CN1809909B - 用于人和小动物成像的计算机断层摄影系统 - Google Patents

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Abstract

计算机断层摄影装置包括x射线源和x射线检测单元。x射线源包括：阴极，它具有多个可单独编程的电子发射单元，每个单元在加电场后发射电子；阳极靶，它在受到发射电子的撞击后发射x射线；以及准直器。每个电子发射单元包括电子场发射材料。电子场发射材料包括纳米结构材料或多个纳米管或多个纳米线。还提供了计算机断层摄影方法。

Description

用于人和小动物成像的计算机断层摄影系统
有关联邦政府资助的研究或开发的说明
本发明的至少一些方面是在海军研究办公室的资助下(合同号为N00014-98-1-0597)借助于政府的支持而进行的。政府可以具有本发明中的某些权利。
技术领域
本发明一般涉及用于x射线辐射源的场发射阴极。更具体地说，本发明涉及碳纳米管场发射阴极以及这种阴极的制造及其在适用于诊断、成像和检验等应用的具有单独可寻址多射束x射线的线性或面x射线辐射源中的工作。
背景技术
在以下对本发明背景的说明中，参考了某些结构和方法。这些参考不必视为是在承认这些结构和方法都合格，可以作为现行法定条款下的先有技术。申请人保留以下权利，即，证明任何一项参考主题事项并不构成关于本发明的先有技术。
计算机断层摄影(CT)技术广泛用于医学、工业和安全成像目的。典型计算机断层摄影机的设计经历了重大的演变。例如，进行常规x射线成像时，对三维(3D)物体进行照射，形成二维(2D)图像。结果，在照射方向上的空间分辨率被丢失。这种限制在计算机断层摄影系统中通过获得物体在不同方向上的投影图像就可以被克服。通常，物体是静止的，而单一x射线束围绕物体旋转，并在不同的旋转角度产生图像。然后可用投影图像的集合重新构建物体的三维图像。
X射线源的旋转对系统设计提出了相当严格的要求，而且会降低成像速度。电子束计算机断层摄影(EBCT)系统可以解决此问题。在典型的EBCT系统中，使阴极产生的电子横过位于台架中的阳极表面扫描，台架由一个或多个金属环组成。扫描由电场或磁场完成。但这种机器很昂贵，而且所占用的空间比常规计算机断层摄影系统大得多。所以，非常需要有一种小的静止x射线源计算机断层摄影系统，更便于运输且节约成本。
在有些系统中，例如断层摄影，x射线源是静止的，使物体旋转来收集投影图像。在微型计算机断层摄影系统中，x射线源通常产生扇形射束照射到物体上。在一些情况下，使用锥形射束和二维检测器来记录图像。使物体旋转并在每个旋转角度收集图像。二维面检测器的实例包括将x射线光子转换成可见光的闪烁晶体，以及位于晶体后面捕捉图像的电荷耦合检测器(CCD)摄像机。也常使用固态和气态检测器。
从图像质量的观点来说，最好使用单色x射线。这是因为计算机断层摄影实质上是测量线性吸收系数，而此系数取决于入射x射线光子的能量。但是，在大多数计算机断层摄影系统中，除了同步加速器辐射源外，是使用连续能量的x射线源而不用单色x射线，以增加x射线强度，从而减少数据收集时间。在许多计算机断层摄影系统中，x射线源常设置在远离物体处，以降低单一x射线源的x射线辐射的非均匀空间分布以及x射线束的会聚。结果，只有一小部分所产生的x射线光子被用于成像。
非常需要有一种全静止计算机断层摄影系统。这种系统将很少需要或不需要使x射线源围绕患者旋转。而且，新颖的x射线源的几何结构结合对这些x射线源的精确控制，就可以开发成像技术并仔细改进目前的数据获取方法。
发明内容
计算机断层摄影系统的示范实施例包括x射线源和x射线检测单元。x射线源包括：阴极，它具有多个可单独编程的电子发射单元，每个单元在加电场后发射电子；阳极靶，它在受到发射电子的撞击后发射x射线；以及准直器。
操作计算机断层摄影装置(所述计算机断层摄影装置包括：x射线源，所述x射线源包括：阴极，它具有多个可单独编程的电子发射单元，每个单元在加电场后发射电子；阳极靶，它在受到发射电子的撞击后发射x射线；准直器；以及x射线检测单元)的示范方法包括：加电场到多个可单独编程电子发射单元中的至少第一个单元上，使其发射电子；将所发射的电子聚焦到阳极靶上多个焦点中的一个焦点上；用所发射的电子撞击阳极靶，以形成所发射x射线的辐射；准直所发射x射线的辐射；使准直的x射线辐射穿过物体；用x射线检测单元检测x射线辐射；以及记录所检测的x射线辐射。
附图说明
从以下结合附图对本发明优选实施例的详细说明中，可以明白本发明的目的和优点，附图中相同的数字代表相同的元件，附图中：
图1示出示范的x射线源的示意图。
图2示出作为碳纳米管阴极电压函数的电流密度(A/cm2)，所述阴极具有的间隙距离在62μm和280μm之间。
图3示出准直单色x射线辐射源的示范实施例示意图。
图4示出具有扇形射束的线性x射线辐射源示范实施例的示意图。
图5示出具有锥形射束的拱形x射线辐射源示范实施例的示意图。
图6示出具有笔形射束的面x射线辐射源示范实施例的示意图。
图7示出具有围绕静止台面旋转的线性x射线辐射源的CT系统示范实施例的示意图。
图8示出具有位于静止台面附近的圆形x射线辐射源的CT系统示范实施例的示意图。
图9示出可以在计算机断层摄影方式和单一投影方式下工作的x射线辐射源示范实施例的示意图。
图10示出具有环形靶的CT系统示范实施例的示意图，通过将电子束源重新定向和/或通过操纵电子束，电子束即可打到靶上。
具体实施方式
本文公开的用于计算机断层摄影的x射线系统和x射线成像方法是基于我们以前公开的内容，包括：美国专利申请No.09/679,303，题目为”X-RAY GNERATING MECHNISM USING ELECTRON FIELD EMISSIONCATHOD”；美国专利申请No.10/051,183，题目为”LARGE-AREAINDIVIDUALLY ADDRESSABLE MULTI-BEAM X-RAY SYSTEM AND METHOD OFFORMING THE SAME”，以及美国专利申请No.10/309,126，题目为”X-RAYGENERATING MECHANISM USING ELECTRON FIELD EMISSION CATHODE”，这些申请的全部公开内容已作为参考包括在本文中。美国专利申请No.09/679,303公开了包括包含纳米材料的x射线产生装置。美国专利申请No.10/051,183公开了一种产生x射线的结构，它具有多个静止的可单独电寻址的场发射电子源，电子源具有由场发射材料(例如碳纳米管)构成的衬底，可以按照预定频率以电方式开关，以便以可编程顺序场发射电子。
计算机断层摄影装置的示范实施例包括x射线源和x射线检测单元。图1示出示范x射线源100的示意图。x射线源100包括：阴极102，它具有多个可单独编程的电子发射单元104，每个单元在加电场(E)后发射电子106；阳极靶108，它在受到发射电子106的撞击后发射x射线110；以及准直器112。
在示范实施例中，电子发射单元104包括电子场发射材料。例如，电子场发射材料可以包括纳米结构材料。在又一实例中，电子场发射材料可以包括多个纳米管或多个纳米线。纳米管可以包括无机材料。例如，纳米管可以包括从以下材料中选择的至少一种场发射材料：碳、硼、氮、硫和钨。纳米线可以包括从以下材料中选择的至少一种场发射材料：硅、锗、碳、氧、铟、镉、钾、氧化物、氮化物、硅化物和硼化物。纳米线可用各种技术制造，包括化学汽相淀积、溶液合成和激光烧蚀。J.Hu等人发表在Accounts of Chemical Research，Vol.32，pages 435-445，1999的文章”Chemistry and Physics in OneDimension：Synthesis and Properties of Nanowires and Nanotubes”公开了一些制造方法，所述文章的全部内容已作为参考包括在本文中。
阴极102可以包括一个或多个可单独编程和/或可寻址的电子发射单元104，设置在支撑结构114上。在示范实施例中，电子发射单元104是一个或多个电子发射像素。电子发射像素可以是任何适用的电子源。在示范实施例中，电子发射像素是电子场发射源，例如包括有多个单壁碳纳米管(SWNT)、多个多壁碳纳米管(MWNT)、多个双壁纳米管(DWNT)，或其混合物的电子场发射材料。适用的电子场发射源实例包括：美国专利No.09/296,572，题目为”DEVICE COMPRISING CARBONNANOTUBE FIELD EMITTER STRUCTURE AND PROCESS FOR FORMING DEVICE”中公开的基于碳纳米管的电子场发射源，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了基于碳纳米管的电子发射体结构；美国专利No.09/351,537，题目为”DEVICE COMPRISING THIN FILM CARBONNANOTUBE ELECTRON FIELD EMITTER STRUCTURE”，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了一种具有高发射电流密度的碳纳米管场发射结构；授予Bower等人的美国专利No.6,277,318，题目为”METHOD FOR FABRICATION OF PATTERNED CARBON NANOTUBE FILMS”，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了在衬底上制造附着的具有图案的碳纳米管薄膜的方法；美国专利申请No.09/679,303，题目为”X-RAY GENERATING MECHNISM USING ELECTRONFIELD EMISSION CATHODE”，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了包括包含纳米结构材料的X射线产生装置；美国专利申请No.09/817,164，题目为”COATED ELECTRODE WITH ENHANCEDELECTRON EMISSIN AND IGNITION CHARACTERISTICS”，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了一种电极，它包括第一电极材料、附着性增强层以及至少淀积在部分附着性增强层上的含碳纳米管材料，以及包括这种电极的关联装置；以及美国专利申请No.09/881,684，题目为”METHOD OF MAKING NANOTUBE-BASED MATERIALWITH ENHANCED FIELD EMISSION”，其全部内容已作为参考包括在本文中，所述专利公开了将不同种类材料引入基于纳米管的材料以改进其发射特性的技术。
最好可以一个一个单独地控制电子发射像素，例如可以对每个电子发射像素进行单独的电寻址，并且控制器可以以任何所需方式(例如一个一个单独地、以群组或多个的形式、以指定的顺序或图案、或随机地)向电子发射像素提供电场。单独控制的适用方法在美国专利申请No.10/051,183中公开，其全部内容已作为参考包括在本文中。美国专利申请No.10/051,183公开了一种单独控制方法：按照预定频率以电方式开关场发射电子源，以可编程顺序向靶上的入射点场发射电子，产生频率上和位置上均与场发射电子源相对应的x射线。其它适用的控制方法在美国专利申请No.09/679,303和美国专利申请No.10/309,126中公开，其全部内容已作为参考包括在本文中。单独控制的其它实例公开在Brodie和C.A.Spindt，”VacuumMicroelectronics”，Advances in Electronics and Electron Physics，vol.83，p.1-106(1992)。
X射线源还可以包括栅极。图1所示的x射线源100的示范实施例包括栅极116，后者位于阴极102和阳极靶108之间。当电场加在栅极116和一个或多个可单独编程电子发射单元104之间时，栅极114可以从所述多个可单独编程电子发射单元104中的一个或多个抽取发射的电子106。例如，可以这样施加电场，使得栅极相对于所述多个可单独编程电子发射单元104中的一个或多个处于正电位。电场的场强可以从0.1伏/μm(V/μm)到100V/μm，最好从0.5V/μm到20V/μm。对于大于0.01mA/cm2的电流密度，最好是大于0.1mA/cm2的电流密度，所述多个可单独编程电子发射单元中的至少有一个具有小于3V/μm的发射阈值，并发射0.1-100mA的总电流。在示范实施例中，在电场小于100V/μm时，发射电流大致小于或等于每纳米管100μA。
图2示出作为碳纳米管阴极电压函数的电流密度(A/cm2)，阴极具有的间隙距离在62μm和280μm之间。随着间隙距离减小，电流密度也减小。表1总结了对于给定电场的电流密度值。图2和表1中的数值仅为举例，根据试样制备过程和如何进行测量，这些数值可以大不相同。
表1-阴极的发射特性
  电流密度(mA/cm2)   电场(V/μm)
  1   2
  10   2.5
100 4
  700   5.3
图2和表1所示的单壁碳纳米管薄膜的发射电流-电压(I-V)特性曲线是在5×10-8Torr(乇)基本压力下在不同的阳极-阴极间隙距离处用直径(阳极)为1毫米的半球形电流收集器测量的。如图2及图2中的插图所示，碳纳米管薄膜呈现典型的Fowler-Nordheim特性，对于1mA/cm2的电流密度，其阈值场为2V/μm。有效发射面积用先前描述的方法计算，所述方法在W.Zhu，C.Bower，O.Zhu，G.P.Kochanski，和S.Jin，Appl.Phys.Lett，vol.75，p.873，(1999)中公开，其全部内容已作为参考包括在本文中。对于各种电子电流密度的相应的电场列于表1。很容易实现1mA/cm2以上的电流密度。
发射材料是用激光烧蚀法生产的纯化单壁碳纳米管(SWNT)束，所述方法在O.Zhou，H.Shimoda，B.Gao，S.J.Oh，L.Fleming，和G.Z.Yue的”Materials Science of Carbon Nanotubes：Fabrication，Integration，and Properties of Macroscopic Structures of CarbonNanotubes”，Acc.Chem.Res，vol.35，P.1045-1053(2002)公开，其全部内容已作为参考包括在本文中。发射材料包含大约95wt.％(重量百分比)的SWNT束，平均SWNT直径为1.4纳米(nm)，束直径大约为50nm。通过电泳淀积将均匀的SWNT薄膜涂敷在平金属盘上，电泳淀积基本上类似于在美国专利申请No.S/N 09/996,695中所公开的方法，其全部内容已作为参考包括在本文中。为了增加SWNT涂层和衬底之间的附着性，在纳米管淀积之前，先通过化学蒸发或电化学镀将铁中间层淀积在衬底表面上，基本上类似于在美国专利6,277,318中公开的方法，其全部内容已作为参考包括在本文中。纳米管薄膜的厚度和包装密度由电流、淀积时间以及纳米管悬浮液的浓度控制。薄膜在使用前在800℃下真空退火。
计算机断层摄影装置的示范实施例还包括x射线检测单元118。任何x射线检测单元都可使用。例如，x射线检测单元可以包括x射线闪烁材料和数字成像获取装置。适用的数字成像获取装置包括电荷耦合器件(CCD)或基于固态或气态的成像装置。此外，计算机断层摄影装置可以在x射线检测单元以及控制器、存储装置、或组合的控制器/存储装置120之间具有控制系统，用于数据收集、存储和重构。数字成像获取装置用数字形式记录x射线辐射的x射线强度。根据被成像物体(例如位于物体支撑台上的物体)的大小和取向，x射线辐射的每个射束可以穿过物体的一部分(例如透射x射线源)或从物体的一部分上反射(例如反射x射线源)。然后由相应的x射线检测单元检测所述x射线辐射。
图3示出准直单色x射线辐射源300的示范实施例示意图。准直单色x射线辐射源300包括x射线源302和x射线检测单元304，二者均与结合图1所描述的基本上类似。此外，准直单色x射线辐射源300还包括单色滤光片306，它设置在准直器310后所发射x射线308的通路上。单色滤光片包括一种能选择具有某种能量的x射线光子的晶体，适用的晶体包括单晶石墨或单晶硅(Si)。向外发射的x射线束的能量由衍射条件选择。选择特定的衍射角以产生具有预定能量的衍射束。通过选择不同的衍射角，就可以选择具有不同能量的单色x射线束。
计算机断层摄影系统的示范实施例可以包括具有任何适用的几何形状的x射线源，以便将所需的x射线束导向所关注的物体，例如医学应用中的患者或动物，工业和检验应用中的结构或容器(集装箱)。例如，x射线源可以是线性的、拱形的和/或面x射线源。
图4示出计算机断层摄影装置示范实施例的示意图。计算机断层摄影装置400包括线性扫描x射线源402、物体支撑台404以及检测器406。线性扫描x射线源402包括阴极408、阳极靶410和准直器412。阴极408包括设置在支撑结构416上的可单独编程电子发射单元414的阵列。
多个可单独编程电子发射单元414的适用结构包括在平面的轴上的线性结构。使每个可单独编程电子发射单元414聚焦到阳极靶410上的多个焦点之一。
线性扫描x射线源可以具有透射几何结构或反射几何结构。在具有透射几何结构的线性扫描x射线源实例中，阳极或者是单独的金属薄膜或者是淀积在低原子序数材料(例如碳)上的金属薄膜。阳极处于比阴极高的电位。在一个特定实例中，阳极电接地。将负电位加到阴极上。栅极可以包括在x射线源中，且相对于阴极为正电位，以便从阴极抽取电子。
在一个特定实例中，所有可编程电子发射单元都处于同一电位。每个可编程电子发射单元具有对应的栅极。当所述单元和对应栅极之间所建立的电场超过临界值时(例如3V/μm或更小)，就从特定可编程电子发射单元抽取电子。
在另一示范实施例中，阳极和阴极之间的距离使得由阳极电压建立的电场足以从阴极抽取场发射电子。在此实施例中，将反向偏压加到栅极上，以抑制某些发射单元的电子发射。反向偏压在栅极上扫描，抑制第一组电子场发射单元和/或激励第二组可编程电子发射单元。
每个可单独编程电子发射单元包括电子场发射材料层。所述层中的电子场发射材料(或单独或成组)可以形成电子发射像素的阵列或矩阵或图案。在图4的示范实施例中，电子场发射材料是碳纳米管层，但任何适用的发射材料都可使用，包括纳米结构材料以及纳米管和纳米线，如结合图1和3所述。例如碳纳米管层，诸如单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁纳米管或它们的混合物。场发射体可以还是用光刻方法形成的Spindt型尖端。
在阴极404和栅极418之间外加电压的作用下，电子420从每个电子发射单元414中发射出来。电子从电子发射单元阵列的场发射可以从单一像素、一组像素(或者是随机排列的或者排列成图案)或所有像素中发射，视外加电压的受控的施加过程而定。例如，施加在栅极和阴极之间的偏压抽取电子。再在栅极和阳极之间建立大电压(例如在10-200KV/cm或更大)，将发射的电子加速到所需的能量电平。从电子发射单元发射的电子被加速，打到阳极靶410上，例如每个电子打到相应的x射线发射像素上。x射线发射像素的实例包括金属靶材料(例如铜(Cu)和钨(W))薄层，热耗散靶支撑材料。当阳极被电子轰击时，例如，阳极是加速电子的靶时，就从阳极发出x射线辐射。发射的x射线辐射通过准直器412并且任选地通过单色滤光片(图4中未示出)。准直器412使每个x射线发射像素能够产生x射线辐射422的特定几何形状，例如均匀扇形射束几何形状。但是，可以形成x射线辐射422的任何适合的几何形状，包括笔形射束几何形状和锥形射束几何形状。
计算机断层摄影装置400包括x射线检测器406。示范的x射线检测器406包括多个x射线检测单元424。每个x射线检测单元424包括x射线闪烁材料和数字成像获取装置，例如电荷耦合器件(CCD)或基于固态或气态的成像装置。数字成像获取装置用数字形式记录x射线辐射422的x射线强度。根据物体支撑台404上的物体426的大小和取向，x射线辐射的每个射束可以穿过物体426的一部分(例如透射x射线源)或从物体426的一部分上反射(例如反射x射线源)。然后x射线辐射422由相应的x射线检测单元424检测。
在图4所示的示范实施例中，x射线检测器包括x射线检测单元的二维矩阵。检测方案取决于线性x射线源产生的x射线束类型。在一个实施例中，从阳极上的每个焦点产生具有扇形射束的x射线束。扇形射束照射到物体426的一个断层。照射区域由所用准直器的几何形状定义。从特定焦点发出通过物体的x射线束的强度由x射线检测器上的一组预选x射线检测单元测量。每个焦点与x射线检测器上的一组x射线检测单元相关联。
为收集物体的图像，可以使用两种方式。在一种方式中，电子发射单元被逐个激励，从阳极产生x射线束，所述射束顺序地经过各焦点。扫描时，x射线检测器上相应的x射线检测单元也被接通，以便记录来自特定x射线束的图像，例如顺序地或逐个地接通。在另一种方式中，所有电子发射单元同时接通。x射线检测单元也都同时接通，收集和/或记录物体的图像。
在另一实施例中，这样设计准直器，以便从每个焦点产生具有锥形射束几何形状的x射线辐射。在这种情况下，顺序地或逐个地激励电子发射单元。当特定单元被接通时，从阳极上相应的焦点上产生锥形射束x射线。x射线束辐射整个物体426。由所述特定x射线束形成的物体图像由整个x射线检测器收集和/或记录。然后将图像存储在例如计算机中。然后序列中的下一个电子发射单元被接通，从不同的投射角产生整个物体的另一图像。所述过程对x射线源中的所有发射单元或所有发射单元的子集重复进行。
图5示出具有将线性扫描x射线源502设置成拱形x射线源的计算机断层摄影装置500的示范实施例的示意图。x射线源502产生x射线辐射504的特定几何形状，例如锥形射束几何形状。但通过选择适合的准直器，可以形成x射线辐射504的任何几何形状，包括笔形射束几何形状和锥形射束几何形状。在图5所示的示范实施例中，计算机断层摄影装置500包括线性扫描x射线源502、物体旋转台506和检测器508。线性扫描x射线源502包括一系列阴极510和在拱形支撑结构514上排成行列的对应的阳极靶512。x射线源502和x射线检测单元508基本上类似于结合图1和3所描述的x射线源和x射线检测单元。
这样构成拱形支撑结构514，使得阳极上的每个焦点距物体旋转台的中心为等距离，例如距物体台的旋转中心或距物体台的中心旋转轴为等距离。而且，在优选情况下，二维检测器具有弯曲表面，使每个检测单元对物体也是等距离。
图5的计算机断层摄影装置500具有x射线检测器508。如上所述，x射线检测单元可以是任何适合的类型和/或任何适合的排列，根据x射线源产生的x射线辐射的几何形状而定。类似于上述几何形状，检测器表面的优选几何形状是曲面，使得每个检测器单元对物体都是等距。示范的x射线检测器508包括多个x射线检测单元516。每个x射线检测单元516包括x射线闪烁材料和数字成像获取装置，例如电荷耦合器件(CCD)，或基于固态或气态的成像装置。数字成像获取装置用数字形式记录x射线辐射504的x射线强度。根据物体支撑台506上物体518的大小和取向，x射线辐射504的每个射束可以穿过物体518的一部分(例如透射x射线源)，或从物体518的一部分上反射(例如反射x射线源)。然后x射线辐射504由相应的x射线检测单元516检测。
图6示出计算机断层摄影装置600的示范实施例示意图。计算机断层摄影装置600包括面扫描x射线源602、物体旋转台604和检测器606。线性扫描x射线源602包括一系列阴极608和在平面形支撑结构612上排成行列的对应的阳极靶610。x射线源602和x射线检测单元606基本上与结合图1和3所描述的类似。计算机断层摄影装置600具有面线性扫描x射线源602，射线源602排列成平面x射线源，产生x射线辐射614的特定几何形状，例如笔形射束几何形状。但是通过选择适合的准直器，可以形成x射线辐射614的任何几何形状，包括锥形射束几何形状和扇形射束几何形状。在图6的示范实施例中，阴极的可单独编程电子发射单元排列在平面形支撑结构的表面上，并且每个可单独编程电子发射单元聚焦到阳极靶610上多个焦点之一。
图6的计算机断层摄影装置600具有x射线检测器606。如上所述，x射线检测单元可以是任何适合的类型和/或任何适合的排列，根据x射线源产生的x射线辐射的几何形状而定。示范的x射线检测器606包括多个x射线检测单元616。每个x射线检测单元616包括x射线闪烁材料和数字成像获取装置，例如电荷耦合器件(CCD)，或基于固态或气态的成像装置。可以适当地排列x射线检测单元，例如排列成矩阵或阵列。数字成像获取装置用数字形式记录x射线辐射614的x射线强度。根据物体支撑台604上的物体618的大小和取向，x射线辐射614的每个射束可以穿过物体618的一部分(例如透射x射线源)，或从物体618的一部分上反射(例如反射x射线源)。然后x射线辐射614由相应的x射线检测单元616检测。
操作计算机断层摄影装置的方法包括把电场加到多个可单独编程电子发射单元中的至少第一个单元上。加电场导致发射电子。使所发射的电子聚焦到阳极靶上多个焦点之一上。发射的电子撞击阳极靶，形成发射的x射线辐射；所述发射的x射线辐射被准直成一种几何形状，例如锥形射束几何形状、笔形射束几何形状或扇形射束几何形状；并使其穿过物体。然后由x射线检测单元检测并记录所述x射线辐射。
可以重复所述方法以便产生多个检测的x射线辐射图像，而不需旋转位于物体台上的物体。例如，可以使x射线源中多个可单独编程电子发射单元中的每一个按照特定顺序工作，或以特定图案中的群组的形式工作，以便产生发射x射线，从不同角度、平面或其它取向照射计算机断层摄影装置中的物体。因此，通过重复以下步骤，即，对特定顺序的或群组的可单独编程电子发射单元施加电场、聚焦、撞击、准直、通过、检测以及记录等，可以产生多个所检测的x射线辐射图像。例如，在重复计算机断层摄影装置的工作时，将电场加到至少第二个可单独编程电子发射单元上。而且，当重复聚焦步骤时，使所发射的电子聚焦到阳极靶上多个焦点的第二个焦点上。
准直步骤可以产生特定几何形状的x射线辐射束。例如，可以这样选择准直器，使得发射的x射线辐射准直，产生x射线辐射的扇形射束、x射线辐射的笔形射束或x射线辐射的锥形射束。这些x射线辐射束几何形状中的每一种都有关联的成像技术，例如，放大的立体投影图像、平行投影图像或从不同视角的投影图像，用于三维图像重构。
在操作计算机断层摄影装置的方法中，将电场加到阴极和栅极之间。栅极处在相对于阴极的可单独编程电子发射单元的正电位。电场的示范场强从0.1V/μm到100V/μm，最好从0.5V/μm到20V/μm。施加电场将发射电子加速到给定能量。
在另一示范的方法中，在栅极和所述多个可单独编程电子发射单元中的至少两个之间建立电场。在给定时间，在一个可单独编程电子发射单元或一组可单独编程电子发射单元上，从阴极上的第一位置到阴极上的第二位置建立电场。所述外加电场具有预定的频率和脉冲宽度。频率决定了每秒多少次电场被接通。没有对频率的限制。例如，频率可以在0.01-106Hz的范围内。脉冲宽度决定了电场被接通的停留时间。也没有对脉冲宽度的限制。例如，它可以在1微秒到1分钟的范围内。每次顺序建立电场时，图像的一个视图被照射，并收集x射线图像。这样，通过所述顺序操作，收集了多个物体视图。
在操作计算机断层摄影装置的另一示范方法中，在栅极和所述多个可单独编程电子发射单元中至少两个之间建立电场。在给定时间，在一个可单独编程电子发射单元或一组可单独编程电子发射单元上，以给定的扫描速度从阴极上的第一位置到阴极上的第二位置顺序地建立电场。例如。扫描速度可以在0.01Hz-106Hz的范围内。顺序建立的电场照射物体并产生多个视图，这些视图随后被收集，供以后检索和/或分析。
在本发明的一个特定实施例中，加到栅极上的电场频率和脉冲宽度与x射线检测器的数据收集时间同步。x射线辐射仅在x射线检测器收集数据时产生。X射线产生和数据收集同步能显著减少成像时物体所接受的不必要的辐射剂量。
在本发明的又一实施例中，加到栅极上的电场频率和脉冲宽度以及所产生的x射线的频率和脉冲宽度与生理信号(物体发出的一种内部信号)或外部信号源同步。例如，所产生的x射线的频率和脉冲宽度可以用心电或呼吸信号门控，以获得活动物体的清晰图像。
对于给定的物体取向，具有锥形射束几何形状的x射线辐射来源于从不同角度照射到物体上的不同焦点。相应的二维投影图像也不同。这是因为x射线束来源于空间中不同的点，并具有不同的投影角。结果，通过从广泛的视角范围收集大量的图像，就可得知物体的内部结构。这样，在一次扫描线性x射线源时，不旋转物体，在短时间内就可获得多个二维图像。这就大大加快了图像获取速度。
为产生扫描x射线束，以给定速度使栅极和阴极之间的脉冲电场扫描发射像素。以这样的数值设定电场，使得每个像素在给定的持续时间内按照给定顺序发射某一电流，这由扫描电场的脉冲宽度来决定。在此过程中，阳极和栅极之间的电压保持为恒定值。当电子照射到阳极上时，从撞击点发出x射线辐射。在电场扫描阴极时，x射线辐射源扫描阳极表面。
栅极上的脉冲宽度、频率和扫描速度与控制检测器的电子电路同步，以便使所收集的图像对应于焦点的位置。例如，控制器可以使电场和检测器同步。
在示范的计算机断层摄影装置工作时，从x射线源发出的x射线辐射照射物体支撑台上的物体。示范的计算机断层摄影装置的物体支撑台可以是静止的，或者可以按预定的一组角度旋转。利用单一x射线源和旋转试样台的计算机断层摄影装置的一个实例在M.D.Bentley，M.C.Ortiz，E.L.Ritman和J.C.Romero的”The Use of MicrocomputedTomography to Study Microvasculature in Small Rodents”中有说明，所述文章发表在AJP Regulatory Integratice Comp Physiol，282，R1267-R1279(2002)，其全部内容已作为参考包括在本文内。
在操作计算机断层摄影装置的另一方法中，将物体设置在物体台上并使其按照一组角度旋转。物体每次旋转后，重复施加电场、聚焦、撞击、准直、通过、检测和记录等步骤，以获得一系列检测的x射线辐射图像。然后可以重构x射线辐射图像以便形成物体的三维体积。例如，可以利用图像重构算法重构所检测的x射线辐射图像，以便形成物体的三维体积。例如，由L.A.Feldkamp的Feldkamp等，L.C.Davis和J.W.Kress研发的锥形射束重构算法，″Practicalcone-beam algorithm”，J.Opt.Soc.Am.，vol.1，612-619(1984)(其全部内容已作为参考包括在本文内)可以通过修改而用于此目的。
示范的计算机断层摄影系统以两种方式工作。在第一种方式(例如计算机断层摄影方式)下，源和检测器都围绕物体旋转，产生一组三维锥形射束投影，用于重构图像。在第二种方式下，从单一投影获取一系列二维图像，类似于x射线透视检查单元。由于二维投影方向已知，所以可将其从第一方式映像到三维投影，允许将有异议处(objections)局部化。多个阵列源元件可以用于将所关注的物体空间局部化。
例如，将物体支撑台设定在第一角度，并同时将x射线源的所有阴极都接通，产生x射线辐射束的线性集。每个x射线检测单元记录一个图像，例如物体一个断层的投影图像。将所有图像用数字方式组合，形成对x射线源给定角度的物体二维图像。这样，将所有断层投影都组合起来。然后将物体支撑台设定在第二角度，并重复获取图像的过程。通过旋转支撑台，获得试样的多个二维图像(例如360个图像，试样每旋转1度获得一个图像)。图像可以实时组合，或以电子方式存储供以后组合。
为了获得物体的一组三维图像，使物体按一组角度(例如30、60或90度)旋转。每次旋转后取一组新图像。仅需少数旋转就可获得重构物体三维体积所需的几组图像。利用较小的角度(例如5、10或15度)旋转物体，还可以提高径向分辨率。
X射线源和检测器围绕物体台旋转，物体台是静止的，上面放有物体。可以利用连续方式(即x射线源连续围绕物体旋转)进行图像获取。通过在每个旋转角进行多次获取(选择性或无选择性地对每个x射线源施加脉冲)，可以实现更精细的径向分辨率。
计算机断层摄影装置可以有多个示范实施例。这些示范实施例包括部分或全部本文所述特征。
计算机断层摄影装置的一种示范实施例示于图7。计算机断层摄影装置700包括圆形x射线源702、物体台704和圆形检测器706。圆形x射线源包括面对射线源圆心的x射线产生元件阵列。检测器处在相同的布置中，例如，处在位于射线源圆附近的检测器圆内。通过单独控制每个圆形x射线源，而检测器或x射线源不作旋转，或仅作轻微旋转，例如15度或更少，可以产生多个断层投影。可以把轻微旋转加到射线源或检测器中，以提高径向分辨率。在此实施例中，可以出现几乎瞬时的单一断层成像，此过程仅受x射线源的开关速率(可为106Hz或更高)以及获取投影所需时间(取决于检测器的灵敏度和x射线通量所产生的脉冲，但可短到1微秒)的限制。相反，目前的医用计算机断层摄影装置可能需要至少250到500毫秒来获取单一断层。
计算机断层摄影装置的另一示范实施例示于图8。计算机断层摄影装置800包括电子束源802、物体台804和面检测器806。圆形x射线源包括面对圆心的x射线产生元件阵列。检测器处在位于射线源圆附近的类似的布置中。通过单独控制每个圆形x射线源，可以产生多个断层投影，不需要检测器或x射线源旋转。可以把轻微旋转(15度或更少)加到射线源或检测器中，以提高径向分辨率。这种装置可以进行几乎瞬时的单一断层成像，所述成像过程仅受x射线源的开关速率以及获取投影所需时间的限制。目前的医用计算机断层摄影装置需要至少250到500毫秒来获取单一断层。
计算机断层摄影装置的另一示范实施例示于图9。计算机断层摄影装置900包括电子束源902、物体台904和面检测器906。所述系统设计成以两种不同的方式工作。第一种是计算机断层摄影方式，此时源和检测器围绕物体旋转，产生一组三维锥形射束投影用于重构。在第二种方式下，系统从单一投影获取一系列二维图像，类似于x射线透视检查单元。由于二维投影方向已知，所以可将其映像到事先已测量的三维投影中，允许将有异议处局部化。多个阵列源元件可以用于将所关注物体空间局部化。
计算机断层摄影装置的另一示范实施例示于图10。计算机断层摄影装置1000包括电子束源1002、物体台1004、面检测器1006和静止钨环1008。可以以物理方式使电子源(例如场发射阴极)指向或用磁力使其转向围绕物体台的静止钨环。电子源发出的电子打到静止钨环上，产生x射线光子，光子返回到物体上。可以通过以机械方式移动电子源使得电子射向静止的x射线靶环(例如钨环)的不同位置来获得x射线的多个投影。物体保持静止不动，检测器也静止不动。在阴极和靶环之间加高电压，以便将电子加速到所需能量。
在示范的实施例中，可以使用与计算机断层摄影获取过程相关联的成像技术。但对于本文所述的计算机断层摄影装置的示范实施例，另外的成像技术也可用。例如，传统医学计算机断层摄影技术要求计算机断层摄影的x射线管在围绕患者旋转时以连续方式接通。但基于纳米管的x射线源可以对x射线源进行严格的开关控制，使更精细复杂的成像图案成为可能。例如，不使用成像x射线源的传统的圆形路径，而使用星形图案，顺序地激励在所述环的相对的两侧上的源。而且，提供短x射线脉冲的能力也减少了物体的曝光时间；仅仅在源和检测器位于下一角度时才需要x射线短脉冲串，而在中间位置不需要接通x射线。剂量的任何减少对患者都是极为有利的。也可以通过对较少数量的角度取样来在损失空间分辨率的条件下减小剂量。减少角度抽样在创建快速计算机断层摄影筛选工具方面很有用。快速，多角度计算机断层摄影x射线透视检查(即，包括一般x射线透视机的时间分辨率，也具有计算机断层摄影的三维获取能力)也成为可能。X射线源的严格控制允许预期的心脏门控，这在改进与心脏成像相关联的图像质量方面至关重要。而且，可寻址x射线源允许在x射线源处控制成像断层的厚度。
本文所述的示范计算机断层摄影装置和方法的实例应用包括但不限于以下各项：
临床成像：临床成像应用，例如快速全身或身体部位特殊成像；特殊身体部位(例如头部)的便携式成像单元，用于现场诊断外伤，中风等等；脑、肝及其它器官用对比剂的动态对比研究；门控成像，用于活动身体部位(肺、心脏等)；低剂量成像技术，用于筛选或小儿科目的；X射线透视检查和衍射成像技术。
小动物成像：小动物成像应用，例如小动物计算机断层摄影，用于观察解剖结构；快速筛选以识别动物表型；小动物的动态研究(用或不用对比剂)。
工业应用：工业应用，例如非破坏性测试和容器(集装箱)检验，例如，海关检验。
虽然已结合优选实施例对本发明作了说明，但是，本专业的技术人员应理解，在不背离权利要求书所定义的本发明的精神和范围的前提下，可以进行本文中)未具体说明的添加、删除、更改和替代。

Claims (69)

1.一种计算机断层摄影装置，它包括：
x射线源，所述x射线源包括：阴极，它具有多个可单独编程的电子发射单元，每个单元在加电场后发射电子束；栅极，当将电场加在所述栅极和所述多个可单独编程的电子发射单元中的一个或多个之间时，所述栅极从所述一个或多个可单独编程的电子发射单元抽取所述发射电子束；阳极靶，它在受到发射的电子束的撞击后发射x射线束；和准直器；以及
x射线检测单元；
其中加到所述栅极上的所述电场的频率和脉冲宽度与用于数据收集的所述x射线检测单元同步，以便当所述x射线检测单元工作于数据收集时物体曝露于x射线束之下；以及
其中所述频率和所述脉冲宽度与所述物体的生理信号同步。
2.如权利要求1所述的装置，其中每个电子发射单元包括电子场发射材料。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述电子场发射材料包括纳米结构材料。
4.如权利要求2所述的装置，其中所述电子场发射材料包括多个纳米管或多个纳米线。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述纳米管包括从由以下材料构成的组中选择的至少一种场发射材料：碳、硼、氮、硫和钨。
6.如权利要求4所述的装置，其中所述纳米线包括从由以下材料构成的组中选择的至少一种场发射材料：硅、锗、碳、氧、铟、镉、钾、氧化物、氮化物、硅化物和硼化物。
7.如权利要求2所述的装置，其中所述电子场发射材料包括多个单壁碳纳米管、多个多壁碳纳米管、多个双壁纳米管或它们的混合物。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述栅极位于所述阴极和所述阳极靶之间，或位于与所述阴极相同的平面上，所述栅极与所述阴极电隔离，所述栅极或者位于所述阴极后面，以便形成背栅结构。
9.如权利要求1所述的装置，其中这样施加所述电场，使得所述栅极相对于所述多个可单独编程的电子发射单元中的所述一个或多个处在正电位，并且所述电场的场强是从0.1伏/μm(V/μm)到100V/μm。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述场强从0.5V/μm到20V/μm。
11.如权利要求1所述的装置，其中还包括设置在所述准直器后所述发射的x射线的通路上的单色滤光片。
12.如权利要求11所述的装置，其中所述单色滤光片包括选择具有一定能量的x射线光子的晶体。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述x射线检测单元包括x射线闪烁材料和数字成像获取装置。
14.如权利要求13所述的装置，其中所述数字成像获取装置包括电荷耦合器件。
15.如权利要求1所述的装置，其中还包括用于数据收集和重构的控制系统。
16.如权利要求1所述的装置，其中还包括容纳所述阴极和所述阳极靶的真空室。
17.如权利要求1所述的装置，其中所述多个可单独编程的电子发射单元中至少一个对于大于0.01mA/cm2的电流密度具有小于3V/μm的发射阈值，并发射0.1-100mA的总电流。
18.如权利要求17所述的装置，其中所述电流密度大于0.1mA/cm2。
19.如权利要求1所述的装置，其中在电场小于100V/μm时，所述多个可单独编程的电子发射单元中的至少一个具有小于或等于每纳米管100μA的发射电流。
20.如权利要求1所述的装置，其中所述多个可单独编程的电子发射单元线性排列在平面的轴上，并且使每个可单独编程的电子发射单元聚焦到所述阳极靶上的多个焦点之一。
21.如权利要求20所述的装置，其中所述准直器产生x射线辐射的扇形射束、锥形射束或笔形射束几何形状。
22.如权利要求20所述的装置，其中所述多个焦点线性排列在所述x射线检测单元上。
23.如权利要求20所述的装置，其中还包括所述阳极靶和所述x射线检测单元之间的物体台。
24.如权利要求23所述的装置，其中所述物体台相对于所述x射线源不是静止的。
25.如权利要求20所述的装置，其中所述x射线源是透射x射线源。
26.如权利要求19所述的装置，其中所述x射线源是反射x射线源。
27.如权利要求1所述的装置，其中所述多个可单独编程的电子发射单元线性排列成拱形，并且每个可单独编程的电子发射单元聚焦到所述阳极靶上的多个焦点之一。
28.如权利要求27所述的装置，其中所述准直器产生x射线的扇形射束、锥形射束或笔形射束几何形状。
29.如权利要求27所述的装置，其中这样设置所述拱形，使得每个焦点距物体台的旋转中心是等距的，并且每个焦点聚焦到所述物体台的中心旋转轴上。
30.如权利要求27所述的装置，其中所述多个焦点线性排列在所述x射线检测单元上。
31.如权利要求27所述的装置，其中还包括所述阳极靶和所述x射线检测单元之间的物体台。
32.如权利要求31所述的装置，其中所述物体台相对于所述x射线源不是静止的。
33.如权利要求27所述的装置，其中所述x射线源是透射x射线源。
34.如权利要求27所述的装置，其中所述x射线源是反射x射线源。
35.如权利要求1所述的装置，其中所述多个可单独编程的电子发射单元排列在平面区域上，并且使每个可单独编程的电子发射单元聚焦到所述阳极靶上的多个焦点之一。
36.如权利要求35所述的装置，其中所述准直器产生x射线的扇形射束、锥形射束或笔形射束几何形状。
37.如权利要求35所述的装置，其中还包括所述阳极靶和所述x射线检测单元之间的物体台。
38.如权利要求37所述的装置，其中所述物体台相对于所述x射线源不是静止的。
39.如权利要求35所述的装置，其中所述x射线源是透射x射线源。
40.如权利要求35所述的装置，其中所述x射线源是反射x射线源。
41.如权利要求1所述的装置，其中所述装置是便携式的。
42.如权利要求1所述的装置，其中所述装置是微型计算机断层摄影系统。
43.一种操作计算机断层摄影装置的方法，所述计算机断层摄影装置包括：x射线源，以及x射线检测单元；其中所述x射线源包括：阴极，它具有多个可单独编程的电子发射单元，每个单元在加电场后发射电子束；栅极，当将电场加在所述栅极和所述多个可单独编程的电子发射单元中的一个或多个之间时，所述栅极从所述一个或多个可单独编程的电子发射单元抽取所述发射电子束；阳极靶，它在受到所发射的电子束的撞击后发射x射线束；准直器；所述方法包括：
把电场加到所述多个可单独编程的电子发射单元中的至少第一个单元上，使其发射电子束；
将所发射的电子束聚焦到所述阳极靶上多个焦点中的一个焦点上；
利用所发射的电子束撞击所述阳极靶，以便形成发射的x射线辐射束；
准直所发射的x射线辐射束；
使准直的x射线辐射束穿过物体；
利用所述x射线检测单元检测所述x射线辐射束；以及
记录检测的x射线辐射束作为x射线辐射图像；
其中把电场加到所述多个可单独编程的电子发射单元中的至少第一个单元上包括将频率和脉冲宽度与用于数据收集的所述x射线检测单元同步的电场加到所述栅极上，以便当所述x射线检测单元工作于数据收集时物体曝露于x射线束之下；以及
其中所述频率和所述脉冲宽度与物体的生理信号同步。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述物体位于物体台上，所述方法还包括重复所述施加电场、聚焦、撞击、准直、通过、检测以及记录步骤，以便在不需旋转位于所述物体台上的所述物体的情况下产生多个x射线辐射图像。
45.如权利要求44所述的方法，其中在所述重复的施加电场步骤期间将所述电场加到至少第二个可单独编程的电子发射单元上。
46.如权利要求44所述的方法，其中在重复所述聚焦步骤时使所述发射电子束聚焦到所述阳极靶上多个焦点中的第二个焦点上。
47.如权利要求44所述的方法，其中所述准直步骤产生x射线辐射的扇形几何形状，并且所述记录的x射线辐射是所述物体的放大的立体投影图像。
48.如权利要求44所述的方法，其中所述准直步骤产生x射线辐射的笔形射束几何形状，并且所述x射线辐射图像是所述物体的平行投影图像。
49.如权利要求43所述的方法，其中所述物体在物体台上，并且所述方法还包括：
旋转所述物体台上的所述物体通过一组角度；以及
在所述物体每次旋转后，重复所述施加电场、聚焦、撞击、准直、通过、检测以及记录等步骤，获得一系列x射线辐射图像。
50.如权利要求49所述的方法，其中还包括从所述一系列x射线辐射图像重构位于所述物体台上的所述物体的三维体积。
51.如权利要求50所述的方法，其中利用图像重构算法重构所述x射线辐射图像以便形成所述物体的三维体积。
52.如权利要求43所述的方法，其中所述x射线源还包括位于所述阴极和所述阳极靶之间的栅极，并且这样施加所述电场，使得所述栅极相对于所述可单独编程的电子发射单元处于正电位，而所述电场的场强是从0.1伏/微米到100伏/微米。
53.如权利要求52所述的方法，其中所述场强从0.5伏/微米到20伏/微米。
54.如权利要求52所述的方法，其中同时建立所述栅极和所述可单独编程的电子发射单元之间的电场。
55.如权利要求43所述的方法，其中所述发射的电子束由所述阴极和所述阳极靶之间建立的所述电场加速到给定能量。
56.如权利要求43所述的方法，其中把从每个电子发射单元发射的所述电子束聚焦到所述阳极靶上一条线中所述多个焦点的不同焦点上。
57.如权利要求56所述的方法，其中所述准直器产生x射线的扇形射束、锥形射束或笔形射束几何形状。
58.如权利要求57所述的方法，其中所述物体位于物体台上；以及
其中来自每个焦点的扇形射束几何形状x射线辐射通过所述物体台上的所述物体的断层，并且由所述x射线检测单元的一个或多个像素检测，以便形成断层图像。
59.如权利要求58所述的方法，其中同时形成所述物体的多个断层图像并且以数字形式将它们组合，以便形成所述物体的二维图像。
60.如权利要求43所述的方法，其中还包括在分立的步骤中将所述物体按0.1和10度之间的角度从第一位置旋转到第二位置，并且在所述第一位置和所述第二位置获取一个二维图像。
61.如权利要求60所述的方法，其中利用图像重构算法组合所述获取的二维图像，以便形成所述物体的三维图像。
62.如权利要求43所述的方法，其中在所述栅极和所述多个可单独编程的电子发射单元中至少两个之间，在给定时间一个可单独编程的电子发射单元，从所述阴极上的第一位置到所述阴极上的第二位置顺序地建立电场，在任何两个顺序的可单独编程的电子发射单元之间所述顺序地建立电场的开关频率是从0.01-106Hz。
63.如权利要求62所述的方法，其中在每个单元上的停留时间是从1微秒到1分钟。
64.如权利要求62所述的方法，其中收集所述物体的多个视图。
65.如权利要求43所述的方法，其中在所述栅极和所述多个可单独编程的电子发射单元中至少两个之间，在给定时间一个可单独编程的电子发射单元，以0.01-106Hz的扫描速度从所述阴极上的第一位置到所述阴极上的第二位置顺序地建立电场。
66.如权利要求65所述的方法，其中收集所述物体的多个视图。
67.如权利要求43所述的方法，其中所述准直步骤产生扇形射束几何形状、锥形射束几何形状或笔形射束几何形状。
68.如权利要求43所述的方法，其中所述准直步骤产生照射整个物体的扇形射束几何形状。
69.如权利要求43所述的方法，其中所述准直步骤产生照射部分物体的笔形射束几何形状。
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