CN109507215B - X射线成像装置及x射线成像方法 - Google Patents

X射线成像装置及x射线成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种X射线成像装置及X射线成像方法。该X射线成像装置包括X射线发射器、X射线强度探测器和控制模块；所述X射线发射器、待测物以及所述X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；其中，所述X射线发射器包括靶材和阵列排布的电子发射源；所述靶材与各所述电子发射源均相对设置；各所述电子发射源均与所述控制模块连接，所述控制模块还与所述X射线强度探测器连接。本发明提供的X射线成像装置可以降低X射线成像装置的制造难度、制造成本以及提升成像的空间分辨率。

Description

X射线成像装置及X射线成像方法
技术领域
本发明实施例涉及X射线成像技术，尤其涉及一种X射线成像装置及X射线成像方法。
背景技术
X射线具有能量高、透射性好、无残留的物理特征，因此基于X射线透视成像在医学诊疗、工业检测、安检防卫等众多领域内具有广泛的应用。
在现有的X射线成像技术中，需要利用具有二维成像功能的X射线探测板或者CCD相机实现对待测物的吸收影像或者衬度影像进行阵列化强度探测，得到待测物的X射线成像图片。这种类似“拍照”方法在成像过程中所使用的X射线阵列探测板或者CCD相机具有制造难度大、空间分辨率限制和成本高等一系列问题。
发明内容
本发明提供一种X射线成像装置及X射线成像方法，以实现降低X射线成像装置的制造难度、制造成本以及提升成像的空间分辨率。
第一方面，本发明实施例提供了一种X射线成像装置，该X射线成像装置包括X射线发射器、X射线强度探测器和控制模块；
所述X射线发射器、待测物以及所述X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；
其中，所述X射线发射器包括靶材和阵列排布的电子发射源；所述靶材与各所述电子发射源均相对设置；
各所述电子发射源均与所述控制模块连接，所述控制模块还与所述X射线强度探测器连接。
第二方面，本发明实施例还提供了一种X射线成像方法，该X射线成像方法适用于本发明实施例提供的任意一种所述的X射线成像装置；
所述X射线成像方法包括：
调整所述X射线发射器、所述待测物以及所述X射线强度探测器三者之间的相对位置，使得所述X射线发射器、所述待测物以及所述X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；
所述控制模块控制所述X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用所述X射线强度探测器接收并检测经过所述待测物后的X射线的总强度；
重复执行所述控制模块控制所述X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用所述X射线强度探测器接收并检测经过所述待测物后的X射线的总强度的步骤N-1次，以得到N个预设图案对应的经过所述待测物后的X射线的总强度，N为大于或等于100的正整数，其中N个预设图案互不相同；
所述控制模块基于所述N个预设图案对应的经过所述待测物后的X射线的总强度以及所述N个预设图案对应的不经过所述待测物的X射线的二维强度分布，得到待测物影像。
本发明实施例通过设置所述X射线发射器包括靶材和阵列排布的电子发射源；所述靶材与各所述电子发射源均相对设置；各所述电子发射源均与所述控制模块连接，所述控制模块还与所述X射线强度探测器连接，解决了现有的X射线成像技术，需要用到X射线阵列探测板或者CCD相机，而X射线阵列探测板或者CCD相机具有制造难度大、空间分辨率限制和成本高等一系列问题，实现了降低X射线成像装置的制造难度、制造成本以及提升成像的空间分辨率的效果。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种X射线成像装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种X射线成像装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种阵列排布的碳纳米管电子发射源的扫描电镜图像；
图4为本发明实施例提供的一种X射线成像方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。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。
图1为本发明实施例提供的一种X射线成像装置的结构框图。图2为本发明实施例提供的一种X射线成像装置的结构示意图。参见图1和图2，该X射线成像装置包括X射线发射器1、X射线强度探测器2和控制模块3；X射线发射器1、待测物4以及X射线强度探测器2沿X射线传输方向依次设置；其中，X射线发射器1包括靶材12和阵列排布的电子发射源11；靶材12与各电子发射源11均相对设置；各电子发射源11均与控制模块3连接，控制模块3还与X射线强度探测器2连接。
由于电子发射源11呈阵列排布，不同电子发射源11对应不同位点。上述技术方案可以通过控制模块3独立控制不同位点的电子发射源11的工作状态(如运行或停止)，从而得到不同图案化的电子束，当电子束轰击靶材12时从而可以得到不同图案的X射线源，X射线源照射待测物4后，利用X射线强度探测器2记录经过该被测物4的X射线总强度。控制模块3基于多个不同图案对应的经过待测物后的X射线的总强度以及上述各图案对应的不经过该待测物的X射线的二维强度分布(上述各图案对应的不经过该待测物的X射线的二维强度分布可以预存在控制模块3数据库内，也可以通过计算电子束的轨迹得到X射线的束斑图案得到)，得到物体的影像。该成像过程中，通过控制电子发射源11的不同开关状态，实现电子发射图案的可控变化，从而得到可控的X射线图案，实现最终的计算强度相关成像。
由于上述技术方案提供的X射线成像装置在进行成像时，只需要得到经过待测物后的X射线的总强度，并不需要以二维的方式检测空间中不同位点的X射线强度，即并不要求X射线强度探测器2具有空间分辨能力，因此上述技术方案中X射线源照射待测物4不需要采用X射线阵列探测板或者CCD相机等具有空间分辨能力的设备，解决了现有的X射线成像技术，需要用到X射线阵列探测板或者CCD相机，而X射线阵列探测板或者CCD相机具有制造难度大、空间分辨率限制和成本高等一系列问题，实现了降低X射线成像装置的制造难度、制造成本以及提高成像的空间分辨率的效果。研究表明，本申请提供的X射线成像装置的成本约为现有的X射线成像装置成本的70％。
此外，还需要说明的是，形成图案化的X射线源的方法有多种，例如，可以将具有强吸收特性的介质置于X射线发射器和待测物之间，利用旋转马达带动具有强吸收特性的介质旋转运动形成不同遮挡图案，进行形成具有不同图案的X射线源。与这种方法相比，本申请提供的X射线成像装置不需要设置具有强吸收特性的介质，也不需要设置旋转马达，结构更加简单。
为了实现控制模块3控制不同位点的电子发射源11的工作状态(如运行或停止)，可选地，该X射线成像装置还包括多个控制开关，控制开关与电子发射源1一一对应连接，用于控制与其相连的电子发射源1的工作状态。这样设置结构简单易于实现。
其中，电子发射源1可以有多种设计方案，例如，电子发射源1可以为热电子发射式电子发射源、场致电子发射式电子发射源、肖特基发射式电子发射源或热辅助的场致电子发射式电子发射源等。
示例性地，图2中，电子发射源1为场致电子发射式电子发射源。图3为本发明实施例提供的一种阵列排布的碳纳米管电子发射源的扫描电镜图像。具体地，参见图2和图3，该电子发射源11包括碳纳米管111和与碳纳米管111对置第一电极112；碳纳米管111和第一电极112沿电子传输路径依次设置；控制开关(图2中未示出)包括控制端(图2中未示出)、信号输入端(图2中未示出)和信号输出端(图2中未示出)；碳纳米管111与控制开关的信号输出端连接；控制开关的控制端和信号输入端均与控制模块3连接。当形成图案化的电子束时，若某个电子发射源需要处于工作状态，控制模块3控制与其对应的控制开关导通，并且控制模块3向碳纳米管111输入电压信号，以使碳纳米管111与第一电极112之间形成电场，在该电场的作用下，碳纳米管111的电子发射端发射电子。
可选地，该靶材12复用为阳极，以牵引电子束向靶材12的靶面飞行。可选地，靶材12可以采用反射式结构也可以为透射式结构。本申请对此不作限制。
继续参见图2，可选地，各第一电极112互相连接为一个整体，形成一板状结构；板状结构上设置有多个贯穿板状结构的通孔(图2中未示出)，通孔与碳纳米管111的电子发射端一一对应，以使从碳纳米管的电子发射端出射的电子能够穿过与其对应的通孔。这样设置的实质是，不需要单独为各碳纳米管111分别配置第一电极112，而是为所有的碳纳米管111配置一个总的第一电极112，结构简单，易于实现。
继续参见图2，可选地，该X射线成像装置还包括至少一个电子聚焦结构5；电子聚焦结构5位于板状结构(即第一电极112)和靶材12之间的电子传输路径上，以对所经过的电子束进行聚焦、整形。
可选地，电子聚焦结构5为静电聚焦结构、磁聚焦结构或二者的结合等。
可选地，X射线强度探测器2为单像素探测器(或称为桶型探测器)。由于单像素探测器用于检测经过待测物后的X射线的总强度，其设置位置可以位于待测物背离X射线发射器1的一侧，X射线束经过的任意位置处，解决了传统成像过程中需要兼顾射线强度和探测器分辨率之间的矛盾，待测物4和探测器的位置更自由，成像系统可以更加紧凑。
可选地，该X射线成像装置还包括用于承载待测物的样品台6；样品台6与控制模块3电连接，以在控制模块3的控制下调整待测物4的位置，以使放置于样品台6上的待测物4位于X射线的传输路径上。
可选地，继续参见图2，该X射线成像装置还包括真空腔体7，真空腔体7包括抽气口71和铍窗72。抽气口71和铍窗72均位于真空腔体7的侧壁上。
电子发射源11和靶材12位于真空腔体7内。抽气口71用于将真空腔体7内的空气抽出，进而使得真空腔体7内形成真空环境。这样可以使得电子发射源11发射的电子不受外界环境的干扰。铍窗72用于使得形成的X射线从真空腔体7出射。可选地，真空腔体7的真空封装可以是静态真空结构，也可以是动态真空结构。
可选地，上述各技术方案中，控制模块3为计算机。
下面结合图2对该X射线成像装置的X射线成像方法及原理进行详细说明，但不构成对本申请的限制。
参见图2，该X射线成像方法包括：
第一步，在控制模块3的控制下，调整X射线发射器1、样品台6以及X射线强度探测器2三者之间的相对位置，使得X射线发射器1、待测物4以及X射线强度探测器2沿X射线传输方向依次设置。
第二步，基于某一特定预设图案，控制模块3计算确定哪些电子发射源11需要处于运行状态，哪些电子发射源11需要处于停止状态，并输出控制指令，使得需要处于运行状态的电子发射源11对应的控制开关导通，需要处于停止状态的电子发射源11对应的控制开关关闭。需要处于运行状态的电子发射源11产生场致电子发射。发射的电子在高压阳极(即靶材12)的牵引下，经电子聚焦结构5聚焦、整形，得到图案化电子束。图案化电子束轰击靶材12，产生图案化X射线束。
第三步，图案化X射线束经铍窗72出射后，照射到被测物4，并穿过该被测物4。X射线强度探测器2记录经过该被测物4的X射线总强度。
第四步，重复执行第三步N-1次，以得到N个预设图案对应的经过待测物后的X射线的总强度，N为大于或等于100的正整数，其中N个预设图案互不相同；
第五步，控制模块3基于N个预设图案对应的经过待测物后的X射线的总强度以及该N个预设图案对应的不经过待测物的X射线的二维强度分布，得到待测物影像。
其中，N个预设图案对应的不经过待测物的X射线的二维强度分布可以预存在控制模块3数据库内，也可以通过计算电子束的轨迹得到X射线的束斑图案得到。本申请对此不作限制。
假设S为每次测试得到的经过待测物后的X射线的总强度，I(x,y)为对应测试时的不经过待测物的X射线的二维强度分布，则物体的影像G(x,y)可由如下公式计算得到：
Figure BDA0001879746540000081
其中，Si和Ii(x,y)对应同一预设图案。待测物的影像质量与N的数值呈正相关性。
基于相同的发明构思，本发明实施例还提供了一种X射线成像方法。该X射线成像方法适用于本发明实施例提供的任意一种所述的X射线成像装置。图4为本发明实施例提供的一种X射线成像方法的流程图。参见图4，该X射线成像方法包括：
S101、调整X射线发射器、待测物以及X射线强度探测器三者之间的相对位置，使得X射线发射器、待测物以及X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；
S102、控制模块控制X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用X射线强度探测器接收并检测经过待测物后的X射线的总强度；
S103、重复执行控制模块控制X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用X射线强度探测器接收并检测经过待测物后的X射线的总强度的步骤N-1次，以得到N个预设图案对应的经过待测物后的X射线的总强度，N为大于或等于100的正整数，其中N个预设图案互不相同；
S104、控制模块基于N个预设图案对应的经过待测物后的X射线的总强度以及该N个预设图案对应的不经过待测物的X射线的二维强度分布，得到待测物影像。
由于本发明实施例提供的X射线成像方法适用于本发明实施例提供的任意一种所述的X射线成像装置，其具有其所适用的所述的X射线成像装置相同或相应的有益效果，此处不再赘述。
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、相互结合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 (7)

1.一种X射线成像装置，其特征在于，包括X射线发射器、X射线强度探测器和控制模块；
所述X射线发射器、待测物以及所述X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；
其中，所述X射线发射器包括靶材和阵列排布的电子发射源；所述靶材与各所述电子发射源均相对设置；
各所述电子发射源均与所述控制模块连接，所述控制模块还与所述X射线强度探测器连接；
所述控制模块用于基于N个预设图案对应的经过所述待测物后的X射线的总强度以及所述N个预设图案对应的不经过所述待测物的X射线的二维强度分布，得到待测物影像；
所述X射线强度探测器为单像素探测器；
所述X射线成像装置还包括多个控制开关，所述控制开关与所述电子发射源一一对应连接，用于控制与其相连的所述电子发射源的工作状态；
所述X射线成像装置还包括用于承载待测物的样品台；
所述样品台与所述控制模块电连接，以在所述控制模块的控制下调整所述待测物的位置。
2.根据权利要求1所述的X射线成像装置，其特征在于，所述电子发射源为热电子发射式电子发射源、场致电子发射式电子发射源、肖特基发射式电子发射源或热辅助的场致电子发射式电子发射源。
3.根据权利要求2所述的X射线成像装置，其特征在于，所述电子发射源为场致电子发射式电子发射源；
所述电子发射源包括碳纳米管和与所述碳纳米管对置第一电极；所述碳纳米管和所述第一电极沿电子传输路径依次设置；
所述控制开关包括控制端、信号输入端和信号输出端；
所述碳纳米管与所述控制开关的信号输出端连接；所述控制开关的控制端和所述信号输入端均与所述控制模块连接。
4.根据权利要求3所述的X射线成像装置，其特征在于，
各所述第一电极互相连接为一个整体，形成一板状结构；
所述板状结构上设置有多个贯穿所述板状结构的通孔，所述通孔与所述碳纳米管的电子发射端一一对应，以使从所述碳纳米管的电子发射端出射的电子能够穿过与其对应的所述通孔。
5.根据权利要求4所述的X射线成像装置，其特征在于，还包括至少一个电子聚焦结构；
所述电子聚焦结构位于所述板状结构和所述靶材之间的电子传输路径上，以对经过的电子束进行聚焦、整形。
6.根据权利要求5所述的X射线成像装置，其特征在于，所述电子聚焦结构为静电聚焦结构、磁聚焦结构或二者的结合。
7.一种X射线成像方法，其特征在于，所述X射线成像方法适用于权利要求1-6任一项所述的X射线成像装置；
所述X射线成像方法包括：
调整所述X射线发射器、所述待测物以及所述X射线强度探测器三者之间的相对位置，使得所述X射线发射器、所述待测物以及所述X射线强度探测器沿X射线传输方向依次设置；
所述控制模块控制所述X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用所述X射线强度探测器接收并检测经过所述待测物后的X射线的总强度；
重复执行所述控制模块控制所述X射线发射器发出具有预设图案的X射线，利用所述X射线强度探测器接收并检测经过所述待测物后的X射线的总强度的步骤N-1次，以得到N个预设图案对应的经过所述待测物后的X射线的总强度，N为大于或等于100的正整数，其中N个预设图案互不相同；
所述控制模块基于所述N个预设图案对应的经过所述待测物后的X射线的总强度以及所述N个预设图案对应的不经过所述待测物的X射线的二维强度分布，得到待测物影像。
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