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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sowie ein Röntgenstrahlgerät.
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Bisher bekannte Röntgenquellen sind beispielsweise Röntgenröhren, welche ein weites Wellenlängenspektrum an Röntgenstrahlung erzeugen. Insbesondere ist von dem Wellenlängenspektrum die Bremsstrahlung mit umfasst. Für verschiedene Anwendungen, insbesondere in der medizinischen Diagnostik, ist jedoch eine Minimierung der Röntgendosis bei gleicher Bildqualität das oberste Ziel. Zur Erzeugung von guten kontrastreichen Röntgenbildern ist die charakteristische Röntgenstrahlung ausschlaggebend. Die Bremsstrahlung soll reduziert werden.
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Bisher war es notwendig, zur Verbesserung der Bildqualität, insbesondere des Kontrasts, große Mengen an Kontrastmittel zu verwenden, insbesondere jodhaltige Kontrastmittel.
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Bisher bekannte Ansätze zur Dosisminimierung durch Reduktion der Bremsstrahlung arbeiten mit einer Filterung der Strahlung, beispielsweise durch metallische Filter. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dadurch auch die charakteristische Strahlung im Spektrum erheblich mit reduziert wird.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Quelle für Röntgenstrahlung anzugeben, die keine störende Bremsstrahlung aussendet, welche für diagnostische Anwendungen gefiltert werden müsste.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung umfasst eine Elektronenquelle zur Aussendung eines Elektronenstrahls, eine Anode sowie einen Kollektor. Dabei sind Elektronenquelle und Anode so ausgestaltet, dass bei Anlegen eines positiven elektrischen Potentials an die Anode Elektronen von der Elektronenquelle in Richtung Anode beschleunigbar sind. Als Elektronenquelle kann z. B. eine Elektronenkanone oder eine kalte Kathode verwendet werden. Eine Elektronenquelle liefert also die Elektronen, die zur Anode hin beschleunigt werden. Die Anode ist dabei so ausgestaltet, dass bei Wechselwirkung mit Elektronen Röntgenstrahlung von der Anode emittiert wird und der Kollektor ist so angeordnet und ausgestaltet, dass Elektronen, die die Anode durchdringen, vom Kollektor abgebremst und aufgefangen werden. Die Anordnung mit dem Kollektor hat den Vorteil, dass alle abgebremsten und aufgefangenen Elektronen keine weitere Bremsstrahlung innerhalb der Anordnung erzeugen können. D. h., durch das Abbremsen und Auffangen der durch die Anode durchgegangenen Elektronen wird die Bremsstrahlung, die in der Anlage erst nach Durchdringen der Anode entsteht bzw. entstehen würde, reduziert. Ein weiterer Vorteil der Anordnung mit dem Kollektor ist die Verminderung der Wärmeerzeugung durch Wechselwirkung von Elektronen im Abschirmungsmaterial.
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Bei dem Kollektor handelt es sich also nicht nur um eine standardmäßige Abschirmung der Elektronen. Die Anordnung weist einen aktiven Kollektor auf, der die Elektronen abbremst und sammelt, damit Elektronenverluste verhindert werden, keine zusätzliche Bremsstrahlung in einer Abschirmung entsteht und dadurch auch die Wärmeentwicklung minimiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kollektor der Anordnung als Teil eines elektrischen Stromkreises ausgestaltet, so dass die aufgefangenen Elektronen im Stromkreis gehalten werden, wodurch elektrische Leistungsverluste minimiert sind. Die Elektronen sind also nicht verloren, sondern können über den Kollektor, der als Teil des Stromkreises schaltbar ist, der Röntgenstrahlungserzeugung wieder zugeführt werden. Dadurch ist die erfindungsgemäße Anordnung elektrisch höchst effektiv.
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Insbesondere ist dabei an den Kollektor ein elektrisches Potential anlegbar. Dieses dient vorteilhafterweise dazu, die ankommenden Elektronen abzubremsen. Der Kollektor ist dabei insbesondere so ausgestaltet, dass die ankommenden Elektronen ein elektrisches Feld, das durch dieses angelegte elektrische Potential bewirkbar ist, durchlaufen und darin abgebremst werden. Die an den Kollektor angelegte Spannung führt insbesondere auch dazu, dass die durch die Anode durchdringenden Elektronen zum Kollektor hin ausgerichtet werden. Dies hat den Vorteil, dass bei Auftreffen auf den Kollektor bzw. auf eine Abschirmung nach Durchlaufen dieses elektrischen Feldes die Elektronen nur noch so geringe Energien besitzen, dass keine oder zumindest kaum Bremsstrahlung erzeugt wird.
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Eine alternative Methode zur Reduktion der Bremsstrahlung einer Röntgenquelle ist aus der Patentschrift
US 7 436 931 B2 bekannt. Diese beschreibt eine monochromatische Röntgenquelle, die sich der gerichteten Auskopplung der charakteristischen Strahlung bedient. Die Elektronen jedoch laufen in dieser Ausgestaltung in einen Unterbau unter der Anode, in dem sie abgebremst werden. Dieser Unterbau muss jedoch mit einem Kühlsystem versorgt werden, da die auftreffenden Elektronen dort für eine hohe Wärmeentwicklung durch Wechselwirkung mit dem Material sorgen, wobei auch wiederum Grenzstrahlung entstehen kann. Eine derartige Ausgestaltung ist daher elektrisch und wärmetechnisch höchst ineffizient.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anode wenigstens eine dünne Targetschicht, deren Schichtdicke geringer ist als die Elektronenreichweite in dem Material der Schicht. Diese Targetschicht der Anode dient zur Erzeugung der charakteristischen Röntgenstrahlung. Durch die geringe Schichtdicke wird gewährleistet, dass nur ein Minimum an Bremsstrahlung überhaupt erzeugt wird. Natürlich muss eine gewisse Schichtdicke gewährleistet sein, um auch die gewünschte Intensität der charakteristischen Strahlung in der Targetschicht zu erzeugen. Ist die Schichtdicke aber geringer als die Elektronenreichweite in dem Material, werden ausreichend viele Elektronen noch mit hoher Energie durch das Material durchdringen, ohne darin durch Wechselwirkung viel Bremsstrahlung zu erzeugen. Die Elektronen können ja dann mit dem Kollektor abgebremst und aufgefangen werden. D. h., die Anode ist insbesondere so ausgestaltet, dass sie ausschließlich zur Erzeugung der Röntgenstrahlung, insbesondere der charakteristischen Röntgenstrahlung, dient, und nicht auch noch zum Abbremsen der Elektronen. Für Wolfram als Targetschichtmaterial beispielsweise würde demnach die Schichtdicke vorteilhafterweise 8 µm oder weniger betragen.
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Die Targetschicht umfasst dabei insbesondere ein Material, welches eine Atomzahl zwischen 42 und 74 aufweist. Materialien dieser Atomzahl sind zur Erzeugung von Röntgenstrahlung geeignet. Dies sind beispielsweise Molybdän mit der Atomzahl 42 oder Wolfram mit der Atomzahl 74.
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Insbesondere umfasst die Anode eine Mehrzahl an dünnen Targetschichten. Dadurch birgt die Anordnung den Vorteil einer verlängerten Einsatzzeit, ohne in die Anordnung eingreifen zu müssen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Anode eine Halterung, auf welcher die dünne Targetschicht angeordnet ist. Dabei ist die Halterung eine Scheibe, deren Dicke geringer ist als die Elektronenreichweite in dem Scheibenmaterial. D. h., die Halterung ist insbesondere eine flächige Scheibe, auf die die dünne Targetschicht aufgebracht werden kann. Die Halterung kann insbesondere unterschiedliche Geometrien aufweisen. Die dünne Targetschicht ist insbesondere eine Metallschicht, welche beispielsweise durch bekannte Abscheideverfahren auf die Halterung aufgebracht werden kann. Beispielsweise kann die Halterung eine Diamantscheibe sein. Die Dicke der Halterung ist dabei insbesondere wieder geringer als die Elektronenreichweite in dem Scheibenmaterial. Dies hat den Vorteil, dass auch in der Halterung nur wenig Bremsstrahlung durch Wechselwirkung mit den Elektronen erzeugt wird. Die Elektronen sollen die Halterung möglichst mit nur geringer Wechselwirkung wieder verlassen und erst durch den Kollektor abgebremst und aufgefangen werden. Die Anode ist also vorzugsweise so dünn, dass sie von den Elektronen durchdrungen wird. Durch die geringe Gesamtdicke von Targetschicht und Halterung ist also der Vorteil gewährleistet, nur minimale Bremsstrahlung zu erzeugen. Insbesondere die geringe Dicke der Halterung bewirkt auch eine minimierte Wärmeentwicklung durch Elektronenwechselwirkung.
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Das Material der Halterung weist dabei insbesondere eine Atomzahl von 15 oder niedriger auf. Dabei geht es eben darum, keine unerwünschte Röntgenstrahlung, auch keine zusätzliche charakteristische Strahlung anderer Wellenlänge, zu erzeugen.
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Anforderungen an die Halterung sind dementsprechend insbesondere deren Dicke, die z. B. geringer gewählt wird als die Reichweite von Elektronen in diesem Material. Außerdem soll die Atomzahl des Halterungsmaterials insbesondere geringer als 15 sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Anode eine Mehrzahl an Targetschichten auf, welche Materialien unterschiedlicher Atomzahl aufweist. Dies hat den Vorteil, dass mit dieser Anordnung charakteristische Röntgenstrahlung unterschiedlicher Energie, je nach Targetmaterial, erzeugt werden kann. Unterschiedliche Röntgenenergien sind beispielsweise notwendig, um die Strahlung auf die jeweilig notwendige Anwendung anzupassen bzw. bei diagnostischen Anwendungen die Strahlungsenergie auf den Patienten anzupassen. Je nach Patientenmaßen muss die Energie der Röntgenstrahlung angepasst werden, um ein ausreichend gutes kontrastreiches Bild zur Diagnose zu erhalten. Dies ist insbesondere mit der vorliegenden Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit unterschiedlichen Targetmaterialien möglich.
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Insbesondere unterscheiden sich die Materialien der Targetschichten in ihrer Atomzahl um mindestens 3, beispielsweise mindestens 5, insbesondere mindestens 10. Liegen die Atomzahlen zu nahe beieinander, trifft dies auch auf die erzeugbare charakteristische Strahlung zu. Als Paar an Targetmaterialien kommen beispielsweise Molybdän und Gadolinium oder Gadolinium und Wolfram in Frage.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Elektronenquelle so zur Anode angeordnet und/oder ist in der Anordnung einer Vorrichtung zur Lenkung eines Elektronenstrahls umfasst, so dass die Elektronen senkrecht auf die Anode beschleunigbar sind. Dies hat den Vorteil, dass die Elektronen auf den kürzesten Weg für die Durchdringung der Anode geschickt werden können, und somit in der Anode nur minimal Bremsstrahlung erzeugen und für eine Wärmeentwicklung sorgen.
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Insbesondere sind die Anode und die Elektronenquelle relativ zueinander bewegbar angeordnet, so dass jede Targetschicht im Elektronenstrahl positionierbar ist. Dies hat also den Vorteil, dass mit ein und derselben Anordnung mit nur einer Elektronenquelle und einem Kollektor sowie nur einem Anodenaufbau charakteristische Röntgenstrahlung mit einstellbarer Energie erzeugbar ist.
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Vorzugsweise weist die Anordnung noch eine Abschirmung auf, welche mit der Anode so verbunden ist, dass alle nicht im Elektronenstrahl positionierten Targetschichten durch diese Abschirmung so abschirmbar sind, dass die Targetschichten nicht mit Material des im Elektronenstrahl positionierten Targets kontaminierbar sind.
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Die Anordnung mit mehreren verschiedenen Targetschichten erlaubt die Einstellung einer charakteristischen Wellenlänge. Diese Anordnung ist von besonderem Vorteil für Diagnosemethoden, bei denen unterschiedliche Röntgenenergien gebraucht werden. Neben der Anpassung der Röntgenenergien auf die Maße, wie Gewicht und Volumen, eines Patienten, können die unterschiedlichen Bilder auch in der Subtraktionsangiographie vorteilhaft eingesetzt werden.
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Das erfindungsgemäße Röntgenstrahlgerät umfasst also eine Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung mit einer Elektronenquelle zur Aussendung eines Elektronenstrahls, einer Anode sowie einem Kollektor. Elektronenquelle und Anode sind dabei so ausgestaltet, dass bei Anlegen eines positiven elektrischen Potentials an die Anode Elektronen von der Elektronenquelle in Richtung einer Anode beschleunigbar sind, wobei die Anode ausgestaltet ist, bei Wechselwirkung mit Elektronen Röntgenstrahlung zu emittieren und wobei der Kollektor so angeordnet und ausgestaltet ist, Elektronen, die die Anode durchdringen, abzubremsen und aufzufangen. Auch alle weiteren Ausführungsformen der Anordnung sind beispielsweise von dem Röntgenstrahlgerät umfasst. Dieses weist dann auch die beschriebenen Vorteile der Erfindung auf.
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Die erfindungsgemäße Anordnung verbessert demnach besonders die diagnostischen Anwendungen von Röntgenstrahlung, wie beispielsweise die Subtraktionsangiographie. Durch die reduzierte Bremsstrahlung und sehr energiegenaue charakteristische Strahlung kann die Menge an jodhaltigen Kontrastmitteln reduziert werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in exemplarischer Weise mit Bezug auf die 1 bis 4 der angehängten Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
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1 die schematische Anordnung von Elektronenquelle 1, Anode 20 und Kollektor 3 und
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2 bis 4 die schematische Anordnung mit einer Anode 20 mit mehreren Targets 211, 212.
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Die 1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Anordnung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Dabei ist die Elektronenquelle 1 allgemein als Rechteck dargestellt. Diese kann auf einer Achse mit Anode 20 und Kollektor 3 angeordnet sein, wie in 1 gezeigt, kann jedoch auch seitlich versetzt von dieser Achse angeordnet sein. Insbesondere kann die Elektronenquelle 1 zunächst nicht direkt auf die Anode 20 gerichtet sein und der emittierte Elektronenstrahl wird dann z. B. durch eine weitere Vorrichtung zur Ablenkung der Elektronen auf die Anode 20 gerichtet.
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Auch die Anode 20 ist stark vereinfacht als Rechteck dargestellt. Von der Seite der Elektronenquelle 1 her umfasst die Anode 20 das Target 21, eine dünne Schicht auf der Halterung 22.
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In Elektronenrichtung hinter der Anode 20 ist noch der Kollektor 3 gezeigt. Dieser ist wiederum stark vereinfacht als Rechteck mit trapezförmigem Ausschnitt gezeigt. Dieser Ausschnitt deutet den Einlass für die Elektronen an. In diesem im Querschnitt gezeigten Hohlraum kann ein elektromagnetisches Feld zur Abbremsung der Elektronen erzeugt werden.
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Von der Elektronenquelle 1 zur Anode 20 können die Elektronen also auf beliebigen Bahnen gelangen, jedoch sind Elektronenquelle 1 und Anode 20 so angeordnet und ausgestaltet, dass der Elektronenstrahl senkrecht auf die Anode 20 auftrifft. Bei der Halterung 22 handelt es sich insbesondere um eine flächige Scheibe, auf die die dünne Targetschicht 22 beispielsweise als eine Beschichtung aufgebracht ist. Bei dem Material der Halterung 22 handelt es sich um ein Material niedriger Atomzahl, insbesondere kleiner als 15, da darin nur möglichst geringe Röntgenstrahlung durch Wechselwirkung der Elektronen erzeugt werden soll. Insbesondere handelt es sich bei dem Material der Halterung 22 um eine Diamantscheibe. Die Beschichtung mit dem Targetmaterial 21 hingegen weist eine hohe Atomzahl insbesondere zwischen 42 und 74 auf.
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Im Gegensatz zu bisherigen Anordnungen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung hat die Anordnung mit dem Kollektor 3 den Vorteil, dass dieser ein Teil des Stromkreises ist. Zum einen kann der Kollektor 3 auf ein elektrisches Potential gebracht werden, das die Elektronen vor dem Auftreffen auf weiteres Material abbremst. Dies hat den Vorteil, die Wärmeerzeugung durch die Elektronenwechselwirkung zu minimieren. Außerdem wird die weitere Erzeugung von Bremsstrahlung durch Wechselwirkung der Elektronen mit dem Kollektormaterial minimiert. Durch den Kollektor 3 als Teil des Stromkreises werden die Elektronen nicht nur aufgefangen, sondern können auch weiter genutzt werden. D. h., durch das Auffangen der Elektronen wird die gesamte Anordnung elektrisch viel effizienter als bisherige Anordnungen, in denen die einmal emittierten Elektronen verloren waren.
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Die 2 zeigt in der gleichen schematischen Darstellung wie 1 eine Ausführungsform der Anordnung mit mehreren Targetschichten 211, 212. Die Anode 20 ist wieder schematisch als Rechteck gezeigt, mit der Halterung 22, auf die die dünnen Targetschichten 211, 212 aufgebracht sind. Für diese Aufbringung können bekannte Beschichtungsverfahren herangezogen werden, je nachdem, um welches Targetmaterial es sich handelt. Zwischen den Targetschichten 211, 212 ist wiederum stark schematisch eine senkrechte Barriere, eine Abschirmung 23, gezeigt. Diese im Querschnitt gezeigte Abschirmung soll eine Kontamination des jeweils nicht verwendeten Targets 211, 212 gewährleisten.
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Die 3 und 4 zeigen den gleichen Aufbau wie in 2, nur dass jeweils eine der Targetschichten 211, 212 so positioniert wurde, dass der Elektronenstrahl diese senkrecht trifft und nach Durchdringen der Anode 20 zentral in den Kollektor 3 eintritt. In den 3 und 4 ist jeweils durch einen Pfeil von der Elektronenquelle 1 hin zur Anode 20 die Elektronenrichtung angezeigt. Die Elektronen werden mit unterschiedlichen Energien E1, E2, also unterschiedlichen Anodenpotentialen, auf die Anode beschleunigt. Je nach Material der Targetschicht 211, 212 wird an die Anode 20 eine entsprechende Beschleunigungsspannung für die Elektronen aus der Elektronenquelle 1 angelegt. Entsprechend dieser unterschiedlichen Beschleunigungsspannung können die Elektronen in dem jeweiligen Targetmaterial charakteristische Röntgenstrahlung erzeugen. Die Elektronen, die die Anode 20 durchdrungen haben und dann auf den Kollektor 3 treffen, können dort wiederum mit angepasstem Potential abgebremst werden. D. h., der Kollektor 3 ist insbesondere so ausgestaltet, dass er Elektronen unterschiedlicher Energie abbremsen kann.
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Beispielsweise können Wolfram als erstes Targetmaterial 211 und Molybdän als zweites Targetmaterial 212 eingesetzt werden. Während die charakteristische Kα-Linien-Energie bei Wolfram um die 59 keV liegt, beträgt diese für Molybdän um die 17 keV. Dementsprechend werden die Elektronen auf das Molybdäntarget mit einer geringeren Anodenspannung beschleunigt als auf das Wolframtarget. Beispielsweise werden Elektronen einer 2- bis 3fachen, insbesondere bis zu 4fachen, Energie verwendet. Die Anodenspannungen liegen demnach insbesondere in einem Bereich zwischen etwa 40 kV bis zu 240 kV.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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