DE102008034584A1 - Röntgen-Computertomograph - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röntgen-Computertomographen mit zumindest einem, ein Untersuchungsvolumen umschließenden Anodenring in einem Vakuumgehäuse, wobei zur Durchstrahlung des Untersuchtungsvolumens mit einem Röntgenstrahlenbündel unter verschiedenen Richtungen auf dem Anodenring ein Fokus einer Röntgenstrahlenquelle umläuft, einem auf einem um eine Systemachse rotierbaren Drehrahmen angeordneten Detektorsystem zum Empfang der aus dem Untersuchungsvolumen austretenden Röntgenstrahlung, wobei das Detektorsystem und der Fokus mit einem 180° versetzten Drehwinkel synchron um die Systemachse drehrichtungsgleich rotierbar sind, und einem Rechner zur Verarbeitung der vom Detektorsystem erfassten Messwerte. Der Röntgen-Computertomograph zeichnet sich dadurch aus, dass der Anodenring um die Systemachse drehbar antreibbar ist und dass die Drehrichtung des Anodenrings und die Drehrichtung des Fokus um die Systemachse, sofern eine Drehung des Fokus um die Systemachse erfolgt, entgegengesetzt sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Röntgen-Computertomographen mit zumindest einem ein Untersuchungsvolumen umschließenden Anodenring in einem Vakuumgehäuse, wobei zur Durchstrahlung des Untersuchungsvolumens mit einem Röntgenstrahlenbündel unter verschiedenen Richtungen auf dem Anodenring ein Fokus einer Röntgenstrahlenquelle umläuft, einem auf einem um eine Systemachse rotierbaren Drehrahmen angeordneten Detektorsystem zum Empfang der aus dem Untersuchungsvolumen austretenden Röntgenstrahlung, wobei das Detektorsystem und der Fokus mit einem 180° versetzten Drehwinkel synchron um die Systemachse drehrichtungsgleich rotierbar sind, und einem Rechner zur Verarbeitung der vom Detektorsystem erfassten Messwerte.
  • Röntgen-Computertomographen werden beispielsweise in der medizinischen Bildgebung eingesetzt, um Bilder des Körperinneren eines Patienten zu erhalten. Ein Röntgen-Computertomograph umfasst u. a. eine Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, einen Röntgendetektor und einen Patientenlagerungstisch, mit dem das Untersuchungsobjekt während der Untersuchung entlang einer Systemachse, der so genannten Z-Achse, durch das Untersuchungsvolumen bewegt werden kann. Die Einrichtung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung erzeugt ein Röntgenstrahlbündel, das von einem um das Untersuchungsvolumen rotierenden Röntgenfokus ausgeht. Das in einer Schichtebene des Untersuchungsvolumens (X-Y-Ebene) senkrecht zur Systemachse fächerförmig aufgeweitete Röntgenstrahlbündel durchdringt bei Untersuchungen eine Schicht des Untersuchungsobjektes, bspw. eine Körperschicht eines Patienten, und trifft auf die dem Röntgenfokus gegenüber liegenden Detektorelemente des Röntgendetektors. Der Winkel, unter dem das Röntgenstrahlbündel die Körperschicht des Objektes durchdringt und ggf. die Position des Patientenlagerungstisches verändern sich während der Bildaufnahme mit dem Computertomographen in der Regel kontinuierlich.
  • Die Intensität der Röntgenstrahlen des Röntgenstrahlbündels, welche nach der Durchdringung des Patienten auf die Röntgendetektoren treffen, ist abhängig von der Schwächung der Röntgenstrahlen durch den Patienten. Dabei erzeugt jedes Detektorelement einer Detektorzeile des Röntgendetektors in Abhängigkeit von der Intensität der empfangenen Röntgenstrahlung ein Spannungssignal, das einer Messung der globalen Transparenz des Körpers für Röntgenstrahlen von der Röntgenröhre zu dem entsprechenden Detektorelement entspricht. Ein Satz von Spannungssignalen der Detektorelemente einer Detektorzeile, welche Schwächungsdaten entsprechen und für eine spezielle Position der Röntgenstrahlquelle relativ zum Patienten aufgenommen wurden, wird als Projektion bezeichnet. Ein Satz von Projektionen, welche an verschiedenen Positionen während der Bewegung des Röntgenfokus um den Patienten aufgenommen wurden, wird als Scan bezeichnet. Der Röntgen-Computertomograph nimmt viele Projektionen an verschiedenen Positionen des Röntgenfokus relativ zum Körper des Patienten auf, um ein Bild zu rekonstruieren, welches einem zweidimensionalen Schnittbild des Körpers des Patienten oder einem dreidimensionalen Bild entspricht. Für die Erfassung mehrere Schnittbilder oder eines dreidimensionalen Bildes wird ein Volumenscan durchgeführt, der eine Vielzahl von Rotationen des Röntgenfokus um das Untersuchungsvolumen bei einer Vorschubbewegung des Patiententisches in Z-Richtung umfasst. Das gängige Verfahren zur Rekonstruktion eines Schnittbildes oder dreidimensionalen Bildes aus aufgenommenen Schwächungsdaten ist als das Verfahren der gefilterten Rückprojektion bekannt. Die Bildrekonstruktion wird in der Regel mit einem Bildrechner durchgeführt, der die Messdaten von den Detektorelementen erhält und weiterverarbeitet.
  • Der rotierende Röntgenfokus wird bei Röntgen-Computertomographen der so genannten dritten Generation von einer Röntgenröhre erzeugt, die ebenso wie der Röntgendetektor an einem um das Untersuchungsvolumen rotierbaren Drehrahmen (Gantry) befestigt ist. Die Rotationsgeschwindigkeit des Drehrahmens wurde in den letzten Jahren zunehmend erhöht, um schnellere Scan-Geschwindigkeiten bei der Bildaufzeichnung zu erreichen. Bei Computertomographen der dritten Generation ist aus Gründen der mechanischen Stabilität und Sicherheit jedoch inzwischen eine Grenze erreicht, die aufgrund der zu bewegenden Massen und der daraus resultierenden hohen Beschleunigungskräfte keine deutliche Steigerung der Rotationsgeschwindigkeit des Drehrahmens mehr zulässt.
  • In Computertomographen der dritten Generation werden als Röntgenröhren zumeist konventionelle Drehkolben- oder Drehanodenröntgenröhren verwendet. Röntgenröhren dieser Bauart zeichnen sich dadurch aus, dass die Anode zumindest ringförmig ausgebildet und um eine Drehachse drehbar ist, wobei der von der Kathode kommende Elektronenstrahl auf die Anode in einem Brennfleck auftrifft, der relativ zur Drehachse stationär ist. Der Brennfleck beschreibt aufgrund der Drehung der Anode somit auf der Anode auf eine ringförmige Brennbahn. Als Folge der Rotation der Anode wird die beim Auftreffen des Elektronenstrahls auf die Anode im Brennfleck entstehende Wärme in der Anode verteilt, was zu einer Erhöhung der Anodenlebensdauer beiträgt und insbesondere die Strahlintensität der an der Anode erzeugten Röntgenstrahlung erhöht. Dabei gilt: je höher die Bahngeschwindigkeit des Brennflecks auf der Anode, desto höher die Leitungsdichte der entstehenden Röntgenstrahlung. Durch eine erhöhte Anodendrehfrequenz oder einen größeren Anodendurchmesser kann somit die Leistungsdichte von konventionelle Drehkolben- oder Drehanodenröhren gesteigert werden. Im Stand der Technik sind entsprechende Bahngeschwindigkeiten von über 100 m/s bekannt.
  • Die von konventionellen Drehkolben- oder Drehanodenröntgenröhren abgegebene Röntgenleistung ist mithin von der Rotationsgeschwindigkeit der Gantry unanhängig. Wird bspw. die Gantryrotationsgeschwindigkeit verringert, so wird die auf das Untersuchungsvolumen wirkende Röntgendosis gesteigert, ohne dass dabei die Röntgenröhre überlastet wird.
  • Aus der EP 0 377 070 A1 ist ein Röntgen-Computertomograph bekannt, bei dem der Strahlendetektor wie bei einem Röntgen-Computertomographen der dritten Generation ausgebildet ist, jedoch die Röntgenröhre eine stationäre, den Untersuchungsbereich vollständig umschließende Ringanode aufweist. Die Ausbildung der Röntgenstrahlenquelle als geschlossener Anodenring ermöglicht eine gute Wärmeabfuhr bzw. -verteilung in der Anode, einen erhöhten Elektronenstrom von Kathode zur Anode und somit eine gesteigerte Röntgenleistung. Die Kathode und der 180° gegenüberliegende Strahlendetektor sind miteinander verbunden und rotieren drehrichtungsgleich und synchron um eine gemeinsame Drehachse, die der z- oder Systemachse entspricht. Nachteilig bei der in EP 0 377 070 A1 beschriebenen Röntgenröhre ist, dass die Bahngeschwindigkeit durch die Anodenbahnlänge und die Gantryrotationsgeschwindigkeit begrenzt und damit die mit der Röntgenröhre erzielbare Leistung bei relativ niedrigen Röhrenleistungen limitiert ist. Weiterhin ist keine Steigerung der Röntgendosis durch eine langsamere Gantryrotation, wie bei Computertomographen der dritten Generation, möglich. Dies würde vielmehr zu einer stärkeren Belastung der Anode führen. Bei Scans mit stehender Gantry, z. B. bei Topogrammaufnahmen, ist die Röntgenröhrenleistung zusätzlich begrenzt.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Röntgen-Computertomographen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, mit dem eine gesteigerte Röntgenleistung erzielbar ist. Weiterhin sollen die vorstehend genannten Nachteile des Standes der Technik verringert werden.
  • Die Aufgabe wird mit dem Röntgen-Computertomographen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Computertomographen sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
  • Der vorliegende Röntgen-Computertomograph umfasst zumindest
    • – einen, ein Untersuchungsvolumen vollständig umschließenden Anodenring in einem Vakuumgehäuse, wobei zur Durchstrahlung des Untersuchungsvolumens mit einem Röntgenstrahlenbündel unter verschiedenen Richtungen auf dem Anodenring ein Fokus einer Röntgenstrahlenquelle umläuft,
    • – ein auf einem um eine Systemachse rotierbaren Drehrahmen angeordnetes Detektorsystem zum Erfassung der aus dem Untersuchungsvolumen austretenden Röntgenstrahlung, wobei das Detektorsystem und der Fokus mit einem 180° versetzten Drehwinkel synchron und drehrichtungsgleich um die Systemachse rotierbar sind, und
    • – einen Rechner zur Verarbeitung der vom Detektorsystem erfassten Messwerte.
  • Der Röntgen-Computertomograph zeichnet sich dadurch aus, dass der Anodenring um die Systemachse drehbar antreibbar ist, und dass die Drehrichtung des Anodenrings und die Drehrichtung des Fokus um die Systemachse, sofern eine Drehung des Fokus um die Systemachse erfolgt, entgegengesetzt sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Drehbewegung der ringförmigen Anode in der Ringröntgenröhre gegen die Rotationsrichtung des Fokus erhöht sich die Bahngeschwindigkeit des Brennflecks auf der Anode. Damit einher geht eine Steigerung der erzielbaren Röntgenleistung gegenüber Ringröntgenröhren mit stationärer Anode. Wird beispielsweise die Ringanode in einem 3-Hz-Röntgen-Computertomographen mit nur 3 Hz gegenrotiert, so verdoppelt sich die Bahngeschwindigkeit des Brennflecks und die Brennflecktemperatur sinkt um ca. 41%.
  • In einer Ausführungsvariante des Röntgen-Computertomographen ist das Vakuumgehäuse stationär angeordnet und der Anodenring um die Systemachse relativ zum Vakuumgehäuse drehbar gelagert. Weiterhin ist ein erstes Antriebsmittel zur Drehung des Anodenrings vorgesehen.
  • In einer bevorzugten weiteren Ausführungsvariante des Röntgen-Computertomographen ist der Anodenring mit dem Vakuumgehäuse drehfest verbunden und das Vakuumgehäuse um die Systemachse drehbar gelagert. Weiterhin ist ein zweites Antriebsmittel zur Drehung des Vakuumgehäuses vorgesehen. In dieser Ausführungsvariante enthält das Vakuumgehäuse, zumindest was die Anode betrifft, keine rotierenden Teile.
  • Die Rotationsfrequenz des Anodenrings wird im Wesentlichen durch die bei dessen Rotation auftretenden mechanischen Kräfte begrenzt. Die Rotationsfrequenz des Anodenrings liegt vorteilhafter Weise zwischen 0–40 Hz, kann aber auch darüber liegen.
  • Als Antriebsmittel (erstes Antriebsmittel) kommt für die Ausführungsvariante, bei der das Vakuumgehäuse stationär angeordnet und der Anodenring um die Systemachse relativ zum Vakuumgehäuse drehbar gelagert ist, ein Ringmotor, vorzugsweise ein Asynchron- oder ein Synchronmotor, insbesondere ein Schrittmotor in Betracht. Derartige Antriebe werden heute bspw. zum Antrieb von Gantrys verwendet und sind dem Fachmann bekannt.
  • Bei der vorstehend genannten Ausführungsvariante, bei der der Anodenring mit dem Vakuumgehäuse drehfest verbunden und das Vakuumgehäuse um die Systemachse drehbar gelagert, wird vorzugsweise als Antriebsmittel (zweites Antriebsmittel) ein Elektromotor verwendet.
  • Die Kathode der erfindungsgemäßen Röntgenröhre kann in einer Vielzahl von Ausführungsformen realisiert werden. So kann innerhalb des Vakuumgehäuses eine um die Systemachse (z-Achse) rotierbare Kathode vorgesehen werden, wobei die Kathode durch Zufuhr elektrischer und/oder elektromagnetischer Energie zur Emission von Elektronen anregbar ist. Durch eine zwischen der Kathode und der Anode anlegbare Hochspannung werden die emittierten Elektronen in Richtung Anode beschleunigt und treffen dort im Brennfleck auf den Anodenring. Die Stromversorgung der Kathode erfolgt bspw. über Schleifringe im Vakuumgehäuse.
  • Als Alternative kann die Kathode innerhalb des Vakuumgehäuses als ein Kathodensystem mit einer Vielzahl stationär angeordneter Einzelkathoden ausgebildet sein, wobei die Einzelkathoden durch Zufuhr elektrischer und/oder elektromagnetischer Energie gezielt zur Emission von Elektronen anregbar sind.
  • Als weitere Alternative kann die Kathode innerhalb des Vakuumgehäuses als eine das Untersuchungsvolumen vollständig umfassende Ringkathode ausgebildet sein, die lokal bspw. durch Abtastung mit einem Laserstrahl zur Emission von Elektronen anregbar ist. Durch den auf die Kathode treffenden Laserstrahl wird der Kathodenring im Abtastfleck lokal erhitzt, so dass eine thermische Emission von Elektronen erfolgt. Die Lasereinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls kann dabei stationär angeordnet sein, so dass der Laserstrahl über ein Lichtleitsystem entlang des Kathodenrings geführt wird, oder um die Systemachse rotiert werden, so dass ein Lichtleitsystem entbehrlich ist.
  • Vorzugsweise werden bei den vorstehenden Kathoden elektrisch aktivierbare kaltemittierende Kathoden eingesetzt, die zur Feldverstärkung eine Oberfläche mit Kohlenstoff-Nanotubes bzw. Spindt-Emittern aufweisen.
  • Mit dem vorliegenden Röntgen-Computertomographen ist eine Steigerung der Röntgenleistung gegenüber gattungsgemäßen Röntgen-Computertomographen realisierbar. Dabei sind Topogrammaufnahmen wie bisher bei Röntgen-Computertomographen der dritten Generation ausführbar, d. h. auch bei gegenüber der Systemachse stationärem Fokus ist aufgrund der Drehung des Anodenrings um die Systemachse eine hohe Röntgenleistung erzeugbar. Weiterhin ist eine Steigerung der Röntgendosis im Untersuchungsvolumen durch Verringerung der Rotationsfrequenz des Fokus um die Systemachse realisierbar. Schließlich hat der erfindungsgemäße Röntgen-Computertomograph durch eine Steigerung der Anodendrehfrequenz Leistungsreserven die eine flexible Anpassung an entsprechende Anforderungen ermöglicht.
  • Mit der vorliegenden Erfindung wird somit eine fundamentale Leistungsbegrenzung einer stationären Ringröntgenröhre, sowohl für bewegte als auch für stationäre Elektronenemitter überwunden.
  • Der vorliegende Röntgen-Computertomograph wird nachfolgend ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt:
  • 1 eine schematische Querschnitts-Darstellung eines erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographen senkrecht zur Systemachse (z-Achse).
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographen im Querschnitt senkrecht zur Systemachse (z-Achse). Die nicht dargestellte Systemachse entspricht der senkrecht zur Papierebene verlaufenden Symmetrieachse der Ringanode 1. Das Untersuchungsvolumen 6 des Röntgen-Computertomographen wird vollständig von einem ringförmigen stationären Vakuumgehäuse 2 und einer darin um die Systemachse drehbar gelagerten Ringanode 1 umschlossen. Im Untersuchungsvolumen 6 ist schematisch der Querschnitt eines Patienten 7 auf einem Patientenlagerungstisch 8 erkennbar. Das Antriebsmittel zum Drehen der Anode 1 um die Systemachse ist nicht dargestellt. Es ist jedoch vorzugsweise nach dem Prinzip eines Asynchronmotors ausgeführt.
  • Das Bezugszeichen 3 kennzeichnet den Brennfleck auf der Anode 1, d. h. den Bereich in dem die von der Kathode (nicht dargestellt) emittierten Elektronen auf die Anode 1 auftreffen und als Folge Röntgenstrahlung entsteht. Mit der entstandenen Röntgenstrahlung wird das Untersuchungsvolumen 6 zumeist fächerförmig durchstrahlt. Nach dem die Röntgenstrahlung aus dem Untersuchungsvolumen 6 austritt, wird die austretende Röntgenstrahlung von einem dem Fokus 180° gegenüberliegend angeordneten Detektorsystem (nicht dargestellt) erfasst. Die Messwerte werden einem Rechner (nicht dargestellt) zugeführt, der die Messwerte verarbeitet.
  • Der Brennfleck und der Fokus 3 der Röntgenstrahlungsquelle sind vorliegend ortsidentisch. Der Brennfleck bzw. der Fokus 3 sind während des Betriebes um die Systemachse in Drehrichtung 4 rotierbar. Durch diese Rotation kann eine Abtastung des Untersuchungsvolumens mit der vom Fokus ausgehenden Röntgenstrahlung unter verschiedenen Richtungen erfolgen. Für bestimmte Anwendungen (bspw. Topogramme) kann der Brennfleck bzw. der Fokus 3 relativ zur Symmetrieachse auch stationär gehalten werden.
  • Die Anode 1 wird während des Betriebes des Röntgen-Computertomographen in Drehrichtung 5 rotiert. Im Falle einer Drehung des Brennflecks bzw. des Fokus 3 um die Systemachse erfolgt die Drehung der Anode also erfindungsgemäß in entgegen gesetzter Drehrichtung. Die Drehgeschwindigkeit der Anode 1 kann mittels einer Steuereinheit konstant oder zur Veränderung der Röntgenleistung variabel vorgegeben werden. Es ist jedoch wie vorstehend erwähnt möglich den Fokus stationär zu halten. Durch die Rotation der Ringanode kann dennoch eine hohe Röntgenleistung erzeugt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0377070 A1 [0007, 0007]

Claims (10)

  1. Röntgen-Computertomograph mit zumindest – einem, ein Untersuchungsvolumen umschließenden Anodenring in einem Vakuumgehäuse, wobei zur Durchstrahlung des Untersuchungsvolumens mit einem Röntgenstrahlenbündel unter verschiedenen Richtungen auf dem Anodenring ein Fokus einer Röntgenstrahlenquelle umläuft, – einem auf einem um eine Systemachse rotierbaren Drehrahmen angeordneten Detektorsystem zum Erfassung der aus dem Untersuchungsvolumen austretenden Röntgenstrahlung, wobei das Detektorsystem und der Fokus mit einem 180° versetzten Drehwinkel synchron um die Systemachse drehrichtungsgleich rotierbar sind, und – einem Rechner zur Verarbeitung der vom Detektorsystem erfassten Messwerte, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring um die Systemachse drehbar antreibbar ist, und dass die Drehrichtung des Anodenrings und die Drehrichtung des Fokus um die Systemachse, sofern eine Drehung des Fokus um die Systemachse erfolgt, entgegengesetzt sind.
  2. Röntgen-Computertomograph gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuumgehäuse stationär angeordnet, der Anodenring um die Systemachse relativ zum Vakuumgehäuse drehbar gelagert, und ein erstes Antriebsmittel zur Drehung des Anodenrings vorgesehen ist.
  3. Röntgen-Computertomograph gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring mit dem Vakuumgehäuse drehfest verbunden, das Vakuumgehäuse um die Systemachse drehbar gelagert, und ein zweites Antriebsmittel zur Drehung des Vakuumgehäuses vorgesehen ist.
  4. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring entgegengesetzt zu einer gemeinsamen Rotationsrichtung des Fokus und des Detektorsystems antreibbar ist.
  5. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenring mit einer Rotationsfrequenz von bis zu 40 Hz um die Systemachse antreibbar ist.
  6. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebsmittel als Asynchron- oder als Synchronmotor, insbesondere Schrittmotor, ausgebildet ist.
  7. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Antriebsmittel ein Elektromotor ist.
  8. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Vakuumgehäuses eine um die Systemachse rotierbare Kathode vorgesehen ist, wobei die Kathode durch Zufuhr elektrischer und/oder elektromagnetischer Energie zur Emission von Elektronen anregbar ist.
  9. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Vakuumgehäuses ein Kathodensystem mit einer Vielzahl von stationären Einzelkathoden angeordnet ist, wobei die Einzelkathoden durch Zufuhr elektrischer und/oder elektromagnetischer Energie zur Emission von Elektronen gezielt anregbar sind.
  10. Röntgen-Computertomograph gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Vakuumgehäuses eine Ringkathode vorgesehen ist, die lokal durch Abtastung mit einem Laserstrahl zur Emission von Elektronen anregbar ist.
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