-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Geräte
zur Erzeugung von Röntgenstrahlen
und, mehr im Einzelnen, Verfahren und Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung
des Auftreffwinkels und des Brennflecks eines Elektronenstrahls
auf einer Röntgenstrahltargetanode.
-
Bei
der medizinischen Röntgenstrahlbildgebung
wird eine Röntgenröhre dazu
verwendet, Röntgenstahlen
zu erzeugen, die ein abzubildendes Objekt durchdringen. Genauer
betrachtet projiziert eine Röntgenstrahlquelle
einen fächerförmigen Strahl,
der so kollimiert wird, dass er in einer x-, y-Ebene eines kartesischen
Koordinatensystems liegt, die allgemein als eine "Bildgebungsebene" bezeichnet wird.
Der Röntgenstrahl
durchdringt ein abzubildendes Objekt, wie etwa einen Patienten.
Nachdem der Strahl von dem Objekt abgeschwächt wurde, trifft er auf ein
Array von Strahlungsdetektoren. Die Intensität der an einem Detektorarray
empfangenen abgeschwächten Strahlung
hängt von
der Abschwächung
des jeweiligen Röntgenstrahls
durch das Objekt ab. Jedes Detektorelement des Array erzeugt ein
eigenes elektrisches Signal, dass einen Messwert der Strahlabschwächung an
dem Ort des Detektors erzeugt. Die Abschwächungsmesswerte aller Detektoren
werden jeweils getrennt für
sich akquiriert, um ein Übertragungsprofil
zu erzeugen.
-
Bei
bekannten CT-Systemen der dritten Generation werden die Röntgenstrahlquelle
und das Detektorarray mit einer Gantry in der Bildgebungsebene rings
um das abzubildende Objekt in Umlauf versetzt, so dass der Winkel,
unter dem der Röntgenstrahl
das Objekt durchdringt, sich dauernd ändert. Zu Röntgenstahlquellen zählen typischerweise
Röntgenröhren, die
den Röntgenstrahl
an einem Brennfleck emittieren. Röntgenstrahldetektoren weisen
typischerweise einen Kollimator zum Kollimieren von an dem Detektor
empfangenen Röntgenstrahlen,
einen an den Kollimator anschließenden Szintillator und an
den Szintillator sich anschließende
Fotodetektoren auf. Bekannte Röntgenröhren enthalten
eine Kathode, die auf eine rotierende Zielanode ausgerichtet ist.
Ein an einem Kathodenemitter erzeugter Elektronenstrahl wird auf
die Anode gerichtet und bildet auf der Anodenoberfläche einen
Brennfleck aus. Als Folge davon werden Röntgenstrahlen von der Anode
emittiert. Die Gestalt und der Fokus des von dem Kathodenemitter
emittierten Elektronenstrahls sind durch die Kathode definiert.
Trotz der Formung und Fokussierung in der Kathode können in
der Röntgenröhre vorhandene
elektrische Felder bei zu der Anode laufendem Strahl die Elektronen
beschleunigen und möglicherweise
den Strahl ablenken und defokusieren. Wenn aber der Elektronenstrahl
nicht die gewünschte
Gestalt und den gewünschten
Brennpunkt aufweist, verfügt
auch der sich daraus ergebende Röntgenstrahl
nicht über
diese Eigenschaften. Das hat zur Folge, dass die Bildqualität eines
Bildes, das auf der Grundlage von unter Verwendung solcher Röntgenstrahlen
gesammelter Projektionsdaten erzeugt wird, nicht das geforderte
Maß erreicht.
-
KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG:
-
Unter
einem Aspekt wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Röntgenstrahls
geschaffen. Das Verfahren beinhaltet die Schritte des Betreibens
einer Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, und des Richtens
des Elektronenstrahls von der Kathode durch eine auswählbar gestaltete
Apertur in einer Beschleunigungselektrode und das Auftreffen lassen
des Elektronenstroms unter einem flachen Winkel auf einer Anodenoberfläche, um
einen Brennfleck auf der Anodenoberfläche auszubilden.
-
Unter
einem zweiten Aspekt ist eine Röntgenstrahlquelle
geschaffen, wobei die Quelle eine Kathode zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine
Beschleunigungselektrode mit einer auswählbar gestalteten Appatur,
durch die der Elektronenstrahl von der Kathode durchgeht, und eine
Anode aufweist, die so angeordnet ist, dass der Elektronenstrahl
unter einem flachen Winkel auf sie auftrifft.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN:
-
1 ist
eine bildliche Veranschaulichung eines CT-Bildgebungssystems;
-
2 ist
ein schematisches Blockschaltbild des in 1 veranschaulichten
Systems;
-
3 ist
eine schematische Veranschaulichung einer Röntgenröhre und
-
4 ist
eine schematische Veranschaulichung einer Röntgenstrahlquellenanordnung,
die eine Beschleu nigungselektrode aufweist.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG:
-
Es
werden hier verschiedene Ausführungsformen
von Anoden und Kathodenanordnungen beschrieben. Wenngleich diese
Anordnungen gelegentlich im Zusammenhang mit einem Computertomographie
(CT)-Gerät
und insbesondere einem CT-Gerät
der dritten Generation beschrieben sind, sind Anordnungen dieser
Art nicht auf den Einsatz in solchen CT-Geräten beschränkt, sie können vielmehr auch bei anderen
Anwendungen eingesetzt werden. Deshalb ist die Beschreibung der
Anordnungen im Zusammenhang mit CT-Geräten lediglich beispielhaft zu
verstehen.
-
Bezugnehmend
auf die 1, 2 ist dort ein
Computertomographie (CT)-Bildgebungssystem 10 dargestellt,
das eine Gantry 12 aufweist, die für einen CT-Scanner, der "dritten Generation" repräsentativ
ist. Die Gantry 12 trägt
eine Röntgenstrahlquelle 14,
die ein Bündel
Röntgenstrahlen 16 auf
ein Detektorarray 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Gantry 12 wirft.
Das Detektorarray 18 besteht aus Detektorelementen 20,
die gemeinsam die durch einen Objekt, wie einen medizinischen Patienten 22, durchgehenden
projizierten Röntgenstrahlen
erfassen. Jedes Detektorelement 20 erzeugt ein elektrisches
Signal, das die Intensität
eines auftreffenden Röntgenstrahls
wiedergibt und damit die Abschwächung
des Strahls beim Durchgang durch das Objekt oder den Patienten 22.
Während
eines Scanns zum Akquirieren von Röntgenstrahlprojektionsdaten
laufen die Gantry 12 und die darauf angeordneten Komponenten
um ein Rotationszentrum 24 um. Bei einer Ausführungsform,
wie sie in 2 dargestellt ist, sind die
Detektorelemente 20 in einer Zeile (Reihe) so angeordnet,
dass während
eines Scanns Projektionsdaten akquiriert werden, die einer einzigen
Bildschicht entsprechen. Bei einer anderen Ausführungsform sind Detektorelemente 20 in
mehreren parallelen Zeilen angeordnet, so dass während eines Scanns Projektionsdaten
gleichzeitig akquiriert werden, die mehreren parallelen Schichten
(Slices) entsprechen.
-
Die
Umlaufbewegung der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenröhre 14 sind
durch einen Steuermechanismus 26 des CT-Systems 10 gesteuert. Der
Steuermechanismus 26 beinhaltet eine Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28,
die die Röntgenstrahlquelle 14 mit
Energie und Taktsignalen versorgt und eine Gantry-Motorsteuereinrichtung 30,
die die Umlaufgeschwindigkeit und die jeweilige Position der Gantry 12 steuert.
Ein Datenakquisitionssystem (DAS) 32 in dem Steuermechanismus 26 sampelt Analogdaten
von den Detektorelementen 20 und wandelt diese Daten in
Digitalsignale zur nachfolgenden Verarbeitung um. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung 34 empfängt gesampelte
und digitalisierte Röntgenstrahldaten
von dem DAS 32 und führt
eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion aus. Das rekonstruierte
Bild wird als Eingangsgröße in einen Computer 36 eingegeben,
der das Bild in einer Massenspeichervorrichtung 38 abspeichert.
-
Der
Computer 36 empfängt
auch über
eine eine Tastatur aufweisende Konsole 40 Befehle und Scannparameter
von einer Bedienungsperson. Ein zugeordneter Kathodenstrahlröhrenbildschirm 42 ermöglicht es
der Bedienungsperson das rekonstruierte Bild und andere Daten von
dem Computer 36 zu beobachten. Die von der Bedienungsperson
eingegebenen Befehle und Parameter werden von dem Computer 36 dazu
verwendet, dem DAS 32, der Röntgenstrahlsteuereinrichtung 28 und
der Gantry-Motorsteuereinrichtung 30 Steuersignale und
Information zu übermitteln.
Außerdem
steuert der Computer 36 eine Tischmotorsteuereinrichtung 44 an,
die einen motorbetätigten
Tisch 46 steuert, um den Patienten 22 in der Gantry 12 zu
positionieren. Der Tisch 46 bewegt insbesondere Teile des
Patienten 22 durch eine Gantry-Öffnung 48.
-
3 ist
eine schematische Darstellung einer Röntgenröhre 50. Die Röhre 50 weist
ein Glas- oder Metallröhrengehäuse 52 auf,
das an einem Ende einen abgedichtet eingesetzten Kathodenträger 54 trägt. Der
Elektronen emittierende Glühdraht einer
Kathode 56 ist auf Isolatoren gelagert, die in einem fokussierendem
Topf 58 angeordnet sind, der einen Elektronenstrahl 60 auf
einem abgeschrägten ringförmigen Fokalbahnbereich 62 eines
umlaufenden Röntgenstrahltargets 64 fokussiert.
Das Target 64 sitzt auf einer Rotorwelle 66, die
aus einer Rotoranordnung 68 vorragt.
-
Im
Betrieb wird ein umlaufendes Magnetfeld in dem Rotor der Anordnung 68 induziert,
um die Rotorwelle 66 in Umdrehung zu versetzen. Außerdem wird
ein Elektronenstrahl 60 von dem Kathodentopf 58 emittiert
und auf den abgeschrägten
ringförmigen Fokalbahnbereich
oder die entsprechende Oberfläche 62 eines
Röntgenstrahltargets 64 fokussiert.
Die Elektronen des Strahls 60 treffen auf die Anode 64 auf,
mit der Folge, dass Röntgenstrahlen
erzeugt werden. Auf der Anodenoberfläche 62 wird durch
den Elektronenstrahl 60 ein Brennfleck ausgebildet, und die
Röntgenstrahlen
nehmen von dem Brennfleck ihren Ausgang. Die Röntgenstrahlen treten durch
ein Fenster in dem Röhrengehäuse 52 durch
und durchdringen ein abzubildendes Objekt, etwa einem Patienten.
Wie im Vorstehenden erläutert,
sind die Gestalt und der Fokus des von dem Kathodenemitter emittierten
Elektro nenstrahls durch die Kathode, d. h. durch den Kathodenglühdraht definiert.
Auf dem Weg des Strahls zu der Anode können jedoch elektrische Felder
in der Röntgenröhre die
Elektronen beschleunigen und möglicherweise
den Strahl ablenken und defokussieren. Eine solche Ablenkung und
Defokussierung des Elektronenstrahls beeinträchtigt aber die Erzeugung des
jeweils gewünschten
Röntgenstrahls.
-
4 ist
eine schematische Veranschaulichung einer beispielhaften Röntgenstrahlquellenanordnung 150,
die eine Beschleunigungselektrode 102 aufweist. Mehr im
Einzelnen ist eine Elektronenkanone 104 mit einem Kathodentopf 106 so
angeordnet, dass sie einen Elektronenstrahl 108 emittiert,
der auf eine schräg
liegende Oberfläche 110 einer
Anode 112 auftrifft. Der Kathodentopf 105 enthält bei der beispielhaften
Ausführungsform
mehrere Glühdrähte, die
jeweils dazu ausgewählt
werden können,
verschiedene Brennfleckgrößen und/oder
-Gestalten zu erzielen. Bei einer beispielhaften Ausführungsform weisen
der Kathodentopf 106 und/oder die Glühdrähte eine konkave Gestalt auf,
um die Fokussierung des sich ergebenden Elektronenstrahls auf der
Anode 112 zu erleichtern und außerdem die Empfindlichkeit
der Kanone 104 gegen eine Bewegung zu verringern. Die Targetanode 112 weist
bei einer beispielhaften Ausführungsform
eine Scheiben- oder Tellerform auf, wobei die Gestalt der Anode 112 durch
einen äußeren Umfang 116,
einen inneren Umfang 118 und eine zentrale Vertiefung 120 definiert
ist, wie dies in 5 dargestellt ist.
Die zentrale Vertiefung 120 nimmt die Beschleunigungselektrode 102 auf.
Der äußere Umfang 116 beinhaltet
eine abgeschrägte Targetoberfläche 110,
die ein Brennfleckgebiet bildet. Die Beschleunigungselektrode 102 ist
so angeordnet, dass sie nahe dem Brennfleckgebiet liegt. Die Aufnahme
der Beschleunigungselek trode 102 in der zentralen Vertiefung 120 erlaubt
eine Minimierung des Strahlenweges, was zur Erzeugung eines besseren
Brennfleckes führt.
Außerdem
weist die Anode 112 einen ausgeschnittenen Mittelbereich 114 auf, der
ebenfalls die Anordnung der Beschleunigungselektrode 102 in
der Nähe
des Brennfleckes des Elektronenstrahls 108 erleichtert.
Durch entsprechende Wahl der Abmessungen A, B der Anode 12 wird
ein kürzerer
oder längerer
Elektrodenstrahlenweg von der Elektronenkanone 104 zu dem
Brennfleck auf der Anode 112 ausgebildet. Im Betrieb wird
der von der Kathode 104 erzeugte Elektronenstrahl 108 durch eine
wählbar
gestaltete Apertur 116 in der Beschleunigungselektrode 102 gerichtet,
und er trifft auf der Anode 112 unter einem flachen Winkel
auf. Der flache Winkel, den der Strahl 108 mit der Oberfläche der
Anode 112 einschließt
liegt höchstens
bei etwa 20°.
Darauf hinzuweisen ist, dass das Auftreffen des Elektronenstrahls 108 unter
dem flachen Winkel zu einer besseren Energieverteilung führt und
es ermöglicht,
die Röntgenröhre auf
höheren
Leistungsniveaus zu betreiben. Außerdem werden die thermischen
Beanspruchungen der Anode zufolge des Auftreffens des Strahls 108 unter
dem flachen Winkel herabgesetzt. Zu bemerken ist auch, dass die
Anode 112 viele unterschiedliche Gestaltungen aufweisen kann
und nicht auf die in 4 veranschaulichte beispielhafte
Gestalt beschränkt
ist.
-
Die
Beschleunigungselektrode 102 ist so angeordnet, dass sie
die elektrischen Felder verkleinert, die sonst zwischen der Beschleunigungselektrode 102 und
dem Target 112 auftreten können, d. h. es ergibt sich
ein Raum, in dem die Elektronen des Elektronenstrahls 108 aus
der Kanone 104 nur sehr geringen oder keinen Kräften ausgesetzt
sind, die ihre Bewegung stören
können.
Allgemein gesehen, bewirkt die Beschleunigungselektrode 102,
dass das Gebiet oder der Bereich zwischen der Beschleunigungselektrode 102 und
dem Target 112 nur ein geringes elektrisches Feld aufweist,
so dass die Einwirkungen auf den durchlaufenden Elektronenstrahl nicht
bedeutsam sind. Mehr im Einzelnen gesehen, ist bei einem Ausführungsbeispiel
die Beschleunigungselektrode 102 bezüglich der Kathode der Kanone 104 auf
einem positiven Potential gehalten, so dass sie den Elektronen des
Elektronenstrahls 108 eine Beschleunigung in der von der
Kathode weg weisenden Richtung erteilt.
-
Die
Beschleunigungselektrode 102 beinhaltet eine Öffnung oder
Apertur 122, und ein von der Kanone 104 kommender
Elektronenstrahl 108 tritt durch die Öffnung 122 durch und
trifft auf die Anode 112 auf. Die Gestalt der Apertur 122
am Eintritt 124 und am Austritt 126 oder an beiden
kann so gewählt werden,
dass sich eine Fokussierung und Steuerung eines Auftreffwinkels,
d. h. des Winkels unter dem der Strahl 108 auf die Anode 112 auftrifft,
erzielen lässt.
Zusätzlich
können
in der Apertur 122 herausnehmbare Einsätze eingesetzt sein, um einen
leichten Wechsel beim Fokussieren/Auftreffwinkel, beim Austausch
und/oder bei der Überholung
zu ermöglichen.
-
Die
Beschleunigungselektrode 102 kann durch Konvektionskühlung gekühlt werden.
Im Einzelnen kann Kühlfluid
der Elektrode 102 zugeleitet werden, um die Temperatur
der Elektrode 102 in einem vorbestimmten Bereich zu halten.
Zur Verbesserung der Kühlung
kann die Elektrode 102 Rippen oder eine geometrische Gestalt
aufweisen, die die Kühlung
erleichtern. Auch kann die Elektrode 102 mit dem Röntgenstrahlquellenchassis
gekoppelt und mit Kühlfluid
gekühlt
sein, das in dem Chassisgehäuse zirkuliert.
-
Die
Beschleunigungselektrode 102 kann auch als Elektronensammler
wirken. Die Beschleunigungselektrode 102 kann nämlich eine
geometrische Gestalt aufweisen, die das Einfangen von rückgestreuten
Elektronen erleichtert. Die tatsächlich
ausgewählte
Gestalt hängt
von den Trajektorien der rückgestreuten
Elektronen ab. Oberflächen,
die den größten Teil
der rückgestreuten
Elektronen aufsammeln, können
mit einem Material 128 niedriger Atomzahl, wie Kohlenstoff
(z. B. Graphit), beschichtet sein, um Störstrahlungseinflüsse zu begrenzen,
wie dies in 4 veranschaulicht ist.
-
Die
Beschleunigungselektrode 102 kann auch so ausgelegt sein,
dass die lediglich einen geringen Bruchteil des rückgestreuten
Elektronenflusses und/oder des Wärmestrahlungsflusses
auffängt. Das
hat zur Folge, dass die Erwärmung
der Beschleunigungselektrode nicht so groß ist, wie wenn die Beschleunigungselektrode 102 speziell
dazu ausgelegt ist, die rückgestreuten
Elektronen einzufangen. Die spezielle geometrische Gestalt hängt wiederum
von den Trajektorien ab. Außerdem
kann die Beschleunigungselektrode 102 auf Erdpotential
betrieben oder auf ein negatives oder positives Potential angehoben
werden. Die spezielle Schaltungsauslegung zur Erzeugung des gewünschten
Potentials hängt
natürlich
von der Röntgenröhrenanordnung
ab. Eine Steuerung des Potentials der Beschleunigungselektrode 102 erleichtert
die Fokusierung des Elektronenstrahls 108 aus der Kanone 104.
-
Bei
einer bipolaren Konfiguration kann die Beschleunigungselektrode
nahe der Targetanode angeordnet sein, d. h. die Beschleunigungselektrode und
die Anode sind lediglich durch einen Abstand voneinander getrennt,
der erforderlich ist, um ein mechanisches Spiel zwischen der umlaufenden Anode und
der feststehenden Beschleunigungselektrode aufrecht zu erhalten.
Die Anode und die Elektrode können
bei einer solchen Konfiguration sehr nahe beieinander angeordnet
sein, weil sowohl die Anode als auch die Elektrode an der gleichen
Spannung liegen und kein elektrisches Distanzstück erfordern. Um lokale Überhitzungen
(hot spots) der Beschleunigungselektrode zu verringern, können die
dem Brennfleck auf der Target-Anode gegenüberliegenden Oberflächen der
Beschleunigungselektrode in einem größeren Abstand angeordnet sein,
als er für
einen mechanischen oder dialektischen Zwischenraum zur Vermeidung
einer Konzentration von Elektronenrückstreuung und/oder eines Wärmestrahlungsflusses
erforderlich wäre.
-
Wenngleich
die Erfindung anhand verschiedener spezieller Ausführungsformen
beschrieben worden ist, so versteht sich doch, dass die Erfindung innerhalb
des Schutzbereiches der Patentansprüche mit zahlreichen Abwandlungen
ausgeführt
werden kann.