CN103943443B - 具有运动阳极或阴极的x射线源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种X射线源，包括适于产生电子流的阴极元件。X射线源包括适于为电子流提供焦点位置的阳极元件。真空室包含阴极元件和阳极元件。阳极元件和/或阴极元件可以与电子流的产生协调地彼此相对运动。

Description

具有运动阳极或阴极的X射线源

技术领域

本发明总体上涉及X射线管组件，更具体而言，本发明涉及X射线管组件，其中阳极元件或阴极元件能够彼此相对运动。

背景技术

射线照相成像系统，例如X射线和计算机断层扫描(CT)已用于观察目标的内部特征。通常，成像系统包括配置为朝感兴趣目标(例如病人)发出X射线的X射线源。诸如辐射检测器阵列的检测装置布置在目标的另一侧上，并配置为检测传输通过感兴趣目标的X射线。

X射线或射线照相成像是多种诊断成像系统的基础。计算机断层扫描(CT)是这种系统的一个示例，其以使用射线照相原理进行数据获取为基础。通过对从多个不同角度穿过目标的X射线的不完全穿透进行映射，CT成像系统生成目标的体积表示。专用乳腺断层扫描(DBT)以类似于CT的原理操作，但是CT一般获取围绕被成像目标的全部360度角度范围的数据，而DBT仅获取有限的角度范围，例如30至120度，并具有针对乳腺成像进行优化的系统几何形状。通常，在CT和DBT成像系统中，单一X射线源朝对象或目标(例如病人或行李件)发出单一扇形或锥形束。成像角是通过连接管中的焦点位置与检测器中心的线相对于固定的被成像目标被定义的。在运动源配置中，通过相对于固定对象运动源以及多次采集数据来改变角度。在分布式源配置中，在系统中设置多个焦点位置，以及顺序对多个焦点位置供能，以便提供不同成像角处的数据。被对象衰减后的波束轰击辐射元件的阵列。该阵列的一个实施例可以是射线照相检测器内的像素阵列或者散布在多个离散检测器上的多个像素。检测器阵列处接收的衰减束辐射的强度一般取决于对象对X射线束的衰减。检测器阵列的每个检测器元件产生表示每个检测器元件接收的衰减束的分离的电信号。电信号被传输至进行分析的数据处理系统，数据处理系统最终生成图像。

一般而言，对于CT来说，X射线源和检测器阵列绕成像平面内的轴以及绕对象旋转。对于DBT来说，X射线源相对于对象运动，检测器可以运动或者可以不运动。X射线源通常包括X射线管，其在焦点发出X射线束。X射线检测器通常包括用于校准检测器处接收的X射线束的准直器，邻近准直器的用于将X射线转化为光能的闪烁体，以及用于从邻近的闪烁体接收光能以及从中产生电信号的光电二极管。可替代的，通过直接吸收X射线并将其直接转化为电信号，光电导体层可具备闪烁体和光电二极管的组合功能。

在间接检测器类型中，闪烁体将X射线转化为光能。闪烁体向其邻近的光电二极管释放光能。每个光电二极管检测光能并产生相应的电信号。在直接检测器类型中，光电导体将X射线转化为与能量成比例的电荷，并在高压影响下将电荷传送至电触点。然后光电二极管或光电导体的输出被传输至用于图像重建的数据处理系统。还存在其他类型的辐射检测器，例如不使用闪烁体或光电二极管的将X射线直接转化为电信号的检测器。

CT系统以及X射线系统在数据获取过程期间通常采用旋转阳极。旋转阳极在产生X射线扇束的焦点处提供运动电极轨道，从而在阳极的扩大的表面区域上扩散热载荷。即阳极通常包括安装至阳极盘或者与阳极盘集成的单一靶电极。在数据获取期间，阳极盘可由感应电动机旋转。在源的机械扫描开始之前启动旋转。在整个源轨迹中旋转速度保持为恒定速度，不特别地与在多个位置的数据获取协调。由于撞击阳极的电子将其大部分能量沉积为热，小部分作为X射线发射，产生数量足以获得可接受的图像质量的X射线会产生大量的热。可能的情况是热产生得足够快，并且在阳极电极表面上的小的焦点区域内，从而将温度提高至接近电极材料的熔化温度或者产生破坏性的热应力和冲击。这种热过载的结果可能是阳极表面上的融化或破裂。为了适应X射线产生过程期间施加于阳极上的热载荷，已经开发了多种技术。

例如，X射线衰减检测的进步已经允许减小提供具有足够质量的图像所需的X射线剂量。传送到病人的X射线剂量与管电流直接相关，因此管电流的减小引起X射线剂量的减小。类似的，管电流的降低(即阳极靶上撞击电子的数量的减小)减小数据获取期间置于阳极靶上的热载荷。简而言之，需要较小的功率产生数据获取所需的X射线。但是，抵消检测设备的进步的是需要减小扫描时间或增大吞吐量(例如每小时的病人)，其需要增大的X射线功率。从阴极发射的电子撞击安装至阳极盘或与阳极盘集成的靶电极，从而在阳极电极上的焦点位置处产生X射线。控制电路设置从阴极发射的电子数以及跨过阴极和阳极的电势，以便满足成像要求，保护管免于过热。阳极上的总热载荷与发射电流和跨过阴极和阳极的电势成比例。最优的病人安全条件可能要求较高的管电压或者病人之前的衰减滤波器，这驱使更高的X射线功率需求，这对阳极的热状况是个挑战。虽然检测设备进步了，但是在最小病人剂量或较高吞吐量的限制下，为了有意义的数据获取，必须产生最小数量的电子。因此，仅仅减小管电流不足以解决来自于X射线产生的阳极上的热载荷问题。

另一种方法基于产生的热在阳极盘的表面和质量中的扩散。通过在电子撞击靶电极时旋转阳极盘，阳极盘产生的热可以在阳极盘的轨道各处而不是在靶电极表面上的单一焦点位置扩散。阳极盘的旋转有效地减小置于靶电极上任意单一位置处的热载荷。其结果是可以提高管电流，而不会出现阳极的热过载。一般来说，阳极盘旋转的越快，越高的管电流可以被使用。

对于短周期高功率重建协议(reconstruction protocols)，特别希望提高管电流以及有效地提高X射线管组件的功率水平。通过这些协议，引起吊架以非常快的转速旋转。通过提高的旋转吊架速度，可以减小总的检查时间。减小总的检查或扫描时间提高病人吞吐量，降低病人的不舒适感，这会减少重建图像中病人引起的运动伪影。为了支持较快的吊架速度，X射线管必须输出短周期协议所需的足够高的瞬时功率。

为了提供短周期协议所需的必要的瞬时功率，X射线管必须输出不超过靶电极的热载荷的更高功率。如上所述，在X射线产生期间旋转阳极盘减小电极靶上的热载荷。

发明内容

一种X射线源，包括适于产生电子流的阴极元件。所述X射线源包括适于为所述电子流提供焦点位置的阳极元件。真空室包含所述阴极元件和所述阳极元件。所述阳极元件和/或所述阴极元件能够与所述电子流的产生协调地相对彼此运动。

作为优选，阳极元件是圆柱形的。

作为优选，还包括配置为相对于所述阴极元件旋转所述阳极元件的至少一个致动器；控制系统适于协调所述阳极的旋转与所述电子流的产生。

作为优选，配置为相对于所述阴极元件移动所述阳极元件的所述至少一个致动器还被配置为相对于所述阴极元件旋转所述阳极元件。

作为优选，至少一个致动器适于相对于所述阴极元件以步进方式移动所述阳极元件。

作为优选，控制系统配置为以与所述阴极产生的电子流的电流密度成比例的恒定速度移动所述阳极元件。

作为优选，还包括可操作地耦合至所述阳极元件的散热器。

作为优选，还包括多个卷轴；以及可操作地耦合至所述多个卷轴的柔性基板，所述柔性基板耦合至所述阳极元件，并配置为并适于促进所述阳极元件的线性运动。

作为优选，控制系统可操作地耦合至阴极电源，所述控制系统配置为通过针对沿着所述阳极元件的不同移动位置所述阴极电源的控制实现多个电子产生周期的序列。

在另一方面，一种X射线源，包括多个阴极元件，每个阴极元件适于产生电子流；阳极元件，所述阳极元件适于为所述电子流中的每一个提供焦点位置；真空室，所述真空室包含所述多个阴极元件和所述阳极元件；至少一个致动器，所述致动器配置为使所述阳极元件或所述多个阴极元件中的至少一个相对于彼此移动；以及控制系统，所述控制系统耦合至所述至少一个致动器，并适于协调所述阳极或所述阴极中的至少一个的移动与每个电子流的产生。

作为优选，阳极元件是圆柱形的。

作为优选，还包括配置为相对于所述多个阴极元件旋转所述阳极元件的至少一个致动器；控制系统适于协调所述阳极的旋转与每个电子流的产生。

作为优选，配置为相对于所述阴极元件移动所述阳极元件的所述至少一个致动器还被配置为相对于所述多个阴极元件中的每一个旋转所述阳极元件。

作为优选，还包括可操作地耦合至所述阳极元件的散热器。

作为优选，至少一个致动器适于相对于所述阴极元件以步进方式移动所述阳极元件。

作为优选，控制系统配置为以与所述阴极产生的电子流的电流密度成比例的恒定速度移动所述阳极元件。

作为优选，还包括多个卷轴；以及可操作地耦合至所述多个卷轴的柔性基板，所述柔性基板耦合至所述阳极元件，以及配置为并适于促进所述阳极元件的线性运动。

作为优选，控制系统可操作地耦合至阴极电源，所述控制系统配置为通过在沿着所述阳极元件的不同移动位置所述阴极电源的控制实现多个电子产生周期的序列。

在另一方面，一种X射线源，包括阴极元件，每个阴极元件配置为并适于产生电子流；阳极元件，所述阳极元件配置为并适于平行于所述阴极元件的横向运动和相对于所述阴极元件的角运动，从而提供从所述阳极元件输出的所得X射线的定向瞄准；真空室，所述真空室包含所述阴极元件和所述阳极元件。

作为优选，阳极元件是圆柱形的。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的X射线断层合成乳腺照相成像系统的透视图；

图2是根据本公开的示例性实施例的X射线管的侧视图，显示运动的阳极和固定的阴极，准直器和检测器；

图3是图2的阳极的示意性侧视图，显示连接至阳极的线性致动器和弹簧定位系统；

图4是图2的阳极的前视图，显示焦点位置随时间推移的垂直运动；

图5是图2的阳极的前视图，显示焦点位置随时间推移的垂直运动与左/右运动的组合；

图6是图2的多个阳极的前视图，显示用于阳极相对于其各自阴极的整体运动的公共底板；

图7A-7B是根据本公开的示例性实施例的阳极的侧视图，显示用于阳极相对于对应阴极的扇形振荡运动的平盘阳极和各个弯曲阳极；

图8是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧面透视图，显示圆柱形阳极的线性和旋转运动与多个静止阴极；

图9是图8的阳极的侧视图，显示多个静止阴极和连接至线性/旋转致动器的单一阳极；

图10A-10B是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧视图，显示连接至旋转致动器和单一可运动阴极的单一圆柱形阳极和多个圆柱形阳极；

图11A是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧视图，显示沿着圆柱形阳极底面的变化斜率阳极靶；

图11B是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧视图，显示形成于圆柱形阳极底面顶部的连续阳极靶；

图12是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧视图，显示形成于金属丝带(wire tape)上的卷绕的运动阳极；以及

图13是用于根据本公开的示例性实施例的X射线管的阳极的侧视图，显示连续带状阳极。

具体实施方式

参考图1，显示X射线专用乳腺断层照相成像系统10的实施例，其包括安装于可运动臂14的上部的X射线源外壳12。外壳结构20支撑压迫板16和检测器18。在示例性实施例中，病人22将乳房24至于压迫板16下，以通过系统10进行成像。为了进一步提供图像以及生成三维图像，可运动臂14可沿着圆弧A重新定位。X射线照射区26朝向检测器18以角θ向下指向，限定了X射线源12产生的X射线照射区26的宽度。

虽然参考专用乳腺断层照相成像系统描述X射线管模块的示例性实施例，但是本领域技术人员可以认识到在用于检测辐射和绘制被成像目标的投影和体积表示的其他系统中也可以采用检测器模块。例如，在一些实施例中，X射线管模块可用于计算机断层扫描(CT)扫描仪，血管造影和心脏医学成像中使用的荧光透视系统，射线照相医学成像，射线断层照相成像，分布源X射线扫描仪，以及用于行李的X射线扫描仪或者伽马射线检测器。

现在参考图2，显示X射线管100的示例性实施例的示意性侧视图。X射线管组件100形成图1的X射线投影源12。阴极110产生撞击阳极105的表面的电子流。在一个示例性实施例中，阳极105是相对于阴极110平行运动的平面结构，从而为电子流提供恒定的焦点位置。在最一般的意义上，阳极105的移动可以是线性或旋转的，连续的、步进的、或者振荡的，以及同时在一个或多个方向上的。阳极的移动用于在较大表面积上散热以及限制最大温度。控制系统可操作地连接至阴极110的供能电路和阳极105的移动机构，以使来自于阴极的电子发射与阳极的相对运动协调。该协调被工程设计成以支撑由于发射电流的水平导致的阳极处的热载荷。真空室(未显示)包含阴极110和阳极105。角θ对应于限定X射线照射区26的阳极靶角。可选地，采用准直器115进一步成形X射线照射区26。

参考图3-5，阳极105相对于阴极110的位置可由线性致动器135控制。在线性致动器135操作期间，连接至锚固件145和阳极105的弹簧140辅助振荡。图4显示当从图2的阴极110观察时利用线性致动器135的运动而单一阳极105的示例性振荡移动。通过平行于阴极110的运动，焦点120穿越靶125而运动，从而既辅助散热，又减小融化或破裂靶区125的机会，实现高功率输出。阳极底座130可包括现有技术中已知的被动和主动散热配置。靶125可由钨形成，但是根据所需的应用，也可以使用熔点温度和原子数高的其他材料，例如钼和铑。控制系统(未显示)耦合至线性致动器115，以使移动阳极105与电子流的产生协调。图5显示通过线性致动器连续上下运动以及左/右步进运动的焦点120的定位图，其用于进一步扩散在焦点120处由X射线产生而生成的热。

现在参考图6，在分布源X射线配置的情况下，多个阳极105连接至公共底板150，以提供所有阳极105相对于每个各自阴极110的X方向、Y方向、或者X和Y方向组合的整体移动。通过以一个致动器实现所有阳极105的整体运动提高效率。可替代地，每个阳极105可由如图3所示的独立的各自的线性致动器135控制，用于不考虑其他阳极105的独立移动。断层照相数据获取通过图6中的多阳极配置实现，这是通过向一系列阴极105供能，其中每个阳极110以不同的成像角提供穿过对象的X射线。

图7A-7B显示阳极105的替代实施例。图7A显示基本上为平面旋转盘的阳极105，其用于运动靶125上的焦点120处的热扩散。图7B显示连接至线性致动器135的弯曲阳极105。线性致动器135连接至刚性支架165，从而线性致动器135的运动被转换为阳极105的旋转移动，进而为阴极110提供恒定的焦点120。阳极105可以是单一阳极105或者多个独立阳极105。

现在参考图8，显示具有多个阴极110和圆柱形阳极105的X射线管的第二实施例的侧面透视图。在一个示例性实施例中，圆柱形阳极105相对于多个阴极110的移动可由圆柱体绕其轴的旋转致动。可替代的，沿轴的横向运动或者旋转和横向平行轴运动的组合可提供阴极和阳极的相互移动。

当系统控制激励多个阴极110以从通过对象的多个成像角产生数据时，可以通过这种配置实现断层照相数据获取。由于线性/旋转致动器160引起的阳极105的旋转式旋转或者连同沿X方向的组合线性运动，每个焦点120沿着阳极105散布在振荡轨道155中。因此，由于阳极105的一些振荡和横向移动的组合，由相应的阴极110产生的每个焦点120设置有分布式散热。阴极105的移动可以是步进式运动或恒速运动。可以与阴极产生的电子流的电流密度成比例的提供多种速度设置。

现在参考图9，多个阴极110是静止的，在大于单个阳极105的高度的距离上散布。在本实施例中，阳极105提供所有阴极110共用的单一靶区125，线性/旋转致动器160控制阳极105的横向位置和转速。阳极105的移动可以是步进式运动或者以与阴极产生的电子流的电流密度成比例的恒定速度的运动。

现在参考图10A-10B，阳极105配置为通过旋转致动器190绕其纵轴旋转，没有横向运动。可运动阴极110连接至致动器(未显示)，并配置为沿箭头A的方向横向穿过。阴极110的横向移动可以是步进式或者连续运动。如图10B所示，多个独立阳极105可由公共旋转致动器190连接，可运动阴极110横向穿过以通过控制系统(未显示)照射每个阳极105的面。

图11A是具有角形阳极靶125的圆柱形阳极105的示例性实施例的前视图。由于每个阳极靶125的角斜率，可以预先确定角θ1至θ8等以提供成角度的X射线产生。邻近每个焦点位置的预先确定的准直器115(例如图2中的准直器115，但是在图11A中未显示)进一步限定角θ1至θ8。这些预先确定的角在检测表面上沿着圆柱体105的轴提供一致的照射区26。这种角设置提供从阳极元件输出的所得X射线向检测器的定向瞄准。图11B显示圆柱形阳极105的内部结构，圆柱形阳极105具有涂在基体材料130的顶部的连续阳极靶125。

图12-13显示卷轴驱动的阳极105的侧视图。现在参考图11，卷轴170用于控制阳极靶125相对于阴极110的横向位置。阳极靶125产生的热通过定位在阳极靶125后的散热器185被散发。通过阳极靶125相对于阴极110的平行运动，阳极靶125提供距阴极110恒定的焦点120距离。可以理解，与图12相比，图11是用于振荡式横向运动的配置。图12显示涂有连续阳极靶125的带状阳极基体材料130。

Claims (10)

1.一种X射线源，包括：

阴极元件，所述阴极元件适于产生电子流；

阳极元件，所述阳极元件适于为所述电子流提供焦点位置；

真空室，所述真空室包含所述阴极元件和所述阳极元件；

至少一个致动器，所述致动器配置为使所述阳极元件或所述阴极元件的至少一个相对于彼此移动；

连接至锚固件和所述阳极元件辅助震荡的弹簧；以及

控制系统，所述控制系统耦合至所述至少一个致动器，并适于协调所述阳极或所述阴极的至少一个的移动与所述电子流的产生；

其中，所述的致动器包括线性致动器，所述的线性致动器使得所述的阳极可以相对于所述的阴极线性移动；其中，所述的阳极相对于所述的阴极平行移动。

2.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述阳极元件是圆柱形的。

3.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，还包括配置为相对于所述阴极元件旋转所述阳极元件的至少一个致动器；以及

其中所述控制系统适于协调所述阳极的旋转与所述电子流的产生。

4.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，配置为相对于所述阴极元件移动所述阳极元件的所述至少一个致动器还被配置为相对于所述阴极元件旋转所述阳极元件。

5.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述至少一个致动器适于相对于所述阴极元件以步进方式移动所述阳极元件。

6.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述控制系统配置为以与所述阴极产生的电子流的电流密度成比例的恒定速度移动所述阳极元件。

7.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，还包括：

可操作地耦合至所述阳极元件的散热器。

8.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，还包括：

多个卷轴；以及

可操作地耦合至所述多个卷轴的柔性基板，所述柔性基板耦合至所述阳极元件，并配置为并适于促进所述阳极元件的线性运动。

9.根据权利要求1所述的X射线源，其特征在于，所述控制系统可操作地耦合至阴极电源，所述控制系统配置为通过针对沿着所述阳极元件的不同移动位置所述阴极电源的控制实现多个电子产生周期的序列。

10.一种X射线源，包括：

多个阴极元件，每个阴极元件适于产生电子流；

阳极元件，所述阳极元件适于为所述电子流中的每一个提供焦点位置；

真空室，所述真空室包含所述多个阴极元件和所述阳极元件；

至少一个致动器，所述致动器配置为使所述阳极元件或所述多个阴极元件中的至少一个相对于彼此移动；

连接至锚固件和所述阳极元件辅助震荡的弹簧；以及

控制系统，所述控制系统耦合至所述至少一个致动器，并适于协调所述阳极或所述阴极中的至少一个的移动与每个电子流的产生；

其中，所述的致动器包括线性致动器，所述的线性致动器使得所述的阳极可以相对于所述的阴极线性移动；其中，所述的阳极相对于所述的阴极平行移动。