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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für die therapeutische
Anwendung ionisierender Strahlung wie z.B. die Behandlung von Stenosis
in Herzkranzgefäßen, und
in der Krebstherapie. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Führungsdrahtanordnung
mit einer intgerierten ultraminiaturisierten Strahlungsquelle.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erzeugung von Röntgenstrahlen
wird allgemein durch Einsatz von Röntgenröhren erreicht. Jedoch ist diese
Art von Gerät
teuer, insbesondere wenn es für
den Gebrauch in sehr kleinen Volumen angepasst werden muss, d.h.
wenn es notwendig ist, das Gerät
wesentlich zu verkleinern.
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Eine
viel einfachere Art der Herstellung sehr kleiner Röntgenstrahlen
erzeugender Geräte
ist es, die Herstellung auf Chiptechnologie zu basieren. Jedoch
wird dieser Ansatz im wesentlichen flache Vorrichtungen ergeben,
die die Strahlung im wesentlichen in einer Richtung abgeben, zumindest
werden sie nicht in der Lage sein, isotropische Strahlung abzugeben.
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In
unserer internationalen Patentanmeldung WO 98/36796 (mit der Priorität aus der
anhängigen US-Anmeldung
08/805,296) ist eine miniaturisierte Strahlungsquelle offenbart,
die an der Lokalisation der Therapie innerhalb des Körpers an
der Stelle z.B. des zu behandelnden Tumors ein- und ausgeschaltet werden
kann. Die Strahlungsquelle ist bevorzugt auf einem Führungsrad
oder einer Katheteranordnung angebracht, um einfach in den Körper eines
Krebspatienten einführbar
zu sein.
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In
der WO 97/07740 ist ein Röntgenstrahlenkatheter
offenbart, der für
die Bestrahlung der Stelle eines Angioplastieverfahrens verwendbar
sein soll, um die Restenosis und andere Zustände in irgendeinem Gefäß, Lumen
oder Körperraum
zu verhindern. Die darin offenbarte Vorrichtung kann nicht auf dieselbe
Weise wie ein Röntgenstrahlen
emittierender Chip entsprechend der Erfindung, die der Gegenstand
der vorliegenden Anmeldung ist, losgefertigt werden, aber sie strahlt
gleichmäßig, d.h.
isotropisch ab. Jedoch kann dies auch ein Nachteil sein, in dem Sinne,
dass auch gesundes Gewebe bestrahlt werden kann.
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Darstellung
der Erfindung
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Daher
wäre es
erwünscht,
Zugang zu einem Gerät
zu haben, das ionisierende Strahlung an eine Therapiestelle bereitstellt
und eine bessere Effizienz hinsichtlich der Fähigkeit, große Flächen des
zu behandelnden Gewebes zu bestrahlen, aufweist, und insbesondere
in der Lage ist, im wesentlichen isotropische Strahlung zu liefern.
Es wäre
auch erwünscht, in
der Lage zu sein, die Intensitätsverteilung über das beschädigte oder
bösartige
Gewebe zu kontrollieren.
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Daher
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zu entwickeln,
das die oben genannten Anforderungen erfüllt und das nicht die mit den
Geräten
des Stands der Technik assoziierten Nachteile aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 erreicht, nämlich mit
einem Gerät zur
Bereitstellung ionisierender Strahlung an einer Therapiestelle innerhalb
eines lebenden Körpers, umfassend
ein Kernelement; ein flexibles Stützelement, das auf der Oberfläche des
Kernelements vorgesehen ist; eine Vielzahl von miniaturisierten
Quellen ionisierender Strahlung, die an dem flexiblen Stützelementen
angebracht sind; und Kopplungsmittel zum Koppeln der Quellen ionisierender
Strahlung an eine externe Stromquelle.
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Durch
Verwendung einer Anzahl von Röntgenquellen
zusammen mit einer selektiven Kontrolle jeder Quelle kann die Strahlung
so kontrolliert werden, dass sie nur in ausgewählte Richtungen strahlt. Daher
ist es möglich,
gewünschte
Teile eines Gefäßes oder
von bösartigem
Gewebe entsprechend der klinischen Notwendigkeit selektiv zu bestrahlen.
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Auf
diese Weise werden die individuellen Quellen jeweils zur Strahlung
beitragen, sodass eine im wesentlichen isotropische Strahlungsquelle
gebildet wird. Durch selektives Aktivieren einer oder mehrerer Chips
wird es möglich
sein, die Teile des Gewebes zu bestrahlen, die bösartig sind, wodurch vermieden
wird, gesundes Gewebe zu bestrahlen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1a zeigt
eine Strahlungsquelle entsprechend der Erfindung, die zusammen mit
einem Führungsdraht
verwendet wird;
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1b zeigt
eine erste Ausführungsform
der Strahlungsvorrichtung;
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1c ist
eine alternative Ausführungsform der
Strahlungsvorrichtung, wobei ein Polymer als ein Röntgenschutzfenster
für die
Strahlungsquelle verwendet wird;
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1d zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Strahlungsvorrichtung, wobei die Strahlungsquelle in einem Katheter
angebracht ist;
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1e zeigt
eine vierte Ausführungsform der
Strahlungsquelle, wo eine flexible Folie mit den Strahlungschips
auf einem steifen Trägerelement
ungefähr
gleicher Länge
wie der flexible Träger
selbst befestigt ist.
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2a ist
eine perspektivische Ansicht einer flexiblen Schaltkreisplatine
mit einer auf der Oberfläche
angebrachten Vielzahl von Strahlungschips, wobei die Schaltkreisplatine
in einem flachen Zustand gezeigt ist, bevor sie in einer Führungsdrahtanordnung
eingebaut wird;
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2b ist
eine Draufsicht eines Leitungslayouts für die Schaltkreisplatine der 2a,
die den Unterschied zwischen der Lötverbindung, die die Röntgenchips
mit der flexiblen Schaltkreisplatine verbindet und den Lötverbindungen,
die die flexible Schaltkreisplatine mit der Stromversorgungseinheit verbinden,
zeigt;
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2c zeigt
eine andere Art der Verbindung der Röntgenchips;
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2d zeigt
eine Ausführungsform,
in der das longitudinale Strahlungsprofil gesteuert werden kann;
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2e zeigt
ein Beispiel der Integration von mehr Intelligenz auf der Strahlungsvorrichtung
unter Verwendung einer MUX;
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2f ist
noch eine andere Art der Anordnung der Röntgenchips, um die Strahlungsgleichförmigkeit
zu erhöhen;
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2g veranschaulicht
die Notwendigkeit, ein Strahlungsprofil in der longitudinalen Richtung
zu erzielen;
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3a zeit
die Schaltkreisplatine der 2 in einem
eingebauten Zustand, wobei die Strahlungschips nach außen gewandt
sind;
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3b zeigt
die Schaltkreisplatine, die in einer umgekehrten Weise im Vergleich
mit der 3a eingebaut ist, d.h. mit der
flexiblen Schaltkreisplatine nach außen gewandt, wodurch die Chips
geschützt werden;
und
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4 ist
eine schematische Ansicht im Querschnitt eines alternativen Strahlungschips.
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Detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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1a veranschaulicht
ein System zum Bereitstellen von Röntgenstrahlung an einer Therapiestelle
in einem Patienten. Es umfasst eine Strahlungsquelle entsprechend
der Erfindung, die in der distalen Region eines Führungsdrahts 2 (oder
eines Katheters) vorgesehen ist. Sie umfasst auch eine Kontrolleinheit 3 mit
der notwendigen Stromversorgung und Schaltvorrichtungen zum selektiven
Ein- und Ausschalten der Quelle. Der Führungsdraht umfasst die notwendigen
elektrischen Leitungen zum Koppeln des Führungsdrahts an die Stromquelle,
geeigneterweise über
einen Stecker 5.
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In 1b und 1c sind
schematische Seitenansichten, teilweise im Schnitt, des distalen Endabschnitts
einer Führungsdrahtanordnung 2 mit einer
daran angebrachten miniaturisierten Strahlungsquelle entsprechend
der vorliegenden Erfindung gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform
ist ein Kerndraht 4 in einem Schutzrohr 6 eingeschlossen
(aus Klarheitsgründen
im Schnitt gezeigt), das normalerweise aus Edelstahl besteht. An
dem Rohr 6 ist eine Spirale 12 angebracht, um
den distalen Endabschnitt der Anordnung flexibler zu machen. Der Kerndraht 4 erstreckt
sich aus dem Rohr 6 heraus, aber innerhalb der Spirale 12.
Um den Kerndraht 4, ungefähr 1 bis 5 mm vom Ende des
Rohrs 6, ist eine flexible Schicht 8 mit einer
Vielzahl, z.B. vier, von daran angebrachten diskreten Chips 10 gewickelt,
die in der Lage sind, ionisierende Strahlung bereitzustellen, wenn
sie geeignet mit Strom versorgt werden. Die Chips sind mit einer
externen Stromquelle (nicht gezeigt) über elektrische Leitungen (nicht
gezeigt) gekoppelt. Die Anordnung der flexiblen Schicht und der Chips
stellt eine Strahlungsvorrichtung zum selektiven Bereitstellen von
ionisierender Strahlung dar. Die Spirale 12 endet genau
vor dem Befestigungspunkt der flexiblen Schicht, die die Strahlungschips 10 trägt. Anstatt
dessen ist ein schützendes
Rohrstück 14, 15 um
die Strahlungsquelle herum angebracht. Dieses Rohrstück 14, 15 kann
aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, das die Chips
geeignet schützt,
und darf die Strahlung nicht daran hindern, ihr Zielgewebe zu erreichen.
Es kann aus irgendeinem Polymermaterial 15 (siehe 1c)
hergestellt sein, wobei Polyimid eine geeignete Wahl ist, oder aus
Metall 14 (1b) hergestellt sein. Viele Materialien
sind für
Röntgenstrahlen
transparent, aber wenn die Absorption von Röntgenstrahlen im Material signifikant
ist, sollten Öffnungen 16 im
Rohr vorgesehen werden, damit die Strahlung nicht am Erreichen ihres
Ziels gehindert wird.
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Der
Kerndraht 4 erstreckt sich weiter in der distalen Richtung
und endet in einem Endstopfen 18. Der Kerndraht wird von
einer zweiten Spirale 20 umschlossen, die das Rohrsegment 6 und
den Stopfen 18 verbindet.
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1d veranschaulicht
schematisch eine Ausführungsform,
in der die Strahlungsvorrichtung in einen Katheter 22 eingebaut
ist. In diesem Fall gibt es am distalen Ende keine Spiralenstrukturen.
Der Katheter kann aus irgendeinem Material mit geeigneter Flexibilität hergestellt
sein, das für
die Strahlung transparent ist, z.B. Polyimid oder Kapton(R).
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In
den in 1a bis c offenbarten Ausführungsformen
ist die flexible Schicht oder das Haltelement 8 an der
Oberfläche
eines Kerndrahts 4 angebracht. Jedoch kann die Strahlungsquelle
genauso gut auf einem Haltelement 11 mit gerade ungefähr derselben
longitudinalen Ausdehnung wie die flexible Stütze selbst vorgesehen sein,
wie schematisch in 1e gezeigt. Für die Zwecke
der Erfindung ist es daher ausreichend, den mit Strahlungschips 10 versehenen
flexiblen Träger 8 auf
einem „Kernelement" anzubringen, welches
jedes Element umfassen soll, das in der Lage ist, eine ausreichend
steife Halterung für
das flexible Element bereitzustellen.
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In 2a ist,
in einer perspektivischen Ansicht, eine bevorzugte Ausführungsform
der miniaturisierten Strahlungsvorrichtung entsprechend der Erfindung
in flacher Form gezeigt. Es ist ein Haltelement 8 in Form
einer flexiblen Schicht aus einem Material wie z.B. Polyimid/Kapton
vorgesehen. Dies ist die Art von Material, die gewöhnlich für gedruckte Schaltungen
verwendet wird. Auf diesem Haltelement 8 sind mittels standardmäßgen photolithographischen
Techniken ein Schalkreismuster von elektrischen Kontaktfeldern 16 und
verbindende Leiterbahnen oder Leitungen 18 vorgesehen.
Dieses Muster ist in 2b klarer veranschaulicht. Ein
Satz von Feldern 16a sind für die Zwecke der elektrischen
Verbindung der Strahlungschips 10, z.B. durch Verbinden oder
Löten gedacht.
Der andere Satz von Feldern 16b ist zum Anbringen der elektrischen
Leitungen, die die Chips 10 mit der zuvor genannten externen elektrischen
Stromversorgung koppeln, vorgesehen. Die Felder 16a und 16b sind über die
Leitungen 18 des Musters verbunden. In dieser Ausführungsform könnten alle
Chips individuell mit einer gewünschten Spannung
unter Strom gesetzt werden, wodurch es möglich wird, ein Strahlungsintensitätsprofil über den Umfang
zu erzeugen. Dies könnte
erwünscht
sein, wenn das zu behandelnde Gewebe nur auf einer Seite in einem
Gefäß lokalisiert
ist, und die Seite, wo das Gewebe nicht behandelt werden muss, kann
vor Bestrahlung geschützt
werden, indem die Chips auf jener Seite einfach nicht mit Strom
versorgt werden.
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Andere
Schaltkreismuster sind denkbar, abhängig davon, wie man die Chips
unter Strom setzen will. Daher können
die Chips, wie in 2c gezeigt, zusammen gruppiert
werden, sodass zwei oder mehr Chips mit einer Spannungsquelle verbunden
sind, und eine andere Gruppe mit einer zweiten Spannungsquelle verbunden
ist.
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Weiter,
wie in 2d gezeigt, könnten mehrere
Reihen von Chips auf der Schaltkreisplatine vorhanden sein. Dieses
Layout ermöglicht
es, ein Bestrahlungsprofil in der Längsrichtung des beschädigten Gewebes
zu erzeugen. Das letztere Design erfordert eine große Anzahl
von Leitungen.
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Anstatt
eine Vielzahl von Leitungen vorzusehen, ist es denkbar, einen Multiplexer
MUX auf der flexiblen Schaltkreisplatine vorzusehen, wie in 2e gezeigt.
Dadurch wird es notwendig, mit nur zwei Anregungs/Einschaltleitungen
und einer Datenleitung die Erregung aller Chips zu steuern. Natürlich würden die
Chips in dieser Ausführungsform
notwendigerweise in Reihe eingeschaltet werden müssen. Dies sollte kein wesentlicher
Nachteil sein. Der einzige Effekt ist, dass die Dauer der Therapie
etwas verlängert
werden könnte.
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In
einer noch weiteren Abänderung
des tatsächlichen
Layouts der Chips 10 könnten
sie in einer gestaffelten Weise angeordnet sein, wie in 2f gezeigt.
Hier ist eine erste Reihe von vier Chips und eine zweite Reihe von
drei Chips gefolgt von einer dritten Reihe von vier Chips vorgesehen.
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Durch
Vorsehen einer Vielzahl von unabhängig und selektiv einschaltbaren
Strahlungsquellen ist es möglich,
das Strahlungsprofil sowohl in longitudinaler als auch in Umfangsrichtung
des Führungsdrahts
maßzuschneidern.
Dies ist von besonderem Nutzen, wo die Stenosis eine longitudinale
Ausdehnung im Gefäß aufweist
und wo sie eine variierende Dicke über ihre Länge aufweist, sodass sie einen
dickeren Mittelabschnitt aufweist, wie schematisch in 2g gezeigt.
In diesem Fall ist die Stenosis 40 asymmetrisch, und ein Hauptteil
davon ist auf einer Seite des Gefäßes 42 platziert und
weist eine dickere „Taille" auf. Diese Strahlungsvorrichtung 44 ist
programmiert, Strahlung mit einem Intensitätsprofil zu erzeugen, wie durch
die Größenvektoren
(Doppelpfeile) veranschaulicht.
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Um
das erwünschte
Dosierungsprofil zu bestimmen, muss zuerst ein Bild der Stenosis
erhalten werden. Dies kann auf verschiedene per se bekannte Weisen
getan werden, z.B. durch Ultraschalltechniken oder durch Röntgentechniken.
Sobald ein Bild des Profils erhalten wurde, werden die Profildaten, d.h.
die Topologie der zu behandelnden Stenosis, in die Kontrolleinheit
eingeführt,
wo sie in ein Dosierungsprofil übersetzt
werden. Danach wird die Kontrolleinheit in der Lage sein, ein Behandlungsschema zu
erzeugen, das das Einschalten der Strahlungschips auf eine geeignete
Weise hinsichtlich der Strahlungsintensität, der Strahlungsdauer und
der Abfolge der zu aktivierenden Chips umfasst.
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In 3a ist
ein Querschnitt durch einen Führungsdraht
gezeigt, an dem die oben in Bezug auf 1 und 2 diskutierte Vorrichtung angebracht ist.
Die gezeigte Vorrichtung umfasst einen Kerndraht 4, um
welchen ein flexibler Träger 8 mit
daran angebrachten Strahlungschips 10 gewickelt ist, und
ein geeigneter Kleber oder anderes Haftmaterial 9 ist auf
der Oberfläche
des Kerndrahts 4 vorgesehen, um den flexiblen Träger 8 zu
befestigen. Zudem ist ein Schutzrohr 6 mit Öffnungen
oder Fenstern 14 vorgesehen, um die Strahlung nicht daran
zu hindern, geeignet auszutreten. Wenn das Rohr 6 aus einem
Röntgen
transparenten Material hergestellt ist, sind natürlich keine Öffnungen
erforderlich.
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In 3b ist
eine invertierte Form der Vorrichtung gezeigt. Hier ist der flexible
Träger 8 um
den Kerndraht 4 so gewickelt, dass die Strahlungschips 10 der
Oberfläche
des Kerndrahts 4 zugewandt sind. Das bedeutet, dass der
flexible Träger
auch als mechanischer Schutz für
die Röntgen
emittierenden Chips agieren wird.
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Daher
wird die in 2 gezeigte Anordnung, d.h.
der flexible Träger 8 mit
daran angebrachten Chips 10, in Umfangsrichtung um einen
Kerndraht 4 gewickelt. Der Durchmesser eines solchen Drahtes liegt
in der Größenordnung
von 0,2 bis 1 mm. Daher sollte die Breite W des Trägers 8 die
Größenordnung von
1,5 bis 3 mm haben.
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Natürlich könnte die
Anordnung auf irgendeinem anderen Träger angebracht werden, wie
z.B. einem kurzen Rohrstück,
welches wiederum auf einen Führungsdraht
geschraubt sein kann. Es ist auch denkbar, eine stabähnliche
Struktur eines Polymermaterials vorzusehen und ein Schaltkreismuster
direkt auf den Stab aufzubringen. Die Strahlungschips würden dann
auf der Oberfläche
des Musters befestigt werden. Dadurch könnte ein Herstellungsschritt eliminiert
werden.
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Die
Chips 10 zur Erzeugung der Strahlung können jedes geeignete Design
aufweisen, obwohl bevorzugte in der US-6,477,233 (Ribbing et al.) offenbart
sind, die nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht
wurde. Jedoch wird zum einfacheren Verständnis im Folgende ein Chip unter
Bezug auf 5 schematisch beschrieben, wobei
eine mögliche
Ausführungsform
veranschaulicht ist.
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Der
Strahlungschip 40 der 4 umfasst
ein Basiselement 42 mit einer darin gebildeten Vertiefung 44.
Das Basiselement 42 kann aus Silizium oder einem für diesen
Zweck geeigneten anderen Material, wie z.B. Halbleitern, Metallen
hergestellt sein. Eine wichtige Eigenschaft ist, dass die Materialien geeignet
sein sollten, unter Verwendung von lithographischen Verfahren oder
Abscheidungsverfahren, d.h. im Allgemeinen in der Halbleitertechnologie
anwendbaren Verfahren, gemustert zu werden. Die Vertiefung 44 kann
z.B. durch Ätzen
vorgesehen werden. Auf dem Boden der Vertiefung und in elektrischem Kontakt
mit dem Basiselement 42 ist eine Kathode 43 angebracht
oder vorgesehen. Die Kathode ist als eine große Zahl von Feld-emittierenden
Mikrospitzen 45 vorgesehen. Diese Spitzen sind entweder kleine,
diskrete Spitzen oder können
durch Abscheiden einer polykristalinen Schicht von z.B. Diamant oder
Diamant ähnlichem
Material gebildet sein.
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Ein
Abdeckelement 48 ist auf dem Basiselement platziert, wahlweise
mit einem zwischen der Abdeckung und der Basis vorgesehenen Abstandselement
aus isolierendem Material. Auf der Innenseite der Abdeckung 48 kann
eine Anodenschicht 50 aufgebracht werden.
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Der
Chip 40 ist an einem Verbindungsfeld auf der flexiblen
Schicht 8 angebracht, sodass das Basiselement 42 damit
in elektrischem Kontakt ist.
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Zusätzlich zu
den beiden Arten der Befestigung der Strahlungsanordnung, nämlich mit
dem flexiblen Träger
nach außen
gewandt und den Strahlungschips nach innen gegen den Kerndraht gewandt,
und jeweils dem Gegenteil, gibt es zwei mögliche Arten, die Chips am
Träger
anzubringen. In einer ersten Variante kann die Anode so angebracht werden,
dass sie dem Träger
zugewandt ist und in einer zweiten ist die Kathode dem Träger zugewandt. Jedoch
wird es natürlich
zwingend sein, die Strahlungschips so anzubringen, dass die Strahlung
stets radial nach außen
abgestrahlt wird. Das bedeutet, dass für die Ausführungsform, in der die Chips
auf der Oberfläche
der Anordnung platziert sind, wie auf dem Kerndraht befestigt, die
Kathode dem Träger
zugewandt sein muss, und dass für
die Ausführungsform,
in der der Träger
als die Chips einschließende „Umhüllung" wirkt, die Anode
dem Träger
zugewandt sein muss. Dies ist klar aus den 3a und 3b ersichtlich.