DE102009051633B4

DE102009051633B4 - Spannungsstabilisierung für gittergesteuerte Röntgenröhren

Info

Publication number: DE102009051633B4
Application number: DE102009051633.6A
Authority: DE
Inventors: Johannes Walk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2029-11-03
Also published as: US20110103552A1; CN102056389B; US8774366B2; CN102056389A; DE102009051633A1

Abstract

Röntgengerät mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses, welches – zum Erzeugen einer Korrekturspannung nach Maßgabe einer bezüglich des Parameters Zeit und bezüglich ihrer Form anpassbaren Korrekturfunktion zur Korrektur einer zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung zur Erzielung einer konstanten Spannung auch im Zeitraum der Steuerung mittels der Steuerelektrode und – zum Korrigieren der zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung nach Maßgabe der Korrekturspannung ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Röntgengerät mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses und ein Verfahren zum Betreiben des Röntgengeräts.
Röntgenstrahlen sind in der medizinischen Diagnose weit verbreitet. Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt dabei üblicherweise mittels sog. Röntgenröhre. Eine Röntgenröhre umfasst in der Regel ein Gehäuse, in welchem ein Vakuum hergestellt ist. Die Röhre ist zudem mit einer Anode und einer Kathode ausgebildet, welche sich im Inneren des Vakuumgehäuses befinden. Für den Betrieb wird die Kathode üblicherweise erhitzt, um die Emission von Elektronen zu unterstützen. Die Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt dann durch Anlegen einer Spannung zwischen Anode und Kathode. Dabei handelt es sich meist um eine Hochspannung im Bereich von 40–125 kV, die von einem sog. Röntgengenerator (Generator) bereitgestellt wird. Die angelegte Spannung lässt Elektronen aus der Kathode austreten, die beschleunigt werden und beim Auftreffen auf der Anode Röntgenstrahlen erzeugen, welche durch ein Austrittsfenster das Gehäuse verlassen.
Zur besseren Steuerung der Bestrahlung hat sich die Verwendung einer Steuerelektrode, üblicherweise in Form eines Steuergitters, etabliert. Anstatt die Spannung zwischen Anode und Kathode auf- und abzubauen wird die Steuerelektrode derart in dem Gehäuse zwischen Anode und Kathode angeordnet, dass sich durch Anlegen einer Steuerspannung zwischen Elektrode und Kathode der Elektronenfluss zur Anode stoppen lässt. Man spricht hier üblicherweise vom Anlegen einer Sperrspannung, welche üblicherweise auch von Generator erzeugt wird. Dieses Vorgehen ist beispielsweise in den Druckschriften DE 101 36 947 A1 und JP 11204289 A beschrieben.
Bei dem Betrieb leistungsstarker gittersperrbarer Röhren mit hoher Schaltgeschwindigkeit an anstehender Hochspannung ist bei steilflankigem Schalten der Strahlung (entspricht dem Einbringen einer Last) ein Einbruch bzw. ein Überschwinger der Hochspannung zu sehen. Die Abweichung dieser Ist-Röhrenspannung vom Sollwert beträgt quantitativ bis zu 40% und führt zu einer nicht-monochromatischen Strahlung am Strahlungsbeginn bzw. -ende sowie im Falle einer Überspannungsspitze zu einem erhöhten Risiko von Überschlägen und durch diese Überschläge erzeugten und anderen Schäden. Dies wirkt sich reziprok zur Aufnahmezeit in der Strahlqualität aus und ist somit insbesondere bei sehr kurzen Pulsen von Bedeutung.
Die DE 102 28 336 C1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Spannungsregeleinrichtung, welche durch eine zusätzliche Schwingstromregeleinrichtung eine hohe Regelgeschwindigkeit ermöglicht.
In der US 2004/0 114 722 A1 ist ein Röntgengenerator gezeigt, bei dem Spannungsschwankungen bei der Generierung eines Brennpunkts mittels einer an der Brennpunktselektrode anliegenden Brennpunktsspannung unterdrückt werden.
Die US 2008/0 043 917 A1 offenbart ein System zur Strahlungserzeugung durch Elektronenbeschuss eines Targets.
In der DE 34 37 064 A1 ist ein Röntengenerator mit Spannungsregelkreis beschrieben.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Röntgengerät und ein Verfahren zur Betreibung eines Röntgengeräts anzugeben, die eine hohe Monochromie der Strahlung auch bei kurzen Pulsen gewährleisten.
Die Aufgabe wird durch ein Röntgengerät bzw. ein Verfahren gemäß den Ansprüchen gelöst. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Röntgengerät erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Röntgengerät mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses. Dieses Gerät ist zum Erzeugen einer Korrekturspannung bzw. einer korrigierten Spannung ausgebildet. Dabei erfolgt die Erzeugung der Korrekturspannung nach Maßgabe einer Korrekturfunktion für die Korrektur einer zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung (in der Regel Hochspannung). Die Korrekturfunktion ist für eine Korrektur im Sinne bzw. zur Erzielung einer (möglichst) konstanten Spannung gestaltet. Dabei ist insbesondere die Form der Korrekturfunktion auch im Hinblick auf das Erfordernis einer konstanten Spannung im Zeitraum der Steuerung mittels der Steuerelektrode sowie möglichst einer Kompensation anfallender Signallaufzeiten spezifiziert. Schließlich ist das Gerät (in der Regel der Generator) zum Korrigieren der zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung nach Maßgabe der Korrekturspannung ausgebildet, um so die Spannungsstabilität der zwischen Anode und Kathode anliegenden Spannung zu verbessern.
Die Korrekturspannung kann beispielsweise die zwischen der Anode und Kathode anliegende Spannung sein, d. h. eine im Hinblick auf bessere Stabilität korrigierte Spannung zwischen Anode und Kathode. Es kann sich aber auch um eine zusätzliche Spannung (z. B. Spannungspuls) handeln, die zwischen Anode und Kathode angelegt wird, um die bereits anliegende Spannung im Sinne einer stabileren Gesamtspannung zu beeinflussen bzw. zu korrigieren.
Die Erfindung führt zu einer besseren Spannungskonstanz zwischen Anode und Kathode, insbesondere bei Strahlungsbeginn und -ende. Dadurch werden vor allem beim Ein- und Ausschalten auftretende Abweichungen der Strahlungsenergie bzw. -härte der erzeugten Röntgenstrahlung vom eingestellten Wert vermieden (verbesserte kV-Stabilität bei Strahlungsbeginn und -ende). Eine verbesserte Monochromie der Strahlung bzw. eine konstantere Strahlenhärte wird somit erzielt.
Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Spannungsspitzen bzw. die Verhinderung des Auftretens von Überspannungen bzw. Spannungsspitzen, welche eine Belastung der Elektronik und des Strahlers (Röhre) darstellt, die zu Fehler und Ausfällen führen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst das Röntgengerät einen Spannungsregler zum Regeln der zwischen der Anode und der Kathode anliegenden Spannung und ist zum gezielten Beeinflussen des Reglers mittels wenigstens eines nach Maßgabe der Korrekturfunktion erzeugten Signals ausgestaltet. Dabei kann ein vom Regler erzeugtes Signal zur Verbesserung der Spannungskonstanz beeinflusst bzw. korrigiert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Gerät bzw. dessen Generator für eine Messung der effektiven Spannung der zwischen der Anode und der Kathode bestehenden Spannung ausgebildet. Dabei ist mit „effektiver Spannung” die mittels der Korrekturspannung korrigierte Spannung gemeint. Das Gerät bzw. der Generator ist zudem dafür eingerichtet, dass eine Anpassung der Korrekturfunktion nach Maßgabe einer Abweichung der effektiven Spannung von einem Sollwert durchführbar ist. Dabei kann eine händische oder automatische Anpassung vorgesehen sein. Der Sollwert ist üblicherweise der für die Bestrahlung mit einer eingestellten Strahlungsenergie der Röntgenstrahlung erforderliche Spannungswert.
Vorzugsweise ist die Korrekturfunktion bzgl. der Parameter Zeit und Form anpassbar. Dabei ist es sinnvoll, den Parameter Zeit auf einen Beginn bzw. ein Ende einer Bestrahlung zu beziehen. Z. B. kann die Korrekturfunktion auf der Zeitskala nach Maßgabe einer Abweichung der effektiven Spannung von einem Sollwert veränderbar bzw. verschiebbar sein, um so eine möglichst gute Kompensation von Spannungsschwankungen zu erreichen. Ein weiterer möglicher Parameter zur Optimierung der Korrekturfunktion ist deren zeitliche Länge. Die Korrekturfunktion kann in analoger oder digitaler Form gegeben und durch eine analytische Funktion beschreibbar sein. Eine Interpolation von Funktionswerten kann vorgesehen sein. Diese Interpolation kann sowohl eine Interpolation bzgl. der Zeit als auch bzgl. unterschiedlicher Arbeitspunkte sein. Die Funktionswerte selber können z. B. Spannungs- oder Stromwerte repräsentieren, nach deren Maßgabe ein Spannungskorrekturvorgang erzeugt wird. Dies kann z. B. in Zuge einer Anpassung bzw. Abänderung eines Regelungssignals erfolgen. So kann das Röntgengerät einen Regelkreis zur Stabilisierung der zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung umfassen. In diesem Fall kann vorgesehen sein, nach Maßgabe der Korrekturfunktion ein zur Regelung erzeugtes Signal anzupassen, so dass die durch die Regelung vermittelte Stabilisierung verbessert wird.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Gerät bzw. der Generator für einen Beginn einer Korrektur vor Einsetzen einer Bestrahlung, die mit durch den Spannungskorrekturvorgang zu korrigierenden Spannungsabweichungen verbunden ist, ausgestaltet. Dabei ist die Zeitverschiebung zwischen Beginn des Spannungskorrekturvorgang bzw. eines dafür erzeugten Signals und dem Beginn der Bestrahlung anpassbar. Dasselbige gilt für das Bestrahlungsende.
Nach einer Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes umfasst das Gerät bzw. die Anlage eine Tabelle (Look-up table) mit Parametern, die die Korrekturfunktion (bzw. Werte der Korrekturfunktion) codieren. Diese Parameter sind zur Erzeugung eines Signals zur Spannungskorrektur auslesbar bzw. können geladen werden. Vorzugsweise werden Parameter für verschiedene Arbeitspunkte bereitgestellt. Zur Anpassung des Spannungskorrekturvorgangs kann ein Überschreiben bzw. Ersetzen von Parametern der Tabelle mit angepassten Parametern vorgesehen sein.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Röntgengerät Vorrichtungselemente zur Hochspannungserzeugung, wobei diese Vorrichtungselemente einen Wechselrichter umfassen und die Steuerung des Wechselrichters mit dem zeitlichen Verlauf der Spannungskorrektur bzw. eines dafür erzeugten Signals korrelierbar bzw. synchronisierbar ist.
Der Erfindungsgegenstand beinhaltet auch ein Verfahren zum Betreiben eines Röntgengeräts mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses. Gemäß diesem Verfahren wird eine Spannungskorrektur nach Maßgabe einer Korrekturfunktion für die Korrektur einer zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung im Sinne einer konstanten Spannung auch im Zeitraum der Steuerung mittels der Steuerelektrode erzeugt.
Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden im Rahmen eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine Übersicht über eine Röntgenanlage
2: eine schematisch dargestellte Röntgenröhre
3: verschiedene Signalverläufe
4: Beispiele für erfindungsgemäße Korrektursignalverläufe
5: ein Blockschaltbild zur Illustration einer Einspeisung der erfindungsgemäßen Korrektur in einen Hochspannungsregler einer Röntgengenarators
6: eine Illustration der Wirkung einer Synchronisation der Korrektur zu der im Generator vorhandenen Wechselrichteransteuerung
7: ein erstes Ablaufdiagramm für ein initiales Lernen einer Korrekturfunktion
8: ein zweites Ablaufdiagramm zur dynamischen Nachjustage der Spannungskorrektur
1 zeigt eine für derzeitige Geräte typische Übersicht von Bestandteilen einer Röntgenanlage. Ein Röntgen-Generator 20 umfasst eine Kontrolleinheit 1 sowie die Elemente Wechselrichter/Hochspannungserzeuger 22, Anodenantrieb 24 (RAC: Rotation Anode Control), Gitterspannungserzeugungseinheit 25 und eine Steuerungseinheit 26 für das Heizen der Kathode bzw. des Emitters der Röntgenröhre 23. Weiter ist eine Energieversorgung 21 im Bild gezeigt. Mittels dieser Elemente werden für die Röntgenröhre 23 benötige Spannungen (Anoden- bzw. Kathodenspannung sowie Gitterspannung) und andere Signale (Ansteuerung Drehanodenantrieb, Ansteuerung Emitter-Heizung, ...) bereitgestellt. Mittels der Röntgenröhre 23 werden Röntgenstrahlen XRAY generiert. Weiter ist eine zentrale Steuerungseinheit 40 mit einem Bedienteil 41. Eine Steuerung von weiteren Anlagen 42 und 43 sowie eines zweiten Röntgengenerators 44, der eine weitere Röntgenröhre 45 antreibt, mittels dieser Steuerungseinheit 40 ist vorgesehen.
2 zeigt schematisch eine Röntgenröhre und veranschaulicht Definitionen von für die Röhre relevante Größen. In einem Vakuumgehäuse V sind eine Kathode K und eine Anode A angeordnet. Bei Betrieb emittiert die Kathode K Elektronen, welche beschleunigt werden und auf die Anode A auftreffen. Bei diesem Aufprall der Elektronen werden Röntgenstrahlen XRAY erzeugt, die üblicherweise durch ein Sichtfenster aus dem Vakuumgehäuse V entweichen. Bei Betrieb der Röntgenröhre fließt ein Strom It_act. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Spannung Ut_act an, mittels welcher die Elektronen beschleunigt werden. Beginn und Ende der Bestrahlung werden mittels eines Steuergitters G oder über die Hochspannung UT_act gesteuert. Zwischen diesem Steuergitter G und der Kathode K liegt die Spannung U_grid an, mit welcher eine Sperrung des Elektronenflusses von der Kathode K zur Anode A bewirkbar bzw. herstellbar ist. Dabei soll die zwischen Anode und Kathode anliegende Spannung Ut_act möglichst konstant bleiben, unabhängig davon, ob eine Bestrahlung durchgeführt wird oder nicht.
Typischerweise wird für eine Bestrahlung der Röntgengenerator mit ca. 40–125 kV und 0–1000 mA (50–100 kW) betrieben. Die Gitterspannung beträgt z. B. 4 kV. Typische Anstiegs- und Abfallzeiten der Gitterspannung sind < 100 μs.
3 zeigt Signalverläufe für in 2 dargestellten Größen und Steuersignale, die für die Erfindung eine Rolle spielen. Die oberste Kurve zeigt im Verlauf der Gitterspannung U_grid. Zunächst liegt eine Gitterspannung an, die einen Elektronenfluss verhindert. Röntgenstrahlung wird durch Freigabe des Gitters erzeugt. Zum Zeitpunkt t₁ im Bild die Gitterspannung abgeschaltet. Die von der Kathode emittierten Elektronen werden nach Wegfall der Sperrspannung zur Anode hin beschleunigt und erzeugen beim Abbremsen Röntgenstrahlung. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Gitterspannung wieder angeschaltet, um den Strahlungsvorgang zu beenden. Die Strahlungsdauer ist die Zeitdifferenz t₂ – t₁, was auch aus dem zweiten Signalverlauf von oben deutlich wird. Dort ist der resultierende Strom It_act dargestellt, welcher zu einer Strahlung XRAY führt. Dieser Strom ist im Zeitraum der Bestrahlung zwischen t₁ und t₂ von null verschieden, d. h. in diesem Zeitraum findet eine Erzeugung von Röntgenstrahlung XRAY statt. Die Kurve darunter zeigt die zwischen Anode und Kathode anliegende unkorrigierte Hochspannung Ut_act. Diese steht permanent (d. h. zwischen und während Bestrahlungspulsen) an. Es ist zu sehen, dass nach dem Einschaltpunkt t₁ sowie nach dem Ausschaltzeitpunkt t₂ Störungen der Spannung Ut_act auftreten, die zu einer Abweichung von der gewünschten Spannungskonstanz führen. Insbesondere führt der im Bild gezeigten Spannungseinbruch zu einer geringeren Beschleunigung der Elektronen und folglich zu einer energetischen Abweichung der erzeugten Röntgenstrahlen von dem eingestellten Wert. Die Strahlung ist somit zumindest am Anfang nicht so monochrom wie gewünscht.
Diese Schwierigkeit wird auch durch den regelmäßig eingesetzten Hochspannungsregler nicht behoben. Derartige Regler benötigen bis etwa 500 μs, um die auftretende Abweichung vom Sollwert auf einen akzeptablen Wert auszuregeln. Daher wird erfindungsgemäß eine entgegen diesem Lastwechsel gerichtete Störgrößenaufschaltung in Form einer in der Zeit verschiebbaren Korrekturfunktion eingeführt. Diese ist in der Lage, sowohl Totzeiten der Hochspannungs-Leistungselektronik (typ. 16 ... 30 μs) als auch eines beliebig ausgeführten Reglers zu korrigieren. Die Funktion kann z. B. mittels eines Logikbausteins berechnet und zu einem bestimmten Zeitpunkt vor einem Schaltereignis ausgelöst werden. Dies kann in Form eines Einwirkens auf einen verwendeten Hochspannungsregler (analog oder digital) geschehen, wofür Beispiele in 5 beschrieben sind.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Funktion wird in den weiteren Kurven der 3 verdeutlicht. Der dritte Signalverlauf von unten zeigt ein Steuersignal „grid_enable_for_inverter”. Dieses Steuersignal ist das Signal der Gitteransteuerung in der Zeit nach vorne und hinten um Tforce (inverter force-time) und Tblock (inverter-block time) verlängert und wird zum Zeitpunkt t₀ < t₁ an- und zum Zeitpunkt t₃ > t₂ abgeschaltet. Der Grund für die von der Bestrahlungszeit abweichenden Länge des Signals liegt darin, dass die Korrekturfunktion auf diese Flanken triggert.
In der Kurve darunter ist ein Korrektursignal gezeigt, das aus zwei Teilen, einem zu Beginn der Bestrahlung und einem nach Ende der Bestrahlung besteht. Der erste Teil dieses Korrektursignals besteht aus einer steil ansteigenden Rampe, welche als Maximum einen als Push-factor bezeichneten Maximalwert erreicht. Dieses Signal fällt dann etwas langsamer auf null ab. Dabei wird dieses Signal schon vor dem Beginn der eigentlichen Bestrahlung (zum Zeitpunkt t₀) gestartet. Der zweite Teil des Signals besteht aus einer Reihe von kleinen Pulsen nach Ende der Bestrahlung. Ganz unten ist die korrigierte Spannung Ut_act zwischen Anode und Kathode gezeigt, welche eine erheblich höhere Konstanz als der Spannungsverlauf ohne Korrektur (mit dünnen Linien angedeutet) aufweist.
In 4 sind verschiedene Möglichkeiten der Korrekturfunktion gezeigt. Die oberste Kurve entspricht dem Spannungsverlauf von Ut_act ohne Korrektur, d. h. dem dritten Bild von oben aus 2. Darunter sind drei verschiedene mögliche Korrekturfunktionen dargestellt. Die unterste davon ist digitalisiert, d. h. durch Werte an diskreten Punkten definiert. Eine Korrekturfunktion kann also, wie in 4 gezeigt, verschieden komplexe Verläufe/Formen im analogen und digitalen aufweisen.
5 zeigt ein Blockschaltbild mit der Einspeisung einer erfindungsgemäßen Korrekturfunktion in einen Hochspannungsregler für eine Röntgenröhre. In dem Bild ist eine Steuereinheit 1 (Controlling Unit) dargestellt. Diese Steuereinheit 1 steuert den Bestrahlungsablauf. Weiter ist ein Bereich 2 gezeigt, welcher die Energieversorgung und die Röntgenröhre enthält. Ein weiterer Bereich 3 dient der Regelung der Spannung. Weiter ist eine Einheit 4 gezeigt, welche der Erzeugung einer erfindungsgemäßen Korrekturfunktion bzw. eines erfindungsgemäßen Korrektursignals dient. Im Bereich 2 sind die Elemente Energieversorgung 21, Wechselrichter/Hochspannungserzeuger 22, Röntgenröhre 23, Anodenantrieb 24 (RAC: Rotation Anode Control) und Gitterspannungserzeugungseinheit 25 gezeigt. Die Emitter-Beheizung wurde in diesem Beispiel der Einheit 22 zugerechnet und somit nicht explizit dargestellt.
Durch die Energieversorgung 21 wird die Hochspannung generierende Einheit 22 gespeist. Diese generiert die Hochspannung, welche für den Betrieb der Röntgenröhre 23 benötigt wird. Der Anodenantrieb 24 erzeugt den für die Rotation der Drehanode der Röhre 23 benötigten Drehstrom, und das Element 25 (Gitterspannungserzeugungseinheit) dient deren Steuerung, wobei Steuersignale an die beiden Elemente 24 und 25 durch die Steuereinheit 1 übermittelt werden. Im Regelungsbereich 3 sind zwei Vergleicher bzw. Elemente zur Differenzbildung 31 und 32, zwei Regler PID, eine Auswahleinheit 35 und eine Begrenzungseinheit 36 vorhanden. Mittels des Vergleichers 31 werden Sollwert und tatsächlicher Wert für den Strom im Bereich der Energieversorgung bzw. des Wechselrichterschwingstroms verglichen. Das Element 32 vergleicht Sollwert und tatsächlichen Wert für die zwischen Anode und Kathode der Röntgenröhre 23 anliegende Spannung. Die Differenz wird jeweils an einen Regler 33 bzw. 34 weitergegeben. Ein Auswahlelement 35 bewertet diesen Input und legt fest, welche Abweichung für die Regelung verwendet werden soll. Üblicherweise wird bei dem Hochfahren des Systems die Differenz des Stromwertes als Kriterium verwendet, während bei hochgefahrenem System die Spannung als Regelgröße herangezogen wird. Die Beschränkungseinheit 36 schließlich beschränkt das die Wechselrichter-Stellgröße (Leistungsteil-Stellgröße) auf einen Bereich zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert.
Die durch die Regelung 3 bereitgestellte Korrektur der Stellgröße wird erfindungsgemäß durch die Einführung einer Korrekturfunktion verbessert. Zu diesem Zweck ist eine Korrekturfunktionserzeugungseinheit 4 gegeben. Diese speist ein Korrektursignal in den Regelungskreis ein. In der Figur sind beispielhaft zwei verschiedene mögliche Stellen angegeben, wo dieses Korrektursignal eingespeist werden kann. Im ersten Fall wird das vom Auswahlelement 35 gelieferte Signal durch das Korrektursignal korrigiert. Im zweiten Fall wird das vom Vergleicher 32 erzeugte Signal durch die Einspeisung des Korrektursignals im Sinne eines verbesserten Ergebnisses für den Unterschied zwischen tatsächlichem und Sollwert korrigiert. Die Korrekturfunktionsgenerierungseinheit 4 erhält Parameter von der Steuerungseinheit 1. Zudem werden von der Steuerungseinheit 1 die Kontrollsignale für die Gitterspannungserzeugungseinheit 25 auch an die Korrekturfunktionsgenerierungseinheit 4 übertragen. Beides dient der Steuerung dieser Korrektur, insbesondere hinsichtlich des zeitlichen Einsatzes. Die Übertragung von Steuersignalen für die Gitterspannungserzeugungseinheit 25 auch an Korrekturfunktionsgenerierungseinheit 4 ermöglicht die Synchronisierung bzw. zeitliche Korrelierung von der Erzeugung der Korrekturfunktion und dem An- bzw. Abschalten der Gitterspannung.
Schließlich wird die Korrekturfunktionsgenerierungseinheit 4 auch noch mit dem aktuellen und nominellen Spannungswert Ut_act bzw. Nom_Voltage versorgt. Diese Information kann z. B. zum Lernen verwendet werden, um so die Form der Korrekturfunktion zu optimieren.
Die Hochspannungserzeugung funktioniert üblicherweise so, dass zunächst von der Energieversorgung 21 gelieferte Wechselspannung gleichgerichtet wird. Diese gleichgerichtete Wechselspannung wird zwecks Transformation mittels eines Wechselrichters wieder zu einer Wechselspannung umgeformt, welche mittels eines Transformators auf Hochspannung transformiert wird. Diese transformierte Hochspannung wird wieder gleichgerichtet und als Gleichspannung an die Röntgenröhre 23 angelegt. Es ist sinnvoll, die Erzeugung einer Korrekturfunktion mit der Wechselrichteransteuerung zu synchronisieren bzw. zu korrelieren. Dies ist in 6 näher dargestellt.
Die Kurve ganz oben aus 6 zeigt einen Stromverlauf, wie er von dem Wechselrichter primärseitig für den Transformator generiert wird. Diese Kurve korreliert mit den in der zweiten Kurve von oben gezeigten Kontrollsignalen zur Steuerung des Wechselrichters. Mit dem vierten Steuersignal dieser Kurve wird die Frequenz des Wechselrichters geändert, was im Zuge einer Änderung der Gitterspannung einem Starten der Bestrahlung entspricht. In der dritten Kurve von oben ist eine Korrekturfunktion gezeigt, deren Beginn mit den darüber gezeigten Kontrollsignalen synchronisiert wird, und zwar derart, dass das Korrektursignal eine bestimmte Zeit vor dem vierten, die Bestrahlung einleitenden Steuersignal beginnt. Die Kurve darunter (vierte Kurve von oben) zeigt eine Vielzahl von möglichen Startpunkten der Korrekturkurve, wenn keine Synchronisierung stattfindet. Die zweite Kurve von unten zeigt die Spannung zwischen Anode und Kathode ohne Korrektur, und die Kurve ganz unten zeigt den Effekt der Korrektur. Die fett durchgezogene Linie der untersten Kurve ist die Linie, welche mit der synchronisierten Korrekturfunktion erhalten wird. Angedeutet sind auch eine Reihe von Kurvenverläufen, die man mit nichtsynchronisierten Funktionsverläufen bekommen würde, sowie (gepunktet) die Kurve ohne Korrektur. Man sieht hier, dass die synchronisierte Korrekturfunktion das beste Ergebnis liefern würde.
Die erfindungsgemäße Korrekturfunktion wird vorzugsweise für das jeweilige Röntgengerät angepasst. Dabei ist es sinnvoll, die unterschiedlichen Bedingungen bei verschiedenen Arbeitspunkten zu berücksichtigen, d. h. je nach Arbeitspunkt (in der Regel durch eingestellte Spannungs- und/oder Stromwerte gegeben) entsprechend angepasste bzw. optimierte Korrekturfunktionen zu verwenden. Das Ermitteln der für die vom Arbeitspunkt abhängige Korrekturfunktion erforderlichen Parameter kann hierbei sowohl empirisch-manuell als auch automatisiert in Form einer „Lernroutine” (7) oder im normalen Betrieb (8) erfolgen. Hierfür sollte eine schnelle Hochspannungs-Messschaltung und eine entsprechende digitale Verarbeitungskette verwendet werden. Die gelernten Werte werden dann z. B. in einer mehrdimensionalen Tabelle (LUT: Look-up Table) hinterlegt und können bei einer weiteren Aufnahme selektiert und gemäß den hinterlegten Parametern aufgeschaltet werden.
7 zeigt ein Lernverhalten bzw. einen Lernprozess für eine vom Arbeitspunkt abhängige Korrekturfunktion. Hierzu sind nur wenige Eckpunkte des Arbeitspunkte-Bereichs abzutesten. Die restlichen Korrekturwerte können mittels eines mathematischen Zusammenhangs interpoliert werden (z. B. wird Interpolationsfunktion, wie z. B. Spline, durch die ermittelten Werte gelegt).
Zunächst wird in 7 der Lernvorgang gestartet (Schritt 61). Es erfolgt im Schritt 62 eine Wahl von Aufnahmeparameter für Spannung und Strom (üblicherweise in den Einheiten kV und mA). Als nächster Schritt 63 erfolgt eine Generator-interne Vorbereitung der Aufnahme. In einem Schritt 64 wird ein gittergesteuerter Strahlungspuls erzeugt, wobei gleichzeitig die Spannung gemessen wird. Die gemessene Spannung wird im nächsten Schritt 65 daraufhin untersucht, ob die Abweichung des Spannungsverlaufs von dem Sollverlauf innerhalb einer Toleranz bleibt. Falls die Abweichung zu groß wird, werden in einem Schritt 66 Korrekturfunktionsparameter ermittelt, mittels welcher die Korrekturfunktion für die nächste Aufnahme korrigiert wird. Wenn im Schritt 65 der Spannungsverlauf innerhalb der Toleranz bleibt, werden in einem Schritt 67 die Korrekturfunktionsparameter gespeichert. Wenn schließlich alle Arbeitspunkte abgearbeitet sind (Abfrage 68), wird eine Tabelle (LUT: Look-up table) generiert und gespeichert, welche die Korrekturfunktion enthält. Schließlich ist das Gerät fertig zum Einsatz mit der erfindungsgemäßen Korrektur.
8 zeigt eine durch Lernen vorgenommene Anpassung der Funktion im Normalbetrieb bzw. Impulsbetrieb. Es erfolgt somit eine Art „Nachlernen” der Korrekturfunktions-Tabelle. Hierbei wird während gittergesteuertem Strahlungsbeginn- und -ende die Hochspannung auf Über- und Unterschwinger kontrolliert. Sollte eine Abweichung vorliegen, können die Funktionsparameter leicht angepasst werden.
Im ersten Schritt wird bei dem Vorgehen nach 8 ein Strahlungspuls von der übergeordneten Instanz angefordert (Schritt 71). Dafür werden Aufnahmeparameter festgelegt (Schritt 72). Im nächsten Schritt 73 wird die Aufnahme vorbereitet und in Schritt 74 durch Gittersteuerung ein Strahlungsimpuls erzeugt, wobei gleichzeitig die Spannung gemessen wird. In einer Entscheidung 75 wird die Abweichung von Sollwerten bewertet. Bei einer zu großen Abweichung werden die Parameter der Funktion korrigiert 76 und in der Tabelle LUT abgelegt 77. Danach bzw. wenn die Spannungsabweichung im Toleranzbereich bleibt, ist das Gerät bereit für den nächsten Strahlungspuls (Schritt 78).
Viele andere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Korrektur der zwischen Anode und Kathode anliegenden Spannung einer Röntgenröhre sind für den Fachmann aus den in der Beschreibung enthaltenen Informationen unmittelbar herzuleiten, insbesondere verschiedene Möglichkeiten der Einspeisung einer Korrektur. Die im Ausführungsbeispiel dargestellten Lösungen sind nur Beispiele und sollen den Gegenstand nicht einschränken.

Claims

Röntgengerät mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses, welches – zum Erzeugen einer Korrekturspannung nach Maßgabe einer bezüglich des Parameters Zeit und bezüglich ihrer Form anpassbaren Korrekturfunktion zur Korrektur einer zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung zur Erzielung einer konstanten Spannung auch im Zeitraum der Steuerung mittels der Steuerelektrode und – zum Korrigieren der zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung nach Maßgabe der Korrekturspannung ausgebildet ist.
Röntgengerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Röntgengerät einen Spannungsregler zum Regeln der zwischen der Anode und der Kathode anliegenden Spannung umfasst, und – das Röntgengerät zum gezielten Beeinflussen des Reglers mittels wenigstens eines nach Maßgabe der Korrekturfunktion erzeugten Signals ausgestaltet ist.
Röntgengerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – nach Maßgabe der Korrekturfunktion ein zur Regelung erzeugtes Signal beeinflusst oder korrigiert wird.
Röntgengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgengerät für eine Messung der zwischen der Anode und der Kathode bestehenden Spannung und für eine Anpassung der Korrekturfunktion nach Maßgabe einer Abweichung der gemessenen Spannung von einem Sollwert ausgebildet ist.
Röntgengerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgengerät für eine händische oder eine automatische Anpassung ausgebildet ist.
Röntgengerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Röntgengerät für eine Messung der zwischen der Anode und der Kathode bestehenden Spannung ausgebildet ist, und die Korrekturfunktion auf der Zeitskala nach Maßgabe einer Abweichung der gemessenen Spannung von einem Sollwert veränderbar ist.
Röntgengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Röntgengerät für eine Erzeugung eines Korrektursignals mit Beginn vor Einsetzen einer Bestrahlung, die mittels der Korrekturfunktion zu korrigierenden Spannungsabweichungen verbunden ist, ausgestaltet ist, und – die Zeitverschiebung zwischen Beginn des Korrektursignals und Beginn der Bestrahlung anpassbar ist.
Röntgengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Tabelle mit Parametern, die die Korrekturfunktion codieren und die zur Erzeugung eines Korrektursignals auslesbar sind.
Röntgengerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Röntgengerät Vorrichtungselemente zur Hochspannungserzeugung umfasst, – diese Vorrichtungselemente einen Wechselrichter oder Schaltregler umfassen, und – die Steuerung des Wechselrichters mit dem zeitlichen Verlauf der Erzeugung der Korrekturspannung korrelierbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Röntgengeräts mit einer Steuerelektrode zum Steuern eines zwischen einer Kathode und einer Anode erzeugten Elektronenflusses, umfassend – Erzeugen einer Korrekturspannung nach Maßgabe einer bezüglich des Parameters Zeit und bezüglich ihrer Form anpassbaren Korrekturfunktion zur Korrektur einer zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung zur Erzielung einer konstanten Spannung auch im Zeitraum der Steuerung mittels der Steuerelektrode und – Korrigieren der zwischen der Anode und der Kathode angelegten Spannung nach Maßgabe der Korrekturspannung ausgebildet ist
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Messung der zwischen der Anode und der Kathode bestehenden Spannung und – eine Anpassung der Korrekturfunktion nach Maßgabe einer Abweichung der gemessenen Spannung von einem Sollwert durchgeführt wird.