DE2658533C2

DE2658533C2 - Vorrichtung zur Darstellung von Körperlängsschichten

Info

Publication number: DE2658533C2
Application number: DE2658533A
Authority: DE
Inventors: Kurt Ing.(Grad.) Dietz; Peter Dr.-Ing. Graßmann; Friedrich Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Meinel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-12-23
Filing date: 1976-12-23
Publication date: 1987-02-26
Also published as: DE2658533A1; US4349740A; FR2374885B2; FR2374885A2; GB1593897A; JPS5380191A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung von Körperlängsschichten nach Patent 26 47 167.
Bei den beispielsweise aus dem "Handbuch der medizinischen Radiologie", Band 1, Teil 2 (1965), Seiten 203 bis 212 bekannten Geräten zur Herstellung von Durchleuchtungsschichtaufnahmen mit Röntgenstrahlen werden wenigstens zwei Elemente aus der Gruppe Strahlenquelle, Untersuchungsobjekt und Aufzeichnungsvorrichtung relativ zueinander bewegt. Je nach den verwendeten Verfahren und Aufnahmeelementen wird in der medizinischen Diagnostik in der Regel der Patient ruhig gehalten, so daß eine Bewegung von Röntgenröhre und Aufnahmekassette erfolgt. Dies erfordert aber die Beschleunigung und Verzögerung großer Massen und somit einen großen Aufwand an Energie und auch an Zeit.
Bei den üblichen Geräten zur Aufnahme linearer Schichten haben sich als kürzeste Aufnahmezeiten 600 msec erwiesen. Schnellere Aufnahmeabläufe sind nur unter großem Aufwand möglich, da das Inbewegungssetzen in den Zeitbedarf der eigentlichen Aufnahme eingeht. Man erreicht dabei aber trotzdem in der Regel nur eine Halbierung der sonst möglichen kürzesten Schichtaufnahmezeiten. Für die Aufnahme bewegter Organe, etwa des Herzens, müßte man Schichtaufnahmezeiten von 80 msec erreichen. Unter Berücksichtigung der Bewegungsabläufe einzelner Herzpartien innerhalb der Herzphase erscheint außerdem eine Schichtaufnahmezeit von 20 msec erstrebenswert. Solche schnelle Bewegungen sind mit den z. Z. zur Verfügung stehenden mechanischen Mitteln nicht erreichbar.
Aus der DE-OS 24 42 809 ist ein Computertomograph bekannt, bei dem mehrere Röntgenröhren auf einer Kreisbahn angeordnet sind. Auf der gegenüberliegenden Seite ist jeder der Röntgenröhren eine Detektorreihe als Aufnahmevorrichtung zugeordnet. Die Röntgenröhren können nacheinander eingeschaltet werden. Zur Erhöhung der Auflösung können die Röntgenröhren zusammen mit der Detektorreihe um ihren gemeinsamen Mittelpunkt verschwenkt werden. Dadurch, daß die Röntgenröhren zusammen mit den Detektorreihen verschwenkt werden, erhöht sich der Aufwand an Zeit und Energie. Außerdem lassen sich mit den Computertomographen keine Schichtaufnahmen in Körperlängsrichtung erstellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 zu schaffen, mit welcher Schichtaufnahmezeiten unter 80 msec und vorzugsweise wenigstens herab bis 20 msec erreichbar sind und einen gegenüber der Lösung gemäß dem Hauptpatent einfacheren Aufbau aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Strahlenquellen, die in Reihen oder flächenhaft angeordnet sind und die in beliebiger Reihenfolge eingeschaltet werden, kann die Ablaufzeit der Schichtaufnahme verkürzt werden. Dies beruht insbesondere darauf, daß die Strahlenquellen, d. h. strahlensicher abgeschirmte Röntgenröhren, nicht in Bewegung gesetzt zu werden brauchen. Bei einer Schnellschichtaufnahme genügt es, das leichteste, d. h. das Aufnahmeelement, etwa eine Filmkassette, zu bewegen. Mit einer solchen Anordnung läßt sich mit einem von Brennfleck zu Brennfleck wandernden Röntgenstrahl auch die Forderung nach kurzer Aufnahmedauer realisieren, z. B. wenn bei einem Bewegungsweg von etwa 1 m eine größere Anzahl von Brennflecken, z. B. 20, nacheinander angeordnet sind, wobei diese Brennflecke, deren Größe etwa 0,3 × 0,3 mm bis 3 × 3 mm, insbesondere 1 × 1 mm betragen, die den in der Röntgendiagnostik üblichen entsprechen. Die Einschaltung kann in an sich bekannter Weise dadurch erfolgen, daß die betriebsbereiten Kathoden durch ein Gitter gesperrt sind, deren Sperrspannung für die Einschaltzeit der einzelnen Strahlenquellen unterbrochen wird. Die Auslösung dieser Unterbrechung kann durch das bewegte Aufnahmeelement in Abhängigkeit von seiner Bewegung erfolgen, indem entlang seinem Bewegungsweg durch das Element nacheinander betätigbare Schalter angebracht sind, etwa Magnetschalter, mechanische Schalter etc. Aber auch eine elektronische Auslösung, z. B. unter Verwendung von Lichtschranken, Magnetschaltern etc., ist in gewünschter Reihenfolge möglich. Dies ist insbesondere wichtig bei Aufnahme des Bildes mit Strahlenmeßsonden und Einspeicherung in einen Datenspeicher, wie etwa bei der Computer-Tomographie (vgl. z. B. DE-OS 19 41 433). Sowohl die Einschaltung der Strahler als auch die Steuerung der Speicher sind dann von einer Zentralsteuereinheit aus möglich.
Nach vorliegender Erfindung, nach welcher eine Mehrzahl von Röntgenröhren benutzt wird, ist beispielsweise für die Aufnahme ebener Schichten eine 60 cm lange gerade Anordnung von etwa 12 Röhren vorgesehen, die jeweils 5,0 cm Abstand voneinander haben. Obwohl auch anderweitig eine Schaltung möglich ist, werden zweckmäßig Röhren verwendet, die ein Schaltgitter enthalten. Der Kathode jeder Röhre ist dann ein Gitter vorgeschaltet, mit welchem der Elektronenaustritt gesperrt werden kann. Der Ablauf für die Einschaltung aller Kathoden kann so ohne weiteres in 20 msec oder auch schneller erfolgen. Es ist lediglich erforderlich, daß synchron mit der Aufnahmeanordnung, etwa der Bewegung einer Filmkassette, entlang ihres Verschiebeweges bzw. entsprechend der Einspeicherung in einen Datenspeicher Schaltglieder betätigt werden. Eine Grenze der Geschwindigkeit ist bei Fotoaufnahmen nur gegeben durch die Erfordernisse der Beschleunigung der Kassette und die Empfindlichkeit des Aufnahmematerials. Das Schalten kann beliebig schnell erfolgen. Bei Verwendung einer üblichen Kassette und eines bekannten Röntgenfilms dürfte eine Aufnahmedauer von nur 20 msec erreichbar sein. Elektronische Bildspeicherung unter Verwendung eines Detektorsystems als Aufnahmevorrichtung, etwa bei der Computer-Tomographie, ist von dieser Begrenzung frei, weil bewegte Massen dabei ganz vermieden sind.
Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Röntgenröhren ist man nicht so sehr an einen Aufbau gebunden, der in einem Vakuumkolben Platz finden kann. Röntgenröhren können an sich in beliebiger Anzahl und beliebiger Anordnung aufgebaut werden. So ist außer der für übliche Schichtaufnahmen erforderlichen Anordnung in einer Geraden auch eine solche in Flächen bzw. in mehreren Ebenen möglich. Dies bietet die weitere Möglichkeit, bei der Abtastung beliebig gewundene Bahnen zu verwenden, etwa gebogene oder solche, die mäanderartige Windungen aufweisen. Durch die flächenhafte Abtastung ist es möglich, zu sehr dünnen Schichten mit hohem Verwischungsgrad außerhalb dieser Schicht zu kommen. Die Verwendung einer Mehrzahl von Röntgenröhren, die flächenhaft angeordnet sind, bietet die Möglichkeit, die Intensität der erzeugten Strahlen über die flächenhafte Verteilung zu verändern, etwa im Sinne einer Harmonisierung des entstehenden Durchleuchtungsbildes, indem an den Stellen, an denen wenig Absorption herrscht, weniger Intensität erzeugt wird als an Stellen, an denen viel Absorption zu erwarten ist, entsprechend dünnen und dicken Stellen des zu untersuchenden Körpers.
Für die etwa aus der DE-OS 19 41 433 bekannte Computer-Tomographie, bei welcher eine Strahlenquelle im Kreise transportiert wird, ist es möglich, mehrere Röhren an einer kreisförmigen Halterung anzubringen und nacheinander so einzuschalten, daß die Strahlenabgabe derjenigen entspricht, die mit einer in einer Kreisbahn bewegten Röntgenröhre erhalten werden könnte. Der Umlauf einer Röhre kann mit einer Vielzahl einzelner Röhren ausreichend simuliert werden. Man kann aber ebenso wie bei einer ebenen Schichtaufnahme mit weniger Röhren auskommen, wenn man zusätzlich noch eine Bewegung der Röhre verwendet. Die Bewegung braucht dabei aber nur den Abstand zwischen den vorhandenen Röhren zu überwinden und kann langsamer verlaufen als wenn in gegebener Zeit die gesamte Schichtlänge durchlaufen werden müßte. Durch gleichzeitiges Weiterschalten der Abstrahlung der einzelnen Röhren kann erreicht werden, daß, ausgehend von einem Punkt, eine wiederholte Einschaltung immer dann erfolgt, wenn die Röhre gerade den bis zu einem nächsten erforderlichen Standpunkt erforderlichen Weg zurückgelegt hat. Die Bewegung der Röhren kann in einfacher Weise durch mechanisches Verschieben einer Halterungsleiste bzw. eines Halterungsrahmens erfolgen. Hinsichtlich der Herstellung von Transversalschichtbildern angeordneter Röhren kann von einem Aufbau entsprechend deutscher Patentanmeldung 26 14 083.0 Gebrauch gemacht werden. Dabei ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß außer der Verkürzung des Umlaufweges auch noch eine vervielfachte Wirkung der benutzten drei Röntgenröhrensysteme erhalten wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der
Fig. 1 ist das Schaubild einer erfindungsgemäß ausgestalteten Röntgenschichtaufnahmeanordnung dargestellt, in der
Fig. 2 das Prinzipschaltbild nacheinander einschaltbarer Brennflecke, in der
Fig. 3 eine Anordnung mehrerer Röntgenröhren in nacheinander einschaltbarer Reihe und in der
Fig. 4 eine flächenhafte Anordnung mehrerer Röntgenröhren, die einem ebenso angeordneten Detektoraufbau gegenübersteht, bei der außerdem noch die Anordnung von Röhren in einer weiteren Ebene angedeutet ist.
In der Fig. 1 ist ein Röntgengerät gezeichnet, bei welchem an einer Stativsäule 1 vertikal verschiebbar eine Patientenlagerung 2 und eine Strahlenquelle 3 angebracht sind. Zum Betrieb ist außerdem noch die elektrische Versorgungsanordnung 4 vorgesehen, die vom Netz her mit Strom versorgt werden soll. Bei einer Aufnahme im Sinne der Erfindung wird mittels der Stromversorgungseinrichtung einerseits eine Röntgenröhre 5 in Betrieb gesetzt und eine im Tisch untergebrachte Röntgen-Film- Kassette 6 in Richtung eines Pfeiles 7 in Bewegung gesetzt. Dabei wird in der Röhre ein Brennfleck von ca. 2 × 2 mm² erzeugt, der zur Herstellung eines Strahlenkegels 8 führt und der durch Wanderung der Einschaltung von mit 9 angedeuteten Kathoden entlang dem Pfeil 10 entgegengesetzt der Richtung der Kassette bewegt wird.
Die Einschaltung einer Kathode 9 wird in einfacher Weise mit der Bewegung der Kassette 6 synchronisiert, indem der in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Bewegungsbahn 11 nebeneinanderliegend Schalter 12 bis 16 zugeordnet sind. Alle diese Schalter sind geschlossen und werden lediglich beim Vorübergleiten der Kassette 6 kurzzeitig geöffnet. Dadurch wird jeweils eine Kathode 9 freigegeben, so daß auf der Anode 17 ein in Richtung des Pfeiles 7 in Schritten von 2,5 cm wandernder Brennfleck erhalten wird.
Die Einschaltung der Brennflecke erfolgt in einfacher Weise dadurch, daß von der Stromversorgungseinrichtung 4 her einerseits eine Gleichspannung 18 zur Erzeugung der Röntgenstrahlen zwischen der Kathode 9 und der Anode 17 angelegt ist. Andererseits ist zwischen den Leitungen 19 und 20 eine Gleichspannung 21 angelegt, welche die Kathode 9 zum Glühen bringt. Zwischen der Kathode 9 und den ihr zugeordneten Gittern 22 bis 26 liegt außerdem noch eine Gleichspannung, die ausreicht, ein Austreten von Elektronen aus 9 auf die Anode 17 zu verhindern. Nur beim Abschalten der Sperrspannung durch Öffnen eines der Schalter 12 bis 16 können Elektronen austreten und es können Röntgenstrahlen an der Anode 17 erzeugt werden. So wird, wie in Fig. 1 angedeutet, ein Röntgenstrahlenbündel 8 erzeugt, welches entlang dem Pfeil 10 in die Stellung 8&min; wandert. Dadurch wird eine Bewegungsdurchleuchtung, d. h. die üblichen Verhältnisse für die Schichtaufnahme, erreicht.
In der Fig. 3 ist eine Anordnung gezeichnet, bei welcher die aus den Kathoden 9 und den Sperrgittern 22 bis 26 bestehenden Strahlenquellen an den gestrichelt gezeichneten Trennlinien 5&min; voneinander gelöst sind. So wird ein Aufbau erhalten, bei dem in Abständen von 5 cm voneinander in einer Reihe Röntgenröhren 28 bis 31 aufgestellt sind. Die Anode 17 ist dabei in getrennte Anoden 32 bis 35 zerlegt. An die Linien 5&min; sind die vakuumdichten Seitenwände der Röhren 28 bis 31 getreten. Der Betrieb erfolgt in gleicher Weise wie bei der Anordnung nach Fig. 2 dadurch, daß die Anodenspannung über die Leitungen 36 und 37 anliegt und die Kathodenheizspannung über 37 und 38. So ist wie nach Fig. 2 mit der Bewegung einer Kassette 6 ein synchronisiertes Durchlassen von Elektronen von den Kathoden 48 bis 51 auf die Anoden 32 bis 35 steuerbar. Damit wird aber auch mit getrennten Röhren der in Fig. 2 gezeigte Erfolg erzielt.
In der Fig. 4 ist eine Anordnung gezeichnet, bei welcher in einer Ebene 53 Röhren 54 bis 68 in drei Reihen zu je fünf Röhren, d. h. 54 bis 58 sowie 59 bis 63 und 64 bis 68, liegen. Im Prinzip stimmt diese Anordnung mit derjenigen nach Fig. 2 und 3 überein. Auch bei ihr ist die Steuerung der Brennfleckeinschaltung mittels mechanischer oder elektrischer Schrittschalter möglich. Der Betrieb erfolgt wie bei Fig. 2 und 3.
Die Anordnung 53 ist durch eine weitere, in punktierter Linie angedeutete Ebene 53&min; ergänzbar. Auch dort können entsprechend den Röhren 54 bis 68 Röhren in reihenweiser Anordnung untergebracht sein. Durch einen solchen Zusatz, bei dem die Röhren bezüglich 53 auf Lücke stehen, ist es möglich, räumlich angeordnete Meßwerte zu erhalten, die später in beliebiger Weise ausgewertet werden können. Die Wirkung der in 53&min; untergebrachten Röhren ergibt schon aus der gegenüber 53 verschobenen Lage die Möglichkeit, eine zusätzliche Schichtaufnahme zu erhalten, ohne Verstellungen am Gerät machen zu müssen. Weitere in zusätzlichen Ebenen untergebrachte Röntgenröhren könnten die Wirkung noch erweitern.
Die Anordnung 53 ist z. B. anwendbar, um in einem Körper 69 die genaue Form und Lage von Fremdkörpern 70, 70&min; festzustellen.
Bezüglich der Anordnung 53 liegt hinter dem Körper 69 ein Aufnahmetableau aus Detektoren 71 bis 85. Solche können Fotomultiplier sein, denen zur Verbesserung der Wirkung der Röntgenstrahlen Kristalle aus fluoreszierendem Stoff, wie z. B. Cäsiumjodid, das mit Thallium aktiviert ist, vorgeschaltet sind. Die Detektoren 71 bis 85 sind mit einem Speicher 87 über Leitungen 86 verbunden, von denen in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber nur einige ganz ausgezogen sind. Außer den mittels der Röhren 54 bis 68 in den Detektoren 71 bis 85 erzeugten Signalen können im Speicher 87 auch mit Röhren aus einer Ebene 53&min; und aus weiteren nicht dargestellten Ebenen erzeugte Signale aufgenommen und zur weiteren Verarbeitung bereitgehalten werden. An den Speicher 87 ist ein Meßwertumformer 88 angeschlossen und an diesen ein Fernsehsichtgerät 89.
Wegen der Aufnahme von Schichtbildern mit dem feststehenden Tableau aus den Detektoren 71 bis 85, d. h. des Fehlens eines mechanisch bewegten Teiles (Kassette), wird die Bewegung des Strahlenbündels mit Schaltern bewirkt, die einen solchen Ablauf simulieren. Brauchbar dazu sind etwa die bei der Fig. 5 noch beschriebenen Schaltelemente. Der Abtastweg kann mäanderförmig sein und durch Einschaltung der Röhren 54 bis 68 in Richtung des Pfeiles 90 realisiert werden, d. h. durch Ablauf der Einschaltung der Röhren von 54 bis 58, dann von 63 nach 59 und von 64 bis 68. Ebenso ist eine Abtastung in Richtung des Pfeiles 91 möglich entlang der gestrichelten Linie quer zu vorgenanntem Verlauf nach der dem Pfeil 90 angeschlossenen durchgehenden Linie, also von der Röhre 54 nach 64, zurück von 65 nach 55, dann von 56 nach 66, zurück von 67 nach 57 und schließlich von 58 nach 68. Nach Ablauf der Einschaltung der Röntgenröhren 54 bis 68 bzw. weitere in 87 eingespeicherte Signale können in den Meßwertumformer 88 abgerufen werden, der aus diesen Signalen ein Röntgenbild aufbaut, welches auf dem Sichtgerät 89 als betrachtbares Bild ausgegeben werden kann.
Bei allen Anordnungen sind Röntgenröhren anwendbar, deren Brennfleckgröße etwa 2 × 2 mm bei einer Betriebsspannung von 70 kV bis 150 kV, insbesondere 100 kV, ist. Als Sperrspannung genügt dann eine solche von ca. 1 bis 3 kV, die zwischen Kathode und Gitter angelegt wird. Lediglich an dieser Spannung brauchen Manipulationen vorgesehen zu werden, um die erfindungsgemäße Wanderung eines Strahlenbündels in gewünschter Weise ablaufen zu lassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Darstellung von Körperlängsschichten mittels Röntgen- oder ähnlich durchdringenden Strahlen, mit einer Quelle zur Erzeugung von Strahlenbündeln und einer Aufnahmevorrichtung zur Erfassung des aus dem Körper wieder austretenden Strahlenbündels, wobei die Quelle und die Aufnahmevorrichtung gegenläufig relativ zueinander bewegbar sind, bei der die Quelle aus einer Mehrzahl von Strahlenquellen zusammengesetzt ist, die in beliebig geformter Bahn angeordnet sind, und bei der das Strahlenbündel bewegt wird, indem die Strahlenquellen in beliebig wählbarer Reihenfolge auf die zur Betätigung der Aufnahmevorrichtung erforderliche Dauer (Belichtungszeit) nacheinander eingeschaltet werden, nach Patent 26 47 167, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquellen voneinander getrennte Röntgenröhren sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathode jeder Röhre ein Schaltgitter vorgeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röntgenröhren in flächenhafter Anordnung aufgebaut sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flächenhafte Anordnung in einem Kreisbogen erfolgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Röhren in Abhängigkeit von der zu durchstrahlenden Körperdicke derart gesteuert wird, daß die Intensität bei dicker Durchstrahlung größer und bei dünner Durchstrahlung kleiner ist.