JP2021112464A - X線ct装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】検出器の温度ムラを低減することである。【解決手段】実施形態に係るX線CT装置は、X線管と、フォトンカウンティング型検出器と、調整部とを含む。X線管は、X線を照射する。フォトンカウンティング型検出器は、前記X線管から照射されて被検体を透過したX線を検出する。調整部は、撮影モードに応じて前記フォトンカウンティング型検出器の温度を調整するための温度調整量を調整する。【選択図】図1

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、X線CT装置に関する。
X線CT画像の画質は、架台装置内のユニットのうち、特に検出器の温度や検出素子間の不均等な温度分布(温度ムラとも呼ぶ)に依存する。温度ムラを低減するため、従来のX線CT装置においては、ファンを用いた空冷方式の冷却ユニットで冷却し、ヒータを用いて加熱することで検出器の温度を調整する手法がある。しかし、空冷方式では、ファンから送出される風量が架台装置の回転により変化してしまう等、検出器の温度を緻密に制御することが困難であり、検出器に温度ムラが発生する可能性がある。
一方、検出器としてフォトンカウンティング型検出器を用いる次世代型X線CT装置(フォトンカウンティングCT装置:PCCT装置とも呼ぶ)では、物質弁別モードや非物質弁別モードを含む撮影モードや、物質弁別モードで使用するビン数といった撮影モードを切り換える運用が想定されている。上記の運用では、撮影モードの切り替え前後で検出器の発熱量が大きく変動することが予想される。したがって、特に次世代型X線CT装置においては、従来の温度調整手法を採用した場合、検出器に温度ムラが発生する可能性がさらに高くなる。
特開2013−56119号公報 特開2016−27850号公報 特開2008−53061号公報 特開2008−36399号公報
本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、検出器の温度ムラを低減することである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。
実施形態に係るX線CT装置は、X線管と、フォトンカウンティング型検出器と、調整部とを含む。X線管は、X線を照射する。フォトンカウンティング型検出器は、前記X線管から照射されて被検体を透過したX線を検出する。調整部は、撮影モードに応じて前記フォトンカウンティング型検出器の温度を調整するための温度調整量を調整する。
実施形態に係るX線CT装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る架台装置の構成の一例を示す図である。 実施形態に係る冷却ユニットの構成の一例を示す図である。 実施形態に係るX線CT装置の動作の一例を示す図である。 実施形態に係るX線CT装置の放熱路の一例を示す図である。 実施形態に係るX線CT装置の動作の具体例を示す図である。 実施形態に係るX線CT装置の動作の具体例を示す図である。 実施形態に係る冷却ユニットの回路制御の一例を示す図である。 実施形態に係る冷却ユニットの回路制御の一例を示す図である。 実施形態に係る冷却ユニットの回路制御の一例を示す図である。
以下、図面を参照しながら実施形態に係るX線CT装置について説明する。なお、同一の参照符号を付した部分は同様の動作を行うものとして、重複する説明を適宜、省略する。以下、一実施形態について図面を用いて説明する。
実施形態に係るX線CT装置の構成の一例について図1を参照して説明する。図1に示すX線CT装置1は、架台装置10と、寝台装置30と、コンソール装置40とを有する。なお、実施形態では、非チルト状態での回転フレーム13の回転軸又は寝台装置30の天板33の長手方向をZ軸方向、Z軸方向に直交し、床面に対し水平である軸方向をX軸方向、Z軸方向に直交し、床面に対し垂直である軸方向をY軸方向とそれぞれ定義するものとする。
例えば、架台装置10及び寝台装置30はCT検査室に設置され、コンソール装置40はCT検査室に隣接する制御室に設置される。なお、コンソール装置40は、必ずしも制御室に設置されなくてもよい。例えば、コンソール装置40は、架台装置10及び寝台装置30とともに同一の部屋に設置されてもよい。いずれにしても架台装置10と、寝台装置30と、コンソール装置40とは互いに通信可能に有線又は無線で接続されている。
架台装置10は、被検体PをX線CT撮影するための構成を有するスキャン装置である。架台装置10は、X線管11と、検出器12と、回転フレーム13と、X線高電圧装置14と、制御装置15と、ウェッジ16と、コリメータ17と、データ収集装置18(以下、DAS(Data Acquisition System)とも呼ぶ)とを含む。ここでは説明の都合上、一部の構成のみを示す。詳細な架台装置10の構成については、図2に示す。
X線管11は、X線高電圧装置14からの高電圧の印加及びフィラメント電流の供給により、陰極(フィラメント)から陽極(ターゲット)に向けて熱電子を照射することでX線を発生する真空管である。具体的には、熱電子がターゲットに衝突することによりX線が発生される。例えば、X線管11には回転する陽極に熱電子を照射することでX線を発生させる回転陽極型のX線管がある。X線管11で発生したX線は、例えばコリメータ17を介してコーンビーム形に成形され、被検体Pに照射される。X線管11は、X線発生部の一例である。
検出器12は、X線管11から照射され、被検体Pを透過したX線を検出し、X線量に対応した電気信号をDAS18へと出力する。検出器12は、例えば、X線管11の焦点を中心として1つの円弧に沿ってチャンネル方向に複数のX線検出素子が配列された複数のX線検出素子列を有する。検出器12は、例えば、チャンネル方向に複数のX線検出素子が配列されたX線検出素子列がスライス方向(列方向、row方向)に複数配列された列構造を有する。
検出器12は、例えば、グリッド121と、シンチレータアレイ122と、光センサアレイ123と、基板124とを有する間接変換型の検出器である。間接変換型の検出器では、入射したX線をシンチレータで可視光に変換し、可視光を光センサで電気信号に変換する。また、検出器12は、入射したX線を電気信号に変換する半導体素子を有する直接変換型の検出器であってもよい。検出器12は、X線検出部の一例である。検出器12の構造については、図3に示す。
なお、検出器12は、変換された電気信号に対して行うDAS18での計測方式によって、エネルギー積分型検出器又はフォトンカウンティング型検出器に分類され得る。エネルギー積分型検出器は、被検体Pを透過したX線のエネルギーを一定時間において積分することで、一定時間において透過したX線のエネルギーの総和を計測する。フォトンカウンティング型検出器は、被検体Pを透過したX線に含まれるX線光子の個数を、複数のエネルギー帯域(エネルギー・ビン又は単にビンとも呼ぶ)それぞれに分けて計測する。これにより、エネルギー帯域ごとに得られた撮影データに基づいて、物質分別を行うことが可能となる。ここで、物質分別を行うときの撮影モードを物質分別モード、物質分別を行わないときの撮影モードを非物質弁別モードと呼ぶ。図1では、検出器12の一例としてフォトンカウンティング型検出器を実装した場合について説明する。
グリッド121は、シンチレータアレイ122のX線入射側の面に配置され、散乱X線を吸収する機能を有するX線遮蔽板を有する。なお、グリッド121はコリメータ(1次元コリメータ又は2次元コリメータ)と呼ばれる場合もある。
シンチレータアレイ122は、複数のシンチレータ素子を有する。シンチレータは、入射X線を当該入射X線の強度に応じた個数の光子に変換する。
光センサアレイ123は、シンチレータからの受けた光を増幅して電気信号に変換し、当該入射X線のエネルギーに応じた波高値を有する出力信号(エネルギー信号)を生成する機能を有し、例えば、光電子増倍管(フォトマルチプライヤー:PMT)等の光センサを有する。
基板124は、光センサアレイ123で生成された出力信号をDAS18に伝達する。
回転フレーム13は、X線発生部とX線検出部とを回転軸Z回りに回転可能に支持する。具体的には、回転フレーム13は、X線管11と検出器12とを対向支持し、制御装置15によってX線管11と検出器12とを回転させる円環状のフレームである。回転フレーム13は、アルミニウム等の金属により形成された固定フレーム(図示せず)に回転可能に支持される。詳しくは、回転フレーム13は、ベアリングを介して固定フレームの縁部に接続されている。回転フレーム13は、制御装置15の駆動機構からの動力を受けて回転軸Z回りに一定の角速度で回転する。
なお、回転フレーム13は、X線管11と検出器12とに加えて、X線高電圧装置14やDAS18を更に備えて支持する。このような回転フレーム13は、撮影空間をなす開口(ボア)19が形成された略円筒形状の筐体25に収容されている。開口はFOVに略一致する。開口の中心軸は、回転フレーム13の回転軸Zに一致する。なお、DAS18が生成した撮影データは、例えば発光ダイオード(LED)を有する送信機から光通信によって架台装置10装置の非回転部分(固定フレーム)に設けられた、フォトダイオードを有する受信機(図示せず)に送信され、コンソール装置40へと転送される。なお、回転フレーム13から架台装置10の非回転部分への撮影データの送信方法は、光通信に限らず、非接触型のデータ伝送であれば如何なる方式を採用してもよい。
X線高電圧装置14は、変圧器(トランス)及び整流器等の電気回路を有し、X線管11に印加する高電圧及びX線管11に供給するフィラメント電流を発生する機能を有する高電圧発生装置と、X線管11が照射するX線に応じた出力電圧の制御を行うX線制御装置とを有する。高電圧発生装置は、変圧器方式であってもよいし、インバータ方式であってもよい。なお、X線高電圧装置14は、回転フレーム13に設けられてもよいし、架台装置10の固定フレーム側に設けられてもよい。
制御装置15は、CPU(Central Processing Unit)等を有する処理回路と、モータ及びアクチュエータ等の駆動機構とを有する。処理回路は、ハードウェア資源として、CPUやMPU(Micro Processing Unit)等のプロセッサとROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)等のメモリとを有する。また、制御装置15は、特定用途向け集積回路(Application Specific Integrated Circuit:ASIC)やフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(Field Programmable Gate Array:FPGA)、他の複合プログラマブル論理デバイス(Complex Programmable Logic Device:CPLD)、単純プログラマブル論理デバイス(Simple Programmable Logic Device:SPLD)により実現されてもよい。制御装置15は、コンソール装置40からの指令に従い、X線高電圧装置14及びDAS18等を制御する。前記プロセッサは、前記メモリに保存されたプログラムを読み出して実行することで上記制御を実現する。
また、制御装置15は、コンソール装置40又は架台装置10に取り付けられた、入力インターフェース43からの入力信号を受けて、架台装置10及び寝台装置30の動作制御を行う機能を有する。例えば、制御装置15は、入力信号を受けて回転フレーム13を回転させる制御や、架台装置10をチルトさせる制御、及び寝台装置30及び天板33を動作させる制御を行う。なお、架台装置10をチルトさせる制御は、架台装置10に取り付けられた入力インターフェース43によって入力される傾斜角度(チルト角度)情報により、制御装置15がX軸方向に平行な軸を中心に回転フレーム13を回転させることによって実現される。また、制御装置15は架台装置10に設けられてもよいし、コンソール装置40に設けられてもよい。なお、制御装置15は、前記メモリにプログラムを保存する代わりに、前記プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むように構成してもよい。この場合、前記プロセッサは、前記回路内に組み込まれたプログラムを読み出して実行することで上記制御を実現する。
ウェッジ16は、X線管11から照射されたX線量を調節するためのフィルタである。具体的には、ウェッジ16は、X線管11から被検体Pへ照射されるX線が、予め定められた分布になるように、X線管11から照射されたX線を透過して減衰するフィルタである。例えば、ウェッジ16(ウェッジフィルタ(wedge filter)、ボウタイフィルタ(bow-tie filter))は、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウムを加工したフィルタである。
コリメータ17は、ウェッジ16を透過したX線の照射範囲を絞り込むための鉛板等であり、複数の鉛板等の組み合わせによってスリットを形成する。なお、コリメータ17は、X線絞りと呼ばれる場合もある。
DAS18は、検出器12により検出されたX線光子のカウント値を示すデジタルデータ(撮影データとも呼ぶ)を、複数のエネルギー帯域毎に生成する。撮影データは、生成元のX線検出素子のチャンネル番号、列番号、収集されたビュー(投影角度)を示すビュー番号、及びエネルギー・ビン番号により識別されたカウント値のデータのセットである。DAS18は、例えば、撮影データを生成可能な回路素子を搭載したASIC(Application Specific Integrated Circuit)により実現される。撮影データは、コンソール装置40へと転送される。
寝台装置30は、スキャン対象の被検体Pを載置し、移動させる装置であり、基台31と、寝台駆動装置32と、天板33と、支持フレーム34とを有する。
基台31は、支持フレーム34を鉛直方向に移動可能に支持する筐体である。
寝台駆動装置32は、被検体Pが載置された天板33を天板33の長手方向に移動するモータあるいはアクチュエータである。寝台駆動装置32は、コンソール装置40又は制御装置15による制御に従い、天板33を移動する。例えば、寝台駆動装置32は、天板33に載置された被検体Pの体軸が回転フレーム13の開口の中心軸に一致するよう、天板33を被検体Pに対して直交方向に移動する。また、寝台駆動装置32は、架台装置10を用いて実行されるX線CT撮影に応じて、天板33を被検体Pの体軸方向に沿って移動してもよい。寝台駆動装置32は、制御装置15からの駆動信号のデューティ比等に応じた回転速度で駆動することにより動力を発生する。寝台駆動装置32は、例えば、ダイレクトドライブモータやサーボモータ等のモータにより実現される。
支持フレーム34の上面に設けられた天板33は、被検体Pが載置される板である。なお、寝台駆動装置32は、天板33に加え、支持フレーム34を天板33の長手方向に移動してもよい。
コンソール装置40は、メモリ41と、ディスプレイ42と、入力インターフェース43と、処理回路44とを有する。メモリ41と、ディスプレイ42と、入力インターフェース43と、処理回路44との間のデータ通信は、バス(BUS)を介して行われる。なお、コンソール装置40は架台装置10とは別体として説明するが、架台装置10にコンソール装置40又はコンソール装置40の各構成要素の一部が含まれてもよい。
メモリ41は、種々の情報を記憶するHDD(Hard Disk Drive)やSSD(Solid State Drive)、集積回路記憶装置等の記憶装置である。メモリ41は、例えば、撮影データや再構成画像データを記憶する。メモリ41は、HDDやSSD以外にも、CD(Compact Disc)、DVD(Digital Versatile Disc)、フラッシュメモリ等の可搬性記憶媒体や、RAM(Random Access Memory)等の半導体メモリ素子等との間で種々の情報を読み書きする駆動装置であってもよい。また、メモリ41の保存領域は、X線CT装置1内にあってもよいし、ネットワークで接続された外部記憶装置内にあってもよい。例えば、メモリ41は、CT画像や表示画像のデータを記憶する。また、メモリ41は、実施形態に係る制御プログラムを記憶する。
ディスプレイ42は、種々の情報を表示する。例えば、ディスプレイ42は、処理回路44によって生成された医用画像(CT画像)や、操作者からの各種操作を受け付けるためのGUI(Graphical User Interface)を出力する。例えば、ディスプレイ42としては、液晶ディスプレイ(LCD:Liquid Crystal Display)、CRT(Cathode Ray Tube)ディスプレイ、有機ELディスプレイ(OELD:Organic Electro Luminescence Display)、プラズマディスプレイ又は他の任意のディスプレイが適宜、使用可能となっている。また、ディスプレイ42は、架台装置10に設けられてもよい。また、ディスプレイ42は、デスクトップ型でもよいし、コンソール装置40本体と無線通信可能なタブレット端末等で構成されてもよい。
入力インターフェース43は、操作者からの種々の入力操作を受け付け、受け付けた入力操作を電気信号に変換して処理回路44に出力する。例えば、入力インターフェース43は、撮影データを収集する際の収集条件や、CT画像を再構成する際の再構成条件、CT画像から後処理画像を生成する際の画像処理条件等を操作者から受け付ける。入力インターフェース43としては、例えば、マウス、キーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパッド、及びタッチパネルディスプレイ等が適宜、使用可能となっている。なお、実施形態において、入力インターフェース43は、マウス、キーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパッド、及びタッチパネルディスプレイ等の物理的な操作部品を有するものに限られない。例えば、装置とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を処理回路44へ出力する電気信号の処理回路も入力インターフェース43の例に含まれる。入力インターフェース43は、架台装置10に設けられてもよい。また、入力インターフェース43は、コンソール装置40本体と無線通信可能なタブレット端末等で構成されてもよい。
処理回路44は、入力インターフェース43から出力される入力操作の電気信号に応じてX線CT装置1全体の動作を制御する。例えば、処理回路44は、ハードウェア資源として、CPUやMPU、GPU(Graphics Processing Unit)等のプロセッサとROMやRAM等のメモリとを有する。処理回路44は、メモリに展開されたプログラムを実行するプロセッサにより、システム制御機能441、前処理機能442、再構成処理機能443、検出機能444、調整機能445、及び表示制御機能446を実行する。なお、各機能(システム制御機能441、前処理機能442、再構成処理機能443、検出機能444、調整機能445、及び表示制御機能446)は単一の処理回路で実現される場合に限らない。複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することにより各機能を実現するものとしてもよい。
システム制御機能441は、入力インターフェース43を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、処理回路44の各機能を制御する。具体的には、システム制御機能441は、メモリ41に記憶されている制御プログラムを読み出して処理回路44内のメモリ上に展開し、展開された制御プログラムに従ってX線CT装置1の各部を制御する。
前処理機能442は、DAS18から出力された撮影データに対して、対数変換処理やオフセット補正処理、チャンネル間の感度補正処理、ビームハードニング補正等の前処理を施した補正撮影データを生成する。
再構成処理機能443は、前処理機能442にて生成された補正撮影データに対して、フィルタ補正逆投影法(FBP法:Filtered Back Projection)や逐次近似再構成法等を用いた再構成処理を行ってCT画像データを生成する。
ここで、検出器12で得られるカウント結果から生成された撮影データには、被検体Pを透過することで減弱されたX線エネルギーの情報が含まれている。このため、再構成処理機能443は、例えば、特定のエネルギー成分のCT画像データを再構成することができる。また、再構成処理機能443は、複数のエネルギー成分それぞれのCT画像データを再構成してもよい。
検出機能444は、撮影モードを検出する。撮影モードは、例えば、物質分別モード等の撮影モードとビン数とのうち少なくとも1つを含む。なお、検出機能444は、管電流及び管電圧に関するパラメータと撮影モードとのうちの少なくとも1つを含む撮影条件を検出してもよい。
調整機能445は、撮影モードに応じて検出器12の温度を調整するための温度調整量を調整する。ここで、温度調整量とは、検出器12の温度を低下させる冷却量と、検出器12の温度を上昇させる加熱量とを含む。例えば、調整機能445は、液冷ユニット、空冷ユニット、及び電子冷却ユニットのうち少なくとも1つの冷却ユニットを調整することで冷却量を調整する。なお、調整機能445は、撮影条件に応じて温度調整量を調整してもよい。調整機能445は、調整部の一例である。
表示制御機能446は、処理回路44の各機能又は処理における処理途中又は処理結果の情報を表示するようにディスプレイ42を制御する。
なお、処理回路44は、スキャン制御処理及び画像処理も行う。
スキャン制御処理は、X線高電圧装置14に高電圧を供給させて、X線管11にX線を照射させる等、X線スキャンに関する各種動作を制御する処理である。
画像処理は、入力インターフェース43を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、再構成処理機能443によって生成されたCT画像データを公知の方法により、任意断面の断層画像データや3次元画像データに変換する処理である。
処理回路44は、コンソール装置40に含まれる場合に限らず、複数の医用画像診断装置にて取得されたデータに対する処理を一括して行う統合サーバに含まれてもよい。
なお、コンソール装置40は、単一のコンソールにて複数の機能を実行するものとして説明したが、複数の機能を別々のコンソールが実行することにしてもよい。例えば、前処理機能442、再構成処理機能443等の処理回路44の機能を分散して有してもよい。
次に、実施形態に係る架台装置の構成の一例について図2を参照して説明する。ここでは、図1に示した架台装置10の構成に加え、冷却ユニット20、吸気口23、排気口24、及び筐体25が図示されている。このうち、冷却ユニット20を斜線部で示す。
冷却ユニット20は、検出器12を冷却する。冷却ユニット20は、第1の熱交換器21と、第2の熱交換器22とを含む。冷却ユニット20は、例えば調整機能445により制御される。
具体的には、冷却ユニット20は、X線管11及び検出器12とともに回転フレーム13により回転可能に支持される。冷却ユニット20は、検出器12のチャンネル方向に延在して検出器12に熱的に接触する第1の熱交換器21と、検出器12の短手側の少なくとも一方に配置された第2の熱交換器22とを有する。例えば、第1の熱交換器21は検出器12の直下で検出器12全体を覆うように、つまり少なくとも検出器12の底面全体に接するように配置され、第2の熱交換器22は検出器12の短手側の一方に配置される。
また、冷却ユニット20は、第1の熱交換器21と第2の熱交換器22との間を物理的に接続する連結部を有する。連結部を介して、冷却ユニット20において熱交換を担う冷媒が第1の熱交換器21と第2の熱交換器22とを循環する。なお、連結部は第1の熱交換器21又は第2の熱交換器22の一部として構成されてもよい。
ここで、第1の熱交換器21は冷却部を有し、検出器12から熱を吸収することで検出器12を冷却する。一方、第2の熱交換器22は放熱部を有し、第1の熱交換器21が検出器12から吸収した熱を冷却ユニット20外部へ排出することで冷却ユニット20を冷却する。上記の動作を行うため、第2の熱交換器22の放熱部の近傍に位置する筐体25上には、第2の熱交換器の放熱部に対して架台装置10外部から空気を流入するための少なくとも1つの吸気口23と、架台装置10内部から空気を排出するための少なくとも1つの排気口24とが設けられている。
吸気口23は、X線管11、検出器12、及び冷却ユニット20が取り付けられた回転部の回転停止時において、架台装置10外部から流入された空気が、第2の熱交換器22の放熱部を効率的に冷却できる限り、筐体25上の如何なる位置に設計してもよい。例えば、吸気口23は、第2の熱交換器22の放熱部の略下方かつ架台装置10の底面に設計される。
排気口24は、X線管11、検出器12、及び冷却ユニット20が取り付けられた回転部の回転停止時において、第2の熱交換器22の放熱部からの暖められた空気が、架台装置10外部へ効率的に排出できる限り、筐体25上の如何なる位置に設計してもよい。例えば、排気口24は、第2の熱交換器22の放熱部の略上方かつ架台装置10の天面に設計される。
なお、吸気口23及び排気口24の大きさや個数等も適宜、変更されてもよい。また、吸気及び排気を積極的に行うため、吸気口23及び排気口24にファンが設置されてもよい。ファンは、例えばメッシュ構造を持つ着脱可能なカバーで被覆されてもよい。さらに、ファンは処理回路44により制御されてもよい。
次に、実施形態に係る冷却ユニットの構成の一例について、図3を参照して説明する。ここでは、冷却ユニット20の一例として、液冷ユニット26を実装した場合を示す。また、説明の便宜上、検出器12と液冷ユニット26との位置関係を示すため、両者を鉛直方向に分離して示す。すなわち、実際の検出器12及び液冷ユニット26は、両者の間で熱交換が可能なように互いに密着又は近接している。
液冷ユニット26は、液体を冷媒として検出器12を冷却する装置であり、冷却プレート261と、ヒートシンク262と、ポンプ263と、導管264とを有する。
なお、冷媒としては精製水でもよいし、精製水にエチレングリコール等の添加剤を混合させた混合液であってもよい。要するに、熱交換が可能な限り、如何なる種類の液体であってもよい。
冷却プレート261は、第1の熱交換器21の一例であり、検出器12と冷却プレート261を流れる液体との間で熱交換を行う。具体的には、冷却プレート261は、検出器12の基板124とDAS18との間に設置される。このとき、冷却プレート261は基板124とDAS18との間の信号線の接続を阻害しないように設置すればよい。このように設置された冷却プレート261は、検出器12を基板124を介して冷却する。
なお、検出器12の発熱量に比例してDAS18も発熱するため、上記のように設置された冷却プレート261は検出器12に加えてDAS18からの熱も受けると予想される。そこで、検出器12を優先的に冷却するため、冷却プレート261とDAS18との間に断熱材を設置してもよいし、DAS18に対向する冷却プレート261表面を断熱性の高い物質で形成してもよい。あるいは、DAS18からの熱も加味して検出器12を冷却できるように、冷却プレート261の冷却量を増大させてもよい。さらに、基板124を物理的に支持するための支持プレートが基板124の直下に存在する場合、当該支持プレートの直下に冷却プレート261を設置してもよい。
冷却プレート261は、液体の流入口と、流路と、流出口とが形成された部品である。冷却プレート261の流路は、第1の熱交換器21の冷却部の一例である。材質としては、当該冷却プレート表面に接する基板124と、流路を流れる液体との間で熱交換を行うため、例えば熱伝導効率の高い銅やアルミニウム等の金属であってもよい。形状としては、基板124及びDAS18の形状に沿った形であればよい。
また、冷却プレート261の流路は検出器12全体を一様に冷却可能なように、直進、曲進、蛇行等により自由に設計すればよい。さらに、流路の直径や長さ、本数、形状等も自由に設計すればよい。また、流入口及び流出口は、冷却プレート261の表面上であれば如何なる場所に設計されてもよいが、液体の循環路が最も短くなるように、例えばヒートシンク262及びポンプ263に最も近い側面に形成される。なお、流入口及び流出口は、例えば流路を内壁で隔てることによって、同一の開口としてもよい。
ヒートシンク262は、第2の熱交換器22の一例であり、ヒートシンク262を流れる液体とヒートシンク262近傍の空気との間で熱交換を行う。ヒートシンク262は、冷却プレート261とポンプ263とを接続する導管264上に設置される。このように設置されたヒートシンク262は、温められた液体から熱を吸収してヒートシンク262外部へ放出することで液体を冷却し、再び液体が検出器12を冷却できるようにする。
ヒートシンク262は、液体の流入口と、流路と、フィンと、流出口とが形成された部品である。フィンは、第2の熱交換器22の放熱部の一例である。材質としては、空気に接触するフィンと、流路を流れる液体との間で熱交換を行うため、例えば熱伝導効率の高い銅やアルミニウム等の金属であってもよい。さらに、架台装置10回転中の熱負荷に耐え得るように比熱が大きい金属で形成されていればよい。
また、ヒートシンク262の流路は温められた液体を一様に冷却可能なように、直進、曲進、蛇行等により自由に設計すればよい。さらに、流路の直径や長さ、本数、形状等も自由に設計すればよい。また、暖められた空気の放出を妨げない限り、フィンの位置や方向、本数、形状等も自由に設計すればよい。
ポンプ263は、液冷ユニット26を流れる液体を循環させる。ポンプ263は、ヒートシンク262と冷却プレート261とを接続する導管264上に設置される。このように設置されたポンプ263は、ヒートシンク262で冷却された液体を冷却プレート261に供給する。
なお、ポンプ263は液体を一時的に貯蔵するリザーバとしての機能を兼ねてもよい。また、ポンプ263への電力は、回転フレーム13上に設けられたスリップリングを介して供給すればよい。さらに、ポンプ263は調整機能445により制御されてもよい。
導管264(パイプ、チューブ、又はホースとも呼ぶ)は、連結部の一例であり、液体が流れる循環路を形成する。材質としては、ハードタイプ又はソフトタイプのものであってもよい。形状としては、各部品の流入口及び流出口の形状と一致するように、例えば円筒形であってもよい。なお、導管264は直進、曲進、蛇行等により自由に循環路を設計すればよい。
なお、液冷ユニット26及び液冷ユニット26を構成する各部品は、必要な冷却量に応じて、複数個設置されてもよい。
上記のような構成の液冷ユニット26における液体の流れを図3の矢印で示す。液体は、ポンプ263により送られ、冷却プレート261の流入口に入る。液体は、流路を流れる間に検出器12からの熱を吸収する。温められた液体は、冷却プレート261の流出口からヒートシンク262に送られ、熱を放出することで再び冷えた液体に戻る。冷えた液体はポンプ263に入り、再び同じ経路で循環する。
次に、実施形態に係るX線CT装置の動作の一例について図4を参照して説明する。なお、X線CT装置1は撮影に関する動作も行うが、ここでは冷却ユニット20の調整に関する動作に注目する。
ステップS401では、検出機能444が、撮影モードを検出する。撮影モードは、例えば操作者が入力インターフェース43を介して設定したものであり、メモリ41に記憶されている。具体的には、検出機能444は、メモリ41にアクセスすることにより撮影モードを検出する。
ステップS402では、調整機能445が、検出された撮影モードに応じて、冷却ユニット20を調整する。具体的には、調整機能445は、検出器12の温度が通常の性能を発揮できる温度範囲内に収まるように、冷却ユニット20の出力、つまり冷却量を調整する。
冷却量の調整方法としては、例えば、検出器12について各撮影モードと発熱量との相関関係を撮影前に計測しておき、当該相関関係を相関表としてメモリ41に記憶させる。例えば、フォトンカウンティングCT装置の場合は、物質弁別モードにおける発熱量と、非物質弁別モードにおける発熱量との相関表を予め作成しておく。一方、エネルギー積分型検出器を備えるX線CT装置の場合は、例えば、管電流及び管電圧と、それぞれの管電流及び管電圧における発熱量との相関表を予め作成しておく。相関表は、X線CT装置1の製造時又は検出器12のメンテナンス時に作成しておけばよい。
X線CT装置1は当該相関表を参照することで、撮影モードの切り替え前後における検出器12の発熱量の変化を予測する。当該予測に基づいて、撮影中に冷却ユニット20の出力を調整する。なお、検出器12とともにDAS18についても各撮影モードと発熱量との相関表を作成してもよい。このとき、検出器12とDAS18との総和の発熱量を打ち消すように冷却ユニット20の出力を調整してもよい。
別の冷却量の調整方法としては、例えば、検出器12の現在の温度を計測するサーミスタ等の温度計測器を検出器12に設置する。X線CT装置1は、撮影中における検出器12の現在の温度を参照しながら、検出器12の温度が一定を保つように冷却ユニット20の出力を調整してもよい。
ステップS403では、処理回路44が、冷却ユニット20を冷却する。例えば、処理回路44は、吸気口23及び排気口24に設置されたファンを稼働させることで冷却ユニット20を冷却する。このとき、冷却ユニット20の冷媒が検出器12を再び効率的に冷やすことが可能な温度にまで冷却されればよい。
次に、実施形態に係るX線CT装置の放熱路の一例について図5を参照して説明する。ここでは、架台装置10の回転停止時において、冷却ユニット20を冷却する場合の放熱路を示す。なお、筐体25上では吸気口23及び排気口24が開口しているとし、回転フレーム13内外へ空気が移動可能であるとする。また、空気の流れを矢印で示す。
冷却ユニット20は、撮影中において発熱する検出器12の温度ムラを一定の範囲内に収めるように、検出器12を継続的に冷却する。撮影後、回転フレーム13の回転が停止した場合、温められた冷却ユニット20の冷媒を冷やすため、筐体25の底面に位置する吸気口23を介して空気が取り込まれる。取り込まれた空気は上昇し、第2の熱交換器22の放熱部に達することで冷媒を冷却する。放熱部により暖められた空気は上昇し、筐体25の天面に位置する排気口24を介して架台装置10外部に排出される。上記の放熱路に従って架台装置10内外で空気が循環することで、冷却ユニット20の冷媒が継続的に冷却され、次の撮影に備える。なお、回転フレーム13の停止中においても、冷却ユニット20は検出器12を冷却してもよい。
次に、実施形態に係るX線CT装置の動作の具体例について図6及び図7を参照して説明する。ここでは、検出器12の一例としてフォトンカウンティング型検出器(以下、単に検出器12とも呼ぶ)を実装した場合について説明する。以下、検出器12はDAS18の発熱が支配的であるとし、DAS18の発熱量の変化に応じて冷却ユニット20の出力を調整する場合を説明する。
フォトンカウンティング型検出器を用いるX線CT装置1においては、非物質分別モードと物質弁別モードとの撮影モードの違いがDAS18の発熱量に大きく影響する。よって、撮影モードの違いによるDAS18の発熱量の変化を打ち消すような冷却量になるよう、冷却ユニット20の出力を調整することで検出器12の温度を一定の範囲に保つ。具体的には、調整機能445は、撮影モードが物質弁別モードの場合は、非物質弁別モードの場合よりも冷却量を増大させる。
図6は、撮影モードの切り替え前後におけるDAS18及び冷却ユニット20の発熱量を示すグラフである。ここでは、横軸に時間、縦軸に発熱量をとり、DAS18及び冷却ユニット20の発熱量の経時的な変化をそれぞれ実線で示す。DAS18は非物質分別モードよりも物質分別モードの方が消費電力が大きく、消費電力に比例して発熱量が増大する。よって、DAS18は物質分別モードの方が大きな発熱量を持つグラフとなる。
ここで、調整機能445は、冷却ユニット20の冷却量(負の値の発熱量)がDAS18の発熱量(正の値の発熱量)を打ち消すように、冷却ユニット20の出力を調整する。具体的には、DAS18の発熱量と冷却ユニット20の冷却量とが、如何なる時点においても等量になるように調整する。結果的に、冷却ユニット20のグラフはDAS18のグラフを横軸に対して反転させたグラフとなる。
図7は、撮影モードの切り替え前後におけるDAS18、冷却ユニット20、及び検出器12の温度を示すグラフである。ここでは、横軸に時間、縦軸に温度を取り、DAS18、冷却ユニット20、及び検出器12の温度の経時的な変化をそれぞれ実線で示す。図6のようにDAS18の発熱量及び冷却ユニット20の冷却量が変化したとき、如何なる時点においてもDAS18の発熱量を冷却ユニット20の冷却量で打ち消すため、検出器12に係る温度変化量は0となる。よって、撮影モードの切り替え前後においても検出器12の温度が一定に保たれる。
なお、上記のように調整機能445が冷却ユニット20の出力を調整することで検出器12の温度が一定に保たれるが、これに限られない。例えば、回路設計の段階で、DAS18の消費電力に比例して冷却ユニット20の消費電力が変化するように回路を設計することで、処理回路44による制御なしに検出器12の温度を一定に保つこともできる。
次に、実施形態に係る冷却ユニットの回路制御の一例について、図8、図9、及び図10を参照して説明する。ここでは、DAS18及び冷却ユニット20のそれぞれの消費電力に応じて制御する場合を考える。
検出器12の温度を一定に保つには、DAS18の発熱量と冷却ユニット20の冷却量とが一致すればよい。ここで、DAS18及び冷却ユニット20の消費電力をxとし、発熱量(冷却量)をyとしてyをxの関数で表す。具体的には、DAS18については、DAS18の消費電力xのときの発熱量yの関係を関数y=f(x)で表し、冷却ユニット20については、冷却ユニット20の消費電力xのときの冷却量yの関係を関数y=g(x)で表す。DAS18及び冷却ユニット20の発熱量(冷却量)yは、消費電力xに比例するので、DAS18のグラフは原点Oを通る右上がりの直線、冷却ユニット20のグラフは原点Oを通る右下がりの直線となる。
図8では、同じ消費電力におけるDAS18の発熱量と冷却ユニット20の冷却量とが一致する場合(関係式:f(x)=−g(x))を考える。この場合、例えばDAS18と冷却ユニット20とを並列回路で接続すれば、DAS18及び冷却ユニット20のそれぞれに流れる電流値及び電圧値が常に同一となる。よって、並列回路全体に流れる電流値及び電圧値が変動しても、DAS18及び冷却ユニット20の消費電力は常に同一であるため、DAS18の発熱量を冷却ユニット20の冷却量で打ち消すことができる(関係式:(DAS18発熱量)+(冷却ユニット20冷却量)=0)。
図9では、同じ消費電力において、DAS18発熱量が冷却ユニット20冷却量よりも小さい場合(関係式:f(x)<−g(x)、x≠0)を考える。換言すれば、DAS18の発熱割合よりも冷却ユニット20の冷却割合の方が大きい場合である。この場合、回路設計や冷却ユニット20に係る抵抗値を変更することによって、冷却ユニット20の消費電力を調整してもよい。例えば、DAS18及び冷却ユニット20を直列回路で接続する場合、冷却ユニット20の抵抗値がDAS18の抵抗値よりも小さくなるように設計する。または、DAS18及び冷却ユニット20を並列回路で接続する場合、冷却ユニット20の抵抗値がDAS18の抵抗値よりも大きくなるように設計する。上記のようにして冷却ユニット20の消費電力をDAS18の消費電力よりも小さくし、DAS18の発熱量と冷却ユニット20の冷却量とを等しくすることも可能である。
図10では、同じ消費電力において、DAS18発熱量が冷却ユニット20冷却量よりも大きい場合(関係式:f(x)>−g(x)、x≠0)を考える。換言すれば、DAS18の発熱割合よりも冷却ユニット20の冷却割合の方が小さい場合である。この場合、回路設計や冷却ユニット20に係る抵抗値を変更することによって、冷却ユニット20の消費電力を調整してもよい。例えば、DAS18及び冷却ユニット20を直列回路で接続する場合、冷却ユニット20の抵抗値がDAS18の抵抗値よりも大きくなるように設計する。または、DAS18及び冷却ユニット20を並列回路で接続する場合、冷却ユニット20の抵抗値がDAS18の抵抗値よりも小さくなるように設計する。以上のようにして冷却ユニット20の消費電力をDAS18の消費電力よりも大きくし、DAS18の発熱量と冷却ユニット20の冷却量とを等しくすることも可能である。
以上、実施形態に係るX線CT装置の構成及び動作について述べたが、これに限られない。例えば、検出器12の冷却手段としては、図3に示した液冷ユニット26に限らず、空冷ユニット又は電子冷却ユニットを使用してもよい。
例えば、空冷ユニットの場合、X線CT装置1は少なくとも1つのファンを有する。調整機能445は、検出器12を冷却するように設置されたファンの回転数、駆動数、及び駆動位置のうち少なくとも1つを調整することで、検出器12を冷却してもよい。また、電子冷却ユニットの場合、X線CT装置1は少なくとも1つのペルチェ素子を有する。調整機能445は、検出器12を冷却するように設置されたペルチェ素子の電流値、駆動数、及び駆動位置のうち少なくとも1つを調整することで、検出器12を冷却してもよい。
また、撮影に使用するビン数に応じて冷却ユニット20の出力を調整してもよい。例えば、物質分別モードにおいてビン数が多いほど、X線光子のエネルギーをより細かいエネルギー帯域に分けて測定するため、検出器12でより多くのデータが収集される。DAS18は増大したデータを処理するために使用する計算回路の量も増大し、発熱量も増大する。すなわち、ビン数とDAS18の発熱量は比例するため、DAS18の発熱量を撮影モードにおいて使用されるビン数から予測することで、ビン数に応じて冷却ユニット20の冷却量を調整することも可能である。具体的には、調整機能445は、撮影モードが第1のビン数のデータを収集するモードの場合は、第1のビン数よりも少ない第2のビン数のデータを収集するモードの場合よりも冷却量を増大させればよい。
さらに、非物質分別モードと物質弁別モードとの違いのような撮影モードに応じて冷却ユニット20の冷却量を調整するだけではなく、X線管11の管電流値及び管電圧値のうち少なくとも1つの値に応じて冷却量を調整してもよい。一般に、X線管11の管電流値及び管電圧値とDAS18の発熱量とは比例するため、DAS18の発熱量をX線管の管電流値及び管電圧値から予測することで、X線管11の管電流値及び管電圧値に応じて冷却ユニット20の冷却量を調整することも可能である。
また、冷却ユニット20とともにヒータを使用することで検出器12の温度を一定に調整してもよい。例えば、冷却ユニット20が液冷ユニット26の場合、液冷ユニット26にヒータを取り付け、流路を流れる液体をヒータにより温めることにより、液体の温度を高くする。これにより、液冷ユニット26を加熱ユニットとして動作させることができ、検出器12を温める目的でも検出器の温度を一定に調整できる。
なお、冷却ユニット20とヒータとは別体で構成されてもよい。例えば冷却ユニット20と干渉せず、かつ検出器12を温めることができる位置にヒータが配置されてもよい。また、ヒータは、冷却ユニット20と同様の制御により、加熱量が調整されればよい。
実施形態に係る検出器12は、エネルギー積分型検出器又はフォトンカウンティング型検出器のどちらでもよい。実施形態に係る検出器12がエネルギー積分型検出器の場合は、デュアルエナジーCTなど管電圧を異ならせた複数のスキャンを行うことにより、物質弁別モードを実現すればよい。
以上説明した少なくとも1つの実施形態によれば、撮影モードから検出器の発熱量を予測し、撮影モードに応じて冷却量又は加熱量といった温度調整量を調整することにより、例えば検出器を冷却する場合には、効率的に検出器を冷却することができる。または、実際の検出器の温度を計測することにより、リアルタイムで検出器を冷却することができる。結果として、撮影モードの変化に対しても検出器における温度ムラを低減することができるため、高精細な画像を担保することができる。
いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1 X線CT装置
10 架台装置
11 X線管
12 検出器
13 回転フレーム
14 X線高電圧装置
15 制御装置
16 ウェッジ
17 コリメータ
18 データ収集装置(DAS)
19 開口(ボア)
20 冷却ユニット
21 第1の熱交換器
22 第2の熱交換器
23 吸気口
24 排気口
25 筐体
26 液冷ユニット
30 寝台装置
31 基台
32 寝台駆動装置
33 天板
34 支持フレーム
40 コンソール装置
41 メモリ
42 ディスプレイ
43 入力インターフェース
44 処理回路
121 グリッド
122 シンチレータアレイ
123 光センサアレイ
124 基板
261 冷却プレート
262 ヒートシンク
263 ポンプ
264 導管
441 システム制御機能
442 前処理機能
443 再構成処理機能
444 検出機能
445 調整機能
446 表示制御機能

Claims (10)

  1. X線を照射するX線管と、
    前記X線管から照射されて被検体を透過したX線を検出するフォトンカウンティング型検出器と、
    撮影モードに応じて前記フォトンカウンティング型検出器の温度を調整するための温度調整量を調整する調整部と、
    を具備するX線CT装置。
  2. 前記温度調整量は、前記フォトンカウンティング型検出器を冷却するための冷却量であり、
    前記調整部は、前記撮影モードが物質弁別モードの場合は、非物質弁別モードの場合よりも前記冷却量を増大させる、
    請求項1に記載のX線CT装置。
  3. 前記温度調整量は、前記フォトンカウンティング型検出器を冷却するための冷却量であり、
    前記調整部は、前記撮影モードが第1のビン数のデータを収集するモードの場合は、前記第1のビン数よりも少ない第2のビン数のデータを収集するモードの場合よりも前記冷却量を増大させる、
    請求項1又は請求項2に記載のX線CT装置。
  4. 前記温度調整量は、前記フォトンカウンティング型検出器を冷却するための冷却量であり、
    前記調整部は、前記X線管の管電流値及び管電圧値のうち少なくとも1つの値に応じて前記冷却量を調整する、
    請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  5. 液冷ユニット、空冷ユニット、及び電子冷却ユニットのうち少なくとも1つの冷却ユニットをさらに具備し、
    前記調整部は、液冷ユニット、空冷ユニット、及び電子冷却ユニットのうち少なくとも1つの冷却ユニットを調整することで前記冷却量を調整する、
    請求項2から請求項4のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  6. 前記冷却ユニットは、
    前記フォトンカウンティング型検出器のチャンネル方向に延在して前記フォトンカウンティング型検出器に熱的に接触する第1の熱交換器と、
    前記フォトンカウンティング型検出器の短手側の少なくとも一方に配置された第2の熱交換器と、
    を具備する請求項5に記載のX線CT装置。
  7. 前記X線管、前記フォトンカウンティング型検出器、及び前記冷却ユニットが取り付けられた回転部と、
    前記回転部の回転停止時において、前記第2の熱交換器の近傍に位置し前記第2の熱交換器の放熱部に対して空気を流入するための少なくとも1つの吸気口が設けられた筐体と、
    を具備する請求項6に記載のX線CT装置。
  8. 前記空冷ユニットは、前記フォトンカウンティング型検出器を冷却するように設置された少なくとも1つのファンを具備し、
    前記調整部は、前記ファンの回転数、駆動数、及び駆動位置のうち少なくとも1つを調整する、
    請求項5から請求項7のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  9. 前記電子冷却ユニットは、前記フォトンカウンティング型検出器を冷却するように設置された少なくとも1つのペルチェ素子を具備し、
    前記調整部は、前記ペルチェ素子の電流値、駆動数、及び駆動位置のうち少なくとも1つを調整する、
    請求項5から請求項8のいずれか1項に記載のX線CT装置。
  10. 前記フォトンカウンティング型検出器からの撮影データを収集するデータ収集装置をさらに具備し、
    前記調整部は、前記データ収集装置の消費電力に応じて前記液冷ユニット、前記空冷ユニット、及び前記電子冷却ユニットのうち少なくとも1つの冷却ユニットの消費電力が変わるように設計された回路である、
    請求項5から請求項9のいずれか1項に記載のX線CT装置。
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