DE102009049663A1

DE102009049663A1 - Feldemission-Röntgenquelle mit magnetischem Brennpunkt-Screening

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Publication number: DE102009049663A1
Application number: DE200910049663
Authority: DE
Inventors: Moritz Dr. Beckmann; Jens Dr. Fürst; Peter Dr. Schardt; Frank Dr. Sprenger; Otto Prof. Zhou
Original assignee: Siemens AG; Siemens Medical Solutions USA Inc; XinRay Systems LLC
Current assignee: Siemens AG; Siemens Medical Solutions USA Inc; XinRay Systems LLC
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Ein Röntgen-Bildgebungssystem besitzt eine Röntgenquelle mit einer Elektronenfeldemissionsquelle, die einen Röntgenstrahl emittiert, der auf eine längliche stationäre Anode in einem evakuierten Gehäuse auftrifft. Ein magnetisches Ablenksystem lenkt den Elektronenstrahl zwischen der Elektronenfeldemissionsquelle und der Anode derart, dass der Elektronenstrahl an verschiedenen Stellen auf die Anode auftreffen kann, wodurch bewirkt wird, dass Röntgenstrahlen von diesen verschiedenen Stellen emittiert werden, indem der Grad der magnetischen Ablenkung gesteuert wird. Ein Strahlungsdetektor detektiert die Röntgenstrahlen nach Dämpfung durch ein Untersuchungsobjekt und erzeugt abhängig von der detektierten Strahlung Signale, die ein Bild des Untersuchungsobjekts repräsentieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine für die Röntgenbildgebung geeignete Röntgenquelle, insbesondere eine Feldemissions-Röntgenquelle.
Röntgenbildgebung wird in vielen Gebieten der medizinischen Diagnose und Therapie verwendet. Auch für industrielle Untersuchungen und Prüfungen sowie zur Sicherheitsuntersuchung wird Röntgenbildgebung verwendet. Bei Röntgenbildgebung, die ein dreidimensionales Bild des Untersuchungsobjekts, (z. B. Patient, Gepäckstück) produziert, wird das Untersuchugsobjekt mit einem Röntgenstrahl aus einer großen Anzahl verschiedener Richtungen bestrahlt, wobei jede gerichtete Strahlung zu einer 2D-Projektion führt, die durch den Strahlungsdetektor detektiert wird. Es gibt viele bekannte Techniken zum Kombinieren mehrerer 2D-Projektionen zur Rekonstruktion eines 3D-Bildes des bestrahlten Objekts daraus.
Ein beispielhaftes Röntgenbildgebungssystem des obigen Typs ist ein Computertomographie- bzw. CT-System. CT ermöglicht die Rekonstruktion eines 3D-Bildes des Untersuchungsobjekts durch Beschaffung von hunderten oder tausenden 2D-Projektionen aus verschiedenen Projektionswinkeln. Bei vielen derzeitigen CT-Scannern wird eine einzige Röntgenröhre mechanisch um das Objekt gedreht, um die mehreren zum Rekonstruieren des 3D-Bildes des Untersuchungsobjekts erforderlichen Projektionsdatensätze zu erhalten. Die Notwendigkeit einer mechanischen Drehung der Röntgenröhre begrenzt die Geschwindigkeit der Datenbeschaffung. Darüber hinaus verkompliziert sich die Steuerung solcher Systeme durch die Struktur zum mechanischen Drehen der Röntgenröhre. Viele derzeitige CT-Scanner beschaffen 2D-Projektionsbilder aus einem Betrach tungswinkel auf einmal und die Geschwindigkeit des CT-Scanners ist deshalb begrenzt.
Röntgensysteme mit verbesserter Bildgebungsgeschwindigkeit sind zum Beispiel ultraschnelle Elektronenstrahl-CT-Scanner-Systeme und Untersuchungssysteme für Leiterplatten (PCB). Bei diesen bekannten Systemen lenkt ein elektromagnetisches Feld einen Elektronenstrahl zu verschiedenen Positionen auf dem Röntgentarget (Anode), um einen abtastenden Röntgenstrahl zu produzieren. Solche Systeme können groß und kostspielig sein und weisen einen begrenzten Bereich von Betrachtungswinkeln auf. Röntgenbildgebungssysteme, die weniger kostspielig sind und einen größeren Bereich von Betrachtungswinkeln bereitstellen, sind wünschenswert.
Bei herkömmlichen CT-Systemen werden eine Röntgenröhre, ein Röntgendetektor und andere Geräte, wie etwa Kühlgeräte, auf einer Gantry um das Untersuchungsobjekt gedreht. Typischerweise sind mehr als eintausend 2D-Projektionen zur Rekonstruktion eines Querschnitts eines menschlichen Körpers notwendig. Gantrygeschwindigkeiten können in der Größenordnung von 3 Hz liegen. Das heißt, dass alle Komponenten in dem sich drehenden Teil der Gantry eine Beschleunigung von ungefähr 30 G erfahren. Alle Komponenten in der Gantry müssen in der Lage sein, dieser sehr großen Kraft zu widerstehen, wodurch das Gesamtsystem aufgrund der notwendigen strukturellen Verstärkung und der Anbringung, die notwendig ist, kostspielig wird. Darüber hinaus wird die Zeit zum Erhalten des Gesamtbilds durch die mechanische Bewegung der Gantry beschränkt. Um relativ schnelle Bewegungen aufzulösen, um zum Beispiel ein Bild eines schlagenden Herzens zu erhalten, hat die Technologie der sich drehenden Gantry ihre Grenzen erreicht.
Es werden mehrere Ansätze vorgeschlagen, um die Verwendung einer solchen sich drehenden Gantry zu vermeiden. Solche statischen CT-Systeme enthalten keinen sich drehenden Teil, auf dem die Röntgenröhre, der Detektor und andere Komponenten angebracht werden.
Zum Beispiel offenbart das US-Patent Nr. 7,295,651 ein System mit mehreren jeweils durch Feldemitter gebildeten Quellen und Detektoren, die in einem Ring orientiert sind. Die Röntgenemitter erzeugen einen Elektronenfluss, der auf die Anode auftrifft, woraus Röntgenstrahlen emittiert werden. Die US-Patente Nr. 7,218,700 und 7,233,644 offenbaren ähnliche Systeme.
Wie bereits erwähnt, liegt die zu Erzielung derselben Qualität wie bei CT-Systemen erforderliche Anzahl von Projektionsdatensätzen in der Größenordnung von eintausend. Das heißt, dass, wenn sich die Röntgenquelle nicht dreht, mehr als eintausend kleine Röntgenquellen um das Untersuchungsobjekt herum positioniert werden müssen. Es wurde gezeigt, dass verteilte Röntgenquellen auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren machbar sind, wie zum Beispiel in Applied Physics Letters 86, 184104 (2005), Zhang et al beschrieben wird. Zusätzlich sind Röntgensysteme mit einer hohen Anzahl und Dichte individueller Röntgenquellen von XinRay Systems LLC kommerziell erhältlich. Solche Systeme benötigen jedoch ein großes evakuiertes Gehäuse oder eine große evakuierte Kammer mit einer großen Anzahl von Quellen darin und sind somit kostspielig bei der Herstellung.
Das US-Patent Nr. 7,218,700 offenbart ein Röntgensystem zum Reduzieren der Anzahl von Röntgenquellen, wobei mehrere verschiedene Röntgenstrahlen durch elektromagnetische Felder auf eine Ringanode abgelenkt werden. Jede Quelle erzeugt einen durchlaufenden Elektronenstrahl auf dieser Ringanode in einer distinkten Region der Ringanode.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Röntgenbildgebungssystems, wobei die oben bespro chenen mit bekannten Systemen assoziierten Probleme vermieden oder zumindest minimiert werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Röntgenquelle mit einem oder mehreren Feldemissions-Elektronenemittern und einer länglichen Anodenstruktur. Ein Magnetfeld wird verwendet, um den Elektronenstrahl bzw. die Strahlen, der bzw. die von dem Emitter bzw. den Emittern emittiert werden, entlang der Anode abzulenken, um so den Brennpunkt, von dem die Röntgenstrahlen von der Anode emittiert werden, entlang der länglichen Anode zu bewegen.
1 zeigt schematisch die Verwendung von Elektronenquellen gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Vorrichtung zur Computertomographie (CT).
2 zeigt schematisch eine Kathodenbaugruppe einer Röntgenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt schematisch eine Röntgenquelle gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine schematische Draufsicht der Röntgenquelle von 3.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Stromprofils zur Versorgung der Elektronenablenkspule gemäß der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt schematisch die Verwendung mehrerer Röntgenquellen gemäß der vorliegenden Erfindung in der Ausführungsform einer Bildgebungsvorrichtung der Computertomographie. Die Bildgebungsvorrichtung besitzt eine kreisring- oder ringförmige evakuierte Gehäusebaugruppe 1, die aus mehreren Röntgenquellen gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengesetzt ist. Die in 1 gezeigte Ausführungsform der CT-Vorrichtung besitzt einen Detektorarrayring 2, der die aus der evakuierten Gehäusebaugruppe 1 emittierten Röntgenstrahlen detektiert. Der Detektorarrayring 2 ist in der Longitudinalrichtung (d. h. in der senkrecht zu der Zeichnungsebene in 1 voranschreitenden Richtung) so versetzt, dass die von der evakuierten Gehäusebaugruppe 1 emittierten Röntgenstrahlen einen Patienten P auf einem Patientenbett 3 durchdringen und dann durch individuelle Detektorelemente des Detektorarrayrings 2 detektiert werden. Der Detektorarrayring 2 muss jedoch nicht kontinuierlich um den Patienten P herum voranschreiten, sondern kann je nach Bedarf nur einen Teil des Gesamtausmaßes um den Patienten P herum einnehmen.
2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Kathodenbaugruppe, die für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist. Die Kathodenbaugruppe 4 besitzt einen Feldemitter, der durch ein Kathodensubstrat 5 und ein Torgitter 7 gebildet wird. Das Torgitter 7 schreitet parallel zu einem Emissionsbereich 6 voran. Durch Anlegen von Spannung an das Torgitter 7 wird auf bekannte Weise die Emission von Elektronen durch das Kathodensubstrat 5 bewirkt. Diese Elektronen werden durch Fokussierungselemente 8 zu einem Elektronenstrahl fokussiert. Das Torgitter 2 und das Kathodensubstrat 5 besitzen eine Potentialdifferenz zwischen ihnen, die die Erzeugung eines elektrischen Felds in dem Emissionsbereich 6 verursacht, in dem dadurch bewirkt wird, dass die Elektronen emittiert werden.
3 zeigt die Kathodenbaugruppe 4 im Inneren eines evakuierten Gehäuses 10. Gegenüber der Kathodenbaugruppe 4 befindet sich eine Anode 9. Durch Anlegen einer Hochspannung zwischen dem Kathodensubstrat 5 und der Anode 9 werden die Elektronen in dem erwähnten Elektronenstrahl in Richtung der Anode 9 beschleunigt und produzieren beim Auftreffen auf der Anode 9 an dem Brennpunkt Röntgenstrahlen. Die emittierte Strahlung tritt über ein Röntgenfenster 11 aus dem evakuierten Gehäuse 10 aus. Das evakuierte Gehäuse 10 der evakuierten Gehäusebaugruppe 1 kann mehrere Kathodenbaugruppen 4 inner halb einer bestimmten Distanz enthalten. Die Anode 9 ist jedoch eine gemeinsame Anode für alle Kathodenbaugruppen in der evakuierten Gehäusebaugruppe 1.
Auf gegenüberliegenden Seiten des evakuierten Gehäuses 10 befinden sich Spulen 12, wie zum Beispiel Sattelspulen. Der Strom in den Spulen 12 fließt in derselben Richtung, um so ein Magnetfeld 14 senkrecht zu den Ebenen der Spulen 12 zu produzieren, wie durch die Richtung des Pfeils angegeben wird. Der Strom in den Spulen 12 wird durch eine Stromquelle 13 erzeugt, die bezüglich Amplitude und Signalform durch eine Steuereinheit 15 gesteuert wird. Der durch jede Kathodenbaugruppe 4 emittierte Elektronenstrahl wird durch das Magnetfeld 14 so abgelenkt, dass er an verschiedenen Stellen auf die Anode 9 auftritt, wie in Verbindung mit 3 ausführlicher erläutert werden wird. Jede Stelle, an der der Elektronenstrahl auf die Anode 9 auftritt, wird als ein Brennpunkt betrachtet, so dass abhängig von der Amplitude des Stroms in den Spulen 12 Röntgenstrahlen von verschiedenen Brennpunkten entlang der Länge der Anode 9 erzeugt werden.
Wie in 4 gezeigt, können mehrere Kathodenbaugruppen 4 und 4 in der evakuierten Gehäusebaugruppe 1 vorgesehen werden. Dies ermöglicht die Erzeugung von Röntgenstrahlen von einem längeren Teil der Anode 9 durch Lenken der Elektronenstrahlen von den jeweiligen Kathodenbaugruppen 4 und 4' von einer Seite der Anode 9 zur anderen. Synchron mit der Signalform (Amplitude) des Stroms in den Spulen 12 kann ein Ausschalten des Elektronenstrahls in der Kathodenbaugruppe 4 (Kathodenbaugruppe für Pixel A) und ein Einschalten des Elektronenstrahls für die weitere Kathodenbaugruppe 4' (Kathodenbaugruppe für Pixel B) in unmittelbarer Abfolge erreicht werden. Ein Beispiel ist die Verwendung eines Sägezahnsignals wie in 5 gezeigt, so dass der Strom in den Spulen 12 wieder auf den Wert geändert wird, den der Strom am Anfang einer Lenkprozedur in der Kathodenbaugruppe 5 aufwies, gefolgt durch Starten einer zweiten Lenkprozedur entlang einem anderen Anodenteil für die Kathodenbaugruppe 4'.
Zur Herstellung der notwendigen elektrischen Verbindungen ist das evakuierte Gehäuse 10 mit entsprechenden elektrischen Durchführungen für jede Kathodenbaugruppe 4 und (gegebenenfalls) 4' und für die Anode 9 ausgestattet. Diese elektrischen Verbindungen können auf bekannte Weise ausgeführt sein und sind nicht separat gezeigt. Die Anode 9 kann auch segmentiert werden, um Röntgenstrahlen mit verschiedenen Energien zu produzieren, indem verschiedene Anodenspannungen an die individuellen Segmente angelegt werden.
Zusätzlich kann eine (nicht gezeigte) Solenoidspule entlang der Länge der Anode 9 um das evakuierte Gehäuse 10 herum aufgebracht werden, um so ein Magnetfeld entlang der Richtung der Anode 9 zu produzieren. Dies ermöglicht ein Herauf- und Herunterbewegen des Elektronenstrahls entlang des Anodenwinkels der Anode 9. Durch Ändern des Stroms in dem Solenoid mit hoher Frequenz kann die Brennpunktposition auf der Anode 9 mit einer hohen Frequenz senkrecht zu der Anodenrichtung geändert werden.
Die oben beschriebene Röntgenröhre kann so entworfen werden, dass sie einen vollständigen Ring oder ein Polygon um das Untersuchungsobjekt herum bildet. Zusammen mit allen notwendigen elektrischen Stromversorgungen zur Bereitstellung der elektronischen Extraktionsspannung sowie der Anodenspannung und dem Detektor 2 wird ein Bildgebungssystem erzielt. Der Detektor 2 kann stationär oder beweglich sein. Das Bildgebungssystem kann für Computertomographie verwendet werden. Die Abtastgeschwindigkeit eines solchen Systems kann viel höher als bei herkömmlichen Systemen sein, da keine mechanischen Teile oder weniger mechanische Teile vorliegen, die mit hohen Geschwindigkeiten gedreht werden müssen.
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

- US 7295651 [0007]
- US 7218700 [0007, 0009]
- US 7233644 [0007]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Applied Physics Letters 86, 184104 (2005), Zhang et al [0008]

Claims

Röntgen-Bildgebungssystem, umfassend: eine Röntgenquelle mit einer Elektronenfeldemissionsquelle und einer länglichen stationären Anode im Inneren eines evakuierten Gehäuses, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle einen Elektronenstrahl emittiert, der in Richtung der Anode beschleunigt wird und der beim Auftreffen auf die Anode die Emission von Röntgenstrahlen von der Anode bewirkt, ein magnetisches Ablenksystem, das den Elektronenstrahl zwischen der Elektronenfeldemissionsquelle und der Anode lenkt, um eine Stelle zu ändern, auf der der Röntgenstrahl auf die Anode auftrifft und von der die Röntgenstrahlen emittiert werden, und einen Röntgendetektor, der die Röntgenstrahlen detektiert und elektrische Signale erzeugt, die ein Bild eines durch die Röntgenstrahlen bestrahlten Untersuchungsobjekts darstellen.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle einen Elektronenemitter umfasst, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: Nanoröhre, Nanostab, Spindt-Spitze und Diamant-Nanopartikel.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle eine erste Elektronenfeldemissionsquelle ist und wobei die Röntgenquelle mehrere zusätzliche Elektronenfeldemissionsquellen zusätzlich zu der ersten Elektronenfeldemissionsquelle umfasst.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die längliche Anode mehrere Anodensegmente umfasst.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei das magnetische Ablenksystem ein Paar von Sattelspulen um fasst, die sich an einem Äußeren des evakuierten Gehäuses befinden.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Sattelspulen aus Spulensegmenten bestehen.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 6, wobei die jeweiligen Segmente der Spule unabhängig mit Strom versorgt werden.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 5 mit einer Steuereinheit, die den Spulen Strom mit einer sich periodisch ändernden Stromamplitude zuführt.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit den Spulen Strom mit einer Sägezahn-Signalform zuführt.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, umfassend eine Solenoidspule, die sich um die Anode herum entlang einem longitudinalen Ausmaß der Anode erstreckt.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle eine erste Elektronenfeldemissionsquelle ist und wobei die Röntgenquelle mehrere zusätzliche Elektronenfeldemissionsquellen zusätzlich zu der ersten Elektronenfeldemissionsquelle umfasst, und mit einer Steuereinheit, die die erste Feldemissionselektronenquelle und die zusätzlichen Feldemissionselektronenquellen hintereinander aktiviert.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 10, wobei die Steuereinheit die Sattelspulen gleichzeitig und unabhängig voneinander betreibt.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle eine erste Elektronenfeld emissionsquelle ist und wobei die Röntgenquelle mehrere zusätzliche Elektronenfeldemissionsquellen zusätzlich zu der ersten Elektronenfeldemissionsquelle umfasst, wobei das evakuierte Gehäuse und die erste Elektronenfeldemissionsquelle und die zusätzlichen Elektronenfeldemissionsquellen als ein das Untersuchungsobjekt umgebender Ring ausgebildet sind.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle eine erste Elektronenfeldemissionsquelle ist und wobei die Röntgenquelle mehrere zusätzliche Elektronenfeldemissionsquellen zusätzlich zu der ersten Elektronenfeldemissionsquelle umfasst, wobei das evakuierte Gehäuse und die erste Elektronenfeldemissionsquelle und die zusätzlichen Elektronenfeldemissionsquellen als ein das Untersuchungsobjekt umgebendes Polygon ausgebildet sind.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei die Elektronenfeldemissionsquelle eine erste Elektronenfeldemissionsquelle ist und wobei die Röntgenquelle mehrere zusätzliche Elektronenfeldemissionsquellen zusätzlich zu der ersten Elektronenfeldemissionsquelle umfasst, wobei die erste Elektronenfeldemissionsquelle und die zusätzlichen Elektronenfeldemissionsquellen jeweils individuell in einem unabhängigen evakuierten Gehäuse enthalten sind.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Detektor mehrere Detektoren umfasst, die aus der folgenden Gruppe ausgewählt werden: Si-PIN-Photodioden-Röntgendetektoren, CCD-Flächendetektoren, Detektoren mit amorpher Seleniumfläche und Detektoren mit amorpher Siliziumfläche.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei sich der Röntgendetektor vollständig um das Untersuchungsobjekt herum erstreckt.
Röntgen-Bildgebungssystem nach Anspruch 1, wobei der Röntgendetektor beweglich ist, und mit einer Steuereinheit, die den Röntgendetektor mit der Bewegung des Brennpunkts auf der Anode synchronisiert bewegt.