DE60311440T2

DE60311440T2 - Miniaturröntgenquelle

Info

Publication number: DE60311440T2
Application number: DE60311440T
Authority: DE
Inventors: Johann Kindlein
Original assignee: Nucletron Operations BV
Current assignee: Nucletron Operations BV
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2023-07-01
Also published as: ES2279058T3; EP1494260B1; AU2004202248B2; EP1494260A1; ATE352861T1; CA2472861A1; DE60311440D1; US20050031083A1; AU2004202248A1; US7016471B2; JP2005026227A; JP4659399B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung, die mit einem distalen Ende von einem Führungsdraht verbunden ist zum Zwecke eines Einführens zu einem erwünschten Ort innerhalb eines tierischen Körpers für ein Bewirken einer Strahlungstherapie, wobei die Röntgenstrahlungsvorrichtung zumindest folgendes aufweist:
eine Vakuumröhre, die eine Kathode und eine Anode enthält, die unter einem bestimmten Abstand voneinander beabstandet sind;
eine Emittiereinrichtung für ein Emittieren von freien Elektronen in der Kathode;
eine Elektrofeldeinrichtung für ein während der Anwendung einer Hochspannung erfolgendes Aufbringen eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Anode zum Beschleunigen der emittierten freien Elektronen zu der Anode hin;
ein Gettermaterial, das in einem von dem Hochspannungselektrofeld freien Bereich in der Vakuumröhre angeordnet ist;
wobei die Vakuumröhre zumindest teilweise gegenüber der Röntgenstrahlung, die durch die Anode emittiert wird, transparent ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Erzeugung von Röntgenstrahlen für medizinische Zwecke und insbesondere bezieht sie sich auf eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung für eine intravaskuläre Behandlung von Läsionen in einem Körpergewebe insbesondere zur Behandlung von Stenose in Koronargefäßen (Herzgefäßen) und die Behandlung von Krebstumoren.
Die Strahlungstherapie ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Behandlung von unterschiedlichen Krankheiten inklusive Krebs. Die vermutete Nützlichkeit einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung ist offensichtlich. Das Einführen einer derartigen Quellenvorrichtung in Gefäße oder andere Körperhohlräume würde ermöglichen, dass die gelieferte Strahlungsdosis einem kleinen Gewebebereich auferlegt wird. Genauer gesagt könnte ein Katheter mit einer klein gestalteten Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung für eine Bestrahlung von kardiovaskularem Gewebe verwendet werden.
Eine derartige Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung ist beispielsweise aus der internationalen Patentveröffentlichung Nr. WO 01/18 842 A1 bekannt. In dieser Patentveröffentlichung ist eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung offenbart, die eine kompakte Vakuumröhrenbaugruppe, die eine Kathode und eine Anode enthält, die innerhalb der Vakuumröhre bei einem bestimmten Abstand voneinander positioniert sind, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Hochspannungsfeldes zwischen der Anode und der Kathode, um eine Hochspannung zu der Anode zu liefern, und ein Gettermaterial hat, das innerhalb der Vakuumröhre angeordnet ist, um eine erforderliche Vakuumhöhe oder Unterdruckhöhe zu halten, die für einen sauberen Betrieb der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung erforderlich ist.
Die Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung arbeitet, indem eine Hochspannung zwischen der Anode und der Kathode angelegt wird, um die freien Elektroden, die durch die Kathode emittiert werden, zu der Anode hin zu beschleunigen. Aufgrund dieses beschleunigten elektrischen Hochspannungsfeldes zwischen der Kathode und der Anode treffen die Elektroden an der Anode mit einer außerordentlich hohen Geschwindigkeit auf und erzeugen in dem Anodenmaterial eine Röntgenstrahlung, die eine außerordentlich hohe Energiehöhe hat, durch die Kollisionsanregung der Atome innerhalb des Anodenmaterials. Die Röntgenstrahlung wird von der Vakuumröhre zu dem Gewebe des Patienten, das die Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung umgibt, emittiert, um beispielsweise Krebstumore mittels der Strahlungstherapiebehandlung zu behandeln.
Um ein effizientes Beschleunigen der freien Elektroden, die von der Kathode emittiert werden, zu der Anode sicherzustellen, ist eine außerordentlich niedrige Vakuumhöhe innerhalb der Vakuumröhre erforderlich. Eine außerordentlich niedrige Vakuumhöhe ist außerdem erforderlich, um eine Gasentladung der Gasmoleküle zu verhindern, die noch in der Vakuumröhre vorhanden sind, oder um das Ausbilden eines elektrischen Bogens innerhalb der Vakuumröhre zu vermeiden. Des Weiteren ist eine totale Zerstörung der Baugruppe ebenfalls möglich.
Um diese Probleme bei der bekannten Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung zu vermeiden, ist diese mit einem Gettermaterial versehen, das innerhalb der Vakuumröhre und vorzugsweise an einem Ort positioniert ist, der von dem Einfluss des elektrischen Hochspannungsfeldes entfernt ist, das zwischen der Anode und der Kathode angewendet wird. Das bekannte Gettermaterial hat eine Aktivierungstemperatur, bei der es mit Streugasmolekülen innerhalb der Vakuumröhre der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung reagieren wird. Beispielsweise hat das Gettermaterial der Legierung SAES ST 707 eine Aktivierungstemperatur von 400° bis 500°C. Diese Legierung besteht aus 24,6% Vanadium, 5,4% Eisen, 70% Zirkonium.
Bevor das Gettermaterial aktiviert wird, wird es mit einer Oxidationslage bedeckt, die das Gettermaterial von der Umgebung bei normalen Bedingungen abschirmt. Wenn das Gettermaterial auf seine Aktivierungstemperatur in einem Vakuum erwärmt wird, diffundiert die Oxidationslage in das Innere von dem Gettermaterial, wobei die Aktivgetteroberfläche freigelegt wird, die mit einem beliebigen noch in dem Vakuum vorhandenem Streugasmolekül reagieren wird und eine Verbindung eingehen wird. Das Gettermaterial beseitigt daher die Streugasmoleküle, wodurch die Qualität von dem Vakuumniveau innerhalb der Vakuumröhre auf bis zu 10^–7 bis 10^–8 Torr verbessert wird.
Jedoch ist es erforderlich, das Gettermaterial innerhalb der Vakuumröhre an einem Ort anzuordnen, an dem kein elektrisches Feld zwischen der Anode und der Kathode abgegeben wird. Ein im Wesentlichen von einem elektrischen Feld freier Ort des Gettermaterials ist erforderlich, da daher das Gettermaterial nicht irgendwelche internen elektrischen Probleme aufzeigen würde, die mit der Oberflächenbogenbildung (Oberflächenentladung) oder einer Verminderung im Zusammenhang stehen.
Schließlich ist, um aus der Anwendung eines Gettermaterials im Inneren der Vakuumröhre zum Verbessern des Vakuumniveaus im Inneren und auch zum Vermeiden von jeglichen elektrischen Problemen, wie dies vorstehend erwähnt ist, Nutzen zu ziehen, und um eine verbesserte Miniaturröntgenstrahlungsröhrenquellenvorrichtung mit verringerten Konstruktionsmaßen zu erhalten, gemäß der vorliegenden Erfindung die Kathode so angeordnet, dass das Gettermaterial von dem elektrischen Hochspannungsfeld abgeschirmt ist.
Durch diese Merkmale ist es möglich, das Gettermaterial im Inneren der Vakuumröhre zu positionieren, wobei es von dem elektrischen Hochspannungsfeld mittels der Kathode abgeschirmt ist. Eine bedeutsame Verringerung der Konstruktionsmaße wird somit erzielt, was eine weitere Kleingestaltung der bekannten Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung ermöglicht, wobei somit das Positionieren einer derartigen Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung innerhalb des Körpers des Patienten weiter verbessert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, das kein Teil der beanspruchten vorliegenden Erfindung bildet, ist die Kathode zwischen dem Gettermaterial und der Anode angeordnet, wobei des Weiteren die Kathode zumindest teilweise das Gettermaterial bedeckt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das eine noch effizientere Anwendung des Innenraums der Vakuumröhre aufzeigt, ist die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine längliche Form mit einem polygonalen Querschnitt hat und dass das Gettermaterial innerhalb der Kathode angeordnet ist, wobei das Gettermaterial durch die Kathode gestützt ist und elektrisch von dieser isoliert ist. Diese letztgenannten Merkmale stellen ein vollständig elektrisch isoliertes Gettermaterial innerhalb der Kathode gemäß dem Prinzip eines Faradayschen Käfigs sicher.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel hat die länglich geformte Kathode einen kreisartigen oder ovalen Querschnitt.
Bei all diesen Ausführungsbeispielen kann das Gettermaterial stabförmig sein.
Diese Merkmale verringern wesentlich die Konstruktionsmaße der Vakuumröhre und folglich die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung, wobei das Einführen und Versetzen einer derartigen Vorrichtung in einem Körper eines Patienten verbessert wird. Außerdem wird das Auftreten von jeglichen inneren elektrischen Problemen hierbei vermieden. Darüber hinaus wird bei diesen Ausführungsbeispielen eine bedeutsame Vergrößerung der Gettermaterialoberfläche erzielt, was zu einer verbesserten Kapazität zum Beseitigen von Streugasmolekülen führt, die noch in der Vakuumröhre vorhanden sind.
Um einen sauberen Kontakt zwischen dem Gettermaterial und der Vakuumkammer innerhalb der Vakuumröhre gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sicherzustellen, ist die Kathode mit zumindest einer Öffnung versehen, wobei bei einem noch ausgeklügelteren Ausführungsbeispiel die Kathode aus einem Gittermaterial hergestellt ist.
Ein robusterer Aufbau wird erzielt, da bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel das Gettermaterial durch die Kathode gestützt ist.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel von der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kathode von einer Feldemissionsart mit einem ferroelektrischen Elektronenemittiermaterial.
Vorzugsweise ist das ferroelektrische Elektronenemittiermaterial zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrone positioniert, wobei beide Elektroden mit einer Antriebsspannung verbunden sind, wobei bei einem Ausführungsbeispiel die obere Elektrode als ein elektrisch leitfähiges Blatt aufgebaut ist, das mit einer großen Anzahl an Öffnungen versehen ist, die als Emissionslöcher für die emittierten freien Elektronen dienen.
Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist die obere Elektrode als zumindest ein elektrisch leitfähiger Rahmen aufgebaut, in dem in einer großen Anzahl scheibenförmige Elemente an dem ferroelektrischen Elektronenemittiermaterial fixiert sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Elektronenemittiermaterial von einer Kaltkathodenart, das aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgebildet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel, bei dem die Kathode eine so genannte Kathodenart ist, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgebildet ist, sind die Kohlenstoff-Nanoröhren Monowandnanoröhren oder die Kohlenstoff-Nanoröhren sind ausgerichtete Mehrwand-Nanoröhren (multi-wall-Nanoröhren). Bei beiden Ausführungsbeispielen können die Kohlenstoff-Nanoröhren zufällig formierte Nanoröhren sein.
Im Gegensatz zu radioaktiven Quellen würde eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung elektronisch ein- und ausschaltbar sein. Darüber hinaus würde die Energie ihrer Strahlung sich durch die Spannung zwischen den Elektroden ergeben. Da die Eindringtiefe der Röntgenstrahlen in das Gewebe von der Röntgenstrahlungsenergie abhängig ist, kann die optimale Tiefe erzielt werden, indem die entsprechende Elektrodenspannung angelegt wird.
Insbesondere bei Brachytherapiebehandlungen werden Radioaktivbehandlungsquellen zu einem erwünschten Ort innerhalb des Körpers des Patienten hin implantiert. Derartige Radioaktivbehandlungsquellen, die beispielsweise aus Quellen Ir-192 bestehen, emittieren Strahlung dem Prinzip eines natürlichen radioaktiven Zerfalls folgend. Jedoch weist die Anwendung von einem Radioisotop als eine Energieausgabequelle zum Ausführen einer Strahlungstherapie im Inneren des Körpers eines Patienten, wie beispielsweise eine Quelle Ir-192, bestimmte Nachteile im Hinblick auf die Handhabung, das Unterbringen der Radioaktivbehandlungsquelle zum Zeitpunkt des Ausführens der Strahlungstherapie und auch im Hinblick auf das Entsorgen des radioaktiven Materials nach der Anwendung auf. Darüber hinaus macht die Anwendung von Radioaktivbehandlungsquellen eine außerordentlich hohe Sorgfalt erforderlich, um ein gefährliches Aussetzen des medizinischen Personals und des Patienten gegenüber der radioaktiven Bestrahlung zu vermeiden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung strebt an, diese Nachteile in Verbindung mit der Anwendung von radioaktiven Quellen zum Ausführen von Strahlungstherapiebehandlungen zu überwinden, und soll eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung so schaffen, die eine Strahlungsdosisverteilung hat, die ähnlich derjenigen einer zylindrischen Radioaktivbehandlungsquelle ist, wie beispielsweise eine Strahlungsbehandlungsquelle Ir-192.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhre eine distale Endseite aufweist, wobei die Innenfläche von der distalen Endseite ebenfalls mit dem Anodenmaterial versehen ist, und wobei ein Teil von dem Elektronenemittiermaterial der Kathode der distalen Endseite zugewandt ist.
Durch diese Merkmale wird die Strahlung von dieser neuen Art an Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung an der gesamten Außenfläche der Vakuumröhre und nicht nur durch einen begrenzten Bereich emittiert. Durch die Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Röntgenstrahlungsdosisverteilung erzielt, die ähnlich derjenigen einer Radioaktivbehandlungsquelle ist, wie beispielsweise eine Strahlungsbehandlungsquelle Ir-192.
Bei diesem spezifischen Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Kathode röhrenartig geformt mit einem distalen freien Ende, das mit dem Elektronenemittiermaterial versehen ist, wobei dieses zu der distalen Endseite von der Vakuumröhre gerichtet ist, und insbesondere ist die Elektronenemittierfläche von der Kathode zu der Innenfläche von der Vakuumröhre konform, die mit dem Anodenmaterial bedeckt ist.
Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel, bei dem noch genauer die Dosisverteilung von einer Radioaktivbehandlungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung konform ist, sind gemäß der vorliegenden Erfindung die distale Endseite von der Vakuumröhre und das distale freie Ende von der Kathode halbkugelartig geformt.
Eine noch homogenere Röntgenstrahlungsdosisverteilung wird erzielt, da gemäß der vorliegenden Erfindung die distale Endseite von der Vakuumröhre und das distale freie Ende von der Kathode gleichmäßig voneinander beabstandet sind.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 offenbart eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Die 2a bis 2c offenbaren drei verschiedene Ausführungsbeispiele von einem ersten Aspekt einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 3a bis 3c offenbaren drei Beispiele einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung, die bei der vorliegenden Erfindung nicht beansprucht sind.
Die 4a bis 4c offenbaren drei andere Ausführungsbeispiele von einem weiteren Aspekt einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 5a bis 5c offenbaren weitere detailliertere Ansichten von einem spezifischen Merkmal einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 6a bis 6c offenbaren drei verschiedene Ausführungsbeispiele von dem spezifischen Merkmal, das in den 5a bis 5c gezeigt ist.
Die 7a bis 7b zeigen ein spezifisches Ausführungsbeispiel von einer Kathode für eine Anwendung bei einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Verstemmungsvakuumsabdichttechnik.
In 1 ist eine bekannte Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik offenbart, wobei die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung im Längsschnitt gezeigt ist. Die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik hat ein längliches Element 13 wie beispielsweise ein Stab oder ein Draht. Dieses längliche Element wirkt als eine Stütze für eine dünne Filmkathode, die mit dem Bezugszeichen 14 gezeigt ist, die die Außenfläche von dem dünnen länglichen Element 13 bedeckt. Die Baugruppe, die aus dem länglichen Stab 13 und der Kathode 14 besteht, ist in einem länglichen zylindrisch geformten Gehäuse 11 untergebracht, der eine Hohl- oder Vakuumröhre 17 ausbildet. Die Innenfläche von der Vakuumröhrenwand 11 ist mit einem Anodenmaterial 15 versehen.
Das Kathodenmaterial 14 besteht aus einem Elektronenemittiermaterial, von dem Elektronen unter Verwendung von Techniken, die im Stand der Technik bereits bekannt sind, freigesetzt werden.
Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, ist im Allgemeinen eine bekannte Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß dem Stand der Technik des Weiteren mit einer Einrichtung versehen, die ein elektrisches Hochspannungsfeld zwischen der Anode und der Kathode errichtet. Schließlich ist das Anodenmaterial mit einem Lieferdraht verbunden, der mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist.
Die Elektronen, die von dem Kathodenmaterial freigesetzt werden, werden durch das elektrische Hochspannungsfeld beschleunigt und prallen an dem Anodenmaterial auf.
Aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Elektronen wird eine spezifische Röntgenstrahlung innerhalb des Anodenmaterials erzeugt. Die Röntgenstrahlung entweicht aus der Vakuumröhre 11 zu dem Gewebe des Patienten hin, in dem die Miniaturröntgenstrahlungsquelle implantiert ist, aufgrund der Tatsache, dass die Vakuumröhre 11 aus einem Material hergestellt ist, das gegenüber Röntgenstrahlung hochgradig transparent ist.
Bei diesem Aufbau wird eine Röntgenstrahlungsdosisverteilung erzeugt, die zylindrisch geformt ist unter Betrachtung in einer Ebene, die senkrecht zu der Längsachse des Stützelements 13 der Kathode 14 ist.
Wie dies in der Einleitung von dieser Patentanmeldung aufgeführt ist, ist die Strahlungsdosisverteilung, die somit erzeugt wird, nicht immer für bestimmte Strahlungstherapiebehandlungen wie beispielsweise eine Brachytherapie anwendbar.
In den 2a bis 2c ist ein erster Aspekt von der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart. Die Miniaturröntgenstrahlungsquellenröhre 20, die in 2a gezeigt ist, weist eine Vakuumröhre 21 auf, die an ihrer Innenfläche mit einem Anodenmaterial 25 versehen ist. Innerhalb der Vakuumröhre 21 ist eine längliche Kathode 22 untergebracht, wobei die Kathode 22 innerhalb der Vakuumröhre 21 konzentrisch positioniert ist. Die längliche Kathodenstütze 22 ist mit einem Kathodenmaterial 23 (Elektronenemittiermaterial) versehen.
Die längliche Kathode 22, 23 ist innerhalb der Vakuumröhre 21 unter Verwendung von zwei Stützelementen 24a, 24b montiert, die die Kathode 22, 23 in einer elektrisch isolierten und konzentrischen Art und Weise innerhalb der Vakuumröhre halten. Darüber hinaus hat das Stützelement 24a eine Abdichtfunktion, um sauberes Vakuumniveau innerhalb der Vakuumröhre zu halten. Darüber hinaus ist die Anode 25 mit einer Hochspannungslieferleitung 26 verbunden, um ein elektrisches Hochspannungsfeld zwischen der Anode und der Kathode zu errichten.
In ähnlicher Weise werden freie Elektronen, die von dem Elektronenemittiermaterial 23 der Kathode 22 emittiert werden, in der Richtung des Anodenmaterials 25 (siehe die Pfeile) beschleunigt, und bei einem Aufprall an dem Anodenmaterial wird eine spezifische Röntgenstrahlung erzeugt. Diese Röntgenstrahlung geht durch die Vakuumröhre 21, die aus einem hochgradig transparenten Material gegenüber Röntgenstrahlung gestaltet ist, zu dem Gewebe des Patienten hinaus, in dem die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung implantiert worden ist, um eine Strahlungstherapiebehandlung wie beispielsweise eine Behandlung von Krebszellen auszuführen.
Gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kathode 22 so angeordnet, dass sie ein Gettermaterial 30 von dem elektrischen Hochspannungsfeld abschirmt, das zwischen der Kathode und der Anode 21 von der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung vorhanden ist, die in den 2a bis 2c gezeigt ist. Das Gettermaterial ist stabförmig und elektrisch isoliert in einer hohlen Kathode 22 untergebracht, wobei die Kathode röhrenartig geformt ist und vorzugsweise mit zumindest einer Öffnung 31 versehen ist. Die Öffnung 31 stellt eine saubere Vakuumverbindung zwischen dem Gettermaterial 30 und dem Hohlraum 17 der Vakuumröhre 21 sicher, um Streugasmoleküle zu beseitigen oder einzufangen, die noch in dem Hohlraum 17 der Vakuumröhre 21 vorhanden sind. Daher garantiert die Anwendung von dem Gettermaterial ein niedriges Vakuumniveau innerhalb der Vakuumröhre 21, das für einen sauberen Betrieb der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Obwohl eine Öffnung, die in der röhrenartigen hohl geformten Kathode 22 vorgesehen ist, für ein sauberes Funktionieren des Gettermaterials ausreichend ist, wird bevorzugt, dass die Kathode mit einer Vielzahl an Öffnungen 31 versehen ist, und bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist die Kathode 22 aus einem Gittermaterial gestaltet, das eine große Anzahl an Öffnungen aufzeigt.
In 2b ist schematisch die Strahlungsdosisverteilung von einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart. Nicht nur eine Strahlungsdosisverteilung von ungefähr 360° in einer Ebene, die senkrecht zu der Längsrichtung der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung ist, wird erzielt, sondern auch eine Strahlung in Längsrichtung der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung wird emittiert.
Die 3a bis 3c zeigen drei andere Beispiele von einer Miniaturröntgenstrahlungsröhre. In den 3a bis 3c sind die entsprechenden Bauteile/Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 2a bis 2c bezeichnet.
In den 3a bis 3c sind spezifische Aufbauarten von der Kathode 22, 23 gezeigt, die das Gettermaterial 30 elektrisch isoliert von dem elektrischen Hochspannungsfeld abschirmt, das zwischen der Kathode 22, 23 und der Anode 25 vorhanden ist. Hierbei hat die Vakuumröhre einen anderen Aufbau in Bezug auf die in den 2a bis 2c gezeigten Ausführungsbeispiele, wobei hierbei die Vakuumröhre 21 mit einer distalen Endseite 21b versehen ist, an der die Anode 25 positioniert ist. Die Röntgenstrahlung, die innerhalb der Anode erzeugt wird, verlässt die Vakuumröhre 21 über diese distale Endseite 21a, die zumindest teilweise gegenüber der Röntgenstrahlung transparent ist.
Die Kathode 22, 23 ist an dem Stützelement 24a montiert, das die Vakuumröhre gegenüber der äußeren Atmosphäre abdichtet. Die Kathode 22, 23 ist beim Abschirmen eines Getters 30 ebenfalls an dem Stützelement 24a montiert.
Bei sämtlichen drei Beispielen ist die Kathode 22, 23 vorzugsweise aus einem Gittermaterial hergestellt, das mit zumindest einer Öffnung 31 versehen ist, die ermöglicht, dass der Getter mit dem Vakuum in Kontakt steht, um jegliches Streugasmolekül innerhalb des Hohlraums 17 zu beseitigen.
In den 4a bis 4c sind drei andere Ausführungsbeispiele von einer Miniaturröntgenstrahlungsröhre gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart. Ebenfalls sind in den 4a bis 4c die entsprechenden Bauteile/Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie in den 2a bis 2c und 3a bis 3c bezeichnet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung hat in 4a die Vakuumröhre 21 eine distale Endseite 21a, die ebenfalls mit einem Anodenmaterial 25a versehen ist, und die längliche Kathode 22 ist mit einem distalen Ende 22a versehen, wobei das distale Ende 22a mit einem Elektronenemittiermaterial 23a versehen ist, und wobei der Teil 23a von dem Elektronenemittiermaterial 23 zu der distalen Endseite 21a von der Vakuumröhre 21 zugewandt ist, die mit dem zusätzlichen Anodenmaterial 25a versehen ist.
Folglich wird bei diesem Aufbau eine Röntgenstrahlungsdosisverteilung erzielt, die eine stärker räumliche Charakteristik hat, was zu einer vollständigeren und genauen Bedeckung des Gewebes führt, das direkt die Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung umgibt, die im Inneren des Körpers eines Patienten implantiert worden ist.
In 4b ist ein anderes Ausführungsbeispiel von einer Miniaturröntgenstrahlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart, bei der die distale Endseite von der Vakuumröhre 21 eine kegelstumpfförmige (pyramidenartige) Form aufzeigt, was zu einer anderen räumlichen Röntgenstrahlungsverteilung führt. Darüber hinaus hat in 4b auch das distale Ende von der Kathode 22 eine Form, die der Form von der distalen Endseite 21a der Vakuumröhre 21 konform ist.
In 4c ist ein anderes Ausführungsbeispiel von einer Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart, bei der die Kathode 22 mit einem abgerundeten distalen Ende 22a mit einer halbkugelartigen Form vorgesehen ist. In ähnlicher Weise hat die distale Endseite 21a der Vakuumröhre 21 eine halbkugelartige Form und ist mit dem Anodenmaterial 25a versehen. Dieses Ausführungsbeispiel hat eine Strahlungsdosisverteilung, die ähnlich wie die Strahlungsdosisverteilung von einem radioaktiven Implantatseed ist, beispielsweise ein Implantatseed Ir-192. Daher ist dieses Ausführungsbeispiel, das in 4c offenbart ist, als ein Ersatz für radioaktive Implantatseeds für Brachytherapiebehandlungen hochgradig geeignet.
Bei allen drei Ausführungsbeispielen, die in den 4a bis 4c gezeigt sind, ist ein Gettermaterial innerhalb der hohl geformten Kathode elektrisch isoliert untergebracht, wie dies vorstehend erläutert ist. Außerdem ist es bei diesen drei Ausführungsbeispielen so, dass das Gettermaterial die Streugasmoleküle, die noch in dem Hohlraum 17 der Vakuumröhre 21 vorhanden sind, beseitigt oder einfängt, ohne durch das elektrische Hochspannungsfeld nachteilhaftig beeinflusst zu werden, das zwischen der Kathode 22 und der Anode 25 errichtet ist. Daher garantiert die Anwendung von dem Gettermaterial ein niedriges Vakuumniveau innerhalb der Vakuumröhre 21, das für einen sauberen Betrieb von der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Kathode von der Gitterfeldemissionsart mit einem ferroelektrischen Emitter, der ermöglicht, den Elektronenfluss noch genauer zu steuern und zwar unabhängig von der Beschleunigungshochspannung, die angelegt wird, um das elektrische Hochspannungsfeld zwischen der Anode und der Kathode zu erzeugen.
In 5a ist das ferroelektrische Elektronenemittiermaterial 42 zwischen einer unteren Elektrode 41 und einer oberen Elektrode 42 positioniert, wobei beide Elektroden mit der Emittiereinrichtung verbunden sind (siehe die 2a bis 2c). Die gesamte Baugruppe kann durch eine Stütze oder ein Substrat 40 gestützt sein.
Indem eine gesteuerte Spannungsdifferenz zwischen der unteren und der oberen Elektrode 41 und 42 der Kathode 22 angelegt wird, kann die Elektronenstromstärke von dem ferroelektrischen Material 43 zu der Anode 25 moduliert oder sogar gänzlich abgetrennt werden. Die Antriebsspannung, die an der Kathode angelegt wird, hängt von dem Zustand des ferroelektrischen Materials ab, das heißt seine Kristallphase und seine Dicke. Die Antriebsspannung zum Freisetzen von Elektronen von dem ferroelektrischen Material nimmt ab, wenn die Dicke der Kathodenlage abnimmt. Darüber hinaus ist die Größe von der Antriebsspannung in großem Maße von der Größe des Elektronenemittierbereichs abhängig, das heißt die Gesamtelektronenemittiergröße an den Antriebselektroden.
Um die freie Emission von Elektronen von dem ferroelektrischen Material 43 weiter zu steuern und zu verbessern, ist die obere Elektrode 42 als ein elektrisch leitfähiges Blatt aufgebaut, das mit einer großen Anzahl an Öffnungen 31 versehen ist. Diese Öffnungen 31 dienen als Emittierlöcher für die emittierten freien Elektronen. In 5b ist dieses spezifische Ausführungsbeispiel mit diesem Merkmal offenbart.
Ein anderes Beispiel mit diesem Merkmal ist in 5c gezeigt, bei dem die obere Elektrode 42 als ein elektrisch leitfähiger Rahmen 42a aufgebaut ist, in dem eine große Anzahl an scheibenförmigen Elementen 44 an dem ferroelektrischen Elektronenemittiermaterial 43 (31) fixiert ist. Das freigelegte ferroelektrische Material 43 (in 5c ist dies mit dem Bezugszeichen 31 gezeigt) ist zum Emittieren von Elektronen in der Lage.
In den 6a bis 6c sind drei vorteilhafte Ausführungsbeispiele von einer Kathode mit Abschirmeigenschaften offenbart. Die Kathode 22 ist länglich mit einer polygonalen Form.
In 6a ist die äußere Fläche (die Elektronenemittierfläche) von der Kathode 22 mit einer Vielzahl an Facetten 22c mit Kontakträndern 22d versehen. Hierbei ist auch eine hexagonale oder octagonale oder im Allgemeinen eine polygonale Fläche ebenfalls möglich. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann die Elektrodenemittierfläche (Oberfläche) von der Kathode in eine Vielzahl an Facetten mit unterschiedlichen Konturformen unterteilt werden, wobei die Facetten miteinander verbunden sein können oder auch nicht.
In den 6b und 6c hat die Kathode 22 einen kreisartigen oder ovalen Querschnitt.
Darüber hinaus ist die Kathode 22 von 6a und von 6c von der ferroelektrischen Emittierart, wie dies in den 5a und 5b gezeigt ist, wohingegen in 6b die Kathode 22 von der ferroelektrischen Emittierart ist, wie dies in den 5a und 5c gezeigt ist.
Bei einer Miniaturröntgenstrahlungsquelle gemäß der vorliegenden Erfindung, die mit einer Kathode der ferroelektrischen Emittiermaterialart versehen ist, wie dies vorstehend erläutert ist, ist diese dazu in der Lage, Röntgenstrahlen an der ganzen Oberfläche von der Röhre im Ansprechen auf ein elektrisches Impulssignal zu erzeugen. Darüber hinaus ist der Vorteil von einer derartigen Kathode mit einem ferroelektrischen Emitter die Fähigkeit, den Elektronenstrom und die Röntgenstrahlungsdosisrate unabhängig von der Beschleunigungsspannung, die bei dem elektrischen Feld angelegt wird, zu steuern.
Dies erlaubt eine Anwendung der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung für eine Vielzahl an Strahlungsbehandlungsanwendungen inklusive einer Brachytherapie.
In den 7a und 7b ist ein weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel einer Kathode offenbart, die bei einer Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Im Allgemeinen wird eine Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung, die eine Vakuumkammer hat, in der eine Anode und eine Kathode untergebracht sind, hergestellt, indem die Anode und die Kathode im Inneren der Vakuumkammer montiert wird, die Vakuumkammer verschlossen wird, wobei die Kammer anschließend bis zu einem erwünschten Vakuumniveau durch eine kleine Öffnung Vakuum-leergepumpt wird, wobei die Öffnung schließlich unter Verwendung einer Verstemmungstechnik oder einem anderen Verschließverfahren verschlossen wird.
In der Druckschrift WO 01/18 842 ist offenbart, den Röntgenstrahlungsvakuumhohlraum Vakuum-leerzupumpen und unter Verwendung einer Verstemmungstechnik zu verschließen, wobei die Verstemmungsverbindungen sich an beiden Längsenden von der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung befinden. Die Verstemmungsverbindung von der Anode ist an der vorderen distalen Endseite von der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung angeordnet, wobei die Verstemmungsverbindung von der Kathode keine andere Funktion hat als das Verschließen der Öffnung, durch die der Hohlraum Vakuum-leergepumpt worden ist.
Die in der Druckschrift WO 01/18 842 offenbarten Röntgenstrahlungsquellenvorrichtungen zeigen Verstemmungsverbindungen, die die Außenmaße von der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung vergrößern.
Insbesondere die Verstemmungsverbindung von der Anode, die an dem vorderen distalen Ende von der Quellenvorrichtung vorhanden ist, hat eine spitze Konstruktionsform, die das Einführen der Röntgenstrahlungsvorrichtung bei dem Patienten behindert, wenn sie durch die Läsion des Patienten zu dem Ort eingeführt und vorwärts bewegt wird, an dem ein bestimmter Betrag an Röntgenstrahlung zu verabreichen ist.
In den 7a und 7b ist eine weitere Verbesserung der bekannten Verstemmungsvakuumröhren offenbart. In 7a ist die Kathode 22 an einer Stützröhre 70 montiert, die sich durch das Stützelement 24a erstreckt. Dieses Stützelement 24a dient hauptsächlich als ein Vakuumversiegeln des Hohlraums 17 der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung. Als zweites dient es als ein Abstandshalter zum Halten der Kathode an Ort und Stelle innerhalb des Hohlraums.
Die Stützröhre 70 dient hauptsächlich als eine Stütze für die hohle längliche Kathode 22 und das Gettermaterial 30, das in ihr enthalten ist. Als zweites dient die Stützröhre 70 als eine Leerpumpverbindung mit den geeigneten Vakuumpumpeneinrichtungen, die schematisch in 7a mit dem Bezugszeichen 75 gezeigt sind.
Schließlich hat die Stützröhre 70 eine längliche hohle Form, die mit einer Anzahl an Öffnungen 71 versehen ist, die den inneren Hohlraum 17 der Vakuumkammer 21 durch die Öffnungen 71 mit der Pumpenkammer 73 Vakuumpumpeneinrichtungen von 70 verbindet. Durch diese Pumpenverbindung kann der Hohlraum 17 bis zu einer erwünschten Vakuumhöhe Vakuum-leergepumpt werden, die für einen sauberen Betrieb der Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung erforderlich ist.
Wenn das Vakuum innerhalb des Hohlraums 17 erst einmal seine erwünschte Höhe erreicht hat oder bis zu dieser leergepumpt worden ist, wird die hohle Stützröhre an dem Ort 72 verstemmt, an dem die beiden Pfeile in 7b sich befinden. Der Verstemmungsvorgang führt zu einer vakuumdichten Schließverbindung 72 von der offenen Verbindung zwischen dem Hohlraum 17 und der Außenatmosphäre (siehe das Bezugszeichen 73 in 7a).
Da die einzelne Verstemmungsverbindung sich in der Nähe der Kathode befindet, wird eine bedeutsame Verringerung bei den Außenabmaßen der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung erzielt. Insbesondere die Nachteile einer Verstemmungsverbindung an der distalen Endseite von der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung werden hierdurch vermieden. Darüber hinaus fügt die Verstemmungsverbindung 72 in der Nähe der Kathode 22 nichts zu den Außenabmessungen der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung hinzu, wenn diese in der (nicht dargestellten) Katheterröhre untergebracht ist, die zum Führen und Transportieren der Röntgenstrahlungsquellenvorrichtung durch die Läsion des Patienten zu dem Ort der Strahlungsbehandlung hin verwendet wird.
Darüber hinaus dient die Verstemmungsverbindung 72 als eine elektrische Verbindungseinrichtung für das koaxiale Hochspannungskabel 27, das die Kathode 22 mit einer (nicht gezeigten) Hochspannungsquelle verbindet zum Emittieren von freien Elektronen von der Kathode und/oder zum Errichten des elektrischen Hochspannungsfeldes zwischen der Kathode 22 und der Anode 25.

Claims

Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung (20), die mit einem distalen Ende von einem Führungsdraht verbunden ist zum Zwecke eines Einführens zu einem erwünschten Ort innerhalb eines tierischen Körpers für ein Bewirken einer Strahlungstherapie, wobei die Röntgenstrahlungsvorrichtung zumindest folgendes aufweist: eine Vakuumröhre (21), die eine Kathode (22) und eine Anode (25) enthält, die unter einem bestimmten Abstand voneinander beabstandet sind; eine Emittiereinrichtung (23) für ein Emittieren von freien Elektronen in der Kathode (22); eine Elektrofeldeinrichtung (26) für ein während der Anwendung einer Hochspannung erfolgendes Aufbringen eines elektrischen Feldes zwischen der Kathode und der Anode zum Beschleunigen der emittierten freien Elektronen zu der Anode hin; ein Gettermaterial (30), das in einem von dem Hochspannungselektrofeld freien Bereich in der Vakuumröhre angeordnet ist und von dem Hochspannungselektrofeld durch die Kathode abgeschirmt ist; wobei die Vakuumröhre zumindest teilweise gegenüber der Röntgenstrahlung, die durch die Anode emittiert wird, transparent ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode einen räumlichen Aufbau hat, der das Gettermaterial umgibt, und wobei das Gettermaterial durch die Kathode gestützt ist und von ihr elektrisch isoliert ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine längliche Form hat mit einem polygonalen Querschnitt und dass das Gettermaterial innerhalb der Kathode angeordnet ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mit der länglichen Form einen kreisartigen oder ovalen Querschnitt hat.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gettermaterial stabförmig ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode mit zumindest einer Öffnung (31) versehen ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode aus einem Gittermaterial, das eine große Anzahl an Öffnungen aufweist, hergestellt ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode von einer Gitterfeldemissionsart ist mit einem ferroelektrischen Elektronenemittiermaterial.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das ferroelektrische Elektronenemittiermaterial zwischen einer unteren Elektrode und einer oberen Elektrode positioniert ist, wobei beide Elektroden an eine Antriebsspannung angeschlossen sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Elektrode als ein elektrisch leitfähiges Blatt aufgebaut ist, das mit einer großen Anzahl an Öffnungen versehen ist, die als Emittierlöcher für die emittierten freien Elektronen dienen.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Elektrode als zumindest ein elektrisch leitfähiger Rahmen aufgebaut ist, in dem eine große Anzahl an scheibenförmigen Elementen teilweise an dem ferroelektrischen Elektronenemittiermaterial befestigt ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektronenemittiermaterial von einer Kaltkathodenart ist, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgebildet ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren ausgerichtete Monowand-Nanoröhren (mono wall nanotubes) sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren ausgerichtete Mehrwand-Nanoröhren (multi wall nanotubes) sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren zufällig formierte Nanoröhren sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode durch eine hohle Stützröhre gestützt ist, von der ein Ende sich innerhalb der Vakuumkammer erstreckt und das andere Ende sich bis außerhalb der Vakuumkammer erstreckt, wobei das andere Ende einem Verstemmungsvorgang zum Versiegeln der Vakuumkammer ausgesetzt ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Stützröhre mit einer Vielzahl an Öffnungen versehen ist, die an ihrer Umfangsfläche vorhanden sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das verstemmte andere Ende von der Stützröhre als eine elektrische Verbindung zwischen der Kathode und der Emittiereinrichtung zum Emittieren von freien Elektronen von der Kathode und/oder der Elektrofeldeinrichtung dient.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumröhre eine distale Endseite aufweist, wobei die innere Oberfläche von der distalen Endseite ebenfalls mit dem Anodenmaterial versehen ist, und wobei ein Teil von dem Elektronenemittiermaterial der Kathode zu der distalen Endseite gewandt ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode eine röhrenartige Form hat mit einem distalen freien Ende, das mit dem Elektronenemittiermaterial versehen ist, das zu der distalen Endseite von der Vakuumröhre gerichtet ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektronenemittierfläche von der Kathode an die innere Oberfläche der Vakuumröhre angepasst ist, die mit dem Anodenmaterial bedeckt ist.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die distale Endseite von der Vakuumröhre und das distale freie Ende von der Kathode halbkugelartig geformt sind.
Miniaturröntgenstrahlungsquellenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die distale Endseite von der Vakuumröhre und das distale freie Ende von der Kathode voneinander gleichermaßen beabstandet sind.