在x射线管的旋转阳极盘的圆周方向上的动态焦斑跳跃期间的电子射束的消隐的制作方法
【专利摘要】一种用于在碰撞在X射线管(110)的旋转靶盘(230)的焦点轨道(FPTR)上的电子射束的圆周方向上的动态焦斑(FP)移动的2个或更多个位置之间的跳跃期间的电子射束(e)的全部消隐或部分消隐的装置(210)和方法。备选地，在该短时间间隔期间能够增加所述焦斑大小。能够防止在所述焦斑处的所述阳极过热。
【专利说明】在X射线管的旋转阳极盘的圆周方向上的动态焦斑跳跃期 间的电子射束的消隐
【技术领域】
[0001] 本发明涉及：一种用于控制具有可移位的焦点能力的X射线管的装置，所述X射线 管具有可移动的阳极；一种控制具有可移位的焦点能力的X射线管的方法，所述X射线管具 有可移动的阳极；一种X射线管；一种医学X射线成像器；一种计算机程序单元；以及一种 计算机可读介质。
【背景技术】
[0002] -些医学X射线成像器具有X射线管，所述X射线管具有旋转阳极盘以及允许借 助于电场或磁场改变入射在旋转阳极上的电子射束的方向的又一动态特征。该动态焦斑移 动有助于提高图像质量，即，可实现更少的噪音和更高的分辨率而没有增加功率或减小焦 斑大小。然而，已经观察到，当以相对高的管功率运行时，这样的成像器要求频繁的维护。在 US2011/0280376中描述了具有可旋转的阳极的成像器。
【发明内容】
[0003] 因此，可以具有使能更加有效地使用所述X射线成像器的装置的需要。
[0004] 本发明的目的通过独立权利要求的主题得以解决，其中，其他实施例被并入从属 权利要求。
[0005] 应当注意，以下描述的本发明的各方面同样应用于：控制具有可移位的焦点能力 的X射线管的方法，所述X射线管具有可移动的阳极；X射线管；医学X射线成像器系统；计 算机程序单元；以及计算机可读介质。
[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种用于控制具有可移位的焦点能力的X射线管的 装置，所述X射线管具有可移动的阳极，所述焦点由在该点处入射在所述阳极上的电子射 束形成，所述装置包括：
[0007] 焦点移位记录单元，其用于记录在所述阳极上的焦点移位，所述移位沿着由在移 动阳极的至少部分上的移位焦点描出的轨迹发生；
[0008] 电子射束减缓器，其被配置为在经移位的焦点描出所述经移位的焦点在所述移动 阳极上的轨迹时，响应于如此记录的所述焦点移位来减缓入射电子射束，减缓动作取决于 在所述焦点与所述阳极之间的相对速度。
[0009] 所述装置可以被投入使用在具有X射线管的X射线成像器中，所述X射线管具有 旋转阳极盘，在所述旋转阳极盘中，使电子射束借助于在旋转的圆周方向上的至少两个位 置之间的电场或磁场进行"跳跃"。尽管该动态焦斑移动允许提高图像质量（更少的噪音和 更高的分辨率）而没有增加功率或减小焦斑大小，但是已经观察到该特征的负作用。动态 焦点移位可以被定向在阳极盘的径向方向上，或其可以被定向在阳极盘的圆周方向上（旋 转），或被定向在其组合的方向上。在焦点与阳极表面之间的相对速度是以下速度分量的矢 量和：i)(由电子射束改变方向引起的）移位焦点轨迹，以及ii)阳极盘的运动。具体地， 在两个速度分量是平行的，即，在两者正指向相同方向的瞬间，相对速度发生下降。更具体 地并且根据一个实施例，阳极盘的运动是旋转，并且焦点轨迹沿着大体上在盘的外轮缘上 的线，因此切向于盘的旋转速度。在该实施例中，速度减小，同时焦点在阳极盘旋转的方向 上的在所述焦点的直线轨迹上行进或移位。在更低的速度或者甚至零速度的这些瞬间（和 /或点），已经观察到高的阳极表面温度。由于归因于焦点轨道材料的蒸发的焦点轨道的粗 化和电弧放电，该温度剧增导致X射线剂量输出退化。具体地，已经注意到关于剂量退化在 旋转方向上的焦点移位的负作用。因此，尽管焦点移位有助于提高图像质量，但是当使用焦 点移位时，焦点移位的速度在旋转方向上的分量实际上可以意味着更短的管寿命，或者当 不减少焦点移位X射线管的寿命时必须使用针对给定的管设计的经减小的功率规格。
[0010] 由于装置的记录单元在记录在旋转方向上的焦点移位之后就减缓电子射束，并且 在该方向上的焦点移位中始终维持所述减缓，因此提出的装置有助于保全焦点移位特征的 优点而不对功率规格和管寿命做出让步。
[0011] 也预期涉及更加复杂的电子射束和/或动力学的情况的处理，在这样的情况下， 阳极和/或焦点沿着更多涉及的曲线路径行进。在该实施例中，记录单元被配置为拾取速 度分量是平行的那些瞬间，并且然后指导减缓器在这样的临界瞬间之后开始并且在这样的 临界瞬间始终维持射束减缓，以如此预防阳极盘的表面的温度剧增。
[0012] 在X射线成像器的工作周期期间，获得"有用的"投影图像。由于工作周期投影图 像实际用在切片图像的断层重建中，因此工作周期投影图像是有用的。获得有用的图像，同 时电子射束是不变的，即，它不改变方向。该情况与在焦点跳跃或电子射束的方向改变期间 可获得的"不可用的"投影图像暴露形成对比。由于消除了在焦点轨道上的温度爆发，所述 温度爆发由焦点速度分量和阳极旋转速度分量的甚至瞬间平行的对齐引起，因此装置允许 通过增加 X射线管的寿命来使具有可移位的焦点的旋转阳极X射线扫描器的能力最大化， 并且同时允许在成像器的工作周期期间以最大功率操作管。
[0013] 根据一个实施例，在记录到相对速度下降到阈值以下之后，减缓动作就开始。
[0014] 根据一个实施例，减缓动作保持有效，直到相对速度反弹到阈值或超过阈值。
[0015] 根据一个实施例，X射线减缓器起作用，以便避免焦点正在移位时在焦斑处的温度 增加到临界温度阈值以上。
[0016] 根据一个实施例，轨迹描述在阳极上的两个静止位置之间的焦点的振荡，在两个 静止位置中的任一处的焦斑的驻留时间的大约1% -20%或更具体地大约10%的时间段， 减缓动作保持有效。
[0017] 根据一个实施例，减缓动作包括消隐掉电子射束，以如此避免电子射束到达阳极， 具体为通过使用网格转换技术实现消隐。
[0018] 根据一个实施例，减缓动作是部分消隐的，并且包括根据在i)在移位期间焦点的 最小相对速度与ii)阳极移动的平均速度之间的比率的平方根来减小电子射束功率。
[0019] 根据一个实施例，减缓动作包括增加焦斑的大小或面积。
[0020] 根据一个实施例，减缓动作包括根据在i)阳极移动的平均速度与ii)在移位期间 焦点的最小相对速度之间的比率或所述比率的平方根来增加垂直于（或，对于阳极旋转的 情况，径向于）焦点轨道的焦斑的长度和沿着（切向于）焦点轨道的焦斑的宽度中的至少 一个。在一个实施例中，根据该函数来增加长度和宽度两者。在该实施例中，如此增加焦斑 大小/面积以便恰好抵消相对（切向于旋转或焦点轨道）焦点速度的减小，以如此基本上 防止阳极温度增加并且仍然维持相对小的焦点。然而，在其他更加简单的备选实施例中，在 任一个或两个维度中，焦斑大小/面积能够被增加更小或更大的（在合理裕量之内的）固 定量或随机量。
[0021] 简言之，所提出的装置实现在碰撞在焦点轨道上的电子射束的圆周方向上的动态 焦斑移动的2个或更多个位置之间跳跃所需时间期间的电子射束的全部消隐或部分消隐， X射线管的旋转靶盘的目的在于防止焦斑材料的过热。对消隐（或结合部分消隐）备选地， 在该短时间间隔期间能够增加焦斑大小。
[0022]
[0023] 术语"减缓"意指包括当电子射束撞击在阳极盘上时，减少强度或使电子射束较不 剧烈的动作。如本文中所理解的减缓具体包括：消隐、部分消隐、切断阴极以及当入射在阳 极表面上时扩大焦点的面积（从而减少在该点处的功率密度）。
[0024] 术语"消隐"意指包括在X射线管上或在X射线管中的操纵或控制动作，所述操纵 或控制动作基本上防止或抑制电子射束到达阳极而没有切断X射线电源。
[0025] 术语"部分消隐"是"消隐"的弛豫，因为所述"部分消隐"包括在X射线管上或在 X射线管中的控制动作，所述控制动作引起每单位时间到达阳极的电子数目的减少，并且具 体包括X射线功率的减少。
[0026] 术语"焦点轨道"是归因于阳极的运动，具体为阳极的旋转的在阳极上描出的焦点 的路径。
[0027] 术语"焦点轨迹"是在至少两个静止点之间的路径，通过电子射束改变方向来描出 所述路径。
[0028] 术语"（一个或多个）静止点"包括在电子射束不变的焦点轨迹上的（一个或多 个）点，而且还包括速度在阳极运动的方向上没有分量，例如沿着阳极的焦点的纯径向运 动的轨迹上的多个点。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 现在将参考以下附图来描述本发明的示例性实施例，其中：
[0030] 图1示出了具有X射线管的X射线成像器；
[0031] 图2是图1的X射线管和本文中所提出的控制器的更加详细的视图；
[0032] 图3是在图2的X射线管中所使用的阳极盘的视图；
[0033] 图4A-C是示出了当控制图2的X射线管的操作时涉及的时间安排、位置以及速度 的图形；
[0034] 图5是本文中所提出的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0035] 参考图1，示出了具有刚性机架102的X射线成像器，X射线传感器105和X射线 管110以相对的关系附着到所述刚性机架102。图1示出了在X射线管110和探测器105 的相应的外罩或外壳中的X射线管110和探测器105。X射线110朝向探测器105投射X 射线P的射束。在图1中，成像器是"C型臂"型的，但是应当理解，以下同样可应用于具有 不同构造的其他X射线成像器。
[0036] 图2更加详细地示出了在图1中的X射线成像器100,具体为X射线管110的特定 部件。X射线管110被布置为发射X射线P，所述X射线P通过对象290 (例如经受检查同 时驻留在介于X射线管110与探测器105之间的检查台上的患者）的组织而衰减。衰减的 X射线（在图2中用虚线示出）与探测器105的探测器单位相互作用。通过数据采集系统 DAS将相互作用转化成数字信号，并且如此获得的投影图像被存储在中央计算机系统C上。 机架102在围绕患者的平面中是可旋转的，因此从对象290采集在不同的投影方向上的一 系列不同的投影图像。计算机C运行图像重建算法，所述图像重建算法读入一系列的投影 图像，并且产生示出穿过在旋转平面中的对象290的解剖结构的横截面的切片图像，在所 述旋转平面中，机架102围绕主体290旋转。计算机C连接到操作者控制台295,所述操作 者控制台295允许由成像器100的操作者进行操作。然后在同样地连接的屏幕297上能够 观察重建的切片图像。
[0037] 现在将进一步参考图2来更加详细地说明X射线110的操作。
[0038] X射线管包括：在真空管罩270之内的，阴极220和被安置在距离所述阴极220 - 段距离的阳极230。阳极230在轴承232中是可旋转的，并且包括阳极盘234。X射线控制 器XR被配置为向X射线管110发出功率并时间安排对信号进行时间安排。具体地，在阴极 220和阳极230两端施加高电压U。电子被从阴极220发射为电子射束％并且通过由电压 U提供的电动势朝向阳极230加速。经加速的电子得到高动能，经如此加速的多个电子形成 撞击在阳极盘234上的电子射束e'所述电子在撞击之后就经受减速，并且然后净动能被 释放为X射线射束P，如图2所示并在以上说明的，所述X射线射束p射出真空管270,并且 然后经过对象290。阳极盘234在其外轮缘处成斜角，使得X射线射束p能够以期望的角度 偏离阳极盘234,从而促进X射线射束p的射出。
[0039] 阳极盘234在电子射束入射的侧面上携带涂层。所述涂层由诸如钨的材料形成， 所述涂层使盘234符合目的，这是因为盘234被暴露到归因于高能电子的入射射束的高热 机械磨损和撕裂。由于电子射束撞击相同，从而引起阳极盘材料喷溅并且甚至蒸发相同，因 此阳极盘234并且具体为其涂层被逐渐削掉。在暴露到电子射束期间，通过将盘旋转（如 图2所示）能够缓解盘的磨损。撞击的电子射束具有在图2中以理想化的方式被示出为线 的特定横截面。在盘上的撞击的电子射束定义具有宽度W和长度L的焦点FP。不是使电子 射束在所有时间以单个点撞击盘234,而是通过盘旋转从而在盘的表面上分散磨损。当盘正 在旋转时，焦点FP在被涂有涂层的阳极盘表面上描出明显的焦点轨道FPTR。
[0040] X射线管110还包括由适当的控制器265控制的磁性或静电聚焦元件260。聚焦 元件260有助于将电子射束聚焦在阳极盘234上。
[0041] 由偏转器245控制的偏转元件240也被布置在管中。偏转元件240和其控制器 245大体上形成焦点移位器，所述焦点移位器允许改变电子射束的方向，从而在阳极盘234 的表面上将焦点FP移位。
[0042] 偏转元件被布置为底部一个，顶部一个以及每个侧面一个地环绕电子射束（在图 2中用虚线在侧视图中指示）。在一个实施例中，偏转元件是由控制器245选择性地供能的 电磁体，使得能够实现沿着x/_x和或z/_z方向的偏转，从而使电子射束描出其在阳极盘 234的表面上的轨迹。在另一实施例中，以静电方式实现对偏转元件240的偏转，所述偏转 元件240包括适当布置的接线以建立与所期待的取向中的每个对应的电场。
[0043] 现在将参考图3来更加详细地说明焦点移位器的作用。示出了在入射电子射束的 方向上的阳极盘234上的示意性视图。左边示出了在没有可移位的焦点fp能力的常规X 射线管中的情况。右边示出了在具有焦点移位能力的图2的X射线管中的情况。焦点FP 的横截面被图解性地示出为矩形，但是这可以不是如此。焦点FP的横截面能够呈现任何形 状。可旋转的阳极盘234定义两个取向，S卩，径向方向Z和切向（于旋转）方向X。能够分 别定义焦点FP的宽度W和长度L，每个方向一个，因此焦点FP能够被说成具有宽度和长度。 焦点FP定义在旋转盘上的多个点的面积，所述多个点被同时暴露到电子射束。焦点移位器 245/240是可操作的，以将焦点在焦点轨迹FPTR上从一个静止位置Pl移位到另一静止位置 P2。借助于非旋转固定坐标系来定义静止点的位置Pl和P2。虚线示出了被描出的焦点轨 道FPT，这是因为当FP处于静止点P1、P2中的任一个时阳极相对于射束移动。根据一个实 施例，旋转阳极引起焦点轨道FPTR呈现如在图3中用虚线指示的圆形形状。然而，预期其 他配置，在所述其他配置中，阳极的运动（其可以是或不是盘）不是旋转，但是能够是任何 类型的运动，在这种情况下，焦点轨道可以呈现其他曲线形状，或者可以与沿着线性线的振 荡一样简单。
[0044] 根据一个实施例并且如图3所示，焦点FP在两个静止点Pl与P2之间振荡，并且在 其中的任一个处驻留短时间段，所述短时间段被称为驻留时间RT。在转移时间期间描出焦 点轨迹FPT，所述转移时间是当焦点从静止位置Pl移动到静止位置P2或从静止位置P2移 动到静止位置Pl时焦点移位器245的动作期间。在图3中示出的几何形状中，焦点移位和 阳极旋转的速度的相对运动被大体重叠，从而引起在焦点FP与阳极盘表面之间的相对速 度v，所述相对速度V由相应的至少瞬时速度分量的矢量和给出。在图3中的特定范例中， 焦点轨迹FPTR是圆周地或切向于盘234的旋转，即切向于圆形焦点轨道描出的直线。换言 之，当焦点从P2移位到Pl ("P2->P1"）时，相应的速度分量是平行的（即，矢量分量是几何 平行的，并且它们具有相同的方向），然而，当焦点从Pl移位到P2( "P1->P2"）时，速度分 量是反平行的（即，矢量分量是几何平行的，但是具有相反的方向）。在具有可移位的焦点 能力的X射线管110中，（对于给定管功率水平和焦斑大小）成像器传送更高的图像质量， 即，在高图像分辨率中具有更少的图像噪音信号而没有增加功率或减小焦斑大小。
[0045] 通过碰撞在盘134上的焦点FP处的电子射束撞击引起在该点处的阳极表面温度 Tfs根据以下公式成比例地增加：
[0046]
【权利要求】
1. 一种用于控制具有可移位的焦点能力的X射线管（110)的装置（210)，所述X射线 管（110)具有可移动的阳极（230)，所述焦点（FP)由在该点处入射在所述阳极上的电子射 束（e〇形成，所述装置（210)包括： 焦点移位记录单元（211)，其用于记录在所述阳极上的焦点移位，所述移位沿着由在移 动阳极的至少部分上的移位焦点描出的轨迹发生； 电子射束减缓器（212)，其被配置为在经移位的焦点（FP)描出所述经移位的焦点（FP) 在所述移动阳极上的轨迹（FPT)时，响应于如此记录的所述焦点移位来减缓入射电子射束 (e〇,减缓动作取决于在所述焦点（FP)与所述阳极（230)之间的相对速度。
2. 根据权利要求1所述的装置，其中，在记录到所述相对速度下降到阈值以下之后，所 述减缓动作就开始。
3. 根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述减缓动作保持有效，直到所述相对速度 反弹到所述阈值或超过所述阈值。
4. 根据权利要求1-3中的任一项所述的装置，所述X射线减缓器（212)起作用，以便避 免所述焦点正在移位时在所述焦斑（FP)处的温度增加到临界温度阈值以上。
5. 根据权利要求1-4中的任一项所述的装置，其中，所述轨迹（FPT)描述在所述阳极 (230)上的两个静止位置（P1、P2)之间的所述焦点（FP)的振荡，所述减缓动作保持有效， 只要所述相对速度被定向在所述阳极的旋转方向上。
6. 根据权利要求5中的任一项所述的装置，其中，对于在所述两个静止位置（P1、P2)中 的任一处的所述焦斑（FP)的驻留时间（RT)的1%至20%，所述减缓动作保持有效。
7. 根据权利要求1-6中的任一项所述的装置，其中，所述减缓动作包括消隐掉所述电 子射束（e〇,以如此避免所述电子射束（e〇到达所述阳极（230)，具体地，通过使用网格 (250、255)开关技术来实现消隐。
8. 根据权利要求1-6中的任一项所述的装置，其中，所述减缓动作包括根据在i)所述 移位期间所述焦点的最小相对速度与ii)所述阳极（230)移动的平均速度之间的比率的平 方根来减少所述电子束功率。
9. 根据权利要求1-8中的任一项所述的装置，其中，所述减缓动作包括增加所述焦斑 (FP)的大小或面积。
10. 根据权利要求1-9中的任一项所述的装置，其中，所述减缓动作包括根据在i)所述 阳极移动的所述平均速度与ii)在所述移位期间所述焦点的所述最小相对速度之间的比 率或所述比率的平方根来增加垂直于所述焦点轨道（FPT)的焦斑（FP)的长度和沿着所述 焦点轨道的所述焦斑（FP)的宽度中的至少一个。
11. 一种控制具有可移位的焦点能力的X射线管（110)的方法，所述X射线管（110)具 有可移动的阳极（230)。所述焦点（FP)由在该点处入射在所述阳极（230)上的电子射束 (e〇形成，所述方法包括： 记录（S505、S520)在所述阳极上的焦点移位，所述移位沿着由在移动阳极的至少部分 上的移位焦点描出的轨迹发生； 在经移位的焦点描出所述经移位的焦点在所述移动阳极上的轨迹时，响应于如此记录 的所述焦点移位，减缓（S510)入射电子束（e〇,所述减缓动作取决于在所述焦点与所述阳 极之间的相对速度。
12. 所述X射线管（110)具有根据权利要求1-10中的任一项所述的装置。
13. -种X射线成像器（100)，包括所述X射线管（110)和根据权利要求1-10中的任 一项所述的装置（210)。
14. 一种用于控制根据权利要求1-10中的任一项所述的装置（210)的计算机程序单 元，当所述计算机程序单元由处理单元（C)运行时适于执行根据权利要求11所述的方法步 骤。
15. -种计算机可读介质，具有被存储在所述计算机可读介质上的如权利要求14所述 的程序元件。
【文档编号】H01J35/14GK104335318SQ201380026735
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月22日
【发明者】C·H·巴特, T·雷佩宁 申请人:皇家飞利浦有限公司