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Die Erfindung betrifft einen Drehanodenröntgenstrahler mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Röntgensystem gemäß dem Patentanspruch 9.
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Bei der medizinischen Röntgenbildgebung werden insbesondere Röntgenstrahler mit Drehanoden zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Eine zumeist runde, tellerförmige Drehanode wird auf eine hohe Drehfrequenz beschleunigt und unter dem Auftreffpunkt (Brennfleck) von in einer Kathode erzeugten Elektronen hinweggedreht. Je schneller sich dabei die Drehanode unter dem Elektronenstrahl bewegt, desto höher ist die mögliche Flächenbelastung des Brennflecks. Um die Bildqualität zu steigern gibt es zum einen die Möglichkeit, die Pulsleistung zu erhöhen und zum anderen die Möglichkeit, den Brennfleck zu verkleinern. Bei modernen Drehanodenröntgenstrahlern rotiert die Drehanode mit ca. 150 Hz bis 200 Hz. Entsprechend wird ein starker Antrieb benötigt, um die große Masse der Drehanode (einige kg) zu beschleunigen.
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In der 1 ist ein bekannter Drehanodenröntgenstrahler 1 mit einer Röntgenröhre 2 mit einer Drehanode 3 gezeigt. Ein Stator 6 außerhalb des Vakuumgefäßes der Röntgenröhre 2 (aber innerhalb des Gehäuses des Drehanodenröntgenstrahlers 1) erzeugt ein elektromagnetisches Wechselfeld. Auf der Drehachse der Drehanode 3 befindet sich der Rotor 5, der durch den Stator 6 in Drehbewegung versetzt wird. Eine Kathode 4, z.B. eine Glühkathode mit einem Wehneltzylinder, erzeugt einen Elektronenstrahl, der auf die Drehanode beschleunigt wird. Im Auftreffpunkt wird dadurch Röntgenstrahlung 9 erzeugt, die durch ein Strahlenaustrittsfenster 7 den Drehanodenröntgenstrahler 1 verlässt und anschließend z.B. durch eine Blende 8 geformt werden kann.
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Der Stator 6 wird im Allgemeinen mit Wechselstrom betrieben und verbraucht bis zu einigen kW elektrische Leistung. Das starke elektromagnetische Wechselfeld des Stators 6 ist aber für die Flugbahn der Elektronen äußerst störend. Die Elektronen werden durch das Wechselfeld abgelenkt, so dass die Fokussierung auf der Drehanode gestört wird. Es kommt zu einem Springen des Brennflecks mit der Frequenz des Antriebs. Diese Modulation des Ortes des Fokus wird in einem mittels der Röntgenstrahlung erzeugten Röntgenbild durch ein Wackeln der Bildkanten stark vergrößert sichtbar. Dieser störende Effekt wird als „Fokuswackeln“ bezeichnet.
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Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es einige Möglichkeiten, das Fokuswackeln zumindest teilweise zu reduzieren. Es kann z.B. zwischen dem Stator und der Rückseite der Drehanode eine Mu-Metallabschirmung montiert werden. Mu-Metall hat die Eigenschaft, elektromagnetische Felder zu unterdrücken. Da die Fokussierung der Elektronen auf der Drehanode nicht elektrostatisch, sondern durch aktive Elemente wie Spulen realisiert ist, gibt es die Möglichkeit, durch Variation des elektromagnetischen Feldes der Fokussierung die Elektronenbahn zu beeinflussen. Diese Methode ist allerdings sehr kostenintensiv. Außerdem kann noch der Statorantrieb mit der Bildfrequenz synchronisiert werden. Wenn z.B. eine Aufnahme mit 30 fps stattfindet, könnte der Statorantrieb mit acht mal 30 Hz, also 240 Hz, angetrieben werden. Somit wäre die Antriebsphase zu jeder Aufnahme gleich und ein Fokuswackeln könnte minimiert werden. Allerdings erzeugt diese Methode andere störende Effekte bei der Geräuschentwicklung des Drehanodenröntgenstrahlers. Alle bekannten Methoden können das Fokuswackeln lediglich teilweise reduzieren.
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Aus der
DE 100 38 176 C1 Die ist eine medizinische Untersuchungsanlage mit einem MR-System und einem Röntgensystem mit einer Röntgenröhre bekannt, wobei das Röntgensystem Sensoren zur Erfassung der Ortsabhängigkeit des Streufeldes des MR-Systems in den drei Raumachsen, Spulen zur Kompensation des Streufeldes und einen Rechner aufweist, der aus dem Ausgangssignal der Sensoren einen Strom für die Spulen berechnet, aufgrund dessen das Streufeld im Bereich der Elektronenstrahlen der Röntgenröhre vermindert wird.
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Aus der
DE 27 16 079 B1 ist eine Drehanodenröntgenröhre mit in einem Hochvakuumraum befindlicher Drehanode und der Drehanode gegenüberliegender Kathode, bei der die Antriebswelle der Drehanode berührungslos magnetisch gelagert ist und bei der der Anodenstrom über einen Berührungskontakt zugeführt wird, wobei der Berührungskontakt als Magnetschalter ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2008 062 671 A1 ist eine Röntgeneinrichtung mit einer zu einem Targetbereich ausgerichteten Kathode, mit einem Röhrengehäuse, mit einer drehbar gelagerten Drehanodeneinheit, die einen Drehanodenteller mit dem Targetbereich und einer mit dem Drehanodenteller drehfest verbundene Welle umfasst, und mit einem Magnetlager, welches die Welle berührungslos im Röhrengehäuse lagert, bekannt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drehanodenröntgenstrahler bereitzustellen, welcher eine weitere Minimierung des Fokuswackelns einer Röntgenröhre ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Röntgensystem mit einem Drehanodenröntgenstrahler bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehanodenröntgenstrahler mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung gemäß dem Patentanspruch 1 und von einem Röntgensystem gemäß dem Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Durch den erfindungsgemäßen Drehanodenröntgenstrahler mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, aufweisend eine in einem Vakuumgefäß angeordnete rotierbare Drehanode mit einer Drehachse, einem auf der Drehachse angeordneten Rotor und einem Stator, welcher zumindest teilweise außerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet ist, wobei der Stator ein elektromagnetisches Wechselfeld zum Antrieb des Rotors erzeugt, und wobei der Stator zumindest eine Statorspule zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes aufweist, sowie eine Kathode zur Erzeugung eines auf die Drehanode beschleunigbaren Elektronenstrahls, wobei zumindest eine Gegenspule zur Kompensierung des elektromagnetischen Wechselfeldes der zumindest einen Statorspule im Bereich der Kathode, des Fokus und/oder des Elektronenstrahls vorgesehen ist, ist es möglich, aktiv und auf einfache und aufwandsarme Weise das Fokuswackeln deutlich zu reduzieren bzw. nahezu komplett zu entfernen. Es müssen lediglich eine oder mehrere Gegenspulen zu der oder den Statorspulen positioniert und entsprechend verschaltet werden. Die Gegenspulen sorgen mit ihrem kompensierenden Streufeld dafür, dass das elektromagnetische Wechselfeld der Statorspulen reduziert bzw. aufgehoben wird, so dass keine Ablenkung des Elektronenstrahls mehr auftritt. Hierdurch kann die Bildqualität von Röntgenbildern deutlich verbessert werden. Es ist vorteilhaft, die Gegenspulen sehr nah an der Kathode oder an dem Fokus zu positionieren, um das elektromagnetische Wechselfeld in dem Bereich zu kompensieren, in dem es am meisten zu dem Fokuswackeln beiträgt.
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Im Falle von mehreren Statorspulen ist es sinnvoll, ebenfalls mehrere Gegenspulen vorzusehen, z.B. für jede Statorspule eine Gegenspule. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die zumindest eine Gegenspule zu der zumindest einen Statorspule mit umgekehrter Stromflussrichtung in Serie geschaltet. Auf diese Weise wird automatisch ein kompensierendes Gegenstreufeld zu dem elektromagnetischen Wechselfeld der Statorspule erzeugt, sofern die Größe und Position der Gegenspule entsprechend gewählt wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die zumindest eine Gegenspule entlang der Längsachse der Röntgenröhre mechanisch verschiebbar angeordnet. Durch eine derartige Anordnung können die Lage und Stärke des kompensierenden Streufeldes der Gegenspulen bei Bedarf variiert und eingestellt werden, um eine angepasste Kompensierung des Wechselfeldes des Stators zu erhalten. Die Verschiebung kann mittels kleiner Antriebe, welche automatisch oder manuell ansteuerbar sind, durchgeführt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die zumindest eine Gegenspule Windungsanzapfungen auf, welche zur Variation der Stärke des kompensierenden Streufeldes der Gegenspule anklemmbar sind. Auch hier kann bei Bedarf durch eine entsprechende Anklemmung oder Entfernung einer Anklemmung die Stärke des kompensierenden Streufeldes eingestellt werden. Es kann eine Vielzahl von Anklemmungsmöglichkeiten für eine vielstufige Einstellung der Stärke des kompensierenden Streufeldes vorgesehen sein.
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In vorteilhafter Weise ist ein elektronischer oder mechanischer Potentiometer-Spannungsregler derart an der zumindest einen Gegenspule angeordnet, dass die Stärke des Stromes kontinuierlich veränderbar ist. Ist die Gegenspule mit der Statorspule mit umgekehrter Stromflussrichtung in Serie geschaltet, kann durch eine Anordnung eines Potentiometers ein variabler Teil des Stromes der Statorspule an der Gegenspule vorbei geleitet werden und damit die Stärke des kompensierenden Streufeldes zusätzlich einstellbar sein.
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In vorteilhafter Weise für eine einfache Beeinflussung der Stärke und Form des kompensierenden Streufeldes der Gegenspulen ist an dieser zumindest ein zusätzliches ferromagnetisches Joch, insbesondere ein Eisenjoch, angeordnet. Durch ein solches Eisenjoch wird die magnetische Flussdichte der Gegenspule erhöht. Um keinen unerwünschten Wirbelstrom zu induzieren kann das Eisenjoch in Form von mehreren isolierten Eisenblechen ausgebildet sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehanodenröntgenstrahler zumindest einen Sensor zur Messung des Magnetfeldes, insbesondere eine Hallsonde, auf. Eine Hallsonde nutzt den Hall-Effekt zur Messung von Magnetfeldern. Der Hall-Effekt tritt in einem stromdurchflossenen elektrischen Leiter auf, der sich in einem Magnetfeld befindet, wobei sich ein elektrisches Feld aufbaut, das zur Stromrichtung und zum Magnetfeld senkrecht steht und das die auf die Elektronen wirkende Lorentzkraft kompensiert. Die Hallsonde oder die Hallsonden können z.B. möglichst nah am Fokus und der Kathode aber außerhalb der Röntgenröhre angeordnet sein.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Drehanodenröntgenstrahler eine Regelungsvorrichtung mit zumindest einer Hallsonde zur kontinuierlichen Messung des elektromagnetischen Wechselfeldes der zumindest einen Statorspule und davon abhängigen Ansteuerung der zumindest einen Gegenspule zur Kompensierung des elektromagnetischen Wechselfeldes der zumindest einen Statorspule auf. Die Hallsonde kann z.B. das entsprechende resultierende Magnetfeld messen und die Informationen an die Regelungsvorrichtung übertragen, welche dann aufgrund der Informationen eine Regelung des kompensierenden Streufeldes ansteuert, um das resultierende Magnetfeld weiter zu minimieren. Die Ansteuerung kann die bereits zuvor genannten Verstellungsmöglichkeiten des kompensierenden Streufeldes beinhalten, also z.B. das Anklemmen oder Abklemmen von Windungsanzapfungen oder das mechanische Verschieben der Gegenspulen oder das Verändern des Stromes für die Gegenspule durch einen Potentiometer.
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Der Drehanodenröntgenstrahler kann in verschiedenen Röntgensystemen mit hohen Anforderungen an die Bildqualität, insbesondere in Computertomographiesystemen oder C-Bogen-Röntgensystemen zur Radiographie, Angiographie oder Kardangiographie, verwendet werden.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines bekannten Drehanodenröntgenstrahlers,
- 2 eine Ansicht eines möglichen Schaltbildes für einen erfindungsgemäßen Drehanodenröntgenstrahler und
- 3 eine Ansicht eines Ausschnitts aus einem erfindungsgemäßen Drehanodenröntgenstrahler mit mehreren Gegenspulen.
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In der 1 ist, wie bereits beschrieben, ein bekannter Drehanodenröntgenstrahler mit einer in einem Vakuum-Röhrengehäuse angeordneten Röntgenröhre 2 gezeigt, wobei die Drehanode 3 mittels eines Rotors 5 und eines Stators 6 gedreht wird. Die Kathode 4, z.B. ein Glühdraht, erzeugt z.B. mittels Glühemission Elektronen, welche dann in Form eines Elektronenstrahls auf die sich drehende Drehanode 3 beschleunigt werden und dort im Auftreffpunkt den Fokus (Brennfleck) erzeugen. Hierdurch wird eine Röntgenstrahlung 9 erzeugt und durch ein Strahlenaustrittsfenster 7 abgestrahlt, wobei die Röntgenstrahlung anschließend durch eine Blende 8 geformt werden kann. Zum Antrieb kann der Drehanodenröntgenstrahler 1 Hochspannungszuführungen 10 aufweisen. Die Röntgenröhre 2 ist z.B. innerhalb des Strahlergehäuses in Öl gelagert. Der Stator 6 weist im Allgemeinen eine oder mehrere Statorspulen auf, welche ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen, um den Rotor 5 zu bewegen. Das elektromagnetische Wechselfeld hat jedoch den Nachteil, dass es den Elektronenstrahl der Kathode negativ beeinflusst, indem es das sogenannte Fokuswackeln erzeugt.
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Zur aktiven Minimierung des Fokuswackelns ist für jede Statorspule zumindest eine Gegenspule vorgesehen. Durch die jeweilige Gegenspule wird ein kompensierendes Streufeld erzeugt, welches das elektromagnetische Wechselfeld der jeweiligen Statorspule zu jedem Zeitpunkt kompensiert. Die Gegenspule ist bevorzugt zu der jeweiligen Statorspule mit umgekehrter Stromflussrichtung in Serie geschaltet. Sie ist außerdem so nah wie möglich an der Kathode oder dem Fokus oder dem Elektronenstrahl positioniert, um gezielt in diesen Bereichen das störende Wechselfeld der Statorspulen zu kompensieren. Dadurch wird das Fokuswackeln, welches durch den störenden Einfluss des Wechselfeldes der Statorspule(n) auf den Elektronenstrahl erzeugt wird, minimiert.
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In der 3 ist eine erfindungsgemäße Röntgenröhre 2 gezeigt, welche drei Statorspulen und dazu drei Gegenspulen aufweist. Eine erste Statorspule 6.1 ist mit einer ersten Gegenspule 11.1, welche kathodennah angeordnet ist, mit umgekehrter Stromflussrichtung in Serie geschaltet, ebenso wie eine zweite Statorspule 6.2 (gestrichelt gezeigt) mit einer zweiten Gegenspule 11.2 und eine dritte Statorspule 6.3 mit einer dritten Gegenspule 11.3. Die Gegenspulen sind außerhalb des Gehäuses der Röntgenröhre 2 derart angeordnet, dass sie sich sowohl möglichst nah an der Kathode oder dem Fokus befinden als auch, dass sie eine möglichst effektive Kompensierung des Wechselfeldes der jeweils zugeordneten Statorspule im Bereich des Fokus und des Elektronenstrahles erzielen. In der 2 ist außerdem ein Schaltbild einer möglichen elektrischen Verschaltung der Statorspulen und Gegenspulen gezeigt. Die Verschaltung entspricht hier dem Prinzip einer Sternschaltung mit Dreiphasenwechselstrom (erste Phase R, zweite Phase S, dritte Phase T) und Mittelpol (MP). Die Gegenspulen können auch unabhängig von den Statorspulen betrieben werden, hierfür muss die Synchronisation auf andere Weise als gezeigt realisiert werden.
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In der 3 ist außerdem eine Hallsonde 12 gezeigt, welche außerhalb des Gehäuses der Röntgenröhre im Bereich der Kathode 4 oder des Fokus angeordnet ist und die Magnetfeldstärke in diesem Bereich messen kann. Außerdem ist eine Regelungsvorrichtung 13 gezeigt, welche für eine Regelung der Erzeugung von kompensierenden Streufeldern durch die Gegenspulen geeignet ist. Eine solche Regelung kann z.B. so aussehen, dass durch eine oder mehrere Hallsonden 12 regelmäßig oder kontinuierlich die Magnetfeldstärke des Magnetfeldes im Bereich des Elektronenstrahles gemessen wird. Die Informationen werden dann dafür verwendet, die Gegenspulen automatisch derart anzusteuern, dass das kompensierende Streufeld verstärkt oder abgeschwächt oder in seiner Position verändert wird. Dies wird so lange durchgeführt, bis das Fokuswackeln vollständig kompensiert oder zumindest minimiert ist. Es kann z.B. vorgesehen sein, dass eine kontinuierliche Regelung durchgeführt wird, solange der Drehanodenröntgenstrahler in Betrieb ist.
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Eine Veränderung des kompensierenden Streufeldes in seiner Stärke oder seiner Position kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Es kann eine mechanische Verschiebung der Gegenspulen z.B. in Richtung der Längsachse der Röntgenröhre durchgeführt werden. Hierfür können z.B. Antriebe und/oder Schienen vorgesehen sein. Die Gegenspulen können außerdem mögliche Windungsanzapfungen an beliebigen Stellen aufweisen, welche an- oder abgeklemmt werden können. Auch hierdurch kann die Magnetfeldstärke verändert werden. Die Form und die Stärke des kompensierenden Streufeldes kann außerdem durch ein oder mehrere zueinander isolierte Eisenbleche beeinflusst werden. Der Strom, welcher durch die Gegenspulen fließt und deren Magnetfeldstärke beeinflusst, kann außerdem durch elektronische oder mechanische Potentiometer-Spannungsregler verändert werden, wodurch bei Bedarf Teile des Statorstromes an der Gegenspule vorbei geleitet werden. Potentiometer sind elektrische Widerstandsbauelemente, deren Widerstandswerte mechanisch, z.B. durch Drehen oder Verschieben, veränderbar sind und die als stetig einstellbare Spannungsteiler eingesetzt werden können.
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Die in der 3 gezeigte Anordnung der Statorspulen und Gegenspulen ist z.B. für einen Drehanodenröntgenstrahler mit einem Drehstromantrieb mit Antriebsfrequenzen zwischen 100 Hz und 300 Hz geeignet. Es können jedoch generell auch Gegenspulen für einphasige oder mehrphasige Antriebe vorgesehen sein. Der erfindungsgemäße Drehanodenröntgenstrahler kann für Röntgensysteme mit einer hohen Anforderung an die Bildqualität verwendet werden, zum Beispiel für Computertomographiesysteme oder für Röntgensysteme der Angiographie, Kardiologie und der Radiographie.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine besonders störungsfreie Röntgenstrahlenerzeugung ist ein Drehanodenröntgenstrahler mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung einer Röntgenstrahlung, aufweisend eine in einem Vakuumgefäß angeordnete rotierbare Drehanode mit einer Drehachse, einem auf der Drehachse angeordneten Rotor und einem Stator, welcher zumindest teilweise außerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet ist, wobei der Stator ein elektromagnetisches Wechselfeld zum Antrieb des Rotors erzeugt, und wobei der Stator zumindest eine Statorspule zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfeldes aufweist, sowie eine Kathode zur Erzeugung eines auf die Drehanode beschleunigbaren Elektronenstrahls, wobei zumindest eine Gegenspule zur Kompensierung des elektromagnetischen Wechselfeldes der zumindest einen Statorspule im Bereich der Kathode und/oder des Elektronenstrahls vorgesehen ist, vorgesehen.
