DE102005029511A1 - Device used in medical X-ray devices comprises screen consisting of at least two materials for absorbing X-ray radiation - Google Patents

Device used in medical X-ray devices comprises screen consisting of at least two materials for absorbing X-ray radiation Download PDF

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Abstract

Device comprises a screen (4) consisting of at least two materials for absorbing X-ray radiation. Each X-ray radiation absorption coefficients of the materials differ in the energetic layer of their K-edges. An independent claim is also included for an X-ray device comprising a solid body detector and the above screen. Preferred Features: The screen consists of three materials whose X-ray radiation absorption coefficients differ in the energetic layer of their K-edges.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Abschirmung zur Absorption von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 1.The The invention relates to a device with a shield for absorption of X-rays according to claim 1.

Beim Einsatz von einer Röntgenstrahlung in medizinischen Röntgengeräten muss dafür gesorgt sein, dass die Röntgenstrahlung weder Menschen noch empfindlichen Anlagenkomponenten, zum Beispiel einer Geräteelektronik, Schaden zufügen kann. Im Allgemeinen sind deshalb Abschirmungen aus Blei zur Absorption von Röntgenstrahlung an dem Röntgengerät und an den Gerätekomponenten angeordnet. Festkörperdetektoren zum Beispiel weisen häufig eine mindestens 3 mm dicke Bleischicht auf der Innenoberfläche ihres Gehäuses auf, ebenso sind Röntgenstrahler von einer mindestens 3 mm dicken Bleischicht umgeben mit Ausnahme einer Austrittsöffnung für die Röntgenstrahlung. Blei besitzt in einem großen Teil des für die Anwendung von Röntgenstrahlung relevanten Energiebereichs einen relativ hohen Absorptionskoeffizienten mit Ausnahme des so genannten K-Kanten-Einbruchs. Blei ist außerdem sehr schwer und in hohem Maße toxisch.At the Use of an X-ray in medical x-ray equipment must be taken care of that the x-ray radiation neither humans nor sensitive plant components, for example a device electronics, Cause harm can. In general, therefore, lead shields are for absorption of X-rays on the X-ray machine and on the device components arranged. Solid state detectors for example, they are common an at least 3 mm thick layer of lead on the inner surface of her housing on, as are X-ray sources surrounded by a minimum of 3 mm thick lead layer except an outlet opening for the X-rays. Lead owns in a big one Part of for the application of X-rays relevant energy range has a relatively high absorption coefficient with the exception of the so-called K-edge burglary. Lead is also very good hard and to a great extent toxic.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einer Abschirmung zu versehen, die neben einer guten Abschirmwirkung ein möglichst geringes Gewicht und eine möglichst untoxische Zusammensetzung aufweist.It Object of the present invention, a device with a To provide shielding, in addition to a good shielding effect preferably low weight and one possible having a nontoxic composition.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit einer Abschirmung zur Absorption von Röntgenstrahlung gemäß Patentanspruch 1; vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.The The object is achieved by a device with a shield for the absorption of X-radiation according to claim 1; advantageous embodiments of the invention are each the subject the dependent claims.

Die Erfindung basiert auf der Idee, eine Abschirmung zu verwenden, die aus mehreren Materialien aufgebaut ist, deren jeweilige Röntgen-Absorptionskoeffizienten sich voneinander, insbesondere wesentlich, in der energetischen Lage ihrer K-Kanten unterscheiden. Grundlage ist die Erkenntnis, dass aufgrund der verschiedenen energetischen Lagen der K-Kanten der Einbruch des Röntgen-Absorptionskoeffizienten des einen Elements durch den Röntgen-Absorptionskoeffizienten des oder der jeweils anderen Materialien kompensiert wird, so dass eine gleichmäßig gute Absorption erzielt werden kann. Durch die Erfindung kann somit der Anteil von Blei in der Abschirmung einer Vorrichtung, insbesondere eines Festkörperdetektors oder eines Röntgenstrahlers, wesentlich reduziert werden oder sogar ganz entfallen und es kann eine leichtere und ungiftigere Abschirmung geschaffen werden.The Invention is based on the idea to use a shield that is constructed of several materials, their respective X-ray absorption coefficients from each other, especially significantly, in the energetic Differentiate the position of their K edges. Basis is the realization that due to the different energetic Layers of the K edges of the collapse of the X-ray absorption coefficient of the one element by the X-ray absorption coefficient the or the other materials is compensated, so that a equally good Absorption can be achieved. The invention can thus the Proportion of lead in the shield of a device, in particular a solid state detector or an X-ray source, be substantially reduced or even eliminated altogether and it can create a lighter and more non-toxic shielding.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung unterscheiden sich die Absorptionskoeffizienten in der Energie ihrer K-Kanten um mindestens 10 keV und insbesondere um etwa 20 keV; ein derartiger Abstand gewährleistet eine besonders gute gegenseitige Kompensation der lokalen Absorptionsminima unterhalb der K-Kanten. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird jedes Material aus jeweils einem der Elemente Zinn, Gadolinium, Wolfram, Blei, Uran oder einer Legierung eines dieser Elemente gebildet.To an embodiment of the invention, the absorption coefficients differ in the energy of their K-edges by at least 10 keV and in particular by about 20 keV; such a distance ensures a particularly good mutual compensation of local absorption minima below the K edges. To In another embodiment of the invention, each material is made each one of the elements tin, gadolinium, tungsten, lead, uranium or an alloy of one of these elements.

In für eine einfache Herstellung der Abschirmung und für eine gute Schirmwirkung vorteilhafter Weise ist jedes Material als Schicht oder Beschichtung ausgeführt und sind die einzelnen Schichten der Abschirmung in Bezug auf die Einstrahlungsrichtung der Röntgenstrahlung hintereinander angeordnet. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Materialien in einer oder mehreren Legierungen angeordnet; dies vereinfacht die Verwendung vor allem von chemisch instabilen Materialien.In for one simple production of the shield and for a good shielding effect advantageously is any material designed as a layer or coating and are the individual layers of the shield with respect to the irradiation direction of the X-rays arranged one behind the other. According to a further embodiment of Invention are the materials in one or more alloys arranged; This simplifies the use, above all, of chemical unstable materials.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung ist insbesondere bei einem C-Bogen-Röntgengerät mit einem Festkörperdetektor und/oder einem medizinischen Röntgenstrahler jeweils mit einer Abschirmung aus mindestens zwei Materialien, deren jeweilige Röntgen-Absorptionskoeffizienten sich in der energetischen Lage ihrer K-Kanten unterscheiden, gegeben; wegen der Drehbewegung derartiger C-Bögen kann eine durch die Erfindung leichtere Abschirmung die Drehgeschwindigkeit deutlich erhöhen.A particularly advantageous application of the invention is in particular in a C-arm X-ray machine with a Solid state detector and / or a medical X-ray source each with a shield of at least two materials whose respective X-ray absorption coefficients given in the energetic position of their K-edges, given; because of the rotational movement of such C-arms, a by the invention lighter shielding significantly increase the rotational speed.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt; es zeigen:The Invention and further advantageous embodiments according to features the subclaims become below with reference to schematically illustrated embodiments explained in the drawing, without that's a limitation the invention to these embodiments he follows; show it:

1 eine Skizze des Absorptionskoeffizienten von Blei in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Photonen mit zugehöriger K-Kante; 1 a sketch of the absorption coefficient of lead as a function of the energy of the incident photons with associated K-edge;

2 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Abschirmung aus drei Schichten aus drei Elementen mit sich wesentlich unterscheidenden K-Kanten; 2 a section through a shield according to the invention of three layers of three elements with substantially different K-edges;

3 eine Skizze der einzelnen Absorptionskoeffizienten von Gd, W und Pb in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Photonen mit zugehörigen K-Kanten; 3 a sketch of the individual absorption coefficients of Gd, W and Pb as a function of the energy of the incident photons with associated K edges;

4 einen Schnitt durch einen Festkörperdetektor mit einer erfindungsgemäßen Abschirmung; 4 a section through a solid detector with a shield according to the invention;

5 einen Schnitt durch einen Festkörperdetektor mit einer weiteren erfindungsgemäßen Abschirmung. 5 a section through a solid state detector with another shield according to the invention.

1 zeigt eine Abhängigkeit eines Absorptionskoeffizienten A von einer Energie E einfallender Röntgenphotonen bei dem im Stand der Technik üblicherweise als Abschirmung zum Schutz vor Röntgenstrahlung verwendeten Material Blei Pb. Blei Pb besitzt zwar einen relativ hohen Röntgen-Absorptionskoeffizienten im für Röntgenanwendungen üblichen Energiebereich zwischen 20 keV (speziell bei der Mammographie, ansonsten ab ca. 45 keV) und 150 keV, weist aber im Bereich unmittelbar unterhalb der K-Kante (88 keV) ein Minimum, einen Einbruch des Röntgen-Absorptionskoeffizienten, auf. 1 shows a dependence of an absorption coefficient A of incident energy of X-ray photons in the material commonly used in the art as a shield for protection against X-ray radiation lead Pb. Although lead Pb has a relatively high X-ray absorption coefficient in the usual energy range for X-ray applications between 20 keV (especially in mammography, otherwise from about 45 keV) and 150 keV, but in the area immediately below the K edge (88 keV) Minimum, a collapse of the X-ray absorption coefficient.

Eine Absorption von Röntgenstrahlung durch ein Material ist dann beobachtbar, wenn ein einfallendes Röntgenphoton genügend Energie besitzt, um Elektronen zum Beispiel der K-Schale des Materials in das Kontinuum zu befördern. Die Ursache des K-Kanten-Einbruchs liegt darin, dass die Energie eines Röntgenphotons für das Anheben eines solchen Elektrons gerade nicht mehr ausreicht. Eine Abschirmung aus Blei muss eine derartige Dicke aufweisen, dass in allen relevanten Energiebereichen, also auch im Bereich des K-Kanten-Einbruchs des Absorptionskoeffizienten, ein Schutz vor Röntgenstrahlung gewährleistet ist. Die Dicke richtet sich also hauptsächlich nach dem K-Kanten-Einbruch.A Absorption of X-rays through a material is then observable when an incident x-ray photon enough Energy possesses to electrons for example the K shell of the material in to promote the continuum. The cause of the K-edge break-in is that the energy an x-ray photon for the Lifting such an electron just is not enough anymore. A Lead shielding must have a thickness such that All relevant energy ranges, including in the area of K-edge burglary of the absorption coefficient, ensuring protection against X-rays is. The thickness depends mainly on the K-edge break-in.

Die erfindungsgemäße Abschirmung beruht nun unter anderem auf der Fortentwicklung der folgenden Idee: Theoretisch könnte zum Beispiel eine Bleiabschirmung deutlich dünner sein, wenn für den energetischen Bereich des K-Kanten-Einbruchs des Absorptionskoeffizienten ein zusätzlicher Schutz vorhanden wäre. Dieser kann durch ein Material gewährleistet werden, dessen Röntgen-Absorptionskoeffizient im betreffenden energetischen Bereich relativ hoch ist oder, anders ausgedrückt, dessen K-Kanten-Einbruch entfernt ist.The Shielding according to the invention is based, inter alia, on the development of the following idea: Theoretically, could For example, a lead shield will be significantly thinner, if for the energetic Range of K-edge break-in of the absorption coefficient additional Protection would be available. This can be ensured by a material whose X-ray absorption coefficient in the energy sector in question is relatively high or, otherwise expressed whose K-edge burglary is removed.

2 zeigt in vergrößerter Form eine aus drei in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Röntgenstrahlung hintereinander liegenden Schichten aufgebaute erfindungsgemäße Abschirmung 4, wobei die erste Schicht S1 aus einem ersten Material, die zweite Schicht S2 aus einem zweiten Material und die dritte Schicht S3 aus einem dritten Material besteht. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann die erste Schicht S1 zum Beispiel aus Gadolinium, die zweite Schicht S2 aus Wolfram und die dritte Schicht S3 aus Blei bestehen. Die K-Kanten von Gadolinium liegt bei 50 keV, die von Wolfram bei 69 keV und die von Blei bei 88 keV, womit ein wesentlicher Unterschied gegeben ist. Weitere vorteilhafte Beispiele sind alternative Kombinationen aus Zinn, Gadolinium, Wolfram, Blei, Uran oder Legierungen aus diesen Materialien. 2 shows in enlarged form a shield constructed according to the invention from three successive layers with respect to the direction of irradiation of the X-ray radiation 4 wherein the first layer S1 consists of a first material, the second layer S2 of a second material and the third layer S3 of a third material. According to one embodiment of the invention, the first layer S1, for example, from gadolinium, the second layer S2 made of tungsten and the third layer S3 made of lead. The K-edges of gadolinium are at 50 keV, those of tungsten 69 keV and those of lead 88 keV, which gives a significant difference. Further advantageous examples are alternative combinations of tin, gadolinium, tungsten, lead, uranium or alloys of these materials.

Der Gesamt-Absorptionskoeffizienten einer Abschirmung kann leicht zum Beispiel durch Simulation berechnet oder gemessen werden; die Dicke der einzelnen Materialien wird derart gewählt, dass bei möglichst geringer Dicke eine möglichst hohe, zum Beispiel den Strahlenschutzvorschriften entsprechende, Absorption der Röntgenstrahlung erzielbar ist. Wichtig bei der Auswahl der Materialien ist auch deren Reihenfolge in Bezug auf die Einstrahlungsrichtung der Röntgenstrahlung.Of the Overall absorption coefficient of a shield can be easy to Example calculated or measured by simulation; the fat the individual materials is chosen such that if possible small thickness one possible high, for example, the radiation protection regulations, Absorption of X-rays is achievable. Important in the selection of materials is also their Order with respect to the irradiation direction of the X-radiation.

3 zeigt eine beispielhafte Abhängigkeit der Röntgen-Absorptionskoeffizienten von der Energie der einfallenden Röntgenphotonen bei einer Kombination aus den drei Materialien Gadolinium Gd(K-Kante bei 50 keV), Wolfram W(K-Kante bei 69 keV) und Blei Pb (K-Kante bei 88 keV). Diese Materialien unterscheiden sich in ihren K-Kanten um mehr als 5 keV, um mehr als 10 keV und insbesondere um etwa 20 keV. 3 shows an exemplary dependence of the X-ray absorption coefficients on the energy of the incident X-ray photons in a combination of the three materials gadolinium Gd (K-edge at 50 keV), tungsten W (K-edge at 69 keV), and lead Pb (K-edge) 88 keV). These materials differ in their K-edges by more than 5 keV, by more than 10 keV and in particular by about 20 keV.

4 und 5 zeigen einen Festkörperdetektor 1 mit einer aus drei Materialien aufgebauten Abschirmung 4. Der Festkörperdetektor 1 ist umgeben von einem Gehäuse 10. Eine ein Objekt 2 durchstrahlende Röntgenstrahlung 3 wird mittels einer Szintillatorschicht 5 in Licht umgewandelt. Das Licht wird mittels einer auf ein Substrat 7 aufgebrachten aktiven Matrix 6 in Ladung umgewandelt, gespeichert und ausgelesen. Desweiteren befindet sich ein mit der aktiven Matrix 6 verbundenes Elektronikboard 9 und darauf eine Ausleseelektronik 11 und weitere Elektronikbauteile 12 innerhalb des Gehäuses 10 des Festkörperdetektors 1. 4 and 5 show a solid state detector 1 with a shield made of three materials 4 , The solid state detector 1 is surrounded by a housing 10 , One an object 2 radiating X-radiation 3 is by means of a scintillator layer 5 converted into light. The light is made by means of a on a substrate 7 applied active matrix 6 converted into charge, stored and read out. Furthermore there is one with the active matrix 6 connected electronics board 9 and on it a readout electronics 11 and other electronic components 12 inside the case 10 of the solid state detector 1 ,

Die Abschirmung 4 dient zum Schutz röntgenempfindlicher Detektorkomponenten, wie zum Beispiel der Ausleseelektronik 11 und der Elektronikbauteile 12, sowie zum Schutz in Reichweite der Röntgenstrahlung 3 befindlicher Anwender und Patienten. Die Abschirmung 4 in 4 besteht aus einem zwischen Substrat 7 und Elektronikboard 9 angeordneten unteren Abschirm teil 4.2 sowie einem entlang der Seitenflächen des Gehäuses 10 angeordneten seitlichen Abschirmteil 4.1, so dass lediglich die aktive Fläche 13 frei von einer Abschirmung 4 ist und die Röntgenstrahlung 3 auf die Szintillatorschicht 5 gelangen kann. Als eine weitere, leichtere Ausgestaltung der Erfindung zeigt 5 eine Abschirmung 4 bestehend aus einzelnen Abschirmteilen 4.3, die lediglich kritische Elektronikkomponenten gegen die Röntgenstrahlung 2 schützen, aber keinen umfassenden Patientenschutz bieten.The shield 4 serves to protect x-ray sensitive detector components, such as the readout electronics 11 and the electronic components 12 , as well as for protection within range of the X-ray radiation 3 located users and patients. The shield 4 in 4 consists of an intermediate substrate 7 and electronics board 9 arranged lower shield part 4.2 and one along the side surfaces of the housing 10 arranged lateral shielding part 4.1 so that only the active area 13 free from a shield 4 is and the x-rays 3 on the scintillator layer 5 can get. As a further, lighter embodiment of the invention shows 5 a shield 4 consisting of individual shielding parts 4.3 containing only critical electronic components against X-rays 2 protect but do not provide comprehensive patient protection.

Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Zur Schaffung eines verbesserten Schutzes vor einer Röntgenstrahlung ist bei einer Vorrichtung, insbesondere einem Festkörperdetektor oder einem Röntgenstrahler, eine Abschirmung zur Absorption von einer Röntgenstrahlung vorgesehen, wobei die Abschirmung aus mindestens zwei Materialien besteht, deren jeweilige Röntgen-Absorptionskoeffizienten sich in der energetischen Lage ihrer K-Kanten unterscheiden, insbesondere um einen wesentlichen Betrag.The invention can be briefly summarized in the following way: To create a verbes In the case of a device, in particular a solid-state detector or an X-ray emitter, a shield for absorbing X-radiation is provided, the shield consisting of at least two materials whose respective X-ray absorption coefficients differ in the energetic position of their K edges , in particular by a substantial amount.

Claims (12)

Vorrichtung mit einer Abschirmung (4; 4.1; 4.2; 4.3) zur Absorption von Röntgenstrahlung (3), wobei die Abschirmung (4; 4.1; 4.2; 4.3) aus mindestens zwei Materialien besteht, deren jeweilige Röntgen-Absorptionskoeffizienten (A) sich in der energetischen Lage ihrer K-Kanten (K) unterscheiden.Device with a shield ( 4 ; 4.1 ; 4.2 ; 4.3 ) for the absorption of X-radiation ( 3 ), wherein the shield ( 4 ; 4.1 ; 4.2 ; 4.3 ) consists of at least two materials whose respective X-ray absorption coefficients (A) differ in the energetic position of their K edges (K). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abschirmung (4; 4.1; 4.2; 4.3) aus drei Materialien besteht, deren jeweilige Röntgen-Absorptionskoeffizienten (A) sich in der energetischen Lage ihrer K-Kanten (K) unterscheiden.Apparatus according to claim 1, wherein the shield ( 4 ; 4.1 ; 4.2 ; 4.3 ) consists of three materials whose respective X-ray absorption coefficients (A) differ in the energetic position of their K edges (K). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Röntgen-Absorptionskoeffizienten (A) in der energetischen Lage ihrer K-Kanten (K) um einen wesentlichen Betrag unterscheiden.Apparatus according to claim 1, wherein the X-ray absorption coefficients (A) in the energetic position of its K edges (K) to a substantial Differ amount. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei sich die Röntgen-Absorptionskoeffizienten (A) in der energetischen Lage ihrer K-Kanten (K) um mindestens 10 keV unterscheiden.Apparatus according to claim 3, wherein the X-ray absorption coefficients (A) in the energetic position of its K edges (K) by at least 10 keV differ. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei sich die Röntgen-Absorptionskoeffizienten (A) in der energetischen Lage ihrer K-Kanten (K) um etwa 20 keV unterscheiden.Apparatus according to claim 4, wherein the X-ray absorption coefficients (A) in the energetic position of its K edges (K) by about 20 keV differ. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Material aus jeweils einem der Elemente Zinn, Gadolinium, Wolfram, Blei, Uran oder einer Legierung einer dieser Elemente gebildet wird.Apparatus according to claim 1, wherein each material each one of the elements tin, gadolinium, tungsten, lead, Uranium or an alloy of one of these elements is formed. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Material als Schicht (S1; S2; S3) oder Beschichtung ausgeführt ist und die einzelnen Schichten (S1; S2; S3) der Abschirmung (4; 4.1; 4.2; 4.3) in Bezug auf die Einstrahlrichtung der Röntgenstrahlung (3) hintereinander angeordnet sind.Device according to claim 1, wherein each material is designed as a layer (S1; S2; S3) or coating and the individual layers (S1; S2; S3) of the shield (S1; 4 ; 4.1 ; 4.2 ; 4.3 ) with respect to the irradiation direction of the X-radiation ( 3 ) are arranged one behind the other. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Materialien in einer oder mehreren Legierungen angeordnet sind.Apparatus according to claim 1, wherein the materials are arranged in one or more alloys. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung von einem Festkörperdetektor (1), insbesondere einem tragbaren, kabellosen Festkörperdetektor, gebildet wird.Apparatus according to claim 1, wherein the apparatus is of a solid state detector ( 1 ), in particular a portable, wireless solid state detector is formed. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung von einem Röntgenstrahler gebildet wird.The device of claim 1, wherein the device from an X-ray source is formed. C-Bogen-Röntgengerät mit einem Festkörperdetektor (1), der eine Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.C-arm X-ray device with a solid state detector ( 1 ) comprising a shield according to any one of claims 1 to 9. C-Bogen-Röntgengerät mit einem Röntgenstrahler, der eine Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 10 aufweist.C-arm X-ray machine with a X-ray, which has a shield according to one of claims 1 to 8 or 10.
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