DE3635395C2 - Röntgenstrahlungserzeuger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Röntgenstrahlungserzeuger gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 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 all­ gemeinen 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 Elek­ troden elektrisch voneinander isoliert hält.

Die Kathode weist ein Konzentrationsstück auf, worin eine 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 Tem­ peratur 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 Energievertei­ lung der Röntgenstrahlung (Kehrwert der Wellenlängen) von dem Wert V der Hochspannung abhängt. Die Anode gibt sowohl ein kontinuierliches Spektrum als auch ein charakteri­ stisches Spektrum für das Metall ab, woraus die Anode be­ steht, wobei das kontinuierliche Spektrum vom Wert der Hoch­ spannung und das charakteristische Spektrum von der Atomzahl des Metalls abhängt.

Für einen gegebenen Wert V der Hochspannung ist dieses kon­ tinuierliche Spektrum auf der Seite großer Wellenlängen un­ begrenzt, während es auf der Seite kleiner Wellenlängen auf einen wohlbestimmten Wert λo begrenzt ist, der nur vom Wert Vo abhängt, nämlich gemäß folgender Beziehung

worin h das Plancksche Wirkungsquantum, c die Lichtge­ schwindigkeit und e die Elektronenladung ist.

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

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 verschie­ dene Werte der Hochspannung. Diese Unterschiede sind aber nicht proportional zueinander, sondern es bestehen differen­ zielle Unterschiede zwischen den die Gewebe und anderen Kör­ per aufbauenden Stoffen, die oben bereits genannt wurden, nämlich Calcium und Jod.

Bei einem aus der DE 29 43 700 C2 bekannten Röntgenstrah­ lungserzeuger der eingangs genannten Art wird eine stereo­ skopische Röntgenröhre verwendet, die zur Erzielung der stereoskopischen Abbildungen mit zwei Kathoden versehen ist. Die beiden Kathoden werden gemeinsam gespeist, wobei deren Versorgungsspannungen gleich sind.

Aus der DE-PS 8 68 638 geht eine Mehrfach-Kathode hervor, die zur Durchführung eines Tomographieverfahrens bestimmt ist. Die verschiedenen Kathoden werden durch eine einzige Versor­ gungsquelle wiederum gemeinsam gespeist.

In der DE-PS 4 06 067 ist eine Röntgenröhre mit zwei über eine gemeinsame Spannungsquelle gespeisten Glühkathoden be­ schrieben.

In der US 4 065 689 ist eine mit zwei Kathodenfäden ver­ sehene Röntgenröhre beschrieben, die dazu bestimmt ist, ein homogenes Spektrum zu erzeugen.

Mit der Erfindung wird insbesondere angestrebt, die An­ fertigung von zwei oder mehr Aufnahmebildern zu ermöglichen, die derart beschaffen sind, daß spezifische Erkenntnisse über bestimmte Körper (Calcium, Jod usw.) durch Differen­ zierung dieser Aufnahmebilder gewonnen werden können.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Kenn­ zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mittels des erfindungsgemäßen Röntgenstrahlungserzeugers kön­ nen solche Bilder entweder gleichzeitig oder aber nachein­ ander in ausreichend schneller Folge erhalten werden, so daß eine korrekte Überlagerung dieser Bilder erhalten wird, ob­ wohl die Gewebe oder Organe, welche untersucht werden, Bewe­ gungen ausführen können.

Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Röntgenstrahlungserzeugers, durch den Röntgenstrahlungen mit verschie­ denen Energien erhalten werden, mit einan­ der überlagerten Strahlungsquellen; und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines Röntgen­ strahlungserzeugers bei welchem die Röntgenstrahlungen mit verschiedener Energie von Strahlungs­ quellen 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 je­ doch um eine Drehanode, die in üblicher Weise um ihre Symmetrieachse 60 in Drehung versetzt wird. Diese Ano­ de 3 ist in herkömmlicher Weise fest mit einem Rotor 4 verbunden, über welchen sie bei der beschriebenen Aus­ führungsform mit einem positiven Anschluß 5 einer ersten Hochspannungsquelle verbunden ist, die eine erste Hochspannung HT1 abgibt.

Ein wesentliches Merkmal des Röntgenstrahlungserzeugers besteht darin, daß die Röntgenröhre 2 wenigstens zwei voneinander unabhängige und elektrisch voneinander isolierte Kathoden aufweist die jeweils dazu bestimmt sind, mit der Anode 3 für ver­ schiedene Hochspannungswerte zusammenzuwirken. Grundsätzlich kann eine Anzahl N von Kathoden verwendet werden, die größer als zwei ist.

Bei der beschriebenen Ausführungsform weist die Röntgen­ röhre 2 zwei Kathoden 8, 10 auf. Die erste Kathode 8 bildet mit der Anode 3 ein erstes Elektrodenpaar 3-8, an wel­ ches die erste Hochspannung HT1 angelegt wird, die von der ersten Hochspannungsquelle 6 geliefert wird. Die erste Kathode 8 ist zu diesem Zweck über herkömmlichen Mittel mit dem negativen Anschluß 9 der ersten Hochspannungsteilquelle 6 verbunden.

Die zweite Kathode 10 bildet mit der Anode 3 ein zweites Elektrodenpaar 3-10, an welches eine zweite Hochspannung HT2 mit einem Spannungswert angelegt wird, der verschie­ den von dem der ersten Hochspannung HT1 ist. Die zweite Hoch­ spannung HT2 wird von einer zweiten Hochspannungsquelle 11 geliefert. Die zweite Kathode 10 ist mit einem nega­ tiven Anschluß 12 der zweiten Hochspannungsquelle 11 ver­ bunden, deren positiver Anschluß 13, welcher das positive Potential +HT2 abgibt, mit dem positiven Anschluß 5 der ersten Hochspannungsquelle 6 verbunden ist.

Die positiven Potentiale +HT1, +HT2 sind also an die Anode 3 angelegt, während die Kathoden 8, 10 auf nega­ tive Potentiale gelegt sind, nämlich mit den voneinan­ der verschiedenen Werten -HT1 und -HT2.

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 HT1, HT2 angelegt werden.

Die Hochspannungsquellen 6, 11 sind ebenfalls vonein­ ander unabhängig und können die voneinander verschie­ denen Hochspannungen HT1, HT2 gleichzeitig oder auch nicht abgeben; sie sind durch herkömmliche (nicht dar­ gestellte) Mittel einstellbar. Die Hochspannungsquellen 6, 11 können beispielsweise völlig autonome Quellen sein oder aber in bekannter Weise von derselben Primärwicklung eines (nicht gezeigten) Transformators abgeleitet sein, der in einem Hochspannungsgenerator 20 angeordnet ist, worin die Hochspannungsquellen HT1, HT2 ihrerseits bei der be­ schriebenen Ausführungsform enthalten sind.

Bei einem Radiodiagnosegerät bildet der Hochspannungs­ generator 20, der in Fig. 1 nur schematisch gezeigt ist, eine relativ komplexe Einheit, die insbesondere mit ei­ nem Steuerpult (nicht dargestellt) versehen ist oder einem solchen zumindest eng zugeordnet ist. In der Re­ gel bestimmt die Bedienperson am Steuerpult, beispiels­ weise 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 Film­ wechsler 21 gebildet ist. Die Synchronisation zwischen dem Filmwechsler 21 und der Steuerung zum Anlegen und Un­ terbrechen der Hochspannung für die Röntgenröhre (von herkömmlicher Art und daher nicht dargestellt) wird durch geeignete Steuer- und Synchronisationseinrich­ tungen gewährleistet.

Bei der beschriebenen Ausführungsform weist der Hoch­ spannungsgenerator 20 an sich bekannte Synchronisations- und Steuermittel 22 auf, die einerseits an den Film­ wechsler 21 über Verbindungen angeschlossen sind, die in der Figur als eine einzige Verbindung 70 verdeutlicht sind, und andererseits über getrennte Steuerungen C1, C2 mit der ersten sowie der zweiten Hochspannungsquelle 6, 11 verbunden sind, um die Betriebsphasen und Be­ triebspausen zu steuern.

Die Kathoden 8, 10 erzeugen jeweils in herkömmlicher Weise ein Elektronenbündel 25, 26 und werden aus her­ kömmlichen, 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 aufeinanderfol­ gende Aufnahmebilder anzufertigen. Sie sind derart orientiert, daß die von ihnen ausgehenden Elektronen­ bündel 25, 26 auf der Anode 3 im wesentlichen an der­ selben Stelle auftreffen, wo sie nacheinander eine er­ ste bzw. zweite Strahlungsquelle f1, f2 erzeugen. Der Zeitabstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Aufnah­ mebildern 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 HT1, die von der ersten Hochspannungsquelle 6 abgegeben wird, zwischen dieser ersten Kathode 8 und der Anode 3 angelegt. Es trifft dann das erste Elektronenbündel 25 auf der Anode 3 auf und erzeugt die Strahlungsquelle f1, von welcher eine erste Röntgenstrahlung FX1 ausgeht. Die gezeigte Rönt­ genstrahlung FX1 bildet bei der beschriebenen Ausfüh­ rungsform 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 HT1 erhalten, die beispielsweise in der Größenordnung von 65 kV liegt.

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

Die zweite Hochspannungsquelle HT2, die beispielsweise einen Wert von 145 kV aufweist, wird dann zwischen der zweiten Kathode 10 und der Anode 3 angelegt. Das zweite Elektronenbündel 26, das von der zweiten Kathode 10 aus­ geht, trifft auf der Anode 3 auf, um auf diese Weise die zweite Strahlungsquelle f2 zu bilden, die bei der beschriebenen Ausführungsform des Röntgenstrahlungserzeugers dieselbe Lage wie die Strahlungsquelle f1 aufweist und wovon eine zweite Röntgenstrahlung FX2 ausgeht.

Diese zweite Röntgenstrahlung FX2 wird in gleicher Weise wie die erste Röntgenstrahlung FX1 begrenzt, enthält je­ doch ein gegenüber dieser auf der Seite der kleinen Wellenlängen, d. h. hohen Energien, ausgeweitetes Strah­ lungsspektrum.

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

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei welcher im Gegensatz zur ersten die Strahlungsquellen f1, f2 auf der Anode 3 an verschiedenen Stellen gebildet wer­ den, 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 verdeut­ licht, welche ihrerseits nur teilweise dargestellt ist und in Fig. 1 von einem Kasten 35 umrahmt ist. Die Anode 3 und die 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 HT1 und die zweite die Hochspannung HT2 mit verschiede­ nem Wert abgibt.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann die Spei­ sung 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 betrie­ ben werden, um aufeinanderfolgende Bilder zu erhalten, oder aber gleichzeitig betrieben werden, um zwei gleich­ zeitig erzeugte Bilder zu erhalten, die jeweils mit Hochspannungen HT1, HT2 von verschiedenem Wert erhalten werden.

Wie bei dem vorhergehenden Beispiel können mehr als zwei Kathoden vorgesehen sein, um gleichzeitig mehr als zwei Röntgenbündel mit verschiedenen Energiespektren zu er­ zeugen, mittels denen gleichzeitig mehr als zwei Auf­ nahmebilder angefertigt werden. Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Röntgenstrahlungen FX1, FX2, die von den Strahlungsquelle f1, f2 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 ar­ beitenden Abbildungsvorrichtung verwendet, worin das Bild eines Objektes durch Abtastung desselben mittels des Bündels erhalten wird.

Bei der beschriebenen Ausführungsform erfolgt die Abta­ stung eines Objektes 33 durch die Bewegung der fächer­ förmigen Strahlungsbündel FX1, FX2, beispielsweise mit einer Translationsbewegung der Röntgenröhre 2, des Kol­ limators 32 und der Röntgenstrahlungsempfänger 46, 47 bezüg­ lich des Objektes 33 in der durch einen Pfeil 49 be­ zeichneten Richtung. Die Röntgenstrahlungsempfänger 46, 47 sind in wenigstens gleicher Anzahl wie die Anzahl von Strahlungsbündeln FX1, FX2 vorgesehen und werden jeweils durch eines dieser Bündel belichtet, nachdem dieses das zu untersuchende Objekt 33 durchquert hat.

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

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 sind die fä­ cherförmigen Röntgenbündel, die aus den Röntgenstrah­ lungen FX1, FX2 erzeugt werden, mit der Dicke E darge­ stellt, während die Fächerebene senkrecht zur Zeichen­ ebene steht. Die Länge der die Röntgenstrahlungsempfänger 46, 47 bildenden Detektorzeilen ist in der gezeigten Darstellung nicht zu erkennen. Diese Detektorzeilen sind mechanisch über herkömmli­ che (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 erfindungs­ gemäßen Röntgenstrahlungserzeugers können gleichzeitig mehrere Aufnahmebilder erhalten werden, die jeweils mehreren Hochspannungswerten entsprechen, so daß spe­ zifische Erkenntnisse über bestimmte Körper durch Dif­ ferenzierung der Bilder gewonnen werden können.

Claims (7)

1. Röntgenstrahlungserzeuger mit einer ersten Hochspan­ nungsquelle (6)

• a) und einer Röntgenröhre (2), die eine Anode (3), eine erste Kathode (8)
• b) und wenigstens eine von dieser ersten Kathode (8) elek­ trisch unabhängige zweite Kathode (10) aufweist,
• c) wobei an das durch die Anode (3) und die erste Kathode (8) gebildete erste Elektrodenpaar (3-8) eine von der er­ sten Hochspannungsquelle (6) gelieferte erste Hochspannung (HT1) angelegt ist, um eine erste Röntgenstrahlung (FX1) zu erhalten,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß eine zweite Hochspannungsquelle (11) eine von der ersten Hochspannung (HT1) verschiedene zweite Hochspannung (HT2) liefert, die an das durch die Anode (3) und die zwei­ te Kathode (10) gebildete zweite Elektrodenpaar (3-10) an­ gelegt ist, um eine weitere Röntgenstrahlung (FX2) zu er­ halten,
• e) wobei die beiden Kathoden (8, 10) für ein Anlegen der unterschiedlichen Hochspannungen (HT1, HT2) elektrisch von­ einander isoliert sind,
• f) und daß die erste und zweite Hochspannung (HT1, HT2) voneinander wesentlich verschiedene Werte aufweisen, die so gewählt sind, daß die Röntgenstrahlungen (FX1, FX2) Strah­ lungsspektren aufweisen, deren Energiegrenzen verschieden sind.

2. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die den unterschiedlichen Röntgenstrah­ lungen (FX1, FX2) zugeordneten Brennflecke bzw. Strahlungs­ quellen (f1, f2) auf der Anode (3) im wesentlichen an der­ selben Stelle gebildet sind.

3. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (f1, f2) auf der Anode (3) an verschiedenen Stellen gebildet sind.

4. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochspannungsquellen (6, 11) vonein­ ander unabhängig sind.

5. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hochspannungsquellen (6, 11) von dem­ selben Hochspannungsgenerator (20) ausgehen.

6. Röntgenstrahlungserzeuger nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (20) Synchro­ nisationsmittel (22) aufweist, um die Funktion der Hoch­ spannungsquellen (6, 11) zu synchronisieren.