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Regierungsbeteiligung
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Diese
Erfindung wurde mit Unterstützung
der US-Regierung unter der Fördernummer N00014-98-1-0597,
bewilligt von dem Office of Naval Research, ausgeführt. Die
US-Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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Querbezug zu einer verwandten
Anmeldung
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Diese
non-provisional Patentanmeldung beansprucht die Priorität der
US-Provisional Application Nr. 60/674,537 ,
eingereicht am 25. April 2005, wobei hierin die Offenbarung davon
in ihrer Gesamtheit unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
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Technisches Gebiet
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Der
Gegenstand, der hierin offenbart ist, betrifft Röntgenstrahl-Abbildung. Spezifischer
betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Röntgenstrahlbildgebungssysteme
und -verfahren unter Verwendung einer zeitlichen digitalen Signalverarbeitung
zum Verringern von Rauschen und zum Verbessern einer Bildaufnahmegeschwindigkeit
durch ein gleichzeitiges Erhalten mehrfacher Bilder.
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Stand der Technik
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Eine
Röntgenstrahl-Abbildung
wird weithin in vielen Gebieten einschließlich medizinischer Diagnostik
und Behandlung, industrieller Inspektion und Testen, Sicherheitsüberwachung
und -erfassungen verwendet. Bei gegenwärtigen Röntgenstrahl-Bildgebungssystemen wird ein Röntgenstrahl
erzeugt und auf ein dreidimensionales (3-D-) Objekt zum Projizieren
des Objekts auf einen zweidimensionalen (2-D-) Plattendetektor angewandt.
Die Projektion kann in 2-D- und 3-D-Bildern rekonstruiert werden.
In typischer Weise wird Rauschen entlang der Richtung des Röntgenstrahls
erzeugt, und dies führt
zu einer verringerten Auflösung
des Objektbilds. Rauschen kann herrühren von dem abzubildenden
Objekt, einem Röntgenstrahldetektor,
der die Röntgenstrahlung
erfasst, elektronischen Schaltungen und verschiedenen anderen Quellen.
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Ein
beispielhaftes Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
ist ein Computertomographie-(CT-)System. Die CT ermöglicht eine
Rekonstruktion eines 3-D-Bilds eines Objekts durch ein Aufnehmen
von Hunderten bis Tausenden von 2-D-Projektionsbildern aus unterschiedlichen
Projektionswinkeln. Bei vielen gegenwärtigen CT-Scannern wird eine
einzige Röntgenstrahlröhre mechanisch
um ein Objekt herum gedreht, um Mehrfach-Projektionsbilder, die
zur Rekonstruktion eines Bilds des Objekts erforderlich sind, aufzunehmen.
Der Prozess eines mechanischen Drehens der Röntgenstrahlröhre begrenzt
die Datenaufnahmerate. Ferner ist die Steuerung derartiger Systeme
durch den Prozess eines mechanischen Drehens der Röntgenstrahlröhre kompliziert.
Viele gegenwärtige
CT-Scanner nehmen 2-D-Bilder jeweils von einem Beobachtungswinkel auf.
Somit ist die Geschwindigkeit des CT-Scanners beschränkt.
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Röntgenstrahlsysteme,
die eine verbesserte Objektbildgebungsgeschwindigkeit aufweisen, schließen ultraschnelle
Elektronen strahl-CT-Scannersysteme und Inspektionssysteme für eine gedruckte
Schaltungsplatine (PCB) ein. In diesen Systemen steuert ein elektromagnetisches
Feld einen Elektronenstrahl auf unterschiedliche Positionen eines
Röntgenstrahlziels,
um einen Abtast-Röntgenstrahl
zu erzeugen. Derartige Systeme können
groß und
kostenintensiv sein und einen begrenzten Bereich von Beobachtungswinkeln
einschließen.
Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme,
die kleiner, weniger kostenintensiv sind und einen größeren Bereich
von Beobachtungswinkeln einschließen, sind erwünscht.
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Eine
weitere wünschenswerte
Verbesserung für
Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme
ist eine erhöhte
Auflösung
von Objektbildern. Die Auflösung kann
durch ein Verringern von Rauschen verbessert werden, das in den
Röntgenstrahldaten
enthalten ist, die für
eine Bilderzeugung verwendet werden. Eine Rauschreduktion bei Röntgenstrahldaten
kann auch zu einer Reduktion der Stärke einer Röntgenstrahlung führen, die
für eine
Objektabbildung erforderlich ist. Eine Verringerung in der Stärke der
Röntgenstrahlung
kann für
Mammographie und bei Abbildungen in der Mikroelektronik vorteilhaft
sein, Anwendungen, die minimierte Röntgenstrahl-Dosierungen erfordern.
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Dementsprechend
besteht im Licht der gewünschten
Verbesserungen, die mit Röntgenstrahl-Bildgebungssystemen
einhergehen, ein Bedarf nach einer verbesserten Röntgenstrahl-Bildgebungssystem-Funktionalität und nach
darauf bezogenen Verfahren.
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Zusammenfassung
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In Übereinstimmung
mit dieser Offenbarung werden neuartige Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme
und -verfahren unter Verwendung einer zeitlichen digitalen Signalverarbeitung
zum Verrin gern von Rauschen und zum gleichzeitigen Erhalten mehrfacher
Bilder bereitgestellt.
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Eine
der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deswegen
darin, neuartige Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme
und -verfahren unter Verwendung einer zeitlichen digitalen Signalverarbeitung
zum Verringern von Rauschen und zum gleichzeitigen Erhalten mehrfacher
Bilder bereitzustellen. Dies und andere Aufgaben, wie sie aus der vorliegenden
Offenbarung offensichtlich werden können, werden zumindest teilweise
oder vollständig durch
den hierin beschriebenen Gegenstand gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
des hierin beschriebenen Gegenstandes werden nun unter Bezugnahme
auf die zugehörigen
Zeichnungen geschrieben werden. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines Einzelstrahl-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems gemäß einer
Ausführungsform
des hierin offenbarten Gegenstandes;
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2 ein
Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Abbilden eines
Objekts unter Verwendung eines Einzelstrahl-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes veranschaulicht;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht einer Feldemissions-Röntgenstrahlquelle
gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes;
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4A-4C Graphen,
die einen unterschiedlichen Strom, der an einen Feldemitter angelegt
werden kann, der in 3 gezeigt ist, über einer Zeitperiode
zum Erzeugen eines gepulsten Röntgenstrahls
veranschaulichen;
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5A-5C Graphen,
die Röntgenstrahl-Intensitäten von
Röntgenstrahlen
unterschiedlicher Pulsfrequenzen, die von einer Röntgenstrahlquelle
erzeugt werden, veranschaulichen;
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6 ein
Blockdiagramm eines Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems zum gleichzeitigen
Aufnehmen von Mehrfachansicht-Projektionsbildern gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes;
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7 ein
Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Abbilden eines
Objekts unter Verwendung eines Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems
gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes veranschaulicht;
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8 eine
schematische Querschnittsansicht einer Mehrfachpixel-Feldemissions-Röntgenstrahlquelle
gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands;
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9 eine
schematische Querschnittsansicht einer Röntgenstrahleinheit der Röntgenstrahlquelle,
die in 8 gezeigt ist, zum Erzeugen eines einzelnen, gepulsten
Röntgenstrahls
gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegen stands;
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10A und 10B Graphen,
die einen experimentell bemessenen Kathodenstrom und eine Spannung
jeweils von fünf
Pixeln, die in 8 gezeigt sind, veranschaulichen;
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11 ein
Bild von Lochblendenmessungen von Röntgenstrahl-Erzeugungspunkten für fünf Pixel, die in 8 gezeigt
sind;
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12 einen
Graphen, der Größen der
Fokuspunkte, die in 11 gezeigt sind, veranschaulicht;
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13A-13C Graphen, die zeitliche Röntgenstrahlsignale
und ein entsprechendes Fourier-Leistungsspektrum veranschaulichen;
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14 ein
perspektivisches schematisches Blockdiagramm eines quasi-monochromatischen Mikro-CT-Scanners
gemäß einer
Ausführungsform des
hierin beschriebenen Gegenstandes;
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15 ein
schematisches Diagramm einer Anordnung eines Röntgenstrahldetektors und einer Röntgenstrahlquelle
für eine
gleichzeitige Aufnahme von Mehrfachprojektionsbildern von 3-D-Objekten;
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16A-16F Bilder eines Objekts, die auf
der Grundlage einer Röntgenstrahlung
aus einer Mehrzahl von Röntgenstrahlen
erzeugt sind;
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17 ein
schematisches Diagramm eines beispielhaften CT-Bildgebungssystems gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands; und
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18A und 18B schematische
Diagramme von beispielhaften Mammographie-Bildgebungssystemen gemäß Ausführungsformen
des hierin beschriebenen Gegenstandes.
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Detaillierte Beschreibung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Offenbarung sind Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme und
-verfahren unter Verwendung einer zeitlichen digitalen Signalverarbeitung
zum Verringern von Rauschen und zum gleichzeitigen Erhalten mehrfacher Bilder
bereitgestellt. Die Systeme und Verfahren, die hierin be schrieben
sind, können
eine bestimmte Anwendung zur Verwendung bei einer radiographischen
Abbildung einschließlich
CT, bei Tomosynthese, Fluoroskopie, Angiographie, Mehrfachenergie-Radiographie und
Röntgenstrahl-Fluoreszenzspektroskopie-Analyse aufweisen.
Andere beispielhafte Anwendungen schließen medizinische Diagnostik
und Behandlung, ein industrielles, nicht-zerstörendes Testen (NDT, Non-Destrucive
Testing) und eine Röntgenstrahl-Fluoreszenz-(XRF,
X-Ray Fluorescence-)Analyse und eine Sicherheitsüberwachung und -erfassung ein.
Ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
gemäß der vorliegenden
Offenbarung kann eine Röntgenstrahlquelle,
die ausgelegt ist, einen gepulsten Röntgenstrahl zu erzeugen, der
eine vorbestimmte Frequenz aufweist, und den gepulsten Röntgenstrahl
auf ein abzubildendes Objekt anzuwenden, enthalten. Ferner kann
ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
gemäß der vorliegenden Offenbarung
einen Röntgenstrahldetektor
enthalten, der ausgelegt ist, eine Röntgenstrahlung von dem Objekt
zu erfassen und zeitliche Daten auf der Grundlage der Röntgenstrahlung
zu erzeugen. Ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
gemäß der vorliegenden
Offenbarung kann auch einen zeitlichen Datenanalysator enthalten,
der ausgelegt ist, einen zeitlichen digitalen Signalprozess auf
die zeitlichen Daten anzuwenden, um zumindest einen Teil der zeitlichen
Daten, die eine unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Frequenz
aufweisen, zu entfernen. Der entfernte Teil der zeitlichen Daten,
die die unterschiedliche Frequenz aufweisen, kann einem Rauschen
in der erfassten Röntgenstrahlung
entsprechen. Folglich wird ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der
Röntgenstrahldaten
erhöht,
um Bilder des Objekts, die unter Verwendung der zeitlichen Daten
erzeugt werden, zu verbessern. Ferner kann ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Röntgenstrahlfluss,
der bei Bildgebungstechniken, wie etwa einer digitales Radiographie
und einer Fluoreszenzspektroskopie benötigt wird, verringern.
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Ferner
kann ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
gemäß dem hierin
beschriebenen Gegenstand eine Mehrfachpixel-Röntgenstrahlquelle
enthalten, die ausgelegt ist, zum Erzeugen einer Mehrfachstrahl-Röntgenstrahlung
programmierbar zu sein. Das System kann einen digitalen Röntgenstrahldetektor
enthalten, der ausgelegt ist, eine zeitliche Röntgenstrahlung für jedes
Pixel aufzuzeichnen. Ferner kann das System einen Datenprozessor
enthalten, der ausgelegt ist, eine Energiespektrumanalyse auf der
Grundlage der aufgezeichneten Daten durchzuführen und Frequenzkomponenten
zu differenzieren. Das System kann Mehrfachprojektionsbilder gleichzeitig
aufnehmen, um eine mehrfache Erhöhung
in der Bildgebungsgeschwindigkeit bei CT-Scanner-Anwendungen und anderen Bildgebungsanwendungen
zu ermöglichen.
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Die
zeitlichen Signalverarbeitungstechniken, die hierin beschrieben
sind, stellen die Fähigkeit
bereit, Rauschen, das der Röntgenstrahlquelle
nicht zugeordnet ist, zu verringern. Diese Techniken können in
vorteilhafter Weise das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verbessern, um eine Abbildung
mit einer niedrigen Dosierung möglich
zu machen. Ferner können diese
Techniken für
Anwendungen, wie etwa Brust-CT und Tomosynthese verwendet werden,
wo ein Aufrechterhalten einer niedrigen Gesamtdosierung pro Projektionsbild
erwünscht
sein kann. Die hierin beschriebenen Techniken können auch zu neuen Radiographieanwendungen,
wie etwa einer pädiatrischen
Radiographie mit ultraniedriger Dosierung führen.
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Der
Ausdruck "Röntgenstrahlquelle" wird hierin verwendet,
um Vorrichtungen zu bezeichnen, die Röntgenstrahlung auf eine programmierbare
Weise erzeugen können.
Die Wellenform der Röntgenstrahlung
kann periodisch oder aperiodisch und kontinuierlich oder gepulst
sein. Beispielhafte Röntgenstrahlquellen können Röntgenstrahlen
unter Verwendung von Elektronenfeldemittern erzeugen, die nanostrukturierte
Materialien enthalten.
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Der
Ausdruck "zeitlicher
digitaler Prozess" wird
hierin verwendet, um jedwede digitale Verarbeitung von zeitlichen
digitalen Daten einschließlich
einer Fourier-Analyse und einer Wavelet-Analyse zu bezeichnen.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Einzelstrahl-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 1 kann
ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem,
allgemein mit 100 bezeichnet, eine Röntgenstrahlquelle XS enthalten,
die ausgelegt ist, einen gepulsten Röntgenstrahlstrahl XB einer
vorbestimmten Pulsfrequenz zu erzeugen und den Röntgenstrahl XB auf ein abzubildendes
Objekt Oanzuwenden. Das Objekt O kann in dem Pfad des Röntgenstrahls
XB zum Schneiden von zumindest einem Teil des Röntgenstrahls XB positioniert
werden. Der geschnittene Teil des Röntgenstrahls XB kann durch
das Objekt O absorbiert werden und/oder durch das Objekt O hindurchlaufen.
Ein weiterer Teil des Röntgenstrahls
XB kann um das Objekt O herumlaufen.
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Die
Röntgenstrahlquelle
XS kann jedwede geeignete Vorrichtung sein, die ausgelegt ist, um
einen Röntgenstrahl
zum Abbilden eines Objekts zu erzeugen. Eine beispielhafte Röntgenstrahlquelle
kann eine Feldemissions-Röntgenstrahlquelle
sein. Beispielhafte Feldemissions-Röntgenstrahlquellen sind in
dem
US-Patent Nr. 6,553,096 an Zhou
et al., eingereicht am 6. Oktober 2000 und erteilt am 22. April 2003;
dem
US-Patent Nr. 6,850,595 an
Zhou et al., eingereicht am 4. Dezember 2002 und erteilt am 1. Februar
2005; und
US-Patent Nr. 6,876,724 an
Zhou et al, eingereicht am 22. Januar 2002 und erteilt am 5. April
2005, beschrieben, wobei die Offenbarungen davon hierin unter Bezugnahme
eingeschlossen sind. Eine einzigartige Eigenschaft der Feldemissions-Röntgenstrahlquellen
ist ihre Fähigkeit,
Röntgenstrahlpulse
in beliebiger zeitlicher Wellenform zu erzeugen.
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In
einem Beispiel kann das System 100 eine Objektstufe OS
zum Halten des Objekts O in einer Position zum Schneiden des Röntgenstrahls
XB enthalten. Die Objektstufe OS kann eine steuerbare Drehstufe
zum Drehen des Objekts O in unterschiedliche Richtungen sein, derart,
dass unterschiedliche Seiten des Objekts O gegenüber dem Röntgenstrahl XB freigelegt werden.
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Ferner
kann das System 100 einen Röntgenstrahldetektor DET, der
ausgelegt ist, eine Röntgenstrahlung
XR zu erfassen, enthalten. Der Detektor DET kann kontinuierlich
die Röntgenstrahlintensität der Röntgenstrahlung
XR über
einer Zeitperiode erfassen. Die erfasste Röntgenstrahlung XR kann den Teil
des Röntgenstrahls
XB enthalten, der durch das Objekt O hindurchläuft und/oder an dem Objekt
O vorbeiläuft.
Die Röntgenstrahlung
XR kann auch Rauschen, das von den Bildgebungsobjekten, dem Detektor
DET, elektronischen Schaltungen oder verschiedenen anderen Quellen
erzeugt wird, enthalten. Ferner kann der Röntgenstrahldetektor DET zeitliche Röntgenstrahldaten
auf der Grundlage der Röntgenstrahlung
XR erzeugen. Die zeitlichen Röntgenstrahldaten
können
durch ein Aufzeichnen der Röntgenstrahlintensität der Röntgenstrahlung
als eine Funktion der Zeit mit einem Abtastintervall geringer als
die Pulsbreite des Röntgenstrahls
für eine
gewünschte Haltezeit
erzeugt werden. Die zeitlichen Röntgenstrahldaten
können
als ein elektrisches Signal dargestellt und gespeichert werden.
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Der
Röntgenstrahldetektor
DET kann jedwede geeignete Vorrichtung sein, die ausgelegt ist,
um Röntgenstrahlung
zu erfassen. In einem Beispiel kann der Röntgenstrahldetektor DET ein
digi taler Detektor mit einer hohen Rahmenrate sein. In einem weiteren
Beispiel kann der Röntgenstrahldetektor
einer oder mehrere Röntgenstrahldetektoren
mit Si-PIN-Photodioden sein. Beispiele von digitalen Röntgenstrahldetektoren
schließen
Flächendetektoren
mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD, Charge-Coupled Device),
Flächendetektoren
aus amorphem Selen (a-Se),
Flächendetektoren
aus amorphem Silizium (a-Si) und Arrays von Si-PIN-Photodioden-Röntgenstrahldetektoren
ein, sind darauf aber nicht beschränkt.
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Ferner
kann das System 100 einen zeitlichen Datenanalysator AN
enthalten, der ausgelegt ist, einen zeitlichen digitalen Signalprozess
auf die zeitlichen Röntgenstrahldaten
anzuwenden und zumindest einen Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die eine unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Pulfrequenz
des Röntgenstrahls
XB aufweisen, zu entfernen. Das meiste Rauschen, das von dem Röntgenstrahldetektor
DET erfasst wird, muss ein eindeutiges zeitliches Leistungsspektrum
mit einer eindeutigen Frequenz oder Korrelation mit der Röntgenstrahlquelle
XS nicht aufweisen. Rauschen kann verringert oder entfernt werden,
indem zeitliche Röntgenstrahldaten,
die eine unterschiedliche Pulsfrequenz als der Röntgenstrahl XB aufweisen, verworfen
werden. Durch ein Entfernen des Teils der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die eine unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Pulsfrequenz
aufweisen, wird das Signal-Rausch-Verhältnis für die Röntgenstrahldaten
zum Verbessern von Bildern des Objekts O, das unter Verwendung der
zeitlichen Röntgenstrahldaten
erzeugt wird, erhöht.
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In
einem Beispiel kann, nachdem eine vorbestimmte Anzahl von Röntgenstrahlpulsen
von dem Röntgenstrahldetektor
DET erzeugt sind, eine Zeitreihe der erfassten Daten durch eine
zeitliche Fourier-Transformationsfunktion FTF verarbeitet werden, um
ein Leistungsspektrum in der Frequenzdomäne zu erzeugen. Ein ein zelnes
Frequenzbandbreitenfilter FBF kann Komponenten des Leistungsspektrums,
die der Pulsfrequenz des Röntgenstrahls
XB nicht entsprechen, filtern und verwerfen. Der Teil der zeitlichen
Röntgendaten,
die eine unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Frequenz
aufweisen, kann Rauschen in der erfassten Röntgenstrahlung XR entsprechen.
Der Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die eine Frequenz aufweisen, die die gleiche wie die vorbestimmte
Frequenz ist, kann verwendet werden, um das Objekt O abzubilden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
kann die zeitliche Fourier-Analyse auf die zeitlichen Röntgenstrahldaten
angewandt werden, um den Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten zu entfernen,
die eine Frequenz aufweisen, die unterschiedlich von der vorbestimmten
Frequenz ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
eine zeitliche Kodiertechnik zum Erzeugen des gepulsten Röntgenstrahls
XB verwendet werden. Beispielsweise kann der Röntgenstrahl SB Wavelet-kodiert
werden. Eine zeitliche Wavelet-Dekodierung kann auf die zeitlichen
Röntgenstrahldaten
zum Entfernen des Teils der zeitlichen Röntgenstrahldaten, die Komponenten
unterschiedlich von dem vorbestimmten Kodierungsschema aufweisen,
angewandt werden.
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Das
System 100 kann auch ein Steuermodul CTR enthalten, das
ausgelegt ist, Instruktionen zum Steuern der Röntgenstrahlquelle XS, des Röntgenstrahldetektors
DET und eines Analysators AN zum Abbilden des Objekts O auszuführen. Die
ausführbaren
Instruktionen können
als ein Computerprogrammprodukt implementiert werden, das in einem computerlesbaren
Medium verwirklicht ist. Beispielhafte computerlesbare Medien können Plattenspeichervorrichtungen,
Chipspeichervorrichtungen, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen,
programmierbare Logikvorrichtungen, herunterladbare elektrische
Signale und/oder jedwedes andere geeignete computerlesbare Medium
einschließen.
Ferner kann das Steuermodul CTR Hardware, Software und/oder Firmware,
wie etwa Speicher (z.B. RAM, ROM und computerlesbare Platten), Transistoren, Kondensatoren,
Widerstände,
Induktoren, einen logischen Schaltkreis und andere Komponenten enthalten,
die geeignet sind zum einzelnen Steuern der Röntgenstrahlquelle XS, des Röntgenstrahldetektors DET
und des Analysators AN zum Abbilden des Objekts O. Das Steuermodul
CTR kann auch die Objektstufe OS zum Drehen des Objekts O steuern.
Ferner kann das Steuermodul CTR die Frequenz und Pulsbreite der
Röntgenstrahlung
XR steuern.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum Abbilden
eines Objekts unter Verwendung eines Einzelstrahl-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems
(wie etwa des Systems 100, das in 1 gezeigt
ist) gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes veranschaulicht. Unter Bezugnahme
auf 2 schließt
ein Block 200 ein Erzeugen eines gepulsten Röntgenstrahls,
der eine vorbestimmte Frequenz aufweist, ein. In einem Block 202 kann
der erzeugte Röntgenstrahl
auf ein abzubildendes Objekt angewandt werden. Beispielsweise kann
die Röntgenstrahlquelle
XS der 1 einen gepulsten Röntgenstrahl XB erzeugen, der
eine vorbestimmte Frequenz aufweist, und den Röntgenstrahl XB auf das Objekt
O anwenden. Beispielhafte Frequenzen schließen ungefähr 1 Hz bis ungefähr 1 MHz
ein, sind darauf aber nicht beschränkt. Beispielhafte Röntgenstrahl-Intensitäten schließen ungefähr 0,001
mA bis ungefähr 10.000
mA ein, sind darauf aber nicht beschränkt. Beispielhafte Röntgenstrahlenergien
schließen
ungefähr
10 keV bis ungefähr
1.000 keV ein, sind darauf aber nicht beschränkt.
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In
einem Block 204 kann die Röntgenstrahlung erfasst werden.
Die Röntgenstrahlung
kann einen Teil eines Röntgenstrahls
XB, der durch das Objekt O und/oder an dem Objekt O vorbeiläuft, enthalten.
Die erfasste Röntgenstrahlung
kann auch Rauschen enthalten. Beispielsweise kann der Röntgenstrahldetektor
DET eine Röntgenstrahlung
XR erfassen, die einen Röntgenstrahl
XB, der durch das Objekt oder an dem Objekt O vorbeiläuft, und
Rauschen enthält.
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In
einem Block 206 kann die erfasste Röntgenstrahlung als zeitliche
Röntgenstrahldaten
erfasst werden. Ein zeitlicher digitaler Signalprozess kann auf
die zeitlichen Röntgenstrahldaten
zum Entfernen von zumindest einem Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die eine unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Pulsfrequenz
des Röntgenstrahls XB
(Block 208) aufweisen, angewandt werden. Als Nächstes kann
in einem Block 210 ein Bild des Objekts O auf der Grundlage
der zeitlichen Röntgenstrahldaten
erzeugt werden. Der zeitliche digitale Prozess (DSP) kann eine Fourier-Analyse
und eine Leistungsspektrumanalyse enthalten. Der DSP filtert die
von dem Detektor DET erfassten Signale, die nicht von der Röntgenstrahlquelle
XS erzeugt werden. Der Prozess kann für eines oder mehrere Pixel entweder
in Sequenz oder parallel ausgeführt
werden. Die Verarbeitung kann durch Software und/oder Hardware durchgeführt werden.
Die Hardware kann einen oder mehrere digitale Signalprozessoren
enthalten, die ausgelegt sind, um gleichzeitig Mehrfach-Projektionsbilder
des Objekts O zu empfangen. Die Aufnahme der Projektionsbilder aus
unterschiedlichen Winkeln kann verwendet werden, um 3-D-Bilder des
Objekts über
einen CT-Rekonstruktionsalgorithmus und/oder einen Tomosynthese-Algorithmus zu
rekonstruieren.
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3 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Feldemissions-Röntgenstrahlquelle,
allgemein bezeichnet mit 300, gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 3 kann
die Röntgenstrahlquelle 300 einen
Elektronenfeldemitter FE (hierin auch bezeichnet als ein "Pixel") zum Emittieren
von Elektronen enthalten. Der Elektronenfeldemitter FE kann auch
eine oder mehrere Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder andere geeignete
Elektronenfeld-Emissionsmaterialien umfassen. Beispielhafte Elektronenfeld-Emissionsmaterialien
können
Nanoröhrchen, Nanostäbe, Spindt-Spitzen
und Nanopartikel aus Diamant einschließen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind nano-strukturiertes
oder Nanostruktur-Material, wie etwa Nanopartikel mit Partikelgrößen von
weniger als 100 nm. Der Elektronenfeldemitter FE kann mit einer Oberfläche einer
Kathode C leitfähig
oder kontaktierend oder einem geeigneten leitfähigen Material zum Aufnehmen
eines Stroms gekoppelt sein.
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Der
Elektronenfeldemitter FE kann durch einen Controller (wie etwa ein
Steuermodul CTR, das in 1 gezeigt ist) gesteuert werden,
um Elektronen zum Erzeugen eines Elektronenstrahls EB zu emittieren.
In einer Ausführungsform
kann ein Controller eine Spannungsquelle VS1 steuern, um eine Spannung
zwischen dem Elektronenfeldemitter FE und einer Gate-Elektrode GE
anzulegen, um ein elektrisches Feld zum Extrahieren von Elektronen von
dem Elektronenfeldemitter FE zu erzeugen. Die angelegte Spannung
kann gepulst werden, um einen gepulsten Elektronenstrahl EB zu erzeugen.
Somit kann die Frequenz des Elektronenstrahls XB durch die Frequenz
des angelegten elektrischen Extraktionsfelds gesteuert werden.
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Der
Elektronenfeldemitter FE kann derart orientiert werden, dass extrahierte
Elektronen zu einer Anodenzielstruktur T gerichtet werden. Die Zielstruktur
T kann einen Röntgenstrahl
XB einer gewünschten
Wellenlänge
auf einen Beschuss durch den gepulsten Elektronenstrahl EB hin erzeugen.
Die Röntgenstrahl quelle 300 kann
eine Fokussierelektrode FEL zum Fokussieren von Elektronen, die
von den Elektronenfeldemittern FE extrahiert sind, auf die Zielstruktur
T und somit zum Verringern der Größe des Elektronenstrahls EB
enthalten. Die Fokussierelektrode FEL kann durch Anlegung einer
Spannung an die Fokussierelektrode FEL durch eine Spannungsquelle
VS2 gesteuert werden. Eine Spannungsquelle VS3 kann eine Spannung
zwischen der Gate-Elektrode GE und der Zielstruktur T zum Beschleunigen
von Elektronen, die von den Feldemittern FE emittiert werden, zu
der Zielstruktur T hin anlegen.
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Eine
Vakuumkammer VC kann einen abgedichteten Innenraum zum Aufnehmen
des Elektronenfeldemitters FE und der Gate-Elektrode GE enthalten.
Der Innenraum des Vakuumgefäßes VC kann evakuiert
werden, um einen gewünschten
Innendruck zu erreichen. Ein beispielhafter Innendruck der Vakuumkammer
VC kann ungefähr
10-7 Torr betragen. Der Elektronenstrahl
EB kann von dem Innenraum der Vakuumkammer VC nach außen über einen Elektronenpermeablen
Teil des Fensters laufen.
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Die 4A-4C veranschaulichen
Graphen unterschiedlichen Stroms, der an den Feldemitter FE (in 3 gezeigt) über eine
Zeitperiode angelegt werden kann, um einen gepulsten Röntgenstrahl XB
(gezeigt in 3) zu erzeugen. 4A zeigt
die Anlegung eines Strompulses von ungefähr 1 Milliampere (mA), der
eine Breite von ungefähr
0,5 Mikrosekunden (μs)
bei einer konstanten Repetitionsrate von ungefähr 20 Kilohertz (kHz) aufweist. 4B zeigt die
Anlegung eines Strompulses von ungefähr 1 Milliampere (mA), der
eine Breite von ungefähr
8 Mikrosekunden (μs)
bei einer konstanten Repetitionsrate von ungefähr 20 Kilohertz (kHz) aufweist. 4C zeigt
die Anlegung eines Strompulses von ungefähr 1 Milliampere (mA), der
eine Breite von ungefähr
45 Mikrosekunden (μs)
bei einer kon stanten Repetitionsrate von ungefähr 20 Kilohertz (kHz) aufweist.
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Die 5A-5C veranschaulichen
Graphen von Röntgenstrahl-Intensitäten von
Röntgenstrahlen
unterschiedlicher Pulsfrequenzen, die von einer Röntgenstrahlquelle,
wie etwa der in 1 gezeigten Röntgenstrahlquelle,
erzeugt werden. Die Röntgenstrahlen
weisen eine konstante Breite von ungefähr 150 μs auf. 5A zeigt
eine Röntgenstrahl-Intensität eines
gepulsten Röntgenstrahls,
der eine Frequenz von ungefähr
950 Hertz aufweist. 5B zeigt eine Röntgenstrahl-Intensität eines
gepulsten Röntgenstrahls,
der eine Frequenz von ungefähr
1900 Hertz aufweist. 5C zeigt eine Röntgenstrahl-Intensität eines
gepulsten Röntgenstrahls,
der eine Frequenz von ungefähr
3800 Hertz aufweist.
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Ein
Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
gemäß dem hierin
offenbarten Gegenstand kann mehrfach Projektionsbilder eines Objekts erzeugen.
Ein Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
kann eine Röntgenstrahlquelle
enthalten, die ausgelegt ist, eine Mehrzahl von Röntgenstrahlen
unterschiedlicher Frequenzen auf ein abzubildendes Objekt zu pulsen.
Die gepulsten Röntgenstrahlen
können
an unterschiedliche Seiten des Objekts angelegt werden. Die Röntgenstrahlung,
die von der Bestrahlung des Objekts herrührt, kann durch einen oder
mehrere Röntgenstrahldetektoren erfasst
werden. Wenn zwei oder mehrere Röntgenstrahlen
mit eindeutigen Frequenzen abstrahlen, ist die erfasste Zeitreihe
von Röntgenstrahldaten
eine Überlagerung
von Strahlungen von den Abstrahlstrahlen. Durch ein Verarbeiten
der zeitlichen Röntgenstrahldaten über einen
zeitlichen digitalen Signalprozess kann das Leistungsspektrum in
der Frequenzdomäne
für jedes
Pixel (oder das gesamte Bild des Objekts) in eindeutige Komponenten
von den mehrfachen Röntgenstrahlen
zerlegt werden. Jede Komponente kann einem eindeuti gen Röntgenstrahl, der
von einem spezifischen Pixel erzeugt wird, entsprechen. Folglich
können
Mehrfach-Projektionsbilder gleichzeitig unter Verwendung eines einzelnen Röntgenstrahldetektors
erhalten werden. Ein Vorteil eines Anwendens mehrfacher Bilder auf
eine CT-Abbildung oder jedwede andere geeignete Bildgebungsmodalität, die Mehrfachprojektionsbilder
erfordert, ist die beträchtliche
Zunahme in einer Bilddaten-Aufnahmegeschwindigkeit.
Diese Bildgebungsmodalität
kann CT, Tomosynthese, Fluoroskopie, Angiographie und dynamische
Radiographie einschließen.
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Ähnliche
Bildgebungstechniken können
angewandt werden, wenn mehrfache Strahlen in dem Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystem unterschiedliche
Röntgenstrahl-Energiespektren aufweisen.
Unterschiedliche Röntgenstrahl-Energiespektren können unter
Verwendung unterschiedlicher Anoden-KVp oder unterschiedlicher Anodenmaterialien
erreicht werden. Auf diese Weise kann das Bildgebungssystem ein
schnelles Abbilden beim Dualenergie-Abbilden und Mehrfachenergie-Abbilden ermöglichen.
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6 ist
ein Blockdiagramm eines Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems
zum gleichzeitigen Aufnehmen von Mehrfachansicht-Projektionsbildern
gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 6 kann
ein Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystem,
allgemein bezeichnet mit 600, eine Röntgenstrahlquelle XS enthalten,
die ausgelegt ist, um eine Mehrzahl von gepulsten Röntgenstrahlen
XB1-XB3 zu erzeugen und die gepulsten Röntgenstrahlen auf ein abzubildendes
Projekt O anzuwenden. Die gepulsten Röntgenstrahlen können auf
das Objekt O aus mehreren unterschiedlichen Winkeln oder von Mehrfachprojektionswinkeln
angewandt werden. Jeder Röntgenstrahl
XB1-XB3 kann bei einer unterschiedlichen zeitlichen Frequenz gepulst
werden. Bei spielsweise können
die Röntgenstrahlen
XB1-XB3 jeweils bei vorbestimmten Frequenzen ω1, ω2, und ω3 gepulst werden.
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Die
Röntgenstrahlquelle
XS kann jedwede geeignete Vorrichtung sein, die ausgelegt ist, um mehrfache
Röntgenstrahlen
zu erzeugen, die unterschiedliche zeitliche Frequenzen aufweisen.
Eine beispielhafte Röntgenstrahlquelle
kann eine Mehrfachpixel-Feldemissions-Röntgenstrahlquelle sein. Beispielhafte
Feldemissions-Röntgenstrahlquellen sind
in den
US-Patenten Nr. 6,533,096 und
6,850,595 beschrieben, wobei
die Offenbarungen davon hierin unter Bezugnahme eingeschlossen sind.
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Das
System 600 kann einen Röntgenstrahldetektor
DET enthalten, der ausgelegt ist, Röntgenstrahlung XR zu erfassen,
welches die Teile der Röntgenstrahlen
XB1-XB3, die durch das Objekt O laufen, und Rauschen sein können. Der
Detektor DET kann ein ultraschneller Röntgenstrahldetektor mit einer
hohen Rahmenrate sein, der ausgelegt ist, eine Röntgenstrahlung, die bei Frequenzen ω1, ω2 und ω3 gepulst
ist, zu erfassen und zu speichern. Ferner kann der Röntgenstrahldetektor
DET zeitliche Röntgenstrahldaten
auf der Grundlage der Röntgenstrahlung XR
erzeugen. Die zeitlichen Röntgenstrahldaten
können
durch ein Aufzeichnen der Röntgenstrahl-Intensität der Röntgenstrahlung
als eine Funktion der Zeit mit einem Abtastintervall geringer als
die Pulsbreite des Röntgenstrahls
XB für
eine gewünschte
Haltezeit erzeugt werden. Die zeitlichen Röntgenstrahldaten können als
ein elektrisches Signal dargestellt und gespeichert werden.
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Ferner
kann das System 600 einen zeitlichen Datenanalysator AN
enthalten, der ausgelegt ist, einen zeitlichen Signalprozess auf
die zeitlichen Röntgenstrahldaten
anzuwenden, um Röntgenstrahldaten
aufzulösen,
die die gleichen Frequenzen wie die vorbestimmten Frequenzen der
Röntgenstrahlen XB1-XB3
aufwei sen. Der Analysator AN kann auch zumindest einen Teil der
zeitlichen Röntgenstrahldaten
entfernen, die unterschiedliche Frequenzen als die vorbestimmten
Frequenzen aufweisen. Insbesondere kann, nachdem eine vorbestimmte
Anzahl von Röntgenstrahlpulsen
durch den Röntgenstrahldetektor
DET erzeugt sind, eine Zeitreihe der erfassten Daten durch eine
zeitliche Fourier-Transformationsfunktion FTF verarbeitet werden,
um ein Leistungsspektrum in der Frequenzdomäne zu erzeugen. Die Frequenzbandbreitenfilter
FBF können
die Komponenten, die den Pulsfrequenzen der Röntgenstrahlen XB1-XB3 nicht
entsprechen, filtern und verwerfen. Der Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die unterschiedliche Frequenzen als die vorbestimmten Frequenzen
der Röntgenstrahlen
XB1-XB3 aufweisen, können
Rauschen in der erfassten Röntgenstrahlung XR
entsprechen. Der Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten, die Frequenzen
aufweisen, die die gleichen wie die vorbestimmten Frequenzen ω1, ω2 und ω3 sind,
können
zum Abbilden des Objekts O verwendet werden. Durch ein Entfernen
des Teils der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die unterschiedliche Frequenzen als die vorbestimmten Frequenzen
aufweisen, wird das Signal-zu-Rausch-Verhältnis
der Röntgenstrahldaten
zum Verbessern von Bildern des Objekts O, die unter Verwendung der
zeitlichen Röntgenstrahldaten
erzeugt werden, erhöht.
Nach einer zeitlichen Fourier-Analyse werden die Röntgenstrahldaten
in eindeutige Frequenzkomponenten, die den Frequenzen ω1, ω2 und ω3 entsprechen,
zerlegt. Die Frequenzkomponenten können zum Erzeugen von Projektionsbildern
des Objekts O durch entsprechende Röntgenstrahlen verwendet werden.
Somit können
Mehrfachprojektionsbilder gleichzeitig in der gleichen Zeitperiode
wie bei einem einzelnen Projektionsabbilden erhalten werden. Ferner
können
die Frequenzkomponenten korreliert werden, um ein 3-D-Bild des Objekts
O zu erzeugen.
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Das
System 600 kann auch ein Steuermodul CTR enthalten, das
ausgelegt ist, Instruktionen zum Steuern der Röntgenstrahlquelle XS des Röntgenstrahldetektors
DET und des Analysators AN zum Abbilden des Objekts O auszuführen.
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Durch
ein Benutzen eines Mehrfachpixel-Röntgenstrahl-Bildgebungssystems, wie etwa des Systems 600,
können
Mehrfachprojektionsbilder eines Objekts aus Mehrfach-Röntgenstrahlquellen gleichzeitig
unter Verwendung eines einzigen Detektors erhalten werden. Ferner
können
diese Techniken die Bildgebungsgeschwindigkeit bei CT, Tomosynthese,
Fluorskopie, Angiographie und Mehrfachenergie-Radiographie verbessern.
Diese Techniken können
auch eine verbesserte Erfassungsgeschwindigkeit bei industriellen
Anwendungen, wie etwa NDT und XRF, bereitstellen.
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7 ist
ein Flussdiagramm, das einen beispielhaften Prozess zum gleichzeitigen
Aufnehmen von Mehrfachansicht-Projektionsbildern (wie etwa das System 600,
das in 6 gezeigt ist) gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstandes veranschaulicht. Unter Bezugnahme
auf 7 schließt
ein Block 700 ein Erzeugen einer Mehrzahl von gepulsten
Röntgenstrahlen
ein, die unterschiedliche vorbestimmte Frequenzen (ωk) aufweisen. In einem Block 702 können die
gepulsten Röntgenstrahlen
gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeiten auf ein abzubildendes
Objekt angewandt werden. Beispielsweise kann die Röntgenstrahlquelle XS
der 6 eine Mehrzahl von gepulsten Röntgenstrahlen
XB1-XB3 erzeugen, die unterschiedliche vorbestimmte Frequenzen aufweisen
und die gepulsten Röntgenstrahlen
auf das Objekt O anwenden. Die Röntgenstrahlen
können
auf das Objekt O unter unterschiedlichen Projektionswinkeln einstrahlen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform kann
eine zeitliche Kodierungstechnik zum Erzeugen von gepulsten Röntgenstrahlen
XB1-XB3 verwendet werden. Beispielsweise kann eine Röntgenstrahlquelle
aus Wavelet-kodierten Röntgenstrahlen
XB1, XB3 bestehen. Der Analysator AN kann eine zeitliche Wavelet-Dekodierung auf die
zeitlichen Röntgenstrahldaten
zum Extrahieren der Röntgenstrahlung aus
unterschiedlichen Wavelet-Komponenten
anwenden.
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In
einem Block 704 kann die Röntgenstrahlung erfasst werden.
Die Röntgenstrahlung
kann einen Teil der Röntgenstrahlen
XB1-XB3, die durch
das Objekt O laufen und/oder an dem Objekt O vorbeilaufen, einschließen. Ferner
kann die erfasste Röntgenstrahlung
Rauschen einschließen.
Beispielsweise kann der Röntgenstrahldetektor
DET, der in 6 gezeigt ist, eine Röntgenstrahlung
XR erfassen, die die Röntgenstrahlen
XB1-XB3, die durch das Objekt O oder an diesem vorbeilaufen, und
Rauschen einschließen.
Der Röntgenstrahldetektor
DET kann zeitliche Daten d(x,y,t) für jedes Pixel (x,y) ausgeben, welches
einen Strahl erzeugt. Die Pixel können durch Koordinaten x und
y identifiziert werden.
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In
einem Block 706 kann die erfasste Röntgenstrahlung als zeitliche
Röntgenstrahldaten
aufgezeichnet werden. Ein zeitlicher digitaler Signalprozess kann
auf die zeitlichen Röntgenstrahldaten
angewandt werden, um die Röntgenstrahlsignale
mit den vorbestimmten Pulsfrequenzen zu extrahieren (Block 708).
Beispielsweise können
die zeitlichen Daten d(x,y,t) über
eine zeitliche Fourier-Transformation verarbeitet werden, um ein
Spektrum in der Frequenzdomäne
d(x,y,ω)
zu erhalten. Die k-te Hauptkomponente entspricht dem Röntgenstrahl,
der von der Röntgenstrahlquelle
erzeugt wird, die bei einer Frequenz ωk arbeitet.
Die Anzahl von eindeutigen Frequenzen kann zwei, zehn, hundert oder
tausend sein. Als Nächstes
kann in einem Block 710 zumindest ein Teil der zeitlichen
Röntgenstrahldaten,
die unterschiedliche Frequenzen als die vorbestimmten Frequenzen
aufweisen, entfernt werden. In einem Block 712 können Bilder
des Objekts O erzeugt werden. Beispielsweise kann die k-te Hauptkomponente verwendet
werden, um das Projektionsbild aus dem k-ten Röntgenstrahl zu erzeugen. Durch
dieses beispielhafte Verfahren können
Projektionsbilder gleichzeitig während
einer Belichtungszeit während
eines einzelnen Projektionsbilds und unter Verwendung eines einzelnen
Detektors erhalten werden.
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8 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Mehrfachpixel-Feldemissions-Röntgenstrahlquelle,
allgemein bezeichnet mit 800, gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 8 kann
die Röntgenstrahlquelle 800 eine
Mehrzahl von Elektronenfeldemittern FE zum Emittieren von Elektronen enthalten.
Die Elektronenfeldemitter FE können
eine oder mehrere Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder andere
geeignete Elektronenfeld-Emissionsmaterialien
umfassen. Ferner können
die Elektronenfeldemitter FE an einer Fläche jeweiliger Kathoden C,
leitfähig
oder in einer Kontaktleitung, oder durch ein anderes geeignetes
leitfähiges
Material angebracht werden. Elektronenfeldemitter können Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein.
Die Pixel können
mit einer Mitten-zu-Mitten-Beabstandung von ungefähr 1,27 cm
gleichmäßig beabstandet
sein. Die Elektronenfeldemitter FE können ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenfilm
vom 1,5 mm im Durchmesser sein, der auf eine Metallplatte beschichtet
ist. Jedes Pixel kann ausgelegt sein, einen Strom von 1 mA zu emittieren.
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Die
Elektronenfeldemitter FE können
durch einen Controller (wie etwa ein Steuermodul CTR, das in 6 gezeigt
ist) gesteuert werden, um Elektronen zum Erzeugen jeweiliger Elektro nenstrahlen
EB zu emittieren. In einer Ausführungsform
kann ein Controller Spannungsquellen VS1 steuern, um Spannungen
zwischen den Elektronenfeldemittern FE und Gate-Elektroden GE anzulegen,
um jeweilige elektrische Felder zum Extrahieren von Elektronen aus
den Elektronenfeldemittern FE zu erzeugen. Die angelegten Spannungen
können
bei unterschiedlichen Frequenzen gepulst sein, um gepulste Elektronenstrahlen
EB unterschiedlicher Frequenzen zu erzeugen. Insbesondere kann der
Controller einzeln eine Mehrzahl von Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs)
T zum einzelnen Steuern der Feldemitter FE betreiben, um Elektronen
zu emittieren. Der Controller kann die Spannung, die an die Feldemitter
FE angelegt wird, einzeln steuern, um Transistoren einzeln ein-
und auszuschalten. Die Drains der Transistoren T können mit
einer entsprechenden einer Mehrzahl von Kathoden C verbunden sein.
Jede Kathode C kann mit einem jeweiligen Feldemitter FE über einen
Widerstand, wie etwa einen 100-Kiloohm-Schutzwiderstand R, verbunden
sein. Die Transistoren T können
durch die einzelne Anlegung eines Hochsignals (z.B. 5 V) bzw. eines
Niedrigsignals (z.B. 0 V) an die Gates der Transistoren T ein- und
ausgeschaltet werden. Wenn ein Hochsignal an das Gate eines Transistors
angelegt wird, wird ein Drain-zu-Source-Kanal des Transistors eingeschaltet,
um eine Spannungsdifferenz zwischen einer jeweiligen Kathode C und
der Gate-Elektrode GE anzulegen. Eine Spannungsdifferenz, die eine
Schwelle überschreitet,
kann ein elektrisches Feld zwischen der Kathode C und der Gate-Elektrode
GE erzeugen, derart, dass Elektronen aus jeweiligen Elektronenfeldemittern
FE extrahiert werden. Umgekehrt wird, wenn eine niedrige Spannung
(z.B. 0 V) an das Gate eines Transistors angelegt wird, ein entsprechender Drain-zu-Source-Kanal ausgeschaltet,
derart, dass die Spannung an dem Elektronenfeldemitter FE elektrisch
floatet und die Spannungsdifferenz zwischen einer jeweiligen Kathode
C und der Gate-Elektrode GE
ein elektrisches Feld einer ausreichende Stärke nicht erzeugen kann, um
Elektronen aus dem jeweiligen Elektronenfeldemitter zu extrahieren.
Der Controller ist ausgelegt, Spannungspulse unterschiedlicher Frequenzen
an die Gates der Transistoren T einzeln anzulegen. Somit kann der
Controller die Frequenzen der Elektronenstrahlpulse aus den Feldemittern
FE einzeln steuern.
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Ferner
kann die Röntgenstrahlquelle 800 eine
Anode A enthalten. Eine Spannungsdifferenz kann zwischen die Anode
A und die Gate-Elektrode GE angelegt werden, derart, dass jeweilige
Felder zum Beschleunigen von Elektronen, die durch die jeweiligen
Elektronenfeldemitter FE emittiert werden, zu jeweiligen Zielstrukturen
TR hin erzeugt werden. Die Zielstrukturen TR können aus Molybdän ausgeführt sein.
Die Zielstrukturen TR können
Röntgenstrahlen,
die eine gewünschte
Pulsfrequenz aufweisen, auf einen Beschuss durch die Elektronenstrahlen
EB erzeugen. Die Röntgenstrahlquelle 800 kann eine
Fokussierelektrode FEL zum Fokussieren von Elektronen, die aus den
Elektronenfeldemittern FE extrahiert sind, auf die Zielstruktur
T und somit zum Verringern der Größe des Elektronenstrahls EB
enthalten. Die Fokussierelektrode FEL kann durch die Anlegung einer
Spannung an die Fokussierelektrode FEL durch eine Spannungsquelle
VS2 gesteuert werden. In einer Ausführungsform kann die Anodenspannung
ungefähr
400 kV betragen. Die Gate-Spannung kann in Abhängigkeit von dem erforderlichen
Fluss variiert werden.
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Eine
Vakuumkammer VC kann einen abgedichteten Innenraum zum Aufnehmen
der Elektronenfeldemitter FE und der Gate-Elektrode GE enthalten.
Der Innenraum der Vakuumkammer VC kann evakuiert werden, um einen
gewünschten
Innendruck zu erreichen. Ein beispielhafter Innendruck der Vakuumkammer
VC kann ungefähr
10-7 Torr sein. Der Elektronenstrahl EB
kann sich von dem Innenraum der Vakuumkammer VC nach außen über ein Elektronenpermeables
Teil oder ein Fenster ausbreiten. In einem Beispiel kann der Elektronen-permeable
Teil oder das Fenster ein Beryllium-(Be-)Röntgenstrahlfenster mit 4'' Durchmesser sein.
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9 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Röntgenstrahleinheit 900 der
in 8 gezeigten Röntgenstrahlquelle 800 zum
Erzeugen eines einzelnen gepulsten Röntgenstrahls XB gemäß einer
Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Die Röntgenstrahleinheit 900 stellt
ein einzelnes Pixel der Röntgenstrahlquelle 800 dar.
Unter Bezugnahme auf 9 kann die Röntgenstrahleinheit 900 einen
Elektronenfeldemitter FE enthalten, der auf eine Kathode C abgeschieden
ist. In einem Beispiel kann der Elektronenfeldemitter FE ein Kohlenstoff-Nanoröhrchenfilm
mit 1,5 mm Durchmesser sein. Der Kohlenstoff-Nanoröhrchenfilm
kann auf eine Fläche
eines Metallsubstrats abgeschieden sein. Ferner kann der Kohlenstoff-Nanoröhrchenfilm auf
die Oberfläche
durch einen elektrophoretischen Prozess abgeschieden werden.
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Die
Röntgenstrahleinheit 900 kann
eine Gate-Elektrode GE zum Extrahieren von Elektroden auf die Anlegung
einer Spannung durch Spannungsquelle VS1 hin enthalten. In einem
Beispiel kann die Gate-Elektrode GE ein Wolfram-Gitter sein. Die Gate-Elektrode GE kann
von der Kathode C durch einen dielektrischen Abstandshalter DS beabstandet sein.
In einem Beispiel kann der dielektrische Abstandshalter DS ungefähr 150 μm in der
Dicke betragen.
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In
einer Ausführungsform
kann der Röntgenstrahl
XB durch ein Anlegen einer konstanten Gleichspannung an die Anode
A und einer variablen Gleichspannung (weniger als ungefähr 1 kV)
an die Gate-Elektrode GE erzeugt werden. Ein n-Kanal-MOSFET T kann
ausgelegt sein, zum Ein- und Ausschalten der Emission von Elektronen
aus dem Elektronenfeldemitter FE. Ein Pixel kann durch Anlegen eines
5-V-Signals aktiviert werden, um den Kanal des MOSFET T zu öffnen, derart,
dass der Elektronenfeldemitter FE eine vollständige elektrische Schaltung
mit der Gate-Elektrode
GE bildet. Der Elektronenfeldemitter FE kann elektrisch an ein Drain des
MOSFET T angeschlossen sein. Die Source des MOSFET T kann geerdet
sein. Das Gate des MOSFET T kann mit dem Ausgang einer digitalen
I/O-Platine verbunden sein, die ausgelegt ist, ein 5-V-Gleichspannungssignal
bereitzustellen.
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Elektronen
können
aus dem Feldemitter FE emittiert werden, wenn die Spannung, die
von der Spannungsquelle VS1 angelegt ist, größer als das kritische Feld
für eine
Emission ist. Die emittierten Elektronen können durch die Anlegung einer
Spannung über
der Anode A und der Gate-Elektrode GE durch die Spannungsquelle
VS2 beschleunigt werden. Die Elektronen bilden einen Elektronenstrahl EB,
der eine Fläche
der Anode A beschießt,
um eine Röntgenstrahl
XB zu erzeugen. Eine Spannung kann an eine Fokussierelektrode FEL
zum Fokussieren des Elektronenstrahls ES an einen Zielfokuspunkt der
Anode A angelegt werden.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 8 kann ein Abtast-Röntgenstrahl
aus unterschiedlichen Ausgangspunkten auf einem Ziel der Anode A
erzeugt werden, indem ein gepulstes Steuersignal, das eine vorbestimmte
Pulsbreite aufweist, über
jeden MOSFET in der Röntgenstrahlquelle 800 geschwenkt
wird. Bei jedem MOSFET, auf den das Signal geschwenkt wird, kann
ein Kanal des MOSFET geöffnet
werden, um einen Röntgenstrahl
von dem entsprechenden Fokuspunkt auf dem Anodenziel zu erzeugen.
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Ein
Untersatz von Pixeln kann aktiviert werden, derart, dass der Untersatz
der Pixel Elektronen mit den gleichen Pulsfrequenzen emittiert,
welche Röntgenstrahlen
aus unterschiedlichen Fokuspunkten mit den gleichen Frequenzen erzeugen.
Alternativ kann ein Pixeluntersatz aktiviert werden, derart, dass der
Untersatz der Pixel Elektronen mit unterschiedlichen Pulsfrequenzen
emittiert, die Röntgenstrahlen
von unterschiedlichen Fokuspunkten mit unterschiedlichen Frequenzen
erzeugen. In einer Ausführungsform
kann ein Untersatz von Pixeln unter Verwendung getrennter Gate-Elektroden
für den
Untersatz der Pixel aktiviert werden. Extraktionsspannungen können an
die entsprechenden Pixel mit vorbestimmten Pulsfrequenzen angelegt
werden, um feldemittierte Elektronen mit den erwünschten Pulsfrequenzen und
Amplituden zu erzeugen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann ein Untersatz von Pixeln unter Verwendung eines gemeinsamen
Gates für
sämtliche
der Elektronen-emittierenden Pixel aktiviert werden. Der Elektronenstrahl kann
durch ein Pulsen der Aktivierungsspannung, die an die MOSFET-Schaltung
angelegt wird, gepulst werden. Beispielsweise kann, um einen gepulsten Röntgenstrahl
mit einer vorbestimmten Frequenz zu erzeugen, eine gepulste Spannung
mit der vorbestimmten Frequenz angelegt werden, um den entsprechenden
MOSFET zu öffnen.
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Die 10A und 10B veranschaulichen Graphen
von experimentell gemessenem Kathodenstrom bzw. Spannung aus fünf Pixeln,
die in 8 gezeigt sind. Der Strom und die Spannung wurden über einer
Periode von 30 Minuten bei einem konstanten Strommodus unter Verwendung
eines 100-Taktverhältnisses
gemessen. Der eingestellte Kathodenstrom betrug 100 μA. Die Anodenspannung wurde
auf 400 kV eingestellt.
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11 veranschaulicht
ein Bild von Lochblendenmessungen der Röntgenstrahl-Erzeugungspunkte
für fünf Pixel,
die in 8 gezeigt sind. Die Lochblendenmessungen zeigen
fünf gleichmäßig beabstandete
Fokuspunkte auf einem Ziel. 12 veranschaulicht
einen Graphen von Größen der
Fokuspunkte, die in 11 gezeigt sind. Die Größen der Fokuspunkte
reichen zwischen un gefähr
200 μm und 300 μm im Durchmesser
bei einer Fokussierspannung von ungefähr 900 V.
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Die 13A-13C veranschaulichen Graphen
von zeitlichen Röntgenstrahlsignalen
und ein entsprechendes Fourier-Leistungsspektrum. Die zeitlichen
Röntgenstrahlsignale
stellen eine Röntgenstrahlung
dar, die von einem Si-PIN-Photodioden-Röntgenstrahldetektor
erfasst ist. Die Graphen links auf den 13A-13C stellen das zeitliche Röntgenstrahlsignal dar. Die
Graphen rechts auf den 13A-13C stellen das Fourier-Leistungsspektrum des entsprechenden
zeitlichen Röntgenstrahlsignals
dar. Das Fourier-Leistungsspektrum kann durch ein Anwenden eines
zeitlichen digitalen Signalprozesses auf das entsprechende zeitlichen Röntgenstrahlsignal
erzeugt werden. Die Röntgenstrahlung
kann ein gepulster Röntgenstrahl
sein, der von einer Röntgenstrahlquelle
erzeugt wird. Unter Bezugnahme auf 13A wurde
eine Röntgenstrahlquelle
bei 400 Hz gepulst. Unter Bezugnahme auf 13B wurde
eine Röntgenstrahlquelle
bei 500 Hz gepulst. Unter Bezugnahme auf 13C wurden Röntgenstrahlquellen
bei 400 Hz und 500 Hz gepulst. Die Leistungsspektrumgraphen zeigen,
dass die Amplitude einer Röntgenstrahlquelle
einer vorbestimmten Frequenz so zugeordnet werden kann, dass sie von
der entsprechenden Quelle herrührt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
können
monochromatische Röntgenstrahlen
zum Erhalten eines Bilds eines abzubildenden Objekts erzeugt und
gepulst werden. 14 veranschaulicht ein perspektivisches
schematisches Blockdiagramm eines quasi-monochromatischen Mikro-CT-Scanners,
allgemein bezeichnet mit 1400 gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 14 kann
der Scanner 1400 eine Kathode C enthalten, die eine Mehrzahl
von Elektronenfeldemittern zum Emittieren einer Mehrzahl von Elektronenstrahlen
EB unterschiedlicher Frequenzen enthält. Die Elektronenstrah len
EB können
auf ein Anodenziel AT zum Erzeugen einer Röntgenstrahlung XR unterschiedlicher
Pulsfrequenzen gerichtet werden. Die Kathode C und das Anodenziel AT
können
in einer druckdichten Vakuumkammer aufgenommen sein. Die Röntgenstrahlung
XR kann aus der Vakuumkammer durch ein Elektronenpermeables Fenster,
das aus Be ausgeführt
ist, strahlen.
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Die
Röntgenstrahlung
XR kann auf einen Kollimator CR zur Kollimation gerichtet werden.
Die kollimierte Röntgenstrahlung
XR kann von einem Monochromator M zum Erzeugen monochromatischer
Röntgenstrahlung
MXR aufgefangen werden. Ein Röntgenstrahldetektor
DET kann zum Auffangen der monochromatischen Röntgenstrahlung MXR positioniert
werden. Ein abzubildendes Objekt kann zwischen den Monochromator
und den Röntgenstrahldetektor
DET zum Abbilden positioniert werden. Der Röntgenstrahldetektor DET kann
die Röntgenstrahlung
erfassen und zeitliche Röntgenstrahldaten
auf der Grundlage der Röntgenstrahlung
erzeugen. Ein zeitlicher Datenanalysator kann einen zeitlichen digitalen
Signalprozess auf die zeitlichen Röntgenstrahldaten anwenden,
um zumindest einen Teil der zeitlichen Röntgenstrahldaten, die unterschiedliche
Frequenzen als die Pulsfrequenzen der Elektronenstrahlen EB aufweisen,
zu entfernen. Die resultierenden zeitlichen Röntgenstrahldaten können zum
Erzeugen eines Bilds des Objekts verwendet werden. Gemäß einer
Ausführungsform
kann die Röntgenstrahlung
XR eine Mehrzahl unterschiedlicher Röntgenstrahlen unterschiedlicher
Pulsfrequenzen enthalten, die auf unterschiedliche Stellen des abzubildenden
Objekts gerichtet werden.
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Wie
oben stehend offenbart, kann ein abzubildendes Objekt zum Aufnehmen
einer Röntgenstrahlung
unterschiedlicher Pulsfrequenzen aus mehreren Richtungen positioniert
werden. Ein 3-D-Bild
des Objekts kann durch ein Erfassen der Röntgenstrahlung von dem Objekt
erzeugt werden, während
das Objekt die Röntgen strahlung
unterschiedlicher Pulsfrequenzen aufnimmt. 15 veranschaulicht
ein schematisches Diagramm einer Anordnung eines Röntgenstrahldetektors
DET und einer Röntgenstrahlquelle
XS für
eine gleichzeitige Aufnahme von Mehrfachprojektionsbildern von von 3-D-Objekten
O. Unter Bezugnahme auf 15 können fünf Röntgenstrahlen
XB1-XB5 von Elektronenfeldemittern FE1-FE5 jeweils erzeugt werden.
Die Röntgenstrahlen
XB1-XB5 können
auf unterschiedliche Seiten des Objekts O gerichtet werden. Die
Röntgenstrahlquelle
XS und das Objekt O können
um ungefähr
15 cm beabstandet sein. Das Objekt O kann einen Metallstab MR und
eine Messerklinge KB enthalten.
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Die
Röntgenstrahlung,
die durch das und um das Objekt O herumläuft, kann von dem Röntgenstrahldetektor
DET erfasst werden. Der Röntgenstrahldetektor
DET kann zeitlich Röntgenstrahldaten auf
der Grundlage der erfassten Röntgenstrahlung erzeugen.
Die resultierenden zeitlichen Röntgenstrahldaten
können
zum Erzeugen eines Bilds des Objekts O gemäß des hierin beschriebenen
Gegenstands verwendet werden. Unter Bezugnahme auf 15 enthält das beispielhafte
Objekt O einen Metallstab, der vor einer Metallmesserklinge positioniert ist.
Gemäß einer
Ausführungsform
kann ein Tomosynthesebild des Objekts O erhalten werden, das eine
Scheibe des Objekts O zeigt, die die Messerklinge KB enthält und den
Metallstab MR nicht. Gemäß einer
Ausführungsform
kann der Röntgenstrahldetektor
DET ein digitaler 2-D-Röntgenstrahl-Bildsensor
sein, der ein 1056×1056-Pixelfeld mit einer 50×50-μm-Pixelgröße aufweist.
Der Röntgenstrahldetektor
DET kann bei 16 Rahmen pro Sekunde (fps, Frames per Second) mit
einer 4×4-Klasseneinteilung betrieben
werden. Die Bildgebungsbedingungen können 40 kVp, 25 μA Kathodenstrom
und 5 Sekunden Belichtungszeit sein.
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Die 16A-16F sind schematische Bilder
des in 15 gezeigten Objekts O, erzeugt
mit dem Röntgenstrahldetektor
DET und der Röntgenstrahlquelle
XS, die in 15 gezeigt sind, gemäß dem hierin
beschriebenen Gegenstand. Die 16A-16E sind schematische Bilder des Objekts O, erzeugt
auf der Grundlage der Röntgenstrahlung
von jeweils den Röntgenstrahlen
XB1-XB2. 16F ist ein Tomosynthesebild des Objekts O, das eine
Scheibe des Objekts O zeigt, die die Messerklinge KB enthält und nicht
den Metallstab MR.
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17 ist
ein schematisches Diagramm eines beispielhaften stationären CT-Bildgebungssystems,
allgemein bezeichnet mit 1400, gemäß einer Ausführungsform
des hierin beschriebenen Gegenstands. Unter Bezugnahme auf 17 kann
das System 1700 eine Mehrfachpixel-Röntgenstrahlquelle XS in einer
Ringkonfiguration zum Richten einer Mehrzahl von Röntgenstrahlen
auf ein abzubildendes Objekt O enthalten. Das System 1700 kann
auch einen Röntgenstrahldetektor
DET enthalten, der eine Mehrzahl von 2-D-Tafeln zum Aufnehmen von
Röntgenstrahlung
aufweist. In diesem Beispiel enthält der Röntgenstrahldetektor DET sechs
2-D-Tafeln. Ein Röntgenstrahl
XB, der von der Röntgenstrahlquelle XS
angelegt wird, kann von einer oder mehreren Tafeln des Röntgenstrahldetektors
DET erfasst werden. Die Röntgenstrahlen
können
an das Objekt O gleichzeitig angelegt werden.
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Die
Mehrzahl der Röntgenstrahlen
kann bei unterschiedlichen Frequenzen gepulst und auf das Objekt
O unter unterschiedlichen Winkeln aufgetragen werden. Der Röntgenstrahldetektor
DET kann die resultierende Röntgenstrahlung
erfassen und die Röntgenstrahlung
als zeitliche Röntgenstrahldaten aufzeichnen.
Eine zeitliche Fourier-Transformation kann auf die zeitlichen Daten
zum gleichzeitigen Erhalten von mehrfachen Projektionsbildern angewandt
werden. Die resultierenden Bilder können verwendet werden, um 3-D-CT-Bilder
des Objekts O zu erhalten.
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Die 18A und 18B sind
schematische Diagramme von beispielhaften Mammographie-Tomosynthese-Bildgebungssystemen,
allgemein bezeichnet mit 1500, gemäß Ausführungsformen des hierin beschriebenen
Gegenstands. Unter Bezugnahme auf die 18A und 18B kann ein System 1800 eine Mehrfachpixel-Röntgenstrahlquelle XS zum Erzeugen
und Berichten einer Mehrzahl von Röntgenstrahlen XB auf eine abzubildende
Brust B enthalten. Das System 1800 kann auch einen Röntgenstrahldetektor
DET, wie etwa einen einzelnen oder Mehrfachlinien-Photonenzähldetektor
enthalten. Die Röntgenstrahlen
können
gleichzeitig an die Brust B angelegt werden. Unter Bezugnahme auf 18A ist die Mehrfachpixel-Röntgenstrahlquelle XS in einer
Ausführungsform
auf eine derartige Weise angeordnet, dass unterschiedliche Pixel
entlang einer Richtung senkrecht zu einer Achse verteilt sind, die
von dem Brustkorb zu der Brustwarze einer Person verläuft. Unter
Bezugnahme auf 18B ist in einer weiteren Ausführungsform
eine Mehrfachpixel-Röntgenstrahlquelle
XS auf eine derartige Weise angeordnet, dass unterschiedliche Pixel
entlang der gleichen Richtung wie eine Achse verteilt sind, die
von dem Brustkorb zu der Brustwarze einer Person verläuft.
-
Die
Röntgenstrahlen
XB können
bei unterschiedlichen Frequenzen gepulst und an die Brust B unter
unterschiedlichen Winkeln angelegt werden. Ferner können die
Röntgenstrahlen
XB durch einen Kollimator CL kollimiert werden. Der Röntgenstrahldetektor
DET kann die resultierende Röntgenstrahlung
erfassen und kann die Röntgenstrahlung
als zeitliche Röntgenstrahldaten
aufzeichnen. In Übereinstimmung
mit dem hierin beschriebenen Gegenstand kann eine zeitliche Fourier-Transformation
auf die zeitlichen Daten angewandt werden, um zumindest einen Teil
der zeitlichen Röntgenstrahldaten,
die unterschiedliche Frequenzen als die Pulsfrequenzen der Röntgenstrahlen
aufweisen, zu entfernen. Die resultierenden Daten können verwendet
werden, um ein Bild der Brust B zu erhalten. Durch ein gleichzeitiges
Anwenden von Röntgenstrahlen
können
sämtliche
Projektionsbilder einer Brust in einem einzigen Scan erhalten werden.
Ein hochqualitatives Tomosynthesebild einer Brust kann in der gleichen Scan-Spanne,
wie sie für
ein einzelnes Mammogram-Bild erforderlich ist, erhalten werden.
-
Es
ist zu verstehen, dass verschiedene Details des hierin beschriebenen
Gegenstandes geändert
werden können,
ohne von dem Umfang des hierin beschriebenen Gegenstandes abzuweichen. Überdies
dient die voranstehende Beschreibung nur dem Zweck einer Veranschaulichung
und nicht dem Zweck einer Beschränkung,
da der hierin beschriebene Gegenstand durch die nachstehend offenbarten
Ansprüche
definiert ist.
-
Zusammenfassung
-
Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme
und -verfahren unter Verwendung einer zeitlichen digitalen Signalverarbeitung
zum Verringern von Rauschen und zum gleichzeitigen Erhalten mehrfacher
Bilder
-
Röntgenstrahl-Bildgebungssysteme
und -verfahren sind bereitgestellt, die eine zeitliche digitale
Signalverarbeitung zum Verringern von Rauschen und zum gleichzeitigen
Erhalten von mehrfachen Bildern verwenden. Ein Röntgenstrahl-Bildgebungssystem
kann eine Röntgenstrahlquelle
enthalten, die ausgelegt ist, einen gepulsten Röntgenstrahl zu erzeugen, der
eine vorbestimmte Frequenz aufweist, und den gepulsten Röntgenstrahl
auf ein abzubildendes Objekt anwenden. Ein Röntgenstrahldetektor kann ausgelegt
sein, die Röntgenstrahlung
von dem Objekt zu erfassen und zeitliche Daten auf der Grundlage
der Röntgenstrahlung
zu erzeugen. Ein zeitlicher Datenanalysator kann ausgelegt sein,
einen zeitlichen Signalprozess auf die zeitlichen Daten anzuwenden,
um zumindest einen Teil der zeitlichen Daten zu entfernen, die eine
unterschiedliche Frequenz als die vorbestimmte Frequenz aufweisen.