CN116153746A - 阴极单元化的x射线源、静态ct成像系统及图像增强方法 - Google Patents

阴极单元化的x射线源、静态ct成像系统及图像增强方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法，包括：真空管；发射电子束的阴极端，阴极端包括曝光电控模块以及矩阵排列地设置于曝光电控模块同一侧的多个电子发射单元，所有电子发射单元相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块；被电子束轰击的阳极靶，阳极靶包括阳极主体以及成型于阳极主体的靶面，靶面位于所述电子发射单元的发射路径上；所述曝光电控模块在接收外部控制信号时使被选择的电子发射单元和曝光电控模块之间建立电压线路，电子发射单元逐一或逐行朝靶面发射电子，靶面在电子的轰击下将X射线反射至窗口。本发明能够增加扫描范围，提高静态CT的图像质量，提高X射线源的寿命。

Description

阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法
技术领域
本发明涉及静态CT技术领域，特别是涉及一种阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法。
背景技术
传统的CT由机架、高压发生器、球管以及探测器几大件组成，机架是一个旋转系统，高压发生器、球管以及探测器三个主要元件安装在机架上旋转，电能一般通过滑环传递到旋转机架上，机架移动元件的供电都通过滑环传递电能。机架旋转会带来巨大的加速度，安装在机架上所有的元件都要承受巨大的离心力，会给这些元器件的造成很大的制造难度，并且影响元器件的寿命。CT为了提高其性能，包括时间分辨率和剂量等问题，机架旋转速度越来越快，现在已经成为了限制CT发展的瓶颈，很难再进一步提高。为了突破当前瓶颈，下一代的革命性CT公认的是静态CT。
静态CT在CT的发展历史上被定义为第六代CT。采用全新的成像手段，是创新性无滑环多源CT，可获得超速，超低辐射剂量成像特征和超高清图像，引领CT进入介观成像阶段。
静态CT核心部件包括探测器环和射线源环，其中探测器环配置的环形探测器，由多个光子流探测器组成。射线源环由分布式X射线管或者阵列式一体化射线源组成。
在结构设计上，静态CT不再使用滑环，由探测器环和射线源环组成双环的机械几何结构。其中，射线源环上布置了几十到上百个射线源焦点，探测器环上布置了整环的探测器，使得每个射线源焦点发出的X射线都能由对面的探测器进行成像。射线源环的分布式X射线源焦点在曝光控制时序下轮流发射X射线并由对应的探测器环收集图像，实质上产生了类似螺旋CT设备的射线源旋转投影的效果，从而可以使CT设备的时间分辨率不再依赖机械旋转的速度。
现有的静态CT一般采用单层设计，单层发射源和单层探测器，结构相对简单，但是只能在一个很窄的方向成像，在扫描的过程中也会有覆盖面积小的缺点，可能需要依靠直线运动的床架辅助完成特定器官或者样品的扫描。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法，通过阴极端的单元化形式，能够选择性地多点曝光，结合靶面的角度增加了扫描范围，提高静态CT的图像质量，还可以有效降低阳极靶的局部温度，提高X射线源的寿命。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种阴极单元化的X射线源，包括：
真空管，真空管上设有允许X射线透过的窗口；
发射电子束的阴极端，阴极端设于真空管内，阴极端包括曝光电控模块以及矩阵排列地设置于曝光电控模块同一侧的多个电子发射单元，所有电子发射单元相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块；
被电子束轰击的阳极靶，阳极靶设于真空管内，阳极靶包括阳极主体以及成型于阳极主体的靶面，靶面位于所述电子发射单元的发射路径上，靶面的法线和电子发射单元的发射方向呈锐角设置；
所述曝光电控模块在接收外部控制信号时使被选择的电子发射单元和曝光电控模块之间建立电压线路，电子发射单元逐一或逐行朝靶面发射电子，靶面在电子的轰击下将X射线反射至窗口。
优选地，所述电子发射单元包括单元灯丝和单元开关电路，单元开关电路用于将单元灯丝和曝光电控模块电性连接。
优选地，所述阳极主体呈扇面体状，阳极主体具有楔形面，所述靶面成型于楔形面。
本发明还提供一种静态CT成像系统，包括：
控制系统，控制系统包括CT主机以及通信连接于CT主机的扫描时序控制器；
设于地面的机架；
X射线环，X射线环设于机架并且通信连接于扫描时序控制器，X射线环包括呈圆周阵列的多个所述阴极单元化的X射线源；
探测环，探测环设于机架并且通信连接于扫描时序控制器，单个探测环同轴布置于X射线环的一侧，探测环包括呈圆周阵列的多个探测器。
优选地，所述真空管以X射线环的轴线为圆心线圆弧延伸。
优选地，所述阴极端和阳极靶沿平行于X射线环轴线的方向对齐布置，所述窗口设于真空管径向朝内的管壁上，窗口沿X射线环径向对齐于阳极靶。
优选地，所述阴极端的数量和阳极靶的数量均为多个并且一一对应，所有阴极端沿X射线环周向依次排列，所有阳极靶沿X射线环周向依次排列。
优选地，所述静态CT成像系统还包括准直环，准直环包括同轴内套于X射线环以约束由阴极单元化的X射线源发射的X射线。
优选地，所述准直环包括圆环体以及径向贯通于圆环体的准直孔洞结构。
本发明还提供一种采用所述静态CT成像系统的图像增强方法，包括以下步骤：
在CT主机上设置所述阴极端的所有电子发射单元的预设曝光程序；
在曝光电控模块的控制下，基于预设曝光程序所有电子发射单元按照从X射线环径向外侧到X射线环径向内侧的曝光顺序或者从X射线环径向内侧到X射线环径向外侧的曝光顺序，逐一或逐行发射自由电子；
所有探测器所采集的曝光信息反馈至CT主机，在CT主机中形成被测物体的CT影像。
如上所述，本发明的阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法，具有以下有益效果：上述X射线源的阴极端不再是一个整体，而是一个被分隔、且矩阵排列的结构，通过阳极靶的靶面的倾斜角度来耦合到被测物体的水平长度方向，从而形成更大的扫描范围来观察被测物体的不同位置，这样形成的成像效果高于现有静态CT的成像效果。上述阴极端设于真空管内并且用于发射电子束，阴极端包括曝光电控模块以及矩阵排列地设置于曝光电控模块同一侧的多个电子发射单元，所有电子发射单元相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块，阳极靶包括阳极主体以及成型于阳极主体的靶面，靶面位于上述电子发射单元的发射路径上，靶面的法线和电子发射单元的发射方向呈锐角设置，这样可以使用背散射的方式产生X射线；如此设置，当上述曝光电控模块在接收外部控制信号时，被选择的电子发射单元和曝光电控模块之间建立电压线路，电子发射单元逐一或逐行朝靶面发射电子，靶面在电子的轰击下将X射线反射至窗口。如此设计，靶面上的焦点的大小或位置可以自由调整，可以降低上述阳极靶因曝光而升高的温度，并且可以控制CT影像的平滑度，减少伪影。因此，本发明的阴极单元化的X射线源通过阴极端的单元化形式，能够选择性地多点曝光，结合靶面的角度增加了扫描范围，提高静态CT的图像质量，还可以有效降低阳极靶的局部温度，提高X射线源的寿命。
附图说明
图1显示为本发明的阴极单元化的X射线源的立体图；
图2显示为本发明的阴极单元化的X射线源的局部剖视图；
图3显示为阴极端和阳极靶的第一立体图；
图4显示为阴极端和阳极靶的第二立体图；
图5显示为X射线环的立体图；
图6显示为X射线环的内部结构图；
图7显示为X射线环的使用示意图；
图8显示为本发明的静态CT成像系统的立体图；
图9显示为本发明的静态CT成像系统的主视图；
图10显示为沿图9中A—A线的剖视图；
图11显示为图10中B部分的放大图。
元件标号说明
1 控制系统
11 CT主机
12 扫描时序控制器
2 机架
3 X射线环
31 阴极单元化的X射线源
311 真空管
312 阴极端
312a 曝光电控模块
312b 电子发射单元
313 阳极靶
313a 阳极主体
313b 靶面
314 温度传感器
315 窗口
4 探测环
41 探测器
5 准直环
51 圆环体
52 准直孔洞结构
6 被测物体
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1、图2、图3、图4以及图7所示，本发明提供一种阴极单元化的X射线源，包括：
真空管311，真空管311上设有允许X射线透过的窗口315；
发射电子束的阴极端312，阴极端312设于真空管311内，阴极端312包括曝光电控模块312a以及矩阵排列地设置于曝光电控模块312a同一侧的多个电子发射单元312b，所有电子发射单元312b相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块312a；
被电子束轰击的阳极靶313，阳极靶313设于真空管311内，阳极靶313包括阳极主体313a以及成型于阳极主体313a的靶面313b，靶面313b位于上述电子发射单元312b的发射路径上，靶面313b的法线和电子发射单元312b的发射方向呈锐角设置；
上述曝光电控模块312a在接收外部控制信号时使被选择的电子发射单元312b和曝光电控模块312a之间建立电压线路，电子发射单元312b逐一或逐行朝靶面313b发射电子，靶面313b在电子的轰击下将X射线反射至窗口315。
在本发明中，上述X射线源的阴极端312不再是一个整体，而是一个被分隔、且矩阵排列的结构，通过阳极靶313的靶面313b的倾斜角度来耦合到被测物体6的水平长度方向，从而形成更大的扫描范围来观察被测物体6(例如人体器官)的不同位置，这样形成的成像效果高于现有静态CT的成像效果。
具体的，请参见图3，上述阴极端312设于真空管311内并且用于发射电子束，阴极端312包括曝光电控模块312a以及矩阵排列地设置于曝光电控模块312a同一侧的多个电子发射单元312b，所有电子发射单元312b相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块312a，阳极靶313包括阳极主体313a以及成型于阳极主体313a的靶面313b，靶面313b位于上述电子发射单元312b的发射路径上，靶面313b的法线和电子发射单元312b的发射方向呈锐角设置，这样可以使用背散射的方式产生X射线；如此设置，当上述曝光电控模块312a在接收外部控制信号时，被选择的电子发射单元312b和曝光电控模块312a之间建立电压线路，电子发射单元312b逐一或逐行朝靶面313b发射电子，靶面313b在电子的轰击下将X射线反射至窗口315。例如，图3所示的多个白色小箭头表示属于同一行的电子发射单元312b的逐一曝光顺序，若一行包括N个电子发射单元312b，则曝光N次，然后再曝光下一行，如此循环。再例如，图3所示的单个白色大箭头表示属于不同行的电子发射单元312b的逐行曝光顺序，即，属于同一行的所有电子发射单元312b可以同时曝光，若有M行，则曝光M次。图3只是示意显示，单个阴极端312包括呈14(列)×12(行)矩阵排列的168个电子发射单元312b。如此设计，靶面313b上的焦点的大小或位置可以自由调整，可以降低上述阳极靶313因曝光而升高的温度，并且可以控制CT影像的平滑度，减少伪影。
因此，本发明的阴极单元化的X射线源通过阴极端312的单元化形式，能够选择性地多点曝光，结合靶面313b的角度增加了扫描范围，提高静态CT的图像质量，还可以有效降低阳极靶313的局部温度，提高X射线源的寿命。
上述电子发射单元312b可以是现有电子发射结构，例如尺寸微小的类似于电子枪的结构。例如，上述电子发射单元312b包括单元灯丝和单元开关电路，单元开关电路用于将单元灯丝和曝光电控模块312a电性连接。
如图4所示，为了倾斜设置上述靶面313b，上述阳极主体313a呈扇面体状，阳极主体313a具有楔形面，上述靶面313b成型于楔形面。
如图5、图6、图7、图8、图9、图10以及图11所示，本发明还提供一种静态CT成像系统，包括：
控制系统1，控制系统1包括CT主机11以及通信连接于CT主机11的扫描时序控制器12；
设于地面的机架2；
X射线环3(具体参见图5和图6)，X射线环3设于机架2并且通信连接于扫描时序控制器12，X射线环3包括呈圆周阵列的多个上述阴极单元化的X射线源；
探测环4，探测环4设于机架2并且通信连接于扫描时序控制器12，单个探测环4同轴布置于X射线环3的一侧，探测环4包括呈圆周阵列的多个探测器41。
在上述静态CT成像系统中，扫描时序控制器12可以向每个阴极端312的曝光电控模块312a发送上述外部控制信号。
如图5所示，为了提高上述X射线环3的结构紧凑性，上述真空管311以X射线环3的轴线为圆心线圆弧延伸，真空管311所对应的角度为锐角。
作为上述X射线源31的一种实施例：上述X射线源31还包括控制电子束运动轨迹的偏转结构；偏转结构可以电磁线圈。如图11所示，为了检测上述阳极靶313的温度，上述X射线源31还包括温度传感器314，温度传感器314设于阳极靶313背向阴极端312的一侧并且通信连接于CT主机11。
为了提高上述X射线源31的紧凑性，上述阴极端312和阳极靶313沿平行于X射线环3轴线的方向对齐布置，上述窗口315设于真空管311径向朝内的管壁上，窗口315沿X射线环3径向对齐于阳极靶313。
进一步的，上述阴极端312的数量和阳极靶313的数量均为多个并且一一对应，所有阴极端312沿X射线环3周向依次排列，所有阳极靶313沿X射线环3周向依次排列。
上述静态CT成像系统还包括准直环5，准直环5包括同轴内套于X射线环3以约束由阴极单元化的X射线源31发射的X射线。进一步的，上述准直环5包括圆环体51以及径向贯通于圆环体51的准直孔洞结构。
本发明还提供一种采用上述静态CT成像系统的图像增强方法，包括以下步骤：
在CT主机11上设置上述阴极端312的所有电子发射单元312b的预设曝光程序；
在曝光电控模块312a的控制下，基于预设曝光程序所有电子发射单元312b按照从X射线环3径向外侧到X射线环3径向内侧的曝光顺序或者从X射线环3径向内侧到X射线环3径向外侧的曝光顺序，逐一或逐行发射自由电子；
所有探测器41所采集的曝光信息反馈至CT主机11，在CT主机11中形成被测物体6的CT影像。
在本发明的图像增强方法中，对阴极端312进行了分割，有效增加曝光点的个数，有效增加靶面313b的使用面积，降低靶盘焦点的热量；此外，多焦点曝光的方式还有效改变X射线的照射角度，类似现有X射线源的飞焦点结构，能够形成更多的图像序列，从更精细的扫描视角进行成像，形成的CT图像更加平滑，去除图像的伪影，提高CT图像质量有很大的帮助。
综上所述，本发明阴极单元化的X射线源、静态CT成像系统及图像增强方法，通过阴极端的单元化形式，能够选择性地多点曝光，结合靶面的角度增加了扫描范围，提高静态CT的图像质量，还可以有效降低阳极靶的局部温度，提高X射线源的寿命。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种阴极单元化的X射线源，其特征在于，包括：
真空管(311)，真空管(311)上设有允许X射线透过的窗口(315)；
发射电子束的阴极端(312)，阴极端(312)设于真空管(311)内，阴极端(312)包括曝光电控模块(312a)以及矩阵排列地设置于曝光电控模块(312a)同一侧的多个电子发射单元(312b)，所有电子发射单元(312b)相互独立并且分别电性连接于曝光电控模块(312a)；
被电子束轰击的阳极靶(313)，阳极靶(313)设于真空管(311)内，阳极靶(313)包括阳极主体(313a)以及成型于阳极主体(313a)的靶面(313b)，靶面(313b)位于所述电子发射单元(312b)的发射路径上，靶面(313b)的法线和电子发射单元(312b)的发射方向呈锐角设置；
所述曝光电控模块(312a)在接收外部控制信号时使被选择的电子发射单元(312b)和曝光电控模块(312a)之间建立电压线路，电子发射单元(312b)逐一或逐行朝靶面(313b)发射电子，靶面(313b)在电子的轰击下将X射线反射至窗口(315)。
2.根据权利要求1所述的阴极单元化的X射线源，其特征在于：所述电子发射单元(312b)包括单元灯丝和单元开关电路，单元开关电路用于将单元灯丝和曝光电控模块(312a)电性连接。
3.根据权利要求1所述的阴极单元化的X射线源，其特征在于：所述阳极主体(313a)呈扇面体状，阳极主体(313a)具有楔形面，所述靶面(313b)成型于楔形面。
4.一种静态CT成像系统，其特征在于，包括：
控制系统(1)，控制系统(1)包括CT主机(11)以及通信连接于CT主机(11)的扫描时序控制器(12)；
设于地面的机架(2)；
X射线环(3)，X射线环(3)设于机架(2)并且通信连接于扫描时序控制器(12)，X射线环(3)包括呈圆周阵列的多个如权利要求1至权利要求3任一项所述的阴极单元化的X射线源；
探测环(4)，探测环(4)设于机架(2)并且通信连接于扫描时序控制器(12)，单个探测环(4)同轴布置于X射线环(3)的一侧，探测环(4)包括呈圆周阵列的多个探测器(41)。
5.根据权利要求4所述的静态CT成像系统，其特征在于：所述真空管(311)以X射线环(3)的轴线为圆心线圆弧延伸。
6.根据权利要求4所述的静态CT成像系统，其特征在于：所述阴极端(312)和阳极靶(313)沿平行于X射线环(3)轴线的方向对齐布置，所述窗口(315)设于真空管(311)径向朝内的管壁上，窗口(315)沿X射线环(3)径向对齐于阳极靶(313)。
7.根据权利要求4所述的静态CT成像系统，其特征在于：所述阴极端(312)的数量和阳极靶(313)的数量均为多个并且一一对应，所有阴极端(312)沿X射线环(3)周向依次排列，所有阳极靶(313)沿X射线环(3)周向依次排列。
8.根据权利要求4所述的静态CT成像系统，其特征在于：所述静态CT成像系统还包括准直环(5)，准直环(5)包括同轴内套于X射线环(3)以约束由阴极单元化的X射线源(31)发射的X射线。
9.根据权利要求8所述的静态CT成像系统，其特征在于：所述准直环(5)包括圆环体(51)以及径向贯通于圆环体(51)的准直孔洞结构(52)。
10.一种采用如权利要求4至权利要求9任一项所述的静态CT成像系统的图像增强方法，其特征在于，包括以下步骤：
在CT主机(11)上设置所述阴极端(312)的所有电子发射单元(312b)的预设曝光程序；
在曝光电控模块(312a)的控制下，基于预设曝光程序所有电子发射单元(312b)按照从X射线环(3)径向外侧到X射线环(3)径向内侧的曝光顺序或者从X射线环(3)径向内侧到X射线环(3)径向外侧的曝光顺序，逐一或逐行发射自由电子；
所有探测器(41)所采集的曝光信息反馈至CT主机(11)，在CT主机(11)中形成被测物体(6)的CT影像。
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