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Die Erfindung betrifft ein Röntgen-CT-System mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem mit einem Laser-System zur Emissionsanregung einer Elektronenquelle mit einer Vielzahl von Detektorelementen, durch welche die Schwächung der Strahlen der Strahlenbündel beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt messbar ist, und einer Rechen- und Steuereinheit mit Computerprogrammen die im Betrieb das Röntgen-CT-System steuern.
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Ähnliche Röntgen-CT-Systeme sind allgemein bekannt. Beispielhaft wird auf die Patentanmeldung
DE 10 2006 006 840 A1 verwiesen. In dieser Schrift wird ein Röntgen-CT-System beschrieben, welches einen stationären Röntgendetektor aufweist, der ein Untersuchungsvolumen in einer Ebene teilweise umschließt, und ein stationäres Anoden/Kathoden-System, welches zur Erzeugung von Röntgenstrahlung das Untersuchungsvolumen ebenfalls teilweise in der o. g. Ebene umschließt. Die Positionierung und Anregung einer Elektronenquelle und Erzeugung eines zugeordneten Fokus wird mit zwei gesteuerten Laser-Systemen erzeugt, wobei diese nur alternativ eingesetzt werden. Nachteil dieses Systems ist, dass aus geometrischen Gründen keine vollständige Kreisabtastung möglich ist, außerdem wird nur ein einziges Röntgenenergiespektrum erzeugt.
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Weiterhin wird auf die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2007 035 177.3–35 verwiesen. Diese offenbart Computertomographie-Systeme mit einer feststehenden und 360° umlaufenden Röntgenröhre, welche einen Anodenring und mindestens einen Kathodenring aufweist, wobei zwischen Anode und dem mindestens einen Kathodenring ein Vakuumbereich vorgesehen ist, der teilweise durch ein licht- und/oder infrarotdurchlässiges Vakuumfenster begrenzt wird. Weiterhin weist dieses Computertomographie-System einen parallel zur Systemebene um die Systemachse rotierbaren Tragrahmen auf, an dem in mindestens einer Winkelposition ein System mit einem Laser und gegebenenfalls ein Filter befestigt ist. Der Laser erzeugt lokal die Aktivierung einer Elektronenemission am Kathodenring und damit die Röntgenstrahlung. Gegenüberliegend zum Filter ist ein Detektor angeordnet, der die Schwächung der Strahlung misst.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes und einfach zu realisierendes Röntgen-CT-System vorzuschlagen, welches gleichzeitig ein Untersuchungsobjekt mit zwei oder drei Röntgenenergiebereichen abtasten kann.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Demgemäß schlagen die Erfinder ein Röntgen-CT-System vor, mit:
- – einem statischen Anoden/Kathoden-Ringsystem zur gleichzeitigen Erzeugung von N = 2 oder N = 3 bezüglich einer Systemachse winkelversetzt zueinander positionierten Fokussen, die jeweils ein aufgefächertes Strahlenbündel zur Abtastung eines zentral angeordneten Untersuchungsobjektes aus einer Vielzahl von Positionen aussenden,
- – einer Gantry, welche zumindest N Laser-Systeme aufnimmt, die auf der Gantry entlang des Anoden/Kathoden-Ringsystems rotieren, wobei
- – das Anoden/Kathoden-Ringsystem in M × N Ringsegmente, mit M = 2 oder 3, aufgeteilt ist,
- – benachbarte Ringsegmente abwechselnd an insgesamt N unterschiedliche Beschleunigungsspannungen angelegt sind, und
- – jedes Laser-System durch Bestrahlung einer Kathode einen Fokus auf einer Anode im Anoden/Kathoden-Ringsystem erzeugt,
wobei
- – einer Vielzahl von, den Fokussen gegenüberliegend positionierten, Detektorelementen – die in der Summe einen Detektor bilden –, durch welche die Schwächung der Strahlen der Strahlenbündel beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt messbar ist, und
- – einer Rechen- und Steuereinheit mit einem Speicher, der Computerprogramme aufweist, die im Betrieb das Röntgen-CT-System steuern.
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Durch diese Ausführung des Röntgen-CT-Systems wird erreicht, dass in Verbindung mit einer stationären Ringröhre für alle verwendeten Röntgenenergiebereiche das gleiche Anoden/Kathoden-System verwendet werden kann und dabei eine gleichzeitige und winkelversetzte Abtastung des Untersuchungsobjektes möglich ist. Hierbei werden in jedem der Ringsegmente an einer Vielzahl von Umfangspositionen Fokusse erzeugt. Alternativ kann auch ein Fokus erzeugt werden, der mit der Umdrehung der Laser-Systeme kontinuierlich bewegt wird, also im Grunde einer unendlichen Anzahl von nebeneinander liegenden Fokussen entspricht, die fortlaufend über den Umfang erzeugt werden. Auf jedem Ringsegment wird dabei eine Vielzahl von Fokussen erzeugt.
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Vorteilhaft kann es sein, wenn die Gantry im Strahlungsbereich mindestens eines Fokus ein Spektralfilter für das von diesem Fokus ausgehende Strahlenbündel trägt. Hierdurch wird eine verbesserte Einflussmöglichkeit auf das benutzte Röntgenenergiespektrum durch Aufhärtung der Strahlung ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Röntgen-CT-System kann in einer ersten Ausführungsvariante so ausgestaltet sein, dass die Vielzahl an Detektorelementen ringförmig in einem stationären Detektorring angeordnet ist. Dies entspricht einer Detektorausführung von CT-Systemen der 4. Generation. Es kann somit die Gantry gegenüber Systemen der 3. Generation einfacher gestaltet werden. Im Wesentlichen trägt die Gantry dann nur noch die Laser-Systeme und gegebenenfalls den Laser-Systemen zugeordnete Systemeinheiten, wie Spektralfilter und/oder Kollimatoren. Solche Detektorsysteme können ein- oder mehrzeilig ausgeführt werden.
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Eine andere Ausführung des Röntgen-CT-Systems besteht darin, in bekannter Weise eine Vielzahl von Detektorelementen in N Detektorsystemen zusammenzufassen und die Detektorsysteme an der Gantry dem jeweils vom Laser-System erzeugten Fokus gegenüberliegend um die Systemachse rotierbar anzuordnen. Hierdurch können bekannte ein- oder vielzeilige Detektorsysteme verwendet werden, wobei die Summe an notwendigen Detektorelementen geringer ist als bei ringförmig angeordneten Detektoren. Obwohl der Aufbau der Gantry aufgrund des höheren Gewichtes der zu tragenden Elemente etwas aufwendiger ist, ergibt sich jedoch der Vorteil einer einfacheren detektorseitigen Abschirmung gegen Streustrahlung. Außerdem kann der Detektor einfach auf einem Kreisbogen um den Fokus konstruiert werden, so dass jedes Detektorelement den gleichen Abstand zum Fokus aufweist. Grundsätzlich ist bei dieser Bauweise allerdings auch ein ebener Detektor ohne Krümmung einsetzbar, der bautechnisch etwas einfacher herzustellen ist, allerdings etwas höheren Normierungsaufwand bei der Schwächungsmessung erfordert.
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Bezüglich der Ausgestaltung der Ringsegmente schlagen die Erfinder einerseits vor, möglichst identische Module zu verwenden, so dass die M × N Ringsegmente die gleiche Länge aufweisen. Hierdurch wird die Fertigungstechnik vereinfacht. Allerdings ergibt sich durch diesen symmetrischen Aufbau, dass an den Berührungsstellen der Ringsegmente – an denen konstruktionsbedingt kein Fokus erzeugt werden kann – kleine komplementäre Winkelbereiche nicht abgetastet werden. Da diese Winkelbereiche jeweils komplementär angeordnet, also um 180° versetzt sind, kann dieser Effekt auch nicht durch gegenläufige Strahlen ausgeglichen werden.
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Eine Möglichkeit diesen Nachteil zu vermeiden, besteht darin, dass die M × N Ringsegmente mindestens N unterschiedliche Längen aufweisen und derart angeordnet sind, dass kein Projektionswinkel – gemeint ist hiermit die Winkelstellung des Fokus um die Systemachse, also der Fächerprojektionswinkel – mit gegenüberliegenden Übergängen zwischen zwei Ringsegmenten existiert. Durch diesen Aufbau wird sichergestellt, dass über den gesamten Umfang keine Winkelposition existiert, in der nicht mindestens aus einer Richtung eine Abtastung des Untersuchungsobjektes ermöglicht wird. Es werden dabei durch asymmetrische Anordnung der Ringsegmente die Berührungspunkte der Ringsegmente so gesetzt, dass diese niemals gegenüberliegend angeordnet sind – gegenüberliegend entspricht in diesem Sinne einer Spiegelung an der Systemachse –. Sinnigerweise sollte bei dieser Ausführung auch der Winkelversatz bei zwei Laser-Systemen größer sein als 350°/(2 × 2), also bei 2 Laser-Systemen mit 4 Ringsegmenten größer 90°. Der zusätzliche Versatz sollte dabei ausreichen, damit jedes Ringsegment immer nur von einem Laser-System getriggert wird. Anders ausgedrückt heißt dies, dass der kleinste Winkelabstand der Laser-Systeme größer sein muss als der größte überstrichene Umfangswinkel eines Ringsegments. Damit hier keine zu große Einschränkung bezüglich der Messfeldgröße entsteht, wird der zusätzliche Versatz nicht zu groß gewählt. Werden die Segmente stärker unterteilt, ist kein größerer Winkelversatz notwendig.
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Aufgrund der meist gegenläufigen Anordnung der Laser-Systeme bei der Verwendung von drei Laser-Systemen mit einem Standard-Versatz von 120° tritt dieses oben geschilderte Problem nicht auf, so dass der Winkelversatz bei 3 Laser-Systemen mit 6 Ringsegmenten weiterhin bei 120° bleiben kann.
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Die Aufteilung des Anoden/Kathoden-Ringsystems in Ringsegmente kann unterschiedlich erfolgen, wobei die unterschiedlichen konstruktiven Ausführungen jeweils verschiedene konstruktive und steuerungstechnische Vor- und Nachteile aufweisen, die im Einzelfall berücksichtigt werden müssen.
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Gemäß einer Variante kann das Anoden/Kathoden-Ringsystem vollständig, also sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig geteilt ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine einfache modulare Bauweise, die allerdings bezüglich ihrer Stabilität nicht optimal ist und erdungsseitig relativ viele Anschlüsse erfordert. Hierbei kann das Nullpotential der Röntgenröhre anodenseitig oder kathodenseitig angelegt werden. Entsprechend werden dann die verwendeten Beschleunigungsspannungen segmentweise kathodenseitig beziehungsweise anodenseitig angelegt.
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Alternativ zu dieser vollständig segmentierten Ausführung kann die Aufteilung des Anoden/Kathoden-Ringsystems in Ringsegmente auch ausschließlich anodenseitig oder ausschließlich kathodenseitig erfolgen. Entsprechend ist dann das Nullpotential kathodenseitig beziehungsweise anodenseitig angelegt und die Beschleunigungsspannungen werden anodenseitig beziehungsweise kathodenseitig angelegt.
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Die Erfinder schlagen weiterhin vor, dass N Spannungsgeneratoren für die Beschleunigungsspannungen vorgesehen sind, wobei nacheinander jeder Spannungsgenerator an jedes N-te Ringsegment angeschlossen ist und N unterschiedliche Beschleunigungsspannungen im Wechsel und synchronisiert mit den N auf der Gantry angeordneten Laser-Systemen anlegbar sind.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden Kurzbezeichnungen verwendet: D1, D2: Detektoren; F1, F2: Fokusse; HV-A, HV-B: Hochspannungsgeneratoren; L1, L2: Laser; P: Patient; S: Systemachse; SF: Spektralfilter; S1–S4: Ringsegmente; t: Zeit; U: Beschleunigungsspannung; α: Projektionswinkel, Rotationswinkel der Gantry.
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Es zeigen im Einzelnen:
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1: Querschnitt durch ein Röntgen-CT-System mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem mit vier symmetrisch angeordneten Ringsegmenten und zwei Laser-Systemen;
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2: Querschnitt durch das Röntgen-CT-System aus 1 mit um 90° gedrehten Laser-Systemen;
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3: Schematisches Schaltschema zum Anschluss der Hochspannungsversorgung an die Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems;
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4: Verlauf der Beschleunigungsspannung zur Zeit und Rotationswinkel der Gantry;
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5: Querschnitt durch ein Röntgen-CT-System mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem mit vier Ringsegmenten und zwei Laser-Systemen, die Ringsegmente paarweise mit unterschiedlicher Länge.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein schematisch gezeigtes Röntgen-CT-System mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem bestehend aus vier symmetrisch angeordneten Ringsegmenten S1 bis S4, bei denen sowohl die Anode als auch die Kathode segmentiert sind. Diese als Röntgenröhre fungierende Anordnung wird durch zwei Laser-Systeme L1 und L2 getriggert, wobei durch punktförmige Anregung einer Elektronenemission auf der Kathode anodenseitig ein Fokus entsteht, an dem punktförmig Röntgenstrahlung ausgesandt wird. Diese Röntgenstrahlung wird nach dem Durchtritt durch einen im Messfeld des Röntgen-CT-Systems angeordneten Patienten P gemessen. Hierzu liegt dem Laser L1 der Detektor D1 und dem Laser L2 der Detektor D2 gegenüber. Sowohl die Laser L1 und L2 als auch die Detektoren D1 und D2 sind auf einer um den Patienten P rotierenden Gantry angeordnet. Somit rotiert auch die Position des Fokus um den Patienten und der Patient kann durch die Strahlung aus allen Projektionswinkeln α abgetastet werden.
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Aufgrund der Segmentierung des Anoden/Kathoden-Ringsystems kann nun abwechselnd eine unterschiedliche Beschleunigungsspannung an die Segmente S1 bis S4 angelegt werden. Im vorliegenden Beispiel und zum gezeigten Zeitpunkt ist das Segment S1 mit 140 kV Beschleunigungsspannung und das Segment S2 mit 80 kV Bescheunigungsspannung beaufschlagt. Entsprechend wird bei einer Erzeugung eines Fokus im Bereich der Segmente S1 und S2 eine Röntgenstrahlung mit maximal 140 keV beziehungsweise 80 keV erzeugt. Zusätzlich wird hier mit dem Laser L2 noch ein Spektralfilter SF an der Gantry mitgeführt, welches zusätzlich die durch den Laser L2 getriggerte Strahlung aufhärtet.
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Rotiert nun die Gantry so weit, das die Laser L1 und L2 das Ende des jeweiligen Segmentes erreichen, so erfolgt eine Umschaltung der Beschleunigungsspannung an den Segmenten derart, dass der jeweilige Laser auch beim nächsten Segment wieder die ihm zugeordnete und immer gleiche Spannung sieht.
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Die 2 zeigt das gleiche Röntgen-CT-System aus der 1, allerdings sind beide Laser L1 und L2 einschließlich der Detektoren D1 und D2 und dem Spektralfilter SF um 90° im Uhrzeigersinn um die Systemachse S gedreht dargestellt. Der Laser L2 bestrahlt nun das Segment S2 und der Laser L1 das Segment S3. Entsprechend liegt am Segment S2 auch eine Beschleunigungsspannung von 140 kV und am Segment S3 eine Beschleunigungsspannung von 80 kV an. Im dargestellten Beispiel sind zusätzlich die jeweils gegenüberliegenden Segmente bezüglich der angelegten Beschleunigungsspannung gekoppelt, hierdurch kann die Schaltung gegenüber einer vollständig individuellen Ansteuerung der Segmente etwas vereinfacht werden.
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Das hier dargestellte Beispiel eines erfindungsgemäßen Röntgen-CT-Systems weist aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung eine vorteilhaft sehr einfache Bauweise auf, die durch die Baugleichheit der vier Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems bedingt ist. Fertigungstechnisch ist dies von großem Vorteil. Allerdings ergibt sich ein Nachteil bezüglich der lückenlosen Abtastung des Untersuchungsobjektes. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Ringsegmente stehen sich die Nahtstellen der einzelnen Segmente immer gegenüber, wobei an den Naht- oder Berührungsstellen der Segmente kein Fokus erzeugbar ist und damit auch an diesen jeweiligen Projektionswinkeln keine Fächerstrahlung entstehen kann. Da auch gegenüberliegend am um 180° komplementären Projektionswinkel kein Fokus gebildet werden kann, kommt es hier zu einer Abtastlücke, die auch durch gegenläufige Strahlen nicht geschlossen werden kann. Eine Lösung dieses Problems wird später in Verbindung mit der 5 gezeigt.
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Eine beispielhafte elektrische Ansteuerung der einzelnen Segmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems mit Hochspannung ist in der 3 dargestellt. Diese zeigt ein schematisches Schaltschema zum Anschluss der Hochspannungsversorgung an die Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems, entsprechend der Ausführung der 1 und 2. Der dazugehörige Verlauf der Beschleunigungsspannung über die Zeit t und entsprechend auch über die Rotationswinkel α der Gantry ist in der 4 gezeigt.
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Gemäß 3 sind die Hochspannungsgeneratoren HV-A und HV-B abwechselnd mit den Segmenten S1 und S3 beziehungsweise S2 und S4 verbunden, so dass jeweils auf benachbarten Segmenten unterschiedliche Beschleunigungsspannungen angelegt werden können. Das zeitliche Verhalten der Hochspannungsgeneratoren HV-A und HV-B bei der gezeigten Schaltungsanordnung ist in der 4 gezeigt. Hierbei schalten die Hochspannungsgeneratoren HV-A und HV-B jeweils abwechselnd zwischen den Beschleunigungsspannungen – hier 80 kV und 140 kV – der beiden Strahlungssysteme um. Da in dem Beispiel der 1 und 2 zwei Laser-Systeme verwendet werden entspricht die Dauer zwischen einer Umschaltung einer Umdrehung der Gantry um 360° geteilt durch die Anzahl der Ringsegmente oder 180°/N mit N der Anzahl der Laser-Systeme.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die hier gezeigte Schaltung lediglich ein bevorzugtes Beispiel darstellt, jedoch keinesfalls die einzig mögliche Schaltung im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen Röntgen-CT-System ist. Beispielsweise könnten auch Hochspannungsgeneratoren, die jeweils dauerhaft auf eine bestimmte Beschleunigungsspannung eingestellt sind, durch entsprechende Schalter abwechselnd mit unterschiedlichen Ringsegmenten verbunden werden.
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In der 5 ist schließlich eine erfindungsgemäße Variante eines Röntgen-CT-Systems mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem mit vier Ringsegmenten S1 bis S4 und zwei Laser-Systemen L1 und L2, ähnlich den 1 und 2, gezeigt. Im Unterschied zu der oben beschriebenen Ausführung weisen allerdings die Ringsegmente S1, S3 und S2, S4 paarweise unterschiedliche Längen auf. Dabei sind die Ringsegmente so auf dem Umfang angeordnet, dass deren gegenüberliegende Übergänge von einem zum anderen Segment etwas winkelversetzt angeordnet sind. Die Übergänge liegen also nicht auf gegenläufigen Strahlen durch die Systemachse S, so dass nun zu jedem Winkel α zwischen 0° und 180° auf der Gantry mindestens ein Röntgenstrahl in mindestens eine Richtung vorliegt, dessen Schwächung beim Durchgang durch das Untersuchungsobjekt gemessen werden kann. Durch diese Maßnahme werden Artefakte in der Rekonstruktion von CT-Bildern, die durch nicht vollständige Abtastung des Untersuchungsobjektes entstehen können, vermieden. Es muss dabei zwar davon ausgegangen werden, dass die Schwächung von Röntgenstrahlung in gegenläufiger Richtung identisch ist, allerdings kann dies hier vernachlässigt beziehungsweise durch Korrekturmaßnahmen ausgeglichen werden.
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Ergänzend sei noch erwähnt, dass in der hier gezeigten Ausführung der Winkelversatz der Laser-Systeme mindestens so groß ist, wie der überstrichene Umfangswinkel des längsten Ringsegments. Hierdurch wird vermieden, dass zwei Lasersysteme zur gleichen Zeit das gleiche Ringsegment aktivieren.
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Insgesamt beschreibt also die Erfindung ein Röntgen-CT-System mit feststehendem Anoden/Kathoden-Ringsystem, welches mindestens zwei umlaufende Laser-Systeme aufweist, die jeweils in dem Anoden/Kathoden-System Röntgenstrahlung anregen. Das Anoden/Kathoden-Ringsystem ist dabei so segmentiert und die Laser-Systeme derart auf dem Umfang des Anoden/Kathoden-Ringsystems verteilt angeordnet, dass jedes Laser-System in Verbindung mit einer anderen Beschleunigungsspannung am gerade angeregten Anoden/Kathoden-Ringsystem betrieben werden kann.
