CN102327119A

CN102327119A - 产生准单色x射线的x射线装置和放射性照相拍摄系统

Info

Publication number: CN102327119A
Application number: CN2011101458776A
Authority: CN
Inventors: 菲利普.伯恩哈特
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers AG
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: CN102327119B; DE102010022851A1; JP5848031B2; US8537970B2; JP2011255174A; DE102010022851B4; US20110299658A1

Abstract

对于具有高的射线强度的准单色X射线，设置用于产生用于照射对象的准单色X射线的X射线装置，该X射线装置具有用于发送多色X射线的点状的射线源和用于衍射多色X射线的衍射装置，该衍射装置具有由具有平的表面的结晶材料构成的超镜，在该超镜中，结晶材料具有晶格的晶格层面距离的至少一个、特别是连续的变化，其中这样布置射线源和衍射装置，使得从多色X射线通过在超镜上的部分反射产生准单色X射线。

Description

产生准单色X射线的X射线装置和放射性照相拍摄系统

技术领域

本发明涉及一种用于产生准单色X射线的X射线装置以及一种医学的放射性照相-X射线拍摄系统。

背景技术

用于基于X射线的、医学成像的X射线系统，按照现有技术具有以下结构：点状的X射线源(通过电子束在阳极上产生的韧致辐射)在X射线装置中发射多色X射线；该X射线通过准直器特别被带入限制的扇形的形状。在借助位置分辨的图像接收器拍摄对象之前，X射线部分地穿透待透视的对象。在使用这样的X射线系统时的主要的效率损失通过存在的多色韧致谱产生。公知的是，对于每个任务，即，在定义的背景和给定的几何内的确定的对象的成像，给出恰好一个量子能量，该量子能量表示在患者剂量、对比度和噪声之间的最优折衷并且由此具有最高的效率。多色谱由此一定包含对于各个任务是多余的或干扰的谱分量。因为对于最佳的量子能量，相邻的能量同样具有非常高的效率，所以为了满足好的图像质量的任务，使用一定程度上较宽地散射的量子能量(准单色的)是足够的，例如，限制到大约15keV的范围；与之相比，完美的单色X射线并不太多地提高效率。

对于理想的X射线系统，前提条件是可调的(durchstimmbare)、准单色的、有效的X射线装置。然而，从多色谱中产生准单色的X射线是复杂的。近似获得这一点的通常方法是将借助公知的X射线源产生的多色X射线经由布拉格反射(参见图2)衍射到晶体上。然而这些方法在光谱以及在空间方向上都总是包含非常大的射线强度损失。由于这个原因，按照现有技术的这样的X射线装置首先在透视大且厚的组织层的情况下不能被使用或者只能进行所谓的扫描拍摄。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种X射线装置，其确保产生具有高的射线强度的尽可能准单色X射线和尽可能大的照射区域。

借助按照本发明的X射线装置将多色X射线通过在布拉格条件下、通过反射而衍射到具有晶格的晶格层面距离(Gitterebenenabstand)的特别是连续的变化(渐次)的超镜(Superspiegel)而转换为准单色的X射线。在此结晶材料特别具有晶格层面距离的垂直于表面的变化。通过该所谓的“局部”变化，布拉格尖峰变宽并且产生准单色X射线。在这样产生的准单色X射线中，射线强度明显高于在通过公知的滤波器转换到准单色的X射线的情况。准单色的X射线在此理解为直到大约15keV的能量带。通过本发明的X射线装置，在X射线成像时，可以明显提高每个采用的患者剂量的结果或图像质量，例如，在放射线照相中大约提高了因数3。通过按照本发明的X射线装置，损失相对少的X射线强度，从而能够在良好图像质量的情况下进行全图像X射线成像(与扫描成像相比，在扫描成像中，在对象上移动一个非常窄的X射线)。此外量子能量的按照需要的可控制性允许曝光参数与患者厚度有利的匹配(“自动的曝光调节”)。总体上通过本发明，提高了X射线成像中的图像质量，从而诊断结果更简单和更可靠或者替换地可以在保持相同的图像质量的情况下降低剂量。晶格层面距离的垂直于表面的变化例如具有在平均值附近的高斯分布，从而可以产生直到15keV的能量带。但是也可以具有该变化的线性的或其他连续的分布。结晶材料例如可以由人造产生的晶体构成。

按照本发明的实施方式，通过结晶材料具有在沿着表面的至少一个方向上的晶格层面距离的连续变化，可以产生特别恒定的能量选择。

按照本发明的另一种实施方式，多色的X射线的反射的部分具有至少40keV和最高90keV、特别是50至70keV的量子能量。该范围特别对于在放射线照相中，即在对身体部位和器官的单个拍摄中的X射线成像是合适的。从该范围选出的能量带例如延伸超过直至15keV，即例如50keV至65keV。

按照本发明的另一种实施方式，晶格的晶格层面距离沿着表面的、特别是连续的变化是这样的，即，超镜在其表面上具有晶格层面距离的圆弧形的等值线(具有共同的中心)。这样构成的超镜使得在合适定位时、能量带的特别均匀反射和由此准单色X射线的产生是可能的。这样的超镜的表面例如可以构造为矩形，其中等值线可以垂直于超镜的纵向而延伸。

以优选方式，为了特别简单地制造用于产生准单色X射线的、具有还是有效的可用性的超镜，晶格的晶格层面距离沿着表面的特别是连续的变化是这样的，即超镜在其表面上具有晶格层面距离的直的、互相平行的等值线。这样的超镜的表面同样例如可以构造为矩形，其中等值线可以垂直于超镜的纵向而延伸。

按照本发明的另一种实施方式，关于射线源这样布置超镜，使得等值线垂直于X射线的中央射线在超镜上的投影。这在具有一维的以及具有二维的可变的晶格层面距离的超镜的情况下是有利的。在X射线源这样定位的情况下，保证了X射线的特别有效的反射，从而可以产生高强度的准单色的X射线。如果如上所述超镜是矩形的并且等值线垂直于纵向，则当X射线的中央射线的投影平行于纵向时是有利的。

按照本发明的另一种实施方式，这样布置超镜，使得其在垂直于其表面的方向上是可以调节的。以这种方式可以利用同一个的超镜选择地反射不同的能量带。由此在X射线成像中的不同应用是可能的。

以优选方式，超镜由材料镍和碳的组合或者由材料钼和硅的组合或者由材料钨和硅的组合形成。

按照本发明的另一种实施方式，晶格具有至少为0.02nm最高为0.25nm的晶格层面距离。以这种方式可以根据需要反射在40keV和90keV之间的量子能量或能量带。

合适地，传输或吸收多色的X射线的其他部分，即，没有借助布拉格反射被反射的部分。为了防止X射线伤害位于X射线装置之外的设备或人员，在超镜的背面上涂覆或覆盖高吸收的材料，特别是铅。以这种方式吸收全部未反射的X射线。替换铅，还可以例如使用钨或钼。

本发明还包括一种具有用于产生准单色X射线的X射线装置和X射线探测器的医学放射线照相-X射线拍摄系统。

“连续的变化”在此理解为变化的函数，其满足数学上的连续标准并且没有跳变。即变化可以是例如线性的或指数的。

附图说明

以下借助在附图中示意性示出的实施例、在并不由此将本发明限制到这些实施例的条件下详细解释本发明以及其他优选实施方式。附图中：

图1示出了具有和没有滤波器的公知X射线源的量子能量的视图，

图2示出了按照现有技术在布拉格条件下X射线到晶格的反射的视图，

图3示出了击中具有晶格层面距离的二维变化的超镜的X射线的透视图，

图4示出了通过具有晶格层面距离的二维变化的超镜的截面，

图5示出了按照本发明的医学X射线拍摄系统的视图，

图6示出了具有晶格层面距离的二维变化的超镜的俯视图，

图7示出了具有晶格层面距离的一维变化的超镜的俯视图，

图8示出了具有在垂直于表面的两个位置击中的X射线的超镜的表面的侧面视图，

图9示出了公知的X射线源的量子能量与按照本发明的X射线装置相比较的视图，

图10示出了超镜的第一示例性设置，和

图11示出了超镜的另一个示例性设置。

具体实施方式

图1示出了按照现有技术的通常的多色X射线源的X射线韧致谱，其中实线示出未滤波的X射线谱而虚线和点划线示出利用铜滤波器(Kupfer-Filter)滤波的X射线谱。所有的X射线谱利用X射线源的大约100kV的相似管电压来产生。点划线的X射线谱利用比虚线更强的滤波来产生。通过使用滤波器，使得X射线谱的低能量部分淡出；然而也会强烈降低强度。在产生准单色X射线时，即，其量子能量限制到主要为15keV或更少的能量带的X射线，只剩下如此少的强度，使得在全图像拍摄中，只能对非常薄的对象成像。X射线谱的最高能量由管电压确定。

图2示出了X射线的所谓的布拉格反射。结晶材料的原子6布置在具有一般是规则的固定的晶格层面距离d的晶格层面7内。当X射线5的波长λ满足以下条件：nλ＝2dsinθ，其中n是任意整数，以入射角θ入射的X射线5正好反射。所有其他波长被传输或吸收。

本发明利用布拉格反射借助具有一个平的表面的反射器从多色X射线中产生准单色X射线，该反射器具有晶格的晶格层面距离的垂直于表面(“局部的”)和同时沿着表面的连续变化。该反射器还可以称为所谓的多层超镜(multilayeredsupermirror)。通过垂直于表面的晶格层面距离d的连续变化(渐次)，借助布拉格反射不是仅反射唯一一个波长，而是反射相应于各个X射线击中的各个晶格层面距离的整个范围，即能量带。通过沿着表面的变化，在点状的X射线源和超镜的平的表面的情况下，在X射线的入射角沿着表面改变的情况下，确保了恒定的反射的能量带。晶格层面距离的垂直于表面的变化例如是这样的，即，X射线的直到15keV的能量带被反射。在此，变化例如可以高斯形状地围绕平均值分布，其中平均值相应于例如50keV或70keV的反射的能量。(垂直于表面的)“局部的”变化从现有技术中例如在构造望远镜时是公知的。

如图3所示，除了垂直于表面的(未示出的)变化，晶格层面距离沿着超镜1的表面12变化。超镜1的表面12例如构造为具有纵向和横向的矩形形状。在此这样连续地构造晶格层面距离沿着表面的变化，使得在表面12上存在圆弧形的等值线15，即，具有相同的晶格层面距离的线。按照一种变形，等值线15例如可以构造为具有共同的、位于超镜的表面的层面中的中心的圆弧线组成的截面。该中心例如可以在纵向上设置在超镜的第一末端之外或之上。在这种情况下，X射线装置的X射线源优选在超镜上方的层面中的这样的位置中，即，到超镜的表面的层面上的垂直投影恰好落在圆弧线的中心中。然而与该几何特征不同也是可能的。

从由X射线源2发送的X射线形成的X射线扇形在超镜上具有击中平面13。击中平面13在其靠近X射线源的第一末端击中另一个、特别是比其远离X射线源的第二末端更小的晶格层面距离。特别地，晶格层面距离沿着击中表面从第一末端到第二末端连续改变为更大的晶格层面距离。晶格层面距离的垂直于表面的未示出的变化产生准单色能量带，即，布拉格-尖峰变宽(参见图9)，而沿着表面的变化使得总是保持相同的能量带。在图6中以俯视图示出了超镜1的表面，其中，连续变化的方向14径向地从通过X射线源2到超镜1的层面上的投影形成的中心16出发延伸。

图4示出了在纵向从第一末端到第二末端(图3中用虚线表示)通过图3的超镜1的截面，其中还示出，不同的X射线在不同的位置并且由此在不同的晶格层面距离的情况下击中表面12。反射的X射线5.1这样延伸，使得就像X射线从通过X射线源2在表面12的镜像形成的虚拟X射线源8出发。在X射线源2和表面12的层面之间形成高度距离H和长度距离L。没有示出的又是晶格层面距离的垂直于表面存在的变化。

图7示出了本发明的另一种构造。对于超镜1的简化制造，在方向14上从靠近X射线源的第一末端到其远离X射线源的第二末端，沿着表面这样构造晶格层面距离的连续变化，使得等值线15在这种情况下构造为直的且平行的。

图9以实线示出了按照本发明具有双重变化的X射线装置的X射线谱看起来是如何的；与之相比，虚线示出常规的X射线辐射器的、利用铜滤波器滤波的X射线谱。利用按照本发明的X射线装置产生的X射线谱是准单色的并且展现出突出的最大值，该突出的最大值具有例如10至15keV的有限的量子能量带上的小的强度损失；其余的能量几乎没有强度。借助这样的准单色X射线谱可以在良好实现的质量的情况下进行利用X射线射击(一次曝光)的全域X射线拍摄(Vollfeld-

)。

图5示例性示出了放射线照相-X射线拍摄系统10，其具有按照本发明的带有多色射线源2和超镜1的X射线装置。反射的X射线5.1穿透对象11并且然后击中X射线探测器3。X射线装置可以固定地或可动地安装。例如可以与X射线探测器一起布置在例如以C弧形式的支架上。其他的布置，例如具有移动的X射线探测器，也是可能的。

在拍摄X射线图像期间，在多色射线源2和超镜之间的布置不可移动。然而在两次拍摄之间完全可以设置一个调整。按照本发明的实施方式，这样布置超镜，使得其垂直于晶体表面是可以调整的。这样的调整导致选择的准单色能量带改变，从而借助这样的可调整的X射线装置也可以在不更换超镜的情况下可以选择各个不同的能量带。图8示出了这样的调整9和其对入射的X射线5的位置和由此击中平面的作用。通过击中平面的偏移，X射线分别击中另一个晶格层面距离；由此也反射不同的能量带。可以设置调整装置，从而例如可以借助电机来自动地控制调整。

超镜例如可以由材料镍和碳的组合或者由材料钼和硅的组合或者由材料钨和硅的组合形成。这些材料可以以简单方式以可变的晶格层面距离被涂覆，例如沉积或涂层。为了产生这样的可变的晶格层面距离，例如产生人造的晶体结构。用于制造这样的层的例子，由A.Ivan et al.的文章“Design and optimization ofmultilayer coatings for hard x-ray mirrors”，Proceedings of SPIE，Vol.3773，1999，Denver Colorado，从第107页及其后中公开。

晶格的在至少0.02nm和最高0.25nm之间的晶格层面距离的构造是特别有利的，因为以这种方式可以反射在40keV和90keV之间的量子能量。

在超镜背面上例如可以利用铅涂覆或覆盖。以这种方式，不反射的X射线被吸收并且不会在超镜的背面上进一步传播和在那里导致设备和人员伤害。

按照本发明的另一种实施方式，通过(与从大约50keV至100keV的“正常管电压”相比)高出超过100keV、例如125keV或150keV(“高压管”)的更高管电压，可以提高确定的能量的量子数，因为改进了X射线装置的效率。然而该提高的缺陷在于，通过布拉格公式的周期性还反射更高阶的量子(两倍/三倍...能量；例如在50keV还有100keV和150keV的情况下)。

在示例性的X射线装置中超镜可以长30cm、宽10cm并且具有在0.05nm和0.22nm之间的晶格层面距离。在X射线的在分别两个方向上的7°的开放角的情况下并且在X射线源与超镜的表面的高度距离H＝12mm以及长度距离L＝0的情况下，如图10所示形成击中平面，在高度距离H＝16.9mm的情况下如图11所示。

借助按照本发明的X射线装置可以明显提高性能，即，每个采用的患者剂量(每个患者的X射线剂量)的图像质量；在放射线照相中直到因数3。通过本发明，X射线强度损失小。无需如在按照现有技术的装置中那样进行按照扫描方法的X射线拍摄，以获得尚且足够的强度。此外，能量的可控制性允许曝光参数与患者厚度的目前通常的匹配(“自动的曝光调节”)。

可以如下简短概括本发明：对于具有高的射线强度的准单色X射线，设置用于产生用于照射对象的准单色X射线的X射线装置，该X射线装置具有用于发送多色X射线的点状的射线源和用于衍射多色X射线的衍射装置，该衍射装置具有由带有平的表面的结晶材料构成的超镜，在该超镜中，结晶材料具有晶格的晶格层面距离的至少一个、特别是连续的变化，其中这样布置射线源和衍射装置，使得从多色X射线通过在超镜上的部分反射产生准单色X射线。优选地，既有在沿着表面的至少一个方向上的晶格层面距离的连续变化而且还有垂直于表面的晶格层面距离的变化。

Claims

1.一种用于产生用于照射对象的准单色X射线的X射线装置(4)，具有

-用于发送多色X射线(5)的点状的射线源(2)，和

-用于衍射多色X射线的(5)衍射装置，该衍射装置具有由带有平的表面(12)的结晶材料构成的超镜(1)，在该超镜(1)中，所述结晶材料具有晶格的晶格层面距离(d)的至少一个连续的变化，

其中，这样布置所述射线源(2)和衍射装置，使得从所述多色X射线(5)的一部分通过在超镜上的布拉格反射产生准单色X射线(5.1)。

2.根据权利要求1所述的X射线装置，其中，所述结晶材料具有在沿着表面(12)的至少一个方向上晶格层面距离(d)的连续变化。

3.根据权利要求1或2所述的X射线装置，其中，所述结晶材料具有晶格层面距离(d)的垂直于表面的变化。

4.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，所述多色X射线(5)的其他部分被传输和/或吸收。

5.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，所述准单色X射线(5.1)具有至少40keV和最高90keV的量子能量。

6.根据权利要求2所述的X射线装置，其中，晶格的晶格层面距离(d)沿着表面的特别是连续的变化是这样的，即，所述超镜(1)在其表面(12)上具有晶格层面距离(d)的直的、互相平行的等值线(15)。

7.根据权利要求2所述的X射线装置，其中，晶格的晶格层面距离(d)沿着表面的特别是连续的变化是这样的，即，所述超镜(1)在其表面(12)上具有晶格层面距离(d)的圆弧形的等值线(15)。

8.根据权利要求6或7所述的X射线装置，其中，关于所述射线源(2)这样布置所述超镜(1)，使得所述等值线(15)垂直于X射线的中央射线在所述超镜(1)上的投影。

9.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，这样布置所述超镜(1)，使得其在垂直于其表面(12)的方向上是可以调节的。

10.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，所述超镜(1)由材料镍和碳的组合或者由材料钼和硅的组合或者由材料钨和硅的组合形成。

11.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，所述超镜(1)的晶格具有至少为0.02nm最高为0.25nm的晶格层面距离(d)。

12.根据上述权利要求中任一项所述的X射线装置，其中，在所述超镜(1)的背面上涂覆或覆盖高吸收的材料，特别是铅。

13.一种医学放射线照相-X射线拍摄系统，具有按照权利要求1至12中任一项所述的用于产生准单色X射线(5.1)的X射线装置(4)，以及具有X射线探测器(3)。