CN102365703A - 用于利用x射线管进行编码源成像的结构化的电子发射器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出电子发射器(1)和包括这样的电子发射器(1)的X射线管(100)。电子发射器(1)包括阴极(3)和阳极(5)，其中，阴极(3)包括彼此间隔开的多个局部区域(11)的电子发射图案(9)，每个区域适于在将电场施加于阴极(3)和阳极(5)之间时经由场发射局部地发射电子。从局部区域(11)发射的电子束(15)可以生成特定的几何图案中的若干个X射线源强度最大值。能够通过使用X射线源(100)的特定的强度图案并通过将诸如编码源成像(CSI)的专用解码算法应用于所采集的图像而校正由于探测器上的重叠的图像而导致的空间分辨率的明显的损失。
Description
技术领域
本发明涉及用于X射线管的电子发射器。此外，本发明涉及包括这样的电子发射器的X射线管并涉及包括这样的X射线管的X射线图像采集设备。此外，本发明涉及例如通过利用X射线的透射射线摄影而采集对象的图像的方法、适于当在处理器上执行时控制这样的方法的计算机程序单元以及在其上存储这样的计算机程序单元的计算机可读介质。
背景技术
基于透射射线摄影的常规的X射线成像应用一般依赖于理想的点状X射线源的原理。然而，可能从未实现理想的点状源，并且，实际的X射线源总是具有空间扩展，空间扩展在某种程度上确定成像系统的空间分辨率。因此，成像应用对源尺寸设置约束条件。对于特定的大小的X射线源，除非分辨率不受到诸如探测设备的成像链中的其他部件的累及，否则可得到的图像质量最终由信噪比确定。结果，在成像应用中总是期望较高的X射线通量，以便将采集时间保持得尽可能地短。
用于X射线生成的常规的标准是X射线管，其中，加速的电子撞击到固体靶材料上，由此，产生X射线。在良好近似的情况下，入射在靶上的电子束的空间维度确定所生成的X射线的源的大小。在X射线管中，电子穿透靶并生成X射线的区域被称为焦斑。为了达到特定的光斑大小，需要例如通过利用包括电场和/或磁场的电子光学器件来将电子聚焦到靶来控制焦斑的大小。影响X射线源的大小的另一个方法是使用针对X射线的准直器。X射线的聚焦是高度波长选择性的，因此，强烈地减少X射线管的X射线通量，并且，因此，在大部分情况下是不实际的。
然而，当将电子束聚焦于靶上的小焦斑时，必须小心不引起各种问题或限制效果。
第一，在X射线管中，可能要求诸如阴极和影响电子束的光学性质的电子光学器件的部件的小心的设计。尤其是对于达到微米范围大小的小焦斑而言，电子光学像差可能提出技术挑战。此外，空间电荷效应在高电流密度的电子束下可能影响焦斑的大小。作为使电子束聚焦以便生成X射线靶上的小焦斑的替代方案，可以通过利用具有足够小的直径的针孔进行准直而提供控制X射线源的大小的又一方法。然而，准直需求例如微米范围内的小直径，因为需要确保准直器有效吸收X射线。这对于频繁地用于医学成像应用的具有例如大约100keV的能量的硬X射线而言尤其如此。
第二，在X射线管中，电子能量的主要部分一般转换为热。这导致靶材料中的温度上升，其中，最高温度出现在焦斑中。结果，电子束电流受到防止靶材料的熔融的需要的限制。过量的束电流可能导致靶过热，必须避免靶过热，以便保持X射线源的功能。理论表明，焦斑中的温度上升与撞击电子束的功率密度成比例。因此，在常规的X射线管中，针对X射线生成在焦斑大小和X射线强度之间进行折衷。对于成像应用而言，这意味着所采集的对象图像的分辨率和信噪比之间的折衷。
靶过热可能表示X射线管设计中的巨大的挑战。对于医学成像而言，旋转靶是用于解决焦斑中的热负荷的标准策略。然而，像心脏计算机断层摄影那样的应用可以强烈地得益于具有甚至更高的X射线输出的X射线管。对于具有微米范围内的微小的焦斑的微聚焦X射线管而言，旋转阳极的机械公差对于所要求的X射线源的空间稳定性而言可能太大。受限的X射线通量可能是造成高分辨率X射线检查设备中的长的采集时间的原因。
具有从单个焦斑放射的单个X射线强度最大值的上述X射线源的替代方案可以是所谓的利用X射线的编码源成像(CSI)的方法。CSI的基本理念是使用具有多个强度最大值以代替单个强度最大值的结构化X射线源。当在X射线成像设备中使用时，这样的多个强度最大值可能导致探测屏幕上的重叠的图像，引起所成像的对象的空间分辨率的明显的损失。然而，当已知X射线源的精确的强度图案时，可以使用解码算法来校正来自不同的强度最大值的重叠，并且，可以获得叠合的对象图像。可达到的分辨率仍然可以由单独的X射线强度最大值的大小确定，而非由X射线源强度分布的包络确定。
CSI的理念受已应用于X射线天文学和放射性核素成像的所谓的编码孔成像(CAI)启发。简而言之，CAI是X射线的针孔摄像机的扩展，其中，使用编码孔罩代替单个针孔。与单针孔准直器相对，编码罩允许记录具有更高的信号强度的图像。
该理念能够传递至编码源成像。在Antonio L.Damato的“Coded sourceimaging for neutrons and X-rays”，2006IEEE Nuclear Science SymposiumConference Record，第199-203页中提出了用于X射线检查的编码源成像的原理。简而言之，编码源成像的理念是将可以由针孔实现的单个近似点状的X射线辐射源与另一个更明亮的X射线辐射源交换。一个目标可以是通过增大信噪比而改进成像特性。通过增大针孔的透射面积，因而增大用于成像的X射线的通量，从而可以达到该目标。然而，由于可达到的分辨率总是取决于单个X射线源的几何扩展，因而源大小的这样的增大将导致可达到的分辨率的恶化。增大信噪比的另一个简单的理念可以是以两个针孔代替单个针孔。直接看出，在成像中实际使用的光子的数量可以加倍。检查对象的两个图像投射在探测器上。如果选择针孔距离，从而两个图像不重叠，那么，包含结合两个图像的重建将给出比单个针孔更好的计数统计。代替两个针孔，能够提供一组若干针孔，以获得编码源。对于多个针孔的特定的几何布置而言，可达到的空间分辨率不受使用若干源的影响，而是由单个针孔的大小确定。因此，在使用若干针孔，即编码源以便增大X射线通量优于增大单个针孔的大小，因为编码源可以不使可达到的成像分辨率恶化而增大信噪比。两个针孔的编码源的示例可以强调CSI的两个基本特征：(a)编码源中的图案的重要性和(b)对所探测到的图像的随后的解码的需要。编码源图案的具体的选择在系统的信噪比的优化中可能是最重要的。所探测到的图像的解码也可能取决于图案。
发明内容
可能存在着对电子发射器、包括这样的电子发射器的X射线管以及包括这样的X射线管的X射线图像采集设备的需要，其中，可以减少或克服在常规的X射线管的背景下描述的上述缺陷中的至少一些。尤其是，可能存在着对电子发射器、X射线管以及X射线图像采集设备的需要，其中，X射线图像采集设备可以有利地适于编码源成像。此外，可能存在着对采集对象的图像的方法、用于当在处理器上执行时控制这样的方法的计算机程序单元以及在其上存储这样的计算机程序单元的计算机可读介质的需要，其中，该方法允许克服上述现有技术的缺陷中的至少一些，并且，可以特别适于编码源成像。
可以由根据独立权利要求的主旨满足这些需要。在从属权利要求中描述本发明的有利的实施例。
根据本发明的第一方面，提出了一种用于X射线管的电子发射器。电子发射器包括阴极和阳极。其中，阴极包括彼此间隔开的多个局部区域的电子发射图案，每个区域适于在将电场施加于阴极和阳极之间时经由场发射而局部地发射电子。
根据本发明的第二方面，提出了一种X射线管，该X射线管包括根据本发明的第一方面的电子发射器，并且，还包括靶区，该靶区适于在加速电子的碰撞时进行X射线发射。其中，调整X射线管，使得从电子发射器的阴极的电子发射图案的区域发射的电子以与电子发射图案相对应的图案撞击到靶区上。
根据本发明的第三方面，提出了一种X射线采集设备。该设备包括根据上面的本发明的第二方面的X射线管，并且，还包括X射线探测器和图像处理器。其中，X射线探测器适于探测来自X射线管的X射线的强度分布。此外，图像处理器适于基于所探测到的强度分布和电子发射图案这两者的信息而导出图像信息。
根据本发明的第四方面，提出了一种采集对象的图像的方法。该方法包括：根据彼此间隔开的多个局部区域的电子发射图案发射电子，每个区域适于在将电场施加于阴极和阳极之间时经由场发射而局部地发射电子；在根据电子发射图案发射的电子的碰撞时生成X射线；将X射线透射通过对象；利用适于探测X射线的强度分布的X射线探测器来探测透射的X射线；以及基于探测到的强度分布和电子发射图案这两者的信息而导出图像。
根据本发明的第五方面，提出了一种计算机程序单元。该计算机程序单元适于当在处理器上执行时，控制根据本发明的第四方面的方法。
根据本发明的第六方面，提出了一种计算机可读介质。该计算机可读介质在其上存储根据本发明的第五方面的计算机程序单元。
基于下列理念，可以看出本发明的主旨：
如上所述，具有碰撞X射线发射靶的单个聚焦的电子束的常规的X射线管可能遭受制约，例如受限的信噪比和靶过热。在本文中提出的方法包括使用具有电子发射区域的图案的结构化的电子发射器来生成空间结构化的电子束。从而，能够实现电子束强度的空间调制。例如，能够由电子发射器发射若干分开的电子束，其中，每个局部电子发射区域发射一个受限的电子束。包括若干分开的子束的空间调制的整个电子束可以朝向阳极加速，并且，可以在碰撞到靶区上时创建图案化X射线源，该图案化X射线源具有与电子束的强度图案对应的X射线强度分布。因而，所创建的图案化X射线源可以用于编码源成像，其中，每个X射线强度最大值可以用作分开的X射线源。然后，可以将所有X射线源组合的X射线透射通过将被观察的对象。能够由X射线探测器探测所透射的X射线强度。所探测到的X射线强度分布可以与重叠的X射线投影对应，该X射线投影来自由X射线管提供的若干分开的X射线源中的每个。根据所探测到的X射线强度，能够使用所探测到的强度分布和电子发射器的电子发射图案这两者的信息来导出将被观察的对象的图像。确切地知道电子发射器中的局部电子发射区域的图案可以提供关于X射线管的X射线强度分布的信息，在该X射线管中，将来自局部电子发射区域的电子投影到靶区上。关于图案化X射线强度分布的信息可以用于将所测量的透射的总X射线强度分布“分解”或“反卷积”，从而允许生成高质量的X射线图像，在该图像中，分辨率主要由单独的强度最大值的大小设置，并不由整个X射线源强度分布的包络设置。
换句话说，通过使用结构化的电子源，能够生成具有特定图案的多个X射线强度最大值，这有助于图像信号，而不累及图像质量。因此，电子能够撞击在靶区中的较大的区域上，这可以放宽热限制。这可以允许X射线输出的增加，因而使图像采集能够在更短的时间内进行并具有更好的信噪比。
在根据本发明的第一方面的电子发射器中，多个局部区域中的每个适于经由场发射局部地发射电子。基于场发射的电子发射与电子的热离子发射相比可以提供若干个优点。例如，能够设计发射器，从而场发射能够受限于明确限定的区域。
对于热离子发射，电子发射材料一般需要加热至超过1.000℃的升高的温度。由于例如通过热扩散和/或辐射的电子发射表面的热量的横向输送而导致控制这样的高温可能是困难的。因此，在热离子电子发射器中，几乎不可能以稳定的方式维持温度分布。
与此形成对比的是，通过场发射而发射的电子可以从不必加热的发射器的表面发射。能够通过诸如平版印刷处理的被认可的方法而使场发射区域结构化，从而能够限定明确限定的局部电子发射区域。如下面进一步更详细地描述，碳纳米管能够以特别的图案和布置在基板上生长。这样的局部场发射区域的大小可以跨越几微米至高达几毫米的大范围。由于通过场发射而发射的电子是“冷”的，即，具有较低的动能，因而这样的场发射电子的速度分布可能比在高温下通过热离子发射而发射的电子的速度分布更低。由于该减少的速度分布而导致以减少的散度发射电子。
以下，将描述本发明的各方面的实施例的可能特征和优点。
根据本发明的第一方面的电子发射器包括阴极和阳极。在工作期间，能够在阴极和阳极之间施加电压，从而在其间创建强电场。
阴极可以包括指向阳极的表面。在该表面上，可以提供多个局部电子发射区域。如下面进一步详细地描述，这些区域可以具有特定的几何形状，即例如特定的区域大小和区域之间的距离，并且具有特定的材料和/或特定的表面结构，以便合适地适于具有期望的强度分布的电子的场发射。
能够调整阳极使得，优选地，在施加电压时能够在阴极和阳极之间创建均匀电场。例如，可以提供环形电极或网状电极。阳极和阴极这两者都可以提供有导电材料。
在施加非常高的外部静电场时，可以发生来自实心导体的电子的场发射。通常，通过施加10kV/mm数量级的微观外部场，并且，优选将该场在发射器表面的尖针或边缘局部地提高至高得多的值，从而获得发射器的表面的该高电场。外部电场可以减少表面势垒，以允许电子贯穿该势垒并离开固体材料。场发射电流遵循所谓的福勒-诺德海姆方程，并且，取决于电场的幅度、发射器的材料的功函数以及由于发射器表面的几何形状导致的局部场增强因子。因而，场发射电流可以强烈地取决于材料的功函数，并且，取决于所施加的且可能局部地增强的电场。
由于电子发射区域是“冷”发射器，因而可以将阳极或栅极放置为靠近阴极，以允许非常快速的低电压切换。此外，由于场发射电流直接取决于提取电场，因而也能够将阳极用于调制电子束电流。例如，能够通过将电压切换成较低的电压而切换场发射，从而减少或者抑制场发射。对于医学X射线检查中的应用而言，例如对于快速剂量调制而言，这可能是一个非常令人感兴趣的选择。由于电子是“冷”的，因而以低散度发射电子。结果，可以将电子发射图案直接绘制到靶上，从而创建相应的X射线源图案。
根据实施例，局部区域在电子发射器的阴极上的宽度小于距最接近的相邻的局部区域的距离。换句话说，每个局部区域的横向尺寸可能小于相邻的局部区域之间的空间的横向尺寸。例如，局部区域的横向尺寸可以在从几微米至几毫米的范围内，例如，1μm和20mm之间，优选为3μm和10mm之间。相邻的局部区域之间的距离至少大于局部区域的横向尺寸，优选为局部区域的尺寸的至少两倍，并且，进一步优选为局部区域的尺寸的至少5倍。例如，相邻的局部区域之间的距离可以是5μm和10mm之间，优选为10μm和2mm之间。局部区域中的每个都可以具有任意的轮廓，例如圆形或方形。单独的局部区域可能横向尺寸和形状不同。当局部区域具有变化的横向尺寸时，多个局部区域的最小的横向尺寸可以小于相邻的局部区域之间的空间的横向尺寸。多个局部区域能够以诸如方阵的任何任意的图案布置。可以调整局部区域的几何形状和布置，使得从局部区域发射的所得到的电子束在碰撞到X射线靶区时提供X射线强度分布，该X射线强度分布适合于编码源成像。
根据实施例，电子发射器的阴极上的局部区域具有在显微镜下粗糙的表面。该粗糙表面可以适于使来自局部区域的通过场发射生成的电子发射电流最大化。如上面已经指示的，场发射可以是电子对体积(bulk)的表面势垒进行量子机械贯穿而进入自由空间的结果。场发射的电子的数量强烈地取决于相应表面处的局部电场E[V/m]。能够通过使用包括尖的导电针的粗糙表面而增大场发射电流，因为在小的结构处，可能出现局部场强的强烈增强。在二极管类型的布置中，通过施加在阴极和相对的阳极之间的电压而生成电场。宏观场能够近似地由电压U和距离d量化，并且，等于U/d。局部地，发射器附近的电场的强度可能与U/d不同，因为宏观场可以包括电荷分布。场增强可以取决于场发射器的几何形式和相邻的场发射器的几何布置。数量上，场增强可以由场增强因子γ描述，从而电场为E＝γ·(U/d)。基于场发射的电子发射器可以得益于这样的场增强，因为场增强减小创建提供足够的场发射的局部场所需要的外部电压。优选地，场发射器具有带有非常窄的尖端的锥形形式，因为这样的几何形状导致强烈的场增强。
可以通过以有利于场增强的方式构造材料而设计场发射器的几何形状。优选地，结构大小在可以由纳米加工技术而生成的纳米至几微米的范围内，该纳米加工技术例如是电子束平版印刷、聚焦离子束加工或分子自组装技术。因此，可以利用这样的制造过程来实现阵列中的多个场发射器的布置。可替代地，可以实现场发射结构的不规则的布置，从而场发射表面有效地具有粗糙度，其中，在粗糙表面的升高处出现场增强。导致最佳场发射电流的详细的表面形貌可以取决于化学成分，并且，因而取决于有关的材料性质，如场发射器的电功函数或机械强度。
表面粗糙度可以以例如原子力显微镜的扫描探针技术为特征或以诸如扫描电子显微镜的高分辨率表面成像技术为特征。可以通过在5μm乘5μm的表面面积上以5nm的步长扫描表面而确定粗糙度。表面形貌本身表现为在扫描程序中获得的表面剖面中的峰和谷。对于场发射而言，突起的宽度和高度的大的比是有益的。优选地，峰高和峰宽的平均的比等于至少五的倍数，优选为100和1000之间。
根据本发明的实施例，电子发射器的阴极上的局部区域包括由碳纳米管(CNT)制成的表面层。碳纳米管可以被描述为被卷起并形成细长管的石墨薄板。虽然长度能够达到几微米，甚至毫米，但管的宽度可以仅为几纳米。单壁纳米管(SWNT)由单个石墨圆柱体构成。多壁纳米管(MWNT)由以巢状、洋葱状的结构卷起的若干个石墨薄板构成。MWNT一般是导电体，而SWNT是半传导或金属传导，这取决于将石墨薄板卷起的方式。
MWNT可以具有若干个突出的特性。它们可以是良好的导电体，并且，它们的较高的长径比和大约5eV的较低的功函数使得它们作为场发射的良好的候选。由于它们的壁由非常牢固的石墨结构制成，因而它们也可以具有高的机械强度，此外，它们在化学上相当惰性且耐溅射。这些特性可以有利的，以达到X射线管中的电子发射器的期望的寿命。高的机械强度可以允许产生具有大的长径比，即大的长度和直径的比的场发射器。这可以导致有利的场增强因子。对于CNT发射器的表面层而言，可以存在不同的表面形貌。可以将单个地分离的管布置在表面上，其中，所有管相对于彼此而对准，并且，单独的CNT之间的距离能够比其长度大得多。可替代地，CNT可以密集地布置为在阵列中彼此紧邻或具有管相对于彼此的随机的定向。取决于表面形貌，所选择的CNT将在表面上突出，因而经历场增强的更强的影响。这些CNT发射器可以主要地有助于电子发射电流。
起作用的CNT发射器优选地具有距相邻的邻居的横向距离，以便避免减少场增强的屏蔽。然而，稀疏的密度减少每单位面积的起作用的CNT发射器的数量。因此，存在着升高的CNT发射器之间的最佳距离，该最佳距离使场发射电流最大化。如在CNT发射器的情况下，场发射针之间的优选的距离优选为该场发射针高于表面区域的高度的两倍大，这并不有助于场发射或仅最低限度地有助于场发射。
单独的CNT被报道为能够携带高达1μA的稳定的发射电流。由于医学X射线管可能要求大约100mA至超过1A的范围内的电子束电流的高功率管，因而可能要求覆盖1em2面积的良好发射的CNT阵列，以制造用于X射线管的冷电子发射器。
一种设置CNT并控制表面形貌的方法是通过创建在平面基板上填充有场发射器的限定的区域，例如通过基板的平版印刷处理，如由例如Z.Chen：“Fabrication and characterization of carbon nano arrays using sandwichcatalyst stacks”，Carbon 44，2006，第225-230页描述。
为了增大沉积的CNT层的表面粗糙度，在沉积之后，可以由包括例如氢气(H2)、氮气(N2)或氧气(O2)的微波等离子体处置该层。从而，可以将例如不需要的无定形碳成分从CNT覆盖的区域去除，从而暴露出可以由下层垂直相邻的CNT创建的非常粗糙的表面。
根据本发明的实施例，电子发射器的阴极上的电子发射图案的局部区域二维地布置在平面中。例如，局部区域能够以矩阵状图案布置，局部区域的线性行列布置为彼此相邻并以足够的距离彼此间隔开。可以调整局部区域在二维电子发射图案中的布置和尺寸，使得由于发射的电子束而导致在碰撞到靶区时生成调制的X射线强度分布，靶区强度分布适合于随后的编码源成像。
根据本发明的实施例，电子发射器的阴极上的电子发射图案包括均匀冗余阵列。这样的均匀冗余阵列(URA)起初针对编码孔成像(CAI)而开发，并且，例如由E.E.Fenimore和T.M.Cannon在Applied Optics，1.1978年2月，第17卷，第3号，第337-347页描述。URA具有与完全平坦的旁瓣的自相关函数。URA将随机阵列的高透射特性与非冗余的针孔阵列的平坦旁瓣优点结合。在利用使用根据URA的源图案的X射线的透射射线摄影中，自相关函数表示系统点扩散函数。这为利用URA的X射线成像给予以与单源成像相比增大的信噪比进行成像的能力。
根据本发明的上述第二方面的X射线管，除了在本文中先前描述的电子发射器以外，还包括适于在加速电子的碰撞时进行X射线发射的靶区。该靶区可以是电子发射器的阳极的一部分，从而从阴极上的局部区域发射并通过施加在阴极和阳极间的电场而朝向阳极加速且然后撞击到阳极的靶区上的电子生成X射线，然后，X射线可以沿朝向将被检查的对象的方向发射。可替代地，靶区可以是分开的靶的一部分，该靶布置在从阴极发射的电子束沿朝向阳极的方向的路径内。靶区的材料可以具有大的原子序数和/或与撞击电子束的大的有效横截面，从而在加速的电子的碰撞时有效地生成X射线。例如，靶区可以由诸如钨或钼的耐高温重材料制成。
调整根据本发明的实施例的X射线管，使得从阴极的电子发射图案的局部区域发射的电子以与电子发射图案对应的图案撞击到靶区上。换句话说，可以使在电子发射图案内的阴极的表面处发射的电子朝向靶区加速，其中，在电子碰撞到靶区上时基本上保存整个电子强度分布。从而，在靶区生成的X射线可以包括通常与以电子发射图案发射的电子强度分布对应的X射线强度分布。因而，由于能够例如通过平版印刷处理容易地构造电子发射图案，因而能够使用上述的电子发射器来生成期望的X射线强度分布，该X射线强度分布可以适合于随后的编码源成像。当电子轨迹扭曲时，可以布置场发射区域，从而在入射到靶区上时的电子强度分布创建期望的X射线强度分布。
根据本发明的实施例，靶区适于作为透射靶，从而在电子从靶区的一侧碰撞时，在靶区的相反侧发射X射线。例如，能够将靶区作为诸如钨或钼的X射线发射材料的薄板或箔而提供。薄板或箔可以具有小得能够使在加速电子的碰撞时生成的轫致辐射向相反表面透射并且从其处朝向感兴趣对象发射的厚度。
根据本发明的实施例，靶区适合作为倾斜靶，从而在来自靶区的一侧的电子的碰撞时，在靶区的相同侧沿与碰撞电子的方向具有角度的方向发射X射线。这样的倾斜靶可以利用与上述的透射靶相同或相似的材料来制成，但其可以具有更大的厚度，从而在加速电子的碰撞时生成的轫致辐射不透射至相反表面，而是可以在电子的碰撞的表面出射靶。通过将靶区相对于进入电子束而以倾斜角布置，从而所生成的X射线可以沿并不与进入电子的方向直接相反的方向发射，而沿与进入电子的方向具有例如10°和170°之间、优选为80°和100°之间的角的方向发射。倾斜靶可以是固定安装的靶或旋转靶。倾斜阳极的优点可以是减少从预期的X射线发射方向观看的明显的源侧。
根据本发明的实施例，X射线管还包括电压源，该电压源适于在电子发射器的阴极和阳极之间施加电压，从而建立至少1kV/mm、优选为4kV/mm的电场。已发现，将这样的强电场施加于在其上具有电子发射图案的阴极和阳极之间可以实现或支持根据电子发射图案的电子的场发射。电压源可以是X射线管的一部分，一体或作为分开的设备，或者，可替代地，电压源可以是电子发射器本身的一部分。
根据本发明的第三方面的X射线图像采集设备包括根据本发明的第二方面的上述的X射线管，此外，包括X射线探测器和图像处理器。
X射线探测器适于探测来自X射线管的X射线的强度分布。例如，X射线探测器可以是适于同时地探测X射线的二维强度分布的二维探测器阵列。可替代地，X射线探测器可以是一维线探测器，或者，在极端情况下，甚至可以是单像素探测器，该单像素探测器可以扫描来自X射线管的X射线的一维或二维强度分布。
图像处理器适于基于所探测的X射线强度分布和电子发射器的阴极的电子发射图案这两者的信息而导出图像信息。换句话说，另一方面，图像处理器例如直接地从X射线探测器接收关于所探测的X射线强度分布的信息。另一方面，图像处理器拥有关于阴极上的局部电子发射区域的图案的信息，从而至少间接地拥有关于由X射线管发射的X射线的局部强度分布的信息。拥有该信息，图像处理器可以导出将被检查的对象的图像，并且，来自X射线管的X射线在由X射线探测器探测之前透射通过该对象，其中，图像处理器可以使用关于电子发射图案的信息，以便通过对由X射线探测器探测的X射线强度分布的重建/反卷积而生成对象的高质量X射线图像。可以通过放置在其几何区域上具有明确限定的透射行为的对象而确定从X射线管发射的X射线的X射线强度分布。一个示例是具有小直径的针孔，该针孔可以将源的X射线强度分布的放大的投影投射到X射线探测器上。
根据本发明的实施例，图像处理器适于编码源成像。上面已进一步描述这样的编码源成像的细节和原理。
上述的电子发射器、X射线管以及X射线采集设备的特征和原理也可以传递至根据本发明的第四方面的采集对象的图像的方法、根据本发明的第五方面的计算机程序单元以及根据本发明的第六方面的计算机可读介质。
换句话表达，本发明的特征及本发明的实施例可以总结如下：虽然大部分常规的X射线成像应用依赖于生成单个——理想地点状的——X射线源的X射线管，但在本文中提出，提供X射线管的结构化电子发射器，从而电子束在特定的几何图案中生成若干个X射线源强度最大值，以代替仅单个强度最大值。因此，通过场发射而从阴极上的特定的局部区域发射电子电流。能够通过使用针对X射线源的特定的强度图案并通过将专用的解码算法应用于所采集的图像上而校正由于探测器上的重叠的图像而导致的空间分辨率的明显的损失。使用这样的所谓的编码源成像方案提供增加X射线输出但不牺牲空间分辨率的方式。
已注意到，已参考本发明的不同的实施例来描述本发明的特征和优点，尤其是，已关于本发明的不同的装置类型的方面和方法类型的方面而提出特征和优点。然而，本领域技术人员还将从上述和下列描述中意识到，除非另有说明，否则除了属于一个实施例的特征的任何组合之外，关于不同的实施例的特征之间的任何组合也被认为在本申请内公开。
附图说明
关于如在附图中所示的特定的实施例而进一步描述本发明的特征和优点，但本发明不应该限于特定的实施例。
图1示出了根据本发明的实施例的采集对象的图像的方法的基本原理；
图2示出了根据本发明的实施例的电子发射器的侧视图；
图3示出了根据本发明的另一实施例的可替代的电子发射器的侧视图；
图4示出了根据本发明的实施例的具有适合作为透射靶的靶区的电子发射器的透视图；
图5示出了根据本发明的实施例的具有与在图4中所示的电子发射相似的电子发射的X射线图像采集设备的侧视图；
图6示出了根据本发明的实施例的具有适合作为倾斜靶的靶区的电子发射器的透视图；
图7示出了根据本发明的实施例的具有与在图6中所示的电子发射器相似的电子发射器的X射线图像采集设备的侧视图；
图8示出了根据本发明的实施例的电子发射器的阴极的表面上的顶视图；
图9示出了针对根据本发明的实施例的电子发射器的阴极的包括均匀冗余阵列的电子发射图案的示例；
图10示出了沿着线A-A的图8中所示的由电子发射器发射的电子的强度分布和相应的X射线强度分布；
图11示出了根据本发明的实施例的X射线图像采集设备的示意性表示。
附图中的所有图仅仅是示意性的，并不按比例尺缩放。附图中的相似的元件以相似的参考符号被提及。
附图标记列表
1电子发射器
3阴极
5阳极
7基板
9电子发射图案
11局部区域
13电压源
15电子束
17阳极开口
19X射线靶
21电子强度分布
23X射线强度分布
100X射线管
102X射线束
104对象
106X射线探测器
108图像处理器
110最终图像
112C型臂
200X射线图像采集设备
具体实施方式
参考图1来描述使用本发明的实施例的编码源成像的原理。X射线管100不仅适于发射单个X射线束，而且还适于发射若干间隔开的X射线束102。X射线束102指向对象104并透射对象104。然后，所透射的X射线投影到X射线探测器106上。在探测器106的探测表面上，获得由多个X射线102产生的对象104的若干至少部分重叠的投影。然后，探测器106将所探测到的图像传输至图像处理器108。然后，该图像处理器108通过使用先前提供的关于从X射线管100放射的多个X射线102的精确布置和大小的信息来对所探测到的图像进行反卷积，从而导出对象104的图像信息。由此，可以获得对象104的最终图像110，其中，最终图像具有高分辨率，这主要受若干X射线102的单个的质量的限制，而不是基于由所有X射线束102提供的X射线分布的包络。
图2示出了电子发射器1的实施例。电子发射器1包括阴极3和阳极5。阴极3包括基板7，基板7在其一个表面上包括电子发射图案9，电子发射图案9包括空间上分开的局部区域11。阴极3和阳极5连接至电压源13。调整局部区域11，使得在将电压施加至阳极5和阴极3时，经由场发射从局部区域发射电子。出于该目的，局部区域可以由具有小的功函数的特定的材料制成，从而电子可以相对容易地从局部区域11的材料的表面出射。可替代地或另外地，局部区域11可以具有粗糙表面，从而在局部区域的表面的边缘或针处，局部地增强阳极5和阴极3之间的电场。例如，局部区域可以碳纳米管层覆盖，该碳纳米管优选地彼此相邻而垂直地布置，以便沿朝向阳极5的方向形成非常粗糙的表面。调整位于局部区域11之间并将这些局部区域11空间地分开的区域，使得不发射电子或经由场发射而至少仅发射很少的电子。因此，这些间断的区域可以具有不同的材料或不同的表面结构，例如平坦的表面。
然后，使经由场发射而从局部区域11发射的电子朝向阳极5加速，从而形成电子束15。这些电子束15可以透射通过网格状的阳极5，并且，可以进一步朝向X射线管(在图2中未显示)的靶行进。在那点上，碰撞的电子束15可以生成相应的间隔开的X射线束。
图3示出了电子发射器1’的可替代的实施例。其中，阳极5’作为环阳极5’而提供。电子束15可以透射通过环阳极5’的内部开口17。
图4示出了电子发射器1”的可替代的实施例。其中，阳极5也用作X射线靶19。通过使用电压源13在阳极5和阴极3之间施加的电压而使从阴极3上的局部区域11发射的电子束15朝向阳极5加速。在该实施例中，阳极5由钨的薄箔制成。在电子束15碰撞于阳极5的箔上时，电子在箔内减速，从而生成透射通过箔并在阳极的相反侧上作为X射线束102而发射的轫致辐射。因此，阳极5也用作X射线靶19。
图5示意性示出了包括与在图4中所示的电子发射器相似的电子发射器1”的根据本发明的实施例的X射线图像采集设备200。将在X射线管100’的阳极/靶5/19处生成的X射线束102朝向将被观察的对象104发射。然后，将透射通过对象104的X射线102投影到X射线探测器106上。探测器106探测整个图像，包括分开的X射线102的重叠的子图像。然后，将整个图像传输至图像处理器108，其中，将整个图像反卷积，以便生成最终图像110。出于该反卷积的目的，可能很重要的是，得知在靶19处发射的X射线强度分布，或者，由于该X射线强度分布取决于电子发射器1”中的局部区域11的布置，因而可能很重要的是，拥有关于包括局部区域11的电子发射图案9的布置和尺寸的精确的信息。
图6和7示出了电子发射器1’”和X射线图像采集设备200’的可替代的实施例。其中，阳极5’作为固体楔而提供，从而创建倾斜靶19’。来自局部区域11的电子束15从靶19’的一侧碰撞到该倾斜靶19’上，并且，创建轫致辐射。该轫致辐射在倾斜靶19’的相同侧以相对于电子束15的方向的大约90°的角度作为X射线发射。然后，X射线束102透射通过对象104，并且，在X射线探测器106上被探测到，X射线探测器106最终将探测结果传输至图像处理器108。
图8和9示意性示出了根据本发明的实施例的电子发射器1的阴极3的表面上的顶视图。在图8中，电子发射图案9是纵横布置的单个局部区域11的简单矩阵。其中，局部区域11的宽度w明显比相邻的局部区域11之间的距离s更小，例如，小一半。当然，局部区域11不必为矩形，而是能够具有任何合适的形状。对于图像处理器108内的最终图像的反卷积而言，可能重要的是，拥有关于电子发射图案9的整个几何形状的信息，尤其是关于局部区域11的形状，关于局部区域11的诸如宽度w的横向尺寸以及关于相应的相邻的局部区域11之间的距离s。此外，应当可得到关于电子发射图案9的几何形状是如何经由场发射电子束15而投影到靶19上的信息，以便拥有关于在这样的靶19处生成的横向X射线强度分布的信息。
图9示出了实现为均匀冗余阵列的电子发射图案9’的可替代的示例。
图10在其上图中示出了沿着图8中的线A-A的由在图8中所示的电子发射图案9发射的电子的强度分布21。能够看出，电子强度在局部区域11的区域中最大，而在间断的间隔区域中，电子强度几乎为零。因此，电子束沿着电子发射器1的横向表面的分布强烈地与电子发射图案9相对应。在图10的下图中，沿着图8的线A-A示出了由电子发射器1发射的电子碰撞到靶19上而生成的X射线的强度分布23。能够看出，X射线强度分布23仍然具有与电子发射图案9的几何形状的良好的相关性。
图11示出了表示X射线图像采集设备200的示例的C型臂X射线系统。X射线源100和探测器106布置在可以相对于对象104平移并枢轴转动的C型臂112。可以将探测器的数据传递至图像处理器108。
最终，应当注意到，术语“包含”、“包括”等不排除其他元件或步骤，并且，术语“一”或“一个”不排除多个元件。同样，可以组合与不同的实施例相关联而描述的元件。还应当注意到，权利要求书中的附图标记不应当被解释为限制权利要求书的范围。
Claims (15)
1.一种用于X射线管(100)的电子发射器(1)，所述发射器包括：
阴极(3)；和
阳极(5)；
其中，所述阴极(3)包括彼此间隔开的多个局部区域(11)的电子发射图案(9)，每个区域适于在将电场施加于所述阴极(3)和所述阳极(5)之间时经由场发射局部地发射电子。
2.如权利要求1所述的电子发射器，其中，局部区域(11)的宽度(w)小于距最接近的相邻的局部区域(11)的距离。
3.如前述权利要求中的任一项所述的电子发射器，其中，所述局部区域(11)具有在显微镜下粗糙的表面。
4.如前述权利要求中的任一项所述的电子发射器，其中，所述局部区域(11)包括用碳纳米管制成的表面层。
5.如前述权利要求中的任一项所述的电子发射器，其中，所述电子发射图案(9)的所述局部区域(11)二维地布置在平面中。
6.如前述权利要求中的任一项所述的电子发射器，其中，所述电子发射图案(9)包括均匀冗余阵列。
7.一种X射线管(100)，包括：
如权利要求1至6中的任一项所述的电子发射器(1)；和
靶区(19)，其适于在加速电子的碰撞时进行X射线发射；
其中，调整所述X射线管(100)，使得从所述阴极(3)的所述电子发射图案(9)的局部区域(11)发射的电子以与所述电子发射图案(9)对应的图案撞击到所述靶区(19)上。
8.如权利要求7所述的X射线管(100)，其中，所述靶区(19)适于作为透射靶(19’)，从而在来自所述靶区的一侧的电子碰撞时，在所述靶区的相反侧发射X射线。
9.如权利要求7所述的X射线管(100)，其中，所述靶区(19)适于作为倾斜靶(19”)，从而在来自所述靶区的一侧的电子碰撞时，在所述靶区的相同侧沿与所述碰撞的电子的方向具有角度的方向发射X射线。
10.如权利要求7至9中的任一项所述的X射线管(100)，还包括：
电压源(13)，其适于在所述电子发射器(1)的所述阴极(3)和所述阳极(5)之间施加电压，从而建立至少1kV/mm的电场。
11.一种X射线图像采集设备(200)，包括：
如权利要求7至10中的任一项所述的X射线管(100)；
X射线探测器(106)；以及
图像处理器(108)；
其中，所述X射线探测器(106)适于探测来自所述X射线管(100)的X射线的强度分布(21)；
其中，所述图像处理器(106)适于基于所探测的强度分布(21)和所述电子发射图案(9)这两者的信息导出图像信息。
12.如权利要求11所述的X射线图像采集设备(200)，其中，所述图像处理器(106)适于编码源成像。
13.一种采集对象(104)的图像(110)的方法，所述方法包括：
从彼此间隔开的多个局部区域(11)的电子发射图案(9)发射电子，每个区域适于在将电场施加于阴极(3)和阳极(5)之间时经由场发射局部地发射电子；
在从所述电子发射图案(9)发射的电子碰撞时生成X射线(102)；
将所述X射线透射通过所述对象(104)；
利用适于探测X射线的强度分布(21)的X射线探测器(106)来探测所透射的X射线；以及
基于所探测的强度分布(21)和所述电子发射图案(9)这两者的信息导出所述图像。
14.一种计算机程序单元，其适于当在处理器上执行时，控制如权利要求13所述的方法。
15.一种计算机可读介质，在其上存储如权利要求14所述的计算机程序单元。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP09156403.9 | 2009-03-27 | ||
| EP09156403 | 2009-03-27 | ||
| PCT/IB2010/051230 WO2010109401A1 (en) | 2009-03-27 | 2010-03-22 | Structured electron emitter for coded source imaging with an x-ray tube |
Publications (1)
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