Brevet FR2811472A1 — publié le 20020111

-1-*;d2811472 La présente invention concerne un appareil producteur de rayons X, ou tube à rayons X, permettant d'obtenir des rayons X sous la forme d'un faisceau convergent, ce qui lui confère des applications particulièrement intéressantes en radiothérapie. Le domaine technique de l'invention est celui de la construction des tubes à rayons X. Depuis la découverte des rayons X par Roentgen en 1895, la technique de fabrication des tubes générateurs de rayons X a fort peu évoluée. Elle peut se résumer de la façon suivante: dans une enceinte o règne un vide très poussé sont disposées deux électrodes soumises à une différence de potentiel élevée (plusieurs dizaines de kilovolts). La cathode émet et concentre un faisceau d'électrons sur l'anode qui attire les électrons avec d'autant plus de force que la différence de potentiel est élevée. Au point d'impact de ces électrons sur l'anode se produit l'émission d'une onde électromagnétique d'une longueur d'onde voisine de l'angstrôm: 10 -7 nmmn (rayons X) dont la direction est fonction de l'angle que fait l'anode par rapport au faisceau d'électrons incident. Mais la densité du courant électronique provoque un dégagement de chaleur important au point d'impact sur l'anode, cet échauffement étant proportionnel à la densité du faisceau d'électrons et à la vitesse cinétique de ceux-ci. L'anode doit donc être constituée d'un matériau conducteur mais très réfractaire (tungstène, carbone, etc) afin de ne pas être rapidement détruite. L'utilisation d'une anode rotative dans les tubes à rayons X de forte puissance penrmet de dissiper plus rapidement la chaleur produite. Mais dans l'état actuel de la technique de fabrication des tubes à rayons X, et quelles que soient les variantes utilisées, le faisceau de rayons X est émis à partir du point d'impact des électrons sur l'anode. De ce point d'impact (foyer) émerge un faisceau de rayons X qui est toujours divergent. Alors que pour les applications de radiologie diagnostique il est intéressant d'obtenir un faisceau X à configuration conique, émanant d'un foyer aussi fmin que possible, il n'en est pas de même en ce qui concerne la radiothérapie. En effet, un faisceau de rayons X émanant d'un foyer situé au sommet d'un cône va irradier davantage les tissus superficiels que la tumeur localisée en profondeur. C'est -2- l'inverse qui est souhaitable, et l'utilisation d'un faisceau X convergent permet d'avoir une concentration maximum de rayonnement X au niveau de la tumeur à détruire, tout en préservant les tissus environnants. Or il n'existe à ce jour aucun tube à rayons X susceptible de produire directement un faisceau convergent de rayons X. D'autre part il est impossible de focaliser des rayons X car ils ne peuvent être ni réfléchis par des miroirs, ni réfractés par des lentilles même électroniques. Le but de la présente invention est de proposer la réalisation d'un dispositif susceptible de générer un rayonnement X qui puisse être concentré dans une très petite région, laquelle étant mise en coïncidence avec la tumeur à détruire, celle-ci recevra un maximum de radiations, alors que la densité du faisceau X ira rapidement en décroissant de part et d'autre de la tumeur. Le dispositif selon l'invention qui permet d'obtenir un faisceau convergent de rayons X, comporte une enceinte étanche o règne un vide très poussé dans laquelle sont disposées deux électrodes entre lesquelles est appliquée une différence de potentiel élevée (de quelques dizaines à quelques centaines de kilovolts). L'une des électrodes (l'anode) est constituée d'une couronne circulaire fixe et l'autre électrode (la cathode) est tournante, son axe de rotation coïncidant avec l'axe de révolution de l'anode. La cathode est munie d'un bras, perpendiculaire à son axe de rotation, qui est lui-même pourvu à son extrémité d'un élément chauffant producteur d'électrons et de déflecteurs électrostatiques assurant la concentration du faisceau électronique. Pendant sa rotation, le bras émetteur d'électrons projette ceux-ci sur la face interne de l'anode qui les attire violemment. La succession des points d'impact des électrons sur l'anode, qui constituent autant de foyers émissifs de rayons X, détermine sur la face interne de l'anode un cercle producteur de rayonnement X. Le faisceau de rayons X émis à partir de ce foyer circulaire peut avoir une configuration soit cylindrique, soit divergente, soit convergente, en fonction de la pente, ou conicité, plus ou moins accentuée de la face de l'anode qui subit le bombardement électronique. Dans le cas d'un faisceau convergent, l'angle donné à l'anode détermine également la distance à laquelle se situe le point de convergence par rapport à l'anode. Il est évident que chacun des points de l'anode bombardé par le faisceau d'électrons émet non seulement un rayon principal, mais également une -3 - gerbe de rayons secondaires divergents qui ne sont d'aucune utilité dans le cadre de l'invention. En conséquence, le dispositif selon l'invention comporte également un diaphragme situé à l'intérieur ou à l'extérieur de l'enceinte, ledit diaphragme permettant de sélectionner les rayons X principaux issus du cercle émissif anodique. Après passage à travers la diaphragme, le faisceau de rayons X affecte la forme d'une enveloppe conique qui se transforme, au point de convergence, en un petit volume de rayons X très concentrés ayant une activité destructrice maximale. Après dépassement de cette zone de convergence, le faisceau de rayons X devient divergent et perd rapidement de son intensité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit et des dessins joints, dans lesquels: - La figure 1 représente en coupe un dispositif conforme à l'invention suivant un premier mode de réalisation. - La figure 2 représente en coupe un dispositif conforme à l'invention suivant un deuxième mode de réalisation. - La figure 3 représente en demi-coupe une variante de l'invention permettant un refiroidissement accéléré de l'anode. - La figure 4 représente en demi-coupe une variante de l'invention permettant une amélioration du refroidissement de l'anode. - La figure 5 montre comment l'utilisation du dispositif selon l'invention permet de détruire des tumeurs malignes localisées en profondeur. En référence à ces dessins, les différents dispositifs conformes à l'invention comportent une enceinte étanche (1) qui peut affecter la forme d'une ampoule, un tube ou un ballon ou avoir une configuration torique, dans laquelle règne un vide très poussé. A l'intérieur de cette enceinte sont disposées deux électrodes entre lesquelles une différence de potentiel très élevées est appliquée. L'anode (2) constituée d'une couronne circulaire ayant YY' pour axe de révolution est fixe. Son refroidissement peut se faire par convection, ou être accéléré par la circulation d'un fluide réfrigérant. Dans un autre mode de réalisation l'anode peut faire partie intégrante de la paroi de l'enceinte (1) et son refroidissement peut être amélioré par des ailettes situées à l'extérieur de l'enceinte. La cathode est constituée d'un rotor (3) qui comporte à sa périphérie un ou plusieurs éléments (4) producteurs -4- d'électrons, chacun d'eux étant constitué d'un filament chauffant (5) et de déflecteurs électrostatiques (6) destinés à focaliser le faisceau d'électrons (7) sur l'anode (2). L'ensemble tournant qui constitue la cathode, et qui projette sur l'anode un ou plusieurs faisceaux d'électrons, est mis en rotation à travers la paroi de l'enceinte (1) par un inducteur extérieur (11). Le courant d'alimentation du ou des filaments (5) est transmis à l'ensemble tournant par un collecteur (12). Le ou les faisceaux d'électrons (7) détermnninent sur l'anode (2), pendant la rotation de la cathode, une piste circulaire (9) qui devient le foyer d'émission d'un faisceau de rayons X (8). La plus ou moins grande convergence dudit faisceau, et par conséquent la plus ou moins grande distance du point O par rapport au plan de l'anode (2) sont fonction de l'angle a qui caractérise la pente, ou conicité, de l'anode. Dans le mode particulier de réalisation de l'invention qui est illustré par la figure 2, il est possible d'imaginer que pour un angle a bien précis chaque point d'impact des électrons sur l'anode (2) détermine un rayon X principal qui reste dans le même plan que le cercle émissif (9), le point de convergence O étant également dans ce même plan. Dans ce cas très particulier, et sous réserve de construire une enceinte de dimensions suffisantes, il est envisageable d'introduire le patient à l'intérieur et le positionner de telle sorte que la partie à irradier soit mise en coincidence avec le point de convergence O. Il est également possible de concevoir, à partir d'un mode de réalisation de l'invention semblable à celui décrit ci-dessus, un système permettant la réalisation de coupes densitométriques. Il suffit en effet de disposer, à l'opposé du rayon X produit par chaque point d'impact des électrons sur l'anode (2), un détecteur collectant les données relatives aux variations de densité des tissus traversés par le rayonnement tournant dans le plan du cercle émissif (9) et de transmettre ces informations à l'ordinateur chargé de la reconstruction des coupes. Dans tous les modes de réalisation de l'invention il est indispensable de prévoir un diaphragme (10) intérieur ou extérieur à l'enceinte (1), et quelquefois plusieurs de ces diaphragmes, afin de bien délimiter le faisceau de rayons X (8) en rapport avec l'utilisation envisagée. -5- REVENDICATIONS 1. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent caractérisé par une enceinte étanche (1) o règne un vide très poussé, dans laquelle sont disposées deux électrodes soumises à une différence de potentiel de plusieurs dizaines de kilovolts, l'anode (2) étant constituée d'une couronne circulaire fixe ayant YY' pour axe de révolution et la cathode étant constituée d'un rotor (3) dont l'axe coïncide avec YY', et d'un bras (4) perpendiculaire à YY', ledit bras (4) étant porteur d'un filament (5) chauffé électroniquement afin de produire des électrons, et de déflecteurs électrostatiques (6) qui focalisent le faisceau d'électrons (7) sur la face interne de l'anode (2), de telle sorte que la succession des points d'impact des électrons sur la face interne de l'anode (2) pendant le balayage circulaire du faisceau d'électrons (7) génère une émission de rayons X (8) ayant le cercle (9) pour origine et un point de convergence O situé sur l'axe YY'. 2. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent caractérisé par une enceinte étanche (1) en fonme générale de tore, o règne un vide très poussé, dans laquelle sont disposées deux électrodes soumises à une différence de potentiel de plusieurs dizaines de kilovolts, l'anode (2) étant constituée d'une couronne circulaire fixe ayant YY' pour axe de révolution, et la cathode étant constituée d'un rotor (3) en forme de couronne circulaire ayant YY' pour axe de rotation et d'un bras (4) orienté vers l'anode, ledit bras (4) étant porteur d'un filament (5) chauffé électriquement afin de produire des électrons, et de déflecteurs électrostatiques (6) qui focalisent le faisceau d'électrons (7) sur la face dite active de l'anode (2), de telle sorte que la succession des points d'impact des électrons sur l'anode (2) pendant le balayage circulaire du faisceau d'électrons (7) génère une émission de rayons X (8) ayant le cercle (9) pour origine et un point de convergence O situé sur l'axe YY'. 3. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon la revendication 1 -6- ou la revendication 2, caractérisé en ce que la face interne (ou active) de l'anode (2) possède une pente, ou conicité, d'un angle ct plus ou moins important, destiné à orienter le faisceau de rayons X (8) vers un point de convergence O situé à une distance plus ou moins grande du cercle émissif (9) sur l'axe YY'. 4. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon les revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'angle ca de la face active de l'anode (2) est calculé afin de produire un faisceau de rayons X (8) dont tous les rayons issus du cercle émissif (9) soient contenus dans le plan passant par le cercle (9), ainsi que le point de convergence O. 5. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon les revendications 1 ou 2 et les revendications 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comporte une cathode rotative (3) munie de plusieurs bras (4) disposés en étoile à n branches afin de produire simultanément plusieurs faisceaux d'électrons (7). 6. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'anode (2) faisant partie intégrante de l'enceinte (1) est munie d'ailettes de refroidissement. 7. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que l'anode (2) faisant partie ou non de l'enceinte (1) est refroidie par un fluide réfrigérant. 8. Appareil producteur de rayons X à faisceau convergent selon les revendications 1 ou 2 et l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'un diaphragme (10) est disposé, soit à l'intérieur soit à l'extérieur de l'enceinte (1) afin de délimiter d'une manière précise, et selon les besoins, les contours du faisceau de rayons X (8).