一种断层成像系统及其断层扫描控制电路的制作方法

本实用新型属于X射线成像技术领域，尤其涉及一种断层成像系统及其断层扫描控制电路。

背景技术：

计算机断层成像(Computed Tomography，CT)系统是指利用X射线束对人体某部位一定厚度的层面进行扫描，由探测器(即图像传感器)接收透过人体该层面的X射线，再经过光电信号转换、模拟/数字信号转换后输入计算机进行处理，以形成人体某部位对应的CT图像的系统。在X射线断层成像系统中，X射线源是断层成像系统的核心部件之一，其在一定程度上决定着断层成像系统的成像方式与成像性能。

现有的断层成像系统中的X射线源采用热阴极电子源，通过热发射电子的方式产生电子束，这种X射线源工作温度高、功耗大、不利于X射线源的小型化，难以实现单个X射线源内集成多个阴极，因此，为了实现多角度的X射线扫描，现有的断层成像系统将单个X射线源和探测器安装在旋转机架上，并围绕待扫描对象做机械式转动，从而使得探测器可以获取不同角度的二维投影图像，并通过计算机重建出三维图像信息。

然而，现有的断层成像系统在进行多角度扫描时，由于X射线源一直处于开启状态，因此在不同角度之间的运动过程中，会产生无效辐射剂量，增加患者在扫描过程中的总辐射剂量；且由于成像系统对成像精度的要求很高，因此会增加旋转机架的投资成本；同时，机械转动时会产生运动伪影，降低图像的空间分辨率，不利于图像重建。

综上可知，现有的断层成像系统存在扫描过程中会产生运动伪影和无效辐射剂量，且成本较高的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种断层成像系统及其断层扫描控制电路，旨在解决现有的断层成像系统所存在的扫描过程中会产生运动伪影和无效辐射剂量，且成本较高的问题。

本实用新型是这样实现的，一种断层成像系统的断层扫描控制电路，所述断层扫描控制电路与所述断层成像系统的探测器连接，所述断层扫描控制电路包括驱动模块、多个高压控制模块、冷阴极场致X射线源阵列及高压直流电源；所述冷阴极场致X射线源阵列包括呈线阵排列的多个冷阴极场致X射线源，所述冷阴极场致X射线源的数量与所述高压控制模块的数量相等；

所述驱动模块的信号接收端和信号发送端分别与所述探测器的信号发送端和信号接收端连接，所述驱动模块的多个输出端分别与所述多个高压控制模块的输入端连接，所述多个高压控制模块的输出端分别与所述多个冷阴极场致X射线源的场发射阴极连接，所述多个冷阴极场致X射线源的栅极共接于所述高压直流电源的正极，所述高压直流电源的负极接地；

在断层扫描模式下，所述探测器发送准备信号至所述驱动模块，并在接收到所述驱动模块发送的第一反馈信号时发送曝光时序信号至所述驱动模块；所述驱动模块根据所述曝光时序信号输出多路单脉冲信号；所述多个高压控制模块分别根据所述多路单脉冲信号对所述冷阴极场致X射线源阵列的发射时序进行控制，以使所述多个冷阴极场致X射线源在阳极高压的作用下依次向目标对象发射X射线；所述探测器接收透过所述目标对象的X射线，并将接收到的衰减后的X射线转化为二维投影数据后输出至所述断层成像系统的计算机。

本实用新型还提供了一种断层成像系统，包括探测器和计算机，所述断层成像系统包括上述的断层扫描控制电路。

本实用新型通过在断层成像系统中采用包括驱动模块、多个高压控制模块、冷阴极场致X射线源阵列及高压直流电源的断层扫描控制电路，在断层扫描模式下，由探测器发送准备信号至驱动模块，并在接收到驱动模块发送的第一反馈信号时发送曝光时序信号至驱动模块；由驱动模块根据曝光时序信号输出多路单脉冲信号；由多个高压控制模块分别根据多路单脉冲信号对冷阴极场致X射线源阵列的发射时序进行控制，以使多个冷阴极场致X射线源在阳极高压的作用下依次向目标对象发射X射线；由探测器接收透过所述目标对象的X射线，并将接收到的衰减后的X射线转化为二维投影数据后输出至断层成像系统的计算机，由于采用电子式全静态扫描方式，因此节约了高精度旋转机架的成本，且成像过程中不会存在运动伪影，同时，由于采用脉冲曝光方式，从而避免了扫描过程中无效辐射剂量的产生。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路的模块结构示意图；

图2是本实用新型另一实施例提供的断层扫描控制电路的模块结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路的电路结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1示出了本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图1所示，断层成像系统的断层扫描控制电路与断层成像系统的探测器10连接，扫描控制电路包括驱动模块20、多个高压控制模块30、冷阴极场致X射线源阵列40及高压直流电源DC。

其中，冷阴极场致X射线源阵列40包括呈线阵排列的多个冷阴极场致X射线源41，冷阴极场致X射线源41的数量与高压控制模块30的数量相等。

驱动模块20的信号接收端和信号发送端连接分别与探测器10的信号发送端和信号接收端，驱动模块20的多个输出端分别与多个高压控制模块30的输入端连接，多个高压控制模块20的输出端分别与多个冷阴极场致X射线源41的场发射阴极连接，多个冷阴极场致X射线源41的栅极共接于高压直流电源DC的正极，高压直流电源DC的负极接地。

在断层扫描模式下，探测器10发送准备信号至驱动模块20，并在接收到驱动模块20发送的第一反馈信号时发送曝光时序信号至驱动模块20；驱动模块20根据曝光时序信号输出多路单脉冲信号；多个高压控制模块30分别根据多路单脉冲信号对冷阴极场致X射线源阵列40的曝光时序进行控制，以使多个冷阴极场致X射线源41在阳极高压的作用下依次向目标对象发射X射线；探测器10接收透过目标对象的X射线，并将接收到的衰减后的X射线经过光电信号转换、模拟/数字信号转换处理得到二维投影图像，且将二维投影图像输出至断层成像系统的计算机，计算机将接收到的二维投影图像进行处理，形成目标对象(例如人体某部位)对应的CT(Computed Tomography，计算机断层扫描)图像。

在本实用新型实施例中，探测器10可以采用非晶硒数字平板探测器，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

在实际应用中，可以预先对冷阴极场致X射线源阵列40与探测器10的X射线接收面(即探测器10的成像位置)进行调节，以使探测器10可以接收到冷阴极场致X射线源41发射的X射线，且多个冷阴极场致X射线源41呈线阵排列，多个冷阴极场致X射线源41可以呈水平线阵排列，也可以呈竖向线阵排列，或者还可以呈其他形式的线阵排列，具体根据实际情况进行设置，此处不做限制。多个冷阴极场致X射线源41相对于探测器10的方位各不相同。

在本实用新型实施例中，冷阴极场致X射线源41可以采用冷阴极碳纳米X射线管。冷阴极场致X射线源41包括场发射阴极、栅极及阳极(图中未示出)，若场发射阴极与栅极之间所加的电压高于场发射阴极电子逸出所需的电压，则场发射阴极发射电子束，同时，通过阳极高压(由于阳极高压的接法与现有技术一样，因此，图中未示出)对电子束进行加速，电子束轰击阳极的靶面，即可产生X射线。为了使冷阴极场致发送电子源41能够工作，高压直流电源DC需要提供电压高达数千伏特的直流电。

在本实用新型实施例中，高压直流电源DC可以采用恒流源。同时，需将高压直流电源DC的输出电压限制在2000V左右，以防止恒流模式时电压过高而损坏器件。

在本实用新型实施例中，当探测器10工作在断层扫描模式时，探测器10上电后会主动发送准备信号至驱动模块20，驱动模块20接收到准备信号后，发送第一反馈信号至探测器10，探测器10接收到第一反馈信号后，发送曝光时序信号至驱动模块20，驱动模块20对曝光时序信号进行处理，并产生一个连续脉冲信号反馈给探测器10，同时，驱动模块20将连续脉冲信号分解为多路单脉冲信号，并分别通过其多个输出端输出；多个高压控制模块30分别根据多路单脉冲信号对冷阴极场致X射线源阵列40的曝光时序进行控制；具体的，当单脉冲信号的脉冲到来时，高压控制模块30内部连接至冷阴极场致X射线源41的场发射阴极的高压回路导通，此时，由于冷阴极场致X射线源41的场发射阴极和栅极之间的电压高于场发射阴极电子逸出所需的电压，因此，场发射阴极发射电子束，同时，阳极高压对电子束进行加速，电子束轰击阳极的靶面，产生X射线，探测器10将X射线穿过待扫描物体后的能量转换为电信号，并将电信号经过模/数转化后，输出到计算机进行处理。

在本实用新型实施例中，每个冷阴极场致X射线源41的发射X射线的时间互不重叠，即每次曝光时间窗来临时只有一路单脉冲信号有效，每个冷阴极场致X射线源发射X射线的时间各不相同。

在本实用新型实施例中，冷阴极场致X射线源41的数量可以根据实际需求进行设置，例如，冷阴极场致X射线源41的数量可以为25个，相应的，高压控制模块20的数量为25个，驱动模块20产生的连续脉冲信号包括25个脉冲，且驱动模块20输出25路单脉冲信号，探测器10在断层扫描模式下，一次性最多可以采集25帧图像。

在本实用新型实施例中，探测器10除了工作在断层扫描模式外，还可工作在单帧扫描模块，而曝光时序信号由探测器10的扫描模式决定，曝光时序信号可以预先设置并存储在探测器10中。

以上可以看出，本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路采用电子式全静态扫描方式取代现有断层成像系统中的机械式扫描，节约了高精度旋转机架的成本；且本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路在成像过程中不存在现有技术中机械运动带来的运动伪影问题，从而提高了图像的空间分辨率；同时，由于本实用新型实施例采用脉冲曝光的方式，每个冷阴极场致X射线源的曝光时间互不重叠，因此，在不同的冷阴极场致X射线源之间进行切换时不会产生无效辐射剂量，相应降低了扫描过程中患者接收到的总的辐射剂量。

图2示出了本实用新型另一实施例提供的断层扫描控制电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图2所示，作为本实用新型一实施例，探测器10的第一信号发送端、第二信号发送端、第一信号接收端及第二信号接收端分别与驱动模块20的第一信号接收端、第二信号接收端、第一信号发送端及第二信号发送端连接，驱动模块20包括信号转接单元21和控制单元22。

其中，信号转接单元21的第一信号接收端、第二信号接收端、第一信号发送端及第二信号发送端分别为驱动模块20的第一信号接收端、第二信号接收端、第一信号发送端及第二信号发送端，信号转接单元21的第三信号发送端、第四信号发送端、第三信号接收端及第四信号接收端分别与控制单元22的第一信号接收端、第二信号接收端、第一信号发送端及第二信号发送端连接，控制单元22的多个输出端分别为驱动模块20的多个输出端。

信号转接单元21用于实现探测器10与控制单元22之间的信号传输。

控制单元22用于对探测器10输出的曝光时序信号进行处理，并输出连续脉冲信号反馈至探测器10，同时控制单元22将连续脉冲信号进行分解并输出多路单脉冲信号分别至多个高压控制模块30。其中，连续脉冲信号的脉冲数与多路单脉冲信号的路数相等。

作为本实用新型一实施例，高压控制模块30包括高压隔离单元31和高压脉冲驱动单元32。

高压隔离单元31的输入端为高压控制模块30的输入端，高压隔离单元31的输出端与高压脉冲驱动单元32的输入端连接，高压脉冲驱动单元32的输出端为高压控制模块30的输出端。

高压隔离单元31用于将驱动模块20与所述高压脉冲驱动单元32进行电气隔离，即将低压侧与高压侧进行电气隔离，以防止高压回路中上千伏高压进入低压回路烧毁控制单元22。

高压脉冲驱动单元32用于根据单脉冲信号对冷阴极场致X射线源41进行脉冲曝光控制。

图3示出了本实用新型实施例提供的断层扫描控制电路的电路结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型实施例相关的部分，详述如下：

如图3所示，作为本实用新型一实施例，信号转接单元21包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3及第四电阻R4。

其中，第一电阻R1的第一端和第二端分别为信号转接单元21的第一信号发送端和第三信号接收端，第二电阻R2的第一端和第二端分别为信号转接单元21的第二信号发送端和第四信号接收端，第三电阻R3的第二端同时为信号转接单元21的第一信号接收端和第三信号发送端，第四电阻R4的第二端同时为信号转接单元21的第二信号接收端和第四信号发射端，第三电阻R3的第一端和第四电阻R4的第一端共接于第一电源VCC。

作为本实用新型一实施例，控制单元22为可编程逻辑控制器件U1，可编程逻辑控制器件U1的第一信号接收脚I1、第二信号接收脚I2、第一信号发送脚O1及第二信号发送脚O2分别为控制单元22的第一信号接收端、第二信号接收端、第一信号发送端及第二信号发送端，可编程逻辑控制器件U1的多个输出脚(OUT1～OUTn)分别为控制单元22的多个输出端。

在实际应用中，控制单元22还可以采用单片机、微控制器等实现，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

在本实用新型实施例中，当探测器10工作在断层扫描模式时，探测器10上电后会主动发送准备信号至可编程逻辑控制器件U1的第一信号接收脚I1，可编程逻辑控制器件U1接收到准备信号后，通过其第一信号发送脚O1发送第一反馈信号至探测器10，探测器10接收到第一反馈信号后，发送曝光时序信号至可编程逻辑控制器件U1的第二信号接收脚I2，可编程逻辑控制器件U1对曝光时序信号进行处理，并产生一个连续脉冲信号，将该连续脉冲信号通过其第二信号发送脚O2反馈给探测器10，同时，可编程逻辑控制器件U1将连续脉冲信号分解为多路单脉冲信号，并分别通过其多个输出脚(OUT1～OUTn)输出。

在本实用新型实施例中，第一电源的电压为+3.3V，探测器10输出的两路信号(准备信号和曝光时序信号)采用与可编程逻辑控制器件U1的输入输出引脚相匹配的+3.3V电平进行上拉，并通过第三电阻R3和第四电阻R4进行钳位和限流后分别输入可编程逻辑控制器件U1的第一信号接收脚I1和第二信号接收脚I2，而可编程逻辑控制器件U1通过其第一信号发送脚O1和第二信号发送脚O2输出的两路信号(第一反馈信号和连续脉冲信号)分别经过第一电阻R1和第二电阻R2限流后输入至探测器10的第一信号接收端和第二信号接收端。

作为本实用新型一实施例，高压隔离单元31包括第五电阻R5、光电耦合器件U2及第六电阻R6。

第五电阻R5的第一端为高压隔离单元31的输入端，第五电阻R5的第二端与光电耦合器件U2的第二输入端连接，光电耦合器件U2的第一输入端和第一输出端分别与第二电源VDD和第三电源VEE连接，光电耦合器件U2的第二输出端与第六电阻R6的第一端共接作为高压隔离单元32的输出端，第六电阻R6的第二端接地。

在本实用新型实施例中，光电耦合器件U2用于对低压侧与高压侧进行电气隔离，以防止高压回路中上千伏高压进入低压回路烧毁可编程逻辑控制器件U1。

作为本实用新型一实施例，高压脉冲驱动单元32包括第七电阻R7、开关器件Q1及第八电阻R8。

其中，第七电阻R7的第一端为高压脉冲驱动单元32的输入端，第七电阻R7的第二端与开关器件Q1的控制端连接，开关器件Q1的低电位端接地，开关器件Q1的高电位端与第八电阻R8的第一端连接，第八电阻R8的第二端为高压脉冲驱动单元32的输出端。

在本实用新型实施例中，开关器件Q1可以采用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，绝缘栅双极型晶体管的栅极为开关器件Q1的控制端，绝缘栅双极型晶体管的源极为开关器件Q1的低电位端，绝缘栅双极型晶体管的漏极为开关器件Q1的高电位端。当然，开关器件Q1还可以采用其他类型的开关器件，例如金属氧化物半导体场效应管(MOSFET，简称MOS管)等，具体根据实际需求进行设置，此处不做限制。

在本实用新型实施例中，使用绝缘栅双极型晶体管作为开关器件，具有耐高压、工作频率较高、容量较大的特点，能够获得较快的开关速度和较强的载流能力。

在本实用新型实施例中，由于绝缘栅双极型晶体管的导通电压一般在5～15V之间，因此，光电耦合器件U2在实现隔离的同时，可以将可编程逻辑控制器件U1输出的+3.3V电平信号(即单个脉冲信号)升至12V电平信号，以对绝缘栅双极型晶体管进行驱动。

在本实用新型实施例中，第五电阻R5用于对光电耦合器U2的输入电流进行限流，第六电阻R6用于对光电耦合器U2的输出电压进行钳位。

在本实用新型实施例中，通过开关器件Q1来实现低压脉冲驱动控制栅极高压电源的输出，即当开关器件Q1导通时，冷阴极场致X射线源41的场发射阴极经电阻R8接地，形成高压回路，此时，在高压直流电源DC的作用下，冷阴极场致X射线源41的场发射阴极发射电子束，同时，通过阳极高压对电子束进行加速，电子束轰击阳极的靶面，产生X射线。

在本实用新型实施例中，通过在开关器件Q1的控制端接第七电阻R7来抑制高压回路浪涌电压对低压脉冲信号的影响，通过在开关器件Q1的高电位端接第八电阻R8来进行限流。其中，第八电阻R8为高压电阻，具体可以为玻璃釉棒状高压电阻器。

本实用新型实施例还提供了一种断层成像系统，包括探测器和计算机，断层成像系统还包括上述的断层扫描控制电路。

在实际应用中，断层成像系统可以为数字乳腺断层成像系统，可以为其他断层成像系统，具体根据实际情况进行确定，此处不做限制。

本实用新型实施例通过在断层成像系统中采用包括探测器、驱动模块、多个高压控制模块、冷阴极场致X射线源阵列及高压直流电源的断层扫描控制电路，在断层扫描模式下，由探测器发送准备信号至驱动模块，并在接收到驱动模块发送的第一反馈信号时发送曝光时序信号至驱动模块；由驱动模块根据曝光时序信号输出多路单脉冲信号；由多个高压控制模块分别根据多路单脉冲信号对冷阴极场致X射线源阵列的发射时序进行控制，以使多个冷阴极场致X射线源在阳极高压的作用下依次向目标对象发射X射线；由探测器接收透过所述目标对象的X射线，并将接收到的衰减后的X射线转换为二维投影数据后输出至断层成像系统的计算机，由于采用电子式全静态扫描方式，因此节约了高精度旋转机架的成本，且成像过程中不会存在运动伪影，同时，由于采用脉冲曝光方式，从而避免了扫描过程中无效辐射剂量的产生。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。