Die Erfindung betrifft ein Röntgensystem mit mindestens einem mit einem Steuergitter versehenen Röntgenstrahler zur Erzeugung von Röntgenaufnahmen, mindestens einem Röntgenbildwandler mit Mitteln zum elektronischen Auslesen von Röntgenaufnahmen und einem Röntgengenerator zur Speisung des Röntgenstrahlers. Außerdem betrifft die Erfindung einen für ein solches Röntgensystem geeigneten Röntgengenerator.
Bei der Anfertigung von Röntgenaufnahmen ist am Ende einer Röntgenaufnahme noch Energie in den Kapazitäten des System gespeichert. Dazu gehören die Kapazitäten des oder der Kabel, über die der Röntgenstrahler an einen Hochspannungserzeuger angeschlossen ist, sowie die Kondensatoren eines in dem Röntgengenerator enthaltenen Wechselrichters. Die gespeicherte Energie bewirkt, daß bei Aufnahmeende die Hochspannung an dem Röntgenstrahler nur in dem Maß abnehmen kann, in dem die Kapazitäten -überwiegend über den Röntgenstrahler - entladen werden. Die Entladung der Kapazitäten über den Röntgenstrahler dauert um so länger, je niedriger der Strom durch den Röntgenstrahler während der Aufnahme ist. Dementsprechend liefert der Röntgenstrahler auch nach dem eigentlichen Aufnahmeende noch weiterhin Strahlung, die zu unerwünschten Überbelichtungen führen kann.
Dieses Problem ist besonders ausgeprägt bei der Aufnahme von dünnen Objekten, beispielsweise in der Pädiatrie, weil durch die geringe Objektdicke und einen vorgegebenen Wert der Hochspannung (z. B. 70 kV) nur ein sehr kleiner mAs-Wert geschaltet werden darf (ca. 0,05 mAs). Aufgrund der in den gespeicherten Kapazitäten gespeicherten Energie sind bei Röntgenstrahlern (ohne Steuergitter) jedoch nur mAs-Werte schaltbar, die um ein Mehrfaches höher sind als der gewünschte mAs-Wert. Mit diesen Werten läßt sich eine Überbelichtung einer Röntgenaufnahme nur vermeiden, wenn - entgegen z. B. den IEC-Vorschriften - die Aufnahme bei einer niedrigeren Spannung an der Röntgenröhre erfolgt. Bei einer niedrigeren Spannung an der Röntgenröhre ist aber die Strahlenbelastung für den Patienten größer.
Dieses Dilemma wird bei dem aus der japanischen Patentanmeldung 11-204289 bekannten Röntgengenerator vermieden, der mit einem Hochspannungserzeuger, an den der Röntgenstrahler angeschlossen ist und der mit Mitteln zur Ein- und Ausschaltung der Hochspannung des Hochspannungserzeugers und mit einer Gittersteuerschaltung zum Steuern des Gitters versehen ist. Dieser Röntgengenerator dient zur Erzeugung von stabilen Röntgenimpulsen ohne Überschwinger (overshot) mit Hilfe des Steuergitters. Zusätzlich wird mit Hilfe des Steuergitters bei Aufnahmeende der Strom durch den Röntgenstrahler abgeschaltet, so daß die im System gespeicherte Energie nicht zu einer Überbelichtung führen kann.
Probleme ergeben sich aber dann, wenn ein solcher Röntgengenerator neben dem mit einem Steuergitter versehenen Röntgenstrahler noch einen oder mehrere Röntgenstrahler ohne Steuergitter versorgen soll. Solche Röntgenstrahler benutzt man aus Kostengründen bei hohen Aufnahmeleistungen, bei den das eingangs geschilderte Problem nicht so gravierend ist. Das Problem besteht darin, daß die gespeicherte Energie bzw. die Hochspannung am Röntgenstrahler nur sehr langsam abgebaut werden kann, weil das Steuergitter den Stromfluß durch den Röntgenstrahler nach dem Aufnahmeende unterbindet. Wenn in dieser Phase der Röntgengenerator auf einen anderen Röntgenstrahler (an einem anderen Anwendungsgerät) umgeschaltet wird, erfolgt diese Umschaltung unter Hochspannung, wofür die üblichen Hochspannungsumschalter nicht ausgelegt sind. Es kommt hinzu, daß der neue Röntgenstrahler schon bei Beginn der einer Röntgenaufnahme vorangehenden Vorbereitungsphase, in der z. B. die Drehanode auf Touren gebracht und der Heizfaden der Kathode dieses Röntgenstrahler aufgeheizt wird, in unerwünschter Weise Röntgenstrahlung emittiert.
Das letztere Problem stellt sich auch bei Röntgenröhren, die zwei Kathoden für zwei unterschiedlich große Brennflecke aufweisen, wobei der Elektronenstrom zu dem einen Brennfleck (in der Regel zu dem kleineren) mit Hilfe eines Steuergitters gesperrt werden kann, während für den anderen Brennfleck keine Gittersteuerung verfügbar ist. Hier kann es bei Untersuchung ein und desselben Objektes bei einer Serie von Aufnahmen automatisch zu einem Übergang von dem einen auf den anderen Brennfleck und wieder zurück kommen, wobei sich eine vorzeitige Emission von Röntgenstrahlung ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Röntgensystem bzw. einen Röntgengenerator zu schaffen, mit dem einerseits eine genaue Belichtung der Röntgenaufnahme möglich ist, und bei dem andererseits die Probleme zumindest weitgehend vermieden werden, die sich beim schnellen Übergang von Röntgenaufnahmen mit Gittersteuerung auf Röntgenaufnahmen ohne Gittersteuerung ergeben.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Röntgensystem mit mindestens einem mit einem Steuergitter versehenen Röntgenstrahler zur Erzeugung von Röntgenaufnahmen, mindestens einem Röntgenbildwandler mit Mitteln zum elektronischen Auslesen von Röntgenaufnahmen oder zum Transportieren des Röntgenbildwandlers aus dem von dem Röntgenstrahler beaufschlagten Bereich in einem auf die Röntgenaufnahme folgenden Zeitintervall und mit einem Röntgengenerator zur Speisung des Röntgenstrahlers, der versehen ist mit
- einem Hochspannungserzeuger, an den der Röntgenstrahler anschließbar ist,
- Mitteln zur Ein- und Ausschaltung der Hochspannung des Hochspannungserzeugers bei Beginn und am Ende einer Röntgenaufnahme
- und einer Gittersteuerschaltung zum Sperren des Steuergitters und des Stromes durch den Röntgenstrahler während des Zeitintervalls und zum anschließenden Freigeben des Stromes durch den Röntgenstrahler.
Erfindungsgemäß wird in dem Zeitintervall nach dem Aufnahmeende, in dem die Röntgenaufnahme ausgelesen wird (bei einem elektronisch auslesbaren Röntgenbildwandler) bzw. in dem der Röntgenbildwandler aus dem Strahlengang transportiert wird (bei einer Film-Folien-Kombination oder einem Speicherphosphor als Röntgenbildwandler) das Steuergitter bzw. der Strom durch den Röntgenstrahler gesperrt. Infolgedessen wird in diesem Zeitintervall die Röntgenstrahlung unterbrochen, sodass keine weitere Belichtung des Röntgenbildwandlers (bzw keine Überbelichtung) mehr erfolgt. Aufgrund der Sperrung des Röntgenstrahlers nimmt die Hochspannung am Röntgenstrahler in diesem Zeitintervall nur sehr langsam ab.
Wenn nach dem Zeitintervall der Strom durch den Röntgenstrahler wieder freigegeben wird, entsteht zwar erneut Röntgenstrahlung, doch ist diese für die vorherige (nunmehr elektronisch ausgelesene oder mitsamt dem Röntgenbildwandler aus dem Strahlengang transportierte ) Röntgenaufnahme ohne Belang. Jedoch können sich die Kapazitäten des Systems dann auch über den Röntgenstrahler entladen, weshalb die Spannung am Röntgenstrahler wesentlich schneller absinkt als während der Unterbrechung des Stromes mit Hilfe des Steuergitters. Es ergeben sich daher keine Probleme mehr, wenn kurz danach von dem einen Röntgenstrahler bzw. Brennfleck auf einen anderen Röntgenstrahler bzw. Brennfleck umgeschaltet wird.
Ein erfindungsgemäßer Röntgengenerator ist in Anspruch 2 beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Röntgensystem mit einem Röntgengenerator, mit dem die Erfindung ausführbar ist, und
- Fig. 2
- den zeitlichen Verlauf verschiedener elektrischer Größen bei einem solchen Röntgengenerator.
In Fig. 1 sind mit 1 und 2 zwei in Serie (mit geerdetem Verbindungspunkt) geschaltete Konvertergeneratoren bezeichnet, die üblicherweise folgende, in der Zeichnung nicht näher dargestellte Komponenten aufweisen: einen Gleichrichter zur Erzeugung einer Gleichspannung aus einer Netzspannung, einen Wechselrichter zur Erzeugung einer Wechselspannung mit einer Frequenz im KHz-Bereich und einstellbarer Amplitude, und einen Hochspannungserzeuger mit einem Hochspannungstransformator zur Erzeugung einer Hochspannung und einem Gleichrichter zur Gleichrichtung der Hochspannung. Die Konvertergeneratoren 1 und 2 liefern also an ihren Ausgängen einstellbare Gleichspannungen von bis zu ± 75 kV. Die von den Konvertergeneratoren 1 und 2 gelieferten Spannungen sind durch eine Steuerschaltung 3 in der Amplitude einstellbar und ein- und ausschaltbar.
Die Ausgangsspannungen der Konvertergeneratoren 1 und 2 werden einem Röntgenstrahler 4 über zwei Hochspannungskabel 8, 9 zugeführt. Der Röntgenstrahler besitzt auf der Katodenseite einen ersten Elektronenemitter 41, der einen vergleichsweise niedrigen Elektronenstrom liefern kann, der auf der gegenüberliegenden Anode 43 in einem vergleichsweise kleinen Brennfleck auftrifft und einen zweiten, wesentlichen größeren Elektronenemitter 42, der einen wesentlich größeren Elektronenstrom emittieren kann, der auf der Anode 43 in einem wesentlich größeren Brennfleck auftrifft. Bei der Untersuchung eines im Strahlengang befindlichen Patienten können beide Elektronenemitter nacheinander aktiviert werden - vorzugsweise automatisch, in Abhängigkeit davon, wie stark jeweils das im Strahlengang befindliche Objekt 5 die Röntgenstrahlung absorbiert.
Die beiden Elektronenemitter 41 und 42 können durch Heizfaden-Wendeln mit für den jeweiligen Brennfleck geeigneten äußeren Abmessungen gebildet werden. Jeweils einer der beiden Elektronenemitter ist über einen Umschalter 43 an eine Heizstromquelle 44 anschließbar. Während jedoch der Heizfaden 42 direkt mit der Kombination 43, 44 verbunden ist, ist der Heizfaden 41 für den kleineren Fokus über einen Überträger 45 mit dieser Kombination verbunden.
Zum Ein- und Ausschalten des Elektronenstroms des Elektronenemitters 41 ist ein Steuergitter 46 vorgesehen. Dieser Steuergitter ist eine Elektrode, deren Potential gegenüber dem Potential des Heizfadens 41 veränderbar ist. Besonders einfach läßt sich dieses Steuergitter herstellen, wenn der ohnehin für die Formung der aus den Elektronenemittern austretenden Elektronenbahnen erforderliche Kathodenkopf, der mit je einer Öffnung für die beiden Elektronenemitter versehen ist, benutzt wird. Da die Öffnung für den größeren Elektronenemitter 42 größer ist, könnte man den von ihm emittierten Elektronenstrom mit einer vergleichsweise kleinen Spannung (einige kV) zwischen diesem Gitter 46 und dem Elektronenemitter 42 nicht unterbinden. Der Elektronenemitter 42 und die Elektrode 46 sind deshalb miteinander elektrisch verbunden und führen dasselbe Potential, das durch die negative Ausgangsspannung des Konvertergenerators 2 definiert ist, das dem Elektronenemitter 42 über das Hochspannungskabel 9 zugeführt wird.
Hingegen kann der von dem Elektronenemitter 41 emittierte Elektronenstrom unterbrochen werden, wenn das Potential am Steuergitter 46 um einige kV negativer ist als am Elektronenemitter 41. Zu diesem Zweck ist ein Spannungsteiler vorgesehen, dem die Ausgangsspannung des Konvertergenerators 2 für die negative Hochspannung zugeführt wird und der einen festen Widerstand 10 und einen elektronisch steuerbarer Widerstand 11 umfaßt. Der eine Anschluß des Widerstandes 11 ist galvanisch über den Übertrager 11 mit dem Elektronenemitter 41 verbunden und der andere Anschluß mit dem Hochspannungs-Ausgang des Konverter Generators 2 und somit galvanisch mit dem Steuergitter 46. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 11 bestimmt daher die Größe der Vorspannung zwischen dem Gitter 46 und dem Elektronenemitter 41.
Der elektronisch steuerbare Widerstand 11, dessen Aufbau nicht näher dargestellt ist, kann beispielsweise in Serie geschaltete Transistoren enthalten, deren Leitfähigkeit von einer Gittersteuerschaltung 12 von einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand geschaltet werden kann. Im ersten Schaltzustand hat der Widerstand 11 eine sehr hohe Leitfähigkeit, so daß praktisch die gesamte Spannung über dem Widerstand 10 abfällt und der Elektronenemitter 41 nahezu dasselbe Potential führt wie das Gitter 46. In diesem Zustand können die aus dem Elektronenemitter 41 emittierten Elektronen vollständig die Anode 43 erreichen. Im zweiten Schaltzustand ist die Leitfähigkeit des steuerbaren Widerstandes 11 geringer, so daß an ihm ein Spannungsabfall von einigen kV auftritt. Das Potential am Gitter 46 ist dann entsprechend diesem Spannungsabfall negativer als das Potential am Elektronenemitter 41, wodurch der Elektronenstrom vom Elektronenemitter 41 zur Anode 43 gesperrt wird.
Die von dem Röntgenstrahler erzeugte Röntgenstrahlung durchsetzt das Untersuchungsobjekt 5 und wird von einem Röntgenbildwandler erfaßt, der elektronisch auslesbar ist. Der Röntgenbildwandler kann beispielsweise eine Vielzahl von z. B. 2000 x 2000 matrixförmig angeordneten lichtempfindlichen Elemente enthalten, die hinter einer Fluoreszenzschicht angeordnet sind, die die Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umsetzt. Es kann aber jedoch jeder andere elektronisch auslesbare Röntgenbildwandler benutzt werden, beispielsweise ein Röntgenbildverstärker, dessen Ausgangsbild von einer CCD-Kamera in elektrische Signale umgesetzt wird. Nach dem Auslesen enthält eine mit dem Röntgenbildwandler 6 gekoppelte Bildverarbeitungs-Einrichtung 7 ein digitales Bild, und der Röntgenbildwandler kann dann erneut belichtet werden. Die Bildverarbeitungs-Einrichtung 7, die Gittersteuerschaltung 12 und die Schaltung 3 zum Ein- und Ausschalten der Konvertergeneratoren 1, 2 werden von einer Steuereinheit 13 gesteuert.
Im folgenden soll der zeitliche Ablauf einer Röntgenaufnahme anhand von Fig. 2 erläutert werden, die den zeitlichen Verlauf verschiedener elektrischer Größen des in Fig. 1 dargestellten Röntgensystems darstellt. Die erste Zeile zeigt den zeitlichen Verlauf der Hochspannung U an dem Röntgenstrahler 4. In der zweiten Zeile ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals S der Schaltung 3 dargestellt, durch das die Hochspannung ein- und ausgeschaltet wird. Die dritte Zeile zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung zwischen Gitter und Kathode, während die vierte Zeile den zeitlichen Verlauf der vom Röntgenstrahler 4 erzeugten Dosisleistung D zeigt.
Vor dem Zeitpunkt T1, d. h. bevor die Hochspannung durch das Signal S eingeschaltet wird, liegt am Röntgenstrahler keine Spannung U an, und auch die Spannung zwischen Gitter und Kathode ist Null. Es wird keine Röntgenstrahlung erzeugt. In dieser (Vorbereitungs-) Phase heizt die Heizstromquelle 44 aber bereits den Elektronenemitter 41 auf und die als Drehanode ausgebildete Anode 43 des Röntgenstrahlers 4 wird auf Touren gebracht, so daß am Ende dieser Vorbereitungszeit die volle Drehzahl der Anode erreicht ist und der Elektronenemitter eine bestimmte Temperatur erreicht hat. Zur Zeit T1 aktiviert das Schaltsignal S die Konvertergeneratoren 1 und 2, so daß die Spannung U am Röntgenstrahler ansteigt, bis sie einen stationären Wert erreicht hat. Die Spannung zwischen Gitter Kathode behält ihren vorherigen Wert bei, so daß der Elektronenstrom ungehindert die Anode erreichen kann und Röntgenstrahlung erzeugt wird.
Zur Zeit T2 wird die Röntgenaufnahme beendet. Dieses Aufnahmeende kann durch einen Zeitschalter oder einen Röntgenbelichtungsautomaten erzeugt werden, wenn die Dosis hinter dem Objekt 5 einen bestimmten Wert erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt wird die Leitfähigkeit des steuerbaren Widerstandes 11 schlagartig verringert, so daß die Spannung zwischen Gitter und Kathode negativ wird und der Elektronenstrom durch die Röntgenröhre 4 gesperrt bzw. unterbrochen wird; der Röntgenbildwandler wird also nicht mehr weiter belichtet. Gleichzeitig wird die Hochspannungserzeugung der Konvertergeneratoren 1 und 2 gestoppt. Jedoch nimmt die Spannung U am Röntgenstrahler in dieser Phase aufgrund der in den Kabelkapazitäten und in den sonstigen Kapazitäten des Systems gespeicherten Energie nur ganz langsam ab.
Zum Zeitpunkt T2 beginnt auch das Auslesen des Röntgenbildwandlers, das im Zeitpunkt T3, beendet ist (z. B. 200 ms nach dem Zeitpunkt T2). Während des Auslesens muß der muß der Strom durch den Röntgenstrahler und damit die Röntgenstrahlung unterbrochen sein.
Am Ende des Auslesevorganges, also im Zeitpunkt T3 (oder kurz danach) springt die Spannung zwischen Gitter und Kathode wieder auf ihren ursprünglichen Wert zurück. Es kann nun wieder Röntgenstrahlung entstehen, die aber nicht mehr zu einer Überbelichtung führen kann, da der Röntgenbildwandler bereits ausgelesen ist. Der ab dem Zeitpunkt T3 wieder einsetzende Strom durch den Röntgenstrahler hat zur Folge, daß die Kabelkapazitäten und die anderen Kapazitäten des Systems, in denen Energie gespeichert ist, sich wesentlich schneller entladen können als zuvor im Zeitraum T2 - T3. Deshalb sinkt auch die Spannung U am Röntgenstrahler schneller ab als vorher und erreicht verhältnismäßig schnell einen nicht mehr störenden niedrigen Wert.
Wenn dann der Umschalter 43 umgeschaltet würde, so daß die Heizstromquelle 44 den Elektronenemitter 42 erhitzen würde, ergäbe sich ein Röhrenstrom erst wieder dann, wenn die Konvertergeneratoren 1 und 2 erneut eingeschaltet würden. Dieser Elektronenemitter würde einen wesentlich größeren Elektronenstrom liefern als der Elektronenemitter 42. Bei Aufnahmeende könnte dieser Elektronenstrom auch nicht unterbrochen werden. Jedoch würde er die Kabelkapazitäten und die anderen Kapazitäten des Systems sehr schnell entladen, so daß das nach Aufnahmeende noch wirksame mAs-Produkt im Vergleich zu dem während der Aufnahme wirksamen mAs-Produkt relativ klein wäre und praktisch nicht zur Überbelichtung führen könnte.
Vorstehend wurde die Erfindung in Verbindung mit einem elektronisch auslesbaren Röntgenbildwandler beschrieben. Die Erfindung ist aber auch bei Röntgenbildwandlern anwendbar, die automatisch - z. B. mit einem Wagen - aus dem Strahlengang transportiert werden. Dabei kann es sich z.B. um eine Film-Folienkombination handeln, die nach der Aufnahme in eine Park-Position gefahren wird oder um einen Speicherphosphor, der in eine Lesestation transportiert wird, wo die Röntgenaufnahme mit Hilfe eines Lasers ausgelesen wird. Bei hochempfindlichen Bildwandlern dieser Art bzw. bei der Aufnahme von dünnen Objekten ergibt sich das eingangs geschilderte Überbelichtungsproblem ebenfalls. Sie wird dadurch beseitigt, daß das Steuergitter in dem auf die Röntgenaufnahme folgenden Zeitintervall gesperrt bleibt, in dem der Röntgenbildwandler aus dem Strahlengang transportiert wird.