JP2015103395A - 回転陽極型ｘ線管装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転陽極の溶融に起因する故障を防止し、回転陽極の回転速度が一定以下となった場合であってもＸ線曝射を続行することができる回転陽極型Ｘ線管装置を提供する。
【解決手段】回転速度検出部１７は回転陽極２３の回転速度を随時検出する。出力限界値算出部３７は、回転速度検出部１７によって検出された回転陽極２３の回転速度に応じて適切な出力限界値を随時算出する。電力制御部３９は、算出された出力限界値に基づいて、Ｘ線照射制御部３５から陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される電圧を随時適切な値に制御する。このような構成を有することにより、回転陽極２３の回転速度が低下した場合であっても、回転陽極２３の溶融を回避しつつ、Ｘ線曝射を続行させることが可能となる。
【選択図】図３

Description

この発明は、医療分野、工業分野または原子力分野などに用いられる回転陽極型Ｘ線管装置に関する。

一般にレントゲン撮影やＣＴ撮影など、医療分野等で行われるＸ線撮影において、回転陽極型Ｘ線管装置が設けられたＸ線撮影装置が使用されている（例えば、特許文献１−３参照）。回転陽極型Ｘ線管装置を構成するＸ線管は、熱電子を放出する陰極と、規定の回転速度で回転するように制御された回転陽極を備えている。

陰極から放出された熱電子は管電圧によって加速され、回転駆動される回転陽極に衝突する。回転陽極に熱電子が衝突することにより、熱とともにＸ線が発生する。回転陽極の回転速度は、陽極回転機構のステータコイルに規定の電圧を印加することによって制御されている。回転陽極型Ｘ線管装置では回転駆動する陽極に熱電子を入射させるので、熱が発生する陽極の部位は常に移動することとなる。そのため熱電子が衝突する陽極の実面積が増大する。従って、回転陽極型Ｘ線管装置では、陽極に蓄積できる熱の許容量が固定陽極型Ｘ線管装置より大きくなるので、より大きな出力で熱電子を陽極に入射させることができる。

特開昭６１−１５３９３２号公報 特開２０００−１０６１１５号公報 特開平１１−２０４０７３号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の回転陽極型Ｘ線管装置において、陽極回転機構の劣化や不具合等、様々な要因によって、回転陽極の回転が停止、または回転陽極の回転速度が低下する場合がある。この場合、熱電子と回転陽極の衝突によって発生する熱が回転陽極の許容量を超え、回転陽極が溶融することがある。回転陽極の溶融により回転陽極型Ｘ線管装置において放電が発生するので、回転陽極型Ｘ線管装置が故障し、Ｘ線撮影装置は使用不可能となる。

回転陽極の溶融による故障を防止するため、従来の回転陽極型Ｘ線管装置において、回転陽極の回転数が一定以下になると熱電子の放出を停止させる構成を備えるものがある。しかし、このような構成を有する場合、回転陽極の回転速度が一定以下となるとＸ線の発生が停止するので、Ｘ線撮影装置を用いる際に以下のような問題が懸念される。

例えばカテーテル術式等による医療行為の最中に回転陽極型Ｘ線管装置からのＸ線の発生が停止すると、カテーテル等が患者の体内にある状態で、Ｘ線曝射の続行が不可能となる事態に陥る。その結果、体内にあるカテーテル等を確認できなくなるので、医療行為の続行はおろか、患者の体内からカテーテルを除去する操作すら困難になる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、回転陽極の溶融に起因する故障を防止し、回転陽極の回転速度が一定以下となった場合であってもＸ線曝射を続行することができる回転陽極型Ｘ線管装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係る回転陽極型Ｘ線管装置は、外囲器内に封入された真空雰囲気内において、熱電子を放出させる陰極と前記陰極から放出される熱電子によりＸ線を発生させる回転陽極とを対向配置させたＸ線管と、前記回転陽極を回転させる回転駆動部と、前記陰極と前記回転陽極との間に電圧を印加させて熱電子を放出させる電圧印加部と、前記回転陽極の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記回転速度検出部によって検出される前記回転陽極の回転速度に基づいて出力限界値を算出する出力限界値算出部と、前記陰極から放出される熱電子の出力を前記出力限界値算出部によって算出された出力限界値以下となるように制御する電力制御部とを備えることを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明に係る回転陽極型Ｘ線管装置によれば、回転速度検出部は回転陽極の回転速度を検出する。出力限界値算出部は、回転速度検出部によって検出された回転陽極の回転速度に応じて適切な出力限界値を算出する。電力制御部は、陰極から放出される熱電子の出力を、算出された出力限界値以下となるように制御する。このような構成を有することにより、回転陽極の回転速度が低下した場合であっても、回転陽極の溶融を回避しつつ、Ｘ線曝射を続行させることが可能となる。

また、上述した発明において、前記出力限界値算出部が算出する出力限界値が予め定められた正の値を下回らないように制御させる出力限界値制御部をさらに備えることが好ましい。

［作用・効果］本発明に係る回転陽極型Ｘ線管装置によれば、出力限界値制御部は出力限界値算出部が算出する出力限界値が予め定められた正の値を下回らないよう制御する。すなわち、回転陽極の回転速度が０になった場合であっても算出される出力限界値は０とならず、予め定められた正の値となる。回転陽極の回転速度が０になった場合、電圧印加部は、予め定められた正の値と算出された出力限界値に基づいて陰極と回転陽極との間に印加される管電圧を制御する。そのため陰極から低出力の熱電子が放出され、回転陽極において低出力のＸ線が発生する。

予め定められた正の値と算出された出力限界値に基づいて放出される熱電子の出力は、回転陽極の回転が停止しても、熱電子による回転陽極の溶融が発生しない程度に低く設定される。従って、このような構成を有することにより、回転陽極の回転が停止した場合であってもＸ線の曝射を続行し、かつ回転陽極の溶融を回避することが可能となる。

本発明に係る回転陽極型Ｘ線管装置によれば、回転速度検出部は回転陽極の回転速度を検出する。出力限界値算出部は、回転速度検出部によって検出された回転陽極の回転速度に応じて適切な出力限界値を算出する。電力制御部は、陰極から放出される熱電子の出力を、算出された出力限界値以下となるように制御する。さらに出力限界値制御部は、出力限界値算出部が算出する出力限界値が予め定められた正の値を下回らないよう制御する。このような構成を有することにより、回転陽極の回転速度が低下した場合、または回転が停止した場合であっても、適切な値の電圧を陰極と回転陽極との間に印加させ、回転陽極の溶融を回避しつつＸ線曝射を続行させることが可能となる。

実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置の概略構成を示す縦断面図である。 実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置を構成するＸ線管の概略構成を示す縦断面図である。 実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置の機能ブロック図である。 実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置の機能ブロック図である。

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。
図１は、実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置の概略構成を示す縦断面図であり、図２は実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管を構成するＸ線管の概略構成を示す縦断面図である。

＜全体構成の説明＞

図１に示されるように、実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１は管容器３と、Ｘ線管５と、ステータ７と、ボルト９と、陽極保持部１１と、陰極保持部１３と、ケーブルレセプタクル１５と、導線１６と、回転速度検出部１７を備えている。

管容器３の内部にはＸ線管５が収容されており、管容器３とＸ線管５の間には絶縁油が充填された状態となっている。ステータ７はＸ線管５の外周部に配置されている。ステータ７の配置されている具体的な位置は、図２に示すように、ロータ２５の外周部に対応している。ステータ７は外部から加えられる電力によって磁界を発生させ、その磁界によって後述するロータ２５を回転させる。ステータ７はボルト９によって管容器３に固定されている。なお、ステータ７は本発明における回転駆動部に相当する。

また、Ｘ線管５は陽極保持部１１および陰極保持部１３によって管容器３に固定されている。ケーブルレセプタクル１５は管容器３の内部両端に設けられており、後述する陰極および回転陽極へ導線１６を介して電力を供給する。回転速度検出部１７は管容器３の外部に設けられており、後述する回転陽極の回転速度を検出する。本実施例において、回転速度検出部１７は振動センサによって構成される。

続いて図２を用いてＸ線管５の構成を説明する。Ｘ線管５は外囲器１９と、陰極２１と、回転陽極２３と、ロータ２５と、ベアリング２７とシリンダ２９を備えている。外囲器１９はその一例としてガラスによって構成されており、外囲器１９の内部は真空になるよう構成されている。陰極２１は、導線１６に接続された集束電極２１ａとフィラメント２１ｂによって構成されている。フィラメント２１ｂはその一例としてタングステン材のコイル状の構成を有しており、熱電子を放出させる。

回転陽極２３はロータ２５に連結されており、陰極２１と対向するように配置されている。ロータ２５は２対のベアリング２７を介してシリンダ２９に支持されており、後述するステータ７が発生する磁界によって回転する構成を有している。すなわち、ロータ２５の回転に連動して回転陽極２３が回転するように構成されている。ベアリング２７は一般的にボールベアリングが用いられる。

＜動作の説明＞
上述のように構成された回転陽極型Ｘ線管装置の動作について、図に基づいて説明する。図３は実施例に係る回転陽極型Ｘ線管装置の機能ブロック図である。

回転陽極型Ｘ線管装置１は主電源部３１と、ステータ駆動制御部３３と、Ｘ線照射制御部３５を備えている。図３に示されるように、主電源部３１はステータ駆動制御部３３およびＸ線照射制御部３５の各々の前段に設けられている。ステータ駆動制御部３３はステータ７の前段に設けられている。

Ｘ線を発生させる場合、主電源部３１を操作してオンの状態とする。オンの状態となった主電源部３１は、ステータ駆動制御部３３およびＸ線照射電源部３５の各々に対して電力を供給する。ステータ駆動制御部３３は主電源部３１から供給される電力をステータ７に供給する。電力の供給によりステータ７において磁界が発生し、その磁界によってロータ２５および回転陽極２３は規定の回転速度で回転する。実施例１における規定の回転速度は一例として１００００ｒｐｍであるが、規定の回転速度は条件に応じて適宜変更してもよい。

Ｘ線照射制御部３５は、主電源部３１から電力が供給されると、ケーブルレセプタクル１５および導線１６を介して陰極２１と回転陽極２３との間に管電圧を印加する。陰極２１と回転陽極２３との間に管電圧が印加されると、フィラメント２１ｂから熱電子が放出される。放出された熱電子は集束電極２１ａによって集束され、高速で回転する回転陽極２３のターゲット面に衝突する。熱電子と回転陽極２３のターゲット面との衝突により、回転陽極２３において熱およびＸ線が発生する。発生したＸ線は外囲器１９を透過し、管容器３に設けられた図示しないＸ線放射窓から回転陽極型Ｘ線管装置１の外部へ放射される。なお、Ｘ線照射制御部３５は本発明における電圧印加部に相当する。

Ｘ線管５は陽極保持部１１および陰極保持部１３によって管容器３に保持されている。回転速度検出部１７を構成する振動センサは管容器３に接している。そのため回転陽極２３の回転によってＸ線管５は振動し、Ｘ線管５の振動は管容器３を介して回転速度検出部１７によって検出される。

回転速度検出部１７の後段には出力限界値算出部３７が設けられ、出力限界値算出部３７の後段には電力制御部３９が設けられている。回転速度検出部１７によって随時算出される回転陽極２３の回転速度は、出力限界値算出部３７へ送信される。出力限界値算出部３７は、回転陽極２３の回転速度に応じて出力限界値、すなわち陰極２１から回転陽極２３へ放出される熱電子の出力の上限値を逐次算出する。出力限界値算出部３７において算出された出力限界値は電力制御部３９へと送信される。

電力制御部３９は出力限界値に基づいて、Ｘ線照射制御部３５から陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される管電圧、および陰極２１と回転陽極２３の間を流れる管電流を随時制御する。このとき電力制御部３９によって、陰極２１から放出される熱電子の出力は、常に出力限界値以下となるように制御される。

＜実施例１の構成による効果＞
ここで実施例１に係る構成によって得られる効果について説明する。

一般的に、回転陽極型Ｘ線管装置において回転陽極は高速で回転するので、回転陽極のターゲット部位は速やかに回転移動する。そのため熱電子と回転陽極の衝突によって発生する熱は好適に分散される。従って回転陽極型Ｘ線管装置では、固定陽極型Ｘ線管装置に比べて高出力で熱電子を放出させ、Ｘ線を発生させることができる。

しかし従来の回転陽極型Ｘ線管装置では、ベアリングの劣化やその他回転制御機構の不具合などにより回転陽極の回転速度が低下した場合、回転陽極において発生する熱を分散させる機能が低下する。そのため、出力の高さを維持したまま陰極と回転陽極との間に管電圧を印加し続けると、発生する熱を分散できずに回転陽極が溶融し、回転陽極型Ｘ線管装置が破損する可能性が高くなる。

そこで実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１では、回転陽極２３の回転速度に応じて適切な出力限界値を逐次算出し、算出された出力限界値に基づいて、Ｘ線照射制御部３５から陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される管電圧、および陰極２１と回転陽極２３の間を流れる管電流を随時適切な値に制御する。このような構成により、実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１において、回転陽極２３の回転速度が低下した場合であっても、Ｘ線曝射を停止させることなく回転陽極２３の溶融を回避できる。

出力限界値算出部３７において、出力限界値は以下の（１）で示される計算式によって求められる。
Ｑ＝Ｋ×√（ｎ×ｄ）…（１）
計算式（１）において、Ｑは出力限界値、Ｋは定数、ｎは回転陽極２３の回転速度、ｄは回転陽極型Ｘ線管装置１の焦点軌道直径である。すなわち、出力限界値は回転陽極２３の回転速度の平方根、および焦点軌道直径の平方根に比例する。そして回転陽極型Ｘ線管装置１において焦点軌道直径は一定であるので、出力限界値は回転陽極２３の回転速度の平方根に比例することとなる。

ここで、数値を用いて実施例１の構成による効果を具体的に説明する。一例として、Ｘ線撮影時における回転陽極２３の規定の回転速度を１００００ｒｐｍ、規定の出力限界値を５００Ｗとする。そしてＸ線撮影装置の使用中に回転陽極２３の回転速度が１００００ｒｐｍから４００ｒｐｍに低下した場合を想定する。

この場合、４００ｒｐｍに低下した回転陽極２３の回転速度は回転速度検出部１７によって検出され、出力限界値算出部３７へ送信される。そして出力限界値算出部３７は、低下した回転陽極２３の回転速度に基づいて出力限界値を算出する。上述した通り、出力限界値は回転陽極２３の回転速度の平方根に比例する。従って、回転陽極２３の回転速度が４００ｒｐｍの場合、算出される出力限界値は１００Ｗである。

算出された出力限界値は電力制御部３９へ送信される。電力制御部３９は陰極２１から放出される熱電子の出力が１００Ｗ以下となるように、Ｘ線照射制御部３５から陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される管電圧、および陰極２１と回転陽極２３の間を流れる管電流を制御する。回転速度検出部１７は随時回転陽極２３の回転速度を検出しているので、回転陽極２３の回転速度が変化すると、その都度出力限界値は適切な値に変更されることとなる。このような構成により、回転陽極２３の回転速度が低下した場合であっても、電力制御部３９はＸ線照射制御部３５を速やかに制御し、陰極２１から放出される熱電子の出力を適切な値に変更できる。その結果、実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１において、Ｘ線の曝射を続行しつつ、回転陽極２３の溶融を回避することが可能となる。

次に、図を参照して本発明の実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置について説明する。なお、実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１と同じ構成については同符号を付し、詳細な説明は省略する。図４は実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置の機能ブロック図である。

実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置１Ａでは図４に示されるように、出力限界値算出部３７の前段に回避機能起動部４１が設けられている。一般的に回転陽極型Ｘ線管装置の使用方法として、大きく分けて２つ挙げられる。第１には、Ｘ線透過画像の写真を撮影するなどの目的で、短時間に高出力のＸ線を照射させる方法が挙げられる。そして第２には、Ｘ線透過画像の動画を断続的に表示させるなどの目的で、低出力のＸ線を長時間照射させる方法が挙げられる。実施例２において、回転陽極型Ｘ線管装置１Ａを低出力のＸ線を長時間照射させる目的で使用する場合、回避機能起動部４１をオンの状態とさせる。なお、回避機能起動部４１は本発明における出力限界値制御部に相当する。

オンの状態となった回避機能起動部４１は、出力限界値算出部３７へ信号を送信させる。出力限界値算出部３７は回避機能起動部４１の信号に基づき、出力限界値が一定の低い正の値Ｌを下回らないように出力限界値を算出させる。すなわち、回転陽極２３の回転速度が０になった場合であっても算出される出力限界値は０とならず、予め設定された最低値Ｌとなる。そして電力制御部３９は最低値Ｌと算出された出力限界値に基づいて陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される管電圧、および陰極２１と回転陽極２３の間を流れる管電流を制御する。そして制御された管電圧および管電流の値に基づいて、陰極２１から低出力の熱電子が放出され、回転陽極２３においてＸ線が発生する。

この場合、陰極２１から放出される熱電子の出力が低いので、回転陽極２３において発生する熱の量も低くなる。そのため、回転陽極２３の回転が停止した状態であっても回転陽極２３の溶融は発生しない。なお、出力限界値算出部３７によって算出される出力限界値がＬ以上である場合、実施例２に係る動作は実施例１に係る動作と同様である。

＜実施例２の構成による効果＞
ここで実施例２に係る構成によって得られる効果について説明する。

実施例１に係る回転陽極型Ｘ線管装置１では上述の計算式（１）に忠実に従って出力限界値が算出されるので、回転陽極２３の回転が停止すると、算出される出力限界値は０となる。電力制御部３９は０となった出力限界値に基づいてＸ線照射制御部３５から陰極２１と回転陽極２３との間へ印加される管電圧、および陰極２１と回転陽極２３の間を流れる管電流を制御する。そのため陰極２１と回転陽極２３との間の管電圧および管電流はいずれも０となり、陰極２１から熱電子が放出されなくなる。従って、実施例１では回転陽極２３の回転速度が低下しても回転陽極２３が回転している限りＸ線曝射は続行できるものの、回転陽極２３の回転が停止するとＸ線曝射は停止する。

一方、実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置１Ａでは、Ｘ線透過画像の動画を表示させる目的で使用する場合、回避機能起動部４１を介して出力限界値算出部３７を制御させる。その結果、算出される出力限界値は常に一定の低い値Ｌを下回ることがなくなる。出力限界値の最低値Ｌの値は、回転陽極２３の回転速度が０であっても、熱電子による回転陽極２３の溶融が発生しない程度に低い正の値として予め設定される。従って、実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置１Ａにおいて、回転陽極２３の回転が停止した場合であってもＸ線の曝射を続行し、かつ回転陽極２３の溶融を回避することが可能となる。

実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置は、手術、特にカテーテル術式などを用いた手術に用いられるＸ線撮影装置において有用である。手術中にＸ線撮影装置を用いる主要な目的は、患者の体内に係るＸ線透過画像を随時表示させることにある。この場合、必要とされるＸ線の出力は低くてすむが、手術中は常にＸ線曝射を可能とすることが要求される。何故ならば、手術中にカテーテル等が患者の体内にある状態で、Ｘ線曝射の続行が不可能となる事態に陥ると、手術の続行はおろか、患者の体内からカテーテルを除去する操作すら困難になるからである。従って、従来例に係る回転陽極型Ｘ線管装置は、回転陽極の回転が停止するとＸ線曝射の続行が不可能となるので、手術用のＸ線撮影装置に対する適性が低い。

一方、実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置では、回転陽極の回転が停止した場合であっても低出力のＸ線曝射を続行することができる。Ｘ線透過画像の動画を表示させる目的で回転陽極型Ｘ線管装置を使用する場合、低出力のＸ線曝射であっても目的を達成できる。そのため何らかのトラブルにより回転陽極の回転が停止しても患者の体内におけるカテーテルなどの位置を確認できるので、手術中における患者の安全を好適に確保することが可能となる。すなわち実施例２に係る回転陽極型Ｘ線管装置によって、Ｘ線透過画像を撮影する場合のみならず、手術中にＸ線透過画像を随時表示させる場合にも用いることのできるＸ線撮影装置の実現が可能となる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した各実施例では、回転速度検出部１７は管容器３の外部に設けられているが、Ｘ線管５の振動を検出できるならば、管容器３の内部に設けてもよい。

（２）上述した各実施例では、回転速度検出部１７は振動センサによって構成されたが、これに限られない。すなわち、ステータ７に流れる電流または電力などを検出する構成を回転速度検出部１７として用いてもよい。

（３）上述した実施例２では、初期状態において回避機能起動部４１はオフの状態であり、回避機能起動部４１をオンの状態にすることによって出力限界値の最低値をＬとする構成を用いたが、これに限られない。すなわち、回避機能起動部４１を常にオンの状態として、出力限界値算出部３７によって算出される出力限界値の最低値を常にＬとする構成を用いてもよい。

（４）上述した各実施例では、上述した実施例では医療用の装置であったが、この発明は、工業用や原子力用の装置に適用することもできる。

１ …回転陽極型Ｘ線管装置
３ …管容器
５ …Ｘ線管
７ …ステータ（回転駆動部）
９ …ボルト
１１ …陽極保持部
１３ …陰極保持部
１７ …回転速度検出部
１９ …外囲器
２１ …陰極
２３ …回転陽極
３５ …Ｘ線照射制御部（電圧印加部）
３７ …出力限界値算出部
３９ …電力制御部
４１ …回避機能起動部（出力限界値制御部）

Claims (2)

1. 外囲器内に封入された真空雰囲気内において、熱電子を放出させる陰極と前記陰極から放出される熱電子によりＸ線を発生させる回転陽極とを対向配置させたＸ線管と、
   前記回転陽極を回転させる回転駆動部と、
   前記陰極と前記回転陽極との間に電圧を印加させて熱電子を放出させる電圧印加部と、
   前記回転陽極の回転速度を検出する回転速度検出部と、
   前記回転速度検出部によって検出される前記回転陽極の回転速度に基づいて出力限界値を算出する出力限界値算出部と、
   前記陰極から放出される熱電子の出力を前記出力限界値算出部によって算出された出力限界値以下となるように制御する電力制御部とを備えることを特徴とする回転陽極型Ｘ線管装置。
2. 請求項１に記載の回転陽極型Ｘ線管装置において、
   前記出力限界値算出部が算出する出力限界値が予め定められた正の値を下回らないように制御させる出力限界値制御部をさらに備えることを特徴とする回転陽極型Ｘ線管装置。
   

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