CN1767787A - 效率改善的x射线仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种X射线仪,尤其是计算机层析X射线摄影仪(CT),它包括至少一个X射线源(1)、一个或多个与该X射线源(1)对置的第一X射线探测元件(2)以及一个处于该X射线源(1)与X射线探测元件(2)之间的检查空间(3)。此X射线仪的特征在于,在X射线仪上这样设置一个或多个用于X射线的射线转向元件(5a、5b)以及一个或多个其他的X射线探测元件(6)或X射线探测元件(6)组,即,使得借助一个或多个射线转向元件(5a、5b)将来自X射线源(1)所发射X射线(8)的一个或多个其他立体角区(4b、4c)的X射线,通过检查区(3)的第一区或一个或多个其他区对准所述其他X射线探测元件(6)。此X射线仪可以更好地利用所发射X射线的能量、更短的扫描时间以及在多层X射线CT仪中减少假象。
Description
本发明涉及一种X射线仪,尤其是计算机层析X射线摄影仪(CT),它包括至少一个X射线源、一个或多个与X射线源对置的第一X射线探测元件、以及一个处于X射线源与X射线探测元件之间的检查空间,其中,来自X射线源所发射X射线的第一立体角区的X射线,通过检查空间的第一区对准第一X射线探测元件。
所述类型的X射线仪尤其在医学成像技术的领域内起着十分重要的作用。在此领域越来越多地采用数字照相技术,其中有位置分辨能力地检测穿过定位在检查空间内的物体的X射线,为的是产生有相应位置分辨率的X光照片。采用计算机层析X射线摄影技术可以重建和向使用者提供通过检查对象的几乎任何剖面图像。
计算机层析X射线摄影仪主要包括X射线管、X射线探测器和患者卧台。X射线管和X射线探测器设在台架上,台架在测量期间绕患者卧台或平行于患者卧台延伸的检查轴线亦即Z轴旋转。在这里,患者卧台可以相对于台架沿检查轴线运动。X射线管产生在一个垂直于检查轴线的层面内呈扇形扩展的X射线束。在检查时,所述X射线束在此层面内穿过物体的一层,例如卧躺在卧台上的患者的一个体层,并命中与X射线管对置的X射线探测器。X射线束穿过患者体层时所取的角度以及必要时患者卧台相对于台架的位置,在用计算机层析X射线摄影仪进行照片摄录期间连续改变。
穿过患者后命中X射线探测器的X射线束的X射线强度,取决于X射线通过患者时的减弱。在这里,X射线探测器的每个探测元件根据接收到的X射线强度产生一个电压信号,它对应于身体对于从X射线管到相应的X射线探测元件的X射线的总透明度的测量值。一组对应于减弱数据和针对X射线源相对于患者的具体位置记录到的X射线探测器电压信号称为投射(Projektion)。一组当台架绕患者旋转期间在台架的不同位置接收的投射称为扫描(Scan)。计算机层析X射线摄影仪在X射线源相对于患者身体的不同位置上接收许多投射,以便重建一个图像,它对应于患者身体的二维剖面图或三维图。由接收的减弱数据重建剖面图的这种传统方法已知称为经过滤的背面投影法。
在计算机层析X射线摄影仪众多的应用中,要求用尽可能短的照相时间实施X射线照相。这主要涉及为具有高的生物动力(Biokinetik)的身体区或器官照相,例如为患者的心脏照相,心脏持续不断地周期性运动。虽然为了提供心脏的三维X射线照片有可能使用电子束CT系统(EBCT),但是这种系统极其昂贵,而且与当今常用的第三代多层CT系统相比所提供的图像质量较差。一种用于记录心脏三维(3D)图像的方案在于X射线照射和通过EKG(心电图)信号的数据检测同步。此技术已知采用术语EKG-有控制扫描(EKG-Gating)。通过这种节奏(Taktung),当心脏在电和机械方面处于近似相同的状态时,仅分别进行X射线照射和用X射线探测器进行数据检测。然而存在的一个问题是,台架的旋转没有与心率必要的同步化。这导致取决于转速与心率的比例,没有记录一些可能的投射方向,从而使晚些时候难以由记录的数据进行重建。因此在临床实践中,为心脏的X射线CT照相给予患者生物活性物质,人为地降低心率。然而这导致在心脏处于经修正的状态下实施心脏的X射线照相,这种状态对于最终的诊断可能带来负面的影响。
改善上述状况的一种可能性在于,增加在台架的每个位置记录的投射的数量,例如通过在台架上安装第二个X射线源和第二个X射线探测器。但第二个X射线源增加功率消耗和台架内部造成的温度,与此同时提高系统和维护成本,因为X射线源原则上是一个使用寿命短的部件。
迄今在实际工作中流行的X射线仪另一个问题是在其中使用的X射线管低的能效。被此X射线管吸收的功率中仅大约1%转换为X射线能量,而99%作为对此应用无效的热量散走。所使用的X射线管另一个系统引起的缺点在于,阳极由电子束造成的X射线发射面在一个非常大的立体角区发射X射线,其中仅一个小的区才能通过X射线管的出口窗直接使用于产生X射线图像。这是因为规定沿一个方向,亦即所谓的X射线CT仪的Z方向,尽可能窄的X射线束,它沿与之垂直的方向扩展为扇形,以便能将X射线先后施加在检查对象相应的层上。因此,其余未被利用的所发射X射线的部分在X射线管内部或被一相应的光阑吸收。
对于许多应用如今已使用多层CT仪,它们可以更好地利用所产生的X射线和实现更迅速的3维X射线照相。在这些X射线仪中,X射线沿Z方向也扩展成锥形,并因而在台架的每个照相位置覆盖更大的对象体积。在这里,在检查空间与X射线管对置的那一侧,使用一个由X射线探测元件多个平行排组成的探测器阵列,所以在每个照相位置可以为检查对象的许多层照相。然而,这种照相技术同时带来一些新的问题。例如其一,对于每个被透射的层造成不同的有效焦点尺寸,它们取决于在Z轴上层的位置并因而引起与层有关的假象。此外,对于沿Z方向强烈扩展的锥形射线,由于此锥形扩展产生假象,这些假象尽管通过复杂的技术可以修正达16层的数量,但当超过16层时不得不容忍这种假象。在上述几何结构中的另一个问题在于仅部分覆盖检查对象。因为尤其在沿Z方向的两端遗留未被X射线穿过的锥形区。这些区同样导致在重建的三维X射线图像内的假象。
为了沿Z方向提高空间分辨率和覆盖更大的检查空间,多层CT系统需要更小的焦点尺寸和更大的X射线管功率。此外,使用于心脏的计算机层析X射线摄影仪要求台架更高的转速和更短的扫描时间,所以需要进一步提高X射线管功率。由于目前使用的X射线管功率已经接近100KW,所以急需提高计算机层析X射线摄影仪内X射线管的能量利用效率。这么做可以延长X射线管的使用寿命以及改善CT仪的利用率,因为可以避免X射线管长的冷却间歇。
从先有技术这些已知的问题出发,本发明的目的是提供一种X射线仪,尤其是X射线CT仪,它可以在X射线图像内没有附加的假象的情况下缩短X射线照相时间,而且有更高的能效。
此目的通过按权利要求1的X射线仪达到。X射线仪有利的设计是从属权利要求的内容或可以由下面的说明和实施方式中得出。
本发明X射线仪按已知的方式其组成部分包括X射线源、一个或多个与X射线源对置的第一X射线探测元件以及处于X射线源与X射线探测元件之间的检查空间,其中,来自X射线源所发射X射线的第一立体角区的X射线,通过检测体积的第一区对准第一X射线探测元件。此X射线仪的特征在于,在X射线仪上以这样的方式设置一个或多个用于X射线的射线转向元件以及一个或多个其他X射线探测元件或X射线探测元件组,即,使得借助所述的一个或多个射线转向元件,将来自X射线源所发射X射线的一个或多个其他立体角区的X射线,通过检查空间的第一区或一个或多个其他区,对准所述其他X射线探测元件。
因此,在本发明的X射线仪中,充分利用由已知X射线管的阳极射出的、在一个比用于产生唯一的一束为透射物体所需的X射线束的立体角更大的立体角区内进行的X射线发射。通过所述的一个或多个附加的射线转向元件,正好将那些迄今未被利用的立体角区的X射线对准在检查空间内要检查的对象。在对置侧则设对应的另一些X射线探测元件,用于检测用此另一些X射线束透射的物体,亦即测量这些X射线通过身体引起的减弱。在这里,射线转向元件设置为,使它们或沿另一些视向或投射方向透射要检查的物体相同的区域,或透射投射方向相同但优选地沿Z方向错开的另一个区域。在这里,射线转向元件和其他X射线探测元件的数量取决于打算要达到的效果,以及仅受X射线源所发射X射线的几何结构及空间分布的限制。通过采用射线转向元件对X射线源所发射的X射线实现更充分地利用,达到明显地提高X射线仪的能效。正是在使用于X射线CT仪的情况下,以此方式通过射线转向元件提供了附加的虚的X射线源,借助它们使得能利用迄今未被利用于X射线照相的X射线量子。
所述一个或多个附加的射线转向元件和附属的X射线探测元件带来的另一个优点在于,可以在台架的每个位置记录附加的投射,同时无需提高X射线功率,所以与传统的X射线CT仪相比可以提高照相速度。由此恰恰明显地改善对运动的身体部分,如心脏的照相可能性。在本发明X射线仪中,根据射线转向元件的设计、定位和布局,还可以用互相平行延伸分别具有至少近似平行的射线截面的X射线束照射物体,它们一方面可以在由测量的原始数据重建三维图像时降低重建的耗费,另一方面还可以改善沿Z方向的体积覆盖,没有在已知的多层X射线仪中产生的假象。
在本发明的X射线仪中作为射线转向元件可以使用由先有技术已知的各种元件。一个例子是所谓超级镜(Super-Spiegel),它们通过利用布拉格反射使X射线偏转。通过这种由合成制成的多层系统构成的超级镜,可以使由各自立体角区发射的X射线任意偏转和造型,从而例如也可以造型为平行或聚焦的X射线束。为此,镜面成形为抛物面并由多个结晶层组成,其中,层距按一种受控制的方式变化,以取得布拉格反射。这种超级镜例如在西门子公司的M.Schuster和H.Gobel两人在J.Phys.D:Appl.Phys.28(1995)A270-A275上发表的论文“Parallel-Beam Coupling into Channel-CutMonochromators Using Curved Graded Multilayers”和Hoghoj,Joensen等人在OSA:Physics of X-ray Multilayer Structures(1994)上发表的文章“Broad-band Focusing of Hard X-rays using a Supermirror”以及Hoghoj,Joensen等人在SPIE Vol.200l第354-359(1994)上发表的文章“Measurementof multilayer reflectivities from 8keV to 130keV”;发表在Bruker AXS公司的互联网主页
http://www.bruker-axs.com上的关于层析X射线系统的两篇文章“Gbel Mirrors for Parallel-Beam Conditions”和“Twin Gbel Mirrors-TheReal Parallel Beam Concept”中可了解到。它们可以在比较大的可接受的角度和有高的效率为30-60%的情况下,使高达70kev的硬X射线范围内的X射线转向和造型。除了这些超级镜之外,还可以使用已知的用于布拉格反射的晶体,所以通过组合超级镜和一个这种普通的用作单色器的布拉格反射器,可以产生平行的单色X射线。
本发明X射线仪的射线转向元件另一种设计可能性是使用一束或多束空心毛细管,其中如在光导纤维中那样导入X射线。这种毛细管束通常由空心的玻璃纤维组成,以及还已知采用术语Kumakhov Optik或PolykapillarOptik。它们可使用于不仅X射线而且中子的视准、过滤和聚焦。对于此类转向元件可例如参见在网页
http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines上由Science@NASA发表的文章“X-ray concentrator will expand window onhigh-energy universe”和在纽约州Albany大学的X射线光学镜中心在http://www.albany.edu/x-ray-optics/intro.html上发表的文章“Capillary X-rayOptics-Introduction”以及美国纽约州Albany市的X射线光学系统公司在其主页
http://www.xos.com上发表的文章“Parallel Beam X-Ray Diffraction,Application notes 201 and 202”。采用这种多毛细管光学镜(Polykapillar-Optik),可以通过毛细管的适当弯曲使来自一个立体角区的X射线转向以及造型为几乎任意的形式。这种光学镜可以有高达10-50%的效率地检测宽的角度区和大的能量范围(200eV-30keV)。这种技术以X射线在直径在5与50μm之间的空心玻璃毛细管内部的全反射为基础。以临界角进入毛细管内的X射线几乎无损失地沿毛细通道输送。采用这种光学镜还可以使X射线聚焦为例如焦点直径为20μm或更小,以便由此能在X射线管功率较低的情况下产生更大的X射线流。正是对于X射线CT仪,采用这种光学镜作为射线转向元件具有突出的优点,因为可以检测较大立体角区内的X射线,以及可以为X射线几乎任意造型,尤其还造成一种准平行的射线束。此外,这种技术减少散射和增大一次X射线量子(Primrrntgenquanten)的传输,从而在对患者减少X射线剂量的同时达到更高的对比度。通过这种几乎任意造型的可能性,还可以造成放大或缩小的X射线图像。
按本发明的X射线仪一种有利的实施形式将射线转向元线设置为,使检查空间用来自第一立体角区的X射线透射的第一区,也被来自另一些立体角区借助射线转向元件导引到其他X射线探测元件上的X射线透射。由此可以沿不同的投射方向同时透射物体,为此不必提高X射线功率或不必设其他X射线源。尤其当使用在计算机层析X射线摄影仪内时,其中在台架上设X射线源、射线转向元件以及X射线探测器,以此方式可以实施更快速的扫描,因为台架的每个位置同时记录多个投射方向。在这里,优选地在垂直于Z轴的和X射线源也处于其中的相同平面内,在X射线源两侧设两个射线转向元件,由此产生的三个投射方向处于一个平面内。
当然,本发明的X射线仪不限于两个射线转向元件。根据期望达到的效果,确切地说,也可以只使用一个附加的射线转向元件,或与相应的X射线探测元件一起使用远多于两个的射线转向元件。若在X射线照相时希望比一个投射更多,也可以设计为没有旋转台架的C形臂X射线仪或简单的X射线仪。
按另一项有利的设计,本发明X射线仪用作多层CT X射线仪。在这种情况下,射线转向元件和X射线探测元件组这样设在X射线仪上,即,使得沿与Z轴对应的台架旋转轴线的轴向处于前后位置的检查空间区,在多个基本上平行的平面内被X射线束透射。在此,所述各平面内的所述一束或多束X射线束透射检查对象的一层或多层,然后可对它们相应地进行图象重建或再现。X射线可通过射线转向元件造型为,使X射线产生一个在此平面内平行的X射线束或在此平面内扇形扩张的X射线束。视所述X射线束沿与之垂直的方向亦即Z方向的宽度而定,可以通过这样的每束X射线束检测一层或也可检测多层。当检测多层时,当然必须在检查空间的对置侧设置相应地多排X射线探测元件。在已知的多层X射线CT仪中,这些X射线探测元件排已经以大面积探测器阵列的形式实现,它也可以按相同的方式在本发明X射线仪中使用。在这里,每个射线转向元件可检测的层的数量,仅取决于沿Z方向的射线扩展或射线厚度(当射线截面平行时),后者可通过恰当地设计射线转向元件来预先给定。
本发明的X射线仪的这种设计避免了在已知的X射线仪中由于沿Z方向X射线束强烈的锥形扩张引起的假象,因为现在相同的体积可以用近似平行的X射线束照射。同理,避免了在迄今锥形的X射线束的情况下沿Z方向在检查区两端出现的仅部分透射的现象。此外尤其在对比度相同时只须调整为低得多的X射线管功率,因为在X射线照相时利用了迄今未被利用的所发射X射线。
按本发明的X射线仪另一项设计,不仅仅使用一个射线转向元件来覆盖检查区垂直于Z方向的全部长度,而且使用多个并列的射线转向元件。因此在此项设计中,被检查的区域可以用多束沿二维方向相互平行的X射线束来透射。这就可以在恰当设计射线转向元件时更好地利用在探测器一侧上的散射格栅,从而可以明显提高信噪比。每个单个射线转向元件在这里将X射线束造型为,使检查对象被近似平行地穿过,或聚焦在各对置的X射线探测元件上,在后者上方设有一细胞状或格网状散射格栅。
本发明的X射线仪的这种设计也可以在旋转的X射线阳极(如在先有技术已知的X射线管内使用的)上实现一种电子束焦点的特殊形状。在产生这种设计为就阳极的旋转而言为沿径向的线的焦点时,通过每个射线转向元件将此径向的线状焦点作为沿Z方向延伸的线投影在X射线转向元件上。这种设计,可以通过减小在焦带(Brennband)内亦即在旋转的阳极表面上的焦点轨迹内的峰值功率,实现旋转阳极内更好地散热。这导致X射线管更高的HU容量(Head Unit)。
使用更大量的射线转向元件,它们不仅沿Z方向前后排列而且互相并列,可以通过恰当地设计这些射线转向元件在X射线阳极上产生一个比迄今能实现的大得多的电子焦点。在迄今的技术中产生一个尽可能小的焦点,为的是获得一种尽可能点状的X射线源。当恰当地设计本发明X射线仪的射线转向元件时,可以通过这些射线转向元件构成阳极不同的小的焦点区,所以每个射线转向元件使用另一个X射线源。由此创造了许多几乎点状的X射线源,它们不是由阳极焦点的面积规定,而是仅仅通过投影光学镜的功率规定。X射线阳极的焦点可因而设计得很大,明显减小阳极的局部热负荷。
下面结合附图所示实施方式示例性地进一步说明本发明的X射线仪。
附图中:
图1表示计算机层析X射线摄影仪基本结构的一个示例;
图2表示X射线源的X射线发射以及迄今其中已利用的X射线部分的示例;
图3示意表示本发明X射线仪的一种设计示例;
图4示意表示本发明X射线仪的另一种设计示例;
图5在垂直于图2的视图中表示X射线源的X射线发射以及迄今已利用的X射线部分;
图6表示作为先有技术的多层X射线CT仪的沿Z方向的X射线分布示例;
图7表示按本发明的X射线仪的X射线导引的示例;
图8表示按本发明的X射线仪的X射线导引的另一示例;以及
图9表示按本发明的X射线仪的X射线导引的又一示例。
图1示意表示X射线CT仪的部分结构,它也是本发明X射线仪许多设计的基础,但对于X射线进行射线导引的部分除外。此X射线CT仪有一个形式上为X射线管15的X射线源,它朝一个具有X射线探测元件2的探测器排方向发射扇形的X射线束17。不仅X射线管15而且探测元件2都设在一龙门台架16上,该台架可连续地绕患者14旋转。患者14卧在一个图1中没有表示的患者卧台上,该卧台延伸到台架16内。台架16在图1中表示的笛卡儿坐标系x-y-z的x-y平面内旋转。患者卧台可沿Z轴运动,Z轴对应于患者14要描绘的各层的层厚方向。X射线束17沿Z方向亦即在本图中垂直于图纸平面的方向上的尺寸,一方面通过在X射线管15旋转阳极上的焦点11的尺寸以及另一方面通过设在X射线管一侧的光阑9规定,光阑9的开口沿Z方向是可调的。
X射线管15通过高压发生器18供给例如120kV的高压。控制器19用于控制计算机层析X射线摄影仪的各个部件,尤其是高压发生器18、台架16、探测元件2以及图中未表示的患者卧台,并实施记录测量数据。测量数据进一步传给图像计算机20,在其中由测量数据实施图像重建。
图2示意表示在X射线仪中使用的X射线管所发射X射线的分布情况。在此垂直于Z轴,亦即垂直于CT仪台架旋转轴线的剖面图中,可以看到X射线管的圆盘状的阳极7,它在产生X射线期间绕其盘中心线旋转。在X射线管内产生电子束并聚焦在阳极7的边缘区上。通过加速的电子撞击在阳极7上,按已知的方式从由焦点构成的X射线发射面释放出X射线。阳极7的旋转是必要的,以免过强的局部过热并因而破坏阳极7。在此图中从阳极7的焦点射出的X射线8的空间分布示意表示在图示的平面内。在这里,发射X射线8几乎在整个半球内进行。为了X射线CT仪的X射线照相,从该空间分布中仅利用一个第一立体角区4a,以便在图示的层面内获得一个从焦点出发的扇形扩张的射线束。为此使用一个恰当的光阑9,它限制第一立体角区4a。由此图可以看出,为X射线照相只利用了从阳极7发射的X射线量子的一小部分。
在本发明的X射线仪中利用了迄今未被使用的X射线发射8的至少一部分,以同样用于获取X射线照片。为此采用一个或多个射线转向元件5a、5b,它们使来自发射X射线8的另一些立体角区的X射线转向后通过检查空间的一个区域而撞击到另一些X射线探测元件6上。图3表示一个按照本发明的X射线仪的这样一种示例,并且在与图2相同的平面内表示通过该X射线仪的一剖面的设计结构。在光阑9的两侧设有超级镜5a,它们附加地将从阳极7在第二立体角区4b和第三立体角区4c出发的X射线在检查空间3内转向到要检查的对象上。在台架16上设置的其他X射线探测元件6带有位置分辨能力地检测X射线通过物体时引起的减弱。超级镜5a在本实施方式中成形为抛物面,它们将来自各自的第二和第三立体角区4b、4c的X射线造型为平行的X射线束10。因此,在本实施方式中,在台架16的每个位置,除了通过光阑9确定的主投射方向外,还检测两个附加的投射方向。在这里,全部X射线束在相同的层面内穿过检查对象相同的区域。以此方式可以实现更迅速的扫描,而不必提供附加的X射线功率。因此这种设计特别适用于身体的运动目标,例如心脏的X射线照相。在这里,附加的X射线探测元件6当然必须固定在台架恰当的位置上,以便探测平行的X射线束10。
图4表示本发明X射线仪的另一种实施方式,其中取代超级镜5a使用多毛细管光学镜5b。此X射线仪的其他方面的设计与图3中的设计结构一致,所以在这里对此不再详细阐述。采用多毛细管光学镜5b取代超级镜5a的优点是,借助多毛细管光学镜5b可以将一个更大的立体角区变换为平行的X射线束10。为了X射线的转向,多毛细管光学镜的毛细管相应弯曲。
因此,采用图3和4中这两种作为范例的设计,造成附加的虚的X射线源,它们可以实现更高的数据获得速度,却不会造成附加的假象。在已知的X射线仪中,更高的数据获得速度只有通过台架更高的旋转速度才能达到。此外,对于X射线源X的其他立体角区所发射射线的利用,可以提高X射线仪的能效。基于更充分地利用X射线发射,现在还可以使用形式上为布拉格反射器的附加的单色器,以便将单色或准单色的X射线对准目标。这一点迄今由于X射线低的利用效率是几乎不可能做到的,然而在检查软组织时这样做可导致在减小对患者X射线剂量的同时造成更好的图像对比度。
在上面列举的实施方式中利用射线转向元件在与主X射线束相同的层内造成X射线束。当然也可以根据应用目的,将这些其他的X射线束照射多个不同的层。在这种情况下重要的仅仅是射线转向元件的配置和定向以及另一些探测元件的配置。例如可以实现多层X射线CT仪,其中通过附加的射线转向元件覆盖沿Z方向大的体积区。当使用一个或多个可造型出平行的X射线束的射线转向元件时,可以此方式也检测所述检查空间在沿Z方向的两端在迄今的X射线仪中遗留的锥形空心区域。其结果是提高了体积覆盖率和剂量总效率。
下面的图中表示本发明X射线仪作为多层X射线CT仪的这种设计的示例。在这里,图5和6首先示意表示在先有技术的X射线中迄今存在的状况。图5仍示意表示X射线管的阳极7,它绕其盘中心线旋转。此图表示一个垂直于图2的剖面,亦即Z轴或台架的旋转轴线也处于其中的剖面。在阳极7上可以看到所谓的焦带(Brennband),它通过电子束聚焦和阳极7的旋转构成。图中还表示了在此图示平面内在其中发生X射线发射8的巨大的立体角区。在这里仍可看到光阑9,它严格地限制出沿Z方向的立体角区,以便如在单层X射线CT仪中的情况那样检测被检查物体用X射线照射的尽可能薄的层。
对于多层X射线CT仪,如图6所示,X射线发射沿Z轴没有这种严格的限制。在这里,沿Z方向也产生具有大的张开角的锥形X射线束17,它命中多排X射线探测元件2。在阳极7焦点11边界与对应的X射线探测元件2排边界之间的直线连接,在这里喻示着被对应照射的层。因此,采用这种技术可以同时检测许多层。但由图6可以看出,从各个X射线探测元件2排看所述焦点11,焦点11具有不同的尺寸,所以沿Z方向被透射的各层的尺寸也是变化的。这导致与层有关的假象,后者只能在同时检测的层数量较少时才能予以计算修正。
图7表示本发明X射线仪的一种设计,其中避免了此类假象。按此设计,用多个射线转向元件(在此图中为了看得清楚起见只表示了其中三个)造成平行地沿Z方向先后排列的X射线束10,它们在各自的平面内扇形扩张。在本实施方式中,穿过物体的全部X射线束均通过转向元件对准物体,所以不再使用直接从X射线源射出的X射线,但并非一定都要如此。借助在本实施方式中用作射线转向元件的超级镜5a,仍可以利用阳极7所发射X射线的不同立体角区4a、4b、4c。这导致如结合图3和4的实施形式已说明的同样的优点。所使用的X射线探测元件2、6在本实施方式中以探测器阵列的形式存在,它可以设计为与传统的多层X射线CT仪中的探测器阵列一致。沿Z方向处于先后位置的各排X射线探测元件2、6确定了各自的层。在这里,借助射线转向元件5a造型的X射线束10沿Z方向平行延伸,以及将X射线施加在一排或多排X射线探测元件2、6上。优选地用每一束这种X射线束10覆盖多排X射线探测元件2、6。若N表示沿Z方向错开排列的超级镜5a的数量,则通过它们应透射数量为M的层,其中M≥N。也可以沿Z方向使X射线束10小量地锥形扩张,从而可不产生已知的假象。
在此设计中还可看出,在阳极7上此时可产生一个线状焦点11,以达到改善在旋转的阳极7上热分布的目的。在这种情况下降低在焦带内的峰值功率。在阳极表面上沿径向延伸的线状焦点11,在这里作为沿Z轴的线状焦点被投影在X射线探测元件2、6上,所以由此不造成对空间分辨率的损害。
X射线反射镜5a也可以设计为,它们可将所产生的X射线束10聚焦在X射线探测元件2、6后方的一个虚的焦点上,以提高在阳极7上焦点尺寸相同和X射线管功率相同时的空间分辨率,并减少焦外辐射。已知所述焦外辐射会恶化调制传递函数MTF并且在头部图像中尤其是儿童的头部图像中会产生“Hallo-假象”。尽管有补偿算法,但是这种补偿算法增加图像内的噪声。此外已知在探测器上使用二维的设计为散射格栅的梳状滤,以减小焦外辐射的影响。然而,至今这样做并未导致彻底减少焦外辐射的影响,因为患者本身仍始终被施加此类辐射以及除此之外康普顿光子(ComptonPhotonen)会严生其他假象。
X射线仪的本设计允许使用沿Z向的一维方向的梳状视准管,它如消除焦外辐射的影响一样消除在X射线反射镜表面内可能的不准确度。图7表示在X射线源那一侧的这样一个梳状视准管12。
在采用将X射线导向检查对象的超级镜5a时带来的另一个优点源自这种超级镜的特殊结构。因为通过这种超级镜可以将来自所发射X射线的一个较宽的立体角区的X射线造型成近似平行的,所以可有利地使用附加的布拉格反射器作为单色器,其中,规定能量范围的X射线只能以一个很狭窄的入射角范围反射。因此,通过超级镜造成的平行X射线避免大的损失。采用附加的布拉格反射器,可以将Kα或Kβ射线与X射线发射的跨界射线光谱(Grenzstrahlungsspektrum)其余部分分离。因此在此设计中可以造成单色或准单色的X射线束。其结果是改善了在X射线照相时的信噪比,导致更好的剂量对比度以及通过从X射线谱中消除高能部分导致减少患者照射剂量。
图8表示本发明X射线仪作为多层X射线CT仪的另一种实施方式。在此与图7所示类似的示例中,超级镜5a在每个层面内产生近似平行的X射线束10通过整个层区。这些X射线束10优选地沿Z方向也近似相互平行。在这里,超级镜在垂直于Z方向的平面内与图7中的超级镜相比明显地更宽,所以它们检测一个大得多的角区,并因而还明显增加可供X射线照相使用的X射线量子的数量。
在这种设计中可使用一个在X射线源一侧的细胞状或格网状视准管13,它消除在镜表面上表面不准确度的影响,以及保证产生朝向X射线探测元件2、6的二维平行的X射线束10。通过使用这种视准管13也至少减少了焦外辐射以及环形假象。
具有二维平行X射线束的这种设计的另一个优点在于,与使用扇形X射线束相比,可明显地降低用于图像重建的计算费用。其结果是缩短了重建时间,因为尤其避免了修正锥形辐射假象以及对投射再分类拣选的重建步骤。
最后,图9表示另一种实施方式,它与图8所示的非常相似。在本实施方式中使用一个反射镜5a阵列,所以在每个层面内造成多个平行地并列的平行X射线束。按此设计,各个射线转向元件5a可设计为将阳极7的X射线发射面的各个不同的小区域投影在各自的X射线探测元件2或6上。由此可以在阳极7上产生一个很大的焦点11,而不会降低X射线照片的分辨率。通过这种仅受阳极尺寸限制的任意大的焦点,可以提高X射线源的功率,不会因此立即引起局部过热。
因此,上述实施形式可以在仅绕患者一次旋转时便沿Z方向大而全地覆盖检查空间。其结果是显著缩短扫描时间并因而显著减小CT仪的工作量。此外明显地降低因生热造成的功率损失。在加大体积覆盖率的同时有更迅速的扫描时间,可以实现对于具有高生物动力的身体区或器官的照相,而没有明显的运动假象。这些设计还消除了与层有关的焦点大小和由此引起的假象。通过使用用于驱动所述转向元件的微型致动器,还可以调整沿Z方向的平行射束的尺寸,以及以此方式限制遭受X射线照射的面积。此外,通过这些微型致动器可以使反射镜最佳地与各自的X射线管匹配。
Claims (16)
1.一种X射线仪,尤其是计算机层析X射线摄影仪,它包括至少
-一个X射线源(1),
-一个或多个与该X射线源(1)对置的第一X射线探测元件(2),以及
-一个处于X射线源(1)与X射线探测元件(2)之间的检查空间(3),
其中,来自X射线源(1)所发射X射线(8)的第一立体角区(4a)的X射线,通过检查空间(3)的第一区对准第一X射线探测元件(2),其特征为:在X射线仪上这样设置一个或多个用于X射线的射线转向元件(5a、5b)以及一个或多个其他的X射线探测元件(6)或X射线探测元件(6)组,即,使得借助所述的一个或多个射线转向元件(5a、5b),将来自X射线源(1)所发射X射线(8)的一个或多个其他立体角区(4b、4c)的X射线,通过检查空间(3)的第一区或一个或多个其他区,对准所述其他的X射线探测元件(6)。
2.按照权利要求1所述的X射线仪,其特征为:在X射线仪上这样设置所述射线转向元件(5a、5b)以及X射线探测元件(6)组,即,使得所述第一区被X射线从不同的投射方向透射。
3.按照权利要求1或2所述的X射线仪,其特征为:所述X射线源(1)、X射线探测元件(2、6)以及射线转向元件(5a、5b)设在一个在一个平面内围绕着所述检查空间(3)的龙门台架(16)上,该台架在运行时绕一条在检查空间(3)内延伸的旋转轴线旋转。
4.按照权利要求3所述的X射线仪,其特征为:在X射线仪上这样设置所述射线转向元件(5a、5b)和X射线探测元件(6)组,即,使得所述检查空间(3)的沿旋转轴线的轴线方向前后相接的区域,在多个基本上相互平行的平面内被X射线透射。
5.按照权利要求4所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)设计成可形成在所述相互平行的平面内呈扇形扩展发射状的X射线束(10)。
6.按照权利要求4所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)设计成可形成在所述相互平行的平面内呈平行发射状的X射线束(10)。
7.按照权利要求4至6之一所述的X射线仪,其特征为:所述各射线转向元件(5a、5b)设计为,使每个射线转向元件(5)的X射线束(10)在多个平行并列的X射线探测元件(6)行上延伸。
8.按照权利要求4所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)阵列状排列和设计为,使所述检查空间(3)的一个区域被基本上二维平行地并列的多束X射线束(10)透射。
9.按照权利要求1至8之一所述的X射线仪,其特征为:所述X射线源(1)有一个旋转的阳极(7),在阳极上通过命中的电子束构成一个X射线发射面。
10.按照权利要求9所述的X射线仪,其特征为:所述X射线发射面设计为在阳极(7)上沿径向延伸的线。
11.按照权利要求9所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)设计和排列为,它们使所述X射线发射面不同的区域投影在所述X射线探测元件(6)上。
12.按照权利要求1至11之一所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)是抛物面形状的超级镜(5a),它们由一种结晶的多层结构构成。
13.按照权利要求1至11之一所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)由多毛细管光学镜(5b)构成。
14.按照权利要求12或13所述的X射线仪,其特征为:在所述射线转向元件(5a、5b)与检查空间(3)之间设有布拉格反射器作为单色器,X射线通过它转向。
15.按照权利要求13或14所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)设计用于使来自其他立体角区(4b、4c)的X射线形成平行的X射线束(10)。
16.按照权利要求13或14所述的X射线仪,其特征为:所述射线转向元件(5a、5b)设计用于将来自其他立体角区(4b、4c)的X射线造型成聚焦X射线束(10)。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |