CN112640583A

CN112640583A - 具有角速度随时间变化的阳极盘的ct x射线管

Info

Publication number: CN112640583A
Application number: CN201980055798.0A
Authority: CN
Inventors: C·邦图斯; T·罗伊施; B·R·戴维
Original assignee: Koninklijke Philips NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-04-09
Also published as: EP3845036A1; WO2020043559A1; JP2021536655A; EP3618582A1; US20210185792A1

Abstract

提出一种用于生成脉冲X射线的计算机断层摄影X射线管。所述X射线管包括阳极和用于将脉冲电子射束生成到阳极上的电子发射单元。此外，包括用于使所述阳极旋转的旋转机构，其特征在于，所述旋转机构被配置用于使所述阳极以随时间变化的角速度旋转。所述旋转机构还可以被配置用于使所述阳极旋转，使得角速度随时间的变化是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡。在优选实施例中，角速度ω(t)根据以下公式随时间变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，ω_o是平均角速度。在具体实施例中，包括用于生成脉冲电子射束的网格开关，并且X射线管可以被体现为立体管，在所述立体管中，电子射束的两个焦点以交替方式生成。

Description

具有角速度随时间变化的阳极盘的CT X射线管

技术领域

本发明涉及计算机断层摄影成像系统中的X射线管。具体地，本发明涉及计算机断层摄影X射线管、用于生成患者的图像的计算机断层摄影设备，并且涉及利用旋转阳极和脉冲电子射束生成脉冲X射线辐射的方法。

背景技术

在成像中使用的X射线管中的X射线的生成涉及若干技术障碍。例如，EP421009A1试图解决源自与共振频率相同的X射线管阳极的旋转频率的问题。因此，在EP421009A1中建议提供一种解决方案，其测量和控制阳极的旋转频率，使得没有来自共振频率的负面影响。

在文献DE 102011005115 A1中，试图解决如果阳极盘和X射线射束的频率不同步在某些应用中出现的问题。因此，其将阳极盘的频率设置为X射线频率的恒定整数倍。然而，这要求精确测量和对阳极频率的控制。

US2014/355736A1描述了切换单元，其被配置为切换要由阳极生成的X射线的强度。其描述了X射线控制器控制所述切换单元切换要由阳极生成的X射线的强度，并且控制转子控制发电机以使阳极旋转。其描述了当近似等于由用户指定的X射线强度切换周期的整数倍的值与转子旋转周期一致时，X射线控制器控制转子控制发电机从第二圈中的阳极的热电子碰撞范围改变第一圈中的热电子碰撞范围。

本发明的发明人已经认识到，未来的X射线管，特别是在计算机断层摄影(CT)成像中使用的X射线管，将利用所谓的网格开关。这允许以非常短的间隔切换电子射束的打开和关闭。必须注意，每次旋转后，电子射束都不撞击阳极盘的相同位置，因为这将导致加热不均匀。立体管给出了一种特殊情况，在所述立体管中以交替方式使用两个焦点。在此处，在照射的时段期间，针对每个焦点的目标功率能够变得相当高。因此，本发明的发明人发现在每次旋转之后加热阳极的相同区域可能意味着主要的缺点。

发明内容

可以看到本发明的目的在于提供用于计算机断层摄影成像的改进的X射线的生成。

本发明的目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的其他实施例和优点包含在从属权利要求中。

所描述的实施例类似地涉及计算机断层摄影X射线管、计算机断层摄影设备和生成脉冲X射线辐射的方法。可以由实施例的不同组合产生协同效果，尽管在下文中可能没有详细描述。

此外，应当注意，关于方法的本发明的所有实施例可以按照所描述的步骤的顺序来执行，然而，这并非必须一定是所述方法的步骤的唯一且必要的顺序。除非在下文中相反地明确提及，否则本文提出的方法能够在不背离相应的方法实施例的情况下以所公开的步骤的其他顺序执行。

根据本发明的第一方面，提出一种用于生成脉冲X射线的计算机断层摄影X射线管。所述X射线管包括阳极和电子发射单元，所述电子发射单元将脉冲电子射束生成到阳极上以生成脉冲X射线。此外，包括用于旋转阳极的旋转机构。所述旋转机构被配置用于使所述阳极以随时间变化的角速度旋转。

本发明所克服的缺点在于，由于阳极以随时间变化的角速度旋转，因此不良的阳极加热的可能性将大大降低。对于几乎所有的电子射束切换模式都是如此，因此本发明能够有利地应用于许多情况。技术人员可以使用几种不同的时间变化。

所提出的解决方案具有成本效益，因为本发明不要求用于测量和控制阳极频率的复杂控制机构。阳极频率的期望时间变化能够预先定义。期望的和预定的时间变化可以例如被存储在驱动阳极旋转的单元中。例如，CT X射线管的旋转机构可以存储并引起阳极旋转的期望的和预定的时间变化。在具体实施例中，阳极的角速度ω(t)根据以下公式随时间变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，ω_o是平均角速度，优选地ω_o不为0。将在下文中更详细地对此进行解释和阐明。

有利地，阳极的角速度随时间的变化确保在成像期间CT设备中的机架的旋转运动期间，阳极的角速度与所述旋转运动不同步。

此外，所使用的旋转机构不要求测量和控制阳极的旋转频率，并且在这方面不需要反馈回路。通过以预定方式设置随时间变化的角速度，通过相应地配置旋转机构，实现期望的阳极的不良加热的可能性的降低。

在常规X射线管中，阳极以恒定的角位置速度旋转，例如180Hz。然而，本发明的发明人发现未来的管将包含网格开关。这些允许打开和关闭撞击阳极盘的电子射束。在某些情况下，在电子射束打开的周期期间，电子射束的功率能够变得相当大，同时平均功率仍保持适度。现在，如果切换射束的频率与阳极盘的频率同相，则每次旋转后阳极盘将被击中相同的位置。就热量消耗和老化而言，这是非常不合适的。因此必须注意，阳极旋转频率和网格开关频率这两个频率不一致。实际上，这意味着必须相当准确地测量阳极盘的速度，并在必要时进行调整。

然而，本发明的发明人已经发现，由于以下原因，难以实现这种受控制的方法。首先，未来的扫描协议可能要求相当大量的网格切换模式。对于这些模式中的每一个，都需要确定最佳阳极盘频率。第二，机架旋转速度发生变化，并且数据采集通过管检测器系统的角度位置来触发。因此，难以预测阳极的最佳频率。与其他方法的这些缺点相反，根据本发明的第一方面，提供一种更简单的解决方案。如果阳极的角速度如下式那样变化，则过热的可能性大大降低。根据该公式，角速度ω(t)根据以下公式随时间变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，其中ω_o是平均角速度。在具体实施例中，Δω满足以下标准中的一个：1％ω_o≤Δω≤6％ω_o，2％ω_o≤Δω≤5％ω_o，或者3％ω_o≤Δω≤4％ω_o。此外，Ω＝2π2Hz可以是优选值。

因此，在具体实施例中，阳极的旋转频率的时间变化使得阳极旋转频率和网格切换频率不一致。换言之，在该实施例中，切换射束的频率与阳极盘的频率不是同相的。

在范例性实施例中，能够通过改变旋转机构的定子中的电流的频率或者通过改变旋转机构的定子中的电功率或者通过改变两者来实现所提出的解决方案。然而，也可以使用其他可能性以体现角速度随时间的变化。

根据本发明的范例性实施例，旋转机构被配置用于使阳极旋转，使得角速度随时间的变化是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡。

换言之，该实施例清楚地规定，具有随时间变化的角速度的阳极的连续旋转不应被视为阳极从零速度即从“停止或暂停周期”的加速或减速，随后朝工作速度加速。因此，该实施例的阳极的角速度应当理解为围绕不同于零的平均值的周期性地增加和减少。

根据本发明的范例性实施例，旋转机构包括定子-转子组合，其配置用于使阳极旋转。此外，旋转机构配置用于改变定子中的电流的频率，以随时间改变角速度，和/或，其中，旋转机构配置用于改变定子中的电功率，以随时间改变角速度。

如能够例如从图1和相应的描述中收集的，可以使用包括定子和转子的电动机。定子是在这种电动机中发现的旋转系统的固定部分。能量流过定子到系统的旋转组件或者从系统的旋转组件流过定子。在电动机中，定子提供驱动旋转电枢的旋转磁场，在当前情况下，旋转电枢为阳极。控制单元被包括在旋转机构中，所述控制单元控制定子中的电流的频率的变化和/或控制定子中的电功率的变化，使得实现期望的阳极的角速度随时间的变化。在范例性实施例中，如上所述和下文中的公式1与这样的控制设备相结合被存储在存储单元中，使得阳极的角速度如该公式1所描述的那样变化。在范例中，定子中的电流的频率的所需变化是预先定义的，并且被存储在所述控制单元中，使得实现期望的阳极的角速度。对于电功率的变化也是如此，这对于实现期望的阳极的角速度随时间的变化是必需的。

根据本发明的另一范例性实施例，旋转机构被配置用于随时间改变角速度，使得阳极的角速度遵循预定的时间发展并且不要求测量和控制阳极的旋转频率。

与通过反馈回路精确地测量并控制阳极的旋转频率的X射线管相反，本发明的该实施例提供一种经济高效且不复杂的解决方案，然而该解决方案提供降低对于大量电子射束切换模式的阳极盘的不良加热的优点。与精确测量阳极的速度并且在检测到实际阳极速度与期望阳极速度之间的差异的情况下必须对该速度进行调整相比，预先定义角速度的变化的时间发展是误差较小，易于使用且不太复杂的解决方案，其提供改进的计算机X射线断层摄影X射线管。

根据本发明的另一范例性实施例，计算机断层摄影X射线管包括用于将脉冲电子射束生成到阳极上的网格开关。

网格开关是一种允许快速打开和关闭X射线辐射的设备。具体地，网格开关由网格孔组成，所述网格孔被安装在阴极和阳极之间的空间中。网格开关的电子器件允许快速改变该孔处的电压。这些电压的典型值为+12kV和-12kV。从孔产生的电场允许源自阴极的电子穿过到达阳极，或者这些电场阻止电子穿过孔，从而不生成X射线辐射。

因此，在X射线管中使用网格开关允许以很短的间隔打开和关闭电子射束。然而，必须注意，每次旋转之后，电子射束不撞击阳极盘的相同位置，因为这会导致加热不均匀。由于在每次旋转之后加热阳极的相同区域可能意味着主要缺点，因此在本实施例中，旋转机构确保阳极以随时间变化的角速度旋转。因此，在使用网格开关的计算机断层摄影系统的X射线管中，也显著降低阳极局部过热的可能性。

根据本发明的另一范例性实施例，X射线管被体现为立体管，其中，以交替的方式生成电子射束的两个焦点。

在立体管中，针对每个焦点的目标功率在照射的周期期间能够变得相当高。因此，在每次旋转之后加热阳极的相同区域也可能意味着这种设置的主要缺点。在这样的立体管实施例中，确保阳极以随时间变化的角速度旋转的本发明的旋转机构也减小阳极局部过热的可能性。

根据本发明的另一范例性实施例，角速度根据以下公式随时间变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，ω_o是平均角速度。

在该实施例中，通过该公式定义阳极的角速度的具体的预定时间发展。这样的公式可以被存储在计算机断层摄影X射线管的存储设备和/或控制单元中，以确保旋转机构促使阳极精确地进行由该公式描述的这种运动。

根据本发明的另一范例性实施例，Δω满足以下标准中的一个：1％ω_o≤Δω≤6％ω_o，2％ω_o≤Δω≤5％ω_o，和3％ω_o≤Δω≤4％ω_o。

选择Δω的范例性值，使得实现足够的变化以获得关于加热的目标增益，同时将Δω的值保持尽可能小，以保持与目标频率ω_o尽可能接近。

在另一优选实施例中，Ω＝2π2Hz。选择Ω的该优选值，以便能够以足够的电功率获得目标变化。

根据本发明的另一范例性实施例，电子发射单元配置用于生成脉冲持续时间在10微秒至几百毫秒之间的脉冲电子射束。

根据本发明的另一范例性实施例，提出一种用于生成患者的图像的计算机断层摄影设备。所述计算机断层摄影设备包括根据本文描述的实施例和各方面中的任何一个的X射线管。此外，计算机断层摄影设备包括机架，并且计算机断层摄影设备被配置为使机架在成像期间经历旋转运动。此外，由于阳极的角速度随时间变化，在成像期间阳极的角速度和机架的旋转运动不同步。

参考图2描述和示出了本发明该方面的具体实施例。

具体地，阳极的角速度随时间的变化确保在成像期间CT设备中的机架的旋转运动期间，阳极的角速度与所述旋转运动不同步。这种经济有效的解决方案不要求复杂的阳极的角速度的控制机构，但同时显著减少阳极盘的不良加热。这对于几乎所有电子射束切换模式都是如此，并且如果使用具有电子射束的两个焦点的网格开关和/或立体管，则特别有利。

根据本发明的另一方面，提出一种利用旋转阳极和脉冲电子射束生成脉冲X射线辐射的方法。所述方法包括以下步骤：将脉冲电子射束发射到阳极上，并且使阳极以随时间变化的角速度旋转。

如以上详细提到的，阳极可以被旋转，使得角速度随时间的变化是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡。在另一具体实施例中，角速度随时间变化，使得阳极的角速度遵循预定的时间发展。换言之，这与X射线管在开和关模式下操作，从而将阳极时不时地加速到工作速度然后再次切断旋转的情况有所区别。

根据本发明的另一范例性实施例，电子射束由作为X射线管的一部分的网格开关脉冲化。

根据本发明的另一范例性实施例，所述方法包括以下步骤：通过定子-转子组合驱动阳极旋转，改变定子中的电流的频率，从而引起阳极的角速度围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡，和/或改变定子中的电功率，从而引起阳极的角速度围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡。

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他特征将变得显而易见。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明范例性实施例的计算机断层摄影X射线管。

图2示意性示出了根据本发明范例性实施例的用于生成患者的图像的计算机断层摄影设备。

图3示意性示出了根据本发明范例性实施例的利用旋转阳极和脉冲电子射束生成脉冲X射线辐射的方法的流程图。

在以下附图中将描述本发明的范例性实施例。

具体实施方式

图1示意性示出了用于生成脉冲X射线辐射的计算机断层摄影X射线管100。X射线管100包括阳极104、用于将脉冲电子射束103生成到阳极104上的电子发射单元102。还包括用于使阳极104旋转的旋转机构107。旋转机构107被配置为使阳极104以随时间变化的角速度旋转。阳极104的旋转用箭头106示出。脉冲电子射束103聚焦在阳极104的焦点105上，在该处生成X射线辐射101。X射线辐射可以经由辐射窗110离开X射线管100。在图1所示的实施例中，旋转机构107包括定子109以及被配置为使阳极104旋转的转子108。在该实施例中，定子-转子组合配置用于改变流过定子109的电流的频率，使得角速度根据需要随时间变化。此外，旋转机构配置用于改变定子109中的电功率，使得阳极的角速度随时间变化。在图1的实施例中用于产生阳极的旋转的电动机可以包括控制器(未示出)，所述控制器确保随时间的角速度是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡。

电子发射单元102可以包括几个不同的组件。具体地，发射脉冲电子射束的电子的阴极被包括在电子发射单元102中。优选地，网格开关也被包括在电子发射单元102中，所述网格开关允许以非常短的时间间隔在打开和关闭状态中切换电子射束。必须注意，每次旋转之后，电子射束都不会撞击阳极盘的相同位置，因为这会导致加热不均匀。其中两个焦点以交替方式使用的立体管给出一种特殊情况。在此，在照射周期期间，针对每个焦点的目标功率可能相对高。因此，在每次旋转之后加热阳极的相同区域可能意味着主要缺点。因此，图1的实施例提供旋转机构，所述旋转机构配置用于使阳极以随时间变化的角速度旋转。因此，将大大减少阳极的不良加热的可能性。对于几乎所有的电子射束切换模式都是如此。所提出的具有角速度随时间变化的阳极盘的CT X射线管100的解决方案是成本有效的，并且不要求复杂的控制机构。

换言之，作为范例性范例，图1所示的实施例能够具有用于生成脉冲电子射束103的网格开关。此外，X射线管能够被体现为立体管，其中电子射束的两个焦点以交替方式生成。计算机断层摄影X射线管100具体地在计算机断层摄影设备中使用，以生成患者的图像，如将在下文中在图2的背景下更详细地描述的。

根据本发明一方面的范例性实施例，图2示出了用于生成患者的图像的计算机断层摄影设备200。计算机断层摄影设备200包括位于机架206上部中的X射线管201。机架206可围绕沿患者定位工作台203延伸的轴旋转。机架206的旋转运动由箭头207指示。由计算机断层摄影X射线管201发射的X射线辐射208能够在被透射通过患者之后由X射线检测器202检测到。能够相对于X射线管201定位工作台203的移动机构205允许患者的精确定位。此外，所产生的CT图像能够在图像采集之后在显示器204上显示给医生。计算机断层摄影设备200被配置为使机架206在成像期间经历旋转运动207。此外，由于在X射线管201中发生的阳极的角速度随时间的变化，阳极104的角速度和成像期间机架206的旋转运动不同步。

具体地，阳极的角速度随时间的变化确保在成像期间CT设备中的机架的旋转运动期间，阳极的角速度与所述旋转运动不同步。这种经济有效的解决方案不要求对阳极角速度的复杂的控制机构，但同时显著减少阳极盘的不良加热。这对于几乎所有电子射束切换模式都是如此，如果使用具有电子射束的两个焦点的网格开关和/或立体管，这是特别有利的。

在范例性实施例中，CT可以包括网格开关，该网格开关具有在管内的旋转阳极盘，所述旋转阳极盘可由具有用于改变阳极盘的角速度的机构的定子-转子结合来驱动。在具体实施例中，阳极盘的角速度根据以下公式变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，ω_o是平均角速度。根据本发明的另一范例性实施例，Δω满足以下标准中的一个：1％ω_o≤Δω≤6％ω_o，2％ω_o≤Δω≤5％ω_o，和3％ω_o≤Δω≤4％ω_o。选择针对Δω的范例性值，使得实现足够的变化，以获得关于加热的目标增益，同时将Δω的值保持尽可能小，以保持与目标频率ω_o尽可能接近。在其他优选实施例中，Ω＝2π2Hz。选择针对Ω的该优选值，使得能够用足够的电功率获得目标变化。

所提出的解决方案能够优选地通过改变旋转机构的定子中的电流的频率或者通过改变旋转机构的定子中的电功率或者通过改变两者来实现。在任何情况下，通过改变随时间的角速度，显著减少阳极的局部过热的可能性。

根据本发明的另一范例性实施例，图3示出了利用旋转阳极和脉冲电子射束生成脉冲X射线辐射的方法的流程图。所述方法包括以下步骤：将脉冲电子射束发射到阳极上S1，并且使阳极以随时间变化的角速度旋转S3。在图3的实施例中，通过定子-转子组合驱动阳极来引起阳极旋转。此外，通过改变电流和定子的频率，使阳极的角速度围绕平均角速度随时间连续振荡。额外地或备选地，所述方法包括改变定子中的电功率，从而使阳极的角速度围绕平均角速度ω_o随时间连续振荡。在步骤S2中，阳极旋转由定子-转子组合来驱动。改变定子中的电流的频率，从而使阳极的角速度围绕平均角速度ω_o随时间连续振荡，和/或改变定子中的电功率，从而使阳极的角速度围绕平均角速度ω_o随时间连续振荡的步骤在图3中用S3a示出。

在图3的方法的具体实施例中，通过使用网格开关对电子射束进行脉冲。这种网格开关允许快速打开和关闭X射线辐射。具体地，网格开关由网格孔组成，所述网格孔被安装在阴极和阳极之间的空间中。网格开关的电子器件允许快速改变该孔处的电压。这些电压的典型值为+12kV和-12kV。从孔生成的电场允许源自阴极的电子穿过而到达阳极，或者这些电场阻止电子通过孔，从而不生成X射线辐射。

Claims

1.一种用于生成脉冲X射线(101)的计算机断层摄影X射线管(100、201)，所述X射线管包括：

阳极(104)，

电子发射单元(102)，其用于将脉冲电子射束(103)生成到所述阳极上，其中，所述电子发射单元包括用于生成所述脉冲电子射束的网格开关，

旋转机构(107)，其用于使所述阳极(104)旋转，其中

所述旋转机构(107)配置用于使所述阳极(104)以随时间变化的角速度旋转，

其中，所述旋转机构被配置用于使所述阳极旋转，使得所述角速度随时间的变化是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡，并且

其中，所述阳极的旋转频率与所述网格开关的切换频率异相。

2.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，所述旋转机构(107)包括被配置用于使所述阳极旋转的定子-转子组合(108、109)，并且

其中，所述旋转机构(107)被配置用于改变所述定子(109)中的电流的频率，以随时间改变所述阳极的所述角速度，和/或其中，所述旋转机构(107)被配置用于改变所述定子(109)中的电功率，以随时间改变所述阳极的所述角速度。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，所述旋转机构被配置用于随时间改变所述角速度，使得所述阳极的所述角速度遵循预定的时间发展，并且不要求测量和控制所述阳极的旋转频率。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，所述X射线管被体现为立体管，在所述立体管中，电子射束的两个焦点以交替方式生成。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，所述角速度ω(t)根据以下公式随时间变化：ω(t)＝ω_o+ΔωsinΩt，其中，ω_o是平均角速度。

6.根据权利要求5所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，Δω满足以下标准中的一个：1％ω_o≤Δω≤6％ω_o，2％ω_o≤Δω≤5％ω_o，以及3％ω_o≤Δω≤4％ω_o。

7.根据权利要求5或6所述的计算机断层摄影X射线管。

其中，Ω是2π2Hz。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的计算机断层摄影X射线管，

其中，所述电子发射单元被配置用于生成所述脉冲电子射束，其中，脉冲持续时间在10微秒至500毫秒之间、10微秒至250毫秒之间、或10微秒至100毫秒之间。

9.一种用于生成患者的图像的计算机断层摄影设备(200)，所述计算机断层摄影设备包括：

根据权利要求1至8中的任一项所述的X射线管(100、201)，

机架(206)，

其中，所述计算机断层摄影设备被配置为在成像期间使所述机架(206)经历旋转运动，并且

其中，由于所述阳极(104)的所述角速度随时间的所述变化，在成像期间所述阳极(104)的所述角速度与所述机架(206)的所述旋转运动不同步。

10.一种利用旋转阳极和脉冲电子射束来生成脉冲X射线辐射的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述脉冲电子射束发射到所述阳极上(S1)，并且

使所述阳极以随时间变化的角速度旋转(S3)，

其中，所述阳极被旋转，使得所述角速度随时间的变化是围绕平均角速度ω_o随时间的连续振荡，并且

其中，所述电子射束由网格开关脉冲化，其中，所述阳极的旋转频率与所述网格开关的切换频率异相。

11.根据权利要求11所述的生成脉冲X射线辐射的方法，所述方法包括以下步骤：

通过定子-转子组合来驱动所述阳极旋转(S2)，并且

改变所述定子中的电流的频率，从而使所述阳极的所述角速度围绕平均角速度ω_o随时间连续振荡，和/或改变所述定子中的电功率，从而使所述阳极的所述角速度围绕平均角速度ω_o随时间连续振荡(S3a)。