JP2006528891A - 改善された効率を有するｘ線装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、Ｘ線源（１）、このＸ線源（１）に対向して配置された１つ又は複数の第１Ｘ線検出器要素（２）、およびＸ線源（１）とＸ線検出器要素（２）との間に位置する検査空間（３）を少なくとも備えたＸ線装置、特にＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置に関する。このＸ線装置において、Ｘ線用の１つ又は複数のＸ線転向要素（５ａ，５ｂ）と、１つ又は複数の他のＸ線検出器要素（６）もしくは他のＸ線検出器要素（６）のグループとが、Ｘ線源（１）の放出Ｘ線（８）の１つ又は複数の他の空間角度範囲（４ｂ，４ｃ）からのＸ線が１つ又は複数のＸ線転向要素（５ａ，５ｂ）によって検査空間（３）の第１領域もしくは１つ又は複数の他の領域を通って他のＸ線検出器要素（６）に向けられるように設けられている。このＸ線装置は放出Ｘ線のエネルギー利用を改善し、マルチスライスＸ線ＣＴ装置における走査時間の高速化を達成し、さらにアーチファクトを減少させることができる。

Description

本発明は、Ｘ線源、このＸ線源に対向して配置された第１Ｘ線検出器要素、およびＸ線源とＸ線検出器要素との間に位置する検査空間を少なくとも備え、Ｘ線がＸ線源の放出Ｘ線の第１空間角度範囲から検査空間の第１領域を通って第１Ｘ線検出器要素に向けられるＸ線装置、特にＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置に関する。

この種のＸ線装置は特に画像化医用技術の分野において重要である。この分野においてはますますディジタル画像撮影技術が使用されている。ディジタル画像撮影技術では、適当に場所的に分解されたＸ線画像を作成するために、検査空間内に位置する対象を透過したＸ線が位置分解されて検出される。Ｘ線コンピュータ断層撮影技術によれば、検査対象のほぼ任意のスライス画像を再構成し、利用者に表示することが可能である。

コンピュータ断層撮影装置はとりわけＸ線管、Ｘ線検出器および患者寝台テーブルを備えている。Ｘ線管およびＸ線検出器はガントリに取付けられている。ガントリは測定中に患者寝台テーブル又はそれに平行に延びる検査軸線すなわちｚ軸を中心として回転する。患者寝台テーブルはガントリに対して相対的に検査軸線に沿って移動可能である。Ｘ線管は検査軸線に垂直な断層平面内に扇状に拡大するＸ線ビームを発生する。このＸ線ビームは検査時に断層平面内で対象、例えば患者寝台テーブル上に横臥している患者の身体の断層を透過し、Ｘ線管に対向して配置されたＸ線検出器に入射する。Ｘ線ビームが患者の身体断層を透過する角度、及び場合によってはガントリに対する患者寝台テーブルの相対的な位置が、コンピュータ断層撮影装置による画像撮影中に連続的に変化させられる。

患者を透過した後にＸ線検出器に入射するＸ線ビームのＸ線の強さは患者を透過したＸ線の減弱に依存する。Ｘ線検出器の各検出器要素は受信したＸ線の強さに応じて電圧信号を発生する。この電圧信号はＸ線管からＸ線検出器要素に至るＸ線に対する患者身体の総合的な透明度の測定に一致する。減弱データに対応し、患者に対して相対的なＸ線源の特定位置について撮影されたＸ線検出器の一連の電圧信号は投影と称される。患者の周りをガントリが回転する最中にガントリの種々の位置で撮影された一連の投影は走査（スキャン）と称される。コンピュータ断層撮影装置は、患者の身体の二次元スライス画像または三次元画像に対応する画像を再構成するために、患者の身体に対して相対的なＸ線源の種々の位置で多くの投影を撮影する。撮影によって得られた減弱データからスライス画像を再構成するための一般的な方法はフィルタ逆投影法として知られている。

コンピュータ断層撮影法の数多くの用途例において、Ｘ線撮影をできるだけ短い撮影時間で実施することが必要である。このことは特に身体部位の撮影、又は例えば常に周期的に運動している患者の心臓の撮影のような高い生体運動を行う器官の撮影に当てはまる。心臓の三次元（３Ｄ）Ｘ線画像を作成するために、電子ビームＣＴシステム（ＥＢＣＴ）を用いることが考えられる。しかし、このシステムは極めて高価であり、さらに第３世代の今日の実用的なマルチスライスＣＴシステムとしては不十分な画質しか出力しない。心臓の３ＤＸ線画像の撮影のための解決の基本は、Ｘ線照射及びデータ検出とＥＣＧ（心電図）信号との同期にある。この技術は用語「ＥＣＧ制御走査（ＥＣＧ同期）」で知られている。心臓が電気的および機械的にほぼ同一状態にあれば、そのリズムによってＸ線検出器により各Ｘ線照射およびデータ検出のみが行われる。しかし問題はガントリの回転が必ずしも心拍数と同期していないことにある。これは、回転速度と心拍数との比に応じて時により何個かの投影方向が記録されないという事態を招き、それゆえ記録されたデータからの後での再構成が困難になる。従って、臨床現場では患者に、心臓のＸ線ＣＴ撮影のために、心拍数を人為的に低下させる作用物質が投与される。しかしこれは、最終の診断にマイナスに作用し得る変化させられた状態にある心臓のＸ線画像を生じる。

上述の状況の改善のための一つの可能性は、ガントリの各位置において記録される投影の数を、例えば第２のＸ線源および第２のＸ線検出器をガントリに組み込むことによって増大することにある。しかし第２のＸ線源は電力消費量を高め、ガントリ内に発生された温度をシステム及び保守のコストと同様に高める。なぜなら、Ｘ線源は基本的に寿命の短い部品だからである。

従来実用されているＸ線装置の他の問題は、そこで用いられているＸ線管のエネルギー効率が低いことにある。すなわち、このＸ線管に入力された電力の約１％しかＸ線エネルギーに変換されないのに対し、残りの９９％はこの用途には無用の熱として排出される。用いられたＸ線管の他の欠点は、システムに起因して、電子ビームの照射によって作成されたアノードのＸ線放出面がＸ線を非常に大きな空間角度範囲内に放射するが、この非常に大きな空間角度範囲のうち、直接にＸ線画像の作成のためにはＸ線管の出射窓を介する小さな範囲しか利用され得ないことにある。これは結果的に、検査対象の対応する断層に順次Ｘ線を照射できるようにするために、Ｘ線ＣＴの一つの方向いわゆるｚ方向にできるだけ狭くｚ方向に対して垂直な方向に扇状に拡げられるＸ線ビームを事前設定することから生じる。放出Ｘ線の利用されない残りの部分はＸ線管内で又は絞りによって吸収される。

多くの用途に対して、発生された放出Ｘ線の良好な利用率、及び高速３ＤＸ線撮影を可能にするマルチスライスＣＴ装置が今日では既に用いられている。この装置において、Ｘ線はｚ方向にも円錐状に拡げられ、そのため大きな対象ボリュームをガントリの各撮影位置に従ってカバーする。検査空間のＸ線管とは反対側に、Ｘ線検出器要素の複数の平行な列からなる検出器アレイが配置され、それにより各撮影位置において対象の多数の断層（スライス）を撮影することができる。しかし、この撮影技術は新たな問題をもたらす。すなわち、一つには、Ｘ線が透過した断層に対して、ｚ軸上の断層の位置に応じて大きさの異なる有効焦点が生じ、従って断層の位置に応じたアーチファクトが惹き起こされる。さらに、ｚ方向に大きく拡張された円錐状Ｘ線ビームにおいては、円錐状の拡がりに基づいてアーチファクトが生成されるが、このアーチファクトは１６層までの断層に対しては高コストの技術によって補正されるが、１６層を超える断層においては甘受されなければならない。上述の形状における他の問題は、特にｚ方向の両終端部にＸ線が透過しない円錐状領域が残存するので、検査対象が部分的にしかカバーされないということにある。これらの領域は再構成された三次元Ｘ線画像にアーチファクトを生じる。

空間分解能を向上させ、ｚ方向の大きな検査空間をカバーするために、マルチスライスＣＴシステムはＸ線管の小さな焦点サイズ及び大電力を必要とする。さらに、コンピュータ断層撮影装置の心臓検診への応用はガントリの高回転速度および短い走査時間を必要とし、それにより管電力のさらなる増強が必要となる。現在用いられている管電力は既に１００ｋＷ範囲の方向に向かっているので、コンピュータ断層撮影装置におけるＸ線管のエネルギー利用効率を改善する緊急の必要性が存在する。これはＸ線管の寿命を延ばし、ＣＴ装置の利便性を改善する。というのは、Ｘ線管に対する長い冷却時間が省略されるからである。

本発明の課題は、従来技術のこれらの公知の問題から出発して、Ｘ線画像における付加的なアーチファクトを生ずることなしにＸ線撮影時間の短縮化を可能にし、さらに改善されたエネルギー効率を有するＸ線装置、特にＸ線ＣＴ装置を提供することである。

この課題は請求項１に記載のＸ線装置によって解決される。このＸ線装置の好ましい実施態様は従属請求項に記載され、又は以下の明細書の記載並びに実施例から読み取ることができる。

本発明のＸ線装置は、公知のように、Ｘ線源、このＸ線源に対向して配置された１つ又は複数の第１Ｘ線検出器要素、およびＸ線源とＸ線検出器要素との間に位置する検査空間を備え、Ｘ線がＸ線源の放出Ｘ線の第１空間角度範囲から検査空間の第１領域を通って第１Ｘ線検出器要素に向けられている。このＸ線装置において、Ｘ線のための１つ又は複数のＸ線転向要素と１つ又は複数の他のＸ線検出器要素もしくはその他のＸ線検出器要素のグループとが、Ｘ線源の放出Ｘ線の１つ又は複数の他の空間角度範囲からのＸ線が１つ又は複数のＸ線転向要素によって検査空間の第１領域もしくは１つ又は複数の他の領域を通って他のＸ線検出器要素に向けられるようにＸ線装置に配置されている。

本発明のＸ線装置において、公知のＸ線管のアノードから出射するＸ線放出は、対象の透過に必要な唯一のＸ線ビームの発生のために利用されるよりも大きな空間角度範囲で行われる。１つ又は複数の付加的なＸ線転向要素によって、従来利用されていなかった空間角度範囲のＸ線が検査空間内の検査対象に向けられる。Ｘ線管に対向する側には、これらの他のＸ線ビームによる対象の透過を検出するために、すなわち身体によって引き起こされたこのＸ線の減弱を測定するために、対応する他の検出器要素が配置される。Ｘ線転向要素は、他の注視方向ないしは投影方向のもとで検査対象の同一領域を照射するか又は同一投影方向のもとで好ましくはｚ方向にずらして他の領域を照射するように配置されている。Ｘ線転向要素および他のＸ線検出器要素の数は意図された作用に関係し、Ｘ線源の放出Ｘ線の形状および空間分布によってのみ制約される。Ｘ線源の放出Ｘ線の良好な利用は、Ｘ線転向要素によって可能となり、Ｘ線装置のエネルギー効率を明らかに改善する。このようにして、Ｘ線ＣＴ装置に適用した場合、Ｘ線転向要素によって、Ｘ線撮影に従来利用されていなかったＸ線量を利用可能にする付加的な仮想Ｘ線源が創出される。

対応するＸ線検出器要素を備えたこの１つ又は複数の付加的なＸ線転向要素の他の利点は、Ｘ線容量を高める必要もなく、ガントリのあらゆる位置において付加的な投影を撮影できることにある。それにより撮影速度を従来のＸ線ＣＴ装置に比較して高めることができる。このようにして、心臓のように運動している身体部位の撮影可能性が明らかに改善される。本発明によるＸ線装置において、Ｘ線転向要素の構成、向きおよび配置に従って、それぞれ少なくともほぼ平行なＸ線断面を有し互いに平行に延びるＸ線ビームが検査対象を透過することも可能である。その場合、Ｘ線転向要素は、一方では測定された生データから三次元画像を再構成する際の再構成コストを低減し、他方では公知のマルチスライスＸ線装置において生ずるアーチファクトを伴うことなしにｚ方向への空間カバーの改善も可能になる。

Ｘ線転向要素として、本発明のＸ線装置においては、従来技術によって公知の種々の要素を用いることができる。その一例は、ブラッグ反射を利用してＸ線を方向転換するいわゆるスーパーミラーである。合成的に作成された多層システムから形成されるこのスーパーミラーによって、それぞれの空間角度範囲から放出されたＸ線を任意に方向転換し、それにより例えば平行Ｘ線ビーム、又は収束するＸ線ビームが形成されるようにすることもできる。そこでミラーは、放物線状に形成され、ブラッグ反射を達成するために層間隔が制御可能な方法で変えられる複数の結晶層で構成される。このようなスーパーミラーは例えば次の文献により知られている。
M.SchusterおよびH. Gobel著の論文"Parallel-Beam Coupling into Channel-Cut Monochromators Using Curved Graded Multilayers"（Siemens AG，J. Phys. D: Appl. Phys. 28 (1995) A270 - A275）
Hoghoj, Joensen等の論文"Broad-band Focusing of Hard X-rays using a Supermirror"（OSA: Physics of X-ray Multilayer Structures (1994)）、
Hoghoj, Joensen等の論文"Measurement of multilayer reflectivities from 8 keV to 130 keV"（SPIE Vol. 2001, P. 354 - 359 (1994)）
"Gobel Mirrors for Parallel-Beam Conditions"(Bruker AXS,Inc.- Analytical X-ray Systems, http://www.bruker-axs.com)
"Twin Gobel Mirrors - The Real Parallel Beam Concept"(Bruker AXS, Inc.-Analytical X-ray Systems, http://www.bruker-axs.com）
ミラーは、比較的大きな許容角度のもとで７０ｋｅＶまでの硬Ｘ線領域内でのＸ線の方向転換および形成を３０〜６０％の高効率で可能にする。このスーパーミラーのほかに、ブラッグ反射用の公知の結晶を用いることもでき、それゆえスーパーミラーとモノクロメータとして用いられるこの種の通常のブラッグ反射器との組合せによって平行単色Ｘ線を発生させることができる。

本発明によるＸ線装置用のＸ線転向要素の構成のための他の可能性は、光ファイバにおけると同様にＸ線を伝達する１つ又は複数の中空キャピラリ管束を使用することにある。この種のキャピラリ管束は、普通は中空グラスファイバからなり、用語「クマコフ（Kumakhov）光学素子」又は「ポリキャピラリ光学素子」でも知られている。キャピラリ管束はＸ線および中性子のコリメーティング、フィルタリングおよびフォーカッシングに用いることができる。このようなＸ線転向要素の例は次の刊行物から見てとることができる。
"X-ray concentrator will expand window on high-energy universe"（Science@NASA, http://science.msfc.nasa.gov/newhome/headlines）
"Capillary X-ray Optics - Introduction"（Center for X-ray Optics, University of Albany, NY, http://www.albany.edu/x-ray-optics/intro.html）
"Parallel Beam X-RAY Diffraction, Application notes 201 and 202"（X-RAY Optical Systems Inc., Albany-NY, USA, http://www.xos.com）
このポリキャピラリ光学素子によれば、キャピラリを適当に曲げることによって或る空間角度範囲から到来するＸ線を方向転換し、ほぼ任意に形成することが可能である。この光学素子は広い角度範囲および大きなエネルギー範囲（２００ｅＶ〜３０ｋｅＶ）を１０〜５０％の高効率で検出可能である。この技術は５〜５０μｍの直径を有する中空グラスキャピラリ内でのＸ線の全反射に基づいている。このキャピラリ内に臨界角度で入射するＸ線はキャピラリチャネルに沿ってほぼ損失なしに伝送される。小電力のＸ線管で高Ｘ線量を発生可能にするために、このような光学素子によってＸ線を例えば２０μｍ以下の焦点直径に集束させることも可能である。正にＸ線ＣＴ装置のために、このような光学素子をＸ線転向要素として使用することは特別な利点をもたらす。なぜなら、Ｘ線の大きな空間角度範囲が検出され、Ｘ線をほぼ任意に、特に擬似平行Ｘ線ビームを発生するようにも形成することができるからである。さらにこの技術は散乱を減少させ、一次Ｘ線量子の伝送性を向上させ、それゆえ患者に対しより少ないＸ線線量で高いコントラストを達成することができる。ほぼ任意の形成可能性によって、Ｘ線画像を拡大したり縮小したりして作成することができる。

本発明によるＸ線装置の好ましい実施態様において、Ｘ線転向要素は、第１空間角度範囲からＸ線を照射される検査空間の第１領域が、他の空間角度範囲からＸ線転向要素を介して他のＸ線転向要素に導かれるＸ線によっても透過されるように配置される。それによって、Ｘ線容量を高めたり他のＸ線源を備えたりする必要もなく、異なる投影方向で対象の同時透過が可能になる。特にＸ線源、Ｘ線転向要素およびＸ線検出器がガントリに取付けられているＸ線コンピュータ断層撮影装置に適用する場合、このようにして、ガントリの位置に応じて同時に複数の投影方向を記録するので、より高速の走査を行うことができる。その場合、生成された３つの投影方向が１つの平面内にあるように、好ましくはｚ軸に垂直でありＸ線源が存在するのと同一の平面内に、両Ｘ線転向要素がＸ線源の両側に配置される。

勿論、本発明のＸ線装置は２つのＸ線転向要素に限定されない。所望する効果に従って、ただ１つの付加的なＸ線転向要素を使用してもよいし、又は３つ以上のＸ線転向要素を対応するＸ線検出器要素と共に用いることもできる。Ｘ線画像の撮影時に２以上の投射が所望される場合、Ｃアーム装置または回転するガントリを備えない単純なＸ線装置としての構成も可能である。

他の好ましい実施態様において、本発明のＸ線装置はマルチスライスＸ線ＣＴ装置として用いられる。Ｘ線転向要素とＸ線検出器要素のグループとは、検査空間の回転軸線の軸線方向に前後して位置する領域のほぼ平行な複数の平面がＸ線によって透過されるようにＸ線装置に配置されている。各平面の１つ又は複数のＸ線ビームは対応して再構成される検査対象の１つ又は複数の断層を透過する。Ｘ線はＸ線転向要素によって、Ｘ線転向要素が１平面内で平行Ｘ線ビームを作成するか又は１平面内で扇状に拡がるＸ線ビームを作成するように形成される。このＸ線ビームに垂直な方向すなわちｚ方向に見たＸ線ビームの幅に従って、各Ｘ線ビームによって１つ又は複数の断層を捕捉することができる。複数の断層を捕捉する際には、勿論検査空間を挟んだ反対側に対応する複数のＸ線検出器要素列が設けられなければならない。このＸ線検出器要素列は、公知のマルチスライスＸ線ＣＴ装置において既に大面積の検出器アレイの形で実現されており、それを本発明のＸ線装置においても同様に用いることができる。Ｘ線転向要素ごとに捕捉し得る断層の数はｚ方向のＸ線拡がり又はＸ線厚さ（平行Ｘ線断面における）のみに依存し、それらはＸ線転向要素の適切な構成によって予め与えられる。

本発明によるＸ線装置のこの実施態様によれば、公知のＸ線装置においてｚ方向へのＸ線ビームの強い円錐状拡がりによって引き起こされるアーチファクトを回避することができる。というのは、今や同一空間がほぼ平行に位置する複数のＸ線ビームによって照射されるからである。同様に今や、従来の円錐状Ｘ線ビームにおいて検査領域のｚ方向両終端部に生じていた部分透過を回避することができる。特に、さらに同一コントラストの場合に明らかに低い管電力に設定することができる。というのは、Ｘ線撮影の際に従来利用されていなかった放出Ｘ線が利用されるからである。

本発明によるＸ線装置の他の実施態様において、ｚ方向に対して垂直な検査領域の全拡がりをカバーするために、１つのＸ線転向要素だけが使用されるのではなく、並んで位置する複数のＸ線転向要素も使用することができる。従って、この実施態様において、検査領域は二次元に平行に位置する複数のＸ線ビームによって透過される。これはＸ線転向要素を適切に構成することによって検出器側での散乱Ｘ線除去用グリッドの改善された利用を可能にし、それにより撮影の信号対ノイズ比（ＳＮ比）を明らかに向上させることができる。個々の各Ｘ線転向要素は、Ｘ線ビームを、そのＸ線ビームが検査対象をほぼ平行に透過するか又はセル状の散乱Ｘ線除去用グリッドが配置される反対側の各Ｘ線検出器要素に集束するように形成する。

本発明によるＸ線装置の実施態様は、従来技術による公知のＸ線管において使用されているような回転アノード上に電子ビーム焦点の特別な形状を可能にする。この焦点をアノードの回転に関して半径方向の直線として作成すると、各Ｘ線転向要素によって、この半径方向の直線焦点はＸ線検出器要素上にｚ方向に延びる直線として写像される。この実施態様は焦点帯すなわち回転アノード面上の焦点痕跡へのピーク電力の低減によって回転アノード内の良好な熱放出を可能にする。これはＸ線管のＨＵ（ヘッドユニット）容量を大きくする。

ｚ方向に前後してまた横方向にも配置された多数のＸ線転向要素を使用すれば、これらのＸ線転向要素を適切に構成することによって、Ｘ線アノード上に、従来実現可能であったものよりも著しく大きな電子焦点の作成が可能となる。従来技術においては、できるだけ点状のＸ線源を達成するために、できるだけ小さな焦点が作成されていた。本発明によるＸ線装置のＸ線転向要素の適切な構成においては、このＸ線転向要素によってアノードの焦点の種々の小さな領域を写像させることができ、それゆえ各Ｘ線転向要素は他のＸ線源を利用することが可能になる。これによって、アノードの焦点面によってではなく、写像光学系の容量によってのみ決定されるほぼ点状の多数のＸ線源が作り出される。それによってＸ線アノードの焦点を非常に大きく構成することが可能になり、その結果アノードの局部熱負荷が明らかに減少される。

次に図面に示す実施例を参照して本発明によるＸ線装置をさらに説明する。
図１はＸ線コンピュータ断層撮影装置の基本構成の一例を示す。
図２はＸ線源の放出Ｘ線および従来利用されているＸ線部分の例を示す。
図３は本発明によるＸ線装置の構成の一例を概略的に示す。
図４は本発明によるＸ線装置の構成の他の例を示す。
図５はＸ線源の放出Ｘ線の一例および従来利用されているＸ線部分の例を図２の表示面に対して垂直な方向から見て示す。
図６は従来技術によるマルチスライスＸ線コンピュータ断層撮影装置のｚ方向に見たＸ線分布の一例を示す。
図７は本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドの一例を示す。
図８は本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドの他の例を示す。
図９は本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドの別の例を示す。

図１は、本発明によるＸ線装置の複数の実施例の基礎をなすＸ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）装置の構成の一部を、Ｘ線のビームガイドを除いて概略的に示す。このＸ線ＣＴ装置はＸ線管１５の形のＸ線源１を備えている。Ｘ線管１５は多数のＸ線検出器要素２を有する検出器列の方向に扇状に広がるＸ線ビーム１７を放射する。Ｘ線管１５もＸ線検出器要素２も患者１４の周りを連続的に回転し得るガントリ１６に取付けられている。患者１４は、ガントリ１６内を延び図１には示されていない患者寝台テーブル上に横臥している。ガントリ１６は図１に示されているデカルト座標系ｘ−ｙ−ｚのｘ−ｙ平面内で回転する。患者寝台テーブルは、患者１４のその都度表示すべき断層の層厚さ方向に対応するｚ軸に沿って動く。Ｘ線ビーム１７のｚ方向すなわち本図では紙面に垂直な方向の広がりは、一方ではＸ線管１５の回転アノードでの焦点１１の広がりによって、他方では管側に配置されｚ方向の絞り開口を調節できる絞り９によって与えられる。

Ｘ線管１５は高電圧発生装置１８を介して例えば１２０ｋＶの高電圧を供給される。測定データ収集の実施のためにＣＴ装置の個々の構成部品、特に高電圧発生装置１８、ガントリ１６、検出器要素２、並びに図示されていない患者寝台テーブルの駆動には制御装置１９が用いられる。測定データは画像コンピュータ２０に送出され、そこで測定データから画像再構成が行われる。

図２はＸ線装置に使用されるＸ線管の放出Ｘ線の分布を模式的に示す。ｚ軸に対して垂直な断面、すなわちＣＴ装置のガントリの回転軸線に対して垂直な断面を示すこの図には、Ｘ線管の円板状アノード７が示され、この円板状アノード７はＸ線の発生中に中央の円板軸線を中心として回転する。Ｘ線管内で電子ビームが発生され、アノード７の端縁領域に集束される。加速された電子がアノード７に衝突することによって、公知のごとく焦点によって形成されたＸ線放出面からＸ線が放出される。強すぎる局部過熱、従ってアノード７の焼損を防止するためにアノード７の回転が必要である。アノード７の焦点から放出された放出Ｘ線８の空間分布がこの図には図示の平面で示されている。放出Ｘ線８は全体としてほぼ半球体の形をしている。Ｘ線ＣＴ装置によるＸ線撮影に際して、図示の断層平面において焦点から出射して扇状に拡がるＸ線ビームを得るために、空間分布のうち第１空間角度範囲４ａのみが利用される。そのため第１空間角度範囲４ａを制限する適当な絞り９が用いられる。この図からは、アノード７から放出されたＸ線量子のうちのわずかな一部しかＸ線撮影に利用されないことがわかる。

本発明によるＸ線装置においては、この従来利用されなかった放出Ｘ線８の少なくとも一部が同様にＸ線画像の作成に利用される。そのために、放出Ｘ線８の他の空間角度範囲を検査空間の領域を通って他のＸ線検出器要素６に向ける１つ又は複数のＸ線転向要素５ａ，５ｂが用いられる。図３は本発明によるＸ線装置のそのような構成の一例を示す。図２と同じ平面におけるＸ線装置の断面を示すこの構成においては、絞り９の両側に、アノード７から第２空間角度範囲４ｂおよび第３空間角度範囲４ｃで検査空間３内に放出される付加的なＸ線を被検査対象に向けて方向転換させるスーパーミラー５ａが配置されている。ガントリ１６に設けられた他のＸ線検出器要素６が検査対象によって惹き起こされたＸ線減弱を位置分解して検出する。スーパーミラー５ａは、この例では、それぞれ第２空間角度範囲４ｂおよび第３空間角度範囲４ｃから平行Ｘ線ビーム１０を形成するように放物面状に形成されている。従って、ガントリ１６の各位置において、この例では、絞り９によって決定された主投影方向のほかに２つの付加的な投影方向が生じる。ここで全てのＸ線ビームが同じ断層平面内の検査対象の同じ領域を透過する。このようにして、付加的なＸ線容量を用意する必要なしに、より迅速な走査（スキャン）を実現することができる。そのため、このような構成は身体の運動する対象、例えば心臓のＸ線撮影に特に適している。付加的なＸ線検出器要素６は、勿論、平行Ｘ線ビーム１０を検出するために、ガントリの適切な個所に取付けられていなければならない。

図４は、スーパーミラー５ａの代わりにポリキャピラリ光学素子５ｂが用いられている本発明によるＸ線装置の他の例を示す。このＸ線装置の構成例は図３の構造に対応するので、ここでは詳細な説明を省略する。スーパーミラー５ａの代わりにポリキャピラリ光学素子５ｂを用いることは、ポリキャピラリ光学素子５ｂによってより大きな空間角度範囲を平行Ｘ線ビーム１０に変換することができる利点を持つことにある。Ｘ線の方向転換のために、ポリキャピラリ光学素子のキャピラリは対応に曲げられる。

このようにして図３及び４の両実施例により、付加的なアーチファクトを引き起こすことなしに、高められたデータ収集速度を可能にする付加的な仮想Ｘ線源が作成される。データ収集速度の高速化は、公知のＸ線装置においては、ガントリの回転速度を高めることによってしか達成することができなかった。さらにＸ線源の他の空間角度範囲の利用はＸ線装置のエネルギー効率の向上を可能にする。今や放出Ｘ線のより良好な利用に基づいて、単色Ｘ線または擬似単色Ｘ線を検査対象に向けるために、ブラッグ反射器の形の付加的なモノクロメータを利用することも可能になる。これはＸ線の利用効率が低いので従来ほぼ適用不能であったが、軟組織の検査の際に患者に対して少ないＸ線線量で良好な画像コントラストを生じさせる。

最後に述べた例では、主ビームと同一の断層内にＸ線ビームを生成するために、Ｘ線転向要素が用いられていた。勿論、用途に応じて、これらの他のＸ線ビームによって複数の異なる断層が透過されることも可能である。その場合、複数のＸ線転向要素の配置および向き、並びに他の検出器要素の配置が問題になるに過ぎない。例えば、付加的なＸ線転向要素を介してｚ方向に大きな空間範囲をカバーするマルチスライスＸ線ＣＴ装置を実現することが可能になる。平行Ｘ線ビームを形成する１つ又は複数のＸ線転向要素を使用すると、このようにして、従来装置において維持される検査空間の円錐状中空範囲もｚ方向の両端で検出可能となる。このことは空間カバー及び総合的な線量効率を改善する。

次の図は本発明によるＸ線装置をマルチスライスＸ線ＣＴ装置として構成した例を示す。まず図５および図６は従来装置における従来の状況を模式的に示す。図５はＸ線管のアノード７を模式的に示し、アノード７はその中心の円板軸線を中心として回転する。図５は図２の切断平面に垂直な切断平面を示す。この切断平面にはｚ軸すなわちガントリの回転軸線も存在する。アノード７に関しては、電子ビームの集束及びアノード７の回転によって形成するいわゆる焦点帯と認識することができる。図５はＸ線放出８が行われる図示の平面における大きな空間角度範囲を示している。ここでも、シングルスライスＸ線ＣＴ装置におけるようにＸ線によって検査対象のできるだけ薄い断層を検出するために、ｚ方向の空間角度範囲を大幅に制限する絞り９を認識することができる。

マルチスライスＸ線ＣＴ装置において、ｚ方向のＸ線放出は図６から認められるように大幅に制限されない。ここでも、ｚ方向に、複数列のＸ線検出器要素２に入射し大きな開口角を有する円錐状Ｘ線ビーム１７が生成される。アノード７の焦点１１の面と複数列のＸ線検出器要素２の面との間の直線的な結合はここでは各断層を示す。従って、この技術によって多数の断層を同時に捕捉することができる。しかし、図６から認められるように、Ｘ線検出器要素２の各列には各列ごとに焦点１１が異なる大きさで写るので、それぞれ透過された断層の寸法もｚ方向に変化する。このことは断層に依存するアーチファクトを生じ、このアーチファクトは計算上同時に捕捉された僅かな数の断層でしか補正できない。

図７は、そのようなアーチファクトが回避される本発明によるＸ線装置の一構成例を示す。この構成例においては、複数のＸ線転向要素（図には見やすさの理由から３個のＸ線転向要素しか示されていない）によって、ｚ軸線方向に前後して平行に配置された複数のＸ線ビーム１０が生成され、それらは各平面で扇状に拡大される。この例では、対象を透過するＸ線ビームは全体としてＸ線転向要素を介して対象に向けられ、それによりＸ線源から放出された直接Ｘ線はもはや利用されない。しかし、このことは必ずしも必要ではない。本発明において、Ｘ線転向要素として用いられたスーパーミラー５ａによって、アノード７の放出Ｘ線の異なる空間角度範囲４ａ，４ｂ，４ｃが利用される。このことは図３および図４の実施例を参照して述べたのと同じ利点を導く。用いられたＸ線検出器要素２，６は、この例では従来のマルチスライスＸ線ＣＴ装置の検出器アレイと同じに構成することができる検出器アレイの形をしている。このＸ線検出器要素２，６のｚ方向の前後に配置された個々の列が各断層を規定する。Ｘ線転向要素５ａによって形成された複数のＸ線ビーム１０はｚ方向に平行に延び、１列または複数列のＸ線検出器要素２，６がＸ線を照射される。好ましくは、各Ｘ線ビーム１０によって複数列のＸ線検出器要素２，６がカバーされる。Ｎがｚ方向にずらして配置されたスーパーミラー５ａの数を表すとすると、これによってＭ個（Ｍ≧Ｎ）の断層が照射される。ｚ方向へのＸ線ビーム１０の僅かな円錐状の広がりも公知のアーチファクトを生成することなしに可能である。

この構成例の場合、回転アノード７への熱分布の改善を達成するために、直線状焦点１１をアノード７上に作成することができることも認識すべきである。それにより焦点帯におけるピーク電力消費が減少する。アノード表面上を半径方向に延びる直線状焦点１１は直線状焦点としてＸ線検出器要素２，６上にｚ方向に写像され、それゆえ空間分解能に関して不利を招くことはない。

Ｘ線ミラー５ａは、発生されたＸ線ビーム１０をＸ線検出器要素２，６上の後方で仮想焦点に集束するように構成することもでき、それゆえアノード７上の同一焦点サイズで同じＸ線管電力で空間分解能を高め、しかも焦点外Ｘ線を減少させることができる。焦点外Ｘ線は変調伝達関数ＭＴＦを低下させ、頭部画像、特に子供の頭部画像に「ハローアーチファクト」を生成する。確かに補償アルゴリズムも存在するが、それは画像内のノイズを高める。さらに、焦点外Ｘ線の作用を減少させるために、二次元の櫛形フィルタを散乱Ｘ線除去用グリッドとして検出器に用いることも公知である。しかし、それは焦点外Ｘ線の作用を完全に減少させることはできない。何故ならば、患者自身が常にそのようなＸ線にさらされ、しかもコンプトン光子がさらなるアーチファクトを生成し得るからである。

Ｘ線装置の本発明による構成は、Ｘ線ミラーの表面における不精密さを焦点外Ｘ線の作用と同様に消去するｚ方向の一次元の櫛形コリメータの使用を可能にする。図７はＸ線源側に配置したそのような櫛形コリメータ１２を示している。

Ｘ線を検査対象に向けるスーパーミラー５ａを使用する場合の別の利点は、このミラーの特別な構造から生じる。このスーパーミラー５ａによってＸ線放出の広い空間角度範囲からほぼ平行Ｘ線が生成されるので、好ましいことに、付加的なブラッグ反射器を、特定のエネルギー範囲のＸ線を非常に狭い入射角範囲で反射するモノクロメータとして用いることができる。スーパーミラーによって発生された平行Ｘ線は大きな損失を回避する。付加的なブラッグ反射器により、Ｋα線またはＫβ線を放出Ｘ線の限界Ｘ線スペクトルの残りの成分から分離することができる。従って、この構成例においては、単色Ｘ線ビームまたは擬似単色Ｘ線ビームを発生させることができる。このことはＸ線撮影時の信号対ノイズ比（ＳＮ比）および線量コントラストを改善すると共に、Ｘ線スペクトルから高エネルギー成分を遮蔽することによって患者の被曝線量を減少させることができる。

図８はマルチスライスＸ線ＣＴ装置として構成された本発明によるＸ線装置の他の実施例を示す。この実施例においては、図７の実施例と同じように、スーパーミラー５ａが各断層平面内にほぼ平行Ｘ線ビーム１０を全断層範囲に亘って発生する。このＸ線ビーム１０は好ましいことにｚ方向にもほぼ平行である。ミラーはｚ方向に対して垂直な平面内にあり、図７のミラーに比較して明らかに拡大されている。それゆえ、より大きな角度範囲での検出が可能であり、従ってＸ線撮影に使用できるＸ線量子も明らかに増大する。

この構成においては、セル状コリメータ１３をＸ線源側で用いることができる。このコリメータ１３はミラー表面上の表面不精密の作用を消去することができ、二次元の平行Ｘ線ビーム１０をＸ線検出器要素２，６の方向に発生させることを保証することができる。焦点外Ｘ線ならびにリング状アーチファクトもそのようなコリメータ１３の使用によって少なくとも減少される。

二次元の平行Ｘ線ビームを有するそのような構成のさらなる利点は、画像再構成のための計算費用が扇状Ｘ線ビームを用いた場合に比較して明らかに減少されることにある。これは、特にコーンビームアーチファクトの補正ならびに投影分類の補正の再構成ステップが回避されるので、再構成時間を短縮させることができる。

最後に図９は図８の実施例に非常に類似した他の実施例を示す。この実施例においては、各断層平面に平行に並んで位置する複数の並行Ｘ線ビームが発生されるように、ミラー５ａのアレイが用いられる。この実施例では、個々の各Ｘ線転向要素５ａが、アノード７のＸ線放出面の他の小さな範囲を各Ｘ線検出器要素２又は６に写像するように各Ｘ線転向要素５ａを構成することができる。そうすることによって、Ｘ線画像の分解能を減少させることなく、アノード７上に非常に大きな焦点１１を作成することが可能になる。アノードの大きさによってしか制約されないそのような任意の大きさの焦点によって、Ｘ線源の電力を、局部過熱を生じさせることなく、高めることができる。

従って、最後に述べた実施例は患者の周りをただ１回転する際にｚ方向の検査空間を大きく完全にカバーすることが可能になる。このことは走査時間を低減させ、従ってＣＴ装置の処理量を増大させることができる。さらに熱発生による電力損失が明らかに減少される。より大きな空間をカバーする高速走査時間は大きなモーションアーチファクトなしに高い生体運動を伴う身体領域又は器官の撮影を可能にする。さらに、この構成は断層に依存する焦点サイズの問題を除去し、そのことから生ずるアーチファクトを除去する。さらに、Ｘ線転向要素の動きのためにマイクロアクチュエータを用いることによって、ｚ方向への平行ビームの大きさを変調し、このようにしてＸ線にさらされる面を制限することが可能になる。さらに、そのようなマイクロアクチュエータによってミラーをＸ線管に最適に適合させることができる。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置の基本構成の一例を示す説明図 Ｘ線源の放出Ｘ線および従来利用されているＸ線部分の例を示す正面図 本発明によるＸ線装置の構成の一例を示す図 本発明によるＸ線装置の構成の他の例を示す説明図 Ｘ線源の放出Ｘ線例および従来利用されているＸ線部分の例を図２の表示面に対して垂直な方向から見て示す図 従来技術によるマルチスライスＸ線コンピュータ断層撮影装置のｚ方向に見たＸ線分布の一例を示す図 本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドの一例を示す図 本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドの他の例を示す図 本発明によるＸ線装置のＸ線ガイドのさらに他の例を示す図

符号の説明

１ Ｘ線源
２ 検出器要素
３ 検査対象空間
４ａ 第１空間角度範囲
４ｂ 他の空間角度範囲
４ｃ 第３空間角度範囲
５ａ スーパーミラー（Ｘ線転向要素）
５ｂ ポリキャピラリ光学素子（Ｘ線転向要素）
６ Ｘ線検出器要素
７ アノード
８ 放出Ｘ線
９ 絞り
１０ Ｘ線ビーム
１１ 焦点
１２ 櫛形コリメータ
１３ セル形コリメータ
１４ 患者
１５ Ｘ線管
１６ ガントリ
１７ Ｘ線ビーム
１８ 高電圧発生装置
１９ 制御装置
２０ 画像コンピュータ

Claims (16)

1. Ｘ線源（１）、このＸ線源（１）に対向して配置された１つ又は複数の第１Ｘ線検出器要素（２）、およびＸ線源（１）とＸ線検出器要素（２）との間に位置する検査空間（３）を少なくとも備え、Ｘ線がＸ線源（１）の放出Ｘ線（８）の第１空間角度範囲（４ａ）から検査空間（３）の第１領域を通って第１Ｘ線検出器要素（２）に向けられているＸ線装置において、
   Ｘ線のための１つ又は複数のＸ線転向要素（５ａ，５ｂ）と、１つ又は複数の他のＸ線検出器要素（６）もしくは他のＸ線検出器要素（６）のグループとが、Ｘ線源（１）の放出Ｘ線（８）の１つ又は複数の他の空間角度範囲（４ｂ，４ｃ）からのＸ線が１つ又は複数のＸ線転向要素（５ａ，５ｂ）によって検査空間（３）の第１領域もしくは１つ又は複数の他の領域を通って他のＸ線検出器要素（６）に向けられるようにＸ線装置に配置されていることを特徴とするＸ線装置。
2. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）と他のＸ線検出器要素（６）のグループとは、第１領域が異なる投影方向でＸ線によって透過されるようにＸ線装置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線装置。
3. Ｘ線源（１）、Ｘ線検出器要素（２，６）およびＸ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、一平面内で検査空間（３）を取巻き動作時に検査空間（３）内を延びる回転軸線の周りを回転するガントリ（１６）に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線装置。
4. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）と他のＸ線検出器要素（６）のグループとは、検査空間（３）の回転軸線の軸線方向に前後して位置する領域のほぼ平行な複数の平面がＸ線によって透過されるようにＸ線装置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のＸ線装置。
5. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、平行な複数の平面内に扇状に拡大するＸ線ビーム（１０）を形成するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のＸ線装置。
6. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、平行な複数の平面内に平行Ｘ線ビーム（１０）を形成するように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のＸ線装置。
7. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、各Ｘ線転向要素（５）のＸ線ビーム（１０）が他のＸ線検出器要素（６）の複数の平行な列に亘って延びるように構成されていることを特徴とする請求項４乃至６１つに記載のＸ線装置。
8. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、検査空間（３）の領域がほぼ二次元で平行に並んで位置する複数のＸ線ビーム（１０）によって透過されるように、アレイ状に配置されかつ構成されていることを特徴とする請求項４に記載のＸ線装置。
9. Ｘ線源（１）は回転アノード（７）を備え、そのアノード（７）に、電子ビームの衝突によってＸ線放出面が形成されることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載のＸ線装置。
10. Ｘ線放出面はアノード（７）上に半径方向に延びる直線として形成されていることを特徴とする請求項９に記載のＸ線装置。
11. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、Ｘ線検出器要素（６）上にＸ線放出面の異なる領域を写像するように構成されかつ配置されていることを特徴とする請求項９に記載のＸ線装置。
12. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、結晶質の多層構造から構成され放物面状に形成されたスーパーミラー（５ａ）であることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載のＸ線装置。
13. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）はポリキャピラリ光学素子（５ｂ）によって形成されていることを特徴とする請求項１乃至１１の１つに記載のＸ線装置。
14. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）と検査空間（３）との間にモノクロメータとして、Ｘ線を方向転換させるブラッグ反射器が配置されていることを特徴とする請求項１２又は１３に記載のＸ線装置。
15. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、他の空間角度範囲（４ｂ，４ｃ）のＸ線から平行Ｘ線ビーム（１０）を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のＸ線装置。
16. Ｘ線転向要素（５ａ，５ｂ）は、他の空間角度範囲（４ｂ，４ｃ）のＸ線から、収束するＸ線ビーム（１０）を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のＸ線装置。

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