KR20190067222A

KR20190067222A - Ｘ선 소스

Info

Publication number: KR20190067222A
Application number: KR1020197013804A
Authority: KR
Inventors: 길 트레비스; 폴 배터리지; 마크 에반스; 마틴 홀든; 압둘 사미 무굴; 크리스틴 슈미드하우젠
Original assignee: 어답틱스 리미티드
Priority date: 2016-10-19
Filing date: 2016-10-19
Publication date: 2019-06-14
Also published as: CA3039309A1; US20190252148A1; US11177105B2; JP6990457B2; CN109804449A; CA3039309C; NZ753547A; AU2016426599A1; ZA201902995B; WO2018073554A1; BR112019006555A2; AU2016426599B2; CN109804449B; JP2019537197A; EP3529821B1; ES2848393T3; EP3529821A1

Abstract

본 발명은 움직임 없는 단층영상합성 촬영이 가능하고 치과와 소형물체/소면적 촬영에 적합한 휴대용 X선 촬영 소스(100)에 관한 것이다.

Description

Ｘ선 소스

본 발명은 X선 촬영 소스에 관한 것으로, 구체적으로는 움직임 없는 단층영상합성 촬영이 가능하고 치과와 소형물체/소면적 촬영에 적합한 휴대용 X선 촬영 소스에 관한 것이다.

종래의 X선 촬영은 일반적으로 평면 촬영에 의한다. 이 방법은 단일 고전력 포인트형 X선 소스를 이용하고, 이런 X선 소스는 넓은 각도로 벌어지는 원추형이나 부채꼴 모양의 단일 X선 빔을 생성하는 진공관 세트로 이루어진다.

이런 시스템의 X선 소스는 보통 X선이 충분한 면적을 커버하고 "피부 안전거리", 즉 과잉 X선량 노출을 피하기위한 최소거리를 유지하기 위해 촬영할 사람에게서 상당히 멀리 떨어져 있어야 한다. 이런 큰 이격 간격, 즉 소스와물체 사이의 간격이 크면 큰 전력이 필요하다. 이런 전력을 공급하기 위해, 종래의 X선 시스템들은 대형, 고가의 무거운(수십 kg) 전원을 사용하고, 이런 전원은 냉각이 필요하여, 더 대형화되고 무거워지며 비용상승의 원인이 된다. 결국 이런 종래의 시스템들은 휴대용이 아니라 고정되거나, 큰 공간을 차지하고, 병원, 의료시설, 치과의 등의 최종 사용자에게 큰 비용을 부담시킨다.

또, 이런 종래의 (갠트리나 다른 소스 이동수단이 없는) 단일-소스 시스템은 2차원(2D) 영상만 만들 수 있다. 종래의 2차원(평면)촬영은 의료검사와 진단에 기본적인 특징이나 생물지표를 확인하기에 부적합한 경우가 많다. 특히, 유방조형술처럼 작은 신체부위/소면적 촬영과 치과촬영에서 그렇다.

치과진단에서는 구강내 X선이나 방사선촬영이 가장 널리 사용된다. 그러나, 구강내 방사선촬영은 2차원적이기 때문에, 수직치근파절, 골손실, 임플란트 안정성, 충치와 같은 문제를 확인하기에는 부적절하다. 치과의사가 할 일은 어금니 발치 전에 치근에 대한 신경관의 위치를 확인하는 것이다. 이런 처치를 위한 현재의 최적의 장치는 CBCT(Cone Beam Computed Tomography) 시스템이지만, 평면 치과촬영시 30~150x 정도의 높은 방사선노출 때문에 CBCT의 이용률이 떨어진다. CBCT 장비의 가격때문에, 많은 치과의사들이 이 시스템을 이용하지 않기도 하다. 따라서, 대부분의 치과의사들은 2차원 평면 X선 영상에서 제한된 정보를 받는 위험을 감수할 수밖에 없다.

비슷한 문제가 다른 소면적 촬영에도 생긴다. 예를 들어, 유방조영술은 X선을 이용해 유방 내부를 보는 특수한 의료용 촬영기법으로, 유방관련 질병을 조기에 탐지하는데 필수적인 의료진단 툴이다. 그러나 2차원 유방조영술은 디지털 유방 단층촬영법이나 3D 유방조영법보다 효과가 떨어진다. 디지털 유방 단층촬영법에서는 여러 각도로 촬영한 다수의 유방 영상들을 캡처하고 재구성하거나 2차원 영상세트로 "합성"한다. 현재의 유방 단층촬영법에서는 X선 소스를 원호를 그리며 움직이면서 여러 지점들에서 정지하기 때문에, 비용과 촬영시간이 많이 들고, 촬영하는 동안 유방을 압착 클램프로 고정해야 해서 환자를 불편하게 한다.

인구조사에 의하면, 유방 단층촬영법 검사는 2차원 촬영으로 감지하기 어려운 작은 암을 포함한 유방암의 조기검진을 개선한다. 유방단층촬영법은 ktgnrja사도 줄이고 암의 크기와 형상과 위치에 대한 정밀도도 크게 높인다.

3D X선 촬영에서 방사선량 감소도 큰 문제이다. 이런 문제는 가장 발전된 3D 촬영법인 CT(Computer Tomography)에 특히 그렇다. CT는 대상 둘레로 소스를 움직이면서 아주 많은 투영들을 수집한 다음, 이 데이터를 3D 영상세트로 구성한다. 이런 360도 스캔으로 인해 환자는 기존의 평면 방사선촬영보다 상당히 많은 X선량에 노출된다.

2007년 자료에 의하면 미국에서 29000명 정도의 암환자들이 CT 스캔을 받는다 한다.

디지털 단층촬영법은 CT의 대체수단으로 방사선량이 낮다. 환자에 대해 (360도가 아닌) 제한된 각도로 스캔을 하기 때문에, 현재의 디지털 단층촬영 시스템들은 CT 스캔의 1/10 보다 작은 정도의 유효 방사선량을 생성하고, 종래의 방사선촬영에 비해 30%의 방사선량 증가를 가져온다(평면: 0.1mSv, DT: 0.13mSv).

그럼에도 불구하고, 종래의 단일소스 시스템을 이용하는 디지털 단층촬영법은 이런 시스템의 가격과 복잡도 때문에 그 이용이 제한적이다. 단층촬영을 위한 기존의 방식은 일반적으로 고정된 물체나 사람을 다양한 각도에서 여러번 촬영한 다음, 이런 다수의 2차원 영상들을 이용해 3차원 영상세트를 재구성한다. 이런 단일 X선 소스(진공관)을 순차적으로 움직이려면 기계식 갠트리가 필요해, 장치의 크기와 비용을 증가시킨다. 또, 영상들을 순차적으로 촬영하기 때문에, 영상 캡처시간이 오래 걸린다. 비용과 복잡성 때문에, 디지털 단층촬영법은 일반적으로 치과와 소면적/소부위 촬영에는 사용되지 않는다.

따라서, 종래의 2차원(평면) 촬영은 치과와 소부위 촬영에서 다양한 의료관련 마커들을 식별하기에 부적절하다. CT는 높은 방사선량 노출때문에 피하게 된다. 따라서, 흉부와 유방조영술에서 DT에 의해 보여지는 방사선량-정보 개선을 할 필요가 있으면서도 종래의 DT의 비용과 복잡도는 줄여야 한다.

본 발명의 목적은 종래의 시스템보다 크기가 작으면서도 움직임 없이 단층촬영을 할 수 있는 휴대용 X선 소스를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 2차원 X선 촬영에 비해 방사선량 증가를 최소화하는 고해상 3차원 X선 촬영법을 제공하는데 있다.

본 발명의 휴대용 X선 소스는 다수의 X선 제너레이터로 이루어진다. 다수의 X선 제너레이터들은 분산된 어레이로 배열되고, X선 제너레이터 각각을 제어할 수 있다. 이때문에, 휴대용 X선 소스가 단층촬영에 필요한 관심구역의 제한된 각도 스캐닝을 할 수 있으면서도, 이격간격을 줄일 수 있어 훨씬 적은 전력을 사용할 수 있다.

또, X선 소스가 X선 제너레이터들을 작동시킬 수 있는 고전압 전원을 구비할 수 있다. 이런 고전압 전원은 배터리 전압을 고전압으로 변환할 수 있어, 휴대성을 강화할 수 있다. 휴대용 X선 소스는 그로스 콜리메이터와 같은 메커니즘을 구비하고, 이런 콜리메이터는 제너레이터와 촬영 대상 사이의 주어진 간격에서 방출된 X선들을 제한된 면적에 집중할 수 있다. 이격간격을 좁히고 그로스 콜리메이터를 사용함으로써, 환자와 작업자가 위험한 방사선에 노출될 위험을 줄일 수 있다.

이산형 X선 제너레이터 어레이가 이미터 어레이로 배열된 다수의 전계이미터들을 포함할 수 있다. 또, 이산형 X선 제너레이터 어레이가 고에너지 제동복사에 유효한 물질이나 이런 물질로 된 영역으로 이루어진 다수의 타겟들을 가질 수 있다. 이런 타겟들은 이미터 어레이와 비슷한 구성의 어레이로 배열되거나, 쌍으로 배열되어, 전계이미터에서 방출된 전자들이 제동복사 타겟에 부딪쳐 X선을 낸다. 다수의 전계 이미터들과 타겟들을 진공실 안에 수용하여 진공에 유지할 수 있다.

이산형 X선 제너레이터 어레이는 이미터와 타겟 사이를 적절히 분리하면서 절연시킬 수 있는 스페이서를 포함할 수 있다. 또, 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 방출제어기를 포함하고, 이런 방출제어기는 선택적으로 작동되는 솔레노이드 코일을 포함하며, 각 타겟으로부터의 X선 방출을 제어할 수 있다. 이산형 X선 제너레이터 어레이가 X선 촬영에 기여하지 않는 저에너지 X선을 차단하거나 제거하는 필터와, 소스에서 방출된 X선의 각도를 좁히는 콜리메이터 어레이를 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 X선 소스의 일례의 개략도;
도 2는 종래의 단일소스 튜브형 X선 소스와 본 발명의 X선 소스를 나란히 비교하는 도면;
도 3은 본 발명의 다수의 방출제어기의 일례의 개략도.

도 1은 본 발명에 따른 휴대용 X선 소스(100)의 일례를 보여준다. 이 X선 소스(100)에 있는 다수의 X선 제너레이터(102)는 소형 X선 콘을 생성할 수 있고, 분산형 X선 제너레이터 어레이(103)로 배열되며, 예컨대 평판형 X선 소스(FPS; flat-panel x-ray source)를 포함할 수 있다(Travish의 PCT/US2016/014782 참조).

분산형 X선 제너레이터 어레이(103)는 현재의 시스템에 비해 여러가지 장점을 보이고, 단일의 튜브(진공관)형 소스에 중점을 두고 분산형 소스를 이용하지 않는 기존의 x선 촬상 방식과는 다르다.

도 2는 (주로 치과촬영에 사용되는) 종래의 단일소스 튜브형 X선 소스(200)와 본 발명의 휴대용 X선 소스(100)의 비교도이다. 튜브형 X선 소스(200)는 일반적으로 X선 콘(201)을 생성하고, 이런 X선 콘(201)은 (환자의 입과 같은) 물체(203)에 부딪치며, 디텍터(202)가 그 강도(그리고, 물체(203)에 의한 X선 콘(201)의 감쇠율)를 측정하여 2차원 방사선사진을 형성한다. 일반적인 구강내 X선 스캔을 위해서는, 소스(200)를 일반적으로 물체(203)에서 20cm 이상 떨어뜨려야 한다.

반대로, 휴대용 X선 소스(100)의 (고정식 2차원 어레이와 같은) 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)는 중간 크기의 피치간격(mm 내지 cm 범위)을 갖는다. 제너레이터(102) 각각을 통해, 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)가 다수의 확산 원뿔형 빔(204a~b)을 조사하여, X선 소스(100)를 움직이지 않고도 3차원 재구성을 하기에 충분한 각도로 물체(203)나 그 관심구역을 촬영할 수 있어, 모션프리 단층촬영이 가능하다. 휴대용 X선 소스(100)는 CBCT와 같은 기존의 단층촬영시스템과 달리 고가의 정밀한 컴퓨터제어 무버들이 불필요하여, 휴대용 X선 소스(100)의 가격과 복잡도를 종래에 비해 크게 낮출 수 있다.

이산형 X선 제너레이터 어레이(103)의 디자인 때문에 X선 소스(100)를 디텍터(202) 가까이, 종래의 20cm에 비해 물체에서 12cm 정도 더 가까이 배치할 수 있다. 이런 (소스와 물체 사이) 간격 감소로 인해, 휴대용 X선 소스(100)의 중량과 전력 조건을 튜브형 X선 소스(200)와 같은 기존의 소스에 비해 크게 낮출 수 있다. 이때문에 고가의 전원을 없앨 수 있어 종래에 비해 가격도 크게 절감할 수 있다.

방사선이 거리의 제곱으로 감소한다는 사실에서 중량과 전력도 낮출 수 있는데, 본 발명은 기존에 비해 X선 강도를 1/4 정도로 낮출 수 있어 전력도 1/4 정도만 필요하다. 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)의 디자인(중간 피치간격 등)으로 인해 종래에 비해 획득속도도 더 높일 수 있는데, 이는 충분한 스캔각도를 얻는데 기계적 움직임을 요하는 종래의 시스템과는 달리 본 발명에서는 움직임 없는 단층촬영이 가능하기 때문이다. 갠트리가 필요 없어 종래에 비해 X선 소스(100)의 크기와 무게와 복잡도가 줄어든다. 또, 데이터 획득속도가 빨라저 환자가 움직이지 않고 머무는 시간이 줄어들어 환자의 편의성이 개선된다.

본 발명의 X선 소스(100)는 중량이 대략 4kg이고 표준 카메라백에 잘 맞지만, 표준형 벽면설치형 치과용 X선 장치는 중량이 거의 40k이고 2차원 휴대용 시스템은 보통 중량이 6kg 정도이다.

휴대용 X선 소스(100)의 가격은 진공관을 없애서 더 절감되는데, 이런 진공관을 깨지기 쉽고 수명이 짧으며 병원설비 외부에서 사용이 제한된다. 대조적으로, 분산형 X선 제너레이터 어레이(103)는 반도체로 구성되어, 제조설치유지비가 점감된다.

본 발명의 비용절감, 저상형 및 휴대성은 병원, 의료시설, 치과 등과 같이 영상시스템에 많은 투자비를 필요로 하는 최종 사용자에 대한 부담을 줄여주고, 이때문에 3차원 X선 촬영의 이용도를 높일 수 있다. 예컨대, 휴대용 3D X선 촬영 소스를 치과가 많이 있는 병원에 설치하면 아주 좋은데, 보통은 장비 비용 때문에 많은 치과의사가 CBCT나 다른 3차원 촬영시스템들에 접속하지 않고 제한된 용도의 2차원 평면 X선 영상에 의존하고 있다.

본 발명과 같이 간격이 짧을수록 방사선산란(측면과 배면 산란)이 줄어들어, 오퍼레이터와 의료인들의 X선 노출 위험이 줄어든다. 그로스 콜리메이터(115)를 사용하면 물체의 관심구역(203; ROI) 외부의 X선처럼 충돌용으로 사용되지 않는 X선을 흡수할 수 있어 산란방사선이 더 줄어든다. 또한, 촬영에 쓰이는 X선들이 ROI에 부딪치게 할 수 있다.

그로스 콜리메이터(115)는 x선 흡수율이 높은 고밀도 물질과 같은 X선 감쇠재로 이루어진 구조를 갖고, ROI에 대한 X선 소스(100)의 조사 영역을 제한하는 승강평면이나 벽을 가질 수 있다. 따라서, 그로스 콜리메이터(115)는 X선 배면산란과 측면산란을 줄여 촬영에 사용되지 않는 X선 선량을 줄일 수 잇다. 즉, 그로스 콜리메이터(115)는 불필요하고 위험할 수 있는 방사선 노출을 최소화하면서도 X선 화질에 영향을 주지 않는다.

이런 그로스 콜리메이터(115)는 디텍터의 활성영역이 작은 곳과 민감한 기관들이 촬영할 부분에 가까이 있는 곳을 촬영할 때 특히 유용하다. 예컨대 치아촬영의 경우 구강내 디텍터들이 2cmX4cm 이하이고 관련 치아와 턱이 뇌에 아주 가까이 있어 이에 속한다.

도 1의 분산형 X선 제너레이터 어레이(103)에는 다수의 전계이미터들(104)이 다수의 타겟들(106)과 쌍을 이루어 정렬되어 있어, 제너레이터(102)마다 전계이미터(104)와 타겟(106)이 쌍을 이루고 있다. 각각의 전계이미터(104)는 고에너지 제동복사에 유효한 물질처럼 타겟(106)을 향해 전자빔을 방출해 X선을 생성한다.

다수의 전계이미터들(104)과 타겟들(106)이 이미터 어레이(105)처럼 배열된다. 이미터 어레이(105)는 정사각형 그리드를 형성하는 2차원 어레이, "헥사곤팩"이라고 알려진 삼각형 그리드를 포함해 여러가지 구성을 가질 수 있고, 또는 전계이미터들(104)이 임의의 간격으로 배열될 수도 있다. 이미터 어레이(105)의 간격과 패턴은 최종사용자, 촬영부 형상, 원하는 해상도 등의 여러 인자들에 의거하여 결정될 수 잇다.

전계이미터(104)는 도핑된 실리콘, 텅스텐, 텅스텐합금, 구리나 알루미늄과 같은 도체를 포함해 다양한 도체로 제작될 수 있지만, 텅스텐, 질화티타늄, 다이아몬드와 같은 탄소, 기타 단단한 도체의 보호코팅이나 필름으로 전계이미터를 코팅할 수도 있다.

전술한 타겟(106)은 믈리적 과정을 통해 입사하는 전자를 X선으로 변환할 수 있는 물질로 구성된다. 본 발명에 의하면, 각 타겟(106)이 텅스텐, 몰리브데늄, 레늄, 금, 기타 중금속처럼 고에너지 제동복사에 효과적인 물질로 이루어진 금속막을 포함할 수 있다. 또는, 타겟이 2가지 이상의 금속으로 구성되거나, 유효 제동복사 물질(예; 텅스텐)로 이루어진 부분 옆에 낮은 제동복사 물질(예; 실리콘)으로 이루어진 부분을 갖는 등 1개 이상의 물질층을 가질 수도 있다.

타겟(106)은 자립구조이거나, 도체 기판에 지지되고, 이런 기판은 다수의 전계이미터들(104)과 타겟들(106) 사이의 전기회로를 완성하면서 전자빔에 의해 생긴 열에너지를 분산시키는 역할을 한다. 한편, 실리콘 기판이나 경량도체인 알루미늄으로 텅스텐 박막을 지지하는 구조를 타겟이 가질 수도 있다. 또는 기판이 도체로 코팅된 절연재로 이루어질 수도 있다.

타겟(106)은 도넛형, 원형은 물론 직선을 포함한 형상 등의 다양한 형상을 가질 수 있다. 통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 타겟(106)의 두께는 재료의 원자수, 열적 특성 또는 타겟에 입사하는 전자빔 에너지에 따라 변할 수 있고, 본 발명에서는 1~100 ㎛ 정도이다.

전계이미터(104)에 의한 전계의 강도는 전계이미터에 근접한(예; +z 및/또는 -z) 기체분자들을 이온화하기에 충분할 수 있다. 이온화된 기체는 방출된 전자들을 산란시키기 때문에 이온화는 유용한 X선의 생성을 방해하고 전계이미터(104)와 타겟(106)을 손상시킬 수 있다. 따라서, 전계이미터(104)와 타겟(106) 사이을 진공이나 저압환경으로 둘러싸 그 사이의 진공을 유지하여 기체분자 이온화를 없애지는 못해도 최소화하는 것이 좋다.

본 발명에 의하면, 진공(저압) 환경은 고진공 상태에서 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)를 제작한 다음, 진공(저압) 상태를 유지하는 진공실 안에 어레이와 전계이미터(104)와 타겟(106)을 넣어 이루어질 수 있다. 기체분자들을 화학적으로 결합하거나 흡수할 수 있는 진공게터를 이용해 휴대용 X선 소스(100)의 작동수명 내내 진공환경을 유지할 수 있다. 진공게터는 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)를 수용하는 진공실에 연결되거나 내면을 코팅할 수 있다. 물론 기계적이나 이온펌프로 필요한 진공환경을 유지할 수 있는 다른 메커니즘도 가능하다.

타겟(106)은 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)를 수용하는 진공실 내면에 부착될 수 있다. 이렇게 타겟들(106)을 부착하면 타겟에서 생긴 열이 열전달에 의해 좀더 쉽게 분산되어 휴대용 X선 소스(100)를 보다 쉽게 냉각할 수 있어 종래의 튜브형 소스에 비해 큰 개선이 이루어진다. 반면에, 기존의 X선 소스의 타겟이나 양극들은 진공관 안에 들어가 있어, 복사에 의해서만 열을 분산하기 때문에 냉각이 어렵다.

분산형 X선 제너레이터 어레이(103)는 전계이미터(104)로부터의 전자방출을 제어할 수 있는 게이트도 포함한다. 이 게이트는 다수의 도전구조들을 갖고, 이런 도전구조들에 전자들이 통과하면서 전압을 인가할 수 있다. 한편, 게이트가 전계이미터(104)와 타겟(106) 사이에 생기는 전계를 억제할 수도 있다. 예컨대, 게이트에 도전판이 있고, 도전판의 정공들을 통해 전계이미터(104)의 전자가 통과할 수 있다. 한편, 게이트가 환형 구조체 어레이를 갖고, 이런 구제차 각각이 전계이미터(104)에 관련될 수도 있다. 게이트는 도체로 코팅된 절연기판을 가질 수도 있다.

본 발명에 의하면, 휴대용 X선 소스(100)의 고전압 전원(109)에서 게이트가 전기를 공급받을 수 있다. 또는, 특정 정공 세트나 환형 구조체처럼 특정 전계이미터(104)와 관련된 게이트의 각 부위를 개별적으로 제어할 수도 있다.

분산형 X선 제너레이터 어레이(103)가 다이오드 구성(예; 음극과 양극구조가 없는 게이트)을 갖도록 게이트를 모두 없앨 수도 있다. 전계방출의 지수함수 특성(예; 방출된 전류가 인가된 전압에 지수함수적으로 변함) 때문에 이런 다이오드 구성은 일반적으로 작동전압 범위가 제한적이기는 해도, 생산이 쉽고 삼극진공관 구조나 게이트를 갖춘 구조보다 신뢰성이 높을 수 있다. 그럼에도 불구하고, 삼극진공관은 많은 장점을 갖는데, 예컨대 방출전압을 독립적으로 제어하고 전압을 가속할 수 있다. 따라서, 용도와 다른 디자인 조건에 의거해 구조를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 전압이 거의 고정적인 치과 촬영의 경우, 다이오드 구조가 좋을 것이다.

도 1의 휴대용 X선 소스(100)에서 전계이미터(104)와 타겟(106) 사이에 스페이서(108)를 배치할 수 있다. 스페이서(108)는 전계이미터와 타겟 사이에 필요한 간격을 유지하고 전계이미터와 타겟을 절연하는 역할을 한다.

스페이서(108)는 사용되는 재료와 전압(전계이미터와 타겟 사이의 전위차)에 따라 두께가 좌우될 수 있다. 예를 들어, 전계이미터와 타겟 사이의 간격이 크면 큰 전압이 필요하여, 스페이서(108)도 더 두꺼워야 한다. 반대로, 작은 전압에는 얇은 스페이서가 사용된다. 본 발명에서는 스페이서(108)의 두께가 1~30 mm 정도이지만, 5~15mm나 15~30mm일 수 있다.

스페이서(108)는 유리, 붕규산유리, 세라믹, 기타 적당한 재료로 이루어지고, 다양한 구성을 가질 수 있다. 본 발명에서는 스페이서(108)가 원통형이지만, 삼극진공관 구조의 경우 스페이서가 게이트의 분리나 제거를 위해 2 부분으로 구성될 수도 있다.

스페이서(108)는 전계이미터(104)와 타겟(106)을 수용하는 진공실의 일부분일 수도 있고, 이런 진공을 형성하거나 유지하는 역할을 하지 않을 수도 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 전계이미터(104)와 타겟(106) 사이에 큰 전위차(전압)를 일으킬 수 있는 고전압 전원(109)을 가질 수도 있다. 이런 고전압 전원(109)는 표준 아울렛에서 보이는 공통전압과 같은 선전압을 고전압으로 변환할 수 있고, 경우에 따라서는 하나 이상의 배터리(107)에 연결되거나 배터리전압을 고전압으로 변환할 수도 있다.

고전압 전원(109)은 최대 -120kV의 전압이나, -20~-120 kV의 전압이나, 양전압이나, 50~70kV 사이의 고정전압을 생산할 수 있고, 또는 직렬이나 병렬이나 2가지 이상의 전압으로 작동할 수도 있다.

본 발명의 고전압 전원(예; -30~-80 kV)이 기존의 X선 촬영방법과는 반대로 작동한다. 특히, 기존의 방식에 의하면 전계이미터가 낮은 전원 내지 중간 전원으로 구동되고, 고전압 전원(109)은 이용하지 않는다. 기존의 방식은 지면과 고장력 평면 사이의 간격을 최소화하는 소형 전원도 이용하지 않는다.

도 1에 도시된 바와 같이, 고전압 전원(109)의 형상은 일반적으로 전계이미터(104)와 타겟(106)의 형상을 따르고, 고전압 전원의 출력면은 전계이미터(104)에 닿아 전기접속을 형성한다. 치과 방사선촬영에 적합한 본 발명에서는, 고전압 전원(109)이 두께 30mm이고 크기는 150mmX150mm일 수 있다. 휴대용 X선 소스(100)를 액체(절연오일) 및/또는 고체(퍼티, 포팅)에 포장하여, 고전압전원(1090의 고전압에 필요한 절연을 할 수 있다.

한편, 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)에 다수의 강유전 결정들로 전기를 공급할 수도 있다(PCT/US2010/044762 참조). 또는, 원하는 전압을 생산하는 다수의 장치로 어레이에 전기를 공급할 수도 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 다수의 방출제어기(110)를 더 포함할 수 있다. 이런 방출제어기(110)는 전계이미터(104)에서 방출된 전자의 초점이나 휨 등을 조절할 수 있어, 각 제너레이터(102)에 의한 X선 방출을 조절한다. 이때문에, 각각의 제너레이터를 조절하여, 분산형 X선 제너레이터 어레이(103)가 원추형 X선을 일시적으로 분리는 되지만 물리적으로 오버랩되게 할 수 있다. 이 경우, 촬영할 물체를 이음매없이 커버하고 이용가능한 플럭스를 최대한 이용할 수 있으면서도 분리간격을 최소화할 수 있다.

다수의 방출제어기(110)는 타겟(106)에 대한 전계이미터(104)의 전자빔의 초점이나 방향을 조절해 X선의 생성이나 중단에 영향을 준다. 통상의 전문가라면 방출제어가 한가지 방식에 한정되지 않고, 정전, 자기정전 및 정전자기 수단들을 포함한 여러 방법과 함께 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이런 방법들 중의 하나가 PCT/GB2015/050639에 소개되어 있다.

도 3은 선택적으로 작동되는 다수의 코일/자석(301)을 포함한 다수의 방출제어기(110)의 일례를 보여준다. 코일/자석(301)은 전계이미터(104)에서 나온 전자빔(304)이 고에너지 제동복사에 효과적인 재료로 이루어진 타겟(106)의 일부분에 부딪치는 것을 방해하여, X선 방출을 조절한다.

도시된 것처럼, 전계이미터(104)의 출력플럭스인 전자빔(304)을 코일/자석(301)에 의한 전자기장으로 조절하여, "온(302)"된 전기장에 의해 전자빔(304)이 궤도(307)를 벗어나 타겟(106)을 향해 휘어지도록 한다. 코일/자석(301)이 "오프(303)"되면, 전자빔(304)이 궤도(307)를 따라 기판(305)에 부딪치고, 이런 기판은 신호를 생성하지 않는 저에너지 광자만 생성하는 낮은 원자수 물질로 이루어진다. 따라서, 코일/자석(301)의 상태(온/오프(302/303))가 주어진 이미터로부터의 X선(306)의 생성을 제어한다.

본 발명에 의하면, 타겟(106)은 텅스텐과 같은 유효 제동복사 물질로 된 이산영역과, 실리콘과 같은 낮은 제동복사 물질로 된 인접영역과, 알루미늄과 같은 도체로 된 지지부를 포함할 수 있다. 렌즈나 요크(yoke)가 빔축 방향으로 자기장을 연신하고 엇축되게 하는데 사용될 수 있다.

또, 선택적으로 작동되는 각각의 코일/자석(301)이 이미터 어레이(105)와 같은 패턴의 코일/자석 클러스터로 배열될 수도 있다. 이런 클러스터는 각각의 전계이미터(104)를 중심으로 배열된 쌍극 자기장을 생성할 수 있는 4개의 코일/자석(301)을 포함할 수 있다. 또는 클러스터가 8개 이상의 코일/자석(301)을 포함하고, 중앙 코일 세트는 전계이미터(104)의 빔궤도를 편향시키는 쌍극 자기장을 일으키며 주변 코일/자석(301)은 중앙 코일/자석의 표류 자기장을 상쇄하는데 사용될 수 있다. 이런 클러스터는 이미터 어레이(105)와 같은 패턴으로 구성된다.

솔레노이드 코일(301)은 전자빔을 정상 경로에서 0.1~1.25 mm 정도 편향시켜야 한다. PCT/GB2015/050639는 고전류 코일을 이용해 이런 편향을 하는 방법을 소개한다. 전술한 코일 클러스터를 이용해도 낮은 전류에서 비슷한 결과를 얻을 수 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)의 X선 방출을 선택적으로 제어할 수 있는 메커니즘을 갖출 수도 있다. 이런 메커니즘은 솔레노이드 코일들(301)처럼, 하나 이상의 제어기(110)를 소정의 순서로 선택적으로 가동할 수 있는 어드레싱-타이밍 회로와 같은 회로를 구비할 수 있다. 타겟들(106)과 다수의 방출제어기(110)는 휴대용 X선 소스(100)가 평상시 온 모드로 동작하도록 배열되지만, 평상시 오프 모드로 동작하도록 배열될 수도 있다. 또, 전자회로와 같은 제어 메커니즘이 소정의 디텍터 신호레벨에 도달한 뒤 X선 광자의 방출을 자동으로 중단할 수도 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 피부조직에 완전히 흡수되는 저에너지 X선처럼 X선 촬영에 기여하지 못하는 방사선을 제거하거나 차단하는 필터를 더 갖출 수 있다. 이런 필터는 환자, 방사선기사, 간호사, 치과의사 등의 불필요한 X선 노출을 최소화하면서도 X선 촬영에 악영향을 주지 않는다. 필터가 없을 수도 있고, 특정 필터를 사용하도록 필터를 암호화할 수도 있다.

통상의 전문가라면 알 수 있듯이, 필터의 재료는 다양할 수 있고, 그 두께는 휴대용 X선 소스(100)의 작동전압이나 최종 용도에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 필터가 두께 1~10 mm의 알루미늄판이나, 두께 1~5mm의 구리판을 갖거나, 알루미늄과 탄소처럼 원자수가 높은 재료와 낮은 재료가 교대로 적층된 것을 포함할 수 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 콜리메이터 어레이를 구비하고, 이 어레이는 방출된 X선의 각도를 좁혀 관심구역의 부분 커버를 용이하게 할 수 있다. 이런 콜리메이터 어레이가 PCT/GB2015/050637에 소개되었다. 콜리메이터는 적당한 크기의 정공들 여러개를 갖는 고밀도 재료로 된 판을 포함할 수 있는데, X선이 특정 개방각도로 이런 정공을 통과할 수 있다. 이런 고밀도 재료로는 텅스텐, 스틸, 또는 X선 감쇠율이 높은 재료로 된 합금이 있다.

또, 이런 콜리메이터 어레이가 다수의 튜브를 갖추고, 각각의 튜브가 방출된 원추형 X선의 개방각도를 조절할 수 있다. 예컨대, 콜리메이터 어레이에 있는 텅스텐판에 다수의 알루미늄 인서트가 있고, 각각의 인서트는 각각의 원추형 X선의 일부분을 원하는 개방각도로 통과시키는 역할을 한다. 한편, 이런 콜리메이터 어레이가 2개의 판이 서로 겹치게 배열된 것을 포함하고, 각각의 판에 다수의 정공이 있으며, 특정 원추형 X선이 하부판의 정공과 상부판의 정공을 차례로 통과하도록 할 수 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 하우징(101)을 포함할 수도 있다. 하우징(101)은 X선 소스(100)에 기계적으로 견고한 플랫폼을 제공하여 휴대성을 개선하는 경량보호틀일 수 있다. 하우징(101)은 열을 분산시키는 등의 기능으로 열조절에 도움을 줄 수도 있다. 하우징(101)은 멸균제, 알코올, 등의 의료장비 요건을 만족할 수도 있다.

휴대용 X선 소스(100)가 디텍터와 제대로 정렬되었다는 표시를 사용자에게 제공할 수 있는 비접촉 센서와 같이 휴대용 X선 소스(100)를 디텍터에 정렬시키는 메커니즘을 하우징(101)이 가질 수도 있다. 한편, 하우징(101)이 이산형 X선 제너레이터 어레이(103)와 같은 고전압 부품을 수용하는 내부케이스와, 고전압이 아닌 다른 부품들을 보유하는 외부케이스를 가질 수도 있다. 또, 플러그 없이 X선 소스에 전력을 공급하는 배터리(107)를 하우징(101)에 수용할 수도 있다.

Claims

이산형 X선 제너레이터 어레이;
이산형 X선 제너레이터 어레이에 의한 X선 방출을 선택적으로 조절하는 회로;
이산형 X선 제너레이터 어레이를 작동시키는 고전압을 공급하는 전원; 및
그로스 콜리메이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 전계이미터, 다수의 타겟, 전계이미터와 타겟 사이의 스페이서, 다수의 방출제어기, 전계이미터와 타겟을 수용하는 저압 케이싱, 및 저에너지 X선을 여과하는 필터를 포함하고; 각각의 타겟은 고에너지 제동복사에 효과적인 재료로 구성된 타겟 영역에 전자들이 입사할 때 X선 광자들을 방출할 수 있으며; 각각의 타겟이 전계이미터와 정렬되고; 상기 스페이서는 전계이미터와 타겟 사이의 높은 전위차를 견딜 수 있으며; 상기 방출제어기는 전계이미터에서 방출된 전자들이 고에너지 제동복사에 효과적인 재료로 이루어진 상기 타겟 영역에 부딪치는 것을 방해하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 게이트를 더 포함하고, 각각의 게이트는 관련 전계이미터의 방출 전기장을 제어하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제3항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 콜리메이터들로 이루어진 콜리메이터 어레이를 더 포함하고, 각각의 콜리메이터는 관련 타겟에서 방출된 X선의 각도를 좁히는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 고정 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 평면 어레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 다수의 방출제어기들이 다수의 전자기 코일들이나 다수의 병렬판 편향기들 중의 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제7항 중의 어느 하나에 있어서, 휴대용 X선 소스가 하우징을 더 포함하고; 상기 하우징은 X선 소스의 고전압 요소들을 절연하는 내부케이스와, X선 소스의 다른 요소를 수용하는 외부케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제8항에 있어서, 휴대용 X선 소스가 센서를 더 포함하고; 이 센서를 통해 이산형 X선 제너레이터 어레이가 디텍터와 직접 접촉하지 않고도 디텍터에 정렬될 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전원이 배터리 전압을 외부전원 없이 이산형 X선 제너레이터 어레이를 작동시키는 상기 고전압으로 변환시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전원이 선전압을 이산형 X선 제너레이터 어레이를 작동시키는 상기 고전압으로 변환할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 상기 전원이 -30~-80 kV 범위의 전압을 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 상기 전원이 하나의 고정 전압으로 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 상기 회로가 디지털 어드레싱-타이밍 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제14항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 회로가 소정 디텍터 신호레벨에 도달한 뒤 X선 광자의 방출을 자동으로 중단할 수 있는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제1항 내지 제15항 중의 어느 하나에 있어서, 휴대용 X선 소스가 치과촬영에서 3차원 영상을 만드는데 사용되는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제2항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 밀리미터 내지 센티미터 범위의 중간 피치 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제17항에 있어서, X선 소스가 중량이 5kg 미만인 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
이산형 X선 제너레이터 어레이;
이산형 X선 제너레이터 어레이로부터의 X선 방출을 선택적으로 제어하는 수단;
이산형 X선 제너레이터 어레이를 작동시키는 고전압을 공급하는 수단; 및
이산형 X선 제너레이터 어레이에서 방출된 X선들을 일정 거리의 영역에 집중하는 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제19항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 전계이미터, 다수의 타겟, 전계이미터와 타겟 사이의 고전압을 견디는 수단, 전계이미터를 타겟에서 띄워두기위한 수단, 각각의 타겟으로부터의 X선 광자의 방출을 제어하는 수단, 전계이미터와 타겟을 진공으로 유지하는 케이싱, 및 저에너지 X선을 여과하는 필터를 포함하고; 각각의 타겟은 전자들이 타겟에 입사할 때 X선 광자들을 방출할 수 있으며; 각각의 타겟이 전계이미터와 정렬되는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.
제20항에 있어서, 상기 이산형 X선 제너레이터 어레이가 다수의 게이트, 이들 게이트를 전계이미터에서 띄워두는 수단, 게이트를 작동시키는 수단, 및 게이트를 타겟에서 띄워두는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴대용 X선 소스.