CN112005332A - X射线源和x射线成像装置 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于发射X射线射束(101)的X射线源(10)。所述X射线源(10)包括阳极(12)和发射器装置(14)，所述发射器装置包括阴极(16)和电子光学器件(18)，所述阴极用于朝向所述阳极(12)发射电子射束(15)，所述电子光学器件用于将所述电子射束(15)聚焦于所述阳极(12)上的焦斑(20)处。所述X射线源(10)还包括控制器(22)，所述控制器被配置为确定所述发射器装置(14)的切换动作，并且致动所述发射器装置(14)来执行所述切换动作，所述切换动作与所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的位置、所述焦斑(20)的尺寸和所述焦斑(20)的形状中的至少一个的改变相关联。所述控制器(22)还被配置为在所述切换动作被执行之前基于所确定的切换动作来预测在所述切换动作之后预期的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状。此外，所述控制器(22)被配置为致动所述电子光学器件(18)来补偿由所述切换动作引起的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状的改变。

Description

X射线源和X射线成像装置

技术领域

本发明涉及X射线成像的领域。具体地，本发明涉及X射线源，涉及X射线成像装置，涉及用于操作X射线源的方法，涉及程序单元，并且涉及计算机可读介质。

背景技术

在特定X射线成像应用中，由X射线成像装置的X射线源发射的X射线射束和/或X射线射束的至少一个特性在成像任务期间被修改。X射线射束可以例如在形状、尺寸、撞击方向、强度、脉冲式X射线射束的频率、能量和/或能量分布上被改变。通常，X射线射束通过从阴极发射电子射束并且例如借助于电子光学器件将电子射束聚焦在阳极上的焦斑处而被生成，其中，X射线光子然后被生成并且被发射以形成X射线射束。

为了操纵X射线射束，例如向阴极供应的电能、电功率、电流和/或电压能够被改变。而且，滤波器可以在X射线源的操作期间被移入和/或移出X射线射束。此外，网格切换、谱滤波和/或动态焦斑定位技术可以被应用以操纵X射线射束。

为了确保在此类成像应用中采集的X射线图像的高质量和/或为了确保用于某些成像的X射线射束的特性得以满足，电子射束在阳极处的焦斑应当被精确地控制。这可能是有挑战的任务，特别是如果要执行X射线射束的大的变化。

发明内容

因此会希望提供允许采集高质量X射线图像的改进的X射线源和/或改进的X射线成像装置。

这通过独立权利要求的主题得以解决，其中，其他实施例被并入从属权利要求和以下说明中。

在下文中参考本发明的一个方面描述的特征和/或功能同样适用于在下文中描述的本发明的任何其他方面。具体地，在下文中参考X射线源描述的特征和/或功能同样适用于X射线成像装置、用于操作X射线源的方法、程序单元和计算机可读介质，并且反之亦然。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于发射X射线射束的X射线源。所述X射线源包括阳极、发射器装置和控制器。所述发射器装置包括阴极和电子光学器件，所述阴极用于朝向所述阳极发射电子射束，所述电子光学器件用于将所述电子射束聚焦于所述阳极上的焦斑处。所述电子光学器件可以被配置为例如基于生成偏转电子射束的电和/或磁场而聚焦电子射束。因此，电子光学器件一般可以指的是用于电子射束的聚焦器和/或偏转器。

所述控制器被配置为例如针对给定的成像任务确定所述发射器装置的切换动作，并且致动所述发射器装置来执行所述切换动作。在其中，所述切换动作与所述阳极上的所述焦斑的位置、所述焦斑的尺寸和所述焦斑的形状中的至少一个的改变相关联。另外，所述控制器被配置为在所述切换动作被执行之前和/或在执行所述切换动作之前基于所确定的切换动作来预测在所述切换动作之后、在执行所述切换动作之后和/或在所述切换动作被执行之后预期的所述焦斑的所述尺寸和所述形状。而且，所述控制器可以被配置为预测在所述切换动作之后预测的所述阳极上的所述焦斑的位置。

此外，所述控制器可以例如被配置为致动所述电子光学器件来补偿由所述切换动作诱导(例如基于预测的焦斑的尺寸和形状而预期诱导)的焦斑的尺寸和形状的改变。在其中，所述控制器可以被配置为在所述切换动作被执行之前、期间和/或之后(优选地在所述切换动作被执行之前和/或期间)致动所述电子光学器件来补偿所述焦斑的尺寸和形状的改变。为此目的，所述控制器可以被配置为将控制信号例如前馈到电子光学器件以便致动所述电子光学器件来补偿所述焦斑的尺寸和形状的改变。

所述控制器可以被配置为在切换动作被开始、执行、结束和/或终止之前(即在时间上在其之前)预测、估计和/或确定在切换动作被执行、结束和/或终止之后预期的焦斑的尺寸和形状。因此，术语“在切换动作被执行之前”可以指的是直接在切换动作被开始之前，当切换动作被执行时和/或在切换动作被终止和/或结束之前。同样地，术语“在切换动作之后”和/或“在切换被执行之后”可以指的是在切换动作结束之后和/或在切换动作被终止之后。

焦斑的尺寸可以指的是焦斑沿至少一个空间方向(优选地沿两个空间方向)的尺寸。一般来说，焦斑可以指的是电子射束撞击到阳极上的阳极的外表面的区域。因此，焦斑的尺寸可以指的是阳极上的所述区域的尺寸。此外，焦斑的形状可以指的是焦斑和/或所述区域的几何形状和/或几何图形。

一般来说，预测在切换动作之后预期的焦斑的尺寸和形状允许焦斑的前瞻性和/或精确控制，例如基于致动电子光学器件与预测的焦斑的尺寸和形状相对应。因此，所述控制器可以被配置为基于在切换动作之后预期的预测的焦斑的尺寸和形状(例如基于根据预测的焦斑的形状和尺寸致动电子光学器件)来控制和/或前瞻性地控制焦斑的尺寸和形状。换言之，所述控制器可以被配置为在这些改变实际发生之前确定和/或补偿由切换动作引起的焦斑的任何改变。这可以允许精确地控制在X射线成像任务期间从阳极发射的X射线射束。例如，形状、尺寸、撞击方向、强度、脉冲式X射线射束的频率、X射线射束的能量和/或能量分布可以基于控制焦斑的尺寸和形状而被精确地控制。此外，通过精确地控制X射线射束，所采集的X射线图像的图像质量可以被改善，尤其是通过降低噪声和/或增加图像的分辨率。而且，例如被递送到患者的剂量可以被有利地降低。

通过范例，所述控制器可以被配置为在切换动作被执行之前、在切换动作被执行时和/或当切换动作结束时向电子光学器件提供指示和/或表示预测的焦斑的尺寸和形状的预测性控制信号。借助于预测性控制信号，电子射束可以被调整、修改和/或调节，使得在切换动作被执行和/或结束之后，焦斑具备预测的尺寸和形状。此外，所述控制器可以被配置为响应于确定切换动作和/或响应于确定切换动作要被执行而预测焦斑的尺寸和形状。此外，所述控制器可以被配置为响应于预测在切换动作之后预测的焦斑的尺寸和形状而例如通过提供预测性控制信号来致动电子光学器件。此外，所述控制器可以被配置为响应于预测在切换动作之后预期的焦斑的尺寸和形状和/或响应于基于提供预测性控制信号致动电子光学器件而例如基于致动发射器装置来开始切换动作。具体地，所述控制器可以被配置为在切换动作被执行之前、期间或之后基于预测的焦斑的尺寸和形状来致动电子光学器件。

一般来说，切换动作可以指的是影响和/或修改阳极上的焦斑的尺寸、形状和位置中的至少一个的X射线源的任何调整和/或致动。根据一实施例，所述切换动作包括改变向所述阴极供应的电压、改变向所述阴极供应的电流、改变向所述阴极供应的电功率、改变所述阳极与所述阴极之间的电场、通过利用所述电子光学器件偏转所述电子射束而改变所述阳极上的所述焦斑的位置、和/或打开所述X射线射束中的至少一个。此外，将用于谱滤波的滤波器移入和/或移出X射线射束结合X射线源的另一调整和/或致动(例如向阴极供应的电压和/或电流的改变)也可以被称为切换动作。那些种类的切换动作可以具体地在应用kV-峰值切换(也被称为kVp切换)、网格切换、谱滤波和/或动态焦斑定位技术时被执行。

此外，术语“确定切换动作”可以意味着控制器被配置为确定用于操作X射线源的一个或多个参数。通过范例，所述控制器可以被配置为根据切换动作和/或占空比来确定向阴极供应的电压、向阴极供应的电流。此外，所述控制器可以被配置为X射线射束被打开和/或关闭的一个或多个时间段。而且，这种时间段的频率可以由控制器来确定。此外，所述控制器可以被配置为根据所确定的切换动作来确定向电子光学器件提供的控制信号。基于上面描述的参数中的一个或多个，控制器可以预测焦斑的形状和尺寸。

根据本公开的X射线源可以被有利地用于X射线成像应用中，其中，X射线射束在成像任务期间和/或在图像采集期间被修改。此类应用的范例是双能量X射线和/或kV-峰值切换应用，其中，X射线射束的能量和/或能量分布在成像任务期间被改变，例如基于改变向阴极供应的电压和/或电流。又一范例是网格切换，其中，电子射束可以在成像任务期间的某一时间段内被取消，使得X射线射束在所述时间段内被关闭，例如出于剂量调制目的。又一范例是动态焦斑定位，其中，阳极上的焦斑的位置可以在成像任务期间被更改和/或改变。在上面描述的应用中的任一个或其组合中，谱滤波也可以被应用，例如基于改变X射线射束中的滤波器，将滤波器移入X射线射束和/或将滤波器移出X射线射束。这种滤波器可以例如包括滤波器光栅。

在上面描述的X射线成像中的至少一些中，在过去已经尝试借助于被配置为补偿由特定切换动作引起的焦斑的尺寸和形状的改变的反馈控制来调整焦斑的尺寸和形状。然而，这种反馈控制仅允许在改变已经发生之后并且因此在改变已经受焦斑和/或X射线射束影响之后补偿由特定切换动作引起的改变。除了此之外，例如当X射线射束的大的变化必须在短时间段内被执行时和/或在X射线射束被关闭的长时间段之后，这种反馈控制可能不能足够快地补偿由切换动作引起的改变。

相比之下，根据本发明的焦斑的尺寸和形状的预测允许焦斑和/或X射线射束的预测性或前瞻性控制。因此，所述控制器可以被配置为基于预测的焦斑的尺寸和形状前瞻性地确定预测性控制信号。此外，所述控制器可以被配置为确定和/或前瞻性地确定对于电子射束的校正的水平，例如以便补偿由切换动作引起的焦斑的尺寸和形状的改变。这允许由于切换动作而发生的尺寸和形状的任何改变的预期校正。为此目的，控制器可以包括被配置为预测焦斑的尺寸和形状和/或被配置为确定预测性控制信号的预测性模块、预测性子控制器、预测性区段和/或预测性单元。所述控制器也可以被配置为将预测性控制信号前馈到X射线源的其他部件，例如反馈控制和/或反馈控制循环。如果除了预测性控制之外，反馈控制在X射线源中例如被用于精调焦斑的形状和尺寸，那么预测的形状和尺寸和/或对应的预测性控制信号的任何潜在误差能够被反馈控制快速地且有效地校正，由于预测的焦斑的形状和尺寸应当接近期望值，反馈控制可以朝向所述期望值调节焦斑。因此，借助于根据本发明的预测性控制，能够提供焦斑的形状和尺寸的更快且更高效的总体控制和/或调节。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为预测由切换动作诱导和/或在切换动作被执行之后预期的焦斑的尺寸和形状的改变。由切换动作诱导尺寸和形状的改变可以在切换动作被执行、开始、结束和/或终止之前相对于当前的焦斑的形状和尺寸被预测。替代地或额外地，所述控制器被配置为致动所述电子光学器件来补偿由切换动作引起的焦斑的尺寸和形状的改变。例如，所述控制器可以被配置为基于预测的焦斑的尺寸和形状的改变来确定预测性控制信号。预测性控制信号可以指示预测的尺寸和形状的改变，和/或指示在切换动作之后的焦斑的尺寸和形状。替代地或额外地，预测性控制信号可以指示电子射束的校正和/或调整，以便补偿由切换动作引起的焦斑的尺寸和形状的改变。这允许在这种改变实际发生之前校正焦斑的尺寸和形状的任何改变。一般来说，所述控制器可以被配置为在切换动作之前、期间和/或之后致动所述电子光学器件来对所述改变进行补偿。因此，所述控制器可以被配置为在致动发射器装置来执行切换动作之前、期间和/或之后致动所述电子光学器件来对所述改变进行补偿。换言之，所述控制器可以被配置为响应于致动电子光学器件来补偿预测的焦斑的尺寸和形状的改变而致动发射器装置来执行切换动作。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为基于预测所述焦斑的宽度和高度来预测所述焦斑的所述尺寸和所述形状。这允许精确地、快速地和/或准确地预测焦斑的尺寸和形状。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为基于将所述焦斑的宽度和高度建模为向所述阴极供应的电流、向所述阴极供应的电压和所述阳极的热负荷的模型来预测所述焦斑的所述尺寸和所述形状。因此，所述控制器可以被配置为确定电压、电流和/或热负荷以确定在切换动作之后的焦斑的宽度和高度。在其中，模型可以是可以例如基于校准测量和/或模型而被确定的经验模型。针对电压、电流和/或热负荷的一个或多个集合的焦斑的宽度和高度的预定值可以例如被存储在列表和/或查找表中。所述控制器可以被配置为基于所述列表和/或查找表来确定焦斑的宽度和高度。而且，所述控制器可以被配置为内插和/或外插被存储在所述列表和/或查找表中的一个或多个集合。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为基于预测所述阳极的热负荷而预测所述焦斑的所述尺寸和所述形状。一般来说，例如由于热膨胀，阳极的热负荷可以影响焦斑的尺寸和/或形状，阳极的热负荷可以指示阳极的至少一部分的温度。因此，预测在切换动作之后的阳极的热负荷可以允许精确地预测焦斑的形状和尺寸。在其中，热负荷可以由控制器例如基于在切换动作期间和/或之后向阴极供应的电流和/或电压来计算。此外，为了计算热负荷，X射线射束开启的时间段(或其长度)和/或X射线射束关闭的时间段(或其长度)能够被考虑。例如，如果X射线射束开启一定时间段，阳极的热负荷可以到达稳定状态。在这种稳定状态下，阳极的热负荷可以单独从阴极供应的电流和/或向电压导出。如果X射线射束仅开启短的时间段，使得温度或热负荷还不能到达稳定状态，那么X射线射束开启的时间段和/或其长度也可以被考虑以便计算阳极的热负荷。

根据一实施例，所述控制器被配置为基于预定的所述阳极的冷却速率来确定在所述切换动作之后和/或在所述切换动作被执行之后预期的所述阳极的热负荷。通过范例，可以根据向阴极供应的电压和/或电流为阳极预先确定冷却速率和/或冷却曲线，其中，任选地X射线射束开启和/或关闭的时间段可以被考虑。冷却速率和/或冷却曲线可以被存储在X射线源的数据存储设备中，并且控制器可以基于预定的冷却速率和/或冷却曲线检索和/或尺寸和形状。此外，所述控制器可以被配置为在切换动作之前基于过去的和/或先前的阳极的热负荷确定热负荷。而且，X射线射束在切换动作之前被关闭的时间段可以被控制器考虑以精确地预测在切换动作之后的热负荷以及焦斑的形状和尺寸。

根据本发明的实施例，所述发射器装置还包括被置于所述阴极与所述阳极之间的网格，其中，所述网格被配置为在所述网格的开启状态下取消所述电子射束，并且在所述网格的关闭状态下透射所述电子射束通过所述网格。所述控制器被配置为通过向所述网格提供网格切换信号而在所述开启状态与所述关闭状态之间切换所述网格。网格切换信号可以例如是脉冲宽度调制信号。借助于网格，当网格处于关闭状态时，X射线射束可以被打开，并且当网格处于开启状态时，X射线射束可以被关闭。因此，借助于网格和/或网格切换信号，由X射线源发射的X射线射束的强度可以在成像任务期间被改变。一般来说，所述网格可以被配置为积累相斥的负电荷以防止由阴极发射的电子到达阳极。备选地，所述网格可以被配置为积累正电荷以从阴极撤回和/或清除电子，使得电子不到达阳极。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为基于预定的网格切换概况和/或基于分析预定的网格切换概况来确定所述切换动作，其中，所述网格切换概况基于所述网格的至少一个关闭状态和所述网格的至少一个开启状态的顺序来定义和/或指示所述X射线射束的强度的调制。网格切换概况可以例如包括具有在网格的关闭状态期间向阴极供应的电流和/或电压的入口。网格切换概况还可以包括指定网格的开启状态和关闭状态的顺序的条目。所述控制器可以被配置为基于网格切换概况确定向阴极供应的电压、向阴极供应的电流和/或用于X射线射束开启和/或网格处于关闭状态的一个或多个时间段的占空比。而且，所述控制器可以被配置为基于网格切换概况来确定X射线射束开启和/或网格处于关闭状态的一个或多个时间段。因此，控制器可以从网格切换概况针导出对一个或多个切换动作的一个或多个特性。网格切换概况可以被存储在X射线源的数据存储设备中，和/或网格切换概况可以被控制器访问以确定一个或多个切换动作。

根据本发明的实施例，所述X射线源还包括用于基于探测从所述阳极发射的X射线辐射而采集所述焦斑的图像的焦斑传感器，所采集的图像指示所述阳极上的所述焦斑的所述形状、所述尺寸和所述位置。在其中，所述控制器还被配置为分析利用所述焦斑传感器采集的所述图像，以便确定和/或由此确定所述焦斑的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个的改变。此外，所述控制器被配置为如果在所述切换动作被执行之后确定所述焦斑的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个的改变，则通过致动所述电子光学器件来调整所述焦斑的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个。焦斑传感器可以是X射线源的反馈控制的一部分，其中，所述反馈控制可以被配置为例如通过精调电子光学器件来补偿在切换动作被执行之后的尺寸、形状和/或位置的任何改变。这可以允许调节焦斑的尺寸、形状和/或位置，由此使焦斑在很大程度上例如不受温度改变和/或阳极的热负荷影响。通过在切换动作被执行之前预测形状和尺寸并且通过相应地致动发射器装置，可以确保X射线源的反馈控制不必在切换动作被执行之后补偿焦斑的尺寸、形状和/或位置的大的变化。基于反馈控制，仅例如由于热膨胀的微小改变可以被校正。预测性控制和反馈控制的这种组合允许更精确地、更快地、更高效地且更可靠地控制焦斑的尺寸和形状。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为分析当和/或仅当所述网格处于所述关闭状态并且所述电子射束撞击到所述阳极上时由所述焦斑传感器采集的所述图像。替代地或额外地，所述控制器被配置为丢弃当所述网格处于所述开启状态并且所述电子射束被所述网格取消时由所述焦斑传感器采集的所述图像。这样，能够确保控制器不分析由焦斑传感器在网格处于开启状态并且取消电子射束的时间段期间采集的暗图像和/或图像，而是仅分析由焦斑传感器在网格处于关闭状态并且X射线射束开启的时间段期间采集的图像。分析X射线射束关闭的网格的开启状态期间的图像可能被控制器误解读为强度的损失，并且控制器可以试图通过致动电子光学器件来补偿这种强度的损失。因此，通过仅分析当网格处于关闭状态时的焦斑传感器的图像，能够防止电子光学器件的错误致动。

根据本发明的实施例，所述控制器被配置为基于向所述网格提供的所述网格切换信号确定所述焦斑的所述图像是否是由所述焦斑传感器在所述网格的所述关闭状态期间采集的。因此，网格切换信号可以触发控制器来分析由焦斑传感器采集的图像。使用网格切换信号作为用于网格的开启状态和/或关闭状态的指标可以允许精确地且可靠地在网格的开启状态和关闭状态期间采集的焦斑传感器的图像之间进行区别。

根据本发明的第二方面，提供了一种X射线成像装置。所述X射线成像装置包括如在上面和在下文中描述的X射线源和用于探测由所述X射线源发射的X射线辐射的X射线探测器。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于操作X射线源的方法。所述X射线源可以指的是如在上面和在下文中描述的X射线源。具体地，所述X射线源包括阳极和发射器装置，所述发射器装置具有用于发射电子射束的阴极，并且具有用于将所述电子射束聚焦于所述阳极上的焦斑处的电子光学器件。所述X射线源还包括控制器。所述方法包括以下步骤：

利用所述控制器来确定所述发射器装置的切换动作，所述切换动作与所述阳极上的所述焦斑的位置、所述焦斑的尺寸和所述焦斑的形状中的至少一个的改变相关联；

利用所述控制器来基于所确定的切换动作来预测在所述切换动作之后预期的所述焦斑的所述尺寸和所述形状；并且

致动所述发射器装置来执行所述切换动作。

此外，所述方法可以例如包括以下步骤：利用所述控制器致动所述电子光学器件，由此补偿由所述切换动作诱导(例如预期诱导)的所述焦斑的所述尺寸和所述形状的改变。在其中，所述切换动作可以优选地在电子光学器件的致动之后和/或期间被执行以便补偿焦斑的尺寸和形状的改变。然而，所述切换动作可以替代地或额外地在电子光学器件的致动之前被执行以便补偿焦斑的尺寸和形状的改变。

根据本发明的第四方面，提供了一种计算机程序单元，所述计算机程序单元当被X射线源的控制器执行时被配置为使所述X射线源执行如在上面和在下文中描述的方法。所述计算机程序单元可以包括软件指令。所述计算机程序单元可以例如被存储在所述X射线源的数据存储设备上，并且所述控制器可以被配置为访问并执行所述程序单元。

根据本发明的第五方面，提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质已经在其上存储了如在上面和在下文中描述的程序单元。

参考下文所述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是显而易见的并且得到阐明。

附图说明

将会在下文中参考在附图中图示的示范性实施例详细地解释本发明的主题，其中：

图1示意性地示出了根据本发明的示范性实施例的X射线成像装置；

图2示意性地示出了根据本发明的示范性实施例的X射线源；

图3示意性地示出了根据本发明的示范性实施例的X射线源；

图4示出了图示用于操作根据本发明的示范性实施例的X射线源的方法的步骤的流程图。

在原理上，在附图中为相同或相似的部件提供相同或相似的参考符号。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的X射线成像装置100。X射线成像装置可以指的是任何类型的成像系统，例如数字X射线成像系统、双能量或多能量X射线成像系统、计算机断层摄影(CT)、谱CT、介入X-R(IXR)、数字X-R(DXR)、C型臂系统，和/或多模态系统(像PET/CT)。

X射线成像装置100包括X射线源10和X射线探测器102，X射线源10用于生成和/或发射朝向要被检查的对象103的X射线射束101，X射线探测器102用于探测已经穿过对象103的X射线射束101的至少一部分。X射线源10能够指的是任何X射线源，例如X射线管、立体X射线管或任何其他类型。X射线源10将会在后续的附图中更详细地进行描述。

同样地，X射线探测器102能够指的是任何合适的X射线探测器102。具体地，X射线探测器102能够包括用于将X射线光子转换成可见光的闪烁体。此外，X射线探测器102能够包括用于探测从闪烁体发射的光的一个或多个探测元件。此外102能够包括用于将X射线光子转换成电荷的直接转换探测器，并且能够包括用于电荷累积或单光子计数的探测元件。

此外，X射线成像装置100包括被操作地耦合到X射线探测器102和X射线源10的控制器22。然而，控制器22可以是(如参考后续的附图描述的)X射线源10的一部分和/或X射线探测器102的一部分。而且，控制器22可以指的是具有一个或多个子控制器、模块和/或单元的控制器布置22。

图2示意性地示出了根据本发明的示范性实施例的X射线源10。

X射线源10包括壳体11和被布置在壳体11中的阳极12。阳极12可以是任何类型的阳极。例如，阳极12可以是可旋转和/或可移动阳极12。

X射线源10还包括具有用于朝向阳极12发射电子射束15的阴极16的发射器装置14。发射器装置14还包括用于将电子射束15聚焦在阳极12上和/或在其外表面上的电子光学器件18。电子光学器件18可以被配置为生成电场和/或磁场以探测电子射束15并且将电子射束15聚焦在阳极12上。

电子射束15被聚焦于阳极12上的焦斑20处。在其中，焦斑20可以指的是电子射束15撞击到阳极12上的阳极12的区和/或区域。当撞击到阳极12上时，电子射束15生成从阳极12和/或从焦斑20发射的X射线辐射和/或X射线光子。所发射的X射线光子的至少一部分能够穿过X射线源10的X射线窗口17以形成X射线射束101。

X射线源10还包括被操作性地耦合到发射器装置14、电子光学器件18和/或阴极16的控制器22。

图2中示出的X射线源10可以被有利地用于成像应用中，其中，X射线射束101和/或X射线射束101的特性可以在成像任务期间和/或在X射线图像的采集期间被调整和/或修改。具体地，图1中描绘的X射线源10可以被配置用于kV-峰值或kVp切换，其中，X射线射束101的能量和/或能量分布在成像任务(如例如用于双能量X射线成像)期间被修改和/或改变。在kV-峰值切换应用期间，向阴极16供应的电功率可以在对应的切换动作中在至少两个功率水平之间进行切换。例如，向阴极16供应的电压可以在单个成像任务期间和/或在切换动作期间从例如80kV改变到140kV。替代地或额外地，向阴极16供应的电流可以在切换动作期间被改变。在其中，实际的切换动作通常在相当短的时间尺度内(例如在微秒至毫秒的范围内)发生。

然而，向阴极16供应的电压和/或电流的任何改变可以影响阳极12上的焦斑20的形状、尺寸和位置中的至少一个。例如由于阳极12的改变的热负荷和/或温度和/或由于以不同能量撞击到阳极12上的电子射束15的电子的不同性质，这进而可以影响X射线射束101和/或X射线射束101的特性。为了确保X射线图像的高图像质量，可以有利的是精确地控制焦斑20的形状和尺寸。这能够通过根据本发明的X射线源10来实现，如下文中描述的。

控制器22被配置为确定发射器装置14的切换动作。确定切换动作可以包括确定用于操作X射线源12的参数的一个或多个值，例如向阴极16供应的电压和/或电流。控制器22还可以确定切换动作的其他参数，例如向电子光学器件18提供的控制信号、切换动作被执行的时间段、和/或切换动作被执行的时刻。切换动作的此类参数可以被用户输入到X射线源10，和/或可以由控制器从数据存储设备24和/或被存储在其中，的数据进行检索。此外，控制器22被配置为致动发射器装置14来执行切换动作。

在致动发射器装置14来执行切换动作之前，控制器22确定、计算和/或预测在切换动作之后预期的焦斑20的形状和尺寸。基于所确定的切换动作，控制器22能够预测和/或估计在切换动作被执行之后预期将会存在的焦斑20的形状和尺寸。替代地或额外地，控制器22被配置为确定由切换动作引起的焦斑20的尺寸和形状的改变。因此，控制器22可以被配置为确定焦斑的尺寸和形状例如相对于在切换动作之前和/或以前和/或在X射线源12的当前操作期间的焦斑20的尺寸和形状的相对改变。

此外，控制器22被配置为基于预测的焦斑20的尺寸和形状和/或基于预测的焦斑20的尺寸和形状的改变来确定预测性控制信号。控制器22然后可以在终止之前、期间、时和/或当切换动作结束时直接向电子光学器件18提供预测性控制信号，以便调整电子射束15，由此考虑切换动作和随之引起的焦斑的尺寸和形状的改变。这允许在由于所执行的切换动作的焦斑20的任何改变发生或明显之前预测性地控制焦斑20的形状和尺寸。因此，由切换动作引起的焦斑20的尺寸和形状的改变能够在这种改变实际发生之前被补偿。因此，能够提供更精确控制的X射线射束101和/或更好的图像质量。

一般来说，控制器22能够被配置为确定切换动作，并且响应于确定切换动作而预测焦点的尺寸和形状。此外，控制器22能够被配置为响应于预测焦斑20的尺寸和形状而确定预测性控制信号。此外，控制器22能够被配置为根据预测的焦斑20的尺寸和形状基于预测性控制信号致动电子光学器件18。响应于此，控制器22然后能够开始切换动作和/或致动发射器装置14来执行切换动作。

为了确定在切换动作之后预期的焦斑20的形状和尺寸，控制器22可以确定在切换动作之后预期的焦斑20的宽度和高度。例如，控制器22可以基于所确定的切换动作确定在切换动作之后向阴极16供应的电压和/或电流，并且控制器能够估计和/或计算焦斑20的宽度和高度。而且，X射线射束打开和/或关闭的时间段(或其长度)能够被考虑以计算焦斑20的宽度和高度，X射线射束打开和/或关闭的时间段(或其长度)可以例如基于描述在图像采集期间执行的一个或多个切换动作的切换概况来确定。因此，焦斑20的宽度和高度可以是向阴极16供应的电压和/或电流的函数。这种函数关于可以例如基于测量而被预先确定，并且函数关系可以被存储在数据存储设备24中。而且，焦斑20的宽度和高度可以由控制器22基于焦斑20的高度和宽度建模为向阴极供应的电压和/或电流的函数的模型来确定。替代地或额外地，查找表可以被存储在数据存储设备24中，并且控制器可以基于查找表来确定焦斑20的宽度和高度。

替代地或额外地，控制器22能够被配置为确定在切换动作之后预期的阳极12的至少一部分的热负荷和/或温度。基于所确定的热负荷和/或温度，控制器22然后可以预测在切换动作之后的焦斑20的形状和尺寸。

控制器22可以例如基于预定的阳极的冷却速率和/或冷却曲线确定热负荷和/或温度，阳极的温度可以基于所述预定的阳极的冷却速率和/或冷却曲线被计算为向阴极16供应的电流和/或电压的函数。在其中，可以考虑X射线源的之前操作，例如在切换动作以前的时间段，在该时间段内X射线射束被关闭。冷却速率和/或冷却曲线可以被存储在数据存储设备24中。因此，控制器22可以被配置为基于在切换动作之后向阴极16供应的电压、基于在切换动作之后向阴极16供应的电流和/或基于在切换动作之后预期的热负荷预测焦斑20的尺寸和形状。为此目的，控制器22可以被配置为基于将焦斑20的宽度和高度建模为所供应的电压、电流和/或阳极的热负荷的模型预测焦斑20的形状和尺寸。替代地或额外地，查找表可以被存储在数据存储设备24中，并且控制器22可以基于查找表确定在切换动作之后预期的焦斑20的宽度和高度。应注意，除了在切换动作的时段内改变向阴极16供应的电压和/或电流，滤波器和/或滤波器光栅也可以在切换动作的过程中被移入X射线射束101和/或移出X射线射束101。

此外，代替或除了上面描述的kV-峰值切换，动态焦斑定位也可以被应用，其中，阳极上的焦斑20的位置可以在单独的切换动作中或与改变向阴极16供应的电压和/或电流同时地通过利用电子光学器件18偏转电子射束15而被改变。类似于上面的描述，控制器22被配置为通过改变阳极12上的焦斑20的位置而推断的焦斑20的尺寸和形状，并且致动电子光学器件18来补偿这种位置的改变。

替代地或额外地，网格切换可以被应用，其中，X射线射束101在成像任务期间被打开和/或关闭，如在图3中详细地描述的。

应注意，图2中图示的X射线源10的示范性实施例还能够包括例如如参考图3描述的其他部件。具体地，图2的X射线源10还能够包括如在下文中参考图3描述的焦斑传感器28和/或反馈控制30。

图3示意性地示出了根据本发明的示范性实施例的X射线源10。如果未另外说明，图3的X射线源10包括与参考图1和2描述的X射线源10相同的特征、功能和/或元件。

在图3中描绘的实施例中，发射器装置14包括被置于阴极16与阳极12之间的网格26。在网格26的开启状态下，网格26取消电子射束15，并且因此关闭X射线射束101。在网格26的关闭状态下，电子射束15能够穿过网格26并且撞击到阳极12上，使得X射线射束101开启。控制器22被操作性地耦合到网格26，并且被配置为基于向网格26提供网格切换信号而在开启状态关闭状态之间切换网格26。网格切换信号可以指的是用于致动网格26的脉冲宽度调制信号。这种网格切换对于生成脉冲式X射线射束和/或对于剂量调制技术会是特别有利的，其中，X射线射束101的强度基于在开启状态与关闭状态之间切换网格26而被改变。网格26的开启状态和关闭状态的顺序可以例如在网格切换概况中进行定义，所述网格切换概况可以被存储在数据存储设备24中和/或被提供给控制器22。控制器22然后可以基于网格切换概况确定网格切换信号，并且相应地致动网格16。

图3中描绘的X射线源10还包括用于基于探测从焦斑20发射并且例如透射通过壳体11中的窗口29的X射线辐射而采集焦斑20的图像的焦斑传感器28。在X射线源10的操作期间，控制器22分析利用焦斑传感器28采集的图像以监测焦斑20的形状、尺寸和位置。此外，控制器22基于分析利用焦斑传感器28采集的图像来确定焦斑20的尺寸、形状和/或位置的改变。此外，控制器22致动电子光学器件18来补偿焦斑20的尺寸、形状和/或位置的改变。因此，焦斑传感器28和控制器22或控制器22的专用模块、部分、区段、子控制器或单元形成X射线源10的反馈控制30，反馈控制30用于基于致动电子光学器件18根据其形状和尺寸来稳定焦斑20。反馈控制30对于补偿阳极12在操作期间的热膨胀会是特别有利的。

然而，基于焦斑传感器28的图像的电子光学器件18的致动不与在切换动作被执行之前的焦斑的形状和尺寸的预测和基于预测的形状和尺寸的电子光学器件18的对应致动相混淆。为了预测性控制，控制器22可以基于网格切换信号和/或基于网格切换概况确定切换动作，并且针对所确定的切换动作预测焦斑20的形状和尺寸。确定切换动作可以包括确定网格26的开启状态和/或关闭状态的时间段、向阴极供应的电压、向阴极供应的电流和/或向电子光学器件18供应的控制信号。基于预测的焦斑20的形状和尺寸，控制器22可以致动电子光学器件18来补偿切换动作，如参考图2描述的。

在借助于网格26打开和/或关闭X射线射束101之前，即在X射线源10的网格切换操作期间，控制器22能够基于切换信号和/或基于网格切换概况预先确定网格26的占空比、开启状态和/或关闭状态。这种信息然后能够用来预测焦斑20的形状和尺寸，前瞻性地确定预测性控制信号和/或对于焦斑20的尺寸和形状的改变的校正，如参考图2详细地描述的。相比于这种前瞻性和/或预测性控制，借助于反馈控制30和/或焦斑传感器28的电子射束15的调整可以用来精调电子射束15和/或电子光学器件18，例如以补偿网格26的关闭状态期间的热膨胀，如将会在下文中更详细地描述的。

图3中描绘的反馈控制30可以被认为是基于以下见解和发现。当例如在网格切换X射线源10或网格切换管中结合借助于焦斑传感器28的焦斑感测和对应的反馈控制30使用网格26时，会希望采取某些预防措施，以便当分析焦斑传感器28的图像时确保电子射束15被取消的时间段不被控制器22解读为强度的损失。因此，当使用网格26用于网格切换时，反馈控制30的采样速率可以是不规律的。除此之外，相继的X射线图像之间的时间段可以改变，并且因此，阳极12的温度也可以在两个相继的X射线图像之间改变。这种温度差异可以进而影响焦斑20的尺寸和形状，这将引起反馈控制30致力于校正大的偏差或改变，例如当与连续操作的X射线源10相比时。如果网格26被用于剂量调制，尤其会是这种情况，其中，例如特定机架旋转角度可以在阳极12上引起比其他旋转角度显著更大的热负荷。此外，当使用动态焦斑定位例如用于滤波器调制以经由滤波器调谐谱滤波时，也可以在具有两种不同强度的焦斑20的两个位置之间进行切换。此外，例如在C型臂系统中，剂量控制可以直接受测量的射束强度影响。例如在帧到帧调制的情况下，反馈控制30通常将会根据给定的剂量改变和时间常数来调节电压和/或电流。所有这些方面应当优选地反馈控制30中被考虑来控制焦斑20的形状和尺寸，以便确保高图像质量。

如上面描述的，焦斑传感器28被配置为动态地监测焦斑20的形状和尺寸。为了避免基于当X射线射束关闭时和/或当网格处于开启状态时采集的焦斑传感器的图像的焦斑20的形状和尺寸的任何校正，控制器22被配置为只有当网格处于关闭状态时才分析焦斑传感器28的图像，并且丢弃当网格处于开启状态时采集的焦斑传感器28的图像。控制器22可以基于网格切换信号和/或基于网格切换概况确定焦斑传感器28的给定图像是否是在网格26的关闭状态期间采集的。例如，网格切换信号可以用来触发分析由焦斑传感器28采集的图像，使得控制器22仅分析当网格26处于关闭状态时采集的焦斑传感器的图像。通过范例，网格切换信号可以被控制器26用来采样和保持焦斑传感器28的图像，由此防止当X射线射束101关闭时通过分析暗图像来误导反馈控制30。

因此，通过仅获取在网格26的关闭状态期间和/或当X射线射束101开始时采集的焦斑传感器28的图像，借助于反馈控制30的焦斑20的形状和尺寸的控制和/或调节能够被显著地改善。

除了该反馈控制30之外，在预测性控制的时段内，控制器22能够确定和/或预测预期的阳极12的热负荷，如参考图2描述的。阳极12的热负荷可以例如基于在其中定义的用于切换动作的至少子集的网格切换概况来确定。因此，控制器22可以访问关于在X射线开启阶段方面的直接要求的以前了解，并且因此能够例如基于将阳极12的热负荷建模为向阴极供应的电流和/或电压的函数的模型预测补偿焦斑的尺寸和形状的任何改变的预测性控制信号，特别是在焦斑的任何变化明显之前。这对于减少可能在相对延长的X射线关闭阶段之后发生的控制瞬变也会是有利的，其中，反馈控制30仍然可以另外的方式应用在更高阳极温度下足够的校正。以前的了解允许控制器22预测在X射线射束101再次被打开的时候的阳极温度，由此减少反馈控制30的反应时间。

强调的是参考图1至3中的任一个描述的任何特征、功能和/或功能性能够被组合。

图4示出了图示用于操作根据本发明的示范性实施例的X射线源10的方法的步骤的流程图。如果未另外说明，X射线源10包括与参考前述图1至3中的任一个描述的X射线源10相同的特征、功能和/或元件。具体地，X射线源10包括阳极12和发射器装置14，发射器装置14具有用于发射电子射束15的阴极16，并且具有用于将电子射束15聚焦于阳极12上的焦斑20处的电子光学器件18。X射线源10还包括控制器22。

该方法的步骤S1中，发射器装置14的切换动作由控制器22来确定，其中，所述切换动作与阳极12上的焦斑20的位置、焦斑20的尺寸和焦斑20的形状中的至少一个的改变相关联。

在又一步骤S2中，基于所确定的切换动作，在执行切换动作之后预期的焦斑20的尺寸和形状利用控制器22基于所确定的切换动作来预测。任选地，在步骤S2中，控制器22可以预测由切换动作引起的焦斑20的尺寸和形状的改变。

在又一步骤S3中，发射器装置14由控制器22致动来执行切换动作。在切换动作之前、期间或之后，控制器22可以进一步基于预测的焦斑20的尺寸和形状来致动电子光学器件18，使得由切换动作引起的焦斑20的尺寸和形状的任何改变和/或变化被补偿。

尽管已经在附图和上述描述中详细图示并描述了本发明，但是这些图示和描述应被视为是说明或示范性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。本领域技术人员通过研究附图、公开内容和从属权利要求，在实践所请求保护的本发明时，能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。

在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。

Claims (15)

1.一种用于发射X射线射束(101)的X射线源(10)，所述X射线源(10)包括：

阳极(12)；

发射器装置(14)，其包括阴极(16)和电子光学器件(18)，所述阴极用于朝向所述阳极(12)发射电子射束(15)，所述电子光学器件用于将所述电子射束(15)聚焦于所述阳极(12)上的焦斑(20)处；以及

控制器(22)，其被配置为确定所述发射器装置(14)的切换动作并且被配置为致动所述发射器装置(14)来执行所述切换动作，所述切换动作与所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的位置、所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的尺寸以及所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的形状中的至少一个的改变相关联；

其中，所述控制器(22)被配置为在所述切换动作被执行之前基于所确定的切换动作来预测在所述切换动作之后预期的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状；并且

其中，所述控制器(22)被配置为致动所述电子光学器件(18)来补偿由所述切换动作引起的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状的改变。

2.根据权利要求1所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为预测由所述切换动作引起的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状的改变。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述切换动作包括改变以下中的至少一个：向所述阴极(16)供应的电压、改变向所述阴极(16)供应的电流、通过利用所述电子光学器件(18)偏转所述电子射束(15)而改变所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的位置、以及打开所述X射线射束(101)。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为基于预测所述焦斑(20)的宽度和高度来预测所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为基于将所述焦斑(20)的宽度和高度建模为向所述阴极(16)供应的电流、向所述阴极(16)供应的电压和所述阳极(12)的热负荷的函数的模型来预测所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为基于预测所述阳极(12)的热负荷来预测所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状；和/或

其中，所述控制器(10)被配置为基于所述阳极(12)的预定冷却速率来确定在所述切换动作之后预期的所述阳极(12)的热负荷。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述发射器装置(14)还包括被插设在所述阴极(16)与所述阳极(12)之间的网格(26)，

其中，所述网格(26)被配置为在所述网格(26)的开启状态下取消所述电子射束(15)，并且在所述网格(26)的关闭状态下透射所述电子射束(15)；并且

其中，所述控制器(22)被配置为通过向所述网格(26)提供网格切换信号来在所述开启状态与所述关闭状态之间切换所述网格(26)。

8.根据权利要求7所述的X射线源，

其中，所述控制器(22)被配置为基于预定网格切换概况来确定所述切换动作，所述网格切换概况基于所述网格(26)的至少一个关闭状态和所述网格(26)的至少一个开启状态的序列来定义所述X射线射束(101)的强度的调制。

9.根据前述权利要求7和8中的任一项所述的X射线源(10)，还包括：

反馈控制(30)，其具有用于基于探测到从所述阳极(12)发射的X射线辐射而采集所述焦斑(20)的图像的焦斑传感器(28)，所采集的图像指示所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的所述形状、所述尺寸和所述位置；并且

其中，所述控制器(22)还被配置为分析利用所述焦斑传感器(28)采集的所述图像，以确定所述焦斑(20)的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个的改变；并且

其中，所述控制器(22)被配置为：如果在所述切换动作被执行之后确定所述焦斑(20)的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个的改变，则通过致动所述电子光学器件(18)来调整所述焦斑(20)的所述尺寸、所述形状和所述位置中的至少一个。

10.根据权利要求9所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为分析当所述网格(26)处于所述关闭状态并且所述电子射束(15)撞击到所述阳极(12)上时由所述焦斑传感器(28)采集的所述图像；和/或

其中，所述控制器(22)被配置为丢弃当所述网格(26)处于所述开启状态并且所述电子射束(15)被所述网格(26)取消时由所述焦斑传感器(28)采集的所述图像。

11.根据前述权利要求9和10中的任一项所述的X射线源(10)，

其中，所述控制器(22)被配置为基于所述网格切换信号来确定所述焦斑(20)的所述图像是否是由所述焦斑传感器(28)在所述网格(26)的所述关闭状态期间采集的。

12.一种X射线成像装置(100)，包括：

根据前述权利要求中的任一项所述的X射线源(10)；以及

X射线探测器(102)，其用于探测由所述X射线源(10)发射的X射线辐射。

13.一种用于操作X射线源(10)的方法，

其中，所述X射线源(10)包括阳极(12)、发射器装置(14)和控制器(22)，所述发射器装置具有用于发射电子射束(15)的阴极(16)，并且具有用于将所述电子射束(15)聚焦于所述阳极(12)上的焦斑(20)处的电子光学器件(18)，

其中，所述方法包括以下步骤：

利用所述控制器(22)来确定所述发射器装置(14)的切换动作，所述切换动作与所述阳极(12)上的所述焦斑(20)的位置、所述焦斑(20)的尺寸和所述焦斑(20)的形状中的至少一个的改变相关联；

利用所述控制器(22)基于所确定的切换动作来预测在所述切换动作之后预期的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状；

利用所述控制器(22)来致动所述电子光学器件(18)，从而补偿由所述切换动作引起的所述焦斑(20)的所述尺寸和所述形状的改变；并且

致动所述发射器装置(14)来执行所述切换动作。

14.一种计算机程序单元，所述计算机程序单元当由X射线源(10)的控制器(22)运行时被配置为使所述X射线源(10)执行根据权利要求13所述的方法。

15.一种其上存储有根据权利要求14所述的程序单元的计算机可读介质。

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