CN103081024A

CN103081024A - 利用像素化探测器的x射线成像

Info

Publication number: CN103081024A
Application number: CN201180042736XA
Authority: CN
Inventors: K·J·恩格尔; G·福格特米尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: RU2589720C2; EP2614507B1; US9599577B2; CN103081024B; WO2012032435A1; EP2614507A1; RU2013115301A; US20130156157A1

Abstract

本发明涉及一种用于产生X射线图像的方法和成像系统（100）。该系统（100）包括至少一个X射线源，优选是X射线源（101a-101d）的阵列，以及具有敏感像素（103a-103e）阵列的X射线探测器（103）。在X射线源和探测器之间布置准直器（102），使得准直器（102）的两个开口（P）允许X射线通过而指向两个相邻像素（103a-103e），同时基本屏蔽所述像素之间的区域。像素之间对通常不敏感的区域的这种屏蔽减少了不必要的X射线曝光。可以利用多个小的X射线源（101a-101d）实现充分大的X射线强度。

Description

利用像素化探测器的X射线成像

技术领域

本发明涉及一种用于利用X射线源和X射线探测器产生X射线图像的方法和成像系统。此外，涉及用于这样的成像系统的X射线发生器。

背景技术

从WO2010/0055930A1知道了一种X射线成像设备，其包括多个X射线源、具有多个裂缝的准直器以及具有多个探测元件的X射线探测器。选择性激活X射线源并修改准直器的几何形状能够改变投影视图而不会造成探测器或X射线源的物理运动。

发明内容

本发明的目的是提供利用像素化探测器对对象进行X射线成像的改进手段，其中尤其希望实现对对象所暴露的X射线剂量的更好利用。

这个目的是通过根据权利要求1所述的X射线成像系统、根据权利要求2所述的方法和根据权利要求11所述的X射线发生器实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据第一方面，本发明涉及一种X射线成像系统，用于产生对象的X射线图像，对象例如是医疗X射线实验室中的患者或安全防范系统中的一件行李，其中出于技术原因，X射线探测器在被照射区域内部的像素之间具有辐射不敏感区域。产生的图像通常将包括对象的投影，可以任选地通过计算断层摄影（CT）将它们合成为截面图像。X射线成像系统包括以下部件：

a)用于产生X射线束的至少一个X射线源。在当前语境中，术语“X射线”在广义上应包括任何高能量的电磁辐射，典型地是波长介于大约10^-8和10^-12m之间的辐射。产生的X射线束通常可以具有任何几何形状，例如包括（大致）平行的X射线。不过最优选地，每个X射线源大致为点状（相对于成像系统的其他部件），产生扇形或锥形X射线束。

b)X射线探测器，包括X射线敏感单元或元件的阵列，由所述单元之间的X射线不敏感区域（即，不将接收的辐射转换成有用的测量信号的区域）分开单元。由于这些单元的探测信号通常对应于所产生投影的特定点的图像信息，所以在下文中通常将这些敏感单元称为“像素”。该阵列包括至少两个这些像素，不过通常是布置成一维或二维图案的大量的，数千个像素。在X射线源的视场中布置X射线探测器，使得产生的X射线射束能够达到像素。

c)准直器，包括至少两个开口，其中X射线源、X射线探测器和准直器的几何形状使得至少两个开口允许来自至少一个X射线源的X射线通过，使得所述探测器的至少两个相邻像素被照射，同时所述像素之间的辐射不敏感区域至少部分被所述准直器的材料从X射线屏蔽，即其被更弱的强度照射。典型地，像素之间的强度小于75%，优选小于50%，最优选小于像素之内（在没有对象时）强度的10%。所考虑的两个开口通常是准直器的相邻开口。

d)可以容纳要成像的对象的对象空间，所述对象空间位于所述准直器和所述X射线探测器之间。

根据第二方面，本发明涉及一种利用X射线成像系统，尤其是利用上述种类的X射线成像系统产生X射线图像的方法。该方法包括以下步骤，通常同时执行它们：

a)利用至少一个X射线源产生X射线射束。

b)在X射线探测器的像素阵列的像素位置处探测所述射束的X射线。

c)允许来自所述X射线射束的X射线通过准直器的至少两个开口，使得所述探测器的至少两个相邻像素被照射，同时所述像素位置之间的辐射不敏感区域至少部分被屏蔽。

d)在所述准直器和所述探测器之间被成像的对象。

在一些X射线成像系统中（例如，计算断层摄影中通常使用的那些），由于探测器的设计原因，像素化X射线探测器的两个（相邻）像素之间的区域对X辐射不敏感。例如，不敏感分离部件可以位于这些区域中，或者这些区域可能被抗散射栅格占据。指向两个像素之间的这种区域的X射线因此将对图像没有贡献，而仅仅增大对象暴露的剂量。此外，这样的射线甚至可能起反作用，因为它们对影响图像质量的散射辐射有贡献。由于准直器屏蔽两个像素之间的区域且仅允许朝向敏感像素区域的X辐射通过，因而上述成像系统和方法中避免了这些副作用。

在下文中，将描述与上述种类的成像系统和方法均有关的本发明各优选实施例。

于是，准直器中的开口可以优选为裂缝，裂缝具有细长的几何形状（例如，具有矩形形状），长度方向上的直径比正交宽度方向上的直径大若干倍。优选地，裂缝可以是这样的：它们产生扇形射束，照射像素阵列上从探测器一个边界延伸到相对边界的条纹。

在替代实施例中，开口可以是孔，即，它们具有紧凑的（例如圆形、正方形或矩形）形状。最优选地，孔的形状基本对应于探测器像素的形状。在这种情况下，可以通过这样的开口，利用充分小的源最佳地照射一个像素的完整X射线敏感区域。

已经提到，X射线探测器的像素阵列将典型地包括（远）超过两个辐射敏感像素。在优选实施例中，这些像素在准周期性阵列中对准，利用准直器，以比阵列（准）周期性的至少一个方向上它们之间的辐射不敏感区域更高的强度照射它们。

通常，可以由X射线源通过准直器的一个开口照射探测器大的多像素子区域。不过，为了优化像素之间不敏感区域的屏蔽，优选所述准直器的至少一个开口和所述至少一个X射线源的尺寸和布置使得通过所述开口照射基本仅一个像素或基本仅一排像素。最优选地，准直器的所有开口满足这些条件。

尽管已经能够利用准直器的仅两个开口实现本发明的优点，但优选准直器包括阵列，阵列典型地具有更大数量的开口，开口在一维或二维上与探测器的像素对准。在当前语境中，开口与像素“对准”应当表示任意两个相邻开口允许指向两个相邻像素的X射线通过，同时基本屏蔽所述像素之间的区域。换言之，来自X射线源的辐射向探测器区域上对应于这个区域中像素图案（或优选与之相同）的图案上投射准直器的开口。

X射线探测器像素的尺寸（平均直径）典型地范围介于大约0.1mm和大约2mm之间。像素的典型几何结构是矩形、正方形、六边形或允许巧妙堆砌一维或二维区域的任何其他形状。

像素的间距，即相邻像素的两个特征点（例如中心）之间的平均距离优选介于大约0.5mm和2mm之间。对于X射线源的给定尺寸和布置，像素的间距对利用成像系统可以实现的图像分辨率有贡献。

准直器的开口宽度优选介于大约100μm和500μm之间。对于非圆形的开口，将所述宽度定义为能够完全内切于开口中的最大圆的直径。

准直器的开口间距优选介于大约100μm和500μm之间。

在原则上能够仅利用单个X射线源实现本发明的优点。不过，由于真实的X射线源有某种有限空间延伸，通过准直器的开口照射像素必然将由于半影效应而有些模糊。这种效应的限制要求X射线源应当尽可能小，不过这也降低了X射线照射的可用强度。如果成像系统包括具有多个满足本发明条件的X射线源的“X射线发生器”，则实现了对这种困境的解决方案，即，对于每个X射线源，都有准直器的至少两个开口，允许朝向两个相邻像素的X射线通过，而所述像素之间的区域基本被屏蔽于所考虑X射线源的辐射之外。优选在由最大直径限定的区域之内布置所有X射线源，从而将被检查对象的图像的空间分辨率保持在优选规格之内。典型地，这意味着所述区域具有最大直径，该最大直径对应于通用X射线源的焦斑发射区域的直径。另一方面，优选X射线源并非如通过同一准直器开口照射像素那样靠拢在一起，因为这会增大每个开口的有效射束的半影，因此与使用发射区域扩大的单个焦斑相比，没有好处。考虑所述论证，最优选地，将X射线源对准到准直器开口，使得每个X射线源使用不同的准直器开口照射特定像素或像素组，从而意味着X射线源彼此保持某种最小距离。利用多个X射线源，可以相应地增大辐射的可用强度而不会增强模糊效应。

在上述实施例中，优选有至少一个像素同时由通过至少两个不同开口的辐射照射（所述辐射来自不同的X射线源）。

根据上述实施例的进一步发展，选择成像系统的几何形状，使得X射线发生器的任两个X射线源通过准直器的开口照射同一组像素。最优选地，能够准周期性地对准所有X射线源和所有准直器开口，使得每个个体X射线源通过具有图案的准直器开口照射探测器阵列，因此以比像素间的不敏感区域更高的强度照射X射线敏感像素区域。然后重叠所有X射线源的照射图案以构建总的照射图案，其再次满足如下条件：以比像素之间的不敏感区域更高的强度照射X射线敏感像素区域。在理想化情况下，每个X射线源照射所有探测器像素，或在等价组成中，由所有可用的X射线源同时照射每个探测器像素。

优选地，包含X射线发生器的多个X射线源的区域的总尺寸较小，因此在探测器的分辨率极限之内，从所有X射线源产生的通过对象的投影基本相同。如上所述，X射线源覆盖的总面积优选可以与常规X射线管中的焦斑尺寸相当。最优选地，所有所述多个X射线源覆盖小于大约10mm²的面积。X射线发生器的个体X射线源的（最大）直径典型地小于100μm，优选小于50μm。

根据第三方面，本发明涉及一种用于上述种类的成像系统的X射线发生器，所述发生器包括多个X射线源。X射线发生器的特征在于其包括具有调制发射强度的发射区域。那么，发射强度的峰在功能上由不同X射线源构成。

在X射线发生器的第一优选实施例中，所述发生器包括电子光学器件和/或结构化的电子发射器，用于在产生发射峰阵列的图案中用电子轰击发射区域。尽管在常规X射线管中，利用电子均匀地轰击目标上的焦斑，但本发明利用多个发射峰在目标区中生成某种微结构。

优选可以在图案中对上述结构化电子发射器进行结构化，该图案是X射线源阵列图案的缩放副本。在这种情况下，仅需要向发射区域发射的电子的简单线性“光学”成像。

尤其可以通过碳纳米管发射器实现具有充分精细结构的电子发射器。例如，可以在US2002/0094064A1或US6850595中找到关于碳纳米管以及可以利用它们构建的X射线源的更多信息。

根据另一实施例，X射线发生器包括设置于具有孔的掩模后方的空间延伸的X射线发射器。延伸的X射线发射器例如可以是常规X射线管的焦斑，尺寸典型为几个平方毫米。在这一实施例中，掩模的孔将如所需的众多点状X射线源那样工作。

附图说明

本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例变得显而易见并参考其加以阐述。将借助于附图以举例方式描述这些实施例，其中：

图1示意性地示出了根据本发明具有多个单一X射线源的第一成像系统的成像几何结构；

图2详细示出了单个准直器开口处的光学器件；

图3示意性地示出了根据本发明的第二成像系统的成像几何结构，其中使用具有掩模的扩展X射线发射器产生多个X射线源。

类似附图标记或相差100的整数倍的附图标记在图中指示相同或类似部件。

具体实施方式

在很多常规X射线成像模态（尤其是CT）中，X射线探测器具有特征为像素间间隙的非有效区域。对于CT探测器而言，目前间隙是不可避免的，因为必然要将它们用于抗散射准直器（也称为抗散射栅格）的吸收薄片。在工作期间，X射线锥形射束还照射非有效的探测器区域。这导致患者受到不必要的剂量曝光。

鉴于此，在此提出一种方法，能够在空间上调制X射线锥形射束，使得有效的探测器区域（像素）几乎完全被照射，而像素之间的非有效间隙至少受到强度较小的照射。基本上，提出的方法应用多个针形射束而非或多或少均质的辐照锥形射束。

图1示意性示出了根据上述概念的第一实施例的成像系统100的侧视图。成像系统100包括以下部件：

-X射线发生器101，具有独立的X射线源101a、……101d的阵列，用于产生X射线射束Xa、……Xd；

-具有针孔P的准直器102；

-X射线探测器103，具有敏感像素103a、……103e的（一维或二维）阵列。

可以在准直器102和探测器103之间的“对象空间”中设置要成像的对象（未示出）。

成像系统100的基本思想是使用针孔掩模102作为准直器以生成针形射束阵列，每个射束恰好到达像素103a、……103e之一。如果（要）使用理想的点状X射线源，针孔准直器102已经与单个X射线源（例如源101a）工作得很好。

不过，对于典型（实际上，例如由探测器看到的）为0.5mm×1mm的X射线源点尺寸，能够容易证明，这样的空间扩展源会生成半影，在实际情况下（源-探测器的距离为1m，源-准直器的距离为20cm）具有至少2mm的宽度。与典型的大约1.2mm的探测器像素间距相比，这是过宽了。

为了减小针形射束的尺度，必须采取两个动作：首先，必须要减小焦斑尺寸。第二，必须要减小准直器102的针孔P的尺寸。为了在探测器103处生成1mm半高全宽（FWHM）的针形射束尺度，并且在像素之间具有200μm宽的间隙d，对于上述距离，必须使用间距为240μm，孔尺寸200μm的针孔准直器102。为了确保充分小的200μm宽度的半影，必须要将单个焦斑减小到50μm的尺寸。图2示出了针对单个X射线源101a和准直器102的单个针孔P的所得射线几何形状，允许具有半影Xa''的中心射束Xa'通过。

上述尺寸的单个焦斑可能具有总强度过低的问题。因此优选不仅使用一个小的源，而且使用几个小X射线源101a、……101d的阵列。优选地，包括这些小X射线源101a、……101d的总面积对应于公共焦斑尺寸。此外，调整小的X射线源101a、……101d的间距，使得探测器103上的源阵列的投影图像适合像素间距（即，对于1.2mm的探测器像素间距，源阵列将需要大约300μm的间距）。于是，精细结构化的X射线发生器101提供极小焦斑的阵列，这确保了多个针形射束变得足够锐利，以仅照射有效的像素区域。

实际上，可以借助于类似于普通X射线管中已经使用的那些的电子光学器件实现X射线源101a-101d的阵列；不过，必须要构造电子发射器，使得仅在对应于X射线源阵列的缩放副本的那些区域中发射电子。例如，利用结构化碳纳米管发射体，这是可行的。

可以将准直器102的针孔掩模制造成蚀刻的金属箔，将其添加到对象（未示出）前方某处的射线路径中。可能地，可以将准直器102与普通的预滤波或射束成形器组合。必须要考虑到，必须要始终调整准直器102和X射线发生器101之间的距离以及准直器的局部孔间距，使得X射线源101a、……101d的每个的投影图像都适合探测器像素间距。

图3示出了具有X射线发生器201的成像系统200的第二实施例，其允许使用具有单个焦斑211（任选具有双或四焦斑技术）的普通X射线管。可以通过适当的工作将这种方式实现到现有的CT扫描机中。

由具有针孔213的（第二）掩模212或栅格在患者前对普通X射线管（未详细示出）的焦斑211进行准直。基本上，由第二掩模212的开口213代替图1中所示的点源，而不再需要对X射线焦斑211进行结构化。

如图3中所示，掩模212的间距大于准直器202的间距，因此这种掩模212比准直器202更容易制造。

栅格212的最佳结构取决于是希望生成一组扇形射束（在探测器像素间隙在一个方向上小到可忽略的情况下是有用的）还是一组针形射束（对于具有在每个方向上有非有效间隙的像素阵列的普通CT探测器是有用的）。对于扇形射束的情况，必须要制造线光栅，而对于第二种情况，必须要制造具有矩形开口的掩模。

本发明的优点是，将患者的总曝光减少了由针孔准直器吸收的X射线部分，但图像质量无损失，理想情况下，甚至在没有针孔准直器的情况下仍保持每个有效像素区域接收的管强度。作为一种有利的副作用，产生更少的X射线散射辐射，导致图像质量的改善。本发明尤其可以应用于X射线计算断层摄影系统，但更一般地，可以应用于所有以探测器像素间的非有效区域为特征的X射线成像系统。

最后，要指出在本申请中，术语“包括”不排除其他元件或步骤，“一”不排除多个，单个处理器或其他单元可以完成几个模块的功能。本发明体现于每个新颖的特征和特征的每种组合。此外，不应将权利要求中的附图标记解释为限制其范围。

Claims

1.一种X射线成像系统（100，200），包括：

a)至少一个X射线源（101a-101d，201a-201d），其用于产生X射线射束（Xa-Xd）；

b)X射线探测器（103，203），其包括至少两个敏感像素（103a-103e，203a-203e）的阵列，在所述像素之间具有X射线不敏感区域；

c)准直器（102，202），其包括至少两个开口（P），所述开口允许来自所述X射线源的X射线通过，使得所述探测器的至少两个相邻像素被照射，同时所述像素之间的所述X射线不敏感区域至少部分被所述准直器屏蔽；

d)所述准直器和所述X射线探测器之间的对象空间，其中能够容纳要成像的对象。

2.根据权利要求1所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，至少一个开口（P）和所述X射线源（101a-101d，201a-201d）的尺寸和布置使得通过所述开口照射基本仅一个像素（103a-103e，203a-203e）或一排像素。

3.根据权利要求1所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，所述准直器（102，202）包括开口（P）的阵列，所述开口在一维或二维上与所述探测器（103，203）的所述像素（103a-103e，203a-203e）对准，使得通过利用所述X射线源的充分照射，在像素阵列的至少一个方向上以比所述辐射敏感像素区域之间的所述辐射不敏感区域更高的强度基本照射所述辐射敏感像素区域。

4.根据权利要求1所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，所述像素（103a-103e，203a-203e）的尺寸范围介于大约0.1mm和大约2mm之间，和/或所述像素（103a-103e，203a-203e）的间距范围介于大约0.5mm和2mm之间。

5.根据权利要求1所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，所述准直器（102，202）的所述开口（P）的宽度范围介于大约100μm和500μm之间，和/或所述准直器（102，202）的所述开口（P）的间距范围介于大约100μm和500μm之间。

6.根据权利要求1所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，所述成像系统包括具有多个所述X射线源（101a-101d，201a-201d）的X射线发生器（101，201），其中，优选由通过所述准直器（102，202）的至少两个不同开口（P）的辐射来照射至少一个像素（103a-103e，203a-203e）。

7.根据权利要求6所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，布置所述X射线发生器（101，201）的任意两个X射线源（101a-101d，201a-201d）以通过所述准直器（102，202）的所述开口（P）照射同一组像素（103a-103e，203a-203e），使得在像素阵列的至少一个方向上以比所述辐射敏感像素区域之间的所述辐射不敏感区域更高的强度基本照射所述辐射敏感像素区域。

8.根据权利要求7所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，将所述X射线发生器（101，201）的所述X射线源（101a-101d，201a-201d）和所述准直器（102，202）的所述准直器开口（P）布置成准周期图案。

9.根据权利要求6所述的X射线成像系统（100，200），

其特征在于，所有所述多个X射线源（101a-101d，201a-201d）覆盖小于大约10mm²的面积。

10.一种X射线发生器（101，201），其用于根据权利要求6所述的X射线成像系统（100，200），所述发生器包括具有调制发射强度的发射区域。

11.根据权利要求10所述的X射线发生器（101），

其特征在于，其包括电子光学器件和/或结构化电子发射器，用于在产生发射峰阵列的图案中利用电子轰击所述发射区域。

12.根据权利要求11所述的X射线发生器（101），

其特征在于，所述电子发射器被构造成与所述X射线源阵列的图案对应的图案。

13.根据权利要求11所述的X射线发生器（101），

其特征在于，所述电子发射器包括碳纳米管。

14.根据权利要求10所述的X射线发生器（201），

其特征在于，其包括设置于具有孔（213）的掩模（212）后方的在空间上延伸的X射线发射器（211）。

15.一种用于利用X射线成像系统（100，200）产生X射线图像的方法，所述方法包括如下步骤：

a)利用至少一个X射线源（101a-101d，201a-201d）产生X射线射束（Xa-Xd）；

b)在X射线探测器（103，203）的像素阵列的像素（103a-103e，203a-203e）的位置处探测所述射束的X射线，在所述像素之间具有X射线不敏感区域；

c)允许所述X射线射束的X射线通过准直器（102，202）的两个开口（P），使得所述探测器的至少两个相邻像素被照射，同时所述像素之间的所述X射线不敏感区域至少部分被所述准直器屏蔽；

d)在所述准直器和所述探测器之间容纳要成像的对象。