CN102456528B - 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)，其具有阴极部(56)、靶部(60)和喉道部(84)，该喉道部(84)包括不导电管(98)。该喉道部(84)具有耦合于该阴极部(56)的上游端(108)和耦合于该靶部(60)的下游端(112)。该x射线管组件(14)还包括安置在该真空罩(52)的该靶部(60)内的靶(58)，和安置在该真空罩(52)的该阴极部(56)内的阴极(54)。该阴极(54)配置成通过该喉道部(84)朝该靶(58)发射电子流(68)。

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联接，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，该喉道部包括不导电管。该喉道部具有耦合于该阴极部的上游端和耦合于该靶部的下游端。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。该阴极配置成通过该喉道部朝该靶发射电子流。

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、靶部和耦合该阴极部与该靶部的喉道部。该喉道部包括由防止在其中产生涡流的材料构造的磁场段。该x射线管组件还包括安置在该外壳的靶部中的靶，和安置在该外壳的阴极部中来引导电子流通过该喉道部朝向该靶的阴极。

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包括第一电绝缘体的喉道部。该喉道部在该阴极部和该靶部之间形成用于从该阴极发射的电子流的通道。该成像系统还包括安装在该x射线管上并且与该第一电绝缘体对齐的第一电子操纵线圈。该第一电子操纵线圈配置成在该喉道部内产生第一磁场来操纵其中的电子流。

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88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90(虚线示出)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、90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、90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，并且可联接到真空罩52的阴极段56和靶段60。

图4是根据本发明的实施例的图3的分部94的放大图，该分部94包括线圈组件86(图3)。喉道壁96包括与线圈组件86对齐的不导电部98。根据各种实施例，喉道壁96可包括例如氧化铝、石墨、氮化硼或氮化硅或任何相似的电绝缘材料等陶瓷材料。因为喉道壁96是不导电的，在壁96中没有涡流产生，并且喉道部84中的磁场遵循电磁体驱动电流波形。从而，壁厚不受约束。如示出的，陶瓷部98具有近似等于喉道部84的长度的长度92。

电绝缘陶瓷喉道可从背散射电子和其他带电粒子收集浮动电荷。从而，根据一个实施例，可选的薄金属化层100(虚线示出)可施加于陶瓷部98的内表面102以向吸收的电荷提供通向真空罩本体的传导路径。可选的金属化层100直接粘附到陶瓷部98并且具有足够大的厚度104以便如期望的那样对真空罩52(图3)内部的磁场提供某种对磁体电流纹波效应的过滤。该涂层100可是例如大约几十微米，由此实现非常快的磁场上升时间。

根据一个实施例，喉道壁96包括耦合于陶瓷部98的上游侧108的低膨胀金属头106。喉道壁96还包括耦合于陶瓷部98的下游侧112的低膨胀金属头110。在优选的实施例中，头106、110是作为示例的例如300系列不锈钢、钼、铬镍铁合金、哈氏合金(Hasteloy alloy)、镍合金等非磁性材料。金属头106和110采用例如焊接或钎焊等典型的方式在接头114联接到管真空架外壳。

本领域内技术人员将认识到陶瓷部98可通过许多备选方式联接到真空外壳52。例如，作为一个备选，喉道壁96的陶瓷部98可使用夹层密封钎焊耦合于真空外壳52，该夹层密封钎焊可包括Cusil-ABA、焊环、Cusil-ABA和陶瓷的层。

此外，本领域内技术人员将认识到在图4中阐述的实施例可修改成具有一对或更多例如可选的第二线圈组件90(虚线示出)等线圈组件(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。

参照图5，根据备选实施例示出图3的分部94的放大图，其中喉道部84被分成三段：磁场段116、上游段118和下游段120。如示出的，磁场段116与线圈组件86对齐并且包括具有短于喉道部84的长度的长度124的陶瓷管122。上游和下游段118、120包括相应的金属壁段126、128，其联接陶瓷段116与真空室52的阴极和靶部56、60(图3)。头130、132采用与如关于图4的头106、110描述的相似的方式联接陶瓷管122与金属壁段126、128。同样，本领域内技术人员将认识到多线圈组件可采用与关于图3描述的相似的方式与磁场段116对齐。

图6是根据备选的多线圈实施例的图3的分部94的放大图。如示出的，喉道部84包括与线圈组件86对齐的第一不导电管134和与线圈组件90对齐的第二不导电管136。壁部138联接第一不导电管136与真空室52的阴极部56(图3)，壁部140联接第一和第二不导电管134、136，并且壁部142联接第二不导电管136与真空室52的靶部60(图3)。头144、146、148、150联接第一和第二不导电管134、136与相应的壁部138-142。

现在参照图7，包裹/行李检查系统152包括可旋转机架154，其具有在其中的开口156，包裹或多件行李可通过该开口156。该可旋转机架154容置高频电磁能源158以及检测器组件160，其具有和在图2中示出的那些相似的检测器。还提供传送系统162并且其包括由结构166支撑的传送带164以使包裹或行李件168自动并且连续通过开口156来被扫描。对象168由传送带164馈送通过开口156，然后采集成像数据，并且该传送带164采用可控并且连续的方式将这些包裹168从开口156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168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，其具有阴极部、靶部和喉道部，该喉道部包括不导电管。该喉道部具有耦合于该阴极部的上游端和耦合于该靶部的下游端。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。该阴极配置成通过该喉道部朝该靶发射电子流。

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、靶部和耦合该阴极部与该靶部的喉道部。该喉道部包括由防止在其中产生涡流的材料构造的磁场段。该x射线管组件还包括安置在该外壳的靶部中的靶，和安置在该外壳的阴极部中以引导电子流通过该喉道部朝向该靶的阴极。

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包括第一电绝缘体的喉道部。该喉道部在该阴极部和该靶部之间形成用于从该阴极发射的电子流的通道。该成像系统还包括安装在该x射线管上并且与该第一电绝缘体对齐的第一电子操纵线圈。该第一电子操纵线圈配置成在该喉道部内产生第一磁场来操纵其中的电子流。

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 (17)

1.一种x射线管组件，其包括：

真空罩，其包括：

阴极部；

靶部；和

喉道部，其包括不导电管，所述喉道部具有耦合于所述阴极部的上游端和耦合于所述靶部的下游端；

安置在所述真空罩的靶部内的靶；和

安置在所述真空罩的阴极部内的阴极，所述阴极配置成通过所述喉道部朝所述靶发射电子流；

进一步包括在所述不导电管的内表面上形成的金属化层，所述金属化层电连接到所述x射线管组件的接地部。

2.如权利要求1所述的x射线管组件，其中所述喉道部具有由所述上游端和所述下游端之间的距离限定的长度；并且

其中所述不导电管具有小于或等于所述喉道部的长度的长度。

3.如权利要求1所述的x射线管组件，其中所述喉道部进一步包括：

上游段；

下游段；和

机械耦合在所述上游段和所述下游段之间的磁场段，所述磁场段包括所述不导电管；并且

其中产生涡流的所述上游和下游段的磁化率大于产生涡流的所述磁场段的磁化率。

4.如权利要求1所述的x射线管组件，其中所述喉道部进一步包括第二不导电管。

5.如权利要求1所述的x射线管组件，其中所述不导电管包括陶瓷。

6.一种x射线管组件，其包括：

外壳，其中形成有真空，

所述外壳包括：

阴极部；

靶部；和

喉道部，其将所述阴极部耦合至所述靶部，并且包括磁场段，所述磁场段由防止在其中产生涡流的材料制成，以及

靶，设置在所述外壳的靶部中，以及

阴极，设置在所述外壳的阴极部中以便通过所述喉道部向所述靶发射电子流；

进一步包括形成在所述磁场段的内表面上的金属化层，所述金属化层电连接到所述x射线管组件的接地部。

7.如权利要求6所述的x射线管组件，其进一步包括：

围绕所述外壳的喉道部安置并且与所述磁场段对齐的第一电磁线圈，所述第一电磁线圈配置成产生第一磁场，所述第一磁场具有在所述喉道部的磁场段中形成的最大磁通密度。

8.如权利要求7所述的x射线管组件，其包括：围绕所述外壳的喉道部安置并且与所述磁场段对齐的第二电磁线圈，其中所述第二电磁线圈配置成产生第二磁场，所述第二磁场具有在所述喉道部的磁场段中形成的最大磁通密度。

9.如权利要求7所述的x射线管组件，其中所述喉道部的磁场段具有等于所述喉道部的长度的长度。

10.如权利要求6所述的x射线管组件，其中所述喉道部进一步包括：

耦合在所述磁场段和所述外壳的阴极部之间的第一金属壁；和

耦合在所述磁场段和所述外壳的靶部之间的第二金属壁。

11.如权利要求6所述的x射线管组件，其中所述磁场段包括陶瓷。

12.一种成像系统，包括：

可旋转机架，其中具有开口用于收容待扫描的对象；

台架，位于所述可旋转机架的开口内并且通过所述开口能移动；

x射线管，耦合于所述可旋转机架，所述x射线管包括：

真空室，所述真空室包括：

   容置靶的靶部；

   容置阴极的阴极部；以及

   包括第一不导电管的喉道部，所述喉道部形成所述阴极部和所述靶部之间的用于从所述阴极发射的电子流的通道；以及

第一电磁线圈，安装在所述x射线管上并且与所述第一不导电管对齐，所述第一电磁线圈配置成在所述喉道部内产生第一磁场以操纵其中的电子流；

进一步包括在所述不导电管的内表面上形成的金属化层，所述金属化层电连接到所述x射线管组件的接地部。

13.如权利要求12所述的成像系统，进一步包括第二电磁线圈，安装在所述x射线管上并且与所述第一电磁线圈相邻，所述第二电磁线圈配置成在所述喉道部内产生第二磁场以操纵其中的电子流。

14.如权利要求13所述的成像系统，其中所述第二电磁线圈与所述第一不导电管对齐。

15.如权利要求14所述的成像系统，其中所述喉道部进一步包括安置在所述第一不导电管的下游的第二不导电管，并且

其中所述第二电磁线圈与所述第二不导电管对齐。

16.如权利要求12所述的成像系统，其中所述第一不导电管具有小于或等于所述喉道部的长度的长度。

17.如权利要求12所述的成像系统，其中所述第一不导电管经由一对金属头耦合至所述阴极部和所述喉道部。