DE2345947A1

DE2345947A1 - Schaltungsanordnung zur ueberwachung der belastung einer roentgenroehre

Info

Publication number: DE2345947A1
Application number: DE19732345947
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Ing Hermeyer; Peter Stege
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1973-09-12
Filing date: 1973-09-12
Publication date: 1975-05-07
Also published as: FR2298917A1; DE2345947C3; GB1498824A; DE2345947B2; FR2298917B3; US4032788A

Description

^PHILIPS PAT]J!NTVER\;ALTUKG Gy₁QE. , 2 Hamburg 1, Steindaram

"Schaltungsanordnung zur Überwachung der Belastung

einer Röntgenröhre"

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Röntgenäiagnostikapparat zur Überwachung der Belastung einer Röntgenröhre, wobei ein von der Anodentemperatur abhängiges erstes Signal eine.· Anzeige- und/oder Sperrvorrichtung · steuert.

Eine solche Schaltungsanordnung ist bekannt (DT 2 031 590). Dabei ist eine Strahlenmeßsonde vorgesehen, die ein von der Anodentemperatur abhängiges Signal erzeugt, das einer in Wärmeeinheiten geeichten Anzeigevorrichtung zugeführt wird. Ad dieser Anzeigevorrichtung kann der Benutzer ablesen, welche Wärmemenge derzeit in der Anode gespeichert ist bzw. welche Wärmemenge der Anode bei der nächsten Aufnahme zugeführt werden kann. Wenn die für die nächste Aufnahme vorgesehene Belastung größer ist als die an der Anzeigevorrichtung angezeigte zulässige Wärmemenge,muß der Benutzer

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v/arten, "bis die auf der Anzeigevorrichtung angezeigte zulässige Wärmemenge mindestens gleich der bei der nächsten Aufnahme zuzuführenden Wärmemenge ist. Wie groß diese Wartezeit ist, ist dem Benutzer jedoch nicht bekannt. Außerdem ist es umständlich für den Benutzer die zuzuführende Wärmemenge auszurechnen, insbesondere bei Apparaten mit sogenannter Initiallaststeuerung. Bei Apparaten mit einem Belichtungsautomaten schließlich ist es unmöglich, die Belastung der Röntgenröhre bei der nächsten Aufnahme vorauszuberechnen; die Anzeige .der zulässigen Wärmemenge ist für den Benutzer in diesen Fällen daher wertlos.

Es ist weiterhin bekannt (DT-OS 2 130 374), bei einem Röntgendiagnostikapparat zur Anfertigung röntgenologischer Serienaufnahmen (Kinoaufnahmen) durch geeignete Rechenwerke unter Berücksichtigung der zurückliegenden Aufnahmebelastungen die jeweils mögliche Aufnahmebelastungid.h. die Szenenzeit bzw. die Anzahl der möglichen Einzelbilder auszurechnen und anzuzeigen. Ist die Zahl der dabei noch zulässigen Einzelbildaufnahmen geringer als die Zahl der Einzelbildaufnahmen /lie der Benutzer anzufertigen wünscht, muß der Benutzer (oft mehrere Minuten) warten, bis sieb, die Röhre so weit abgekühlt hat, daß die Zahl der zulässigen Bilder die Anzahl der beabsichtigten Einzelbilder erreicht hat, ohne daß er im einzelnen weiß, wie lange er warten muß.

Es ist weiterhin bekannt (DT-OS 1 764 983), den Strom einer Röntgenröhre derart zu regeln, daß die Grenζtemperatur während

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der Aufnahme nicht überschritten wird. Bei Aufnahmen, bei denen im normalen Betrieb diese Grenztemperatur überschritten würde, wird daher der Röhrenstrom herabgesetzt, so daß diese Aufnahmen langer dauern als eine Aufnahme gleicher Leistung, bei der die Grenztemperatur nicht erreicht wird und demzufolge der Röhrenstrom nicht abgesenkt wird. Die Verwendung eines solchen Diagnostikapparates für Aufnahmen, bei denen eine bestimmte Aufnahmezeit (Schichtaufnahmen) bzw. eine Grenzzeit (Einoaufnahmen) vorgesehen ist, ist nicht möglich, weil die Absenkung des Stromes während der Aufnahmezeit dabei zu Unterbelichtungen führen könnte.

Schließlich sind Schutzschaltungeη für Röntgenröhren bekannt, bei denen die Temperatur der Anode laufend berechnet wird und die Aufnahme unterbrochen wird, wenn eine Grenztemperatur erreicht ist bzw. die Belastung angezeigt wird (DT-OS 2 118 und DT-OS 2 158 865). Die Abschaltung des Röntgenstrahiers während der Aufnahme führt zu unterbelichteten Aufnahmen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Möglichkeit besteht, Unterbelichtungen bzw. Überlastungen der Röntgenröhre bei dicht aufeinanderfolgenden Röntgenaufnahmen zu vermeiden (Schutzschaltungen, die verhindern, daß die Röntgenröhre durch eine einzelne Aufnahme überlastet wird, haben praktisch alle modernen Röntgendiagnostikapparate). Des weiteren soll dem Benutzer angezeigt werden, wie lange er bis zur nächsten

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Aufnahme warten muß. Dieae "Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung geht von folgender Überlegung aus: Die der Anode bei einer Aufnahme zugeführte Wärmeenergie ruft eine Temperaturerhöhung der Anode hervor, die der zugeführten Energie proportional ist (unter der Voraussetzung, daß die Wärmeabgabe der Anode während der Aufnahme klein im Vergleich zur Wärmezufuhr ist). Die Aufnahme darf daher nicht ausgeführt v/erden, so lange die Summe der zu erwartenden Temperaturerhöhung und der jeweiligen Temperatur der Anode größer ist als die Maximaltemperatur bzw, so lange die Maximaltemperatur abzüglich der Temperaturerhöhung kleiner ist als die jeweilige Anodentemperatur.

Die(für die nächste Aufnahme) zu erwartende Aufnahmebelastung ist bei Apparaten mit Zweikopfbetrieb sehr einfach als Produkt der eingestellten Röhrenspannung einerseits und des eingestellten mAs-Produktes andererseits zu errechnen, wozu lediglich eine Multiplizierschaltung erforderlich ist. Ähnliches gilt für Kinoaufnahmen. Bei konstanter Aufnahmebelastung pro Einzelbild, ist die zu erwartende Gesamt-Aufnahmebelastung der Zahl der bei der nächsten Aufnahmeserie anzufertigenden Einzelbilder bzw. der Szenenzeit proportional.

Bei Röntgendiagnostikapparaten mit Belichtungsautomaik steht die zu erwarteiife Aufnahmebelastung vor der Aufnahme noch nicht fest. In diesem Fall wird die Aufnahmebelastung der vorangehenden Aufnahme ermittelt, indem das Produkt der eingestellten Spannung und des gemessenen Röhrenstromes gebildet und über die Aufnahmezeit integriert und einem Speicher zugeführt wird. Die hieraus abgeleitete Temperatur-

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erhöhung entspricht nur dann den tatsächlichen Verhältnissen, wenn die nachfolgende Aufnahmebelastung genauso groß ist wie die vorhergehende. Das ist aber in den praktisch interessanten Fällen der Pail. Eine Überlastung der Röntgenröhren wird nämlich in erster Linie dann beobachtet, wenn an ein und demselben Patienten eine Serie von dicht aufeinander-folgendenden Aufnahmen gemacht wird. Die Aufnahmebelastung, d.h. die während einer Aufnahme der Röntgenröhre zugeführte Wärmeinenge, ist dabei bei den einzelnen Aufnahmen ■praktisch gleich, so daß es in diesen Fällen zulässig ist, die zu erwartende Aufnahmebelastung aus der vorangehenden Aufnahmebelastung abzuleiten. Bei einem Wechsel des Patienten sind diese Voraussetzungen- zwar nicht mehr erfüllt, jedoch nimmt dieser Wechsel.erfahrungsgemäß soviel Zeit in Anspruch, daß die Röntgenröhre soweit abkühlen kann, daß eine Überlastung praktisch nicht mehr erfolgen kann. ·

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

Flg. 1 den zeitlichen Verlauf der temperatur der Anode einer Röntgenröhre im Anschluß an eine Aufnahme,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines in Fig. 2 enthaltenen Simmulationsnetzwerkes.

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Fig. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperatur T. der Drehanodenscheibe einer Drehanodenröntgenröhre. Man erkennt, daß die Temperatur während der Aufnahme praktisch linear zunimmt, um nach dem Aufnahmeende kontinuierlich wieder abzusinken. In das Zeitdiagramm ist gestrichelt die maximale Scheibentemperatur T _ eingezeichnet. Oberhalb der Temperatur T _o besteht die Gefahr, daß die Temperatur in der Brennfleckbahn so hoch \^ird, das Anschmelz- oder Verdampf ungsvorgänge stattfinden könnten. In das Diagramm ist außerdem (strichpunktiert) die Gerade T _r - ΛΤ eingetragen. AT ist dabei die Temperaturerhöhung, die durch die zu erwartende Aufnahme-belastung verursacht wird. Sie ist der während dieser Aufnahme zugeführten Wärmemenge proportional. Je größer also die zu erwartende Aufnahmebelastung ist, desto niedriger liegt die Gerade T - A^· Solange die Temperatur &r Anodenscheibe T. oberhalb der Geraden T '- /^T liegt, darf die nächste Aufnahme nicht geschaltet werden, da dann die Drehanodenscheibe eine Temperatur T. + AT größer T_„__ erreichen würde.

Die in Fig. 2 schematisch im Blockschaltbild dargestellte Schaltungsanordnung verhindert, daß die nächste'.Aufnahme geschaltet wird, bevor T. den Wert T - ^I erreicht hat bzw. sie zeigt dem Benutzer an, daß die nächste Aufnahme noch-nicht geschaltet werden soll. Darüber hinaus wird dem Benutzer angezeigt, wie lange er warten muß, bis die nächste Aufnahme geschaltet werden kann.

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Die in "Fig. 2 dargestellte Schaltungsanordnung ist für einen Röntgendiagnostikapparat mit einem Belichtungsautomaten vorgesehen, bei dem der Benutzer lediglich, die Aufnabmespannung einstellt und "bei dem die Aufnahme abgeschaltet wird, wenn eine bestimmte Strahlendosis erreicht ist. Die eingestellte Hochspannung und der (z.B. an einem Widerstand im Hochspannungskreis der Röntgenröhre) gemessene Röhrenstrom werden einer Multiplizierschaltung 1 zugeführt, an deren Ausgang daher ein Signal entsteht, das dem Produkt aus Röhrenspannung und Röhrenstrom mithin der der Röntgenröhre zugeführten Leistung proportional ist. Dieses Produkt wird in dem Schaltungsteil 2 während der Aufnahme integriert und gespeichert, so daß am Ausgang dieser Schaltung ein Signal entsteht, das der während der Aufnahme der Anode zugeführten Energie proportional ist. Geht ma.n davon aus, daß die Aufnahmebelastung bei der folgenden Aufnahme genauso groß ist, dann ist dieses Signa.1 auch der Temperaturerhöhung A.T proportional. Dieses Signal wird in einem Operationsverstärker 3 derart mit einem der 14aximaltemperatur T entsprechenden Signal verknüpft, daß am Ausgang des Operationsverstärkers ein Signal entsteht, das der Temperatur : ^Tmax - &^T entspricht.

Das Ausgangssignal der Multiplizierstufe wird gleichzeitig

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einem Echtzeit- Simulationsn.etzwerk/zugeführt, das den Temperaturverlauf der Anode simuliert und demgemäß an seinem Ausgang ein Signal erzeugt, das der Temperatur T.

der Anodoscheibe proportional ist. Dieses Echtzeit- Simulations-

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netzwerk kann aus einer einfachen Analogrechenschaltung bestehen.

Eine solche Schaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei wird das Eingangssignal, das der der Röntgenröhre zugeführten Leistung proportional ist, über einen Widerstand 20 einem Operationsverstärker 21 mit sehr hohem Eingangswiderstand zugeführt. Der Ausgang dieses Operationsverstärkers ist über die Parallelschaltung eines Widerstandes 22 und eines Kondensators 23 mit seinem Eingang verbunden. Außerdem steuert der Ausgang des Operationsverstärkers 21 eine Potenzierschaltung 24, deren Ausgangssignal das Eingangssignal mit einem Exponenten ρ potenziert. Das Ausgangssignal der Potenzierschaltung 24 wird dem Eingang des Operationsverstärkers 21 über einen Widerstand 25 zugeführt. Es läßt sich zeigen, daß diese Schaltung der Wärmeleitungsgleichung

dT/dt = K₁ · T - K₂ - T^P

genügt, wobei bei geeigneter Dimensionierung der einzelnen Bauelemente die Faktoren K₁, Kp und der Exponent ρ die Wärmeleitungs-, Speicher- und Abstrahleigenschaf im der Anode berücksichtigen. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 21 hat daher den gleichen Verlauf wie die Temperatur T. der Anode.

Dieses Ausgangssignal des Echtzeit-Simulators 4 wird einem Komparator 5 zugeführt und mit dem die Maximaltemperatur T_max darstellenden Signal verglichen. Ergibt sich dabei, daß die Temperatur der Drehanodenscheibe größer ist als die Maximaltemperatur (Überlastungsfall), dann wird am Ausgang des Komparators 5 eine Alarmvorrichtung ausgelöst.

Das Ausgangssignal des Echtzeit-Simulators 4 wird außerdem einer

Meß- und

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und Anzeigeschaltung 6 augeführt, die somit den Temperaturzustand der Anodenscheibe anzeigt.

Schließlich wird das Ausgangs signal des Echtzeitsimraulators dem einen Eingang eines Komprators 7 zugeführt, an dessen anderen Eingang das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 3, d.h. ein dem Ausdruck ΐ - A^ proportionales Signal anliegt. Der Komparator 7 signalisiert an seinem Ausgang, ob die Anödentemperatur T. größer oder kleiner ist als die Temperatur T __ -Al . Ist sie höher, dann betätigt das Ausgangssignal des !Comparators 7 eine nicht näher dargestellte Aufnahmesperre; stattdessen kann dem Benutzer auch ein Warnsignal gegeben werden. Auf diese Weise kann also auch bei einem Betrieb mit Belichtungsautomaten eine Überlastung der Röntgenröhre verhindert werden.

Anstelle des von der Multiplizierschaltung 1 gespeisten Echtzeit-Simulationsnetzwerkes 4 kann auch ein Strahlungsdetektor verwendet werden (vgl. z.B. DT-OS 2 031 590), der an seinem Ausgang ein von der Anodentemperatur abhangi-ges Signal liefert.

Bei Röntgenapparaten mit Zwei-oder Dreiknopfbetrieb, bei denen das mAs-Produkt einstellbar ist, kann die Temperaturerhöhung ^T auch durch ein einfaches Rechenwerk ausgerechnet werden, das das für die folgende Aufnahme eingestellte mAs-Produkt und die Aufnahmespannung miteinander multipliziert, so daß auf die Integrier- und Speicherschaltung 2 verzichtet werden kann.

■-10-

509819/0375 ν

.ft.

Das die Temperatur T₁ der Anodenscheibe darstellende Signal wird schließlich, auch einem schnellen Simulationsnetzwerk 8 zugeführt, da,s den Ah küh Iv or gang der Anode mit-z.B. 100-facher-Zeitraffung simuliert. Dieses Netswerk kann den gleichen Aufbau haben wie das Echtzeit-Simulationsnetzwerlr, jedoch sind dabei die Elemente 20, 22,· 25 und 25 so bemessen, daß das Ausgangssignal T 100 mal schneller seinen stationären Wert erreicht. Das Signal T wird einem Komparator 9 zugeführt und mit dem am Ausgang des Operationsverstärkers 3 anstehenden Signal T - ΔΤ verglichen. Solange

IiXcQC

das Signal T größer ist als das Signal Τ____ - A^T liefert der Komparator 9 an seinem Ausgang ein Signal, das das Tor öffnet, so daß die vom Impuls-Generator 11 erzeugten Impulse dem Zähler 12 zugeführt werden können, wobei die Impulszahl nach Ende eines Zählvorganges an einer Anzeigevorrichtung angezeigt wird. Die Zahl der angezeigten Impulse ist dem Zeitraum vom Beginn eines schnellen Simulationszyklus (T_ = I. ) bis zu seinem Ende (T = E - &T) ^und - ^a -. . dieser Zeitraum 1/riOO des Zeitraumes ist innerhalb dessen die Anodentemperatur T. die Temperatur T___v - AT erreicht auch der zu erwartenden Pausenzeit proportional. Mithin kann bei geeigneter Auslegung an der Anzeigevorrichtung 13 direkt die zu erwartende Pausenzeit abgelesen werden.

Die zu erwartende Pausenzeit wird während des Abkühlvorganges ständig neu berechnet. Sobald das Signal T den Wert T_moTr - ΛΤ unterschreitet, erscheint, am Ausgang des Komparators 9

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ein Signal, das das Tor 10 sperrt und einen Impulsformer 14 aktiviert, der einerseits den Zähler 12 zurückstellt und andererseits dem Echtzeit-Simulator 8 kurzzeitig das Signal Ϊ. zuführt (vgl. Fig. 1). Der nun beginnende Simulationszyklus ist kürzer, ■weil die Temperatur T. inzwischen niedriger geworden ist und somit die Temperatur T _v - άΤ vom Ausgangssignal T_ des schnel-

max ο

len Simulationsnetzwerkes schneller erreicht wird. Infolgedessen wird nach Ende dieses Zählzyklus an der Anzeige 13 eine kürzere Pausenzeit angezeigt. Dieser Simulationszyklus wird so oft wiederholt, bis die Anodentemperatur T. die Temperatur T - /^T unterschritten hat. In diesem Augenblick wird am Ausgang des Komparators 7 die Aufnahme freigegeben und gleichzeitig der Impulsformer 14 gesperrt, so daß \veitere Zählzyklen unterbunden werden. Es ist nicht unbedingt erforderlich, daß sich der Simulationszyklus ständig wiederholt. Der schnelle Simulationszyklus könnte daher z.B. auch vom Benutzer durch Tastendruck (anstatt durch den Impulsformer 14) gestartet werden, so daß die zu erwartende Pausenzeit nur bei einem entsprechenden Kommando vom Benutzer angezeigt würde.

Anstelle der digitalen Zähl- und Anzeigevorrichtung 12, 13 kann selbstverständlich auch eine Analog-Anzeige erfolgen, indem die vom Tor 10 gelieferten Impuls integriert und einer Anzeige- und Speicherschaltung zugeführt werden.

Patentansprüche:

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Claims

P/TJ-miiSPIiüCHS:

1 .J Schaltungsanordnung für einen RöntgendiagnoDtikapparat zur überwachung der Belastung einer Röntgenröhre, wobei ein von der Anodentenperatur abhängige8 erstes Signal einer Anzeige- und/oder Sperrvo-rrichtung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Signal gebildet wird, das der Maximal temperatur (l¹ ^ _r) abzüglich eines von der zu erwartenden Aufnabraebelastung abhängigen Wertes ( Λϊ) entspricht und daß die beiden Signale miteinander vergleichen werden und die Anzeige- oder Sperrvorrichtung ausgelöst wird, wenn die durch das erste Signal dargestellte Tempera.tür (T. ) niedriger ist als die durch das zweite Signal dargestellte Temperatur
2. Schaltungsanordnung für einen Röntgendiagnostikapparat zur Überwachung der Belastung einer Röntgenröhre, wobei ein von der Anodentemperatur abhängiges erstes Signal gebildet wird und wobei ein ; .·, ^ zweites Signal gebildet wird, das der Maximaltemperatur abzüglich eines von der zu erwartenden Aufnahmebelastung abhängigen ¥ertes entspricht, insbesondere nach Anspruch. 1, gekennzeichnet durch ein schnelles Simulationsnetzwerk (8) zur Simulation der Anodentemperatur, dem zu Beginn eines jeden Simulationszyklus das erste Signal (T.) zugeführt wird, und durch eine Zeitmeßvorrichtung (10... . 13) ,die diejenige Zeit anzeigt, innerhalb der das Ausgangssignal (T ) des schnellen Simulationsnetzwerlces (8) kleiner wird als das zweite Signal (T_max -ΔΤ).

509819/0375 ^jAU "HKairw^ ^ _
3. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste von der Anoden temperatur abhängige Signal (¹Fj) von einer Strahlenmeßsonde gebildet wird, die auf die von der Anode ausgehenden Licht- und/oder Wärme strahlen anspricht.
4. ■ Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der eingestellten Aufnahmespannung und ein dem während der Aufnahme gemessenen Strom proportionales Signal in einer Multiplizierschaltung (1) multipliziert werden, deren Ausgangssignal einem Echtzeit-Simulationsnetzwerk (4) zur Erzeugung des von der Anodentemperatur abhängigen ersterfSignals (T.) zugeführt wird.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche für einen Rontgendiagnostika.ppa.rat mit Belichtungsautomatik, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des von der zu erwartenden Aufnahme be lastung abhärg.gen Wertes (A^) ^ei*ie Multiplizierstufe (1) vorgesehen ist, die ein der eingestellten Aufnahmespannung und dem während der Aufnahme gemessenen Röhrenstrom proportionales Signal bildet, das in einer Integrationsstufe während (fer Aufnahmezeit integriert und gespeichert wird.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 für einen Röntgendiagnostikapparat mit Zweiknopfbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des von der zu erwartenden Aufnahmebelastung abhängigen Wertes (Δ'ί)

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eine Multiplizierstufe vorgesehen ist, die die eingestellte Aufnahmespannung und das eingeschaltete mAs-Produkt
multipliziert. .·
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein neuer Simulationsayklus gestartet wird, sobald das Ausgangssignal (T₀) des schnellen Simulationsnetzwerkes (8) den V/ert des zweiten Signals (T

unterschreitet.

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