DE102011005115A1

DE102011005115A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Unterdrückung der Brennfleckbewegung bei kurzen Röntgenstrahlpulsen

Info

Publication number: DE102011005115A1
Application number: DE102011005115A
Authority: DE
Inventors: Oliver Baruth; Peter Klinger; Martin Kolarjk
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-03-04
Filing date: 2011-03-04
Publication date: 2012-09-06
Anticipated expiration: 2031-03-05
Also published as: DE102011005115B4; CN102655071A

Abstract

Die Erfindung gibt eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung (11) mit einer Röntgenröhre (1) mit einem gepulsten Elektronenstrahl (10) und mit einer Drehanode (9) an. Die Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß eine Synchronisationseinheit (8), die die Umlauffrequenz eines Antriebs (4) der Drehanode (9) auf ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz des Elektronenstrahls (10) einstellt. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine durch den Antrieb hervorgerufene Beeinflussung der Brennfleckposition zum Zeitpunkt einer Bildaufnahme immer gleich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung von Fokusbewegungen und der ungewollten Änderungen der Fokusform bei der Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung.
Röntgenstrahlung wird typischerweise mit einer Röntgenröhre in Form von Bremsstrahlung erzeugt, die bei der Absorption von hochenergetischen Elektronen in einer Anode entsteht. Dazu werden in einem Vakuum Elektronen von einer Kathode erzeugt und mittels Hochspannung in Richtung auf die Anode beschleunigt. Der Elektronenstrahl wird auf der Anode fokussiert. In der Anode werden die Elektronen durch das Anoden-Material abgebremst, weshalb typischerweise ein Material mit hoher Ordnungszahl als Anoden-Material verwendet wird. Materialien bzw. Elemente mit hoher Ordnungszahl bewirken eine ausreichend starke Abbremsung der Elektronen. Beim Abbremsen entsteht die als Bremsstrahlung erzeugte Röntgenstrahlung, die für Untersuchungszwecke genutzt wird.
Richtung und Gestalt des erzeugten Röntgenstrahls werden durch die Beschaffenheit und Ausrichtung der Oberfläche der Anode sowie durch Richtung und Brennfleck-Kontur des Elektronenstrahls beim Auftreffen auf die Anode bestimmt. Um einen gebündelten und intensiven Röntgenstrahl in der gewünschten Richtung zu erzeugen, wird der Elektronenstrahl daher fokussiert und auf eine bestimmte Stelle der Anoden-Oberfläche gerichtet. In der Regel werden in modernen Röntgenröhren tellerförmige Anoden, die sich um ihre Achse drehen, eingesetzt. Dadurch wechselt bei festliegendem Elektronenstrahl der Ort des Brennflecks (Fokus) ständig auf dem Anodenteller, wodurch die örtliche Temperaturbelastung geringer ausfällt als bei Stehanoden.
Bei cardiologischen oder angiographischen Untersuchungen werden im „Aufnahmemodus” hochauflösende Bilder von Blutgefäßen mit Hilfe gepulster Röntgenstrahlung erzeugt. Bei der Digitalen Subtraktions-Angiographie (DSA) werden Strukturen, die nicht von einem Kontrastmittel durchflossen werden, aus dem Bild entfernt, indem vor der Gabe des Kontrastmittels ein Maskenbild aufgenommen und dieses in einem Nachverarbeitungsschritt von den Bildern mit Kontrastmittel abgezogen wird.
Der Anodenantrieb (Motor) erzeugt periodische elektromagnetische Störfelder, die den Elektronenstrahl ablenken und den Brennfleck eine unerwünschte „Zitterbewegung” ausführen lassen. Je kürzer die Röntgenpulse der gepulsten Röntgenstrahlung sind, desto stärker wird die Position des Brennflecks auf dem Anodenteller der Röntgenröhre durch die elektromagnetischen Felder des Anodenantriebs (Motor) beeinflusst. Wenn sich die Position des Brennflecks ändert, ändert sich auch die Position der nicht von dem Kontrastmittel durchflossenen Strukturen im Röntgenbild. Diese Strukturen verschwinden bei der DSA dann nicht mehr, wodurch störende Artefakte bei der Bildgebung entstehen. Eigene Untersuchungen zeigen, dass bei Pulslängen von größer 8 ms der beschrieben Effekt vernachlässigbar ist. Erst wenn die Pulslänge kleiner 5 ms ist, wie beispielweise für Aufnahmen mit hoher Bildrate an Kindern erforderlich, tritt der Effekt deutlich störend zu Tage.
Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu überwinden und eine Röntgenröhre und ein dazugehöriges Verfahren anzugeben, die bei kurzen Röntgenpulslängen eine artefaktfreie Digitale Subtraktions-Angiographie ermöglichen.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Vorrichtung und dem Verfahren zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung beansprucht eine Vorrichtung zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung mit einer Röntgenröhre, die einen gepulsten Elektronenstrahl und eine Drehanode aufweist.
Die Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Synchronisationseinheit, die die Umlauffrequenz eines Antriebs der Drehanode auf ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz des Elektronenstrahls einstellt. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass eine durch den Antrieb hervorgerufene Beeinflussung der Brennfleckposition zum Zeitpunkt einer Bildaufnahme immer gleich ist. Der Brennfleck steht scheinbar immer an der gleichen Stelle. Durch die Elimination der Brennfleck-Bewegungsartefakte kann der Nutzungsbereich auch bestehender Angiographiesysteme vergrößert werden. Eine DSA mit höheren Bildfrequenzen und kürzeren Pulsen ist möglich.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Antrieb ein Elektromotor. Die Auswirkung der elektromagnetischen Streustrahlung auf den Elektronenstrahl wird kompensiert.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Gitterelektrode in der Röntgenröhre, die den Elektronenstrahl pulst.
Die Erfindung beansprucht auch ein Medizinisches Röntgenbildgebungssystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Erfindung beansprucht des Weiteren ein Verfahren zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung mit einer Drehanode und einem gepulsten Elektronenstrahl, wobei die Umlauffrequenz eines Antriebs der Drehanode gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz des Elektronstrahls ist.
In einer Weiterbildung des Verfahrens kann die Drehanode mit einem Elektromotor angetrieben werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Elektronenstrahl durch eine Gitterelektrode gepulst werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: eine Röntgenröhre mit Drehanode gemäß Stand der Technik und
2: eine Vorrichtung zur Erzeugung gepulster Röntgenstrahlung.
1 zeigt die wichtigsten Komponenten einer Röntgenröhre 1 gemäß Stand der Technik. In einem evakuierten Volumen 6 sind eine Kathode 2 und gegenüberliegend eine Drehanode 9 angeordnet. Von der Kathode 2 wird ein Elektronenstrahl 10 emittiert, der durch eine Hochspannung zur Drehanode 9 beschleunigt wird und in den Anodenteller 3 der Drehanode 9 eindringt. Dabei werden die Elektronen des Elektronstrahls 10 abgebremst und erzeugen eine Röntgenstrahlung 11, die die Röntgenröhre 1 durch ein für die Röntgenstrahlung 11 transparentes Austrittsfenster 5 verlassen. Der Anodenteller 3 wird durch einen Elektromotor 4 in Rotation versetzt. Durch eine elektromagnetische Störung des Motors wird der Elektronenstrahl entsprechend der Drehfrequenz des Motors abgelenkt. Der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls 10 auf den Anodenteller 3 variiert dadurch.
2 zeigt die wichtigsten Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung. Die Vorrichtung umfasst eine Röntgenröhre 1 mit einem evakutierten Volumen 6, in dem eine Kathode 2 und gegenüberliegend eine Drehanode 9 angeordnet sind. Von der Kathode 2 wird ein Elektronenstrahl 10 emittiert, der durch eine Hochspannung zur Drehanode 9 hin beschleunigt wird und in den Anodenteller 3 der Drehanode 9 eindringt. Dabei werden die Elektronen des Elektronenstrahls 10 abgebremst und erzeugen eine Röntgenstrahlung 11, die die Röntgenröhre 1 durch ein für die Röntgenstrahlung 11 transparentes Austrittsfenster 5 verlassen. Durch eine Gitterelektrode 7 können die Elektronen „gestoppt” werden, wobei durch eine entsprechende Ansteuerung ein gepulster Elektronstrahl 10 erzeugbar ist. Der Anodenteller 3 wird durch einen Elektromotor 4 als Antrieb in eine Drehbewegung versetzt.
Mit Hilfe einer Synchronisationseinrichtung 8 wird erfindungsgemäß die Pulsfrequenz der Gitterelektrode 7 und damit die Pulsfrequenz des Elektronenstrahls 10 mit der Umlauffrequenz des Elektromotors 4 synchronisiert. Die Umlauffrequenz des Elektromotors 4 der Drehanode 9 wird auf ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz des Elektronenstrahls 10 eingestellt. Dadurch wird bei kurzen Pulsen des Elektronenstrahls 10 sicher gestellt, dass der Brennfleck 12 des Elektronstrahls 10 auf dem Anodenteller 3 immer auf die gleiche Stelle auftrifft. Die Beeinflussung des Elektronstrahls 10 durch die periodischen elektromagnetischen Streufelder des Elektromotors 4 ist in Folge der Synchronisation zum Zeitpunkt des Pulses immer gleich. Das „Zittern” des Brennflecks 12 erfolgt somit synchron. Die effektive Fokusbewegung wird unterdrückt. Insbesondere bei Pulsdauern von kleiner 5 ms entfaltet die Erfindung ihre volle Wirkung.
Die Erfindung ist selbstverständlich auch bei Vorrichtungen einsetzbar, bei denen der Elektronenstrahl 10 auf andere Art als durch eine Gitterelektrode 7 gepulst wird.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in der cardiologischen und angiographischen Röntgenbildgebung eingesetzt. Der positive Effekt auf die Bildqualität kommt jedoch auch bei allen Röntgenbildgebungsverfahren mit kurzen Röntgenpulsen zum Tragen.
Bezugszeichenliste

1: Röntgenröhre
2: Kathode
3: Anodenteller
4: Antrieb/Elektromotor
5: Austrittsfenster
6: Volumen
7: Gitterelektrode
8: Synchronisationseinheit
9: Drehanode
10: Elektronenstrahl
11: Röntgenstrahlung
12: Brennfleck

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung (11) mit – einer Röntgenröhre (1) mit einem gepulsten Elektronenstrahl (10) und mit einer Drehanode (9), gekennzeichnet durch: – eine Synchronisationseinheit (8), die die Umlauffrequenz eines Antriebs (4) der Drehanode (9) auf ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsfrequenz des Elektronenstrahls (10) einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb ein Elektromotor (4) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch: – eine Gitterelektrode (7) in der Röntgenröhre (1), die den Elektronenstrahl (10) pulst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des Elektronenstrahls kleiner 5 ms ist.
Medizinisches Röntgenbildgebungssystem mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung (11) mit einer Drehanode (9) und einem gepulsten Elektronenstrahl (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Umlauffrequenz eines Antriebs (4) der Drehanode (9) gleich einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsfrequenz des Elektronstrahls (10) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehanode (9) mit einem Elektromotor (4) angetrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektronenstrahl (10) durch eine Gitterelektrode (7) gepulst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des Elektronenstrahls (10) kleiner 5 ms beträgt.