DE3244636C2

DE3244636C2 -

Info

Publication number: DE3244636C2
Application number: DE3244636A
Authority: DE
Inventors: Keiki Fuchu Tokio/Tokyo Jp Yamaguchi; Tadashi Kanagawa Jp Ogawa; Masayoshi Tokio/Tokyo Jp Mitamura; Tooru Koganei Tokio/Tokyo Jp Shimizu
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1982-10-08
Filing date: 1982-12-02
Publication date: 1989-02-09
Also published as: GB2129233B; DE3244636A1; GB2129233A; IL67570A; IL67570A0; JPH0250734B2; JPS5968200A; US4532644A

Description

Die Erfindung betrifft einen rechnergestützten Röntgentomographen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie er aus der US-PS 41 68 436 bekannt ist.

Fig. 1 veranschaulicht in Blockschaltbildform den Aufbau eines vorbenutzten rechnergestützten Röntgen tomographen, der dem aus der US-PS 41 68 436 bekannten Tomographen ähnelt. Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt eine Röntgenröhre 1, die entsprechend der über Anode und Kathode angelegten Spannung Röntgenstrahlung emittiert, die infolge der pulsierenden Wellenform der Spannung ebenfalls pulsierend auftritt, einen der Röntgenröhre 1 unter Zwischenfügung eines Untersuchungsobjekts 12 gegenüberstehenden Röntgen- Detektor 2, der zusammen mit der Röntgenröhre 1 um das Untersetzungsobjekt 12 herum in Drehung versetz bar ist und der gemäß Fig. 1 eine Anzahl von in einer Reihe angeordneten Detektorelementen aufweist, die jeweils einen Ausgangsstrom entsprechend der Stärke der einfallenden Röntgenstrahlung liefern, einen Drehkörper 3, an dem Röntgenröhre 1 und Detektor 2 angebracht sind, einen Antriebsmotor 4 zum Drehen des Drehkörpers 3, einen Drehwinkeldetektor 5 zur Messung des Drehwinkels des Dreh körpers 3, eine Gruppe von Integratoren 6, die je weils die von jedem Element des Röntgen-Detektors 2 gelieferten Ströme integrieren, einen Multiplexer 7 zum Wählen des Ausgangssignals jedes Integrators und zur Übertragung des Ausgangs signals zur nächsten Stufe, einen Analog/Digital- bzw. A/D-Wandler 8 zur Umwandlung eines vom Multiplexer 7 gelieferten Analogsignals in ein Digitalsignal, eine Datenverarbeitungseinheit 9, z. B. einen elektronischen Rechner, zur Verarbei tung des über den A/D-Wandler 8 eingespeisten, auf die Intensität der durch das Untersuchungsobjekt hindurchgetretenen Röntgenstrahlung bezogenen Si gnals zur Lieferung eines Tomogramms, eine Bildanzeige einheit 10 bzw. eine Kathodenstahlröhre zur Dar stellung von Tomogrammen, eine Zeit- oder Taktsteuer schaltung 11 zur Einstellung des Takts verschiedener Bauteile auf den Empfang von Signalen vom Drehwinkeldetektor 5 hin, Hochspannungs-Schalt röhren 13 und 14, z. B. Tetroden, Gittersteuerkreise 15 und 16, einen in Sternschaltung angeordneten Dreiphasen-Transformator T ₁ sowie Gleichrichter D ₁- D ₁₂.

Dieser vorbenutzte rechnergestützte Röntgentomograph arbeitet wie folgt: Der Dreiphasen-Transformator T ₁ und die Gleichrichter D ₁-D ₁₂ liefern eine Gleich spannung und die gelieferte Gleichspannung wird als Hochspannung über die Schaltröhren 13, 14 an die Röntgenröhre 1 angelegt. Fig. 3 ist ein Zeitdiagramm, in welchem die Kurven (l), (m) und (n) die Wirkungsweise der einzelnen Bauteile gemäß Fig. 1 angeben. Fig. 3 ver anschaulicht das Ausgangssignal (l) des Drehwinkel detektors 5, den von der Röntgenröhre 1 abgestrahlten Röntgenimpulse (m) und das Verhalten (n) des Integrators. Bei der Drehung des Drehkörpers 3 durch den Motor 4 wird sein Drehwinkel durch den Drehwinkel detektor 5 gemessen, wobei jeweils bei einem vorgegebe nen Winkelbetrag ein bei (l) dargestelltes pulsieren des Signal bzw. ein Signalimpuls zur Zeitsteuerschal tung 11 ausgegeben wird. Gemäß Fig. 3 läßt die Zeit steuerschaltung 11 beispielsweise die Gittersteuer kreise 15, 16 zur Anlegung eines Hochspannungsimpulses an die Röntgenröhre synchron mit den Impulsen (l) bzw. entsprechend diesen arbeiten, so daß der bei (m) angedeutete Röntgenstrahlungsimpuls emittiert wird. Der Röntgenstrahlungsimpuls tritt durch das Untersuchungsobjekt 12 hindurch und wird durch den Röntgen-Detektor 2 erfaßt. Der vom Detektor 2 gemessene oder erfaßte Strom besitzt eine mit der Kurve (m) in Fig. 3 synchronisierte Impulswellenform, und der Integrator 6 integriert den Strom in jedem der Abschnitte 1, 3, 5 (Fig. 3), um die Größe der übertragenen Röntgenstrahlung in eine Spannungsgröße umzusetzen. Andererseits führt der Integrator 6 auch in den Abschnitten 2, 4 der Kurve (n) gemäß Fig. 3 eine Integration durch, wobei die integralen Größen in diesen Abschnitten 2, 4 den Größen entsprechen, bei denen das Röntgen strahlungssignal gleich Null ist. Die Nullpunktabweichung eines Integrators wird korri giert, wenn die in den Abschnitten 2, 4 erhaltene Größe von dem in den Abschnitten 1, 3, 5 erhaltenen Datensignal subtrahiert wird. Der Integrator 6 wird abschnittsweise zwischen 1 und 2 und 3 . . . rückge setzt. Auf die beschriebene Weise wiederholt der Integrator 6 abwechselnd die Integration zum Zeitpunkt der Röntgenbestrahlung - Rückstellen - Nullpunkt integration - Rückstellen synchron mit dem Takt der pulsierenden Hochspannung, wobei über den A/D-Wandler 8 und die Datenverarbeitungseinheit 9 auf der Bild anzeigeeinheit 10 ein Tomogramm anhand eines Daten signals wiedergegeben wird.

Der beschriebene bisherige Röntgentomograph ist jedoch mit den folgenden Mängeln behaftet:

1. Der Hochspannungsgenerator verwendet einen Drei phasentransformator zur Lieferung eines Gleich spannungsausgangs von ±60 kV, so daß der Generator unvermeidlich einen komplizierten Aufbau und große Abmessungen besitzt und aufwendig ist. Die Strom versorgung, einschließlich eines Transformators, für den im Handel erhältlichen rechnergestützten Tomographen wiegt allein etwa 1,3 t und ist daher nicht einfach bewegbar.
2. Ein Röntgentomograph mit dem beschriebenen Aufbau ist äußerst kostenaufwendig, weil er Hochspannungs- Schaltröhren und Gittersteuerkreise mit Hochspan nungs-Isolierfunktion benötigt.
3. Fig. 4 veranschaulicht bei (I) schematisch die Wellenform der durch die Gleichrichter D ₄-D ₁₂ als Hochspannungsgeneratoren angelegten Ausgangs spannung, während bei (II) die Wellenform des zur Röntgenröhre 1 fließenden Stroms dargestellt ist. Gemäß Fig. 4 schwankt der Hochspannungsausgang des Hochspannungsgenerators nach Fig. 1, weil sich der Laststrom bzw. Röntgenstrom ändert. Wenn daher die gewünschte Hochspannung an die Last angelegt wird, steigt die Spannung im lastfreien Zustand an, weshalb die Bauteile des Hochspannungs generators, einschließlich des Transformators, eine hohe dielektrische Durchschlagfestigkeit besitzen müssen, was größere Abmessungen des Röntgentomographen und höhere Kosten für diesen bedingt. Aus diesem Grund wurde die Röntgenröhrenspannung auf etwa 120 kV beschränkt.

Aus der US-PS 40 51 378 ist ein Computer-Tomograph be kannt, der zur Hochspannungsversorgung einen Einphasen transformator verwendet. Jedoch ist auch bei diesem Computer-Tomographen ein Ansteuern des Versorgungskreises zur Röntgenstrahlimpulserzeugung notwendig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen rechner gestützten Röntgentomographen der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er eine einfachere Hochspannungsver sorgung für die Röntgenröhre aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem rechnergestützten Röntgen tomographen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Durch das direkte Anlegen der verstärkten, gleichgerich teten Netzspannung an die Röntgenröhre wird die Abgabe der Röntgenstrahlimpulse wie die Drehung von Röntgen röhre und Röntgen-Detektor um das Untersuchungsobjekt auf die Periode der Netzspannung bezogen, so daß Rönt genstrahlimpulse zuverlässig immer dann abgegeben werden, wenn sich Röntgenröhre und Röntgen-Detektor um einen be stimmten Winkel gedreht haben.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 4.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung des Aufbaus eines vorbenutzten rechnergestützten Röntgentomographen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines rechnergestützten Röntgentomographen gemäß der Erfindung,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise bestimmter Bauteile der Tomographen nach Fig. 1,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Lastschwan kungen beim Gerät nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise bestimmter Bauteile beim Gerät nach Fig. 2 und

Fig. 6 und 7 Schaltbilder für andere Ausführungs formen der Erfindung, in denen nur der An schluß einer Spannungsversorgung an eine Röntgenröhre dargestellt ist.

Die Fig. 1, 3 und 4 sind eingangs bereits erläutert worden.

Die Bauteile 1 bis 11 gemäß Fig. 2 entsprechen, auch bezüglich ihrer Verbindungen, völlig den betreffenden Bauteilen nach Fig. 1, so daß auf ihre nähere Erläu terung verzichtet werden kann. Die Unterschiede von Fig. 2 gegenüber Fig. 1 liegen in der Verwendung eines Einphasentransformators als Transformator T ₂ sowie zweier Gleichrichter D ₂₁ und D ₂₂ sowie einer phasenstarren Regelschleife (PLL) zum Vergleichen eines vom Drehwinkelfühler 5 gelieferten Signals mit der Netzfrequenz bezüglich der Phase, um den Dreh körper 3, an dem die Röntgenröhre und der Röntgen-Detektor angebracht sind, sich synchron mit der Netzfrequenz bzw. entsprechend dieser drehen zu lassen.

Das Zeitsteuerdiagramm von Fig. 5 veranschaulicht die Wirkungsweise verschiedener Bauteile des Geräts nach Fig. 2. Bei (a) ist die Wellenform der durch Halbwellen- oder Einweggleichrichtung verarbeiteten und über Anode und Kathode der Röntgenröhre 1 ange legten Hochspannung angegeben. Die Kurve (b) steht für die Impulswellenform der von der Röntgenröhre abgestrahlten Röntgenstrahlung. Bei (c) ist die Arbeitsperiode der Gruppe der Integratoren 6 ange geben.

Die vom Netz gelieferte Spannung wird an die Primär wicklungsseite des Einphasentransformators T ₂ im rechnergestützten Röntgentomographen nach Fig. 2 angelegt. Die gewünschte Hochspannung wird an der Sekundärwicklungsseite des Transformators T ₂ indu ziert und durch die Gleichrichter D ₂₁ und D ₂₂ einer Einweggleichrichtung unterworfen, so daß eine Span nung mit der Wellenform gemäß Fig. 5(a) über Anode und Kathode der Röntgenröhre 1 angelegt wird. Obgleich die Gleichrichter D ₂₁ und D ₂₂ in Fig. 2 als Einzel elemente dargestellt sind, können jeweils mehrere in Reihe geschaltete Elemente verwendet werden, so daß Durchschlagfestigkeit geboten wird.

Da die von der Röntgenröhre 1 abgestrahlten Röntgen strahlungsmengen ungefähr der dritten Potenz der Röhrenspannung proportional sind, besitzt der Strah lungsausgang eine pulsierende bzw. Impulswellenform gemäß Fig. 5(b).

Wie erwähnt, dreht sich andererseits der Drehkörper 3 aufgrund der Wirkung der phasenstarren Regelschleife 17 synchron mit der Netzfrequenz, während die Röntgenröhre 1 ebenfalls eine mit der Netzfrequenz synchrone Röntgenstrahlungs-Impulswelle abstrahlt.

Die Gruppe der Integratoren 6 integriert in jedem der Abschnitte (1), (3), (5) gemäß Fig. 5 und wandelt so die in jeden Abschnitt eingegebene Röntgenstrahlungsmenge in eine Spannungsgröße um, und sie integriert den Strom in jedem der Abschnitte (2), (4) gemäß Fig. 5(c) am Pegel Null, wenn die Röntgenstrahlung nicht emittiert wird. Die dabei von den Abschnitten (1), (3), (5) . . . erhaltenen Daten werden durch die Datenverarbeitungseinheit ver arbeitet und in Bilder umgesetzt.

Fig. 6 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, wobei nur ein Einphasentransformator T ₂, Gleichrichter D ₂₃-D ₂₆ und eine Röntgenröhre 1 dargestellt sind. Die anderen Bauteile nebst ihren Verbindungen entsprechen völlig denen nach Fig. 2. Gemäß Fig. 6 wird, wie im Fall von Fig. 2, die Netzspannung an die Primärwicklung des Transformators T ₂ angelegt, und die Impulswelle der durch Vollweg gleichrichtung erhaltenen Hochspannung wird der Röntgenröhre 1 aufgeprägt. Infolgedessen strahlt die Röntgenröhre 1 doppelt so viele Röntgenstrahlungs- Impulswellen pro Zeiteinheit wie in Fig. 5(b) ab. Bei Anwendung der Vollweggleichrichtung gemäß Fig. 6 wird die integrale Periode für die Nullkorrektur in den Abschnitten (2), (4) nach Fig. 5(c) nicht aufgehoben. In diesem Fall wird eine Nullintegration anstelle einer Nullkorrektur einmal zu Beginn der Röntgenab tastung durchgeführt, um die Nullkorrektur durch Sub trahieren der Nullintegralgröße zu diesem Zeitpunkt von den Daten zu jedem Röntgenbestrahlungs-Zeitpunkt zu bewirken. Der Vorteil der einmal vor der Röntgen abtastung durchzuführenden Nullintegration besteht darin, daß die Häufigkeit der A/D-Umwandlungen herab gesetzt werden kann.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Er findung, bei welcher, wie in Fig. 6, nur ein Einphasen transformator T ₂, ein Gleichrichter D ₂₇, ein Konden sator C ₁ und eine Röntgenröhre 1 dargestellt sind, während der restliche Aufbau demjenigen nach Fig. 2 entspricht. Gemäß Fig. 7 sind der Gleichrichter D ₂₇ und der mit ihm in Reihe geschaltete Kondensator C ₁ an die Sekundärwicklung des Transformators T ₂ ange schlossen. Die Röntgenröhre 1 ist zum Gleichrichter D ₂₇ derart parallel geschaltet, daß sie gegenüber letzterem die umgekehrte Polarität besitzt. Wenn bei der Anordnung nach Fig. 7 die Netzspannung an die Primärwicklung des Transformators T ₂ angelegt wird, wird in seiner Sekundärwicklung unter der Wirkung des Gleichrichters D ₂₇ und des Kondensators C ₁ eine Spannung induziert, und der Kondensator C ₁ wird mit einer positiven Gleichspannung e ₂, die durch Spitzen gleichrichtung verarbeitet ist, für die Anode der Röntgenröhre 1 aufgeladen. Andererseits wird der Kathode der Röntgenröhre 1 eine in der Sekundärwir kung induzierte Wechselspannung e ₁ aufgeprägt. Die positive Spannung (e ₂-e ₁) liegt demzufolge ständig über Anode und Kathode der Röntgenröhre 1 an, wobei Röntgenstrahlung abgestrahlt wird, wenn der Spannungs unterschied nahezu am größten ist.

Die beschriebenen Ausführungsformen nach Fig. 2, 6 und 7 gewährleisten die folgenden Wirkungen:

1. Wegen der Verwendung eines Einphasentransformators kann die Zahl der Bauteile des Hochspannungsgene rators im Vergleich zum Stand der Technik erheblich verringert werden; zudem läßt sich der Generator kompakt und kostensparend ausbilden. Das Gewicht einer den vorgesehenen Transformator verwendenden Spannungsversorgung kann von etwa 1,3 t auf 0,4 t verringert werden.
2. Aufwendige Hochspannungs-Schaltröhren und Gitter steuerkreise sind unnötig.

Claims

1. Rechnergestützter Röntgentomograph mit

- einem um ein Untersuchungsobjekt (12) umlaufenden Röntgen-Detektor (2),
- einer dem Röntgen-Detektor (2) gegenüberliegenden und mit diesem um das Untersuchungsobjekt (12) herum mit tels eines Antriebsmotors (4) drehbaren Röntgenröhre (1),
- einem Drehwinkel-Detektor (5) zur Erfassung des Dreh winkels von Röntgenröhre (1) und Röntgen-Detektor (2),
- einer Einrichtung (9) zur Erzeugung eines Tomogramms des Untersuchungsobjekts (12) aufgrund von Datensi gnalen des Röntgen-Detektors (2),
- einem Hochspannungs-Versorgungskreis mit einem Trans formator (T ₁) zur Transformierung der Spannung einer Netzspannungsversorgung und einem Gleichrichter (D ₂₁, D ₂₂) zur Lieferung einer durch Gleichrichtung der transformierten Spannung erhaltenen Spannung zur Rönt genröhre (1),

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Transformator ein Einphasentransformator (T ₂) ist,
- die gleichgerichtete transformierte Spannung direkt an der Röntgenröhre (1) liegt, so daß die Röntgenröhre (1) in jeder Periode der Netzspannung einen oder zwei Röntgenstrahlimpulse abgibt, und
- die Antriebsvorrichtung (4) von einer phasenstarren Regelschleife (17), die das vom Drehwinkel-Detektor (5) gelieferte Signal mit der Frequenz der Netzspan nungsversorgung bezüglich der Phase vergleicht, derart gesteuert ist, daß die Röntgenröhre (1) und der Röntgen- Detektor (2) synchron zur Frequenz der Netzspannung um laufen.

2. Röntgentomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als Einweg-Gleichrichter (D ₂₁, D ₂₂) ausgeführt ist.

3. Röntgentomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als Vollweg-Gleichrichter (D ₂₃ bis D ₂₆) ausgeführt ist.

4. Röntgentomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungs-Versorgungskreis eine Serienschal tung aus einem Gleichrichter (D ₂₇) und einem Kondensa tor (C ₁) aufweist, die an die Sekundärwicklung des Ein phasentransformators (T ₂) angeschlossen ist, und daß die Röntgenröhre (1) zum Gleichrichter (D ₂₇) parallel ge schaltet ist.