JP2019005134A

JP2019005134A - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP2019005134A
Application number: JP2017123063A
Authority: JP
Inventors: 敏夫阪本; Toshio Sakamoto
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-23
Also published as: JP6883479B2

Abstract

【課題】既存のハードウェアを活用してステータからロータへの大量の補正データの通信を可能とする。【解決手段】複数の第１マーカ・センサ１１１ａをロータ１０１に、複数の第２マーカ・センサ１１１ｂを、ロータの停止時には複数の第１のマーカ・センサのいずれかと対向するようにステータ１２１に配置し、第１マーカ・センサ及び第２マーカ・センサはそれぞれ変調信号を出力する素子と、対向する第２マーカ・センサ及び第１マーカ・センサの素子が出力する変調信号を検知するセンサとを有する。【選択図】図１

Description

本発明はＸ線ＣＴ装置の通信制御に関する。

現在、広く普及しているＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置に用いられている放射線検出器は、Ｘ線によって生じた電荷を一定時間蓄積した後に読み出すエネルギー積分型の検出器である。これに対し、次世代のＣＴ装置としてＸ線をパルスごとに読み出し、Ｘ線のエネルギー帯域ごとにＣＴ画像を形成するフォトンカウンティングＣＴ装置が注目されている。フォトンカウンティングＣＴ装置に用いられる放射線検出器では、その出力が飽和して計数できなくなることを避けるため、従来のエネルギー積分型の検出器よりも受光する画素サイズを小さくする場合がある。この場合、１画素（ピクセル）を複数のサブピクセルにより構成し、サブピクセルごとにフォトン数を計測することで正確な計測を実現する。

このため、フォトンカウンティングＣＴ装置では、従来のエネルギー積分型の検出器と異なり、Ｘ線管または検出素子を交換した場合に、放射線検出器を校正するために大規模な補正データが必要となる。補正データは、キャリブレーション撮影によってデータ収集装置で得られたキャリブレーション撮影データを用いて操作卓側で作成される。作成された補正データはデータ収集装置に伝送されて放射線検出器にフィードバックされる必要がある。データ収集装置から操作卓へのキャリブレーション撮影データの伝送は光ファイバを介して高速に行えるようになっているが、一般的なＸ線ＣＴ装置においては操作卓からデータ収集装置に対して大容量のデータを伝送するニーズがなく、スリップリングのような低速の通信手段しか備えていない。

特許文献１には、Ｘ線ＣＴ装置において固定枠と回転枠の各々にフォトカプラを設け、回転枠の静止時に、これらのフォトカプラが対向させられ、これらの間で光信号の送受を行うことにより、回転枠から固定枠へ画像データを伝送することが開示されている。

特許文献２には、ＣＴ装置のロータまたはステータに互いの既知の角度間隔をおいて複数のマークが設けられ、これらのマークがステータまたはロータに設けられたセンサにより走査されることにより、撮像時の投射角度を算出することが開示されている。センサとしては、例えば磁気的、誘導、光学または静電容量的な原理に基づいて動作するセンサが適用可能であり、マークは磁石、金属体、光学的に透過性でない物体が適用可能である。

特開平５−１２３３１６号公報特開平１１−３０９１３９号公報

スリップリングは低速の通信方式のため、フォトンカウンティングＣＴ装置で必要とされる補正データを送信するには、数十分以上もの所要時間が必要になると想定できる。このため、装置の稼働率を低下させないためにも操作卓からデータ収集装置に対して大容量のデータを伝送可能な伝送手段が必要である。一方で、このような大容量のデータの伝送ニーズは常時生じるものではなく、例えばメンテナンス等のタイミングに限られるため、できるだけ既存のハードウェアを活用して実現することが望ましい。

このため、発明者は投射角度を算出するためにロータ及びステータの双方に設置するマーカ・センサをロータとステータとの間の通信に活用することを検討した。特許文献１における固定枠と回転枠とに設けられたフォトカプラは通信専用に設けられたものであり、さらに固定枠から回転枠への通信については開示がなされていない。また、特許文献２における投射角度の検出に利用するマークおよびセンサはあくまで角度検出用途であり、通信経路としての役割は有さない。

本発明は、投射角度を検出するマーカ・センサを通信経路として利用することができるＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。

Ｘ線管と、Ｘ線管に対向配置され、Ｘ線管から発生されて被検体を透過したＸ線を検出する放射線検出器を有するＸ線データ収集装置と、Ｘ線管及びＸ線データ収集装置が配置され、被検体の周りを回転するロータと、ロータを支持するステータとを有するＸ線ＣＴ装置において、複数の第１マーカ・センサをロータに、複数の第２マーカ・センサを、ロータの停止時には複数の第１のマーカ・センサのいずれかと対向するようにステータに配置し、第１マーカ・センサ及び第２マーカ・センサは、それぞれ変調信号を出力する素子と、対向する第２マーカ・センサ及び第１マーカ・センサの素子が出力する変調信号を検知するセンサとを有するよう構成する。

本発明によれば、投射角度を検出するマーカ・センサを通信経路として利用することができるＸ線ＣＴ装置を提供することができる。

Ｘ線ＣＴ装置の構成を説明する図である。第２の通信経路を説明する図である。第２の通信経路（ロータ停止時）を説明する図である。第２の通信経路（ロータ回転時）を説明する図である。第２の通信経路の制御フローである。第２の通信経路の制御フロー（ロータ停止時）である。補正データを分割し、複数の通信経路で伝送する場合にデータ送信順を説明する図である。一部の通信経路に通信異常が生じた場合のデータ送信順を説明する図である。

図１にＸ線ＣＴ装置の概略装置を示す。Ｘ線ＣＴ装置はガントリ１００と操作卓１３０とを有する。ガントリ１００の中央部には被検体が載る寝台（図示せず）が配置される。被検体に対して多方向からの投影データを得るため、Ｘ線管１０２とＸ線データ収集装置１０３とは寝台を介して対向するようにロータ１０１に配置され、ロータ１０１は被検体の周りを回転しながら、Ｘ線撮像を行う。ロータ１０１はステータ１２１により支持されている。回転するロータ１０１及びロータ１０１に設けられた各種装置（前述のＸ線管１０２、Ｘ線データ収集装置１０３等）に電力を供給したり、操作卓１３０とデータのやり取りをしたりするため、ロータ１０１にはスリップリング１０４が設けられている。ステータ１２１にはブラシ１２２が設けられ、ロータ１０１が回転中もスリップリング１０４と接続を維持することができる。スリップリング１０４とブラシ１２２から構成される通信経路を第１の通信経路１２３と称する。また、ロータ１０１にはマーカ・センサ１１１ａが、ステータ１２１にはマーカ・センサ１１１ｂがそれぞれ設けられている。詳細は後述するが、本実施例ではマーカ・センサ１１１は変調光を発光可能とすることにより、投影データの投射角度の算出を行うのみならず、ロータ１０１に設けられたマーカ・センサ１１１ａとステータ１２１に設けられたマーカ・センサ１１１ｂとを介して通信可能とする。マーカ・センサ１１１を介する通信経路を第２の通信経路１１２と称する。

操作卓１３０には、ガントリ１００の動作を制御する制御装置１３１、モニタ１３２、入力装置１３３が設けられている。ロータ１０１とステータ１２１間で通信を行いながらロータ１０１を回転させて投影データを収集し、制御装置１３１で投影データを受信し、演算処理を行ってモニタ１３２に断層像、３Ｄ画像などを表示させる。ロータ１０１からステータ１２１を介して伝送される投影データは大容量のデータであるため、投影データ伝送のための非接触光による信号伝達機構あるいは静電容量を介した静電結合機構による高速伝送手段を有している。例えば、光ファイバ通信ではＧｂｐｓオーダの伝送が行える。このため、投影データ以外のデータ、すなわち撮像条件等のパラメータの設定やロータ１０１に設けられた各種装置からの応答等の制御データ等が、第１の通信経路１２３を通じて制御装置１３１とロータ１０１に設けられた各種装置を介してやり取りされる。第１の通信経路１２３の通信速度はおよそ１００ｋｂｐｓと低速であるが、制御データのデータ量は小さく、問題はない。

しかしながら、Ｘ線データ収集装置１０３のＸ線検出器（図示せず）としてフォトン数を計測する放射線検出器を適用する場合には、放射線検出器を校正するために大規模な補正データが必要となる。例えば、補正データとしては、サブピクセル毎にエネルギー帯域を弁別するための閾値調整データ、隣接ピクセル間での偽カウントを取り除くための補正データ、異常値を出すピクセルに対して補正処理するための補正データ等、各ピクセルに対して複数の補正データが必要になる。仮に、Ｘ線検出器の１ピクセルが４サブピクセル（2×2）で構成され、チャネル数が1000、スライス数が64、弁別するエネルギー帯域が3、補正データの各データサイズが16bit、補正データ種類が20種類必要になるとすると、Ｘ線検出器の補正データのサイズはおよそ32Mbyteになる。このサイズの補正データを第１の通信経路１２３で制御装置１３１からＸ線データ収集装置１０３に伝送させるとおよそ１時間が必要であるということになり、装置の稼働率を低下させる一因となり無視できない。

そこで、本実施例ではマーカ・センサ１１１を用いた第２の通信経路１１２を設ける。前述した大規模な補正データの伝送は撮像時以外のタイミングで行うものであり、ロータ１０１の停止時に行える。ロータ１０１の停止時にはロータ１０１に配置されたマーカ・センサ１１１ａとステータ１２１に配置されたマーカ・センサ１１１ｂとが対向するようにロータ１０１を停止させることで、高速通信を実現する。加えて、撮像時のロータ１０１の回転時にも低速な通信を可能とし、第１の通信経路１２３のバックアップとしても活用する。

図２を用いて第２の通信経路１１２について説明する。図２の例ではロータ１０１及びステータ１２１それぞれに４つずつのマーカ・センサ１１１を設けた例を示している。本例では0°、90°、180°、270°の位置に設けている。マーカ・センサ１１１を設ける数は４個に限られず、必要な精度で投射角度の算出が可能なように配置すればよい。マーカ・センサ１１１はロータ１０１及びステータ１２１間で双方向通信が行えるよう、同じ構造を有し、それぞれ固定台２２１、発光素子２２２、フォトセンサ２２３を有している。マーカ・センサ１１１は固定台２２１によりロータ１０１またはステータ１２１の所定の位置に取り付けられ、対向するマーカ・センサ１１１の発光素子２２２からの発光をフォトセンサ２２３により受光する。発光素子２２２の発光制御、フォトセンサ２２３で受光した信号の信号処理は固定台２２１に設けられた信号処理回路（図示せず）により行う。ロータ１０１に設けられたマーカ・センサ１１１ａは信号変復調回路２１１に接続されている。また、ステータ１２１に設けられたマーカ・センサ１１１ｂは信号変復調回路２１２に接続されている。信号変復調回路２１１（２１２）は相手方に送信する信号を第２の通信経路１１２により送信できるよう送信信号を変調し、また第２の通信経路１１２により受信した受信信号を復調する。また、受光タイミングに応じて投射角度の算出を行うための角度パルスを発生する。信号処理回路は相対するセンサに対して単純なパルス信号ではなく、変調光（例えば振幅変調）を送信することにより、特定位置のパルス検出だけでなく、双方向データ通信を実現する。

図３を用いてロータ１０１停止中における第２の通信経路１１２の通信方法について説明する。ロータ１０１停止中には、投射角度を検出するために設けた複数個のマーカ・センサ１１１をお互いに向かい合うように配置する。本例では４つのマーカ・センサ１１１の対による通信経路ができるので、例えば前述した補正データを４分割し、並列通信する。発光素子２２２としてＬＥＤでは数十ＭＨｚで発光制御できるため、対向するマーカ・センサ１１１間ではおよそ１０Ｍｂｐｓの通信が可能になり、４対の通信経路が利用できる場合は、４０Ｍｂｐｓの通信速度が可能になる。通信方式は特に限定されないが、振幅変調（「１」はON（発光）、「０」はOFF（非発光））とし、汎用的なシリアル通信規格（例えばRS-232C規格）に準拠した符号化方式により通信する。

一方、ロータ回転中にはマーカ・センサ同士が対峙する時間がごく短時間に限られるため、ロータ停止中のような高速通信は行えない。しかしながら、短時間でも通信できるようなビット符号化の技術を適用し、すなわち、ロータ停止中とは伝送路符号化方式を異ならせることにより、回転中でも通信を行えるようにする。図４を用いてロータ１０１回転時における第２の通信経路１１２の通信方法について説明する。４０１はロータ１０１に設けられたマーカ・センサ１１１ａ−ｉ（ｉ＝１〜４）がそれぞれステータ１２１に設けられたマーカ・センサ１１１ｂ−ｉ（ｉ＝１〜４）と対向している状態を示し、以降４０２〜４０４はロータ１０１が９０°ずつ回転した状態を示している。また、テーブル４１０はデータに対する変調信号を示している。データ通信しない場合（「オフ」）は、ON（発光）−ON（発光）−ON（発光）パターン、データ「１」の場合は、ON（発光）−OFF（非発光）−ON（発光）パターン、データ「０」の場合は、ON（発光）−OFF（非発光）−OFF（非発光）パターンにより変調する。これにより、状態４０１においてマーカ・センサ１１１の対ごとに１ビットのデータ送信が可能になり、状態４０１で４ビット、ロータ１０１が一周する間（状態４０１〜４０４）に１６ビットのデータ伝送が可能になる。

ロータ回転中の通信の利用方法として、例えばスリップリング１０４を利用する第１の通信経路１２３に異常を検出した場合に、第２の通信経路１１２で必要最小限の内容についてバックアップ通信を行い、撮影中のエラー終了を回避することができる。

図５に第２の通信経路１１２の制御フローを示す。Ｘ線ＣＴ装置（システム）を起動し（Ｓ５０１）、撮像条件を選択する（Ｓ５０２）。フォトンカウンティングＣＴ装置の場合には、Ｘ線検出器の補正データの送信が必要である場合には（Ｓ５０３がYES）、ロータ１０１が停止している状態において（Ｓ５０４）、前述のように第２の通信経路１１２を用いた高速通信を行い、補正データをＸ線データ収集装置に伝送する（Ｓ５０５〜Ｓ５０７）。なお、ロータ１０１の回転停止中においても振動などにより、マーカ・センサ１１１同士の対向がずれて、一部の並列通信経路に通信障害が起こる可能性もある。そのため、分割された通信経路の通信品質を監視し、一部の並列通信経路に通信障害が生じた場合には、通信障害の生じていない通信経路を使用して通信を行う。詳細については図６を用いて後述する。

Ｘ線撮像中においては（Ｓ５０８がYES）、第１の通信経路１２３の通信品質を監視する（Ｓ５０９）。第１の通信経路１２３が正常であれば（Ｓ５１０がYES）、第１の通信経路１２３をそのまま使用し（Ｓ５１１）、第２の通信経路１１２は使用しない（Ｓ５１２）。一方、スリップリング１０４による第１の通信経路１２３に異常があれば（Ｓ５１０がNO）、第２の通信経路１１２を通信経路として利用し（Ｓ５１３）、撮影が終了するまで第２の通信経路によりバックアップする。その間に、第１の通信経路１２３の停止または再起動を行う（Ｓ５１４）。なお、第１の通信経路１２３の異常時にバックアップする情報については特に限定はなく、システムにおける撮影設定・条件に基づく最小限必要な情報をやり取りすればよい。例えば、Ｘ線絞り、管電圧、管電流、回転速度、電源電圧、検出器の温度、寝台位置、ガントリ傾斜などの情報が挙げられる。

図６に第２の通信経路１１２の高速通信モードにおける制御フローを示す。前述の通り、第２の通信経路１１２の一部に異常があった場合には、正常な通信経路によりデータを再送信することを可能とする。ステップＳ６０１では、送信側でデータ分割を行う。送信データからあらかじめ定めたサイズのデータを取り出し、それぞれにデータＩＤ、経路ナンバー、宛先モジュールナンバーを付与する。ここで、あらかじめ定めたサイズとは高速通信モードにおける通信方式にしたがって定められる。また、経路ナンバーは図２の例では４つのマーカ・センサの対により形成される４つの通信経路を特定するものである。宛先モジュールは送信データがＸ線検出器の補正データである場合に、送り先となるＸ線検出器のモジュールであり、宛先モジュールナンバーにより特定される。次に、ステップＳ６０２では、送信側で経路分岐を行う。未送信データについて、その経路ナンバーを参照し、各通信経路にデータを分岐させる。ステップ６０３では、各通信経路により送信データを伝送する。なお、図２の例では、Ｎ＝４となる。ステップＳ６０４では、送信側で経路診断を行う。送信データが受信側で正常に受信されれば、受信側から送信側へＡｃｋ信号が戻される。Ａｃｋ信号が戻ってくれば送信側は通信経路が正常であると判断し、Ａｃｋ信号が戻ってこなければ送信側は通信経路が異常であると判断し、エラーが生じた経路ナンバーと受信側で受信されなかったデータＩＤを未着信情報として記録する。未着信データについては、経路ナンバーを正常な経路に更新し、データを再送信する（Ｓ６０５）。未送信データがなくなれば、送信を終了する（Ｓ６０６）
ステップＳ６０７では、受信側はデータ調停を行い、正常に受信したデータをＸ線検出器の各モジュール転送用のメモリバッファに登録し、同一モジュール宛てのデータが存在する場合にはそれらの間で順序付けを行う。ステップＳ６０８では、各モジュールにデータを転送する。

ステップＳ６０９では、各モジュールはあらかじめデータＩＤごとに取り決められたアドレス順に受信データを格納し、すべてのデータＩＤがそろったら、補正レディー状態となる。なお、データＩＤを順番に受信する必要はなく、受信失敗したアドレスは後から埋まればよい。

例えば、補正データを１６個の分割データとして４経路で送信する場合、以下のように送信制御される。正常時の時系列のデータ送信順を図７Ａに示す。数字１〜１６はデータＩＤを示す。

これに対し、経路３が通信異常となった場合の時系列のデータ送信順を図７Ｂに示す。７０２は未着信情報であり、未着信データが生じた経路とデータＩＤとを記録する。これらのデータは７０１に示すように、正常な通信経路により、再送される。

以上、本実施例を説明したが、種々変形可能なものである。例えば、マーカ・センサ１１１として光変調による実装例を説明したが、信号変調の実装方法は他にも、磁気材料の電磁制御による極性スイッチング、超音波の音量制御なども適用可能である。

１００：ガントリ、１０１：ロータ、１０２：Ｘ線管、１０３：Ｘ線データ収集装置、１０４：スリップリング、１１１：マーカ・センサ、１１２：第２の通信経路、１２１：ステータ、１２２：ブラシ、１２３：第１の通信経路、１３０：操作卓、１３１：制御装置、１３２：モニタ、１３３：入力装置。

Claims

Ｘ線管と、
前記Ｘ線管に対向配置され、前記Ｘ線管から発生されて被検体を透過したＸ線を検出する放射線検出器を有するＸ線データ収集装置と、
前記Ｘ線管及び前記Ｘ線データ収集装置が配置され、前記被検体の周りを回転するロータと、
前記ロータを支持するステータと、
前記ロータに配置される複数の第１マーカ・センサと、
前記ロータの停止時には複数の前記第１マーカ・センサのいずれかと対向するように前記ステータに配置される複数の第２マーカ・センサとを有し、
前記第１マーカ・センサ及び前記第２マーカ・センサはそれぞれ変調信号を出力する素子と、対向する前記第２マーカ・センサ及び前記第１マーカ・センサの前記素子が出力する変調信号を検知するセンサとを有するＸ線ＣＴ装置。
請求項１において、
前記ロータに設けられるスリップリングと、
前記ステータに設けられ、前記スリップリングと接続されるブラシとを有し、
前記スリップリングと前記ブラシとを介する第１の通信経路と複数の前記第１マーカ・センサ及び複数の前記第２マーカ・センサを介する第２の通信経路とを有するＸ線ＣＴ装置。
請求項１において、
複数の前記第１マーカ・センサが接続される第１信号変復調回路と、
複数の前記第２マーカ・センサが接続される第２信号変復調回路とを有し、
前記第１信号変復調回路は、前記第２マーカ・センサの前記素子が出力した第１変調信号を前記第１マーカ・センサの前記センサが検知することにより、前記第１変調信号の検知タイミングに応じた第１角度パルス及び前記第１変調信号を復調した第１通信情報を出力し、
前記第２信号変復調回路は、前記第１マーカ・センサの前記素子が出力した第２変調信号を前記第２マーカ・センサの前記センサが検知することにより、前記第２変調信号の検知タイミングに応じた第２角度パルス及び前記第２変調信号を復調した第２通信情報を出力するＸ線ＣＴ装置。
請求項２において、
前記ロータが停止している場合における複数の前記第１マーカ・センサ及び複数の前記第２マーカ・センサ間の第１符号化方式は、前記ロータが回転している場合における複数の前記第１マーカ・センサ及び複数の前記第２マーカ・センサ間の第２符号化方式とは異なり、前記第１符号化方式は前記第２符号化方式よりも高速な通信を行うＸ線ＣＴ装置。
請求項４において、
前記第１の通信経路の通信品質に異常が生じた場合に、前記第２の通信経路により前記第２符号化方式を適用して通信を行うＸ線ＣＴ装置。
請求項４において、
前記第２の通信経路により前記第１符号化方式を適用して通信を行う場合において、
複数の前記第１マーカ・センサと前記第２マーカ・センサとの対により通信を行い、いずれかの前記第１マーカ・センサと前記第２マーカ・センサとの対に異常が生じた場合には、別の前記第１マーカ・センサと前記第２マーカ・センサとの対により再送するＸ線ＣＴ装置。
請求項１〜６のいずれか１項において、
前記素子は発光素子であって、振幅変調された光を発光し、
前記センサはフォトセンサであるＸ線ＣＴ装置。
請求項１〜６のいずれか１項において、
前記放射線検出器はフォトン数を計測する放射線検出器であるＸ線ＣＴ装置。