CN109804449A - X射线源 - Google Patents

Abstract

一种便携式X射线成像源(100)，能够进行无运动X射线断层合成，其中所述源适用于牙科和小体部/小面积成像。

Description

X射线源

本发明涉及一种X射线成像源，尤其涉及一种便携式X射线成像源，这种便携式X射线成像源能够进行无运动断层合成成像并且适用于牙科和小体部/小面积成像。

传统的X射线成像通常基于平面射线照相术。这种方法利用单个高功率点状X射线源，该X射线源由一组真空管组成，该组真空管能够在很宽的能量和电流范围内产生单个锥形或扇形X射线束。

这种系统通常要求将X射线源放置在距待成像人员很远的位置处，以确保X射线覆盖足够的区域，并保持“皮肤安全距离”-避免在皮肤的特定入口处产生过量X射线剂量所需的最小距离。这种大的间隔距离或源与物体之间的距离需要大量的功率。为了提供这种功率，传统的X射线系统使用大型，昂贵且重(数十公斤)的电源。这种电源通常需要冷却，这进一步增加了系统的体积、重量和成本。最终结果是这种传统系统通常是固定的(不是便携式的)或占用很大空间，并且对最终用户，例如医院、初级保健机构、筛查诊所和牙科诊所征收高的资金成本。

另外，这种传统的单源系统(没有台架或其他移动源的装置)通常只能产生二维(2D)图像。传统的二维(或平面)成像通常不足以识别临床检测和诊断所必需的特征(或生物标记)。在牙科和小体位/小面积成像(例如乳房X线照相术)中尤其如此。

在牙科诊断中，口内(口内拍摄)X射线或射线照片是用于诊断牙齿问题的最常见图像。但由于口内射线照片是二维的，它们经常被证明不足以识别各类临床问题，包括垂直型根折、骨质流失、植入物不稳定；和龋齿(蛀牙)-尽管龋齿在很大程度上是可预防的，但仍然是儿童和成人最常见的慢性疾病。牙医所面临的一个具体挑战是在磨牙拔除前确认神经管相对于牙根的位置。目前，这种手术的最佳设备是锥束计算机断层扫描(CBCT)系统。但是由于CBCT固有的高辐射暴露，这种高辐射暴露通常是平面牙科成像的30-150倍，特别是在由于该病症造成的危险不足以值得这种暴露的情况下，通常避免使用CBCT。此外，由于CBCT设备的成本高，许多牙医无法使用这种系统。因此，经常要求牙医在利用二维、平面X射线图像所提供的有限信息作为指导的情况下,“有风险地”继续进行。

其他小面积成像应用中也出现类似问题。例如，乳房X线照相术是一种专门的医学成像技术，这种医学成像技术使用X射线来观察乳房内部，并且是早期发现乳房疾病的必要医学诊断工具。但是二维乳房X线照相术通常不如数字乳房断层合成或三维(3D)乳房X射线照相术有效。在数字乳房断层合成中，在三维图像集中捕获和重建或“合成”不同角度的乳房的多张图像。目前，乳房断层合成需要X射线成弧形运动并在多个点处停止，这增加了成本并在将乳房保持在压缩夹具期间增加了总的成像时间，引起患者不适。

人口研究表明，乳房断层合成筛查可以改善乳腺癌的早期检测，包括可能难以通过二维成像检测到的小癌症。乳房断层合成还可以使“回叫”或后续筛查的实例更少，更精确地指出异常部位的大小、形状和位置，活检更少，检测到多个肿瘤的可能性更大，同时还能获得异常部位的更清晰图像。

辐射剂量减少也是三维X射线成像中的一个重要担忧。这种担忧在计算机断层扫描(CT)(这可能是目前最先进的三维成像技术)的情况下尤为紧迫。CT涉及绕对象移动源以收集大量投影(有效地扫描患者的所有角度)，然后将数据构建成可用的三维图像集。这种360度扫描导致患者暴露于比传统平面放射学明显更高的X射线剂量(对于低剂量CT(LDCT)约为1.5mSv，对于全剂量CT则高达8.0mSv)。

2007年的估值预计美国未来29,000例癌症可能与当年进行的CT扫描有关。这种癌症的高发病率可能源于可归因于CT的高X射线暴露。实际上，在2008年的英国，尽管CT扫描占所有X射线操作的不到10％，但是据估计CT扫描占患者X射线剂量的68％。因此，需要减少整个人群的CT研究数量，特别是在涉及儿科，多次筛查或随访研究以及患有慢性疾病的患者的情况下，更应如此。

数字断层合成为CT提供了一种可行的，低剂量的替代方案。由于数字断层合成仅涉及患者的部分角度(或有限扫描)的扫描(与360度扫描相反)，目前的数字断层合成系统可产生的有效辐射剂量为低剂量胸部CT扫描的辐射剂量的不到1/10，与传统的双视胸部X线摄影相比，剂量仅增加了30％(平面：0.1mSv，DT：0.13mSv)。

然而，使用传统的基于单源的系统的数字断层合成受到这种系统的成本和复杂性的限制。常规的断层合成方法通常涉及从各个方向(通常在患者感兴趣区域的部分角度)拍摄静止物体或人的多个图像，然后使用这些多个二维图像重建三维图像集。通常，需要机械台架来沿着一系列位置移动单个X射线源(真空管)，这增加了X射线系统的尺寸和费用。而且，因为图像是按照顺序拍摄的，所以这种设置与其他期望的设置相比，需要更长的总体图像捕获时间。由于其成本和复杂性，除了乳房X线照相术和胸部成像之外，数字断层合成通常不用于牙科应用，或者小面积/小体部应用。

因此，虽然传统的二维(平面)成像不足以识别牙科和小肢/小面积应用中的各种临床相关标记，但是在这种情况下由于可能暴露于高剂量辐射而常常避免使用CT。因此，需要实现DT在胸部和乳房X线照相术中证明的剂量-信息改善，但没有传统DT系统固有的成本和复杂性。

因此，本领域需要一种能够提供更安全(例如，更低剂量)，更准确的(三维)初级诊断成像的更广泛可用的X射线源(例如，便携式，更便宜且具有更小的占地面积)。迄今为止，市场上还没有便携式，无运动的断层合成X射线系统。

本公开的实施例的目的在于提供一种便携式X射线源(其至少比传统系统小一个数量级)，其使得能够利用无运动源进行断层合成。本发明的实施例的另一个目的是，与传统的二维X射线成像相比，能够实现高分辨率的三维X射线成像，其中增加的辐射剂量仅为最小值。

作为示例而非限制，本公开的实施例可以包括由多个X射线发生器构成的便携式X射线源。所述多个X射线发生器可以布置成分布式阵列，其中每个X射线发生器可以是可单独寻址的(或可控制的)。以这种方式，便携式X射线源可以能够执行感兴趣区域的部分角度扫描(如断层合成所需)，同时需要更短的间隔距离，因此需要的功率小得多。

另外，X射线源还可以包括能够为X射线发生器供电的高压电源。在一个方面，高压电源可以能够将电池电压转换为高电压，从而实现便携式应用。便携式X射线源还可以包括诸如总准直器的机构，其能够将发射的X射线准直在发生器与待成像的物体或人之间的给定距离处的有限区域内。使用具有较小的间隔距离的总准直器可以减少患者和源操作员暴露于有害辐射的可能性。

分布式X射线发生器阵列可包括布置在发射器阵列中的多个电子场发射器。另外，分布式X射线发生器阵列可包括多个靶，所述多个靶由在高能轫致辐射有效的材料制成，或者具有由这种材料制成的区域。靶可以布置成具有与发射器阵列类似的配置的阵列，或者可以成对布置，以使得从电子发射器发射的电子能够撞击轫致辐射靶，从而产生X射线。所述多个电子发射器和靶可以通过将发射器和靶容纳在真空室中，来保持在真空中。

分布式X射线发生器阵列还可以包括间隔物，其可以能够在发射器与靶之间保持适当的分离并使发射器绝缘。此外，分布式X射线发生器阵列可包括多个发射控制器，例如但不限于选择性供电的螺线管线圈，其能够控制来自每个靶的X射线的发射。分布式X射线发生器还可包括滤波器和准直器阵列，其中滤波器可以用于阻挡或去除对X射线成像不利的低能X射线，准直器阵列可以用于变窄源发射的X射线的角度。

通过以下结合附图进行的详细描述，本发明的实施例的上述和其他特征、特点和优点将变得显而易见，其中附图通过示例的方式示出了本发明的原理。仅出于示例的目的给出该描述，而不限制本发明的范围。以下引用的参考附图是指以下附图。

图1是根据本公开的多个方面的X射线源的示例。

图2示出了根据本公开的多个方面的传统单源，基于管的X射线源和X射线源的示例的并排比较。

图3示出了根据本公开的多个方面的多个发射控制器的示例。

将结合某些附图描述本发明，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。每张附图可以不包括本发明的所有特征，因此不应该一定被认为是本发明的实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实际减少量。

此外，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似元件，并且不一定用于在时间上，空间上，排序中或以任何其他方式描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够以除了本文描述或说明的其他顺序进行操作。

此外，说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上方、下方等用于描述的目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且能够在不同于本文描述或说明的其他方向上进行操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于其后列出的装置；它不排除其他元件或步骤。因此，应将其解释为指定所述特征、整数、步骤或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或部件或其组的存在或添加。因此，表述“包括装置A和B的设备”的范围不应限于仅由部件A和B组成的设备。这意味着对于本发明而言，设备的唯一相关部件是A和B。

类似地，应注意，在说明书中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表达“连接到设备B的设备A”的范围不应限于其中设备A的输出直接连接到设备B的输入的设备或系统。这意味着在A的输出和B的输入之间存在路径，该路径可以是包括其他设备或装置的路径。“连接的”可以表示两个或更多个元件直接物理或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍然彼此协作或相互作用。例如，设想无线连接。

整个说明书中对“实施例”或“方面”的引用意味着结合实施例或方面描述的特定特征、结构或特点包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，在本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”，“在一个实施例中”或“在一个方面”不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以指代不同的实施例或方面。此外，正如本公开的本领域的普通技术人员而言来说显而易见的那样，本发明的任何实施例或方面的特定特征、结构或特性可以在一个或多个实施例或方面中以任何合适的方式组合。

类似地，应当理解，在说明书中，本发明的各种特征有时在单个实施例/附图或其描述中组合在一起，以便简化本公开并帮助理解一个或多个各个本发明的方面。然而，该公开方法不应被解释为反映这样一个意图，即所要求保护的发明需要比每个权利要求中明确记载的更多特征。此外，任何单独的附图或方面的描述不应被视为本发明的实施例。而是，如以下权利要求所反映的，发明方面在于少于单个前述公开实施例的所有特征。因此，在此详细的描述之后的权利要求明确地结合到该详细描述中，其中每个权利要求自身作为本发明的单独实施例。

此外，虽然本文描述的一些实施例包括其他实施例中包括的一些特征，但是如本领域技术人员将理解的，不同实施例的特征的组合意图落在本发明的范围内，并且形成其他实施例。例如，在以下权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的说明书中，阐述了许多具体细节。然而，应该理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明的实施例。在其他情况下，没有详细示出公知的方法、结构和技术，以免模糊对本说明书的理解。

在本发明的讨论中，除非另有说明，否则对于参数的允许范围的上限或下限的替代值的公开，以及所述值中的一个比另一个更优选的指示，是被解释为隐含的陈述，即所述参数的每个中间值，即位于所述替代值的更优选和不优选之间的值，本身优选于所述较不优选的值，并且还优选位于所述较不优选的值和所述中间值之间的每个值。

在某些情况下，术语“至少一个”的使用可能仅意味着一个。

现在将通过与本发明的示例性特征有关的至少一张附图的详细描述来描述本发明的原理。显然，在不脱离本发明的基本概念或技术教导的情况下，可以根据本领域技术人员的知识配置其他布置，本发明仅受所附权利要求的限制。

将参照某些附图描述本公开的实施例，但是本发明不限于此，而是仅由权利要求限制。所描述的附图仅是示意性的而非限制性的。每个附图可以不包括本发明的所有特征，因此不应该被认为是本发明的实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且未按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实践本发明的实际减少量。

图1示出了根据本公开的多个方面的便携式X射线源100的示例。便携式X射线源100可包括多个X射线发生器102，其中每个X射线发生器102可能能够产生X射线辐射的小锥(或“锥形”)。多个X射线发生器102可以布置为分布式X射线发生器阵列103，并且在本公开的一个优选方面，多个X射线发生器102可包括如Travish等人的PCT/US2016/014782所描述的平板X射线源(FPS)。

分布式X射线发生器阵列103的使用提供了对当前系统的若干改进，并且偏离了X射线成像的传统方法，这X射线成像的传统方法通常集中于单个基于管的(真空管)源并且教导远离利用分布式源的系统。

图2提供了根据本发明的多个方面的传统单源、基于管的X射线源200(如通常用于牙科成像中)与便携式X射线源100的并排比较。基于管的X射线源200能够产生X射线锥201。X射线锥201可以撞击物体203(例如，患者的嘴)，其中检测器202可以测量强度(并且因此测量由物体203引起的X射线锥201的衰减)以形成二维X光照片(或射线照片)。对于标准口内X射线扫描源200，通常必须放置在距物体203至少20cm的位置。

相反，便携式X射线源100可以包括分布式X射线发生器阵列103(例如，固定的二维阵列)，其包括适度的间距(例如，在mm到cm范围内)。每个发生器102可以是可单独寻址的，以便使分布式X射线发生器阵列103能够产生多个角度不同的小锥(例如，小锥204a和小锥204b)，这使得便携式X射线源100能够从足够的角度对物体203(或者更具体地，感兴趣区域)成像，以产生三维重建而不需要源移动；换句话说，通过无运动的断层合成。因为与诸如CBCT的传统断层摄影系统不同，便携式X射线源100不需要昂贵的精确计算机控制的移动器，所以与传统系统相比，便携式X射线源100的成本和复杂性显著降低。

分布式X射线发生器103的设计还使得便携式X射线源100能够放置得更靠近检测器202，距离物体203大约12cm，而不是标准口内射线照相中的20cm。与常规源，例如基于管的X射线源200相比，这种间隔距离(源到物体的距离)的减小使得便携式X射线源100的重量和功率要求显著降低。这又消除了对昂贵的电源的需求，从而与传统系统相比大大减少了便携式X射线源100的成本。

重量和输入功率的减小部分地归因于辐射作为距离的平方下降，因为本公开的这些实施例可能仅需要传统系统的大约1/4X射线强度(并且因此只需要1/4输入功率)。与传统断层摄影系统相比，分布式X射线发生器阵列103的设计(例如，可寻址性和适度间距)也能够实现更快的采集速度，因为与通常需要机械运动以实现足够扫描角度的传统系统不同，本公开的实施例能够进行无运动的断层合成。与传统系统相比，消除对台架的需求减小了便携式X射线源100的尺寸、重量、复杂性和成本。此外，这种更快的采集速度可以减少患者需要保持不动的时间，因此可以增加患者的舒适度。

在本公开的一个方面，便携式X射线源100可以重约4kg并装入标准相机包中。相比之下，标准的壁挂式牙科X射线单元可能重达近40kg，而二维便携式系统通常重约6kg。

真空管的消除也降低了便携式X射线源100的成本，所述真空管倾向于易碎，寿命短，并且仅在医院环境之外的有限使用。形成鲜明对比的是，分布式X射线发生器阵列103可以在半导体铸造厂中制造，这将降低制造、部署和维护便携式X射线源100的成本。

本公开的实施例的成本节约、小型体积和可携带型可以减轻最终用户的负担，例如医院、初级保健机构和牙科诊所，他们经常被要求在成像系统中进行大量资本投资，这可能会增加三维X射线成像的可用性。例如，在多个牙医实践中部署便携式三维X射线成像源将是变革性的，因为由于设备成本，许多牙医无法使用CBCT或其他三维成像系统，因此经常被迫依靠有限的二维平面X射线图像。

通过本公开的实施例可实现的较短的间隔距离还能够减少辐射散射(侧向散射和反向散射)，这反过来降低了X射线操作者和临床工作者的X射线暴露的风险。通过使用总准直器115可以进一步减少散射辐射，该总准直器115可以吸收成像目的无用的X射线，例如在物体感兴趣区域(ROI)203之外的X射线，同时允许对成像有用的X射线撞击ROI。

总准直器115可包括由X射线衰减材料(例如，具有高X射线吸收的高密度材料)制成的结构。在一个方面，总准直器115可包括升高的平面(或多个壁)，其将便携式X射线源100照射的区域限制为ROI。以这种方式，总准直器115可以通过减少(如果不是移除)X射线反向散射和侧向散射来减少X射线光子的非成像剂量。因此，总准直器115可用于最小化不必要的和可能有害的辐射暴露，而不影响X射线图像质量。

这种总准直器115的使用对于检测器的激活区域较小的成像以及敏感器官与待成像区域相邻的情况特别有用。这种用例的一个例子是牙科成像：口内检测器通常为2cm×4cm或更小，并且感兴趣的牙齿和颌位于大脑附近。

回到图1，分布式X射线发生器阵列103可以包括与多个靶106对准或以其他方式与多个靶106配对的多个电子场发射器104。以这种方式，每个发生器102可以包括与靶106配对的电子场发射器104。每个电子场发射器104可以能够产生可以指向靶106的电子束，例如在高能轫致辐射下有效的材料，以产生X射线。

多个电子场发射器104(并且因此多个靶106)可以布置为发射器阵列105。发射器阵列105可以包括几种配置中的任何一种，包括形成正方形网格的二维阵列；也称为“六边形包”的三角形网格或电子场发射器104可以是随机间隔的。发射器阵列104的间隔和图案可以基于若干因素变化或由若干因素确定，这些若干因素包括最终用途，成像应用几何形状或期望的图像分辨率等。

电子场发射器104可以由各种导电材料制成，包括掺杂的硅、钨或钨合金，或高导电金属，例如铜或铝。替代地(或结合地)，可能需要用钨、氮化钛、类金刚石碳或其他坚固的导电材料的保护涂层或膜来涂覆电子场发射器104(或其尖端)。

如上所述，分布式X射线发生器阵列103可包括由一种或多种材料制成的多个靶106，所述一种或多种材料能够通过物理过程将入射电子转换成X射线。在本公开的一个方面，每个靶106可以包括由对高能轫致辐射有效的材料制成的金属膜，例如钨、钼、铼、金或其他重金属。在另一方面，每个靶106可以由两种或更多种金属制成，或者可以包括多于一层的材料，使得每个靶106可以包括由有效的轫致辐射材料(例如，钨)组成的小区域和由低Z材料(例如，硅)制成的相邻区域。

靶106可以是自支撑的，或者可以由导电衬底支撑，导电衬底可以用于完成电路(在多个电子场发射器104和靶106之间)并消散由电子束沉积的热能。在一个示例中，靶106可以包括由硅衬底或另一种导电的轻元素材料(例如铝)支撑的钨薄膜。在另一个实施例中，衬底可以由具有导电涂层的绝缘材料制成。

靶106可以具有各种几何形状，包括“环形”形状、圆形形状等，或者可以包括直线。如本领域技术人员将理解的，靶106的厚度可以根据靶106材料的原子序数，靶106材料的热性质或将要入射到靶106上的电子束的能量而变化。在本公开的一个方面，每个靶106的厚度可以在1和100μm之间。

由电子场发射器104产生的电子场可以足够强以电离靠近(例如，在+z和/或-z平面中)电子场发射器104的气体分子。这种电离可以防止产生有用的X射线，因为除其他之外，电离气体可能散射发射的电子，并且可能损坏电子场发射器104和靶106。因此，可能希望通过在真空或低压环境中通过壳体发射器104和靶106保持电子场发射器104和靶106之间的真空来最小化(如果不是消除的话)气体分子电离。

在本公开的一个方面，可以通过在高真空下制造分布式X射线发生器阵列103，然后将分布式X射线发生器阵列103(以及电子场发射器104盒靶106)容纳在能够维持真空(低压)环境的腔室中来实现真空(低压)环境。通过利用真空吸气剂可以在便携式X射线源100的使用寿命期间保持真空环境，该真空吸气剂能够化学地结合或吸收气体分子。真空吸气剂可以涂覆在内表面上或者附接到容纳分布式X射线发生器阵列103的真空室。如本领域技术人员鉴于本公开所认识到的，其他机制可能适合用于保持必要的真空环境，例如机械泵和离子泵。

靶106可以沉积在真空室的内表面上，其容纳分布式X射线发生器阵列103。这种配置相对于传统的基于管的源提供了巨大的改进，因为通过在真空室的内表面上沉积靶106，在靶106上产生的热量可以通过传导更容易消散(例如，多余的热量可以在整个腔室中消散)，使得便携式X射线源100比传统系统更容易冷却。与之形成鲜明对比的是，传统X射线源中的靶或阳极被容纳在源真空管内，这使得冷却变得困难，因为它必须依靠辐射来散热。

分布式X射线发生器阵列103还可以包括栅极，其可以能够控制电子场发射器104的电子发射。栅极可以包括多个导电结构，电子可以通过这些导电结构并且可以通过导电结构施加电压。或者，栅极可以能够抑制在电子场发射器104和靶106之间产生的电子场。举例来说，栅极可以包括具有孔的导电板，该孔能够允许来自电子场发射器104的电子通过。在另一个实施例中，栅极可以包括单个环形结构的阵列，每个环形结构与电子场发射器104相关联。栅极还可以包括涂有导电材料的绝缘衬底。

在本公开的一个方面，栅极可以由便携式X射线源100的高压电源109供电。在另一方面，与特定电子场发射器104相关联的栅极的每个部分的电压，例如特定的一组孔或环形结构可以单独控制。

可以完全消除栅极，使得分布式X射线发生器阵列103可以包括二极管配置(例如，没有栅极的阴极和阳极结构)。这种二极管配置通常由于场发射的指数性质(例如，发射的电流以指数方式取决于所施加的电压)而具有有限的工作电压范围，但是生产更简单并且可以比三极管配置更可靠，或者包括栅极的配置。尽管如此，三极管可以提供各种益处，包括独立控制发射电压和加速(或最终)电压的能力。因此，基于使用和其他设计考虑，可能希望选择一种配置而不是另一种配置。举例来说，在牙科成像源的情况下，其中固定或接近固定的电压是可接受的情况下，二极管配置可能是优选的。

参照图1，便携式X射线源100还可以包括设置在电子场发射器104和靶106之间的间隔物108。间隔物108可以用于维持电子场发射器104和靶106之间的必要分离，并且用于使电子场发射器104与靶106分离。

间隔物108的厚度可以根据所使用的材料和施加的电压(电子场发射器104和靶106之间的电势差)而变化。例如，较大的电压可能需要电子场发射器104和靶106之间的距离更大，因此可能需要更厚的间隔物108。相反，较小的电压则可以使用更薄的间隔物108。在本公开的方面中，间隔物108的厚度可以在1mm至30mm之间。在另一方面，间隔物108的厚度可以在5mm和15mm之间。并且在另一方面，间隔物108的厚度可以在15mm和30mm之间。

如本领域技术人员根据本公开内容所理解的，间隔物108可以由玻璃、硼硅酸盐玻璃、陶瓷或其他合适的材料制成，并且可以具有各种配置。在本公开的一个方面，间隔物108可以是基本上圆柱形的。在涉及三极管配置的另一方面，间隔物108可以由两个部分形成，例如以允许将栅极与分布式X射线发生器阵列103分离或移除分布式X射线发生器阵列103上的栅极。

间隔物108还可用作真空室的一部分，其可以容纳电子场发射器104和靶106。或者，间隔物108可以不用于形成或保持这种真空。

便携式X射线源100还可以包括高压电源109，其可以在电子场发射器104和靶106之间产生大的电位差(电压)。在本公开的一个方面，高压电源109可以将线电压(例如标准插座中的公共电压)转换为高电压。或者，电源109可以连接到一个或多个电池107，并且可以将电池电压转换为高电压。

高压电源109可以产生(但不限于)高达-120kV的电压。在本公开的另一方面，高压电源109可以产生-20和-120kV之间的电压。或者，高压电源109可以产生正电压，并且在另一方面，可以在50kV-70kV之间的固定电压下工作。在本公开的另一方面，电源109可以在两个或更多个电压下，顺序地或并行地操作。

如本公开所述，高压电源(例如，-30kV至-80kV)与传统的X射线成像方法相反。特别地，传统方法教导电子场发射器将由低到中等功率电源驱动，并教导不使用高压电源109。传统方法还教导远离紧凑电源，其中地面和高电压平面之间的间隙最小化。

如图1所示，高压电源109的几何形状通常可以与电子场发射器104和靶106的几何形状相一致，并且高压电源109的输出平面可以接触电子场发射器104以形成电接触。在适用于牙科放射学的本公开的一个方面中，高压电源109的厚度可以为30mm，横向尺寸为150mm×150mm。便携式X射线源100可以包装在液体(绝缘油)和/或固体(油灰，灌封)中，以便提供高压电源109的高压所需的绝缘。

在另一个实施例(未示出)中，如PCT/US2010/044762中所述，分布式X射线发生器阵列103可以由多个铁电晶体供电。或者，如本领域技术人员根据本公开所理解的，分布式X射线发生器阵列103可由能够产生所需电压的任何数量的装置供电。

便携式X射线源100还可以包括多个发射控制器110。多个发射控制器110可以控制(例如，散焦/聚焦或偏转/转向)由电子场发射器104发射的电子。以这种方式，发射控制器110可以调节每个发生器102对X射线的发射。反过来，这使得每个发生器102能够单独寻址(可控制)，从而使得分布式X射线发生器阵列103能够产生在时间上分离，但物理上重叠的X射线锥体。这允许无缝覆盖待成像的物体，并最大限度地利用可用的通量，同时保持具有最小间隔距离的能力。

多个发射控制器110能够使来自电子场发射器104的电子束散焦/聚焦或偏转/转向到靶106上或远离靶106，因此可以分别影响X射线的产生或停止。本领域技术人员将理解，发射控制不限于一种方法，并且可以与一种或多种方法结合使用，包括通过静电、磁静电和电磁装置结合使用。PCT/GB2015/050639中描述了一种这样的方法。

图3示出了多个发射控制器110的示例，其包括多个选择性供电的线圈或磁体(线圈/磁体)301。线圈/磁体301可以防止由电子场发射器104发射的电子束304发生撞击靶106的一部分，所述靶106由在高能轫致辐射有效的材料组成，因此可以控制X射线发射。

如图3所示，电子场发射器104的输出通量(电子束304)可以通过使用由线圈/磁体301产生的电磁场来控制，使得当通电或“接通”302时，产生的场使电子束304偏离弹道轨迹/轴307并至靶106上。当线圈/磁体301“关闭”303时，电子束304直接在轴307上继续并撞击衬底305，衬底305可由低原子序数材料组成，其仅产生不产生信号的低能光子。因此，线圈/磁体301的状态(在302或303上)用作给定发射器产生的X射线306的控制。

在本公开的一个方面，靶106可以包括由诸如钨的有效轫致辐射材料制成的离散区域，由诸如硅的低Z材料制成的相邻区域，以及由诸如铝的导电材料制成的支撑件。可以使用透镜或轭来延长光束轴方向上的磁场，并使其偏离轴。

在本公开的另一实施例中，各个选择性供电的线圈/磁体301可以以基本上等于发射器阵列105的图案的线圈/磁体的簇布置。这些簇可以包括四个线圈/磁体301，这四个线圈/磁体301能够创建绕每个磁电场发射器104布置的偶极磁场。或者，这些簇可以包括八个或更多个线圈/磁体301，这些线圈/磁体301布置成使得中心线圈组产生偶极场以偏转电子场发射器104的束轨迹并且可以产生偶极子磁场，并且周围的线圈/磁体301用于抵消中心线圈/磁体301的杂散场，这些簇以基本上等于发射器阵列105的图案配置。

在本公开的方面中，螺线管线圈301可能需要使电子束偏转标称路径0.1mm至1.25mm的距离。PCT/GB2015/050639描述了使用高电流线圈实现这种偏转的方法。值得注意的是，如本文所述，使用线圈簇，可以在低电流下实现类似的结果。

便携式X射线源100还可以包括能够选择性地控制来自分布式X射线发生器阵列103的X射线发射的机构。在本公开的一个方面，所述机构可以包括电路，例如寻址和定时电路，其能够以预定顺序选择性地激活一个或多个控制器110，例如螺线管线圈301。靶106和多个发射控制器110可以布置成使得便携式X射线源100在开启模式下正常操作。或者，靶106和多个发射控制器110可以布置成使得便携式X射线源100以常关模式操作。另外，控制机构(例如，电子电路)可以在达到预定的检测器信号电平之后自动停止X射线光子的发射。

便携式X射线源100还可以包括能够去除或阻挡对X射线成像没有贡献的辐射的滤波器，例如完全被组织吸收的低能X射线。以这种方式，过滤器可以最小化不必要的X射线暴露于患者、放射线技师、技术人员、临床医生、牙医等，而不会对X射线成像产生负面影响。在本公开的一个方面，滤波器可以是可移除的。还可以对滤波器进行编码，使得控制电子设备可以确定使用中的特定滤波器。

如本领域技术人员根据本公开所理解的，滤波器可以由多种材料制成，并且可以根据便携式X射线源100的工作电压或期望的最终用途而具有变化的厚度。例如，滤波器可包括1mm至10mm厚的铝片。或者，滤波器可包括1mm至5mm厚的铜片。在另一方面，滤波器可包括交替的较高原子序数和较低原子序数的材料的堆叠，例如铝和碳。

便携式X射线源100可以包括准直器阵列，准直器阵列可以用于缩小发射的X射线的角度，并且因此进一步促进感兴趣区域的分数覆盖。准直器阵列可以如Travish等人的PCT/GB2015/050637中所述。或者，准直器阵列可包括由高密度材料制成的板，该板具有多个适当尺寸的孔，其中孔能够允许X射线以特定的开口角度透射。这种高密度材料可包括钨、钢或由具有高X射线衰减系数的类似材料制成的合金。

在本公开的另一方面，准直器阵列可包括多个管，其中每个管能够控制发射的X射线锥的开口角度。例如，准直器阵列可包括具有多个铝插件的钨板，其中每个铝插件用于传输具有明确限定的开口角度的每个X射线锥的一部分。在另一个实施例中，准直器阵列可包括两个板，这两个板彼此叠置，每个板具有多个孔，使得特定的X射线锥穿过下部板中的孔，然后穿过上部板中的孔。

便携式X射线源100可包括壳体101。壳体101可包括能够为X射线源100提供机械刚性平台并便于携带的轻型保护壳体。壳体101还能够例如通过在壳体101中散热来便于热控制。在本公开的优选方面，壳体101与医疗设备要求(例如无菌、酒精、擦拭和细胞毒性)相容。

壳体101还可以包括用于将便携式X射线源100与检测器对准的机构，例如一个或多个非接触式传感器，其能够指示便携式X射线源100的用户所述便携式X射线源100与检测器适当对准。在本公开的另一方面，壳体101可包括设计用于封闭高压部件(例如分布式X射线发生器阵列103)的内壳，以及设计用于容纳其他非高压部件的外壳。壳体101的内壳可以填充有绝缘流体，或者可选地填充有固体绝缘体。壳体101还可以容纳电池107以为便携式X射线系统101供电，而不需要墙上插头供电。

Claims (21)

1.一种便携式X射线源，其特征在于，包括：一分布式X射线发射器阵列；一电路，能够通过所述分布式X射线发生器阵列选择性地控制X射线发射；一电源，能够产生高电压，用于为所述分布式X射线发生器阵列供电；和一总准直器。

2.根据权利要求1所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括：多个电子场发射器；多个靶，其中当电子入射在由对高能轫致辐射有效的材料构成的所述靶的区域上时，每个靶能够发射X射线光子，并且其中每个靶与一电子场发射器对准；一间隔物，设置在所述电子场发射器和靶之间，其中所述间隔物能够承受所述电子场发射器和靶之间的高电位差；多个发射控制器，能够防止所述电子场发射器发射的电子撞击所述靶的区域，所述靶的区域由对高能轫致辐射有效的材料组成；一低压外壳，包含所述电子场发射器和靶；以及一滤波器，能够过滤低能X射线。

3.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括多个栅极，其中每个栅极能够控制相关电子场发射器的发射场。

4.根据权利要求3所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括由多个准直器组成的准直器阵列，其中每个准直器能够缩小由相关靶发射的X射线的角度。

5.根据前述权利要求中任一项所述的X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括固定阵列。

6.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括平面阵列。

7.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述多个发射控制器包括多个电磁线圈或多个平行板偏转器中的一个。

8.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，还包括一壳体；其中所述壳体包括一内壳，用于隔离所述X射线源的高压部件，和一外壳，包含所述X射线源的其他部件。

9.根据权利要求8所述的便携式X射线源，其特征在于，还包括一个或多个传感器，其中所述一个或多个传感器使得所述分布式X射线发生器阵列能够与检测器对准，而不需要所述分布式X射线发生器阵列与所述检测器接触。

10.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电源能够将电池电压转换为所述高电压，以便在不依赖外部电源的情况下为所述分布式X射线发生器阵列供电。

11.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电源能够将线电压转换为所述高电压，以便为所述分布式X射线发生器阵列供电。

12.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电源能够产生-30kV至-80kV范围内的电压。

13.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电源能够在基本一个固定电压下操作。

14.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电路包括数字寻址和定时电路。

15.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，所述电路能够在达到预定的检测器信号电平之后自动停止X射线光子的发射。

16.根据前述权利要求中任一项所述的便携式X射线源，其特征在于，所述便携式X射线源能够用于牙科成像以生成三维图像集。

17.根据权利要求2所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列具有在毫米到厘米范围内的适度间距。

18.根据权利要求17所述的便携式X射线源，其特征在于，所述X射线源的重量小于5kg。

19.一种便携式X射线源，其特征在于，包括：一分布式X射线发生器阵列；一选择性地控制来自所述分布式X射线发生器阵列的X射线发射的装置；一产生高压的装置，其中所述高压能够为所述分布式X射线发生器阵列供电；以及一用于将由所述分布式X射线发生器阵列发射的X射线准直到给定距离的区域内的装置。

20.根据权利要求19所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列包括：多个电子场发射器；多个靶，其中每个靶能够在电子入射到所述靶上时发射X射线光子，并且其中每个靶与电子场发射器对准；一承受所述电子场发射器和所述靶之间高压的装置；一将所述电子场发射器与所述靶隔开的装置；一控制每个靶的X射线光子发射的装置；一壳体，其中所述多个电子场发射器和多个靶保持在真空中；以及一过滤低能X射线光子的装置。

21.根据权利要求20所述的便携式X射线源，其特征在于，所述分布式X射线发生器阵列还包括多个栅极；一将所述栅极与所述电子场发射器隔开的装置；为所述栅极供电的装置；以及将所述栅极与所述靶隔开的装置。