JP2689382B2

JP2689382B2 - コンピュータ支援トモグラフィー装置

Info

Publication number: JP2689382B2
Application number: JP62503970A
Authority: JP
Inventors: ミシュロン，フランスワ; クレッシュメール，シルヴァン; クロードルユロー，ジャン; ザンジェール，フランスワ; オムラン，ミシェル
Original assignee: ジェネラルエレクトリックセージェーエールエス．アー．
Priority date: 1986-07-07
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1997-12-10
Anticipated expiration: 2012-12-10
Also published as: FR2600879A1; WO1988000025A1; US5029336A; JPH02501623A; EP0314687A1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、物体の横断面の走査を非常な高速で実行す
ることのできるコンピュータ支援トモグラフィー装置に
関するものである。公知のトモグラフィー装置は、高電圧を印加されるこ
とによって非常に狭いＸ線ビームを検査する物体または
患者の身体に向けて発生するＸ線源を備えている。この
ビームは物体または患者の身体を貫通した後、マルチチ
ャネル検出器で受止められて測定される。Ｘ線源とマル
チチャネル検出器からなるユニットは、フレームすなわ
ちステータの内部で、検査される物体のまわりを回転す
る回転台すなわちロータに取り付けられている。マルチ
チャネル検出器から出力される信号はデータ処理装置ま
たは外部のコンピュータに送られ、このようにして検査
した物体の各切片の画像が形成される。このような装置では、Ｘ線源へ電力の供給とマルチチ
ャネル検出器から出力された信号の伝送は、例えばフラ
ンス国特許第2,455,451号と第2,385,632号に記載された
ようにして実現された巻き付け装置によってガイドされ
た電気ケーブルによって保証される。しかし、ケーブルが存在しているとロータの変位が制
限され、しかも１回転ごとに加速段階と減速段階が必要
とされるため、トモグラフィーの検査の時間が無駄に長
くなる。このため、このような装置の処理速度が低下す
る。本発明の目的は、上記の問題点を解決することであ
る。この目的で、本発明は、検査する物体または患者の身
体を貫通するＸビームを発生させるＸ線源と、この検査
される物体によって再伝送されるＸ線ビームの強度に関
する情報を供給するためのマルチチャネル検出器とを備
え、これらＸ線源とマルチチャネル検出器が、検査され
る物体を取り囲むステータに結合されたロータに取り付
けられているコンピュータ支援トモグラフィー装置であ
って、ロータの光放射手段及び光受信手段とステータの
対応する光学手段との間で、上記マルチチャネル検出器
から出力される情報とＸ線源の制御情報とを光伝送する
ために、ロータのまわり、またはステータの内面上に巻
かれた少なくとも１つの横方向散乱光導波路を備え、こ
の組立体は、各光放射手段が器光導波路の端部に対して
固定された位置にあるようにしてこの端部から伝送すべ
き情報を導入できるようになっているとともに、光導波
路に対して相対運動する各光受信手段が、この光導波路
の縦軸線のまわりを取り囲む外面を通過する光の側方散
乱による情報を受信するようにされていることを特徴と
する装置を対象とする。本発明は、検査する物体または患者の身体のまわりに
同じ回転方向で不連続性なくロータを回転させることが
できるという利点を有する。従って、本発明では、ケー
ブルによる伝送方式のトモグラフィー装置の加速段階と
減速段階に起因していた無駄な検査時間が除かれる。さ
らに、本発明では光導波路を用いているため、10メガビ
ット／秒を越える大きなビット伝送速度で光を伝送する
ことができ、その結果として外部のデータ処理装置を用
いて極めて短時間で画像を再構成することができる。本発明の他の特徴ならびに利点は、添付の図面を参照
した以下の説明により明らかになろう。第１図は、ロータに固定された少なくとも１つの光放
射体とステータに固定された複数の光受信器の間で情報
を光伝送する手段を備える本発明のトモグラフィー装置
の図である。第２図〜第４図は、第１図の伝送手段の異なる実施態
様を示す図である。第５図と第６図は、ロータに固定された１つの光放射
体とステータに固定された複数の光受信器の間で情報を
光伝送することのできる本発明の異なる実施態様を示す
図である。第１図に図示したトモグラフィー装置は、フレームす
なわちステータ１を備えており、このフレームの内部で
回転台すなわちロータ２が回転する。ロータ２には、内
部に検査する患者の身体４を配置することができるだけ
の大きさの穴３が中央に開けられている。ロータとステ
ータは、図面の平面とは垂直な軸線５と中心が一致して
いる。ロータ２は放射線源６を支持しており、この放射
線源からの扇形のビーム７は患者の身体４を通過してマ
ルチチャネル検出器８を照射する。このマルチチャネル
検出器８はやはりロータ２に支持されており、第１図で
は穴３の周辺部に軸線５を中心として放射線源６とは反
対側に位置している。ロータ２は、例えば数mWのレーザダイオード９、10の
形態の光源からなる２つの光放射体をさらに備えてい
る。これらレーザダイオードは、変調器11を介してマル
チチャネル検出器８によって同時に変調される。レーザダイオード９、10は、それぞれがロータの第１
と第２の側方散乱光導波路14、15の端部に結合されてい
る。これら導波路は、それぞれが、このロータの周辺部
の同じ原点13から見て反対の２つの方向に沿って一周の
1/4の長さにわたって巻き付けられている。このため、
ロータに巻き付けられたこれら２つの光導波路の長さの
和は切れ目なしに半周する。受信器すなわち光検出器16、17は、各光導波路が側方
に散乱する光を集めることができるよう、ステータ１の
内周に直径を挟んだ互いに反対側の２つの位置に配置さ
れている。信号の増幅器18、19は、それぞれ、光検出器
16、17を必要に応じて加算回路21を介してコンピュータ
からなる処理手段20に接続している。この構成によれば各光導波路14、15の長さは一周の1/
4であるため、ステータ１に対するロータ２の位置に関
係なく光導波路が２つの光検出器16または17のいずれか
一方の正面に来る。この結果、光検出器16または17の何
れか一方が、ロータ２の位置に関係なく、マルチチャネ
ル検出器８から出力されて光導波路14、15によって同時
に散乱された信号を必ず受信する。本発明を十分に実現するためには、光源９と10を固体
レーザで構成することが好ましい。例えば、10メガビッ
ト／秒のビット伝送速度と必要な光のパワーを考慮する
と、パワーP₀＝15mWの日立のHLP1600型、またはパワーP
₀＝10mWのテレフンケン（Telefunken）社のTXSK2101型
のレーザが適している。光導波路は光ファイバで形成す
ることが好ましい。この場合には、光源９、10をステー
タのリングのまわりに空間的に延長するには光ファイバ
を横方向に分布させる。光ファイバは、プラスチック製
のファイバであることが好ましい。例えば、フランスの
会社であるオプテクトロン（Optectron）社が市販して
いるPLASTIFO T301のタイプ、または日本の三菱が市販
しているESKA−Ｃのタイプのものが好ましい。このようなファイバから横方向に放射されるパワー
は、典型的には1cmあたり２〜５×10^-5P₀、すなわちP₀
＝10^-3Wに対して20〜50×10^-9Wである。この散乱はファイバの自然な散乱であるため、少なく
とも数メートルの長さにわたっては一定であるとみなす
ことができる。光検出器16、17は、シリコンフォトダイオードで構成
することができる。この条件のもとでは、数mm²の面積を照射されたシリ
コンフォトダイオードが１ビットを検出するのに必要な
エネルギは約10^-14ジュールであると見積もることがで
きるため、期待することが可能な最大ビット伝送速度
は、全空間でファイバ1cm当たりの横方向の光の散乱を
集めることによって、となる。実際には、ファイバの自然散乱を人工的に大きくし、
例えばジーメンス（Siemens）社のBPW34というダイオー
ドにノイズの少ない前置増幅器、例えばプレイセイ（Pl
eyssey）社のSL550という増幅器を接続することによ
り、このビット伝送速度を10メガビット／秒にすること
ができる。このようにすると、光検出器16、17のフォト
ダイオードへの入射パワーが数マイクロワットのときに
は増幅器の出力で約４という十分なS/N比が得られる。この結果は、例えばレーザの出力を典型的には10×10
^-3Wに調節し、光検出器16、17において全空間で各ファ
イバから散乱される光を適当な光回収システムを用いて
集め、ファイバの横方向の散乱を大きくすることにより
得ることができる。最初の２つは特に難しいことはない。最後の点に関しては、ファイバの構造をその表面の所
定の領域において変えることによって、ファイバの通常
の横方向散乱の係数を10〜1000の範囲で大きくすること
ができる。この領域での材料の不均一性によって、ファイバ内を
光線が通過するときに、光が通過するのを妨げる反射が
起こったり、この変化した領域を覆うファイバ表面の要
素を横切る光線が発生したりする。構造をこのように変更するためには、様々な機械的方
法、物理化学的方法、または化学的方法が考えられる。
これらの方法は、互いに独立に、または場合によっては
組み合わせて実施することができる。機械的観点からす
れば、構造の変更は、例えば、コアが被覆されたファイ
バに対しては、引っ掻き、溝形成、またはこれと等価な
任意の機械的方法を実行することにより、あるいは必要
に応じて圧延してファイバの断面を不可逆的に変形する
ことによりコアを取り囲む被覆の厚さを局所的に薄くす
ることで可能になる。物理化学的観点からすれば、ファイバを製造する際に
ファイバのコアに固体の粉末、金属粉末、研磨剤などを
混入させるか、または、散乱領域内で、非混和性のポリ
マー、例えばポリスチレンにメチルポリメタクリレート
を混合することが可能である。化学的観点からすれば、ファイバの散乱領域を覆う表
面を溶剤を用いてエッチングすることが可能である。これらの様々な方法を用いると欠陥が発生する。欠陥
の数がファイバの全長にわたって単位長さ当たり一定で
あるとすると、欠陥によって、ファイバに沿った各点で
散乱される光の強度が問題の点とファイバを励起する光
源の間の距離の指数関数として減少する。この結果、所
定の用途では、本発明におけるファイバの有効長は、光
源の強度、光検出器の感度、それにファイバにおける散
乱プロセスに依存する。上記の様々な方法はフォトダイオードで散乱光を回収
するのに適しているとはいえ、上記のように変えられた
ファイバ内では損失が非常に大きくなり、従ってファイ
バの有効長が短くなることが明らかである。この点に関
しては、ファイバの最大有効長は、第１近似としてファ
イバ内のあらゆる減衰が横方向の散乱に起因することを
仮定することにより決定することができる。光ファイバ
のｘ軸上の任意の点において、このファイバによって伝
送される光のパワーＰ（ｘ）は、関係式、Ｐ（ｘ）＝P₀exp（−αｘ）で定義される。ここに、P₀はファイバの入口に導入され
る光ビームの光パワーである。すると、微小距離dx＝ｌ
での散乱による損失は、となる。そこで、この横軸上でＰ（ｘ）＝η・P₀となる、すな
わち散乱パワーがまだ利用できる最大長x_0maxを定義す
る。計算を実行することにより、が得られる。つまり、ファイバの減衰を最適にすることのできるフ
ァイバの最大長は、ｌ（拡散の回収長）、すなわち（光
回収システムのない）フォトダイオードの幅と、散乱さ
れたパワーと放射されたパワーの間の最小減衰比ηにの
み依存する。例えばパワーを P₀＝10mW、フォトダイオードに対してはP_min＝４×10
^-6Wに固定し、散乱光の回収を（光学システムなしに）
空間の1/3に対して実行すると、散乱されるパワーは12
×10^-6Wとなる。従ってη＝1.2×10^-3である。ｌ＝3mmがフォトダイオードの幅であるとすれば、最
適な減衰係数は、となり、ファイバの最大長は、となる。トモグラフィー装置のロータの周囲の長さは一
般に少なくとも3mであるため、上記の計算により、第１
図の実施例が２本の光ファイバと２つの光検出器とによ
り完全に実現可能であることがわかる。しかし、本発明は、周囲長が3m未満のロータに限定さ
れることはない。特に、周囲長がより長い場合には、ス
テータの表面に分配する光検出器の数を増やし、しかも
第１図の実施例の伝送手段を変更して第２図に図示した
ようにする。図面を簡単にするため、第１図と同じ要素
のうちで図面を理解するのに不可欠な要素のみに同一の
参照番号が与えられている。この図面では、単一のレー
ザダイオード９が、単一の光ファイバ14に結合されてい
る。この光ファイバの長さは一周の1/4に対応する。こ
の実施例では、４つの光検出器16、17、22、23のみが必
要である。これら検出器は、それぞれ増幅器18、19、2
4、25に接続されている。これら増幅器から出力される
信号は、４入力加算回路21の対応する入力に入力され
る。当然のことであるが、第２図の実施例をさらに拡張し
て、長さがロータ２の一周の1/Nに等しい単一のファイ
バに結合した単一の光源９のみを備えており、Ｎ個の光
検出器がステータ１の周辺部全体に規則的に分配された
別の実施態様にすることもできる。さらに、第１図の実施例の伝送手段は第３図に図示さ
れたように変更することもできる。この第３図において
は、第１図と同じ要素は同じ参照番号で示されている。
この図では、２つのレーザダイオード９、10がロータ２
上に直径を挟んで対向する位置に設置されており、対応
する光ファイバ14、15が同じ方向に巻かれている。図示
の伝送手段を用いると、ファイバ14、15に沿って並列に
データを同時に伝送することができる。２位置スイッチ
26、27、28、29は、ロータ２が半回転するごとに制御手
段30によって同時に制御される。このため、望ましい瞬
間に、光検出器16、17、22、23から出力されたデータま
たは情報信号を増幅器18、19、24、25を介して加算回路
31、32、33、34の対応する入力に送ることができる。加
算回路35、36により、加算回路31と34から出力された信
号と加算回路32と33から出力された信号を加算すること
ができる。スイッチ26〜29の制御手段30をロータ２の角
度位置と同期させるには、ステータ１とロータ２の間に
配置された光センサ（図示せず）を用いる。当然のこと
だが、この構成を並列なＮチャネルの伝送手段にさらに
拡張することができる。この場合、各チャネルは第３図
に示したように１つの光源と１本の光ファイバによって
実現される。第４図に示された本発明の別の実施態様では、第３図
がさらに簡単化されて、増幅器18と24の出力には直接に
第１の加算回路37が接続され、増幅器19と25の出力には
第２の加算回路38が接続されている。加算回路37の出力
は、ロータ２が半回転するごとに、スイッチ41を介し
て、加算回路39の第１の入力または加算回路40の第１の
入力に交互に接続される。加算回路38の出力は、ロータ
２が半回転するごとに、スイッチ42を介して、加算回路
39の第２の入力または加算回路40の第２の入力に交互に
接続される。第１のチャネル（光ファイバ14）の信号は
加算回路39の出力に集められ、第２のチャネル（光ファ
イバ15）の信号は加算回路40の出力に集められる。第１図〜第４図の実施例はデータまたは信号情報がロ
ータからステータへと光導波路内を伝送される伝送モー
ドについて説明したが、逆に、この同じ方法をデータま
たは信号情報をステータ１からロータ２に伝送するのに
使用することも容易に考えられる。この場合、ステータ
に固定された光放射器は、変調された光源に１本（また
は複数本）の散乱性ファイバが接続された構成にするこ
とができる。光受信器は、ロータに固定された１つ（ま
たは複数）のフォトダイオードで構成される。この伝送
方向では、伝送媒体の通過帯域は別の方向に対するより
も狭く、シリコンフォトダイオードへの必要な入射パワ
ーは約100×10^-9Wにすることができる。上記の計算を思い起こすと、ファイバの最大長は、P₀
＝10^-3W、η＝10^-4、それに散乱の回収長3mmに対して
は、空間の1/3においてとなる。さらに、 α_opt＝３×10^-3cm^-1（約2.6dB）である。従って、この場合、第５図に示されているように、ス
テータの内部に巻かれた単一のファイバ43と、ロータ２
上の単一の光検出器で十分である。しかし、この装置は、またこの装置の一部は、第５図
に示した光検出器44、45のファイバ43、46と光源47、48
の構成からわかるように、安全を考えて、あるいは必要
に応じて複数のチャネルを多重化することなく通過させ
るために二重にすることができる。従って、上記のすべ
ての構成がこの場合にあてはまる。さらに、放射の際のパワーが低いことを考慮すると、
レーザダイオードの代わりに効率が極めて高い発光ダイ
オードを使用することも可能である。しかし、情報をステータとロータの間で伝送する第２
の方法をさらに考えることができる。第６図に示したこの方法は、必要に応じて、ステータ
上に設置された光源50によって励起される例えば発光性
光ファイバからなるシンチレータ素子49をロータ２上に
設置することからなる。光源50は、データによって変調
されて例えば伝送すべき情報信号にされ、ロータのＸ線
源を制御する。ファイバの発光によって発生するフォトンはこのファ
イバによって伝送され、ロータ２に固定されていて加算
回路53に接続された光検出器51、52に送られる。例えば、発光性ファイバとして、オプテクトロン社が
市販しているPLASTIFO200というファイバを用いること
が可能である。この実施例では、光放射器50を構成するのに、約40×
10^-6Wのパワーを空間内に放射する発光ダイオードを用
いることが可能である。このパワーの1/4がファイバ49
内で吸収され、しかもこのファイバの発光効率が10％で
ある、すなわちこの吸収されたパワーの10％がファイバ
内を伝播すると仮定すると、ファイバ内の放射領域では
約10^-6Wのパワーが得られる。このパワーは、ファイバ
内の放射領域の両側にも分配される。このタイプのファ
イバの吸収長はファイバ内で検出可能な光の最小パワー
が100×10^-9Wであるとすると短くて約1m（α≒10^-2c
m^-1）であるため、例えば距離ｘを決定することができ
る。つまり、検出の最小値が、関係式を適用することにより得られる。すなわち、この場合に
はｘ＝1.6mである。ファイバの各端部に光検出器51、52を設置すると、フ
ァイバの有効長（２×1.6m）がこの場合にはロータの周
囲の長さとほぼ同じになる。さらに、この場合には、上記の原理を、第２図の場合
と同様にしてステータ上の１つ以上の光源に拡張するこ
とが可能である。

フロントページの続き (72)発明者ルユロー，ジャンクロードフランス国 91700 サントジュヌヴィエーヴデブワアヴニュデュジェネラルルクレール 96 (72)発明者ザンジェール，フランスワフランス国 92260 フォントゥネーオーローズアヴニュデュマレシャルフォック 54 (72)発明者オムラン，ミシェルフランス国 91600 サヴィニーシュールオルジュリュポールゴーギャン２ (56)参考文献実開昭56−33906（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4259584（ＵＳ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】１．検査する物体（４）または患者の身体を貫通するＸ
線ビーム（７）を発生させるＸ線源（６）と、この検査
される物体によって再伝送されるＸ線ビームの強度に関
する情報を供給するためのマルチチャネル検出器（８）
とを備え、これらＸ線源とマルチチャネル検出器が、検
査される物体（４）を取り囲むステータ（１）に結合さ
れたロータ（２）に取り付けられているコンピュータ支
援トモグラフィー装置であって、ロータの光放射手段
（９、10）及び光受信手段（44、45;51、52）とステー
タ（１）の対応する光学手段（16、17;22、23;47、48;5
0）との間で、上記マルチチャネル検出器（８）から出
力される情報とＸ線源（６）の制御情報とを光伝送する
ために、ロータ（２）のまわり、またはステータ（１）
の内面上に巻かれた少なくとも１つの横方向散乱光導波
路（14、15;43、46;49）、を備え、該横方向散乱光導波
路は光ファイバで構成されており、この組立体は、各光
放射手段が、前記少なくとも１つの横方向散乱光導波路
の端部に対して固定された位置にあるようにしてこの端
部から伝送すべき情報を導入できるようになっていると
ともに、前記少なくとも１つの横方向散乱光導波路に対
して相対運動する各光受信手段が、この前記少なくとも
１つの横方向散乱光導波路の縦軸線のまわりを取り囲む
外面を通過する光の側方散乱による情報を受信するよう
にされており、前記横方向散乱は、前記光ファイバの自
然な散乱であり、該横方向散乱が前記光ファイバの長さ
にわたってほぼ一定であることを特徴とする装置。２．上記光ファイバの構造は、表面の近くの領域が変え
られていることを特徴とする請求項１に記載の装置。３．上記光ファイバが発光性光ファイバで構成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の装置。４．上記光放射手段（９、10;47、48;50）が固体レーザ
で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいず
れか１項に記載の装置。５．上記光受信手段（16、17;22、23）が半導体ダイオ
ードで構成されていること特徴とする請求項１〜４のい
ずれか１項に記載の装置。６．上記マルチチャネル検出器の情報を伝送するため
に、上記光導波路が、それぞれ上記光放射手段（９、1
0）によって励起される２本の横方向散乱光ファイバに
よって形成され、それら２本の横方向散乱光ファイバの
各々は、上記ロータ（２）の一周の1/4に巻き付けられ
ており、上記ロータに巻き付けられた２本の横方向散乱
光ファイバの長さの和は切れ目なしに上記ロータを半周
しており、上記装置は、ステータ上の直径を挟んで対向
する位置に２つの光受信手段（16、17）を備えることを
特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。７．上記マルチチャネル検出器の情報を伝送するため
に、上記光導波路が、上記ロータ（２）の一周の1/4に
巻き付けられて単一の光放射手段（９）によって励起さ
れる単一の横方向散乱光ファイバ（14）によって形成さ
れ、上記装置は、上記ステータの内面に規則的に分配さ
れた４つの光受信手段（16、17、22、23）を備えること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装
置。８．上記マルチチャネル検出器の情報を伝送するため
に、上記光導波路が、異なる２つの情報チャネルから情
報の供給を受ける２本の光ファイバによって構成されて
いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記
載の装置。９．上記マルチチャネル検出器の情報を伝送するため
に、上記光導波路が、上記ロータ（２）の一周の1/N
（Ｎは正の整数）に巻きつけられた横方向散乱光ファイ
バによって構成され、上記装置は、上記ステータ（１）
の内面に規則的に分配されたＮ個の光受信器を備えるこ
とを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の装
置。１０．情報を上記ステータ（１）と上記Ｘ線源の間で伝
送するために、上記光導波路が、上記ステータの内面に
巻き付けられていて伝送すべき情報によって変調された
ステータの光放射手段によって一端が励起される発光性
光ファイバ（43、46）によって構成されており、上記装
置は、上記ロータ（２）上に配置されたこの発光性ファ
イバが散乱した光を受信する少なくとも１つの光受信手
段を備えることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１
項に記載の装置。１１．情報を上記ステータ（１）と上記Ｘ線源の間で伝
送するために、上記光導波路が、上記ロータ（２）に巻
きつけられており、上記ステータ（１）上に配置された
光放射手段（50）によって横方向に励起され、伝送すべ
き情報によって変調される発光性光ファイバ（49）によ
って構成されており、上記装置は、このファイバ（49）
に沿って伝送される情報を回収するためにこのファイバ
の一端に配置された少なくとも１つの光受信手段を備え
ることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載
の装置。