DE3929013A1 - Verfahren zur bestimmung der filterung eines roentgenstrahlers und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Filterung eines Röntgenstrahlers, dessen Strahlungsinten­ sität nach dem Durchsetzen dreier aus unterschiedlichen Materialien bestehender Analysefilter gemessen wird, die für energiereichere Strahlung die gleiche Absorption auf­ weisen und von denen zwei Absorptionskanten unterhalb von 30 keV aufweisen, wobei die Differenzen des Meßwerts hinter dem Analysefilter mit der höheren Absorptionskante und der beiden anderen Meßwerte der Quotient dieser Differenzen gebildet werden, wonach aus der vorbekannten Abhängigkeit des Quotienten von der Filterung der Röntgen­ strahlen die Dicke des Filters des zu untersuchenden Rönt­ genstrahlers bestimmt wird, sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Röntgenstrahlern, die für medizinische Untersuchungen eingesetzt werden, ist eine bestimmte Mindestfilterung der Röntgenstrahlung vorgeschrieben, beispielsweise entspre­ chend einem 2,5 mm dicken Aluminiumfilter, um den schädli­ chen weichen Anteil der Röntgenstrahlung weitgehend zu unterdrücken. Um die Einhaltung dieser Vorschrift kontrol­ lieren zu können, besteht ein Bedürfnis nach einem Ver­ fahren, das die Bestimmung der Filterung gestattet.

Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Strahlung einer Röntgenröhre auch durch den Röhrenkolben - beispielsweise aus Glas - gefiltert werden kann, sowie durch die Ölschicht, die sich im Röntgenstrahler zwischen dessen Gehäuse und dem Röhrenkolben befindet und die der Hoch­ spannungsisolierung dient. Es ist also in der Regel nicht möglich, durch einfache Messung der Dicke eines körperli­ chen Filters die Stärke der Filterung bzw. die Dicke der Aluminiumschicht anzugeben, die vor dem Erreichen des Untersuchungsbereichs von der in der Röntgenröhre erzeug­ ten Strahlung durchsetzt wird.

Das der Bestimmung der Filterung des Röntgenstrahlers dienende Verfahren der eingangs genannten Art, das aus einer Veröffentlichung von Bäuml in der Zeitschrift Medizinische Physik, 1979, S. 221-225, bekannt ist, wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert. Bei diesem Verfahren wird der Verlauf der niederenergetischen Flanke des Röntgenstrahlenspektrums, das von dem Röntgen­ strahler emittiert wird, analysiert. Zu diesem Zweck werden drei Filter verwendet, von denen zwei im Bereich dieser Flanke eine Absorptionskante besitzen und deren Dicken so gewählt sind, daß sie im Energiebereich oberhalb der Absorptionskanten die gleiche Transparenz aufweisen. Als geeignete Kombination wird in der Veröffentlichung von Bäumel ein 0,085 mm dickes Filter aus Silber (Absorptions­ kante bei 25,5 KeV, ein ca. 0,11 mm dickes Filter aus Zinn (Absorptionskante bei 29,2 KeV) und ein rund 0,35 mm starkes Kupferfilter genannt. Die in Fig. 1 mit Ag, Sn und Cu bezeichneten Kurven stellen das Spektrum der Röntgen­ strahlung hinter diesen drei Filtern dar.

Zur Bestimmung der Filterung wird der zu untersuchende Röntgenstrahler mit einer Spannung von rund 100 kV betrie­ ben, und drei hinter jeweils einem dieser Filter angeord­ nete Detektoren liefern ein Signal I₁, I₂, I₃, das der Dosis hinter dem Filter proportional ist. Die Differenz I₁-I₂ ergibt dabei einen Wert, der der Intensität des Spektrums im Bereich zwischen den Absorptionskanten von Silber und Zinn, d.h. zwischen 25,5 und 29,2 entspricht. Die Differenz I₂-I₃ entspricht dem Anteil des Spektrums unterhalb der Silberkante (25,5 KeV). Der Quotient

Q = (I₁-I₂)/I₂-I₃) (1)

setzt die Intensität dieser Spektralbereiche zueinander ins Verhältnis. Da mit zunehmender Filterung eines Rönt­ genstrahlers die Intensität der Strahlung im Spektralbe­ reich unterhalb von 25,5 KeV stärker abnimmt als in dem Bereich zwischen 25,5 und 29,2 KeV, nimmt der Quotient Q - nahezu linear - mit der Dicke D zu. Die in Fig. 2 dargestellte Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen D und Q für eine bestimmte Röhrenspannung und für den Fall, daß die Filter im höheren Energiebereich exakt die gleiche Transparenz aufweisen. Ist dieser Zusammenhang einmal bekannt, dann kann durch Messung der Intensitäten I₁ . . . I₃ und Berechnung des Faktors Q die zugehörige Dicke D bestimmt werden.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei diesem Verfahren erhebliche Meßfehler auftreten können. Aufgabe der vorlie­ genden Erfindung ist es, dieses Verfahren so auszugestal­ ten, daß die Meßfehler reduziert werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Röntgen­ strahler in einem Spannungsbereich unterhalb von 60 kV betrieben wird, daß die Dicke der Filter so gewählt ist, daß ihre Absorption nicht größer ist als die eines 0,15 mm dicken Kupferfilters und daß zunächst für drei zusammenge­ hörige Analysefilter der Verlauf des Quotienten als Funktion der Filterdicke bestimmt und gespeichert wird.

Dadurch, daß der Röntgenstrahler (bei einer festen Spannung) im Spannungsbereich unterhalb von 60 kV betrie­ ben wird, ist der Signalanteil kleiner, der von Röntgen­ quanten mit einer wesentlich oberhalb der Absorptions­ kanten liegenden Energie herrührt. Da für die Berechnung von Q aber ohnehin nur die Röntgenstrahlung mit niedri­ gerer Energie von Bedeutung ist, werden dadurch Meßfehler verringert; dies nicht zuletzt auch deshalb, weil der Anteil der Fluoreszenzstrahlung, der in den Analysefiltern erzeugt wird, abnimmt.

Die niedrige Röhrenspannung in Verbindung mit der Tat­ sache, daß die Filterwirkung der verwendeten Analysefilter nicht größer ist als die eines 0,15 mm starken Kupferfil­ ters, gestattet es, auch relativ leistungsschwache und mit einer verhältnismäßig geringen Röhrenspannung betriebene Röntgenstrahler, wie sie beispielsweise für Dental- Röntgenaufnahmen verwendet werden, zu untersuchen.

Bei derart geringen Dicken ist es besonders schwierig, die drei Filter genau mit der Dicke herzustellen, bei der sie in dem höheren Energiebereich die gleiche Transparenz aufweisen. Weichen die Filterdicken aber von ihren Soll­ werten ab, dann treten zusätzliche Meßsignaldifferenzen auf, so daß sich der berechnete Wert Q und der sich dafür aus Fig. 2 ergebende Wert von dem korrekten Wert erheblich unterscheiden. Dieser Fehler wird bei der Erfindung dadurch unterbunden, daß zunächst für die drei zusammenge­ hörenden Analysefiltern die Filterkurve, die gemäß Fig. 2 den Zusammenhang zwischen Q und D darstellt, individuell bestimmt und gespeichert wird. Wenn ein Röntgenstrahler mit zwei verschiedenen Geräten untersucht wird, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten, dann können sich zwar unterschiedliche Quotienten Q ergeben, jedoch ergeben sich aus den individuellen gespeicherten Filterkurven die gleichen Werte D für die Filterung des Röntgenstrahlers.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüche beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Röntgenstrahlenspektrum hinter den drei ver­ schiedenen Filtern,

Fig. 2 den Zusammenhang zwischen der Filterung und dem Faktor Q für ein bestimmtes Filter und

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Meßgerätes, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.

In Fig. 3 ist der Röntgenstrahler, dessen Filterung zu bestimmen ist, mit 4 bezeichnet. Die Spannung für die in dem Röntgenstrahler 4 enthaltene Röntgenröhre ist bei allen Untersuchungen auf den gleichen Wert eingestellt, beispielsweise auf 50 kV. Dieser feste Wert könnte auch größer oder kleiner gewählt werden, jedoch soll eine obere Grenze von 60 kV und eine untere Grenze von 40 kV nicht über- bzw. unterschritten werden.

Das von dem Röntgenstrahler 4 erzeugte Röntgenstrahlen­ bündel 5 trifft auf drei Analysefilter 1, 2 und 3. Das Analysefilter 1 besteht aus Zinn und hat eine Dicke von 30,9 µm. Das Analysefilter 2 besteht aus Silber und hat eine Dicke von 24,3 µm. Das Analysefilter 3 schließlich besteht aus Kupfer und hat eine Dicke von 0,1 mm. Die drei Filter sind in die Öffnungen eines nicht näher dargestell­ ten plattenförmigen Filterhalters eingesetzt, der die Röntgenstrahlung vollständig unterdrückt. Dieser Filter­ halter enthält darüberhinaus noch drei Testfilter 11, 12 und 13, deren Größe und geometrische Lage derjenigen der drei Analysefilter 1, 2 und 3 entspricht, so daß es mög­ lich ist, die Testfilter an die Stelle der Analysefilter zu bringen. Zu diesem Zweck ist ein Motor 6 vorgesehen, der von einer Motorsteuerung 61 angetrieben entweder die Analysefilter 1, 2, 3 oder die Testfilter 11, 12, 13 vor die Detektoren schiebt. Die Testfilter haben dieselbe Transparenz für Röntgenstrahlung; dies kann dadurch sichergestellt werden, daß sie aus einem gemeinsamen Substrat hergestellt werden, beispielsweise einem 0,1 mm starken Kupferblech.

Die Dosis I1, I2 bzw. I3 hinter den drei Filtern 1, 2 und 3 wird mit Hilfe dreier identisch aufgebauter Meßkanäle gemessen. Diese Meßkanäle umfassen je einen Detektor 12, 22, bzw. 32, der aus einer Leuchtstoffolie zur Umsetzung der Röntgenstrahlung in sichtbares Licht und aus einer Photodiode bestehen kann, die das sichtbare Licht in ein elektrisches Signal umsetzt. Jedem Detektor ist ein Inte­ grator 13, 23 bzw. 33 nachgeschaltet, dessen Ausgangs­ signal dem zeitlichen Integral seines Eingangssignals proportional ist. Der Ausgang jedes Integrators ist mit einer sogenannten Sample-and-Hold-Schaltung 14, 24 bzw. 34 verbunden. Die Schaltungen 14-34 werden von einer Schaltung 15 so gesteuert, daß die Ausgangssignale der Integratoren 13, 23 und 33 gehalten bzw. gespeichert werden, sobald das Ausgangssignal des Integrators 13 einen definierten Wert Uo erreicht hat.

Die Ausgangssignale der Schaltungen 14, 24 und 34 sowie eine hochkonstante Referenzspannung Ur werden über einen analogen Multiplexer 7 einem 12-Bit-Analog-Digitalwandler 8 zugeführt. Die von diesem gelieferten Digitalsignale werden einem Rechner 9 zugeführt, der mit einem Speicher 91 gekoppelt ist, in dem u. a. die individuelle Filterfunk­ tion für die drei konkret vorhandenen Analysefilter 1, 2 und 3 gespeichert ist. Der Rechner 9 ermittelt aus den über den Analog-Digital-Wandler 8 zugeführten Meßwerten und der gespeicherten Filterfunktion die Dicke der Alumi­ niumschicht, die die gleiche Filterwirkung hat wie die Gesamtfilterung des Röntgenstrahlers 4 und gibt diese auf einem geeigneten Display 92 aus.

Der Meßvorgang erfolgt in drei Phasen, wobei die beiden ersten Phasen der Kalibrirung der drei Meßkanäle dienen. Durch diese Kalibrierung sollen die Abweichungen korri­ giert werden, die sich aus unterschiedlichen Empfindlich­ keiten der drei Meßkanäle ergeben können. Eine Abweichung der Meßkanäle von nur einem Prozent kann nämlich aufgrund der Eigenart des Meßverfahrens (Bildung eines Quotienten aus den Differenzen von ähnlich großen Meßwerten) zu erheblichen Meßfehlern führen, die unter ungünstigen Umständen 30% und mehr betragen können.

In der ersten Phase wird das Dunkelstromverhalten der drei Meßkanäle bestimmt. Dabei wird davon ausgegangen, daß der Dunkelstrom in allen drei Kanälen einen zeitlich linearen Anstieg des Ausgangssignals bewirkt gemäß der Beziehung

I_di(t) = a_i × t + b_i (i = 1-3) (2)

Die Konstanten a_i und b_i können durch Messung der Ausgangssignale bei abgeschaltetem Röntgenstrahler an wenigstens zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ermittelt werden. Diese das Dunkelstromverhalten kennzeichnenden Konstanten werden gespeichert.

In der zweiten Phase werden die Testfilter 11, 12 und 13 vor die Detektoren 12, 22 und 32 geschoben und die Röntgenstrahlung eingeschaltet. Die dabei während einer Meßzeit t₁ gewonnenen Ausgangssignale I_1i werden im Rechner 9 auf ihren Dunkelstromanteil hin korrigiert:

I_ti = I_1i - I_di(t₁) (i = 1-3) (3)

Die auf diese Weise gewonnenen Werte I_ti müßten identisch sein, wenn die Meßkanäle gleich empfindlich wären, weil diese Meßkanäle die gleiche Dosis messen. Die Korrekturfaktoren

k_i = I_ti / I_t1 (i = 1-3) (4)

sind daher ein Maß für den Empfindlichkeitsunterschied gegenüber dem ersten Meßkanal (12 . . . 14), weshalb k₁ stets den Wert 1 hat.

In der dritten Phase werden die Analysefilter 1, 2 und 3 in den Strahlengang gebracht. Aus den dabei von den drei Meßkanälen gelieferten Meßwerten I_2i ergibt sich ein vom Dunkelstrom befreiter Anteil I_mi gemäß der Beziehung

I_mi = I_2i - I_di (t₂) (5)

Dabei ist t₂ die Meßdauer, d.h. der Zeitraum, innerhalb dessen das Ausgangssignal des Integrators 13 den Wert U_oll erreicht hat. Daraus lassen sich Werte I_i gemäß der Beziehung

I_i = I_mi × k_i (6)

berechnen. Die Werte I_i sind die Meßwerte, die sich erge­ ben würden, wenn die Meßkanäle miteinander identisch wären und keinen Dunkelstromanteil aufweisen würden.

Der Rechner berechnet aus den so korrigierten Werten gemäß Gleichung 1 den Quotienten Q und bestimmt aus diesem Wert sowie aus der im Speicher 91 gespeicherten Filterkurve (Fig. 2) die wirksame Filterung D des Röntgenstrahlers.

Im allgemeinen sind - trotz gleicher Röhrenspannung - die Bedingungen bei der Messung nicht die gleichen wie bei der Ermittlung der den Zusammenhang zwischen D und Q darstel­ lenden Filterkurve. Die tatsächliche Filterung d muß daher aus dem ermittelten Wert D nach der Gleichung berechnet werden:

d = D + D₁ + D₂ + D₃ (7)

Dabei ist D₁ ein Korrekturwert, der der Tatsache Rechnung trägt, daß der Anodenwinkel (das ist der Winkel, den die Austrittsrichtung der Röntgenstrahlung mit der Anode der Röntgenröhre bildet), bei dem untersuchten Röntgenstrahler im allgemeinen nicht derselbe ist, wie bei dem Röntgen­ strahler, mit Hilfe dessen die Filterkurve (Fig. 2) ermit­ telt wurde. Der auf den Anodenwinkel zurückzuführende Anteil der Filterung, der in dem Wert D enthalten ist, darf nämlich nicht zu der Gesamtfilterung gerechnet werden (DIN 6863, Teil 2). Wenn die Anodenwinkel in beiden Fällen gleich sind, ist D₁ gleich Null. Ist der Anodenwinkel der untersuchten Röhre kleiner, dann ist D₁ negativ - andern­ falls positiv.

Der Summand D₂ berücksichtigt, daß die Rauhigkeit der Anode zwar das Spektrum des Röntgenstrahlers beeinflußt, daß dieser Einfluß aber gemäß der Norm (DIN 6863, Teil 2) nicht zur Gesamtfilterung gerechnet werden darf. Dieser Wert ist bei einem Strahler mit einer Festanodenröntgen­ röhre Null und bei einer Drehanodenröntgenröhre negativ, wobei sein Betrag mit zunehmender Rauhigkeit wächst.

Der Wert D₃ berücksichtigt schließlich die Welligkeit der Hochspannung an dem Röntgenstrahler 4. Bei einer Gleich­ spannung an der Röntgenröhre (Welligkeit 0) ist D₃ Null. Dieser Wert ist positiv und nimmt mit zunehmender Wellig­ keit zu.

Wie bereits eingangs erläutert, haben bereits kleinste Abweichungen der Dicke der Analysefilter 1, 2, 3 von dem­ jenigen Wert, bei dem diese Filter im oberen Energiebe­ reich die gleiche Transparenz aufweisen, einen erheblichen Einfluß auf den Verlauf der Filterkurve, d. h. auf den Zusammenhang zwischen D und Q. Ein vergleichbarer Einfluß ergibt sich aber auch, wenn die Testfilter 11, 21, 31 nicht exakt gleich dick sind. Um diese Einflüsse zu elimi­ nieren, muß für die vorgegebenen sechs Filter einmal in einem gesonderten Meßprozeß der Zusammenhang zwischen D und Q, d. h. die für diese Filter zu speichernde Filter­ kurve, bestimmt werden, bevor das Gerät zur Filterbestim­ mung eingesetzt wird.

Bei diesem Meßprozeß muß ein Röntgenstrahler verwendet werden, dessen Eigenfilterung vernachlässigbar klein ist, beispielsweise dadurch, daß dieser Strahler so aufgebaut ist, daß zwischen dem Untersuchungsbereich und der Anode nur ein relativ dünnes Beryllium-Fenster durchstrahlt werden muß (ein Beryllium-Fenster mit einer bestimmten Dicke filtert die Röntgenstrahlung in gleichem Maße wie ein Aluminiumfenster mit einem hundertstel dieser Dicke) . Dieser Röntgenstrahler - vorzugsweise ein Festanoden­ strahler - wird mit einer Gleichspannung von 50 kV be­ trieben. In den Strahlengang (d. h. zwischen die Test- bzw. Analysefilter einerseits und den Röntgenstrahler andererseits) wird ein Filter, vorzugsweise ein Aluminium­ filter genau bekannter Dicke D eingeschoben. Es erfolgt dann wiederum ein Meßvorgang in drei Phasen, wie zuvor in Verbindung mit den Gleichungen 2 bis 6 erläutert. Aus den dabei ermittelten Werten I₁, I₂ und I₃ wird der Faktor Q berechnet und dem Wert D zugeordnet.

Diese Messung wird für unterschiedliche Werte von D wiederholt, und die sich hierbei ergebende Filterkurve wird im Speicher 91 gespeichert. Die auf diese Weise ermittelte Filterfunktion hat in der Regel einen Verlauf, der mehr oder weniger stark von demjenigen nach Fig. 2 abweicht. Da die nachfolgenden Messungen an Röntgenstrah­ lern, deren Filterung bestimmt werden soll, aber mit denselben Analysefiltern durchgeführt werden, und da der Wert D aus dieser Filterkurve bestimmt wird, bleibt die erforderliche Genauigkeit gewährleistet.

Claims (5)

1. Verfahren zur Bestimmung der Filterung eines Röntgen­ strahlers (4), dessen Strahlungsintensität nach dem Durch­ setzen dreier aus unterschiedlichen Materialien beste­ hender Analysefilter gemessen wird, die für energierei­ chere Strahlung die gleiche Absorption aufweisen und von denen zwei Absorptionskanten unterhalb von 30 KeV auf­ weisen, wobei die Differenzen des Meßwerts (T₂) hinter dem Analysefilter (2) mit der höheren Absorptionskante und der beiden anderen Meßwerte (I₁ bzw. I₃) sowie der Quotient dieser Differenzen gebildet werden, wonach aus der vorbe­ kannten Abhängigkeit des Quotienten von der Filterung der Röntgenstrahlen die Dicke (D) des Filters des zu untersu­ chenden Röntgenstrahlers bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Röntgenstrahler (4) in einem Spannungsbereich unterhalb von 60 kV betrieben wird, daß die Dicke der Analysefilter (1, 2, 3) so gewählt ist, daß ihre Absorption nicht größer ist als die eines 0,15 mm dicken Kupferfilters und daß zunächst für die drei zusam­ mengehörigen Analysefilter der Verlauf des Quotienten (Q) als Funktion der Filterdicke (D) bestimmt und gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder nach jeder Messung eine Testmessung erfolgt, bei der drei identische Test­ filter (11, 12, 13) anstelle der Analysefilter in den Strah­ lengang gebracht werden und daß die bei der Messung mit den Analysefiltern erhaltenen Meßwerte entsprechend den bei der Messung mit den Testfiltern erhaltenen Werten korrigiert wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dunkelstromverhalten der für die Messung benutzten Detektoren bestimmt und die Meßwerte entsprechend korrigiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ermittelte Quotient (Q) entsprechend den Parametern des Röntgenstrahlers (D₁, D₂, D₃) korrigiert wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit drei Analysefiltern aus unterschiedlichen Materia­ lien, drei Meßkanälen zur Bestimmung der Intensität der Röntgenstrahlung hinter den Analysefiltern und mit Mitteln zum Bestimmen der Filterdicke aus den drei Meßwerten, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Analysefilter (1, 2, 3) so gewählt ist, daß ihre Absorption nicht größer ist als die eines 0,15 mm dicken Kupferfilters und daß ein Speicher (91) vorgesehen ist, in dem für die drei Analyse­ filter die individuelle Abhängigkeit des Quotienten (Q) von der Dicke (D) des Röntgenstrahlen-Filters gespeichert ist.