CN212394946U - Ct成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种CT成像系统，所述CT成像系统包括冷阴极X射线源、探头、控制装置、旋转装置、成像装置、处理器；冷阴极X射线源、探头分别与控制装置电性连接，处理器与成像装置电性连接；冷阴极X射线源用于产生CT成像的X射线，旋转装置用于控制扫描对象的扫描角度，探头用于获取扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，控制装置用于根据扫描对象在不同扫描角度下的生理信号触发冷阴极X射线源的开启，成像装置用于采集X射线透过所述扫描对象在不同扫描角度下的投影图像，处理器用于对投影图像进行重建获得扫描对象的CT图像。本实用新型提供的CT成像系统能够显著降低运动带来的伪影，提升CT成像的分辨率，同时能够实现超低剂量CT成像。

Description

CT成像系统

技术领域

本实用新型涉及X射线成像技术领域，尤其涉及一种CT成像系统。

背景技术

小动物显微CT在以大鼠和小鼠为代表的小动物模型临床前的研究中发挥着重要的作用，这些研究包括骨头结构和密度成像、肿瘤成像、心脏成像、肺部成像等。相比其他成像方法，小动物显微CT成像具有分辨率高、成本低、扫描效率高的优势。目前，小动物显微CT成像对于体外成像的分辨率可以达到10微米。但是，对于活体小动物成像，由于小动物的生理运动比人类要快得多，这将会带来显著的运动伪影而降低CT成像的空间分辨率，因此，该分辨率仍然不能满足活体小动物成像的要求。

实用新型内容

为了解决现有技术的不足，本实用新型提供一种CT成像系统，能够提升CT成像的时间分辨率和空间分辨率的同时减少辐射剂量。

本实用新型提出的具体技术方案为：提供一种CT成像系统，所述CT成像系统包括冷阴极X射线源、探头、控制装置、旋转装置、成像装置、处理器；所述冷阴极X射线源、探头分别与所述控制装置电性连接，所述处理器与所述成像装置电性连接；所述冷阴极X射线源用于产生CT成像的X射线，所述旋转装置用于控制扫描对象的扫描角度，所述探头用于获取所述扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，所述控制装置用于根据所述扫描对象在不同扫描角度下的生理信号触发所述冷阴极X射线源的开启，所述成像装置用于采集所述X射线透过所述扫描对象在不同扫描角度下的投影图像，所述处理器用于对所述投影图像进行重建获得所述扫描对象的CT图像。

进一步地，所述冷阴极X射线源包括至少一个冷阴极X射线管，每一个所述冷阴极X射线管包括真空腔体及设置于所述真空腔体内的阴极、栅极、聚焦极、阳极，所述栅极位于所述阴极与所述聚焦极之间，所述聚焦极位于所述栅极与所述阳极之间，所述阳极朝向所述阴极的一面为斜面。

进一步地，所述阴极包括衬底及设置于所述衬底上的电子发射层。

进一步地，所述电子发射层是由碳纳米管、石墨烯、氧化锌纳米棒、氮化硼纳米管、二氧化钛纳米管中的一种材料制成的电子发射层。

进一步地，所述栅极包括栅网和支架，所述支架设有开口，所述开口与所述电子发射层对应，所述栅网固定于所述开口中；所述聚焦极上设有聚焦孔，所述聚焦孔与所述开口对应，通过所述聚焦孔后的光斑直径为10～50μm。

进一步地，所述阳极朝向所述阴极的一面与所述阴极所在的平面之间的夹角为10°～15°，和/或所述真空腔体的真空度为10^-5～10^-7Pa，和/或所述冷阴极X射线管的数量为多个时，多个所述冷阴极X射线管呈圆弧形排列，多个所述冷阴极X射线管发出的X射线的覆盖角度为1°～90°。

进一步地，所述成像装置为CMOS平板探测器或光子计数探测器。

进一步地，所述成像装置为光子计数探测器，所述光子计数探测器的像素尺寸不大于50μm。

进一步地，所述CT成像系统还包括供电装置，所述供电装置包括第一电源、第二电源及第三电源，所述第一电源用于为所述栅极提供电压，所述第二电压源用于为所述聚焦极供电，所述第三电源用于为所述阳极供电。

进一步地，所述旋转装置包括承载台及机电控制模块。

本实用新型提供的CT成像系统通过探头获取扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，然后通过控制装置根据所述扫描对象在不同扫描角度下的生理信号来触发冷阴极X射线源的开启，实现对应于每一个生理信号的X射线曝光，从而显著降低了运动带来的伪影，提升了CT成像的空间分辨率，且由于冷阴极X射线源能够快速响应外部触发信号而启动、启动和关闭时间间隔很短，从而提升了CT成像的时间分辨率，同时减少辐射剂量，实现超低剂量CT成像。

附图说明

下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其它有益效果显而易见。

图1为本实用新型实施例中的CT成像系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中的冷阴极X射线源的出射光路图；

图3为本实用新型实施例中的冷阴极X射线管的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中的冷阴极X射线源的另一出射光路图；

图5为本实用新型实施例中的CT成像系统的成像方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本实用新型的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本实用新型，并且本实用新型不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本实用新型的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本实用新型的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，相同的标号将始终被用于表示相同的元件。

本申请提供的CT成像系统包括冷阴极X射线源、探头、控制装置、旋转装置、成像装置、处理器。冷阴极X射线源、探头分别与控制装置电性连接，处理器与成像装置电性连接，冷阴极X射线源用于产生CT成像的X射线，旋转装置用于控制扫描对象的扫描角度，探头用于获取扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，控制装置用于根据扫描对象在不同扫描角度下的生理信号触发冷阴极X射线源的开启，成像装置用于采集X射线透过扫描对象在不同扫描角度下的投影图像，处理器用于对投影图像进行重建获得扫描对象的CT图像。

本申请提供的CT成像系统通过探头获取扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，然后通过控制装置根据扫描对象在不同扫描角度下的生理信号来触发冷阴极X射线源的开启，实现对应于每一个生理信号的X射线曝光，从而显著降低了运动带来的伪影，提升了CT成像的空间分辨率，且由于冷阴极X射线源能够快速响应外部触发信号而启动、启动和关闭时间间隔很短，从而提升了CT成像的时间分辨率，同时减少辐射剂量，实现超低剂量CT成像。

下面通过具体的实施例并结合附图来对本申请中的CT成像系统及其成像方法进行详细的描述。

参照图1，本实施例中的CT成像系统包括冷阴极X射线源1、探头2、控制装置3、旋转装置4、成像装置5、处理器6。冷阴极X射线源1、探头2分别与控制装置3电性连接，处理器6与成像装置5电性连接。冷阴极X射线源1用于产生CT成像的X射线，旋转装置4用于控制扫描对象7的扫描角度，探头2用于获取扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号，控制装置3用于根据扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号触发冷阴极X射线源1的开启，成像装置5用于采集X射线透过扫描对象7在不同扫描角度下的投影图像，处理器6用于对投影图像进行重建获得扫描对象7的CT图像。

这里所说的扫描对象7的扫描角度指的是旋转装置4带动扫描对象7旋转的角度，具体地，扫描对象7初始的扫描角度为0°，即第一次的扫描角度为0°，探头2检测到扫描对象7的生理信号后发送电信号至控制装置3，控制装置3生成触发信号并通过触发信号触发冷阴极X射线源1，冷阴极X射线源1开启并产生X射线入射至扫描对象7，X射线透过扫描对象7后的投影图像被成像装置5采集，成像装置5再将采集到的CT图像发送给处理器6，然后，旋转装置4旋转带动扫描对象7转动，转动的角度为α，例如，α为0.5°，即第二次的扫描角度为α，探头2再次检测到扫描对象7的生理信号后发送电信号至控制装置3，控制装置3生成触发信号并通过触发信号触发冷阴极X射线源1，冷阴极X射线源1开启并产生X射线入射至扫描对象7，X射线透过扫描对象7后的投影图像被成像装置5采集，成像装置5再将采集到的CT图像发送给处理器6，以此类推，直到扫描角度达到预定值或者扫描次数达到预定次数，最后，处理器6对接收到的多个投影图像进行重建获得扫描对象7的CT图像。

本实施例通过探头2获取扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号，然后探头2将获取的扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号发送给控制装置，控制装置3再根据扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号来触发冷阴极X射线源的开启，实现对应于每一个生理信号的X射线曝光，从而显著降低了运动带来的伪影，提升了CT成像的空间分辨率。此外，由于冷阴极X射线源能够快速响应外部触发信号而启动且启动和关闭时间间隔很短，能够实现微秒级的时间分辨率的同时减少辐射剂量。因此，本实施例中的CT成像系统应用到活体小动物成像上能够有效提升CT成像的空间分辨率和时间分辨率，同时，还能够实现超低剂量CT成像，避免过多的X射线辐射剂量而改变小动物的生理结构并影响对临床研究中疾病的发展过程和药物作用的正确判断。

参照图2、图3，具体地，冷阴极X射线源1包括一个冷阴极X射线管10，冷阴极X射线管10包括真空腔体11及设置于真空腔体11内的阴极12、栅极13、聚焦极14、阳极15，栅极13位于阴极12与聚焦极14之间，聚焦极14位于栅极13与阳极15之间，阳极15朝向阴极12的一面为斜面150。其中，本实施例中真空腔体11的真空度为10^-5～10^-7Pa。

阴极12位于真空腔体11的底部，其用于产生并发生电子束，阴极12包括衬底120及设置于衬底120上的电子发射层121，衬底120的材质为导电材料，具体地，衬底120可以是金属片材，例如，衬底120可以选自钢片、铜片、钛片、钼片中的一种；衬底120也可以是涂覆有金属材料的硅片，金属材料选自钢、铜、钛、钼中的一种。

较佳地，电子发射层121的材料选自碳纳米管、石墨烯、氧化锌纳米棒、氮化硼纳米管、二氧化钛纳米管中的一种。在本实施例中，电子发射层121的形状为椭圆形或长方形，以满足反射式的阳极15的结构能够获得各向尺寸一致的X射线的焦点。

栅极13用于提供电子发射层121发射电子束所需要的电场，其包括栅网130和支架131，支架131用于固定栅网130，以使得栅网130架设于电子发射层121的上方。支架131设有开口130，开口130与电子发射层121对应，栅网130固定于开口130中。栅网130具有一定的开口率，使得电子发射层121发射的电子束能够通过栅网130入射至阳极15上。其中，栅网130的材质可以为钨或钼。

相应地，聚焦极14固定设置于栅极13的上方，其用于对电子发射层121发射的电子束进行聚焦。聚焦极14设有聚焦孔140，聚焦孔140与开口130对应，聚焦孔140的形状可以是圆形、椭圆形或者长方形，通过调节聚焦孔140的开口大小可以获得所需尺寸的微焦点，这里所说的微焦点指的是直径较小的光斑。

较佳地，本实施例中的冷阴极X射线管10的管电流为0.1～1mA、管电压为20～65kV，这样可以使得通过聚焦孔140聚焦后的光斑直径为10～50μm，即本实施例中的微焦点的大小为10～50μm。

阳极15间隔设置于聚焦极14的上方并固定于真空腔体11的顶部，其用于对电子发射层121发射的电子束进行加速，以获得高能电子，通过高能电子轰击阳极15上的靶材产生X射线，较佳地，靶材为钨靶。阳极15朝向阴极12的一面与阴极12所在的平面之间的夹角为10°～15°，即斜面150与水平面之间的夹角为10°～15°，真空腔体11上设有供X射线出射的窗口110，X射线经设置在斜面150上的靶材反射后从窗口110出射，如图3所示，图3示出了冷阴极X射线管的出射光路图。其中，窗口110的材质为铝或铍。

参照图4，在本实施例的另一实施方式中，冷阴极X射线源1包括多个冷阴极X射线管10，较佳地，多个冷阴极X射线管10的数量为2～180，图4中作为示例示出了冷阴极X射线源1包括11个冷阴极X射线管10的情况，需要说明的是，这里仅仅是作为示例示出，并不用于限定。多个冷阴极X射线管10呈圆弧形排列，多个冷阴极X射线管10发出的X射线的覆盖角度为1°～90°。在实际过程中可以根据需要依次开启多个冷阴极X射线管10，以从不同的角度发射X射线。

控制装置3包括触发电路，触发电路用于实现冷阴极X射线源1的开关和曝光时间的调节，在冷阴极X射线源1包括多个冷阴极X射线管10时，控制装置3还包括时序控制电路(图未示)，时序控制电路用于控制触发电路在不同的时间段依次触发多个冷阴极X射线管10，以实现不同冷阴极X射线管10之间的切换。为了实现精确控制，本实施例中的旋转装置4包括承载台41及机电控制模块42。其中，承载台41用于承载并固定扫描对象7，机电控制模块42用于控制承载台41的旋转角度。

本实施例中的控制装置3、机电控制模块42均与处理器6连接，具体地，控制装置3中的触发电路与处理器6连接，当触发电路停止触发冷阴极X射线管10时发送停止触发指令至处理器6，此时，控制装置3停止工作，处理器6在接收到停止触发指令后发送旋转指令给机电控制模块42，机电控制模块42根据旋转指令控制承载台41旋转预定角度，当承载台41带动扫描对象7旋转至预定角度后，机电控制模块42再发送反馈信息给处理器6，处理器6在接收到机电控制模块42的反馈信息后控制控制装置3的开启，当触发电路再次接收到探头2获取的扫描对象7在预定角度下的生理信号时触发冷阴极X射线管10。其中，当冷阴极X射线源1包括多个冷阴极X射线管10时，控制装置3中的时序控制电路控制触发电路依次触发多个冷阴极X射线管10。

成像装置5为CMOS平板探测器或光子计数探测器，由于光子计数探测器具有高速数据采集、高空间分辨率和高能力分辨能力的特性，因此，较佳地，本实施例中的成像装置5为光子计数探测器，光子计数探测器的像素尺寸不大于50μm，光子计数探测器可以是碲化镉型光子计数探测器或碲锌镉型光子计数探测器。

本实施例的CT成像系统还包括供电装置8，供电装置8包括第一电源、第二电源及第三电源(图未示)，第一电源用于为栅极13提供电压，第二电压源用于为聚焦极14供电，第三电源用于为阳极15供电。当然，供电装置8也可以作为整个CT成像系统的供电电源，本实施例中的第三电源还用于为处理器6供电。

本实施例中的CT成像系统还包括显示器9，显示器9与处理器6电连接，其用于对处理器6的处理结果进行直观的显示。

参照图5，本实施例还提供了上述CT成像系统的成像方法，所述成像方法包括步骤：

S1、旋转装置4将扫描对象7旋转至不同的扫描角度；

S2、探头2获取扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号；

S3、控制装置3根据扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号触发冷阴极X射线源1的开启；

S4、成像装置5采集X射线透过扫描对象7在不同扫描角度下的投影图像；

S5、处理器6对投影图像进行重建获得扫描对象7的CT图像。

在步骤S1中，将扫描对象7旋转至不同的扫描角度是通过旋转装置4中的机电控制模块42控制承载台41的旋转角度来实现，其中，机电控制模块42与处理器6连接，可以通过处理器6来发送指令给机电控制模块42，以实现预定角度的旋转。

下面对步骤S2～S5进行详细的描述，扫描对象7初始的扫描角度为0°，即第一次的扫描角度为0°，在扫描角度为0°时，探头2开始检测扫描对象7的生理信号并在检测到扫描对象7的生理信号后发送电信号至控制装置3，控制装置3生成触发信号并通过触发信号触发冷阴极X射线源1，冷阴极X射线源1开启并产生X射线入射至扫描对象7上，X射线透过扫描对象7后的投影图像被成像装置5采集，成像装置5再将采集到的CT图像发送给处理器6，其中，为了避免过多的辐射剂量，通过控制装置3控制冷阴极X射线源1的曝光时间，例如，每一次扫描需要的曝光时间为3s，则在冷阴极X射线源1持续工作3s后，控制装置3控制冷阴极X射线源1关闭。第一次扫描结束后，通过旋转装置4旋转带动扫描对象7转动，转动的角度为α，即第二次的扫描角度为α，探头2再次开始检测扫描对象7的生理信号并在检测到扫描对象7的生理信号后发送电信号至控制装置3，控制装置3再次生成触发信号并通过触发信号触发冷阴极X射线源1，冷阴极X射线源1开启并产生X射线入射至扫描对象7，X射线透过扫描对象7后的投影图像被成像装置5采集，成像装置5再将采集到的CT图像发送给处理器6，以此类推，直到扫描角度达到预定值或者扫描次数达到预定次数，最后，处理器6对接收到的多个投影图像进行重建获得扫描对象7的CT图像。

本实施例中的成像方法通过探头2获取扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号，然后通过控制装置3根据扫描对象7在不同扫描角度下的生理信号来触发冷阴极X射线源的开启，实现对应于每一个生理信号的X射线曝光，从而显著降低了运动带来的伪影，提升了CT成像的空间分辨率。此外，由于冷阴极X射线源能够快速响应外部触发信号而启动且启动和关闭时间间隔很短，能够实现微秒级的时间分辨率的同时减少辐射剂量。因此，本实施例中的成像方法应用到活体小动物成像上能够有效提升CT成像的空间分辨率和时间分辨率，同时，还能够实现超低剂量CT成像，避免过多的X射线辐射剂量而改变小动物的生理结构并影响对临床研究中疾病的发展过程和药物作用的正确判断。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种CT成像系统，其特征在于，包括冷阴极X射线源、探头、控制装置、旋转装置、成像装置、处理器；所述冷阴极X射线源、探头分别与所述控制装置电性连接，所述处理器与所述成像装置电性连接；所述冷阴极X射线源用于产生CT成像的X射线，所述旋转装置用于控制扫描对象的扫描角度，所述探头用于获取所述扫描对象在不同扫描角度下的生理信号，所述控制装置用于根据所述扫描对象在不同扫描角度下的生理信号触发所述冷阴极X射线源的开启，所述成像装置用于采集所述X射线透过所述扫描对象在不同扫描角度下的投影图像，所述处理器用于对所述投影图像进行重建获得所述扫描对象的CT图像。

2.根据权利要求1所述的CT成像系统，其特征在于，所述冷阴极X射线源包括至少一个冷阴极X射线管，每一个所述冷阴极X射线管包括真空腔体及设置于所述真空腔体内的阴极、栅极、聚焦极、阳极，所述栅极位于所述阴极与所述聚焦极之间，所述聚焦极位于所述栅极与所述阳极之间，所述阳极朝向所述阴极的一面为斜面。

3.根据权利要求2所述的CT成像系统，其特征在于，所述阴极包括衬底及设置于所述衬底上的电子发射层。

4.根据权利要求3所述的CT成像系统，其特征在于，所述电子发射层是由碳纳米管、石墨烯、氧化锌纳米棒、氮化硼纳米管、二氧化钛纳米管中的一种材料制成的电子发射层。

5.根据权利要求4所述的CT成像系统，其特征在于，所述栅极包括栅网和支架，所述支架设有开口，所述开口与所述电子发射层对应，所述栅网固定于所述开口中；所述聚焦极上设有聚焦孔，所述聚焦孔与所述开口对应，通过所述聚焦孔后的光斑直径为10～50μm。

6.根据权利要求2所述的CT成像系统，其特征在于，所述阳极朝向所述阴极的一面与所述阴极所在的平面之间的夹角为10°～15°，和/或所述真空腔体的真空度为10^-5～10^-7Pa，和/或所述冷阴极X射线管的数量为多个时，多个所述冷阴极X射线管呈圆弧形排列，多个所述冷阴极X射线管发出的X射线的覆盖角度为1°～90°。

7.根据权利要求2所述的CT成像系统，其特征在于，所述成像装置为CMOS平板探测器或光子计数探测器。

8.根据权利要求7所述的CT成像系统，其特征在于，所述成像装置为光子计数探测器，所述光子计数探测器的像素尺寸不大于50μm。

9.根据权利要求2所述的CT成像系统，其特征在于，所述CT成像系统还包括供电装置，所述供电装置包括第一电源、第二电源及第三电源，所述第一电源用于为所述栅极提供电压，所述第二电源用于为所述聚焦极供电，所述第三电源用于为所述阳极供电。

10.根据权利要求1～9任一项所述的CT成像系统，其特征在于，所述旋转装置包括承载台及机电控制模块。

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