CN104545955B - 一种x射线成像方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施方式公开了一种X射线成像方法和装置。方法包括：提供高能电子束；激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；探测所述X射线以生成图像。本发明实施方式可以有效降低足跟效应，而且具有良好的适用性。

Description

一种X射线成像方法和装置

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种X射线成像方法和装置。

背景技术

医学影像(Medical Imaging)也称医学成像。医学影像泛指通过X射线成像(X-ray)、电脑断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)、超声成像(ultrasound)、正子扫描(PET)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)、眼球追踪(eye-tracking)、穿颅磁波刺激(TMS)等现代成像技术检查人体无法用非手术手段检查的部位的过程。

X射线成像技术的发展日新月异。在X射线成像技术中，足跟效应(Heel effect)对于成像质量具有显著影响。足跟效应又称X射线阳极端效应，是指在平行于球管长轴方向上，靠近X光管阳极端之射线会较近阴极端之射线强度较低，而且越靠近阳极X射线辐射强度下降越多。由于阴极的倾斜角，足跟效应会导致X射线密度和强度的分布不均，阴极方向X射线强度大于靠近阳极方向。这是因为：相比于角度偏向阴极角度的X射线，角度倾向于阳极靶面的X射线在靶面里穿行的距离会更多，因而会被更多的吸收。

足跟效应导致图像里包含的信息量分布不均匀，靠近阳极部分，图像所包含信息会明显弱于靠近阴极部分，因此需要尽量降低足跟效应以保证图像质量。

目前已经有一些改变足跟效应的方法，如提高源像距(SID)、缩小束线器(collimator)以使用特定段区域X射线，等等。然而，这些调节方式在应用上都有一定的局限性，比如对于SID和束线器难以调节的场合，则无法适用。

发明内容

本发明实施方式提出一种X射线成像方法，以降低足跟效应。

本发明实施方式还提出一种X射线成像装置，以降低足跟效应。

一种X射线成像方法，该方法包括：

提供高能电子束；

激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；

探测所述X射线以生成图像。

该方法进一步包括：

当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

通过围绕阳极轴旋转阳极以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

通过围绕阳极滑动所述高能电子束以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

该方法进一步包括：

在探测所述X射线之前，对所述X射线进行过滤。

一种X射线成像装置，包括腔体，腔体内容纳有阳极和阴极，其中阴极可滑动地布置于所述腔体内壁，阳极布置在腔体内壁；

阴极，用于发射轰击阳极靶面以产生X射线的高能电子束，并在所述腔体内壁上被滑动以调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；

平板探测器，用于探测所述X射线以生成图像。

进一步包括球管和束线器；

束线器，用于在平板探测器探测所述X射线之前对所述X射线进行过滤；

球管，用于容纳所述腔体和束线器。

阴极，用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，在所述腔体内壁上被滑动以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

腔体，用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时被转动，以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

阳极包含阳极轴，阳极通过所述阳极轴被固定在所述腔体内壁；

阳极轴，用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时围绕自身轴向方向自转，以带动所述阳极转动，从而降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

所述X射线成像装置从下列组中选择：

X射线拍片机；

X射线胃肠机；

X射线C臂手术机；

X射线乳腺机。

从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，提供高能电子束；激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；探测所述X射线以生成图像。由此可见，本发明实施方式通过调整阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度，使得各个方向的X射线阳极吸收效果接近，从而降低足跟效应。

而且，本发明实施方式还适用于SID和束线器难以调节的场合，适用性广泛。

附图说明

图1为根据本发明实施方式X射线成像方法流程图。

图2为根据本发明实施方式X射线成像装置示意图。

图3为根据本发明实施方式足跟效应分析第一示意图。

图4为根据本发明实施方式足跟效应分析第二示意图。

图5为根据本发明实施方式足跟效应分析第三示意图。

图6为根据本发明实施方式足跟效应分析第四示意图。

图7为根据本发明实施方式足跟效应分析第五示意图。

图8为根据本发明实施方式足跟效应分析第六示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以阐述性说明本发明，并不用于限定本发明的保护范围。

图1为根据本发明实施方式X射线成像方法流程图。

如图1所示，该方法包括：

步骤101：提供高能电子束。

高能电子束是指被加速的电子，一般具有很高的能量密度。比如，电子速度可达0.3-0.7倍光速，一旦经磁透镜聚焦就会形成能量密度高达10^7数量级。将电子束经过电子加速器后形成高能电子束，高能电子束轰击高原子序数的金属靶面可以产生X射线。

步骤102：激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

在这里，可以通过多种方式控制高能电子束轰击阳极靶面，比如激励阴极灯丝发射高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线。

在一个实施方式中：可以围绕阳极轴旋转阳极以降低阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度，从而降低足跟效应。

在另一个实施方式中，还可以围绕阳极滑动所述高能电子束以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度，从而降低足跟效应。

步骤103：探测所述X射线以生成图像。

在这里，可以利用平板探测器探测X射线以生成图像。具体地，平板探测器可以是碘化铯/非晶硅型平板探测器，等等。

优选地，在探测所述X射线之前，可以利用束线器(collimator)对X射线进行过滤。

在一个实施方式中，当判定图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，降低阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度。

可以通过分析平板探测器的X射线接收曲线的凸凹性和拐点图像，以判断像素均匀度是否符合预先设定的门限值。比如，可以获取平板探测器左半边所检测的像素值之和(简称为左半边像素值和)以及平板探测器右半边所检测的像素值之和(简称为右半边像素值和)，并且当左半边像素值和与右半边像素值和这两者之差大于预先设定的门限值时，判定由于足跟效应导致图像的像素均匀度不合格，此时可以围绕阳极轴旋转阳极和/或围绕阳极滑动所述高能电子束，以降低阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度，从而降低足跟效应。

再比如，还可以将平板探测器滤波结果的像素数组分为左右两组，对左右两组分别求和然后相减，然后除以右边之和进行均一化。

比如，可以计算

其中l(i)为平板探测器左半部分像素值，r(i)为平板探测器右半部分像素值，i为像素编号。

然后，再判断v值是否大于预先设定的门限值，如果是，则判定由于足跟效应导致图像的像素均匀度不合格。

基于上述详细分析，本发明实施方式还提出了一种X射线成像装置。

图2为根据本发明实施方式X射线成像装置示意图；图3为根据本发明实施方式足跟效应分析第一示意图；图4为根据本发明实施方式足跟效应分析第二示意图；图5为根据本发明实施方式足跟效应分析第三示意图；图6为根据本发明实施方式足跟效应分析第四示意图；图7为根据本发明实施方式足跟效应分析第五示意图；图8为根据本发明实施方式足跟效应分析第六示意图。

为了阐述方便，在图2-图8中，对于相同或相对应的元件采用相同的标号标识。

如图2和图3所示，该X射线成像装置包括一腔体11，在腔体11的内部容纳有一阳极13和一阴极12，其中阴极12可滑动地布置于所述腔体11内壁，阳极13通过一阳极轴14布置在腔体11的内壁；阳极13具有阳极靶面16，而且阳极靶面16面对阴极12；阳极靶面16具有一阳极靶面法线33；产生的X射线束32；X射线中轴为31。

阴极12具有灯丝，灯丝用于发射轰击阳极靶面16以产生X射线束32的高能电子束21。阴极12可以在腔体11内壁上被滑动以调节阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的角度。

一平板探测器36用于探测X射线以生成图像。

在该腔体11下部具有左右对称的两个束线器15，用于对阳极靶面16所发射的X射线束32进行过滤。只有在两个束线器15的空隙之间的X射线才能投射到平板探测器36上。

一般地，X射线中轴31平分束线器15之间的空隙。

优选地，腔体11的剖面圆心与阳极13靶面重心在垂直方向上同线，从而保持整个X射线成像装置的中心稳定。更优选地，腔体11可以围绕自身剖面圆心相旋转。

高能电子束21轰击阳极靶面16以产生X射线，X射线经过束线器15过滤并照射到平板探测器36。在平板探测器36上生成图像，图像像素点映射为X射线的空间分布。

在一个实施方式中：一阴极21用于当平板探测器36上生成图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，在腔体11内壁上被滑动以降低阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的角度。比如，可以在腔体11内壁上设置滑轨，阴极21布置在滑轨上，并且由电机或其他方式所拖动在腔体11内壁上滑动。

在一个实施方式中：腔体11用于当平板探测器36上生成图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时被转动，以降低阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的角度。比如，可以将腔体11连接到电机的输出端，由电机或其他方式驱动以围绕剖面圆心转动。

在一个实施方式中：阳极13包含阳极轴14，阳极13通过所述阳极轴14被固定在所述腔体11的内壁；阳极轴14，用于当平板探测器36上生成图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时围绕自身轴向方向自转，以带动所述阳极13转动，从而降低阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的角度。

其中，平板探测器36可以计算自身左半边所检测的像素值之和(简称为左半边像素值和)以及右半边所检测的像素值之和(简称为右半边像素值和)，并且当左半边像素值和与右半边像素值和这两者之差大于预先设定的门限值时，判定由于足跟效应导致图像的像素均匀度不合格。此时，平板探测器36可以向X射线成像装置的一控制单元发送指令，由控制单元使能阳极围绕阳极轴旋转、使能腔体旋转、和/或使能高能电子束围绕阳极滑动，以降低阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度，从而降低足跟效应。

当阳极13围绕阳极轴14旋转、腔体11旋转、和/或高能电子束21围绕阳极13转动时，阳极靶面16和高能电子束21之间的角度将改变，而且足跟效应会发生变化。其中：阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的夹角β越小，则足跟效应越微弱。反之，阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的夹角β越大，足跟效应越明显。

下面对此进行详细说明。

在图4和图5中，任取阳极靶面16所产生的左侧X射线34和右侧X射线35，其中左侧X射线34和右侧任意X射线35在束线器中心线(即X射线中轴)31左右对称，r为X射线源离阳极靶面16的最近距离；ds为左侧X射线34在阳极靶面16的运动距离；dl为右侧X射线34在阳极靶面16的运动距离；θ为左右两侧X射线34、35与阳极靶面法线33的夹角(图4中只标识出左侧X射线34与阳极靶面法线33夹角)；β为阳极靶面法线33与X射线中轴31之间的夹角。

由图4可见，

dl/r＝cos(2β-θ)；

ds/r＝cos(θ)；

因此，dl＝cos(2β-θ)·r；ds＝cos(θ)·r；

可以推算出：

|dl-ds|＝|r·(cos(2β-θ)-cos(θ))|＝2·r·|sin(β)·sin(β-θ)|。

由于β-θ为常数，当β减小时，|dl-ds|的差值不断减小，因此dl和ds的长度越来越接近，由此X光线在阳极靶面所经过的距离也将改变。

由图5和图6可见，当β增大或减小时，dl和ds长度会相应改变。在图6中，当β减小(增大)为β’时，dl和ds相应改变为dl’和ds’，假设dl的变化量为Δl，ds的变化量为Δs。

则dl'-ds’＝(d1+Δ1)-(ds+Δs)＝(dl+ds)+(Δl-Δs)

可见，当β角减小时，θ角不断减大，Δl为负值(dl变短)，Δs为正值(ds变长)，则(dl'-ds’)-(dl-ds)＝(Δl-Δs)＜0，即dl和dr的差值减小随着β角减小时而减小。

以上则表明，随着β角减小，ds和dl的长度越接近，则左侧X射线34和右侧X射线35受到的吸收效果越接近，即足跟效应得到了抑制。

因此，任意关于束线器中心线左右对称的两条X射线均遵循β角减小，吸收效果逐渐接近的结果。

由图7可见，假设a，b，c为阳极靶面16所任意产生的X射线，a，b，c距离束线器中心线的距离依次为u，u+Δd，u+2·Δd。

c和b的差值大于a和b的差值，原因如下：

a²＝s²+u²；

b²＝s²+(u+Δd)²；

c²＝s²+(u+2·Δd)²；

(c²-b²)-(b²-a²)＝(u+2·Δd)²-2·(u+Δd)+c²＝2·Δd²；

因此，b和c之间的吸收率差异E(a)-E(b)大于a和b之间的吸收率差异E(b)-E(c)。

这说明，越靠近束线器中心线33，X射线被吸收相差越小，平板检测器所接收到的X射线将强度越均匀，考虑到X射线吸收和衰减因素，因此X射线密度也更加均匀。

由图8可见，越靠近阳极靶面33，X射线强度和密度分布越均匀；当β角度越小时，平板检测器接收的X射线越靠近33，即X射线分布越均匀。

基于上述分析，可以在多种应用环境中调整成像质量。比如，尤其适用于SID比较小的应用，比如乳腺机、便携式X光机，可以大幅提高图像质量。而且本发明实施方式还适用于对照射部位比较大医学应用场合，比如X射线拍片机；X射线胃肠机；X射线C臂手术机，等等。

还可以通过多种方式在各种X射线成像应用中应用本发明实施方式。

比如：本发明实施方式可以用于设置剂量角度分布表：对同一剂量，不断减小β角度，则评价值不断减小，直到评价值小于经验设定值为止，从而可以得出剂量与评价值二元表。本发明实施方式还可以用于设置等估值分布表：选取不同的评价值，在同一评价值时，得出不同β角度以及对应的剂量。本发明实施方式还可以应用于分布表应用：即根据医学使用要求考虑剂量，查找等估值分布表，并根据剂量选择β角度，最后将阴极灯丝在圆弧轨道上滑动到指定位置处。

可以遵循一定规范的应用程序接口，将本发明实施方式提出的X射线成像方法编写为安装到个人电脑、移动终端、医疗器械等中的插件程序，也可以将其封装为应用程序以供用户自行下载使用。当编写为插件程序时，可以将其实施为ocx、dll、cab等多种插件形式。也可以通过Flash插件、RealPlayer插件、MMS插件、MIDI五线谱插件、ActiveX插件等具体技术来实施本发明实施方式所提出的X射线成像方法。

可以通过指令或指令集存储的储存方式将本发明实施方式所提出的X射线成像方法存储在各种存储介质上。这些存储介质包括但是不局限于：软盘、光盘、DVD、硬盘、闪存等。

另外，还可以将本发明实施方式所提出的X射线成像方法应用到基于闪存(Nandflash)的存储介质中，比如U盘、CF卡、SD卡、SDHC卡、MMC卡、SM卡、记忆棒、xD卡等。

综上所述，在本发明实施方式中，提供高能电子束；激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；探测所述X射线以生成图像。由此可见，本发明实施方式通过调整阳极靶面法线与X射线中轴之间的角度，使得各个方向上X射线受到的阳极吸收效果接近，从而降低足跟效应。

而且，本发明实施方式还适用于SID和束线器难以调节的场合，适用性广泛。

本发明实施方式公开了一种X射线成像方法和装置。方法包括：提供高能电子束；激励所述高能电子束轰击阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；探测所述X射线以生成图像。本发明实施方式可以有效降低足跟效应，而且具有良好的适用性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种X射线成像方法，其特征在于，该方法包括：

提供高能电子束；

激励所述高能电子束轰击一阳极靶面以产生X射线，并调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；

探测所述X射线以生成图像；

该方法进一步包括：

当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度，其中通过围绕阳极滑动所述高能电子束以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

2.一种X射线成像装置，其特征在于，包括：

一腔体，该腔体内容纳有一阳极和一阴极，其中阴极可滑动地布置于所述腔体内壁，阳极布置在腔体内壁；其中，所述阴极用于发射轰击阳极靶面以产生X射线的高能电子束，并能够在所述腔体内壁上被滑动以调节所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度；

一平板探测器，用于探测所述X射线以生成图像。

3.根据权利要求2所述的X射线成像装置，其特征在于，进一步包括一球管和一束线器；

其中，所述束线器用于在平板探测器探测所述X射线之前对所述X射线进行过滤；

所述球管用于容纳所述腔体和束线器。

4.根据权利要求2所述的X射线成像装置，其特征在于，

所述阴极进一步用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时，在所述腔体内壁上被滑动以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

5.根据权利要求2所述的X射线成像装置，其特征在于，

所述腔体进一步用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时被转动，以降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

6.根据权利要求2所述的X射线成像装置，其特征在于，所述阳极包含一阳极轴，阳极通过所述阳极轴被固定在所述腔体内壁；

所述阳极轴进一步用于当所述图像的像素均匀度不符合预先设定的门限值时围绕自身轴向方向自转，以带动所述阳极转动，从而降低所述阳极靶面法线与所述X射线中轴之间的角度。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的X射线成像装置，其特征在于，所述X射线成像装置从下列组中选择：

X射线拍片机；

X射线胃肠机；

X射线C臂手术机；

X射线乳腺机。