JP4576205B2 - Ｘ線検出器の温度を調整する熱電冷却装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には医療用装置に関する。より具体的には、本発明は冷却性能を備えたＸ線検出器に関する。

Ｘ線検出器の内部に見られるイメージング電子機器は熱エネルギを発生し、Ｘ線パネルにおける温度を作動可能範囲内に維持するためには、この熱エネルギは除去されなければならない。さらに、連続したリアルタイムイメージングを必要とする幾つかの処置の間、Ｘ線パネルは一定に保たれ続けなければならない。Ｘ線パネルを安定して作動させることは、同様に連続して熱エネルギーを除去する必要性を生じる。

熱エネルギーを除去する方法はさらに、Ｘ線検出器が作動する環境に制約される。Ｘ線検出器は、環境的にもまた寸法的にも制約を受けることが多い。環境的には、Ｘ線検出器は、多くの場合、手術室のような無菌環境内で使用されかつ手術時にはプラスチック製無菌バッグ又はその他の密閉エンクロージャ内に封入される。無菌環境はさらに、Ｘ線検出器内で強制空気冷却を使用できることにも影響を及ぼす。さらに、プラスチック製無菌バッグ又はその他のエンクロージャは、多くの場合、Ｘ線検出器を隔離し、熱エネルギーの増大を招く。寸法的には、Ｘ線検出器は、小型で移動式でなければならないことの多いＸ線ユニットの一部となっている。このような寸法要件により、Ｘ線検出器は、より制約された空気流量及び非効率な対流冷却の状態で設計される必要がある。

これ迄は、Ｘ線検出器における熱エネルギー伝達は、Ｘ線検出器に取付けた冷却プレートを通して液体冷却媒体を循環させる温度コンディショナによって行われてきた。しかしながら、この方法では、Ｘ線ユニットの寸法が増大しかつ腐食及び材料不適合の付加的な問題が発生する。さらに、冷却システム内で使用する液体は、環境保護庁（ＥＰＡ）などの法的機関によって規制されることが多く、従って一部の場合には該液体の有効使用が制限される。
米国特許出願公開第２００４／００２５５１６号

従って、無菌環境及び制約区域内でＸ線検出器を冷却することに対する必要性が存在する。

本発明に従った方法及び装置は、無菌環境により制約されまた密閉空間内に閉じ込められた場合ですらＸ線検出器に対する温度調節をおこなうことができる。Ｘ線検出器の解決策は、半導体デバイスを使用して実施される。その結果、安価な温度調整装置により、Ｘ線検出器内のＸ線パネルの冷却及び加熱を温度制御して温度を許容温度範囲内に維持することが可能になる。

１つの実施では、２つの熱伝導面が、多数の熱電デバイスの上方及び下方に上部及び下部面を形成する。この熱電デバイスは、電力が加えられたとき温度勾配を生じる。熱伝導面の一方がＸ線検出器に接続されたとき、他方は放熱装置として機能する。従って、Ｘ線検出器内の温度を監視しかつ熱電デバイス内の電流及び電圧極性を調整するコントローラによって、温度制御が達成される。

添付の図面及び詳細な説明を検討することにより、本発明の他の装置、方法、特徴及び利点が当業者には分かるか又は明らかになるであろう。全てのこのような付加的なシステム、方法、特徴及び利点は、本明細書の説明内に含まれ、本発明の技術的範囲内にあり、かつ特許請求の範囲によって保護されることになることを意図している。

図における構成部品は、必ずしも同じ尺度ではなく、それよりむしろ本発明の原理を説明するために強調している。図において、同じ参照符号は、異なる図全体にわたって対応する部品を示す。

添付図面を参照すると、本発明を一層よく理解することができる。図における構成部品は、必ずしも同じ尺度を適用しておらず、むしろ本発明の原理を説明することに重点を置いている。さらに、図において、同じ参照符号は、別々の図全体を通して対応する部品を示している。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明しているが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。

図１には、冷却を必要とする本体に取付けた熱電温度デバイス１００の断面図を示す。熱電温度デバイス１００は、電気絶縁体１０４、導電素子１０６、ｎ型半導体材料がドープされたテルル化ビスマス半導体基板材料領域１０８及びｐ型半導体材料がドープされた別の領域１１０を含む。ドープされた半導体材料領域１１０及び１０８の各々は、関連した電極１１２及び１１４と接触している。電極１１２及び１１４は、熱シンク１１８と接触している別の電気絶縁体１１６上に載置される。バッテリ１２０は、熱電温度デバイス１００に電流を供給する。

バッテリから熱電温度デバイス１００に電流が供給されると、バッテリ１２０から電極１１４、ｐ型ドープ半導体材料１１０、導電素子１０６、ｎ型ドープ半導体材料１０８、電極１１２を通ってバッテリ１２０に戻る経路が形成される。熱電温度デバイス１００を通って流れる電流によって、熱接点及び冷接点が形成される。

冷接点は、導電素子１０６において発生し、本体１０２を冷却する。熱は、電極１１２及び１１４を流れる電流に比例した割合で冷接点から熱接点即ち他方の導電素子１１６にポンピングされる。より詳細には、熱導体１０６における熱エネルギは、電子がｐ型ドープ半導体材料１１０の低エネルギレベルからｎ型半導体材料１０８の高エネルギレベルに通過するとき該電子によって吸収される。電極１１２及び１１４を流れる電流の方向を逆転させると、熱接点及び冷接点も逆転する。従って、熱電デバイス１００は、供給される電流の方向に応じて２つのモード（冷却又は加熱）のうちの１つで作動することになる。熱電デバイス１００は、電流を供給するバッテリに接続されたものとして示している。別の実施形態では、発電機、オルタネータ及び太陽電池などの別形式の電流発生装置を使用することができる。

次ぎに図２に移ると、この図は、Ｘ線検出器のＸ線パネル２０８に取付けた熱電温度調整装置２００を示す。電流が、正電圧接点２０１及び負電圧接点２０２から熱電調整装置２００に供給される。熱電調整装置２００は、冷却プレート２０４及び熱シンク２０６と接触している。冷却プレート２０４は、アルミニウムなどの熱伝導性のある材料で作られる。冷却プレート２０４と熱シンク２０６との間の空間には、冷却プレート２０４及び熱シンク２０６間の熱障壁としての役目を果たす熱絶縁体２１０が充填される。放熱プレート２１２は、Ｘ線パネル２０８と接触した状態で配置されてＸ線パネル２０８から取り去るように熱エネルギを伝導することができる。放熱プレート２１２は、冷却プレート２０４と同一の材料で作ることができる。別の実施形態では、放熱プレート２１２は、熱伝導セラミックで作ることができる。

ヒートパイプ２１４は、冷却プレート２０４と熱接触し、一方、放熱プレート２１２はヒートパイプ２１６と熱接触している。ヒートパイプ２１４及び２１６は、同様に互いに接触している。Ｘ線検出器内のＸ線パネル２０８で発生した熱エネルギは、放熱プレート２１２によって放散され、ヒートパイプ２１４及び２１６によって冷却プレート２０４に伝達される。冷却プレート２０４及びヒートパイプ２１６は、熱絶縁体２１８及び２２０によって他の電子機器２２２と接触しないように熱絶縁されて、Ｘ線パネル２０８から出る熱エネルギが他の電子機器２２２を通してではなくヒートパイプを通して伝達される。熱絶縁体２１０、２１８及び２２０は、例えばエポキシ樹脂系絶縁材料で作ることができる。ヒートパイプ２１４及び２１６は、冷却プレートと同一の熱伝導材料で作ることができる。他の実施例では、ヒートパイプはさらに、熱伝導セラミック材料で作ることもできる。

熱電デバイス１００により、Ｘ線ユニット内に有害かつ腐食性の可能性がある液体を配置せずにＸ線検出器内のＸ線パネル２０８から熱エネルギを伝達することが可能になる。熱電デバイス１００によってさらに、患者に対する悪影響のリスクを増大させずに小型Ｘ線ユニットを設計しかつ配備することも可能になる。さらに、熱電デバイスは、Ｘ線パネル２０８に直接取付けてＸ線検出器における温度を所定の作動可能範囲内に維持するように調節することもできる。

Ｘ線検出器から３〜１５メートル離した温度コンディショナを熱電デバイス１００と共に使用してＸ線検出器の所望の温度制御目標を達成することができる。温度コンディショナの実施例には、チラー又は熱交換器が含まれる。Ｘ線検出器内のＸ線パネル２０８と熱電デバイスとの間の熱接続は、ヒートパイプ又はその他の任意の伝導性材料を用いて行うことができる。さらに、Ｘ線パネルは、Ｘ線検出器内のＸ線パネル２０８における温度の付加的な制御を可能にする冷却システムの残りの部分から実質的に絶縁することができる。

図３には、図２の熱電温度調整装置２００のブロック図を示す。上部プレート即ち熱シンク２０６は、熱電デバイス１００を覆う。熱電デバイス１００は、熱シンク２０６の下方に位置する絶縁層即ち熱絶縁層２１０によって包囲される。図３は温度調整装置を形成するように配置された４つの熱電デバイス１００を示しているが、任意の特定の調整装置の設計において、所定の加熱又は冷却の必要性に応じてさらに多い又はより少ない数の熱電デバイス１００を使用できることに注目されたい。熱絶縁層２１０は、熱シンク２０６を冷却プレート２０４から熱絶縁する。絶縁層として使用できる材料の幾つかの実施例には、セラミックス及びシリコン材料が含まれる。正電圧接点２０１及び負電圧接点２０２は、熱電デバイス１００に流れる電流経路を形成する。熱電デバイス１００と共に絶縁層２１０は、熱シンク２０６及び冷却プレート２０４の両方と接触している。

次ぎに図４に移ると、この図は、図２の熱電温度調整装置２００用のサポート回路のブロック図４００を示す。コントローラ４０２が、温度センサ４０４、温度調整装置２００及び電源４０８に接続される。電源４０８は、コントローラ４０２及び温度調整装置２００に接続される。コントローラ４０２は、電源４０８によって温度コントローラ２００に供給される電流を調整するようにプログラミングされたマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラとすることができる。他の実施形態では、コントローラ４０２は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、コントローラとして機能する個別ロジック回路、コントローラとして機能するアナログ回路、又はコントローラとして機能するように構成された上記のものの組合せとすることができる。

コントローラ４０２は、電源４０８によって発生されかつ熱電デバイス４０６が受ける電圧を逆転させることができる。１つの実施形態では、コントローラ４０２は、リレーなどのスイッチ４１０を作動させて電圧を逆転する。別の実施形態では、半導体デバイスを使用して電圧を切り換えて、熱電デバイスを冷却モードから加熱モードに切り換えることができる。コントローラ４０２は、Ｘ線検出器内部に設置することができ或いはＸ線検出器の外部に設置することができる。

図５には、フローチャート５００により、図２のＸ線検出器の温度を維持するプロセスを示す。プロセスは、Ｘ線検出器に電力が加えられた時にコントローラ４０２が初期設定される（ステップ５０４）ことで開始する（ステップ５０２）。温度センサ４０４が、Ｘ線検出器内の温度を測定する（ステップ５０６）。本願の好適な実施例において、温度センサは、Ｘ線パネル２０８と接触しており、温度センサは、熱電対である。測定した温度は、コントローラ４０２に伝えられ、そこでコントローラ４０２は、Ｘ線検出器の温度が所定の作動可能範囲内にあるか否かを判定する（ステップ５０８）。本願の好適な実施例において、所定の温度範囲は、２５℃〜３５℃である。温度が作動可能範囲内にある場合には、次ぎにＸ線検出器の温度は、再び温度センサ４０４によって測定される（ステップ５０６）。温度が所定の作動可能範囲内にない場合には、次ぎにコントローラ４０２は、加熱又は冷却の何れが必要であるかを判定する（ステップ５１０）。

加熱が望ましい場合、次ぎに熱電デバイス４０６の正入力及び負入力において受けた電圧を逆転させることによって電圧を調整する（ステップ５１２）。初期設定の構成は、熱電デバイス４０６がＸ線検出器を冷却するように電圧極性が構成された状態になっている。冷却量は、熱電デバイス４０６を通る電流を調整する（ステップ５１４）ことによって制御される。より多量の電流は、増大した冷却をもたらす。冷却が望ましくかつ電圧が初期設定の構成にある場合には、次ぎに電流は、冷却を減少させるか又は増加させるかの何れかに調整される（ステップ５１４）。冷却が必要でかつ電圧が加熱用に構成されている場合には、次ぎに電圧が逆転される。別の実施形態では、固定電流が、熱電デバイス４０６に供給される。

図５では、プロセスは、停止する（ステップ５１６）ものとして示している。実際には、プロセスは、ステップ５０６に戻ることによって連続的に繰り返される。別の実施形態では、プロセスは、例えば３０秒毎のような所定の間隔で反復される。他の実施形態では、温度閾値が検出されたときに、プロセスを反復するようにすることができる。

本発明の実施に関する以上の記載は、例示及び説明のために行ったものである。その記載は、網羅的なものではなく、また本発明を開示した形態そのものに限定するものでもない。上記の教示に照らしてその改良及び変更が可能であり、また本発明を実施することからその改良及び変更に想到することができる。例えば、上述の実施はソフトウエアを含むが、本発明は、ハードウエアとソフトウエアとの組合せ或いはハードウエア単独で実施することができる。また、実施はシステム間で変えることができることにも注目されたい。本発明は、オブジェクト指向及び非オブジェクト指向プログラミングシステムの両方で実施することができる。特許請求の範囲及びその均等物により、本発明の技術的範囲が定まる。

冷却しようとする本体に取付けた熱電温度デバイスの断面図。 Ｘ線検出器に取付けた図１の熱電デバイスを組み込んだ熱電温度調整装置の概略図。 図２の熱電温度調整装置のブロック図。 図２の熱電温度調整装置を備えた回路のブロック図。 図２のＸ線検出器の温度を維持するプロセスのフローチャート。

符号の説明

１００ 熱電温度デバイス
２００ 熱電温度調整装置
４０２ コントローラ
４０４ 温度センサ
４０８ 電源
４１０ スイッチ

Claims (9)

1. Ｘ線検出器の温度を調節する熱電温度調整装置（２００）であって、
   コントローラ（４０２）と、
   前記コントローラに温度データを伝える温度センサ（４０４）と、
   前記温度センサから温度データを受けている前記コントローラに応答する、正電圧接点（２０１）と負電圧接点（２０２）とを有する熱電デバイス（４０６）と、
   前記Ｘ線検出器のＸ線パネル（２０８）と接触した放熱プレート（２１２）と、
   ヒートパイプを介して前記放熱プレート（２１２）と熱接触し、前記熱電デバイス（４０６）と熱接触した冷却プレート（２０４）と、
   前記Ｘ線検出器の電子機器（２２２）を前記冷却プレート（２０４）及び前記ヒートパイプから熱絶縁する熱絶縁体と、
   を含み、
   前記放熱プレート（２１２）と前記冷却プレート（２０４）のいずれかが前記熱電デバイス（４０６）に熱的に接続する、装置。
2. 前記正電圧接点と負電圧接点とを切り換えるスイッチ（４１０）をさらに含む、請求項１記載の装置。
3. 前記温度センサが熱電対であり、前記熱絶縁体がエポキシ樹脂系絶縁材料である、請求項１記載の装置。
4. 前記正電圧接点及び負電圧接点に接続された電源（４０８）をさらに含む、請求項１記載の装置。
5. 前記熱電デバイスが半導体熱電デバイスであり、前記ヒートパイプが、アルミニウム又は熱伝導セラミック材料で作成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 温度データの受信に応答して前記コントローラによって制御される、正電圧接点における電流方向を制御するスイッチ（４１０）をさらに含む、請求項１記載の装置。
7. 前記コントローラが前記Ｘ線検出器内のＸ線パネル（２０８）を所定の温度範囲内に維持するように前記熱電デバイスを制御する、請求項１記載の装置。
8. 前記所定の温度範囲が２５℃〜３５℃である、請求項７記載の装置。
9. Ｘ線検出器の温度を調節する方法であって、
   医用Ｘ線検出器の温度を測定する段階と、
   前記医用Ｘ線検出器の温度が所定の範囲内にあるか否かを判定する段階と、
   正電圧接点（２０１）と負電圧接点（２０２）とを有する熱電温度デバイス（１００）に流れる電流を調整して前記医用Ｘ線検出器の温度を変更する段階と、
   前記Ｘ線検出器のＸ線パネル（２０８）と接触し、ヒートパイプを介して冷却プレート（２０４）と熱接触した放熱プレート（２１２）を提供する段階と、
   前記Ｘ線検出器の電子機器（２２２）を前記冷却プレート（２０４）及び前記ヒートパイプから熱絶縁する段階と、
   を含み、
   前記放熱プレート（２１２）の熱が前記ヒートパイプを介して前記熱電デバイス（４０６）と熱接触した前記冷却プレート（２０４）に伝達される、方法。
   

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