CN101296658B - 使用时间数字信号处理的x射线成像 - Google Patents

Abstract

提供了一种使用时间数字信号处理以减少噪声和同时获得多个图像的X射线成像***和方法。X射线成像***可以包括X射线源，其用于产生具有预定频率的脉冲X射线束，并且将该脉冲X射线束施加到将要成像的物体上。X射线探测器用于探测来自物体的X射线辐射，并且根据该X射线辐射产生时间数据。时间数据分析器用于将时间信号处理应用于该时间数据以移除至少一部分其频率与该预定频率不同的时间数据。

Description

使用时间数字信号处理的X射线成像 

政府利益 

在具有美国海军研究局授予的批准号为N00014-98-1-0597的美国政府支持的情况下，作出本发明。美国政府在本发明中具有某些权益。 

相关申请的交叉引用 

本非临时专利申请要求享有2005年4月25日提交的美国临时申请号No.60/674,537的优先权，所述文献在此全文引入作为参考。 

技术领域

在此公开的主题涉及X射线成像。更具体地，在此公开的主题涉及使用时间数字信号(temporal digital signal processing)处理来减少噪声和通过同时获得多个图像以增强成像采集速度的X射线***和方法。 

背景技术

X射线成像广泛地用于许多领域，包括医学诊断和治疗、工业检测和测试，安全筛查(security screening)和探测。在当前的X射线成像***中，产生X射线束并且将其施加到三维(3-D)物体，以便将物体投影到二维(2-D)平板探测器上。该投影可以重建成2-D和3-D图像。典型地，沿着X射线束的方向产生噪声，并且噪声导致物体图像分辨率下降。噪声可以源于将要成像的物体、探测X射线辐射的X射线探测器、电子电路和各种其它源。 

一种典型的X射线成像***是计算机断层摄影(CT)***。CT允许通过从不同的投影角度采集数百到数千的2-D投影图像而重建物体的3-D图像。在许多当前CT扫描仪中，单一X射线管围绕物体机械旋转，以 便收集重建物体图像所需的多个投影图像。机械旋转X射线管的过程限制了数据采集的速率。此外，由于机械旋转X射线管的过程，使得对这种***的控制复杂化。许多当前CT扫描仪一次在一个视角采集多个2-D投影图像。因而，CT扫描仪的速度受到限制。 

具有提高的物体成像速度的X射线***包括超高速电子束CT扫描仪***和印刷电路板(PCB)检测***。在这些***中，电磁场导引电子束到X射线目标上的不同位置以产生扫描X射线束。这种***可能是大型、昂贵的，并且包括有限范围的视角。需要较小的、不太昂贵的并且包括较大范围视角的X射线成像***。 

对于X射线成像***的另一所需改进是提高物体图像的分辨率。通过减少包含在用于图像产生的X射线数据中的噪声，可以提高分辨率。X射线数据中的噪声减少也可以导致物体成像所需的X射线辐射强度的减小。X射线辐射强度的减小有利于***X射线照相术和微电子学成像、需要最小化X射线剂量的应用。 

因此，根据与X射线成像***相关的所需改进，需要改善X射线成像***功能性和相关方法。 

发明内容

根据本公开内容，提供了使用时间数字信号处理来减少噪声和同时获得多个图像的新X射线成像***和方法。 

因此，本发明的一个目的是提供使用时间数字信号处理来减少噪声和同时获得多幅图像的新X射线成像***和方法。通过在此描述的主题，至少全部和部分地实现了如从本公开内容中可以变得明显的这个和其它目的。 

附图说明

现在将参考附图描述在此所述的主题的优选实施例，其中： 

图1是根据在此描述的主题的实施例的单束(single beam)X射线成像***的结构图； 

图2是示出根据在此描述的主题的实施例、使用单束X射线成像*** 对物体成像的典型过程的流程图； 

图3是根据在此描述的主题的实施例的场发射X射线源的示意性、横截面侧视图； 

图4A-4C是示出在一段时间内可以施加到图3中所示的场发射器上、用于产生脉冲X射线束的不同电流的图表； 

图5A-5C是示出由X射线源产生的不同脉冲频率的X射线束的X射线强度的图表； 

图6是根据在此所述的主题的实施例、用于同时采集多视图(multi view)投影图像的多像素X射线成像***的结构图； 

图7是示出根据在此所述的主题的实施例、使用多像素X射线成像***对物体成像的典型过程的流程图； 

图8是根据在此所述的主题的实施例的多像素场发射X射线源的示意性、横截面侧视图； 

图9是根据在此所述的主题的实施例的用于产生单一脉冲X射线束的图8中所示的X射线源的X射线单元的示意性、横截面侧视图； 

图10A和10B是示出分别来自图8中所示五个像素的实验测得的阴极电流和电压的图表； 

图11是图8中所示五个像素的X射线产生斑的针孔测量的图像； 

图12是示出图11中所示焦斑的大小的图表； 

图13A-13C是示出时间X射线信号和相应傅立叶能谱的图表； 

图14是根据在此所述的主题的实施例的准单色微CT扫描仪的透视示意性结构图； 

图15是用于同时采集3D物体的多个投影图像的X射线探测器和X射线源的布置的示意图； 

图16A-16F是基于来自多个X射线束的X射线辐射产生的物体的图像； 

图17是根据在此所述的主题的实施例的典型CT成像***的示意图；以及 

图18A和18B是根据在此所述的主题的实施例的典型***X射线照相术成像***的示意图。 

具体实施方式

根据本公开内容，提供了使用时间数字信号处理来减少噪声和同时获得多幅图像的X射线***和方法。在此所述的***和方法可以具有用于X射线照相成像的特殊应用，包括CT、层析X射线照相组合、荧光透视法、血管造影术、多能(multi energy)X射线照相以及X射线荧光光谱分析。其它典型应用包括医学诊断和治疗、工业无损检测(NDT)和X射线荧光(XRF)分析，以及安全筛查和探测。根据本公开内容的X射线成像***可以包括适于产生具有预定频率的脉冲X射线束并将该脉冲X射线束施加到将要成像的物体上的X射线源。此外，根据本公开内容的X射线成像***可以包括适于探测来自物体的X射线辐射的X射线探测器，并产生基于X射线辐射的时间数据。根据本公开内容的X射线成像***也可以包括时间数据分析器，其适于在时间数据上应用时间数字信号处理，以移除至少一部分其频率与预定频率不同的时间数据。从时间数据移除的、频率不同的部分可以相应于所探测的X射线辐射中的噪声。结果，提高了X射线数据的信噪比，从而增强了使用时间数据产生的物体的图像。此外，根据本公开内容的X射线成像***可以减少在诸如数字X射线照相术和荧光光谱法的成像技术中所需的X射线通量。 

此外，根据在此描述的主题的X射线成像***可以包括可编程以产生多束X射线辐射的多像素X射线源。该***可以包括用于记录每个像素的时间X射线辐射的数字X射线探测器。此外，该***可以包括用于根据所记录的数据执行能谱分析并区分频率分量的数据处理器。该***可以同时采集多个投影图像，从而使CT扫描仪应用和其它成像应用中的成像速度的多倍增加。 

在此所述的时间信号处理技术提供了减少与X射线源不相关的噪声的能力。这些技术可以有利地增强信噪比，从而使低剂量成像成为可能。此外，这些技术可以用于诸如胸部CT和层析X射线照相组合的应用，其中需要每幅投影图像维持低的总剂量。在此描述的技术也可以导致诸如超低剂量小儿X射线照相术的新X射线照相术的应用。 

术语“X射线源”在此用于表示能够以可编程方式产生X射线辐射的 设备。X射线辐射的波形可以是周期性或非周期性的，和连续或脉冲的。典型X射线源可以使用包括纳米结构材料的电子场发射器产生X射线。 

术语“时间数字信号处理”在此用于表示时间数据的任何数字处理，包括傅立叶分析和小波分析。 

图1是根据在此所述的主题的实施例的单束X射线成像***的结构图。参考图1，通常表示为100的X射线成像***可以包括用于产生预定脉冲频率的脉冲X射线束XB并将X射线束XB施加到将要成像的物体O上的射线源XS。物体O可以位于X射线束XB的路径中，用于截取至少一部分X射线束XB。X射线束XB的所截取部分可以由物体O吸收和/或穿过物体O。X射线束XB的另一部分可以在物体O周围通过。 

X射线源XS可以是可产生用于对物体成像的X射线束的任何合适的设备。典型的X射线源可以是场发射X射线源。典型的场发射X射线源在2000年10月6日提交并于2003年4月22日公开的授予Zhou等人的美国专利No.6,553,096中；2002年12月4日提交并于2005年2月1日公开的授予Zhou等人的美国专利No.6,850,595中，和2002年1月22日提交并于2005年4月5日公开的授予Zhou等人的美国专利No.6,876,724中进行描述，所述文献的公开内容在此引入作为参考。场发射X射线源的独特特性是它们以任意时间波形产生X射线脉冲的能力。 

在一个范例中，***100可以包括载物台OS，用于将物体O保持在合适的位置以截取X射线束XB。载物台OS可以是可控制旋转台，用于在不同的方向上旋转物体O，从而使得物体O的不同侧面暴露于X射线束XB下。 

此外，***100可以包括用于探测X射线辐射XR的X射线探测器DET。探测器DET可以连续地探测一段时间上的X射线辐射XR的X射线强度。所探测的X射线辐射XR可以包括正在穿过物体O和/或已经穿过物体O的X射线束XB的部分。X射线辐射XR也可以包括由成像物体、探测器DET、电子电路或各种其它源产生的噪声。此外，X射线探测器DET可以基于X射线辐射XR产生时间X射线数据。通过将X射线辐射的X射线强度记录为时间的函数可以产生时间X射线数据，其中对于所需采样时间(dwell time)，采样间隔小于X射线束XB的脉冲宽度。时间X射线数据可以表示为电信号并被存储。 

X射线探测器DET可以是用于探测X射线辐射的任意合适设备。在一个范例中，X射线探测器DET可以是高帧频数字探测器。在另一范例中，X射线探测器DET可以是一个或多个Si-PIN光敏二极管X射线探测器。数字X射线探测器的范例包括，但不局限于电荷耦合设备(CCD)面探测器、非晶硒(a-Se)面探测器、非晶硅(a-Si)面探测器和Si-PIN光敏二极管X射线探测器阵列。 

此外，***100可以包括时间数据分析器AN，其用于对时间X射线数据应用时间数字信号处理，以移除至少一部分其频率与X射线束XB的预定脉冲频率不同的时间X射线数据。大部分由X射线探测器DET探测到的噪声没有具有唯一频率的唯一时间能谱或与X射线源XS的相关性。通过丢弃其脉冲频率与X射线束XB不同的时间X射线数据，可以减少或移除噪声。通过移除其频率与预定脉冲频率不同的该部分时间X射线数据，X射线数据的信噪比得到了提高，从而增强了使用时间X射线数据产生的物体O的图像。 

在一个范例中，在由X射线探测器DET产生预定数量的X射线脉冲之后，由时间傅立叶变换函数FTF处理一时间序列的所探测数据，以产生频域能谱。单频带宽滤波器FBF可以滤除和丢弃与X射线束XB的脉冲频率不相对应的能谱分量。频率与预定频率不同的该部分时间X射线数据可以与所探测的X射线辐射XR中的噪声相对应。频率与预定频率相同的该部分时间X射线数据可以用于对物体O成像。 

根据一个实施例，时间傅立叶变换可以应用于时间X射线数据，用于移除其频率与预定频率不同的该部分时间X射线数据。 

根据另一实施例，可以使用时间编码技术来产生脉冲X射线束XB。例如，X射线束XB可以是小波编码的。可以对时间X射线数据进行时间小波解码，以便移除具有不同于预定编码方案的分量的该部分时间X射线数据。 

***100也可以包括控制模块CTR，可执行用于控制X射线源XS、X射线探测器DET和分析器AN的指令，从而对物体O成像。可执行指令可以实现为包含在计算机可读介质中的计算机程序产品。典型计算机可读介质可以包括盘存储设备、芯片存储设备、特定用途集成电路、可编程逻辑设备、可下载电信号和/或任意其它合适的计算机可读介质。此外，控制模 块CTR可以包括硬件、软件和/或固件，诸如存储器(例如，RAM、ROM和计算机可读盘)、晶体管、电容器、电阻器、感应器、逻辑电路和其它适于独立控制X射线源XS、X射线探测器DET和分析器AN以便对物体O成像的部件。控制模块CTR也可以控制载物台OS，以便旋转物体O。此外，控制模块CTR可以控制X射线辐射XR的频率和脉冲宽度。 

图2是示出根据在此所述的主题的实施例、使用单束X射线成像***(诸如图1中所示的***100)对物体成像的典型过程的流程图。参考图2，块200包括产生具有预定频率的脉冲X射线束。在块202中，所产生的X射线束可以施加到将要成像的物体上。例如，图1的X射线源XS可以产生具有预定频率的脉冲X射线束XB并且将该X射线束XB施加到物体O上。典型频率包括，但不局限于约1Hz到约1MHz。典型X射线束强度包括，但不局限于约0.001mA到约10,000mA。典型X射线能量包括，但不局限于，约10kev到约1000kev。 

在块204中，可以探测X射线辐射。X射线辐射可以包括一部分正在穿过物体O或者已经穿过物体O的X射线束XB。所探测到的X射线辐射也可能包括噪声。例如，X射线探测器DET可以探测包括正在穿过或已经穿过物体O的X射线束XB和噪声的X射线辐射XR。 

在块206，所探测到的X射线辐射可以记录为时间X射线数据。可以将时间数字信号处理应用于时间X射线数据上，用于移除至少一部分其频率与X射线束XB的预定脉冲频率不同的时间X射线数据(块208)。接下来，在块210中，基于该时间X射线数据可以产生物体O的图像。时间数字处理(DSP)可以包括傅立叶分析和能谱分析。DSP滤除由探测器DET探测到的并非由X射线源XS产生的信号。该过程可以对一个或多个像素依次或并行执行。该处理可以由软件和/或硬件执行。硬件可以包括一个或多个数字信号处理器，其用于同时接收物体O的多幅投影图像。从不同角度收集投影图像可以用于通过CT重建算法和/或层析X射线照相组合算法重建物体的3-D图像。 

图3是根据在此所述的主题的实施例的通常表示为300的场发射X射线源的示意性横截面侧视图。参考图3，X射线源300可以包括用于发射电子的电子场发射器FE(在此也称作“像素”)。电子场发射器FE可以包括一个或多个碳纳米管和/或其他合适的电子场发射材料。典型的电子场发射 材料可以包括纳米管、纳米棒、Spindt尖端(tip)和钻石纳米微粒。碳纳米管通常是纳米结构的或者是诸如具有小于100nm的微粒大小的纳米微粒的纳米结构材料。电子场发射器FE可以耦合到阴极C、导电或接触网或其它适于接收电流的导电材料的表面。 

电子场发射器FE可以由控制器(诸如图1中所示的控制模块CTR)控制，以发射用于产生电子束EB的电子。在一个实施例中，控制器可以控制电压源VS1，在电子场发射器FE和栅电极GE之间施加电压以产生电场，从而引出来自电子场发射器FE的电子。施加的电压可以是脉冲的，以便产生脉冲电子束EB。因而，X射线束XB的频率可以由施加的引出电场(extraction electric field)的频率来控制。 

电子场发射器FE可以被定向，从而使得将所引出的电子导向阳极目标结构T。目标结构T可以在脉冲电子束EB轰击时产生所需波长的X射线束XB。X射线源300可以包括聚焦电极FEL，用于将从电子场发射器FE引出的电子聚焦在目标结构T上并且因而减小电子束EB的大小。聚焦电极FEL可以通过由电压源VS2向聚焦电极FEL施加电压来控制。电压源VS3可以在栅电极GE和目标结构T之间施加电压，以便加速场发射器FE朝向目标结构T发射的电子。 

真空室VC可以包括密封内部，用于容纳电子场发射器FE和栅电极GE。真空室VC的内部可以抽空以达到所需的内部压力。真空室VC的典型内部压力可以为约10^-7托。电子束EB可以从真空室VC内部通过电子可穿透部分或窗口传播到其外部。 

图4A-4C示出了在一段时间内可以施加到(图3中所示的)场发射器FE上、用于产生脉冲X射线束的不同电流图表。图4A示出了在约20千赫(kHz)的恒定重复频率处，具有约0.5微秒(μs)的宽度的约1毫安(mA)脉冲电流的施加。图4B示出了在约20千赫(kHz)的恒定重复频率处，具有约8微秒(μs)的宽度的约1毫安(mA)脉冲电流的施加。图4C示出了在约20千赫(kHz)的恒定重复频率处，具有约45微秒(μs)的宽度的约1毫安(mA)脉冲电流的施加。 

图5A-5C示出了由诸如图1中所示的X射线源的X射线源产生的不同脉冲频率的X射线束的X射线强度的图表。X射线束具有约150μs的恒定宽度。图5A示出了具有约950赫兹频率的脉冲X射线束的X射线强度。 图5B示出了具有约1900赫兹频率的脉冲X射线束的X射线强度。图5C示出了具有约3800赫兹频率的脉冲X射线束的X射线强度。 

根据在此所述的主题的多像素X射线成像***可以产生物体的多投影图像。多像素X射线成像***可以包括X射线源，其用于使多个不同频率的X射线束在将要成像的物体处脉动。该脉冲X射线束可以施加到物体的不同侧面上。从对物体的照射产生的X射线辐射可以由一个或多个X射线探测器探测。当两个或多个X射线束分别使用其特有的频率辐射时，所探测到的时间序列X射线数据是来自辐射束的辐射叠加。通过经由时间数字信号处理对时间X射线数据进行处理，每个像素(或物体的整个图像)的频域能谱可以分解成与多个X射线束截然不同的分量。每个分量可以与从特定像素产生的唯一X射线束相对应。作为结果，使用单一X射线探测器可以同时获得多个投影图像。将多个图像应用到CT成像或需要多个投影图像的任何其他合适的成像模态中的一个优点是，基本上增加了图像数据采集速度。这些成像模态可以包括CT、层析X射线照相组合、荧光透视法、血管造影术和动态X射线照相术。 

当多像素X射线成像***中的不同束具有不同的X射线能谱时，可以应用相似的成像技术。通过使用不同的阳极KVp或不同的阳极材料可以实现不同的X射线能谱。这样，成像***能够进行在双能成像和多能成像中的快速成像。 

图6是根据在此所述的主题的实施例、用于同时采集多视图投影图像的多像素X射线成像***的结构图。参考图6，通常表示为600的多像素X射线成像***可以包括X射线源XS，其用于产生多个脉冲X射线束XB1-XB3，并且将脉冲X射线束施加到将要成像的物体O上。可以从若干不同的角度或者从多个投影角度将脉冲X射线束施加到物体O上。每个X射线束XB1-XB3可以以不同的时间频率脉动。例如，X射线束XB1-XB3可以分别以预定的频率ω1、ω2和ω3脉动。 

X射线源XS可以是任何合适的设备，其用于产生具有不同的时间频率的多个X射线束。典型的X射线源可以是多像素场发射X射线源。典型的场发射X射线源在美国专利No.6,533,096和6,850,595中描述，所述文献的公开内容在此引入作为参考。 

***600可以包括X射线探测器DET，其用于探测X射线辐射XR， XR可以是正在穿过物体O的部分X射线束XB1-XB3和噪声。探测器DET可以是超快、高帧频X射线探测器，其用于探测和存储在频率ω1、ω2和ω3脉动的X射线辐射。此外，X射线探测器DET可以基于X射线辐射XR产生时间X射线数据。该时间X射线数据可以通过将X射线辐射的X射线强度记录为时间的函数而产生，其中对于所需采样时间，采样间隔小于X射线束XB的脉冲宽度。该时间X射线数据可以表示为电信号并且被存储。 

此外，***600可以包括时间数据分析器AN，其用于将时间信号处理应用于时间X射线数据，从而解析出其频率与X射线束XB1-XB3的预定频率相同的X射线数据。分析器AN也可以移除至少一部分其频率与预定频率不同的时间X射线数据。特别地，在X射线探测器DET产生预定数量的X射线脉冲之后，可以由时间傅立叶变换函数FTF处理该时间序列的所探测到的数据，以产生频域能谱。频率带宽滤波器FBF可以进行滤波并丢弃与X射线束XB1-XB3的脉冲频率不对应的分量。其频率与X射线束XB1-XB3的预定频率不同的部分时间X射线数据可以与所探测到的X射线辐射XR中的噪声相对应。其频率与预定频率ω1、ω2和ω3相同的一部分时间X射线数据可以用于对物体O成像。通过移除其频率与预定频率不同的部分时间X射线数据，提高了X射线数据的信噪比，从而增强了使用时间X射线数据产生的物体O的图像。在时间傅立叶分析之后，X射线数据分解成相应于频率ω1、ω2和ω3的截然不同的频率分量。这些频率分量可以用于由相应的X射线束形成物体O的投影图像。因而，在与单一投影成像相同的时间段内，可以同时获取多投影图像。此外，频率分量可以互相关联而形成物体O的3-D图像。 

***600也可以包括控制模块CTR，其可用于执行用于控制X射线源XS、X射线探测器DET和分析器AN的指令，从而对物体O成像。 

通过利用诸如***600的多像素X射线成像***，使用单一探测器，  可以从多个X射线源同时获得物体的多投影图像。此外，这些技术可以增强CT、层析X射线照相组合、荧光透视法、血管造影术和多能X射线照相的成像速度。这些技术也可以提供诸如NDT和XRF的工业应用中的增强的探测速度。 

图7是示出根据在此所述的主题的实施例、用于同时采集多视图投影 图像(诸如图6中所示的***600)的典型过程的流程图。参考图7，块700包括产生具有不同预定频率(ω_k)的多个脉冲X射线束。在块702中，脉冲X射线束可以同时或在不同的时间施加到将要成像的物体上。例如，图6的X射线源XS可以产生具有不同预定频率的多个脉冲X射线束XB1-XB3，并且将这些脉冲X射线束施加到物体O上。这些X射线束可以在不同的投影角度推进到物体O上。 

根据另一实施例，时间编码技术可以用于产生脉冲X射线束XB1-XB3。例如，X射线源可以是小波编码的X射线束XB1-XB3。分析器AN可以将时间小波解码应用于时间X射线数据，以便从不同的小波分量中引出X射线辐射。 

在块704中，可以探测X射线辐射。X射线辐射可以包括正在穿过物体O和/或已经穿过物体O的一部分X射线束XB1-XB3。此外，所探测到的X射线辐射可以包括噪声。例如，图6中所示的X射线探测器DET可以探测包括正在穿过或已经穿过物体O的X射线束XB 1-XB3和噪声的X射线辐射XR。X射线探测器DET可以输出产生束的每个像素(x，y)的时间数据d(x，y，t)。通过坐标x和y可以识别像素。 

在块706中，所探测到的X射线辐射可以记录为时间X射线数据。可以将时间数字信号处理应用于时间X射线数据，以引出具有预定脉冲频率的X射线信号(块708)。例如，时间数据d(x，y，t)可以由时间傅立叶变换处理，以获得频域谱d(x，y，ω)。第k个主分量(principle component)相应于从在ω_k频率运行的X射线源产生的X射线束。截然不同的频率的数量可以是二、十、数百或数千。接下来，在块710中，可以移除其频率与预定频率不同的至少一部分时间X射线数据。在块712中，可以产生物体O的图像。例如，第k个主分量可以用于从第k个X射线束形成投影图像。通过该典型方法，在单一投影图像的曝光时间期间并且使用单一探测器，可以同时获得投影图像。 

图8是根据在此所述的主题的实施例的、通常表示为800的多像素场发射X射线源的示意性横截面侧视图。参考图8，X射线源800可以包括用于发射电子的多个电子场发射器FE。电子场发射器FE可以包括一个或多个碳纳米管和/或其它合适的电子场发射材料。此外，电子场发射器FE可以连接到各个的阴极C、导电或接触网或其它合适的导电材料的表面。电 子场发射器可以是碳纳米管。像素可以被平均地间隔，使它们具有约1.27cm的中心到中心间隔。电子场发射器FE可以是覆盖在金属盘上的1.5mm直径的碳纳米管薄膜。每个像素可以用于发射1mA的电流。 

电子场发射器FE可以由控制器(诸如图6中所示的控制模块CTR)控制，以发射用于产生各个电子束EB的电子。在一个实施例中，控制器可以控制电压源VS1以在电子场发射器FE和栅电极GE之间施加电压，从而产生各个电场以便从电子场发射器FE引出电子。所施加的电压可以以不同的频率脉动，以便产生不同频率的脉冲电子束EB。特别地，控制器可以独立操作多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)T，用于独立地控制场发射器FE发射电子。控制器可以独立控制施加到场发射器FE的电压，以便独立地导通和截止晶体管。晶体管T的漏极可以连接到多个阴极C中相应的一个。每个阴极C可以经由诸如100千欧姆的保护电阻器R的电阻器连接到各个场发射器FE。通过独立地将高信号(例如，5V)和低信号(例如，0V)分别施加到晶体管T的栅极，可以导通和截止晶体管T。当将高信号施加到晶体管的栅极时，晶体管的漏极-源极沟道导通，以便在各个阴极C和栅电极GE之间施加电压差。超出阈值的电压差可以在阴极C和栅电极GE之间产生电场，从而使得从各个电子场发射器FE引出电子。相反地，当低压(例如，0V)施加到晶体管的栅极时，相应的漏极-源极沟道截止，从而使得在电子场发射器FE处的电压电浮动(floating)，并且各个阴极C和栅电极GE之间的电压差不能产生足够强度的电场以从各个电子场发射器中引出电子。控制器可用于独立地将不同频率的电压脉冲施加到晶体管T的栅极。因而，控制器可以独立地控制来自场发射器FE的电子束脉冲的频率。 

此外，X射线源800可以包括阳极A。可以在阳极A和栅电极GE之间施加电压差，从而产生各个电场，用于加速由各个电子场发射器FE朝向各个目标结构TR发射的电子。目标结构TR可以由钼制成。目标结构TR可以在由电子束EB进行轰击时，产生具有所需脉冲频率的X射线束。X射线源800可以包括聚焦电极FEL，用于将从电子场发射器FE引出的电子聚焦在目标结构T上，并且因而减小电子束EB的大小。聚焦电极FEL可以通过由电压源VS2将电压施加到聚焦电极FEL上而控制。在一个实施例中，阳极电压可以约为400kV。栅极电压可以根据所需通量而改变。 

真空室VC可以包括密封内部，用于容纳电子场发射器FE和栅电极GE。真空室VC的内部可以被抽空以达到所需的内部压力。真空室VC的典型内部压力可以为约10^-7托(Torr)。电子束EB可以从真空室VC内部通过电子可穿透部分或窗口传播到其外部。在一个范例中，电子可穿透部分或窗口可以是4”直径的铍(Be)X射线窗口。 

图9是根据在此所述的主题的实施例的用于产生单一脉冲X射线束XB的图8中所示X射线源800的X射线单元900的示意性横截面侧视图。X射线单元900表示X射线源800的单一像素。参考图9，X射线单元900可以包括沉积在阴极C上的电子场发射器FE。在一个范例中，电子场发射器FE可以是1.5mm直径的碳纳米管薄膜。碳纳米管薄膜可以沉积在金属衬底的表面上。此外，碳纳米管薄膜可以通过电泳处理沉积在表面上。 

X射线单元900可以包括栅电极GE，用于引出由电压源VS1施加的电压上的电极。在一个范例中，栅电极GE可以是钨栅格。栅电极GE可以由电介质间隔器(dielectric spacer)DS与阴极C间隔开。在一个范例中，电介质间隔器DS可以约为150μm厚。 

在一个实施例中，通过将恒定DC电压施加到阳极A并且将可变DC电压(小于约1kV)施加到栅电极GE，可以产生X射线束XB。N-沟道MOSFET T可以适于接通或切断从电子场发射器FE发射电子。通过施加5V信号以打开MOSFET T的沟道，从而使得电子场发射器FE与栅电极GE形成完整的电路，可以激活像素。电子场发射器FE可以电耦合到MOSFET T的漏极。MOSFET T的源极可以接地。MOSFET T的栅极可以连接到适于提供5V DC电压信号的数字I/O板的输出。 

当电压源VS1施加的电压大于用于发射的临界场时，可以从场发射器FE发射电子。发射的电子可以通过由电压源VS2施加跨越阳极A和栅电极GE的电压而加速。电子形成电子束EB，其轰击阳极A的区域以产生X射线束XB。可以对聚焦电极FEL施加电压，用于将电子束EB聚焦到阳极A的目标焦斑上。 

再参考图8，来自阳极A的目标上的不同起源的扫描X射线束，可以通过使具有预定脉冲宽度的脉冲控制信号掠过在X射线源800中的每个MOSFET而产生。在掠过该信号的每个MOSFET处，MOSFET的沟道可以打开用于产生来自阳极目标上的相应焦点的X射线束。 

像素子集可以激活，从而使得像素子集发射具有相同脉冲频率的电子，其产生具有相同频率的来自不同焦点的X射线束。可替换地，像素子集可以激活，从而使得像素子集发射具有不同脉冲频率的电子，其产生具有不同频率的来自不同焦点的X射线束。在一个实施例中，像素子集可以通过对该像素子集使用分离的栅极电子(gate electron)而激活。可以将引出电压施加到具有预定脉冲频率的相应像素，以产生具有所需脉冲频率和幅度的场发射电子。 

在另一实施例中，像素子集可以通过对所有电子发射像素使用公共栅极而激活。电子束可以通过使施加到MOSFET电路的激活电压脉动而脉动。例如，为了产生具有预定频率的脉冲X射线束，可以施加具有预定频率的脉冲电压以打开相应MOSFET。 

图10A和10B示出了分别来自图8中所示的五个像素的实验测得的阴极电流和电压。使用100％负载循环在恒定电流模式下，在30分钟时间段上测量电流和电压。设置的阴极电流是100μA。阳极电压设置为400kV。 

图11示出了图8中所示的五个像素的X射线产生斑的针孔测量的图像。针孔测量示出了目标上五个均匀间隔开的焦斑。图12示出了图11中所示焦斑大小的图表。焦斑大小范围在约900V的聚焦电压下，直径约200μm和300μm之间。 

图13A-13C示出了时间X射线信号和相应傅立叶能谱的图表。时间X射线信号表示由Si-PIN光敏二极管X射线探测器探测的X射线辐射。图13A-13C左侧的图表表示时间X射线信号。图13A-13C右侧的图表表示相应时间X射线信号的傅立叶能谱。通过将时间数字信号处理应用于相应时间X射线信号，可以产生傅立叶能谱。X射线辐射可以是X射线源产生的脉冲X射线。参考图13A，X射线源以400Hz脉动。参考图13B，X射线源以500Hz脉动。参考图13C，X射线源以400Hz和500Hz脉动。能谱图表证明了预定频率处的X射线源的幅度可能归因于相应源的起源。 

根据一个实施例，可以产生单色X射线并且使其脉动，以便获取将要成像的物体的图像。图14示出了根据在此所述的主题的实施例的通常表示为1400的准单色微CT扫描仪的透视示意性结构图。参考图14，扫描仪1400可以包括阴极C，其包括用于发射不同频率的多个电子束EB的多个电子场发射器。电子束EB可以导向阳极目标AT，以便产生不同脉冲频率的X射线辐射XR。阴极C和阳极目标AT可以包含在加压真空室中。X射线辐射XR可以通过Be制成的电子可穿透窗口而从真空室中穿出。 

X射线辐射XR可以导向准直仪CR用于准直。经准直的X射线辐射XR可以由单色仪M截取，从而产生单色X射线辐射MXR。可以定位X射线探测器DET用于截取单色X射线辐射MXR。将要成像的物体可以位于单色仪M和X射线探测器DET之间用于成像。X射线探测器DET可以探测X射线辐射，并根据该X射线辐射产生时间X射线数据。时间数据分析器可以将时间数字信号处理应用于时间X射线数据，从而移除至少一部分其频率与电子束EB的脉冲频率不同的时间X射线数据。所得的时间X射线数据可以用于产生物体的图像。根据一个实施例，X射线辐射XR可以包括不同脉冲频率的多个不同X射线，其导向将要成像的物体的不同侧面。 

如上所述，将要成像的物体可以定位用于接收来自若干方向的不同脉冲频率的X射线辐射。在物体正接收不同脉冲频率的X射线辐射的同时，通过探测来自物体的X射线辐射可以产生物体的3-D图像。图15示出了用于同时采集3-D物体O的多个投影图像的X射线探测器DET和X射线源XS的布置的示意图。参考图15，分别由电子场发射器FE1-FE5产生五个X射线束XB1-XB5。X射线束XB1-XB5可以导向物体O的不同侧面。X射线源XS和物体O可以间隔约15cm。物体O可以包括金属棒MR和刀片KB。 

穿过和围绕物体O的X射线辐射可以由X射线探测器DET探测。X射线探测器DET可以根据探测得的X射线辐射产生时间X射线数据。根据在此所述的主题，所得的时间X射线数据可以用于产生物体O的图像。参考图15，典型的物体O包括定位在金属刀片前部的金属棒。根据一个实施例，可以获得物体O的层析X射线照相组合图像，其显示了包括刀片KB而不包括金属棒MR的物体O的切片(slice)。根据一个实施例，X射线探测器DET可以是包括具有50×50μm像素大小的1056×1056个像素的阵列的数字2-D X射线图像传感器。X射线探测器DET可以以4×4像素组合(binning)的16帧每秒(fps)操作。成像条件可以是40kVp、25μA阴极电流和5秒曝光时间。 

图16A-16F是根据在比所述的主题、利用图15中所示的X射线探测器DET和X射线源XS产生的图15中示出的物体O的示意性图像。图16A -16E是基于分别来自X射线束XB5-XB1的X射线辐射产生的物体O的示意性图像。图16F是物体O的层析X射线照相组合图像，示出了物体O的切片，其包括刀片KB而不包括金属棒MR。 

图17是根据在此所述主题的实施例、通常表示为1400的典型固定式CT成像***的示意性图。参考图17，***1700可以包括环结构的多像素、X射线源XS，用于将多个X射线束导向将要成像的物体O。***1700也可以包括具有多个2-D平板的X射线探测器DET，以便接收X射线辐射。在该范例中，X射线探测器DET包括六个2-D平板。由X射线源XS施加的X射线束XB可以由X射线探测器DET的一个或多个平板探测。X射线束可以同时施加到物体O上。 

多个X射线束可以以不同频率脉动并且以不同角度施加到物体O上。X射线探测器DET可以探测到所得的X射线辐射并且将X射线辐射记录为时间X射线数据。时间傅立叶变换可以应用于时间数据，用于同时获得多个投影图像。所得的图像可以用于获得物体O的3-D CT图像。 

图18A和18B是根据在此所述的主题的实施例、整体表示为1800的典型***X线照相术层析X射线照相组合成像***的示意图。参考图18A和18B，***1800可以包括多像素X射线源XS，用于产生多个X射线束XB并且将其导向将要成像的***B。***1800也可以包括X射线探测器DET，诸如光子计数单线和多线探测器。X射线束可以同时施加到***B。参考图18A，在一个实施例中，多像素、X射线源XS以这种方式布置，其中不同像素沿着垂直于从人类胸部延伸到******的轴的方向分布。参考图18B，在另一实施例中，多像素、X射线源XS以这种方式布置，不同的像素沿着与从人类胸部延伸到******的轴相同的方向分布。 

X射线束XB可以以不同频率脉动并且以不同的角度施加到***B。此外，X射线束XB可以由准直仪CL准直。X射线探测器DET可以探测所得的X射线辐射，并且将X射线辐射记录为时间X射线数据。根据在此所述的主题，时间傅立叶变换可以应用于时间数据，从而移除至少一部分其频率与X射线束的脉冲频率不同的时间X射线数据。所得的数据可以用于获取***B的图像。通过同时施加X射线束，***的所有投影图像可以在单一扫描中获得。在单一***X线照片图像所需的相同的扫描范围中可以获得***的高质量层析X射线照相组合图像。 

应该理解的是，在此所述的主题的各种细节可以改变，而不脱离在此所述的主题的范围。而且，前述描述仅出于说明目的，而非限制目的，因为在此所述的主题由下文中陈述的权利要求而定义。 

Claims (54)

1.一种X射线成像***，包括：

(a)X射线源，用于产生具有一预定频率的脉冲X射线束，并且将所述脉冲X射线束施加到将要成像的物体上；

(b)X射线探测器，用于探测来自所述物体的X射线辐射，并且根据所述X射线辐射产生时间数据；以及

(c)时间数据分析器，用于将时间信号处理应用于所述时间数据，以移除具有与所述预定频率不同频率的至少一部分时间数据。

2.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述X射线源包括：

(a)电子场发射器，用于产生具有所述预定频率的脉冲电子束；以及

(b)目标结构，定位以接收所述脉冲电子束，并且在接收所述脉冲电子束时产生所述脉冲X射线束。

3.根据权利要求2所述的X射线成像***，其中，所述电子场发射器包括选自下列组的部件：纳米管、纳米棒、Spindt尖端和钻石纳米微粒。

4.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述X射线探测器包括高帧频数字探测器。

5.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述X射线探测器包括选自下列组的探测器：一个或多个Si-PIN光敏二极管X射线探测器、一个或多个电荷耦合设备面探测器、一个或多个非晶硒面探测器，以及一个或多个非晶硅面探测器。

6.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述时间信号处理包括时间傅立叶分析。

7.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述时间信号处理包括时间小波分析。

8.根据权利要求1所述的X射线成像***，其中，所述具有与所述预定频率不同频率的至少一部分时间数据与探测到的X射线辐射中的噪声相对应。

9.根据权利要求1所述的X射线成像***，其包括时间变换函数，用于基于所述时间数据产生频域能谱。

10.根据权利要求9所述的X射线成像***，其包括频率带宽滤波器，用于滤除与所述预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

11.根据权利要求10所述的X射线成像***，其中，所述频率带宽滤波器用于丢弃与所述预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

12.根据权利要求1所述的X射线成像***，包括载物台，用于旋转所述物体到与所述X射线束相关的不同位置。

13.一种多像素、X射线成像***，包括：

(a)X射线源，用于产生具有不同预定频率的多个脉冲X射线束，并且将所述脉冲X射线束施加到将要成像的物体上；

(b)X射线探测器，用于探测来自所述物体的X射线辐射，并且基于所述X射线辐射产生时间数据；以及

(c)时间数据分析器，用于将时间信号处理应用于所述时间数据，从而解析出其频率与所述多个预定频率相同的时间数据。

14.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线源包括：

(a)电子场发射器，用于产生具有不同预定频率的多个脉冲电子束；以及

(b)至少一个目标结构，定位以接收所述脉冲电子束，并且在接收所述脉冲电子束时产生所述脉冲X射线束。

15.根据权利要求14所述的X射线成像***，其中，所述电子场发射器包括选自下列组的部件：纳米管、纳米棒、Spindt尖端和钻石纳米微粒。

16.根据权利要求14所述的X射线成像***，其包括耦合到所述电子场发射器、用于向所述电子场发射器提供电流的阴极。

17.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线源用于对所述脉冲X射线束进行小波编码。

18.根据权利要求17所述的X射线成像***，其中，所述时间数据分析器用于对所述时间数据进行小波解码。

19.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线源包括多个像素，用于产生所述脉冲X射线束，并且其中，所述X射线源用于由不同角度从所述不同像素向所述物体施加所述脉冲X射线束。

20.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线源用于以预定顺序施加所述脉冲X射线束。

21.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线源用于同时施加所述多个脉冲X射线束。

22.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述脉冲X射线束具有不同的X射线能量。

23.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线探测器包括高帧频数字探测器。

24.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述X射线探测器包括选自下列组的探测器：一个或多个Si-PIN光敏二极管X射线探测器、一个或多个电荷耦合设备面探测器、一个或多个非晶硒面探测器，以及一个或多个非晶硅面探测器。

25.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述时间信号处理包括时间傅立叶分析。

26.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述时间信号处理包括时间小波分析。

27.根据权利要求13所述的X射线成像***，其中，所述其频率与所述多个预定频率相同的时间数据与所述脉冲X射线束相对应。

28.根据权利要求13所述的X射线成像***，其包括时间变换函数，用于基于所述时间数据产生频域能谱。

29.根据权利要求28所述的X射线成像***，其包括频率带宽滤波器，用于滤除与所述多个预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

30.根据权利要求29的X射线成像***，其中，所述频率带宽滤波器用于丢弃与所述多个预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

31.根据权利要求13所述的X射线成像***，包括单色仪，用于产生单色脉冲X射线束。

32.根据权利要求13所述的X射线成像***，包括处理器，用于同时接收所述物体的多个投影图像。

33.根据权利要求32所述的X射线成像***，其中，所述处理器用于重建所述物体的3-D图像。

34.一种用于X射线成像的方法，该方法包括：

(a)将具有一预定频率的脉冲X射线束施加到将要成像的物体上；

(b)探测来自所述物体的X射线辐射；

(c)根据所述X射线辐射产生时间数据；以及

(d)将时间信号处理应用于所述时间数据，以移除具有与所述预定频率不同频率的至少一部分时间数据。

35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括应用时间傅立叶分析。

36.根据权利要求34所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括应用时间小波分析。

37.根据权利要求34所述的方法，其中，所述具有与所述预定频率不同频率的至少一部分时间数据与探测到的X射线辐射中的噪声相对应。

38.根据权利要求34所述的方法，其包括根据所述时间数据产生频域能谱。

39.根据权利要求38所述的方法，其包括滤除与所述预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

40.根据权利要求39所述的方法，其包括丢弃与所述预定频率不相对应的所述频域能谱部分。

41.根据权利要求34所述的方法，其包括关于所述X射线束将所述物体旋转到不同位置。

42.一种用于X射线成像的方法，该方法包括：

(a)施加具有不同预定频率的多个脉冲X射线束到将要成像的物体；

(b)探测来自所述物体的X射线辐射；

(c)根据所述X射线辐射产生时间数据；以及

(d)将时间信号处理应用于所述时间数据以同时获得多个投影图像。

43.根据权利要求42所述的方法，其中，施加所述脉冲X射线束的步骤包括对所述X射线束进行小波编码。

44.根据权利要求43所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括对所述时间数据进行小波解码。

45.根据权利要求42所述的方法，其中，所述施加脉冲X射线束的步骤包括将所述脉冲X射线束从不同角度施加到所述物体。

46.根据权利要求42所述的方法，其中，所述施加脉冲X射线束的步骤包括以预定顺序施加所述X射线束。

47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述施加脉冲X射线束的步骤包括同时施加所述多个X射线束。

48.根据权利要求42所述的方法，其中，所述X射线束具有不同的X射线能量。

49.根据权利要求42所述的方法，其中，所述X射线束是单色的。

50.根据权利要求42所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括应用时间傅立叶分析。

51.根据权利要求42所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括应用时间小波分析。

52.根据权利要求42所述的方法，其中，所述应用时间信号处理的步骤包括根据所述时间数据产生频域能谱。

53.根据权利要求42所述的方法，其包括处理所述时间信号以同时获得所述物体的多个投影图像。

54.根据权利要求53所述的方法，其包括处理所述时间信号以使用所述物体的多个投影图像获得所述物体的3-D重建CT图像。

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