NL8901048A - Roentgenstralenmeter. - Google Patents

Description

N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven. Röntgenstralenmeter.

De uitvinding heeft betrekking op een röntgenstralenmeter voor het detecteren van door een röntgenbron uit te zenden röntgenstralen, omvattende ten minste twee detectoren, ten minste twee tussen de röntgenbron en de detectoren plaatsbare röntgenstraling absorberende filters met verschillende transmissie coëfficiënten, versterkerschakelingên voor het versterken van door de detectoren te genereren meetsignalen en een rekeninrichting voor het uit de meetsignalen bepalen van intensiteit en energie van de röntgenstralen, waarbij de detectoren elk een scintillatiekristal omvatten, waaraan optisch een fotodiode is gekoppeld, en waarbij elk van de versterkerschakelingen een integratorschakeling omvat met een operationele versterker waarvan een uitgangssignaal door middel van een capacitieve terugkoppeling is teruggekoppeld aan een inverterende ingang van de operationele versterker.

Een dergelijke röntgenstralenmeter is bekend uit US-A 4,442,496.

In dit octrooischrift is een röntgenstralenmeter beschreven waarmee van een stralingsbron, in het bijzonder een röntgenbuis, stralingseigenschappen kunnen worden gemeten. In een röntgenbuis wordt door aanstraling van een anode met een elektronenbundel röntgenstraling opgewekt. De maximale energie van de röntgenstralen wordt bepaald door de maximale spanning waarmee de elektronen in de röntgenbuis worden versneld, zodat uit het stralenspectrum van de röntgenstraling de versnellingsspanning van de röntgenbuis kan worden bepaald. Bij toepassing van de röntgenbron voor doorstraling van objecten wordt de door het object ontvangen stralingsdosis naast de duur van de doorstraling bepaald door de stralingsenergie. Deze stralingsenergie is afhankelijk van de piekwaarde van de versnellingsspanning, die vaak pulsvormig is. Bij doorstraling van patiënten voor het maken van radiografische of fluoroskopische beelden, is vanwege de schadelijke uitwerking van hoge stralingsdoses op het menselijk lichaam en de beïnvloeding van het beeldvormend contrast door de energie van de röntgenstralen, voor een goede en veilige beeldvorming, een nauwkeurige overeenstemming tussen ingestelde versnellingsspanning en de daadwerkelijk in de röntgenbuis aanwezige spanning noodzakelijk. Hiertoe zal een regelmatige ijking van de piekwaarde van de ingestelde versnellingsspanning, verder aangeduid met kVp, noodzakelijk zijn. Daar de versnellingsspanningen in een röntgenbuis van de orde van groottte van enkele tientallen kV's zijn, is directe meting van de versnellingsspanning omslachtig. Door gebruik van een relatie tussen de energie van de röntgenstralen en de kVp-waarde kan op indirecte manier door meting van het spectrum van de röntgenstralen een kVp-waarde worden afgeleid. Bij het doorstralen van een filter wordt een stralenbudnel verzwakt door onder andere het foto-elektrisch effect en comptonstrooiing, welke interacties van röntgenstralen met materie afhankelijk zijn van de energie van de röntgenstralen. Indien een bundel röntgenstralen met een intensiteit IQ op een object valt met een dikte d in de richting van doorstraling, treedt uit het object een bundel met een intensiteit I, gegeven door: I = I0exp(-p(E).d). Hierin is p(E) de energie-afhankelijke lineaire verzwakkingscoèfficient. Het verloop van μ(Ε) met de energie is voor allerlei materialen nauwkeurig bekend uit metingen. Indien een stralingsbundel met intensiteit IQ op twee filters valt met verschillende dikten d^ en d2» dan geeft de logaritme van het quotient van de achter de filters gedetecteerde stralingsintensiteiten een waarde voor μ(Ε). ^-d-j). Voor de gevonden lineaire verzwakkingscoèfficient kan een bijbehorende energiewaarde van de röntgenbundel uit een tabel of grafiek worden afgelezen.

Naast het meten van de stalenenergie, kan bij gepulst bedrijf van de röntgenbron ook de pulsvorm worden bepaald uit de detectorsignalen. Dit geeft onder andere informatie over het functioneren van de versnellingsspanninggenerator. Een andere belangrijke te bepalen grootheid is de totale door de bron geleverde dosis. Deze dosis wordt gemeten in Röntgen, waarbij 1 Röntgen overeenkomt met de hoeveelheid straling die 2.08 10® ionen paren per O # cm lucht bij standaard druk en temperatuur produceren. Dit komt overeen met een energie depositie van 0,85 10~2 Jkg~1. Bij het meten van de kVp-waarden van de röntgenbron is het voldoende als van de door de detectoren geproduceerde signalen een maximum waarde kan worden gedetecteerd, zodat het meten van de kVP met detectoren gevormd door optisch aan een scintillatie kristal gekoppelde fotodioden kan worden uitgevoerd. De lage conversie van licht in elektrisch signaal van de fotodioden en de daarbij optredende lage stromen die in de orde van grootte van 100 pA zijn, vormt geen belemmering bij het doen van deze metingen. Bij dosismetingen echter zal een grotere signaalversterking of een gevoeliger detector nodig zijn om - met name bij gebruik van de röntgenbron in de fluoroskopie mode - ook lage dosis te kunnen meten. Bekende röntgenstralenmeters, zoals beschreven in een prospektus van Victoreen Inc., Cleveland, Ohio, uit 1985, betreffende de 'Nero 6000 B', gebruiken voor metingen van dosis als detector een met lucht gevulde ionisatiekamer, waarvan een meetstroom een maat is voor het dosistempo, per definitie gemeten in Rs"^. Daar de hoeveelheid lucht die geïoniseerd wordt, en daarmee de gevoeligheid van de detector, afhankelijk is van het volume van de ionisatiekamer, zijn deze detectoren relatief groot van afmeting (enkele tientallen cm·*). De mogelijkheid om dergelijke röntgenstralenmeters te gebruiken in een automatische regelmode, waarin dosis en kVp tijdens een doorlichting van een object worden gemeten en waarvan meetwaarden in een regelciruit voor de bijstelling van de röntgenbron worden gebruikt, is door de relatief grote afmeting van de röntgendetector zonder noemenswaardige verstoring van het röntgenbeeld niet mogelijk.

Het is een doel van de uitvinding te voorzien in een compacte en robuuste röntgenstralenmeter voor het meten van röntgendoses en kVp-waarden, waarmee relatief lage dosistempi (10pRs-1 - 10mRs_1) meetbaar zijn.

Een röntgenstralenmeter heeft hiertoe volgens de uitvinding tot kenmerk, dat door sluiting van een eerste schakelaar een meetsignaal aan de ingang van de integratorschakeling toevoerbaar is.

Door alle detectoren uit te voeren als scintillatiekristallen met daaraan optisch gekoppeld een fotodiode, wordt een kleine detector verkregen, die mede vanwege het ontbreken van een ionisatiekamer met een dun en kwetsbaar ingangsvenster, robuust is. Tevens zijn voor een röntgenstralenmeter volgens de uitvinding luchtvochtigheid en omgevingstemperatuur van minder invloed op de nauwkeurigheid van de metingen van de röntgendetector dan bij toepassing van een ionisatiekamer. De meetsignalen worden direkt toegevoerd aan de integrator, zonder eerst versterkt te worden. Door toepassing van een capacitieve terugkoppeling worden stabiliteitsproblemen, die bijvoorbeeld optreden bij versterking door middel van terugkoppeling van het uitgangssignal over een relatief hoge terugkoppelweerstand voor het verkrijgen van een grote versterking, vermeden. De meetsignalen van de fotodioden worden gedurende een integratieperiode (bijvoorbeeld 10 ms), die door de sluitingsperiode van de eerste schakelaar is bepaald, over de terugkoppelcondensator geïntegreerd, zodat een uitgangsspanning van de integrator evenredig is wet de gemiddelde detectorstroom. Na opening van de eerste schakelaar kan de op de capacitieve terugkoppeling geaccumuleerde lading worden toegevoerd aan een opslagcondensator (sample-hold) en kan de door sluiting van een aan de capacitieve koppeling parallelle schakelaar de capacitieve terugkoppeling worden ontladen. Tijdens deze resettijd (bijvoorbeeld 10 ps) en tijdens de sample tijd (bijvoorbeeld 10 ps) laadt de fotodiode op over zijn intrinsieke capaciteit. Vervolgens voert de fotodiode bij sluiting van de eerste schakelaar zijn lading toe aan de capacitieve koppeling.

Opgemerkt wordt dat een röntgenstralenmeter met als detector optisch aan fotodioden gekoppelde scintllatiekristallen en met een integratorschakeling met een capacitieve terugkoppeling op zich bekend zijn uit het Duitse Auslegeschrift DE 26 30 961.

In dit Auslegeschrift wordt beschreven hoe de meetsignalen met een integratorschakeling geïntegreerd worden over een terugkoppelcondensator. Het uitgangssignaal van de integratorschakeling is evenredig met de gemiddelde ingangsstroom. Het nadeel van deze schakeling is, dat bij het ontladen van de capacitieve koppeling verlies optreedt van de in de fotodiode gedurende de ontladingstijd gegenereerde lading. Hierdoor is een nauwkeurige meting van de totaal in de fotodiode gegenereerde lading bemoeilijkt.

Door de versterkerschakeling uit te voeren als een CMOS geïntegreerde schakeling, kunnen ladingsverliezen door de eerste, tweede en derde schakelaar tot een minimum worden beperkt, en kan een zeer temperatuurstabiele capacitieve terugkoppeling worden gerealiseerd.

Een uitvoeringsvorm van een röntgenstralenmeter heeft volgens de uitvinding tot kenmerk, dat de röntgenstralenmeter een lichtbron omvat voor het belichten van de fotodioden.

Daar het scintillatiemateriaal een in dé tijd stabiele output efficiëntie heeft, is het voor het ijken van de detectoren voldoende, dat de fotodioden net bijbehorende versterkerschakeling worden geijkt. Door toepassing van een lichtbron die een nauwkeurig bekende hoeveelheid licht straalt op de fotodiode, kan dit op eenvoudige wijze geschieden zonder gebruik te naken van een aparte radioactieve ijkbron. Problemen met opslag en transport van de ijkbron zijn hierbij vermeden, terwijl telkens vóór gebruik van de röntgenstralenmeter een routine controle kan plaatsvinden.

Een verdere uitvoeringsvorm van een röntgenstralenmeter heeft volgens de uitvinding tot kenmerk, dat de rekeninrichting middelen omvat voor het, bij een pulsvormig bedrijf van de röntgenbron, bepalen van een pulsfrekwentie en een pulsbreedte door fourier analyse van althans één der meetsignalen.

Voor het meten van pulsbreedten en pulsfrekwenties van de versnellingsspanning bij bijvoorbeeld het maken van een snel opeenvolgend aantal doorlichtingen (cine opnamen), is de rekeninrichting uitgerust met een fourier algoritme voor het bepalen van het vermogensdichtheidsspectrum van de versnellingspanning door fourier transformatie van één van de meetsignalen. Uit het vermogensdichtheidsspectrum kunnen de periode, T, en de gemiddelde waarde, Vav, van de detectorsignalen worden bepaald. De pulsbreedte, W, kan worden gevonden met de relatie: max-" av

Hierin is Vj^ de grootste waarde van het meetsignaal.

Enkele uitvoeringsvormen van de uitvinding zullen nader worden toegelicht aan de hand van bijgevoegde tekening.Hierin toont: Figuur 1 een schematische weergave van een röntgenstalenmeter volgens de uitvinding,

Figuur 2a en 2b een grafiek van in een tabel in de rekeninrichting opgenomen waarden,

Figuur 3 een integratorschakeling met een terugkoppelweerstand,

Figuur 4 een versterkerschakeling met een capacitieve terugkoppeling, en

Figuur 5 een een grafiek van de gemeten temperatuurafhankelijkheid van de röntgenstralenmeter.

Figuur 1 toont een röntgenbron 2 die door een hoogspanningsgenerator 5 wordt gevoed. In de röntgenbron 2 emitteert een (niet in de figuur getoonde) gloeikathode elektronen die door de versnellingsspanning versneld op een anode vallen en daarbij röntgenstraling vrij maken. Een deel van de röntgenstralen valt in een bundel 3 op een filter 1 waarachter zich detectoren 7 en 9 bevinden. De detectoren 7 en 9 omvatten een scintillatiekristal, bijvoorbeeld CdW04r dat de energie van de röntgenstaling omzet in licht. Het door het scintillatiekristal geëmitteerde licht maakt in de fotodioden ladingsdragers vrij waardoor een diodestroom vloeit, die in versterkerschakelingen 11 en 13 wordt versterkt. Het versterkte signaal wordt toegevoerd aan een AD-converter 15 die de gedigitaliseerde weetsignalen toevoert aan een rekeninrichting 17. In de rekeninrichting 17 wordt een energie van de röntgenstralen bepaald uit de verhouding van de meetsignalen van de twee detectoren. Door de rekeninrichting 17 wordt een kVp-waarde van de röntgenbron en een door de bron geleverde dosis berekend. Op grond van deze waarden kunnen correcties van de kVp-intstelling van de versnellingsspanninggenerator 5 worden toegepast of kan na het overschrijden van een maximum dosis de versnellingsspanninggenerator worden uitgeschakeld.

Figuur 2a toont in de vorm van een grafiek een in de rekeninrichting 17 opgeslagen tabel van verhoudingswaarden, r, van de meetsignalen van de detectoren 7 en 9 en de daarbij behorende versnellingsspanningen in kVp. Figuur 2b geeft de konversiefactoren (de reciproke van de gevoeligheid) van de detectoren 7 en 9, f, als functie van kVp, in pRs“1/»V. De detectorsignalen moeten met de conversiefactor worden vermenigvuldigd voor het verkrijgen van een waarde voor het dosistempo. Door de combinatie van grafiek 2a en grafiek 2b, kan bij iedere verhouding r van de meetsignalen een conversiefactor f worden gevonden.

Figuur 3 toont een bekende stroom-spanningsconverter voor het meten van kleine stromen. Hiertoe is het uitgangssignaal van een operationele versterker 25 over een terugkoppelweerstand Rf aan de inverterende ingang toegevoerd. De uitgangsspanning van de versterker 25 is in eerste benadering gelijk aan het produkt van een ingangsstroom en de terugkoppelweerstand Rf. Een fotodiode 26 produceert een, met een invallende lichtsterkte evenredige stroom die van een orde van grootte van 100 pA kan zijn. Voor het verkrijgen van 1 V meetspanning aan de uitgang van de versterker 25 is een terugkoppelweerstand Rf van 10 GOhm nodig. Dergelijk hoge weerstanden zijn moeilijk te realiseren vanwege poblemen met temperatuurstabiliteit en afmetingen. Vanuit het oogpunt van thermische ruis is een zo groot mogelijke waarde van de terugkoppelweerstand Rf gewenst. Daar de standaarddeviatie van de . . . OS , temperatuurruis, Δ, evenredig is met Rf ' , neemt de relatieve ruis in een uitgangssingaal Vq, welk uitgangssignaal evenredig is met Rj, af als Rj“0,i\ De fotodiode 26 gedraagt zich als een stroombron met een parallelweerstand R^, die van een orde van grootte van 10 MOhm is, en een parallelcapaciteit, C^, van een orde van grootte van 500 pF.

Dit geeft samen met een -6dB per octaaf frekwentiekarakteristiek van de operationele versterker 25 bij een waarde van Rj van bijvoorbeeld 100 MOhm, een tamelijk instabiele schakeling. Een manier om de stabiliteit te verbeteren is door parallel aan Rf een terugkoppelcondensator,

Cf, te plaatsen, zodanig dat Rf.Cf = R^.C^. Door in plaats van een terugkoppelweerstand Rf een puur capacitieve terugkoppeling te gebruiken, worden problemen met betrekking tot de stabiliteit van de schakeling vermeden.

In figuur 4 is een schema gegeven van een in CMOS als een IC uitgevoerde versterkerschakeling met een operationele versterker 31 waarvan de uitgang is teruggekoppeld aan de inverterende ingang door vier parallel te schakelen condensatoren 33. De condensatoren 33 zijn verbonden met een logische schakeling 37. Met de uitgang 43 van de versterker 31 is een condensator 49 verbonden. Door sluiting van schakelaar 51, is parallel aan de condensator 49 een externe condensator 50 op de uitgang 43 aansluitbaar. Door een logische schakeling 60 is een schakelaar 58 sluitbaar waardoor de condensator 50 parallel wordt geschakeld aan de opslagcondensator 47. Door sluiting van de schakelaar 45 is de uitgang 43 te verbinden met een bufferschakeling 48. Aan de ingang van de bufferschakeling 48 is de opslagcondensator 47 gekoppeld. Door sluiting van de schakelaar 54, onder invloed van een spanning aan de klem 57, kan een uitgangssignaal van de bufferschakeling 48 worden uitgelezen. Door ingangssignalen aan klemmen 35 van de logische schakeling 37 kunnen schakelaars 34 worden gesloten. Door meer of minder condensatoren 33 parallel te verbinden, kan de versterking van het ingangssignaal van de versterker 31 worden ingesteld. Aan de klem 39 wordt het meetsignaal van een (in de figuur niet weergegeven) detector toegevoerd. Door een controlespanning op de klem 38 kan de schakelaar 41 worden gesloten, en wordt het ingangssignaal over één of meer condensatoren 33 geïntegreerd. Door de schakelaar 41 gedurende een integratietijd T te sluiten, is het uitgangssignaal aan de uitgang 43 van de versterker 31 een voltage VQ, dat met de gemiddelde signaalstroom Iav evenredig is volgens de relatie: vo = ^av'^/^f

Hierin is Cf de capaciteitswaarde van de conbinatie van de condensatoren 33. Door het verlengen van de integratietijd T of door het verlagen van de capaciteitswaarde Cf door het openen van één of meer schakelaars 34, kan de versterking worden vergroot. Na het einde van een integratieperiode, wordt de schakelaar 41 geopend en wordt het aan de uitgang 43 aanwezige signaal door sluiting van de schakelaar 45, gestuurd door een signaal aan de klem 56, bemonsterd en vastgehouden op de opslagcondensator 47. Vervolgens worden door sluiting van de schakelaar 36 de condensatoren 33 ontladen, en worden door sluiting van de schakelaar 52 de condensatoren 47 en 50 ontladen. Op het signaal VQ wordt door de schakelaars 36, 41 en 45 ruis geïntroduceerd. De standaarddeviatie, Δη, van de ruis is bij benadering (condensatoren C^, 47 en 49 veel groter dan condensator(en) 33 en verwaarloosbare spanningsruis van de versterker 31) gegeven door: Δη = (3kt/Cf)0,5

Hierin is t de temperatuur en is k de constante van Boltzmann. De standdaarddeviatie is onafhankelijk van de weerstand van de schakelaars, die bij sluiten en openen verandert, en is daarom onafhankelijk van de integratietijd. Voor de signaal-ruisverhouding, N, volgt: N = TIav/{3ktCf)0'5

Indien spanningsruis van de versterker 31 niet verwaarloosbaar is, kan een verdere verbetering van de signaal-ruisverhouding verkregen worden, door de bandbreedte van de versterker 31 te beperken door toevoeging van de condensator 50 via de schakelaar 51.

Een opbouw van de versterkerschakeling uit discrete componenten resulteert in een grote schakeling met een relatief grote temperatuurgevoeligheid en ruisgevoeligheid door de invloed van paracitaire capaciteiten. Door de versterkerschakeling als geïntegreerd circuit met CMOS-transistoren te construeren, ontstaat een versterker met een zeer geringe bias stroom en offset spanning, terwijl de terugkoppelcapaciteit zeer temperatuurstabiel is. Figuur 5 geeft het gemeten verband tussen de temperatuur t en de detectorsignalen afkomstig van een in CMOS uitgevoerde versterkerschakeling. Het temperatuurverloop wordt veroorzaakt door het scintillatiekristal en de fotodiode. De invloed van de versterker 31 op het temperatuurverloop is verwaarloosbaar. Door het nagenoeg lineaire verloop van versterking met temperatuur kan temperatuurcompensatie makkelijk plaatsvinden bij verwerking van de meetsignalen in de rekeneenheid 17.

Claims (9)

1. Röntgenstralenweter voor het detecteren van door een röntgenbron uit te zenden röntgenstralen, omvattende ten minste twee detectoren, ten minste twee tussen de röntgenbron en de detectoren plaatsbare röntgenstraling absorberende filters met verschillende transmissie coëfficiënten, versterkerschakelingen voor het versterken van door de detectoren te genereren meetsignalen en een rekeninrichting voor het uit de meetsignalen bepalen van intensiteit en energie van de röntgenstralen, waarbij de detectoren elk een scintillatiekristal omvatten, waaraan optisch een fotodiode is gekoppeld, en waarbij elk van de versterkerschakelingen een integratorschakeling omvat met een operationele versterker waarvan een uitgangssignaal door middel van een capacitieve terugkoppeling is teruggekoppeld aan een inverterende ingang van de operationele versterker, met het kenmerk, dat door sluiting van een eerste schakelaar een meetsignaal aan de ingang van de integratorschakeling toevoerbaar is.

2. Röntgenstralenmeter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de capacitieve terug koppeling overbrugbaar is door sluiting van een tweede schakelaar.

3. Röntgenstralenmeter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat door sluiting van een derde schakelaar het uitgangssignaal toevoerbaar is aan een opslagcondensator.

4. Röntgenstralenmeter volgens conclusie 1,2,of 3, met het kenmerk, dat de capacitieve terugkoppeling twee of meer parallel te schakelen condensatoren omvat.

5. Röntgenstalenmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de versterkerschakeling een geïntegreerde schakeling met CMOS transistoren omvat.

6. Röntgenstralenmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de röntgenstralenmeter een lichtbron omvat voor het belichten van de fotodioden.

7. Röntgenstralenmeter volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de lichtbron wordt gevormd door een bED.

8. Röntgenstalenmeter volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de rekeninrichting middelen omvat voor het, bij een pulsvormig bedrijf van de röntgenbron, bepalen van een pulsfrekwentie en een pulsbreedte door fourier analyse van althans één der meetsignalen.

9. Verstersterkerschakeling geschikt voor toepassing in een röntgenstralenmeter volgens één der voorgaande conclusies.