一种设计X射线发射器面板的方法与流程

本发明一般涉及一种设计x射线发射器面板的方法。

x射线的医学成像在过去一个世纪已经成为常见的现象。平面放射学是最常见的医学成像模式。该方法的核心是x射线源，包括真空管，真空管能够在宽范围的能量和电流上产生单个锥形或扇形射束的x射线。然而，这些基本上点状源可能的成像几何形状是有限的；也就是说，源必须离开要成像的物体放置一个相当远的距离，以便锥体或扇形覆盖足够的面积。该距离的最小值(通常称为源到对象距离，sod或间隔距离)可以被迫的通过使用三角法的方式确定，其中三角法使用锥体的x射线的开度角的值和待成像对象的期望的覆盖宽度的。

实际上，到点状源的最小距离通常由所谓的“皮肤安全距离”来设定。本质上来说，来自扇形或锥体源的峰值剂量位于身体入口处(通常为皮肤)，因此最小距离被限制为会在入口处引起过量剂量的最小距离。

当使用单个，基本上为点状的，x射线源时，放大倍数由源与目标距离(sod)与源到图像距离(sid)的比率决定。

为了从各种方向拍摄物体的多个图像，通常使用机械机架来沿着一系列位置移动单个源。已经提出了一种替代方案，其中多个源放置在物体周围的固定位置，每个源被选择性地激活。这样的系统将允许更短的整个图像捕获周期；然而，由于源的成本，该系统是价格过高的，并且它们的相对容量仅能够提供有限数量的视角。

产生多个x射线源的常见备选方法是在“源阵列”或“发射极阵列”中产生多个阴极(或发射体)。特别地，场增强发射器(fee)阵列，有时称为场发射器阵列(fea)，例如spindt阵列，可用于x射线管，并用作高级阴极。例如，温和场增强尖端的阵列可以作为用于产生x射线的发射器在高电压下操作。由碳纳米管(cnt)产生的阴极可以提供极端的场增强，因此可以允许在低电压下控制电子发射。在所有情况下，这样的fea允许来自扩展或分布式源的多个x射线源。在平板源的情况下，阵列的尺寸可能很大，并且允许从阵列的一个角处的源到相对的角上的源的显著位移。

这些方法允许断层融合技术，但是需要更复杂的几何约束。例如，阵列中的每个发射器产生其自己的x射线锥(在本文中称为“锥体”)。为了完全覆盖对象，必须有一定数量的圆锥重叠；然而，由于由多个角度的照明特性，由对象形成的图像将包括多个图像或阴影(例如双重图像)。

解决这些问题的现有方法包括使用所谓的反散射网格，其也可用于形成常规的x射线图像。然而，虽然这些装置用于限制x射线对检测器的接受角度，但是它们也限制了可用的给定剂量的信息。因此，期望保留所有的可用信息，并且分离软件中的重叠(和/或使用可变数量的圆锥体以获得关于对象的更多信息)。利用对象方面的足够的现有知识，可以分离时空重叠的圆锥体；然而，对象的方面的详细知识并不总是可用。诸如结构化光的硬件方法可进一步协助软件图像重建；然而，一般来说，在其中现有知识经常受到特别限制的医学成像中，通常期望具有暂时分离的图像，然后使用其他重建方法来渲染对象的3d模型。

在图像重建的文献中已经考虑了广泛的方法。使用确定性的发射器和检测器位置，可以使用强大的方法依靠最基本的假设来确定关于对象的3d信息。各种方法通常被称为压缩感知、基本追踪和稀疏求逆问题。不管具体方法如何，通常使用要成像的空间的体素化来定义最小的图像体积。然后可以使用迭代方法来确定最适合对象(并将值函数降到最小值)的一组体素值。

图像体积的体素化以及可以覆盖的信息大部分由发射器几何和sod和sid决定。

根据本发明的第一方面，提供了一种设计用作分布式x射线源的x射线发射器面板的方法，使用的x射线发射器面板具有x射线检测器面板，该方法包括以下步骤：

选择预设的总数量的由电荷产生的光子，etot，其中电荷可用于单个曝光；以及

选择发射器面板预设的表面区域，f；

选择根据放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的预设的吸收因子，ηbre；

选择预设的发射器-检测器面板分离的最大距离，dmax；

选择为了获得可行的图像，需要到达检测器面板中的检测器预设的最小数量的光子，emin；

选择在检测器面板内的预设的检测器密度，ρdet；

选择具有在大约10和20之间的值的预设的无量纲常数，a；

求解下述不等式：

求出值r；

选择与从不等式的解确定的值r相对应的俯仰刻度。

选择的步骤可以包括例如通过测试来选择期望值和/或确定，其中实际值为设计的x射线发射器面板的制造中使用的组件所拥有。

该方法还可以包括选择用于放置x射线发射器的阵列图案。阵列图案可以包括三角形网格，例如等边三角形。或者或另外的，阵列图案可以是正方形，矩形和/或六边形的网格。阵列图案可以是基本上伪随机的阵列图案。

阵列图案可以是多个阵列图案的组合。例如，阵列图案可以是两个、三个、四个或五个重叠阵列图案的组合。阵列图案可以具有在阵列图案之间不同的相应的俯仰刻度。

a可以在约1和20之间，特别是在大约1和16之间。a的值的选择可能取决于系统的几何形状，特别是阵列的类型。特别地，a可能与面板上的发射器密度有关。面板的发射极密度可以与俯仰刻度r的平方的倒数成正比，并且a可以与相同的比例常数成比例。也就是说，如果面板的发射器密度可以计算为：

那么

a∝b

特别的，对于三角形阵列b可能相对等于并且对于方形数列b可能相对等于1。

更特别地，a能够被如下定义：

对于三角形阵列，a能够大约在12和21之间，特别地，大约在13和18之间；更特别地大约在14和17之间。a可以大约在15和16之间；特别地，a可以大约在15.5和16之间；更特别地，a可以大约为15.7。a可以大约为15.72。

对于方形阵列，a能够大约在0.5和3之间，特别地，大约在0.8和2之间；更特别地大约在1和1.5之间。a可以大约在1.1和1.3之间，特别地，a可以大约在1.1和1.2之间，更特别地，a可以大约为1.14。a可以大约为1.136。

其他阵列图案设想的相应的a和/或b值可以为本领域技术人员所理解。

ρdet可以是检测器面板中检测器的预设平均(例如平均值)密度。ρdet可以具有位于大约在10³m^-2和10¹⁰m^-2之间的值，特别地位于大约在10⁷m^-2和5×10⁹m^-2之间的值，更特别地位于大约在5×10⁷m^-2和2×10⁹m^-2之间的值，例如，大约为5.1×10⁷m^-2、10⁸m^-2或者1.1×10⁹m^-2。

f可以位于大约在0.05m²和0.3m²之间，特别地位于大约在0.1m²和0.2m²之间，更特别地大约在0.12m²和0.18m²之间，例如，大约为0.12m²、0.16m²、0.17m²或0.18m²。例如，发射器面板可以具有0.3m、0.4m和/或0.42m的间距。

emin可以具有位于大约在10和1500之间，特别地大约位于500和1200之间、更特别地位于800和1100之间，例如大约为1000。

etot可以位于大约在1×10¹²和1×10¹⁷之间或者大约在1×10¹³和1×10¹⁶之间，特别地位于1×10¹⁴和1×10¹⁵之间，更特别地位于2×10¹⁴和8×10¹⁴之间，例如大约为6×10¹⁴。

ηbre可以位于大约在0.001和0.1之间，特别地位于大约在0.005和0.05之间，更特别地位于大约在0.008和0.03之间，例如大约为0.01。

俯仰刻度可以被称为发射器尺度，并且可以在约0.01m和0.1m之间，特别是在约0.02m和0.09m之间，更特别地在约0.03m和0.08m之间，例如约0.0100m、0.0182m、0.0212m、0.0363m或0.0872m。

发射极间距可以统计上定义为相邻发射器之间的平均距离；也就是阵列中相连续的发射器之间的距离。在常规阵列中，阵列中连续发射器之间的距离是不变的；然而，在伪随机安排中，可以采用平均值。在一些阵列中，发射器间距和/或俯仰刻度可以在阵列上变化，特别是在边缘处。发射器间距可以在r的值的大约1到4倍之间；特别是约1至3.5倍之间，更特别地在约1.5至3倍之间；例如在大约2到2.5倍之间。发射器间距可以被定义为：r(用于方形网络)、(用于三角形网络)、1.5r、2r、2.5r、3r或3.5r，并且可以位于约0.0001m或0.001m，与0.05m之间，特别地位于大约0.005m和0.02m之间，更特别地为大约0.01m。

求解不等式可能包括找到一个近似解。

求解不等式可以包括选择满足不等式的俯仰刻度r的最小值。

求解不等式可能包括求解方程：

求解该方程可以包括应用牛顿法。

该方法可以进一步包括选择准直角α的步骤其小于或等于(或简单地小于)所选俯仰刻度r与最大发射器-检测器面板间隔dmax的比值的反正切的两倍；例如：

该方法还可以包括选择准直角α的步骤，其等于所选俯仰刻度r与最大发射器-检测器面板分离距离dmax的反正切的两倍，则为：

α可以在约5°至70°之间，特别是约10°至40°之间，更特别地介于约15°至30°之间，例如约20°、20.6°、23°和/或24°。

该方法还可以包括选择准直角α的步骤，其满足不等式：

其中：

δdesign是发射器面板从放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的预设的间隔距离；以及

mdesign是表示在组织的给定部分上的相邻x射线发射器的多个重叠圆锥体的预设的因子。mdesign能够通过求解下式获取：

其中：

ddesign是放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的预设的厚度；以及

ddesign是预设的期望的发射器-检测器面板分离距离，ddesign小于dmax；

通过参考图1可以看出，组织厚度d、从发射器面板到组织的间隔距离δ，以及发射器面板和检测器之间的间隔d与以下相关：

d＝d+δ

如本领域技术人员将理解的，上述关系也可以类似地应用于最大，实际和设计变量。例如，在实际使用(在x射线成像期间)，变量可能与设计变量不同。因此，该方法还可以包括准直角α与使用中的其他变量之间的关系满足不等式：

其中，

δactual是发射器面板与放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的实际间隔距离；以及

mactual是代表在组织的给定部分上的相邻x射线发射器的多重重叠圆锥体的因子。mactual可以通过求解下列等式进行确定：

其中：

dactual是放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的实际厚度；以及

dactual是实际的发射器-检测器面板分离距离，小于dmax。

α的下限由确定。

可以理解，上述关系并不都是独立的。

dmax可以基于成像模态来确定。该方法还可以包括确定dmax。

dmax可以由以下等式确定：

其中：

dmax是放置在发射器面板和检测器面板之间的组织的预设的最大厚度；以及

mmin是表示组织的给定部分上的来自相邻x射线发射器的多个重叠圆锥体的因子的预设最小值，其中mmin具有在1和4之间的值。

dmax可以在约0.05m和2m之间，特别是约0.07m和1m之间，更特别地在约0.08m和0.5m之间，例如0.1m、0.2m、0.4m、0.48m和/或0.5m。它可以在约0.2m和0.4m之间。

dmax可以在约0.01m和1m之间，特别是在0.05m和0.4m之间，更特别地在约0.1m和0.3m之间，例如0.05m或0.3m。

mmin可以基于对所使用的特定图像重建方法和所需的成像速度的考虑来确定，其中速度可以包括图像获取和处理的完整过程。该方法可以进一步包括确定mmin。

mmin可以基于mactual的最小值确定。

通常，较大的mmin对应于可用于图像重建的更多信息，并且获得图像需要较长的时间。mmin可以在约1至3.9之间，特别是约1至3.7之间，更特别地约1至3.6之间，例如约1.5、2、3或3.6。

从以下结合附图的详细描述中，本发明的上述和其它特征、特点和优点将变得显而易见，附图通过举例的方式说明了本发明的原理。该描述仅是为了示例的目的，而不限制本发明的范围。参考号涉及下面引用的参考附图。

图1是正在使用的发射器阵列的示意性横截面图。

图2是使用中的发射器阵列的示意性横截面图。

图3是发射器阵列的示意性平面图。

将参照某些附图描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求限定。所描述的附图仅是示意性的并且是非限制性的。每个图可以不包括本发明的所有特征，因此不一定被认为是本发明的实施例。在附图中，为了说明的目的，一些元件的尺寸可能被夸大并且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于实施本发明的实践。

此外，在说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分相似的元件，而不一定用于在时间上、空间上、以排序或以任何其它方式描述序列。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够以不同于本文所描述或示出的其他顺序。

此外，描述和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等用于描述目的，而不一定用于描述相对位置。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的，并且该操作能够在不同于本文所描述或示出的其它方向上进行。

值得注意的是，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限于此后列出的手段；它不排除其他元素或步骤。因此，它被解释为指定所提及的所述特征、整体、步骤或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤或组件或其组。因此，表述“包含装置a和b的装置”的范围不应限于仅由部件a和b组成的装置。这意味着对于本发明，装置的唯一相关部件是a和b。

同样，应注意的是，描述中使用的术语“连接”不应被解释为仅限于直接连接。因此，表示“连接到设备b的设备a”的范围不应限于设备a的输出直接连接到设备b的输入的设备或系统。这意味着在a的输出和b的输入之间存在可以是包括其他装置或装置的路径的路径。“连接”可能意味着两个或更多个元件处于直接物理或电接触，或者两个或更多个元件彼此不直接接触但仍然彼此协作或相互作用。

在本说明书中对“实施例”或“一个方面”的引用意味着结合实施例或方面描述的特定特征，结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或方面中。因此，贯穿本说明书的各个地方的短语“在一个实施例中”“在一个实施例中”或“在一个方面”的出现不一定都指代相同的实施例或方面，而是可以参考不同的实施例或方面。此外，本发明的任何实施例或方面的特定特征，结构或特征可以以任何合适的方式组合，如本领域普通技术人员从一个或多个实施例或多个实施例中的本公开所显而易见的。

类似地，应当理解，在描述中，出于简化本公开的目的，本发明的各种特征有时被分组在单个实施例，附图或其描述中，并且有助于理解各种发明方面中的一个或多个。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的发明要求比每个权利要求中明确叙述的更多的特征的意图。此外，任何单独的图纸或方面的描述不一定被认为是本发明的实施例。相反，如以下权利要求所反映的那样，创造性方面在于比单个前述公开的实施例的所有特征少。因此，详细描述中的权利要求特此明确地并入本详细描述中，其中每个权利要求独立地作为本发明的单独实施例。

此外，尽管本文所描述的一些实施例包括在其他实施例中包括的一些特征，不同实施例的特征的组合意图在本发明的范围内，并且形成本领域技术人员将理解的又一个实施例。例如，在所附权利要求中，任何要求保护的实施例可以以任何组合使用。

在本文提供的描述中，阐述了许多具体细节。然而，应当理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明的实施例。在其他情况下，还没有详细地示出众所周知的方法，结构和技术，以便不掩盖对该描述的理解。

在本发明的讨论中，除非另有说明，否则对参数的允许范围的上限或下限的替代值的公开，以及所述值中的一个比另一个更优选的指示，将被解释为隐含声明，即所述参数的每个中间值位于所述替代物的更优选和不太优选之间，本身优选于所述不太优选的值，并且还适用于位于所述较不优选值和所述中间值之间的每个值。

在某些情况下，使用术语“至少一个”可能只意味着一个。现在将通过对与本发明的示例性特征有关的至少一幅图的详细描述来描述本发明的原理。很明显，在不脱离本发明的基本概念或技术教导的情况下，可以根据本领域技术人员的知识来配置其他布置，本发明仅受所附权利要求的条款的限制。

图1示出了包括多个发射器元件110的发射器阵列100。每个发射器元件110配置成在准直角度a上发射x射线140。在使用中发射器阵列100被示出为使得来自发射器元件110的x射线140可以穿过主体120，主体120具有与发射器阵列100间隔开距离δ的近似厚度d的，并被检测器面板130检测，该检测器面板130与发射器阵列100间隔开距离d。

图2示出了包括第一和第二多个发射器元件(未示出)的发射器阵列200。来自第一多个发射器元件中的发射器元件的x射线240(以实线表示)被设置成，使得它们在到达检测器面板230之前(在通过待检查组织220之后)不与来自第一多个发射器元件中的相邻发射器元件的x射线重叠。这防止了在组织220中由单个特征形成的多个图像。类似地，来自第二多个发射器元件中的发射器元件的x射线250(以虚线示出)被设置成，使得它们在到达检测器面板230之前(在通过被检查组织220之后)不与来自第二多个发射器元件中的相邻发射器元件的x射线重叠。通过分开(即以时间间隔)使用多个发射器元件中的每个，可以对组织220进行更大的覆盖。在图2所示的布置中，还可以使用至少另外多个发射器元件以类似的方式构建组织220的完整覆盖。

图3是发射器阵列300的示意性平面图。每个发射器元件310以其中心布置在等边三角形的网格的节点处。也就是说，这些中心位于：

其中：

以及z引用一组整数，使得定义的点适合给定的面板。该图案被移动，使得面板通过公式所列出的48次暴露均匀地覆盖：

f+4(h-1)+16(h-1)，(f＝1，...，4；g＝1，...，4；h＝1，...，3)

在曝光(f，g，h)同时照射的圆的中心由下式给出：

其中，

通过将母体图案转移到通过将等边三角形的网格平分两次获得的节点，来获得前16次曝光(对应于h＝1)。

第二组和第三组16次曝光集中在第一组曝光左孔(未被辐射覆盖的区域)。在任何给定的曝光中，圆盘的孔数是两倍，这导致三组16。

请注意，除了面板边界附近的发射器，所有发射器与其六个最近邻居等距，其距离为

我们称这个距离为发射器间距，而我们将r称为发射器刻度。发射器刻度也将解释为在任何给定曝光中同时到达检测器面板的不重叠的辐射圆盘的半径，r可被选择为使得这些圆盘刚刚接触。