CN102697518A - 静态能量分辨ct扫描仪及其扫描方法 - Google Patents

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Abstract

一静态能量分辨CT扫描仪，包括电源系统、X射线源系统、探测器系统、数据采集系统和计算机。X射线源系统包括一环形X射线源及一环形前准直器，环形X射线源包括若干基于碳纳米管的X射线源模块，环形前准直器上分布若干准直器狭缝，每个X射线源模块对应一准直器狭缝。探测器系统包括位于环形X射线源内侧的两环形探测器，环形探测器之间具有狭缝，环形探测器由若干探测器模块组成，探测器模块对X光子进行能量分辨。探测器系统后接数据采集系统，数据采集系统与计算机相连。X射线源发出的X光子依次通过环形前准直器狭缝与环形探测器之间的狭缝投射到对面的探测面上。本发明结构简单，辐射剂量低，扫描一周的时间短。

Description

静态能量分辨CT扫描仪及其扫描方法
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，特别涉及一种静态能量分辨CT扫描仪及其扫描方法。
背景技术
目前CT扫描仪在临床中已得到广泛的应用。为了实现断面或立体成像，现在使用的CT扫描仪有两种方案，第一种方案是CT球管围绕人体做旋转运动，在不同视角获取成像物体的投影图像(请参见图1及图2)；第二种方案是使用一个大型特制扫描电子束X射线管，通过偏转线圈控制电子束轰击靶的位置，进而获得不同视角的投影图像(请参见图3)。
无论第一种方案还是第二种方案，其X射线的产生原理基本相同。均为先给灯丝加热，当灯丝温度达到上千摄氏度时发射热电子，热电子在电场力作用下加速撞击阳极，从而产生X射线(请参见图2及图3)。
现有的CT扫描仪的探测器采用的都是闪烁体配光电二极管，其信号采集属于积分模式。图4所示为现有技术中闪烁体探测器积分采集及其暗电流、余辉的示意图，请参见图4，在一个采样周期内(时间长度大约是100微秒量级)，有很多X光子进入探测器，探测器内的闪烁体将这些高能的X光子转换成许多低能量的荧光光子，荧光光子进入光电二极管，通过光电效应再转换成电信号输出。
就X射线源方面来讲，对于第一种方案而言，由于CT球管的旋转受到离心力的制约，虽然现在扫描一周可以在0.24s内完成，但是扫描速度已经接近理论极限，很难再实现有效的提高。而这个速度依然不能满足心血管、冠状动脉等运动器官或组织的成像要求。此外，CT球管和探测器旋转的成像方式导致系统电力输送和数据传输都存在困难，需要采用一些特殊的技术来实现，增加了系统的复杂程度。
对于第二种方案而言，虽然其成像速度很快，但是其电子束是在靶环外面通过线圈实现的偏转，所以体积非常庞大，而且未能实现360度断层扫描，以及全身任意位置的扫描。
以上两种成像方案中通过热发射电子产生X射线的方式存在很多问题。无论是第一种方案还是第二种方案，其X射线源和相关辅助设施的体积和重量都很大。热发射产生电子的模式导致其启动速度慢。在要求脉中式同步扫描(比如心律特定相位的扫描)时，它不能够关闭电子源，只能通过调整偏压，抑制电子撞击阳极靶，或者在射线出口设置机械门控的方式，从而增加了X射线源的复杂程度。
就探测器方面来讲，在X光子转换成电信号过程中，探测器的暗电流和余辉效应很难消除(请再参见图4)，因此探测器的信噪比比较差。另外，在这个转换过程中，能量高的X光子产生的荧光光子的数量比较多，因此光电效应产生的电子数也比较多，这样在采集的积分信号中，高能X光子的信号权重也比较大。然而在CT成像原理中，低能部分的X光子更适合对不同的物质进行分辨(请参见图5)，因此，积分模式的信号采集方式不利于CT成像。
有鉴于此，有必要提出一种新型的CT扫描仪的设计方案。
发明内容
本发明提出一种静态能量分辨CT扫描仪，以简化结构，降低辐射剂量、缩短扫描周期。
本发明还提出一种静态能量分辨CT扫描仪的扫描方法。
为达所述优点或其它优点，本发明之一实施例提出一种静态能量分辨CT扫描仪。该扫描仪包括电源系统、X射线源系统、探测器系统、数据采集系统和计算机。所述探测器系统用于接收所述X射线源系统发射的X射线束。所述数据采集系统连接所述探测器系统用于对所述探测器系统输出的信号进行采集和处理。所述计算机控制扫描仪工作，并对数据采集系统输出的投影数据进行处理和图像重建。所述电源系统分别连接所述X射线源系统、探测器系统、数据采集系统和计算机用于提供所需的高压和普通电源。所述X射线源系统包括一个环形X射线源及一个设置于所述环形X射线源出口处的环形前准直器，所述环形X射线源包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块，所述环形前准直器上分布有若干个准直器狭缝用于对X射线的出射范围进行限制，每个所述X射线源模块对应一个所述准直器狭缝。所述探测器系统包括位于所述环形X射线源内侧的两个环形探测器，所述两个环形探测器之间具有狭缝，所述每个环形探测器由若干个探测器模块组成，所述的若干个探测器模块的探测面位于所述环形探测器的内表面。所述X射线源所发出的X光子依次通过所述环形前准直器的准直器狭缝与所述两个环形探测器之间的狭缝投射到所述两个环形探测器的探测面上。
在本发明之一实施例中，所述若干个探测器模块为基于碲锌镉的高计数率探测器模块。
在本发明之一实施例中，所述两个环形探测器之间的狭缝间距大于0且小于5mm。
在本发明之一实施例中，所述环形X射线源与所述两个环形探测器的直径范围为0.2m至1.5m。
在本发明之一实施例中，进一步包括两个环形后准直器分别设置于所述两个环形探测器的两侧，用于对散射光子进行限制。
为达所述优点或其它优点，本发明之另一实施例提出一种用于上述静态CT扫描仪的扫描方法，包括步骤使所述若干个X射线源模块沿顺时针方向依次发射X射线后再沿逆时针方向依次发射X射线，并且在所述探测器系统进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块的编号进行重新排列。
为达所述优点或其它优点，本发明之再一实施例提出一种用于上述静态CT扫描仪的扫描方法，包括步骤：使所述若干个X射线源模块中的至少两个X射线源模块同时发射X射线，并保证所述至少两个X射线源模块所发射的X射线束在所述探测器系统上的覆盖范围互不重叠；沿顺时针方向移动所述若干个X射线源模块，使位于上述至少两个射线源模块原始位置上的其他X射线源模块发射X射线；沿逆时针方向移动所述若干个X射线源模块，使位于上述至少两个射线源模块原始位置上的其他X射线源模块发射X射线；在所述探测器系统进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块的编号进行重新排列。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、基于本发明制造的CT扫描仪将比现有CT扫描仪的结构简单，取消了滑环，避免了传统的旋转成像方案中CT球管和探测器旋转所遇到的电力传输和数据传输等问题。
2、本发明扫描一周所用时间比现有CT扫描仪的时间更短，突破CT球管旋转成像方案的速度极限，可以从根本上解决现有CT所遇到的运动伪影问题。
3、基于碳纳米管的场发射阴极的X射线源的模块化设计使得系统的维护更容易，能耗更小，运营成本更低。如果某个模块出现故障，只需要更换该模块，而不要像现在的CT系统，需要更换整个球管。
4、基于碲锌镉的高计数率能量分辨探测器能够对X光子进行能量分辨，增加了从每个X光子提取的信息量，可以从硬件角度有效降低CT扫描的辐射剂量。
5、另外，本发明的快速开关特性可灵活变换扫描模式，轻松实现多种扫描模式，提高扫描效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中CT球管旋转成像示意图。
图2为现有技术中CT球管的结构示意图。
图3为现有技术中电子束偏转打靶成像示意图。
图4为现有技术中闪烁体探测器积分采集及其暗电流、余辉的示意图。
图5为不同物质在不同能量下的衰减系数曲线。
图6为本发明第一实施例中的静态CT扫描仪的系统示意图。
图7为图6中X射线源系统以及探测器系统的分解结构示意图。
图8为图7中X射线源系统以及探测器系统组装后的结构示意图。
图9为能量分辨探测器积分采集及其暗电流、余辉的示意图。
图10为本发明的准直器的狭缝在环形平面方向的结构示意图。
图11为本发明的至少两个X射线源模块同时工作时的示意图。
图中标号说明：10.X射线管，12.射线管的运动轨迹，13.螺旋扫描轨迹，20.转子，21.电磁定子，22.支撑轴，23.钨阳极，24.玻璃壁，25.灯丝电路，26.灯丝，24.电子束，28.X射线束，30.电子枪，31.电子束，32.真空泵，33.聚焦线圈，34.偏转线圈，35.扫描床，36.靶环，34.检测器，38.X射线束，40.静态CT扫描仪，41.电源系统，42.X射线源系统，43.探测器系统，44.数据采集系统，45.计算机，420.环形X射线源，422.环形前准直器，4200.X射线源模块，4220.准直器狭缝，430.环形探测器，432.狭缝，4300.探测器模块，434.环形后准直器。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的静态CT扫描仪及其扫描方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
有关本发明的前述及其它技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。
实施例1
图6为本发明第一实施例中的静态能量分辨CT扫描仪的系统示意图，请参见图6，于本实施例中静态CT扫描仪40，包括电源系统41、X射线源系统42、探测器系统43、数据采集系统44和计算机45，所述探测器系统43用于接收所述X射线源系统42发射的X射线束，所述数据采集系统44连接所述探测器系统43用于对所述探测器系统43输出的信号进行采集和处理，所述计算机45对数据采集系统44输出的投影数据进行处理和图像重建，所述电源系统41分别连接所述X射线源系统42、探测器系统43、数据采集系统44和计算机(45)用于提供所需的高压和普通电源。
图7为图6中X射线源系统以及探测器系统的分解结构示意图，图8为图7中X射线源系统以及探测器系统组装后的结构示意图。请同时参见图7及图8，所述X射线源系统42包括一个环形X射线源420及一个设置于所述环形X射线源420出口处的环形前准直器422，所述环形X射线源420包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块4200，所述的若干个X射线源模块4200均匀分布在一环形轨道上以形成可以多点发射X射线的环形X射线源420。上述环形X射线源出口处指的是环形X射线源420出射X射线束的出口。所述环形前准直器422上分布有若干个准直器狭缝4220用于对X射线的出射范围进行限制，每个所述X射线源模块4200对应一个所述准直器狭缝4220。其中，基于碳纳米管的X射线源模块4200的阴极是一种场发射电子源，它是利用强电场下电子可以通过隧道效应穿过材料表面势垒发生放电现象的原理。采用基于碳纳米管的X射线源模块4200具有时间响应快、可以随时开启、无须加热灯丝电源、射线源体积减小等优点。目前，碳纳米管具有很低的场发射开启电场强度(1-3V/μm)和很高的场发射电流密度(～1A/cm2)，可在普通高真空度(～10-5Pa)下长期稳定的工作。
所述探测器系统43包括位于所述环形X射线源420内侧的两个环形探测器430，所述两个环形探测器430之间具有狭缝432，所述每个环形探测器430由若干个探测器模块4300组成，所述的若干个探测器模块4300的探测面位于所述环形探测器的内表面。所述两个环形探测器430的形状和大小相同且平行设置。进一步的，于本实施例中，所述若干个探测器模块4300为能量分辨计数探测器模块。相对于传统探测器，能量分辨计数探测器可以对每个X光子进行能量分辨(探测器处理一个X光子大约需要几百纳秒的时间)，不但通过设阈值，将小的噪声信号拒之门外，从抑制噪声方面提高了信噪比，而且获取了每个X光子的能量信息，从信息增加方面提高了信噪比(图9)。这种成像方式可以将辐射剂量降低一半。于本实施例中，优选采用基于碲锌镉的高计数率探测器模块。碲锌镉的高计数率探测器模块属于能量分辨计数探测器的一种，具有较高的信噪比。
在静态能量分辨CT扫描仪工作过程中，所述X射线源系统42发出的X光子依次通过所述环形前准直器422的准直器狭缝4220与所述两个环形探测器430之间的狭缝432投射到所述两个环形探测器430的探测面上。
进一步的，于本实施例中，还可以进一步包括两个环形后准直器434分别设置于所述两个环形探测器430的两侧，用于对散射光子进行限制。
进一步的，于本实施例中，所述两个环形探测器430之间的狭缝432间距优选大于0且小于5mm。
进一步的，于本实施例中，所述环形X射线源420与所述两个环形探测器430的直径范围为0.2m至1.5m，优选的为1m。
进一步的，结合图10所示，所述准直器狭缝430的形状在环形平面方向成等腰梯形。
可以理解的是，上述所述“环形”可以为圆形、椭圆形等，本发明并不以此为限。
实施例2：
本发明第二实施例提供一种用于第一实施例中的静态CT扫描仪的扫描方法，具体为使所述若干个X射线源模块4200沿顺时针方向依次发射X射线后再沿逆时针方向依次发射X射线，并且在所述探测器系统43进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块4200的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块4200的编号进行重新排列。
实施例3：
本发明第二实施例提供一种用于第一实施例中的静态CT扫描仪的扫描方法，具体为：首先使所述若干个X射线源模块4200中的至少两个X射线源模块4200同时发射X射线，并保证所述至少两个X射线源模块4200所发射的X射线束在所述探测器系统上的覆盖范围互不重叠(请参见图11，图11以3个X射线源模块4200同时发射X射线为例，A、B、C分别表示3个X射线源模块4200所发射的X射线束在所述探测器系统上的覆盖范围)。然后沿顺时针方向同时移动所述若干个X射线源模块4200，使位于上述至少两个射线源模块4200原始位置上的其他X射线源模块4200发射X射线；接着沿逆时针方向同时移动所述若干个X射线源模块，使位于上述至少两个射线源模块原始位置上的其他X射线源模块4200发射X射线。在所述探测器系统进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块的编号进行重新排列。
综上所述，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、基于本发明制造的CT扫描仪将比现有CT扫描仪的结构简单，取消了滑环，避免了传统的旋转成像方案中CT球管和探测器旋转所遇到的电力传输和数据传输等问题。
2、本发明扫描一周所用时间比现有CT扫描仪的时间更短，突破CT球管旋转成像方案的速度极限，可以从根本上解决现有CT所遇到的运动伪影问题。
3、基于碳纳米管的场发射阴极的X射线源的模块化设计使得系统的维护更容易，能耗更小，运营成本更低。如果某个模块出现故障，只需要更换该模块，而不要像现在的CT系统，需要更换整个球管。
4、基于碲锌镉的高计数率能量分辨探测器能够对X光子进行能量分辨，增加了从每个X光子提取的信息量，可以从硬件角度有效降低CT扫描的辐射剂量。
5、另外，本发明的快速开关特性可灵活变换扫描模式，轻松实现多种扫描模式，提高扫描效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用所述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.静态能量分辨CT扫描仪，包括电源系统(41)、X射线源系统(42)、探测器系统(43)、数据采集系统(44)和计算机(45)，所述探测器系统(43)用于接收所述X射线源系统(42)发射的X射线束，所述数据采集系统(44)连接所述探测器系统(43)，用于对所述探测器系统(43)输出的信号进行采集和处理，所述计算机(45)控制扫描仪工作，对数据采集系统(44)输出的投影数据进行处理和图像重建，所述电源系统(41)分别连接所述X射线源系统(42)、探测器系统(43)、数据采集系统(44)和计算机(45)用于提供所需的高压和普通电源，其特征在于：
所述X射线源系统(42)包括一个环形X射线源(420)及一个设置于所述环形X射线源(420)出口处的环形前准直器(422)，所述环形X射线源(420)包括若干个基于碳纳米管的X射线源模块(4200)，所述环形前准直器(422)上分布有若干个准直器狭缝(4220)用于对X射线的出射范围进行限制，每个所述X射线源模块(4200)对应一个所述准直器狭缝(4220)；所述探测器系统(43)包括位于所述环形X射线源(420)内侧的两个环形探测器(430)，所述两个环形探测器(430)之间具有狭缝(432)，所述每个环形探测器(430)由若干个探测器模块(4300)组成，所述的若干个探测器模块(4300)的探测面位于所述环形探测器的内表面；所述X射线源(420)发出的X光子依次通过所述环形前准直器(422)的准直器狭缝(4220)与所述两个环形探测器(430)之间的狭缝(432)投射到所述两个环形探测器(430)的探测面上。
2.根据权利要求1所述的静态能量分辨CT扫描仪，其特征在于：所述若干个探测器模块(4300)为基于碲锌镉的高计数率探测器模块，所述探测器模块能够对X光子进行能量分辨。
3.根据权利要求1所述的静态能量分辨CT扫描仪，其特征在于：所述两个环形探测器(430)之间的狭缝(432)间距大于0且小于5mm。
4.根据权利要求1所述的静态能量分辨CT扫描仪，其特征在于：所述环形X射线源(420)与所述两个环形探测器(430)的直径范围为0.2m至1.5m。
5.根据权利要求1所述的静态能量分辨CT扫描仪，其特征在于：进一步包括两个环形后准直器(434)分别设置于所述两个环形探测器(430)的两侧，用于对散射光子进行限制。
6.一种根据权利要求1至5任意一项所述的静态能量分辨CT扫描仪的扫描方法，其特征在于，包括步骤：使所述若干个X射线源模块沿顺时针方向依次发射X射线后再沿逆时针方向依次发射X射线，并且在所述探测器系统进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块的编号进行重新排列。
7.一种根据权利要求1至5任意一项所述的静态能量分辨CT扫描仪的扫描方法，其特征在于，包括步骤：使所述若干个X射线源模块中的至少两个X射线源模块同时发射X射线，并保证所述至少两个X射线源模块所发射的X射线束在所述探测器系统上的覆盖范围互不重叠；沿顺时针方向移动所述若干个X射线源模块，使位于上述至少两个射线源模块原始位置上的其他X射线源模块发射X射线；沿逆时针方向移动所述若干个X射线源模块，使位于上述至少两个射线源模块原始位置上的其他X射线源模块发射X射线；在所述探测器系统进行投影数据输出时记录下所对应的X射线源模块的编号，在图像重建前对所输出的投影数据根据所对应的X射线源模块的编号进行重新排列。
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