用于层析摄影合成、荧光镜检查和立体定向成像的紧凑型x射线设备、系统和方法
阅读说明：本技术 用于层析摄影合成、荧光镜检查和立体定向成像的紧凑型x射线设备、系统和方法 (Compact x-ray apparatus, system and method for tomosynthesis, fluoroscopy and stereotactic imaging ) 是由 奥托·Z·周 卢健平 岳·泽纳斯·李 克里斯蒂娜·因斯科 亚历克斯·比林斯利 于 2019-12-03 设计创作，主要内容包括：用于在层析摄影合成、二维射线照相术、荧光镜检查和立体定向成像模式中进行捕捉的紧凑型x射线设备、系统和方法。在一些实施例中,紧凑型x射线成像系统包括x射线源阵列,其包括在空间上分布的x射线焦点；以及数字区域x射线探测器。在一些实施例中,成像系统包括电子切换设备,其被配置为轮换系统的成像模式。在一些实施例中,成像系统包括机械支撑件,其被配置为使x射线源阵列和数字区域x射线探测器的位置和定向能够被调整,使得可以使用各种成像模式对患者的上肢和下肢进行成像,同时多个在空间上分布的x射线焦点的位置相对于数字区域x射线探测器的位置保持不变。(Compact x-ray devices, systems, and methods for capturing in tomosynthesis, two-dimensional radiography, fluoroscopy, and stereotactic imaging modes. In some embodiments, a compact x-ray imaging system includes an x-ray source array including spatially distributed x-ray focal spots; and a digital area x-ray detector. In some embodiments, the imaging system includes an electronic switching device configured to rotate the imaging modes of the system. In some embodiments, the imaging system includes a mechanical support configured to enable the position and orientation of the x-ray source array and the digital area x-ray detector to be adjusted such that the upper and lower extremities of the patient may be imaged using various imaging modes while the position of the plurality of spatially distributed x-ray focal spots remains unchanged relative to the position of the digital area x-ray detector.)
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年12月3日提交的美国临时专利申请序列号为No.62/774，649的优先权，其全部公开内容通过引用结合于本文。
技术领域
本文公开的主题涉及x射线成像。更具体地，本文公开的主题涉及一种紧凑型x射线成像系统，其可以执行多种功能，包括数字层析摄影合成、荧光镜检查和立体定向成像。
背景技术
肢体(比如腕部、踝关节或四肢等)的创伤非常常见并影响所有人群。其构成了重大的公共健康问题。标准的射线照相术仍然是基本的成像工具。然而，作为一种二维(2D)成像模式，它缺乏灵敏度和特异性。众所周知，误诊率很高，特别是舟骨和距骨的无移位骨折以及类风湿性关节炎引起的侵蚀。
误诊导致过度治疗和不必要的生产力和生活质量的损失，这包括处于固定敷料中6-12周。遗漏的骨折可能导致可能需要手术的慢性、不愈合的骨折和/或关节的早期关节炎。
对射线照相术隐匿的骨折通常源于邻近解剖结构的遮蔽。通过三维(3D)成像模式可以减少遮蔽。已知计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、SPECT/CT和骨扫描具有与射线照相术相比更好的特异性和灵敏度，但是这些方法更昂贵，并且通常不可获得。只有14％的急救护理中心提供CT扫描，然而，80％的急救护理中心提供骨折护理。CT扫描也使患者暴露在比2D射线照相术高得多的辐射剂量下。骨扫描增加了来自放射性核素注射的辐射曝光，并且直到骨折后超过72小时才能执行。
关节炎是一种发病率高、社会经济成本高的疾病。类风湿性关节炎(RA)是一种自身免疫性疾病，影响1.0％的全球人口，其中与男性相比女性受影响更频繁。其特征是增生性、高血管化滑膜炎，导致骨侵蚀、软骨损伤、关节破坏和长期残疾。骨关节炎(OA)是一种慢性、使关节虚弱的疾病，其特征是骨骼、软骨、半月板、韧带和滑膜组织的退行性改变，是非致命健康负担的第四大来源，忍受残疾占总寿命的3％。
传统上射线照相术用于关节炎患者的诊断、分期和随访，以及用于评估个体患者的治疗效果。射线照相术的主要优点是检查时间短、成本低和易于获取。然而，也有相当大的缺点，比如探测骨侵蚀的灵敏度低，特别是在早期关节炎患者中。病理发现的可探测性受到结构重叠的限制，因为在射线照相术中三维(3D)结构被投影到2D图像中。
层析摄影合成是一种准3D成像模式，其使用一系列有限角度投影图像来产生被扫描对象的3D表示。它以与CT大致相同的成本和显著降低的辐射剂量来提供深度信息并消除结构重叠。与数字化乳房x线照相术相比，它现在以显著更高的灵敏度和准确性在临床上广泛用于乳腺癌探测。
最近的若干科学研究表明，对于整形外科成像，层析摄影合成优于x射线照相术。在一项对30名RA患者的临床研究中，发现与射线照相术相比，使用层析摄影合成术时探测手部和腕部中的骨侵蚀的灵敏度增加了约20％，而与射线照相术相比，在辐射剂量上仅具有相当小的增加。对于早期RA患者，与通过对手部和腕部进行辐射照相术相比，通过对其进行层析摄影合术的中位侵蚀评分明显更高。在一项对100名急性腕部创伤患者进行的单独临床研究中，可以发现“层析摄影合成的诊断价值优于标准射线照相术的诊断价值”(着重强调)(M.Ottenin、A.Jacquot、O.Grospretre等人，“腕部骨折层析摄影合成诊断性能的评估”，《美国放射学杂志》，198：180-186(2012))。
该研究进一步得出结论，由于其成本低、所需辐射水平极低、其速度以及高效集成到工作流程中，层析摄影合成与标准射线照相术一起在腕部的骨折的诊断中发挥作用。特别是对于舟骨骨折，它提供了更可靠的诊断，并减少了对其它昂贵的成像方法的需求。
图1示出了商业上可获得的层析摄影合成扫描仪100。示例性的层析摄影合成扫描仪100通过在进行x射线曝光的同时将安装在机动化臂120上的大单束x射线管110机械地移动长距离来采集重建所需的投影图像。由于管的运动，目前可用的层析摄影合成扫描仪100获得具有模糊空间分辨率的图像，并且探测灵敏度低于该模式本质上能够提供的灵敏度。此外，层析摄影合成扫描仪100较大并且需要专用的成像室。室内层析摄影合成扫描仪的一个示例是可从通用电器(GE)商业获得的VolumeRAD扫描仪。该设备使用安装在机动化臂120上的旋转阳极x射线管110来扫描约40度的角跨度，在此期间拍摄约60个投影图像。区域探测器(比如，例如平板探测器)被放置在患者的后面。典型的源到成像器的距离在约100cm至180cm之间且包含约100cm和180cm。
C形臂和微型c形臂2D荧光镜检查设备用于整形外科手术期间的图像指导。荧光镜检查设备使用来自单个焦点的x射线辐射来形成2D图像。它以连续或脉冲模式操作。在连续荧光镜检查模式下，x射线辐射始终开启并且图像通常以每秒30帧来显示。在脉冲荧光镜检查模式下，x射线辐射被脉冲地发射的并且图像通常以每秒15帧来显示。与常规c形臂的约100cm-180cm相比，如例如图2所示的微型c形臂设备具有较小的源到成像器的距离，通常在约40cm的数量级。
商业上可获得的微型c形臂荧光镜检查设备的一个示例是荧光扫描内视微型C形臂肢体成像系统(Fluoroscan InSight Mini C-arm Extremities Imaging System)。由于多种原因，微型c形臂对临床应用来说是有吸引力的。它占用更少空间，这在过度拥挤的手术室里是珍贵的。它是可移动的并且可以很容易地操纵。此外，示出的较短的源到成像器的距离减少了对操作者的散射辐射。
为了在减小的源到成像器的距离下实现一定分辨率，微型c形臂设备通常使用在低管电流下操作的微聚焦x射线管。例如，荧光扫描内视微型C形臂系统使用这样一种x射线管，其具有约0.045mm的焦点尺寸，在约40kVp与75kVp之间且包含约40kVp和75kVp的管峰值千伏范围，以及在约0.02mA至0.1mA之间且包含约0.02mA和0.1mA的管电流。它在75kVp处具有约0.1mA的最大输出。探测器像素尺寸约为0.075mm x 0.075mm。
然而，目前还没有能够同时执行荧光镜检查成像和层析摄影合成成像的微型c形臂成像设备。虽然原则上这可以通过沿c形臂机械旋转x射线管或机械旋转x射线管与探测器对来实现，但是存在若干使该方法不可行的技术限制。特别地，为了在临床可接受的时间内完成层析摄影合成扫描并覆盖合理的角度扫描，x射线焦点运动模糊将比微聚焦x射线管的固有焦点尺寸大一个数量级，这严重降低了成像质量。
发明内容
本申请的主题公开了一种紧凑型x射线设备，其可以在整形外科和放射诊所的护理点处以高分辨率执行层析摄影合成成像、荧光镜检查成像和立体定向成像。作为非限制性示例，下文公开的设备的一些预期用途包括在整形外科和放射诊所对人的肢体进行诊断和介入成像。可以预期的是，本文公开的设备可以用于其它成像应用，包括兽医成像。
根据本公开，提供了用于紧凑型x射线成像的系统和方法。一方面，提供了一种紧凑型x射线成像系统。在一些实施例中，紧凑型x射线成像系统包括x射线源阵列和数字区域x射线探测器，所述x射线源阵列包括多个在空间上分布的x射线焦点；准直组件，其连接到x射线源阵列的出射窗，所述准直组件被配置为将从多个在空间上分布的x射线焦点中的每一个产生的x射线辐射基本准直到数字区域x射线探测器的表面；电子切换设备，其包括：高压电源、电流源、切换器(其被配置为以预设电流值一次一个地将电流源顺序地连接到紧凑型x射线成像设备的多个场发射阴极，以在不需要x射线源阵列或数字区域x射线探测器的任何机械运动的情况下产生用于层析摄影合成重建的一个或更多个投影图像)、以及触发器(其包括一个或更多个第一处理器和/或电路，所述第一处理器和/或电路被配置为使探测器数据采集与来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线曝光同步；以及机械支撑件，其被配置为使x射线源阵列和数字区域x射线探测器的位置和定向能够被调整，使得可以使用层析摄影合成在非载荷支承位置或载荷支承位置对患者的上肢和下肢进行成像；其中，紧凑型x射线成像系统被配置为以多种成像模式操作。
在一些实施例中，紧凑型x射线成像系统被配置为以层析摄影合成成像模式或脉冲荧光镜检查模式操作。
在一些实施例中，紧凑型x射线成像系统被配置成使得当x射线成像设备在层析摄影合成成像模式下操作时，通过在不移动x射线源阵列、数字区域x射线探测器或患者的情况下顺序地激活来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线束电子地产生扫描x射线束，以便采集一个或更多个用于层析摄影合成重建的所需投影图像；并且所述紧凑型x射线成像系统被配置成使得当x射线成像设备在脉冲荧光镜检查成像模式下操作时，从多个在空间上分布的x射线焦点中的中心焦点产生的x射线辐射以每秒约5至30个脉冲来进行脉冲发射，并且对于每个x射线脉冲，形成并显示被扫描对象的图像，以产生该对象的x射线影像。
在一些实施例中，紧凑型x射线成像系统被配置为以立体定向模式操作。
在一些实施例中，紧凑型x射线成像系统被配置为，使得当x射线成像设备在立体定向模式下操作时，多个在空间上分布的x射线焦点中的两个离散焦点被激活以发射x射线辐射，从而导致从两个不同角度形成并显示两个投影图像。
另一方面，提供了一种使用紧凑型x射线成像设备进行x射线成像的方法。在一些实施例中，所述方法包括：提供具有多个在空间上分布的x射线焦点的x射线源阵列和数字区域x射线探测器；使用连接到x射线源阵列的出射窗的准直组件，将从多个在空间上分布的x射线焦点中的每一个产生的x射线辐射基本准直到数字区域x射线探测器的表面；提供电子切换设备，其包括：高压电源、电流源、切换器、以及包括一个或更多个第一处理器和/或电路的触发器；对x射线源阵列和数字区域x射线探测器进行定位和定向，以调整为使得可以使用层析摄影合成在非载荷支承位置或载荷支承位置对患者的上肢和下肢进行成像，同时多个在空间上分布的x射线焦点的位置相对于数字区域x射线探测器的位置保持不变；以预设的电流值一次一个地将电流源顺序地连接到紧凑型x射线成像设备的多个场发射阴极，以在不需要x射线源阵列或数字区域x射线探测器的任何机械运动的情况下产生用于层析摄影合成重建的一个或更多个投影图像；以及将探测器数据采集与来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线曝光同步；其中，将紧凑型x射线成像系统配置为以多种成像模式操作。
另一方面，提供了一种微型c形臂x射线成像系统。在一些实施例中，微型c形臂x射线成像系统包括基于碳纳米管的微聚焦x射线源阵列和安装在微型c形臂上的数字区域x射线探测器，所述基于碳纳米管的微聚焦x射线源阵列包括多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点；准直组件，其连接到微聚焦x射线源阵列的出射窗，所述准直组件被配置为将从多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点中的每一个产生的x射线辐射基本准直到数字区域x射线探测器的表面；以及电子切换设备，其包括：高压电源、电流源、切换器以及触发器，所述切换器被配置为以预设电流值一次一个地将电流源顺序地连接到微型c形臂x射线成像设备的多个场发射阴极，以在不需要微聚焦x射线源阵列或数字区域x射线探测器的任何机械运动的情况下产生用于层析摄影合成重建的一个或更多个投影图像，所述触发器包括一个或更多个处理器和/或电路，所述一个或更多个处理器和/或电路被配置为使探测器数据采集与来自多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点的x射线曝光同步；其中，所述微型c形臂x射线设备被配置为以三维层析摄影合成成像模式、荧光镜检查模式或立体定向模式操作。
另一方面，提供了一种使用微型c形臂x射线成像系统进行x射线成像的方法。在一些实施例中，所述方法包括：提供微型c形臂x射线成像系统，其具有拥有多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点的基于碳纳米管的微聚焦x射线源阵列和安装在微型c形臂上的数字区域x射线探测器；使用连接到微聚焦x射线源阵列的出射窗的准直组件，将从多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点中的每一个产生的x射线辐射基本准直到数字区域x射线探测器的表面；提供电子切换设备，包括：高压电源、电流源、切换器、以及包括一个或更多个处理器和/或电路的触发器；以预设的电流值一次一个地将电流源顺序地连接到微型c形臂x射线成像设备的多个场发射阴极以在不需要微聚焦x射线源阵列或数字区域x射线探测器的任何机械运动的情况下产生用于层析摄影合成重建的一个或更多个投影图像；以及将探测器数据采集与来自多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点的x射线曝光同步；其中，微型c形臂x射线设备被配置为以三维层析摄影合成成像模式、荧光镜检查模式或立体定向模式操作。
尽管本文公开的主题的一些方面已经在上文中进行了陈述，并且通过当前公开的主题全部或部分地实现，但是当结合附图进行描述时，其它方面将变得显而易见，如下文最佳描述的。
附图说明
本主题的特征和优点将从下面的详细描述中更容易理解，该详细描述应结合附图来阅读，附图仅作为说明性和非限制性的示例给出，其中：
图1是商业上可获得的传统层析摄影合成扫描仪的示意图；
图2是根据商业上可获得的设备的传统微型c形臂x射线成像设备的示意图；
图3A、图3B、图3C、图3D是根据本公开的一些实施例的示例性x射线成像系统的示意图；
图4A和图4B是弯曲碳纳米管(CNT)x射线源和线性形状CNT x射线源的示意图；
图5是根据本公开的一些实施例的可移动的微型c形臂x射线成像系统的示意图；
图6和图7是根据本公开的一些实施例的x射线成像系统的各种部件的示例性布置的示意图；
图8示出了为演示本公开的一些实施例的示例性x射线成像系统的系统分辨率而执行的模拟；
图9是根据本公开的另一实施例的示例性台式x射线成像系统的示意图；
图10A示出了由传统成像系统捕捉的示例性投影图像，该传统成像系统未捕捉到与根据本公开的一些实施例的系统和设备相同的细节，而图10B示出了由本公开的设备捕捉的重建切片图像；以及
图11A和图11B示出了由本公开的示例性系统在不同方面捕捉的示例性层析摄影合成重建切片图像。
具体实施方式
本公开的主题包括用于在非限制性示例的护理点处成像的紧凑型x射线设备。本文公开的设备可以用于多种功能。它们可以用于诊断层析摄影合成成像，提供与大型室内层析摄影合成设备类似的功能，但具有较小的占地面积(即在检查室/手术室中占用较少的物理空间)。本公开的设备也可以用于介入目的，为手术和其它程序提供图像指导。在一些实施例中，所述设备可以在层析摄影合成成像模式、2D射线照相术模式、荧光镜检查模式或立体定向模式中使用。
图3A示出了本文公开的主题的一个可能的实施例。在一些实施例中，如图3所示的x射线成像设备300是紧凑型x射线层析摄影合成设备，包括x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320，所述x射线源阵列包括多个在空间上分布的x射线焦点(在该视图中未示出)。在一些实施例中，作为非限制性示例，数字区域x射线探测器320定位为与x射线源阵列310相对并平行，以便记录图像。在一些实施例中，x射线成像设备300包括连接到x射线源阵列310的出射窗的束限制设备或准直组件(在该视图中未示出)。在一些实施例中，准直组件被配置为将从多个在空间上分布的x射线焦点中的每一个产生的x射线辐射基本准直到数字区域x射线探测器320的表面。在一些实施例中，例如但不限于，数字区域x射线探测器320可以是平板型区域探测器。
在一些实施例中，多个在空间上分布的x射线焦点包括两个在空间上分布的x射线焦点，或者多于两个在空间上分布的x射线焦点。在一些实施例中，多个在空间上分布的x射线焦点中的每一个都是微聚焦的，其具有在约0.01mm与0.3mm之间且包含约0.01mm和0.3mm的点尺寸。例如但不限于，在一些实施例中，焦点中的每一个的点尺寸可以在约0.1mm与0.2mm之间且包含约0.1mm和0.2mm。例如但不限于，在一些实施例中，焦点中的每一个的点尺寸可以是约0.1mm。在一些实施例中，多个在空间上分布的x射线焦点中的至少一个是微聚焦的，其具有在约0.01mm与0.3mm之间且包含约0.01mm和0.3mm的点尺寸。在一些实施例中，多个在空间上分布的x射线焦点被定位在基本上垂直于其中定位有数字区域x射线探测器320的平面的平面中。在一些实施例中，x射线源阵列的多个在空间上分布的焦点被定位在基本平行于其中定位有数字区域x射线探测器320的平面的平面中。
为了电子地产生扫描x射线束，在一些实施例中，x射线成像设备300还包括电子切换设备330，该电子切换设备包括：高压电源、电流源和切换器。在一些实施例中，高压电源和电流源被配置为向x射线成像设备300供电，包括向x射线源阵列310供电。在一些实施例中，切换器被配置为顺序地将电流源连接到x射线源阵列310的一个或多个场发射阴极。在一些实施例中，电流源以一定预设电流值一次一个地顺序地连接到x射线源阵列310的一个或更多个场发射阴极，所述预设电流值在约0.05mA与20mA之间且包含约0.05mA和20mA，以在不需要x射线源阵列310或数字区域x射线探测器320的任何机械运动的情况下产生一个或更多个用于层析摄影合成重建的投影图像。
在一些实施例中，电子切换设备330还包括触发器或触发机构，以使探测器数据采集与来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线曝光同步。在一些实施例中，作为非限制性示例，触发器可以包括一个或更多个第一处理器和/或电路，所述处理器和/或电路被配置为将探测器数据采集与来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线曝光同步。在一些实施例中，电子切换设备330被配置为在单个成像序列期间以多于一个的能量水平操作高压电源，使得在不同阳极能量水平获得的投影图像可以被组合以产生对比度增强的2D射线照相图像和/或3D层析摄影合成图像。
在一些实施例中，x射线成像设备300可以安装在或固定至可移动推车332。在一些进一步的实施例中，x射线成像设备300可以包括机械支撑件334，该机械支撑件被配置为将x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320的位置和定向改变为可调节的，使得(对于非限制性示例)可以使用层析摄影合成在非载荷支承位置或载荷支承位置对患者的上肢和下肢进行成像。在一些实施例中，可以在多个在空间上分布的x射线焦点的位置相对于数字区域x射线探测器320保持不变的同时进行成像。在一些实施例中，本公开的x射线成像设备300被配置为以层析摄影合成成像模式、脉冲荧光镜检查模式或立体定向模式操作。
在一些实施例中，x射线成像设备300包括被配置为在成像模式之间切换的一个或更多个中央处理器。在一些实施例中，中央处理器可以嵌入电子切换设备330中，或者成为其一部分，或者以其它方式控制电子切换设备330。例如但不限于，x射线成像设备300可以包括处理器，该处理器自动地或在接收到来自使用者的一些输入之后，切换成像模式并控制x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320以及x射线成像设备300中的各种其它设备。在一些实施例中，中央处理器被配置为在层析摄影合成成像模式、2D射线照相术模式、荧光镜检查模式或立体定向模式之间切换成像模式。在这点上，根据本文的描述，中央处理器可以被配置为控制x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320以及各种其它设备。
在一些实施例中，当x射线成像设备300在层析摄影合成成像模式下操作时，通过在不移动x射线源阵列310、数字区域x射线探测器320或患者(在该视图中未示出)的情况下顺序地且电子地激活来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线束来产生扫描x射线束，以采集层析摄影合成重建所需的所有投影图像。在实施例中，这是通过以预设电流值一次一个地使电子切换设备330的电流源与x射线源阵列310中的场发射阴极连接来实现的，从而从多个在空间上分布的x射线焦点产生x射线辐射以产生投影图像。在一些实施例中，预设电流值被设置为在约0.05mA与20mA之间且包含约0.05mA和20mA。
在一些实施例中，x射线成像设备300还包括一个或更多个第二处理器、非暂时性计算机可读介质和层析摄影合成图像重建算法，该层析摄影合成图像重建算法被配置为将投影图像重建为层析摄影合成图像的堆叠。在一些实施例中，x射线成像设备300还包括观察屏幕，比如监视器336，或允许使用者或医生观察由x射线成像设备生成的图像的其它显示器。在一些实施例中，例如但不限于，为了提高层析摄影合成重建的速度，x射线成像设备300包括图形处理单元(GPU)。在一些实施例中，x射线成像设备300包括显示器，比如监视器336，或者与主机分离的如图3B所示安装到墙上或者如图3C所示安装在单独的可移动推车上(作为非限制性示例)的其它屏幕。
参考图3A，在一些实施例中，当x射线成像设备300在2D射线照相术模式下操作时，从多个在空间上分布的x射线焦点中的一个或更多个产生的x射线辐射被用于产生单个二维x射线图像或一个或更多个二维荧光镜检查图像。
在一些实施例中，当x射线成像设备300在荧光镜检查成像模式下，优选在脉冲荧光镜检查模式下操作时，从多个在空间上分布的x射线焦点之一产生的x射线辐射用于产生多个图像。在一些实施例中，x射线成像设备300被配置为脉冲发射源自一个x射线焦点的辐射。在一些实施例中，利用多个在空间上分布的x射线焦点中的中心x射线焦点，并且使用该中心焦点来脉冲发射辐射束。在一些实施例中，一个x射线焦点以一定速率来进行脉冲发射，所述速率范围从每秒约5至30个脉冲。在一些实施例中，中心x射线焦点以一定脉冲速率进行脉冲发射，所述脉冲速率范围从每秒约5至30个脉冲。在一些实施例中，对于每个x射线脉冲(相对于中心x射线焦点或另一单个x射线焦点)，形成并显示扫描对象的图像，以产生扫描对象的x射线影像或x射线视频。
在一些实施例中，当x射线成像设备300在立体定向成像模式下操作时，来自多个在空间上分布的x射线焦点中的多个离散焦点的x射线辐射被用于从多个不同视角形成多个投影图像并被显示。在一些实施例中，立体定向成像模式使用多个在空间上分布的x射线焦点中的两个离散焦点，以从两个不同视角形成两个投影图像并显示。在一些实施例中，不需要x射线源阵列310的机械移动。在一些实施例中，当x射线成像设备300在立体定向成像模式下操作时产生的图像可以是例如但不限于二维或三维图像。
在本公开的一些实施例中，x射线源阵列310是基于碳纳米管(CNT)的x射线阵列。CNT x射线源阵列利用可独立控制的CNT场发射器的阵列在室温下产生电子，其中电子被加速轰击阳极以产生x射线。在本公开的一些实施例中，CNT场发射器连接到电子切换设备330。通过电子地切换独立的CNT阴极开和关，可以从不同的视角产生扫描x射线束，以在没有任何机械运动的情况下采集层析摄影合成重建所需的多个投影图像。图4A示出了使用该原理操作的x射线源。在一些实施例中，比如，例如但不限于图4A所示，CNT x射线源阵列310可以以弯曲的方式布置。然而，在一些实施例中，CNT x射线源阵列310不必定形状为弯曲的方式，而是可以是直的或线性的。这种直的或线性形状的CNT x射线源阵列310被示出在图4B中。此外，在图4A和图4B中描述的CNT x射线源阵列310都可以是商业上可获得的，例如但不限于来自XinRay系统有限责任公司(XinRay Systems，LLC)。
通过CNT，使用场发射在室温下产生了电子。通过在非常尖锐的对象上施加电势差，可以在尖锐对象的尖端处产生电子。用现代x射线管和CNT进行x射线成像的一个要求包括聚焦每个电子源。通过CNT，场发射电子已经在发射过程期间部分聚焦，并且因此还需要更小的聚焦结构。2002年，Zhou与同事证明了CNT可以用作x射线源的有效场发射器，这是因为它们的原子级尖锐的尖端和高机械稳定性。此外，与现有金刚石尖端和钨尖端的尝试相比，所需的接通电压显著降低。CNT x射线源可以定位得非常接近，以允许形成用于各种应用的多束x射线源。
在一些实施例中，本公开的x射线成像设备300包括在约五个与约六十个之间且包含约五个和约六十个的作为电子源的可独立控制的CNT发射器。在一些实施例中，x射线源阵列具有单极设计。在一些实施例中，x射线源阵列的阳极电压具有在约0kV与120kV之间且包含约0kV和120kV的阳极电压，并且x射线管电流在约0.05mA至20mA之间且包含约0.05mA和20mA。在一些实施例中，x射线焦点具有线、圆、2D阵列或任何其它2D或3D几何结构配置的空间分布。
图3D示出了电子切换设备330的更详细的示例。在一些实施例中，如本文所述，电子切换设备330可以包括高压电源340、电流源342、切换器344、包括一个或更多个第一处理器346的触发器、一个或更多个第二处理器348和中央处理器350。在一些实施例中，高压电源340被配置为向本公开的x射线成像设备300的各种部件提供电力，例如包括但不限于x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320。在一些实施例中，电流源342被配置为通过切换器344以预设电流值一次一个地连接到紧凑型x射线成像设备的多个场发射阴极，以在不需要x射线源阵列310或数字区域x射线探测器320的任何机械运动的情况下产生用于层析摄影合成重建的一个或更多个投影图像。
在一些实施例中，切换器344被配置为连接电流源342，如本文所述。在一些实施例中，包括一个或更多个第一处理器346的触发器被配置为使探测器数据采集与来自多个在空间上分布的x射线焦点的x射线曝光同步。在一些实施例中，一个或更多个第一处理器346可以位于电子切换设备330中或x射线成像设备300的任何其它合适的部分中，如本文所述。在一些实施例中，一个或更多个第二处理器348包括非暂时性计算机可读介质以及被配置为将投影图像重建为层析摄影合成图像的堆叠的层析摄影合成图像重建算法。在一些实施例中，一个或更多个第二处理器348被配置为自动登记(register)非载荷支承图像和载荷支承图像，以产生患者肢体的载荷诱发的结构变形/位移。在一些实施例中，一个或更多个第二处理器348被配置为自动登记造影剂注射前图像和造影剂注射后图像，以产生患者肢体的造影剂增强图像。
在一些实施例中，中央处理器350被配置为在成像模式之间切换x射线成像设备300。在一些实施例中，中央处理器350可以包括处理器，该处理器自动地或在接收到来自使用者的一些输入之后切换成像模式并控制x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320以及x射线成像设备300中的各种其它设备。在一些实施例中，中央处理器被配置为在层析摄影合成成像模式、2D射线照相术模式、荧光镜检查模式或立体定向模式之间切换成像模式。在这点上，根据本文的描述，中央处理器可以被配置为控制x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320以及各种其它设备。在一些实施例中，中央处理器350可以与一个或更多个第一处理器346、一个或更多个第二处理器348或任何其它各种部件连接或通信，以接收要在监视器336或其它设备上显示或输出的数据。例如但不限于，一个或更多个第二处理器348可以被配置为处理和重建层析摄影合成图像，并将它们发送到中央处理器350，该中央处理器被配置为在监视器336上显示图像。此外，在一些实施例中，探测器320和x射线成像设备300的任何处理器可以发送捕捉的图像(使用任何成像模式)并发送到中央处理器350以在监视器336上显示。
图5示出了本公开的微型c形臂x射线成像设备400的另一实施例，其包括机械支撑结构，该机械支撑结构使作为整体的x射线源与探测器对的位置和定向能够被调整，使得例如但不限于，可以在非载荷支承位置或载荷支承位置对上肢和下肢进行成像。图5的微型c形臂x射线成像设备400可以包括许多与先前的上述x射线成像设备相同的电子部件，包括处理器、切换设备、监视器等。在本公开的一些实施例中，机械支撑件是微型c形臂404，其在商业上用于例如用于但不限于荧光镜检查。在一些实施例中，机械支撑件可以包括或包含机械化臂或其它机械化结构。在一些实施例中，机械支撑件可以是非机械化臂或其它非机械化结构。在一些实施例中，机械支撑件可以是如图5所示的可移动支撑臂。
在一些实施例中，机械支撑件可以包括连接到可调节可延伸支撑臂406的微型(min)c形臂404，该可调节可延伸支撑臂附接到或安装到支撑结构，比如，例如但不限于可移动推车402或其它移动或非移动器具。在一些实施例中，可调节可延伸支撑臂406被配置为延伸和收缩和/或旋转，使得x射线成像设备400的使用者可以移动x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320以接近患者身体的一部分以进行成像。在一些实施例中，微型c形臂x射线成像设备400的一个或更多个第二处理器被配置为自动登记非载荷支承图像和载荷支承图像，以产生患者肢体的载荷诱发的结构变形/位移。在一些实施例中，一个或更多个第二处理器被配置为自动登记造影剂注射前图像和造影剂注射后图像，以产生患者肢体的造影剂增强图像。
微型c形臂x射线成像设备400的一个或更多个处理器，比如第一处理器、第二处理器和/或中央处理器，可以全部定位在微型c形臂x射线成像设备400上的任何合适的位置中，包括在壳体408中，该壳体也可以包括如上面参考图3所述的电子切换单元。
在一些实施例中，图5的微型c形臂x射线成像设备400包括具有多个在空间上分布的微聚焦x射线焦点的基于碳纳米管的微聚焦x射线源阵列，以及安装在微型c形臂上的数字区域x射线探测器。此外，图5的微型c形臂x射线成像设备被配置为在3D层析摄影合成成像模式、荧光镜检查模式和/或立体定向模式下操作，如本文所述。在一些实施例中，微型c形臂x射线成像设备400包括中央处理器，该中央处理器被配置为控制电子切换单元，该电子切换单元在各种成像模式之间切换，如本文所述。
x射线成像设备的一些实施例的几何结构布置600示出在图6中，其中x射线源阵列310和数字区域x射线探测器320相对于彼此处于平行几何结构。为了减小成像设备的尺寸，在一些实施例中，系统的源到成像器距离(SID)614可以在约40cm与60cm之间且包含约40cm和60cm，类似于在微型c形臂设备中使用的源到成像器距离。减小SID 614还具有以下益处：a)减小曝光所需的x射线管功率；b)减少对操作者的辐射暴露；和c)减小成像系统的尺寸和重量。然而，减小SID 614对系统分辨率有不利影响。成像系统的空间分辨率由包括x射线源阵列310的焦点尺寸、数字区域x射线探测器320的像素尺寸和放大系数在内的因素决定。放大系数是SID 614与源到对象距离(SOD)616的比率，所述源是x射线源阵列310，而所述对象是被扫描的对象630。
为了在不同放大系数下实现诊断成像所需的高空间分辨率，在本公开的一个实施例中，使用了微聚焦x射线源阵列310。在一些实施例中，例如但不限于，源阵列是基于CNT的微聚焦x射线源阵列。在一些实施例中，x射线源阵列310中的x射线焦点612的尺寸(为清楚起见，只有3个焦点由箭头标记)优选为约0.1mm或更小。为了获得深度分辨率，在一些实施例中，由x射线源阵列310覆盖的角度扫描618在约10度与50度之间且包含约10度和50度。在一些实施例中，x射线源阵列310的角度扫描(即，角度覆盖)618约为40度，并且SID 616约为40cm。在一些实施例中，在线性x射线源阵列的情况下，这将需要由x射线焦点612形成的线等于约2*tan(20度)*40cm或约29cm。
在本公开的一些实施例中，x射线源阵列310包括在约10与40个之间且包含约10和40个的阴极，其中每个阴极在阳极上产生了来自对应焦点612的具有限定焦点尺寸的x射线束，其设置成在约10与40个聚焦焦点612之间且包含约10和40。在一些实施例中，CNT x射线源阵列310包括约30个在空间上分布的微聚焦x射线焦点612，其中每个焦点612具有例如约0.1mm的半最大值全宽度(FWHM)的平均焦点尺寸。在一些实施例中，x射线源阵列310在约0kVp与120kVp之间且包含约0kVp和120kVp的能量范围内操作。在一个实施例中，x射线源阵列310在约40kVp与80kVp之间且包含约40kVp和80kVp的能量范围内操作，以便对例如但不限于四肢进行成像。
在一些实施例中，基于CNT的微聚焦x射线源阵列310使用静电聚焦结构使电子束聚焦，以用于x射线阳极上的小区域。静电聚焦结构的一个非限制性示例是Einzel型静电聚焦透镜。具有Einzel型静电聚焦透镜的单束CNT微聚焦x射线管的构造在出版物“用于微计算机x射线断层摄影术的基于碳纳米管的微聚焦场发射x射线源(Carbon nanotube basedmicrofocus field emission x-ray source for microcomputed tomography)”，Appl.Phys.Lett，89，103111(2006)；Zejian Liu等人，以及美国专利NO.7，826，595中描述，所述公开内容通过引用整体结合于本文。
在一些实施例中，来自x射线源阵列310的x射线光子输出取决于x射线焦点612尺寸。焦点612尺寸的减小限制了最大管功率，并因此限制了产生的x射线注量。对于具有固定阳极的微聚焦x射线源，当x射线管电压约为70kVp且x射线焦点612尺寸小于0.1mm时，x射线管电流通常小于1mA。
对于x射线成像来说，图像质量，特别是图像信噪比(SNR)，取决于x射线探测器320接收的x射线光子的量，该量取决于入射剂量。对于人体腕部的层析摄影合成成像，在已发表的文献中通常使用约0.2mGy至0.3mGy之间的总入射剂量。一项设计用于牙科成像的根据本公开的CNT x射线源阵列的实验显示，在40cm SID 614和约70kVp的x射线管电压下，x射线辐射产生速率约为0.4mGy/mAs。在约50kVp的x射线管电压下，该速率预计将减小至0.2mGy/mAs。因此，通过40cm SID设备，在50kVp下为人体腕部成像，所需的源电流约为1mA。假设微聚焦源阵列在50kVp和0.5mA管电流下操作，那么对于1mAs的剂量，所需的总x射线曝光为2秒。如果有20个投影图像，并且探测器帧速率为4帧每秒，则总探测器读出时间为5秒，并且对于人体腕部的层析摄影合成成像，示例设备的总扫描时间为7秒。相比之下，通用电气目前的商用室内数字层析摄影合成扫描仪花费约10秒来进行层析摄影合成扫描。这表明，与目前可获得的大型室内扫描仪相比，本公开的示例设备可以利用(如果不是显著更短的话)相似的时间执行层析摄影合成扫描。
在本公开的一些实施例中，如图7所示，x射线成像设备300可以包括束限制设备，比如准直组件702，其被配置为按照IEC标准的要求将来自每个x射线焦点的x射线辐射约束至数字区域x射线探测器320表面。在一些实施例中，准直组件702可以例如但不限于是一个或更多个准直器。在一些实施例中，准直组件702连接到x射线源阵列310的出射窗，并被配置为将从多个在空间上分布的焦点612中的每个且每一个产生的x射线辐射基本准直或约束至数字区域x射线探测器320的表面。
在一些实施例中，准直组件702包括主准直器和副准直器，其中主准直器包括多个孔，并且多个孔中的每个孔被配置为允许来自一个对应的x射线焦点612A的辐射穿过。换句话说，在一些实施例中，第一孔被固定到单个对应的x射线焦点612A或与之对准，并且该第一孔被配置仅允许来自该对应的x射线焦点612A的辐射通过。尽管在图7的视图中看不到孔，线704和706分别示出了来自每个x射线焦点612A和612B的辐射如何被准直并聚焦在数字x射线探测器320上。
图8包括示出了为展示本公开的示例x射线成像设备的系统分辨率而执行的模拟的若干图表。运行模拟是为了演示x射线源在离x射线探测器不同距离处的系统分辨率。
使用台式设备，比如图9所示的台式设备900演示了本文上面公开的设备的操作的可行性。先前存在的短CNT x射线源阵列310和平板探测器320安装在机械支架910上。此外，台式设备900包括一组用于进一步支撑台式设备900的支腿908。源阵列被平移到总共3个位置，以便以40cm SID覆盖40度。线902、904和906示出了x射线束向探测器320传播时x射线束的角度。使用21个投影在55kVp对尸体标本成像。使用迭代算法重建图像。
由台式设备(或根据本文公开的其它设备)重建的示例图像在图10B中示出。图10A示出了使用与本公开的设备不同的设备捕捉的尸体腕部的示例投影图像。它是使用常规方法捕捉的。当观察者将图10A中的图像与(使用本公开的方法捕捉的)图10B中的图像进行比较时，很明显传统方法(即用于捕捉图10A的方法)不能实现图10B中(由本公开的设备创建的)重建切片图像的清晰度和细节。如附图标记所指出的，图10B中的重建切片图像能够捕捉在图10A中的投影图像上不可见的关节空间和损伤1000。
图11A和图11B示出了本公开的设备的另一个演示，其中两个不同的图像处于不同的深度或高度。图11A描绘了在头状骨的平面中的来自标本的腕部的层析摄影合成重建切片。图11B描绘了在钩骨的钩部和舟骨的手掌方面的同一腕部的层析摄影合成重建切片。
本文公开的一些主题可以结合硬件和/或固件在软件中或利用软件来实施。例如，本文描述的主题可以在由处理器或处理单元执行的软件中实施。在示例性实施方式中，可以使用其上存储有当被计算机的处理器执行时控制计算机执行步骤的计算机可执行指令的计算机可读介质来实施本文描述的主题。适于实施本文所述主题的示例性计算机可读介质包括非暂时性装置，例如磁盘存储装置、芯片存储装置、可编程逻辑装置和专用集成电路。此外，实施本文描述的主题的计算机可读介质可以位于单个设备或计算平台上，或者可以分布在多个设备或计算平台上。
在不脱离本主题的精神和基本特征的情况下，本主题可以以其它形式体现。因此，所描述的实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。尽管已经根据某些优选实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施例也在本发明的范围内。
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