JP2004513688A - Ｘ線管の金属フレームインサートへの冷却ジャケット及び流れバッフルの一体化 - Google Patents

Abstract

ＣＴスキャナは、Ｘ線インサート（２６）に取付けられるベリリウム窓（５２）と、冷却液循環路（３８）と、冷却液戻り路（３４）を含む。複数のフィン（６２、６４、６６、６８）が冷却路（４２）に取付けられる。冷却液循環路は、陽極側キャビティ（４０）及び陰極側キャビティ（４４）のうちの１つと、熱交換器（Ｄ）と流体連通する。冷却液戻り路（３４）は、熱交換器と、陽極側キャビティ（４０）及び陰極側キャビティ（４４）のうちのもう１つと流体連通する。ポンプ手段によって、冷却液が、熱交換器、冷却液循環路、冷却液戻り路、及び、Ｘ線管筐体組立体を通り循環する。

Description

【０００１】
［発明の背景］
本発明は、Ｘ線撮影技術に関する。本発明は、Ｘ線管と共にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナに特に適用され、コンピュータ断層撮影スキャナ用のＸ線管を特に参照しながら説明する。しかし、本発明は、他の適用にも実施可能であることを理解するものとする。
【０００２】
ＣＴスキャナは一般的に、走査時に静止している床取付け式フレーム組立体と、回転式フレーム組立体を含む。Ｘ線管は、回転式フレーム組立体に取付けられ、走査時に検査を受ける患者の周りを回転する。Ｘ線管からの放射線は患者受容領域を横切り、放射線検出器のアレイに衝突する。各サンプリング時のＸ線管の位置を使用して、１つ以上の患者の断層撮影画像のスライスが再現される。
【０００３】
Ｘ線管は一般的に、Ｘ線管インサートを含み、これは、回転する陽極及び静止した陰極と、導線が設けられた筐体を保持する。Ｘ線管インサートは、導線が設けられた筐体内に含まれる。Ｘ線管インサートと筐体との間に冷却オイルが流される。一般的に、高性能Ｘ線管では、Ｘ線インサートは金属シェル又はフレームであり、窓が取付けられるか又は蝋接され、Ｘ線管からのＸ線の透過を可能にする。窓は、ベリリウム、チタン、又は、他の任意のＸ線透過材料から形成される。同様に、筐体はＸ線出力窓を画成し、Ｘ線出力窓は、金属フレームのベリリウム窓と合わされ、それにより、Ｘ線がベリリウム窓とＸ線出力窓の両方を直接通ることができるようにされる。
【０００４】
Ｘ線動作時には、電子は、陰極内の加熱されたフィラメントから放出され、陽極上の焦点領域に加速される。陽極に衝突すると、電子の一部、又は、２次電子が周りのフレームに飛び跳ね、熱に変換される。ベリリウム窓が最も高い密度の２次電子加熱を受ける。というのは、この窓は、陽極上の焦点に近いからである。この熱は望ましくなく、一般的に、廃熱と称される。ＣＴスキャナや他のＸ線撮影機器の依然として解決されていない問題は、Ｘ線を発生する際に形成される廃熱を放散することである。
【０００５】
廃熱を除去するために、一般的に、冷却液が筐体と金属フレームインサートとの間に循環され、Ｘ線管全体に亘って冷却流路が形成される。例えば、冷却オイルが、筐体の１つの端に配置される出口アパーチャから汲み取られ、ラジエータ又は熱交換器と通して循環され、筐体の反対の端にある入口アパーチャに戻される。戻された冷却された流体は、Ｘ線インサートからの熱を吸収しながら、筐体内を出口アパーチャに向かって軸方向に流れる。
【０００６】
このような方法で廃熱を除去することはいつも効果的であるとは限らない。より具体的には、単にＸ線インサートと筐体との間に冷却液を流すだけでは、Ｘ線出力窓の周りにおける廃熱除去はあまり効果がない。ベリリウム窓及びその周囲は、近接する焦点からの２次電子及び熱を受けるので、特に加熱される。更に、ベリリウム窓はフレームから突出し、一般的に窓の周りにおける冷却液の流れを邪魔してしまうので、最適な冷却を阻止してしまう。更に、筐体のＸ線出力窓の構成も冷却液の流れを邪魔し、また、ベリリウム窓の付近にあることにより、ベリリウム窓を流れることができる冷却液の量を制限してしまう。
【０００７】
ベリリウム窓が十分に冷却されないと、熱によってベリリウム窓と金属フレームインサートの蝋接部が損傷され、Ｘ線管が故障してしまう。更に、ベリリウム窓付近の冷却液が沸騰して、ベリリウム窓に残留炭素を残してしまう場合がある。このようなコーティングは、Ｘ線画像の低下させてしまうので望ましくない。
【０００８】
［発明の概要］
本発明の１つの面では、ＣＴスキャナは、回転式フレーム部に取付けられるＸ線管を含む。Ｘ線管はＸ線インサートと筐体を含む。Ｘ線インサートは筐体内において、陽極側のキャビティと陰極側のキャビティとの間に取付けられ、冷却液の路がＸ線インサートを取り囲みながら、陽極側のキャビティと陰極側のキャビティの間に通される。Ｘ線管は、Ｘ線インサートに取付けられるベリリウム窓と、冷却液循環路、及び、冷却液戻り路を有する。流体循環路は、陽極側のキャビティ及び陰極側のキャビティの１つと連通し、且つ、熱交換器と連通する。流体戻り路は、熱交換器と連通し、陽極側のキャビティ及び陰極側のキャビティのもう一方と連通する。ＣＴスキャナは更に、ポンプ手段と、冷却液路に取付けられる複数のフィンを含む。ポンプ手段は、熱交換器、循環及び戻り路、及び、Ｘ線管を通して冷却液を循環させる。
【０００９】
本発明の別の面では、Ｘ線管を冷却する方法が提供される。冷却液は、Ｘ線管筐体の中を循環させられる。熱は、冷却液をＸ線インサートの付近を流れるよう循環させることによってＸ線管筐体内に配置されるＸ線インサートから除去される。熱は、冷却液をベリリウム窓に向けて集めることによりＸ線インサートに配置されるベリリウム窓から除去される。冷却液がベリリウム窓に集められるための力は、循環する冷却液の流れ方向に対し斜めに配置される複数のフィンによってもたらされる。加熱された冷却液は、Ｘ線管筐体から取り除かれる。冷却液は冷却されて、再び、Ｘ線管筐体の中を循環させられる。
【００１０】
本発明の利点は、ベリリウム窓と金属フレームインサートとの間の接合部への熱損傷の可能性を阻止又は少なくすることができることである。
【００１１】
別の利点は、過熱によるＸ線インサートの破損を少なくする又は阻止することである。
【００１２】
本発明の別の利点は、冷却液を加熱しすぎることによるベリリウム窓上に炭素が蓄積されることを少なくする又は阻止することである。
【００１３】
［好適な実施例の詳細な説明］
図１を参照するに、ＣＴスキャナは、床取付け式の又は固定されているフレーム部Ａを含み、このフレーム部の位置はデータ収集時には固定されたままとなる。Ｘ線管Ｂは、回転式フレームＣに取付けられ、このフレームは、固定フレーム部Ａ内に回転式に取付けられる。Ｘ線管Ｂによって発生される熱は、熱交換器Ｄに伝達されるが、この伝達は、オイル、水、冷却ガス、他の流体、及び、これらの組合せといった冷却流体によって行われる。
【００１４】
固定フレーム部Ａは、ボア１０を含み、これは、患者を受容する検査領域１２を画成する。放射線検出器のアレイ１４は、患者受容領域１２の周りに同心円状に配置される。回転式フレームＣを有する固定フレームＡは、選択可能な角度でスライスを走査するよう方向を変えたり傾斜させたりすることができる。制御コンソール１６は、画像再構成プロセッサ１８を含み、検出器アレイ１４からの出力信号の画像リプリゼンテーションの再構成、画像強調等を行う。ビデオモニタ２０によって、再構成された画像リプリゼンテーションは、人間が読取り可能なディスプレイに変換される。コンソール１６は更に、適切なデジタル記録メモリ媒体を含み、画像リプリゼンテーションをアーカイブする。走査開始、走査種類の選択、システムの較正等の様々な制御機能は制御コンソール１６で行われる。
【００１５】
図２及び図３を更に参照するに、Ｘ線管Ｂは、冷却液が充填された筐体２２を含み、この筐体は、患者受容領域１２の方に向けられるＸ線透過窓２４を有する。Ｘ線透過窓２４の外形は、筐体２２の内壁からかなり外れる。筐体２２の中には筐体キャビティが設けられ、そこにＸ線インサート２６が保持される。
【００１６】
Ｘ線はＸ線透過窓２４を通り、患者受容領域１２を横切る。適切なＸ線コリメータによって放射線が１つ以上の平面ビームにされ、検査領域１２をファン又はコーン状のパターンでスパンする。これは従来技術通りである。高圧電源２８といったＸ線管Ｂに関連付けられる他の機器も回転式フレームＣに取付けられる。
【００１７】
図２を特に参照するに、第１の好適な実施例では、Ｘ線管筐体２２には、陰極側部３０と陽極側部３２とが画成され、それらの中を導線が通される。加熱された冷却液は、Ｘ線管筐体２２の陰極側部３０の内側から第１の冷却液ダクト３４を介し回転式フレームＣの熱交換器Ｄに循環される。冷却液の循環は、流体ポンプ３６によって行われる。熱交換器Ｄから出る冷却された冷却オイルは、第２の冷却液ダクト３８を介し陽極側部３２に戻される。冷却液は、陽極側のアパーチャ（図示せず）を通り陽極側部３２に入り、筐体キャビティの一部によって画成される陽極側キャビティ４０に流れ込む。流体は、陽極側キャビティ４０から環状に配置される冷却液路４２を通りＸ線発生時に生成される熱を除去しながら、筐体キャビティの別の部分によって画成される陰極側キャビティ４４に流れ込む。流体は、陰極側キャビティ４４から陰極側アパーチャ（図示せず）を通り流れ出て、第１の冷却液ダクト３４に入り、再び、熱交換器Ｄへ循環させられる。
【００１８】
図３を特に参照するに、Ｘ線インサート又は金属フレーム２６は、回転式陽極４８を保持する真空外囲器を画成する。回転式陽極４８は、軸受け（図示せず）によって回転可能に金属フレーム２６に取付けられる。陽極５０は、回転式陽極４８の付近に取付けられる。陰極５０からの電子は、高電圧によって陽極４８に加速され、それにより、Ｘ線が放出され、且つ、熱が生成される。金属フレームインサート２６はベリリウム窓５２を含み、これは、陰極５０と筐体２２のＸ線透過窓２４の付近に取付けられる。ベリリウム窓５２は陰極５０及び陽極４８によって生成されるＸ線を、金属フレームインサート２６からＸ線透過窓２４を透過し、患者受容領域１２に通過させる。ベリリウム窓５２は、蝋接又は他の任意の好適な方法によって金属フレームインサート２６に取付けられる。陰極５０に電流を供給する導線と、陽極４８に対し大きい負の電位差を有するよう陰極５０にバイアスをかける導線は、陰極凹部５４にある金属外囲器を通される。
【００１９】
図３を続けて参照し、図４及び図５を更に参照するに、全体的に円筒状の冷却ジャケット５６が金属フレームインサート２６の周りに取付けられる。冷却ジャケット５６と金属フレームインサート２６は共に、陽極側キャビティ４０と陰極側キャビティ４４との間に環状冷却液流路４２を画成する。冷却ジャケット５６はアルミニウムから形成されることが好適ではあるが、他の低Ｚ金属、ベリリウム窓５２に面するアルミニウム片が接続されるプラスチック等から形成されてもよい。冷却ジャケット５６、或いは、プラスチック冷却ジャケットに取付けられるアルミニウム片は、ベリリウム窓５２の場所において又はベリリウム窓５２の付近においてＸ線フィルタプレートとして機能する。冷却ジャケット５６の材料及び形状は異なることが可能であり、そのような異なる材料及び異なる形状は、本発明の範囲内であると理解するものとする。
【００２０】
図３を特に参照するに、冷却ジャケット５６は、流路４２の入口に位置するフレア付きの開口５８を含み、それにより、冷却液が滑らかに流れる。ジャケット６の形状は、金属フレームインサート２６の形状に略従い、流体を金属フレームインサート２６に沿って導く。ジャケット５６は、金属フレームインサート２６の陰極凹部５４の場所において又は陰極凹部５４の付近において、陰極側キャビティ４４に向かって開いており、それにより、流路４２から出る流体が、陰極側キャビティ４４に入る前に陰極凹部５４上を通る路を冷却する。Ｏリングシール６０が、筐体２２とジャケット５６のフレア付き開口５８との間に取付けられ、それにより、流体が流路４２をそれることが阻止される。
【００２１】
図４及び図５を続けて参照するに、第１のフィン又はバッフルの組６２、６４と、第２のフィン又はバッフルの組６６、６８が、ジャケット５６の内面に取付けられる。バッフル６２乃至６８はジャケット５６からベリリウム窓５２の付近の金属真空外囲器２６の壁まで延在する。更に、バッフル６２乃至６８は、陽極側部３２に最近のジャケット５６の端から、ベリリウム窓５２の両側の夫々の位置まで、ジャケット５６の長さ方向で軸方向に延在する。バッフル６２乃至６８は、横断方向から６５度の角度が付けられて集中することが好適である。各バッフル６２乃至６８の軸方向の長さ、高さ、及び、角度は異なってもよい。
【００２２】
第１のバッフル６２、６４は、冷却液をベリリウム窓５２に向けて方向付けし加速させる。第１のバッフル６２、６４は、ベリリウム窓５２の両側に１つずつ配置され、ベリリウム窓５２に対し冷却ジャケット５６の周りで約３３度の角度で配置される。第２のバッフル６６、６８は、第１のバッフル６２、６４によって形成されるホットゾーン領域７２に向けて流体を方向付けし加速させる。ホットゾーン領域７２は、第１のバッフル６２、６４の後ろに形成され、ここでは、冷却液はベリリウム窓５２から離れるよう方向付けられる。全てのバッフル６２乃至６８は、金属フレームインサート２６と冷却ジャケット５６との間の予め選択される固定空間を維持するよう作用する。熱伝達を最大にするために、ジャケット５６と金属フレームインサート２６との間隔は、ＣＴスキャナの最大パワー時の特定冷却液の流速に基づいて設計され、所望の流れパターンが維持される。
【００２３】
複数の案内スタンドオフ７４、７６が、バッフル６２乃至６８の反対側の同心円状にあり、金属フレームインサート２６と冷却ジャケット５６の内壁との間に延在する。バッフル６２乃至６８と同様に、案内スタンドオフ７４、７６も、金属インサート２６とジャケット５６との間に適切な間隔を維持するよう使用される。スタンドオフ７４、７６は、金属フレーム２６の溝に係合し、ベリリウム窓５２とバッフル６２乃至６８が合わされることを保証する。
【００２４】
図２を再び参照するに、或いは、バッフル６２乃至６８は金属フレーム２６の外面に取付けられ、ジャケット５６に向かって延在してもよい。
【００２５】
第２の好適な実施例では、流路４２は、金属フレームインサート２６と筐体２２との間に画成される。従って、筐体２２は冷却ジャケットとして作用する。バッフル６２乃至６８は金属フレームインサート２６と筐体２２との間に延在する。案内スタンドオフは省略される。
【００２６】
図２を再び参照するに、第３の好適な実施例において、冷却液の第２の流路７８が、ベリリウム窓５２の場所において又はベリリウム窓５２の付近に導入され、ベリリウム窓５２の冷却が高められる。小さなフローディストリビュータ８０が第２の流路７８の入口の場所に又は入口に付近に取付けられ、これは、熱交換器Ｄから出る冷却液を流路４２と第２の流路７８に分ける。液体流路４２は、バッフル６２乃至６８とベリリウム窓５２の周りの領域に、上述したような方法で冷却液を送る。第２の流路７８は、流体をベリリウム窓５２に直接送る。第２の流路７８の直径は、その中の流速が、流路４２内の流速の少なくとも１０パーセント（％）となるような直径にされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明のＣＴスキャナを示す図である。
【図２】
図１のスキャナのＸ線管筐体を示す斜視図である。
【図３】
Ｘ線インサート及び冷却ジャケットを含む図２のＸ線管筐体を示す断面図である。
【図４】
図３のＸ線インサート及び冷却ジャケットを示す部分断面平面図である。
【図５】
本発明の冷却ジャケットを示す部分斜視図である。
【図６】
本発明の金属フレームインサートの別の実施例を示す部分斜視図である。

Claims (20)

1. 回転式フレーム部に取付けられ、Ｘ線インサート及び筐体を含み、上記Ｘ線インサートは陽極側キャビティと陰極側キャビティとの間で上記筐体内に取付けられ、上記陽極側キャビティと上記陰極側キャビティとの間に通される冷却液路によって取り囲まれるＸ線管と、
   上記Ｘ線インサートに取付けられるベリリウム窓と、
   上記陽極側キャビティと上記陰極側キャビティのうちの１つと流体連通し、且つ、熱交換器と流体連通する冷却液循環路と、
   上記熱交換器と流体連通し、且つ、上記陽極側キャビティと上記陰極側キャビティのうちのもう１つと流体連通する冷却液戻り路と、
   上記冷却液を上記熱交換器、上記冷却液循環路、上記冷却液戻り路、及び、上記Ｘ線管を通し循環させるポンプ手段と、
   上記冷却液路に取付けられる複数のフィンとを含むＣＴスキャナ。
2. 上記Ｘ線管は、上記筐体と上記Ｘ線インサートとの間に動作上取付けられる冷却ジャケットを含み、
   上記冷却液路は、上記冷却ジャケットと上記Ｘ線インサートとの間に画成される請求項１記載のＣＴスキャナ。
3. 上記複数のフィンは、上記Ｘ線インサートに取付けられ、上記冷却ジャケットに向かって延在し、上記冷却液を、上記冷却液路の選択された領域に方向付ける請求項２記載のＣＴスキャナ。
4. 上記複数のフィンは、上記Ｘ線インサート及び上記冷却ジャケットのうちの１つに取付けられる請求項２記載のＣＴスキャナ。
5. 上記Ｘ線管は、上記ベリリウム窓の周りに上記冷却液を流すための冷却ジャケットを含み、
   上記冷却ジャケットは、上記Ｘ線インサートと共に、上記冷却液路を画成し、
   上記複数のフィンは、少なくとも１つの第１のフィンと少なくとも１つの第２のフィンとを含み、
   上記少なくとも１つの第１のフィンは、上記Ｘ線インサートに動作上取付けられ、上記冷却液を上記ベリリウム窓に向けて方向付け、
   上記少なくとも１つの第２のフィンは、上記Ｘ線インサートに動作上取付けられ、上記冷却液を上記少なくとも１つの第１のフィンの付近のホットエリアに向けて方向付ける請求項１乃至４のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
6. 上記冷却ジャケットは、上記筐体と上記Ｘ線インサートとの間に取付けられ、上記環状冷却液路を細くする請求項１乃至５のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
7. 上記筐体と上記冷却ジャケットとの間にシールが取付けられ、上記冷却液が上記環状冷却液路からそれることを阻止する請求項２乃至６のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
8. 上記冷却ジャケットと上記Ｘ線インサートとの間に少なくとも１つのスタンドオフが配置され、上記冷却ジャケットと上記Ｘ線インサートとの間の所定の間隔を維持する請求項２乃至７のうちいずれか一項記載のＣＳスキャナ。
9. 上記複数のフィンは、上記ベリリウム窓に向かって集まり、上記ベリリウム窓の周りの上記冷却液の流量を増やす請求項１乃至８のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
10. 上記Ｘ線管は、上記熱交換器と流体連通する第２の流路を含み、
    上記第２の流路は、冷却された上記冷却液を、上記Ｘ線インサートの上記ベリリウム窓及び上記ベリリウム窓付近の領域に供給することができる請求項１乃至９のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
11. 上記複数のフィンは、少なくとも１つの第１の集束フィンの組と、少なくとも１つの第２の集束フィンの組とを含む請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
12. 上記Ｘ線管は、金属フレームインサートと、上記金属フレームインサートによって略画成される上記真空外囲器と、上記金属フレームインサートに取付けられる上記ベリリウム窓とを含む請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
13. 上記冷却ジャケットは、上記Ｘ線インサートの少なくとも１つの端の周りで折りたたまれる折りたたみ部を含む請求項２乃至１２のうちいずれか一項記載のＣＴスキャナ。
14. 上記Ｘ線インサートの上記少なくとも１つの端は、導線を受容可能なフィードスルーを有し、
    上記冷却ジャケットの上記折りたたみ部によって、上記冷却液が上記フィードスルーを冷却する請求項１３記載のＣＴスキャナ。
15. Ｘ線管を冷却する方法であって、
    冷却液をＸ線管筐体の周りで循環させる段階と、
    上記循環する冷却液をＸ線インサートの付近に流れるようにすることによって、上記Ｘ線管筐体内に配置される上記Ｘ線インサートから熱を除去する段階と、
    上記冷却液がベリリウム窓に集まるよう強制することによって、上記Ｘ線インサートに配置される上記ベリリウム窓から熱を除去する段階と、
    加熱された上記冷却液を上記Ｘ線管筐体から除去する段階と、
    上記冷却液を冷却し、上記Ｘ線管筐体の中を上記冷却液を再び循環させる段階とを含む方法。
16. 上記循環する冷却液の流れの方向に対し斜めに配置される複数のフィンを使用して、上記冷却液が上記ベリリウム窓に集まるよう強制される請求項１５記載の方法。
17. 上記Ｘ線管から熱を除去する第２の段階は、上記Ｘ線インサートと上記Ｘ線インサートの周りに動作上配置される冷却ジャケットとの間を上記冷却液が流れるよう方向付けることにより、上記Ｘ線インサートの付近に上記冷却液の層流を形成する段階を含む請求項１５又は１６記載の方法。
18. 上記ベリリウム窓から熱を除去する第３の段階は、上記ベリリウム窓に向けて上記冷却液を加速する段階を含む請求項１５乃至１７のうちいずれか一項記載の方法。
19. 上記ベリリウム窓から熱を除去する第３の段階は、上記ベリリウム窓の付近に流れる上記冷却液の量を細くする段階を含む請求項１５乃至１８のうちいずれか一項記載の方法。
20. 上記ベリリウム窓から熱を除去する第３の段階は、上記ベリリウム窓に追加の冷却液を供給する段階を含む請求項１５乃至１９のうちいずれか一項記載の方法。