CN1910447A - 计算机层析x射线摄影机和用于检测在对象中弹性散射的射线的辐射检测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机层析X射线摄影机和用于检测弹性散射的射线的辐射检测器。计算机层析X射线摄影机包括辐射源，用于把原辐射照射到被放置在检查区域的对象。原辐射由于与对象相互作用而在对象中局部散射。检测器包括检测器单元，由该检测器单元检测散射射线。这些检测器单元位于原辐射传送通过的区域的外面，以及它们的有效尺度在散射角度变为更小的方向上将变得更小。

Description

计算机层析X射线摄影机和用于检测 在对象中弹性散射的射线的辐射检测器

本发明涉及计算机层析X射线摄影机和用于检测弹性散射的射线的辐射检测器。这样的设备例如被用作为医学的X射线诊断，以及用于机场安检时的行李检查。一个基本特性是检测到的散射射线使有可能对使射线散射的材料作出结论。

计算机层析X射线摄影机是从EP 1127546获知的，其中X射线源生成扇形的X射线束穿过对象并且被X射线检测器检测。X射线检测器用它的测量面的一部分来检测原辐射和用另一个部分来检散射的辐射。一个具有处在把扇形射线再划分成多个扇区的平面上的多个薄片的校直器装置被放置在对象与X射线检测器之间，这样，放置在一个平行于旋转轴的缝隙中的一些检测器单元仅仅被来自同一个扇区的辐射所击中。另外，对于检测器还已知的是：通过它除了可以测量被检测到的散射的X射线的能量外，还使得有可能使用生成多色X射线的X射线源。

本发明的目的是改进计算机层析X射线摄影机和用于检测弹性散射射线的辐射检测器。

这个目的是按照权利要求1藉助于一种用于检测在对象中弹性散射的射线的计算机层析X射线摄影机而达到的，其中对象被放置在检查区域，以及散射射线是以不同的散射角度散射的，包括：

-辐射源，用于把原辐射透入检查区域，以及

-带有检测器单元的检测器，这些检测单元位于由原辐射透入的区域的外面，以及其有效尺寸在减小的散射角度的方向上变得更小。

术语“计算机层析X射线摄影机”应当被理解为不仅仅通常所使用的，而且是在此所指的所有的设备，藉助于这些设备可以根据以各种不同角度的投射而生成对象的截面图或层图像。在它们中间例如还有C臂X射线设备，通过它获取从各种不同的角度的对象的图像，由此藉助于已知的CT型重建方法重建层图像。

“原(primary)辐射”通常被理解为从辐射源发出并例如以薄的、直线的或平的、扇形射线的形式透入检查区域的辐射，它可能受到在检查区域中存在的对象的衰减，然而不改变它的方向。可用的辐射例如是X辐射，但也可以是来自同位素的辐射，诸如伽玛辐射。当透入对象时，射线可以通过与对象的材料发生已知的相互作用而被散射，即，它们改变它们的方向，以与它们在进入检查区域时所具有的方向不同的方向离开对象和检查区域。如果发生方向改变而没有能量损失，则它表示弹性散射。这种具有改变方向的辐射形成散射辐射。由射线的直线方向和散射射线的改变的方向形成的角度是散射角度。在各种不同的散射角度上散射射线的分布取决于引起散射的材料和射线的能量。散射射线入射到检测器的检测器单元，并由此被检测。

表征散射辐射的量是所谓的动量转移：

$x=\frac{E}{h.c}\sin \left(\frac{\mathrm{\Φ}}{2}\right)...\left(1\right)$

其中c是光速，h是普朗克常数，E是射线能量，和Φ是散射角度。对于小的散射角度可以有sin(Φ)≈Φ，所以，动量转移的测量的精度正比于两个有影响的量E和Φ的精度。通常，一个量的最大可测量的精度Δz与这个量的绝对值z的比值给出了它的分辨率。对于小散射角度的动量转移的分辨率Δx/x是：

$\frac{\mathrm{\Δx}}{x}={\sqrt{\left(\frac{\mathrm{\ΔE}}{E}\right)}}^2+{\left(\frac{\mathrm{\Δ\Φ}}{\mathrm{\Φ}}\right)}^2...\left(2\right)$

其中ΔE是能量决定值的精度以及ΔΦ是散射角度的决定值的精度。

使用单色辐射源的计算机层析X射线摄影机是已知的，这样，能量分辨率ΔE/E从发射的射线能量的实际带宽得出。使用多色辐射源和能量分辨检测器的计算机层析X射线摄影机也是已知的，在这种情形下它确定能量分辨率。在给定某个能量分辨率后，可以得到类似的数量级的动量转移分辨率，这样，散射角度的分辨率ΔΦ/Φ不会比能量分辨率明显地坏。

散射角度的分辨率由各种不同的影响确定。例如，原辐射具有垂直于它的传播方向的有限厚度，这样，相同的散射角度的、但起源于不同的散射位置的散射辐射被一个检测器单元检测。检测器单元的尺寸对于散射角度的分辨率具有主要的影响。由于技术原因仅仅能利用其一部分表面积-所谓的敏感区域-来检测辐射的检测器单元是已知的。在这种情形下，影响散射角度的分辨率的不是检测器单元的尺寸，而是敏感区域的尺寸。事实上，只有在散射角度可以改变的那个方向上，也就是在减小或增加散射角度的方向上延伸的那些尺寸对于散射角度的分辨率是决定性的。在垂直于它的尺寸上的改变仅仅影响可被检测的、相同散射角度的散射射线的量。

因此有效的尺度被理解为检测器单元的敏感的区域的尺度，它延伸于散射角度变化的方向上。如果检测器单元的敏感的区域形成例如矩形表面，并且表面的一个边在散射度变化的方向上延伸，则这个边的长度对应于检测器单元的有效的尺度。这些考虑特别地对于散射角度的精度ΔΦ是有效的，因为这里散射角度的改变可被假设为垂直于散射辐射的方向。

如果动量转移的分辨率在整个检测器上要保持为常数，或要保持为低于最大值，则检测器单元的有效的尺度必须低于一个取决于散射角度的数值，这个数值在散射角度变得更小的方向上变为更小，正如以上说明的。达到这一点是在于，检测器单元的有效的尺度在较小的散射角度的方向上要做成更小的。这种情形不一定适用于所有的检测器单元，这取决于所需要的分辨率，但例如只适用于检测具有小的散射角度的散射射线的那些检测器单元。检测具有较大散射角度的散射射线的检测器单元的有效尺度例如可以是相同的。因此，比所需分辨率更好的分辨率用后面的单元来实现。

该检测器单元除了所述的检测器单元以外，还可包括像例如检测原辐射的检测器单元那样的检测器单元。也有可能计算机层析X射线摄影机包括另外的检测器，例如，用于检测原辐射的第一检测器和用于检测散射辐射的第二检测器。

如果检测器由相等尺寸的检测器单元或都具有相同敏感区域尺寸的检测器单元形成，则对于检测具有小的散射角散射射线的那些检测器单元的最小分辨率常常是不能保证的。然而，如权利要求2中要求的本发明的另一个实施例使得有可能在其检测器单元具有太大有效尺度检测器中也达到所需要的分辨率。达到这一点是在于，吸收单元通过覆盖检测单元的一部分而减小检测器单元的有效的尺度。这使得例如有可能改进现有的检测器的分辨率。对于检测器单元的尺寸，不一定必须覆盖检测器的所有的检测器单元，而是只需要覆盖检测具有小的散射角度的散射射线的那些检测器单元。

权利要求3的另外的实施例使得有可能使用生成多色辐射的辐射源，即具有不同辐射能量的辐射的辐射源。这样的辐射源比起单色源，例如在X射线辐射的情形下，是更便宜的和明显地更强有力的。由于散射角度的分辨率也依赖于辐射的能量，所以要同时使用能量分辨检测器，但它的附加花费通过辐射源的更强功率的好处而被抵消。

权利要求4的另外的实施例使得生成平的扇形的形式的射线的辐射源的使用最佳化。所引用的EP 1127546涉及到这一点，其中详细地描述薄片的使用和效果。权利要求5中要求的另一个实施例相应于EP1127546的权利要求3，其进一步的细节可再次参考这个专利。这另一个实施例使得有可能用计算机层析X射线摄影机在第一工作模式下检测散射射线，并在第二工作模式下利用整个检测器获取常规的计算机层析X射线摄影机图像。

本目的还藉助于用于确定弹性散射射线的检测器而达到，检测器包括至少一列多个能量分辨检测器单元，其中它们的尺度和它们的中心的间距在列的方向增加到最大值。除了以上的检测器单元外，检测器可包括另外的检测器单元。

在按照本发明的计算机层析X射线摄影机和在按照本发明的检测器中的术语“检测器单元”被理解为也包括一个由多个互相邻接的子单元形成的检测器单元，这些子单元优选地具有相同的尺寸。这样的检测器单元的工作区域因而由所有的子单元的工作区域的总和形成。有效的尺度对于上述的需要的适配性然后至少可以借助于每个检测器单元的子单元数目近似地实现。

下面参照附图更详细地说明本发明，其中：

图1示意地显示按照本发明的计算机层析X射线摄影机，

图1a显示校直器安排，

图2显示与第一检测器的几何关系，

图3显示与第二检测器的几何关系，

图4列出第一检测器的尺度，

图5列出第二检测器的尺度，以及

图6列出第三检测器的尺度。

图1所示的计算机层析X射线摄影机包括台架1，它可以围绕旋转轴14旋转。台架1由电动机2为此目的而驱动。辐射源S，例如X射线辐射器，被固紧在台架1上。用于检查的辐射束由第一膜片装置31和/或第二膜片装置32所规定。如果第一膜片装置31是工作的，则形成以实线画出的辐射扇，它垂直于与z轴平行的旋转轴14行进，在z方向上具有最小的可能的尺度(例如，＜1毫米)。然而，如果第二膜片装置32在辐射路径上是工作的，则形成以虚线画出的辐射圆锥42，它在垂直于旋转轴14的平面上具有与辐射扇41相同的形状，但在旋转轴14的方向上具有大得多的尺度。

辐射束41或42传送经过圆柱形检查区域13，在其中例如有病人处在病人检查台(都未示出)，或替换地，有一个技术对象。在经过检查区域13后，辐射束41或42投射到一个被固紧在台架1上并含有排列成矩阵的多个检测器单元的二维检测器装置16。这些检测器单元被排列成行和列，以使得各列是沿z方向即平行于旋转轴而延伸的。检测器行可以位于垂直于旋转轴的平面上，例如在围绕辐射源S的圆弧上。检测器行通常包含比起检测器列所包含的数目(例如，16)多得多的检测器单元(例如，1000)。

如果待检查的对象不是病人，则可替换地，该对象在检查期间可以是旋转的，而辐射源S和检测器装置15则是静止的。该对象也可以借助电机平行于旋转轴14而偏移。如果电动机5和2同时运转，则得到辐射源5和检测器装置15的螺旋扫描运动。

在图1上，辐射束41和42、检查区域13、和检测器装置16是互相适配的。辐射扇41或辐射圆锥42的尺度在垂直于旋转轴的平面14上是这样选择的，使得检查区域13被辐射所透射，而检测器装置的行的长度被精确地选择成使得辐射束41，42被全部检测。辐射圆锥42按照检测器列的长度进行选择，以使得辐射圆锥被检测器装置16全部获取。如果只有辐射扇41传送通过检查区域，则它将照射中心检测器的一行或多行。

图2以不同的透视显示图1的装置的一部分。图上所显示的坐标的系统是为取向而提供的。图1的计算机层析X射线摄影机工作在第一工作模式。为此，第一膜片装置31和或第二膜片装置32被放置在辐射源S与对象13之间的辐射路径上，以便生成扇形辐射束41。理想地，辐射扇41在z方向没有尺度，使得这个扇只是显示成图2的线CF。而且，这里显示的不是整个检测器16，而只是检测器列的一部分DET。列部分DET的检测器单元检测散射辐射。假设X射线在旋转轴14与辐射扇之间的交截点处以散射角Φ1散射。这些散射射线被投射到检测器单元EL1，它从辐射扇移开一个距离a₁和从散射位置移开一个距离d。由于检测器单元在z方向上有一个尺度，即高度p_n，所以EL1也能检测到具有稍微更大的和稍微更小的散射角度的散射射线。这个角度区域在公式(2)中被表示为ΔΦ。假设检测器单元的敏感区域在整个高度p_n上延伸。

这对于从辐射扇移开一个距离a₂的检测器单元EL2按类似方式也是正确的。这导致对于任何检测器单元n是有效的一般的几何关系：

${\mathrm{\Φ}}_n={\tan }^{-1}\left(\frac{a_n}{d}\right)...\left(3\right)$

与对材料的陈述(statement)有关的弹性散射部分至少在X射线的情形下只发生的小的角度区域内，例如在具有20与200keV之间的能量的X射线的情形下发生在1°与15°之间。为了更好地阐明以后的实施例，附图不是按比例画的。在小角度的情形下，一个角度的正切近似等于角度本身，这样，

${\mathrm{\φ}}_n\≈\left(\frac{a_n}{d}\right)...\left(4\right)$

于是恒定的距离d与小的角度Φ_n导致：

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\Φ}}_n}{{\mathrm{\Φ}}_n}\≈\frac{\mathrm{\Δ}{a}_n}{a_n}...\left(5\right)$

这意味着，当检测器单元更接近于辐射扇时，该精度Δa一定会更小，或检测器单元在z方向的尺度一定要更小。因此，检测器单元的有效的尺度在这里由高度p_n构成。在两个互相邻接的检测器单元的中心之间的距离或间距g从两个半高度的和值得出：

$g=a_{n+1}-a_n=\frac{P_n}{2}+\frac{P_{n+1}}{2}...\left(6\right)$

检测器单元离辐射扇的距离a_n与相应的高度p_n的商规定了比值r：

$r=\frac{P_n}{a_n}...\left(7\right)$

为了得到散射角度的恒定的分辨率，这个比值必须是不变的，即对所有的检测器单元它必须是是相同的。检测器单元的平均距离因此可以被递归地确定：

$a_{n+1}=a_n\left(\frac{1+\frac{r}{2}}{1-\frac{r}{2}}\right)...\left(8\right)$

因此，降低第一检测器单元离辐射扇的平均距离就足够了。其余的平均距离可以递归地计算，或替换地，检测器单元的其余高度可以在方程7对于a_n求解时被计算，并且在公式8中取代a_n和a_n+1。

图4作为例子显示这样的检测器的尺度。最下面的检测器单元从辐射扇被移位20mm。距离d是600mm。要得到5％的分辨率，即r＝0.05。g_n表示两个互相相邻的检测器单元的中心的距离或间距。

由于技术原因，可能发生的是：每次检测器单元的敏感区域在z方向互相不紧密地相邻，但是一个在z方向具有尺度s的非敏感区域被安排在两个互相相邻的检测器单元之间。这样，公式(8)就变为：

$a_{n+1}=\frac{a_n(1+\frac{r}{2})+s}{1-\frac{r}{2}}...\left(9\right)$

图6作为例子显示这样的检测器的尺度。最下面的检测器单元从辐射扇被移位25mm。距离d是1000mm。要得到4％的分辨率，即r＝0.04。g_n同样表示两个互相相邻的检测器单元的中心的距离或间距。

正如在EP 1127546中那样，图1a所示的校直器装置6放置在检查区域13与检测器装置16之间，它包括多个平面薄片60。所述多个薄片60由强烈吸收X辐射的材料制成，这些薄片位于各平面上，这些平面沿平行于旋转轴14延伸并且与辐射源S的焦点交截。因此校直器装置6把辐射扇41再划分成多个互相相邻的扇区，这样，检测器单元的列可以基本上单独由来自扇区的原辐射或由散射的辐射所照射。

图2的以上的说明只涉及到单个散射位置。然而，实际上，X射线沿CF在整个对象13中被散射，这样，每个检测器单元检测到在各种不同散射角度的许多散射的射线。要获取包含几个投影的数据组，以便仍然能够分开地估计以上的结果。对于每个投影，把对象相对于辐射源和检测器旋转一个小角度，并且重新检测散射的射线。由在图1的旋转台架1上的检测器16得到的测试数据然后被供给到图像处理单元10，它通常放置在空间中的固定的位置，并经由以非接触方式工作的收集环被连接到检测器单元，这里不再详细说明。

图像处理单元10可以实行各种不同的图像处理操作。作为例子可以提及两个重建算法。第一算法是从还未公布的、文件号No.DE10252662.1的德国专利申请(申请人参考号PHDE020257)获知的，以及第二算法是从还未公布的、文件号EP 03103789.8的德国专利申请(申请人参考号PHDE030349)获知的。由于这些算法在两个文献中被详细地说明，这里将省略它们的说明，而可以直接参考各个文献。

代替图2的检测器，图1所示的检测器可被提供在图1的计算机层析X射线摄影机中。在这个检测器DET中，所有检测器单元EL都具有互相相同的距离或间距PIT。而且，它们都具有相同的高度，因此具有相同的有效的尺度。由位于靠近辐射扇的下面的检测器单元得不到所需要的分辨率，该辐射扇在图3中未示出，因为其高度太大。为了减小有效尺度，在这些检测器单元的前面提供吸收X射线辐射的吸收单元GD，这些吸收单元GD的尺寸这样确定，以使检测器单元的高度减小到按照以上说明的数值。上部检测器单元不需要吸收单元，因为比值r以及因而分辨率都小于所需要的。吸收单元也可被构建成单个元件，这样，它可以以吸收掩膜的形式被提供在检测器的前面。右半面显示围绕z轴旋转90°的检测器，这样，可以看到，在这里吸收单元是条形的。

图5作为例子显示这样的检测器的尺度。检测器单元的平均间距是恒定的，具有2.5mm的数值。具有最下面检测器单元的行从辐射扇移位30mm。距离d是1000mm。要得到4％的分辨率，这样，r＝0.04。对于上面的检测器单元，可以看见，这里不必有吸收单元，因为r小于4％。

图1的计算机层析X射线摄影机也可工作在第二工作模式。在这种情形下，仅仅重建原辐射在检查区域中的衰减。为此，第一膜片装置31从辐射路径被移除，这样，这时仅仅第二膜片装置32是工作的，生成辐射圆锥42。另外，校直器(未示出)从检测器装置16与检查区域13之间的区域被移除。检测器和吸收单元也可以被移除，这取决于它们的结构和尺寸。当其后获取测试数据时，台架将围绕旋转轴旋转，这样，所有的检测器单元可以被原辐射照射到。在检查区域的一个分片中的衰减在以后的重建步骤中被重建。适当的重建方法在德国专利申请DE 198451334(申请人参考号PHD 98.123)中描述。

Claims (9)

1.一种用于检测在对象中弹性散射的射线的计算机层析X射线摄影机，其中对象被放置在检查区域，以及散射射线以不同的散射角度被散射，包括：

-辐射源，用于把原辐射透入检查区域，以及

-带有检测器单元的检测器，这些检测单元位于被原辐射透入的区域的外面，以及其有效的尺度在减小的散射角度的方向上变得更小。

2.如权利要求1中要求的计算机层析X射线摄影机，包括吸收单元，它们的每一个覆盖检测器单元的一部分，使得可以由相应检测器单元检测到的散射角的区域被减小。

3.如权利要求1中要求的计算机层析X射线摄影机，包括多色辐射源和包括具有能量分辨的检测器单元的检测器。

4.如权利要求1中要求的计算机层析X射线摄影机，包括用于生成扇形射线的辐射源和包括被安排在检测器与对象之间的吸收薄片，这些薄片放置在平行于旋转轴延伸的平面上并且它们把辐射扇再划分成扇区，使得在平行于旋转轴的列中存在的检测器单元基本上只由来自同一个扇区的原辐射或散射辐射所照射。

5.如权利要求1中要求的计算机层析X射线摄影机，

-包括一个辐射源，用于生成具有平面扇形射线或圆锥射线形式的原辐射，

-包括二维检测器，以及

-包括第一工作模式，在该模式下一部分检测器单元接收由平面扇形射线生成的散射辐射，以及包括第二工作模式，在该模式下检测器单元接收以圆锥射线形式生成的原辐射。

6.一种用于确定弹性散射射线的检测器，该检测器包括至少一个列，该列包括多个能量分辨的检测器单元，其中它们的尺度和它们的中心的间距在列的方向上向一个最大值增长。

7.如权利要求6中要求的检测器，其中两个互相邻接的检测器单元的中心的间距g由g＝a_n+1-a_n所定义，并且有下式成立：

$a_{n+1}=\frac{a_n(1+\frac{r}{2})+s}{1-\frac{r}{2}}$

其中r是表示散射角度的分辨率的常数，以及s是在列方向上在互相邻接的检测器单元的两个敏感区域之间的距离。

8.如权利要求6中要求的检测器，其中p_n＝a_n*r。

9.如权利要求6中要求的检测器，包括至少一个由多个互相相邻的子单元形成的检测器单元。

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