JP2004261605A - 低照射量走査ビーム型デジタルx線撮影システム用x線検出器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電子ビーム源とターゲットアノードを備えるx線管を含む。回路は、ビームのピントを合わせ、ターゲットアノードを蛇行パターンなどのあらかじめ定めたパターンでビームで走査するために用いられる。コリメータ素子は、好ましくは開口のアレーを含む穴をあけたグリッドの形状でありX線源と照射されるべき対象物との間に配置される。開口は、照準素子からの選択された距離に位置する面上の検出器アレーに収斂する複数のx線ビームを形成するように方向づけられる。この距離は、照準素子と検出器アレーとの間にx線照射されるべき対象物を位置できるように選択される。検出器素子の矩形マトリックスを含む分割されたx線検出器アレーは、検出器面に位置される。焦点面は、x線源からのある選択可能な距離で最適な解像度を与えるように作られる。
【選択図】図1
Description
図1には、本発明の好ましい実施形態による走査ビームデジタルX線撮影装置が示されている。走査X線管10はX線源として使用される。当該分野にて周知のように、ほぼ100KVから120KVの電源がX線管10を作動させるために使用される。100KVの電源は100KeVにおよぶX線スペクトルを提供する。ここで100KVX線とはこのスペクトルをいう。X線管10は、当該分野で周知のようにスキャンジェネレータ30の制御を受ける偏向コイル20を含んでいる。X線管10内で発生された電子ビーム40は、X線管10内で所定のパターンにて、接地されたアノード50の一方から他方へ走査する。例えば所定のパターンは、ラスタースキャンパターンや、蛇行又はS字型パターンや、螺旋状パターンや、ランダムなパターンや、ターゲットの上記アノードの所定点を中心としたガウス分布パターンや、又は、近い将来のタスクに便利なような他のパターンである。現在好ましいのは、ラスタースキャンにおける「帰線」に関する必要を除去する蛇行又はS字型パターンである。
図3は、グリッドとアノードの構造を拡大したものを示している。アノード50は、ベリリウムのアノード支持体130上に形成され、真空特性がよく、高温及び電子の衝撃に抵抗する能力を有する物質のターゲット層で組み立てられるのが好ましい。さらにX線が比較的透過するアルミニウム又は他の物質がアノード支持体130に使用可能である。現在好ましいターゲット層は、好ましい順に、(1)アノード支持体上にほぼ1ミクロン厚にてスパッタ溶着されたニオブの第1層にほぼ5ミクロン厚にてスパッタ溶着されたタンタルの第2層(この構造は、ニオブがベリリウム(アノード支持体130)とタンタルの熱膨張係数の中間の熱膨張係数を有し、よって上記管のオン、オフ状態間でのターゲットアノードの熱サイクルによるマイクロクラックを抑制又は減少させることから、好ましい。)、(2)ほぼ5ミクロン厚のタンタルのスパッタ溶着層、(3)ほぼ5ミクロン厚のタングステン−レニウムのスパッタ溶着層、および、(4)ほぼ5〜7ミクロン厚のタングステンのスパッタ溶着層である。タンタル、タングステン及びタングステン−レニウムは、比較的高い原子番号と密度を有し、電子ビームが照射されたとき容易にX線を放出するので、アノード50に好ましい。タングステンの3370℃という高融点及び真空特性がよいことは、上記X線管内の高温及び超高真空状態に適している。タンタル及びタングステン−レニウムは、当業者に公知のように類似した特性を有する。アノード層の厚さは、アノード層が100KV電子をX線に有効に変換するのに必要な距離にほぼ等しいように選択される。ベリリウムは、強固でありアノード50から放出されるX線を大きく減じたり散逸させたりしないことから、アノード支持体130に好ましい。ベリリウムのアノード支持体130の厚さは約0.5cmであるのが好ましい。アノード支持体130は、外部の1気圧との圧力勾配に抵抗するのに十分強くなければならないという物理的制約を受けるが、できるだけ薄くなければならない。
図6において、本発明の好ましい他の実施形態によれば、立体的なX線撮影を得ることができるような複数の焦点を有するグリッドを設けることができる。例えば、もしグリッド90における他のすべての開口の列が焦点F1(92)に向けられ、残りの開口が焦点F2(93)に向けられたならば、F1(92)に第1センサアレイを配置しF2(93)に第2センサアレイを配置することで、ラスタ又は蛇行パターンにて開口を走査することが可能であり、それによって、第1センサアレイに関するデータの「線」と、第2センサアレイに関するデータの「線」を作成することができる。これを繰り返し、空間において2つの異なった点F1、F2から見られるように、2つの完成した画像を組み立てることができ、それにより、立体的なX線画像を提供する従来の立体撮影表示装置でそれらを表示することができる。図3Cは、X線吸収物質の層144の内から立体的コリメーショングリッドをどのように構成するかを示している。この場合、開口140A、140Bは、図示されるように、X線ビーム100A、100B用に“V”の「脚」に沿って分離した通路を提供する、実際には“V”のような形状とすることができる。しかしながら、図示されるように開口140A、140Bは連結されることは必要条件ではないが、上記“V”の頂点にてX線が入射する“V”形状開口の有利な点は、両方の検出器が同時に照射され、“V”はF1へ行くX線とF2へ行くX線との信号分離器として動作することである。これはビーム及び偏向電流に必要な電力を半減する。価格は安くなるが、散乱及びそれによる画像のくもりが増加する。
対象物面にて数ライン/mmの解像度を達成するため、いくつかの医療用途にて要求されるように、空間的解像度の限界は、主に検出器の大きさによって決定される。これは、今日のX線管技術では、非常に良く方向付けされたX線放射を十分に得るために要求されるであろう非常に高いパワーレベルを発生することや、組合わされたX線方向付け手段を開発することのどちらも不可能であるからである。
従来のイメージ増倍管技術は、基本的にシステムの感度の限界という束縛を有している。この使用可能なシンチレータ材料の厚みはその光透過特性によって限定される。典型的にはそれは、入射X線光子の約50パーセントが捕捉されるのに十分な厚さに作られる。放射光子の半分だけがフォトカソードに達する。フォトカソードにおいて、入射光子のただ約10パーセントが光電子を生じる。このように、ただ入射X線光子エネルギーの2.5パーセント(0.5×0.5×0.1)がイメージ増倍管システムに維持される。この限定された変換係数に加えて、光子はシンチレータ材料により縦方向に散乱され、与えられた照射量レベルでのシステムの分解能を減ずるボケを生じる。
本発明の重要な点は、必要な照射線量をより低減するためのイメージ処理システムの応用に関する。実際問題として検出器からの信号は、通常は直接ビデオモニタの“Z”すなわちルミナンス入力に用いられない。代わりに、各画素のデジタル化された強度が、「フレーム・ストア・バッファ」の個別のアドレスに蓄えられる。バッファ中の画素アドレスは、ランダムにアクセスでき、数値の強度値は数学的に取り扱われる。この機能は、応用できる多くのイメージ拡張アルゴリズムの応用を有し、検出器アレイの独立した部分からのデータの画素の割り当てを許容する。
セグメント2−99列、100行
セグメント3−99列、101行
セグメント4−100列、99行
セグメントP−100列、100行
セグメント6−100列、101行
セグメント7−101列、99行
セグメント8−101列、100行
セグメント9−101列、101行
走査X線ビームが全画素を通ることにより、同じデータ割り当てのパターンが、繰り返される。
3.X線源50および関心のある物体80の中心との間の距離;”SO”
4.関心のある物体80の希望する解像度、または画素サイズ
5.医学的応用において、アレイの全領域は、コリメーショングリッド90からのX線の遮断に十分な大きさでなければならない。
ここで述べられたSBDXシステムは、物体80の断層写真3次元像を形成するために用いられる1組の連続的平面像を作るのに用いることができる。種々のFOCUS値でセットされたデータを再分析することによる、種々の深さの一連の像からなる3次元で像を作るために、1組の像は解析できる。用いられる、自然のFOCUS値は、n/DETXまたはn/DETYであり、ここに、nはそれぞれ0からDETXまたはDETYまでの整数である。通常、焦点の値は、物体80内の関心のある平面に一致するように分析される。例えば、下記の表1に現されたSBDXシステムにおいて、焦点の平面は、22.86cm(9インチ)(最適焦点面)の普通の焦点面の近くで、約2.54cm(1インチ)の間隔で置かれる。
面までの距離
Fd= 検出器から焦点面までの距離(アノ
ードから検出器機までの距離、Ft
より小さい)
λt= コリメーショングリッドの隣接した
開口の中心と中心の距離
λd= 検出器アレイ110内の隣接した検
出器160の中心の間の距離
である。
図13に示されるBDX撮影システムは、x線ビーム100のx線束を制御するネガティブフィードバック経路305を用いる。好ましくは、センサアレイからのネガティブフィードバックは、センサアレイが常にほぼ同じx線束レベルを見るようにx線束を制御する。このように、(x線に対し比較的透明な)軟らかい組織がスキャンされるとき、x線束が落ち、患者(対象物)に対する全体の照射量を低下する。ネガティブフィードバック線束制御を用いることにより、コントラストとダイナミックレンジが改善される。本実施形態により、差動増幅器310は、ユーザにより設定可能な、調節可能参照レベル320を有する。ネガティブフィードバックループ305は、x線管に対しx線束のネガティブフィードバックをする。
また、時間ドメイン撮影システムは、また、ここに説明される原理を用いて、実行できる。そのようなシステムにおいて、種々の画素からあらかじめ測定されたx線束に達する時間は、計算でき、マップにできる。次に、ネガティブフィードバック制御は、取り扱うスキャン期間のためのあらかじめ決定した線束レベルに達した画素に対応する開口からx線束を除きまたは減少するために使用できる。この場合、集められた情報は、線束レベルへの時間であり、マップされ撮影された情報は、強度よりはむしろ時間に対応する。そのようなシステムの能力は、ずっと大きな信号雑音比を与え、コントラストを改善し、検査中の目的物へのx線照射量を劇的に減少し、ダイナミックレンジを改善することを可能にする。
本発明の1実施形態によれば、2以上のグループのx線ビーム100が、1以上の検出器アレイの方に進む。第1グループのx線ビームは、第1の特性x線エネルギースペクトルを有する。第2グループのx線ビームは、異なった第2の特性x線エネルギースペクトルを有する。第1グループと第2グループのx線ビームの測定された透過率を比較することにより、検査中の対象物における物体の存在が検出できる。微分x線撮影の基本的概念は、従来より知られていて、米国特許第5,185,773号(「金属の非破壊的選択的決定のための方法と装置」)に開示され、この引用により本明細書に組み込まれる。
表1
A.グリッド
形状 円
直径 25.4cm
開口ピッチ 0.0508cm
直径での開口の数 500(サブサンプリング型では166)
グリッドの面積 506.45cm2
開口の数 約196,350
(サブサンプリング型では約21,630)
開口の断面形状 円
開口の間の空間 0.0381cm
アノード表面とコリメーショングリッド出力面の間の距離
2.5cm
B.線源と検出器との距離 91.4cm
最適焦点の面の位置 グリッドから22.86cm
C.スキャン周波数 30Hzに調節可能
D.x線管の作動電圧 70〜100kV
E.検出器アレイ
全体の形状 ほぼ円形(図15参照)
検出器の素子の入力面の形状 正方形
検出器の素子の入力面の大きさ 0.133cm×0.135cm
検出器の素子の数 直径12のほぼ円形のアレイで96
アレイの直径 1.83cm
検出器の中心点からコリメーショングリッド外側直径に対する
全体の含まれる角 15.8°
最適焦点面での視野 19.05cm
最適焦点面での画素寸法 0.038cm
検出器面での画素寸法 0.152cm(中心から中心への検出器
間隔)
分解能 13ライン対/cm
したがって、セグメントに分割された検出器アレイを利用するこのSBDX撮影システムは、高分解能で高感度であると同時に、検査中の対象物への照射線量が低い。また、このシステムは、線源50と検出器アレイ110との間の任意の点に最適焦点を設定することができ、視野の有効作用深さを与えることができる。
以下の説明は、本発明の特に好ましい実施形態に関連し、この実施形態は、計算機の処理のオーバーヘッドを減少するために、ビームのサブサンプリングの技法を用いる。
Claims (1)
- 電子ビーム発生器とアノードと上記アノードに隣接した出力面とを有する走査X線管と、
上記アノードの選択された複数の点に上記電子ビーム発生器により発生された電子ビームを位置させる回路を含み、この電子ビームを、上記の選択された複数の点に、予め決められた時間、予め決められたパターンでとどまらせるスキャン発生器と、
上記出力面に略平行でかつ隣接して設けられたX線を吸収する材料から形成され、かつ略平坦な入力面と略平坦な出力面とを有するコリメーショングリッドとを備え、
上記コリメーショングリッドは、上記コリメーショングリッドを貫通するように形成された第1の数の複数の開口を有し、上記複数の開口は上記コリメーショングリッドの出力面上の第1の領域内の上記出力面を貫通し、
少なくとも3つの別々のX線検出器を有するX線検出器アレイを備え、
上記各X線検出器は1つの検出入力面を含み、上記検出入力面のすべてが一次元的に配列されているのではなく、すべての検出入力面は検出面内に設けられ且つ上記第1の領域より小さい上記検出面上の第2の領域の中に含まれ、上記複数の開口は互いに平行に設けられず、かつそれぞれX線を上記アノードから上記X線検出器アレイに向けるように設けられ、
上記X線検出器によって測定された複数の測定値から画像を生成するためのプロセッサと、
上記第1の数より大きい第2の数の独立した画素を有し、上記画像を表示するためのディスプレイとを備えた、サブ標本化走査ビームのデジタルX線画像化システム。
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