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顯微CT設(shè)備X射線源全面解析：閉管反射式、開管透射式、閉管透射式

復(fù)納科技 2024-02-02 | 閱讀：1562

引言

在上一期的推文《X 射線成像技術(shù) I 一文了解工業(yè) CT 與顯微 CT 的區(qū)別》中，我們通過對(duì)工業(yè) CT 和顯微 CT 成像技術(shù)原理、樣品尺寸和分辨率以及應(yīng)用功能等方面的對(duì)比，綜合了解了工業(yè)CT 和顯微 CT成像技術(shù)。X 射線管是 CT 的核心零部件，正如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)一樣，是我們選擇設(shè)備要考慮的重要因素。本期我們簡(jiǎn)要介紹在 CT 成像設(shè)備中 X 射線發(fā)射源的主要 3 種方式及其特點(diǎn)，期望能夠幫助大家更好地理解 X 射線 CT 成像技術(shù)，根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)、樣品類型、成像需求等方面綜合考慮，選購合適的設(shè)備。

Part 1 X 射線源：開管 VS 閉管，透射 VS 反射

首先我們對(duì) X 射線源的開管和閉管以及透射和反射進(jìn)行區(qū)分。此處需要特別指出的是，開管和閉管是 X 射線源真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的差別，而透射式和反射式是 X 射線產(chǎn)生方式的差別。

X 射線源開管

定義：X 射線管的陰極和陽極之間的空間是開放的，使用時(shí)需要抽真空。

開管透射式

優(yōu)勢(shì)：開管的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在 X 射線焦斑小，這樣 CT 的放大比可以做的更大，更容易達(dá)到高空間分辨率。同時(shí)開管的輻射角大，適合掃描大的樣品，在工業(yè) CT 里有更廣泛的應(yīng)用。

劣勢(shì)：主要是在使用過程中，需要連續(xù)對(duì)打開的 X 射線管進(jìn)行抽真空。真空系統(tǒng)會(huì)占用更多體積，增加設(shè)備重量。開管的壽命也較短，一般在使用 300~500 小時(shí)后就需要維護(hù)，真空泵的維護(hù)需要昂貴的費(fèi)用，如果維護(hù)不好就會(huì)影響設(shè)備功能甚至?xí)p壞設(shè)備。開管設(shè)備的整體售價(jià)相對(duì)閉管設(shè)備也高出許多。

X 射線源閉管

定義：閉管的陰極、陽極（又稱靶材）封閉在真空管內(nèi)，使用時(shí)不需要抽真空。

閉管反射式

優(yōu)勢(shì)：使用時(shí)無需抽真空，使用前無需等待抽真空時(shí)間。同時(shí)設(shè)備不需要安裝真空系統(tǒng)，設(shè)備體積小，重量輕，穩(wěn)定性好。閉管的 X 射線源封裝在真空管內(nèi)，燈絲可長(zhǎng)期使用。

劣勢(shì)：X 射線焦斑略大，不利于提高空間分辨率。輻射角小，不適合掃描很大的樣品。

下面是 X 射線源開管和閉管區(qū)別的簡(jiǎn)要對(duì)比表：

X 射線源透射與反射

定義：從靶材的形狀和角度分類，X 射線管分為反射式和透射式。

透射式靶是很薄的一層薄膜，靶面與入射電子束垂直，其特點(diǎn)是可以獲得更小的焦點(diǎn)尺寸和更大的輻射角度。

反射式靶面與入射電子束形成一定傾斜角度，其特點(diǎn)是具有較大的散熱體積，可以承受較高電壓的加速電子。

Part 2 市面上主流的 3 種 X 射線源對(duì)比

通過結(jié)合 X 射線源的真空系統(tǒng)和產(chǎn)生方式，市面上工業(yè) CT 和顯微 CT 設(shè)備采用的 X 射線源方式主要有以下 3 種：

01閉管反射式

閉管反射式 X 射線源是一種在 CT 設(shè)備中常見的 X 射線源類型。其采用了封閉的金屬管設(shè)計(jì)，將 X 射線源封裝在內(nèi)，以降低 X 射線泄漏風(fēng)險(xiǎn)。內(nèi)部使用反射技術(shù)，通常通過金屬或合金反射器，使 X 射線沿著預(yù)定的路徑傳播，減小散射和泄漏。這種設(shè)計(jì)提高了設(shè)備的安全性，減少了散射，同時(shí)保持了相對(duì)穩(wěn)定和高質(zhì)量的 X 射線產(chǎn)生。

閉管反射式 X 射線源的優(yōu)點(diǎn)：

1. 安全性提高：封閉的金屬管設(shè)計(jì)有助于減少 X 射線的泄漏，提高設(shè)備的安全性，保護(hù)操作人員和患者免受不必要的輻射影響。

2. 散射減小：內(nèi)部反射技術(shù)減小 X 射線的散射，有助于提高成像的清晰度和準(zhǔn)確性。

3. 穩(wěn)定性優(yōu)越：閉管反射式 X 射線源通常具有較好的穩(wěn)定性，有助于保持成像質(zhì)量的一致性，適用于長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作的情況。

4. 適用于醫(yī)學(xué)影像：由于提供相對(duì)穩(wěn)定和高質(zhì)量的 X 射線源，閉管反射式非常適用于醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域。

閉管反射式 X 射線源的缺點(diǎn)：

1. 熱量產(chǎn)生：閉管反射式在 X 射線產(chǎn)生過程中可能產(chǎn)生較多的熱量，因此可能需要額外的散熱系統(tǒng)來保持設(shè)備的穩(wěn)定性。

2. 復(fù)雜性：封閉的設(shè)計(jì)和反射技術(shù)增加了 X 射線源的復(fù)雜性，可能需要更復(fù)雜的維護(hù)和調(diào)整過程。

3. 設(shè)備成本較高：由于采用了封閉設(shè)計(jì)和反射技術(shù)，閉管反射式 X 射線源的制造和維護(hù)成本可能相對(duì)較高。

4. 分辨率受限：由于靶材無法旋轉(zhuǎn)或更換，時(shí)間一長(zhǎng)，電子束轟擊位置靶材質(zhì)量變差，導(dǎo)致成像質(zhì)量不斷下降。同時(shí)， X 射線焦斑大，限制了分辨率的提高。且由于輻射角小，不適合掃描大樣品

總體而言，閉管反射式 X 射線源通過提高安全性、減小散射、保持穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，較適用于醫(yī)學(xué)影像等領(lǐng)域，但也存在一些需要考慮的缺點(diǎn)。

02開管透射式

開管透射式 X 射線源可將 X 射線直接透射到物體上而無需封閉的金屬管。這種開放式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了 X 射線的路徑，可能提供更直接的透射方式。然而，由于直接透射，可能需要考慮安全性和熱量散發(fā)方面的問題，并可能需要額外的安全措施和散熱系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)可能更加靈活，適用于特定的成像需求和設(shè)備設(shè)計(jì)。

開管透射式 X 射線源的優(yōu)點(diǎn)：

1. 直接透射：開管透射式 X 射線源通過開放式設(shè)計(jì)，使 X 射線直接透射到物體，簡(jiǎn)化了 X 射線的路徑，可能提供更直接的成像方式。

2. 靈活性：由于采用了開放式設(shè)計(jì)，開管透射式可能更加靈活，適用于不同的成像需求和設(shè)備設(shè)計(jì)。

3. 成像質(zhì)量高：直接透射可能有助于獲得清晰的影像，提高成像的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

開管透射式 X 射線源的缺點(diǎn)：

1. 熱量散發(fā)：由于直接透射，開管透射式在 X 射線產(chǎn)生過程中可能產(chǎn)生較多的熱量，可能需要額外的散熱系統(tǒng)來保持設(shè)備的穩(wěn)定性。

2. 需要抽真空：使用時(shí)需要抽真空，等待時(shí)間長(zhǎng)，工序繁瑣，且真空系統(tǒng)占設(shè)備體積多，增加了整體重量。

3. 維護(hù)成本高：燈絲壽命短，一般在使用300~500 小時(shí)后就需要維護(hù)，且球管的價(jià)格比較昂貴。

總體而言，開管透射式 X 射線源通過直接透射提供了一些優(yōu)點(diǎn)，但也伴隨著熱量散發(fā)和安全性考慮等一些缺點(diǎn)，這需要在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行權(quán)衡和考慮。

03閉管透射式

閉管透射式 X 射線源通過結(jié)合閉管的真空系統(tǒng)和直接透射的特點(diǎn)，是近幾年興起的一種 X 射線源設(shè)計(jì)方式，旨在提供更穩(wěn)定、安全、清晰的 X 射線源。

閉管透射式 X 射線源的優(yōu)點(diǎn)：

01. 真空系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)：閉管透射式結(jié)合了閉管的真空系統(tǒng)，有效防止了氣體的干擾，有助于穩(wěn)定和控制 X 射線的產(chǎn)生。無需抽真空，使用前無需長(zhǎng)時(shí)間等待，且設(shè)備無需安裝真空系統(tǒng)，設(shè)備重量輕。

02. 直接透射：采用了直接透射的設(shè)計(jì)，使 X 射線直接傳播到物體，可能簡(jiǎn)化了 X 射線的路徑，提高成像的清晰度。

03. 安全性提高：封閉的設(shè)計(jì)有助于減少 X 射線泄漏，提高設(shè)備的安全性，有利于保護(hù)操作人員。

04. 靈活性和透明度：直接透射可能使得成像更為靈活，并有助于獲得清晰的影像，提高成像的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

05. 分辨率高：靶材可移動(dòng)，電子束不會(huì)持續(xù)轟擊一個(gè)地方，成像質(zhì)量高。靶材貼在窗口上，輻射角大，能看大樣品，且由于焦斑小，分辨率高。

閉管透射式 X 射線源的缺點(diǎn)：

01. 熱量散發(fā)：閉管透射式在 X 射線產(chǎn)生過程中可能產(chǎn)生較多的熱量，可能需要額外的散熱系統(tǒng)來維持設(shè)備的穩(wěn)定性。

02. 復(fù)雜性和成本：結(jié)合了真空系統(tǒng)和直接透射的設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，可能需要更復(fù)雜的維護(hù)和調(diào)整過程。

總體而言，閉管透射式 X 射線源通過結(jié)合閉管的真空系統(tǒng)和直接透射的特點(diǎn)，旨在提供更穩(wěn)定、安全、清晰的 X 射線源。使用過程盡可能精心調(diào)整，以最大程度地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

通過上述的對(duì)比，我們通過表格直觀了解 3 種不同 X 射線源的特點(diǎn)：

通過上面的內(nèi)容介紹和表格對(duì)比，我們很直觀地發(fā)現(xiàn)閉管透射式集傳統(tǒng)開管透射式和閉管反射式的優(yōu)勢(shì)于一身，具有分辨率高、能看樣品體積大、誤差校正容易、燈絲使用壽命長(zhǎng)、使用成本低、無需抽真空減少等待時(shí)間以及設(shè)備重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

閉管透射式 X 射線管設(shè)計(jì)作為一項(xiàng)前沿的科技，當(dāng)前也逐漸在越來越多品牌廠商的設(shè)備中應(yīng)用起來。其中，創(chuàng)立于比利時(shí)的 NEOSCAN 臺(tái)式高分辨顯微 CT 采用的正是閉管透射式 X 射線管，具有高分辨成像、設(shè)備免維護(hù)、設(shè)備重量輕安裝場(chǎng)地要求少、一體化軟件等特點(diǎn)。

Part 3: 關(guān)于 NEOSCAN 臺(tái)式顯微 CT

NEOSCAN 高分辨臺(tái)式顯微 CT 是首家采用閉管透射式 X 射線管的設(shè)備,由 Alexander Sasov 創(chuàng)立于比利時(shí)。目前 NEOSCAN 推出三款顯微 CT 產(chǎn)品：N80 高分辨臺(tái)式顯微 CT、N70 通用型臺(tái)式顯微 CT、N60 緊湊型臺(tái)式顯微 CT，可在不破壞樣品的同時(shí)，得到樣品的結(jié)構(gòu)信息（空腔孔隙）、密度信息（組分差異），同時(shí)可以輸出三維模型，進(jìn)行仿真分析。