CN113223911A - 一种双能球管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双能球管，包括：以相对设置的第一球管(1)与第二球管(2)所在平面为第一平面，在第一平面中设置有沿第一电子束(11)行进方向相对设置的第一阴极发射体(12)及第一阳极靶盘(13)、沿第二电子束(21)行进方向相对设置的第二阴极发射体(22)及第二阳极靶盘(23)，以第一电子束(11)行进方向为+X轴方向，以第二电子束(21)方向为‑X轴方向，以第一平面中垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于第一平面的方向为Z轴方向，第一球管(1)与第二球管(2)在Z轴方向上呈镜像对称设置，在Y轴方向上，第一阳极靶盘(13)间隔第二阳极靶盘(23)设置。本发明结构简单，设计新颖、功能强大、可批量生产，具有极高的商业价值。

Description

一种双能球管

技术领域

本发明涉及医学成像领域，具体地，涉及一种双能球管。

背景技术

在医疗成像领域，双能CT的出现能提供两组投影数据，具备更多解剖与功能信息，结合后处理技术，已在临床上实现了物质分离、物质识别以及定量分析。相比传统的采用宽谱线射线源的单能CT，通过高密度物质时，能量较低的谱线首先被吸收，剩下的谱线能量偏高变硬，产生射束硬化问题。而双能CT本身不含其它能量的谱线，物质吸收是均匀的，避免了射束硬化，为影像诊断提供了更多信息。

在安检领域，针对待测物形状各异、种类繁多，通过率、容错率的要求，以X射线技术为基础的爆炸物检测研究最为成熟，它凭借低剂量、非接触、可视化的优点迅速占据安检市场。最初，传统的X射线安检设备只能提供二维透射图，存在单一透射方向视图不清和图像重叠问题，不能很好的分辨爆炸物。之后提出了双视角、多视角X射线安检设备，可获得多角度透视图，克服单视角重影问题，提高图像清晰度，但不能提供待测物的物质特征信息，成本高，辐射剂量大。基于X射线的双能CT安检设备只需扫描一圈，即能获得待测物的三维图像，再现物体轮廓，解决重影问题，还能得到物质密度和原子序数信息，通过比对物质密度与有效原子序数表格，可区分有机物与无机物，有效降低违禁品误判概率。对于疑似物品，还能准确定位其在行李中的位置。在大型机场、火车站、地铁等公共场所，人流量较大，物品安全检测工作至关重要。安检设备必须能够快速、精准识别危险品，保证人员快速通行。X射线凭借非接触，无需开箱检查，快速的流通性特点，成为安检设备的首选。因此，利用X射线进行物品检查和体内藏匿违禁品的检测成为研究的热点。对于只含有碳、氢、氧三种元素的爆炸物和糖类等聚合物，有效原子序数较小且接近，在复杂背景中衰减信息会被掩盖，以致单能CT不能准确分辨出爆炸物。双能CT通过高低能探测系统，产生两组投影数据，通过基物质分解模型，可以得到密度信息和有效原子序数，实现区分低原子序数物质的目的，具有较高的灵敏度和准确度。

双能CT在医疗、安检领域都极具潜力，它的实现需尽可能满足同源、同时、同向的原则。目前双能CT技术有很多实现方式，一类是基于探测器端的方法，一类是基于球管端的方法。球管端实现双能的方式分为两种，一种是西门子推出的双源CT，双能源垂直排布；另一种是GE公司推出的单球管，通过快速切换高低压实现双能输出。探测器端实现方法是在两层探测器之间采用滤波片，区分高低能谱。

西门子研制的双源CT设备，是采用两套不同能量的射线管和探测器整合在同一个CT系统，射线源是straton零兆X射线管，它的阳极和阴极是直接浸泡在绝缘油中的，靠循环进出的冷却油快速散热。最初的高低能射线源是呈90°排布，受机架的尺寸和内部空间的限制，两个探测器的视野是不一样的，为了提高视野，射线源夹角增加到95°，尽管如此，大小不一的探测器视野还是给图像处理及分析造成了不便，特别是对体积较大的病人。而且双源射线源同时激发还会产生互相干扰和交错散射效应。目前西门子推出的双能CT，分为两种，一种是双源双能量，双球管相互独立，互相垂直的排布；另一种是同源双光束，从一个球管发射两束能量不同的X射线。

在传统CT扫描中，不同元素组成的物质可能具有相同的CT值，这取决于每种材料的质量密度和测得的X射线束能量，因此区分不同的物质非常困难。双能CT能得到两组衰减测量值，提高了区分待测物质的分辨力。目前双能CT技术有很多实现方式，一类是基于探测器端的方法，一类是基于球管端的方法。

而目前，并没有一种能够解决上述技术问题的技术方案，具体地，并没有一种双能球管。

发明内容

针对现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种双能球管，包括：以相对设置的第一球管与第二球管所在平面为第一平面，在所述第一平面中设置有沿第一电子束行进方向相对设置的第一阴极发射体以及第一阳极靶盘、沿第二电子束行进方向相对设置的第二阴极发射体以及第二阳极靶盘，以所述第一电子束行进方向为+X轴方向，以所述第二电子束方向为-X轴方向，以所述第一平面中垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于第一平面的方向为Z轴方向，其中，

所述第一球管与所述第二球管在Z轴方向上呈镜像对称设置，其中，

在Y轴方向上，所述第一阳极靶盘间隔所述第二阳极靶盘设置。

优选地，在所述第一电子束行进方向上的靠近所述第一阴极发射体的一端设置有第一栅极。

优选地，所述第一栅极在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第一阴极发射体。

优选地，在所述第二电子束行进方向上的靠近所述第二阴极发射体的一端设置有第二栅极。

优选地，所述第二栅极在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第二阴极发射体。

优选地，所述第一球管以及所述第二球管为单极X线管。

优选地，所述第一阳极靶盘以及所述第二阳极靶盘接地。

优选地，所述第一阳极靶盘与所述第二阳极靶盘之间的距离为：0～4mm。

目前在现有技术中存在如下技术缺陷：目前快速切换电压的单球管，输出电压不稳定，而且存在电压切换慢和成像质量问题，旋转阳极球管和飞焦点方式都只能出射同一种能量的X射线，旋转电压切换虽然能解决输出电压不稳定的问题，但增加了探测器的采用从而提高了成本。本发明提供一种双能CT球管，能够实现快速稳定的管电压输出，输出高低压是理想的脉冲函数，减少双能切换时间间隔，采用栅极控制高低压的瞬间切换，既可以只开启一个射线源，实现单能CT成像，又能快速切换稳定高低压实现双能成像，同时采用的球管阳极是零电位以实现在XY平面沿Z轴紧密对称排布，类似于同焦点出射高低能X射线，扫描视野一样，可共用一套准直器、探测器，节省成本，也有利于后续的图像处理及分析，本发明结构简单，设计新颖、功能强大、可批量生产，具有极高的商业价值。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本发明的具体实施方式的，工作状态下第一球管的剖视结构示意图；

图2示出了本发明的第一实施例的，工作状态下第二球管的剖视结构示意图；

图3示出了本发明的第二实施例的，所述双能球管的俯视结构示意图；以及

图4示出了本发明的第三实施例的，所述双能球管的工作状态示意图。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰地表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1示出了本发明的具体实施方式的，工作状态下第一球管的剖视结构示意图，图2示出了本发明的第一实施例的，工作状态下第二球管的剖视结构示意图，图3示出了本发明的第二实施例的，所述双能球管的俯视结构示意图，本发明将结合图1至图3来对所述双能球管的结构、连接、工作原理等等做进一步地描述，具体地，目前单球管切换高低压有两种方式，一种是旋转一周内多次快速切换高低压，另一种是每旋转一周切换一次电压。单周内快速电压切换的单球管，切换时间间隔是0.5ms，造成了单圈旋转时间比单能CT用时长，对心脏和胸部数据的采集，不能形成瞬间冻结，降低图像质量，增加辐射剂量。同时，快速切换的管电压不是理想的脉冲函数，管电压的不稳定输出也对数据的采集和处理增加了难度。旋转一周切换一次电压的单球管，能在旋转一周的时间内保持电压不变，克服了快速切换电压带来的不稳定问题。而且，采用管电流自适应调节技术，管电流可以自由调节，降低辐射剂量。但是，对于心脏等器官的测量需匹配宽探测器，增加了成本。

目前，双能CT产生两种能量X射线的方式分两种，一种是采用两种球管，出射不同能量的X射线，例如西门子研发的双源CT呈垂直排布，存在视野受限，射线互相干扰和交错散射，图像处理困难问题；另一种是采用单球管，通过快速切换电压实现高低能X射线的切换，单能CT存在分辨率低，射束伪影缺点。

如图3所示的一种双能球管，包括：以相对设置的第一球管1与第二球管2所在平面为第一平面，图3即示出了第一平面上第一球管1与第二球管2的方位，其中，在图3所限定的直角坐标系中，从上至下的方向为+X轴方向，从左至右的方向为+Y轴方向。

进一步地，结合图1以及图3，在所述第一平面中设置有沿第一电子束11行进方向相对设置的第一阴极发射体12以及第一阳极靶盘13，在这样的实施例中，所述第一电子束11行进的方向为+X轴方向，所述第一球管1为设置在图3上方的球管。

本领域技术人员理解，第一阴极发射体将发出电子冲击第一阳极靶盘产生X射线，具体地，在进入工作状态后，在电容发生器的加压下，第一阴极发射体开始加热，灯丝温度上升至一定值后，开始发射电子，发射电子的数量取决于灯丝温度的高低，进而产生由图1中从左至右方向的电子束，并冲击第一阳极靶盘，产生X射线。

进一步地，在目前现有技术中所有的CT球管都是由阴极灯丝、聚焦罩、阳极靶盘等等构成，它的作用是发射电子，并使电子聚焦去轰击阳极，具体地，目前的X射线管几乎都是选用钨作为灯丝材料。因为钨在高温下有一定的发射能力；具有较高的熔点(3370℃)，在高温下也不易蒸发成气体；其延展性和抗张性较好，便于加工，能拉成细丝而制成一定形状；在强电场吸引下不易变形。进一步地，当灯丝发射电子后，如阳极接通高压，在正电场的作用下电子高速飞向阳极。但由于电子之间的相互排斥作用，致使电子呈散射状，特别在阳极电压较低时，散射更为显著。为了能使电子集中成束状飞向阳极，因此将灯丝装入一个用镍或铁镍合金制成提长方形槽中，称聚焦罩。聚焦罩除了形成电子束外，还可防止二次电子造成的危害。二次电子是指从阳极靶面反射邮来的电子。在自整流电路或阳极过热时，都会产生这种二次电子。它将会使灯丝被轰击而断开；或玻璃被轰而造成孔洞，以至破裂。有了聚焦罩就能将大部分二次电子吸引到槽上，以保护灯丝和玻璃壳的安全。

进一步地，阳极靶盘的作用是接受电子轰击辐射X射线，同时将热量散发出去。一般采用钨作为阳极靶面的材料，它的原子具有序数高、熔点高、高温时蒸汽压力低等优点，钨靶面一般为正方形或长方形，厚度为1.5mm～3mm，镶在导热性能良好的无氧铜柱上。这样不仅有较高的辐射性能，而且又能将热量及时传导出去。

进一步地，结合图2以及图3，沿第二电子束21行进方向相对设置的第二阴极发射体22以及第二阳极靶盘23，以所述第一电子束11行进方向为+X轴方向，以所述第二电子束21方向为-X轴方向，以所述第一平面中垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于第一平面的方向为Z轴方向，所述第二电子束21行进方向为从下至上的-X轴方向，所述第二球管位于图3的下方，进一步地，所述第二阴极发射体22以及第二阳极靶盘23的工作原理可以参考前述第一阴极发射体12以及第一阳极靶盘13，在此不予赘述。

进一步地，对于所述双能球管而言，本发明的阴极为双灯丝结构，双灯丝分别由120kV和160kV高压电源控制，之后均经过栅极，栅极类似于一个开关，控制高低能的电子束分别出射和偏转，最终打在阳极靶上同一位置，继而电子束动能转化成能量，出射稳定的高低能X射线。

进一步地，所述第一球管1与所述第二球管2在Z轴方向上呈镜像对称设置，其中，结合图1至图3，所述第一球管1与所述第二球管2位于第一平面，Z轴垂直与第一平面，以所述第一球管1与所述第二球管2所构成平面的中心点作为对称点，在Z轴方向上呈镜像对称设置。

而如图4所示，图4示出了本发明的第三实施例的，所述双能球管的工作状态示意图，所述图4为双能球管扫描的示意图，位于图4上方的两个圆点即为所述双能球管，而位于图4中部的物体即为待扫描的物体，而位于图4下方的为闪烁体阵列，闪烁探测器是一种电离辐射探测器，其广泛应用于医疗、国防、安检等领域。闪烁体阵列是闪烁探测器的核心组元，它能将高能射线(X射线/y射线)或带电粒子转换为紫外光或可见光，进而通过光电倍增管等光子探测设备，将光信号转化成电信号，最终将高能射线与被探测物质相互作用的信息以数字信号的形式予以呈现。

进一步地，在Y轴方向上，所述第一阳极靶盘13间隔所述第二阳极靶盘23设置，即所述第一阳极靶盘13并没有与所述第二阳极靶盘23实质性接触，而是存在一定的间距，所述第一阳极靶盘13与所述第二阳极靶盘23之间的距离为0～4mm，在一个优选地实施例中，所述第一阳极靶盘13与所述第二阳极靶盘23之间的距离为2mm。

进一步地，在所述第一电子束11行进方向上的靠近所述第一阴极发射体12的一端设置有第一栅极14，在这样的实施例中，所述第一栅极14靠近但间隔所述第一阴极发射体12设置，所述第一栅极14在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第一阴极发射体12，进一步地，不同于灯丝和钨靶的远距离，栅极离灯丝比较近，一般反向几百伏电压即使得电子聚焦于灯丝而不飞出来，即同性相斥，而在撤掉负电压的瞬间，电子穿过栅极铜网，飞向钨靶，撞击产生X光，通过设置这样的第一栅极14可以实现X光的瞬间开断，本领域技术人员理解，目前单个球管能够实现高低能电压的切换，管电压切换的时间间隔是0.5毫秒，但是存在一个问题是输出电压不是一个理想的脉冲波，输出电压不稳定，对图像重建和处理存在严重影响。针对该问题，本发明设计这样的双能CT球管，通过控制栅极实现高低能电压的稳定输出，同时也提高了管电压切换时间间隔。

进一步地，在所述第二电子束21行进方向上的靠近所述第二阴极发射体22的一端设置有第二栅极24，所述第二栅极24可以参考前述的第一栅极14，所述第二栅极24在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第二阴极发射体22。

进一步地，所述第一球管1以及所述第二球管2为单极X线管，所述第一阳极靶盘13以及所述第二阳极靶盘23接地。传统球管的两级均是高电位，不可能实现并排紧密排布，不满足双能CT的同源条件。本发明提出了在第一平面上的双能球管排布，采用的均是单极X线管，它的阳极和球管的金属外壳是接地的，球管寿命长，散热速度快，能够在第一平面沿着Z轴紧密排布；而且双能球管均采用栅极控制开关，能够瞬时切换稳定的高低能电压，同时也避免了电压不稳对采集数据造成的影响。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实施例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

此外，本领域技术人员理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。词语“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种双能球管，其特征在于，包括：以相对设置的第一球管(1)与第二球管(2)所在平面为第一平面，在所述第一平面中设置有沿第一电子束(11)行进方向相对设置的第一阴极发射体(12)以及第一阳极靶盘(13)、沿第二电子束(21)行进方向相对设置的第二阴极发射体(22)以及第二阳极靶盘(23)，以所述第一电子束(11)行进方向为+X轴方向，以所述第二电子束(21)方向为-X轴方向，以所述第一平面中垂直于X轴的方向为Y轴方向，垂直于第一平面的方向为Z轴方向，其中，

所述第一球管(1)与所述第二球管(2)在Z轴方向上呈镜像对称设置，其中，

在Y轴方向上，所述第一阳极靶盘(13)间隔所述第二阳极靶盘(23)设置。

2.根据权利要求1所述的双能球管，其特征在于，在所述第一电子束(11)行进方向上的靠近所述第一阴极发射体(12)的一端设置有第一栅极(14)。

3.根据权利要求2所述的双能球管，其特征在于，所述第一栅极(14)在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第一阴极发射体(12)。

4.根据权利要求1所述的双能球管，其特征在于，在所述第二电子束(21)行进方向上的靠近所述第二阴极发射体(22)的一端设置有第二栅极(24)。

5.根据权利要求4所述的双能球管，其特征在于，所述第二栅极(24)在工作状态下产生负向电压以使得电子聚焦于第二阴极发射体(22)。

6.根据权利要求1所述的双能球管，其特征在于，所述第一球管(1)以及所述第二球管(2)为单极X线管。

7.根据权利要求6所述的双能球管，其特征在于，所述第一阳极靶盘(13)以及所述第二阳极靶盘(23)接地。

8.根据权利要求1所述的双能球管，其特征在于，所述第一阳极靶盘(13)与所述第二阳极靶盘(23)之间的距离为：0～4mm。

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