FR2717367A1

FR2717367A1 - X=ray source for mammography

Info

Publication number: FR2717367A1
Application number: FR9403095A
Authority: FR
Inventors: Gabbay Emile; Klausz Remy
Original assignee: GE Medical Systems SCS
Current assignee: GE Medical Systems SCS
Priority date: 1994-03-16
Filing date: 1994-03-16
Publication date: 1995-09-22
Anticipated expiration: 2014-03-16
Also published as: FR2717367B1

Abstract

An X-ray source for mammography comprises the usual evacuated tube enclosing a cathode from which electrons are directed by a high voltage difference on to a metal anode, which then produces X-rays having a spectrum which peaks at two characteristic frequencies, and a metal filter with a cut-off between the frequencies so that the higher frequency rays are absorbed to leave a fairly monochromatic X-ray beam.

Description

SOURCE A RAYONS X
POUR LA MAMMOGRAPHIE
L'invention concerne une source à rayons X utilisée en radiographie et tout particulièrement en mammographie présentant un spectre d'émission quasi monochromatique, permettant d'améliorer la qualité des images obtenues et notamment le contraste.X-RAY SOURCE
FOR MAMMOGRAPHY
The invention relates to an X-ray source used in radiography and very particularly in mammography having an almost monochromatic emission spectrum, making it possible to improve the quality of the images obtained and in particular the contrast.

Les sources à rayons X pour la mammographie se distinguent des sources pour les autres applications de la radiographie en raison de la nature de l'organe à radiographier. En effet, le sein est composé de trois tissus différents, la peau, le tissu adipeux et le tissu fibro-glandulaire, et peut être atteint de deux types de lésions différents, le carcinome et les calcifications.X-ray sources for mammography differ from sources for other radiography applications because of the nature of the organ to be X-rayed. Indeed, the breast is made up of three different tissues, the skin, adipose tissue and fibro-glandular tissue, and can be affected by two different types of lesions, carcinoma and calcifications.

De plus, le sein émet un important niveau de rayonnement diffusé. Ce sont les différences d'atténuation à travers le sein qui font le contraste de l'image et comme la composition des tissus qui le composent est voisine, il est nécessaire d'utiliser des rayonnements de basse énergie.In addition, the breast emits a significant level of scattered radiation. It is the differences in attenuation across the breast that make the image contrast, and since the composition of the tissues that compose it is close, it is necessary to use low-energy radiation.

Une source à rayons X est composée d'un tube à rayons X et d'une enveloppe protectrice appelée gaine. Un tube à rayons X comporte essentiellement une cathode émettant des électrons et une anode entre lesquelles est appliquée une haute tension électrique de façon à accélérer les électrons pour qu'ils entrent en collision avec les atomes de l'anode. Entre le faisceau d'électrons incidents en provenance de la cathode et les atomes du matériau cible de l'anode qui a un numéro atomique élevé, il existe un grand nombre d'interactions quand les électrons pénètrent dans la matière. La majorité de ces interactions consiste en une ionisation des couches extérieures des atomes de la cible, l'énergie des électrons se transformant en chaleur. Par contre, d'autres interactions plus rares produisent des rayons X, telles que: - le choc d'un électron contre un noyau d'atome,
l'énergie cinétique de l'électron se transformant en
énergie du photon X émis qui possède la longueur
d'onde la plus courte A 12.35
kV - le passage d'un électron à proximité d'un noyau qui
dévie sa trajectoire à cause de la forte attraction
électrostatique. L'électron sort de l'interaction avec
une perte d'énergie égale à l'énergie du photon X
émis, la décélération rapide de l'électron qui produit
la radiation correspond à un rayonnement par freinage; - le choc, ou le passage à proximité, d'un électron
incident et d'un électron qui orbite autour du noyau.An X-ray source is made up of an X-ray tube and a protective covering called a sheath. An X-ray tube essentially comprises a cathode emitting electrons and an anode between which a high electrical voltage is applied so as to accelerate the electrons so that they collide with the atoms of the anode. Between the incident electron beam from the cathode and the atoms of the target material of the anode which has a high atomic number, there are a large number of interactions when the electrons enter the material. The majority of these interactions consist of ionization of the outer layers of the target atoms, the energy of the electrons turning into heat. On the other hand, other rarer interactions produce X-rays, such as: - the shock of an electron against an atom nucleus,
the kinetic energy of the electron transforming into
energy of the emitted photon X which has the length
shortest wave A 12.35
kV - the passage of an electron near a nucleus which
deviates its trajectory because of the strong attraction
electrostatic. The electron comes out of the interaction with
an energy loss equal to the energy of photon X
emitted, the rapid deceleration of the electron that produces
radiation corresponds to radiation by braking; - shock, or passing nearby, of an electron
incident and an electron orbiting the nucleus.

Lorsque l'électron incident a une énergie suffisante,
l'électron en orbite est éjecté et la place vacante
est occupée par un électron d'une orbite extérieure.When the incident electron has sufficient energy,
the electron in orbit is ejected and the place vacant
is occupied by an electron from an external orbit.

Le passage d'un électron d'une orbite extérieure à une
orbite intérieure produit un photon X dont l'énergie
est caractéristique de l'atome.The passage of an electron from an external orbit to a
inner orbit produces an X photon whose energy
is characteristic of the atom.

Selon ces phénomènes, on constate que le spectre de rayons X émis par l'anode - c'est-à-dire la variation d'intensité de rayonnement en fonction de la longueur d'onde des photons émis - est composé d'une part d'un fond continu, appelé rayonnement de freinage, et d'autre part d'un spectre de raies caractéristiques du matériau d'anode, qui se superposent au fond continu et qui correspondent aux radiations semi-monochromatiques.According to these phenomena, it can be seen that the X-ray spectrum emitted by the anode - that is to say the variation in radiation intensity as a function of the wavelength of the photons emitted - is composed on the one hand of a continuous background, called braking radiation, and on the other hand of a spectrum of lines characteristic of the anode material, which are superimposed on the continuous background and which correspond to semi-monochromatic radiation.

L'origine de ces raies est une interaction électron incident-électron de l'atome et leurs longueurs d'onde sont définies par la nature de l'anode, c'est-à-dire par le numéro atomique de l'élément la constituant. La figure 1 représente le spectre d'une anode en Rhodium, soit l'intensité du rayonnement en fonction de la longueur d'onde, pour différentes valeurs de la tension d'excitation entre la cathode et l'anode.The origin of these lines is an incident electron-electron interaction of the atom and their wavelengths are defined by the nature of the anode, that is to say by the atomic number of the element constituting it. . FIG. 1 represents the spectrum of a Rhodium anode, ie the intensity of the radiation as a function of the wavelength, for different values of the excitation voltage between the cathode and the anode.

Le fond continu peut être exprimé, en première approximation, par une fonction linéaire de l'intensité
I en fonction de l'énergie E des photons émis
I(E) = C.Z.(Emax - E)
Z étant le numéro atomique et C une constante.The continuous background can be expressed, as a first approximation, by a linear function of the intensity
I as a function of the energy E of the photons emitted
I (E) = CZ (Emax - E)
Z being the atomic number and C a constant.

La figure 2 est une représentation graphique de l'intensité I du rayonnement émis en fonction de l'énergie E des photons, avec Emax = 100kV ou 60kV. FIG. 2 is a graphic representation of the intensity I of the radiation emitted as a function of the energy E of the photons, with Emax = 100kV or 60kV.

L'énergie photonique totale émise étant proportionnelle à l'aire de la courbe I = f(E), cette énergie est donc proportionnelle à E2maX car l'intensité totale s'écrit:

The total photonic energy emitted being proportional to the area of the curve I = f (E), this energy is therefore proportional to E2maX because the total intensity is written:

C
= ~ .Z.E2maX = K.Z.E2,ax
2
Ce spectre d'émission de l'anode peut être modifié, notamment par absorption par les milieux qu'il traverse avant d'atteindre l'objet à radiographier. Quand un faisceau de rayons X traverse un milieu, soit un matériau d'épaisseur constante d, son intensité subit une réduction et l'intensité I du faisceau transmis, obtenu après passage à travers la matière, est de la forme
I = Io.e~U-d = ss étant le coefficient d'absorption linéaire du milieu traversé, F étant la densité du matériau et /9 étant le coefficient massique d'absorption ou atténuation. Or ce coefficient massique d'absorption n'est pas constant pour les différentes longueurs d'onde, et les rayonnements mous sont absorbés plus rapidement que les rayonnements durs. Ainsi un filtre placé sur le trajet du rayonnement a tendance à homogénéiser le spectre. A ce phénomène d'absorption massique, il faut ajouter l'effet photoélectrique ou rayonnement de fluorescence produit par les photons qui chassent des électrons des couches K, L, etc... et provoque des discontinuités brutales d'absorption, comme le montre la figure 3 représentant la variation du coefficient d'absorption massique du platine en fonction de la longueur d'onde.VS
= ~ .Z.E2maX = KZE2, ax
2
This anode emission spectrum can be modified, in particular by absorption by the media it crosses before reaching the object to be radiographed. When an X-ray beam passes through a medium, i.e. a material of constant thickness d, its intensity undergoes a reduction and the intensity I of the transmitted beam, obtained after passing through the material, is of the form
I = Io.e ~ Ud = ss being the linear absorption coefficient of the medium crossed, F being the density of the material and / 9 being the mass coefficient of absorption or attenuation. However, this mass absorption coefficient is not constant for the different wavelengths, and soft radiation is absorbed faster than hard radiation. Thus a filter placed on the path of the radiation tends to homogenize the spectrum. To this phenomenon of mass absorption, it is necessary to add the photoelectric effect or fluorescence radiation produced by the photons which drive out electrons from the layers K, L, etc ... and causes abrupt discontinuities of absorption, as the FIG. 3 representing the variation of the mass absorption coefficient of platinum as a function of the wavelength.

L'électron arraché à l'atome est propulsé dans la matière avec une certaine énergie cinétique.The electron torn from the atom is propelled into matter with a certain kinetic energy.

Pratiquement toute l'énergie du photon incident est transmise à l'électron, ce qui entraîne une série d'ionisations et d'excitation avec finalement dissipation de chaleur. Lorsque le photon incident a l'énergie exacte de l'effet photoélectrique, soit h. J = EK - EL ou est l'énergie incidente qui correspond aussi à l'énergie d'émission des raies spectrales et où EK et EL sont les énergies des couches K et L respectives, le photon n'arrive plus à chasser un électron et l'effet photoélectrique cesse, provoquant une forte et brusque diminution de l'absorption.Virtually all of the energy from the incident photon is transmitted to the electron, which leads to a series of ionizations and excitations with ultimately heat dissipation. When the incident photon has the exact energy of the photoelectric effect, let h. J = EK - EL where is the incident energy which also corresponds to the emission energy of the spectral lines and where EK and EL are the energies of the respective K and L layers, the photon can no longer drive out an electron and the photoelectric effect ceases, causing a sharp and abrupt decrease in absorption.

Entre deux discontinuités d'absorption, le coefficient d'atténuation massique peut s'écrire en première approximation /p = c.z4.X3 {loi de Bragg-Pierce} où Z est le numéro atomique et Â la longueur d'onde.Between two absorption discontinuities, the mass attenuation coefficient can be written as a first approximation / p = c.z4.X3 {Bragg-Pierce law} where Z is the atomic number and Â the wavelength.

L'absorption est déterminante dans le choix du spectre des faisceaux utiles en radiographie. Ainsi des filtres additionnels d'Aluminium sont ajouter aux tubes à rayons X pour durcir les spectres, c'est-à-dire pour enlever la partie de rayonnement mou qui ne sert qu'à augmenter la dose de rayonnement absorbé par l'objet et qui ne participe pas à l'image radiographique. On peut aussi utiliser les discontinuités d'émission : par exemple, les sources de mammographie utilisent des spectres de Molybdène filtrés par du Molybdène, ou de
Rhodium filtrés par du Rhodium. L'énergie de la fréquence de coupure est légèrement supérieure à l'énergie de l'ensemble des deux raies Ka et Kp, de telle sorte qu'un filtre de même nature que l'anode absorbera les énergies inférieures à la zone des raies, et surtout supérieures en présentant une discontinuité d'absorption - une transparence - à l'endroit des raies émises par l'anode.The absorption is decisive in the choice of the spectrum of the beams useful in radiography. Thus additional aluminum filters are added to the X-ray tubes to harden the spectra, that is to say to remove the part of soft radiation which only serves to increase the dose of radiation absorbed by the object and which does not participate in the radiographic image. Emission discontinuities can also be used: for example, mammography sources use Molybdenum spectra filtered by Molybdenum, or
Rhodium filtered by Rhodium. The energy of the cutoff frequency is slightly higher than the energy of the set of two lines Ka and Kp, so that a filter of the same kind as the anode will absorb the energies lower than the zone of the lines, and especially superior by presenting a discontinuity of absorption - a transparency - at the place of the lines emitted by the anode.

Actuellement, il existe des sources à rayons X dont l'anode et le filtre sont réalisés à partir d'un matériau de même nature. Dans ce cas, si la tension d'excitation est légèrement supérieure à l'énergie des raies spectrales, soit par exemple égale ou supérieure à 22 keV dans le cas du Molybdène, avec un filtre d'épaisseur appropriée, il est possible de ne garder du spectre que l'ensemble des photons autour des raies spectrales comme le montrent les figures 4a à 4c qui sont respectivement, en fonction de l'énergie des photons X émis, l'intensité du rayonnement d'une anode, la variation d'absorption d'un filtre de même nature que cette anode et le rayonnement résultant de leur association.Currently, there are X-ray sources whose anode and filter are made from a material of the same kind. In this case, if the excitation voltage is slightly higher than the energy of the spectral lines, for example equal to or greater than 22 keV in the case of Molybdenum, with a filter of appropriate thickness, it is possible to keep of the spectrum as the set of photons around the spectral lines as shown in FIGS. 4a to 4c which are respectively, as a function of the energy of the X photons emitted, the intensity of the radiation from an anode, the variation in absorption a filter of the same nature as this anode and the radiation resulting from their association.

Dans certains cas, par exemple pour le Rhodium où l'énergie de la raie K est égale à 20,21 keV et celle de la raie Kp est égale à 23,10 keV, cette zone est trop large et présente une gamme de photons d'énergie trop étendue.In some cases, for example for Rhodium where the energy of the K line is equal to 20.21 keV and that of the Kp line is equal to 23.10 keV, this area is too wide and has a range of photons d too much energy.

Le but de la présente invention étant de résoudre ce problème, elle a pour objet une source à rayons X composée d'un tube à rayons X, d'une gaine protectrice et d'un filtre absorbant placé sur le trajet du faisceau de rayons X émis par le tube, ledit tube comprenant sous vide une cathode et une anode dont la face en regard de la cathode est en matériau à numéro atomique élevé destiné à émettre des rayons X sous l'effet des électrons émis par la cathode, caractérisée en ce que le matériau constituant le filtre présente une fréquence de coupure comprise entre les deux raies caractéristiques
Ka et Kp du spectre du rayonnement émis par le matériau de l'anode.The object of the present invention being to solve this problem, it relates to an X-ray source composed of an X-ray tube, a protective sheath and an absorbent filter placed on the path of the X-ray beam. emitted by the tube, said tube comprising under vacuum a cathode and an anode whose facing face of the cathode is made of material with a high atomic number intended to emit X-rays under the effect of the electrons emitted by the cathode, characterized in that that the material constituting the filter has a cut-off frequency between the two characteristic lines
Ka and Kp of the spectrum of the radiation emitted by the anode material.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description suivante illustrée par - la figure 5a qui est le spectre de rayonnement d'une
anode en Molybdène superposé à la variation de
l'absorption d'un filtre en Niobium; - la figure 5b qui est le spectre de rayonnement
résultant de leur association; les figures 1 à 4 déjà décrites concernent l'art antérieur.Other characteristics and advantages of the invention will appear in the following description illustrated by - Figure 5a which is the radiation spectrum of a
Molybdenum anode superimposed on the variation of
absorption of a Niobium filter; - Figure 5b which is the radiation spectrum
resulting from their association; Figures 1 to 4 already described relate to the prior art.

L'objet de l'invention se rapporte à une source à rayons X pour la mammographie, ayant pour caractéristique essentielle l'association d'un matériau d'anode et d'un matériau de filtre absorbant telle que la fréquence de coupure du filtre est entre les raies caractéristiques Ka et Kp du spectre de rayonnement émis par l'anode. Le filtre absorbant est placé sur le trajet du faisceau de rayons X émis par le tube, généralement à l'extérieur de la gaine protectrice mais pouvant aussi être mis à l'intérieur.The object of the invention relates to an X-ray source for mammography, having as an essential characteristic the association of an anode material and an absorbent filter material such that the cut-off frequency of the filter is between the characteristic lines Ka and Kp of the radiation spectrum emitted by the anode. The absorbent filter is placed in the path of the X-ray beam emitted by the tube, generally outside the protective sheath but can also be placed inside.

A chaque matériau d'anode, un ou deux éléments seulement pourront remplir cette condition. Ainsi pour le
Molybdène, utilisé en mammographie pour réaliser une anode de source à rayons X, et dont les deux raies caractéristiques du spectre de rayonnement sont respectivement à 17,5 keV et 19,5 kev, avec une fréquence de coupure du filtre en Molybdène à 20 keV, l'association avec un filtre en Niobium, dont la fréquence de coupure est à 18,99 keV, permet d'éliminer la raie Kp du Molybdène. La figure 5a est la superposition de I'intensité I de rayonnement du
Molybdène et de la variation de l'absorption du Niobium, en fonction de l'énergie des photons, et la figure 5b est l'intensité du rayonnement d'une anode en Molybdène à laquelle est associé un filtre en Niobium. On constate que seule subsiste la raie caractéristique K du
Molybdène.For each anode material, only one or two elements can fulfill this condition. So for the
Molybdenum, used in mammography to produce an anode of X-ray source, and whose two characteristic lines of the radiation spectrum are respectively at 17.5 keV and 19.5 kev, with a cutoff frequency of the Molybdenum filter at 20 keV , the association with a Niobium filter, the cut-off frequency of which is 18.99 keV, makes it possible to eliminate the Kp line from Molybdenum. Figure 5a is the superimposition of the radiation intensity I of the
Molybdenum and the variation of the absorption of Niobium, as a function of the energy of the photons, and Figure 5b is the intensity of the radiation of a Molybdenum anode with which is associated a Niobium filter. We note that only the characteristic line K of the
Molybdenum.

Pour le Rhodium, également utilisé pour réaliser des anodes de mammographie, il faut associer un filtre en
Ruthénium dont la limite d'absorption est à 22,12 keV pour ne garder que la raie caractéristique Ka à 20,2 keV et éliminer la raie d'énergie 23,2 keV trop pénétrante et donc responsable de la diminution du contraste de l'image dans certains cas.For Rhodium, also used to make mammography anodes, a filter must be combined
Ruthenium whose absorption limit is at 22.12 keV to keep only the characteristic Ka line at 20.2 keV and eliminate the 23.2 keV energy line which is too penetrating and therefore responsible for the decrease in contrast of the image in some cases.

Selon une variante de l'invention, il est possible de créer une source à rayons X à partir de l'association d'une anode et de différents filtres dont les matériaux respectifs présentent les mêmes caractéristiques vis-à-vis de cette anode que celles décrites précédemment, dans le but d'obtenir des images de mammographie particulières par exemple. Un mode particulier de réalisation d'une association selon l'invention consiste à associer un tube à rayons X à anode en Rhodium et un filtre en Ruthénium, d'une épaisseur égale à environ 3/lOOmm, sur le faisceau direct des rayons X émis par l'anode. Le spectre du rayonnement obtenu en sortie du filtre ne présente que la raie Ka à 20,21 keV du Rhodium, la fréquence de coupure du filtre étant à 22 keV. Or, si l'énergie du rayonnement participant à l'image de mammographie est voisine de 20,2 keV, l'énergie moyenne du rayonnement diffusé par le sein est à 0,8 keV en dessous, soit de 19,4 keV. L'invention consiste à remplacer la grille antidiffusion, habituellement utilisée et qui est un filtre mécanique, en premier lieu par une plaque de
Molybdène dont la fréquence de coupure est à 20,00 keV.According to a variant of the invention, it is possible to create an X-ray source from the association of an anode and different filters, the respective materials of which have the same characteristics with respect to this anode as those described above, in order to obtain particular mammography images for example. A particular embodiment of an association according to the invention consists in associating an X-ray tube with a Rhodium anode and a Ruthenium filter, of a thickness equal to approximately 3/100 mm, on the direct beam of the emitted X-rays. through the anode. The spectrum of the radiation obtained at the output of the filter only shows the Ka line at 20.21 keV of the Rhodium, the cut-off frequency of the filter being at 22 keV. However, if the energy of the radiation participating in the mammography image is close to 20.2 keV, the average energy of the radiation diffused by the breast is 0.8 keV below, or 19.4 keV. The invention consists in replacing the anti-diffusion grid, usually used and which is a mechanical filter, in the first place by a plate of
Molybdenum with a cut-off frequency of 20.00 keV.

En sortie de ce filtre de Molybdène, seul le rayonnement diffusé à 19,4 keV est recueilli. En second lieu, on remplace ce filtre de Molybdène par une plaque de
Ruthénium qui laisse passer à son tour l'image de mammographie et le rayonnement diffusé par le sein.At the output of this Molybdenum filter, only the radiation scattered at 19.4 keV is collected. Second, we replace this Molybdenum filter with a plate of
Ruthenium which in turn lets pass the mammography image and the radiation diffused by the breast.

La soustraction de ces deux résultats obtenus après traversée de ces deux plaques respectives permet d'obtenir l'image filtrée. L'invention a aussi permis l'amélioration de la qualité de l'image et notamment son contraste. Subtracting these two results obtained after crossing these two respective plates makes it possible to obtain the filtered image. The invention also made it possible to improve the quality of the image and in particular its contrast.

Claims

1. X-ray source for mammography composed of an X-ray tube, a protective sheath and an absorbent filter placed in the path of the X-ray beam emitted by the tube, said tube comprising under vacuum a cathode and an anode whose facing face of the cathode is made of material with a high atomic number intended to emit X-rays under the effect of the electrons emitted by the cathode, characterized in that the material constituting the filter has a cut-off frequency included between the two characteristic lines K and Kp of the spectrum of the radiation emitted by the anode material.

2. X-ray source according to claim 1, characterized in that the anode is made of Molybdenum and the filter is made of Niobium.

3. X-ray source according to claim 1, characterized in that the anode is made of Rhodium and the filter is made of Ruthenium.