DE19515415A1 - Röntgenstrahlerzeuger - Google Patents

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Der sondenformende Teil des aus [1] bis [4] bekannten Compu­ tertomographen besteht im wesentlichen aus einer Elektronen­ quelle, einem evakuierten, mit Ionenfallen ausgestatteten Driftrohr und einem zeitabhängige magnetische Dipol- und Quadrupolfelder erzeugenden Linsensystem, das die Elektronen aus der horizontalen Strahlachse ablenkt und auf eine der den Patienten jeweils halbringförmig umschließenden Wolframano­ den fokussiert. Ein ebenfalls halbringförmiger Detektor mißt die Intensität der im Bereich des etwa 2,5 × 5 mm² großen Elektronenfokus austretenden, mit Hilfe eines Blendensystems fächerartig kollimierten und im Patienten entsprechend der Dichte des jeweils durchstrahlten Gewebes teilweise absor­ bierten Röntgenstrahlung. Durch Ablenkung der Elektronenson­ de auf den Anodenringen läßt sich die Lage der Röntgenquelle bezüglich des Patienten sehr schnell ändern. Der nutzbare Winkelbereich beträgt konstruktionsbedingt allerdings maximal 210°.

Andere Tomographen sind mit konventionellen Röntgenröhren und 360°-Ringdetektoren ausgestattet, wobei mechanische Antriebe die Röntgenröhren im Kreis um die Patienten bewegen. Die Sta­ bilität und Belastbarkeit der den Zentrifugalkräften ausge­ setzten mechanischen Komponenten begrenzt die Umlaufsfrequenz der Röntgenröhren allerdings auf maximal 1/Sekunde.

2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Röntgenstrahler­ zeugers, dessen Quelle ohne Verwendung mechanischer Mittel sehr schnell auf einem Kreis um das zu durchleuchtende Objekt geführt werden kann. Ein Röntgenstrahlerzeuger mit den in Pa­ tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigen­ schaft. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Die Verwendung des unten beschriebenen Röntgenstrahlerzeugers in einem Computertomographen erlaubt es, mehrere sogenannte 360°-Röntgenscans innerhalb eines nur Bruchteile einer Se­ kunde betragenden Zeitintervalls durchzuführen. Ein solches Gerät eignet sich daher insbesondere für die zeitaufgelöste Untersuchung der Herzfunktion, wobei man eine Ortsauflösung erreicht, die der Ortsauflösung konventioneller, mit mechanisch bewegten Röhren ausgestatteter Systeme entspricht.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Hierbei zeigt:

Fig. 1 den erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeuger in per­ spektifischer Darstellung;

Fig. 2 die Strahlführung des Röntgenstrahlerzeugers in Draufsicht;

Fig. 3 und 4 die den Strahlfleck auf der Ringanode erzeu­ gende Ablenk- und Fokussiereinheit;

Fig. 5 Stromleiter zur Erzeugung eines einen Gradienten auf­ weisenden magnetischen Dipolfeldes;

Fig. 6 einen Abschnitt der torusförmigen Solenoidspule der Strahlführung;

Fig. 7 eine magnetische Dipolweiche zur Auslenkung der Elek­ tronen.

4. Erfindungsgemäße Röntgenstrahlerzeuger 4.1 Erstes Ausführungsbeispiel

Der in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Röntgenstrahlerzeuger eines Computertomographen besteht im wesentlichen aus einer Elektronenquelle 1, einer den zu untersuchenden Patienten 2 ringförmig umschließenden Strahlführung 3, einer gegenüber der Strahlführung 3 axial versetzt angeordneten Ringanode 4 und elektronenoptischen Komponenten 14-16, die die auf ei­ ner kreis- oder schraubenförmigen Bahn 5 um den Patienten 2 geführten Elektronen 6 gesteuert aus koppeln und in Richtung der beispielsweise aus Wolfram gefertigten, ggf. wasserge­ kühlten Ringanode 4 ablenken. Die in der Ringanode 4 von den auftreffenden Elektronen 6 erzeugte Röntgenstrahlung 7 durch­ läuft ein als Kollimator wirkendes Blendensystem, tritt als fächerförmiges Bündel aus dem die elektronenoptischen Kompo­ nenten und die Ringanode 4 aufnehmenden Gehäuse aus und dringt schließlich in den Körper des Patienten 2 ein, wo sie entsprechend der Dichte des jeweils durchstrahlten Gewebeseg­ ments teilweise absorbiert wird. Ein ebenfalls ringförmiges Detektorsystem mißt die Intensität der transmittierten Strah­ lung. Die Speicherung und Weiterverarbeitung der Meßdaten übernimmt ein Rechner, der auch die elektronenoptischen Kom­ ponenten des Röntgenstrahlerzeugers ansteuert. Durch ihn wer­ den der Zeitpunkt der Bestrahlung, deren Dauer und die Posi­ tion des Strahlflecks auf der Ringanode 4 vorgegeben.

Als Strahlführung 3 kann beispielsweise die in Fig. 2 in Draufsicht dargestellte Elektronenoptik Verwendung finden. Sie besteht aus elf gekrümmten Solenoidspulen 8, zwölf elek­ trischen Quadrupollinsen 9 und einem ein magnetisches Dipol­ feld erzeugenden Ablenkmagneten 10 (Ablenkwinkel 30°< α < 90°), der den von der Elektronenquelle 1 erzeugten Strahl (Elektro­ nenenergie E := 150 keV, β := v/c = 63%, Stromstärke i:= 1 A, Strahldurchmesser d := 3,6 mm) in das System einkoppelt und die Elektronen nach einem Umlauf dem abgeschirmten Strahl­ stopper 11 (Faraday-Becher) zuführt. Zur Fokussierung der Elektronen in zwei senkrecht aufeinander stehenden Ebenen sind in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Quadrupollinsen 9, 9′ jeweils um 90° gegeneinander gedreht. Starke und schnell abschaltbare elektrische Quadrupolfelder lassen sich mit Hil­ fe der aus [5] bekannten Hochfrequenzresonatoren erzeugen. Wie die Fig. 3 und 4 schematisch zeigen, besteht ein sol­ cher Resonator aus einem zylindrischen Hohlkörper 12 und vier periodisch mit hohen Potentialen beaufschlagten Metallstäben 13, die parallel zueinander ausgerichtet und paarweise an ge­ genüberliegenden Wänden des Hohlkörpers 12 befestigt sind. Die Verwendung von Hochfrequenz-Quadrupolresonatoren als fo­ kussierende Elemente 9 der Strahlführung 3 erfordert einen gepulsten Elektronenstrom und eine feste Phasenbeziehung zwi­ schen den umlaufenden Elektronenpaketen und den den Resonato­ ren zugeführten Ansteuersignalen. Entsprechende Verfahren sind aus der Beschleunigertechnologie bekannt.

Jedem der 12 Quadrupolresonatoren 9 ist eine die umlaufenden Teilchen 6 aus der Kreisbahn 5 ablenkende und auf einen 30°- Sektor der Ringanode 4 fokussierende Elektronenoptik 14-16 zugeordnet. Diese besteht jeweils aus einem ein transversales elektrisches Feld erzeugenden Induktionstorus 14, einem die ausgelenkten Elektronen 6 erfassenden und weiter ablenkenden zweiten Induktionstorus 15 sowie einem Dipolmagneten 16, des­ sen zeitabhängiges Feld den durch Kantenfokussierung er­ zeugten Strahlfleck auf der Ringanode 4 innerhalb eines 30°- Sektors verschiebt.

4.2 Zweites Ausführungsbeispiel

Die Elektronen lassen sich auch in einem rein magnetischen Feld um den Patienten 2 führen. Hierbei gilt es allerdings zu berücksichtigen, daß jedes durch Luftspulen, Magnetlinsen usw. erzeugte Führungsfeld immer Inhomogenitäten besitzt, die Elektronen mit einer Energie-, Orts- und Winkelunschärfe in die Strahlführung eintreten und Raumladungskräfte die Ener­ gieverteilung der Elektronen beeinflussen. Da alle genannten Effekte eine Auslenkung der Elektronen von der Sollbahn 5 be­ wirken, muß die Strahlführung kleine Abweichungen der Elek­ tronenparameter Energie, Eintrittsort und -winkel von den die Sollbahn definierenden Werten tolerieren. Im zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeugers ist deshalb eine aus zwei koaxial angeordneten Stromleitern 17/18 bestehende Luftspule 19 vorgesehen (s. Fig. 5). Sie erzeugt ein einen Gradienten aufweisendes magnetisches Dipol­ feld B(r) mit der durch

B(r) := B₀·(1/rⁿ)

gegebenen radialen Komponente. Für n = 0,5 sind die die Elek­ tronen in Richtung der Sollbahn zurücktreibenden radialen und vertikalen Kräfte gleich groß, wobei die Schwingungslänge der Elektronen um die kreisförmige Sollbahn 1,4 Umläufe beträgt (schwache Fokussierung). Fig. 5a zeigt den Führungsdipol 19 im Schnitt. Jeder der beiden Leiter 17, 18 besteht aus einer Vielzahl von Kupferdrähten, welche in einen Isolator einge­ bettet und zu Bündeln mit den in Fig. 5a jeweils schwarz dargestellten Querschnitten zusammengefaßt sind. Wie aus Fig. 5c ersichtlich, bilden die beiden Stromleiter 17 und 18 keinen geschlossenen Ring, sondern ein schraubenförmiges Sys­ tem mit nur einer Windung. Die Bestromung des Führungsdipols 19 erfolgt über den den äußeren Leiter 17 kontaktierenden An­ schluß 20. Im äußeren Leiter 17 fließt der Strom zum Eingang der Strahlführung, gelangt über die metallische Lochblende 21 in den inneren Leiter 18, fließt dort in entgegengesetzter Richtung wieder zum Ausgang der Strahlführung zurück und am Kontaktstück 22 ab.

In dem von den Stromleitern 17, 18 aufgebauten Dipolfeld füh­ ren die Elektronen sogenannte Betatronschwingungen um die Sollbahn aus. Die Amplitude dieser Schwingungen darf hierbei nicht so groß werden, daß die Elektronen während ihres Um­ laufs auf Elemente der Strahlführung und des Gehäuses treffen und verloren gehen. Im erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeu­ ger ist daher eine koaxial zwischen den Stromleitern 17 und 18 angeordnete Solenoidspule 23 vorgesehen (s. Fig. 6), deren Magnetfeld die nicht auf der Sollbahn laufenden Elektronen schraubenförmig um die Sollbahn dreht. Die dadurch erreichte Kopplung orthogonaler Phasenräume hat einen Austausch von Energie zwischen den von den Elektronen ausgeführten radialen und vertikalen Schwingungen um die Sollbahn und damit eine Dämpfung der jeweiligen Amplituden zur Folge (Landau-Dämp­ fung).

Wie der linke Teil der Fig. 6 zeigt, besitzt die torusför­ mige Solenoidspule 23 beispielsweise 12 äquidistant angeord­ nete Bereiche 24, 25, in denen sich der Spulenquerschnitt kontinuierlich erweitert. Jeder dieser Bereich 24/25 um­ schließt hierbei eine aus vier schraubenförmig verdrehten Stromleitern bestehende magnetische Weiche 26 (s. Fig. 7). Sie erzeugt ein die Elektronen aus der Kreisbahn ablenkendes bzw. die Elektronen vom Extraktionskanal 27/28/29 fernhalten­ des magnetisches Dipolfeld, dessen Richtung sich entlang der Elektronenbahn auf einer Strecke der Länge l = 1/12·(2·π·r_s) (r_s:= Radius der Sollbahn) kontinuierlich um insgesamt (ϕ = 90° gedreht. Die in die Weiche 26 eintretenden Elektronen sind daher einem in axialer Richtung orientierten Magnetfeld, am Ende der Weiche 26 hingegen einem in radialer Richtung orientierten Magnetfeld ausgesetzt, sofern ein Strom der Stärke i die Drähte in Pfeilrichtung durchfließt. Bei Umkehr der Stromrichtung baut sich ein um 180° gedrehtes schrauben­ förmiges Dipolfeld auf, das die umlaufendenden Elektronen vom Extraktionskanal 27-29 fernhält. Jedem der Extraktionska­ näle 27-29 ist vorteilhafter Weise eine gekrümmte Solenoid­ spule (nicht dargestellt) zugeordnet. Ihr Magnetfeld erfaßt die von der Dipolweiche 26 ausgekoppelten Elektronen und führt sie dem den Stahlfleck auf der Ringanode 4 erzeugenden Dipolmagneten zu (vgl. Fig. 3).

In der oben beschriebenen Röntgenquelle für einen Computerto­ mographen werden die Magnetfelder ausschließlich von elektri­ schen Stromleitern (Luftspulen) erzeugt. Die Trennung der Stromleiter in drei funktionelle Gruppen wirkt sich insbeson­ dere bei der geometrischen Ausrichtung und der Inbetriebnahme des Systems vorteilhaft aus. So kann man beispielsweise durch Korrektur der Stärke des in den Ringleitern 17, 18 fließenden Stromes die Sollbahn der Elektronen auf den Ort der magneti­ schen Mitte des Solenoid-Torus 23 schieben. Außerdem ist es möglich, die Stärke der Drehung der Elektronen um die Soll­ bahn mit Hilfe des in der Solenoidspule 23 fließenden Stromes der Geometrie der Dipolweiche 26 anzupassen.

4.3 Technische Daten

5. Literatur

[1] US-A-4,352,021
[2] Applied Opitcs 24 (No. 23), Dec. 1985, S. 4052-4060
[3] US-A-4,521,900
[4] US-A-4,625,150
[5] Nuclear Instruments and Methods, A 278 (1989), S. 220-223

Claims (13)

1. Röntgenstrahlerzeuger mit

• - einer Elektronenquelle (1),
• - einer ein magnetisches Feld erzeugenden ersten Einrichtung (3), die die Elektronen auf einer kreis- oder schraubenför­ migen Bahn (5) um ein mit Röntgenstrahlung zu beaufschla­ gendes Objekt (2) führt;
• - einer das Objekt (2) umschließenden, gegenüber der ersten Einrichtung (3) axial versetzt angeordneten Ringanode (4) und
• - mindestens einer zweiten Einrichtung (14 bis 16, 26) zur Ablenkung der umlaufenden Elektronen in Richtung der Ring­ anode (4).

2. Röntgenstrahlerzeuger nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (3) mehrere, jeweils gekrümmte und in Form eines Ringes angeordnete Solenoidspulen (8) und meh­ rere Fokussiereinheiten (9) aufweist.

3. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiereinheiten (9) jeweils zwischen zwei So­ lenoidspulen (8) angeordnet sind.

4. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen elektrischen Quadrupol als Fokussiereinheit (9).

5. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Hochfrequenz-Quadru­ polresonator (12, 13) als Fokussiereinheit (9).

6. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung aufeinanderfolgende Quadrupole (9) je­ weils um 90° gegeneinander gedreht sind.

7. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung eine ein bezüglich der Symmetrie­ ebene der ersten Einrichtung (3) transversales elektrisches Feld erzeugende Induktionseinheit (14, 15) und eine der In­ duktionseinheit (14, 15) nachgeordnete, ein Dipolfeld erzeu­ gende Ablenkeinheit (16) aufweist.

8. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein ein magnetisches Dipol­ feld erzeugende Einheit (10) zur Einkopplung der Elektronen in die erste Einrichtung (3) bzw. zur Auskopplung der Elek­ tronen aus der ersten Einrichtung (3).

9. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung (3) eine durchlaufende, nicht in sich geschlossene erste Solenoidspule (23) mit mehreren Quer­ schnittserweiterungen (24, 25) aufweist und daß jeweils eine ein magnetisches Dipolfeld erzeugende Ablenkeinheit (26) der zweiten Einrichtung innerhalb der ersten Solenoidspule (23) im Bereich der Querschnittserweiterung (24, 25) angeordnet ist.

10. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß den Ablenkeinheiten (26) jeweils eine die abgelenkten Elektronen erfassende, gekrümmte zweite Solenoidspule zuge­ ordnet ist.

11. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkeinheit (26) jeweils vier schraubenförmig ge­ geneinander verdrehte Stromleiter aufweist.

12. Röntgenstrahlerzeuger nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Magnetfeld der ersten Solenoidspule (23) das einen Gradienten aufweisende magnetische Dipolfeld eine Luftspule (19) überlagert ist.

13. Röntgenstrahlerzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftspule (19) aus zwei koaxial angeordneten Leiter­ strukturen (17, 18) besteht und daß die erste Solenoidspule (23) zwischen den beiden Leiterstrukturen (17, 18) angeordnet ist.