CN104434163B - 一种碳纳米ct成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米CT成像系统及成像方法，包括机架、控制系统、计算机系统、探测器、准直器、过滤器和若干个碳纳米射线源，其中，若干个所述碳纳米射线源呈环形阵列均匀设置于所述机架上，用于发射X射线；所述控制系统与所述碳纳米射线源连接，用于控制碳纳米射线源在指定时间对指定位置发射X射线。本发明提供的一种碳纳米CT成像系统及成像方法，实现对待测对象进行定点、定时、定量的X射线扫描，使扫描方式更具有针对性，减少待测对象X射线的摄入量，同时，本发明的成像系统不需要采用滑环实现了X射线扫描功能，降低了CT成像系统的制造成本，另外，该碳纳米射线源具有响应速度快、散热效果好，使用寿命长的特点。

Description

一种碳纳米CT成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及医疗成像设备领域，尤其涉及CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)成像系统及成像方法。

背景技术

传统螺旋CT成像系统主要包括：X射线源、高压发生器、探测器、机架、滑环等部件。其工作原理为：X射线源发出X射线，穿过人体到达探测器，其中，X射线源通过滑环与探测器连接，传输X射线获取的信号，并通过探测器将信号发送至计算机系统；在X射线扫描人体时，X射线源围绕人体连续匀速旋转，同时扫描床同步匀速递进，使扫描轨迹呈螺旋状前进，从而快速、不间断地完成容积扫描，获取扫描对象某一部位的断面信息。在每次扫描过程中，探测器接收穿过人体后的衰减X射线信息，通过模数转换器将模拟信号转换成数字信号，输入至电子计算机内；经过电子计算机高速计算，得出该层面各点的X射线吸收数据，利用该吸收数据组成图像矩阵，在显示器上按照不同灰度等级显示断面图像，从而清楚地观察到断面的解剖结构。

传统X射线源采用热阴极作为电子发射源。由于阴极的工作温度高，热阴极无法骤然降温或冷却，电子束不能随时通断，导致传统X射线源的时间分辨率有限，无法进行可编程、脉冲式的X射线发射。由此可见，传统X射线源具有温度高、功耗大、散热性差的缺陷，不利于多阴极集成和设备小型化。

在传统CT成像仪中，滑环为X射线源与探测器之间传输信号的重要部件，每秒钟需要通过200至800万的数据，因此，滑环的设计需要保证较高的精度。但是，我国制造工艺不能达到滑环所需的加工精度，以至于我国的医疗器械企业一直进口滑环，增加了CT成像仪的生产成本。

另外，在传统CT成像仪中，机架在承载数百千克的CT部件时，还需要保证X射线的射入精度以及机架移动的角度精度和位置精度，使得机架的运动范围较小，有限地机械转动限制了CT成像仪的投影时间，如果想要获取准确的投影信息，必须增加投影时间，从而增加了患者的X射线辐射量，长期进行CT成像扫描时不利于患者的健康。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种碳纳米CT成像系统及成像方法，从而提高X射线源的散热性能、增加X射线源的使用寿命、减少患者在CT成像时X射线的接收量，并通过回避滑环的使用达到降低生产成本、提高普及率的有益效果。

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：

一种碳纳米CT成像系统，包括机架、控制系统、计算机系统、探测器、准直器、过滤器和若干个碳纳米射线源，其中，所述碳纳米射线源的数量为80个至120个之间，呈环形阵列均匀设置于所述机架上，用于发射X射线；所述控制系统与所述碳纳米射线源连接，用于控制碳纳米射线源在指定时间对指定位置发射X射线；所述过滤器与每一个所述碳纳米射线源对应放置，用于过滤X射线；所述准直器放置于所述过滤器与碳纳米射线源之间，分别与过滤器和碳纳米射线源对应，用于控制X射线的照射范围；所述探测器与所述碳纳米射线源平行对应放置，探测器与碳纳米射线源之间放置有待测对象，探测器与所述计算机系统连接。

进一步地，所述碳纳米射线源包括壳体、碳纳米管阴极、阳极、栅极和聚焦极；所述碳纳米管阴极和阳极分别位于所述壳体的两侧，所述栅极和聚焦极位于碳纳米管阴极和阳极之间。

进一步地，所述碳纳米管阴极包括放射面，所述放射面为凹形曲面。

进一步地，所述阳极包括激发端和底座，所述激发端和底座分别位于阳极的两侧。

进一步地，所述栅极位于碳纳米管阴极一侧，栅极的表面设有栅极孔；所述聚焦极位于阳极一侧，聚焦极的表面设有聚集孔。

进一步地，所述激发端呈圆锥形状，激发端截面的圆锥角为7度，激发端的材料为钨或者钎焊石墨。

进一步地，所述底座设有定位孔，所述壳体设有主轴，所述主轴插设于所述定位孔中。

进一步地，所述底座和主轴的材料均为铁。

进一步地，所述碳纳米射线源的数量为90个。

一种用于碳纳米CT成像系统的成像方法，包括以下步骤：

(1)所述控制系统，包括主控单元、定时器和若干个电压开关，所述主控单元分别与所述定时器、电压开关连接，每一个所述电压开关与每一个所述碳纳米射线源连接，所述定时器用于设定和发送计时指令，所述主控单元用于接收计时指令，并向指定的一个或多个所述电压开关发射高电平脉冲，开启指定的一个或多个所述电压开关；

(2)在指定的一个或多个所述电压开关产生电场的作用下，与指定的一个或多个电压开关连接的一个或多个所述碳纳米射线源被激活，所述阳极端的高电压吸引所述碳纳米管阴极的电子逸出，并加速向阳极端运动；

(3)电子通过所述栅极时形成电子束一次聚焦，再通过所述聚焦极时形成电子束二次聚焦；

(4)所述阳极在高速电子的作用下旋转，电子束轰击所述激发端的圆锥面产生X射线；

(5)X射线从所述碳纳米射线源的出射窗射出，经过所述准直器和过滤器处理后，射入到待测对象的待检测位置，并获取信息；

(6)携带信息的X射线被所述探测器接收，探测器将携带信息的X射线转换为数字信号传输至计算机系统成像。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种碳纳米CT成像系统及成像方法，将碳纳米射线源呈环形阵列在机架上，实现对待测对象进行定点、定时、定量的X射线扫描，使扫描方式更具有针对性，减少待测对象X射线的摄入量，同时，在保证检测精度和图形处理与重建效果的基础上，本发明的成像系统不需要采用滑环实现了X射线扫描功能，降低了CT成像系统的制造成本，又有利于减小结构尺寸，节约空间。此外，通过采用碳纳米管阴极避免传统热阴极的温度高、功耗大、发射延迟的缺陷；将碳纳米管阴极的放射面设计成凹形曲面，提高响应速度，有助于发射高频脉冲的电子束；在碳纳米管阴极与阳极之间设置栅极和聚焦极，降低碳纳米管阴极被轰击的概率，从而保护碳纳米管阴极，增加碳纳米射线管的寿命；将阳极改进为旋转式的圆锥形状激发端结构，有助于避免热量集中，延长阳极的使用寿命，提高碳纳米射线管的散热性能。

附图说明

图1是本发明实施例碳纳米CT成像系统的示意图。

图2是本发明实施例碳纳米CT成像系统中若干个碳纳米射线源环形阵列的结构示意图。

图3是本发明实施例碳纳米CT成像系统发射X射线的示意图。

图4是本发明实施例碳纳米CT成像系统中碳纳米射线源的结构示意图。

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4，一种碳纳米CT成像系统，包括机架10、控制系统40、计算机系统90、探测器80、准直器60、过滤器70和若干个碳纳米射线源50。其中，碳纳米射线源50的数量为80个至120个之间，呈环形阵列均匀设置于机架10上，用于发射X射线；控制系统40与碳纳米射线源50连接，用于控制碳纳米射线源50在指定时间对指定位置发射X射线；过滤器70与每一个所述碳纳米射线源50对应放置，用于过滤X射线；准直器60放置于过滤器70与碳纳米射线源50之间，分别与过滤器70和碳纳米射线源50对应，用于控制X射线的照射范围使待测对象20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20上，保证较好的图像质量；探测器80与碳纳米射线源50平行对应放置，探测器80与碳纳米射线源50之间放置有待测对象20，探测器80与计算机系统90连接，用于接收X射线，该探测器80将X射线的信息转换为数字信号传输至计算机系统90，进行成像。

需要说明的是：从理论角度而言，碳纳米射线源50的数量越多，扫描待测对象20的角度就越全面，更加准确地获取待测对象20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碳纳米射线源，所以本实施例选取碳纳米射线源50的数量为90个，控制系统40可以控制任意一个或多个碳纳米射线源50对指定位置进行定时、定量的X射线照射，获取对待对象20的图像信息，有效减少了待测对象20所接收的X射线量。

具体地，该碳纳米射线源50包括壳体110、碳纳米管阴极120、阳极150、栅极130和聚焦极140，该碳纳米管阴极120和阳极150分别位于壳体110的两侧，该栅极130和聚焦极140位于碳纳米管阴极120和阳极150之间。此外，该壳体110还包括用于发射X射线的出射窗111。

更具体地，该碳纳米管阴极120包括放射面121，该放射面121为凹形曲面，当碳纳米管阴极120在外加电场下产生电子时，该凹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以产生X射线。

需要说明的是：相对于传统的热阴极，本实施例的碳纳米管阴极120采用碳纳米作为材料，使碳纳米管阴极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，碳纳米管阴极120的放射面121为凹形曲面，该凹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，该碳纳米射线管还包括栅极130和聚焦极140，该栅极130和聚焦极140位于阳极150与碳纳米管阴极120之间。其中，该栅极130位于碳纳米管阴极120一侧，栅极130的表面设有栅极孔131；该聚焦极140位于阳极150一侧，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，射线管中的工作环境通常为真空，但是，在实际工作中射线管内的真空度无法达到绝对值，以至于射线管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射线管阴极方向加速运动，有可能轰击射线管阴极而造成阴极损伤，减少射线管的使用寿命。本实施例在碳纳米管阴极120与阳极150之间设置有栅极130和聚焦极140，该栅极130具有保护碳纳米管阴极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，避免空气离子向碳纳米管阴极120运动，降低碳纳米管阴极120被轰击的概率，从而保护碳纳米管阴极120，增加碳纳米射线管的寿命。

进一步地，该阳极150包括激发端151和底座152，该激发端151和底座152分别位于阳极150的两侧。其中，该激发端151呈圆锥形状。另外，该壳体110还设有主轴112，其中，出射窗111位于与激发端151对应的位置，主轴112位于底座152的一侧，该底座152设有定位孔52，该主轴112插设于该定位孔52中。本实施中，激发端151截面的圆锥角为7度，底座152和主轴112的材料均为铁，激发端151的材料为钨或者钎焊石墨。

需要说明的是：由于阳极150的激发端151为圆锥形状，当阳极150被高速的电子轰击时，电子对激发端151的圆锥面产生垂直于阳极150的作用力，随着轰击阳极150的电子数量增加，垂直于阳极150的作用力逐渐转变为对阳极150的圆周力，由于阳极150底座152上的定位孔52与壳体110上的主轴112属于间隙配合，这种圆周力使阳极150产生沿壳体110主轴112旋转的角速度，此时阳极150处于旋转状态。本实施例中，激发端151的圆锥面增加了阳极150与电子束接触面积，同时，旋转的阳极150使得激发端151圆锥面的每个部位均有机会受到电子的轰击，激发端151的圆锥面与电子接触更加充分，有助于分散电子轰击时产生的热量，避免热量集中，从而增加阳极150的使用寿命，此外，该底座152和主轴112采用铁作为材料，使得阳极150在旋转时易于释放热量，散热效果更好。另外，电子轰击阳极150时产生的X射线沿壳体110上的出射窗111穿过射出。

另外，该阳极150、碳纳米管阴极120、栅极130、聚焦极140采用一体式封装方法，装配于该碳纳米射线管的壳体110内，结构紧凑、空间设计合理，减小了传统碳纳米射线源50的结构尺寸，增加环形阵列在机架10上的碳纳米射线源50数量，帮助该CT成像系统实现发射多角度的X射线，同时，改善增加碳纳米射线管的散热性能，延长碳纳米管阴极120和阳极150的使用寿命。

本实施例还提供一种用于碳纳米CT成像系统的成像方法，包括以下步骤：

(1)控制系统40，包括主控单元、定时器和若干个电压开关，主控单元分别与定时器、电压开关连接，每一个电压开关与每一个碳纳米射线源50连接，定时器用于设定和发送计时指令，主控单元用于接收计时指令，并向指定的一个或多个电压开关发射高电平脉冲，开启指定的一个或多个电压开关；

(2)在指定的一个或多个电压开关产生电场的作用下，与指定的一个或多个电压开关连接的一个或多个碳纳米射线源50被激活，阳极150端的高电压吸引碳纳米管阴极120的电子逸出，并加速向阳极150端运动；

(3)电子通过栅极130时形成电子束一次聚焦，再通过聚焦极140时形成电子束二次聚焦；

(4)阳极150在高速电子的作用下旋转，电子束轰击激发端151的圆锥面产生X射线；

(5)X射线从碳纳米射线源50的出射窗111射出，经过准直器60和过滤器70处理后，射入到待测对象20的待检测位置上，获取信息；

(6)携带信息的X射线被探测器80接收，探测器80将携带信息的X射线转换为数字信号传输至计算机系统90成像。

需要说明的是：该成像方法改变了传统的同步螺旋状递进获取待测部位图像的扫描方法，通过控制系统40指定任意一个或任意多个碳纳米射线源50对指定位置进行定时、定量的X射线扫描，从而获取该待测部位的图像。该种成像方法避免了传统CT成像系统对全身X射线的扫描，扫描检测对象的待测位置时，只需要开启任意几个碳纳米射线源50对该位置扫描，即可得到该位置的图像信息，有效减少了待测对象20所接收的X射线量，同时，减少了X射线系统损耗，降低了X射线系统的能耗。

综上所述，本发明提供的一种碳纳米CT成像系统及成像方法，将碳纳米射线源呈环形阵列在机架上，实现对待测对象进行定点、定时、定量的X射线扫描，使扫描方式更具有针对性，减少待测对象X射线的摄入量，同时，在保证检测精度和图形处理与重建效果的基础上，本发明的成像系统不需要采用滑环实现了X射线扫描功能，降低了CT成像系统的制造成本，又有利于减小结构尺寸，节约空间。此外，通过采用碳纳米管阴极避免传统热阴极的温度高、功耗大、发射延迟的缺陷；将碳纳米管阴极的放射面设计成凹形曲面，提高响应速度，有助于发射高频脉冲的电子束；在碳纳米管阴极与阳极之间设置栅极和聚焦极，降低碳纳米管阴极被轰击的概率，从而保护碳纳米管阴极，增加碳纳米射线管的寿命；将阳极改进为旋转式的圆锥形状激发端结构，有助于避免热量集中，延长阳极的使用寿命，提高碳纳米射线管的散热性能。

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 (7)

1.一种碳纳米CT成像系统，包括机架(10)、控制系统(40)、计算机系统(90)、探测器(80)、准直器(60)、过滤器(70)和若干个碳纳米射线源(50)，其特征在于，所述碳纳米射线源(50)的数量为80个至120个之间，呈环形阵列均匀设置于所述机架(10)上，用于发射X射线；所述控制系统(40)与所述碳纳米射线源(50)连接，用于控制碳纳米射线源(50)在指定时间对指定位置发射X射线；所述过滤器(70)与每一个所述碳纳米射线源(50)对应放置，用于过滤X射线；所述准直器(60)放置于所述过滤器(70)与碳纳米射线源(50)之间，分别与过滤器(70)和碳纳米射线源(50)对应，用于控制X射线的照射范围；所述探测器(80)与所述碳纳米射线源(50)平行对应放置，探测器(80)与碳纳米射线源(50)之间放置有待测对象(20)，探测器(80)与所述计算机系统(90)连接，所述碳纳米射线源(50)包括壳体(110)、碳纳米管阴极(120)、阳极(150)；所述碳纳米管阴极(120)和阳极(150)分别位于所述壳体(110)的两侧，所述碳纳米管阴极(120)包括放射面(121)，所述放射面(121)为凹形曲面，所述阳极(150)包括激发端(151)和底座(152)，所述激发端(151)和底座(152)分别位于阳极(150)的两侧，所述激发端(151)呈圆锥形状，所述底座(152)设有定位孔(52)，所述壳体(110)设有主轴(112)和出射窗(111)，所述主轴(112)插设于所述定位孔(52)中，所述定位孔(52)与所述主轴(112)之间具有配合间隙。

2.根据权利要求1所述的碳纳米CT成像系统，其特征在于，所述碳纳米射线源(50)还包括栅极(130)和聚焦极(140)；所述栅极(130)和聚焦极(140)位于碳纳米管阴极(120)和阳极(150)之间。

3.根据权利要求2所述的碳纳米CT成像系统，其特征在于，所述栅极(130)位于碳纳米管阴极(120)一侧，栅极(130)的表面设有栅极孔(131)；所述聚焦极(140)位于阳极(150)一侧，聚焦极(140)的表面设有聚焦孔(141)。

4.根据权利要求1所述的碳纳米CT成像系统，其特征在于，所述激发端(151)截面的圆锥角为7度，激发端(151)的材料为钨或者钎焊石墨。

5.根据权利要求1所述的碳纳米CT成像系统，其特征在于，所述底座(152)和主轴(112)的材料均为铁。

6.根据权利要求1所述的碳纳米CT成像系统，其特征在于，所述碳纳米射线源(50)的数量为90个。

7.根据权利要求2或3所述碳纳米CT成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)所述控制系统(40)，包括主控单元、定时器和若干个电压开关，所述主控单元分别与所述定时器、电压开关连接，每一个所述电压开关与每一个所述碳纳米射线源(50)连接，所述定时器用于设定和发送计时指令，所述主控单元用于接收计时指令，并向指定的一个或多个所述电压开关发射高电平脉冲，开启指定的一个或多个所述电压开关；

(2)在指定的一个或多个所述电压开关产生电场的作用下，与指定的一个或多个电压开关连接的一个或多个所述碳纳米射线源(50)被激活，所述阳极(150)端的高电压吸引所述碳纳米管阴极(120)的呈凹形曲面的放射面(121)上的电子逸出，并加速向阳极(150)端运动；

(3)电子通过所述栅极(130)时形成电子束一次聚焦，再通过所述聚焦极(140)时形成电子束二次聚焦；

(4)所述阳极(150)包括激发端(151)和底座(152)，所述激发端(151)呈圆锥形状，所述壳体(110)设有主轴(112)，所述主轴(112)插设于所述定位孔(52)中，所述定位孔(52)与所述主轴(112)之间具有配合间隙，所述阳极(150)在高速电子的作用下，绕所述主轴(112)旋转，电子束轰击所述激发端(151)的圆锥面产生X射线；

(5)X射线从所述碳纳米射线源(50)的出射窗(111)射出，经过所述准直器(60)和过滤器(70)处理后，射入到待测对象(20)的待检测位置，并获取信息；

(6)携带信息的X射线被所述探测器(80)接收，探测器(80)将携带信息的X射线转换为数字信号传输至计算机系统(90)成像。