CN104470175A - X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线的校准方法，属于X射线发生器技术领域。本发明的校准方法中，其中在X射线发生器的实际工作过程中，基于第一阴极灯丝发射特征曲线来设置灯丝电流并工作产生X射线，同时采集该灯丝电流对应的实际球管电流，所述灯丝电流以及实际球管电流被用来动态校准所述第一阴极灯丝发射特征曲线以更新得到第二阴极灯丝发射特征曲线。该校准方法可以使阴极灯丝发射特征曲线得到动态校准，阴极灯丝发射特征曲线更精确，球管电流的设置更准确。

Description

X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线的校准方法

技术领域

本发明属于X射线发生器技术领域，涉及X射线发生器的球管（Tube）的校准，尤其涉及一种可以动态地校准球X射线发生器的球管的阴极灯丝（Filament）发射特征曲线的方法以及基于该方法校准得到的曲线控制球管电流（Tube Current）的方法。

背景技术

X射线发生器在各种应用X射线的装置中广泛运用，例如，用X射线来曝光成像的装置，在各种装置中，需要准确控制X射线的剂量。

在X射线发生器中，通常在真空的球管中产生X射线，X射线发生器的阴极灯丝和阳极靶均设置在球管中；阴极灯丝被通电以产生灯丝电流（Filament Current），从而可以加热阴极以发射出大量电子，电子在球管上所偏置的高压作用下形成电子束并高速向阳极靶撞击，进而产生X射线。

阴极与阳极之间的电子束形成的电流称为球管电流（Cube Current），其是影响X射线的剂量的因素之一；而球管电流通常无法直接设置，主要是通过控制灯丝电流来控制球管电流，进而控制产生的X射线。现有技术中，通常地，在球管出厂之前，都会获得阴极灯丝发射特性曲线，其反映了在某一球管电压偏置条件下的球管电流与灯丝电流之间的对应关系，因此，基于该阴极灯丝发射特性曲线，可以根据要求设定的球管电流值，来对应确定其灯丝电流值，从而，控制灯丝电流可以间接地控制球管电流。

图1所示为现有技术的X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线示意图。在图1中示出了分别在40kV、50 kV、60 kV、80 kV、100 kV、125 kV和150 kV的球管电压偏置条件下的阴极灯丝发射特性曲线，基于该曲线，例如，40kV球管电压条件下，如果球管电流要求设置在150mA，那么可以查找出对应的灯丝电流为4.6A，通过将灯丝电流控制在4.6A来设置150mA的球管电流。

但是，实际发现，这种间接设置球管电流的方式通常是不精确的，这是由于灯丝老化、X射线发生器工作环境温度等因素可能会导致阴极灯丝发射特性发生变化，进而导致用来间接设置球管电流的阴极灯丝发射特性曲线实际上发生了发生变化。例如，在使用半年后，40kV高压条件下灯丝电流控制在4.6A时，对应的实际的球管电流不再是如图1中对应的150mA。图2示出了阴极灯丝发射特性曲线的变化，其中，210为初始校准的阴极灯丝发射特性曲线，220为阴极灯丝使用半年后的阴极灯丝发射特性曲线。

当前，本领域也一直追求球管电流的精确控制，例如，申请号为CN201010570850.7的中国专利中通过控制电路的改进来实现；还例如，通过按规定的周期来更新校准阴极灯丝发射特性曲线（例如半年校准一次），以使球管电流的设置更准确，但是，这种方式通常难以满足球管电流的精度要求，并且设备的维护成本高，校准工作量大。

发明内容

本发明的目的在于解决以上背景技术中的问题。

本发明的又一目的在于，提高X射线发生器当前使用的阴极灯丝发射特性曲线的精确度。

本发明的还一目的在于，提高球管电流的精度。

为实现以上目的或者其他目的，本发明提供以下技术方案。

按照本发明的一方面，提供一种X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法，其中，在X射线发生器的实际工作过程中，基于第一阴极灯丝发射特征曲线来设置灯丝电流并工作产生X射线，同时采集该灯丝电流对应的实际球管电流，所述灯丝电流以及实际球管电流被用来动态校准所述第一阴极灯丝发射特征曲线以更新得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

根据本发明一实施例的校准方法，其中，通过对所述第一阴极灯丝发射特征曲线进行拟合以建立相应的特征曲线数学模型，在所述动态校准过程中，根据所述特征曲线数学模型，至少基于所述灯丝电流以及实际球管电流来更新计算所述数学模型中的参数，以得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

优选地，拟合所述第一阴极灯丝发射特征曲线时，采用最小二乘法拟合，从而以下数学模型y(x)：

y(x) = a_nxⁿ + a_n-1x^n-1 + …+ a₁x + a₀;

其中， x表示灯丝电流，y(x)表示灯丝电流为x时的球管电流，n表示多项式的阶数，a₀至a_n为多项式系数，n为大于或等于1的整数。

根据本发明一实施例的校准方法，其中，在至少n次的实际运行过程中，对应采集n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）后，将所述n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）代入以下方程组中以最小二乘法计算出新的多项式系数a₀至a_n：

；

    其中，x₀表示初始的灯丝电流，y₀表示初始的球管电流，新的多项式系数被a₀至a_n被代入所述数学模型y(x)中以更新得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

根据本发明又一实施例的校准方法，其中，所述第一阴极灯丝发射特征曲线基于球管电流进行分段，其被分为m段，通过对每段所述第一阴极灯丝发射特征曲线进行拟合以建立相应的特征曲线数学模型，其中m为大于或等于2的整数。

具体地，其特征在于，n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）是在同一球管电压条件下得到。

根据本发明还一实施例的校准方法，其中，所述灯丝电流和相应的实际球管电流按照球管电压参数分组归类，以分别得到不同球管电压条件下的第二阴极灯丝发射特征曲线。

在之前所述任一实施例的校准方法中，在实际工作过程中，其对应的实际球管电压没有相应的第一阴极灯丝发射特征曲线，那么，基于该实际球管电压来确定两条其球管电压相对接近该实际球管电压的第一初始曲线和第二初始曲线，并基于所述第一初始曲线、第二初始曲线和目标设置的球管电流、结合采用插值法来确定对应的灯丝电流。

在之前所述任一实施例的校准方法中，使用该实际球管电压对应的灯丝电流来设置灯丝电流，并在该实际球管电压下采集的实际球管电流，该实际球管电流被分别归类至第一初始曲线和/或第二初始曲线对应的球管电压参数分组下。

优选地，采集所述实际球管电流时，在X射线发生器处于稳定工作状态下采集实际球管电流。

优选地，在稳定工作状态下的对应时间段中，采集多个实际球管电流并将所述多个实际球管电流进行平均以得到平均值，该平均值作为该时间段对应的实际球管电流。

按照本发明的又一方面，提供一种X射线发生器的球管电流的控制方法，其中，使用之前所述的任一校准方法中得到的第二阴极灯丝发射特征曲线来设置灯丝电流。

本发明的校准方法可以基于实际工作过程中采集的数据来对阴极灯丝发射特征曲线进行校准，这样充分考虑了实际工作过程中对阴极灯丝发射特征的影响，从而可以实现对X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的动态校准，校准后的阴极灯丝发射特征曲线更准确，动态校准周期可以灵活设置，基于动态校准后的阴极灯丝发射特征曲线工作时，球管电流也更精确。并且，动态校准可以自动地重复进行，也免去了现有技术的专门校准过程，X射线发生器的设备维护工作大大减少。

附图说明

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。

图1是现有技术的X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线示意图。

图2是阴极灯丝发射特性曲线发生变化的示意图。

图3是按照本发明一实施例的X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法的流程示意图。

图4是按照图3所示实施例的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法获取的系列阴极灯丝发射特征曲线的示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。

在本文中，当X射线发生器处于“实际工作过程”中时，其表示X射线发生器处于具体应用（例如曝光）的实际运行阶段，其与背景技术部分中所介绍的按规定的周期更新校准阴极灯丝发射特性曲线的运行过程是完全相区分的；在背景技术的更新校准过程中，X射线发生器专门针对阴极灯丝发射特性曲线的校准来运行（此时X射线发生器并不进行曝光等具体应用），而不是针对具体应用来运行。

以下具体描述按照本发明一实施例的X射线发生器的阴极灯丝发射特性曲线的校准方法。

通常地，对于新出厂的X射线发生器，其中的球管被校准并具有初始阴极灯丝发射特性曲线（以下简称为“初始曲线”），以阴极灯丝老化对其发射特征的影响为例，在初始阶段，可以基于初始曲线来设置初始的灯丝电流x₀，从而可以相应地间接设置初始的球管电流y0，此时，由于不存在灯丝老化的情形，得到的球管电流y0是相对准确的。但是， X射线发生器的每次实际工作后，就灯丝自身而言，实际上是发生了微量的老化，这也将导致阴极灯丝发射特性发生轻微的改变；如果背景技术中所提及，随着这种轻微的改变的累积，将导致间接设置的球管电流不准确。因此，实际而言，灯丝的发射特性是动态发生改变的。

图3所示为按照本发明一实施例的X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法的流程示意图。

首先地，如步骤S310，X射线发生器在诸如曝光应用的实际工作过程中，根据曝光剂量等参数确定目标设置的球管电流Y_i，基于经过校准的初始曲线，找出该球管电流Y_i所对应的灯丝电流x_i，从而设置球管的灯丝电流x_i。球管的灯丝电流的大小的控制可以通过灯丝上的低压直流偏压来实现，其具体控制方法不受本发明实施例的限制，因此，灯丝电流x_i的设置通常是方便的。

进一步，如步骤S320，在该实际工作过程中，采集实际球管电流y_i，y_i通常与Y_i是存在差异的，所应用的阴极灯丝发射特性曲线越准确，该差异越小。在该实施例中，在每次曝光应用开始的8ms后开始采集实际球管电流，每隔0.2ms采集一次，直到曝光10ms时截止，因此，可以采集多个实际球管电流；然后将它们取平均值作为该次曝光应用的实际球管电流y_i。

进一步，如步骤S330，在该次曝光应用过程中，球管上所偏置的高压通常是恒定的，采集的实际球管电流y_i以及灯丝电流x_i，也即数据（x_i，y_i）对应归类在该球管电压条件下，从而在其后可以用来计算该球管电压所对应的阴极灯丝发射特性曲线。

在该实施例中，初始曲线包括一组在50kV、60 kV、70 kV、80 kV、100 kV和120 kV的球管电压偏置条件下分别对应的初始曲线，因此，在采集的过程中，如果球管电压对应于50kV、60 kV、70 kV、80 kV、100 kV、120 kV中的一个，例如50kV、那么将该数据（x_i，y_i）归类在50kV的条件下；如果曝光应用过程中偏置的球管电压不属于50kV、60 kV、70 kV、80 kV、100 kV、120 kV中的一个，例如55kV，那么需要对其对应采集数据（x_i，y_i）进行数据转换。

具体地，对于数据转换并将其归类至某一额定球管电压值的过程可以采用线性插值法来实现。以某次曝光应用的球管电压是55kV为例，如果目标设置的球管电流Y_i=100mA，根据初始曲线，其中虽然没有55kV对应的初始曲线，但是分别具有50kV和60kV对应的初始曲线，它们接近于55kV；假设在50kV对应的初始曲线下，目标设置的球管电流Y_i=100mA时对应的灯丝电流应该为x₀_50KV，在60kV对应的初始曲线下，目标设置的球管电流Y_i=100mA时对应的灯丝电流应该为x₀_60KV，根据线性插值法来计算出55kV条件下该球管电流Y_i所对应的灯丝电流x_i _55kV，即按照以下公式（1）计算：

x_i_55kV=x₀_50KV + (x₀_60KV－x₀_50KV)×(55-50)/10   （1）；

计算出x_i_55kV后，使用该x_i_55kV设置灯丝电流并进行曝光，同时采集相应的实际球管电流y_i_55kV，进一步采用线性插值法，将y_i_55kV分别归类至50kV和60kV，也即，将数据（x₀_50kV， y_i_55kV）归类在50kV的条件下，将数据（x₀_60KV，y_i_55kV）归类在60kV的条件下。

需要说明的是，从以上可以理解到，如果当前实际工作过程中的球管电压在初始曲线中不能找出其对应的初始曲线（例如50kV在图1的初始曲线中没有相应的初始曲线），那么可以基于该球管电压在初始曲线中确定两条接近该球管电压的初始曲线，并基于该初始曲线结合线性插值法或者其他插值法来确定灯丝电流，进而进行实际工作并采集实际的球管电流，进一步对该实际的球管电流通过线性插值法或者其他插值法进行转换，转换得到接近该球管电压的球管电压的数据。

在以上实施例中，同时实现了将55kV的条件下采集的实际球管电流y_i_55kV同时转换并归类至与55kV 相接近的50kV和60kV；在其他实施例中，也可以仅归类至其中一个相接近的球管电压，例如，50kV或60kV。被转换归类的实际球管电流数据同样可以用来进行更新相应球管电压参数下的初始曲线。这样，基本上所有的实际采集的球管电流数据都可以用来动态更新初始曲线，可以充分考虑每次曝光应用对阴极灯丝的发射特性的影响。

进一步地，以上采集过程可以在每次曝光应用中执行，也即重复执行以上步骤S310至S330，从而可以得到多组数据（x_i，y_i）（i为大于1的整数）。具体地，如步骤S340，在某一球管电压条件下，曝光应用T次后，可以得到T组数据，例如，T设置为100，在某个球管电压条件下曝光应用100次后，可以相应地得到100组数据（x₁，y₁），（x₂，y₂），…，（x_i，y_i），i=100。此时，如果需要更新这一阶段使用的初始曲线，可以将这100组数据应用在其后的计算过程中。但是，采集的次数T，也即数据（x_i，y_i）的组数多少，可以根据动态校准周期来确定，其本身不是限制性的，例如，最少地，也可以在每次曝光应用后进行更新。

在基于数据（x_i，y_i）进行更新计算初始曲线之前，如步骤S410所示，需要基于该初始曲线来拟合建立相应的特征曲线数学模型y(x)。在该实施例中，采用最小二乘法来拟合，从而以下数学模型（2）：

y(x) = a_nxⁿ + a_n-1x^n-1 + …+ a₁x + a₀          （2）;

其中， x表示灯丝电流，y(x)表示灯丝电流为x时的球管电流，n表示多项式的阶数，a₀至a_n为多项式系数，n为大于或等于1的整数。

优选地，可以分段地对初始曲线拟合以分别建立数学模型，具体地，初始曲线按照基于球管电流大小进行分段，其被分为m段，通过对每段初始曲线进行拟合以建立相应的特征曲线数学模型，其中m为大于或等于2的整数。

进一步，如步骤S510，在该实施例基于数学模型y(x)以及得到的某一球管电压条件下的100组数据（x_i，y_i）进行曲线更新。优选地，可以采用最小二乘法来更新数学模型，从而得到更新的阴极灯丝发射特征曲线（以下简称为“更新曲线”）；具体地，T个数据代入以下矩阵方程（3）进行计算：

 

    因此，可以根据最小二乘法计算出新的多项式系数a₀至a_n，更新的多项式系数a₀至a_n代入以上数学模型（2），即可获得更新曲线。需要理解的是，T的大小可以等于多项式的阶数n，也可以大于或小于多项式的阶数n；在大于多项式的阶数n时，取其中的n个数据（xi，yi）代入矩阵方程（3）中来计算；在小于多项式的阶数n时，取T个数据（xi，yi）依次代入矩阵方程（3）中的（x_n-T+1，y _n-T+1）、（x_n-T+2，y _n-T+2）、…（x_n，y _n）来计算，其他的数据（x₀，y ₀）、（x₁，y ₁）、…、（x_n-T，y _n-T）可以采用之前的历史数据，也即为更新得到初始曲线所采集得到的数据。

这样，在某一球管电压参数条件下经过若干次的实际工作以后，初始曲线自动得到更新，在其后的实际工作过程中，可以基于更新曲线进行曝光，这样X射线发生器当前使用的阴极灯丝发射特性曲线的精确度，同时也可以使球管电流更趋近于目标设置的球管电流Y_i，球管电流精度高，曝光效果更好。

需要理解的是，在一实施例中，如果分段地对初始曲线拟合以分别建立数学模型，那么对应每个分段的数学模型的多项式系数进行计算更新，从而可以得到每段初始曲线所对应的更新曲线。

进一步，步骤S520，初始曲线被更新得到更新曲线后，更新曲线将被应用实际工作的球管电流控制设置中，这样，更新曲线将被看作下一次动态校准周期的初始曲线。因此“初始曲线”曲线的概念是相对的，它是指一个动态校准周期中使用的阴极灯丝发射特性曲线。

接下来，可以重复以上动态校准过程，不断地重复进行动态校准。

需要理解的是，在本文中“动态”并不限定指绝对的动态更新，“绝对的动态更新”是指，在动态校准周期设置为一次实际工作的周期时间，T=1，也即每次实际工作后，阴极灯丝发射特性曲线即进行更新；根据具体灯丝的具体老化速度以及球管电流的精度要求，可以设定动态校准的周期，也即可以通过设置采集的次数T的大小来设置动态校准周期。如果在动态校准周期中，采集的数据（x_i，y_i）过多（也即T过大）时，可以抛弃相对较早的部分数据。

图4所示为按照图3所示实施例的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法获取的系列阴极灯丝发射特征曲线的示意图。其中，611为初始曲线，其可以为新出厂的X射线发生器所具有的初始阴极灯丝发射特性曲线，611为经过以上图3所示方法过程获得的更新曲线，更新曲线611也作为下一次动态校准的初始曲线，不断地重复进行，从而可以得到某一球管电压参数下的一系列的更新曲线611、612、…、61c。本发明的校准方法不仅仅在于缩短校准周期，更重要地是可以使用实际工作过程中采集的数据进行动态校准。

本发明还提供一种X射线发生器的球管电流的控制方法，以上实施例中获取的更新曲线将用作下一动态校准周期内的阴极灯丝发射特征曲线，根据目标设置的球管电流Y_i，得到灯丝电流，从而在某一球管电压参数条件下控制球管电流。

以上例子主要说明了本发明的X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法以及控制球管电流的方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims (12)

1.一种X射线发生器的阴极灯丝发射特征曲线的校准方法，其特征在于，在X射线发生器的实际工作过程中，基于第一阴极灯丝发射特征曲线来设置灯丝电流并工作产生X射线，同时采集该灯丝电流对应的实际球管电流，所述灯丝电流以及实际球管电流被用来动态校准所述第一阴极灯丝发射特征曲线以更新得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

2.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，通过对所述第一阴极灯丝发射特征曲线进行拟合以建立相应的特征曲线数学模型，在所述动态校准过程中，根据所述特征曲线数学模型，至少基于所述灯丝电流以及实际球管电流来更新计算所述数学模型中的参数，以得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

3.如权利要求2所述的校准方法，其特征在于，拟合所述第一阴极灯丝发射特征曲线时，采用最小二乘法拟合，从而以下数学模型y(x)：

y(x) = a_nxⁿ + a_n-1x^n-1 + …+ a₁x + a₀;

其中， x表示灯丝电流，y(x)表示灯丝电流为x时的球管电流，n表示多项式的阶数，a₀至a_n为多项式系数，n为大于或等于1的整数。

4.如权利要求3所述的校准方法，其特征在于，在至少n次的实际运行过程中，对应采集n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）后，将所述n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）代入以下方程组中以最小二乘法计算出新的多项式系数a₀至a_n：

；

    其中，x₀表示初始的灯丝电流，y₀表示初始的球管电流，新的多项式系数被a₀至a_n被代入所述数学模型y(x)中以更新得到第二阴极灯丝发射特征曲线。

5.如权利要求1至4中任一项所述的校准方法，其特征在于，所述第一阴极灯丝发射特征曲线基于球管电流进行分段，其被分为m段，通过对每段所述第一阴极灯丝发射特征曲线进行拟合以建立相应的特征曲线数学模型，其中m为大于或等于2的整数。

6.如权利要求3所述的校准方法，其特征在于，n个灯丝电流（x₁，…，x_n）和n个对应的实际球管电流（y₁，…，y_n）是在同一球管电压条件下得到。

7.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述灯丝电流和相应的实际球管电流按照球管电压参数分组归类，以分别得到不同球管电压条件下的第二阴极灯丝发射特征曲线。

8.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，在实际工作过程中，其对应的实际球管电压没有相应的第一阴极灯丝发射特征曲线，那么，基于该实际球管电压来确定两条其球管电压相对接近该实际球管电压的第一初始曲线和第二初始曲线，并基于所述第一初始曲线、第二初始曲线和目标设置的球管电流、结合采用插值法来确定对应的灯丝电流。

9.如权利要求8所述的校准方法，其特征在于，使用该实际球管电压对应的灯丝电流来设置灯丝电流，并在该实际球管电压下采集实际球管电流，该实际球管电流被分别归类至第一初始曲线和/或第二初始曲线对应的球管电压参数分组下。

10.如权利要求1所述的校准方法，其特征在于，采集所述实际球管电流时，在X射线发生器处于稳定工作状态下采集实际球管电流。

11.如权利要求10所述的校准方法，其特征在于，在稳定工作状态下的对应时间段中，采集多个实际球管电流并将所述多个实际球管电流进行平均以得到平均值，该平均值作为该时间段对应的实际球管电流。

12.一种X射线发生器的球管电流的控制方法，其特征在于，使用如权利要求1至11中任一项所述的校准方法中得到的第二阴极灯丝发射特征曲线来设置灯丝电流。