CN1973585B - 手持x射线设备、x射线分析方法及牙科成像法 - Google Patents

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Abstract

便携式X光设备和这种设备的使用方法。该设备包括一个由内置供电系统(40)供电的X射线管(30)。X射线管用一个含高Z物质的低密度绝缘材料(80)屏蔽。该设备还可包括一个内置式显示组件(70)，使用这些组件，可降低X光设备的尺寸和重量，设备的便携性也得以提高。因此，该便携式X光设备特别适合于对便携性要求比较高的应用，例如现场作业、远程操作和疗养院、家庭保健、课堂教学等移动应用。这种便携性在多科室医疗和牙科诊所中特别有用。在那里，一台X光设备可用于多个诊所，而不需要每个诊所都配备一台。

Description

手持X射线设备、X射线分析方法及牙科成像法
相关申请的交叉参考 
本申请要求2004年2月20日提交的第60/546,575号美国专利的优先权。其全部内容在此引入作为参考。 
技术领域
总体说来，本发明涉及X射线设备及其使用方法；具体来说，涉及X射线设备所用的X射线管；更具体地说，涉及包括内置电源系统的便携式X射线设备、此类便携式X射线设备的使用方法、以及包括此类便携式X射线设备的系统。 
背景技术
人们对常用的X射线管和X射线设备(内置X射线管的设备)的了解和使用有些年头了。遗憾的是，它们通常十分笨重，由沉重的高压电源供电，这限制了其移动性。此外，通常来说，它们很难使用且耗费时间。在许多情况下，必须将分析样本送到远离现场的实验室用X射线设备分析。 
对于内置X射线管的X射线设备的众多广受欢迎的应用来说，这些限制是非常不便的。此类应用包括土壤、水、金属、矿石、井孔等的X射线荧光性(XRF)检测，包括衍射和镀层厚度测量。典型的X射线成像应用要求将需要成像的样本放到X射线设备前。此类限制让开发便携式X射线设备的呼声日益高涨。参阅，例如美国专利6,661,876、6,459,767、6,038,287和6,205,200、美国专利申请公开2003/0048877、2003/0002627和2003/0142788、以及欧洲专利号EP0946082、EP0524064、EP0247758、EP0784965和EP0488991。其全部内容在此引入作为参考。 
许多此类现有设计提高了X射线设备的便携性。但与此同时，此类设计受到几种因素的制约。首先，大部分设计并非真正便携式的，因为它们采用外置电源系统(即需要公共电网提供线电压)。其次，某些便携式设计(特别是XRF系统)采用内置或“集成式”电源系统，此类设计没有X射线成像 应用通常所需的X射线管高电流负载。例如，能量分散式XRF通常要求X射线的射束电流在1毫安以下，而X射线成像应用通常要求在约2毫安以上。第三，此类设计没有配备用来显示X射线分析结果的优质成像显示器。最后，此类设计通常用铅屏蔽X射线管的辐射。铅非常重，限制了设备的便携性。 
图像收集和显示组件进一步限制了高便携性设计。许多便携式设计在放置X射线管的机架或机壳外部配置图像收集组件和图像显示组件。但此类配置增加了设备的尺寸和系统组件的数量，因此降低了设备的便携性。 
发明内容
本发明涉及便携式X射线设备及其使用方法。该设备具有一个由内置式电源系统供电的X射线管。X射线管用一种含高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。该设备也可集成一个显示组件。此类组件降低了X射线设备的尺寸和重量，设备的便携性也得以提高。因此，便携式X射线设备特别适合于对便携性要求比较高的应用，例如现场作业、远程操作、以及诸如疗养院、家庭保健或课堂教学等移动应用。在多科室医疗和牙科诊所中，这种便携性特别有用。在那里，一台X射线设备可用于多个诊室，而不是每个诊室一台。 
附图说明
对本发明的下述说明可根据图片来理解，其中： 
图1-2从本发明的一个方面说明X射线设备； 
图3从本发明的另一方面说明X射线设备； 
图4从本发明的又一方面说明X射线设备； 
图5从本发明的一个方面说明X射线管和X射线设备的电源； 
图6-7从本发明的一个方面说明X射线设备的电源、以及电源与X射线设备的连接方法； 
图8从本发明的一个方面说明X射线设备的X射线管，以及； 
图9说明传统配置中的传统X射线管； 
图1-9说明本发明的某些方面，是说明书的一部分。图中为清楚起见可能将组件的厚度和配置放大显示。不同附图中的相同编号代表相同的组件。上述图片和下述说明一起展示并解释本发明的原理。 
具体实施方式
以下说明详细说明本发明的某些方面，以便对本发明有透彻的理解。但本领域技术人员都知道，没有此类具体说明也可以实施本发明。事实上，通过修改本文所述的方法和由此生成的产品，也可实施本发明，本发明可以与业内常用的仪器和技术一起使用。尽管本文将本发明描述为用于牙科应用的X射线成像，但也可用于其他医疗应用，如医学成像、兽医和骨密度计量。此外，还可用于非牙科和非医学应用，如工业成像、金属疲劳检测、针对裂缝/虚焊和缩孔的焊接检查、以及对包裹和手提行李进行随机检查的安检等。 
如上所述，本发明包括一台便携式X射线设备。该设备主要用于远程用途和/或应用，包括多科室医疗。X射线设备可设计为手持式或临时固定在某个位置上，例如安装在三脚架上。此外，本发明也可安装在任何其他半稳定仪器上，如常见于放射性应用并在上述出版物中有所描述的铰接臂或C型臂。X射线设备的便携性体现在可以用手从一个位置移到另一个位置，而无须借助任何机械设备。最重要的是，由于内置电源系统，设备的使用位置不受任何外部固定电源，如家庭或办公室常用的、由公共电网提供的交流电的约束。对外部电源的独立性是上述便携式X射线设备的主要特性。 
如图1-2所示，本发明的X射线设备10包括一个机壳或机架20，用来放置设备所有的内部组件。机壳20内置一个X射线管30，以产生X射线。X射线设备10包括一个电源系统(包括电源40)，为设备10提供电源，以及用于敏感X射线的装置，如胶片、CCD传感器或成像板(没有标注)。X射线设备10还包括显示分析结果的组件，如图4所示的内置图像显示屏60、控制组件如控制器70、以及保护设备操作人员免受试样后向散射线辐射的屏蔽80。X射线设备10还包括保证操作效率的本领域已知的任何其他组件(如X射线准直器32)，也包括上述文档中描述的那些组件。 
X射线设备10包括一个独特的X射线设备供电系统。该供电系统包括电源40、电源34和转换器。本发明的X射线设备所用的电源40可以是提供所需电量的任何已知电源，只要符合X射线设备的尺寸限制即可。从一个方面来说，本发明由电池供电，如14.4V NiCd蓄电池组。可以用任何适当的方式给电源充电，如使用可充电电池时将其连接到适当的电源电压。 
从一个方面来说，可以从X射线设备10的其他部分卸下电源40。就 这方面而言，电源40还包括将电源40连接到X射线设备10的机械和电气连接装置。电气和机械连接装置可以是任何本领域已知的装置。如图6所述，电气连接装置包括一个上部带有电气连接器42的伸缩件41，机械连接器则由释放机构43a组成。 
如图7所示，X射线设备10包括一个锁紧机构43b。要将电源40连接到X射线设备10，请将电源40轻轻推入X射线设备10的手柄15的底部。完全连接后，电气连接器42即与X射线设备10的内部电子元件连接。锁紧机构43b自动啮合，将连接到X射线设备10的电源40锁紧就位。要拿掉电源40，需要启动释放机构43a释放锁紧机构43b，然后将电源40从手柄15轻轻滑出。 
电源40采用任何本领域已知的电气连接方式电气连接到转换器，包括上述出版物所述的方式。转换器将电源40提供的初始电压转换为供电源34使用的转换电压。转换器通常将电源40提供的14.4V(或类似电压)转换为大约80-200V的转换电压。就本发明而言，初始电压被转换为大约100V的转换电压。以这种方式转换电压的任何本领域已知转换器都可以用在本发明中，包括电源控制板36。 
转换器采用电气方式连接到电源34，电源34将转换器提供的转换电压(譬如说100V)提升到X射线管30可用的电压。电源34产生的功率以及通过连接器35输入X射线管30的电流(如图8所示)，取决于X射线管的工作功率，取决于电源可提供的最大功率。通常，电源34向X射线管30提供的功率在大约20-150kV之间，电源提供的此类功率一般在大约40-100kV之间。 
根据本发明的一个方面，采用多个独立电源系统集中供电的方式。独立电源系统的数量取决于X射线管所需的电压、电源34所需的空间、电源可提供的总功率、以及X射线管的电子加速栅极数。本发明采用两个独立电源系统集中供电(即图5的45和46)，其中，电源45为正极提供正电压，电源46为阴极提供负电压。 
每个独立电源系统提供的功率取决于所用的独立电源系统的数量、电源可提供的最大功率、以及X射线管的热扩散能力。通常，每个独立电源系统提供的功率等于X射线管的总工作功率除以独立电源系统数。例如，每个独立电源系统(总共两个)提供的功率在大约20-50kV之间。根据本发 明的一个方面，每个独立电源系统(总共两个)提供的功率在大约+35kV至-35kV之间。具体来说，+35kV连接到X射线管的阳极，-35kV连接到X射线管的阴极。阴极电源包括一个灯丝变压器，负责向X射线管的灯丝提供电流，并在射线管阴极处产生电子束。因此，电源产生的总功率等于单独的阳极电源和单独的阴极电源的功率总和。 
采用此类单独的低压电源时，X射线管30的便携性更佳。传统X射线管的工作电压相当高(70kV或更高)。因为电压如此之高，再加上需要绝缘高电压，传统的X射线管300通常浸没在液体密封管套306的绝缘油302(或类似材料)中，如图9所示。绝缘油302还具有消散操作中产生的高温的优点。通过将所需的工作电压分由两个(或更多)独立电源系统提供，每个独立电源系统只需提供(也只需绝缘)一半的高电压。 
由于这种较低的电压，本发明的X射线管30可以用高密度油之外的其他材料进行封装。这些材料只需绝缘按比例降低的电压即可，例如只需绝缘一半的绝缘油所绝缘的电压，因为产生的电压约为传统射线管所用电压的一半。可采用这种绝缘方式的任何已知材料都可以用于本发明，包括低密度材料如绝缘凝胶、硅橡胶、环氧树脂及其组合物。绝缘材料以绝缘材料层33的形式提供，它基本上密封了X射线管30，除了射线管实际放射X射线(即进入X射线准直器32)的部分除外。 
绝缘材料层33的厚度只要能满足上述目的即可。通常，绝缘材料的厚度在大约1/4-1英寸之间。根据本发明的一个方面，如使用硅橡胶，绝缘材料的厚度在大约1/3-1/2英寸之间。根据本发明的一方面，绝缘材料包括X射线管外面涂的两层绝缘材料。第一层由一种绝缘材料组成，第二层由另一种绝缘材料组成。 
消除了使用高密度油的需要，从而大幅度降低了设备的重量。另外一个优势是不需要用液体密封管套306盛放液体油302。事实上，当使用诸如硅橡胶之类的固体材料时，是不需要使用任何管套的，即便有可供选择的管套。根据本发明的一方面，通过不使用管套，而使用与X射线管形状一致的硅橡胶，绝缘材料的总体积会大幅度减少。 
如图9所示，传统的X射线管300也还包括一个屏蔽装置，用于吸收X射线管放射的杂散X射线。该屏蔽装置通常用铅制成，并结合在液体密封管套306中。使用铅是因为它有极好的X射线吸收特性。但铅屏蔽非 常重，制约了X射线设备的便携性。本发明的X射线设备不使用此类铅屏蔽，减少了X射线设备所需的额外组件，从而提高了便携性。代替的是，绝缘材料(如硅橡胶)内部散布着一种高Z介质。高Z介质吸收任何放射的杂散X射线。可使用任何本领域已知的高Z介质，包括Pb、W、Ta、Bi、Ba化合物或其组合。 
绝缘材料中的高Z介质的浓度以能够吸收预计数量的杂散X射线为宜。通常，高Z介质的浓度在大约30wt％-60wt％之间。根据本发明的一方面，高Z介质的浓度在大约45wt％-50wt％之间。根据本发明的一方面，绝缘材料还包括已知的优化导热性的物质，如金属颗粒或高导热性材料内含物。 
本发明的X射线设备可选地包括一个操作人员屏蔽装置80。操作时，X射线通常从分析对象，如患者的牙齿背向散射，使操作人员受到辐射。屏蔽装置80使操作人员免于此类杂散辐射。根据本发明的一方面，采用填充了铅的丙烯酸射线散射屏蔽装置。 
本发明的X射线设备还包括设备操作控制器，任何本领域已知控制器都可用于本发明。标有上下箭头的膜片开关即为此类控制器之一，该开关配备一个调整照射时间的LED读数器。相应的指示器包括“power on”(接通电源)、“start”(开始)和“X-rays on”(X射线开启)LED。如图1所示，本发明将控制装置(控制器70)集成到机壳20中。另一方面，控制装置(如控制器76)外置于设备，用任何已知的电子连接器与设备的其余部分相连，如电缆72(见图3)。在上述两种情况中，控制装置还包括一个内置于手柄15、被操作人员用于启动(或结束)X射线照射的触发器74。本发明还包括X射线传感装置。 
本发明还包括X射线传感装置。对X射线辐射敏感的任何本领域已知传感装置都可用于本发明。此类检测装置的例子包括X射线接收器、X射线胶片、CCD传感器、CMOS传感器、TFT传感器、成像板和图像增强器。根据本发明的一方面，本发明的X射线设备将CCD传感器50作为检测装置。 
X射线设备还可以包括用于显示检测装置检测到的X射线的显示装置，以操作人员可以理解的方式显示检测到的X射线的任何显示装置都可用于本发明。可用的显示装置例子包括胶片、成像板、以及诸如阴极射线管 (CRT)或液晶显示屏(LCD)之类的数字图像显示器。根据本发明的一方面，显示装置可用作测量X射线吸收的光密度计。 
根据本发明的一方面，显示装置内置于X射线设备的机壳中。但这种做法会限制显示装置的尺寸，因为尺寸太大的显示装置会降低设备的便携性。就本发明而言，具有足够分辨率的任何小型显示装置均可用于本发明，包括液晶显示屏(LCD)60。 
另一方面，本发明的显示装置外置于X射线设备，此时可采用适合于大型应用(如医学或兽医成像)的单独成像板(如CMOS或TFT板)。单独成像板可连接到本领域已知X射线设备的其余部分。 
根据本发明的一方面，X射线设备10可能包括集成的传感装置(如CCD传感器)和集成的显示装置(如LCD显示屏60)，以便将尺寸减至最小并优化X射线设备的便携性。可用上述两种组件在X射线设备中临时存储图像。达到此类临时图像的存储容量后，可用可选式有线或无线连接装置无缝升级至外置式电子存储系统，如永久性数据库或已知的个人计算机。有线或无线连接可做成本领域熟悉的方式。根据本发明的一方面，采用无线连接，因为它提供真正的便携性，无须线电压。 
可以按照任何方式制作本发明的X射线设备，只要为设备提供上述配置的组件即可。机壳、X射线管、传感装置、显示装置、控制装置、射线屏蔽器、电源和转换装置均可按本领域已知的方式、按以上公开的出版物所述的方式提供。将所需数量的高Z物质(如重金属氧化物)混合到绝缘材料(如将硅树脂的A和B两种成分混合在一起制成的硅灌注材料)里，即可制成绝缘材料。生成的混和物彻底混合，均匀分布在X射线管上，如倒入密封模具中，用这种方法，使包括高Z物质的绝缘材料均匀分布在X射线管四周。 
提供电源时，将就两个独立电源系统的过程分别说明。配置电源时应使每个电源的接地端靠近X射线管的中心。其中一个电源向X射线管的一端提供正电压，另一个向X射线管的另一端提供负电压。在此配置中，可沿着X射线管的整个长度将最大电压(即正负电压之和)与每个独立电源系统绝缘，对地绝缘只为总电压的一半。因此，绝缘路径也只需一半长。 
可以按能提供X射线图象的任何方式操作X射线设备。一方面，可以按下列方式操作本发明的X射线设备10(或110)：首先，按下控制装 置上的适当按钮打开设备。设置照射时间后，按下“使能”按钮。该“使能”按钮起到安全开关的作用，避免在操作员将设备固定在正确的位置并准备按下触发器之前启动X射线辐射。 
然后按下触发器或“开始”按钮，电源34提供的高电压(HV)将升至大约70kV(即一个电源约为+35kV，另一个约为-35kV)。达到这一高电压后，灯丝将按其完全设定值(full setpoint)供电，向X射线管提供所需的放射电流。在操作人员指定(比如，用控制器指定)的时间内，灯丝都将保持这一电压。按下触发器时，控制装置LED的开始指示器会亮起。在向X射线管提供放射电流的整个时间段内，控制装置LED的“X射线开启”指示器会一直亮着。此外，可用一个听得见的信号表示正在放射X射线。 
在按下触发器74后的照射过程中，X射线管30发射X射线并照射分析对象，当用于牙科用途时，其比如患者的牙齿。为符合X射线设备的标准，在整个照射过程中，按钮或触发器74(或174)必须一直按着。在照射过程中，人们如本领域已知那样通过检测装置用X射线分析对象。操作人员可以用显示装置查看分析结果，可以选择将图像下载到外部电子设备。 
用X射线照射患者后，灯丝将和“X射线开启”指示器一起关闭，HV也将下降。HV降低后，控制器LED的开始指示器将熄灭，X射线设备也将恢复待机状态。根据本发明的一方面，操作人员可能需要在启动下次照射前重新设置照射时间。设定照射时间后，完成重新设置过程，控制装置LED的“就绪”指示器点亮。 
可以修改本发明的X射线设备，以包括其他可选功能，包括上述出版物所述的任何功能。例如为延长电池寿命，可以为X射线设备配备自动关闭模块。两分钟内没有X射线照射的，该模块将关闭X射线设备。可增加的另一个功能是用耐冲击性较好的材料(如专为抵抗重载冲击设计的ABS或其塑料合金、或其他材料)制造机壳或机架20(或120)，以减少损坏的风险。 
本发明的X射线设备也可作为X射线分析系统的一部分。该系统可以包括任何辅助X射线设备操作或X射线分析的组件，包括上面提及的那些，如存储X射线图像的外部存储设备。此外，该系统还可以配备一个硬壳手提箱、一个“工业强度”三脚架、一根连接到遥控器面板76的三米长操 纵电缆、或其他类似组件。系统还可以配备一个备用电源40。最后，还可以为系统配备上述出版物所述的任何组件。 
相对于传统设备，本发明的X射线设备有好几项改进。首先，本发明的X射线设备内置一个电源系统。该系统可以由电池供电，但仍然可以提供连续高电压，而不同于脉冲式MarX发电机或电容脉冲系统。X射线设备因此得以保持连续的直流高压供电，还可以借助每次高电流放电产生几秒钟的高电压。电池的高存储容量允许放电几百次，每次持续几秒钟，电流在大约10-20安培之间。对于大部分应用(包括牙科应用)，本发明的X射线设备每次照射所需的时间不足一秒。 
但是，大部分传统的X射线设备采用外置电源。即使是那些确实配备内置电源系统的传统X射线设备，仍然无法提供上述大电流负载。因此，本发明的电源系统可提供恒定的放射输出，图像质量得以改善，也减少了照射对象(如患者)的X射线剂量。 
本发明的X射线设备的另一项改进是X射线管屏蔽装置。传统的X射线管采用液体油密封和铅屏蔽，这两者都庞大而沉重。本发明的X射线管屏蔽装置不采用这两个组件，而是采用包括高Z物质的低密度绝缘材料，从而减少了材料的数量，通常也能降低设备的重量。 
除了上述任何变化外，本领域技术人员还可以设计其他众多修改和其他安排，而不会偏离本发明的精神和范围。随附的权利要求书旨在覆盖此类修改与安排。因此，在上文结合目前被视为最实用、最优选的方面描述本发明的特征和细节时，对本发明的众多修改，包括但不限于对形式、功能、操作和使用方式的修改不会偏离本文阐述的原则和概念。对本领域技术人员来说，这一点是显而易见的。 

Claims (25)

1.一种在操作过程中能够手持的X射线设备，包括：
机壳；
X射线源，其由一内置的电源系统供电，所述电源系统容纳在所述X射线设备中；以及
在操作过程中容纳在所述X射线设备内的电源；
其中，所述X射线设备具有射线照相成像所需的高电流负载。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，电源系统包括多个低压电源。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间。
4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，电源系统提供连续高压直流电。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括一个内置显示装置。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，X射线源用低密度绝缘材料屏蔽。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，低密度绝缘材料包括硅树脂或环氧树脂。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，屏蔽材料包括高Z物质。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，高Z物质包括Pb、W、Ta、Bi、Ba或其组合物。
10.一种在操作过程中能够手持的X射线设备，包括：
机壳；
用低密度绝缘材料屏蔽的X射线源，以及
一个内置的电源系统，所述电源系统容纳在所述X射线设备中；
在操作过程中容纳在所述X射线设备内的电源；
其中，X射线设备具有射线照相成像所需的高电流负载。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，电源系统包括多个低压电源，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间。
12.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，低密度绝缘材料包括硅树脂或环氧树脂。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，屏蔽材料包括高Z物质。
14.一种X射线分析系统，所述系统包括一台具有高电流负载的在操作过程中能够手持的X射线设备，该X射线设备包括：
机壳；
一个X射线源和一个内置的电源系统，所述电源系统容纳在所述X射线设备中，以及
在操作过程中容纳在所述X射线设备内的电源。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，电源系统包括多个低压电源，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，X射线源用包括高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。
17.一种高电流负载X射线设备的制作方法，其中，该X射线设备在操作过程中能够手持，所述方法包括：
提供机壳；
提供X射线源，以及
提供一个内置的电源系统，所述电源系统容纳在所述X射线设备中，以及
在操作过程中提供容纳在所述X射线设备内的电源。
18.根据权利要求17所述的方法，包括：
提供具有多个低压电源的电源系统，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间，以及
提供X射线源，其具有包括高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。
19.一种X射线分析法，包括：
提供一台具有高电流负载、具有机壳、一个X射线源和一个内置的电源系统的在操作过程中能够手持的X射线设备，其中，所述电源系统容纳在所述X射线设备中，以及
在操作过程中提供容纳在所述X射线设备内的电源，并用内置电源系统启动X射线源。
20.根据权利要求19所述的方法，包括：
提供具有多个低压电源的电源系统，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间，以及
提供X射线源，其具有包括高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。
21.牙科成像法，包括：
提供一台具有射线照相成像用的高电流负载的在操作过程中能够手持的X射线设备，所述设备包括机壳、一个X射线源和一个内置的电源系统，其中，所述电源系统容纳在所述X射线设备中，以及
在操作过程中提供容纳在所述X射线设备内的电源，并用内置电源系统启动X射线源，让X射线照射患者的牙齿。
22.根据权利要求21所述的方法，包括：
提供具有多个低压电源的电源系统，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间，以及
提供X射线源，其具有包括高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。
23.一种在操作过程中能够手持的X射线照相机，包括：
机壳
X射线源，以及
内置的电源系统，所述电源系统容纳在所述X射线设备中；以及
在操作过程中容纳在所述X射线设备内的电源；
其中，X射线设备具有射线照相成像所需的高电流负载。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，电源系统包括多个低压电源组成，每个电源提供的电压在大约20-50kV之间，以及X射线源，其具有包括高Z物质的低密度绝缘材料屏蔽。
25.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，屏蔽材料包括Pb、W、Ta、Bi、Ba或其组合物。
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