用於低劑量掃描束數字x-光成像系統的x-光探測器的製作方法

2023-05-28 23:22:01 1

專利名稱：用於低劑量掃描束數字x-光成像系統的x-光探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及X-光診斷成像設備。更具體地說，本發明涉及一種實時掃描束X-光數字成像系統，該系統通過結合使用多孔準直光柵和分區X-光探測陣列而提高了解析度並減少了X光-射線的發射。
背景技術：
隨著治療技術的進步，醫學方法對於實時X-光成像的需要日益增長。例如，心臟病學的許多電子-生理診斷方法，毛細血管診斷方法，泌尿學診斷方法以及矯形外科手術方法都依賴實時X-光成像。
遺憾的是，目前臨床所使用的實時X-光設備對病人和在場的醫務人員都有高劑量的X-射線輻射。美國食品與藥物管理局(FDA)已經報告了有關造成病人嚴重的放射線病和過量的職業性輻射對於醫生的影響的有力證據。(放射與健康會刊，XXVI卷，8分冊，1992年8月)。
在現有技術中已經有許多種實時X-光成像系統。這些系統中包括採用螢光透視方法的系統，在這個系統中，用X-光照射一物體，物體中相對而言不透X-光的物質所產生的陰影就在相對於該物體與X-光源相反一側的螢光屏上顯示出來。據知至少早在50年代初掃描X-光管就已經與螢光探測技術結合使用。關於這一點可參見MOON的文章，「利用掃描X-光管放大與增強螢光圖象」，科學雜誌，1950年10月，第389-395頁。
掃描束X-光數字成像系統在現有技術中也是眾所周知的。在這些系統中採用了X-光管來產生X-光輻射。在X-光管中，產生一束電子束並將其聚焦到X-光管的相對而言較大的陽極(透射靶)上的一個小點上，從此點處引起X-光輻射。電子束被用電磁或者靜電方法偏轉從而在整個陽極上形成光柵掃描圖形。一個小的X-光探測器放置在距X-光管陽極一定距離處。該探測器將輻射到它的X-光轉換成與所探測到的X-光通量成正比的電信號。當將一個物體放置在X-光管與探測器之間時，X-光被物體衰減和散射，衰減和散射的程度正比於該物體上的X-光密度。當X-光管為掃描模式時，探測器的信號按正比於物體上的X-光密度加以調製。
現有技術中掃描束數字X-光系統的實例包括在授予Albert的以下美國專利中記載的那些系統US-3,949,229，US-4,032,787，US-4,057,745，US-4,144,457，US-4,149,076，US-4,196,351，US-4,259,582，US-4,259,583，US-4,288,697，US-4,321,473，US-4,323,779，US-4,465,540，US-4,519,092，US-4,730,350。
在現有技術的掃描束數字X-光系統的典型實施例中，探測器的輸出信號被輸入到視頻監視器的Z-軸(亮度)輸入端。該信號調節視屏的亮度。給視頻監視器的X和Y輸入信號都是從影響X-光管的X-光信號偏轉的同一個信號得出的。所以，視屏上一個點的亮度反比於從X-光源發射，經過物體，到達探測器的X-光的吸收程度。
醫學X-光系統是在與診斷方法所要求的解析度相適應的可能的最小X-射線劑量下工作的。所以，輻射劑量和解析度都由信噪比所限制。
本申請中所使用的技術術語「低劑量」指的是在設備供病人出入口處，系統工作時的X-光幅射量小於或者約等於2.0R/min(倫琴/分鐘)。
X-光光子的時間和空間分布為泊松(Poisson)分布，並且不可避免地具有相關的隨機性。這種隨機性可以表示為平均通量的標準偏差，並等於其均方根值。所以在這些條件下X-光圖象的信噪比等於平均通量除以平均通量的均方根值，即當平均通量為100光子，噪聲為+/-10光子時，信噪比等於10。
因此，由掃描X-光成像系統所產生的X-光圖象的空間解析度和信噪比在很大程度上依賴於探測器的靈敏區域的大小。如果增大探測器的孔徑面積，則可以探測到更多的散布射線，從而有效地提高靈敏度，並改善信噪比。但是，同時由於象素麵積(在被成像的物體平面測量的)變大，較大的探測器孔徑使得可達到的空間解析度降低。因為在醫療應用中大部分被攝像的物體(例如，人體內各種組織)都與X-光源有一定的距離，所以這是必然的。因而，在現有技術中，探測器的孔徑大小必須經過選擇以兼顧解析度和靈敏度，但不可能同時使解析度和靈敏度都達到最佳。
在醫學成像應用中，病人的攝入劑量、幀速率(物體每秒被掃描的次數和圖象更新的次數)、以及圖象的解析度都是關鍵參數。高的X-光通量可以容易地得到高的解析度和高的幀速率，但是也對病人和在場的醫務人員產生了不能接受的高的X-光輻射劑量。同樣，低的輻射劑量則須以圖象質量和更新速率的降低為代價。一個成功的醫學成像系統必須同時提供低劑量、高解析度和令人滿意的更新率，至少要每秒15幅圖象。所以，像如上所述的現有技術中掃描束數字X-光成像系統這樣的系統就無法適用於許多醫療診斷方法，因為在這些方法中需要的輻照時間較長，並且由於面對的是真實的病人，所以必須將病人攝入的X-光劑量保持在最小值。
所以本發明的一個目的是提供一種能夠用於對於病人的醫療診斷方法的掃描束數字X-光成像系統。
本發明的另一個目的是提供一種在足夠的幀速率下能夠生成高解析度圖象，並且最大限度地減少了對用X-光進行檢查的物體的輻照的掃描束數字X-光成像系統。
本發明的又一個目的是提供一種在保持降低了的X-光通量的同時，在距X-光源平面一定距離處具有提高的解析度的掃描束數字X-光成像系統。
通過參考附圖和以下對於本發明的描述，本發明的這些目的以及其他的目的和優點對於本領域的技術人員來說將變得十分清楚。本發明的公開本發明的掃描束數字X-光成像系統(＂SBDX＂)包括一個具有一個電子束源和一個陽極靶的X-光管。為了使電子束聚焦、定向並以預定圖形對陽極靶掃描，配置了電子結構。例如，預定的圖形可以是光柵掃描圖形，盤旋形或『S』形圖形，螺旋形圖形，隨機圖形，中心在陽極靶的一個預定點上的高斯分布圖形，或者其他適合於所作工作的圖形。
在X-光源與用X-光輻照的物體之間可以設置一個準直器件，最好是光柵。例如，準直器件可以由一個金屬盤構成，其直徑約25.4cm(10in)，並且在準直器件的中心有500×500行列的孔的陣列。準直器件最好是直接放置在X-光管的發射面前面。其他結構的準直器件也可以使用。在本發明的一個優選實施例中準直器件上的每一個孔都具有這樣的結構，即定向於(或指向)位於距準直器件選定距離處的一個平面上的探測點。這個距離是經過選擇的以使用X-光透視的物體可以放置在準直器件與探測點之間。準直器件的功能是形成細的X-光束，這些X-光束如象素一樣排成陣列，並且全都從X-光管陽極上的一個點指向探測器。
由一個陣列的探測器單元(可取的是一個平面陣列，諸如DETx×DETy矩形或方形，或者，更可取的是大概呈圓形的陣列)構成的一個分區探測器陣列對中於該探測點。探測器陣列最好是由一組緻密封裝的X-光探測器構成。根據本發明，這樣一個陣列可以以這樣的方式進行設計、設置和使用，即在不損失解析度的前提下得到高的靈敏度，從而使X-光系統在輻射劑量至少比現有技術中的X-光系統少一個數量級的情況下具有可與現有技術的X-光系統比擬或者較好的解析度。本發明的這一特性在醫學和其他領域具有重要的意義。在現在的診斷方法中對於病人和在場人員的輻射量將被減少。現在由於輻射危險而不可能使用的方法將有可能加以應用。
探測器陣列的輸出值是在各個點上的探測器陣列中的每一個單元在X-光束穿過光柵上的一個孔時的強度值。因為每一個孔相對於被檢查的物體和探測器陣列位於空間中一個不同的點上，所以對於有X-光通過的每一個孔，探測器陣列具有不同的輸出。探測器陣列輸出可以用許多方法轉換成圖象。一個方法是對陣列輸出進行一個簡單的褶積變換，即將對應於各個被掃描孔的陣列單元的強度值加合，然後歸一化。之後這個輸出陣列就可用於驅動一個視頻顯示器或者其他顯示器。更可取的是多圖象褶積變換和多輸出褶積變換方法，如在下文中描述的，它可提供增強的圖像輸出。
SBDX成像系統還能夠進行立體成像，其中的準直光柵要使用兩組孔。在這種情況下，一組孔構成指向設置有第一分區探測器的第一探測點，第二組孔被構成指向設置有第二分區探測器的第二探測點。通過由兩個分區探測器形成兩個圖象，並使用常規的立體顯示方法，可以構成一個立體圖象。
SBDX成像系統還能夠使那些當X-光光子能量不同時具有不同X-光透射性的物質的成像突出。所以，如乳腺癌的早期形態，即微鈣化可以被攝像。通過構造光柵和/或陽極使之能發射兩組或多組具有不同X-光能譜的X-光束，並使每一組都指向探測器陣列(也可以使用多個探測器陣列)，則被多種X-光光子能量照射的物體的透射性的差異就能夠被轉變成一個圖象，從而只突出表現了被檢查物體中具有不同的X-光透射率的那些物質。這樣的成像系統可優選用於探測鈣，例如它對於乳腺癌和其他組織疾病的早期檢查是一個有力的工具。
利用通過截獲全部準直X-光束的分區陣列和處理陣列輸出得到圖象提供了最大的靈敏度，但沒有犧牲在使用小表面積探測器時得到的解析度。與分區探測器陣列同樣大小的不分區探測器陣列可能會有同樣的靈敏度，但解析度卻較低。
此外，可以採用二次採樣技術處理來自陣列探測器的數據，這使得在保持實際上相同的圖象質量的情況下能夠減低系統的複雜性和所需的處理速度以及能耗。
本申請所描述的系統可以與在序號為08/008,455(CAM-003)，1993年1月25日提出申請的美國專利申請中所記載的「帶有對X-光敏感的光傳感器定位裝置的導管」結合使用。美國專利申請08/008,455在本申請中僅作為參考，它也為本申請的受讓人所擁有。
附圖的簡要描述

圖1表示低劑量掃描束數字X-光成像系統的基本組成部件。
圖2表示沒有準直光柵時SBDX系統中X-光的分布。
圖3是用於低劑量掃描束數字X-光成像系統的光柵和X-光管陽極的放大圖。
圖3A、3B和3C是用於本發明裝置中的準直光柵的局部剖圖。
圖4表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統的X-光管。
圖5表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統的X-光管結構的截面圖。
圖6表示立體掃描束數字X-光成像系統。
圖7A表示與一個簡單的不分區探測器配合使用的帶孔X-光源。
圖7B表示從與一個分區探測器陣列配合使用的帶孔X-光源的一個孔中發出的X-光。
圖7C表示從與一個簡單的不分區探測器配合使用的帶孔X-光源的多個孔中發出的X-光。
圖7D表示從與被檢查的物體以及分區探測器陣列配合使用的X-射線準直光柵的兩個孔中發出的X-光。
圖8表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統中的5×5探測器陣列的輻照表面。
圖9表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統中的5×5探測器陣列。
圖9A表示根據本發明的一個優選實施例的閃爍器單元。
圖10表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統的探測器單元。
圖11表示用於一個非平面探測器陣列的鉛筆型探測器單元構成的陣列。
圖12表示用於低劑量掃描束數字X-光成像系統中的3×3探測器陣列。
圖13表示採用了負反饋以控制X-光通量的低劑量掃描束數字X-光成像系統的基本部分。
圖14是光柵密封裝置的透視圖。
圖15表示在本發明的最佳實施例中所使用的96單元探測器陣列的外觀。
圖16表示準直光柵與探測器陣列的配合。
圖17表示探測器裝置結構的一個最佳實施例。
本發明的實施方式本技術領域的普通技術人員應當能理解以下對本發明的描述僅僅是說明性的，而不是限制性的。本發明的其他實施例可以由這些技術人員自己給出。系統總覽圖1表示了本發明的一個最佳實施例中的掃描束數字X-光成像系統。其中使用了一隻掃描X-光管10作為X-光源。如在現有技術中所知的那樣採用了一個大約-100kV到-120kV的電源給X-光管10供電。100kV的電源能產生高達100keV的X-光能譜。如本申請所使用的，100kV的X-光就指這個能譜。與現有技術一樣，X-光管10包括一個受掃描發生器30控制的偏轉線圈20。在X-光管10中產生的電子束40被以一種預定的圖形掃描X-光管10中的接地陽極50。例如，預定的圖形可以是光柵掃描圖形，盤旋形或『S』形圖形，螺旋形圖形，隨機圖形，中心在陽極靶的一個預定點上的高斯分布圖形，或者其他適合於所作工作的圖形。可取的是盤旋形或『S』形圖形，它可以免除光柵掃描圖形對於「回掃」(fly back)的需要。
當電子束40在點60處撞擊陽極50時，一簇X-射線70被發射出來，並從X-光管10飛出，射向用X-光檢查的物體80。為了使系統的性能達到最佳，必須產生一圓錐束形X-光光子，其發散的程度要恰好覆蓋探測器陣列110。這最好是通過在掃描X-光管的陽極與探測器之間設置一個準直光柵來實現。於是在物體80與X-光管10之間放置了準直光柵90。準直光柵90被設計成只允許射向探測器110的那些X-光100通過它。在系統工作時，準直光柵90相對於探測器陣列100不移動。因此，當電子束40在陽極50上掃描時，在任何給定的瞬間，只能有一束X-光從陽極發射到探測器陣列110。
圖2表示在沒有準直光柵時的X-光的分布。
探測器陣列110的輸出經過處理，可以在監視器120上作為監視器120上x，y方位的亮度值顯示出來，其與陽極50上的x，y方位相對應。這可以通過使用同樣的掃描發生器驅動電子束40的x，y方向上的移動以及視頻監視器120中電子束的定位來實現。或者採用圖象處理技術在一適合的顯示或照相介質上產生計算機生成圖象。
本申請所公開的本發明的系統是一個低劑量系統，在設備的病人接受診斷入口位置處測量得到，對病人的輻射劑量範圍在15幀/秒圖象更新速率、約0.15R/分到30幀/秒圖象更新率、約0.33R/分。在30幀/秒圖象更新率時，系統對整個人體的輻射劑量大約為0.50R/分。所以，使用本發明在設備入口處對於病人的輻射劑量範圍為0.15R/分到2.00R/分。X-光管圖3表示光柵和陽極結構的放大視圖。陽極50最好是用具有良好的真空特性並能夠耐高熱以及電子對鈹陽極基底130的轟擊的材料製成的靶層。鋁或者其他相對來說能夠透過X-光的材料也可以被用作陽極基底130。比較可取的靶層結構，依標號順序為(1)在陽極基底上濺鍍的大約1微米厚的第一層鈮，然後在第一層鈮之上再濺鍍大約5微米厚的第二層鉭(這種結構之所以可取，是因為鈮的熱膨脹係數介於鈹(陽極基底)130的熱膨脹係數與鉭的熱膨脹係數之間，從而減少或者防止了由於在X-光管的開關狀態之間陽極靶產生的熱循環所引起的微小裂紋)；(2)大約5微米厚的濺鍍鉭層；(3)大約5微米厚的濺鍍鎢-錸層；(4)大約5到7微米厚的濺鍍鎢層。鉭、鎢和鎢-錸適合用作陽極50是因為它們具有較大的原子序數和密度，當被電子束照射時容易發射出X-光。鎢的3370℃的高熔點和良好的真空特性使得它能夠適應X-光管中的高溫和高真空條件。如本領域技術人員所知，鉭及鎢-錸合金具有相似的特性。陽極的各層的厚度是經過選擇的，以使其近似等於有效地將100kV電子轉換成X-光所需的距離。鈹之所以適合用作陽極基底130是因為它強度很高，並且不會明顯地衰減或散射從陽極50中發射出來的X-光。鈹陽極基底130的厚度最好為約0.5cm。陽極基底130的厚度應當在體形限制之內儘可能地薄，所說的體形限制是指它必須有足夠的強度，從而能經受住作用在其上的一個大氣壓的壓力梯度。
準直光柵90最好是由孔140的陣列構成，根據本發明的一個最佳實施例，，每個孔都取向或者指向探測器陣列110。這就是說，準直光柵90上的各個孔彼此之間不是平行的，並且為了與例如胸透X-光設備結合使用，它們都與準直光柵90的前表面260成一定角度，其範圍是在準直光柵90的中央區域為0°，到光柵90的邊緣區域最大可為20°。當本發明應用於乳腺診斷設備時，光柵90可以製成使孔與前表面所成的角度範圍在光柵邊緣區域達到45°。光柵90中孔140的數量可以相當於象素的數量，例如在最好是圓形的光柵90中央部分有500×500到1024×1024個孔，並且孔的數量在一定程度上可以決定系統的解析度。另一種方法是與下面將要討論的二次採樣技術相結合而使用比象素數量少的孔。光柵90的厚度和孔140的孔徑是由探測器陣列110與X-光管之間的距離(在本申請中，可取的值是91.4cm(36in))、衰減所有未進入探測器的X-光的要求、以及探測器陣列110(在此圖中沒有表示出)的探測單元160的大小所決定的。儘管對於本發明來說並不是嚴格要求如此，但從前表面260來觀察時，孔140最好呈現出規則的矩形行列形式並且具有直徑為25.4cm(10in)的圓形邊界。孔陣列可以是與使用下面所概述的分辨物體80圖象的探測和褶積轉換技術相關的任何常規輪廓。這個孔陣列被稱為「圓形有效區域」。根據本發明的一個最佳實施例在圓形有效區的中央部分孔的數量最好為500×500個。準直光柵90的無孔區150被設計用來吸收無效的X-光，以使它們不照射物體80。這可以通過對光柵的製造來完成，即使撞擊無孔區150的X-射線受到至少10倍於「1/2值」的阻擋(所謂「1/2值」是指能夠使按系統能量，在這裡為100keV的撞擊阻擋物的X-射線衰減1/2所必需的材料質量)。無效的X-射線會使病人和醫務人員受到一定劑量的輻照，但卻不包含任何對圖象有意義的信息。如圖3A和圖3B所示，準直光柵90可以由若干可吸收X-光的材料層143，144構成，在這些吸收材料層上有許多孔140，可讓X-光100從中穿過到達探測器。準直光柵90最好是用50層0.0254cm(0.010in)厚的鉬疊置並固定在一起製成。鉬之所以可取，是因為它容易吸收X-射線，從而使得那些由X-光管10產生的，然而不是射向探測器110的X-光的，在它們無益而可能有害地照射物體80，當然這個物體可能就是人體，之前就被阻擋住。鉛或者其他類似的X-光緻密性材料也可以使用。
準直光柵90的孔140其橫截面最好是正方形的以得到最大的排布密度，並且與探測器陣列單元160的優選的正方形狀相配合。其他形狀也可以使用，特別是六角形。正方形孔140的尺寸最好是0.0381cm(0.015in)×0.0381cm，這樣其橫截面面積大約是通常用於螢光透視系統的準直器橫截面面積的1/100。由於採用了較嚴格的準直方式，所以可得到較小束寬的X-光束100。這意味著探測器表面的橫截面積相應地要比常規系統中的小得多。於是被物體散射的X-光就不進入探測器，從而不會象常規的系統中使用具有相對較大表面積探測器那樣造成圖象模糊。
製造準直光柵90的一種可取的方法是光-化學蝕削或蝕刻。光-化學蝕刻之所以可取，是因為其有效而且精確。根據這個方法，製作了一套50個光掩模在50張0.0254cm(0.010in)厚的薄層材料上蝕刻出孔洞或者空隙。然後將蝕刻過的多層材料疊放並對齊，再固定在一起以構成一個光柵組件，在這個光柵上有許多呈階梯形的孔，每個孔相對於各層都保持預定的角度關係。圖3A表示本發明的準直光柵90的形狀變化。這一形狀包括許多層可吸收X-光的材料層143，每層分別具有若干有恆定截面積的孔14(但是，橫截面不必是恆定的)。如圖所示，所形成的孔14是階梯狀的，但可以使X-光束100通過併到達探測器陣列110。圖3B中所示的形狀與圖3A中所示形狀非常類似，只是在可吸收X-光材料層144上形成的各個孔本身就是階梯形的。這些階梯形孔可以在材料層144的兩面稍微偏移的位置採用蝕削或者化學蝕刻的方法加工而成如圖所示的結構，這對於本領域的普通技術人員來說是顯然的。圖3B的結構是特別可取的，因為在準直光柵90的階梯形孔140內被吸收的X-光能量較少，所以在X-光束100的邊緣部分的X-光通量的衰減量比圖3A中所示的結構要少。
將構成光柵90的多個經蝕刻過的材料層固定的一個比較可取的方法如圖14所示。各蝕刻層91(可取的是50)上都有定準洞或定準孔94。定位銷95插入各個定準孔94中以使各蝕刻層91對準。然後將層組件91和定位銷95放入鋁環359中。鋁環359帶有一真空排氣口370，排氣口370採用壓緊件375密封。然後用0.1cm厚的鋁箔365粘結並用真空膠密封在鋁環359的上表面380.採用同樣的方式將鋁箔360粘結到鋁環359的下表面385上。通過排氣口370將鋁環內抽成半真空，然後如在現有技術中眾所周知的那樣將排氣口370採用壓緊件密封375。按照這種方式，可透X-光的鋁箔360和365起到了使各個蝕刻層91固定在一起並且彼此對準成為一個光柵組件90的夾緊作用。
距離光柵90中心最遠的孔140具有階梯形表面，其橫截面最好是正方形。X-光通常不會受到通道由於階梯表面造成的粗糙度的影響，既使它們被散射，也不會對所得到的X-光束產生可測量到的影響。如上所述，用作準直光柵90的材料可以是鉬、黃銅、鉛、或者銅，其中鉬是最可取的。孔的位置的最佳公差是中心與中心之間無積累誤差時+/-0.00127cm(0.0005in)，而對於孔徑則為+/-0.00254cm(0.001in)。
其他可用於製作準直光柵90的方法包括電子束加工，鑽制或者微加工，以及雷射鑽。鑽制和雷射鑽的缺點在於它們產生的是圓孔而非方孔。儘管圓孔同樣能夠工作，但是它們不是優選的形狀。
優選的掃描X-光管10的更多的細節如圖4和5所示。電子槍161位於X-光管10表面的相對一側，其工作電勢約為-100kV到-120kV。接地陽極50位於X-光管的表面處，電子束40穿行於電子槍161與陽極50之間。一個接地的電子孔板162靠近電子槍161放置，在其中心有一個孔163讓電子束40穿過。一個磁聚焦透鏡164和偏轉線圈20通過在現有技術中眾所周知的動態聚焦方式將X-光束點適當位於陽極50上。X-光管被製成具有25.4cm(10in)直徑的圓形有效區，在這個圓形有效區內電子束40可以擊中陽極50，在圓形有效區的邊緣電子束的偏轉可達30°角。如果電子束沒有通過特定的孔「射出」，則它最好被偏轉掉不用，從而可以節省25％的能量。
圖5表示了一個適用的X-光10管前部的橫截面。陽極50的後部是保持真空狀態的X-光管的內部。陽極50由如上所討論的陽極材料的被覆層構成。陽極50的前部為0.5cm厚的鈹陽極支撐層130。鈹陽極支撐層130的前面是優選厚度為0.4cm，可以容納水或者加壓氣體的冷卻夾層350。鋁製光柵支撐片360和365的厚度均為0.1cm，用於輔助支撐優選厚度為1.27cm(0.5in)的準直光柵90。
當X-光管340工作時，在任何一個給定的瞬間，準直光柵90隻有一個孔140讓大部分的X-光通過。根據一個優選實施例，當電子束40不是正好位於一個孔140的前面時，它就會被截住。因此X-光管能夠有效地以掃描脈衝模式工作以減少能量消耗以及對陽極靶50的損傷。立體X-光成像現在來看圖6，根據本發明的另一個優選實施例，可以使用具有多聚焦點的X-光，從而得到立體的X-光圖象。例如，如果光柵90上每隔一行的孔指向焦點F1(92)，其餘的孔指向焦點F2(93)，並在F1(92)處放置第一傳感器陣列，而在F2(93)處放置第二傳感器陣列，就能夠以網形或者盤旋形圖形掃描這些孔，從而得到第一傳感器陣列的一行數據，然後是第二傳感器陣列的一行數據。重複這一過程，可以建立起兩個完整的圖象，就象從空間中兩個不同的點，F1和F2看到的，進而採用常規的立體圖象顯示系統來顯示它們以產生一個立體的X-光圖象。現在來看圖3C，該圖表示如何用多層可吸收X-光的材料144構成這樣一個立體的準直光柵。在這種情況下，孔140A和140B事實上可以如圖所示製成「V」形，沿「V」形的「兩條腿」形成了X-光束100A和100B的兩條分開的路徑。然而並不要求一定將孔140A和140B結合形成圖示的形狀，「V」形孔的優點是當X-光從「V」形的頂點進入時，兩個探測器可以被同時照射到，這個「V」形起到了信號分離器的作用，使一部分X-光射向F1，另一部分射向F2。這使得對於形成X-光束和產生偏轉電流所需的能量減半。而代價只是很小的但是增加了可以接受的X-光的散射和因此造成的圖象的模糊。陣列探測器為了達到在物體平面上每毫米若干條線的解析度，如同在某些醫療應用中所要求的那樣，空間解析度的限制主要是由探測器的大小所決定的。這是因為，在現有X-光管技術水平下，不可能為了得到足夠強的定向X-光發射而產生非常高的能量或者配備相關的X-光定向裝置。
當探測器被製成其面積小於與發射的X-光的錐形相交面積時，由X-光源50發射的大部分X-光將不會擊中探測器250，如圖7A所示。事實上這正是工業用掃描束數字X-光檢測系統如何設計的一個關鍵，在這些系統中輻射劑量不是一個需要考慮的問題。其結果是增大輻射劑量以保持所需的解析度。
所以，通過使用小型探測器提高了解析度，但是當探測器的面積等於或者超過由發射的X-光錐與探測器平面270相交形成的面積時，X-光劑量變為最小。
掃描X-光成像系統的解析度是由探測器單元投影在物平面280(即放置物體80的，與陽極50的中心和探測器110的中心連線垂直的平面)中的橫截面面積所決定的。因此，如果一個大面積的探測器被分割成許多較小的陣列單元，如圖8中探測器陣列的前視圖所示，則保持了組合探測器的大的捕獲面積，同時又保持了圖象的解析度，它正比於單個小探測器單元160的大小。
通過將從各個探測器單元中採集的信號在一個存儲寄存器中分配並相加，即在其中每個地址，即象素對應於物體平面280的一個特定的位置，能夠保持由單個探測器單元160所限定的解析度。當X-光束100在位於X-光發射陽極50前面的準直光柵90上不連續地移動時，用於給定探測器單元的輸出連續的地址也在變化。成像的幾何關係如圖7B和7C所示。在圖7B中表示了一束光的位置以及它是如何在5個象素中被分配的。在圖7C中則表示了繼續的光束位置以及它們是如何被一起疊加在一個象素上的。
換句話說，每個探測器單元的信號一個對應於物體平面280上非常小的特定區域，即一個象素的存儲地址存儲在一個圖象寄存器中。因此對應於各個探測器單元的存儲地址隨著以給定的圖形掃描的X-光束的位置而變化，從而使得存儲器中的各個象素包含了通過物體平面280的一個特定點的輻射量的和。這樣，由於所有到達探測器平面270的X-光實際上都被記錄了，所以系統的解析度由單個探測器單元的大小所決定，同時系統的靈敏度也達到最佳。
這種陣列探測器成像幾何關係的另一個好處是物平面280被限制得很窄。位於它之前或者之後的結構將被模糊化(焦點以外)。圖7D表示了從第一孔141和第二孔142中發射出的X-光穿過距孔141和142一定距離SO的物平面280和距孔141和142兩倍的距離SO的平面281。很容易看出，在兩倍SO距離處的解析度降低到在距離SO處的解析度的1/2。這一特徵用於提高在所檢測的平面280中的細部結構的定位和顯象，同時提供足夠的景深，這可以通過系統的幾何關係加以改進。
優選實施例的陣列是一個96單元的準圓形陣列，它是將邊長為0.135cm的正方形探測器單元設置在一個直徑大約為1.93cm(0.72in)的圓中構成的。它並不需要這麼大，可以配置三個或多個探測器構成，因而不是所有的探測器單元都在半徑等於探測器一邊的長度，這裡是0.135cm的圓中的一條線上。X-光探測器常規的圖象增強技術對於限定系統的靈敏度有基本的限制。可以使用的閃爍體材料的厚度是受它的光透特性所局限的。通常它們被做得足夠厚以能捕獲大約50％的入射X光-光子。在被發射的光子中，只有大約一半到達光陰極。在光陰極，只有大約10％的入射光子產生光電子。因此，只有大約2.5％(.5×.5×.1)的入射X-光子的能量被在圖象增強系統中轉換。除了這個受到限制的轉換效率，光子還會被閃爍體材料橫向散射，並產生霧霾，這導致了在給定的輻射劑量水平下系統分辨能力的降低。
本發明的一個基本的目的是提供一個SBDX成像系統，它應能確保被檢測的物體在使圖象質量完全滿足所進行的診斷所要求的前提下，受到可能的最低輻射劑量的X-光的照射。這意味著用於探測從物體中發出的X-光子的系統必須具有最高的光子-電信號轉換效率。為了實現這一點，用作探測器的材料在光子飛行的方向上必須具有足夠的長度以確保沒有光子從入射X-光的遠端跑掉，即光子的能量必須完全耗散在探測器材料中以便使探測器的輸出最大。有幾種類型的探測器可以被用於這裡所說的SBDX系統。其中優選的是閃爍體-在這種閃爍體中X-光子能量被轉換成可見光能量的-然後通過一個光電倍增器、光電二極體，CCD或者諸如此類的裝置，將光強轉換成一個電信號。因為SBDX圖象中的每個象素必須是在非常短的時間內，大約140納秒形成，所以閃爍體材料必須具有快速的響應和最短的餘輝時間。餘輝是指閃爍體在入射X-射線已經消失的情況下繼續發光的現象。塑料閃爍體，如含有聚苯乙烯的有機閃爍體是適用的，因為它們具有所需的快速響應的特性，但是它們的X-光光子作用截面卻相對較小，因此它們的線性X-光吸收係數的值也較小。其結果是要截獲所有的X-光光子，需要有相當的厚度。對於本申請優選的100keV的X-光來說，要捕獲99％的入射X-光，一般的塑料閃爍體必須約28cm(llin)厚。目前最可取的是(依優選的順序)(1)摻雜鈰的YSO(氧原矽酸釔，Airtron(litton)of Charlotte公司出品)；(2)摻雜鈰的LSO(氧原矽酸鑥，Schlumberger公司出品；(3)BGO(鍺酸鉍，RexonComponents，Inc.ofBeachwood，OH公司出品)。YSO和LSO的優點在於它們可以用於室溫。BGO必須加熱到大約100℃以達到50納秒數量級的適合的光輸出衰減時間。這些閃爍體不需要象塑料閃爍體那樣長，長度為0.10cm就很有效。
根據本發明的優選實施例，SBDX陣列探測器110由96個密集封裝的分立的X-光探測器160組成的一個12乘12的準圓陣列構成，該陣列與X-光源50相距91.4cm(36in)放置。(5×5和3×3陣列也計劃構成一個非正方形陣列，即由正方形的探測器填充在圍繞著X-光靶面的圓內例如可見下面的表1)。準直光柵的縱橫比，它與X-光源50的間隔以及X-光源50的大小等幾何參數形成一個總夾角為1.46°，在探測器陣列110的受光面上相交長度為2.23cm(0.9in)的正方形截面的X-光稜錐體。所以，探測器平面內的各個閃爍體170中心與中心之間必須相距約0.152cm(0.06in)。如果閃爍體170具有平行邊，則從其邊緣入射的X-光尚未飛行所要求的距離就會撞到閃爍體的壁。所以如果相鄰的閃爍體沒有屏蔽，這些X-光可能穿過相鄰的閃爍體，使其產生一個似乎來自物體的錯誤的空間位置的信號輸出，從而導致圖象質量的降低。如圖9A所示，為了避免這種效應，在本發明的一個優選實施例中，每個閃爍體都作成錐體形，從而使其邊界表面173具有夾角α，這個角度等於入射的X-光束100』最外側之間的夾角，這對於長的塑料閃爍體是特別有用的。在上面所引用的優選實施例中，每個閃爍體170最好都製成28cm長的平截頭稜錐體，其受光面(172)邊長0.285cm，光探測器末端表面174的邊長為0.37cm。所以整蔟81個探測器具有由多個小平面構成的端面，各個小平面均與以X-光源50為中心的球面相切。
對於閃爍體探測效率的進一步改進可以通過使閃爍體稜錐體的內夾角大於入射X-光束100的夾角來實現。在入射X-光與接近閃爍體邊緣的閃爍體原子相互作用產生的光電子和散射的X-光可能損失在用來將相鄰閃爍體隔開的屏蔽材料中。這些損失的光電子不再產生任何光，因此它們對閃爍體的光輸出沒有任何貢獻。所以它們的損失降低了閃爍體的效率。光電子飛行的最大距離依賴於它的能量和它在其中飛行的物質。對於在塑料閃爍體中與原子相互作用的100keV的X-光，光電子的飛行距離都不會大於0.01cm。如果閃爍體稜錐體截頭體的夾角大於X-光束100的夾角，從而其尺寸大於X-光束包絡面2×0.01cm，因此在比探測器長度短的距離(28cm)裡，由於損失光電子造成的效率的降低將減到最低程度。在這種情況下，與小平面相切的球面的中心不再與X-光源50一致，而是距探測器陣列100更近。
被散射的光子將比光電子飛行距離更長；所以，為了防止它們逃逸到相鄰的閃爍體中，閃爍體稜錐體的錐度可以大於完全捕獲光電子所需的錐度，以使散射光子的捕獲率達到最大值。
現在參見圖9，根據本發明的優選實施例，與每個閃爍體元件170相連的是通過相應的光電倍增管190或者固體探測器與各個閃爍體170光耦合的光導管或者纖維光纜180。也可以將閃爍體170直接放置在與適合的光探測器接近處。
圖10表示了一個探測器單元160的優選結構。在探測器陣列110的前面放置了具有與各個探測器單元160相對應的孔210的X-光遮光板200。各個探測器單元160被封裝在一個也不透X-光的光密外殼220內。在光密外殼220的前面設置了一個最好由薄鋁片製成的可見光屏蔽窗口230。光屏蔽窗口230對於X-光是透射的。在光密外殼220裡面有一個閃爍體單元170，它緊貼著一個光倍增管190，而光倍增管則與一個前置放大器240電連接。可取的是將來自前置放大器240的模擬信號用常規方法轉換成數位訊號以進行進一步的處理。
或者，閃爍體也可以與一個光敏二極體、光敏電晶體或者電荷耦合器件(CCDs)陣列直接或者緊密接觸放置，以製成更加堅固和緊湊的探測器。在使用固態器件，特別是CCDs時，可以使用冷卻劑，例如PeItier型冷卻閥或者諸如此類者以增加裝置的信噪比。
或者，將閃爍體陣列與一個或者多個對位置敏感，能夠產生確定光源的位置坐標以及光源的強度的輸出信號的光倍增管直接或者緊密接觸放置。
在另一個優選的實施例中，傳感器陣列還可以是由一組鉛筆型探測器285陣列構成，例如，如圖11所示。在圖11中錐狀的閃爍體290排列在X-光束100的路徑上，從而對應於X-光束100的特定橫截面區域的閃爍體將完全吸收在該橫截面區域中的X-光。光倍增管300緊挨著閃爍體290設置，從而響應閃爍體290對X-光的吸收就會產生一個電信號。可以用固態器件代替光倍增管300。
根據本發明的優選實施例，閃爍體的長度方向表面上和輸入表面上覆蓋一種反光材料，例如二氧化矽，以防止光逸散(或者進入)並且有助於光在閃爍體內部的反射。
根據本發明的另一個優選實施例，每個閃爍體單元179與和它相鄰的閃爍體單元170之間用一種極其不透X-光的材料，例如金或者鉛的薄層171隔絕開。薄層171的厚度最好約為0.0102cm(0.004in)到0.0127cm(0.005in)。薄層171在閃爍體170之間的位置如圖12所示。
如圖所示，準直光柵90的圓形有效區域的面積大於探測器陣列110的面積。因此儘管單個的X-光束100象閃光束一樣發散、或者擴展，從準直光柵90的相應的孔140發射出的X-光的尖向束全部匯聚到探測器陣列110。圖象處理本發明的一項重要的改進涉及應用一個圖象處理系統以進一步減少所要求的輻射劑量。實際上，來自探測器的信號通常並不直接輸入到視頻監視器的＂z＂或亮度輸入端。而是將各個象素的經過數位化處理的強度數據存儲到「幀存儲緩衝寄存器」中的各個地址中。在某些應用中可以使用不止一個這樣的緩衝寄存器。緩衝寄存器中象素地址可以隨機地選取，並且數位化的強度值可以對其進行數學計算。這種功能在使用多種圖象增強算法時加以運用，並且可用於來自探測器陣列的各個部分的數據的象素分配。
根據本發明的一個優選實施例，一個SBDX圖象最多可包含約250,000個象素，排列成500行、500列(對應於準直光柵90的中央的500行乘500列的孔)。為了解釋下面的實例，假定X-光源在某一瞬間集中在準直光柵90的第100行、100列位置處的象素P上。進一步假定在這個實施例中探測器陣列110是一個3×3的陣列110，包含9個區179(圖12)，而且每個區179的大小能夠截擊接收與一個象素相關聯的全部X-光輻射。如本申請詳述的，其他的陣列結構顯然也可以使用。
從探測器陣列110的各個區的測量結果數位化得到的數值被分配到如下所述的象素地址1區99行，99列2區99行，100列3區99行，101列4區100行，99列P區100行，100列6區100行，101列7區101行，99列8區101行，100列9區101行，101列當掃描X-光束經過所有的象素時重複同樣的數據分配形式。
在所顯示的圖象中，每個象素的數字值等於＂n＂個部分的和，其中n是陣列110中分區179的數目(在這個例子中，n＝9)。
當探測器陣列110的結構如本申請所示時，具有使工作距離固定的效果，在這個距離可以得到最佳的焦距，並且能夠產生在現有技術中的不分區探測器陣列SBDX成像系統所不能得到的最佳的焦平面。
在設計探測器時必須考慮下列的參數1.從X-光源(陽極靶)50發射出的經過準直的X-光束的粗細和形狀；2.X-光源50與探測器陣列110之間的距離＂SD＂；3.X-光源50與被成像的物體80的中心之間的距離＂SO＂；4.所要求的解析度，或者被成像的物體80上的象素尺寸；5.在醫療應用中，陣列的總面積必須足夠大以能截擊接收所有從準直光柵90中發出的X-光。
在本發明的一個優選實施例的SBDX系統中，X-光源50與準直光柵90的出光側260之間的距離約為2.271cm(0.894in)(見圖3，5)。孔140的大小為0.0381cm(0.015in)×0.0381cm(0.015in)見方。電子束40在陽極50上的光點的直徑約為0.0254cm(0.010in)。探測器陣列110距陽極50的距離為91.4cm(36in)。因此X-光束100的束寬為2*ARCTAN((光點直徑/2)/((孔的寬度/2)+(光點直徑/2))*2.271cm(0.0894in)，或者等於1.6°。在距陽極50的距離為91.4cm(36in)處，投影的X-光束直徑為91.4*TAN(1.6°)cm。所以，對於優選實施例，探測器陣列110一邊的長度應為2.54cm(1in)。例如，如果被成像的物體距陽極(50)22.86cm(9in)，所需象素在物體上的大小為0.0508cm(0.020in)，X-光源到探測器的距離也是91.4cm(36in)，探測器陣列具有最佳尺寸2.54cm(1in)見方，則象素在探測器平面270上的投影大小是物體上象素尺寸的(SD/SO)倍，或者0.2032cm(0.080in)。將2.54cm除以0.2032cm(0.080in)，我們看到可以得到相當於每邊具有12到13個區的正方形分區探測器陣列的所需解析度。顯然，根據SBDX系統使用的環境還可以採用其他的結構。
在最佳解析度平面SO(圖7D中的280)以外，在0.5×SO處和在2×SO處(圖7D中281)解析度將下降一半。這對於大多數應用來說已經具有了合理的景深。在某些應用中，諸如對人的心臟的成像時，在景深範圍之外解析度的下降被認為是有好處的。在所感興趣的區域以外的細節的模糊能夠增加對在所感興趣的區域內的細節的識別。
有許多方法可以用來從上述所取得的數據中得到一個有用的圖象。如上所述，可以使用一種簡單的褶積變換，但是在這種情況下無法全部達到最佳的解析度。在本申請中有另外兩種優選的方法可以用於從所獲取的數據得到最好的解析度和靈敏度。它們被稱為多圖象褶積變換方法和多輸出褶積變換方法。在這兩種情況下，都作了以下的假定在準直光柵90上有APx行和APy列孔。行與列的每一個相交區域是一個「象素」在準直光柵90的圓形有效區外面的象素被當做它們對於圖象沒有貢獻任何可測量的亮度，即它們被如同「黑色」處理。在掃描過程中沒有被X-光100照射到的象素也同樣當做它們對於圖象沒有貢獻可測量的亮度來處理，即它們被作為「黑色」處理。
現在來看圖15，在探測器陣列110中有最多DETx行探測器單元160和最多DETy列探測器單元160形成一個準圓形探測器陣列110。
ZPATIO是一個0與1之間的實數。如果ZRATIO＝1，則焦點被定在探測器平面。如果ZRATIO＝0，焦點被定在X-光源平面。如果ZRATIO＝0.5，則焦點在X-光源平面與探測器平面之間的一半距離處，等等。PIXELRATIO是在一行或列中相鄰的探測器之間的每一段實際距離內圖象象素的數目。例如，如果在物體平面280上象素中心之間的間隔是0.01cm，在探測器平面270中的探測器之間的間隔是1.0cm，則PIXELRATIO＝10.FOCUS＝ZRATIO*PIXELRATIO.
IMAGE是一個DETx×DETy維的數據矩陣，其中包含著一次特定的掃描和對應於一特定象素的亮度信息。PIXEL是一個APx×APy×DETx×DETy的四維矩陣，其中包含著通過掃描所有(或者部分)孔而得到的DETx×DETy圖象數據矩陣。根據本發明的優選實施例，在每次掃描之後PIXEL都被更新。
當射束在陽極表面上掃描時，實際上是先將射束定位在所選擇的孔140的中心前面「發射」，然後再定位。於是對於每一次發射，都得到一個IMAGE數據矩陣。當這些圖象能夠被構成一個具有某些直接的用途的可顯示的圖象時，通過將它們綜合可以得到更高的解析度和靈敏度。用於綜合圖象的第一種優選的方法稱為多圖象褶積變換方法。在多圖象褶積變換方法中，通過賦予矩陣元OUTIMAGE(x，y)下列值能夠構成一個可以在CRT或者類似顯示裝置上顯示的APx×APy的亮度矩陣OUTIMAGE公式1j=1j=DETYi=1i=DETXPIXEL(j,i,y+j*FOCUS,x+i*FOCUS)DETX*DETY]]>在本申請中將APx×APy的數據矩陣IMAGE結合到一個有用的畫面的第二種優選的方法被稱為多輸出褶積變換方法，在這種情況下，對應於由DETx×DETy個探測器構成的探測器陣列，需要有DETx×DETy個數位化器(或者是其等價物，多路轉換的)和同樣數目的象素加合電路。每個探測器被數位化的值被稱為SENSOR(j，i)。最終的OUTIMAGE矩陣按以下方式進行計算-對於輸出圖象矩陣OUTIMAGE(y，x)中的每一個象素[對y＝1到APy和x＝1到APx]，將每個DETx×DETy源圖象SENSOR(j，i)中的一個象素與目的圖象矩陣中的象素OUTIMAGE(y-j*FOCUS，x-i*FOCUS)相加[對j＝1到DETy，i＝1到DETx]。然後通過將每個矩陣元除以DETx*DETy對OUTIMAGE矩陣歸一化。
對於這些技術的進一步改進可以通過對FOCUS因子的小數部分進行線性插入而實現。
多圖象褶積變換方法與多輸出褶積變換方法相比的一個優點是前者可以在獲取數據之後用軟體選擇最佳的焦平面，而後者不能。但是，後一種方法在時間有限制的情況下可以較快地進行處理。利用SBDX數據進行三維圖象重建本申請中所描述的SBDX系統可以被用於產生一系列平面圖象，這些圖象又能夠被用來構成物體80的一個斷層或者三維顯示可以對圖像組進行分析。通過使用FOCUS的各種值對圖象數據組進行再分析可以生成一個包含在各種深度下的一系列圖象的三維圖象。所用的FOCUS自然值分別為n/DETx或者n/DETy，其中n是一個從0到DETx或者DETy的整數。通常只分析對應於物體80內被感興趣的平面的那些FOCUS值。例如，在表1(下面)所描述的SBDX系統中，焦平面與接近正規的22.86cm(9in)處的焦平面(最佳焦平面)有大約2.54cm(1in)的間隔。
下面的公式以到陽極50的距離表示了系列平面圖象的位置。公式2FC(FOCUS)=Fd*s*DETXFOCUS*d]]>其中Ft(FOCUS)＝從陽極到所感興趣的特定焦平面的距離Fd＝ 從探測器到焦平面的距離(陽極到探測器的距離小於Ft)λt＝ 準直光柵上相鄰孔的中心與中心之間的間隔λd＝ 探測器陣列110內相鄰探測器160的中心之間的間隔。
當使用二次採樣技術時，計算方式不改變只處理從準直光柵上沒有被「跳躍」的孔得到的數據。但是，既使準直光柵上的孔是錯位排布的，λt也保持同樣的值。負反饋X-光通量控制現在看圖13，其中表示了使用一個負反饋路徑305控制X-光束100的光通量的SBDX成像系統。可取的是利用與探測器陣列連接的負反饋控制X-光通量，從而使探測器陣列總是接收到基本相同的光通量。按照這種方法，在對人體軟組織(它們比較容易透過X-光)進行掃描時，將降低X-光通量，以減少對病人(或物體)總的輻射劑量。利用負反饋通量控制還可以改善對比度和動態範圍。根據這個實施例，差分放大器310具有一個可以由使用者設置的可調參照電平320。負反饋環路305回饋連接到X-光管10以控制X-光通量。時間域掃描模式利用本申請所公開的原理還可以實現一種時間域X-光成像系統。在這一系統中，從各個象素中出射的X-光達到預定的測量X-光通量的時間可以計算出並且進行繪製。於是可以使用負反饋控制截斷或者減少從對應於在所考慮的掃描期間內已經達到預定通量水平的象素的孔中發射出來的X-光通量。在這種情況下，所採集的信息將是時間對通量值的信息，所繪出或者成像的信息將相應於時間而不是亮度。這樣一種系統具有能夠提供非常高的信噪比、改進的對比度、極大地減少對被檢測的物體的X-光劑量、以及改善動態範圍的潛力。多能量X-光成像模式根據本發明的一個優選實施例，可以將兩組或者多組X-光束100指向一個或者多個探測器陣列。第一組X-光束具有第一特徵X-光能譜。第二組X-光束具有不同的第二特徵X-光能譜。通過比較所測得的第一和第二組X-光束的透過率，可以檢測出在被檢測的物體中是否有某類物質存在。差分X-光成像技術的基本概念在現有技術中是已知的，例如在發明名稱為「金屬的無損選擇性檢測裝置和方法」的美國專利US-5185773中所公開的內容，此專利文獻在本申請中引用作為參考。
這兩組X-光束可以以許多方法產生。其中一個方法是通過製造一種特殊的陽極50來實現的，這種陽極具有與第一組孔相鄰的第一種材料或者第一厚度的某種材料和與第二組孔相鄰的第二種材料或者第二厚度的某種材料。這樣，與第一組相關的孔將發射具有第一特徵能譜的X-光，而與第二組相關的孔將發射具有第二特徵能譜的X-光。或者，可以使用K-濾光技術(或K-邊緣濾光技術)，即在孔140的一部分內放置濾光材料(例如，鉬)以產生同樣的效果。在這種情況下，第一組孔中包含插入其中的第一濾光器，第二組孔中包含插入其中的第二濾光器。第二濾光器可以是根本沒有濾光器。如同在前面的情況中所述，具有不同特徵能譜的兩組X-光與兩組孔相關聯。
只要由至少兩組孔與不同的特徵X-光能譜相關，就有可能檢測微鈣化(乳腺癌早期)和其他使用寬能譜X-光不易觀察到的異常狀況。例如，通過掃描第一組孔以形成一個第一圖象，然後掃描第二組孔以形成一個第二圖象，分解這些圖象增大它們的對比，就能夠利用低劑量掃描束X-光成像系統實時檢測出微鈣化和其他此類的異常狀況。同樣，可以使用多探測器陣列，讓第一組孔指向第一探測器陣列，而讓第二組孔指向第二探測器陣列，等等。
現在介紹多能成像的另一個實施例。因為所探測的X-光子產生的電脈衝幅值正比於光子的能量(KV)，所以能夠在兩個或者多個能帶對光子脈衝分開計數。脈衝按強度分開，然後分別技術並加以處理，從而構成兩個或者多個分開的圖象。這些圖象可以以比值顯示。
還可以改變發射的經選擇的能量值以區別物體中不同的密度區域。這個實施例的優點是比上面所描述的那些更靈活，不需要特殊的準直光柵，陽極材料，或者雙重探測器。
上面已經討論了本發明的各種結構的許多實施例，下面的說明將解釋本發明的優選的SBDX成像系統表1A.光柵形狀圓形直徑25.4釐米(10英寸)孔間距0.0508釐米(0.020英寸)在直徑範圍內孔的數目500(對於二次採樣系統166)光柵面積506.45平方釐米(78.5平方英寸)孔的數目約196350(對於二次採樣系統21630)孔的橫截面形狀圓形孔寬度0.0381釐米(0.015英寸)孔之間的間隔0.0127釐米(0.005英寸)陽極表面與準直光柵輸出面之間的距離2.5cm(0.98in)B.光源-探測器距離91.4釐米(36英寸)最佳焦平面的位置距光柵22.86釐米(9英寸)C.掃描頻率可調整到30赫茲D.X-光管的工作電壓70-100kVE.探測器陣列總的形狀準圓形(參見圖15)探測器單元輸入面的形狀方形探測器單元輸入面的尺寸0.135釐米×0.135釐米探測器單元的數目在直徑為12的準圓形陣列中為96陣列直徑1.83釐米(0.72英寸)探測器中心點對著準直光柵外徑的總夾角15.8°
最佳焦平面的視域19.05釐米(7.5英寸)最佳焦平面的象素尺寸0.038釐米探測器平面的象素尺寸探測器中心與中心間隔0.152釐米解析度13對線/釐米至此，已經顯示並介紹了採用分區探測器陣列的一個SBDX成像系統，這種系統同時具有高解析度、高靈敏度、和對被檢測的物體的低X-光輻射劑量。這個系統還允許將最佳焦點設置在光源50與探測器陣列110之間的任何點上，並且具有有效的工作景深。束二次採樣技術以下的內容涉及本發明的一個特別優選的實施例，這個實施例採用了束二次採樣技術以減少計算機處理輔助操作和掃描束數字X-光系統的能耗。
標準視頻質量的圖象採用640×480象素和以30Hz頻率更新數據。這要求象素採樣速率約為12MHz。以這樣的速率將X-光管的高壓電子束準確定位在250000個順序排布的不同的孔後面需要高的精確度和相當高的能耗。將12MHz速率採集的大X-光探測器陣列信號數位化同樣是昂貴和耗能的。因此在不明顯降低SBDX系統的空間或者時間解析度的前提下將象素採樣速率降低到12MHz以下有利於減少初始設備成本、由於電能耗和冷卻由X-光管產生的廢熱造成的操作成本。
因此，開發了一種用於降低象素採樣速率，而同時提供實質上相同的空間和時間解析度的機制。這種機制被程被稱為二次採樣，並且最好與在這一節中所述的SSBDX系統的實施例結合使用，儘管它顯然也可以被用於其他結構的SBDX系統。這個實施例的優點包括降低能耗和簡化用於在X-光管中偏轉電子束的電路，降低製造準直光柵90的成本，降低分析物體80圖象所需的計算的複雜性以及其他對於本領域技術人員來說顯然存在的那些優點。
按照這一實施例，所製造的準直光柵90孔的數目減少，儘管可以是其他數目，但是最好為APx＝APy＝166，而不是500。這種減少的優點從以下所述計算的觀點來看變得十分明顯。但是從製造的觀點來看，只需要製造九分之一數量的孔這種結構更加簡單。由於孔的數目的減少，更容易製造具有較高偏轉角的光柵(即，孔相對於準直光柵的前表面260所成的角度)，而不會出現孔與相鄰孔相交的問題。這在製造立體光柵時是非常有用的，因為在立體光柵中相鄰的孔是指向不同探測器陣列的，因此要求比非立體光柵中孔與孔之間更加在實質上分開以避免孔的交叉。
準直光柵的孔設置在最大尺度為APx行×APy列的一個圓中。為了計算的目的可以將其作為APx行×APy列的方形處理，但是在圓形以外的部分不貢獻任何信息，即總是「黑的」或者不被X-光照射。
如圖15示，X-光探測器陣列110的探測器160設置成最大尺度為DETx行×DETy列的一個圓形陣列。通過照射比準直光柵孔總數少的孔，即通過二次採樣，可以降低象素採樣速率。可取的是採用沒有不被照射的孔的準直光柵。為了由探測器陣列構成一個圖象，只有每一行的每個第DETx個準直器孔和每一列的每個第DETy個準直器孔需要被照射，於是可以用圖象的象素單元構成這個圖象，每個圖象的大小為DETx個象素×DETy個象素。這相當於DETx×DETy的一個二次採樣比值，儘管沒有二次採樣對應於1×1的二次採樣比。因此二次採樣比可以在X-方向(行)從1到DETx，在Y-方向從1到DETy(列)進行調整。根據這個優選的實施例，DETx＝DETy＝12，如圖15所示。
在使用12×12個探測器和二次採樣比為12的情況下，這種圖象是由一組實際上是「粘」在一起的不重疊圖象構成的-非常像一幅David Hockney拼接照片(photomosaic)。因為現實中的閃爍體和探測器並不能完全精確和一致地發生響應，X-光錐形細束也不是非常均勻，準直光柵上的孔在同樣的區域內也不是精確一樣的，並且由於使用了圓形，而不是方形探測器，所以極其需要某種程度的重疊，從而可以使探測器的非線性和噪音平均中和。
如果二次採樣比小於以象素表示的探測器尺度(這就是說，在這個優選實施例中小於12)，圖象必須用重疊的「瓦片」構成，當然它們必須要被相加或者被求平均。如果二次採樣比不是探測器尺度(以象素表示)的偶數倍或者如果探測器陣列不是方形的，則在每個象素上將加入不同數目的採樣值，並且對每個象素求平均需要不同的除數因子。用於處理這些少於理想環境的象素的技術對於本領域的技術人員來說是已知的，不需要在這裡公開，以避免使說明書過分複雜。
在下面的計算中，SSX表示在X-方向(行)的二次採樣尺度，SSY表示在Y-方向(列)的二次採樣尺度。例如，如果SSX＝SSY＝1，則不進行二次採樣，處理過程與上面討論的本發明的其他實施例完全一樣。同樣，在本實施例中，如果SSX＝SSY＝12，則又呈現沒有象素平均的「照片擠接」。如果SSX和SSY為3，圓形有效區的大小為500×500，那麼將有166×166的孔被掃描，即在X-方向的1/3和在Y-方向的1/3，從而將所取得的數據減少到1/9。注意，如果始終只使用1/9的孔，也就不需要它們，因而也就沒有必要在準直光柵上製造這些孔。
所以，為了形成能夠生成一幅圖象的X-射線，在原準直光柵中(500×500個孔)只有1/(SSX*SSY)的孔需要被使用或者被電子束照射到。如果幀速率保持為常數，例如30Hz，則電子束掃描的次數減少到1/SSX*SSY倍，表現為與驅動電子束的電路相應的頻率。電子束的總飛行距離(和掃描行數)減少到1/SSY倍，從而在靶陽極上的平均束速度減少到1/SSY倍。圖象重建象素速率與準直光柵孔速率相同(孔被掃描或者照射的速率)，並且也被減少到1/(SSX*SSY)倍。
根據這一方案，平均到每個顯示象素的採樣數目為(DETx/SSX)*(DETy/SSY)。當使用最大二次採樣尺度，SSX＝DETx和SSY＝DETy時，每個顯示象素平均只有一個數位化樣值(「照片拼接」模式)。樣值平均對於平滑光束、閃爍體、探測器和放大器的非均勻性是重要的。二次採樣的數量(SSX和SSY)必須設定在與周邊環境相適應的水平，以保證得到合格的圖象質量。這可以由使用者根據使用者對於圖象質量的要求和特定環境狀態在操作中進行調整。
圖15中所示的探測器陣列110最好是由96個單個的探測器單元160設置在直徑約為一英寸的一個基本上呈圓形的區域中構成的陣列。在陣列中心的垂直列上有12個探測器(DETx)，在陣列中心的水平行上也有12個探測器(DETy)。閃爍體晶體最好切割成正方水平截面並由0.005英寸厚的不鏽鋼片條製成的「蛋筐」結構支撐。圖15中所有閃爍體晶體(畫截面陰影線的部分)所處的圓400的直徑最好約為0.800英寸。
探測器陣列110中閃爍體的長度最好是約0.10cm，前輸入表面最好是0.135cm×0.135cm。閃爍體晶體最好是YSO、LSO、或者BGO，但是如上所述其他材料也可以使用。對於在這種應用中閃爍體的光輸出而言為適當減少的衰減時間(大約50nm)，BGO需要被加熱到100℃。所以需要提供一個電阻加熱元件。
圖17表示根據本發明的一個優選實施例的探測器組件402。X-光從頂部穿過X-光窗404進入鉛屏蔽406。X-光窗404最好是圓形的，並且其直徑大約為1.91cm(0.75in)以使從準直光柵90的孔中發射出的X-光在散射光衰減的同時撞擊進入探測器陣列100。一個光屏蔽408被用來使探測器屏蔽來自錯誤方向的光。它可以選擇薄的鋁箔或者鈹箔製成以衰減光而基本不衰減X-光。箔的厚度為0.0125釐米。
探測器陣列110靠近與BGO閃爍體結合選用的加熱元件410設置。加熱元件410可以是一個電阻性加熱元件，它能使探測器陣列110保持在大約100℃的工作溫度。一條光纖成像錐形導體412將從探測器陣列110的底部414出射的光子導入一個96個通道的光倍增管(PMT)416。探測器組件402密封在一個光密外殼418中，以防止雜光產生噪聲。有三個有肩螺釘420和三個中心螺釘422用於平面和線性準直定位，這對本領域技術人員是眾所周知的。旋轉定位是通過將外殼418相對於PMT安裝架426旋轉而實現的。光纖成像錐形體412可以購自Collimated Holes of Campbell，CA，其具有一個直徑為2.03釐米(0.8英寸)的圓形輸入孔和一個直徑為3.38釐米(1.33英寸)的圓形輸出孔。錐形體412與每個閃爍體晶體匹配的間距為0.06英寸，而PMT416之間的間距為0.10英寸，即放大了1.667倍。在錐形體的兩個表面上使用了折射率與玻璃的折射率相當的由DowCorning出品的高粘滯度光耦合液體(200型)作為一種光耦合介質，以使從閃爍體晶體160到錐形體412和從錐形體412到PMT輸入表面424的光傳送效率最大。
光倍增管416是一個96通道的管(一個通道對應於一個閃爍體晶體160)，可採用由Philips公司出品的XP1724A型。它具有一個光纖面板，從而能夠進行準確的空間定位使閃爍體陣列與位於面板的另一表面上的PMT中的PMT光陰極對準。擊中一個閃爍體160的X-光光子產生一個耦合到PMT光陰極的光脈衝。這在光陰極中產生了一個相應的電脈衝，這個脈衝在PMT倍增管結構的一個通道中被放大到1000000倍。
該PMT輸出脈衝連接到一個30MHz帶寬放大器的輸入端，其輸出脈衝在0.5到5.0伏特的範圍內，寬度為30納秒。放大器是AC耦合的，以消除漂移問題。這種AC耦合低頻截止頻率較高，例如為30MHz，從而這種脈衝被區分開來。因而當脈衝速率發生變化時，不再需要DC恢復電路來保持基線參考電壓恆定。
放大器的輸出送入一個比較器，而比較器不論其輸入值的大小都給出一個恆定值的輸出脈衝。比較器的參考電壓設置一個比放大器噪聲輸出稍高的值，從而使其不會被噪聲所觸發。放大器環路重複工作96次，每次為探測器陣列中的一個閃爍體晶體工作。比較器輸出脈衝對於數據採集和圖象重建系統提供原始數據。測試表明照像製版系統能夠以高達10MHz速率的隨機出現的X-光子進行計數。
雖然已經表示並描述了本發明的多個實施例和應用，但是對於本領域的技術人員來說，在不脫離本發明概念的前提下還可以有比上述更多的改進方式。所以本發明除受到所附的權利要求書的限制以外，不受其他任何限制。
權利要求
1.一種用於掃描束數字X-光成像系統的X-光探測器，它包括一個探測器陣列，它至少由三個分立的X-光探測器組成，每個X-光探測器具有一個探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部設置在一條直線上，所有所說的探測器輸入表面均位於一個探測器平面中並局限在一個直徑小於或者等於2.54釐米的圓內。
2.如權利要求1所述的探測器，其特徵在於所說的探測器輸入表面設置成一個方形的陣列。
3.如權利要求1所述的探測器，其特徵在於所說的探測器輸入表面設置成一個近似圓形的陣列。
4.如權利要求1所述的探測器，其特徵在於所說的每個分立X-光探測器由一個閃爍體部分和一個與所說的閃爍體部分光耦合的光探測器部分構成，其中所說的閃爍體部分是用一種X-光閃爍體材料製成。
5.如權利要求4所述的探測器，其特徵在於所說的X-光閃爍體材料選自由YSO、LSO、BGO以及塑料構成的一組材料中。
6.如權利要求4所述的探測器，其特徵在於所說的閃爍體部分製成平截頭稜錐體形狀。
7.如權利要求4所述的探測器，其特徵在於所說的閃爍體部分製成長方體形狀。
8.如權利要求4所述的探測器，其特徵在於所說的閃爍體部分包括一個第一區域的閃爍體輸入面和第二區域的閃爍體輸出面，所說的閃爍體輸出面平行於所說的閃爍體輸入面並與其相隔一定距離，其中所說的探測器輸入表面與所說的閃爍體輸入表面共同擴展。
9.如權利要求8所述的探測器，其特徵在於所說的閃爍體部分還包括一個與所說的閃爍體輸入面和所說的閃爍體輸出面不同的輸出表面，其中所說的輸出表面覆蓋有一層反光材料。
10.一種用於掃描束數字X-光成像系統的X-光探測器，它包括至少由三個分立的X-光探測器構成的探測器陣列；所說的多個探測器中的每一個包括與光探測器部分光耦合的閃爍體部分，各個閃爍體部分具有一個探測器輸入表面；所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面位於一個平面內，並局限在一個直徑小於或者等於2.54釐米的圓內。
11.一種掃描束數字X-光成像系統，包括一個掃描X-光管，其具有一個陽極和一個與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，它由相對不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面放置，具有基本為平面的輸入表面和基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵具有許多通孔，所說的孔在所說準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；至少由三個分立的X-光探測器構成的X-光探測器陣列，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，全部所說的探測器輸入表面位於一個探測器平面內，並包含在所說的探測器平面上小於所說的第一區域的第二區域中；和所說的孔彼此不平行，各孔被設置成使X-光從所說的陽極指向所說的X-光探測器陣列。
12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於它還包括用於根據所說的X-光探測器陣列的測量結果生成圖象的處理器。
13.如權利要求12所述的裝置，其特徵在於它還包括一個用於顯示所說圖象的顯示器。
14.如權利要求13所述的探測器，其特徵在於它還包括根據所說X-光探測器陣列的測量結果限制所說掃描X-光管的輸出的反饋環路。
15.如權利要求11所述的探測器，其特徵在於它還包括使X-光按照預定的圖形從所選擇的孔中發射的控制部分。
16.一種掃描束數字X-光成像系統，其包括一個掃描X-光管，包括一具有中心的陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由吸收X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面。所說的準直光柵上具有許多可透過X-光的通孔，所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；至少由三個分立的X-光探測器構成的X-光探測器陣列，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，全部所說的探測器輸入表面位於一個以所說陽極的中心為球心的球面內；所說的孔彼此不平行，各孔被設置成使X-光從所說的陽極指向所說的X-光探測器陣列。
17.一種掃描束數字X-光成像系統，其包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由吸收X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有許多可透過X-光的通孔，所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；至少由三個分立的X-光探測器構成的X-光探測器陣列，每個探測器包括與一光探測器部分光學耦合的閃爍體部分，其中每個閃爍體部分包括一探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，而是全部設置在一個探測器平面內，並局限在所說的探測器平面上比所說的第一區域小的第二區域中；所說的閃爍體部分是用X-光閃爍體材料製成；所說的孔彼此不平行，各孔設置在準直光柵中的形式使所產生的X-光從所說的陽極指向所說的X-光探測器陣列。
18.如權利要求17所述的掃描束數字X-光系統，其特徵在於所說的閃爍體部分均製成長方體形狀。
19.如權利要求17所述的掃描束數字X-光系統，其特徵在於所說的閃爍體部分製成平截頭稜錐體形狀。
20.如權利要求18所述的掃描束數字X-光系統，其特徵在於所說的X-光閃爍體材料選自YSO、LSO、BGO和塑料這一組材料中。
21.一種立體掃描束數字X-光成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有第一組和第二組通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；第一和第二X-光探測器陣列，設置在距所說的準直光柵一定距離處，所說的第二X-光探測器陣列與所說的第一X-光探測器陣列分開一定的距離；所說的第一探測器陣列由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所有所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的第一探測器平面內，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面均包含在所說的第一探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說的第一區域小的第二區域內；所說的第二探測器陣列由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所有所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的第二探測器平面內，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器表面均包含在所說的第二探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說的第一區域小的第三區域內，所說的第一組孔在所說的準直光柵上的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的第一X-光探測器陣列；所說的第二組孔在所說的準直光柵上的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的第二X-光探測器陣列。
22.如權利要求21所述的裝置，其特徵在於它還包括一個用於根據由所說的第一和第二X-光探測器陣列的測量結果生成立體圖象的處理器。
23.如權利要求22所述的裝置，其特徵在於它還包括一個用於顯示所說立體圖象的立體顯示器。
24.如權利要求23所述的裝置，其特徵在於它還包括根據所說第一和第二X-光探測器陣列的測量結果限制所說掃描X-光管的輸出的反饋環路。
25.如權利要求22所述的探測器，其特徵在於它還包括使X-光按照預定的圖形從所選擇的孔中發射的控制部分。
26.如權利要求12所述的探測器，其特徵在於所說的處理器進行標準褶積變換。
27.如權利要求12所述的探測器，其特徵在於所說的處理器進行多輸出褶積變換。
28.如權利要求12所述的探測器，其特徵在於所說的處理器進行多圖象褶積變換。
29.一種多能量掃描束數字X-光成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有許多通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；所說的許多孔包括僅僅用於發射具有第一特徵X-光能譜的X-光的第一組孔，和用於發射具有與所說的第一能譜不同的第二特徵X-光能譜的X-光的第二組孔；一個X-光探測器陣列，它由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所有所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的第一探測器平面內，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面均包含在所說的第一探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說的第一區域小的第二區域內；所說的許多孔在所說的準直光柵內的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的X-光探測器陣列；和所說的分立的探測器用於測量照射到其上的X-光強度。
30.如權利要求29所述的裝置，其特徵在於它還包括一個用於根據由所說的X-光探測器陣列的測量結果生成圖象的處理器，所說的圖象表示了由所說的X-光探測器陣列所測得的穿過所說的第一組孔的X-光和穿過所說的第二組孔的X-光的強度比。
31.如權利要求30所述的裝置，其特徵在於它還包括一個用於顯示所說圖象的顯示器。
32.如權利要求31所述的裝置，其特徵在於它還包括根據所說的X-光探測器陣列的測量結果限制所說掃描X-光管的輸出的反饋環路。
33.如權利要求29所述的探測器，其特徵在於它還包括使X-光按照預定的圖形從所選擇的孔中發射的控制器。
34.如權利要求33所述的探測器，其特徵在於所說的預定圖形是首先掃描所說的第一組孔以形成第一組強度值，之後掃描所說的第二組孔再形成第二組強度值。
35.如權利要求34所述的探測器，其特徵在於通過得到所說的第一組強度值和所說的第二組強度值之間的比值構成一個比值圖象。
36.如權利要求35所述的探測器，其特徵在於它還包括一個用於顯示所說的比值圖象的顯示器。
37.一種多能量掃描束數字X-光成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有許多通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；所說的許多孔包括僅僅用於發射具有第一特徵X-光能譜的X-光的第一組孔，和用於發射具有與所說的第一能譜不同的第二特徵X-光能譜的X-光的第二組孔；第一和第二X-光探測器陣列，設置在距所說的準直光柵一定距離處，所說的第二X-光探測器陣列與所說的第一X-光探測器陣列分開固定的距離；所說的第一探測器陣列由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所有所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的第一探測器平面內，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面均包含在所說的第一探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說的第一區域小的第二區域內；所說的第二探測器陣列由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所有所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的第二探測器平面內，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器表面均包含在所說的第二探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說的第一區域小的第三區域內，所說的第一組孔在所說的準直光柵上的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的第一X-光探測器陣列；所說的第二組孔在所說的準直光柵上的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的第二X-光探測器陣列；所說的第一探測器陣列和第二探測器陣列中每個分立的X-光探測器用於測量照射到其上的X-光強度。
38.一種製造具有一個輸入表面和一個輸出表面的X-光準直光柵的方法，它包括以下步驟a.製備許多光掩模，在光掩模上繪有準備形成在一組相對而言不透X-光的材料平片上的孔隙；b.使用一種能在所說的材料上形成所說的孔隙的腐蝕劑化學蝕刻所說的一組平片；c.將所說的一組平片疊放並對準以構成一個光柵組件，從而使所說的孔隙對準形成一組位於所說的光柵組件內的階梯形孔，每個所說的孔都相對於X-光準直光柵的輸出表面形成一個預定的角度。
39.一種製造具有一個輸入表面和一個輸出表面的X-光準直光柵的方法，它包括以下步驟a.製備第一光掩模，其上繪有準備形成在第一半厚度的相對而言不透X-光的材料平片上的孔隙；b.製備第二光掩模，其上繪有準備形成在第二半厚度的相對而言不透X-光的材料平片上的孔隙，所說的第二組孔隙比第一組孔隙的位置稍偏；c.使用所說的第一光掩模將所說平片的第一半厚度化學蝕刻到大約是所說平片厚度的一半，以形成對應於第一組孔隙的凹口；d.使用所說的第二光掩模將所說平片的第二半厚度化學蝕刻到大約是所說平片厚度的一半，從而在所說的平片上形成對應於所說的第一組和第二組孔隙的階梯孔；e.重複步驟(a)，，(b)，，(c)和(d)製造一組經過蝕刻的平片；f.將所說的經過蝕刻的平片疊放並對準以構成一個光柵組件，從而使所說的孔隙對準形成一組位於所說的光柵組件內的階梯形孔，所說的每個階梯孔都相對於X-光準直光柵的輸出表面形成一個預定的角度。
40.一種用於掃描束數字X-光成像系統的X-光準直光柵，它包括用相對不透X-光的材料製成的一組平片；每個所說的平片都具有許多貫通的孔隙；所說的一組平片疊放並對準構成一個具有輸入表面和輸出表面的光柵組件；所說的孔隙在所說的光柵組件內形成許多階梯形孔，每個階梯形孔都相對於所說的輸出表面形成預定的角度，任意兩個所說的階梯形孔彼此皆不平行。
41.一種用於掃描束數字X-光成像系統的X-光準直光柵，它包括用相對不透X-光的材料製成的一組平片；每個所說的平片都具有許多孔隙，所說的孔隙，和由所說的階梯形孔形成的孔隙均貫穿所說的平片；所說的一組平片疊放並對準構成一個具有輸入表面和輸出表面的光柵組件；所說的孔隙在所說的光柵組件內形成許多階梯形孔，每個階梯形孔都相對於所說的輸出表面形成預定的角度，任意兩個所說的階梯形孔彼此不平行。
42.一種用於立體掃描束數字X-光成像系統的X-光準直光柵，它包括用相對不透X-光的材料製成的一組平片；每個所說的平片都具有許多貫通的孔隙；所說的一組平片疊放並對準構成一個具有輸入表面和輸出表面的光柵組件；所說的孔隙在所說的光柵組件內形成許多階梯形孔，每個階梯形孔都相對於所說的輸出表面形成預定的角度，任意兩個所說的階梯形孔彼此皆不平行，每個所說的階梯孔屬於第一組或者第二組，所說的第一組階梯孔指向空間的第一點，所說的第二組階梯孔指向空間中與所說的第一點分開的第二點。
43.一種用於立體掃描束數字X-光成像系統的X-光準直光柵，它包括用相對不透X-光的材料製成的一組平片；每個所說的平片都具有許多貫通的孔隙；所說的一組平片疊放並對準構成一個具有輸入表面和輸出表面的光柵組件；所說的孔隙形成若干「V」字形階梯孔，每個階梯孔在所說的光柵組件內有一個頂點和第一分支孔和第二分支孔，各個所說的「V」字形階梯孔的所說頂點位於所說的輸入表面上，構成階梯孔的各個分支孔位於所說的光柵組件內，並相對於所說的輸出表面形成一定的角度，任意兩個所說的分支孔彼此皆不平行，每個所說的第一分支孔屬於第一組，每個所說的第二分支孔屬於第二組，所說的第一組分支孔指向空間的第一點，所說的第二組分支孔指向空間中與所說的第一點分開的第二點。
44.一種陽極電勢可達約120kV的掃描束X-光管，它包括設置在一個陽極支撐層上的陽極，所說的陽極支撐層是由相對可透X-光的材料製成，所說的陽極包括鍍覆在所說的陽極支撐層上的第一層鈮，和在所說的鈮/鉭陽極上的第二層鉭，其中所說的第一層鈮具有大約1微米的相對均勻厚度，所說的第二層鉭具有大約5微米的相對均勻厚度。
45.一種掃描束數字X-光斷層成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有許多通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；一個X-光探測器陣列，它由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面位於一個探測器平面內，並包含在所說的探測器平面中比所說第一區域小的第二區域內，所說的孔彼此不平行，其設置方式使得從所說阻極發出的X-光指向所說的X-光探測器陣列；和一個用於生成在所說的X-光探測器和所說的準直光柵之間選定位置的平面上的圖象的處理器，所說的處理器能夠生成並存儲對應於一組所說的選定位置的平面的一組圖象。
46.如權利要求45所述的掃描束數字X-光斷層成像系統，其特徵在於它還包括一個用於顯示所說的一組圖象的顯示器。
47.一種二次採樣掃描束數字X-光成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面，所說的準直光柵上具有第一數目的通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；一個X-光探測器陣列，它由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面位於一個探測器平面內，並包含在所說的探測器平面中比所說第一區域小的第二區域內，所說的孔彼此不平行，其設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的X-光探測器陣列；和一個用於根據所說的X-光探測器的測量結果生成圖象的處理器；一個具有第二數目的獨立象素的顯示器，用於顯示所說的圖象，所說的第二數目大於所說的第一數目。
48.一種多能量掃描束數字X-光斷層成像系統，它包括一個掃描X-光管，具有一陽極，和與所說陽極相鄰的輸出表面；一個準直光柵，由相對來說不透X-光的材料構成，基本平行於並接近所說的輸出表面設置，具有一個基本為平面的輸入表面和一個基本為平面的輸出表面；所說的準直光柵上具有許多通孔，所有所說的孔在所說的準直光柵輸出表面上的第一區域內貫穿到所說的輸出表面；一個X-光探測器陣列，它由至少三個分立的X-光探測器組成，每個探測器具有一個探測器輸入表面，全部所說的探測器輸入表面位於與所說的準直光柵輸出表面平行的探測器平面中，所說的探測器輸入表面不是全部沿一條直線設置，所有所說的探測器輸入表面包含在所說的探測器平面中比所說的準直光柵輸出表面上所說第一區域小的第二區域內；所說的孔在準知光柵內的設置方式使得從所說陽極發出的X-光指向所說的X-光探測器陣列；和所說的X-光探測器中的每一分立的X-光探測器用於測量照射到其上的各個X-光光子的能量；一個處理器，用於根據所說的分立X-光探測器的輸出確定特定的X-光光子的能量處於一組能帶中的哪一個，並且據此產生一個計數；一組存儲單元，每個與所說的能帶之一相關聯，用於存儲所說的計數；一個圖象處理器，用於根據所說的一組存儲單元中的兩個的計數之比形成一個比值圖象；一個顯示器，用於顯示所說的比值圖象。一個用於生成在所說的X-光探測器和所說的準直光柵之間選定位置的平面上的圖象的處理器，所說的處理器能夠生成並存儲對應於一組所說的選定位置的平面的一組圖象。
全文摘要
本發明的一種掃描束X-光成像系統包括一個X-光管(10)，該X-光管包括一個電子束源(161)和一個陽極靶(50)。有一電路用於將束(164)聚焦，並在陽極靶(50)上按預定的圖案，如螺旋掃描圖案用束(20、30)進行掃描。在X-光源(50)與被用X-光檢測的物體(80)之間設置了準直元件(90)，其可取的是為包含一個孔的陣列的多孔光柵的形式。孔(140)都是定向的，以使X-光束(100)被匯聚到位於與準直元件(90)選定距離的一個平面(270)處的一個探測器陣列(110)。這個距離是經過選擇的，以使被X-光檢測的物體可以放置在準直元件(90)和探測器陣列(110)之間，分區X-光探測器陣列(110)包括由位於探測平面(270)中的探測器單元(170)構成的方形陣列。在距X-光源(50)特定的，經選擇的距離處可生成一個能夠具有最佳解析度的焦平面(280)。
文檔編號G01T1/20GK1127553SQ94192143
公開日1996年7月24日 申請日期1994年4月5日 優先權日1993年4月5日
發明者J·W·韋倫特, J·W·穆爾曼, B·施基裡科恩, P·J·菲考斯基, V·韋倫特 申請人:卡迪亞航海者公司