JP2007500418A - 整形された陽極x線管 - Google Patents
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Abstract
コンピュータ断層撮影(CT)スキャナ(10)における使用に適したX線管(16)は、真空チャンバを定める外被(42)を含む。陽極(40)及び陰極組立体(70)がチャンバ内に配置される。陽極は、陰極組立体のフィラメント(54)によって放射される電子によって打たれ、且つ、X線(46)を放射する標的領域(56)を定める。標的領域は、陽極の回転軸(R)に対して直交する平面に対する第一角度(α)で配置された第一環状部分(80)上、及び、第一部分から径方向に離間し、且つ、平面に対する第二角度(β)で配置される第二部分(82,120)上に部分的に位置する。第二角度は第一角度よりも大きい。異なる傾斜の部分は、ヒール効果を最小限化しながら、X線管が浅い角度を活用することを可能にする。
Description
本発明はX線管技術に関する。本発明は、大径ボアのコンピュータ断層撮影スキャナ用のX線管組立体に具体的な用途を見い出す。本発明は、陽極に損傷を与える熱負荷を起こさずに陽極電流を増大することが望ましい他のより高出力のX線装置にさらなる用途を見い出すことが理解されるべきである。
コンピュータ断層撮影(CT)スキャナは、患者支持体上に配置された被検者をX線検査し、被検者の診断映像を生成する。X線管組立体は、回転ガントレ上に取り付けられ、回転ガントレ又は固定ガントレ上の検出器リングに取り付けられた二次元検出器配列のような検出システムによって検出される被検者の部位を通じて放射線ビームを投射する。照射されるスライス又はコーンビームの幅を増大するために、陽極の回転軸と平行な検知器配列の幅は漸進的に増大された。この増大された幅は、より高速なスキャン時間と共に、より高いX線束の発生に関して、X線管により大きな要求を置く。
従来的な回転陽極X線管からのX線は、患者に最近地点にあるのが典型的な陽極の傾斜付き周縁部上の標的から放射されるのが典型的である。電子はそこに衝突し、X線に変換される。X線ビームは、陽極を打つ電子ビームに対して約90°の角度で、扇状又は楔状のX線ビームに平行化されるのが典型的である。集束電子ビームが陽極を打つ標的領域を増大し、よって、標的の電流負荷毎ユニットを減少するために、周縁は傾斜を備えるのが一般的である。X線ビーム源の幅(焦点幅)は、標的領域の高さ(径方向)の投影である。より具体的には、投影は、電子ビームの高さに陽極周縁の傾斜角度のタンジェントを乗じたものの関数である。
より高い負荷が要求される結果として、近年、傾斜は(電子ビームに対して直交する軸に対して)約10°から約7°又はそれ以下に減少している。下表から分かるように、これは、X線ビーム方向で見られるときに、所与の投影焦点サイズでの同一の熱負荷のために陽極電流の40%を超える増加を可能にする。
しかしながら、浅い角度(例えば7°)で、X線ビームはヒールで切り詰められ或いはX線束が減少される傾向がある。具体的には、入射電子の全てが陽極面の表面でX線を発生しない。むしろ、一部の電子はX線を発生する前に標的内に深く浸透する。ビーム角が標的傾斜の二倍未満であることを条件として、表面で発生したX線は陽極を通過しない。しかしながら、標的内で発生したX線はそれを通過しなければならず、標的の重金属によって減衰される。周面の傾斜が平面的であればあるほど、また、ビーム角が広ければ広いほど、内部発生X線は、出力ビームの方向に現れる前に、陽極金属を通過してさらに進行しなければならない。ヒール効果減衰はビームの陽極側にあるX線のためにより大きい。
よって、CTスキャナ製造業者は、ヒール効果の故に提供し得るビーム角に関して制限のある浅い傾斜(例えば7°)、或いは、保持し得る負荷に関して制限のあるより急勾配な傾斜(例えば10°)のいずれかを特定する選択に直面する。
本発明は、上記及び他の問題点を克服する新規且つ改良された方法及び装置を提供する。
本発明の1つの特徴に従えば、X線管が提供される。X線管は真空のチャンバを定める外被と、回転軸について回転するためにチャンバ内に取り付けられた陽極とを有する。陽極は、標的領域を定める傾斜付き外周領域を定め、標的領域は、電子源によって放射される電子によって打たれ、且つ、X線を放射する。傾斜付き外周領域は、回転軸に対して直交する平面に対して第一角度で傾斜する第一環状部分と、第一環状部分の近傍で、平面に対して第二角度で傾斜する第二環状部分とを含む。第二角度は第一角度と異なる。標的領域は、第一環状部分上に部分的に定められ、且つ、第二環状部分上に部分的に定められている。
本発明の他の特徴に従えば、X線ビームを発生する方法が提供される。回転軸について回転する陽極の傾斜する外周領域上の標的領域を打つために、電子ビームは加速され且つ集束される。陽極の外周領域は、回転軸に対して直交する平面に対する第一角度で傾斜する第一環状部分と、第一環状部分から径方向に離間し、且つ、平面に対して第二角度で傾斜する第二環状部分とを有する。第二角度は第一角度と異なる。標的領域は、第一環状部分上に部分的に定められ、且つ、第二環状部分上に部分的に定められる。
1つの利点は、十分に大きなビーム角を維持しながら、陽極が浅い傾斜を有することを可能にすることである。
本発明の少なくとも1つの実施態様の他の利点は、それがより高い束のより広いX線ビームを発生するのを容易にすることである。
他の利点は、陽極加熱の減少に存する。
以下の好適実施態様の詳細の記載を読み且つ理解することによって、本発明のさらなる利点が当業者に明らかになるであろう。
本発明は、様々な構成部材及びそれらの構成部材の配置、並びに、様々なステップ及びそれらのステップの配列の形態を取り得る。図面は好適実施態様を例証する目的であるに過ぎず、本発明を制限するものと解釈されるべきではない。
図1を参照すると、コンピュータ断層撮影(CT)スキャナ10が、患者支持体12上に配置された被検者をX線検査し、診断映像を生成する。より具体的には、支持体12上の被検者の関心容積が、典型的には支持体12を方向Zに並進することによって検査領域14内に移動される。回転ガントリ上に取り付けられたX線管組立体16が、1つ又はそれ以上の放射線ビームを検査領域14を通じて投射する。コリメータ18が放射線ビームを二次元に平行化する。好適実施態様では、二次元X線検出器20が、X線管から見て検査領域14の向こう側の回転ガントレ上に配置されている。他の実施態様では、二次元検出器のリング又は配列が、回転ガントレの周りの固定ガントレ上に取り付けられている。
検査領域14を横断するX線を、X線管16と検出器20との間のX線吸収を示す電気信号に変換するために、X線検出器20は既知の方法で動作する。電気信号は、回転ガントレの角位置に関する情報と共に、データメモリ30に通信される。データメモリ30からのデータは再構築プロセッサ32によって再構築される。コーンビーム、マルチスライス、スパイラル走査及び再構築技法、並びに、それらの類似物を含む様々な既知の再構築技法が企図される。再構築プロセッサ32によって生成される容積映像表示は、容積映像メモリ34に記憶される。ビデオプロセッサ36は、映像メモリの選択的部分を引き出して、スライス映像、投影映像、表面レンダリング、及び、それらの類似物を創成し、CRT又はLCDモニタのようなモニタ38上で表示するためにそれらを再フォーマットする。
ここで図2を参照すると、X線管組立体16はディスク形状の陽極40を含み、陽極は空気真空外被42内に取り付けられ、回転ガントレの回転軸に対して直交する平面にあり得るが、他のジオメトリも企図され得る。真空外被は、冷却タンクを定める良好なX線阻止能ハウジング44を備えた鉛又は他の高Z金属で取り囲まれている。ベリリウム又は他の低Z金属又は材料の窓45が、検査領域14の近傍に出口を定め、X線46はそこを通じて検査領域14に進入する。検査領域14と窓45との間に位置しているのは、ビーム整形フィルタ(図示せず)及びコリメータ18である。
陽極40は、陰極組立体のフィラメント54のような電子源によって発生する電子ビーム52によって打たれる傾斜付き環状周縁を有する。電子ビームは集束されて、傾斜縁上の限定的な所定領域又は標的56を打つ。陽極は中心シャフト58に取り付けられ、概ね電子ビーム52と平行であり且つ陽極の正面に対して直交する軸Rについて回転する。傾斜付き標的56は、その内周縁で距離d1だけ、その外周園で距離d2だけ軸Rから離間している。ビーム52内の電子の大部分は、標的56内の陽極を打ち、最小限の割合だけが陽極表面の他の部分を打つ。標的56は、好ましくは、陰極によって放射され且つ陽極を打つ電子の少なくとも90%、より好ましくは、これらの電子の少なくとも99%を受ける。
フィラメント54は、集束装置として作用する陰極カップ70内に取り付けられ、フィラメントによって放射される電子をビーム52に集束し、ビームは高圧源72によって陽極に向かって加速される。陰極カップ及びフィラメントは共に陰極組立体を形成し、外被42に対して固定されたままであるが、陰極組立体が回転するのに対し、陽極が固定されたままであることも企図される。いずれにしても、陰極組立体は出力ビーム46に対して固定されたままである。
図2を継続的に参照しながら図3も参照すると、標的56は、周縁50の主要部分80、及び、周縁の二次的部分上に部分的に定められている。二次的部分82は、主要部分80の径方向内側に位置している。主要部分80は、陽極の軸Rに対して直交する平面に対して角度αで延在している。二次的部分は、陽極の軸Rに対して直交する軸に対して角度βで延在している。角度βは角度αよりも大きい。1つの実施態様では、角度α及びβは少なくとも1°だけ異なる。他の実施態様では、これらの角度は少なくとも2°だけ異なる。例えば、角度αは約6°〜約8°であるのに対し、角度βは約8°〜約12°である。1つの具体的な好適実施態様において、角度αは約7°であり、且つ、角度βは少なくとも約9°であり、好ましくは、約10°である。角度αの下限は、検出器、解像度、及び、所望ビームの幅に依存する。現在可能なCTシステムでは、これらは6°よりずっと小さい角度αを許容しないが、CTスキャナ技術の進歩はより小さな角度を可能にし得ることが予想される。
好適実施態様において、標的56を打つ電子の大部分は、主要部分80に突き通る。1つの具体的な実施態様において、標的を打つ電子の少なくとも60%は主要部分80を打ち、40%以下の残余は二次的部分を打つ。標的56を打つ電子の少なくとも80%、より好ましくは、少なくとも90%が、主要部分及び二次的部分の一方又は他方を打つのが好ましい。図3において、主要部分80は二次的部分82と接合部で急に終端するように示されているが、以下に議論されるように、そうでないのが好ましい。
主要部分80と二次的部分との組み合わせは、主要部分の浅い角度の故に、高出力を可能にすると同時に、二次的部分でヒール効果低減する。主要部分80からのX線ビームの投影p1は、次の式によって、主要部分を打つ電子ビームの高さh1に相関している。
同様に、二次的部分に関しては次の通りである。
ここで、p2及びh2は、それぞれ二次的部分の投影及び高さである。h1及びh2は、主要部分及び二次的部分の実際の高さ以下であり、その場合には、電子ビーム幅wはこれらの部分を超えて延在しないことが理解されよう。この実施態様に関して、第一部分及び第二部分が直接隣接する場合には、h1+h2=ht=wである。
再度図2を参照すると、フィラメント54は、第一部分90及び第二部分92を含む。陰極カップ70の集束効果の故に、第一部分90によって放射されるX線は、主として標的の主要部分80を打つのに対し、第二部分92によって放射されるX線は、主として標的の二次的部分を打つ。フィラメント54の第一部分90は、第二部分92よりも高い電流を放射する。第一フィラメント部分90は、主要標的部分90と軸方向で整列し、第二フィラメント部分92は、二次的標的部分82と整列するよう示されているが、フィラメントの上側半分が標的の下側半分に撮像される逆転型エレクトロニクスを含む陰極においては、部分90及び92の相対位置は反転される。
第二部分92のコイル直径d2よりもより大きなコイル直径d1を第一部分90のために提供することによって、第一部分90のより大きな電流が容易に達成される。より大きな電流をもたらす他の既知の方法も企図される。よって、放射されるX線束(光子毎ユニット領域)は、主要標的部分80のためよりも二次的標的部分82のためにより小さい。束中の如何なる変化にも順応するために、CTスキャナ(図1)の再構築プロセッサ32は、映像の再構築時に束中の変化を考慮に入れるよう選択的にプログラムされる。
電子源は、同一(或いは少なくとも実質的に同一)の特定の負荷を、標的の全ての部分にある陽極に供給するよう構成されるのが好ましい。第一環状部分に対する特定負荷は、第二環状部分に対する特定負荷の±10%であるのが好ましい。特定負荷は、傾斜表面の電流(mA)毎ユニット領域(cm2)として定められる。
フィラメントの整形は、その表面に亘って電流負荷を適切に分布することによって、陽極の整形を活用する。フィラメント電流が増大すると、陰極放射は全ての地点で比例して増大し、第一部分90及び第二部分92内の実質的に不変な比率の電流で、陽極上のフィラメントの映像は均質により明るくなる。
代替的な実施態様において、電子源54は螺旋巻きワイヤ又は伝導性膜の2つのフィラメントを含み、第一フィラメント部分90と類似の寸法を有する第一フィラメントは、主要標的部分80を打つよう加速される第一の流れの電子を放射し、第二フィラメント部分92と類似の寸法を有する第二フィラメントは、二次的標的部分82を打つよう加速される第二の流れの電子を放射する。標的部分80,82の最適な相対高さは、X線管が用いられるCTスキャナに一部依存し、所望有効範囲に一部依存する。例えば、100スライスを用いるマルチスライスCTスキャナは、所与幅の50スライススキャナに比べ、より大きなh1/h2比から利益を享受するのが一般的である。
図3に示されるように、標的領域56に隣接する陽極表面の部分96,98もビーム方向に対して傾斜を付けられている。これらの部分の傾斜は、標的の隣接部分80,82の傾斜と同一であり得るし、或いは、傾斜は相違してもよい。
図2及び3の構造は、より大きな傾斜の領域82を主要部分80の外周に設けることによって、ヒール効果を軽減するのに役立つ。異なる傾斜の領域を提供する実施態様も図4乃至6に示されており、そこでは、類似素子は同一番号が付与され、相違する素子は新しい番号が付与されている。これらの実施態様のためのX線管及び陽極の構造は、特段示されない限り、図2及び3のためのそれと同一である。全ての図面において、角度α及びβは、明瞭性及び例証の容易性のために、実際よりも大きく示されていることが理解されよう。
図4に示される実施態様において、主要標的部分80は円滑な又は曲線状の移行部分110によって二次的部分82に接続され、それは主要部分80近傍の角度αに対して接線的であり、二次的部分82近傍の角度βに対して接線的である。よって、湾曲部分110は、主要部分80近傍のαから二次的部分82近傍のβに、標的傾斜角度の漸増をもたらしている。角度α及びβは、図2及び3の実施態様のために記載されたのと同一の値を有し得る(例えば、それぞれ7°及び10°)。1つの実施態様において、湾曲部110は約1〜2mmの高さh3、即ち、標的高さhTの小さな割合だけである。第一部分及び第二部分が移行部分110によって離間されているこの実施態様に関して、h1+h2+h3=hT=wである。
移行部分110は、部分80及び部分82と類似の主要及び二次的長さであるとして示されているが、実際上、角度α及びβが上記に議論された7°及び10°により近い場合には、湾曲部分は、主要部分80の高さh1よりも短く、選択的に、二次的部分82の高さh2よりも短い高さh3を有するのが好ましい。
コイル54は、標的56の移行部分110と円滑に適合する移行部分を有するのが好ましい。図4に示されるように、フィラメントコイル54は、タンジェントθ(d=K/tanθ)に対して反比例する幅(直径)dを有し、ここで、θは、電子が衝突する地点における標的の角度であり、Kは、定数である。よって、第一実施態様に関しては、主要標的部分80に対応するコイルの第一部分90のために、幅d1=K/tanαであり、第二部分92のために、幅d2=K/tanβである。第一部分90と第二部分92との間のコイルの移行領域114のために、幅は、タンジェント、即ち、タンジェントθの関数として漸進的に変化する。第一実施態様に関しては、再構築プロセッサ32は、フィラメントコイル54の幅変化の結果として生じる束変化に順応するようプログラムされている。
この実施態様の利点は、陽極上へのフィラメントの映像の配置が、X線出力の変化を避けるために、図2及び3の実施態様のためほど精密である必要がないことである。X線管の軸受が摩耗すると、陽極はそのゆらぎから益々影響を受けがちである。主要部分80と二次的部分82との間に急激な変化よりもむしろ漸進的に湾曲する移行部分110を有することは、X線出力に対する陽極のゆらぎの影響を低減し、X線管の耐用年数を延ばす。
ここで図5を参照すると、陽極の他の実施態様が示されている。この実施態様では、標的56は、上記に議論されたような傾斜α(例えば、7°)を有する第一部分80を含む。第二部分120は、曲率の増大を伴って、第一部分80から離れて湾曲している。1つの実施態様では、第二部分は、第一部分との接合部分で角度αから移行し、その外部縁で角度βに増大している。βは10°よりも大きく、例えば12°又は約15°ほどの高さであり得る。βの最適値は、ある程度、CTスキャナによって用いられるスライス数に依存する。より大きな数のスライスのためには、より大きな角度βが一般的に好まれる。例えば、50スライスのためには、12°のβが最適であるのに対し、100スライスのためには、15°により近いのがβのために最適であり得る。
他の実施態様と同様に、フィラメント54は、d=K/tanθによって概ね記載される幅で、標的の傾斜変化と適合するよう整形されるのが好ましい。
図5の実施態様と同様に、この実施態様は図3及び4の実施態様よりも陽極のゆらぎに対して敏感ではない。
図6は、より平面的で且つより傾斜付き領域が位置反転された実施態様を例証している。標的56は陽極の内側又は頂部付近で角度αで傾斜し、標的領域の他の端部で角度βに円滑に増大する。例証されている実施態様において、陰極カップ70は、フィラメント54が標的に鏡像を集束するよう構成されている。再度、フィラメント54は、受面の傾斜と反比例して電子を生成する。図6の実施態様は漸進的により急勾配になるので、陽極の表面下で発生するX線が進行する陽極を通じた経路長は漸進的に短くなり、減衰及びヒール効果を低減する。連続的な円滑曲線として示されているが、標的領域は、2つの直線セグメント、円滑な移行部分によって接続された2つの直線セグメント、単一の直線セグメント並びに連続的な湾曲移行部分及び二次的領域、又は、それらの類似物であり得ることが理解されよう。他の選択肢として、標的領域を例証領域56から拡大しうるよう、二重フィラメントを設け得る。その場合には、傾斜は角度αと角度βとの間、例えば7°と12°との間であり、例えば15°のような傾斜がより大きい領域に拡大される。
好適実施態様を参照して本発明を記載した。先行する詳細な記載を読み且つ理解することによって、修正及び変更が他の者に生じるであろう。本発明は、添付の請求項及びそれらの均等物の範囲に入る限りの修正及び変更の全てを包含するものとして理解されることが意図されている。
Claims (21)
- 真空のチャンバを定める外被と、
回転軸について回転するために前記チャンバ内に取り付けられた陽極とを有し、
該陽極は、標的領域を定める傾斜付き外周領域を定め、
前記標的領域は、電子源によって放射される電子によって打たれ、且つ、X線を放射し、
前記傾斜付き外周領域は、前記回転軸に対して直交する平面に対して第一角度で傾斜する第一環状部分と、該第一環状部分の近傍で、前記平面に対して第二角度で傾斜する第二環状部分とを含み、
前記第二角度は前記第一角度と異なり、
前記標的領域は、前記第一環状部分上に部分的に定められ、且つ、前記第二環状部分上に部分的に定められた、
X線管。 - 前記第一環状部分は、前記第二環状部分よりも前記陽極の外周に近い、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度と前記第二角度は少なくとも1°だけ相違する、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度と前記第二角度は少なくとも2°だけ相違する、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度は約8°未満である、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度は約6°から約8°である、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度は約7°である、請求項5に記載のX線管。
- 前記第二角度は少なくとも8°である、請求項6に記載のX線管。
- 前記第二角度は約10°である、請求項8に記載のX線管。
- 前記第一部分と前記第二部分との中間にある環状移行部分をさらに有し、該環状移行部分は、前記第一部分と前記第二部分との間の円滑で曲線的な移行を定める、請求項1に記載のX線管。
- 前記移行部分は、前記第一部分から前記第二部分に漸進的に湾曲し、前記移行部分は、前記第一部分の近傍で第一角度で傾斜し、且つ、前記第二部分の近傍で第二角度で傾斜している、請求項10に記載のX線管。
- 前記第二部分は、前記第一部分から離間するに従って傾斜が増大している、請求項1に記載のX線管。
- 前記第一角度は前記第二角度よりも小さく、前記電子源は、実質的に同一の特定負荷を、前記第二部分上の前記標的領域の部分よりも、前記第一部分上の前記標的領域の部分に供給する、請求項1に記載のX線管。
- 前記電子源は、前記第一環状部分上の前記標的領域の前記部分を打つ電子を放射する領域により大きな幅を有し、且つ、前記第二環状部分上の前記標的領域の前記部分を打つ電子を放射する領域により小さな幅を有するフィラメントを有する、請求項1に記載のX線管。
- 前記フィラメントの前記幅は、前記フィラメントの前記領域からの前記電子によって打たれる前記標的領域の領域の傾斜の角度のタンジェントと反比例するよう変化する、請求項15に記載のX線管。
- 請求項1に記載のX線管を有するコンピュータ断層撮影スキャナ。
- 少なくとも1つのX線検出器と、再構築プロセッサとを有し、該再構築プロセッサは、前記第二環状部分からよりも高いX線束を、前記第一環状部分から占めるようプログラムされている、請求項16に記載のコンピュータ断層撮影スキャナ。
- 電子ビームを加速し且つ集束するステップと、
回転軸について回転する陽極の傾斜する外周領域の上の標的領域を打つステップとを有し、
前記外周領域は、前記回転軸に対して直交する平面に対する第一角度で傾斜する第一環状部分と、該第一環状部分から径方向に離間し、且つ、前記平面に対して第二角度で傾斜する第二環状部分とを有し、
前記第二角度は前記第一角度と異なり、
前記標的領域は、前記第一環状部分上に部分的に定められ、且つ、前記第二環状部分上に部分的に定められた、
X線ビームを発生する方法。 - 前記第一環状部分上の前記標的領域を打つ前記電子ビームの部分が、前記第二環状部分上の前記標的の前記部分を打つ前記電子ビームの部分よりも大きな電子電流密度を有するよう電子を発生するステップをさらに有する、請求項18に記載の方法。
- 前記第一環状部分が傾斜する前記角度は、前記第二環状部分が傾斜する角度よりも小さい、請求項19に記載の方法。
- X線(46)を被検者の方向に向けるステップと、
前記被検者を通過する前記X線を検出器で検出するステップと、
前記第二環状部分上の前記標的領域の前記部分からよりも大きなX線束を、前記第一環状部分上の前記標的領域の前記部分から占めるステップを有する、前記被検者の映像を再構築するステップとをさらに有する、
請求項18に記載の方法。
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