CN103222872A - 曲面镜和包括该曲面镜的x射线数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学设备领域，特别涉及一种能反射X射线的曲面镜。该曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的表面与入射X射线束之间存在夹角，所述入射X射线束经所述反射膜反射后，使出射X射线束变为平行束。从而减少因锥形束引起的图像伪影。

Description

曲面镜和包括该曲面镜的X射线数据采集系统

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种能反射X射线的曲面镜和包括该曲面镜的X射线数据采集系统。

背景技术

在X射线成像领域中，由于X射线管发出的X射线具有连续的宽能谱，例如分布在1～150keV内，其中低能X射线(如1～10keV)对最后的成像结果没有意义，而且会在穿过人体的组织器官时被衰减。为了减少低能X射线对人体的辐射，目前的常见做法是在X射线传播方向上布置一些由衰减材料构成的薄层(以下简称衰减层)，以在X射线到达人体前将低能X射线衰减掉，不过衰减后的X射线仍具有连续的宽能谱，例如10～150keV。对目前的X射线成像技术而言，X射线的能谱越宽，图像的信噪比越差。

鉴于宽能谱的X射线对X射线成像的限制，一些新兴的X射线成像技术(例如相位差成像)等提出单色(monochromic)X射线的概念，理想的单色X射线的能谱是单一的，例如为70keV，其信噪比很高，且增强图像对比度，不过目前仅能在实验室特定条件下通过同步加速器辐射源得到单色X射线。由于目前单色X射线在普通条件下无法得到，所以商业化很困难。

本发明之前，本申请人还提交了一份发明名称为“一种X射线滤波能谱选择装置”的发明专利申请，提出可以使用反射膜滤光镜来产生分离的、单能谱的X射线，用于多选择的能量尖峰。这种反射膜滤光镜能在医学成像所用的频谱范围中进行能谱选择，其已被本申请人的数次实验结果所证明。不过，入射到反射膜滤光镜上的X射线束和从该反射膜滤光镜上反射出的X射线束都是锥形束，在每个成像平面中则为扇形束，扇形束的边缘X射线和中心X射线与探测器的距离不等，从而限制对原始数据的重建，使重建后的图像中存在伪影。

发明内容

为克服现有技术中因锥形束的几何参数引起的图像伪影，本发明提出一种能反射X射线的曲面镜和包括该曲面镜的X射线数据采集系统。该曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，且该曲面镜经布置能将入射的X射线锥形束或扇形束变成平行的出射X射线束。

有鉴于此，本发明提供一种能反射X射线的曲面镜，该曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的表面与入射X射线束之间存在夹角，所述入射X射线束经所述反射膜反射后，使出射X射线束变为平行束。由于平行X射线束到达探测器的距离相等，从而克服因锥形束的几何参数引起的图像伪影。

根据本发明的一个实施例，所述入射X射线束是锥形束或扇形束。

根据本发明的再一个实施例，所述曲面镜镀有反射膜的表面是凹面。以便于将X射线锥形束或扇形束变为平行束。

根据本发明的另一个实施例，所述凹面的弯曲程度满足如下抛物线方程： $a=\frac{d}{2}(1-\cos \mathrm{\α}),$ $y=-\frac{x^2}{4a}+a,$ 其中 $y\∈[-\frac{D}{2},\frac{D}{2}],$ 其中，α为入射X射线与扫描平面之间的夹角，D为接收所述出射X射线的探测器的宽度，d为发射所述入射X射线束的X射线源焦点到所述曲面镜中心的距离，x、y为所述曲面镜上X射线入射点的坐标。

根据本发明的又一个实施例，所述反射膜的层厚为nm量级。

根据本发明的又一个实施例，所述反射膜对X射线的反射率为0.5以上。以尽可能多的反射X射线，减少X射线的能量损耗。

根据本发明的又一个实施例，所述反射膜的每一层包括由W材料构成的子层和由B₄C材料构成的子层，这两种子层交替布置。包括这两种材料的反射膜层对用于成像的X射线能谱范围的X射线反射率较高，并且能生产分离的、单能谱的X射线或者指定能谱的X射线。

根据本发明的又一个实施例，所述夹角为0.2°～2°。以实现略入射。

本发明还提供一种X射线数据采集系统，其特征在于，所述系统包括一X射线源、一探测器和所述曲面镜，其中，所述X射线源发出锥形或扇形X射线束，并入射到所述曲面镜上；所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的凹面与入射X射线束之间存在夹角，所述入射X射线束经所述凹面反射后，反射出平行的X射线束；所述探测器接收所述平行的X射线束。

从上述方案中可以看出，由于本发明提出一种能反射X射线的曲面镜，该曲面镜镀有反射膜的凹面能将入射的X射线锥形束或扇形束变成平行的出射X射线束，从而克服现有技术中因锥形束的几何参数引起的图像伪影。此外，所述反射膜能生产分离的、单能谱的X射线或者指定能谱的X射线，从而提高信噪比。

附图说明

图1为用本发明的曲面镜上镀有的反射膜对入射X射线进行能谱选择后得到近似单能的X射线，并与半高全宽1keV的X射线进行比较的结果示意图。

图2为采用本发明的曲面镜对入射X射线锥形束进行反射，得到平行的出射X射线束的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例并结合附图对本发明进一步详细说明。

本发明提供一种能反射X射线的曲面镜，该曲面镜镀有反射膜的凹面能将入射的X射线锥形束或扇形束变成平行的出射X射线束，从而克服现有技术中因锥形束的几何参数引起的图像伪影。

本发明曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜。为了将入射X射线锥形束或扇形束变为平行束出射，本发明将曲面镜镀有反射膜的表面设计为凹面。曲面镜凹面上的每一层反射膜包括由W材料构成的子层和由B₄C材料构成的子层，其中由W材料构成的子层层厚为例如1nm，由B₄C材料构成的子层层厚为1.5nm，这两种子层交替布置组成一维人工晶体结构，周期数例如为150，于是这种反射膜的结构为：[W(1.0nm)/B₄C(1.5nm)]₁₅₀。其中，所述一维人工晶体能射入射X射线的特定能带形成相干反射，从而获得高反射率。于是可根据指定能带来选择不同的反射膜，例如通过选择构成反射膜的材料、层厚和周期数等。不过本发明采用的[W(1.0nm)/B₄C(1.5nm)]₁₅₀对X射线成像范围内(10～150keV)的X射线能谱选择效果较好。此外，本发明的反射膜能通过制造反射膜的专门设备来批量生产。制备时，可以采用磁控溅射镀膜技术在超光滑基底上镀制复数层反射膜。基底表面须超光滑，以有效减少由于基底表面粗糙引起的散射。在对基底清洗后，把基底放入磁控溅射镀膜机器中，抽空空气直至达到超高真空，此时再充入溅射气体，交替镀制W子层和B₄C子层。

图1为用本发明的曲面镜凹面上的反射膜对入射X射线进行能谱选择后得到近似单能的X射线，并与半高全宽1keV的X射线进行比较的结果示意图。图中用点划线表示的是半高全宽1keV(Full Width at Half Maximum，FWHM)的、近似单能(80keV)的X射线。这里采用FWHM是因为能谱分布的曲线不是方波，所以没有通常所说的宽度，只能用FWHM来衡量曲线宽度的量值，以比较不同谱线的展宽。用虚线表示的是入射X射线。用实线表示的是用本发明曲面镜上的反射膜对虚线表示的入射X射线进行能谱选择后得到的近似单能的X射线(79.5～80.5keV)。图中可看出，经本发明的反射膜得到的X射线的频谱与FWHM 1keV的X射线十分相似。由于本发明的这种反射膜滤光镜可以大批量生产，因此相比现有技术通过同步辐射来得到单能X射线而言，更易于商业化和批量生产。

根据布拉格公式2d sinθ＝λ，其中，d表示每一层反射膜的层厚，θ表示入射X射线与反射膜之间的夹角(锐角)，λ表示指定能带的X射线的波长，在反射膜的特性不变的情况下(即反射膜的材料、厚度和层数不变)，可以通过调节入射X射线与反射膜之间的夹角以得到不同指定能带的X射线，例如20～30keV、40～75keV、80～100keV或90～120keV等较窄能带的X射线。相比现有技术中宽能谱的X射线，本发明无需改变X射线源就能提高图像的信噪比。

此外，入射到反射膜上的X射线中只有波长为λ的X射线才能被每一层反射膜反射出，经复数层反射膜的反射叠加在一起，就可获得指定能带的X射线。根据布拉格公式，若要反射高能谱的X射线，就需要减小入射X射线与反射膜表面的夹角，或者减小反射膜的层厚。夹角越小，对角度的精度要求也越高，本发明的实施例中，根据用于成像的X射线能谱将夹角设置在0.2°～2°，即入射X射线是沿贴近反射膜小角度入射的，也称略入射。反射膜的层厚可以由指定能带的峰值和宽度计算出，层厚通常为nm级，一般不超过5nm。且反射膜对X射线的反射率为0.5以上。以尽可能多的反射X射线，减少X射线的能量损耗。

图2为采用本发明的曲面镜对入射X射线锥形束进行反射，得到平行的出射X射线束的示意图。图中，X射线源1发出锥形或扇形X射线束，并入射到曲面镜2的凹面上；曲面镜经布置使其镀有反射膜的凹面与入射X射线束之间存在夹角，入射X射线束经曲面镜反射后，反射出平行的X射线束，并被探测器3接收。之所以要将X射线锥形束或扇形束变成平行束出射，是因为平行的X射线束有益于图像重建和减少因锥形束或扇形束的几何参数引起的图像伪影。

其中，曲面镜2的凹面的弯曲程度满足如下抛物线方程：

$a=\frac{d}{2}(1-\cos \mathrm{\α}),$

$y=-\frac{x^2}{4a}+a,$ 其中 $y\∈[-\frac{D}{2},\frac{D}{2}],---\left(1\right)$

其中，α为入射X射线与扫描平面之间的夹角，d为X射线源1的焦点到曲面镜2的中心的距离，D为探测器3的宽度，x、y为曲面镜2上X射线入射点的坐标。其中扫描平面为不放置曲面镜2的情况下，正对着探测器3的X射线源发出的X射线扇形束的中心束所在的平面。

公式(1)示出的是标准的抛物线方程，当曲面镜发生平移时，所在的抛物线方程也可以是：

$y=-\frac{{(x-b)}^2}{4a}+a+a_1,---\left(2\right),$

其中b为沿y方向的平移参数、α₁为沿x方向的平移参数，xy平面即所述扫描平面。

于是，入射的X射线锥形束或扇形束经按公式(1)或(2)设计的凹面曲面镜反射后，变成平行的X射线束出射。不过由于各入射X射线束与曲面镜反射膜的夹角不尽相同，根据布拉格公式，出射的各X射线平行束的波长也不尽相同，仍具有一定的能谱宽度，但是该能谱宽度相比背景技术中提到的连续宽能谱的X射线而言，能谱宽度小得多，信噪比也更好。

另外，图2中可见探测器3与X射线管1并没有位于同一直线上。

本发明的曲面镜能用于多种X射线成像设备中，如CT、X射线投影设备等。

此外，本发明还提供一种X射线数据采集系统，其包括图2所示的X射线源1、曲面镜2和探测器3，其中，X射线源1发出锥形或扇形X射线束，并入射到曲面镜2上；曲面镜2经布置使其镀有反射膜的凹面与入射X射线束之间存在夹角，入射X射线束经凹面反射后，反射出平行的X射线束；探测器3接收平行的X射线束。

本发明涉及医学设备领域，特别涉及一种能反射X射线的曲面镜。该曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的表面与入射X射线束之间存在夹角，所述入射X射线束经所述反射膜反射后，使出射X射线束变为平行束。从而减少因锥形束引起的图像伪影。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种能反射X射线的曲面镜，其特征在于，

该曲面镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，

所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的表面与入射X射线束之间存在夹角，

所述入射X射线束经所述反射膜反射后，使出射X射线束变为平行束。

2.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述入射X射线束是锥形束或扇形束。

3.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述曲面镜镀有反射膜的表面是凹面。

4.根据权利要求3所述的曲面镜，其特征在于，所述凹面的弯曲程度满足如下抛物线方程：

$a=\frac{d}{2}(1-\cos \mathrm{\α}),$

$y=-\frac{x^2}{4a}+a,$ 其中 $y\∈[-\frac{D}{2},\frac{D}{2}],$

其中，α为入射X射线与扫描平面之间的夹角，D为接收所述出射X射线的探测器的宽度，d为发射所述入射X射线束的X射线源焦点到所述曲面镜中心的距离，x、y为所述曲面镜上X射线入射点的坐标。

5.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述反射膜的层厚为nm量级。

6.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述反射膜对X射线的反射率为0.5以上。

7.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述反射膜的每一层包括由W材料构成的子层和由B4C材料构成的子层，这两种子层交替布置。

8.根据权利要求1所述的曲面镜，其特征在于，所述夹角为0.2°～2°。

9.一种X射线数据采集系统，其特征在于，所述系统包括一X射线源、一探测器和一如权利要求1-8中任一权利要求所述的曲面镜，其中，

所述X射线源发出锥形或扇形X射线束，并入射到所述曲面镜上；

所述曲面镜经布置使其镀有反射膜的凹面与入射X射线束之间存在夹角，所述入射X射线束经所述凹面反射后，反射出平行的X射线束；

所述探测器接收所述平行的X射线束。

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