CN1886648A

CN1886648A - 检查方法及其设备

Info

Publication number: CN1886648A
Application number: CNA2004800346220A
Authority: CN
Inventors: T·弗兰克
Original assignee: Xcounter AB
Current assignee: Xcounter AB
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-12-27
Also published as: SE0303177L; US20050119563A1; US7006597B2; EP1687616A1; JP2007512081A; WO2005052562A1; EP1687616B1; SE0303177D0; KR20060130048A; CA2546592A1; AU2004293737A1; SE526838C2

Abstract

一种用于对象检查的方法包括下列步骤：将对比增强剂引入(32)将要被检查的对象(7、42)中，对比增强剂在对象中引入了密度变化；将电离辐射(3)射向(33)对象；以及当电离辐射穿过对象时探测(34)被空间分解的电离辐射，同时使得对象中的康普顿散射辐射(3a、3c)基本上不被探测到。提供在这样的光谱范围内的射向对象的电离辐射，使得与对象内通过光电效应被吸收的电离辐射的光子相比，所述电离辐射的更多的光子被康普顿散射，从而探测所述对象中由对比增强剂引入的空间分解的密度变化。

Description

检查方法及其设备

技术领域

本发明涉及用于探测电离辐射的方法及其设备。

背景技术

包含用来俘获辐射产生的图像的小型传感器阵列的X射线照相成像探测器在本领域是众所周知的。准直辐射束在经过吸收辐射对象时被强度调制并且因此探测到的发射束代表对象吸收的倒像，所述倒像又与对象的元素组成、密度、以及厚度有关。

为了提高对比度，来自X射线管的宽带辐射在被用于X射线照相用途之前被大量过滤。众所周知，在通常所用的X射线光子能量下，当X射线光子能量增加时，光电吸收按幂律减少，同时增加了无用的散射。

对于软体组织，在超过约20keV的能量下光电吸收迅速减少，因此这种较高能量的x射线辐射对所记录的图像没有贡献，但是降低了图像的对比度。因此，把较高的能量从辐射中滤除。

发明内容

与已知类型的方法有关的问题是大部分x射线管在如20keV这样低的光子能量下具有低效率，也就是说，供给射线管的每单位功率的x射线数量较低。

另外，所有x射线管在宽的能谱内发射辐射。一般，金属箔过滤来自x射线管的辐射，但同时使x射线的通量减少。因此，不得不将在x射线管上增加大的负载以此在金属箔下游获得合理的辐射通量。同样地，相对较低的通量以不利的方式影响曝光时间，也就是使曝光时间变长，其明显地限制了技术适用性。

另一个极为重要的问题是在对象为生命有机体或它的一部分的情况下所给予对象的辐射剂量。虽然在最近数十年期间高效的准直仪、适当的过滤器、以及灵敏的探测器阵列的开发已经有效地减少了辐射剂量，但是仍然有许多事情要做。另外，辐射剂量的减少在今天的探测器设计中是一个驱动机制。

因此，本发明的主要目的是提供一种用于对象检查的方法和设备，其克服了上面已识别的、与现有技术相关的问题。

在这一方面，特定的目的是提供这样的方法和这样的设备，它们保证在被检查的对象中仅有少量的的能量吸收。

本发明的另一个目的是提供这样的方法和这样的设备，它们保证将宽带辐射用于测量的可能性。

本发明的又一个目的是提供这样的方法和这样的设备，其中利用了光谱范围内的辐射，其中降低了图像的某些区域曝光不足或曝光过度的风险。

另外，本发明的另一个目的是提供这样的方法和这样的设备，其中可以高效率地探测宽能量范围的辐射(尤其是在高光子能量下)。

通过如所附权利要求书中所述的方法和装置来实现其中的这些目的。

本发明者已经发现，通过避免检测康普顿散射辐射以及通过这样提供光谱范围内的电离辐射，使得在将要被检查的对象内被康普顿散射的电离辐射的光子比通过光电效应被吸收的电离辐射的光子更多(最好多得多)，来开辟全新的放射学领域。因为对于光子能量的宽光谱来说散射的概率基本上是相同的，所以可以将包括更高能量的宽带辐射用于探测。

假定被检查对象的厚度是恒定的、或者是已知的和被校正过，为了在对象中主要获得康普顿散射而在足够高的光子能量下俘获的图像中的变化基本上只是由被检查对象的密度造成的。因为在10-300keV的光子能量下的康普顿散射的衰减系数仅仅微弱地依赖于原子序数和光子能量，所以这是真实的。这与光电吸收形成鲜明的对比，后者大大依赖于能量并且甚至更依赖于原子序数。因此，所获得的辐射图像基本上是将要被检查的对象中密度变化的阴影图像。

然而，在某些X射线照相应用(如包括比如乳房X射线照相术的软体组织应用)中，密度变化可以非常小，并且因此在所记录的图像中的对比度非常低。根据本发明，适当的对比增强剂因此被引入将要被检查的对象中。适当的对比增强剂应当修改将要被检查的对象的密度并将密度梯度引入此处。对比增强剂的密度可以高于或低于对象的密度，但是最好低于对象的密度。例如，可以使用超声造影剂。包含或能够生成微气泡扩散的造影剂是首选的，因为由于微气泡的低密度和易于压缩性使得这样的扩散尤其有效。因此，将原子序数梯度而不是密度梯度引入对象中的用于X射线诊断的普通对比增强剂(比如碘)是不太适合的。另外，被给与对象的超声造影剂在体内应当是足够稳定的以便在给予之后在血流中被再次循环，使得其在成像之前在血池中均衡。

最好借助于包括两个电极的一维气体电离探测器来阻止康普顿散射辐射被探测，可电离气体位于所述两个电极之间，并且这样布置辐射入口，使得所述电离辐射横向进入电极之间的所述探测器，因此由电离辐射和气体之间相互作用所释放的电子在基本上与其垂直的方向上被加速，其中电极之间的距离保持得很短使得基本上只允许被平行校正在电极之间的平面上的辐射使气体电离。另外，探测器最好使用电子雪崩放大；其中只有被平行校正在最靠近阴极电极的非常薄的平面上的辐射将被放大到足以对被探测的信号作出实质上的贡献。

本发明的优点是如果将宽带辐射用于探测，则不太需要厚过过滤器，提高了辐射源的效率，可以降低辐射源上的负载，并且由于更高的光子通量的缘故而可以缩短曝光时间。

另外，因为散射光子只将其能量的一小部分在对象中被吸收，而光电吸收的光子吸收其所有能量，因此减小了给予对象的剂量。

在本发明特定优选的实施例中，上述基于散射而不是吸收的新颖的检查方法与超声检查方法相结合。在这里，可将对比增强剂给与对象，此后最好同时使用相同的对比增强剂来实施上述基于散射的新颖的检查方法和超声检查方法。这对乳房X射线照相检查尤其有利，其中上述基于散射的新颖的检查方法保证将要被检查的胸部的高质量图像的探测，从而导致给予对象的极端低的剂量。例如，剂量可以比现有技术的乳房X射线照相检查的剂量低20-100倍。超声检查提供了超声图像，其起到了诊断的补充作用。在超声图像中将会更好地显现某些肿瘤。

从下文给出的对本发明优选实施例的详细描述以及附图1-4中，将明白本发明的其他特征及其优点，所给出的描述和附图仅仅是通过说明的方式给出的因此不是对本发明的限制。

附图说明

图1是说明光电吸收、康普顿散射、电子偶的产生和作为X射线光子能量的函数的人体组织总衰减系数、以及用于本发明的典型X射线源的连续X射线光谱的示意图。

图2示意性地说明用于本发明的X射线照相的设备。

图3是根据本发明优选实施例的方法的流程图。

图4示意性地说明了根据本发明另一个优选实施例的X射线照相的设备。

具体实施方式

正如在图1中可看到的，该图是说明光电吸收、康普顿散射、电子偶的产生和作为X射线光子能量E的函数的人体软组织总衰减系数μ_PE、μ_CS、μ_PR、μ_TOT的示意图，光电衰减系数μ_PE按光子能量的幂律而减小，并且在约为25keV的情况下，康普顿衰减系数μ_CS与光电吸收衰减系数μ_PR是可比拟的。在介于大约30和几百keV之间的情况下，康普顿散射衰减系数μ_CS是主要的，而在更高的光子能量(1MeV的量级)下，电子偶产生的概率迅速增加，并且变成主要的相互作用过程。虽然图1说明的只是人体软组织的实例，但是示意图的相对的整个结构适用于各种各样的实体。

康普顿散射衰减系数μ_CS在较大的光子能量范围内相当恒定。在图1中可以看到，软体组织的康普顿散射衰减系数μ_CS在约为30和几百keV的光子能量之间是相当恒定的。

另外，光电吸收衰减系数μ_PE大大依赖于组成实体的元素的原子序数，而康普顿散射衰减系数μ_CS只是非常微弱地依赖于原子序数。

另外，穿过实体的透射根据下式按指数律依赖于总衰减系数μ_TOT、依赖于实体的密度ρ、以及依赖于实体的厚度t：

透射～exp[-(μ_TOT*ρ*t)]

因此，假定电离辐射具有的光子能量足够高使得康普顿散射超过了经过主体的光电吸收，那么，穿过此处的透射只是非常微弱地依赖于主体的原子序数，但是却强烈地依赖于主体的密度。这与其中光电吸收为主要的相互作用机制的情形形成鲜明对比。在这里，穿过主体的透射不仅仅强烈依赖于主体的密度，而且还依赖于所使用的实际光子能量。因此如果电离辐射具有的光子能量足够高使得康普顿散射超过了所用的光电吸收，则所述电离辐射可能是不必实施复杂计算以便补偿任何强光子能量相关性的宽带辐射。

图1通过点划线示意性地描述了根据现有技术的、在被用于比如X射线乳房照相检查的铑过过滤器过滤时的、来自30KV基于钨的X射线管的典型的连续X射线光谱。在这里，光电吸收超过了康普顿散射。在被铜过滤器过滤时的、来自80KV基于钨的X射线管的宽带X射线光谱用虚线表示。宽带辐射光谱被移向更高的光子能量，此时康普顿散射超过光电吸收。

图2以侧视图的形式示意性地说明了用于本发明的X射线照相设备。正如从左到右所看到的，该设备包含X射线源1、过滤器装置4、任选的源孔5和探测器装置11。

X射线源可以是基于钨的X射线管，其发射宽能谱内的X射线辐射束。借助于X射线源1输出端的过滤器装置4过滤射束。过滤器装置4在其透射更高能量、以及优选地更宽光谱(如图1所说明的宽带X射线光谱)的意义上不同于传统的过滤器。过滤后的辐射束随后穿过任选的源孔5以便将射束准直。源孔5的形状和尺寸最好适合于探测器装置11的特定尺寸和种类。因此，假定一个一维探测器装置，孔5被设计成具有狭缝形状的辐射透明窗口，而假定一个矩形的二维探测器装置，则孔5优选地被设计成具有矩形的辐射透明窗口。

源准直器是任选的并且在将要被检查的对象是生命有机体或它的一部分时通过产生X射线束而被用来减少给予对象的剂量，该X射线束仅仅照射探测器装置的灵敏区域。

过滤后并且被任选地准直后的辐射束3进入其中将要被成像的对象、对象主体、主体、物体或病人7所在的区域。在对象7中，某些光子可被光电吸收、某些可被雷利和康普顿散射(在图1中用射线3a表示)、以及在电子偶产生过程中某些光子可被转换成电子和正电子，其中这些电子和正电子可引发X射线光子发射(在图1中用射线3b表示)。各种过程取决于对象7的元素组成并且取决于入射辐射束3的光子能量。

通过探测器装置11探测穿过对象7而未被偏转的辐射束，同时避免探测散射辐射。然而，一般地，少量散射辐射可进入探测器装置11并且模糊了所记录的图像。

根据本发明，过滤器装置4以这样一种方式使辐射束适合于将要被成像的对象7的元素组成，即，过滤后的辐射束处于光谱范围内，使得在对象7内过滤后的辐射束被康普顿散射的光子多于通过光电效应被吸收的光子，即，使得康普顿散射超过光电吸收。

在人体软组织(如胸部组织)的情形中，过滤后的辐射可以是介于10和300keV之间的宽带X射线辐射(即类似于图1的宽带辐射光谱)，最好介于20和100keV之间，更优选的是超过30keV。在其他应用中，过滤后的辐射可以是超过30keV的辐射。

或者，过滤后的辐射处于光谱范围内，使得在对象7内与通过光电效应被吸收的光子相比，至少2倍、更优选地为至少5倍、以及最优选地为至少10倍的过滤后的辐射的光子被康普顿散射。如果可能，过滤后的辐射应当处于光谱范围内，此时光电吸收基本上不会在对象7内发生。

探测器11优选地具有用于电离辐射的进入的细长的开口以及基本上排列成与细长的开口平行的各个探测器元件的行；并且探测器11属于下列种类：其中通过各个探测器元件的行探测由电离辐射和探测器内的探测介质之间的相互作用产生的并且基本上在垂直于电离辐射的方向上行进的电荷或光子。

探测器最好是以雪崩放大方式工作的基于气体的平行板探测器，其中各个探测器元件中的信号基本上只源于薄层内的电离，所述薄层可以比板间距离至少薄2-5倍。当放大呈指数式时获得这种有益的性能并且靠近各个探测器元件的释放的电子将不能产生足够强的信号。

为了了解关于用于本发明的不同种类的探测器的进一步的详情，参考下列TOM Francke等人的以及被转让给瑞典的XCounter AB的U.S.专利：Nos.6,118,125；6,373,065；6,337,482；6,385,282；6,414,317；6,476,397；6,477,223；6,518,578；6,522,722；6,546,070；6,556,650；6,600,804；以及6,627,897，这些专利通过引用被结合于此。

或者，探测器装置11可以更一般地为一维或二维探测器，其在很大程度上能够区别散射光子。探测器最好可以是以下探测器中的任何一种：基于TFT的探测器；基于闪烁器的探测器；固态探测器，如基于CMOS、CCD、CdZn或CdZnTe的探测器；基于气体的探测器；或它们的组合，并且探测器可以有利地装配有防散射器件，尤其是设置在探测器前面的辐射透明通道阵列。

为了使本发明得以正确操作，不得不在特别大的程度上分别对待散射辐射和被探测到的辐射。最好使得对象7内的优选地至少90％、更优选地至少99％、而特别优选地至少99.9％的康普顿散射辐射不被探测到。上述的平行板探测器已经表明很容易满足这样的需求。

借助于主要使用其中康普顿散射超过光电吸收的光子能量下的电离辐射，以及通过探测对象中的与散射辐射分离的透射辐射，产生了许多优点：

·因为辐射主要是从对象7被散射掉的并且未被其吸收，所以给予对象的辐射剂量减少。在50keV的光子能量下，与光电吸收光子相比，康普顿散射光子仅仅吸收大约10％的能量。

·因为辐射不必被大量过滤(由于与光电吸收衰减系数相比的康普顿散射衰减系数的缘故)，所以可以使过滤器更薄。在薄过滤器中的辐射散射少于在厚过滤器中的辐射散射，这意味着当与传统过滤器装置相比较时，减少了来自过滤器装置4的散射辐射。

·因为大部分发射光谱是有用的，所以提高了X射线管的效率。这还意味着可以降低X射线管上的负载。由于可以获得更高的X射线光子通量，所以还可以减少曝光时间。

·在10-300keV光子能量下的康普顿散射衰减系数仅仅是微弱地依赖于原子序数和光子能量，并且因此假定对象厚度是恒定的、或者是已知的和被校正的，在所俘获的图像中的变化基本上只是由于对象密度的变化所引起的。

最后一个优点在某些应用中可能是缺点。如果密度变化如同它们在某些乳房X射线照相检查中那样地非常小，则图像中的对比度可能太低。

然而，依照本发明，对此的解决方案包含使用对比增强剂，其适合于上述X射线成像技术。适当的对比增强剂应当修改将要被检查的对象的密度并在此引入密度梯度。例如，可以使用超声造影剂。包含或能够生成微气泡扩散的造影剂是首选的，因为由于微气泡的低密度和易于压缩性使得这样的扩散尤其有效。因此，将原子序数梯度而不是密度梯度引入到对象中的用于X射线诊断的普通对比增强剂(比如碘)是不太适合的。另外，给与对象的造影剂在体内应当是足够稳定的以便在给予之后在血流中被再次循环，使得造影剂在成像之前在血池中均衡。已经就超声检查描述过的并且适合于本发明的适当的造影剂在下列的美国专利中被公开：即Nos.6,645,147；6,595,925；6,547,738；6,409,671；6,375,931；5,772,984；5,567,415；以及5,236,693，这些专利的内容通过引用被结合于此。

因此，在图3中说明的、根据本发明优选实施例的用于对象检查的方法包含下列步骤。

在步骤31中，提供了光谱范围内的电离辐射，使得在将要被检查的对象内被康普顿散射的电离辐射的光子比通过光电效应被吸收的电离辐射的光子更多。也就是说，康普顿散射应当是入射电离辐射与对象之间相互作用的主要相互作用机制。最好应当这样选择辐射光子的能量，以便使给定所有其他约束(如特定应用所强加的，例如所使用的辐射源的特征、有用的辐射过滤器、所需的辐射通量等)的对象中光电吸收的量达到最小。可以根据实际环境使用在本说明中所公开的任何辐射光谱分布图。

在步骤32中，适当的对比增强剂被给与将要被检查的对象，其中对比增强剂引入了所述对象中的密度变化。对比增强剂可以是任何上述的对比增强剂。

接着，在步骤33中，电离辐射被射向并穿过对象。在对象中，各种相互作用发生。然而，入射电离辐射与对象之间主要的相互作用机制是康普顿散射，正如前面所讨论的，其依赖于密度，但是相当独立于原子序数和光子能量(在给定的范围内)。

在步骤34中，在未被偏转的情况下穿过对象的电离辐射被探测并且被空间分解，同时使得对象中的康普顿散射辐射基本上不被探测到。出于这个目的，可以使用任何上述的散射抑制探测设备。如果可忽略光电吸收，则所记录的信号可以用来形成所述透射的图像，所述透射的图像将是对象中康普顿散射的真实的倒像或阴影图像。因此，所形成的图像展示了对象中空间分解的密度变化-最初在对象中呈现的密度变化以及由对比增强剂引入的密度变化。

在图4中图解说明的本发明的另一个优选实施例中，把上述基于散射而不是吸收的新颖的检查设备与超声检查设备相结合。

图2的X射线探测器装置11和包括X射线源1的X射线源装置41、过滤器装置4、以及任选的源孔5设置在将要被检查的对象(如胸部42)的相对的各侧。超声检查设备43设置在X射线探测器装置11的附近。装置44(如注射器)是为了将超声对比增强剂给与对象42而设置的。

在检查之前，将超声对比增强剂给与对象42，此后，最好同时通过X射线探测器11/X射线源装置41的组合以及超声检查设备43，使用非常相似的对比增强剂用法，将胸部成像。

这对乳房X射线照相检查尤其有利，其中上述基于散射的新颖的检查方法保证对将要被检查的对象的胸部的高质量图像的探测，导致了给予对象的极端低的剂量。例如，剂量可以比现有技术的乳房X射线照相检查低20-100倍。超声检查提供了超声图像，其起到了诊断的补充作用。在超声图像中可以更好地显现某些肿瘤。

Claims

1.一种用于对象检查的方法，其特征在于下列步骤：

-将对比增强剂给与(32)将要被检查的对象(7、42)，所述对比增强剂在所述对象中引入了密度变化；

-将电离辐射(3)射向(33)所述对象；以及

-当电离辐射穿过所述对象时探测(34)被空间分解的电离辐射，同时使得所述对象中的康普顿散射辐射(3a、3c)基本上不被探测到，其中

-提供(31)光谱范围内的射向所述对象的所述电离辐射，使得在所述对象内被康普顿散射的所述电离辐射的光子多于通过光电效应被吸收的所述电离辐射的光子，从而探测所述对象中被空间分解的由所述对比增强剂引入的所述密度变化。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述对比增强剂是用于超声检查的造影剂。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述对比增强剂包含或能够生成微气泡扩散。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述方法与空间分解超声检查方法相结合，利用所述对比增强剂来实施所述空间分解超声检查方法，从而探测所述对象中由所述对比增强剂引入的，也是通过所述超声检查方法空间分解的所述密度变化。

5.如权利要求1-4中任何一项所述的方法，其中所述对象是人体组织，最好是胸部。

6.如权利要求5所述的方法，其中以10和300keV之间的、优选地在20和100keV之间的、而更优选地超过30keV的宽带X射线辐射的形式提供所述电离辐射。

7.如权利要求1-6中任何一项所述的方法，其中以超过30keV的辐射的形式提供所述电离辐射。

8.如权利要求1-7中任何一项所述的方法，其中提供在基本上不会在所述对象中发生光电吸收的光谱范围内的所述电离辐射。

9.如权利要求1-7中任何一项所述的方法，其中提供在这样的光谱范围内的所述电离辐射，使得在所述对象内与通过光电效应被吸收的所述电离辐射的光子相比，至少2倍、优选地至少5倍、而更优选地至少10倍的所述电离辐射的光子被康普顿散射。

10.如权利要求1-9中任何一项所述的方法，其中借助于包含可电离气体的基于气体的平行板探测器来执行探测穿过所述对象时被空间分解的电离辐射的所述步骤。

11.如权利要求10所述的方法，其中由于所述可电离气体电离的结果而被所述电离辐射释放的电子在被探测之前被雪崩放大。

12.一种用于对象(7、42)的X射线照相检查的设备包括：

-发射宽带电离辐射(3)的X射线源(1)；

-设置在所述X射线源前面的过滤器装置(4)，所述过滤器装置(4)用于过滤所述发射的宽带电离辐射；

-为在所述X射线照相检查期间容纳所述对象而设置的对象区域，并且这样设置所述对象区域，以便使所述过滤后的宽带电离辐射可以穿过所述对象；

-为将对比增强剂引入所述对象中而设置的装置(44)；以及

-探测器装置(11)，它设置成记录所述过滤后的宽带电离辐射穿过所述对象时的图像；其特征在于：

-所述过滤器装置的过滤功能依赖于待测量的所述对象，使得所述过滤后的电离辐射处在这样的光谱范围内，使得与所述对象中通过所述光电效应被吸收的光子相比，所述电离辐射的更多的X射线光子被康普顿散射(3a、3c)；

-为将对比增强剂引入所述对象中而设置的装置(44)是为将对比增强剂引入所述对象中而设置的，所述对比增强剂把密度变化引入所述对象中；以及

-探测器装置设置成使得所述对象中的康普顿散射(3a、3c)基本上不被探测到。

13.如权利要求12所述的设备，其中所述对比增强剂是用于超声检查的造影剂。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述对比增强剂包含或能够生成微气泡扩散。

15.如权利要求13或14所述的设备，其中还包括空间分解超声检查设备(43)，所述空间分解超声检查设备设置成利用所述对比增强剂来探测所述对象中由所述对比增强剂引入的空间分解的所述密度变化。

16.如权利要求12-15中任何一项所述的设备，其中所述对象是人体组织，最好是胸部。

17.如权利要求12-16中任何一项所述的设备，其中所述过滤器装置具有这样的过滤功能，以便提供在这样的光谱范围内的过滤后的所述电离辐射，使得与所述对象中通过所述光电效应被吸收的光子相比，所述电离辐射的至少2倍，优选地至少5倍，而更优选地至少10倍的更多的X射线光子被康普顿散射。

18.如权利要求12-17中任何一项所述的设备，其中所述探测器装置是包含可电离气体的基于气体的平行板探测器。

19.如权利要求18所述的设备，其中所述探测器装置是电子雪崩探测器，其中由于所述可电离气体电离的结果而被所述电离辐射释放的电子在被探测之前被雪崩放大。