DE2750132A1

DE2750132A1 - Roentgenempfindliche bildverstaerkerroehre und damit ausgestattete radiografiekamera

Info

Publication number: DE2750132A1
Application number: DE19772750132
Authority: DE
Inventors: Shih-Ping Wang
Original assignee: Diagnostic Information
Current assignee: Diagnostic Information
Priority date: 1976-11-12
Filing date: 1977-11-09
Publication date: 1978-05-18
Also published as: NL7712433A; FR2371060A1; GB1605127A; DE2750132C2; JPS5363859A; FR2371060B1; CA1095188A

Description

"%' 27S0132

des Gefäßes und zwischen dem Eingangsfenster und dem Ausgangsschinn aufgehängt ist, sowie einem gläsernen Aussrangsfenster mit hoher Ordnungszahl, um Röntsren-Rückstreuung innerhalb und außerhalb der Röhre zu reduzieren. Die Röhre kann zur direkten Betrachtung, im fotofluorografischen Betrieb, in einem radiografischen Kamerasystem und mit einem Fernsehbetrachtungssystera verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Tie Erfindung betrifft medizinische Röntgengeräte und insbesondere eine Nahbereich-Röntgenbildverstärkerröhre für die medizinische Röntgendiagnostik.

Die übliche derzeitige Köntgenbi Idverr.tärkerröhre ist eine elektrostatisch fokussierte InverterrÖhre mit einem lüüfach verkleinerten Ausgangsbild. Diese übliche Inverter-i-iöntgenbildverstärkerröhre hat typischerweise einen konvex gekrümmten röntgenempfindlichen Eingangsschirm von 15 bis 23 cm Durchmesser, der das Röntgenbild in ein sichtbares Bild umwandelt, das seinerseits in Elektronen umgewandelt wird, die dann beschleunigt und elektrostatisch auf einen Ausgangsbildnchirm fokussiert werden, der eine lOOfach kleinere Fläche hat als der Eingangsschirm; er hat typischerweise einen Durchmesser von 1,5 - 2,5 cm. Das gezeigte Bild auf dem Ausgangsschirm kann optisch vergrößert und an andere Systeme für radiografische oder fluoroskopische Zwecke gekoppelt werden. Für radiografische Zwecke wird das Bild beispielsweise optisch an eine Filmkamera oder eir.en fotografischen Film gekoppelt, i'ür Klunroükorzweci-e kar.n das Bild entweder dadurch angezeigt werden, da.'i ein System von Spiegeln und Linsen für die direkte betrachcune· verwendet wird, oder daß eine Fernsehkamera mit; unmittelbar angeschlossenem Monitor zur fernen Betrachtung verwendet wird.

Der Umwandlurgswirkungsgrad eines solchen üblichen Bildverstärkersystems beträgt gewöhnlich 350.000 - 700.000 erg/cm²-R

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oder etwa 50.000 - 100.000 cd-sec/m^?-R, d.h., etwa das 5000-bis lO.OOOfache des I'rawand iungswirkur.gssrades des früheren Flucreszenz schirmes. Kin Teil dieser Verstärkung wird als echte elektronische Verstärkung erreicht, die etwa das 50- bis lOOfache des früheren Fluoreszenzschirm*^ beträgt. Eine weitere lOOfache Verstärkung wird durch die LOOfache Flächenverkleinerung des 3ildes des Ausgangsschirmes erhalten.

Cie ?; ι ldqual it ät der üblichen inve rter-iü Ldverstärkerröhre ist einigermaßen adäquat fir Fluornr.kopzwecke , reicht /jeioch bei weitern rieht für rndiografische /'.wecke. Die Forderungen für radiografische Zwecke sind durch das übliche Film-.J.chirm-System festgelegt, das einen Wert von ?0 Ό der Modulationsübertragungsfunktion bei zwei bis drei Linienpaaren pro mm erfordert.

Solche üblichen Fi Lm-Schirm-Systf-me sind kommerziell mit Empfindlichkeiten zwischen .''SO \\~ bis R.000 R~ verfügbar. Tie Empfindlichkeit wird als der Kehrwert der Pöntgenbelichtung in Röntgen, R, des FiIm-Schirm-Systems definiert, die eine optische lietto-Dichte von 1,0 auf dem verarbeiteten Film ergibt. Die räumliche Auflösung des Film-Schirm-Systems ist in: allgemeinen umgekehrt proportional der Empfindlichkeit des Systems, bas heißt, je höher die räumliche Auflösung ist, umso geringer ist die Empfindlichkeit des Systems.

'■■' i I Ti-.'c r. i rm-fysteme haben d i e gewünschten Systerrempf indl ichkeitse isrenscric'j f ten, sie habe:: ,jedoch den Nacnte . 1 , aafi sie die Aufr.ar.me von Fotos voller ·)Γη'ία erfordern, die schwierig zu lagern sind und die irr.rr.er teurer werden, weil der oilberr.alr. :er.id-R5ntgenf ι Im immer teuper wird, !'er Film kann auch *^:! ■·.:■·-■· 1 dt^or Pel ichtung nicht überwacht werden, um die Dosierung ri-i." . ei.tf.-ibe zu kor.t rollieren.

Γ-euerdings wurde von C.B. Johnson in "Proceedings of the ^cciety of Kioto Optical Instrumentation Engineers", Band ?5,

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BAD ORIGINAL

"V 2 7 B O 1 3

Seiten 3-8 (1973) hypothetisch vorgeschlagen, daß e:n röntgenempf indlicher Nahbereich-Bildverstärker konstruiert werden könne, mit einem röntgenempfindlichen Umwandlungsschirni auf einer Seite eines gläsernen Trägers und einer Fotokathode auf der anderen Seite des Glasträgers. Der Artikel gibt jedoch keine Einzelheiten hinsichtlich der kritischen Parameter an oder hinsichtlich dessen, was als röntgenempfindlicher rmwandlur.psschirm verwendet werden kann. Es wird auch nicht besprochen, wie dieser Bildverstärker so konstruiert werden kann, daß ein hoher Umwandlungswirkungsgrad oder eine hohe Auflösung erzielt werden können.

Ein !»'ahbereich-Gerät mit einer Mikrokanalplatte (ΥΓΛ , sowohl als primärer röntgenempfindlicher Umwandlungsschira als euch als Elektronenvervielfachungsgerät wurde vor. L'.. --.sl'.cr u.a. in "Radiology", Band 110, Seiten 673-676 (1974 und ir. der L'3-I-atentschrift 3 39^ 261 beschrieben. Gemäß einen, /ufiia'z von J. Adams in "Advances in Electronics and Electron ihysics", Band 22A (Academic Press, 1966), Seiten 159—13? hat diese Geräteart einen sehr niedrigen Quantendetektorwirkunrsgrad im praktischen Röntgener.ergiebereich von 50 - 100 keV für die medizinische Diagnostik. Die Geräteverstärkung nach den Aufsatz vor. salter u.a. wurde zunächst mit 20-3 cd-sec/m -I- angegeben, was zu niedrig ist, um als radiografisches oder fluoroskopisches Gerät brauchbar zu sein. Ein Gerät, mit höherer Verstärkung, das in dem gleichen Aufsatz, von falter u.a. beschrieben wurde, zeigte zu starkes Häuschen. Ks ist fraglich, ob eine praktisch verwirklichbare, selbsttragende ''Cl-i latte mit gleichförmiger Verstärkung mit den derzeitiger. Technologien in Größen über 13-15 cm Durchmesser aufgebaut werden kann, eine Größe, die nicht ausreicht, um einen Ausgang zu erzeugen, der für radiografische Zwecke brauchbar ist.

BAD ORIGINAL

Eine weitere Möglichkeit, die das Nahbereich-Konzept enthält, wurde von I.CP. Millar u.a. beschrieben in "IEEE Transcations on Electron Devices", Band ED-18, Seiten 1101-1108 (1971) und "Advances in Electronics and Electron Physics", Band 3*A, Seiten 153-165 (1972).

Der Ansatz von Millar schließt wieder die Verwendung einer Mikrokanalplatte CMCP) ein. In diesem Gerät wird die MCP rein als Elektronenvervielfachungseinrichtung verwendet und nicht als Röntgenumwandlungsschirm. Der Umwandlungsfaktor für die Röhre nach Millar wird mit etwa 200.000 cd-sec/m -R angegeben, was höher liegt als für fluoroskopische Zwecke, aber bei weitem zu hoch für radiografische Zwecke. Die Ausgangshelligkeit der Millar'sehen Röhre zeigt auch eine starke Abhängigkeit von der Fotokathodenstromdichte. Etwa bei einer Fotokathodenstromdichte von 5 x 10" A/cm oder der äquivalenten Röntgeneingangsdosisrate von etwa 0,6 χ 10 R/sec beginnt die Ausgangshelligkeit der Röhre sublinear mit Bezug auf die Eingangs-Röntgendosisrate zu werden. Diese unterlineare Kennlinie wird bei höheren Röntgendosisraten schlechter. Dieses unerwünschte Merkmal reduziert die Kontrastunterscheidung für die Fluoroskopie und ist praktisch unbrauchbar für die Radiografie. Wieder ist es unbekannt, ob eine großformatige MCP von mehr als 15 cm Durchmesser hergestellt werden kann, die selbsttragend ist und gleichförmige Verstärkung hat.

Die "ahbereich-3ildverstärkerröhre nach Millar hat ein gläsernes ;efäß und ein einwärts konkaves Eingangsfenster aus Titan. Ks wird angegeben, daß das Fenster 0,3 mm dick ist. Werkstoffe, wie Titan, Aluminium und Beryllium sorgen für eine unerwinschte Streuung der Röntgenstrahlen, die die BiIdqualität reduzieren. Weiterhin können diese Werkstoffe wegen der relativ hohen Porosität und der geringen Zugfestigkeit nicht so dick gemacht werden, wie es erwünscht wäre, um ihre

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Röntgendurchlässigkeitseigenschaften zu maximieren. Ein weiteres Problem mit Röhren, deren Eingangsfenster aus solchen Werkstoffen besteht und deren Kolben aus Glas besteht, liegt bei der Verbindung des Fensters mit dem Röhrenkolben. Die Werkstoffe haben derart unterschiedliche thermische Dehnungseigenschaften sowie andere Differenzen, daß ihre praktische kommerzielle Verwendung in einem großformatigen Gerät ausgeschlossen erscheint.

Eei allen diesen bekannten Röntgenbildverstärkereinrichtungen besteht weiterhin das Problem der Röntgenrückstreuung am Ausgangs-Wiedergabeschirm aufgrund von Röntgenstrahlen, die durch das Ausgangsfenster aus der Röhre heraustreten und durch das Ausgangsfenster in die Röhre hineinkommen. Dadurch kann das angezeigte Bild verzerrt werden und sich eine Gefahr für den Benutzer dee Gerätes ergeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese und andere Nachteile bekannter Röntgenbildverstärkerröhren werden erfindungsgemäß durch eine röntgenempfindliche Bildverstärkerröhre überwunden, die gekennzeichnet ist durch einen im wesentlichen metallischen Röhrenkolben, ein einwärts konkaves, metallisches Eingangsfenster im Röhrenkolben, das in der bevorzugten Ausführungsform aus einer Legierung aus Eisen, Chrom und Nickel besteht, einem flachen, direkt betrachtbaren Ausgangs-Leuchtstoff-Anzeigeschirm, einem flachen Szintillator-Fotokathoden-Schirm, der auf einem negativen hohen Potential gegenüber den restlichen ftöhrenbestandteilen betrieben wird, eir.rchlie.ilich des Köhrenkolbers und des Auserangs-Anzeigeschirns. Der Szintiliator-iotokathoden-Schirm ist parallel ZU2 Ausgangsschirm mit isolierenden Pfosten zwischen dem Eingangsfenster und dem Ausgangsschirm aufgehängt. Die Bildverstärkerröhre nach der Erfindung hat ein lineares Verhalten

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mit Bezug auf Eingangs-Röntgendosisraten oberhalb von 0,06 E/sec,

Tn der bevorzugten Ausführungsform liegt der Helligkeitsgewinn (der Umwandlungswirkungsgrad) im Bereich von 500 bis 20.000 cd-sec/m-R, der -paltabst and zwischen dem Szintillator-Fotokathoden-ochirm und den Ausgangsschirm liegt im Bereich von 6 bis 25 nun und die Dicke des Szinti llators liegt im Bereich von 50 bis 600 Mikron, so daß hohe Röntgenausnutzung, hoher Gewinn oder hohe Verstärkung, hohe Bildqualität und geringe Feldemission gleichzeitig erreicht werden.

Ein gläsernes Ausgangsfenster mit hoher Ordnungszahl reduziert die Röntgenrückstreuung und schützt weiterhin den Benutzer der Röhre gegen die Röntgenstrahlen. Ein Kragen aus Eisen-Nickel-Legierung ist durch Fritten am Ausgangsfenster befestigt und an den Röhrenkolben angeschweißt, um das Ausgangsfenster in den Röhrenkolben zu montieren.

Wenn auch die bei der bevorzugten Ausführungsform verwendete Bildverstärkerröhre einen im wesentlichen flachen oder planeren röntgenempfindlichen Eingangsschirm aufweist, so kann dieser doch zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Schirms bei anderen Ausführungsformen geringfügig gekrümmt sein. Im Vergleich mit einem konventionellen Bildverstärkersystem ist die Röhre sehr dünn und kompakt in der Größe. Die Eingangsfläche kann quadratisch, rechteckig oder kreisförmig in verschiedenen Ausführungsformen sein. Wie oben erwähnt, muß der Eingangsschirm einer konventionellen Inverter-Bildverstärkerröhre eine kreisförmige Scheibe sein und ist gewöhnlich auswärts gekrümmt.

Der Hauptvorteil der Erfindung liegt in dem Fehlen von drei Quellen der "Unscharfe": Die Elektronenoptik, der Ausgangsphosphorschirm und die externe Optik. All dieses ist auf den großen Ausgangsschirm voller Größe zurückzuführen. Es fehlen auch die Flachheit der Schärfentiefen der Elektronenoptik und

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der externen Optik. Wieder ist das auf den großen Ausgangsschirai voller Größe zurückzuführen. Das elektrische Feld im Raum zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangsschirm der Bildverstärkerröhre nach der Erfindung ist im Vergleich mit einer konventionellen Röhre recht hoch, und die Feldstärke im Kathodenbereich ist etwa lOOmal höher als in konventionellen Röhren, damit ist sie nicht empfindlich gegen externe Magnetfelder und gegen Defokussierprobleme, die auftreten, wenn kurze Impulse von einigen Millisekunden Dauer und hoher Intensität auftreten.

Da weiterhin der metallische Röhrenkolben und alle grundlegenden Röhrenkomponenten mit Ausnahme des Szintillator-Fotokathoden-Schirms sich auf einem neutralen Potential mit Bezug auf den Ausgangs-Anzeigeschirm befinden, wird eine wilde Elektronenemission vermieden, so daß sich eine klarere Anzeige ergibt.

Das Fehlen einiger der Quellen der "Unscharfe" erlaubt der Erfindung, das Betriebsverhalten einer Bildverstärkerröhre in mehreren unterschiedlichen Wegen zu verbessern. So kann beispielsweise ein erheblich höherer Gewinn und eine wesentlich stärkere Patientendosisreduzierung dadurch erreicht werden, daß ein dickerer Eingangsschirm für die Umwandlung von Röntgenstrahlen in Licht (200-600 Mikron) verwendet wird und trotzdem eine akzeptable Bildauflösung erreicht wird. Ein weiteres Beispiel ist die Schaffung einer radiografischen Kamera, die eine sehr hohe Bildauflösung am Ausgangsschirm aufweist, durch die Verwendung eines Szintillatorschirms von 50-100 Mikron Starke und einem kleineren Spaltabstand zwischen Fotokathode und Anzeigeschirm (6-10 mm). Diese Ausgangsanzeige kann dann fotografiert werden.

In der bevorzugten Aus führung form einer solchen radiografischen Kamera nach der Erfindung fokussiert eine Verkleinerungsoptik die Ausgangsanzeige voller Größe auf einen

fotografischen Film, dessen Diagonalabmessung kleiner ist als die des Ausgangsanzeigeschirms. Die Filmempfindlichkeit (G) wird definiert als der Kehrwert der auftreffenden Lichtenergie in erg/cm', die erforderlich ist, um eine Nettodichte von 1,0 zu erzeugen. Speziell wird die Kilmempfindlichkeit so gewählt, daß sie im Bereich von 5 bis 100 cm'/erg liegt. Die Bildverstärkerröhre wird so gewählt, daß sie einen Umwandlungswi rkungsgrad (C) im Bereich von 1.000 bis 30.000

2
erg/cm -R aufweist oder, wenn der Ausgangsleuchtstoff grün

2 emittiert, im Bereich von 140 bis 4.300 cd-sec/m -R. Der Lichtenergiebruchteil (T), der vom Ausgangsschirm emittiert, und von der Optik gesammelt und an den fotografischen Film übertragen wird, kann durch die folgende Beziehung angenähert werden:

4f²(l₊m)²

worin bedeuten:

t Transmission des optischen Systems f die Blendenzahl des optischen Systems m die Vergrößerung des Bildes oder das Verhältnis von Bild- zu Objekt-Größe, und

-1 -3

liegt etwa im Bereich von 1 χ 10 bis 1 χ 10 . In dieser Ausführungsform ist die Gesamtempfindlichkeit der Kamera (S = CTG) im für die medizinische Diagnostik benutzten Bereich des Röntgenspektrums, d.h., 30 bis 100 keV, im Bereich von 100 bis 10.000 R~ . In einer bevorzugten Ausführungsform, bei der der Umwandlungswirkungsgrad (C) im Bereich von 3.000 bis 14.000 erg/cm -R liegt, liegt die Systemempfindlichkeit (S) im Bereich von 500 bis 5.000 R"¹.

Die röntgenempfindliche fotografische Kamera gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist damit so ausgelegt, daß sie eine Systemempfindlichkeit hat, die optimal ist, um die Informationsmenge maximal auszunutzen, die von den auftreffenden

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Könrgenquanten geliefert wird, so daß das aufgezeichnete Bild eine ausgeglichene Bildqualität für die Föntgeninformation aufweist. Die Bildqualität der durch das System nach der Erfindung gelieferten Fotografien ist ebenso gut wie die von üblichen Kassetten-Film-Schirm-Systemen, die mit konventionellen Inverter-Bildverstärker-Systemen nicht erreichbar ist. Mit der erfindungsgemäßen Kamera können jedoch kleinere als Filme voller Größe verwendet werden, ohne Verlust an Röntgeninformation. Das erlaubt eine erhebliche Reduzierung des erforderlichen Lagerraums für die entwickelten Filme. Die Kamera kann auch durch einen Strahlenteilerspiegel so modifiziert werden, daß gleichzeitig eine zweite Aufnahme der Röntgeninformation erzeugt wird. Ein zweites optisches System, das gegen die Achse versetzt ist, kann ebenfalls dazu verwendet werden, die zweite Fotografie zu erzeugen.

Eines der wichtigsten Merkmale des Kamerasystems ist, daß die lange Brennweite, in der bevorzugten Ausführungsform größer als 100 mm Optik, die nicht verkleinerte Ausgangsbildgröße, und das optische System kleiner Apertur dem System eine größere Toleranz für thermische Dehnungen, Abmessungsänderungen usw. gibt,als sie ein übliches Bildverstärker—Röntgenkamerasystem hat, das für solche Änderungen extrem empfindlich ist. Das optische System kann auch gefaltet werden, so daß das Kamerasystem kompakter gemacht werden kann, was ein wichtiges Merkmal in einem beengten radiologischen Untersuchungsraum ist, als das bei einem konventionellen System mit vergleichbarer Eingangsformatgröße möglich ist.

Darüber hinaus erlaubt es der Bildverstärker des erfindungsgemäßen Systems, Stereo-Iiöntgenfotos ohne Bildverzerrung herzustellen. Das ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß der Eingangs-Höntgenumwandlungsschirm flach (planar) ist im Gegensatz zu dem konventionellen gekrümmten Eingangsschirm anderer bekannter Bildverstärkerröhren.

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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die röntgenempfindliche Eingangsformat-Flächengröße des Kamerasystems vergrößert werden kann, ohne daß Bildqualität geopfert wird, wie das der Fall wäre mit üblichen Inverter-Bildverstärkersystemen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt darin, daß die Belichtungszeit leicht mit einem Fühler geregelt werden kann, der unmittelbar das Ausgangsbild überwacht, um eine einheitliche Belichtung jedes Films zu erreichen.

Abweichend von den oben besprochenen Nahbereich-Röntgenbildverstärkern erreicht die Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, ohne daß zusätzliche Vervielfachungseinrichtungen oder nicht-linear ansprechende Komponenten erforderlich sind, d.h., eine Mikrokanalplatte zwischen dem Ausgangsphosphorschirm und der Fotokathode. Demzufolge ist die Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung mechanisch einfacher, zuverlässiger und zeigt ein lineares Verhalten mit Bezug auf Eingangs-Röntgendosen über 0,06 R/sec, der Dosis, die für medizinische Diagnostikzwecke verwendet wird.

Einige der vielen Vorteile der Erfindung sind das geringe Gewicht, die Einfachheit der Röhre und ihre kompakte Größe. Wenn die Röhre beispielsweise im fluoroskopischen Betrieb mit direkter Betrachtung verwendet wird, hat der Arzt leichten Zugriff zum Patienten zur Palpation und kann die Effekte der Palpation beobachten, ohne daß er sich vom Patienten wegwenden muß, wie es bei derzeitigen Systemen mit Inverter-Biidverstärker der Fall ist, der mit einer Fernsehanzeige gekoppelt ist.

Bei weiteren Ausführungsformen der Erfindung, beispielsweise 7ur Verwendung in Lehrinstituten, kann es erwünscht nein, für ferne Anzeigen des Ausgangs des großen Röntgenbildverstärkerröhren-Ausgangsanzeigeschirms zu sorgen, der sehr leicht mit einem geschlossenen Fernsehsystem mit Silizium-

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Verstärkertarget-RÖhre (SIT) zur fernen Betrachtung oder zur Videoaufzeichnung zu koppeln ist.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß die röntgenenpfindliche Eingangsformat-Flächengröße des Systems vergrößert werden kann, ohne daß Bildqualität geopfert wird, wie das bei üblichen Inverter-Bildverstärkerröhren geschehen würde.

Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine röntgenempfindliche Nahbereich-Bildverstärkerröhre mit einem metallenen Eingar.gsfenster zu schaffen, die Röntgen-Selbststreuungs- und Rückst reuungs-Effekte minimiert.

Veiter soll durch die Erfindung eine Röntgenbildverstärkerröhre verfügbar gemacht werden, die einen flachen Röntgen-Umwandlungs-Eingangsschirm aufweist, um die Bildverzerrung zu reduzieren.

Veiter soll durch die Erfindung eine plattenartige Röntgenbildverstärkerröhre robuster Konstruktion für medizinische Diagnostikzwecke verfügbar gemacht werden, die die Gefahr einer Verletzung des Patienten durch Implosion der Röhre minimiert.

Veiter soll durch die Erfindung eine plattenförnrige Röntgenbildverstärkerröhre verfügbar gemacht werden, die eine Ausgangsanzeige nahezu voller Größe hat, die mit dem Teil des Fatienten ausgerichtet in% der mit den röntgenstrahlen bestrahlt wird.

Veiter soll durch die Erfindung eine ^öntponbildverstärkerr~hre verfügbar gemacht werden, die in der Lage ist, ein quadratisches, rechteckiges oder kreisförmiges oder anderes frei geformtes Eingangsformat hat, und daß die Formatgröße auf **3 x ^3 cm (17 x 17") ausgedehnt werden kann.

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Weiter soll durch die Erfindung eine Röntgenbildverstärkerröhre verfügbar gemacht werden, die gegen die Effekte von Spannungsdrift, externen Magnetfeldern und Feldemission nicht empfindlich ist.

Weiter soll durch die Erfindung eine Röntgen-Radiografiekamera verfüpbar gemacht werden, die eine Systemempfindlichkeit und Bildaualität hat, die konventionellen Film-Schirm-Systemen vergleichbar ist.

Weiter soll durch die Erfindung eine Röntgen-Radiografiekamera verfügbar gemacht werden, die einen direkt betrachtbaren Film reduzierter Größe verwendet, wobei die Filmgröße kleiner ist als die Eingangs-Röntgenbildgröße.

Schließlich soll durch die Erfindung eine Röntgen-Radiografiekamera verfügbar gemacht werden, die Optiken langer Brennweite aufweist, um die Abmessungsstabilitatstoleranz des Systems zu erhöhen.

Γ-ie genannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine konventionelle Inverter-Röntgenbildverstärkerröhre;

Fig. 2 schematisch eine Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung;

/if. Τ· einen Schnitt durch die Bildverstärkerröhre nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Teil des in Fig. 3 gezeigten Schnittes;

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-K-

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 3;

Fig. 6 schematisch eine Röntgen-Radiografiekamera nach der Erfindung; und

Fig. 7 grafisch die Konstruktionsparameter der Röntgen-Radiografiekamera für kommerziell verfügbaren fotografischen Film.

In Fig. 1 ist eine konventionelle Inverter-Röntgenbildverstärkerröhre dargestellt. Eine Röntgenquelle 10 erzeugt einen Röntgenstrahl 1?, der durch den Patientenkörper 14 hindurchtritt und ein Schattenbild auf die Stirnseite eines Kamerasystems 16 wirft. Das Kamerasystem weist eine konventionelle Inverter-Bildverstärlcerröhre 18 auf. Die Röhre IR hat ein nach außen konvexes Eingangsfenster 20 und eine entsprechend konvexe Szintillatorschirm- und Fotokathoden-Einheit 22. Der Zweck dieses Szintillatorschirms ist, wie in der einschlägigen Technik bekannt, das Röntgen-Snhattenbild in ein Lichtbild umzuwandeln, das seinerseits unmittelbar mit der Fotokathodenschicht in ein Elektronenmuster umgewandelt wird. Dieses Elektronenmuster wird elektrostatisch mit einem Satz Elektroden und einer Anode 25 nahe dem Anzeigeschirm 28 beschleunigt und wird mit diesem Elektrodensatz 24 und Anode 25 so fokussiert, daß es auf dem kleinen Ausgangsschirm 28 ein Bild erzeugt. Die Elektroden 24 und die Anode 25 sind an eine Hochspannungsquelle 26 angeschlossen, deren anderer Pol an die Szintillator- und Fotokathoden-Schirmeinheit 22 angeschlossen ist. Der Röhrenkörper besteht aus isolierendem Glas. Das Bild am Ausgangsanzeigeschirm 28 wird mit einem kurzbrennweitigen optischen System 30 vergrößert und auf ein geeignetes Aufzeichnungsmedium projiziert, beispielsweise einen Film 32. Das Bild kann auch auf die empfindliche Fläche der Kamera eines geschlossenen Fernsehsystems zur Anzeige auf einem Konitor im fluoroskopischen Betrieb projiziert werden.

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Der Helligkeitsgewinn des Bildes durch die Röhre ist teilweise auf die Elektronenbeschleunigung und teilweise auf die elektronische Bildverkleinerung zurückzuführen. Das ist das Resultat einer Reduzierung des auf dem Szintillatorschirm erzeugten Bildes auf ein relativ kleines Bild am Ausgangsanzeigeschirm 28. Das verkleinerte Bild auf den, Anzeige schirm ist jedoch zu klein, um eine direkte Betrachtung ohne optische Hilfen zu ermöglichen. Die Qualität des Bildes ist darüber hinaus sowohl durch die Qualität der Elektronenoptik als auch die Qualität des Ausgangsleuchtschirmes in der elektronischen Bildverkleinerung reduziert, und durch die folgende Vergrößerung des Ausgangsbildes auf den Film oder auf den Monitorschirm durch das geschlossene Fernsehsystem.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß wegen des gekrümmten Szintillatorschirmes 22 sich eine räumliche Verzerrung im Bild durch die Röntgenprojektion auf die gekrümmte Fläche ergibt und durch die Feldform in der Röhre. Ein weiteres Problem liegt darin, daß wegen des schwachen Feldes in der Kähe der Kathode und der Vielelektroden-Anordnung 24 die Röhre 18 extrem empfindlich gegen externe Magnetfelder und Spannungsdrifts zwischen den Elektroden ist. Diese beiden Faktoren können eine Verzerrung und Unscharfe im erzeugten Bild verursachen.

Ein weiteres Problem liegt darin, daß wegen des stark verkleinerten Ausgangsbildes und der kurzbrennweitigen Optik jede Änderung in der Positionierung der Elemente des optischen Systems mit Bezug auf die lichtempfindliche Schicht der Kameraröhre oder den Ausgangsschirm 28 das Bild aus der Scharfeinstellung herausbringt. Das kann sich durch Vibrationen oder durch thermische Dehnung ergeben.

Ein weiterer wichtiger Nachteil des konventionellen Systems liegt darin, daß wegen des gekrümmten Glasfensters 20, das

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notwendig ist, um den Drucken durch das Vakuum innerhalb der Röhre 18 zu widersteher., und die bereits sehr geringe Feldstärke im Kathodenbereich das System begrenzt ist auf etwa 23 cm (9") Eingangsformat für optimales Betriebsverhalter.. Ein Eingang mit größerem Durchmesser erfordert eine erheblich höhere Röhrenspannung und ein dickeres Eingangsfenster, was zu verstärkten Problemen durch Ionenspots innerhalb der Röhre und Röntgen-Transmission und -Streuung im Eingangsfenster führen würde. Selbst bei Röhren konventioneller Größe besteht natürlich auch die Gefahr für den Patienten und Radiologen, daß die Röhre brechen kann, wodurch eine Implosion verursacht wird, und ein daraus resultierendes Herausschleudern von Glasbruchstücken.

In Fig. 2 ist eine plattenförmige Nahbereich-Röntgenbildverstärkerröhre nach der Erfindung dargestellt. Die Bildverstärkerröhre 3^ besteht aus einem metallischen Vakuumröhrenkolben 36, typischerweise rostfreier Stahl Type 304, und einem metallischen, einwärts konkaven Eingangsfenster 38. Das Fenster 38 besteht aus einer speziell gewählten Metallfolie oder Legierungsmetallfolie aus der Familie Eisen, Chrom und Nickel,und in einigen Ausführungsformen zusätzlichen Kombinationen von Eisen oder Nickel zusammen mit Kobalt oder Vanadium. Es ist wichtig zu erwähnen, daß diese Elemente üblicherweise in der Technik nicht als gute Röntgenfenster-Materialien im diagrostisehen Bereich des Röntgenspektrums betrachtet werden. Dadurch, daß das Fenster dünn gemacht wird, bis herab zu 0,1 mm Dicke, war es möglich, hohe Röntgen-Transmission mit diesen Werkstoffen und gleichzeitig die gewünschte Zugfestigkeit zu erhalten. Insbesondere wird eine Folie aus Typ 17-7 PH, ausscheidungsgehärtetem rostfreien Chrom-Uickel-Stahl bei der bevorzugter. Aus führungs form verwendet. Diese Legierung ist vakuuxiicht, hat hohe Zugfestigkeit und sehr attraktive Pcntgeneigenschaften: Hohe Transmission für primäre Röntgenstrahlen, geringe Selbststreuung, und vernünftig absorbierend

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lit 3ezug auf vom Patient;en gestreute Röntgenstrahlen. Das I-enster 33 ist in die Höhre wie ein Trommelfell konkav eingesetzt .

Die Verwendung von Werkstoffen, die für hohe Röntgen-Transmission bekannt sind, wie beispielsweise Beryllium, Aluminium und Titan, sorgen für die unerwünschte Streuung, die in einigen bekannten Nahbereich-Röntgenbildverstärkergeräten vorhanden

Ein Zweck eines metallischen Fensters 38 liegt darin, daß es ziemlich großen Durchmesser im Vergleich zu dem bekannten konvexen Glasfenster 22 gemäß Fig. 1 haben kann, ohne daß die Röntgenbildqualität beeinflußt wird. In einer Ausführungsform widerstand ein Fenster mit den Maßen 0,1 mm Dicke, 25 cm χ 25 cm einem Druck von mehr als 6,9 Bar (100 pounds per square inch). Das Eingangsfenster kann quadratisch, rechteckig oder kreisförmig sein, da es sich um einen Werkstoff hoher Zugfestigkeit handelt und es unter Spannung statt unter Druck steht.

Das durch das Fenster 38 hindurchtretende Eöntgenbild trifft auf einen flachen Szintillatorschirra 40 auf, der das Bild in ein Lichtbild umwandelt. Dieses Lichtbild wird direkt in einen unmittelbar angrenzenden, flachen Fotokathodenschirm 42 kontakttransformiert, der das Lichtbild in ein Elektronenmuster umwandelt. Die Szintillator- und Fotokathodenschirme 40 und 42 bilden eine vollständige Einheit 43. Das Elektronenmuster auf dem negativ geladenen Schirm 42 wird mittels eines elektrostatischen Potentials, das von einer Hochspannungsquelle 46 geliefert wird, die zwischen den Ausgangsschirm 44 und den Fotokathodenschirm 4? geschaltet ist, zu einem positiv geladenen, flachen Leuchtstoff-Ausgangs-Anzeigeschirm 44 beschleunigt. Wenn auch der Anzeigeschirm 44 positiv gegenüber der Szintillator-Fotokathoden-Schirmeinheit 43 ist, liegt er auf einem neutralen Potential mit Bezug auf die restlichen Elemente der Röhre, einschließlich des metallischen Kolbens 36,

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ui auf diese Weise eine Verzerrung durch Feldemission zu reduzieren. Keine weiteren Elemente, wie beispielsweise eine Mikrokanalplatte, liegen zwischen dem Ausgangs-Leuchtstoffschirm und dem Fotokathodenschirm, wie das bei einigen früheren Geräten der Fall ist.

Die Verwendung solcher nicht linearen Einrichtungen (mit Bezug auf Eingangs-Röntger.dosis) bewirkt eine Verzerrung aufgrund dieser Einrichtungen selbst, diese erhöhen ,jedoch auch die ungünstigen Feldemissionseffekte, da einige der Elemente der Mikrokanalplatte auf anderen elektrostatischen Potentialen gegenüber dem Ausgangs-Anzeigeschirm arbeiten müssen und damit Quellen für störende Elektronenemission werden.

Es ist zu erwähnen, daß in der Röhre 34 praktisch keine Fokussierung stattfindet, im Gegensatz zu der bekannten Röhre in Fig. 1. Der Schirm 40, die Fotokathodenschicht 42 und der Anzeigeschirm 44 sind einander parallel. Auch der Abstandsspalt zwischen der Fotokathode 42 und dem Anzeigeschirm 44 ist relativ lang, im Bereich von 6 bis 25 mm, so daß die Wahrscheinlichkeit einer Feldemission reduziert wird und gleichzeitig die elektrostatische Defokussierung auf einem tolerierbaren Niveau gehalten wird, das heißt rund 2,0 bis 5,0 Linienpaare pro mm.

Weiterhin liegt die angelegte Spannung über dem Spalt zwischen Fotokathodenschicht 42 und Anzeigeschirm 44 im Bereich von 10.00C bis 60.000 Volt (10 bis 60 kV), was höher ist als in Millar's Röhre, die oben beschrieben worden ist. Zusätzlich vermeidet die nicht fokussierende Natur des Feldes das Ionenfleck-Froblem, unter dem Inverter-Röhren leiden. Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung liegt der Abstand zwischen dem Foto<cathodenschirm 42 und dem Ausgangs-Anzeigeschira 44 zwischen 6 mm (bei 15 kV) und 25 mm (bei 60 kV). Tie Spannung pro Längeneinheit, d.h., die Feldstärke,

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2 7 5 Π 1 3

beträgt also mindestens 2 kV/mm. Eine obere Grenze für die Feldstärke liegt bei etwa 5 kV/mm. In bekannten Geräten wurde eine so hohe Feldstärke als nicht verwirklichbar für diese Anwendung eines Bildverstärkergerätes betrachtet, weil die oben besprochenen Feldemissionsprobleme auftreten, die im erfindungsgemäßen Gerät dadurch vermieden werden, daß alle Röhrenelemente, mit Ausnahme der Fotokathoden-Szintillator-Schirmeinheit, auf neutralem Potential mit Bezug auf den Ausgangs-Anzeigeschirm liegen.

Der ozintillatorschirm 40 kann Calciumwolframat (CaWCL) oder mit Natrium aktiviertes Cäsiumiodid (CsI(Na)) oder irgendein anderes geeignetes Szintillatormaterial sein. Aus dem Dampf niedergeschlagene, als Mosaik gewachsene Szintillatorschichten werden jedoch wegen der hocherwünschten Glätte und Sauberkeit bevorzugt. Da diese Materialien und deren Aufbringungsverfahren bekannt sind (US-PS J> 825 763) werden sie hier nicht näher beschrieben.

Die Gesamtstärke des Szintillatorschirms 40 liegt zwischen 50 und 600 Mikron Stärke, um eine höhere Röntgen-Photonen Ausnutzungsfähigkeit zu erhalten als in bekannten Geräten, so daß insgesamt geringere Röntgendosispegel für den Patienten ermöglicht werden, ohne daß ein merkbarer Qualitätsverlust verglichen mit bekannten Geräten eintritt. Das liegt daran, daß das Format der Röhre und das Fehlen mehrerer Quellen für "Unscharfe" einen zusätzlichen Spielraum für die Schärfe des Bildes gibt, die zugunsten geringerer Patientendosis-Pegel ausgenutzt werden kann, wenn eine größere Röntgenbremskraft in Szintillatorschirm 40 enthalten ist.

In ärmlicher Weise ist die Fotokathodenschicht 44 auch aus einem Werkstoff, der in der einschlägigen Technik bekannt ist, entweder Cäsium-Antimon (Cs,Sb) oder Multi-Alkalimetall .'Kombinationen von Cäsium, Kalium und Natrium) und Antimon.

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Tas mit dem Leuchtstoffschirm 44 erzeugte Bild hat die gleiche Größe wie das Eingangs-Röntgenbild. Der Ausgangsphosphorschirm 44-kann ein bekannter Zink-Cadmium-Sulfid-Schirm (ZnCdS(Ag)) oder Zinksulfid-Schirm (ZnS(Ag)) oder ein Seltene-Erde-Werkstoff wie Yttrium-Oxysulfid-Schirm (Y₂O₂S(Tb); oder irgendein anderer geeigneter blau und/oder grün emittierender Leuchtstoff hohen Wirkungsgrades sein. Die nach innen weisende Fläche des Ausgangsschirms ist mit einem metallischen Aluminiumfilm 48 in üblicher Weise bedeckt. Die Leuchtstoffschicht, die den Schirm 44 bildet, ist auf einem Ausgangsfenster 50 aus einem Glas mit hoher Ordnungszahl niedergeschlagen. Mit "hoher Ordnungszahl" ist gemeint, daß das Fensterglas eine hohe Konzentration an Barium oder Blei enthält, um die Röntgenrückstreuung innerhalb und außerhalb der Röhre zu reduzieren und den Radiologen sowohl gegen primäre als auch gegen gestreute Strahlung abzuschirmen.

Ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Nutzbarkeit eines Röntgen-Bildverstärkersystems für die medizinische Diagnose ist der Umwandlungswirkungsgrad der Röhre. Der Umwandlungswirkungsgrad der Bildwandlerröhre wird gemessen in Ausgangs-

2
lichtenergie in erg pro cm pro Röntgeneingangsdosis von

1 Röntgen (erg/cm -R), was auch ausgedrückt werden kann in

Candela-Sekunden pro Quadratmeter-Röntgen (cd-sec/m -R), wenn ein grün emittierender Ausgangsleuchtstoff wie ZnCdS(Ag) verwendet wird.

Mehrere arbeitsfähige Nahbereich-Bildverstärkerröhren nach der Erfindung mit 23 cm (9") Durchmesser sind mit einem Umwsndlurrswirkungsgrad im Bereich von 3-500 bis 60.000 erg/cm -R genau*, worden. Tie An"(?;.in.τRlouchtstoffe waren vom Typ ZnCdS(Ag) und damit kann der "τ,wandiungr,wirkungsgrad auch in foto- !te^riachen Einheiten als 500 bisBOOO cd-sec/m' -R ausgedrückt werde:.. Das ist etwa äquivalent einem Helligkeitsgewinn vom 50-bis POOfachen gegenüber dem alten fluoroskopischen Schirm beispielsweise.

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Es ist wichtig, diese Resultate mit denen zu vergleichen, die in dem oben erwähnten Aufsatz von Millar berichtet werden. Der Gesamt-Umwandlungswirkungsgrad der Millar'sehen Röhre

ist 196 bis 200 cdm^rnR"¹ see oder 196.000 bis 200.000

ο
cd-sec/m -R, was erhalten wird, wenn die MCP bei einem

Gewinn von 10.000 arbeitet. Wenn die MCP und ihr Gewinn entfernt werden, ergäbe sich ein Umwandlungswirkungsgrad von

ρ
etwa 20 cd-sec/m -P, was zu niedrig ist. Der Aufsatz von Millar hat also den Effekt, vom Erfindungsgedanken wegzuleiten.

In Fig. 4 sind in einem vergrößerten Schnitt die Details der Szintillator- und Fotokathoden-Schirraeinheit 43 und der Ausgangs-Anzeigeschirm-Einheit 44 dargestellt. Die Schirmeinheit 43 besteht aus einer Szintillatorschicht 40 aus sehr glattem Calciumwolframat oder mit Natrium aktiviertem Cäsiumiodid, das auf ein glatt poliertes, mit Nickel plattiertes Aluminium-Substrat niedergeschlagen ist, oder auf ein anodisiertes Aluminiumsubstrat 52, das zum Eingangsfenster 38 weist. Die Techniken dieser Dampfniederschlagsprozesse sind bekannt (US-PS 3 825 763). Zur direkten Betrachtung ist die Schicht zwischen 200 und 600 Mikron dick. Für radiografische Zwecke kann die Schicht 40 dünner sein (50 bis 200 Mikron), das heißt,das Bild kann weniger hell sein.

Wie oben erwähnt, liegt der Zweck des Γζintillatorschirms 40 darin, das Köntgenbild in ein Lichtbild umzuwandeln. Auf der überfläche der Szintillationsschicht 40, die vom Substrat 52 weg weist, ist eine dünne, leitende, transparente Elektrodenschicht 54 niedergeschlagen, beispielsweise aus dem Dampf niedergeschlagene Metallfolie, d.h. Titan oder Nickel, und auf dieser ist die Fotokathode 42 niedergeschlagen. Die Fotokathodenschicht 42 wandelt das Lichtbild von der Gzintillatorschicht 40 in ein Elektronenmusterbild um und die freien Elektronen von der Kathode 42 werden mittels der Hochspannung 46 zum Anzeigeschirm 44 beschleunigt, wie oben

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bereits erwähnt;. Der Szintillator-Fotokathoden-Schirm 43 ist bei der Erfindung mit mehreren isolierenden Pfosten 58 an den Röhrenkolben 36 zwischen das Eingangsfenster 3B und den Ausgangsschirm 44 gehängt. Einer oder mehrere dieser Pfosten können in der Mitte hohl sein, damit eine Hochspannungsleitung 60 von der Quelle 46 eingesetzt werden kann, um den ozintillator-Fotokathoden-Schirm 43 an der Schicht 54 mit negativer hoher Spannung zu versorgen, üie restlichen Teile der Bildverstärkerröhre einschließlich des metallnen Kolbens 36 werden alle auf Erdpotential betrieben. Dieses Konzept, die Flächen, die negativ gegen den Ausgangsschirm sind, zu minimieren, ergibt eine reduzierte Feldemissionsrate innerhalb der Röhre und erlaubt es, die Röhre bei höheren Spannungen und damit bei höherem Helligkeitsgewinn zu betreiben. Es wird auch die Gefahr elektrischer Schläge für den Patienten oder Arbeiter minimiert, wenn einer irgendwie mit dem äußeren Kolben der Röhre in Berührung kommt.

Um Ladungen zu reduzieren, die sich auf den isolierenden Pfosten 58 ansammeln können, sind diese mit einem leicht leitenden Material beschichtet, beispielsweise Chromoxyd, das die angesammelte Ladung dadurch ableitet, das ein Kriechweg von weniger als 20 k'//cm geschaffen wird.

Der dicke gläserne Träger 5° mit hoher Ordnungszahl, auf den der Leuchtstoff-Anzeigeschirm 44 niedergeschlagen ist, bildet eine äußere Endwand des Vakuumröhrengefäües 36. Dieses Glassubstrat 50 ist am Jiönrer.Kolben 36 mitteis eines Kragens 54 aus einer Eisen-'.ickel-Chron-Legierung befestigt, die die Hsnielsbezeichr.ur.g "Carpenter, Nr. 456" trägt. Da der thermische Lerjiungskoef f izierr. dieser Legierung an den von Glas angepaßt is^., ur.d nahezu an den des nöhrenkolbens 36, kann der Kragen 5^ lurch Fritten am Glassubstrat 50 befestigt werden und an den h öhrer, kolben 36 angeschweißt werden. Auf der Innenfläche der Glaswand 50 ist die Phosphorschicht 44 niedergeschlagen, die ihrerseits einen schützenden und

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BAD ORIGINAL

Elektronen durchlässigen dünnen Aluminiumfilm 48 trägt, um das Rückstrahlen von Licht zu verhindern und um für ein gleichförmiges Potential zu sorgen. Dieser Film neigt auch dazu, die Reflektion der Leuchtstoffschicht 44 zu erhöhen, so daß sich ein höherer Ausgangs-Lichtgewinn ergibt.

Die praktisch ganz metallische und robuste Konstruktion der Röhre minimiert die Implosionngefahr. Der kleine Vakuunraum, der von der Röhre eingeschlossen wird, repräsentiert eine erheblich kleinere gespeicherte potentielle Energie als eine konventionelle Röhre, wodurch weiterhin die Implosionsgefahr minimiert wird. Wenn ein Loch auftritt, verhält sich das Metall ganz anders als Glas und die Luft leckt einfach in das Innere hinein, ohne Bruch oder Implosion.

Der von der Röhre aus der Stromversorgung 46 gezogene Fotostrom hängt natürlich von der Bildfläche der Szintillator-Fotokathoden-Schirmeinheit 43 und des Ausgangs-Anzeigeschirms ab. Für eine Röhre, die für die direkte Betrachtung verwendet

-9 2 wird, wird der Fotostrom 0,4 bis 0,8 χ 10 A/cm bei einem Röntgendosis-Pegel von 1 mR/sec betragen.

Es wurden andere dünne Metall-Legierungen der Art rostfreier Chrom-Nickel-Stahl als Fonsterwerkstoffe untersucht und festgestellt, daß diese Legierungen ebenfalls besser sind als die bekannten Röntgenfensterwerkstoffe wie Beryllium und Aluminium, im Gesamtbetriebsverhalten jedoch nicht so gut sind wie der rostfreie Stahl 17-7 PH. Diese anderen Werkstoffe sind präzipitationgehärtete Type 15-7 Mo und verfestigte Type 304.

Es wurde auch festgestellt, daß dünne Folien der oben erwähnten Legierungsfenster sehr zufriedenstellend sind als Röntgenfenster in Hochvakuumgeräten wie einer Röntgenbildverstärkerröhre, solange die Dicke unter 0,25 mm liegt. Bei 0,125 mm

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Dicke beträgt die Röntgentransmission durch die 17-7-lH-Folie 94 Ό für 120 kVp-Röntgenstrahlen, die mit 23 mm Aluminium gefiltert sind, 88 }Ό für 80 kVp-Röntgenstrahlen, die mit 23 mm Aluminium gefiltert sind, und 80 Jo für 60 kVp-Röntgenstrahlen, die mit 23 mm Aluminium gefiltert sind.

In Fig. 5 ist die Röntgenkamera 100 nach der Erfindung dargestellt. Die Kamera 100 enthält die Nahbereich-Bildverstärkerröhre 34, die oben beschrieben ist, ein optisches System 158 mit langer Brennweite und einen Film 140. Wie oben erwähnt, werden bei konventionellen Kadiografie-Bildverstärkersysteraen vom optischen System nicht nur das kleine Ausgangsbild vergrößert, sondern auch alle die kleinen Defekte, die ebenso im Ausgangsschirm enthalten sein können, so daß der Herstellungsprozess kritischer sein muß. Bei der Erfindung reduziert die Optik 138 die Größe des Bildes und dementsprechend die scheinbare Größe von Defekten, die im Ausgangsschirm enthalten sein können, so daß sich ein Herstellungsprozess mit höherer Ausbeute, geringeren Kosten und geringeren Anforderungen ergibt. Das original am Ausgangsschirm angezeigte Bild ist jedoch erheblich größer als in der konventionellen Röhre, so daß das verkleinerte Bild auf dem Schirm 140 eine bessere Qualität hat als in konventionellen Systemen.

Die große Ausgangsbildgröße in Kombination mit der großen Brennweite (über 100 ram) des optischen Systems 138 in der bevorzugten Ausführungsform macht dieses weniger empfindlich gegen thermische Dehnung als konventionelle Systeme. Der Film 1^0 wird in einem Filmtransport 154 gehalten, der es erlaubt, den Film fortzuschalten, so da3 Bildreihen aufgenommen werden können.

iäufig werden die Filme besser so betrachtet, daß die Emulsionsseite zum üadiologen weist. Um die richtige Orientierung zu

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erhalten, kann ein Spiegel 170 (oder drei Spiegel oder irgendeine ungerade Zahl von Spiegeln),wie in unterbrochenen Linien in Fig. 6 angedeutet, in den optischen Weg eingesetzt werden, so daß sich eine neue Filmhalterposition ergibt. Der Spiegel 170 kann auch aus einem teildurchlässigen Spiegel (Strahlenteiler) bestehen, so daß zwei Filme mit einer einzigen Röntgenbelichtung belichtet werden können.

Die gesamte Systemempfindlichkeit der Kamera 100 nach der Erfindung im für die medizinische Diagnostik benutzten Bereich des Röntgenspektrums, d.h., 30 bis 100 keV, liegt im Bereich von 5OO bis 5·000 R . Die Systemempfindlichkeit wird als der Kehrwert der Röntgenstrahlendosis definiert, die auf das Ausgangsfenster der Röntgenbildverstarkerrohre 34 auftrifft, gemessen in Röntgen (R), die erforderlich sind, um eine Hettodichte von 1,0 auf dem fotografischen Film 140 hervorzurufen. Die Systemempfindlichkeit kann durch die vereinfachte Formal S * C T G ausgedrückt werden, worin bedeuten

C = Umwandlungswirkungsgrad des Bildverstärkers ausgedrückt in Ausgangslichtenergie in erg pro Quadratcentimeter pro Röntgeneingangsdosis von 1 Röntgen (erg/cm -R), was auch ausgedrückt werden kann in Candela-Sekunden

pro Quadratmeter-Röntgen (cd-sec/m -R);

T « Bruchteil des vom Ausgangsschirm emittierten und vom optischen System aufgenommenen und zum fotografischen Film weitergeleiteten Lichtes, der angenähert werden kann durch

T = 15 Tr , worin bedeuten t = Trans-

4 f- (l+m)^?

mission der Linsen, f = Blendenzahl der Linsen, m = Vergrößerung des Bildes;

G ■ fotografische Empfindlichkeit des Films im Spektralbereich der Emission des Ausgangsphosphors, ausgedrückt als Kehrwert der

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auftreffenden Lichtenergie pro Quadratcentimeter in erg/cm , die erforderlich ist, um eine Nettodichte von 1,0 hervorzurufen.

Die gleiche Systemempfindlichkeit kann also durch viele unterschiedliche Kombinationen von C, T und G erhalten werden. Fig. 7 ist ein illustratives Beispiel für die ineinandergreifende Natur dieser Systemparameter. Fig. 7 zeigt den erwünschten Arbeitsbereich der Erfindung, die schraffierte Fläche, für einen kommerziellen schnell verarbeitbaren Röntgenfilm mit einfacher Emulsion, der von der Firma Eastman Kodak Company unter der Bezeichnung Type 2541 RP/FC-Film vertrieben wird. Der wichtigste Parameter des optischen Systems, f/ /t, ist über Änderungen im Umwandlungswirkungsgrad der Bildverstärkerröhre, C, aufgetragen, um den Systemempfindlichkeitsbereich von 500 bis 5.000 R zu erreichen. Die Bildvergrößerung von m = 0,6 ist der Veranschaulichung halber ausgewählt. Die Systemempfindlichkeit kann in diesem Falle durch folgende Gleichung angenähert werden:

ο , _o CT cm²
S = 1,2 —£

f erg

Venn ein grün emittierender Ausgangsphosphor,wie einer vom Typ ZnCdS(Ag), verwendet wird, kann auch der Umwandlungswirkungsgrad in cd-sec/m -R verwendet werden. Zum besseren Vergleich ist in Fig. 7 auch diese Skala vorgesehen.

Es ist wichtig hinzuzufügen, daß mehrere arbeitende Nahbereich-Bildverstärkerröhren nach der Erfindung mit 23 cm (9") Durchmesser mit einem Umwandlungswirkungsgrad im Bereich von

2
3.000 bis 10.000 erg/cm -R hergestellt worden sind. Die Ausgangsleuchtstoffe waren vom Typ ZnCdS(Ag) und damit kann der Umwandlungswirkungsgrad auch in fotometrischen Einheiten

zu 400 bis 1.400 cd-sec/m -R ausgedrückt werden. Ein Prototyp- system mit diesen Röhren, einem optischen System mit f/2 und

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m = 0,6 und Kodak RP/FC-Film erreichte eine Bildqualität akzeptierter Film-Schirm-Systeme und eine Systemempfindlichkeit im Bereich von 1.000 bis 3.000 R"¹.

Es ist wieder wichtig, diese Resultate mit denen zu vergleichen, die in dem oben erwähnten Aufsatz von Millar berichtet werden. Der Jesamt-Umwandlungswirkungsgrad der Millar'sehen Röhre ist mehr als das lOOfache der optimalen Forderung für die Radiografie. Auf der anderen Seite, wenn die MCP und ihr Gewinn entfernt werden, ergäbe sich ein Umwandlungswirkungsgrad, der für radiografische Zwecke zu niedrig ist. Der Aufsatz von Millar hat also den Effekt, von dem Radiografiekamerasystem nach der Erfindung wegzuleiten.

Die System-Entwurfsempfindlichkeit ist optimiert, um die Informationsmenge, die von den auftreffenden Röntgenquanten geliefert wird, maximal auszunutzen, so daß das aufgezeichnete Bild eine ausgeglichene Bildqualität und Röntgeninformation hat. Dadurch wird das Problem einer niedrigen Systemempfindlichkeit vermieden, das heißt, weniger als die alte Fotofluorografiekamera, wobei die Röntgeninformation nicht voll ausgenutzt wird und deshalb eine unnötig hohe Strahlungsdosis für den Patienten benötigt wird. Es wird auch das Problem einer unnötig hohen Systemempfindlichkeit vermieden, wie im Falle des konventionellen Inverter-Bildverstärkerröhren-Systems oder des Millar-Systems mit einer MCP-Nahbereichröhre, wo der Film nur mit einer sehr kleinen Menge der Röntgeninformation belichtet wird, so daß das aufgezeichnete Foto eine unzureichende Informationsmenge enthält, mit einem resultierenden gefleckten oder körnigen Bild.

Der in Fig. 6 dargestellte Strahlenteilerspiegel 170 kann auch so gemacht werden, daß der größere Teil des Lichtstrahls auf einen Film gerichtet wird, während der kleinere Teil des Lichtstrahls auf einen zweiten Film gerichtet wird. Diese Anordnung hat viele Vorteile bei der Herstellung von Radio-

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grafien in solchen Fällen, in denen ein sehr weiter Bereich von Röntgenintensitäten auftritt. Die Röntgenintensität zeigt beispielsweise nach dem Durchtritt durch einen Brustkorb normalerweise erhebliche Differenzen zwischen dem Lungenbereich und dem Bereich hinter dem Herzen. In diesem Falle kann von dem Bereich hinter dem Herzen eine überstrahlte oder überbelichtete Aufzeichnung auf einem Film hergestellt werden, und das normale Lungenfeld kann auf dem zweiten Film aufgezeichnet werden; all das geschieht mit einer einzigen Röntgenbelichtung.

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Claims

D24 j-/ .

7. November 1

Ansprüche

[ 1. Röntgenempfindliche Bildverstärkerröhre mit öinem Röhrenkolben, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Eingengsfenster im Röhrenkolben angeordnet ist, ein flacher, mit Halogen aktivierter, Alkalihalogenid-Bzintillatorschirm in der Nachbarschaft des Eingangsfensters angeordnet ist, um das Röntgenbild in ein Lichtmusterbild umzuwandeln, eine flache Fotokathorienschicht parallel und unmittelbar dem Szintillatorschi rrr; benachbart ist, um Fotoelektronen in einem Muster entsprechend dem Lichtmusterbild zu emittieren, ein flacher Leuchtstoff-Anzeigeschirm parallel zur und im Abstand von der Fotokathodenschicht angeordnet ist, wobei der Raum zwischen diesen beiden ein ununterbrochenes Vakuum isx,, und daß der Szintillatorschirm, die Fotokathodenschicht und der Anzeigeschirm alle diagonale Abmessungen haben, die wenigstens gleich der tatsächlichen Größe des zu verstärkenden Röntgenbildes sind, und Anschlüssen, mit de'.en ein elektrostatisches Potential von einer externen quelle ausschließlich zwischen dem Anzeigeschirm und der rotokathodenschicht angelegt wird, um das Fotoelektronenxuster zum Anzeigeschirm längs paralleler, gerader Laufta:.nen zu beschleunigen, so daß sie auf dem Ausgangs-A.reigeschirm auftreffen.

2. ."-ehre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, d^:i der Abstand zwischen der Fotokathodenschicht und der Ausgangs-

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ORIGINAL INSPECTED

?7ί>0132

Anzeigeschicht zwischen 2 mm und 25 nun liegt, so daß, wenn ein elektrostatisches Potential von 10.000 V bis 60.000 V von der externen Quelle an diese angelegt wird, die Röhre ein lineares Verhalten mit Bezug auf Eingangs-Röntgen-Dosisraten größer als 0,06 R/sec hat.

3. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhreneingangsfenster aus einer Legierung aus Eisen, Chrom und Nickel besteht.

4·. Röhre nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Hochspannungsquelle, mit der, durch Anschlußeinrichtungen, ein Feldpotential zwischen der Fotokathodenschicht und dem Anzeigeschirm zwischen 2 kV/mm und 5 kV/mm angelegt wird.

5. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dar Szintillatorschirm eine aus dem Dampf niedergeschlagene Schicht aus mit Natrium aktiviertem Cäsiumiodid (CsI(NaJ) aufweist.

6. Röhre nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die CsI(Na)-Schicht zwischen 200 Mikron und 600 Mikron dick ist

7. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Szintillatorschirm eine aus dem Dampf niedergeschlagene Schicht aus Calciumwolframat (CaWO^) aufweist.

8. Röhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpangsfenster aus einem seigerungsgehärteten rostfreien Chrom-I.'ickel-ntahl Type 17-7 PH besteht.

9. Radiografie-Kamera gekennzeichnet durch eine Röntgenbildverstärkerrchre nach einem der vorangegangenen Ansprüche und ein optisches Aufzeichnungsmedium und ein optisches System, das eine 3ildgröße mit kleinerem Durchmesser als

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die Diagonalabmessurig des Aus^anirs-Anzeigeschirms hat, um das am Ausgangs-Anzeigeschirm dargebotene Bild auf das Aufzeichnungsmedium zu fokussieren.

10. Kamera nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmedium aus einem fotografischen Film besteht, dessen Diagonalabmessung kleiner ist als die des Ausgangs-Anzeigeschirms der Röhre und der eine Empfindlichkeit (G), ausgedrückt im Kehrwert der Lichtenergie pro Quadratcentimeter (erg/cm ) hat, die erforderlich ist, um eine Netto-Eichte von 1,0 hervorzurufen, daß die Bildverstärkerröhre einen Umwandlungswirkungsgrad (C), ausgedrückt in erg pro Quadratcentimeter-Röntgen (erg/cm"-R) hat, und daß das optische Linsensystem eine Linse aufweist und der Lichtbruchteil (T), der vom Ausgangsschirm emittiert und vom optischen Linsensystem aufgenommen und zum fotografischen Film übertragen wird, definiert ist als

T ₌ ξ __

4 f²(l+m)²

worin bedeuten

t = Transmission der Linse

f = die Blendenzahl der Linse und m = Vergrößerung des Bildes

so daß die Gesamtempfindlichkeit (S) der Kamera (S = CTG) im für die medizinische Diagnostik verwendeten Bereich des Röntgenspektrums, 30 bis 100 keV, im Bereich von 500 bis 5.000 R"¹ liegt, damit der Film eine Ketto-Dichte von 1,0 erreicht.

11. Kamera nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß C im Bereich von 3.000 bis 14,000 erg/cm -R liegt, so daß eine Eystemempfindlichkeit (S) im Bereich von 500 bis 5.000 R"¹ erhalten wird, um dem Film eine Netto-Dichte von 1,0 zu geben.

H09R?" /