KR20210011903A - 단색 엑스선 영상 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
일부 양태에 따라, 단색 엑스선 공급원이 제공된다. 단색 엑스선 공급원은 전자를 생성하도록 구성된 전자 공급원, 일차 표적으로서, 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된, 일차 표적, 및 일차 표적에 의해서 방출된 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 재료의 적어도 하나의 층을 포함하는 이차 표적을 포함한다.
Description
통상적인 진단 방사선촬영은, 넓은 에너지 대역에 걸쳐 엑스선(X-레이)을 방출하는 엑스선 발생기를 이용한다. 이러한 대역의 대부분은 의료적 촬영에 유용하지 않은 엑스선을 포함하는데, 이는 그 에너지가 너무 커서 피검 조직과 상호작용하지 않거나 너무 작아서 엑스선 검출기 또는 이를 기록하기 위해서 이용되는 필름에 도달하지 않기 때문이다. 에너지가 너무 작아서 검출기에 도달하지 않는 엑스선이 특히 문제가 되는데, 이는 정상 조직을 불필요하게 노광시키고 환자가 받는 방사선 선량을 높이기 때문이다. 단색 엑스선의 이용은, 적절한 에너지로 이용될 수 있는 경우에, 방사선 선량을 최소화하면서 최적의 진단 화상을 제공할 수 있다는 것이 오랫 동안 확인되었다. 현재까지, 일반적인 임상 진단 용도를 위해서 사용될 수 있는 그러한 단색 엑스선 공급원은 존재하지 않았다.
단색 방사선은 특별한 설정으로 이용되어 왔다. 그러나, 단색 방사선을 생성하기 위한 통상적인 시스템은, 그 막대한 크기, 비용 및/또는 복잡성으로 인해서, 임상적 또는 일반적인 사용 용도에 적합하지 않았다. 예를 들어, 단색 엑스선은, 필터로서 비효율적인 Bragg 결정을 이용하는 또는 솔리드(solid)의 편평한 표적 엑스선 형광체를 이용하는 싱크로트론 공급원에서 막대하게 생산될 수 있으나, 이들은 병원 및 의원에서 일반적으로 사용하기에 너무 크고 실용적이지 않다.
단색 엑스선은, 입사 전자 빔에 응답하여 넓은 스펙트럼 방사선을 생산하는 일련의 (애노드로도 지칭되는) 표적, 이어서 입사되는 넓은 스펙트럼 방사선의 흡수에 응답하여 단색 엑스선을 생성하는 형광 표적을 제공하는 것에 의해서 생성될 수 있다. "넓은 스펙트럼 방사선"이라는 용어는 본원에서, 애노드 재료의 특성적 방출 라인을 가지거나 가지지 않는 제동복사(Bremsstrahlung) 방사선을 설명하기 위해서 이용된다. 간단히, 엑스선 형광을 통해서 단색 엑스선을 생성하는 원리는 다음과 같다.
두꺼운 표적 제동복사
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 엑스선 관 내에서, 전자는 캐소드로 지칭되는 가열된 필라멘트로부터 방출되고 고전압(예를 들어, ~50 kV)에 의해서 애노드로 지칭되는 금속 표적을 향해서 가속된다. 고에너지 전자가 애노드 내의 원자와 상호작용한다. 에너지(E1)를 갖는 전자가 종종 표적 내의 핵에 근접하고, 그 궤적이 전자기적 상호작용에 의해서 변경된다. 이러한 편향 프로세스에서, 전자는 핵을 향해서 감속된다. 전자가 에너지(E2)로 감속됨에 따라, 전자는 에너지(E2-E1)를 갖는 엑스선 광자를 방출한다. 이러한 방사선은 제동복사 방사선(브레이킹 방사선)으로 지칭되고, 그 운동역학이 도 2에 도시되어 있다.
방출된 광자의 에너지는 입사 전자의 최대 에너지(Emax) 이하의 임의의 값을 가질 수 있다. 전자가 파괴되지 않음에 따라, 전자는, 그 에너지의 전부를 잃을 때까지 또는 애노드 내의 원자와 조합될 때까지, 다수의 상호작용을 겪을 수 있다. 초기 상호작용은, 핵에 대한 실제 각도 및 근접도에 따라, 작은 에너지 변화로부터 큰 에너지 변화로 달라질 것이다. 결과적으로 제동복사 방사선은 일반적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 연속적인 스펙트럼을 가질 것이다. 제동복사 생성 가능성은 Z2에 비례하고, 여기에서 Z는 표적 재료의 원자 번호이고, 생산 효율은 Z 및 엑스선 관 전압에 비례한다. 낮은 에너지의 제동복사 엑스선은 두꺼운 표적 애노드에 의해서 흡수되는데, 이는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이들이 깊은 내측부로부터 빠져 나오려 하기 때문이고, 그에 따라 세기 곡선이 최저 에너지에서 굽혀지게 하게 때문이라는 점에 주목한다.
특성적 라인 방출
대부분의 전자가 감속되고 그 궤적이 변화되지만, 일부는, 그 각각의 궤도 내의, 에너지(BE)에 의해서 구속된 전자 또는 표적 원자 내의 핵을 둘러싸는 껍질과 충돌할 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 껍질은 K, L, M, N 등으로 표시된다. 진입 전자와 구속 전자 사이의 충돌에서, 진입 전자의 에너지가 궤도 전자의 BE보다 큰 경우에, 구속 전자는 원자로부터 방출될 것이다. 예를 들어, 도 4에 도시된 에너지(E > BEK)를 갖는 충격 전자는 K-껍질 전자를 방출하여, K 껍질 내에 공극을 남길 것이다. 외부 궤도 내의 전자가 공극을 채울 것이기 때문에, 결과적인 여기되고 이온화된 원자가 탈-여기될 것이다. 탈-여기 중에, 탈-여기와 관련된 전자의 초기 및 최종 에너지 레벨들 사이의 차이와 동일한 에너지를 갖는 엑스선이 방출된다. 궤도 껍질의 에너지 레벨이 주기율표의 각각의 원소에서 특이적이기 때문에, 엑스선의 에너지는 원소를 식별한다. 에너지는 단일 에너지일 것이고, 스펙트럼은 넓은 연속 대역이 아니라 단색으로 보인다. 여기에서, 단색은, 방출 라인의 에너지의 폭이 관련된 원자 전이와 연관된 자연적 라인 폭과 동일하다는 것을 의미한다. 구리 Kα 엑스선에서, 자연적 라인 폭은 약 4 eV이다. Zr Kα, Mo Kα 및 Pt Kα에서 라인 폭은 각각 약 5.7 eV, 6.8 eV 및 60 eV이다. 애노드로부터 몰리브덴 표적을 갖는 엑스선 관으로부터의 전체 스펙트럼이 도 5에 도시되어 있다. 몰리브덴의 원자 에너지 레벨에 특이적인 특성적 방출 라인이 두꺼운 표적 제동복사에 중첩되어 도시되어 있다.
엑스선 흡수 및 엑스선 형광
임의의 유형의 엑스선 공급원으로부터의 엑스선이 샘플을 타격할 때, 엑스선은 원자에 의해서 흡수되거나 재료를 통해서 산란될 수 있다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 원자의 에너지 전부를 가장 내측의 전자에 전달하는 것에 의해서 엑스선이 원자에 의해서 흡수되는 프로세스는 광전기 효과로 지칭된다. 이는, 입사 엑스선이, 충돌 중에 만나는 궤도 전자의 결합 에너지보다 많은 에너지를 가질 때, 발생된다. 상호작용에서, 광자는 그 에너지의 전부를 궤도 전자에 부여하면 사라진다. 엑스선 에너지의 대부분은 궤도 전자의 결합 에너지를 극복하는데 필요하며, 나머지는 방출 시에 전자에 부여되어 껍질 내에 공극을 남긴다. 방출된 자유 전자는 광전자로 지칭된다. 광전기적 상호작용은, 입사 광자의 에너지가 타격되는 전자의 결합 에너지를 초과하나 그에 비교적 근접할 때, 가장 발생되기 쉽다.
예로서, 광전기적 상호작용은, 입사 광자가 50 keV일 때보다 입사 광자가 25 keV일 때, 23.2 keV의 결합 에너지를 갖는 K-껍질 전자에서 발생되기 가장 쉽다. 이는, 광전기적 효과는 대략적으로 엑스선 에너지의 제3 파워와 반비례하기 때문이다. 이러한 분리(fall-off)는, 엑스선 에너지가 흡수체 내의 전자 껍질(K, L, M 등)의 결합 에너지와 동일할 때 급격한 상승에 의해서 중단된다. 공극이 특정 껍질 내에서 생성될 수 있는 최저 에너지가 엣지(edge)로서 지칭된다. 도 7은 엑스선 에너지의 함수로서의 주석(Sn)의 흡수를 도시한다. 그러한 흡수는 그 질량 감쇠 계수에 의해서 세로 축에서 규정된다. L 궤도 및 K 궤도의 결합 에너지에 상응하는 흡수 엣지는 각각 약 43.4 keV 및 29 keV에서의 불연속적인 점프에 의해서 확인된다. 주기율표의 모든 원소는 엑스선 에너지의 함수로서의 그 흡수를 설명하는 유사한 곡선을 갖는다.
원자의 내부 껍질 내의 공극은 원자의 불안정한 조건을 나타낸다. 원자가 그 안정 조건으로 복귀될 때, 외부 껍질로부터의 전자가 내부 껍질로 전달되고, 그러한 프로세스, 특성적인 엑스선을 방출하고, 이의 에너지는 "특성적 라인 방출"의 섹션에서 전술한 바와 같은 상응 껍질의 2개의 결합 에너지들 사이의 차이이다. 이러한 엑스선 방출의 광자-유도 프로세스는 엑스선 형광, 또는 XRF로 지칭된다. 도 6b는 K 껍질로부터의 엑스선 형광을 개략적으로 도시하고, 알루미늄 샘플로부터의 전형적인 엑스선 형광 스펙트럼이 도 8에 도시되어 있다. 스펙트럼은, 에너지 해상도가 L-K 전이의 자연적 라인 폭을 지배하는 솔리드 스테이트, 광자 계수 검출기로 측정된다. 이러한 단일 에너지 방출 라인들이 광대역의 연속적인 방사선의 배경의 상단에 놓이지 않고; 스펙트럼이 제동복사를 가지지 않는다는 것을 주목하는 것이 중요하다.
일부 실시예는 단색 엑스선 공급원에 관한 것으로서, 그러한 단색 엑스선 공급원은 전자를 생성하도록 구성된 전자 공급원, 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된 일차 표적, 및 일차 표적에 의해서 방출된 입사 광대역 엑스선 방사선의 흡수에 응답하여 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 적어도 하나의 재료의 층을 포함하는 이차 표적을 포함한다.
일부 실시예는, 전자 공급원 및 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된 일차 표적을 포함하는 광대역 엑스선 공급원과 함께 사용하도록 구성된 캐리어를 포함하고, 그러한 캐리어는, 엑스선 방사선이 캐리어를 빠져 나갈 수 있게 하는 개구를 가지는 원위 부분, 그리고 입사 광대역 엑스선 방사선 흡수에 응답하여 형광 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 적어도 하나의 재료의 층을 가지는 이차 표적 및 적어도 하나의 재료의 층이 도포되는 적어도 하나의 지지부를 포함하는 근위 부분을 포함하고, 적어도 하나의 지지부는, 근위 부분이 원위 부분에 커플링될 수 있게 하는 협력 부분을 포함한다.
일부 실시예에 따라, 전자 공급원 및 일차 표적을 포함하는 광대역 엑스선 공급원과 함께 이용되도록 구성된 캐리어가 제공되고, 일차 표적은 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된다. 캐리어는, 광대역 엑스선 공급원에 제거 가능하게 커플링되도록 구성되고 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 이차 표적을 수용하도록 구성된 하우징을 포함하고, 하우징은 광대역 엑스선 방사선이 이차 표적(존재하는 경우)에 전달될 수 있게 허용하도록 구성된 투과 부분, 및 광대역 엑스선 방사선을 흡수하도록 구성된 차단 부분을 포함한다.
일부 실시예는 전자 공급원 및 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된 일차 표적을 포함하는 광대역 엑스선 공급원과 함께 이용되도록 구성된 캐리어를 포함하고, 충돌하는 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 단색 엑스선 방사선을 생성하는 이차 표적을 수용하도록 구성된 하우징을 포함하고, 하우징은, 하우징이 광대역 엑스선 공급원에 커플링되고 이차 표적을 수용할 때, 일차 표적으로부터의 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 이차 표적에 충돌하여 단색 엑스선 방사선을 생성하게끔 이차 표적이 배치되도록, 광대역 엑스선 공급원에 제거 가능하게 커플링되도록 추가적으로 구성되고, 하우징은 광대역 엑스선 방사선에 실질적으로 투명한 제1 재료를 포함하는 제1 부분, 및 광대역 엑스선 방사선에 실질적으로 불투명한 제2 재료를 포함하는 제2 부분을 포함한다.
일부 실시예는 단색 엑스선 디바이스를 포함하고, 그러한 디바이스는 전자를 방출하도록 구성된 전자 공급원, 전자 공급원으로부터의 입사 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 일차 표적, 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 형광을 통해서 단색 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 이차 표적, 그리고 이차 표적으로부터의 단색 엑스선 방사선이 통과하여 방출되게 하는 개구를 포함하는 이차 표적을 위한 하우징을 포함하고, 하우징은, 일차 표적에 의해서 방출된 광대역 엑스선 방사선의 적어도 일부가 이차 표적 상으로 입사되도록, 그에 따라, 단색 엑스선 디바이스가 동작될 때, 적어도 약 15도의 시계에 걸쳐 0.7 이상의 단색성을 가지는 단색 엑스선 방사선이 개구를 통해서 방출되도록, 이차 표적을 배치하게끔 구성된다. 일부 실시예에 따라, 개구를 통해서 방출되는 단색 엑스선 방사선은 적어도 약 15도의 시계에 걸쳐 0.8 이상의 단색성을 갖는다. 일부 실시예에 따라, 개구를 통해서 방출되는 단색 엑스선 방사선은 적어도 약 15도의 시계에 걸쳐 0.9 이상의 단색성을 갖는다. 일부 실시예에 따라, 개구를 통해서 방출되는 단색 엑스선 방사선은 적어도 약 15도의 시계에 걸쳐 0.95 이상의 단색성을 갖는다.
일부 실시예는 단색 엑스선 디바이스를 포함하고, 그러한 디바이스는 전자를 방출하도록 구성된 전자 공급원, 전자 공급원으로부터의 입사 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 일차 표적, 및 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 형광을 통해서 단색 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 이차 표적을 포함하고, 디바이스는, 이차 표적의 흡수 엣지의 에너지의 2배보다 큰, 전자 공급원과 일차 표적 사이의 전위를 이용하여 동작된다. 일부 실시예에 따라, 디바이스는, 이차 표적의 흡수 엣지의 에너지의 3배보다 큰, 전자 공급원과 일차 표적 사이의 전위를 이용하여 동작된다. 일부 실시예에 따라, 디바이스는, 이차 표적의 흡수 엣지의 에너지의 4배보다 큰, 전자 공급원과 일차 표적 사이의 전위를 이용하여 동작된다. 일부 실시예에 따라, 디바이스는, 이차 표적의 흡수 엣지의 에너지의 5배보다 큰, 전자 공급원과 일차 표적 사이의 전위를 이용하여 동작된다.
일부 실시예는 단색 엑스선 디바이스를 포함하고, 그러한 디바이스는 원환형 캐소드를 포함하고 전자를 방출하도록 구성되는 전자 공급원, 전자 공급원으로부터의 입사 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 일차 표적, 전자를 일차 표적을 향해서 안내하기 위해서 원환형 캐소드에 대해서 동심적으로 배열되는 적어도 하나의 안내부, 및 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 형광을 통해서 단색 엑스선 방사선을 생성하도록 구성된 이차 표적을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 안내부는 원환형 캐소드 내에 동심적으로 배열되는 적어도 하나의 제1 내부 안내부를 포함한다. 일부 실시예에 따라, 적어도 하나의 안내부는 원환형 캐소드의 외측에 동심적으로 배열되는 적어도 하나의 제1 외부 안내부를 포함한다.
개시된 기술의 여러 양태 및 실시예가 이하의 도면을 참조하여 설명될 것이다. 도면이 반드시 실제 축척으로 도시된 것이 아님을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 광대역 엑스선 공급원의 개략도를 도시한다.
도 2는, (핵보다 훨씬 가벼운) 전자가 핵에 매우 근접되고 전자기적 상호작용이 궤적의 이탈을 유발하고 이때 전자는 에너지를 잃고 엑스선 광자가 방출되고 그 가장 단순한 형태로 제동복사를 설명하는 시나리오를 도시한다.
도 3은 전형적인 엑스선 관에 의해서 생성되는 제동복사 스펙트럼을 도시하며, 여기에서 표적을 빠져 나가려 하는 낮은 에너지의 엑스선이 흡수되어 낮은 에너지의 스펙트럼의 특성적 롤 오버(characteristic roll over)를 유발한다.
도 4는 특성적 라인 방출을 생성하는 물리적 현상을 도시한다.
도 5는, 두꺼운 표적 제동복사 및 특성적 몰리브덴 라인 방출을 보여주는 몰리브덴 애노드를 갖는 엑스선 관으로부터의 조합된 스펙트럼을 도시한다.
도 6a는 광전기 효과를 도시한다.
도 6b는 K 껍질로부터의 엑스선 형광의 원리를 도시한다.
도 7은 주석에 대한 엑스선 에너지의 함수로서의 흡수 계수를 도시하고, 여기에서 불연속적인 점프 또는 엣지는, 주석 내의 전자의 결합 에너지 바로 위에서 흡수가 어떻게 향상되는지를 보여준다.
도 8은, 구리 애노드를 갖춘 엑스선 관에 의해서 생성된 구리 엑스선으로 알루미늄(Al) 표적을 조사하는 것에 의해서 만들어진 엑스선 형광 스펙트럼을 도시한다.
도 9는 단색 엑스선을 생성하기 위한 엑스선 장치를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 통상적인 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축(on-axis) 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 11a는 일부 실시예에 따른 단색 엑스선 디바이스를 도시한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 단색 엑스선 디바이스의 구성요소의 확대도를 도시한다.
도 11c는, 일부 실시예에 따른, 하이브리드 재료 인터페이스 부분을 이용하는 도 11a에 도시된 단색 엑스선 디바이스의 구성요소의 확대도를 도시한다.
도 12는 단색 엑스선 디바이스의 수용부에 삽입되고 그로부터 제거될 수 있게 구성된 제거 가능 캐리어를 도시한다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는, 일부 실시예에 따른, 이차 표적 캐리어의 도면을 도시한다.
도 14a 및 도 14b는, 도 13a, 도 13b 및 도 13c에 도시된 예시적인 캐리어를 이용하는, 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 14c는 도 10a 및 도 10b 그리고 도 14a 및 도 14b에 도시된 엑스선 스펙트럼의 시계 특성을 도시한다.
도 15는 관찰 각도의 함수로서 낮은 그리고 고에너지 스펙트럼에서의 통합 파워 비율을 도시한다.
도 16은 관찰 각도의 함수로서 단색성을 도시한다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는, 일부 실시예에 따른, 이차 표적 캐리어의 도면을 도시한다.
도 18a 및 도 18b는, 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 예시적인 캐리어를 이용하는, 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 19는 4개의 예시적인 재료로 이루어진 이차 표적의 형광 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 20은 2개의 상이한 기하형태의 이차 표적을 위한 많은 수의 일차 전압에 대한 방출 전류의 함수로서 엑스선 세기를 도시한다.
도 21은 금 일차 표적으로부터 방출된 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 22는 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 캐리어를 이용한 주석 이차 표적을 위한 일차 전압의 함수로서 온-축 및 오프-축 단색성을 도시한다.
도 23은 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 캐리어를 이용한 은 이차 표적을 위한 일차 전압의 함수로서 온-축 및 오프-축 단색성을 도시한다.
도 24a 및 도 24b는, 일부 실시예에 따른, 개선된 전자 광학기기를 갖춘 단색 엑스선 공급원(2400)의 횡단면을 도시한다.
도 25는, 전자가 도 24a 및 도 24b에 도시된 단색 엑스선 공급원 내의 일차 표적을 타격하는 지점의 위치를 도시한다.
도 26은, 전자가 도 24a 및 도 24b에 도시된 단색 엑스선 공급원 내의 일차 표적을 타격하는 지점의 위치를 도시한다.
도 27은 하이브리드 인터페이스 구성요소를 포함하는 단색 엑스선 공급원을 도시한다.
도 28은, 발산형 전자 궤적 및 감소된 단색성을 초래하는, 캐소드가 일차 표적으로부터 더 멀리 이동된 대안적인 구성을 도시한다.
도 29는 본원에서 설명된 단색 엑스선 공급원을 이용하여 촬영 실험을 실시하기 위해서 이용되는 유방 엑스선 조영법 팬텀(mammographic phantom)을 도시한다.
도 30은 도 29에 도시된 팬텀의 블록의 내재된 선형 어레이의 도수분포도를 도시한다.
도 31은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 도 29의 팬텀의 화상을 도시한다.
도 32는 두꺼운 가슴 조직을 모델링하기 위한 적층된 유방 엑스선 조영법 팬텀을 도시한다.
도 33은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 도 32의 팬텀의 화상을 도시한다.
도 34는 통상적인 광대역 유방 엑스선 조영법 대 일부 실시예에 따른 단색 유방 엑스선 조영법을 도시한다.
도 35는, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 미세-석회화의 화상을 도시한다.
도 36은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 미세-석회화의 화상을 도시한다.
도 37은 상이한 이차 표적 및 상용 광대역 엑스선 시스템에 대한 라인 해상도를 도시한다.
도 38은 단색 기구를 위한 변조 전달 함수(MTF)를 도시한다.
도 39는 상이한 노출 시간 및 원뿔 기하형태에 대한 희망 신호 대 노이즈 비율을 위해서 필요한 파워 요건을 도시한다.
도 40은 상이한 노출 시간 및 원뿔 기하형태에 대한 희망 신호 대 노이즈 비율을 위해서 필요한 파워 요건, 그리고 상용 기계의 표시를 도시한다.
도 41은 중실형 이차 표적으로부터 방출되는 그리고 그에 의해서 흡수되는 형광 엑스선을 개략적으로 도시한다.
도 42는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 43은 엑스선 투과 및 흡수의 물리적 현상을 도시한다.
도 44의 a) 및 도 44의 b)는 많은 수의 에너지들에 대한 형광 엑스선 방출 대 재료 두께의 플롯을 도시한다.
도 45a 및 도 45b는 상응하는 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 46은 도 45a에 도시된 이차 표적 및 중실형 이차 표적으로부터의 시뮬레이트된 형광 엑스선 방출을 도시한다.
도 47은 도 45b에 도시된 이차 표적 및 중실형 이차 표적으로부터의 측정된 형광 엑스선 방출을 도시한다.
도 48은 일부 실시예에 따른 원뿔형 껍질(shell) 이차 표적을 도시한다.
도 49a 및 도 49b는 일부 실시예에 따른 포개진 원뿔형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 50a 및 도 50b는 일부 실시예에 따른 포개진 원뿔형 및/또는 절두원추형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 51 내지 도 53은 일부 실시예에 따른 반전형 및/또는 개방형 기하형태를 갖는 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 54a 내지 도 54c는 일부 실시예에 따른 원통형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 55a 내지 도 55c는 일부 실시예에 따른 나선형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 56 내지 도 59는 일부 실시예에 따른 개방 근위 단부를 갖는 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 60a 내지 도 60f는 일부 실시예에 따른 층상형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 61a 내지 도 61c는 일부 실시예에 따른 층상형 개방 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 62는 일부 실시예에 따른 많은 수의 예시적인 기하형태로부터 출력된 상대적인 형광 엑스선을 도시한다.
도 63a 및 도 63b는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 위한 예시적인 지지부를 도시한다.
도 64 및 도 65는 일부 실시예에 따른, 캐리어 내에 배치된 예시적인 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 66a 및 도 66b는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 위한 캐리어를 도시한다.
도 67은 일부 실시예에 따른, 많은 수의 이차 표적 기하형태 및 캐소드-애노드 전위에 대한 형광 엑스선 플럭스 대 방출 전류의 곡선을 도시한다.
도 68 내지 도 71은 일부 실시예에 따른, 많은 수의 이차 표적 기하형태에 대한, 신호 대 노이즈 비율에 대한 파워 요건을 도시한다.
도 72는 요오드에 대한 질량 흡수 계수 곡선을 도시한다.
도 73은 22 keV의 Ag K 엑스선 및 Oxilan 350로 지칭되는 요오드 조영제를 이용한 콘트라스트 향상 촬영의 예를 도시한다.
도 1은 광대역 엑스선 공급원의 개략도를 도시한다.
도 2는, (핵보다 훨씬 가벼운) 전자가 핵에 매우 근접되고 전자기적 상호작용이 궤적의 이탈을 유발하고 이때 전자는 에너지를 잃고 엑스선 광자가 방출되고 그 가장 단순한 형태로 제동복사를 설명하는 시나리오를 도시한다.
도 3은 전형적인 엑스선 관에 의해서 생성되는 제동복사 스펙트럼을 도시하며, 여기에서 표적을 빠져 나가려 하는 낮은 에너지의 엑스선이 흡수되어 낮은 에너지의 스펙트럼의 특성적 롤 오버(characteristic roll over)를 유발한다.
도 4는 특성적 라인 방출을 생성하는 물리적 현상을 도시한다.
도 5는, 두꺼운 표적 제동복사 및 특성적 몰리브덴 라인 방출을 보여주는 몰리브덴 애노드를 갖는 엑스선 관으로부터의 조합된 스펙트럼을 도시한다.
도 6a는 광전기 효과를 도시한다.
도 6b는 K 껍질로부터의 엑스선 형광의 원리를 도시한다.
도 7은 주석에 대한 엑스선 에너지의 함수로서의 흡수 계수를 도시하고, 여기에서 불연속적인 점프 또는 엣지는, 주석 내의 전자의 결합 에너지 바로 위에서 흡수가 어떻게 향상되는지를 보여준다.
도 8은, 구리 애노드를 갖춘 엑스선 관에 의해서 생성된 구리 엑스선으로 알루미늄(Al) 표적을 조사하는 것에 의해서 만들어진 엑스선 형광 스펙트럼을 도시한다.
도 9는 단색 엑스선을 생성하기 위한 엑스선 장치를 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 통상적인 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축(on-axis) 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 11a는 일부 실시예에 따른 단색 엑스선 디바이스를 도시한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 단색 엑스선 디바이스의 구성요소의 확대도를 도시한다.
도 11c는, 일부 실시예에 따른, 하이브리드 재료 인터페이스 부분을 이용하는 도 11a에 도시된 단색 엑스선 디바이스의 구성요소의 확대도를 도시한다.
도 12는 단색 엑스선 디바이스의 수용부에 삽입되고 그로부터 제거될 수 있게 구성된 제거 가능 캐리어를 도시한다.
도 13a, 도 13b 및 도 13c는, 일부 실시예에 따른, 이차 표적 캐리어의 도면을 도시한다.
도 14a 및 도 14b는, 도 13a, 도 13b 및 도 13c에 도시된 예시적인 캐리어를 이용하는, 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 14c는 도 10a 및 도 10b 그리고 도 14a 및 도 14b에 도시된 엑스선 스펙트럼의 시계 특성을 도시한다.
도 15는 관찰 각도의 함수로서 낮은 그리고 고에너지 스펙트럼에서의 통합 파워 비율을 도시한다.
도 16은 관찰 각도의 함수로서 단색성을 도시한다.
도 17a, 도 17b 및 도 17c는, 일부 실시예에 따른, 이차 표적 캐리어의 도면을 도시한다.
도 18a 및 도 18b는, 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 예시적인 캐리어를 이용하는, 단색 엑스선 장치로부터 방출된 엑스선 방사선의 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 19는 4개의 예시적인 재료로 이루어진 이차 표적의 형광 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 20은 2개의 상이한 기하형태의 이차 표적을 위한 많은 수의 일차 전압에 대한 방출 전류의 함수로서 엑스선 세기를 도시한다.
도 21은 금 일차 표적으로부터 방출된 엑스선 스펙트럼을 도시한다.
도 22는 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 캐리어를 이용한 주석 이차 표적을 위한 일차 전압의 함수로서 온-축 및 오프-축 단색성을 도시한다.
도 23은 도 17a, 도 17b 및 도 17c에 도시된 캐리어를 이용한 은 이차 표적을 위한 일차 전압의 함수로서 온-축 및 오프-축 단색성을 도시한다.
도 24a 및 도 24b는, 일부 실시예에 따른, 개선된 전자 광학기기를 갖춘 단색 엑스선 공급원(2400)의 횡단면을 도시한다.
도 25는, 전자가 도 24a 및 도 24b에 도시된 단색 엑스선 공급원 내의 일차 표적을 타격하는 지점의 위치를 도시한다.
도 26은, 전자가 도 24a 및 도 24b에 도시된 단색 엑스선 공급원 내의 일차 표적을 타격하는 지점의 위치를 도시한다.
도 27은 하이브리드 인터페이스 구성요소를 포함하는 단색 엑스선 공급원을 도시한다.
도 28은, 발산형 전자 궤적 및 감소된 단색성을 초래하는, 캐소드가 일차 표적으로부터 더 멀리 이동된 대안적인 구성을 도시한다.
도 29는 본원에서 설명된 단색 엑스선 공급원을 이용하여 촬영 실험을 실시하기 위해서 이용되는 유방 엑스선 조영법 팬텀(mammographic phantom)을 도시한다.
도 30은 도 29에 도시된 팬텀의 블록의 내재된 선형 어레이의 도수분포도를 도시한다.
도 31은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 도 29의 팬텀의 화상을 도시한다.
도 32는 두꺼운 가슴 조직을 모델링하기 위한 적층된 유방 엑스선 조영법 팬텀을 도시한다.
도 33은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 도 32의 팬텀의 화상을 도시한다.
도 34는 통상적인 광대역 유방 엑스선 조영법 대 일부 실시예에 따른 단색 유방 엑스선 조영법을 도시한다.
도 35는, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 미세-석회화의 화상을 도시한다.
도 36은, 상응하는 도수분포도와 함께, 일부 실시예에 따른 상용 광대역 엑스선 시스템 및 단색 엑스선 시스템을 이용한 미세-석회화의 화상을 도시한다.
도 37은 상이한 이차 표적 및 상용 광대역 엑스선 시스템에 대한 라인 해상도를 도시한다.
도 38은 단색 기구를 위한 변조 전달 함수(MTF)를 도시한다.
도 39는 상이한 노출 시간 및 원뿔 기하형태에 대한 희망 신호 대 노이즈 비율을 위해서 필요한 파워 요건을 도시한다.
도 40은 상이한 노출 시간 및 원뿔 기하형태에 대한 희망 신호 대 노이즈 비율을 위해서 필요한 파워 요건, 그리고 상용 기계의 표시를 도시한다.
도 41은 중실형 이차 표적으로부터 방출되는 그리고 그에 의해서 흡수되는 형광 엑스선을 개략적으로 도시한다.
도 42는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 43은 엑스선 투과 및 흡수의 물리적 현상을 도시한다.
도 44의 a) 및 도 44의 b)는 많은 수의 에너지들에 대한 형광 엑스선 방출 대 재료 두께의 플롯을 도시한다.
도 45a 및 도 45b는 상응하는 시뮬레이션 및 실험에서 사용된 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 46은 도 45a에 도시된 이차 표적 및 중실형 이차 표적으로부터의 시뮬레이트된 형광 엑스선 방출을 도시한다.
도 47은 도 45b에 도시된 이차 표적 및 중실형 이차 표적으로부터의 측정된 형광 엑스선 방출을 도시한다.
도 48은 일부 실시예에 따른 원뿔형 껍질(shell) 이차 표적을 도시한다.
도 49a 및 도 49b는 일부 실시예에 따른 포개진 원뿔형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 50a 및 도 50b는 일부 실시예에 따른 포개진 원뿔형 및/또는 절두원추형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 51 내지 도 53은 일부 실시예에 따른 반전형 및/또는 개방형 기하형태를 갖는 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 54a 내지 도 54c는 일부 실시예에 따른 원통형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 55a 내지 도 55c는 일부 실시예에 따른 나선형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 56 내지 도 59는 일부 실시예에 따른 개방 근위 단부를 갖는 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 60a 내지 도 60f는 일부 실시예에 따른 층상형 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 61a 내지 도 61c는 일부 실시예에 따른 층상형 개방 껍질 이차 표적을 도시한다.
도 62는 일부 실시예에 따른 많은 수의 예시적인 기하형태로부터 출력된 상대적인 형광 엑스선을 도시한다.
도 63a 및 도 63b는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 위한 예시적인 지지부를 도시한다.
도 64 및 도 65는 일부 실시예에 따른, 캐리어 내에 배치된 예시적인 층상형 이차 표적을 도시한다.
도 66a 및 도 66b는 일부 실시예에 따른 층상형 이차 표적을 위한 캐리어를 도시한다.
도 67은 일부 실시예에 따른, 많은 수의 이차 표적 기하형태 및 캐소드-애노드 전위에 대한 형광 엑스선 플럭스 대 방출 전류의 곡선을 도시한다.
도 68 내지 도 71은 일부 실시예에 따른, 많은 수의 이차 표적 기하형태에 대한, 신호 대 노이즈 비율에 대한 파워 요건을 도시한다.
도 72는 요오드에 대한 질량 흡수 계수 곡선을 도시한다.
도 73은 22 keV의 Ag K 엑스선 및 Oxilan 350로 지칭되는 요오드 조영제를 이용한 콘트라스트 향상 촬영의 예를 도시한다.
전술한 바와 같이, 진단 화상을 생성하기 위한 단색 방사선을 생성할 수 있는 통상적인 엑스선 시스템은 전형적으로 임상 및/또는 상용 용도에 적합하지 않은데, 이는 그러한 시스템을 제조, 운영 및 유지하기 위한 엄청난 비용 때문이고 및/또는 시스템 풋프린트(footprint)가 의원 및 병원 용도와 관련하여 너무 크기 때문이다. 결과적으로, 이러한 시스템을 갖춘 연구는, 많은 돈이 투자되고, 복잡하며 고가인 장비를 갖는 비교적 적은 연구 기관에서의 그리고 그에 의한 연구로 적용이 제한된다.
임상적 설정에서의 비용 효과적인 단색 엑스선 촬영은 수십년 동안 많은 물리학자 및 의료 전문가의 목표였으나, 병원이나 의원과 같은 의료 시설들은, 일상적인 진단 용도를 위해서 임상적으로 채택될 수 있는 단색 엑스선 장비를 위한 실행 가능한 선택사항을 가지지 못하였다.
본 발명자는, 비교적 큰 시계(FOV)에 걸친, 선택 가능한 단색 x-방사선을 생산하기 위한 방법 및 장치를 개발하였다. 의료 및 비-의료 학문 모두에서, 많은 적용예가 그러한 단색 엑스선 공급원으로부터 이득을 취할 수 있다. 의료적 적용예는, 비제한적으로, 가슴 조직, 심장, 전립선, 갑상선, 폐, 뇌, 몸통 및 사지의 촬영을 포함한다. 비-의료적 학문은, 비제한적으로, 엑스선 흡수, 엑스선 회절, 및 엑스선 형광을 통한 비-파괴 재료 분석을 포함한다. 본 발명자는, 일반적인 유방암 검사를 위한 2D 및 3D 엑스선 유방 엑스선 조영법이 그러한 단색 공급원의 존재로부터 즉각적으로 이득을 취할 수 있다는 것을 인지하였다.
일부 실시예에 따라, 상이한 해부학적 특징부들을 선택적으로 촬영하기 위해서, 선택 가능한 에너지(예를 들어, 100 kev 이하)가 제공된다. 일부 실시예는, 비교적 짧은 노출 시간을 허용하는 세기를 갖는 단색 엑스선 방사선을 제공하는 것을 돕고, 이는 촬영 환자에 전달되는 방사선 선량을 감소시킨다. 일부 실시예에 따라, 단색 엑스선 방사선이 방출되는 비교적 작고 콤팩트한 영역들을 이용하여 비교적 높은 레벨의 세기가 유지될 수 있고, 그에 따라 고품질의 촬영(예를 들어, 가슴 촬영)에 적합한 공간적 해상도에서의 엑스선 촬영을 돕는다. 비교적 작고 콤팩트한 영역들로부터 비교적 큰 세기의 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 능력은 비교적 높은 공간적 해상도로 짧고, 저선량의 촬영을 촉진하며, 이는 (예를 들어, 일부 실시예에 따라, 방사선 선량 레벨을 규제 기관에 의해서 설정된 한계 미만에서 여전히 유지하면서, 두꺼운 가슴 조직 내의 암 병변을 검출하는데 있어서의 어려움을 극복하는 것에 의해서), 다른 이점들 중에서, 통상적인 엑스선 영상 시스템의 하나 이상의 문제를 해결한다.
통상적인 유방 엑스선 조영법 시스템으로, 작고, 정상 밀도의 가슴 조직과 동일한 신뢰성 레벨로 큰(두꺼운) 그리고 조밀한 가슴을 검사하는 것이 어렵고, 심지어 불가능할 수도 있다. 이는, 유방암 발병이 6배 더 높은 여성의 개체군인, 크고 및/또는 조밀한 가슴(개체군의 30 내지 50%)을 갖는 여성을 위한 유방 엑스선 조영법의 가치를 심각하게 제한한다. 검출 감도는, 조밀한 가슴을 갖는 여성의 경우에 85%로부터 64%까지 떨어지고, 극도로 조밀한 가슴을 갖는 여성의 경우에 45%까지 떨어진다. 부가적으로, 통상적인 엑스선 영상 시스템(즉, 광대역 엑스선 영상 시스템)을 이용하면, 오진 및 불필요한 생검이 불만족스러운 수준으로 발생된다. 본원에서 설명된 기술은, 만성적으로 진단이 확정되지 않고, 과다-검사되고, 유방암의 위험이 가장 높은 크고 및/또는 조밀한 가슴을 갖는 여성을 위한 보다 양호한 진단 해결책을 제공할 수 있는 단색 엑스선 촬영을 돕는다. 일부 실시예와 연관된 장점이 두꺼운 및/또는 조밀한 가슴을 위한 구체적인 장점을 가지지만, 단색 엑스선 촬영을 위해서 본원에서 제공된 기술은 또한 임의의 크기 및 밀도의 가슴의 검사를 위한 장점을 제공할뿐만 아니라, 다른 임상 진단 적용예를 위한 장점을 제공한다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본원에서 설명된 기술은, 임상적 설정에서 현재 전개되는 통상적인 엑스선 영상 시스템보다, 모든 환자에 대해서 조직 밀도에 따라 6 내지 26배만큼 환자 방사선 선량을 감소시키는 것을 촉진하고, 그에 의해서 환자의 평생 동안의 방사선 노출을 상당히 감소시키면서 연례적이고 반복적인 검사를 가능하게 한다. 부가적으로, 일부 실시예에 따라, 검사는 특정 상황에서 가슴을 고통스럽게 압박하지 않으면서 실시될 수 있다. 또한, 본원에서 설명된 기술은 비교적 저비용의 단색 엑스선 시스템의 제조를 돕고, 그에 따라 임상적 유방 엑스선 조영법을 위해서 현재 이용되는 광대역 엑스선 시스템의 현재의 비용 한계를 유지한다.
단색 엑스선 촬영은, 감소된 선량에서 조직 이상 검출을 더 향상시키기 위해서, 승인된 조영제와 함께 실시될 수 있다. 본원에서 설명된 기술은 유사하게 저선량으로 3차원적인 3D 유방단층촬영술과 함께 사용될 수 있다. 본원에서 설명된 기술을 이용하는 단색 방사선은 또한, 예를 들어 전체가 본원에서 포함되는 "엑스선 방사선을 이용하여 화학적 조성과 관련된 정보를 결정하기 위한 방법 및 장치"라는 명칭으로 2017년 11월 28일자로 출원된 미국 특허출원 제15/825787호에 설명된 화학적 분석 기술을 개선하기 위해서, 현장(in-situ) 화학 분석(예를 들어, 종양의 화학적 조성의 현장 분석)의 실시에서 이용될 수 있다.
통상적인 단색 엑스선 공급원은 의료적 촬영 이외의 목적을 위해서 이전에 개발되었고, 결과적으로, 임상적 목적에 일반적으로 적합하지 않다. 구체적으로, 단색성, 세기, 공간적 해상도 및/또는 파워 레벨이 의료적 촬영 목적을 위해서 충분하지 않을 수 있다. 본 발명자는, 가슴 및 다른 조직 촬영과 같은 임상적 목적을 포함하여, 수많은 적용예에 적합한 단색 엑스선 방사선을 생산하기 위한 기술을 개발하였고, 그 양태를 이하에서 더 구체적으로 설명한다. 본 발명자는, 통상적인 단색 엑스선 공급원이, 방출되는 단색 엑스선 방사선 외에도, 상당한 양의 광대역 엑스선 방사선을 방출한다는 것을 인지하였다. 결과적으로, 그러한 단색 엑스선 공급원으로부터 방출되는 엑스선 방사선은, 공급원에 의해서 또한 방출되는 상당한 양의 광대역 방사선으로 인해서, 좋지 못한 단색성을 가지고, 그에 따라 엑스선 스펙트럼을 오염시킨다.
본 발명자는, 비교적 큰 시계에 걸쳐 온-축 방향 및 오프-축 방향 모두에서, (예를 들어, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이 단색 엑스선 방사선 대 광대역 방사선의 비율에 의해서 측정되는 바와 같은) 높은 정도의 단색성을 갖는 엑스선 방사선을 생산하기 위한 기술을 개발하였다. 본원에서 설명된 기술은, 광대역 엑스선 방사선 오염을 상당히 증가시키지 않고(즉, 단색성을 상당히 감소시키지 않고), 광대역 엑스선 공급원의 파워를 증가시킬 수 있게 한다. 결과적으로, 높은 정도의 단색성을 유지하면서 증가된 파워 레벨을 이용하여, 더 강한 세기의 단색 엑스선 방사선이 생산될 수 있다.
본 발명자는, 단색 엑스선 세기를 상당히 증가시켜, 화상 품질을 손상시키지 않고 또는 파워 레벨을 증가시키지 않고도 노출 시간을 줄일 수 있게 하는, 이차 표적(즉, 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 단색 방사선을 방출하도록 배열된 형광 표적)을 위한 기하형태를 추가적으로 개발하였다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적은, 통상적인 바와 같이 중실형 이차 표적을 이용하는 대신, 이차 표적 재료의 하나 이상의 층을 이용하여 구성된다.
일부 실시예에 따라, 20초 미만의 노출 시간을 가능하게 하고, 일부 실시예에 따라, 10초 미만의 노출 시간을 가능하게 하는, 그리고 일부 실시예에 따라 유방 엑스선 조영법을 위해서 ?초 미만의 노출 시간을 가능하게 하는 특성(즉, 단색성, 세기 등)을 갖는 단색 엑스선 방사선을 생산할 수 있는 단색 엑스선 디바이스가 제공된다.
일부 실시예에 따라, 진단에 적합한 공간적 해상도(예를 들어, 100 미크론 또는 그보다 양호한 공간적 해상도)의 화상을 생성하기 위해서, 단일 노출에서 표적 기관(예를 들어, 가슴)을 촬영하기에 충분한 시계에 걸쳐 높은 정도의 단색성(예를 들어, 90% 또는 그보다 양호한 순도)을 가지는 단색 엑스선을 방출하는 단색 엑스선 디바이스가 제공된다.
이하는, 단색 엑스선 시스템 및 그와 관련된 기술에 관한 여러 가지 개념 그리고 그 실시예에 대한 더 구체적인 설명이다. 본원에서 설명된 실시예가 수많은 방식 중 임의의 방식으로 구현될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 구체적인 구현예의 예가 단지 설명 목적으로 이하에서 제공된다. 제공된 실시예 및 특징/능력이 개별적으로, 모두 함께, 또는 둘 이상의 임의의 조합으로 이용될 수 있는데, 이는 본원에서 설명된 기술의 양태가 그와 관련하여 제한되지 않기 때문이라는 것을 이해하여야 한다.
도 9는 엑스선 형광을 통해서 단색 엑스선을 생성하기 위한 통상적인 엑스선 장치의 2차원적인(2D) 개략적 단면을 도시한다. 도 9에 도시된 엑스선 장치는, 명칭이 "본질적으로 단색적 엑스선을 생성하기 위한 방사선 공급원"이라는 명칭의 미국 특허 제4,903,287호에서 예시되고 설명된 엑스선 장치뿐만 아니라, [Marfeld, et al., Proc. SPIE Vol. 4502, p. 117-125, Advances in Laboratory-based X-ray Sources and Optics II, Ali M. Khounsayr; Carolyn A. MacDonald; Eds]에서 예시되고 설명된 단색 엑스선 공급원과 유사한 기하형태를 갖는다. 도 9를 참조하면, 엑스선 장치(900)는 진공 관(950)을 포함하고, 그러한 진공 관은 캐소드로서 동작하는 원환형 필라멘트(905) 및 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위한 회로의 애노드로서 동작하는 일차 표적(910)을 포함한다. 진공 관(950)은, 하우징(955), 전방 부분(965)(예를 들어, 구리 면판) 및 창(930)(예를 들어, 베릴륨 창)에 의해서 일반적으로 형성되는 진공 밀봉된 외장을 포함한다.
동작 시에, 캐소드와 애노드 사이의 고전압 바이어스에 의해서 형성된 전기장으로 인해서, 필라멘트(905)(캐소드)로부터의 전자(예를 들어, 예시적인 전자(907))가 일차 표적(910)(애노드)을 향해서 가속된다. 전자가 일차 표적(910)에 의해서 감속됨에 따라, 광대역 엑스선 방사선(915)(즉 도 3에 도시된 바와 같은 제동복사 방사선)이 생산된다. 전압이 광전자를 생성하기에 충분할 정도로 큰 경우에, 일차 표적 재료에 특이적인 특성적 방출 라인이 또한, 제공된 애노드 재료의 전자 충격에 의해서 생성될 수 있다. 따라서, 광대역 엑스선 방사선(또는 대안적으로 넓은 스펙트럼 방사선)은, 일차 표적의 특성적 방출 라인을 갖는 또는 가지지 않는, 제동복사 방사선으로 지칭된다. 일차 표적(910)으로부터 방출된 광대역 방사선(915)이 진공 외장의 창(930)을 통해서 전달되어 이차 표적(920)을 조사한다. 창(930)은, 일차 표적(910)에 의해서 생성된 광대역 엑스선 방사선을 전반적으로 전달하고 전자(예를 들어, 일차 표적에서 산란되는 전자)가 이차 표적(920)에 충돌하는 것을 차단하여 원치 않는 제동복사 방사선이 생산되는 것을 방지하는 재료(예를 들어, 베릴륨)로 제조된 진공 외장의 투과 부분을 제공한다. 창(930)은 진공 외장 외측에서 이차 표적(920)을 수용하기 위한 컵-형상일 수 있고, 그에 따라 엑스선 관(950)의 진공 밀봉을 파괴하지 않고 이차 표적이 제거 및 교체될 수 있게 한다.
입사되는 일차 표적(910)으로부터의 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여, 이차 표적(920)은, 형광을 통해서, 제2 표적 내의 원소(들) 특성의 단색 엑스선 방사선(925)을 생성한다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이차 표적(920)은 원뿔형 형상이고, 희망 에너지의 형광 단색 엑스선 방사선을 생성하도록 선택된 재료로 제조된다. 형광을 통해서 단색 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 일차 표적 및 이차 표적을 이용하는 것에 관한 일반적인 원리를 설명하기 위해서, 광대역 엑스선 방사선(915) 및 단색 엑스선 방사선(925)이 도 9에 개락적으로 도시되어 있다. 광대역 및 단색 엑스선 방사선이 일차 표적 및 이차 표적 각각에 의해서 4π 방향으로 방출될 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 엑스선 방사선은, 엑스선 관(950)의 개구의 중심을 통해서 길이방향 축에 상응하는 축(955)에 대해서 상이한 각도들(θ)로 엑스선 관(950)으로부터 방출될 것이다.
전술한 바와 같이, 본 발명자는, (본원에서 단색 엑스선 공급원으로도 지칭되는) 단색 엑스선 방사선을 생성하기 위한 통상적인 엑스선 장치가 상당한 양의 광대역 엑스선 방사선을 방출한다는 것을 인지하였다. 즉, 통상적인 단색 공급원이 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 능력을 갖는다고 알려져 있지만, 사실상, 이러한 통상적인 장치에 의해서 방출되는 엑스선 방사선의 단색성은 좋지 못하다(즉, 통상적인 단색 공급원은 낮은 정도의 단색성을 나타낸다). 예를 들어, 텅스텐(W)의 이차 표적과 함께 165 kV에서 동작되는 공급원을 이용하는 Marfeld에서 설명된 통상적인 단색 공급원은, 약 50%로 순수한(즉, 엑스선 방출은 약 50% 광대역 엑스선 방사선이다) 단색 엑스선 방사선을 방출한다. 다른 예로서, -50kV의 음의 전압의 캐소드, 접지 전위의 금(Au; Z=79)으로 제조된 일차 표적, 및 주석(Sn; Z=50)으로 제조된 이차 표적으로 동작되는, 도 9에 도시된 일반적인 기하형태의 통상적인 단색 엑스선 공급원은 도 10a(온-축) 및 도 10b(오프-축)에 도시된 엑스선 스펙트럼을 방출한다. 전술한 바와 같이, 엑스선 방사선은, 엑스선 관의 길이방향 축(도 9에 도시된 축(955))에 대해서 상이한 각도들(θ)로 엑스선 관으로부터 방출될 것이다.
온-축 스펙트럼 및 오프-축 스펙트럼이 단색 공급원의 유효성에서 중요한 역할을 하기 때문에, 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼 모두가 도시되어 있다. 특히, 관찰 각도(θ)의 함수로서의 엑스선 방사선의 단색성의 변동은 결과적인 화상에서 불균일성을 초래한다. 또한, 의료적 촬영 적용예에서, 오프-축 각도에서의 엑스선 스펙트럼의 단색성 감소(즉, 광대역 엑스선 방사선의 상대적인 양의 증가)는 환자에게 전달되는 선량을 증가시킨다. 따라서, 온-축 및 오프-축 스펙트럼 모두의 단색성의 정도는 엑스선 장치의 엑스선 방출에 관한 중요한 특성일 수 있다. 도 10a에서, 온-축은 엑스선 관의 축을 중심으로 하는 좁은 각도 범위(약 0.5도 미만)를 지칭하고, 오프-축은 엑스선 관의 축으로부터 약 5도의 오프셋을 지칭한다. 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이, 통상적인 단색 엑스선 공급원으로부터 방출된 엑스선 스펙트럼은 사실상 단색적이 아니고, 상당한 양의 광대역 엑스선 방사선으로 오염된다.
특히, 이차 표적의 특성적 방출 라인(즉, 도 10a 및 도 10b에서 각각 Sn Kα 및 Sn Kβ로 표시된, L 및 M-껍질로부터의 전이로부터 초래되는 주석(Sn) 이차 표적으로부터의 K-껍질 형광을 통해서 방출된 단색 엑스선)에 더하여, 도 10a 및 도 10b에 도시된 엑스선 스펙트럼(1000a 및 1000b)은 또한 상당한 양의 광대역 엑스선 방사선을 포함한다. 구체적으로, 엑스선 스펙트럼(1000a 및 1000b)은, 상당한 양의 제동복사 배경뿐만 아니라, 일차 표적의 특성적 방출 라인(즉, 도 10a 및 도 10b에서 Au Kα 및 Au Kβ로 표시된, 금 일차 표적의 K-껍질 방출에 상응하는 에너지의 엑스선 방사선)에서 상당한 피크를 포함한다. 도 10a 및 도 10b의 화살표(1003)에 의해서 표시된 바와 같이, Sn Kα 피크는 온-축 방향에서 제동복사 배경보다 단지 (약) 8.7배 더 크고, 오프-축 방향으로 제동복사 배경보다 약 7배 더 크다. 따라서, 이하에서 정량화되는 바와 같이, 이러한 통상적인 단색 엑스선 공급원은, 온-축 및 오프-축 모두에서, 매우 불량한 단색성을 나타내는 엑스선 방사선을 방출한다는 것이 검사로부터 명확하게 확인된다.
단색성은, 이차 표적의 특성적 형광 방출 라인 내의 통합 에너지 대 광대역 엑스선 방사선의 전체 통합 에너지의 비율을 기초로 계산될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 Plow로 지칭되는, 낮은 에너지의 광대역 엑스선 방사선의 통합 에너지(예를 들어, 도 10a 및 도 10b의 화살표(1001)에 의해서 전반적으로 표시된 Sn Kα 피크 미만의 엑스선 스펙트럼의 통합 에너지), 및 본원에서 Phigh로 지칭되는, 높은 에너지의 광대역 엑스선 방사선의 통합 에너지(예를 들어, 도 10a 및 도 10b에서 화살표(1002)에 의해서 전반적으로 표시된 Sn Kβ 피크를 초과하는 엑스선 스펙트럼의 통합 에너지)가 계산될 수 있다. (도 10a 및 도 10b의 Sn Kα 및 Sn Kβ 방출에서의 통합 에너지에 상응하는, 본원에서 Pk로 지칭되는) 특성적 K-껍질 방출 라인의 통합 에너지 대 Plow 및 Phigh의 비율은 엑스선 공급원에 의해서 방출되는 단색 엑스선 방사선의 양에 대한 광대역 엑스선 방사선의 양의 측정을 제공한다. 도 10a의 예에서, 비율 Pk/Plow은 0.69이고 비율 Pk/Phigh은 1.7이다. 도 10b의 예에서, 비율 Pk/Plow은 0.9이고 비율 Pk/Phigh은 2.4이다. 비율(Plow 및 Phigh)의 증가는, 공급원의 스펙트럼 출력이 단색적이 되는 정도를 높인다. 본원에서 사용된 바와 같이, 엑스선 스펙트럼의 단색성(M)은 M = 1/(1+1/a +1/b)으로 계산되고, 여기에서 a= Pk/Plow, b=Pk/Phigh이다. 통상적인 엑스선 장치에 의해서 생산된 도 10a의 온-축 엑스선 스펙트럼에서, M = 0.33이고, 통상적인 엑스선 장치에 의해서 생산된 도 10b의 오프-축 엑스선 스펙트럼에서, M = 0.4이다. 따라서, 엑스선 스펙트럼의 에너지의 대부분은 광대역 엑스선 방사선이고 단색 엑스선 방사선은 아니다.
발명자는, 상당히 더 큰 단색성을 갖는 엑스선 방사선을 생성하는 것을 촉진하는, 그에 따라 엑스선 디바이스로부터의 엑스선 방출의 특성을 개선하고 엑스선 촬영의 개선을 촉진하는 기술을 개발하였다. 도 11a는 디바이스로부터 방출된 엑스선 방사선의 특성을 개선하기 위해서 본 발명자에 의해서 개발된 기술을 포함하는 엑스선 디바이스(1100)를 도시하고, 도 11b는, 일부 실시예에 따른, 엑스선 디바이스(1100)의 구성요소의 확대도를 도시한다. 엑스선 디바이스(1100)는, 전자 광학기기(1105) 및 엑스선 디바이스의 일차 표적(1110)을 위한 진공 밀봉 외장을 제공하는 진공 관(1150)을 포함한다. 진공 밀봉 외장은 실질적으로 (전방 부분(1165)을 포함하는) 하우징(1160) 및 인터페이스 또는 창 부분(1130)에 의해서 형성된다. 전방 부분(1165)의 외측 표면을 형성하도록, 면판(1175)이 제공될 수 있다. 면판(1175)은, 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 엑스선 디바이스(1100)로부터 방출되는 것을 방지하는, 광대역 엑스선 방사선에 전반적으로 불투명한 재료, 예를 들어, 납, 텅스텐, 두꺼운 스테인리스 강, 탄탈륨, 레늄, 등과 같은 큰 Z 재료로 구성될 수 있다.
인터페이스 부분(1130)은, 광대역 엑스선 방사선이 일차 표적(1110)으로부터 진공 외장의 외측으로 전달되어 이차 표적(1120)을 조사할 수 있게 하는 일반적으로 엑스선 투과 재료(예를 들어, 베릴륨)로 구성된다. 이러한 방식으로, 인터페이스 부분(1130)은 진공 외장의 내측과 외측 사이에서 "창"을 제공하고, 그러한 창을 통해서 광대역 엑스선 방사선이 전달될 수 있고, 결과적으로, 본원에서 창 또는 창 부분(1130)으로 또한 지칭된다. 창 부분(1130)은 진공 관(1150)의 진공 외장의 내측에 대면되는 내부 표면 및 진공 외장의 외측에 대면되는 외부 표면(예를 들어, 도 12에 도시된 내부 표면(1232) 및 외부 표면(1234))을 포함할 수 있다. 창 부분(1130)은, 일차 표적(1110)으로부터 방출된 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 이차 표적에 충돌하게 될 위치에서 이차 표적(예를 들어, 이차 표적(1120))이 진공 외장의 외측에 배치되도록, 이차 표적 캐리어(1140)를 유지하도록 구성된 수용부(도 12에 표시된 수용부(1235) 참조)를 형성하도록 성형될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 캐리어(1140)는 제거 가능하다. 제거 가능 캐리어(1140)를 이용함으로써, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 진공 밀봉을 파괴할 필요가 없이, 상이한 이차 표적들이 엑스선 시스템(1100)과 함께 이용될 수 있다. 그러나, 일부 실시예에 따라, 캐리어(1140)는 제거될 수 없다.
본 발명자는, 투과 부분 및 차단 부분을 포함하는 하이브리드 인터페이스 부분을 제공하는 것이, 엑스선 디바이스로부터 방출되는 광대역 엑스선 방사선의 양을 더 감소시키는 것을 촉진한다는 것을 인지하였다. 예를 들어, 도 11c는, 일부 실시예에 따라, 투과 부분(1130a)(예를 들어, 베릴륨 부분) 및 차단 부분(1130b)(예를 들어, 텅스텐 부분)을 포함하는 인터페이스 부분(1130')을 도시한다. 따라서, 일부 실시예에 따라, 인터페이스 부분(1130')은 도 11c의 쇄선 아래의 제1 재료을 포함할 수 있고, 제1 재료와 상이한 쇄선 위의 제2 재료를 포함할 수 있다. 투과 부분(1130a) 및 차단 부분(1130b)은 의도된 투과 및 흡수 기능을 충분히 실시하는데 적합한 임의의 각각의 재료를 포함할 수 있는데, 이는 그 양태가 임의의 특정 재료와 함께 이용하도록 제한되지 않기 때문이다.
일부 실시예에 따라, 투과 부분과 차단 부분 사이의 인터페이스의 위치(예를 들어, 도 11c의 쇄선의 위치)는, 캐리어가 인터페이스 부분에 의해서 형성된 수용부 내로 삽입될 때, 캐리어의 투과 부분과 차단 부분 사이의 인터페이스의 위치에 대략적으로 상응한다. 일부 실시예에 따라, 투과 부분과 차단 부분 사이의 인터페이스의 위치(예를 들어, 도 11c의 쇄선의 위치)는, 캐리어가 인터페이스 부분에 의해서 형성된 수용부 내로 삽입될 때, 캐리어의 투과 부분과 차단 부분 사이의 인터페이스의 위치에 상응하지 않는다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는, 하이브리드 인터페이스 구성요소가 또한 도 28a에 도시되어 있다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 이차 표적(1120)은 원뿔형 기하형태를 가지고, 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 희망 에너지의 엑스선을 형광 방출하는 재료로 제조된다. 이차 표적은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있고, 그 예는, 비제한적으로, 주석(Sn), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 팔라듐(Pd), 또는 임의의 다른 적합한 재료 또는 재료의 조합을 포함한다. 도 19는 앞서 나열한 4개의 예시적인 재료의 이차 표적 원뿔의 조사로부터 초래된 엑스선 스펙트럼을 도시한다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이차 표적(1120)은 작고 콤팩트한 영역을 제공하고, 그러한 영역으로부터 단색 엑스선 방사선이 형광을 통해서 방출되어 양호한 공간적 해상도를 제공할 수 있다.
본 발명자는, 진공 관(1150)으로부터 방출된 엑스선 방사선의 특성을 개선하도록(예를 들어, 엑스선 방사선 방출의 단색성을 개선하도록), 제거 가능 캐리어(1140)가 설계될 수 있다는 것을 이해하였다. 단색성을 개선하는 기술은 또한, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 더 큰 세기의 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 능력을 돕는다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 제거 가능 캐리어(1140)는, 창 부분(1130)을 통과하는 일차 표적(1110)으로부터 방출된 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 투과 부분(1142)을 또한 통과하여 이차 표적(1120)을 조사하도록, 엑스선 방사선에 일반적으로 투과적인 재료를 포함하는 투과 부분(1142)을 포함한다. 투과 부분(1142)은 이차 표적(1120)을 수용하도록 구성된 원통형 부분(1142a)을 포함할 수 있고, 각각의 재료의 상이한 특성적 에너지들에서 단색 엑스선을 생성하기 위해서 상이한 재료들로 이루어진 이차 표적들이 이용될 수 있도록, 이차 표적이 제거 및 교체될 수 있게 허용하도록 구성될 수 있으나, 그러한 양태는 이차 표적이 상호 교환될(즉, 제거 및 교체될) 수 있게 하는 캐리어와 함께 이용하는 것으로 제한되지 않는다. 투과 부분(1142)에 적합한 예시적인 재료는, 비제한적으로, 알루미늄, 탄소, 탄소 섬유, 붕소, 붕소 질화물, 베릴륨 산화물, 규소, 규소 질화물 등을 포함한다.
캐리어(1140)는, 엑스선 방사선에 일반적으로 불투명한 재료(즉, 입사 엑스선 방사선을 실질적으로 흡수하는 재료)를 포함하는 차단 부분(1144)을 더 포함한다. 차단 부분(1144)은, 이차 표적에 의해서 변환되지 않은 및/또는 이차 표적 상으로 입사되지 않는 창(1130)을 통과하는 광대역 엑스선 방사선의 적어도 일부를 흡수하도록 구성되고, 및/또는 진공 외장을 달리 빠져 나갈수도 있는 광대역 엑스선 방사선의 적어도 일부를 흡수하도록 구성된다. 통상적인 엑스선 공급원(예를 들어, 도 9에 도시된 통상적인 엑스선 장치(900))에서, 상당한 양의 광대역 엑스선 방사선이 장치로부터 방출될 수 있고, 그에 따라 이차 표적에 의해서 방출되는 형광 엑스선 방사선을 오염시킬 수 있고 방출된 엑스선 방사선의 단색성을 상당히 감소시킬 수 있다. 도 11a, 도 11b, 도 12, 도 13a 내지 도 13c, 및 도 17a 내지 도 17c에 도시된 실시예에서, 투과 부분 및 차단 부분은 이차 표적을 수용하도록 구성된 하우징을 형성한다.
일부 실시예에 따라, 차단 부분(1144)은 원통형 부분(1144a) 및 환형 부분(1144b)을 포함한다. 원통형 부분(1144a)은, 일차 표적(1110)으로부터의 입사 광대역 엑스선 방사선에 응답하여 이차 표적(1120)에 의해서 형광 방출된 엑스선 방사선이 전달될 수 있게 하는 한편, 전술한 바와 같이 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선을 흡수한다. 환형 부분(1144b)은, 엑스선 디바이스(1100)에 의해서 달리 방출될 수 있는 부가적인 광대역 엑스선 방사선을 흡수하기 위한 증가된 표면적을 제공하는 부분을 제공한다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 환형 부분(1144b)은, 흡수되는 광대역 엑스선 방사선의 양을 가능한 범위까지 전반적으로 최대화하기 위해서 엑스선 관의 전방 부분 내의 함몰부 내에 편안하게 피팅되도록 구성된다. 환형 부분(1144b)은, 이하에서 설명되는 도 13b 및 도 17b에 또한 도시된 바와 같이, 이차 표적(1120)으로부터 형광 방출된 단색 엑스선 방사선이 엑스선 디바이스(1100)로부터 방출될 수 있게 하기 위한 원통형 부분(1144b 및 1142a)을 통한 개구에 상응하는 개구 부분(1144c)을 포함한다. 차단 부분(1144)에 적합한 예시적인 재료는, 비제한적으로, 납, 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 백금, 금 등을 포함한다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 이차 표적의 일부가 차단 부분(1144) 내에 포함되도록, 캐리어(1140)가 구성된다. 구체적으로, 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서 예시된 바와 같이, 이차 표적이 캐리어(1140)의 투과 부분(1142) 내로 삽입될 때, 원뿔형의 이차 표적(1120)의 선단부가 원통형 부분(1144b) 내로 연장된다. 본 발명자는, 차단 부분(1144) 내에 포함된 이차 표적의 부분을 가지는 것이, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 엑스선 디바이스로부터 방출되는 단색 엑스선 방사선의 특성을 개선한다는 것을 이해하였다. 그러나, 일부 실시예에 따라, 이차 표적의 부분이 캐리어의 차단 부분 내에 수용되지 않도록 이차 표적 캐리어가 구성될 수 있고, 그 예가 이하에서 더 구체적으로 설명되는 도 13a 내지 도 13c에 도시되어 있다. (예를 들어, 이차 표적 캐리어의 차단 중첩을 가지는 그리고 가지지 않는) 캐리어(1140)의 양 구성들은, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 방출된 엑스선 방사선의 특성의 상당한 개선(예를 들어, 개선된 단색성)을 제공한다.
도 12에 도시된 바와 같이, (도 11a 및 도 11b에 도시된 캐리어(1140)와 유사하거나 동일할 수 있는) 캐리어(1240)가 제거 가능하게 구성된다. 예를 들어, 캐리어(1240)는, 예를 들어 캐리어를 화살표(1205)에 의해서 전반적으로 표시된 방향으로 삽입하는 것 및 제거하는 것 각각에 의해서, 인터페이스 구성요소(1230)(예를 들어, 투과 창을 포함하는 인터페이스)에 의해서 형성된 수용부(1235) 내로 제거 가능하게 삽입될 수 있다. 즉, 일부 실시예에 따라, 캐리어(1240)는, (예를 들어, 제거 가능 캐리어(1240)를 수용부(1235) 내로 삽입하는 것 및/또는 캐리어를 수용부로부터 제거하는 것에 의해서) 엑스선 디바이스 내로 삽입될 수 있고 그로부터 제거될 수 있는 분리된 구성요소로서 구성된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 캐리어(1240)는 엑스선 디바이스 내로 삽입되도록 구성된 근위 단부(1245), 및 캐리어(1240)의 중심을 통한 개구(1244d)를 통해서 단색 엑스선 방사선이 방출되게 하는 원위 단부(1247)를 갖는다. 도 12에 도시된 실시예에서, 원통형 차단 부분(1244a)이 원통형 투과 부분(1242a)에 인접하여 그리고 그로부터 원위적으로 배치된다. 환형 차단 부분(1244b)이 차단 부분(1244a)에 인접하여 그리고 그에 원위적으로 배치된다. 도시된 바와 같이, 환형 차단 부분(1244b)은, 원통형 차단 부분(1244a)(그리고 2개의 원통형 부분이 대략적으로 동일한 직경을 가지는 실시예에서 원통형 투과 부분(1242a))의 직경(d)보다 큰 직경(D)을 갖는다. 근위 단부 및 원위 단부의 극단부로부터의 거리가 도 12에서 높이(H)로서 표시되어 있다. 캐리어(1240)의 치수는, 캐리어가 수용하기 위해서 구성되는 이차 표적의 치수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 4 mm의 기부를 갖는 이차 표적을 수용하도록 구성된 예시적인 캐리어(1240)에서, 직경(d)은 약 4 내지 5 mm일 수 있고, 직경(D)은 약 13 내지 16 mm일 수 있고, 높이(H)는 약 18 내지 22 mm일 수 있다. 다른 예로서, 8 mm의 기부를 갖는 이차 표적을 수용하도록 구성된 예시적인 캐리어(1240)에서, 직경(d)은 약 8 내지 9 mm일 수 있고, 직경(D)은 약 18 내지 22 mm일 수 있고, 높이(H)는 약 28 내지 32 mm일 수 있다. 제공된 캐리어 및 이차 표적의 치수는 단지 예시적인 것이고 임의의 적합한 값일 수 있다는 것을 이해하여야 하는데, 이는 그 양태가 임의의 특정 치수 또는 치수의 세트와 함께 이용되는 것으로 제한되지 않기 때문이다.
일부 실시예에 따라, 캐리어(1240)는, 예를 들어, 수용부(1235) 내의 협력 나사산 내로 수작업으로 나사체결될 수 있는 나사산을 캐리어(1240)에 제공함으로써, 수용부(1235) 내로 나사체결되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 해제 가능한 기계적 걸쇠가 제공되어, 캐리어(1240)가 제 위치에서 유지되게 할 수 있고 수용부로부터 외측으로 힘을 인가하는 것에 의해서 캐리어(1240)가 제거되게 할 수 있다. 다른 대안으로서, 캐리어(1240) 및 수용부(1235)의 피팅의 정확도는 동작 중에 캐리어를 제 위치에서 유지하기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 캐리어(1240)의 측면과 수용부(1235)의 벽 사이의 마찰이 캐리어(1240)를 제 위치에서 충분히 유지할 수 있고, 그에 따라 부가적인 체결 메커니즘이 필요치 않다. 캐리어가 수용부 내로 삽입될 때 캐리어(1240)를 제 위치에서 충분히 유지할 수 있는 임의의 수단이 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 하는데, 이는 그 양태가 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
전술한 바와 같이, 본 발명자는, 개선된 단색 엑스선 방사선 방출을 촉진하는 많은 수의 캐리어 구성을 개발하였다. 도 13a 및 도 13b는, 일부 실시예에 따른, 캐리어(1340)의 3-차원적 및 2-차원적 도면을 도시한다. 도 13a의 3-차원적 도면은 예시적인 구성 부품으로 분리된 캐리어(1340)를 도시한다. 특히, 도 13a는 차단 부분(1344)으로부터 분리된 투과 부분(1342)을 도시한다. 전술한 바와 같이, 투과 부분(1342)은, 적어도 관심의 대상인 관련 에너지의 광대역 엑스선 방사선을 일반적으로 전달하는 재료(즉, 알루미늄, 탄소, 탄소 섬유, 붕소, 붕소 질화물, 베릴륨 산화물, 규소, 규소 질화물 등과 같이, 적어도 관심의 대상인 관련 에너지에서 실질적으로 흡수하지 않고 광대역 엑스선 방사선이 재료를 통과할 수 있게 하는 재료)를 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 차단 부분(1344)은, 적어도 관심의 대상인 관련 에너지의 광대역 엑스선 방사선에 대해서 일반적으로 불투명한 재료(즉, 납, 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 백금, 금 등과 같이, 적어도 관심의 대상인 관련 에너지의 광대역 엑스선 방사선을 실질적으로 흡수하는 재료)를 포함할 수 있다.
이러한 방식으로, 일차 표적으로부터 방출된 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 투과 부분(1342)을 통과하여 이차 표적을 조사할 수 있는 한편, 일차 표적으로부터 방출된(및/또는 엑스선 관의 다른 표면으로부터 방출되거나 그에 의해서 산란된) 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선은 차단 부분(1344)에 의해서 흡수되어 원치 않는 광대역 엑스선 방사선이 엑스선 디바이스로부터 방출되는 것을 방지한다. 결과적으로, 캐리어(1340)는 광대역 엑스선 방사선에 의한 오염이 감소된 단색 엑스선 방사선을 제공하는 것을 촉진하고, 그에 따라 엑스선 디바이스의 엑스선 방출의 단색성을 상당히 개선한다. 도 13a 내지 도 13c에 도시된 실시예에서, 차단 부분(1344)은 원통형 부분(1344a), 및 더 넓은 각도 범위에 걸쳐 방출된 및/또는 더 넓은 범위의 위치로부터 기원하는 광대역 엑스선 방사선을 흡수하여 엑스선 디바이스의 엑스선 방사선 방출의 단색성을 개선하기 위해서 원통형 부분(1344a)보다 큰 직경을 가지는 환형 부분(1344b)을 포함한다.
일부 실시예에 따라, 투과 부분(1342) 및 차단 부분(1344)은 다양한 기술 중 임의의 기술을 이용하여 함께 커플링되도록 또는 교합(mate)되도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 13a의 실시예에서 원통형 세그먼트로 도시된, 투과 부분(1342)은, 차단 부분(1344)의 원통형 부분(1344a)의 상응 단부에 위치되는 교합 부분(1342b)과 교합되도록 구성된 원통형 세그먼트의 일 단부에 위치되는 교합 부분(1343a)을 포함할 수 있다. 교합 부분(1343a 및 1343b)이 적절한 크기를 가질 수 있고, 예를 들어, 2개의 부분을 함께 나사체결하는 것에 의해서 투과 부분(1342) 및 차단 부분(1344)이 교합될 수 있게 하기 위한 나사산들을 구비할 수 있다. 대안적으로, 2개의 부분을 함께 커플링시키기 위해서 교합 부분(1343a)이 교합 부분(1343b) 위에서, 또는 그 반대로 활주되도록, 교합 부분(1343a 및 1343b)의 크기가 결정될 수 있다. 투과 부분(1342) 및 차단 부분(1344)이 분리될 수 있도록 하고 함께 커플링될 수 있도록 하는, 임의의 메커니즘이 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 일부 실시예에 따라, 투과 부분(1342) 및 차단 부분(1344)은 분리될 수 없다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 캐리어(1340)는, 차단 부분(1344)에 고정적으로 커플링된 투과 부분(1342)을 갖는 단일 구성요소로서 제조될 수 있고, 그에 따라 일반적인 문제로서 그 부분들은 일반적으로 서로 분리될 수 없다.
투과 부분(1342)은 또한 이차 표적(1320)을 수용하도록 구성된 부분(1325)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 투과 부분(1342)의 일 단부가 개방되고, 그리고 이차 표적(1320)이 투과 부분(1342) 내에 배치될 수 있도록, 그에 따라, 캐리어(1340)가 엑스선 디바이스에 커플링될 때(예를 들어, 투과 창 또는 기타와 같은 진공 관의 인터페이스 부분에 의해서 형성된 수용부 내로 삽입될 때), 일차 표적으로부터 방출된 적어도 일부의 광대역 엑스선 방사선이 이차 표적(1320)을 조사하여 이차 표적이 선택된 재료의 특성적 에너지에서 단색 엑스선을 형광 방출하도록 이차 표적(1320)이 배치되게 하는 크기를 가질 수 있다. 이러한 방식으로, 상이한 이차 표적(1320)들이 캐리어(1340) 내에 배치될 수 있고 및/또는 캐리어에 의해서 유지될 수 있고, 그에 따라 단색 엑스선 방사선의 에너지가 선택될 수 있다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적(1320)은, 이차 표적(1320)을 캐리어(1340)에 교합 또는 달리 커플링시키는 것을 돕는 부분(1322)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 부분(1322 및 1325)은, 이차 표적이 캐리어(1340)의 투과 부분(1342) 내의 위치로 나사체결될 수 있게 하는 협력 나사산들을 구비할 수 있다. 대안적으로, 이차 표적이 투과 부분 내에 편안하게 피팅되도록 그리고 피트의 정확도에 의해서(예를 들어, 2개의 구성요소 사이의 마찰에 의해서) 유지되도록 부분(1322 및 1325)의 크기가 정해질 수 있고, 및/또는 부분(1322) 및/또는 부분(1325)이, 이차 표적이 위치에서 유지될 수 있게 하는 기계적 특징부를 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적이 캐리어 내로 삽입된 후에 투과 부분(1342) 위에 피팅되는 분리된 캡 단편이 포함될 수 있고, 및/또는 임의의 다른 적합한 기술을 이용하여 이차 표적(1320)이 캐리어 내에 삽입될 수 있게 하고 캐리어(1340)에 의해서 충분히 유지되게 할 수 있는데, 이는 그러한 양태가 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
도 13b에 도시된 실시예에서, 이차 표적(1320)은, 차단 부분(1344)과 중첩되지 않고, 투과 부분(1342) 내에 포함된다. 즉, 이차 표적(1320)의 가장 먼 범위(예를 들어, 도 13b에 도시된 실시예에서 원뿔형 표적의 선단부)는 차단 부분의 원통형 부분(1344a)(또는 차단 부분의 임의의 다른 부분) 내로 연장되지 않는다. 캐리어의 투과 부분 내에서 이차 표적(1320) 만을 포함하는 것에 의해서, 광대역 엑스선 방사선에 노출되는 그리고 그에 따라 단색 엑스선 방사선을 형광 방출할 수 있는 이차 표적(1320)의 부피가 일반적으로 최소화될 수 있고, 그에 따라, 주어진 이차 표적 및 엑스선 디바이스의 주어진 동작 매개변수의 세트(예를 들어, 엑스선 관의 파워 레벨 등)에 대해서 생산되는 단색 엑스선 방사선의 세기를 일반적으로 최적화할 수 있는 기회를 제공한다. 즉, 이차 표적의 노출 부피를 증가시킴으로써, 단색 엑스선 세기의 증가가 달성될 수 있다.
도 13b에 도시된 차단 부분(1334)의 환형 부분(1344b)의 정면도는, 환형 부분(1344b)이, 이차 표적(1320)으로부터 형광 방출된 단색 엑스선이 엑스선 디바이스로부터 방출될 수 있게 하는 원통형 부분(1344a)(및 원통형 부분(1342))의 개구에 상응하는 개구 부분(1344c)을 포함한다는 것을 도시한다. 차단 부분(1344)이 일반적으로 불투명 재료로 제조되기 때문에, 차단 부분(1344)은 또한, 일부 문턱값 각도보다 큰 오프-축 각도로 방출되는 이차 표적으로부터 형광 방출된 일부 단색 엑스선을 흡수할 것이고, 그러한 문턱값 각도는, 이차 표적의 부피 내의 어디에서 단색 엑스선이 기원하는지에 따라 달라진다. 따라서, 차단 부분(1344)은 또한, 도 13a 내지 도 13c에 도시된 실시예에서 캐리어(1340)의 중심을 통한 길이방향 축에 상응하는, 엑스선 관의 축에 대한 각도 범위로 방출 단색 엑스선을 제한하기 위한 시준기로서 동작한다.
도 13c는 엑스선 디바이스 내에 배치된 (예를 들어, 도 11a, 도 11b 및 도 12에 도시된 예시적인 창 부분(1130 및 1230)과 같은, 진공 관의 인터페이스 부분에 의해서 형성된 수용부 내로 삽입된) 캐리어(1340)의 개략도를 도시한다. 부분(1365)은, 통상적인 구리와 같은 재료로 구성되는, 진공 관의 전방 부분에 상응한다. 또한, 캐리어(1340)의 개구에 상응하는 개구를 갖는, 일반적으로 불투명 재료(예를 들어, 납, 텅스텐, 탄탈륨, 레늄, 백금, 금 등)로 제조되는 커버 또는 면판(1375)이 제공된다. 의사(spurious) 광대역 엑스선 방사선이 엑스선 디바이스로부터 방출되는 엑스선 방사선을 오염시키는 것을 방지하기 위해서 광대역 엑스선의 추가적인 흡수를 제공하도록, 면판(1375)을 선택적으로 포함할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 예시적인 캐리어(1340)를 이용하여 단색 엑스선 방출 특성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 도 14a 및 도 14b는, 도 13a, 도 13b 및/또는 도 13c에 도시된 캐리어(1340)의 이용으로부터 초래된 온-축 엑스선 스펙트럼(1400a) 및 오프-축 엑스선 스펙트럼(1400b)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 결과적인 엑스선 스펙트럼은, 단색 엑스선 방사선을 생산하도록 구성된 통상적인 엑스선 장치(예를 들어, 도 9에 도시된 통상적인 엑스선 장치(900))에 의해서 생산되었던 도 10a 및 도 10b에 도시된 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼에 비해서 상당히 개선된다. 도 14a에서 화살표(1403)에 의해서 표시된 바와 같이, 온-축 Sn Kα 피크는, 도 10a에 도시된 온-축 스펙트럼에서의 약 8.7로부터, 제동복사 배경보다 약 145배 더 크다. 오프-축 Sn Kα 피크는, 도 14b에 도시된 오프-축 스펙트럼에서의 약 7.0으로부터, 도 14b에서 화살표(1403)에 의해서 표시된 바와 같이 제동복사 배경보다 약 36배 더 크다. 또한, Pk(도 14a 및 도 14b에서 Sn Kα 및 Sn Kβ로 표시된, 특성적 K-껍질 방출 라인의 통합 에너지) 대 Plow(도 14a 및 도 14b의 화살표(1401)에 의해서 전반적으로 표시된, Sn Kα 피크 아래의 저에너지 엑스선 스펙트럼의 통합 에너지) 및 Phigh(화살표(1402)에 의해서 전반적으로 표시된, Sn Kβ 피크 위의 고에너지 스펙트럼의 통합 에너지)의 비율은, 도 10a의 온-축 스펙트럼에 대해서 0.69 및 1.7로부터, 도 14a에 도시된 온-축 스펙트럼에 대해서 각각 21 및 62이다. 비율 Pk/Plow 및 Pk/Phigh은, 도 10b의 오프-축 스펙트럼에 대한 0.9 및 2.4로부터, 도 14b에 도시된 오프-축 스펙트럼에 대해서 각각 12.9 및 22이다. 이러한 증가된 비율은, 각각, 도 10a 및 도 10b의 엑스선 스펙트럼에 대한 .33의 온-축 단색성 및 0.4의 오프-축 단색성으로부터, .94(M = .94)의 온-축 단색성 및 .89(M = .89)의 오프-축 단색성으로 해석된다.
이러한 단색성의 상당한 개선은, 균일하고, 보다 양호한 공간적 해상도를 가지며, 의료적 촬영 적용예에서 환자에게 상당히 적은 엑스선 방사선 선량을 전달하는 엑스선 화상을 획득하도록 돕는다. 예를 들어, 유방 엑스선 조영법의 경우에, 도 10a 및 도 10b에 도시된 엑스선 방사선 스펙트럼은, 도 14a 및 도 14b에 도시된 엑스선 방사선 스펙트럼에 의해서 전달될 수 있는 것보다, 4배의 평균 유선 선량(mean glandular dose)을 정상 두께 및 밀도의 가슴 조직에 전달할 것이다. 도 14c는, 도 14a 및 도 14b에 도시된 엑스선 스펙트럼을 생성하기 위해서 이용되는 엑스선 디바이스의 시계와 함께, 도 10a 및 도 10b에 도시된 엑스선 스펙트럼을 생성하기 위해서 이용된 통상적인 엑스선 공급원의 시계를 도시한다. 통상적인 엑스선 장치의 절반 최대에서의 전체 폭(FWHM)이 약 30도인 반면, 개선된 엑스선 디바이스의 FWHM은 약 15도이다. 따라서, 비록 시계가 예시적인 캐리어(1340)에 의해서 감소되지만, 결과적인 시계는, 콤팩트한 공급원 검출기 거리(예를 들어, 약 760mm)에서의 단일 노출에서 가슴과 같은 기관을 촬영하는데 충분한 것보다 증가되나, 균일성 및 공간적 해상도가 증가되며 방사선 선량은 감소되며, 그에 따라 충분히 개선되고 안전한 엑스선 촬영을 가능하게 한다. 도 15는 관찰 각도(θ)의 함수로서 낮은 그리고 높은 에너지 엑스선 방사선에 대한 통합 파워 비율(Pk/Plow 및 Pk/PHigh)을 도시하고, 도 16은 통상적인 엑스선 장치(1560a, 1560b 및 1660) 및 예시적인 캐리어(1340)를 이용하는 개선된 엑스선 장치(1570a, 1570b 및 1670)에 대한 엑스선 방사선의 단색성을 도시한다. 플롯(1570a, 1570b 및 1670)에 의해서 도시된 바와 같이, 단색성은 관찰 각도의 함수로서 감소된다. 캐리어(1340)를 이용할 때, 길이방향 축을 중심으로 15도의 시계에 걸친 적어도 .7의 단색성 및 10도의 시계에 걸친 적어도 .8의 단색성을 갖는 단색 엑스선 방사선이 방출된다. 플롯(1560a, 1560b 및 1660)에 의해서 도시된 바와 같이, 통상적인 엑스선 장치의 단색성은 모든 관찰 각도에 걸쳐 극히 불량하다(즉, 전체 시계에 걸쳐 .4 미만이다).
본 발명자는, 이차 표적 캐리어의 기하형태를 수정함으로써, 엑스선 관으로부터 방출된 엑스선 방사선의 단색성의 양태에 대한 추가적인 개선이 이루어질 수 있다는 것을 이해하였다. 일부 실시예에 따라, 단색성은, 특히 오프-축 엑스선 방사선을 위해서 크게 개선될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자는, 이차 표적의 부분이 캐리어의 차단 부분 내에 있도록 캐리어를 수정하는 것에 의해서, 엑스선 디바이스에 의해서 방출되는 엑스선 방사선의 단색성이, 특히 오프-축 엑스선 방사선과 관련하여, 개선될 수 있다는 것을 인지하였다. 도 17a 및 도 17b는, 일부 실시예에 따른, 캐리어(1740)의 3-차원적 및 2-차원적 도면을 도시한다. 예시적인 캐리어(1740)는, 도 17a에 도시된 바와 같이, 이차 표적(1720)을 수용하기 위한 투과 부분(1742), 및 (원통형 부분(1744a), 및 중심을 통한 개구 부분(1744c)를 갖는 환형 부분(1744b)을 포함할 수 있는) 차단 부분(1744)을 포함하는, 캐리어(1340)와 유사한 부분을 포함할 수 있다.
그러나, 도 17a 내지 도 17c에 도시된 실시예에서, 이차 표적(1720)이 투과 부분(1742) 내에 배치될 때, 이차 표적(1720)의 일부가 차단 부분(1744) 내로 연장되도록, 캐리어(1740)가 구성된다. 특히, 차단 부분은, 이차 표적의 적어도 일부가 차단 부분(1744) 내에 수용되도록 이차 표적(1720)의 부분과 중첩되는 중첩 부분(1744d)을 포함한다. 일부 실시예에 따라, 중첩 부분(1744d)은 이차 표적의 약 .5 내지 5 mm에 걸쳐 연장된다. 일부 실시예에 따라, 중첩 부분(1744d)은 이차 표적의 약 1 내지 3 mm에 걸쳐 연장된다. 일부 실시예에 따라, 중첩 부분(1744d)은 이차 표적의 약 2 mm에 걸쳐 연장된다. 일부 실시예에 따라, 중첩 부분(1744d)은 .5 mm 미만에 걸쳐 연장되고, 일부 실시예에서, 중첩 부분(1744d)은 5 mm 초과에 걸쳐 연장된다. 중첩량은, 부분적으로, 이차 표적, 캐리어 및 엑스선 디바이스의 크기 및 기하형태에 따라 달라질 것이다. 도 17c는 엑스선 디바이스 내에 배치된 (예를 들어, 진공 관의 인터페이스에 형성된 수용부 내에 삽입된) 캐리어(1740)를 도시하고, 면판(1775)이 진공 관(예를 들어, 도 11a에 도시된 진공 관(1150))의 전방 부분(1765) 위에 제공된다.
일부 실시예에 따라, 예시적인 캐리어(1740)를 이용하여 단색 엑스선 방출 특성을 더 개선할 수 있다. 예를 들어, 도 18a 및 도 18b는, 도 17a 내지 도 17c에 도시된 캐리어(1740)의 이용으로부터 초래된 온-축 엑스선 스펙트럼(1800a) 및 오프-축 엑스선 스펙트럼(1800b)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 결과적인 엑스선 스펙트럼은 도 10a 및 도 10b에 도시된 통상적인 엑스선 장치에서 생산된 온-축 및 오프-축 엑스선 스펙트럼에 비해서 상당히 개선될 뿐만 아니라, 도 13a 내지 도 13c에 도시된 예시적인 캐리어(1340)를 이용하여 생산된 엑스선 스펙트럼에 비해서 개선된 특성을 나타낸다. 도 18a에서 화살표(1803)에 의해서 표시된 바와 같이, 온-축 Sn Kα 피크는, 도 14a에 도시된 온-축 스펙트럼에 대한 145 및 도 10a에 도시된 온-축 스펙트럼에 대한 8.7에 비해서, 제동복사 배경보다 160배 더 크다. 도 18b에서 화살표(1803)에 의해서 표시된 바와 같이, 오프-축 Sn Kα 피크는, 도 14b의 오프-축 스펙트럼에 대한 36 및 도 10b에 도시된 오프-축 스펙트럼에 대한 7.0에 비해서, 제동복사 배경보다 84배 더 크다.
Pk(도 18a 및 도 18b에서 Sn Kα 및 Sn Kβ로 표시된, 특성적 K-껍질 방출 라인의 통합 에너지) 대 Plow(도 18a 및 도 18b의 화살표(1801)에 의해서 전반적으로 표시된, Sn Kα 피크 아래의 저에너지 엑스선 스펙트럼의 통합 에너지) 및 Phigh(화살표(1802)에 의해서 전반적으로 표시된, Sn Kβ 피크 위의 고에너지 스펙트럼의 통합 에너지)의 비율은, 도 14a의 온-축 스펙트럼에 대한 21 및 62 그리고 도 10a의 온-축 스펙트럼에 대한 0.69 및 1.7에 비해서, 도 18a에 도시된 온-축 스펙트럼에 대해서, 각각, 31 및 68이다. 비율 Pk/Plow 및 Pk/Phigh은, 도 14b에 도시된 오프-축 스펙트럼에 대한, 각각, 12.9 및 22 그리고 도 10b의 오프-축 스펙트럼에 대한 0.9 및 2.4에 비해서, 도 18b의 오프-축 스펙트럼에 대해서, 각각, 29 및 68이다. 이러한 증가된 비율은, 각각, 도 14a의 엑스선 스펙트럼에 대한 .94(M = .94)의 온-축 단색성 및 도 14b의 엑스선 스펙트럼에 대한 .89(M = .89)의 오프-축 단색성, 및 도 10a 및 도 10b의 엑스선 스펙트럼에 대한 .33의 온-축 단색성 및 0.4의 오프-축 단색성과 비교하여, .96(M = .96)의 온-축 단색성 및 .95(M = .95)의 오프-축 단색성으로 해석된다.
다시 도 15 및 도 16을 참조하면, 별모양은 온-축 및 오프-축 저에너지 비율(1580a) 및 고에너지 비율(1580b), 뿐만 아니라 예시적인 캐리어(1640)를 이용하여 방출된 엑스선 방사선의, 각각의, 온-축 및 오프-축 단색성(1680)을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 엑스선 방사선은 본질적으로 동일한 특성적 온-축 및 5도의 오프-축을 나타낸다. 따라서, 예시적인 캐리어(1740)가 온-축 및 오프-축 단색성 모두를 개선하지만, 도 17a 내지 도 17c에 도시된 예시적인 캐리어의 이용은, 오프-축 단색성의 상당한 증가를 나타내고, 그에 따라, 예를 들어, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 균일성을 개선하는 것, 선량을 감소시키는 것, 그리고 단색성 세기를 증가시켜 공간적 해상도 및 작은 밀도 변동(예를 들어, 가슴 물질 내의 미세-석회화와 같은 작은 조직 이상)을 구분할 수 있는 능력을 개선하기 위해서 더 높은 엑스선 관 전압을 이용할 수 있게 하는 것에 의해서, 단색 엑스선을 이용한 엑스선 촬영에 상당한 장점을 제공한다. 캐리어(1740)를 이용할 때, 길이방향 축을 중심으로 15도의 시계에 걸친 적어도 .9의 단색성 및 10도의 시계에 걸친 적어도 .95의 단색성을 갖는 단색 엑스선 방사선이 방출된다.
본원에서 설명된 예시적인 캐리어가 제거 가능한 하우징이 되도록 구성될 수 있거나 엑스선 디바이스 내로 통합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본원에서 설명된 예시적인 캐리어의 하나 이상의 양태가 엑스선 디바이스에 통합되거나, 내장되거나, 달리 부품으로, 예를 들어 고정된 구성요소로서 제조될 수 있는데, 이는 그러한 양태가 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
잘 알려진 바와 같이, 단색 엑스선 방출의 세기는, 캐소드-애노드 전압(예를 들어, 도 11a 및 도 11b에 도시된 필라멘트(1106)와 일차 표적(1100) 사이의 전위)을 증가시키는 것, 및/또는 필라멘트 전류를 증가시키는 것에 의해서 증가될 수 있고, 필라멘트 전류 증가는 다시 필라멘트에 의해서 방출되는 전자의 방출 전류를 증가시키고, 후자의 기술은 제한된 제어를 제공하는데, 이는 그러한 기술이 캐소드의 특성에 크게 의존하기 때문이다. 엑스선 방사선 세기, 캐소드-애노드 전압 및 방출 전류 사이의 관계가 도 20에 도시되어 있고, 해당 도면은 2개의 상이한 이차 표적 기하형태(즉, 4 mm 직경의 기부를 갖는 Ag 원뿔 및 8 mm 직경의 기부를 갖는 Ag 원뿔)를 이용하여 많은 수의 상이한 캐소드-애노드 전압에서의 방출 전류에 대한, 은(Ag) 이차 표적 및 750 mm의 공급원-검출기 거리를 이용하여 생산된, 엑스선 세기를 플로팅한다.
통상적으로, 적절한 단색 엑스선 세기를 생산하기 위해서 이차 표적 내에서 엑스선 형광을 유도할 수 있는 흡수 엣지 위의 충분히 높은 에너지의 광대역 엑스선 방사선을 생성하는 것과 희망 단색 엑스선 방사선을 오염시키는 과다한 고에너지 광대역 엑스선 방사선을 생성하는 것 사이의 균형으로서, 이차 표적에 의해서 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 특성적 방출 라인의 에너지의 캐소드-애노드 전압의 약 2배가 되도록 캐소드-애노드 전압이 선택되었다. 예를 들어, Ag 이차 표적에서, 45 kV의 캐소드-애노드 전위(예를 들어, 전자 광학기기가 -45 kV에서 설정될 수 있다)는, 도 21에 도시된 바와 같이 은의 K-엣지(25 keV) 위에서 충분한 고에너지 광대역 엑스선이 생산되어 도 19(하단 좌측)에 도시된 22 keV Ag K 단색 엑스선 방사선을 생산하게 보장하도록, 통상으로 선택될 것이다. 유사하게, Sn 이차 표적에서, 50 kV의 캐소드-애노드 전위는, 도 21에 도시된 바와 같이 주석의 K-엣지(29 keV) 위에서 충분한 고에너지 광대역 엑스선이 생산되어 도 19(하단 우측)에 도시된 25 keV Sn K 단색 엑스선 방사선을 생산하게 보장하도록, 통상으로 선택될 것이다. 캐소드-애노드 전압에 대한 이러한 2개의 제한 인자는 엑스선 장치로부터 방출되는 단색 엑스선의 고에너지 오염을 제한하기 위해서 통상적으로 실시된다.
본 발명자는, 본원에서 설명된 기술이 2개의 한계 인자를 제거할 수 있게 하여, 광대역 엑스선 방사선 오염을 크게 증가시키지 않고(즉, 단색성의 실질적 감소가 없이), 단색 엑스선 세기를 증가시키기 위해서 높은 캐소드-애노드 전압이 이용될 수 있게 한다는 것을 인지하였다. 특히, 본 발명자에 의해서 개발된 예시적인 이차 표적 캐리어를 포함하는, 광대역 엑스선 방사선을 차단하기 위한 기술이, 우수한 단색성을 유지하면서, 큰 세기의 단색 방사선을 생산하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 22는 본 발명자가 개발한 예시적인 캐리어(1740)를 이용한 Sn 이차 표적에서의 많은 수의 캐소드-애노드 전압(일차 전압)에 대한 온-축 단색성(2200a) 및 오프-축 단색성(2200b)을 도시한다. 유사하게, 도 23은 본 발명자가 개발한 예시적인 캐리어(1740)를 이용한 Ag 이차 표적에서의 많은 수의 캐소드-애노드 전압(일차 전압)에 대한 온-축 단색성(2300a) 및 오프-축 단색성(2300b)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 높은 정도의 단색성은, 도시된 범위에 걸쳐 단지 1.5%만큼 변화되면서, 도시된 고전압의 범위에 걸쳐서 유지된다. 따라서, 높은 전압을 이용하여, 단색성에 실질적인 영향을 미치지 않고, (예를 들어, 도 20에 도시된 라인을 따라) 단색 엑스선 세기를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 90% 순도 초과(M > 0.9)의 단색 엑스선 방사선이 100 KeV 이상의 일차 전압을 이용하여 생성될 수 있고, 단색 엑스선 세기를 상당히 증가시킬 수 있다.
일부 실시예에 따라, 주어진 표적으로부터 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 에너지의 2배보다 큰 일차 전압(예를 들어, 도 11a 및 도 11b에 도시된 필라멘트(1106)와 엑스선 관(1150)의 일차 표적(1110) 사이의 전위와 같은, 캐소드-애노드 전위)을 이용하여 단색 엑스선 방사선을 생성한다. 일부 실시예에 따라, 주어진 표적으로부터 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 에너지의 약 2배의 이상이고 약 3배의 이하인 일차 전압을 이용하여 단색 엑스선 방사선을 생성한다. 일부 실시예에 따라, 주어진 표적으로부터 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 에너지의 약 3배의 이상이고 약 4배의 이하인 일차 전압을 이용하여 단색 엑스선 방사선을 생성한다. 일부 실시예에 따라, 주어진 표적으로부터 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 에너지의 약 4배의 이상이고 약 5배의 이하인 일차 전압을 이용하여 단색 엑스선 방사선을 생성한다. 일부 실시예에 따라, 주어진 표적으로부터 형광 방출되는 희망 단색 엑스선 방사선의 에너지의 5배 이상인 일차 전압을 이용하여 단색 엑스선 방사선을 생성한다. 각각의 경우에, 시계에 걸쳐 .9 이상의 온 및 오프-축 단색성을 가지는 엑스선 방사선이 달성될 수 있으나, 그러한 레벨의 단색성을 달성하는 것이 요건이 아님을 이해하여야 한다.
본 발명자는, 엑스선 관의 기하형태가 광대역 엑스선 방사선 오염에 기여할 수 있다는 것을 인지하였다. 본 발명자는, 엑스선 디바이스로부터 방출되는 단색 엑스선을 오염시킬 수 있는, 생성되는 광대역 엑스선 방사선의 양을 더 감소시키기 위해서 엑스선 관의 전자 광학기기가 개선될 수 있다는 것을 이해하였다. 다시 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 엑스선 디바이스(1100)는, 광대역 엑스선 방사선을 생산하기 위해서 일차 표적(1110)에 충돌하는 전자를 생성하도록 구성된 전자 광학기기(1105)를 포함한다. 본 발명자는, 진공 외장 내의 일차 표적 이외의 표면의 충격을 감소 및/또는 방지하도록 구성된 전자 광학기기 기하형태를 개발하였다. 이러한 기하형태는 또한, 통상적인 시스템에서의 부가적인 냉각을 통해서 제거되어야 할 수 있는 다른 표면의 기생적 가열을 감소 및/또는 방지한다.
예로서, 전자 광학기기(1105)의 기하형태는, 창 부분(1130) 및/또는 진공 관(1150) 내의 다른 표면의 충격을 감소 및/또는 방지하도록 그에 따라 원치 않는 광대역 엑스선 방사선이 엑스선 관으로부터 생성되고 잠재적으로 방출되어 방출 엑스선 방사선 스펙트럼의 단색성을 저하시키는 것을 방지하도록 구성된다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 전자 광학기기(1105)는, 일반적으로 원환형 형상일 수 있는 필라멘트(1106), 및 원환형 필라멘트(1106)의 내측 및 외측에 배치된 안내부(1107, 1108 및/또는 1109)를 포함한다. 예를 들어, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 안내부(1107, 1108, 1109)가 원환형 필라멘트(1106)와 동심적으로 배치되어(예를 들어, 내부 안내부(1107)가 필라멘트 원환체 내에 배치되고 외부 안내부(1108 및 1109)가 필라멘트 원환체 주위에 배치되어) 필라멘트(1106)의 양 측면 상에 벽을 제공할 수 있고, 그에 따라 적어도 일부의 전자가 일차 표적(1110) 이외의 다른 표면에 충돌하는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시예에 따라, 전자 광학기기(105)는 높은 음의 전압(예를 들어, 40kV, 50kV, 60kV, 70kV, 80kV, 90kV 또는 그 초과)에서 동작되도록 구성된다. 즉, 필라멘트(1106), 내부 안내부(1107) 및 외부 안내부(1108, 1109) 모두가 디바이스의 동작 중에 높은 음 전위에서 제공될 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 일차 표적(1110)은 접지 전위에서 제공될 수 있고, 그에 따라 필라멘트(1106)로부터 방출된 전자가 일차 표적(1110)을 향해서 가속된다. 그러나, 진공 외장 내의 엑스선 관의 다른 구성요소 및 표면도 전형적으로 접지 전위이다. 결과적으로, 전자는 엑스선 관(1150)의 다른 표면, 예를 들어, 진공 외장의 내측과 외측 사이의 투과 인터페이스(예를 들어, 도 11a 및 도 11b의 창(1130))를 향해서 가속되고 타격할 것이다. 통상적인 전자 광학기기를 이용할 때, 이러한 원치 않는 표면의 충격은, 엑스선 디바이스로부터 방출되는 원치 않는 광대역 스펙트럼에 기여하고 엑스선 관의 바람직하지 못한 가열을 유발하는 광대역 엑스선 방사선을 생성한다. 본 발명자는, 필라멘트(1106)에 의해서 방출된 전자를 위한 보다 제한된 경로를 제공하는 내부 안내부(1107) 및 외부 안내부(1108 및/또는 1109)를 이용하여 일차 표적(1110) 이외의 표면의 바람직하지 못한 충격을 감소 및/또는 방지할 수 있다는 것을 이해하였다.
일부 실시예에 따라, 안내부(1107 내지 1109)는 원통형 형상이고 동심적으로 배열되어 필라멘트(1106)에 의해서 방출되는 전자를 위한 제한된 경로를 제공하며, 그러한 경로는, 진공 외장 내의 다른 표면의 적어도 일부의 원치 않는 충격을 방지하기 위해서 전자를 일차 표적(1110)을 향해서 안내한다(예를 들어, 창 부분(1130)의 전자 충격을 감소 및/또는 방지한다). 그러나, 임의의 주어진 구현예에서 사용된 안내부가 임의의 적합한 유형일 수 있다는 것을 이해하여야 하는데, 이는 그러한 양태가 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다. 일부 실시예에 따라, 안내부(1107, 1108 및/또는 1109)는 구리를 포함하나, 스테인리스 강, 티타늄 등과 같은 전기 전도적인(그리고 바람직하게 비-자기적인) 임의의 적합한 재료가 이용될 수 있다. 임의의 수의 안내부가 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 내부 안내부가 단일 외부 안내부(예를 들어, 어느 하나의 안내부(1108 또는 1109))와 함께 이용되어, 캐소드의 내부 측면에 하나 및 캐소드의 외부 측면에 하나인, 안내부의 쌍을 제공할 수 있다. 다른 예로서, 단일 내부 안내부가 제공되어 적어도 일부의 원치 않는 전자가 진공 관의 내측과 외측 사이의 인터페이스(예를 들어, 도 11a 및 도 11b의 창 부분(1130))를 충격하는 것을 방지할 수 있거나, 단일 외부 안내부가 제공되어 적어도 일부의 원치 않는 전자가 진공 관의 다른 내부 표면을 충격하는 것을 방지할 수 있다. 부가적으로, 3개 초과의 안내부를 이용하여 전자의 경로를 일차 표적으로 제한할 수 있고, 그에 따라 진공 외장 내의 표면의 원치 않는 충격을 감소 및/또는 방지할 수 있는데, 이는 그러한 양태가 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
도 24a 및 도 24b는, 일부 실시예에 따른, 개선된 전자 광학기기를 갖춘 단색 엑스선 공급원(2400)의 횡단면을 도시한다. 도시된 실시예에서, 캐소드와 애노드 사이의 전위는 80 kV이다. 구체적으로, 텅스텐 원환형 캐소드(2406)가 -80 kV로 바이어스되고, 금-코팅된 텅스텐 일차 표적(2410)이 접지 전위이다. 캐소드로부터 방출된 전자를 안내하고 그에 따라 적어도 일부의 전자가 일차 표적(2410) 이외의 표면을 타격하는 것을 방지하고 그에 따라 의사 광대역 엑스선 방사선의 양을 감소시키기 위해서, 구리 내부 안내부(2407) 및 외부 구리 안내부(2408 및 2409)가 또한 -80 kV에서 제공된다. 단색 엑스선 공급원(2400)은 은 이차 표적(2420) 및 베릴륨 인터페이스 구성요소(2430)를 이용한다. 도 24b는, 단색 엑스선 공급원(2400)이 동작될 때, 원환형 캐소드와 일차 표적 사이의 전자 궤적을 도시한다. 도 25 및 도 26은 전자가 일차 표적(2410)을 타격하는 지점의 위치를 도시하여, 이러한 구성에서 전자가 인터페이스 구성요소(2430)를 타격하는 것을 안내부가 방지한다는 것을 보여준다. 도 27은 베릴륨으로 이루어진 투과 부분 및 텅스텐으로 이루어진 차단 부분을 가지는 하이브리드 인터페이스 구성요소를 포함하는 단색 엑스선 공급원을 도시하고, 그러한 공급원은, 본원에서 설명된 다른 기술(예를 들어, 본원에서 설명된 예시적인 캐리어를 이용하는 것)과 조합될 때, 97% 순도(M = 0.97)의 단색 엑스선 방사선을 생산한다. 도 28은, 발산형 전자 궤적 및 감소된 단색성을 초래하는, 캐소드가 일차 표적으로부터 더 멀리 이동된 대안적인 구성을 도시한다.
본원에서 설명된 단색 엑스선 공급원은 높은 정도의 단색성을 갖는 비교적 큰 세기의 단색 엑스선 방사선을 제공할 수 있고, 그에 따라 비교적 짧은 노출 시간을 허용하고, 이는, 큰 신호-대-노이즈 비율을 갖는 화상을 획득하면서도, 촬영영상되는 환자에게 전달되는 방사선 선량을 감소시킨다. 이하에서, 유방 엑스선 조영법의 맥락에서 본원에서 설명된 기술을 이용하여 얻어진 결과가 제공된다. 이러한 결과가 제공되어, 본원에서 설명된 하나 이상의 기술을 이용하여 획득할 수 있는 상당한 개선을 설명하나, 그러한 결과는 예로서 제공된 것인데, 이는 양태가 유방 엑스선 조영법에서의 이용을 위해서 제한되지 않고 본원에서 설명된 임의의 실시예에 대한 요건으로 얻어진 결과가 아니기 때문이다.
도 29는, 본원에서 설명된 기술과 결합된, 본 발명자에 의해서 개발된 단색 엑스선 디바이스의 성능에 관한 양태를 테스트하기 위해서 이용된 유방 엑스선 조영법 팬텀(CIRS 모델 011a)(2900)을 도시한다. 팬텀(2900)은, 도 29에 도시된 팬텀(2900)의 내부도에 의해서 도시된 바와 같이, 가변적인 크기 및 상이한 흡수 특성들을 가지는 많은 수의 개별적인 특징부를 포함한다. 도 30은, 각각 1 cm 두께이고 각각이 가슴 조직의 상이한 밀도들을 시뮬레이트하는 조성을 가지는, 5개 블록의 선형 어레이를 포함하는, 팬텀(2900)의 내재된 특징부의 일부를 강조한다. 가장 좌측의 블록은 100% 유선 가슴 조직을 시뮬레이트하고, 가장 우측은 100% 지방질(지방) 조직을 시뮬레이트하고, 다른 3개는 70:30(유선:지방질) 내지 50:50 내지 30:70 범위의 비율의 유선 및 지방질의 혼합물을 갖는다. 5개의 블록 모두는 50:50 유선 대 지방질 혼합물로부터 만들어진 팬텀 내에 내재된다. 팬텀의 총 두께는 4.5 cm이다.
도 30은 또한, 엑스선 빔이 팬텀에 진입하고, 전달된 엑스선 세기가 그레이 카운트의 통합된 값으로 변환되는 촬영 검출기까지의 그 경로 상의 블록 및 팬텀을 통과함에 따른, 촬영 프로세스의 1차원적인 개략도를 도시한다. (이러한 경우에 세기는 각각의 검출기 화소에 도달한 엑스선 에너지의 합이다. 각각의 화소 내의 전자기기는 이러한 에너지의 합을 0과 7000 사이의 숫자로 변환하고, 여기에서 7000은 전자기기 포화까지 허용될 수 있는 최대 에너지 합을 나타낸다. 이러한 디지털 변환으로부터 초래되는 숫자가 그레이 카운트로 지칭된다).
도 30의 a)에서 적색 수평 라인에 의해서 도시된 데이터는, 배경 50:50 유선-지방질 혼합물을 통해서 측정된, 엑스선 세기(B)이다. 검은색 곡선에 의해서 도시된 데이터는, 50:50 혼합물 및 1 cm 블록을 통해서 전달된 엑스선 세기(W)이다. 가변적인 계단형 크기들은, 블록의 상이한 조성으로 인한, 블록 내의 상이한 엑스선 흡수량들을 나타낸다. 도 30의 플롯 b)은, W-B로서, 신호(S)를 정의하고, 도 30의 플롯 c)은 S/B로서 콘트라스트를 정의한다. 영상 시스템의 검출성을 결정하기 위해서 최적으로 이용되는 성능지수는 신호-대-노이즈 비율(SNR)이다. 여기에서 설명을 위해서, SNR은 S/노이즈로 정의되고, 여기에서 노이즈는 도 30의 플롯 a)에 도시된 배경 세기의 요동의 표준 편차이다. 화상은 본원에서 설명된 기술을 이용하여 그리고 22 keV 엑스선 및 25 keV 엑스선으로 생성되었고, 본원에서 제시되었고, SNR 값을 상용 광대역 엑스선 유방 엑스선 조영법 기계로부터의 SNR값과 비교하였다.
유방 엑스선 조영법 검사에서의 방사선 노출은 미국 의회에서 1994년에 제정된 MQSA(Mammography Quality Standards Act)에 의해서 엄격하게 규제되고 있다. MQSA는 유방 엑스선 조영법 검사에서 평균 유선 선량(mgd)을 3 밀리그레이(mGy)의 한계로 설정하였고; 그레이는 주울/킬로그램이다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이러한 3 mGy 한계는 상용 유방 엑스선 조영법 기계의 동작에 대한 중요한 결과를 갖는다. 가슴 조직은 유선 및 지방질(지방) 조직으로 구성된다. 유선 조직의 밀도(ρ = 1.03 gm/cm-3)는 지방질 조직의 밀도(ρ = 0.93 gm/cm-3)와 크게 다르지 않고, 이는 SNR을 최적화하기 위한 최적의 단색 엑스선 에너지를 선택하는 것이 가슴 조직의 유형에 따라 크게 달라지지 않는다는 것을 의미한다. 그 대신, 최적의 촬영을 위한 단색 에너지의 선택은 주로 가슴 두께에 의존한다. 얇은 가슴은 두꺼운 가슴보다 더 적은 엑스선을 감쇠시킬 것이고, 그에 의해서 더 많은 분률의 엑스선이 검출기에 도달할 수 있게 할 것이다. 이는 더 높은 품질의 화상 및 더 높은 SNR 값을 초래한다. 이러한 고려사항은, 통상적인 상용 유방 엑스선 조영법 기계를 이용한 유방 엑스선 조영법 검사 중에 가슴 압축을 필요로 하는 주요 이유를 제공한다.
촬영 실험을 도 29에 도시된 산업-표준 팬텀에서 실시하였고, 그러한 팬텀은 두께가 4.5 cm이고 전형적인 압축된 가슴을 나타낸다. 팬텀(2900)은 50:50의 유선-대-지방질 조직 혼합물의 균일한 분포를 갖는다. SNR 및 평균 유선 선량이, 22 keV 및 25 keV의 단색 에너지로 얻어진 CIRS 팬텀 화상에 대해서 이하에서 상세히 설명된다. 실험은 또한, 두께가 9 cm인 압축된 두꺼운 가슴을 시뮬레이트하기 위해서, 도 32에 도시된 바와 같은, 이중 팬텀으로 실시되었다. 이중 팬텀은 또한 50:50의 유선-대-지방질 조직 혼합물의 균일한 분포를 갖는다. SNR 및 평균 유선 선량이, 25 keV의 단색 에너지를 이용하여, 이중 팬텀에 대해서 제시되었다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 두꺼운 가슴의 이러한 모델에서 얻어진 큰 SNR은, 단색 엑스선을 이용하여 압축이 감소된 또는 전혀 압축되지 않은 여성을 검사할 수 있다는 것을 나타내는데, 이는, 전형적으로, 4.5 cm 두께의 압축된 가슴이 8 내지 9 cm 두께의 비압축된 가슴과 동등하기 때문이다.
그러한 실험은, 단색 측정을 위한 평균 유선 선량이 동일한 SNR를 위한 상용 기계의 평균 유선 선량보다 항상 낮다는 것을 보여준다. 달리 설명하면, 단색 측정을 위한 SNR은 동일한 평균 유선 선량을 위한 상용 기계의 것보다 상당히 더 크다. 따라서, 단색 엑스선 유방 엑스선 조영법은 통상적인 광대역 엑스선 유방 엑스선 조영법보다 상당한 진보를 제공하고, 모든 여성, 그리고 특히 두껍거나 조밀한 가슴 조직을 갖는 여성의 가슴 병변을 진단하는데 있어서 상당한 의미를 갖는다. 조밀한 가슴은 유선 조직의 불균일한 분포를 특징으로 하고; 이러한 불균일성 또는 가변성은 화상 내에 잡음을 도입하고 병변을 구별하기 더 어렵게 만든다. 단색 촬영영상이 제공하는 증가된 SNR는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 조밀한 가슴 내의 고유의 조직 가변성의 존재 하에서 병변을 보다 용이하게 확인할 수 있게 한다.
도 31은 단색 Ag K(22 keV) 및 Sn K (25 keV) 엑스선을 이용하여 본원에서 설명된 단색 엑스선 공급원으로부터 얻어진 팬텀(2900)의 화상, 및 광대역 방출을 이용하는 통상적인 상용 유방 엑스선 조영법 기계로부터의 화상을, 연성 조직 블록을 통한 각각의 도수분포도와 함께 도시한다. 상용 기계로부터의 화상이 도 31의 (a)에 도시되어 있다. 100% 유선 블록에 대한 SNR은 8.4이고, 평균 유선 선량(mgd)은 1.25 mGy(1 Gy = 1 주울/kgm)이다. 도 31의 화상(b)은 22 keV 엑스선을 이용한 단색 화상을 도시하고, 도 31의 화상(c)은 25 keV 엑스선으로 얻어졌다. 22 keV로 측정된 100% 유선 블록에 대한 평균 유선 선량은 0.2 mGy이고, 25keV로 측정된 평균 유선 선량은 0.08 mGy이며, 양 에너지에 대한 SNR 값은 8.7이다. 상용 기계와 동일한 SNR을 달성하기 위해서, 22 keV를 이용하는 단색 시스템은 6.7배 더 작은 선량을 전달하고, 25 keV를 이용한 단색 시스템은 15배 더 작은 선량을 전달한다.
단색 엑스선 기술에 의해서 제공되는 선량 감소는 통상적인 광대역 시스템보다 상당히 더 양호한 진단 검출성을 제공하는데, 이는, 검사를 위한 3 mGy의 규제 선량 한계 미만으로 양호하게 유지하면서, 3 내지 6배의 배수만큼 SNR이 증가될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 22 keV 화상을 위한 SNR 값은 상용 기계에 의해서 전달되는 동일 선량(1.25 mGy)에서 21.8일 수 있고, 2.75 mGy의 선량에서 32일 수 있다. 유사하게, 25 keV 에너지를 이용하면, SNR 값은 1.25 mGy 및 2.75 mGy의 평균 유선 선량에 대해서 각각 34 및 51이 될 것이다. 이러한 상당히 향상된 SNR의 범위는 조밀한 가슴 조직을 갖는 여성을 진단하는데 있어서 상당한 장점을 갖는다. 전술한 바와 같이, 그러한 조직은 매우 불균일하고, 팬텀 및 정상 밀도 조직을 갖는 여성의 균일한 특성과 달리, 조밀한 가슴 내의 유선 분포의 가변성은 잡음 및 화상 노이즈를 도입하고, 그에 의해서 병변 구분을 더 어렵게 만든다. 본원에서 설명된 기술에 의해서 제공된 큰 SNR은 이러한 문제를 극복할 수 있다.
여기에서 디스플레이된 화상을 생성하기 위해서 이용된, 본원에서 설명된 기술을 포함하는 단색 엑스선 디바이스는 상용 광대역 엑스선 유방 엑스선 조영법 시스템의 크기 및 풋프린트와 유사하고, 95% 정도의 단색성을 갖는 단색 엑스선을 이용하여 첫 번째로 저선량, 큰 SNR, 유방 엑스선 조영법 팬텀의 균일한 화상을 생산한다. 사실상, 통상적인 단색 엑스선 장치는 이러한 레벨의 단색성에도 접근하지 못한다.
두꺼운 가슴 유방 엑스선 조영법을 시뮬레이트하기 위해서, 2개의 팬텀을 서로 위아래에 배치하는 것(총 두께 9.0cm)에 의해서, 두꺼운 가슴 조직을 위한 모델이 생성되었고, 도 32에 도시된 바와 같이, 18-220 ACR 유방 엑스선 조영법 인정(Accreditation) 팬텀(3200)이 CIRS 모델 011A 팬텀(2900)의 상단부에 배치되었다. 이러한 일련의 실험을 위해서, 25 keV 엑스선을 선택하여, CIRS 팬텀 상에 내재된 1 cm의 블록의 어레이에 의해서 표시된 연성 조직에서 양호한 콘트라스트를 유지하면서, 투과를 최적화하였다. 25 keV 단색 엑스선을 위한 화상을, 이전 실험에서 사용된 동일한 상용 광대역 유방 엑스선 조영법 기계로부터 얻어진 화상에 비교하였다. 결과적인 화상이, 연성 조직 블록을 통한 콘트라스트의 도수분포도과 함께, 도 33에 도시되어 있다.
두꺼운 가슴 조직을 위한 화상 품질은 현재의 상용 광대역 시스템으로 얻을 수 있는 어떠한 것보다 우수하다. 상용 기계에 의해서 전달되는 선량은 2.75 mGy이고, 100% 유선 블록 내에서 3.8의 SNR만을 달성한다. 도 33의 단색 화상은 0.43 mGy의 선량에 대해서 SNR=7.5를 갖는다. 얇은 4.5 cm 두께의 조직에서의 성공적인 검출을 위한, 방사선 기사들이 인정하는 값인, 8.5의 SNR에 도달하기 위해서 상용 광대역 엑스선 시스템에서 요구되는 선량은 14 mGy이고, 이는 정상 밀도의 가슴 조직을 촬영하기 위해서 이용되는 상용 선량(1.25 mGy)보다 11배 더 크다. 이는 지나치게 크고 검사에 안전하지 않으며, 규제된 MQSA 검사 한계보다 4.7배 더 크다. 다른 한편으로, SNR = 8.5를 달성하기 위해서 단색 시스템에서 요구되는 선량은 단지 0.54 mGy이고, 이는 상용 기계에 의해서 요구되는 것보다 26배 더 작다. 단색 엑스선을 이용할 때 요구되는 선량은 안전하고, 규제 한계보다 5배 더 작고, 상용 광대역 엑스선 유방 엑스선 조영법 기계를 이용하는 경우에 4.5 cm의 정상 두께의 가슴을 위한 선량보다 여전히 2.5배 더 작다. 최대 허용 노출(2.75mGy) 가까이에서 단색 엑스선 기계와 상용 광대역 엑스선 기계를 비교하면, 단색 기술이 5배 더 큰 SNR을 제공한다. 전술한 설명은 도 34에서 개략적으로 축약되어 있다.
9 cm 두께의 가슴 팬텀에 관한 측정은, 본원에서 설명된 단색 기술이 유방 엑스선 조영법 검사 중에 가슴을 압축하는 것을 배제하도록 돕는다는 것을 보여준다. 4.5 cm 압축된 가슴은 압축되지 않을 때 9 cm의 두께일 수 있다. 규제된 선량 한계 미만을 여전히 유지하면서 SNR을 유지할 수 있을 정도로 선량을 충분히 크게 증가시킬 수 없기 때문에 가슴 두께가 증가됨에 따라 상용 기계가 감도를 상실하는 반면, 단색 엑스선 시스템은 필요 SNR을 매우 용이하게 제공한다. 단색 유방 엑스선 조영법 과정의 예로서, 여성의 가슴이 테이블 내의 절취부를 통해서 연장될 수 있게 허용하도록 설계된 임상 테이블 상에 여성이 엎드릴 수 있다. 단색 엑스선 시스템은 테이블 하부측면에 평행하게 엑스선을 지향시키도록 설계될 수 있다. 테이블은 또한, 테이블의 수평 표면의 하부측면 상에 납의 층을 포함시킴으로써 환자를 위한 개선된 방사선 차폐를 촉진한다.
본 발명자는, 본원에서 설명된 단색 엑스선 디바이스의 기하형태의 공간적 해상도가 유방 엑스선 조영법 적용예에서 우수하다는 것을 인지하였다. 일부 실시예에 따라, 단색 엑스선 시스템은 760 mm의 공급원-대-검출기 거리, 4 mm 기부 직경 및 8 mm 높이의 이차 표적 원뿔, 및 85 미크론의 화소 크기를 갖는 비정질 규소의 촬영 검출기를 갖는다. 본원에서 설명된 기술을 이용하는 이러한 예시적인 단색 엑스선 디바이스는 CIRS 및 ACR 팬텀 내에서 100 내지 200 미크론의 직경을 갖는 미세석회화를 용이하게 분해할 수 있다. 도 35 및 도 36은, 동일한 상용 디바이스를 이용하여 얻어진 화상에 비교되는, 이러한 예시적인 단색 엑스선 방사선 디바이스를 이용하여 얻어진 화상 및 연관된 도수분포도를 도시한다. 단색 25 keV 엑스선 라인을 이용하는 전술한 이중 ACR-CIRS 팬텀(적층된 2900 및 3200 팬텀) 실험에서 측정된 미세석회화는 상용 기계에 대한 SNR보다 50% 더 큰 SNR을 가지며, 그 평균 유선 선량(mgd)은 이러한 화상에서 6배 더 작다. 상용 기계에서 측정된 것과 동일한 단색 SNR을 만들고자 하는 경우에, 단색 평균 유선 선량(mgd)은, 총 11배 더 작은 것에 대해서, 다시 2배 더 작을 것이다.
단순한 기하형태적 고려사항은, 이차 원뿔의 유효 투영 스팟 크기가 1 내지 2 mm라는 것을 나타낸다. 도 37은, CIRS 팬텀 내에 내재된 라인-쌍 표적들을 통한 측정된 세기 스캔의 도수분포도를 도시한다. 라인-쌍 표적의 간격은 mm 당 5개의 라인 내지 mm 당 20개의 라인의 범위이다. 위에서부터 4개의 도수분포도는, 앞서 간략히 설명한 4 mm 이차 원뿔을 이용한 18 keV, 21 keV, 22 keV 및 25 keV 에너지에 대한 스캔이, 110 미크론의 공간적 해상도 FWHM와 일치되는, mm 당 9개 라인까지 변화되는 교번적인 세기 구조를 구별할 수 있다. 18 keV 에너지는 mm 당 10개의 라인에서 여전히 구조를 구별할 수 있다. 도 37의 하단 도수분포도는, 통상적으로 이용되는 상용 광대역 유방 엑스선 조영법 시스템을 이용한 동일한 라인-쌍 앙상블을 통한 세기 스캔이다. mm 당 8개의 라인을 초과에서, 구조를 구별할 수 있는 상용 시스템의 능력이 상실된다. 이러한 성능은, 영상 시스템 또는 구성요소의 공간적 주파수 응답을 설명하기 위해서 통상적으로 이용되는 특성인, 시스템의 변조 전달 함수(MTF)와 일치된다. 이는 낮은 주파수에 대한 주어진 공간 주파수에서의 콘트라스트로서 정의되고 도 38에 도시되어 있다. 9 라인/mm에서의 0.25의 값은 직접 검출기 시스템을 갖는 다른 시스템과 유사하고, 평판 검출기보다 우수하다.
일부 실시예에 따라, 본원에서 설명된 예시적인 단색 시스템이 연속 모드에서 2000 와트 이하로 동작되었고, 다시 말해서 일차 애노드가 수냉되고, 고전압 및 필라멘트 전류가 연속적이고, 화상은 타이머-제어형 기계적 셔터를 이용하여 획득되었다. 도 31 및 도 33에 도시된 팬텀 화상과 함께 도 20의 엑스선 플럭스 데이터는, 상이한 압축 두께의 가슴 조직에서 특정 노출 시간 동안 희망 신호 대 노이즈를 획득하는데 필요한 파워에 대한 스케일링 지침(scaling guideline)을 제공한다. Ag의 이차 재료를 이용하여, 4 mm 및 8 mm 원뿔 조립체가 도 39에서 4.5 cm의 압축된 두께 및 50:50 유선-지방질 혼합물에 대해서 비교되었다. 전술한 실험에 의해서 규정된 바와 같이 9 cm의 압축 두께(50:50 유선-지방질 혼합물)를 위한 파워 요건이 Sn으로 제조된 4mm, 8 mm 원뿔에 대해서 도 40에서 비교되었다.
결과는, 4.5 cm로 압축된 정상 가슴 밀도의 CIRS 팬텀 내에 내재된 100% 유선 블록의 측정에서 얻어진 8.5의 SNR이 4 mm 원뿔(도 39 상단)을 이용하는 일차 내에서 9.5 kW의 파워를 이용한 5초의 노출에서 달성될 수 있다는 것을 나타내고; 8 mm 원뿔을 이용하는 경우(도 39 하단)에 3.7 kW가 필요하다. 이러한 두가지 경우 모두에서, 공급원-대-검출기(S-D)는 760 mm이다. 2초가 요구된다면, 8 mm 원뿔이 이용되는 경우에 9.2 kW가 요구되거나, 760 mm 대신 471 mm의 공급원-대-검출기(S-D) 거리에서 4 mm 원뿔이 이용될 수 있다. 공간적 해상도 의존성이 S-D와 선형적이기 때문에, 4 mm 원뿔을 샘플에 더 가까이 이동시키는 것은 단지 1.6배만큼 공간적 해상도를 저하시킬 것이나, 이는 여전히 760 mm에서 8 mm 원뿔보다 양호할 것이다. 일반적으로, 공간적 해상도와 노출 시간 사이의 절충이 존재하고, 이는 2개의 공급원-대-검출기 거리에서 4 mm 또는 8 mm 실시예가 적용예에 가장 적합한지의 여부를 결정할 것이다. 이러한 데이터는 단색 엑스선 공급원을 설계하는데 대한 지침으로서의 역할을 하고, 다양한 다른 표적 크기 및 공급원-대-검출기 거리의 가능성을 배제하지 않는다.
9 cm로 압축된 두꺼운 가슴 조직에서, 파워에 대한 SNR의 의존성이 도 40에 도시되어 있다. 7초 노출은, 471 mm의 공급원-대-검출기 거리에서 4 mm Sn 원뿔 또는 760 mm에서 8 mm 원뿔을 이용하여 11 kW에서 8.5의 SNR을 생성할 수 있다. 통상적인 광대역 상용 유방 엑스선 조영법 시스템은 이러한 동일한 SNR을 달성하기 위해서 14 mGy 선량을 전달할 수 있는 반면, 25 keV에서의 단색 시스템은 26배 더 작은 0.54 mGy만을 전달할 수 있고, 4.5 cm로 압축된 정상 밀도의 가슴 조직을 갖는 여성의 검사에서 상용 기계에 의해서 전달되는 1.25 mGy의 통상적인 선량보다 여전히 2.3배 더 작다.
발명자는, 의료적 촬영의 적용예를 위한 콤팩트한 엑스선 발생기 내에서의 단색 엑스선 세기의 최대화의 중요성을 인지하였다. 증가된 세기는 짧은 노출을 가능하게 하고, 이는 이동 잡음을 감소시키고 환자의 편안함을 증가시킨다. 대안적으로, 증가된 세기를 이용하여 증가된 SNR을 제공함으로써, 덜 명확한 특징부의 검출을 가능하게 할 수 있다. 단색 플럭스를 증가시키기 위한 3가지 기본적인 방식이 있다: 1) 표적의 기하형태를 통한 형광 효율의 최대화, 2) 정상 상태 모드에서 일차에 대한 총 파워 입력의 향상, 및 3) 펄스 모드에서 일차에 대한 총 파워 입력의 증가. 본 발명자는 각각에 상응하는 단색 플럭스를 증가시키기 위한 기술들을 개발하였다.
엑스선 형광 현상의 분석에서, 표적의 기하형태를 통해서 (이차 표적에 의해서 생성되는 형광 엑스선의 양을 증가시키는 것 및/또는 이차 표적에 의해서 흡수되는 형광 엑스선의 양을 감소시키는 것과 관련된) 형광 효율을 개선하는 것과 관련하여, 본 발명자는, 통상적인 중실형 이차 표적이, 이차 표적으로부터 방출되는 단색 형광 엑스선 플럭스의 생산에서의 비효율성에 기여한다는 것을 인지하였다. 특히, 이차 표적(예를 들어, 앞서 설명된 이차 표적)에 입사 광대역 엑스선은 일차 표적으로부터 방출되는 제동복사 스펙트럼 및 특성적 라인에 의해서 설명된다. 예를 들어, 도 21은, 각각, 제동복사 방출(2100c) 및 특성적인 금의 L 및 K-껍질 방출(2100a 및 2100b)을 포함하는, 100 kVp 캐소드-애노드 전압에 대한 금(Au) 일차 표적(애노드)에 의해서 방출되는 스펙트럼(2100)을 도시한다. 또한, 도 21에는 Ag(25 keV) 및 Sn(29 keV) 각각에 대한 K-흡수 엣지(2110a 및 2110b)가 도시되어 있다. 각각의 흡수 엣지 에너지로부터 100 keV까지 연장되는 수평 화살표(2115a 및 2115b)는, 각각의 흡수 엣지 위의 에너지를 갖는 스펙트럼(2100) 내의, 그에 따라 각각 Ag 및 Sn 표적으로부터의 엑스선 형광을 유도하기 위한 후보가 되는, 광자를 도시한다.
전술한 바와 같이, 형광은, 광자가 원자에 의해서 흡수될 때 그리고 전자가 원자로부터 방출될 때 발생된다. 원자의 내부 껍질 내의 공극이 외부 껍질로부터의 전자에 의해서 충진됨에 따라, 상응 껍질들의 2개의 결합 에너지들 사이의 차이(즉, 전자가 떠나는 외부 껍질의 결합 에너지와 공극이 충진된 내부 껍질의 결합 에너지 사이의 차이)에 해당하는 에너지를 갖는, 특성적 형광 엑스선이 원자로부터 방출된다. 광자가 이차 표적 재료에 의해서 흡수될 수 있는 가능성은 대략적으로 광자 에너지의 제3 파워에 따라 감소되고, 그에 따라 이차 표적 내의 흡수 길이는 광자 에너지에 따라 증가된다. 예를 들어, 40 keV 광자의 63%는 Ag의 첫 번째 60 미크론에서 흡수될 것인 반면, 170 미크론 및 360 미크론은 각각 60 keV 및 80 keV 광자의 63%를 흡수할 것이 요구된다. 본 발명자는, 광자 에너지에 따라 달라지는 흡수 가능성의 감소 및 흡수 길이의 증가로 인해서, 통상적인 중실형 이차 표적이 상당히 감소된 형광 엑스선 플럭스를 나타낸다는 것을 인지하였고, 이는, 이차 표적 자체가, 이차 표적의 내측부에서 생성되는 상당한 양의 형광 엑스선을 흡수하기 때문이라는 것을 인지하였다.
도 41은 이러한 원리를 개략적으로 도시한다. 특히, 도 41에서, 2개의 예시적인 엑스선 광자(4115a 및 4115b)가 중실형 이차 표적(4120) 상으로 입사된다. 예를 들어, 엑스선(4115a 및 4115b)이, 도 9에 도시된 엑스선 공급원의 일차 스테이지의 캐소드로부터의 전자(예를 들어, 캐소드(905)로부터 방출된 전자(907)에 응답하여 일차 표적(910)에 의해서 방출된 엑스선(915))로 충격된 일차 표적으로부터 방출될 수 있다. 도 21에 도시된 예시적인 스펙트럼을 참조하면, 엑스선(4115a 및 4115b)은, 금 표면을 포함하는 일차 표적으로부터 방출된 엑스선일 수 있고, 그에 따라, 일차 표적 재료의 흡수 엣지 위의(예를 들어, 은의 경우에 흡수 엣지(2110a) 위의 그리고 주석의 경우에 흡수 엣지(2110b) 위의) 에너지를 가지는 예시적인 엑스선(4115a 및 4115b)일 수 있고, 그에 따라 그 둘 모두는 이차 표적 재료의 형광 엑스선 특성을 생성하기 위한 후보가 된다.
도 41에 도시된 바와 같이, 엑스선 광자(4115a)가 이차 표적(4120)의 표면 부근에서 흡수되어, 흡수 이벤트에 의해서 생성된 형광 엑스선(4125a)이, 흡수되기 전에, 이차 표적(4120)을 빠져 나갈 수 있게 한다(예를 들어, 엑스선 광자(4115a)가 이차 표적 재료의 흡수 엣지에 비교적 근접할 수 있고, 그에 따라 표면 부근에서 흡수될 수 있는 가능성이 더 높다). 결과적으로, 형광 엑스선(4125a)은, 이차 표적으로부터 방출되는 그리고 촬영을 실시하기 위해서 이용될 수 있는 단색 엑스선 플럭스에 기여한다. 다시 말해서, 원래의 흡수 이벤트가 이차 표적(4120)의 표면에 근접하여 발생되기 때문에, 단색 형광 엑스선(4125a)이 이차 표적(4120)을 빠져 나간다.
다른 한편으로, 엑스선 광자(4115b)가, 흡수되기 전에, 이차 표적(4120) 내로 더 침투한다(예를 들어, 엑스선 광자(4115b)는 이차 표적 재료의 흡수 엣지로부터 더 멀리 떨어진 에너지를 가질 수 있고, 그에 따라 표면 부근에서 흡수될 수 있는 가능성이 낮다). 이차 표적의 내측부에서 흡수되는 것의 결과로서, 형광 엑스선(4125b)은 이차 표적(4120)에 의해서 흡수되고, 이차 표적으로부터 방출되고 촬영을 위해서 이용될 수 있는 단색 엑스선 플럭스에 기여하지 못한다. 다시 말해서, 원래의 흡수 이벤트가 이차 표적(4120)의 더 깊은 내측부에서 근접하여 발생되기 때문에, 단색 형광 엑스선(4125b)은, 이차 표적(4120)을 빠져 나갈 수 있기 전에, 흡수된다.
본 발명자는, 통상적인 중실형 이차 표적의 기하형태가, 상당한 양의 형광 엑스선이 이차 표적을 빠져 나가는 것 그리고 이용 가능한 단색 엑스선 플럭스에 기여하는 것을 사실상 방지한다는 것을 이해하였고, 다른 기하형태가 이차 표적으로부터 방출되는 단색 엑스선 플럭스를 상당히 증가시킬 수 있다는 것을 인지하였다. 따라서, 본 발명자는, 이차 표적에 의해서 형광 방출되는 단색 엑스선이 이차 표적에 의해서 흡수될 수 있는 가능성을 상당히 낮추는, 그에 의해서 이차 표적으로부터 방출되고 촬영을 위해서 이용될 수 있는 단색 엑스선 플럭스를 증가시키는 이차 표적 기하형태를 개발하였다.
일부 실시예에 따라, 이차 표적의 기하형태는, 원래의 흡수 이벤트가 이차 표적의 표면에서 또는 그 부근에서 발생될 수 있는 가능성을 증가시킨다. 예를 들어, 일부 실시예에 따라, 엑스선 광자가 이차 표적의 표면 부근에서 흡수되는 기회의 수가 증가된다. 다른 예로서, 일부 실시예에 따라, 엑스선 광자가 이차 표적의 표면으로부터 상당히 먼 이차 표적의 내측부 내에서 흡수되는 기회의 수가 감소 및/또는 제거된다. 본 발명자는, 전술한 이점이, 통상적인 것과 같은 중실형 벌크 표적 대신, 재료의 하나 이상의 층을 포함하는 이차 표적을 이용하는 것에 의해서 달성될 수 있다는 것을 인지하였다. 층은 본원에서, 벌크 재료로서 제공되는 통상적인 중실형 표적에 대비되는 것으로서, 예를 들어, 비교적 얇게 도포, 침착, 또는 달리 생산될 수 있는 시트, 호일, 코팅, 필름 또는 베니어로서 제공되는 재료를 지칭한다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 복수의 층을 포함하고, 각각의 층은 입사 엑스선이 이차 표적의 표면에서 또는 그 부근에서 흡수될 수 있는 기회를 제공하고, 그 일부 예시적인 예를 이하에서 더 구체적으로 설명한다.
도 42는, 일부 실시예에 따른, 이차 표적으로부터 방출되는 단색 엑스선 플럭스를 증가시키도록 구성된 이차 표적의 횡단면을 도시한다. 도 42에 도시된 예에서, 이차 표적(4220)은 도 41에 도시된 중실형 표적(4120)과 실질적으로 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 그러나, 중실형 표적(예를 들어, 벌크 재료)로 구성되는 대신, 이차 표적(4220)은 이차 표적 재료의 원뿔형 껍질(4220a)로서 구성된다. 껍질 이라는 용어는 본원에서, 주어진 기하형태(예를 들어, 원뿔형 껍질, 절두원추형 껍질, 원통형 껍질 등)를 형성하는 하나 이상의 층을 지칭한다. 껍질은 개방되거나 폐쇄될 수 있고, 임의의 적합한 형태로 (예를 들어, 호일, 시트, 코팅, 필름, 베니어 또는 다른 재료 층으로서) 제공될 수 있고, 그 예를 이하에서 더 구체적으로 설명한다.
예시적인 이차 표적(4220)은 희망하는 이차 표적 재료로 이루어진 호일 구성일 수 있다. "호일"이라는 용어는 본원에서, 희망하는 기하형태에 따라 제공될 수 있는 재료의 얇은 층을 지칭하고, 그 추가적인 예가 이하에서 설명된다. 이차 표적(4220)의 (예를 들어, 호일 구성을 통한) 층상형 성질의 결과로서, 이차 표적(4220)의 내측부(4222)는, 원뿔형 껍질의 층들을 통해서 침투하는 엑스선을 위한, 실질적으로 장애물이 없는, 투과 경로를 제공한다. 예를 들어, 내측부(4222)가 공기일 수 있거나, 엑스선 방사선에 대해서 실질적으로 투명한 재료를 포함할 수 있다(예를 들어, 내측부는, 이하에서 더 구체적으로 설명하는 바와 같이, 이차 표적 재료 층(들)(예를 들어, 호일)을 지지하기 위한 기재를 포함할 수 있거나, 예를 들어 스퍼터링 또는 다른 코팅 또는 침착 기술을 통해서 이차 표적 재료가 달리 위에 도포되는 기재일 수 있다).
도 41에 도시된 엑스선(4115a)에서와 같이, 엑스선(4215a)은 이차 표적(4220)의 표면에서 또는 그 부근에서 (원래 또는 최초로도 지칭되는) 초기의 흡수 이벤트를 겪고, 결과적으로, 형광 엑스선(4225a)이, 흡수될 수 있기 전에(즉, 이차 흡수 이벤트가 발생하기 전에), 이차 표적으로부터 방출된다. 도 42에 도시된 예시적인 실시예에서, 엑스선(4215a)은 원뿔형 껍질(4220a)의 재료 두께 내에서 흡수된다. 또한, 도 41에 도시된 엑스선(4115b)과 마찬가지로, 엑스선(4215b)은 이차 표적(4220)의 내측부 내로 침투한다. 그러나, 내측부(4222)가 엑스선에 실질적으로 투명한 소재(예를 들어, 공기, 플라스틱, 탄소 섬유, 등)로 제조되기 때문에, 엑스선(4215a)은 내측부를 통해서 전달되고, 도 41에 도시된 통상적인 중실형 이차 표적(4120)의 경우에서와 같이 이차 표적의 내측부 내에서가 아니라, 이차 표적(4220)의 다른 표면(즉, 원뿔형 껍질(4220a)의 다른 측면 상의 재료의 층)에서 또는 그 부근에서 초기 흡수 이벤트를 겪는다. 구체적으로, 엑스선(4215)은 원뿔형 껍질(4220a)의 하나의 층 및 내측부(4222)를 통해서 전달되고, 원뿔형 껍질(4220a)의 다른 측면 상의 재료의 층에 의해서 흡수된다. 이차 표적(4220)의 표면에서 또는 그 부근에서 발생되는 이러한 초기 흡수 이벤트의 결과로서, 이러한 흡수 이벤트에 응답하여 생성되는 형광 엑스선(4225c)은 이차 표적(4220)을 빠져 나가고, 이차 표적으로부터 방출되는 단색 플럭스에 기여한다.
본 발명자는, 이차 표적의 재료 층의 두께가 형광 엑스선 생성의 효율에 영향을 미친다는 것을 인지하였다. 중실형 이차 표적에 비해서 형광 엑스선 플럭스를 증가시키는 이차 표적 층의 임의의 두께가 적합할 수 있지만, 재료 층의 두께는 일반적으로, 엑스선 투과 및 흡수에 관한 물리적 현상을 고려하는 것에 의해서 최적화될 수 있다. 도 43은, 두께(t)를 갖는 재료의 층과 관련하여, 엑스선 흡수 및 형광 이벤트를 개략적으로 도시한다. 도 43을 참조하면, 얇은 재료의 층(예를 들어, 호일)을 통해서 전달되는 엑스선의 세기(Itransmit)가 다음과 같이 표현될 수 있다:
수학식 (1)에서, Eincident는 입사 엑스선의 에너지이고, μ는 에너지(Eincident)에서의 흡수 계수이고, t는 이차 표적 층의 두께이고, θ는 수직 방향에 대한 층의 정점 각도(apex angle)이다. 재료 층 내에서 흡수되는 엑스선의 양(Iabsorb)은 다음과 같이 이하의 수학식 (2)로 표현된다:
흡수된 엑스선은 전술한 바와 같이 이차 표적의 흡수 재료의 형광 엑스선 특성을 생성할 것이다. 위치(t/cos(θ))에서 기원하고 이차 표적으로부터 빠져 나가는 형광 엑스선의 양은 다음과 같이 이하의 수학식 (3) 및 (4)로 표현된다:
수학식 (3) 및 (4)에서, Fε는 형광 엑스선 생성의 효율이다. 따라서, 빠져 나가는 형광 엑스선의 세기를 최대화하는 재료의 층의 두께(t)가 존재한다. 이는, 다음과 같은 이하의 수학식 (5)에 기재된 바와 같이, 비율(Iescape/Iincident Fε)로 정규화될(normalized) 수 있다.
전술한 수학식들을 이용하여, 도 44의 a) 및 도 44의 b)에 도시된 플롯(4400a 및 4400b)을 획득하였다. 플롯(4400a 및 4400b)은, 이차 표적 재료 층으로서 은(Ag) 및 주석(Sn)을 각각 이용할 때, 많은 수의 예시적인 입사 엑스선 광자 에너지들에서, 재료 두께에 따라 달라지는 형광 엑스선 방출(즉, 이차 표적 재료의 층을 빠져 나가는 형광 엑스선 세기)을 보여준다. 구체적으로, 플롯(4400a)은, 40 keV, 50 keV, 60 keV, 80 keV 및 100 keV의 예시적인 일차 엑스선 에너지에 대한, 수직선에 대해서 14도의 정점 각도(즉 θ=14 도)로 배열된 Ag 재료의 층의 두께에 따라 달라지는 형광 엑스선 방출을 보여준다. 유사하게, 플롯(4400b)은, Sn 재료의 층을 대신 이용한, 동일한 배열(기하형태)에 대한 형광 엑스선 방출을 보여준다. 플롯(4400a 및 4400b)에서 보여지는 바와 같이, 상이한 일차 엑스선 에너지들에서의 각각의 곡선은 상응 재료 층을 위한 최적의 두께에 상응하는 피크를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 각각의 예시적인 에너지에서의 최적의 두께는 비교적 좁은 범위 내에 위치된다. 특히, 각각의 에너지 범위에 대한 최적의 두께는 Ag 층에 대해서 17 내지 19 미크론, 그리고 Sn 층에 대해서 24 내지 25 미크론의 범위이다.
따라서, 본 발명자는, 이차 표적을 위해서 이러한 범위 내의 두께를 선택하는 것이, 넓은 범위의 입사 엑스선 에너지에 걸쳐 우수한 형광 엑스선 방출 특성을 제공한다는 것을 이해하였다. 그러나, 양태들이 임의의 특정 범위 내의 값을 선택하는 것으로 제한되지 않기 때문에, 특정 이차 표적 재료를 위한 최적의 범위는 말할 것도 없이, 최적의 범위를 벗어난 두께도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그렇기는 하지만, 최적의 범위 내의 두께를 선택하는 것이 보다 양호한 형광 엑스선 방출 특성을 갖는 이차 표적을 생성할 수 있을 것이고, 그 일부 예를 이하에서 더 구체적으로 설명한다. 따라서, 이차 표적 재료의 층(들)의 두께는, 재료 유형, 단색 엑스선 공급원의 동작 매개변수, 및/또는 단색 엑스선의 의도된 적용예를 기초로 선택될 수 있다. 예를 들어, 우라늄에 대한 형광 방출 대 두께 곡선은 약 60 미크론의 최적의 두께에 상응하는 피크를 가지나, 그 특성 곡선은 도 44의 a) 및 도 44의 b)에 도시된 Ag 및 Sn에 대한 특성 곡선보다 더 넓고, 그에 따라 상당히 개선된 형광 엑스선 방출 특성을 나타내는 훨씬 더 넓은 두께 범위를 제공한다. 다른 예로서, 몰리브덴은, 약 13 미크론의 그 방출 대 두께 곡선에서 특성적 피크를 갖는다. 재료 두께의 선택은 또한 단색 엑스선 공급원의 동작 매개변수를 기초로 할 수 있다. 예를 들어, 더 큰 에너지의 방출된 엑스선을 더 많이 변환하기 위해서 더 큰 파워의 장치가 사용될 때, 더 두꺼운 재료 층이 바람직할 수 있다. 따라서, 예시적인 이차 표적 재료 층은 5 미크론 이하(예를 들어, 미크론까지)로부터 200 미크론 이상까지의 범위를 가질 수 있다. 유방 엑스선 조영법(mammography) 진단 적용예를 위한 전형적인 이차 표적 재료 두께는, 예로서, 약 10 미크론 이하로부터 50 미크론 이상의 범위일 수 있다. 이차 표적 재료 두께는 또한, 희망하는 형광 엑스선 방출 특성을 획득하기 위해서 제공된(예를 들어, 재료 두께가 감소될 수 있고 부가적인 층이 부가될 수 있다) 재료 층의 수를 기초로 선택될 수 있다.
도 45a는 도 42에 도시된 이차 표적(4220)과 기하형태가 유사한 예시적인 이차 표적(4520)을 도시한다. 특히, 이차 표적(4520)은, 28도의 전체 폐쇄 각도(즉, 수직선에 대한 14도(θ=14°)의 정점 각도의 2배), 그 기부에서의 4 밀리미터의 폭(b = 4 mm), 및 25 미크론의 재료 두께(t = 25 ㎛)를 갖는, Sn의 원뿔형 껍질이다. 이차 표적(4520)(그리고 도 45b의 4520')은, 정점이 이차 표적의 원위 측면에 그리고 기부가 표적의 근위 측면에 위치되도록 배향된다. "원위" 및 "근위"라는 용어는 본원에서 단색 공급원의 출구 개구(예를 들어, 도 45b에 도시된 출구 개구(4544))에 더 근접한 그리고 그로부터 더 먼 단부들 또는 측면들을 지칭한다. 따라서, 이차 표적의 원위 측면 또는 원위 단부는, 근위 측면 또는 근위 단부로 지칭되는 대향 측면보다, 출구 개구에 더 근접한 측면이다. 도 45a에서, 이차 표적(4520)의 원위 단부는 화살표(4247)에 의해서 표시되고, 이차 표적(4520)의 근위 단부는 화살표(4245)에 의해서 표시된다. 유사하게, "원위적으로" 및 "근위적으로"라는 용어는 본원에서 출구 개구부를 향하는 그리고 그로부터 멀어지는 상대적인 방향들(예를 들어, 화살표(4247) 및 화살표(4245)에 의해서 각각 표시된 방향들)을 지칭한다.
도 45a에 도시된 예시적인 이차 표적으로부터의 형광 엑스선 방출이 실험적으로 시뮬레이트되고 측정되었으며, 그 결과를 도 46 및 도 47에 각각 도시하였다. 구체적으로, 시뮬레이션에서, 엑스선 형광은 이하에서 설명되는 상응하는 실험을 위한 실제 엑스선 형광 방출을 생성하기 위해서 사용된 단색 엑스선 공급원의 모델을 기초로 전술한 수학식들을 이용하여 컴퓨팅되었다. 또한, 형광 엑스선 방출은, 동일한 치수의 통상적인 중실형 Sn 이차 표적(예를 들어, 14도의 정점 각도 및 4 mm의 기부를 갖는 주석의 중실형 원뿔)과 동일한 방식으로, 시뮬레이트되었다(즉, 컴퓨터적으로 결정되었다). Sn 호일 이차 표적(예를 들어, 이차 표적(4520)) 및 중실형 Sn 표적으로부터의 시뮬레이트된 형광 엑스선 방출을, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 도 46에서 도시하였다.
실험적 측정을 획득하기 위해서, 원뿔형 껍질 이차 표적(4520')은, 도 45a에 도시된 이차 표적(4520a)의 대략적인 치수를 갖는 Sn 호일을 이용하여 구성하였다. 구체적으로, 도 45b에 도시된 이차 표적(4520')에 의해서 개략적으로 도시된 바와 같이, 약 4 mm의 기부 폭 및 약 14도의 정점 각도를 갖는 약 25 미크론 두께의 Sn 호일 원뿔형 껍질이 형성되었다. Sn 호일 이차 표적이 캐리어 내에 배치되었고, 단색 엑스선 공급원(즉, 본원에서 설명된 예시적인 단색 엑스선 공급원의 양태에 의해서 구현되는 바와 같은 단색 엑스선 공급원) 내로 삽입되었다. 구체적으로, 도 45b에 개략적으로 도시된 바와 같이, Sn 호일 표적(4520')이 캐리어(4540) 내에 배치되었고, 일차 표적(4510)(금 도금된 텅스텐) 및 원환형 필라멘트에 의해서 형성된 캐소드(4506)를 포함하는 단색 엑스선 공급원의 일차 스테이지와 인터페이스하는 베릴륨 창(4530) 내로 삽입되었다. 단색 엑스선 공급원은, 캐소드(4506)와 0.33 mA의 방출 전류를 갖는 일차 표적(4510) 사이에서 80kV를 이용하는 것에 의해서 동작되었다. 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 광자 계수 검출기를 이용하여, 단색 공급원으로부터 방출되는 형광 엑스선을 검출하였다. 또한, 동일한 실험을 실시하여, 기부가 4 mm인 통상적으로 판매되는 Sn 표적을 이용하여 엑스선 형광 측정치를 획득하였다. 전술한 바와 같이, 시뮬레이트된 결과를 실제 측정에 비교하기 위해서, 실제 형광 엑스선 방출 측정치를 획득하기 위해서 이용된 동일한 물리적인 시스템(즉, 동일한 단색 엑스선 공급원 및 검출기) 및 동작 매개변수의 모델을 이용하여 시뮬레이션을 실시하였다.
도 46 및 도 47은 전술한 시뮬레이션 및 실제 실험을 통해서 획득된 형광 엑스선 방출을 각각 도시한다. 구체적으로, 시뮬레이트된 방출(4625a 및 4625b)은 Sn 원뿔형 껍질 이차 표적(즉, 도 45a에 개략적으로 도시된 이차 표적(4520))에 대한 시뮬레이트된 Kα 및 Kβ 형광 엑스선 방출을 각각 보여준다. 시뮬레이트된 방출(4625a' 및 4625b')은 Sn 중실형 원뿔 이차 표적에 대한 시뮬레이트된 Kα 및 Kβ 형광 엑스선 방출을 각각 보여준다. 유사하게 측정된 방출(4725a 및 4725b)은 Sn 원뿔형 껍질 이차 표적(즉, 도 45b에 개략적으로 도시된 이차 표적(4520'))에 대해서 측정된 실제 Kα 및 Kβ 형광 엑스선 방출을 각각 보여주고, 측정된 방출(4725a' 및 4725b')은 Sn 중실형 원뿔 이차 표적에 대해서 측정된 실제 Kα 및 Kβ 형광 엑스선 방출을 각각 보여준다. 도시된 바와 같이, Sn 원뿔형 껍질 이차 표적에 대한 시뮬레이트된 그리고 측정된 형광 엑스선 방출은, Sn 중실형 원뿔 이차 표적에 대한 상응 방출에 비해서, 상당히 증가되었다. 특히, 시뮬레이트된 그리고 실험적인 결과는 실질적으로 일치되고, 그에 따라 시뮬레이션의 정확도를 나타낸다.
전술한 이차 표적의 치수가 단지 예시적인 것이고 희망에 따라 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 이차 표적의 최대 직경(예를 들어, 이차 표적(4220)의 기부의 직경)이 단색 엑스선 공급원의 요건을 기초로 선택될 수 있다. 특히, 이차 표적이 클수록, 생산될 수 있는 단색 엑스선 플럭스가 커진다. 그러나, 이차 표적이 커질수록, 형광 엑스선 공급원의 "스폿 크기"가 커지고, 이는 결과적인 화상의 공간적 해상도의 감소를 초래한다. 따라서, 전형적으로 이차 표적의 크기의 증가 또는 감소가 절충된다(즉, 모든 다른 동작 매개변수들이 동일하게 유지되는 경우에, 이차 표적이 클수록 형광 엑스선 세기가 커지고, 이차 표적이 감소될수록 결과적인 공간적 해상도가 좋아진다). 따라서, 형광 엑스선 세기가 최적의 공간적 해상도보다 중요한 적용예에서, 더 큰 이차 표적이 바람직할 수 있고, 예를 들어, 이차 표적은 8 mm, 10 mm, 15 mm 또는 그 초과의 최대 직경을 갖는다. 대조적으로, 공간적 해상도가 가장 중요한 적용예에서, 더 작은 이차 표적이 바람직할 수 있고, 예를 들어 이차 표적은 4 mm, 2 mm, 1 mm 또는 그 미만의 최대 직경을 갖는다. 본원의 도면에 도시된 바와 같이, 최대 직경은 이차 표적의 최대의(예를 들어, 이차 표적의 길이방향 축에 수직인 방향을 따른) 폭을 지칭한다. 예를 들어, 원뿔형, 원통형, 또는 나선형 껍질의 최대 직경은, 기부가 원위적으로 또는 근위적으로 배향되든지 간에, 그 기부에서의 껍질의 직경에 상응한다.
일부 실시예에 따라, 이차 표적은 약 10 mm 이하 및 약 8 mm 이상의 최대 직경을 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 약 8 mm 이하 및 약 6 mm 이상의 최대 직경을 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 약 6 mm 이하 및 약 4 mm 이상의 최대 직경을 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 약 4 mm 이하 및 약 2 mm 이상의 최대 직경을 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 약 2 mm 이하 및 약 1 mm 이상의 최대 직경을 갖는다. 다른 실시예에 따라, 이차 표적은 10 mm 초과의 최대 직경을 가지고, 다른 실시예에 따라, 이차 표적은 1 mm 미만의 최대 직경을 갖는다.
양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문에, 전술한 치수가 단지 예시적인 것이고, 더 크거나 작은 이차 표적이 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 이차 표적의 크기는 다른 방식으로, 예를 들어 높이(즉, 길이방향 축에 평행한 방향을 따른 최대 치수) 대 기부의 종횡비(예를 들어, 높이 대 최대 직경 비율)를 변화시키는 것에 의해서 변경될 수 있다. 종횡비의 변화는 일반적으로 정점 각도에 대한 상응하는 변화를 갖는다. 따라서, 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문에, 상이한 정점 각도들이, 0도(즉, 수직 층들) 내지 90도(즉, 수평 층들) 범위에서, 희망에 따라 선택될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
일부 실시예에 따라, 이차 표적은 (예를 들어, 전술한 예시적인 직경들 중 임의의 직경을 이용할 때) 1:2 내지 1:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 1:1 내지 2:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 2:1 내지 3:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 3:1 내지 4:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 4:1 내지 5:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 5:1 내지 6:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 6:1 내지 7:1의 종횡비를 가지고, 일부 실시예에 따라, 이차 표적은 7:1 내지 8:1의 종횡비를 갖는다. 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문에, 전술한 종횡비들이 예시적이라는 것 그리고 다른 종횡비가 선택될 수 있다는 것을 또한 이해하여야 한다.
전술한 바와 같이, 중실형 표적 대신 이차 표적 재료의 층을 이용하는 것은, 전술한 시뮬레이션 및 실험이 나타내는 바와 같이, 형광 엑스선 플럭스를 상당히 증가시킬 수 있다. 그러나, 본 발명자는, 이차 표적 재료의 최적의 두께에서도, 입사 엑스선의 일부 부분이, 이차 표적에 의해서 흡수되지 않고, 이차 표적을 통과할 것이고, 이러한 전달된 엑스선으로부터 단색 엑스선을 생성할 수 있는 가능성이 그에 따라 상실된다는 것을 이해하였다. 예를 들어, 도 48은, 도 42에 도시된 이차 표적(4220)과 유사하거나 동일한 원뿔형 껍질 이차 표적(4820)을 도시한다. 도시된 바와 같이, 입사 엑스선의 일부가 형광 엑스선으로 변환되지만, 많은 수의 입사되는 일차 엑스선이 흡수되지 않고 이차 표적을 통과한다. 결과적으로, 이러한 전달된 엑스선으로부터 단색 형광 엑스선을 생성할 수 있는 가능성이 상실된다(예를 들어, 일차 표적으로부터 방출된 입사 엑스선(4815a 내지 4815f)이 흡수되지 않고 이차 표적(4820)을 통해서 전달된다).
본 발명자는, 이차 표적 재료의 부가적인 층을 포함하는 것, 그에 의해서 엑스선이 이차 표적의 표면 부근에서 초기 흡수 이벤트를 겪을 수 있는 부가적인 기회를 제공하는 것에 의해서, 이용 가능한 입사 엑스선(예를 들어, 일차 표적으로부터 방출된 광대역 엑스선) 중 더 많은 엑스선이 단색 형광 엑스선으로 변환될 수 있다는 것을 인지하였다. 보다 특히, 본 발명자는, 이차 표적 재료의 다수의 층을 이용하는 것이, 결과적인 형광 엑스선이 이차 표적을 빠져 나갈 수 있게 하는 짧은 경로 길이를 유지하면서, 입사 엑스선의 전체적인 흡수 가능성을 높인다는 것을 인지하였다. 이러한 다수 층 기하형태는 또한, 결과적인 형광 엑스선이 빠져 나갈(즉, 단색 엑스선 플럭스에 기여하기 위해서 이차 표적을 빠져 나갈) 가능성이 매우 낮은 중실형 이차 표적의 깊은 내측에서 일반적으로 흡수될 수 있는 입사 광대역 스펙트럼 내에 존재하는 더 큰 에너지의 엑스선(즉, 제동복사 스펙트럼 내의 더 높은 에너지의 광자)의 보다 양호한 장점을 취할 수 있게 한다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적으로부터의 단색 엑스선 플럭스 방출을 증가시키기 위해서, 복수의 포개진 이차 표적 재료의 층들이 이용된다.
도 49a 및 도 49b는, 이차 표적 재료의 표면에서 또는 그 부근에서 발생되는 흡수 이벤트의 가능성을 높이기 위해서 복수의 이차 표적 재료의 층들을 제공하는 포개진 원뿔형 껍질을 포함하는 예시적인 이차 표적의 횡단면을 도시한다. 특히, 이차 표적(4920)은, 도 49a 및 도 49b에 도시된 실시예에서 모두가 원뿔의 형상으로 실질적으로 형성되는, 외부 원뿔형 껍질(4920a) 및 내부 원뿔형 껍질(4920b)을 포함한다. 복수의 껍질들을 포개는 것에 의해서, 이차 표적 재료의 부가적인 층들이 이차 표적 상으로 입사되는 엑스선의 투과 경로 내에 배치되고, 그에 따라 입사 엑스선이 이차 표적 재료의 복수의 층들 중 하나에서 초기 흡수 이벤트를 경험하게 될 기회의 수를 그리고 그에 따라 가능성을 증가시킨다. 복수의 층들의 각각이 (예를 들어, 상응 재료에 대한 최적의 범위 내에서) 비교적 얇기 때문에, 이차 표적 재료의 표면에서 또는 그 부근에서 발생되는 초기 흡수 이벤트의 수가 증가되고, 그에 의해서 이차 표적을 빠져 나가는 단색 엑스선 플럭스의 양을 증가시킨다.
일부 실시예에 따라, 복수의 층의 각각은, 전술한 방식으로 결정된 바와 같은 최적의 범위에 포함되는 두께, 예를 들어, 사용되는 재료의 각각의 유형에 대한 형광 엑스선 방출을 일반적으로 최대화하는 두께를 갖는다. 그러나, 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문에, 복수의 층의 두께가 최적의 범위를 벗어날 수 있고 임의의 두께일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 복수의 층들이 동일한, 실질적으로 동일한, 또는 상이한 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 49a 및 도 49b에 도시된 실시예에서, 외부 원뿔형 껍질(4920a) 및 내부 원뿔형 껍질(4920b)이 동일한 두께(또는 실질적으로 동일한 두께)를 갖도록 구성될 수 있거나, 상이한 두께들을 갖도록 구성될 수 있는데, 이는 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
전술한 바와 같이, 포개진 원뿔형 껍질들을 이용하는 것은, 입사 엑스선이 이차 표적에 의해서 흡수될 가능성을 높인다. 예를 들어, 도 48과 도 49a를 비교하면, 이차 표적(4820)을 통해서 전달되었던 광대역 엑스선(4815a, 4815c, 4815d, 4815e 및 4815f)이 이차 표적(4920)에 의해서, 그리고 더 구체적으로, 내부 원뿔형 껍질(4920b)에 의해서 흡수되었고, 그에 의해서 이차 표적(4920)을 빠져 나갈 가능성이 있는 부가적인 형광 엑스선을 생성하였다. 그러나, 본 발명자는, 이차 표적 재료의 층이, 광대역 엑스선이 초기 흡수 이벤트를 겪을 부가적인 기회를 제공하는 한편, 부가적인 층은 또한, 이차 표적을 빠져 나가기 전에, 결과적인 형광 엑스선이 흡수될 수 있는 추가적인 기회를 제공한다는 것을 인지하였다. 예를 들어, 도 49b에 도시된 바와 같이, 이차 표적(4820)을 통해서 전달된 그러나 내부 원뿔형 껍질(4920b)에 의해서 흡수된 광대역 엑스선(4815d 및 4815e)이, 이차 표적을 빠져 나가기 전에, 이차 표적(4920)의 재료 층에 의해서 흡수되는 형광 엑스선(4925d 및 4925e)을 생성한다. 즉, 도 42, 도 48 및 도 49에 도시된 예시적인 포개진 원뿔형 껍질의 원위 단부가 일반적으로 폐쇄되기 때문에, 형광 엑스선의 일부의 양이 흡수될 것이고 이차 표적을 빠져 나가지 못할 것이다. 따라서, 광대역 엑스선(4815d 및 4815e)이 이차 표적(4920)의 표면에서 또는 그 부근에서(즉, 내부 원뿔형 껍질(4920b)의 표면에서 또는 그 부근에서) 초기 흡수 이벤트를 겪었지만, 결과적인 형광 단색 엑스선(4925d 및 4925e)은, 이차 표적(4920)을 빠져 나가기 전에, 내부 원뿔형 껍질(4920b) 및 외부 원뿔형 껍질(4920a)의 각각에 의해서 흡수되었다.
이차 표적을 빠져 나가는 형광 엑스선 플럭스의 추가적인 증가를 촉진하기 위해서, 본 발명자는, 형광 엑스선이, 이차 표적을 빠져 나가고 단색 엑스선 플럭스에 기여하기 전에, 제2 표적 재료에 의해서 흡수될 가능성을 줄이는 기하형태를 개발하였다. 일부 실시예에 따라, 이차 표적은, 형광 엑스선이 방해 받지 않고(즉, 추가적인 재료 층을 통과할 필요가 없이) 이차 표적을 빠져 나갈 수 있게 하는 하나 이상의 개구부를 이차 표적 재료의 적어도 하나의 층 내에서 가지도록 구성된다. 예를 들어, 이차 표적의 원위 단부가 개방되거나 부분적으로 개방되어, 입사 엑스선의 초기 흡수 이벤트에 응답하여 생성되는 적어도 일부의 형광 엑스선이 방해 받지 않고 투과되게 할 수 있다. 일부 실시예에 따라, 형광 엑스선 투과에 대한 장애물을 감소시키기 위해서, 하나 이상의 원뿔형 껍질이 반전될 수 있다(예를 들어, 하나 이상의 원뿔형 껍질이, 이차 표적의 근위 측면 상에 그 정점이 위치되도록, 배열될 수 있다). 일부 실시예에 따라, 이차 표적의 원위 단부를 일반적으로 개방하도록, 원통형 또는 나선형 껍질이 제공된다. 개방형 기하형태를 갖는 이차 표적의 일부 예시적인 예를 이하에서 더 설명한다.
도 50a는 포개진 껍질(5020a 및 5020b)을 포함하는 이차 표적(5020)을 도시하고, 여기에서 외부 껍질(5020a)은, 이차 표적 내부의 층들에서 생성되는(예를 들어, 내부 원뿔형 껍질(5020b)에 의한 광대역 엑스선 흡수의 결과로서 생성되는) 증가된 수의 형광 엑스선을 위한 방해 받지 않는 투과 경로를 제공하기 위해서 원위 단부에서 개방된 절두원추형 껍질로서 구성된다. 도 49a 및 도 49b에 도시된 이차 표적(4920)에 의해서 흡수된 예시적인 형광 엑스선과 비교하면, 형광 엑스선(4925e)이, 외부 껍질(예를 들어, 도 49a 및 도 49b에 도시된 이차 표적(4920)의 외부 원뿔형 껍질(4920a))에 의해서 흡수되는 대신, 절두원추형 껍질(5020a)의 개방된 원위 단부를 통해서 방해 받지 않고 이차 표적(5020)을 빠져 나가고, 그에 의해서 이차 표적(5020)에 의해서 방출되는 형광 엑스선 플럭스를 증가시킨다. 그러나 형광 엑스선(4925d)은 여전히 내부 원뿔형 껍질(5020b)에 의해서 흡수된다.
도 50b는 이차 표적(5020')을 도시하고, 여기에서 내부 및 외부 껍질(예를 들어, 내부 껍질(5020b') 및 외부 껍질(5020a))은 절두원추형이고, 그에 따라 양 껍질들의 내측으로부터 적어도 일부의 방해 없는 투과 경로를 제공하고 그에 의해서, 형광 단색 엑스선이 이차 표적에 의해서 흡수될 가능성을 감소시킨다. 예를 들어, 도 50a에서 내부 원뿔형 껍질(5020b)에 의해서 흡수되는 것으로 도시된 형광 엑스선(4925d)은 내부 절두원추형 껍질(5020b')의 원위 단부에 위치되는 개구부를 통해서 방해 받지 않고 빠져 나간다. 따라서, 하나 이상의 포개진 껍질을 개방하는 것에 의해서, 형광 엑스선이 이차 표적에 의해서 흡수될 가능성이 감소될 수 있다. 그러나, 절두원추형 껍질이 형광 엑스선 흡수의 가능성을 줄이지만, 또한 입사 엑스선(예를 들어, 일차 표적에 의해서 방출된 광대역 엑스선)의 초기 흡수 이벤트를 위해서 이용될 수 있는 이차 표적의 표면적을 감소시키고, 그에 따라 이차 표적에 의해서 생성되는 형광 엑스선의 수를 감소시킬 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명자는, 이차 표적의 하나 이상의 원뿔형 껍질을 반전시키는 것에 의해서, 표면적의 상응하는 손실이 없이, 방해 받지 않는 투과 경로의 양을 증가시킬 수 있다는 것을 이해하였다.
도 51은, 이차 표적 재료의 층에 의해서 생성되는 형광 엑스선이 또한 그러한 층에 의해서 흡수될 가능성을 줄이기 위해서 외부 껍질이 반전된 이차 표적(5120)을 도시한다. 특히, 이차 표적(5120)은 내부 원뿔형 껍질(5120b)(예를 들어, 도 49a, 도 49b 및 도 50a에 도시된 예시적인 내부 원뿔형 껍질과 기하형태가 유사한 원뿔형 껍질)을 이용하여 구성된다. 외부 껍질(5120a)은, 내부 원뿔형 껍질(5120b)에 대해서 반전된 원뿔형 또는 절두원추형 껍질에 의해서 형성되고, 그에 의해서 이차 표적(5120)에 의해서 생성된(예를 들어, 일차 표적으로부터의 광대역 엑스선의 흡수에 응답하여 생성된) 증가된 수의 형광 엑스선을 위한 방해 없는 투과 경로를 제공한다. 외부 껍질(5120a)을 반전시키는 것에 의해서(예를 들어, 껍질의 정점-측이 원위 단부 대신 이차 표적의 근위 단부에 위치되거나 향하도록 외부 껍질을 배향시키는 것에 의해서), 일차 엑스선(예를 들어, 일차 표적에 의해서 방출되는 광대역 엑스선)을 흡수하기 위해서 이용할 수 있는 이차 표적의 표면적을 감소시키지 않으면서, 형광 엑스선 흡수 가능성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 예시적인 이차 표적(5120)의 일반적으로 "W" 형상의 기하형태는, 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 이차 표적에 의해서 방출되는 형광 엑스선 세기를 상당히 증가시키는데 도움을 준다.
도 52는, 각각의 껍질의 정점-측이 이차 표적의 근위 단부를 향해서 배향되도록 내부 및 외부 껍질 모두가 반전된 이차 표적(5220)을 도시한다. 구체적으로, 이차 표적(5220)은, 정점이 이차 표적의 근위 단부를 향해서 배향된(즉, 일반적으로 이차 표적(5120)의 내부 원뿔형 껍질(5120b)의 배향에 대해서 반전된) 내부 원뿔형 껍질(5220b), 및 예시적인 이차 표적(5220)의 외부 껍질(5120a)의 방향으로 근위 단부를 향해서 또한 배향된 외부 껍질(5220a)을 이용하여 구성된다. 개방형 기하형태를 이용하는 다른 변경예로서, 도 53은, 외부 껍질(5320a) 및 내부 껍질(5320b) 모두가 일반적으로 원뿔형 형상을 가지고 각각의 정점이 이차 스테이지의 근위 단부를 향해서 지향되도록 배향된, 이차 표적(5320)을 도시한다. 도 51, 도 52, 및 도 53에 도시된 예시적인 이차 표적이 2개의 포개진 껍질을 가지지만, 하나의 껍질을 포함하는, 임의의 수의 껍질이 사용될 수 있다는 것을 주목하여야 한다(예를 들어, 정점이, 원위 단부를 향하는 대신, 이차 표적의 근위 단부를 향해서 지향되도록, 도 45b에 도시된 예시적인 이차 표적(4520b)의 하나의 원뿔형 껍질이 반전될 수 있고, 기부가 선택적으로 개방될 수 있다).
본 발명자에 의해서 제공된 통찰력을 기초로, 수 많은 다른 개방형 기하형태가 또한 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 54a 내지 도 54c는 일반적으로 원통형 껍질로 형성된 예시적인 이차 표적을 도시한다. 특히, 예시적인 이차 표적(5420 및 5420')은, 광대역 엑스선의 초기 흡수로부터 생성된 형광 엑스선이 이차 표적에 의해서 흡수될 수 있는 가능성을 줄이기 위해서 원위 단부에서 개방된, 외부 원통형 껍질(5420a) 및 내부 원통형 껍질(5420b)을 이용하여 구성된다. 도 54b는, 외부 원통형 껍질(5420a) 및 내부 껍질(5420b)을 보여주는, 이차 표적(5420 및 5420')의 위에서부터 본 도면을 도시한다. 추가적으로 도시된 바와 같이, 도 54a에 도시된 이차 표적(5420)은 이차 표적의 근위 단부에서 이차 표적 재료를 포함하는 한편(예를 들어, 내부 및 외부 껍질은 근위 단부에 의해서 폐쇄될 수 있거나 실질적으로 폐쇄될 수 있다), 도 54c에 도시된 이차 표적(5420')은 근위 단부에서 개방된다. 원뿔형 또는 절두원추형 껍질과 관련하여 전술한 바와 같이, 임의의 수의 원통형 껍질을 이용하여 이차 표적을 구성할 수 있는데, 이는 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
다른 일반적으로 개방된 기하형태 변경예로서, 도 55a 내지 도 55c는 나선형 기하형태를 이용하여 구성된 이차 표적을 도시한다. 특히, 도 55a에 도시된 이차 표적(5520)은 원통형 나선부(5520a)를 포함하고, 도 55c에 도시된 이차 표적(5520')은 원뿔형 나선부(5520a')를 포함한다. 원뿔형 나선부가 도 55c에 도시되어 있지만, 절두원추형(미도시) 나선부가 보다 용이하게 제조될 수 있다. 도 54b는, 이차 표적의 특성적인 나선형 기하형태를 보여주는, 이차 표적(5520 및 5520')의 횡단면의, 위에서부터 본 도면을 도시한다. 포개진 껍질들의 수에서와 같이, 나선형 기하형태는, 입사 광대역 방사선이 이차 표적의 표면에서 또는 그 부근에서 초기 흡수 이벤트를 겪을 수 있는 기회(즉, 이차 표적을 형성하는 재료의 층들 중 하나에 의해서 흡수될 충분한 기회)를 제공하기 위한 이차 표적 재료의 희망하는 수의 층을 제공하기 위한 임의의 수의 회선(turn)을 가질 수 있는데, 이는 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
전술된 많은 수의 예시적인 이차 표적은 이차 표적의 근위 측면(예를 들어, 도 42에 도시된 이차 표적(4220)의 측면(4220c)) 상에서 이차 표적 재료를 포함한다. 그러나, 대안예로서, 이차 표적의 근위 측면이 개방되어 유지될 수 있고 및/또는 일반적으로 이차 표적 재료를 가지지 않을 수 있다. 예를 들어, 도 56 내지 도 59는, 이차 표적의 근위 측면이 실질적으로 개방된 이차 표적(5620, 5720, 5820 및 5920)을 도시한다. 이는 이차 표적의 구성을 단순화할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이, 광대역 엑스선을 흡수할 수 있는 가능성을 높이기 위해서 복수의 층을 이용할 수 있고, 임의의 수의 층이 이용될 수 있다. 예를 들어, 도 60a 내지 도 60c 및 도 61a 내지 도 61c는, 각각, 원뿔형 기하형태 및 반전된 원뿔형 기하형태를 이용하는 상이한 수의 이차 표적 재료의 층으로 구성된 이차 표적을 도시한다. 특히, 도 60a는 하나의 원뿔형 껍질 이차 표적(6020)을 도시하고, 여기에서 (예를 들어, 단색 엑스선 공급원의 길이방향 축(6055)에 수직인 축(6053)을 따라서) 이차 표적을 통과하는 엑스선은 전형적으로 이차 표적 재료의 2개의 층과 만난다. 도 60b에 도시된 이차 표적(6020')은 2개의 포개진 원뿔형 껍질로 구성되고 그에 따라 표적을 통과하는 엑스선을 위한 이차 표적 재료의 4개의 층을 제공하고, 도 60c에 도시된 이차 표적(6020")은 3개의 포개진 원뿔형 껍질로 구성되어, 광대역 엑스선이 흡수될 수 있는 기회를 제공하는 이차 표적 재료의 6개의 층을 제공한다.
유사하게, 도 61a 내지 도 61c는 개방형(예를 들어, 반전된 껍질의) 기하형태를 이용하여 구성된 이차 표적을 도시한다. 특히, 도 61a에 도시된 이차 표적(6120)은 일반적으로 "W" 형상을 이용하여 구성되고, 그에 따라 입사 광대역 엑스선을 흡수하기 위한 이차 표적 재료의 4개의 층을 제공한다(예를 들어, 이차 표적(6120)은, (대부분은 아니더라도) 많은 입사 엑스선이 초기 흡수 이벤트를 겪을 수 있는 4번의 기회를 갖도록, 이차 표적의 길이방향 축에 수직인 방향으로 4개의 분리된 층들을 포함한다). 도 61b 및 도 61c에 각각 도시된 이차 표적(6120' 및 6120")은 포개진, 반전된 원뿔형 껍질들로 구성되고, 그 둘 모두는 입사 광대역 엑스선 방사선을 흡수할 수 있는 이차 표적 재료의 6개의 층을 제공한다. 도 55c를 참조하면, 나선형 기하형태를 이용하여 구성된 이차 표적(5520')은, 형광 엑스선을 생성하기 위해서 일차 표적으로부터 방출된 일차 엑스선을 흡수할 수 있는 이차 표적 재료의 7개의 층을 제공한다. 전술한 바와 같이, 본원에서 설명된 이차 표적들은 예시적이고, 임의의 수의 층을 이용하여 이차 표적을 구성할 수 있는데, 이는 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다. 층의 수를 증가시키는 것은, 더 큰 에너지의 입사 엑스선을 형광 엑스선으로 변환하는 것을 촉진할 수 있다.
도 60a 내지 도 60c 및 도 61a 내지 도 61c에 도시된 예시적인 이차 표적에 의해서 설명되는 바와 같이, 각각의 연속적인 껍질은 (예를 들어, 상이한 종횡비들을 갖는 것으로 인해서) 상이한 정점 각도를 갖는다. 정점 각도의 이러한 변화는 도 60d 및 도 60e의 예시적인 이차 표적(6220 및 6220')에 의해서 더 명확하게 설명되고, 여기에서, 일반적으로 원뿔형인 껍질을 구성하기 위해서 상대적으로 넓은 정점 각도가 이용된다. 특히, 도 60d에 도시된 예시적인 표적(6220)의 외부 껍질(6220a)이 약 60도의 정점 각도를 가지는 반면, 내부 껍질(6220b)은 약 30도의 정점 각도를 갖는다. 상대적으로 큰 정점 각도로부터 더 작은 정점 각도로의 진행은 또한, 도 60e에 도시된 예시적인 이차 표적(6220')의 외부, 중간 및 내부 껍질(6220a', 6220b' 및 6220c')의 감소되는 정점 각도들에 의해서 확인될 수 있다. 도 60f는, 정점 각도가 외부 껍질(6220a") 및 내부 껍질(6220b") 모두에서 실질적으로 동일한, 복수의 포개진 껍질을 갖는 예시적인 이차 표적(6220")을 도시한다. 이차 표적이, 하나 이상의 껍질의 기하형태에 따라 달라지는, 0도의 경계 각도(즉, 예를 들어, 도 54a 내지 도 54c에 도시된 원통형 껍질에 의해서 또는 수평 방향으로 이차 재료 층들의 평면형 층들을 정렬시키는 것(lining up)에 의해서 초래되는 수직 층(들)) 및 90도의 경계 각도(즉, 예를 들어, 도 54a 내지 도 54c에 도시된 원통형 껍질들을 90도만큼 회전시키는 것에 의해서 또는 연속적인 층들 사이에서 희망하는 양의 간격을 가지고 수직 방향으로 이차 표적 재료의 평면형 층들을 적층하는 것에 의해서 초래되는 수평 층(들))를 포함하는, 임의의 희망하는 정점 각도 또는 정점 각도들을 갖도록 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 변경되는 정점 각도가, 도 61a 내지 도 61c에 도시된 "W" 형상의 기하형태를 포함하는 다른 기하형태에도 또한 적용된다는 것을 이해하여야 한다.
층상형 이차 표적을 이용하는 것과 관련된 효율을 설명하기 위해서, 도 62는, 통상적인 중실형 원뿔 이차 표적으로부터 방출되는 단색 형광 엑스선 플럭스에 대한, 많은 수의 상이한 기하형태를 이용하는 이차 표적으로부터 방출된 단색 형광 엑스선 플럭스 출력을 도시한다. 도 62에 도시된 단색 형광 엑스선 세기는 이차 표적 재료로서 은(Ag)을 이용하여 시뮬레이트되었고, 층상형 이차 표적은 17 미크론 두께의 Ag 호일에 의해서 형성된 각각의 층으로 시뮬레이트되었다. 도 62에 도시된 바와 같이, 중실형 원뿔형 이차 표적(6220A)에 의해서 방출된 단색 형광 엑스선 플럭스를 1에 대해서 정규화하였다. 통상적인 중실형 이차 표적(6220A)에 비해서, 하나의 원뿔형 껍질을 포함하는 이차 표적(6220B)은 2배의 단색 형광 엑스선 세기를 생성하였고, 포개진 원뿔형 껍질을 포함하는 이차 표적(6220C)은 2.5배의 단색 형광 엑스선 세기를 생성하였다. 일반적으로 "W" 형상의 기하형태의 반전된 포개진 껍질을 포함하는 이차 표적(6220D)은, 통상적인 중실형 원뿔 이차 표적(6220A)에 비해서, 3.2 배수의 단색 형광 엑스선 플럭스를 제공하였다. 이하에서 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 본원에서 설명된 기술을 이용하여 생성된 단색 형광 엑스선 세기의 증가는 엑스선 공급원의 파워 요건에 상당한 영향을 미치고, 단색 엑스선 공급원의 출력부에서 동일한 단색 엑스선 플럭스를 생성하기 위해서 일차 캐소드-애노드 스테이지에서 필요로 하는 입력 파워를 감소시킨다.
전술한 예시적인 기하형태로 제공되는 이차 표적 재료가 지지부 또는 기재 상에 제공되어, 단색 엑스선 공급원의 이차 스테이지를 형성하기 위해서 비교적 용이하게 취급될 수 있고 배치될 수 있는 이차 표적을 제공할 수 있다. 도 63a 및 도 63b는 일부 실시예에 따른 이차 표적 재료를 위한 예시적인 지지부를 도시한다. 도 63a 및 도 63b에 도시된 예에서, 외부 원뿔형 껍질(6320a)을 위한 외부 지지부(6322a) 및 내부 원뿔형 껍질(6320b)을 위한 내부 지지부(6322b)를 포함하는, 이차 표적 재료의 포개진 원뿔형 껍질을 위한 지지부(6322)가 제공된다. 외부 지지부(6322a)는 기재(6324a)를 포함하고, 내부 지지부(6322b)는 기재(6324b)를 포함하고, 그러한 기재 상에 이차 표적 재료(예를 들어, 금속 형광제)가 도포되어 내부 및 외부의 포개진 원뿔형 껍질을 각각 형성할 수 있다. 지지부(6322)(예를 들어, 내부 및 외부 지지부(6322a 및 6322b)가 임의의 적합한 재료, 예를 들어 일반적으로, 입사 광대역 엑스선 및 이차 표적에 의해서 생성된 형광 엑스선 모두에 대해서 실질적으로 투명한 작은 원자 번호의 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 지지부는 탄소 섬유, 나일론, 폴리에틸렌, 붕소 질화물, 알루미늄, 규소 또는 임의의 다른 적합한 재료를 이용하여 구성될 수 있다. 이차 표적 재료를 위한 지지부(예를 들어, 지지부(6322))가 임의의 적합한 기술, 예를 들어 3D-프린팅, 가공, 재료 성장, 주조, 몰딩 등을 이용하여 제조될 수 있다.
또한, 이차 표적 재료는 임의의 적합한 방식으로 이차 표적 지지부의 기재 표면에 도포될 수 있다. 예를 들어, 이차 표적을 형성하기 위해서(예를 들어, 내부 및 외부의 원뿔형의 포개진 호일을 형성하기 위해서), 얇은 호일이 지지부의 기재(들)에 부착되거나 달리 고정될 수 있다. 대안적으로, 독립적인 호일(free-standing foil)이 최적의 선택이 아닌 경우에, 예를 들어, 이차 표적 재료가, 증발, 스퍼터링, 에피텍셜 성장, 전기 도금, 또는 임의의 다른 적합한 재료 침착 프로세스와 같은, 임의의 적합한 침착 기술을 이용하여 도포될 수 있다. 예를 들어, 일부 이차 표적 재료는 얇은-호일 형태로 제조하기 어려울 수 있으나, 반도체 및 MEMS 제조에서 일반적으로 이용되는 침착 기술을 이용하여 용이하게 침착될 수 있다. 따라서, 침착 방법은, 독립적인 얇은 호일로서 이용할 수 없거나 용이하게 가공될 수 없는 이차 표적을 위한 재료, 예를 들어, 유방 엑스선 조영법에서 유용한 안티몬, 텔루르를 이용할 수 있게 한다. 비제한적으로 심장 촬영 또는 흉부 촬영에 적용될 수 있는 더 높은 Z의 재료가 희토류 원소(예를 들어, 디스프로슘, 홀뮴) 또는 더 높은 Z의 원소(예를 들어, 탄탈륨, 텅스텐, 백금 또는 열화 우라늄)로 제조될 수 있다.
도 63a 및 도 63b에 도시된 예시적인 지지부가 중공형의 원뿔형 지지부(6322a 및 6322b)를 이용하여 구성될 수 있으나, 지지부는 또한 지지 재료의 중실형 단편 또는 중실형 및 중공형 지지 단편의 조합을 이용하여 형성될 수 있다. 도 63b에 도시된 바와 같이, 외부 지지부(6322a)는 (이차 표적 재료가 위에 도포되는 기재 부분(6324a)에 더하여) 홈 또는 다른 상호 결속 부분(6324d)을 갖는 기부 부분(6324c), 및 플랫폼 부분(6324e)을 포함하고, 그러한 기부 부분 및 플랫폼 부분은 내부 지지부(6322b)와 협력하여 내부 지지부가 정확하게 배치되고 제 위치에 스냅 결합될 수 있게 한다. 특히, 플랫폼(6324e)이 내부 지지부(6322b)의 기부 부분(6324f)과 결합되어, 내부 지지부(6322b)가 화살표(6355)에 의해서 표시된 방향으로 외부 지지부(6322a) 내로 삽입될 수 있는 거리를 제한한다. 또한, 협력 부분(6324g)이 기부(6324c)의 상호 결속 부분(6324d)과 결합되어 내부 지지부를 외부 지지부에 대해서 스냅 결합하고, 그에 따라 내부 원뿔형 껍질(6320b)을 외부 원뿔형 껍질(6320a) 내에 포개고, 그에 의해서 포개진 원뿔형 껍질 이차 표적을 형성한다. 지지부가 재료의 하나의 통합된 단편으로 형성될 수 있거나, 지지부가, 다른 방식으로 이차 표적 재료가 위에 도포되는 기재를 제공할 수 있다는 것을 이해하여야 하는데, 이는 양태들이 이와 관련하여 제한되지 않기 때문이다.
도 64 및 도 65는 단색 엑스선 공급원의 창에 배치된 캐리어 내에 배열된 2개의 예시적인 이차 표적을 도시한다. 구체적으로, 캐리어(6440)는, 이차 표적을 수용할 때, 단색 엑스선 공급원의 이차 스테이지를 형성하는, 본원에서 설명된 캐리어들 중 임의의 캐리어와 동일하거나 유사할 수 있다. 캐리어(6440)가 본원에서 설명된 기술 중 임의의 기술을 이용할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 캐리어(6440)는 차단 부분(6444), 및 이차 표적(예를 들어, 예시적인 이차 표적(6420 및 6520))이 내부에 배치되는 투과 부분(6442)을 포함할 수 있다. 차단 부분은, 단색 엑스선 공급원으로부터 방출된 엑스선의 실질적으로 전부가 출구 개구(6544c)를 통해서 빠져 나가도록, 엑스선 방사선을 차단하는 재료를 포함할 수 있고, 그 상세한 내용에 대해서는 앞서서 설명하였다. 투과 부분(6442)은, 또한 본원에서 상세하게 설명된 바와 같이, 엑스선에 대해서 일반적으로 투명한 재료로 구성될 수 있다.
캐리어(6440)가 단색 엑스선 공급원의 제1 스테이지로부터 제거될 수 있다는 것, 또는 일반적으로 제거될 수 없는 단색 엑스선 공급원의 통합된 구성요소로서 제공될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 본원에서 설명된 예시적인 캐리어를 이용하지 않고, 층상형 이차 표적(예를 들어, 예시적인 이차 표적(6420 및 6520))이 다른 방식으로 단색 엑스선 공급원에서 이용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 도 64 및 도 65에서, 창(6430) 내에 배치된 예시적인 캐리어(6440)가 도시되어 있고, 창은 단색 엑스선 공급원의 일차 스테이지에 대한 그리고 보다 특히 일차 표적(6410) 및 캐소드(6406)에 대한 인터페이스를 제공한다. 도 64에서, 이차 표적(6420)은 포개진 원뿔형 껍질의 기하형태, 예를 들어, 도 49a 및 도 49b, 도 50a 및 도 50b, 도 60a 내지 도 60c 등에 도시된 기하형태 중 임의의 기하형태를 이용하여 구성된다. 도 65에서, 이차 표적(6520)은 반전된 또는 "W" 형상의 기하형태, 예를 들어, 도 51 내지 도 53, 도 61a 내지 도 61c 등에 도시된 개방형 기하형태 중 임의의 기하형태를 이용하여 구성된다.
도 65를 참조하면, 이차 표적(6520)의 반전된 기하형태는, 예를 들어, 이차 스테이지의 캐리어의 적어도 일부의 필요성을 제거하는 것에 의해서, 캐리어에 대한 유리한 수정을 가능하게 한다. 특히, 이차 표적(6520)(또는 다른 반전된 기하형태)의 최대 치수가 이차 표적의 원위 단부에 위치되기 때문에, 원위 단부가 캐리어의 원위 단부(예를 들어, 캐리어의 차단 부분)에 의해서 지지될 수 있다. 결과적으로, 투과 부분(예를 들어, 도 13a 내지 도 13c 및 도 17a 내지 도 17c에 각각 도시된 투과 부분(1342 및 1742))이 일부 실시예에서 제거될 수 있고, 그에 따라 일차 표적으로부터의 일차 엑스선, 이차 표적으로부터의 형광 엑스선, 또는 그 둘 모두와 상호작용할 수 있는 재료를 제거할 수 있다. 특히, 이차 재료가 위에 도포되는 지지부 또는 기재가 또한, 캐리어의 원위 단부(예를 들어, 그러한 기술이 이용되는 실시예에서 차단 부분)에 연결되거나 그와 커플링되는 캐리어의 근위 부분을 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 66a 및 도 66b는, 표적의 최대 직경이 이차 표적의 원위 측면 상에 위치되는 반전된 기하형태를 갖는 층상형 이차 표적(6620)을 위한 캐리어(6640)를 도시한다. 캐리어(6640)는, 형광 엑스선이 통과하여 단색 엑스선 공급원으로부터 방출되게 하는 출구 개구(6644c)를 포함하는 원위 부분(6644)을 포함한다. 원위 부분은 임의의 적합한 방식으로 구성될 수 있고, 예를 들어, 전술한 바와 같이 차단 재료로 구성될 수 있다. 캐리어(6640)는 또한, 이차 표적(6620)을 포함하는 근위 부분(6642)을 포함한다. 구체적으로, 이차 표적 자체는 일반적으로 캐리어(6640)의 근위 부분을 형성한다. 예를 들어, 도 66b에 도시된 바와 같이, 근위 부분(6642)은, 이차 표적 재료가 위에 도포되어 외부 껍질(6620a)을 형성하는 외부 지지부(6642), 및 이차 표적 재료가 위에 도포되어 내부 껍질(6620b)을 형성하는 내부 지지부(6642b)를 포함할 수 있다.
지지부(6642a 및 6642b)가 본원에서 설명된 임의의 기술(예를 들어, 3D 프린팅, 가공, 주조 등)을 이용하여 구성될 수 있고, 본원에서 설명된 임의의 재료(예를 들어, 엑스선 방사선에 대해서 실질적으로 투명한 비교적 작은 원자 번호의 재료)를 이용하여 형성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 유사하게, 이차 표적의 층을 형성하기 위해서(예를 들어, 도 66a 및 도 66b에 도시된 예시적인 외부 껍질(6620a) 및 내부 껍질(6620b)을 형성하기 위해서), 이차 표적 재료가 본원에서 설명된 임의의 기술을 이용하여 도포될 수 있다. 캐리어(6640)의 원위 및 근위 부분은, 2개의 부분이 커플링될 수 있게 하는 협력 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 원위 부분(6644)은 협력 부분(6644d)을 포함할 수 있고, 근위 부분(6642)은 협력 부분(6642d)을 포함할 수 있고, 그러한 협력 부분들은, 상이한 이차 표적들이 캐리어(6640)의 원위 부분(6644)에 커플링될 수 있도록, 제거 가능하게 커플링될 수 있다(예를 들어, 함께 스냅 결합될 수 있다). 따라서, 도 66a 및 도 66b에 도시된 예시적인 캐리어(6640)에서, 이차 표적(6620)은, 캐리어의 투과 부분으로부터 분리된 구성요소인 것과 대조적으로, 근위 부분의 일부이다.
전술한 바와 같이, 단색 엑스선 방출의 세기는 또한, 단색 공급원의 제1 스테이지의 동작 매개변수를 변경하는 것에 의해서, 예를 들어, 캐소드-애노드 전압(예를 들어, 도 64 및 도 65에 도시된 필라멘트(6406)와 일차 표적(6410) 사이의 전위)을 증가시키는 것에 의해서, 및/또는 필라멘트 전류를 증가시키는 것에 의해서 증가될 수 있고, 필라멘트 전류 증가는 다시 필라멘트에 의해서 방출되는 전자의 방출 전류를 증가시킨다. 층상형 이차 표적을 이용한 단색 엑스선 플럭스 증가를 더 설명하기 위해서, 도 67은, 3개의 상이한 이차 표적 유형: 1) 4 mm 직경의 기부를 갖는 Ag 중실형 원뿔(라인 (65a, 65b 및 65c) 참조); 2) 8 mm 직경의 기부를 갖는 Ag 중실형 원뿔(라인(67a, 67b 및 67c) 참조); 및 3) 4 mm의 기부 직경 즉, 반전된 껍질의 원위 단부에서의 직경을 갖는 얇은 호일의 "W" 형상의 표적(라인(69a, 69b 및 69c) 참조)을 이용한, 많은 수의 상이한 캐소드-애노드 전압들에서의 방출 전류에 대한 엑스선 세기를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 층상형 이차 표적의 "W" 형상의 기하형태는 동일한 캐소드-애노드 전압에서 실질적으로 더 많은 형광 엑스선 플럭스를 생성하고, 사실상, 4 mm 중실형 원뿔이 100 kVp에서 생성하는 것보다, 많은 형광 엑스선 플럭스를 60 kVp에서 생성한다. 층상형 이차 표적(즉 4 mm "W" 형상의 표적)은 또한, 8 mm 중실형 원뿔의 표면적이 더 넓음에도 불구하고, 60 kVp에서 8 mm 중실형 원뿔보다 많은 단색 엑스선 플럭스를 생성한다. 따라서, 층상형 이차 표적은, 형광 엑스선 세기 생산과 관련하여, 통상적인 이차 표적보다 상당한 진보를 제공한다. 더 구체적으로, 도 67의 곡선은, 4 mm 직경의 원뿔형 기반에 대한 "W" 형상의 기하형태를 갖는 층상형 이차 표적이, 8 mm 직경의 중실형 원뿔로부터의 세기보다, 25% 더 큰 세기를 제공한다는 것을 보여준다. 4 mm 직경의 원뿔이 8 mm 중실형 원뿔보다 더 양호한 공간적 촬영 해상도를 제공하기 때문에, "W" 형상의 기하형태는, 4 mm 직경의 중실형 원뿔의 공간적 촬영 해상도를 유지하면서, 증가된 형광 엑스선 세기를 제공한다.
파워를 더 높이고 노출 시간을 더 단축하기 위해서, 10kW 내지 50 kW의 파워 레벨이 이용될 수 있다. "W" 형상의 기하형태의 실시예를 갖는 층상형 이차 표적에 대한 투영된 파워 요건을 도 68 내지 도 71에 도시된 중실형의 원뿔형 표적의 파워 요건에 대해서 비교하였고, 그러한 중실형의 원뿔형 표적을 실험하였고 도 39 및 도 40의 상용 기계에 대해서 비교하였다. 도 39는 4.5 cm의 압축된 가슴(breast)에 대한 파워 요건을 도시하였고, 도 40은 9 cm의 압축된 가슴에 대한 요건을 도시하였다. 도 68 내지 도 71에 도시된 바와 같이, 상용 기계보다 이미 상당히 개선된, 동일한 신호-대-잡음비를 달성하는데 있어서, 층상형 이차 표적("W" 형상의 기하형태)에 대한 파워 요건은 중실형 이차 표적보다 상당히 감소되었다. 도 68 및 도 69는 4.5 cm의 압축된 가슴에 대한 개선을 도시하고, 도 70 및 도 71은 9 cm의 압축된 가슴에 대한 개선을 도시하였다.
전술한 바와 같이, 파워를 더 높이고 노출 시간을 더 단축하기 위해서, 10kW 내지 50 kW의 파워 레벨이 이용될 수 있다. 예를 들어, 10,000 rpm으로 회전되는 애노드를 타격할 때, 큰 파워의 상용 의료 엑스선 관(즉, 광대역 엑스선 관) 내의 전자 빔은 약 1 x 7mm 팬(fan) 형상을 갖는다. 애노드가 전자 빔에 대해서 가파른 각도를 가지기 때문에, 관찰자에게 보여지는 길이방향을 따른 투영 스팟 크기는 약 1 mm로 감소된다. 1초의 노출의 경우에, 전자 충격을 위한 입사 표면으로서 팬 빔에 의해서 스위핑되는 완전한 환형체를 고려할 수 있다. 70 mm 직경의 애노드의 경우에, 이러한 트랙 길이는 210 mm이고, 그에 따라 총 입사 애노드 표면적은 약 1400 mm2이다. 36 mm 직경 및 6 mm의 절두형 높이를 갖는 원뿔형 애노드를 이용하는 단색 시스템에서, 전자의 전체 입사 면적은 1000 mm2이다. 그에 따라, 애노드 재료를 손상시키지 않으면서, 강한 의료용 공급원의 파워의 70%인 파워 레벨에서 1초 노출하는 것이 직접적으로 이루어져야 하고; 100 kW는 가장 큰 파워의 의료용 공급원의 전형적인 파워이다. 가장 큰 파워의 50%인 매우 보수적인 값을 가정하면, 짧은 노출을 위해서 50 kW에서 동작되는 복합 재료로 제조된 애노드가 달성될 수 있어야 한다. 이는, 두꺼운 및/또는 조밀한 가슴 진단에서 요구되는 것보다 큰 파워이나, 이차 원뿔의 유효 크기를 감소시키는 것이 우선되는 경우에, 상당한 융통성을 제공한다.
50 kW에서의 한번의 제2 노출은 애노드에서 50 kJ의 열을 생성한다. 애노드가 텅스텐인 경우, 비열은 0.134 J/g/K이다. 애노드를 변형시키거나 용융시키지 않도록 온도를 1000 ℃ 미만으로 유지하기 위해서, 애노드 질량이 적어도 370 gm일 필요가 있다. 두꺼운 금의 층으로 코팅된 구리 애노드는 130 gm이기만 하면 될 것이다. 이러한 매개변수는, 공급원의 크기 또는 풋프린트를 크게 변경하지 않고도, 적어도 2 내지 3배만큼 증가될 수 있다. 반복된 노출 또는 더 긴 노출의 경우에, 이러한 시스템 내의 애노드가 능동적으로 냉각될 수 있는 반면, 회전 애노드 시스템은 열 저장을 위한 애노드 질량 및 슬립-링을 통한 불충분한 냉각 및 진공 용기 외부로의 느린 복사열 전달에 의존하여야 한다. 전술한 단색 엑스선 시스템은 물로 능동적으로 냉각될 수 있다.
일부 실시예에 따라, 일차 애노드 재료는, 이차로부터의 형광 세기를 최대화하도록 선택될 수 있다. 현재까지의 테스트에서, 일차를 위한 재료는 텅스텐(W) 또는 금(Au)이었다. 이들은 각각 59 keV 및 68 keV의 특성적 K 방출 라인을 방출한다. 이러한 에너지는 은(Ag; 25.6 keV) 또는 주석(Sn; 29 keV)의 흡수 엣지에 비해서 비교적 크고, 그에 의해서 Ag 또는 Sn 이차 표적 내에서 엑스선 형광을 유도하는데 있어서 이들이 다소 덜 효과적이 되게 한다. 이러한 라인은, 일차 전압이 59 keV보다 낮은 경우에, 심지어 여기되지 않을 수 있다. 이러한 상황에서, 제동복사 만이 형광을 유도한다. 에너지가 이차의 흡수 엣지에 훨씬 더 근접한 특성적 라인을 갖는 일차 재료가 선택될 수 있고, 그에 따라 엑스선 형광 가능성을 높일 수 있다. 예를 들어, 바륨, 란타늄, 세륨, 사마륨의 원소 또는 이러한 원소를 포함하는 화합물이, 적절한 형상으로 형성될 수만 있다면, 이용될 수 있다. 모두는 1000 ℃ 초과의 융점을 갖는다. 가장 효과적인 방식으로 50 keV 초과의 단색 라인의 생산을 향상시키고자 하는 경우에, 더 큰 Z의 원소가 필요하다. 예를 들어, Au(흡수 엣지 = 80.7 keV) 내에서 엑스선 형광을 효과적으로 유도하기 위해서, 열화 우라늄이 이용될 수 있다(K 라인 = 98 keV). 160 kV에서 일차를 동작시킬 때, 제동복사 더하기 특성적 우라늄 K 라인이 가슴/흉부 촬영, 두개골 촬영 또는 비파괴 산업 재료 분석을 위한 단색 Au 라인을 생산할 수 있다.
유방 엑스선 조영법을 포함한 많은 엑스선 촬영 적용예에서, 엑스선 검출기는, 흡수된 광자의 에너지를 통합하는 촬영 어레이이다. 모든 분광 정보가 손실된다. 분광 촬영기가 특정 상황을 위해서 이용될 수 있는 경우에, 이차 표적이 다수 재료의 복합체일 수 있다. 샘플의 재료 특성을 결정하기 위해서 최소 2개의 에너지에서 동시적인 분광 촬영이 실시될 수 있다. 스펙트럼 능력을 갖춘 촬영 검출기가 의심 병변의 화학적 조성을 결정하기 위해서 통상적인 엑스선 유방 엑스선 조영법 시스템에서 이용되는 광대역 공급원과 함께 이용될 수 있는 경우에도, 분광 촬영기의 사용은 조직(또는 일반적으로 샘플)에 대한 선량을 감소시키지 못할 것인데, 이는 광대역 공급원이 단색 스펙트럼보다 많은 선량을 샘플에 전달하기 때문이다.
단색 엑스선 방사선을 이용하는 콘트라스트-향상된 유방 엑스선 조영법은 광대역 엑스선 방출을 이용하는 것보다 우수하다. 이는, 저선량에서 단색 엑스선을 선택적으로 흡수하는 것에 의해서 화상 세부사항을 상당히 높일 수 있다. 표적화된 조영제의 선택적인 엑스선 흡수는 또한 가슴 종양의 정확하게 표적화된 치료 엑스선 처리를 도울 수 있다. 통상적인 엑스선 관으로부터의 광대역 엑스선 방출로 오늘날까지 실시된 콘트라스트 향상된 디지털 유방 엑스선 조영법 촬영에서, 사용자는, 필터링을 조정하는 것 그리고 전자 가속 전압을 높여 요오드의 33 keV K 흡수 엣지를 초과하는 충분한 엑스선 형광을 생산하는 것에 의해서, 요오드와 같은 작용제에서의 증가된 흡수의 장점을 취하고자 한다. 도 72는 엑스선 에너지의 함수로서의 요오드에 대한 질량 흡수 곡선을 도시한다. 불연속적인 점프는 L 및 K 흡수 엣지이다. 통상적인 공급원으로부터의 광대역 스펙트럼이 이러한 엣지들을 포함하는 에너지 범위에 걸쳐지는 경우에, 콘트라스트 매체는 더 큰 흡수 특성을 제공할 것이다. 결과적으로, 검출성이 개선된다.
여기에서 설명된 유방 엑스선 조영법 시스템에서 이용되는 단색 방사선은 콘트라스트-향상된 촬영을 위한 많은 추가적인 선택사항을 제공한다. 일반적으로, 요오드 흡수 엣지를 겨우 초과하는 단색 에너지를 생산하기 위해서 형광 표적을 선택할 수 있다. 이러한 의미에서, 관으로부터의 단색 엑스선 방출이 조영제의 흡수 특성에 맞춰 조율된다. 감도를 더 개선하기 위해서, 조영제의 흡수 엣지 아래 및 위의 에너지를 갖는 단색 엑스선을 방출하는 2개의 분리된 형광 이차 표적이 선택될 수 있다. 엣지의 위 및 아래에서 획득된 흡수의 차이가, 조영제가 축적되지 않은 이웃 조직으로부터의 영향을 효과적으로 제거하는 것에 의해서, 화상 콘트라스트를 더 개선할 수 있다. 유방 엑스선 조영법에서 현재 이용되는 엑스선 촬영 검출기의 대부분은, 2개의 에너지가 검출기를 동시에 조사하는 경우에, 이러한 2개의 에너지를 구별할 수 있는 에너지 해상도를 가지지 않는다는 것을 주목하여야 하고; 이들 2개의 측정은 연속하여 2개의 상이한 형광 표적으로 분리되어 실시되어야 한다는 점에 주목한다. 이는 확실히 가능성이 있고 우리의 시스템에 포함된다.
조영제가 주위 조직에 비해서 엑스선 흡수를 향상시키기 때문에, 흡수를 최대화하기 위해서 K 엣지 위의 단색 에너지를 선택할 필요가 없다. 예를 들어, 도 72는, K 엣지 미만인 Pd Kα 21.175 keV 에너지에 대한 흡수 계수는, K 엣지 위인 Nd Kα 37.36 keV 에너지의 흡수 계수와 유사하다는 것을 보여준다. 조영제의 원자가 주위 조직 내의 원자(C, O, N, P, S; Z < 10 그리고 미량의 Fe, Ni, Zn, 등, Z < 30)보다 충분히 무겁기만 하다면(원자 번호, Z > 45), 단색 엑스선 기술은 미래에 조영제를 위한 선택 가능성을 높인다. Pd, Ag 및 Sn의 이차 표적은 이러한 적용예를 위한 완벽한 선택사항이다. 요오드의 흡수 엣지 미만의 단색 에너지를 이용하는 것은, 예를 들어, 전형적인 유방 엑스선 조영법 촬영 검출기의 보다 양호한 양자 흡수 효율의 장점을 취한다. 37 keV(요오드 엣지 초과)에서의 흡수는 22 keV(엣지 미만)보다 약 2배 더 작다. 저에너지는 또한 주위 조직 내에서 보다 양호한 검출성을 갖다는 것을 동시에 증명할 수 있다. 도 73은, ACR 팬텀에 중첩된 Guerbet에 의해서 제조되는 승인된 요오드 조영제인, Oxilan 350의 3개의 드롭의 선형 세트를 도시한다. 각각의 드롭 내의 요오드의 양은 ∼1 mg 요오드이다.
개시 내용에서 설명된 기술의 몇몇 양태 및 실시예를 설명하였지만, 여러 가지 변경, 수정, 및 개선이 당업자에 의해서 용이하게 이루어질 것임을 이해할 수 있을 것이다. 그러한 변경, 수정, 및 개선이 본원에서 설명된 기술의 사상 및 범위에 포함되도록 의도된다. 예를 들어, 당업자는 본원에서 설명된 기능을 실시하기 위한 및/또는 결과 및/또는 하나 이상의 장점을 획득하기 위한 다양한 다른 수단 및 구조를 용이하게 생각할 수 있을 것이고, 그러한 변경 및/또는 수정의 각각은 본원에서 설명된 실시예의 범위 내에 있는 것으로 간주된다. 당업자는, 단지 일상적인 실험을 이용하여, 본원에서 설명된 특정의 실시예에 대한 많은 균등물을 인지하거나 알아낼 수 있을 것이다. 그에 따라, 전술한 실시예가 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구항 및 그 균등물의 범위 내에서, 본 발명의 실시예가 구체적으로 설명된 것과 달리 실행될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본원에서 설명된 둘 이상의 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법의 임의 조합은, 그러한 특징부, 시스템, 물품, 재료, 키트, 및/또는 방법이 상호 불일치되지 않는다면, 본 개시 내용의 범위 내에 포함된다.
본원에서 규정되고 사용된 모든 정의는 사전적인 정의, 참조로 포함된 문헌에서의 정의 및/또는 규정된 용어의 통상적인 의미에 우선한다는 것을 이해하여야 할 것이다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 부정관사("a" 및 "an")는, 반대로 명시적으로 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같은 "및/또는"이라는 문구는, 그렇게 결합된 요소, 즉 일부 경우에 결합적으로 존재하고 다른 경우에 분리적으로 존재하는 요소의 "어느 하나 또는 양자 모두"를 의미하는 것으로 이해하여야 한다. "및/또는"으로 나열된 복수의 요소는 동일한 양식으로, 즉 그렇게 결합된 요소의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 문구에 의해서 구체적으로 식별된 요소 이외의 다른 요소가, 구체적으로 식별된 요소와 관련되거나 관련되지 않든 간에, 선택적으로 존재할 수 있을 것이다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"에 대한 언급은, "포함하는"과 같은 개방형(open-ended) 언어와 함께 사용될 때, 일 실시예에서, A 만을(선택적으로 B 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서 B 만을(선택적으로 A 이외의 요소를 포함한다) 지칭할 수 있으며; 또 다른 실시예에서 A 및 B 모두(선택적으로 다른 요소를 포함한다)를 지칭하는 등일 수 있다.
본원의 명세서 및 청구범위에서 사용된 바와 같이, 하나 이상의 요소의 목록에 대한 언급에서 "적어도 하나"라는 문구는 요소의 목록 내의 임의의 하나 이상의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하는 것으로, 그러나 요소의 목록 내에 구체적으로 나열된 각각의 그리고 모든 요소의 적어도 하나를 반드시 포함하여야 하는 것이 아니고 요소의 목록 내의 요소의 임의 조합을 배제하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 이러한 규정은 또한, 요소가, 구체적으로 식별된 해당 요소와 관련되든지 또는 관련되지 않든지 간에, "적어도 하나의"라는 문구가 인용된 요소의 목록 내에서 구체적으로 식별된 요소 이외로 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 그에 따라, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 균등하게, "A 또는 B 중 적어도 하나" 또는, 균등하게 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")가, 일 실시예에서, 선택적으로 하나 초과의 A를 포함하고, B는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 B 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 다른 실시예에서, 선택적으로 하나 초과의 B를 포함하고, A는 존재하지 않는(그리고 선택적으로 A 이외의 요소를 포함하는), 적어도 하나를 지칭할 수 있고; 또 다른 실시예에서, (선택적으로 다른 요소를 포함하는), 선택적으로 하나 초과의 A를 포함하는 적어도 하나, 그리고 선택적으로 하나 초과의 B를 포함하는 적어도 하나를 지칭하는 등일 수 있다.
또한, 본원에서 사용된 어법 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로 간주되지 않아야 한다. "구비하는(including)", "포함하는" 또는 "가지는", "수용하는", "관련되는", 및 그 변경의 이용은 그 이후에 나열된 항목 및 그 균등물뿐만 아니라 부가적인 항목을 포함한다는 것을 의미한다.
청구범위에서, 그리고 전술한 명세서에서, "포함한다", "갖는다", "수반한다", "구비한다", "내장한다", "관련된다", "유지한다", "~으로 구성되어 있다" 등과 같은 모든 전이적 문구는 개방적인 것으로, 즉 포함하나 그러한 것으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. "~으로 이루어진" 및 "~으로 본질적으로 이루어진"이라는 전이적 문구만이 각각 폐쇄적 또는 반-폐쇄적 전이적 문구일 것이다.
Claims (47)
- 단색 엑스선 공급원이며:
전자를 생성하도록 구성된 전자 공급원;
일차 표적으로서, 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 상기 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열된, 일차 표적; 및
상기 일차 표적에 의해서 방출된 입사 광대역 엑스선 방사선의 흡수에 응답하여 단색 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 적어도 하나의 재료의 층을 포함하는 이차 표적을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 복수의 재료의 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제2항에 있어서,
상기 재료의 복수의 층이 적어도 3개의 재료의 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제3항에 있어서,
상기 재료의 복수의 층이 적어도 4개의 재료의 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제4항에 있어서,
상기 복수의 재료의 층이 적어도 6개의 재료의 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적은, 적어도 부분적으로 상기 적어도 하나의 층에 의해서 형성된, 적어도 하나의 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 껍질이 상기 이차 표적의 원위 단부에서 적어도 부분적으로 개방되는, 단색 엑스선 공급원. - 제6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 껍질이 상기 이차 표적의 근위 단부에서 적어도 부분적으로 개방되는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적은, 적어도 부분적으로 상기 적어도 하나의 층에 의해서 형성된, 적어도 하나의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질은, 그 정점이 상기 이차 표적의 원위 단부를 향하도록 배향되는, 단색 엑스선 공급원. - 제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질은, 그 정점이 상기 이차 표적의 근위 단부를 향하도록 배향되는, 단색 엑스선 공급원. - 제9항에 있어서,
상기 적어도 하나의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질이 복수의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질을 포함하고, 상기 복수의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질 중 적어도 하나는, 그 정점이 상기 이차 표적의 원위 단부를 향하도록 배향되고, 상기 복수의 원뿔형 또는 절두원추형 껍질 중 적어도 하나는, 그 정점이 상기 이차 표적의 근위 단부를 향하도록 배향되는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적은, 적어도 부분적으로 상기 적어도 하나의 층에 의해서 형성된, 적어도 하나의 원통형 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적은, 적어도 부분적으로 상기 적어도 하나의 층에 의해서 형성된, 적어도 하나의 원통형의 나선형 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적은, 적어도 부분적으로 상기 적어도 하나의 층에 의해서 형성된, 적어도 하나의 원뿔형의 나선형 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제6항에 있어서,
상기 이차 표적이 복수의 포개진 껍질을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제16항에 있어서,
상기 복수의 포개진 껍질은, 상기 이차 표적이 상기 단색 엑스선 공급원의 길이방향 축에 수직인 축을 따라서 적어도 2개의 층을 포함하도록, 배열되는, 단색 엑스선 공급원. - 제17항에 있어서,
상기 복수의 포개진 껍질은, 상기 이차 표적이 상기 단색 엑스선 공급원의 길이방향 축에 수직인 축을 따라서 적어도 4개의 층을 포함하도록, 배열되는, 단색 엑스선 공급원. - 제18항에 있어서,
상기 복수의 포개진 껍질은, 상기 이차 표적이 상기 단색 엑스선 공급원의 길이방향 축에 수직인 축을 따라서 적어도 6개의 층을 포함하도록, 배열되는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 5 내지 200 미크론의 두께를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 10 내지 75 미크론의 두께를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 15 내지 30 미크론의 두께를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 20 내지 25 미크론의 두께를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적이, 약 15 mm 이하 및 약 1 mm 이상의 최대 직경을 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적이, 약 10 mm 이하 및 약 8 mm 이상의 최대 직경을 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적이, 약 8 mm 이하 및 약 4 mm 이상의 최대 직경을 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적이, 약 4 mm 이하 및 약 2 mm 이상의 최대 직경을 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 이차 표적이, 약 2 mm 이하 및 약 1 mm 이상의 최대 직경을 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제6항에 있어서,
적어도 하나의 껍질이 적어도 1:2의 높이-대-기부의 종횡비 및/또는 약 85도 이하의 정점 각도를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제29항에 있어서,
적어도 하나의 껍질이 적어도 1:1의 높이-대-기부의 종횡비 및/또는 약 45도 이하의 정점 각도를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제30항에 있어서,
적어도 하나의 껍질이 적어도 2:1의 높이-대-기부의 종횡비 및/또는 약 30도 이하의 정점 각도를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제31항에 있어서,
적어도 하나의 껍질이 적어도 4:1의 높이-대-기부의 종횡비 및/또는 약 15도 이하의 정점 각도를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제32항에 있어서,
적어도 하나의 껍질이 적어도 8:1의 높이-대-기부의 종횡비 및/또는 약 7도 이하의 정점 각도를 갖는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 은, 주석, 몰리브덴, 팔라듐, 안티몬, 디스프로슘, 홀뮴, 탄탈륨, 텅스텐, 금, 백금 및/또는 우라늄을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 적어도 하나의 호일 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층이 적어도 하나의 침착된 재료의 층을 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제30항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층이 스퍼터링 프로세스를 통해서 제공되는, 단색 엑스선 공급원. - 제30항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층이 증발 프로세스를 통해서 제공되는, 단색 엑스선 공급원. - 제30항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층이 전기도금 프로세스를 통해서 제공되는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층을 지지하도록 구성된 적어도 하나의 기재를 더 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 기재는 엑스선 방사선에 대해서 실질적으로 투명한 재료를 포함하는, 단색 엑스선 공급원. - 전자 공급원 및 일차 표적을 포함하는 광대역 엑스선 공급원과 함께 사용하도록 구성된 캐리어이며, 상기 일차 표적은 일차 표적에 충돌하는 전자에 응답하여 광대역 엑스선 방사선을 생성하기 위해서 상기 전자 공급원으로부터 전자를 수용하도록 배열되고, 상기 캐리어는:
엑스선 방사선이 상기 캐리어를 빠져 나갈 수 있게 하는 개구를 갖는 원위 부분; 및
근위 부분을 포함하고,
상기 근위 부분은:
입사 광대역 엑스선 방사선의 흡수에 응답하여 형광 엑스선 방사선을 생성할 수 있는 적어도 하나의 재료의 층을 갖는 이차 표적; 및
상기 적어도 하나의 재료의 층이 도포되는 적어도 하나의 지지부로서, 상기 근위 부분이 상기 원위 부분에 커플링될 수 있게 하는 협력 부분을 포함하는, 적어도 하나의 지지부를 포함하는, 캐리어. - 제42항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층은 상기 적어도 하나의 지지부의 적어도 하나의 표면에 도포된 적어도 하나의 호일 층을 포함하는, 캐리어. - 제42항에 있어서,
상기 적어도 하나의 재료의 층은 상기 적어도 하나의 지지부의 적어도 하나의 표면 상에 침착된 적어도 하나의 침착된 재료의 층을 포함하는, 캐리어. - 제44항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층은 상기 적어도 하나의 지지부의 적어도 하나의 표면에 대한 스퍼터링 프로세스를 통해서 제공되는, 캐리어. - 제44항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층은 상기 적어도 하나의 지지부의 적어도 하나의 표면에 대한 증발 프로세스를 통해서 제공되는, 캐리어. - 제44항에 있어서,
상기 적어도 하나의 침착된 재료의 층은 상기 적어도 하나의 지지부의 적어도 하나의 표면에 대한 전기도금 프로세스를 통해서 제공되는, 캐리어.
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