DE19520360A1 - Verfahren zur Durchführung von Konstanzprüfungen an für Diagnosezwecke eingesetzte Röntgengeneratoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Konstanz­ prüfungen an einem für Diagnosezwecke eingesetzten, von einem Rech­ ner, insbesondere von einem Personal-Computer gesteuerten Röntgenge­ nerator, wobei in den Strahlengang ein Schwächungskörper eingeschal­ tet ist und wobei ein Prüfvorgang bei Erreichen einer vorgegebenen Abschaltdosis durchgeführt wird.

Röntgengeneratoren werden für Diagnosezwecke eingesetzt und haben die Aufgabe, eine für Patienten unbedenkliche Strahlungsdosis abzu­ geben, die jedoch für diagnostische Aufnahmen ausreichend ist und hinreichende Schwärzungen des Filmes liefert. Um eine einfache Be­ dienung zu erreichen, werden diese Röntgengeneratoren mit einer Be­ lichtungsautomatik gesteuert, wobei ein dem Objekt nachgeschaltetes Dosimeter dann abschaltet, wenn die für die gewünschte Aufnahme not­ wendige Dosis appliziert ist; daneben besteht auch die Möglichkeit einer freien Belichtung. Für die Steuerung werden häufig auch Rech­ ner, insbesondere auch Personal-Computer eingesetzt. Derartige Rönt­ genanlagen sind z. B. aus WO-A 8603363 oder EU-A 91105238 bekannt. Um über ihre Betriebszeit konstante Belichtungsbedingungen zu errei­ chen, werden solche Röntgengeneratoren in regelmäßigen Zeitabständen auf Konstanz überprüft, wobei durch diese Überprüfung sicherge­ stellt werden soll, daß der Betriebszustand dem Anfangszustand ent­ spricht, und Strahlungsemission und Strahlungsspektrum gegenüber den Anfangsbedingungen ungeändert (oder nur in einem tolerierbaren Rah­ men verändert) sind.

Diese Konstanzprüfung wird nach dem Stand der Technik an Hand von Prüfaufnahmen vorgenommen. Dabei wird ein Schwächungskörper mit einem relativen Referenzdosimeter auf dessen Strahlungs-Eintritts­ seite fokusnah in den Strahlengang eingebracht (DIN 6868 Teil 3) und filmnah eine Strukturplatte auf der Tischfläche positioniert. Mit dieser Anordnung werden pro Anwendungsgerät je eine Aufnahme mit freier Belichtung (Röhrenspannung in kV, Röhrenstrom in mA, Belich­ tungsdauer in Sekunden oder übergegangene Ladung als mAs-Produkt) und mit Belichtungsautomatik (Erreichen einer bestimmten, vorgebenen Dosis in Filmebene) bei Röhrenspannung von 70 und von 100 kV durch­ geführt. Neben der Überprüfung der Strahlgeometrie, bei der die Über­ einstimmung von Röntgenfeld und Lichtfeld sowie die Zentralstrahl-Abweichung überprüft werden, wird als wesentliches Element für die Konstanz eine Korrelation von relativ bestimmter Dosis auf der Strahleneintrittsseite des Schwächungskörpers zur densitometrisch gemessenen Filmschwärzung (optische Dichte) der Prüfaufnahme über­ prüft, wobei die Konstanz als vorhanden gilt, wenn sich alle Parame­ ter innerhalb vorgegebener Grenzwerte bewegen. Das wesentliche Pro­ blem dieser Konstanzprüfung ist, daß hier drei unterschiedliche Systeme mit eigenen Schwankungs- und Fehlermöglichkeiten verknüpft werden, um ein System, die Röntgenanlage zu überprüfen.

Bei einem konkreten Prüfvorgang bestand die Röntgenanlage aus einer von einem 6-Puls-Hochspannungsgenerator (50 kW) versorgten High-Speed-Röhre (zulässige Anodenlast 50 kW), mit von 0,6 auf 1,2 mm um­ schaltbaren Fokus, deren Eigenfilterung mit 2,5 mm und deren Tiefen­ blende mit 0,5 mm Aluminium-Äquivalent angegeben war. Die Belich­ tungsautomatik war mit Schnellschaltzusatz und spannungsabhängiger Schwärzungskorrektur (kV-Komparator) versehen. Als Aufnahmegerät diente ein kombiniertes Aufnahme/Schichtgerät mit einem Fokus-Film-Abstand von 1.100 mm und einem Geräteschwächungsfaktor von 2,5, be­ nutzt als Bucky-Tisch, mit einem Rasterverhältnis 12 (36 L/cm). Her­ kömmlichen Konstanzprüfungen, denen die densitometrisch gemessene Filmschwärzung zugrunde liegt, zeigen, daß die mit einem Absolut-Do­ simeter gemessene Dosis in Filmebene und die Filmschwärzung gut kor­ relieren, während sich bei Messungen vor der Strukturplatte erheb­ liche, nicht mehr tolerierbare Abweichungen ergeben. Diese Abwei­ chungen zeigen, daß die Dosis in Filmebene durch zusätzliche Ein­ flüsse bestimmt wird (Markgraf, Bork: Konstanzprüfung an diagnosti­ schen Röntgenanlagen; ZS Med.Phys. 1(1991) S. 183-188).

Als nachteilig wird angesehen, daß die Konstanzprüfung eine densito­ metrisch zu bestimmende Filmschwärzung voraussetzt, was zum einen einen erheblichen Filmverbrauch zur Folge hat, und bei dem zum ande­ ren die Densitometrie einen erheblichen Aufwand an geschultem Perso­ nal sowie an Arbeitszeit erfordert. Schließlich hängt das Ergebnis von Schwankungen der Filmqualität und von Entwicklungseinflüssen ab, die - summiert - zu einem erheblichen Fehler führen können und bezüg­ lich der nachzuweisenden Konstanz Werte vortäuschen, die nicht gege­ ben sind.

Hier setzt die Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, das bekannte Verfahren so weiterzubilden, daß bei der Konstanzprüfung der Röntgenanlage die Anzahl der Filmaufnahmen auf das für die Über­ prüfung der Strahlengeometrie notwendige reduziert werden kann, daß diese Konstanzprüfung einfach und wirtschaftlich auch von lediglich eingewiesenem Personal durchführbar ist, und - in Weiterführung der Aufgabenstellung - daß diese Konstanzprüfung unmanipulierbar ist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit den im Anspruch 1 angege­ benen Merkmalen gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen und bevorzugte Ausführungsformen beschreiben die Unteransprüche.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß die Dosis der überge­ gangenen Ladung streng proportional ist, so daß auf die Messung der Absolut-Dosis verzichtet und diese Messung durch relative Messungen ersetzt werden kann. Wegen der guten Korrelation zwischen der Rela­ tiv-Dosis in Filmebene und der Filmschwärzung kann weiter die Dosis­ messung der Belichtungsautomatik zur Bestimmung der Dosis in Film­ ebene herangezogen werden. Daher ist es ausreichend, wenn der Prüf­ vorgang mit Belichtungsautomatik abläuft, so daß das Abschalten dann erfolgt, wenn das Dosismeßgerät der Belichtungsautomatik die vorge­ gebene Dosisgrenze erreicht hat. Die real benötigte Zeitdauer zeigt dann die zwischenzeitlichen Veränderungen der im Röntgensystem eingetretene Abweichung.

Ebenso ist die Überprüfung der "freien Belichtung", bei der Anoden­ spannung und Ladungsmenge frei vorgewählt werden, Prüfpunkt der Kon­ stanzprüfung. Dabei werden die tatsächlich übergegangene Ladung und die Dosis gemessen, wobei Zeitdauer und Anodenstrom festgehalten werden. Damit stehen für die Konstanzbestimmung folgende Werte zur Verfügung:

• - Röhrenstrom in Abhängigkeit von der Zeit,
• - Ladung, die während der Belichtungsdauer geflossen ist,
• - (relative) Dosis, gemessen mit dem Dosimeter der Belich­ tungsautomatik,
• - Zeitdauer der Belichtung.

Weiter sind bekannt bzw. vorgegeben

• - Anodenspannung und deren Welligkeit,
• - Heizleistung bzw. Heizspannung.

Dabei läßt der Röhrenstrom bei der vorgegebenen Heizleistung Rück­ schlüsse auf den Zustand der Kathode zu, während er für die Dosis-Bestimmung von sekundärer Bedeutung ist und erst nach Integration über die Zeitdauer der Belichtung als übergegangene Ladung seine Be­ deutung gewinnt.

Immer dann, wenn sich Veränderungen im System "Röntgengenerator" bzw. Röntgenröhre" ergeben, werden diese an Veränderungen der gemes­ senen oder bestimmten Werte bemerkt. Diese Veränderungen können sein:

• - Änderung der Hochspannung (Verschiebung des Spektrums),
• - Änderung des Heizstromes der Kathode beim konstanter Heizspannung bzw. der Heizleistung (Verlagerung Anodenstrom),
• - Änderung des Anodenzustands (Rauhigkeit mit "Aufhärtung")
• - Änderung des Belages der Röhreninnenseite durch abgedampftes Anoden- oder Kathodenmaterial (Änderung der Vorfilterung),
• - Änderung der Vorfilterung durch Zusatzfilter im Strahlengang,
• - Änderung der Feldgröße des Strahlenfeldes,
• - Änderung der Abschaltdosis der Belichtungsautomatik,
• - Änderung des Einfallswinkels des Zentralstrahls zur Mitte des Empfängersystems (Laufraster-Einrichtung mit Raster und Meß­ kammer),
• - Parallelverschiebung des Zentralstrahles zur Mitte des Empfän­ gersystems (Dezentrierung des divergenten Röngtenbündels zum
• - im Film-Fokus-Abstand entsprechend divergent fokussierten - Raster,
• - Änderung des Film-Fokus-Abstands.

Diese Werte liefern nun die Grundlage zur Beurteilung der zwischen­ zeitlich eingetretenen Abweichungen der Röntgenanlage. Dabei muß die Konstanz des Dosimeters der Belichtungsautomatik nicht gesondert si­ chergestellt werden, da sie mehrfach Prüfpunkt der Konstanzprüfung ist.

Mit dem Rechner bzw. dem Personal-Computer wird in einfacher Weise eine Möglichkeit eröffnet, diese Konstanzprüfung als Teil des in seinem Programmspeicher digital abgespeichert vorliegenden Arbeits­ programmes durchzuführen. Dieser Programmteil ist dabei dem Bediener nicht zugänglich und daher auch nicht manipulierbar. Dabei sind auch die generatorseitigen Vorgaben Bestandteil dieses Programmteiles, so daß auch dafür keine Möglichkeit einer äußeren Einflußnahme gegeben ist. Mit seinen einzelnen Schritten wird dabei folgendes bestimmt:

• - Die während der Applikation durch das Röntgenrohr geflossene Ladung.
• - Die Zeit bis zum Erreichen der Abschaltdosis (bei Benutzung der Belichtungsautomatik gleich der Dosis in der Filmebene) bzw.
• - Die Zeit bis zum Erreichen der vorgegebenen Ladungsmenge (bei Benutzung der Belichtungsautomatik gleich der Dosis in der Filmebene).

Diese Informationen reichen aus, um für einen Testlauf die Strah­ lungsausbeute sowie die Strahlungsqualität der von der Röntgenröhre abgegebenen Strahlung zu beurteilen und als Protokoll auszudrucken. Die von der Röntgenröhre emittierte Strahlendosis ist streng propor­ tional der durchgeflossenen Ladung. Die Filmschwärzung ist wiederum streng proportional der in Filmebene ankommenden Strahlungsdosis, wobei ein Schwächungskörper mit konstanten Bedingungen den Patienten simuliert. Für die Anfangsbedingung ist das Triplett "Zeitdauer", "Ladungsdurchfluß" und "Dosis in Filmebene" bekannt, die sich durch die Alterung der Röntgenröhre ändern. Diese Änderungen haben unter­ schiedliche Auswirkungen: Zum einen wird die Anode aufgerauht, was zu einer Aufhärtung des Spektrums führt; abgedampftes Anodenmaterial lagert sich am Austrittsfenster ab, was eine Vorfilterung der Strah­ lung bewirkt, wobei im wesentlichen die K- (und auch L-) Kante des Anodenmaterials Weichanteile aus den Spektrum ausfiltern, so daß im Ergebnis auch hier auf Aufhärtung zu erwarten ist. Hinzu kommt, daß auch das Emissionsvermögen der Kathode nachlassen kann, so daß der emittierte Strom bei gegebener Kathodentemperatur geringer wird, was einen direkte Einfluß auf die emittierte Strahlungsdosisleistung hat. Es zeigt sich hier, daß

• - eine Bestimmung der übergegangenen Ladung und
• - eine Bestimmung der Zeitdauer, bis die Abschaltdosis erreicht ist (bei Belichtungsautomatik) oder
• - eine Bestimmung der Dosis in Filmebene, die während der Dauer des Prüfvorganges ankommt (bei freier Belichtung)

ausreicht, um die Konstanz der Röntgenanlage beurteilen zu können. Weichen die Meßwerte um mehr als eine tolerierbare Differenz von den Anfangswerten ab, ist eine wesentliche Veränderung eingetreten, die der Korrektur bedarf.

Wird beispielsweise bei der Inbetriebnahme nach Abschalten des Test­ laufs durch die Belichtungsautomatik nach Erreichen der für die Be­ lichtung vorgebenen Dosis festgestellt, daß die geflossene Ladung - beispielsweise 35 mCb (=35 mAs) - in 100 ms übergegangen sind, und wird bei einer später nachfolgenden Konstanzprüfung festgestellt, daß bei Benutzung der Belichtungsautomatik diese Abschaltdosis erst bei 65 mAs erreicht wird, und dazu 0,2 s benötigt werden, folgt, daß die Transmissionsausbeute erheblich nachgelassen hat. Diese Abwei­ chung kann daran liegen, daß die Anode aufgerauht ist sowie das Fen­ ster durch von der Anode verdampftes Material "geschwärzt" ist. Durch diese Einflüsse ist das Strahlungspektrum insgesamt härter ge­ worden: Die aufgerauhte Anode liefert eine Aufhärtung, da in tiefe­ ren Bereihen der Anode frei gesetzte Strahlung Anodenmaterial durch­ dringen muß und daher durch dieses gefiltert wird. In gleicher Weise bewirkt das "geschwärzte" Fenster eine Vorfilterung ebenso durch ab­ gedampftes Anodenmaterial. Diese Vorfilterung beeinflußt das Strah­ lungsspektrum im Bereich vor allem der K-Kante, aber auch der L-Kan­ te, des Anodenmaterials, schwächt den "Weichanteil" der Strahlung und härtet das Spektrum so auf, mit der Folge, daß die Meßkammer die richtige Abschaltdosis nicht erkennt.

Vorteilhaft wird dabei auch die Röhrenspannung überwacht und während des Prüfvorganges gesondert gemessen. Liegt eine zu hohe Anodenspan­ nung an der Röntgenröhre, bedeutet dieses, daß das Strahlungsspek­ trum insgesamt zu hart ist. Auch diese Aufhärtung der Strahlung führt dazu, daß die richtige Abschaltdosis nicht mehr erkannt wird. Bei freier Belichtung, bei der auch von den Anfangswerten ausgegan­ gen wird, wird mit einer zu harten Strahlung gearbeitet, die bei der vorgegebenen Belichtungsdauer zu einer Überexposition der Aufnahme führt, die dadurch unbrauchbar werden würde und unter erneuter Strah­ len-Belastung des Patienten zu wiederholen wäre.

Aufgrund dieser Meßwerte, die vom Rechner zunächst ermittelt und ausgegeben werden, kann die Abweichung des Zustandes der Röntgenan­ lage zum Zeitpunkt der Prüfung von dem der Ausgangssituation beur­ teilt werden. Vorteilhaft ist es, wenn diese Werte protokolliert und als Protokoll gespeichert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn im Programm ein Schreibschutz für die Protokoll-Dateien vorgesehen ist. Dieser Schreibschutz ist als Programmbestandteil dem Benutzer der rechnergesteuerten Röntgenanlage nicht zugängig, so daß die Proto­ kolle nicht verändert werden können. Eine Manipulation ist damit ausgeschlossen. Weiter ist es vorteilhaft, daß diese Protokolle auch in ihrem zeitlichen Anfall ausgedruckt werden können. Mit den ermit­ telten Abweichungen läßt sich weiter die Röntgenanlage so berichti­ gen, daß die Parameter des Anfangszustandes wieder benutzt werden können. Die Überprüfung der Lage des zum Zielen und Einrichten not­ wendigen Lichtfeldes zum Röntgenfeld sowie des Kontrastes wird in bekannter Weise mit einer einzigen Prüfaufnahme durchgeführt (DIN 6868 Teil 3). Dabei wird das beschriebene Verfahren mit gleichem Er­ folg auch bei der Überprüfung der Dosisleistungsregelung für Durch­ leuchtungen (Ladungsmenge in mAs während einer Strahlungsdauer von 20 s durch den gleichen Schwächungskörper von 25 mm A1 wie bei Rönt­ genaufnahmen) bei Überprüfung der Konstanz des Durchleuchtungsbe­ triebes eingesetzt (DIN 6868 Teil 4).

Damit wird sichergestellt, daß die für diagnostische Aufnahmen an Patienten als auch deren Durchleuchtungen benutzte Röntgenanlagen den Anfangswerten entsprechen, daß sie gegenüber den Anfangswerten "konstant" geblieben sind. Aufnahmen oder Durchleuchtungen können daher mit geringstmöglichen Strahlungsdosen vorgenommen werden, bei einer Strahlungsqualität des Röntgengenerators, die ebenfalls als konstant gebliebene Gerätekonstante angesehen werden kann. Das Ein­ bringen des Schwächungskörpers kann dabei nach Einweisung von einer röntgentechnischen Assistentin vorgenommen werden, dies bedarf kei­ ner besonderen Fachkenntnis. Alles weitere besorgt der Rechner nach Start des Programmteils "Konstanzprüfung" bis hin zum Ausdruck, ohne daß es - abgesehen von programmtypischen Quittungsbestätigungen - eines weiteren Eingriffs des Personals bedarf.

Das Wesen der Erfindung wird an Hand des in den Figuren dargestell­ ten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigt

Fig. 1: Schematische Darstellung des Strahlenganges einer Meßanordnung für die Konstanz-Prüfung einer Röntgen­ anlage nach der Erfindung;

Fig. 2: Schematische Verschaltung von Röntgenanlage und Personal-Computer.

Vom Fokus 2.1 auf der Anode 2 der Röntgenröhre 1 aus geht das Strah­ lungsbündel, das von der Blende 4 auf das Untersuchungsfeld (bzw. die Filmgröße) begrenzt wird. Ein Schwächungskörper 4.1 mit einem (nach Übereinkunft der Strahlungs-Schwächungen durch den Patienten entsprechenden) Schwächungs-Äquivalent von 25 mm Aluminium "konditio­ niert" die Strahlung. Auf den Tisch 5 ist eine Strukturplatte 6 auf­ gelegt, deren Struktur das Referenzmuster liefert. Zwischen Tisch 5 und Filmebene 7 befinden sich das für Aufnahmen notwendige Raster 6.1 und eine Meßkammer 8 der (nicht näher dargestellten) Belichtungs­ automatik, mit der die in Film-Ebene 7 ankommende Dosis bestimmt wird.

Die Fig. 2 zeigt die Anwendung des Personal-Computers 10 mit dem Rechner 11, dem Monitor 12 und der Eingabetastatur 13 (wobei es sich von selbst versteht, daß auch eine Maus als Eingabeeinheit vorgese­ hen sein kann). An eine Schnittstelle 11.1 ist ein Interface 14 an­ geschlossen, an eine andere Schnittstelle 11.2 der Drucker 18, der (neben dem Monitor 12) die Ausgabeeinheit bildet. Das Interface bildet dabei einen Übergang zu den Komponenten der Röntgenanlage, nämlich dem Hochspannungsgenerator 15, der Heizleistungsgenerator 16 und der Belichtungsautomatik 17. Der Hochspannungsgenerator 15 über­ gibt dem Interface die (u. U. digitalisierten) Werte für Anodenspan­ nung und Anodenstrom, wobei beide auch zeitabhängig sein können (Welligkeit, Stufenform). Die Zeit-Integration des Stromes übernimmt dann der Rechner 11 mit Hilfe seiner Systemzeit, die letztendlich auch die ebenfalls über das Interface 14 ausgegebenen Schaltfunktio­ nen bestimmt. Die Röhrenheizung wird vom Heizleistungsgenerator 16 vorgegeben, wobei die direkt geheizte Kathode 3 der Röntgenröhre 1 in Bereitschaft vorgeheizt wird und die für den gewünschten Röhren­ strom notwendige Kathodentemperatur erst zur Aufnahme durch Hoch­ schalten auf die notwendige Heizleistung gebracht wird. Daher sind sowohl der Hochspannungs- als auch der Heizleistungsgenerator 16 über das Interface 14 an die Systemzeit des Rechners 11 angeschlos­ sen. Die im Rechner 11 integrierte Belichtungsautomatik erhält die Information über die in Filmebene 7 angekommene Dosis von der Meß­ kammer 8, wobei es von der Meßkammer 8 abhängt und dem Dosismeßgerät 17 abhängt, ob die Dosisleistung übergeben wird, die der Rechner zu der applizierten Dosis aus dem Zeitintegral bildet, oder ob die Dosiswerte direkt übergeben werden, die vom Dosismeßgerät 17 ermit­ telt werden.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird erreicht, daß film- und entwicklungsbedingte Schwärzungsunterschiede eliminiert werden, da eine optische Bestimmung der Schwärzung des Filmes entfällt. Es ver­ bleiben nur die Einflüsse, die der zu überprüfenden Röntgenanlage selbst zuzuordnen sind. Die Oberprüfung wird dabei bei mindestens zwei Röhrenspannungen vorgenommen, die etwa den Spannungsbereich des Einsatzes abdecken. Da weiter diese so durchgeführte Konstanzprüfung zumindest bei rechnergesteuerten Röntgenanlagen als Programmteil au­ tomatisch ablaufen kann, entfallen auch Manipulationsmöglichkeiten, da hier entsprechende Software-Sicherungen zumindest einen Schreib­ schutz umfassen, ist dafür Sorge getragen, daß die gespeicherten Da­ ten nicht unbemerkt "korrigiert" werden können; das Protokoll des Rechners bildet daher ein Dokument, das diese (regelmäßig durchzu­ führenden) Prüfungen wiedergibt. Lediglich zur Überprüfung der Strahlengeometrie wird noch eine Prüfaufnahme benötigt, die jedoch hinsichtlich der Schwärzung nicht ausgewertet werden muß.

Claims (4)

1. Verfahren zur Durchführung von Konstanzprüfungen an einem für Diagnosezwecke eingesetzten, von einem Rechner, ins­ besondere von einem Personal-Computer gesteuerten Röntgen­ generatoren, wobei in den Strahlengang ein Referenzkörper eingeschaltet ist und wobei ein Prüfvorgang bei Erreichen einer vorgegebenen Abschaltdosis abgeschaltet wird, da­ durch gekennzeichnet, daß der Röntgenröhrenstrom konti­ nuierlich gemessen und daraus die bis zum Abschalten des Prüfvorganges durch die Röntgenröhre geflossene Ladung durch Integration über die Zeitdauer des Prüfvorganges er­ mittelt wird, daß unabhängig davon die Zeitdauer des Prüf­ vorganges ermittelt wird, und daß der Rechner diese Werte mit denen der Anfangsmessung vergleicht und die Abwei­ chungen bildet, die als Prüfprotokoll ausgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrenspannung direkt gemessen und dem Rechner als Ein­ gangswert zugeführt und in die Bewertung einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Rechnerwerte schreibgeschützt gespeichert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherten Meß- und Rechnerwerte als Protokoll in eine Datei oder über einen an den Personal-Computer in an sich bekannter Weise angeschlossenen Drucker ausgedruckt wer­ den.