CN102484934A - 单色x-射线方法和装置 - Google Patents

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Abstract

根据一些方面，本发明提供了一种用于成像和/或辐射疗法的x-射线装置，所述x-射线装置包括：能够产生电子的电子源、设置成接收来自所述电子源的电子的至少一个第一靶物（所述至少一个第一靶物包含响应于电子的辐照而发射宽谱x-射线辐射的物质）、设置成接收至少一些宽谱x-射线辐射的至少一个第二靶物（所述至少一个第二靶物包含响应于来自第一靶物的宽谱x-射线辐射的辐照而发射单色x-射线辐射的物质）、以及设置成检测从至少一个第二靶物发射的至少一些单色x-射线辐射的至少一个检测器。根据一些方面，本发明提供了相对低成本的、相对小占用面积的x-射线装置，其用于产生单色x-射线辐射，所述单色x-射线辐射适用于医学/临床目的，且适用于现有的医疗场所，诸如医院和/或小的临床场合。

Description

单色X-射线方法和装置
背景技术
传统的诊断性放射摄影术和癌症治疗使用X-射线发生器，其发射在宽能带范围内的X-射线，所述能带在诊断和治疗过程中不必要地暴露正常组织。单色辐射已经用于专门的场合，以尝试减小剂量和提高图像对比度。但是，由于阻止性的尺寸、成本和/或复杂性，用于产生单色辐射的常规系统可能不适合临床或商业应用。例如，使用无效的Bragg晶体作为滤光片或使用实体靶物x-射线荧光剂来产生单色辐射，需要非常大的、昂贵的且有力的宽带同步加速器源，其尚未被证实可用于临床场合。
其它常规技术包括，使用多毛细管光学器件（polycapillary光学器件）来增加常规实验室X-射线发生器的通量，但是仍然使用Bragg晶体进行单色化。在有些治疗用途中，使用高能线性电子加速器来减小施用于皮肤的剂量。但是，能量特异性的控制是间接的和微小的。通常，使用单个辐射束不可能靶向特定类型或深度的组织，且辐射不可区分组织类型，无论恶性的还是良性的。此外，现在的治疗设施的成本、基本结构和人员要求较高，且不可能满足甚至一部分社会保健需要。使用单色γ-射线源的近距离放射疗法也可能提供治疗益处，但是，因为γ-射线能和半衰期受天然物理学规律的约束，放射性核素的适当选择受到限制。
发明内容
申请人已经认识到，用于产生宽谱辐射的标准的x-射线管可以与荧光靶物相组合，以产生适用于对靶组织成像和辐射疗法的单色辐射。本发明的方面可以用于提供相对低成本的、相对小占用面积的x-射线装置，用于产生单色x-射线辐射，所述单色x-射线辐射适用于医学/临床目的，且适用于现有的医疗场所诸如医院中。
有些实施方案包括产生单色辐射的方法，所述方法包括：从包含第一靶物的x-射线管产生宽谱x-射线辐射，所述第一靶物响应于电子的辐照而发射所述宽谱x-射线辐射，引导至少一些宽谱x-射线辐射来辐照第二靶物，所述第二靶物包含响应于该辐照而发射单色x-射线辐射的物质，并引导至少一些单色x-射线辐射来辐照靶组织。
有些实施方案包括x-射线装置，所述x-射线装置包括：能够产生电子的电子源、设置成接收来自所述电子源的电子的至少一个第一靶物（所述至少一个第一靶物包含响应于电子的辐照而发射宽谱x-射线辐射的物质）、设置成接收至少一些宽谱x-射线辐射的至少一个第二靶物（所述至少一个第二靶物包含响应于来自第一靶物的宽谱x-射线辐射的辐照的物质）、以及设置成检测从至少一个第二靶物发射的至少一些单色x-射线辐射的至少一个检测器。
附图说明
图1是常规X-射线管的示意图；
图2解释了一种情形：其中电子（比核亮许多）非常紧密地接近核，且电磁相互作用造成轨道的偏斜，其中电子丧失能量，且发射出X-射线光子；并描述了处于它的最简单形式的轫致辐射(Bremsstralung)；
图3解释了由典型的X-射线管产生的轫致辐射光谱，其中试图逃离靶物的更低能量的x-射线被吸收，造成光谱在低能量处的特征性翻转；
图4解释了产生特征线发射的物理现象；
图5解释了来自含有钼阳极的X-射线管的组合光谱，它显示了厚靶轫致辐射和特征性钼线发射；
图6A解释了光电效应；
图6B解释了来自K壳的X-射线荧光的原理；
图7解释了通过用铜x-射线辐照铝(Al)靶物而产生的X-射线荧光光谱，所述铜x-射线由具有铜阳极的x-射线管产生；
图8解释了随锆的x-射线能而变化的吸收系数，其中不连续的跃变或限显示了如何增强吸收刚好至锆中的电子的结合能以上；
图9解释了根据本发明的有些实施方案的单色x-射线系统；
图10的流程图解释了，根据本发明的有些实施方案，使用与选择的造影剂协调的上述单色x-射线装置进行成像的方法；
图11的流程图解释了，根据本发明的有些实施方案，使用上述的单色x-射线装置进行辐射疗法的方法；
图12解释了溴化钾(KBr)的质量吸收系数；
图13A和13B分别解释了由具有铑阳极的常规x-射线管产生的厚靶轫致辐射光谱，以及使用图13A中的宽带光谱由x-射线荧光产生的Zr K α和K β x-射线；
图14A分别解释了，根据本发明的实施方案，使用轫致辐射光谱的KBr仿真模型的二维等值线图（上图），以及使用单色Zr K x-射线的KBr仿真模型的二维等值线；和
图14B分别解释了，根据本发明的有些实施方案，使用轫致辐射光谱的KBr仿真模型的x-射线强度三维图（上图），以及使用单色Zr K x-射线的KBr仿真模型的x-射线强度三维图。
具体实施方式
如上面所讨论的，能够产生单色辐射来生成诊断图像和/或进行辐射疗法的常规x-射线系统，通常不适合临床和/或商业应用，这是由于生产、操作和维持这样的系统的阻止性的高成本、和/或对于临床应用而言太大的系统占用面积。结果，这样的常规系统被限制在用于研究中，和在相对很少的已经投资于大型的、复杂的且昂贵的设备的研究机构中。医疗场所诸如医院和诊所仍然缺少可用于临床场合用于诊断/治疗目的的单色x-射线装置的可行选择。
申请人已经开发了简单的、低成本的、台式方法和装置，用于产生可调的单色x-辐射，所述单色x-辐射能够有效地诊断和治疗癌性肿瘤。根据有些实施方案，使用产生在宽能量范围内的x-射线的常规x-射线管来辐照实体靶物，所述实体靶物又将发射单色的荧光x-射线。发荧光的靶物可以由单一元素制成，或者它可以是几种元素的复合物。这些荧光x-射线的能量是靶物质的元素组成的特征。可以选择由单一元素制成的靶物，使得它的荧光x-射线能量刚好超过造影剂中优势元素的吸收限，所述造影剂已经被递送至特定组织部位诸如癌性肿瘤。
在该意义上，将来自靶物的荧光x-射线发射调至造影剂的吸收特征。也就是说，所述荧光靶物包括与造影剂匹配的物质。所述造影剂可以是任意合适的造影剂，诸如溴、碘、钆、银、金、铂、具有大于35的原子序数的其它元素中的任一种或组合，或任意其它合适的造影剂。所述造影剂可以属于至少一类造影剂，诸如x-射线成像剂、磁共振成像剂、放射性试剂、辐射疗法试剂、甲状腺有关的药剂、防腐剂、消毒剂、除痰剂、抗阿米巴药、抗病毒药、抗心律失常药、抗肿瘤药等。
这样的技术会增强造影剂中的x-射线吸收（相对于周围组织），从而不仅提高图像对比度，而且使诊断辐射剂量降低多达3个数量级。根据有些实施方案，可以选择多元素靶物，它们会发射具有低于和高于造影剂的吸收限的能量的荧光x-射线。同时得到的高于和低于所述限的吸收差异，可以进一步提高图像对比度。通过增加用于治疗用途的常规x-射线管的功率，本文所述的靶向能力技术会增加在肿瘤部位处的吸收效率，或无论将造影剂定位于何处，同时使在别处的辐射暴露最小化。
根据有些实施方案，提供了单色x-射线装置，这至少部分地如下实现：串联地组合响应于入射电子束而产生宽谱辐射的靶物，继之以响应于入射宽谱辐射而产生单色x-射线的发荧光的靶物。术语“宽谱辐射”在本文中用于描述具有或没有阳极物质的特征发射线的轫致辐射。下面更详细地描述了这样的装置的工作原理。
厚靶轫致辐射
在X-射线管中，从称作阴极的加热的丝释放出电子，并被高压（例如，~50 kV）向称作阳极的金属靶物加速，如在图1中示意地图解的。高能电子与阳极中的原子相互作用。经常，具有能量E1的电子靠近靶物中的核，且它的轨道被电磁相互作用改变。在该偏离过程中，它向核减速。随着它减慢至能量E2，它发射出具有能量E2-E1的X-射线光子。该辐射称作轫致辐射（制动辐射(braking radiation)），其运动学如图2所示。
发射的光子的能量可以是任意值，最高达到入射电子的最大能量Emax。由于电子未被毁灭，它可以经历多个相互作用，直到它丧失它的所有能量，或与阳极中的原子结合。最初的相互作用会随实际角度和与核的接近而变化（从较小至较大能量变化）。结果，轫致辐射会具有通常连续的光谱，如图3所示。轫致辐射产生的概率与Z2成比例，其中Z是靶物质的原子序数，且产生效率与Z和x-射线管电压成比例。注意到，低能量轫致辐射X-射线随着它们尝试脱离内部深处而被厚靶阳极吸收，造成强度曲线在最低能量处弯曲，如下面更详细地讨论的。
特征线发射
尽管大多数电子减速并改变了它们的轨道，有些会撞击被能量BE约束在它们各自的轨道或壳（其围绕靶原子中的核）中的电子。如图4所示，这些壳用K、L、M、N等表示。在入射电子和约束的电子之间的碰撞中，如果入射电子的能量大于沿轨道运行的电子的BE，约束的电子会从原子射出。例如，在图4中显示的具有能量E > BEK的撞击电子会射出K-壳电子，在K壳中剩下空位。随着外层轨道中的电子填入空位，得到的激活的和离子化的原子会去激活(de-excite)。在该去激活过程中，发射X-射线，其能量等于去激活所涉及的电子的最初和最终能量水平之间的差。由于轨道壳的能量水平是周期表上的每种元素所独有的，X-射线的能量会鉴别出该元素。所述能量将是单能的，且所述光谱显示为单色而不是宽的连续带。在这里，单色是指，发射线的能量宽度等于与涉及的原子跃迁有关的自然线宽度。对于铜Kα x-射线，自然线宽度是约4 eV。对于Zr Kα、Mo Kα和Pt Kα，线宽度分别是大约5.7 eV、6.8 eV和60 eV。来自具有钼靶物（作为阳极）的X-射线管的整个光谱如图5所示。钼的原子能级独有的特征发射线重叠显示在厚靶轫致辐射上面。
X-射线吸收和X-射线荧光
当来自x-射线管的x-射线撞击样品时，x-射线可以被原子吸收，或在该物质中散射。x-射线被原子吸收（通过将它的所有能量转移至最里面的电子）的过程称作光电效应，如图6A所示。当入射x-射线具有比它在撞击中遇到的轨道电子的结合能更多的能量时，这会发生。在该相互作用中，光子不复存在，将它的所有能量传递给轨道电子。需要x-射线能中的大部分来克服轨道电子的结合能，剩余的部分被传递给电子（在它射出以后，在壳中剩下空位）。射出的自由电子称作光电子。当入射光子的能量超过（但是相对接近）它撞击的电子的结合能时，最可能发生光电相互作用。作为一个实例，当入射光子是25 keV时（与它是50 keV相比），具有23.2 keV的结合能的K-壳电子更可能发生光电相互作用。这是因为，光电效应与X-射线能的大约第三功率成反比。
原子的内壳中的空位为原子提供了不稳定的条件。随着原子恢复它的稳定条件，来自外壳的电子被转移至内壳，且在该过程中，发射特征x-射线，其能量是对应的壳的两种结合能之间的差，如上面在“特征线发射”部分中所述。该光子-诱导的x-射线发射过程称作X-射线荧光或XRF。图6B示意地显示了来自K壳的X-射线荧光，来自铝样品的典型x-射线荧光光谱如图7所示。用K标记特征X-射线，以指示最初的空位所发源的壳。另外，使用α和β来鉴别来自更高的壳的电子的跃迁所产生的x-射线。因此，由电子从L跃迁至K壳，产生Kα x-射线，由电子从M跃迁至K壳，产生Kβ x-射线，以此类推。重要的是，发现了这些单能的发射线不会位于宽带连续辐射背景的上面；相反，该光谱是无轫致辐射的。如上面所讨论的，x-射线管会产生厚靶轫致辐射和来自阳极靶物中的铜的特征x-射线。但是，当使用来自x-射线管的组合的光谱发射来辐照铝样品时，经由X-射线荧光仅产生单能的发射线Al Kα和Al Kβ。
如上所述，特定吸收元素的x-射线吸收的概率随着入射光子能量的增加而降低。但是，当x-射线能等于吸收体中的电子壳（K、L、M等）的结合能时，该减少被急剧的升高间断。这是可以在特定壳中建立空位的最低能量，并被称作限。图8显示了随着x-射线能而变化的锆吸收。通过它的质量衰减系数，在纵坐标轴上定义吸收。通过分别在大约2.3 keV和18 keV的不连续跃变，证实了与L轨道和K轨道的结合能相对应的吸收限。周期表上的每种元素具有类似的曲线，描述了它随着x-射线能而变化的吸收。
下面更详细地描述了与根据本发明的方法和装置有关的不同概念和它们的实施方案。应当理解，本文所述的本发明的不同方面可以以多种方式中的任一种来实现。本文提供的具体实现的实施例仅用于例证目的。另外，下面在实施方案中描述的本发明的不同方面可以单独使用或以任意组合使用，而不限于本文明确描述的组合。
图9解释了根据本发明的有些实施方案，用于产生单色x-射线的x-射线装置的示意图。x-射线管1如下产生厚靶轫致辐射：用电压(c)（通常5 – 6伏特）电阻地加热丝(b)（其起阴极的作用），使得该丝发射电子(d)。由于阳极相对于丝（其通常是在零或地电位）的高压偏压(f)，电子向阳极(e)加速。随着电子被阳极减速，它们产生轫致辐射，如图3所示，大量欧姆功率（ohmic功率）被阳极以热量形式消散。该热量可以从阳极物质传导至真空外壳之外。通过阳极物质的电子轰击，也可以产生阳极物质独有的特征发射线，只要电压势足够大。x-射线辐射穿过窗(g)离开真空外壳，所述窗(g)是真空密封的，使得x-射线可以高效率地透射（例如铍）。
应当理解，x-射线管1可以是用于产生宽谱辐射的标准x-射线管。例如，x-射线管可以与目前在医学应用中使用的常规x-射线管类似或相同。因此，本文所述的x-射线装置的有些实施方案能够被生产为相对低成本的台式解决方案。结果，这样的x-射线装置可以适合诸如医院等医疗场所普遍采用，以进行单色x-射线诊断和/或治疗应用，如下面更详细地描述的。
从x-射线管发射的x-射线束2会辐照荧光靶物3，后者响应于入射在靶物上的x-射线而产生靶物中的元素特有的单色x-辐射。单色x-射线4穿过准直管（例如，针孔或狭缝5）发散，并穿过样品6（例如，要成像或治疗的靶组织，如下面更详细地讨论的）。可以使用其它组件来准直x-射线，以形成窄束、扇束或任意其它形状的束，因为本发明的方面在该方面不受限制。x-射线管、荧光靶物和准直管一起在本文中称作单色x-射线源。透射的x-射线被x-射线检测器7检测到，以产生样品的图像。
例如，单色x-射线可以穿透样品的二维横截面，最终产生横截面的二维图像（“切片”）。如果需要三维图像，可以在台子8上旋转样品，同时获取连续的二维图像。当旋转结束时，重建三维CT图像。或者，可以绕着样品旋转x-射线源，以得到样品的三维图像。可以使用其它机构来致动x-射线源和样品之间的相对旋转，以从许多投射角得到x-射线衰减数据，因为本发明的方面在该方面不受限制。应当理解，有些构型会要求检测器与x-射线源一致地旋转，以获取衰减数据。
申请人已经认识到，有益的是，为x-射线管中的阳极选择会产生特征发射线的材料，所述特征发射线的能量大于要由荧光靶物产生的单色线的能量。这会提高来自荧光靶物的x-射线产量，但不是本发明的实施方案的必要条件。根据其中狭缝或针孔的视野可能不包括整个样品的有些实施方案，可以在与x-射线束-检测器放置线垂直的方向平移样品，并重复前述的成像过程。
根据有些实施方案，可以使用一个或多个x-射线透镜来更有效地收集从阳极发射的宽谱x-射线辐射，并使辐射聚集于荧光靶物上的相对较小的斑点处。例如，可以将玻璃毛细管光学器件设置在阳极和荧光靶物之间，以收集和聚集x-射线辐射。一个或多个透镜的使用，可以不再需要在荧光靶物和样品之间的针孔或其它准直管。由于所述光学器件会收集更大量的由x-射线管发射的x-射线，可以减小x-射线管的功率。x-射线管功率的降低，可以允许该装置进行空气冷却（替代水冷却），进一步降低x-射线装置的复杂性和成本。应当理解，可以将一个或多个透镜设置在荧光靶物和样品之间，以单独地或与设置在阳极和荧光靶物之间的光学器件组合地聚集单色x-射线。
根据有些实施方案，图9中的X-射线装置能够产生脉冲的单色x-射线辐射。脉冲的x-射线辐射可以有利地减少和/或消除由于辐射暴露期间人受试者的运动导致的得到的图像中的运动伪差。例如，使用连续x-射线辐射对搏动中的心脏成像，可能造成得到的图像中的模糊，因为在心动周期中的不同时间，心脏处于不同的位置/形态。通过使x-射线源脉冲，可以使x-射线辐射与心动周期同步，所以在心动周期中的大约同时进行成像，以减少和/或消除运动模糊。应当理解，使用这样的技术，可以对心动周期的任意部分成像。另外，受试者的呼吸可能导致类似的运动伪差，根据预定的暴露方案使x-射线源脉冲，可以补偿由受试者的呼吸造成的运动（例如，可以在呼吸周期中的大约同时进行成像）。应当理解，辐射的脉冲可以与受试者运动的其它原因同步，因为本发明的方面在该方面不受限制。
根据有些实施方案，在x-射线管内进行x-射线脉冲。例如，可以应用定时电路来电子地打开和关闭产生从阴极（例如，丝）至阳极（靶物）的电子流的电路。该定时电路可以构造成根据任意需要的时序打开和关闭电路。例如，使用微型计算机可以控制定时电路，所述微型计算机具有根据程序化的时序打开和关闭电路的时钟，所述电路可以程序化成根据任意需要的或任意数目的需要的时序产生脉冲的x-射线辐射。
根据有些实施方案，在x-射线辐射本身上进行x-射线脉冲。例如，可以设置斩波器（例如，旋转斩波器），以交替地阻断和通过从第一靶物发射的宽谱辐射和/或从荧光靶物发射的单色辐射，以根据希望的时序实现脉冲的辐射。可以实现双重斩波器，以交替地阻断和通过宽谱辐射和单色辐射，以在希望的时序或在任意数目的希望的时序实现脉冲的辐射。应当理解，可以使用产生脉冲的x-射线辐射的其它方法，因为本发明的方面在该方面不受限制。应当理解，用于电子地脉冲电子束的技术可以与用于阻断/通过x-射线辐射的技术相组合，因为本发明的方面不限于使用产生脉冲辐射的技术的任意类型或组合。
传统上，认为上述的单色x-射线装置不能产生令人满意的图像，和/或不适合进行辐射疗法。申请人已经理解和证实了使用这种装置用于诊断和治疗目的的意外效能，如下面更详细地讨论的。根据有些实施方案，使用本文所述的x-射线装置对靶组织成像。根据有些实施方案，成像的组织可以用于检测生物学异常（例如，肿瘤），和/或定位生物学异常进行治疗。根据有些实施方案，本文所述的x-射线装置以增加的功率水平用于治疗定位的生物学异常（例如，破坏在以前的成像过程中定位的靶组织）。下面更详细地描述了这样的技术的实例。
图10的流程图解释了，根据本发明的有些实施方案，使用与选择的造影剂协调的上述单色x-射线装置对靶组织成像的方法。方法1000可以用于根据需要进行二维和三维成像。在动作1010中，选择用于注射进受试者组织中的造影剂。然后可以鉴别造影剂中的优势元素，并选择荧光靶物物质，其产生的单色x-射线的能量刚好高于造影剂的优势元素的吸收限能量（动作1020、1030）。尽管与造影剂结合地描述了方法1000，应当理解，可以不使用造影剂地进行所述方法。在这样的情形下，荧光靶物可以包含产生在任意合适的能量水平的单色辐射的物质。
从荧光靶物发射的特征x-射线的能量随着原子序数而增加。因此，当使用造影剂时，可以选择荧光靶物，以包含周期表中这样的元素：所述元素会产生超过造影剂的吸收限能量的特征x-射线。例如，当特定造影剂中的优势元素是碘（它具有53的原子序数）时，碘的K吸收限的能量是33.24 keV。周期表中具有大于33.24 keV的特征x-射线能量的下一个元素是镧，它的原子序数是57。镧K x-射线具有33.4 keV的能量，它比碘吸收限高0.16 keV。尽管可以有益地选择周期表中的下一个元素（其会产生具有超过造影剂中优势元素的吸收限的能量的x-射线），这样的元素并非实用于每种造影剂。因此，当使用造影剂时，可以使用会产生超过造影剂的吸收限的x-射线的任意元素，因为本发明的方面在该方面不受限制。
可以使用会产生宽谱辐射的常规x-射线管来辐照荧光靶物（动作1040）。例如，可以调节x-射线管中的阴极和阳极之间的高压为这样的值：其产生的宽谱辐射的能量是希望的荧光x-射线的能量的至少3-5倍。在有些实施方案中，除了轫致辐射以外，宽谱辐射包括来自阳极物质的特征线发射。荧光靶物响应于入射宽谱辐射而产生单色x-射线（动作1050）。可以引导单色x-射线来辐照靶组织（动作1060）。由于荧光靶物上的斑点的大小通常具有几毫米的直径，可以使用针孔来建立源自更小直径斑点的x-射线源，以提高图像的空间分辨率。x-射线的点源以圆锥体的形状发散。这些x-射线穿过样品组织，并被二维成像x-射线检测器检测到(1070)。
然后可以使用检测器获取的衰减数据来重建靶组织的二维图像（动作1080）。如果需要三维CT扫描，可以围绕靶组织在不同的投射角或视角获取连续的二维图像，其中使用前述的任意技术（例如，可以围绕轴在不同的角度重复动作1040-1080，所述轴与x-射线发射和检测器之间的放置线垂直）。应当理解，使用连续的x-射线产生或脉冲的x-射线产生（根据任意需要的时序），可以进行方法1000。
根据有些实施方案，可以用狭缝（或任意其它准直管）替代针孔。得到的x-射线发射会采取狭窄的扇束的形式。可以围绕与x-射线束-检测器放置线垂直的轴旋转组织，以产生三维CT图像。然后可以沿着所述垂直轴平移组织样品，以得到邻近组织的另一个三维CT图像。
根据有些实施方案，造影剂可能不是必需的。因为单色x-射线会产生比宽带x-射线更高的图像对比度，它可能足够选择这样的荧光靶物：所述荧光靶物产生的x-射线的能量在更致密的组织中优先吸收。
图11的流程图解释了，根据本发明的有些实施方案，使用上述的单色x-射线装置进行辐射疗法的方法。可以使用方法1100，例如治疗癌性肿瘤（例如，通过辐照恶性组织来破坏肿瘤）。最初，可以进行结合图10所述的方法，其产生靶组织的二维或三维x-射线图像（例如，可以进行动作1010-1080，并可以根据需要重复动作1040-1080）。使用在适于成像的相对低的功率操作的x-射线管，可以执行该过程。它可以在即将开始治疗之前进行，或者它可以作为重复的过程来执行，以确证在以前的诊断成像中发现的肿瘤的位置。
对靶组织成像以后，定位目标区域（例如，通过成像过程，定位肿瘤）（动作1185）。可以把x-射线装置设置成靶向目标区域（动作1190），并使x-射线管的功率增加至超过成像所需的相对低的水平，并辐照目标区域(1195)。定位在肿瘤中的造影剂会增强高能单色x-射线的吸收。例如，如果造影剂包括金，K壳电离能量是大约80 keV。这些光子的衰减长度是约20 cm，所以K x-射线不仅用作诊断方式，而且会增强治疗，因为K辐射会尽可能多地激发在肿瘤中的造影剂的原子。得到的L壳荧光发射（其随着高Z原子去激发而发生）具有短衰减长度——约1 cm，所以这些L x-射线（在Au中，9.7 keV）将用于破坏组织。根据肿瘤的大小，可能需要更大的针孔来包括肿瘤，或可能必须平移或旋转组织（或x-射线源），以充分破坏肿瘤。
因此，本发明的不同方面允许相对低成本的、相对小占用面积的x-射线装置，用于产生适合成像和/或辐射疗法的单色辐射。这样的装置目前不可用于临床/医学x-射线诊断/治疗用途。医疗场所（诸如诊所和医院）目前使用发射宽谱辐射的x-射线装置进行这样的诊断/治疗用途，它们在图像质量、患者辐射剂量、附随的组织损伤等方面具有许多缺点。
根据有些实施方案，使用常规的台式x-射线管来辐照锆(Zr)的厚靶。Zr会发射分别在15.77 keV和17.67 keV的荧光Kα和Kβ x-射线。这些X-射线会穿过0.5 mm直径的针孔，然后透过受试者样品。用x-射线检测器产生二维图像。可以围绕与发散束正交的轴旋转样品。这可以得到CT图像（未显示）。在该示例中使用的样品是仿真模型，即，为了模拟活组织而制造的复合材料。它含有集中的溴化钾(KBr)浓度，以模仿活组织中的造影剂。为溴代脱氧尿苷(BudR)形式的溴是该示例的相关选择；它经常用作造影剂，因为它定位在肿瘤细胞中。单色Zr X-射线的能量刚好超过溴吸收限的能量，因此与周围的物质相比会以更高的效率被吸收（例如，在图12中，竖直的虚线分别位于Zr Kα和Kβ x-射线的能量处。它们的能量刚好超过溴的K吸收限。Kα线的强度占优势）。
常规x-射线管会产生厚靶宽带轫致辐射光谱，如图13a所示。x-射线管具有铑阳极，光谱中的2个峰是源自x-射线管中的电子激发的铑Kα和Kβ线发射。图13b中的光谱显示了单色Zr Kα和Kβ X-射线，当宽谱辐射中的X-射线辐照Zr靶物时，它们经由荧光产生。将用宽谱辐射制备的x-射线图像的成像质量和总吸收剂量与用单色光谱制备的图像相对比。应当理解，散射的x-射线所表示的线是检测器的伪像，并非指示来自荧光靶物的辐射是多色的，它是单色的。
这些结果如图14A和14B所示。用宽带光谱制备在图14A的上面的x-射线强度的二维等值线图和在图14B的上面的x-射线强度的三维图。为此，从束线去除Zr靶物，并将针孔、样品和x-射线检测器组合直接地设置在x-射线管的放置线中。使这些组件恢复至它们的最初位置，用于单色x-射线测量。用单色辐射制备的x-射线强度的二维等值线图和x-射线强度的三维图分别如图14A和14B的下面所示。所述图清楚地证实，单色图像中的对比度更好。此外，使用单色辐射时，样品的吸收剂量是1/1000。
与纳米生物技术的最新进展相组合，可以很远地拓展该台式荧光技术的应用范围，因为它简单地且有效地使用单色（只要原子物理学允许）的x-射线辐射。对于早期检测，该诊断成像技术可以在比常规方法更低的全身剂量实现更高的灵敏度和更高的特异性。对于治疗，也会显著减小施用于正常组织的剂量。所有这些都是低成本的，且在可以安装在典型的医生办公室或实验室中的包装件中。
上述的本发明的实施方案可以以多种方式中的任一种来实现，且本文所述的实施例不是限制性的。另外，本发明的不同方面可以单独地、组合地或以在前述的实施方案中没有具体讨论的多种设置使用，因此它的应用不限于在前面的描述中所阐述的或在附图中所图解的组件的细节和设置。
在权利要求中用于修饰权利要求要素的顺序术语诸如“第一”、“第二”、“第三”等本身并不意味着一个权利要求要素的任何优先级、优先或次序超过另一个或者在其中进行方法的动作的暂时次序，而是仅用作将具有特定名称的一个权利要求要素与具有相同名称（除了使用顺序术语以外）的另一个要素区分开的标记，以区分权利要求要素。
另外，本文使用的短语和术语是用于描述目的，不应当视作限制。“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、“涉及”以及它们的变体在本文中的应用，意在包括其后列出的项目和它们的等效物以及额外的项目。

Claims (20)

1. 一种产生单色辐射的方法，所述方法包括：
从包含第一靶物的x-射线管产生宽谱x-射线辐射，所述第一靶物响应于电子的辐照而发射所述宽谱x-射线辐射；
引导至少一些所述宽谱x-射线辐射来辐照第二靶物，所述第二靶物包含响应于所述辐照而发射单色x-射线辐射的物质；和
引导至少一些所述单色x-射线辐射来辐照靶组织。
2. 如权利要求1所述的方法，其中所述第二靶物在一定能量水平发射单色x-射线辐射，所述能量水平高于与递送给所述靶组织的造影剂有关的原子的电子壳的结合能水平。
3. 如权利要求2所述的方法，其中所述递送给所述靶组织的造影剂包括溴、碘、钆、银、金和/或铂。
4. 如权利要求2所述的方法，其中所述造影剂属于下述的至少一种：x-射线成像剂、磁共振成像剂、放射性试剂、辐射疗法试剂、甲状腺有关的药剂、防腐剂、消毒剂、除痰剂、抗阿米巴药、抗病毒药、抗心律失常药和抗肿瘤药。
5. 如权利要求1所述的方法，其中根据选择的时序脉冲所述单色x-射线辐射。
6. 如权利要求2所述的方法，其中选择所述第二靶物，使得所述发射的单色x-射线辐射包括高于与所述造影剂有关的K-限、L-限和/或M-限的能量。
7. 如权利要求1所述的方法，所述方法另外包括：检测穿过所述靶组织透射的至少一些所述单色x-射线辐射。
8. 如权利要求7所述的方法，所述方法另外包括：至少部分地基于检测的所述单色x-射线辐射产生至少一个图像，并在所述至少一个图像中定位目标区域。
9. 如权利要求8所述的方法，所述方法另外包括：增加所述x-射线管的功率水平，并引导所述单色x-射线辐射，使得所述单色x-射线辐射辐照所述靶组织内与所述目标区域相对应的位置。
10. 如权利要求1所述的方法，其中在足以破坏至少一些所述靶组织的功率水平操作所述x-射线管。
11. 如权利要求1所述的方法，其中所述x-射线管是台式尺寸的组件。
12. 一种x-射线装置，所述装置包括：
能够产生电子的电子源；
设置成接收来自所述电子源的电子的至少一个第一靶物，所述至少一个第一靶物包含响应于所述电子的辐照而发射宽谱x-射线辐射的物质；
设置成接收至少一些所述宽谱x-射线辐射的至少一个第二靶物，所述至少一个第二靶物包含响应于来自所述第一靶物的宽谱x-射线辐射的辐照而发射单色x-射线辐射的物质；和
设置成检测从所述至少一个第二靶物发射的至少一些所述单色x-射线辐射的至少一个检测器。
13. 如权利要求12所述的x-射线装置，其中所述至少一个第二靶物在一定能量水平发射单色x-射线辐射，所述能量水平高于与递送给靶组织的造影剂有关的原子的电子壳的结合能水平。
14. 如权利要求13所述的x-射线装置，其中所述至少一个第二靶物包括多个第二靶物，所述多个第二靶物中的每一个包含响应于宽谱辐射的辐照而发射在一定能量水平的单色x-射线辐射的物质，所述能量水平高于相应不同的造影剂的电子壳的结合能水平。
15. 如权利要求12所述的x-射线装置，其中所述至少一个第二靶物包括第一荧光靶物和第二荧光靶物，所述第一荧光靶物包含响应于宽谱辐射的辐照而发射在一定能量水平的单色x-射线辐射的物质，所述能量水平高于与造影剂有关的吸收限，且所述第二荧光靶物包含响应于宽谱辐射的辐照而发射在一定能量水平的单色x-射线辐射的物质，所述能量水平低于与造影剂有关的吸收限。
16. 如权利要求12所述的x-射线装置，其中所述电子源和所述至少一个第一靶物被容纳在具有台式尺寸的占用面积的x-射线管中。
17. 如权利要求12所述的x-射线装置，所述装置另外包括至少一个x-射线光学组件，所述至少一个x-射线光学组件设置在所述至少一个第一靶物和所述至少一个第二靶物之间，以收集所述宽谱x-射线辐射并聚集在所述至少一个第二靶物上。
18. 如权利要求12所述的x-射线装置，所述装置另外包括至少一个x-射线光学组件，所述至少一个x-射线光学组件设置在所述至少一个第二靶物和所述靶组织之间，以收集并聚集所述单色x-射线辐射。
19. 如权利要求12所述的x-射线装置，所述装置另外包括功率控制器，所述功率控制器能够根据所述x-射线装置是用于成像还是辐射疗法而改变所述x-射线装置的功率水平。
20. 如权利要求13所述的x-射线装置，所述装置另外包括至少一个构造成根据选择的时序使得所述单色x-射线辐射被脉冲的组件。
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