Многолучевая рентгеновская трубка с вращающимся анодом

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к рентгенотехнике, в частности к области разработки рентгеновских трубок, и может быть использована в медицинской рентгенодиагностике: рентгенографии, томографии, маммографии, томосинтезе, и неразрушающем контроле.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Для диагностики объемных образований молочной железы применяется цифровой томосинтез молочной железы (DBT), который обеспечивает возможность получения трехмерных изображений молочной железы в виде отдельных срезов, на которых отсутствуют изображения объектов из вышележащих или нижележащих слоев, усложняющих диагностику в обычной рентгеновской маммографии, и в подавляющем числе случаев позволяют избежать биопсийного обследования. При проведении обследования рентгеновская трубка аппарата томосинтеза вращается вокруг молочной железы по дуге в 30-50 градусов и с шагом 2-3 градуса, выполняется примерно 15-25 цифровых рентгеновских снимков. То есть, съемка производится при различных положениях оси пучка рентгеновского излучения относительно объекта исследования. После получения снимки передаются в блок реконструкции изображения, где производится программная реконструкция трехмерного изображения в виде набора двумерных срезов тканей молочной железы. Качество реконструкции 3D изображения зависит от точности позиционирования фокусного пятна при получении первичных снимков и его размеров.
В представленных в настоящее время на рынке маммографах с функцией томосинтеза изменение пространственного положения пучка рентгеновского излучения производится исключительно механически, при этом съемка производится двумя способами:
1) в момент проведения экспозиции штатив тормозится, что требует времени на торможение, гашение колебаний штатива и последующий разгон, значительно усложняет механику маммографа и увеличивает продолжительность обследования;
2) съемка производится при движении штатива, что приводит к неизбежному «смазу» изображения и необходимости уменьшать время экспозиции в ущерб качеству изображения.
Указанные проблемы успешно решаются при оснащении маммографа рентгеновской трубкой, которая включает в себя несколько (15-30) катодно-сеточных модулей, расположенных с определенным шагом вдоль одной линии. При проведении обследования источники рентгеновского излучения включаются по очереди, и каждый из них работает в течение времени экспозиции, достаточного для получения качественного рентгеновского снимка. Таким образом, изменение пространственного положения пучка рентгеновского излучения достигается не механическим перемещением излучателя, а электрическим переключением катодов одной неподвижной трубки. В этом случае обеспечивается полная неподвижность фокусного пятна во время экспозиции и его точное позиционирование в пространстве, что благоприятно сказывается на качестве реконструкции 3D изображения томосинтеза.
Известны модели маммографов с функцией томосинтеза, в которых применяются линейные многолучевые излучатели с неподвижными анодами (WO 2009012453 А1, US 7970099 В2, US 8139716 В2, WO 2011033439 А1). Главным недостатком таких устройств является невысокие мощностные показатели излучателей с неподвижным анодом, что приводит к необходимости проводить съемку при длительностях экспозиции около 1 секунды. А это, в свою очередь, ведет к значительному увеличению длительности процедуры обследования (до 30 секунд) и снижению качества реконструкции изображения из-за биологических процессов в живой ткани.
Известны модели маммографов с функцией томосинтеза, в которых применяются аноды в виде вращающегося диска с мишенью на его конической боковой поверхности (US 2011002442 A1, US 5511105 А, US 4596028 В, RU 2578675 C1). Однако в указанных рентгеновских трубках узкая зона расположения фокальных пятен на мишени, а также форма фокусного пятна электронного потока в виде круга на мишени, приводит к высокой плотности тепловой энергии в фокальном пятне, выделяемой на поверхности мишени/анода, а геометрическое расположение источников рентгена по дуге окружности в плоскости, не пересекающей объект сканирования, делает невозможным проведение всестороннего томографического анализа сканируемого объекта.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является стационарный рентгеновский излучатель с вращающимся анодом в виде гладкого цилиндра (WO 2017173341 А1). Предлагаемая в данном изобретении конструкция не обеспечивает одинаковый размер эффективных фокусных пятен и, следовательно, одинаковую мощность дозы в плоскости детектора рентгеновского изображения по всем лучам излучателя, что приводит к снижению качества реконструкции изображения.
Следовательно, существует потребность в создании новых стационарных рентгеновских цифровых систем грудного томосинтеза, компьютерной томографии, неразрушающего контроля и связанных с ними методов.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Техническая проблема, решаемая заявляемой полезной моделью, состоит в необходимости создания упрощенной конструкции и снижения стоимости рентгеновских аппаратов, в необходимости значительного уменьшения времени проведения диагностических процедур при одновременном значительном повышении качества обследований.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемой полезной модели, является повышение точности позиционирования в пространстве фокусного пятна при его полной неподвижности во время экспозиции.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемая рентгеновская трубка содержит анодный узел, включающий анод цилиндрической формы с наружными коническими проточками, выполненными равномерно по всей поверхности анода и являющимися мишенями анода, при этом анод установлен в вакуумном баллоне для вращения вокруг оси вращения, которая определяет продольное направление, множество катодных узлов, включающих катоды для испускания электронных лучей для формирования фокусного пятна на соответствующей мишени анода, при этом оси электронных лучей направлены перпендикулярно образующей соответствующей проточки.
Кроме того, рентгеновская трубка характеризуется тем, что длина анода определяется соотношением L>2⋅F⋅tg(α/2), где F - фокусное расстояние рентгеновского аппарата, α - полный угол томографии.
Кроме того, угол между образующей соответствующей проточки и осью вращения анода определяется соотношением β=arctg(l/F), где F - фокусное расстояние рентгеновского аппарата, l - расстояние от центрального фокусного пятна до середины соответствующей проточки.
Кроме того, в качестве катодов использованы катоды косвенного накала с электронно-оптическими системами, выполненными с возможностью управления включением/выключением катодов и формирования электронного луча заданной формы.
Кроме того, фокусное пятно может иметь продолговатую форму с большой осью и малой осью.
Кроме того, малая ось каждого фокусного пятна совпадает с образующей проточки, а большая ось каждого фокусного пятна располагается перпендикулярно образующей соответствующей конической проточки.
В предлагаемом устройстве точное направление оси пучка рентгеновского излучения на центр детектора рентгеновского изображения и равенство мощности доз рентгеновского излучения в плоскости приемника от всех лучей излучателя обеспечивается применением в устройстве совместного использования вращающегося анода цилиндрической формы, мишени которого расположены на конических проточках, и нескольких стационарных источников рентгеновского излучения, которые срабатывают в определенной последовательности для распределения тепловой нагрузки, генерируемой в аноде. Предлагаемая конструкция излучателя с вращающимся анодом способна обеспечить расстояние между крайними фокусными пятнами от 45 до 60 см, полную неподвижность фокусного пятна во время экспозиции и его точное позиционирование в пространстве, что способствует получению рентгеновского изображения улучшенного качества.
При номинальном размере фокусного пятна 0,3 мм излучатель способен обеспечить анодный ток не менее 100 мА по каждому лучу, что позволит получать качественные первичные снимки при экспозициях не более 0,1 секунды, затрачивая времени не более 2 секунд на весь процесс получения первичных снимков, что уменьшает вероятность размытия рентгеновского изображения в результате движения пациента и повышает качество реконструкции 3D изображения.
Упрощенная конструкция системы и уменьшенный размер повышают надежность и снижают затраты на покупку и обслуживание.
ТЕРМИНЫ (ОПРЕДЕЛЕНИЯ).
В описании данного изобретения термины «включает», «включающий» и «включает в себя» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».
Термин "соединенный" означает функционально соединенный, при этом может быть использовано любое количество или комбинация промежуточных элементов между соединяемыми компонентами (включая отсутствие промежуточных элементов).
Как упоминается в данном документе, термин «многолучевой источник рентгеновского излучения» может обозначать устройства, которые могут одновременно или последовательно генерировать несколько пучков рентгеновского излучения.
В материалах данной заявки под «тугоплавким металлом» обычно понимают молибден (используемый в маммографии) и вольфрам (используемый в рентгенографии). В рентгеновских трубках высокой ценовой категории вольфрам легируют рением.
Если не определено отдельно, технические и научные термины в данной заявке имеют стандартные значения, общепринятые в научной и технической литературе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего подробного описания заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых изображено:
Фиг. 1 - Принципиальная схема многолучевой рентгеновской трубки с вращающимся анодом в соответствии с вариантом осуществления, описанным ниже.
Фиг. 2 - Принципиальная схема формирования электронного луча заданной формы, создающего на мишени анода фокусное пятно. Вид сверху и вид сбоку катода с электронной-оптической системой и мишени анода. Вид фокусного пятна.
Фиг. 3 - Схема расположения множества катодов относительно цилиндрического анода и расположения фокусных пятен от всех катодов в соответствии с настоящим техническим решением. Вид спереди. Поперечный разрез рентгеновской трубки.
На чертежах одинаковые позиции применяются для обозначения одинаковых частей.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
1. Анод
2. Ротор
3. Вал
4. Подшипник
5. Статор
6. Линейка катодных узлов
7. Вакуумный баллон
8. Катод
9. Электронно-оптическая система
10. Электронный луч
11. Мишень анода
12. Фокусное пятно
13. Образующая анода.
14. Ось вращения анода
15. Ось электронного луча
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
На фиг. 1 приведена принципиальная схема стационарной системы рентгеновского изображения с множеством источников рентгеновского излучения, включающая многолучевую рентгеновскую трубку в соответствии с настоящим техническим решением и стационарный плоскопараллельный детектор, который может оставаться неподвижным.
Как показано на фиг.1 многолучевая рентгеновская трубка может включать в себя вакуумный баллон 7, внутри которого предусмотрены анодный узел, содержащий вращающийся анод 1, и линейка стационарных катодных узлов 6.
Анод 1 по существу имеет цилиндрическую полую форму и расположен на валу 3, который в свою очередь закреплен на внутренних торцевых стенках вакуумного баллона 7 с помощью специальных (предназначенных для работы в вакууме) шарикоподшипников 4.
Анод может вращаться вокруг оси вращения 14, которая соответствует оси вращения вала 3 и определяет продольное направление рентгеновской трубки. Момент вращения передается валу 3 двигателем со статором 5 за счет наведения переменного магнитного поля, воздействующего на ротор 2 двигателя. При подаче тока на статор электродвигателя (электромагниты) ротор электродвигателя начинает вращаться за счет наведения магнитного поля и взаимодействия его с магнитами ротора двигателя. Специалисту в данной области техники было бы понятно, что передача не ограничивается указанным вариантом воплощения и может быть реализована с помощью любого известного механизма.
Вращающийся анод 1 выполнен в виде цилиндра, изготовленного из меди или графита, длина которого L определяется соотношением:
L>2⋅F⋅tg(α/2),
где F - фокусное расстояние рентгеновского аппарата, α - полный угол томографии.
Поверхность анода выполнена с равномерно расположенными коническими проточками, которые являются мишенями анода, на поверхность которых наносится тугоплавкий металл - вольфрам или молибден. Расстояние между двумя соседними проточками одинаково для всех проточек. Угол поверхности соответствующей проточки (угол образующей) относительно оси вращения анода вычисляется по формуле:
β=arctg(l/F),
где F - фокусное расстояние рентгеновского аппарата, l - расстояние от середины цилиндра (центрального фокусного пятна) до середины соответствующей проточки.
При наличии конических проточек на поверхности цилиндрического анода 1 ось каждого пучка рентгеновского излучения перпендикулярна к образующей соответствующей проточки, что обеспечивает одинаковый размер эффективных фокусных пятен и, следовательно, одинаковую мощность дозы в плоскости детектора рентгеновского изображения по всем лучам излучателя.
В маммографии принят размер фокусного пятна - 0,3 мм. Глубина проточки может быть примерно равна номинальному значению размера фокусного пятна. Следовательно, глубина проточки составит, в худшем случае не более 0,5 мм, что позволяет применить в качестве анода полый цилиндр.
В линейке катодных узлов применяются катоды косвенного накала с электронно-оптическими системами, позволяющими управлять включением/выключением катодов (лучей) и формировать электронный луч заданной формы, создающий на мишени анода фокусное пятно продолговатой формы: L1 - большая ось фокусного пятна, L2 - малая ось фокусного пятна. Катоды могут включаться и выключаться последовательно (поочередно) с заданной скоростью, изображая объект под разными углами. В качестве альтернативного варианта воплощения катоды могут быть включены на основе заданной последовательности (например, не обязательно, последовательно в строке). Соответственно, можно получить различные восстановленные изображения движущихся объектов.
Большая ось каждого фокусного пятна (L1) располагается перпендикулярно образующей цилиндрического соответствующей конической проточки. Малая ось (L2)  фокусного пятна совпадает с образующей конической поверхности мишени.
Катоды 8 расположены по существу вдоль прямой линии под углом для направления рентгеновских лучей к объекту таким образом, чтобы оси их электронных лучей 15 были направлены перпендикулярно поверхности соответствующей проточки (мишени) цилиндрического анода 1. Следовательно, чем дальше от середины анода, тем меньше расстояние между соседними катодами.
Линия расположения катодов 8 может быть параллельной плоскости изображения рентгеновского детектора.
Катоды 8 и рентгеновский детектор могут быть стационарными относительно друг друга при облучении объекта рентгеновскими источниками и обнаружении проекционных изображений рентгеновским детектором. Фокусные пятна от всех катодов располагаются на одной линии - образующей цилиндрического анода. Фокусные пятна могут быть по существу одинакового размера.
После подачи питания на рентгеновский аппарат, в котором установлена трубка, на катоды подается пониженный уровень накального напряжения - напряжение разогрева, которое поддерживается в процессе ожидания проведения процедуры. На управляющие электроды катодных узлов подаются запирающие напряжения - отрицательные относительно катода.
При проведении процедуры и нажатии кнопки «Экспозиция» рентгеновского аппарата на катоды подается полное напряжение накала и на статор подается переменное напряжение для раскрутки анода. По окончании процесса разогрева катодов до рабочей температуры и разгона анода до частоты вращения 2700 оборотов в минуту на управляющий электрод первого катода подается отпирающее напряжение - положительное относительно катода. Его значение выбирается таким, чтобы сформировался электронный луч заданной конфигурации, обеспечивающей необходимый размер фокусного пятна. Одновременно на анод подается высокое напряжение. Когда электроны попадают в анодный материал, формируется рентгеновский луч. Отслеживая угол поворота анода и время включения соответствующего катода электронный луч создается в геометрии, как показано на фиг. 2. Для поддержания местоположения фокального пятна во время последовательности изображений время между подачей напряжения на соответствующие катоды будет составлять время, за которое ось анода совершает поворот на 360° (время может быть кратным времени поворота анода на 360°).
По окончании первой экспозиции, на управляющий электрод первого катода подается запирающее напряжение - отрицательное относительно катода. Высокое напряжение с анода не снимается. Плоскопанельный детектор переходит в режим считывания первого изображения. По окончании процесса считывания детектор выставляет сигнал готовности, и на управляющий электрод второго катода подается отпирающее напряжение - положительное относительно катода - включается рентгеновское излучение по второму катоду. По окончании второй экспозиции на управляющий электрод второго катода подается запирающее напряжение - отрицательное относительно катода. Высокое напряжение с анода по-прежнему не снимается. Плоскопанельный детектор переходит в режим считывания второго изображения. Аналогично циклы включения-выключения производятся последовательно по всем катодам.
После выключения последнего катода снимается высокое напряжение с анода трубки, со статора снимается переменное напряжение и напряжение накала на катодах снижается до уровня разогрева. Трубка переходит в режим ожидания процедуры.
Все полученные первичные изображения передаются в рабочую станцию, где по специальному алгоритму реконструкции получается послойное изображение объекта исследования.
Хотя настоящая полезная модель была подробно описана на примерах вариантов, которые представляются предпочтительными, необходимо помнить, что эти примеры осуществления полезной модели приведены только в целях иллюстрации полезной модели. Данное описание не должно рассматриваться как ограничивающее объем полезной модели, поскольку в конструкцию предлагаемой многолучевой рентгеновской трубки специалистами в области рентгенотехники и др. могут быть внесены изменения, направленные на то, чтобы адаптировать многолучевую рентгеновскую трубку к конкретным материалам или ситуациям, и не выходящие за рамки прилагаемой формулы полезной модели. Специалисту в данной области понятно, что в пределах сферы действия полезной модели, которая определяется пунктами предлагаемой формулы, возможны различные варианты и модификации, включая эквивалентные решения. Все подобные вариации, которые очевидны специалистам в данной области техники, считаются входящими в объем настоящей полезной модели, который определен в прилагаемой формуле. Для пояснения настоящего описания следует отметить, что фраза «отличающийся тем» означает «включающий в себя, но не ограничивающийся этим».