CN103230281A

CN103230281A - 激光驱动的x射线医疗成像设备及其成像方法

Info

Publication number: CN103230281A
Application number: CN2013101577295A
Authority: CN
Inventors: 陈黎明
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明提供一种X射线医疗成像设备的成像方法，包括：输出频率为100Hz、能量为600mJ、中心波长为800nm、脉宽为60fs的激光脉冲束；用离轴抛物面镜(OA0)聚焦上述激光束，焦斑直径为10μm；将聚焦后的激光束打到固体钼靶上，在聚焦区域与固体靶相互作用而产生十几个keV的硬X射线；利用硬X射线进行生物体成像。本发明还提供一种X射线医疗成像设备。

Description

激光驱动的X射线医疗成像设备及其成像方法

技术领域

本发明涉及激光驱动的超快硬X射线医疗成像设备及其成像方法。

背景技术

近年来，每年患癌症的人数呈递增趋势，目前已达到260万人/年。而每年因为癌症死亡的人数现在已经大于180万人，平均五年的死亡率将近30％，到2015年死亡率预计将上升至50％，总数过500万人/年。由于医生和诊断治疗的仪器水平的不足，社会不得不面临即将到来的癌症灾难。而我们目前治疗癌症的方法包括化学药物治疗、手术治疗和癌症肿瘤放射治疗，都对人体的伤害巨大，因此早期诊断的重要性要远远大于治疗。

以乳腺癌诊断为例，传统观点上，当肿瘤尺寸大于等于1cm时被诊断称为早期诊断，但临床发现此时肿瘤大多形成已三年以上，癌细胞很大几率已经扩散，且不可恢复。因此，有人提出新的早期诊断观点，那就是肿瘤尺寸小于等于0.5cm时少见扩散，诊断发现时间比传统观点上的1cm分辨短了0.5-1年，治愈率大于90％，因此0.5cm以下的肿瘤诊断是很重要的。

同步辐射光源被证明可以广泛应用于各种研究，但是，由于其设备巨大，操作复杂，费用高，不能进行体检式排查，在实际医学应用中具有很大的局限性。普通体检用X射线光管其源尺寸太大，通常为200um-300um，成像分辨率不高，只能分辨直径为1cm的癌细胞，也无法应用于体检式的医疗早期诊断和早期治疗。微米X光管其源尺寸也有可能做成十几微米进行长时间的成像诊断，但源产生的X射线通量非常低不适合进行体检式排查。

发明内容

本发明提供一种X射线医疗成像设备的成像方法，包括：输出频率为100Hz、能量为600mJ、中心波长为800nm、脉宽为60fs的激光脉冲束；用离轴抛物面镜(OAP)聚焦上述激光束，焦斑直径为10μm；将聚焦后的激光束打到固体钼靶上，在聚焦区域与固体靶相互作用而产生十几个keV的硬X射线；利用硬X射线进行生物体成像。

其中所述激光脉冲束的脉宽为60飞秒，聚焦区域激光平均强度大于5×1016W/cm2，所述激光脉冲束的对比度值小于10-5。

本发明还提供一种X射线医疗成像设备，包括：钛宝石激光器，用于产生输出频率为100Hz、能量为600mJ、中心波长为800nm、脉宽为60fs的激光脉冲束；聚焦光学元件离轴抛物镜(OAP)，用于聚焦上述激光脉冲束至10μm焦斑；固体钼靶，将聚焦后的激光脉冲束打到该固体靶上，激光脉冲束在聚焦区域与固体靶相互作用而产生十几keV的硬X射线；成像装置(Fujifilm SR-2025Image Plates)和读出装置(Fujifilm 1800II Scanner)。

其中固体靶可根据需要选择Mo靶、Ta靶或Ag靶等。

本发明提供的激光驱动的用于医疗成像设备的X射线源，是超强超快的硬X射线源，其尺寸小于10μm，成像的分辨率可以得到很大的提高，并且具有高的X射线通量，特别是小尺寸源下的高通量，以其10-5高能量转换效率，可进行短时间内高分辨率的成像，非常适合于肿瘤的早期诊断，为癌症的早期诊断提供了可能，可以实际应用在大多数的诊所和医院。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1.本发明的X射线医疗成像设备的结构示意图。

图2.本发明的X射线源得到的K壳层X射线光谱图(2a)和能谱图(2b)。

图3.本发明的X射线源与传统X射线光管在分辨率(3a)和调制传递函数(3b)的比较。

具体实施方式

本发明所使用的术语“超快X射线”取其在本领域内的常规含义，指的是脉冲时间尺度为飞秒(fs)量级的X射线。“超强超快激光”是指脉冲时间尺度为飞秒量级且能量密度很强的激光，该能量密度大于5×1016。激光的“对比度”是预脉冲和主脉冲强度的比值，其值越小越好，预脉冲的增大会导致电子的无效加热，从而减小X射线流强，在本发明中采用小于10-5量级的对比度。“硬X射线”是指光子能量大于10keV的X射线，相对来说，“软X射线”是光子能量小于1keV的X射线。“lp”是line pair的缩写，是指“线对”。“lp/mm”是本领域公知的用来标示分辨率的物理量。

超强超快激光与Mo等固体靶相互作用可产生等离子体并辐射出超强超快硬X射线，本发明基于该原理，利用上述超强超快硬X射线作为医疗成像源。通过改变激光和相互作用条件，如优化激光对比度和脉宽、优化激光焦斑的尺寸以及成像板与成像物的位置等，即可产生最小的超强超快硬X射线源以及得到最大的成像分辨率。

实施例1

参照图1描述根据本发明的X射线医疗成像设备的成像方法的一个具体实施例，该方法包括：

1)利用激光器1输出频率为100Hz、能量为600mJ、中心波长为800nm、脉宽为60fs的激光脉冲束；

2)上述激光束经过聚焦光学元件2，被聚焦成尺寸为10um的光斑，聚焦区域激光平均强度为3×1018W/cm2；

3)将聚焦后的激光束引到位于靶室3中的Mo靶5上，与Mo靶5在焦点处相互作用而产生Mo的K壳层X射线；

4)经过Mo片4滤掉低能量X射线和电子的干扰；

5)经由控制台上的生物成像样品7透视成像；

6)由Fujifilm SR-2025成像板8记录所成的像，并经Fujifilm 1800 II的IP读出仪9将成像板上的信息转换为可视化图片信息，并由计算机10读出并分析，从而得到成像物清晰的透视像。

其中，聚焦区域激光平均强度优选但不限于3×1018W/cm2，如本领域技术人员公知的，该激光平均强度越强，则所产生的X射线的强度越大，根据发明人的研究结果，聚焦区域激光平均强度需大于5×1016W/cm2才能满足本发明的目的。在实际应用中，可根据需要通过调节激光平均强度来调节X射线的强度。

其中，激光的“对比度”是指预脉冲和主脉冲强度的比值，预脉冲的增大会导致电子的无效加热，从而减小X射线流强，根据发明人的研究结果，要实现本发明的目的，需采用小于10-5量级的对比度。

其中Mo片4，可以被其他合适的可滤掉低能量X射线和电子干扰的过滤窗片所代替，如Ta片等。

根据本发明的一个实施例，在成像过程中，还可以用Prinston Instruments的单光子计数CCD(LCXCCD)6和刀边成像技术进行测量和计算，得到激光脉冲与固体靶相互作用产生的X射线源尺寸和X射线流强。当然也可以用其他计数装置或成像技术进行测量和计算。

如图2所示，图2a为根据本实施例的激光驱动的K壳层X射线光谱图，从图上我们可以清晰的看到Kα1、Kα2和Kβ谱线，图2b是激光驱动的K壳层X射线能谱图。

如图3所示，其中图3a和图3b分别为根据本实施例的激光驱动的Kα射线源与相同条件(包括放大倍数，Mo的Kα辐射，使用Mo作为滤片，相同的成像探测系统)下传统X射线管的分辨率和调制传递函数的比较。如图3a所示，激光驱动的X射线源成的像比X射线光管更加清晰，分辨率更高。且传统的X射线光管在分辨率为11lp/mm时，调制传递函数已经趋于零，下降趋势十分明显，见图3b，而激光驱动的X射线源的调制传递函数趋势明显缓和，分辨率直到20lp/mm尚有较高的调制传递函数，其效能相比X射线光管有显著的提高。

实施例2

参照图1所示描述根据本发明的X射线医疗成像设备的一个具体实施例，该成像设备包括：

1)钛宝石激光器1，可输出激光脉冲束，该激光器例如可以是10TW钛宝石激光器；

2)聚焦光学元件离轴抛物镜(OAP)2，用于聚焦激光器输出的激光束，该聚焦光学元件例如可以是离轴抛物镜(OAP)或长焦透镜；

3)Mo靶5，位于靶室3中；

4)Mo片4，用于滤掉低能量X射线和电子的干扰；

5)成像板(Fujifilm SR-2025Image Plates)8；

6)IP读出仪(Fujifilm 1800 II Scanner)9，用于将成像板上的信息转换为可视化图片信息，并由计算机10读出并分析，从而得到成像物清晰的透视像；

7)Prinston Instruments单光子计数CCD(LCX CCD)6，利用刀边成像技术进行测量和计算，得到激光脉冲与固体靶相互作用产生的X射线源尺寸和X射线流强。

其中可以根据医用成像需要利用Ta靶或Ag靶等其他可以与激光相互作用可产生硬X射线的固体靶来代替Mo靶。激光器1、聚焦光学元件2和固体靶5共同构成X射线源。

其中Mo片4，可以被其他合适的过滤窗片所代替，如Ta片等。

其中成像板(IP)8、IP读出仪9和计算机10可被荧光板和可见光CCD代替，也可以被其他成像装置和读出装置代替。

其中，也可以不包括单光子计数CCD和计算机，或者可以用其他计数装置代替单光子计数CCD。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种X射线医疗成像设备的成像方法，包括：

输出频率为100Hz、能量为600mJ、中心波长为800nm、脉宽为60fs的激光脉冲束；

用离轴抛物面镜(OAP)对上述激光束聚焦，焦斑尺寸为10μm；

使聚焦后的激光脉冲束打到固体钼靶上，在聚焦区域与固体靶相互作用而产生十几keV的硬X射线；

利用硬X射线对生物样品成像。

2.根据权利要求1所述的成像方法，其中所述激光脉冲束的脉宽为60飞秒。

3.根据权利要求1所述的成像方法，其中所述聚焦区域激光平均强度大于5×1016W/cm2。

4.根据权利要求3所述的成像方法，其中所述聚焦区域激光平均强度为3×1018W/cm2。

5.根据权利要求1所述的成像方法，其中所述激光脉冲束的对比度值小于10-5。

6.根据权利要求1所述的成像方法，还包括由读出装置Fujifilm1800II读出仪读出成像装置FujifilmSR-2025成像板所成的像。

7.根据权利要求1所述的成像方法，还包括利用Prinston Instruments单光子计数CCD(LCX CCD)测量X射线源尺寸和X射线流强。

8.根据权利要求1所述的成像方法，还包括使产生的X射线经过钼片过滤，以滤掉低能量X射线和电子的干扰。

9.一种X射线医疗成像设备，包括：

钛宝石激光器，用于产生能量为600mJ、脉宽为60fs的激光脉冲束；

聚焦光学元件(离轴抛物面镜)，用于聚焦上述激光脉冲束至10μm焦斑；

固体钼靶，将聚焦后的激光脉冲束打到该固体钼靶上，激光脉冲束在聚焦区域与固体钼靶相互作用而产生十几keV的硬X射线；

成像装置使用Fujifilm SR-2025成像板，用于利用硬X射线对生物体成像物成像。

读出装置使用Fujifilm 1800II Scanner，用于将成像装置所成的像读出。

10.根据权利要求9所述的X射线源，其特征在于所述固体靶可以是Mo靶、Ta靶或Ag靶等。