专利名称：Ct设备的制作方法
技术领域：
本技术涉及医学成像、工业检测等领域。可以直接应用于需要超高速成像的医疗应用领域，亦可应用在无损检测等工业应用领域。
背景技术：
CT是Computed Tomography的简写，即计算机断层扫描技术，是一种利用计算机技术对被测物体断层扫描图像进行重建获得三维断层图像的扫描方式。该扫描方式是通过单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部分对射线的吸收与透过率不同，由计算机采集透过射线并通过三维重构成像。本专利中提到的CT没有特别说明均指X射线CT。CT按照发展可以分成五代，前四代的扫描部分均由可移动的X射线管配合探测器实现(机械扫描模式)，其中第三代与第四代采用旋转扫描方式，其扫描部分由X射线管、探测器和扫描架组成，X射线管和探测器安装在扫描架上。CT工作时通过扫描架的高速旋转使X射线管在圆周的各个位置向扫描对象发出X射线，经过探测器的接收和计算机系统的处理后恢复成所扫描的断层的图像。近年来发展的螺旋型连续式多层扫描CT(MDCT)本质上属于第四代CT，其扫描速度相比于螺旋型单层扫描CT并无进步，但是其探测器排数增多，从而X射线管旋转一周就可以获得多层数据。对于目前较成熟的64层螺旋型连续式多层扫描CT而言，旋转一周需要0.33s，其时间分辨率好于50ms (时间分辨率主要由扫描周期决定，在多层CT中也与扫描覆盖范围和重建方式有关)。上述第四代CT的扫描方式的优点是空间分辨率高，缺点是时间分辨率低。限制其时间分辨率主要因素是其扫描速度。对于目前最先进的多层螺旋CT，最大扫描速度也只有0.33s/周，这是由扫描架和X射线管的机械强度极限决定的:当CT高速旋转时，X射线管处的线速度已经达到第一宇宙速度，为保证结构的稳定，CT的转速存在极限。第五代CT(UFCT)的扫描原理与前四代不同，X射线的产生采用先进的电子束技术(electron beam technology),球管的阳极与阴极分离,从阴极的电子枪发射电子束,经加速形成高能电子束，再通过聚集和磁场偏转线圈，投射到呈210°弧形的阳极靶面，产生X射线束，代替传统的机械性旋转，扫描速度可以达到50ms/周。综上，在医疗成像领域，以心脏成像为代表，使用机械扫描模式可以做到每秒对同一位置完成2 3次断层扫描，使用电子束扫描模式可以做到每秒对同一位置完成20次断层扫描；在工业检测领域，对于大型物体进行断层成像的扫描速度一般在分钟量级。在现有CT成像装置的技术路线下，提高扫描速度的途径有三种:1.提高硬件性能。如提高机械装置的旋转速度、增加射线源的数量等；2.利用被测物体的稳定性进行等效扫描。如在心脏成像中使用门控技术；3.改变扫描方式。如电子束扫描(UFCT)。以上这些手段可以在一定程度上加快扫描速度，但无法进一步实现超高速扫描，实现对高速运动物体的断层成像。发明内容为克服上述CT技术中对扫描速度(也即时间分辨率)的限制，本技术的目的是提供一种高时间分辨率的CT设备。根据本技术的一个方面，提供了一种CT设备，包括:电子束产生装置，包括电子枪、偏转扫描装置和限流装置，其中电子枪产生电子束，所述偏转扫描装置对所述电子束进行偏转，偏转方向随时间改变，实现环形扫描，所述限流装置具有环形布置的多个孔，当所述的电子束沿着环形布置的多个孔扫描时，输出环形分布的多个电子束；环形反射靶，与所述环形分布的电子束同轴设置，其中所述环形分布的电子束轰击所述环形反射靶，产生与环形分布的电子束的轴线相交的X射线；以及环形探测器阵列，与所述环形反射靶同轴设置，包括多个探测器单元，其中所述X射线穿透被检物体后入射到相应的探测器单元。根据其他实施例，所述的CT设备还包括:谐振加速腔，配置为工作于TM010模式，接收所述电子束产生装置发射的电子束，并且对所接收的电子束进行加速。根据其他实施例，所述的CT设备还包括耦合器和微波功率源，所述耦合器将所述微波功率源产生的微波馈入所述谐振加速腔，对所述电子束进行加速。根据其他实施例，所述电子束产生装置还包括驱动机构，配置为在所述电子束产生装置产生电子束时，驱动所述限流装置往复转动一个角度，所述角度小于等于限流装置上相邻的孔与所述环形布置的多个孔所在圆周的圆心连线所成的夹角。根据其他实施例，所述的CT设备还包括环形罩，设置在所述环形反射靶前端，具有与所述多个电子束相应的孔，限制所述电子束在环形反射靶上的束斑。根据其他实施例，所述的CT设备还包括漂移节，设置在所述谐振加速腔和所述环形金属靶之间，配置为使所述电子束进行横向自聚焦。根据其他实施例，所述的CT设备还包括传送装置，承载所述被检查物体沿着所述环形探测器阵列的轴线运动。根据其他实施例，所述环形反射靶的靶面法向同电子束入射方向之间的夹角大于90度。根据其他实施例，所述的CT设备还包括准直器，对所述X射线进行准直。根据其他实施例，所述环形探测器阵列的每个探测器单元具体为多层探测器单
J Li ο由于采用了上述技术，可以实现在保证一定的空间分辨率的前提下，大幅度提高CT扫描速度。
下面的附图表明了本技术的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本技术的一些实施例，其中:图1是根据本技术实施例的CT设备的总体结构示意图；图2是描述根据本技术其他实施例的CT设备中的电扫描部分的示意图；图3示出了根据本技术实施例的CT设备中的限流装置的示意图；图4是根据本技术实施例的CT设备的电扫描部分的分解示意图；图5是根据本技术实施例的CT设备的电扫描部分的综合构成示意图；[0028]图6示出了根据本技术实施例的CT设备中同轴腔工作时的场型示意；图7示出了根据本技术实施例的CT设备中同轴腔工作时电子束的运动轨迹示
思；图8示出了根据本技术实施例的CT设备中环形金属靶的结构示意图；图9是描述根据本技术各个实施例的CT设备的工作方式的示意图；图10示出了根据本技术实施例的CT设备中的同轴腔与耦合器的结构示意图；图11示出了根据本技术实施例的CT设备中设置在金属靶前的环形罩的示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本技术的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本技术。在以下描述中，为了提供对本技术的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本技术。在其他实例中，为了避免混淆本技术，未具体描述公知的结构、材料或方法。在整个说明书中，对“ 一个实施例”、“实施例”、“ 一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本技术至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。为了进一步提高CT设备的扫描速度，本技术的实施例提出了一种CT设备，它包括电子束产生装置，包括电子枪、偏转扫描装置和限流装置，其中电子枪产生电子束，所述偏转扫描装置对所述电子束进行偏转，偏转方向随时间而变，实现环形扫描，所述限流装置具有环形布置的多个孔，当所述的电子束沿着环形布置的多个孔扫描时，输出环形分布的多个电子束；环形反射靶，与所述环形分布的电子束同轴设置，其中所述电子束轰击所述环形反射靶，产生与环形分布的电子束的轴线相交的X射线；以及环形探测器阵列，与所述环形反射靶同轴设置，包括多个探测器单元，其中所述X射线穿透被检物体后入射到相应的探测器单元。例如，基于以高重复频率的射频微波功率源供能的同轴谐振腔，使用经过偏转扫描装置和限流装置得到的环形分布的电子束，在同轴谐振腔中的TM010场中加速后经过一段漂移打反射靶，产生与同轴谐振腔轴线垂直的通过同一中心的X射线序列。利用此X射线序列对目标物体进行CT成像。在采用上述结构的实施例中，可以实现在保证一定的空间分辨率的前提下，扫描速度得以提高。同时，调节微波功率源的馈入功率，可以实现一定范围内的X射线能量调节，有产生高能X射线的潜力，可以应用于工业无损检测。例如，以不同的馈入功率对电子束进行加速，产生不同能量的X射线束，从而实现多能扫描，例如双能扫描。例如，改变微波功率源的馈入功率大小，就可以实现不同能量的电子束输出，也就是不同能量的X射线输出。在一定范围内，电子束能量与馈入功率之间满足:E V P (I)在上式中，E表示电子束能量，P表示馈入功率。据此，可以实现X射线的多能。[0042]图1是根据本技术实施例的CT设备的总体结构示意图。如图1所示，本技术的CT设备包括电扫描装置，中央控制系统1，电子枪控制单元2，微波功率源3，探测器控制单元4，数据处理单元5和图像重建单元6等。该电扫描装置包括电子束产生装置、同轴谐振加速腔8、金属靶9和环形的探测器11。该电子束产生装置例如包括电子枪7和水平以及垂直偏转线圈(偏转扫描装置)，以及限流装置。电扫描装置是实现超高速断层成像的硬件设备，参见图2，展示了电扫描装置的大致结构:电子枪7，其作用是受控发射电子。如图2所示，电子枪7产生电子束，该电子束在偏转线圈的作用下进行环形扫描(例如给水平偏转线圈和垂直偏转线圈施加相差为90°的正弦信号，例如分别施加正弦信号和余弦信号)。图3示出了根据本技术的CT设备中的限流装置的示意图。该限流装置16安装在电子枪7的下游，偏转装置控制电子束沿着限流装置16上的环形设置的孔的路径扫描。当电子束扫描到某个孔17时，电子束将会部分通过孔，形成平行于轴线的电子束。虽然在图3中示出了限流装置16具有几个孔，但是本领域的技术人员知道可以设置更多的孔。例如，在金属板上形成上百个排列成环形的孔来作为限流装置。同轴谐振加速腔8工作在TM010模式，用于纵向加速电子并打金属靶9形成X射线。环形的探测器11用于接收穿过被检查物体10的X射线。图5展示了工作时电扫描装置的相对位置。对电子枪7产生的电子束进行限流的限流装置16安装在在同轴腔8的远离金属靶9的那个侧面上。同轴腔8与金属靶9之间有一段漂移节以实现电子束的横向自聚焦。金属靶9与探测器11之间有一定的小间隙，力口装准直器以保证成像质量。 成像过程中，参见图1，电子枪控制单元2接收中央控制系统I的启动扫描指令后控制电子枪7发射电子束Itl (根据电子加速能量和准直器设计同一时刻可以允许I 3个电子枪发射电子以加快扫描速度)。电子束Itl经过同轴谐振加速腔8加速达到目标能量(可高可低，由微波功率源3的馈入功率决定，低可至大约IOOkeV,高可达大约IMeV)，加速电子束I1打金属靶9产生与同轴谐振腔轴线相交的X射线Jtl，例如大致与同轴谐振腔轴线垂直方向的X射线，经过金属靶9和探测器11之间的准直器准直后穿透沿着同轴谐振腔轴线平行移动的传送装置上承载的被检查物体10，强度衰减后的X射线J1在探测器11上被接收。探测器控制单兀4接收中央控制系统I的启动扫描指令后控制探测器11米集数据，并将其发送到中央控制系统I。中央控制系统根据限流装置16限流得到的电子束的顺序对采集到的探测器数据进行重新排列，并发送到数据处理单元5进行预处理。数据处理单元5完成不一致校正、硬化校正、亮度校正等工作后将计算得到的标准投影数据发送到图像重建单元6进行重建，进而得到被测物体指定位置的断层图像序列。下面解释电扫描装置中同轴谐振加速腔8的加速原理。同轴腔工作时从微波功率源3获得功率，并在腔中建立起TM010模的场分布，参见图6。图6中左面为左视图，右面为正视图，虚线为磁场，实线为电场。此模式的场分布特征如下:.电场只存在纵向分量，磁场只存在角向分量[0051 ] 纵向电场和角向磁场沿纵向均匀.纵向电场最强在同轴腔外径与内径中点附近靠近外径处[0053].纵向电场最强处磁场强度为O (由谐振腔特性决定)由上面的场分布特点，同轴腔的TM010模适合加速电子，且最强电场附近的接近线性的磁场使电子束横向自聚焦，无需增加聚焦模块。参见图10，图的左侧是同轴腔8及耦合器14的右视图，右侧是同轴腔8及耦合器14的正视图，画出的场均为该视图纵深方向(垂直纸面方向)中间截面的场型。为了在同轴腔内激励起TMoltl模的场，耦合器(图10中灰色部分)中传输的场型必须与同轴腔内的场型匹配。在波导耦合器中工作的最低模为TEltl模，要采用这种场型进行功率馈入，只需要如图所示安装耦合器即可。也即波导的短边平行于同轴腔轴线，长边垂直于同轴腔轴线。从图10中看到，此时耦合器与同轴腔中场型匹配，可以在同轴腔内有效激励起111_模的场。限流装置16可以安装在同轴腔8的最大电场位置，发射初始能量约IOkeV的电子束团。典型参数的电子束团在同轴腔电磁场中的运动轨迹见图7。图7中左面是放大的同轴腔左视图，右面将电子束附近放大。同轴腔的高度大约5cm，从图7右侧电子束团运动轨迹放大图(已经滤除了未被俘获的电子，并且只画出了电子密度大的部分)可以看出，电子束团横向尺寸在同轴腔内部加速时有增加的趋势，但是在出同轴腔后的漂移段由于在腔内部时受到的横向动量调制，呈现出了聚束效果。这就是同轴腔8和金属靶9之间存在漂移段的原因，漂移段可以使电子束团横向自聚焦。在一些实施例中，由于实际安装的原因，金属靶9和探测器11不能位于同一个纵向位置，因此电子束打靶产生的X射线会斜入射到探测器表面。因此，需要倾斜探测器的表面，使之与X射线主入射方向垂直。另外，为保证初级X射线主入射方向是倾斜的，需要使金属靶9的靶面法向同电子束入射方向呈一个大于90°的夹角，这就造成了金属靶靶面的「倾斜」如图8所示。优选地，金属靶的靶面法向同电子束入射方向呈135°角左右。 在一些实施例中，为了使照射物体的X射线质量更好，需要在金属靶9和探测器11之间加装准直器12。如图8所示，准直器12的作用是阻挡一部分的初级X射线(即电子打靶时产生的X射线)，只让中心部分的初级X射线通过，从而使X射线的方向性更好，避免探测器多层时X射线强度的角分布对数据准确性的干扰。在一些实施例中，考虑到即使加装了准直器12，X射线强度还是有一定的角分布，可以利用这个角分布来实现一圈扫描多层成像的目的。「探测器多层」也就是将探测器分成多层，X射线照射到探测器表面时，不同的层感受到不同的X射线强度(携带了物体不同切片的信息)，从而获得物体多个切片的数据，一圈扫描完成后，多个切片都获得了成像。探测器多层可以缩短整体扫描时间。在图示的实施例中，采用了同轴谐振腔对电子束进行加速的方案，但是在其他实施例中，可以不使用同轴谐振腔对电子束进行加速，例如采用高压电场对电子束进行加速。或者，在一些实施例中，如果电子枪发射单元产生的电子束的强度足够，则无需任何的加速
>J-U ρ α装直。在一些实施例中，上述CT设备有多种工作模式。这是由其电子源的结构决定的，也是本技术的CT设备相对于其它CT的一个优势。参见图9，(a)图表明了普通工作模式:限流装置16对电子枪7发出的连续电子束在环形轨迹上进行限流，电子束打到金属靶9后从靶点13发出X射线穿透物体，进而被探测器11接收获得数据。[0063]在一些实施例中，可以增加驱动机构，使得限流装置16蠕动。依然参见图9，(b)图显示了另外一种工作模式，即限流装置16的「蠕动」。所谓「蠕动」就是限流装置16所在圆周在一个小角度内进行往复旋转，这种模式的好处在于能够提高空间分辨率。靶点跟随限流装置16旋转，发出的X射线覆盖了之前X射线无法覆盖的角度。从这个视角上来说，限流装置16的「蠕动」相当于成倍加密了电子束的密度，比如「蠕动」到(b)图的状态就将电子束密度加大了一倍。「蠕动」中电子发射的次数越多，加密程度就越大，CT的空间分辨率也就越高。例如，在一些实施例中，给图示的设备增加驱动机构，配置为在电子束产生装置产生电子束时，驱动限流装置16往复转动一个角度，该角度小于等于限流装置上相邻的孔与环形布置的多个孔所在圆周的圆心连线所成的夹角。应当指出的是，尽管本技术主要应用领域在医学成像领域，但是由于X射线能量的可调性，依然有应用于需要高能X射线的医学治疗或工业无损检测领域的潜力。虽然在上述实施例中，采用的是对电子枪产生的电子束进行环形扫描，进而用限流装置16进行限流来产生平行于轴向的电子束，但是也可以采用其他的电子束发生装置。根据本技术的其他实施例，为了改进电子束打在金属靶9上的靶点的直径大小，从而提高CT设备的空间分辨率，还可以在金属靶前面设置环形罩18。如图11所示，该环形罩例如具有较小的孔，从而对从限流装置16产生的平行电子束在金属靶9上的靶点尺寸进行约束。根据其他实施例，还可以在限流装置16和金属靶9之间设置高压均匀电场，对限流装置16产生的电子束进行加速。虽然在上面的实施例中，分别给出了平行电子束的产生方式、加速方式以及金属靶的设置的不同例子，但是本领域的技术人员应该想到，将这些不同的方式进行组合来产生其他的实施例，这里不再详细描述。在其他实施例中，还提供了一种CT设备的方法，包括步骤:从电子枪产生一电子束；对所述电子束进行偏转，偏转方向随时间改变，实现环形扫描；用具有环形布置的多个孔的限流装置对所述电子束进行限流，使得当所述的电子束沿着环形布置的多个孔扫描时，输出环形分布的多个电子束；用所述电子束轰击一环形反射靶，产生与所述环形分布的电子束的轴线相交的X射线；以及检测穿透被检物体后的X射线。根据其他实施例，所述方法还包括步骤:利用工作于TM010模式的谐振加速腔对环形分布的电子束依次进行加速。根据其他实施例，所述方法还包括步骤:利用耦合器将微波功率源产生的微波馈入所述谐振加速腔，依次对所述电子束进行加速。根据其他实施例，所述方法还包括步骤:在电子束产生装置产生电子束时，驱动所述限流装置往复转动一个角度，所述角度小于等于限流装置上相邻的孔与所述环形布置的多个孔所在圆周的圆心连线所成的夹角。以上的详细描述通过使用示意图、流程图和/或示例，已经阐述了 CT设备及操作过程的众多实施例。在这种示意图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的情况下，本领域技术人员应理解，这种示意图、流程图或示例中的每一功能和/或操作可以通过各种结构、硬件、软件、固件或实质上它们的任意组合来单独和/或共同实现。在一个实施例中，本技术的实施例所述主题的若干部分可以通过专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器(DSP)、或其他集成格式来实现。然而，本领域技术人员应认识到，这里所公开的实施例的一些方面在整体上或部分地可以等同地实现在集成电路中，实现为在一台或多台计算机上运行的一个或多个计算机程序(例如，实现为在一台或多台计算机系统上运行的一个或多个程序)，实现为在一个或多个处理器上运行的一个或多个程序(例如，实现为在一个或多个微处理器上运行的一个或多个程序)，实现为固件，或者实质上实现为上述方式的任意组合，并且本领域技术人员根据本公开，将具备设计电路和/或写入软件和/或固件代码的能力。此外，本领域技术人员将认识到，本公开所述主题的机制能够作为多种形式的程序产品进行分发，并且无论实际用来执行分发的信号承载介质的具体类型如何，本公开所述主题的示例性实施例均适用。信号承载介质的示例包括但不限于:可记录型介质，如软盘、硬盘驱动器、紧致盘(⑶)、数字通用盘(DVD)、数字磁带、计算机存储器等；以及传输型介质，如数字和/或模拟通信介质(例如，光纤光缆、波导、有线通信链路、无线通信链路等)。虽然已参照几个典型实施例描述了本技术，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本技术能够以多种形式具体实施而不脱离技术的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
权利要求1.一种CT设备,其特征在于,包括: 电子束产生装置，包括电子枪、偏转扫描装置和限流装置，其中电子枪产生电子束，所述偏转扫描装置对所述电子束进行偏转，偏转方向随时间改变，实现环形扫描，所述限流装置具有环形布置的多个孔，当所述的电子束沿着环形布置的多个孔扫描时，输出环形分布的多个电子束； 环形反射靶，与所述环形分布的电子束同轴设置，其中所述环形分布的电子束轰击所述环形反射靶，产生与环形分布的电子束的轴线相交的X射线；以及 环形探测器阵列，与所述环形反射靶同轴设置，包括多个探测器单元，其中所述X射线穿透被检物体后入射到相应的探测器单元。
2.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括:谐振加速腔，配置为工作于TMOlO模式，接收所述电子束产生装置发射的电子束，并且对所接收的电子束进行加速。
3.如权利要求2所述的CT设备，其特征在于，还包括耦合器和微波功率源，所述耦合器将所述微波功率源产生的微波馈入所述谐振加速腔，对所述电子束进行加速。
4.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，所述电子束产生装置还包括驱动机构，配置为在所述电子束产生装置产生电子束时，驱动所述限流装置往复转动一个角度，所述角度小于等于限流装置上相邻的孔与所述环形布置的多个孔所在圆周的圆心连线所成的夹角。
5.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括环形罩，设置在所述环形反射靶前端，具有与所述多个电子束相应的孔，限制所述电子束在所述环形反射靶上的束斑。
6.如权利要求3所述的CT设备，其特征在于，还包括漂移节，设置在所述谐振加速腔和所述环形金属靶之间， 配置为使所述电子束进行横向自聚焦。
7.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括传送装置，承载所述被检查物体沿着所述环形探测器阵列的轴线运动。
8.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，所述环形反射靶的靶面法向同电子束入射方向之间的夹角大于90度。
9.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，还包括准直器，对所述X射线进行准直。
10.如权利要求1所述的CT设备，其特征在于，所述环形探测器阵列的每个探测器单元具体为多层探测器单元。
专利摘要公开了一种CT设备。该CT设备包括电子束产生装置，包括电子枪、偏转扫描装置和限流装置，其中电子枪产生电子束，所述偏转扫描装置对所述电子束进行偏转，偏转方向随时间改变，实现环形扫描，所述限流装置具有环形布置的多个孔，当所述的电子束沿着环形布置的多个孔扫描时，输出环形分布的多个电子束；环形反射靶，与所述环形分布的电子束同轴设置，其中所述电子束轰击所述环形反射靶，产生与环形分布的电子束的轴线相交的X射线；以及环形探测器阵列，与所述环形反射靶同轴设置，包括多个探测器单元，其中所述X射线穿透被检物体后入射到相应的探测器单元。
文档编号H05G1/46GK203083952SQ201320045999
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月28日 优先权日2012年12月31日
发明者康克军, 唐传祥, 赵自然, 张哲 申请人:清华大学, 同方威视技术股份有限公司