DE2631516C3 - Röntgenröhre zur Verwendung bei der Radiotomographie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Röntgenröhre wird in der älteren deutschen Anmeldung P 25 51 322.8-35 vorgeschlagen.

In der DE-PS 25 51 322 ist ein radiographisches Gerät vorgeschlagen, bei dem eine nicht-mechanische Abtastung erfolgt. Dies wird dadurch bewirkt, daß ein Elektronenstrahl, der auf die Antikathode der Röntgenröhre trifft, in einer Richtung senkrecht zu seinem Weg abgelenkt wird. Die Ablenkung erfolgt dabei durch Spulen. Der Auftreffbereich des Elektronenstrahls bildet den Ursprung der emittierten Röntgenstrahlen, und durch die Ablenkung wird der Urspruiig der Röntgenstrahlen verlagert, so daß die erforderliche Abtastbewegung eintritt.

Aus der DE-PS 7 26 595 ist eine in der Radiotomographie einsetzbare Röntgenröhre bekannt, bei der ein länglicher, insbesondere rechteckiger Brennfleck des Eiektronenstrahlenbündels senkrecht zu seiner Längsachse durch elektromagnetische Ablenkung geradlinig auf der Antikathode verschoben werden kann. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die zur Ablenkung des Eiektronenstrahlenbündels verwendeten Felder zu einer Verzerrung des bandförmigen Eiektronenstrahlenbündels führen. Hierdurch wird der Auftreffbereich auf der Antikathode verzerrt und damit ergibt sich auch eine Verzerrung des Röntgenstrahl. Diese Verzerrung ist unerwünscht. Eine Verzerrung des Röntgenstrahl kann ferner als Folge eines schrägen Auftreffwinkels des bandförmigen Eiektronenstrahlenbündels auf die Antikathode eintreten.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Röntgenröhre gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, bei der auf der Antikathode unabhängig vom Grad der Auslenkung ein rechteckiger Brennfleck erzeugt wird, der senkrecht zu seiner Längsrichtung über die Antikathodenfläche bewegt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 ein Gerät mit einer die Erfindung verkörpernden Röntgenröhre,

Fig.2, 3a und 3b Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Röntgenröhre,-

Fig.4 ein Diagramm zur Erläuterung einer Art von Verzerrung des Elektronenstrahlenbündels,

Fig.5 eine Spulenanordnung zur Korrektur dieser Verzerrung,

Fig.6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Effekts im Auftreffbereich der Antikathode bei Ablenkung des Elektronenstrahlenbündels und

Fig.7 eine Spulenanordnung zur Korrektur dieses Effekts.

F i g. 1 zeigt ein typisches Ausführungsbeispiel eines Abtastgerätes für axiale Tomographie unter Verwendung von Datenverarbeitungsmitteln, in dem eine erfindungsgemäß ausgebildete Röntgenröhre verwendet wird.

Ein im Querschnitt dargestellter Körper 1 eines zu untersuchenden Patienten befindet sich auf einem ebenfalls im Querschnitt dargestellten Bett 2. Ein Material 3, das für die Röntgenstrahlung eine Absorption besitzt, die etwa gleich der Absorption des Körpergewebes ist, befindet sich zwischen dem Körper 1 und dem Bett 2, um dazwischen befindliche Luft zu verdrängen.

Das Material 3 erstreckt sich auch teilweise um den Körper, damit ein etwa kreisförmiger Querschnitt für die Strahlung geschaffen wird. Durch einen Haltestreifen 4 wird der Körper fest in der gewünschten Lage gehalten.

Das Bett 2 und der Körper 1 werden in eine Öffnung 5 in einem drehbaren Träger 6 eingeführt, so daß ein gewünschter Teil des Körpers in der Ausnehmung zentriert wird. Der Träger 6 ist um eine Achse 7 drehbar, die in Längsrichtung des Körpers ί und damit senkrecht zur Papierebene verläuft. Aus diesem Grunde ist der Träger 6 auf drei Zahnrädern Sa, b, c gelagert, die mit nicht dargestellten, am Umfang des Trägers 6 angebrachten Zähnen in Eingriff sind. Die Zahnräder 8 sind in einem Hauptrahmen 9 des Gerätes gelagert. Der Träger 6 wird durch einen Elektromotor 10 über einen Zahnriemen 11 angetrieben, der den Träger 6 an einer Stelle umschlingt, die gegenüber den Zahnrädern 8 in einer zur Papierebene senkrechten Richtung versetzt -»3 ist.

Auf dem Träger 6 sind ferner eine Röntgenstrahlen 13 aussendende Röntgenröhre 12, eine Bank von Detektoren 14 und zugeordnete Kollimatoren 14' gelagert.

Die Röntgenröhre 12 enthält eine längliche Anti- 3" kathodenanordnung 15, 16, eine Elektronenkanone 17, die ein Eleluronenstrahlenbündel 18 erzeugt, und Ablenkspulen 19, die als Toroid dargestellt sind, jedoch können beispielsweise im Bedarfsfall auch Sattelspulen oder Ablenkplatten verwendet werden. Es sind zwei Endpositionen 20a und 20c der Punktquelle dargestellt, die Röntgenstrahlenfächer 13a und 13cerzeugen, und es ist ersichtlich, daß in jeder Position der Punktquelle der Röntgenstrahlenfächer 13 den zu untersuchenden Körper erfaßt und auf die Detektoren 14 auftrifft. Dabei ist vorausgesetzt, daß die Detektoren in der Lage sind, die Strahlung bei allen Positionen der Punktquelle 20 zu empfangen, und daß die Kollimatoren 14' so ausgelegt sind, daß sie dies ermöglichen.

Im Betrieb empfangen die Detektoren Strahlung von der Punktquelle 20. Der Motor 10 bewirkt eine kontinuierliche Drehung a;.s Trägers 6 und des darauf angeordneten Zubehörs, und die Ausgänge der Detektoren werden über geeignete Zeiträume integriert, um Ausgangssighale zu erzeugen, die ein Maß für die Strahlung sind, die den Körper entlang diskreter Strahlenwege durchquert. Die Abtastbewegung der Punktqueile 20 entlang der Antikathode 15, 16 steht in vorgegebener Beziehung zu der Drehbewegung, damit die Strahlenwege eine gewünschte Orientierung im Körper aufweisen. Die Ausgangssignale können dann in einer Datenverarbeituhgsschaltung 36 verarbeitet werden, um eine Darstellung der Verteilung der Absorption der Strahlung in einem Bereich des Körpers auf einer Anzeigeeinheit 37 zu erzeugen.

Die Teile 21 bis 25 sind Bestandteile eines Taktgebers.

Fig.2 zeigt die Röntgenröhre 12 in größeren Einzelheiten, wobei jedoch Teile, die zum Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind, fortgelassen wurden.

Das Elektronenstrahlenbündel 18 wird fokussiert und trifft auf die Antikathode 15 in einem Bereich, der geringe Abmessungen in Richtung der λτ-Achse aufweist. Die Antikathode 15, die aus Wolfram b:-; tehen kann, ist in den Antikathodenkörper 16 eingesetzt, Jer sich auf positiver Hochspannung in bezug auf die Elektronenkanone 17 befindet. Der Antikathodenkörper 16 kann aus Kupfer bestehen und wird in dem erforderlichen Maß gekühlt. Der Antikathodenkörper und die Antikathode können einen Querschnitt aufweisen, der auch bei bekannten Röntgenstrahlenröhren zu finden ist. Bei der hier beschriebenen Anordnung besitzen sie jedoch noch eine Längenausdehnung in der x-Richtung. Eine elektronische Strahlablenkanordnung 19, die in F i g. 1 schematisch durch ein Toroid dargestellt ist, dient zur Erzeugung einer Abtastbewegung des Elektronenstrahls auf der Antikathode 15 in der x-Richtung, so daß dieser auf der Antikathode aufeinanderfolgende Positionen einnimmt, von denen die Positionen 18a, 18i>und 18c dargestellt sind. Von der Antikathode werden Röntgenstrahlen 13 an den Stellen emittiert, an denen der Elektronenstrahl auftrifft, und zwar vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 50° zum Elektronenstrahlenbündel, wobei Röntgenstrahlen erzeugt werden, die eine Energie im Bereich von 10 KeV besitzen. Es sind nachfolgend noch näher erläuterte Kollimatoren vorgesehen, um die von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlen weitgehend auf die durr:h Pfeile 13 angedeutete Richtung zu begrenzen, und diese Röntgenstrahlen können dann die Röhre durch ein Fenster verlassen.

Die bereits erwähnte lineare Abtastbewegung wird dadurch erzeugt, daß die Ablenkanordnung 19 das Elektronenstrahlenbündel 18 in Längsrichtung des Fangschirms 15 ablenkt.

Fig. 3 zeigt eine Kollimatoranordnung zur Begrenzung der emittierten Röntgenstrahlen auf den gewünschten Bereich, wobei die Koordinaten y. y und ζ den Koordinaten in Fig. 2 entsprechen. Die Abtastbewegung des Röntgenstrahl in x-Richtung ist durch die drei Positionen 13a, 13£> und 13c angedeutet, die den Elektronenstrahleno'-ndeln 18a, ISO und 18c in Fig. 2 zugeordnet sind. Der Röntgenstrahl ist durch einen Schlitz 26 in einem absorbierenden Schirm 27 begrenzt, so daß er in /-Richtung einen Bereich bestrahlt, der nicht größer ist als die erforderliche Dicke des zu untersuchenden Bereichs des Körpers. Der absorbierende Schirm 27 kam. in der Wandung der Röntgenstrahlenröhre oder innerhalb bzw. außerhalb der Röhre angeordnet werden. Die Länge des Schlitzes 26 ist so bemessen, daß der gewünschte Abtastbereich überstri-

chen wird.

Die in soweit beschriebene Anordnung entspricht in ihren wesentlichen Punkten der in der Patentanmeldung P 25 51 322.8-35 vorgeschlagenen Anordnung. Das Elektroncnstrahlenbündel 18 ist bandförmig ausgebildet. so daß es auf die Antikathode 15 entlang einer Linie auftrifft, die senkrecht zur x-Achse verläuft, so daß ein Röntgenstrahl mit der gewünschten Dicke in der /-Richtung gemäß Fig. 3a erzeugt wird. Es ist erforderlich, daß in allen Positionen der Röntgenstrahlenpunktquelle auf der Antikathode 15 die Auftrefflinie der Elektronen senkrecht zur x-Richtung verläuft, um eine unerwünschte Verzerrung des Röntgenstrahl zu verhindern. Zwei Faktoren neigen jedoch dazu, den Elektronenstrahlenbündelqucrschnitt zu verzerren. Beide Faktoren können jedoch durch Modifikation der Ablenkanordnung für den Elektronenstrahl dadurch korrigiert werden, daß die Form des EiektronenstrahlenbünHels in der nachfolgend beschriebenen Weise geändert wird. Diese beiden Faktoren sind jedoch voneinander völlig verschiedene Effekte und werden daher einzeln erläutert.

Das bandförmige Elektronenstrahlenbündel besitzt große Abmessungen in der zur Laufrichtung der Elektronen senkrechten Richtung und verhältnismäßig geringe Abmessungen in hierzu senkrechter Richtung. Die Richtung der großen Abmessung, die als die Breite des Bandes bezeichnet werden kann, verläuft bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel in der z-Richtung, während die geringe, als Dicke bezeichnete Abmessung und die Laufrichtung hierzu senkrecht verlaufen und der .v- und y-Richtung entsprechen.

In F i g. 4 ist ein nicht abgelenktes Elektronenstrahlenbündel 18 dargestellt, wobei die .v-und 2-Achsen die dargestellte Orientierung aufweisen. Für die Abtastbewegung wird das Elektronenstrahlenbündel nach rechts oder links in x-Richtung abgelenkt und sollte parallel zur .z-Achse verlaufen. Eine übliche Ablenkspule mit kosinusförmiger Stromverteilung bewirk; jedoch eine Verzerrung bei der Ablenkung nach linki oder rechts in die Form 18/, bzw. 18/?. Eine en'sprechende Verzerrung wird dann auf der Auftrefflinie 18/. und 18/? auf der Antikathode 15 erzeugt. Der Elektronenstrahlcnbündelquerschnitt wird um einen Betrag vermindert, der von dieser Dicke und dem Quadrat des Abienkwinkels abhängt, und es entsteht eine Krümmung, die proportional dem Ablenkwinkel und dem Quadrat der Breite des Elektronenstrahlenbündelquerschnitts ist.

Dies kann zwar durch bekannte Mittel korrigiert werden. jedoc^u korngieren diese Mittel nicht die Krümmung, und ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß auch diese Korrektur durchgeführt wird.

Eine Anordnung zur Korrektur der Breite des Elektronenstrahlenbündelquerschnitts ist in Fig. 5 dargestellt. Auf einem toroidförmigen magnetischen Kern 33 sind Wicklungen 31a. b. c und 32a, b, c vorgesehen. Hierfür kann der für die Hauptablenkspulen dienende Kern verwendet werden, oder es kann ein gesonderter so Kern vorgesehen werden. Die Windungen nehmen dabei auf dem Kern etwa eine Länge ein, die der Strahlbreite entspricht. Die äußeren Abschnitte 31a. c und 32a. c sind jeweils in gleicher Richtung gewickelte T-Windungen und lenken die äußeren Teile des Strahls in einer Richtung ab. während die mittleren Abschnitte 3If) und 326 jeweils gegensinnig gewickelte 2 T-Windungen sind und die Mitte des Strahls in entgegengesetzter Richtung ablenken. Die erzeugten Felder sind durch die gestrichelten Linien angedeutet und es ist ersichtlich, daß mit dieser Anordnung die in Fig.4 dargestellte Krümmung korrigiert w<:rden kann. Der durch die Spulen fließende Strom besitzt die gleiche Wellenform wie der Hauptablenkstrom, wobei die Amplitude auf die Korrektur abgestellt ist.

Die zweite Form der Verzerrung der Röntgenstrahlen rührt aus der Anordnung der verwendeten Röntgenstrahlenantikathode und dem Auftreffen des abgelenkten Elektronenstrahls auf dieser her. Diese Anordnung ist in F i g. 6 perspektivisch dargestellt. In dieser Figur stellt die durch ausgezogene Linien umrissene Oberfläche HMLK einen Teil der Oberfläche der Antikathode 15 dar, auf die die Elektronen von links auftreffen. Mögliche Positionen des Elektrone.istrahlenbündels sind durch mit Pfeilen versehene Linien dargestellt, und es sind einige unterbrochene Linien eingezeichnet, um das Verständnis der Geometrie der Anordnung besser zu verstehen. Aus dem gleichen Grunde sind auch einige rechte Winkel eingezeichnet. Die Antikathode HMLK ist unter einem Winkel α zu der X2-Ebene HIJK geneigt, damit die emittierten Röntgenstrahlen in eine gewünschte Richtung nach unten gelenkt werden. Das nicht abgelenkte Elektronenstrahlenbündei 18 schneidet die Ebene HIJK bei BR und trifft auf die Antikathode an der Linie BS in einer ?v-Ebene auf und ist unter dem Winkel α zur 2-Achse geneigt. Ein abgelenktes, von derselben Quelle ausgesandtes Elektronenstrahlenbündel schneidet die Ebene HI]K an einer anderen Stelle. Aus Gründen der Geometrie ist es jedoch zweckmäßig davon auszugehen, daß eine Ablenkung mit einem Winkel Θ durch Bewegung der Quelle erzeugt worden ist, so daß ein abgelenkter Strahl 18/? die Ebene HI]K auf derselben Linie BR schneidet, wobei die Ablenkung lediglich in einer xy-Ebene erfolgt. In diesem Fall ist ersichtlich, daß das abgeienkie Elektroncnstrahlenbünde! 18/? die Antikathode auf der Linie BG trifft, und daß wegen der Neigung der Antikathode die Linie BC in x-Richtung geneigt ist. Hierdurch wird eine unerwünschte Verzerrung des Röntgenstrahl erzeugt, die korrigiert werden muß, wobei es ideal wäre, wenn die Auftrefflinie eines Strahls auf dem Ziel stets in einer yz-Ebene läge.

Es ist ersichtlich, daß der gewünschte Effekt bei einem Strahlablenkwinkel Θ erreicht wird, wenn das Elektronenstrahlenbündel entlang einer Linie NG, die parallel zur Linie BSist, auftrifft. Es ist ferner ersichtlich, daß ein abgelenkter Strahl 18/?' für den dies zutrifft, die Ebene HIjK entlang einer Linie NR schneidet, die unter einem Winkel β zu BR geneigt ist. Tatsächlich wird die Korrektur durch Verkanten des abgelenkten Strahls unter einem Winkel β zur z-Richiung erreicht.

Dabei gilt, daß

tanu (' =

tans \ =

SG RS~

RS BR

SG BR

und daß tang H ■ tang \ =

somit ist tanu ,.' = —~- und da SyV

Oft

= SG

tang ,-i = tang H - tang

Das Gerät ist daher so ausgebildet, daß das abgelenkte Elektronenstrahlenbündel durch den in Gleichung (1) in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel θ und vom Neigungswinkel λ definierten Winkel β gedreht wird.

Die in F i g. 7 dargestellte Anordnung zeigt vier Spulen 34a, b und 35a, b, die um einen toroidalen Kern 36 gewici.-ih sind, der gleich ausgebildet ist wie der Kern 33 in Fi g. 5. Die Hälften a und b eines Spulenpaares haben eine gleiche Anzahl von Windungen, wobei die beiden Hälften gegensinnig gepolt sind, damit das durch gestrichelte Linien angedeutete Feld erzeugt wird. Ein

tang θ proportionaler Abtaststrom wird bei konstantem tang λ den Spulen mit einer solchen Amplitude zugeführt, daß das Elektronenstrahlenbündel in allen Abtastpositionen vertikal bleibt.

Es sei bemerkt, daß die bei beiden Beispielen dargestellten Toroidkerne für sich allein vorhanden sein oder im Bedarfsfall auch die Windungen der Hauptablenkspule aufnehmen können. An Stelle eines Toroids können auch rechteckförmige Kerne oder Sattelspulen verwendet werden, um gleiche Ergebnisse zu erzielen, und es kann auch eine elektrostatische Ablenkanordnung eingesetzt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Röntgenröhre zur Verwendung bei der Radiotomographie, mit einer Kathode zur Aus-Sendung eines Eiektronenstrahlenbündels, das verhältnismäßig schmal in einer ersten, zur Laufrichtung der Elektronen senkrechten Richtung (tyist, mit einer sich in die erste Richtung (x) erstreckenden Antikathode, deren Oberfläche zu einer zweiten Richtung (z), die zur ersten Richtung und zur Laufrichtung der Elektronen senkrecht ist, so geneigt ist, daß beim Auftreffen des Eiektronenstrahlenbündels Röntgenstrahlen in eine gewählte Richtung, die die zweite Richtung (z) sein kann, austreten, und mit einer Ablenkanordnung, durch deren Feld das Elektronenstrahlenbündel so ablenkbar ist, daß sein Auftreffbereich auf der Antikathode eine Bewegung in der ersten Richtung (x) ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektronenstraälenbündel bandförmig ist, wobei sich seine breitere Abmessung in die zweite Richtung (z) erstreckt, und daß zusätzliche Ablenkelemente (31, 32 und/oder 34,35) zur Erzeugung eines Korrekturfeldes vorgesehen sind, das die Form des Elektronenstrahienbündels (18) derart ändert, daß der Auftreffbereich (NC) des abgelenkten Eiektronenstrahlenbündels auf der Antikathode (15) geradlinig und parallel zum Auftreffbereich (135) des unabgelenkten Strahls bleibt.

2. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente (31,32) zur Eixeugunfc des Korrekturfeldes so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie in Abhängigkeit vom Maß der . .ölenkung die Krümmung des Auftreffbereichs korrigieren, indem eine Vorkrümmung des Eiektronenstrahlenbündels (18) eingeführt wird, die von der Ablenkung abhängt.

3. Röntgenröhre nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente (31, 32) so ausgelegt sind, daß sie zusätzlich die Mitte des Elektronenstrahlenbündelquerschnitts in eine Richtung und die äußeren Bereiche cies Elektronenstrahlenbündelquerschnitts in die entgegengesetzte Richtung ablenken.

4. Röntgenröhre nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente aus mehreren, zu beiden Seiten des Eiektronenstrahlenbündels in der ersten Richtung ft)angeordneten Spulen (31a, b, c;32a, b, c)bestehen.

5. Röntgenröhre nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente aus sechs Spulen (31a, b, c;32a. b, c)bestehen, von denen benachbarte Spulen Magnetfelder mit entgegengesetzter Polarität erzeugen.

6. Röntgenröhre nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (31, 32) in ein Spulensystem eingeschlossen sind, das zugleich die Ablenkanordnung bildet.

7. Röntgenröhre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente zur Erzeugung des Korrekturfeldes (31,32) so angeordnet und ausgebildet sind, daß sie den Elektronenstrahlenbündelquerschniti (18) zum nicht abgelenkten Elektronenstrahlenbündel um einen von der Ablenkung abhängigen Winkel so neigen, daß der Auftrcffbcrcich des abgelenkten Eiektronenstrahlenbündels trol/, der geneigten Anordnung der Antikathoden-Oberfläche parallel zum nicht abgelenkten Elektronenstrahlenbündel bleibt.

8. Röntgenröhre nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Ablenkelemente so ausgelegt sind, daß sie den Elektronenstrahlenbündelquerschnitt um einen Winkel β zum nicht abgelenkten Strahl derart neigen, daß β gegeben ist als tang β = tang Θ - tang α, wobei Θ der Ablenkwinkel und ä der Winkel ist, unter dem die Antikathodenoberfläche zur zweiten Richtung (z) geneigt ist

9. Röntgenröhre nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des Elektronenstrahlenbündels in der ersten Richtung (x) zwei Spulen (34a, b bzw. 35a, b) so angeordnet sind, daß benachbarte Spulen magnetische Felder mit entgegengesetzter Polarität erzeugen.

10. Röntgenröhre nach einem der Ansprüche 7 — 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkelemente aus einem Spulensystem bestehen, das zugleich auf die Kerne der Ablenkanordnung aufgebracht ist.