CN102157323B - 用于宽幅计算断层照相术的x射线设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于宽幅计算断层照相术的设备和构造该设备的方法。一种用于产生x射线(44)的管(32)包括适于发射电子的阴极(42)、定位成在其表面上接收来自阴极(42)的电子的靶(40)、带有孔隙(52)和位于阴极(42)与靶(40)之间并构造成使电子朝靶(40)加速的阳极(43)、以及适于使靶(40)围绕轴线(54)旋转的旋转系统(56)，该旋转系统(56)位于面对靶(40)的表面的位置。

Description

用于宽幅计算断层照相术的X射线设备
技术领域
本发明的实施例大体上涉及x射线管，尤其地涉及用于宽幅计算断层照相术的X射线设备和构造该X射线设备的方法。
背景技术
计算断层照相术x射线成像系统通常包括x射线管、检测器以及支撑x射线管和检测器的机架组件。在操作中，对象安置于其上的成像台位于x射线管与检测器之间。x射线管通常朝对象发射诸如x射线的辐射。辐射通常穿过成像台上的对象并撞击检测器。当辐射穿过对象时，对象的内部结构引起在检测器处接收的辐射中的空间变异。检测器将接收的辐射转换成电信号，然后发射接收的数据，并且系统将辐射变异转化成可用于评估对象的内部结构的图像。本领域技术人员应认识到的是，对象可包括但不局限于医学成像程序中的患者和如例如在x射线扫描器或计算断层照相术(CT)包裹扫描器的包裹中的无生命对象。
典型的x射线管包括提供聚焦的高能电子束的阴极，该聚焦的高能电子束横跨阴极至阳极的真空间隙被加速，并在与提供的活性材料或靶撞击时产生x射线。由于当电子束撞击靶时产生的高温，所以为了冷却靶，通常使靶组件以高的旋转速度旋转。
因此，x射线管还包括旋转系统，该旋转系统为了将在焦斑处产生的热分布在靶上而使靶旋转。旋转系统通常通过感应马达旋转，该感应马达具有内置于支撑盘形靶的轮轴中的圆柱形转子和具有围绕x射线管的细长颈部的铜绕组的铁定子结构。旋转系统组件的转子由定子驱动。
计算断层照相术系统不断增加检测器沿患者身体或z轴的尺寸，使得能在机架的一圈中使整个器官(例如心脏、脑)成像。因此，通常使x射线管中x射线透射窗的垂直张开角进一步变宽，以允许检查对象的辐射覆盖沿z轴较宽的范围。当z轴覆盖增大时，由于图像重构中的缺失数据，x射线束沿较宽的z轴的扇出可造成图像伪影或所谓的锥束伪影。另外，通常增大x射线管的靶角，以适应较大的垂直张开角并完全覆盖检测器。由于旋转靶的温度限制(保持如由众所周知的线聚焦原理所确定的光学焦斑尺寸常数)，该较大的靶角显著减少能产生的x射线通量的量。
这些问题的理论解决方案是提供彼此沿z轴间隔开并且以顺序开/关的方式操作的两个或更多的焦斑。该光学构造可允许来自每个焦斑的x射线束在视觉中心的某些范围上的重叠，并获得锥束角的减小，从而大大地减少锥束伪影。该构造还允许靶角的减小以及因此较高的x射线输出。问题的一个可能的解决方案是代替仅一个靶，使x射线管具有两个靶，使得两个焦点沿z轴或轴向维度偏移。然而，该解决方案的难点是两个轴向偏移的靶的使用可能需要非常大并且复杂的x射线管。也就是说，这样的管可具有在一个真空腔中的两个靶、两个阴极和每个端部上一个以馈送阴极的两个高压绝缘体。这样的管非常昂贵并具有可靠性的潜在影响，也就是说，如果阴极或靶中的一个出故障，则需替换整个管以维持完整的功能性，导致昂贵的替换。
该问题的另一解决方案是使两个常规的x射线管端对端地邻靠或构造，然而，通常的CT的x射线管只不过物理地太长，以致使该解决方案不实用。对于当前的x射线管，管包括阴极、绝缘体和用于将高能电子聚焦到靶上的其它系统，并且该设备面对旋转阳极的靶面。同时，用于使阳极旋转的旋转系统同样笨重，并且该系统面对阳极的相对侧、或非靶侧面。总之，沿它们相应的旋转轴线端对端地安置的两个常规的x射线源将使焦斑彼此间隔开太远，以致不能获得用于期望系统构造的可用源。例如，在双焦斑系统中的z轴上期望轴向间距在系统等中心处为120mm的覆盖或者通常在60-120mm的范围内。因此，源于两个焦点的存在的优点在常规x射线管的情况下是不可行的。
因此，有利的是具有可与另一x射线管邻靠到一起的x射线管，并且获得在期望范围内的用于焦点的间隔距离，从而获得利用具有两个x射线管和两个焦点的组合设备的优点。
发明内容
本发明的实施例提供一种设备和构造该设备的方法，该设备允许两个x射线管邻靠到一起，同时获得在期望距离范围内的在单独管的焦点之间的距离。
根据本发明的一个方面，用于产生x射线的管包括适于发射电子的阴极、定位成在其表面上接收来自阴极的电子的靶、带有孔隙和位于阴极与靶之间并构造成使电子朝靶加速的阳极、以及适于使靶围绕轴线旋转的旋转系统，该旋转系统位于面对靶的表面的位置。
根据本发明的另一方面，用于产生两个x射线辐射束的设备包括第一x射线管，该第一x射线管包括适于朝第一阳极发射第一电子束的第一阴极、具有接收由第一阴极发射的第一电子束以产生第一x射线束的第一表面的第一靶、适于使第一靶围绕第一轴线旋转的第一旋转系统，该第一旋转系统位于面对第一表面的位置。该设备包括第二x射线管，该第二x射线管包括适于朝第二阳极发射第二电子束的第二阴极、具有接收由第二阴极发射的第二电子束以产生第二x射线束的第二表面的第二靶、适于使第二靶围绕第二轴线旋转的第二旋转系统，该第二旋转系统位于面对第二表面的位置，其中第一和第二x射线管彼此接近，并构造成朝待成像的对象发射第一和第二x射线束。
本发明的又一方面包括用于制造x射线管的方法，包括：提供壳体；提供适于产生电子的阴极；提供具有适于在接收由阴极发射的电子时发射x射线辐射的表面的靶；将阳极定位在阴极与靶之间，该阳极构造成使电子朝靶加速；提供适于使靶围绕轴线旋转的旋转系统；将靶安置在壳体内；将阴极安置在壳体内面对靶的表面的位置，以朝靶上的焦点引导电子束；和将旋转系统安置在壳体内面对靶的表面的位置。
本发明的又一方面包括用于构造提供第一和第二x射线辐射流的组合设备的方法，包括：在第一x射线管中提供围绕第一旋转轴线旋转的第一靶，该第一靶在其第一面上具有第一焦斑，以产生第一x射线辐射流；在第二x射线管中提供围绕第二旋转轴线旋转的第二靶，该第二靶在其第二面上具有第二焦斑，以产生第二x射线辐射流；和将第一x射线管安置在靠近第二x射线管的邻接位置，使得第一靶的第一面背离第二x射线管，并使得第二靶的第二面背离第一x射线管。
本发明的各种其它特征和优点将从以下的详细说明和附图变得明显。
附图说明
附图图示当前为实施本发明而设想的一个优选实施例。
附图中：
图1是可受益于结合本发明的实施例的成像系统的方框图；
图2是根据本发明构造的x射线管的剖开透视图；
图3是本发明的双x射线管设备的剖开侧视图；以及
图4是供非侵入式包裹检查系统使用的CT系统的示图。
部件列表
10成像系统
12x射线源
12’x射线源
14x射线束
14’x射线束
16行李件
17对象或患者
18检测器组件
19z轴
20处理器
22计算机
24操作员控制台
26显示单元
28存储装置
30源控制器
32x射线源或管
32’x射线管
34壳体
36辐射发射通道
40靶
42阴极
42’多个阴极
43阳极
44x射线
46材料层或靶材料
48焦点
48’焦点
50表面
52孔隙
54旋转轴线
54’旋转轴线
56旋转系统
56’旋转系统
58中心轴
60转子
62第一端
64第二端
66轴承对
68轴承对
70储热介质
72电缆连接器
74高压绝缘体
75电子收集器
76孔隙
78轴向距离
78’轴向距离
80相应端部
80’相应端部
500包裹/行李检查系统
502可旋转机架
504开口
506x射线能量源
508检测器组件
510输送系统
512输送带
514结构
516包裹
具体实施方式
图1是根据本发明设计成获取原始图像数据并为显示和/或分析而处理图像数据的成像系统10的实施例的方框图。本领域技术人员应理解的是，本发明适用于实现x射线管的许多医学成像系统、诸如CT系统、x射线系统、血管系统和乳房x线照相术系统。获取用于体积的图像三维数据的诸如计算断层照相术系统和数字射线照相术系统的其它成像系统也受益于本发明。以下x射线系统10的讨论仅是一个这样的实现的示例，并且就形式而言不是限制性的。
如图1所示，x射线系统10表示计算断层照相术(CT)系统的元件，该计算断层照相术(CT)系统包括x射线源12和12′，其构造成投射相应的x射线束14和14′通过对象或患者17内的诸如心脏的器官或一件行李16内的物品。对象17可包括人类、行李件或其它需要扫描的对象。x射线源12、12′可以是产生具有通常从30keV到200keV的能谱的x射线的常规x射线管。x射线14、14′穿过器官16和对象17，并在被衰减之后撞击沿患者或z轴19延伸的检测器组件18。对于计算断层照相术系统，x射线束14和14′交替连续网格化地(gridded)打开和关闭，使得检测器在重构视图的时间期间仅从一个源接收x射线。检测器组件18中的各检测器模块产生模拟电信号，其表示碰撞的x射线束的强度，以及因此表示当其穿过器官16时衰减的束的强度。在一个实施例中，检测器组件18为基于闪烁的检测器组件，然而，还应设想到的是，还可实现直接转换型检测器(例如CZT检测器等)。
处理器20从检测器18接收信号，并产生与被扫描的器官16或对象17对应的图像。计算机22与处理器20通信，以使得操作员能够利用操作员控制台24控制扫描参数和观察产生的图像。也就是说，操作员控制台24包括操作员接口的某种形式、诸如键盘、鼠标、语音促动控制器、或允许操作员控制x射线系统10和在显示单元26上观察重构图像或来自计算机22的其它数据的任何其它合适的输入设备。另外，控制台24允许操作员将产生的图像存储在可包括硬盘、软盘、光盘等的存储装置28中。操作员还可利用控制台24来提供命令和指令至计算机22，用于控制向x射线源12提供功率和定时信号的源控制器30。
如图所示，各x射线源12、12′提供穿过对象17的x射线，并且结合地，x射线从各源12、12′传到检测器组件18。因此，本发明的实施例为完全的器官覆盖提供沿z轴19的充分的覆盖，以例如包括心脏或脑。因此，x射线源12、12′可与检测器组件18一起围绕对象17以足够的速度旋转，使得可在单圈中并且在没有与有限的z轴覆盖相关的锥束或其它伪影的情况下使诸如心脏的整个器官成像。此外，通过提供单独的和可替换的源12、12′，系统10包括对于其它系统的成本改善。以这样的方式，在源出故障或以另外的方式需要替换的情况下，源12、12′中仅一个源需要替换，因此简化替换并降低整个系统操作和维护的成本。此外，在源12、12′中的一个源出故障的情况下，可利用没有出故障的剩余的源12或12′使系统10操作。因此，在源12、12′中的一个源出故障之后，虽然仅从源12、12′中的一个源，但系统10仍可操作并提供有用的信息，以便尽管源故障，但仍使得能够获得有用的数据。根据本发明的实施例，系统10实际上使得可使用一个源或两个源12、12′的多种操作模式成为可能。
图2图示根据本发明构造的x射线源或管32的剖开透视图。如能看到地，x射线管32包括在其中形成有辐射发射通道36的壳体34。壳体34包围真空并容纳靶40和阴极42。设置有用于电子的输送的孔隙52的阳极43位于阴极42与靶40之间。在CT应用的情况下，高速电子经由施加于阴极42与阳极43之间的例如60千伏或更高的电位差在从阴极42向靶40引导时突然减速，产生x射线44。
电子在焦点48处撞击材料层或靶材料46，并从该焦点48处发射x射线44。撞击点在行业中通常称为焦斑，其在靶材料46的表面上形成圆形区域或轨迹，并且在x射线管32的操作之后在靶表面上视觉明显。如能看到地，靶材料46设置在靶40的一个表面50上，并且阴极42位于该表面50的相同侧边上的位置，使得高能电子可从阴极42穿过阳极43的孔隙52，以在焦点48处撞击靶46。x射线44通过辐射发射通道36朝诸如图1的检测器18的检测器阵列发射。靶在焦斑处有角度的构造导致朝径向通道36的辐射发射，该角度相对于靶46到旋转轴线54的垂直定向为7度至12度。为了避免由于电子使靶40过热，使靶40围绕旋转轴线或中心线54以例如90-250Hz的高的速率旋转。
旋转系统56设置成使靶40旋转，并包括可以是实心或空心轴的中心轴58，该中心轴在第一端62处附接至转子60，并在第二端处64附接至靶40。使用围绕中心轴58的一对轴承66、68，以允许中心轴58在壳体34内自由地旋转。定子(未示出)径向地位于转子60外部，并驱动中心轴58，该中心轴58旋转地驱动靶40。替代地，实施例包括旋转系统(未示出)，在该旋转系统中，中心轴固定，而支撑靶材料46并附接至转子60的外圆柱围绕固定轴的中心轴线绕固定轴旋转。如图2所示，可将诸如石墨的储热介质70用于吸收和/或耗散靠近靶材料46积聚的热。x射线管32的另外部件包括电缆连接器72和高压绝缘体74以及电子收集器75，其具有用于电子从阴极42流向靶40的焦点48的孔隙76。
如能看到地，旋转系统56在靶40的表面50的与阴极42相同侧边上位于壳体34内。也就是说，阴极42和旋转系统56大体上对齐并面对靶40的还包括靶46和焦点48的相同表面50，因此x射线管的总长大大减小，并相对紧凑。阴极的纵向轴线基本上平行于中心轴58的中心线54和靶40的旋转轴线。在描述的实施例中，高压施加于从阴极42经由阳极43向靶40发射的电子。在一个实施例，阳极43接地，并且诸如60keV或更高的高压施加于阴极42。然而，本发明不如此地受限制，并且在另一实施例中，靶40用作阳极，并同样地接地。在又一实施例中，负电压施加于阴极42，并且正电压施加于阳极43和/或靶40。
结合图2，现在转向图3，示出图示由两个x射线管32和32′的组合组成的设备的剖开侧视图，两个x射线管32和32′均根据参考图2示出并描述的单个x射线管32进行构造。根据本发明的实施例，x射线管32和32′彼此邻靠。
因此，每个x射线管32、32′均具有焦点48、48′，并且相应的焦点48、48′由于x射线管32、32′的独特构造而彼此接近。在示例性实施例中，焦点48、48′之间的距离D在大约60-120mm的范围之内。因此，通过阴极42、42′以及旋转系统56、56′的特定位置，x射线管32、32′的总轴向长度，尤其地，焦点48、48′与相应端部80、80′之间的轴向距离78、78′、缩短到焦点48、48′之间的距离D在期望范围内的程度。因此，x射线管32和32′可例如沿它们相应的旋转轴线54、54′彼此轴向对齐，使得它们的焦斑48、48′可在诸如图1的系统10的系统内对齐。焦斑之间的最佳距离D取决于多个CT系统变量，包括但不局限于系统等中心处的成像视野以及x射线源32、32′、患者17和检测器18之间的相对距离。
对于图3的实施例，图1所示的控制系统30可用于使阴极42、42′的发射交替，以在发射时产生x射线束。也就是说，各阴极42、42′可单独地发射，以便在阴极42的发射与阴极42′的发射之间交替。另外，对于图3的实施例，图1的控制系统还可用于提供双重能量系统，使得x射线管中的一个以与其它x射线管不同的能量进行操作。因此，在双能量或多能量扫描中，一个阴极能以例如80keV进行操作，同时其它阴极能以例如140keV进行操作。因此，在诸如图1的成像系统10的成像系统中可产生双重或多重能量x射线，该成像系统可用于在作为示例的基体材料分解中形成多重能量图像。此外，在图3所示的具有能交替发射的阴极42、42′的双重源系统中，由于在这样的操作中经历的大约50％的工作循环，所以可实现的性能益处是可延长诸如靶的部件的寿命。因此，与采用一个源的系统相比，可同样地增大峰值功率以及因此从相应的靶发射的x射线通量的大小。另外，如本领域所理解地，当与采用一个源的系统相比较时，对于图示的两个源系统的靶角可明显较小。因此，图3所示的两个源系统可产生比单个源系统高得多的x射线通量，具有该较大的z轴覆盖。
现在参考图4，示出包裹/行李检查系统500，其可使用本发明的x射线管或多个x射线管，并包括在其中具有包裹或行李件可穿过的开口504的可旋转机架502。可旋转机架502容纳一个或多个x射线能量源506以及具有由闪烁单元组成的闪烁阵列的检测器组件508。输送系统510被提供并且包括由结构514支撑的输送带512，以使包裹或行李件516自动连续地通过开口504以被扫描。通过开口504由输送带512馈送对象516，然后获取成像数据，并且输送带512以受控连续的方式从开口504移开包裹516。结果，邮件检查员、行李处理者和其它保安人员可针对爆炸物、刀、枪、违禁品等而非侵入地检查包裹516的容纳物。
根据本发明的实施例，用于产生x射线的管包括适于发射电子的阴极、定位成在其表面上接收来自阴极的电子的靶、带有孔隙和位于阴极与靶之间并构造成使电子朝靶加速的阳极、以及适于使靶围绕轴线旋转的旋转系统，该旋转系统位于面对靶的表面的位置。
根据本发明的另一实施例，用于产生两个x射线辐射束的设备包括第一x射线管，该第一x射线管包括适于朝第一阳极发射第一电子束的第一阴极、具有接收由第一阴极发射的第一电子束以产生第一x射线束的第一表面的第一靶、适于使第一靶围绕第一轴线旋转的第一旋转系统，该第一旋转系统位于面对第一表面的位置。该设备包括第二x射线管，该第二x射线管包括适于朝第二阳极发射第二电子束的第二阴极、具有接收由第二阴极发射的第二电子束以产生第二x射线束的第二表面的第二靶、适于使第二靶围绕第二轴线旋转的第二旋转系统，该第二旋转系统位于面对第二表面的位置，其中第一和第二x射线管彼此接近，并构造成朝待成像的对象发射第一和第二x射线束。
本发明的又一实施例包括用于制造x射线管的方法，包括：提供壳体；提供适于产生电子的阴极；提供具有适于在接收由阴极发射的电子时发射x射线辐射的表面的靶；将阳极定位在阴极与靶之间，该阳极构造成使电子朝靶加速；提供适于使靶围绕轴线旋转的旋转系统；将靶安置在壳体内；将阴极安置在壳体内面对靶的表面的位置，以朝靶上的焦点引导电子束；和将旋转系统安置在壳体内面对靶的表面的位置。
本发明的又一实施例包括用于构造提供第一和第二x射线辐射流的组合设备的方法，包括：在第一x射线管中提供围绕第一旋转轴线旋转的第一靶，该第一靶在其第一面上具有第一焦斑，以产生第一x射线辐射流；在第二x射线管中提供围绕第二旋转轴线旋转的第二靶，该第二靶在其第二面上具有第二焦斑，以产生第二x射线辐射流；和将第一x射线管安置在靠近第二x射线管的邻接位置，使得第一靶的第一面背离第二x射线管，并使得第二靶的第二面背离第一x射线管。
已根据优选实施例描述了本发明，并且应认识到的是，除明显提出的以外，等同、替代和变型是可能的并且在所附权利要求的范围内。

Claims (12)

1.一种用于产生x射线的装置，包括：
第一x射线管，所述第一x射线管包括：
第一阴极，其适于发射电子；
第一靶，其定位成在所述第一靶的表面上接收来自所述第一阴极的电子；
第一阳极，其带有孔隙和位于所述第一阴极与所述第一靶之间，并构造成使所述电子朝所述第一靶加速；以及
第一旋转系统，其适于使所述第一靶围绕第一轴线旋转，所述第一旋转系统位于面对所述第一靶的表面的位置；其中第一旋转系统所面对的第一靶表面包括第一焦点；
第二x射线管，所述第二x射线管包括：
第二阴极，其适于发射电子；
第二靶，其定位成在所述第二靶的表面上接收来自所述第二阴极的电子；
第二阳极，其带有孔隙和位于所述第二阴极与所述第二靶之间，并构造成使所述电子朝所述第二靶加速；以及
第二旋转系统，其适于使所述第二靶围绕第二轴线旋转，所述第二旋转系统位于面对所述第二靶的表面的位置；其中第二旋转系统所面对的第二靶表面包括第二焦点；
其中所述的第一x射线管和所述的第二x射线管彼此接近并且所述第一轴线和所述第二轴线相互对齐。
2.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第一旋转系统、第一阴极和第一靶包围在第一壳体内。
3.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第二旋转系统、第二阴极和第二靶包围在第二壳体内。
4.根据权利要求2所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第一壳体具有辐射发射通道，以使由所述第一靶发射的x射线辐射通过。
5.根据权利要求3所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第二壳体具有辐射发射通道，以使由所述第二靶发射的x射线辐射通过。
6.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第一旋转系统包括转子、轴承系统和连接在所述转子与所述第一靶之间以使所述第一靶旋转的第一轴。
7.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第二旋转系统包括转子、轴承系统和连接在所述转子与所述第二靶之间以使所述第二靶旋转的第二轴。
8.根据权利要求6所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第一轴的纵向轴线平行于所述第一阴极的纵向轴线。
9.根据权利要求7所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第二轴的纵向轴线平行于所述第二阴极的纵向轴线。
10.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第一阳极包括定位成使所述电子穿过的孔隙。
11.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述第二阳极包括定位成使所述电子穿过的孔隙。
12.根据权利要求1所述的产生x射线的装置，其特征在于，所述装置结合到行李检查系统中。
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