CN103226987A - X射线滤光镜和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X射线滤光镜，所述滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述滤光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，所述反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，出射X射线束的频谱相同。

Description

X射线滤光镜和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X射线滤光镜和包括该X射线滤光镜的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，并提供更多成像信息。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，由于入射到反射膜滤光镜上的各X射线束与反射膜滤光镜的夹角不尽相同，根据布拉格公式，经反射膜滤光镜反射后的X射线的频谱也不尽相同，仍具有一定的频谱宽度，相比单色X射线束而言，信噪比仍较差，可提供的成像信息业有限。此外，由于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

为克服现有技术中图像信噪比较差的缺陷，本发明提出一种X射线滤光镜和包括该X射线滤光镜的X射线数据采集系统。该X射线滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，这些反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，得到单色X射线束。

有鉴于此，本发明提供一种X射线滤光镜，所述滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述滤光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，所述反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，出射X射线束的频谱相同。于是经本发明的X射线滤光镜反射膜可以得到单色的出射X射线束，所以图像的信噪比很高，可显示的图像信息也就更多。

根据本发明的一个实施例，所述滤光镜经布置使出射X射线束为平行束。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。

根据本发明的再一个实施例，所述入射X射线束是锥形束或扇形束。

根据本发明的另一个实施例，所述反射膜的层厚根据如下公式来设计：

其中，D(x)表示沿所述滤光镜的轴向的反射膜的层厚，θ_c表示所述滤光镜镀有反射膜的表面与各入射X射线束之间夹角的平均值，λ表示出射X射线束的波长，L表示X射线管焦点到所述滤光镜的轴向距离，h表示X射线管焦点到所述滤光镜的纵向距离，x表示入射X射线在所述滤光镜上的入射点与所述滤光镜中心的距离。

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，所述系统包括一X射线源、一探测器和所述的X射线滤光镜，其中，所述X射线源发出锥形或扇形X射线束，并入射到所述滤光镜上；所述滤光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射线束经所述滤光镜镀有反射膜的表面反射后，反射出频谱相同的单色X射线束；所述探测器接收所述单色X射线束。

根据本发明的一个实施例，所述单色X射线束为平行束。

从上述方案中可以看出，由于本发明提出一种X射线滤光镜，该X射线滤光镜上镀有的反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，得到单色的出射X射线束，所以图像的信噪比很高，可显示的图像信息也就更多。此外，该X射线滤光镜能将入射的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。

附图说明

图1为用本发明的X射线滤光镜对入射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X射线滤光镜对入射X射线锥形束进行反射，得到平行的、单色的出射X射线束的示意图。

图3为沿滤光镜轴向上，本发明X射线滤光镜的反射膜层厚与夹角之间的关系示意图。

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X射线滤光镜和包括该X射线滤光镜的X射线数据采集系统，该X射线滤光镜上镀有的反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，得到单色的出射X射线束，所以图像的信噪比很高，可显示的图像信息也就更多。

本发明X射线滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，其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对入射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X射线滤光镜对入射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X射线滤光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：

2dsinθ＝λ            (1)，

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，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。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X射线滤光镜对入射X射线锥形束进行反射，得到平行的、单色的出射X射线束的示意图。

为了得到单色X射线，就必须确保具有不同入射角的每条X射线都有能谱相同的出射X射线，即单色X射线。为此本发明引入一种反射膜层厚呈梯度分布的X射线滤光镜，如图2所示。X射线源2发出锥形或扇形X射线束，并入射到滤光镜1上；滤光镜1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，如图中的θ_l、θ_i和θm所示。X射线滤光镜1中，反射膜层厚沿着滤光镜的轴向具有不同的厚度，其中滤光镜的轴向为滤光镜镀有反射膜的表面上宽度较大的边所在的方向，具体地，反射膜的层厚由如下公式(2)决定：

$D\left(x\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\sin }^2\left(\arctan \frac{h}{L+x}\right)-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c}},---\left(2\right),$

D(x)表示沿滤光镜1的轴向的反射膜的层厚，θ_c表示所述滤光镜镀有反射膜的表面与各入射X射线束之间夹角的平均值，λ表示出射X射线束的波长，L表示X射线管焦点到所述滤光镜的轴向距离，h表示X射线管焦点到所述滤光镜的纵向距离，x表示入射X射线在所述滤光镜上的入射点与所述滤光镜中心的距离。

于是可以通过调整X射线滤光镜1的轴向上的反射膜层厚达到使出射X射线束的能谱相同的目的。此外，经本发明X射线滤光镜反射后得到的出射X射线束为平行束。

图3为沿X射线滤光镜轴向上，本发明X射线滤光镜的反射膜层厚与夹角之间的关系示意图。图中横坐标为入射X射线在滤光镜1上的入射点与滤光镜1中心的距离，单位为mm；纵坐标为沿滤光镜1的轴线方向的反射膜的层厚，单位为nm。根据公式(1)，带入参数L＝200mm，θ₁＝0.4°，出射的单色X射线的能量E＝50keV，于是得到图3所示的示意图。θ₁为滤光镜镀有反射膜的表面与各入射X射线束的最大夹角。

此外，本发明提供一种X射线滤光镜，所述滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述滤光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，所述反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，出射X射线束的频谱相同。于是经本发明的X射线滤光镜反射膜可以得到单色的出射X射线束，所以图像的信噪比很高，可显示的图像信息也就更多。

而且，经本发明X射线滤光镜反射后得到的出射X射线束为平行束。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。

本发明涉及医学设备领域，特别涉及一种X射线滤光镜，所述滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，所述滤光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，所述反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，出射X射线束的频谱相同。

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 (10)

1.一种X射线滤光镜，其特征在于，

所述滤光镜的一个表面上镀有复数层能反射X射线的反射膜，

所述滤光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，

所述反射膜的层厚经设计沿所述滤光镜的轴向呈梯度分布，使得不同频谱的入射X射线束经所述反射膜反射后，出射X射线束的频谱相同。

2.根据权利要求1所述的滤光镜，其特征在于，所述滤光镜经布置使出射X射线束为平行束。

3.根据权利要求1所述的滤光镜，其特征在于，所述入射X射线束是锥形束或扇形束。

4.根据权利要求1所述的滤光镜，其特征在于，所述反射膜的层厚根据如下公式来设计：

$D\left(x\right)=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sqrt{{\sin }^2\left(\arctan \frac{h}{L+x}\right)-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_c}},$

其中，D(x)表示沿所述滤光镜的轴向的反射膜的层厚，θ_c表示所述滤光镜镀有反射膜的表面与各入射X射线束之间夹角的平均值，λ表示出射X射线束的波长，L表示X射线管焦点到所述滤光镜的轴向距离，h表示X射线管焦点到所述滤光镜的纵向距离，x表示入射X射线在所述滤光镜上的入射点与所述滤光镜中心的距离。

5.根据权利要求1所述的滤光镜，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所述的滤光镜，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所述的滤光镜，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所述的滤光镜，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X射线滤光镜，其中，

所述X射线源发出锥形或扇形X射线束，并入射到所述滤光镜上；

所述滤光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射线束经所述滤光镜镀有反射膜的表面反射后，反射出频谱相同的单色X射线束；

所述探测器接收所述单色X射线束。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述单色X射线束为平行束。

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