DE102016222365B3 - Verfahren, Computerprogrammprodukt, computerlesbares Medium und Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung gibt ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung mit folgenden Schritten an: – automatisches Ausschalten (102) der Hochspannung einer Röntgenröhre (14), – wodurch die Röhrenspannung (UT) abgebaut wird, und – bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts (TH) der Röhrenspannung (UT) oder einer vorgebbaren Wartezeit (WT) nach dem Ausschalten der Hochspannung automatisches Einschalten (103) der Gitterspannung eines zwischen dem Emitter (2) der und der Anode (4) der Röntgenröhre (14) angeordneten Gitters (8), – wodurch keine Elektronen (3) von dem Emitter (2) zu der Anode (4) gelangen können und der Röhrenstrom (IT) auf den Wert Null sinkt. Die Erfindung gibt auch ein zugehöriges Computerprogrammprodukt, ein zugehöriges computerlesbares Medium und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung an. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Vorteile der zwei bekannten Varianten zur Sperrung des Röhrenstroms kombinieren werden können, d. h. also sowohl hohe Röhrenströme geschaltet als auch niedrigenergetische Röntgenstrahlung verhindert werden kann.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Medium und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung. Dabei wird die Hochspannung einer Röntgenröhre abgeschaltet und ein Gitter zwischen Anode und Emitter der Röntgenröhre aktiviert.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In der röntgenbasierten Bildgebung werden in der Regel Röntgenstrahler als Teilchenquelle eingesetzt. Oftmals werden die Röntgenstrahler gepulst, um beispielweise bei einer medizinischen Bildgebung die Patientendosis gering zu halten. Der Aufbau eines Röntgenstrahlers bzw. Röntgenröhre nach dem Stand der Technik ist in 1 schematisch dargestellt.
  • 1 zeigt einen Röntgenstrahler im Querschnitt. In einer Vakuumröhre 1 werden durch Aufheizen eines Emitters 2 (= Kathode) Elektronen 3 ins Vakuum freigesetzt. Die Elektronen 3 werden durch Hochspannung, die zwischen dem Emitter 2 und einer Anode 4 angelegt ist, auf die Anode 4 zu beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Anode 4 wird etwa 1% der Energie der Elektronen 3 in Röntgenstrahlung 5 umgewandelt, die restliche Energie geht in Wärme über. Die erzeugte Wärme muss der Anode 4 dauernd entzogen werden, sonst droht ein Abschmelzen der Brennbahn auf der Anode 4. Bei Hochleistungsröhren werden daher zumeist Drehanoden in Kombination mit direkt gekühlten Lagern verwendet. Durch das Austrittsfenster 6 verlässt die Röntgenstrahlung 5 die Vakuumröhre 1. Mittels des motorischen Antriebs 7 wird die Drehanode 4 in Rotation versetzt.
  • Für die Angiografie beispielsweis ist eine gepulste Röntgenstrahlung zur Verringerung der Röntgenstrahlungsbelastung der Patienten erforderlich. Die Pulserzeugung bei Röntgenröhren kann durch zwei Methoden realisiert werden.
  • Am einfachsten ist es, die zwischen dem Emitter 2 und der Anode 4 anliegende Hochspannung ein- und auszuschaltet (= primärgepulste Röntgenstrahlung 5). Alternativ kann zwischen dem Emitter 2 und der Anode 4 ein Gitter 8 bzw. um den Emitter 2 ein Metallkörper angeordnet sein, das bzw. der mit einer gepulsten Sperrspannung beaufschlagt wird, wodurch die Elektronen 3 zum Hochspannungsfeld hin abgeschirmt werden. In anderen Worten, dass Gitter 8 wird ein- und ausgeschaltet, wodurch es abwechselnd sperrt und leitet (= sekundärgepulste Röntgenstrahlung 5)
  • Die erste Methode ist einfach zu realisieren. Allerdings haben hohe Kapazitäten durch Kabel etc. in der Ansteuerung den Nachteil, dass deren Entladung über die Röntgenröhre erfolgen muss. Dadurch treffen kurzzeitig auch Elektronen 3 auf die Anode 4, die eine geringere Energie aufweisen, d. h. eine geringere Beschleunigungsspannung erfahren haben. Die niederenergetischen Elektronen 3 erzeugen aber nur eine niederenergetische Röntgenstrahlung 5, die z. B. in der medizinischen Bildgebung unnötig hohe Patientendosen verursacht ohne für die Bildgebung beizutragen.
  • Die zweite Methode schafft saubere zeitlich begrenzte Röntgenpulse, da der Röhrenstrom in sehr kurzer Schaltzeit abgeschirmt werden kann. In der Offenlegungsschrift DE 10 2009 004 186 A1 ist beispielhaft eine Gitteranordnung offenbart. Allerdings sind bei Hochleistungsröntgenröhren die Röhrenströme sehr hoch. Um derartige hohe Röhrenströme zu erzeugen, sind große Emissionsflächen des Emitters 2 hilfreich. Große Emissionsflächen sind aber schwer zu sperren. Insofern ist bei Röntgenröhren mit großen Strömen eine Sekundärpulsung schwierig.
  • Die Patentschrift DE 10 2009 037 688 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Steuerung eines Elektronenstrahls für die Erzeugung von Röntgenstrahlung, Die Vorrichtung weist einen Emitter zur Erzeugung eines Elektronenstrahls, eine Blende, zwei, der Blende zugeordnete Steuermittel zur Beeinflussung des Elektronenstrahls und Schaltmittel, mit denen an die zwei Steuermittel zwei verschiedene elektrische Spannungen anlegbar sind, auf. Wobei an den zwei Steuermitteln aber jeweils die gleiche elektrische Spannung anliegt, und wobei der Verbindungsleitung des einen Steuermittels mit den Schaltmitteln zur Umschaltung der Spannung eine beim Umschalten der Spannung die Einstellung der jeweiligen Spannung an dem einen Steuermittel zeitlich verzögernde elektrische Schaltung zugeordnet ist.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt, ein computerlesbares Medium und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung anzugeben, die obige Nachteile und Einschränkungen vermeiden und die Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung bei Hochleistungsröntgenröhren ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren, dem Computerprogrammprodukt, dem computerlesbares Medium und der Vorrichtung der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß werden beide bekannte Verfahren derart miteinander kombiniert, dass sauber aufgelöste Röntgenpulse auch bei hohen Röhrenströmen erzeugt werden können. Der Ablauf ist wie folgt:
    • a) Zuerst wird die Hochspannung der Röntgenröhre ausgeschaltet. Die Hochspannung baut sich bei den starken Strömen in der Röntgenröhre schnell ab.
    • b) Sobald die Röhrenspannung einen Schwellwert erreicht hat, bei dem der Emitter durch ein Gitter zeitlich vollständig von der Hochspannung getrennt werden kann, wird das Gitter aktiviert. Die angelegte Hochspannung bleibt dann auf dem Wert bestehen.
  • Durch die erfindungsgemäße Kombination beider Verfahren können einerseits hohe Ströme verwendet andererseits die in der medizinischen Bildgebung unerwünschte Niederenergiestrahlung verhindert werden.
  • Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung mit folgenden Schritten:
    • – automatisches Ausschalten der Hochspannung einer Röntgenröhre,
    • – wodurch die Röhrenspannung abgebaut wird, und
    • – bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts der Röhrenspannung oder einer vorgebbaren Wartezeit nach dem Ausschalten der Hochspannung automatisches Einschalten der Gitterspannung eines zwischen dem Emitter und der Anode der Röntgenröhre angeordneten Gitters,
    • – wodurch keine Elektronen von dem Emitter zu der Anode gelangen können und der Röhrenstrom auf den Wert Null sinkt.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Vorteile der bekannten Varianten zur Sperrung des Röhrenstroms kombiniert werden können, d. h. also sowohl hohe Röhrenströme geschaltet als auch niedrigenergetische Röntgenstrahlung verhindert werden kann.
  • In einer Weiterbildung werden der Schwellwert oder die Wartezeit derart gewählt, dass der Emitter durch das Gitter vollständig von der Hochspannung trennbar ist.
  • In einer weiteren Ausführungsform können der Schwellwert oder die Wartezeit experimentell oder rechnerisch bestimmt werden.
  • Die Erfindung beansprucht auch ein Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuereinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinheit ausgeführt wird.
  • Die Erfindung beansprucht auch ein computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuereinheit ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinheit ausgeführt wird.
  • Die Erfindung beansprucht des Weiteren eine Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung, mit:
    • – einer Röntgenröhre mit einem Emitter und einer Anode,
    • – einer Hochspannungserzeugungseinheit, die ausgebildet ist, eine Hochspannung zwischen dem Emitter und der Anode aufzubauen,
    • – einem Gitter zwischen dem Emitter und der Anode, das ausgebildet ist, bei Anlegen einer Gitterspannung die Elektronen des Emitters abzulenken,
    • – einer Gitterspannungserzeugungseinheit, die ausgebildet ist die Gitterspannung aufzubauen, und
    • – einer Steuereinheit, die ausgebildet und eingerichtet ist, die Hochspannung der Hochspannungsversorgungseinheit automatisch auszuschalten und bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts der Röhrenspannung oder einer vorgebbaren Wartezeit nach dem Ausschalten der Hochspannung die Gitterspannung der Gitterspannungserzeugungseinheit automatisch einzuschalten.
  • In einer Weiterbildung weist die Vorrichtung eine mit der Steuereinheit elektrisch verbundene Röhrenspannungsmesseinheit auf, die ausgebildet ist, die Röhrenspannung der Röntgenröhre zu ermitteln und an die Steuereinheit zu übertragen.
  • Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
  • Es zeigen:
  • 1: eine Röntgenröhre im Querschnitt,
  • 2: einen Röhrenspannungsverlauf bei einer primärgepulsten Röntgenstrahlung,
  • 3: einen Röhrenspannungsverlauf bei einer sekundärgepulsten Röntgenstrahlung,
  • 4: ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 5: einen erfindungsgemäßen Röhrenspannungsverlauf und
  • 6: ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen.
  • Detaillierte Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • 2 zeigt den Verlauf der Röhrenspannung UT in kV in Abhängigkeit der Zeit t in ms für eine primärgepulste Röntgenstrahlung in einem Schaubild. Nach der Pulsdauer PT wird die Hochspannung abgeschaltet und die Röhrenspannung fällt nach einiger Zeit auf den Wert Null ab.
  • 3 zeigt den Verlauf der Röhrenspannung UT in kV in Abhängigkeit der Zeit t in ms für eine sekundärgepulste Röntgenstrahlung in einem Schaubild. Nach der Pulsdauer PT wird die Gitterspannung eingeschaltet und der Röhrenstrom IT fällt sofort auf den Wert Null ab, da keine weiteren Elektronen vom Emitter zur Anode nun gelangen können. Dies gelingt aber nur, wenn der Röhrenstrom bzw. die Röhrenspannung UT nicht zu groß sind, da nur dann das Gitter voll wirksam ist und alle Elektronen sperren kann. Der Röntgenpuls wird sauber abgeschnitten, wie in 3 zu sehen ist.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung eines Röntgenpulses bei der Röntgenbildgebung. Im ersten Schritt 101 wird die Hochspannung der Röntgenröhre eingeschaltet. Im nächsten Schritt 102 wird nach dem Verstreichen der Pulsdauer PT die Hochspannung abgeschaltet. Nachdem die Röhrenspannung UT den Schwellwert TH erreicht hat, wird im Schritt 103 das Gitter aktiviert. Der Röhrenstrom IT fällt auf den Wert Null. Nach einer Pause wird im Schritt 104 das Gitter 8 deaktiviert und wieder zu Schritt 101 gesprungen.
  • Wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt, ergibt sich ein Schaubild gemäß 5. Zu sehen ist der Röhrenstrom IT in A in Abhängigkeit der Zeit t in ms. Die Hochspannung wird nach der Pulsdauer PT abgeschaltet und wenn die Röhrenspannung UT den Schwellwert TH erreicht hat, wird das Gitter durch Einschalten der Gitterspannung aktiviert und der Röhrenstrom IT fällt auf den Wert Null. Die resultierende Pulsdauer setzt sich daher aus der Pulsdauer PT und der Wartezeit WT zusammen. Dadurch werden nur hochenergetische Quanten erzeugt, obwohl auch mit großen Röhrenströmen gefahren wird.
  • 6 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Röntgenpulses bei einer Röntgenbildgebung. Der Emitter 2 einer Röntgenröhre 14 wird mit einer Heizspannungserzeugungseinheit 13 zum Glühen gebracht. Zwischen dem Emitter 2 und der Anode 4 liegt die Hochspannung der Hochspannungserzeugungseinheit 9 an. Das Gitter 8 wird von der Gitterspanungserzeugungseinheit 10 versorgt. Mit Hilfe der Röhrenspannungsmesseinheit 12 kann die Röhrenspannung UT gemessen werden. Die vorgenannten Komponenten werden von der Steuereinheit 11 kontrolliert.
  • Die aktuelle Röhrenspannung UT wird von der Röhrenspannungsmesseinheit 12 an die Steuereinheit 11 geliefert. Bei Erreichen des vorab ermittelten Schwellwerts TH der Röhrenspannung UT wird über die Steuereinheit 11 das Gitter 8 aktiviert. Alternativ kann nach einer vorab ermittelten Wartezeit WT das Gitter 8 aktiviert werden. Kein Röhrenstrom kann nun mehr fließen. Der Röntgenpuls ist sauber abgeschnitten. Anschließend wird das Gitter 8 deaktiviert und die Hochspannung wieder eingeschaltet.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vakuumröhre
    2
    Emitter
    3
    Elektronenstrahl
    4
    Anode
    5
    Röntgenstrahlung
    6
    Austrittsfenster
    7
    Motorischer Antrieb
    8
    Gitter
    9
    Hochspannungserzeugungseinheit
    10
    Gitterspannungserzeugungseinheit
    11
    Steuereinheit
    12
    Röhrenspannungsmesseinheit
    13
    Heizspannungserzeugungseinheit
    14
    Röntgenröhre
    101
    Einschalten der Hochspannung
    102
    Abschalten der Hochspannung
    103
    Aktivieren des Gitters 8
    104
    Deaktivierung des Gitters 8
    IT
    Röhrenstrom
    PT
    Pulsdauer
    TH
    Schwellwert
    t
    Zeit
    UT
    Röhrenspannung
    WT
    Wartezeit

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung mit den Schritten: – automatisches Ausschalten (102) der Hochspannung einer Röntgenröhre (14), – wodurch die Röhrenspannung (UT) abgebaut wird, und – bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts (TH) der Röhrenspannung (UT) oder einer vorgebbaren Wartezeit (WT) nach dem Ausschalten der Hochspannung automatisches Einschalten (103) der Gitterspannung eines zwischen dem Emitter (2) und der Anode (4) der Röntgenröhre (14) angeordneten Gitters (8), – wodurch keine Elektronen (3) von dem Emitter (2) zu der Anode (4) gelangen können und der Röhrenstrom (IT) auf den Wert Null sinkt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (TH) oder die Wartezeit (WT) derart gewählt werden, dass der Emitter (2) durch das Gitter (8) zeitlich vollständig von der Hochspannung trennbar ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert (TH) oder die Wartezeit (WT) experimentell oder rechnerisch bestimmt werden.
  4. Computerprogrammprodukt, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuereinheit (11) ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinheit (11) ausgeführt wird.
  5. Computerlesbares Medium, auf welchem ein Computerprogramm gespeichert ist, wobei das Computerprogramm in eine Speichereinrichtung einer Steuereinheit (11) ladbar ist, wobei mit dem Computerprogramm die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2 ausgeführt werden, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinheit (11) ausgeführt wird.
  6. Vorrichtung zur Erzeugung von Röntgenpulsen bei einer Röntgenbildgebung, aufweisend: – eine Röntgenröhre (14) mit einem Emitter (2) und einer Anode (4), – eine Hochspannungserzeugungseinheit (9), die ausgebildet ist, eine Hochspannung zwischen dem Emitter (2) und der Anode (4) aufzubauen, – ein Gitter (8) zwischen dem Emitter (2) und der Anode (4), das ausgebildet ist, bei Anlegen einer Gitterspannung die Elektronen (3) des Emitters (2) von der Anode (4) zu sperren, – eine Gitterspannungserzeugungseinheit (10), die ausgebildet ist, die Gitterspannung aufzubauen, und – eine Steuereinheit (11), die ausgebildet und eingerichtet ist, die Hochspannung der Hochspannungserzeugungseinheit (9) automatisch auszuschalten und bei Erreichen eines vorgebbaren Schwellwerts (TH) der Röhrenspannung (UT) oder einer vorgebbaren Wartezeit (WT) nach dem Ausschalten der Hochspannung die Gitterspannung der Gitterspannungserzeugungseinheit (10) automatisch einzuschalten.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch: – eine mit der Steuereinheit (11) elektrisch verbundene Röhrenspannungsmesseinheit (12), die ausgebildet ist, die Röhrenspannung (UT) der Röntgenröhre (14) zu ermitteln und an die Steuereinheit (11) zu übertragen.
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