[发明专利]单色X射线成像系统及方法

说明书

根据一些方面，提供了一种单色x射线源。该单色x射线源包括：电子源，其被配置成生成电子；初始靶，其被布置成接收来自电子源的电子以响应于撞击在初始靶上的电子而产生宽带x射线辐射；以及次级靶，其包括至少一个材料层，所述至少一个材料层能够响应于由初始靶发射的入射宽带x射线辐射而产生单色x射线辐射。

背景技术

传统的诊断性射线照相术使用x射线发生器，该x射线发生器发射在宽能量带范围内的x射线。该带的大部分包含对医学成像没有用处的x射线，原因是这些x射线的能量要么太高而无法在被检查的组织中相互作用，要么能量太低而无法到达用于记录x射线的x射线探测器或胶片。能量太低而无法到达探测器的x射线尤其成问题，原因是这些x射线不必要地暴露正常组织并增加了患者接收的辐射剂量。早已经认识到，如果能够以适当的能量使用，则单色x射线的使用将在减少辐射剂量的同时提供最佳的诊断图像。迄今为止，还没有这样的可以用于常规临床诊断用途的单色x射线源。

单色辐射已被用于特殊场合。然而，由于其阻止性的尺寸、成本和/或复杂性，用于产生单色辐射的常规系统已经不适用于临床或常规商用用途。例如，可以在同步加速器源中使用低效的布拉格(Bragg)晶体作为滤光器或使用固态的平坦靶x射线荧光剂来大量产生单色x射线，但是这些非常大并且不适用于医院和诊所的常规使用。

可以通过以下操作来产生单色x射线：依次提供响应于入射电子束产生宽谱辐射的靶(也被称为阳极)，然后提供响应于入射宽谱辐射产生单色x射线的荧光发射靶。本文使用术语“宽谱辐射”来描述具有或不具有阳极材料的特征发射线的轫致辐射(Bremsstrahlung radiation)。简而言之，经由x射线荧光产生单色x射线的原理如下。

厚靶轫致辐射

如图1中示意性地所示，在x射线管中，电子从被称为阴极的加热丝中释放出来，并且通过高电压(例如，约50kV)朝向被称为阳极的金属靶被加速。高能电子与阳极中的原子相互作用。通常，能量为E₁的电子接近靶中的原子核，并且其轨迹因电磁相互作用而发生变化。在这种偏转过程中，电子朝向原子核减速。当电子减速至能量E₂时，电子发射能量为E₂-E₁的x射线光子。该辐射被称为轫致辐射(制动辐射)，并且运动学在图2中示出。

发射的光子的能量可以采用任何值，该值可以高达入射电子的最大能量E_max。由于电子未被破坏，因此它会经历多种相互作用，直到它失去所有能量或与阳极中的原子结合为止。初始的相互作用根据实际角度和与原子核的接近度而变化——从较小的能量改变至较大的能量改变。因此，如图3所示，轫致辐射将具有通常连续的谱。轫致辐射产生的概率与Z²成比例，其中Z是靶材料的原子序数，并且产生效率与Z和x射线管电压成比例。注意，如下文进一步详细讨论的，低能量的轫致辐射x射线随着它们试图脱离内部深处而被厚靶阳极吸收，从而导致强度曲线在最低能量处弯曲。

特征线发射

尽管大多数电子减速并改变其轨迹，但有些电子会与被能量BE约束在它们各自的围绕靶原子中的核的轨道或壳层中的电子碰撞。如图4所示，这些壳层由K、L、M、N等表示。在入射电子与束缚电子之间的碰撞中，如果入射电子的能量大于沿轨道运行的电子的BE，则束缚电子会从原子被射出。例如，图4中示出的具有能量EBE_K的碰撞电子会使K壳层电子射出，从而在K壳层中留下空位。随着外层轨道中的电子填入空位，得到的激发且离子化的原子会去激发。在去激发期间，x射线被发射，其能量等于去激发所涉及的电子的最初能级与最终能级之间的差。由于轨道壳层的能级是周期表上的每种元素所独有的，因此x射线的能量可以识别元素。能量将是单能量的，并且谱呈现为单色的而不是宽的连续带。在此，单色是指发射线的能量宽度等于与所涉及的原子跃迁相关联的自然线宽度。对于铜Kαx射线，自然线宽度为约4eV。对于Zr Kα、Mo Kα和Pt Kα，线宽度分别为约5.7eV、6.8eV和60eV。来自具有作为阳极的钼靶的x射线管的整个谱如图5所示。钼的原子能级独有的特征发射线交叠显示在厚靶轫致辐射上。