專利名稱：固定x射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此描述的主題涉及X射線照相術(shù)。更具體地，該主題描述了固定X射線數(shù)字化 乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法。
背景技術(shù)：
乳腺攝影是目前針對(duì)乳腺癌早期診斷的最有效的篩查和診斷工具，并且已經(jīng)是近 來乳腺癌死亡率下降的原因。然而，二維乳腺攝影片的性質(zhì)使得難以將癌和疊加的乳腺組 織進(jìn)行區(qū)分，并且各放射線學(xué)者的解釋可能是變化的。由于致密組織干擾了對(duì)與腫瘤有關(guān) 的異常的識(shí)別，因此存在更高比率的假陽性和假陰性的測試結(jié)果。數(shù)字化乳房斷層合成 (DBT)是設(shè)計(jì)為解決這一問題的三維成像技術(shù)。它是有限角度的斷層攝影技術(shù)，利用來自有 限角度范圍的投影圖像來提供乳房的重建平面。商業(yè)廠商已經(jīng)制造了一些DBT掃描儀樣機(jī)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于全視野數(shù)字化乳 腺攝影(FFDM)單元。乳腺攝影X射線管用于通過環(huán)繞對(duì)象移動(dòng)10-50度來采集投影圖像。 所報(bào)告的總掃描時(shí)間取決于視圖數(shù)量和乳房厚度在7-40秒，該總掃描時(shí)間大大長于常規(guī) 乳腺攝影的總掃描時(shí)間。長的成像時(shí)間可以引起降低圖像質(zhì)量的患者運(yùn)動(dòng)模糊，并可以使 得患者不適。此外，X射線源的功率、掃描架旋轉(zhuǎn)速度和探測器幀率限制了當(dāng)前DBT系統(tǒng)的 掃描速度。DBT系統(tǒng)利用的標(biāo)準(zhǔn)乳腺攝影X射線管具有大約300 y m的X射線焦斑尺寸。由 于掃描架的旋轉(zhuǎn)和機(jī)械不穩(wěn)定性，在圖像采集期間的有效焦斑尺寸大于靜態(tài)值從而降低了 圖像分辨率。已經(jīng)發(fā)展了兩種掃描架旋轉(zhuǎn)模式。一個(gè)商業(yè)上可獲得的系統(tǒng)使用停止再照射 (stop-and-shoot)技術(shù)。掃描架在獲得每個(gè)投影圖像之前完全停止。加速/減速可以引起 該系統(tǒng)的機(jī)械不穩(wěn)定。在其它商業(yè)上可獲得的系統(tǒng)中使用連續(xù)旋轉(zhuǎn)模式。掃描架在整個(gè)成 像過程期間保持恒定的旋轉(zhuǎn)速度。在這種情況下，X射線焦斑尺寸沿著運(yùn)動(dòng)方向擴(kuò)大。擴(kuò) 大的值取決于旋轉(zhuǎn)速度和照射時(shí)間。據(jù)報(bào)道在典型的掃描中，X射線焦點(diǎn)移動(dòng)大約1mm。這 沒有給總掃描時(shí)間留下進(jìn)一步的減少空間，從而將需要更快的掃描架旋轉(zhuǎn)和更大的焦點(diǎn)模 糊。有益的是提供具有減少的數(shù)據(jù)收集時(shí)間并改善患者舒適度的X射線成像系統(tǒng)和 方法。一個(gè)或多個(gè)這種改進(jìn)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于乳腺組織和其它對(duì)象的X射線成像的新應(yīng)用。因 此，期望提供具有一個(gè)或多個(gè)這些改進(jìn)的X射線成像系統(tǒng)和方法。
另外，目前的臨床乳腺攝影掃描儀使用被稍微能量過濾的多色X射線輻射。已知 的是單色和準(zhǔn)單色輻射提供更好的成像質(zhì)量，并可以潛在地減少成像劑量。然而，目前沒有 有效的方式來在臨床環(huán)境中生成可以提供足夠X射線光子通量的單色或者準(zhǔn)單色輻射。因 此，期望提供可以以臨床可接受的掃描速度來執(zhí)行單色或者準(zhǔn)單色成像的X射線成像系統(tǒng) 和方法。

發(fā)明內(nèi)容
目前公開主題的目的在于提供新穎的固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相 關(guān)方法。目前公開主題的目的已經(jīng)在上文中陳述，并且其全部或者部分通過目前公開主題 實(shí)現(xiàn)，隨著結(jié)合下文描述的附圖進(jìn)行說明，其它目的將變得明顯。


現(xiàn)將參照附圖對(duì)在此描述的主題進(jìn)行說明，在附圖中圖1是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX系統(tǒng)的示意圖；圖2是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的具有沿著線性直線定位的X射線源的 MBFEX系統(tǒng)的示意圖；圖3是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的具有沿著二維平面定位的X射線源的 MBFEX系統(tǒng)的示意圖；圖4A是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，該MBFEX系統(tǒng)具有 沿著直線均勻間隔地，并成角度地定位以將X射線束定向?yàn)槌驅(qū)ο蟮腦射線源；圖4B是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的圖4A所示系統(tǒng)的兩個(gè)X射線源像素的示 意圖；圖5是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的所采集對(duì)象圖像的示例性過程的流程圖；圖6是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對(duì)象圖像的示 例性過程的流程圖；圖7是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)多路復(fù)用對(duì)象圖像的示例 性過程的流程圖；圖8是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的探測器觸發(fā)和X射線源像素觸發(fā)的定時(shí) 圖；圖9是根據(jù)在此公開的主題的MBFEX系統(tǒng)的圖像；圖10是根據(jù)在此公開的主題的示出了 X射線探測器、體模以及X射線生成設(shè)備的 X射線源之間的空間關(guān)系的示意圖；圖11A是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源的透視圖；圖11B是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源的示意圖；圖12是根據(jù)在此描述的主題的控制器的電路圖，該控制器配置為控制來自多個(gè)X 射線源的X射線束發(fā)射；圖13是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX X射線源陣列的圖像；圖14是圖9示出的系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)上測量的能量譜的圖形；
圖15是圖9示出的系統(tǒng)的根據(jù)柵壓變化的陽極電流的圖形；圖16是根據(jù)在此描述的主題而獲得的十字體模的投影圖像；以及圖17是示出了根據(jù)在此描述的主題而獲得的兩個(gè)導(dǎo)線的線輪廓的圖形。
具體實(shí)施例方式在此公開的主題針對(duì)可以利用多個(gè)場發(fā)射X射線源、X射線探測器和投影圖像重 建技術(shù)的多射束場發(fā)射X射線(MBFEX，也被稱為多像素場發(fā)射X射線)系統(tǒng)和技術(shù)。具體 而言，在此公開的系統(tǒng)和技術(shù)根據(jù)一個(gè)方面可以應(yīng)用于X射線數(shù)字化斷層合成。根據(jù)一個(gè) 實(shí)施例，多個(gè)場發(fā)射X射線源可以利用X射線束來照射用于定位要成像的對(duì)象的位置，以生 成對(duì)象的投影圖像。X射線探測器可以探測對(duì)象的投影圖像。投影圖像重建功能可以基于 對(duì)象的投影圖像來重建對(duì)象的斷層攝影圖像。在此公開的主題可以實(shí)現(xiàn)提高的掃描速度、 簡化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及增強(qiáng)的圖像質(zhì)量。在一個(gè)應(yīng)用中，在此公開的主題可以是利用基于碳納米管的MBFEX系統(tǒng)的固定數(shù) 字化乳房斷層合成(DBT)系統(tǒng)。該MBFEX系統(tǒng)可以包括可單獨(dú)編程的X射線像素的陣列， 可以大致均勻的放置該像素以覆蓋寬闊的視場?？梢酝ㄟ^電子接通和斷開單獨(dú)X射線像素 來采集投影圖像，而沒有X射線源、探測器或者對(duì)象中任一個(gè)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。在此描述的主題的一個(gè)實(shí)施例中，通過電子接通和斷開單獨(dú)X射線源像素，可以 從不同視角一次一個(gè)地順序收集對(duì)象的投影圖像?？梢钥臻g分布X射線源像素。每個(gè)像素 可以被接通預(yù)定的時(shí)間和預(yù)定的電流，以將預(yù)定的劑量數(shù)量遞送給對(duì)象。X射線探測器可以 探測并記錄來自特定X射線源像素發(fā)射的X射線強(qiáng)度。X射線束像素之間的間隔和像素?cái)?shù) 量可以改變以提供所期望的角度覆蓋和投影圖像數(shù)量。可以處理來自不同視角收集的投影 圖像以重建對(duì)象的斷層攝影圖像，從而展現(xiàn)對(duì)象的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在一個(gè)例子中，X射線源可包 括沿著可以覆蓋在大約10和100度之間的視野范圍(例如，30-50度的視野范圍)的弧形 定位的總計(jì)在大約10和100個(gè)之間的X射線焦斑(例如，二十五(25)個(gè)X射線源像素)。 焦斑定義的平面與X射線探測器的成像平面大致垂直。在此描述的主題的一個(gè)實(shí)施例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)單色器來生成單色X射線 輻射以用于對(duì)對(duì)象成像?？梢岳貌祭?Bragg)衍射來產(chǎn)生這種單色X射線輻射?？梢?通過將過濾器放置在接收多色X射線輻射的X射線窗口之前來生成準(zhǔn)單色X射線束。通過 選擇過濾的材料和材料厚度，可以產(chǎn)生具有狹窄能量窗口的準(zhǔn)單色輻射。然而，這典型地包 括對(duì)200th到500th值層過濾材料的使用。這意味著X射線強(qiáng)度的99. 5%到99. 8%被過濾 器衰減。低X射線通量已經(jīng)阻礙了單色X射線輻射在臨床成像上的使用。在單色X射線輻射的一個(gè)例子中，可以利用所生成的單色X射線輻射來對(duì)乳房成 像。單色和準(zhǔn)單色X射線輻射的優(yōu)點(diǎn)包括減少的X射線劑量的改善了的成像質(zhì)量，這對(duì)于 乳房成像是重要的。在此描述的主題可以使醫(yī)師利用準(zhǔn)單色X射線輻射以與具有多色X射 線輻射的商業(yè)上可獲得的DBT掃描儀相當(dāng)?shù)某上袼俣葋韺?duì)人的乳房成像。克服低通量的阻礙以及因此的長成像時(shí)間的一個(gè)技術(shù)是將多射束場發(fā)射X射線 源與多路復(fù)用X射線成像相結(jié)合?？梢酝ㄟ^重過濾來產(chǎn)生錐束準(zhǔn)單色輻射。像素化和空間 分布的MBFEX源可以從多個(gè)投影角度生成X射線束而無機(jī)械運(yùn)動(dòng)。以順序掃描模式操作的 固定DBT掃描儀可以利用85mAs的總劑量來提供25個(gè)視圖的全掃描，并且其速度比在相當(dāng)劑量情況下的C臂式DBT掃描儀快10倍。實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)顯示，平行多路復(fù)用成像過程與用 于斷層攝影的常規(guī)序列成像技術(shù)相比提供的成像速度增加了 N/2倍(N = X射線像素的數(shù) 量)。固定設(shè)計(jì)和在此描述的多路復(fù)用(大約X 100)的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合可以補(bǔ)償由于使用重過 濾(100th值層)導(dǎo)致的X射線通量的損失，從而使qM-DBT掃描儀可以以與商業(yè)上可獲得的 基于C臂的系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膾呙钑r(shí)間來操作，并具有更好的成像質(zhì)量和減少的成像劑量。如在此提及的，術(shù)語“納米-構(gòu)造的”或者“納米結(jié)構(gòu)”材料可以指包括具有小于 lOOnm微粒大小的納米微粒的材料，例如納米管(例如，碳納米管)。這些類型的材料已經(jīng) 示出呈現(xiàn)某些在很多應(yīng)用中具有益處的屬性。如在此提及的，術(shù)語“多射束X射線源”可以指能夠同時(shí)或者順序生成多個(gè)X射線 束的設(shè)備。例如，“多線束X射線源”可以包括具有電子場發(fā)射器的基于場發(fā)射的多射束X 射線源。電子場發(fā)射器可以包括基于納米構(gòu)造的材料的材料。圖1是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為100的MBFEX系統(tǒng)的示意圖。 參照?qǐng)D1，系統(tǒng)100可以包括具有控制器CTR的計(jì)算機(jī)COM，該控制器CTR配置為控制X射 線生成設(shè)備XGD和X射線探測器XD以對(duì)要成像的對(duì)象0成像。X射線生成設(shè)備XGD可以包 括多個(gè)單獨(dú)可控的場發(fā)射X射線源XS，該場發(fā)射X射線源XS配置為利用X射線束XB照射 對(duì)象0以生成對(duì)象0的投影圖像。X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌蚩梢园仓脤?duì)象0的地方或者位 置P(由虛線表示)?？梢詮膸讉€(gè)不同角度將X射線束定向?yàn)槌蛭恢肞。此外，X射線源 XS、X射線探測器XD和位置P如此布置，從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探 測。X射線源XS沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的大致直線進(jìn)行定位，從而使得將所生成 的X射線束大致定向?yàn)槌蛭恢肞并可以穿過位置P之內(nèi)的區(qū)域。該線可以平行于X射線 探測器的成像平面。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，X射線源XS可以如此地布置在任意適當(dāng)?shù)?位置上，從而將X射線束大致定向?yàn)槌蛭恢肞并且投影圖像被X射線探測器XD探測。在 X射線源照射對(duì)象并且X射線探測器探測投影圖像期間，X射線源和X射線探測器可以相對(duì) 于彼此固定。X射線源可以控制為被順序地一次一個(gè)地激活預(yù)定的停頓時(shí)間和預(yù)定的X射 線劑量。當(dāng)在位置P穿過對(duì)象0之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。X射線探 測器XD可以是配置為連續(xù)捕獲X射線束XB的高幀率、數(shù)字面X射線探測器。在收集了所 有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器之后，投影圖像重 建功能PIRF可以基于對(duì)象0的投影圖像來重建對(duì)象0的斷層攝影圖像?？梢酝ㄟ^利用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)并利用單獨(dú)探測器從多個(gè)X射線源來獲得對(duì)象的多個(gè) 投影圖像，從而構(gòu)建斷層攝影圖像。常用技術(shù)包括位移疊加(shift-and-add)、濾波反投影、 有序子集凸最大似然法(ordered subsetsconvex maximum likelihood)等等。根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以沿著由X射線生成設(shè)備限定的弧 形來定位。該弧形限定的平面可以與X射線探測器的成像平面大致垂直。圖2是根據(jù)在此 描述的主題的實(shí)施例的通常表示為200的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著線性直 線定位的X射線源XS。參照?qǐng)D2，X射線源XS可以至少大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形 成的線性直線定位。X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌虿⒋┻^可以安置對(duì) 象0的位置P?？梢詮膸讉€(gè)不同角度將X射線束定向?yàn)槌蛭恢肞。此外，X射線源XS、X射線探測器XD和位置P可以如此定位從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。 當(dāng)在位置P處穿過對(duì)象0之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。在收集了所有 或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器之后，投影圖像重建 功能PIRF可以基于對(duì)象0的投影圖像來重建對(duì)象0的斷層攝影圖像。根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以包括沿著X射線陽極上的二維平 面或者矩陣定位的焦斑。圖3是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為300的MBFEX 系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著二維平面定位的X射線源XS。參照?qǐng)D3，X射線源XS可 以大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的二維平面而定位。X射線源XS可以定位為將X射 線束XB定向?yàn)槌虿⒋┻^可以安置對(duì)象0的位置P?？梢詮膸讉€(gè)不同角度將X射線束定向 為朝向位置P。此外，X射線源XS、X射線探測器XD和位置P如此定位從而使得所生成的投 影圖像被X射線探測器XD探測。當(dāng)在位置P處穿過對(duì)象0之后，X射線束XB可以被X射 線探測器XD探測。在收集了所有或者至少部分的X射線束XB并將其作為X射線信號(hào)數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器之后，投影圖像重建功能PIRF可以基于對(duì)象0的投影圖像來重建對(duì)象0的斷 層攝影圖像。根據(jù)在此公開的主題的另一方面，X射線源可以沿著直線均勻間隔地，并成角度地 定位以將X射線束定向?yàn)槌驅(qū)ο?。圖4A是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的通常表示為 400的MBFEX系統(tǒng)的示意圖，所述系統(tǒng)具有沿著直線均勻間隔地，并成角度地定位以將X射 線束定向?yàn)槌驅(qū)ο蟮腦射線源XS。參照?qǐng)D4A，X射線源XS可以是門控碳納米管發(fā)射像 素，其大致沿著由X射線生成設(shè)備XGD形成的二維平面定位。在這一例子中，X射線生成設(shè) 備總計(jì)包括二十五(25)個(gè)X射線源，但是X射線生成設(shè)備可替換地包括任意適當(dāng)數(shù)量的X 射線源，在數(shù)目上多于或者少于二十五。X射線源可以容納在具有30 iim厚的鉬(Mo)窗口的真空腔室內(nèi)。該窗口可以作為 輻射過濾器。每個(gè)像素可以包括碳納米管陰極、提取電子的柵電極、以及一組將場發(fā)射電子 聚焦到靶的小區(qū)域(焦斑)上的電子聚焦透鏡(例如，Einzel類型的靜電聚焦透鏡)。焦 斑可以大致上是相同尺寸的。焦斑的尺寸和/或X射線源生成的X射線通量可以由控制器 調(diào)整?？蛇x擇地，焦斑尺寸的范圍可以在大約0. 05mm和2mm之間。對(duì)于每個(gè)X射線源像素， 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為各向同性的0.2X0. 2mm的有效焦斑尺寸。可以通過調(diào)整聚焦電極的電位來 調(diào)整單獨(dú)焦斑的尺寸。為了將電流波動(dòng)和延遲最小化，并減小像素間的變化，可以合并電補(bǔ) 償回路以自動(dòng)調(diào)整柵極電壓從而維持恒定的預(yù)設(shè)發(fā)射電流?？梢匀绱诉x擇碳納米管陰極的 面積以使在0. 2X0. 2mm的有效焦斑尺寸情況下可以獲得大約10mA的峰值X射線管電流。 通過增加碳納米管的面積和焦斑尺寸，可以獲得50-100mA的更高的X射線峰值電流。X射線源XS可以定位為將X射線束XB定向?yàn)槌驅(qū)ο?安置的位置P?？梢詮?幾個(gè)不同角度將x射線束定向?yàn)槌虿⒋┻^位置P。此外，X射線源XS、X射線探測器XD和 位置P如此定位從而使得所生成的投影圖像被X射線探測器XD探測。為了從不同角度收 集對(duì)象0的投影圖像以用于斷層合成，如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，控制器CTR可以順序激活 空間分布在相對(duì)大區(qū)域上的電子發(fā)射像素陣列。X射線源XS如此定位從而使所生成的X射 線束至少大致定向?yàn)槌蛭恢肞。每個(gè)X射線源XS可以包括場發(fā)射器，其可操作地生成電 子束并可操作地將該電子束定向?yàn)槌虬械慕裹c(diǎn)。所發(fā)射的電子束可以被加速至靶，掃描X 射線束從該靶的廣大區(qū)域上的不同點(diǎn)產(chǎn)生?？刂破鰿TR可以進(jìn)一步基于X射線源XS和對(duì)象0之間的距離來改變X射線輻射的強(qiáng)度，從而使從每個(gè)觀察角度遞送給對(duì)象0的X射線 劑量是相同的。X射線源XS可以如此定位從而使X射線生成設(shè)備XGD在大約64. 52cm的源-探測 器距離的情況下在各X射線焦斑之間提供大致均勻的2度角度間隔。各個(gè)X射線靶的位置 和取向可以是如此的從而使所生成的X射線錐束的中心軸經(jīng)過等中心0C，該等中心可以是 要成像的對(duì)象0上的位置或者X射線探測器XD上的點(diǎn)。錐形X射線束可以在對(duì)象上具有 大致相同的X射線強(qiáng)度分布。此外，X射線源可以產(chǎn)生具有不同能量譜的X射線輻射。當(dāng)在位置P處穿過對(duì)象0之后，X射線束XB可以被X射線探測器XD探測。在收 集了所有或者至少部分的x射線束XB并將其作為X射線信號(hào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器之后，投影 圖像重建功能PIRF可以基于對(duì)象0的投影圖像來重建對(duì)象0的斷層攝影圖像。圖4B是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的圖4A所示系統(tǒng)400的兩個(gè)X射線源像素 的示意圖。參照?qǐng)D4B，X射線源XS1和XS2成角度地向著對(duì)象0的等中心0C。由對(duì)象0的 中心0C和每個(gè)X射線源的電子場發(fā)射器的X射線焦斑形成的線處于X射線源的對(duì)稱平面。 X射線源像素可以如此傾斜從而將X射線源像素生成的X射線束的中心線定向?yàn)槌虻戎?心0C。在一個(gè)例子中，X射線源XS1和XS2的中心線形成一傾斜角度。X射線源可以相對(duì) 于彼此傾斜以實(shí)現(xiàn)期望的傾斜角度。在系統(tǒng)400中，從焦點(diǎn)起源的X射線束可以由來自陰極上相應(yīng)像素的電子束生成。 可以通過順序激活各個(gè)像素來生成掃描X射線束?？梢栽赬射線陽極和柵電極之間施加恒 定DC高壓(大約0-100KVP)?？梢越o柵電極施加變化的DC電壓(大約0-2kV)?？蛇x擇地， X射線陽極可以配置為處于不同電壓以產(chǎn)生具有多能量的X射線輻射。例如，對(duì)于具有25 個(gè)X射線源的系統(tǒng)，可以將12個(gè)陽極配置為處于低電壓，而可以將13個(gè)陽極配置為處于高 電壓。這種配置使得系統(tǒng)可以用于雙能量成像?？梢酝ㄟ^與陰極連接的電子電路(例如，M0SFET電路)來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)發(fā)射像素的接 通和斷開。電子電路可以用于分別控制來自不同X射線焦斑XS (例如，X射線源XS1和XS2) 的X射線強(qiáng)度，從而使它們可以是相同的或者被調(diào)制為向要成像的所述對(duì)象上遞送期望的 強(qiáng)度或者強(qiáng)度分布。當(dāng)電子束轟擊靶的陽極表面時(shí)，可以從相應(yīng)焦點(diǎn)產(chǎn)生X射線束。為了 生成掃描束，可以跨過各個(gè)M0SFET來掃描具有預(yù)定脈沖寬度的脈沖電壓。在每個(gè)點(diǎn)處，通 道可以被“打開”以從像素生成電子束，從而導(dǎo)致從靶上的相應(yīng)焦點(diǎn)處生成X射線束。為了 將X射線通量的波動(dòng)最小化，可以以恒定電流模式來操作陰極?？梢宰詣?dòng)調(diào)整柵壓以將發(fā) 射電流以及因而的來自每個(gè)像素的X射線通量維持在期望水平。X射線生成設(shè)備XGD的25個(gè)X射線源像素從端到端可以橫跨57. 45cm的距離。當(dāng) 源_對(duì)象的距離是64. 52cm時(shí)，設(shè)備提供48度的覆蓋范圍，其中在鄰近像素之間具有大致 均勻的2度角度間隔。鄰近X射線源像素之間的線性間隔可以變化以提供均勻的角度間隔。 X射線束可以校準(zhǔn)為在體模平面上23. 04cm的視場(F0V)。如果X射線源像素布置成與探 測器平面平行的線性直線而不是弧形，那么對(duì)于各個(gè)像素，像素-源距離可以變化。在對(duì)這 一 X射線束傳播距離變化進(jìn)行補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)選擇中，可以分別調(diào)整來自每個(gè)像素的X射線管 電流從而使在體模表面處的通量保持相同。在另一解決方法中，可以在重建過程中將圖像 強(qiáng)度歸一化?？梢詫Ⅲw模放置在臺(tái)上以在探測器和體模之間布置2. 54cm的空氣縫隙。圖5是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的采集對(duì)象圖像的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采 集對(duì)象圖像。參照?qǐng)D1和5，控制器CTR可以激活X射線源XS以利用X射線束來照射對(duì)象 0，從而生成對(duì)象0的投影圖像(方框500)。在方框502中，控制器CTR可以控制X射線探 測器XD來探測對(duì)象0的投影圖像。在方框504中，投影圖像重建功能PIRF可以基于對(duì)象0 的投影圖像來重建對(duì)象0的斷層攝影圖像。功能PIRF可以利用任意適當(dāng)技術(shù)來重建對(duì)象 0的斷層攝影圖像。圖6是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對(duì)象圖像 的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考圖1示出的系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任 意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采集對(duì)象圖像。參照?qǐng)D1和6，在方框600中，系統(tǒng)100的控 制器CTR可以將過程初始化并將變量i設(shè)置為1。變量i代表該過程的重復(fù)次數(shù)。在方框 602中，控制器CTR可以將對(duì)應(yīng)于第i個(gè)像素的X射線源XS開啟。具體而言，一個(gè)或多個(gè)X 射線源XS可以對(duì)應(yīng)于X射線源的第i組。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，該過程順序經(jīng)過i組 X射線源，直到已經(jīng)開啟全部X射線源并且探測到它們的X射線束XB。在方框604中，控制器CTR可以控制X射線探測器XD來采集第i幅圖像。具體而 言，X射線探測器XD可以采集由第i個(gè)X射線源生成的對(duì)象0的投影圖像?？刂破鰿TR可 以確定對(duì)來自所有i組X射線源的圖像的采集是否已經(jīng)完成(方框606)。如果確定的是未 采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么控制器CTR可以將變量增加1 (方框608)，并且 該過程可以前進(jìn)至方框502以采集來自X射線源剩余組的圖像。如果確定的是已經(jīng)采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么投影圖像重建功能 PIRF可以基于對(duì)象的投影圖像來重建對(duì)象0的斷層攝影圖像(方框610)。在方框612中， 計(jì)算機(jī)COM的顯示器可以顯示對(duì)象0的重建切片圖像。圖7是示出根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的利用MBFEX系統(tǒng)來順序采集對(duì)象圖像 的示例性過程的流程圖。在這一例子中參考圖1示出的系統(tǒng)100，盡管如此在此描述的任 意其它系統(tǒng)都可利用該過程來采集對(duì)象圖像?？梢岳没贚ABVIEW (從國家儀器公司獲 得)的軟件應(yīng)用來生成用于電子控制X射線束像素的觸發(fā)和切換以及使X射線照射和探測 器數(shù)據(jù)收集同步的功能。參照?qǐng)D1和7，在方框700中，系統(tǒng)100的控制器CTR可以將過程初始化并將變量 i設(shè)置為1。變量i代表該過程的重復(fù)次數(shù)。在方框702中，控制器CTR可以將對(duì)應(yīng)于第i 個(gè)像素的X射線源XS開啟。具體而言，一個(gè)或多個(gè)X射線源XS可以對(duì)應(yīng)于第i組X射線 源。如以下進(jìn)一步詳細(xì)描述的，該過程順序經(jīng)過i組X射線源，直到已經(jīng)開啟全部X射線源 并且探測到它們的X射線束XB。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器CTR可以控制X射線源以生成多 路復(fù)用X射線束，如以下所述，所述X射線束可以被解復(fù)用以用于圖像重建。在方框704中，控制器CTR可以控制X射線探測器XD來采集第i幅圖像。具體而 言，X射線探測器XD可以采集由第i個(gè)X射線源生成的對(duì)象0的投影圖像?？刂破鰿TR可 以確定對(duì)來自所有i組X射線源的圖像的采集是否已經(jīng)完成(方框706)。如果確定的是未 采集完來自所有i組X射線源的圖像，那么控制器CTR可以將變量增加1 (方框708)，并且 該過程可以前進(jìn)至方框702以采集來自X射線源剩余組的圖像。圖像采集之后，投影圖像重建功能PIRF可以應(yīng)用斷層合成重建(方框710)，并經(jīng) 由計(jì)算機(jī)COM的顯示器顯示重建圖像(方框712)?？蛇x擇地，如果X射線束是多路復(fù)用的，那么投影圖像重建功能PIRF可以將圖像解復(fù)用(方框714)，應(yīng)用斷層合成重建(方框716) 并經(jīng)由計(jì)算機(jī)COM的顯示器顯示重建圖像(方框718)。根據(jù)在此描述的主題，可以在系統(tǒng)中利用任意適當(dāng)?shù)亩嗦窂?fù)用成像技術(shù)。在這一 成像模式中，所有X射線源像素或者X射線源像素的子組可以同時(shí)接通以照射對(duì)象。多路 復(fù)用技術(shù)的一個(gè)例子包括頻分多路復(fù)用。通過利用多路復(fù)用技術(shù)，可以顯著增加總的圖像 收集時(shí)間。在多路復(fù)用技術(shù)的一個(gè)例子中，可以利用正交頻分多路復(fù)用技術(shù)。在這一例子中， 生成脈沖X射線信號(hào)并且每個(gè)X射線束可以具有唯一的脈沖寬度和重復(fù)率。此外，在這一 例子中，探測器從“開啟”的X射線像素中根據(jù)時(shí)間記錄所發(fā)射的X射線強(qiáng)度。然后在頻域 中將所記錄的圖像解復(fù)用以獲得來自各個(gè)像素的投影圖像。在多路復(fù)用技術(shù)的另一例子中，可以利用二元多路復(fù)用技術(shù)。題為“Methods， Systems, and Computer Program Products for Binary MultiplexingX-Ray Radiography”的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)No. 11/804，897 (其公開內(nèi)容通過引用全部并入本 文，并通常被分配到作為本專利申請(qǐng)的同一實(shí)體)描述了二元多路復(fù)用技術(shù)的一個(gè)例子。 在這一例子中，X射線束的子集順序接通。通過對(duì)來自各子集的合成圖像的線性組合，可以 獲得各個(gè)投影圖像?？身樞蛴|發(fā)X射線源并且相應(yīng)地采集投影圖像。圖8是根據(jù)在此描述的主題的實(shí) 施例的探測器觸發(fā)和X射線源像素觸發(fā)的定時(shí)圖。在這一例子中，系統(tǒng)包括25個(gè)X射線源 像素。信號(hào)代表由控制器生成的用于控制X射線源和探測器的控制信號(hào)。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)為5V 時(shí)，X射線輻射是開啟的。針對(duì)每個(gè)像素的照射時(shí)間是，其與探測器的積分時(shí)間是 相同的。通過信號(hào)的上升沿來觸發(fā)探測器的讀出。由I；代表獲取一幅圖像的時(shí)間?？偟?掃描時(shí)間是25*(T照射+Tr)。根據(jù)在此描述的主題，每個(gè)場發(fā)射X射線源可均包括場發(fā)射陰極、當(dāng)在柵極和陰 極之間施加電場時(shí)從陰極提取電子的柵電極、將場發(fā)射電子聚焦到陽極上所定義的焦點(diǎn)區(qū) 域的聚焦單元、以及當(dāng)其被電子束轟擊時(shí)產(chǎn)生X射線輻射的陽極。場發(fā)射陰極可以包括碳 納米管、納米線、和/或微加工尖端。柵電極可以被單獨(dú)控制或者電連接。為了試驗(yàn)的目的，構(gòu)建了根據(jù)在此公開的主題的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例。圖9是根據(jù) 在此公開的主題的通常表示為900的MBFEX系統(tǒng)的圖像。參照?qǐng)D9，系統(tǒng)900包括X射線探 測器XD、X射線生成設(shè)備XGD、和用于定位被成像的體模PH的臺(tái)S。X射線生成設(shè)備XGD包 括碳納米管MBFEX源。X射線探測器XD是平板X射線探測器。系統(tǒng)900包括控制單元和 計(jì)算機(jī)工作站。X射線探測器XD可以是平板探測器。視場可以是大約19.5cmX24.4cm，以 便可以確保對(duì)乳房的全圖像。在127 ym像素間距的情況下，總的矩陣尺寸是1536X1920。 探測器可以在非面元(non-birming)模式和2X2面元(binning)模式下運(yùn)行。再次涉及 圖7，在用戶同步模式下，連續(xù)TTL信號(hào)的上升沿可以觸發(fā)探測器的讀出。成像時(shí)間由積分 窗口 和探測器讀出時(shí)間I；確定。可經(jīng)由觸發(fā)信號(hào)控制。X射線輻射在積分窗口 T
之內(nèi)遞送，而輻射期表示為Trw。讀出時(shí)間I；取決于采集模式。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的2X2面元 模式，讀出時(shí)間分別是128ms和32ms。在這一例子中，順序獲得投影圖像。圖10是示出了 X射線探測器XD、體模PH和X射線生成設(shè)備XGD的X射線源XS之 間的空間關(guān)系的示意圖。體模PH的中心和X射線生成設(shè)備X⑶之間的距離是大約64. 5cm。X射線生成設(shè)備XGD至探測器XD的距離是大約69. 6cm,這為標(biāo)準(zhǔn)5cm乳房體模留下了大 約2. 5cm的空氣間隙。X射線源以均勻的角度分布和大約2度的步幅或增量線性布置以減 小系統(tǒng)復(fù)雜性。X射線生成設(shè)備的總角度覆蓋范圍是大約48度。在這一系統(tǒng)中，最接近的 X射線焦斑之間的距離從2. 5cm到2. 7cm變化，并且X射線生成設(shè)備陣列的總跨度是大約 57. 5cm0系統(tǒng)900包括場發(fā)射X射線源陣列。25個(gè)X射線源像素的結(jié)構(gòu)是大致相同的。圖 11A和11B分別是根據(jù)在此公開的主題的實(shí)施例的X射線源XS的透視圖和示意圖。參照?qǐng)D 11A和11B，X射線源XS可以包括用于發(fā)射電子的電子場發(fā)射器FE。電子場發(fā)射器FE可以 包括一個(gè)或多個(gè)碳納米管和/或其它適當(dāng)?shù)碾娮訄霭l(fā)射材料。電子場發(fā)射器FE可以與陰 極C的表面、導(dǎo)電線或接觸導(dǎo)線、或者其它適當(dāng)導(dǎo)電材料附接。電子場發(fā)射器FE可以由包括M0SFET電路的適當(dāng)控制器(例如圖4A所示的控制器 CTR)控制。該控制器可以控制電壓源以在電子場發(fā)射器FE和柵電極GE之間施加電壓，從 而生成電場以從電子場發(fā)射器FE提取電子，因而產(chǎn)生電子束EB?？刂破骺梢圆僮鱉0SFET 電路以單獨(dú)控制X射線源發(fā)射電子束。M0SFET的漏極可以與陰極C連接，以控制發(fā)射器FE 發(fā)射電子束?？梢酝ㄟ^將高信號(hào)(例如，5V)和低信號(hào)(例如，0V)施加于M0SFET的柵極來 開啟和關(guān)閉M0SFET。當(dāng)高信號(hào)施加于M0SFET的柵極時(shí)，晶體管的漏極到源極通道被開啟 以在陰極C和柵電極GE之間施加電壓差。超出閾值的電壓差可以在陰極C和柵電極GE之 間生成電場，從而從電子場發(fā)射器FE提取電子。相反，當(dāng)?shù)碗妷?例如，0V)施加于M0SFET 的柵極時(shí)，漏極到源極通道被關(guān)閉，從而發(fā)射器FE的電壓是電浮動(dòng)的，并且在陰極C和柵電 極GE之間的電壓差不能生成足夠強(qiáng)度的電場來從發(fā)射器FE提取電子。陰極C可以是接地的，并且在成像采集期間其它電極維持在恒定電壓。柵壓確定 了 X射線管電流。低于閾值就沒有電流，而隨著柵壓高于閾值，電流指數(shù)型地增加。在一個(gè) 例子中，每個(gè)X射線像素在40kVp時(shí)可以提供在0. 1和1mA之間的管電流。控制器可操作 地將不同頻率的電壓脈沖施加給M0SFET的柵極。此外，X射線源XS可以包括具有被電子束EB轟擊的焦斑的陽極A?？梢栽陉枠OA 和柵電極GE之間施加電壓差，從而生成場來將電子場發(fā)射器FE發(fā)射的電子向著陽極A的 靶結(jié)構(gòu)TS加速。靶結(jié)構(gòu)可以在被電子束EB轟擊時(shí)產(chǎn)生具有預(yù)定信號(hào)的X射線束。X射線 源XS可以包括用于將從電子場發(fā)射器FE提取的電子聚焦到靶結(jié)構(gòu)TS上的聚焦電極FEL1 和FEL2，并因而減小了電子束EB的尺寸?？梢酝ㄟ^由電壓源給聚焦電極施加電壓來控制聚 焦電極FEL1和FEL2。施加到聚焦電極上的電壓控制電子的軌跡。柵壓可以取決于期望的 通量而變化。電子場發(fā)射器FE和柵電極GE可以包含于具有大約lOlorr壓力的密封內(nèi)部的真 空腔室之內(nèi)?？梢詫⒃撜婵涨皇业膬?nèi)部抽空以實(shí)現(xiàn)期望的內(nèi)部壓力。X射線輻射可以經(jīng)由 X射線可穿透部分或者窗口從真空腔室的內(nèi)部傳播至其外部。在一個(gè)例子中，X射線可穿透 部分或者窗口可以是鈹(Be)或者鉬(Mo)窗口。除其它應(yīng)用外，鉬陽極和過濾器的組合可 以用于乳房成像?？梢詫⒏哌_(dá)40keV的高電壓施加于陽極A?？梢允龟枠OA適當(dāng)?shù)爻尚魏?/或成角度從而使所生成的X射線束從多個(gè)不同視角向著對(duì)象傳輸。源的目標(biāo)性能是每個(gè) X射線源像素可以在200 umX200um的有效焦斑尺寸下提供10mA的峰值電流?？蛇x擇地， 能量過濾器可以包括鈰，并且施加于陽極A的電壓可在60-80kV的范圍。
圖12是根據(jù)在此描述的主題的控制器CTR的電路圖，該控制器配置為控制X射線 束從多個(gè)X射線源的發(fā)射。參照?qǐng)D12，控制器CTR可以包括多個(gè)M0SFET，其可操作地分別 接通和斷開X射線源XS。M0SFET的漏極(D)、柵極(G)和源極⑶分別與陰極C、由計(jì)算機(jī) 電路板CB生成的TTL觸發(fā)信號(hào)以及共用接地GND連接。當(dāng)TTL觸發(fā)信號(hào)為低狀態(tài)時(shí)，在源 極和漏極之間的傳導(dǎo)通道是關(guān)閉的。這使得碳納米管陰極電位相對(duì)于共用接地GND浮動(dòng)， 并且沒有電子從陰極C發(fā)射并因而沒有X射線束生成。當(dāng)TTL觸發(fā)信號(hào)為高狀態(tài)時(shí)，陰極 C由于開啟的傳導(dǎo)通道而接地。結(jié)果，通過柵極G和陰極C之間的電場提取電子，并產(chǎn)生X 射線輻射。鑒于數(shù)十毫秒的X射線照射期，大約35到45ns的(在TTL信號(hào)和傳導(dǎo)通道的 切換之間的)M0SFET延遲時(shí)間是足夠了的?？梢栽诔上癫杉^程期間在任意給定時(shí)間單獨(dú) 地切換X射線源像素，從而提供很大的適應(yīng)性?？勺冸娮鑂是內(nèi)置的以補(bǔ)償各個(gè)陰極性能 的變化。圖13是根據(jù)在此描述的主題的實(shí)施例的MBFEX X射線源的圖像。該陣列包括25 個(gè)可單獨(dú)控制的X射線源像素XS，該X射線源像素向著定位要成像的對(duì)象的位置的等中心 傾斜。重建功能可以基于最大似然模型來使用迭代有序子集凸 (iterativeordered-subset convex) (0SC)技術(shù)來重建切片圖像。該重建技術(shù)應(yīng)用共享方 法來將所有投影圖像轉(zhuǎn)換到參照的公共幀，然后使用預(yù)計(jì)算的錐束模型來在該公共幀內(nèi)進(jìn) 行投影和反投影。為了減少計(jì)算負(fù)荷，重建了非立方的體素。已經(jīng)通過模擬數(shù)據(jù)和乳房體 模圖像兩者對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，該乳房體模圖像從具有有限數(shù)量像素的場發(fā)射X射線 源陣列測量。表1示出了圖9示出的系統(tǒng)900與商業(yè)上可獲得系統(tǒng)的比較。
* 由于在照射期間掃描架運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的額外焦斑模糊**:總掃描時(shí)間=(視圖數(shù)量)X(循環(huán)時(shí)間)；循環(huán)時(shí)間=(讀出時(shí)間)+ (積分 時(shí)間)表1 系統(tǒng)比較根據(jù)在此公開的主題的系統(tǒng)超過商業(yè)上可獲得系統(tǒng)的優(yōu)勢包括(1)系統(tǒng)900的 總焦斑尺寸是200 u m,而其它系統(tǒng)的值是300 u m或者更大；(2)固定設(shè)計(jì)通過消除機(jī)械運(yùn) 動(dòng)來提供更少的掃描架振動(dòng)；以及(3)照射時(shí)間與探測器積分窗口匹配。目標(biāo)總掃描時(shí)間 (面元模式下是8. 8s，并且在全分辨率模式、25個(gè)觀察角度下是11. 2s，)更短，可以通過要 求放寬焦斑尺寸以增加X射線管電流來進(jìn)一步減小目標(biāo)總掃描時(shí)間。利用硅-pin光電二極管探測器來測量在28keV下系統(tǒng)900的X射線源的能量譜。 可以如此選擇所使用的能量過濾器，從而使得來自每個(gè)X射線焦斑的X射線輻射具有相同 的能量譜。當(dāng)在視場內(nèi)的不同位置并從不同X射線源像素測量時(shí)，該譜是不變的。圖14的 圖表示出了在28keV下系統(tǒng)900(圖9)的實(shí)驗(yàn)測量能量譜。圖14示出的結(jié)果與典型的鉬/ 鉬X射線譜充分一致。在該圖中可以識(shí)別出兩個(gè)鉬特性峰值，一個(gè)在17.5keV而另一個(gè)在 19. 6keV?？蛇x擇地，能量過濾器可以如此改變從而可以單獨(dú)控制來自各X射線焦斑的能量譜。圖15是圖9示出的系統(tǒng)900的根據(jù)柵壓變化的陽極電流的圖形。對(duì)于這一 X射 線源的閾值是大約650V。來自碳納米管陰極的發(fā)射電流遵循Fowler-Nordheim公式取決于 柵極和陰極之間的電場。在這一特定的X射線源中，總電流的72%經(jīng)過柵電極并達(dá)到陽極 以產(chǎn)生X射線輻射(也表示為陽極電流)。圖15的圖表示出了從一個(gè)像素測量的典型陽 極電流與柵壓數(shù)據(jù)。由于電子控制設(shè)備的電壓限制，在這一實(shí)驗(yàn)中可以施加的最大柵壓是 1500V，這將陽極電流限制在 4mA，低于10mA的目標(biāo)值。可以通過改變?cè)O(shè)計(jì)和/或優(yōu)化碳 納米管陰極(當(dāng)在單獨(dú)的機(jī)構(gòu)中測量時(shí)，在相同條件下制造的陰極可以在更高的柵壓下恒 定地產(chǎn)生超過10mA)來克服這一限制。在這一實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)描述了圖9示出的系統(tǒng)900的9個(gè)像素。由于碳納米管陰極 的變化，獲得相同電流所必需的柵壓是不同的。作為參考，對(duì)于1mA的管電流，電壓從925V 到1465V變化。表2示出了從這一實(shí)驗(yàn)獲得的9個(gè)像素的柵壓和電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差。 表2 像素的柵壓和標(biāo)準(zhǔn)偏差可以通過控制器中的可變電阻來補(bǔ)償電壓差。隨著制造技術(shù)和陰極質(zhì)量控制的改 善，可以減少該變化。通過測量處于恒定電壓的100個(gè)脈沖X射線的電流，可以確定電流穩(wěn) 定性。對(duì)于所有測試的像素，電流的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0. 03mA。在這一實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于所有25個(gè)X射線源，所設(shè)計(jì)的X射線焦斑尺寸大約是 200X200 iim。實(shí)際值是按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12543-5測量的。制造由1mm鎢線制成的定制十 字線體模來同時(shí)測量沿著兩個(gè)正交方向的焦斑尺寸。將體模放置為接近X射線源以獲得大 的放大因子。首先改變施加于兩個(gè)聚焦電極的電壓以優(yōu)化焦斑尺寸。據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個(gè)聚焦 電極分別處于500V和1600V時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最佳焦斑尺寸。圖16示出了十字體模的典型投影圖像。圖17是示出了兩個(gè)導(dǎo)線的線輪廓的圖形，其中X軸是X射線源陣列的方向，而Y 軸垂直于該陣列。表3示出了 9個(gè)X射線源像素的焦斑尺寸測量結(jié)果。 表3 像素的焦斑尺寸測量結(jié)果表3示出的結(jié)果與所設(shè)計(jì)的0. 20 X 0. 20mm規(guī)格充分一致。X射線源的各向同性焦 點(diǎn)具有0. 19mm的平均值。來自不同X射線源的測量結(jié)果也是一致的。斷層合成重建要求精確的系統(tǒng)幾何參數(shù)。對(duì)于幾何校準(zhǔn)，基于橢圓參數(shù)的識(shí)別來 應(yīng)用解析法，該幾何校準(zhǔn)是對(duì)于錐束CT校準(zhǔn)而言首先建立的。制造具有已知距離的兩個(gè)點(diǎn) 對(duì)象的體模。單獨(dú)地校準(zhǔn)25個(gè)X射線源的幾何參數(shù)。對(duì)于每個(gè)像素，采集體模的6幅投影 圖像(每隔60度旋轉(zhuǎn))。兩個(gè)球的軌跡在探測器平面上形成兩個(gè)橢圓。可以基于這些橢圓 曲線來進(jìn)一步計(jì)算該參數(shù)，包括源_探測器距離和探測器平面上的X射線源偏移值。計(jì)算 出源-探測器距離為69. 3cm，并有2mm的不確定度。也計(jì)算在各X射線源之間的距離。該 結(jié)果與設(shè)計(jì)值一致并具有1mm之內(nèi)的不確定度。在一個(gè)實(shí)施例中，可以在X射線探測器和用于定位對(duì)象的位置之間定位防散射部 件。具體而言，可以制造一維或者二維的防散射柵格來利用線性MBFEX的優(yōu)點(diǎn)。例如，在二 維柵格的情況下，可基于所述X射線源中被激活的一個(gè)或多個(gè)的位置來調(diào)整所述防散射部 件?？蛇x擇地，在一維防散射柵格的情況下，柵格線可以平行或者垂直于MBFEX的線性/弧 形方向延伸?？梢约舨脰鸥竦膸缀谓Y(jié)構(gòu)以使扇束重建可以提高斷層攝影圖像的質(zhì)量，并提 高重建速度。利用這種防散射部件，錐束X射線源可以用于產(chǎn)生對(duì)象的扇束重建斷層攝影圖 像。例如，再次參考圖4A，可以提供多個(gè)固定場發(fā)射X射線源XS。X射線源XS可以空間分布成大致線性陣列(例如，X射線生成設(shè)備XGD)。然后可以利用由X射線源XS產(chǎn)生的X射 線錐束來照射對(duì)象0，以生成對(duì)象0的二維投影圖像。線性防散射柵格AS可以放置在對(duì)象 0和探測器XD之間以減少X射線錐束的散射?？梢蕴綔y對(duì)象0的二維投影圖像，并且可以 將二維投影圖像分為一維數(shù)據(jù)的組?？梢詮乃胁煌琗射線源XS來收集這些一維數(shù)據(jù)的 組，并且扇束重建可以用于從各一維數(shù)據(jù)的組來重建對(duì)象0的切片圖像。切片圖像可以融 合在一起以形成對(duì)象0的三維圖像。 應(yīng)理解的是，目前公開的主題的各種細(xì)節(jié)可以改變，而不脫離目前公開的主題的 范圍。此外，前述描述僅出于說明的目的，而非限制的目的。
權(quán)利要求
一種固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，包括X射線源，其生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的X射線輻射，所述X射線焦斑陣列配置為在不移動(dòng)所述源、對(duì)象或者探測器中任意一者的情況下，從不同觀察角度來對(duì)人體乳房成像以用于重建；面X射線探測器，其配置為探測所述乳房的投影圖像；電子控制器，其用于順序激活來自所述X射線源中不同X射線焦斑的X射線輻射，并用于使來自給定焦斑的X射線照射與所述X射線探測器的圖像收集同步；并且其中，利用從不同觀察角度收集的所述乳房的多個(gè)投影圖像來重建所述乳房的斷層攝影圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括布置 成與所述X射線探測器的成像平面平行的大致直線的多個(gè)焦斑。
3.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括大致 沿著弧形布置的多個(gè)焦斑，其中，所述焦斑限定的平面與所述X射線探測器的成像平面大 致垂直，其中，所有的所述X射線焦斑與等中心等距離。
4.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括布置 成X射線陽極上的二維矩陣的多個(gè)焦斑。
5.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括具有 大致相同尺寸的焦斑。
6.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括的焦 斑具有范圍在大約0. 05mm和大約2mm之間的尺寸。
7.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源配置為生 成錐形X射線束，并且其中，將所述X射線束的中心軸大致定向?yàn)槌虻戎行摹?br> 8.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，還包括分別控制來自所述不 同X射線焦斑的X射線強(qiáng)度的電子電路，從而使所述X射線強(qiáng)度是相同的或者被調(diào)制為向 要成像的所述對(duì)象上遞送期望的強(qiáng)度或者強(qiáng)度分布。
9.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源中的所述 空間分布的X射線焦斑陣列包括大約10和100個(gè)之間的X射線焦斑，這些焦斑覆蓋的觀察 角度在10°和100°度之間。
10.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，包括多個(gè)可單獨(dú)控制的電子 場發(fā)射陰極、一個(gè)或多個(gè)X射線陽極，以及電子聚焦透鏡，所述電子聚焦透鏡將電子束從陰 極聚焦到X射線陽極上的期望區(qū)域。
11.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述電子聚焦透鏡是 具有多個(gè)靜電聚焦電極的改進(jìn)的Einzel型透鏡。
12.如權(quán)利要求10所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述電子場發(fā)射陰極 包括以下中的至少一個(gè)納米線、納米管以及碳納米管。
13.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，包括配置為調(diào)整不同X射線 束的焦斑尺寸的控制器。
14.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，包括具有配置為激活所述X 射線源的基于場效應(yīng)晶體管的電子電路的控制器。
15.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，包括定位在所述X射線探測 器和用于定位所述對(duì)象的位置之間的防散射部件。
16.如權(quán)利要求15所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，可基于所述X射線源 中被激活的一個(gè)或多個(gè)的位置來調(diào)整所述防散射部件。
17.如權(quán)利要求1所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括X 射線陽極，其配置為處于不同電壓以產(chǎn)生具有雙能量的X射線輻射。
18.如權(quán)利要求17所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源包括 12個(gè)配置為處于低電壓的陽極和13個(gè)配置為處于高電壓的陽極，從而使所述系統(tǒng)能夠用 于雙能量成像。
19.一種固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其配置為在不移動(dòng)源、對(duì)象或者探測器 中任意一者的情況下，從不同觀察角度來對(duì)人體乳房成像以用于重建，所述系統(tǒng)包括X射線源，其生成來自X射線焦斑陣列的X射線輻射，所述X射線焦斑空間分布成與所 述X射線探測器的成像平面平行的大致直線；面X射線探測器，其配置為探測所述乳房的投影圖像；電子控制器，其用于順序激活來自不同X射線焦斑的X射線輻射，并基于所述X射線焦 斑和要成像的所述對(duì)象之間的距離來改變所述χ射線輻射的強(qiáng)度，從而使從每個(gè)觀察角度 遞送給所述對(duì)象的X射線劑量是大致相同的；并且其中，利用從不同觀察角度收集的所述對(duì)象的多個(gè)投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝 影圖像。
20.如權(quán)利要求19所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源配置為 生成錐形X射線束，并且其中，將每個(gè)所述X射線束的中心軸大致定向?yàn)槌虻戎行摹?br> 21.如權(quán)利要求19所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源的鄰近 焦斑相對(duì)于等中心具有大致相同的角度間隔。
22.如權(quán)利要求19所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述X射線源的所述 鄰近焦斑具有大致相同的線性間隔。
23.一種固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其配置為在不移動(dòng)源、對(duì)象或者探測器 中任意一者的情況下，從不同觀察角度來對(duì)人體乳房成像以用于重建，所述系統(tǒng)包括X射線源，其生成來自X射線焦斑陣列的X射線輻射，所述X射線焦斑沿著與所述X射 線探測器的成像平面大致垂直的弧形空間分布，其中，所述焦斑與要成像的所述對(duì)象等距 罔；面X射線探測器，其配置為探測所述乳房的投影圖像；電子控制器，其用于順序激活來自不同X射線焦斑的X射線束，并向每個(gè)焦斑遞送相同 的X射線管電流；并且其中，利用從不同觀察角度收集的所述對(duì)象的多個(gè)投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝 影圖像。
24.一種準(zhǔn)單色X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其配置為對(duì)人體乳房成像，所述系統(tǒng) 包括X射線源，其生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的掃描錐束X射線輻射；能量過濾器；X射線探測器，其配置為收集對(duì)象的投影圖像；電子控制電路，其允許通過基于多路復(fù)用成像方案在給定時(shí)間同時(shí)激活多個(gè)X射線束 來對(duì)所述對(duì)象成像，并使X射線照射與所述X射線探測器的數(shù)據(jù)收集同步；以及計(jì)算機(jī)程序，其將所述投影圖像解復(fù)用；其中，利用從不同觀察角度收集的所述對(duì)象的多個(gè)投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝 影圖像。
25.如權(quán)利要求24所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述能量過濾器是相 同的，從而使來自每個(gè)焦斑的X射線輻射具有大致相同的能量譜。
26.如權(quán)利要求24所述的設(shè)備，其中，能量過濾器是不相同的，從而可以分別控制來自 所述X射線焦斑的能量譜。
27.如權(quán)利要求24所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，通過二元多路復(fù)用方 案來收集所述投影圖像。
28.如權(quán)利要求24所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，通過頻分多路復(fù)用方 案來收集所述投影圖像。
29.如權(quán)利要求24所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，所述能量過濾器包括 鈰，并且其中，所述X射線源包括以60-80kV的電壓范圍操作的X射線陽極。
30.如權(quán)利要求24所述的X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)，其中，通過在不移動(dòng)所述X 射線源、所述探測器或者患者中的任意一者的情況下電子切換來自不同焦斑的X射線束來 生成來自所述不同觀察角度的所述投影圖像。
31.一種X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，包括場發(fā)射X射線源，其生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的掃描X射線束，所述X射線 焦斑陣列配置為從不同觀察角度對(duì)對(duì)象成像以用于斷層合成重建；面X射線探測器，其配置為探測所述對(duì)象的投影圖像；電子控制器，其用于將來自不同X射線焦斑的X射線束順序激活一個(gè)射束或者同時(shí)激 活多射束，并用于使χ射線照射與所述χ射線探測器的圖像收集同步；并且其中，利用來自不同觀察角度的所述對(duì)象的多個(gè)投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝影 圖像。
32.—種多路復(fù)用X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，包括場發(fā)射X射線源，其生成來自空間分布的X射線焦斑陣列的掃描X射線束，所述X射線 焦斑陣列配置為從不同觀察角度對(duì)對(duì)象成像以用于斷層合成重建；面X射線探測器，其配置為探測投影圖像；電子控制器，其用于通過基于多路復(fù)用成像方案在給定時(shí)間同時(shí)激活多個(gè)所述X射線 束來對(duì)所述對(duì)象成像，并用于使X射線照射與所述X射線探測器的圖像收集同步；其中，所述投影圖像被解復(fù)用；并且其中，利用來自不同觀察角度的所述對(duì)象的多個(gè)投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝影 圖像。
33.如權(quán)利要求32所述的X射線數(shù)字化斷層合成系統(tǒng)，還包括控制器，其用于通過控制 場發(fā)射陰極的場發(fā)射電流來改變自每個(gè)焦斑的X射線強(qiáng)度，并且通過改變施加給電子聚焦 透鏡的電壓來調(diào)整所述焦斑的尺寸。
34.一種產(chǎn)生對(duì)象的斷層攝影圖像的方法，所述方法包括 提供相對(duì)于要成像的對(duì)象空間分布的多個(gè)固定場發(fā)射X射線源；利用由所述X射線源產(chǎn)生的X射線束來照射所述對(duì)象，以生成所述對(duì)象的投影圖像； 探測所述對(duì)象的所述投影圖像；并且基于所述對(duì)象的所述投影圖像來重建所述對(duì)象的斷層攝影圖像。
35.如權(quán)利要求34所述方法，其中，所述X射線源包括布置成與所述X射線探測器的成 像平面平行的大致直線的多個(gè)焦斑。
36.如權(quán)利要求34所述方法，其中，所述X射線源包括大致沿著弧形布置的多個(gè)焦斑， 其中，所述焦斑限定的平面與所述X射線探測器的成像平面大致垂直。
37.如權(quán)利要求34所述方法，其中，所述X射線源包括布置成陽極上的二維矩陣的多個(gè) 焦斑。
38.一種利用單色和準(zhǔn)單色X射線束中的至少一個(gè)來產(chǎn)生對(duì)象的圖像的方法，所述方 法包括提供相對(duì)于要成像的對(duì)象空間分布的多個(gè)固定場發(fā)射X射線源； 利用由所述X射線源產(chǎn)生的單色和準(zhǔn)單色X射線束中的至少一個(gè)來照射所述對(duì)象，以 生成所述對(duì)象的投影圖像；探測所述對(duì)象的所述投影圖像；并且基于所述對(duì)象的所述投影圖像來重建所述對(duì)象的可顯示的圖像。
39.如權(quán)利要求38所述方法，其中，所述X射線源包括布置成與所述X射線探測器的成 像平面平行的大致直線的多個(gè)焦斑。
40.如權(quán)利要求38所述方法，其中，所述X射線源包括大致沿著弧形布置的多個(gè)焦斑， 其中，所述焦斑限定的平面與所述X射線探測器的成像平面大致垂直。
41.如權(quán)利要求38所述方法，其中，所述X射線源包括布置成陽極上的二維矩陣的多個(gè) 焦斑。
42.如權(quán)利要求38所述方法，其中，所述X射線源包括多個(gè)可單獨(dú)控制的電子場發(fā)射陰 極和一個(gè)或多個(gè)X射線陽極。
43.如權(quán)利要求42所述方法，其中，所述電子場發(fā)射陰極包括以下中的至少一個(gè)納米 線、納米管以及碳納米管。
44.一種利用錐束X射線源來產(chǎn)生對(duì)象的扇束重建斷層攝影圖像的方法，所述方法包括提供空間分布成大致線性陣列的多個(gè)固定場發(fā)射X射線源；利用由所述X射線源產(chǎn)生的X射線錐束來照射所述對(duì)象，以生成所述對(duì)象的二維投影 圖像；將線性防散射柵格放置在所述對(duì)象和所述探測器之間以減小所述X射線錐束的散射；探測所述對(duì)象的所述二維投影圖像；將所述二維投影圖像分割成一維數(shù)據(jù)的組；從所述一維數(shù)據(jù)的組來重建所述對(duì)象的切片圖像；以及將所述對(duì)象的所述切片圖像融合以形成所述對(duì)象的三維圖像。
全文摘要
公開了一種固定X射線數(shù)字化乳房斷層合成系統(tǒng)和相關(guān)方法。根據(jù)一個(gè)方面，在此描述的主題可以包括具有多個(gè)固定場發(fā)射X射線源的X射線斷層合成系統(tǒng)，該固定場發(fā)射X射線源配置為利用X射線束來照射用于定位要成像的對(duì)象的位置，以生成對(duì)象的投影圖像。X射線探測器可以配置為探測對(duì)象的投影圖像。投影圖像重建功能可以配置為基于對(duì)象的投影圖像來重建對(duì)象的斷層攝影圖像。
文檔編號(hào)A61B6/04GK101842052SQ200880107680
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月19日
發(fā)明者D·拉盧希, O·Z·周, 盧健平, 楊光 申請(qǐng)人:北卡羅來納大學(xué)查珀?duì)栂柗中?北卡羅來納州大學(xué)