CN107924796B - 具有电场发射x射线源的便携式x射线生成装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种便携式X射线生成装置，其使用电场发射X射线源，因此有利于减轻重量和体积，并且在X射线发射性能方面具有优异的可靠性。根据本发明的便携式X射线生成装置包括电场发射X射线源，该电场发射X射线源包括具有电子发射器的阴极电极，具有X射线目标表面的阳极电极和在阴极电极和阳极电极之间的栅极电极；以及驱动信号生成器，被配置为通过具有预定电压的直流电分别生成施加到所述阴极电极、所述阳极电极和所述栅极电极的至少三个驱动信号，其中，所述驱动信号生成器包括电流控制器，在X射线发射期间将阳极电极和阴极电极之间的管电流保持为恒定值。

Description

具有电场发射X射线源的便携式X射线生成装置

技术领域

本发明一般涉及便携式X射线生成装置。更具体地，本发明涉及通过使用电场发射X射线源、降低尺寸并适于牙科的口腔内X射线成像的、便携式X射线生成装置。

背景技术

X射线成像是使用X射线的准直性和衰减的射线照相术方法，并且基于在X射线穿过成像区域的过程中积累的衰减量，其提供成像区域的内部结构的X射线图像。为了实现这个，X射线成像系统包括：X射线生成设备，配置为向成像区域辐射X射线；X射线传感器，安排为面对X射线生成设备，其间具有成像区域，并被配置为检测已穿透该成像区域的X射线；和图像处理设备，配置为作为X射线传感器所检测的检测结果，通过使用X射线投射数据，来构造该成像区域的内部结构的灰度等级X射线图像。

最近几年，由于半导体和信息处理技术的发展，X射线成像已迅速演进为使用数字传感器的DR(数字射线照相术)，由此图像处理技术也已发展，并根据目的和应用领域按照各种方式使用。作为示例，存在主要在牙科使用的口腔内部X射线成像。口腔内部X射线成像是用于获得对象的有限成像区域的X射线图像的X射线成像技术，并且如下执行：将X射线传感器放置在对象嘴巴内部；并且X射线从嘴巴外部的X射线生成设备辐射到X射线传感器，由此获得安排在X射线生成设备和X射线传感器之间的牙齿和周围组织的X射线图像。口腔内部X射线图像具有低失真、卓越高分辨率和清晰度、以及相对低辐射暴露的优点，所以其主要用于需要高分辨率的植入治疗或牙髓治疗。

其间，用于口腔内部X射线成像的X射线成像装置一般被称为便携式X射线生成装置，并且X射线成像通常由持有装置的用户执行。为了改进口腔内部X射线成像的可用性和精度并且改进其利用率，需要降低X射线生成装置的重量和尺寸。

最近几年，为了降低X射线生成装置的尺寸，已进行对于使用诸如碳纳米管(CNT)的纳米结构的电场发射X射线源的研究。使用碳纳米管的X射线源是电场发射类型，并且在其电子发射机制上与传统的基于钨丝的热阴极X射线源不同。由于基于碳纳米管的X射线源能利用低电力发射电子、并且沿着碳纳米管的长度发射电子，所以X射线发射效率因为朝向阳极电极处的X射线目标表面的电子的卓越指向性而非常高。此外，易于按照脉冲形状发射X射线，并且可能拍摄X射线片子，由此非常可能用于牙科诊治，特别是口腔内部X射线成像。

传统场发射X射线源包括真空容器中的阴极电极上安排的电子发射器、和与电子发射器相邻安排的栅极电极，其中由在栅极电极和电子发射器之间形成的电场发射电子。栅极电极是网格形状或金属盘，其中根据电子发射器的阵列排列多个洞。当从电子发射器发射的电子束行进通过该网格结构或多个洞时，这些电子通过阳极和阴极之间形成的电场加速，以便撞击在阳极侧上提供的X射线目标表面，使得发射X射线。此外，可提供在阴极和阳极之间的电子束行进路径周围安排的聚焦电极，以形成用于聚焦电子束的电场。

电场发射X射线源的有利之处在于，降低X射线生成装置的尺寸和重量。然而，由于在阳极和阴极之间形成大约几十kV的高电势差，所以小尺寸的装置处于介电击穿的风险中。为了增加绝缘稳定性，可能增加绝缘距离或添加绝缘结构，但是这在降低装置的尺寸和重量方面可能是不利的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种便携式X射线成像装置，其具有改进的用户友好性、操作稳定性和可靠性的电场发射X射线源。更具体地说，本发明的一个目的是提供一种具有改进的可靠性的便携式X射线成像装置，其中电场发射X射线源被应用于该装置，该装置通过使用至少三个电压电平的驱动信号来驱动，外部电源和电池可用，X射线发射期间每单位时间的X射线量保持不变，并且尽管使用几十kV的高电压，但驱动电路的绝缘性能以及电场发射X射线源是优秀的。

此外，本发明的另一个目的是在施加栅极导通电压以产生施加到电场发射X射线源的驱动信号时，将阳极电极和阴极电极之间的管电流值保持恒定，使得发射的X射线输出保持不变。

同时，本发明的又一个目的是提供一种便携式X射线生成装置，通过具有提供高绝缘稳定性的结构与其X射线发射输出相比重量轻，并且有利于装置的小型化和减少重量。

为了实现上述目的，根据本发明的一些方面，提供了一种便携式X射线生成装置，包括：电场发射X射线源，包括具有电子发射器的阴极电极、具有X射线目标表面的阳极电极以及设置在阴极电极和阳极电极之间的栅极电极；以及驱动信号生成器，被配置为通过使用具有预定电压的直流电，分别产生施加到所述阴极电极、所述阳极电极和所述栅极电极的至少三个驱动信号，其中，所述驱动信号生成器可以包括电压转换器，所述电压转换器被配置为通过使用直流电产生用于所述阳极电极的第一电压电平V1的第一驱动电压、用于所述栅极电极的第二电压电平V2的第二驱动电压以及用于所述阴极电极的第三电压电平V3的第三驱动电压，并且所述第一道第三电压电平V1、V2和V3可以具有第一电压电平>第二电压电平>第三电压电平的关系，其中所述驱动信号生成器包括：第一电压转换器，被配置为通过将直流电的电压升高到第二电压电平(V2)来产生第二驱动电压；和第二电压转换器，被配置为通过将所述第二电压电平升高到所述第一电压电平(V1)来产生所述第一驱动电压。

此外，直流电的电压可以是5V至30V，第一驱动电压可以具有对于第三驱动电压的55kV至75kV的电势差，并且第二驱动电压可以具有对于第三驱动电压的0.5kV至20kV的电势差。

在这种情况下，电场发射X射线源还可以包括设置在栅极电极和阳极电极之间的聚焦电极，驱动信号生成器可以进一步产生用于聚焦电极的第四驱动电压，以将其施加到聚焦电极，并且第四驱动电压可以具有对于第三驱动电压的0.5kV到20kV的电势差。

这里，第一电压转换器可以包括线圈变压器，并且第二电压转换器可以包括使用多个二极管和电容器的电压倍增器电路。

同时，所述便携式X射线生成装置还可以包括：第一绝缘外框，所述第一绝缘外框被配置成环绕所述电场发射X射线源的一部分或全部并且还用作X射线屏蔽层；具有安装到其的电场发射X射线源的印刷电路板；以及第二绝缘外框，被配置为环绕具有所述第一绝缘外框的所述电场发射X射线源和所述印刷电路板的部分或全部。在这种情况下，驱动信号生成器可以包括：第一电压转换器，被配置为通过首先升高直流电的电压来产生第二电压电平V2的第二驱动电压；以及第二电压转换器，被配置为通过其次升高第二电压电平来产生第一电压电平V1的第一驱动电压，其中第二电压转换器被安装到印刷电路板，并且第二绝缘外框环绕第二电压转换器的部分或全部。

在便携式X射线生成装置中，驱动信号生成器可以包括电流控制器，该电流控制器被配置为在X射线发射期间将阳极电极和阴极电极之间的管电流保持为恒定值。

电流控制器可以根据管电流值的反馈信号与设定值之间的差来调节施加到栅极电极的驱动信号的电压。

此外，电流控制器可以包括至少一个场效应晶体管，该场效应晶体管被配置为连接到阴极电极并且维持在X射线发射期间施加的电流值恒定。在这种情况下，驱动信号生成器可以被配置为在导通信号被施加到电流控制器的场效应晶体管的栅极端子的状态下，依次导通用于阳极电极的驱动信号和用于栅极电极的驱动信号。

同时，便携式X射线生成装置还可以包括：安装有电场发射X射线源和驱动信号生成器的主体；以及可旋转且可倾斜地通过自由旋转接头耦合到主体的一侧的手柄。在这种情况下，便携式X射线生成装置可以进一步包括容纳在手柄中并且被配置为供应直流电的电池，并且还可以包括被配置为供应直流电的外部电力适配器。

同时，便携式X射线生成装置还可以包括：安装有电场发射X射线源和驱动信号生成器的主体；以及通过自由旋转的接头可旋转地且可倾斜地耦合到主体的一侧的支撑架。

同时，便携式X射线生成装置还可以包括：安装有电场发射X射线源和驱动信号生成器的主体；以及X射线传感器，其通过电缆与主体连接，并且被配置为通过接收从电场发射X射线源发射并透过对象的X射线来提供成像数据。在这种情况下，便携式X射线生成装置还可以包括无线通信模块，该无线通信模块被配置为无线发送X射线源的成像数据或通过重建成像数据而获得的图像数据。

根据如上所述配置的本发明，提供了具有改进的用户友好性、操作稳定性和可靠性的具有电场发射X射线源的便携式X射线成像装置。更具体地说，提供一种具有改进的可靠性的便携式X射线成像装置，其中电场发射X射线源被施加到该装置，该装置通过使用至少三个电压电平的驱动信号来驱动，并且外部电力和电池可用时，在X射线发射期间每单位时间的X射线量保持恒定，并且尽管使用几十kV的高电压，但是驱动电路的绝缘性能以及电场发射X射线源是优秀的。

此外，根据本发明，在产生施加到电场发射X射线源的驱动信号时施加栅极导通电压时，阳极电极和阴极电极之间的管电流值保持恒定，使得发射的X射线输出保持恒定。

同时，根据本发明，其有利之处在于，由于其具有小尺寸和轻重量的结构，同时提供高绝缘稳定性，所以与其X射线发射输出相比可以提供比较轻便的便携式X射线生成装置。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置；

图2示意性地示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置；

图3示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图；

图4示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图；

图5示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图。

图6示出了用于图3至图5的实施例的电流控制器的实现示例。

图7示出了用于图3至图5的实施例的电流控制器的实现示例。

图8是示出现有的X射线生成装置中施加于电场发射X射线源的驱动信号及根据其的管电流的测量波形的图。

图9示出了根据图4的实施例的X射线源单元。

图10示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的内部结构。

图11示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的内部结构。

图12示出了图10或图11的实施例中的X射线源驱动组件的示例。

图13示出了当从相反方向观看时图12的X射线源驱动组件的分解透视图；

图14示出了当从相反方向观看时图12的X射线源驱动组件的透视图；

图15示出了在重量分布方面根据图11的实施例的便携式X射线生成装置的内部结构；和

图16示出了图1或图2的实施例中的X射线传感器单元的示例。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的各种实施例。本发明的技术思想将通过实施例更清楚地理解。本发明不限于下面描述的实施例。相同的附图标记用于表示相同或相似的部件，并且可以省略具有与任何一个附图中所描述的附图标记相同的附图标记的部件的描述。

图1示意性地示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置。

根据该实施例的便携式X射线成像装置大致由X射线生成装置100和X射线传感器单元60构成，所述X射线生成装置100设置有X射线源单元40以向对象发射X射线，X射线传感器单元60被配置为通过接收透过对象的X射线来生成成像数据。X射线生成装置和X射线传感器单元可以通过电缆65彼此连接。

首先，更具体而言，X射线生成装置100包括：电源单元10C，其通过从电池12或外部电源适配器11供电而供应具有预定电压的直流电；主控制器20，被配置为根据用户的操纵来控制整个装置；以及驱动信号生成器30，其被配置为通过使用从电源单元10C供应的具有预定电压的直流电来向安装到X射线源单元40的电场发射X射线源提供至少三个电压电平的驱动信号。此外，X射线生成装置100可以设置有被配置为显示所述装置的操作状态和用户的输入信息的显示器70，并且可以设置有无线通信模块50，该无线通信模块50被配置为无线向外部装置发送从X射线传感器单元60通过电缆65发送的成像数据或通过将成像数据重建成主控制器20中的X射线图像而获得的图像数据。在主控制器20中重建的图像数据可以通过显示器70显示为图像。

设有电池12的电池单元120可以形成为可拆卸的手柄。此外，兼作手柄的电池单元120也可以通过自由旋转的接头80和128而连结，以能够相对于X射线生成装置100的主体向全方向旋转和倾倒。自由旋转的接头80和128可以包括例如设置在主体一侧的球80以及设置在电池单元120一侧的球座128。球和球座可以布置在相对的位置。同时，电池12可以例如经由柔性连接电缆125电连接到电源单元10C，或者例如通过形成在自由旋转接头的一部分上的一对端子电极来电连接到电源单元10C。

电源单元10被配置为通过使用从电池单元120的电池12供应的电力或从通过电力电缆115由图中虚线所示的外部电源适配器11供应的电力将具有预定电压的直流电供应给主控制器20和驱动信号生成器30。预定电压可以是5V至30V，例如可以是24V、12V或其他电压。这里，术语电源单元10C在功能上用作包含电池12或外部电源适配器11的概念，但是就实际放置而言，电池12设置在握持电池单元120中，并且外部电源适配器11也设置在所述装置外部并分别连接，装置内部只设置有电源电路。同时，当对电池12充电时，电池单元120可以直接连接至外部电源适配器11的电力电缆115，或者经由X射线生成装置100的主体中的电源电路连接。

X射线传感器单元60包括：具有用于接收X射线的传感器阵列的传感器部分61；以及连接部分62，其通过沿两个或更多个不同的方向连接的多个通道将传感器部分61和电缆65连接在一起。下面参照附图对X射线传感器60进行详细说明。

图2示意性地示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置。

如图所示，根据本实施例的便携式X射线成像装置可以通过耦合到支撑架130而不是图1所示的电池单元120来使用。支撑架130可以是例如具有多个臂133的标准臂和旋转轴132，其帮助改变X射线生成装置100的位置、方向或姿态角度，同时支撑其负载。作为更简单形式的示例，支撑架130可以是支撑在地板上的诸如相机三脚架之类的结构，或支撑在牙科椅上的结构。在任何情况下，支撑架130的联接端部部分131可以经由自由旋转接头80和138耦合到X射线生成装置100，以便可相对于X射线生成装置在所有方向上旋转和倾斜。自由旋转接头80和138可以包括例如设置在主体一侧的球80和设置在支撑架130的联接端部部分131一侧的球座138。球和球座位可以布置在相对的位置。

同时，当支撑架130取代图1中所示的电池单元120时，其连接到外部电源适配器11以供电。外部电源适配器11将普通的商用交流电转换成直流电，并将其提供给电源单元10C的电源电路。

图3示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图。

如上所述，X射线生成装置包括提供具有预定电压的直流电的电源单元10、主控制器20、驱动信号生成器30和X射线源单元40A。

X射线源单元40A设置有电场发射X射线源44。电场发射X射线源44包括具有电子发射器的阴极电极43、具有X射线目标表面的阳极电极41以及栅极电极42。X射线源单元40A可以包括安装有电场发射X射线源44的印刷电路板，其中印刷电路板可以设置有连接到三个电极41、42和43的三个输入端子。同时，栅极电极42可以包括：平面部分421，其形成为薄金属板或具有形成在其中的多个孔以使电子束能够穿过其中的金属网；以及通过连接到在纵向方向上延伸的平面部分421的边缘形成聚焦场的聚焦部分422。根据该实施例，聚焦部分422具有从平面部分421的边缘在其纵向方向延伸的带状，与形成电场发射X射线源44的主体的管状真空容器的外周表面平行。

将正电压施加到栅极电极42以引起来自设置在阴极电极43处的电子发射器的电子发射，并且电子束同时聚焦到管状真空容器的中心。即使施加到栅极电极42的电压VM是数kV的正电压，其远低于施加到阳极电极41的几十kV的电压VH，所以所谓的聚焦场形成在阳极电极41和聚焦部分422的内表面之间，使得等势面面向其中心。

根据该实施例，为了驱动电场发射X射线源44，作为第一驱动电压的第一高电压VH被施加到阳极电极41，施加作为第二驱动电压的第二高电压VM到栅极电极42，并且作为第三驱动电压的低电压VL的驱动信号被施加到阴极电极43。这里，假定低电压VL是参考电势，第一高电压VH可以具有电势作为参考电势的55kV至75kV的电势差，作为具体示例，60kV至65kV的电势差，并且第二高电压VM对于参考电势可以具有0.5kV至20kV的电势差，作为具体示例，电势差约10kV。换句话说，假设第一高电压VH、第二高电压VM和低电压VL是第一电压电平V1、第二电压电平V2和第三电压电平V3，则建立以下关系：第一电压电平V1>第二电压电平V2>第三电压电平V3，其间的电势差如上所述。当驱动信号被施加到每个电极时，电子束被充分地加速以与阳极电极41的X射线目标表面碰撞而发射X射线。

驱动信号发生器30包括：电压转换器31，配置为从该电源单元10供应具有预定电压的直流电，并对其变换；和驱动信号控制器32，配置为通过从主控制器20接收控制信号来控制电压转换器31的操作。电源单元10向驱动信号发生器30供应5V到30V、特别是24V的直流电，并且为了实现它，电源单元可包括将外部AC电力变换为直流电的适配器11、以及作为直流电的电池12的一个或全部。适配器11可将100V到250V的AC电力变换为上述电压的直流电。此外，电源单元可包括用于取决于这些电力的连接或充电状态而选择合适电力的电路。

驱动信号控制器32控制电压转换器31通过使用直流电来生成第一高电压VH、第二高电压VM和低电压VL的驱动信号，以分别供应相同输出端331、332和333。驱动信号控制器32例如提供用于生成这三个电压电平的驱动信号的设置值、或者提供将DC变换为AC所必需的切换信号用于电压变换。此外，驱动信号控制器32包括电压控制器321，其反馈作为输出驱动信号的第一高电压VH和/或第二高电压VM信号，并且根据控制目的控制要输出的电压。

此外，根据该实施例的驱动信号控制器32包括电流控制器322，配置为在向阳极电极41和栅极电极42施加接通信号(即，施加第一高电压VH和第二高电压VM的驱动信号)的同时，维持阳极电极41和阴极电极43之间的管电流(即，第一高电压VH的输出端331和低电压VL的输出端333之间的电流值)恒定。由于根据在阴极电极43和阳极电极41之间形成用于电子束的加速的充分电势差的假设、发射的X射线的量(更具体地，每单位时间的X射线的量)与管电流成正比，所以可能通过将管电流的值维持恒定，而将发射的X射线的量控制为恒定。电流控制器322可实际上在几类电路中实现，下面利用一些实现示例来描述这些电路中的一些。

图4示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图。

根据该实施例的X射线生成装置的配置与图3的实施例的不同之处在于，其被配置为使得构成驱动信号发生器30的电压转换器包括处置低电压的第一电压转换器311、和处置高电压的第二电压转换器312。

这里，第一电压转换器311和第二电压转换器312被安装到不同印刷电路板。例如，第二电压转换器312可被安装到构成X射线源44所安装到的X射线源单元40B的印刷电路板。例如，第一电压转换器311可包括将DC变换为AC的用于增压的电路或者不需要特定绝缘手段的电压增压电路，并且第二电压转换器312可包括将电压提升到几kV到几十kV的高电压的高电压变压器、以及将高电压AC再次变换为直流的稳压器电路。

如上所述，当将处置高电压的部分安排在X射线源单元40B中作为单独第二电压转换器312时，有利的是，能与电场发射X射线源44共享用于高电压的绝缘手段。电场发射X射线源44需要绝缘手段来防止施加有几十kV的第一高电压VH的阳极电极41和施加有0V或接地电压的低电压VL的阴极电极43之间、以及施加有几kV的第二高电压VM的栅极电极42和阴极电极43之间的介电击穿，这是因为还存在电压转换器中生成上述第一和第二高电压电平驱动信号的电压增压电路中的介电击穿的风险。根据实施例，通过在X射线源单元40B中安排处置高电压信号的第二电压转换器312，可能连同电场发射X射线源44一起增强介电强度。

图5示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的配置的框图。

根据实施例的X射线生成装置的配置与图4的实施例的共同之处在于，配置构成驱动信号发生器30C的电压转换器包括处置低电压的第一电压转换器311C、和处置高电压的第二电压转换器312C。第一电压转换器311C和第二电压转换器312C可被安装到相同印刷电路板，或者安装到不同印刷电路板。

该实施例与图4的实施例的不同之处在于，其被配置使得从第一电压转换器311C生成的第一驱动电压能被用作第二电压转换器312C的输入，并还被用作直接向栅极电极42施加的第二高电压VM。为了实现这个，第一电压转换器311C可包括提升电压以具有基于低电压VL例如大约10kV的电势差的电路。

其间，在根据实施例的X射线源单元40C中，可与栅极电极42分开提供用于聚焦X射线束的聚焦电极42F。在该情况下，第一电压转换器311C中生成的第一驱动电压也可作为第三高电压VF被施加到与聚焦电极42F连接的端子332F。这里，第三高电压VF可以是与第一到第三驱动电压不同的第四驱动电压。然而，在用于第三驱动电压(即，阴极电极驱动电压)的电势差方面，第四驱动电压可具有等于第二驱动电压(即，栅极电极驱动电压)的电势差。

图6示出了图3到5的实施例中的电流控制器的实现示例。

根据实现示例的电流控制器322A被配置为根据电流值和预置参考值之间的差来调整向栅极电极施加的驱动信号的电压，其中通过估计第一高电压VH输出端331和低电压VL输出端333之间的电流来确定该电流值。这里，该电流值是作为反馈信号的管电流。这是因为从阴极电极发射的电子量取决于向栅极电极施加的电压。为了实现这个，电流控制器322A可包括差分放大器221和加法器222。差分放大器221可包括接收电流值参考信号的第一输入端2211和接收管电流监视信号并输出它的第二输入端2212，并且可被配置为放大它们的信号之间的差。加法器222被配置为接收差分放大器221的输出信号，将该输出信号与输入到剩余输入端2221的栅极电压参考信号相加，并通过输出端2222输出调整的栅极电压设置信号。这里，根据输出的栅极电压设置信号，电压转换器调整第二高电压VM驱动信号。

图7示出了图3到5的实施例中的电流控制器的实现示例。

作为与图6的实现示例不同的另一实现示例，电流控制器322B可包括至少一个场效应晶体管(FET)224，以便控制电流恒定流到低电压VL驱动信号的输出端333。在该情况下，场效应晶体管224可包括FET栅极控制电路223，配置为向场效应晶体管224施加合适栅极信号，因为在源极和漏极端之间流动的电流值根据输入到栅极端的电压改变。

在该情况下，用于驱动电场发射X射线源的驱动顺序最好如下：首先将接通信号施加到电流控制器322B的场效应晶体管224的栅极端；并且在该状态下，依次接通用于阳极电极的第一高电压VH驱动信号和用于栅极电极的第二高电压VM驱动信号。驱动顺序可以不限于此，但是以上驱动顺序的优点在于，可能利用低规格场效应晶体管(FET)来配置电流控制器322B。

图8示出了传统X射线生成装置中向电场发射X射线源施加的驱动信号和根据其的管电流的测量波形。

如图中所示，当在阳极电极和阴极电极之间施加高电压(大约65kV)并然后向栅极电极施加栅极接通电压(大约3kV)时，从在阴极电极中安排的电子发射器发射电子束以形成管电流。这里，发射的X射线的量与管电流值成正比。然而，问题在于从施加栅极接通电压并且恒定维持阳极电压和栅极电压的时间开始，管电流(阳极电流)值逐渐降低。这意味着X射线生成装置中的X射线的量随着时间降低。

为了解决以上问题，在根据当前实施例的便携式X射线成像装置中，更具体地，在构成便携式X射线成像装置的X射线生成装置中，如上所述，当接通电场发射X射线源44中的三个电压的所有驱动信号时，通过维持管电流恒定，维持每小时发射的X射线的量恒定。

图9示出了根据图4的实施例的X射线源单元。

该图示出了图4的实施例。构成处置高电压状态的信号的第二电压转换器312的高电压组件49被安排在X射线源单元40B的印刷电路板45上。X射线源单元40B被提供有第二绝缘外框(molding)47，环绕在印刷电路板45上实现的场发射X射线源44，并由第一绝缘外框连同高电压组件一起环绕。

图9a是从通过其发射X射线的X射线发射窗44W观看的X射线源单元40B的平面图，而图9b是从其中安装多个高电压组件49的方向观看的X射线源单元40B的侧视图。

电场发射X射线源44具有首先环绕其表面的第一绝缘外框46，其中与阴极电极、阳极电极和栅极电极分别连接的电极引线48被暴露到第一绝缘外框46的外部，并且被安装在印刷电路板45的电极垫等上。由于该配置，所以可能首先防止通过电场发射X射线源44的主体的介电击穿。此外，其周围环绕有第一绝缘外框46的电场发射X射线源44、连同向印刷电路板45安装的第二电压转换器312(更具体地，连同构成第二电压转换器312的高电压组件49一起)再次由第二绝缘外框47环绕。由于该配置，所以可能防止经由印刷电路板45的高电压组件49之间的介电击穿、以及电极引线48之间的介电击穿。第一绝缘外框46可充当由电气绝缘的X射线屏蔽材料制成的X射线屏蔽层。第一绝缘外框46可由包括例如铋氧化物的涂覆材料制成。这里，包括铋氧化物的涂覆材料意味着其中铋氧化物粉末在树脂基托材料中混合并固化(cured)的绝缘屏蔽材料。为了参考，在树脂基托材料中以粉末形式混合并展现屏蔽和绝缘属性的材料并非必须限于铋氧化物，并且其可以由另一材料替代，只要其展现屏蔽和绝缘属性即可。

第二绝缘外框47可由比形成第一绝缘外框46的材料更轻的电气绝缘材料制成，例如硅树脂或环氧树脂。

图10示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的内部结构。

根据实施例的便携式X射线生成装置200包括：其中安装有电场发射X射线源40的主体部分211；在该主体部分211前面安排的圆柱对准仪212；和在该主体部分211的下部安排的把手213。把手213可被提供有在其上部的触发类型开关214和在其下部的可再充电电池组12。根据实施例的便携式X射线生成装置200可整体采取电吹风或电钻的形式。

在主体部分211中，电场发射X射线源40不是独自安装，而是被安排在形成X射线源驱动器组件250的框架中。电场发射X射线源40具有简化形式的圆柱形状，并且沿着与图中的平面正交的方向布置。换言之，当从其中发射X射线束XB的前面(图的左侧)观看时，圆柱电场发射X射线源40沿着横穿方向安排。其后，其中从电场发射X射线源40向外部发射X射线束的方向被称为向前，并且相对方向被表达为向后。

在上述框架中，其中安装有电场发射X射线源40的X射线源调节(accommodation)部分251可按照圆柱形状形成，以对应于电场发射X射线源40的外圆周表面。X射线源驱动器组件250包括：第一驱动电路252，从X射线源调节部分251向前和向下对角延伸；和第二驱动电路253，从X射线源调节部分251的下部向后和向上对角延伸。在第一驱动电路252中，安排了由包括第一增压变压器522的第一电压增压电路构成的第一印刷电路板521，并且在第二驱动电路253中，安排了提供有包括多个二极管和电容器的第二增压变压器532的第二印刷电路板531。电场发射X射线源40可被安排在第二印刷电路板531的上部以与其重叠。

这里，第一驱动电路252和第二驱动电路253构成图5的实施例中的驱动信号发生器30C，并且包括第一增压变压器522的第一电压增压电路可对应于第一电压转换器311C，而包括多个二极管和电容器的第二增压变压器532可对应于第二电压转换器312C。

在X射线源驱动器组件250中，形成X射线源驱动器组件的外轮廓的框架环绕X射线源驱动器组件的上表面和侧表面，并且其下部是开放的。第一印刷电路板521和第二印刷电路板531的上部和下部、以及电场发射X射线源40的外围填充有诸如硅树脂的绝缘填充物，以形成图中的阴影线区域所指示的绝缘外框部分251B、252B和253B。其间，图中没有示出，在X射线源调节部分251中，在其中朝向前方发射X射线的位置处形成窗口，使得暴露包括X射线发射部分的电场发射X射线源40的一部分。此外，电场发射X射线源40的表面由除了与窗口对应的部分之外的X射线屏蔽层环绕，由此防止不期望的X射线发射。

X射线发射圆锥260安排在X射线源调节部分251和电场发射X射线源40前面的圆柱准直仪212之间。作为圆锥形状结构的X射线发射圆锥260可由X射线屏蔽材料制成或者可包括至少X射线屏蔽层。从电场发射X射线源40发射的X射线在穿过X射线发射圆锥260时处于预定角度范围内的X射线束中。圆柱准直仪212也在其内壁或外壁上提供有X射线屏蔽层，以阻止由于漫反射等沿着不期望方向行进的X射线，并控制X射线束的辐射范围。其间，为了根据需要控制X射线束的形状，可在圆柱准直仪212前面提供具有固定或可变开口(诸如正方形或长条形开口)的X射线屏蔽结构。

现在在空间利用和结构布置方面对根据实施例的便携式X射线生成装置200的主体部分211的内部进行参考。X射线发射圆锥260被布置为使得其中心线符合圆柱准直仪212的中心线XB。结果，中心线XB是通过其发射的X射线束的中心线。其间，第一驱动电路252被安排在X射线发射圆锥260的下部，并且将第一印刷电路板521所属的平面P布置为针对包括中心线XB的水平平面倾斜角度α。角度α大于或等于角度β，角度β是对于中心线XB的X射线发射圆锥260的外壁的倾角。因为角度α的值接近角度β的值，所以能使得包括第一印刷电路板521的第一驱动电路252更靠近X射线发射圆锥260，这对于主体部分211的内部空间的有效利用是有利的。这意味着这有利于使得装置小型化。

X射线源驱动器组件250可被指示为具有与X射线发射圆锥260的中心线XB的预定角度。由此，虽然电场发射X射线源40尽可能靠近第一印刷电路板521，但是能防止预定X射线发射范围和X射线源驱动器组件250彼此干扰。

这里，将对电场发射X射线源40、以及第一驱动电路252和第二驱动电路253的特性进行参考。如上所述，电场发射X射线源40由阴极电极、栅极电极和阳极电极的至少三极管结构构成。例如，利用三极管结构描述，基于向阴极电极施加的电压，向阳极电极施加具有大约65kV的电势差的第一高电压作为电子加速电压，并且向栅极电极施加具有大约5到10kV的电势差的第二高电压作为切换信号。驱动电压电平允许根据本发明的便携式X射线生成装置满足医学X射线生成装置的管电压规格。然而，本发明不限于此。

第一驱动电路252充当第一增压变压器，并且第二驱动电路252充当第二增压变压器。第一驱动电路252首先提升例如预定直流电或通过逆变器电路变换的AC电力，以生成大约5到10kV的第一驱动电压。为了实现这个，第一驱动电路252包括安装有第一增压变压器522的第一印刷电路板521。第一印刷电路板521被提供有通过连接第一印刷电路板和各种其他组件而构成电路的电极图案，并且在这些之中，第一增压变压器522，即，该变压器具有最大体积和重量。第一增压变压器522被配置为使得接近基板的电极的部分由形成绝缘外框部分252B的绝缘填充物连同第一印刷电路板521上的电极图案和其他低高度元件覆盖，并且该部分上面的部分暴露到绝缘外框部分252B的外部。

第一驱动电路252中生成的第一驱动电压作为切换信号被供应到电场发射X射线源40的栅极电极，并且还被供应到第二驱动电路253，以通过第二升压生成阳极电极驱动信号。在包括第二驱动电路253的第二印刷电路板531中，提供由多个二极管和电容器构成的第二增压变压器532。第二增压变压器532还被称为电压乘法器电路，并且可被配置为将输入电压升压为电压的n倍的n重电压整流器电路或考克饶夫特倍压器整流器电路。这允许第一驱动电压提升到大约65kV的第二驱动电压，即，电场发射X射线源40的阳极电极驱动电压。将提升的第二驱动电压从第二印刷电路板531上的输出端供应到接近该输出端的上部安排的电场发射X射线源40的阳极电极。其间，构成第二印刷电路板531和第二增压变压器532大多数器件可全部掩埋在绝缘填充物中，以形成另一绝缘外框部分253B。如上所述，由于与第一驱动电路252相比第二驱动电路253处置几十kV的较高电压，并且利用绝缘填充物完全覆盖该电路对于绝缘稳定性和寿命是优选的。

根据该实施例的便携式X射线生成装置200在重量降低方面具有以下特征。首先，作为X射线源，使用电场发射X射线源40来将X射线源的重量降低到20到150g，更具体地20到50g，优选为大约40g。环绕X射线源的表面的X射线屏蔽层也利用诸如铋氧化物的轻重量X射线屏蔽材料涂覆。

第二，生成电场发射X射线源40的驱动信号的驱动电路被划分为处置低电压的第一驱动电路252、以及处置高电压的第二驱动电路253，其中在第二驱动电路253侧形成较深的绝缘外框部分253B，其中需要更稳定的绝缘性能，并且在第一驱动电路252侧形成浅的绝缘外框部分252B，以覆盖第一印刷电路板521及其电极图案，由此降低绝缘填充物引起的重量增加。

第三，在圆柱准直仪212和X射线发射圆锥260中，结构由低重量合成树脂形成，并且在该结构的外壁上层叠了诸如铋氧化物的轻重量X射线屏蔽材料以形成X射线屏蔽层，由此实现该装置的重量降低。

特别是，在不使得便携式X射线生成装置的输出降级的情况下，实现以上重量降低。根据该实施例的使用电场发射X射线源的便携式X射线生成装置的重量可以是0.8kg到3kg，更具体地，1.0到2kg，包括作为诸如附加后挡板(用于保护用户免受向后散射和发射的X射线的X射线屏蔽结构)的单独附加配置的重量的大约350g，优选地，大约1.83kg。在该情况下，在电源、驱动电压、管电流等的条件下，x射线发射输出可以是120W到300W，更具体地，大约150到250W，优选地200W。因此，便携式X射线生成装置的每单位重量的输出可以是40到375(W/kg)，更具体地，50到150(W/kg)。作为优选实施例，当装置重量1.83kg并且输出为200W时，每单位重量的输出为大约109(W/kg)。

其间，在小型化方面考虑便携式X射线生成装置200，安装有巨大第一增压变压器522的第一驱动电路252被安排为朝向电场发射X射线源40的前方，并且利用通过按照沿着X射线发射圆锥260的外角的角度倾斜第一印刷电路板521所确保的较低空间。此外，第一印刷电路板521和第二印刷电路板531被安排在针对电场发射X射线源40的不同高度处，并且第一印刷电路板521被安排在相对较高的高度处，以便进一步确保第一印刷电路板521之下的空间。

在该实施例中，圆柱电场发射X射线源40可具有10到40mm的直径、以及40到70mm的长度，更具体地，10到30mm的直径、以及40到70mm的长度，优选地，大约15mm的直径、和大约57.5mm的长度。在阴极电极和阳极电极之间的2到3mA的管电流和55到75kV的管电压的条件下，在0.01到3秒的范围中控制X射线发射时间，并且X射线发射点的焦点尺寸是0.2到1mm。更具体地，管电流是2.5mA，管电压是60kV或65kV，焦点尺寸是0.4mm，并且X射线发射时间是0.05到0.5秒。

图11示出了根据本发明实施例的便携式X射线生成装置的内部结构。

根据该实施例的便携式X射线生成装置201包括根据图10的实施例的便携式X射线生成装置200的配置，特别是，X射线源驱动器组件250的所有配置。因此，这里，将省略重复描述，并且将仅描述添加的配置。

根据该实施例的装置201可进一步包括：通过在X射线源驱动器组件250的框架的上部消除X射线发射圆锥260而建造的支架结构258；和向该支架结构258固定的第三印刷电路板254。第三印刷电路板254可包括逆变器电路，用于将作为直流电的从电池组12供应的电力变换为AC。不需要单独绝缘外框用于第三印刷电路板254。

此外，在该实施例中，第四印刷电路板255可被安排在X射线源驱动器组件250的背部。第四印刷电路板255可包括控制电路，被配置为通过与包括用户接口257的控制面板256连接而显示该装置的操作状态，并控制操作模式等。图中没有示出，第四印刷电路板255还可以通过支架结构耦接到X射线源驱动器组件250的框架。第四印刷电路板和控制面板被安排在第三印刷电路板254的上部，但是它们可被安排为朝向主体部分211一侧。

图12示出了图10或图11的实施例中的X射线源驱动器组件的示例。

该图示出了从其后上侧观看的参考图10描述的X射线源驱动器组件250。在中心存在X射线源调节部分251，并且在中间看到开口窗口511。在X射线源调节部分251的一侧上，为了向外部释放从在其内部安排的电场发射X射线源的阳极电极生成的热，可安排向框架250F外部突出的热沉411。热沉411可由作为电气绝缘材料并具有好的导热性的陶瓷材料形成。在X射线源驱动器组件50中，框架250F由合成树脂材料形成，以便环绕除了窗口511和热沉411之外的上表面和侧表面，并打开其下表面。

图13示出了当从相对方向观看时图12的X射线源驱动器组件的分解透视图。

在该图中，为了帮助理解框架250F的内部结构，没有示出用于绝缘外框的绝缘填充物。如上面参考图10描述的，在框架250F中，与第一驱动电路252对应的部分被形成为浅，并且与第二驱动电路253对应的部分被形成为深。此外，X射线源调节部分251在与第二驱动电路253对应的部分内部被形成较深。在框架250F中，在第一驱动电路252内部，提供用于安置和固定第一印刷电路板521的多个盘上凸台式结构(boss structures)523，并且还在第二驱动电路253内部，提供用于安置和固定第二印刷电路板531的多个盘上凸台式结构533。此外，图中没有示出，在X射线源调节部分251中，可提供三维结构以支撑电场发射X射线源40的部分。所述多个盘上凸台式结构523和533分别形成用于注入流体状态的绝缘填充物的空间，其中固定第一印刷电路板521和第二印刷电路板531的每一个，使得用绝缘填充物来填充第一和第二印刷电路板521和531的相对表面。

作为绝缘填充物，可使用例如环氧树脂或硅树脂。通过配线彼此连接的第一印刷电路板521、第二印刷电路板531和电场发射X射线源40被安排在框架250F的内部空间，并且在其上注入流体环氧树脂或硅树脂。在框架250F中，当根据容纳这些部分的每一个的、该部分的侧壁高度等、在预期的深度处填充和固化环氧树脂或硅树脂时，形成绝缘外框部分252B和253B。

图14示出了当从相对方向观看时图12的X射线源驱动器组件的透视图。

如图中示出的那样，第一驱动电路252中的绝缘外框部分252B被形成为具有浅深度、达到其覆盖第一印刷电路板的两侧以及其表面上安装的小尺寸元件的程度，并且结果，第一增压变压器522的电极部分陷入在绝缘外框部分252B中，并且其对侧的部分暴露到外部。其间，第二驱动电路253中的绝缘外框部分253B被形成为足够深，以覆盖图13中示出的第二印刷电路板531以及其上安装的第二增压变压器532两者。如图中示出的那样，可取决于框架250F的对应部分的侧壁高度，而不同地实现绝缘外框部分252B和253B的深度。换言之，在框架250F中，从相应底表面起，环绕第二驱动电路253的侧壁可被形成为比环绕第一驱动电路252的侧壁更高。

图15示出了根据图11的实施例的便携式X射线生成装置在重量分布方面的内部结构。

根据该实施例的便携式X射线生成装置201被设计为在用户用一只手H持有把手213时使用，并且在处置装置的重量的同时使用该装置。根据实施例，为了实现这个，除了降低主要部分的重量之外，可能通过前/后、上/下、和左/右的正确重量分布，在不施加多余力的情况下平衡装置自身。本发明的技术特征之一在于，考虑到重量分布安置这些部分不会对装置的缩小尺寸不利。

对于必须观察的装置内的组件的安置存在限制需求，即，从圆柱准直仪212的前端到电场发射X射线源40的中心的距离D(其是从发射X射线束的焦点到X射线束在装置外部的地点的距离)应该是200mm或更多。圆柱准直仪212用来屏蔽不受控制的X射线束从其内部发射，并且安排在圆柱准直仪212和电场发射X射线源40之间的X射线发射圆锥260控制宽范围中发射的X射线具有某一角度范围的波束形状，因此其包括含有铅或铋氧化物的X射线屏蔽材料的X射线屏蔽层。该X射线屏蔽层是增加组件的重量的因素。

圆柱准直仪212和X射线发射圆锥260的重心相对于把手213的中心线HP位于前面。这些重量的平衡是其中安排有第二印刷电路板531的绝缘外框部分(253B)。这是因为它们之间填充的绝缘填充物以及多个二极管和电容器很重。当然，由于电场发射X射线源40自己由金属电极和陶瓷衬垫构成，所以其充当中心线HP后面的加重部分(weighting part)。

其间，第一增压变压器522是重量很重的另一组件。这是因为第一增压变压器522具有环绕其缠绕的大量铜线。根据实施例，第一增压变压器522可被安排在把手213的中心线HP穿过其的位置处。更具体地，第一增压变压器522的重心522C可位于中心线HP上。此外，在把手213的下部，电池组12也可被安排在把手213的中心线HP穿过其的位置处。占有装置重量的高比例的组件在用户的手H握住的把手213的中心线上或附近很近，容易维持平衡。其间，逆变器电路或控制电路可位于稍微远离中心线HP，因为其重量相对轻。

图16示出了图1或图2的实施例中的X射线传感器单元的示例。

如上所述，X射线源由传感器部分61和连接部分62构成，其中连接部分62和传感器部分61可经由由多个连接端子构成的连接端子组622、612A和612B通过多个通道彼此电气连接。所述多个通道可包括电源通道以及传送从传感器部分61生成的成像数据的通信通道。其间，连接部分62可针对传感器部分61沿着两个或多个不同方向耦接。这里的连接也包括电气连接的含义。例如，为了沿着两个不同方向耦接连接部分62和传感器部分61，一个连接端子组622可安排在连接部分62中，并且与所述一个连接端子组622对应形成并选择性连接的两个连接端子组612A和612B可被安排在传感器部分61中。

此外，连接部分62和传感器部分61可通过近场通信(NFC)模块613和623连接。连接部分62和传感器部分61可仅与近场通信模块613和623连接以彼此传送和接收电力和成像数据，或者可通过多个连接端子组622、612A和612B结合近场通信模块613和623与连接器件连接。

工业实用性

根据本发明的便携式X射线生成装置不仅能被用作牙科中用于口腔内X射线成像的诊断系统的部分，而且能被用作用于产品或设备的非破坏性测试的X射线成像系统的部分。

Claims (16)

1.一种便携式X射线生成装置，包括：

电场发射X射线源，包括具有电子发射器的阴极电极，具有X射线目标表面的阳极电极以及设置在阴极电极和阳极电极之间的栅极电极；和

驱动信号生成器，被配置为通过使用具有预定电压的直流电，分别生成施加到阴极电极、阳极电极和栅极电极的至少三个驱动信号，其中，所述驱动信号生成器包括电压转换器，所述电压转换器被配置成通过使用直流电产生用于所述阳极电极的第一电压电平(V1)的第一驱动电压、用于所述栅极电极的第二电压电平(V2)的第二驱动电压以及用于所述阴极电极的第三电压电平(V3)的第三驱动电压，以及

第一至第三电压电平(V1、V2和V3)具有第一电压电平>第二电压电平>第三电压电平的关系，

其中所述驱动信号生成器包括：

第一电压转换器，被配置为通过将直流电的电压升高到第二电压电平(V2)来产生第二驱动电压，其中，所述第二驱动电压被直接施加到栅极电极；和

第二电压转换器，被配置为接收所述第二驱动电压作为输入，并且通过将所述第二电压电平升高到所述第一电压电平(V1)来产生所述第一驱动电压。

2.如权利要求1所述的便携式X射线生成装置，其中所述直流电的电压为5V至30V，

第一驱动电压具有对于第三驱动电压的55kV至75kV的电势差，以及

第二驱动电压具有对于第三驱动电压的0.5kV至20kV的电势差。

3.根据权利要求2所述的便携式X射线生成装置，其中所述电场发射X射线源还包括设置在所述栅极电极和所述阳极电极之间的聚焦电极，

驱动信号生成器进一步产生用于聚焦电极的第四驱动电压，以将其施加到聚焦电极，以及

第四驱动电压具有对于第三驱动电压的0.5kV至20kV的电势差。

4.如权利要求1所述的便携式X射线生成装置，其中所述第一电压转换器包括线圈变压器，以及

第二电压转换器包括使用多个二极管和电容器的电压倍增器电路。

5.根据权利要求1所述的便携式X射线生成装置，还包括：

第一绝缘外框，被配置成环绕所述电场发射X射线源的部分或全部并且还用作X射线屏蔽层；

安装有电场发射X射线源的印刷电路板；和

第二绝缘外框，被配置成环绕具有所述第一绝缘外框的所述电场发射X射线源和所述印刷电路板的部分或全部。

6.如权利要求5所述的便携式X射线生成装置，

其中所述第二电压转换器安装到所述印刷电路板，并且所述第二绝缘外框环绕所述第二电压转换器的部分或全部。

7.根据权利要求1所述的便携式X射线生成装置，其中所述驱动信号生成器包括电流控制器，被配置为在所述X射线发射期间将所述阳极电极和所述阴极电极之间的管电流保持为恒定值。

8.根据权利要求7所述的便携式X射线生成装置，其中所述电流控制器根据所述管电流值的反馈信号与设定值之间的差来调节施加到所述栅极电极的所述驱动信号的电压。

9.根据权利要求7所述的便携式X射线生成装置，其中所述电流控制器包括至少一个场效应晶体管，所述场效应晶体管被配置为连接到所述阴极电极并且将在X射线发射期间施加的电流值保持恒定。

10.根据权利要求9所述的便携式X射线生成装置，其中，所述驱动信号生成器被配置为在导通信号被施加到所述电流控制器的场效应晶体管的栅极端的情况下，依次导通所述阳极电极的驱动信号和所述栅极电极的驱动信号。

11.如权利要求1所述的便携式X射线生成装置，还包括：

带有安装在其上的电场发射X射线源和驱动信号生成器的主体；和

通过自由旋转的接头可旋转地且倾斜地耦合到主体的一侧的手柄。

12.根据权利要求11所述的便携式X射线生成装置，还包括容纳在所述手柄中并被配置成供应所述直流电的电池。

13.根据权利要求12所述的便携式X射线生成装置，还包括被配置为供应所述直流电的外部电力适配器。

14.根据权利要求1所述的便携式X射线生成装置，还包括：

主体，带有安装在其上的电场发射X射线源和驱动信号生成器；和

支撑架，其通过自由旋转的接头可旋转地且可倾斜地耦合到主体的一侧。

15.根据权利要求1所述的便携式X射线生成装置，还包括：

主体，带有安装在其上的电场发射X射线源和驱动信号生成器；和

X射线传感器，其通过电缆与主体连接，并且被配置为通过接收从电场发射X射线源发射的并透过对象的X射线来提供成像数据。

16.根据权利要求15所述的便携式X射线生成装置，还包括无线通信模块，所述无线通信模块被配置为无线发送所述X射线源的成像数据或通过重建所述成像数据而获得的图像数据。

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