專利名稱：激光驅(qū)動(dòng)的x射線醫(yī)療成像設(shè)備及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光驅(qū)動(dòng)的超快硬X射線醫(yī)療成像設(shè)備及其成像方法。
背景技術(shù)：
近年來,每年患癌癥的人數(shù)呈遞增趨勢(shì)，目前已達(dá)到260萬人/年。而每年因?yàn)榘┌Y死亡的人數(shù)現(xiàn)在已經(jīng)大于180萬人，平均五年的死亡率將近30%，到2015年死亡率預(yù)計(jì)將上升至50%，總數(shù)過500萬人/年。由于醫(yī)生和診斷治療的儀器水平的不足，社會(huì)不得不面臨即將到來的癌癥災(zāi)難。而我們目前治療癌癥的方法包括化學(xué)藥物治療、手術(shù)治療和癌癥腫瘤放射治療，都對(duì)人體的傷害巨大，因此早期診斷的重要性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于治療。以乳腺癌診斷為例，傳統(tǒng)觀點(diǎn)上，當(dāng)腫瘤尺寸大于等于Icm時(shí)被診斷稱為早期診斷，但臨床發(fā)現(xiàn)此時(shí)腫瘤大多形成已三年以上，癌細(xì)胞很大幾率已經(jīng)擴(kuò)散，且不可恢復(fù)。因此，有人提出新的早期診斷觀點(diǎn)，那就是腫瘤尺寸小于等于0.5cm時(shí)少見擴(kuò)散，診斷發(fā)現(xiàn)時(shí)間比傳統(tǒng)觀點(diǎn)上的Icm分辨短了 0.5-1年，治愈率大于90%，因此0.5cm以下的腫瘤診斷是很重要的。同步輻射光源被證明可以廣泛應(yīng)用于各種研究，但是，由于其設(shè)備巨大，操作復(fù)雜，費(fèi)用高，不能進(jìn)行體檢式排查，在實(shí)際醫(yī)學(xué)應(yīng)用中具有很大的局限性。普通體檢用X射線光管其源尺寸太大，通常為200um-300um，成像分辨率不高，只能分辨直徑為Icm的癌細(xì)胞，也無法應(yīng)用于體檢式的醫(yī)療早期診斷和早期治療。微米X光管其源尺寸也有可能做成十幾微米進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的成像 診斷，但源產(chǎn)生的X射線通量非常低不適合進(jìn)行體檢式排查。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備的成像方法，包括:輸出頻率為100Hz、能量為600mJ、中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為60fs的激光脈沖束；用離軸拋物面鏡(OAP)聚焦上述激光束，焦斑直徑為ΙΟμπι ;將聚焦后的激光束打到固體鑰靶上，在聚焦區(qū)域與固體靶相互作用而產(chǎn)生十幾個(gè)keV的硬X射線；利用硬X射線進(jìn)行生物體成像。其中所述激光脈沖束的脈寬為60飛秒，聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度大于5X1016W/cm2，所述激光脈沖束的對(duì)比度值小于10-5。本發(fā)明還提供一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備，包括:鈦寶石激光器，用于產(chǎn)生輸出頻率為100Hz、能量為600mJ、中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為60fs的激光脈沖束；聚焦光學(xué)元件離軸拋物鏡(OAP)，用于聚焦上述激光脈沖束至ΙΟμπι焦斑；固體鑰靶，將聚焦后的激光脈沖束打到該固體靶上，激光脈沖束在聚焦區(qū)域與固體靶相互作用而產(chǎn)生十幾keV的硬X射線；成像裝置(Fujifilm SR-2025Image Plates)和讀出裝置(Fujifilm 1800II Scanner)。其中固體靶可根據(jù)需要選擇Mo靶、Ta靶或Ag靶等。本發(fā)明提供的激光驅(qū)動(dòng)的用于醫(yī)療成像設(shè)備的X射線源，是超強(qiáng)超快的硬X射線源，其尺寸小于10 μ m,成像的分辨率可以得到很大的提高，并且具有高的X射線通量，特別是小尺寸源下的高通量，以其10-5高能量轉(zhuǎn)換效率，可進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)高分辨率的成像，非常適合于腫瘤的早期診斷，為癌癥的早期診斷提供了可能，可以實(shí)際應(yīng)用在大多數(shù)的診所和醫(yī)院。


以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中:圖1.本發(fā)明的X射線醫(yī)療成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2.本發(fā)明的X射線源得到的K殼層X射線光譜圖(2a)和能譜圖(2b)。圖3.本發(fā)明的X射線源與傳統(tǒng)X射線光管在分辨率(3a)和調(diào)制傳遞函數(shù)(3b)的比較。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所使用的術(shù)語“超快X射線”取其在本領(lǐng)域內(nèi)的常規(guī)含義，指的是脈沖時(shí)間尺度為飛秒(fs)量級(jí)的X射線?！俺瑥?qiáng)超快激光”是指脈沖時(shí)間尺度為飛秒量級(jí)且能量密度很強(qiáng)的激光，該能量密度大于5X 1016。激光的“對(duì)比度”是預(yù)脈沖和主脈沖強(qiáng)度的比值，其值越小越好，預(yù)脈沖的增大會(huì)導(dǎo)致電子的無效加熱，從而減小X射線流強(qiáng)，在本發(fā)明中采用小于10-5量級(jí)的對(duì)比度?！坝瞂射線”是指光子能量大于IOkeV的X射線，相對(duì)來說，“軟X射線”是光子能量小于IkeV的X射線。“l(fā)p”是line pair的縮寫，是指“線對(duì)”?！發(fā)p/mm”是本領(lǐng)域公知的用來標(biāo)示分辨率的物理量。超強(qiáng)超快激光與Mo等固體靶相互作用可產(chǎn)生等離子體并輻射出超強(qiáng)超快硬X射線，本發(fā)明基于該原理，利用上述超強(qiáng)超快硬X射線作為醫(yī)療成像源。通過改變激光和相互作用條件，如優(yōu)化激光對(duì)比度和脈寬、優(yōu)化激光焦斑的尺寸以及成像板與成像物的位置等，即可產(chǎn)生最小的超強(qiáng) 超快硬X射線源以及得到最大的成像分辨率。實(shí)施例1參照?qǐng)D1描述根據(jù)本發(fā)明的X射線醫(yī)療成像設(shè)備的成像方法的一個(gè)具體實(shí)施例，該方法包括:1)利用激光器I輸出頻率為100Hz、能量為600mJ、中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為60fs的激光脈沖束；2)上述激光束經(jīng)過聚焦光學(xué)元件2，被聚焦成尺寸為IOum的光斑，聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度為3X 1018W/cm2 ；3)將聚焦后的激光束引到位于靶室3中的Mo靶5上，與Mo靶5在焦點(diǎn)處相互作用而產(chǎn)生Mo的K殼層X射線；4)經(jīng)過Mo片4濾掉低能量X射線和電子的干擾；5)經(jīng)由控制 臺(tái)上的生物成像樣品7透視成像；6)由Fujifilm SR-2025成像板8記錄所成的像，并經(jīng)Fujifilm 1800 II的IP讀出儀9將成像板上的信息轉(zhuǎn)換為可視化圖片信息，并由計(jì)算機(jī)10讀出并分析，從而得到成像物清晰的透視像。其中，聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度優(yōu)選但不限于3X1018W/cm2，如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，該激光平均強(qiáng)度越強(qiáng)，則所產(chǎn)生的X射線的強(qiáng)度越大，根據(jù)發(fā)明人的研究結(jié)果，聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度需大于5X 1016W/cm2才能滿足本發(fā)明的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要通過調(diào)節(jié)激光平均強(qiáng)度來調(diào)節(jié)X射線的強(qiáng)度。其中，激光的“對(duì)比度”是指預(yù)脈沖和主脈沖強(qiáng)度的比值，預(yù)脈沖的增大會(huì)導(dǎo)致電子的無效加熱，從而減小X射線流強(qiáng)，根據(jù)發(fā)明人的研究結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，需采用小于10-5量級(jí)的對(duì)比度。其中Mo片4，可以被其他合適的可濾掉低能量X射線和電子干擾的過濾窗片所代替，如Ta片等。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例,在成像過程中，還可以用Prinston Instruments的單光子計(jì)數(shù)CCD(LCXCCD)6和刀邊成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，得到激光脈沖與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線源尺寸和X射線流強(qiáng)。當(dāng)然也可以用其他計(jì)數(shù)裝置或成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。如圖2所示，圖2a為根據(jù)本實(shí)施例的激光驅(qū)動(dòng)的K殼層X射線光譜圖，從圖上我們可以清晰的看到Ka l、Ka 2和Κβ譜線，圖2b是激光驅(qū)動(dòng)的K殼層X射線能譜圖。如圖3所示，其中圖3a和圖3b分別為根據(jù)本實(shí)施例的激光驅(qū)動(dòng)的K α射線源與相同條件(包括放大倍數(shù)，Mo的Ka輻射，使用Mo作為濾片，相同的成像探測(cè)系統(tǒng))下傳統(tǒng)X射線管的分辨率和調(diào)制傳遞函數(shù)的比較。如圖3a所示，激光驅(qū)動(dòng)的X射線源成的像比X射線光管更加清晰，分辨率更高。且傳統(tǒng)的X射線光管在分辨率為lllp/mm時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)已經(jīng)趨于零，下降趨勢(shì)十分明顯，見圖3b，而激光驅(qū)動(dòng)的X射線源的調(diào)制傳遞函數(shù)趨勢(shì)明顯緩和，分辨率直到201p/mm尚有較高的調(diào)制傳遞函數(shù)，其效能相比X射線光管有顯著的提聞。實(shí)施例2參照?qǐng)D1所示描述·根據(jù)本發(fā)明的X射線醫(yī)療成像設(shè)備的一個(gè)具體實(shí)施例，該成像設(shè)備包括:I)鈦寶石激光器1，可輸出激光脈沖束，該激光器例如可以是IOTW鈦寶石激光器；2)聚焦光學(xué)元件離軸拋物鏡(OAP) 2，用于聚焦激光器輸出的激光束，該聚焦光學(xué)元件例如可以是離軸拋物鏡(OAP)或長(zhǎng)焦透鏡；3)Mo IE 5,位于革巴室3中；4)Mo片4，用于濾掉低能量X射線和電子的干擾；5)成像板(Fujifilm SR_2025Image Plates)8 ；6) IP讀出儀(Fujifilm 1800 II Scanner) 9，用于將成像板上的信息轉(zhuǎn)換為可視化圖片信息，并由計(jì)算機(jī)10讀出并分析，從而得到成像物清晰的透視像；7)Prinston Instruments單光子計(jì)數(shù)CO) (LCX CO)) 6,利用刀邊成像技術(shù)進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，得到激光脈沖與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線源尺寸和X射線流強(qiáng)。其中可以根據(jù)醫(yī)用成像需要利用Ta靶或Ag靶等其他可以與激光相互作用可產(chǎn)生硬X射線的固體靶來代替Mo靶。激光器1、聚焦光學(xué)元件2和固體靶5共同構(gòu)成X射線源。其中Mo片4，可以被其他合適的過濾窗片所代替，如Ta片等。其中成像板(IP)8、IP讀出儀9和計(jì)算機(jī)10可被熒光板和可見光C⑶代替，也可以被其他成像裝置和讀出裝置代替。其中，也可以不包括單光子計(jì)數(shù)CXD和計(jì)算機(jī)，或者可以用其他計(jì)數(shù)裝置代替單光子計(jì)數(shù)CCD。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍 當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備的成像方法，包括: 輸出頻率為100Hz、能量為600mJ、中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為60fs的激光脈沖束； 用離軸拋物面鏡(OAP)對(duì)上述激光束聚焦，焦斑尺寸為IOym; 使聚焦后的激光脈沖束打到固體鑰靶上，在聚焦區(qū)域與固體靶相互作用而產(chǎn)生十幾keV的硬X射線； 利用硬X射線對(duì)生物樣品成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，其中所述激光脈沖束的脈寬為60飛秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，其中所述聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度大于5X 1016W/cm2。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像方法，其中所述聚焦區(qū)域激光平均強(qiáng)度為3X1018W/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，其中所述激光脈沖束的對(duì)比度值小于10-5。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，還包括由讀出裝置Fujifilml800II讀出儀讀出成像裝置Fujifilm SR-2025成像板所成的像。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，還包括利用PrinstonInstruments單光子計(jì)數(shù)CXD (LCX (XD)測(cè)量X射線源尺寸和X射線流強(qiáng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像方法，還包括使產(chǎn)生的X射線經(jīng)過鑰片過濾，以濾掉低能量X射線和電子的干擾。
9.一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備，包括: 鈦寶石 激光器，用于產(chǎn)生能量為600mJ、脈寬為60fs的激光脈沖束； 聚焦光學(xué)元件(離軸拋物面鏡)，用于聚焦上述激光脈沖束至10 μ m焦斑； 固體鑰靶，將聚焦后的激光脈沖束打到該固體鑰靶上，激光脈沖束在聚焦區(qū)域與固體鑰靶相互作用而產(chǎn)生十幾keV的硬X射線； 成像裝置使用Fujifilm SR-2025成像板，用于利用硬X射線對(duì)生物體成像物成像。
讀出裝置使用Fujifilm 1800II Scanner,用于將成像裝置所成的像讀出。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的X射線源，其特征在于所述固體靶可以是Mo靶、Ta靶或Ag靶等。
全文摘要
本發(fā)明提供一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備的成像方法，包括輸出頻率為100Hz、能量為600mJ、中心波長(zhǎng)為800nm、脈寬為60fs的激光脈沖束；用離軸拋物面鏡(OA0)聚焦上述激光束，焦斑直徑為10μm；將聚焦后的激光束打到固體鉬靶上，在聚焦區(qū)域與固體靶相互作用而產(chǎn)生十幾個(gè)keV的硬X射線；利用硬X射線進(jìn)行生物體成像。本發(fā)明還提供一種X射線醫(yī)療成像設(shè)備。
文檔編號(hào)A61B6/00GK103230281SQ201310157729
公開日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月2日
發(fā)明者陳黎明 申請(qǐng)人:陳黎明