DE69015456T2

DE69015456T2 - Apparat zur Messung der an eine Strahlungsquelle angelegten Spannung.

Info

Publication number: DE69015456T2
Application number: DE69015456T
Authority: DE
Inventors: Terrence E Sheridan
Original assignee: Keithley Instruments LLC
Current assignee: Inovision Radiation Measurements Llc(ndgesdes S
Priority date: 1989-06-14
Filing date: 1990-03-20
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2010-03-21
Also published as: CA2011285C; EP0402578B1; DE69015456D1; EP0402578A3; CA2011285A1; US4916727A; EP0402578A2

Description

Die Erfindung betrifft die Strahlungsmessung und insbesondere die Messung der an eine Strahlungsquelle wie einen Röntgengenerator angelegten Spitzenspannung durch Überwachen der erzeugten Strahlung.
Die Eichung eines Röntgengeräts ist in der diagnostischen Radiologie wesentlich. Die Messung des an ein Röntgengerät angelegten Potentials wurde bei der Herstellung von Diagnose-Röntgenfilmen hoher Qualität als wesentliche Variable erkannt. In den Vereinigten Staaten ist der Radiation Control for Healthy and Safety Act von 1968 im Jahre 1973 in Kraft getreten. Der hauptsächliche Zweck dieses Gesetzes bestand darin, die Bevölkerung vor einer unnötigen Strahlenbelastung zu schützen. Ein Weg, um dies zu erreichen, ist der, die Anzahl von Röntgenneuaufnahmen zu verringern. Das Gesetz verlangt, daß Röntgengeräte bestimmte Erfordernisse erfüllen. Eines dieser Erfordernisse besteht darin, daß die maximale angelegte Eingangsspannung, die manchmal auch als Spitzenkilovoltspannung (kVp) bezeichnet und an das Röntgengerät angelegt wird, innerhalb bestimmter Grenzen liegt, die von dem Hersteller im einzelnen angegeben werden. Ist ein Röntgengerät ungenau geeicht, so kann dies zu einer verkürzten Lebensdauer der Komponenten und einer schlechten Qualität der Röntgenstrahlen führen, was im Ergebnis Neuaufnahmen mit sich bringt. Folglich ist es erforderlich, die Genauigkeit der kVp-Einstellung an den Röntgengeräten periodisch zu überprüfen und erforderlichenfalls neu zu eichen.
Diagnose-Röntgengeräte arbeiten bei relativ hohen Spannungen, die in der Größenordnung von 50 kV bis 150 kV liegen. Eine direkte Messung solch hoher Spannungen kann gefährlich sein, und sie wurde früher dadurch durchgeführt, daß die Hochspannungsschaltungen abgetrennt wurden und ein Hochspannungsteil mit zwei Widerstandsabschnitten von hohem Wert angeschlossen wurde, die zwischen die Anode des Röntgengenerators und Erde sowie zwischen die Katode des Generators und Erde geschaltet wurden. Die Hochspannungsteilerschaltung weist typischerweise ein großes Volumen und große Abmessungen auf, und die Durchführung der Messung der Hochspannung ist bei einem solchen Gerät zeitaufwendig, wobei diese Aufgabe nur von qualifiziertem Wartungspersonal erfüllt werden kann. Das Krankenhauspersonal wurde normalerweise nicht zur Durchführung dieser Tests herangezogen, was auf die Abmessungen und das Gewicht der Teilerschaltung und die mit der Durchführung einer solchen Messung verbundene Gefahr zurückzuführen ist.
Alternativen zu der direkten Messung unter Verwendung eines Hochspannungsteilers, wie oben erörtert, sind verschiedene eingriffslose Meßtechniken, die derzeit angewandt werden. Zu diesen zählt die Verwendung einer eingriffslosen Filmkassette sowie einer eingriffslosen elektronischen Vorrichtung, bei der Filter und Sensoren verwendet werden. Bei diesen eingriffslosen Techniken wird die Eingangsspannung eines Röntgengeräts ausgehend von Messungen der vom Gerät abgegebenen Strahlung gemessen.
Die Filmtestkassetten (gelegenlich bekannt als Adrian- Crooks- oder Wisconsin-Testkassette) wurden dazu verwendet, die Eingangskilovoltspannung für eine Strahlungsquelle ausgehend von den Messungen der Strahlung zu bestimmen, die diese abgibt. Eine Testkassette wird in dem Feld eines Röntgenstrahls angeordnet, und sie arbeitet auf dem Prinzip, wonach das Ausmaß der Abschwächung eines Röntgenstrahls in einem Material wie Kupfer oder Aluminium mit der an die Röntgenröhre angelegten Kilovoltspannung verknüpft wird. Der Röntgenfilm wird zwei Röntgenstrahlen ausgesetzt, die abgeschwächt wurden, während sie durch mehrfache Materialschichten einschließlich einer Kupferplatte und einer Platte hindurchging, die Kupferscheiben und Löcher enthält. Die Messung erfordert die Unterstützung ausgebildeter Techniker, das Entwickeln des Filmes und das Auslesen des Filmes mit einem Densitometer. Die Genauigkeit dieses Verfahrens liegt in der Größenordnung von ± 5 kV. Da mit einer solchen Testkassette überdies nur die effektive oder mittlere kV und nicht der wirkliche Spitzenwert der Wellenform gemessen werden kann, werden mit den Ergebnissen eine deutliche Welligkeit und Spitzenbildung in der Wellenform nicht aufgedeckt.
Eine weitere eingriffslose Vorrichtung zum Messen einer an ein Röntgengerät angelegten Eingangsspannung liegt in Form eines im Stand der Technik als kVp-Meter bekannten Instrumentes vor. Beispiele solcher Meßgeräte sind in verschiedenen US-Patenten offenbart, zu denen die Patente von Zarnstorff u.a., 4,697,280, und Siedband, 4,361,900, zählen, und um solche Beispiele handelt es sich auch bei den von Keithley Instruments, Inc. hergestellten Produkten wie den Modellen Nr. 35070 und 35080. Allgemein arbeiten diese kVp-Meter auf dem Prinzip, wonach ein Röntgenstrahl durch zwei Kupferfilter hindurchgeschickt wird, die so seitlich nebeneinander angeordnet sind, daß der Röntgenstrahl beim Hindurchtreten durch beide Filter geschwächt wird. Die beiden Filter weisen eine unterschiedliche Dicke auf, so daß die durch die Filter hindurchgegangene Strahlung unterschiedlich abgeschwächt ist. Die abgeschwächte Strahlung von jedem Filter wird dann von zwei Röntgendetektoren wie Festkörper-Photodioden erfaßt, die elektrische Ausgangssignale liefern, deren Größen von den Pegeln der geschwächten Strahlung von den beiden Filtern abhängen. Dann wird ein Verhältnis dieser beiden Signale gebildet. Dieses Verhältnis ändert sich mit der an die Röntgenröhre angelegten Eingangskilovoltspannung. Die durch das dickere Material hindurchgehenden Röntgenstrahlen nehmen mit ansteigender Eingangskilovoltspannung schneller zu als die durch das dünnere Material hindurchgehenden Röntgenstrahlen. Folglich beginnt das Verhältnis der Signale, das repräsentativ ist für die durch das dickere Material hindurchgegangene Strahlung zu der des dünneren Materials, bei Nulll, und es nimmt mit steigender Kilovoltspannung zu. Für sehr große Kilovoltspannungen nähert sich das Verhältnis Eins an.
Diese kVp-Meter arbeiten typischerweise über einen Spannungsbereich von 50 bis 150 kV. Dieser ist im Stand der Technik als der Diagnosebereich bekannt. Das Verhältnis der durch das dicke Filter hindurchgegangenen Strahlung zu der durch das dünne Filter hindurchgegangenen Strahlung wird als Messung der Eingangskilovoltspannung verwendet. Der lineare Bereich dieser Beziehung ist begrenzt. So werden z.B. bei dem kVp-Meter vom Typ Keithley Modell Nr. 35080 drei Sätze von Kupferfiltern verwendet, die jeweils eine wesentliche Linearität über einen Abschnitt des Diagnosebereiches hinweg aufweisen. So wird ein Filtersatz typischerweise von 50 bis 90 kV verwendet. Ein zweiter Filtersatz wird für 65 bis 135 kV verwendet, und ein dritter Filtersatz wird von 75 bis 150 kV verwendet. Vorzuziehen wäre die Verwendung eines einzigen Filtersatzes, der über den gesamten Diagnosebereich von 50 bis 150 kV hinweg eine annehmbare Linearität aufweist.
Zu der begrenzten Linearität der Beziehung zwischen dem Verhältnis und der Größe der Eingangskilovoltspannung kommt ein weiteres Problem hinzu, wenn ein einziges Paar von Kupferfiltern verwendet wird, um den gesamten Diagnosebereich von z.B. 50 bis 150 kV abzudecken. Dieses Problem steht im Zusammenhang mit dem sich ergebenden begrenzten Dynamikbereich. Das heißt, daß zur Erzielung angemessener Signale für geringe Spannungen in der Größenordnung von 50 kV bis 90 kV die Kupferfilter aus einem relativ dünnen Material bestehen müssen. Sind die Filter jedoch zu dünn, so zeigt das Verhältnis eine zu starke Abhängigkeit von Änderungen der Filterung des Röntgengenerators bei höheren Spannungen. Es wäre wünschenswert, einen einzelnen Filtersatz zu schaffen, der einen solchen Dynamikbereich besitzt, daß er über den gesamten Diagnosebereich von z.B. 50 kV bis 150 kV hinweg brauchbar ist.
Zu den Versuchen, den nutzbaren Arbeitsbereich solcher, oben diskutierter kVp-Meter zu erhöhen, gehört die Verwendung von Mehrfachfilterpaaren, bei denen jedes Paar zur Verwendung über einen bestimmten Spannungsbereich hinweg bestimmt ist, wie dies oben erörtert wurde, oder die Verwendung einer Mehrzahl von Filterpaaren, die in dem gleichen Instrument gleichzeitig beaufschlagt werden. Dort, wo ein einziges Filterpaar verwendet wurde, wurde versucht, das Ausgangssignal elektronisch zu linearisieren, während die Probleme des begrenzten Dynamikbereiches in Kauf genommen wurden. Folglich können mit einigen kVp-Metern fluoroskopische Signale geringer Spannung nicht zufriedenstellend gemessen werden, während andere zu stark von der Filterung des Röntgengeräts abhängig sind.
Die Erfindung ist auf die Bestimmung der Betriebsspannung eines Röntgengeräts unter Verwendung eines einzigen Filterpaares gerichtet, das einen Nutzbereich, sowohl linear als auch dynamisch, besitzt, der den interessierenden Spannungsbereich abdeckt. Bei der vorliegenden Diskussion kann der Nutzbereich eines einzigen Filtersatzes den Diagnosebereich von 40 kV bis 150 kV abdecken.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein chemisches Element wie Blei oder Gadolinium ein Absorptionsphänomen zeigt. Solche Elemente absorbieren bei einer Bestrahlung durch einen Röntgenstrahl Strahlung mit einer vorhersagbaren Rate, bis die an das Röntgengerät angelegte Spannung einen bestimmten Pegel erreicht, und dann tritt in der Absorptionsrate ein plötzlicher Übergang auf. Dieser Übergang ist ein deutlicher Anstieg der Absorptionsrate, und er entspricht dem, was als die K-Absorptionskante dieses bestimmten chemischen Elements ist. Die K-Absorptionskante ist auf die K-Quantenschale zurückzuführen. Ein Elektron kann durch photoelektrische Absorption aus der K-Schale entfernt werden. Dies erfolgt, wenn Photonen von einem hinreichend hohen Energiepegel auf ein Atom auftreffen, wodurch ein Elektron aus der K-Schale herausgeschleudert wird. Die hierfür erforderliche Schwellenphotonenenergie ist als die K-Absorptionskante bekannt.
Aus dem Patent US-A-3,766,383 von G.R. Harris u.a. geht eine Vorrichtung zum Eichen der Kilovoltspannung eines Diagnose- Röntgengeräts hervor. Ein chemisches Element oder eine Testprobe mit einer bekannten K-Absorptionskante wird in einem Röntgenstrahl angeordnet. Harris schlägt kein kVp-Meter vor, wie es oben erläutert wurde und bei dem ein Filterpaar verwendet wird, sondern nur ein einziges chemisches Element mit einer bekannten K-Absorptionskante. Das chemische Element oder die Abtastprobe wird unter einem Winkel von etwa 45 Grad zu dem Pfad der Generatorstrahlung angeordnet, so daß ein Teil der Energie als Streuenergie reflektiert und ein Teil der Energie als durchgelassene Energie durch die Probe hindurchgeht. Die Streuenergie und die durchgelassene Energie werden erfaßt, und es wird ein Verhältnis aus den Werten der erfaßten durchgelassenen und gestreuten Strahlung berechnet. Tritt eine deutliche Änderung dieses Verhältnisses auf, so ist dies ein Hinweis darauf, daß die K-Kante erreicht wurde. Da die Probe eine bekannte K-Absorptionskante aufweist, wird diese Information dann dazu benutzt, den Kilovoltspannungspegel zu bestimmen.
Während bei Harris weiter oben ein chemisches Element mit einer K-Absorptionskante verwendet wird, um die Kilovoltspannung eines Diagnose-Röntgengeräts zu betimmen, liegt keine Erörterung oder Erkenntnis darüber vor, wie ein einziges Filterpaar verwendet werden könnte, um einen Nutzbereich zu erhalten, der im wesentlichen dem des Diagnosebereiches von z.B. 40 kVp bis 150 kVp entspricht. Insbesondere ist bei Harris keine Rede von dem begrenzten linearen Bereich oder dem begrenzten dynamischen Bereich von Filtern, die bei herkömmlichen kVp-Metern verwendet werden.
Aus Medical Physics, Bd. 16, Nr. 1, Januar/Februar 1989, Seiten 94-97 geht ein Strahlungsfühler für eingriffslose Hochspannungsmessungen von Mammographie-Einheiten mit einer Molybdänanode hervor. Dieser bekannte Fühler besteht aus zwei Photodioden, von denen eine von einem Aluminiumfilter und die andere von einem Molybdänfilter bedeckt ist. Die Dicken der beiden Filter sind so gewählt, daß die übertragenen Photonenteilchenflüsse den gleichen Wert besitzen, wenn Photonen eine Energie aufweisen, die geringer als die K-Kante des Molybdäns ist. Bei einer Energie größer als die K-Kante von Molybdän sind die übertragenen Teilchenflüsse verschieden. Die Ausgangssignale der dem Röntgenstrahl ausgesetzten Photodioden werden Strom/Spannungs-Wandlern und dann einem elektronischen analogen Teiler zugeführt. Der beschriebene Strahlungsfühler wird für eine Schirm-Film- Mammographie in dem Bereich von 24-40 kVp verwendet.
Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung der an eine Röntgenquelle angelegten Spitzenspannung zu schaffen, indem ein einziges Filterpaar mit einem Nutzbereich verwendet wird, der den gesamten Diagnosemeßbereich wie in der Größenordnung von 40 kV bis 150 kV überdeckt.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, Verbesserungen bei kVp-Metern zu schaffen, wie oben erörtert, um den Nutzbereich der linearen Beziehung zwischen der Größe des Verhältnisses und der der Eingangsspannung zu erweitern und dadurch eine deutlich weitergehende lineare Beziehung über den gesamten Diagnosemeßbereich hinweg zu erzielen, als dies im Stand der Technik der Fall ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein solches kVp- Meter mit Verbesserungen zu schaffen, um einen weiteren Dynamikbereich zu erzielen; d.h. die Möglichkeit, fluoroskopische kVp-Signale geringer Intensität messen zu können, während Änderungen bei der eigenen oder zusätzlichen Filterung der Röntgenröhre bei einem hohen kV-Pegel stark unterdrückt werden.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Messen der an eine bei einer unbekannten Spannung betriebenen Röntgenstrahlungsquelle angelegten Eingangsspannung innerhalb eines gegebenen Spannungsmeßbereichs vorgesehen. Die Vorrichtung enthält zwei Strahlungsabsorptionsfilter mit einem ein erstes chemisches Element enthaltenden ersten Filter und einem ein zweites chemisches Element enthaltenden zweiten Filter. Diese Elemente sind so gewählt, daß die Filter innerhalb des gegebenen Spannungsmeßbereichs unterschiedliche charakteristische Strahlungsaborptionseigenschaften zeigen. Diese Filter sind so positionierbar, daß sie durch die Strahlungsquelle bestrahlt werden, wobei die Strahlung auf jedes Filter auftrifft und dadurch teilweise absorbiert wird, wenn sie durch die Filter hindurchtritt, um aus diesen als geschwächte Strahlung auszutreten. Detektormittel wie eine erste und eine zweite Photodiode sind für den Empfang der geschwächten, durch das erste und das zweite Filter hindurchgegangenen Strahlung positioniert, wobei sie ein erstes bzw. ein zweites Signal liefern, deren Größen sich mit der geschwächten Strahlung ändern. Ein Verhältnismittel liefert eine Verhältnisanzeige, die für das Verhältnis der Größe des ersten Signals zu der des zweiten Signals repräsentativ ist. Die Größe dieses Verhältnisses ändert sich mit der der Eingangsspannung. Zumindest eines der chemischen Elemente zeigt eine bekannte K-Absorptionskante innerhalb des Spannungsmeßbereiches, so daß dann, wenn die Eingangsspannung erhöht wird, um die bekannte K-Absorptionskante zu überschreiten, oder verringert wird, um unter diese zu fallen, das die bekannte K-Absorptionskante aufweisende chemische Element charakteristische Eigenschaften einer größeren bzw. geringeren Abschwächung zeigt. Die Filter zeigen die unterschiedlichen charakteristischen Strahlungsabsorptionseigenschaften auf beiden Seiten der jeweiligen bekannten K-Absorptionskante, um dadurch den den sich ändernden Verhältnissen zugeordneten Spannungsmeßbereich auf beide Seiten der bekannten K-Absorptionskante zu erweitern.
Gemäß einem weiterne Aspekt der Erfindung ist es das erste chemische Element, das die bekannte K-Absorptionskante aufweist, wobei die K-Absorptionskante bei einem Spannungspegel nahe dem der unteren Spannung des interessierenden Spannungsbereichs liegt. Dies führt dann zu einer Erhöhung der Abschwächungseigenschaften des ersten Filters für Eingangsspannungen oberhalb der bekannten K-Absorptionskante. Anders ausgedrückt werden dadurch die Abschwächungseigenschaften des ersten Filters für Eingangsspannungen verringert, die unterhalb der bekannten K-Absorptionskante liegen.
Gemäß der Erfindung ist auch vorgesehen, daß das zweite chemische Element die bekannte K-Absorptionskante zeigt. In diesem Fall liegt die K-Absorptionskante bei einem Spannungspegel nahe dem oberen Spannungspegel des Spannungsbereichs. Dadurch werden die Abschwächungseigenschaften des zweiten Filters für Eingangsspannungen erhöht, die über die bekannte K-Absorptionskante ansteigen.
Gemäß der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß der Nutzbereich an beiden Enden des Spannungsbereichs erweitert wird, indem ein erstes chemisches Element mit einer ersten bekannten K-Absorptionskante bei einem Spannungspegel nahe dem der unteren Spannung des Spannungsbereichs verwendet wird, wobei das zweite chemische Element eine zweite bekannte K-Absorptionskante bei einem Spannungspegel nahe dem des oberen Spannungspegels des Spannungsbereichs zeigt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die vorhergehenden sowie weitere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung; in dieser zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, die eine Anwendung der Erfindung zum Messen der an eine Röntgenröhre angelegten Eingangsspannung zeigt;
Fig. 2 eine graphische Darstellung des Verhältnisses gegenüber der Kilospannung, die die charakteristische Kurve zeigt, die bei der Beschreibung der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;
Fig. 3 eine herkömmliche Korrekturkurve, die die für verschiedene kV-Ablesungen bei einem niedrigen kV-Arbeitsbereich durchzuführenden kV-Korrekturen zeigt;
Fig. 4 eine herkömmliche Korrekturkurve, die die für vrschiedene kV-Ablesungen bei einem mittleren kV-Arbeitsbereich durchzuführenden kV-Korrekturen zeigt;
Fig. 5 eine herkömmliche Korrekturkurve, die die für verschiedene kV-Ablesungen bei einem höheren kV-Arbeitsbereich durchzuführenden kV-Korrekturen zeigt;
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Abschwächung gegenüber der Energie zur Darstellung von Abschwächungseigenschaften;
Fig. 7 eine der Kurve von Fig. 6 vergleichbare Kurve, wobei jedoch die K-Absorptionskante eines chemischen Elements dargestellt ist;
Fig. 8 eine graphische Wellenform, die zu der der Fig. 2 gleichartig ist, wobei jedoch die Erweiterung der charakteristischen Kurve bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist;
Fig. 9 eine Ansicht, die zu der der Fig. 6 gleichartig ist, wobei jedoch zu Erläuterungszwecken die Abschwächung von drei unterschiedlichen chemischen Elementen gegenüber der Energie gezeigt ist;
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die zu der der Fig. 5 gleichartig ist, wobei jedoch die charakteristischen Kurven gezeigt sind, die erhalten werden, indem Verhältnisse der geschwächten, durch die in Fig. 9 dargestellten Elemente hindurchgegangenen Strahlung genommen werden;
Fig. 11 eine graphische Darstellung, die zu der der Fig. 9 gleichartig ist, wobei jedoch die K-Absorptionskante eines chemischen Elements gezeigt ist, das bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 12 eine graphische Darstellung, die zu der der Fig. 10 gleichartig ist, wobei jedoch eine erweiterte charakteristische Kurve gezeigt ist, die bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung erhalten wird; und
Fig. 13 eine graphische Wellenform der kV-Korrekturkurve bei der Ausführung dieser Erfindung mit einem einzigen Filtersatz über einen Bereich, der mit dem vergleichbar ist, der von allen drei der durch die Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Filtersätze umfaßt wird.
In Fig. 1 ist eine Röntgenröhre 10 mit einer Anode 12 und einer Katode 14 schematisch dargestellt. Die Anode 12 und die Katode 14 sind auf herkömmliche Weise mit einem Röntgengenerator 16 einstellbarer Kilovoltspannung verbunden. Der Röntgengenerator 16 ist mit Mitteln versehen, um der Röntgenröhre eine variable Kilovoltspannung über einen solchen Bereich zuzuführen, der etwa von 10 kV bis 150 kV reicht. Die Intensität und das Spektrum des von der Röntgenröhre erzeugten Röntgenstrahls 18 ändert sich mit der Einstellung der von dem Generator 16 gelieferten einstellbaren Kilovoltspannung. Die Erfindung ist auf das Eichen dieser Eingangsspannung durch ein eingriffsloses Mittel zum Bestimmen der angelegten Spitzenkilovoltspannung durch Messen der charakteristischen Eigenschaften des Röntgenstrahls 18 gerichtet.
Wie in Fig. 1 gezeigt, sind zwei Filter F1 und F2 innerhalb des Energiefeldes des Röntgenstrahles 18 positioniert. Diese Filter F1 und F2 können hinsichtlich der Abmessungen und der Form gleich sein, wie z.B. rechteckige Platten oder kreisrunde Scheiben, wobei sie vorzugsweise flach in der gleichen Ebene liegen, so daß die Strahlung von der Röntgenröhre auf eine flache Oberfläche eines jeden Filters auftrifft. Der Detektor 20 kann zwei Photodioden-Sensoren S1 und S2 enthalten, um die Intensität der durch das Filter F1 bzw. durch das Filter F2 hindurchgegangenen Strahlung zu erfassen. Jeder Photodioden-Sensor liefert einen Ausgangsstrom von einer Größe, die von der Intensität der empfangenen Strahlung abhängt. Diese von dem Photodioden-Sensor S1 bzw. dem Photodioden-Sensor S2 empfangenen Ausgangsströme I&sub1; und I&sub2; werden einer Verhältnisschaltung 23 zugeführt. Die Verhältnisschaltung 34 liefert ein Ausgangssignal, das dem Verhältnis der Ströme I&sub1; und I&sub2; entspricht. Dieses Verhältnis wird einer geeigneten Ausleseinrichtung 36 zugeführt, die durch ein Oszilloskop oder ein digitales Vielfachmeßgerät (DMM) zum Lesen und Halten eines Spitzenwertes gebildet sein kann.
Bei kVp-Metern ändert sich das Verhältnis der Ströme I&sub1; zu I&sub2;, im folgenden als Verhältnis bezeichnet, mit der Größe der an die Röntgenröhre 10 angelegten Eingangsspannung. Bei herkömmlichen kVp-Metern wie dem zuvor beschriebenen Instrument Keithley Model 35080 ist das Material in den Filtern 1 und 2 gewöhnlich das gleiche, wie Kupfer, wobei jedoch das Filter F1 dicker ist. Dadurch wird eine charakteristische Kurve erzeugt, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Für geringe Pegel von kV liegt das Verhältnis in der Nähe von Null, und für hohe Pegel von kV kann das Verhältnis in der Nähe von Eins liegen. Die Form dieser Kurve ist dadurch bedingt, daß für geringe Pegel von kV der Unterschied hinsichtlich der Abschwächung sehr groß ist. Folglich liegt das Verhältnis der Ströme I&sub1; zu I&sub2; (in Fig. 1) in der Nähe von Null. Bei den hohen kV-Pegeln hält keines der Filter viel von der Strahlung zurück, so daß sich das Verhältnis Eins (1) annähert. Diese charakteristische Kurve in Fig. 2 ergibt sich aus einem sanften Übergang zwischen diesen beiden Pegeln. Der lineare Bereich LR der Kurve liegt über einem begrenzten Bereich vor. Demnach können, solange das Verhältnis innerhalb des linearen Bereiches LR (Fig. 2) liegt, relativ genaue Messungen der an die Röntgenröhre angelegten Eingangsspannung erhalten werden.
Bei dem kVp-Meter vom Typ Keithley Modell 35080 werden drei Sätze von Filtern verwendet, um den Spannungsbereich von 50 kV bis 150 kV abzudecken. Die drei Filtersätze enthalten einen für den Bereich von 50 bis 90 kV, einen weiteren für den Bereich von 65 bis 135 kV und einen dritten für den Bereich von 75 bis 150 kV. Die in jedem Filtersatz verwendeten Filter enthalten zwei Kupferfilter, wobei das dickere Filter in dem Zähler des Verhältnisses verwendet wird. Um die unterschiedlichen Bereiche abzudecken, besitzen die Filter eines jeden Satzes jedoch eine größere Dicke für ansteigende Spannungsbereiche. Das heißt, die in dem Filtersatz für den Bereich von 65 bis 135 kV verwendeten Filter sind dicker als die für den Bereich von 50 bis 90 kV. Auch die in dem Filtersatz für den Bereich von 70 bis 150 kV verwendeten Filter sind dicker als die, die in dem Bereich von 65 bis 135 kV verwendet werden.
Für einen solchen herkömmlichen Filtersatz existiert ein begrenzter linearer Bereich für die Beziehung zwischen dem Verhältnis und der kV-Ablesung. Die Genauigkeit innerhalb eines jeden Bereiches liegt innerhalb ± 1.5 Prozent. Dies ist anhand der Korrekturkurven der Figuren 3, 4 und 5 zu erkennen. Korrekturen für eine Linearität können in jedem Bereich vorgenommen werden, in dem der Wert in kV, wie er in jeder der Korrekturkurven der Figuren 3, 4 und 5 für die Bereiche der drei Filtersätze gezeigt ist, hinzuaddiert oder subtrahiert wird. Jenseits des Nutzbereichs eines jeden Filtersatzes kommt die Ungenauigkeit der Ablesungen jedoch deutlich zum Vorschein. Zum Beispiel zeigt die Korrekturkurve der Fig. 3 für den Filtersatz für 50 bis 90 kV, daß jenseits einer 90 kV-Ablesung die Ungenauigkeit der Ablesung deutlich über 3 KV hinaus ansteigt. Gleichartige Ungenauigkeiten kann man bei einer Überprüfung der Korrekturkurven der Figuren 4 und 5 erkennen. Anders ausgedrückt ist der Filtersatz, der in dem Bereich von 50 bis 90 kV hinreichend genau ist, über den restlichen Diagnosebereich bis 150 kV hinweg nicht mehr brauchbar. Daher ist es erforderlich, daß die Bedienungspersonen bei solchen kVp-Metern drei Sätze von Filtern verwenden, um über den ganzen Diagnosebereich von 50 bis 150 kV hinweg brauchbare Ablesungen zu erhalten.
Aus dem Obigen ist zu erkennen, daß ein aus Kupferfiltern hergestellter herkömmlicher Filtersatz einen begrenzten linearen Bereich aufweist und nicht über den gesamten Diagnosebereich hinweg wirksam verwendet werden kann. Versucht man überdies, ein solches Paar von Filtern über den Diagnosebereich hinweg zu verwenden, so wird der Dynamikbereich der Filter zum Problem. Das heißt, um ein angemessenes Signal für den Bereich niedriger Spannung von 50 bis 90 kVp zu erhalten, müssen die Filter aus einem relativ dünnen Material sein. Sind die Filter jedoch zu dünn, so zeigt das Verhältnis eine zu starke Abhängigkeit von Änderungen der dem Röntgengenerator eigenen Filterung an dem Ende hoher Spannung (75 bis 150 kV).
Erfindungsgemäß kann der Nutzbereich eines einzigen Filtersatzes erweitert werden, wodurch eine erhöhte Linearität und ein größerer Dynamikbereich erzielt werden, wobei wenigstens eines der Filter aus einem chemischen Element gebildet ist, das eine K-Kante innerhalb des interessierenden Spannungsbereiches aufweist. Zum Beispiel liegen in dem Röntgendiagnosebereich von 50 kV bis 150 kV verschiedene brauchbare chemische Elemente, die eine K-Kante aufweisen. Einige dieser Elemente sind weiter unten in der Tabelle I aufgelistet. Tabelle I Element K-Kante Gadolinium Erbium Tantal Wolfram Platin Gold Quecksilber Blei
Aus dem Obigen ergibt sich, daß die aufgelisteten chemischen Elemente bei Blei aufhören, das eine K-Absorptionskante bei 88.006 kV besitzt. Chemische Elemente über diesem Pegel neigen zur Radioaktivität, und sie werden derzeit nicht als praktisch verwendbar angesehen.
Im Vorliegenden werden drei unterschiedliche Aspekte der Erfindung aufgezeigt. Gemäß einem Aspekt wird das chemische Element, das eine K-Absorptionskante innerhalb des interessierenden Bereiches aufweist, in dem Verhältnis als Nenner verwendet, während es gemäß dem zweiten Aspekt in dem Verhältnis als Zähler verwendet wird, und gemäß dem dritten Aspekt werden zwei solche chemische Elemente verwendet, wobei eines als Zähler und das andere als Nenner in dem Verhältnis dient.
Gemäß dem ersten Aspekt wird für das Filter F2 ein chemisches Element verwendet, das eine K-Kante innerhalb des Diagnosebereichs aufweist. Da beabsichtigt ist, für Spannungen der hohen Pegel die Linearität zu verbessern und den Dynamikbereich zu vergrößern, besitzt dieses chemische Element eine K-Kante bei dem oberen Spannungspegel. Dieses chemische Element kann beipielsweise durch Blei gebildet sein, das eine K-Absorptionskante in der Größenordnung von 88 kV besitzt.
Es wird nun auf die Figuren 2, 6, 7 und 8 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt die charakteristische Kurve des Verhältnisses der Ströme I&sub1; zu I&sub2; gegenüber der von dem Röntgengenerator 16 gelieferten kV-Spannung für ein Paar von Filtern F1 und F2, die aus Kupfer hergestellt sind. Wie zuvor erläutert, ist das schwerere Filter F1 in dem Zähler der Gleichung, und es zeigt die höchste Abschwächungsrate. Die Abschwächungsraten dieser beiden Filter sind in Fig. 6 dargestellt, wobei die Kurve 42 die höhere Abschwächungsrate des Filters F1 in dem Zähler und die Kurve 44 die geringere Abschwächungsrate des leichteren Filters in dem Nenner darstellt. Die Verwendung dieser beiden Filter ergibt eine Kurve 40, die einen begrenzten linearen Bereich LR besitzt, der, wie zuvor im Zusammenhang mit den Figuren 3, 4 und 5 erläutert, für höhere kV-Pegel nicht besonders brauchbar ist.
Erfindungsgemäß wird der Nutzbereich zu höheren Spannungen erweitert, indem das Kupferelement des Filters F2 durch ein anderes chemisches Element ersetzt wird, das eine K-Absorptionskante nahe dem oberen Ende des interessierenden Spannungsbereiches besitzt. Das Kupfer kann beispielsweise durch Blei ersetzt werden, das eine K-Absorptionskante bei 88.0 kV besitzt. Die Abschwächungsrate für Blei ist in der Kurve 46 dargestellt, die zeigt, daß es eine Abschwächungsrate besitzt, die der der Kurve 44 (Fig. 6) von Kupfer sehr ähnlich ist, bis die Eingangsspannung einen besonderen Pegel erreicht, der der K-Absorptionskante des Bleifilters entspricht. Danach steigt die Abschwächungsrate des Bleifilters deutlich an, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Dadurch wird der Bereich des Filtersatzes erweitert, ohne den Fehler zu vergrößern. Das Bleifilter F2 wird in dem Nenner des Verhältnisses verwendet. Folglich bewirkt über der K-Absorptionskante die erhöhte Abschwächung des Nenners, daß der Nenner des Bruches des Verhältnisses für Spannungen oberhalb der K-Absorptionskante kleiner wird, in diesem Fall für Spannungen oberhalb 88 kV. Dies führt zu einem Anstieg des Verhältnisses, wodurch die Linearität der charakteristischen Kurve 40 von der in Fig. 2 gezeigten zu der in Fig. 8 durch die Kurve 50 dargestellten erweitert wird. Anhand eines Vergleichs der Kurven 50 und 40 ist festzustellen, daß der lineare Bereich LR der Kurve 40 nun auf den linearen Bereich LR 1 in Fig. 8 erweitert wurde. Dies erhöht die Linearität am oberen Ende des Filtersatzes, indem bei dem gleichen Fehler ein wesentlich größerer Spannungsbereich möglich ist oder innerhalb des gleichen Bereiches ein wesentlich kleinerer Fehler oder irgendeine Kombination davon gegeben ist. Überdies wird ein größerer Dynamikbereich erzielt, da das Filter F2 (der Nenner in der Verhältnisgleichung) für höhere Spannungen eine ansteigende Abschwächung zeigt und damit für niedrige Spannungen als leichtes Filter und für hohe Spannungen als schweres Filter wirkt.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein chemisches Element mit einer K-Absorptionskante innerhalb des interessierenden Spannungsbereiches in dem Zähler der Spannungsgleichung verwendet, indem das Kupferelement oder Filter F1 durch ein geeignetes chemisches Element ersetzt wird. Bei diesem Beispiel kann das Filter F1 das chemische Element Gadolinium enthalten, das eine K-Absorptionskante bei 50.240 kV (siehe Tabelle I) besitzt. Ein solches Material mit K-Kante erweitert die Linearität der charakteristischen Kurve für niedrige Spannungen aus Gründen, die gleichartig zu denen sind, die oben im Zusammenhang mit den in den Figuren 2 und 6 bis 8 gezeigten Kurven erörtert wurden. Die Erklärung dafür wird hier in leicht abgewandelter Form im Zusammenhang mit den in den Figuren 9 bis 12 gezeigten Kurven gegeben.
Fig. 9 zeigt die Dämpfungsraten für drei verschiedene Materialien A, B und C. So stellt die Kurve 54 die Abschwächungsrate für das Material A dar, während die Kurve 56 die des Materials B und die Kurve 38 die für das Material C zeigt. Werden die Materialien B und C als das Filter F1 bzw. F2 in Fig. 1 verwendet, so tritt die charakteristische S-Kurve für das durch die Sensoren S1 und S2 erfaßte Strahlungsverhältnis als Kurve 60 in Fig. 10 auf. In gleicher Weise tritt die charakteristische S-Kurve bei einer Verwendung der Materialien A und C als Filter F1 bzw. F2 als Kurve 62 in Fig. 10 auf.
Es wird nun auf Fig. 11 Bezug genommen. Hier ist ein neues Material D dargestellt, durch das die Materialien A und B in dem Zähler der Verhältnisgleichung ersetzt werden. Dieses Material D besitzt eine Abschwächungsrate, die der des Materials B (Kurve 56 in Fig. 9) entspricht, bis die Eingangsspannung einen bestimmten Pegel erreicht, der der K-Absorptionskante des Materials D entspricht. Danach steigt die Abschwächungsrate des Materials D, um der des Materials A (Kurve 54 in Fig. 9) zu entsprechen. Bei dem gegebenen Beispiel ist das Material D für das Filter F1 (dies ist der Zähler) Gadolinium, das eine K-Absorptionskante bei 50 kV besitzt. Die resultierende charakteristische S-Kurve ist in Fig. 12 gezeigt, die eine Kombination der S-Kurven 60 und 62 in Fig. 10 ist. Dies schafft dann einen erweiterten linearen Bereich LR-2 bei dem Ende niedriger Spannung des interessierenden Spannungsbereichs. Es ist festzustellen, daß durch die Verwendung eines Materials mit K-Kante wie Gadolinium für das Filter F1 der Nutzbereich des Filtersatzes an dem unteren Spannungsbereich erweitert wird, ohne dabei den Fehler zu erhöhen, oder umgekehrt, man kann den gleichen Bereich mit geringerem Fehler erzielen, indem man das Filter in dem Zähler durch ein solches ersetzt, das eine K-Kante bei einem relativ geringen Wert besitzt. Wie anhand von Fig. 11 festzustellen ist, besitzt der Zähler eine relativ hohe Abschwächungsrate für hohe Spannungspegel und eine geringe Abschwächungsrate für niedrige Spannungspegel. Überdies wird ein größerer Dynamikbereich erzielt, indem das Material D mit K-Absorptionskante als Zähler verwendet wird, da es die Abschwächung für geringere Spannungen verringert, während es die Abschwächung bei höheren Spannungen erhöht (d.h. unterhalb und oberhalb der K-Absorptionskante).
Gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung werden die charakteristischen Eigenschaften des ersten und des zweiten Aspektes in einem einzigen Filtersatz kombiniert, bei dem beide Filter F1 und F2 chemische Elemente enthalten, die K-Kanten innerhalb des interessierenden Spannungsbereiches besitzen. Damit wird ein erweiterter linearer Bereich geschaffen, der eine Erweiterung der Figuren 8 und 12 darstellt. So enthält bei dem gegebenen Beispiel das Filter F2 (in dem Nenner des Verhältnisses) das chemische Element Blei, um die Bereiche höherer Spannung zu erweitern, und das Filter F1 (in dem Zähler der Verhältnisgleichung) enthält das chemische Element Gadolinium, um den linearen Bereich für die kleineren Spannungen zu erweitern. Der Dynamikbereich des kombinierten Großbereichsfilters erstreckt sich über den gesamten interessierenden Spannungsbereich (in diesem Fall von etwa 40 kV bis 150 kV). Dies ist durch die Kurve 70 in Fig. 13 dargestellt, die zeigt, daß die Abweichung der von der Verhältnisschaltung 34 (Fig. 1) erhaltenen Ablesungen vom Linearen sich von weniger als 1 kV bis so viel wie 3 kV ändert. Dies ist vergleichbar mit den drei im Stand der Technik verwendeten Filtersätzen, wie sich aus den Korrekturkuven in den Figuren 3, 4 und 5 ergibt. Folglich kann durch eine Ausführung dieses Aspektes der Erfindung der Nutzbereich der Beziehung zwischen der Größe des Verhältnisses und der Eingangsspannung für einen einzigen Filtersatz über den gesamten Diagnosebereich von etwa 40 kV bis 150 kV erweitert werden.
Während die Erfindung bis jetzt in Verbindung mit dem Diagnosebereich einer Röntgenröhre beschrieben wurde, kann sie auch in dem Mammographiebereich (von etwa 15 kV bis 40 kV) angewandt werden. Es existieren verschiedene chemische Elemente, die eine K-Absorptionskante innerhalb dieses Bereiches besitzen und zur noch weitergehenden Erweiterung in den Arbeitsbereichen geringerer Spannung verwendet werden können. Zum Beispiel besitzt Molybdän eine K-Absorptionskante bei 19.999 kV, Cadmium besitzt eine K-Absorptionskante bei 26.711 kV, Zinn weist eine K-Absorptionskante bei 29.2 kV auf, und Barium besitzt eine K-Absorptionskante bei 37.411 kV.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen der Eingangsspannung, die an eine bei einer unbekannten Spannung betriebene Röntgenstrahlungsquelle (10) angelegt wird, innerhalb eines gegebenen Spannungsmeßbereichs, enthaltend:

zwei Strahlungsabsorptionsfilter (F1, F2) mit einem ein erstes chemisches Element enthaltenden ersten Filter (F1) und einem ein zweites chemisches Element enthaltenden zweiten Filter (F2);

wobei die Filter (F1, F2) innerhalb des Spannungsmeßbereiches unterschiedliche charakteristische Strahlungsabsorptionseigenschaften zeigen;

wobei die Filter (F1, F2) so positionierbar sind, daß das erste und das zweite Filter (F1, F2) durch die Strahlungsquelle (10) bestrahlt werden, wobei die Strahlung, die auf einer Oberfläche jedes der Filter (F1, F2) auftrifft, dadurch teilweise absorbiert wird, wenn sie durch sie hindurchtritt, so daß sie als geschwächte Strahlung aus den Filtern austritt;

Detektormittel (S1, S2), die für den Empfang der geschwächten, durch das erste und das zweite Filter hindurchgegangenen Strahlung positioniert sind, um ein erstes und ein zweites Signal zu liefern, die Größen aufweisen, die sich mit der geschwächten, durch das erste bzw. das zweite Filter (F1, F2) hindurchgegangenen Strahlung ändern;

Verhältnismittel (34) zur Erzeugung einer Verhältnisanzeige, die für das Verhältnis der Größe des ersten Signals zu der des zweiten Signals repräsentativ ist, wobei sich die Größe des Verhältnisses mit der des Eingangssignals über den Spannungsmeßbereich ändert;

wobei wenigstens eines der ersten und zweiten Elemente innerhalb des Spannungsmeßbereiches eine bekannte K-Absorptionskante zeigt, so daß dann, wenn die Eingangsspannung erhöht wird, um die bekannte K-Absorptionskante zu überschreiten, oder verringert wird, um unter diese zu fallen, das eine der chemischen Elemente charakteristische Eigenschaften einer größeren bzw. geringeren Abschwächung zeigt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Filter (F1, F2) die unterschiedlichen charakteristischen Strahlungsabsorptionseigenschaften auf beiden Seiten der jeweiligen bekannten K-Absorptionskante zeigen, um dadurch den den sich ändernden Verhältnissen zugeordneten Spannungsmeßbereich auf beide Seiten der bekannten K-Absorptionskante zu erweitern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das dem ersten Filter (F1) zugeordnete erste chemische Element die bekannte K-Absorptionskante zeigt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die bekannte K-Absorptionskante des dem ersten Filter (F1) zugeordneten ersten chemischen Elements bei einem Spannungspegel nahe dem unteren Ende des Spannungsmeßbereiches liegt, um dadurch die Abschwächungseigenschaften des ersten Filters (F1) für Eingangsspannungen unterhalb der bekannten K-Absorptionskante zu verringern.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das dem zweiten Filter (F2) zugeordnete zweite chemische Element die bekannte K-Absorptionskante zeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die bekannte K-Absorptionskante des dem zweiten Filter (F2) zugeordneten zweiten chemischen Elements bei einem Spannungspegel nahe dem oberen Ende des Spannungsmeßbereiches liegt, um dadurch die Abschwächungseigenschaften des zweiten Filters (F2) für Eingangsspannungen oberhalb der bekannten K-Absorptionskante zu erhöhen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das dem ersten Filter (F1) zugeordnete erste chemische Element eine erste K- Absorptionskante zeigt, und das dem zweiten Filter (F2) zugeordnete zweite chemische Element eine zweite K-Absorptionskante zeigt, wobei die zweite K-Absorptionskante bei einer wesentlich höheren Spannung als die erste K-Absorptionskante liegt, um dadurch die Abschwächungsrate des ersten Filters (F1) für Eingangsspannungen unterhalb der ersten K-Absorptionskante zu verringern und die Abschwächungsrate des zweiten Filters (F2) für Eingangsspannungen oberhalb der zweiten K-Absorptionskante zu erhöhen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das dem ersten Filter (F1) zugeordnete erste chemische Element Gadolinium und das dem zweiten Filter (F2) zugeordnete zweite chemische Element Blei ist.