JP2004181017A

JP2004181017A - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP2004181017A
Application number: JP2002353020A
Authority: JP
Inventors: Yukio Sato; 行雄佐藤
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-07-02
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: JP4114467B2

Abstract

【課題】低コストで製作しやすい構造で検出器を多段に形成し、異なるＸ線エネルギー領域の情報を取り込むことができるＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】ガントリ１内の回転部７に取り付けられ回転するＸ線管２からＸ線が天板５上の被検者４に照射され、透過Ｘ線が検出器３０の初段のコリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａに入射し、散乱Ｘ線は除去され透過Ｘ線によってＸｅガスがイオン化され電気信号に変換される。さらに透過Ｘ線は次段のシンチレータとフォトダイオードからなる固体検出器３０ｂに入射し、電気信号に変換される。それぞれのＸ線エネルギー領域の異なる信号がデータ収集部２２に送られ、ホストＣＰＵ２１の指令によって再構成装置２３で画像に構成され、画像表示装置２４に表示される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線検出器およびＸ線ＣＴ装置に係り、特に、被検者からの散乱Ｘ線を除去するためにＸ線検出器の前に散乱Ｘ線除去用のコリメータを備えたＸ線ＣＴ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線ＣＴ装置は、被検者の体軸を中心にＸ線管とＸ線検出器が円周方向に回転しながらＸ線管からＸ線を放射し、それと対向した円形配置の複数個の検出器で被検者を透過したＸ線量を検知して、その信号をコンピュータ処理して画像を構成するものである。
図６に、従来のＸ線ＣＴ装置の検査室及び操作室に設置された各部構成と制御ブロックダイアグラムを示す。Ｘ線ＣＴ装置は、天板５上に被検者４を載せ、寝台６を上昇させて被検者４を回転軸８の高さに位置させ、天板５をスライド部５ａを介してガントリ１内に移動させる。そして、被検者４を中心にして、回転軸８の周りに、Ｘ線管２と検出器３とが、ガントリ１内の回転部７のリング枠で、ホストＣＰＵ２１からの指令でガントリ・寝台制御装置２０の制御によって、回転しながらＸ線を放射する。その回転速度は、高級機クラスのフルスキャン（３６０度）で１秒以下である。このスキャン中に、例えば腹部スライスであれば、Ｘ線制御装置によって設定され高電圧発生装置によってＸ線管２に高電圧が印加され、Ｘ線条件として１２０ｋＶ、２００ｍＡｓ程度のＸ線量が被検者４に照射される。このＸ線ビームはＸ線管２の射出口のコリメータで扇状に絞られ、被検者４に当たり一部は散乱し、透過したＸ線が検出器３に入射して画像診断情報として処理される。スパイラルスキャンモード（天板５を一定の速度でガントリ１内に移動し、Ｘ線管２と検出器３を連続回転して撮影するもので、ヘリカルスキャンモードともいう）による高速連続撮影は、天板５の移動を撮影中に行なうため広い範囲を短時間で撮影できるので、ＣＴの主流として普及している。検出器３からの出力信号は、検出器３の下部に配置されたデータ収集部２２（ＤＡＳ）の増幅器に入力され、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、Ａ／Ｄ変換器、インターフェース等の回路を経由してメモリに記憶される。そして、システム制御の中枢であるホストＣＰＵ２１は、マイクロプロセッサ、及び、メモリ、ハードディスク、磁気ディスクなどの記憶手段２１ｂ、キーボードを備えた入力装置２１ａなどの周辺機器を備え、このホストＣＰＵ２１と再構成装置２３と画像表示装置２４とスキャン制御部（図示せず）などにより、データ処理が行われ再構成装置２３の高速演算処理により画像が再構成されて、画像データは記憶手段２１ｂの磁気ディスクにファイルされると同時に、画像表示装置２４でアナログ信号としてモニタに表示される。
最近、さらに画像再構成処理速度を従来の１０倍以上に高速化できるようになり、スキャン中に並行してリアルタイムで画像を毎秒数コマの速度で、動画のように表示できる機能を有したＣＴ透視法が実用化され、従来のＸ線透視のようにリアルタイムで連続的に観察できる。
【０００３】
上記の検出器３には、被検者４を透過したＸ線が検出器３に入射する前面に、通常、散乱Ｘ線除去用のコリメータ９が設けられており、Ｘ線管２の焦点の方向に向けて板状のＸ線遮蔽プレートが形成されている。散乱Ｘ線除去用のコリメータ９は、Ｘ線吸収の大きい金属板、例えば、鉛板、タングステン板などで形成され、被検者４とＸ線との相互作用によって発生する散乱線を効果的に除去し、又は減少させて検出器３に有効な信号のみを取り入れるように構成している。散乱線は被検者４が厚いほど、照射野が大きいほど、そして管電圧が高いほど増大し、検出器３に検出され、Ｘ線画像のコントラストを低下させるため、コリメータ９の役割は大きい。
【０００４】
検出器３は、被検者４を透過したＸ線の強度を忠実に電気信号に変換するもので、（１）半導体検出器、（２）シンチレータ＋光電変換素子検出器、（３）Ｘｅガス電離箱検出器などがある。（１）と（２）は固体検出器であり、（３）Ｘｅガス電離箱検出器に比べてＸ線捕捉効率が高く、Ｓ／Ｎがよいため、（２）シンチレータ＋光電変換素子検出器が多く用いられている。一方、（３）Ｘｅガス電離箱検出器は各チャンネルの感度のばらつきが少なく、また、Ｘｅガス圧や印加電圧を変更させることで、Ｘ線エネルギーの吸収波長が固体検出器と異なるという特徴を有する。
【０００５】
しかし、Ｘ線管２から照射されるＸ線は、管電圧に相当する値を最高値としてエネルギーが分布する多色Ｘ線となるが、そのようなエネルギー分布中の特定領域に属するＸ線だけを用いて撮影するということができなかった。そこで、「Ｘ線の透過方向に配置された複数個のシンチレータ素子と、Ｘ線の透過方向に垂直な方向において前記複数のシンチレータ素子とそれぞれ対向する複数の光検出素子と、を具備することを特徴とするＸ線検出器」が公開されている（例えば、特許文献１参照。）。
図７に、公開されている上記の検出器３ａの外観を示す。Ｘ線透過方向をｊ、断層面方向をｉ、Ｘ線透過方向に垂直な方向（体軸方向）をｋとした座標で示し、図８に、その検出素子のｊ−ｋ方向の断面図を示す。
この検出器３ａは、Ｘ線透過方向に垂直な方向（ｋ）にシンチレータ集合体１００とそれに接近して横方向に光検出素子集合体１１０が設けられ、シンチレータ集合体１００はＸ線透過方向に複数のシンチレータ素子１０２が縦に積層され、それに対応して、光検出素子集合体１１０が縦に光検出素子１１２をアレイしている。光検出素子１１２をシンチレータ素子１０２の横に配置することで、Ｘ線透過方向の後段のシンチレータ素子１０２への影響をなくしている。
図９に各シンチレータの捕捉されるＸ線フォトン数とフォトンエネルギーの関係を示す。初段のシンチレータ素子１０２の特性をＱ_１、次段の特性をＱ_２、３段目の特性をＱ_３として表示している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１７４５６４号公報（第３頁、第５図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＸ線ＣＴ装置は以上のように構成されているが、被検者４を透過したＸ線量を電気信号に変換する検出器３は、Ｘ線ＣＴ装置では８００個前後の多くの素子を配列している。分解能を向上させるために検出器素子の数を高密度化し、さらに、一度に複数の断層面を得ることができるように、被検者４の体軸方向に複数の検出器素子をアレイして検出器３が２次元的に構成される。そして、上記の公開特許のように、エネルギー分布の特定領域に属するＸ線を用いて撮影できるように、特性の異なる検出器３をＸ線透過方向に多段に形成した多重構造にすると、検出器が３次元的に構成され、ますます、電気信号の取出しが非常に難しいという問題がある。また、固体検出器を多く使用するため、検出器３の製作コストが大幅に増大するという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、製作が容易でコストがあまりかからない構造の検出器を、Ｘ線透過方向に多段に形成して、異なるＸ線エネルギー領域の情報を取り込むことができるＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明のＸ線ＣＴ装置は、寝台に載せられた被検者の体軸を中心に、Ｘ線管と散乱線除去用のコリメータを前面に備えた固体検出器が円周方向に回転しながらＸ線管からＸ線を放射し、被検者を透過したＸ線量を円形配置した複数個の固体検出器で検知し、その信号をコンピュータ処理して画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、前記コリメータが設けられた空間を密閉しＸｅガスを封入しＸｅガス電離箱によるＸｅ検出器とし、前記固体検出器と前記Ｘｅ検出器をＸ線の透過方向に設け、その２重検出器からの信号で画像を再構成できるようにしたものである。
【００１０】
また、本発明のＸ線ＣＴ装置は、前記Ｘｅ検出器と前記固体検出器がそれぞれ異なるエネルギーレベルのＸ線に反応するものである。
【００１１】
また、本発明のＸ線ＣＴ装置は、前記２重検出器をＸ線の透過方向に対して垂直な方向に複数個配置してアレイをなすものである。
【００１２】
本発明のＸ線ＣＴ装置は上記のように構成されており、散乱線除去用のコリメータが設けられた空間を、Ｘ線透過性の良い材料からなる板で密閉し、内部に高圧のＸｅガスを封入し、Ｘｅガス電離箱を形成してＸｅ検出器とし、コリメータの下方に設けられたシンチレータとフォトダイオードからなる固体検出器を、Ｘｅ検出器の後方のＸ線の透過方向に設け、その２重検出器からの信号で画像を再構成できるようにする。
そのため、固体検出器を多段にして構成するよりは、Ｘｅ検出器を用いることにより電気信号の取り出しも容易になり、コストも大幅に増大することがない。
そして、Ｘｅガス電離箱からなるＸｅ検出器は、各チャンネルの感度のばらつきが少なく、また、Ｘｅガス圧や印加電圧を変更させることで、初段検出器で捉えるＸ線エネルギーの吸収波長が異なるので、固体検出器に対しエネルギーの異なるＸ線情報を得ることができ、エネルギーの違いによる画像を再構成することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明のＸ線ＣＴ装置の一実施例を、図１を参照しながら説明する。図１は本発明のＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
本発明のＸ線ＣＴ装置は、ガントリ１内の回転部７に取り付けられ回転軸８を中心にして回転するＸ線管２と、被検者４を載せる天板５を備えた寝台６と、回転部７に取り付けられ回転軸８を中心に回転する２重構造の検出器３０と、回転部７および寝台６を制御するガントリ・寝台制御装置２０と、画像処理部（検出器３０の下部に配置され信号データを収集するデータ収集部２２と、入力装置２１ａ及び記憶手段２１ｂを備え、システムを統括するホストＣＰＵ２１と、データ収集部２２からの信号を再構成して画像を構成する再構成装置２３と、再構成された画像を表示する画像表示装置２４）とから構成される。
【００１４】
次に、本Ｘ線ＣＴ装置の各構成部について説明する。
Ｘ線管２は、ガントリ１内に搭載され高周波インバータ制御によって小型化された高圧発生器から、８０〜１４０ｋＶの高電圧が印加され、管電流制御、回転陽極の回転駆動制御が行われる。
寝台６は、上部に天板５を備え、上下及び水平方向（スライド部５ａ）の駆動機構で構成され、ガントリ１の操作スイッチによりガントリ開口部での位置合わせを行う。ヘリカルスキャンを行うときは水平方向の駆動を操作コンソールから遠隔操作で行い、スキャン中はＸ線発生、データ収集と同期した制御が行われる。
検出器３０は、上部に設けられたコリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａと、下部のＸ線透過方向に設けられた固体検出器３０ｂの２重構造で構成される。
図２に検出器３０の模式的な構造を示す。コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａは、左右水平方向に、散乱線を除去するために鉛板やタングステン板などで作られたＸ線遮蔽プレートのコリメータ３２が、Ｘ線管焦点方向に向いて立てられ、上面にはＸ線透過性の良い材質の絶縁物からなる板に、Ａｌなどを蒸着してコリメータ３２の間に対応して電極４１を形成した板３８ａがシールされ、コリメータ３２の下部には、ＡｌなどのＸ線透過性の良い導電性の材質からなる板３８ｂがシールされる。また、前後方向の壁には検出器３０を支持する金具などで支持されてシールされる。そして、コリメータ３２の空間には高圧のＸｅガス３１が封入され、上部の電極４１と下部の板３８ｂ間に電圧が印加される。入射Ｘ線によるイオン化電流は電極４１から外部に取り出される。
コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａは、コリメータ３２による散乱線除去機能とＸｅガス電離箱のＸｅ検出器の機能を兼ね備え、コリメータ空間を有効に利用することができる。そして、Ｘｅ検出器は各チャンネルの感度のばらつきが少なく、また、Ｘｅガス圧や印加電圧を変更させることで、Ｘ線エネルギーの吸収波長を変えることができ、固体検出器３０ｂとは異なるエネルギー領域のＸ線情報を得ることができる。
固体検出器３０ｂは、従来から使われ、透過Ｘ線によって発光するシンチレータと、シンチレータで発光した光を電気信号に変換する光電変換素子、例えばフォトダイオードなどで構成され、Ｘ線捕捉効率がよく、Ｓ／Ｎが良い。ここでは上記のコリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａの下部に配置され、Ｘ線透過方向に一致して構成される。
ガントリ・寝台制御装置２０は、ガントリ１内の回転部７、Ｘ線管２、及び寝台６を制御するもので、回転部７の回転速度、Ｘ線管２に供給する撮像条件、及び寝台６の昇降機能、天板５の水平移動などの制御を行う。
画像処理部は、ガントリ１内の検出器３０からの信号を収集するデータ収集部２２と、データ収集部２２からの信号により画像を再構成する再構成装置２３と、再構成された画像を表示する画像表示装置２４とから構成される。
そして、検出器３０（コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａ及び固体検出器３０ｂ）からの出力信号は、データ収集部２２（ＤＡＳ）の増幅器、サンプルホールド回路、マルチプレクサ、Ａ／Ｄ変換器、インターフェース等の回路を経由してメモリに記憶される。そして、システム制御の中枢であるホストＣＰＵ２１は、マイクロプロセッサ、及び、メモリ、ハードディスク、磁気ディスクなどの記憶手段２１ｂ、入力装置２１ａなどの周辺機器を備え、このホストＣＰＵ２１と再構成装置２３と画像表示装置２４とスキャン制御部（図示せず）などにより、データ処理が行われ再構成装置２３の高速演算処理により画像が再構成されて、画像データは磁気ディスクにファイルされると同時に、画像表示装置２４でアナログ信号としてモニタに表示される。
【００１５】
次に、本Ｘ線ＣＴ装置の検出器３０の一実施例を、図３、図４を参照しながら説明する。図３は検出器３０のスライス方向の断面構造を示し、図４はコリメータ部の外観を示す。
コリメータ部は、Ｘ線遮蔽用のコリメータ３２を、体軸方向の前後に、両端部を支持棒４２で枠組補強された円弧状の主支持部４０と支持板３７の間に、Ｘ線管からのＸ線ビームの入射方向に向けて、コリメータ３２が挿入され冶具を用いて固着されている。
コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａは、コリメータ部の上部には内側に電極４１が形成されたＸ線透過性の良い絶縁物の板３８ａが、主支持部４０と側支持部３６上に接着される。コリメータ部の下部にはＸ線透過性の良い導電性の板３８ｂが、同じく主支持部４０と側支持部３６の溝に挿入接着されて、コリメータ部の空間が密閉される。そして、端部からコリメータ部の空間にＸｅガス３１が高圧で注入され、Ｘｅガス電離箱とし、信号線３９を外部に配線して、透過Ｘ線によって電離発生するイオンを電極４１から外部に電気信号として取り出す。
固体検出器３０ｂは、製作する上で機械的な配列から、シンチレータ３４とＰＤＡ（フォトダイオードアレイ）３５を光学接着して組合せたものを、基板３３上に８〜３０個並べたものが１モジュールとされ、このような検出器モジュールを、主支持部４０と側支持部３６の下部の円周上に、連続して略円弧状に配置して、コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａの下部に、上下の位置を合わせて組合わされ、信号線３９が外部に配線される。このとき、コリメータ３２と固体検出器３０ｂの位置精度は正確に設定され、各固体検出器３０ｂの検出感度を一様にかつ最大になるようにＸ線ＣＴ用の検出器３０を構成している。そして、検出器３０は主支持部４０を介してガントリ１内の回転部７に取り付けられる。
【００１６】
次に、コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａ、及び、固体検出器３０ｂのＸ線フォトンの捕捉されるＸ線エネルギー領域の違いについて、図５を参照しながら説明する。図５（ａ）はＸ線管２から照射される波長に対するＸ線強度Ｓを示す図である。（ｂ）はコリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａで捕捉されるフォトンエネルギーの特性Ｄ_１を示し、（ｃ）は固体検出器３０ａで捕捉されるフォトンエネルギーの特性Ｄ_２を示す。
コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａは、図２に示すように、Ｘｅガス３１が高圧で封入されており、そのＸｅガス３１のガス圧、及び、電極４１と導電性の板３８ｂ間に印加される電圧によって、フォトンエネルギーの特性Ｄ_１がシフトし変化する。これに比べて固体検出器３０ｂのフォトンエネルギーの特性Ｄ_２は（ｃ）に示すようにほぼ固定している。そのため、コリメータ兼Ｘｅ検出器３０ａからの信号と、固体検出器３０ｂからの信号とを別々に画像再構成することで、被検者４のＸ線に対するエネルギー領域の異なるＸ線像の情報を捉えることができる。
人体を放射線の減弱という観点からみると、骨及び軟組織から成る２成分系と考えることができ、これら各成分の線吸収係数は放射線のエネルギーに依存して相違しているので、２種のエネルギーを持つ放射線を交互、あるいは同時に人体に照射して、被検者４の透過放射線量を計測することで各成分の厚み、さらには重量を決定することができる。その方法に、ＤＸＡ（ＤｕａｌＸ−ｒａｙＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎｍｅｔｒｙ：二重Ｘ線吸収法）と呼ばれる骨密度測定法がある。小児学童期における骨成長の評価、若年成人期の最大骨量の評価、退行期における骨粗しょう症の検診及び診断、投薬効果の判定などの骨密度をモニタするために、Ｘ線エネルギー領域の異なる２重検出器によるＸ線ＣＴ診断は有用なものとなる。
【００１７】
上記の実施例では、電極４１と下部の板３８ｂを対電極としたが、板３８ａに電極４１を形成せずに、コリメータ３２の間にもう一枚のコリメータ板を立て、それを絶縁して電極としても良い。
また、実施例では、シングルスライスの検出器３０について説明したが、２重の検出器３０をＸ線の透過方向に対して垂直な方向に複数個配置してアレイをなすように構成した３次元検出器とすることができる。これにより一回のスキャンでマルチスライスの断層像を、エネルギー領域の異なる２画像で得ることができる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明のＸ線ＣＴ装置は上記のように構成されており、散乱線除去用のコリメータが設けられた空間を、Ｘｅガス電離箱のＸｅ検出器とし、コリメータの機能と検出器の機能を兼ね備え、その下方にシンチレータとフォトダイオードからなる従来の固体検出器を設けているので、その２段の各検出器からの異なる信号を取り入れることができる。
そして、Ｘｅ検出器のＸｅガス圧や印加電圧を変更させて、初段のＸｅ検出器で捉えるＸ線エネルギー領域を変え、固体検出器で捉えるＸ線エネルギー領域と異なるＸ線情報を得ることができ、エネルギーの違いによる２つの画像を再構成することができる。また、Ｘ線エネルギー領域の異なる情報を取り入れることにより、骨密度測定のデータとすることができる。
そして、固体検出器を多段にした構造にするよりは、Ｘｅ検出器を用いた構造にする方が、電気信号の取り出しも容易になり、コストも大幅に増大することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＸ線ＣＴ装置の一実施例を示す図である。
【図２】本発明のＸ線ＣＴ装置の検出器の原理を示す図である。
【図３】本発明のＸ線ＣＴ装置の検出器の構造を説明するための図である。
【図４】コリメータの全体の構造を示す図である。
【図５】本発明のＸ線ＣＴ装置の各検出器の利用波長を示す図である。
【図６】従来のＸ線ＣＴ装置の構成を示す図である。
【図７】マルチスライスの検出器の外観を示す図である。
【図８】シンチレータを３段に形成した検出器の断面を示す図である。
【図９】各シンチレータに吸収されるエネルギー特性を示す図である。
【符号の説明】
１ガントリ
２Ｘ線管
３、３ａ、３０検出器
４被検者
５天板
５ａスライド部
６寝台
７回転部
８回転軸
９コリメータ
２０ガントリ
２１ホストＣＰＵ
２１ａ入力装置
２１ｂ記憶手段
２２データ収集部
２３再構成装置
２４画像表示装置
３０ａコリメータ兼Ｘｅ検出器
３０ｂ固体検出器
３１Ｘｅガス
３２コリメータ
３３基板
３４シンチレータ
３５ＰＤＡ
３６側支持部
３７支持板
３８ａ、３８ｂ板
３９信号線
４０主支持部
４１電極
４２支持棒
１００シンチレータ集合体
１０２シンチレータ素子
１１０光検出素子集合体
１１２光検出素子

Claims

寝台に載せられた被検者の体軸を中心に、Ｘ線管と散乱線除去用のコリメータを前面に備えた固体検出器が円周方向に回転しながらＸ線管からＸ線を放射し、被検者を透過したＸ線量を円形配置した複数個の固体検出器で検知し、その信号をコンピュータ処理して画像を再構成するＸ線ＣＴ装置であって、前記コリメータが設けられた空間を密閉しＸｅガスを封入しＸｅガス電離箱によるＸｅ検出器とし、前記固体検出器と前記Ｘｅ検出器をＸ線の透過方向に設け、その２重検出器からの信号で画像を再構成できるようにしたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
前記Ｘｅ検出器と前記固体検出器がそれぞれ異なるエネルギーレベルのＸ線に反応することを特徴とする請求項１記載のＸ線ＣＴ装置。
前記２重検出器をＸ線の透過方向に対して垂直な方向に複数個配置してアレイをなすことを特徴とする請求項１記載のＸ線ＣＴ装置。