多焦点X射线球管及多焦点X射线成像系统的制作方法

本发明属于医疗设备领域，尤其涉及一种多焦点x射线球管及多焦点x射线成像系统。

背景技术：

x射线球管是工作在高电压下产生x射线的核心部件，包含有两个电极：一个是用于产生并发射电子的灯丝或其他电子产生源，作为阴极，另一个是用于接受高速电子轰击的靶材，作为阳极，两极均被密封在高真空的玻璃或金属外壳内。根据用途不同，可分为医疗x射线球管和工业x射线球管，医疗x射线球管主要用于诊断和治疗，工业x射线球管主要用于材料的无损检测、结构分析、光谱分析和底片曝光等。

x射线球管中被电子轰击的阳极位置可视为一个焦点，现有的x射线球管都是单焦点的结构，在一些场合需要多焦点曝光时，例如心脑血管疾病的诊断和治疗上，通常会使用多个单焦点x射线球管，每个单焦点x射线球管都需要配置一套控制系统和图像处理系统，曝光时间长，容易有运动伪影，并且成本较高，集成度有限。

技术实现要素：

本发明实施例所要解决的技术问题为如何以低成本、高集成度的方式实现多焦点曝光。

为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供了一种多焦点x射线球管，包括管套、位于管套内部的管芯和轴承端，所述管芯内部为真空环境；所述管芯内部放置有阴极端和阳极端，所述管套上设有供电接口组件，所述供电接口组件包括与所述阴极端连接的至少一个阴极供电接口、与所述阳极端连接的至少两个阳极供电接口；所述轴承端包括旋转轴，所述阳极端安装在所述旋转轴上；所述阳极端包括可随所述旋转轴旋转的至少两个阳极靶，所述阳极靶与所述阳极供电接口一一对应连接；所述阴极端包括至少一个与所述阴极供电接口连接的电子产生源，每个电子产生源向相对应的阳极靶发射电子进行轰击以辐射出x射线。

进一步地，所述多焦点x射线球管还包括散热循环系统；所述散热循环系统包括：进液口、出液口、散热液和循环控制装置；所述循环控制装置用于控制所述散热液在所述进液口、所述出液口之间循环进出；所述管芯浸泡于所述散热液中。

进一步地，所述至少两个阳极靶均安装在同一个旋转轴上，所述旋转轴为金属转轴且所述金属转轴与阳极靶同电位。

进一步地，所述管芯至少为两个；每个管芯包括一个所述的阳极靶和一个所述的电子产生源，各管芯中的阳极靶均安装在所述旋转轴上。

进一步地，所述管芯至少为一个；每个管芯包括两个所述的阳极靶和一个所述的电子产生源，所述电子产生源位于所述的两个阳极靶之间，用于向所述的两个阳极靶发射电子进行轰击以辐射出x射线；所有的阳极靶均安装在所述旋转轴上。

进一步地，各所述阳极供电接口均用于接地，各所述阴极供电接口用于接不同的负高压。

进一步地，各所述阳极供电接口用于接不同的正高压，各所述阴极供电接口均用于接地。

第二方面，本发明实施例还提供了一种多焦点x射线成像系统，包括：

第一方面所述的多焦点x射线球管；

机架，用于承载所述多焦点x射线球管，并可带动所述多焦点x射线球管在预置的多维自由度内转动；

高压发生器，与所述多焦点x射线球管的阳极供电接口或阴极供电接口连接，用于为所述阳极供电接口提供正高压或为所述阴极供电接口提供负高压；还与所述轴承端连接，用于为所述轴承端供电以控制所述旋转轴转动；

束光器，放置于所述多焦点x射线球管的出光侧，具有大小、形状、位置可调的开口，用于通过控制所述开口来限制x射线的分布；

若干滤过器，位于所述束光器的出光侧，且各滤过器分别独立位于各自对应焦点的光路上，且各滤过器的滤过材料和厚度不同，用于将对应光路的x射线进行能谱过滤，仅允许能谱在目标范围内的x射线照射到对象上；

探测器，用于将穿透照射对象的x射线转化为数字信号并输出；

图像处理装置，与所述探测器连接，用于将所述探测器所输出的信号进行处理，得到三维立体影像；

控制器，与所述高压发生器、所述束光器、所述探测器、所述图像处理装置连接，用于接收输入的曝光参数，并根据所述曝光参数对所述高压发生器、所述束光器、所述探测器、所述图像处理装置进行协同控制。

进一步地，所述多焦点x射线球管的各焦点呈线性排列；所述控制器还用于控制所述多焦点x射线球管的各焦点同时曝光或依次曝光。

进一步地，所述多焦点x射线球管的各焦点与所述探测器中心所成的倾角范围为-30度到30度。

本发明所提供的多焦点x射线球管中包括多个阳极靶，多阳极靶可以灵活设计为多种形式，可以一次性快速完成多视角的曝光，提供了多个单焦点球管才能提供的性能参数，在大大减少曝光时间的同时辐射剂量也得以减少，方便x射线快速检查，减少因曝光过久引来的运动伪影，同时还可以支持发射双能和多能x射线，提高了图像质量。可见，本发明所提供的多焦点x射线球管高度集成，完全可以替代多个单焦点球管，降低了生产和维护成本。

附图说明

图1a是本发明第一实施例提供的多焦点x射线球管的一种结构图；

图1b是本发明第一实施例提供的多焦点x射线球管的另一种结构图；

图2是本发明第二实施例提供的多焦点x射线成像系统的结构图；

图3是本发明第二实施例提供的单焦点曝光和双焦点曝光所需要的探测器的尺寸对比示意图；

图4是本发明第二实施例提供的线性多焦点曝光的示意图；

图5是本发明第二实施例提供的多焦点曝光的图像数据采集流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。

图1a和图1b分别为本发明第一实施例提供的多焦点x射线球管的两种结构图，请一并参照图1a和图1b，该多焦点x射线球管包括管套1、位于管套1内部的管芯2和轴承端3，管芯2的内部为真空环境。管芯2内部放置有阴极端和阳极端，管套1上设有供电接口组件(图中未示出)，该供电接口组件包括与阴极端连接的至少一个阴极供电接口、与阳极端连接的至少两个阳极供电接口。阳极端包括可随旋转轴32旋转的至少两个阳极靶22，阴极端包括至少一个与阴极供电接口连接的电子产生源21。

管套1指的多焦点x射线的球管外壳，与外部的高压系统相连接。管芯2可以由耐高温、绝缘强度高、膨胀系数小的硅基硼酸硬质玻璃或者全金属组成，如果需要抵抗超过19.6m/s²(即2倍重力加速度)的机械振动或脉冲冲击，会优先考虑金属壳。管芯2用于支撑阴极端、阳极端和保持管内真空度，一般情况下，真空度应保持在133.322×10^-7pa以下，以保证灯丝的正常加热和电子的轰击速度。

轴承端包括转子、定子和旋转轴3，转子通常是轴承上的铜质圆柱，受电机4的感应电动势驱动，厚重的阳极靶22装在轴承的旋转轴3上，定子通常套在多焦点x射线管管芯的外面，流经定子绕组的线圈电流建立起一个旋转磁场，带动转子转动，旋转轴3随着转子进行转动。

特别地，至少两个阳极靶22均安装在同一个旋转轴3上，节省造价成本，旋转轴3可选用金属转轴且金属转轴与阳极靶22同电位，省去了设置绝缘隔离层的麻烦。

如上文所述，阳极端包括可随旋转轴3旋转的至少两个阳极靶22，具体可以是图1a中所示的两个阳极靶22分别位于两个独立的管芯2中，也可以是图1b中所示的两个阳极靶22均位于同一个管芯2中，并且至少两个阳极靶22与阳极供电接口一一对应连接。阴极端的每个电子产生源21向相对应的阳极靶22发射电子进行轰击以辐射出x射线，一般情况下每个管芯2中仅设一个电子产生源21，可以是图1a中所示的每个电子产生源21向一个阳极靶22发射电子，也可以是图1b中所示的每个电子产生源21向两个阳极靶22发射电子。

阴极端中的单个或者多个电子产生源21可以是传统的热阴极，常见的有灯丝(钨，钼)，也可以是场效应发射电子的冷阴极，常见的有碳纳米管、硅纳米针等。

阴极端还包括用于支撑电子产生源21的阴极罩，阴极罩同时屏蔽从阳极靶22反射回来的高速电子进而保护阴极端。在阴极端和阳极端之间还有栅极结构，栅极结构靠近阴极端，直接用于关闭和开通电子产生源21所产生的电子束流，可以有效屏蔽软x射线。阴极端同时还有聚焦罩，通过电场或者磁场作用将电子产生源21产生的电子束聚焦到一个方向上，减少发散，提高了轰击效率，并有效减少焦点尺寸和散焦伪影，良好的聚焦可以产生尖锐的焦斑，减少不必要的热损耗和软射线。

阳极靶22用于接受电子轰击辐射x射线，同时将热量散发出去，根据电子发射轨迹，形状上可以设计为圆柱状或者圆锥状阳极靶，材料上采用高原子序数的元素如钨或者钼，通常用钨作为阳极靶22的靶面材料，再蒸镀上额外的铼涂层以增加表面特性来减少点蚀和开裂，通过钨材料的阳极靶22的靶面、转子铜柱体、热膨胀系数相近的铁镍钻合金的中间连接部分和玻璃壳(或者金属壳)封接后通到多焦点x射线球管的外面。

图1a中阳极靶22的靶面倾角α或β的范围是8°～15°。为了减小几何模糊度以便获得清晰的图像需要使用小的x射线焦点，即采用小阳极靶面角度，但是这样又不利于热量扩散，很容易造成阳极靶面过热而提前老化。另一方面，阳极靶22的靶面倾角也不能过大，因为倾角增大将会增加有效焦点面积，而x射线焦点过大将会造成图像模糊不清。所以设计合理的阳极靶面角可以有效消除非焦点产生的x射线，提升影像的锐利度。

阴极端和阳极端之间的结构关系非常灵活，既可以是图1a所示的管芯2中包括一阴一阳的结构，也可以是图1b所示的管芯2中包括一阴二阳的结构。需要说明的是，图1a和图1b均只示出了两个阳极靶22用于表示两个焦点，具体实施时还可以据此得到多个焦点的结构，若基于图1a实现多焦点，管芯2至少为两个，每个管芯2包括一个阳极靶22和一个电子产生源21，各管芯2中的阳极靶22均安装在旋转轴32上；若基于图1b实现多焦点，管芯2至少为一个，每个管芯2包括两个阳极靶22和一个电子产生源21，电子产生源21位于两个阳极靶22之间，用于向两个阳极靶22发射电子进行轰击以辐射出x射线，两个阳极靶22均安装在旋转轴32上。

电子从电子产生源21高速运动到阳极靶22涉及到电子束产生、电子束偏转和电子束聚焦。电子产生源21可以采用热阴极，如螺线管状的钨丝，和也可以采用冷阴极，如碳纳米管。阴极端可以有一个或者多个电子产生源21水平或者竖直排列，对于热阴极，不同灯丝可以串联在一起，也可以通过继电器开关控制灯丝长度，进而控制电子发射密度，为了更好地保护灯丝，在阴极端用阴极罩包围阴极，防止二次电子反射到灯丝导致灯丝短路熔断。对于冷阴极，则选择通过栅极开关控制电子束密度。电子从电子产生源21发射到阳极靶22，发射轨迹中电子聚焦格外重要，尤其是大电流的情况。典型的短距离从10毫米到20毫米，对于高kv，电场距离可以达到100毫米。电子束可以由电场和线圈产生的偏转磁场调控，进而调节x射线焦斑的中心位置和大小。

进一步地，该多焦点x射线球管还包括散热循环系统，该散热循环系统包括：位于管套1上的进液口11、出液口12、填充于管套1内部的散热液和循环控制装置，循环控制装置用于控制散热液在进液口11、出液口12之间循环进出，以使管芯2浸泡于循环流动的散热液中。

散热循环系统可采用油循环，通过冷却油将管芯2内部产生的热量及时带走。多个阳极靶22共用一套散热循环系统，可以减少球管体积，进而节省成本。从图1a和图1b可以看出，管芯2直接浸泡于冷却液中，阳极靶22散发的热量可通过管芯2的壳体直接传导至冷却液中，循环流动的冷却液快速将阳极靶22的热量及时带走，这种导热方式简单有效，支持大功率曝光。而传统的球管的阳极靶面只能通过热辐射的导热方式将热量传递给玻璃壳外面的散热油，这种散热方式无法支持大功率曝光，往往在曝光任务多的情况下，由于无法及时散热而导致球管热容急剧升高，如果不及时强制停止曝光，球管就会提前老化甚至报废。

在电子束产生阶段，如果采用大功率曝光时，电子产生源21发射电子将处于饱和状态，容易出现由于阴极过热和过流导致的灯丝变软、移位和熔断，为了减少单个阴极承担的电子发射负荷，可以采用多阴极结构，也就是图1a中的结构。在图1a中，一对电子产生源21分别处在阳极靶两侧，有独立的电路控制发射电子，支持同时或者按照一定次序发射电子，避免了单个电子产生源21高负荷发射电子导致的过早损耗。同时，在不同的阳极靶22的靶面上有两个独立的轰击位置，进而可以有两个不同大小的、不同位置的焦点。两个阳极靶22之间的间隔为d，通常可以是5cm、10cm或15cm。中间利用封闭的冷却液及时将阳极靶22产生的热量带走，起到良好的散热效果。考虑到两个阳极靶22是独立的，所以靶面角、轰击位置和轰击电子密度都可以在各侧单独控制，灵活满足实际应用。该种结构支持单焦点工作，也支持多焦点同时或者按照一定次序工作，可以满足很大的视野fov(fieldofview)，方便用于断层扫描。

电子产生源21发出的电子需要在高压下加速使之到达阳极靶22，高压的施加方式有如下两种：

第一，各阳极供电接口均用于接地，各阴极供电接口用于接不同的负高压。

第二，各阳极供电接口用于接不同的正高压，各阴极供电接口均用于接地。

具体实施时优先选用第一种，阳极端通过阳极供电接口接地，只在阴极端加负高压，这样设计只需要阴极这一端的供电电路，控制简单。考虑到实际应用对双能的需求，分别可以将阳极端接地，各个阴极端的电子产生源21加不同的负高压，进而可以同时发射不同能量的x射线。

本发明第二实施例提供了一种多焦点x射线成像系统，如图2所示，包括多焦点x射线球管201、高压发生器202、束光器203、若干滤过器204、探测器205、图像处理装置206、控制器207，除此之外还包括一机架，机架的电源板、束光器203、滤过器204、高压发生器202的电源功率统一由系统的功率分布系统(pds，powerdistributionsystem)输出，保证稳定工作。具体说明如下：

多焦点x射线球管201即为第一实施例提供的多焦点x射线球管，不再赘述。

机架则用于承载多焦点x射线球管201，并可带动多焦点x射线球管在预置的多维自由度内转动。机架本身有着多维自由度，可支撑球管和改变球管的位置。

高压发生器202与多焦点x射线球管201的阳极供电接口或阴极供电接口连接，用于为阳极供电接口提供正高压或为阴极供电接口提供负高压；还与轴承端连接，用于为轴承端供电以控制旋转轴转动。高压发生器202的功能包括交流电源变直流高压、控制球管阳极转子的旋转、控制灯丝的电流、接收系统的控制命令等。交流电经过普通整流滤波、高频逆变、高压整流滤波得到高压直流电。高压发生器202的主控板直接与控制器207交互，对于特定的感兴趣区域(roi，regionofinterest)，需要特定的kv、ma和滤过器204、束光器203的尺寸和中心，才能得到最低剂量条件下的最佳图像质量。

束光器203放置于多焦点x射线球管201的出光侧，具有大小、形状、位置可调的开口，用于通过控制该开口来限制x射线的分布。束光器材料通常使用铅，常用形状有矩形、圆形和多边形等。对于矩形束光器，由四个独立的金属挡片组成，决定了x和y方向上的中心位置和开口大小，金属挡片由步进电机、位置传感器和编码器控制，可以实时加速、减速和匀速运动，并能反馈实际的位置。作为多焦点x射线成像系统的核心子部件，尤其应用在心脑血管疾病的诊断和治疗上，束光器203对易用性、交互性、实时性、准确性、可靠性、安全性有很高要求，与控制器207交互，支持实时通信、指令控制、状态信息。

若干滤过器204，位于束光器203的出光侧，且各滤过器204分别独立位于各自对应焦点的光路上，且各滤过器204的滤过材料和厚度不同，用于将对应光路的x射线进行能谱过滤，仅允许能谱在目标范围内的x射线照射到对象上。考虑到多焦点之间存在一定的空间间隔，所以在不同方向上加上不同厚度、不同材料、不同形状的滤过器204，滤过器204优先滤过低能的软x射线。两个或者多个焦点有着独立的几何光路，所以各焦点的光路配置不同的滤过器204，可以得到不同能谱的x射线，满足多样化的实际应用，典型滤过器材料有铝、钼、铜等。

探测器205用于将穿透照射对象的x射线转化为数字信号并输出。考虑到单焦点和多焦点有着不同的光子分布，探测器上的本影区和半影区也是不同的。在获得相同的曝光视野(fov，fieldofview)的条件下，多焦点对应的本影区要比单焦点的本影区小，如图3，也就是说，相比于单焦点，对于同样的曝光对象，多焦点所需要的探测器尺寸要小。根据相似三角关系，源像距(sid，source-imagedistance)越大，多焦点和单焦点对应的探测器的尺寸差异就越大。所以，在使用大fov和大sid的实际应用中，探测器205不必像传统的单焦点系统的探测器那么大，节省了探测器制造和使用成本。

探测器205按照采集模式分类，可分为能量积分型探测器和光子计数型探测器，能量积分型探测器如碘化钠(nai)、碘化铯、溴化镧，光子计数型探测器如碲化镉(cdte)、碲锌镉(czt)、硅(si)和砷化镓(gaas)。按照排列模式分类，可分为ccd探测器、非晶硅平板探测器和非晶硒平板探测器。

ccd探测器和非晶硅探测器属于间接转换探测器，信号收集与处理的时间较长，影响系统的运算和成像速度。ccd探测器芯片小于闪烁体，到达芯片的光子数减少，噪声增加，降低了图像质量，并导致图像几何失真和光线散射。非晶硅平板探测器能够较好地满足对图像密度分辨率的较高要求，但是存在固体探测器如坏点、漂移等固有缺陷。非晶硒平板探测器利用x光子在硒涂料层变为电信号，属于直接探测装置。处理时间较短，具有较好的空间分辨率，但是硒层对温度敏感，环境适应性差。

典型地，对于平板探测器，还需在探测器205前面放置滤线栅，用于过滤散射的x射线。模数转换器用于将模拟信号转化为数字信号，便于计算机处理，闪烁晶体，将x射线转化为可见光，光电二极管，将可见光转化为电子空穴对，薄膜晶体管，收集被激发出的电荷载流子，然后经数据线和电荷放大器将电信号传给模数转换器。

图像处理装置206与探测器205连接，用于将探测器205所输出的信号进行处理，得到三维立体影像。图像处理装置206即为整个系统的主机，可以通过电脑pc实现，通过软件交互界面发送曝光参数并收集和处理采集数据，用于储存dicom图像和生数据(rawdata)。主机提供计算系统，获得探测器205提供的生数据后，做预处理和后处理。预处理包括使用校正表的谱校正、滤波、去噪、平滑、增强等。曝光视野往往会超过曝光对象的区域，即探测器感应区域往往接收到没有任何衰减的x射线，为了更好地显示图像周边的空气区域，同时照顾到感兴趣的中间区域，通常对图像的不同区域的灰度值做不同的直方图拉伸，并做灰度归一化，调整到合理的窗宽和窗位。图像后处理包括利用二维图像分割、特征提取、双能减影、三维合成等。通过多焦点在不同曝光角度得到的二维图像按照一定次序合成三维立体影像，为用户提供了更直观更全面的数字化信息。主机还支持通过软件界面管理患者信息，显示影像、随时回访等。

控制器207与高压发生器202、束光器203、探测器205、图像处理装置206连接，用于接收输入的曝光参数，并根据所述曝光参数对高压发生器202、束光器203、探测器205、图像处理装置206进行协同控制。用户可以通过在控制器207输入曝光参数，并控制曝光状态，控制器207是最重要的消息传递平台。控制器207与高压发生器202、探测器205和软件实时交互，发送和接收系统的命令消息和状态信息。控制器207基于can总线控制，根据步进电机和编码器的配置，可以实时监测和控制各个金属挡片的位置，滤过器的选择状态，挡片的最大移动范围，一次移动的最大步长，最大最小移动速度，最小移动精度，移动模式(粗调模式和微调模式，手动模式和电动模式)，同时也配有必要的警告提示和错误报警机制，防止挡片碰撞和超限。

实际应用中，根据特定的感兴趣区域，球管焦点纵向分布，如图4所示，多焦点x射线球管的各焦点呈线性排列，控制器207控制各焦点在静态条件一次性同时曝光，节省曝光时间的同时，还减少了运动伪影，提高了图像清晰度，当然，控制器207也可以控制各焦点按照预置的顺序依次曝光。根据不同的fov，相应地调整sid，获取最佳的曝光位置。典型地，线性排列的各焦点与探测器205中心成的倾角范围为-30度到30度，足以用于断层扫描和3d合成。

对于双能和多能成像，按照多焦点曝光的图像数据采集流程，如图5所示。初始曝光，使用预设的管电流和高压，采集第一幅图像，下一次曝光时，取优化的管电流和高压，再次采集图像。值得注意的是，各个焦点独立工作，可以同时在不同的高压条件下曝光或者不同时在不同的高压条件下依次曝光。进而获取不同能量的x射线。临床上，高、低两种能量的x线穿透人体时，在软组织上差异较小，在骨组织上差异较大。其中，低能谱段(40～50kev)主要为光电效应，高能谱段(80～100kev)主要为康普顿散射，所以，软组织在35kev能量附近成像分辨率最高，骨组织在75kev能量附近成像分辨率最高。多焦点x射线成像系统不仅可以通过双焦点同时发射两种不同能量的x射线进而双能减影，还可以通过多焦点同时发射多种不同能量的x射线，实现多能成像。对于多能成像，不仅可提供相当精确的骨密度值，还可进一步分辨软组织中肌肉与脂肪的成分，计算被测者的体脂比，直接运用在运动医学上。

综上所述，对于x射线检查，辐射剂量和图像质量是用户最关心的指标，本发明实施例所提供的多焦点x射线球管能同时发射双能或者多能x射线，优化了图像质量，提高了物质分辨能力。充分发挥了作为单光源无法提供的曝光优势，相比于单焦点球管，有效地缩减了单次曝光所必需的时间，多角度曝光速度快，减少因曝光过久引来的运动伪影。因此本发明具有降成本多功能，曝光控制灵活，有效降低辐射剂量的优点。通过多焦点同时或者依次曝光，可以大大延长连续曝光的最大时间，支持高负荷曝光应用。另外，还支持一键式自由选择不同曝光模式下的多焦点曝光，例如多焦点同时曝光或依次曝光，简单易操作。不必再使用多个单焦点球管，降低生产和维护成本，具备一机多用，集成度高的优势。

可以看出，本发明针对多样化的应用，通过多合一的集成技术提出的多焦点x射线成像系统达到了一机多用的目的，并且降低了生产和维修成本。该多焦点x射线成像系统可以适用于多kv范围的应用。静态曝光，速度快，在降低辐射剂量，减少曝光时间和消除运动伪影方面，具备ct不具备的核心优势。该系统提供了独立多能的精准曝光参数，可以用于不同体位的拍摄，大视野曝光以及断层扫描等，也可以用于工业3d摄影，完成高负荷的检查工作。

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