用于电子束X线断层成相 的固定隔板准直器 本发明涉及一种用于电子束计算机X线断层成相扫描器中的X-射线准直器，特别是涉及一种用一个位置固定且其上带有小孔的X-射线屏蔽隔板形成的X-射线准直器。在一个优选实施例中，还设置了一个可移动的环，其纵轴被布置成与隔板中的小孔同轴。
在具有扫描电子束X-射线源的计算机X线-断层成相(CT)扫描器中，电子束被磁致偏移以便沿一大体为圆形的轨迹旋转，这时电子束射到一个环形对阴极上，从而形成一个旋转的X-射线源。在穿过准直器后，X-射线形成一个扇形束，并为一个与准直器重叠的环形探头阵列所拦截。1982年9月28日授权的美国专利4,352,021号公开了这样一种电子束扫描器，这种扫描器在市场上有售，例如，加利福尼亚州南旧金山市Imatron公司的产品。为使自环形对阴极发射的X射线成为直线，目前地准直器是通过在一个塑料圆筒上固定其间具有确定距离的第一和第二金属环形成的，此一距离形成了X射线扇形束并且确定了一个给定的限幅宽度。为改变限幅宽度，其间具有不同的确定距离的第二组金属环被设置在塑料圆筒的另一部分上，与第一组间隔开。第二组实际上形成一个新的准直器，它以机械的方法代替第一个准直器。此项替代是通过将第二组环设置在对阴极的对面实现的，以便形成新的准直器。
前述现有的准直器装置是比较昂贵的，这是因为其多组准直器的机械结构和机械调整装置，这些调整装置对于精确地调整相应的准直环组相对于对阴极环和探头阵列的相对位置上是必需的。再有，限幅(或X射线扇形束)的宽度是由不同组准直器环间的位置所决定的，因而不是连续可调的。
因此，人们希望提供一种用于电子束(EB)计算机X线断层成相(CT)扫描器的廉价准直装置。
更为人们所希望的是提供这样一种廉价的准直器，它具有得到改善的性能。
用于准直一个移动的X射线源的装置，包括一个位置固定的X射线屏蔽隔板，它位于移动的X射线源和用于探测X射线的探头阵列之间的间隔中。该隔板设置得大体上与移动源所限定的平面平行，因而将间隔分为对阴极部分和探头部分， 对阴极部分包括移动的X射线源而探头部分包括X射线探头阵列。隔板上面有一小孔，一部分X射线从射线源通过小孔到达探头阵列，从而将X射线准直。
图1示出一个装有准直器类型的电子束计算机X线断层成相扫描器，该准直器(示于图3)是根据本发明的原理做成的；
图2是图1所示系统的横断面图；
图3是用于图1系统的本发明准直器装置的细节的示意图；
图4a为图1所示系统诸部分的端视图，图4b和4c表示图4a的不同的投影图，用以表示图3的准直器的X射线屏蔽性能。
图5a、图5b和图5c较详细地说明了图3的准直器装置的机械结构特征。
如图1所示，电子束(EB)计算机X线断层成相(CT)扫描器包括三个主要部分：一个电子束扫描管2，它具有一个圆柱部分4和一个半圆锥形部分6；一个X射线探头阵列8和一个计算机系统10。扫描管2产生并向一个对阴极环发射电子束，该对阴极环在电子束的轰击下产生X射线。X射线在被准直并穿过患者11后，被探头阵列8所拦截和检测。探头阵列的数据输出送至计算机系统10的数据采集系统(DAS)10a。计算机系统10包含许多磁盘12用以记录所得到的探头数据并将其保留供后续处理。计算机系统10还包括一个扫描控制部分10b，它的输出控制着扫描管和一个视频显示器14，以显示由计算机系统用所得到的探头数据所再现的X线断层成相的图象。
可以更准确地参看图2，图中较为详细地表示了扫描和偏移系统。扫描管2包括一个真空泡20，在其圆柱部分4装有一个电子枪22。电子枪沿半圆锥形部分6发射一轴向电子束23。聚焦线圈24用磁力将电子束聚焦成一个点，射到一个半圆环状锥形对阴极26上，该对阴极的定位应使其与扫描管2的纵轴成82°角。弯曲线圈27提供了一个磁场，以使电子束弯曲从而在其射向对阴极26的途中经过扫描管的半圆锥形部分6。一组相应的冷却盘管28可以埋置在对阴极支架29中，用以冷却对阴极26。
弯曲线圈27不仅如上所述使电子束偏移，还使其沿对阴极环26快速、反复地扫射，以便形成一个基本上在平面内转动的X射线源。一个准直器装置(示于图3、4和5)被安放在X射线束的位于对阴极环26和探头阵列8之间的路径上，以屏蔽自对阴极环发射的X射线，并形成一个以1到10毫米宽的平面扇形束形式发射的X射线束。扇形束的一个扇形面被X射线探头阵列8的一部分检测到，所测得的值被送往计算机系统10的DAS 10a用以再现X射线断面成相的图象。上述EBCT扫描系统(除下面将予详述的准直器装置的细节以外)对于那些了解此项技术的人是熟知的，并且通常被称为Imatron公司制造与出售的ULTRAFAST CT扫描器。因此，没有必要就其基本系统的构造和操作及其部件作进一步的说明。
新型的准直器示意地在图3～5中示出，这些图中每个图里的相同部分使用了相同的参考数字。设计是以一个临近真空锥体腔6的端面，或者等价地邻近包括有探头阵列8的支撑套设置的。带孔的X射线屏蔽隔板300为基础的。隔板通常采取穿孔圆盘的形式，它被设置于在对阴极302上移动的X射线源所确定的平面和X射线探头阵列8所确定的平面之间的间隔中并且大体上与之平行，从而只有穿过其孔洞(即小孔)304的X射线到达探头阵列8。也就是说，隔板300、在对阴极302上移动的X射线源和探头阵列8基本上呈平行设置，而且间隔开，以使隔板300于在对阴极302上移动的X射线源和探头阵列8之间形成一个X射线屏障。优选地，这些平面是精确地平行的，以将图像失真减至最小。(注意，在图3、4b和4c中水平方向与铅垂方向的比例尺之比为100比1，以便较清晰地说明本发明所涉及的原理。然尔，应该注意到这也导致所说明的一些角度关系的变形，例如对阳极302与扫描管纵轴间的82°角)。隔板300面对X射线对阴极302的平面在图中被表示为在点Z＝0，即扫描器轴向路径的名义起点。在此处，隔板300的小孔304的内侧钝边确定了准直器间隙306的一个平面。在优选实施例中，准直器间隙306的另一个平面由一个调节环308的一个端面310所确定。端面310的平面大体上平行(最好是精确地平行)于隔板300的对阴极侧面(图3中的左侧面)设置，且环308的纵轴大体上与小孔304的纵轴同轴。在所述的实施例中，环308的外径大体上与小孔304的直径相同，然而，这一关系在本质上是一个系统设计问题。因此，从在对阴极环302上旋转的X射线源的角度来观察，正是环308与隔板300之间的间隔控制性地确定了准直器间隙306的宽度。再有，如图3所明显示出的，环308还起到一个非常重要的附加作用，即，作为患者前面的一个保护患者的辐射防护屏，这样患者仅受到实际上形成准直辐射射线束的辐射。另外，环308还用以减少X射线的散射(它会降低图象的质量)和改善辐射剂量分布(如图4b所示)的均匀性。然而，应予指出，在另一实施例中，对进行照相的目标所受的辐照量的限制是不重要的，在准直前对X射线的屏蔽从而准直环308尽管是可取的但不是必需的。在这种情况下，有用的射线束宽将完全取决于对阴极302和探头阵列8之间的“视域”，亦即取决于电子束辉点在对阴极302宽度上的位置+Z。电子束辉点的轴向位置Z是可调的，即通过对弯曲线圈27的适当调整，移动倾斜对阴极302上的电子束，以使其靠近或远离隔板300。当电子束辉点移至更靠近隔板300时，由对阴极302通过小孔304到探头阵列8的“视域”相应地减少，因此相应地减少了射线束的宽度，这样从宽到10mm至小到1mm的限幅宽度可以以最小的锥角和最大的效率实现，如图3所示。再有，应予指出，新的准直器装置不仅可以进行简单的调节以改变限幅宽度，如果需要，还可在扫描阶段进行调整，而且不需要移动探头阵列或隔板。另外，在优选实施例中，准直环308的调整与对阴极上电子束辉点的轴向位置的调整同时进行，从而保持其对患者的辐射屏蔽的优点。
如图3所示，对于6mm限幅宽度而言，优化的电子束辉点位置由“Z-射线”A所确定，它从对阴极302上“6mm”限幅电子束辉点位置(即，对阴极环距隔板300最远的一部分)的右端经由准直器间隙306的左端(由调节环308的端面310所确定)而后靠近隔板小孔304的右端312(在扫描轴的探头一侧)。Z-射线A相对于端部312的路线可由图4c较清晰地看出，以后将予说明。(注意，在这里使用术语“Z-射线”只是为了便于附图的说明，它并不是一个惯用的技术术语，也不是一种新型的辐射。)如图示，Z-射线A、B、C和D是极限的“Z-射线”，它们确定了一个正方形X-射线束辉点轮廓的辐射剂量分部曲线。实际上，调整对阴极302上电子束辉点的位置是针对一组与特性圆(半径Rsp如图4a所示)相切并离开图3所示平面的“Z射线”进行的。对阴极上电子束辉点位置和相应的电子束半径是这样的函数，它们随所需要的限幅宽度而变。不同的电子束半径得自对阴极302相对于扫描器Z-轴的82°角。
也是在此实施例中，一个可调的辐射防护屏314被放置在隔板300的探头一侧，并对其进行调节以使散辐射最小。此防护屏用作患者后面的准直器，就此功能而言，其面对隔板300的端面起到屏蔽X-射线扇形束的作用，其方式类似于准直环308的端面310所形成的对X-射线的屏蔽。在使用中，将辐射防护屏314向着隔板300调整至正好要接触到Z-射线D的位置。如果需要，辐射防护屏314也可用来限定限幅宽度。一个固定位置的辐射防护屏316亦被示出，它附在隔板300的探头一侧。
可调准直环308和可调辐射防护屏314一般均由黄铜制成，它们可以是相似的甚至是相同的。各环可以通过三个连接于各环与一个支承套之间的电机驱动丝杆可控制地定位，以使其纵轴与扫描器Z-轴精确地同轴。支承套，详示于图5，靠近扫描器锥体部分6的端面设置。这些丝杆可以受控而一起转动，或者也可以单独进行调整，以保证环308和314的端部平面精确地垂直于扫描器Z-轴(从而平行于隔板300)。
图4a为扫描器支架前视图的示意图，它表明对阴极、探头和准直环的相对位置，并同时说明扫描圆半径(Rsc)和特性圆半径(Rsp)。Rc和Rr分别表示准直器和对阴极的半径。另外还示出了与特性圆相切于象素点P的Z-射线。
图4b为准直器系统的几何结构沿-Z方向关于通过象素点P的射线的投影图。注意，图4b的绘制就好象准直器的两侧均位于探头/对阴极重合的区域，即，在该区域中探头阵列8的一部分和对阴极环302重合，即区域“O”。Z-射线A、B、C和D是极限的“Z-射线”，这些“Z-射线”限定了一个正方形X-射线束辉点轮廓b的辐射剂量分部曲线。 如图示，X-射线束辉点沿对阴极环302的辐射部分b的位置，以及准直环308到固定隔板300的距离，确定了特性圆上P点的辐射剂量分布曲线。
间隙宽度306可根据简单的几何关系去选择，以给出所需的辐射线在轴线上的限幅宽度。隔板厚度t的选择应使其能给出探头和隔板间以足够的间隔以容纳所需的辐射屏蔽板。如上所述，“Z-射线”A(在特性圆处)用以确定所希望的限幅宽度所需要的几何条件(电子束辉点位置)。
图4c表示那些跨越扫描圆Rsc的射线的“Z-射线”A、B、C和D在隔板300探头一侧的隔板小孔半径(端部312)处的典型轨迹。如所示出的，在特性圆Rsp之外，“Z-射线”A被隔板端部312所屏蔽。可以这样予以形象化，即，假想一支光束由图4b所示的X-射线束辉点b向上射出，穿过准直器间隙，从而形成一个光锥体，该锥体形成了射到探头阵列8的Z-射线的式样。隔板的进入和离开图4b所示平面的部分形成了出现在准直器探头一侧的射线锥体的曲线形状。图4c清楚地示出了各Z-射线A、B、C和D的这一射线曲线。由于这一因隔板300中孔的几何形状而形成的曲线，辐射剂量分布曲线从隔板的端部到Z-射线不再射到准直环308或隔板300的任何部位从而不受妨碍地从对阴极302前进到探头阵列8的位置是线性增加的。这一条件相应于射线B和C之间的那些Z-射线。因此，在扫描圆上的辐射剂量分布曲线呈梯形，诸如图4b和4c所示。如图4c所示，在特性圆以外的射线A被隔板屏蔽。选定的这一构造形式满足了在锥角为最小的情况下在特性圆内效率为百分之百的条件。在扫描圆处，被屏蔽的辐射剂量达到最大值。注意，Z-射线B、C和D在任何位置都不会被准直器屏蔽。
由前述各图可明显看出，在区域0中，即对阴极与探头阵列重叠的区域，无法以机械连接方式将隔板300连接到扫描器外壳上。然而，在仅有探头的区域(图4a的顶部)，可以介入准直器间隙区域(即，在隔板300的对阴极一侧)，因为它不用于准直，而在仅有对阴极的区域，可以介入探头间隙区域(即，在隔板300的探头一侧)。因此，现在参看表明新准直装置横剖面的图5，一个将隔板连接到扫描器外壳上的优选位置为，在对阴极附近的隔板300的探头侧(支承套504，如图5b所示)，和在探头阵列附近的隔板的对阴极侧(支承套502，如图5c所示)。如图5a和5c所示，支承套502和504被安装在扫描器外壳上的一个公用螺栓装置506固定在一起，从而使二者吊挂装在扫描器外壳上。前述的可控制地将准直环308和探头防护屏314相对隔板300加以定位的电机驱动丝杆分别作为设置在支承套502和504之间的装置508和510部分地在图5a中示出。每个环包括三个这样的丝杆装置，每个间隔120°。
一个几何尺寸的示例如下所示(所有的单位除另加说明者外均为毫米)：探头半径 675效率为100％的圆的半径 250准直器半径 375辐射防护屏半径 375隔板宽(t) 1.50X-射线束辉点长度 2.50对阴极角度 78度额定限幅宽度 3 6对阴极上电子束半径 882.4 900准直器间隙宽度 1.725 3.500Z，电子束辉点中心 +6.24 +9.98Z，Z-轴上限幅中心 -3.11 -4.13
于是，在这里已经显示并说明了一种用于电子束CT扫描器的新型准直器，它满足了试图探寻的所有的目标和优点。然而，对于那些熟悉此项技术的人，在研究了公开优选实施例的这些说明及其附图之后，主题发明的许多改变、修改、变化和其它的用途和应用将变得很明显。例如，许多机械上的细节， 特别是涉及隔板300的支承问题，是很容易根据其具体用途而进行改变的，所说的这些用途并不局限于医疗上的扫描器，它也包括，例如，工业的和非破坏性的试验装置。再有，在这里所使用的环302、308和314，所说的圆的或“环状的”很显然是可以引伸到包括部分圆形或部分环状的，甚至那些不同于具有固定半径的曲线的部分曲线形状，这些其它的形状可能在其它改进类型的扫描器设计中是有用的。再进一步，很显然， 环308和314的直径可以改成比孔304的直径大一点或小一点并且都还是可用的。还可以清楚地看到，隔板300中的小孔本身可提供X-射线所需的准直，在优选的医用扫描器实施例中，环308被用作患者前置的防护屏，以减轻患者受到的射线辐照和减轻散射的辐射。所有那些没有脱离本发明的精神和范围的改变、修改、变化和其它的用途和应用均认为被本专利所覆盖，本专利仅由权利要求所限定，它遵循根据前述说明所作的解释。