CN102056389A

CN102056389A - 用于栅极控制的x射线管的电压稳定

Info

Publication number: CN102056389A
Application number: CN2010105322501A
Authority: CN
Inventors: 约翰尼斯·沃尔克
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers AG
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2030-11-02
Also published as: DE102009051633A1; US8774366B2; CN102056389B; DE102009051633B4; US20110103552A1

Abstract

本发明涉及用于栅极控制的X射线管的电压稳定。本发明改善了具有用于控制在阴极和阳极之间所产生的电子流的控制电极的X射线设备的辐射单色性。根据本发明，按照用于校正在阳极和阴极之间施加的电压的校正函数，在恒定电压的意义上，即使在借助控制电极的控制的时间段中，也产生校正电压。利用所产生的校正电压校正在阳极和阴极之间所施加的电压。

Description

用于栅极控制的X射线管的电压稳定

技术领域

本发明涉及一种具有用于控制在阴极和阳极之间产生的电子流的控制电极的X射线设备以及一种用于运行该X射线设备的方法。

背景技术

在医学诊断中广泛使用X射线。在此通常借助所谓的X射线管进行X射线的产生。X射线管通常包括外壳，在该外壳中建立真空。此外，管被构造为具有位于真空外壳内部的阳极和阴极。对于运行，通常将阴极加热，以便支持电子的发射。然后通过在阳极和阴极之间施加电压来进行X射线的产生。在此通常是在40-125kV范围的高压，该高压是由所谓的X射线产生器(产生器)提供的。施加的电压使得电子从阴极出来、被加速并且在击中阳极时产生X射线，该X射线通过出射窗离开外壳。

为了改进对辐射的控制，建立了对通常以控制栅极形式的控制电极的应用。替代在阳极和阴极之间建立和去除的电压，这样在外壳中将控制电极设置在阳极和阴极之间：使得通过在电极和阴极之间施加控制电压，停止到阳极的电子流。在此通常称为施加截止电压，其通常也由产生器产生。例如在文献DE101 36 947 A1和JP 11204289 A中描述了该方法。

在提供高压的情况下以高的切换速度运行高功率的栅极可截止的管时，在边沿陡峭地切换射线(相应于施加负载)时，会看到高压的陷落或者过冲。该实际管电压与额定值的偏差在数量上高达40％并且导致在射线开始或结束时的非单色射线以及在过压峰值情况下导致飞弧的提高的危险和通过该飞弧产生的和其它危害。这点导致拍摄时间在射线质量中的相互影响并且由此特别是在非常短的脉冲的情况下是显著的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种X射线设备和一种用于运行X射线设备的方法，其在短脉冲的情况下也能保证射线的高的单色性。

以下结合X射线设备解释的实施方式和优点对于方法也是适用的，并且反之亦然。

本发明的内容是具有用于控制在阴极和阳极之间产生的电子流的控制电极的X射线设备。该设备被构造为用于产生校正电压或校正的电压。在此，校正电压的产生按照用于校正在阳极和阴极之间施加的电压(通常是高压)的校正函数进行。校正函数用于在(尽可能)恒定的电压的意义上或者为了实现(尽可能)恒定的电压的校正。在此特别地，也关于在借助控制电极以及对发生的信号延迟时间的可能补偿的控制的时间段中对恒定电压的要求来确定校正函数的形状。最后，设备(通常是产生器)被构造为用于按照校正电压校正在阳极和阴极之间施加的电压，以便由此改善在阳极和阴极之间施加的电压的电压稳定性。

校正电压例如可以是在阳极和阴极之间施加的电压，即，关于改善的稳定性而校正的在阳极和阴极之间的电压。但是还可以是在阳极和阴极之间施加的附加的电压(例如电压脉冲)，以便在稳定的总电压的意义上影响或校正已经施加的电压。

本发明产生在阳极和阴极之间更好的电压恒定，特别是在射线开始和结束。由此首先避免了在接通和断开时出现的、所产生的X射线的辐射能量或强度与设置的值的偏差(在辐射开始和结束时改善的kV稳定性)。由此实现了改善的射线的单色性以及恒定的射线强度。

一个主要优点是，避免了电压尖峰或者防止了出现过压或电压尖峰，该电压尖峰是电子电路和辐射器(管)的负担，会导致错误和故障。

按照一种实施方式，X射线管包括用于调节在阳极和阴极之间施加的电压的电压调节器并且构造为借助至少一个按照校正函数产生的信号有针对地影响调节器。在此，可以影响或校正由调节器产生的信号以改善电压恒定。

按照一种扩展，设备或者其产生器被构造为用于测量在阳极和阴极之间存在的电压的有效电压。在此，“有效电压”指借助校正电压校正的电压。设备或产生器还被构造为，可以按照有效电压与额定值的偏差来进行校正函数的调整。在此可以进行手动的或自动的调整。额定值通常是对于具有X射线的设置的辐射能量的辐射所需的电压值。

优选可以关于参数时间和形状来调整校正函数。在此有意义的是，参数时间涉及辐射的开始或结束。例如，校正函数可以在时间比例上按照有效电压与额定值的偏差改变或者偏移，以便实现电压波动的尽可能好的补偿。用于优化校正函数的另一个可能的参数是其在时间上的长度。校正函数可以按照模拟的或数字的形式给出并且通过解析函数描述。可以进行函数值的插值。该插值既可以是关于时间也可以是关于不同的工作点的插值。函数值本身例如可以代表电压或电流值，按照其来产生电压校正过程。这点例如可以关于调节信号的调整或改变来进行。于是，X射线设备可以包括用于稳定在阳极和阴极之间施加的电压的调节电路。在这种情况下，可以按照校正函数，调整为了调节而产生的信号，使得通过调节实现的稳定得到改善。

按照一种扩展，设备或产生器被构造为用于在采用辐射之前开始校正，该辐射与待通过电压校正过程校正的电压偏差相关。在此，可以调整在电压校正过程的或者为此产生的信号的开始与辐射的开始之间的时间偏移。对于辐射结束也是这样。

按照本发明内容的一种实施方式，设备或装置包括具有编码了校正函数(或校正函数的值)的参数的表(查询表)。为了产生用于电压校正的信号，可以读取或加载这些参数。优选地对于不同的工作点提供参数。为了调整电压校正过程，可以利用调整后的参数覆盖或替换该表的参数。

按照一种扩展，X射线设备包括用于高压产生的装置元件，其中这些装置元件包括逆变器，并且可以利用电压校正的或为此产生的信号的时间变化来校正或同步逆变器的控制。

本发明内容还包含一种用于运行具有用于控制在阳极和阴极之间产生的电子流的控制电极的X射线设备的方法。按照该方法，根据用于校正在阳极和阴极之间施加的电压的校正函数，在恒定电压的意义上，即使在借助控制电极的控制的时间段中也产生电压校正。

附图说明

以下借助实施例结合附图详细解释本发明内容。其中，

图1示出了X射线设备的概图，

图2示意性示出了X射线管，

图3示出了不同的信号变化，

图4示出了按照本发明的校正信号变化的例子，

图5示出了用于解释按照本发明的校正到X射线产生器的高压调节器的馈入的框图，

图6示出了校正与在产生器中存在的逆变器控制的同步的作用，

图7示出了用于校正函数的初始学习的第一流程图，

图8示出了用于动态调整电压校正的第二流程图。

具体实施方式

图1示出了X射线管的组件的、对于目前的设备是典型的概图。X射线产生器20包括控制单元1以及元件：逆变器/高压产生器22、阳极驱动24(RAC：Rotation Anode Control，旋转阳极控制)、栅极电压产生单元25和用于X射线管23的阴极或发射极的加热的控制单元26。此外，在图中还示出了电源21。借助这些元件，提供对于X射线管23所需的电压(阳极或阴极电压以及栅极电压)和其它信号(控制旋转阳极驱动、控制发射器加热，...)。借助X射线管23产生X射线XRAY。此外还有具有操作部件41的中央控制单元40。设置了借助该控制单元40对其它设备42和43以及驱动另一个X射线管45的第二X射线产生器44的控制。

图2示意性示出了X射线管和对于管重要的参数的直观定义。在真空外壳V中设置阴极K和阳极A。在运行时阴极K发射电子、其被加速并且击中阳极A。在电子的该碰撞中，产生X射线XRAY，其通常通过视窗从真空外壳V中逸出。在X射线管的运行中，流过电流It_act。在阳极和阴极之间施加电压Ut_act，借助该电压加速电子。借助控制栅极G或通过高压UT_act控制辐射的开始和结束。在该控制栅极G和阴极K之间施加电压U_grid，借助该电压产生或建立从阴极K到阳极A的电子流的截止。在此在阳极和阴极之间施加的附加的电压Ut_act应该尽可能保持恒定，而无论是否进行了辐射。

典型地，对于辐射，以大约40-125kV和0-1000mA(50-100kW)运行X射线产生器。该栅极电压例如为4kV。栅极电压的典型的上升和下降时间为＜100μs。

图3示出了对于在图2中示出的对于本发明起作用的参数和控制信号的信号变化。最上面的曲线示出了栅极电压U_grid的变化。首先施加栅极电压，其阻止电子流。X射线通过释放栅极而产生。在图中的时刻t₁，断开栅极电压。由阴极发射的电子在取消截止电压之后向着阳极加速并且在减速(Abbremsen)时产生X射线。在时刻t₂，又连接栅极电压，以便结束辐射过程。辐射持续时间是时间差t₂-t₁，这点在从上面数的第二个信号变化中明显示出。在那里示出了结果的电流It_act，其导致辐射XRAY。该电流在t₁和t₂之间的辐射的时间段中不为零，即，在该时间段中，进行X射线XRAY的产生。之下的曲线示出了在阳极和阴极之间施加的未校正的高压UT_act。该高压持续(即，在辐射脉冲之间和期间)。可以看出，在接通时刻t₁之后以及在断开时刻t₂之后出现电压Ut_act的干扰，其导致与电压恒定的不期望的偏差。特别地，在图中示出的电压陷落导致电子加速小并且因此导致产生的X射线与设置的值的能量偏差。由此辐射至少在开始时不是如所期望的那样单色的。

该困难即使通过定期采用高压调节器也不能消除。这样的调节器需要直到500μs，以便将出现的与额定值的偏差调整到可接受的值。由此按照本发明，按照在时间上可偏移的校正函数的形式，插入与该负载变换相反的干扰量前馈该干扰量前馈能够校正高压功率电子电路(典型的16..30μs)以及任意实施的调节器的死区时间。该函数例如可以借助逻辑组件来计算并且在切换结果之前一个特定的时刻被触发。这点可以按照对使用的高压调节器(模拟的或数字的)的作用的形式进行，在图5中描述了对此的例子。

在图3的其它曲线中示出了按照本发明的函数的工作方式。从下面数的第三个信号变化示出了控制信号″grid_enable_for_inverter″。该控制信号是栅极控制的信号在时间上向前和向后以Tforce(inverter force-time，逆变器作用时间)和Tblock(inverter block-time，逆变器截止时间)延长的，并且在时刻t₀＜t₁接通和在时刻t₃＞t₂断开。信号的长度与辐射时间不同的原因在于，校正函数在这些边沿触发。

在之下的曲线中示出了校正信号，其由两个部分组成，一个在辐射的开始并且一个在辐射的结束。该校正信号的第一部分由陡峭上升的斜面组成，其作为最大值达到表示为冲击因数(Push-factor)的最大值。然后该信号较慢地下降到零。在此在实际的辐射之前(在时刻t₀)就已经开始了该信号。信号的第二部分由在辐射的结束之后的一系列小的脉冲组成。最下面示出了在阳极和阴极之间的校正的电压Ut_act，其具有极大高于没有校正的电压变化(用细的线表示)的恒定性。

在图4中示出了校正函数的不同可能性。最上面的曲线相应于没有校正的Ut_act的电压变化，即，图2中从上面数的第三个图。之下示出三个不同的可能的校正函数。其中最下面的是数字化的，即通过在离散的点上的值定义的。也就是如图4所示，校正函数可以具有按照模拟的和数字的不同的复杂的曲线/形状。

图5示出了按照本发明的校正函数到对于X射线管的高压调节器中的馈入的框图。在该图中，示出了控制单元1(Controlling Unit)。该控制单元1控制辐射过程。此外示出了区域2，其包含电源和X射线管。另一个区域3用于电压的调节。此外示出了单元4，其用于产生按照本发明的校正函数或按照本发明的校正信号。在区域2中示出了元件：电源21、逆变器/高压产生器22、X射线管23、阳极驱动24(RAC：Rotation Anode Control)和栅极电压产生单元25。在该例子中，发射极加热器属于单元22并且由此没有精确示出。

通过电源21，对产生高压的单元22馈电。该单元产生对于运行X射线管23所需的高压。阳极驱动24产生对于旋转管23的旋转阳极所需的旋转电流，并且元件25(栅极电压产生单元)用于其控制，其中控制信号通过控制单元1被传输到两个元件24和25。在调节区域3中具有两个比较器或用于差形成的元件31和32、两个调节器PID、选择单元35和限制单元36。借助比较器31，对于在电源或逆变器振荡电流的范围中的电流，比较额定值和实际值。元件32对于在管23的阳极和阴极之间施加的电压，比较额定值和实际值。该差分别传输到调节器33或34。选择元件35分析该输入并且确定，对于该调节应该使用哪个偏差。通常在系统启动时，作为标准使用电流值的差，而在已启动的系统中作为调节参数引入电压。最后，限制单元36将逆变器调节参数(功率部分调节参数)限制到在最小值和最大值之间的范围。

按照本发明，通过引入校正函数来改善通过调节器3提供的对调节参数的校正。为此给出校正函数产生单元4。其将校正信号馈入到调节电路中。在图中示例性给出了两个不同的可能的位置，在这些位置上可以馈入该校正信号。在第一种情况下，通过校正信号校正由选择元件35过滤的信号。在第二种情况下，通过在对于在实际的和额定值之间的区别的改善的结果的意义上校正由比较器32产生的信号。校正函数产生单元4从控制单元1获得参数。此外，将对于栅极电压产生单元25的控制信号也从控制单元1传输到校正函数产生单元4。二者都用于该校正的控制，特别是关于时间上的应用。将用于栅极电压产生单元25的控制信号也传输到校正函数产生单元4，这使得可以将校正函数的产生和栅极电压的接通或断开同步或者在时间上相关。

最后，也为校正函数产生单元4提供当前的和标称的电压值Ut_act或Nom_Voltage。该信息例如可以用于学习，以便优化校正函数的形状。

高压产生通常这样工作：首先将由电源21提供的交流电压整流。为了变换，将该整流的交流电压借助逆变器又转换为交流电压，其借助变压器被转换到高压。该变换的高压又被整流并且作为直流电压施加在X射线管23上。有意义的是，将校正函数的产生与逆变器控制同步或相关。这点在图6中详细示出。

图6的最上面的曲线示出了电流变化，正如其由逆变器在初级侧对于变压器产生的。该曲线与在从上面数的第二条曲线中示出的用于控制逆变器的控制信号相关。利用该曲线的第四个控制信号改变逆变器的频率，这关于栅极电压的改变相应于辐射的开始。在从上面数的第三条曲线中，示出了校正函数，其开始与在其上示出的控制信号同步，并且具体来说是这样同步的：校正信号在第四个引入辐射的控制信号之前的一个特定时间开始。之下的曲线(从上面数的第四条曲线)示出了，如果没有进行同步，校正曲线的多个可能的开始点。从下面数的第二条曲线示出了在阳极和阴极之间没有校正的电压，并且最下面的曲线示出了校正的效果。最下面的曲线的粗的实线是利用同步的校正函数获得的。还示出了可以利用同步的函数变化得到的一系列的曲线变化，以及(用点示出的)没有校正的曲线。在此看到，同步的校正函数将提供最好的结果。

优选对于各个X射线设备调整按照本发明的校正函数。在此有意义的是，考虑在不同的工作点情况下的不同条件，即，视(通常通过设置的电压和/或电流值给出的)工作点的不同，使用相应地调整或优化的校正函数。在此既可以按照经验手动地也可以自动地以“Lernroutine(学习路线)”形式(图7)或在正常的运行(图8)中进行对于取决于工作点的校正函数来说所需的参数的确定。为此应该使用快速高压测量电路和相应的数字处理链。然后将学习的值例如存储在多维表(LUT：查询表)中并且可以在其它拍摄时来选择并且根据存储的参数来应用。

图7示出了对于取决于工作点的校正函数的学习特性或学习过程。为此仅测试工作点区域的少数几个拐角点。其余的校正值可以借助数学关系来插值(例如通过确定的值来赋予插值函数、诸如样条)。

首先开始(步骤61)在图7中的学习过程。在步骤62进行对于电压和电流(通常以单位kV和mA)的拍摄参数的选择。作为下一个步骤63进行拍摄的产生器内部的准备。在步骤64中产生栅极控制的辐射脉冲，其中同时测量电压。在下一步骤65中对测量的电压检查，电压变化与额定变化的偏差是否位于容差范围内部。如果偏差太大，则在步骤66中确定校正函数参数，借助该校正函数参数校正对于下一个拍摄的校正函数。如果在步骤65中电压变化位于容差范围内部，则在步骤67中存储校正函数参数。如果最后处理了(查询68)所有的工作点，则产生并存储查询表(LUT：Look-up table)，其包含所述校正函数。最后设备完成了利用按照本发明的校正的应用。

图8示出了通过学习进行的对在正常运行中或脉冲运行中的函数的调整。由此进行校正函数表的一种“后学习(Nachlernen)”。在此在栅极控制的辐射开始和结束期间对高压进行过冲和下冲(

Unterschwinger)检查。如果出现偏差，则可以容易地调整函数参数。

在第一步骤中，在按照图8的过程情况下，由设置在上级的实例要求辐射脉冲(步骤71)。为此确定拍摄参数(步骤72)。在下一步骤73中准备拍摄并且在步骤74中通过栅极控制产生辐射脉冲，其中同时测量电压。在判定75中分析与额定值的偏差。在偏差太大的情况下，校正76函数的参数并且存储77在表LUT中。然后或者如果电压偏差保持在容差范围内，设备为下一个辐射脉冲已经做好准备(步骤78)。

对在X射线管的阳极和阴极之间施加的电压的按照本发明的校正的许多其它实施方式，对于本领域技术人员来说从在本说明书中包含的信息中可以直接导出，特别是校正的馈入的不同的可能性。在实施例中示出的解决方案仅仅是例子并且不应该限制本发明内容。

Claims

1.一种具有用于控制在阴极和阳极之间所产生的电子流的控制电极的X射线设备，其被构造为

-按照用于校正在阳极和阴极之间施加的电压的校正函数，在恒定电压的意义上，即使在借助控制电极的控制的时间段中，也产生校正电压，

-按照所述校正电压校正在阳极和阴极之间所施加的电压。

2.根据权利要求1所述的X射线设备，其特征在于，

-所述X射线设备包括用于调节在阳极和阴极之间所施加的电压的电压调节器，并且

-所述设备被构造为借助至少一个按照校正函数所产生的信号有针对地影响调节器。

3.根据权利要求2所述的X射线设备，其特征在于，

-按照所述校正函数影响或校正为调节而产生的信号。

4.根据上述权利要求中任一项所述的X射线设备，其特征在于，所述设备被构造为

测量在阳极和阴极之间存在的电压，和

按照有效电压与额定值的偏差调整所述校正函数。

5.根据权利要求4所述的X射线设备，其特征在于，

所述设备被构造为用于手动地或自动地调整。

6.根据上述权利要求中任一项所述的X射线设备，其特征在于，

所述校正函数是可以关于参数时间并且关于其形状来调整的。

7.根据权利要求6所述的X射线设备，其特征在于，

所述校正函数在时间比例上按照有效电压与额定值的偏差是可以改变的。

8.根据上述权利要求中任一项所述的X射线设备，其特征在于，

-所述设备被构造为在采用与待借助校正函数校正的电压偏差相关的辐射之前，产生校正信号，并且

-在校正信号的开始和辐射的开始之间的时间偏移是可以调整的。

9.根据上述权利要求中任一项所述的X射线设备，包括

具有参数的表，这些参数编码所述校正函数并且可以被读出以产生校正信号。

10.根据上述权利要求中任一项所述的X射线设备，其特征在于，

-所述X射线设备包括用于高压产生的装置元件，

-这些装置元件包括逆变器或者开关调节器，并且

-能够利用校正电压的产生的时间变化来校正对所述逆变器的控制。

11.一种用于运行具有用于控制在阴极和阳极之间所的电子流的控制电极的X射线设备的方法，包括

-按照用于校正在阳极和阴极之间施加的电压的校正函数，在恒定电压的意义上，即使在借助控制电极的控制的时间段中，也产生校正电压，并且

-按照所述校正电压校正在阳极和阴极之间所施加的电压。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，

-进行在阳极和阴极之间存在的有效电压的测量，和

-按照有效电压与额定值的偏差进行校正函数的调整。