专利名称：采用机械能量源的x 射线生成设备和方法
技术领域：
本发明大体涉及X射线生成技术。特别是，本发明涉及采用机械能量源的X射线生成设备和方法。
背景技术：
介入成像领域中针对例如近距离放射治疗和其他应用的X射线源，需要专业的X射线生成设备。特别是，内部射线照相术需要小型化的X射线源或X射线生成设备，用于生成可能甚至是在患者身体内的，即，在活体内的，X射线辐射。因而，可能存在针对提供一种可靠的小型化的X射线生成设备的需要，特别是针
对在患者身体内生成X射线辐射的同时最小化施加给患者的风险的需要，例如由提供所需要的供给到X射线生成设备的高电压或者可能由操作期间在X射线源内所发生的热量而施加给患者的风险。文件GB 969，842描述了一种压电供能的X射线管。IEEE Spectrum 2009 年 7 月刊上 Prachi Patel 的 “Music-PoweredMicrofluidics，，, http://spectrum, ieee. org/biomedical/diagnostics/musicpowered-microfluidics,描述了一种声学驱动的微流体微机电系统。
发明内容
相应地，根据独立权利要求提供一种采用机械能量源的X射线生成设备和方法。本发明的优选实施例可以从从属权利要求中推出。根据本发明，提供一种X射线生成设备，其采用机械能量源，例如流体源，用于X射线生成设备内的高电压的本地(local)生成以及还采用该机械能量源用于X射线源的冷却。
图I示出了根据本发明的X射线生成设备的示范性实施例；图2a_h示出了根据本发明的机械提供元件的示范性操作实施例；图3示出了用于采用由机械能量源生成的电能来生成X射线辐射的方法的示范性实施例；以及图4示出了用于采用机械能量源来生成高电压的方法的示范性实施例。附图标记列表2 X射线生成设备4 电子发射元件6 电子收集元件8 电子/电子束10 X射线辐射
12机械提供元件14机电转换元件/压电元件/高电压生成元件16机械能量源/流体源18流体提供元件20流体控制元件21声学元件/扩音器22真空外壳23管道
·
24冷却26a，b第一机械开口、第二机械开口26a-d流体通道30用于采用通过机械能量源生成的电能生成X射线辐射的方法32步骤提供机械能量源34步骤向电子发射元件/电子收集元件提供电能40采用机械能量源生成高电压的方法42步骤提供机械能量源44步骤调制机械能量源
具体实施例方式考虑X射线生成设备的小型化时的一个方面可以看作在于高电压的生成，该高电压用于在尽可能小的真空外壳内生成X射线辐射，同时维持X射线生成设备的期望温度。在采用外部高电压源的情况下，可能需要从外部高电压源到X射线生成设备的专用线缆连接。在X射线生成设备被至少临时地布置在患者的身体内的情况下，相应的线缆需要穿过患者身体的一部分到达体内的X射线生成设备。因此，可能要求将这样的高电压线缆实施为非常纤细的线缆，因而限制了线缆和线缆的绝缘体组合的最大绝缘能力。此外，由于X射线辐射的生成可能也生成了大量的热，伴随而来的是通常不适合于身体内操作的温度，因而可能需要冷却用于介入成像的X射线生成设备。这样的冷却可能采用同时提供给X射线生成设备的流体，例如液态或气态物质。冷却流体的提供可能也需要外部流体源，使得冷却流体必须从患者身体外到达布置在患者身体内的X射线生成设备并且加热后的冷却流体可能也需要从X射线源移出到体外。冷却流体的这样的传导可能受限于穿过患者的身体提供给X射线生成设备的线缆的直径。本发明的要点可以看作在于高电压的本地生成，特别是X射线生成设备内的生成，因而可能避免或者至少限制由高电压线缆绝缘而出现的问题。特别是，通过采用本地机械能，例如，影响机电转换元件的压力、应力或力，可以在X射线生成设备中生成电能特别是高电压而无需提供外部高电压馈送。相应的机械力的一个范例可以是从患者的身体外提供给X射线生成设备的流体物质，以生成用于通过采用机电转换元件来生成高电压的局部压力。因而，通过给机电转换元件提供，特别是以调制的方式提供，机械能量源来生成电能。可以将这样生成的能量，特别是高电压，提供给电子发射元件和电子收集元件中的至少一个，用于加速电子以生成X射线辐射。同时，用于生成高电压而采用的流体也可被用作冷却辅助物，例如，冷却液体或冷却气体。电子发射元件例如阴极元件以及电子收集元件例如阳极元件两者，均可经受采用机械能量源或流体的冷却。相应的冷却可以针对体内X射线生成设备维持大约37°C的温度，用于在操作中，即X射线辐射的生成期间，避免对围绕X射线生成设备的组织的损害。一个范例可以是采用适于在受到力或压力时生成高电压的压电高压生成器。可以通过采用布置在小型化X射线生成设备的真空外壳内的微流体微机电(MEMS)元件来提供压力或者总地来说机械能量源。提供给机械提供元件的机械能量源，例如，微流体MEMS元件，可以被调制用于采用液滴生成高压。可以采用组合压电元件而采用的这一高压用于生成高电压，该高电压继而被采用，用于在电子发射元件和电子收集元件之间的电子加速，以生成X射线辐射。
MEMS调制器序列的变化可以修改和控制压力并且因而可以控制高电压，特别是高电压序列。高电压序列可被理解为多个可能的高电压值，其可以被分别设置。MEMS调制器序列可被理解为当给机电转换元件提供机械能量源以获得专用高电压值时的压力序列。通过控制和/或调制高电压序列，可以控制和生成可能生成的X射线辐射束的专用的、明确定义的多个频谱，特别是包括单独定义的能量。可以通过机械提供元件和/或提供给机械提供元件并随后提供给机电转换元件的机械能量源来控制脉冲序列，即，高电压的定时的打开和关闭。因此，可以控制所生成的高电压的值并且因而可以控制专用的频谱。可以通过机械能量源外部地提供和/或可以通过机械提供元件来提供调制。控制元件可以位于外壳内，以控制通过机械提供元件、流体提供元件和流体控制元件中的至少一个向机电转换元件提供机械能量源。X射线生成设备可以包括操作模式，其适于连续生成X射线辐射。换言之，通过使用流体滴连续地或脉冲地冲击机电转换元件，能够实现大体连续的或者也可以是脉冲的操作模式。因而，X射线辐射的生成可以被认为是仅依赖于足够的流体流或机械能量源，得到大体即时生成的高电压以及随后的X射线辐射。可以通过例如，外部地控制以下中的一个来控制流体流例如通过很可能具有至少一个专用频率的声学信号对真空外壳内的流体提供元件的控制以及到达X射线生成设备的流体馈送。同样，X射线生成设备可以通过压缩或解压高电压生成元件来生成高电压。换言之，自动的压缩可生成高电压，或者可以为机电转换元件提供机械力，随后自动地释放该机械力用于生成高电压。现在参考图1，图示了根据本发明的X射线生成设备的示范性实施例。根据图I的X射线生成设备2包括电子发射元件4或阴极元件，包括独立电子8的电子束8从电子发射元件向电子收集元件6或阳极元件加速。在电子发射元件4和电子收集元件6之间布置电势用于加速电子8。撞击电子收集元件6上的电子8生成X射线辐射10，其以如图I所指示的定义的方向穿透外壳22。可以认为电子发射元件4和电子收集元件6构成传统的X射线源。然而，也可采用基于碳纳米管的冷发射器用于电子束生成。
需要高电压用于在电子发射元件4和电子收集元件6之间生成加速电势，采用机电转换元件14，例如压电元件14，用于生成所需的高电压。相应的机电转换元件14可以被看作是采用例如提供给机电转换元件14压力或力的机械能量源，该机械能量被随后转化为电能。通过采用由机电转换元件14所生成的电能，生成了高电压，其可能得到电子发射元件4和电子收集元件6之间的电势以用于加速电子8。可以通过机械提供元件12提供机械能量源或力，该机械提供元件12适于为机电转换元件14提供机械能量源或力。在真空外壳22外部布置机械能量源16或流体源16。流体源16经由第一机械开口 26a或者第一流体开口 26a从真空外壳22的外部向内部并且特别是向机械提供元件12通过流体提供元件18提供流体。因此，通过流体提供元件18，向机械提供元件12提供流体，很可能具有专用压力以向机械提供元件12提供机械能量源。流体源16的流体可以提供机电转换元件14或压电元件14生成高电压所需的能量以及还提供针对机械提供元件12、机电转换元件14、电子发射元件4和电子收集元件6中的至少一个的冷却。通过采用管道 23,流体可以在真空外壳内循环。机械提供元件12可还包括流体控制元件20，流体控制元件用于诸如流体滴的流体的具有专用压力、速度和/或大小的受控冲击，以生成，特别是控制，通过机电转换元件14的高电压的生成。机械提供元件12和流体控制元件20可被布置为微流体压力元件，例如微机电系统流体压力元件或调制器。流体滴的调制可以通过声学元件21或扬声器来控制，在图I中其被示范性地布置在真空外壳22的外部，但其也可被布置在真空外壳22的内部，可能被附接到机械提供元件12或集成在机械提供元件12之内。尽管应该注意，根据本发明，无需从外部为X射线生成设备2提供专门的高电压馈送，但是还可能向X射线生成设备2提供线路连接或线缆以控制向机械提供元件12、流体提供元件18、流体控制元件20和声学元件21中的至少一个的电源和/或为其提供电源。可以向来自机械能量源16的连接额外地提供或并入相应的线路连接。例如，用于提供和去除流体的管道可以还包括用于向X射线生成设备2的内部提供能量源和/或控制信号的线缆。应该注意，可以认为针对机械提供元件12、流体提供元件18、流体控制元件20和声学元件21中的至少一个的电源，远远弱于提供高电压以生成X射线辐射所需要的电源。相应的电源可称为弱电源。也能够想到通过采用从外部，例如穿过身体组织，到X射线生成设备2的控制信号和/或能量的RF发送来提供控制和相应的弱电源。X射线生成设备2的外壳可以包括真空外壳22,其被布置在额外的非真空的外壳之内。机械提供元件12、流体提供元件18、流体控制元件20、机电转换元件14和声学元件21中的至少一个可以被如图I所示地布置在真空外壳22之内或者也可被布置在非真空的外壳之内但是在真空外壳22之外。用于高电压的供应和/或用于冷却流体的提供和移出的线路可以穿透非真空的外壳内的真空外壳22。从声学元件21发出的声波可能因而控制影响机电转换元件14上的机械能量源16或流体源16。通过控制流体源16或流体滴的幅度、速度和压力这些参数中的任意一个，就可以同样控制高电压的生成，特别是高电压序列，得到可能独立生成的具有各自不同能量的多个X射线束10，或者X射线束10的谱。
在生成高电压之后可以通过管道23将流体提供给X射线生成设备2的电子收集元件6或阳极，用于阳极6的冷却。因而，通过采用管道23中的流体可以将热量从阳极导走。第二机械开口 26b或第二流体开口 26b允许从真空外壳22内部移出流体。第一机械开口 26a和第二机械开口 26b可以例如被组合为单个机械开口，线缆被附接到其，用于向X射线生成设备2的真空外壳22提供进入的冷流体，并且用于从X射线生成设备2的真空外壳22移出出来的热流体。两个开口对于外壳23内的真空特别需要真空密封。可以理解，特别是，没有电能而仅有机械能被提供给X射线生成设备2以生成X射线辐射10。用于经由电子加速生成X射线所需的高电压从机电转换元件14或压电元件14，特别是由机械力供能的基于压电的高电压生成器，来生成，所述机械力由微机电微流体压力调制器生成和/或调制。可以采用进入的加压冷却流体(液体或气体)用于在一个步骤中生成压力并且在另一步骤中用于在阳极冷却阳极材料。当然也可以反转该顺序。可以针对高压生成器采用不同的材料组合，例如，锆钛酸铅压电陶瓷。 现在参考图2，图示了根据本发明的机械提供元件的示范性操作实施例。图2a_h示出了采用具有四个独立流体通道28a_d的元件的微机电微流体元件。取决于哪个通道当前被激活，例如，通过采用外部声波，可以控制从独立流体通道28a_d流出的液滴的量、幅度和速度，因而控制通过机电转换元件14生成高电压。例如，音乐的音调可以沿单独的流体通道28a_d移动单独的液滴。通过组合音调并且在合适的时间应用其，流体可以沿多个流体通道28a_d移动并且可能甚至被混合、分离和分类。单独的通道可包括单独的物理特性，例如，长度、直径以及特别是单独的共振频率，以便采用单独的声波或音调进行单独致动。换言之，每一流体通道28a_d可包括准确确定的长度和直径，得到针对每一流体通道28a_d的特定共振频率。例如，通过采用四个单独的频率，可以单独地控制单独的流体通道28a_d。因而，通过组合频率，甚至可以大体同时地控制多个单独的流体通道28a_d。每一流体通道28a_d可以在特定频率共振并且可以放大共振振动从而导致内部压力的形成。增加频率、声波或声音的幅度可以得到增加的运动速度，而增加声波的持续时间可以允许在流体通道28a_d内更远地移动液滴。换言之，可以采用单个驱动力来控制多个流体通道28a_d内多个流体流。声学兀件21可以例如是压电换能器,将电信号转换成声波。现在参考图3，图示了用于采用机械能量源生成X射线辐射的方法的示范性实施例。采用机械能量源生成X射线辐射的方法30包括从真空外壳22的外部向机电转换元件14提供32机械能量源用于生成电能；以及向电子发射元件4和电子收集元件6中的至少一个提供34电能用于电子发射元件4和电子收集元件6之间加速电子8。操作性耦合电子发射元件4和电子收集元件6用于生成X射线辐射10。现在参考图4，图示了用于采用机械能量源的高电压生成的方法的示范性实施例。采用机械能量源生成高电压的方法40包括向机电转换元件14提供42机械能量源用于生成电能；以及调制44机械能量源用于生成高电压。应该注意，术语“包括”并不排除其他元件或步骤并且“一”并不排除复数。同样，可以组合结合不同实施例特别是不同的所主张的实体而描述的元件。
也应注意，权利要求中的附图标记不应被理解为限制权利要求 的范围。
权利要求
1.一种采用机械能量源的X射线生成设备(2)，包括 电子发射兀件(4)； 电子收集元件(6); 机械提供元件(12); 机电转换元件(14);以及 夕卜壳; 其中，所述机械提供元件(12)适于向所述机电转换元件(14)提供机械能量源； 其中，所述机电转换元件(14)适于将由所述机械提供元件(12)提供的机械能转换为电能； 其中，所述电能适于在所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)之间加速电子；其中，操作性耦合所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)，用于生成X射线辐射(10);并且 其中，所述机械能量源从所述外壳的外部提供。
2.根据前述权利要求所述的X射线生成设备， 其中，所述机械提供元件(12)包括流体提供元件(18)和流体控制元件(20)中的至少一个。
3.根据前述权利要求所述的X射线生成设备， 其中，所述流体控制元件(20)适于向所述机电转换元件(14)提供流体。
4.根据权利要求2和3中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述流体控制元件(20)是来自包含微流体压力元件、MEMS微流体压力元件、微流体压力调制器和MEMS微流体压力调制器的组中的一个元件。
5.根据前述权利要求中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述机电转换元件(14)是来自包含高电压生成元件(14)和压电高电压生成元件(14)的组中的一个元件。
6.根据权利要求2至5中的一项所述的X射线生成设备， 其中，操作性耦合所述流体提供元件(18)和所述流体控制元件(20)，用于向所述机电转换元件(14)提供机械流体能以生成电能。
7.根据权利要求2-6中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述流体控制元件(20)适于控制到达所述机电转换元件(14)的流体流以控制高电压的生成。
8.根据权利要求7所述的X射线生成设备， 其中，对所述流体流的控制采用声学元件(21)和声学能量特别是声波中的至少一个。
9.根据权利要求8所述的X射线生成设备， 其中，对所述流体流的控制包括控制所述声波的频率、幅度和持续时间中的至少一个用于影响提供到所述高电压生成元件(14)的所述流体流的流体的量、流体的强度和流体的速度中的至少一个，以影响高电压的生成。
10.根据前述权利要求中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述机械提供元件(12)、所述流体提供元件(18)和所述流体控制元件(20)中的至少一个还适于向所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)中的至少一个提供流体，特别是用于冷却所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)中的至少一个。
11.根据前述权利要求中的一项所述的X射线生成设备，所述外壳还包括 第一机械开口(26a)，其用于向所述外壳中提供所述机械能量源；以及 第二机械开口(26b)，其用于从所述外壳提供所述机械能量源；特别是其中，所述机械能量源是流体，并且其中，所述第一机械开口(26a)和所述第二机械开口(26b)适于作为流体开口(26a, b)。
12.根据前述权利要求中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述X射线生成设备(2)是便携式X射线生成设备(2)，特别是适于X射线辐射(10)的体内或身体内生成。
13.根据前述权利要求中的一项所述的X射线生成设备， 其中，所述X射线生成设备(2)包括操作模式，其适于X射线辐射(10)的连续生成 并且/或者 其中，高电压生成包括压缩和/或解压所述高电压生成元件(14)。
14.一种采用机械能量源生成高电压的方法(40): 向机电转换元件(14)提供(42)机械能量源用于生成电能；以及 调制(44)所述机械能量源用于生成高电压。
15.一种采用通过机械能量源生成的电能生成X射线辐射的方法(30) 从外壳的外部向机电转换元件(14)提供(32)机械能量源用于生成电能；以及向电子发射元件(4)和电子收集元件(6)中的至少一个提供(34)所述电能，用于在所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)之间加速电子(8)； 其中，操作性耦合所述电子发射元件(4)和所述电子收集元件(6)用于生成X射线辐射(10)。
全文摘要
本发明涉及X射线辐射(10)的生成，特别是涉及适于介入成像的X射线生成设备(2)。近距离放射治疗需要适合于在体内操作的小型化X射线生成设备(2)。特别是，布置在患者身体内的X射线生成设备(2)需要用于为X射线源提供高电压和/或冷却的专用线缆。因此，提供X射线生成设备(2)，其采用机械能量源用于在所述X射线生成设备(2)内的高电压的本地生成以及还采用所述机械能量源用于所述X射线源的冷却。
文档编号H05G1/10GK102884868SQ201180022705
公开日2013年1月16日 申请日期2011年4月28日 优先权日2010年5月7日
发明者G·福格特米尔 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司