CN104362063B - 一种用于ct成像系统的整体封装碳纳米射线源 - Google Patents

一种用于ct成像系统的整体封装碳纳米射线源 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，至少包括机壳、阳极和阴极，其中，所述阳极的数量在50个至90个之间，所述阴极的数量在50个至90个之间，所述阳极和阴极均呈环形阵列对应设置在所述机壳内部，所述阳极为固定阳极，所述阴极为碳纳米管阴极。本发明提供一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，将阳极和阴极装配与机架的机壳内，与机架形成整体封装碳纳米射线源，阳极采用固定阳极，阴极采用碳纳米阴极，使阳极具有较好的散热性能，保证了成像质量，提高了可靠性，以及降低了生产和维护成本，另外，该CT成像系统具有低功率和瞬间热熔量较低的特点，延长CT成像系统的连续工作时间，满足需要连续扫描工作的要求。

Description

一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源
技术领域
本发明涉及医疗成像设备领域，尤其涉及基于固定阳极的碳纳米CT(ComputedTomography，计算机断层扫描)成像系统。
背景技术
通常，螺旋CT成像系统包括：X射线管、高压发生器、探测器、转换器、机壳和计算机系统等部件，其工作原理为：高压发生器激发X射线管发出X射线，X射线穿过人体后被探测器接收，计算机系统连接探测器显示被测部位图像。其中，X射线管主要包括阴极和阳极，当阴极产生高速电子轰击阳极时，只有小于1％的能量转化为X射线，而超过99％的能量转化成热能聚集在阳极耙面上，由于阳极耙面的承热能力是有限的，如果热能不能被及时传导出去，当热能累积量超过X射线管阳极的承热能力时，阳极耙面就会被损毁，从而导致X射线管的损坏，所以，X射线管阳极耙面的传热性能决定了X射线管的质量和使用寿命。
目前，螺旋CT成像成像系统主要以旋转阳极作为X射线管的阳极，通过旋转阳极的高速旋转避免阳极靶面由于局部高温导致的损坏，但是旋转阳极仍不能从根本上解决X射线管的散热问题。主要原因为：X射线管的内部与外界隔绝，旋转阳极的主轴在真空玻璃管内高速旋转，热量不能通过主轴传导出去，同时，X射线管采用高真空的玻璃管，也不能与外界环境进行对流传热，旋转阳极只能等待阳极耙面温度升高后，通过热辐射将阳极靶面的热能辐射到X射线管的玻璃管壁，再通过玻璃管壁传导至外界环境，以至于旋转阳极的导热效率极低。另外，虽然旋转阳极的阳极耙面承热能力高，可以避免阳极靶面的局部损坏问题，但是，没有及时传导出去的热量随着工作时间的增加，热量累积会不断加大，当热量累积到一定程度时CT成像系统就会开启自我保护，自动停机，防止CT设备损坏，所以，采用旋转阳极的X射线管的CT成像系统连续工作时间较短。
此外，采用旋转阳极的X射线管的CT成像系统由于自身特性还存在以下问题：首先，高速电子在轰击高速旋转的旋转阳极耙面时，由于旋转阳极产生圆周力，产生的部分X射线也会随着阳极耙面旋转方向发生偏转，使X射线能量减弱，均匀性降低，从而使成像质量下降；其次，由于采用旋转阳极的X射线管结构复杂，导致控制X射线管的方法也较为复杂，在使用过程中容易损坏、故障率较高、可靠性较差以及使用寿命较短；最后，采用旋转阳极的X射线管制造工艺较为复杂，生产成本较高，生产难度大，以国内目前的制造工艺方法中较难生产出质量优秀的旋转阳极，在同等情况下，采用旋转阳极的X射线管的CT成像系统实用性较差。另外，目前的传统碳纳米射线源普遍存在寿命低的缺点，特别是在碳纳米射线源使用寿命的中后期，碳纳米射线源的性能下降很快，严重影响了CT成像系统的性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，解决传统碳纳米射线源寿命低的缺点，在保证X射线管散热性能的基础上，延长CT成像系统的连续工作时间，保证CT成像系统的成像质量，提高CT成像系统的可靠性，延长CT成像系统的使用寿命。
为了达到上述发明创造目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，至少包括机壳、阳极和阴极，其中，所述阳极的数量在50个至90个之间，所述阴极的数量在50个至90个之间，所述阳极和阴极均呈环形阵列对应设置在所述机壳内部，所述阳极为固定阳极，所述阴极为碳纳米管阴极。
进一步地，机壳包括激发端和放射端，所述激发端和放射端分别位于所述机壳两侧，所述阳极固定在所述激发端，所述阴极固定在所述放射端。
进一步地，所述阳极至少包括激发面，所述阴极至少包括放射面，所述激发面为斜面，所述放射面为凸形曲面，所述阴极用于在外加电场下产生电子，所述放射面的凸形曲面用于聚焦电子形成电子束，并发射电子束轰击所述阳极的激发面以产生X射线。
进一步地，所述机壳内部设有栅极和聚焦极，所述栅极和聚焦极位于所述阳极与所述阴极之间。
进一步地，所述栅极位于所述阴极一侧，呈圆环状，栅极的表面设有栅极孔，用于在外加电场作用下使电子加速，产生电子束一次聚焦。
进一步地，所述聚焦极位于所述阳极一侧，呈圆环状，聚焦极的表面设有聚焦孔，用于形成电子束二次聚焦，增加轰击所述阳极的电子数量。
进一步地，所述激发面的倾斜角度为7度至25度之间。
进一步地，所述激发面的倾斜角度为10度。
进一步地，所述阴极的数量为60个，所述阳极的数量为60个，每一个所述阳极的激发面的材料为钨或者钎焊石墨。
进一步地，所述机壳上设有出射窗和检修窗，所述出射窗位于所述激发端和放射端之间的机壳上，所述检修窗位于机壳外部呈环形等角度排列。
本发明的有益效果：
本发明提供一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，将阳极和阴极装配与机架的机壳内，与机架形成整体封装碳纳米射线源，阳极采用固定阳极，阴极采用碳纳米阴极，使阳极具有较好的散热性能，保证了成像质量，提高了可靠性，以及降低了生产和维护成本，另外，该CT成像系统具有低功率和瞬间热熔量较低的特点，延长CT成像系统的连续工作时间，满足需要连续扫描工作的要求。
附图说明
图1是本发明实施例用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源的俯视图。
图2是本发明实施例用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源的立体图。
图3是本发明实施例用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源的主视图。
具体实施方式
为了更好地阐述本发明的技术特点和结构，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
参阅图1至图3，一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，至少包括机壳110、阳极150和阴极120，其中，阳极150的数量在50个至90个之间，阴极120的数量在50个至90个之间，该阳极150和阴极120均呈环形阵列对应设置在机壳110内部，阳极150为固定阳极，阴极120为碳纳米管阴极，与机架形成整体封装碳纳米射线源。该CT成像系统还包括控制系统、计算机系统、探测器、准直器、过滤器。其中，控制系统与整体封装碳纳米射线源连接，用于控制阳极150在指定时间对指定位置发射X射线；过滤器与整体封装碳纳米射线源对应放置，用于过滤X射线；准直器放置于过滤器与整体封装碳纳米射线源之间，分别与过滤器和整体封装碳纳米射线源对应，用于控制X射线的照射范围使待测对象避免被不必要的X射线照射，同时，保证将有效地X射线照射在待测对象上；探测器与整体封装碳纳米射线源平行对应放置，探测器与整体封装碳纳米射线源之间放置有待测对象，探测器与计算机系统连接，用于接收X射线，该探测器将X射线的信息转换为数字信号传输至计算机系统，进行成像。
需要说明的是：从理论角度而言，阴极120和阳极150的数量越多，扫描待测对象的角度就越全面，更加准确地获取待测对象的图像信息，但是由于目前的技术无法实现微小尺寸结构的阴极和阳极。所以，本实施例选取阴极120的数量为60个，阳极150的数量60个，控制系统可以控制任意一个或多个阴极120轰击阳极150对指定位置进行定时、定量的X射线照射。另外，在机壳的内部为真空环境，利用外设抽真空装置保持机壳内部的真空度。
具体地，机壳110包括激发端112和放射端113，激发端112和放射端113分别位于机壳110两侧，阳极150固定在激发端112，阴极120固定在放射端113。
更具体地，阳极150至少包括激发面151，阴极120至少包括放射面121，激发面151为斜面，放射面121为凸形曲面，阴极120用于在外加电场下产生电子，放射面121的凸形曲面用于聚焦电子形成电子束，并发射电子束轰击阳极150的激发面151以产生X射线。另外，该机壳上设有出射窗111，出射窗111位于激发端112和放射端113之间的机壳上，用于将该阳极产生的X射线发射出去；该机壳位于阴极一侧还设有挡板，限制高速电子的运动轨迹，防止发射电子影响到相邻的阴极120，并使高速电子向阳极150一侧运动。
需要说明的是：由传热学基础知识可知，热能传递方式主要为传导、对流、辐射。在这三种热传导方式中，效率最高的传递方式是传导，其次是对流，最后是辐射。由于在真空状态下，阳极150和阴极120位于机壳110的内部，阳极150固定在机壳110的激发端112，阳极150的激发面151处于静止状态，高速电子轰击激发面151的位置与机壳110上出射窗111的位置对应，当电子束轰击激发面产生热量时，热量可以及时通过阳极150的激发面151传导至机壳110外部，散发到空气中，提高阳极150的散热效率，从而使阳极150的激发面151一直保持较低的温度，CT成像系统不会因阳极150温度过高而报警，延长CT成像系统的连续工作时间。
另外，相对于传统的热阴极，本实施例的阴极120采用碳纳米作为材料，使阴极120具有冷阴极特性，避免了热阴极的温度高、功耗大、发射延迟的缺陷。同时，阴极120的放射面121为凸形曲面，该凸形曲面易于高频脉冲的电子束发射，响应速度快，克服了传统热阴极射线管的固有缺点。有益于增加碳纳米射线管的使用寿命，更好地满足医学检测的应用需求。
进一步地，机壳110内部设有栅极130和聚焦极140，栅极130和聚焦极140位于阳极150与阴极120之间。其中，该栅极130位于阴极120一侧，呈圆环状，栅极130的表面设有栅极孔131；该聚焦极140位于阳极150一侧，呈圆环状，聚焦极140的表面设有聚焦孔141。具体地，在外加电场作用下，当电子穿过栅极130上的栅极孔131时电子被加速，产生电子束一次聚焦，当被加速的电子又穿过聚焦极140上的聚焦孔时，电子被二次加速，形成电子束二次聚焦，从而增加轰击阳极150的电子数量，此时，阳极150受到电子束轰击，高速的电子束骤然减速，从而产生X射线从出射窗111射出。
需要说明的是：根据基本物理知识可知，产生X射线的工作环境通常为真空，但是，在实际工作中的真空度无法达到绝对值，以至于在产生X射线的环境内仍然存在少量空气分子。这些空气分子被高频脉冲电子束电离后，在外加电场的作用下朝向阴极方向加速运动，有可能轰击阴极而造成阴极损伤，减少射线管的使用寿命。本实施例在阴极120与阳极150之间设置有栅极130和聚焦极140，该栅极130具有保护阴极120的作用，使空气离子无法直接撞击阴极，该聚集极具有引导电子和空气离子向阳极150加速运动的作用，避免空气离子向阴极120运动，降低阴极120被轰击的概率，从而保护阴极120，增加碳纳米射线管的寿命。
进一步地，激发面151的倾斜角度为7度至25度之间。在本实施例中，激发面151的倾斜角度为10度，阴极120的数量为60个，阳极150的数量为60个，每一个阳极150的激发面151的材料为钨或者钎焊石墨。
需要说明的是：在相同CT拍摄环境和相同焦点尺寸下，静止的阳极激发面151阻挡了凸形曲面产生的高速电子束，电子束轰击激发面151时产生X射线的方向不会改变，X射线携带的能量较强，均匀性好，被探测器接收后能够在计算机系统上呈现较好的成像质量。
另外，该用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，阳极150和阴极120的结构简单，使阳极150和阴极120生产工艺相对简单，生产难度较小，生产成本较低，在相同情况下，采用固定阳极比采用旋转阳极更具有经济实用，同时，阳极150固定在机壳110内，阳极150处于静止状态，不易损坏，提高了整体封装碳纳米射线源的可靠性，延长了阳极150的使用寿命，解决了传统碳纳米射线源寿命低的缺点，特别是碳纳米射线源在使用寿命中后期性能下降的问题。该体封装的机壳110采用开放式结构，机壳110上设有检修窗114，检修窗114的数量为6个，位于机壳110外部呈环形等角度排列，便于维修或者更换阳极150，降低维护成本，提高了日常维护的便利性。
综上所述，本发明提供一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，将阳极和阴极装配与机架的机壳内，与机壳形成整体封装碳纳米射线源，阳极采用固定阳极，阴极采用碳纳米阴极，使阳极具有较好的散热性能，保证了成像质量，提高了可靠性，以及降低了生产和维护成本，另外，该CT成像系统具有低功率和瞬间热熔量较低的特点，延长CT成像系统的连续工作时间，满足需要连续工作扫描的要求。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，至少包括机壳(110)、若干个阳极(150)和若干个阴极(120)，其特征在于，所述阳极(150)的数量在50个至90个之间，所述阴极(120)的数量在50个至90个之间，所述阳极(150)和阴极(120)均呈环形阵列对应设置在所述机壳(110)内部，所述若干个阳极(150)所在圆周的半径大于所述若干个阴极(120)所在圆周的半径，所述阳极(150)为固定阳极，所述阴极(120)为碳纳米管阴极；
所述机壳(110)包括激发端(112)和放射端(113)，所述激发端(112)和放射端(113)分别位于所述机壳(110)两侧，所述阳极(150)固定在所述激发端(112)，所述阴极(120)固定在所述放射端(113)；
所述机壳(110)上设有出射窗(111)和检修窗(114)，所述出射窗(111)位于所述激发端(112)和放射端(113)之间的机壳(110)上，所述检修窗(114)位于机壳(110)外部呈环形等角度排列。
2.根据权利要求1所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述阳极(150)至少包括激发面(151)，所述阴极(120)至少包括放射面(121)，所述激发面(151)为斜面，所述放射面(121)为凸形曲面，所述阴极(120)用于在外加电场下产生电子，所述放射面(121)的凸形曲面用于聚焦电子形成电子束，并发射电子束轰击所述阳极(150)的激发面(151)以产生X射线。
3.根据权利要求2所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述机壳(110)内部设有栅极(130)和聚焦极(140)，所述栅极(130)和聚焦极(140)位于所述阳极(150)与所述阴极(120)之间。
4.根据权利要求3所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述栅极(130)位于所述阴极(120)一侧，呈圆环状，栅极(130)的表面设有栅极孔(131)，用于在外加电场作用下使电子加速，产生电子束一次聚焦。
5.根据权利要求3所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述聚焦极(140)位于所述阳极(150)一侧，呈圆环状，聚焦极(140)的表面设有聚焦孔(141)，用于形成电子束二次聚焦，增加轰击所述阳极(150)的电子数量。
6.根据权利要求4或5所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述激发面(151)的倾斜角度为7度至25度之间。
7.根据权利要求6所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述激发面(151)的倾斜角度为10度。
8.根据权利要求7所述的用于CT成像系统的整体封装碳纳米射线源，其特征在于，所述阴极(120)的数量为60个，所述阳极(150)的数量为60个，每一个所述阳极(150)的激发面(151)的材料为钨或者钎焊石墨。
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PB01 Publication
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Inventor after: Zhang Chengxiang

Inventor after: Tan Siqing

Inventor after: Zheng Hairong

Inventor after: Hu Zhanli

Inventor after: Chen Yao

Inventor after: Gui Jianbao

Inventor after: Hong Xuda

Inventor after: Zhang Yunwan

Inventor before: Zhang Chengxiang

Inventor before: Tan Siqing

Inventor before: Zheng Hairong

Inventor before: Hu Zhanli

Inventor before: Chen Yao

Inventor before: Gui Jianbao

Inventor before: Hong Xuda

Inventor before: Zhang Yunwan

GR01 Patent grant
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