CN114828748A - 用于X射线成像中的剂量降低的组合式k边缘过滤器 - Google Patents
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Abstract
提出了一种用于X射线成像系统(100)的X射线过滤器(102)。所述X射线过滤器被配置为对低于截止能量的光子能量提供高衰减并对低于所述截止能量的光子能量提供低衰减。所述X射线过滤器包括第一物质和第二物质，其中，所述第一物质是包括具有小于所述截止能量的第一最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物，并且其中，所述第二物质是包括具有小于所述第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。所述X射线过滤器的所述第二物质被配置为提高X射线过滤器的衰减，特别是对直接低于所述第一最大k边缘能量的光子能量的衰减。
Description
技术领域
本发明涉及用于X射线成像中的剂量降低的X射线过滤器，所述过滤器被配置为对低于截止能量的光子能量提供高衰减并对高于截止能量的光子能量提供低衰减。该发明还涉及包括用于剂量降低的X射线过滤器的X射线成像系统和操作包括这样的X射线过滤器的X射线成像系统的方法。
背景技术
X射线成像系统用于许多应用，例如，医学诊断、机场安检、材料分析等。例如，在医学应用中，X射线管和X射线成像探测器被布置在患者的相对侧。X射线管生成X射线束。X射线束的光子被患者的身体部分吸收。因此，与软组织相比，骨骼每体积吸收更多的光子。然后，X射线成像探测器接收穿过患者的身体的光子，该光子生成患者的解剖结构的阴影图像。所得到的图像是患者的身体的三维结构的二维投影。
X射线成像探测器可以包括X射线转换器和探测器板。X射线转换器将X射线辐射转换成电荷。这种转换可以是直接的，也可以是间接的。例如，无定形硒可以用于将X射线辐射直接转换成电荷。替代地，间接探测器可以包括用于将X射线辐射转换成可见光的闪烁体，然后可以借助于光电二极管将所述可见光转换成电荷。探测器板可以收集由X射线转换器生成的电荷。其中，探测器板可以包括阵列(例如，薄膜晶体管(TFT)的均匀矩形阵列)。例如，每个TFT可以被连接到光电二极管，所述光电二极管用于收集由该光电二极管生成的电荷。探测器板还可以包括用于读出电荷的电子器件。这些读出电子器件还可以被配置为将电荷转换成数字像素值。结果，探测器板可以生成数字图像。
在X射线成像中，通常利用X射线过滤器来过滤由X射线管生成的X射线束，以便最大程度地降低X射线光谱的低能量部分的强度。低能量光子被滤除，因为如果不这样做的话，这些光子将被吸收在要被成像的目标内，因此这些光子不会贡献于图像，而仅贡献于所施加的X射线剂量(优选将其最小化)。最优过滤器为最高达到截止光子能量的光子能量提供高衰减并为更高的光子能量提供低衰减。
WO 2017/032864 A1公开了一种基于光栅的干涉X射线成像装置，所述干涉X射线成像装置具有干涉仪，所述干涉仪包括能相对于X射线成像装置的光轴发生倾斜的光栅。
WO 89/07322A1公开了一种X射线过滤器，所述X射线过滤器在不显著影响所期望的高能量辐射的情况下显著降低通常被检查目标吸收的低能量辐射。
EP 3454051 A1公开了一种用于X射线相衬成像和/或暗场成像的光栅。
发明内容
常规的X射线过滤器由具有低于截止光子能量的k边缘能量的化学元素制成。例如，这样的X射线过滤器由铝、铜或钛制成。由单种材料制成的X射线过滤器可以在直接高于过滤器材料的k边缘能量的光子能量范围内提供强烈衰减。然而，这种衰减对于低于过滤器材料的k边缘能量的光子能量来说可能不足。因此，可以期望提高对低于过滤材料的k边缘能量的光子能量的衰减。
这是由独立权利要求的主题实现的，其中，在从属权利要求和以下描述中包括了进一步的实施例。应当注意，如下所述的X射线过滤器的任何特征、元件和/或功能等同地适用于如下所述的X射线成像系统，并且反之亦然。
根据本发明，提出了一种用于X射线成像系统的X射线过滤器。所述X射线过滤器被配置为对具有低于截止能量的能量的X射线光子进行衰减并让具有高于所述截止能量的能量的X射线光子通过，其中，所述X射线过滤器包括第一物质和第二物质，其中，所述第一物质是包括具有小于所述截止能量的第一最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物，并且其中，所述第二物质是包括具有小于所述第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。
所述X射线过滤器包括包含所述第一物质的第一层和包含所述第二物质的第二层，并且所述X射线过滤器被配置为使得所述X射线成像系统的X射线束首先传播通过所述X射线过滤器的所述第一层，然后再撞击到所述第二层上。
X射线过滤器可以用于X射线成像系统，除了X射线过滤器以外，x射线成像系统还可以包括X射线管和X射线探测器。X射线过滤器可以被布置在X射线管与X射线探测器之间，以对由X射线管发射的低能量X射线辐射进行衰减。更具体地，X射线过滤器可以被布置在X射线管与要被成像的目标之间，并且X射线过滤器可以被配置为对低能量X射线辐射进行衰减，如果不这样做的话，低能量X射线辐射将被要被成像的目标吸收而不会贡献于由X射线探测器生成的图像。
X射线过滤器可以是薄板。该板可以被布置为与成像方向正交，即，与由X射线管发射的X射线束的方向正交。与正交方向的维度相比，在成像方向上的板的厚度可以很小。替代地，X射线过滤器可以具有弯曲的设计，其中，与弯曲表面的维度相比，X射线过滤器的厚度可以很小。
X射线过滤器被配置为对具有低于截止能量的能量的X射线光子进行衰减并让通过具有高于截止能量的能量的X射线光子通过。因此，X射线过滤器被配置为提供高通特性。可以根据成像应用和由X射线管提供的X射线辐射的光谱来选择截止能量。例如，在乳房X射线摄影中，截止能量可以位于15keV至30keV之间。在其他医学成像应用中，截止能量可以取更大的值，例如，高于40keV的值。
X射线过滤器包括第一物质和第二物质。因此，第一物质是化学元素或化合物，其中，第一物质的原子具有小于截止能量的第一最大k边缘能量。例如，第一物质可以是金属或金属氧化物。在金属氧化物的情况下，第一最大k边缘能量可以等于金属原子的k边缘能量。类似地，第二物质是化学元素或化合物，其中，第二物质的原子具有第二最大k边缘能量，所述第二最大k边缘能量小于第一物质的第一最大k边缘能量。当第一/第二物质是化合物时，第一/第二最大k边缘能量对应于化合物中具有最大原子序数的原子的k边缘能量。为了简单起见，当第一/第二物质是化学元素时，即，当第一/第二物质仅包括单个类型的原子时，即，当第一/第二物质仅包括单个k边缘能量时，我们还指代第一/第二最大k边缘能量。
第一物质可以对直接高于其第一最大k边缘能量的光子能量提供强烈衰减。过滤器衰减可以由用于高于第一最大k边缘能量的光子能量的第一物质所主导。同时，第一物质对低于第一最大k边缘能量的光子能量提供的衰减可能不足。第二物质可以对X射线光子(特别是对低于第一最大k边缘能量的光子能量)提供提高的(即，更强的)衰减。
X射线过滤器包括第一部分和第二部分，其中，第一部分可以包括第一物质，并且第二部分可以包括第二物质。例如，X射线过滤器的第一部分可以形成第一层，并且X射线过滤器的第二部分可以形成第二层。因此，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层和包含第二物质的第二层。
例如，假定X射线过滤器包括第一物质的第一层和第二物质的第二层，则由X射线过滤器提供的衰减取决于这些层的厚度以及第一物质和第二物质的线性衰减系数。因此，线性衰减系数可以考虑吸收和散射(包括相干散射)。线性衰减系数取决于X射线辐射的光子能量以及过滤器物质。由X射线过滤器提供的衰减可以被表示为1-exp(-μ1d1-μ2d2)，其中，μ1和μ2分别是在给定的光子能量下第一物质和第二物质的线性衰减系数，并且d1和d2分别是第一层和第二层的厚度。然后通过exp(-μ1d1-μ2d2)给出了X射线过滤器的透射。
在示例中，所述第一物质的所述第一最大k边缘能量除以所述第二物质的所述第二最大k边缘能量的比率小于2.5。
如上文所解释的，第一物质可以对直接高于第一最大k边缘能量的光子能量提供强烈衰减。然而，由第一物质提供的衰减对于低于第一最大k边缘能量的光子能量来说可能不足。
例如，第一物质可以是锡，因此第一最大k边缘能量可以是29.2keV。对于直接高于k边缘能量的光子能量，锡提供了出色的X射线辐射衰减。然而，对于特别是从20keV至处于29.2keV的k边缘能量的光子能量范围，由锡提供的衰减对于给定的成像应用来说可能不足。
为了提高对低于第一最大k边缘能量的光子能量的衰减，X射线过滤器还可以包括具有小于第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的第二物质，使得提高特别是对高于第二最大k边缘能量且低于第一最大k边缘能量的光子能量的衰减。第二物质可以对直接高于第二最大k边缘能量的光子能量提供出色的衰减。然而，对于高于第二最大k边缘能量的光子能量，由第二物质提供的衰减会减少。出于这个原因，第二最大k边缘能量不应远远低于第一最大k边缘能量。因此，X射线过滤器的第二物质可以被选择为使得第二最大k边缘能量比第一物质的第一最大k边缘能量大0.4倍。在其他实施例中，X射线过滤器的第二物质可以被选择为使得第二最大k边缘能量比第一物质的第一最大k边缘能量大0.5、0.6或0.7倍。
在另一示例中，所述第一最大k边缘能量大于7keV。
对第一物质和对应的第一最大k边缘能量的选择取决于用于给定的成像应用的X射线光谱。
例如，对于低能量X射线成像应用，铜(k边缘处于9.0keV)可以与钛(k边缘处于5.0keV)或铁(k边缘处于7.1keV)组合为第二物质，因此，第一最大k边缘能量可以大于或等于9keV。
在其他X射线成像应用(例如，乳房X射线摄影)中，钇(k边缘处于17.0keV)、锆(k边缘处于18.0keV)、铌(k边缘处于19.0keV)或钼(k边缘处于20.0keV)可以与铜(k边缘处于9.0keV)、锌(k边缘处于9.7keV)、锗(k边缘处于11.1keV)或硒(k边缘处于12.7keV)组合为第二物质。因此，第一最大k边缘能量可以大于15keV。
在其他X射线成像应用中，锡(k边缘处于29.2keV)可以与银(k边缘处于25.5keV)或钼(k边缘处于20.0keV)组合为第二物质。因此，第一最大k边缘能量可以大于25keV。
在高能量X射线成像应用中，铅(k边缘处于88.0keV)或铋(k边缘处于90.5keV)可以与钕(k边缘处于43.6keV)、铒(k边缘处于57.5keV)或钽(k边缘处于67.4keV)组合为第二物质。因此，第一最大k边缘能量可以大于80keV。
在另一示例中，在第一光子能量下所述X射线过滤器的所述第二物质的透射小于0.5，其中，所述第一光子能量小于所述第一最大k边缘能量。另外，所述第一光子能量可以大于所述第二最大k边缘能量。
特别地，第一光子能量可以略微小于第一最大k边缘能量。例如，第一光子能量可以是E1＝0.9Ek1+0.1Ek2，其中，Ek1和Ek2分别指代第一最大k边缘能量和第二最大k边缘能量。第一光子能量的值也可以更大或更小。X射线过滤器的第一物质可以对第一光子能量提供相当差的衰减。换句话说，X射线过滤器的第一物质的透射可以很大。
例如，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层和包含第二物质的第二层。X射线束可以首先传播通过X射线过滤器的第一层，然后再撞击到第二层上。假定X射线束的光子具有等于第一光子能量的能量，则可以将在传播通过X射线过滤器的第一层之后的X射线束的强度表示为I0exp(-μ1(E1)d1)，其中，I0是当撞击到X射线过滤器上时X射线束的初始强度，μ1(E1)是在第一光子能量E1下第一物质的线性衰减系数，并且d1是X射线过滤器的第一层的厚度。因此，X射线过滤器的第一物质的透射可以被表示为exp(-μ1(E1)d1)。例如，第一物质的透射可以大于5％、10％、20％或30％。在传播通过X射线过滤器的第一层和第二层之后，X射线束的强度可以被表示为I0exp(-μ1(E1)d1-μ2(E1)d2)，其中，μ2(E1)是在第一光子能量下第二物质的线性衰减系数，并且d2是X射线过滤器第二层的厚度。因此，可以通过exp(-μ1(E1)d1-μ2(E1)d2)来给出X射线过滤器的透射。
第二物质可以对高于其第二最大k边缘能量的光子能量提供对X射线辐射的强烈衰减。然而，即使在直接低于第一最大k边缘能量的第一光子能量E1(这可以与第二最大k边缘能量有很大不同)下，第二物质也可以提供透射exp(-μ2(E1)d2)＜ζ，其中，ζ可以是例如0.5、0.25、0.1或0.05。特别地，对于在第二最大k边缘能量Ek2与第一最大k边缘能量Ek1之间的所有光子能量，由第二层提供的透射可以小于ζ。结果，在第一光子能量下X射线过滤器的透射exp(-μ1(E1)d1-μ2(E1)d2)最多可以是第一物质的透射exp(-μ1(E1)d1)的大小的ζ倍，即使在第一光子能量直接低于第一最大k边缘能量时也是如此。
在另一示例中，对于低于所述第一最大k边缘能量的所有光子能量，所述X射线过滤器的透射小于10％。
在其他示例中，对于低于第一最大k边缘能量的所有光子能量，X射线过滤器的透射可以小于0.5％、1％、2％或5％。因此，X射线过滤器可以被配置为对低于第一最大k边缘能量的所有光子能量提供99.5％、99％、98％或95％的最小衰减。
X射线过滤器还可以被配置为对更高的光子能量提供大的透射。例如，X射线过滤器可以被配置为对明显高于第一最大k边缘能量的光子能量提供至少40％、60％、80％、90％或95％的透射。因此，X射线过滤器可以被配置为提供高通特性，即，X射线过滤器可以对低能量X射线光子是射线不透的，而对高能量X射线光子是射线可透的。
在另一示例中，X射线过滤器包括第一层和第二层，其中，第一层包括X射线过滤器的第一物质，并且其中，第二层包括X射线过滤器的第二物质。第一物质可以是或者可以包括锡，并且第一层的厚度可以小于0.5mm。
第一物质可以是或者可以包括锡，锡适合用于许多医学X射线成像应用，因为其k边缘能量在大约29.2keV处。
X射线过滤器可以相对于X射线管进行布置，使得由X射线管发射的X射线束撞击到第一层上。在传播通过第一层之后，主X射线束的光子可以撞击到X射线过滤器的第二层上。在直接低于29.2keV的第一最大k边缘能量的光子能量下，锡的质量衰减系数近似为μ1/ρ＝7.76cm2/g。在密度ρ＝7.31g/cm3的情况下，厚度为d1＝0.5mm的锡层的透射被给出为exp(-μ1d1)＝5.9％。为了提高第一层对高于截止能量的高光子能量的透射，可以大大减小第一层的厚度。例如，可以将第一层的厚度减小到0.4mm、0.3mm、0.2mm或0.1mm。然而，这样的薄的第一层可能无法对直接低于第一最大k边缘能量的光子能量提供足够的衰减。第二层可以被配置为提高X射线过滤器的衰减，特别是对直接低于第一最大k边缘能量的光子能量的衰减。
在另一示例中，所述第一最大k边缘能量小于30keV。
在许多医学X射线成像应用中，第一最大k边缘能量可以小于30keV，以防止对适合用于这样的成像应用的X射线辐射的衰减。
然而，在其他应用(例如，材料分析)中，第一最大k边缘能量可以大于30keV。在这样的应用中，第一最大k边缘能量可以小于50keV、75keV或100keV。
在另一示例中，所述第一物质包括锡，并且所述第二物质包括钼或银。
因此，第一最大k边缘能量可以是29.2keV(锡)，并且第二最大k边缘能量可以是25.5keV(银)或20.0keV(钼)。
X射线过滤器也可以包括第一物质、第二物质和第三物质，其中，第一物质包括锡，第二物质包括钼，并且第三物质包括银。例如，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层、包含第二物质的第二层，以及包含第三物质的第三层。
在另一示例中，所述第一物质包括钼、锆、铌或钇，并且所述第二物质包括铜、锌、锗、硒、钴或镍。
因此，第一最大k边缘能量可以是17.0keV(钇)、18.0keV(锆)、19.0keV(铌)或20.0keV(钼)。第二最大k边缘能量可以是9.0keV(铜)、9.7keV(锌)、11.1keV(锗)或12.7keV(硒)。具有这样的第一最大k边缘能量和第二最大k边缘能量的X射线过滤器可以特别适合用于诸如乳房X射线摄影之类的成像应用，其中使用低能量X射线。
在另一示例中，所述X射线过滤器还包括第三物质，其中，所述第三物质是包括具有小于所述第二物质的所述第二最大k边缘能量的第三最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。
X射线过滤器的第一物质和第二物质提供的衰减对于低于第二最大k边缘能量的光子能量来说可能不足。第三物质可以被配置为提高衰减，特别是对低于第二最大k边缘能量的光子能量的衰减。出于这个原因，第三最大k边缘能量应当小于第二物质的第二最大k边缘能量。
第三物质是化学元素或化合物。例如，第三物质可以是金属或金属氧化物。在金属氧化物的情况下，第三最大k边缘能量可以等于金属原子的k边缘能量。当第三物质是化合物时，第三最大k边缘能量对应于化合物中具有最大原子序数的原子的k边缘能量。为了简单起见，当第三物质是化学元素时，即，当第三物质仅包括单个k边缘能量时，我们还指代第三最大k边缘能量。
X射线过滤器可以包括第一部分、第二部分和第三部分，其中，第一部分可以包括第一物质，第二部分可以包括第二物质，并且第三部分可以包括第三物质。例如，X射线过滤器的第一部分、第二部分和第三部分分别可以形成第一层、第二层和第三层。因此，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层、包含第二物质的第二层，以及包含第三物质的第三层。替代地，X射线过滤器可以包括第一物质、第二物质和第三物质的异质混合物。例如，可以将第一物质、第二物质和第三物质的颗粒均匀混合到例如环氧树脂中。替代地，X射线过滤器可以包括第一物质、第二物质和第三物质的均质混合物(例如，合金)。
在另一示例中，在第二光子能量下所述X射线过滤器的所述第三物质的透射小于0.5，其中，所述第二光子能量小于所述第二最大k边缘能量。此外，所述第二光子能量可以大于所述第三最大k边缘能量。
特别地，第二光子能量可以略微小于第二最大k边缘能量。例如，第二光子能量可以是E2＝0.9Ek2+0.1Ek3，其中，Ek3表示第三最大k边缘能量。第二光子能量的值也可以更大或更小。X射线过滤器的第一物质和第二物质可以对第二光子能量提供较差的衰减。换句话说，X射线过滤器的第一物质和第二物质的组合对第二光子能量的透射可以很大。
例如，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层、包含第二物质的第二层，以及包含第三物质的第三层。X射线过滤器的第一层、第二层和第三层可以以这种顺序进行布置。X射线束可以首先传播通过X射线过滤器的第一层和第二层，然后再撞击到第三层上。假定X射线束的光子具有等于第二光子能量的能量，则可以将在传播通过X射线过滤器的第一层和第二层之后的X射线束的强度表示为I0exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2)，其中，μ1(E2)和μ2(E2)分别是在第二光子能量下第一物质和第二物质的线性衰减系数。因此，X射线过滤器的第一物质和第二物质的透射可以被写为exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2)。例如，在第二光子能量下第一物质和第二物质的透射可以大于5％、10％、20％或30％。在传播通过X射线过滤器的第一层、第二层和第三层之后，X射线束的强度可以是I0exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2-μ3(E2)d3)，其中，μ3(E2)是在第二光子能量下第三物质的线性衰减系数，并且d3是X射线过滤器的第三层的厚度。因此，可以通过exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2-μ3(E2)d3)来给出X射线过滤器的透射。
第三物质可以提供对X射线辐射的强烈衰减，特别是对直接高于其第三最大k边缘能量的光子能量提供对X射线辐射的强烈衰减。然而，即使在直接低于第二最大k边缘能量(其可以大大大于第三最大k边缘能量)的第二光子能量E2处，第三物质也可以提供透射exp(-μ3(E2)d3)＜ζ，其中，ζ可以是例如0.5、0.25、0.1或0.05。特别地，对于在第三最大k边缘能量Ek3与第二最大k边缘能量Ek2之间的所有光子能量，由第三层提供的透射可以小于ζ。结果，在第二光子能量下X射线过滤器的透射exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2-μ3(E2)d3)可以小于X射线过滤器的第一层和第二层的透射exp(-μ1(E2)d1-μ2(E2)d2)的1/ζ，即使在第二光子能量直接低于第二最大k边缘能量时也是如此。
在另一示例中，所述第三物质包括聚四氟乙烯、铝、钛、铜或钼。
例如，X射线过滤器的第一物质可以包括锡，X射线过滤器的第二物质可以包括银，并且X射线过滤器的第三物质可以包括钼。
在其他示例中，X射线过滤器的第三物质可以是或者可以包括聚四氟乙烯、铝或钛。因此，第三物质可以包括具有最低原子序数的原子或者由具有最低原子序数的原子构成。
第三物质可以被配置为对k逃逸光子进行衰减，所述k逃逸光子可以由第一物质和第二物质发射，并且可以具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量或等于或小于第二最大k边缘能量的能量。
例如，X射线过滤器可以包括包含第一物质的第一层、包含第二物质的第二层，以及包含第三物质的第三层。X射线过滤器的第一层、第二层和第三层可以以这种顺序进行布置。此外，X射线过滤器可以相对于X射线管进行布置，使得由X射线管发射的X射线束的光子以这种顺序传播通过第一层、第二层和第三层。在这种情况下，第一层可以发射具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量的k逃逸光子。可以通过X射线过滤器的第二层和第三层对这些k逃逸光子进行衰减。因此，X射线过滤器的第二层和第三层可以被配置为防止具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量的k逃逸光子到达要被成像的目标。此外，第二层可以发射具有等于或小于第二最大k边缘能量的能量的k逃逸光子。可以通过X射线过滤器的第三层对这些k逃逸光子进行衰减。因此，X射线过滤器的第三层可以被配置为防止具有等于或小于第二最大k边缘能量的能量的k逃逸光子到达要被成像的目标。
在其他实施例中，X射线过滤器可以包括三种以上的物质。例如，X射线过滤器可以包括第四物质，其中，第四物质可以是包括具有小于第三物质的第三最大k边缘能量的第四最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。
在另一示例中，当X射线过滤器的厚度和另一X射线过滤器的厚度被配置为使得这两个过滤器对所有低能量范围的光子能量的最大透射都相同时，与包括第一物质的另一X射线过滤器相比，X射线过滤器被配置为在第三光子能量下提供更大的透射。因此，第三光子能量可以大于截止能量。另外，低能量范围的最大值可以小于截止能量。另外，低能量范围的最大值可以大于第一最大k边缘能量。因此，在X射线过滤器和另一X射线过滤器的透射不超过针对所有低能量范围的光子能量的上限的约束下，与包括第一物质的另一X射线过滤器相比，根据本发明的X射线过滤器可以对高于截止能量的光子能量提供更陡峭的透射增加。
根据本发明，还提出了一种X射线成像系统。所述X射线成像系统包括用于生成X射线束的X射线管以及根据本发明的X射线过滤器，其中，所述X射线过滤器被布置用于过滤所述X射线束。所述X射线成像系统的所述X射线过滤器包括第一层和第二层，其中，所述第一层包括所述X射线过滤器的所述第一物质，其中，所述第二层包括所述X射线过滤器的所述第二物质，并且其中，所述X射线管、所述第一层和所述第二层以这种顺序进行布置。
X射线成像系统可以被配置用于医学诊断、机场安检、材料分析或其他应用。X射线成像系统还可以包括X射线成像探测器。X射线成像探测器可以包括X射线转换器和探测器板。X射线转换器可以将X射线辐射转换成电荷。这种转换可以是直接的，也可以是间接的。探测器板可以收集由X射线转换器生成的电荷。因此，探测器板可以包括TFT的阵列。探测器板还可以包括用于读出电荷的电子器件。这些读出电子器件还可以被配置为将电荷转换成数字值。结果，探测器板可以生成数字图像。
X射线成像系统还可以包括用于处理由探测器板生成的图像的数据处理系统。此外，X射线成像系统还可以包括控制单元，所述控制单元用于将X射线管和X射线成像探测器的操作进行同步，并且/或者用于控制成像参数，例如，管电压、管电流、积分时段等。
X射线过滤器可以被布置在X射线管与X射线成像探测器之间。特别地，X射线过滤器可以被布置在X射线管与要被成像的目标之间。因此，X射线过滤器可以被配置为减少目标在X射线辐射下的暴露。
X射线管、X射线过滤器的第一层、X射线过滤器的第二层以及要被成像的目标可以以这种顺序进行布置。由X射线管发射的X射线束可以首先至少部分地传播通过X射线过滤器的第一层，随后至少部分的传播通过X射线过滤器的第二层。在穿过X射线过滤器之后，X射线束可以撞击到要被成像的目标上。
因此，X射线过滤器的第一层可以发射具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量的k逃逸光子。X射线过滤器的第二层优选对具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量的k逃逸光子提供强烈衰减。由于X射线过滤器的第二层被布置在第一层与要被成像的目标之间，因此第二层对由第一层发射的k逃逸光子进行衰减。因此，X射线过滤器的第二层可以防止具有等于或小于第一最大k边缘能量的能量的k逃逸光子到达要被成像的目标。
根据本发明，还提出了一种根据本发明的X射线过滤器在X射线成像系统中的用途。
因此，可以借助于根据本发明的包含X射线过滤器的X射线成像系统来生成X射线图像。优选地，X射线过滤器被布置在X射线成像系统的X射线管与要被成像的目标之间，使得在由X射线管发射的X射线束撞击到要被成像的目标之前，X射线过滤器对所述X射线束进行过滤。
根据本发明，还提出了一种用于设计X射线过滤器的方法。所述方法可以包括以下步骤：在第一步骤中，可以确定截止能量。在第二步骤中，确定第一物质和第二物质，其中，所述第一物质是包括具有小于所述截止能量的第一最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物，并且其中，第二物质是包括具有小于第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。在第三步骤中，可以确定低能量范围和针对在所述低能量范围内的透射的上限。所述低能量范围可以包括低于所述截止能量的光子能量。例如，所述低能量范围可以包括最高达到所述第一最大k边缘能量的所有光子能量。所述低能量范围还可以包括高于所述第一最大k边缘能量的光子能量。针对在低能量范围内的透射的上限可以是恒定值。替代地，针对不同的光子能量，针对在所述低能量范围内的透射的上限可以取不同的值。在第四步骤中，确定第三光子能量。所述第三光子能量可以等于或大于所述截止能量。所述X射线过滤器可以包括第一层和第二层，其中，所述第一层包括第一物质，并且所述第二层包括第二物质。在第五步骤中，可以将所述第一层和所述第二层的厚度确定为使得所述X射线过滤器对所述第三光子能量的透射极大地经受以下约束：透射不超过针对在低能量范围内的所有光子能量的上限。特别地，可以将第一层和第二层的厚度确定为使得X射线过滤器对第三光子能量的透射最大限度地经受以下约束：透射不超过针对在低能量范围内的所有光子能量的上限。
当第一物质和第二物质不是包含在X射线过滤器的单独层中时，可以基于第一物质和第二物质的质量衰减系数、第一物质和第二物质的密度和X射线过滤器的厚度来确定X射线过滤器的透射。因此，在第五步骤中，可以将X射线过滤器的厚度以及第一物质和第二物质的密度确定为使得X射线过滤器对第三光子能量的透射极大地经受以下约束：透射不超过针对在低能量范围内的所有光子能量的上限。特别地，可以将X射线过滤器的厚度以及第一物质和第二物质的密度确定为使得X射线过滤器对第三光子能量的透射最大限度地经受以下约束：透射不超过针对在低能量范围内的所有光子能量的上限。
在两种以上的物质的情况下，可以类似地应用该方法。
应当理解，根据权利要求所述的X射线过滤器和X射线成像系统具有相似和/或相同的优选实施例，特别是在从属权利要求中定义的实施例。还应当理解，本发明的优选实施例也能够是从属权利要求与相应的独立权利要求的任何组合。
参考下文描述的实施例，本发明的这些方面和其他方面将是明显的并且得到阐明。
附图说明
将在下文中参考附图来描述本发明的示例性实施例：
图1示意性且示例性地示出了X射线成像系统的实施例。
图2示出了若干示例X射线过滤器配置的透射曲线。
具体实施方式
图1示意性且示例性地示出了X射线成像系统100的实施例。X射线成像系统包括X射线管101和X射线过滤器102。X射线过滤器可以被布置为过滤由X射线管发射的X射线束。X射线束的形状如图1所示，最外面的X射线是111a和111b。
X射线过滤器102可以被配置为对低于截止能量的光子能量提供高衰减并对高于截止能量的光子能量提供低衰减。因此，X射线过滤器可以被配置为提供高通特性。
X射线过滤器可以被布置在X射线管与要被成像的目标110之间。因此，X射线过滤器可以减少目标在X射线辐射下的暴露。更具体地，X射线过滤器可以被配置为对低能量X射线辐射进行衰减，如果不这样做的话，低能量X射线辐射将被要被成像的目标吸收而不会贡献于所生成的图像。
如图1所示，X射线过滤器可以具有板的形状。替代地，X射线过滤器可以具有弯曲的设计。例如，X射线过滤器可以是弯曲的，使得最外面的X射线111a和111b正交地撞击到X射线过滤器上。
X射线过滤器包括第一物质和第二物质，其中，第一物质是包括具有小于截止能量的第一最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物，并且其中，第二物质是包括具有小于第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。任选地，X射线过滤器可以包括具有低于第二最大k边缘能量的最大k边缘能量的另外的物质。第二物质和另外的物质可以被配置为对低于第一最大k边缘能量的光子能量提供提高的(即，更强的)衰减。
X射线过滤器可以包括第一层103和第二层104。第一层可以包括第一物质，并且第二层可以包括第二物质。更一般地，X射线过滤器可以包括第一部分和第二部分，其中，第一部分可以包括第一物质，并且第二部分可以包括第二物质(图1中未示出)。例如，X射线过滤器可以包括第一物质和第二物质的异质混合物。例如，可以将第一物质和第二物质的颗粒均匀混合到例如环氧树脂中。替代地，X射线过滤器可以包括第一物质和第二物质的均质混合物(例如，合金)。
X射线成像系统还可以包括X射线成像探测器105。由X射线管发射的X射线束可以至少部分地传播通过X射线过滤器和要被成像的目标，然后再撞击到X射线成像探测器上。X射线成像探测器可以包括用于将X射线辐射转换成电荷的X射线转换器106以及用于收集由X射线转换器生成的电荷并用于生成图像的探测器板107。
X射线转换器可以是直接转换器或间接转换器。X射线转换器可以包括转换元件的阵列，每个转换元件都被配置用于将X射线辐射转换成电荷。
探测器板可以包括对应的探测器元件阵列，所述对应的探测器元件阵列用于收集由X射线转换器的转换元件生成的电荷。因此，每个探测器元件可以包括TFT。探测器板还可以包括用于读出图像的读出电子器件，其中，图像的每个像素可以对应于由X射线转换器的一个转换元件生成的电荷。因此，探测器板可以被配置用于生成数字图像，所述数字图像将碰撞到X射线转换器上的X射线辐射的量进行可视化。
X射线成像系统还可以包括用于处理由探测器板生成的图像的数据处理系统109。此外，X射线成像系统可以包括控制单元108，控制单元108用于将X射线管和X射线成像探测器的操作进行同步，并且/或者用于控制成像参数，例如，管电压、管电流、积分时段等。
图2示出了作为光子能量的函数的若干示例X射线过滤器配置的透射曲线。因此，横坐标描绘了以keV为单位的光子能量，而纵坐标描绘了透射。可以假定截止能量为50keV。因此，X射线过滤器可以被配置为对具有低于该截止能量的能量的光子进行衰减并让更高能量光子通过。为了进行比较，在图2中描绘的X射线过滤器已经被配置为对截止能量提供相同的透射。实线曲线示出了由厚度为0.33mm的锡构成的X射线过滤器的透射。该实线曲线是出于比较的目的而示出的。它并不对应于根据本发明的X射线过滤器，因为它并不包括具有不同的最大k边缘能量的第一物质和第二物质。由锡构成的X射线过滤器可以对直接高于29.2keV的k边缘能量的光子能量提供强烈衰减。然而，对于直接低于该k边缘能量的光子能量，该X射线过滤器提供较差的衰减。特别地，图2示出了X射线过滤器在低于其k边缘能量的情况下的透射达到10％以上的值。
虚线曲线示出了由厚度为4.6mm的钛构成的X射线过滤器的透射。再次地，该曲线并不对应于根据本发明的X射线过滤器，因为它并不包括具有不同的最大k边缘能量的第一物质和第二物质。钛的k边缘能量为5.0keV。与由锡制成的X射线过滤器相比，由钛制成的X射线过滤器对在20keV至29.2keV之间的光子能量提供了提高的衰减。同时，图2示出了与由锡制成的X射线过滤器相比，由钛制成的X射线过滤器对高光子能量(例如高于60keV)提供了较差的透射。
点划线曲线示出了针对根据本发明的X射线过滤器的透射。X射线过滤器包括由锡制成的第一层和由钼制成的第二层。第一层的厚度为0.21mm，并且第二层的厚度为0.15mm。因此，第一最大k边缘能量为29.2keV，并且第二最大k边缘能量为20.0keV。在仅考虑X射线过滤器的第一层的情况下，对于直接低于第一最大k边缘能量的光子能量，该层的透射可以达到最高30％的值。然而，如图2所示，由钼制成的第二层防止了如此高的透射值。特别地，对于低于第一最大k边缘能量的所有X射线能量，由锡和钼构成的X射线过滤器的透射低于2.5％。因此，由钼制成的第二层显著提高了对低能量X射线光子的衰减。
与由锡制成的X射线过滤器(实线曲线)相比，由锡和钼制成的X射线过滤器(点划线曲线)对低于29.2keV的k边缘能量的光子能量提供了显著提高的衰减。对于高光子能量(例如高于60keV)，由锡和钼构成的X射线过滤器提供的透射仅比由锡制成的X射线过滤器提供的透射略差。
对于低能量范围的所有光子能量，可以要求透射小于例如1％、2.5％或5％的上限。低能量范围可以包括最高达到30keV、35keV或40keV的能量。由锡和钼构成的X射线过滤器可以满足这样的要求，但是由厚度为0.33mm的锡制成的X射线过滤器并不满足这种要求，因为对直接低于29.2keV处的k边缘能量的衰减很差。因此，必须增加由锡制成的X射线过滤器的厚度，以满足在低能量范围内保持透射低于上限的要求。然而，这种由锡制成的X射线过滤器的厚度的增加会导致针对高光子能量(例如高于60keV)的透射下降。因此，当由锡构成的X射线过滤器和由锡和钼制成的X射线过滤器都被配置为使得透射不超过针对低能量范围的所有光子能量的上限时，与由锡构成的X射线过滤器相比，由锡和钼制成的X射线过滤器在高光子能量(例如，60keV、80keV或更大)处提供了更大的透射。
与由钛制成的X射线过滤器(虚线曲线)相比，由锡和钼制成的X射线过滤器(点划线曲线)对低于29.2keV的k边缘能量的光子能量提供了略差的衰减。同时，与由钛制成的X射线过滤器相比，由锡和钼构成的X射线过滤器对高光子能量(例如高于60keV)提供了显著提高的透射。
点划线曲线示出了针对根据本发明的另一X射线过滤器的透射。这种X射线过滤器包括由锡制成的第一层、由银制成的第二层和由钼制成的第三层。第一层的厚度为0.2mm，第二层的厚度为0.05mm，并且第三层的厚度为0.08mm。因此，第一最大k边缘能量为29.2keV，第二最大k边缘能量为25.5keV，并且第三最大k边缘能量为20.0keV。当仅考虑X射线过滤器的第一层和第二层的情况下，这种多层组合对直接低于第二光子能量的光子能量的透射很高。由钼制成的第三层防止了如此高的透射值。图2示出了由锡和钼构成的X射线过滤器对低于第一最大k边缘能量的所有X射线能量的透射低于2.5％。同时，由锡、银和钼构成的X射线过滤器对高光子能量(例如高于60keV)提供的透射比由锡和钼构成的X射线过滤器对高光子能量(例如高于60keV)提供的透射更好。
虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是图示性或示例性的，而非限制性的。特别地，所说明的X射线过滤器的第一物质、第二物质和第三物质仅是示例性的。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、公开内容以及权利要求，在实践请求保护的发明时能够理解并实现对所公开的实施例的其他变型。
在权利要求中，“包括”一词并不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”并不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中记载的若干项的功能。虽然某些措施被记载在互不相同的从属权利要求中，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为对范围的限制。
Claims (14)
1.一种用于X射线成像系统的X射线过滤器(102)，
其中，所述X射线过滤器被配置为对具有低于截止能量的能量的X射线光子进行衰减并让具有高于所述截止能量的能量的X射线光子通过，
其中，所述X射线过滤器包括第一物质和第二物质，
其中，所述第一物质是包括具有小于所述截止能量的第一最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物，并且
其中，所述第二物质是包括具有小于所述第一最大k边缘能量的第二最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物；
其特征在于，所述X射线过滤器(102)包括包含所述第一物质的第一层(103)和包含所述第二物质的第二层(104)，并且
其中，所述X射线过滤器(102)被配置为使得所述X射线成像系统的X射线束首先传播通过所述X射线过滤器的所述第一层(103)，然后再撞击到所述第二层(104)上。
2.根据权利要求1所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一物质的所述第一最大k边缘能量除以所述第二物质的所述第二最大k边缘能量的比率小于2.5。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一最大k边缘能量大于7keV。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，在第一光子能量下所述X射线过滤器的所述第二物质的透射小于0.5，
其中，所述第一光子能量小于所述第一最大k边缘能量，并且大于所述第二最大k边缘能量。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，对于低于所述第一最大k边缘能量的所有光子能量，所述X射线过滤器的透射小于10％。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一物质包括锡，并且
其中，所述第一层的厚度小于0.5mm。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一最大k边缘能量小于30keV。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一物质包括锡，并且
其中，所述第二物质包括钼或银。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第一物质包括钼、锆、铌或钇，并且
其中，所述第二物质包括铜、锌、锗、硒、钴或镍。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，还包括第三物质，
其中，所述第三物质是包括具有小于所述第二物质的所述第二最大k边缘能量的第三最大k边缘能量的原子的化学元素或化合物。
11.根据权利要求10所述的X射线过滤器(102)，
其中，在第二光子能量下所述X射线过滤器的所述第三物质的透射小于0.5，并且
其中，所述第二光子能量小于所述第二最大k边缘能量，并且大于所述第三最大k边缘能量。
12.根据权利要求10或11中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述第三物质包括聚四氟乙烯、铝、钛、铜或钼。
13.一种X射线成像系统(100)，包括：
X射线管(101)，其用于生成X射线束(111a、111b)，以及
根据前述权利要求中的任一项所述的X射线过滤器(102)，
其中，所述X射线过滤器被布置用于过滤所述X射线束，
其特征在于，所述X射线过滤器(102)包括第一层和第二层，
其中，所述第一层(103)包括所述X射线过滤器的所述第一物质，
其中，所述第二层(104)包括所述X射线过滤器的所述第二物质，并且
其中，所述X射线管(101)、所述第一层和所述第二层以这种顺序进行布置。
14.一种根据权利要求1至12中的任一项所述的X射线过滤器(102)在X射线成像系统中的用途。
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