DE19515415A1 - X=ray generator for computerised human body electron beam tomography - Google Patents
X=ray generator for computerised human body electron beam tomographyInfo
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- H01J35/30—Tubes wherein the point of impact of the cathode ray on the anode or anticathode is movable relative to the surface thereof by deflection of the cathode ray
Abstract
Description
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°.The probe-forming part of the Compu known from [1] to [4] Tertomograph consists essentially of an electron source, an evacuated one equipped with ion traps Drift tube and a time-dependent magnetic dipole and Quadrupole fields generating lens system that holds the electrons deflected from the horizontal beam axis and onto one of the Patients enclosing Wolframano in a semi-ring shape that focused. A likewise semi-ring-shaped detector measures the intensity of those in the range of approximately 2.5 × 5 mm² Electron focus emerging, with the help of an aperture system subject collimated and in the patient according to the Density of the tissue penetrated in each case partially absorbed x-rays. By deflecting the electron son de on the anode rings, the location of the X-ray source change very quickly regarding the patient. The usable The angular range is maximum due to the design 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.Other tomographs are with conventional x-ray tubes and 360 ° ring detectors equipped with mechanical drives move the x-ray tubes in a circle around the patient. The Sta balance and resilience of the centrifugal forces mechanical components set the circulation frequency the X-ray tubes to a maximum of 1 / second.
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.The aim of the invention is to create an X-ray source producer whose source without the use of mechanical means very quickly on a circle around the object to be illuminated can be performed. An X-ray generator with the Pa Features specified in claim 1 have this property shaft. The dependent claims relate to configurations and developments of the invention.
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.The use of the X-ray generator described below in a computer tomograph it is possible to use several so-called 360 ° x-ray scans within a fraction of a se customer-specific time interval. Such one Device is therefore particularly suitable for time-resolved Examination of cardiac function, taking a spatial resolution achieved that of the spatial resolution more conventional, with mechanically moving tubes equipped systems.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Hierbei zeigt:The invention is explained below with reference to the drawings tert. Here shows:
Fig. 1 den erfindungsgemäßen Röntgenstrahlerzeuger in per spektifischer Darstellung; FIG. 1 is the X-ray generator according to the invention by spektifischer representation;
Fig. 2 die Strahlführung des Röntgenstrahlerzeugers in Draufsicht; Fig. 2, the beam guide of the X-ray generator in plan view;
Fig. 3 und 4 die den Strahlfleck auf der Ringanode erzeu gende Ablenk- und Fokussiereinheit; Fig. 3 and 4, the beam spot on the annular anode erzeu constricting deflecting and focusing unit;
Fig. 5 Stromleiter zur Erzeugung eines einen Gradienten auf weisenden magnetischen Dipolfeldes; Fig. 5 current conductor for generating a gradient to a facing magnetic dipole field;
Fig. 6 einen Abschnitt der torusförmigen Solenoidspule der Strahlführung; Fig. 6 is a section of the toroidal solenoid coil of the beam guide;
Fig. 7 eine magnetische Dipolweiche zur Auslenkung der Elek tronen. Fig. 7 is a magnetic dipole switch for deflecting the elec trons.
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.The X-ray generator of a computer tomograph shown in FIGS. 1 to 4 essentially consists of an electron source 1 , a beam guide 3 encircling the patient 2 to be examined, a ring anode 4 arranged axially offset with respect to the beam guide 3 , and electron-optical components 14-16 which form the Coupled on a circular or helical path 5 around the patient 2 guided electrons 6 and deflected in the direction of the, for example made of tungsten, possibly water-cooled ring anode 4 . The X-radiation 7 generated in the ring anode 4 by the incident electrons 6 runs through a collimator acting aperture system, emerges as a fan-shaped bundle from the electron-optical components and the ring anode 4 receiving housing and finally penetrates into the patient's body 2 , where it is partially absorbed according to the density of the tissue segment irradiated. A likewise ring-shaped detector system measures the intensity of the transmitted radiation. A computer, which also controls the electron-optical components of the X-ray generator, stores and processes the measurement data. By him who the time of irradiation, its duration and the posi tion of the beam spot on the ring anode 4 specified.
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.For example, the electron optics shown in plan view in FIG. 2 can be used as beam guide 3 . It consists of eleven curved solenoid coils 8 , twelve elec trical quadrupole lenses 9 and a magnetic dipole field generating deflecting magnet 10 (deflection angle 30 ° <α <90 °), which the beam generated by the electron source 1 (electrical energy E: = 150 keV, β: = v / c = 63%, current intensity i: = 1 A, beam diameter d: = 3.6 mm) is coupled into the system and the electrons are fed to the shielded beam stopper 11 (Faraday cup) after one revolution. To focus the electrons in two mutually perpendicular planes in the beam direction successive quadrupole lenses 9 , 9 'are rotated 90 ° against each other. Strong and quickly switchable electrical quadrupole fields can be generated with the help of the high-frequency resonators known from [5]. As shown in FIGS. 3 and 4 show schematically, there is a sol cher resonator consists of a cylindrical hollow body 12 and four periodically charged with high potentials metal rods 13, which are aligned parallel to one another and in pairs mounted on ge genüberliegenden walls of the hollow body 12. The use of high-frequency quadrupole resonators as fo kissing elements 9 of the beam guide 3 requires a pulsed electron current and a fixed phase relationship between the rotating electron packets and the drive signals supplied to the resonators. Appropriate methods are known from accelerator technology.
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.Each of the 12 quadrupole resonators 9 is assigned an electron optics 14-16 which deflects the circulating particles 6 from the circular path 5 and focuses on a 30 ° sector of the ring anode 4 . This consists of a a transverse electric field generating Induktionstorus 14, a the deflected electrons 6 detected and further deflecting second Induktionstorus 15 and a dipole magnet 16, the sen time-dependent field, the by edges focusing he testified beam spot on the annular anode 4 within a 30 ° - sector shifts.
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 durchThe electrons can also be guided around the patient 2 in a purely magnetic field. However, it is important to take into account that each guide field generated by air coils, magnetic lenses, etc. always has inhomogeneities, the electrons enter the beam path with an energy, location and angle blur and space charge forces influence the energy distribution of the electrons. Since all of the effects mentioned affect the deflection of the electrons from the target path 5 , the beam guidance must tolerate small deviations in the electron parameters of energy, entry point and angle from the values defining the target path. In the second exemplary embodiment of an X-ray generator according to the invention, an air coil 19 consisting of two coaxially arranged current conductors 17/18 is therefore provided (see FIG. 5). It generates a gradient magnetic dipole field B (r) with the through
B(r) := B₀·(1/rn)B (r): = B₀ · (1 / r n )
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.given radial component. For n = 0.5, the radial and vertical forces driving the electrons back in the direction of the target path are of equal magnitude, the oscillation length of the electrons around the circular target path being 1.4 revolutions (weak focusing). Fig. 5a shows the Führungsdipol 19 in section. Each of the two conductors 17 , 18 consists of a plurality of copper wires which are embedded in an insulator and are combined into bundles with the cross sections shown in black in FIG. 5a. As can be seen from Fig. 5c, the two conductors 17 and 18 do not form a closed ring, but a helical system with only one turn. The energization of the guide dipole 19 takes place via the circuit contacting the outer conductor 17 to 20th In the outer conductor 17 , the current flows to the entrance of the beam guide, reaches the inner conductor 18 via the metallic pinhole 21 , flows back there in the opposite direction back to the exit of the beam guide, and flows off at the contact piece 22 .
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).In the dipole field built up by the current conductors 17 , 18 , the electrons perform so-called betatron vibrations around the desired path. The amplitude of these vibrations must not be so great that the electrons hit elements of the beam guide and the housing during their rotation and get lost. In the X-ray generator according to the invention, a solenoid coil 23 arranged coaxially between the current conductors 17 and 18 is therefore provided (see FIG. 6), the magnetic field of which rotates the electrons not running on the desired path helically around the desired path. The coupling of orthogonal phase spaces achieved in this way results in an exchange of energy between the radial and vertical vibrations carried out by the electrons around the desired path and thus a damping of the respective amplitudes (Landau damping).
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·rs) (rs:= 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). As the left part of FIG. 6 shows, the toroidal solenoid coil 23 has, for example, 12 equidistantly arranged regions 24 , 25 , in which the coil cross section widens continuously. Each of these areas 24/25 encloses a magnetic switch 26 consisting of four helically twisted current conductors (see FIG. 7). It generates a magnetic dipole field that deflects the electrons from the circular path or keeps the electrons away from the extraction channel 27/28/29 , the direction of which is along the electron path over a distance of length l = 1/12 · (2 · π · r s ) (r s : = radius of the nominal path) continuously rotated by a total of (ϕ = 90 °. The electrons entering the switch 26 are therefore exposed to a magnetic field oriented in the axial direction, but at the end of the switch 26 to a magnetic field oriented in the radial direction, provided that a current strength i flowing through the wires in the direction of arrow. When reversing the current to a rotated 180 ° helical dipole field builds up that keeps the orbiting electrons from the extraction channel 27-29. Each of the Extraktionska ducts 27-29 is advantageously a curved Solenoid coil (not shown) assigned Your magnetic field detects the electrons decoupled from the dipole switch 26 and leads them to the steel leak on the ring anode 4 generating dipole magnets (cf. 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.In the X-ray source for a computer tomograph described above, the magnetic fields are generated exclusively by electrical current conductors (air coils). The separation of the current conductors into three functional groups has a particularly advantageous effect on the geometric alignment and commissioning of the system. For example, by correcting the strength of the current flowing in the ring conductors 17 , 18 , the desired path of the electrons can be pushed to the location of the magnetic center of the solenoid torus 23 . It is also possible to adjust the strength of the rotation of the electrons around the desired path by means of the current flowing in the solenoid coil 23 of the geometry of the dipole switch 26 .
[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[1] US-A-4,352,021
[2] Applied Opitcs 24 (No. 23), Dec. 1985, pp. 4052-4060
[3] US-A-4,521,900
[4] US-A-4,625,150
[5] Nuclear Instruments and Methods, A 278 (1989), pp. 220-223
Claims (13)
- - 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).
- - an electron source ( 1 ),
- - A magnetic field generating first device ( 3 ) which leads the electrons on a circular or helical path ( 5 ) around an object to be subjected to X-ray radiation ( 2 );
- - A ring anode ( 4 ) surrounding the object ( 2 ) and axially offset from the first device ( 3 )
- - At least one second device ( 14 to 16 , 26 ) for deflecting the rotating electrons in the direction of the ring anode ( 4 ).
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DE1995115415 DE19515415A1 (en) | 1995-04-26 | 1995-04-26 | X=ray generator for computerised human body electron beam tomography |
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DE (1) | DE19515415A1 (en) |
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1995
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