辐射发射阳极204a′或204b′，根据本发明一个示例性实施例对于焦点轨迹内部部分被加热的情况，所述阳极具有相对于电子束202a或202b方向的法向 平面倾斜的表面，所述电子束投射在位于所述表面上的焦点位置，所述X射线管分别配备有致动器装置206a与206a′或206b与206b′，用于使它们的焦点沿它们的倾斜表面的倾斜角度方向相对于至少一个固定安装板207进行平移位移，且分别配备有偏转装置211a或211b用于产生电场和/或磁场使电子束以相反方向偏转以使旋转阳极的平移位移运动得到补偿 
800b 与应用方案800a相似的应用方案，用于焦点轨迹的外部部分被加热的情况 
d沿电子束方向的法向方向平移焦点位移的长度，所述电子束投射在位于倾斜阳极表面上的焦点位置 
dFS  沿倾斜阳极表面的倾斜角度方向相对于至少一个固定安装板倾斜207平移焦点位移的长度 
θ   旋转焦点位移的角度 

Claims (20)

1.一种X射线扫描系统，包括空间分布的、可顺序地开关的X射线源(200a/b或300a/b)阵列，所述X射线源以给定开关频率通过可编程的开关顺序选定，其中，每一X射线源包括：
-具有平面X辐射发射表面的阳极(204)，所述表面相对于入射电子束方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在所述阳极上焦点(205)位置处；
-至少一个集成致动器单元(206，206′)，用于使所述阳极(204)相对于产生所述电子束(202)的至少一个固定电子束发射阴极(201)进行至少一个平移和/或旋转位移运动。
2.如权利要求1所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述至少一个集成致动器单元(206，206′)由当电场施加其上时产生机械应力或应变的压电晶体致动器赋予。
3.如权利要求1或2所述的X射线扫描系统，其特征在于，还包括致动器控制单元，用于根据焦点位置(205)的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元(206，206′)进行的阳极的平移和/或旋转位移运动的大小、方向、速度和/或加速度。
4.如权利要求1至3任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述致动器控制单元适合根据用于顺序地开关所述X射线源(200a/b或300a/b)的开关频率来控制由所述至少一个集成致动器单元(206，206′)进行的阳极的平移和/或旋转位移运动的大小、方向、速度和/或加速度，使得通过所述X射线扫描系统执行的图像采集步骤产生一组2D投影图像，所述图像允许所关注图像体的精确3D重建，而不会出现模糊或暂时混叠图像失真。
5.如权利要求1至4任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，每一X射线源(200a/b或300a/b)包括
-至少一个聚焦单元(203)，用于将电子束(202)聚焦在所述X射线源阳极(204)的X辐射发射表面上的焦点(205)位置；
-聚焦控制单元，用于调节阳极的焦点(205)的聚焦，使得由于阳极(204)相对于所述至少一个固定电子束发射阴极(201)的平移和/或旋转位移所导致的焦点大小的偏差得到补偿。
6.如权利要求1至5任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述阳极的平移位移运动在所述阳极的倾斜角方向沿着直线位移线行进。
7.如权利要求1至6任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述致动器控制单元适合于控制所述至少一个集成致动器单元(206，206′)，使得所述阳极(204)发射的X射线束(208)导向同一X射线束方向并由此导向同一视场，而与所述阳极的倾斜角无关以及与所述位移运动无关。
8.如权利要求1至7任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述阳极的平移和/或旋转位移运动的大小处于焦点大小范围内或更大。
9.如权利要求1至8任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述空间分布的X射线源(200a/b或300ah)由使用碳纳米管形式的场发射阴极的多个单独可选定的X射线微源赋予。
10.如权利要求1至9任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述至少一个固定电子束发射阴极(201)由碳纳米管技术实现。
11.一种X射线扫描系统，包括至少一个旋转阳极型X射线源(500a或500b)，所述X射线源具有大体盘形的旋转阳极(204′)，其中，所述至少一个X射线源(500a或500b)的所述旋转阳极(204′)具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束(202)方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在所述阳极(204′)上焦点(205)位置，所述X射线扫描系统包括：
-至少一个集成致动器单元(206a，206a′)，用于使所述至少一个X射线源的旋转阳极(204′)相对于固定安装板(207)进行至少一个平移位移运动；
-致动器控制单元，用于根据焦点位置(205)处的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元(206a，206a′)进行的所述旋转阳极的平移位移运动的大小、方向、速度和/或加速度；
-至少一个偏转装置(211)，用于产生电场和/或磁场使所述电子束(202)沿着与所述旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向偏转；
-偏转控制单元，用于调节所述电场和/或磁场强度，使得由于所述旋转阳极(204′)相对于所述固定安装板(207)的平移位移所导致的焦点位置(205)偏差得到补偿。
12.如权利要求11所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述至少一个集成致动器单元(206a，206a′)由电动机或当电场施加到其上时产生机械应力或应变的压电晶体致动器赋予。
13.如权利要求11或12任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述阳极的平移位移运动在阳极的倾斜角方向沿着直线位移线(212)行进。
14.一种X射线扫描系统，包括两个或多个旋转阳极型X射线源(700a，700b，800a或800b)，每个X射线源具有大体盘形的旋转阳极(204a′，204b′)，其中，这些旋转阳极中的每个具有平面X辐射发射表面，所述表面相对于入射电子束(202a，202b)方向的法向平面成锐角倾斜，所述电子束投射在相应阳极上焦点(205，205′，205″)位置，所述X射线扫描系统包括：
-至少一个集成致动器单元(206a，206a′，206b，206b′)，用于通过相对于固定安装板(207)移动每个X射线源(700a，700b，800a或800b)进行至少一个平移位移运动；
-至少一个另一集成致动器单元，用于在两个或多个X射线源焦点(205，205′，205″)的位置相对彼此进行至少一个平移位移运动；
-至少一个偏转装置(211a，211b)，用于产生电场和/或磁场使所述电子束(202a，202b)沿着与所述旋转阳极的平移位移运动方向相反的方向偏转；
-偏转控制单元，用于调节所述电场和/或磁场的强度，使得相应的X射线源的焦点位置(205，205′或205″)相对于由从所述X射线源的旋转阳极(204a′，204b′)发射的X辐射而辐射的X射线探测器的偏差得到补偿，所述偏差是由于所述旋转阳极(204a′，204b′)相对于固定安装板(207)的平移位移所导致的。
15.如权利要求14所述的X射线扫描系统，其特征在于，还包括致动器控制单元，用于根据焦点位置(205，205′或205″)处的阳极温度与标称工作温度的偏差来控制由所述至少一个集成致动器单元(206a，206a′，206b，206b′)进行的相应阳极的平移位移运动的大小、方向、速度和/或加速度。
16.如权利要求14或15任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述致动器控制单元适合于根据待扫描的所关注区域的大小来控制在两个或多个X射线源的焦点(205，205′，205″)的位置相对彼此的平移位移运动的大小和/或方向。
17.如权利要求14至16任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述阳极的平移位移运动在阳极的倾斜角方向沿着直线位移线(212a，212b)行进。
18.如权利要求14至17任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，用于相对彼此调节特定X射线源(700a，700b，800a或800b)的焦点位置(205，205′或205″)的平移位移运动相对于所述X射线扫描系统配备的旋转机架的转子在轴向和/或径向方向沿着直线位移线行进。
19.如权利要求14至18任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，所述X射线源(700a，700b，800a或800b)位于单个真空箱体内，所述真空箱体包括由波纹管系统连接的两个部分，所述波纹管系统允许在切线和径向方向相对于所述旋转机架的转子调节焦点位置(205，205′或205″)。
20.如权利要求14至19任一所述的X射线扫描系统，其特征在于，相对于这些X射线源(700a，700b，800a或800b)共用的公共电子束发射阴极最接近的X射线源(700a，700b，800a或800b)具有风车型刃状阳极。
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