靜態能量分辨ct掃描儀及其掃描方法

2023-12-02 22:39:36 1

專利名稱：靜態能量分辨ct掃描儀及其掃描方法
技術領域：
本發明涉及醫療器械領域，特別涉及一種靜態能量分辨CT掃描儀及其掃描方法。
背景技術：
目前CT掃描儀在臨床中已得到廣泛的應用。為了實現斷面或立體成像，現在使用的CT掃描儀有兩種方案，第一種方案是CT球管圍繞人體做旋轉運動，在不同視角獲取成像物體的投影圖像(請參見圖I及圖2);第二種方案是使用ー個大型特製掃描電子束X射線管，通過偏轉線圈控制電子束轟擊靶的位置，進而獲得不同視角的投影圖像(請參見圖3)。無論第一種方案還是第二種方案，其X射線的產生原理基本相同。均為先給燈絲加熱，當燈絲溫度達到上千攝氏度時發射熱電子，熱電子在電場力作用下加速撞擊陽極，從 而產生X射線(請參見圖2及圖3)。現有的CT掃描儀的探測器採用的都是閃爍體配光電ニ極管，其信號採集屬於積分模式。圖4所示為現有技術中閃爍體探測器積分採集及其暗電流、餘輝的示意圖，請參見圖4，在一個採樣周期內(時間長度大約是100微秒量級)，有很多X光子進入探測器，探測器內的閃爍體將這些高能的X光子轉換成許多低能量的突光光子，突光光子進入光電ニ極管，通過光電效應再轉換成電信號輸出。就X射線源方面來講，對於第一種方案而言，由於CT球管的旋轉受到離心カ的制約，雖然現在掃描一周可以在O. 24s內完成，但是掃描速度已經接近理論極限，很難再實現有效的提高。而這個速度依然不能滿足心血管、冠狀動脈等運動器官或組織的成像要求。此夕卜，CT球管和探測器旋轉的成像方式導致系統電カ輸送和數據傳輸都存在困難，需要採用ー些特殊的技術來實現，增加了系統的複雜程度。對於第二種方案而言，雖然其成像速度很快，但是其電子束是在靶環外面通過線圈實現的偏轉，所以體積非常龐大，而且未能實現360度斷層掃描，以及全身任意位置的掃描。以上兩種成像方案中通過熱發射電子產生X射線的方式存在很多問題。無論是第ー種方案還是第二種方案，其X射線源和相關輔助設施的體積和重量都很大。熱發射產生電子的模式導致其啟動速度慢。在要求脈中式同步掃描(比如心律特定相位的掃描)吋，它不能夠關閉電子源，只能通過調整偏壓，抑制電子撞擊陽極靶，或者在射線出口設置機械門控的方式，從而增加了 X射線源的複雜程度。就探測器方面來講，在X光子轉換成電信號過程中，探測器的暗電流和餘輝效應很難消除(請再參見圖4)，因此探測器的信噪比比較差。另外，在這個轉換過程中，能量高的X光子產生的螢光光子的數量比較多，因此光電效應產生的電子數也比較多，這樣在採集的積分信號中，高能X光子的信號權重也比較大。然而在CT成像原理中，低能部分的X光子更適合對不同的物質進行分辨(請參見圖5)，因此，積分模式的信號採集方式不利於CT成像。有鑑於此，有必要提出ー種新型的CT掃描儀的設計方案。

發明內容
本發明提出一種靜態能量分辨CT掃描儀，以簡化結構，降低輻射劑量、縮短掃描周期。本發明還提出一種靜態能量分辨CT掃描儀的掃描方法。為達所述優點或其它優點，本發明之一實施例提出一種靜態能量分辨CT掃描儀。該掃描儀包括電源系統、X射線源系統、探測器系統、數據採集系統和計算機。所述探測器系統用於接收所述X射線源系統發射的X射線束。所述數據採集系統連接所述探測器系統用於對所述探測器系統輸出的信號進行採集和處理。所述計算機控制掃描儀工作，並對數據採集系統輸出的投影數據進行處理和圖像重建。所述電源系統分別連接所述X射線源系統、探測器系統、數據採集系統和計算機用於提供所需的高壓和普通電源。所述X射線源系統包括一個環形X射線源及ー個設置於所述環形X射線源出ロ處的環形前準直器，所述環形X射線源包括若干個基於碳納米管的X射線源模塊，所述環形前準直器上分布有若干個 器狹縫。所述探測器系統包括位於所述環形X射線源內側的兩個環形探測器，所述兩個環形探測器之間具有狹縫，所述每個環形探測器由若干個探測器模塊組成，所述的若干個探測器模塊的探測面位於所述環形探測器的內表面。所述X射線源所發出的X光子依次通過所述環形前準直器的準直器狹縫與所述兩個環形探測器之間的狹縫投射到所述兩個環形探測器的探測面上。在本發明之一實施例中，所述若干個探測器模塊為基於碲鋅鎘的高計數率探測器模塊。在本發明之一實施例中，所述兩個環形探測器之間的狹縫間距大於O且小於5mm。在本發明之一實施例中，所述環形X射線源與所述兩個環形探測器的直徑範圍為O. 2m 至 I. 5mο在本發明之一實施例中，進ー步包括兩個環形後準直器分別設置於所述兩個環形探測器的兩側，用於對散射光子進行限制。為達所述優點或其它優點，本發明之另ー實施例提出一種用於上述靜態CT掃描儀的掃描方法，包括步驟使所述若干個X射線源模塊沿順時針方向依次發射X射線後再沿 逆時針方向依次發射X射線，並且在所述探測器系統進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊的編號進行重新排列。為達所述優點或其它優點，本發明之再一實施例提出一種用於上述靜態CT掃描儀的掃描方法，包括步驟使所述若干個X射線源模塊中的至少兩個X射線源模塊同時發射X射線，並保證所述至少兩個X射線源模塊所發射的X射線束在所述探測器系統上的覆蓋範圍互不重疊；沿順時針方向移動所述若干個X射線源模塊，使位於上述至少兩個射線源模塊原始位置上的其他X射線源模塊發射X射線；沿逆時針方向移動所述若干個X射線源模塊，使位於上述至少兩個射線源模塊原始位置上的其他X射線源模塊發射X射線；在所述探測器系統進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊的編號進行重新排列。
與現有技術相比，本發明具有以下有益效果I、基於本發明製造的CT掃描儀將比現有CT掃描儀的結構簡單，取消了滑環，避免了傳統的旋轉成像方案中CT球管和探測器旋轉所遇到的電カ傳輸和數據傳輸等問題。2、本發明掃描一周所用時間比現有CT掃描儀的時間更短，突破CT球管旋轉成像方案的速度極限，可以從根本上解決現有CT所遇到的運動偽影問題。3、基於碳納米管的場發射陰極的X射線源的模塊化設計使得系統的維護更容易，能耗更小，運營成本更低。如果某個模塊出現故障，只需要更換該模塊，而不要像現在的CT系統，需要更換整個球管。4、基於碲鋅鎘的高計數率能量分辨探測器能夠對X光子進行能量分辨，増加了從每個X光子提取的信息量，可以從硬體角度有效降低CT掃描的輻射劑量。
5、另外，本發明的快速開關特性可靈活變換掃描模式，輕鬆實現多種掃描模式，提高掃描效率。上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，並可依照說明書的內容予以實施，以下以本發明的較佳實施例並配合附圖詳細說明如後。本發明的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。


此處所說明的附圖用來提供對本發明的進ー步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖I為現有技術中CT球管旋轉成像示意圖。圖2為現有技術中CT球管的結構示意圖。圖3為現有技術中電子束偏轉打靶成像示意圖。圖4為現有技術中閃爍體探測器積分採集及其暗電流、餘輝的示意圖。圖5為不同物質在不同能量下的衰減係數曲線。圖6為本發明第一實施例中的靜態CT掃描儀的系統示意圖。圖7為圖6中X射線源系統以及探測器系統的分解結構示意圖。圖8為圖7中X射線源系統以及探測器系統組裝後的結構示意圖。圖9為能量分辨探測器積分採集及其暗電流、餘輝的示意圖。圖10為本發明的準直器的狹縫在環形平面方向的結構示意圖。圖11為本發明的至少兩個X射線源模塊同時工作時的示意圖。圖中標號說明10.X射線管，12.射線管的運動軌跡，13.螺旋掃描軌跡，20.轉子，21.電磁定子，22.支撐軸，23.鎢陽極，24.玻璃壁，25.燈絲電路，26.燈絲，24.電子束，28. X射線束，30.電子槍，31.電子束，32.真空泵，33.聚焦線圏，34.偏轉線圏，35.掃描床，36.靶環，34.檢測器，38. X射線束，40.靜態CT掃描儀，41.電源系統，42. X射線源系統，43.探測器系統，44.數據採集系統，45.計算機，420.環形X射線源，422.環形前準直器，4200. X射線源模塊，4220.準直器狹縫，430.環形探測器，432.狹縫，4300.探測器模塊，434.環形後準直器。
具體實施方式
為更進一步闡述本發明為達成預定發明目的所採取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據本發明提出的靜態CT掃描儀及其掃描方法的具體實施方式
、結構、特徵及其功效，詳細說明如下。有關本發明的前述及其它技術內容、特點及功效，在以下配合參考圖式的較佳實施例的詳細說明中將可清楚呈現。通過具體實施方式
的說明，當可對本發明為達成預定目的所採取的技術手段及功效得以更加深入且具體的了解，然而所附圖式僅是提供參考與說明之用，並非用來對本發明加以限制。實施例I圖6為本發明第一實施例中的靜態能量分辨CT掃描儀的系統示意圖，請參見圖6，於本實施例中靜態CT掃描儀40，包括電源系統41、X射線源系統42、探測器系統43、數據採集系統44和計算機45，所述探測器系統43用於接收所述X射線源系統42發射的X射線束，所述數據採集系統44連接所述探測器系統43用於對所述探測器系統43輸出的信號進 行採集和處理，所述計算機45對數據採集系統44輸出的投影數據進行處理和圖像重建，所述電源系統41分別連接所述X射線源系統42、探測器系統43、數據採集系統44和計算機(45)用於提供所需的高壓和普通電源。圖7為圖6中X射線源系統以及探測器系統的分解結構示意圖，圖8為圖7中X射線源系統以及探測器系統組裝後的結構示意圖。請同時參見圖7及圖8，所述X射線源系統42包括一個環形X射線源420及ー個設置於所述環形X射線源420出ロ處的環形前準直器422，所述環形X射線源420包括若干個基於碳納米管的X射線源模塊4200，所述的若干個X射線源模塊4200均勻分布在一環形軌道上以形成可以多點發射X射線的環形X射線源420。上述環形X射線源出口處指的是環形X射線源420出射X射線束的出口。所述環形前準直器422上分布有若干個準直器狹縫4220用於對X射線的出射範圍進行限制，每個所述X射線源模塊4200對應ー個所述準直器狹縫4220。其中，基於碳納米管的X射線源模塊4200的陰極是一種場發射電子源，它是利用強電場下電子可以通過隧道效應穿過材料表面勢壘發生放電現象的原理。採用基於碳納米管的X射線源模塊4200具有時間響應快、可以隨時開啟、無須加熱燈絲電源、射線源體積減小等優點。目前，碳納米管具有很低的場發射開啟電場強度(1-3ν/μπι)和很高的場發射電流密度Γ Α/cm2)，可在普通高真空度Γ 10_5Pa)下長期穩定的工作。所述探測器系統43包括位於所述環形X射線源420內側的兩個環形探測器430，所述兩個環形探測器430之間具有狹縫432，所述每個環形探測器430由若干個探測器模塊4300組成，所述的若干個探測器模塊4300的探測面位於所述環形探測器的內表面。所述兩個環形探測器430的形狀和大小相同且平行設置。進ー步的，於本實施例中，所述若干個探測器模塊4300為能量分辨計數探測器模塊。相對於傳統探測器，能量分辨計數探測器可以對每個X光子進行能量分辨(探測器處理ー個X光子大約需要幾百納秒的時間)，不但通過設閾值，將小的噪聲信號拒之門外，從抑制噪聲方面提高了信噪比，而且獲取了每個X光子的能量信息，從信息増加方面提高了信噪比(圖9)。這種成像方式可以將輻射劑量降低一半。於本實施例中，優選採用基於碲鋅鎘的高計數率探測器模塊。碲鋅鎘的高計數率探測器模塊屬於能量分辨計數探測器的ー種，具有較高的信噪比。在靜態能量分辨CT掃描儀工作過程中，所述X射線源系統42發出的X光子依次通過所述環形前準直器422的準直器狹縫4220與所述兩個環形探測器430之間的狹縫432投射到所述兩個環形探測器430的探測面上。進ー步的，於本實施例中，還可以進ー步包括兩個環形後準直器434分別設置於所述兩個環形探測器430的兩側，用於對散射光子進行限制。進ー步的，於本實施例中，所述兩個環形探測器430之間的狹縫432間距優選大於O且小於5mm。進ー步的，於本實施例中，所述環形X射線源420與所述兩個環形探測器430的直徑範圍為O. 2m至I. 5m，優選的為lm。進ー步的，結合圖10所示，所述準直器狹縫430的形狀在環形平面方向成等腰梯形。可以理解的是，上述所述「環形」可以為圓形、橢圓形等，本發明並不以此為限。實施例2:本發明第二實施例提供一種用於第一實施例中的靜態CT掃描儀的掃描方法，具體為使所述若干個X射線源模塊4200沿順時針方向依次發射X射線後再沿逆時針方向依次發射X射線，並且在所述探測器系統43進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊4200的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊4200的編號進行重新排列。實施例3 本發明第二實施例提供一種用於第一實施例中的靜態CT掃描儀的掃描方法，具體為首先使所述若干個X射線源模塊4200中的至少兩個X射線源模塊4200同時發射X射線，並保證所述至少兩個X射線源模塊4200所發射的X射線束在所述探測器系統上的覆蓋範圍互不重疊(請參見圖11，圖11以3個X射線源模塊4200同時發射X射線為例，A、B、C分別表示3個X射線源模塊4200所發射的X射線束在所述探測器系統上的覆蓋範圍)。然後沿順時針方向同時移動所述若干個X射線源模塊4200，使位於上述至少兩個射線源模塊4200原始位置上的其他X射線源模塊4200發射X射線；接著沿逆時針方向同時移動所述若干個X射線源模塊，使位於上述至少兩個射線源模塊原始位置上的其他X射線源模塊4200發射X射線。在所述探測器系統進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊的編號進行重新排列。綜上所述，與現有技術相比，本發明具有以下有益效果I、基於本發明製造的CT掃描儀將比現有CT掃描儀的結構簡單，取消了滑環，避免了傳統的旋轉成像方案中CT球管和探測器旋轉所遇到的電カ傳輸和數據傳輸等問題。2、本發明掃描一周所用時間比現有CT掃描儀的時間更短，突破CT球管旋轉成像方案的速度極限，可以從根本上解決現有CT所遇到的運動偽影問題。3、基於碳納米管的場發射陰極的X射線源的模塊化設計使得系統的維護更容易，能耗更小，運營成本更低。如果某個模塊出現故障，只需要更換該模塊，而不要像現在的CT系統，需要更換整個球管。
4、基於碲鋅鎘的高計數率能量分辨探測器能夠對X光子進行能量分辨，増加了從每個X光子提取的信息量，可以從硬體角度有效降低CT掃描的輻射劑量。
5、另外，本發明的快速開關特性可靈活變換掃描模式，輕鬆實現多種掃描模式，提高掃描效率。以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明作任何形式上的限制，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何熟悉本專業的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍內，當可利用所述掲示的技術內容作出些許更動或修飾 為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
權利要求
1.靜態能量分辨CT掃描儀，包括電源系統(41)、X射線源系統(42)、探測器系統(43)、數據採集系統(44)和計算機(45)，所述探測器系統(43)用於接收所述X射線源系統(42)發射的X射線束，所述數據採集系統(44)連接所述探測器系統(43)，用於對所述探測器系統(43)輸出的信號進行採集和處理，所述計算機(45)控制掃描儀工作，對數據採集系統(44)輸出的投影數據進行處理和圖像重建，所述電源系統(41)分別連接所述X射線源系統(42)、探測器系統(43)、數據採集系統(44)和計算機(45)用於提供所需的高壓和普通電源，其特徵在於 所述X射線源系統(42)包括一個環形X射線源(420)及一個設置於所述環形X射線源(420)出口處的環形前準直器(422)，所述環形X射線源(420)包括若干個基於碳納米管的X射線源模塊(4200)，所述環形前準直器(422)上分布有若干個準直器狹縫(4220)用於對X射線的出射範圍進行限制，每個所述X射線源模塊(4200)對應一個所述準直器狹縫(4220);所述探測器系統(43)包括位於所述環形X射線源(420)內側的兩個環形探測 器(430)，所述兩個環形探測器(430)之間具有狹縫(432)，所述每個環形探測器(430)由若干個探測器模塊(4300)組成，所述的若干個探測器模塊(4300)的探測面位於所述環形探測器的內表面；所述X射線源(420)發出的X光子依次通過所述環形前準直器(422)的準直器狹縫(4220)與所述兩個環形探測器(430)之間的狹縫(432)投射到所述兩個環形探測器(430)的探測面上。
2.根據權利要求I所述的靜態能量分辨CT掃描儀，其特徵在於所述若干個探測器模塊(4300)為基於碲鋅鎘的高計數率探測器模塊，所述探測器模塊能夠對X光子進行能量分辨。
3.根據權利要求I所述的靜態能量分辨CT掃描儀，其特徵在於所述兩個環形探測器(430)之間的狹縫(432)間距大於0且小於5mm。
4.根據權利要求I所述的靜態能量分辨CT掃描儀，其特徵在於所述環形X射線源(420)與所述兩個環形探測器(430)的直徑範圍為0. 2m至I. 5m。
5.根據權利要求I所述的靜態能量分辨CT掃描儀，其特徵在於進一步包括兩個環形後準直器(434)分別設置於所述兩個環形探測器(430)的兩側，用於對散射光子進行限制。
6.—種根據權利要求I至5任意一項所述的靜態能量分辨CT掃描儀的掃描方法,其特徵在於，包括步驟使所述若干個X射線源模塊沿順時針方向依次發射X射線後再沿逆時針方向依次發射X射線，並且在所述探測器系統進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊的編號進行重新排列。
7.—種根據權利要求I至5任意一項所述的靜態能量分辨CT掃描儀的掃描方法,其特徵在於，包括步驟使所述若干個X射線源模塊中的至少兩個X射線源模塊同時發射X射線，並保證所述至少兩個X射線源模塊所發射的X射線束在所述探測器系統上的覆蓋範圍互不重疊；沿順時針方向移動所述若干個X射線源模塊，使位於上述至少兩個射線源模塊原始位置上的其他X射線源模塊發射X射線；沿逆時針方向移動所述若干個X射線源模塊，使位於上述至少兩個射線源模塊原始位置上的其他X射線源模塊發射X射線；在所述探測器系統進行投影數據輸出時記錄下所對應的X射線源模塊的編號，在圖像重建前對所輸出的投影數據根據所對應的X射線源模塊的編號進行重新排列。
全文摘要
一靜態能量分辨CT掃描儀，包括電源系統、X射線源系統、探測器系統、數據採集系統和計算機。X射線源系統包括一環形X射線源及一環形前準直器，環形X射線源包括若干基於碳納米管的X射線源模塊，環形前準直器上分布若干準直器狹縫，每個X射線源模塊對應一準直器狹縫。探測器系統包括位於環形X射線源內側的兩環形探測器，環形探測器之間具有狹縫，環形探測器由若干探測器模塊組成，探測器模塊對X光子進行能量分辨。探測器系統後接數據採集系統，數據採集系統與計算機相連。X射線源發出的X光子依次通過環形前準直器狹縫與環形探測器之間的狹縫投射到對面的探測面上。本發明結構簡單，輻射劑量低，掃描一周的時間短。
文檔編號A61B6/03GK102697518SQ20121021146
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月25日 優先權日2012年6月25日
發明者代秋聲, 劉猛, 徐品, 邢曉曼 申請人:蘇州生物醫學工程技術研究所