Röntgengenerator mit Dosisleistungsregelung

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Röntgengenerator mit einem Regler für die Dosisleistung. Um diesen Regler universell für verschiedene Untersuchungsarten einsetzen zu können, wird als Regler ein durch ein Mikroprozessorsystem ge­bildeter Abtastregler verwendet. Es sind Speicher vorge­sehen, in denen für die verschiedenen Untersuchungsarten die Abtastfrequenz und die Stellfunktionen abgelegt sind sowie die Programme, nach denen der Abtastregler für die verschiedenen Untersuchungsarten die Stellgrößen berechnet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Röntgengenerator mit Stell­gliedern zumindest für den Röhrenstrom und die Röhren­spannung, einem Regler, der in Abhängigkeit von dem Istwert und dem Sollwert der Dosisleistung auf die Stell­glieder einwirkt, wenigstens einer Meßeinrichtung zur Messung des Istwertes der Dosisleistung, und mit einer durch den Benutzer betätigbaren, die Untersuchungsart sowie den Sollwert der Dosisleistung festlegenden Wähl­einrichtung.

[0002] Ein solcher Röntgengenerator ist aus der DE-OS 26 53 252 bekannt. Damit können einerseits Schichtaufnahmen ange­fertigt werden und andererseits Buckyaufnahmen, bei denen die Aufnahmezeit einen oberen und einen unteren Grenzwert nicht überschreitet.

[0003] Viele Untersuchungsarten erfordern unterschiedliche Zeit­konstanten. Im Kinobetrieb und im gepulsten Durchleuch­tungsbetrieb beispielsweise sind relativ große Zeit­konstanten erforderlich, um einen unruhigen Bildeindruck zu vermeiden. Bei Serienaufnahmebetrieb mit bis zu l5 Bildern pro Sekunde hingegen ist eine wesentlich schnellere Dosisleistungsregelung erforderlich.

[0004] Weiterhin können unterschiedliche Untersuchungsarten unterschiedliche Stellfunktionen, d.h. eine unterschied­liche Zuordnung der jeweiligen Werte von Röhrenstrom und Röhrenspannung, erfordern. Man müßte also für jede Unter­suchungsart einen gesonderten Regler vorsehen, wenn man mit dem bekannten Röntgengenerator eine Dosisleistungs­regelung bei den verschiedenen Untersuchungsarten erreichen wollte.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Röntgengenerator der engangs genannten Art so auszugestalten, daß mit geringem Aufwand eine für verschiedene Untersuchungsarten geeignete Dosisleistungsregelung erreicht wird.

[0006] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Regler ein durch ein Mikroprozessorsystem gebildeter Abtastregler ist, daß ein Speicher vorgesehen ist, in dem für die verschiedenen Untersuchungsarten die Abtastfrequenz und die Stellfunktion abgelegt ist, und daß der Abtastregler entsprechend der Stellfunktion und nach einem in einem weiteren Speicher abgelegten Programm die Stellgrößen für das nächste Abtastintervall berechnet und die Stellglieder entprechend steuert.

[0007] Die Abtastfrequenz des Abtastreglers und damit die Regel­geschwindigkeit können mittels eines in dem Mikro­prozessorsystem enthaltenen programmierbaren Zählers bestimmt werden, der mit einem dem Abtastintervall ent­sprechenden und der jeweiligen Untersuchungsart zugeord­neten Wert aus dem Speicher geladen wird. Das gleiche gilt für die Stellfunktionen. Die Realisierung dieser Stell­funktionen und das Regelverhalten (Proportionalverhalten bzw. Integralverhalten) der Dosisleistungsregelung bei der jeweiligen Untersuchungsart werden durch das Programm bestimmt, nach dem in dem Abtastregler die Stellgrößen für das nächste Abtastintervall bestimmt werden.

[0008] In der Regel wird die Dosisleistung in den verschiedenen Untersuchungsarten nicht mit demselben Meßorgan bestimmt. Die Dosisleistung bei einer Schichtaufnahme kann bei­spielsweise mit einer Ionisationskammer bestimmt werden, während sie bei Betrieb mit einer Kinokamera mittels eines Fotovervielfachers bestimmt und im Durchleuchtungsbetrieb aus dem Videosignal abgeleitet wird. Um die Dosis­leistungsregelung unabhängig vom konkreten Aufbau der jeweils benutzten Meßeinrichtung zu gewährleisten, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß mehrere Meß­einrichtungen vorgesehen sind, von denen bei jeder Unter­suchungsart jeweils eine wirksam ist, daß Anpaßverstärker vorgesehen sind, die das Ausgangssignal der Meßeinrichtung bei vorgegebener Dosisleistung auf einen vorgegebenen Pegel bringen, und daß eine Umschaltvorrichtung vorgesehen ist, die die für die jeweilige Untersuchung bestimmte Meß­einrichtung mit dem Abtastregler koppelt.

[0009] Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Abtastfrequenz in einem ersten Abschnitt einer Röntgen­aufnahme einen ersten Wert und in einem darauffolgenden Abschnitt einen zweiten Wert hat, und daß der erste Wert wesentlich größer ist als der zweite Wert. Dadurch kann ein günstiges Einschwingverhalten erreicht werden, wenn der erste Abschnitt mit hoher Abtastfrequenz beendet wird, sobald beispielsweise die Röhrenspannung einen vorgebbaren Bruchteil ihres Startwertes erreicht hat. In der ersten Phase müssen wegen der erhöhten Abtastfrequenz einfachere und verkürzte Regelalgorithmen verwendet werden, die sicherstellen, daß hinreichend schnell schon ein auswert­bares Dosisleistungssignal vorliegt, solange die Röhren­spannung noch nicht wesentlich von ihrem Startwert abweicht.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. l ein Blockschaltbild eines Röntgengenerators nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Teils des Röntgen­generators und

Fig. 3a und 3b Stellfunktionen für verschiedene Unter­suchungsarten.

[0011] Fig. l zeigt in schematischer Darstellung eine Röntgen­anlage mit einem Röntgengenerator l und einer Röntgen­röhre 2, deren Strahlung einen durch den Körper l3 symbo­lisierten Untersuchungsbereich durchsetzt und entweder auf einem in einem Kassettenhalter 4 positionierten Film oder am Ausgangsschirm eines Röntgenbildverstärkers 5 ein Röntgenschattenbild erzeugt. Bei Verwendung eines Röntgen­films wird die Dosis bzw. die Dosisleistung mittels einer Ionisationskammer 3 gemessen und einer Einheit 30 zur Dosisauswertung zugeführt. Das Ausgangsbild des Bild­verstärkers 5 kann mittels einer Kinokamera 7, einer Blatt- oder Rollfilmkamera 8 oder einer Fernsehkamera 9 bzw einer daran angeschlossenen Fernsehkette 90 mit Monitor 9l aufgenommen werden. Im optischen Strahlengang befindet sich eine einstellbare Irisblende ll.

[0012] Der Röntgengenerator l enthält u.a. Stellglieder, mit denen die Röhrenspannung, der Röhrenstrom und die Brenn­fleckgröße eingestellt werden können. Das Röhren­spannungs-Stellglied l00 kann beispielsweise einen Mittel­frequenzumrichter mit Hochspannungserzeuger und Gleich­richterkombination enthalten. Als Röhrenstrom-Stell­glied ll0 kann eine Gittersteuerungseinheit dienen oder ein elektronisch geregelter Heizkreis, und das Brenn­fleck-Stellglied l20 kann auch so ausgebildet sein, daß damit nur die Brennfleckgröße zwischen zwei Werten umge­schaltet werden kann.

[0013] Die Stellglieder l00, ll0 bzw. l20 erhalten ihre Stell­signale über Leitungen l43, l4l bzw. l42 von einem Abtast­regler l40. Dieser erhält seine Sollwerte und Stell­funktionen aus einer Zentralsteuereinheit und seine Ist­werte entweder von der Ionisationskammer 3, dem Foto­vervielfacher l2 oder der Fernsehkette 90 über Anpaß­verstärker l7l, l72 und l73, die die Ausgangssignale dieser Meßorgange auf einen normierten Pegel bringen und über die Umschaltvorrichtung l70, die über die Leitung l75 so gesteuert wird, daß dem Abtastregler l40 über die Leitung l44 das Ausgangssignal jeweils eines der drei Anpaßverstärker l7l...l73 zugeführt wird.

[0014] Die Zentralsteuereinheit l60 ist über eine bidirektionale Verbindung l62 mit einer Wähleinrichtung in Form eines Bedienpultes l80 gekoppelt. Der Benutzer wählt hierbei beispielsweise durch Betätigen einer Taste die Unter­suchungsart, woraufhin in einem Speicher der Zentral­steuereinheit l60 die zugehörige Abtastfrequenz sowie die Stellfunktion aufgerufen und über die Verbindung l59 in einen Speicher des Abtastreglers l40 geladen werden.

[0015] Der Aufbau des Abtastreglers l40 und der Zentralsteuer­einheit l60 ergibt sich aus Fig. 2. Beide enthalten einen Mikroprozessor l47 bzw. l65 sowie Festwert- und Schreib/­Lesespeicher l48 bzw. l66 und Ein/Ausgabeeinheiten l49 bzw. l64, l67. Beide Einheiten enthalten einen pro­grammierbaren Zähler l50 bzw. l69. Der Abtastregler l40 enthält darüber hinaus einen Analog-Digital-Wandler l46 zur Umsetzung der die Istwerte darstellenden analogen Signale auf der Leitung l44 in Digitalwerte und Digital-­Analog-Wandler l45, die die vom Mikroprozessor l47 erzeugten digitalen Stellsignale in Analogsignale umsetzen, welche über die Leitungen l4l, l42 und l43 zu den zugehörigen Stellgliedern gelangen.

[0016] In dem Speicher l66 der Zentralsteuereinheit l60 sind für jede Untersuchungsart die optimale Stellfunktion, die erforderliche Abtastfrequenz sowie weitere Parameter, z.B. die Bildfrequenz, die minimale und die maximale Aufnahmezeit (bei Kinoaufnahmetechnik) usw. gespeichert. Diese Programme können über die bidirektionale Verbindung l62 vom Bedienpult l80 aus aufgerufen werden. Sie werden vor Beginn der Aufnahme über die Ein/Ausgabe-­Schnittstelle l67 der Zentralsteuereinheit l60 und die Verbindung l59 an die Ein/Ausgabe-Schnittstelle l49 des Abtastreglers l40 übertragen. Die Stellung der Aufnahme­zeit erfolgt mittels des programmierbaren Zählers l69, der vom Aufnahmebeginnsignal gestartet wird und bei Ablauf der Aufnahme ein Signal erzeugt, das über die u.a. mit dem Hochspannungs-Stellglied l00 verbundene Leitung l6l die Röhrenspannung und damit die Röntgenstrahlung abschaltet, und das über die Interruptleitung l58 auf den Mikro­prozessor l47 im Abtastregler l40 einwirkt. Dieser berechnet nach einem in dem Speicher l48 abgelegten Programm, das in Abhängigkeit von der jeweiligen Unter­suchungsart aufgerufen wird, innerhalb eines Abtastinter­valls die Stellsignale für das nächste Abtastintervall.

[0017] Die Funktion des Röntgengenerators soll nachstehend für zwei verschiedene Untersuchungsarten erläutert werden.

A) Kinoaufnahmen

[0018] Bei dieser Untersuchungsart wird mit der Kinokamera eine Vielzahl von Röntgenbilder erzeugt, im allgemeinen zwischen 50 und 300 Bildern pro Sekunde, Röntgenbilder erzeugt. Dabei ist an sich eine Regelung der Dosis pro Bild erforderlich. Aufgrund von Störgrößen auftretende Dosisabweichungen müssen jedoch nicht innerhalb eines Bildes, sondern nach einigen zehn Bildern ausgeregelt werden, da anderenfalls ein unruhiger Bildeindruck (Flackern) entstünde. Die Dosis ist damit ein Abtast­signal, das nach jedem Bild zur Verfügung steht. Die Abtastfrequenz entspricht also dabei der Bildfrequenz.

[0019] Es sei angenommen, daß nach dem i-ten Bild einer Folge von Kinobildern ein Signal D_i anliege, das die während dieses Bildes empfangene Dosis darstellen soll. Die für die richtige Schwärzung eines Bildes erforderliche Dosis möge jedoch D_s sein und von D_i abweichen. Die erforderlichen Stellsignale für das Röhrenspannungs-­Stellglied l00 und dasRöhrenstrom-Stellglied ll0 werden dann wie folgt berechnet:

[0020] A.l) Es wird zunächst eine Röhrenspannung U_x nach der Beziehung

U_x = U_i * (D_s/D_i)^l/a

[0021] Dabei ist U_i die während des letzten Bildes einge­stellte Röhrenspannung und a der Exponent, mit dem sich die Dosisleistung bei einer Änderung der Röhren­spannung ändert. Die so berechnete Spannung U_x stellt den Wert dar, der bei einer Regelung mit Proportio­nalverhalten erforderlich wäre, bei der die Dosis bzw. die Dosisleistung ausschließlich durch Änderung der Röhrenspannung geregelt wird.

[0022] Anschließend wird in Abhängigkeit von der für diese Untersuchungsart geladenen Stellfunktion der zu U_x zugehörende Röhrenstrom I_x bestimmt. Eine für den Kinobetrieb geeignete Stellfunktion ist in Fig. 3a dargestellt. Die in dem Röhrenstrom/Röhrenspannungs­diagramm eingetragene Kurve gibt an, in welcher Weise Röhrenspannung und Röhrenstrom geändert werden sollen, um eine Änderung der Dosisleistung zu erreichen. Die Kurve beginnt bei der kleinstmöglichen Röhrenspannung und dem kleinstmöglichen Röhrenstrom mit einem horizontalen Abschnitt, d.h. zur Änderung der Dosisleistung wird in diesem Bereich lediglich die Spannung geändert. An diesen Abschnitt schließt sich ein zweiter Abschnitt an, in dem zur Änderung der Dosisleistung Röhrenstrom und Röhrenspannung gleichsinnig geändert werden. Diesem zweiten Abschnitt folgt ein dritter, wiederum horizontal verlaufender Abschnitt, der durch den maximalen Röhrenstrom bestimmt ist. Auf diesen dritten Abschnitt folgt ein vierter Abschnitt, der durch die Belastbarkeit des Brennflecks der Röntgenröhre vorgegeben ist und der einen hyperbelförmigen Verlauf hat. In diesem Abschnitt werden zur Änderung einer Dosisleistung Röhrenspannung und Röhrenstrom gegen­sinnig zueinander so verändert, daß ihr Produkt konstant bleibt. Die in Fig. 3a dargestellte Stell­funktion wird dadurch gespeichert, daß die Werte von Röhrenstrom und Röhrenspannung an den Anfangs- bzw. Endpunkten der einzelnen Abschnitte gespeichert werden. Für Zwischenstellgrößen (z.B. Heizstrom), die nichtlineare Abhängigkeiten zu Röhrenstrom und Röhrenspannung aufweisen, kann die Beschreibung der Kennlinie mittels der Anfangs- und Endpunkte nicht ausreichend sein. In diesem Fall werden eine Vielzahl von Punkten auf der Kennlinie gespeichert.

[0023] A.3) Nachdem auf diese Weise anhand der Stellfunktion gemäß Fig. 3a der zu der Röhrenspannung U_x gehörende Röhrenstrom I_x bestimmt ist, wird eine Röhrenstrom­änderung Δ I_x nach der Formel

Δ I_x = h (I_x-I_i) + k (I_i-I_i-l)
berechnet. h ist dabei ein Faktor, der das Propor­tionalverhalten der Regelung bestimmt, während der Faktor k das Integralverhalten der Regelung defi­niert. Der Wert I_i-l ist dabei der Röhrenstrom während des vorletzten Bildes.

[0024] A.4) Anschließend wird der beim nächsten Röntgenbild ein­zustellende Röhrenstrom nach der Beziehung

I_i+l = I_i + ΔI_x

berechnet.

[0025] A.5) Die bei dem nächsten Röntgenbild einzustellende Röhrenspannung U_i+l wird nach der Beziehung

U_i + (U_x-U_i)(l-C)

berechnet, wobei C = Δ I_x/I_x gilt. Die so berechneten Werte von Röhrenstrom und Röhrenspannung werden den Stellgliedern l00 und ll0 über die Leitungen l43 und l4l als Stellsignale vorgegeben. Die sich danach ergebende Dosis wird wiederum gemessen, wonach erneut die Stellsignale berechnet werden usw.
In ähnliche Weise kann die Regelung bei der gepulsten Durchleuchtung erfolgen, bei der der Istwert aus den Signalen der Fernsehkette 90 abgeleitet wird. Aller­dings können dabei eine andere Abtastfrequenz und eine andere Stellfunktion vorgegeben sein.

B) Serienaufnahmebetrieb mit der Rollfilmkamera 8

[0026] Bei dieser Untersuchungsart mit Bildfrequenzen bis zu l5 Bildern pro Sekunde sollte jedes Bild korrekt belichtet sein, wobei die Aufnahmedauer einen unteren und einen oberen Grenzfrequenz nicht überschreiten soll. Um die Grenze der Aufnahmedauer bei keiner Einzelaufnahme zu überschreiten, muß die bildgebende Dosisleistung geregelt werden. Eine angepaßte Abtast­frequenz ergibt sich aus der kürzesten Aufnahmezeit. Wenn diese l0 bis 20 ms beträgt, sollte die Abtast­frequenz etwa l kHz betragen.

[0027] Zu diesem Zweck wird ein interner Teiler der Takt­frequenz des Abtastreglers entsprechend eingestellt und auf einen Interrupteingang der Zentraleinheit ge­schaltet, sobald die Röhrenspannung ihren zu Beginn vorgegebenen Startwert erreicht hat. In jedem dadurch angestoßenen Abtastintervall wird die Dosisleistung bzw. die bis dahin aufgelaufene Dosis über den Analog-­Digital-Wandler l46 als Istwert eingelesen und die Differenz zu dem Führungswert aus dem Speicher wird bestimmt. Die Berechnung der Stellgröße erfolgt dabei wie folgt:

B.l) Es wird zunächst eine Spannung U_x nach der Beziehung

U_x = U_i(D_s/D_i)^l/(a+l)

berechnet.

B.2) Im zweiten Schritt wird mit Hilfe des so berechneten Wertes U_x ein Wert Δ U_x gemäß der Formel

Δ U_x = m (U_x-U_i) + n (U_i-U_i-l)

berechnet. Dabei ist m ein das Proportionalverhalten der Regelung bestimmender Faktor, n ein Faktor, der das Integralverhalten der Regelung bestimmt und U_i-l der Wert der Röhrenspannung im vorletzten Abtastintervall.

B.3) Anschließend wird die nächste Stellgröße für die Röhrenspannung nach der Beziehung

U_i+l = U_i + Δ U_x

berechnet.

B.4) In einem weiteren Schritt wird der zugehörige Röhren­strom I_i+l anhand der Stellfunktion ermittelt, die in diesem Fall gemäß Gleichung B.3) durch eine Gerade definiert wird, deren Eckpunkte gespeichert sind.

[0028] Das Aufnahmeende erfolgt, wenn die für die Aufnahme erforderliche Solldosis erreicht ist.

[0029] In ähnlicher Weise erfolgt die Regelung bei Schichtauf­nahmen. Da bei diesen die Aufnahmezeit jedoch fest vorgegeben ist, erfolgt das Aufnahmeende in diesem Fall mit Hilfe eines programmierbaren Zählers.

[0030] Bei den zuvor beschriebenen Untersuchungsarten, bei denen schon die einzelne Aufnahme richtig belichtet sein muß, ergibt sich ein besonders günstiges Einschwingverhalten, wenn zu Beginn einer Aufnahme im Zeitraum vom Einschalten bis zum Erreichen von ca. 95% des Startwertes der Röhren­spannung auf einen Wert gesetzt wird, der wesentlich höher ist, z.B. 5 kHz. Bei dieser erhöhten Abtastfrequenz müssen einfachere und verkürzte Regelalgorithmen verwendet werden, die sich von den oben genannten insofern unter­scheiden, als einerseits detektiert werden soll, ob ein auswertbares Dosisleistung vorliegt und andererseits eine genügend schnelle Röhrenspannungsänderung erfolgen soll, wenn die gemessene Dosisleistung wesentlich zu hoch ist. Dadurch wird eine Überbelichtung des Röntgenbildes verhindert. Nach Ablauf des Einschwingvorganges wird die Abtastfrequenz auf den oben genannten Wert (l kHz) eingestellt.

Ansprüche

1. Röntgengenerator mit Stellgliedern zumindest für den Röhrenstrom und die Röhrenspannung, einem Regler, der in Abhängigkeit von dem Istwert und dem Sollwert der Dosis­leistung auf die Stellglieder einwirkt, wenigstens einer Meßeinrichtung zur Messung des Istwertes der Dosis­leistung, und mit einer durch den Benutzer betätigbaren, die Untersuchungsart sowie den Sollwert der Dosisleistung festlegenden Wähleinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (l40) ein durch ein Mikroprozessorsystem gebildeter Abtastregler ist, daß ein Specher (l48, l66) vorgesehen ist, in dem für die ver­schiedenen Untersuchungsarten die Abtastfrequenz und die Stellfunktion abgelegt ist, und daß der Abtastregler entsprechend der Stellfunktion und nach einem in einem weiteren Speicher (l48, l66) abgelegten Programm die Stellgrößen für das nächste Abtastintervall berechnet und die Stellglieder entprechend steuert.

2. Röntgengenerator nach Anspruch l,
dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßeinrichtungen (3, l2, 90) vorgesehen sind, von denen bei jeder Unter­suchungsart jeweils eine wirksam ist, daß Anpaß­verstärker (l7l, l72, l73) vorgesehen sind, die das Ausgangssignal der Meßeinrichtung bei vorgegebener Dosisleistung auf einen vorgegebenen Pegel bringen, und daß eine Umschaltvorrichtung (l70) vorgesehen ist, die die für die jeweilige Untersuchung bestimmte Meßeinrichtung mit dem Abtastregler koppelt.

3. Röntgengenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastfrequenz in einem ersten Abschnitt einer Röntgenaufnahme einen ersten Wert und in einem darauffolgenden Abschnitt einen zweiten Wert hat, und daß der erste Wert wesentlich größer ist als der zweite Wert.

Zeichnung