JP2016001550A - Ｘ線管装置及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦方向FFS法を実施する場合でも、X線管電流の制限が不要となるX線管装置を提供すること、及びそのX線管装置を搭載するX線CT装置を提供することである。【解決手段】 電子線を放出する陰極と、前記電子線が衝突することで前記電子線の衝突点であるX線焦点からX線を放射する回転陽極と、を備えたX線管装置であって、前記回転陽極の表面にはターゲット材が設けられており、前記ターゲット材の厚さが前記回転陽極の径方向の位置に応じて異なることを特徴とする。【選択図】 図4

Description

本発明はX線管装置及びそれを搭載したX線CT装置に係わり、特にX線焦点位置を制御するX線管装置に関する。

X線CT装置は、被検体の周囲からX線を照射することにより取得した様々な角度からの投影データに基づいて断面画像を再構成し、断面画像を表示する装置である。X線CT装置で表示される断面画像は、被検体の画像診断に使用される。診断能の向上には断面画像の高精細化、すなわち空間分解能の向上が望まれている。断面画像の空間分解能を向上させる撮影法の一つとして、X線焦点を適切な位置に移動させながら投影データを取得するFFS(Flying Focal Spot)法がある。

特に特許文献1には、X線CT装置の回転円盤の回転軸方向にX線焦点を移動させる縦方向FFS法が開示されている。

特開2010-35812号公報

しかしながら、特許文献1に開示されているような縦方向FFS法を実施する場合、X線焦点が回転陽極の径方向に移動することになるため、回転陽極の内周側と外周側とでは熱負荷が異なる。すなわち内周側のX線焦点の位置では外周側に比べて電子線が照射される実面積が小さくなるのでX線焦点が高温になりやすくX線管電流の制限が必要になる場合がある。

そこで本発明の目的は、縦方向FFS法を実施する場合でも、X線管電流の制限が不要となるX線管装置を提供すること、及びそのX線管装置を搭載するX線CT装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、回転陽極上に設けられるターゲット材の厚さが回転陽極の径方向において異なることを特徴とするX線管装置である。

具体的には、電子線を放出する陰極と、前記電子線が衝突することで前記電子線の衝突点であるX線焦点からX線を放射する回転陽極と、を備えたX線管装置であって、前記回転陽極の表面にはターゲット材が設けられており、前記ターゲット材の厚さが前記回転陽極の径方向の位置に応じて異なることを特徴とするX線管装置である。

また、前記X線管装置と、前記X線管装置に対向配置され被検体を透過したX線を検出するX線検出器と、X線管装置と前記X線検出器を搭載して前記被検体の周りを回転する回転円盤と、前記X線検出器により取得された投影データに基づき前記被検体の断面画像を再構成する画像再構成部と、前記画像再構成部により再構成された断面画像を表示する画像表示装置と、を備えたX線CT装置である。

本発明によれば、縦方向FFS法を実施する場合でも、X線管電流の制限が不要となるX線管装置を提供すること、及びそのX線管装置を搭載するX線CT装置を提供することができる。

本発明のX線CT装置の全体構成を示すブロック図 X線管装置の全体構成を示す図 X線焦点の移動を説明する図 実施例1の回転陽極の断面図 実施例2の回転陽極の断面図

以下、添付図面に従って本発明に係るX線CT装置の好ましい実施形態について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図1を用いて本発明を適用したX線CT装置1の全体構成を説明する。X線CT装置1はスキャンガントリ部100と操作卓120とを備える。

スキャンガントリ部100は、X線管装置101と、回転円盤102と、コリメータ103と、X線検出器106と、データ収集装置107と、寝台105と、ガントリ制御装置108と、寝台制御装置109と、X線制御装置110と、を備えている。

X線管装置101は寝台105上に載置された被検体にX線を照射する装置である。コリメータ103はX線管装置101から照射されるX線の放射範囲を制限する装置である。回転円盤102は、寝台105上に載置された被検体が入る開口部104を備えるとともに、X線管装置101とX線検出器106を搭載し、被検体の周囲を回転するものである。

X線検出器106は、X線管装置101と対向配置され被検体を透過したX線を検出することにより透過X線の空間的な分布を計測する装置であり、多数のX線検出素子を回転円盤102の回転方向に配列したもの、若しくは回転円盤102の回転方向と回転軸方向との2次元に配列したものである。データ収集装置107は、X線検出器106で検出されたX線量をデジタルデータとして収集する装置である。ガントリ制御装置108は回転円盤102の回転を制御する装置である。寝台制御装置109は、寝台105の上下前後左右動を制御する装置である。X線制御装置110はX線管装置101に入力される電力を制御する装置である。

操作卓120は、入力装置121と、画像演算装置122と、表示装置125と、記憶装置123と、システム制御装置124とを備えている。入力装置121は、被検体氏名、検査日時、撮影条件などを入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイス、タッチパネル等である。

画像演算装置122は、データ収集装置107から送出される計測データを演算処理してCT画像を再構成する装置である。表示装置125は、画像演算装置122で作成されたCT画像を表示する装置であり、具体的にはCRT(Cathode-Ray Tube)や液晶ディスプレイ等である。記憶装置123は、データ収集装置107で収集したデータ及び画像演算装置122で作成されたCT画像の画像データ等を記憶する装置であり、具体的にはHDD(Hard Disk Drive)等である。システム制御装置124は、これらの装置及びガントリ制御装置108と寝台制御装置109とX線制御装置110を制御する装置である。なお、システム制御装置124はスキャンガントリ部100に搭載されていても良い。

入力装置121から入力された撮影条件、特にX線管電圧やX線管電流などに基づきX線制御装置110がX線管装置101に入力される電力を制御することにより、X線管装置101は撮影条件に応じたX線を被検体に照射する。X線検出器106は、X線管装置101から照射され被検体を透過したX線を多数のX線検出素子で検出し、透過X線の分布を計測する。回転円盤102はガントリ制御装置108により制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特に回転速度などに基づいて回転する。寝台105は寝台制御装置109によって制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特にらせんピッチなどに基づいて動作する。

X線管装置101からのX線照射とX線検出器106による透過X線分布の計測が回転円盤102の回転とともに繰り返されることにより、様々な角度からの投影データが取得される。取得された様々な角度からの投影データは画像演算装置122に送信される。画像演算装置122は送信された様々な角度からの投影データを逆投影処理することによりCT画像を再構成する。再構成して得られたCT画像は表示装置125に表示される。

図2を用いて、X線管装置101の構成について説明する。図2は回転円盤102の回転軸に沿ってX線管装置101を切断した断面図である。X線管装置101は、X線を発生するX線管210と、X線管210を収納するハウジング220と、電子線を偏向する偏向部240とを備える。

X線管210は、電子線を発生する陰極211と、陰極211に対し正の電位が印加される回転陽極212と、陰極211と回転陽極212を真空雰囲気中に収納する真空外囲器213とを備える。

陰極211はフィラメントもしくは冷陰極と、集束電極とを備える。フィラメントはタングステンなどの高融点材料をコイル状に巻いたものであり、電流が流されることにより加熱され、熱電子を放出する。冷陰極はニッケルやモリブデンなどの金属材料を鋭利に尖らせてなるもので、陰極表面に電界が集中することで電界放出により電子を放出する。集束電極は、放出された電子を回転陽極212上のX線焦点230へ向けて集束させるための集束電界を形成する。フィラメントもしくは冷陰極と、集束電極とは同電位である。

回転陽極212はターゲット材と陽極母材とを備える。ターゲット材は高融点で原子番号の大きい材質で構成される。ターゲット材上のX線焦点230に陰極211から放出された電子線が衝突することにより、X線焦点からX線217が放射される。陽極母材はターゲット材を保持し、熱容量の大きい材質及び/または熱伝導率の高い材質からなる。ターゲット材と陽極母材とは同電位である。電子線が衝突する面は、例えば7度の傾斜角を有しており、回転陽極212の径方向での電子線の長さがdであったとしても、X線の実X線焦点サイズは0.122・d（=sin 7・d）程度に抑えることができる。回転陽極212の詳細構成については後述する。

真空外囲器213は陰極211と回転陽極212の間を電気的に絶縁するために、陰極211と回転陽極212を真空雰囲気中に収納する。真空外囲器213にはX線217をX線管210外へ放射するためのX線放射窓218が備えられる。X線放射窓218は、X線透過率が高いベリリウムなどの原子番号の小さい材質で構成される。X線放射窓218は後述するハウジング220にも備えられる。真空外囲器213の電位は接地電位である。

陰極211から放出された電子は、陰極211と回転陽極212との間に印加される電圧により加速され電子線216となる。電子線216が集束電界により集束されてターゲット材上のX線焦点230に衝突すると、X線焦点230からX線217が発生する。発生するX線のエネルギーは、陰極211と回転陽極212との間に印加される電圧、いわゆるX線管電圧によって決まる。発生するX線の線量は、陰極211から放出される電子の量いわゆるX線管電流と、X線管電圧によって決まる。

電子線216のエネルギーの内、X線に変換される割合は1％程度に過ぎず、残りのほとんどのエネルギーは熱となる。医療用のX線CT装置1に搭載されるX線管装置101では、X線管電圧は百数十kV、X線管電流は数百mAであるので、回転陽極212は数十kWの熱量で加熱される。このような加熱により回転陽極212が過熱溶融することを防止するため、回転陽極212は回転体支持機構215に接続されており、回転体支持機構215の駆動により、図2中の1点鎖線219を回転軸として回転する。以降、1点鎖線219をX線管装置101の管軸219と呼ぶ。回転陽極軸を含む回転体支持機構215は、励磁コイル214が発生した磁界を回転駆動力として駆動する。回転陽極212を回転させることで、電子線216が衝突する部分であるX線焦点230がターゲット材上を常に移動するので、X線焦点230の温度をターゲット材の融点より低く保つことができ、回転陽極212の過熱溶融を防止できる。

X線管210と励磁コイル214とは、ハウジング220の中に収納される。ハウジング220の中には、冷却媒体である冷却水もしくはX線管210を電気的に絶縁するとともに冷却媒体となる絶縁油が充填される。ハウジング220内に充填された冷却水もしくは絶縁油は、図示しない冷却装置により冷却される。

偏向部240は電子線216を偏向させる磁界や電界を発生させるコイルや電極である。偏向部240は電子線216を偏向させるために陰極211の近傍に配置される。偏向部240によって発生する磁界や電界の強度を制御することにより電子線216を所望の位置に偏向させる。

図3を用いて、縦方向FFS法において電子線が偏向させられる様子を説明する。図3(a)は回転陽極212を陰極211側から見た平面図であり、図3(b)は管軸219にそって回転陽極212を切断した断面図である。

図3(b)に示したように、陰極211から放出された電子線216は、偏向部240によって生じる磁界や電界により偏向させられる。図3(b)において、回転陽極212の外周側へ偏向させられた外周側の電子線216Aが回転陽極212に衝突することにより形成されるX線焦点が外周側のX線焦点230Aであり、内周側へ偏向させられた内周側の電子線216Bによって形成されるX線焦点が内周側のX線焦点230Bである。図3(b)では、外周側の電子線216Aを点線で、内周側の電子線216Bを太線で示している。このように電子線216が偏向させられることにより、X線管装置101から被検体に照射されるX線は、被検体の体軸方向すなわち回転円盤102の回転軸方向にシフトするので、縦方向FFS法によるCT撮影が行われることになる。

ここで、回転陽極212上に形成されるX線焦点の軌跡を、外周側のX線焦点230Aと内周側のX線焦点230Bとで比較する。図3(a)に示したように、内周側のX線焦点230Bが回転陽極212上に形成する軌跡(太線)は、外周側のX線焦点230Aの軌跡(点線)よりも内側に位置する。

その結果、内周側の電子線216Bが回転陽極212上に照射される実面積は、外周側の電子線216Aの実面積よりも小さくなる。より具体的には、回転陽極212上でのX線焦点230の軌跡の径に比例して、電子線216が照射される実面積が小さくなる。電子線216のエネルギーが同じまま実面積が小さくなると、回転陽極212に与えられる熱負荷は大きくなるので、X線管電流を制限する必要が生じる。しかし、本発明では回転陽極212のターゲット材の厚さを回転陽極212の径方向において異ならせることにより、X線管電流の制限を不要とした。以下、より具体的な実施例について説明する。

図4を用いて、実施例1の回転陽極212の構成を説明する。図4(a)は本実施例の回転陽極212の断面図であり、図4(b)は図4(a)の拡大図である。本実施例の回転陽極212は、ターゲット材2121と陽極母材A 2122と陽極母材B2123とを備えている。各部材について以下で説明する。

ターゲット材2121には、高融点で原子番号の大きい材質として、例えばタングステンが用いられる。陽極母材A2122には、高融点の材質として、例えばモリブデンが用いられる。陽極母材B2123には、耐熱材料であって輻射率が高い材質として、例えばグラファイトが用いられる。このような三層構造においては、電子線216の照射により発生する熱量を陽極母材B2123であるグラファイトに効率良く伝熱させることが重要であり、内周側と外周側とで、ターゲット材表面とグラファイトとの間の温度差が同等になることが望ましい。

ターゲット材2121をタングステン、陽極母材A2122をモリブデンとして両者の熱伝導率を比較すると、タングステンのほうがモリブデンよりも大きい。そこで本実施例では、熱負荷が大きくなる内周側ではターゲット材2121の厚さを厚くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを薄くする。内周側のターゲット材の厚さを厚くし外周側のターゲット材の厚さを薄くすることにより、熱負荷が大きくなる内周側では外周側に比べて伝熱量を増やすことできる。また、ターゲット材2121の厚さは連続的に変化させ、径方向において伝熱量が急激に変化しないようにさせるのが望ましい。

また、内周側と外周側とで、ターゲット材表面とグラファイトとの間の温度差が同等となるようにするには、例えば次式を満たすようにターゲット材2121と陽極母材A 2122の厚さを設定すれば良い。

｛数1｝
P1/（λ1・t11＋λ2・t12）＝P2/(λ1・t21＋λ2・t22)
ここで、P1：外周側での熱流速、P2：内周側での熱流速、λ1：ターゲット材の熱伝導率、λ2：陽極母材Aの熱伝導率、t11：外周側でのターゲット材の厚さ、t12：外周側での陽極母材Aの厚さ、t21：内周側でのターゲット材の厚さ、t22：内周側での陽極母材Aの厚さ、である。

なお、ターゲット材2121と陽極母材A2122の厚さには次式の関係が成り立つ。

｛数2｝
(t21+t22-t11-t12)/R2-R1＝tan θ
ここで、R1：外周側でのX線焦点の軌跡の半径、R2：内周側でのX線焦点の軌跡の半径、θ：回転陽極212の傾斜角、である。

さらに、P1とP2とは次式の関係で表わされる。

｛数3｝
P1・R1＝P2・R2
以上、説明したように、回転陽極212のターゲット材の厚さを回転陽極212の径方向において異ならせることにより、縦方向FFS法を実施する場合でも、X線管電流の制限を不要とすることができる。

特に、本実施例では、ターゲット材2121の熱伝導率が陽極母材A2122よりも高い場合に、ターゲット材2121の厚さを内周側で厚くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを薄くすることにより、内周側と外周側とでターゲット材表面の温度を同等にできる。

実施例1では、ターゲット材2121の厚さを内周側で厚くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを薄くしていた。これに対し、本実施例では、ターゲット材2121の厚さを内周側で薄くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを厚くする。以下、実施例1との違いについて説明することとし、同じ構成については説明を省略する。

図5を用いて、実施例2の回転陽極212の構成を説明する。図5(a)は本実施例の回転陽極212の断面図であり、図5(b)は図5(a)の拡大図である。本実施例においても、回転陽極212は、ターゲット材2121と陽極母材A2122と陽極母材B 2123とを備えている。各部材について以下で説明する。

ターゲット材2121には、高融点で原子番号の大きい材質として、例えばタングステンが用いられる。陽極母材A2122には、熱伝導率の高い材質として、例えば銅が用いられる。陽極母材B 2123には、耐熱材料であって輻射率が高い材質として、例えばグラファイトが用いられる。このような三層構造においても、電子線216の照射により発生する熱量を陽極母材B 2123であるグラファイトに効率良く伝熱させることが重要であり、内周側と外周側とで、ターゲット材表面とグラファイトとの間の温度差が同等となることが望ましい。

ターゲット材2121をタングステン、陽極母材A2122を銅として両者の熱伝導率を比較すると、タングステンよりも銅のほうが大きい。そこで本実施例では、熱負荷が大きくなる内周側ではターゲット材2121の厚さを薄くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを厚くする。内周側のターゲット材の厚さを薄くし外周側のターゲット材の厚さを厚くすることにより、熱負荷が大きくなる内周側では外周側に比べて伝熱量を増やすことできる。

以上、説明したように、回転陽極212のターゲット材の厚さを回転陽極212の径方向において異ならせることにより、縦方向FFS法を実施する場合でも、X線管電流の制限を不要とすることができる。

特に、本実施例では、ターゲット材2121の熱伝導率が陽極母材A2122よりも低い場合に、ターゲット材2121の厚さを内周側で薄くし、外周側に向かうに従ってターゲット材2121の厚さを厚くすることにより、内周側と外周側とでターゲット材表面の温度を同等にできる。

なお、本発明のX線管装置及びX線CT装置は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

1 X線CT装置、100 スキャンガントリ部、101 X線管装置、102 回転円盤、103 コリメータ、104 開口部、105 寝台、106 X線検出器、107 データ収集装置、108 ガントリ制御装置、109 寝台制御装置、110 X線制御装置、120 操作卓、121 入力装置、122 画像演算装置、123 記憶装置、124 システム制御装置、125 表示装置、210 X線管、211 陰極、212:回転陽極、213 真空外囲器、214 励磁コイル、215 回転体支持機構、216 電子線、216A 外周側の電子線、216B 内周側の電子線、217 X線、218 X線放射窓、219 管軸、220 ハウジング、230 X線焦点、230A 外周側のX線焦点、230B 内周側のX線焦点、240 偏向部、2121 ターゲット材、2122 陽極母材A、2123 陽極母材B

Claims (5)

1. 電子線を放出する陰極と、前記電子線が衝突することで前記電子線の衝突点であるＸ線焦点からＸ線を放射する回転陽極と、を備えたＸ線管装置であって、
   前記回転陽極の表面にはターゲット材が設けられており、前記ターゲット材の厚さが前記回転陽極の径方向の位置に応じて異なることを特徴とするＸ線管装置。
2. 請求項１に記載のＸ線管装置において、
   前記ターゲット材の厚さは内周側の方が外周側よりも厚いことを特徴とするＸ線管装置。
3. 請求項１に記載のＸ線管装置において、
   前記ターゲット材の厚さは内周側の方が外周側よりも薄いことを特徴とするＸ線管装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管装置において、
   前記ターゲット材の厚さは前記回転陽極の半径方向に沿って連続的に変化することを特徴とするＸ線管装置。
5. 被検体にＸ線を照射するＸ線源と、前記Ｘ線源に対向配置され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、Ｘ線源と前記Ｘ線検出器を搭載して前記被検体の周りを回転する回転円盤と、前記Ｘ線検出器により取得された投影データに基づき前記被検体の断面画像を再構成する画像再構成部と、前記画像再構成部により再構成された断面画像を表示する画像表示装置と、を備えたＸ線ＣＴ装置であって、
   前記Ｘ線源は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＸ線管装置であることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。

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