CN109350097A - X射线源阵列、x射线断层扫描系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种X射线源阵列、X射线断层扫描系统和方法。其中，X射线源阵列包括多个单独封装的冷阴极X射线源球管，且各冷阴极X射线源球管的排布轨迹为弧形；X射线断层扫描系统包括前述X射线源阵列和探测器，且X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在所述探测器上，使得X射线源阵列中不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同；同时，本发明实施例提供的X射线源断层扫描方法，使得各冷阴极X射线源球管的管电流一致，实现不同角度的X射线源到目标对象的剂量趋于一致的效果。

Description

X射线源阵列、X射线断层扫描系统和方法

技术领域

本发明实施例涉及X射线扫描成像领域，尤其涉及一种X射线源阵列、X射线断层扫描系统和方法。

背景技术

冷阴极X射线源具有低功耗、易集成、高时间分辨率的特点，集成在X射线源阵列中的多个冷阴极X射线源，可以在不同排布位置产生X射线焦斑，采用逐点脉冲曝光的方式实现焦点的移动，从而无需移动X射线源便可以获取不同角度的投影图像，实现静态断层扫描成像。

现有的X射线源阵列采用整体封装的方式，各冷阴极X射线源呈直线型放置在特制的真空腔体中，且需要外接真空泵以维持腔体的真空环境。但是，不同排布位置的X射线源到被扫描对象表面的距离差异较大，探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率不同，使得重建后的图像质量不佳；因真空泵运行时的机械震动且受损的X射线源无法单独替换，不利于系统的集成。

发明内容

本发明实施例提供了一种X射线源阵列、X射线断层扫描系统和方法，解决了X射线源阵列中各冷阴极X射线源排布的限制，使得不同角度的投影图像的放大率相同，而且可以单独替换受损的冷阴极X射线源球管。

第一方面，本发明实施例提供了一种X射线源阵列，可以包括：

多个单独封装的冷阴极X射线源球管；其中，各冷阴极X射线源球管的排布轨迹为弧形。

可选的，上述X射线源阵列，还可以包括：

弧形底座，用于固定各冷阴极X射线源球管；

设置于弧形底座中的阳极铜条；其中，所述阳极铜条与各冷阴极X射线源球管的阳极相连。

可选的，冷阴极X射线源球管的电子发射源为碳纳米管阴极。

可选的，任意相邻冷阴极X射线源球管之间的弧对应的圆心角相等。

第二方面，本发明实施例还提供了一种X射线断层扫描系统，可以包括：

探测器以及上述X射线源阵列；其中，X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在探测器上。

可选的，上述系统还可以包括：支撑架，用于固定X射线源阵列和探测器。

可选的，上述支撑架上可以设置有伸缩结构和压迫结构；其中，伸缩结构用于调整固定于支撑架上的X射线源阵列和探测器相对于水平面的高度，压迫结构用于对放置于所述探测器上的目标对象进行压迫。

第三方面，本发明实施例还提供了一种X射线断层扫描方法，可以包括：

分别标定X射线源阵列中各冷阴极X射线源球管的工作电压，以使各冷阴极X射线源球管的管电流一致；其中，X射线源阵列包括多个单独封装的冷阴极X射线源球管；

根据各冷阴极X射线源球管的工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象；

控制探测器接收透过目标对象的X射线，获取不同角度的X射线投影数据，并对X射线投影数据进行重建，得到目标对象的断层图像。

可选的，根据各冷阴极X射线源球管的工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象，可以包括：

基于预设曝光时序控制各冷阴极X射线源球管的开启和关断，并根据工作电压控制与所述工作电压对应的冷阴极X射线源球管扫描目标对象。

可选的，上述方法中的探测器采集图像时，采用外部触发且采集帧率与各冷阴极X射线源球管的发射频率相匹配。

本发明实施例的技术方案，通过在X射线源阵列中设置多个单独封装的冷阴极X射线源球管，减小了冷阴极X射线源的体积，而且可以单独替换受损的冷阴极X射线源球管，有利于系统的集成；单独封装的各冷阴极X射线源球管的排布轨迹可以为弧形，使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，那么探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率相同，提高了图像重建的质量。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种X射线源阵列的结构示意图；

图2是本发明实施例二中的一种X射线断层扫描系统的结构示意图；

图3是本发明实施例三中的一种X射线断层扫描系统的组成示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

本实施例的技术方案可适用于X射线断层扫描成像领域，本发明实施例的X射线源阵列，可以包括多个单独封装的冷阴极X射线源球管；其中，各冷阴极X射线源球管的排布轨迹为弧形。

其中，冷阴极X射线源球管采用冷阴极的场发射X射线源，通过场致电子发射的方式产生电子束，场发射阴极工作温度低、功耗低、易于集成。同时，由于场致电子发射不存在时间延迟性，采用冷阴极的场发射X射线源可以实现高时间分辨和可编程X射线发射。可以理解的是，X射线源阵列中可以包括多个冷阴极X射线源球管，可选的，冷阴极X射线源球管的个数可以是[9,30]中的任一个，当然也可以是其他的可以实现相应功能的个数。

一种可选的方案，冷阴极X射线源球管的电子发射源为碳纳米管阴极。其中，碳纳米管是一种新型碳纳米材料，与现有的其他物质相比，具有优异的导电率。而且，纳米级尖端可以产生较佳的电子发射能力以及稳定的机械化学特性，是一种理想的场发射材料。采用碳纳米管阴极作为电子发射源具有即时开关、开启电压低、发射电流密度大的特点，尤其适合于X射线断层扫描领域中冷阴极X射线源球管的场发射应用。

相对于整体封装的X射线源阵列，单独封装的各冷阴极X射线源球管的体积较小，存在空气漏点的可能性较低，因此空气进入放置有电子枪的真空腔体的可能性较低，无需外加真空维持系统以维持真空腔体的真空环境，进一步减小了各冷阴极X射线源球管的体积，而且降低了因为真空维持系统中真空泵的机械震动而导致运动伪影的可能性，提高了成像质量。另外，单独封装的冷阴极X射线源球管在受损后可以单独替换，有利于系统的集成。

具体较小体积的各冷阴极X射线源球管的排布轨迹可以设置为弧形，使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，那么探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率相同，提高了图像重建的质量。

一种可选的技术方案，在上述技术方案的基础上，任意相邻冷阴极X射线源球管之间的弧对应的圆心角可以相等。即，任意相邻冷阴极X射线源球管与X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心连线时构成的圆心角相等，使得各冷阴极X射线源球管的排布更加具有规律性，便于控制。

本发明实施例的技术方案，通过在X射线源阵列中设置多个单独封装的冷阴极X射线源球管，减小了冷阴极X射线源的体积，而且可以单独替换受损的冷阴极X射线源球管，有利于系统的集成；单独封装的各冷阴极X射线源球管的排布轨迹可以为弧形，使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，那么探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率相同，提高了图像重建的质量。

一种可选的技术方案，所述X射线源阵列还可以包括弧形底座，用于固定各冷阴极X射线源球管。其中，根据弧形底座的具体形状可以确定各冷阴极X射线源球管的排布轨迹，例如，所述弧形底座可以是圆弧U型槽底座，那么通过圆弧U型槽底座固定各冷阴极X射线源球管时，各冷阴极X射线源球管的排布轨迹为圆弧U型，进一步使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，提高了图像重建的质量。

另外，所述X射线源阵列还可以包括设置于弧形底座中的阳极铜条；其中，阳极铜条与各冷阴极X射线源球管的阳极相连。可以理解的是，所述阳极铜条可以用于将各冷阴极X射线源球管的阳极固定于弧形底座中，即将各冷阴极X射线源球管固定于弧形底座中；还可以用于使得各冷阴极X射线源球管的阳极相互连通导电。当然，可以理解的是，所述X射线源阵列还可以包括阳极高压插座，通过阳极高压插座以及阳极铜条可以将阳极高压与各冷阴极X射线源球管的阳极相连导电。

当然，本领域技术人员可以理解的是，在上述技术方案的基础上，弧形底座可以填充有绝缘物质，用于使冷阴极X射线源球管的阳极与外界绝缘，尤其是与空气绝缘，避免出现打火等问题。其中，绝缘物质可以是绝缘胶体例如灌封胶。可以理解的是，所述绝缘物质还可以用于固定弧形底座。

在上述技术方案的基础上，X射线源阵列的具体结构可以如图1所示，尤其适合于解决因冷阴极X射线源球管排布限制而造成的不同角度的投影图像放大率不一致的技术问题。示例性的，X射线源阵列可以包括多个冷阴极X射线源球管101、弧形底座102、阳极铜条103和阳极高压插座104。其中，弧形底座102可以用于固定各冷阴极X射线源球管101，阳极铜条103可以嵌入弧形底座102中，并与各冷阴极X射线源球管101的阳极相连接。弧形底座102中可以填充有绝缘物质，以便固定弧形底座102并且提供阳极绝缘。具体的，弧形底座102可以是半径为650mm的圆弧U型槽底座，15个冷阴极X射线源球管101固定于圆弧U型槽底座中，且相邻冷阴极X射线源球管101之间的圆心角间隔为5度。上述X射线源阵列可以使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，那么探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率相同，提高了图像重建的质量。

实施例二

本实施例的技术方案可适用于X射线断层扫描成像领域，本实施例提供的X射线断层扫描系统包括探测器和上述实施例的任一X射线源阵列；其中，X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在探测器上。所述X射线源阵列的原理以及具体实现方式如上述实施例所述的内容。

其中，探测器是一种将X射线能量转换为可供记录的电信号的装置。探测器位于X射线源阵列的下方，接收到透过放置于探测器上方的被扫描对象的X射线后，产生与X射线的辐射强度成正比的电信号，得到不同角度的投影图像。

本发明实施例的技术方案，X射线断层扫描系统中的X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在探测器上，使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管到探测器表面的距离相同，即在相同管电流下各冷阴极X射线源球管发出的X射线到探测器的剂量一致，同时探测器接收到的不同角度的投影图像的放大率相同，提高了图像重建的质量。

一种可选的方案，在上述实施例的基础上，X射线断层扫描系统还可以包括支撑架，用于固定X射线源阵列和探测器，并调整X射线源阵列和探测器的相对位置，使得X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在探测器上。考虑到本发明实施例可能涉及到的应用场景，示例性的，当上述X射线断层扫描系统用于扫描乳腺时，探测器相对于水平面的高度应该和被扫描的乳腺相对于水平面的高度相匹配，换言之，探测器相对于水平面的高度应该和被测试者的身高相匹配。那么，可以通过调整探测器相对于支撑架的位置以实现探测器相对于水平面的高度的调整。值得注意的，X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心一定在探测器上，那么需要相对地调整X射线源阵列相对于水平面的高度。

还有一种解决方案，可选的，在支撑架上设置有伸缩结构，使得支撑架的高度可调整，进而调整固定于支撑架上的X射线源阵列和探测器相对于水平面的高度，以配合被扫描的乳腺相对于水平面的高度。而且，由于只调整支撑架的高度，X射线源阵列和探测器的相对位置保持固定，可以确保X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在探测器上。

可以理解的是，在支撑架上还可以设置压迫结构，用于对放置于探测器上的目标对象进行压迫。具体的，压迫结构在支撑架上的位置可以位于探测器和X射线源阵列之间，并且可以上下移动，以便配合被扫描对象相对于水平面的高度。例如，压迫结构可以对放置于探测器上的乳腺进行适当压迫，避免因人为移动而带来的图像质量不佳的问题。

在上述技术方案的基础上，示例性的，X射线断层扫描系统的具体结构如图2所示，可以包括X射线源阵列10、探测器20、支撑架30和被扫描对象40。其中，X射线源阵列10的排布轨迹所在圆的圆心在探测器20上，使得每个冷阴极X射线源球管101的发射源到探测器20表面中心的距离一致，即在相同管电流下每个冷阴极X射线源球管101发出的X射线到探测器20的剂量一致。以实施例一中的X射线源阵列10的弧形底座102是半径为650mm的圆弧U型槽底座为例，每个冷阴极X射线源球管101的发射源到探测器20的距离D都为650mm。

另外，X射线断层扫描系统中的支撑架30可以用于支撑并固定X射线源阵列10和探测器20。支撑架30可以设置有由伸缩结构301，通过伸缩结构301可以调整支撑架30的高度，进而调整探测器20相对于水平面的高度，以便于被测试者将被扫描对象40置于探测器20上。当然，可以理解的是，X射线断层扫描系统还可以包括底座部件50，位于支撑架30的底端，用于支撑X射线断层扫描系统中的其余部件。

实施例三

本实施例可适用于X射线静态断层扫描的情况，尤其适合于各冷阴极X射线源球管的管电流不同且脉冲曝光时间较短的情况。该方法可以由本发明实施例二提供的X射线断层扫描系统来执行，该系统可以由软件和/或硬件的方式实现。本发明实施例的方法具体包括如下步骤：

分别标定X射线源阵列中各冷阴极X射线源球管的工作电压，以使各冷阴极X射线源球管的管电流一致；其中X射线源阵列包括多个单独封装的冷阴极X射线源球管；根据各冷阴极X射线源球管的工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象；控制控制平台接收透过目标对象的X射线，获取不同角度的X射线投影数据，并对X射线投影数据进行重建，得到目标对象的断层图像。

其中，为了使得不同排布位置的冷阴极X射线源球管发射的X射线到目标对象的剂量分布均匀，得到较好的成像质量，应该将各冷阴极X射线源球管的管电流调整一致，例如可以通过标定各冷阴极X射线源球管的工作电压的方式实现。考虑到本发明实施例可能涉及到的应用场景，各冷阴极X射线源球管的脉冲曝光时间较短例如几十微秒至几毫秒之间，无法在冷阴极X射线源球管开启前调整工作电压。因此，根据各冷阴极X射线源球管的电学参数例如管电流直接标定工作电压，并基于预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象。具体的，当X射线源阵列在栅极高压作用下，阴极达到场发射所需要的电压时，电子从阴极表面逸出，此时探测器接收透过目标对象的衰减后的X射线并进行光电及模数转换，获取不同角度的X射线投影数据。对上述X射线投影数据进行重建，可以得到目标对象的断层图像。当然，可以理解的是，本实施例所述的目标对象即为上述实施例所述的被扫描对象40。

本发明实施例的技术方案，通过分别标定X射线源阵列中各冷阴极X射线源球管的工作电压，使得各冷阴极X射线源球管的管电流一致；根据各冷阴极X射线源球管的工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象，使得目标对象接收到的不同角度的X射线源的剂量趋于一致，提高成像质量；控制探测器接收透过目标对象的X射线投影数据，并对X射线投影数据进行重建。

一种可选的技术方案，根据各冷阴极X射线源球管的工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象，具体可以包括：基于预设曝光时序控制各冷阴极X射线源球管的开启和关断，并根据工作电压控制与所述工作电压对应的冷阴极X射线源球管扫描目标对象。

其中，基于预设曝光时序可以逐个控制各冷阴极X射线源球管的开启和关断，例如，当预设曝光时序中各脉冲宽度是5毫秒(ms)时，基于预设曝光时序可以根据各冷阴极X射线源球管在X射线源阵列中的排布顺序依次控制，如控制处于第一排布顺序的冷阴极X射线源球管开启曝光5ms后关断，然后控制处于第二排布顺序的冷阴极X射线源球管开启曝光5ms，以此类推；或者，基于预设曝光时序中脉冲可以控制与所述脉冲相对应的角度的冷阴极X射线源球管的开启与关断。进一步地，再根据标定的工作电压可以确定与所述工作电压对应的冷阴极X射线源球管的脉冲输出，以此控制各冷阴极X射线源球管进行脉冲式发射X射线扫描目标对象。

一种可选的技术方案，当探测器采集图像时，探测器可以采用外部触发且探测器的采集帧率与各冷阴极X射线源球管的发射频率相匹配。其中，探测器采集图像时可以提供触发信号控制各冷阴极X射线源球管开启曝光，且探测器的采集帧率与各冷阴极X射线源球管的发射频率相匹配。例如，当采集帧率是5ms/次时，探测器提供脉冲宽度为5ms的触发信号控制各冷阴极X射线源球管开启曝光。进一步地，当探测器采集预设角度的图像时，探测器提供的触发信号可以控制与所述预设角度匹配的冷阴极X射线源球管开启曝光。

可以理解的是，探测器采集图像时还可以采用内部触发，即各冷阴极X射线源球管连续开启曝光，探测器连续采集图像，探测器的采集帧率与各冷阴极X射线源球管的发射频率不匹配。具体地，根据输出的预设低压脉冲信号控制探测器采集图像；同时，将预设低压脉冲信号分解为多路高压脉冲信号，根据第一个脉冲信号控制第一个冷阴极X射线源球管开启曝光，根据第二个脉冲信号控制第二个冷阴极X射线源球管开启曝光，以此类推。相较于内部触发的探测器，外部触发可以更好的避免运动伪影，提高成像质量。

在上述技术方案的基础上，示例性的，参见图3所示的X射线断层扫描系统的组成示意图，可以包括控制平台60、阳极高压电源70、X射线源阵列10、高压切换器80、脉冲电源90以及探测器20。其中，控制平台60可以完成冷阴极X射线源球管101的曝光控制和探测器20的图像采集，阳极高压电源70可以提供强电场加速电子轰击阳极靶，X射线源阵列10提供电子发射源，脉冲电源90提供激发电子逸出的场强，高压切换器80用于控制X射线源阵列10中不同发射源的曝光开断，探测器20用于采集不同排布位置的冷阴极X射线源球管101曝光后的目标对象40的投影图像。

那么，基于上述X射线断层扫描系统的X射线断层扫描方法的具体实现过程可以描述为：开启脉冲电源90，分别标定X射线源阵列10中各冷阴极X射线源球管101的工作电压，并通过控制平台60存储各冷阴极X射线源球管101与工作电压的对应关系；开启阳极高压电源70并通过控制平台60设置阳极输出高压，提供用于阴极逸出电子加速的强电场；通过控制平台60开启探测器20并将探测器20调整为外部触发，使得探测器的图像采集帧率与脉冲电源90的输出频率相匹配；根据控制平台60存储的对应关系以及预先设定的曝光时序控制脉冲电源90的高压脉冲输出；高压切换器80按照控制平台60预先设定的曝光时序控制对应的冷阴极X射线源球管101进行曝光开断，实现X射线源阵列10中不同排布位置的冷阴极X射线源球管101的逐步脉冲式曝光；根据探测器20采集到的不同角度的投影图像进行重建，得到目标对象的断层图像。

上述X射线断层扫描方法通过脉冲电源直接标定不同排布位置的冷阴极X射线源球管的工作电压，使得每个冷阴极X射线源球管的管电流一致，实现不同角度的X射线源到目标对象上的剂量趋于一致，提高成像质量。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种X射线源阵列，其特征在于，包括：

多个单独封装的冷阴极X射线源球管；其中，各所述冷阴极X射线源球管的排布轨迹为弧形。

2.根据权利要求1所述的X射线源阵列，其特征在于，还包括：

弧形底座，用于固定各所述冷阴极X射线源球管；

设置于所述弧形底座中的阳极铜条，其中，所述阳极铜条与各所述冷阴极X射线源球管的阳极相连。

3.根据权利要求1所述的X射线源阵列，其特征在于，所述冷阴极X射线源球管的电子发射源为碳纳米管阴极。

4.根据权利要求1所述的X射线源阵列，其特征在于，任意相邻所述冷阴极X射线源球管之间的弧对应的圆心角相等。

5.一种X射线断层扫描系统，其特征在于，包括探测器，以及，权利要求1-4任一所述的X射线源阵列；其中，所述X射线源阵列的排布轨迹所在圆的圆心在所述探测器上。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括支撑架，用于固定所述X射线源阵列和所述探测器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述支撑架上设置有伸缩结构和压迫结构；其中，所述伸缩结构用于调整固定于所述支撑架上的所述X射线源阵列和所述探测器相对于水平面的高度，所述压迫结构用于对放置于所述探测器上的目标对象进行压迫。

8.一种X射线断层扫描方法，其特征在于，包括：

分别标定X射线源阵列中各冷阴极X射线源球管的工作电压，以使各所述冷阴极X射线源球管的管电流一致；其中，所述X射线源阵列包括多个单独封装的冷阴极X射线源球管；

根据各所述冷阴极X射线源球管的所述工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象；

控制探测器接收透过所述目标对象的X射线，获取不同角度的X射线投影数据，并对所述X射线投影数据进行重建，得到所述目标对象的断层图像。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据各所述冷阴极X射线源球管的所述工作电压以及预设的逐点脉冲曝光法扫描目标对象，包括：

基于预设曝光时序控制各所述冷阴极X射线源球管的开启和关断，并根据所述工作电压控制与所述工作电压对应的冷阴极X射线源球管扫描目标对象。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述探测器采集图像时，采用外部触发且采集帧率与各所述冷阴极X射线源球管的发射频率相匹配。