生成和传递x射线的更好方法

Lumitron Technologies, Inc.的成员之一Ansys启动程序，正在使用Ansys基于而且Ansys流利设计一种新的x射线技术，将加速器和激光结合起来，产生更高能量、更高分辨率的x射线束，可以同时用于成像和治疗。x射线可以调节到较小的源尺寸和较小的能量范围，以提供更大的对比度和成像分辨率，同时为放射外科提供新的治疗方法。

制造x射线的方法

在医院里制造x射线的标准方法是将电子束对准金属靶。电子在穿透金属时会减速，并在这个过程中发射x射线。这就产生了宽带辐射，大部分被过滤掉了。一些没有被过滤掉的波长会被你的身体组织吸收，而不会帮助成像，所以你可能受到了比必要的更多的辐射。

在晶体学等科学应用中，同步加速器将电子加速到高速以产生x射线。如果这种辐射通过周期性磁场，电子束就会波动或摆动，产生更高能量的x射线。但是同步加速器可以是一个巨大的装置，由一个长达数公里的环组成。

这里展示的是一个建筑大小的同步加速器的一小部分

为了将系统缩小到更便于临床应用的尺寸，近年来，研究人员一直在试验用激光代替周期性磁场波动器。激光束是一种振荡电场，其波长比同步加速器设施中的磁波动器短得多。如果你用激光和电子束碰撞，电子就会摆动。在这样做的过程中，它们在更紧凑的范围内发射出更高能量的x射线，在几米的范围内，适合医院使用。

黄禹锡解释了其中的物理原理:为了制造射线照相用的电子束，你需要10千伏到100千伏范围内的x射线能量。使用同步加速器方法，你必须将电子加速到千兆电子伏特(GeV)水平，这需要一个数百米长的加速器环。“但是在我们正在开发的激光碰撞方法中，要产生相同的x射线能量(10 kV-100 kV)，你只需要大约50 MeV(兆电子伏)，而不是GeV，”Hwang说。“一个50兆电子伏的电子加速器实际上非常小——只有几米长。”

为什么x射线设计需要模拟

精确的射频设计和控制温度以保持加速器中的共振是关键。Lumitron使用含有电磁场的铜微波腔。“你可以设置电场，这样电子只会在腔体的加速部分行驶，”Hwang说。但这需要非常精确的设计来调整腔体以实现最佳操作。

由于电磁场的作用，腔体温度升高，从而使铜变形。Lumitron使用HFSS模拟射频结构，使用Fluent模拟各种条件下预期的热变形。如果空腔的温度稍有偏差，甚至只有0.5度，则射频源与空腔不匹配。这将导致所有的功率被反射，并损坏电源。

Lumitron科技公司的HyperVIEW x射线系统

这是一个由电磁场引起的加热和任何人工冷却解决方案之间的谨慎平衡。过度冷却也会扭曲空腔。因此，在他们用HFSS产生适当的电磁场后，Lumitron的工程师就会观察结构变形的位置和程度，并使用Fluent来刺激需要的冷却方式。最近在加速器设计上的改进将运行参数提高了1000倍。“我们必须重新设计整个冷却结构，为了做到这一点，我们必须仔细模拟新的冷却歧管和其他设备的效果，”Hwang说。

Lumitron x射线设计的健康益处n

Lumitron的设计在几个方面改进了现有的x光机:

• 一束能量。与现代临床机器所发射的宽频x射线辐射不同，Lumitron的设计可以将输出微调为单一波长的x射线。“如果你想要50千伏的x射线，你只需要50千伏的x射线，”Hwang说。“你的成像系统将调整到最有效的能量。这将使许多新的成像技术成为可能。”
• 更小的光斑尺寸以获得更高的分辨率。Lumitron能够将电子束和激光束聚焦在一个非常小的点上，10微米或更小。这就是x射线源的大小，它决定了你能在图像中分辨出的物体有多小。
• 结合成像和治疗。把加速器调到更高的能量可以在几分钟内完成。所以，你可以用一种仪器在低能量下成像肿瘤，然后将x射线能量增加到那个点，开始立即杀死肿瘤中的细胞。
• 更有针对性，更有效的治疗区域。使用金属造影剂，如钆，有助于更清楚地定位肿瘤。但这些金属颗粒还有另一个优点。如果你用能量刚好高于k边(x射线吸收突然增加)的x射线照射该区域，它们会在局部释放大量辐射。“这开始了成千上万的电子离开原子的级联，”Hwang解释说。“但这些电子的能量要低得多，通常是一千伏或更低，所以它们真的不能移动很远——最多纳米。所以，如果金属颗粒位于癌细胞的中心，这种级联只会杀死附近的癌细胞，而不会损害其他健康组织。”
  

通过模拟改善医疗保健n

Lumitron x射线设计的改进可以为医学诊断和治疗相结合铺平道路。该公司的技术被称为医学的新前沿。

“我们非常致力于成像、诊断和治疗，”Hwang说。“用一台仪器就能做到这些，同时增强对比度，并为患者提供更低的x射线剂量，这是独一无二的。而Ansys启动计划在使这项研究和开发成为可能方面发挥了重要作用。”

有关更多信息，请访问Ansys启动程序．