採用機械能量源的x射線生成設備和方法

2023-07-16 03:47:16

專利名稱：採用機械能量源的x 射線生成設備和方法
技術領域：
本發明大體涉及X射線生成技術。特別是，本發明涉及採用機械能量源的X射線生成設備和方法。
背景技術：
介入成像領域中針對例如近距離放射治療和其他應用的X射線源，需要專業的X射線生成設備。特別是，內部射線照相術需要小型化的X射線源或X射線生成設備，用於生成可能甚至是在患者身體內的，即，在活體內的，X射線輻射。因而，可能存在針對提供一種可靠的小型化的X射線生成設備的需要，特別是針
對在患者身體內生成X射線輻射的同時最小化施加給患者的風險的需要，例如由提供所需要的供給到X射線生成設備的高電壓或者可能由操作期間在X射線源內所發生的熱量而施加給患者的風險。文件GB 969，842描述了一種壓電供能的X射線管。IEEE Spectrum 2009 年 7 月刊上 Prachi Patel 的 「Music-PoweredMicrofluidics，，, http://spectrum, ieee. org/biomedical/diagnostics/musicpowered-microfluidics,描述了一種聲學驅動的微流體微機電系統。

發明內容
相應地，根據獨立權利要求提供一種採用機械能量源的X射線生成設備和方法。本發明的優選實施例可以從從屬權利要求中推出。根據本發明，提供一種X射線生成設備，其採用機械能量源，例如流體源，用於X射線生成設備內的高電壓的本地(local)生成以及還採用該機械能量源用於X射線源的冷卻。


圖I示出了根據本發明的X射線生成設備的示範性實施例；圖2a_h示出了根據本發明的機械提供元件的示範性操作實施例；圖3示出了用於採用由機械能量源生成的電能來生成X射線輻射的方法的示範性實施例；以及圖4示出了用於採用機械能量源來生成高電壓的方法的示範性實施例。附圖標記列表2 X射線生成設備4 電子發射元件6 電子收集元件8 電子/電子束10 X射線輻射
12機械提供元件14機電轉換元件/壓電元件/高電壓生成元件16機械能量源/流體源18流體提供元件20流體控制元件21聲學元件/擴音器22真空外殼23管道
·
24冷卻26a，b第一機械開口、第二機械開口26a-d流體通道30用於採用通過機械能量源生成的電能生成X射線輻射的方法32步驟提供機械能量源34步驟向電子發射元件/電子收集元件提供電能40採用機械能量源生成高電壓的方法42步驟提供機械能量源44步驟調製機械能量源
具體實施例方式考慮X射線生成設備的小型化時的一個方面可以看作在於高電壓的生成，該高電壓用於在儘可能小的真空外殼內生成X射線輻射，同時維持X射線生成設備的期望溫度。在採用外部高電壓源的情況下，可能需要從外部高電壓源到X射線生成設備的專用線纜連接。在X射線生成設備被至少臨時地布置在患者的身體內的情況下，相應的線纜需要穿過患者身體的一部分到達體內的X射線生成設備。因此，可能要求將這樣的高電壓線纜實施為非常纖細的線纜，因而限制了線纜和線纜的絕緣體組合的最大絕緣能力。此外，由於X射線輻射的生成可能也生成了大量的熱，伴隨而來的是通常不適合於身體內操作的溫度，因而可能需要冷卻用於介入成像的X射線生成設備。這樣的冷卻可能採用同時提供給X射線生成設備的流體，例如液態或氣態物質。冷卻流體的提供可能也需要外部流體源，使得冷卻流體必須從患者身體外到達布置在患者身體內的X射線生成設備並且加熱後的冷卻流體可能也需要從X射線源移出到體外。冷卻流體的這樣的傳導可能受限於穿過患者的身體提供給X射線生成設備的線纜的直徑。本發明的要點可以看作在於高電壓的本地生成，特別是X射線生成設備內的生成，因而可能避免或者至少限制由高電壓線纜絕緣而出現的問題。特別是，通過採用本地機械能，例如，影響機電轉換元件的壓力、應力或力，可以在X射線生成設備中生成電能特別是高電壓而無需提供外部高電壓饋送。相應的機械力的一個範例可以是從患者的身體外提供給X射線生成設備的流體物質，以生成用於通過採用機電轉換元件來生成高電壓的局部壓力。因而，通過給機電轉換元件提供，特別是以調製的方式提供，機械能量源來生成電能。可以將這樣生成的能量，特別是高電壓，提供給電子發射元件和電子收集元件中的至少一個，用於加速電子以生成X射線輻射。同時，用於生成高電壓而採用的流體也可被用作冷卻輔助物，例如，冷卻液體或冷卻氣體。電子發射元件例如陰極元件以及電子收集元件例如陽極元件兩者，均可經受採用機械能量源或流體的冷卻。相應的冷卻可以針對體內X射線生成設備維持大約37°C的溫度，用於在操作中，即X射線輻射的生成期間，避免對圍繞X射線生成設備的組織的損害。一個範例可以是採用適於在受到力或壓力時生成高電壓的壓電高壓生成器。可以通過採用布置在小型化X射線生成設備的真空外殼內的微流體微機電(MEMS)元件來提供壓力或者總地來說機械能量源。提供給機械提供元件的機械能量源，例如，微流體MEMS元件，可以被調製用於採用液滴生成高壓。可以採用組合壓電元件而採用的這一高壓用於生成高電壓，該高電壓繼而被採用，用於在電子發射元件和電子收集元件之間的電子加速，以生成X射線輻射。
MEMS調製器序列的變化可以修改和控制壓力並且因而可以控制高電壓，特別是高電壓序列。高電壓序列可被理解為多個可能的高電壓值，其可以被分別設置。MEMS調製器序列可被理解為當給機電轉換元件提供機械能量源以獲得專用高電壓值時的壓力序列。通過控制和/或調製高電壓序列，可以控制和生成可能生成的X射線輻射束的專用的、明確定義的多個頻譜，特別是包括單獨定義的能量。可以通過機械提供元件和/或提供給機械提供元件並隨後提供給機電轉換元件的機械能量源來控制脈衝序列，即，高電壓的定時的打開和關閉。因此，可以控制所生成的高電壓的值並且因而可以控制專用的頻譜。可以通過機械能量源外部地提供和/或可以通過機械提供元件來提供調製。控制元件可以位於外殼內，以控制通過機械提供元件、流體提供元件和流體控制元件中的至少一個向機電轉換元件提供機械能量源。X射線生成設備可以包括操作模式，其適於連續生成X射線輻射。換言之，通過使用流體滴連續地或脈衝地衝擊機電轉換元件，能夠實現大體連續的或者也可以是脈衝的操作模式。因而，X射線輻射的生成可以被認為是僅依賴於足夠的流體流或機械能量源，得到大體即時生成的高電壓以及隨後的X射線輻射。可以通過例如，外部地控制以下中的一個來控制流體流例如通過很可能具有至少一個專用頻率的聲學信號對真空外殼內的流體提供元件的控制以及到達X射線生成設備的流體饋送。同樣，X射線生成設備可以通過壓縮或解壓高電壓生成元件來生成高電壓。換言之，自動的壓縮可生成高電壓，或者可以為機電轉換元件提供機械力，隨後自動地釋放該機械力用於生成高電壓。現在參考圖1，圖示了根據本發明的X射線生成設備的示範性實施例。根據圖I的X射線生成設備2包括電子發射元件4或陰極元件，包括獨立電子8的電子束8從電子發射元件向電子收集元件6或陽極元件加速。在電子發射元件4和電子收集元件6之間布置電勢用於加速電子8。撞擊電子收集元件6上的電子8生成X射線輻射10，其以如圖I所指示的定義的方向穿透外殼22。可以認為電子發射元件4和電子收集元件6構成傳統的X射線源。然而，也可採用基於碳納米管的冷發射器用於電子束生成。
需要高電壓用於在電子發射元件4和電子收集元件6之間生成加速電勢，採用機電轉換元件14，例如壓電元件14，用於生成所需的高電壓。相應的機電轉換元件14可以被看作是採用例如提供給機電轉換元件14壓力或力的機械能量源，該機械能量被隨後轉化為電能。通過採用由機電轉換元件14所生成的電能，生成了高電壓，其可能得到電子發射元件4和電子收集元件6之間的電勢以用於加速電子8。可以通過機械提供元件12提供機械能量源或力，該機械提供元件12適於為機電轉換元件14提供機械能量源或力。在真空外殼22外部布置機械能量源16或流體源16。流體源16經由第一機械開口 26a或者第一流體開口 26a從真空外殼22的外部向內部並且特別是向機械提供元件12通過流體提供元件18提供流體。因此，通過流體提供元件18，向機械提供元件12提供流體，很可能具有專用壓力以向機械提供元件12提供機械能量源。流體源16的流體可以提供機電轉換元件14或壓電元件14生成高電壓所需的能量以及還提供針對機械提供元件12、機電轉換元件14、電子發射元件4和電子收集元件6中的至少一個的冷卻。通過採用管道 23,流體可以在真空外殼內循環。機械提供元件12可還包括流體控制元件20，流體控制元件用於諸如流體滴的流體的具有專用壓力、速度和/或大小的受控衝擊，以生成，特別是控制，通過機電轉換元件14的高電壓的生成。機械提供元件12和流體控制元件20可被布置為微流體壓力元件，例如微機電系統流體壓力元件或調製器。流體滴的調製可以通過聲學元件21或揚聲器來控制，在圖I中其被示範性地布置在真空外殼22的外部，但其也可被布置在真空外殼22的內部，可能被附接到機械提供元件12或集成在機械提供元件12之內。儘管應該注意，根據本發明，無需從外部為X射線生成設備2提供專門的高電壓饋送，但是還可能向X射線生成設備2提供線路連接或線纜以控制向機械提供元件12、流體提供元件18、流體控制元件20和聲學元件21中的至少一個的電源和/或為其提供電源。可以向來自機械能量源16的連接額外地提供或併入相應的線路連接。例如，用於提供和去除流體的管道可以還包括用於向X射線生成設備2的內部提供能量源和/或控制信號的線纜。應該注意，可以認為針對機械提供元件12、流體提供元件18、流體控制元件20和聲學元件21中的至少一個的電源，遠遠弱於提供高電壓以生成X射線輻射所需要的電源。相應的電源可稱為弱電源。也能夠想到通過採用從外部，例如穿過身體組織，到X射線生成設備2的控制信號和/或能量的RF發送來提供控制和相應的弱電源。X射線生成設備2的外殼可以包括真空外殼22,其被布置在額外的非真空的外殼之內。機械提供元件12、流體提供元件18、流體控制元件20、機電轉換元件14和聲學元件21中的至少一個可以被如圖I所示地布置在真空外殼22之內或者也可被布置在非真空的外殼之內但是在真空外殼22之外。用於高電壓的供應和/或用於冷卻流體的提供和移出的線路可以穿透非真空的外殼內的真空外殼22。從聲學元件21發出的聲波可能因而控制影響機電轉換元件14上的機械能量源16或流體源16。通過控制流體源16或流體滴的幅度、速度和壓力這些參數中的任意一個，就可以同樣控制高電壓的生成，特別是高電壓序列，得到可能獨立生成的具有各自不同能量的多個X射線束10，或者X射線束10的譜。
在生成高電壓之後可以通過管道23將流體提供給X射線生成設備2的電子收集元件6或陽極，用於陽極6的冷卻。因而，通過採用管道23中的流體可以將熱量從陽極導走。第二機械開口 26b或第二流體開口 26b允許從真空外殼22內部移出流體。第一機械開口 26a和第二機械開口 26b可以例如被組合為單個機械開口，線纜被附接到其，用於向X射線生成設備2的真空外殼22提供進入的冷流體，並且用於從X射線生成設備2的真空外殼22移出出來的熱流體。兩個開口對於外殼23內的真空特別需要真空密封。可以理解，特別是，沒有電能而僅有機械能被提供給X射線生成設備2以生成X射線輻射10。用於經由電子加速生成X射線所需的高電壓從機電轉換元件14或壓電元件14，特別是由機械力供能的基於壓電的高電壓生成器，來生成，所述機械力由微機電微流體壓力調製器生成和/或調製。可以採用進入的加壓冷卻流體(液體或氣體)用於在一個步驟中生成壓力並且在另一步驟中用於在陽極冷卻陽極材料。當然也可以反轉該順序。可以針對高壓生成器採用不同的材料組合，例如，鋯鈦酸鉛壓電陶瓷。 現在參考圖2，圖示了根據本發明的機械提供元件的示範性操作實施例。圖2a_h示出了採用具有四個獨立流體通道28a_d的元件的微機電微流體元件。取決於哪個通道當前被激活，例如，通過採用外部聲波，可以控制從獨立流體通道28a_d流出的液滴的量、幅度和速度，因而控制通過機電轉換元件14生成高電壓。例如，音樂的音調可以沿單獨的流體通道28a_d移動單獨的液滴。通過組合音調並且在合適的時間應用其，流體可以沿多個流體通道28a_d移動並且可能甚至被混合、分離和分類。單獨的通道可包括單獨的物理特性，例如，長度、直徑以及特別是單獨的共振頻率，以便採用單獨的聲波或音調進行單獨致動。換言之，每一流體通道28a_d可包括準確確定的長度和直徑，得到針對每一流體通道28a_d的特定共振頻率。例如，通過採用四個單獨的頻率，可以單獨地控制單獨的流體通道28a_d。因而，通過組合頻率，甚至可以大體同時地控制多個單獨的流體通道28a_d。每一流體通道28a_d可以在特定頻率共振並且可以放大共振振動從而導致內部壓力的形成。增加頻率、聲波或聲音的幅度可以得到增加的運動速度，而增加聲波的持續時間可以允許在流體通道28a_d內更遠地移動液滴。換言之，可以採用單個驅動力來控制多個流體通道28a_d內多個流體流。聲學兀件21可以例如是壓電換能器,將電信號轉換成聲波。現在參考圖3，圖示了用於採用機械能量源生成X射線輻射的方法的示範性實施例。採用機械能量源生成X射線輻射的方法30包括從真空外殼22的外部向機電轉換元件14提供32機械能量源用於生成電能；以及向電子發射元件4和電子收集元件6中的至少一個提供34電能用於電子發射元件4和電子收集元件6之間加速電子8。操作性耦合電子發射元件4和電子收集元件6用於生成X射線輻射10。現在參考圖4，圖示了用於採用機械能量源的高電壓生成的方法的示範性實施例。採用機械能量源生成高電壓的方法40包括向機電轉換元件14提供42機械能量源用於生成電能；以及調製44機械能量源用於生成高電壓。應該注意，術語「包括」並不排除其他元件或步驟並且「一」並不排除複數。同樣，可以組合結合不同實施例特別是不同的所主張的實體而描述的元件。
也應注意，權利要求中的附圖標記不應被理解為限制權利要求 的範圍。
權利要求
1.一種採用機械能量源的X射線生成設備(2)，包括 電子發射兀件(4)； 電子收集元件(6); 機械提供元件(12); 機電轉換元件(14);以及 夕卜殼; 其中，所述機械提供元件(12)適於向所述機電轉換元件(14)提供機械能量源； 其中，所述機電轉換元件(14)適於將由所述機械提供元件(12)提供的機械能轉換為電能； 其中，所述電能適於在所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)之間加速電子；其中，操作性耦合所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)，用於生成X射線輻射(10);並且 其中，所述機械能量源從所述外殼的外部提供。
2.根據前述權利要求所述的X射線生成設備， 其中，所述機械提供元件(12)包括流體提供元件(18)和流體控制元件(20)中的至少一個。
3.根據前述權利要求所述的X射線生成設備， 其中，所述流體控制元件(20)適於向所述機電轉換元件(14)提供流體。
4.根據權利要求2和3中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述流體控制元件(20)是來自包含微流體壓力元件、MEMS微流體壓力元件、微流體壓力調製器和MEMS微流體壓力調製器的組中的一個元件。
5.根據前述權利要求中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述機電轉換元件(14)是來自包含高電壓生成元件(14)和壓電高電壓生成元件(14)的組中的一個元件。
6.根據權利要求2至5中的一項所述的X射線生成設備， 其中，操作性耦合所述流體提供元件(18)和所述流體控制元件(20)，用於向所述機電轉換元件(14)提供機械流體能以生成電能。
7.根據權利要求2-6中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述流體控制元件(20)適於控制到達所述機電轉換元件(14)的流體流以控制高電壓的生成。
8.根據權利要求7所述的X射線生成設備， 其中，對所述流體流的控制採用聲學元件(21)和聲學能量特別是聲波中的至少一個。
9.根據權利要求8所述的X射線生成設備， 其中，對所述流體流的控制包括控制所述聲波的頻率、幅度和持續時間中的至少一個用於影響提供到所述高電壓生成元件(14)的所述流體流的流體的量、流體的強度和流體的速度中的至少一個，以影響高電壓的生成。
10.根據前述權利要求中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述機械提供元件(12)、所述流體提供元件(18)和所述流體控制元件(20)中的至少一個還適於向所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)中的至少一個提供流體，特別是用於冷卻所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)中的至少一個。
11.根據前述權利要求中的一項所述的X射線生成設備，所述外殼還包括 第一機械開口(26a)，其用於向所述外殼中提供所述機械能量源；以及 第二機械開口(26b)，其用於從所述外殼提供所述機械能量源；特別是其中，所述機械能量源是流體，並且其中，所述第一機械開口(26a)和所述第二機械開口(26b)適於作為流體開口(26a, b)。
12.根據前述權利要求中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述X射線生成設備(2)是可攜式X射線生成設備(2)，特別是適於X射線輻射(10)的體內或身體內生成。
13.根據前述權利要求中的一項所述的X射線生成設備， 其中，所述X射線生成設備(2)包括操作模式，其適於X射線輻射(10)的連續生成 並且/或者 其中，高電壓生成包括壓縮和/或解壓所述高電壓生成元件(14)。
14.一種採用機械能量源生成高電壓的方法(40): 向機電轉換元件(14)提供(42)機械能量源用於生成電能；以及 調製(44)所述機械能量源用於生成高電壓。
15.一種採用通過機械能量源生成的電能生成X射線輻射的方法(30) 從外殼的外部向機電轉換元件(14)提供(32)機械能量源用於生成電能；以及向電子發射元件(4)和電子收集元件(6)中的至少一個提供(34)所述電能，用於在所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)之間加速電子(8)； 其中，操作性耦合所述電子發射元件(4)和所述電子收集元件(6)用於生成X射線輻射(10)。
全文摘要
本發明涉及X射線輻射(10)的生成，特別是涉及適於介入成像的X射線生成設備(2)。近距離放射治療需要適合於在體內操作的小型化X射線生成設備(2)。特別是，布置在患者身體內的X射線生成設備(2)需要用於為X射線源提供高電壓和/或冷卻的專用線纜。因此，提供X射線生成設備(2)，其採用機械能量源用於在所述X射線生成設備(2)內的高電壓的本地生成以及還採用所述機械能量源用於所述X射線源的冷卻。
文檔編號H05G1/10GK102884868SQ201180022705
公開日2013年1月16日 申請日期2011年4月28日 優先權日2010年5月7日
發明者G·福格特米爾 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司