JP4398165B2 - Ｘ線照準器の照明システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にＸ線に被ばくされるべきターゲット区域を可視マーキングするためのＸ線照準器の照明に関する。
【０００２】
【発明の背景】
Ｘ線システムは、一般的にＸ線の被ばく（照射）区域を設定するためのコリメータを含む。コリメータは、一般的にＸ線照射区域を設定するために開閉することができる、鉛のようなＸ線吸収材料で作られた２対のブレードを含む。Ｘ線ビームは目に見えないために、照射区域を視覚的に示すためにランプからの可視光線を照射するためのＸ線照準器照明システムが一般的に設けられている。コリメータからのあらゆる距離におけるＸ線照射区域を正確に表示するために、光源及びＸ線源は、一直線上にはなくかつ可視光線をＸ線と一致させる、平坦な光学ミラー上の少なくとも３つの点に対して、それぞれ実質的に同一距離で配置される。従って、光源は、Ｘ線ビームの経路内にある必要はない。
【０００３】
光源までの距離とミラーの角度を正確に調整することが、可視光線のエッジとＸ線照射区域とを一致させる上で重要である。従来の取り組みにおける主な課題は、コリメータのブレードと組み合わさって満足なエッジコントラストを生じる適当な照明であった。
【０００４】
高いフィラメント温度を有する低電圧石英ハロゲン投影ランプが今まで使用されてきた。このような投影ランプは、フィラメントが比較的小型で高いルーメン出力（例えば、５０００ルーメン）を有しており、ターゲット区域において適当なエッジコントラスト及び照度をもたらす。また、これらの投影ランプは、一般的に繰り返しのオンオフ切換えにも耐え、また高輝度放電（ＨＩＤ）ランプより著しく低コストである。しかしながら、ハロゲンランプのルーメン出力とフィラメント寿命との間の固有のトレードオフのために、これらの投影ランプの寿命は、一般的に極めて短い（約３００投影時間又はそれ以下）。
【０００５】
Ｘ線コリメータの用途では、ランプ交換は、正確な光学的調整を必要とするので、有資格サービス技術者により実施される作業である。頻繁にランプが取換えられる必要があればあるほど、休止時間及び労働コストの発生率は高くなる。従って、照準器照明システムの従来の性能特性を維持し又は超えると同時に、Ｘ線コリメータの用途における照準器のランプ寿命を延ばすことが望ましい。
【特許文献１】
米国特許第４８９１７３９号
【０００６】
【課題を解決するための手段】
簡単に言えば、本発明の１つの実施形態によると、Ｘ線照準器照明システムは、長寿命のＸ線照準器光源と、第1の焦点に配置されている該光源からのＸ線照準器光線を第2の焦点に集束する形状にされた光学集光器と、第2の焦点の直近に配置され、該Ｘ線照準器照明システムの光照射野のエッジコントラストの必要条件を満たしながら透過光量を最大にするような幾何学的形状になっている開口を有する不透明シールドとを含む。
【０００７】
本発明の別の実施形態によると、照明システムは、光源と、第１の焦点及び第２の焦点を有し、第１の焦点に配置された光源からのＸ線照準器光線を第２の焦点に集束する形状にされたリフレクタと、第２の焦点の直近に配置された、開口を有する不透明シールドとを含み、該リフレクタは、光源がその内部に配置された準楕円体部分と、該準楕円体部分からの迷光をシールドの方向に反射するために該準楕円体部分とシールドとの間に配置された円筒形部分と、シールドの直近に配置された後方リフレクタ部分と、後方に反射された光線を開口の方向へ向けるために該開口と光源との間に配置された中央取付け部分とを含む。
【０００８】
本発明のこれら及び他の特徴、形態、並びに利点は、図面を通して同じ符号が同じ部分を表している添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより一層良く理解されるであろう。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、Ｘ線照準器（可視化）照明システムの概略図である。本発明の１つの実施形態によると、Ｘ線照準器照明システムは、長寿命のＸ線照準器光源１０と、第１の焦点Ｆ１に配置されている光源１０からのＸ線照準器光線を第２の焦点Ｆ２に集束できる形状にされた光学集光器１１と、第２の焦点Ｆ２の直近に配置され、Ｘ線照準器照明システムの光照射野のエッジコントラストの必要条件を満たしながら透過光量を最大にするような幾何学的形状になっている開口１６を有する不透明シールド１４とを含む。医療用システム又は産業用システムのＸ線環境のような標準的なＸ線環境では、例えば、Ｘ線源１８は、コリメータ２２を通してＸ線をターゲット区域２４に向ける。一般的に、１つ又はそれ以上のミラー２０を用いて、Ｘ線照準器照明システムからの光線をターゲット区域２４に向ける。
【００１０】
図２は、図１のＸ線照準器照明システムのより具体的な実施形態の側面断面図である。一般的に、光源１０は、電球３４によって囲まれた発光エレメント３２を含む。発光エレメント３２（一般的には、例えば、フィラメント）は輝度があり電球３４に接近しているので、エレメント３２から放射される光線は、それを囲む電球３４により分解されることはない。発光エレメント３２は、全ての方向に放射するが、リフレクタ１２は光線を集束して広がるのを阻止する。リフレクタの第２の焦点への集光効率は、開口だけでなくリフレクタの設計によって決まり、全光量の約５％から約８０％までの範囲にある。
【００１１】
第２の焦点Ｆ２は、光源１０を拡大したものを表している。シールド１４従って開口１６の光源１０からの距離は、ある範囲内とすることができ、正確に第２の焦点Ｆ２の位置に開口１６を置く必要はない。本明細書で用いる、「第２の焦点の直近」というのは、正確に第２の焦点Ｆ２にあること、又は第２の焦点Ｆ２から第１の焦点Ｆ１と第２の焦点Ｆ２との間の距離のプラスマイナス約２０％以内にあることを含むことを意味する。具体的な位置は、システム設計の目標に応じて変化することになる。開口１６が第２の焦点Ｆ２より光源１０に近接している場合、開口１６を通った後により広い円錐角が生じることになる。開口１６が第２の焦点Ｆ２より光源１０から遠い場合、開口１６を通った後により小さい円錐角が生じることになる。より小さい円錐角は、より大きい円錐角より全光量は少ないが、ターゲット区域においてより強い光線(即ち、より高い光度)になる。円錐角が、図２に、例えば全光照射野を表す角度の外側部分である線４０及び４２により、また全照射野の範囲内の所望の光照射野を表す角度の外側部分である線３６及び３８により示されている。
【００１２】
開口１６の大きさを選定する場合には、エッジコントラストと透過光量の間のかね合いが生じる。開口１６の大きさを縮小することにより、エッジコントラストは、透過光量を犠牲にして増強される。逆に、開口１６の大きさを増大させることによって、エッジコントラストは低下するが、透過光量は増大される。一般的に、医療用途では、エッジコントラストの必要条件は、１ｍｍスリット又は解像度でエッジを横切る距離(約６ｍｍの)にわたって約４．５から約１である。エッジコントラストは、明るい区域において次に暗い区域に移動して照度計を用いて測定され、光度における明暗比を得る。
【００１３】
本発明の１つの実施形態では、光源１０は、長寿命になるように最適化されたハロゲンランプを含む。固有のトレードオフのために、長い定格寿命を備えるハロゲンランプは、石英ハロゲン投影ランプより著しく低い光源効率(約５０％ほどの)を有する。この低い光源効率を克服するために本発明の他の形態と組み合わせて長寿命ハロゲンランプを用いることによって、ターゲット区域２４に対して十分な光度を与えることができる。
【００１４】
より具体的な実施形態では、ハロゲンランプは、軸方向に配置されたフィラメントコイル（図２に発光エレメント３２として示す）を含み、またコイルの各寸法は、開口１６の対応する寸法より小さい。例えば、コイルは、一般的に長さ及び直径を有する。開口１６が正方形の形状（例えば、図５の開口６２により示すような）である場合、フィラメントの長さ及び直径の両方とも正方形の一辺より小さくなるように選定される。開口１６が円形（例えば、図６の開口６４により示すような）である場合、フィラメントコイルの長さ及び直径の両方とも円の直径よりも小さくなるように選定される。幾何学的オフアクシス誤差（小型のフィラメント寸法による）が減少することが判明した更により具体的な実施形態では、フィラメントコイルは、長さと直径を有する螺旋形に巻かれ、螺旋形の長さは、螺旋形の直径の約２倍に等しいか又はそれより小さいかである。
【００１５】
光源１０を、ハロゲンランプに限定しようとするものではない。ハロゲンランプは、光線を小さい焦点に集束させるのに有用であると判断された。別の種類の光源には、例えば短アークＨＩＤランプのような高輝度放電（ＨＩＤ）ランプが含まれる。短アークＨＩＤランプは、約１ｍｍ程度の極めて短いアークの大きさを有しているが、これらのランプは、一般的にハロゲンランプより遙かに高価であり、しかもそれほど堅牢ではない。
【００１６】
光源１０を選定するときに役立つ１つのパラメータは「定格寿命」であり、この「定格寿命」は、製造業者が光源をどの位長持ちする能力があるか格付けするものであり、一般的に光源の母集団の５０％が故障したことになる期間により定められる。本明細書で用いる、「長寿命」の光源１０は、少なくとも約７００時間の定格寿命を有する光源を含む。より具体的な実施形態では、定格寿命は、少なくとも約１０００時間である。更により具体的な実施形態では、長寿命ハロゲンランプが用いられる典型的な場合と同様に、定格寿命は、少なくとも約３０００時間である。
【００１７】
光源１０を選定するときに役立つ別のパラメータは、堅牢さである。本明細書で用いる、「堅牢さ」というのは、意図した環境で反復操作に耐える十分な能力があることを意味する。例えば、医療用Ｘ線器械環境では、光源は、周期的に、約６０秒から約９０秒までの間電源を入れられ、その後約６０秒の間電源を切られることが多い。
【００１８】
光源１０を選定するときに役立つ更に別のパラメータは、再始動電圧である。例えば、ハロゲンランプは、実質的に同じ（同一又は互いのプラスマイナス約１０％を意味する）再始動及び作動電圧を有する。この特性は、ＨＩＤランプのような作動電圧より高い再始動電圧を必要とする光源と比較して有利な点である。１つの実施形態では、光源１０は、約４８ボルトに等しいか又はそれより低い再始動電圧を有する。より具体的な実施形態では、再始動電圧は、約１２ボルトに等しいか又はそれより低い。ハロゲンランプが用いられる場合には、出力レベルは、一般的に約３５ワットから約１５０ワットの範囲にあり、最適値はフィラメントの大きさ及びルーメン出力によって決まる。
【００１９】
光源１０を選定するときに役立つ更に別のパラメータは、コンパクトさである。発光に関して、「コンパクト」というのは、発光エレメント３２がリフレクタ１２からの光線が開口１６に向けられることができるほど小型であることを意味する。１つの実施形態では、フィラメントコイルが、約３．５ｍｍの長さ及び約１．７ｍｍの直径を有する螺旋形に巻かれる。大きさに関して、「コンパクト」というのは、光源の大きさが、現在の照明システム組立体と比較してより大きい照明システム組立体を必要とすることにはならないことを意味する。１つの実施例では、電球３４は、各々が約１０ｍｍ又はそれ以下である寸法を有するように選定される。より具体的な実施例では、電球３４は、約１ｃｍの直径及び約１．３ｃｍの長さを有する円筒形形状を含む。
【００２０】
光学集光器１１は、光源１０からのＸ線照準器光線を第２の焦点Ｆ２に集束するような形状にされ、開口１６は第２の焦点Ｆ２の直近に配置され、Ｘ線源に整合された仮想光源になる。光学集光器１１は、例えば１つ又はそれ以上のレンズ（図示せず）、１つ又はそれ以上のリフレクタ、或いはそれらの組合せを含むことができる。
【００２１】
１つの実施形態では、光学集光器１１は、リフレクタ１２（少なくとも１つのリフレクタ１２を意味する）を含む。より具体的な実施形態では、光源１０、リフレクタ１２及びシールド１４は、光源１０によって放射される全光量の約１０％を開口１６を通して集束できる形状にされる。第２の焦点Ｆ２の周りにおける光線の最も強い領域は、一般的に直径で約５ミリメートル(ｍｍ)より大きくないので、約４ｍｍから５ｍｍまでの開口の大きさは透過光量とエッジコントラストとの間の最も良好なトレードオフを示す。
【００２２】
リフレクタ１２は、一般的にダイクロイックミラー材料により被覆された熱伝導性材料を含む平滑表面のリフレクタである。適当な熱伝導性材料の例には、ガラス及びアルミニウムが含まれる。ダイクロイックミラー被覆は、可視光線を反射して熱を伝達するのに有用である。
【００２３】
１つの実施形態で、リフレクタ１２は、準楕円体部分２６を含み、光源１０は準楕円体部分２６の内部に配置される。より具体的な実施形態では、光源１０は、発光エレメント３２を第１の焦点Ｆ１の周りに中心合わせして、リフレクタ１２に取り付けられる。準楕円体部分２６は、楕円体形状又は真性楕円体の変形形状（言い換えれば、一定の湾曲に沿うように設計された形状）を含み、開口１６を通しての光線の集束を改善する。顧客独自の最適化（点光源ではない光源１０に対処するための）は、市販のソフトウェアツールによって容易に達成される。例えば、１つの実施形態では、準楕円体部分２６の長さ（図１のＨ）は、約４０ｍｍから約６０ｍｍの範囲にあり、準楕円体部分の内径（図１のＣＡ）は、約４５ｍｍから約５５ｍｍの範囲にあり、また焦点Ｆ１と焦点Ｆ２の間の距離は、約５４ｍｍから約５８ｍｍの範囲にある。
【００２４】
シールド１４は、任意の構造的に適した不透明材料を含むことができる。作動温度に耐えることができる機械的剛性がある材料が、特に有用である。例えば、１つの実施形態では、シールド１４はアルミニウムを含む。より大きい厚さを用いることができるが、シールド厚さの標準的な範囲の例は、約０．５ｍｍから約２ｍｍである。開口１６は、任意の多角形形状を含むことができる。本明細書で用いる、「多角形」開口は、コーナ(任意の角度の)を有する開口或いは円形又は長円形形状のような連続する形状（無限の辺の）を有する開口を含むことができる。
【００２５】
コリメータ２２(図１に示す)が正方形の開口を有するＸ線システムの実施形態の場合には、正方形の開口が、エッジコントラストを低下させることなくターゲット区域における光度を増大させるのに有用である。一般的に、図４に示すように光学集光器１１に面するより小さい開口部と光学集光器１１の反対の側に面するより大きい開口部とを備える開口１６を有するのが有用である。
【００２６】
光源１０から直接に到達するよりもリフレクタ１２からより多くの光線が開口１６に到達するという事実のために、開口１６から出る光照射野は、一般的に中央領域において最も暗い。中央部をより明るくできる１つの方法は、光源１０と開口１６との間に配置された適当なグレード・ディフューザ６０（図４に示す）を用いて、周囲の光線の一部を中央部に拡散させることである。
【００２７】
ディフューザ６０を開口１６に近接して設置することは、ターゲット区域２４（図１に示す）における光照射野の均一性を改善する上で特に有用である。例えば、１つの実施形態で、ディフューザ６０は、シールド１４に直接取り付けられる。より具体的な実施形態では、耐高温ＲＴＶ（室温加硫）シリコンゴム材料のような接着剤５８を用いてディフューザ６０のシールド１４への取付けを維持する。
【００２８】
ディフューザ６０対する有用な材料のいくつかの例には、曇りガラス及び形模様付きガラスが含まれる。これらの実施形態のいずれにおいても、ディフューザは、所定の角度範囲にわたって光線を分散するように設計される。例えば、医療用システムにおいては、約２０度又はそれ以下の範囲の狭い分散角度が、有用な透過光量を最大にするために一般的に有用である。１つの実施形態では、ディフューザは、一辺が長さ約１ｃｍの正方形であり、約０．２ｃｍの厚さを有する。
【００２９】
本明細書で説明した具体的な実施形態は、特定の照明システムに対する要求を最適化するために様々な組合せで用いることができる。１つの例としての実施形態では、Ｘ線照準器照明システムは、長寿命ハロゲンランプ１０と、第１の焦点及び第２の焦点を有し、該第１の焦点に配置されたランプからの光線を第２の焦点に集束する形状にされたリフレクタ１２と、第2の焦点の直近に配置され、該Ｘ線照準器システムの光照射野のエッジコントラストの必要条件を満たしながら透過光量を最大にするような幾何学的形状になっている開口１６を有する不透明シールド１４と、ランプ１０と開口１６との間に配置されたディフュー６０とを含み、該ハロゲンランプは、各々の寸法が開口１６の対応する寸法よりも小さい、軸方向に設置されたフィラメントコイルを含む。
【００３０】
図３は、本発明の別の実施形態による照明システムの側面断面図である。図３の実施形態は、開口１６（ディフューザの実施形態との組合せ又はそれとは別のいずれかの）から出る光照射野の中央領域の輝度を増大させるためのＸ線照準器照明システムにおいて有用であるが、Ｘ線照準器照明システムに関して限定することを意図するものではない。図３の実施形態で、リフレクタ１２は、準楕円体部分からの迷光をシールド１４の方向へ反射するために準楕円体部分２６とシールド１４との間に配置された円筒形部分３０と、シールド１４の直近に配置された後方リフレクタ部分４４と、後方に反射された光線を開口１６の方向へ向けるために開口と光源との間に配置された中央取付け部分４６とを更に含む。シールド１４の直近というのは、後方リフレクタ部分がシールド１４上に又は該シールド１４から約２．５ｍｍの範囲内に配置されることを意味する。図３の実施形態を用いると、準楕円体部分を越えた所からの光線の１部が、光源の端部に向けて後方反射され次いで開口の方向へ反射されて、より多くの光線を中央部分にもたらす。
【００３１】
１つの実施形態で、透明カバー４８（例えば、ガラスのような材料を含む）が、準楕円体部分２６と円筒形部分３０との間に存在し、中央取付け部分４６は、透明カバー４８に直接取り付けられる。後方リフレクタ部分４４及び中央取付け部分４６は、迷光の開口１６の方向への反射を最大にするような形状にされる。１つの実施形態で、後方リフレクタ部分４４は、楕円体状に湾曲した表面を含む。後方に反射された光線のいくつかの例が、図３の光線経路５２及び５４により示される。図３の実施形態を用いると、開口１６からの光照射野はより均一になる。
【００３２】
図１及び図２並びに図４から図６までの光源、リフレクタ、シールド、開口、及びディフューザの実施形態に関する上記の説明は、図３の実施形態にも同様に適用可能である。
【００３３】
本明細書では本発明の一部の特徴のみを図示し説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が想起されるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の技術思想に含まれる全てのそのような修正及び変更を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施形態によるＸ線照準器照明システムの概略図。
【図２】 本発明の別のより具体的な実施形態による、図１のＸ線照準器照明システムの側面断面図。
【図３】 本発明の別の実施形態による照明システムの側面断面図。
【図４】 本発明の別のより具体的な実施形態において用いられる、ディフューザ付きシールド構成のより具体的な実施形態の側面断面図。
【図５】 本発明の１つのより具体的な実施形態において用いられる開口の形状を示す図。
【図６】 本発明の別のより具体的な実施形態において用いられる開口の形状を示す図。
【符号の説明】
１０ 光源
１１ 光学集光器
１２ リフレクタ
１４ 不透明シールド
１６ 開口
１８ Ｘ線源
２０ ミラー
２２ コリメータ
２４ ターゲット区域
Ｆ１ 第１の焦点
Ｆ２ 第２の焦点

Claims (10)

1. Ｘ線照準器照明システムであって、
   Ｘ線照準器光源（１０）と、
   第１の焦点に配置されている該光源からのＸ線照準器光線を第２の焦点に集束する形状にされた光学集光器（１１）と、
   Ｘ線の照射区域を設定するコリメータ（２２）と、
   前記光源（１０）と前記コリメータ（２２）との間に配置され、開口（１６）を有する不透明シールド（１４）と、を含み、前記開口は、前記第２の焦点の直近に配置されている、ことを特徴とするシステム。
2. 前記光源は、ハロゲンランプを含むことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ハロゲンランプは、軸方向に配置されたフィラメントコイルを含み、該コイルの長さ及び直径の両方は、前記開口の寸法より小さいことを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記フィラメントコイルは、長さと直径を有する螺旋形に巻かれ、螺旋形の長さは、螺旋形の直径の２倍に等しいか又はそれより小さいことを特徴とする、請求項３に記載のシステム。
5. 前記Ｘ線照準器光源（１０）は、１２ボルト以下の再始動電圧を有し、３５ワットから１５０ワットの範囲の出力レベルを有していることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 前記光学集光器は、リフレクタ（１２）を含み、
   前記リフレクタは、準楕円体部分（２６）を含んでおり、前記光源は、該準楕円体部分の内部に配置されていることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれかに記載のシステム。
7. 前記リフレクタは、前記準楕円体部分からの迷光を前記シールドの方向に反射するために該準楕円体部分と前記シールドとの間に配置された円筒形部分（３０）と、前記シールドの直近に配置された後方リフレクタ部分（４４）と、後方に反射された光線を前記開口の方向へ向けるために該開口と前記光源との間に配置された中央取付け部分（４６）とを更に含むことを特徴とする、請求項６に記載のシステム。
8. 前記準楕円体部分と前記円筒形部分との間に配置された透明カバーを更に含み、
   前記中央取付け部分は、前記透明カバーに取り付けらており、
   前記開口が多角形形状を有していることを特徴とする、請求項７に記載のシステム。
9. 前記開口に近接して配置されたディフューザ（６０）を更に含み、
   前記ディフューザ（６０）は前記開口の周囲部分の光線の一部を前記開口の中央部に拡散させることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれかに記載のシステム。
10. 前記コリメータ（２２）を介して前記照射区域に向けてＸ線ビームを照射するＸ線源（１８）と、
    Ｘ線照準器光源（１０）からの光線を前記照射区域に向けるミラーと、
    を更に含み、
    前記照射区域に向けられる光線のエッジコントラストと透過光量が前記開口の大きさと前記開口と前記第２の焦点との距離により調整されており、
    前記光源は、前記Ｘ線ビームの経路内に存在しないことを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載のシステム。

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