固定X射线数字化乳房断层合成系统和相关方法

摘要

公开了一种固定X射线数字化乳房断层合成系统和相关方法。根据一个方面，在此描述的主题可以包括具有多个固定场发射X射线源的X射线断层合成系统，该固定场发射X射线源配置为利用X射线束来照射用于定位要成像的对象的位置，以生成对象的投影图像。X射线探测器可以配置为探测对象的投影图像。投影图像重建功能可以配置为基于对象的投影图像来重建对象的断层摄影图像。

说明书

相关申请

目前公开的主题要求于2007年7月19日提交的美国临时专利申请序列号No.60/961,175的权益，其公开内容通过引用全部并入本文。

政府利益

在具有国家癌症研究所授予的批准号为No.US4CA119343的美国政府支持的情况下，作出目前公开的主题。因此美国政府在本公开主题中具有某些权利。

技术领域

在此描述的主题涉及X射线照相术。更具体地，该主题描述了固定X射线数字化乳房断层合成系统和相关方法。

背景技术

乳腺摄影是目前针对乳腺癌早期诊断的最有效的筛查和诊断工具，并且已经是近来乳腺癌死亡率下降的原因。然而，二维乳腺摄影片的性质使得难以将癌和叠加的乳腺组织进行区分，并且各放射线学者的解释可能是变化的。由于致密组织干扰了对与肿瘤有关的异常的识别，因此存在更高比率的假阳性和假阴性的测试结果。数字化乳房断层合成(DBT)是设计为解决这一问题的三维成像技术。它是有限角度的断层摄影技术，利用来自有限角度范围的投影图像来提供乳房的重建平面。

商业厂商已经制造了一些DBT扫描仪样机。该系统的设计是基于全视野数字化乳腺摄影(FFDM)单元。乳腺摄影X射线管用于通过环绕对象移动10-50度来采集投影图像。所报告的总扫描时间取决于视图数量和乳房厚度在7-40秒，该总扫描时间大大长于常规乳腺摄影的总扫描时间。长的成像时间可以引起降低图像质量的患者运动模糊，并可以使得患者不适。此外，X射线源的功率、扫描架旋转速度和探测器帧率限制了当前DBT系统的扫描速度。

DBT系统利用的标准乳腺摄影X射线管具有大约300μm的X射线焦斑尺寸。由于扫描架的旋转和机械不稳定性，在图像采集期间的有效焦斑尺寸大于静态值从而降低了图像分辨率。已经发展了两种扫描架旋转模式。一个商业上可获得的系统使用停止再照射(stop-and-shoot)技术。扫描架在获得每个投影图像之前完全停止。加速/减速可以引起该系统的机械不稳定。在其它商业上可获得的系统中使用连续旋转模式。扫描架在整个成像过程期间保持恒定的旋转速度。在这种情况下，X射线焦斑尺寸沿着运动方向扩大。扩大的值取决于旋转速度和照射时间。据报道在典型的扫描中，X射线焦点移动大约1mm。这没有给总扫描时间留下进一步的减少空间，从而将需要更快的扫描架旋转和更大的焦点模糊。

有益的是提供具有减少的数据收集时间并改善患者舒适度的X射线成像系统和方法。一个或多个这种改进可以实现对于乳腺组织和其它对象的X射线成像的新应用。因此，期望提供具有一个或多个这些改进的X射线成像系统和方法。

另外，目前的临床乳腺摄影扫描仪使用被稍微能量过滤的多色X射线辐射。已知的是单色和准单色辐射提供更好的成像质量，并可以潜在地减少成像剂量。然而，目前没有有效的方式来在临床环境中生成可以提供足够X射线光子通量的单色或者准单色辐射。因此，期望提供可以以临床可接受的扫描速度来执行单色或者准单色成像的X射线成像系统和方法。

发明内容

目前公开主题的目的在于提供新颖的固定X射线数字化乳房断层合成系统和相关方法。

目前公开主题的目的已经在上文中陈述，并且其全部或者部分通过目前公开主题实现，随着结合下文描述的附图进行说明，其它目的将变得明显。

附图说明

现将参照附图对在此描述的主题进行说明，在附图中：

图1是根据在此描述的主题的实施例的MBFEX系统的示意图；

图2是根据在此描述的主题的实施例的具有沿着线性直线定位的X射线源的MBFEX系统的示意图；

图3是根据在此描述的主题的实施例的具有沿着二维平面定位的X射线源的MBFEX系统的示意图；

图4A是根据在此描述的主题的实施例的MBFEX系统的示意图，该MBFEX系统具有沿着直线均匀间隔地，并成角度地定位以将X射线束定向为朝向对象的X射线源；

图4B是根据在此描述的主题的实施例的图4A所示系统的两个X射线源像素的示意图；

图5是根据在此公开的主题的实施例的所采集对象图像的示例性过程的流程图；

图6是根据在此公开的主题的实施例的利用MBFEX系统来顺序采集对象图像的示例性过程的流程图；

图7是根据在此公开的主题的实施例的利用MBFEX系统多路复用对象图像的示例性过程的流程图；

图8是根据在此描述的主题的实施例的探测器触发和X射线源像素触发的定时图；

图9是根据在此公开的主题的MBFEX系统的图像；

图10是根据在此公开的主题的示出了X射线探测器、体模以及X射线生成设备的X射线源之间的空间关系的示意图；

图11A是根据在此公开的主题的实施例的X射线源的透视图；

图11B是根据在此公开的主题的实施例的X射线源的示意图；

图12是根据在此描述的主题的控制器的电路图，该控制器配置为控制来自多个X射线源的X射线束发射；

图13是根据在此描述的主题的实施例的MBFEX X射线源阵列的图像；

图14是图9示出的系统的实验上测量的能量谱的图形；

图15是图9示出的系统的根据栅压变化的阳极电流的图形；

图16是根据在此描述的主题而获得的十字体模的投影图像；以及

图17是示出了根据在此描述的主题而获得的两个导线的线轮廓的图形。

具体实施方式

在此公开的主题针对可以利用多个场发射X射线源、X射线探测器和投影图像重建技术的多射束场发射X射线(MBFEX，也被称为多像素场发射X射线)系统和技术。具体而言，在此公开的系统和技术根据一个方面可以应用于X射线数字化断层合成。根据一个实施例，多个场发射X射线源可以利用X射线束来照射用于定位要成像的对象的位置，以生成对象的投影图像。X射线探测器可以探测对象的投影图像。投影图像重建功能可以基于对象的投影图像来重建对象的断层摄影图像。在此公开的主题可以实现提高的扫描速度、简化的系统设计以及增强的图像质量。

在一个应用中，在此公开的主题可以是利用基于碳纳米管的MBFEX系统的固定数字化乳房断层合成(DBT)系统。该MBFEX系统可以包括可单独编程的X射线像素的阵列，可以大致均匀的放置该像素以覆盖宽阔的视场。可以通过电子接通和断开单独X射线像素来采集投影图像，而没有X射线源、探测器或者对象中任一个的机械运动。

在此描述的主题的一个实施例中，通过电子接通和断开单独X射线源像素，可以从不同视角一次一个地顺序收集对象的投影图像。可以空间分布X射线源像素。每个像素可以被接通预定的时间和预定的电流，以将预定的剂量数量递送给对象。X射线探测器可以探测并记录来自特定X射线源像素发射的X射线强度。X射线束像素之间的间隔和像素数量可以改变以提供所期望的角度覆盖和投影图像数量。可以处理来自不同视角收集的投影图像以重建对象的断层摄影图像，从而展现对象的内部结构。在一个例子中，X射线源可包括沿着可以覆盖在大约10和100度之间的视野范围(例如，30-50度的视野范围)的弧形定位的总计在大约10和100个之间的X射线焦斑(例如，二十五(25)个X射线源像素)。焦斑定义的平面与X射线探测器的成像平面大致垂直。

在此描述的主题的一个实施例中，可以使用一个或多个单色器来生成单色X射线辐射以用于对对象成像。可以利用布拉格(Bragg)衍射来产生这种单色X射线辐射。可以通过将过滤器放置在接收多色X射线辐射的X射线窗口之前来生成准单色X射线束。通过选择过滤的材料和材料厚度，可以产生具有狭窄能量窗口的准单色辐射。然而，这典型地包括对200^th到500^th值层过滤材料的使用。这意味着X射线强度的99.5％到99.8％被过滤器衰减。低X射线通量已经阻碍了单色X射线辐射在临床成像上的使用。

在单色X射线辐射的一个例子中，可以利用所生成的单色X射线辐射来对乳房成像。单色和准单色X射线辐射的优点包括减少的X射线剂量的改善了的成像质量，这对于乳房成像是重要的。在此描述的主题可以使医师利用准单色X射线辐射以与具有多色X射线辐射的商业上可获得的DBT扫描仪相当的成像速度来对人的乳房成像。

克服低通量的阻碍以及因此的长成像时间的一个技术是将多射束场发射X射线源与多路复用X射线成像相结合。可以通过重过滤来产生锥束准单色辐射。像素化和空间分布的MBFEX源可以从多个投影角度生成X射线束而无机械运动。以顺序扫描模式操作的固定DBT扫描仪可以利用85mAs的总剂量来提供25个视图的全扫描，并且其速度比在相当剂量情况下的C臂式DBT扫描仪快10倍。实验也已经显示，平行多路复用成像过程与用于断层摄影的常规序列成像技术相比提供的成像速度增加了N/2倍(N＝X射线像素的数量)。固定设计和在此描述的多路复用(大约×100)的优点的结合可以补偿由于使用重过滤(100^th值层)导致的X射线通量的损失，从而使qM-DBT扫描仪可以以与商业上可获得的基于C臂的系统相当的扫描时间来操作，并具有更好的成像质量和减少的成像剂量。

如在此提及的，术语“纳米-构造的”或者“纳米结构”材料可以指包括具有小于100nm微粒大小的纳米微粒的材料，例如纳米管(例如，碳纳米管)。这些类型的材料已经示出呈现某些在很多应用中具有益处的属性。

如在此提及的，术语“多射束X射线源”可以指能够同时或者顺序生成多个X射线束的设备。例如，“多线束X射线源”可以包括具有电子场发射器的基于场发射的多射束X射线源。电子场发射器可以包括基于纳米构造的材料的材料。

图1是根据在此描述的主题的实施例的通常表示为100的MBFEX系统的示意图。参照图1，系统100可以包括具有控制器CTR的计算机COM，该控制器CTR配置为控制X射线生成设备XGD和X射线探测器XD以对要成像的对象O成像。X射线生成设备XGD可以包括多个单独可控的场发射X射线源XS，该场发射X射线源XS配置为利用X射线束XB照射对象O以生成对象O的投影图像。

X射线源XS可以定位为将X射线束XB定向为朝向可以安置对象O的地方或者位置P(由虚线表示)。可以从几个不同角度将X射线束定向为朝向位置P。此外，X射线源XS、X射线探测器XD和位置P如此布置，从而使得所生成的投影图像被X射线探测器XD探测。X射线源XS沿着由X射线生成设备XGD形成的大致直线进行定位，从而使得将所生成的X射线束大致定向为朝向位置P并可以穿过位置P之内的区域。该线可以平行于X射线探测器的成像平面。如以下进一步详细描述的，X射线源XS可以如此地布置在任意适当的位置上，从而将X射线束大致定向为朝向位置P并且投影图像被X射线探测器XD探测。在X射线源照射对象并且X射线探测器探测投影图像期间，X射线源和X射线探测器可以相对于彼此固定。X射线源可以控制为被顺序地一次一个地激活预定的停顿时间和预定的X射线剂量。

当在位置P穿过对象O之后，X射线束XB可以被X射线探测器XD探测。X射线探测器XD可以是配置为连续捕获X射线束XB的高帧率、数字面X射线探测器。在收集了所有或者至少部分的X射线束XB并将其作为X射线信号数据存储在存储器之后，投影图像重建功能PIRF可以基于对象O的投影图像来重建对象O的断层摄影图像。

可以通过利用适当的技术并利用单独探测器从多个X射线源来获得对象的多个投影图像，从而构建断层摄影图像。常用技术包括位移叠加(shift-and-add)、滤波反投影、有序子集凸最大似然法(ordered subsetsconvex maximum likelihood)等等。

根据在此公开的主题的另一方面，X射线源可以沿着由X射线生成设备限定的弧形来定位。该弧形限定的平面可以与X射线探测器的成像平面大致垂直。图2是根据在此描述的主题的实施例的通常表示为200的MBFEX系统的示意图，所述系统具有沿着线性直线定位的X射线源XS。参照图2，X射线源XS可以至少大致沿着由X射线生成设备XGD形成的线性直线定位。X射线源XS可以定位为将X射线束XB定向为朝向并穿过可以安置对象O的位置P。可以从几个不同角度将X射线束定向为朝向位置P。此外，X射线源XS、X射线探测器XD和位置P可以如此定位从而使得所生成的投影图像被X射线探测器XD探测。当在位置P处穿过对象O之后，X射线束XB可以被X射线探测器XD探测。在收集了所有或者至少部分的X射线束XB并将其作为X射线信号数据存储在存储器之后，投影图像重建功能PIRF可以基于对象O的投影图像来重建对象O的断层摄影图像。

根据在此公开的主题的另一方面，X射线源可以包括沿着X射线阳极上的二维平面或者矩阵定位的焦斑。图3是根据在此描述的主题的实施例的通常表示为300的MBFEX系统的示意图，所述系统具有沿着二维平面定位的X射线源XS。参照图3，X射线源XS可以大致沿着由X射线生成设备XGD形成的二维平面而定位。X射线源XS可以定位为将X射线束XB定向为朝向并穿过可以安置对象O的位置P。可以从几个不同角度将X射线束定向为朝向位置P。此外，X射线源XS、X射线探测器XD和位置P如此定位从而使得所生成的投影图像被X射线探测器XD探测。当在位置P处穿过对象O之后，X射线束XB可以被X射线探测器XD探测。在收集了所有或者至少部分的X射线束XB并将其作为X射线信号数据存储在存储器之后，投影图像重建功能PIRF可以基于对象O的投影图像来重建对象O的断层摄影图像。

根据在此公开的主题的另一方面，X射线源可以沿着直线均匀间隔地，并成角度地定位以将X射线束定向为朝向对象。图4A是根据在此描述的主题的实施例的通常表示为400的MBFEX系统的示意图，所述系统具有沿着直线均匀间隔地，并成角度地定位以将X射线束定向为朝向对象的X射线源XS。参照图4A，X射线源XS可以是门控碳纳米管发射像素，其大致沿着由X射线生成设备XGD形成的二维平面定位。在这一例子中，X射线生成设备总计包括二十五(25)个X射线源，但是X射线生成设备可替换地包括任意适当数量的X射线源，在数目上多于或者少于二十五。

X射线源可以容纳在具有30μm厚的钼(Mo)窗口的真空腔室内。该窗口可以作为辐射过滤器。每个像素可以包括碳纳米管阴极、提取电子的栅电极、以及一组将场发射电子聚焦到靶的小区域(焦斑)上的电子聚焦透镜(例如，Einzel类型的静电聚焦透镜)。焦斑可以大致上是相同尺寸的。焦斑的尺寸和/或X射线源生成的X射线通量可以由控制器调整。可选择地，焦斑尺寸的范围可以在大约0.05mm和2mm之间。对于每个X射线源像素，该系统设计为各向同性的0.2×0.2mm的有效焦斑尺寸。可以通过调整聚焦电极的电位来调整单独焦斑的尺寸。为了将电流波动和延迟最小化，并减小像素间的变化，可以合并电补偿回路以自动调整栅极电压从而维持恒定的预设发射电流。可以如此选择碳纳米管阴极的面积以使在0.2×0.2mm的有效焦斑尺寸情况下可以获得大约10mA的峰值X射线管电流。通过增加碳纳米管的面积和焦斑尺寸，可以获得50-100mA的更高的X射线峰值电流。

X射线源XS可以定位为将X射线束XB定向为朝向对象O安置的位置P。可以从几个不同角度将X射线束定向为朝向并穿过位置P。此外，X射线源XS、X射线探测器XD和位置P如此定位从而使得所生成的投影图像被X射线探测器XD探测。为了从不同角度收集对象O的投影图像以用于断层合成，如以下进一步详细描述的，控制器CTR可以顺序激活空间分布在相对大区域上的电子发射像素阵列。X射线源XS如此定位从而使所生成的X射线束至少大致定向为朝向位置P。每个X射线源XS可以包括场发射器，其可操作地生成电子束并可操作地将该电子束定向为朝向靶的焦点。所发射的电子束可以被加速至靶，扫描X射线束从该靶的广大区域上的不同点产生。控制器CTR可以进一步基于X射线源XS和对象O之间的距离来改变X射线辐射的强度，从而使从每个观察角度递送给对象O的X射线剂量是相同的。

X射线源XS可以如此定位从而使X射线生成设备XGD在大约64.52cm的源-探测器距离的情况下在各X射线焦斑之间提供大致均匀的2度角度间隔。各个X射线靶的位置和取向可以是如此的从而使所生成的X射线锥束的中心轴经过等中心OC，该等中心可以是要成像的对象O上的位置或者X射线探测器XD上的点。锥形X射线束可以在对象上具有大致相同的X射线强度分布。此外，X射线源可以产生具有不同能量谱的X射线辐射。

当在位置P处穿过对象O之后，X射线束XB可以被X射线探测器XD探测。在收集了所有或者至少部分的X射线束XB并将其作为X射线信号数据存储在存储器之后，投影图像重建功能PIRF可以基于对象O的投影图像来重建对象O的断层摄影图像。

图4B是根据在此描述的主题的实施例的图4A所示系统400的两个X射线源像素的示意图。参照图4B，X射线源XS1和XS2成角度地向着对象O的等中心OC。由对象O的中心OC和每个X射线源的电子场发射器的X射线焦斑形成的线处于X射线源的对称平面。X射线源像素可以如此倾斜从而将X射线源像素生成的X射线束的中心线定向为朝向等中心OC。在一个例子中，X射线源XS1和XS2的中心线形成一倾斜角度。X射线源可以相对于彼此倾斜以实现期望的倾斜角度。

在系统400中，从焦点起源的X射线束可以由来自阴极上相应像素的电子束生成。可以通过顺序激活各个像素来生成扫描X射线束。可以在X射线阳极和栅电极之间施加恒定DC高压(大约0-100KVp)。可以给栅电极施加变化的DC电压(大约0-2kV)。可选择地，X射线阳极可以配置为处于不同电压以产生具有多能量的X射线辐射。例如，对于具有25个X射线源的系统，可以将12个阳极配置为处于低电压，而可以将13个阳极配置为处于高电压。这种配置使得系统可以用于双能量成像。

可以通过与阴极连接的电子电路(例如，MOSFET电路)来实现单独发射像素的接通和断开。电子电路可以用于分别控制来自不同X射线焦斑XS(例如，X射线源XS1和XS2)的X射线强度，从而使它们可以是相同的或者被调制为向要成像的所述对象上递送期望的强度或者强度分布。当电子束轰击靶的阳极表面时，可以从相应焦点产生X射线束。为了生成扫描束，可以跨过各个MOSFET来扫描具有预定脉冲宽度的脉冲电压。在每个点处，通道可以被“打开”以从像素生成电子束，从而导致从靶上的相应焦点处生成X射线束。为了将X射线通量的波动最小化，可以以恒定电流模式来操作阴极。可以自动调整栅压以将发射电流以及因而的来自每个像素的X射线通量维持在期望水平。

X射线生成设备XGD的25个X射线源像素从端到端可以横跨57.45cm的距离。当源-对象的距离是64.52cm时，设备提供48度的覆盖范围，其中在邻近像素之间具有大致均匀的2度角度间隔。邻近X射线源像素之间的线性间隔可以变化以提供均匀的角度间隔。X射线束可以校准为在体模平面上23.04cm的视场(FOV)。如果X射线源像素布置成与探测器平面平行的线性直线而不是弧形，那么对于各个像素，像素-源距离可以变化。在对这一X射线束传播距离变化进行补偿的一个选择中，可以分别调整来自每个像素的X射线管电流从而使在体模表面处的通量保持相同。在另一解决方法中，可以在重建过程中将图像强度归一化。可以将体模放置在台上以在探测器和体模之间布置2.54cm的空气缝隙。

图5是示出根据在此公开的主题的实施例的采集对象图像的示例性过程的流程图。在这一例子中参考系统100，尽管如此在此描述的任意其它系统都可利用该过程来采集对象图像。参照图1和5，控制器CTR可以激活X射线源XS以利用X射线束来照射对象O，从而生成对象O的投影图像(方框500)。在方框502中，控制器CTR可以控制X射线探测器XD来探测对象O的投影图像。在方框504中，投影图像重建功能PIRF可以基于对象O的投影图像来重建对象O的断层摄影图像。功能PIRF可以利用任意适当技术来重建对象O的断层摄影图像。

图6是示出根据在此公开的主题的实施例的利用MBFEX系统来顺序采集对象图像的示例性过程的流程图。在这一例子中参考图1示出的系统100，尽管如此在此描述的任意其它系统都可利用该过程来采集对象图像。参照图1和6，在方框600中，系统100的控制器CTR可以将过程初始化并将变量i设置为1。变量i代表该过程的重复次数。在方框602中，控制器CTR可以将对应于第i个像素的X射线源XS开启。具体而言，一个或多个X射线源XS可以对应于X射线源的第i组。如以下进一步详细描述的，该过程顺序经过i组X射线源，直到已经开启全部X射线源并且探测到它们的X射线束XB。

在方框604中，控制器CTR可以控制X射线探测器XD来采集第i幅图像。具体而言，X射线探测器XD可以采集由第i个X射线源生成的对象O的投影图像。控制器CTR可以确定对来自所有i组X射线源的图像的采集是否已经完成(方框606)。如果确定的是未采集完来自所有i组X射线源的图像，那么控制器CTR可以将变量增加1(方框608)，并且该过程可以前进至方框502以采集来自X射线源剩余组的图像。

如果确定的是已经采集完来自所有i组X射线源的图像，那么投影图像重建功能PIRF可以基于对象的投影图像来重建对象O的断层摄影图像(方框610)。在方框612中，计算机COM的显示器可以显示对象O的重建切片图像。

图7是示出根据在此公开的主题的实施例的利用MBFEX系统来顺序采集对象图像的示例性过程的流程图。在这一例子中参考图1示出的系统100，尽管如此在此描述的任意其它系统都可利用该过程来采集对象图像。可以利用基于LABVIEW^TM(从国家仪器公司获得)的软件应用来生成用于电子控制X射线束像素的触发和切换以及使X射线照射和探测器数据收集同步的功能。

参照图1和7，在方框700中，系统100的控制器CTR可以将过程初始化并将变量i设置为1。变量i代表该过程的重复次数。在方框702中，控制器CTR可以将对应于第i个像素的X射线源XS开启。具体而言，一个或多个X射线源XS可以对应于第i组X射线源。如以下进一步详细描述的，该过程顺序经过i组X射线源，直到已经开启全部X射线源并且探测到它们的X射线束XB。在一个实施例中，控制器CTR可以控制X射线源以生成多路复用X射线束，如以下所述，所述X射线束可以被解复用以用于图像重建。

在方框704中，控制器CTR可以控制X射线探测器XD来采集第i幅图像。具体而言，X射线探测器XD可以采集由第i个X射线源生成的对象O的投影图像。控制器CTR可以确定对来自所有i组X射线源的图像的采集是否已经完成(方框706)。如果确定的是未采集完来自所有i组X射线源的图像，那么控制器CTR可以将变量增加1(方框708)，并且该过程可以前进至方框702以采集来自X射线源剩余组的图像。

图像采集之后，投影图像重建功能PIRF可以应用断层合成重建(方框710)，并经由计算机COM的显示器显示重建图像(方框712)。可选择地，如果X射线束是多路复用的，那么投影图像重建功能PIRF可以将图像解复用(方框714)，应用断层合成重建(方框716)并经由计算机COM的显示器显示重建图像(方框718)。

根据在此描述的主题，可以在系统中利用任意适当的多路复用成像技术。在这一成像模式中，所有X射线源像素或者X射线源像素的子组可以同时接通以照射对象。多路复用技术的一个例子包括频分多路复用。通过利用多路复用技术，可以显著增加总的图像收集时间。

在多路复用技术的一个例子中，可以利用正交频分多路复用技术。在这一例子中，生成脉冲X射线信号并且每个X射线束可以具有唯一的脉冲宽度和重复率。此外，在这一例子中，探测器从“开启”的X射线像素中根据时间记录所发射的X射线强度。然后在频域中将所记录的图像解复用以获得来自各个像素的投影图像。

在多路复用技术的另一例子中，可以利用二元多路复用技术。题为“Methods，Systems，and Computer Program Products for Binary MultiplexingX-Ray Radiography”的美国专利申请序列号No.11/804,897(其公开内容通过引用全部并入本文，并通常被分配到作为本专利申请的同一实体)描述了二元多路复用技术的一个例子。在这一例子中，X射线束的子集顺序接通。通过对来自各子集的合成图像的线性组合，可以获得各个投影图像。

可顺序触发X射线源并且相应地采集投影图像。图8是根据在此描述的主题的实施例的探测器触发和X射线源像素触发的定时图。在这一例子中，系统包括25个X射线源像素。信号代表由控制器生成的用于控制X射线源和探测器的控制信号。当触发信号为5V时，X射线辐射是开启的。针对每个像素的照射时间是T_照射，其与探测器的积分时间T_积分是相同的。通过信号的上升沿来触发探测器的读出。由T_r代表获取一幅图像的时间。总的扫描时间是25*(T_照射+T_r)。

根据在此描述的主题，每个场发射X射线源可均包括场发射阴极、当在栅极和阴极之间施加电场时从阴极提取电子的栅电极、将场发射电子聚焦到阳极上所定义的焦点区域的聚焦单元、以及当其被电子束轰击时产生X射线辐射的阳极。场发射阴极可以包括碳纳米管、纳米线、和/或微加工尖端。栅电极可以被单独控制或者电连接。

为了试验的目的，构建了根据在此公开的主题的系统的一个实施例。图9是根据在此公开的主题的通常表示为900的MBFEX系统的图像。参照图9，系统900包括X射线探测器XD、X射线生成设备XGD、和用于定位被成像的体模PH的台S。X射线生成设备XGD包括碳纳米管MBFEX源。X射线探测器XD是平板X射线探测器。系统900包括控制单元和计算机工作站。X射线探测器XD可以是平板探测器。视场可以是大约19.5cm×24.4cm，以便可以确保对乳房的全图像。在127μm像素间距的情况下，总的矩阵尺寸是1536×1920。探测器可以在非面元(non-binning)模式和2×2面元(binning)模式下运行。再次涉及图7，在用户同步模式下，连续TTL信号的上升沿可以触发探测器的读出。成像时间由积分窗口T_积分和探测器读出时间T_r确定。T_积分可经由触发信号控制。X射线辐射在积分窗口T_积分之内递送，而辐射期表示为T_照射。读出时间T_r取决于采集模式。对于标准的2×2面元模式，读出时间分别是128ms和32ms。在这一例子中，顺序获得投影图像。

图10是示出了X射线探测器XD、体模PH和X射线生成设备XGD的X射线源XS之间的空间关系的示意图。体模PH的中心和X射线生成设备XGD之间的距离是大约64.5cm。X射线生成设备XGD至探测器XD的距离是大约69.6cm，这为标准5cm乳房体模留下了大约2.5cm的空气间隙。X射线源以均匀的角度分布和大约2度的步幅或增量线性布置以减小系统复杂性。X射线生成设备的总角度覆盖范围是大约48度。在这一系统中，最接近的X射线焦斑之间的距离从2.5cm到2.7cm变化，并且X射线生成设备阵列的总跨度是大约57.5cm。

系统900包括场发射X射线源阵列。25个X射线源像素的结构是大致相同的。图11A和11B分别是根据在此公开的主题的实施例的X射线源XS的透视图和示意图。参照图11A和11B，X射线源XS可以包括用于发射电子的电子场发射器FE。电子场发射器FE可以包括一个或多个碳纳米管和/或其它适当的电子场发射材料。电子场发射器FE可以与阴极C的表面、导电线或接触导线、或者其它适当导电材料附接。

电子场发射器FE可以由包括MOSFET电路的适当控制器(例如图4A所示的控制器CTR)控制。该控制器可以控制电压源以在电子场发射器FE和栅电极GE之间施加电压，从而生成电场以从电子场发射器FE提取电子，因而产生电子束EB。控制器可以操作MOSFET电路以单独控制X射线源发射电子束。MOSFET的漏极可以与阴极C连接，以控制发射器FE发射电子束。可以通过将高信号(例如，5V)和低信号(例如，0V)施加于MOSFET的栅极来开启和关闭MOSFET。当高信号施加于MOSFET的栅极时，晶体管的漏极到源极通道被开启以在阴极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之间生成电场，从而从电子场发射器FE提取电子。相反，当低电压(例如，0V)施加于MOSFET的栅极时，漏极到源极通道被关闭，从而发射器FE的电压是电浮动的，并且在阴极C和栅电极GE之间的电压差不能生成足够强度的电场来从发射器FE提取电子。

阴极C可以是接地的，并且在成像采集期间其它电极维持在恒定电压。栅压确定了X射线管电流。低于阈值就没有电流，而随着栅压高于阈值，电流指数型地增加。在一个例子中，每个X射线像素在40kVp时可以提供在0.1和1mA之间的管电流。控制器可操作地将不同频率的电压脉冲施加给MOSFET的栅极。

此外，X射线源XS可以包括具有被电子束EB轰击的焦斑的阳极A。可以在阳极A和栅电极GE之间施加电压差，从而生成场来将电子场发射器FE发射的电子向着阳极A的靶结构TS加速。靶结构可以在被电子束EB轰击时产生具有预定信号的X射线束。X射线源XS可以包括用于将从电子场发射器FE提取的电子聚焦到靶结构TS上的聚焦电极FEL1和FEL2，并因而减小了电子束EB的尺寸。可以通过由电压源给聚焦电极施加电压来控制聚焦电极FEL1和FEL2。施加到聚焦电极上的电压控制电子的轨迹。栅压可以取决于期望的通量而变化。

电子场发射器FE和栅电极GE可以包含于具有大约10^-7Torr压力的密封内部的真空腔室之内。可以将该真空腔室的内部抽空以实现期望的内部压力。X射线辐射可以经由X射线可穿透部分或者窗口从真空腔室的内部传播至其外部。在一个例子中，X射线可穿透部分或者窗口可以是铍(Be)或者钼(Mo)窗口。除其它应用外，钼阳极和过滤器的组合可以用于乳房成像。可以将高达40keV的高电压施加于阳极A。可以使阳极A适当地成形和/或成角度从而使所生成的X射线束从多个不同视角向着对象传输。源的目标性能是每个X射线源像素可以在200μm×200μm的有效焦斑尺寸下提供10mA的峰值电流。可选择地，能量过滤器可以包括铈，并且施加于阳极A的电压可在60-80kV的范围。

图12是根据在此描述的主题的控制器CTR的电路图，该控制器配置为控制X射线束从多个X射线源的发射。参照图12，控制器CTR可以包括多个MOSFET，其可操作地分别接通和断开X射线源XS。MOSFET的漏极(D)、栅极(G)和源极(S)分别与阴极C、由计算机电路板CB生成的TTL触发信号以及共用接地GND连接。当TTL触发信号为低状态时，在源极和漏极之间的传导通道是关闭的。这使得碳纳米管阴极电位相对于共用接地GND浮动，并且没有电子从阴极C发射并因而没有X射线束生成。当TTL触发信号为高状态时，阴极C由于开启的传导通道而接地。结果，通过栅极G和阴极C之间的电场提取电子，并产生X射线辐射。鉴于数十毫秒的X射线照射期，大约35到45ns的(在TTL信号和传导通道的切换之间的)MOSFET延迟时间是足够了的。可以在成像采集过程期间在任意给定时间单独地切换X射线源像素，从而提供很大的适应性。可变电阻R是内置的以补偿各个阴极性能的变化。

图13是根据在此描述的主题的实施例的MBFEX X射线源的图像。该阵列包括25个可单独控制的X射线源像素XS，该X射线源像素向着定位要成像的对象的位置的等中心倾斜。

重建功能可以基于最大似然模型来使用迭代有序子集凸(iterativeordered-subset convex)(OSC)技术来重建切片图像。该重建技术应用共享方法来将所有投影图像转换到参照的公共帧，然后使用预计算的锥束模型来在该公共帧内进行投影和反投影。为了减少计算负荷，重建了非立方的体素。已经通过模拟数据和乳房体模图像两者对这一技术进行了验证，该乳房体模图像从具有有限数量像素的场发射X射线源阵列测量。

表1示出了图9示出的系统900与商业上可获得系统的比较。

  图9的系统900  GE：  Senographe  2000D  Siemens：  Mammomat  Novation  Hologic：  Selenia  X射线kVp，  mA  25-35kVp，10  mA  25-30kVp，  ～130mA  ～28kVp，～180  mA  24-39kVp，  ～100mA  焦斑尺寸  200μm  300μm  300μm+模糊*  300μm+模糊*  靶/过滤器  钼/钼  钼/钼，铑/铑  钨/铑  (钼，钨)/  (铑，铝)  角度覆盖范围  48度  50度  50度  30度  视图数量  25  11  25/49  11  扫描架运动  固定  停止再照射  连续旋转  连续旋转

  图9的系统900  GE：  Senographe  2000D  Siemens：  Mammomat  Novation  Hologic：  Selenia  平板探测器  非晶硅  Cs:I非晶硅  直接转换非晶硒  直接转换非晶硒  探测器尺寸  19.5×24.4cm  像素间距：127  μm  18.00×23.04  像素间距：100  μm  23.9×30.5cm  像素间距：85  μm  24×29cm  像素间距：70  μm(对于DBT  是140μm)  读出时间  0.128s/0.032s  0.3s  0.6s/0.3s  0.6s  积分时间  0.32s  0.4s  0.2s  1.0s  照射时间  0.32s  ～0.1s  ～0.03s  0.073s  总扫描时间**  对于25个视图  是11.2s  对于11个视图  是7s  对于25/49个视  图是20s/39.2s  对于11个视图  是18s  重建技术  有序子集凸(最  大似然)  ML-EM  FBP：滤波反投  影  FBP：滤波反投  影

*：由于在照射期间扫描架运动导致的额外焦斑模糊

**：总扫描时间＝(视图数量)×(循环时间)；循环时间＝(读出时间)+(积分时间)

表1：系统比较

根据在此公开的主题的系统超过商业上可获得系统的优势包括：(1)系统900的总焦斑尺寸是200μm，而其它系统的值是300μm或者更大；(2)固定设计通过消除机械运动来提供更少的扫描架振动；以及(3)照射时间与探测器积分窗口匹配。目标总扫描时间(面元模式下是8.8s，并且在全分辨率模式、25个观察角度下是11.2s，)更短，可以通过要求放宽焦斑尺寸以增加X射线管电流来进一步减小目标总扫描时间。

利用硅-pin光电二极管探测器来测量在28keV下系统900的X射线源的能量谱。可以如此选择所使用的能量过滤器，从而使得来自每个X射线焦斑的X射线辐射具有相同的能量谱。当在视场内的不同位置并从不同X射线源像素测量时，该谱是不变的。图14的图表示出了在28keV下系统900(图9)的实验测量能量谱。图14示出的结果与典型的钼/钼X射线谱充分一致。在该图中可以识别出两个钼特性峰值，一个在17.5keV而另一个在19.6keV。可选择地，能量过滤器可以如此改变从而可以单独控制来自各X射线焦斑的能量谱。

图15是图9示出的系统900的根据栅压变化的阳极电流的图形。对于这一X射线源的阈值是大约650V。来自碳纳米管阴极的发射电流遵循Fowler-Nordheim公式取决于栅极和阴极之间的电场。在这一特定的X射线源中，总电流的72％经过栅电极并达到阳极以产生X射线辐射(也表示为阳极电流)。图15的图表示出了从一个像素测量的典型阳极电流与栅压数据。由于电子控制设备的电压限制，在这一实验中可以施加的最大栅压是1500V，这将阳极电流限制在～4mA，低于10mA的目标值。可以通过改变设计和/或优化碳纳米管阴极(当在单独的机构中测量时，在相同条件下制造的阴极可以在更高的栅压下恒定地产生超过10mA)来克服这一限制。

在这一实验中，已经描述了图9示出的系统900的9个像素。由于碳纳米管阴极的变化，获得相同电流所必需的栅压是不同的。作为参考，对于1mA的管电流，电压从925V到1465V变化。表2示出了从这一实验获得的9个像素的栅压和电流的标准偏差。

  X射线源编号  栅压(V)  电流的标准偏差(mA)  1  1230  0.02  2  925  0.01  3  1230  0.02  4  1015  0.01  5  1300  0.03  6  1070  0.01  7  1160  0.01  8  1465  0.02  9  1030  0.01

表2：像素的栅压和标准偏差

可以通过控制器中的可变电阻来补偿电压差。随着制造技术和阴极质量控制的改善，可以减少该变化。通过测量处于恒定电压的100个脉冲X射线的电流，可以确定电流稳定性。对于所有测试的像素，电流的标准偏差小于0.03mA。

在这一实验中，对于所有25个X射线源，所设计的X射线焦斑尺寸大约是200×200μm。实际值是按照欧洲标准EN12543-5测量的。制造由1mm钨线制成的定制十字线体模来同时测量沿着两个正交方向的焦斑尺寸。将体模放置为接近X射线源以获得大的放大因子。首先改变施加于两个聚焦电极的电压以优化焦斑尺寸。据发现，当两个聚焦电极分别处于500V和1600V时，可以实现最佳焦斑尺寸。图16示出了十字体模的典型投影图像。图17是示出了两个导线的线轮廓的图形，其中X轴是X射线源阵列的方向，而Y轴垂直于该阵列。

表3示出了9个X射线源像素的焦斑尺寸测量结果。

 X射线源编号 F_X：平行于X射线源阵列 F_y：垂直于X射线源阵列  1  0.20mm  0.20mm  2  0.20mm  0.17mm  3  0.18mm  0.19mm  4  0.19mm  0.19mm  5  0.20mm  0.19mm  6  0.19mm  0.17mm  7  0.18mm  0.17mm  8  0.19mm  0.19mm  9  0.18mm  0.19mm

表3：像素的焦斑尺寸测量结果

表3示出的结果与所设计的0.20×0.20mm规格充分一致。X射线源的各向同性焦点具有0.19mm的平均值。来自不同X射线源的测量结果也是一致的。

断层合成重建要求精确的系统几何参数。对于几何校准，基于椭圆参数的识别来应用解析法，该几何校准是对于锥束CT校准而言首先建立的。制造具有已知距离的两个点对象的体模。单独地校准25个X射线源的几何参数。对于每个像素，采集体模的6幅投影图像(每隔60度旋转)。两个球的轨迹在探测器平面上形成两个椭圆。可以基于这些椭圆曲线来进一步计算该参数，包括源-探测器距离和探测器平面上的X射线源偏移值。计算出源-探测器距离为69.3cm，并有2mm的不确定度。也计算在各X射线源之间的距离。该结果与设计值一致并具有1mm之内的不确定度。

在一个实施例中，可以在X射线探测器和用于定位对象的位置之间定位防散射部件。具体而言，可以制造一维或者二维的防散射栅格来利用线性MBFEX的优点。例如，在二维栅格的情况下，可基于所述X射线源中被激活的一个或多个的位置来调整所述防散射部件。可选择地，在一维防散射栅格的情况下，栅格线可以平行或者垂直于MBFEX的线性/弧形方向延伸。可以剪裁栅格的几何结构以使扇束重建可以提高断层摄影图像的质量，并提高重建速度。

利用这种防散射部件，锥束X射线源可以用于产生对象的扇束重建断层摄影图像。例如，再次参考图4A，可以提供多个固定场发射X射线源XS。X射线源XS可以空间分布成大致线性阵列(例如，X射线生成设备XGD)。然后可以利用由X射线源XS产生的X射线锥束来照射对象O，以生成对象O的二维投影图像。线性防散射栅格AS可以放置在对象O和探测器XD之间以减少X射线锥束的散射。可以探测对象O的二维投影图像，并且可以将二维投影图像分为一维数据的组。可以从所有不同X射线源XS来收集这些一维数据的组，并且扇束重建可以用于从各一维数据的组来重建对象O的切片图像。切片图像可以融合在一起以形成对象O的三维图像。

应理解的是，目前公开的主题的各种细节可以改变，而不脱离目前公开的主题的范围。此外，前述描述仅出于说明的目的，而非限制的目的。