-
Hintergrund
der Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft allgemein medizinische Vorrichtungen. Im Besonderen
bezieht sich die Erfindung auf Röntgendetektoren
mit Kühlmöglichkeiten.
-
Bildgebende
Elektronik im Inneren von Röntgenstrahldetektoren
erzeugt thermische Energie, die abgeführt werden muss, um die Temperatur
in dem Schaltungsbereich des Röntgengeräts in einem
Betriebsbereich zu halten. Außerdem
muss das Röntgenpanel
während
gewisser Vorgänge,
die eine kontinuierliche Echtzeitbildgabe erfordern, eingeschaltet
bleiben. Der Dauerbetrieb des Röntgenpanels
erfordert aber eine ebenso andauernde Abführung der Wärmeenergie.
-
Lösungsmöglichkeiten
für die
Abführung
von Wärmeenergie
unterliegen weiterhin Zwängen
hinsichtlich der Umgebung, in der die Röntgenstrahldetektoren arbeiten.
Röntgenstrahldetektoren
sind häufig
sowohl umgebungs- als auch größenmäßig gewissen
Einschränkungen
unterworfen. Umgebungsmäßig werden
Röntgenstrahldetektoren
oft in steriler Umgebung, wie etwa in einem Operationssaal betrieben
und im Betrieb in einen sterilen Kunststoffsack oder in einer anderen
abgedichteten Umhüllung
eingeschlossen. Die sterile Umgebung begrenzt auch die Möglichkeit
zur Verwendung einer Zwangsluftkühlung
des Röntgenstrahldetektors. Außerdem isoliert
der sterile Kunststoffsack oder die andere Umhüllung häufig den Röntgenstrahldetektor und führt zu einer
Erhöhung
der thermischen Energie. Dimensionsmäßig ist der Röntgenstrahldetektor
Teil einer Röntgeneinheit,
die oft kompakt und mobil sein muss. Derartige Größenanforderungen
zwingen die Röntgenstrahldetektoren
mit einer eher beschränkten
Luftströmungs-
und einer weniger wirksamen Konvektionskühlung auszurüsten.
-
In
der Vergangenheit erfolgt die Wärmeenergieabfuhr
bei Röntgenstrahldetektoren
durch eine temperaturgeregelte Klimatisierungseinrichtung, die ein
flüssiges
Kühlmittel
durch eine an dem Röntgenstrahldetektor
befestigte kalte Platte strömen
lässt.
Diese Konstruktion vergrößert aber
die Röntgeneinheit
und erzeugt zusätzliche
Probleme hinsichtlich Korrosion und Materialunverträglichkeit.
Außerdem
sind die in Kühlsystemen verwendeten
Flüssigkeiten
häufig
behördlichen
Vorschriften unterworfen, wie etwa denen der Environmental Protection
Agency (EPA), die deren Einsatzmöglichkeiten
in gewissen Fällen
beschränken.
-
Es
besteht deshalb ein Bedürfnis
nach der Kühlung
von Röntgenstrahldetektoren
in einer sterilen Umgebung und in einem örtlich beschränkten Bereich.
-
Kurze Beschreibung
der Erfindung
-
Verfahren
und Vorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung schaffen eine Temperaturregelung für einen Röntgenstrahldetektor selbst
wenn dieser in einer sterilen Umgebung und einem umgrenzten Raum
eingeschlossen ist. Die Röntgenstrahldetektorkühlung wird
unter Verwendung von Festkörpervorrichtungen
implementiert. Daraus ergibt sich, dass ein billigerer Temperaturregler
eine thermische Steuerung der Kühlung
und Erwärmung
der Röntgengerätschaltung
in dem Röntgenstrahldetektor
ermöglicht,
um die. Temperatur in einem akzeptablen Temperaturbereich zu halten.
-
Bei
einer Implementierung bilden zwei thermisch leitende Flächen eine
obere und eine untere Fläche oberhalb
und unterhalb einer Anzahl von thermoelektronischen Vorrichtungen.
Die thermoelektronischen Vorrichtungen erzeugen bei der Zufuhr elektrischer
Energie einen thermischen Gradienten. Wenn eine der thermisch leitenden
Flächen
an einen Röntgenstrahldetektor
angekoppelt ist wirkt die andere als Wärmeableiter. Auf diese Weise
wird eine Temperaturregelung durch eine Steuereinrichtung (Controller)
erzielt, die die Temperatur in dem Röntgenstrahldetektor überwacht
und den Strom und die Spannungspolarität an den thermoelektronischen
Vorrichtungen entsprechend einstellt.
-
Andere
Vorrichtungen und Verfahren, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich für
den Fachmann aus der Betrachtung der nachfolgenden Figuren und der
detaillierten Beschreibung. Auch alle anderen Systeme, Verfahren,
Merkmale und Vorteile, die im Rahmen der Beschreibung liegen, gehören zu der
vorliegenden Erfindung und sollen im Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche liegen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnung
-
Die
Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu,
es wird vielmehr besonderer Wert darauf gelegt, die Prinzipien der
Erfindung zu veranschaulichen. In den Figuren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen in allen verschiedenen Ansichten entsprechende Teile.
-
1 ist
eine Querschnittsansicht einer thermoelektri schen Temperaturvorrichtung,
die an einem zu kühlenden
Körper
befestigt ist,
-
2 ist
eine schematische Veranschaulichung eines thermoelektrischen Temperaturreglers,
der die an einem Röntgenstrahldetektor
befestigten thermoelektrischen Vorrichtung nach 1 beinhaltet,
-
3 ist
eine schematische Blockdarstellung des thermoelektrischen Temperaturreglers
nach 2,
-
4 ist
ein Blockschaltbild einer Schaltung des thermoelektrischen Temperaturreglers
nach 2,
-
5 ist
ein Flussdiagramm für
das Verfahren, das die Temperatur bei dem Röntgenstrahldetektor nach 2 regelt.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Die
Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figuren leichter zu verstehen.
Die Komponenten in diesen Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht;
es wird vielmehr Wert insbesondere darauf gelegt die Prinzipen der
Erfindung zu veranschaulichen. Außerdem bezeichnen in den Figuren
gleiche Bezugszeichen bei allen verschiedenen Ansichten einander
entsprechende Teile.
-
Wenngleich
die Erfindung anhand von verschiedenen speziellen Ausführungsformen
beschrieben wird, so versteht sich doch, dass die Erfindung innerhalb
des Schutzbereichs der Patentansprüche mit einer Reihe von Abwandlungen
ausgeführt
werden kann.
-
In 1 eine
Darstellung einer thermoelektrischen Temperaturvorrichtung 100 (Peltierelement)
veranschaulicht, die an einem kühlungsbedürftigen
Körper 102 befestigt
ist. Die thermoelektrische Temperaturvorrichtung 100 weist
einen elektrischen Isolator 104, ein leitendes Element 106,
einen mit n-Halbleitermaterial dotierten Wismut-Tellurid-Halbleitersubstratmaterialbereich 108 und
einen weiteren Bereich 110 auf, der mit p-Halbleitermaterial
dotiert ist. Jeder der beiden dotierten Halbleitermaterialbereiche 110, 108 steht
mit einer zugeordneten Elektrode 112 bzw. 114 in
Kontakt. Die Elektroden 112, 114 liegen auf einem
weiteren elektrischen Isolator 116, der mit einer Wärmesenke 118 in
Berührung
steht. Eine Batterie 120 liefert der thermoelektrischen
Temperaturvorrichtung 100 Strom Wenn die thermoelektrische
Temperaturvorrichtung 100 mit Strom aus der Batterie 120 beaufschlagt
ist, wird ein Strompfad von der Batterie 120, durch die
Elektrode 114, das p-dotierte Halbleitermaterial 110,
das leitende Element 106, das n-dotierte Halbleitermaterial 108,
die Elektrode 112 und zurück zu der Batterie 120 hergestellt.
Durch den die thermoelektrische Temperaturvorrichtung 100 durchfließenden elektrischen
Strom werden eine heiße
und eine kalte Übergangszone
erzeugt.
-
Die
kalte Übergangszone
tritt bei dem leitenden Element 106 auf und kühlt den
Körper 102.
Wärme wird
zu der heißen Übergangszone,
d.h. dem anderen leitenden Element 116, von der kalten Übergangszone mit
einer Wärmemenge
pro Zeiteinheit gepumpt, die dem die Elektroden 112, 114 durchfließenden Strom
proportional ist. Genauer betrachtet, wird thermische Energie an
dem thermischen Leiter 106 von Elektronen bei deren Übergang
von dem niedrigen Energieniveau in dem pdotierten Halbleitermaterial 110 auf
ein höheres Energieniveau
in dem n-Halbleitermaterial 108 absorbiert. Wird die Stromrichtung
durch die Elektroden 112, 114 umgekehrt, so werden
auch die heiße Übergangszone
und die kalte Übergangszone
gegeneinander vertauscht. Deshalb kann die thermoelektrische Vorrichtung 100 in
einer von zwei Betriebsarten (kühlen
oder heizen), abhängig
von der jeweiligen Richtung des zugeführten Stroms arbeiten. Die
thermoelektrische Vorrichtung 100 ist so veranschaulicht,
dass sie an eine den Strom liefernde Batterie angeschlossen ist.
Bei alternativen Ausführungsformen
können
auch andere Arten stromerzeugender Vorrichtungen eingesetzt werden,
wie etwa ein Generator, ein Wechselstromerzeuger und Solarzellen.
-
Bezugnehmend
auf 2 zeigt diese Figur einen thermoelektrischen Temperaturregler 200,
der an dem Röntgenpanel 208 eines
Röntgenstrahldetektors
befestigt ist. Dem thermoelektrischen Regler 200 wird Strom über den
positiven Spannungskontakt 201 und den negativen Spannungskontakt 202 zugeführt. Der thermoelektrische
Regler 200 steht mit einer kalten Platte 204 und
einer Wärmesenke 206 in
Berührung.
Die kalte Platte 204 besteht aus einem Material, das thermisch
leitend ist, wie etwa Aluminium. Der Raum zwischen der kalten Platte 204 und
der Wärmesenke 206 ist
mit einem thermischen Isolationsmaterial 210 ausgefüllt, das
als Wärmesperre
zwischen der kalten Platte 204 und der Wärmesenke 206 dient.
Eine Wärmeableitplatte 212 kann
mit dem Röntgenpanel 208 in
Berührung
gebracht sein um Wärmeenergie
von dem Röntgenpanel 208 abzuleiten.
Die Wärmeableitplatte 212 kann
aus dem gleichen Material wie die kalte Platte 204 hergestellt
sein. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Wärmeableitplatte 212 aus
einem wärmeleitenden
Keramikmaterial bestehen.
-
Ein
Wärmerohr
(heat-pipe) 214 steht in thermischem Kontakt mit der kalten
Platte 204, während
die Wärmeableitplatte 212 in
thermischen Kontakt mit einen Wärmerohr 216 steht.
Die Wärmerohre 214, 216 stehen
in ähnlicher
Weise in Kontakt miteinander. Von dem Röntgenpanel 208 in
dem Röntgenstrahldetektor
erzeugte Wärmeenergie
wird von der Wärmeableitplatte 212 abgeführt und
durch die Wärmerohre 214, 216 zu der
kalten Platte 204 geleitet. Die kalte Platte 204 und
das Wärmerohr 216 sind
durch eine thermische Isolation 218, 220 gegen
eine Berührung
mit anderen Elektronikelementen 222 thermisch isoliert,
um Wärmeenergie von
dem Röntgenpanel 208 durch
die Wärmerohre
und nicht durch die anderen Elektronikelemente 222 abzuleiten.
Die thermische Isolierung 210, 218 und 220 kann
beispielsweise aus einem Isoliermaterial auf Epoxidbasis bestehen.
Die Wärmerohre 214, 216 können aus
einem thermisch leitenden Material hergestellt sein, das identisch
mit jenem der kalten Platte 204 ist. Bei anderen Ausführungsformen
können
die Wärmerohre
auch aus einem thermisch leitenden Keramikmaterial bestehen.
-
Die
thermoelektrische Vorrichtung 100 ermöglicht eine Ableitung thermischer
Energie von dem Röntgenpanel 208 in
dem Röntgenstrahldetektor,
ohne dass möglicherweise
schädliche
und korrosive Flüssigkeiten
in das Röntgengerät eingebracht
werden müssen.
Die thermoelektrische Vorrichtung 100 gestattet auch die
Konstruktion und Aufstellung einer kompakten Röntgeneinheit, ohne Erhöhung der
Infektionsgefahr für
die Patienten. Außerdem
kann die thermoelektrische Vorrichtung unmittelbar an dem Röntgenpanel 208 befestigt und
so eingestellt werden, dass sie die Temperatur in dem Röntgenstrahldetektor
in einem vorbestimmten Betriebsbereich hält.
-
Zusammen
mit der thermoelektrischen Vorrichtung 100 kann eine von
dem Röntgenstrahldetektor
3m bis 15m entfernte Temperatureinstelleinrichtung verwendet werden,
um die jeweils gewünschte
Temperaturregelung des Röntgenstrahldetektors
zu erzielen. Beispiele einer Temperatureinstelleinrichtung umfassen
einen Kühler
oder einen Wärmetauscher.
Die thermische Verbindung zwischen dem Röntgenpanel 208 in
dem Röntgenstrahldetektor
und der thermoelektrischen Vorrichtung kann mit einem Wärmerohr
oder mit einem anderen gut wärmeleitenden
Material hergestellt sein. Außerdem
kann das Röntgenpanel
von dem übrigen
Kühlsystem im
Wesentlichen isoliert sein, um damit eine zusätzliche Kontrolle der Temperatur
des Röntgenpanels 208 in dem
Röntgenstrahldetektor
zu ermöglichen.
-
In 3 ist
eine Blockdarstellung des thermoelektrischen Temperaturreglers 200 der 2 veranschaulicht.
Eine obere Platte oder Wärmesenke 206 überdeckt
die thermoelektrischen Vorrichtungen 100. Die thermoelektrischen
Vorrichtungen 100 sind durch eine Isoliermaterialschicht
oder eine thermische Isolierschicht 210 umschlossen, die
unter der Wärmesenke 206 liegt.
Wenngleich 3 vier thermoelektrische Vorrichtungen
veranschaulicht, die so angeordnet sind, dass sie den Temperaturregler 200 bilden,
so ist doch zu bemerken, dass bei irgendeiner speziellen Reglerkonstruktion,
entsprechend den vorgegebenen Heiz- oder Kühlbedürfnissen, mehr oder weniger
thermoelektrische Vorrichtungen 100 Verwendung finden können. Die thermische
Isolierschicht 210 isoliert die Wärmesenke 206 thermisch
von der kalten Platte 204. Einige Beispiele für Materialien,
die in der Insolierschicht verwendet werden können, umfassen Keramikund Silikonmaterialien.
Der positive Spannungskontakt 201 und der die negative
Spannungskontakt 202 bilden Strompfade für den den
thermoelektrischen Vorrichtungen 100 zufließenden Strom.
Die Isolierschicht 210 steht gemeinsam mit den thermoelektrischen
Vorrichtungen 100 sowohl mit der Wärmesenke 206 als auch
mit der kalten Platte 204 in Berührung.
-
Bezugnehmend
auf 4 ist dort ein Blockschaltbild 400 einer
Treiberschaltung für
den thermoelektrischen Temperaturregler 200 der 2 veranschaulicht.
Eine Steuerein richtung (Controller) 402 ist mit einem Temperaturfühler 404,
einem Temperaturregler 200 und einer Energieversorgung 408 verbunden.
Die Energieversorgung 408 ist an die Steuereinrichtung 402 und
den Temperaturregler 200 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 402 kann
ein Mikroprozessor oder ein Mikrocontroller sein, der so programmiert
ist, dass er den von der Energieversorgung 408 zu dem Temperaturregler 200 gelieferten
Strom zweckentsprechend einstellt. Bei anderen Ausführungsformen
kann die Steuereinrichtung 402 eine anwendungsspezifische
integrierte Schaltung (ASIC), eine als Controller wirkende diskrete
Logik, in Form von Analogvorrichtungen, die als Controller arbeiten
ausgebildet sein, oder in Form einer Kombination der vorstehend
genannten Einrichtungbeziehungselemente vorliegen, die so ausgelegt
sind, dass sie als Controller arbeiten.
-
Die
Steuereinrichtung 402 kann die von der Energieversorgung 408 erzeugte
und von der thermoelektrischen Vorrichtung 406 empfangene
Spannung umkehren. Bei einer Ausführungsform betätigt die
Steuereinrichtung 402 einen Schalter 410, etwa
ein Relais, um die Spannung zu reversieren. Bei einer alternativen
Ausführungsform
kann eine Festkörpervorrichtung
dazu verwendet werden, die Spannung umzuschalten und die thermoelektrische
Vorrichtung damit von der Kühl-Betriebsart in die
Heiz-Betriebsart umzuschalten. Die Steuereinrichtung 402 kann
in dem Röntgenstrahldetektor
angeordnet oder außerhalb
von dem Röntgenstrahldetektor
vorgesehen sein.
-
In 5 veranschaulicht
ein Flussdiagramm 500 das Verfahren zur Aufrechterhaltung
der Temperatur des Röntgenstrahldetektors
in 2. Das Verfahren beginnt (Schritt 502)
die Steuereinrichtung 402 initialisiert wird (Schritt 504),
nachdem der Röntgenstrahldetektor
mit Energie beaufschlagt wurde. Der Temperatursensor 404 misst
die Temperatur in dem Röntgenstrahldetektor
(Schritt 506). Die gemessene Temperatur wird der Steuereinrichtung 402 gemeldet,
wobei die Steuereinrichtung 402 bestimmt, ob die Temperatur
des Röntgenstrahldetektors
in einem vorbestimmten Betriebsbereich liegt (Schritt 508).
Liegt die Temperatur in dem Betriebsbereich, wird die Temperatur
des Röntgenstrahldetektors
von neuem von dem Temperatursensor 404 gemessen (Schritt 506).
Liegt die Temperatur nicht in dem vorbestimmten Betriebsbereich,
bestimmt die Steuereinrichtung 402 ob eine Erwärmung oder
eine Kühlung
erforderlich ist (Schritt 510).
-
Wenn
eine Erwärmung
erforderlich ist, wird die Spannung entsprechend eingestellt, indem
die an dem positiven und negativen Eingängen der thermoelektrischen
Vorrichtung 406 anliegende Spannung reversiert wird (Schritt 512).
Die Nenneinstellung bei der Spannungspolaritätseinstellung ist so, dass
die thermoelektrische Vorrichtung 406 den Röntgenstrahldetektor
kühlt.
Das Maß der
Kühlung
wird durch entsprechende Einstellung des die thermoelektrische Vorrichtung 406 durchfließenden Stroms
gesteuert (Schritt 514). Erhöhter Strom ergibt eine größere Kühlwirkung.
Wenn Kühlung
erforderlich ist und die Spannung die Nenneinstellung aufweist,
wird der Strom so eingeregelt, dass er die Kühlwirkung entweder verringert
oder erhöht
(Schritt 514). Falls Kühlung
erforderlich ist und die Spannung auf „Heizen" eingestellt ist, wird die Spannung
reversiert. Bei einer alternativen Ausführungsform wird der thermoelektrischen
Vorrichtung 406 ein Konstantstrom zugeführt.
-
In 5 ist
das Verfahren so veranschaulicht, dass es zu einem Stop kommt (Schritt 516).
In der Praxis wird der Vorgang durch Rückkehr zum Schritt 506 kontinuierlich
wiederholt. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Vorgang
in vorbestimmten Intervallen, etwa alle 30s, wiederholt. Bei wieder
anderen Ausführungsformen
kann der Vorgang wiederholt werden, wenn festgestellt wird, dass
eine Temperaturschwelle erreicht ist.
-
Die
vorstehende Beschreibung einer Implementierung der Erfindung dient
lediglich Zwecken der Veranschaulichung und Erläuterung. Sie ist nicht erschöpfend und
bildet keine Beschränkung
der Erfindung auf die speziell geoffenbarte Ausführungsform. Änderungen
und Abwandlungen sind im Lichte der vorstehenden Lehre möglich oder
können
von der Ausführung
der Erfindung herkommen. So beinhaltet z.B. die beschriebene Implementierung
Software, doch kann die Erfindung auch als Kombination von Hardware
und Software oder in Hardware alleine implementiert werden. Zu bemerken
ist, dass die Implementierung sich je nach System ändern kann.
Die Erfindung kann sowohl mit objektorientierten als auch mit nicht
objektorientierten Programmsystemen implementiert werden. Die Patentansprüche und
deren Äquivalente
definieren den Schutzbereich der Erfindung.
-
-
