CN103426704A - X射线产生装置、静态ct成像装置及x射线产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种X射线产生装置、静态CT成像装置及X射线产生方法，包括基极、栅极、聚焦极和X射线阳极靶，还包括至少一入射光源，照射所述基极中的基底部分，其中所述基底上设置有具有光敏电阻效应的涂层；第一光源调节装置，用于控制所述入射光源照射在在所述基底上的位置或移动。本发明提供的X射线产生装置通过控制光信号对电子源发射面积大小、空间位置、以及移动进行自由调控，并由此实现对于相应聚焦点大小、球管电流大小、以及X射线束产生位置的控制；包括该X射线产生装置的静态CT成像装置，可以通过相应的光信号扫描控制代替现有静态CT装置中基于传统电路单独控制和驱动多个X射线源的方法，从而大大减低了系统设计的复杂程度，降低了系统装置的造价。

Description

X射线产生装置、静态CT成像装置及X射线产生方法

技术领域

本发明涉及一种X射线产生装置、CT成像装置及X射线产生方法，尤其涉及一种采用光信号控制X射线产生的装置、静态CT装置及X射线产生方法。

背景技术

 传统的X射线球管中采用的阴极电子源，其电子束发射截面大小在电子源结构固定以后通常不容易再调节。对于某些应用，例如在某些X射线成像相关的应用中，需要同一个X射线球管能够提供显著不同的聚焦点大小和球管电流，这通常只能通过在同一球管设计中放置多个不同规格大小的阴极电子源来实现。这样既加大了系统的复杂程度、增加了成本，而且在系统性能上仍然往往不能够达到理想状况，例如该设计仍然不能实现某些参数的连续可调。以现有的双聚焦点X射线球管为例，采用两个独立灯丝作为其电子源，当特定的成像应用需要不同的球管电流和聚焦点时，X射线球管可以在两个灯丝之间切换，从而达到所需要的成像条件。由于两套独立电子源的存在以及其各自必须的控制和辅助电路，增加了系统设计和制造的复杂度，同时也增加了相应的成本；同时系统相应参数仍然只能在两个离散值之间变换，不能连续自由的选取。

传统的X射线CT装置在硬件上主要包括：一个X射线球管，一个用来探测X射线的探测器及相应成像和显示系统，旋转机架，以及床体。在CT扫描时X射线球管和探测器相对于成像物体旋转，同时发射X射线，通过物体的X射线由探测器收集形成图像。基于旋转X射线球管原理架构的CT装置其成像速度取决于旋转机架的机械旋转速度，进而受到材料性能的限制。为了突破这一限制，一个可能的方案是采用基于多X射线源的静态CT架构，从而从根本上消除了机械旋转速度的限制。已经提出的多源CT结构，由于采用了多达数百个独立控制的X射线源的设计，其相应的需要同样数目的阴极电子源以及对于每个电子源独立的控制电路，相应的控制及驱动系统非常复杂，成本也非常高，在实际应用中很难实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种X射线产生装置、静态CT成像装置及X射线产生方法，通过控制光信号对X射线球管的场发射电子源的发射面积大小、空间位置、以及移动进行自由连续调控，且结构简单，成本低。

    本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种X射线产生装置，包括基极、栅极、聚焦极和X射线阳极靶，还包括至少一入射光源，照射所述基极中的基底部分,其中所述基底上设置有具有光敏电阻效应的涂层；第一光源调节装置，用于控制所述入射光源照射在在所述基底上的位置或移动。

进一步地，所述基极还包括生长在基底上的场发射电子源, 所述场发射电子源与所述基底相连。

进一步地，所述场发射电子源由互相独立且绝缘的场发射材料束的微阵列组成，所述场发射材料束由碳基薄膜或半导体纳米薄膜制成。

进一步地，所述碳基薄膜为碳纳米管薄膜、金刚石薄膜或无定形碳。

进一步地，所述半导体纳米薄膜为本征态或掺杂态氧化物或硫化物薄膜，导电类型为p态或n态。

进一步地，所述第一光源调节装置为光源旋转装置、光束偏转装置或者光源控制装置，调节所述入射光源产生的光束照射到所述基底上的位置或运动。

进一步地，还包括第二光源调节装置，所述第二光源调节装置为可控光圈、光学透镜或者光源控制开关，调节所述入射光源产生的光束照射到所述基底上的面积大小和形状。

进一步地，所述入射光源为白炽灯、LED或激光光源。

进一步地，所述入射光源为单光源或者多个单光源构成的多光源。

进一步地，所述入射光源为多光源，还包括对应于每个单光源的控制开关。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种静态CT成像装置，包括X射线发射装置和X射线探测装置,其中所述X射线发射装置为权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。

进一步地，所述基极上的微阵列均匀的排布在一环形架上，所述光源位于所述环形架的中心轴上，通过第一光源调节装置驱动光源产生的光束运动，从而逐个对准所述微阵列所在基底。

进一步地，所述微阵列在所述环形架径向平面上产生电子束，所述电子束轰击X射线阳极靶从而产生相应的X射线束射向成像对象。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种使用上述X射线产生装置产生X射线的方法，包括如下步骤：步骤A、通过所述第一光源调节装置调节所述入射光源，控制所述入射光源照射到所述基底的位置或移动；步骤B、通过第二光源调节装置调节所述入射光源，控制所述入射光源照射到所述基底上光斑的大小；步骤C、当所述入射光源照射在所述基极的基底上时，所述组成场发射电子源的微阵列之间通过所述基底导通，构成完整电回路，在所述栅极电压的作用下产生场电子；步骤D、产生的场电子被所述阳极电压加速，同时被所述聚焦极聚焦形成高能的电子束，所述电子束打击所述X射线阳极靶，产生X射线。    

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明提供的X射线产生装置、静态CT成像装置及X射线产生方法，所述X射线产生装置通过设置入射光源及光源调节装置、基底上设置具有光敏电阻效应的涂层、作为电子源结构代替现有X射线球管中采用的阴极电子源，通过控制光信号对电子源发射面积大小、空间位置、以及移动进行自由调控，并由此实现对于相应聚焦点大小、球管电流大小、以及X射线束产生位置的控制，与现有的X射线球管相比较，其结构简单，无需通过多个独立电子源达到调节的目的，同时电子源大小和位置连续可调，克服了现有X射线球管结构的局限性。包括该X射线产生装置的静态CT成像装置，可以通过相应的光信号扫描控制代替现有静态CT装置中基于传统电路单独控制和驱动多个X射线源的方法，从而大大减低了系统设计的复杂程度，降低了系统装置的造价。

附图说明

图1为本发明的X射线产生装置的结构示意图；

图2为本发明入射光源的移动模式示意图；

图3为本发明入射光源的大小控制模式示意图；

图4为本发明X射线产生方法的流程示意图；

图5为本发明静态CT成像装置中采用光信号控制产生X射线束的原理示意图；

图6为本发明静态CT成像装置中采用光信号控制静态断层融合扫描成像的原理示意图。

图中：

1 入射光源  2 基底   3 场发射电子源   4 栅极  5 聚焦极

6 电子束    7 X射线阳极靶      8 物体     9 X射线 

10 X射线探测装置    11光斑    12 环形架。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1为本发明的X射线产生装置的结构示意图；图2为本发明入射光源的移动模式示意图；图3为本发明入射光源的大小控制模式示意图。

请参见图1，本发明提供的X射线产生装置，包括一个或多个入射光源1；

入射光源1可以为常规白炽灯光源、LED或者激光，光束频谱范围可以为可见光，红外光，紫外光等；照射方式可以为顶端或侧端照射；入射光源1有两种运动模式，如图2和图3所示，请参照图2，图2表示光斑的位置可以在空间自由移动，通过第一光源调节装置（图中未示）来控制，第一光源调节装置为光源旋转装置、光束偏转装置或者光源控制装置。具体实现方式如下：入射光源1为单光源，设置在可移动、可旋转或者可调节的部件上（图中未示），使入射光源1通过旋转或移动来控制光斑11的位置或移动速度，或者入射光源为多光源，通过改变多光源中有效发光部位的不同以及改变的速率，从而改变相应场发射电子发射区的空间位置，进而控制阳极靶上聚焦点的位置或移动速度；请参照图3，图3表示光斑11的大小可以自由改变，通过第二光源调节装置来控制，第二光源调节装置为可控光圈、光学透镜或者光源控制开关，调节所述入射光源产生的光束照射到所述基底上的面积大小和形状，具体实现方式如下：入射光源1为单光源，通过可控光圈或者光学透镜改变光路，或者入射光源为多光源，其中每个单光源单独设有控制开关（图中未示），通过控制每个单光源的开或关，来控制光斑11的大小和位置，从而改变相应电子源发射面积的大小，进而控制阳极靶上聚焦点的大小、形状和相应电流强度。因此，通过控制照射在基底2上的入射光斑11的大小、位置和移动速度，可以实现场发射电子源3相应大小、位置和移动速度的改变，进而实现阳极靶上聚焦点和其产生的X射线的相关参数的控制。

请继续参照图1，基极具有一基底2，基底2为具有半导体涂层的透明导电玻璃或石英基底，基底2上沉积生长有具有光敏电阻效应的涂层，如具有光敏电阻性质的半导体薄膜，在特定波长光的照射下，电阻值会迅速变化，入射光源1可照射在基底2上；半导体薄膜由于具有光敏电阻特性，在暗态下不导通其暗电流较小，而在光照下呈现较好的导电性，采用的半导体薄膜可以为本征态或掺杂态氧化物或硫化物薄膜，导电类型为p态或n态。

一场发射电子源3，由空间互相独立且绝缘的场发射材料束的微阵列组成，所述场发射材料束与基底2相连；场发射电子源3由碳基薄膜或半导体纳米材料制成，所述碳基薄膜为碳纳米管薄膜、金刚石薄膜或无定形碳，所述碳纳米管薄膜上的碳纳米管呈矩阵阵列分布，所述碳基薄膜为碳纳米管薄膜，通过半导体平面工艺，预先构建图案，将碳纳米管采用电泳沉积的 (Electrophoretic deposition，EPD)方式沉积在基底2上。所述微阵列可以是有序排列的，也可以是无序的。

一栅极4，设置在所述场发射电子源3上方，所述栅极4上方依次设置有聚焦极5和X射线阳极靶7。 

图4为本发明X射线产生方法的流程示意图。

    请参照图4，使用上述X射线产生装置产生X射线的方法，具体步骤如下：

    步骤S401、通过所述第一光源调节装置调节所述入射光源1，控制所述入射光源1照射到所述基底2的位置或移动；

步骤S402、通过第二光源调节装置调节所述入射光源1，控制所述入射光源1照射到所述基底2上光斑11的大小；

步骤S403、当所述入射光源1照射在所述基极的基底2上时，基底2上的半导体薄膜产生附加光电导，电导率上升；组成场发射电子源3的微阵列之间通过基底2导通，构成完整电回路，在所述栅极电压的作用下产生场电子；

步骤S404、产生的场电子被所述阳极电压加速，同时被所述聚焦极5聚焦形成高能的电子束6，所述电子束6打击所述X射线阳极靶7，产生X射线9。

图5为本发明静态CT成像装置中采用光信号控制产生X射线束的原理示意图；图6为本发明静态CT成像装置中采用光信号控制静态断层融合扫描成像的原理示意图。

请参照图5，本发明提供的静态CT成像装置，包括上述的X射线装置和X射线探测装置10，被扫描的物体8放置在X射线装置和X射线探测装置10之间，基极上的微阵列均匀的排布在一环形架12上，入射光源1位于所述环形架12的中心轴上，通过第一光源调节装置驱动入射光源1产生光束运动，从而逐个对准所述微阵列所在基底。所述微阵列在环形架12径向平面上产生电子束6，电子束6轰击X射线阳极靶7从而产生相应的X射线束射向成像对象，即物体8。

请参照图6，对于断层静态扫描CT成像装置，利用本发明的X射线发射装置，通过光信号驱动产生断层融合成像所需要的相应的扫描射线束即可。

 综上，本发明提供的X射线产生装置通过设置入射光源1、基底2上沉积半导体薄膜、场发射电子源3和栅极4作为电子源结构代替现有X射线球管中采用的阴极电子源，通过控制光信号对电子源发射面积大小、空间位置、以及移动进行自由调控，并由此实现对于相应聚焦点大小、球管电流大小、以及X射线束产生位置的控制，无需旋转机架，也无需静态CT装置中基于传统电路单独控制和驱动多个X射线源的方法，从而大大减低了系统设计的复杂程度，降低了系统装置的造价。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (14)

1.一种X射线产生装置，包括基极、栅极、聚焦极和X射线阳极靶，其特征在于，还包括：

至少一入射光源，照射所述基极中的基底部分,其中所述基底上设置有具有光敏电阻效应的涂层；

第一光源调节装置，用于控制所述入射光源照射在在所述基底上的位置或移动。

2.如权利要求1所述的X射线产生装置，其特征在于，所述基极还包括生长在基底上的场发射电子源, 所述场发射电子源与所述基底相连。

3.如权利要求2所述的X射线产生装置，其特征在于，所述场发射电子源由互相独立且绝缘的场发射材料束的微阵列组成，所述场发射材料束由碳基薄膜或半导体纳米薄膜制成。

4.如权利要求3所述的X射线产生装置，其特征在于，所述碳基薄膜为碳纳米管薄膜、金刚石薄膜或无定形碳。

5.如权利要求3所述的X射线产生装置，其特征在于，所述半导体纳米薄膜为本征态或掺杂态氧化物或硫化物薄膜，导电类型为p态或n态。

6.如权利要求1所述的X射线产生装置，其特征在于，所述第一光源调节装置为光源旋转装置、光束偏转装置或者光源控制装置，调节所述入射光源产生的光束照射到所述基底上的位置或运动。

7.如权利要求6所述的X射线产生装置，其特征在于，还包括第二光源调节装置，所述第二光源调节装置为可控光圈、光学透镜或者光源控制开关，调节所述入射光源产生的光束照射到所述基底上的面积大小和形状。

8.如权利要求1所述的X射线产生装置，其特征在于，所述入射光源为白炽灯、LED或激光光源。

9.如权利要求8所述的X射线产生装置，其特征在于，所述入射光源为单光源或者多个单光源构成的多光源。

10.如权利要求9所述的X射线产生装置，其特征在于，所述入射光源为多光源，还包括对应于每个单光源的控制开关。

11.一种静态CT成像装置，包括X射线发射装置和X射线探测装置,其特征在于，所述X射线发射装置为权利要求1-10中任一项所述的X射线产生装置。

12.如权利要求11所述的静态CT成像装置，其特征在于，所述基极上的微阵列均匀的排布在一环形架上，所述光源位于所述环形架的中心轴上，通过第一光源调节装置驱动光源产生的光束运动，从而逐个对准所述微阵列所在基底。

13.如权利要求12所述的静态CT成像装置，其特征在于，所述微阵列在所述环形架径向平面上产生电子束，所述电子束轰击X射线阳极靶从而产生相应的X射线束射向成像对象。

14.一种使用权利要求1-10任一项权利要求所述的X射线产生装置产生X射线的方法，包括如下步骤：

步骤A、通过所述第一光源调节装置调节所述入射光源，控制所述入射光源照射到所述基底的位置或移动；

步骤B、通过第二光源调节装置调节所述入射光源，控制所述入射光源照射到所述基底上光斑的大小；

步骤C、当所述入射光源照射在所述基极的基底上时，所述组成场发射电子源的微阵列之间通过所述基底导通，构成完整电回路，在所述栅极电压的作用下产生场电子；

步骤D、产生的场电子被所述阳极电压加速，同时被所述聚焦极聚焦形成高能的电子束，所述电子束打击所述X射线阳极靶，产生X射线。

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