CN102789943A - X射线管系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线管系统，包括阴极电子枪、聚焦模块、真空管以及磁场模块。所述阴极电子枪、聚焦模块和真空管真空密封连通，而其中聚焦模块的入口端与阴极电子枪的发射端固定连接，聚焦模块的出口端与真空管固定连接。所述阴极电子枪沿真空管之长度中心线的切线方向发射高能电子；所述真空管内设有沿其长度方向设置的金属靶；所述磁场模块设置于真空管周围，并通过其工作时产生的磁场控制阴极电子枪发射的高能电子对所述金属靶进行撞击。本发明还涉及基于该系统的操作方法。本发明将金属靶与真空管结合，使高能电子的偏转在真空管中实现，提高扫描速度，缩短扫描时间，实现360°自由扫描，并减小整体体积。

Description

X射线管系统及其操作方法

技术领域

本发明涉及一种医用X射线管系统及其操作方法。

背景技术

X射线管是X射线CT中的重要部件，它是设备的信号源。X射线管发射出射线，一部分X射线穿过人体被探测器接收。为了实现断层成像，现在使用的有两种方案，第一种方案是X射线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；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。

对于第一种方案而言，由于X射线管旋转受到离心力的制约，虽然现在扫描一周可以在0.27s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对心脏、冠状动脉以及心血管等运动器官或组织的成像要求。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，而且不能实现360度断层扫描。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种X射线管系统及其操作方法，旨在提高扫描速度和散热效果，实现360°自由扫描，缩小装置体积。

本发明提供一种X射线管系统，包括阴极电子枪、聚焦模块、真空管和磁场模块，所述阴极电子枪、聚焦模块和真空管真空密封连通，其中，聚焦模块的入口端与阴极电子枪的发射端固定连接，而聚焦模块的出口端与真空管固定连接，所述阴极电子枪经过聚焦模块向真空管发射高能电子；

所述真空管内设有沿真空管长度方向设置的金属靶；

所述磁场模块设置于真空管周围，并通过其工作时产生的磁场控制阴极电子枪发射的高能电子对所述金属靶进行撞击。

优选地，所述磁场模块由若干在所述真空管上下两表面且沿着真空管长度方向依次排布的线圈组组成，所述线圈组的轴线垂直于真空管所在的平面，且分别在所述真空管上下两侧对称均匀设置，所述真空管被夹持在位于真空管所在平面两侧的线圈组之间。

优选地，所述金属靶位于真空管外侧的内壁上。

优选地，所述金属靶面是弧形平滑靶面。

优选地，所述金属靶面是弧形齿状靶面。

优选地，所述真空管是小于或等于360°范围内的任意圆弧状的真空管。

优选地，所述真空管为环形真空管。

优选地，所述阴极电子枪的发射端沿环形真空管长度中心线的切线方向设置，所述阴极电子枪发射的高能电子沿环形真空管长度中心线的切线方向直线运动。

优选地，所述真空管内侧的管壁为X射线放射窗。

本发明还提供了一种X射线管系统的操作方法，所述方法包括以下步骤：

所述阴极电子枪连续的将高能电子通过所述聚焦模块聚焦后射入所述真空管中；

所述磁场模块在高能电子射入方向上的第一组线圈组通电，该线圈组产生使高能电子偏转的磁场，当高能电子脱离该线圈组控制范围后，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对所述金属靶面进行轰击；

按所述高能电子射入的方向对后续线圈组依次通电，轰击点沿着所述金属靶面不断依次移动，直到全部线圈组通电，轰击点完成一个周期的运动。

本发明还提供了另一种X射线管系统的操作方法，所述方法包括以下步骤：

所述阴极电子枪连续的将高能电子通过聚焦模块聚焦后射入真空管中，所述磁场模块的所有线圈组通电并产生偏转磁场，高能电子在所述磁场模块产生的磁场中沿真空管做周期运动；

所述磁场模块在高能电子射入方向上的最后一组线圈组断电，当高能电子运动到该线圈组控制范围内，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对所述金属靶面进行轰击；

高能电子射入方向上的其他线圈组反向依次断电，轰击点沿着金属靶面不断依次移动，直到全部线圈组断电，轰击点完成一个周期的运动。

本发明X射线管系统及其操作方法将金属靶与真空管结合，使高能电子的偏转是在环形管中实现，这样即提高了扫描速度，缩短成像过程的扫描时间，又实现了360°自由扫描，同时还大大减小了整体的体积，另外，金属靶的设计方案增加了靶面的面积，提高了X射线管的热容量，使得散热问题更容易处理。

附图说明

图1为本发明X射线管系统一个实施例的结构示意图；

图2为本发明X射线管系统一个实施例的部分剖面结构示意图；

图3为本发明X射线管系统一个实施例的齿状靶面示意图；

图4为本发明X射线管系统的操作方法一个实施例的流程图；

图5为本发明X射线管系统的操作方法另一个实施例的流程图。

具体实施方式

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

参照图1和图2，为本发明X射线管系统一个实施例的结构示意图，包括阴极电子枪10、聚焦模块20、真空管30及磁场模块。所述阴极电子枪10、聚焦模块20和真空管30真空密封连通，其中，聚焦模块20的入口端与阴极电子枪10的发射端固定连接，聚焦模块20的出口端与真空管30固定连接。

上述真空管30是由石英玻璃、碳纤维材料或者是其它原子序数小、密度低、并具有一定机械强度的材料制成，该真空管30管壁厚度为0.1至5mm，内径为200至1400mm，外径为300至1500mm，通常情况下用于人体扫描的X射线管系统其真空管30的内外径在700至1000mm之间。当然本发明的X射线管系统也可用于其他用途，如动物的成像，区别之处在于上述真空管的内外径有所差异。该真空管30呈小于或等于360°范围内的任意圆弧状，一般采用圆环形或椭圆环形，以下提到真空管以圆环形为其形状。

上述阴极电子枪10用于发射高能电子，所发射的高能电子经聚焦模块20聚焦后，射向真空管30内。优选为，阴极电子枪10的发射端沿真空管30的长度中心线的切线方向设置，其所发射的高能电子经聚焦模块20聚焦后能够沿着真空管30的切线方向射入真空管30内，且射入点在真空管30中心线上。

上述真空管30远离圆心或弧心一侧的内壁设有供高能电子轰击的金属靶(未标示)，该金属靶的材料可以为金属钨、铼钨合金或其他能被高能电子轰击后可产生X射线的金属。

上述金属靶可以是弧形平滑状，也可以是如图3所示的弧形齿状，优选为弧形齿状靶。采用弧形齿状靶可以减小高能电子轰击金属靶的入射角，使之所产生的X射线的焦点大小更容易控制。

上述磁场模块由在上述真空管30上下两个表面排布且又沿着真空管30得长度方向依次排布的若干线圈组41组成，若干线圈组41分别在真空管30上下两侧对称均匀设置，该真空管30被夹持在位于真空管30所在平面两侧的若干线圈组41之间。磁场模块在工作时产生可变磁场，该真空管30位于可变磁场中，通过控制可变磁场便可控制阴极电子枪10发射出来的高能电子对金属靶的轰击。

上述线圈组41优选为亥姆霍兹线圈，即为一对相同、彼此平行且共轴的载流圆线圈。选用这种线圈的优点是：如果该线圈通以同方向电流，同时线圈间距等于线圈半径时，两个线圈的总磁场在轴的中点附近的较大范围内是均匀的。

上述线圈组41是由MOSFET开关阵列控制。通过外界的控制电路控制MOSFET开关的通断，来决定是否给线圈组41提供电流。线圈组41的电流由高压电源提供。一个线圈组41可以接多个开关，不同的开关或者开关组合对应不同强度的电流，通过选择不同强度的电流来控制线圈组41产生的磁场。为线圈组41提供电流的方法与过程不是本发明的要点，因此不再赘述。

上述真空管30靠近圆心的一侧管壁为低衰减系数的材料制成的X射线放射窗，用于上述高能电子轰击金属靶后产生的X射线从该放射窗中射出，完成对成像物体50的扫描。

本发明X射线管系统的工作原理是：在上述真空管30上下表面对称的某一对线圈组41通电后便产生垂直于真空管30所在平面的磁场。当阴极电子枪10发射的高能电子经聚焦模块20进入真空管30并进入该磁场后，在该磁场的作用下高能电子会受到一个指向真空管30圆心的洛伦兹力，该力可使高能电子运动的轨迹向真空管30的圆心偏转。如果所有线圈组41同时通电并产生磁场，且该磁场所提供的洛伦兹力恰能满足高能电子在真空管30内做圆周运动所需的向心力时，则高能电子便可在真空管30内做圆周运动。所有线圈组41都通电后产生的磁场可覆盖整个真空管30。通过逐次减小或切断通过线圈组41中的电流，减弱或使磁场消失，高能电子所受到的洛伦兹力也随之减弱或消失。此时高能电子便做离心运动或沿切线做直线运动，直到高能电子轰击金属靶产生X射线。为了使线圈组41在真空管30所在平面上所产生的磁场不会相互叠加，彼此具有独立性，而又必需满足所有线圈组41所产生的磁场可以紧密衔接，让高能电子在磁场中的运动具有连贯性，线圈组41在沿真空管30长度方向上排布彼此之间的距离应在0.5至10mm之间。

参照图1和图2所示，本发明的第一实施例为：上述线圈组41是按照一个序列均匀排布的，在沿真空管30长度方向上排布彼此之间的距离在0.5至10mm之间。所有的线圈组41初始状态均处于断电状态。阴极电子枪10将高能电子经聚焦模块20聚焦后射入真空管30，因为高能电子在进入真空管30后不受力(由于重力和阻力对其运动的影响微乎其微，故可忽略不计)，因此高能电子将始终沿直线运动，直到轰击真空管30远离圆心的一侧内壁的金属靶并产生X射线。若所有线圈组41通电情况保持不变(即全部线圈组41依然保持断电状态)，则后续的所有高能电子也将始终轰击到金属靶的同一个点(设该点为A点)。

如果将高能电子在进入真空管30方向上的第一个线圈组41a通电，且后续所有线圈组41仍处于断电状态。高能电子在进入该线圈组41a控制的范围内，将受到磁场作用，高能电子会受到一个指向真空管30圆心的洛伦兹力，其运动方向将会向真空管30的圆心偏转。当高能电子脱离了线圈组41a的磁场控制范围后，由于线圈组41a后续的所有线圈组41仍处于断电状态，不提供磁场，高能电子又会处于一个不受力的状态，其将会沿其运动的切线方向继续沿直线运动，直到轰击金属靶并产生X射线。若此后所有的线圈组41通电情况保持不变，则后续的所有高能电子将始终轰击到金属靶的同一个点(设该点为B点)。

如果将高能电子在进入真空管30的方向的第一个线圈组41a和第二个线圈组41b同时通电，且后续所有线圈组41仍始终处于断电状态。高能电子在进入该线圈组41a和线圈组41b控制的范围内，将受到磁场作用，高能电子会受到一个指向真空管30圆心的洛伦兹力，其运动方向将会向真空管30的圆心偏转。当高能电子脱离了线圈组41a和线圈组41b的磁场控制范围后，由于线圈组41a和线圈组41b后续的所有线圈组41仍处于断电状态，不提供磁场，高能电子又会处于一个不受力的状态，其高能电子又将会沿其运动的切线方向继续沿直线运动，直到轰击金属靶并产生X射线。若此后所有的线圈组41通电情况保持不变，则后续的所有高能电子也将始终轰击到金属靶的同一个点(设该点为C点)。

显而易见地，在沿高能电子运动的方向上C点一定在B点的前方，B点一定在A点的前方，如此便实现了轰击点的移动(即由A点到B点，再到C点)。

同理，以此类推。当高能电子持续轰击一个采集时间单位后，对其下一个线圈组41通电，轰击点便可以沿着环形金属靶不断移动，直至到最后一个线圈组41n通电，轰击点完成一个周期的运动。此时所有的线圈组41同时处于通电并提供磁场的状态。如果所通过的电流强度适当、所产生的磁场强度适度时，则高能电子便可在沿真空管30做圆周运动。在完成最后一个轰击点的采样后，所有的线圈组41及阴极电子枪10均停止工作，一个采样周期结束。由于高能电子运动速度非常快，所以通过上述方案可实现在1至50ms的极短时间内对成像物体50进行360°的自由扫描。

同样本实施例还可以通过减弱通过线圈组41中的电流，从而减弱磁场的方法来较精确的控制高能电子轰击金属靶的位置，实现轰击点的移动。详细地说，如果从按高能电子进入真空管30的方向的第一个线圈组41a开始，之后的每一个线圈组41按照一定的规律依次减弱所通过的电流，则所产生的磁场强度也将依次减弱。当高能电子进入上述逐渐减弱的磁场后，所受洛伦兹力会随着磁场强度的减弱而减小，则运动半径逐渐增大，直到轰击到金属靶面并产生X射线。电流减弱的程度越大，则高能电子越早轰击金属靶，轰击点越靠前，反之亦然。

上述实施例中，控制高能电子轰击金属靶面的位置的关键在于控制所产生磁场的强弱，下面具体对磁场的强弱进行详细说明。

例如：当真空管30半径r＝500mm，高能电子的能量E＝140keV；m为电子的质量，v为电子的速度，r为旋转半径(即真空管30半径)，q为电子的电荷，B为磁场强度。另外，v和B均为矢量。

高能电子在磁场中所受到的洛伦兹力为：

        F_洛＝qvB                        (1)

高能电子在真空管30内做圆周运动所需的向心力为：

当高能电子在磁场中做圆周运动时，由洛伦兹力提供向心力，可得：

        F_洛＝F_向                        (3)

因为v和B的方向相互垂直时，式(3)可以变换为：

$B=\frac{\mathrm{mv}}{\mathrm{qr}}---\left(4\right)$

由于此处只是简单估算一下所需磁场强度的量级，所以我们采用牛顿力学而非相对论力学来计算式(4)。根据牛顿力学，将带入上式得：

$B=\frac{\sqrt{2\mathrm{mE}}}{\mathrm{qr}}---\left(5\right)$

将相关数据带入式(5)得：

            B＝2.5×10^-3T

当然，上面的计算是近似的，因为当电子能量为140keV时，其速度已经接近光速了，约0.7c，此时需要考虑相对论效应。但是，计算结果不会发生量级上的变化，即本发明提供的X射线管系统设计方案中所提及到的磁场强度在10^-3T量级的附近即可满足本发明的需要。现有的技术完全能够提供这个强度的磁场。

上述磁场强度与线圈组41的匝数、通过线圈组41的电流强弱有关，例如上述线圈组41可采用线圈匝数为1至10匝的亥姆霍兹线圈，此时需要的电流约为1至200A即可满足磁场的上述要求。

参照图4，为本发明X射线管系统的操作方法一个实施例的流程图，本发明还涉及一种基于上述第一实施例的操作方法，包括以下步骤：

上述阴极电子枪10连续的将高能电子通过上述聚焦模块20聚焦后射入上述真空管30中；

上述磁场模块在高能电子射入方向上的第一组线圈组41a通电，该线圈组41a产生使高能电子向上述真空管30圆心偏转的磁场，当高能电子脱离该线圈组41a控制范围后，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对上述金属靶面进行轰击；

按上述高能电子射入的方向对后续线圈组41依次通电，轰击点沿着上述金属靶面不断依次移动，直到全部线圈组41通电，轰击点完成一个周期的运动。

本发明还有第二实施例，与第一实施例的不同之处在于，上述所有的线圈组41的初始状态均处于通电状态，且所产生磁场恰能使高能电子沿真空管30中做周期运动。阴极电子枪10连续的将高能电子通过聚焦模块20的聚焦后射入真空管30中。在高能电子射入的方向的最后一个线圈组41n断电，且该线圈组41n之前的所有线圈组41均保持通电状态。当高能电子运动到该线圈组41n控制的范围内时，由于该范围磁场消失，高能电子处于不受力的状态，其将会沿运动的切线方向做直线运动，直到轰击金属靶并产生X射线。若此后所有线圈组41通电情况保持不变，则后续的所有高能电子也将始终轰击到金属靶的同一个点(设该点为D点)。

如果高能电子射入的方向的倒数第一个线圈组41n和倒数第二个线圈组41(n-1)同时断电，且该线圈组41(n-1)之前的所有线圈组41均保持通电状态。那么高能电子运动到该线圈组41(n-1)控制的范围内，由于该范围磁场消失，高能电子处于不受力的状态，其将会沿运动的切线方向做直线运动，直到轰击到金属靶并产生X射线。若此后所有线圈组41通电情况保持不变，则后续的所有高能电子也将始终轰击到金属靶上的同一个点(设该点为E点)。

显而易见地，在沿高能电子运动的方向上D点一定在E点的前方，如此便实现了轰击点的移动(即由D点到E点)。

同理，以此类推。当高能电子持续轰击一个采集时间单位后，对其上一个线圈组41断电，于是轰击点继续移动。随着后续的线圈组41依次断电，轰击点沿着环形金属靶面不断移动，直至到所有的线圈组41全部断电，轰击点完成一个周期的运动。在完成最后一个轰击点的采样后，所有的线圈组41及阴极电子枪10均停止工作，一个采样周期结束。由于高能电子运动速度非常快，所以便可实现在1至50ms的极短时间内对成像物体50进行360°的自由扫描。

同样本实施例还可以通过减弱通过线圈组41中的电流，从而减弱磁场的方法来更精确的控制高能电子轰击金属靶面的位置，实现轰击点的移动。其原理之前已详细记载，在此不再赘述。

本发明还涉及另一种基于上述第二实施例的操作方法，包括以下步骤：

上述阴极电子枪10连续的将高能电子通过聚焦模块20聚焦后射入真空管30中，上述磁场模块的所有线圈组41通电并产生偏转磁场，高能电子在上述磁场模块产生的磁场中沿真空管30做周期运动；

上述磁场模块在高能电子射入方向上的最后一组线圈组41n断电，当高能电子运动到该线圈组41n控制范围内，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对上述金属靶进行轰击；

高能电子射入方向上的其他线圈组41反向依次断电，轰击点沿着金属靶不断依次移动，直到全部线圈组41断电，轰击点完成一个周期的运动。

可以理解的本发明不仅仅限于圆环形的真空管30，只要磁场模块所产生的磁场能够满足使高能电子在真空管30内沿管运动，任何性状的真空管30均可。

利用上述两种方法均可通过控制线圈组41中的电流，实现精确控制高能电子轰击金属靶面的位置，从而控制X射线的方向，进一步实现了在极短的时间内产生360°X射线的目的。

本发明X射线管系统及其操作方法将金属靶与真空管结合，使高能电子的偏转是在环形真空管中实现，这样即提高了扫描速度，缩短成像过程的扫描时间，又实现了360°自由扫描，同时还大大减小了整体的体积，另外，环形金属靶的设计方案增加了靶面的面积，提高了X射线管的热容量，使得散热问题更容易处理。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种X射线管系统，其特征在于，包括阴极电子枪、聚焦模块、真空管和磁场模块，

所述阴极电子枪、聚焦模块和真空管真空密封连通，其中，聚焦模块的入口端与阴极电子枪的发射端固定连接，而聚焦模块的出口端与真空管固定连接，所述阴极电子枪经过聚焦模块向真空管发射高能电子；

所述真空管内设有沿真空管长度方向设置的金属靶；

所述磁场模块设置于真空管周围，该磁场模块在工作时产生磁场，所述真空管位于磁场中，而磁场模块通过磁场控制阴极电子枪发射的高能电子对金属靶的轰击。

2.根据权利要求1所述的X射线管系统，其特征在于，所述磁场模块由若干在所述真空管上下两表面且沿着真空管长度方向依次排布的线圈组组成，所述线圈组的轴线垂直于真空管所在的平面，且分别在所述真空管上下两侧对称均匀设置，所述真空管被夹持在位于真空管所在平面两侧的线圈组之间。

3.根据权利要求1所述的X射线管系统，其特征在于，所述金属靶位于真空管外侧的内壁上。

4.根据权利要求3所述的X射线管系统，其特征在于，所述金属靶是弧形平滑靶面。

5.根据权利要求3所述的X射线管系统，其特征在于，所述金属靶是弧形齿状靶面。

6.根据权利要求1所述的X射线管系统，其特征在于，所述真空管是小于或等于360°范围内的任意圆弧状的真空管。

7.根据权利要求6所述的X射线管系统，其特征在于，所述真空管为环形真空管。

8.根据权利要求7所述的X射线管系统，其特征在于，所述阴极电子枪的发射端沿环形真空管长度中心线的切线方向设置，所述阴极电子枪发射的高能电子沿环形真空管长度中心线的切线方向直线运动。

9.根据权利要求1所述的X射线管系统，其特征在于，所述真空管内侧的管壁为X射线放射窗。

10.一种X射线管系统的操作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述阴极电子枪连续的将高能电子通过所述聚焦模块聚焦后射入所述真空管中；

所述磁场模块在高能电子射入方向上的第一组线圈组通电，该线圈组产生使高能电子偏转的磁场，当高能电子脱离该线圈组控制范围后，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对所述金属靶进行轰击；

按所述高能电子射入的方向对后续线圈组依次通电，轰击点沿着所述金属靶不断依次移动，直到全部线圈组通电，轰击点完成一个周期的运动。

11.一种X射线管系统的操作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

所述阴极电子枪连续的将高能电子通过聚焦模块聚焦后射入真空管中，所述磁场模块的所有线圈组通电并产生偏转磁场，高能电子在所述磁场模块产生的磁场中沿真空管做周期运动；

所述磁场模块在高能电子射入方向上的最后一组线圈组断电，当高能电子运动到该线圈组控制范围内，高能电子沿其运动的切线方向做直线运动，直到对所述金属靶进行轰击；

高能电子射入方向上的其他线圈组反向依次断电，轰击点沿着金属靶面不断依次移动，直到全部线圈组断电，轰击点完成一个周期的运动。

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