DE102004025119B4

DE102004025119B4 - Röntgenstrahler

Info

Publication number: DE102004025119B4
Application number: DE102004025119A
Authority: DE
Inventors: Dr. Deuringer Josef; Ronald Dittrich; Dr. Freudenberger Jörg; Dr. Schardt Peter; Dr. Uecker Jens
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2024-05-22
Also published as: US20050265521A1; DE102004025119A1; US7266179B2

Abstract

Röntgenstrahler mit einer in einem Gehäuse (1) aufgenommenen Anode (3) und einer Einrichtung (6) zur Bestimmung der Lage eines Röntgenstrahlen emittierenden Brennflecks (9) auf der Anode (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen in Form eines Rohrs ausgebildeten Kollimator (7) aufweist, dessen Achse (KA) auf eine Sollposition des Brennflecks (9) auf der Anode (3) gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Röntgenstrahler sind nach dem Stand der Technik allgemein bekannt. Dabei trifft ein Röntgenstrahl z. B. auf einen radial außen liegenden Bereich eines rotierenden Anodentellers auf. Zur Herstellung besonders exakter Röntgenbilder ist es erforderlich, dass ein durch das Abbremsen der auf den Anodenteller auftreffenden Elektronen sich bildender Brennfleck exakt seine Lage beibehält. Infolge unterschiedlicher Ursachen kann es dazu kommen, dass die Lage des Brennflecks sich ändert. Zur Korrektur der Lage des Brennflecks kann ein auf den Anodenteller gerichteter Elektronenstrahl durch magnetische Einrichtungen justiert werden. Dazu sind zur Bestimmung der Lage des Brennflecks außerhalb eines Gehäuses des Röntgenstrahlers ortsauflösende Röntgensensoren angebracht, mit denen die Intensität eines vom Röntgenstrahler emittierten Strahlenbündels randlich gemessen werden kann. Infolge dieser Messung wird indirekt auf die Lage des Brennflecks geschlossen und es kann ggf. die Lage mittels der magnetischen Einrichtungen korrigiert werden.
Nach dem Stand der Technik sind weiterhin so genannte Drehkolbenstrahler bekannt. Dabei ist eine ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildete Anode Bestandteil eines drehbar gelagerten Kolbens. Gegenüberliegend der Anode ist eine Kathode angebracht. Der Drehkolben rotiert um seine Achse in einem flüssigen Kühlmittel. Ein von der Kathode ausgehender Elektronenstrahl wird mittels magnetischer Einrichtungen so abgelenkt, dass er auf einen vorbestimmten Brennfleck auf die Anode auftrifft. Der Drehkolbenstrahler ist von einem Gehäuse umgeben, das für Röntgenstrahlung im Wesentlichen undurchlässig ist. Es ist lediglich ein Fenster für den Austritt der Röntgenstrahlung vorgesehen. Die Messung der Lage des Brennflecks erfolgt auch bei Drehkolbenstrahlern indirekt, d. h. mittels außerhalb des Gehäuses angebrachter Sensoren. Damit kann – ebenso wie bei Röntgenstrahlern mit Drehanode – die Lage des Brennflecks nicht besonders genau bestimmt werden.
Aus der US 4,675,892 ist ein Röntgenstrahler mit einer in einem Gehäuse aufgenommenen Anode und einer Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Röntgenstrahlen emittierenden Brennflecks auf der Anode bekannt. Die Position des Brennflecks wird durch Ausrichten einer Lochblende auf eine Referenzposition auf der Anode bestimmt, wodurch eine Referenzachse definiert ist. Änderungen der Lage des Brennflecks relativ zur Referenzposition können mittels durch Detektoren erzeugter Signale festgestellt und kompensiert werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein Röntgenstrahler angegeben werden, bei dem die Lage des Brennflecks möglichst genau bestimmbar ist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus denn Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.
Nach Maßgabe der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung einen auf den Brennfleck ausgerichteten Kollimator aufweist. – Die Lage des Brennflecks wird direkt unter Verwendung eines darauf gerichteten Kollimators bestimmt. Das ermöglicht eine besonders exakte Bestimmung der Lage des Brennflecks. Der Brennfleck kann mit einer Genauigkeit von 1 μm auf eine vorgegebene Sollposition eingestellt werden. Die Messung der Position des Brennflecks kann kontinuierlich oder zu vorgegebenen Zeitpunkten erfolgen. Es ist nunmehr auch möglich, die Qualität des Brennflecks, beispielsweise dessen Homogenität, den Verlauf eines Intensitätsabfalls an dessen Rändern oder ein Profil der Intensitätsverteilung, zu ermitteln. Mit der vorgeschlagenen Erfindung können sich abzeichnende Schäden am Röntgenstrahler infolge falscher Positionierung des Brennflecks frühzeitig erkannt und ggf. vermieden werden.
Das Gehäuse ist zweckmäßigerweise aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, vorzugsweise aus Blei oder Wolfram, hergestellt. Die Einrichtung ist zweckmäßigerweise am Gehäuse befestigt. Sie ist damit Bestandteil des Röntgenstrahlers. Bei einem Austausch des Röntgenstrahlers entfällt die nach dem Stand der Technik erforderliche Justierung der Einrichtung auf den ersetzten Röntgenstrahler. Wird lediglich die Röntgenröhre ausgetauscht, so bleibt die erfindungsgemäße Einrichtung am Gehäuse. Die Justierung der ersetzten Röntgenröhre kann in einfacher Weise mit der erfindungsgemäßen Einrichtung erfolgen. Dazu sind keine weiteren Mess- oder Kalibriermittel notwendig, die gesondert zur Justierung an der Anlage vorzusehen oder vom Servicetechniker zu diesem Zweck mitzuführen sind.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Einrichtung an einem ein Strahlenaustrittsfenster aufweisenden Deckel angebracht. Der Deckel ist zweckmäßigerweise lösbar mit dem Gehäuse verbunden. Das ermöglicht ein leichtes Austauschen der Einrichtung im Falle eines Defekts.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist ein Eintrittsfenster des Kollimators innerhalb des Gehäuses angeordnet. Damit ist es möglich, den Brennfleck in einem geringeren Abstand zu beobachten und die Genauigkeit der Justierung zu erhöhen.
Nach Maßgabe der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass der Kollimator in Form eines Rohrs ausgebildet ist, dessen Achse auf eine Sollposition des Brennflecks auf der Anode gerichtet ist. Dabei kann ein Verhältnis des Durchmessers D zu einer Länge L des Rohrs kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05, sein. Zweckmäßigerweise ist der Durchmesser D im Bereich von 30 μm bis 2000 μm, vorzugsweise 100 μm bis 300 μm. Ein durch die vorgenannten Parameter definierter Kollimator eignet sich zu einer besonders exakten Bestimmung der Lage des Brennflecks. Sie kann damit mit einer Genauigkeit von etwa 1 μm ermittelt werden. Abgesehen davon ist es mit einem solchen Kollimator möglich, die Geometrie und die Intensitätsverteilung in der Fläche des Brennflecks besonders genau zu bestimmen.
Der Kollimator ist vorteilhafterweise aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, vorzugsweise aus Blei oder Wolfram, hergestellt. An einem dem Eintrittsfenster gegenüberliegenden Ende des Kollimators kann ein Mittel zum Messen der Röntgenintensität vorgesehen sein. Das Mittel zum Messen kann einen Szintillator und eine im Strahlengang nachgeordnete Fotodiode umfassen. Es kann in einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Messgehäuse aufgenommen sein. Eine solche Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Brennflecks ist einfach aufgebaut. Sie kann in einer kompakten, Raum sparenden Weise hergestellt und in einer solchen Ausgestaltung innerhalb des Gehäuses untergebracht werden. Indem das Mittel zum Messen in einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Messgehäuse aufgenommen ist, wird ein Eindringen unerwünschter Störstrahlung vermieden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Einrichtung Bestandteil eines Mittels zum Ablenken eines den Brennfleck erzeugenden Elektronenstrahls. Zum Ablenken kann eine Regeleinrichtung zur Einstellung und/oder zum Halten der Sollposition auf der Anode aufweisen. In diesem Fall ist die Einrichtung zur Bestimmung der Lage des Brennflecks also Bestandteil der Regeleinrichtung.
Mittels der Regeleinrichtung kann zweckmäßigerweise die Lage des Brennflecks schrittweise oder kontinuierlich entlang eines vorgegebenen Wegs geändert werden. Bei dem Weg kann es sich um einen mäanderförmigen oder spiralförmigen Weg handeln. Durch die Änderung der Lage des Brennflecks ist es möglich, den Brennflecks zu scannen, ohne dass die Einrichtung bewegt werden muss. Damit kann die Geometrie des Brennflecks und/oder eine Intensitätsverteilung in der Fläche ermittelt werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für Röntgenstrahler, bei denen die Anode im Gehäuse drehbar um eine Achse aufgenommen ist, z. B. Drehanodenstrahlen oder Drehkolbenstrahler.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Röntgenstrahlers,
2 eine schematische Schnittansicht einer Messeinrichtung gemäß 1,
3 eine schematische Darstellung eines Steuer-Regeleinrichtung zur Einstellung der Lage eines Brennflecks,
4 eine Draufsicht auf eine Innenseite eines Gehäusedeckels mit Messeinrichtung,
5a, 5b den Verlauf zweier Wege zum Abtasten des Brennflecks,
6 die Intensitätsverteilung einer vom Brennfleck emittierten Röntgenstrahlung entlang eines durch den Brennfleck verlaufenden radialen Wegs und
7 eine dreidimensionale Darstellung der Intensitätsverteilung der vom Brennfleck abgestrahlten Röntgenstrahlung.
In 1 ist in einem Gehäuse 1 ein um eine Achse A drehbar gelagerter Drehkolbenstrahler 2 aufgenommen. Das Gehäuse 1 ist aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material hergestellt oder zumindest mit einem solchen Material verkleidet. Geeignete Materialien sind Blei oder Wolfram. Der Drehkolbenstrahler 2 weist eine, hier tellerförmig ausgebildete, rotationssymmetrische Anode 3 und eine gegenüberliegend angeordnete Kathode 4 sowie ein rotationssymmetrisch ausgebildetes Röntgenröhrengehäuse 5 auf.
Eine allgemein mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnete Messeinrichtung ist am Gehäuse 1 fest angebracht. Sie weist ein Kollimatorrohr 7 auf, dessen Kollimatorachse KA auf einen durch die Einwirkung eines Elektronenstrahls 8 auf der Anode 3 gebildeten Brennfleck 9 gebildet ist. An einem einem Eintrittsfenster 10 gegenüberliegenden Ende des Kollimatorrohrs 7 sind ein Szintillator 11 sowie eine im Strahlengang nachgeordnete Fotodiode 12 angebracht. Mit dem Bezugszeichen 13 ist eine Kabeldurchführung bezeichnet.
Wie aus 1 ersichtlich ist, ist die Messeinrichtung 6 neben einem im Gehäuse 1 vorgesehenen Austrittsfenster 14 so angebracht, dass eine vom Brennfleck 9 emittierte Röntgenstrahlung 15 nicht abgeschattet wird. Das Kollimatorrohr 7 sowie ein den Szintillator 11 sowie die Fotodiode 12 umgebendes Messgehäuse 16 sind zweckmäßigerweise ebenfalls aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, wie Blei oder Wolfram, hergestellt. Das Strahlergehäuse 5 ist dagegen aus einem für Röntgenstrahlen 15 durchlässigen Material, beispielsweise Glas oder Aluminium, hergestellt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ragt die Messeinrichtung 6 teilweise in das Gehäuse 1. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Messeinrichtung 6 vollständig im Gehäuse 1 angeordnet ist. Es kann aber auch sein, dass lediglich das Kollimatorrohr 7 in das Gehäuse 1 ragt. Bei den hier gezeigten Ausführungsbeispielen befindet sich das Eintrittsfenster 10 des Kollimatorrohrs 7 innerhalb des Gehäuses 1.
2 zeigt nochmals die Messeinrichtung 6. Die geometrische Ausführung des Kollimatorrohrs 7 sowie dessen Abstand AB vom Brennfleck 9 bestimmen die Genauigkeit, mit der die Form und die Lage des Brennflecks 9 bestimmbar sind. In diesem Zusammenhang hat es sich als zweckmäßig erwiesen, dass ein Verhältnis eines ersten Durchmessers D zur Länge L des Kollimatorrohrs 7 vorzugsweise im Bereich von 0,08 bis 0,12, besonders vorzugsweise im Bereich von 0,1, liegt. Für einen zweiten Durchmesser T eines detektierbaren Bereichs auf der Anode 3 sowie einen Öffnungswinkel α gilt die nachfolgende Beziehung: D/0,5 L = tanα = 0,5 T/(Ab + 0,5 L)
Daraus ist ersichtlich, dass mit abnehmender Größe des Verhältnisses D/L der detektierbare zweite Durchmesser T auf der Anode 3 kleiner und damit die Messgenauigkeit der Einrichtung 6 größer wird. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den ersten Durchmesser D im Bereich von 100 μ bis 300 μ zu wählen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuer-/Regeleinrichtung unter Verwendung der in den 1 und 2 erläuterten Messeinrichtung 6. Die Messeinrichtung 6 ist mit einer Steuer-/Regeleinrichtung 17 verbunden. Mittels der Steuer-/Regeleinrichtung 17 werden die von der Messeinrichtung 6 gelieferten Messwerte ausgewertet und nach einem vorgegebenen Algorithmus in Steuer-/Regelsignale umgewandelt, die wiederum an eine nachgeordnete Ablenkeinrichtung 18 übermittelt werden. Die Ablenkeinrichtung 18 steuert Magneteinrichtungen 19 an, mit denen der Elektronenstrahl 8 abgelenkt und damit die Lage des Brennflecks 9 auf der Anode 3 eingestellt werden kann.
4 zeigt eine Draufsicht auf die einer Gehäuseinnenseite zugewandte Seite eines Deckels 20. In unmittelbarer Nachbarschaft des Austrittsfensters 14 ist die Messeinrichtung 6 mit dem Messgehäuse 16 sowie dem davon sich erstreckenden Kollimatorrohr 7 angebracht. Der Deckel 20 ist an seiner dem Röntgenstrahler 2 zugewandten Innenseite mit einer Auskleidung 21 versehen, die aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, z. B. Blei, hergestellt ist.
Die 5a und 5b zeigen zwei alternative Wege, auf denen der Brennfleck 9 auf der Anode 3 mittels der Ablenk- 18 und Magneteinrichtungen 19 bewegt werden kann. Eine solche Bewegung des Brennflecks 9 ermöglicht es, mittels der Messeinrichtung 6 dessen Geometrie und/oder eine davon abgestrahlten Intensitätsverteilung zu ermitteln. Auf diese Weise kann der Brennfleck 9 besonders exakt in einer vorgegebenen Sollposition gehalten werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, den Brennfleck 9 mittels der Ablenk- 18 und Magneteinrichtungen 19 auf einem anderen Weg, als in 5a und 5b gezeigt ist, zu bewegen.
6 zeigt die mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 6 gemessenen Intensitätsverteilung entlang eines radial durch den Brennweg verlaufenden Wegs. Scannt man die Fläche des Brennflecks 9, beispielsweise entlang der in den 5a oder 5b gezeigten Wege, so ist eine dreidimensionale Ermittlung der Intensitätsverteilung der vom Brennfleck 9 abgestrahlten Röntgenstrahlung 15 möglich. Ein Ergebnis einer solchen Messung ist beispielhaft in 7 dargestellt.
Unter Verwendung der in 6 beispielhaft gezeigten Ergebnisse ist es möglich, eine intelligente selbstregelnde Steuer-/Regeleinrichtung 17 zu schaffen, mit der der Brennfleck 9 automatisch stets in einer Sollposition gehalten wird. Dazu werden die von der Messeinrichtung 6 gemessenen Intensitätswerte an die Steuer-/Regeleinrichtung 17 übermittelt. Mittels eines geeigneten Algorithmus werden über die Ablenk- 18 und die Magneteinrichtungen 19 der Elektronenstrahl 8 stets so abgelenkt, dass eine mit der Messeinrichtung 6 gemessene Intensität maximal ist. So kann auf einfache Weise der Brennfleck 9 in der Soll-Position gehalten werden. Voraussetzung dafür ist allerdings eine genaue Justierung der Messeinrichtung 6. Es ist auch möglich, die Messeinrichtung 6 grob auf die Sollposition einzustellen, d. h. auf eine Position, die nicht exakt der Sollposition entspricht. Zur Justierung wird der Brennfleck 9 zunächst verfahren, bis er in dieser Position steht. Anschließend kann der Brennfleck 9 gemäß vorher exakt bestimmter und gespeicherter Parameter von dieser Position aus in die Sollposition verschoben werden.
Mit der vorgeschlagenen Röntgenvorrichtung ist es aber auch möglich, frühzeitig eine Beschädigung der Anode 3 zu erkennen und dem Benutzer einen Hinweis auf einen erforderlichen Austausch des Röntgenstrahlers zu übermitteln. Damit können Schäden bereits in einem frühen Stadium erkannt und beseitigt werden. Infolgedessen können Folgeschäden sowie ein unvorhergesehener Ausfall der Röntgenvorrichtung vermieden werden.
Abgesehen davon kann bei einer geeigneten Ansteuerung der Magneteinrichtung 19 auch die Geometrie des Brennflecks 9 beeinflusst und eingestellt werden. Auch sind Aussagen über die Flankensteilheit eines Intensitätsabfalls an den Rändern des Brennflecks 9 möglich.
Mit der vorgeschlagenen Messeinrichtung 6 ist eine Regelung der Lage des Brennflecks 9 allein auf der Grundlage einer relativen Signalauswertung möglich. Es ist nicht erforderlich, eine absolute Signalstärke zu messen. Infolgedessen kann auf eine aufwändige und teure Kalibrierung der Messeinrichtung 6 verzichtet werden. Zum Scannen des Brennflecks 9 kann die Ablenkeinrichtung 18 entsprechend programmiert sein, so dass die Lage des Brennflecks 9 gemäß der in den 5a und 5b gezeigten Wege kontinuierlich oder schrittweise geändert wird. Sobald ein solcher Scannvorgang abgeschlossen worden ist, wird der Brennfleck 9 in seiner Lage gemäß einem vorgegebenen Algorithmus optimal auf seine Sollposition eingestellt.

Claims

Röntgenstrahler mit einer in einem Gehäuse (1) aufgenommenen Anode (3) und einer Einrichtung (6) zur Bestimmung der Lage eines Röntgenstrahlen emittierenden Brennflecks (9) auf der Anode (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen in Form eines Rohrs ausgebildeten Kollimator (7) aufweist, dessen Achse (KA) auf eine Sollposition des Brennflecks (9) auf der Anode (3) gerichtet ist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (1) aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, vorzugsweise aus Blei oder Wolfram, hergestellt ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (6) am Gehäuse (1) befestigt ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (6) an einem ein Strahlenaustrittsfenster (14) aufweisenden Deckel (20) angebracht ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Eintrittsfenster (10) des Kollimators (7) innerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis eines Durchmessers D zu einer Länge L des Rohrs kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner 0,05, ist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 6, wobei der Durchmesser D im Bereich von 30 μm bis 2000 μm, vorzugsweise 100 μm bis 300 μm, ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kollimator (7) aus einem für Röntgenstrahlen im Wesentlichen undurchlässigen Material, vorzugsweise aus Blei oder Wolfram, hergestellt ist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 5 oder 5 und 8, wobei an einem dem Eintrittsfenster (10) gegenüberliegenden Ende des Kollimators (7) ein Mittel zum Messen der Röntgenintensität vorgesehen ist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 9, wobei das Mittel zum Messen einen Szintillator (11) und eine im Strahlengang nachgeordnete Fotodiode (12) umfasst.
Röntgenstrahler nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Mittel zum Messen in einem für Röntgenstahlen im Wesentlichen undurchlässigen Messgehäuse (16) aufgenommen ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung (6) Bestandteil eines Mittels (18, 19) zum Ablenken eines den Brennfleck (9) erzeugenden Elektronenstrahls (8) ist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 12, wobei das Mittel zum Ablenken eine Regeleinrichtung (18) zur Einstellung und/oder zum Halten der Sollposition auf der Anode (3) aufweist.
Röntgenstrahler nach Anspruch 13, wobei mittels der Regeleinrichtung (18) die Lage des Brennflecks (9) schrittweise oder kontinuierlich entlang eines vorgegebenen Wegs änderbar ist.
Röntgenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anode (3) im Gehäuse (1) drehbar um eine Achse (A) aufgenommen ist.