CN117320631A - 带有重型高功率多个脉冲x射线源的运动补偿式高通量快速3d放射摄影系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种使用运动中的多个脉冲X射线源对来执行高效和超快的3D放射摄影的X射线成像系统。所述源在弧形轨迹上以作为组的恒定速度同时移动。每个单独的源也在小距离内围绕其静态位置快速移动，但一个源在与另一个源相反的方向上移动以抵消线性动量。轨迹也可水平地布置在环形结构处。在X射线源对中，每个源部在与另一个源相反的角方向上移动以抵消角动量。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的线性或角方向时，通过外部暴露控制单元来触发所述单独的x射线源。这允许所述源在激活期间保持相对静止。可在更短的时间内以更宽的视野获取3D数据，并且图像分析是实时的。

Description

带有重型高功率多个脉冲X射线源的运动补偿式高通量快速 3D放射摄影系统

本发明要求以下申请的优先权：于2021年4月30日提交的临时申请序列号63182426；于2021年7月28日提交的临时申请序列号63226508；于2021年4月2日提交的临时申请序列号63170288、于2021年4月16日提交的临时申请序列号63175952、于2021年5月27日提交的临时申请序列号63194071；于2021年5月14日提交的临时申请序列号63188919；于2021年7月23日提交的临时申请序列号63225194；于2021年6月11日提交的临时申请序列号63209498；于2021年6月25日提交的临时申请序列号63214913；于2021年7月12日提交的临时申请序列号63220924；于2021年7月16日提交的临时申请序列号63222847；于2021年7月22日提交的临时申请序列号63224521；以及于2021年1月24日提交的美国申请序列17149133，该美国申请继而要求于2020年1月29日提交的临时序列62967325的优先权并且是于2021年12月30日提交的美国专利申请序列号17/566,652的部分继续申请，上述申请的内容以引用方式并入。

技术领域

本专利说明书属于3D X射线放射摄影系统和方法领域，并且特别地涉及使用高功率脉冲X射线源和大视场数字刚性或柔性板X射线检测器的快速断层合成系统。

背景技术

存在一种数字X射线3D射线放射摄影，如钼靶摄影；数字(DTS)是一种用于在与常规放射摄影相当的辐射剂量水平下执行高分辨率有限角度断层摄影的方法。这些数字断层合成系统通常使用安装在可旋转c形臂组件的一端处的X射线源和安装在另一端处的数字平板检测器。X射线源与检测器之间有可压缩并固定乳房的装置。对乳房的压缩是必要的，因为X射线散射减少、辐射剂量减少、跨检测器的光密度更均匀并且解剖结构的可视化改善。断层合成可用于筛查无症状女性的乳腺癌早期迹象。该类型的成像也可用作针对具有乳腺癌症状的女性的诊断工具。断层合成是一种先进类型的钼靶摄影断层合成。与2D钼靶摄影相比，数字乳腺断层合成(DBT)检测更多癌症，并且具有更少的假阳性召回和更精确的病变定位。当执行断层合成时，X射线源将需要围绕乳房以弧线移动。在X射线源围绕乳房移动的同时，以不同的角度获取一系列的低剂量X射线图像。收集的数据集允许重建平行平面。每个平面都清晰可见，并且那些平面外组织图像很模糊。通常，更宽的扫掠角度将生成更多的数据投影并且导致更好的3D分辨率，但其花费更长的时间。数据处理是特定于制造商的，因为可能使用不同的重建算法。应强调的是，这些种类的数字断层合成系统和方法也可应用于其他X射线3D放射摄影应用，诸如针对COVID的X射线3D胸部诊断系统、X射线3D无损检测(NDT)统和X射线3D安全检查系统。存在利用单个X射线源和单个x射线平板检测器来执行X射线3D断层合成放射摄影的现有技术。然而，对于高功率重型X射线源，更难以移动射线源并且扫掠运动也会更慢。本发明使用运动补偿技术来增加带有弧形运动轨迹的数字断层合成系统的吞吐量。此外，也可将X射线源运动轨迹布置在环形结构处，使得可从上半球的360度视野来执行物体3D成像。

发明内容

在第一方面，一种用于提供使用运动中的多个脉冲X射线源的快速3D断层合成放射摄影的系统，该系统带有：初级马达臂工作台，该初级马达臂工作台以预定半径旋转；初级马达，该初级马达与所述初级马达臂工作台接合并且控制初级马达工作台的速度；一个或多个次级马达工作台，该一个或多个次级马达工作台耦接到所述初级马达臂工作台以形成运动对并且沿弧形的方向移动；一个或多个次级马达，每个次级马达接合次级马达工作台并且控制次级马达工作台的速度；多个X射线源，每个X射线源通过次级马达工作台移动；支撑框架结构，该支撑框架结构为初级马达臂工作台和次级马达工作台提供壳体；X射线源和平板检测器，该平板检测器用于接收X射线成像数据。

在第二方面，一种使用运动中的多个脉冲X射线源的快速3D放射摄影的方法包括：将初级马达臂工作台和一个或多个次级马达工作台对定位到预定初始位置；通过所述初级马达以预定恒定速度扫掠初级马达工作台；使次级马达工作台对中的每个次级马达工作台在相反的方向上振荡；当X射线源在与初级马达臂工作台的方向相反的方向上并且以初级马达工作台的选定速度移动时，电激活X射线源和平板检测器；以及利用平板检测器从X射线源获取图像数据。

在另一方面，使用运动中的多个脉冲X射线源对来执行高效和超快的3D放射摄影的X射线成像系统包括多个脉冲X射线源，该多个脉冲X射线源安装在运动中的结构上以形成源阵列。该多个X射线源在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体同时移动。在一对中，一个单独的X射线源也可围绕其静态位置以小距离快速移动，但具有与另一个X射线源相反的方向。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但具有相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活单独的X射线源和X射线检测器。此布置允许X射线源在X射线源激活和X射线检测器暴露期间保持相对静止。X射线接收器为X射线平板检测器。运动操作中的多个X射线源导致对于单独的X射线源而言大大减小的源行进距离。可在短得多的时间内以总体宽得多的扫掠角度来获取3D放射摄影图像数据，并且也可在进行扫描的同时几乎实时进行图像分析。

另一方面，除刚性平板检测器之外，或者柔性X射线检测器也会使得可以具有曲面几何形状，使得失真将最小。3D X射线放射摄影图像是基于带有X射线暴露源的成角度几何形状的每个图像来重建的。广泛得多的应用包括：3D钼靶摄影或断层合成、针对COVID的胸部3D放射摄影或快速3D NDT、快速3D X射线安全检查。

另一方面，X射线源运动轨迹也可布置在环形结构处，使得可从物体的上半球的360度视野来执行物体3D成像。X射线源阵列在圆形轨迹上以组的恒定速度围绕正被成像的扫描物体同时移动。对于一对X射线源，单独的X射线源也可围绕其静态位置快速移动小距离，但一个X射线源以与另一个X射线源相反的角方向移动，使得角动量总是被抵消。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来触发单独的X射线源。

然而，现有技术当中存在缺点。主要缺点是单个X射线源要花费很长时间来获取良好的数据投影。第二个缺点是难以进行实时重建，因为整个过程很慢。第三个缺点是使用刚性X射线平板检测器具有更严重的几何形状失真。

本发明中的系统的优点可包括以下中的一者或多者。运动中的多个X射线源的各种实施例用于新颖的超快3D放射摄影系统中。第一个优点是系统总体更快-取决于使用的X射线源对的数量。每个X射线源将仅需要机械地行进弧形轨迹中的整个距离的一小部分。这大大减少了物体在X射线诊断机处所需的数据获取时间量。第二个优点是图像分析也可在扫描进行时几乎实时完成。对拍摄的图像的判断将影响针对下一次拍摄的X射线源位置。无需等到整个图像获取完成才进行分层图像重建。

第三个优点是由于运动伪影的减少，可以获取高分辨率和高对比度图像。每个X射线源也安装在子结构上，该子结构使源围绕其原点振动。振动速度和轨迹速度的组合导致X射线源在单独的X射线源被激活时的相对静止位置。第四个优点是系统可进行宽得多的扫掠，以更快地获取更多的数据投影。更多的数据投影意味着更好的图像构建，其将导致减少的误诊率。

第五个优点是由于更宽的角度和更快的成像获取。可以将时间分量添加到3D空间成像以形成4D成像数据集。第六个优点是X射线柔性曲面检测器几何形状将使图像失真少得多。由于技术日新月异，当今的电子器件可被制作得具有柔性、更快、更紧凑并且更高效。就像柔性太阳能电池板充电器一样，X射线检测器实际上也可被制作得具有柔性。典型的现代X射线板检测器包括薄膜晶体管(TFT)、X射线闪烁体层和读出电子器件等。尽管读出电子器件板在当前技术下无法被制作得具有柔性，但是使用柔性衬底可使基于TFT的检测器被制作得具有柔性。闪烁材料层(诸如Gd2O2S：Tb(GOS或GADOX))在几十年前就已被制作得具有一定程度的柔性，以便附接到柔性膜来进行X射线成像。

第七个优点是，在相反方向上移动以抵消动量的成对源的布置允许使用高功率重型X射线源。在本发明中，介绍了运动补偿式重型高功率多个脉冲X射线源数字断层合成系统。其不仅可快速运行，而且可承载X射线源的重负荷。随着X射线源变得更加强大，X射线源本身将变得更重。工业无损评估(NDE)通常需要高通量和高kV、高mA。因此，本发明将使得可以将3D检查应用超越医疗数字断层合成系统应用而扩展到工业和安全检查。

已就优选实施例而言描述了本发明，并且应认识到，除明确陈述的那些以外的等同物、替代方案和修改是可能的并且在所附权利要求的范围内。

附图说明

图1示出了带有重型多个X射线源对的运动补偿式数字断层合成系统。

图2示出了带有刚性支撑旋转臂工作台的双X射线源系统，其中扫描物体在中心处。

图3示出了运动补偿式数字断层合成系统，其中扫描物体在中心处的扫描台上。

图4示出了带有机械同步运动来抵消动量的成对X射线源。

图5示出了放射系统设定，其中成对X射线源呈圆形安装。

图6从俯视视角示出了安装在圆形机架中的三对X射线源。

图7从俯视视角示出了六对X射线源安装在圆形机架中以在介入放射期间进行手术活动。

具体实施方式

在以下段落中，将参考附图通过示例来详细描述本发明。在整个描述中，所示的优选实施例和示例应视为是示例性的而非对本发明的限制。如本文所用，“本发明”是指本文所述的本发明的实施例中的任何一个实施例以及任何等同物。此外，在整个文档中对“本发明”的各种特征的引用并不意味着所有要求保护的实施例或方法必须包括所引用的特征。

然而，本发明可以许多不同形式来体现并且不应被解释为限制于本文中所阐述的实施例。提供这些实施例使得本公开将是透彻并且完整的，并且将把本发明的范围完整地传达给本领域普通技术人员。此外，本文叙述本发明的实施例及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物两者。此外，旨在是此类等同物包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物两者(即，开发的执行相同功能的任何要素，而不管结构如何)。

因此，例如，本领域普通技术人员将认识到，图表、示意图、图示等表示对体现本发明的系统和方法进行例示的概念性视图或过程。图中所示的各种要素的功能可通过使用专用硬件以及能够执行相关软件的硬件来提供。相似地，图中所示的任何开关都只是概念性的。它们的功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制和专用逻辑的交互、或者甚至以手动方式来执行，特定技术可由实现本发明的实体选择。本领域普通技术人员还理解，本文所述的示例性硬件、软件、过程、方法和/或操作系统是出于例示性目的，并且因此不旨在限制于任何特定的指定制造商。

在图1中，存在两个重量级X射线源1。它们是成对的。每个X射线源1安装在次级马达工作台6处。每个次级马达7接合到次级运动工作台6。所有次级运动工作台6都安装在由初级马达5控制的旋转臂工作台的一端处。每一个马达都由可编程运动控制硬件控制，并且可使马达工作台以预定速度来回移动。因此，所有X射线源1都与初级马达旋转臂工作台4一起移动。在一对中，每个单独的X射线源1也可单独地与次级马达工作台6一起移动，并且一个马达工作台具有与另一个马达工作台相反的运动方向。X射线扫描物体2位于旋转中心附近。使用类似的配置，X射线源1的总数量可易于达到两对、三对等。

初级马达5使重型臂旋转。初级马达5可以为任何高速马达。当初级马达5在一个方向上旋转时，使得次级马达工作台6通过分别与其对应次级马达7中的每个对应次级马达接合而沿弧形轨迹在相反的方向上移动。一个或多个X射线源通过次级马达工作台6移动以形成阵列。次级马达工作台6也与提供框架支撑的框架支撑件以及马达组件接合。框架支撑件为所有马达组件、马达控制器、马达驱动器和平板检测器提供壳体。次级马达工作台6中的每个次级马达工作台可以选定频率但以相反的方向振荡。

初级马达工作台由初级马达5控制。存在耦接到初级马达臂工作台4的一对或多对次级马达工作台6，其中次级马达工作台6中的每个次级马达工作台相对于初级马达工作台可移动。次级马达工作台6中的每个次级马达工作台具有驱动对应次级马达工作台6的次级马达7。一对或多对X射线源1也安装在运动中的结构上以便形成源阵列。X射线源1中的每个X射线源安装在对应次级马达工作台6上，并且沿弧形轨迹上的预定路径以恒定速度相对于正被成像的扫描物体2同时移动。X射线源阵列以组的恒定速度在预定义轨迹上围绕正被成像的扫描物体2同时移动。在一对中，单独的X射线源也可围绕其静态位置快速移动小距离，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来触发单独的X射线源。

次级马达工作台6安装在初级马达臂工作台4的一端处。安装在次级马达工作台上的X射线源用于拍摄移动物体的X射线图像。次级马达工作台6的阵列通过对应次级马达7耦接到初级马达旋转臂工作台4，该次级马达控制每个次级马达工作台6的速度。每个次级马达工作台6包括至少一个X射线源。每个单独的X射线源都安装在次级马达工作台6上。每个X射线源都可在任何给定时间以预定义最大范围在次级马达工作台6上围绕其静态位置独立地移动，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上移动，使得它们成对移动，来自两个马达的运动动量被抵消。其类似于带有多个螺旋桨引擎的飞机，其中螺旋桨旋转方向相反，使得因此总旋转扭矩被抵消。

多个脉冲X射线源安装在运动中的结构上以形成源阵列。该多个X射线源1在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于扫描物体2同时移动。在一对中，单独的X射线源也可围绕其静态位置快速移动小距离，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于分组速度的速度但移动方向相反时，通过外部暴露控制单元激活单独的X射线源和X射线检测器。此布置允许X射线源在X射线源激活和X射线检测器暴露期间保持相对静止。X射线接收器为X射线平板检测器3。因此，多个X射线源导致对于单独的X射线源而言大大减小的源行进距离。因此，可在短得多的时间内以总体宽得多的扫掠角度来获取3维放射摄影图像数据，并且也可在进行扫描的同时实时进行图像分析。

X射线刚性或柔性曲面板检测器3定位在X射线源阵列的前方。X射线源阵列附接到沿弧形轨迹扫掠的移动结构上。当单独的源以与组或扫掠移动相同的速度在相反的方向上移动时，X射线源被触发，以使得其在触发暴露期间短暂静止。存在根据该原理的各种实施例。在一对中，单独的X射线源也可围绕其静态位置快速移动小距离，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活单独的X射线源1和X射线检测器3。此布置允许X射线源在X射线源激活和X射线检测器暴露期间保持相对静止。当所有X射线源1都被致动时，通过X射线平板检测器3获取的数据将比单个X射线源运行的数据大若干倍。

相比之下，带有重型高功率多个脉冲X射线源的运动补偿式断层合成系统比常规单个X射线源数字断层合成系统运行得更快。一般而言，越多的X射线源将导致越短的扫描时间。例如，一对并行源将具有总共一半扫描时间，两对并行源将具有1/4扫描时间等。在工业应用中，生产力很重要。两倍或四倍生产力会有很大的不同。

带有高功率多个脉冲X射线源的运动补偿式系统具有的第一个优点是速度更快，花费常规断层合成系统的获取时间的仅一小部分。这将在速度更快的同时允许更多的数据投影。因此，其将具有更少的运动伪影；因此，更高分辨率图像可能具有更好的诊断结果。第二个优点是，因为不存在对于每个单独的X射线源1而言的行进时间，所以可在扫描进行时几乎实时进行图像分析。这将允许更好地判断是否保持获取附加的3D投影。其也将使得能够在获取每个图像期间调整暴露时间。第三个优点是，由于X射线源1的最小总体移动距离，这里描述的图像数据收集方法将导致更低量的运动伪影。运动补偿式高功率多个脉冲X射线源的快速3D X射线获取的这三个优点导致更好的诊断结果、更少的对于侵入性操作的需要以及降低的癌症并发症的风险。

图2示出了带有刚性支撑旋转臂工作台的示例性双X射线源系统。X射线束10将覆盖扫描物体2。该设计的支撑框架结构9也使得可以承载高功率X射线源。一些重型X射线源的重量可能超过十千克。强劲的旋转臂可易于以更高的精度来处理重负荷。同一旋转臂也可承载两对X射线源1。在图4中，驱动马达通过两个齿轮8驱动器耦接以使两个X射线管移动。管经由两个管安装支架连接，该两个管安装支架经由两个驱动门连接到该两个齿轮8驱动器。带有高电压发电机11的可移动油箱安装在与管模块相对的检测器侧以平衡重量。刚性框架将油箱和高电压发电机11以及双管模块保持在一起。X射线平板或曲面板检测器3定位在独立框架上。马达提供机械同步管移动。在旋转期间，X射线束10将仍覆盖扫描物体2。

双X射线源安装在运动中的结构上以形成源阵列；所述源在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于扫描物体2同时移动。在一对中，每个单独的X射线源也可围绕其静态位置以小距离快速移动，一个单独的源在与另一个单独的源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但具有相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活单独的X射线源1和X射线检测器3。此布置允许X射线源1在X射线源激活和X射线检测器暴露期间保持相对静止。除刚性平板检测器之外，柔性X射线检测器也将使得可以具有曲面几何形状，使得失真将最小。该两个源以成组的恒定速度相对于患者移动，并且每个源都安装在振动模式上。这些源导致对于单独的X射线源而言的大大减小的源行进距离。通过使用在两个位置之间以小距离振动的双X射线源扫描3维患者来拍摄一系列图像。

刚性支撑旋转臂结构为辐射源定位机构和X射线检测器提供旋转支撑。带有旋转臂的脉冲X射线源定位机构，用于当放射源定位机构沿圆形轨迹以恒定速度沿竖直方向从上到下移动时，使单个或多个脉冲X射线源旋转以扫掠弓形路径。脉冲X射线源定位机构可以为马达驱动的线性工作台类型或手动操纵的机械致动器类型。多个脉冲X射线源在圆形轨迹上以等于初级马达的速度的速度沿水平方向移动。至少一个X射线检测器安装在作为旋转臂结构的一部分的平台上，用于在多个脉冲X射线源穿过X射线检测器的视场时接收来自多个脉冲X射线源的X射线投影数据。X射线检测器可以为单个平板X射线检测器3或可形成大面积检测器的多个平板X射线检测器3的集合。

图3示出了使用成对X射线源的运动补偿式数字断层合成系统，其中扫描台12上的物体2在中心处。该设计旨在用于在3D工业和安全检查中利用高kv、高mA、大于1000瓦特X射线源来检查重型致密材料。旋转臂独立于物体扫描台12。该配置可易于用于生产线处的X射线检查中。在图3的实施例中，X射线检测器3连接到带有静止机架的一个平台，而在另一平台上相对地安装高电压发电机11和系统控制器，并且它们以机械同步运动移动以暴露其间的检测器。通过两个齿轮8驱动器耦接的驱动马达用于使两个可移动X射线管以机械同步管移动来移动。X射线源经由两个管安装支架连接，该两个管安装支架经由两个驱动门连接到该两个齿轮8驱动器。油箱和高电压发电机11安装在与X射线源1相对的刚性框架上以平衡重量，其中检测器定位在独立框架上。X射线源1在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体2同时移动，并且当单独的X射线源具有等于组速度的速度但具有相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活单独的X射线源和X射线检测器3。X射线源布置在旋转工作台上以形成成对源阵列。单独的X射线源围绕静态位置移动，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上移动以抵消动量。该布置允许X射线源在X射线脉冲触发暴露持续时间期间保持静止。在一种部署中，使用定位系统通过马达将初级马达工作台和次级马达工作台6移动到预定初始位置，其中通过初级马达以预定恒定速度来扫掠初级马达工作台，并且通过次级马达7使次级马达工作台6振荡。次级马达工作台6对始终在与彼此相反的方向上移动。

可利用3维放射摄影来扫描物体，该放射摄影通过以下步骤来产生3D图像：多个X射线源在预定弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体2移动。在一对中，每个单独的X射线源1也可围绕其静态位置以小距离快速移动。一个源在与另一个源相反的方向上移动。当单独的X射线源1具有等于组速度的速度但具有相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活单独的X射线源和X射线检测器。此布置允许X射线源在X射线源激活和X射线检测器暴露期间保持相对静止。当单独的X射线源以与作为组相同的速度但在相反的方向上移动时，平板检测器被激活并且累积X射线检测数据。该激活步骤包括：由平板检测器生成脉冲以形成信号突发。

扫描台12优选地设置在带有X射线源的机架中，并且平板检测器3布置成以大致平行于扫描台12的平面的角度照射被检查的物体2。该尺寸和形状的台(因此平板检测器)基本上以最小弓形运动在线性路径中移动。更具体地，扫描台12相对于扫描台12上的物体2沿机架的纵向轴线在预定义轨迹中线性地并且以最小弓形运动来移动。

本发明的主要部件中的一个主要部件为支撑臂结构，该支撑臂结构为初级马达旋转臂工作台4和次级马达工作台6提供壳体。系统具有围绕物体2的3轴线预定移动。该多个脉冲X射线源在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体2同时移动。每个单独的X射线源还可以围绕其静态位置以小距离快速地移动。在一对中，一个单独的源在与另一个源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来触发单独的X射线源。此布置允许X射线源在X射线脉冲触发暴露持续时间期间保持相对静止。多个X射线源导致对于单独的X射线源而言大大减小的源行进距离。在具体实施中，平板检测器可用曲面检测器来代替，这能够减少图像上的未对准、失真和噪声。

本发明涉及一种使用运动中的多个脉冲X射线源来执行超快、高效3D放射摄影的系统。在系统中，多个脉冲X射线源安装在运动中的结构上以形成源阵列。该多个X射线源在预定义轨迹上以组的恒定速度围绕物体2同时移动。每个单独的X射线源也可围绕其静态位置快速移动小距离。在一对中，一个单独的源在与另一个源相反的方向上移动。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来触发单独的X射线源1。此布置允许X射线源在X射线脉冲触发暴露持续时间期间保持相对静止。多个X射线源导致对于单独的X射线源而言大大减小的源行进距离。X射线接收器为X射线平板检测器3。因此，可在短得多的时间段内以总体宽得多的扫掠来获取3D放射摄影图像投影数据，并且也可在进行扫描的同时实时进行图像分析。

存在用于新颖的超快3D放射摄影系统中的运动中的多个脉冲X射线源的若干实施例。其包括以下主要部件：支撑臂结构，该支撑臂结构为初级马达工作台和次级马达工作台6提供壳体。预定义弧形轨迹，其中多个脉冲X射线源安装在沿轨迹移动的结构上。每个单独的X射线源在被外部暴露控制单元激活的同时围绕其静态位置相对静止地移动。支撑框架结构9安装在支撑基座结构上以将该结构牢固地保持就位。带有具有编码器的至少一个驱动马达或驱动引擎的驱动单元，用于在弧形轨迹中驱动初级马达臂工作台4。电子单元，该电子单元用于控制每个X射线源相对于初级马达臂工作台4的移动的激活时间。每个X射线源的激活时间与初级马达臂工作台4在弧形轨迹中的移动同步。

使用运动中的多个脉冲X射线源的超快3维x射线成像系统存在若干优点。首先，该系统比现有系统快若干倍。每个X射线源将仅需要机械地行进弧形轨迹中的整个距离的一小部分。这大大减少了患者在X射线诊断机处所需的数据获取时间量。其次，图像分析也可在扫描进行时实时进行。对拍摄的图像的判断将影响针对下一次拍摄的X射线源位置。无需等到整个图像获取完成才进行分层图像重建。第三，由于运动伪影的减少，可以获取高分辨率和高对比度图像。每对X射线源也安装在子结构上，该子结构使源围绕其原点振动。振动速度和轨迹速度的组合导致X射线源在单独的X射线源被激活时的相对静止位置。第四，该系统可进行广泛得多的扫掠，以在速度更快的同时获取更多的数据投影。更多的数据投影意味着更好的图像构建，其将导致减少的误诊率。第五，由于更宽的角度和更快的成像获取，可以将时间分量添加到3维空间成像以形成4维成像数据集。

本发明提出了一种用于通过将脉冲X射线成像系统与驱动运动中的多个X射线源的专用机械硬件相组合来获得超快3维X射线图像的方法。该3D脉冲X射线成像系统包括用于扫掠出弧线的一个或多个马达工作台对，该一个或多个马达工作台对与安装在移动工作台上的多个X射线源耦接，所有这些也都由外部计算机控制来控制。脉冲X射线成像系统的设计利用现代电子器件的快速切换特性来改善针对获得各种形状和尺寸的3D X射线图像的数据获取时间。对这些图像的数据分析可在X射线暴露期间实时进行。更重要的是，对阵列内单独的X射线源的源位置的扩展跟踪导致减少的重建3D图像中的误差，包括重建图像中较少的人工噪声分量。图像重建的主要部分是在扫描完成之后进行的。

在一个实施例中，图5示出了成对X射线源1呈圆形安装。在圆形机架15中存在上部圆形轨道13和下部圆形轨道14。成对X射线源1安装在上部圆形轨道13与下部圆形轨道14之间。X射线源1作为组处于连续圆周旋转。对于成对X射线源，一个源在圆直径的一端处，另一个源在圆直径的另一端处。成对X射线源各自可振荡但具有相反的角动量。圆周运动由初级马达提供动力，圆周运动工作台为连续旋转的初级马达工作台。次级马达工作台安装在初级马达工作台上。数据获取可在机架初级马达工作台旋转时连续发生。X射线束10来自扫描台上的扫描物体2顶部的环形结构。X射线平板检测器3在扫描物体2之下。可以通过X射线从扫描物体2的上半球360度来观察物体。来自X射线源管对的角动量抵消，以避免机架系统不必要的总体振动。有了足够的源管，就不需要运动补偿。

X射线源阵列围绕正被成像的扫描物体2在圆形轨迹上以组的恒定速度同时移动。对于一对，单独的X射线源也可通过次级马达工作台来围绕其静态位置快速移动小距离，但一个X射线源在与另一个X射线源相反的角方向上移动，使得单独的X射线源移动的角动量始终被抵消以最大化总体系统稳定性。当单独的X射线源具有等于组速度的速度但相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来触发单独的X射线源。圆形上部轨道13可旋转以利用固定的平板检测器3来暴露源，或者替代地，下部圆形轨道14可在上部轨道13固定的同时旋转。该系统实现图像引导操作，因为医生可在外科手术期间根据需要来定期致动暴露控制单元并且捕获患者的X射线图像。由于辐射剂量低，所以医生和工作人员不会暴露于高水平的辐射，使得图像引导外科手术成为可能。

图6示出了均匀地分布和安装在圆形机架中的三对X射线源的俯视图。X射线源1作为组旋转。该三对X射线源1安装在上部圆形轨道13与下部圆形轨道14之间。每个源都可围绕一定位置振动。当初级圆形马达工作台具有相反的速度时，X射线源被触发。随着X射线源1旋转继续旋转，可从不同的视角连续实时地生成X射线图像。在介入放射中，医生可基于请求在图像引导外科手术期间实时选择来自不同角度的视图。对于三对X射线源1，每个X射线源1仅行进60度来获得完整的上部半球角度覆盖。整个机架可实际上悬挂在房间天花板上以方便操作。成像系统机架保持旋转，数据获取保持运行，并且可以从不同的角度实时查看物体的图像。荧光检查是一种提供实时X射线成像的方法。这对于引导多种诊断和介入手术尤其有用。荧光检查显示运动的能力是通过以每秒数十个图像的最大速率产生的一系列连续图像来提供的。

图7示出了六对X射线源的俯视图，该六对X射线源安装在圆形机架中以在介入放射期间进行手术活动。对于六对X射线源1，每个X射线源1仅行进30度来获得圆形机架15处的完全覆盖。真实人类对象16可躺在手术床12上。如果存在足够数量的X射线源1分布在圆形机架处并且X射线平板检测器3运行得足够快，则运动补偿可以不是必要的。这意味着在这种情况下，用于振荡移动的次级马达和次级马达工作台实际上可被省略。在这种特殊情况下，X射线源1在圆形机架处以较低速度旋转，并且X射线平板检测器3在真实人类对象16的背部处的暴露相对较短并且检测器读出快得多。从成本效益角度来看，运动补偿技术主要在少量较高成本X射线源1需要在非常短的时间内覆盖大视角时进行使用。通过使用实时视图3D X射线荧光检查，在介入放射中，介入放射科医生使用微创图像引导程序来诊断和治疗疾病。这对于引导多种诊断和介入手术尤其有用。

在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，本发明的各种修改和更改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。应注意，下面任何方法权利要求中叙述的步骤不一定需要按照它们所叙述的次序来执行。本领域普通技术人员将根据步骤所叙述的次序来认识执行步骤方面的变化。此外，对特征、步骤或部件的提及或讨论的缺乏为权利要求提供了基础，在该权利要求中通过附带条件或类似的权利要求语言排除了不存在的特征或部件。

尽管上面根据各种示例性实施例和实施方式描述了本发明，但是应当理解，在单独的实施例中的一个或多个中描述的各种特征、方面和功能并性不限于其对用其进行描述的特定实施例的适用性，但是相反可以单独地或以各种组合应用于本发明的其他实施例中的一个或多个，无论是否描述了此类实施例并且无论此类特征是否呈现为所描述的实施例的一部分。因此，本阀门的广度和范围不应受上述示例性实施例中的任一个限制。

除非另有明确说明，否则本文档中使用的术语和短语及其变化形式应解释为开放式的而不是限制性的。作为前述内容的示例：术语“包括”应解读为意指“包括但不限于”或诸如此类的含义；术语“示例”用于提供论述中的项目的示例性实例，而不是其详尽的或限制性的列表；术语“一(a)”或“一(an)”应解读为意指“至少一个”、“一个或多个”或诸如此类的含义；并且形容词诸如“常规的”、“传统的”、“正常的”、“标准的”、“已知的”以及类似含义的术语不应解释为将所描述的项目限制于给定时间段或限制于截至给定时间可用的项目，但相反，应将它们解读为涵盖现在或在将来任何时间可用或已知的常规的、传统的、正常的或标准的技术。因此，在本文档提及对于本领域普通技术人员来说显而易见或已知的技术的情况下，此类技术涵盖本领域技术人员现在或将来任何时间显而易见或已知的那些技术。

在一些情况下，宽泛词和短语(诸如“一个/种或多个/种”、“至少”、“但不限于”或其他诸如此类的短语)的存在不应理解为意味着在可能不存在此类宽泛短语的情况下打算或需要使用较窄的情况。对术语“模块”的使用并非暗示作为模块的一部分进行描述或要求保护的部件或功能性全都被配置在共同封装物中。实际上，模块的任何或所有各种部件，无论是控制逻辑还是其他部件，可以组合在单个封装物中或单独地维护，并且可以进一步跨多个位置分布。

提供对所公开的实施例的前述描述使得本领域的任何技术人员都能够制造或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。本文定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下应用于其他实施例。因此，本发明不旨在限制于本文所示的实施例，而是应被赋予与本文所公开的原理和新颖特征相一致的最全面的范围。

Claims (25)

1.一种用于使用多个重型X射线源对提供快速3D X射线放射摄影的断层合成成像系统，其包括：

初级马达旋转臂工作台，所述初级马达旋转臂工作台带有预定半径；

初级马达，所述初级马达与所述初级马达旋转臂工作台接合并且控制所述初级马达旋转臂工作台的速度；

一个或多个次级马达工作台，所述一个或多个次级马达工作台耦接到所述初级马达臂工作台并且沿弧形轨迹的方向移动；

一个或多个次级马达，每个次级马达接合一个或成对多个次级马达工作台并且控制次级马达工作台的速度；

一个或多个X射线源对，每个X射线源对通过次级马达工作台移动；

支撑框架结构，所述支撑框架结构为所述初级马达臂工作台、次级马达工作台和X射线源提供壳体；

支撑台，所述支撑台用于扫描物体；以及

刚性或柔性板X射线检测器，所述刚性或柔性板X射线检测器用于接收X射线成像数据。

2.根据权利要求1所述的系统，其中X射线检测器为曲面板检测器。

3.根据权利要求1所述的系统，其包括两个可移动X射线源，所述两个可移动X射线源具有机械同步运动以暴露所述检测器。

4.根据权利要求3所述的系统，其包括驱动马达，所述驱动马达通过两个齿轮驱动器耦接以利用机械同步源移动来移动两个可移动X射线源。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述X射线源经由两个X射线管安装支架连接，所述两个X射线管安装支架经由两个驱动门连接到所述两个齿轮驱动器。

6.根据权利要求3所述的系统，其包括油箱和高电压发电机，所述油箱和所述高电压发电机安装在与所述X射线源相对的刚性框架上以平衡重量，其中所述检测器定位在独立的框架上。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述X射线源在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体同时移动。

8.根据权利要求1所述的系统，其中当单独的X射线源具有等于组速度的速度但具有相反的移动方向时，通过外部暴露控制单元来激活所述单独的X射线源和X射线检测器。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述X射线源布置在旋转臂工作台上以形成源阵列，并且每个单独的X射线源围绕静态位置移动并允许所述X射线源在X射线脉冲触发暴露持续时间期间保持静止。

10.根据权利要求1所述的系统，其中使用定位系统通过所述马达使所述初级马达臂工作台和所述次级马达工作台移动到预定初始位置，其中通过初级马达以预定恒定速度来扫掠所述初级马达臂工作台，并且次级马达工作台通过次级马达以预定顺序振荡。

11.一种带有运动补偿式多个脉冲X射线源对的快速3D X射线断层合成放射摄影的方法，其包括：

将初级马达臂工作台以及一个或多个次级马达工作台定位到预定初始位置；

通过初级马达以预定恒定速度来扫掠所述初级马达臂工作台；

通过对应次级马达来振荡所述次级马达工作台中的每个次级马达工作台，使得次级马达工作台处的X射线源对中的一个X射线源在与另一个X射线源相反的方向上振荡；

当X射线源在与初级马达旋转臂工作台的方向相反的方向上并且以所述初级马达旋转臂工作台的选定速度移动时，电激活所述X射线源和柔性曲面板检测器；以及

利用刚性极或柔性曲面板检测器从所述X射线源获取物体图像数据。

12.根据权利要求11所述的方法，其包括：利用所述板检测器从运动补偿式多个脉冲X射线源对捕获X射线。

13.根据权利要求11所述的方法，其包括：以机械同步运动来移动两个可移动X射线源以暴露所述检测器。

14.根据权利要求13所述的方法，其包括：使用通过两个齿轮驱动器耦接的驱动马达以机械同步管移动来移动两个X射线源。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述X射线源经由两个管安装支架连接，所述两个管安装支架经由两个驱动门连接到所述两个齿轮驱动器。

16.根据权利要求13所述的方法，其包括油箱和高电压发电机，所述油箱和所述高电压发电机安装在与所述X射线源相对的刚性框架上以平衡重量，其中所述检测器定位在独立的框架上。

17.根据权利要求11所述的方法，其包括：使所述X射线源在预定义弧形轨迹上以作为组的恒定速度相对于物体同时移动。

18.根据权利要求11所述的方法，其包括：使单独的X射线源以等于组速度的速度但以相反的移动方向移动，并且通过外部暴露控制单元来激活所述单独的X射线源和检测器。

19.根据权利要求11所述的方法，其中所述X射线源布置在旋转臂工作台上以形成源阵列，并且每个单独的X射线源围绕静态位置移动并允许所述X射线源在X射线脉冲触发暴露持续时间期间保持静止。

20.根据权利要求11所述的方法，其包括：使用定位系统使所述初级马达臂工作台和所述次级马达工作台移动到预定初始位置，并且以预定恒定速度来扫掠所述初级马达臂工作台并使所述次级马达工作台以预定顺序振荡。

21.一种用于使用多个重型X射线源对提供快速3D X射线放射摄影的X射线成像系统，其包括：

初级马达旋转工作台，所述初级马达旋转工作台带有预定半径；

初级马达，所述初级马达与所述初级马达旋转工作台接合并且控制所述初级马达旋转工作台的旋转速度；

一个或多个次级马达工作台，所述一个或多个次级马达工作台耦接到所述初级旋转马达工作台；

一个或多个次级马达，每个次级马达接合次级马达工作台并且控制次级马达工作台的速度；

一个或多个X射线源对，其中每个X射线源安装在次级马达工作台处并且通过次级马达工作台移动；

支撑圆形结构，所述支撑圆形结构为所述初级马达、初级马达旋转工作台、次级马达、次级马达工作台和X射线源提供壳体；以及

X射线平板检测器，所述X射线平板检测器用于接收X射线成像数据。

22.一种用于使用多个重型X射线源对提供快速3D X射线放射摄影的X射线成像系统，其包括：

初级马达旋转工作台，所述初级马达旋转工作台带有预定半径；

初级马达，所述初级马达与所述初级马达旋转工作台接合并且控制所述初级马达旋转工作台的速度；

一个或多个X射线源对，其中每个X射线源安装在所述初级马达旋转工作台处并且通过所述初级马达移动；

支撑圆形结构，所述支撑圆形结构为所述初级马达工作台和X射线源提供壳体；以及

X射线平板检测器，所述X射线平板检测器用于接收X射线成像数据。

23.一种带有运动补偿式多个脉冲X射线源对的快速3D X射线放射摄影的方法，其包括：

将初级马达旋转工作台安装到支撑圆形结构；

将一个或多个次级马达工作台安装到所述初级马达旋转工作台；

将X射线源安装到次级马达工作台中的每个次级马达工作台；

将初级马达旋转工作台以及一个或多个次级马达工作台定位到预定初始位置；

通过初级马达使初级马达工作台以预定恒定角速度旋转；

通过对应次级马达使所述次级马达工作台中的每个次级马达工作台振荡，使得次级马达工作台处的X射线源对中的一个X射线源在与另一个X射线源相反的角方向上振荡；

当X射线源在与所述初级马达旋转工作台的方向相反的方向上并且以所述初级马达旋转工作台的选定速度移动时，电激活所述X射线源和X射线平板检测器；以及

利用X射线平板检测器从所述X射线源获取物体图像数据。

24.一种利用多个脉冲X射线源对的快速3D X放射摄影的方法，其包括：

将初级马达旋转工作台安装到支撑圆形结构；

将一个或多个X射线源安装到初级马达工作台；

将初级马达工作台定位到预定初始位置；

通过初级马达使所述初级马达工作台以预定恒定角速度旋转；

电激活在X射线平板检测器之上的一个或多个X射线源；以及

利用X射线平板检测器从所述一个或多个X射线源获取物体图像数据。

25.根据权利要求24所述的方法，其中使所述X射线源在所述X射线平板检测器上方以圆周运动移动。