CN102456527A - 用于电磁可控x射线管中的提高的瞬态响应的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电磁可控x射线管中的提高的瞬态响应的设备和方法。x射线管组件(14)包括真空罩(52)，其包括阴极部(56)、靶部(60)和喉道部(84)。该喉道部(84)包括磁场段(100)、上游段(110)和下游段(118)。该磁场段(100)具有第一磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该上游段(110)耦合于该阴极部(56)和该磁场段(100)并且具有第二磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该下游段(118)耦合于该磁场段(100)并且具有第三磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。产生涡流的该第一磁化率小于产生涡流的该第二和第三磁化率。该组件(14)包括该靶部(60)内的靶(58)，和该阴极部(56)内的阴极(54)。

Description

用于电磁可控x射线管中的提高的瞬态响应的设备和方法

技术领域

本发明的实施例大体上涉及诊断成像，并且更加具体地涉及用于电磁可控x射线管中的提高的瞬态响应的设备和方法。

背景技术

X射线系统典型地包括x射线管、检测器和用于该x射线管和该检测器的支撑结构。在操作中，成像台架(对象安置在其上)位于该x射线管和该检测器之间。该x射线管典型地朝该对象发射例如x射线等辐射。该辐射典型地通过在该成像台架上的该对象，并且撞击该检测器。当辐射通过该对象时，该对象的内部结构引起该检测器处接收的辐射中的空间变化。该检测器然后传送接收的数据，并且该系统将这些辐射变化转换成图像，其可用于评价该对象的内部结构。本领域内技术人员将认识到该对象可包括但不限于在医疗成像程序中的患者和如在例如在x射线扫描仪或计算机断层摄影(CT)包裹扫描仪中的包裹中的无生命对象。

X射线管包括旋转靶结构以便将焦斑处产生的热进行分布。该靶典型地由具有嵌入悬臂轴(其支撑圆盘型的靶)内的圆柱形转子和具有铜绕组(其环绕该x射线管的拉长的颈部)的铁定子结构的感应马达来旋转。旋转靶组件的该转子由该定子驱动。

本领域内技术人员将认识到本文中描述的操作不必限于单个X射线管配置，而适用于任何X射线管配置。例如，在一个实施例中，X射线管的靶和框架可保持在地电势并且阴极可维持在期望的电势差，而在另一个实施例中，X射线管可采用双极设置(其具有施加到阴极的负电压和施加到阳极的正电压)来操作。

x射线管阴极提供电子束，其使用跨阴极到靶的真空间隙而施加的高电压来被加速以当与靶撞击时产生x射线。该电子束撞击靶的区域通常称为焦斑。典型地，作为示例，阴极包括一个或多个安置在杯内用于提供电子束来产生高功率的大焦斑或高分辨率的小焦斑的圆柱形线圈或扁平灯丝。可设计成像应用，其包括取决于应用选择具有特定形状的或小或大的焦斑。典型地，电阻发射器或灯丝安置在阴极杯内，并且电流通过电阻发射器或灯丝，从而当在真空中时引起该发射器温度增加并且发射电子。

发射器或灯丝的形状和阴极杯(灯丝安置在其内)的形状影响焦斑。为了实现期望的焦斑形状，可考虑灯丝和阴极杯的形状来设计阴极。然而，对于图像质量或热焦斑负载没有典型地优化灯丝的形状。由于制造和可靠性的原因，常规的灯丝主要成形为卷曲的或螺旋状的钨丝。备选的设计选项可包括例如卷曲的D形灯丝等替换设计轮廓。因此，当考虑电阻材料作为发射器源时，用于形成来自发射器的电子束的设计选项的范围可受灯丝形状限制。

电子束(e-束)摆动常常用于提高图像质量。摆动可使用静电电子束偏转或磁偏转(即，空间调制)来实现，其利用快速变化的磁场来控制该电子束。同样，快速变化的磁场可用于快速改变该电子束的聚焦(即，在宽度和长度方向上改变该电子束的横截面大小)。典型地，一对四极磁体用于实现电子束在宽度和长度方向上的聚焦。对于例如快速kV调制或所谓的双能扫描等的某些扫描模式，快速调节聚焦磁场的能力有利于维持焦斑大小在kV水平之间不变。这样的电磁电子束控制可通过确保电子束尽快地从一个位置移动到下一个或重新聚焦同时停留在期望的位置或期望的聚焦处且没有杂散来实现高图像质量。然而，当电磁体中的电流快速地变化来产生变化的磁场时，涡流在对抗x射线管内部的磁场渗透的真空容器壁中产生。这些涡流增加磁场在x射线管的喉道内部的上升时间，这减慢电子束的偏转或重新聚焦时间。因此，设计具有最小化涡流损耗的喉道部的x射线管来优化电子束处产生的瞬态磁场，这将是可取的。

x射线管喉道的配置受到许多设计约束。例如，在操作期间，喉道在x射线管环境中经受由于来自靶的背散射电子引起的可观的热通量。此外，喉道应该易于制造并且易于与接口部件连接，同时仍能够维持密封的真空并且耐受大气压力。

因此，设计满足上文描述的设计约束并且克服前面提到的缺陷的用于提高电磁可控x射线管中的瞬态响应的设备和方法，这将是可取的。

发明内容

根据本发明的一个方面，x射线管组件包括真空罩，其具有阴极部、靶部和喉道部。该喉道部包括具有上游端和下游端的磁场段。该磁场段具有第一磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该喉道部还具有上游段，其具有第一端和第二端。该喉道部的该第一端耦合于该阴极部并且该喉道部的该第二端耦合于该磁场段的该上游端。该上游段具有第二磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该喉道部还具有下游段，其具有第一端和第二端。该下游段的该第一端耦合于该磁场段的该下游端。该下游段具有第三磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。产生涡流的该第一磁化率小于产生涡流的该第二和第三磁化率。该x射线管组件还包括安置在该真空罩的靶部内的靶，和安置在该真空罩的该阴极部内的阴极，该阴极配置成朝该靶发射电子流。

根据本发明的另一个方面，x射线管组件包括外壳，其具有在其中形成的真空。该外壳包括阴极部、靶部和喉道部。该喉道部包括具有第一壁厚的第一段、具有第二壁厚的第二段和安置在该第一和第二段之间的第一磁场段。该第一磁场段具有薄于该第一和第二壁厚的第三壁厚。该x射线管组件还包括安置在该真空外壳的靶部中的靶，和安置在该真空外壳的阴极部中来引导电子流朝向该靶的阴极。

根据本发明的另一个方面，成像系统包括：在其中具有用于收容要扫描的对象的开口的可旋转机架、安置在该可旋转机架的该开口内并且可移动通过该开口的台架，和耦合于该可旋转机架的x射线管。该x射线管包括真空室，其具有容置靶的靶部、容置阴极的阴极部和喉道部。该喉道部具有：第一段，其具有第一壁厚；第二段，其具有第二壁厚；和耦合于该第一和第二段的第一磁场段。该第一磁场段具有薄于该第一和第二壁厚的第三壁厚。该成像系统还包括安装在该x射线管上并且配置成产生第一磁场来操纵从该阴极发射的电子流的第一电子操纵线圈。该第一电子操纵线圈安装在该x射线管上并且与该真空室的喉道部的第一磁场段对齐使得该第一磁场在该第一磁场段中的上升时间比在该第一和第二段中的更快。

通过下列详细说明和图将使各种其他特征和优势明显。

附图说明

附图图示目前预想用于执行本发明的优选实施例。

在附图中：

图1是成像系统的示图。

图2是在图1中图示的系统的框示意图。

图3是根据本发明的实施例并且可与在图1中图示的成像系统一起使用的x射线管组件的剖视图。

图4是根据本发明的实施例的图3的x射线管组件的喉道的放大部。

图5是根据本发明的另一个实施例的图3的x射线管组件的喉道的放大部。

图6是根据本发明的再另一个实施例的图3的x射线管组件的喉道的放大部。

图7是根据本发明的实施例的图6的放大部的剖视图。

图8是根据本发明的实施例的用于与非侵入式包裹检查系统一起使用的x射线系统的示图。

具体实施方式

本发明的实施例的操作环境关于计算机断层摄影(CT)系统描述。本领域内技术人员将意识到本发明的实施例同样适用于与任何多切片配置一起使用。此外，本发明的实施例将关于x射线的检测和转换描述。然而，本领域内技术人员将进一步意识到本发明的实施例同样适用于其他高频电磁能的检测和转换。本发明的实施例将关于“第三代”CT扫描仪描述，但与其他CT系统、手术C型臂系统和其他x射线断层摄影系统，以及例如x射线或乳房摄影系统等很多实现x射线管的其他医疗成像系统一起同样适用。

图1是根据本发明设计成采集原始图像数据并且处理该图像数据用于显示和/或分析的成像系统10的实施例的框图。本领域内技术人员将意识到本发明适用于例如x射线或乳房摄影系统等很多实现x射线管的医疗成像系统。例如计算机断层摄影系统和数字射线摄影系统等其他成像系统(其采集体积的图像三维数据)也受益于本发明。x射线系统10的下列讨论仅是一个这样的实现的示例并且从形态方面来说不意为限制性的。

参照图1，计算机断层摄影(CT)成像系统10示出为包括代表“第三代”CT扫描仪的机架12。机架12具有x射线管组件或x射线源组件14，其将x射线的锥形束朝检测器组件或准直仪16投影在该机架12的对边上。现在参照图2，检测器组件16由多个检测器18和数据采集系统(DAS)20形成。该多个检测器18感测通过医疗患者24的投影的x射线22，并且DAS 20将数据转换成数字信号用于后续处理。每个检测器18产生模拟电信号，其代表碰撞x射线束的强度以及因此代表当它通过该患者24时的衰减束的强度。在扫描来采集x射线投影数据期间，机架12和安装在其上的部件绕着旋转中心26旋转。

机架12的旋转和x射线源组件14的操作由CT系统10的控制机构28管理。控制机构28包括：x射线控制器30，其向x射线源组件14提供电力和定时信号；和机架马达控制器32，其控制机架12的转速和位置。图像重建器34从DAS 20接收采样的和数字化的x射线数据并且进行高速重建。重建的图像应用为对计算机36(其将该图像存储在大容量存储装置38中)的输入。计算机36还具有存储在其上的对应于电子束定位和磁场控制的软件，如在下文详细描述的。

计算机36还经由控制台40从操作者接收命令和扫描参数，该控制台40具有例如键盘、鼠标、语音激活的控制器或任何其他合适的输入设备等某个形式的操作者接口。关联的显示器42允许该操作者观察来自计算机36的重建的图像和其他数据。该操作者供应的命令和参数被计算机36使用来向DAS 20、x射线控制器30和机架马达控制器32提供控制信号和信息。另外，计算机36操作台架马达控制器44，其控制电动台架46来安置患者24和机架12。特别地，台架46使患者24全部或部分移动通过图1的机架开口48。

图3图示根据本发明的实施例的x射线管组件14的剖视图。X射线管组件14包括x射线管50，其包括真空室或罩52，真空室或罩52具有安置在其阴极部56中的阴极组件54。旋转靶58安置在真空罩或外壳52的靶部60中。阴极组件54包括许多单独元件，其包括阴极杯(未示出)，该阴极杯支撑灯丝62并且充当将从加热的灯丝62发射的电子束64朝靶58的表面66聚焦的静电透镜。x射线流68从靶58的表面66发射并且被引导通过真空罩52的窗口70。许多电子72从靶58背散射并且撞击和加热真空罩52的内表面74。冷却剂沿真空罩52的外表面76循环(如由箭头78、80图示的)来减轻由背散射的电子72在真空罩52中产生的热。

磁组件82安装在x射线管组件14中在真空罩52的喉道部84内的电子束64的路径附近的位点处，该喉道部84在阴极部56的下游并且在靶部60的上游。磁组件82包括第一线圈组件86。根据一个实施例，线圈86缠绕为四极和/或偶极磁组件并且安置在真空室52的喉道部84上且围绕喉道部84，使得由线圈86产生的磁场对电子束64起作用，引起电子束64沿x和/或y方向偏转并且移动。电子束64的移动方向由流过线圈86的电流的方向确定，电流方向通过耦合于线圈86的控制电路92而被控制。根据另一个实施例，线圈86配置成控制焦斑大小或几何形状。可选地，第二线圈组件94(虚拟示出)也可被包括在磁组件82中，如在图3中示出的。根据各种实施例并且基于期望的电子束控制，线圈组件86、94可具有偶极和/或四极配置。

本文阐述的本发明的实施例减少与线圈组件86、94对齐的x射线管喉道84段内的涡流的产生，其允许期望的磁场更快地产生。每当磁场在大小、空间或时间上变化时，涡流在喉道段84中产生。当磁场不变化时涡流不存在。因此，本文阐述的实施例针对减少涡流产生(这会在具有均匀的横截面厚度和体积的基准金属喉道段中发生)，而同时维持喉道段84的期望的设计规范。这样的设计规范可以是例如喉道段84是密封的、在结构上是鲁棒的来抵抗大气压力和其他作用力、对于主要由背散射电子引起的加热在热方面是鲁棒的、在内表面上导电来向收集的电荷提供传导路径，并且可连接到真空罩52的阴极段56和靶段60。

图4是根据本发明的一个实施例的图3的分部96的放大图，该分部96包括线圈组件86(图3)和是真空罩52的喉道84(图3)的一部分的喉道壁98。真空壁98包括磁场段100，其具有上游端102和下游端104。磁场段100限定为在线圈组件86和经历由线圈组件86产生的一次磁场的电子束64之间的喉道部84的区域。也就是说，磁场段100经历由线圈组件86在喉道部84中产生的最大磁通密度。如在图4中示出的，磁场部100具有小于壁98的上游段110(其是线圈组件86的上游)的壁厚108的壁厚106。上游段110的第一端112耦合于磁场段100的上游端102，并且上游段110的第二端114耦合于阴极部56(图3)。同样，磁场段100的壁厚106小于壁98的下游段118的壁厚116。下游段118包括第一端120和第二端122。如在图4中示出的，第一端120耦合于磁场段100的下游端104。

在喉道段84中产生的涡流大小与该喉道的量或厚度成比例。因此，较薄的喉道段(其中磁通密度是最高的)将产生较少的涡流并且因此磁场上升速率将更快。因此，因为壁厚106小于厚度108，由线圈组件86产生的磁场在磁场段100中具有比在上游段110中更快的上升时间。同样，因为壁厚106小于厚度116，由线圈组件86产生的磁场在磁场段100中具有比在下游段118中更快的上升时间。根据一个实施例，与通过具有均一厚度的金属喉道壁相比，段100的减小的厚度可导致在磁场段100中磁场上升时间提高50％。段110和118的较大的厚度116允许在热方面和结构上更稳固的真空喉道。

此外，非磁场段110、118的较厚的壁厚108提供结构完整性给喉道84并且提供较大的金属质量以从背散射电子124吸收热。根据一个实施例，磁场段100具有近似0.5mm的壁厚106和近似1cm的壁长126。壁98的外径128在整个磁场段100和上游与下游段110、118中是相同的。变薄的窗口段106示出由从喉道84的真空侧111中移走的材料形成。这通过留下光滑的外表面113有助于真空喉道的外部上的喉道冷却流。在备选实施例中，变薄的段可采用相反的方式形成，即，具有光滑的内表面115和从外表面113移走的材料。根据各种实施例，壁98是非铁磁性材料，其具有高的电阻率以最小化涡流产生，例如钼合金、不锈钢或钛合金等。本领域内技术人员将认识到还可使用低电导率、高热导率和结构稳固的其他材料。

现在参照图5，根据实施例示出图3的分部96的放大图，其中磁性组件82(图3)包括两个线圈组件86、94。喉道部84的壁130采用和图4的壁98相似的方式配置使得对应于线圈组件86的第一磁场段132具有小于第一段138的壁厚136并且小于第二段142的壁厚140的壁厚134，该第一段138和该第二段142邻近第一磁场段132。同样，第二磁场段144具有小于第二段142的壁厚140并且小于第三段150的壁厚148的壁厚146，该第二段142和该第三段150邻近第二磁场段144，如在图5中示出的。

图6是根据本发明的另一个实施例的图3的分部96的放大图。分部96包括喉道壁152，其具有与线圈组件86对齐的磁场段154。不像壁98(图4)，图6的壁152用两个部件构造：金属部件156和非金属部件158。金属部件156包括金属磁场段160和第一与第二段162、164，该第一和第二段162、164邻近金属磁场段160并且分别是该金属磁场段160的上游和下游(与图4的壁98相似)。金属部件156具有大致上均一的内径166。第一和第二段162、164中的外径168大于金属磁场段160中的喉道壁152的外径170。从而，壁152在磁场段160中比在第一和第二段162、164中更薄。在一个实施例中，金属部件156是非铁磁性材料，其具有与之前描述的实施例相似的高电阻率。

壁152的非金属部件158包括绝缘体或不导电材料，其钎焊或以别的方式紧密地连接到金属磁场段160的变薄的区域的外表面172上。根据各种实施例，非金属部件158可是作为示例的石墨、氧化铝、氮化铝或氮化硅。因为非金属部件158为壁152的变薄的金属磁场段174提供结构支撑和额外的热储存容量，金属磁场段174可设计成比图4的磁场部100更薄。例如，根据一个实施例，金属磁场段160具有近似0.1-0.2mm的壁厚174。通过使金属磁场段160中的喉道壁152变薄，在喉道部84内部最小化涡流产生。此外，金属磁场段160的变薄的壁最小化喉道84内部的磁场的爬升率(ramp rate)，由此提高电子束的偏转和/或聚焦时间。

根据一个实施例，非金属部件158是围绕金属部件156的非磁场部154的材料的连续环或环形物。备选地，如在图7中示出的，非金属部件158可以是在靠近例如线圈组件86等线圈组件的独立极176的喉道壁152上的位置处插入的非金属材料的许多独立段。

尽管图3的分部96的实施例在图6和7中描述为包括一个线圈组件，本领域内技术人员将认识到这样的实施例可修改成具有一对或多个采用与关于图4和5描述的相似的方式的线圈组件(用于在长度和宽度方向聚焦电子束并且使电子束沿两个轴线偏转)的x射线管组件。

现在参照图8，包裹/行李检查系统242包括可旋转机架244，其具有在其中的开口246，包裹或多件行李可通过该开口246。该可旋转机架244容置高频电磁能源248以及检测器组件250，其具有与在图2中示出的那些相似的检测器。还提供传送系统252并且其包括由结构256支撑的传送带254以使包裹或行李件258自动并且连续通过开口246来被扫描。对象258由传送带254馈送通过开口246，然后采集成像数据，并且该传送带254采用可控并且连续的方式将这些包258从开口246移走。因此，邮政检查员、行李搬运人员和其他安全人员可非侵入式地对包裹258的包含物检查爆炸物、刀、枪、违禁品等。

因此，根据一个实施例，x射线管组件包括真空罩，其包括阴极部、靶部和喉道部。该喉道部包括具有上游端和下游端的磁场段。该磁场段具有第一磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该喉道部还具有上游段，其具有第一端和第二端。该喉道部的该第一端耦合于该阴极部并且该喉道部的该第二端耦合于该磁场段的上游端。该上游段具有第二磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。该喉道部还具有下游段，其具有第一端和第二端。该下游段的第一端耦合于该磁场段的下游端。该下游段具有第三磁化率以在磁场强度存在下产生涡流。产生涡流的该第一磁化率小于产生涡流的该第二和第三磁化率。该x射线管组件还包括安置在该真空罩的靶部内的靶，和安置在该真空罩的阴极部内的阴极，该阴极配置成朝该靶发射电子流。

根据另一个实施例，x射线管组件包括外壳，其具有在其中形成的真空。该外壳包括阴极部、靶部和喉道部。该喉道部包括具有第一壁厚的第一段、具有第二壁厚的第二段和安置在该第一和第二段之间的第一磁场段。该第一磁场段具有薄于该第一和第二壁厚的第三壁厚。该x射线管组件还包括安置在该真空外壳的靶部中的靶，和安置在该真空外壳的阴极部中来引导电子流朝向该靶的阴极。

根据本发明的再另一个实施例，成像系统包括在其中具有用于收容要扫描的对象的开口的可旋转机架、安置在该可旋转机架的开口内并且可移动通过该开口的台架，和耦合于该可旋转机架的x射线管。该x射线管包括真空室，其具有容置靶的靶部、容置阴极的阴极部，和喉道部。该喉道部具有：第一段，其具有第一壁厚；第二段，其具有第二壁厚；和耦合于该第一和第二段的第一磁场段。该第一磁场段具有薄于该第一和第二壁厚的第三壁厚。该成像系统还包括安装在该x射线管上并且配置成产生第一磁场来操纵从该阴极发射的电子流的第一电子操纵线圈。该第一电子操纵线圈安装在该x射线管上并且与该真空室的喉道部的第一磁场段对齐使得该第一磁场在该第一磁场段中的上升时间比在该第一和第二段中的更快。

该书面说明使用示例来公开本发明，其包括最佳模式，并且还使本领域内技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统和执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域内技术人员想到的其他示例。这样的其他示例如果它们具有不与权利要求的书面语言不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的书面语言无实质区别的等同结构元件则规定在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种x射线管组件(14)，其包括：

真空罩(52)，其包括：

阴极部(56)；

靶部(60)；和

喉道部(84)，其包括：

磁场段(100)，其包括上游端(102)和下游端(104)，所述磁场段(100)具有第一磁化率以在磁场强度存在下产生涡流

上游段(110)，其具有第一端(114)和第二端(112)，所述第一端(114)耦合于所述阴极部并且所述第二端(112)耦合于所述磁场段(100)的上游端(102)，其中所述上游段(110)具有第二磁化率以在磁场强度存在下产生涡流；

下游段(118)，其具有第一端(120)和第二端(122)，所述第一端(120)耦合于所述磁场段(100)的下游端(104)，其中所述下游段(118)具有第三磁化率以在磁场强度存在下产生涡流；并且

其中产生涡流的所述第一磁化率小于产生涡流的所述第二和第三磁化率；

靶(58)，安置在所述真空罩(52)的靶部内；和

阴极(54)，安置在所述真空罩(52)的阴极部内，所述阴极(54)配置成朝所述靶(58)发射电子流(68)。

2.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其中产生涡流的所述第二磁化率近似等于产生涡流的所述第三磁化率。

3.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其进一步包括安置成环绕所述真空罩(52)的喉道部(84)的磁场段(100)并且与所述磁场段(100)对齐的电磁线圈(86)。

4.如权利要求3所述的x射线管组件(14)，其中所述电磁线圈(86)包括多个极；并且

其中非传导材料在多个位置被钎焊到所述磁场段(100)的外表面使得所述非传导材料与所述多个极对齐。

5.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其中所述磁场段(100)具有小于所述下游段的壁厚并且小于所述上游段(110)的壁厚的壁厚。

6.如权利要求5所述的x射线管组件(14)，其进一步包括耦合于所述喉道部(84)的磁场段(100)的电绝缘材料。

7.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其中所述喉道部(84)的下游段(118)的第二端(122)耦合于所述真空罩(52)的靶部(60)。

8.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其中所述喉道部(84)进一步包括：

第二磁场段(144)，其具有上游端和下游端，其中所述上游端耦合于所述喉道部(84)的下游段的第二端；和

第二下游段(142)，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第二磁场段(144)的下游端并且所述第二端耦合于所述靶部(60)。

9.如权利要求8所述的x射线管组件(14)，其进一步包括：

安置成正中地围绕所述真空罩(52)的喉道部的磁场段(100)的第一电磁线圈(86)；和

安置成正中地围绕所述真空罩(52)的喉道部的第二磁场段(100)的第二电磁线圈(94)。

10.如权利要求1所述的x射线管组件(14)，其中所述磁场段(100)包括传导材料。

Images