CN1930651B - 整形的阳极x射线管 - Google Patents

Abstract

一种适用于计算机断层摄影(CT)扫描仪(10)的x射线管(16)，其包含定义真空腔的罩(42)。在该腔内放置阳极(40)和阴极部分(70)。该阳极定义靶区域(56)，该靶区域被阴极部分的灯丝(54)发射的电子(52)轰击并发射x射线(46)。靶区域部分位于第一环形部分(80)上并部分位于第二部分(82、120)上，其中第一环形部分相对于一垂直于阳极旋转轴(R)的平面的倾角为第一角度(α)，第二部分和第一部分径向分隔并相对于该平面的倾角为第二角度(β)。第二角度大于第一角度。倾角不同的各部分使得x射线管具有浅角度同时最小化足跟效应的优点。

Description

整形的阳极x射线管

本申请涉及x射线管领域。本发明尤其可应用于大口径计算机断层摄影扫描仪中的x射线管组件。将会了解到，本发明还可以应用于其它更高功率的x射线装置中，其中在这些装置中要求增大阳极电流而不导致会损伤阳极的热负载。

计算机断层摄影(CT)扫描仪用射线照相的方式检查置于患者台上的对象并产生该对象的诊断图像。x射线管组件安装在旋转台架上并将辐射束投影穿过该对象的一部分，该辐射束被诸如安装在旋转台架上的二维探测器阵列或固定台架上的探测器环的探测系统所探测。为了增大被辐照的切片或锥形束的宽度，已经逐渐地增大了和阳极旋转轴平行的探测器阵列的宽度。宽度的增大再加上更快的扫描时间，对x射线管在产生更大x射线通量方面提出了更高的要求。

来自传统的旋转阳极x射线管的x射线通常是由典型地距离病人最近点处的阳极的倾斜外围边缘上的靶所发射，在所述点处电子撞击并被转换成x射线。该x射线束通常被准直成与轰击阳极的电子束成约90°角的扇形或楔形x射线。该外围边缘通常设有斜坡以增大聚焦电子束轰击阳极的靶面积，由此减小靶单位面积上的电流负载。x射线束源的宽度(聚焦点宽度)为靶区域的高度的(径向)投影。更为具体地，该投影为电子束高度乘以阳极外围表面的倾斜角度的正切的函数。

对于更高负载的要求导致在最近几年里，倾角已经从约10°(相对和电子束垂直的轴)减小到约7°或更小。从下表可以看出，这使得从x射线束方向观察，在特定投影聚焦点尺寸下对于相同负载，阳极电流增大40％以上。

阳极倾角(度)	1mm投影的倾斜长度(mm)	相对负载
			6	9.51	168
7	8.14	144
			8	7.12	125
9	6.31	111
			10	5.67	100
11	5.14	91
			12	4.70	83

然而在浅角度(例如7°)时，出现x射线束被截平或足跟处x射线通量减小的趋势。特别地，并非所有的入射电子在阳极面的表面上产生x射线。相反，一些电子深深地穿入靶后才产生x射线。如果束角不大于靶倾角的两倍，在表面产生的x射线并不穿过阳极。然而，在靶内产生的x射线必须穿过靶，并被靶的重金属衰减。外围面的斜坡越平坦且束角越宽，则在内部产生的x射线在出现在输出射束方向上之前传播经过阳极金属的距离越远。对于射束的阳极侧上的x射线而言，足跟效应(heeleffect)衰减更大。

因此CT扫描仪制造者面对的是选择弱倾斜的阳极(例如7°)还是更陡峭倾斜的阳极(例如10°)，前者由于足跟效应使得所能提供的束角受限，后者则由于所能承受的负载而受限。

本发明提供了新的改进的方法和设备，其能够克服上述问题及其它问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种x射线管。该x射线管包含定义真空腔的罩和电子源。在该腔内安装围绕一旋转轴旋转的阳极。阳极定义一倾斜的外围区域，在该区域上定义靶区域，该靶区域被电子源发射的电子轰击并发射x射线。该倾斜的外围区域包含第一环形部分和毗邻第一环形部分的第二环形部分，第一环形部分相对于一垂直于旋转轴的平面的倾角为第一角度，第二环形部分相对于该平面的倾角为第二角度。第二角度不同于第一角度。靶区域部分地定义在该第一环形部分上并部分地定义在第二环形部分上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种产生x射线束的方法。加速电子束并将其聚焦以轰击围绕旋转轴旋转的阳极的倾斜外围区域上的靶区域。该阳极外围区域包含第一环形部分和第二环形部分，其中第一环形部分相对于一垂直于旋转轴的平面的倾角为第一角度，第二环形部分和第一环形部分径向分隔且倾角为第二角度。第二角度不同于第一角度。靶区域部分地定义在该第一环形部分上并部分地定义在第二环形部分上。

本发明的一个优点为，阳极可具有浅的倾角同时维持足够大的束角。

本发明的至少一个实施例的另一个优点为，其有助于产生更大通量、更宽的x射线束。

另一个优点则为阳极加热减轻。

本领域技术人员在阅读和了解优选实施例的下述详细描述之后，将会了解本发明的另外的优点。

本发明可采取各种元件以及各种元件的排列的形式，还可采取各种步骤以及各种步骤的排列的形式。这些附图仅用于阐述优选实施例，不应被理解成限制本发明。

图1为结合了本发明的计算机断层摄影扫描仪的示意性图示；

图2为图1的计算机断层摄影扫描仪的x射线管的一个实施例的部分截面视图；

图3为图2的x射线管的阳极的详细截面视图；

图4为另一个实施例的阳极和灯丝组合的示意性截面视图；

图5为阳极和灯丝组合的另一个示意性截面视图；以及

图6为阳极和阴极灯丝组合的又一个示意性部分截面视图。

参考图1，计算机断层摄影(CT)扫描仪10以射线照相的方式检查置于患者台12上的对象和产生其诊断图像。更为具体地，通常是通过沿z方向平移患者台12，将患者台12上对象的感兴趣体积移动到检查区域14。安装在旋转台架上的x射线管组件16将一个或多个辐射束投射穿过检查区域14。准直器18将辐射束沿两个方向准直。在优选实施例中，二维x射线探测器20置于旋转台架上，该探测器跨越检查区域14和x射线管相面对。在另一个实施例中，环形或二维探测器阵列安装在旋转台架周围的固定台架上。

x射线探测器20以已知的方式工作，将横穿检查区域14的x射线转换成表示x射线管16和探测器20之间的x射线吸收的电学信号。该电学信号以及关于旋转台架的角度位置的信息被传送到数据存储器30。由重建处理器32重建来自数据存储器30的数据。可以采用各种已知的重建技术，包括锥形束、多切片、以及螺旋扫描和重建技术等。由重建处理器32产生的体积图像表示存储于体积图像存储器34内。视频处理器36提取该图像处理器的选择性部分，以创建切片图像、投影图像、表面再现等，并将其重新格式化以显示在显示器38上，例如CRT或LCD显示器。

现在参考图2，x射线管组件16包含盘状阳极40，该阳极安装在真空罩42内，并可位于与旋转台架的旋转轴垂直的平面内，尽管也可以采用其它的几何结构。真空罩用铅或具有良好的x射线阻挡能力的另外高Z金属外壳44包围，该外壳定义了冷却水箱。由铍或其它低Z金属或材料制成的窗口45定义了靠近检查区域14的出口，x射线46通过该窗口进入检查区域14。检查区域14和窗口45之间则安装了束整形滤波器(未示出)和准直器18。

阳极40具有倾斜的环状外围边缘50，由诸如阴极组件的灯丝54的电子源产生的电子束52轰击该外围边缘。电子束被聚焦成轰击倾斜边缘上的有限的定义区域或靶56。阳极安装在中心轴58上并围绕轴R旋转，该轴通常平行于电子束52并垂直于阳极的前面。倾斜靶56的内部周围边缘60和轴R的距离为d₁，外部周围边缘62和轴R的距离为d₂。射束52内的大多数电子轰击靶56内的阳极，只有少部分轰击阳极表面的其它部分。优选地，由阴极发射并轰击阳极的电子中至少90％被靶56接收，更为优选地，这些电子至少约99％被靶56接收。

灯丝54安装在阴极罩70内，阴极罩70起着将灯丝发射的电子聚焦成射束52的聚焦装置的作用，该射束被高压源72加速至阳极。阴极罩和灯丝共同构成阴极组件，其相对于罩42保持静止，尽管也可以认为该阴极组件旋转而阳极保持静止。无论如何，该阴极组件相对于输出射束46保持静止。

继续参考图2，同时参考图3，靶56部分定义在外围边缘50的主要部分80上且部分定义在外围边缘的次要部分82上。次要部分82径向地位于主要部分80的内侧。主要部分80的延伸方向和垂直于阳极的轴R的平面成角α。次要部分的延伸方向和垂直于阳极的轴R的轴成角β。角β大于角α。在一个实施例中，角α和β相差至少1°。在另一个实施例中，这两个角相差至少2°。例如，角α为从约6°到约8°，而角β为从约8°到约12°。在一个具体优选实施例中，角α约为7°，角β至少约为9°，优选为10°。角α的下限取决于探测器、分辨率、以及预期射束的宽度。在目前可获得的CT系统中，这些因素不允许角α远小于6°，尽管认为CT扫描仪技术的进步会允许更小的角度。

在优选实施例中，大部分轰击靶56的电子轰击到主要部分80。在一个具体实施例中，轰击靶56的电子的至少约60％轰击主要部分80，剩余的40％或更少的电子轰击次要部分82。优选地，至少80％，更优选至少90％轰击靶56的电子轰击主要部分和次要部分之中的一个或另一个。在图3中，主要部分80的端部被示成与次要部分82形成陡峭的界面，尽管优选地并不如此，这将在下文得到讨论。

由于主要部分的角度浅，主要部分80和次要部分82的组合允许高的功率，同时用次要部分减轻足跟效应。来自主要部分80的x射线束的投影p₁和轰击主要部分的电子束的高度h₁的关联表达式为：

p₁＝h₁tanα

类似地，对于次要部分82：

p₂＝h₂tanβ

其中p₂和h₂分别为次要部分的投影和高度。可以理解h₁和h₂可小于或等于主要部分及次要部分的实际高度，其中电子束宽度w不超出这些部分。对于本实施例，其中第一和第二部分直接相邻，h₁+h₂＝h_T＝w。

再次参考图2，灯丝54包含第一部分90和第二部分92。由于阴极罩70的聚焦效应，由第一部分90发射的x射线主要轰击靶的主要部分80，而由第二部分92发射的x射线主要轰击靶的次要部分82。灯丝的第一部分90发射的电流大于第二部分92发射的电流。可以理解，尽管第一灯丝部分90被示成和主要靶部分80轴向对齐，第二灯丝部分92和第二靶部分82对齐，但在包含反转类型电子装置的阴极中，灯丝的上半部分成像到靶的下半部分，部分90和92的相对位置颠倒。

通过为第一部分90提供比第二部分92的线圈直径d₂更大的线圈直径d₁，可以容易地获得第一部分90的更大的电流。也可以考虑其它提供更大电流的方法。因此靶次要部分82发射的x射线通量(每个单位面积的光子)小于靶主要部分80发射的x射线通量。为了适应通量的任何变化，CT扫描仪(图1)的重建处理器32可选地被编程成在重建图像时考虑到通量的变化。

优选地，电子源设成向靶的所有部分送去相同(或至少基本上相同)的单位负载。优选地，第一环形部分上的单位负载为第二环形部分上的单位负载的±10％之内。单位负载可以定义为倾斜表面每单位面积(cm²)的电流(单位为mA)。

通过在其表面上适当分布电流负载，灯丝的整形开发了阳极的整形。当灯丝电流增大时，阴极发射将在所有点成比例地增大，灯丝在阳极上图像将均匀地变得更亮，而其第一部分90和第二部分92内的电流比基本上保持不变。

在备选实施例中，电子源54包含由螺旋形缠绕导线或导电膜形成的两个灯丝，其中第一灯丝的尺寸和第一灯丝部分90相似，其发射的第一电子流被加速轰击靶主要部分80，第二灯丝的尺寸和第二灯丝部分92相似，其发射的第二电子流被加速轰击靶次要部分82。靶部分80、82的最佳相对高度部分地取决于采用了该x射线管的CT扫描仪，部分地取决于预期的覆盖范围。例如，和具有给定宽度的50切片扫描仪相比，使用100个切片的多切片CT扫描仪通常将从更高的h₁/h₂比中受益更多。

如图3所示，和靶区域56相邻的阳极表面部分96、98相对于射束方向也是倾斜的。这些部分的斜率可以和靶的相邻部分80或82的斜率相同，或者该斜率可以是不同的。

通过在主要部分80的外围提供斜率更大的区域82，图2和3的配置有助于缓解足跟效应。图4至6中示出了也为各区域提供不同斜率的其它实施例，其中用相同的数字表示相似的元件，用新数字表示不同的元件。除非另外说明，这些实施例中的x射线管和阳极构造和图2及3的相同。可以理解，在所有各图中，为了阐述清楚和方便，将角α和β示成大于其实际大小。

在图4所示实施例中，靶主要部分80通过光滑或弯曲的过渡部分110和次要部分82连接，该过渡部分相切角α地邻接主要部分80并相切角β地邻接次要部分82。弯曲部分110因此将靶倾斜角度从邻接主要部分80处的α逐渐增大到邻接次要部分82处的β。如图2和3的实施例所描述，角α和β可以具有相同的值(例如分别为7°和10°)。在一个实施例中，弯曲部分110的高度h₃约为1至2mm，即，仅为靶高度h_T的一小部分。对于本实施例，第一和第二部分被过渡部分110隔开，h₁+h₂+h₃＝h_T＝w。

可以理解，尽管过渡部分110被示成具有和主要部分80及次要部分82相似的长度，实际上，如前所述在角α和β更接近7°和10°的情况下，该弯曲部分的高度h₃优选短于主要部分80的高度h₁，且可选择短于次要部分82的高度h₂。

线圈54优选平滑地过渡以匹配靶56的过渡部分110。如图4所示，灯丝线圈54的宽度(直径)d和tanθ成反比(d＝K/tanθ)，其中θ为靶在电子轰击点处的角度，K为常数。因此，对于第一实施例，和靶主要部分80相对应的线圈第一部分90的宽度为d₁＝K/tanα，次要部分92的宽度为d₂＝K/tanβ。对于第一部分90和第二部分92之间的过渡区域114，宽度逐渐变化，为正切tanθ的函数。对于第一实施例，重建处理器32被编程成适应由于灯丝线圈54宽度变化引起的通量变化。

本实施例的一个优点在于，灯丝在阳极上的图像的放置无需像图2和3那样精确，以避免x射线输出的变化。随着x射线管轴承的磨损，阳极趋于遭受越来越严重的阳极摇晃(wobble)。在主要部分80和次要部分82之间采用逐渐弯曲的过渡部分110而非锐利的变化，降低了x射线输出时阳极摇晃的影响，延长了x射线管的使用寿命。

现在参考图5，示出了阳极的另一个实施例。在本实施例中，靶56包含具有倾角α的第一部分80，如前所述(例如7°)。第二部分120是弯曲的，其曲率随着远离第一部分80而增大。在一个实施例中，第二部分从和第一部分交接处的角α过渡并增大到其外部边缘处的角β。β可大于10°，例如12°或高达约15°。β的最佳值在一定程度上取决于CT扫描仪所使用的切片的数目。切片数目越大，通常优选使用越大的角β。例如，50个切片时，β为12°是最佳的，而对于100个切片，β更接近15°则可能是最佳的。

至于其它实施例，灯丝54优选整型成匹配靶倾斜的变化，宽度通常用d＝K/tanθ描述。

对于图5的实施例，和图3及4的实施例相比，本实施例对阳极摇晃较不敏感。

图6阐述的实施例中，较平整和较倾斜的部分在位置上颠倒。靶56在靠近阳极的内部或顶部的倾角为α，并平滑地进展到靶区域另一端的角β。在所示实施例中，阴极罩70被配置成使得灯丝54将镜像聚焦到靶上。灯丝54再次和接收面的倾斜成反比地产生电子。由于图6的实施例逐渐变得更陡，在阳极表面下产生的x射线穿过阳极的路径长度逐渐变得更短，降低了衰减及足跟效应。尽管示成一个连续的光滑曲线，可以理解，靶区域可以为两个线段、由平滑过渡区域连接的两个线段、单个线段和连续弯曲的过渡区域以及次要区域等。作为另一个选择，可以提供双灯丝，使得靶区域可以从倾角位于角α和β之间(例如7至12°之间)的所示区域56开始延伸，并延伸到倾角更大的区域(例如15°)。

已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读和了解了前述的详细描述之后，其它人员可以想到各种修改和变化。本发明应被理解为包含所有这些修改和变化，只要这些修改和变化落在所附权利要求或其等效描述的范围内。

Claims (19)

1.一种x射线管，包含：

定义真空腔的罩；

电子源；

安装在该真空腔内并绕旋转轴旋转的阳极，该阳极定义倾斜的外围区域，在该外围区域上定义了靶区域，该靶区域被电子源发射的电子轰击并发射x射线，该倾斜的外围区域包含第一环形部分和毗邻该第一环形部分的第二环形部分，该第一环形部分相对于垂直于旋转轴的平面以第一角度倾斜，该第二环形部分以第二角度相对于该平面倾斜，该第二角度不同于第一角度，该靶区域部分地定义在第一环形部分上并部分地定义在第二环形部分上，其中电子源包含灯丝，该灯丝在其发射的电子轰击第一环形部分上靶区域部分的灯丝区域内的宽度较大，在其发射的电子轰击第二环形部分上靶区域部分的灯丝区域内的宽度较小。

2.权利要求1的x射线管，其中第一环形部分比第二环形部分更靠近阳极的外围。

3.权利要求1的x射线管，其中第一角度和第二角度相差至少1°。

4.权利要求3的x射线管，其中第一角度和第二角度相差至少2°。

5.权利要求1的x射线管，其中第一角度小于8°。

6.权利要求1的x射线管，其中第一角度为6°至8°。

7.权利要求5的x射线管，其中第一角度约为7°。

8.权利要求6的x射线管，其中第二角度至少为8°。

9.权利要求8的x射线管，其中第二角度约为10°。

10.权利要求1的x射线管，进一步包含：

介于该第一环形部分和第二环形部分之间的环形过渡部分，该环形过渡部分在第一环形部分和第二环形部分之间定义平滑的弯曲过渡。

11.权利要求10的x射线管，其中该过渡部分从第一环形部分到第二环形部分逐渐弯曲，该过渡部分以第一角度倾斜地邻接第一环形部分，并以第二角度倾斜地邻接第二环形部分。

12.权利要求1的x射线管，其中第二环形部分的倾斜随着与第一环形部分距离的增大而增大。

13.权利要求1的x射线管，其中第一角度小于第二角度，电子源构造成向第一环形部分上的靶区域部分和第二环形部分上的靶区域部分传送基本上相同的单位负载。

14.权利要求1的x射线管，其中灯丝的宽度变化，使得该宽度和被来自灯丝区域的电子所轰击的靶区域部分的倾斜角度的正切成反比。

15.包含权利要求1的x射线管的计算机断层摄影扫描仪。

16.权利要求15的计算机断层摄影扫描仪，其中该计算机断层摄影扫描仪包含至少一个x射线探测器和重建处理器，该重建处理器被编程为考虑到和来自第二环形部分的x射线通量相比，来自第一环形部分的x射线通量更高。

17.一种产生x射线束的方法，包含：

加速和聚焦电子束；以及

轰击位于阳极的倾斜外围区域上的靶区域，该阳极围绕旋转轴旋转，该外围区域包含第一环形部分和第二环形部分，该第一环形部分相对于和旋转轴垂直的平面以第一角度倾斜，该第二环形部分径向地和第一环形部分分隔且相对于该平面以第二角度倾斜，该第二角度不同于第一角度，该靶区域部分地定义在第一环形部分上并部分地定义在第二环形部分上；和

产生电子，使得轰击第一环形部分上靶区域的电子束部分的电子电流密度大于轰击第二环形部分上靶区域部分的电子束部分的电子电流密度。

18.权利要求17的方法，其中第一环形部分的倾角小于第二环形部分的倾角。

19.权利要求17的方法，进一步包含：

将x射线引导向对象；

使用探测器探测穿过该对象的x射线；以及

重建该对象的图像，包括考虑到来自第一环形部分上靶区域部分的x射线通量大于来自第二环形部分上靶区域部分的x射线通量。

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