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Die Erfindung betrifft ein Medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes, aufweisend eine Einheit zur Magnetresonanzbildgebung und eine Einheit zur Röntgenbildgebung mit einem Röntgenstrahler gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Röntgenstrahler gemäß dem Patentanspruch 11.
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An die Komponenten von Medizinischen Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes werden ganz spezielle, bisher nicht dagewesene Anforderungen gestellt. Insbesondere ein Röntgenstrahler, welche sich im Bereich eines Magnetfelds einer Einheit zur Magnetresonanzbildgebung befindet, wird von diesem im Allgemeinen negativ beeinflusst und in seiner Funktion gestört. Um den Einfluss zu minimieren, werden z.B. Abschirmungen angeordnet, die den Röntgenstrahler schützen sollen. In
Lillaney et al., "Novel motor design for rotating anode x-ray tubes operating in the fringe field of a magnetic resonance imaging system", Med. Phys. 40 (2), 2013, wird ein Drehanodenstrahler mit modifiziertem Antriebskonzept beschrieben, welcher im Streufeld eines MRT betrieben werden kann. Das angegebene Magnetfeld beträgt dabei weniger als 100mT. Für höhere Magnetfelder (z.B. 1,5 T) ist dieser Röntgenstrahler nicht geeignet, da auf Grund der Sättigung des Eisens im Rotor des Antriebs die Drehung der Anode stark eingeschränkt oder funktionsuntüchtig wäre. Zudem sind Rückwirkungen auf die MR Bildgebung, z.B. auf Grund von Verzerrungen der Magnetfeldrichtung zu erwarten. Bei Drehanodenstrahlern steht das Gehäuse (Röhrenkolben) der Vakuumröhre (z.B. Glasgehäuse), während sich im Inneren der Anodenteller mit Hilfe eines Rotors dreht, um damit durch Verschmieren des Brennflecks auf einer größeren Brennbahn eine höhere Leistung des Röntgenstrahlers zu ermöglichen. Hohe Leistungen sind für den klinischen Einsatz von Röntgenstrahlern in der Radiographie und Fluoroskopie erforderlich. Um das Vakuum im Inneren der Vakuumröhre des Röntgenstrahlers aufrecht zu erhalten, wird die Leistung des Antriebsmittels einer Stator-Rotor-Kombination kontaktlos von außen auf den Rotor innen übertragen. Ein solches Antriebskonzept ist jedoch bei gleichzeitigem Wirken eines hohen äußeren Magnetfeldes auf Grund der Sättigung des Eisens im Rotor nicht mehr sinnvoll. Zudem würde das Eisen des Rotors die Feldhomogenität des MRT beeinflussen. Das Problem der Rotation des Anodentellers kann gelöst werden, wenn man ähnlich zu einem Drehkolbenstrahler die Anode und die Vakuumröhre gemeinsam rotiert. Drehkolbenstrahler wie in dem
Artikel von Schardt et al., New x-ray tube performance in computed tomography by introducing the rotating enveleope tube technology, Med. Phys. 31 (9), 2004, beschrieben, werden z.B. in Computer-Tomographen eingesetzt. Diese sind jedoch auf Grund ihrer Bauweise und des Konzeptes der Elektronenstrahlablenkung und Fokussierung nicht für den Betrieb in einem äußeren Magnetfeld geeignet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes mit einem Röntgenstrahler sowie einen geeigneten Röntgenstrahler bereitzustellen, welche trotz eines Magnetfeldes eine möglichst hochwertige Röntgenbildgebung gewährleisten.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes, aufweisend eine Einheit zur Magnetresonanzbildgebung und eine Einheit zur Röntgenbildgebung mit einem Röntgenstrahler gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch einen Röntgenstrahler gemäß dem Patentanspruch 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Bei dem Medizinischen Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes, aufweisend eine Einheit zur Magnetresonanzbildgebung und eine Einheit zur Röntgenbildgebung, welche mechanisch miteinander derart verbunden sind, dass die Einheit zur Röntgenbildgebung in die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung baulich integriert ist und beide eine Patientenöffnung zur Lagerung des Untersuchungsobjektes umgeben, wobei die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung ein Magnetfeld erzeugt, wobei die Einheit zur Röntgenbildgebung einen Röntgenstrahler zur Erzeugung eines Röntgenstrahls und einen Röntgendetektor aufweist, wobei der Röntgenstrahler eine Kathode und eine rotierbar angeordnete Drehanode aufweist, wobei die Kathode auf einer Drehachse der Drehanode angeordnet ist, wobei der Röntgenstrahler derart in dem Magnetfeld angeordnet ist, dass ein von der Kathode erzeugbarer und durch das Anlegen einer Spannung aus der Kathode heraus beschleunigter Elektronenstrahl durch das Magnetfeld auf eine Brennbahn/Brennpunkt der Drehanode fokussierbar ist, wird das Magnetfeld der Einheit zur Magnetresonanzbildgebung direkt genutzt, um den Elektronenstrahl der Kathode des Röntgenstrahlers auf die Brennbahn der Drehanode zu beschleunigen. Anstelle einer Abschirmung wird also im Gegenteil die Wirkung des Magnetfeldes verwendet, um die Röntgenstrahlung zu erzeugen.
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Die Funktionsweise ist dabei die folgende: Durch das Magnetfeld wirken auf die aus der Kathode austretenden Elektronen Lorentzkräfte, welche eine Ausbreitung der Elektronen senkrecht zu den Magnetfeldlinien verhindern. Die Elektronen werden daher durch die zwischen Kathode und Anode angelegte Spannung effektiv in Magnetfeldrichtung beschleunigt. Senkrecht zur Feldrichtung beschreiben die Elektronen dagegen nur Kreisbahnen. Damit beschreibt der Elektronenstrahl auf dem Weg von Kathode zur Anode im Wesentlichen Schraubenbahnen („Korkenzieherbahn”), wobei der Radius der Kreisbewegung bei typischen hohen Magnetfeldern von zum Bespiel 1,5 T im Bereich von weniger als 1 mm liegt. Damit ist eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Brennbahn/ den Brennfleck gewährleistet.
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Dadurch kann eine qualitativ hochwertige Erzeugung von Röntgenstrahlung und damit auch eine qualitativ hochwertige Röntgenbildgebung in einem Medizinischen Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung auch und insbesondere bei hohen Magnetfeldern gewährleistet werden. Dies kann für die verschiedenen Arten der Röntgenbildgebung, also z.B. Radiographie oder Fluoroskopie genutzt werden. Auf diese Weise ist eine verbesserte Diagnosestellung möglich, da mit einem erfindungsgemäßen medizinischen Bildgebungssystem in hoher Qualität sowohl Magnetresonanzbilder als auch Röntgenbilder desselben Untersuchungsobjektes nebeneinander angefertigt und zur Diagnose verwendet werden können. In vorteilhafter Weise ist der Röntgenstrahler derart in dem Magnetfeld angeordnet, dass eine Verbindung zwischen Kathode und Brennbahn/ Brennfleck der Drehanode mit einer Magnetfeldrichtung B0 des Magnetfelds zusammenfällt.
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Ein erfindungsgemäßer Röntgenstrahler weist dabei eine Kathode und eine rotierbar angeordnete Drehanode auf, wobei die Kathode auf einer Drehachse der Drehanode angeordnet ist, wobei der Röntgenstrahler derart in dem Magnetfeld anordbar ist, dass ein von der Kathode erzeugbarer und durch das Anlegen einer Spannung aus der Kathode heraus beschleunigbarer Elektronenstrahl durch ein Magnetfeld, welches durch die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung erzeugt wird, auf eine Brennbahn/Brennpunkt der Drehanode fokussierbar ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der Röntgenstrahler eine die Kathode und die Drehanode enthaltende Vakuumröhre auf, wobei die Drehanode mit der Vakuumröhre starr verbunden und gemeinsam rotierbar angeordnet ist. Hierdurch wird eine Beeinflussung der Rotation der Drehanode (also des Anodentellers) bzw. des Vakuums in der Vakuumröhre vermieden, die Kühlung des Röntgenstrahlers verbessert und damit die Qualität und Leistungsstärke der Röntgenbildgebung weiter verbessert. Insbesondere weist der Röntgenstrahler einen außerhalb der Vakuumröhre angeordneten Antrieb auf, welcher zur Drehung der Drehanode und der Vakuumröhre ausgebildet ist. Der Antrieb kann z.B. hydraulisch, pneumatisch oder mittels Piezokristallen funktionieren, was vorteilhaft ist, um Wechselwirkungen mit dem Magnetfeld der Einheit zur Magnetresonanzbildgebung und der MR-Bildgebung selbst zu vermeiden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Röntgenstrahler eine elektrostatisch wirkende Fokustasse zur Fokussierung des Elektronenstrahls auf. Diese Fokustasse, bei der es sich z.B. um einen Wehneltzylinder handelt, bündelt den Elektronenstrahl, so dass z.B. niedrigere Spannungen notwendig sind, um den Röntgenstrahl und zu erzeugen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Röntgenstrahler Spulen zur Erzeugung von weiteren Magnetfeldkomponenten zur Richtungsbeeinflussung des Elektronenstrahls auf. Die Spulen sind in vorteilhafter Weise zur Erzeugung von Magnetfeldkomponenten in Dipol- und/oder Quadrupolform ausgebildet. Um Wechselwirkung mit dem Magnetfeld zu vermeiden, sind die Spulen z.B. als Luftspulen, also ohne Eisenjoch, ausgebildet. Durch die Spulen können kleine Abweichungen des Elektronenstrahls korrigiert werden. Anstelle der Spulen können auch elektrostatische Komponenten zur Strahlführung verwendet werden.
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Zweckmäßigerweise weist der Röntgenstrahler zumindest ein außerhalb der Vakuumröhre angeordnetes Lager auf. Als Lager können z.B. konventionelle Kugellager, Gleitlager oder Gleitmetalllager eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Bildgebungssystem eine Vorrichtung zur Messung des Magnetfeldes und/oder der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes auf. Diese kann insbesondere das Magnetfeld/ die Magnetfeldrichtung im Bereich des Röntgenstrahlers messen und bei Abweichungen, welche eventuell den Verlauf des Elektronenstrahls beeinflussen, Gegenmaßnahmen vorschlagen. Die Gegenmaßnahmen können z.B. aus einer Nutzung zusätzlicher Strahlkorrekturmaßnahmen bestehen. Zur Messung kann z.B. ein Hall-Sensor verwendet werden. Insbesondere kann auch der Röntgenstrahler positionierbar angeordnet sein und das Bildgebungssystem eine Regelungsvorrichtung zur Regelung der Position des Röntgenstrahlers in Abhängigkeit von einer Messung der Magnetfeldrichtung des Magnetfelds aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann die Gegenmassnahme also aus einer Positionskorrektur des Röntgenstrahlers bestehen. Der Röntgenstrahler wird bei Änderungen der Magnetfeldrichtung bzw. des Magnetfeldes also so repositioniert, dass der Elektronenstrahl wieder exakt auf der Brennbahn/ dem Brennfleck auftrifft.
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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:
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1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers, welche in einem Magnetfeld eines Medizinischen Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung angeordnet ist;
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2 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers;
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3 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers; und
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4 ein erfindungsgemäßes Medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung mit einem Röntgenstrahler.
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In der 4 ist ein erfindungsgemäßes medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung 15 gezeigt. Dieses medizinische Bildgebungssystem 15 weist eine Einheit zur Magnetresonanzbildgebung mit mindestens einem Magneten 19 sowie eine Einheit zur Röntgenbildgebung mit zumindest einem Röntgendetektor 16 und einem erfindungsgemäßen Röntgenstrahler 1 auf. Beide Einheiten umgeben eine Patientenöffnung 17, in welcher ein Untersuchungsobjekt, insbesondere ein Patient 18, angeordnet werden kann. Die Einheit zur Röntgenbildgebung ist dabei zumindest teilweise in die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung baulich integriert, indem z.B. der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor innerhalb einer Gantry der Einheit zur Magnetresonsnzbildgebung angeordnet sind. Die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung erzeugt ein Magnetfeld mit einer Magnetfeldrichtung B0 im inneren der Patientenöffnung, z.B. durch einen oder mehrere Magneten. Für weitere Details von bekannten Einheiten zur Magnetresonanzbildgebung wird auf den Stand der Technik verwiesen.
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Der Röntgendetektor ist dazu ausgebildet, Röntgenstrahlung in Bilddaten umzuwandeln. Für weitere Details von bekannten Röntgendetektoren wird auf den Stand der Technik verwiesen. Der Röntgenstrahler 1 ist dabei in dem Magnetfeld mit der Magnetfeldrichtung B0 derart angeordnet, dass ein von einer Kathode erzeugter Elektronenstrahl durch das Magnetfeld auf eine auf einer Drehanode befindliche Brennbahn gerichtet ist. Das Magnetfeld wird also direkt zur Strahlführung und -fokussierung verwendet. Details des Röntgenstrahlers werden anhand der 1 bis 3 beschrieben.
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In der 1 ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlers 1 gezeigt. Der Röntgenstrahler weist dabei eine Vakuumröhre 12 auf, welche mit einer Drehanode 3 starr verbunden ist. Die Drehanode 3 ist dabei gemeinsam mit der Vakuumröhre 12 um eine Drehachse 20 rotierbar angeordnet. Im Inneren der Vakuumröhre 12 befindet sich ein Vakuum 9. Im Bereich der Drehachse 20 ist eine Kathode 2 in der Vakuumröhre 12 angeordnet. Durch das Anlegen einer Spannung können Elektronen in Form eines Elektronenstrahls 5 aus der Kathode herausbeschleunigt werden. Der Elektronenstrahler 1 ist nun innerhalb des von der Einheit zur Magnetresonanzbildgebung erzeugten Magnetfelds so angeordnet, dass das Magnetfeld den Elektronenstrahl auf die Brennbahn 7 der Drehanode fokussiert. Dies ist z.B. so realisiert, dass eine Verbindung zwischen der Kathode 2 und der Brennbahn 7 der Drehanode 3 mit der Magnetfeldrichtung B0 des Magnetfelds zusammenfällt. Zwischen der Drehachse 20 der Drehanode und der Magnetfeldrichtung B0 wird in diesem Fall ein Winkel α aufgespannt. Durch das Magnetfeld wirken auf die aus der Kathode austretenden Elektronen Lorentzkräfte, welche eine Ausbreitung der Elektronen senkrecht zu der Magnetfeldrichtung B0 verhindern. Die Elektronen werden mit Hilfe einer zwischen Kathode 2 und Drehanode 3 angelegte Spannung effektiv in Magnetfeldrichtung B0 beschleunigt. Senkrecht zur Magnetfeldrichtung B0 beschreiben die Elektronen dagegen nur Kreisbahnen. Damit beschreibt der Elektronenstrahl auf dem Weg von Kathode zur Drehanode im Wesentlichen Schraubenbahnen („Korkenzieherbahn”), wobei der Radius der Kreisbewegung bei typischen hohen Magnetfeldern von zum Bespiel 1,5 T im Bereich von weniger als 1 mm liegt. Damit ist eine optimale Fokussierung des Elektronenstrahls auf die Brennbahn/ den Brennfleck gewährleistet.
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Außerhalb des Vakuumgehäuses 12 des Röntgenstrahlers 1 ist mindestens ein Antrieb 4 angeordnet, welcher die gemeinsame Rotation der Vakuumröhre 12 und der Drehanode 3 um die Drehachse 20 bewirkt. Hierbei kann es sich zum Beispiel um einen hydraulischen oder pneumatischen Antrieb oder um einen Piezoantrieb handeln. Diese werden von dem Magnetfeld wenig oder nicht beeinflusst. Außerdem weist der Röntgenstrahler mindestens ein, im gezeigten Fall z.B. vier, Lager 6 auf, welche die Lagerung der Vakuumröhre 12 in ihrem Gehäuse 11 bewirkt. Bei den Lagern 6 kann es sich z.B. um konventionelle Kugellager, Gleitlager oder Gleitmetalllager handeln.
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In der 2 ist eine weitere Ausführungsform des Röntgenstrahlers gezeigt, bei welcher die Fokussierung des Elektronenstrahls 5 durch den Einsatz einer elektrostatisch wirkenden Fokustasse 13 (focusing cup) verbessert werden. Die Fokustasse 13 kann z.B. von einem sogenannten Wehneltzylinder gebildet werden. In der 3 ist ein Röntgenstraher ezeigt, bei welchem zur Beeinflussung des Elektronenstrahls zusätzliche Spulen 14 angebracht sind, die z.B. Magnetfeldkomponenten in Dipol- und Quadrupolform erzeugen. Die Spulen sind vorzugsweise als Luftspulen ausgebildet — d.h. ohne Eisenjoch — um Wechselwirkungen mit dem Magnetfeld der Einheit zur Magnetresonsnzbildgebung zu vermeiden. Weiterhin werden die Spulen z.B. nur während des Strahlbetriebs der Einheit zur Röntgenbildgebung eingeschaltet und während der MRT-Bildgebung ausgeschaltet, um Wechselwirkungen mit der MR-Bi|dgebung zu vermeiden. Außerdem können an Stelle der Spulen auch elektrostatische Maßnahmen zur Strahlführung verwendet werden.
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Außerdem kann das Bildgebungssystem eine Vorrichtung zur Messung des Magnetfeldes und/oder der Magnetfeldrichtung des Magnetfeldes aufweisen. Diese kann insbesondere das Magnetfeld/ die Magnetfeldrichtung im Bereich des Röntgenstrahlers und insbesondere im bereich des Elektronenstrahls messen und bei Abweichungen, welche eventuell den Verlauf des Elektronenstrahls beeinflussen könnten, eine Warnung ausgeben und/oder Gegenmaßnahmen vorschlagen. Die Gegenmaßnahmen können z.B. eine Nutzung zusätzlicher Strahlkorrekturmaßnahmen beinhalten. Zur Messung kann z.B. ein Hall-Sensor verwendet werden. Außerdem kann auch der Röntgenstrahler positionierbar angeordnet sein und das Bildgebungssystem eine Regelungsvorrichtung zur Regelung der Position des Röntgenstrahlers in Abhängigkeit von einer Messung der Magnetfeldrichtung des Magnetfelds aufweisen. In dieser Ausgestaltung kann die Gegenmaßnahme also aus einer Positionskorrektur des Röntgenstrahlers bestehen, z.B. einer leichten Kippung. Der Röntgenstrahler wird bei Änderungen der Magnetfeldrichtung bzw. des Magnetfeldes also so repositioniert, dass der Elektronenstrahl wieder exakt auf der Brennbahn oder dem Brennfleck auftrifft.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Für eine verbesserte Diagnosestellung durch eine kombinierte Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung ist ein medizinisches Bildgebungssystem zur kombinierten Magnetresonanz- und Röntgenbildgebung eines Untersuchungsobjektes, aufweisend eine Einheit zur Magnetresonanzbildgebung und eine Einheit zur Röntgenbildgebung, welche mechanisch miteinander derart verbunden sind, dass die Einheit zur Röntgenbildgebung in die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung baulich integriert ist und beide eine Patientenöffnung zur Lagerung des Untersuchungsobjektes umgeben, vorgesehen, wobei die Einheit zur Magnetresonanzbildgebung ein Magnetfeld erzeugt, wobei die Einheit zur Röntgenbildgebung einen Röntgenstrahler zur Erzeugung eines Röntgenstrahls und einen Röntgendetektor aufweist, wobei der Röntgenstrahler eine Kathode und eine rotierbar angeordnete Drehanode aufweist, wobei die Kathode auf einer Drehachse der Drehanode angeordnet ist, wobei der Röntgenstrahler derart in dem Magnetfeld angeordnet ist, dass ein von der Kathode erzeugbarer und durch das Anlegen einer Spannung aus der Kathode heraus beschleunigter Elektronenstrahl durch das Magnetfeld auf eine Brennbahn/Brennpunkt der Drehanode fokussierbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lillaney et al., “Novel motor design for rotating anode x-ray tubes operating in the fringe field of a magnetic resonance imaging system”, Med. Phys. 40 (2), 2013 [0002]
- Artikel von Schardt et al., New x-ray tube performance in computed tomography by introducing the rotating enveleope tube technology, Med. Phys. 31 (9), 2004 [0002]
