DE10320859A1 - Anwendung gepulster Energie für Röntgenröhren - Google Patents

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Anwendung gepulster Energie für eine Röntgenröhre bereitgestellt, mit einer Röntgenröhre (200) mit einer Anode (206) und Kathode (204); und einer Energieversorgung (210), die zur Bereitstellung einer Anode-zu-Kathode-Spaltspannung (226) eingerichtet ist, wobei die Spaltspannung (226) während einer Röntgenbestrahlung gepulst wird, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) führt.

Description

• Die Röntgenröhre ist bei der medizinischen diagnostischen Abbildung, der medizinischen Therapie und verschiedenen Branchen des medizinischen Testens und der Materialanalyse unentbehrlich geworden. Typische Röntgenröhren sind mit einer sich drehenden Anodenstruktur, die durch einen Induktionsmotor mit einem in eine freitragende Achse, die das scheibenförmige Anodenziel stützt, eingebauten zylindrischen Rotor gedreht wird, und einer Eisenstatorstruktur mit Kupferwindungen, die den verlängerten Hals der den Rotor enthaltenden Röntgenröhre umgeben, aufgebaut. Der durch den Stator, der den Rotor des Anodenaufbaus umgibt, angetriebene Rotor des sich drehenden Anodenaufbaus befindet sich auf anodischem Potential, während der Stator elektrisch auf Erde bezogen ist. Die Röntgenröhrenkathode stellt ein fokussiertes Elektronenstrahlenbündel bereit, das quer über den Anodezu-Kathode-Vakuumspalt beschleunigt wird und bei dem Zusammenprall mit dem Anodenziel Röntgenstrahlen erzeugt. Das Ziel umfaßt typischerweise eine aus einem hitzebeständigen Metall wie beispielsweise Wolfram, Molybdän, oder Legierungen davon hergestellte Scheibe, und die Röntgenstrahlen werden erzeugt, indem das Elektronenstrahlenbündel zur Kollision mit diesem Ziel veranlaßt wird, während das Ziel mit hoher Geschwindigkeit gedreht wird. Sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Anoden können 9000 bis 11000 U/min erreichen.
• Lediglich ein kleiner Oberflächenbereich des Ziels wird mit Elektronen beschossen. Auf diesen kleinen Oberflächenbereich wird als den Brennfleck Bezug genommen, und er bildet eine Quelle von Röntgenstrahlen. Die thermische Verwaltung ist bei einer erfolgreichen Zielanode entscheidend, da über 99 Prozent der der Zielanode zugeführten Energie als Wärme abgeleitet werden, während deutlich weniger als 1 Prozent der zugeführten Energie in Röntgenstrahlen gewandelt wird. Die relativ großen Mengen von Energie vorausgesetzt, die typischerweise in die Zielanode geleitet werden, ist es verständlich, daß die Zielanode zur effizienten Ableitung von Wärme in der Lage sein muß. Die hohen Pegel von dem Ziel zugeführter Momentanenergie in Kombination mit der kleinen Größe des Brennflecks haben Konstrukteure von Röntgenröhren dazu bewegt, die Zielanode sich drehen zu lassen, wodurch der thermische Fluß überall in einem größeren Bereich der Zielanode verteilt wird.
• Wenn die Leistungsfähigkeit von Röntgenröhren betrachtet wird, sind einige der wichtigen Punkte der Röntgenstrahlenerzeugungswirkungsgrad, die Patientendosisverwaltung, die Hochspannungsstabilität, der selektive spektrale Inhalt, die nachstehend als Detektoransprechzeit bezeichnete Erfassungseinrichtungsansprechzeit und die Geschwindigkeit der Bilderfassung.
• Der derzeitige Röntgenröhrenentwurf weist einen Wirkungsgrad von etwa 1 Prozent auf. Der größte Teil der Energieeingabe wird als Wärme abgeleitet. Die Handhabung von thermischen Problemen ist eine der Herausforderungen, denen sich Röntgenröhrenkonstrukteure gegenübersehen, die Hochenergieröhren zu entwerfen versuchen. Ein Verfahren, das eine Verbesserung des Wirkungsgrads der Röntgenstrahlenerzeugung bringt, wäre sehr wichtig. Die derzeitige Praxis verwendet eine Gleichspannungsenergieversorgung für die Anode-zu-Kathode- Spannung und erzeugt einen Gleichspannungsemissionsstrom, der dann wieder eine Gleichspannungsröntgenstrahlungsausgabe erzeugt. Mit dem gegenwärtigen Verfahren sind Zeiten vorhanden, in denen der Röntgenstrahl erzeugt und nicht zur Bilderzeugung verwendet wird, das heißt es sind Zeitintervalle vorhanden, in denen der Röntgenstrahl nicht benötigt wird.
• Somit sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beseitigung einer unnötigen Photonenerzeugung, wenn die Photonen nicht benötigt werden oder eine minimale Wirkung auf die Bildqualität auf der Grundlage der Detektoransprechzeit oder der Geschwindigkeit der Bilderfassung haben, erwünscht. Somit ist es wünschenswert, zur Verringerung einer unnötigen Emission von Röntgenstrahlung die Röntgenstrahlungsausgabe mit der Bildaufzeichnung zu synchronisieren.
• Die vorstehend erörterten und andere Nachteile und Defizite werden durch ein System zur Anwendung gepulster Energie für eine Röntgenröhre überwunden oder gemindert, mit einer Röntgenröhre mit einer Anode und Kathode; und einer Energieversorgung, die zur Bereitstellung einer Anode-zu- Kathode-Spaltspannung eingerichtet ist, wobei die Spaltspannung mit einer Frequenz beträchtlich oberhalb herkömmlicher Gridding- und sogenannter Primärkontaktimpulsfrequenzen während der Röntgenbestrahlung gepulst wird, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung führt.
• Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Betriebs bei Röntgenröhren offenbart. Das Verfahren umfaßt ein Verbinden einer Hochspannungsversorgung mit der Röntgenröhre mit einer in der Röntgenröhre angeordneten Anode und Kathode zur Bereitstellung einer Spaltspannung dazwischen; ein Pulsen der Spaltspannung mit einer Frequenz beträchtlich oberhalb herkömmlicher Gridding- und sogenannter Primärkontaktimpulsfrequenzen während der Röntgenbestrahlung; und ein Erzeugen einer gepulsten Röntgenstrahlung von der Anode.
• Der Fachmann erkennt und versteht die vorstehend erörterten und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den Zeichnungen.
• Auf die beispielhaften Zeichnungen Bezug nehmend, in denen gleiche Elemente in den verschiedenen Figuren gleich numeriert sind:
• Fig. 1 veranschaulicht eine graphische Darstellung einer hohen Ebene eines Röntgenabbildungssystems;
• Fig. 2 zeigt eine schematische Veranschaulichung eines beispielhaften Ausführungsbeispiels einer gepulsten Energieversorgung einschließlich einer Elektronenquelle und einer Gitterschaltung in einer betriebsfähigen Verbindung mit einer Röntgenröhre zur Erzeugung von gepulster Röntgenstrahlung;
• Fig. 3 zeigt einen die derzeitige Praxis der Gleichspannungsröntgenstrahlenerzeugung veranschaulichenden Funktionsverlauf, der die Gleichspannung, den Gleichstrom und die Energieeingabe graphisch darstellt; und
• Fig. 4 zeigt einen Funktionsverlauf der gepulsten Röntgenstrahlenerzeugung, der die Gleichspannung, den gepulsten Strom und die Energieeingabe unter Verwendung der gepulsten Energieversorgung gemäß Fig. 2 graphisch darstellt.
• Sich nachstehend Fig. 1 zuwendend veranschaulicht die Figur ein Röntgenabbildungssystem 100. Das Abbildungssystem 100 umfaßt eine Röntgenquelle 102 und einen Kollimator 104, die eine untersuchte Struktur 106 Röntgenphotonen aussetzen. Als Beispiele kann die Röntgenquelle 102 eine Röntgenröhre sein, und die untersuchte Struktur 106 kann ein menschlicher Patient, ein Testphantom oder ein anderes getestetes lebloses Objekt sein.
• Das Röntgenabbildungssystem 100 umfaßt auch einen mit einer Verarbeitungsschaltung 110 gekoppelten Bildsensor 108. Die Verarbeitungsschaltung 110 (zum Beispiel ein Mikrocontroller, ein Mikroprozessor, ein maßgefertigter ASIC oder dergleichen) koppelt einen Speicher 112 und eine Anzeige 114. Der Speicher 112 (zum Beispiel einschließlich einer oder mehreren von einer Festplatte, einer Diskette, einer CD-ROM, einem EPROM, und dergleichen) speichert ein Hochenergiepegelbild 116 (zum Beispiel ein nach einer Bestrahlung von 110-140 kVp 5 mAs aus dem Bildsensor 108 ausgelesenes Bild) und ein Niederenergiepegelbild 118 (zum Beispiel ein nach einer Bestrahlung von 70 kVp 25 mAs ausgelesenes Bild). Der Speicher 112 speichert auch Anweisungen zur Ausführung durch die Verarbeitungsschaltung 110 zur Aufhebung gewisser Arten von Struktur in den Bildern 116-118 (zum Beispiel Knochen- oder Gewebestruktur). Dadurch wird ein strukturaufgehobenes Bild 120 zur Anzeige erzeugt.
• Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Röntgenröhre 200 zur Verwendung als Röntgenquelle 102 mit einer Kathode 204, einer Anode 206 und einem einen allgemein bei 216 gezeigten dielektrischen Isolator aufweisenden Rahmen 208, die alle innerhalb der Röntgenröhre 200 angeordnet sind, gezeigt. Fig. 2 veranschaulicht auch beispielhafte Komponenten, die die Röntgenbestrahlung steuern; eine Hauptenergieversorgung (Generator) 210, eine Energieversorgung für die Fäden oder eine Elektronenquelle 212 und eine Gitterschaltung 214. Der Energieversorgungsgenerator 210, die Elektronenquelle 212 und die Gitterschaltung 214 können einzeln oder in Kombination zur Erzeugung einer gepulsten Energieeingabe in die Röntgenröhre 200 verwendet werden. Ein eine Kombination der vorstehenden beispielhaften Komponenten verwendendes Verfahren ist nachstehend umrissen.
• Bei einem beispielhaften Verfahren wird ein gepulster Röhrenemissionsstrom 218 erzeugt, der dann wieder eine gepulste Röntgenstrahlung 220 aus einem Anodenziel 222 erzeugt. Die Frequenz, die Impulsbreite und der Einschaltzyklus des gepulsten Emissionsstroms 218 werden durch die Ansprechzeit der nachstehend als Röntgendetektoren bezeichneten Röntgenerfassungseinrichtungen, die Bilderfassungsgeschwindigkeit und durch die erforderliche Bildqualität bestimmt.
• Für einen derzeitigen Impuls der Frequenz (f), der Impuls- EIN-Zeit (T_EIN), der Impuls-AUS-Zeit (T_AUS) und der Periode (T) ist der Wirkungsgradverbesserungsfaktor:
  
  
  
• Fig. 3 veranschaulicht das Prinzip der Röntgenstrahlenerzeugung, wenn der Einschaltzyklus 100% beträgt (T_AUS = 0). Genauer veranschaulicht Fig. 3 eine Gleichspannung, einen Gleichstrom, eine Gleichspannungsröntgenstrahlung und eine Energieeingabe, wenn der Emissionsstrom nicht gepulst ist, im Vergleich zu Fig. 4.
• Kurz auf Fig. 4 Bezug nehmend wäre der Wirkungsgradverbesserungsfaktor für einen Impuls des Emissionsstroms 218 mit einem Einschaltzyklus von 50% (T_EIN = T_AUS) 2, das heißt ein Wirkungsgradgewinn von 100% über das bekannte Verfahren. Es ist zu erkennen, daß der Wirkungsgradverbesserungsfaktor optional als ein Eingabeenergieverringerungsfaktor interpretiert wird.
• Beispielsweise braucht eine CT-Abtasteinrichtung (Computertomographieabtasteinrichtung) 500 µs zur Bilderfassung und tastet mit einem Intervall von 600 µs ab. Somit ist eine Zeitdauer von 100 µs in dem Intervall von 600 µs vorhanden, in der Röntgenphotonen immer noch erzeugt, aber nicht verwendet werden, was bedeutet, daß dann, wenn ein gepulster Emissionsstrom 218 verwendet worden wäre, die Eingabeenergie um einen Faktor von 16,7% (= 100/600, beispielhaft) verringert worden wäre.
• Die dabei offenbarten beispielhaften Verfahren nehmen es an, daß die Dynamik des menschlichen Körpers sich in einem nachstehend als Submillisekundenzeitmaßstab bezeichneten Untermillisekundenzeitmaßstab nicht deutlich ändern würde. Und infolge einer Änderung der Dynamik des menschlichen Körpers würde ein Verlust des Bilds für Mikrosekunden die diagnostische Prozedur nicht beeinflussen. Mit dieser grundlegenden Annahme würde eine Erzeugung einer gepulsten Röntgenstrahlung mit einer Impulsfrequenz in der Größenordnung von Dutzenden von kHz keinen bedeutenden Verlust von Informationen hervorrufen. Es wird ebenfalls angenommen, daß die Ansprechzeit (insbesondere die Abfallzeit) von Röntgendetektoren langsamer als die Ansprechzeit des Emissionsstroms ist. In diesem Fall nehmen Röntgensignale mit einer wesentlich längeren Zeitkonstante ab und würden ihren Wert beinahe auf ihrem Spitzenwert beibehalten, bis der nächste Impuls ankommt. Fig. 4 zeigt die erwarteten Spannungs-, Strom- und Röntgenstrahlungssignalverläufe.
• Immer noch auf Fig. 2 Bezug nehmend wird ein beispielhaftes Verfahren zu Erzeugung einer gepulsten Energieeingabe in die Röntgenröhre 200 beschrieben. Eine Haupt-Anode-zu-Kathode-Spaltspannung 226 wird mit einer hohen Frequenz gepulst, indem die Hochspannungsenergieversorgung 210 gepulst wird. Die Dauer jedes Impulses liegt vorzugsweise unterhalb einer Millisekunde. Der Emissionsstrom 218 und die Röntgenstrahlenerzeugung 220 werden gesteuert, indem die Extraktionsspannung Vac gepulst wird. Moderne eine gepulste Energieversorgung erzeugende Ausrüstung wird weniger kompliziert und weniger kostspielig. Bei höheren Spannungen, typischerweise etwa 150 kV, und höheren Momentanenergieanforderungen ist die Erzeugung einer gepulsten Energieversorgung jedoch eine Herausforderung. Für einen bipolaren Röntgenröhrenentwurf ist die Erzeugung einer gepulsten Spannung für eine Seite, typischerweise 75 kV, relativ wenig kompliziert und ist leicht verfügbar. Beispielsweise stellt unter Verwendung von schnellen Hochspannungsschaltern (auf der Grundlage von Festkörperschalttechnologie) bei einem Energieversorgungsgenerator 230 der Energieversorgung 210, der mit einem anderen Energieversorgungsgenerator 232 der Energieversorgung 210 in Reihe geschaltet ist, jeder Energieversorgungsgenerator 230, 232 bei 80 kV und 1 kA Momentanstrom eine Emissionsstromanstiegszeit von 200 ns bereit.
• Ferner stellt die Verwendung der gepulsten Spannungsversorgung 210 dort Vorteile bereit, wo eine variable Spannungsgröße wünschenswert ist, zum Beispiel zur Variation des spektralen Inhalts. Der spektrale Inhalt der Röntgenemission von einem herkömmlichen dicken festen Ziel 222 kann mittels zweier einstellbarer Parameter gesteuert werden: (1) der Elektronenbeschleunigungsspannung und (2) der Zielmaterialzusammensetzung. Die derzeit für medizinische diagnostische Ausrüstung verwendeten Hochenergieröntgenquellen sind dicke Ziele aus Material mit hoher Dichte und hohem Z; Bremsstrahlung wird von dem Ziel rückgestreut und entweicht über ein Fenster mit niedrigem Z 234 aus einem Röntgenröhreneinsatz. Das Spektrum der Strahlung wird optional unter Verwendung einer höheren Beschleunigungsspannung derart verschoben, daß es Strahlung höherer Energie umfaßt. Die Anwendung gepulster Energie eignet sich zur Steuerung der quer über die Röhre 200 zwischen der Kathode 204 und der Anode 206 angelegten Spannung von Impuls zu Impuls. Die Filtration für die Strahlung ist die gleiche, aber die Impulsfolge umfaßt sich unterscheidende Impulse, wobei einige Impulse eine Strahlung höherer Energie aufweisen. Die Detektoren können dann wieder derart durchlaßgesteuert werden, daß sie zu der Emission von Strahlung 220 passen. Alternativ werden zwei verschiedene Detektoren optional verwendet, wobei jeder von ihnen zur Verwendung mit Photonen verschiedener Energie optimiert ist. Eine bekannte und in dem zugehörigen Fachgebiet zur Erhöhung der Wirkung von Kontrastmitteln verwendete Bildsubtraktion kann mit mehr Steuerung angewendet werden, da der spektrale Inhalt der Strahlung bei diesem Ausführungsbeispiel unter einer maßvollen Steuerung ist. Die kurze Zeit zwischen Bildern bringt auch verringerte bewegungsbezogene Subtraktionsartefakte mit sich.
• Wie bei der Mammographie kann eine weitere Variation des spektralen Inhalts der Röntgenstrahlung erreicht werden, indem zwei verschiedene Materialien an dem Ziel 222 verwendet werden. Bei gewissen Mammographiezielentwürfen sind zwei getrennte Spuren an dem Ziel 222 zum Elektronenstrahlenbündelbeschuß angeordnet. Eine Einstellung oder Optimierung der Röntgenausgabe wird optional bewirkt, indem die Energie der das Ziel 222 treffenden Elektronen sowie eine Auswahl von zwei verschiedenen an dem Ziel 222 angebrachten Materialien variiert werden. Der Elektronenstrahlenbündelstrom kann daraufhin variiert werden, um Unterschiede bei dem Röntgenstrahlenertrag zwischen den zwei Materialien zu beseitigen oder zu kompensieren.
• Es ist zu erkennen, daß schnelle Impuls-zu-Impuls- Variationen der Elektronenstrahlenbündelintensität ein gewisses Niveau der Technologieentwicklung bei Kathodenelektronenemittern mit schneller Ansprechzeit annehmen. Herkömmlich wird eine thermionische Elektronenemission aus einem Faden 236 zur Erzeugung der Elektronen verwendet. Ein großer Bruchteil der in der Kathode abgeleiteten Energie erhitzt einfach die Kathodenstruktur; Kathodenenergieversorgungen sind größer als nötig, Kathodenteile sind heißer als sie sein müssen und die Abwärme muß durch einen raffinierten Röntgenröhrenentwurf verwaltet werden.
• Feldemissionskathoden stellen einen alternativen Ansatz zur Erzeugung von Elektronen ohne die in einem fadenbasierten Entwurf benötigte Heizenergie bereit. Feldemitterkathoden sind Elektronenquellen in der Form von nachstehend als Arrays bezeichneten regelmäßigen Anordnungen von mikrogefertigten scharfen Spitzen. Die Feldemission wird zur Extraktion der Elektronen ohne ein Erhitzen der Kathoden verwendet. Als eine Festkörpervorrichtung sind die Feldemissionskathoden zur gepulsten Röntgenstrahlenerzeugung geeignet. Diese Arrays umfassen ein ursprüngliches Kathodenarray vom Spindt-Typ, bei dem die Spitzen aus Molybdän hergestellt sind.
• Bei Elektronenquellen wie beispielsweise Feldemissionsquellen mit schneller Ansprechzeit kann der Emissionsstrom (die Temperatur) zur Steuerung der Elektronenerzeugung zwischen zwei Schwellenwerten EIN und AUS umgeschaltet werden. In dem Fall der Verwendung anderer Quellen von Elektronen kann eine ähnliche Prozedur zum Schalten des Elektronenflusses EIN/AUS verwendet werden. Die praktische Anwendbarkeit dieses Verfahrens hängt hauptsächlich von der Ansprechzeit der Elektronenquellen ab. Ein beispielhaftes Verfahren, das ideal für diese Aufgabe geeignet ist, ist von mit maßvollen Spannungen durchlaßgesteuerten Feldemissionsarrays (FEA) ausgehend möglich.
• Bei einem alternativen beispielhaften Ausführungsbeispiel umfaßt die schnelle Variation des Emissionsstroms 218 eine nachstehend als Gridding bezeichnete Abbildung auf ein Gitter unter Verwendung einer Gitterspannung 238. Die Kapazität von Kathodenschalen (cathode cups) ist ausreichend klein, so daß die Steuerung des Emissionsstroms 218 auf dem Zeitmaßstab von Dutzenden bis Hunderten Mikrosekunden möglich ist. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird ein Gridding zur Steuerung des Elektronenemissionsstroms verwendet. Die Gitterelektrode 240 schaltet von einem negativen Potential zum Abschneiden des Elektronenflusses zu dem des Kathodenpotentials, um Elektronen fließen zu lassen. Da die benötigte Gitterspannung 238 in der Größenordnung von wenigen kV liegt, kann ein schnelles Umschalten mit geringerer Kompliziertheit und niedrigeren Kosten erreicht werden.
• Die Anwendung gepulster Energie einer Hochspannungselektronenemission zur Bremsstrahlungsemission kann auch auf dünne Ziele angewendet werden, die Röntgenstrahlung in dem Übertragungsmodus erzeugen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel wäre eine dünne Stütze mit mehreren Folien aus dünnem Zielmaterial, die sich nahe dem zur Erzeugung der Röntgenstrahlung verwendeten Elektronenstrahlenbündel drehen würde. Eine Wahl der Impulsfolge ist der Schlüssel zum Treffen des Ziels zu der passenden Zeit, synchronisiert mit dem Detektorbetrieb und für den speziellen spektralen Inhalt optimiert, indem die Elektronenstrahlenbündelenergie variiert wird.
• Fig. 4 zeigt die Betriebsprinzipien für ein beispielhaftes vorgeschlagenes Verfahren unter Verwendung einer vorstehend erörterten gepulsten Gitterspannung. Verglichen mit der gegenwärtigen Praxis verringert dieses Verfahren die Energieeingabe und schließlich den Temperaturanstieg in Teilen der Röhre. Mit diesem Verfahren kann die thermische Beschränkung um den Wirkungsgradverbesserungsfaktor erhöht werden. Es ist zu erkennen, daß Fig. 4 beispielhaft einen Strom zeigt, der für eine Submillisekundendauer gepulst wird, aber es wird erwogen, daß die Spannung optional ebenso gepulst werden könnte. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, den Strom mittels einer schnellen Änderung der Gitterspannung mit hoher Frequenz zu pulsen. Es ist zu beachten, daß das Gridding alleine oder in Verbindung mit den dabei offenbarten anderen Verfahren zum Pulsen des Emissionsstroms verwendet werden kann.
• Einer der unmittelbarsten Vorteile der Verwendung einer Anwendung gepulster Energie mit Röntgenröhren besteht in einer Verbesserung des Wirkungsgrads von Röntgenröhren. Die Anwendung gepulster Energie erleichtert die Entwicklung von Röntgenröhren, die eine höhere Energie handhaben können. Mit einem erhöhten Wirkungsgradfaktor können Hochenergieröhren kompakter sein, und die Patientendosisverwaltung wird verbessert, indem eine unnötige Bestrahlung beseitigt wird. Überdies verringert sich dann, wenn der Röntgenröhrenwirkungsgrad (die Energiehandhabungsfähigkeit) sich erhöht, die Generatorenergieanforderung. Dies bedeutet dann wieder einen kompakteren und preiswerteren Generator.
• Die Hochspannungsstabilität von Röntgenröhren kann verbessert werden, indem Impulse kurzer Dauer angewendet werden und die Temperatur des Ziels verringert wird. Die dielektrische Stärke von Isolatoren verbessert sich, während die Impulsbreite der zugeführten Spannungen abnimmt. Durch eine Senkung der Spurtemperaturen (Zieltemperaturen) kann die Wahrscheinlichkeit einer Spuckaktivität (dielektrischer Durchschlag) verringert werden. Der Fachmann auf dem zugehörigen Fachgebiet erkennt es, daß die Hochspannungsstabilität bei höherem Strom einer der entscheidendsten Punkte des Röntgenröhrenentwurfs und der Röntgenröhrenleistungsfähigkeit ist.
• Ferner bringt dann, wenn der Primärimpuls unter Verwendung einer gepulsten Hochspannungsversorgung erzeugt wird, die Verwendung der gepulsten Hochspannungsversorgung einen zusätzlichen Vorteil bei der Verbesserung der Hochspannungsstabilität von Röntgenröhren. Genauer hängt die dielektrische Stärke des Isolationssystems in den meisten Fällen von der Dauer der Spannungszuführung ab, das heißt Isolatoren weisen für Impulse kurzer Dauer eine höhere dielektrische Stärke auf. Dies bedeutet, daß für die gleiche Geometrie oder den gleichen dielektrischen Abstand eine höhere Spannung zugeführt werden kann oder für den gleichen Spannungspegel der Abstand verringert werden kann.
• Die dabei offenbarten beispielhaften Verfahren veranschaulichen es, daß unter Verwendung der Technologie gepulster Energie bei Röntgenröhren die Röntgenstrahlenerzeugung mit der benötigten Röntgenausgabe zur Bildaufzeichnung synchronisiert wird. Diese Verfahren umfassen die Verwendung einer abgetasteten Röntgenstrahlenerfassung gefolgt von Signalwiederherstellungstechniken. Durch eine Beseitigung der unnötigen Photonenerzeugung, wenn sie nicht benötigt wird oder eine minimale Wirkung auf die Bildqualität aufweist, kann die erzeugte durchschnittliche Wärme deutlich verringert werden. Dies bringt dann wieder eine Verbesserung bei dem Wirkungsgrad oder der Energiehandhabungsfähigkeit der Röhre.
• Während die Geschwindigkeit der Ansprechzeit des Detektors und von Bilderfassungssystemen sich sehr schnell verbessern, wird die Dauer für die Röntgenstrahlenerzeugung kürzer. Dies schafft eine hervorragende Gelegenheit zur Verwendung der Technologie gepulster Energie zur Erzeugung von Röntgenphotonen in der Form eines einzelnen Impulses oder mehrerer abgetasteter Impulse.
• Abhängig von der Ansprechzeit (Anstiegs- und Abfallzeit) des Röntgendetektors und der Bilderfassungszeit können die Impulsfrequenz, die Impulsbreite und der Impulseinschaltzyklus zur Erzeugung einer Röntgenstrahlungsausgabe für eine benötigte Bildqualität optimiert werden. Leistungsfähige digitale Signalverarbeitungseinrichtungen mit schnellen Bildmanipulations- und Bildverarbeitungsalgorithmen sind zur Erzeugung von klaren Bildern aus abgetasteten Röntgenausgaben mit sehr geringem oder keinem Verlust von entscheidenden Informationen verfügbar.
• Eine gepulste Spannung kann auch zur Variation des spektralen Inhalts der Röntgenstrahlung durch eine Variation der Amplitude der Impulsspannung verwendet werden. Dieses Verfahren zur Variation des spektralen Inhalts mit einer gepulsten Spannung kann bei Anwendungen verwendet werden, bei denen Röntgenstrahlung mit mehr als einem spektralen Inhalt benötigt wird.
• Schließlich führen das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung der Anwendung gepulster Energie zur Erzeugung eines gepulsten Emissionsstroms zur Erzeugung ähnlich gepulster Röntgenstrahlung zu einem verbesserten Wirkungsgrad bei Röntgenröhren; einer verbesserten Patientendosisverwaltung; einer verbesserten Hochspannungsstabilität; und stellen ein Mittel zur Variation des spektralen Inhalts bereit.
• Während die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß verschiedene Änderungen ausgebildet werden können und Äquivalente für Elemente davon eingesetzt werden können, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus können viele Modifikationen ausgebildet werden, um eine spezielle Situation oder ein spezielles Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von dem wesentlichen Bereich davon abzuweichen. Daher soll die Erfindung nicht auf das als die beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung betrachtete spezielle Ausführungsbeispiel beschränkt sein, sondern die Erfindung soll alle in den Schutzbereich der beigefügten Patentansprüche fallenden Ausführungsbeispiele umfassen. Überdies bezeichnet die Verwendung der Ausdrücke erster, zweiter und so weiter nicht eine Reihenfolge oder Wichtigkeit, sondern die Ausdrücke erster, zweiter und so weiter werden vielmehr zur Unterscheidung eines Elements von einem anderen verwendet.
• Es werden ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung einer Anwendung gepulster Energie für eine Röntgenröhre bereitgestellt, mit einer Röntgenröhre 200 mit einer Anode 206 und Kathode 204; und einer Energieversorgung 210, die zur Bereitstellung einer Anode-zu-Kathode-Spaltspannung 226 eingerichtet ist, wobei die Spaltspannung 226 während einer Röntgenbestrahlung gepulst wird, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung 220 führt.

Claims (26)

1. System zur Anwendung gepulster Energie für eine Röntgenröhre (200), mit:
einer Röntgenröhre (200) mit einer Anode (206) und Kathode (204); und
einer Energieversorgung (210), die zur Bereitstellung einer Anode-zu-Kathode-Spaltspannung (226) eingerichtet ist, wobei die Spaltspannung (226) für eine Submillisekundendauer gepulst wird, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) führt.

2. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 1, wobei die Spaltspannung (226) gepulst wird, indem die Extraktionsspannung der Energieversorgung (210) gepulst wird.

3. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 1, wobei die Röntgenröhre (200) bipolar ist und die Anode (206) mit einem positiven Anschluß einer ersten Energieversorgung (230) verbunden ist und die Kathode (204) mit einem negativen Anschluß einer zweiten Energieversorgung (232) verbunden ist, wobei verbleibende Anschlüsse der ersten und zweiten Energieversorgung (230, 232) auf Erde bezogen sind.

4. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 1, wobei die Anode (206) auf Erdpotential bezogen ist und die Kathode (204) mit einem negativen Anschluß einer zweiten Energieversorgung (232) verbunden ist.

5. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 1, ferner mit einer einem nahe bei der Anode (206) und Kathode (204) liegenden Gitteranschluß zugeführten Gitterspannung (238), wobei die Gitterspannung (238) für eine Submillisekundendauer zugeführt wird, um einen Elektronenemissionsstrom (218) zu steuern.

6. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 1, wobei die Kathode (204) eine schaltbare Elektronenquelle (212) oder einen schaltbaren Faden (236) umfaßt.

7. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 5, wobei die Kathode (204) in betriebsfähiger Verbindung mit einer schaltbaren Elektronenquelle (212) oder einem schaltbaren Faden (236) steht.

8. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 7, wobei die Elektronenquelle (212) ein Feldemissionsarray (FEA) umfaßt.

9. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 8, wobei das Feldemissionsarray (FEA) ein Feldemissionsarray vom Spindt-Typ umfaßt.

10. Röntgenröhre (200), die zur Erzeugung gepulster Röntgenstrahlung (220) eingerichtet ist, mit:
einem Rahmen (208);
einer Anode (206), die in dem Rahmen (208) angeordnet ist;
einer Kathode (204), die zu der in dem Rahmen (208) angeordneten Anode (206) paßt; und
einer Energieversorgung (210), die zur Bereitstellung einer Anode-zu-Kathode-Spaltspannung (226) eingerichtet ist, wobei die Spaltspannung (226) für eine Submillisekundendauer gepulst wird, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) führt.

11. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 10, wobei die Spaltspannung (226) gepulst wird, indem die Extraktionsspannung der Energieversorgung (210) gepulst wird.

12. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 10, wobei die Energieversorgung (210) einen positiven Anschluß in elektrischer Verbindung mit der Anode (206) und einen negativen Anschluß in elektrischer Verbindung mit der Kathode (204) umfaßt, wobei die Energieversorgung (210) einen gepulsten Emissionsstrom (218) erzeugt, was zu der gepulsten Röntgenstrahlung (220) von der Anode (206) führt.

13. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 10, wobei die Röntgenröhre (200) bipolar ist und die Anode (206) mit einem positiven Anschluß einer ersten Energieversorgung (230) verbunden ist und die Kathode (204) mit einem negativen Anschluß einer zweiten Energieversorgung (232) verbunden ist, wobei verbleibende Anschlüsse der ersten und 1 zweiten Energieversorgung (230, 232) auf Erde bezogen sind.

14. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 10, ferner mit einer einem nahe bei der Anode (206) und Kathode (204) liegenden Gitteranschluß zugeführten Gitterspannung (238), wobei die Gitterspannung (238) zugeführt wird, um einen Elektronenemissionsstrom (218) zu steuern.

15. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 14, wobei die Kathode (204) eine schaltbare Elektronenquelle (212) oder einen schaltbaren Faden (236) umfaßt.

16. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 10, wobei die Kathode (204) in betriebsfähiger Verbindung mit einer schaltbaren Elektronenquelle (212) oder einem schaltbaren Faden (236) steht.

17. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 16, wobei die Elektronenquelle (212) ein Feldemissionsarray (FEA) umfaßt.

18. Röntgenröhre (200) nach Anspruch 17, wobei das Feldemissionsarray (FEA) ein Feldemissionsarray vom Spindt- Typ umfaßt.

19. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des Betriebs bei Röntgenröhren (200), mit:
Verbinden einer Hochspannungsversorgung (210) mit der Röntgenröhre (200) mit einer in der Röntgenröhre (200) angeordneten Anode (206) und Kathode (204) zur Bereitstellung einer Spaltspannung (226) dazwischen;
Pulsen der Spaltspannung (226) für eine Submillisekundendauer; und
Erzeugen einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) von der Anode (206).

20. Verfahren zur Steuerung des spektralen Inhalts einer Röntgenemission von einer Röntgenröhre (200), mit:
Verbinden einer Hochspannungsversorgung (210) mit der Röntgenröhre (200) mit einer in der Röntgenröhre (200) angeordneten Anode (206) und Kathode (204) zur Bereitstellung einer Spaltspannung (226) dazwischen;
Anordnen zumindest eines Zielmaterials an der Anode (206);
Pulsen der Spaltspannung (226) für eine Submillisekundendauer;
Erzeugen einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) von der Anode (206); und
Erfassen der gepulsten Röntgenstrahlung (220) mit einem Detektor entsprechend einem Energiepegel der erzeugten gepulsten Röntgenstrahlung (220).

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das Pulsen der Spaltspannung (226) ein Steuern der Amplitude von Impuls zu Impuls umfaßt, wobei die Steuerung Strahlung verschiedener Energie zur Variation des spektralen Inhalts bereitstellt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, wobei der Detektor derart durchlaßgesteuert wird, daß er zu der Emission der Röntgenstrahlung (220) paßt.

23. Verfahren nach Anspruch 21, wobei das zumindest eine Zielmaterial eine Vielzahl von Zielmaterialien umfaßt, wobei jedes Zielmaterial der Vielzahl von Zielmaterialien zu dem Energiepegel der erzeugten gepulsten Röntgenstrahlung (220) paßt.

24. Verfahren nach Anspruch 21, wobei zwei Detektoren verwendet werden, wobei jeder Detektor der zwei Detektoren zu dem Energiepegel der erzeugten gepulsten Röntgenstrahlung (220) paßt.

25. System zur Anwendung gepulster Energie für eine Röntgenröhre (200), mit:
einer Röntgenröhre (200) mit einer Anode (206) und Kathode (204);
einer Energieversorgung (210), die zur Bereitstellung einer Anode-zu-Kathode-Spaltspannung (226) eingerichtet ist; und
einer Pulseinrichtung zum Pulsen der Spaltspannung (226) für eine Submillisekundendauer, was zu einer gepulsten Röntgenstrahlung (220) führt.

26. System zur Anwendung gepulster Energie nach Anspruch 25, wobei die Pulseinrichtung zumindest eines von und Kombinationen von folgenden umfaßt:
Pulsen der Extraktionsspannung der Energieversorgung (210);
Zuführen einer Gitterspannung (238), um einen Elektronenemissionsstrom (218) zu steuern; und
Schalten einer schaltbaren Elektronenquelle (212) oder eines schaltbaren Fadens (236) in betriebsfähiger Verbindung mit der Kathode (204).