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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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%.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
werden bei den vorstehenden Kathoden elektrisch aktivierbare kaltemittierende
Kathoden eingesetzt, die zur Feldverstärkung eine Oberfläche
mit Kohlenstoff-Nanotubes bzw. Spindt-Emittern aufweisen.
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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.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird somit eine fundamentale Leistungsbegrenzung
einer stationären Ringröntgenröhre, sowohl
für bewegte als auch für stationäre Elektronenemitter überwunden.
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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:
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1 eine
schematische Querschnitts-Darstellung eines erfindungsgemäßen
Röntgen-Computertomographen senkrecht zur Systemachse (z-Achse).
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0377070
A1 [0007, 0007]