-
Die Erfindung betrifft eine insbesondere zur Verwendung in einem medizintechnischen Gerät vorgesehene Röntgenröhre nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre.
-
Eine zum Beispiel in einem bildgebenden medizintechnischen Gerät verwendbare Röntgenröhre arbeitet nach dem Stand der Technik beispielsweise mit einer Elektronenquelle, wie sie aus der
DE 10 2007 042 108 B4 bekannt ist. Eine solche Elektronenquelle umfasst Elektronenemissionskathoden sowie eine Anzahl Steuerelektroden. Zur Datenübertragung zwischen einer zur Energieversorgung der Elektronenquelle vorgesehenen Hochspannungseinheit und einer Niederspannungseinheit ist nach der
DE 10 2007 042 108 B4 eine elektrisch isolierende, insbesondere optische, Datenübertragungsstrecke ausgebildet.
-
Elektronenquellen in sogenannten Multifokus-Röntgenröhren mit beispielsweise als Gittern aufgebauten Steuerelektroden arbeiten typischerweise mit Feldemittern, wie CNT-Emitter auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT = Carbon Nano Tubes) oder thermische Emitter. Prinzipiell ist eine Elektronenquelle mit Kohlenstoffnanoröhrchen beispielsweise aus der
DE 10 2009 003 673 A1 bekannt.
-
Durch eine an eine beispielsweise gitterförmige Steuerelektrode, kurz als Steuergitter bezeichnet, angelegte Spannung ist die Emission von Elektronen einstellbar. Die Beschleunigung der Elektronen auf die zur Erzeugung von Röntgenstrahlung erforderliche Energie erfolgt dann durch die an die Anode der Röntgenröhre gelegte Hochspannung. Die auf die Anode auftreffenden Elektronen definieren den Röhren- oder Anodenstrom. Dieser ist unter anderem abhängig von der geometrischen Anordnung der einzelnen Komponenten innerhalb der Röntgenröhre, von der Steuerspannung, das heißt der zwischen der Elektronenemissionskathode und dem Steuergitter angelegten Spannung, sowie von zahlreichen weiteren Einflussgrößen, wie der Temperatur von Komponenten der Elektronenquelle, insbesondere der Temperatur der Emitter, der Einschaltdauer der Röntgenröhre, dem Kathodenstrom und dem Vakuum-Niveau innerhalb der Röntgenröhre. Darüber hinaus kann auch der bisherige Betrieb der Röntgenröhre, das heißt deren Vorgeschichte, Einfluss auf den Röhrenstrom haben.
-
Generell ergibt sich der die Röntgendosis bestimmende Anodenstrom aus dem Kathodenstrom abzüglich des über die Steuerelektrode abfließenden Stroms. Das Verhältnis von Anodenstrom zu Kathodenstrom ist als Transmissionsrate definiert und beispielsweise mit Hilfe einer Lernprozedur ermittelbar. Die ermittelte Transmissionsrate wird üblicherweise als konstant angenommen. Zur Bestimmung einer erzeugten Dosis an Röntgenstrahlung ist somit die Messung des Kathodenstroms geeignet. Diese Messung kann beispielsweise über einen Messwiderstand erfolgen. Durch kapazitive Lasten in der in der Ansteuerelektronik der Röntgenröhre implementierten Messanordnung sind jedoch Beschränkungen dieses Messprinzips bei schnellen Schaltvorgängen gegeben.
-
Um Messungen auch bei sehr kurzen Impulsen zu ermöglichen, könnte theoretisch statt des Kathodenstroms der über die Steuerelektrode fließende Strom gemessen werden, wobei auch bei diesem Messprinzip die Transmissionsrate als konstant anzunehmen ist.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Röntgenröhre eine besonders präzise und schnelle Steuerung des Anodenstroms zu ermöglichen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer Röntgenröhre mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Röntgenröhre erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
-
Die Röntgenröhre umfasst in an sich bekannter Weise eine Elektronenquelle, welche eine Anzahl Elektronenemissionskathoden und mindestens eine Steuerelektrode aufweist. Zwischen die Elektronenemissionskathoden und eine Anode ist Hochspannung gelegt, um die Elektronen, soweit sie nicht über die Steuerelektrode abfließen, zu beschleunigen und damit Röntgenstrahlung zu erzeugen. Erfindungsgemäß ist zur direkten Messung des Anodenstroms eine auf Hochspannungspotential betriebene Anodenstrom-Messeinheit vorgesehen. Unter dem Anodestrom wird der über die Anode fließende elektrische Strom verstanden.
-
Durch die direkte Messung des Anodenstroms in der Anodenleitung auf Hochspannungspotential wird bei hoher Bandbreite eine sehr gute Messgenauigkeit unter Vermeidung praktisch jeder Trägheit erreicht. Insbesondere beeinflussen Umladeeffekte des Anodenkabels die Messung nicht. Im Gegensatz zu einer denkbaren Messung des Anodenstroms am Fußpunkt der Hochspannungskaskade ist keine Tiefpassfilterung erforderlich, welche einer schnellen Einregelung des Stroms entgegenstehen würde.
-
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Anodenstrom-Messeinheit über eine elektrisch isolierende Datenübertragungsstrecke mit einer Niederspannungseinheit des Röntgengeräts verknüpft. Das auf Hochspannungspotential gewonnene, den Anodenstrom direkt angebende Messsignal wird zu diesem Zweck innerhalb der auf Hochspannungpotential liegenden Anodenstrom-Messeinheit digitalisiert und in ein optisches Signal gewandelt. Prinzipiell ist das digitale Signal unmittelbar in einer digitalen Regelung verwendbar, wobei es in eine die Elektronenemissionskathoden ansteuernde Multiplexelektronik eingreift. Im Fall einer vorhandenen analogen Regelung wird das digitale Signal zunächst einem Digital-Analog-Umsetzer zugeführt.
-
Sowohl im Fall der digitalen als auch im Fall der analogen Regelung wird zur optischen Signalübertragung vorzugsweise ein Lichtwellenleiter verwendet, welcher zur Realisierung praktisch beliebiger Isolationsstrecken prädestiniert ist. Ebenso ist es möglich, optische Signale von der Hochspannungsseite der Vorrichtung zur Niederspannungsseite über ein Glasfenster zu übertragen, welches zugleich eine Wandung eines Vakuumbehälters bildet.
-
Die Elektronenemissionskathoden sind vorzugsweise als Feldemitter ausgebildet. Anstelle des Feldemitters können auch indirekt beheizte Emitter (thermische Emitter) vorgesehen sein. Die Feldemitter sind insbesondere auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) oder auf Basis von Graphene realisiert. Alternativ hierzu sind vorzugsweise sogenannte Dispenser-Kathoden vorgesehen. Einer Vielzahl von Elektronenemissionskathoden ist hierbei ein einziges, in geringem Abstand hierzu angebrachtes Steuergitter zugeordnet. Alternativ hierzu sind separierte Steuergitter vorgesehen.
-
Die Spannungsversorgung der Anodenstrom-Messeinheit ist mittels einer Hilfsspannungsversorgung realisierbar, welche vorzugsweise in eine zur Spannungsversorgung der Anode vorgesehene Hochspannungsversorgungseinheit integriert ist. Hierbei ist die zum Betrieb der Anodenstrom-Messeinheit benötigte Hilfsspannung innerhalb eines zur Versorgung der Anode mit Hochspannung vorgesehenen Anodenkabels führbar.
-
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass durch die Messung des Anodenstroms einer Röntgenröhre auf Hochspannungspotential, das heißt auf dem Potential der Anode der Röntgenröhre, Verfälschungen des Messsignals prinzipbedingt ausgeschlossen sind. Es ist eine sehr schnelle Regelung der Elektronenquelle möglich. Die vereinfachende Annahme einer konstanten Transmissionsrate der Röntgenröhre ist nicht erforderlich.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise schematisiert:
-
1 Eine Röntgenröhre mit Anodenstrommessung auf Hochspannungspotential,
-
2 einen Sender einer Anodenstrom-Messeinheit der Vorrichtung nach 1, und
-
3 einen mit dem Sender über eine optische Datenübertragungsstrecke zusammenwirkenden Empfänger.
-
In 1 sind als Komponenten eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Röntgengerätes eine Röntgenröhre 2 sowie eine Ansteuereinheit 3 erkennbar.
-
Die Röntgenröhre
2 umfasst eine Röhreneinheit
4 prinzipiell bekannten Aufbaus mit einer Mehrzahl an Elektronenemissionskathoden
5, einem Steuergitter
6, allgemein als Steuerelektrode bezeichnet, sowie einer Anode
7. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion der Röhreneinheit
4, das heißt der eigentlichen Röhre, wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik sowie auf die
DE 10 2009 011 642 A1 verwiesen.
-
Die Elektronenemissionskathoden 5 sind als CNT-Kathoden (Carbon Nano Tube) ausgebildet und emittieren Elektronen mittels Feldemission, wobei zwischen die Elektronenemissionskathoden 5 und das Steuergitter 6 mittels einer Gitterspannungsversorgung 8 eine Spannung bis 5 kV gelegt ist. Die die Elektronenemissionskathoden 5, das Steuergitter 6, sowie die Gitterspannungsversorgung 8 umfassende Anordnung wird insgesamt als Elektronenquelle 9 bezeichnet. Die einzelnen Elektronenemissionskathoden 5 oder Gruppen von Elektronenemissionskathoden 5 sind separat ansteuerbar, so dass geometrische Parameter der Elektronenquelle 9 und damit letztlich auch der erzeugten Röntgenstrahlung veränderbar sind, ohne die Anordnung der Elektronenquelle 9, etwa durch deren Verschiebung, zu ändern.
-
Röntgenstrahlung wird in der Röhreneinheit 4 erzeugt, indem Elektronen, welche von der Elektronenquelle 9 emittiert werden, durch Hochspannung in der Größenordnung von typischerweise 20 kV bis 180 kV, die zwischen die Elektronenemissionskathoden 5 und die Anode 7 gelegt ist, beschleunigt werden und auf die Anode 7 auftreffen. Der aus den Elektronenemissionskathoden 5 freigesetzte, als Kathodenstrom bezeichnete Elektronenstrom teilt sich in zwei Teilströme auf:
Ein erster Teilstrom fließt über das Steuergitter 6 ab; ein zweiter Teilstrom gelangt zur Anode 7, um dort Röntgenstrahlung zu erzeugen. Der letztgenannte Teilstrom wird als Anodenstrom bezeichnet. Das Verhältnis von Anodenstrom zu Kathodenstrom ist als Transmissionsrate der Röntgenröhre 2 definiert. Um den Anodenstrom und damit die erzeugte Röntgendosis zu bestimmen, ist die Kenntnis der Transmissionsrate nicht erforderlich. Vielmehr ist hierzu eine auf Hochspannungsniveau betriebene Anodenstrom-Messeinheit 10 vorgesehen.
-
Die Anodenstrom-Messeinheit 10 misst direkt den durch ein an die Anode 7 angeschlossenes Anodenkabel 11 fließenden Strom. Die Energieversorgung der Anodenstrom-Messeinheit 10 erfolgt über eine Hilfsspannungsversorgung 12, welche in eine Hochspannungsversorgungseinheit 13 integriert und im Anodenkabel 11 geführt ist. Die Hochspannungsversorgung 13 erzeugt die zum Betrieb der Röntgenröhre 2 notwendige Potentialdifferenz zwischen den Elektronenemissionskathoden 5 und der Anode 7 und wird, ebenso wie die Anodenstrom-Messeinheit 10, unter die Komponenten der Röntgenröhre 2 subsumiert. Die Hilfsspannungsversorgung 12 auf Hochspannungsniveau ist prinzipiell ähnlich wie eine hoch liegende Filamentheizung bei Strahlern aufbaubar.
-
Innerhalb der Anodenstrom-Messeinheit 10 wird das gewonnene, analoge Messsignal mittels eines Analog-Digital-Wandlers 14 digitalisiert. Das digitalisierte, modulierte Signal wird, ebenfalls noch innerhalb der Anodenstrom-Messeinheit 10, in ein optisches Signal gewandelt und in eine elektrisch isolierende Datenübertragungsstrecke 15 in Form eines Lichtwellenleiters (LWL) eingeleitet, welche die Hochspannungsseite des Röntgengerätes 1 datentechnisch mit einer Niederspannungseinheit 16 des Röntgengerätes 1 verbindet.
-
Die Niederspannungseinheit 16 dient insbesondere der Ansteuerung der einzelnen Elektronenemissionskathoden 5. Der als Digitalsignal vorliegende Messwert des Anodenstroms wird über den Lichtwellenleiter 15 einer insbesondere zur Stromregelung vorgesehenen Regeleinheit 17 innerhalb der Niederspannungseinheit 16 zugeführt.
-
Einzelheiten der digitalen Signalübertragung zwischen der Anodenstrom-Messeinheit 10 und der Niederspannungseinheit 16 sind den 2 und 3 entnehmbar, wobei gemäß 2, die die Integration eines Senders 20 in die Anodenstrom-Messeinheit 10 zeigt, von einem Analogsignal ausgegangen wird, das zunächst mittels des Analog-Digital-Wandlers 14 in ein Digitalsignal gewandelt wird. Das digitalisierte Signal wird einem Serializer/Deserializer 21 (SERDES) zugeführt, der dazu vorgesehen ist, einen parallelen Datenstrom in einen seriellen Datenstrom zu verwandeln oder umgekehrt. Mit RX und TX sind Empfangs- und Sendesignale bezeichnet, die mittels des Lichtwellenleiters 15 übertragbar sind. Die Abkürzung SMP_CLK (Sample-Clock) wird für die Abtastfrequenz des Anodenstrom-Wertes verwendet.
-
Das über den Lichtwellenleiter 15 übertragene Signal wird gemäß 3, welche einen in 1 nicht gesondert dargestellten, beispielsweise in die Regeleinheit 17 integrierten, Empfänger 22 zeigt, wiederum einem Serializer/Deserializer 21 zugeführt, welcher, ebenso wie in der Anordnung nach 2, vorzugsweise als FPGA (Field Programmable Gate Array) realisiert ist und ein Taktsignal von einem Oszillator 23 erhält. Das durch den Serializer/Deserializer 21 verarbeitete Signal wird schließlich mittels eines Digital-Analog-Wandlers 24 in ein Analogsignal gewandelt, welches innerhalb der Niederspannungseinheit 16 verarbeitbar ist.
-
Die Regeleinheit 17 ist, wie aus 1 hervorgeht, mit einem Mikrocontroller 25 verknüpft, welcher insbesondere in einem Speicher 18 hinterlegte Sollwerte für Strahlungsparameter des Röntgengerätes 1 verarbeitet. Ebenso sind mittels einer an die Regeleinheit 17 angeschlossenen Leitung 19 Istwerte des Kathodenstroms verarbeitbar, wobei ein entsprechender Begrenzer, insbesondere als Teil der Regeleinheit 17, vorgesehen sein kann. In nicht dargestellter Weise umfasst die Regeleinheit 17 eine Anzahl Digital-Analog-Wandler; insgesamt handelt es sich um eine analoge Regelung.
-
Die Niederspannungseinheit 16 umfasst, um eine gezielte Auswahl von zur Erzeugung von Röntgenstrahlung zu verwendenden Elektronenemissionskathoden 5 zu ermöglichen, eine mit dem Mikrocontroller 25 und der Regeleinheit 17 verknüpfte Schaltvorrichtung 26, welche wiederum mit einer Vielzahl von Stellgliedern 27 verknüpft ist, die jeweils einer Elektronenemissionskathode 5 zugeordnet sind. Jede Elektronenemissionskathode 5 ist über eine Kathodenleitung 28 und eine Vakuumdurchführung 29 mit der Niederspannungseinheit 16 verbunden. Kathodenseitige parasitäre Kapazitäten sind mit Cpar, der entsprechende Strom mit IKap bezeichnet. Die Regelung des Anodenstroms mit Hilfe der Anodenstrom-Messeinheit 10 ist hierdurch prinzipbedingt nicht beeinflusst.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Röntgengerät
- 2
- Röntgenröhre
- 3
- Ansteuereinheit
- 4
- Röhreneinheit
- 5
- Elektronenemissionskathode
- 6
- Steuergitter
- 7
- Anode
- 8
- Gitterspannungsversorgung
- 9
- Elektronenquelle
- 10
- Anodenstrom-Messeinheit
- 11
- Anodenkabel
- 12
- Hilfsspannungsversorgung
- 13
- Hochspannungsversorgungseinheit
- 14
- Analog-Digital-Wandler
- 15
- Datenübertragungsstrecke
- 16
- Niederspannungseinheit
- 17
- Regeleinheit
- 18
- Speicher
- 19
- Leitung
- 20
- Sender
- 21
- Serializer/Deserializer
- 22
- Empfänger
- 23
- Oszillator
- 24
- Digital-Analog-Wandler
- 25
- Mikrocontroller
- 26
- Schaltvorrichtung
- 27
- Stellglied
- 28
- Kathodenleitung
- 29
- Vakuumdurchführung
-
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
-
- DE 102007042108 B4 [0002, 0002]
- DE 102009003673 A1 [0003]
- DE 102009011642 A1 [0021]
