JP2005538786A - コンピュータ断層撮影装置の作動方法 - Google Patents

コンピュータ断層撮影装置の作動方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、システム軸線(Z)の周りを回転可能なX線放射器(2)と、X線検出器(5)と、X線ビームを可変的に限定するために互いに対向し直線状に調整可能である、特に相互間隔を調整可能である2つの吸収要素(30,31)を有する放射器側の絞り装置(3)とを備えたコンピュータ断層撮影装置(1)に関する。吸収要素(30,31)は湾曲形状を有する。絞り装置(3)は、吸収要素(30,31)がその長手方向に対して垂直な方向に、特にシステム軸線(Z)に対して平行な方向に移動可能であるように吸収要素(30,31)に作用する調整装置を有する。吸収要素(30,31)は特に直線案内され、好ましくは互いに独立に移動可能である。

Description

本発明は、システム軸線の周りで回転可能なX線放射器と、X線検出器と、X線ビームを可変的に限定するために互いに対向し直線状に調整可能である、特に相互間隔を調整可能である2つの吸収要素を有するX線放射器側の絞り装置とを備えたコンピュータ断層撮影装置に関する。本発明は、検査対象がX線放射器の回転のもとにシステム軸線の方向へのX線放射器と検査対象との相対的並進運動により走査されるコンピュータ断層撮影装置の作動方法にも関する。
X線診断装置において検査対象つまり患者を検査する際に、検査対象はX線源から送出されたX線ビーム内に運び込まれ、これから生じるX線減弱がX線検出器によって検出される。検査対象はX線放射器とX線検出器との間のX線経路内に位置している。一般にX線放射器として使用されたX線管は患者での検査に必要とされるよりも著しく大きな空間角度でX線を放射する。従って、患者の不必要なX線負担を避けるために、必要でないX線を除去する必要がある。このために従来のX線装置ではX線経路においてX線放射器の直後に放射器側の絞り装置を取付けることが知られており、この絞り装置は一次X線絞りとも呼ばれる。吸収要素として互いに逆方向に移動可能な絞り板を備えたこのような一次X線絞りは、例えば欧州特許出願公開第0187245号明細書から公知である。
複数行X線検出器を備えたコンピュータ断層撮影装置では、X線放射器と患者との間のX線経路内に配置されているX線放射器側の絞り装置のほかにさらに、患者とX線検出器との間のX線経路内に配置されている検出器側つまり検出器近くのX線絞りもしばしば使用される。それによって、存在する複数の検出器行から1つ又は複数の検出器行を遮蔽して残りの検出器行を活性の検出器行として設定することができる。コンピュータ断層撮影装置、特に第3世代のコンピュータ断層撮影装置では、X線検出器がX線放射器と共にガントリ(回転枠)上に固定されて患者の周りを回転するので、X線検出器は一般に方位角の方向に湾曲させられている。この形状への適合において、特に一定の相互距離を実現するために、独国特許第4226861号明細書に開示されたコンピュータ断層撮影装置用の検出器側の絞りは弓形絞り板を用いて構成されている。
X線放射器側の絞りに関しては、この絞りが、X線検出器によって、特にその活性の検出器行によって実際にも検出可能であるX線だけを通過させるという目標設定が存在する。他のX線は不必要に患者を透過して、X線負担を不必要に高めるだけである。コンピュータ断層撮影装置における複数行のX線検出器アレイは一般に直交する行と列とに配置された検出器要素を装備し、一次X線絞りに関してはX線ビームを正確に矩形の絞込む目標設定が存在する。平面のまたは平坦な絞り板つまり吸収要素の場合、これは、それぞれX線放射器の焦点から絞り板への入射点まで測ったX線ビームの異なるX線距離のために、完全には不可能である。絞込み時に相応のエッジ効果を回避するために、米国特許第6396902号明細書には、担持体つまり基体に種々のしかしそれぞれ一定の幅の多数のスリットが設けられているX線コリメータが記載されている。担持体は絞込みスリットも曲がるように曲げられている。スリットの曲がりは、X線検出器上に絞り込まれるX線ビームの横断面が正確に矩形状となることを保証する。
種々の検査方法に対して、異なる数の活性検出器行に絞り込まれるかまたは患者軸線の方向に異なる幅に絞り込まれるX線ビームにより動作することができるようにするために、米国特許第6396902号明細書から公知のX線コリメータでは、X線吸収材料から作られた担持体全体が移動されなければならない。そこでの開示によれば、これは担持体の回転によって行なわれ、そのために担持体はなおも第2の軸線の周りにも曲げられている(皿形)。他の絞りスリットも再び通過位置に持ち込むことができるようにするために回転軸線はX線の焦点の高さになければならない。これは非常に大きな機械的な費用を要する。
この代替としては回転させられる担持体が押し込み移動によって正しい位置へ再調整されなければならず、これも同様に非常に高価である。更に、2つの軸線の周りに曲げられる担持体の製造も高コストにつながり、しかも、これはX線吸収材料すなわち大きい原子番号を持つ材料から製造されなければならない。
更に、米国特許第6396902号明細書から公知のX線コリメータからは、担持体上または担持体内に別々の幅の有限な個数のスリットしかもたらされ得ないことが欠点である。
本発明の課題は、柔軟性のある絞込みを有しかつ同時に僅かな費用で製造可能であるX線放射器側の絞り装置を備えたコンピュータ断層撮影装置を提供することにある。本発明の他の課題はこのようなコンピュータ断層撮影装置の作動方法を提供するものである。
装置に関する課題は、冒頭に述べたコンピュータ断層撮影装置において、本発明によれば、吸収要素は湾曲形状を有し、絞り装置は、吸収要素がその長手方向に対して垂直な方向に移動可能に、特に互いに相対的に調整可能であるように吸収要素に作用する調整装置を有することによって解決される。吸収要素は、特にシステム軸線に対して平行な方向に移動可能である。吸収要素は、X線ビームを区切る外側輪郭、すなわち例えば絞りスリットを形成するエッジに湾曲形状を有する。
本発明によるコンピュータ断層撮影装置は、湾曲した吸収要素つまり絞り部材の間のスリット幅が無段階または自由に選択可能であり、従ってコンピュータ断層撮影装置に設定可能なスライス厚も単に不連続の値を前提とすることができる。幅広い検出器行も部分的に照射可能であり、従って検出器要素の幅よりも薄いスライスも簡単に可能である。
更に、本発明によるコンピュータ断層撮影装置の絞り装置は、必ず一方向または一平面のみにおいて湾曲させられている、つまり、例えば、薄板の湾曲の場合に直線エッジの周りに生じるような形(例えば「バナナ形状」)を有する吸収要素を必要とする。従って、絞り装置は簡単に製造可能である。
本発明によるコンピュータ断層撮影装置において可能なスリット幅またはコリメート幅の十分に無段階の変化は、既に述べたように、スライス厚の自由選択および検出器要素における活性行の柔軟な選択を可能にする。更に、しかしながら、それとともになおも、作動中にX線放射器の焦点サイズが変化した際には絞り設定の再調節が可能である。
有利な構成によれば、吸収要素は互いに独立に移動可能である。それにより吸収要素を互いに逆方向に移動させることができるばかりでなく、同一方向に同時に移動させることも可能である。それによって、例えば、作動中に絞り放射器の焦点位置が変動した際にも絞り再調節が可能である(焦点追跡)。これは、スライス全体がz方向に一定のスライス幅で移動可能であることを意味する。更に、それによりコリメート幅の動的な変化が可能であり、しかも、吸収要素の一方が走査開始時にまだ閉じられており、走査開始およびシステム軸線の方向に行なわれる患者寝台の並進運動の開始と共に初めて開かれるようにすることによって、例えばスパイラル走査の開始時および終了時に願わしくない過剰放射を低減することができる。同じことが走査終了に対して逆に当てはまる。
調整装置は各吸収要素のために別々の調整手段を有すると好ましく、しかも調整手段は該当する吸収要素の直線移動のために構成されていると好ましい。この種の直線移動によって、湾曲した吸収要素の互いに合った部分がシステム軸線の方向への相対移動後もなおも互いに向かい合っていることが保証されるので特に好ましい。
調整手段は、好ましくは共通の直線ガイドと、吸収要素に作用するそれぞれ1つの駆動手段とを有すると特に有利である。
これの代替として、駆動手段は、例えば対応するそれぞれのガイドを備えたそれぞれ1つのリニアモータを有する。
吸収要素の湾曲は特にシステム軸線に対して垂直な平面内を延びている。この湾曲は、特にX線放射器の焦点に中心点を有する円弧の形状を有する。それによって、焦点と吸収要素のX線を区切る全ての縁部範囲との等しい距離が簡単に達成される。
他の好ましい構成によれば、吸収要素の曲率半径は0.5%〜10%の値だけ互いに相違する。これにより次の利点がもたらされる。すなわち、絞りの100パーセントの閉じを可能にするためには、製造公差のために、吸収要素が当接するだけでは一般には十分でない。むしろ吸収要素はX線ビームの方向に見て少なくとも僅かに部分的に重なり合わなければならない。このような部分的な重なり合いは、異なる曲率半径の場合には磨耗なしに可能であるので好ましい。
方法に関する課題は、冒頭に述べた方法において、本発明によれば、検査対象に対する不必要なX線負担の回避のために、X線検出器の視野の中央X線に関して種々の幅に開かれる吸収要素を備えた絞り装置が駆動されることによって解決される。
それによって、絞り装置をほぼ非対称に調整することにより、走査移動または走査、特にスパイラル走査の開始時および終了時に患者への過剰X線を避けることができるので特に好ましい。
例えば、走査移動、特に相対移動の開始前および/または終了後に、吸収要素の一方が閉状態に置かれ、他方の吸収要素が開状態に置かれる。
好ましくは、走査移動、特に相対移動の開始後に、閉状態にある吸収要素が走査移動、特に相対移動に同期して開かれる。
同様に、走査移動、特に相対移動の終了前に、開状態にある吸収要素の一方が走査移動、特に相対移動に同期して閉じられる。
従って、絞り装置によりコリメート幅の動的な変化が行なわれる。
以下において本発明を3つの実施例に基づいて且つ部分的に概略的な図1乃至図7により更に詳細に説明する。
図1は絞り装置を有する本発明によるCT装置を一部に斜視図を含むブロック図で示す。
図2は公知の絞り装置を示す。
図3は絞り装置の作用を具体的に説明するために図1によるCT装置の絞り装置を概略図で示す。
図4は図3の絞り装置の第1の実施例を詳細に示す。
図5は図3の絞り装置の第2の実施例を斜視図で示す。
図6は図5の絞り装置を横断面図で示す。
図7は図3の絞り装置の第3の実施例を詳細に示す。
図1には第3世代のCT装置1の重要部分が示されている。この測定装置はX線放射器2とX線検出器5とを有する。X線放射器2は、このX線放射器2の前に置かれた線源側の絞り装置3を備えている。X線検出器5は、複数の行および列に並べられている図1に4で示された検出器要素の平面状アレイとして構成され、X線検出器5の前に置かれた検出器側の光学的な(明示されていない)X線絞りを備えている。図1では、図を見やすくするために、4行の検出器要素4しか示されていない。しかしながら、X線検出器5はそれ以上の行の検出器要素を持っていてもよく、異なる幅bを有するX線要素を選択的に持つこともできる。
一方では絞り装置3を備えたX線放射器2と、他方ではX線絞りを備えたX線検出器5とが、(明示されていない)回転枠(ガントリ)に、CT装置1の作動時にX線放射器2から出射して調整可能な絞り装置3によって絞られ縁部ビーム8を有するピラミッド状のX線ビームがX線検出器5に入射するように向かい合わせて取付けられている。絞り装置3により、および必要に応じて検出器側のX線絞りにより、X線検出器5においてX線ビームが直接的に入射することのできる範囲のみが開放されるように、X線ビームの横断面が調整される。これは、図1に示されている作動モードでは、活性行と呼ばれる4行の検出器要素4である。場合によって存在するそれ以上の行は検出器側のX線絞りによって覆われ、従って活性でない。絞り装置3は、どうせ活性行に到達しないX線を検査対象、特に患者から遠ざけることによって、検査対象つまり患者の不必要なX線負担を回避するために重要である。
回転枠は、図示されていない駆動装置によりシステム軸線Zの周りを回転することができる。システム軸線Zは図1に示されている直交空間座標系のz軸に平行に延びている。
X線検出器5の列が同様にz軸の方向に延びているのに対して、z軸方向に測って例えば1cmの幅bを有する行はシステム軸線Zもしくはz軸に対して直角方向に延びている。
検査対象、例えば患者をX線ビームのX線経路中に運び込むことができるようにするために、寝台装置9はシステム軸線Zに対して平行につまりz軸方向に移動可能であり、しかも回転枠の回転運動と寝台装置の並進運動との間に並進速度と回転速度との比を一定にするような同期化が存在するように移動される。この比は回転枠の一回転当たりに寝台装置の送りhの所望値が選択されることによって調整可能である。
従って、寝台装置上に存在する検査対象のボリュームをボリューム走査の過程で検査することができ、ボリューム走査は、回転枠の回転と同時の寝台装置9の並進のもとで、回転枠の一回転当たりに多数の投影が異なる投影方向から撮影されるようにスパイラル走査の形で行なわれる。スパイラル走査ではX線放射器2の焦点Fが寝台装置9に対して相対的にスパイラル軌道S上を移動する。このスパイラル走査の代わりに順次走査も可能である。
スパイラル走査中に検出器システム5の各活性行の検出器要素4からパラレルに読出され個々の投影に対応する測定データが、データ処理ユニット10においてディジタルアナログ変換を施され、シリアル化されて画像コンピュータ11に伝達される。画像コンピュータ11は画像再構成の結果を表示ユニット16、例えばビデオモニタに表示する。
X線放射器2、例えばX線管は、(オプションとして同様に共に回転する)高電圧発生装置17によって必要な電圧および電流を供給される。これらをそれぞれ必要な値に調整できるようにするために、高電圧発生装置17には、必要な調整を行なうキーボード19を備えた制御ユニット18が付設されている。
CT装置1のその他の操作および制御も制御ユニット18およびキーボード19により行なわれ、これは、制御ユニット18が画像コンピュータ11に接続されていることによって示されている。
とりわけ、検出器要素4の活性行の個数と、絞り装置3の位置およびオプションとしての検出器側のX線絞りの位置とが調整されるとよい。このために制御ユニット18は、絞り装置3およびオプションとしての検出器側のX線絞りに付設された調整ユニット20もしくは21に接続されている。更に、回転枠が全回転のために要する回転時間が調整可能であり、このことは回転枠に付設された駆動ユニット22が制御ユニット18に接続されていることによって示されている。
図2には、2つの別々の吸収要素30A,31Aを備えた公知の絞り装置3Aの場合にどのような絞込みが生じるかが示されている。X線放射器2Aの焦点Fから出射する縁部X線8Aを有するX線ビームが示されている。
この図では裏面側の吸収要素30Aを通過する両縁部X線8Aは、焦点Fから出発して吸収要素30Aまでそれぞれ距離d2だけ進む。それに対して、図示された中央X線36Aにおける同様な距離d1は縁部X線8Aにおけるよりも短い。同じことがスリット32Aの対向側における縁部X線に対しても当てはまる。この結果、個別の検出器要素4Aを有するX線検出器5A上に、横断面において矩形状でない外側輪郭36Aを有するX線ビームが絞り込まれる。ここで照射された検出器行の全ての検出器要素4Aをそれらの幅bに関して完全に照射するためには、縁部の幅B2が検出器行の幅bにほぼ一致するように外側輪郭34Aが調整されなければならない。異なる距離d1≠d2の結果、検出器行の中央部にX線ビームの外側輪郭34Aの大きな幅B1が生じる。腹の形をしたこの範囲に射し込むX線ビーム成分は、ここでは誇張して表示されているがそれでもやはり線量に関して障害となり、結局は利用されない。
図3には、図1による本発明によるCT装置1の絞り装置3が概略斜視図で示されている。絞り装置3は2つの湾曲した吸収要素30,31を有し、これらの吸収要素30,31間にスリット32が形成され、このスリット32をX線放射器2の焦点Fから出射したX線が通過することができる。重金属、例えばタングステンおよび/またはタンタルから作られた吸収要素30,31が円弧状に曲げられ、円弧の中心点はX線放射器2の焦点Fにある。それによって、それぞれ焦点Fから測った吸収要素30(または31)までの縁部X線8の距離および中央X線36の距離もそれぞれ等しい値dを有することが保証される。それによって、X線検出器5上に絞り込まれるX線ビームは横断面矩形状の外側輪郭36を有し、この輪郭36の幅Bは1つ又は複数の検出器行の一定の幅bに完全に合致可能である。
両吸収要素30,31は独立して、特に同期して、あるいは逆方向に、移動可能または搬送可能であり。このことは図3に相応の二重矢印40,41で示されている。
図4には、概略的に図示された絞り装置3を、(フィルタ交換のための付属の駆動要素47を備えた)1つ又は複数の(銅製)スペクトルフィルタ46を有するフィルタ装置45およびX線ビームの可変減弱のためのくさび形フィルタ48と一緒に、共通なハウジング50内にどのように収納することができるかが示されている。ハウジング50は焦点F側に入射開口51を有し、焦点Fとは反対側に出射開口52を有する。
図4には、更に、吸収要素30,31のそれぞれのために、吸収要素30,31が互いが独立に直線状に移動可能であるように、別々の調整手段60もしくは61が存在することが示されている。図4の実施例において、一方の吸収要素30のための第1の調整手段60はステップモータとして構成された第1の駆動手段62を含み、この駆動手段62は第1の歯車装置63と第1の歯付きベルト64とを介して一方の吸収要素30に作用する。他方の吸収要素(31、図4では見えない。)については、第2の調整手段61において同様に、同じくステップモータとして構成された第2の駆動手段67と第2の歯車装置68とが存在する。両駆動手段62,67は、例えば異なるスピンドルガイドを介して、同一の直線ガイド65上でz方向に直線状に移動可能な両吸収要素30,31に作用する。
図5には、図3による絞り装置3が第2の実施例に基づいて斜視図で再現されている。図5においては絞り部材30,31の特殊なバナナ状の形状がよく分かる。更に、図5から分かるように、共通な直線ガイド65は左側の第1のレール65Aおよび右側の第2のレール65Bを含む。
図6には図5の絞り装置3がz方向の横断面図でもう一度示されている。この図から、絞り装置3の完全な閉状態において製造上の公差に起因するX線の通り抜けを防止するために、吸収要素30,31が高さ方向yにすなわちX線ビームの出射方向に互いに僅かにずれていることが明らかである。
吸収要素30,31の部分的重なり合いを摩擦なしに行なうことができるようにするために、吸収要素30,31の曲率半径は僅かに異なっていると好ましい。吸収要素30,31の曲率半径は例えば197mm,200mmの大きさである。
図7には図3による絞り装置の第3の実施例が詳細に示されている。この実施例は図5による実施例とほぼ同じであるが、しかし図5による実施例とは、吸収要素30,31のための両調整手段60,61が、ガイド付きの第1のリニアモータ71および同様にガイド付きの第2のリニアモータ72を有する点で相違している。
直線ガイドの代わりに他の直線的な調整手段を使用することもできる。
絞り装置3により、焦点−φ−z制御に関連してX線放射器2における焦点位置および焦点サイズの変化を絞り調整に関して相応に追従制御することができる。
絞り装置を有する本発明のCT装置を示す一部に斜視図を含むブロック図 公知の絞り装置を示す概略図 図1による本発明のCT装置の絞り装置を示す概略図 図3の絞り装置の第1の実施例を詳細に示す断面図 図3の絞り装置の第2の実施例を詳細に示す斜視図 図5の絞り装置の横断面図 図3の絞り装置の第3の実施例を詳細に示す斜視図
符号の説明
1 コンピュータ断層撮影装置
2 X線放射器
3 絞り装置
4 検出器要素
5 X線検出器
8 縁部X線
9 寝台装置
10 データ処理ユニット
11 画像コンピュータ
16 表示ユニット
17 高電圧発生装置
18 制御ユニット
19 キーボード
20 調整ユニット
21 調整ユニット
22 駆動ユニット
30 吸収要素
31 吸収要素
32 スリット
34 外側輪郭
36 中央X線
40 二重矢印
41 二重矢印
45 フィルタ装置
46 スペクトルフィルタ
47 駆動ユニット
48 くさび形フィルタ
50 ハウジング
51 入射開口
52 出射開口
60 調整手段
61 調整手段
62 駆動手段
63 歯車装置
64 歯付きベルト
65 直線ガイド
67 駆動手段
68 歯車装置
71 リニアモータ
72 リニアモータ
F 焦点
S スパイラル軌道
Z システム軸線
x,y,z 直交空間座標軸
b 検出器行の幅
B X線ビームの外側輪郭の幅

Claims (13)

  1. システム軸線(Z)の周りを回転可能なX線放射器(2)と、X線検出器(5)と、X線ビームを可変的に限定するために互いに対向し直線状に調整可能である、特に相互間隔を調整可能である2つの吸収要素(30,31)を有するX線放射器側の絞り装置(3)とを備えたコンピュータ断層撮影装置(1)において、
    吸収要素(30,31)は湾曲形状を有し、絞り装置(3)は、吸収要素(30,31)がその長手方向に対して垂直な方向に、特にシステム軸線(Z)に対して平行な方向に移動可能であるように吸収要素(30,31)に作用する調整装置を有することを特徴とするコンピュータ断層撮影装置(1)。
  2. 吸収要素(30,31)は互いに独立に移動可能であることを特徴とする請求項1記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  3. 調整装置は各吸収要素(30,31)のために別々の調整手段(60,61)を有することを特徴とする請求項1又は2記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  4. 調整手段(60,61)は該当する吸収要素(30,31)の直線移動のために構成されていることを特徴とする請求項3記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  5. 調整手段(60,61)は、好ましくは共通の直線ガイド(65)と、吸収要素(30,31)に作用するそれぞれ1つの駆動手段(62,67)とを有することを特徴とする請求項3又は4記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  6. 調整手段(60,61)はそれぞれ1つのリニアモータ(71,72)を有することを特徴とする請求項3又は4記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  7. 吸収要素(30,31)の湾曲はシステム軸線(Z)に対して垂直な平面内を延びていることを特徴とする請求項1乃至6の1つに記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  8. 湾曲は、X線放射器(2)の焦点(F)に中心点を有する円弧の形状を有することを特徴とする請求項1乃至7の1つに記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  9. 吸収要素(30,31)の曲率半径は0.5%〜10%の値だけ互いに相違することを特徴とする請求項1乃至8の1つに記載のコンピュータ断層撮影装置(1)。
  10. 検査対象がX線放射器(2)の回転のもとにシステム軸線(Z)の方向へのX線放射器(2)と検査対象との相対的並進運動により走査されるコンピュータ断層撮影装置の作動方法において、
    検査対象に対する不必要なX線負担の回避のために、X線検出器(5)の視野の中央X線に関して種々の幅に開かれる吸収要素(30,31)を備えた絞り装置(3)が駆動されることを特徴とする請求項1乃至9の1つに記載のコンピュータ断層撮影装置(1)の作動方法。
  11. 走査移動、特に相対移動の開始前および/または終了後に、吸収要素(30,31)の一方が閉状態に置かれ、吸収要素(30,31)の他方が開状態に置かれることを特徴とする請求項10記載の方法。
  12. 走査移動、とりわけ相対移動の開始後に、閉状態にある吸収要素(30,31)が走査移動、特に相対移動に同期して開かれることを特徴とする請求項11記載の方法。
  13. 走査移動、特に相対移動の終了前に、開状態にある吸収要素(30,31)の一方が走査移動、特に相対移動に同期して閉じられることを特徴とする請求項11又は12記載の方法。
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