一种多焦点双衬度球管及其控制方法与流程

本发明涉及医学成像领域，具体地，涉及一种多焦点双衬度球管及其控制方法。

背景技术：

传统的吸收衬度ct医学成像领域中，由于大部分的人体软组织，如癌症细胞，对x射线的吸收差异小，导致图像的对比度很低，成像效果差。而x射线相衬成像技术具有对轻元素、弱吸收物质清晰成像的能力，可以得到更高的图像分辨力。

自从1896年第一只商用x射线管问世至今，传统的x射线成像技术是基于不同的物质对x射线的吸收差异。目前，x射线吸收衬度成像技术广泛的用于临床ct成像设备中。然而在实际的医学成像领域中，由于大部分的人体软组织例如人们通常说的癌症细胞，对x射线的吸收差异非常小，导致通过吸收衬度形成的图像对比度很低。研究发现，轻元素物质引起的x射线相位改变的幅度是其对x射线吸收值的一千到十万倍。x射线相衬成像技术具有对轻元素弱吸收物质清晰成像的能力，可以得到更高的图像分辨力。相衬成像技术就是针对弱吸收物质，通过图像重建算法把这种相位信息的变化转化为图像上的强度变化信息的变化，从而能够被图像探测器探测到的一种方法。从相位信息向强度信息的转变中，为了满足x射线的空间和时间相干性，产生了多种相衬成像技术。其中，微焦点相称成像法或称为类同轴x射线相衬成像法是一种不需要通过额外的光学仪器直接成像，经过相位复原即可得到物体内部信息的成像方法。其光路简单，分辨率高，非常具有实用价值。1995年，snigirev等人提出了微焦点相衬成像法也可以称作基于传播的相衬成像法或者同轴相衬成像法，使用单色的同步辐射光源，在成像平面获得了具有边界增强效果的影像。1996年，wilkins等人在《nature》杂志上提出了一种非常具有实用价值的多色光微焦点相衬成像技术。2002年，a.v.bronnikov提出了微焦点相衬成像在ct探测器上的强度分布算法，此算法可以应用提取弱吸收、相位缓慢变化物质的ct图像。在2003年，wuxizeng等人提出了普遍实用的非弱吸收的微焦点成像算法以及后来的对硬x射线同轴相衬成像的研究。

目前，临床应用的吸收衬度ct系统所用的医用ct球管通常具有大焦点、小焦点两种焦点模式。针对不同的人体部位所需的相应扫描模式，系统可以灵活选择大焦点或小焦点进行曝光。微焦点相衬成像一般使用约为普通光源10％大小的微焦点进行成像。从ct系统的图像重建算法来看，由于现有ct探测器都仅得到x射线穿过材料后的强度数据，不能直接处理相位信息，需要将相位信息首先转换成强度信息，然后在进行数据处理。从硬件角度来看，微焦点相衬成像与目前的吸收衬度成像在ct系统上的最根本的差异就是两者x射线源的尺寸。

如果能在现有普通光源ct管的大、小焦点基础上，实现额外的微焦点功能，那么，现有的医用ct除了可以使用大、小焦点模式对人体进行正常吸收衬度成像，保留目前所有的临床应用，还可以增加微焦点模式，能够对人体进行相衬成像，实现肿瘤等人体软组织的清晰成像，而目前并没有一种能够通过计算机仿真，在同一球管中实现大、小、微焦点的功能，并没有一种多焦点双衬度球管及其控制方法。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术缺陷，本发明的目的是提供一种多焦点双衬度球管，包括：沿电子束行进方向相对设置的阴极发射体1以及阳极靶盘2，在所述阴极发射体1以及所述阳极靶盘2之间沿电子束行进方向并列设置有形状、尺寸相同且极性相反的两个磁四极透镜3，所述磁四极透镜3设置有多个磁极31，且两个所述磁四极透镜3的磁极彼此相对设置，每个所述磁极31上缠绕有用以产生聚焦磁场的可改变安匝数的激励线圈32，两个所述磁四极透镜3的焦距通过改变所述激励线圈32的安匝数而调整。

优选地，所述磁四极透镜3包括中心孔33和四个凸出部34，所述中心孔33和四个凸出部34形成十字型，每个所述凸出部34内设置有一个所述磁极31，每个所述磁极31的磁极面朝向所述中心孔33。

优选地，两个所述磁四极透镜3沿中心轴水平分割后形成上聚焦区35和下聚焦区36，所述上聚焦区35先聚焦后再散焦，所述下聚焦区36先散焦后再聚焦，所述上聚焦区35和所述下聚焦区36的聚焦强度不同。

优选地，两个所述磁四极透镜3中，靠近所述阴极发射体1的磁四极透镜为第一磁四极透镜37，靠近所述阳极靶盘2的磁四极透镜为第二磁四极透镜38，所述第一磁四极透镜37以及所述第二磁四极透镜38的焦距分别记作f1、f2，它们之间的距离记作s，两个所述磁四极透镜的焦距记作f＇，则

优选地，所述焦点模式包括大焦点、小焦点以及微焦点。

优选地，在焦点模式为大焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为132.9a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为272.8a，其对应光学焦点尺寸为1.2×1.5mm²。

优选地，在焦点模式为小焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为271.1a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为359.8a，其对应光学焦点尺寸为0.37×0.23mm²。

优选地，在焦点模式为微焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为326.6a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为433.7a，其对应光学焦点尺寸为37×21μm²。

优选地，所述阳极靶盘2的正上方设有散射电子屏蔽罩4。

根据本发明的另一个方面，提供了一种多焦点双衬度球管的控制方法，包括如下步骤：

a：在所述多焦点双衬度球管的大焦点或小焦点模式下获取物体的一个或多个吸收衬度成像；

b：判断所述物体的一个或多个吸收衬度成像的对比度是否大于第一阈值，若所述对比度小于所述第一阈值，执行步骤c；

c：在所述多焦点双衬度球管的微焦点模式下获取物体的一个或多个相位衬度成像。

优选地，在所述步骤c之前，包括：调整所述激励线圈安匝数，将所述多焦点双衬度球管的大焦点或小焦点模式转换为微焦点模式。

本发明基于微焦点相衬成像法的多焦点双衬度ct球管模型，通过优化设计四极磁聚焦透镜组的结构，应用相关软件对设计结构模拟优化，得到了大、小、及微焦点的尺寸分别为1.2×1.5mm²，0.37×0.23mm²，37×21μm²，这一设计直接替换现有ct系统的x射线源，配合微焦点成像的算法，实现对癌症、肿瘤等弱吸收的关键小区域微焦点相衬成像，并在其他情况下继续使用现有的吸收衬度成像方式，使ct系统兼具两种成像优点，极大的促进了ct临床诊断的发展，具有极高的工程实用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1示出了本发明的具体实施方式的，一种多焦点双衬度球管的结构连接示意图；

图2示出了本发明的第一实施例的，在所述多焦点双衬度球管中，两个所述磁四极透镜的结构连接示意图；

图3示出了本发明的第二实施例的，在所述多焦点双衬度球管中，通过磁场控制电子束运动的原理示意图；以及

图4示出了本发明的另一具体实施方式的，在所述多焦点双衬度球管中，一种多焦点双衬度球管的控制方法的具体流程示意图。

具体实施方式

为了更好的使本发明的技术方案清晰地表示出来，下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1示出了本发明的具体实施方式的，一种多焦点双衬度球管的结构连接示意图，具体地，本发明通过建立所述多焦点双衬度球管的模型，优化磁聚焦系统的结构，设定模拟仿真参数，得到满足要求的三种光学焦点尺寸分别为大焦点1.2×1.5mm²，小焦点0.37×0.23mm²，微焦点37×21μm²，，从而验证了多焦点双衬度球管模型的可行性。本领域技术人员理解，本发明将能够在医用ct系统上实现大、小、微焦点功能的x射线源称作“多焦点双衬度球管”，以下描述将使用“多焦点双衬度球管”来对本发明进行详细描述，在此不予赘述。

进一步地，本发明旨在实现在大、小焦点的功能上进一步地实现微焦点的功能，而医用ct微焦点相衬成像技术原理为如下：微焦点ct成像主要由一个微焦点ct管和一个高分辨率的探测器组成，经过物体之前的波面，经过物体之后的波面，由微焦点光源产生的x射线经过物体以后，由于样本对相位的延迟，波面发生变化，经过物体之后的波面变的起伏不平，进一步传播到达探测器时，这种波面的不均匀导致了光强的非相干叠加，从而在相位变化快的两种物质边界处形成了明暗相间的条纹。探测器得到光强重新分布的信息后，ct系统根据微焦点成像算法对数据进行分析处理，最终形成图像。微焦点相衬成像技术的关键是要光源需要满足一定条件的空间相干性，即光源需要达到足够小的尺寸。因此，实现具有微焦点光源的ct管是相衬成像医用ct系统的关键。

为了实现上述中微焦点的相衬成像技术，本发明提供了一种多焦点双衬度球管，包括：沿电子束行进方向相对设置的阴极发射体1以及阳极靶盘2，如图1所示，图1中由上至下的方向即为电子束行进方向，在图1中的阴极发射体设置在所述多焦点双衬度球管的上部分，所述阴极发射体能够形成热电子发射，具体地，真空中的阴极发射体为一平板灯丝，所述平板灯丝阴极通电后，钨丝温度升高，钨原子的内部电子动能增加，有一部分电子的动能大到足以克服表面势垒而逸出体外，形成热电子发射，大量的热电子发射在平板灯丝附近形成电子云，结合阳极靶盘2，在阴、阳极强电场的作用下，电子云从阴极向阳极形成定向移动。

进一步地，在所述阴极发射体1以及所述阳极靶盘2之间沿电子束行进方向并列设置有形状、尺寸相同且极性相反的两个磁四极透镜3，优选地，所述阳极靶盘2的正上方设有散射电子屏蔽罩4，本领域技术人员理解，图中所建模型使用平板灯丝作为阴极发射体1，所述阳极靶盘的靶角为7°，所述多焦点双衬度球管的管芯采取全金属陶瓷结构，所述多焦点双衬度球管的管芯阳极接地，电位为零，并使用陶瓷绝缘的阴极部分加负高压，保证阴、阳极间足够的电势差，所述两个磁四极透镜3称之为磁聚焦系统，所述磁聚焦系统放置在阴极、阳极之间的电子束行进路径上，所述阳极靶盘的正上方设有散射电子屏蔽罩，用来收集高速电子撞击靶盘后的高能散射电子，尽量减少散射电子对焦点尺寸的影响。

图2示出了本发明的第一实施例的，在所述多焦点双衬度球管中，两个所述磁四极透镜的结构连接示意图，作为本发明的第一实施例，主要描述了两个所述磁四极透镜的磁聚焦系统的结构以及作用原理，具体地，所述磁四极透镜3设置有多个磁极31，且两个所述磁四极透镜3的磁极彼此相对设置，而在本实施例中，每个所述磁四极透镜3设置有4个磁极31，分别位于所述磁四极透镜3的上下左右四个方位，而在其他的实施例中，还可以设置有六个、八个或者更多的磁极，这都不影响本发明的具体实施方案，在此不予赘述。

本领域技术人员理解，图2中可以理解为一个简单的聚焦极，平板灯丝和阳极的组合，其中，平板灯丝的模型尺寸为10×7mm²，将其表面设置为粒子发射源，对其采用了温度限制流和空间电荷限制流的混合模型，平板灯丝表面温度设置为2500k，逸出功设置为4.54ev。在电位设置方面，平板灯丝和聚焦级定义了-120kv的电位，而阳极设置为0v的电位。

进一步地，每个所述磁极31上缠绕有用以产生聚焦磁场的可改变安匝数的激励线圈32，两个所述磁四极透镜3的焦距通过改变所述激励线圈32的安匝数而调整，这是电流的磁效应，即如果一条直的金属导线通过电流，那么在导线周围的空间将产生圆形磁场，导线中流过的电流越大，产生的磁场越强。磁场成圆形，围绕导线周围，其原理可以解释为安培分子电流假说：安培认为在原子、分子等物质微粒的内部，存在着一种环形电流——分子电流，使每个微粒成为微小的磁体，分子的两侧相当于两个磁极.但实际上分子中的电子不是围绕原子核转动的而是电子在空间出现的概率形成的电子云。而通过改变所述激励线圈32的安匝数而调整将在后述的说明书中作进一步地描述，在此不予赘述。

进一步地，所述磁四极透镜3包括中心孔33和四个凸出部34，所述中心孔33和四个凸出部34形成十字型，每个所述凸出部34内设置有一个所述磁极31，每个所述磁极31的磁极面朝向所述中心孔33，在这样的实施例中，所述中心孔33作为电子束的行进路线，并通过所述凸出部34进行磁聚焦。

进一步地，所述磁四极透镜3的设计对于电子束的汇聚情况至关重要，理想的磁四极透镜3采用双曲柱面磁极设计，在不考虑边缘场的情况下，标量磁位φm可以表达为：φm＝-gxy(2)，其中g为磁场梯度，是一个常数，然而双曲柱面形状加工困难，而且极面之间应当留一定的空间以便缠绕激励线圈，因此在实际中通常采用圆柱形极面来逼近双曲面，为了使实际等位面更加接近双曲等位面，所述凸出部的圆柱形极面的半径设计为中心孔33半径的1.15倍，以磁四极透镜3的尺寸为可变参量，在相关软件中进行优化仿真，即为图2所示的磁四极透镜。

进一步地，本领域技术人员理解，所述磁四极透镜3的中心孔33的半径为15mm～25mm，所述凸出部34的长度为30～40mm，所述凸出部34的宽度为5～15mm，所述凸出部的圆柱形极面的半径为20～25mm，其圆柱形极面的宽度为25～30mm。

图3示出了本发明的第二实施例的，在所述多焦点双衬度球管中，通过磁场控制电子束运动的原理示意图，本领域技术人员理解，两个所述磁四极透镜3沿中心轴水平分割后形成上聚焦区35和下聚焦区36，所述上聚焦区35先聚焦后再散焦，所述下聚焦区36先散焦后再聚焦，所述上聚焦区35和所述下聚焦区36的聚焦强度不同，本领域技术人员理解，所述多焦点双衬度球管采取了磁四极透镜组的磁聚焦方案，通过在电子束运动过程中附加控制磁场，实现控制焦点大小的方案，如图2所示，两个四极透镜并列排布，且极性相反。在图3中，在所述上聚焦区35中，第一个透镜聚焦，第二个透镜散焦；而在所述下聚焦区36中，则先散焦后聚焦，两个透镜的总作用效果是，在两个平面内都可以获得聚焦，但聚焦强度不同。这种聚焦效果可以用粒子所受的力来分析。所述上聚焦区35中粒子先受到较强的聚焦作用，这是因为粒子受到的磁场力正比于横向位移，到了第二个透镜，粒子受到散焦力，但因为粒子的横向位移较小，故散焦力也较小。在所述下聚焦区36中，粒子先受到散焦作用，但由于横向偏离较小，故散焦力也较小，到第二个透镜时受到较强的聚焦力，所以总的效果仍然是聚焦的。

进一步地，两个所述磁四极透镜3中，靠近所述阴极发射体1的磁四极透镜为第一磁四极透镜37，靠近所述阳极靶盘2的磁四极透镜为第二磁四极透镜38，所述第一磁四极透镜37以及所述第二磁四极透镜38的焦距分别记作f1、f2，它们之间的距离记作s，两个所述磁四极透镜的焦距记作f＇，则所述焦点模式包括大焦点、小焦点以及微焦点，即通过通过改变磁四极透镜组中线圈电流大小改变透镜的焦距，从而实现最终大、小焦点及微焦点尺寸的精确控制。

进一步地，在焦点模式为大焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为132.9a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为272.8a，其对应光学焦点尺寸为1.2×1.5mm²，本领域技术人员理解，在焦点模式为大焦点的状态下并不仅仅局限于上述的取值，所谓大焦点状态，仅仅代表的一种焦点范围，在一个优选地实施例中，在光学焦点尺寸为1×2mm²的状态下，也可以称之为大焦点状态，而其对应的第一磁四极透镜线圈安匝数、第二磁四极透镜线圈安匝数可以设置为与之对应的具体数值，而并不局限于第一磁四极透镜线圈安匝数为132.9a，第二磁四极透镜线圈安匝数为272.8a，这些都不影响本发明的具体实施方案，在此不予赘述。

进一步地，在焦点模式为小焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为271.1a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为359.8a，其对应光学焦点尺寸为0.37×0.23mm²。本领域技术人员理解，结合大焦点模式示出的优选实施例，在焦点模式为小焦点的状态下并不仅仅局限于上述的取值，在另一个优选地实施例中，在光学焦点尺寸为0.4×0.3mm²的状态下，也可以称之为小焦点状态，而其对应的第一磁四极透镜线圈安匝数、第二磁四极透镜线圈安匝数可以设置为与之对应的具体数值，而并不局限于所述第一磁四极透镜线圈安匝数为271.1a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为359.8a，这些都不影响本发明的具体实施方案，在此不予赘述。

进一步地，在焦点模式为微焦点的状态下，所述第一磁四极透镜线圈安匝数为326.6a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为433.7a，其对应光学焦点尺寸为37×21μm²，本领域技术人员理解，结合大焦点模式、小焦点模式示出的优选实施例，在焦点模式为微焦点的状态下并不仅仅局限于上述的取值，在另一个优选地实施例中，在光学焦点尺寸为40×40μm²的状态下、30×10μm²的状态下也可以称之为微焦点状态，而其对应的第一磁四极透镜线圈安匝数、第二磁四极透镜线圈安匝数可以设置为与之对应的具体数值，而并不局限于所述第一磁四极透镜线圈安匝数为326.6a，所述第二磁四极透镜线圈安匝数为433.7a，这些都不影响本发明的具体实施方案，在此不予赘述。

进一步地，采用模拟仿真，对电子束通过磁四极透镜的轨迹进行模拟，真空中的平板灯丝阴极通电后，钨丝温度升高，钨原子的内部电子动能增加，有一部分电子的动能大到足以克服表面势垒而逸出体外，形成热电子发射。大量的热电子发射在平板灯丝附近形成电子云。在阴、阳极强电场的作用下，电子云从阴极向阳极形成定向移动，产生图中的电子束。电子束从平板灯丝发射出后，受到电场的加速作用后达到近似120kev的能量，并进入四极透镜组的磁场作用范围。

由于运行的电子束是一个空间3维的轨迹，可从电子束3维运行轨迹的宽度方向和长度方向分别描述。所述电子束在通过第一层磁四极透镜时，受到散焦力的作用，宽度变大，向周围发散；电子束继续运行通过第二层磁四极透镜时，由于横向偏离较大，受到更大的聚焦力作用，向中间汇聚。整体来看，由于第二个透镜的聚焦作用强于第一个透镜的散焦作用，所以电子束通过磁四极透镜组后的宽度方向的总体效果是汇聚的。

相应地，对电子束长度方向进行分析，由于电子束在通过第一个磁四极透镜时的横向位移大于第二个磁四极透镜，第一个透镜的聚焦作用强于第二个透镜的散焦作用，所以电子束通过磁四极透镜组后的长度方向的总体效果也是汇聚的。因此，对于空间3维运行的电子束通过设定的磁四极透镜组到达阳极靶盘时，宽度方向和长度方向可以同时实现聚焦效果。通过合理设置四极透镜组的线圈安匝数，可以实现在宽度和长度方向上的同时汇聚，从而实现不同的焦斑大小。

本领域技术人员理解，通过调整两个磁四极透镜的激励线圈电流，可以调整整个磁四极透镜组在所述上聚焦区35以及所述下聚焦区36的平面的焦距，在薄透镜近似情况下，如果令中|f1|＝|f2|，可得这意味着电子束在长度和宽度两个方向上同时聚焦到一点。

另外，在多焦点双衬度球管中，因为阴极侧磁四极透镜在电子未完全加速时就对其作用，以及两个磁四极透镜的等效作用长度不相同，所以阴极侧和阳极侧磁四极透镜的所述激励线圈32的安匝数并不相同。进而通过相关软件的优化仿真分析，得出所述激励线圈32的安匝数分别为326.6a和433.7a。另外电子束发射不可能做到理想平行发射或者点粒子源发射，所述磁四极透镜的磁场偏离双曲场的理想效果，且电子之间存在空间电荷作用力，故最终电子束在阳极上的落点不可能达到理想点状效果，故基于实验分析得出所能获得的最优实际焦点，其尺寸为305×21μm²，对应光学焦点尺寸为37×21μm²，上述焦点尺寸能够满足ct对微焦点成像的要求。

结合上述描述，要实现大、小焦点功能，只需在微焦点的磁四极透镜组设置基础上减小激励线圈32的安匝数，使得在所述上聚焦区35以及所述下聚焦区36的焦距落在阳极后，同时调整阴极侧和阳极侧磁四极透镜的激励线圈32安匝数，即可调整所述上聚焦区35以及所述下聚焦区36的焦距与阳极的距离，从而调整阳极上焦点在两个方向上的尺寸。

基于在仿真分析中将大小焦点的尺寸定义为优化目标，将两个磁四极透镜的安匝数定义为可变参数，经过优化，所述大焦点以及所述小焦点所采取的阴极侧和阳极侧四极透镜的线圈安匝数分别为(132.9a，272.8a)和(271.1a，359.8a)，进一步地，在这样的实施例中，得到的大、小焦点的实际尺寸分别为9.5×1.5mm²和3.0×0.23mm²，对应光学焦点尺寸为1.2×1.5mm²和0.37×0.23mm²。

图4示出了本发明的另一具体实施方式的，在所述多焦点双衬度球管中，一种多焦点双衬度球管的控制方法的具体流程示意图，本领域技术人员理解，包括如下步骤：

首先，进入步骤s101，在所述多焦点双衬度球管的大焦点或小焦点模式下获取物体的一个或多个吸收衬度成像，所述衬度成像即为x射线相位衬度成像，基于x射线通过轻元素物质获得的相位改变是光强改变的一千倍到十万倍的原理，x射线相位衬度能以比传统吸收成像高得多灵敏度观察轻元素样品的内部结构，x射线相位衬度能以比传统吸收成像高得多灵敏度观察轻元素样品的内部结构，在对生物、医学、材料科学等众多研究领域的物体进行研究时，首先基于多焦点双衬度球管的大焦点或小焦点模式获取所述物体的吸收衬度成像。

然后，进入步骤s102，判断所述物体的一个或多个吸收衬度成像的对比度是否大于第一阈值，若所述对比度小于所述第一阈值，执行步骤s103，若所述对比度大于所述第一阈值，则表示所述物体在大焦点或小焦点模式下获取的吸收衬度成像足够清晰，则不需要做进一步地处理，当所述对比度小于第一阈值时，则需要在微焦点模式进一步地获取物体的相位衬度成像。

最后，进入步骤s103，在所述多焦点双衬度球管的微焦点模式下获取物体的一个或多个相位衬度成像，在这样的实施例中，优选地在所述步骤s103之前，调整所述激励线圈安匝数，改变磁四极透镜组的焦距，将所述多焦点双衬度球管的大焦点或小焦点模式转换为微焦点模式，最终能够同时满足吸收衬度与相位衬度成像的需求。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。