DE3635395A1 - Roentgenstrahlenerzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlenerzeuger, der besonders zur Verwendung für radiologische Untersuchungen geeignet ist, bei welchen die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften in Geweben ausgenutzt werden.

Röntgenröhren für Diagnosezwecke in der Medizin sind im allgemeinen wie eine Diode aufgebaut, d. h. sie bestehen aus zwei Elektroden, von denen die eine als Kathode bezeichnet wird und Elektronen aussendet und die andere als Anode oder Antikathode bezeichnet wird und die Elektronen auf einer kleinen Oberfläche empfängt, welche eine Strahlungsquelle für die Röntgenstrahlen bildet. Diese Elektroden sind von einer Hülle umschlossen, die vakuumdicht ist und die beiden Elektroden elektrisch voneinander isoliert hält.

Die Kathode weist ein Konzentrationsstück auf, worin ein Heizdraht aufgenommen ist, der die Elektronenquelle bildet.

Wenn die von einem Generator gelieferte Hochspannung an die Anschlüsse der beiden Elektroden angelegt wird, so daß die Kathode auf negativem Potential liegt, wird ein sogenannter Anodenstrom in dem Stromkreis über den Generator aufgebaut, welcher den Raum zwischen Kathode und Anode in Form eines Elektronenbündels überbrückt, dessen Intensität von der Temperatur des Heizdrahtes abhängt. Diese Temperatur ist von der in dem Heizdraht verbrauchten Leistung abhängig.

Die Menge der von der Quelle ausgehenden Röntgenstrahlung ist für einen gegebenen Wert V der Hochspannung proportional zur Anodenstromstärke, während die spektrale Energieverteilung der Röntgenstrahlung (Kehrwert der Wellenlängen) von dem Wert V der Hochspannung abhängt. Die Anode gibt sowohl ein kontinuierliches Spektrum als auch ein charakteristisches Spektrum für das Metall ab, woraus die Anode besteht, wobei das kontinuierliche Spektrum vom Wert der Hochspannung und das charakteristische Spektrum von der Atomzahl des Metalls abhängt.

Für einen gegebenen Wert V der Hochspannung ist dieses kontinuierliche Spektrum auf der Seite großer Wellenlängen unbegrenzt, während es auf der Seite kleiner Wellenlängen auf einen wohlbestimmten Wert λ 0 begrenzt ist, der nur vom Wert Vo abhängt, nämlich gemäß folgender Beziehung worin h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtgeschwindigkeit und e die Elektronenladung ist.

Es wird also nur Strahlung mit einer Energie ausgesendet, die kleiner als der Energiegrenzwert ist. Wenn eine Strahlung mit einer kürzeren Wellenlänge erhalten werden soll, muß lediglich der Wert V der Hochspannung erhöht werden, die an die Röntgenröhre angelegt wird, gemäß folgender Beziehung:

Die Intensität der abgegebenen Röntgenstrahlung hängt sowohl von dem Strom I (Anodenstrom der Röntgenröhre) als auch von der Spannung V ab, während die spektrale Energieverteilung der von der Röntgenröhre ausgehenden Strahlung sich mit dem Wert V der an die Röhre angelegten Spannung verändert.

Die Absorption in Geweben, beispielsweise in Stoffen wie Calcium oder Jod (wovon letzteres injiziert wird) relativ zu den benachbarten Geweben ist unterschiedlich für verschiedene Werte der Hochspannung. Diese Unterschiede sind aber nicht proportional zueinander, sondern es bestehen differentielle Unterschiede zwischen den die Gewebe und anderen Körper aufbauenden Stoffen, die oben bereits genannt wurden, nämlich Calcium und Jod.

Mit der Erfindung wird insbesondere angestrebt, die Anfertigung von zwei oder mehr Aufnahmebildern zu ermöglichen, die jeweils verschiedenen Werten der Hochspannung entsprechen, so daß spezifische Erkenntnisse über bestimmte Körper (Calcium, Jod usw.) durch Differenzierung der Aufnahmebilder gewonnen werden können.

Mittels des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungserzeugers können solche Bilder entweder gleichzeitig oder aber nacheinander in ausreichend schneller Folge erhalten werden, so daß eine korrekte Überlagerung dieser Bilder erhalten wird, obwohl die Gewebe oder Organe, welche untersucht werden, Bewegungen ausführen können.

Durch die Erfindung wird ein Röntgenstrahlungserzeuger geschaffen, der eine Hochspannung liefernde Versorgungsquelle und eine Röntgenröhre mit Kathode und Anode aufweist, die ein Elektrodenpaar bilden, an welche die Hochspannung angelegt wird, um eine Röntgenstrahlung zu erhalten. Erfindungsgemäß ist er dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre wenigstens eine zweite Kathode aufweist, die unabhängig von der ersten Kathode und elektrisch von dieser isoliert ist, daß die zweite Kathode mit der Anode ein zweites Elektrodenpaar bildet, woran eine zweite Hochspannung angelegt wird, durch die eine zweite Röntgenstrahlung erhalten wird, wobei die zweite Hochspannung durch eine zweite Spannungsquelle gebildet wird, und daß die erste und die zweite Hochspannung verschiedene Werte aufweisen, die so gewählt sind, daß die erste und die zweite Röntgenstrahlung Strahlungsspektren aufweisen, deren Energiegrenzen verschieden sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungserzeugers, durch den Röntgenstrahlungen mit verschiedenen Energien erhalten werden, mit einander überlagerten Strahlungsquellen; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Röntgenstrahlungen mit verschiedener Energie von Strahlungsquellen ausgehen, die an verschiedenen Stellen einer Anode angeordnet sind.

Die Fig. 1 zeigt einen Röntgenstrahlungserzeuger 1, der in einem Radiodiagnosegerät 61 verwendet wird und eine Röntgenröhre 2 aufweist, die in der Figur durch ein Rechteck aus gestrichelten Linien verdeutlicht ist. Diese Röntgenröhre 2 weist eine Anode 3 auf, bei der es sich um eine feststehende Anode handeln kann; bei der beschriebenen Ausführungsform handelt es sich jedoch um eine Drehanode, die in üblicher Weise um ihre Symmetrieachse 60 in Drehung versetzt wird. Diese Anode 3 ist in herkömmlicher Weise fest mit einem Rotor 4 verbunden, über welche sie bei der beschriebenen Ausführungsform mit einem positiven Anschluß 5 einer Quelle 6 verbunden ist, die eine Hochspannung HT 1 abgibt.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung muß die Röntgenröhre 2 wenigstens zwei voneinander unabhängige und elektrisch voneinander isolierte Kathoden aufweisen, die jeweils dazu bestimmt sind, mit der Anode 3 für verschiedene Hochspannungswerte zusammenzuwirken. Im Rahmen der Erfindung kann eine Anzahl N von Kathoden verwendet werden, die größer als zwei ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform weist die Röntgenröhre 2 zwei Kathoden 8, 10 auf. Die erste Kathode 8 bildet mit der Anode 3 ein Elektrodenpaar 3-8, an welches die erste Hochspannung HT 1 angelegt wird, die von der Quelle 6 geliefert wird. Die erste Kathode 8 ist zu diesem Zweck über herkömmliche Mittel mit dem negativen Anschluß 9 der ersten Quelle 6 verbunden.

Die zweite Kathode 10 bildet mit der Anode 3 ein zweites Elektrodenpaar 3-10, an welches eine zweite Hochspannung HT 2 mit einem Spannungswert angelegt wird, der verschieden von dem der ersten Hochspannung ist. Die zweite Hochspannung HT 2 wird von einer zweiten Hochspannungsquelle 11 geliefert. Die zweite Kathode 10 ist mit einem negativen Anschluß 12 der zweiten Hochspannungsquelle 11 verbunden, deren positiver Anschluß 13, welcher das positive Potential +HT 2 abgibt, mit dem positiven Anschluß 5 der ersten Quelle 6 verbunden ist.

Die positiven Potentiale +HT 1, +HT 2 sind also an die Anode 3 angelegt, während die Kathoden 8, 10 auf negative Potentiale gelegt sind, nämlich mit den voneinander verschiedenen Werten -HT 1 und -HT 2.

Die Kathoden 8, 9 sind voneinander unabhängig, also derart ausgebildet, daß sie gleichzeitig oder auch nicht gleichzeitig betrieben werden können. Sie sind elektrisch voneinander isoliert und können daher an zwei verschiedene Hochspannungen HT 1, HT 2 angelegt werden.

Die Hochspannungsquellen 6, 11 sind ebenfalls voneinander unabhängig und können die voneinander verschiedenen Hochspannungen HT 1, HT 2 gleichzeitig oder auch nicht abgeben; sie sind durch herkömmliche (nicht dargestellte) Mittel einstellbar. Die Hochspannungsquellen 6, 11) können beispielsweise völlig autonome Quellen sein oder aber in bekannter Weise von derselben Primärentwicklung eines (nicht gezeigten) Transformators abgeleitet sein, der in einem Hochspannungsgenerator 20 angeordnet ist, worin die Hochspannungsquellen ihrerseits bei der beschriebenen Ausführungsform enthalten sind.

Bei einem Radiodiagnosegerät bildet der Hochspannungsgenerator 20, der in Fig. 1 nur schematisch gezeigt ist, eine relativ komplexe Einheit, die insbesondere mit einem Steuerpult (nicht dargestellt) versehen ist oder einem solchen zumindest eng zugeordnet ist. In der Regel bestimmt die Bedienperson am Steuerpult, beispielsweise bei der Röntgendiagnose bzw. Radiographie, die Kennwerte einer Folge von Sequenzen, insbesondere wenn die Anlage wie bei dem beschriebenen Beispiel einen Röntgenstrahlenempfänger enthält, der durch einen Filmwechsler 21 gebildet ist. Die Synchronisation zwischen dem Filmwechsler und der Steuerung zum Anlegen und Unterbrechen der Hochspannung für die Röntgenröhre (von herkömmlicher Art und daher nicht dargestellt) wird durch geeignete Steuer- und Synchronisationseinrichtungen gewährleistet.

Bei der beschriebenen Ausführungsform weist der Hochspannungsgenerator 20 an sich bekannte Synchronisations- und Steuermittel 22 auf, die einerseits an den Filmwechsler 21 über Verbindungen angeschlossen sind, die in der Figur als eine einzige Verbindung 70 verdeutlicht sind, und andererseits über getrennte Steuerungen C 1, C 2 mit der ersten sowie der zweiten Hochspannungsquelle 6, 11 verbunden sind, um die Betriebsphasen und Betriebspausen zu steuern.

Die Kathoden 8, 10 erzeugen jeweils in herkömmlicher Weise ein Elektronenbündel 25, 26 und werden aus herkömmlichen, nicht gezeigten Einrichtungen gespeist. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Kathoden 8, 10 dazu bestimmt, nacheinander und synchron mit dem Filmwechsler 21 zu arbeiten, um zwei aufeinanderfolgende Aufnahmebilder anzufertigen. Sie sind derart orientiert, daß die von ihnen ausgehenden Elektronenbündel 25, 26 auf der Anode 3 im wesentlichen an derselben Stelle auftreffen, wo sie nacheinander eine erste bzw. zweite Strahlungsquelle f 1, f 2 erzeugen. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnahmebildern hängt praktisch nur von der Geschwindigkeit des Filmwechslers 21 ab, welcher etwa 2 bis 8 Bilder pro Sekunde ermöglicht. Diese Untersuchungsweise ist jedoch ein nicht einschränkendes Beispiel. Bei anderen Anwendungen, beispielsweise kinegraphischen Aufnahmen, können abwechselnde Bilder in einem Rhythmus von 60 bis 120 Bildern pro Sekunde hergestellt werden.

Unter der Annahme, daß die erste Kathode 8 in Betrieb gesetzt wird, wird zunächst die erste Hochspannung HT 1, die von der ersten Quelle 6 abgegeben wird, zwischen dieser Kathode 8 und der Anode 3 angelegt. Es trifft dann das erste Elektronenbündel 25 auf der Anode 3 auf und erzeugt die Strahlungsquelle f 1, von welcher eine erste Röntgenstrahlung FX 1 ausgeht. Die gezeigte Röntgenstrahlung FX 1 bildet bei der beschriebenen Ausführungsform ein durch Kollimatormittel 32 begrenztes Nutzbündel, welches das zu untersuchende Objekt 33 durchquert, bevor es in den Filmwechsler 21 einem (nicht gezeigten) Film belichtet, auf welchem somit ein erstes Bild erzeugt wird. Dieses erste Bild wird mit einem Wert der ersten Hochspannung HT 1 erhalten, die beispielsweise in der Größenordnung von 65 kV liegt.

Die Abschaltung der ersten Hochspannungsquelle 6 wird durch die Synchronisationsmittel 22 gesteuert, die ihrerseits die Inbetriebnahme der zweiten Hochspannungsquelle 11 steuern, wenn ein zweiter (nicht dargestellter) Film den ersteren in dem Filmwechsler 21 ersetzt hat.

Die zweite Hochspannungsquelle HT 2, die beispielsweise einen Wert von 145 kV aufweist, wird dann zwischen der zweiten Kathode 10 und der Anode 3 angelegt. Das zweite Elektonenbündel 26, das von der zweiten Kathode 10 ausgeht, trifft auf der Anode 3 auf, um auf diese Weise die zweite Strahlungsquelle f 2 zu bilden, die bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung dieselbe Lage wie die Strahlungsquelle f 1 aufweist und wovon eine zweite Röntgenstrahlung FX 2 ausgeht.

Diese zweite Röntgenstrahlung FX 2 wird in gleicher Weise wie die erste Röntgenstrahlung FX 1 begrenzt, enthält jedoch ein gegenüber dieser auf der Seite der kleinen Wellenlängen, d. h. hohen Energien, ausgeweitetes Strahlungsspektrum.

Auf diese Weise kann ein zweites Aufnahmebild angefertigt werden, das Informationen enthält, die verschieden von denen des ersten Bildes sind.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher im Gegensatz zu ersten die Strahlungsquellen f 1, f 2 auf der Anode 3 an verschiedenen Stellen gebildet werden, und zwar gleichzeitig oder auch nicht gleichzeitig.

In Fig. 2 ist aus Gründen der Klarheit die Röntgenröhre 2 nur durch die Kathoden 8, 10 und die Anode 3 verdeutlicht, welche ihrerseits nur teilweise dargestellt ist und in Fig. 1 von einem Kasten 35 umrahmt ist. Die Anode 3 und Kathoden 8, 10 sind in gleicher Weise wie bei Fig. 1 an die (nicht gezeigten) Hochspannungsquellen 6, 11 angeschlossen, von denen die erste die Hochspannung HT 1 und die zweite die Hochspannung HT 2 mit verschiedenem Wert abgibt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Speisung der Elektrodenpaare 3-8, 3-10, welche die Kathoden 8, 10 und die diese Kathoden gemeinsame Anode 3 bilden, wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel so programmiert werden, daß sie nacheinander in schneller Folge betrieben werden, um aufeinanderfolgende Bilder zu erhalten, oder aber gleichzeitig betrieben werden, um zwei gleichzeitig erzeugte Bilder zu erhalten, die jeweils mit Hochspannungen HT 1, HT 2 von verschiedenem Wert erhalten werden.

Wie bei dem vorgegebenen Beispiel können mehr als zwei Kathoden vorgesehen sein, um gleichzeitig mehr als zwei Röntgenbündel mit verschiedenen Energiespekten zu erzeugen, mittels denen gleichzeitig mehr als zwei Aufnahmebilder angefertigt werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Röntgenstrahlungen FX 1, FX 2, die von den Strahlungsquellen f 1, f 2 ausgehen, jeweils durch die Kollimatormittel 32 begrenzt, um eine flache Fächerform aufzuweisen. Die Kollimatormittel 32 weisen beispielsweise getrennte Durchlaßöffnungen 62, 63 auf.

Die flachen, fächerförmigen Röntgenbündel werden in herkömmlicher Weise in einer mit Strahlablenkung arbeitenden Abbildungsvorrichtung verwendet, worin das Bild eines Objektes durch Abtastung desselben mittels des Bündels erhalten wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Abtastung eines Objektes 33 durch die Bewegung der fächerförmigen Strahlungsbündel FX 1, FX 2, beispielsweise mit einer Translationsbewegung der Röntgenröhre 2, des Kollimators 32 und der Strahlungsempfänger 46, 47 bezüglich des Objektes 33 in der durch einen Pfeil 49 bezeichneten Richtung. Die Röntgenstrahlungsempfänger 46, 47 sind in wenigstens gleicher Anzahl wie die Anzahl von Strahlungsbündeln FX 1, FX 2 vorgesehen und werden jeweils durch eines dieser Bündel belichtet, nachdem dieses das zu untersuchende Objekt 33 durchquert hat.

Die Strahlungsempfänger 46, 47 können in herkömmlicher Weise ausgebildet sein. Bei der gezeigten Ausführungsform handelt es sich um jeweils eine Detektorzeile, die eine Mehrzahl von röntgenstrahlungsempfindlichen Detektoren enthält, deren Ausgangssignale an (nicht gezeigte) Verarbeitungsmittel angelegt sind, um das Bild zu rekonstruieren.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die fächerförmigen Röntgenbündel, die aus den Röntgenstrahlungen FX 1, FX 2 erzeugt werden, mit der Dicke E dargestellt, während die Fächerebene senkrecht zur Zeichenebene steht. Die Länge der Detektorzeilen 46, 47 ist in der gezeigten Darstellung nicht zu erkennen. Diese Detektorzeilen 46, 47 sind mechanisch über herkömmliche (nicht gezeigte) Mittel an die Kollimatormittel 32 und an die Röntgenröhre 2 angeschlossen, um mit diesen durch herkömmliche Antriebsmittel (nicht dargestellt) bewegt zu werden.

Durch die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungserzeugers können gleichzeitig mehrere Aufnahmebilder erhalten werden, die jeweils mehreren Hochspannungswerten entsprechen, so daß spezifische Erkenntnisse über bestimmte Körper durch Differenzierung der Bilder gewonnen werden können.

Claims (8)

1. Röntgenstrahlungserzeuger mit einer Speisequelle (6), die eine Hochspannung (HT 1) liefert, einer Röntgenröhre (2), die eine Kathode (8) und eine Anode (3) aufweist, welche ein Elektrodenpaar (3-6) bilden, woran die Hochspannung (HT 1) angelegt wird, um eine Röntgenstrahlung (FX 1) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhre (2) ferner wenigstens eine zweite Kathode (10) aufweist, die unabhängig von der ersten Kathode (8) und elektrisch von dieser isoliert ist, daß diese zweite Kathode (10) mit der Anode (3) ein zweites Elektrodenpaar (3-10) bildet, woran eine zweite Hochspannung (HT 2) angelegt wird, daß durch die Funktion jedes Elektrodenpaares (3-8, 3-10) auf der Anode (3) jeweils eine zugeordnete Strahlungsquelle (f 1, f 2) gebildet wird, von der eine Röntgenstrahlung (FX 1, FX 2) ausgeht, und daß die erste und die zweite Hochspannung (HT 1, HT 2) voneinander verschiedene Werte aufweisen, die so gewählt sind, daß die Röntgenstrahlungen (FX 1, FX 2) Strahlungsspektren aufweisen, deren Energiegrenzen verschieden sind.

2. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (f 1, f 2) auf der Anode (3) im wesentlichen an derselben Stelle gebildet sind.

3. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (3-8, 3-10) nacheinander in Funktion gesetzt werden.

4. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (f 1, f 2) auf der Anode (3) an verschiedenen Stellen gebildet sind.

5. Röntgenstrahlungserzeuger nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenpaare (3-8, 3-10) gleichzeitig in Betrieb gesetzt werden.

6. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquellen (6, 11) voneinander unabhängig sind.

7. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungsquellen (6, 11) ausgehend von demselben Hochspannungsgenerator (20) gebildet sind.

8. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (20) Synchronisationsmittel (22) aufweist, um die Funktion der Hochspannungsquellen (6, 11) zu synchronisieren.