DE10027149C2

DE10027149C2 - Vorrichtung für die Röntgenradiografie mit relativ zu ihrer Partikelquelle bewegbarer Röntgenquelle und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE10027149C2
Application number: DE2000127149
Authority: DE
Inventors: Rainer Lebert; Kai Gaebel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2020-06-01
Also published as: DE10027149A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Röntgenradiografie gemäß Anspruch 1. Die Vorrichtung erlaubt es, die Röntgenquelle relativ zu den Versorgungskomponenten wie insbesondere zum Laser, zu bewegen, und dadurch flexibel an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt zu werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Medizintechnik, die Qualitätssicherung und die Materialprüfung. So können mit der Vorrichtung Haarrisse in Hohlräumen detektiert werden, oder eine Materialermüdung an schwer zugänglichen Stellen in Kernkraftwerken festgestellt werden. Weiterhin erlaubt die erfindungsgemäße Röntgenquelle im medizinischen Bereich Untersuchungen mit geringer Strahlenexposition der Patienten. Mit der erfindungemäßen Röntgenquelle ist die Bestrahlung von Patienten, seien es Menschen oder Tiere, von außerhalb des Körpers möglich. Die Röntgenquelle lässt ferner auch endoskopische Untersuchungen am Patienten zu, also Untersuchungen im Körperinneren.

Stand der Technik

Um die Strahlung einer Röntgenquelle möglichst effektiv auszunutzen muss die Röntgenquelle möglichst nahe zur zu untersuchenden Probe positioniert werden. Im Vergleich zu konventionellen Röntgenquellen mit elektronenbeaufschlagten Anoden, die recht weit von der zu untersuchenden Probe entfernt ist, erlaubt eine probennahe Positionierung eine ca. 100 bis 10.000 mal so intensive Beaufschlagung mit Röntgenstrahlung mit zudem geringerer Strahlenbelastung benachbarter Raumbereiche.

Wird die Röntgenstrahlung dabei für optische Zwecke eingesetzt, und hier zum Beispiel zu Zwecken der Radiografie oder Shadowgrafie, so muss die emittierende Quelle zwecks optimaler räumlicher Auflösung möglichst punktförmig sein. Bei konventionellen Röntgenquellen liegt die minimal erreichbare laterale Quellgröße bei ca. 100 µm, und kann nur durch im relevanten Spektralbereich stark aberrationsbehafteten, ineffizienten und teuren Optiken gesteigert werden. Aus diesen Gründen sind zur weiteren Steigerung der räumlichen Auflösung andere Röntgenquellen mit kleineren Quellgrößen erforderlich.

In der US 5,729,583 ist eine miniaturisierte Röntgenquelle mit einem Röntgenkopf beschrieben. Der Röntgenkopf ist aus einer Vakuumkammer aufgebaut, in der eine Kathode und eine Anode angeordnet sind. Die Anode besteht aus einem Metall, das bei Beaufschlagung mit in der Kathode erzeugten Elektronen Röntgenstrahlen erzeugt.

In der DE 198 25 999 A1 wird ein System zur intrakorporalen, insbesondere intraluminaren Röntgentherapie beschrieben. Dieses System enthält einen in das Körperinnere eines Patienten einführbaren Katheter. Dieser Katheter enthält eine Röntgenquelle mit einer miniaturisierten Röntgenröhre. Um die in das Körperinnere einführbare Röntgenquelle kompakt aufzubauen, wird vorgeschlagen den zum Betrieb der Röntgenquelle erforderlichen Hochspannungsgenerator außerhalb des Körpers des Patienten anzuordnen und mit der Röntgenquelle über eine Katheterleitung zu verbinden.

In dem Fachartikel (K. Herrlin et. al., Radiology 189, S. 65-68, 1993) wird eine laserinduzierte Röntgenquelle für den Medizinbereich vorgestellt. Die Laserstrahlen gelangen über ein Glaseintrittsfenster in eine Vakuumkammer und treffen dort auf eine Tantalfolie. Im Fokusbereich wird ein heißes Plasma erzeugt welches die gewünschten Röntgenstrahlen emittiert. Der dabei eingesetzte Aufbau sieht eine Vakuumkammer vor, der neben dem Plasma einen fokussierenden Parabolspiegel und eine rotierende Stahlscheibe beherbergt. Auf der rotierenden Stahlscheibe befindet sich die laserstrahlbeaufschlagte Tantalfolie. Bedingt durch die verschiedenen in ihr enthaltenen Komponenten ist die Vakuumkammer recht groß ausgeführt. Zudem erfordert die rotierende Scheibe eine starre Rotationsachse mit einer entsprechenden mechanischen Ankopplung an die jeweilige Versorgungseinheit wie den Elektromotor oder dergleichen. Aus diesen Gründen kann die in diesem Artikel beschriebene Plasmaquelle nebst Peripherie nur stationär bzw. raumfest eingesetzt werden.

In (Optics Letters, vol. 20, no. 9, 1056-1058, 1995) wird der Einsatz eines laserproduzierten Plasmas für medizinische Anwendungen beschrieben. Das Laserlicht wird über ein MgF₂-Eintrittsfenster in eine Vakuumkammer eingekoppelt, in dem sich ein Parabolspiegel zur Fokussierung der Strahlung auf dem strahlungsemittierenden Werkstoff befindet. Zur medizinischen Anwendung wird die erzeugte Röntgenstrahlung in einem starren Aufbau auf das zu bestrahlende Objekt gerichtet. Wegen der mangelnden Beweglichkeit der Komponenten ist der dort vorgeschlagene Aufbau nur begrenzt für medizinische Anwendungen einsetzbar.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die Nachteile nach dem Stand der Technik weitestgehend zu vermeiden und eine Röntgenquelle bereitzustellen, die auch an schwer zugänglichen Stellen flexibel handhabbar ist.

Die Lösung dieses technischen Problems wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen durch die Unteransprüche angegeben werden.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich die genannten Probleme durch eine portable partikelinduzierte Röntgenquelle lösen lassen.

Als Partikel für die Induzierung von Röntgenquellen kommen Elektronen in Betracht. In diesem Fall liegt eine elektroneninduzierte Röntgenquelle vor. Alternativ kommen als Partikel Photonen in Betracht. Bei photoneninduzierten Röntgenquellen ist wegen der erforderlichen Strahlungsintensität bei der Röntenerzeugung besonders eine kurzpulslasererzeugte bzw. -induzierte Röntgenquelle vorteilhaft. Bei der Beaufschlagung eines entsprechenden Objekts durch Laserstrahlung kurzer Pulsdauer zur Generierung von Röntgenstrahlung kommt es zur Ausbildung eines Plasmas, so dass in diesem Fall auch von einer plasmabasierten bzw. plasmagestützten Röntgenquelle gesprochen werden kann.

Unter einer portablen Röntgenquelle sei eine derartige Röntgenquelle verstanden, die relativ zu den Versorgungskomponenten, und insbesondere zum Laser bzw. zur Elektronenquelle, bewegt werden kann. Es ist möglich, dass die Versorgungskomponenten wie der Laser, das Pumpmodul sowie Steuer- und Versorgungseinheiten weitgehend stationär bzw. raumfest angeordnet sind, oder aber portabel. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann jedoch zusätzlich die Röntgenquelle relativ zu den Versorgungskomponenten bewegt werden, und dabei insbesondere zur Untersuchungsstelle geführt werden. Insbesondere ist ein manueller Einsatz durch Bedienpersonal vorgesehen, bei dem die Röntgenquelle von Hand geführt und frei in alle Raumrichtungen bewegt werden kann. Durch kleine Abmessungen der frei relativbewegbaren Röntgenquelle ist sie auch schwer zugänglichen Stellen wie zum Beispiele in Hohlräumen wie Röhren einsetzbar. Auch kann sie im Inneren des menschlichen Körpers eingesetzt werden. Durch die Möglichkeit eines invasiven Einsatzes ist die Röntgenquelle zur Gewährleistung minimaler Strahlungsexposition insbesondere im medizinischen Bereich interessant, da dort die Röntgenquelle besonders nahe an das zu bestrahlende Gewebe herangeführt werden kann.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ein Kurzpulslaser mit Pulsdauern kleiner 10 ps eingesetzt werden. Bei einer Laserpulsdauer kleiner 10 ps bildet sich vor dem strahlungsbeaufschlagten Festkörper ein Plasma mit hoher Dichte bzw. großem Dichtegradienten aus. Der intensive Laserpuls wechselwirkt mit einem dichten Elektronengas. Die mittlere Energie der im elektrischen Feld der Laserstrahlung beschleunigten Elektronen erreicht dabei Werte von einigen 100 eV bis zu einigen MeV. Die hochenergetischen Elektronen werden im Festkörper gebremst, und die Energie in Form von Röntgenstrahlung emittiert. Für eine effiziente Prozessführung muss die Dauer des Laserpulses kurz gegen die Expansionszeit des Plasmas sein, wobei letzte einige 10 ps beträgt. Mit Kurzpulslasern wird zusätzlich die notwendige Strahlungsintensität zur Beschleunigung der Elektronen mit moderater Pulsenergie im Millijoulebereich erreicht, was zu einem kompakten Aufbau der Laser führt. Die Strahlungsintensität sollte vorteilhafterweise größer als 10¹⁵ W/cm² sein, und die laterale Größe der Röntgenquelle sollte möglichst kleiner als 100 µm sein.

Um, wie im medizinischen Bereich erforderlich, einige Zentimeter dicke Proben zu durchstrahlen, muss die Energie der Röntgenstrahlung im 10 keV-Bereich liegen. Die Quiver-Energie der Elektronen im Laserfeld eines 100 fs langen Laserpulses mit 100 µJ Pulsenergie bei einer Wellenlänge von ca. 800 nm beträgt 7 keV, bei einem schwarzen Strahler läge das Emissionsmaximum bei ca. 20 keV. Es ist von Vorteil, den erforderlichen Kurzpulslaser, z. B. ein Femtosekundenlaser, komplett diodengepumpt und damit kostengünstig und kompakt zu realisieren.

Zur Minimierung der Strahlungsexposition ist es günstig, Mittel zur Streustrahlungs reduktion bereitzustellen. Bei der Beaufschlagung von Materie mit Röntgenstrahlung werden die Röntgenphotonen entweder absorbiert, erfahren eine Comptonstreuung, oder verlassen die Probe weitgehend unbeeinflusst (sog. ballistische Photonen). Maximaler Kontrast wäre bei Abwesenheit jeglicher Streuung gegeben. In diesem Fall lägen nur ballistische Photonen vor, welche beim Materiedurchgang absorbiert werden. Die gestreuten Photonen erreichen den Detektor später und mindern den Kontrast. Diese unterschiedlichen Photonenlaufzeiten kann man sich mittels eines schnellen Detektors zunutze machen, der nach der Detektion der ballistischen Photonen vorübergehend die nachfolgende Strahlung, i. e. die Streustrahlung, nicht erfasst. Umgekehrt kann bei konstantem Signal-Rausch-Verhältnis bzw. Kontrast mit geringerer Strahlungsintensität gearbeitet werden. Geeignete Mittel zur Streustrahlungsreduktion sind dementsprechend schnelle Detektoren wie zum Beispiel MCP (micro channel plate) -Detektoren mit einer zeitlichen Auflösung die vergleichbar mit der Pulsdauer ist, d. h. in der Größenordnung von 100 ps.

Für die Realisierung der portablen plasmabasierten Röntgenquelle sind bewegliche Mittel für die Bereitstellung der induzierenden Strahlung erforderlich. Induzierende Strahlung kann Laserstrahlung oder können schnelle Elektronen sein. Die induzierende Strahlung generiert in Wechselwirkung mit dem Target das erforderliche Plasma. Die Mittel zum Transport der induzierenden Strahlung zum Target sind bewegliche Mittel, die zum Beispiel die Strahlung eines weitgehend raumfest betriebenen Lasers zu einem beliebigen Ort im Raum ermöglichen. Geeignete Mittel sind zum Beispiel ein Spiegelsystem oder ein oder mehrere Wellenleiter oder Lichtleitfasern.

Es ist zweckmäßig, die von den Mitteln für die Bereitstellung der Laserstrahlung zugeführte Strahlung einem Bearbeitungskopf zuzuführen, welcher die Plasmaquelle umfasst. Der Bearbeitungskopf beherbergt dann das Target und erforderliche Mittel zur Bewegung des Targets. So kann das Target als Bandtarget ausgeführt sein, wobei das Band über Rollen geführt wird. Im laufenden Betrieb bewegen sich die Rollen, so dass immer ein anderer Teil des Targets von der Laserstrahlung beaufschlagt wird.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung. Gezeigt ist ein Kurzpulslaser 1, vorliegend einem Ti-Saphir CPA-System, mit einer Pulsdauer von ca. 1 ps, der von einem Pumpmodul 2 sowie Steuer- und Versorgungseinheiten 3 geregelt bzw. versorgt wird. Kurpulslaser 1, Pumpmodul 2 sowie Steuer- und Versorgungs einheiten 3 sind zu einer stationären Einheit 4 zusammengefasst. Die Mittel zum Transport der Laserstrahlung ist vorliegend ein Wellenleiter 5, über den die Strahlung in den frei beweglichen Kopf 6 geleitet wird. Die Röntgenstrahlung wird auf die Probe 7 gerichtet, wobei sie nach ihrem Durchgang durch die Probe von einem Röntgendetektor 8 erfasst wird.

Im Bildeinschub ist der bewegliche Bearbeitungskopf 6 im Detail dargestellt. Er weist im Inneren einen Gasdruck von ca. 10^-5 Pa auf, welcher klein genug ist, um einen Luftdurchbruch des Lasers vor dem Target 9 zu verhindern. Der Bearbeitungskopf 6 hat die Form eines kapillarförmigen Röhrchens mit Abmessungen, die in etwa denen eines Reagenzgläschens bzw. eines Laserpointers entsprechen. Der Bearbeitungskopf 6 umfasst in seinem Inneren einen Wellenleiter (nicht gezeigt) sowie den Targetmechanismus 10. Zum Targetmechanismus 10 gehört das Bandtarget 9 aus Tantal, welches über bewegliche Rollen 11 läuft. Durch das fortlaufende Band wird ein regeneratives Target realisiert. Die Strahlung 12 gelangt über ein Strahlaustrittsfenster 13 zur Probe 7. Die Größe der Austrittsfensterapertur bestimmt den Strahlkegel, der durch geeignete Blenden an den Raumwinkel der Probe angepasst werden kann. Fig. 3 zeigt den Bearbeitungskopf 6 in einer weiteren Detailansicht. Die Strahlung 12 gelangt über einen Spiegel 14 und eine Einkoppeloptik 15 in einen Hohlwellenleiter 5. Zwischen der Röntgenabschirmung 16 und dem Hohlwellenleiter 5, sowie auch im Hohlwellenleiter 5, beträgt der Gasdruck ca. 10^-5 Pa. Über eine Fokussieroptik 17 gelangt die Laserstrahlung auf das Target, wobei ein röntgenemittierendes Plasma 18 erzeugt wird, dessen Strahlung über das Austrittsfenster 13 auf die Probe 7 gerichtet wird. Die Strahlung 12 wird von einem MCP-Röntgendetektor erfasst, welcher ein zeitliches Auflösevermögen von ca. 100 ps hat. Die Probe 7 befindet sich dabei im Inneren des menschlichen oder tierischen Körpers, d. h innerhalb gesunden Gewebes 19.

Bezugszeichenliste

1

Laser

2

Pumpmodul

3

Steuer- und Versorgungseinheiten

4

stationäre Einheit

5

Wellenleiter

6

Bearbeitungskopf

7

Probe

8

Röntgendetektor

9

Targetmechanismus

10

Target

11

bewegliche Förderrollen

12

Strahlung

13

Strahlaustrittsfenster

14

Spiegel

15

Einkoppeloptik

16

Röntgenabschirmung

17

Fokussieroptik

18

röntgenemittierendes Plasma

19

gesundes Gewebe

20

Vakuum

Claims

1. Vorrichtung für die Röntgenradiografie, umfassend eine partikelinduzierte Röntgenquelle, dadurch gekennzeichnet dass die Röntgenquelle relativ zu ihrer Partikelquelle bewegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelquelle eine Elektronenquelle oder ein Laser ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Größe der Röntgenquelle kleiner als 100 µm ist.

4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenpulsdauer kürzer als 10 ps ist.

5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle beim zu beaufschlagenden Objekt eine Strahlungsintensität größer als 10¹⁵ W/cm² bereitstellt.

6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zum Transport der induzierenden Strahlung zum Target ein bewegliches Spiegelsystem, Lichtleitfasern oder Wellenleiter vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Streustrahlungsreduktion vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle invasiv handhabbar ist.

9. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle frei beweglich ist.

10. Verwendung einer portablen partikelinduzierten Röntgenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Materialprüfung, insbesondere zur Prüfung von Haarrissen in Hohlräumen.

11. Verwendung einer portablen partikelinduzierten Röntgenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Qualitätssicherung.

12. Verwendung einer portablen partikelinduzierten Röntgenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Bestrahlung von Patienten von außerhalb des Körpers.

13. Verwendung einer portablen partikelinduzierten Röntgenquelle gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 für für endoskopische Untersuchungen an Patienten.