一種斷層成像系統及其斷層掃描控制電路的製作方法

2023-05-31 16:29:46

本實用新型屬於X射線成像技術領域，尤其涉及一種斷層成像系統及其斷層掃描控制電路。

背景技術：

計算機斷層成像(Computed Tomography，CT)系統是指利用X射線束對人體某部位一定厚度的層面進行掃描，由探測器(即圖像傳感器)接收透過人體該層面的X射線，再經過光電信號轉換、模擬/數位訊號轉換後輸入計算機進行處理，以形成人體某部位對應的CT圖像的系統。在X射線斷層成像系統中，X射線源是斷層成像系統的核心部件之一，其在一定程度上決定著斷層成像系統的成像方式與成像性能。

現有的斷層成像系統中的X射線源採用熱陰極電子源，通過熱發射電子的方式產生電子束，這種X射線源工作溫度高、功耗大、不利於X射線源的小型化，難以實現單個X射線源內集成多個陰極，因此，為了實現多角度的X射線掃描，現有的斷層成像系統將單個X射線源和探測器安裝在旋轉機架上，並圍繞待掃描對象做機械式轉動，從而使得探測器可以獲取不同角度的二維投影圖像，並通過計算機重建出三維圖像信息。

然而，現有的斷層成像系統在進行多角度掃描時，由於X射線源一直處於開啟狀態，因此在不同角度之間的運動過程中，會產生無效輻射劑量，增加患者在掃描過程中的總輻射劑量；且由於成像系統對成像精度的要求很高，因此會增加旋轉機架的投資成本；同時，機械轉動時會產生運動偽影，降低圖像的空間解析度，不利於圖像重建。

綜上可知，現有的斷層成像系統存在掃描過程中會產生運動偽影和無效輻射劑量，且成本較高的問題。

技術實現要素：

本實用新型的目的在於提供一種斷層成像系統及其斷層掃描控制電路，旨在解決現有的斷層成像系統所存在的掃描過程中會產生運動偽影和無效輻射劑量，且成本較高的問題。

本實用新型是這樣實現的，一種斷層成像系統的斷層掃描控制電路，所述斷層掃描控制電路與所述斷層成像系統的探測器連接，所述斷層掃描控制電路包括驅動模塊、多個高壓控制模塊、冷陰極場致X射線源陣列及高壓直流電源；所述冷陰極場致X射線源陣列包括呈線陣排列的多個冷陰極場致X射線源，所述冷陰極場致X射線源的數量與所述高壓控制模塊的數量相等；

所述驅動模塊的信號接收端和信號發送端分別與所述探測器的信號發送端和信號接收端連接，所述驅動模塊的多個輸出端分別與所述多個高壓控制模塊的輸入端連接，所述多個高壓控制模塊的輸出端分別與所述多個冷陰極場致X射線源的場發射陰極連接，所述多個冷陰極場致X射線源的柵極共接於所述高壓直流電源的正極，所述高壓直流電源的負極接地；

在斷層掃描模式下，所述探測器發送準備信號至所述驅動模塊，並在接收到所述驅動模塊發送的第一反饋信號時發送曝光時序信號至所述驅動模塊；所述驅動模塊根據所述曝光時序信號輸出多路單脈衝信號；所述多個高壓控制模塊分別根據所述多路單脈衝信號對所述冷陰極場致X射線源陣列的發射時序進行控制，以使所述多個冷陰極場致X射線源在陽極高壓的作用下依次向目標對象發射X射線；所述探測器接收透過所述目標對象的X射線，並將接收到的衰減後的X射線轉化為二維投影數據後輸出至所述斷層成像系統的計算機。

本實用新型還提供了一種斷層成像系統，包括探測器和計算機，所述斷層成像系統包括上述的斷層掃描控制電路。

本實用新型通過在斷層成像系統中採用包括驅動模塊、多個高壓控制模塊、冷陰極場致X射線源陣列及高壓直流電源的斷層掃描控制電路，在斷層掃描模式下，由探測器發送準備信號至驅動模塊，並在接收到驅動模塊發送的第一反饋信號時發送曝光時序信號至驅動模塊；由驅動模塊根據曝光時序信號輸出多路單脈衝信號；由多個高壓控制模塊分別根據多路單脈衝信號對冷陰極場致X射線源陣列的發射時序進行控制，以使多個冷陰極場致X射線源在陽極高壓的作用下依次向目標對象發射X射線；由探測器接收透過所述目標對象的X射線，並將接收到的衰減後的X射線轉化為二維投影數據後輸出至斷層成像系統的計算機，由於採用電子式全靜態掃描方式，因此節約了高精度旋轉機架的成本，且成像過程中不會存在運動偽影，同時，由於採用脈衝曝光方式，從而避免了掃描過程中無效輻射劑量的產生。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路的模塊結構示意圖；

圖2是本實用新型另一實施例提供的斷層掃描控制電路的模塊結構示意圖；

圖3是本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路的電路結構示意圖。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

圖1示出了本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路的模塊結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型實施例相關的部分，詳述如下：

如圖1所示，斷層成像系統的斷層掃描控制電路與斷層成像系統的探測器10連接，掃描控制電路包括驅動模塊20、多個高壓控制模塊30、冷陰極場致X射線源陣列40及高壓直流電源DC。

其中，冷陰極場致X射線源陣列40包括呈線陣排列的多個冷陰極場致X射線源41，冷陰極場致X射線源41的數量與高壓控制模塊30的數量相等。

驅動模塊20的信號接收端和信號發送端連接分別與探測器10的信號發送端和信號接收端，驅動模塊20的多個輸出端分別與多個高壓控制模塊30的輸入端連接，多個高壓控制模塊20的輸出端分別與多個冷陰極場致X射線源41的場發射陰極連接，多個冷陰極場致X射線源41的柵極共接於高壓直流電源DC的正極，高壓直流電源DC的負極接地。

在斷層掃描模式下，探測器10發送準備信號至驅動模塊20，並在接收到驅動模塊20發送的第一反饋信號時發送曝光時序信號至驅動模塊20；驅動模塊20根據曝光時序信號輸出多路單脈衝信號；多個高壓控制模塊30分別根據多路單脈衝信號對冷陰極場致X射線源陣列40的曝光時序進行控制，以使多個冷陰極場致X射線源41在陽極高壓的作用下依次向目標對象發射X射線；探測器10接收透過目標對象的X射線，並將接收到的衰減後的X射線經過光電信號轉換、模擬/數位訊號轉換處理得到二維投影圖像，且將二維投影圖像輸出至斷層成像系統的計算機，計算機將接收到的二維投影圖像進行處理，形成目標對象(例如人體某部位)對應的CT(Computed Tomography，計算機斷層掃描)圖像。

在本實用新型實施例中，探測器10可以採用非晶硒數字平板探測器，具體根據實際需求進行設置，此處不做限制。

在實際應用中，可以預先對冷陰極場致X射線源陣列40與探測器10的X射線接收面(即探測器10的成像位置)進行調節，以使探測器10可以接收到冷陰極場致X射線源41發射的X射線，且多個冷陰極場致X射線源41呈線陣排列，多個冷陰極場致X射線源41可以呈水平線陣排列，也可以呈豎向線陣排列，或者還可以呈其他形式的線陣排列，具體根據實際情況進行設置，此處不做限制。多個冷陰極場致X射線源41相對於探測器10的方位各不相同。

在本實用新型實施例中，冷陰極場致X射線源41可以採用冷陰極碳納米X射線管。冷陰極場致X射線源41包括場發射陰極、柵極及陽極(圖中未示出)，若場發射陰極與柵極之間所加的電壓高於場發射陰極電子逸出所需的電壓，則場發射陰極發射電子束，同時，通過陽極高壓(由於陽極高壓的接法與現有技術一樣，因此，圖中未示出)對電子束進行加速，電子束轟擊陽極的靶面，即可產生X射線。為了使冷陰極場致發送電子源41能夠工作，高壓直流電源DC需要提供電壓高達數千伏特的直流電。

在本實用新型實施例中，高壓直流電源DC可以採用恆流源。同時，需將高壓直流電源DC的輸出電壓限制在2000V左右，以防止恆流模式時電壓過高而損壞器件。

在本實用新型實施例中，當探測器10工作在斷層掃描模式時，探測器10上電後會主動發送準備信號至驅動模塊20，驅動模塊20接收到準備信號後，發送第一反饋信號至探測器10，探測器10接收到第一反饋信號後，發送曝光時序信號至驅動模塊20，驅動模塊20對曝光時序信號進行處理，並產生一個連續脈衝信號反饋給探測器10，同時，驅動模塊20將連續脈衝信號分解為多路單脈衝信號，並分別通過其多個輸出端輸出；多個高壓控制模塊30分別根據多路單脈衝信號對冷陰極場致X射線源陣列40的曝光時序進行控制；具體的，當單脈衝信號的脈衝到來時，高壓控制模塊30內部連接至冷陰極場致X射線源41的場發射陰極的高壓迴路導通，此時，由於冷陰極場致X射線源41的場發射陰極和柵極之間的電壓高於場發射陰極電子逸出所需的電壓，因此，場發射陰極發射電子束，同時，陽極高壓對電子束進行加速，電子束轟擊陽極的靶面，產生X射線，探測器10將X射線穿過待掃描物體後的能量轉換為電信號，並將電信號經過模/數轉化後，輸出到計算機進行處理。

在本實用新型實施例中，每個冷陰極場致X射線源41的發射X射線的時間互不重疊，即每次曝光時間窗來臨時只有一路單脈衝信號有效，每個冷陰極場致X射線源發射X射線的時間各不相同。

在本實用新型實施例中，冷陰極場致X射線源41的數量可以根據實際需求進行設置，例如，冷陰極場致X射線源41的數量可以為25個，相應的，高壓控制模塊20的數量為25個，驅動模塊20產生的連續脈衝信號包括25個脈衝，且驅動模塊20輸出25路單脈衝信號，探測器10在斷層掃描模式下，一次性最多可以採集25幀圖像。

在本實用新型實施例中，探測器10除了工作在斷層掃描模式外，還可工作在單幀掃描模塊，而曝光時序信號由探測器10的掃描模式決定，曝光時序信號可以預先設置並存儲在探測器10中。

以上可以看出，本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路採用電子式全靜態掃描方式取代現有斷層成像系統中的機械式掃描，節約了高精度旋轉機架的成本；且本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路在成像過程中不存在現有技術中機械運動帶來的運動偽影問題，從而提高了圖像的空間解析度；同時，由於本實用新型實施例採用脈衝曝光的方式，每個冷陰極場致X射線源的曝光時間互不重疊，因此，在不同的冷陰極場致X射線源之間進行切換時不會產生無效輻射劑量，相應降低了掃描過程中患者接收到的總的輻射劑量。

圖2示出了本實用新型另一實施例提供的斷層掃描控制電路的模塊結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型實施例相關的部分，詳述如下：

如圖2所示，作為本實用新型一實施例，探測器10的第一信號發送端、第二信號發送端、第一信號接收端及第二信號接收端分別與驅動模塊20的第一信號接收端、第二信號接收端、第一信號發送端及第二信號發送端連接，驅動模塊20包括信號轉接單元21和控制單元22。

其中，信號轉接單元21的第一信號接收端、第二信號接收端、第一信號發送端及第二信號發送端分別為驅動模塊20的第一信號接收端、第二信號接收端、第一信號發送端及第二信號發送端，信號轉接單元21的第三信號發送端、第四信號發送端、第三信號接收端及第四信號接收端分別與控制單元22的第一信號接收端、第二信號接收端、第一信號發送端及第二信號發送端連接，控制單元22的多個輸出端分別為驅動模塊20的多個輸出端。

信號轉接單元21用於實現探測器10與控制單元22之間的信號傳輸。

控制單元22用於對探測器10輸出的曝光時序信號進行處理，並輸出連續脈衝信號反饋至探測器10，同時控制單元22將連續脈衝信號進行分解並輸出多路單脈衝信號分別至多個高壓控制模塊30。其中，連續脈衝信號的脈衝數與多路單脈衝信號的路數相等。

作為本實用新型一實施例，高壓控制模塊30包括高壓隔離單元31和高壓脈衝驅動單元32。

高壓隔離單元31的輸入端為高壓控制模塊30的輸入端，高壓隔離單元31的輸出端與高壓脈衝驅動單元32的輸入端連接，高壓脈衝驅動單元32的輸出端為高壓控制模塊30的輸出端。

高壓隔離單元31用於將驅動模塊20與所述高壓脈衝驅動單元32進行電氣隔離，即將低壓側與高壓側進行電氣隔離，以防止高壓迴路中上千伏高壓進入低壓迴路燒毀控制單元22。

高壓脈衝驅動單元32用於根據單脈衝信號對冷陰極場致X射線源41進行脈衝曝光控制。

圖3示出了本實用新型實施例提供的斷層掃描控制電路的電路結構，為了便於說明，僅示出了與本實用新型實施例相關的部分，詳述如下：

如圖3所示，作為本實用新型一實施例，信號轉接單元21包括第一電阻R1、第二電阻R2、第三電阻R3及第四電阻R4。

其中，第一電阻R1的第一端和第二端分別為信號轉接單元21的第一信號發送端和第三信號接收端，第二電阻R2的第一端和第二端分別為信號轉接單元21的第二信號發送端和第四信號接收端，第三電阻R3的第二端同時為信號轉接單元21的第一信號接收端和第三信號發送端，第四電阻R4的第二端同時為信號轉接單元21的第二信號接收端和第四信號發射端，第三電阻R3的第一端和第四電阻R4的第一端共接於第一電源VCC。

作為本實用新型一實施例，控制單元22為可編程邏輯控制器件U1，可編程邏輯控制器件U1的第一信號接收腳I1、第二信號接收腳I2、第一信號發送腳O1及第二信號發送腳O2分別為控制單元22的第一信號接收端、第二信號接收端、第一信號發送端及第二信號發送端，可編程邏輯控制器件U1的多個輸出腳(OUT1～OUTn)分別為控制單元22的多個輸出端。

在實際應用中，控制單元22還可以採用單片機、微控制器等實現，具體根據實際需求進行設置，此處不做限制。

在本實用新型實施例中，當探測器10工作在斷層掃描模式時，探測器10上電後會主動發送準備信號至可編程邏輯控制器件U1的第一信號接收腳I1，可編程邏輯控制器件U1接收到準備信號後，通過其第一信號發送腳O1發送第一反饋信號至探測器10，探測器10接收到第一反饋信號後，發送曝光時序信號至可編程邏輯控制器件U1的第二信號接收腳I2，可編程邏輯控制器件U1對曝光時序信號進行處理，並產生一個連續脈衝信號，將該連續脈衝信號通過其第二信號發送腳O2反饋給探測器10，同時，可編程邏輯控制器件U1將連續脈衝信號分解為多路單脈衝信號，並分別通過其多個輸出腳(OUT1～OUTn)輸出。

在本實用新型實施例中，第一電源的電壓為+3.3V，探測器10輸出的兩路信號(準備信號和曝光時序信號)採用與可編程邏輯控制器件U1的輸入輸出引腳相匹配的+3.3V電平進行上拉，並通過第三電阻R3和第四電阻R4進行鉗位和限流後分別輸入可編程邏輯控制器件U1的第一信號接收腳I1和第二信號接收腳I2，而可編程邏輯控制器件U1通過其第一信號發送腳O1和第二信號發送腳O2輸出的兩路信號(第一反饋信號和連續脈衝信號)分別經過第一電阻R1和第二電阻R2限流後輸入至探測器10的第一信號接收端和第二信號接收端。

作為本實用新型一實施例，高壓隔離單元31包括第五電阻R5、光電耦合器件U2及第六電阻R6。

第五電阻R5的第一端為高壓隔離單元31的輸入端，第五電阻R5的第二端與光電耦合器件U2的第二輸入端連接，光電耦合器件U2的第一輸入端和第一輸出端分別與第二電源VDD和第三電源VEE連接，光電耦合器件U2的第二輸出端與第六電阻R6的第一端共接作為高壓隔離單元32的輸出端，第六電阻R6的第二端接地。

在本實用新型實施例中，光電耦合器件U2用於對低壓側與高壓側進行電氣隔離，以防止高壓迴路中上千伏高壓進入低壓迴路燒毀可編程邏輯控制器件U1。

作為本實用新型一實施例，高壓脈衝驅動單元32包括第七電阻R7、開關器件Q1及第八電阻R8。

其中，第七電阻R7的第一端為高壓脈衝驅動單元32的輸入端，第七電阻R7的第二端與開關器件Q1的控制端連接，開關器件Q1的低電位端接地，開關器件Q1的高電位端與第八電阻R8的第一端連接，第八電阻R8的第二端為高壓脈衝驅動單元32的輸出端。

在本實用新型實施例中，開關器件Q1可以採用絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，絕緣柵雙極型電晶體的柵極為開關器件Q1的控制端，絕緣柵雙極型電晶體的源極為開關器件Q1的低電位端，絕緣柵雙極型電晶體的漏極為開關器件Q1的高電位端。當然，開關器件Q1還可以採用其他類型的開關器件，例如金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET，簡稱MOS管)等，具體根據實際需求進行設置，此處不做限制。

在本實用新型實施例中，使用絕緣柵雙極型電晶體作為開關器件，具有耐高壓、工作頻率較高、容量較大的特點，能夠獲得較快的開關速度和較強的載流能力。

在本實用新型實施例中，由於絕緣柵雙極型電晶體的導通電壓一般在5～15V之間，因此，光電耦合器件U2在實現隔離的同時，可以將可編程邏輯控制器件U1輸出的+3.3V電平信號(即單個脈衝信號)升至12V電平信號，以對絕緣柵雙極型電晶體進行驅動。

在本實用新型實施例中，第五電阻R5用於對光電耦合器U2的輸入電流進行限流，第六電阻R6用於對光電耦合器U2的輸出電壓進行鉗位。

在本實用新型實施例中，通過開關器件Q1來實現低壓脈衝驅動控制柵極高壓電源的輸出，即當開關器件Q1導通時，冷陰極場致X射線源41的場發射陰極經電阻R8接地，形成高壓迴路，此時，在高壓直流電源DC的作用下，冷陰極場致X射線源41的場發射陰極發射電子束，同時，通過陽極高壓對電子束進行加速，電子束轟擊陽極的靶面，產生X射線。

在本實用新型實施例中，通過在開關器件Q1的控制端接第七電阻R7來抑制高壓迴路浪湧電壓對低壓脈衝信號的影響，通過在開關器件Q1的高電位端接第八電阻R8來進行限流。其中，第八電阻R8為高壓電阻，具體可以為玻璃釉棒狀高壓電阻器。

本實用新型實施例還提供了一種斷層成像系統，包括探測器和計算機，斷層成像系統還包括上述的斷層掃描控制電路。

在實際應用中，斷層成像系統可以為數字乳腺斷層成像系統，可以為其他斷層成像系統，具體根據實際情況進行確定，此處不做限制。

本實用新型實施例通過在斷層成像系統中採用包括探測器、驅動模塊、多個高壓控制模塊、冷陰極場致X射線源陣列及高壓直流電源的斷層掃描控制電路，在斷層掃描模式下，由探測器發送準備信號至驅動模塊，並在接收到驅動模塊發送的第一反饋信號時發送曝光時序信號至驅動模塊；由驅動模塊根據曝光時序信號輸出多路單脈衝信號；由多個高壓控制模塊分別根據多路單脈衝信號對冷陰極場致X射線源陣列的發射時序進行控制，以使多個冷陰極場致X射線源在陽極高壓的作用下依次向目標對象發射X射線；由探測器接收透過所述目標對象的X射線，並將接收到的衰減後的X射線轉換為二維投影數據後輸出至斷層成像系統的計算機，由於採用電子式全靜態掃描方式，因此節約了高精度旋轉機架的成本，且成像過程中不會存在運動偽影，同時，由於採用脈衝曝光方式，從而避免了掃描過程中無效輻射劑量的產生。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。