SE532723C2 - Anordning för alstring av röntgenstrålning med stort reellt fokus och behovsanpassat virtuellt fokus - Google Patents

Description

532 723 2 en snedställd anodyta vilket gör att man får en ojämn filtrering av den utgående nyttiga strålningen. I praktiken kan energimängden vara upp till 30 % högre på katodsidan än på anodsidan. Dessa problem är kända för en fackman och tidigare kända röntgenrör konfigureras för att minska de negativa effekterna som beror på grundkonstruktionen av röntgenrören. Ett exempel på en konfiguration som minskar häleffektens negativa inverkan är att vid t.ex. thoraxavbildning vända anodsidan uppåt kroppen. Detta för att kompensera den lägre absorptionen av strålningen uppåt kroppen.

De ovan nämnda problemen var tidigare av mindre vikt då den detektor som uteslutande användes var det mänskliga ögat. Geometriskt relaterade gränser för det mänskliga ögat är vid dagsljus och 25 cmzs betraktningsavstånd ungefär 5 linjerpar per mm och en kontrastupplösning på ca 2% luminiscensskillnad. Men på senare år har utveckling inom elektronik och datateknik rörande avbildningsteknik gjort att långt effektivare detektorer kan nyttjas. Den nya tekniken ställer ökade krav på strålkällan. Det krävs högre fotontäthet per tidsenhet, mindre fokusstorlek och helst uniform fotonenergifördelning över hela strålfältet med hänsyn taget till nya detektorers energiberoende.

Det finns ett antal kända röntgenrör med rundad anod. US2004ll47l2 visar ett avbildningssystem som nyttjar en icke-plan anod vilket gör att objekt som är genomlysta i riktningen av strålning av elektroniska strålar mot ett mål att avbildas. Ett återstående problem är att röntgenröret inte avser koncentrera strålar. 10 15 20 25 30 532 123 3 EPl599883 beskriver ett röntgenrör där anoden är formad som en kon vilken sänder röntgenstrålar i en vid vinkel. Anoden har ett tunt mål lager. Ett återstående problem är att röntgenröret inte avser koncentrera strålar. ÄNDAMÅL OCH SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med uppfinningen är att anvisa en anordning för alstring av röntgenstràlning där de ovan nämnda problemen, geometrisk- och rörelseoskärpa samt häleffekt, minskar eller helt försvinner.

Detta ändamål uppnås av en anordning enligt patentkrav l. En sådan anordning innefattar en anod utformad som del av en sfärisk yta och med en eletronkälla, exempelvis en gödtråd, placerad i eller runt centrum för den sfäriska anodytan. Vidare innefattar anordningen minst ett virtuellt fokuselement vilket är anpassat för att släppa ut genererade fotoner till nyttostràlfältet.

En anordning enligt uppfinningen har en reell fokusyta som är större än fokusytor alstrade av hittills kända röntgenrörkonstruktioner med snedställd anodyta.

Därmed fås en ökad strålmängd per tidsenhet med en anordning enligt uppfinningen. Förutsättningen är att accelerationsspänningen mellan katod och anod är lika och att elektrontätheten per anodyteenhet är lika. Det virtuella fokuselementet kan anpassas till specifika användningsområden. Vid avbildning av rörliga objekt prioriteras hög fotontäthet och vid avbildning av små, icke-rörliga detaljer prioriteras litet fokus. Detta att tids- gör och geometrirelaterade fel vid avbildning 10 15 20 25 30 532 ?23 4 undviks. Vid alstring av nyttostrålning med anordning enligt uppfinningen är fotonerna dessutom mängd- och energimässigt likformigt fördelade över stràlfàltet vilket gör att detektorers energiberoende ej påverkar bildkvaliteten.

Fokuselementet kan vara utformat som ett punktfokus, flerpunktsfokus, slitsformigt fokus eller multifokus. Ännu en fördel med uppfinningen är att röntgenrörets virtuella fokus kan anpassas för terapi av hudnära tumörer, vilket möjliggör utrustning till lägre kostnad jämfört med vanligt förekommande högenergiacceleratorer.

FIGURBESKRIVNING Uppfinningen förklaras närmare under hänvisning till bifogade figurer, där Figur l visar en principskiss över en anordning för alstring av röntgenstrålning där nyttostrålningen tas ut genom ett virtuellt fokus.

Figur 2 är en förenklad figur av en anordning med virtuellt fokus där strålningen tas ut genom en tunn anod. Anoden skall vara så tjock att alla elektroner bromsas upp i anodmaterialet men så tunn att bara de bromsstrålningsfotoner med lägst energi absorberas- På Så sätt fungerar anodmaterialet som ett primärfilter för den uttagna nyttostrålningen.

För en fackman är kunskapen om uträkning av optimal anodtjocklek känd. 10 l5 20 25 30 532 723 Figur 3 är en anordning med virtuellt fokus där elektroner accelereras med elektronaccelerator och styrs till anoden med magnetisk lins.

Figur 4 är en principskiss över en anordning med virtuellt fokus, elektronaccelerator med 90 graders avlänkning och magnetisk lins.

Figur 5 visar en utföringsform.av uppfinningen där anordningen har en sfärisk anod med två foki för stereoavbildning.

Figur 6 visar en utföringsform av uppfinningen där anordningen har sfärisk anod med två foki för stereoavbildning. Stràlningen tas ut genom anoden.

Figur 7 är en principskiss över olika typer av fokusformer.

Figur 8 är en principskiss över stràlbehandlingsgeometri vid behandling av hudnära tumörvävnad med multifokusteknik.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPEL Uppfinningen beskriver en anordning för alstring av röntgenstràlning som utnyttjar tidigare känd teknik med elektronuppbromsning mot en anodyta vid bildandet av fotoner (bromsstràlning), men använder en helt ny teknik för att utnyttja de bildade fotonerna för avbildning eller terapi. 10 l5 20 25 30 53.53 723 6 Anordning i figur l kan användas för flera tillämpningsomràden. Endast rörspänning, rörström, fokusform och filtrering varieras efter behov.

Med referens till tidigare kända röntgenrör kan man utgå från en fokusstorlek på l kvadrat mm, det vill säga l mm * 1 mm samt en maximal rörström på lOOO mA och rörspänning på lOO kV.

Till skillnad mot tidigare kända fokusutformningar där fokusytan utformats så liten som möjligt visar uppfinningen en lösning där ytan utformas så stor som möjligt. Detta åstadkoms genom att anordningen för alstring av röntgenstrålning enligt uppfinningen innefattar en anod 9 som är utformad som en del av en sfär. Diametern på sfären kan exempelvis väljas till en vanligt förekommande anodtallrik's storlek, dvs cirka 120 mm. Om en fjärdedel av ytan används som fokusyta blir den ca ll.OOO kvadrat mm. Med en jämn fördelning av elektroner från katoden till den sfäriskt utformade anoden 9 kan antalet bromsstrålningsfotoner ökas med an faktor iiooo jämfört maa tidigare kanaa röntgenrör förutsatt att elektrontätheten per anodyteenhet är lika.

Vid lOO kV's accelerationsspänning är det så att bromsstrålningsfotonerna i stort sett sprids jämnt i alla riktningar. Det innebär att var man än tar ut fotonerna, på eller i närheten av sfärens centrallinje, får man en jämn foton- och totalenergifördelning från hela anodytan. Fotonerna kan även tas ut bakom anoden 9 förutsatt att anoden 9 är tillräckligt tunn. Pâ så sätt blir det genererade strålfältet ändå mer homogen och 10 15 20 25 30 “EE 733 7 symetriskt. Den lilla fördröjningen som de längst bort bildade fotonerna får i jämförelse med fotonerna närmast utgångshàlet, rörets virtuella fokus, är i storleksordningen 0,03 nanosekunder. Det gör att uppfinningen har klara fördelar vid avbildning av rörliga organ, som exempelvis ett hjärta. Ett hjärta, som är kroppens snabbast rörliga organ i vila, hinner på 0,03 nanosekunder röra sig ungefär 0,003 nanometer.

Uppfinningen gör att rörelseoskärpan blir obetydlig vid de flesta avbildningssituationer.

Strömmen av elektroner från katod till anod 9 kan arrangeras på flera sätt. Nedan följer två exempel.

Det första exemplet är en anordning för alstring av röntgenstrålning enligt uppfinningen vilket är anpassat till att i likhet med tidigare kända röntgenrör nyttja en glödtràd som ger termiskt frigjorda elektroner som utgör en rymdladdning kring anodsfärens centrum.

Det andra exemplet är anordning för alstring av röntgenstrålning enligt uppfinningen vilket nyttjar en elektronaccelerator, eventuellt med en avlänkning i exempelvis 90 graders vinkel, och med en magnetlins för spridning av elektroner över hela anodytan. Öppningen eller öppningarna på ett eller flera virtuella fokus kan utformas på många sätt. En öppning på ett virtuellt fokus, oavsett i vilken riktning nytto strålningen tas ut, kan exempelvis utformas som en dubbel tratt, vilket indikeras i figur l, figur 2, figur 3, figur 4, figur 5 och figur 6. Men öppningen eller öppningarna kan variera beroende pà tillämpning. 10 15 20 25 30 8 Exempel pà utformning av öppningar visas i figur 7. Öppningar kan vara anpassade för punktformig skuggavbildning, slitsformig för snittavbildning, dubbelpunktformig för stereoavbildning, multihålformig med varierbart energidjup.

Till varje virtuellt fokus kan ett filterpaket 5 vara applicerat som är lämpligt för ett visst avbildnings- eller terapitillfälle. Filter 5 anpassas enligt för fackmannen kända teorier.

Figur 1 visar en principskiss över en anordning för alstring av röntgenstrålning med virtuellt fokus 3.

Anordningen för alstring av röntgenstràlning har en sfäriskt utformad anod 9. Katoden innefattar en, elektronkälla, exempelvis en glödtråd, 10 placerad i eller symmetriskt kring centrum av anodsfären. Det är en fördel om katoden innefattar en fokuserande reflektor ll. Reflektorn ll har till uppgift att styra och fördela elektronerna från katoden till anodytan.

Det virtuella fokuset 4 är i en utföringsform placerat något vid sidan av centrum av den sfäriska anoden 9.

Den verkliga fokusytan 1 är en del av ytan på den sfäriskt utformade anoden. Bromstrålning 2 alstras då elektroner bromsas upp mot anodmaterialet. Vidare visas i figur l elektroner 3 vilka accelereras från katodens glödtråd till anoden. Anordningen innefattar ett virtuellt fokus 4 som är Valbar i storlek och form. Vid det virtuella fokuset 4 kan ett filterpaket vara placerat som är valt efter det specifika användningsomràdet för anordningen. En utgående nyttostrålning 15 tas ut och fördelas genom det virtuella fokuset 4. Anordningen skall innefatta någon 10 15 20 25 30 5312 TÉB 9 typ av strålningsskydd 7 så att inte skadlig, icke- nyttostràlning, lämnar anordningen. Figur 1 indikerar att en inre sfär av anordningen, katod och anod, skall vara inneslutet av ett glashölje eller hölje av annat material med vakum så att elektronbanor ej störs av kollisioner med luftmolekyler Anordningen innefattar eller är ansluten till någon typ av exponeringsbrytare 12, en högspänningkälla 13 och en glödspänningskälla 14 enligt känd teknik.

Figur 2 är en förenklad figur av en anordning för alstring av röntgenstrålning med virtuellt fokus 3 där strålningen tas ut genom en tunn sfärisk anod 22.

Bromsstràlning 20 alstras i anoden. I denna utföringsform är det virtuella fokuset 4 placerat ovan den sfäriska anoden 22, och följaktligen strömmar den resulterande nyttostrålningen 15 ut i en riktning ovan den sfäriska anoden 22. Stràlkällan 10, som exempelvis glödtràden, och den fokuserande reflektorn 11 är också i denna utföringsform anordnad centrum av den sfäriska anoden 22. Figur 2 visar vidare att det yttre strålskyddet 19 i denna utföringsform är en inkapsling av de inre delarna av anordningen innefattande den sfäriskt utformade anoden 22.

Figur 3 är en anordning för alstring av röntgenstrålning med virtuellt fokus 4 där elektroner accelereras med elektronaccelerator 32 och styrs till en tunn sfärisk anod 22 med magnetisk lins 31.

Bromsstràlning alstras i anoden. I denna utföringsform är det virtuella fokuset 4 placerat ovan den sfäriska anoden 22, och följaktligen strömmar den resulterande nyttostrålningen 27 ut i en riktning ovan den sfäriska 10 15 20 25 30 532 723 10 anoden 22. Strålkällan, som exempelvis glödtråden 10, och den fokuserande reflektorn 11 är också i denna utföringsform anordnad centrum av den sfäriska anoden 22. Figur 2 visar vidare att det yttre stràlskyddet 19 i denna utföringsform är en inkapsling av de inre delarna av anordningen innefattande den sfäriskt utformade anoden 22.

Figur 4 är en principskiss över anordningen med virtuellt fokus 4, elektronaccelerator 32 med en 90 graders avlänkare 38 och en magnetisk lins 31. I en variant på denna utföringsform innefattar anordningen en tjockare typ av anod, liknande den som visas i figur 1, där den utgående nyttostrålningen tas ut genom den magnetiska linsen 31 och eventuellt genom avlänkaren 38. Detta är möjligt då det alstrade magnetfältet inte störs av röntgenstràlning. Stràlskydd och vakumhölje är inte inritade i figur 3, men liknar strålskyddet 19 och vakumhöljet 8 som visas i figur 3.

Figur 5 visar en utföringsform av uppfinningen där anordningen har sfärisk anod 9 med två foki 41 och 42 för stereoavbildning. Den utgående nyttostrålningen 43 tas ut genom två virtuella foki 41och 42. Elektroner accelereras från katodens glödtràd 3 till anoden 9. De två virtuella fokusenheterna 4a, 4b är valbara i storlek och form. Vid de virtuella fokusenheterna 4a, 4b kan filterpaket 5a, 5b vara placerade som är valda efter det specifika användningsområdet för anordningen.

En utgående nyttostrålning 15 sprids genom de virtuella fokusenheterna 4a, 4b. Anordningen innefattar någon typ av strålningsskydd 7. Figur 3 indikerar att en inre 10 15 20 25 30 53,2 TÉB ll sfär av anordningen skall vara inneslutet av ett vakumhölje med vakum 8.

Figur 6 visar en utföringsform av uppfinningen där anordningen har en tunn sfärisk anod 9 med tvà foki 4a, 4b för stereoavbildning. Strålningen tas ut genom anoden 9. De två virtuella fokusenheterna 4a, 4b är valbara i storlek och form. Vid de virtuella fokusenheterna 4a, 4b kan filterpaket 5a, 5b vara placerade som är valda efter det specifika användningsomràdet för anordningen. En utgående nyttostràlning 50 sprids genom de virtuella fokusenneterna 4a, 4b. Anordningen innefattar någon typ av stràlningsskydd 7. Figur 6 indikerar att den inre sfären av anordningen skall vara inneslutet av ett hölje med vakum 8.

Figur 7 är en principskiss över olika typer av virtuella fokus 4. Ett multipunkt fokus 56a visas i figur 7 för olika typer av terapi. Utformningen av multipunkt fokuset 56a avgör fokuseringsdjupet 56b. Ett exempel på snitt A-A av multipunkt fokuset visas också i figur 7.

Vidare visas i figur 7 ett multislitsfokus 57a och ett exempel på snitt A-A 57b av multislitsfokuset 57a.

Ett exempel på slitsfokus 58a är avbildat i figur 7. Ett exempel på snitt A~A 58b av slitsfokuset 7 avbildas i figur 7. 10 l5 20 532 723 12 Figur 7 visar också en förenklad skiss över ett punktfokus 59a och ett snitt A-A 59b av ett punktfokus 59b.

Figur 8 är en principskiss över strålbehandlingsgeometri vid behandling av hudnära tumörvävnad med multifokusteknik. Anordningen innefattar en glödtràd 10, en fokuserande reflektor ll och en tunn sfärisk anod 22. Ett multipunktfokus 56a kan innefatta ett för ändamålet anpassat filter 57.

Vidare visas ett område för tumörvävnad 70 och ett område för frisk vävnad 71. Tumördjup utgörs av ett mått till den djupast liggande delen av tumören dn 72 från hud och den ytligaste liggande delen av tumören dO 73 från huden. Centrum för behandlingsdjupet d 75 beräknas från patientens hud till centrum av tumören.

Avstånd till patienten D 74 är avstånd till huden på patienten från den yttre delen av multipunktfokuset 56a. Fokuseringsdjup 76 är D+d.

Uppfinningen begränsas inte till de ovan nämnda utföringsexemplen, utan kan varieras på många sätt inom ramen för de bifogade patentkraven.

Claims (7)

l0 15 20 25 30 35 532 TÉE 13 PATENTKRAV

1. l. En anordning för alstting av röntgenstrålning, avsedd ßr avbildning eller terapi av mänsklig vävnad, innefattande en elektronkälla (10) vilken avser emittera elektroner, en anod (9) vilken utgör en del av en stärisk yta, kännetecknad av att elektronkällan (10) är anordnad i centrum av en tänkt sfár där del av sfaren utgörs av den sfáriska ytan, den inre ytan av anoden är täckt med ett material vilket är anpassat för att generera brornsstrålningsfotoner då ernitterade elektroner från elektronkällan (10) bromsas upp mot ytan, anordningen innefattar minst ett virtuellt fokuselement (4) vilka är anpassade för att släppa igenom genererade fotoner till ett nyttostrâlfalt.

2. . Anordning enligt patentkrav l där elektronkällan (10) innefattar en fokuserande reflektor, vinklad så att huvuddelen av elektronerna från elektmnkållan (10) avser träffa en del av ytan på insidan av anoden (9) vilken del av ytan utgör ett verkligt fokus (1).

3. . Anordníngen enligt patentkrav l eller 2 innefattande minst ett virtuellt fokuselernent (4) med minst en trattformad öppning.

4. . Anordning enligt patentkrav l innefattande två virtuella foki (4a , 4b) anordnade på samma avstånd från centrum av den sfariska anoden (9). 532 723 5 14

5. Anordningen enligt patentkrav l där det virtuella fokuselementet (4) är anordnat i en position fiamfór den konvexa yttre sidan av den siäriskt formade anoden (9). 1 O

6. Anordning enligt någon av föregående patentkrav där elektronkällan (10) utgörs av en glödtzåd.

7. Anordning enligt något av patentkrav 1 till 5 där eleklronkällan utgörs av en elektronaceeleiutor (32).