CN110382047A

CN110382047A - 三维束形成x射线源

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Publication number: CN110382047A
Application number: CN201880012008.6A
Authority: CN
Inventors: 卡尔曼·费什曼; 布莱恩·帕特里克·威尔弗莱; 克里斯托弗·W·埃勒诺; 唐纳德·奥尔加多; 顾纯元; 托比亚斯·芬克; 佩特·瓦塔霍夫; 克里斯托弗·R·米切尔
Original assignee: Sensus Healthcare Inc
Current assignee: Emprian Medical Systems
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2019-10-25
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP7170979B2; EP3544678A1; BR112019020536A2; JP2024075614A; CA3209805A1; IL269721A; EP3544678A4; KR102488780B1; US20200234908A1; US10607802B2; JP2023017804A; JP2020516037A; WO2018183873A1; US20240266137A1; RU2019130556A3; US12027341B2; US20180286623A1; US11521820B2; IL269721B2; US20230178324A1

Abstract

三维束形成X射线源包括电子束发生器(EBG)以产生电子束。靶元件设置在距EBG预定距离处并且定位成拦截电子束。靶元件响应于电子束以产生X射线辐射。束形成器靠近靶元件设置，并且包括与X射线辐射相互作用的材料以形成X射线束。EBG控制系统通过选择性地改变电子束与靶元件相交的位置来控制X射线束的束图案和方向中的至少一个，以控制X射线辐射与束形成器的相互作用。

Description

三维束形成X射线源

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月31日提交的美国临时专利申请No.62/479,455的权益，该临时专利申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开的技术领域包括X射线电磁辐射源，并且更具体地涉及紧凑的X射线电磁辐射源。

背景技术

X射线广泛用于医学领域中的各种目的，如放射治疗。传统的X射线源包括真空管，该真空管包含阴极和阳极。在阴极和阳极之间施加50kV至250kV的非常高的电压，并且将相对低的电压施加到灯丝以加热阴极。灯丝产生电子(通过热电子发射、场发射或类似手段)并且通常由钨或一些其他合适的材料形成，如钼、银或碳纳米管。阴极和阳极之间的高电压电势使电子以非常高的速度从阴极流过真空到阳极。X射线源还包括被高能电子轰击的靶结构。包含靶的材料可以根据要生产的所需X射线类型而变化。有时将钨和金用于此目的。当电子在阳极的靶材料中减速时，它们产生X射线。

放射治疗技术可以涉及使用称为外束放射治疗(external beam radiotherapy,EBRT)的技术的外部传输的辐射剂量。有时也会使用术中放射治疗(intraoperativeradiotherapy,IORT)。IORT涉及在切除手术期间肿瘤床被暴露并且可接近时将治疗水平的辐射应用于该区域。IORT的好处在于它允许将高剂量的辐射以所需的组织深度精确地传输到目标区域，并且对周围健康组织的暴露最小。最常用于IORT目的的X射线辐射的波长对应于一种有时被称为荧光X射线、特征X射线或轫致辐射X射线的X射线辐射。

微型X射线源具有对IORT有效的潜力。尽管如此，已发现有时用于此目的的非常小的传统X射线源具有某些缺点。一个问题是微型X射线源非常昂贵。第二个问题是它们的使用寿命非常有限。这种有限的使用寿命通常意味着在用于对有限数量的患者进行IORT之后必须更换X射线源。此限制增加了与IORT过程相关的费用。第三个问题是非常小的X射线源可用的适度高电压对于期望的治疗效果可能不是最佳的。第四个问题是它们的辐射特征在IORT环境中难以控制，使得它们不很适合于适形放射治疗。

发明内容

本文涉及用于控制电子束的方法和系统。该方法包括产生电子束和将靶元件定位在电子束的路径中。X射线辐射是作为电子束与靶元件相互作用的结果产生的。使X射线辐射与设置在靶元件附近的束形成器结构相互作用来形成X射线束。通过选择性地改变电子束与靶元件相交的位置来控制X射线束的束图案和方向中的至少一个，以便确定X射线辐射与束形成器结构的相互作用。

可以通过用电子束转向单元使电子束转向来控制电子束与靶元件相交的位置。根据一个方面，可以引导被转向的电子束穿过封闭的漂移管的伸长长度。漂移管保持在真空压力以使电子束的衰减最小化。允许电子束在穿过漂移管后与靶元件相互作用。

根据一个方面，通过用束形成器结构吸收一部分X射线辐射来利于与X射线束控制相关的某些操作。例如，可以改变或控制电子束与靶元件相交的位置，以间接控制X射线束被束形成器吸收的部分。在本文公开的一些方案中，束形成器可包括至少一个屏蔽壁。屏蔽壁可以布置成至少部分地将靶元件分成多个靶元件区段(segment)或扇区(sector)。此外，一个或多个屏蔽壁可用于形成多个屏蔽隔室。每个这样的屏蔽隔室可以布置成，当电子束和与屏蔽隔室相关联的靶元件扇区或区段相交时，至少部分地限制X射线辐射发射的方向范围。

从前述内容可以理解，该方法可以包括通过控制电子束使其选择性地在一个或多个靶元件扇区中与靶元件相交来控制束方向和形状。通过选择性地选择电子束在特定一个靶元件扇区内与靶元件相交的位置，可以进一步控制束图案。根据另一方面，该方法可以包括通过选择性地改变电子束与一个或多个靶元件扇区相交时使用的EBG电压和电子束驻留时间中的至少一个来选择性地控制X射线束在一个或多个不同方向上传输的X射线剂量。

本文还涉及一种X射线源。该X射线源包括电子束发生器(EBG)，该EBG被配置为产生电子束。靶元件设置在距EBG预定距离处并且定位成拦截电子束。漂移管设置在EBG和靶元件之间。EBG被配置为使电子束穿过保持在真空压力的漂移管的封闭的伸长长度。

靶元件由响应电子束的材料形成，以在电子束与靶元件相交时利于X射线辐射的产生。束形成器结构靠近靶元件设置并且包括与X射线辐射相互作用的材料以形成X射线束。EBG控制系统通过选择性地改变电子束与靶元件相交的位置来选择性地控制X射线束的束图案和方向中的至少一个。在本文公开的一些方案中，EBG控制系统被配置为通过用电子束转向单元使电子束转向来选择性地改变电子束与靶相交的位置。

束形成器包括高Z材料，该高Z材料被配置为吸收一部分X射线辐射以利于X射线束的形成。EBG控制系统被配置为通过选择性地改变电子束与靶元件相交的位置来间接控制X射线束被束形成器吸收的部分。

根据一个方面，束形成器包括至少一个屏蔽壁。一个或多个屏蔽壁布置成至少部分地将靶元件分成多个靶元件扇区或区段。这样，一个或多个屏蔽壁可以限定多个屏蔽隔室。每个屏蔽隔室被配置为，当电子束和与特定屏蔽隔室相关联的靶元件扇区相交时，至少部分地限制X射线辐射可以辐射的方向范围。

利用本文描述的X射线源，EBG控制系统可以被配置为通过控制多个靶元件扇区中的哪个与电子束相交来确定X射线束的方向。EBG控制系统还被配置为通过选择性地控制一个或多个靶元件扇区内电子束与靶元件相交的位置来控制束图案。根据另一方面，EBG控制系统被配置为选择性地控制由X射线束在由靶元件扇区限定的一个或多个不同方向上传输的X射线剂量。它通过选择性地改变电子束与一个或多个靶元件扇区相交时施加的EBG电压和电子束驻留时间中的至少一个来实现该结果。

附图说明

通过以下附图来利于本公开，其中相同的附图标记在所有附图中表示相同的项目，并且其中：

图1是X射线源的透视图，其中一些结构被部分地切除示出以利于更能理解。

图2是图1的一部分的放大图，示出了电子束发生器的某些细节。

图3是图2的一部分的放大视图，示出了电子束发生器的某些细节。

图4是X射线发射方向受控靶组件(DCTA)的放大透视图，用于理解图1的X射线源。

图5是图4中的DCTA的端视图。

图6是图4中的DCTA的放大图，用于理解X射线束形成操作。

图7是用于理解图1的X射线源中的X射线束形成操作的图。

图8是示出本文公开的X射线靶的某些细节的横截面图。

图9、10和11是用于理解第一替代X射线DCTA配置的一系列图。

图12是第二替代DCTA配置。

图13是第三替代DCTA配置。

图14是第四替代DCTA配置。

图15是第五替代DCTA配置。

图16A-16B是用于理解第六替代DCTA配置和组装过程的一系列图。

图17A和17B是用于理解第七替代DCTA配置和组装过程的一系列图。

图18是用于理解第八替代DCTA配置的图。

图19是用于理解第九替代DCTA配置的图。

图20是用于理解图1中的X射线源的控制系统的框图。

图21A-21C是用于理解如何可以选择性地控制X射线束的一系列图。

图22是用于理解如何可以在IORT过程中使用本文所述的X射线源的图。

图23是示出DCTA的冷却装置的横截面图。

图24是沿着图23中的线24-24的横截面图。

图25A-25D是用于理解如本文所述的用于控制DCTA中的束宽度的技术的一系列图。

图26A-26B示出第六替代DCTA配置和相关的束转向方法。

图27用于理解如何可以用X射线透射材料形成靠近DCTA的漂移管的一部分。

具体实施方式

容易理解，本文描述的和附图中示出的解决方案能够以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图中所表示的以下更详细的描述并非旨在限制本公开的范围，而是仅代表各种不同方案中的某些实施方式。虽然在附图中呈现了各个方面，但是除非特别指出，否则附图不一定按比例绘制。

本文公开的解决方案涉及一种X射线源，其可用于在包括IORT的各种放射治疗过程中治疗表面组织结构。在图1-7中提供了用于理解X射线源100的图。利用图1-7中所示的布置，可以使X射线选择性地指向包括X射线源的束方向受控靶组件(directionallycontrolled target assembly,DCTA)106的周围的多个不同方向。此外，可以控制限定束的形状的相对X射线强度的图案，以利于不同的治疗计划。例如，可以选择角度范围内的强度以改变X射线束参数，如束宽度。

源100包括电子束发生器(EBG)102、漂移管104、DCTA 106、束聚焦单元108和束转向单元110。在一些方案中，可以使用装饰盖或外壳112将EBG 102、束聚焦单元108和束转向单元110封入。

DCTA 106可以促成特别适合于IORT的可转向的X射线能量的微型源。因此，可以相应地选择各种部件的尺寸。例如，漂移管104和DCTA 106的直径d可以被有利地选择为约30mm或更小。在一些方案中，这些部件的直径可以是10mm或更小。例如，这些部件的直径可以被选择在约10mm至25mm的范围内。当然，漂移管和DCTA 106在这方面不受限制，并且其他尺寸也是可能的。

类似地，漂移管104被有利地配置为具有从EBG 102延伸一定距离的伸长长度L。有利地选择漂移管长度使得其足够长以便从盖或壳体112延伸并且进入患者的肿瘤腔中，使得DCTA可以选择性地定位在正在进行治疗的人体的一部分内。因此，漂移管长度L的示例性值可以在10cm至50cm的范围内，18cm至30cm的范围适合于大多数应用。当然，本文公开的尺寸仅作为几个可能的示例提供，而不是限制性的。

电子束发生器在本领域中是公知的，因此将不详细描述EBG的结构和操作。然而，本文提供了对EBG 102的各个方面的简要描述以利于理解本公开。EBG 102可以包括几个主要部件，参考图2和3可以最好地理解这些部件。这些部件可以包括封套202，封套202封闭真空室210。在一些方案中，封套202可以由玻璃、陶瓷或金属材料构成，其可以适当地避免空气泄漏。在真空室内，通过抽空端口216和吸气剂214建立并保持真空。

用于向阴极306提供高负电压的高电压连接器204被插入在真空室内。为了产生如本文所述的X射线而施加到阴极的合适高电压将在-50kV至-250kV的范围内。场形成器206和推斥器208也封闭在真空室中。这些部件中的每一个的目的在电子束发生器领域中是公知的。然而，提供简要描述以利于理解本文提出的解决方案。阴极306在被加热时用作电子源，电子被阴极306和阳极之间的高电压电势加速。在图2中，阳极的作用由外壳202和排斥器208提供，其中外壳202处于地电压并且排斥器相对于地处于较小的正电压。

排斥器208的功能是排斥可能在漂移管104或DCTA 106中产生的任何带正电的离子，从而防止那些离子进入阴极306的区域，那些离子可能导致该区域损坏。场形成器206的功能是提供光滑表面，该光滑表面控制由高电压引起的电场的形状和大小。在图3的方案中，栅格310使阴极306附近的电场具有所需形状，并且可以切断来自阴极306的电子发射。阴极306固定到加热器309a和309b的支腿。加热器309a和309b的支腿通常由金属材料制成，该金属材料具有高电阻率和高耐热降解性，因此允许流过加热器支腿的电流产生加热阴极306的高温。连接器引脚308a和308b提供到加热器支腿309a和309b的电连接，连接器引脚308a和308b将加热器支腿309a和309b连接到高电压连接器204中的连接。绝缘盘302通常由诸如玻璃或者陶瓷的绝缘材料制成并且在连接器引脚308a和308b之间提供电绝缘，并且还耐加热器支腿309a和309b产生的热。

在本文公开的方案中，漂移管104可由诸如不锈钢的材料构成。在其他方案中，漂移管可以部分地由碳化硅(SiC)构成。或者，漂移管104可以由诸如氧化铝或氮化铝的陶瓷材料构成。如果漂移管结构不是由导电材料形成，则它可以设置有导电内衬114。例如，导电内衬可以由铜、钛合金或其他已经应用于漂移管的内表面(例如，通过溅射、蒸发或其他公知的方法施加)的其他材料构成。漂移管的中空内部向真空室210开放，使得漂移管104的内部212也保持在真空压力。用于本文所述的解决方案的目的的合适真空压力可以在低于约10^-5托或特别是在约10^-9托至10^-7托之间的范围内。

构成电子束的电子被EBG 102向DCTA 106加速。这些电子在到达漂移管104的入口孔116时将具有显著的动量。漂移管的内部212保持在真空并且至少管的内衬114保持在地电位。因此，EBG 102赋予电子的动量将继续以非常高的速度(例如，接近光速的速度)沿着漂移管104的长度朝向DCTA 106弹道地传送电子。可以理解，当电子沿着漂移管104的长度行进时，它们不再被静电加速。

提供束聚焦单元108以聚焦沿着漂移管的长度行进的电子束涡流。例如，这种聚焦操作可涉及调节该束以控制DCTA尖端处的电子会聚点。这样，束聚焦单元108可以包括多个磁聚焦线圈117，通过选择性地改变其中施加的电流来控制它们。所施加的电流使所述多个磁聚焦线圈117中的每一个产生磁场。所述磁场基本上在由束聚焦单元108包围的区域中渗入到漂移管104中。渗入磁场的存在使得电子束以本领域公知的方式选择性地会聚。

束转向单元110包括多个可选择性地控制的磁转向线圈118。转向线圈110布置成选择性地改变在漂移管104内行进的电子的行进方向。磁转向线圈通过(在用电流激励时)产生磁场来实现该结果。磁场选择性地对在漂移管104内行进的电子施加力，从而改变电子束行进方向。由于电子束行进方向的这种偏转，可以选择性地控制束撞击DCTA 106的靶元件的位置。

如图4和图5中所示，DCTA 106设置在漂移管104的远离EBG 102的端部。DCTA包括靶402和束屏蔽件404。靶402包括盘形元件，该盘形元件横向于电子束行进方向设置。例如，该盘形元件可以设置在与电子束行进方向近似正交的平面中。在一些情况下，靶402可以将漂移管104的远离EBG的端部封闭，以利于维持漂移管内的真空压力。靶402可以包括各种不同的材料；然而，它有利地包括具有高原子序数的材料，如钼、金或钨，以便在用电子轰击时以相对高的效率产生X射线。随着讨论的进行，将更详细地描述靶402的结构。

如图4中所示，束屏蔽件404可包括第一部分406和第二部分408，第一部分406邻近靶402的一个主表面设置，第二部分408邻近靶的相对主表面设置。在一些情况下，第一部分406可以设置在真空环境内的漂移管104的内部，并且第二部分408可以设置在漂移管的外部。如果束屏蔽件404的一部分设置在漂移管的外部，如图4中所示，则可以在束屏蔽件的第二部分408上方设置X射线透射帽构件418，以封闭和保护在漂移管外部的DCTA部分。在图4中，帽构件仅用虚线表示，以利于理解DCTA结构。然而，应当理解，帽构件418将从漂移管104的端部延伸，以封入DCTA的第一部分406。

束屏蔽件404包括多个壁元件410、412。与第一部分406相关联的壁元件410可以从盘形靶的面向远离EBG 102的方向的第一主表面延伸。与第二部分408相关联的壁形元件412可以从面向EBG 102的靶的相反主表面延伸。壁元件410、412还在从DCTA中心线416向盘形靶402的外围径向方向上向外延伸。因此，壁元件形成多个屏蔽隔室420、422。壁元件410、412可以有利地包括以实质的方式与X射线光子相互作用的材料。在一些情况下，该材料可以是以使X射线光子释放其大部分能量和动量的方式与X射线光子相互作用的材料。因此，用于此目的的一种适当交互的材料可包括衰减或吸收X射线能量的材料。在一些情况下，为此目的选择的材料可以被有利地选择为高度吸收X射线能量的材料。

高度吸收X射线放射的合适材料是众所周知的。例如，这些材料可包括某些金属，如不锈钢、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)或其他高原子序数(高-Z)材料。如本文所用，短语高-Z材料通常包括原子序数至少为21的材料。当然，可能存在需要较低程度的X射线吸收的一些情况。在这种情况下，不同的材料可能是合适的。因此，用于屏蔽壁的合适材料不必限于高原子序数材料。

在图4中所示的情况下，多个壁元件从中心线416径向向外延伸。然而，束屏蔽件的构造在这方面不受限制，并且应当理解，其他束屏蔽件构造也是可能的。下面更详细地描述了几种这样的替代构造。每个壁元件还可以包括圆角或倒角的角部411，以利于如下所述的束形成。这些圆角或倒角的角部可设置在壁元件的远离靶402并与中心线416间隔开的部分处。

如图4中所示，壁元件410可以与壁元件412对准，以在靶402的相反两侧上形成对准的成对屏蔽隔室420、422。每个这样的屏蔽隔室将与对应的靶区段414相关联，该靶区段414由在靶402的一侧的一对壁元件410和在靶的相反侧的一对壁元件412限定边界。

众所周知，X射线光子在大致横向于电子束与靶402的主表面的碰撞路径的方向上释放。靶材料包括相对薄的靶材料层，使得轰击靶402的电子在远离靶的两个主表面延伸的方向上产生X射线。每对对准的屏蔽隔室420、422(由壁元件410、412限定)和它们的对应靶区段414包括束形成器。当高能电子与特定靶区段414相互作用时产生的X射线将被限定隔室410、412的壁元件限制在它们行进的方向上。通过图6说明该概念，图6示出电子束602轰击靶402的一区段，以在大致横向于电子束的碰撞路径的方向上产生透射和反射的X射线。但是在图6中可以看出，由于束形成器的屏蔽效应，X射线仅在方位角α和仰角β的有限范围内发射。通过选择性地控制哪个靶区段414被电子轰击，以及在靶区段414内电子束实际在哪撞击该靶区段，可以根据需要选择性地形成和雕刻在不同方向和形状范围内的X射线束。

因此，可以选择性地改变或控制X射线束方向(由发射的X射线能量的主轴线限定)和包括束形状的相对X射线强度的图案，以利于不同的治疗计划。图7通过示出通过选择性地控制电子束706，可以将X射线束700的最大强度的方向对准在多个不同方向702、704上来说明该概念。X射线束700的精确三维形状或相对强度图案将根据本文描述的若干因素而变化。在一些情况下，电子束可以被快速转向，从而不同的靶区段依次被电子轰击，使得电子束与不同的靶区段相交预定的停留时间。如果多于一个靶区段414被电子束轰击，则可以在由相关的束形成器限定的若干个选定方向上形成多个束区段，并且每个束区段可以具有不同的束形状或图案。

现在参考图8，可以观察到，靶402由非常薄的靶材料层802形成，其可以如本文所述被电子束804轰击。靶材料被有利地选择为具有相对高原子序数的靶材料。可用于此目的的示例性靶材料包括钼、钨和金。靶材料薄层802被有利地沉积在较厚的基底层806上。提供基底层以利于靶更加鲁棒以增加强度，并利于热能从金属层转移走。可用于基底层806的示例性材料可包括铍、铝、蓝宝石、金刚石或陶瓷材料，如氧化铝或氮化硼。其中，金刚石对于这种应用特别有利，因为它对X射线是相对透射的、无毒、强度高，并且提供优异的导热性。

可以通过允许合成延伸的盘或晶片形状的金刚石的化学气相沉积技术(CVD)形成适合于基底层804的金刚石基底盘。在一些情况下，这些盘可具有300至500μm的厚度。其他厚度也是可能的，只有基底具有足够的强度以在漂移管104内容纳真空，并且厚度不足以衰减穿过它的X射线。在一些情况下，具有约300μm厚度的CVD金刚石盘可用于此目的。如本文所述在CVD金刚石盘的一侧上溅射的靶材料薄层802可具有2至50μm的厚度。例如，在一些情况下，靶材料可具有10μm的厚度。当然，其他厚度也是可能的，并且本文提出的解决方案不旨在受这些值的限制。

图9、10和11是用于理解第一替代DCTA配置的一系列图。DCTA906类似于DCTA 106，但包括安装到束屏蔽件914的外围的附加环元件，以利于将DCTA装配到漂移管904的端部。更具体地，束屏蔽件914的第一部分916和第二部分918可分别包括环908a、908b。靶914可以设置在这两个环之间。然后可以将这两个环之一或二者固定到漂移管的端部(例如，通过钎焊固定)，如图11中所示。

图12用于理解第二替代DCTA配置。在该情况下，用多个单独的较小楔形靶1202代替图4中的单个盘形X射线靶402，这些个楔形靶1202分别与所示出的每个隔室对准。在这种情况下，对应于两个部分1216和1218的壁元件1210、1212和中间基板1220可以可选地由单件材料制成。如图所示，分区段的楔形靶1202可以定位在壁元件之间的中间基板1220中，之后可以将整个组件固定到漂移管的端部。在图12中还可以观察到，壁元件1210具有弯曲或圆角而不是图4-6中所示的倒角。图13是第三替代DCTA 1306，其类似于图12中所示的布置，但是包括代替楔形靶1202而设置的多个分开的圆形或盘形靶1302。

图14是第四替代DCTA配置1406，其中整个束屏蔽件1414设置在漂移管的外部。在这种情况下，靶元件1402是中空管状基座1420的端面。壁元件1410从安装到漂移管的远离EBG 102的一端的基板1408的表面延伸。由靶元件1402限定的端面与其上设置有壁元件1410的基板间隔开。在一些情况下，管状基座可具有如图所示的圆柱形几何形状。然而，其他管状配置也是可能的。管状基座可以有利地具有足以将靶元件1402定位在沿着DCTA长度的中间位置的长度。这样，可以针对束形成操作最佳地选择靶元件的定位。每个基座的中空内部部分向由漂移管1404的内部限定的真空开放。因此，指向特定的一个靶元件1402的电子束在撞击该靶元件1402之前将在真空环境中穿过漂移管和基座1420的内部行进。图15是第五替代DCTA 1506，其类似于图14中所示的布置。然而，在DCTA 1506中，用多个较小直径的靶元件1502代替图14中所示的每个单独的靶元件1402。

图16A和16B是用于理解第六替代DCTA配置和组装过程的一系列图。从本文的讨论中可以理解，束屏蔽件1600的第一部分1602和第二部分1604的正确对准对于确保每个X射线束形成器的正确功能是重要的。该问题是复杂的，因为一旦插入漂移管1614中，组装技术人员可能看不到束屏蔽件的第二部分1604。此外，重要的是第一部分1602和第二部分1604在组装后保持对准。

为了利于这些对准，与第二部分1604的中心轴线1620对准地设置柱1606。柱1606可延伸穿过靶1612中的开口1616。该柱可包括凹口元件或键结构1608。在第一部分1602内限定与中心轴线1620对准的孔1622。该孔的至少一部分可具有互补凹口元件或键结构1612。该互补凹口元件或键结构将对应于凹口或键结构1608的几何结构和形状。因此，第一部分1602和第二部分1604只能以图16B中所示的方式配合，从而，第一部分1602的壁元件1624与第二部分1604的壁元件1626对准。

利用图17A和17B中所示的第七替代DCTA配置中的成型销可以可供选择地实现类似于图16A和16B中所述的对准。如图所示，束屏蔽件1700可包括第一部分1702和第二部分1704。第一和第二部分中的每一个可包括壁元件1724、1726，壁元件1724、1726限定多个引导面1722。这些引导面1722可与形成在成型销1706上的多个对应的销面1712接合。当引导面和销面正确地对准时，成型销可以沿着中心轴线1720插入第一和第二部分。销头1714限制销在第一和第二部分中的插入。一旦插入，销1706可以用合适的固定装置固定就位。例如，销1706可包括螺纹端，螺纹螺母1708可设置在该螺纹端上以将销保持就位。

图18中示出第八替代DCTA 1800。DCTA 1800包括靶1802和束屏蔽件1804。束屏蔽件1804具有包括柱1820的结构。在一些情况下，柱1820可以与靶1802和漂移管1814的中心线1816对准。该柱可包括第一部分1806和第二部分1808，第一部分1806与靶1802的一个主表面邻近地设置(并从该主表面延伸)，第二部分1808与靶的相对主表面邻近地设置(并从该相对主表面延伸)。这样，如图所示，第一部分1806可以设置在真空环境内的漂移管104的内部，并且第二部分1808可以设置在漂移管的外部。

柱1820可包括如图所示的圆柱形柱。然而，该结构的可接受的配置在这方面不受限制，并且该柱也可以具有不同的横截面轮廓以利于束形成操作。例如，该柱可具有正方形、三角形或矩形的横截面轮廓。在一些情况下，横截面轮廓可被选择为n边多边形(例如，n边正多边形)。与本文所述的其他配置的壁元件类似，柱1820有利地包括显著衰减X射线能量的材料。例如，该柱可以包括诸如不锈钢、钼或钨、钽或其他高原子序数(高Z)材料的金属。

图19中示出了第九替代DCTA 1900。DCTA 1900的配置可以类似于DCTA 106的配置。因此，该DCTA可以包括束屏蔽件1904，束屏蔽件1904包括与靶1902的一个主表面邻近地设置的第一部分1906和与靶的相对主表面邻近地设置的第二部分1908。在一些情况下，第一部分1906可以设置在DCTA的与漂移管104相关联的暴露于真空环境的部分内。第二部分1908可以设置在漂移管外，如图所示。束屏蔽件1904包括多个壁元件1910、1912。与第一部分1906相关联的壁元件1910可以从盘状靶的第一主表面延伸，该第一主表面面向远离EBG102的方向。与第二部分1908相关联的壁状元件1912可以从相对的主表面(例如，面向EBG102的靶表面)延伸。壁元件1910、1912也在径向方向上从DCTA中心线1916朝向盘状靶1902的周边向外延伸。因此，壁元件形成多个屏蔽隔室。

DCTA 1900类似于本文公开的许多其他DCTA配置。但是，从图19可以看出，DCTA1900的壁元件1910、1912没有完全延伸到靶元件1902的外围边缘1903。而是，壁元件仅延伸了从DCTA中心线1916到靶元件1902的外围边缘1903的径向距离的一部分。与本文所示的其他DCTA配置相比，图19中所示的配置可用于促成不同的束图案。

现在转到图20，图20示出用于控制图1-7中所示的X射线源的示例性控制系统2000。该控制系统可包括用于控制高电压源控制器2004的控制处理器2002、高电压发生器2006、冷却剂系统2012、聚焦线圈电流源2024、聚焦电流控制电路2026、转向线圈电流源2014和转向电流控制电路2016。高电压源控制器2004可以包括控制电路，该控制电路被设计成利于控制高电压发生器2006。还可以提供电网控制电路2005和加热器控制电路2007作为该示例性控制系统的部件。

高电压发生器2006可以包括：高电压变压器2008，用于将相对低的电压AC升到较高的电压；以及整流器电路2010，用于将高电压AC转换为高电压DC。然后可以将高电压DC施加到本文所述的X射线源装置中的阴极和阳极。

冷却剂系统2012可包括冷却剂储存器2013，冷却剂储存器2013包含用于冷却DCTA106的适当流体。例如，在某些情况下，水可用于此目的。或者，可以使用油或其他类型的冷却剂来利于冷却。在一些情况下，可以选择使得包括DCTA的某些金属部件的腐蚀可能性最小化的冷却剂。可以提供泵2015、电子控制阀2017和相关的流体管道以利于冷却剂的流动以冷却DCTA。

可以与图1中的一个或多个聚焦线圈117中的每一个相关联地提供多个电连接(未示出)。可以使用图20中的控制电路独立地控制所述一个或多个聚焦线圈。更具体地，聚焦线圈电流源2024可以包括能够向所述一个或多个聚焦线圈117中的每一个提供DC电流的电源。该电流源可以连接到聚焦线圈控制电路2026，聚焦线圈控制电路2026包括在该控制处理器的控制下的电流控制元件阵列。因此，聚焦电流控制电路2026可以选择性地将一个或多个聚焦电流C1、C2、C3、...Cn引导到聚焦线圈117中的一个或多个，以控制电子束的聚焦。用于聚焦电子束的方法在本领域中是已知的，因此这里将不再详细描述。然而，应该理解，可以选择性地控制施加到所述一个或多个聚焦线圈中的每一个的电流的大小以改变束焦点。

类似地，可以与图1中的一个或多个转向线圈118中的每一个相关联地提供多个电连接(未示出)。也可以使用图20中的控制电路独立地控制这些转向线圈。更具体地，转向线圈电流源2014可包括能够向所述多个转向线圈中的每一个提供DC电流的电源。该电流源可以连接到转向线圈控制电路2016，该转向线圈控制电路2016包括在控制处理器的控制下的电流控制元件阵列。因此，转向电流控制电路可以选择性地将转向电流I1、I2、I3、...In引导到所述转向线圈118中的一个或多个，以控制电子束的方向。用于控制电子束转向线圈的方法在本领域中是已知的，因此这里将不再详细描述。例如，通常在传统的阴极射线管中进行电子束转向。仍然，应该理解，可以选择性地控制施加到每个转向线圈的电流的大小，以改变电子束撞击靶的位置。

应该理解，这些布置不限于如本文所述的电子束的磁偏转。其他电子束转向方法也是可能的。例如，众所周知，所施加的电场也可用于使电子束偏转。在这种情况下，高电压偏转板可代替转向线圈用于控制电子束，并且施加到板上的电压而不是电流将变化。

控制处理器2002可以包括一个或多个装置，如计算机处理器、专用电路、现场可编程门阵列(FPGA)逻辑装置、或被编程为执行本文所述功能的其他电路。因此，控制器可以是数字控制器、模拟控制器或电路、集成电路(IC)、微控制器或由分立元件形成的控制器。

图21A-21C是系列图，用于理解如本文所述的DCTA的操作。为方便起见，将对本文中关于图1-8公开的DCTA进行说明。然而，应该理解，这些概念可类似地应用于本文公开的许多或所有DCTA配置。

图21A概念性地示出沿着DCTA中心线416观察到的复合X射线束图案，其中X射线可以被理解为是在多个径向束区段2102中均匀地产生的。当电子束扩散或转向以激发与靶402相关联的所有区段414时可以产生这种束图案。每个径向束区段2102由包括DCTA 106的一部分的相应束形成器生成。在图21A中所示的情况下，控制束发生器(例如，利用控制系统2000)，使得每个束区段在相对于DCTA中心线416的不同方位角方向上产生对被处理区域基本相同的X射线剂量。此外，在图21A中可以观察到，束区段2102被布置成使得X射线光子在约360度的弧度中围绕DCTA 106指向多个不同的角度。

由DCTA，如DCTA 106，产生的X射线辐射的总强度近似与加速电压的平方成比例。因此，在一些情况下，可以通过控制阴极相对于阳极的电压电势来分别控制在其处产生的X射线束的强度。对每个X射线束区段2102的强度和方向的独立控制可以利于复合束图案的选择性变化，以实现复合束图案，如图21B中所示的复合束图案。当撞击在靶的不同区段上时，可以选择性地改变电子束强度和/或停留时间，以促成期望的放射治疗计划。图21C示出在一些情况下，某些径向或方位角方向上的束强度可以减小到基本为零。换言之，可以基本上禁用特定径向或方位角方向上的X射线束以促成特定放射治疗计划。控制系统(如控制系统2000)可以方便控制束发生器。

应该注意，图21A-21C中的束图案是以二维呈现的简化图案，以利于概念性地理解通过改变靶上不同位置处的电子束强度和停留时间可以在不同径向方向上控制束图案的方式。使用这种技术产生的实际束图案要复杂得多，并且自然会包括如图7中一般性地示出的三维辐射图案。但是，应该理解，使用较高电压电势产生的电子束可以在特定的径向或方位角方向上导致较大的X射线束强度，并且使用较低电压电势产生的电子束将会在特定的径向或方位角方向上导致较低的X射线束强度。当然，在特定方向上施加的X射线束的总时间长度将影响在该方向上传输的总辐射剂量。

由聚焦电子束发射的X射线的强度很大程度上取决于离开焦点的距离。为了控制组织治疗体积的距离并且修改X射线束的穿透力，在IORT的情况下至少用盐液填充X射线源和伤口腔之间的间隙空间是有利的。图22中示出这种布置，其示出了DCTA 106可以设置在流体囊2202内。该流体囊可以是弹性球状构件，用诸如盐水的流体2206使其膨胀，以便填充X射线源和组织壁2208(例如，包括肿瘤床的组织壁)之间的间隙空间2204。流体导管2210、2212可以利于流体流入和流出流体囊的内部。这种布置可以通过将整个组织壁定位成与X射线源成均匀距离来帮助增强对肿瘤床的照射均匀性，以利于更一致的辐射暴露。

在DCTA 106处产生X射线可产生大量的热量。因此，在一些情况下，除了填充间隙空间2204的流体2206之外，可以向DCTA提供单独的冷却剂流。这种布置的一个例子示于图23和24。图23示出漂移管104和DCTA 106的一部分。以横截面示出了围绕漂移管和DCTA的冷却套2300，以揭示多个同轴冷却通道2302、2305。图24是图23中所示组件的沿24-24线取得的截面图。从图23和24可以理解，多个同轴冷却通道可以构造成围绕DCTA(和漂移管的各部分)的护套，并且该护套提供冷却剂流以将热量带离DCTA。

更具体地，外同轴冷却通道2302由外护套2301和内护套2304之间的间隙空间限定。内同轴冷却通道2305由内护套和包括漂移管104和DCTA 106的部分的外表面限定。内同轴冷却通道2305部分地由凸块2306保持。所述凸块保持内护套2304与漂移管104和DCTA106的外表面之间的间隙。当X射线源工作时，冷却剂2303在正压力下通过外同轴冷却通道2302流向DCTA 106。

如图23中的箭头所示，冷却剂2303流到冷却套的端部2307，在此设置有喷嘴部分2308。在一些情况下，喷嘴部分2308可以与内护套2304成一体，如图所示。或者，喷嘴部分可包括单独的元件。喷嘴部分2308包括多个端口，这些端口布置成允许冷却剂2303从外同轴冷却通道2302流到内同轴冷却通道2305。喷嘴部分还用于引导冷却剂流动或喷射到DCTA106上和其周围，以提供冷却效果。由图23中的箭头表示的流动根据冷却剂流动压力和喷嘴部分的精确配置，可以是连续流动、喷射或滴落动作的形式。在冷却DCTA尖端之后，冷却剂2303沿着由内同轴冷却通道2305限定的返回路径在由凸块2306维持的空间中流动。然后冷却剂2303将通过排出端口(图23中未示出)离开内同轴冷却通道。

应当理解，如本文所示和所述的冷却套管2300是利于冷却DCTA的一种可能的配置。在这方面，应该理解的是，其他类型的冷却护套也是可能的并且可以使用而没有限制。此外，应该理解的是，可能存在一些情况，其中X射线源可以在降低的电压水平操作，这样可能不需要冷却护套。

可以通过选择性地改变电子束撞击特定靶区段414的位置来获得对X射线辐射图案的附加控制。例如，在图25A-25D中可以观察到，可以通过改变电子束撞击特定靶区段的位置来调整由每个束形成器产生的X射线束的束宽度。当电子束撞击最靠近束屏蔽件404的中心线的靶区段时，束形成隔室产生相对窄的束。但是当束从图25B-25D中的中心线径向向外逐渐移动时，所得到的X射线束在方位方向上逐渐变宽。因此，可以选择性地控制所得到的X射线辐射强度图案的方向和形状。应该注意，图25A-25D中的束图案是简化的二维图案，其主要是为了利于概念性地理解可以通过改变电子束撞击特定靶区段的位置来控制束宽度的方式。使用这种技术产生的实际束图案明显更复杂，并且自然地包括类似于图7中所示的三维辐射图案。

图26A-26B示出类似的概念，但束屏蔽件具有不同配置。在图26A-26B中，束屏蔽件2504包括多个隔室2520，这些隔室2520的轮廓是半圆形而不是楔形。如图26A中所示，选择性地控制电子束与靶相交的位置可以帮助控制束形成隔室产生相对窄的X射线束2502还是产生相对宽的束2504。当束从束屏蔽件2504的中心线径向向外移动时，产生较宽的束。

图26A中示出的进一步的效果可涉及改变电子束相对于壁元件与靶相交的位置，以有效地提供用于转向所产生的X射线束的方向的另一种方法。当电子束围绕隔室的周边旋转时，X射线束的方向将改变。

现在参考图27，DCTA 2700可包括束屏蔽件2704，束屏蔽件2704包括与靶2702的一个主表面邻近地设置的第一部分2706，以及与靶的相对主表面邻近地设置的第二部分2708。第一部分2706可以设置在真空环境内的漂移管2714的内部，第二部分2708可以设置在漂移管的外部。但是在一些情况下，漂移管2714的主要部分2713可以包括吸收或衰减X射线的材料。在这种情况下，可能希望将包括漂移管的端部2715的材料选择为，与漂移管的主要部分2713相比，对X射线辐射的透射性更高的材料。在这种情况下，可以选择包括端部2715的材料，使得它对X射线是透明的。这种布置可以允许在漂移管2714内发射的那些X射线无衰减地从内部逸出，从而提供期望的治疗效果。

或者，本文所公开的DCTA可以被布置为具有与图19中所示的DCTA 1900类似的配置。DCTA 1900包括管状主体部分1920。该管状主体部分可以在第一端支撑靶1902并且在相对端支撑耦合环1922。束屏蔽件1904的第一部分1906从靶的表面延伸，使得它设置在管状主体部分1920内。耦合环配置成允许DCTA 1900被固定到漂移管(例如，漂移管104)的端部。耦合环可以利于与漂移管的远端的真空密封。因此，管状主体部分1920的内部可以保持在与漂移管内部相同的真空压力。

管状主体部分1920可包括X射线透射材料。因此，形成在管状主体部分内部的X射线束部分基本上不被管状主体部分1920的结构吸收或衰减。可用于此目的的X射线透射材料的例子包括碳化硅(SiC)。如果SiC用于此目的，则由诸如可伐(Kovar)铁镍钴合金的材料形成耦合环1922可能是有利的。为此目的使用可伐合金可以有助于将耦合环钎焊到主体部分。当然，可能存在一些情况，其中希望衰减在管状主体部分1920内部产生的X射线束的部分。在这种情况下，管状主体部分可以改为由对X射线光子具有高吸收性的材料形成。这种对X射线光子具有高吸收性的材料的例子包括铜(Cu)。

尽管已经关于一个或多个实施方式示出和描述了本发明，但是本领域技术人员在阅读和理解本说明书和附图时将想到等同的改变和修改。另外，尽管可能仅关于若干实施方式中的一个公开了本发明的特定特征，但是如对于任何给定或特定应用可能是期望的和有利的，那么这样的特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征组合。

本文使用的术语是出于描述本文描述的系统和方法的特定方面的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。此外，就本详细说明和/或权利要求中使用术语“包括”、“涵盖”、“含有”、“具有”、“带有”或其变体来说，这些术语旨是包括性的，类似于术语“包含”的方式。

除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如在常用词典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不被理解为理想化或过于正式的含义，除非在本文中明确定义。

Claims

1.一种用于控制X射线辐射的方法，包括：

产生电子束；

将靶元件定位在所述电子束的路径中；

作为所述电子束与所述靶元件相互作用的结果，产生X射线辐射；

使所述X射线辐射与设置在所述靶元件附近的束形成器结构相互作用以形成X射线束；和

通过选择性地改变所述电子束与所述靶元件相交的位置来控制所述X射线束的束图案和方向中的至少一个，以确定所述X射线辐射与所述束形成器结构的相互作用。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过用电子束转向单元使所述电子束转向来选择性地改变所述位置。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括在允许所述电子束与所述靶元件相互作用之前，引导所述电子束穿过保持在真空压力的封闭的漂移管的伸长长度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中通过用所述束形成器吸收所述X射线辐射的一部分来利于所述控制操作。

5.根据权利要求4所述的方法，其中选择性地改变所述位置用于间接地控制由所述束形成器吸收的所述X射线束的所述部分。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括使用所述束形成器的至少一个屏蔽壁，将所述靶元件至少部分地分成多个靶元件扇区。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括使用所述至少一个屏蔽壁来形成屏蔽隔室，所述屏蔽隔室，当所述电子束和与所述屏蔽隔室相关联的所述靶元件扇区相交时，至少部分地限制所述X射线辐射的辐射方向的范围。

8.根据权利要求6所述的方法，还包括通过控制所述电子束以在一个或多个所述靶元件扇区中选择性地与所述靶元件相交来确定所述方向。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括通过选择性地选择所述电子束在所述靶元件扇区中的特定一个内与所述靶元件相交的位置来控制所述束图案。

10.根据权利要求8所述的方法，还包括通过选择性地改变当所述电子束与一个或多个所述靶元件扇区相交时使用的EBG电压和电子束停留时间中的至少一个来选择性地控制由所述X射线束在一个或多个不同方向传输的X射线剂量。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括选择所述靶元件，以包括设置在基底上的一层靶材料。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述基底包括金刚石。

13.一种X射线源，包括：

电子束发生器EBG，其被配置为产生电子束；

靶元件，其设置在距所述EBG预定距离处并且定位成拦截所述电子束，所述靶元件响应于所述电子束以产生X射线辐射；

束形成器，其设置在所述靶元件附近，并且包括与所述X射线辐射相互作用的材料以形成X射线束；和

EBG控制系统，其被配置为通过选择性地改变所述电子束与所述靶元件相交的位置来选择性地控制所述X射线束的束图案和方向中的至少一个，以确定所述X射线辐射与所述束形成器结构的相互作用。

14.根据权利要求13所述的X射线源，其中所述EBG控制系统被配置为通过利用电子束转向单元使所述电子束转向来选择性地改变所述位置。

15.根据权利要求13所述的X射线源，还包括设置在所述EBG和所述靶元件之间的漂移管，所述EBG被配置为使所述电子束穿过保持在真空压力的所述漂移管的封闭的伸长长度。

16.根据权利要求13所述的X射线源，其中所述束形成器包括高Z材料，所述高Z材料被配置为吸收所述X射线辐射的一部分以利于所述X射线束的形成。

17.根据权利要求16所述的X射线源，其中所述EBG控制系统通过选择性地改变所述电子束与所述靶元件相交的位置来间接地控制由所述束形成器吸收的所述X射线束的所述部分。

18.根据权利要求16所述的X射线源，其中所述束形成器包括至少一个屏蔽壁，所述屏蔽壁布置成至少部分地将所述靶元件分成多个靶元件扇区。

19.根据权利要求18所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽壁限定多个屏蔽隔室，每个屏蔽隔室被配置为，当所述电子束和与所述屏蔽隔室相关联的所述靶元件扇区相交时，至少部分地限制所述辐射X射线可以辐射的方向范围。

20.根据权利要求18所述的X射线源，其中所述EBG控制系统被配置为通过控制所述多个靶元件扇区中的哪个与所述电子束相交来确定所述X射线束的方向。

21.根据权利要求20所述的X射线源，其中所述EBG控制系统还被配置为通过选择性地控制所述电子束与所述靶元件在一个或多个所述靶元件扇区内相交的位置来控制所述束图案。

22.根据权利要求20所述的X射线源，其中所述EBG控制系统还被配置为通过选择性地改变当所述电子束与一个或多个所述靶元件扇区相交时施加的EBG电压和电子束停留时间中的至少一个来选择性地控制由所述X射线束在由所述靶元件扇区限定的一个或多个不同方向上传输的X射线剂量。

23.根据权利要求13所述的X射线源，其中所述靶元件包括设置在基底上的靶材料。

24.根据权利要求23所述的X射线源，其中所述基底包括金刚石。

25.一种X射线源，包括：

电子束发生器EBG，其设置在真空室中；

漂移管，其限定伸长的中空孔，所述伸长的中空孔形成所述真空室的延伸部并与所述EBG对准，以利于将电子束发送到包括靶和束形成器的方向受控的靶组件(DCTA)；

所述靶包括平面元件，所述平面元件具有横向于所述漂移管的伸长长度设置的至少一个主面，并且包括一层靶材料，当暴露于所述电子束时所述靶材料将产生X射线；

所述束形成器包括至少一个屏蔽元件，所述屏蔽元件横向于所述靶的所述至少一个主面延伸；

电子束转向单元，其响应于控制信号，并且被配置为选择性地改变所述漂移管内所述电子束的方向，从而可以改变所述电子束与所述靶的交叉点。

26.根据权利要求25所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽元件包括吸收至少部分所述X射线的材料，以至少部分地利于控制与所述X射线相关联的辐射图案。

27.根据权利要求26所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽元件是柱。

28.根据权利要求26所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽元件是屏蔽壁，所述屏蔽壁至少部分地将所述至少一个主面分成多个靶区段。

29.根据权利要求26所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽壁从所述靶的中心轴线径向延伸。

30.根据权利要求29所述的X射线源，其中所述至少一个屏蔽壁包括至少第一屏蔽壁和第二屏蔽壁，所述第一屏蔽壁从所述靶的第一主面横向延伸，所述第二屏蔽壁从所述靶的第二主面横向延伸。

31.根据权利要求30所述的X射线源，其中所述第一屏蔽壁和第二屏蔽壁是对准的。

32.根据权利要求25所述的X射线源，其中该层靶材料设置在基底上。

33.根据权利要求32所述的X射线源，其中所述基底包括金刚石。

34.一种用于控制X射线束的方法，包括：

用电子束产生装置产生电子束；和

使所述电子束产生装置产生的电子束电子地转向，以使包含所述电子束的电子在多个位置中选定的一个或多个位置处撞击靶；

使用横向于所述靶延伸的多个壁元件在所述靶处限定一个或多个隔室，所述壁元件布置成在方向上限制由撞击所述靶的电子束产生的X射线；和

通过控制电子撞击所述靶的相对于所述多个壁元件的位置，在多个预定方向中的任何一个方向上选择性地形成X射线束。

35.根据权利要求34所述的方法，还包括通过控制所述电子撞击所述靶的相对于所述多个壁元件的位置来选择性地控制X射线束图案形状。