CN112203587A - 单色x射线成像系统及方法 - Google Patents

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Abstract

根据一些方面，提供了一种单色x射线源。该单色x射线源包括：电子源，其被配置成生成电子；初始靶，其被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射；以及次级靶，其包括至少一个材料层，所述至少一个材料层能够响应于由初始靶发射的入射宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射。

Description

单色X射线成像系统及方法
背景技术
传统的诊断性射线照相术使用x射线发生器，该x射线发生器发射在宽能量带范围内的x射线。该带的大部分包含对医学成像没有用处的x射线，原因是这些x射线的能量要么太高而无法在被检查的组织中相互作用，要么能量太低而无法到达用于记录x射线的x射线探测器或胶片。能量太低而无法到达探测器的x射线尤其成问题，原因是这些x射线不必要地暴露正常组织并增加了患者接收的辐射剂量。早已经认识到，如果能够以适当的能量使用，则单色x射线的使用将在减少辐射剂量的同时提供最佳的诊断图像。迄今为止，还没有这样的可以用于常规临床诊断用途的单色x射线源。
单色辐射已被用于特殊场合。然而，由于其阻止性的尺寸、成本和/或复杂性，用于产生单色辐射的常规系统已经不适用于临床或常规商用用途。例如，可以在同步加速器源中使用低效的布拉格(Bragg)晶体作为滤光器或使用固态的平坦靶x射线荧光剂来大量产生单色x射线，但是这些非常大并且不适用于医院和诊所的常规使用。
可以通过以下操作来产生单色x射线：依次提供响应于入射电子束产生宽谱辐射的靶(也被称为阳极)，然后提供响应于入射宽谱辐射产生单色x射线的荧光发射靶。本文使用术语“宽谱辐射”来描述具有或不具有阳极材料的特征发射线的轫致辐射(Bremsstrahlung radiation)。简而言之，经由x射线荧光产生单色x射线的原理如下。
厚靶轫致辐射
如图1中示意性地所示，在x射线管中，电子从被称为阴极的加热丝中释放出来，并且通过高电压(例如，约50kV)朝向被称为阳极的金属靶被加速。高能电子与阳极中的原子相互作用。通常，能量为E1的电子接近靶中的原子核，并且其轨迹因电磁相互作用而发生变化。在这种偏转过程中，电子朝向原子核减速。当电子减速至能量E2时，电子发射能量为E2-E1的x射线光子。该辐射被称为轫致辐射(制动辐射)，并且运动学在图2中示出。
发射的光子的能量可以采用任何值，该值可以高达入射电子的最大能量Emax。由于电子未被破坏，因此它会经历多种相互作用，直到它失去所有能量或与阳极中的原子结合为止。初始的相互作用根据实际角度和与原子核的接近度而变化——从较小的能量改变至较大的能量改变。因此，如图3所示，轫致辐射将具有通常连续的谱。轫致辐射产生的概率与Z2成比例，其中Z是靶材料的原子序数，并且产生效率与Z和x射线管电压成比例。注意，如下文进一步详细讨论的，低能量的轫致辐射x射线随着它们试图脱离内部深处而被厚靶阳极吸收，从而导致强度曲线在最低能量处弯曲。
特征线发射
尽管大多数电子减速并改变其轨迹，但有些电子会与被能量BE约束在它们各自的围绕靶原子中的核的轨道或壳层中的电子碰撞。如图4所示，这些壳层由K、L、M、N等表示。在入射电子与束缚电子之间的碰撞中，如果入射电子的能量大于沿轨道运行的电子的BE，则束缚电子会从原子被射出。例如，图4中示出的具有能量E>BEK的碰撞电子会使K壳层电子射出，从而在K壳层中留下空位。随着外层轨道中的电子填入空位，得到的激发且离子化的原子会去激发。在去激发期间，x射线被发射，其能量等于去激发所涉及的电子的最初能级与最终能级之间的差。由于轨道壳层的能级是周期表上的每种元素所独有的，因此x射线的能量可以识别元素。能量将是单能量的，并且谱呈现为单色的而不是宽的连续带。在此，单色是指发射线的能量宽度等于与所涉及的原子跃迁相关联的自然线宽度。对于铜Kαx射线，自然线宽度为约4eV。对于Zr Kα、Mo Kα和Pt Kα，线宽度分别为约5.7eV、6.8eV和60eV。来自具有作为阳极的钼靶的x射线管的整个谱如图5所示。钼的原子能级独有的特征发射线交叠显示在厚靶轫致辐射上。
X射线吸收和X射线荧光
当来自任何类型的x射线源的x射线撞击样品时，x射线可以被原子吸收或通过材料被散射。如图6A所示，x射线通过将其所有能量转移至最里面的电子而被原子吸收的过程被称为光电效应。当入射x射线的能量大于其在碰撞中遇到的轨道电子的结合能时，就会出现这种情况。在相互作用中，光子不再存在，将其所有能量给予轨道电子。需要x射线能量中的大部分来克服轨道电子的结合能，其余x射线能量在电子射出并在壳层中留下空位时被给予电子。射出的自由电子被称为光电子。当入射光子的能量超过但相对接近它撞击的电子的结合能时，最可能发生光电相互作用。
作为示例，与入射光子为50keV相比，当入射光子为25keV时，结合能为23.2keV的K壳层电子更可能发生光电相互作用。这是因为光电效应与x射线能量的约第三功率成反比。当x射线能量等于吸收体中电子壳层(K、L、M等)的结合能时，这种下降通过激增而被中断。在特定壳层中可以产生空位的最低能量被称为边缘。图7示出了锡(Sn)的吸收随x射线能量的变化。通过其质量衰减系数在纵轴上定义吸收。与L轨道和K轨道的结合能对应的吸收边缘分别由约43.4keV和29keV处的不连续的跳跃来表示。周期表中的每种元素都有相似的曲线，该曲线描述了其吸收随x射线能量的变化。
原子的内壳层中的空位为原子提供了不稳定的条件。如上面在“特征线发射”章节中描述的，随着原子回到它的稳定条件，来自外壳层的电子被转移至内壳层，并在此过程中发射其能量为相应壳层的两种结合能之间的差的特征x射线。这种光子诱导的x射线发射过程被称为x射线荧光或XRF。图6B示意性地示出了来自K壳层的x射线荧光，并且图8中示出了来自铝样品的典型x射线荧光谱。使用其能量分辨率统治L-K跃迁的自然线宽度的固态光子计数探测器来测量谱。重要的是要注意，这些单能量发射线不位于宽带连续辐射的背景上；相反，谱是无轫致辐射的。
发明内容
一些实施方式包括一种单色x射线源，所述单色x射线源包括：电子源，所述电子源被配置成生成电子；初始靶，所述初始靶被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射；以及次级靶，所述次级靶包括至少一个材料层，所述至少一个材料层能够响应于吸收由初始靶发射的入射宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射。
一些实施方式包括一种被配置成与宽带x射线源一起使用的载体，所述宽带x射线源包括：电子源；以及初始靶，所述初始靶被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射。所述载体包括：远端部，所述远端部具有允许x射线辐射离开载体的孔；以及近端部，所述近端部包括次级靶和至少一个支承部，所述次级靶具有能够响应于吸收入射宽带x射线辐射而产生荧光x射线辐射的至少一个材料层，所述至少一个材料层被施加在所述至少一个支承部上，所述至少一个支承部包括合作部，所述合作部允许近端部被耦接至远端部。
根据一些实施方式，提供了一种载体，所述载体被配置成与宽带x射线源一起使用，所述宽带x射线源包括：电子源；以及初始靶，其被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射。所述载体包括壳体，所述壳体被配置成可移除地耦接至宽带x射线源并且被配置成容纳次级靶，所述次级靶能够响应于入射宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射；所述壳体包括：透射部，其被配置成允许宽带x射线辐射在存在时被透射至所述次级靶；以及阻挡部，其被配置成吸收宽带x射线辐射。
一些实施方式包括被配置成与宽带x射线源一起使用的载体，所述宽带x射线源包括：电子源；以及初始靶，其被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射，所述载体包括壳体，所述壳体被配置成容纳次级靶，所述次级靶响应于撞击宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射，所述壳体还被配置成：可移除地耦接至宽带x射线源，使得当所述壳体被耦接至宽带x射线源并且容纳次级靶时，次级靶被定位成使得来自初始靶的至少一些宽带x射线辐射撞击在次级靶上以产生单色x射线辐射，所述壳体包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括对宽带x射线辐射基本上透明的第一材料，所述第二部分包括对宽带x射线辐射基本上不透明的第二材料。
一些实施方式包括单色x射线装置，所述单色x射线装置包括：电子源，其被配置成发射电子；初始靶，其被配置成响应于来自电子源的入射电子而产生宽带x射线辐射；次级靶，其被配置成响应于入射宽带x射线辐射经由荧光产生单色x射线辐射；以及用于次级靶的壳体，所述壳体包括孔，来自次级靶的单色x射线辐射通过所述孔被发射，所述壳体被配置成将次级靶定位成：使得由初始靶发射的宽带x射线辐射中的至少一些入射到次级靶上；使得当单色x射线装置被操作时，在至少约15度的视场上经由所述孔发射具有大于或等于0.7的单色性的单色x射线辐射。根据一些实施方式，在至少约15度的视场上经由所述孔发射的单色x射线辐射具有大于或等于0.8的单色性。根据一些实施方式，在至少约15度的视场上经由所述孔发射的单色x射线辐射具有大于或等于0.9的单色性。根据一些实施方式，在至少约15度的视场上经由所述孔发射的单色x射线辐射具有大于或等于0.95的单色性。
一些实施方式包括单色x射线装置，所述单色x射线装置包括：电子源，其被配置成发射电子；初始靶，其被配置成响应于来自电子源的入射电子而产生宽带x射线辐射；以及次级靶，其被配置成响应于入射宽带x射线辐射经由荧光产生单色x射线辐射，其中，使用电子源与初始靶之间的电压电势操作所述装置，所述电压电势大于次级靶的吸收边缘的能量的两倍。根据一些实施方式，使用电子源与初始靶之间的电压电势操作所述装置，所述电压电势大于次级靶的吸收边缘的能量的三倍。根据一些实施方式，使用电子源与初始靶之间的电压电势操作所述装置，所述电压电势大于次级靶的吸收边缘的能量的四倍。根据一些实施方式，使用电子源与初始靶之间的电压电势操作所述装置，所述电压电势大于次级靶的吸收边缘的能量的五倍。
一些实施方式包括单色x射线装置，所述单色x射线装置包括：包括环形阴极的电子源，所述电子源被配置成发射电子；初始靶，其被配置成响应于来自电子源的入射电子而产生宽带x射线辐射；至少一个引导件，其与环形阴极同心地被布置以引导电子朝向初始靶；以及次级靶，其被配置成响应于入射宽带x射线辐射经由荧光产生单色x射线辐射。根据一些实施方式，所述至少一个引导件包括被同心地布置在环形阴极内的至少一个第一内部引导件。根据一些实施方式，所述至少一个引导件包括被同心地布置在环形阴极外部的至少一个第一外部引导件。
附图说明
将参考以下附图来描述所公开的技术的各个方面和各种实施方式。应当理解，附图不一定按比例绘制。
图1示出了宽带x射线源的示意图；
图2示出了如下情况：电子(比原子核轻得多)非常靠近原子核，并且电磁相互作用导致轨迹的偏离，电子在所述轨迹处失去能量，而且x射线光子被发射，并且图2描述了最简单形式的轫致辐射；
图3示出了由典型的x射线管产生的轫致辐射谱，其中试图逃离靶的较低能量的x射线被吸收，从而引起谱的在低能量处的特征翻转；
图4示出了产生特征线发射的物理现象；
图5示出了来自具有钼阳极的x射线管的组合谱，其示出了厚靶轫致辐射和特征钼线发射；
图6A示出了光电效应；
图6B示出了来自K壳层的x射线荧光的原理；
图7示出了吸收系数随着关于锡的x射线能量的变化，其中不连续的跳跃或边缘示出了如何仅增强高于锡中的电子的结合能的吸收；
图8示出了通过用由具有铜阳极的x射线管产生的铜x射线照射铝(Al)靶而得到的x射线荧光谱；
图9示出了用于产生单色x射线的x射线设备；
图10A和图10B示出了从常规单色x射线设备发射的x射线辐射的轴上x射线谱和离轴x射线谱；
图11A示出了根据一些实施方式的单色x射线装置；
图11B示出了图11A中所示的单色x射线装置的部件的放大视图；
图11C示出了根据一些实施方式的使用混合材料接口部的图11A中所示的单色x射线装置的部件的放大视图；
图12示出了被配置成被插入单色x射线装置的容器并且能够从单色x射线装置的容器移除的可移除载体；
图13A、图13B和图13C示出了根据一些实施方式的次级靶载体的视图；
图14A和图14B示出了使用图13A、图13B和图13C中所示的示例性载体从单色x射线设备发射的x射线辐射的轴上x射线谱和离轴x射线谱；
图14C示出了图10A至图10B和图14A至图14B中所示的x射线谱的视场特性；
图15示出了低能谱和高能谱中的集成功率比随着视角的变化；
图16示出了单色性随着视角的变化；
图17A、图17B和图17C示出了根据一些实施方式的次级靶载体的视图；
图18A和图18B示出了使用图17A、图17B和图17C所示的示例性载体从单色x射线设备发射的x射线辐射的轴上x射线谱和离轴x射线谱；
图19示出了四种示例性材料的次级靶的荧光x射线谱；
图20示出了x射线强度随着关于用于两种不同几何形状的次级靶的多个初级电压的发射电流的变化；
图21示出了从金初始靶发射的x射线谱；
图22示出了轴上单色性和离轴单色性随着用于使用图17A、图17B和图17C中所示的载体的锡次级靶的初级电压的变化；
图23示出了轴上单色性和离轴单色性随着用于使用图17A、图17B和图17C中所示的载体的银次级靶的初级电压的变化；
图24A和图24B示出了根据一些实施方式的具有改进的电子光学器件的单色x射线源2400的截面；
图25示出了电子撞击图24A和图24B中所示的单色x射线源中的初始靶的点的轨迹；
图26示出了电子撞击图24A和图24B中所示的单色x射线源中的初始靶的点的轨迹；
图27示出了包括混合接口部件的单色x射线源；
图28示出了替代配置，在该替代配置中，阴极进一步远离初始靶而移动，从而导致发散的电子轨迹和降低的单色性；
图29示出了用于使用本文中描述的单色x射线源进行成像实验的乳腺X线照相术仿体；
图30示出了图29中所示的仿体的嵌入式线性块阵列的直方图；
图31示出了根据一些实施方式的使用商用宽带x射线系统和单色x射线系统的图29中的仿体的图像以及相应的直方图；
图32示出了对厚的乳腺组织进行建模的堆叠式乳腺X线照相术仿体；
图33示出了根据一些实施方式的使用商用宽带x射线系统和单色x射线系统的图32中的仿体的图像以及相应的直方图；
图34示出了根据一些实施方式的常规宽带乳腺X线照相术与单色乳腺X线照相术的对比；
图35示出了根据一些实施方式的使用商用宽带x射线系统和单色x射线系统的微钙化的图像以及相应的直方图；
图36示出了根据一些实施方式的使用商用宽带x射线系统和单色x射线系统的微钙化的图像以及相应的直方图；
图37示出了用于不同的次级靶和商用宽带x射线系统的线分辨率；
图38示出了用于单色仪器的调制传递函数(MTF)；
图39示出了对不同的曝光时间和锥形几何形状的期望信噪比所需的功率需求；
图40示出了不同的曝光时间和锥形几何形状以及关于商用机器的指示的期望信噪比所需的功率需求；
图41示意性地示出了从固态次级靶发射以及由固态次级靶吸收的荧光x射线；
图42示出了根据一些实施方式的分层的次级靶；
图43示出了x射线透射和吸收的物理性质；
图44A和图44B示出了在多种能量下荧光x射线发射与材料厚度的关系曲线；
图45A和图45B示出了在相应的模拟和实验中使用的分层的次级靶；
图46示出了模拟的来自图45A中所示的次级靶以及固态次级靶的荧光x射线发射；
图47示出了测量的来自图45B中所示的次级靶以及固态次级靶的荧光x射线发射；
图48示出了根据一些实施方式的锥形壳次级靶；
图49A和图49B示出了根据一些实施方式的嵌套的锥形壳次级靶；
图50A和图50B示出了根据一些实施方式的嵌套的锥形和/或截头锥形壳次级靶；
图51至图53示出了根据一些实施方式的具有倒置和/或敞开的几何形状的分层的次级靶；
图54A至图54C示出了根据一些实施方式的圆柱形壳次级靶；
图55A至图55C示出了根据一些实施方式的螺旋形壳次级靶；
图56至图59示出了根据一些实施方式的具有敞开的近端的分层的次级靶；
图60A至图60F示出了根据一些实施方式的分层的壳次级靶；
图61A至图61C示出了根据一些实施方式的分层的敞开的壳次级靶；
图62示出了根据一些实施方式的从多个示例性几何形状输出的相关荧光x射线；
图63A和图63B示出了根据一些实施方式的用于分层的次级靶的示例性支承部；
图64和图65示出了根据一些实施方式的被定位在载体内的示例性分层的次级靶；
图66A和图66B示出了根据一些实施方式的用于分层的次级靶的载体；
图67示出了根据一些实施方式的在多个次级靶几何形状和阴极-阳极电压电势下荧光x射线通量与发射电流的关系曲线；
图68至图71示出了根据一些实施方式的在多个次级靶几何形状下功率需求与信噪比的关系曲线；
图72示出了关于碘的质量吸收系数曲线；
图73示出了使用在22keV下的Ag K x射线和被称为Oxilan 350的碘造影剂进行对比增强成像的示例。
具体实施方式
如上所述，由于制造、操作和维护这样的系统的成本过高以及/或者由于对诊所和医院用途而言系统占用空间过大，因此能够产生单色辐射以产生诊断图像的常规x射线系统通常不适合临床和/或商业用途。因此，关于这些系统的研究仅限于应用于如下相对较少的研究机构处的研究以及由这些研究机构进行的研究，所述研究机构投资了大型、复杂且昂贵的设备。
数十年来，在临床环境中具有成本效益的单色x射线成像已经成为许多物理学家和医学专业人员的目标，但是对于可以在临床中被采用用于常规诊断用途的单色x射线设备，诸如医院和诊所的医疗机构仍然没有可行的选择。
发明人已经开发了用于在相对较大的视场(FOV)上产生可选择的单色x射线的方法和设备。在医学和非医学领域二者中，许多应用都可以从这种单色x射线源中受益。医学应用包括但不限于乳腺组织、心脏、前列腺、甲状腺、肺、脑、躯干和四肢的成像。非医学领域包括但不限于经由x射线吸收、x射线衍射和x射线荧光进行的非破坏性材料分析。发明人已经认识到，用于常规乳腺癌筛查的2D和3D x射线乳腺X线照相术可以立即受益于这种单色源的存在。
根据一些实施方式，提供可选择的能量(例如，高达100kev)以对不同的解剖特征进行最佳成像。一些实施方式有助于提供具有允许相对短的照射时间(exposure time)的强度的单色x射线辐射，从而减少递送给正在经历成像的患者的辐射剂量。根据一些实施方式，可以使用从其发射单色x射线辐射的相对较小的紧凑区域来保持相对高水平的强度，从而有助于以适合于高品质成像(例如，乳腺成像)的空间分辨率进行x射线成像。从相对较小的紧凑区域产生相对较高强度的单色x射线辐射的能力有助于在相对较高的空间分辨率下进行短的低剂量成像，除其他益处外，这(例如，根据一些实施方式，通过克服以下困难：检测厚的乳腺组织中的癌性病变，同时仍将辐射剂量水平保持在监管机构设定的极限值以下)还解决了常规x射线成像系统的一个或更多个问题。
使用常规的乳腺X线照相系统，即使不是不可能，也很难以与较小的正常密度乳腺组织相同的置信水平来检查大(厚)且密实的乳腺。这严重限制了乳腺X线照相术对乳腺较大和/或密实的女性(占人口的30％至50％，该妇女群体的乳腺癌发病率高六倍)的价值。对于乳腺密实的女性，检测灵敏度从85％降至64％，对于乳腺非常密实的女性，则检测灵敏度降至45％。另外，使用常规的x射线成像系统(即，宽带x射线成像系统)，假阳性和不必要的活检以不令人满意的水平发生。本文所述的技术有助于能够为具有大和/或密实的乳腺的女性——这些女性长期未被诊断、被过度筛查并且患乳腺癌的风险最高——提供更好的诊断解决方案的单色x射线成像。尽管与一些实施方式相关的益处对于厚和/或密实的乳腺具有特定优点，但是应当理解，本文提供的用于单色x射线成像的技术也为筛查任何尺寸和密度的乳腺提供了优点，并且为其他临床诊断应用提供了益处。例如，与当前在临床环境中部署的常规x射线成像系统相比，本文所述的技术有助于根据所有患者的组织密度将患者的辐射剂量减少6至26倍，从而允许进行年度检查和重复检查，同时显著减少患者的终身辐射暴露。另外，根据一些实施方式，在某些情况下，可以在不痛苦地压迫乳腺的情况下进行筛查。另外，本文描述的技术有助于相对低成本的单色x射线系统的制造，从而将其保持在目前用于临床乳腺X线照相术的宽带x射线系统的当前成本约束内。
可以使用批准的造影剂进行单色x射线成像，以进一步增强以减少剂量对组织异常的检测。本文所述的技术可以以类似的低剂量与三维3D层析X射线照相组合(tomosynthesis)一起使用。使用本文中描述的技术的单色辐射还可以被用于进行原位化学分析(例如，肿瘤的化学成分的原位分析)，例如以改进于2017年11月28日提交的题为“Methods and Apparatus for Determining Information Regarding ChemicalComposition Using X-ray Radiation”的美国专利申请第15/825787号中描述的化学分析技术，该申请以其全部内容并入本文中。
常规的单色x射线源先前已经被开发用于除了医学成像以外的目的，因此，通常不适合用于临床目的。具体地，单色性、强度、空间分辨率和/或功率水平可能不足以用于医学成像目的。发明人已经开发了用于产生单色x射线辐射的技术，该技术适用于多种应用，包括用于诸如乳腺和其他组织成像的临床目的，在下面进一步详细描述其各方面。发明人认识到，除了发射的单色x射线辐射之外，常规的单色x射线源还发射大量的宽带x射线辐射。因此，从这样的单色x射线源发射的x射线辐射由于也从该源发射的大量宽带辐射而具有很差的单色性，从而污染了x射线谱。
发明人已经开发了用于在相对较大的视场上沿轴上方向和离轴方向二者产生具有高的单色性程度的x射线辐射的技术(例如，如通过在下文中进一步详细讨论的单色x射线辐射与宽带辐射的比率所测量的)。本文描述的技术使得能够在不显著增加宽带x射线辐射污染的情况下(即，在基本上不降低单色性的情况下)增加宽带x射线源的功率。因此，可以使用增加的功率水平来产生更高强度的单色x射线辐射，同时保持高的单色性程度。
本发明人进一步开发了用于次级靶(即，被布置成响应于入射宽带x射线辐射而发射单色辐射的荧光靶)的几何形状，该几何形状显著增加单色x射线强度，从而允许减少照射时间而不降低图像质量或增加功率水平。根据一些实施方式，使用一个或更多个次级靶材料层来构造次级靶，而不是如常规所做的那样使用固态次级靶。
根据一些实施方式，提供了一种单色x射线装置，该单色x射线装置能够产生具有如下特性(例如，单色性、强度等)的单色x射线辐射，所述特性使实现用于乳腺X线照相术的照射时间少于20秒，根据一些实施方式，所述照射时间少于10秒，根据一些实施方式，所述照射时间少于？秒。
根据一些实施方式，提供了一种单色x射线装置，该单色x射线装置在足以在单次曝光中对靶器官(例如，乳腺)成像的视场上发射具有高的单色性程度(例如，纯度为90％或更高)的单色x射线，以便以适合于诊断的空间分辨率(例如，100微米或更高的空间分辨率)产生图像。
以下是与单色x射线系统和与其相关的技术的实施方式有关的各种概念的更详细描述。应当理解，本文描述的实施方式可以以多种方式中的任何方式被实现。下面仅出于说明性目的提供特定实现的示例。应当理解，可以将所提供的实施方式和特征/功能单独使用、一起使用或者以两个或更多个的任意组合使用，原因是本文描述的技术的各方面在此方面不受限制。
图9示出了用于经由x射线荧光产生单色x射线的常规x射线设备的二维(2D)示意性剖视图。图9中所示的x射线设备的几何形状与题为“Radiation Source for GeneratingEssentially Monochromatic X-rays”的美国专利第4,903,287号中示出和描述的x射线设备的几何形状以及在以下文献中示出和描述的单色x射线源的几何形状相似：Marfeld等人，国际光学工程学会的会刊(Proc.SPIE)，第4502卷，117页至125页，Advances inLaboratory-based X-ray Sources and Optics II，编者为Ali M.Khounsayr和CarolynA.MacDonald；Eds。参照图9，x射线设备900包括真空管950，该真空管950包括：环形丝905，其操作为阴极；以及初始靶910，其操作为用于产生宽带x射线辐射的电路的阳极。真空管950包括通常由壳体955、前部965(例如，铜面板)和窗930(例如，铍窗)形成的真空密封罩。
在操作中，由于由阴极和阳极之间的高电压偏置建立的电场，来自丝905(阴极)的电子(例如，示例性电子907)朝向初始靶910(阳极)被加速。随着电子因初始靶910而减速，产生宽带x射线辐射915(即，如图3中所示的轫致辐射)。如果电压足够大以产生光电子，则也可以通过对阳极材料的电子轰击产生初始靶材料独有的特征发射线。因此，宽带x射线辐射(或可替选地，宽谱辐射)是指具有或不具有初始靶的特征发射线的轫致辐射。从初始靶910发射的宽带辐射915被透射通过真空罩的窗930以辐照次级靶920。窗930提供了真空罩的透射部，该透射部由如下材料(例如，铍)制成，该材料通常透射由初始靶910产生的宽带x射线辐射并阻止电子(例如，从初始靶散射的电子)撞击在次级靶920上以防止产生不想要的轫致辐射。窗930可以是杯状的，以将次级靶920容纳在真空罩的外部，从而使得能够在不破坏x射线管950的真空密封的情况下移除和更换次级靶。
响应于来自初始靶910的入射宽带x射线辐射，次级靶920经由荧光产生次级靶中的(一种或多种)元素的单色x射线辐射925特征。如下面进一步详细讨论的，次级靶920为锥形形状并且由所选的材料制成，以在期望能量下产生荧光单色x射线辐射。在图9中示意性地示出了宽带x射线辐射915和单色x射线辐射925，以示出使用初始靶和次级靶经由荧光产生单色x射线辐射的一般原理。应当理解，初始靶和次级靶将分别在4π方向上发射宽带x射线辐射和单色x射线辐射。因此，将从x射线管950以相对于与穿过x射线管950的孔的中心的纵轴对应的轴955的不同角度θ发射x射线辐射。
如上所述，发明人已经认识到，用于产生单色x射线辐射的常规x射线设备(在本文中也被称为单色x射线源)发射大量的宽带x射线辐射。也就是说，尽管常规的单色源报告了产生单色x射线辐射的能力，但实际上，这些常规设备发射的x射线辐射的单色性很差(即，常规的单色源呈现出低的单色性程度)。例如，在Marfeld中描述的使用在165kV下工作并且具有钨(W)次级靶的源的常规单色源发射纯度为约50％(即，x射线发射是宽带x射线辐射的约50％)的单色x射线辐射。作为另一示例，具有图9所示的一般几何形状的常规单色x射线源发射图10A(轴上)和图10B(离轴)中所示的x射线谱，该单色x射线源在以下情况下工作：阴极处的负电压为-50kV，由金(Au；Z＝79)制成的初始靶处于地电势，并且具有由锡(Sn；Z＝50)制成的次级靶。如上所述，将从x射线管以相对于该x射线管的纵轴(图9中所示的轴955)不同的角度θ发射x射线辐射。
由于轴上谱和离轴谱在单色源的功效中起作用，因此示出了轴上x射线谱和离轴x射线谱二者。具体地，x射线辐射的单色性随着视角θ的变化导致所得到的图像的不均匀性。另外，对于医学成像应用，x射线谱的在离轴角度下的单色性降低(即，宽带x射线辐射的相对量增加)增加递送给患者的剂量。因此，轴上谱和离轴谱二者的单色性程度可能是x射线设备的x射线发射的重要特性。在图10A中，轴上是指围绕x射线管的轴线的窄角度范围(小于约0.5度)，而离轴是指偏离x射线管的轴线约5度。如图10A和图10B中所示，从常规单色x射线源发射的x射线谱实际上不是单色的，而是被大量的宽带x射线辐射污染。
具体地，除了次级靶的特征发射线(即，由于在图10A和图10B中分别被标记为SnKα和Sn Kβ的L壳层和M壳层跃迁而产生的经由来自锡(Sn)次级靶的K壳层荧光而发射的单色x射线)之外，图10A和图10B中所示的x射线谱1000a和1000b还包括大量的宽带x射线辐射。具体地，x射线谱1000a和1000b包括在初始靶的特征发射线处的明显的峰值(即，与在图10A和图10B中被标记为Au Kα和Au Kβ的金初始靶的K壳层发射对应的能量处的x射线辐射)以及大量的轫致辐射背景。如图10A和图10B中的箭头1003所示，Sn Kα峰值在轴上方向上比轫致辐射背景大仅(约)8.7倍，而在离轴方向上比轫致辐射背景大了约7倍。因此，仅从检查就可以清楚地看出，这种常规的单色x射线源在轴上方向和离轴方向二者上发射呈现出非常差的单色性的x射线辐射，如下面所量化的。
可以基于次级靶的特征荧光发射线中的集成能量与宽带x射线辐射的总集成能量的比率来计算单色性。例如，可以计算在本文中被称为Plow的低能宽带x射线辐射的集成能量(例如，由图10A和图10B中的箭头1001大体上指示的低于Sn Kα峰值的x射线谱的集成能量)和在本文中被称为Phigh的高能宽带x射线辐射的集成能量(例如，由图10A和图10B中的箭头1002大体上指示的高于Sn Kβ峰值的x射线谱的集成能量)。特征K壳层发射线的集成能量(在本文中被称为Pk，其对应于图10A和图10B中Sn Kα和Sn Kβ发射中的集成能量)与Plow和Phigh的比率提供了x射线源发射的宽带x射线辐射量相对于单色x射线辐射量的测量。在图10A的示例中，比率Pk/Plow为0.69，比率Pk/Phigh为1.7。在图10B的示例中，比率Pk/Plow为0.9，比率Pk/Phigh为2.4。增加比率Plow和Phigh会增加源的谱输出为单色的程度。如本文中使用的，x射线谱的单色性M被计算为M＝1/(1+1/a+1/b)，其中α＝Pk/Plow，b＝Pk/Phigh。对于由常规x射线设备产生的图10A中的轴上x射线谱，M＝0.33，并且对于由常规x射线设备产生的图10B中的离轴x射线谱，M＝0.4。因此，x射线谱的大部分能量是宽带x射线辐射而不是单色x射线辐射。
发明人已经开发出以下技术，所述技术有助于产生具有明显更高的单色性的x射线辐射，从而改进来自x射线装置的x射线发射的特征并有助于改进的x射线成像。图11A示出了与发明人开发的改进从装置发射的x射线辐射的特性的技术结合的x射线装置1100，图11B示出了根据一些实施方式的x射线装置1100的部件的放大视图。x射线装置1100包括真空管1150，真空管1150为x射线装置的电子光学器件1105和初始靶1110提供真空密封罩。真空密封罩基本上由壳体1160(其包括前部1165)和接口或窗部1130形成。面板1175可以被设置成形成前部1165的外表面。面板1175可以由通常对宽带x射线辐射不透明的材料——例如，防止从x射线装置1100发射至少一些宽带x射线辐射的高Z材料，例如铅、钨、厚不锈钢、钽、铼等——构成。
接口部1130可以由通常x射线透射材料(例如，铍)组成，以使得来自初始靶1110的宽带x射线辐射能够穿过真空罩外部以辐照次级靶1120。以这种方式，接口部1130提供了真空罩的内部与外部之间的、宽带x射线辐射可以通过其透射的“窗”，因此，在本文中接口部1130也被称为窗或窗部1130。窗部1130可以包括面向真空管1150的真空罩的内部的内表面和面向真空管1150的真空罩的外部的外表面(例如，图12中所示的内表面1232和外表面1234)。窗部1130可以被成形为形成容器(参见图12中标记的容器1235)，该容器被配置成保持次级靶载体1140，使得次级靶(例如，次级靶1120)被定位在真空罩外部的至少从初始靶1110发射的一些宽带x射线辐射将撞击在次级靶上的位置。根据一些实施方式，载体1140是可移除的。如下面进一步详细讨论的，通过利用可移除载体1140，不同的次级靶可以与x射线系统1100一起使用而无需破坏真空密封。然而，根据一些实施方式，载体1140是不可移除的。
发明人认识到，设置包括透射部和阻挡部的混合接口部有助于进一步减少从x射线装置发射的宽带x射线辐射的量。例如，根据一些实施方式，图11C示出了包括透射部1130a(例如，铍部分)和阻挡部1130b(例如，钨部分)的接口部1130’。因此，根据一些实施方式，接口部1130’可以包括图11C中的虚线下方的第一材料，并且包括虚线上方的与第一材料不同的第二材料。透射部1130a和阻挡部1130b可以包括适合于充分地执行预期的透射和吸收功能的任何相应的材料，原因是该方面不限于与任何特定材料一起使用。
根据一些实施方式，透射部与阻挡部之间的接口的位置(例如，图11C中的虚线的位置)近似地对应于当载体被插入由接口部形成的容器中时载体的透射部与阻挡部之间的接口的位置。根据一些实施方式，透射部与阻挡部之间的接口的位置(例如，图11C中的虚线的位置)与载体被插入由接口部形成的容器中时载体的透射部与阻挡部之间的接口的位置不对应。在图28A中还示出了混合接口部件，下面将进一步详细讨论。
在图11A和图11B所示的实施方式中，次级靶1120具有锥形几何形状，并且由响应于入射宽带x射线辐射以期望的能量荧光发射x射线的材料制成。次级靶可以由任何合适的材料制成，材料的示例包括但不限于锡(Sn)、银(Ag)、钼(Mo)、钯(Pd)或任何其他合适的材料或材料的组合。图19示出了由辐照以上列出的四种示例性材料的次级靶锥产生的x射线谱。如下面进一步详细讨论的，次级靶1120提供小的紧凑区域，可以经由荧光从所述紧凑区域发射单色x射线辐射以提供良好的空间分辨率。
发明人已经理解，可移除载体1140可以被设计成改进从真空管1150发射的x射线辐射的特征(例如，改进x射线辐射发射的单色性)。如下面进一步详细讨论的，改进单色性的技术还有助于产生更高强度的单色x射线辐射的能力。在图11A和图11B所示的实施方式中，可移除载体1140包括透射部1142，该透射部1142包括通常对x射线辐射进行透射的材料，使得由初始靶1110发射的穿过窗部1130的至少一些宽带x射线辐射也穿过透射部1142以辐照次级靶1120。透射部1142可以包括圆柱形部1142a，该圆柱形部1142a被配置成容纳次级靶1120并且可以被配置成使得次级靶能够被移除和替换，从而使得可以使用不同材料的次级靶来以相应材料的不同特征能量产生单色x射线，不过这些方面不限于与使得次级靶能够替换(即，移除和代替)的载体一起使用。适用于透射部1142的示例性材料包括但不限于铝、碳、碳纤维、硼、硼氮化物、铍氧化物、硅、硅氮化物等。
载体1140还包括阻挡部1144，该阻挡部1144包括对于x射线辐射通常是不透明的材料(即，基本上吸收入射的x射线辐射的材料)。阻挡部1144被配置成吸收宽带x射线辐射的穿过窗1130的、未被次级靶转换以及/或者未入射到次级靶上的至少一些，以及/或者阻挡部1144被配置成吸收宽带x射线辐射的否则可能会逃逸出真空罩的至少一些。在常规x射线源(例如，图9中所示的常规x射线设备900)中，使得能够从该设备发射大量的宽带x射线辐射，从而破坏了次级靶所发射的荧光x射线辐射并且显著降低了所发射的x射线辐射的单色性。在图11A、图11B、图12、图13A至图13C以及图17A至图17C所示的实施方式中，透射部和阻挡部形成被配置成容纳次级靶的壳体。
根据一些实施方式，阻挡部1144包括圆柱形部1144a和环形部1144b。圆柱形部1144a使得由次级靶1120响应于来自初始靶1110的入射宽带x射线辐射而荧光发射的x射线辐射能够被透射，同时吸收如上所述的至少一些宽带x射线辐射。环形部1144b提供了如下部，所述部提供增加的表面积以吸收否则将由x射线装置1100发射的额外的宽带x射线辐射。在图11A和图11B所示的实施方式中，环形部1144b被配置成紧密地安装在x射线管的前部的凹处，以通常在可能的范围内使被吸收的宽带x射线辐射量最大化。也如在下面讨论的图13B和图17B中所示的，环形部1144b包括与穿过圆柱形部1144b和1142a的孔相对应的孔部1144c，以使得从次级靶1120荧光发射的单色x射线辐射能够从x射线装置1100被发射。适用于阻挡部1144的示例性材料包括但不限于铅、钨、钽、铼、铂、金等。
在图11A和图11B所示的实施方式中，载体1140被配置成使得次级靶的一部分被包含在阻挡部1144内。具体地，如图11A和图11B中所示的实施方式中示出的，当次级靶被插入载体1140的透射部1142中时，锥形次级靶1120的尖端延伸至圆柱形部1144b中。如下面进一步讨论的，发明人已经理解，将次级靶的一部分包含在阻挡部1144中可以改进从x射线装置发射的单色x射线辐射的特征。然而，根据一些实施方式，次级靶载体可以被配置成使得次级靶的任何部分都不包含在载体的阻挡部中，其示例在下面进一步详细讨论的图13A至图13C中被示出。如下面进一步详细讨论的，载体1140的两种配置(例如，具有和不具有次级靶载体的阻挡交叠)提供了对所发射的x射线辐射的特征的显著改进(例如，改进的单色性)。
如图12中所示，载体1240(其可以与图11A和图11B中所示的载体1140相似或相同)被配置成是可移除的。例如，通过分别沿通常由箭头1205指示的方向插入和移除载体，例如载体1240可以可移除地被插入由接口部件1230(例如，包括透射窗的接口)形成的容器1235中。也就是说，根据一些实施方式，载体1240被配置为可以被插入x射线装置中以及从x射线装置被移除(例如，通过将可移除载体1240插入容器1235中以及/或者从容器1235中移除载体1240)的单独部件。
如图12中所示，载体1240具有：近端1245，其被配置成被插入x射线装置中；以及远端1247，单色x射线辐射经由孔1244d通过载体1240的中心从远端1247被发射。在图12所示的实施方式中，圆柱形阻挡部1244a被定位成邻近圆柱形透射部1242a并且位于圆柱形透射部1242a的远侧。环形阻挡部1244b被定位成邻近阻挡部1244a并且位于阻挡部1244a的远侧。如所示的，环形阻挡部1244b的直径D大于圆柱形阻挡部1244a(对于两个圆柱形部的直径大致相同的实施方式，为圆柱形透射部1242a)的直径d。在图12中，从近端的末端至远端的末端的距离被标记为高度H。载体1240的尺寸可以取决于载体被配置成容纳的次级靶的尺寸。例如，对于被配置成容纳具有4mm基部的次级靶的示例性载体1240，直径d可以为约4mm至5mm，直径D可以为约13mm至16mm，并且高度H可以为约18mm至22mm。作为另一示例，对于被配置成容纳具有8mm基部的次级靶的示例性载体1240，直径d可以为约8mm至9mm，直径D可以为约18mm至22mm，高度H可以为约28mm至32mm。应当理解，所设置的载体和次级靶的尺寸仅是示例性的并且可以是任何合适的值，原因是该方面不限于与任何特定尺寸或尺寸集一起使用。
根据一些实施方式，载体1240可以被配置成：例如通过在载体1240上设置能够用手拧入容器1235内的协作螺纹中的螺纹而旋入容器1235中。可替选地，可以设置可释放的机械锁扣，以使得载体1240能够被保持在适当的位置并且使得能够通过从容器向外施加力来移除载体1240。作为另一替代，载体1240和容器1235的配合的紧密度足以在操作期间将载体保持在适当的位置。例如，载体1240的侧面与容器1235的壁之间的摩擦可能足以将载体1240保持在适当的位置，从而使得不需要额外的紧固机构。应当理解的是，可以使用当载体1240被插入容器中时足以将载体1240保持在适当位置的任何装置，原因是这些方面在这方面不受限制。
如上所述，发明人已经开发了许多有助于改进的单色x射线辐射发射的载体配置。图13A和图13B示出了根据一些实施方式的载体1340的三维视图和二维视图。图13A中的三维视图示出了被分成示例性组成部分的载体1340。具体地，图13A示出了与阻挡部1344分开的透射部1342。如上所述，透射部1342可以包括通常至少在关注的相关能量下透射宽带x射线辐射的材料(即，使得宽带x射线辐射能够至少在关注的相关能量下穿过该材料而基本上不吸收宽带x射线辐射的材料，例如铝、碳、碳纤维、硼、硼氮化物、铍氧化物、硅、硅氮化物等)。另一方面，阻挡部1344可以包括至少在关注的相关能量下通常对宽带x射线辐射不透明的材料(例如，至少在关注的相关能量下基本上吸收宽带x射线辐射的材料，例如铅、钨、钽、铼、铂、金等)。
以这种方式，使得由初始靶发射的至少一些宽带x射线辐射能够穿过透射部1342以辐照次级靶，而从初始靶发射(以及/或者从x射线管的其他表面发射或由x射线管的其他表面散射)的至少一些宽带x射线辐射被阻挡部1344吸收以防止从x射线装置发射不想要的宽带x射线辐射。因此，载体1340有助于提供具有减少的由宽带x射线辐射引起的污染的单色x射线辐射，从而显著改进了x射线装置的x射线发射的单色性。在图13A至图13C所示的实施方式中，阻挡部1344包括圆柱形部1344a和环形部1344b——环形部1344b的直径大于圆柱形部1344a的直径——以吸收在更宽的角度范围和/或源自于更宽的位置范围内发射的宽带x射线辐射，以改进x射线装置的x射线辐射发射的单色性。
根据一些实施方式，透射部1342和阻挡部1344可以被配置成使用多种技术中的任何技术耦接在一起或配合。例如，在图13A的实施方式中被示出为圆柱形区段的透射部1342可以包括在圆柱形区段的一端处的配合部1343a，该配合部1343a被配置成与在阻挡部1344的圆柱形部1344a的相应端处的配合部1342b配合。配合部1343a和1343b可以适当地被确定尺寸并且例如设置有螺纹，以使得能够通过将两个部分拧在一起而使透射部1342和阻挡部1344配合。可替选地，配合部1343a和1343b可以被确定尺寸为使得配合部1343a在配合部1343b上滑动或者配合部1343b在配合部1343a上滑动，以将两个部分耦接在一起。应当理解，可以使用任何机构来使得透射部1342和阻挡部1344能够被分开以及被耦接在一起。根据一些实施方式，透射部1342和阻挡部1344是不可分开的。例如，根据一些实施方式，载体1340可以被制造为如下单个部件，所述单个部件使透射部1342固定地耦接至阻挡部1344，从而使得这些部通常理所当然不会彼此分开。
透射部1342还可以包括部1325，部1325被配置成容纳次级靶1320。例如，透射部1342的一端可以被开放并被适当地确定尺寸，使得次级靶1320可以被定位在透射部1342内，从而使得当载体1340被耦接至x射线装置时(例如，被插入由真空管的接口部形成的容器例如透射窗等中)，次级靶1320被定位成使得从初始靶发射的至少一些宽带x射线辐射辐照次级靶1320，以使次级靶以所选材料的特征能量荧光发射单色x射线。以这种方式，不同的次级靶1320可以被定位在载体1340内和/或由载体1340保持，从而使得单色x射线辐射的能量是可选择的。根据一些实施方式，次级靶1320可以包括部1322，部1322有助于使次级靶1320配合或以其他方式耦接至载体1340。例如，部1322和部1325可以设置有协作螺纹，所述协作螺纹使得次级靶能够被拧入载体1340的透射部1342内的适当位置处。可替选地，部1322和部1325可以被确定尺寸为使得次级靶紧密地安装在透射部内并且通过安装的紧密性(例如，通过两个部件之间的摩擦)被保持，以及/或者部1322和/或部1325可以包括使得次级靶能够被保持在适当位置的机械特征。根据一些实施方式，在次级靶已经被插入载体中之后，可以包括单独的覆盖零件以安装在透射部1342上方以及/或者可以使用任何其他合适的技术以使得次级靶1320能够被插入载体1340内并且由载体1340充分地保持，原因是各方面在这方面不受限制。
在图13B所示的实施方式中，次级靶1320被包含在透射部1342内，与阻挡部1344不交叠。也就是说，次级靶1320的最远范围(例如，图13B所示的实施方式中的锥形靶的尖端)未延伸到阻挡部的圆柱形部1344a(或阻挡部的任何其他部件)中。通过将次级靶1320排他地包含在载体的透射部内，通常可以使暴露于宽带x射线辐射并因此能够荧光发射单色x射线辐射的次级靶1320的体积最大化，从而提供通常针对x射线装置的给定次级靶和给定操作参数集(例如，x射线管的功率水平等)产生的单色x射线辐射的强度进行优化的机会。也就是说，通过增加次级靶的曝光量，可以实现增加的单色x射线强度。
图13B中所示的阻挡部1334的环形部1344b的正视图示出了：环形部1344b包括与圆柱形部1344a(和圆柱形部1342)的孔对应的孔1344c，该孔1344c使得从次级靶1320荧光发射的单色x射线能够从x射线装置被发射。因为阻挡部1344由大体上不透明的材料制成，所以阻挡部1344还将吸收以大于某个阈值角度的离轴角度发射的、从次级靶荧光发射的一些单色x射线，该阈值角度取决于单色x射线源自的次级靶的体积中的位置。因此，阻挡部1344还操作为准直仪以将发射的单色x射线限制在相对于x射线管的轴线的角度范围内，在图13A至图13C的实施方式中，该轴线对应于穿过载体1340的中心的纵轴。
图13C示出了被定位在x射线装置内(例如，被插入由真空管的接口部(例如，图11A、图11B和图12所示的示例性窗部1130和1230)形成的容器中)的载体1340的示意图。部1365对应于通常由诸如铜的材料构造的真空管的前部。另外，设置了由通常不透明的材料(例如，铅、钨、钽、铼、铂、金等)制成的具有与载体1340的孔对应的孔的盖或面板1375。可以可选地包括面板1375，以提供对宽带x射线的进一步吸收以防止杂散宽带x射线辐射污染从x射线装置发射的x射线辐射。
根据一些实施方式，示例性载体1340可以用于改进单色x射线发射特征。例如，图14A和图14B示出了由于使用了图13A、图13B和/或图13C中所示的载体1340而得到的轴上x射线谱1400a和离轴x射线谱1400b。如所示的，相对于由被配置成产生单色x射线辐射的常规x射线设备(例如，图9所示的常规x射线设备900)产生的图10A和图10B中所示的轴上x射线谱和离轴x射线谱，所得到的x射线谱显著地被改进。如图14A中的箭头1403所示，轴上的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大了约145倍；在图10A所示的轴上谱中，轴上的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大了约8.7倍。如图14B中的箭头1403所示，离轴的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大了约36倍；在图14B所示的离轴谱中，离轴的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大了约7.0倍。另外，对于图14A所示的轴上谱，Pk(在图14A和图14B中标记为Sn Kα和Sn Kβ的特征K壳层发射线的集成能量)与Plow(通常由图14A和图14B中的箭头1401指示的低于Sn Kα峰值的低能x射线谱的集成能量)和Phigh(通常由箭头1402指示的高于Sn Kβ峰值的高能谱的集成能量)的比率分别为21和62；对于图10A的轴上谱，Pk与Plow和Phigh的比率分别为0.69和1.7。对于图14B所示的离轴谱，比率Pk/Plow和比率Pk/Phigh分别为12.9和22；对于图10B的离轴谱，比率Pk/Plow和比率Pk/Phigh分别为0.9和2.4。这些增加的比率转化为.94(M＝.94)的轴上单色性和.89(M＝.89)的离轴单色性；对于图10A和图10B的x射线谱，这些增加的比率分别转化为.33的轴上单色性和0.4的离轴单色性。
单色性的这一显著改进有助于获取如下x射线图像，所述x射线图像更均匀，具有更好的空间分辨率，并且在医学成像应用中向患者递送明显更少的x射线辐射剂量。例如，在乳腺X线照相术的情况下，与图14A和图14B中所示的由x射线辐射谱递送的剂量相比，图10A和图10B中所示的x射线辐射谱将向正常厚度和密度的乳腺组织递送平均腺体剂量四倍的剂量。图14C示出了用于产生图10A和图10B所示的x射线谱的常规x射线源的视场以及用于产生图14A和图14B所示的x射线谱的x射线装置的视场。常规的x射线设备的半极大处全宽度(FWHM)约为30度，而改进的x射线装置的FWHM约为15度。因此，尽管经由示例性载体1340减小了视场，但是所得到的视场更加足以以紧凑的源探测器距离(例如，约760mm)在单次曝光中对诸如乳腺的器官进行成像，但是具有增加的均匀性和空间分辨率以及降低的辐射剂量，使得能够获得显著改进和更安全的x射线成像。图15示出了关于低能x射线辐射和高能x射线辐射的集成功率比(Pk/Plow和Pk/PHigh)随着视角θ的变化；图16示出了常规x射线设备(1560a、1560b和1660)的x射线辐射的单色性以及使用示例性载体1340的改进的x射线设备(1570a、1570b和1670)的x射线辐射的单色性。如曲线1570a、1570b和1670所示，单色性随着视角而减小。使用载体1340，发射如下单色x射线辐射，所述单色x射线辐射关于纵轴在15度视场上具有至少为.7的单色性，并且所述单色x射线辐射关于纵轴在10度视场上具有至少为.8的单色性。如曲线1560a、1560b和1660所示，常规x射线设备的单色性在所有视角上都非常差(即，在整个视场上小于.4)。
发明人已经认识到，可以通过修改次级靶载体的几何形状来改进对从x射线管发射的x射线辐射的单色性的各方面的进一步提高。根据一些实施方式，特别是对于离轴x射线辐射，可以显著地改进单色性。例如，发明人认识到，特别是相对于离轴x射线辐射，通过修改载体以使得次级靶的一部分在载体的阻挡部内，可以改进由x射线装置发射的x射线辐射的单色性。图17A和图17B示出了根据一些实施方式的载体1740的三维视图和二维视图。如图17A所示，示例性载体1740可以包括与载体1340类似的部件，示例性载体1740可以包括容纳次级靶1720的透射部1742和阻挡部1744(其可以包括圆柱形部1744a和环形部1744b，孔1744c穿过中心)。
然而，在图17A至图17C所示的实施方式中，载体1740被配置成：使得当次级靶1720被定位在透射部1742内时，次级靶1720的一部分延伸到阻挡部1744中。具体地，阻挡部包括交叠部1744d，交叠部1744d与次级靶1720的一部分交叠，以使得次级靶的至少一些被包含在阻挡部1744内。根据一些实施方式，交叠部1744d在次级靶的约.5mm与5mm之间延伸。根据一些实施方式，交叠部1744d在次级靶的约1mm与3mm之间延伸。根据一些实施方式，交叠部1744d在次级靶的约2mm上延伸。根据一些实施方式，交叠部1744d延伸小于.5mm，而在一些实施方式中，交叠部1744d延伸大于5mm。交叠的量将部分地取决于次级靶、载体和x射线装置的尺寸和几何形状。图17C示出了被定位在x射线装置内(例如，被插入在真空管的接口处形成的容器中)的载体1740，其中面板1775被设置在真空管(例如，图11A中所示的真空管1150)的前部1765上方。
根据一些实施方式，示例性载体1740可以用于进一步改进单色x射线发射特征。例如，图18A和图18B示出了由于使用了图17A至图17C中所示的载体1740而产生的轴上x射线谱1800a和离轴x射线谱1800b。如所示的，相对于图10A和图10B中所示的常规x射线设备产生的轴上x射线谱和离轴x射线谱，所得到的x射线谱得到了显著改进，并且相对于使用图13A至图13C所示的示例性载体1340产生的x射线谱，所得到的x射线谱呈现出改进的特征。如图18A中的箭头1803所示，与关于图14A中的轴上谱的145和关于图10A中所示的轴上谱的8.7相比，轴上的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大160倍。如图18B中的箭头1803所示，与关于图14B中的离轴谱的36和关于图10B中所示的离轴谱的7.0相比，离轴的Sn Kα峰值比轫致辐射背景大84倍。
与关于图14A的轴上谱的21和62以及关于图10A的轴上谱的0.69和1.7相比，对于图18A中示出的轴上谱，Pk(在图18A和图18B中被标记为Sn Kα和Sn Kβ的特征K壳层发射线的集成能量)与Plow(在图18A和图18B中通常由箭头1801指示的低于Sn Kα峰值的低能x射线谱的集成能量)和Phigh(通常由箭头1802指示的高于Sn Kβ峰值的高能谱的集成能量)的比率分别为31和68。分别与关于图14B所示的离轴谱的12.9和22以及关于图10B的离轴谱的0.9和2.4相比，对于图18B的离轴谱，比率Pk/Plow和比率Pk/Phigh分别为29和68。分别与关于图14A的x射线谱的.94(M＝.94)的轴上单色性和关于图14B的x射线谱的.89(M＝.89)的离轴单色性以及关于图10A和图10B的x射线谱的.33的轴上单色性和0.4的离轴单色性相比，这些增加的比率转换为.96(M＝.96)的轴上单色性和.95(M＝.95)的离轴单色性。
再次参照图15和图16，星分别指示使用示例性载体1640发射的x射线辐射的轴上和离轴低能比(1580a)和高能比(1580b)以及轴上和离轴单色性(1680)。如所示的，x射线辐射在轴上和5度离轴处呈现出基本上相同的特征。因此，如下面进一步详细讨论的，尽管示例性载体1740改进了轴上单色性和离轴单色性二者，但是图17A至图17C中所示的示例性载体的使用呈现出离轴单色性的显著增加，从而例如通过以下操作来为使用单色x射线的x射线成像提供实质性益处：改进均匀性，减少剂量，并且使得能够使用更高的x射线管电压来增加单色强度以提高空间分辨率以及区分微小的密度变化(例如，小的组织异常，例如乳腺肉体的微钙化)的能力。使用载体1740发射如下单色x射线辐射，所述单色x射线辐射关于纵轴在15度视场上具有至少.9的单色性，并且所述单色x射线辐射关于纵轴在10度视场上具有至少.95的单色性。
应当理解，本文描述的示例性载体可以被配置成是可移除的壳体或者可以被集成到x射线装置中。例如，本文中描述的示例性载体的一个或更多个方面可以例如作为固定部件被集成、内置或以其他方式形成x射线装置的一部分，原因是这些方面在这方面不受限制。
众所周知，可以通过以下操作来增加单色x射线发射的强度：增加阴极-阳极电压(例如，图11A和图11B所示的丝1106与初始靶1100之间的电压电势)以及/或者增加丝电流，这进而又增加了由丝发射的电子的发射电流，后一种增加丝电流的技术提供了有限的控制，原因是它高度依赖于阴极的特性。图20示出了x射线辐射强度、阴极-阳极电压与发射电流之间的关系，该图绘制了使用银(Ag)次级靶和750mm的源-探测器距离产生的x射线强度与使用两个不同的次级靶几何形状(即，具有4mm直径的基部的Ag锥和具有8mm直径的基部的Ag锥)在许多不同的阴极-阳极电压下的发射电流之间的关系。
通常，作为产生高于吸收边缘的能够在次级靶中诱导x射线荧光以产生足够的单色x射线强度的足够的高能量宽带x射线辐射与产生污染所需的单色x射线辐射的过多高能宽带x射线辐射之间的平衡，阴极-阳极电压被选择成要由次级靶荧光发射的期望的单色x射线辐射的特征发射线的能量的约两倍。例如，对于Ag次级靶，通常选择45kV的阴极-阳极电势(例如，电子光学器件将被设置在-45kV处)，以确保产生高于如图21中所示的银的K边缘(25keV)的足够的高能宽带x射线，以产生如图19(左下)中所示的22keV Ag K单色x射线辐射。类似地，对于Sn次级靶，通常将选择50kV的阴极-阳极电势，以确保产生高于如图21中所示的锡的K边缘(29keV)的足够的高能宽带x射线，以产生图19(右下)中所示的25keV SnK单色x射线辐射。通常遵循对阴极-阳极电压的两个极限值的该因数，以限制从x射线设备发射的单色x射线的高能量污染。
发明人已经认识到，本文中描述的技术允许消除两个极限值的因数，从而使得能够使用高的阴极-阳极电压来增加单色x射线强度，而不会显著增加宽带x射线辐射污染(即，单色性不显著降低)。具体地，可以使用用于阻挡宽带x射线辐射的技术——包括由发明人开发的示例性次级靶载体——来产生高强度的单色辐射，同时保持出色的单色性。例如，图22示出了在使用由发明人开发的示例性载体1740、利用Sn次级靶的情况下关于多个阴极-阳极电压(初级电压)的轴上单色性2200a和离轴单色性2200b。类似地，图23示出了在使用由发明人开发的示例性载体1740、利用Ag次级靶的情况下关于多个阴极-阳极电压(初级电压)的轴上单色性2300a和离轴单色性2300b。如所示的，在示出的高电压范围内保持高的单色性程度，在示出的范围内仅变化1.5％。因此，可以使用较高的电压来增加单色x射线强度(例如，沿着图20中所示的线)，但基本上不影响单色性。例如，可以使用高达并超过100KeV的初级电压来生成纯度超过90％(M>0.9)的单色x射线辐射，从而显著增加单色x射线强度。
根据一些实施方式，使用比从给定靶荧光发射的所需单色x射线辐射的能量大两倍的初级电压(例如，阴极-阳极电压电势，例如图11A和图11B中所示的x射线管1150的丝1106与初始靶1110之间的电压电势)来生成单色x射线辐射。根据一些实施方式，使用大于或等于从给定靶荧光发射的期望的单色x射线辐射的能量的约两倍且小于或等于约三倍的初级电压来生成单色x射线辐射。根据一些实施方式，使用大于或等于从给定靶荧光发射的期望的单色x射线辐射的能量的约三倍且小于或等于约四倍的初级电压来生成单色x射线辐射。根据一些实施方式，使用大于或等于从给定靶荧光发射的期望的单色x射线辐射的能量的约四倍且小于或等于约五倍的初级电压来生成单色x射线辐射。根据一些实施方式，使用大于或等于从给定靶荧光发射的期望的单色x射线辐射的能量的五倍的初级电压来生成单色x射线辐射。在每种情况下，可以实现跨越视场的轴上和离轴的具有大于或等于.9的单色性的x射线辐射，不过应该理解，达到这样的单色性水平不是必需的。
发明人已经认识到，x射线管的几何形状可能导致宽带x射线辐射污染。发明人已经意识到，可以改进x射线管的电子光学器件，以进一步减少所产生的可能会污染从x射线装置发射的单色x射线的宽带x射线辐射的量。再次参照图11A和图11B，x射线装置1100包括电子光学器件1105，该电子光学器件1105被配置成产生撞击在初始靶1110上以产生宽带x射线辐射的电子。发明人已经开发出电子光学器件几何形状，其被配置成减少和/或消除对真空罩内除初始靶之外的表面的轰击。这种几何形状还减少和/或消除其他表面的要经由常规系统中的附加冷却来除去的寄生加热。
作为示例，电子光学器件1105的几何形状被配置成减少和/或消除对真空管1150内的窗部1130和/或其他表面的轰击，以防止：从x射线管产生和可能从x射线管发射不想要的宽带x射线辐射，从而降低发射的x射线辐射谱的单色性。在图11A和图11B所示的实施方式中，电子光学器件1105包括形状通常可以为环形的丝1106以及位于环形丝1106的内侧和外侧的引导件1107、1108和/或1109。例如，如下面进一步详细讨论的，引导件1107、1108、1109可以与环形丝1106同心地被定位(例如，内部引导件1107被定位在丝环内，并且外部引导件1108和1109被定位成围绕丝环)，以在丝1106的任一侧上设置壁，以防止至少一些电子撞击在除初始靶1110之外的表面上。
根据一些实施方式，电子光学器件105被配置成在高负电压(例如，40kV、50kV、60kV、70kV、80kV、90kV或更高)下工作。也就是说，丝1106、内部引导件1107和外部引导件1108、1109可以在装置的操作期间全部被设置在高负电势下。这样，在这些实施方式中，初始靶1110可以被设置在地电势下，使得从丝1106发射的电子朝向初始靶1110被加速。然而，真空罩内的x射线管的其他部件和表面通常也在地电势下。因此，电子也将朝向x射线管1150的其他表面——例如，真空罩的内部与外部之间的透射接口(例如，图11a和图11b中的窗1130)——加速并撞击x射线管1150的其他表面。使用常规的电子光学器件，这种非预期的表面的轰击产生宽带x射线辐射，该宽带x射线辐射导致从x射线装置发射的不想要的宽带谱并引起不期望的x射线管的加热。发明人意识到，使用为由丝1106发射的电子提供更受限的路径的内部引导件1107和外部引导件1108和/或1109可以减少和/或消除对除初始靶1110以外的表面的这种不期望的轰击。
根据一些实施方式，引导件1107至1109是圆柱形形状，并且同心地被布置来为丝1106发射的电子提供受限的路径，该路径引导电子朝向初始靶1110，以防止对真空罩内的其他表面进行至少一些不想要的轰击(例如，减少和/或消除窗部1130的电子轰击)。然而，应当理解，在任何给定的实施方式中使用的引导件可以具有任何合适的形状，原因是各方面在这方面不受限制。根据一些实施方式，引导件1107、1108和/或1109包括铜，然而，可以使用任何合适的导电的(并且优选地是非磁性的)材料，例如不锈钢、钛等。应当理解，可以使用任意数量的引导件。例如，内部引导件可以与单个外部引导件(例如，引导件1108或1109)结合使用以提供一对引导件，一个引导件在阴极的内侧上，一个引导件在阴极的外侧上。作为另一示例，可以设置单个内部引导件以防止至少一些不想要的电子轰击真空管的内部与外部之间的接口(例如，图11A和图11B中的窗部1130)，或者可以设置单个外部引导件以防止至少一些不想要的电子轰击真空管提供的其他内表面。另外，可以使用多于三个的引导件来限制电子到达初始靶的路径，以减少和/或消除对真空罩内的表面的不想要的轰击，原因是这些方面在这方面不受限制。
图24A和图24B示出了根据一些实施方式的具有改进的电子光学器件的单色x射线源2400的截面。在示出的实施方式中，阴极与阳极之间的电势为80kV。具体地，钨环形阴极2406的偏压为-80kV，并且镀金的钨初始靶2410处于地电势。铜内部引导件2407以及铜外部引导件2408和2409也被设置在-80kV处以引导从阴极发射的电子，以防止至少一些电子撞击除初始靶2410以外的表面，以减少杂散宽带x射线辐射的量。单色x射线源2400使用银次级靶2420和铍接口部件2430。图24B示出了当单色x射线源2400被操作时在环形阴极与初始靶之间的电子轨迹。图25和图26示出了电子撞击初始靶2410的点的轨迹，表明在该配置中引导件防止电子撞击接口部件2430。图27示出了包括混合接口部件的单色x射线源，该单色x射线源具有铍的透射部和钨的阻挡部，当与本文中描述的其他技术结合(例如，使用本文中描述的示例性载体)时，该单色x射线源产生纯度为97％(M＝0.97)的单色x射线辐射。图28示出了替选配置，在该替选配置中，阴极被移动而进一步远离初始靶，从而导致发散的电子轨迹和降低的单色性。
本文中描述的单色x射线源能够提供具有高单色性程度的相对高强度的单色x射线辐射，从而使得能够在获得具有高信噪比的图像的同时具有相对短的照射时间，相对短的照射时间减少向正经历成像的患者递送的辐射剂量。下面提供的是在乳腺X线照相术的背景下使用本文中描述的技术获得的结果。提供这些结果以示出使用本文中描述的一种或更多种技术可获得的显著改进，然而，由于这些方面不限于用于乳腺X线照相术，因此结果仅作为示例被提供，所获得的结果也不是本文中描述的任何实施方式所要求的。
图29示出了乳腺X线照相术仿体(CIRS模型011a)2900，该乳腺X线照相术仿体(phantom)用于测试发明人开发的结合了本文描述的技术的单色x射线装置的性能的各个方面。如图29所示的仿体2900的内部视图所示，仿体2900包括许多尺寸不同且具有不同吸收特性的单个特征。图30突出显示了仿体2900的嵌入式特征中的一些特征，包括5个块的线性阵列，每个块1厘米厚，每个块具有模拟不同密度的乳腺组织的成分。最左侧的块模拟100％的腺体乳腺组织，最右侧的块模拟100％的脂肪(油脂)组织，而其他三个块是腺体和脂肪的混合，混合的比例的范围从70:30(腺体：脂肪)到50:50到30:70。所有5个块均被嵌入在由50:50的腺体与脂肪混合物制成的仿体中。仿体的总厚度为4.5cm。
图30还示出了当x射线束进入仿体一路穿过块和仿体到达成像探测器中的一维成像过程的示意性描述，其中透射的x射线强度被转换成灰度计数的积分值(在这种情况下，强度是到达每个探测器像素的x射线能量的总和)。每个像素中的电子器件将这个能量总和转换为0到7000之间的数，其中7000表示电子器件饱和之前允许的最大能量总和。该数字转换产生的数被称为灰度计数)。
图30的a)中的红色水平线所示的数据是通过背景50:50的腺体-脂肪混合物测得的x射线强度B。由黑色曲线所示的数据是通过50:50混合物和1cm块透射的x射线强度W。由于它们的成分不同，变化的步长表示块中x射线吸收的量不同。图30中的曲线b)将信号S定义为W-B，图30的曲线c)将对比度定义为S/B。最佳地用于确定成像系统的可检测性的品质因数是信噪比SNR。对于此处的讨论，SNR被定义为S/噪声，其中噪声是图30的曲线a)中示出的背景强度波动的标准偏差。使用本文描述的技术产生的图像可以利用22keV的x射线和25keV的x射线并在本文中被呈现，并且使用本文描述的技术产生的图像的SNR值和商用宽带x射线乳腺X线照相术机器产生的图像的SNR值被比较。
乳腺X线照相术检查中的辐射暴露受到美国国会于1994年制定的《乳腺X线照相术质量标准法案》(MQSA)的严格监管。MQSA在乳腺X线照相术筛查中将平均腺体剂量(mgd)的极限值设置为3毫戈瑞(mGy)；Gray是焦耳/千克。如下文进一步详细讨论的，这个3mGy的极限值对商用乳腺X线照相术机器的操作有重要影响。乳腺组织由腺体和脂肪(油脂)组织构成。腺体组织的密度(ρ＝1.03gm/cm-3)与脂肪组织的密度(ρ＝0.93gm/cm-3)差别不大，这意味着选择最佳的单色x射线能量来优化SNR并不明显取决于乳腺组织的类型。相反，用于最佳成像的单色能量的选择主要取决于乳腺厚度。与较厚的乳腺相比，较薄的乳腺会使更少的x射线衰减，从而使得x射线的更重要的部分能够到达探测器。这导致更高质量的图像和更高的SNR值。这些考虑提供了在使用常规的商用乳腺X线照相术机器进行乳腺X线照相术检查期间要求乳腺受压的主要原理。
对图29所示的工业标准仿体进行了成像实验，该仿体的厚度为4.5cm并且代表典型的受压乳腺。仿体2900具有50:50的腺体-脂肪组织混合物均匀分布。对于使用22keV和25keV的单色能量获得的CIRS仿体图像，下面将详细讨论SNR和平均腺体剂量。如图32所示，还使用双仿体进行了实验以模拟厚度为9cm的受压的厚实乳腺。双仿体也具有50:50的腺体-脂肪组织混合物均匀分布。对于使用25keV的单色能量的双仿体，呈现SNR和平均腺体剂量。如下文进一步详细讨论的，在这种厚实乳腺模型上获得的高SNR表明单色x射线可以用于检查受压减少或根本没有受压的女性，原因是通常情况下4.5cm厚的受压乳腺相当于8cm至9cm厚的未受压乳腺。
实验表明，对于相同的SNR，单色测量的平均腺体剂量始终低于商用机器的平均腺体剂量。换句话说，对于相同的平均腺体剂量，单色测量的SNR明显高于商用机器的SNR。因此，单色X射线乳腺X线照相术比常规宽带x射线乳腺X线照相术方法具有重大进步，并且对诊断所有女性尤其是乳腺组织厚或密实的女性的乳腺病变具有重要意义。密实的乳腺的特征是腺体组织分布不均匀；这种不均匀性或可变性会在图像中引入伪像，使辨别病变更加困难。如下文进一步详细讨论的，单色成像所提供的提高的SNR使在密实乳腺中存在固有组织变化的情况下更容易看到病变。
图31示出了使用单色Ag K(22keV)和Sn K(25keV)x射线从本文描述的单色x射线源获得的仿体2900的图像和来自使用宽带发射的常规商用乳腺X线照相术机器的图像以及通过软组织块的相应直方图。来自商用机器的图像如图31的(a)所示。100％腺体块的SNR为8.4，平均腺体剂量(mgd)为1.25mGy(1Gy＝1焦耳/千克)。图31中的图像(b)示出了使用22keV的x射线的单色图像，而图31中的图像(c)是使用25keV的x射线获得的。用22keV测量的100％腺体块的平均腺体剂量为0.2mGy，用25keV测量的平均腺体剂量为0.08mGy，两种能量的SNR值为8.7。为了获得与商用机器相同的SNR，使用22keV的单色系统递送降低了6.7倍的剂量，使用25keV的单色系统递送降低了15倍的剂量。
与常规宽带系统相比，单色x射线技术提供的剂量减少具有明显更好的诊断可检测性，原因是SNR可以被提高3倍到6倍的因数，但仍然远低于用于筛查的3mGy的规定剂量限制。例如，在商用机器递送的相同剂量(1.25mGy)下，22keV图像的SNR值将为21.8，而在2.75mGy剂量下，22keV图像的SNR值为32。类似地，使用25keV能量，对于1.25mGy和2.75mGy的平均腺体剂量，SNR值分别为34和51。SNR的这一显著提高的范围对于诊断乳腺组织密实的女性具有巨大优势。如前所述，这种组织非常不均匀，并且与仿体的均匀特性和具有正常密度组织的女性的均匀特性不同，密实乳腺中腺体分布的变化会引入伪影和图像噪声，从而使辨别病变变得更加困难。本文描述的技术提供的更高的SNR可以克服这些问题。
与本文描述的用于产生此处显示的图像的技术结合的单色x射线装置在尺寸和占用空间上均与商用宽带x射线乳腺X线照相术系统相当，首次使用单色性程度为95％的单色x射线产生乳腺X线照相术仿体的低剂量、高SNR的均匀图像。实际上，常规的单色x射线设备甚至不能达到这些单色性程度。
如图32所示，为了模拟厚乳腺的乳腺X线照相术，通过将两个仿体彼此叠放(总厚度9.0cm)来创建厚实乳腺组织的模型，将18-220ACR乳腺X线照相术认证仿体(3200)放置在CIRS模型011A仿体(2900)的顶部上。对于这一系列实验，选择25keV的x射线以优化透射率，同时在由嵌入在CIRS仿体上的1cm块阵列表示的软组织中保持良好的对比度。将25keV的单色x射线的图像与从先前实验中使用的相同的商用宽带乳腺X线照相术机器获得的图像进行比较。所得到的图像以及通过软组织块的对比度的直方图被显示在图33中。
厚实乳腺组织的图像质量优于当前商用宽带系统可获得的任何图像的质量。商用机器递送的剂量为2.75mGy，在100％腺体块中仅达到3.8的SNR。对于0.43mGy的剂量，图33中的单色图像具有SNR＝7.5。商用宽带x射线系统要达到8.5的SNR所需的剂量——放射学家对于在4.5cm厚的较薄组织中成功检测的接受值——将为14mGy，这比用于对正常密度乳腺组织进行成像的商用剂量(1.25mGy)高11倍。这对于筛查来说是非常高且不安全的，并且比规定的MQSA筛查极限值高4.7倍。另一方面，单色系统达到SNR＝8.5所需的剂量仅为0.54mGy，比商用机器所需的剂量低26倍。使用单色x射线所需的剂量是安全的，比规定极限值低5倍多，并且仍然比用于使用商用宽带x射线乳腺X线照相术机器对4.5cm正常厚度的乳腺的剂量低2.5倍。在接近最大允许暴露(2.75mGy)的情况下，将单色x射线机器与商用宽带x射线机器进行比较，单色技术提供5倍高的SNR。在图34中示意性地总结了以上讨论。
在9cm厚的乳腺仿体上进行的测量表明，本文描述的单色技术有助于在乳腺X线照相术筛查期间消除乳腺受压。4.5cm的受压乳腺在未受压时可以厚至9cm。然而商用机器由于乳腺厚度增加而失去了灵敏度，原因是商用机器无法将剂量增加到足够高以维持SNR并仍然保持低于规定的剂量极限值，而单色x射线系统却非常容易提供必要的SNR。作为示例，在单色乳腺X线照相术过程中，女性可能趋向于躺在诊疗台上，该诊疗台被设计成使得她的乳腺能够延伸通过台中的切口。单色x射线系统可以被设计成指引x射线平行于台的底侧。台还通过在台的水平表面的下侧上结合一层铅来有助于为患者提供改进的辐射屏蔽。
发明人已经认识到，本文描述的单色x射线装置的几何形状的空间分辨率对于乳腺X线照相术应用而言是极好的。根据一些实施方式，单色x射线系统具有：760mm的源-探测器距离、具有4mm基部直径和8mm高度的次级靶锥以及像素尺寸为85微米的非晶硅成像探测器。使用本文描述的技术的该示例性单色x射线装置可以容易地解决在CIRS仿体和ACR仿体中直径为100微米至200微米的微钙化。图35和图36示出了相比于使用相同的商用装置获得的图像、使用该示例性单色x射线辐射装置获得的图像和相关联的直方图。对于这些图像，在较早前描述的使用单色25keV的x射线线的双ACR-CIRS仿体(堆叠的2900和3200仿体)实验中测得的微钙化的SNR比商用机器的SNR高50％并且其平均腺体剂量(mgd)比商用机器的平均腺体剂量低6倍。如果要使单色SNR与商用机器中测得的SNR相同，则单色平均腺体剂量(mgd)将是在总共低11倍的基础上另外再小2倍的因数。
简单的几何形状考虑表明，次级锥的有效投影斑点尺寸为1mm至2mm。图37示出了通过被嵌入在CIRS仿体中的线对靶测得的强度扫描的直方图。线对靶的间距范围从每毫米5条线到高达每毫米20条线。最上面的四个直方图显示：使用上面简要描述的4mm次级锥对18keV、21keV、22keV和25keV的能量进行扫描，可以辨别出高达每毫米9条线的交替强度结构，这与110微米的空间分辨率FWHM一致。18keV能量仍然可以以每毫米10条线来辨别结构。图37中的底部直方图是使用常用的商用宽带乳腺X线照相术系统通过同一线对集合体的强度扫描。商用系统辨别结构的能力无法超过每毫米8条线。这种性能与系统的调制递送函数(MTF)一致，该调制递送函数通常被用来描述成像系统或部件的空间频率响应的特性。如图38所示，它被定义为在给定空间频率下相对于低频的对比度。在9条线/mm处的值0.25与具有直接探测器系统的其他系统相当，并且优于扁平面板探测器。
根据一些实施方式，本文描述的示例性单色系统在连续模式下以高达2000瓦的功率运行，即，主阳极被水冷却，高压和丝电流连续开启，并且使用计时器控制的机械快门获得图像。图20中的x射线通量数据以及图31和图33中所示的仿体图像为在不同压缩厚度的乳腺组织中在特定照射时间内获得期望的信噪比所需的功率提供了缩放准则。在图39中，针对压缩厚度为4.5cm(50:50腺体-脂肪混合物)，对使用Ag的次级材料的4mm锥组件和8mm锥组件进行了比较。对于由Sn制成的4mm锥、8mm锥，在图40中对如通过上述实验定义的压缩厚度为9cm(50:50腺体-脂肪混合物)的功率需求进行了比较。
结果表明：在5秒钟的曝光中使用4mm锥在初级中消耗9.5kW的功率可以实现在对嵌入在正常乳腺密度被压缩至4.5cm的CIRS仿体中的100％腺体块的测量中获得的8.5的SNR(图39顶部)；如果使用8mm锥，则需要3.7kW(图39底部)。在这两种情况下，源到探测器(S-D)距离为760mm。如果需要2秒钟，则如果使用8mm锥或者可以以471mm而不是760mm的源到探测器(S-D)距离使用4mm锥，那么需要9.2kW。由于空间分辨率依赖性与S-D呈线性关系，因此使4mm锥移动到更靠近样品的位置只会使空间分辨率降低1.6倍，但仍然比以760mm的源到探测器(S-D)距离使用8mm锥更好。通常，在空间分辨率和照射时间之间需要做出权衡，这将决定以两个源到探测器距离使用4mm锥或8mm锥的实施方式是否最适合应用。此数据用作设计单色x射线源的指导，并且不排除其他各种靶尺寸和源到探测器距离的可能性。
对于被压缩到9cm的厚实乳腺组织，SNR对功率的依赖性如图40所示。使用源到探测器距离为471mm的4mm Sn锥或源到探测器距离为760mm的8mm锥的情况下，在11kW下曝光7秒可以产生8.5的SNR。在对被压缩至4.5cm的正常密度乳腺组织的女性进行筛查时，常规的宽带商用乳腺X线照相术系统必须递送14mGy的剂量以达到这个相同的SNR，而单色系统在25keV时只能递送0.54mGy——低26倍的因数——但仍然比由商用机器递送的1.25mGy的常规剂量低2.3倍。
本发明人已经认识到在紧凑型x射线发生器中使单色X射线强度最大化对于医学成像中的应用的重要性。增加的强度允许更短的曝光，这减少运动伪影并提高患者舒适度。可替选地，可以使用增加的强度来提供增加的SNR，以实现对不太明显的特征的检测。存在三种增加单色通量的基本方法：1)通过靶的几何形状使荧光效率最大化，2)在稳态模式下提高初级上的总功率输入，以及3)在脉冲模式下增加初级上的总功率输入。本发明人已经开发出了用于增加与每个对应的单色通量的技术。
关于经由靶的几何形状来提高荧光效率(其涉及增加由次级靶产生的荧光x射线的量以及/或者减少由次级靶吸收的荧光x射线的量)，在分析x射线荧光现象时本发明人认识到，常规的固态次级靶导致在产生从次级靶发射的单色荧光x射线通量时效率低。具体地，通过从初始靶发射的轫致辐射谱和特征线来描述入射在次级靶(例如，在前面描述的次级靶)上的宽带x射线。例如，图21示出了由金(Au)初始靶(阳极)在100kVp阴极-阳极电压下发射的谱2100，分别包括轫致辐射发射2100c以及特征金L和K壳层发射2100a和2100b。在图21中还分别示出了关于Ag(25keV)和Sn(29keV)的K吸收边缘2110a和2110b。从相应吸收边缘能量延伸到100keV的水平箭头21l5a和21l5b示出了谱2100中能量高于相应吸收边缘的光子，因此这些光子是用于分别从Ag靶和Sn靶诱发X射线荧光的候选者。
如在前面讨论的，当光子被原子吸收并且电子从原子中被射出时，就会发生荧光。当原子的内壳层中的空位被来自外壳层的电子填充时，从原子发射特征荧光x射线，其能量为相应壳层的两个结合能之间的差(即，电子从其离开的外壳层的结合能与空位被填充的内壳层的结合能之间的差)。光子将被次级靶材料吸收的概率近似地随光子能量的三次方而减小，因此次级靶中的吸收长度随光子能量而增大。例如，在Ag的最初60微米中将吸收40keV光子中的63％，而分别需要170微米和360微米以吸收60keV和80keV光子中的63％。发明人已经认识到，由于随着光子能量的变化而使吸收概率下降并且吸收长度增加，因此常规固态次级靶呈现出显著降低的荧光x射线通量，原因是次级靶本身吸收在次级靶内部产生的大量荧光X射线。
图41示意性地示出了该原理。具体地，在图41中，两个示例性x射线光子41l5a和41l5b入射在固态次级靶4120上。例如，x射线41l5a和41l5b可以从被来自图9中示出的x射线源的初始级的阴极的电子轰击的初始靶被发射(例如，由初始靶910响应于从阴极905发射的电子907而发射的x射线915)。参照图21中所示的示例谱，x射线4115a和4115b可以是从包括金表面的初始靶发射的x射线，因此，示例性x射线4115a和4115b的能量高于初始靶材料的吸收边缘(例如，高于银的吸收边缘2110a并且高于锡的吸收边缘2110b)，因此它们都是用于产生次级靶材料的荧光x射线特征的候选者。
如图41所示，x射线光子41l5a在次级靶4120的表面附近被吸收，从而允许由吸收事件产生的荧光x射线4125a在被吸收之前逃逸出次级靶4120(例如，x射线光子4115a可能相对靠近次级靶材料的吸收边缘，因此在表面附近被吸收的概率较高)。因此，荧光x射线4125a有助于从次级靶发射并且可以被用于执行成像的单色x射线通量。也就是说，因为原始吸收事件发生在次级靶4120的表面附近，所以单色荧光x射线4l25a离开次级靶4120。
另一方面，x射线光子41l5b在被吸收之前进一步渗透到次级靶4120中(例如，x射线光子41l5b可能具有进一步远离次级靶材料的吸收边缘的能量，因此被吸收到表面附近的概率较低)。由于在次级靶的内部被吸收，因此荧光x射线4l25b被次级靶4120吸收并且被阻止对从次级靶发射并且可用于成像的单色x射线通量作出贡献。也就是说，由于原始吸收事件在次级靶4120的内部发生得较深，因此单色荧光x射线4l25b在它可以离开次级靶4120之前被吸收。
发明人已经认识到，常规的固态次级靶的几何形状实际上阻止大量的荧光x射线离开次级靶并对可用的单色x射线通量作出贡献，并且发明人已经认识到不同的几何形状将允许要从次级靶发射的单色x射线通量的显著增加。因此，发明人已经开发了如下次级靶几何形状，该次级靶几何形状显著地降低由次级靶荧光发射的单色x射线将被次级靶吸收的概率，从而增加从次级靶发射并且可用于执行成像的单色x射线通量。
根据一些实施方式，次级靶的几何形状增加在次级靶的表面处或在次级靶的表面附近发生原始吸收事件的概率。例如，根据一些实施方式，x射线光子必须在次级靶的表面附近被吸收的机会的数量被增加。作为另一示例，根据一些实施方式，x射线光子必须在次级靶的充分远离次级靶的表面的内部内被吸收的机会的数量被减少和/或被削减。发明人已经认识到，可以通过使用包括一个或更多个材料层的次级靶代替如常规地所使用的固态块状靶来获得上述益处。层在本文中是指被设置为例如片、箔、涂层、膜或板的材料，与被设置为块状材料的常规固态靶相比，所述材料可以被施加、沉积或以其他方式被生产成相对薄。根据一些实施方式，次级靶包括多个层，每个层提供入射的x射线要在次级靶的表面处或在次级靶的表面附近被吸收的机会，其一些说明性示例在下面进一步详细被讨论。
图42示出了根据一些实施方式的被配置成增加从次级靶发射的单色x射线通量的次级靶的截面。在图42所示的示例中，次级靶4220可以具有与图41所示的固态靶4120大体上相同的形状和尺寸。然而，代替被构造为固态靶(例如，作为块状材料)，次级靶4220被构造为次级靶材料的锥形壳4220a。术语“壳”在本文中用于指代形成给定几何形状(例如，锥形壳、截头锥形壳、圆柱形壳等)的一个或更多个层。壳可以是敞开的或封闭的，并且可以以任何合适的形式(例如，作为箔、片、涂层、膜、板或其他材料层)被设置，其示例在下面进一步详细地被描述。
示例性次级靶4220可以是期望的次级靶材料的箔构造的次级靶。术语“箔”在本文中是指可以根据期望的几何形状设置的薄的材料层，其进一步的示例在下面被讨论。由于次级靶4220的分层性质(例如，经由箔构造)，次级靶4220的内部4222为穿透锥形壳的层的x射线提供大体上无阻碍的传输路径。例如，内部4222可以是空气，或者可以包括对x射线辐射基本上透明的材料(例如，如下面进一步详细讨论的，内部可以包括用于支承次级靶材料层(例如，箔)的基层，或者内部可以是以其他方式例如经由溅射或其他涂覆或沉积技术在其上施加次级靶材料的基层)。
与图41所示的x射线41l5a一样，x射线42l5a在次级靶4220的表面处或在次级靶4220的表面附近经历初始(也被称为原始或第一)吸收事件，因此，荧光x射线4225a在它可以被吸收之前(即，在第二吸收事件发生之前)从次级靶被发射。在图42所示的示例性实施方式中，x射线42l5a在锥形壳4220a的材料厚度内被吸收。同样，像图41所示的x射线41l5b一样，x射线4215b穿透到次级靶4220的内部。然而，由于内部4222由对x射线基本透明的主题(例如，空气、塑料、碳纤维等)制成，因此x射线42l5a被透射通过内部并且甚至在次级靶4220的另一个表面(即，锥形壳4220a的另一侧上的材料层)处或在次级靶4220的另一个表面(即，锥形壳4220a的另一侧上的材料层)附近而不是如在图41中所示的常规固态次级靶4120的情况下在次级靶的内部中经历初始吸收事件。具体地，x射线4215被透射通过锥形壳4220a的一层和内部4222，并且被锥形壳4220a的另一侧上的材料层吸收。由于该初始吸收事件发生在次级靶4220的表面处或次级靶4220的表面附近，因此响应于该吸收事件而产生的荧光x射线4225c离开次级靶4220，并且有助于从次级靶发射的单色通量。
发明人已经认识到次级靶的材料层的厚度影响荧光x射线产生的效率。尽管相对于固态次级靶而言，增加荧光x射线通量的次级靶层的任何厚度都可能是合适的，但是通常可以通过考虑x射线透射和吸收的物理性质来优化材料层的厚度。图43示意性地示出了与具有厚度t的材料层相关的x射线吸收和荧光发射事件。参照图43，被透射通过薄的材料层(例如，箔)的x射线的强度Itransmit可以被表示如下：
Figure BDA0002709521140000361
在式(1)中，Eincident是入射x射线的能量，μ是在能量Eincident处的吸收系数，t是次级靶层的厚度，θ是该层相对于竖直方向的顶角。在材料层中被吸收的x射线的量Iabsorb在下面的式(2)中被表示如下：
Figure BDA0002709521140000362
吸收的x射线将产生如上面讨论的次级靶的吸收材料的荧光x射线特征。起源于位置t/cos(θ)并从次级靶逃逸的荧光x射线的量在下面的式(3)和(4)中被表示如下：
Figure BDA0002709521140000363
Figure BDA0002709521140000364
在式(3)和(4)中，Fε是荧光x射线产生的效率。因此，存在材料层的厚度t，其使逃逸的荧光x射线的强度最大化。这可以被归一化为比率Iescape/IincidentFε，如下面的式(5)中所示：
Figure BDA0002709521140000365
使用上式，分别获得图44A和图44B中所示的曲线图4400a和4400b。曲线图4400a和4400b示出了：在分别使用银(Ag)和锡(Sn)作为次级靶材料层的情况下，在许多示例性入射x射线光子能量下，荧光x射线发射(即，离开次级靶材料层的荧光x射线强度)随着材料厚度的变化。具体地，曲线图4400a示出了：对于40keV、50keV、60keV、80keV和100keV的示例性初级x射线能量，荧光x射线发射随着Ag材料层的厚度的变化，该Ag材料层相对于竖直方向以14度的顶角(即，θ＝14度)被布置。类似地，曲线图4400b示出了：对于相同布置(几何形状)但使用Sn材料层的荧光x射线发射。如曲线图4400a和4400b所示，在不同的初级x射线能量下的每条曲线呈现了与用于相应材料层的最佳厚度对应的峰值。如所示的，在每个示例性能量下的最佳厚度在相对窄的范围内。具体地，对于Ag层，用于每个能量范围的最佳厚度在17微米和19微米之间；对于Sn层，用于每个能量范围的最佳厚度在24微米和25微米之间。
因此，发明人已经认识到，在用于次级靶的这些范围内选择厚度可以在广泛的入射x射线能量范围内提供出色的荧光x射线发射特征。然而，应当理解的是，也可以使用最佳范围之外的厚度，原因是这些方面不限于选择任何特定范围内的值，更不用说用于特定次级靶材料的最佳范围。也就是说，在最佳范围内选择厚度可以产生具有更好的荧光x射线发射特征的次级靶，其一些示例在下面进一步详细地被讨论。因此，可以基于材料类型、单色x射线源的操作参数和/或单色x射线的预期应用来选择次级靶材料层的厚度。例如，铀的荧光发射与厚度曲线具有与约60微米的最佳厚度对应的峰值，但是该特征曲线比图44A和图44B所示的Ag和Sn的特征曲线更宽，从而提供了呈现出显著改善的荧光x射线发射特征的大得多的厚度范围。作为另一示例，钼在其发射与厚度曲线中具有与约13微米对应的特征峰值。材料厚度的选择也可以基于单色x射线源的操作参数。例如，当使用更高功率的装置来转换更多所发射的更高能量的x射线时，较厚的材料层可能是优选的。因此，示例性次级靶材料层的范围可以从5微米或更小(例如，低至微米)直至200微米或更大。作为示例，用于乳腺X线照相术诊断应用的典型次级靶材料厚度可以在约10微米或更小到50微米或更大的范围内。还可以基于所提供的材料层的数量来选择次级靶材料厚度(例如，材料厚度可以被减小并且附加层可以被添加)，以获得期望的荧光x射线发射特征。
图45A示出了示例性次级靶4520，其几何形状类似于图42中所示的次级靶4220。具体地，次级靶4520是Sn的锥形壳，其总封闭角为28度(即，相对于竖直方向14度(θ＝14°)的顶角的两倍)，其基部处的宽度为4毫米(b＝4mm)，材料厚度为25微米(t＝25μm)。次级靶4520(和图45B中的4520’)被定向成：顶点在次级靶的远端侧并且基部在靶的近端侧。术语“远端”和“近端”在本文中是指更靠近和更远离单色源的出口孔(例如，图45B中所示的出口孔4544)的端或侧。因此，次级靶的远端侧或远端是与被称为近端侧或近端的相对侧相比更靠近出口孔的侧。在图45A中，次级靶4520的远端由箭头4247指示，次级靶4520的近端由箭头4245指示。类似地，术语“远端地”和“近端地”在本文中是指朝向和远离出口孔的相对方向(例如，分别在由箭头4247和4245指示的方向上)。
来自图45A中所示的示例性次级靶的荧光x射线发射被模拟和实验地测量，其结果分别被示出在图46和图47中。具体地，对于模拟，基于单色x射线源的模型使用上式来计算x射线荧光，该单色x射线源被用来产生用于下面讨论的相应实验的实际x射线荧光发射。另外，对于相同尺寸的常规固态Sn次级靶(即，顶角为14度且基部为4mm的锡的固态锥)，以相同的方式模拟(即，通过计算确定)荧光x射线发射。模拟的来自Sn箔次级靶(例如，次级靶4520)和固态Sn靶的荧光x射线发射在下面将进一步详细讨论的图46中被示出。
为了获得实验测量，使用具有如图45A所示的次级靶4520a的近似尺寸的Sn箔来构造锥形壳次级靶4520’。具体地，如由图45B中所示的次级靶4520’示意性地示出的，形成约25微米厚的Sn箔锥形壳，其基部宽度约为4mm并且顶角约为14度。Sn箔次级靶被定位在载体内并被插入单色x射线源(即，如由本文中描述的示例性单色x射线源的各方面所体现的单色x射线源)中。具体地，如图45B中示意性地所示，Sn箔靶4520’被定位在载体4540内并被插入铍窗4530中，铍窗4530与包括初始靶4510(镀金的钨)和由环形丝形成的阴极4506的单色x射线源的初始级接口。通过在阴极4506与初始靶4510之间使用80kV以0.33mA的发射电流来操作单色x射线源。使用碲化镉(CdTe)光子计数探测器来检测从单色源发射的荧光x射线。另外，使用基部为4mm的常规出售的Sn靶进行相同的实验以获得x射线荧光测量。如上所述，使用相同物理系统(即，相同的单色x射线源和探测器)的模型和被用来获得实际荧光x射线发射测量的操作参数来执行模拟，以将模拟结果与实际测量进行比较。
图46和图47分别示出了经由上面讨论的模拟和实际实验获得的荧光x射线发射。具体地，模拟的发射4625a和4625b分别示出了用于Sn锥形壳次级靶(即，图45A中示意性示出的次级靶4520)的模拟的Kα和Kβ荧光x射线发射。模拟的发射4625a’和4625b’分别示出了用于Sn固态锥次级靶的模拟的Kα和Kβ荧光x射线发射。类似地，测量的发射4725a和4725b分别示出了针对Sn锥形壳次级靶(即，图45B中示意性地示出的次级靶4520’)测量的实际Kα和Kβ荧光x射线发射，并且测量的发射4725a’和4725b’分别示出了针对Sn固态锥次级靶测量的实际Kα和Kβ荧光x射线发射。如所示的，相对于Sn固态锥次级靶的相应发射，模拟和测量的Sn锥形壳次级靶的荧光x射线发射显著地被增加。值得注意的是，模拟结果与实验结果基本上一致，从而证明了模拟的准确性。
应当理解，上面讨论的次级靶的尺寸仅是示例性的，并且可以根据需要选择次级靶的尺寸。例如，可以基于单色x射线源的要求来选择次级靶的最大直径(例如，次级靶4220的基部的直径)。具体地，次级靶越大，可以产生的单色x射线通量就越大。然而，次级靶越大，荧光x射线源的“光斑大小”就越大，从而导致所得图像的空间分辨率降低。因此，通常在增加或减小次级靶的大小上要进行折中(即，次级靶越大，荧光x射线强度越大；次级靶越小，所得到的空间分辨率越好，所有其他操作参数保持不变)。因此，对于荧光x射线强度可能比最佳空间分辨率更重要的应用而言，较大的次级靶——例如，最大直径为8mm、10mm、15mm或更大的次级靶——可能是优选的。相比之下，对于空间分辨率极为重要的应用而言，较小的次级靶——例如，最大直径为4mm、2mm、1mm或更小的次级靶——可能是优选的。如本文中的附图所描绘的，最大直径指的是次级靶最大的宽度(例如，在与次级靶的纵轴正交的方向上)。例如，无论其基部是远端地还是近端地被定向，锥形、圆柱形或螺旋形壳的最大直径都对应于壳在其基部处的直径。
根据一些实施方式，次级靶的最大直径小于或等于约10mm且大于或等于约8mm；根据一些实施方式，次级靶的最大直径小于或等于约8mm且大于或等于约6mm；根据一些实施方式，次级靶的最大直径小于或等于约6mm且大于或等于约4mm；根据一些实施方式，次级靶的最大直径小于或等于约4mm且大于或等于约2mm；根据一些实施方式，次级靶的最大直径小于或等于约2mm且大于或等于约1mm。根据其他实施方式，次级靶的最大直径大于10mm；根据其他实施方式，次级靶的最大直径小于1mm。
应当理解，上述尺寸仅是示例性的，并且可以使用更大或更小的次级靶，原因是这些方面在这方面不受限制。另外，可以以其他方式——例如，通过改变高度(即，平行于纵轴的方向上的最大尺寸)与基部的纵横比(例如，高度与最大直径之比)——来改变次级靶的大小。纵横比的变化通常导致顶角的相应变化。因此，应当理解，可以根据需要选择从0度(即，竖直层)到90度(即，水平层)范围内的不同顶角，原因是这些方面在这方面不受限制。
根据一些实施方式，次级靶的纵横比(例如，使用上面讨论的示例性直径中的任何直径)在1:2和1:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在1:1和2:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在2:1和3:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在3:1和4:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在4:1和5:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在5:1和6:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在6:1和7:1之间；根据一些实施方式，次级靶的纵横比在7:1和8:1之间。还应当理解，以上纵横比是示例性的，并且可以选择其他纵横比，原因是这些方面在这方面不受限制。
如上所述，如上面的模拟和实验所证明的，使用次级靶材料层代替固态靶可以显著地增加荧光x射线通量。然而，发明人已经认识到，即使在次级靶材料的最佳厚度下，入射x射线的某些部分仍然将穿过次级靶而不会被次级靶吸收，因此丧失了从这些透射的x射线产生单色x射线的可能性。例如，图48示出了与图42所示的次级靶4220相似或相同的锥形壳次级靶4820。如所示的，虽然一些入射x射线被转换成荧光x射线，但许多入射初始x射线却穿过了次级靶而没有被吸收。因此，丧失了从这些透射的x射线生成单色荧光x射线的可能性(例如，从初始靶发射的入射x射线4815a至4815f被透射通过次级靶4820而没有被吸收)。
发明人已经认识到，通过包括附加的次级靶材料层，可以将更多可用的入射x射线(例如，从初始靶发射的宽带x射线)转换成单色荧光x射线，从而为x射线在次级靶的表面附近经历初始吸收事件提供额外的机会。更特别地，发明人已经认识到，使用多个次级靶材料层增加入射x射线的总吸收概率，同时保持所得到的荧光x射线离开次级靶的短路径长度。这种多层几何形状还可以更好地利用入射宽带谱中存在的更高能量的x射线(即，轫致辐射谱中的更高能量的光子)，该更高能量的x射线通常会在固态次级靶的内部深处被吸收，在固态次级靶的内部深处，所得到的荧光x射线逃逸的可能性非常低(即，离开次级靶以有助于单色x射线通量)。根据一些实施方式，使用多个嵌套的次级靶材料层以增加从次级靶的单色x射线通量发射。
图49A和图49B示出了示例性次级靶的截面，该示例性次级靶包括嵌套的锥形壳，该嵌套的锥形壳提供多个次级靶材料层以增加在次级靶材料的表面处或次级靶材料的表面附近发生吸收事件的概率。具体地，次级靶4920包括外部锥形壳4920a和内部锥形壳4920b，在图49A和图49B所示的实施方式中这二者均基本上被形成为锥形形状。通过嵌套多个壳，在入射在次级靶上的x射线的传输路径中设置附加的次级靶材料层，从而增加入射x射线将在多个次级靶材料层之一中经历初始吸收事件的机会的数量，并且因而增加入射x射线将在多个次级靶材料层之一中经历初始吸收事件的概率。因为多个层中的每一个相对薄(例如，在相应材料的最佳范围内)，所以在次级靶材料的表面处或次级靶材料的表面附近发生的初始吸收事件的数量增加，从而增加了离开次级靶的单色x射线通量的量。
根据一些实施方式，多个层中的每一层具有落入最佳范围内的厚度，例如，如以上文所讨论的方式确定的通常使所使用的相应类型的材料的荧光x射线发射最大化的厚度。然而，应当理解，多个层的厚度可以在最佳范围之外，并且多个层的厚度可以是任何厚度，原因是这些方面在这方面不受限制。另外，多个层可以具有相同、基本上相同或不同的厚度。例如，在图49A和图49B所示的实施方式中，外部锥形壳4920a和内部锥形壳4920b可以被构造成具有相同的厚度(或基本上相同的厚度)或者可以被构造成具有不同的厚度，原因是这些方面在这方面不受限制。
如上所述，使用嵌套的锥形壳会增加入射x射线将被次级靶吸收的概率。例如，将图48和图49A进行比较，透射通过次级靶4820的宽带x射线48l5a、48l5c、48l5d、48l5e和48l5f被次级靶4920吸收，更具体地，透射通过次级靶4820的宽带x射线48l5a、48l5c、48l5d、48l5e和48l5f被内部锥形壳4920b吸收，从而产生具有离开次级靶4920的可能性的附加荧光x射线。然而，发明人认识到，尽管次级靶材料层为宽带x射线提供经历初始吸收事件的额外机会，但是附加层也为所得到的荧光x射线在离开次级靶之前被吸收提供了进一步的机会。例如，如图49B所示，透射通过次级靶4820但被内部锥形壳4920b吸收的宽带x射线48l5d和48l5e产生荧光x射线4925d和4925e，其在离开次级靶之前被次级靶4920的材料层吸收。也就是说，因为在图42、图48和图49中示出的示例性嵌套锥形壳的远端通常是闭合的，因此一些量的荧光x射线将被吸收并被阻止离开次级靶。因此，尽管宽带x射线48l5d和48l5e在次级靶4920的表面处或次级靶4920的表面附近(即，在内部锥形壳4920b的表面处或内部锥形壳4920b的表面附近)经历了初始吸收事件，但是所得到的荧光单色x射线4925d和4925e在离开次级靶4920之前分别被内部锥形壳4920b和外部锥形壳4920a吸收。
为有助于进一步增加离开次级靶的荧光x射线通量，本发明人已经开发了如下几何形状，所述几何形状降低荧光x射线在离开次级靶并有助于单色x射线通量之前将被次级靶材料吸收的概率。根据一些实施方式，次级靶被构造成：在至少一个次级靶材料层中具有一个或更多个开口，以允许荧光x射线无阻碍地离开次级靶(即，不必穿过另外的材料层)。例如，次级靶的远端可以敞开或部分地敞开，以允许响应于入射x射线的初始吸收事件而产生的至少一些荧光x射线的无阻碍透射。根据一些实施方式，一个或更多个锥形壳可以被倒置以减少对荧光x射线透射的阻碍(例如，一个或更多个锥形壳层可以被布置成其顶点在次级靶的近端侧上)。根据一些实施方式，圆柱形或螺旋形壳被设置成使次级靶的远端大体上敞开。下面进一步详细地讨论具有敞开的几何形状的次级靶的一些说明性示例。
图50A示出了包括嵌套壳5020a和5020b的次级靶5020，其中，外部壳5020a被构造为在远端敞开的截头锥形(frustoconical)壳，从而为次级靶内部的层处产生(例如，由于内部锥形壳5020b的宽带x射线吸收而产生)的数量增加的荧光x射线提供无阻碍的透射路径。与由图49A和图49B中所示的次级靶4920吸收的示例性荧光x射线相比，荧光x射线4925e经由截头锥形壳5020a的敞开远端无阻碍地离开次级靶5020，而不是被外部壳(例如，图49A和图49B所示的次级靶4920的外部锥形壳4920a)吸收，从而使通过次级靶5020发射的荧光x射线通量增加。然而，荧光x射线4925d仍被内部锥形壳5020b吸收。
图50B示出了次级靶5020’，在次级靶5020’中，内部壳和外部壳(例如，内部壳5020b’和外部壳5020a)都是截头锥形的，从而提供了从两个壳的内部的至少一些无阻碍的传输路径，并且从而降低了荧光单色x射线将被次级靶吸收的概率。例如，在图50a中被示出为被内部锥形壳5020b吸收的荧光x射线4925d经由内部截头锥形壳5020b’的远端处的开口无阻碍地离开。因此，通过敞开一个或更多个嵌套壳，可以降低荧光x射线被次级靶吸收的概率。然而，应该认识到，截头锥形壳降低了荧光x射线吸收的概率，但是也减小了可用于入射x射线(例如，由初始靶发射的宽带x射线)的初始吸收事件的次级靶的表面积，从而有可能减少通过次级靶产生的荧光x射线的数量。发明人已经认识到，通过倒置次级靶的一个或更多个锥形壳，可以增加无阻碍的传输路径的量但没有相应的表面积损失。
图51示出了次级靶5120，在次级靶5120中，外部壳已经被倒置以减小由次级靶的材料层产生的荧光x射线也将被那些层吸收的概率。具体地，使用内部锥形壳5120b(例如，几何形状类似于图49A、图49B和图50A所示的示例性内部锥形壳的锥形壳)来构造次级靶5120。外部壳5120a由锥形或截头锥形的壳形成，该锥形或截头锥形的壳相对于内部锥形壳5120b被倒置，从而为通过次级靶5120产生的(例如，响应于从初始靶吸收宽带x射线而产生的)数量增加的荧光x射线提供无阻碍的传输路径。通过使外部壳5l20a倒置(例如，通过使外部壳被定向成：使得壳的顶点侧位于次级靶的近端处或朝向次级靶的近端，而不是使得壳的顶点侧位于次级靶的远端处或朝向次级靶的远端)，荧光x射线吸收的概率可以被降低，但不会减小可用来吸收初始x射线(例如，由初始靶发射的宽带x射线)的次级靶的表面积。因此，如下面进一步详细说明的，示例性次级靶5120的大致“W”形的几何形状有助于显著增加由次级靶发射的荧光x射线强度。
图52示出了次级靶5220，在次级靶5220中，内部壳和外部壳都已经被倒置，使得相应壳的顶侧被定向成朝向次级靶的近端。具体地，使用如下内部锥形壳5220b构造次级靶5220，所述内部锥形壳5220b的顶点指向次级靶的近端(即，相对于次级靶5120的内部锥形壳5120b的取向通常是倒置的)，并且外部壳5220a也被定向成在示例性次级靶5220的外部壳5120a的方向上朝向近端。作为使用敞开几何形状的另一变型，图53示出了次级靶5320，在该次级靶5320中，外部壳5320a和内部壳5320b均具有大致锥形的形状，并且它们的相应顶点被定向成指向次级级的近端。要注意的是，尽管图51、图52和图53中示出的示例性次级靶具有两个嵌套的壳，但是可以使用任何数量的壳，包括单个壳(例如，图45B所示的示例性次级靶4520b的单个锥形壳可以被倒置，使得其顶点指向次级靶的近端而不是朝向远端，可选地，基部是敞开的)。
基于发明人提供的见解，许多其他敞开的几何形状也是可能的。例如，图54A至图54C示出了由大致圆柱形壳形成的示例性次级靶。具体地，示例性次级靶5420和5420’是使用在远端处敞开的外部圆柱形壳5420a和内部圆柱形壳5420b构造的，以降低从宽带x射线的初始吸收所产生的荧光x射线被次级靶吸收的概率。图54B示出了次级靶5420和5420’的俯视图，该俯视图示出了外部圆柱形壳5420a和内部壳5420b。如进一步示出的，图54A所示的次级靶5420在次级靶的近端处包括次级靶材料(例如，内部壳和外部壳可以在近端处闭合或基本上闭合)，而图54C所示的次级靶5420’在近端处敞开。如以上结合锥形或截头锥形壳所讨论的，可以使用任何数量的圆柱形壳来构造次级靶，原因是这些方面在这方面不受限制。
作为另一大体上敞开的几何形状的变型，图55A至图55C示出了使用螺旋几何形状构造的次级靶。具体地，图55A中所示的次级靶5520包括圆柱形螺旋5520a，图55C中所示的次级靶5520’包括锥形螺旋5520a’。尽管在图55C中示出了锥形螺旋，但是截头锥形(未示出)螺旋可能更容易被制造。图54B示出了次级靶5520和5520’的截面的俯视图，其示出了次级靶的特征螺旋几何形状。与嵌套壳的数量一样，螺旋几何形状可以具有任意数量的圈数，以提供所需数量的次级靶材料层，从而为入射宽带辐射在次级靶的表面处或次级靶的表面附近经历初始吸收事件提供足够的机会(即，要被形成次级靶的材料层之一吸收的足够的机会)，原因是这些方面在这方面不受限制。
上文中描述的许多示例性次级靶包括次级靶的近侧上的次级靶材料(例如，图42所示的次级靶4220的侧4220c)。然而，作为替选，次级靶的近侧可以被保持敞开和/或大体上没有次级靶材料。例如，图56至图59示出了次级靶5620、5720、5820和5920，这些次级靶在次级靶的近侧上基本上是敞开的。这可以简化次级靶的构造。
如也在前文中所讨论的，多个层可以被用来增加宽带x射线将被吸收的概率，并且可以采用任何数量的层。例如，图60A至图60C以及图61A至图61C分别示出了使用锥形几何形状和倒置的锥形几何形状配置有不同数目的次级靶材料层的次级靶。具体地，图60A示出了单个锥形壳次级靶6020，其中穿过次级靶(例如，沿着与单色x射线源的纵轴6055正交的轴6053)的x射线通常遇到两个次级靶材料层。图60B所示的次级靶6020’由两个嵌套的锥形壳构成，因此为穿过靶的x射线提供了四个次级靶材料层，而图60C所示的次级靶6020”由三个嵌套的锥形壳构成，这些嵌套的锥形壳层提供六个次级靶材料层，从而为宽带x射线被吸收提供了机会。
类似地，图61A至图61C示出了使用敞开的(例如，倒置的壳)几何形状构造的次级靶。具体地，使用大致“W”形状来构造图61A中所示的次级靶6120，从而提供四个次级靶材料层以吸收入射的宽带x射线(例如，次级靶6120在与次级靶的纵轴正交的方向上包括四个单独的层，使得许多(如果不是大多数)入射的x射线将有四次机会经历初始吸收事件)。分别在图61B和图61C中示出的次级靶6120’和6120”由嵌套的倒置的锥形壳构造，这两个次级靶均提供了能够吸收入射的宽带x射线辐射的六个次级靶材料层。参照图55C，使用螺旋几何结构构造的次级靶5520’提供七个次级靶材料层，这七个次级靶材料层能够吸收从初始靶发射的初始x射线以产生荧光x射线。如上所述，本文中示出的次级靶是示例性的，并且可以使用任何数量的层来构造次级靶，原因是这些方面在这方面不受限制。增加层的数量可以促进将更多的高能量入射x射线转换为荧光x射线。
如由图60A至图60C以及图61A至图61C中示出的示例性次级靶所示，每个相继的壳具有不同的顶角(例如，由于具有不同的纵横比)。顶角的这种变化在图60D和图60E中由示例性次级靶6220和6220’更清楚地示出，其中使用相对较宽的顶角来构造大致锥形的壳。具体地，图60D中示出的示例性靶6220的外部壳6220a具有约60度的顶角，而内部壳6220b具有约30度的顶角。从相对大的顶角到较小的顶角的进展还可以通过图60E中所示的示例性次级靶6220’的外部壳6220a’、中间壳6220b’和内部壳6220c’的减小的顶角被看到。图60F示出了具有多个嵌套的壳的示例性次级靶6220”，其中，对于外部壳6220a”和内部壳6220b”二者，顶角基本上是相同的。应当理解，根据一个或更多个壳的几何形状，次级靶可以被构造成具有任何期望的一个或多个顶角，包括0度(即，例如通过图54A至图54C所示的圆柱形壳或通过沿水平方向排列次级材料层的平面层产生的竖直层)和90度(即，例如通过使图54A至图54C所示的圆柱形壳旋转90度或通过在竖直方向上以连续层之间具有所需量的间距来堆叠次级靶材料的平面层而得到的水平层)的边界角。应当理解，改变顶角也适用于其他几何形状，包括图61A至图61C中所示的“W”形几何形状。
为了示出使用分层的次级靶的效率，图62示出了：相对于从常规的固态锥次级靶发射的单色荧光x射线通量而言，从使用多个不同几何形状的次级靶发射的单色荧光x射线通量输出。使用银(Ag)作为次级靶材料来模拟图62所示的单色荧光x射线强度，并且利用由17微米厚的Ag箔形成的每个层来模拟分层的次级靶。如图62所示，由固态锥形次级靶6220A发射的单色荧光x射线通量被归一化为1。包括单个锥形壳的次级靶6220B产生的单色荧光x射线强度是常规固态次级靶6220A产生的单色荧光x射线强度的两倍，包括嵌套的锥形壳的次级靶6220C产生的单色荧光x射线强度是常规固态次级靶6220A产生的单色荧光x射线强度的2.5倍。与常规固态锥次级靶6220A相比，包括呈大致“W”形几何形状的倒置的嵌套壳的次级靶6220D提供因数为3.2倍的单色荧光x射线通量。如下面进一步详细讨论的，使用本文中描述的技术产生的单色荧光x射线强度的增加对x射线源的功率要求具有重大影响，从而降低在初始阴极-阳极阶段在单色x射线源的输出端处产生相同的单色x射线通量所需的输入功率。
以上文所讨论的示例性几何形状所设置的次级靶材料可以被设置在支承部或基层上，以提供可以相对容易地处理和定位以形成单色x射线源的次级级的次级靶。图63A和图63B示出了根据一些实施方式的示例性支承次级靶材料。在图63A和图63B所示的示例中，用于次级靶材料的嵌套的锥形壳的支承部6322被设置成：包括用于外部锥形壳6320a的外支承部6322a和用于内部锥形壳6320b的内支承部6322b。外支承部6322a包括基层6324a，内支承部6322b包括基层6324b，可以在基层6324a和基层6324b上施加次级靶材料(例如，金属荧光剂)以分别形成内嵌套锥形壳和外嵌套锥形壳。支承部6322(例如，内支承部6322a和外支承部6322b)可以由任何合适的材料——例如对于入射宽带x射线和由次级靶产生的荧光x射线二者足够透明的原子序数通常低的材料——制成。例如，可以使用碳纤维、尼龙、聚乙烯、氮化硼、铝、硅或任何其他合适的材料来构造支承部。可以使用任何合适的技术——例如，3D打印、加工、材料生长、铸造、成型等——来制造次级靶材料的支承部(例如，支承部6322)。
此外，可以以任何合适的方式将次级靶材料施加到次级靶支承部的基层表面上。例如，可以将薄箔附接或以其他方式固定至支承部的基层，以形成次级靶(例如，以形成内锥形嵌套箔和外锥形嵌套箔)。可替选地，如果独立式箔不是最佳选择，例如，可以使用任何合适的沉积技术如蒸发、溅射、外延生长、电镀或任何其他合适的材料沉积工艺来施加次级靶材料。例如，可能难以以薄箔形式来生产某些次级靶材料，但是可以使用半导体和MEMS制造中通常使用的沉积技术容易地沉积某些次级靶材料。因此，沉积方法使得有可能利用作为独立式薄箔不可获得或不容易加工的用于次级靶的材料，例如，对于x射线乳腺X线照相术有用的锑、碲。适用但不限于心脏或胸部成像的较高Z材料可以由稀土元素(例如，镝、钬)或较高Z元素(例如，钽、钨、铂或贫铀)制成。
可以使用中空锥形支承部6322a和6322b来构造图63A和图63B所示的示例性支承部，但是也可以使用固态支承材料块或固态和中空支承块的组合来形成支承部。如图63B所示，外支承部6322a(除了其上施加有次级靶材料的基层部6324a之外)还包括：基部6324c，其具有凹槽或其他互锁部6324d；以及平台部6324e，其与内支承部6322b一起协作以允许内支承部被正确地定位并被卡扣到位。具体地，平台6324e与内支承部6322b的基部6324f接合，以限制内支承部6322b可以沿箭头6355所示的方向被插入到外支承部6322a中多远。此外，协作部6324g与基部6324c的互锁部6324d接合，以将内支承部卡扣到外支承部，以将内锥形壳6320b嵌套在外锥形壳6320a内，从而形成嵌套的锥形壳次级靶。应当理解，支承部可以由单个整体的材料块形成，或者可以提供以其他方式在其上施加次级靶材料的基层，原因是这些方面在这方面不受限制。
图64和图65示出了两个示例性次级靶，其被布置在位于单色x射线源的窗口内的载体内。具体地，载体6440可以与本文描述的任何载体相同或相似，当容纳次级靶时，载体6440形成单色x射线源的次级级。应当理解，载体6440可以利用本文描述的任何技术。例如，载体6440可以包括阻挡部6444和次级靶(例如，示例性次级靶6420和6520)被定位在其中的透射部6442。阻挡部可以包括如下材料，所述材料阻挡x射线辐射以使得从单色x射线源发射的基本上所有x射线都经由出口孔6544c离开，在前面描述了其细节。如本文中也详细讨论的，透射部6442可以由通常对x射线透明的材料构成。
应当理解，载体6440可以从单色x射线源的第一级被移除，或者可以被提供为单色x射线源的通常不可移除的集成部件。此外，应当理解，在不使用本文描述的示例性载体的情况下，可以以其他方式在单色x射线源中采用分层的次级靶(例如，示例性次级靶6420和6520)。在图64和图65中，示出了位于窗口6430内的示例性载体6440，该窗口6430提供至单色x射线源的初始级——更具体地，初始靶6410——和阴极6406的接口。在图64中，使用嵌套的锥形壳几何形状——例如，在图49A至图49B、图50A至图50B、图60A至图60C等中所示的任何几何形状——来构造次级靶6420。在图65中，使用倒置的或“W”形的几何形状——例如，图51至图53、图61A至图61C等中所示的任何敞开的几何形状——来构造次级靶6520。
参照图65，次级靶6520的倒置的几何形状可以通过例如消除对次级级的载体的至少一部分的需要而允许对载体进行有利的修改。具体地，因为次级靶6520(或其他倒置的几何形状)的最大尺寸在次级靶的远端处，所以该远端可以由载体的远端(例如，载体的阻挡部)支承。因此，在一些实施方式中，可以去除透射部(例如，分别在图13A至图13C和图17A至图17C中示出的透射部1342和1742)，从而移除与来自初始靶的初始x射线、来自次级靶的荧光x射线或来自初始靶的初始x射线和来自次级靶的荧光x射线这二者都可能相互作用的材料。具体地，其上施加有次级材料的支承部或基层也可以提供载体的近端部，该近端部连接至载体的远端或者与载体的远端耦接(例如，在使用这样的技术的实施方式中为阻挡部)。
例如，图66A和图66B示出了用于分层的次级靶6620的载体6640，该分层的次级靶6620具有倒置的几何形状，其中，该靶的最大直径在次级靶的远端侧上。载体6640包括远端部6644，该远端部6644包括出口孔6644c，从单色x射线源穿过该出口孔6644c发射荧光x射线。可以以任何合适的方式来构造远端部，例如，可以由如前所述的阻挡材料构造远端部。载体6640还包括具有次级靶6620的近端部6642。具体地，次级靶本身通常形成载体6640的近端部。例如，如图66B所示，近端部6642可以包括：外支承部6642，其上施加有次级靶材料以形成外部壳6620a；以及内支承部6642b，其上施加有次级靶材料以形成内部壳6620b。
应当理解，可以使用本文描述的任何技术(例如，3D打印、加工、铸造等)来构造支承部6642a和6642b，并且可以使用本文描述的任何材料(例如，对x射线辐射基本上透明的原子序数相对低的材料)来形成支承部6642a和6642b。类似地，可以使用本文描述的任何技术来施加次级靶材料以形成次级靶的层(例如，以形成图66A和图66B所示的示例性外部壳6620a和内部壳6620b)。载体6640的远端部和近端部可以包括协作部，该协作部允许这两个部被耦接。例如，远端部6644可以包括协作部6644d，并且近端部6642可以包括协作部6642d，协作部6644d和协作部6642d可以被可移除地耦接(例如，被卡扣在一起)，从而使得不同的次级靶可以耦接至载体6644的远端部6644。因此，在图66A和图66B中所示的示例性载体6640中，次级靶6620是近端部的一部分，而不是与载体的透射部分离的部件。
如上所述，还可以通过改变单色源的第一级的操作参数——例如，通过增加阴极-阳极电压(例如，图64和图65中所示的丝6406与初始靶6410之间的电压电势)以及/或者通过增加丝电流(该丝电流继而增加由该丝发射的电子的发射电流)——来增加单色x射线发射的强度。为了进一步示出使用分层的次级靶的单色x射线通量增加，图67绘制了使用以下三种不同的次级靶类型在许多不同的阴极-阳极电压下x射线强度与发射电流的关系图：1)具有4mm直径的基部的Ag固态锥(参见线65a、65b和65c)；2)具有8mm直径的基部的Ag固态锥(参见线67a、67b和67c)；以及3)具有4mm直径——即，倒置的壳的远端处的直径——的基部的薄箔“W”形靶(参见线69a、69b和69c)。
如所示的，“W”形几何形状的分层的次级靶在相同的阴极-阳极电压下产生实质上更多的荧光x射线通量，实际上，与4mm固态锥在100kVp下产生的荧光x射线通量相比，“W”形几何形状的分层的次级靶在60kVp下产生更高的荧光x射线通量。尽管8mm固态锥的表面积更大，但分层的次级靶(即，4mm“W”形靶)在60kVp下也比8mm固态锥产生更多的单色x射线通量。因此，就荧光X射线强度产生而言，分层的次级靶提供了优于常规次级靶的显著进步。更具体地，图67中的曲线示出了：对于直径为4mm的锥形基部，具有“W”形几何形状的分层的次级靶提供如下强度，所述强度比来自直径为8mm的固态锥的强度大25％。由于直径为4mm的锥比8毫米固态锥提供更好的空间成像分辨率，因此“W”形几何形状提供了增加的荧光x射线强度，同时保持了直径为4mm的固态锥的空间成像分辨率。
为了增加功率并进一步减少照射时间，可以使用10kW至50kW的功率水平。将具有“W”形几何形状实施方式的分层的次级靶的预计功率要求与图68至图71所示的固态锥形靶的功率要求进行比较，检查了该固态锥形靶并将其与图39和图40中的商用机器进行比较。图39示出了4.5cm的受压乳腺的功率要求，图40示出了9cm的受压乳腺的要求。如图68至图71所示，为实现相同的信噪比，分层的次级靶(“W”形几何形状)的功率要求相比于固态次级靶显著降低，这已经比商用机器有了显著改进。图68和图69示出了对于4.5cm受压乳腺的改进，并且图70至图71示出了对于9cm受压乳腺的改进。
如上所述，为了增加功率并且进一步减少照射时间，可以使用10kW至50kW的功率水平。例如，大功率商用医用x射线管(即，宽带x射线管)中的电子束在撞击以10,000rpm旋转的阳极时具有约1×7mm的扇形形状。由于阳极与电子束成陡峭的角度，因此如观察者看到的，在长方向上投影的斑点尺寸减小到约1mm。对于1秒钟的曝光，可以将扇形束扫描出的整个环面视为电子轰击的入射面。对于直径70mm的阳极，该轨道长度为210mm，因此总入射的阳极表面积约为1400mm2。对于使用直径为36mm、截断高度为6mm的锥形阳极的单色系统，电子的总入射面积为1000mm2。因此，在不损坏阳极材料的情况下，以强医疗源的功率的70％的功率水平进行1秒钟的曝光应该是很容易的；100kW是最高功率医疗源的典型功率。假设非常保守的值是最高功率的50％，则对于短时间曝光，应该可以实现由以50kW操作的复合材料制成的阳极。这比进行厚实和/或密实的乳腺诊断所需要的功率更大，但是如果减小次级锥的有效尺寸成为当务之急，则可以提供显著的灵活性。
在50kW下曝光一秒钟会在阳极上产生50kJ的热量。如果阳极是钨，则比热为0.134J/g/K。为了使温度保持在1000℃以下以免使阳极变形或熔融，阳极质量必须至少为370gm。涂有厚金层的铜的阳极仅必须为130gm。这些参数可以被增加至少2倍到3倍，而不会严重改变源的尺寸或占用空间。对于重复曝光或较长时间曝光，可以主动冷却该系统中的阳极，而旋转阳极系统必须依赖于阳极质量来进行热储集以及通过滑环和缓慢的从真空容器中辐射转移出热量来低效地冷却。可以用水主动冷却上述单色x射线系统。
根据一些实施方式，可以选择初级阳极材料以使来自次级的荧光强度最大化。在迄今为止的测试中，初级的材料是钨(W)或金(Au)。它们分别以59keV和68keV发射特征K发射线。与银的吸收边缘(Ag；25.6keV)或锡的吸收边缘(Sn；29keV)相比，这些能量相对较高，因此使它们在Ag或Sn次级靶中诱导x射线荧光时效率稍差。如果初级电压低于59keV，则这些线甚至可能不会被激励。在这种情况下，仅轫致辐射诱导荧光。可以利用其能量更接近次级的吸收边缘的特征线来选择初级材料，从而增加了x射线荧光的概率。例如，可以使用钡、镧、铈、钐的元素或包含这些元素的化合物，只要它们可以被形成适当的形状即可。所有的熔点都高于1000℃。如果希望以最有效的方式提高超过50keV的单色线的产生，则需要更高的Z元素。例如，可以使用贫铀(K线＝98keV)来有效地诱导Au(吸收边缘＝80.7keV)中的x射线荧光。在以160kV操作初级的情况下，轫致辐射加上特征铀K线可以产生单色Au线，用于胸/胸部成像、颅骨成像或无损工业材料分析。
对于包括乳腺X线照相术的许多x射线成像应用，x射线探测器是集成了吸收的光子的能量的成像阵列。所有光谱信息都会丢失。如果光谱成像仪可用于特定情况，则次级靶可以是多种材料的合成。可以在最少两种能量下执行同时光谱成像，以确定样品的材料特性。即使具有谱功能的成像探测器可用于常规x射线乳腺X线照相术系统中使用的宽带源以用于确定可疑病变的化学成分的目的，使用光谱成像仪也不会减少至组织(或通常样品)的剂量，原因在于：与单色谱相比，宽带源向样品递送更高的剂量。
使用单色x射线辐射的对比增强型乳腺X线照相术优于使用宽带x射线发射。通过以较低剂量选择性地吸收单色x射线，可以显著提高图像细节。靶向造影剂的选择性x射线吸收也将有助于乳腺肿瘤的高度靶向治疗性x射线治疗。迄今为止，在利用来自常规x射线管的宽带x射线发射进行的对比增强型数字乳腺X线照相术成像中，用户试图通过调整滤波并增加电子加速电压来利用诸如碘的试剂中增加的吸收，以产生高于碘的33keV的K吸收边缘的足够的x射线荧光。图72示出了碘的质量吸收随着x射线能量变化的曲线。不连续的跳跃是L吸收边缘和K吸收边缘。如果来自常规源的宽带谱跨越包含这些边缘的能量范围，则造影剂将提供更大的吸收性能。因此，可检测性将提高。
此处讨论的乳腺X线照相术系统中使用的单色辐射为对比度增强成像提供了更多选择。通常，人们可以选择荧光靶来产生仅超过碘吸收边缘的单色能量。从这个意义上说，来自管的单色x射线发射被调整到造影剂的吸收特性。为了进一步改进灵敏度，可以选择两个单独的荧光次级靶，它们将发射能量低于和高于造影剂的吸收边缘的单色x射线。通过有效地消除造影剂未积聚的邻近组织的影响，高于和低于边缘获得的吸收的差异可以进一步改进图像对比度。注意，如果它们同时辐照探测器，则当前在乳腺X线照相术中使用的x射线成像探测器中的大多数没有区分这两种能量的能量分辨率；必须分别连续使用两种不同的荧光靶来进行这两种测量。这肯定是可能的，并已并入我们的系统中。
由于造影剂增强了相对于周围组织的x射线吸收，因此不必选择高于K边缘的单色能量以使吸收最大化。例如，图72示出低于K边缘的Pd Kα21.175keV能量的吸收系数与高于K边缘的Nd Kα37.36keV能量的吸收系数相当。只要造影剂的原子相比于周围组织(C、O、N、P、S；Z<10和痕量的Fe、Ni、Zn等，Z<30)足够重(原子序数，Z>45)，则在将来单色x射线技术增加对造影剂的可能选择。Pd、Ag和Sn的次级靶是该应用的最佳选择。例如，使用低于碘的吸收边缘的单色能量可以更好地利用典型乳腺X线照相术成像探测器的量子吸收效率。37keV(高于碘边缘)处的吸收比22keV(低于边缘)处的吸收低约2倍。较低的能量还可能同时证明在周围组织中具有更好的可检测性。图73示出了3滴Oxilan 350的线性组，Oxilan 350是通过Guerbet叠加在ACR仿体上制造的认可的碘造影剂。每滴中的碘的量约为1mg碘。
因此，已经描述了本公开内容中阐述的技术的几个方面和实施方式，应当理解，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进意图在本文描述的技术的精神和范围内。例如，本领域普通技术人员将容易想到用于执行功能以及/或者获得本文描述的结果和/或一个或更多个优点的各种其他手段和/或结构，并且这样的变体和/或修改中的每一个被认为在本文描述的实施方式的范围内。仅通过常规实验，本领域技术人员将认识到或能够确定本文描述的特定实施方式的许多等同方案。因此，应当理解，前述实施方式仅以示例的方式被呈现，并且在所附权利要求及其等同物的范围内，可以以与具体描述的方式不同的方式来实践本发明的实施方式。另外，如果这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法不相互矛盾，则本文描述的两个或更多个特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合被包括在本公开内容的范围内。
如本文所定义和所使用的所有定义应该被理解为涵盖字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义的术语的普通含义。
除非明确相反地指出，否则本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个(a)”和“一个(an)”应该被理解为表示“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，短语“和/或”应该被理解为是指这样结合的元素中的“一者或两者”，即，在某些情况下结合地存在而在其他情况下分离地存在的元素。用“和/或”列出的多个元素应该以相同的方式被解释，即，如此结合的元素中的“一个或更多个”。除了由“和/或”子句明确标识的元素之外，还可以可选地存在其他元素，无论与那些具体标识的元素相关还是无关。因此，作为非限制性示例，在一个实施方式中，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的引用可以仅指A(可选地包括除B以外的元素)；在另一实施方式中，仅指B(可选地包括除A以外的元素)；在又一实施方式中，指A和B二者(可选地包括其他元素)；等。
如本文在说明书和权利要求书中所使用的，在提及一个或更多个元素的列表时，短语“至少一个”应该被理解为是指从该元素列表中的任何一个或更多个元素中选择的至少一个元素，但不一定包括元素列表中具体列出的每个元素和每一个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中的元素的任何组合。该定义还允许可以可选地存在除了短语“至少一个”所指代的元素列表中具体标识的元素之外的元素，无论与那些具体标识的元素有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”，或等效地“A和/或B中的至少一个”)在一个实施方式中可以指代至少一个(可选地包括多于一个)A且不存在B(并且可选地包括除B以外的元素)；在另一实施方式中可以指代至少一个(可选地包括多于一个)B且不存在A(并且可选地包括除A以外的元素)；在又一实施方式中，可以指代至少一个(可选地包括多于一个)A以及至少一个(可选地包括多于一个)B(并且可选地包括其他元素)；等。
另外，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制。在本文中“包括(including)”、“包括(comprising)”或“具有”、“包含(containing)”、“涉及”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项及其等同物以及其他项。
在权利要求书以及以上说明书中，所有过渡短语例如“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携载”、“具有”、“包含(containing)”、“涉及”、“持有”、“由……构成”等应该被理解为是开放式的，即，意指包括但不限于。仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应该分别是封闭的或半封闭的过渡短语。

Claims (47)

1.一种单色x射线源，包括：
电子源，所述电子源被配置成生成电子；
初始靶，所述初始靶被布置成：接收来自所述电子源的电子，以响应于撞击在所述初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射；以及
次级靶，所述次级靶包括至少一个材料层，所述至少一个材料层能够响应于吸收由所述初始靶发射的入射宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射。
2.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层包括多个材料层。
3.根据权利要求2所述的单色x射线源，其中，所述多个材料层包括至少三个材料层。
4.根据权利要求3所述的单色x射线源，其中，所述多个材料层包括至少四个材料层。
5.根据权利要求4所述的单色x射线源，其中，所述多个材料层包括至少六个材料层。
6.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括至少部分地由所述至少一个层形成的至少一个壳。
7.根据权利要求6所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳在所述次级靶的远端处至少部分地敞开。
8.根据权利要求6所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳在所述次级靶的近端处至少部分地敞开。
9.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括至少部分地由所述至少一个层形成的至少一个锥形或截头锥形的壳。
10.根据权利要求9所述的单色x射线源，其中，所述至少一个锥形或截头锥形的壳被定向成：所述至少一个锥形或截头锥形的壳的顶点朝向所述次级靶的远端。
11.根据权利要求9所述的单色x射线源，其中，所述至少一个锥形或截头锥形的壳被定向成：所述至少一个锥形或截头锥形的壳的顶点朝向所述次级靶的近端。
12.根据权利要求9所述的单色x射线源，其中，所述至少一个锥形或截头锥形的壳包括多个锥形或截头锥形的壳，并且其中，所述多个锥形或截头锥形的壳中的至少一个被定向成：所述多个锥形或截头锥形的壳中的至少一个的顶点朝向所述次级靶的远端；并且所述多个锥形或截头锥形的壳中的至少一个被定向成：所述多个锥形或截头锥形的壳中的至少一个的顶点朝向所述次级靶的近端。
13.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括至少部分地由所述至少一个层形成的至少一个圆柱形壳。
14.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括至少部分地由所述至少一个层形成的至少一个圆柱形螺旋壳。
15.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括至少部分由所述至少一个层形成的至少一个锥形螺旋壳。
16.根据权利要求6所述的单色x射线源，其中，所述次级靶包括多个嵌套的壳。
17.根据权利要求16所述的单色x射线源，其中，所述多个嵌套的壳被布置成使得所述次级靶沿着与所述单色x射线源的纵轴正交的轴包括至少两个层。
18.根据权利要求17所述的单色x射线源，其中，所述多个嵌套的壳被布置成使得所述次级靶沿着与所述单色x射线源的纵轴正交的轴包括至少四个层。
19.根据权利要求18所述的单色x射线源，其中，所述多个嵌套的壳被布置成使得所述次级靶沿着与所述单色x射线源的纵轴正交的轴包括至少六个层。
20.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层的厚度在5微米和200微米之间。
21.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层的厚度在10微米至75微米之间。
22.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层的厚度在15微米至30微米之间。
23.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层的厚度在20微米至25微米之间。
24.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶的最大直径小于或等于约15mm且大于或等于约1mm。
25.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶的最大直径小于或等于约10mm且大于或等于约8mm。
26.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶的最大直径小于或等于约8mm且大于或等于约4mm。
27.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶的最大直径小于或等于约4mm且大于或等于约2mm。
28.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述次级靶的最大直径小于或等于约2mm且大于或等于约1mm。
29.根据权利要求6所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳具有至少1:2的高度与基部的纵横比和/或约85度或更小的顶角。
30.根据权利要求29所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳具有至少1:1的高度与基部的纵横比和/或约45度或更小的顶角。
31.根据权利要求30所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳具有至少2:1的高度与基部的纵横比和/或约30度或更小的顶角。
32.根据权利要求31所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳具有至少4:1的高度与基部的纵横比和/或约15度或更小的顶角。
33.根据权利要求32所述的单色x射线源，其中，所述至少一个壳具有至少8:1的高度与基部的纵横比和/或约7度或更小的顶角。
34.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层包括银、锡、钼、钯、锑、镝、钬、钽、钨、金、铂和/或铀。
35.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层包括至少一个箔层。
36.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个材料层包括至少一个沉积的材料层。
37.根据权利要求30所述的单色x射线源，其中，所述至少一个沉积的材料层是通过溅射工艺设置的。
38.根据权利要求30所述的单色x射线源，其中，所述至少一个沉积的材料层是通过蒸发工艺设置的。
39.根据权利要求30所述的单色x射线源，其中，所述至少一个沉积的材料层是通过电镀工艺设置的。
40.根据权利要求1所述的单色x射线源，还包括：
至少一个基层，其被配置成支承所述至少一个材料层。
41.根据权利要求1所述的单色x射线源，其中，所述至少一个基层包括对x射线辐射基本上透明的材料。
42.一种被配置成与宽带x射线源一起使用的载体，所述宽带x射线源包括电子源和初始靶，所述初始靶被布置成接收来自所述电子源的电子以响应于撞击在所述初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射，所述载体包括：
远端部，所述远端部具有允许x射线辐射离开所述载体的孔；以及
近端部，所述近端部包括：
次级靶，所述次级靶具有至少一个材料层，所述至少一个材料层能够响应于吸收入射宽带x射线辐射而产生荧光x射线辐射；以及
至少一个支承部，所述至少一个材料层被施加在所述至少一个支承部上，所述至少一个支承部包括合作部，所述合作部允许所述近端部被耦接至所述远端部。
43.根据权利要求42所述的载体，其中，所述至少一个材料层包括被施加至所述至少一个支承部的至少一个表面上的至少一个箔层。
44.根据权利要求42所述的载体，其中，所述至少一个材料层包括被沉积在所述至少一个支承部的至少一个表面上的至少一个沉积的材料层。
45.根据权利要求44所述的载体，其中，所述至少一个沉积的材料层通过溅射工艺被设置到所述至少一个支承部的至少一个表面。
46.根据权利要求44所述的载体，其中，所述至少一个沉积的材料层通过蒸发工艺被设置到所述至少一个支承部的至少一个表面。
47.根据权利要求44所述的载体，其中，所述至少一个沉积的材料层通过电镀工艺被设置到所述至少一个支承部的至少一个表面。
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