-
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle für eine strahlungsbasierte Bildaufnahmeeinrichtung, umfassend einen Elektronenemitter zum Erzeugen eines Brennflecks zur Röntgenstrahlenerzeugung auf einer Drehanode, eine strahlungsbasierte Bildaufnahmeeinrichtung mit einer solchen Strahlungsquelle sowie ein Verfahren zur Ermittlung eines asymmetrischen Leistungseintragsprofils eines Brennflecks einer Strahlungsquelle parallel zu einer Bewegungsrichtung einer Drehanode der Strahlungsquelle.
-
In vielen Bereichen, in denen Röntgenstrahlung benötigt wird, insbesondere jedoch in der Bildgebung, werden heute leistungsfähige Strahlungsquellen benötigt. Insbesondere ist hierbei die medizinische Bildgebung zu nennen. Besonders bekannt als Strahlungsquellen sind sogenannte Drehanodenröntgenröhren, bei denen mittels eines Elektronenemitters (Kathode) ein Elektronenstrahl erzeugt wird. Dieser wird durch ein Vakuum mit Hilfe von elektrischen Feldern auf eine Drehanode hin beschleunigt. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Drehanode wird dabei allgemein als Brennfleck bezeichnet. Die in der Anode abgebremsten Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung (charakteristische Strahlung, Bremsstrahlung). Der Wirkungsgrad liegt allerdings bei ca. 1%, d. h., 99% der elektrischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Um ein Aufschmelzen der Anode zu verhindern wird daher eine Drehanode verwendet, das bedeutet, die Anode wird gedreht. So wird erreicht, dass der Brennfleck entlang der Bewegungsrichtung der Drehanode „wandert”, das bedeutet, eine Stelle wird immer nur eine kurze Zeit belastet.
-
Um einen möglichst scharfen und klar definierten Röntgenstrahl zu erhalten, zeichnen sich heutige Strahlungsquellen dadurch aus, dass der Brennfleck eine möglichst geringe Ausdehnung hat. Je kleiner aber der Brennfleck ist, umso weniger kann elektrische Leistung in Strahlungsenergie umgewandelt werden. Umgekehrt gilt, dass je mehr Leistungseintrag auf engem Raum in die Drehanode erfolgt, desto kürzer die Lebensdauer der Drehanode ist. Dabei ist es heutzutage üblich, die Gestaltung des Brennflecks dahingehend zu optimieren, dass er über möglichst weite Bereiche homogen ausgebildet ist, von Flanken am Rand abgesehen, damit kein zu hoher Temperaturgradient auftritt. Es erfolgt also im Wesentlichen an jeder bestrahlten Stelle letztlich derselbe Leistungseintrag.
-
WO 2008/044196 A2 betrifft eine Röntgenröhre, ein Röntgensystem und eine Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen. Dabei ist eine Brennfleck-Modulationseinheit vorgesehen, um eine asymmetrische Intensitätsverteilung des Elektronenstrahls in dem Brennfleck zu erreichen. Um dies zu realisieren, wird vorgeschlagen, die Richtung des Elektronenstrahls zu variieren oder ein insbesondere schwenkbares Gitter zu verwenden.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine höhere Pulsleistungsdichte gefahren werden kann und/oder die Lebensdauer einer Drehanode durch Optimierung bezüglich eines weiteren Freiheitsgrads ermöglicht wird.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Strahlungsquelle der eingangs genannten Art erfindungsgemäß die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
-
Bei der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle wird also ein asymmetrischer Brennfleck vorgeschlagen, das bedeutet, dass das Leistungseintragsprofil des Brennflecks parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode an der Stelle des Brennflecks asymmetrisch ausgebildet ist. Während sich in Berechnungen gezeigt hat, dass das Leistungseintragungsprofil des Brennflecks senkrecht zur Bewegungsrichtung der Drehanode im Wesentlichen homogen, also symmetrisch, ausgebildet sein sollte (von Flanken, die einen zu hohen Temperaturgradienten verhindern, abgesehen), was auch bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein kann, wird nun jedoch vorgeschlagen, einen zusätzlichen Freiheitsgrad zur Optimierung der Strahlungsquelle zu nutzen, nämlich den Verlauf des Leistungseintrags entlang der Bewegungsrichtung der Drehanode, also letztlich in Richtung des Brennbahnverlaufs.
-
Durch dieses asymmetrische Brennfleckprofil parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode kann beispielsweise eine etwas höhere Pulsleistungsdichte bei gleicher effektiver Brennfleckgröße gefahren werden, wenn vorgesehen ist, dass das Leistungseintragsprofil des Brennflecks parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode im vorderen Bereich einen asymmetrisch steilen Anstieg auf einen Maximalwert aufweist. Die Energiemenge pro Zeiteinheit, die von dem Brennfleck in den Drehanodenteller abfließt, ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Brennfleck und dem dahinterliegenden Drehanodenteller. Man erreicht also einen möglichst hohen Wärmeenergieabtransport, wenn man den Brennfleck beim Durchgang des Elektronenstrahls möglichst schnell auf eine maximale Belastungstemperatur bringt und anschließend noch so stark belastet, dass die Maximaltemperatur gerade noch gehalten werden kann. Die Maximaltemperatur ist dabei die höchste Temperatur, die man aus Lebensdauergründen dem Anodenmaterial zumuten möchte. Aus dieser Überlegung folgt, dass ein optimales Brennfleckprofil/Leistungseintragsprofil parallel zur Drehanodenbewegung eine asymmetrisch hohe Anfangslast aufweisen sollte, was über die vorliegende Erfindung realisiert werden kann. Dies steht im Gegensatz zu einem weithin homogenen Verlauf des Brennflecks, welcher letztlich in seinem Leistungseintrag so gewählt werden muss, dass die Maximaltemperatur auch zu Ende des Brennflecks gerade nicht überschritten wird.
-
Jedoch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Nutzung des zusätzlichen Freiheitsgrades auch möglich, beispielsweise bei gleicher Leistung durch eine bewusste Optimierung des Leistungseintragsprofils die Lebensdauer der Drehanode zu erhöhen, da beispielsweise eine niedrigere Maximaltemperatur oder ein niedrigerer maximaler Temperaturgradient angesetzt werden kann. Dies wird bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens noch näher ausgeführt.
-
Zwar kann grundsätzlich durch eine qualitative Überlegung, wie oben beispielsweise dargelegt, und durch Versuche ein möglichst ideales Leistungseintragsprofil aufgefunden werden, jedoch kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass das Leistungseintragsprofil des Brennflecks parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode im Rahmen eines Optimierungsverfahrens ermittelt wurde, insbesondere im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens, welches im Folgenden noch näher dargestellt werden soll. Es wird folglich ein mathematisches Verfahren verwendet, welches unter den möglichen asymmetrischen Varianten den idealen örtlichen Verlauf des Leistungseintrags im Brennfleck (mithin also die Brennfleckgeometrie) ermittelt, wobei diverse Optimierungskriterien, beispielsweise bezüglich der Lebensdauer, der Qualität der erzeugten Röntgenstrahlung (insbesondere im Hinblick auf die Bildqualität) oder die Pulsleistungsdichte) zugrunde gelegt werden können. So kann zielgerichtet ein asymmetrischer Brennfleck bestimmt und in der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle eingesetzt werden.
-
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen asymmetrischen, insbesondere einseitig dünneren, Elektronenemitter vorzusehen. Ein solcher Elektronenemitter weist mithin selber eine asymmetrische Bauform auf, d. h., auf einer Seite werden bei gleichem Heizstrom mehr Elektroden emittiert als auf der anderen Seite. So kann beispielsweise eine Seite des Elektronemitters aus einem dünneren Material bestehen, so dass es bei gleichem Heizstrom heißer wird. Eine andere Möglichkeit, die zusätzlich eingesetzt werden kann, sind Mittel zur Erzeugung eines den den Brennfleck erzeugenden Elektronenstrahl beeinflussenden elektromagnetischen Feldes. Es werden folglich elektromagnetische Felder genutzt, um den Elektronenstrahl zwischen dem Elektronenemitter und der Drehanode so zu formen, dass sich das gewünschte asymmetrische Profil herausbildet. Insbesondere im Fall der Verwendung von Mitteln zur Erzeugung eines den Elektronenstrahl beeinflussenden elektromagnetischen Feldes können diese selbstverständlich auch ansteuerbar sein, so dass gegebenenfalls in einer Strahlungsquelle verschiedene asymmetrische Leistungseintragsprofile parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode realisiert werden können.
-
Neben der Strahlungsquelle betrifft die Erfindung auch eine strahlungsbasierte Bildaufnahmeeinrichtung, umfassend eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle lassen sich unmittelbar auf die Bildaufnahmeeinrichtung übertragen, wobei bei einem entsprechend optimierten Leistungseintragsprofil insbesondere auch eine verbesserte Bildqualität an einem Strahlungsempfänger der Bildaufnahmeeinrichtung erreicht werden kann.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ermittlung eines asymmetrischen Leistungseintragsprofils eines Brennflecks einer Strahlungsquelle parallel zu einer Bewegungsrichtung einer Drehanode der Strahlungsquelle, welches sich durch die Merkmales des Anspruchs 7 auszeichnet. Das erfindungsgemäße Verfahren dient also im Planungsstadium einer erfindungsgemäßen Strahlungsquelle dazu, ein auf das entsprechende Optimierungskriterium hin optimiertes Leistungseintragsprofil zu bestimmen. Es wird ein Optimierungsverfahren vorgeschlagen, welches nach einer nach bestimmten Optimierungskriterien zu bestimmenden Lösung eines Gleichungssystems sucht; dabei können letztlich alle bekannten Optimierungsverfahren eingesetzt werden, also neben statistischen Verfahren auch Gradientenverfahren oder dergleichen.
-
Die Optimierung kann dabei im Hinblick auf die Lebensdauer der Drehanode und/oder eine optimale Bildqualität und/oder einen geringeren Leistungseintrag bei gleicher Ausbeute durchgeführt werden. Letztlich können dabei beispielsweise Randbedingungen derart modifiziert werden, dass nicht bestimmte Grenzen fest vorgegeben werden, sondern so gering wie möglich oder so groß wie möglich sein sollen.
-
Bezüglich der Randbedingungen kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Beschränkung der Modulationstransferfunktion des ortsabhängigen Leistungseintrags und/oder eine Maximaltemperatur der von dem Brennfleck überstrichenen Brennbahn auf der Drehanode und/oder ein maximaler Temperaturgradient auf der Drehanode berücksichtigt werden. Zudem sind selbstverständlich auch Grenzen für den gesamten Leistungseintrag oder dergleichen oder auch die Pulsleistungsdichte denkbar. Die Randbedingungen bezüglich der Modulationstransferfunktion des ortsabhängigen Leistungseintrags (bzw. des daraus abgeleiteten Röntgenleistungsdichte) definieren letztlich Anforderungen an die Qualität der erzeugten Röntgenstrahlung, letztlich also an die Bildqualität. Würden solcherlei Randbedingungen nicht angesetzt werden, würde letztlich ein sehr großer Brennfleck entstehen, was jedoch der Erzeugung eines örtlich möglichst genau lokalisierten Röntgenstrahls entgegensteht. Über die Randbedingungen werden folglich gegenläufige Ziele definiert, die eingehalten werden sollen oder auf die hin eine Optimierung stattfinden soll.
-
Die Temperatur eines Ortes auf der Drehanode, folglich die ortsabhängige und zeitabhängige Temperatur, steigt mit dem durch den Elektronenstrahl vermittelten Leistungseintrag und fällt mit der Wärmeableitung in der Drehanode, wobei beide Größen diesbezüglich selbstverständlich auch zeitabhängig zu betrachten sind. Die Temperatur kann als die Differenz des Leistungseintrags und der Wärmeableitung gesehen werden. Zwar ist es durchaus denkbar, ein entsprechendes Gleichungssystem, insbesondere eindimensional, auch analytisch zu formulieren und zu berechnen, jedoch ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, dass zur Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der ortsabhängigen Temperatur und/oder des zeitlichen Verlaufs der Wärmeableitung eine Simulation durchgeführt wird, insbesondere nach der Methode der finiten Elemente. Dabei können beispielsweise ein betrachteter Ort und die diesen umgebenden Raumelemente betrachtet werden, um den Zeitraum des Durchlaufs des Brennflecks zu beurteilen.
-
Es sei im Übrigen nochmals angemerkt, dass allgemein der zwar konstante Parameter der Drehfrequenz in dem Gleichungssystem nicht mehr als variabel angesehen wird, jedoch einen deutlichen und wichtigen Einfluss auf die optimale Profilform hat.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Bildaufnahmeeinrichtung,
-
2 eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle,
-
3 eine Aufsicht auf die Drehanode der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle,
-
4 das Leistungseintragsprofil senkrecht zur Bewegungsrichtung der Drehanode, und
-
5 das Leistungsprofil und den Temperaturverlauf parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße strahlungsbasierte Bildaufnahmeeinrichtung 1, vorliegend eine C-Bogen-Röntgeneinrichtung. Sie umfasst einen um eine Patientenliege 2 schwenkbaren C-Bogen-3, an dem sich gegenüberliegend eine erfindungsgemäße Strahlungsquelle 4 und ein Strahlungsdetektor 24 angeordnet sind.
-
2 zeigt die erfindungsgemäße Strahlungsquelle 4 genauer. Sie umfasst wie bekannt einen Elektronenemitter 5, mit Hilfe dessen ein Elektronenstrahl 6 erzeugt wird, der auf der Brennbahn 7 einer Drehanode 8 einen Brennfleck erzeugt. Dort entsteht Röntgenstrahlung 9, die über ein Fenster 10 austreten kann.
-
Bei der Strahlungsquelle 4 sind nun jedoch zusätzlich Mittel vorgesehen, um ein asymmetrisches Leistungseintragsprofil des Brennflecks parallel zur Bewegungsrichtung der Drehanode 8 an der Stelle, an der der Elektronenstrahl 6 auf die Drehanode 8 auftrifft, zu erzeugen. Dafür sind im Wesentlichen zwei Möglichkeiten denkbar, die auch in Kombination verwendet werden können. Zum einen kann der Elektronenemitter 5 selbst asymmetrisch ausgebildet sein, beispielsweise zu einer Seite hin ein dünneres Material aufweisen. Zum anderen sind jedoch auch bei 11 angedeutete Mittel zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes denkbar. Diese Mittel 11 können den Elektronenstrahl 6 dahingehend beeinflussen, dass in Bewegungsrichtung der Drehanode 8 die asymmetrische Profilform auftritt.
-
Zur weiteren Verdeutlichung zeigt 3 einen schematischen Aufblick auf die Drehanode 8 mit der kreisförmigen Brennbahn 7. Angedeutet ist zudem eine Position des Brennflecks 12, dessen Leistungseintragsprofil in Drehrichtung der Drehanode 8, hier angedeutet durch die Markierung 13, asymmetrisch sein soll. In der zur Bewegungsrichtung senkrechten Richtung, angedeutet durch die Markierung 14, liegt jedoch ein im Wesentlichen homogenes Leistungseintragsprofil vor, was zunächst durch 4 näher dargestellt werden soll. Dort ist die Intensität (die den Leistungseintrag ja bestimmt) gegen den Ort Y aufgetragen, wobei 15 die Mitte des Brennflecks markiert. Ersichtlich existieren zwei relativ steil ansteigende Flanken 16, damit kein zu starker Temperaturgradient auftritt, wobei das Profil über einen weiten Bereich 17 homogen ist.
-
Anders ist dies im Fall der 5, bei der wiederum der Leistungseintrag in Form der Intensität gegen den Ort X parallel zur Bewegungsrichtung in der Drehanode 8 aufgetragen ist, Kurve 18, parallel dazu ist der Temperaturverlauf auf der Brennbahn 7 durch die Kurve 19 dargestellt.
-
Ersichtlich steigt der Leistungseintrag in einem ersten Bereich 20 zunächst stark bis hin zu einem Maximum 21 an, so dass, wie aus der Kurve 19 ersichtlich ist, die Drehanode 8 schnell auf ihre Maximaltemperatur erhitzt wird. Danach wird der Leistungseintrag in einem Bereich 22 wieder abgesenkt, und dabei gerade so hoch gehalten, dass die Maximaltemperatur gehalten wird. Schließlich wird im Bereich 23 das Ende des Brennflecks 12 erreicht und auch die Temperatur sinkt wieder langsam ab.
-
Die Kurve 18 beschreibt mithin ein asymmetrisches Profil mit einer hohen Anfangslast. Die Maximaltemperatur wird schneller erreicht und kann lange gehalten werden, so dass die Pulsleistungsdichte erhöht werden kann.
-
Die Kurve 18, die das asymmetrische Leistungseintragsprofil in Bewegungsrichtung der Drehanode 8 bestimmt, wurde im Rahmen des erfindungsgemäßen Optimierungsverfahrens ermittelt, was im Folgenden noch näher dargestellt werden soll. Der Optimierung der Brennfleckform liegt folgende mathematische Beschreibung zugrunde. Der Wärmeleistungseintrag in die Brennbahn 7 wird durch eine Funktion P (x, t, ν) beschrieben, die von dem Ortsparameter (Anodenbewegungsrichtung) x, dem Zeitparameter t, und der Drehfrequenz ν der Drehanode 8 abhängt. Der Parameter t hat dabei keinen Einfluss auf die Form des Profils, der Parameter ν ist für die folgende Optimierung konstant, hat jedoch einen erheblichen Einfluss auf den optimalen Verlauf des Leistungseintrags. Die Wärmeleistung wandelt sich teilweise in eine Röntgenleistungsdichte um, beschrieben durch die Funktion R (P(x, t, μ)).
-
Die Temperatur eines bestimmten Ortes x, bezeichnet durch T (x, t) steigt mit dem Leistungseintrag P (x, t) und fällt mit der Wärmeableitung K (x, T(x), T0 (x), t) in der Drehanode 8. Dabei muss selbstverständlich grundsätzlich auch die Umgebung eines Ortes berücksichtigt werden, daher die allgemeine Ortsabhängigkeit. T0 (x) steht dabei für das Anfangstemperaturfeld in der Drehanode 8. Insgesamt lässt sich dieser Zusammenhang also als T(x, t) = P(x, t) – K(x, T(x), T0(x), t) (1) beschreiben.
-
Dazu kommen in dem im Optimierungsverfahren zu betrachteten Gleichungssystem noch diverse Randbedingungen, zunächst bezüglich der Lebensdauer der Drehanode 8 max[T(x, t)t] < Tmax (2) und max[dT(x, t)/dx(x), x] < τmax (3).
-
Dabei ist Tmax die erlaubte Maximaltemperatur der Brennbahn, τmax ein maximaler Temperaturgradient, der erlaubt sein soll.
-
Als „Gegenbedingungen” sind noch auf die Bildqualität bezogene Bedingungen zu beachten. MTF(R(P(x, t0)))(f1) > a1 (4)
-
Randbedingungen dieser Art können für verschiedene Werte von fi und somit auch verschiedene Grenzen ai formuliert werden, wobei MTF die Modulationstransferfunktion bezeichnet.
-
In dem aus den Gleichungen (1)–(4) gebildeten Gleichungssystem stellt nun P(x, t) die zu suchende und zu optimierende Unbekannte dar. Dabei können verschiedenste Optimierungskriterien bzw. Kostenfunktionen betrachtet werden, je nachdem, wohin gehend eine Optimierung durch das asymmetrische Leistungseintragsprofil erfolgen soll. So kann beispielsweise eine Optimierung auf eine möglichst hohe Pulsleistungsdichte bei gleicher effektiver Brennfleckgröße und gleichbleibender Lebensdauer der Drehanode 8 betrachtet werden, es ist jedoch auch denkbar, beispielsweise bei gleicher Leistung durch eine Optimierung die Lebensdauer der Drehanode 8 zu optimieren, mithin den maximalen Temperaturgradienten oder die Maximaltemperatur möglichst klein zu wählen.
-
So können zielgerichtet durch den durch die vorliegende Erfindung eröffneten neuen Freiheitsgrad Optimierungen an Strahlungsquellen vorgenommen werden.
-
Es sei schließlich noch angemerkt, dass die Wärmeableitung K analytisch bestimmt werden kann, jedoch ist es auch denkbar, diese Wärmeableitung (und gegebenenfalls auch die Temperatur T) im Wege einer Simulation, insbesondere nach der Methode der finiten Elemente, zu ermitteln.
