DE3017745A1

DE3017745A1 - Roentgenfilter

Info

Publication number: DE3017745A1
Application number: DE19803017745
Authority: DE
Inventors: Philip Dean Lariviere
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1979-05-14
Filing date: 1980-05-09
Publication date: 1980-11-27
Also published as: JPS55160900A; US4286167A; JPH041320B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft Röntgenstrahl en-Generatoren, insbesondere Hochspannungsgeneratoren zur Verwendung in der medizinischen Therapie. In solchen Anwendungsfällen ist es außerordentlich erwünscht, daß die Strahlung über das definierte Bestrahlungsfeld gleichförmig ist.

Es ist bekannt, daß Röntgenstrahlen von einem mit Elektronen bombardierten Target unterschiedliche Intensität in Abhängigkeit von der Richtung haben. Wenn die Elektronen Energien im Megavoltbereich haben, liegt die größte erzeugte Intensität in Richtung des Elektronenstrahls und fällt schnell mit dem Winkel weg von dieser Richtung ab. Eine bekannte Einrichtung, zur Vergleichmäßigung der Energie über den nutzbaren Winkelbereich ist bekannt (US-PS 41 09 154). Ein absorbierendes Filter in Form

Dicke eines Umdrehungskörpers ist so geformt, daß es eine maximale/ d.h.'einen längeren Röntgenweg, längs seiner Achse hat, die zur Röntgenquelle hin zeigt. Wege mit wachsenden Winkeln gegen die Achse verlaufen durch kleinere Längen absorbierendes Material. Im Prinzip kann man die Form· des Absorbers so schneiden, daß die Intensität perfekt gleichförmig ist. Das muß jedoch im allgemeinen in der Weise erfolgen, daß mehrfach geschnitten und ausprobiert wird, und so kann die Herstellung sehr zeitaufwendig und teuer sein.

Ein weiteres Problem besteht darin, daß der Ausgleich der Intensität nicht notwendigerweise die effektive Strahlung vergleichmäßigt. Die unter einem größeren Winkel gegen die Achse emittierten Strahlen' haben ein Spektrum der Photonenenergie, das einen größeren Anteil an niedrigeren Energien hat als die axialen Strahlen. Die resultierende Variation des Absorptionskoeffidienten des bestrahlten Körpers über das bestrahlte Feld ist medizinisch unerwünscht. >

Zusammenfassung der Erfindung . ;

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Röntgenquelle zu schaffen, die/ gleichförmige Intensität über das bestrahlte Feld hat. ' \^l

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Weiter soll durch die Erfindung ein Intensitäts-Ausgleich-Filter geschaffen werden, das einen begrenzten Raum einnimmt.

Weiter soll durch die Erfindung ein Filter geschaffen werden, das die Gleichförmigkeit der Verteilung der Photonenenergie der Röntgenstrahlen über das bestrahlte Feld verbessert.

Weiter soll durch die Erfindung ein Filter geschaffen werden, das gleichzeitig die Gleichförmigkeit der Intensität und der Photonenenergie verbessert.

Weiter soll durch die Erfindung ein Ausgleichsfilter geschaffen werden, das auch Neutronen absorbiert.

Ferner soll durch die Erfindung ein Ausgleichsfilter geschaffen werden, dessen Ausgleichseigenschaften einstellbar sind.

Diese Ziele werden dadurch erreicht, daß das Filter aus wenigstens zwei absorbierenden Teilen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufgebaut wird. Die Formen der Teile werden so ausgewählt, daS größere Weglängen durch die absorbierenden Elemente für Röntgenstrahlen in Richtungen höherer Intensität und effektiver Photonenenergie entstehen als für Strahlen in Richtungen geringerer Intensität und Photonenenergie. Durch geeignete Wahl der Formen können sowohl die Intensität als auch die Photonenenergie vergleichmäßigt werden. Statt dessen können auch dünne Abschirmbleche hinzugefügt werden, um das Ausgleichsmuster fein abzugleichen.

Das Filter kann auch ein Neutronen absorbierendes Teil aufweisen, um . diese unerwünschte Strahlung zu entfernen.

Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden; es zeigen:

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Fig. 1 die Intensitätsverteilung von Röntgenstrahlen mit mehreren Megavolt in polarer Darstellung;

Fig. 2 schematisch einen axialen Teilschnitt durch ein bekanntes Ausgleichsfilter für die Intensität;

Fig. 3 schemati sch einen Axial schnitt durch ein Filter nach der Erfindung; und

Fig. 4' schematisch einen Axialschnitt durch ein anderes Filter nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt graphisch die Richtungsverteilung der Röntgenintensität von einem Target, das mit Elektronen bombardiert wird, deren Energien mehreren Megavolt des Potentials entsprechen. Der Elektronenstrahl 10 prallt auf ein dünnes Target 12, das beispielsweise aus Wolfram besteht. Die Röntgenstrahlen 13 gehen von dem Fleck 14 auf dem Target 12 aus, auf das der Strahl 10 auftrifft. Die Kurve 16 ist eine polare Darstellung der Intensität der Röntgenstrahlen 13. Für irgendeinen Richtungswinkel 17 gegen die Axialrichtung des Strahls 10 ist der radiale Abstand 18 vom Ursprung 14 proportional der Intensität, d.h. der Anzahl der Photonen pro Sekunde. Ersichtlich ist die Intensität sehr ungleichförmig mit einem Maximum in Richtung des Strahls 10.

In der medizinischen Röntgentherapie ist es sehr erwünscht, daß die Intensität über das bestrahlte Anwendungsfeld hin gleichmäßig ist. Um Gleichförmigkeit zu erreichen, war es bekannt, einen ungleichförmigen Absorber zwischen die Quelle und das bestrahlte Subjekt einzusetzen. Fig. 2 zeigt diesen Stand der Technik. Der Elektronenstrahl auf der Achse 22, der von einem Beschleuniger 24 ausgeht, trifft auf ein Target 25, das in einen Targethalter 26 montiert ist und liefert einen divergierenden Strahl von Röntgenstrahlen 28. Die maximale Winkelausdehnung des Strahls 28 gegen die Achse 22 ist durch einen massiven Absorber 30 begrenzt, der ein konisches Loch 32 aufweist, um den nutzbaren Röntgenstrahl durchzulassen. Der Strahl kann weiter mit beweglichen Backen 34 und 36 aus Röntgenstrahlen absorbierendem Werkstoff begrenzt werden, um eine kleinere Fläche zu bestrahlen.

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Zwischen das Target 25 und die Backen 34, 36 war ein ausgleichender Absorber 38 eingesetzt. Der Absorber 38 ist ein Umdrehungskörper um die Achse 22, weil die Röntgenverteilung azimutal symmetrisch ist. Der Absorber 38 hat seine größte Dicke, gemessen längs eines Radius vom Target 25, auf der Achse 22, weil die ungedämpften Strahlen ihre größte Intensität hier haben (Fig. 1). Für wachsende Abweichungswinkel 39 gegen die Achse 22 fällt die radiale Dicke des Absorbers 38 um einen Betrag, der so berechnet ist, daß die geringer werdende Röntgenintensität kompensiert wird, so daß ein abgehender Strahl mit im wesentlichen gleichförmiger Intensität entsteht.

Um alle Photonenenergien im vom Target 25 emittierten kontinuierlichen Spektrum gleichmäßig zu dämpfen, besteht der Absorber 38 vorzugsweise aus einem Material mit relativ niedriger Ordnungszahl, beispielsweise Aluminium. Die für dieses Material erforderliche Dicke kann jedoch den verfügbaren Raum übersteigen. Ein weiterer Nachteil des bekannten Schemas liegt darin, daß nur die Intensität der Röntgenstrahlen ausgeglichen wird. Bei den relativistischen Elektronenenergien von mehreren Megavolt ergibt sich auch eine Winkelabhängigkeit der Verteilung der Photonenenergien mit der höchsten mittelren Energie in der axialen Richtung.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Axialschnitt durch ein Ausgleichsfilter nach der Erfindung. Röntgenstrahl 13' vom Target 12' unter einem Winkel 17' zur Achse 20' läuft nacheinander durch zwei absorbierende Filterelemente 44 und 45. Jedes Filterelement 44, 45 hat eine Oberfläche 46, 47, die eine Umdrehungsfläche um die Achse 20' ist. Die Oberflächen 46, 47 sind so geformt, daß sie für die Variation der absorbierenden radialen Weglängen 48, 50 in Abhängigkeit vom Winkel 17' sorgen, um die Röntgenstrahlung über den nutzbaren Bereich an Winkeln 17' auszugleichen. Das Element 44 besteht beispielsweise aus einem Werkstoff mit relativ niedriger Ordnungszahl, beispielsweise Eisen.

Mit Eisen allein würde die Dicke längs der Achse unzulässig groß werden, um die Intensität auszugleichen. Erfindungsgemäß besteht das zweite

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absorbierende Filterelement 45 aus einem Material mit relativ hoher Ordnungszahl, beispielsweise Wolfram. Die Kombination von zwei Filterelementen mit niedrigen bzw. hohen Ordnungszahlen ergibt zwei "Vorteile." Zunächst ist die gesamte Filterdicke für den Intensitätsausgleich auf einen praktikablen Wert reduziert. Der zweite Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, daß Werkstoffe mit hoher Ordnungszahl einen Absorptionskoeffizienten haben, der, relativ zum Absorptionskoeffizienten von Werkstoffen mit niedriger Ordnungszahl, für energiereichere Photonen relativ höher ist. Das absorbierende Filterelement 45, das eine größere Dicke nahe der Achse 20' hat, kann also dazu beitragen, die Anzahl an energiereicheren Photonen nahe der Achse 20' zu reduzieren. Durch Auswahl der geeigneten Profile 46, 47 der Filterelemente 44, 45 können sowohl die Photonenenergieverteilung als auch die Intensität über das nutzbare Bestrahlungs-Winkelfeld im wesentlichen ausgeglichen werden. Beim AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Dicke des Elementes 45 mit höherer Ordnungszahl tatsächlich unter einem gewissen Winkel 49 innerhalb der äußeren Feldgrenzen zu Null wird.

Fig. 4 ist ein schematischer Längsschnitt durch ein Filter nach der Erfindung mit einigen nützlichen zusätzlichen Merkmalen gegerüber der Ausführungsform nach Fig. 3. Das obere Filterelement 44' ist sines mit relativ niedriger Ordnungszahl, beispielsweise Stahl. Das untere Filterelement 45", hier in eine Aussparung im Element 44' eingesetzt, hat relativ hohe Ordnungszahl, beispielsweise Wolfram, Wolframlegierung oder eine Wolframmischung. Die Oberflächen 46', 47' der Filterelemente 44', 45' sind, wie oben, Umdrehungsflächen um die Achse 20" und so geformt, daß radiale Absorptionslängen entstehen, die sich in Abhängigkeit vom Winkel gegen die Achse 20" ändern, so daß die Intensität über das Winkel feld hin ausgeglichen wird und auch die Variation der Photonenenergieverteilung über das Feld minimiert wird. Keine exakte Formel für diese Formen ist festgestellt worden. Sie werden dadurch entworfen, daß eine Reihe von Formen berechnet wird, diese aus dem Material herausgearbeitet werden und das Resultat durch anschließende Messung bestätigt wird.

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Da das Intensitätsmuster nicht vollständig von einem Gerät zum anderen oder mit der Änderung der Spannung reproduzierbar ist, weist das Filter nach Fig. 4 eine Anzahl von abnehmbaren flachen Abschirmelementen 52 auf, die im wesentlichen für eine gleichförmige Absorption über das ganze Feld hin sorgen. Die Hinzufügung der Abschirmbleche 52 kann jedoch die relative Ungleichförmigkeit der Absorption der Filterelemente 44' und 45' ändern. Die Abschirmbleche 52 bestehen beispielsweise aus dem gleichen Material wie das obere Filterelement 44', und so ist die Auswahl ihrer Anzahl und Dicke äquivalent einer Einstellung der Dicke des Elementes 44', jedoch ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen spangebenden Bearbeitung.

Ein weiteres Merkmal der Ausführungsform nach Figur 4 ist der Einbau eines Neutronenfilters. Wenn Elektronenenergien in der Größenordnung von 10 eV verwendet werden, wird eine erhebliche Anzahl von Neutronen vom Elektronenstrahl target emittiert. Diese Neutronen sind unerwünschte Begleiter der medizinischen Röntgenbehandlung. Um Neutronen zu absorbieren, sind zusätzliche Filterelemente 54 und 56 zu Teilen der vollständigen Filtereinheit gemacht worden. Elemente 54, 56 bestehen aus einem Werkstoff mit sehr niedriger Ordnungszahl, beispielsweise einem Kohlenwasserstoff-Polymer. Sie haben deshalb einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Röntgenfilterung. Bei der Ausführungsform nach Figur 4 sind die Elemente 54, 56 so geformt, daß sie mit den Röntgenfilterelementen 44', 45' zusammenpassen, so daß sie ein leicht zu handhabendes zylindrisches Paket bilden.

Ersichtlich können sehr viele verschiedene Ausführungsformen der Erfindung innerhalb dieses Grundgedankens hergestellt werden. Eine große Anzahl von Formen und Kombinationen von Werkstoffen kann verwendet werden. Die Filterelemente können im wesentlichen reine, atomische Elemente sein, oder es kann sich um Legierungen oder Mischungen handeln, die Atome unterschiedlicher Ordnungszahl enthalten. Es ist nur wichtig, daß die effektive äquivalente Ordnungszahl des Materials für ein Filterelement höher ist und für das andere niedriger. Die effektive Ordnungszahl ist die Ordnungszahl eines chemischen Elementes, das etwa

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die Absorptionskoeffizienten des Filterelement-Werkstoffes hat. Die erwähnten Beispiele sind als Illustrationen und nicht als Einschränkungen aufzufassen.

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Claims

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Patentansprüche

1/ Filter für Hochspannungs-Röntgenquelle, gekennzeichnet durch ein erstes Filterelement aus einem Werkstoff mit relativ niedriger effektiver Ordnungszahl und einem zweiten Filterelement aus einem Werkstoff mit relativ hoher effektiver Ordnungszahl, und dadurch, daß die Elemente so geformt sind, daß, wenn sie in einen bestimmten Röntgenstrahl gebracht sind, ihre Kombination für eine größere Röntgenabsorption für Strahlen in einer Richtung höherer Intensität sorgt als für Strahlen in einer Richtung geringerer Intensität.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Filterelementen so geformt ist, daß sich eine größere Röntgenabsorption durch sie hindurch für Strahlen in einer Richtung höherer Photonenenergie ergibt als für Strahlen in einer Richtung geringerer Photonenenergie.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Formen Umdrehungskörper um eine gemeinsame Achse sind.

4. Filter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung höherer Intensität längs der Achse liegt.

5. Filter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Montageeinrichtungen vorgesehen sind, um die Achse auf die Röntgenquelle auszurichten.

6. Filter nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch ein drittes Element zur Absorption von Neutronen, das vorwiegend aus chemischen Elementen hergestellt ist, deren Ordnungszahlen kleiner sind als die der chemischen Elemente der beiden erstgenannten Filterelemente.

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ORiGlNAL INSPECTED

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7. Filter nach einem der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch wenigstens ein entfernbares Abschirmteil mit einer kleineren Röntgenweglänge als die beiden erstgenannten Filterelemente.

8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschirmteil gleichförmige Dicke hat.

9. Filter nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Vielzahl Abschirmteile.

10. Filter nach einem der Ansprüche 1-9, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Neutronenabsorptionsteilen.

11. Filter nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Formen der Filterelemente aneinander angepaßt sind.

12. Filter nach Ansprüchen 6 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Zusammenpassen die Kombination der Filterelemente eine konstante Gesamtdicke hat.

13. Filter nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination eine flache Platte bildet.

14. Filter nach einem der Ansprüche 1 - 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente derart geformt sind, daß ihre Kombination eine räumliche Verteilung der Röntgenabsorption hat, die im wesentlichen gleichförmige Intensität der Röntgenstrahlen bewirkt, die von dem Filter ausgehen.

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15. Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterelemente derart geformt sind, daß ihre Kombination eine räumliche Verteilung der Röntgenabsorption hat, die im wesentlichen gleichförmige Verteilung der Photonen-Energie der Röntgenstrahlen bewirkt, die von dem Filter ausgehen.

16.Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglänge durch wenigstens eines der Filterelemente für den Strahl in Richtung höherer Intensität größer ist als für den Strahl in Richtung niedrigerer Intensität.

17. Filter nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Weglänge durch jedes der Filterelemente für den Strahl in Richtung höherer Intensität größer ist als für den Strahl in Richtung niedrigerer Intensität.

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