JP2012024175A - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化・複雑化を防止しつつ、画像分解能や診断機能を向上させることが可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供する。
【解決手段】Ｘ線発生部及びＸ線検出部を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する固定架台とを備えたＸ線コンピュータ断層撮影装置であって、前記回転体を支持する複数の磁気軸受と、前記回転体と前記磁気軸受間の吸引力を調整することによりＸ線発生部から曝射されるＸ線の焦点を移動させる焦点移動機構と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、急速に普及し、医療現場では必要不可欠な診断装置として活躍している。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、患者をスライド移動させながら、相互に対向させたＸ線発生部及びＸ線検出器を患者の周囲で高速回転させてスライス投影し、Ｘ線投影データを取得し断層像を再構成する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置のＸ線発生部には、Ｘ線管が設けられている。Ｘ線管内のフィラメントとアノードは真空容器内に密閉される。

通常、Ｘ線の光路は固定されているためＸ線の焦点は固定されている。

一方、Ｘ線の照射位置を微小移動させながら投影データを取得することにより、空間分解能を向上させ、高解像度の画像を再構成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

Ｘ線の焦点を微小移動させる方法としては、アノードにおける電子ビームの照射位置を移動させる方法がある。特許文献１では、Ｘ線管に偏向コイルを設けることにより、アノードにおける電子ビームを周期的に変化させて、Ｘ線の照射位置を微小移動させる技術が開示されている。

また、焦点移動機能を備えたフィラメント式電子銃を使用した技術や、画像分解能の向上及びアーチファクトの低減を目的として跳躍焦点をＸ線断層撮影時に使用する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−２６９１２２号公報 特開２００５−２９６６５３号公報

ところが、焦点移動機能を備えたフィラメント式電子銃を使用した技術や、跳躍焦点、偏向コイルを使用した技術では、Ｘ線管装置の構造が複雑になってしまう。また、焦点移動を制御する専用電源が必要となるためガントリの大型化を招来してしまう。

また、これら従来の技術には、チャンネル方向（被検体の体軸に沿った方向と直交する方向）への焦点移動により、Ｘ線源とＸ線検出器の相対位置がずれて画像が劣化する問題がある。

また、被検体の体軸方向への焦点移動によりＸ線管装置の構造上、焦点位置からＸ線検出器までの距離が変化するため新規な画像再構成方式が必要となる問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものである。本発明は、焦点移動機構を備えながらも装置の大型化と複雑化とを防止することが可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、Ｘ線源とＸ線検出器との相対位置をずらさずにＸ線の焦点移動を可能にすることで、従来の画像再構成方式を使用しても優れた質の画像を得ることができ、画像分解能や診断機能を向上させることが可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために請求項１記載の発明は、Ｘ線発生部及びＸ線検出部を有する回転体と、前記回転体を回転可能に支持する固定架台と、前記回転体を支持する複数の磁気軸受と、前記回転体と前記磁気軸受間の吸引力を調整することによりＸ線発生部から曝射されるＸ線の焦点を移動させる焦点移動機構と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置によれば、Ｘ線発生部及びＸ線検出部を内蔵する回転体と、この回転体を回転可能に支持する固定架台との間に磁気軸受を使用して、Ｘ線発生部から曝射されるＸ線の焦点を移動させることにより、装置の大型化・複雑化を防止しつつ、画像分解能や診断機能を向上させることが可能となる。

本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置の実施の形態を示す概略斜視図である。 本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置を示す全体構成ブロック図である。 本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置の回転部の構成を示す概略斜視図である。 本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置の回転部の回転、保持機構を示す概略断面図である。 本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置で使用されるスラスト方向磁気軸受の構成を示す概略縦断面図である。 本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置で使用されるラジアル方向磁気軸受の構成を示す概略横断面図である。

以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態のＸ線コンピュータ断層撮影装置を示す概略斜視図である。

図１に示すように、このＸ線コンピュータ断層撮影装置１は、寝台１０、固定架台２０、制御装置３０を有する。

寝台１０は、被検体（図示しない）を載置する。固定架台２０は、後記回転部４０（図示しない）を内蔵する。固定架台２０は、架台カバー２１によって覆われている。Ｘ線コンピュータ断層撮影の際、被検体は、撮影口５から回転部４０内に挿入されてＸ線が曝射される。

なお、回転部４０の回転軸に沿った方向をスラスト方向（アキシャル方向）と略記し、また、回転部４０の回転軸に沿った方向と直交する方向をラジアル方向（チャンネル方向）と略記する。

制御装置３０は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１全体の動作を制御する。詳細については、図２を参照して説明する。

図２は、本実施の形態のＸ線コンピュータ断層撮影装置１の制御系の構成を示す全体構成ブロック図である。同図に示すように、制御装置３０は、駆動ユニット１１、信号増幅ユニット４３、電源制御ユニット４７、磁気軸受制御ユニット６１、回転制御ユニット５０、冷却ユニット４４に接続されている。

駆動ユニット１１は、撮影目的に応じて寝台１０を傾動させる。信号増幅ユニット４３は、Ｘ線検出ユニット４２によって検出された信号を増幅する。電源制御ユニット４７は、電源ユニット４５、４６を介してＸ線管ユニット４１への通電量を制御する。磁気軸受制御ユニット６１は、ラジアル方向磁気軸受６２及びスラスト方向磁気軸受６３への通電量の加減を制御する。回転制御ユニット５０は、回転部４０に回転駆動力を与える駆動モータ５１を制御する。冷却ユニット４４は、隣接するＸ線管ユニット４１を冷却する。

制御装置３０は、入力ユニット３１、表示ユニット３２、記憶ユニット３３、システム制御ユニット３４を有する。このシステム制御ユニット３４は、入力ユニット３１、表示ユニット３２、記憶ユニット３３に接続されている。

入力ユニット３１により、Ｘ線コンピュータ断層撮影画像を取得するために必要な種々のコマンドがシステム制御ユニット３４に入力される。表示ユニット３２は、Ｘ線ＣＴ画像の取得に必要な情報や取得したＸ線コンピュータ断層撮影画像などを表示する。記憶ユニット３３は、Ｘ線コンピュータ断層撮影画像の取得に必要な情報や取得したＸ線コンピュータ断層撮影画像などを記憶する。システム制御ユニット３４は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１の各ユニットの動作を制御する。

図３は、本実施の形態のＸ線コンピュータ断層撮影装置１の固定架台２０内に設けられた回転部４０の構成を示す概略斜視図である。

回転部４０は、固定架台２０内に設置されている。回転部４０は、平板部４８（平板）とドラム部４９（円筒）とを有する。回転部４０は、例えばアルミニウムの鋳物で製作される。また、回転部４０には、後記するスラスト方向磁気軸受６３（図示しない）の間に挟まれるフランジ４０ａ（図示しない）が設けられている。

平板部４８は、リング形状を有し、回転部４０の前面側に設置されている。平板部４８は、撮影口５から挿入された被検体の周りを回転させられる。なお、回転軸（図示しない）は、被検体の体軸方向に存在する。

平板部４８の前面側には、Ｘ線管ユニット４１とＸ線検出ユニット４２が対向配置されている。Ｘ線管ユニット４１は、Ｘ線の透過面を平板部４８に対して回転軸方向に離れた位置でかつ平行になるように配置されている。

また、Ｘ線発生位置近傍にロータ（陽極）や漏洩Ｘ線を遮蔽するための防護鉛など重量の重いものが配置されているためＸ線管ユニット４１の重心はＸ線発生位置近傍にあるのが好ましい。すなわち、本実施の形態においてＸ線管ユニット４１の重心は平板部４８に対して回転軸方向でＸ線の透過面側に離れた位置とするのが好ましい。

回転部４０の回転径方向の平板部４８の長さ（言い換えればリング形状の幅）は、少なくともＸ線検出ユニット４２を取り付けることができる長さを有している。そして、平板部４８の前面側には、Ｘ線管ユニット４１、Ｘ線検出ユニット４２、信号増幅ユニット４３、冷却ユニット４４、電源ユニット４５、４６、および電源制御ユニット４７が図示しない固定ボルトなどを用いて取り付けられている。

ドラム部４９は、平板部４８の外周端に形成されている。ドラム部４９は、平板部４８の回転軸方向の幅（板厚）より広いドラム形状を有している。ドラム部４９は、平板部４８の前面側から背面側に亘って形成され、平板部４８とドラム部４９との接合部分は、その断面がＴ字状となっている。

また、ドラム部４９の円筒の回転軸方向の幅は、平板部４８に取り付けられた上記の各ユニットがドラム部４９の円筒からはみ出さない程度の幅になっている。

次に図４を参照して回転部４０と保持機構について説明する。図４は回転部４０と保持機構の関係を示す概略断面図である。同図に示すように回転部４０は、自身よりも径の大きな円筒である固定架台２０に一部が挿入されるように配置されている。その重複部分において固定架台２０に設置されたラジアル方向磁気軸受６２及びスラスト方向磁気軸受６３により回転部４０は、回転及び／又は移動可能に保持されている。回転部４０の中間部外周にはフランジ４０ａが設けられている。フランジ４０ａは、固定架台２０の中間部内面から突出する２対（４個）の突出片２０ａに挟まれた状態で配置されている。

また、回転部４０と相対向する固定架台２０の円周面上にはラジアル方向磁気軸受６２が設置されている。ラジアル方向磁気軸受６２は、９０度毎にずらして回転部４０の周りに４対（８個）配置されている。ラジアル方向磁気軸受６２の個数は、２個以上が好ましい。回転部４０が固定架台２０と非接触で回転及び／又は保持可能であれば、ラジアル方向磁気軸受６２の個数は限定されない。

同図に示すように突出片２０ａは、２対（４個）以上設置されるのが好ましい。スラスト方向磁気軸受６３を構成する電磁石コイルに通電され、発生した電磁力の吸引力によって回転部４０が吸引され、電磁力の吸引力のバランスにより、一対の磁気軸受間における回転部４０の位置が決定される。

以上の構成を更に詳細に説明する。回転部４０と固定架台２０は、同心円状の所定のギャップを挟んで夫々の円周面が相対向させられている。回転部４０の円周面上には磁石（図示しない）若しくは磁性体（図示しない）が配置されている。

スラスト方向磁気軸受６３は固定架台２０の突出片２０ａに配置されている。当該スラスト方向磁気軸受６３は回転部４０のフランジ４０ａを挟んで相対向させて対となるように２対（４個）配置されている。スラスト方向磁気軸受６３の個数は、２個以上であればよく、回転部４０が固定架台２０と非接触で回転及び／又は保持可能であればよい。スラスト方向磁気軸受６３と相対するフランジ４０ａの面には、磁石（図示しない）及び／又は磁性体（図示しない）が備えられている。

本実施形態においては、ラジアル方向磁気軸受６２及びスラスト方向磁気軸受６３により、回転部４０が固定架台２０から磁気浮上させられている。

従って、回転部４０に設置されたＸ線管ユニット４１とＸ線検出ユニット４２との間の距離を変化させることなく、回転部４０全体が、ラジアル方向及び／又はスラスト方向に移動させられる。

ラジアル方向磁気軸受６２及び／又はスラスト方向磁気軸受６３には、巻線が巻かれた電磁石を用いることができる。ラジアル方向磁気軸受６２及び／又はスラスト方向磁気軸受６３の電磁石の各巻線は、ラジアル方向磁気軸受６２及び／又はスラスト方向磁気軸受６３とフランジ４０ａとの間に吸引力が発生するように、巻く方向を調整することができる。

また、通常の電磁石以外に超伝導体を使用した磁石を用いることもできる。ラジアル方向磁気軸受６２及びスラスト方向磁気軸受６３により、消費電力数ｋＷ程度で、数百ｋｇの回転部４０を非接触で回転支持することが可能となる。

固定架台２０には、機械ベアリング等から構成されるタッチダウン機構（図示しない）が設置されている。ラジアル方向磁気軸受６２やスラスト方向磁気軸受６３への通電が遮断され、電磁力による支持が不能となった場合、タッチダウン機構は回転部４０を機械的に支持するようになっている。

ラジアル方向磁気軸受６２やスラスト方向磁気軸受６３への通電が遮断されず回転部４０が正常に回転している場合、タッチダウン機構は、回転部４０を機械的に支持しない。

固定架台２０は、回転部４０の位置を検出する位置センサ（図示しない）やエンコーダ等（図示しない）を備えている。

次に、回転部４０の回転駆動方式について説明する。

回転部４０は、回転制御ユニット５０に接続された駆動モータ５１によって回転駆動力が与えられて回転する。

駆動モータ５１は、回転部４０、回転部外周固定子（図示しない）、回転部内周固定子（図示しない）を有する。回転部外周固定子及び回転部内周固定子は回転部４０を挟み込むように固定架台２０に配置されている。

回転部外周固定子と回転部内周固定子の個数は、特に限定されず、全周方向に設けられてもよい。各固定子は、回転部４０の回転ムラが生じないように、互いの間隔が等しくなるように配設されている。

各固定子には、巻線が巻かれている。各巻線の巻き方向は、対峙する巻線に同一位相の電流を流した際に発生する磁束の方向が同じ方向となるように調整する。なお、各巻線の巻数や巻き方については限定されるものではなく、回転磁界を発生することができればどのようなものであってもよい。

なお、回転部内周固定子と回転部外周固定子は、各磁気軸受との間で互いに干渉し合わないように、磁気遮蔽され得る。

また、各磁気軸受と各固定子は、回転部４０の回転軸方向に沿った方向にずらして設置され得る。

回転部外周固定子、回転部内周固定子は、回転部４０の周囲に回転磁界を発生させる。この回転磁界により回転部４０に誘導起電力が生じ、回転部４０を回転させる駆動力が得られる。なお、本回転駆動方式はダイレクトドライブ方式と称される。

回転部４０は、回転子鉄心（図示しない）及び短絡環（図示しない）及び複数の導体（図示しない）を有する。回転子鉄心は、スロットを打ち抜いたケイ素鋼板が積層して形成されている。短絡環は、回転部４０の回転軸方向に設けられている。複数の導体は、短絡環に接続されている。

回転部４０は、駆動モータ５１によって回転駆動力が与えられる。これにより、回転部４０は被検体の周りを高速回転することが可能となる。なお、回転部４０の回転速度は、例えば、１秒／回転以上となり、特に０．５秒／回転以上となる。すなわち、被検体のＸ線コンピュータ断層撮影画像を得るために回転部４０が被検体の周りを１回転するのに必要な時間は１秒以下となり、特に０．５秒以下となる。

また、回転部４０が固定架台２０と非接触なため摩擦がなく、ボールベアリング等の機械的軸受を用いる場合よりも、回転速度を高速にすることができる。さらに、摩擦等に起因する振動の発生を抑制し、回転損失を最小にすることができる。

回転駆動方式として、ベルトドライブ方式を採用することも可能である。ベルトドライブ方式の場合、ラジアル方向磁気軸受によるラジアル方向への焦点移動に伴い、ベルトドライブ機構が移動するような機構を採用し得る。

以上説明した、ダイレクトドライブ方式による回転駆動は、その回転数を任意に設定できること、起動からスキャン時間に対応した回転数まで円滑に立ち上げること及び立ち上げた後の回転速度を一定にする観点から、インバータ回路等が用いられる。

図５は、この実施の形態で使用されるスラスト方向磁気軸受６３の構成を示す概略縦断面図である。同図に示すように、固定架台２０の中間部内面から突出する一対の突出片２０ａに回転部４０のフランジ４０ａが挟まれた状態で配置され、フランジ４０ａと突出片２０ａとの間にスラスト方向磁気軸受６３が設置されている。

図６は、この実施の形態で使用されるラジアル方向磁気軸受６２の構成を示す概略横断面図である。同図に示すように、ラジアル方向磁気軸受６２は固定架台２０に配置されている。

次に、この実施の形態におけるＸ線の焦点移動について被検体のＸ線コンピュータ断層撮影画像を取得する態様と併せて説明する。

被検体のＸ線コンピュータ断層撮影画像を取得する場合には、回転部４０が被検体の周囲を１回転する間に、電源制御ユニット４７の制御により電源ユニット４５、４６からＸ線管ユニット４１へ所定の管電圧（管電流）が供給される。その結果、Ｘ線管ユニット４１からＸ線が被検体に曝射され、被検体を透過したＸ線がＸ線検出ユニット４２によって検出される。

Ｘ線検出ユニット４２は、検出したＸ線に関する検出信号を信号増幅ユニット４３で増幅し、システム制御ユニット３４に供給する。

システム制御ユニット３４は、この検出信号を基にして所定の画像再構成処理などを行ってＸ線コンピュータ断層撮影画像を取得する。そして、システム制御ユニット３４は、取得したＸ線コンピュータ断層撮影画像を表示ユニット３２に表示させる。また、取得したＸ線コンピュータ断層撮影画像情報を記憶ユニット３３に記憶させる。

Ｘ線の焦点を、回転部４０のスラスト方向に移動させる場合には、操作者によって所定の移動距離についての情報が入力ユニット３１に入力される。入力ユニット３１から入力された移動距離に関する入力信号はシステム制御ユニット３４に供給される。

システム制御ユニット３４は、入力信号から各スラスト方向磁気軸受６３における電磁石等への通電量を算出する。具体的には、システム制御ユニット３４は、予めＸ線の焦点移動距離と通電量の対応表または単位移動距離当たりの通電量の関係データを有し、入力された焦点移動距離から、移動距離相当分の通電量を算出する。

算出された通電量を磁気軸受制御ユニット６１を介して各スラスト方向磁気軸受６３への通電量を調節する。この調節によりスラスト方向磁気軸受６３の回転部４０のフランジ４０ａに対する吸引力のバランスを不均衡とし、回転部４０をスラスト方向に移動させる。

回転部４０の移動に伴い、回転部４０に備えられたＸ線管ユニット４１と対向して配置されるＸ線検出ユニット４２もスラスト方向に移動させられる。よって、焦点は、基準位置を挟んで＋／−０．１２５ｍｍ程度の幅で数ｋＨｚの速度で移動させることができる。かかる移動に伴う消費電力は、数１０ｋＷ程度である。

また、Ｘ線源からのＸ線の焦点を、回転部４０のラジアル方向に移動させる場合には、スラスト方向における焦点移動の場合と同様に、操作者によって所定の移動距離についての情報が入力ユニット３１に入力される。入力ユニット３１から入力された焦点移動に関する入力信号はシステム制御ユニット３４に供給される。入力ユニット３１から入力された焦点移動に関する入力信号はシステム制御ユニット３４に供給される。

前記スラスト方向へのＸ線の焦点移動と同様に、システム制御ユニット３４は、入力信号を基にして磁気軸受制御ユニット６１を介して各ラジアル方向磁気軸受６２における電磁石等への通電量を調節する。通電量の調節により、前記ラジアル方向磁気軸受６２の電磁石等の回転部４０に対する吸引力のバランスを不均衡とし、回転部４０をラジアル方向（チャンネル方向）に移動させる。回転部４０の移動に伴い、回転部４０に備えられたＸ線管ユニット４１と対向して配置されるＸ線検出ユニット４２も、Ｘ線管ユニット４１との間の距離を変化させることなく、ラジアル方向に移動させられる。

よって、Ｘ線の焦点は、基準位置を挟んで＋／−０．１２５ｍｍ程度の幅で数ｋＨｚの速度で移動させることができる。かかる移動に伴う消費電力は、数１０ｋＷ程度である。なお、回転部４０を回転制御する駆動モータ５１は、スラスト方向磁気軸受６３やラジアル方向磁気軸受６２と独立しているので、回転部４０を回転させながら、同時にスラスト方向及び／又はラジアル方向への焦点移動も可能である。

Ｘ線の焦点移動後に、位置センサやエンコーダ等によりＸ線の焦点の位置が検出される。システム制御ユニット３４においてＸ線の焦点が所定位置まで移動したか否かが判断される。Ｘ線の焦点位置が所定位置とずれていた場合、焦点位置を所定位置に移動させるため、システム制御ユニット３４は、磁気軸受制御ユニット６１を介してラジアル方向磁気軸受６２及び／又はスラスト方向磁気軸受６３への通電量を移動距離と通電量の対応表等に基づいて算出する。その結果、ラジアル方向磁気軸受６２及び／又はスラスト方向磁気軸受への通電量を調節する。

画像分解能を改善させるため、回転部４０の１回転目で＋０．１２５ｍｍラジアル方向に焦点移動させ、２回転目で−０．１２５ｍｍと焦点位置を変えてスキャンすることもできる。

以上のように、本発明は、Ｘ線コンピュータ断層撮影に使用される装置に有用であり、特に、画像分解能や診断機能を向上させることが可能となる。

１ Ｘ線コンピュータ断層撮影装置
５ 撮影口
１０ 寝台
１１ 駆動ユニット
２０ 固定架台
２１ 固定架台カバー
３０ 制御装置
３１ 入力ユニット
３２ 表示ユニット
３３ 記憶ユニット
３４ システム制御ユニット
４０ 回転部
４０ａ フランジ
４１ Ｘ線管ユニット
４２ Ｘ線検出ユニット
４３ 信号増幅ユニット
４４ 冷却ユニット
４５、４６ 電源ユニット
４７ 電源制御ユニット
４８ 平板部
４９ ドラム部
５０ 回転制御ユニット
５１ 駆動モータ
６１ 磁気軸受制御ユニット
６２ ラジアル方向磁気軸受
６３ スラスト方向磁気軸受

Claims (4)

1. Ｘ線発生部及びＸ線検出部を有する回転体と、
   前記回転体を回転可能に支持する固定架台と、
   前記回転体を支持する複数の磁気軸受と、
   前記回転体と前記磁気軸受間の吸引力を調整することによりＸ線発生部から曝射されるＸ線の焦点を移動させる焦点移動機構と、
   を備えることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記焦点移動機構は、Ｘ線の焦点を前記回転体の回転軸に沿った方向に移動させるものであることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記焦点移動機構は、Ｘ線の焦点を前記回転体の回転軸に沿った方向と直交する方向に移動させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記焦点移動機構は、前記回転軸に沿った方向及び直交する方向にそれぞれ移動可能であり、
   前記回転軸に沿った方向及び直交する方向に同時にＸ線の焦点を移動させるように前記焦点移動機構を制御することで、前記回転軸に沿った方向及び直交する方向の任意の合成方向にＸ線の焦点を移動させる制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

Images