JP3962844B2

JP3962844B2 - プリ・ペイシェント・コリメータ

Info

Publication number: JP3962844B2
Application number: JP33434596A
Authority: JP
Inventors: トーマス・ルイス・トス; ウィリ・ウォルタ・ハンペル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1995-12-21
Filing date: 1996-12-16
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2016-12-16
Also published as: IL119774A; JPH09215685A; US5644614A; DE19650545A1; IL119774A0

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、一般的には計算機式断層写真法（ＣＴ）の作像に関し、更に具体的には、患者のＸ線量を減少させるようにＸ線ビームをコリメートすることに関する。
【０００２】
【従来の技術】
少なくとも１つの公知のＣＴシステム構成では、Ｘ線源はファン（扇）形状のビームを投射し、このビームは、デカルト座標系のＸ−Ｙ平面であって、一般に「作像平面」と呼ばれる平面内に位置するようにコリメートされる。Ｘ線ビームは、患者等の被作像物体を通過する。ビームは、物体によって減衰された後に、放射線検出器の配列に入射する。検出器は全体的に矩形である。検出器配列において受け取られる減衰したビーム放射線の強度は、物体によるＸ線ビームの減衰量に依存している。配列内の各々の検出器素子は、検出器の位置におけるビームの減衰量の測定値である個別の電気信号を発生する。すべての検出器からの減衰測定値を個別に収集して、透過プロファイル（断面）を形成する。
【０００３】
公知の第３世代ＣＴシステムでは、Ｘ線源及び検出器配列は、Ｘ線ビームが物体と交差する角度が定常的に変化するように、作像平面内で被作像物体の周りをガントリと共に回転する。１つのガントリ角度における検出器配列からの１群のＸ線減衰測定値、即ち投影データを「ビュー」と呼ぶ。物体の「走査（スキャン）」は、Ｘ線源及び検出器の１回転の間に様々なガントリ角度で形成された１組のビューで構成されている。軸方向走査の場合には、投影データを処理して、物体から切り取られた２次元スライスに対応する画像を構成する。典型的には、スライスの構造は変化し得る。１組の投影データから画像を再構成する１つの方法は、当業界でフィルタ補正逆投影（filtered back projection）法と呼ばれている。この方法は、ある走査からの減衰測定値を「ＣＴ数」又は「Hounsfield単位」と呼ばれる整数に変換し、これらの整数を用いて、陰極線管表示装置上の対応するピクセルの輝度を制御する。
【０００４】
Ｘ線源は典型的には、アノードとカソードとを収納している排気されたＸ線エンベロープ（筐体）を含んでいる。Ｘ線は、アノードとカソードとに跨がって高電圧を印加することにより、カソードからの電子が加速されてアノード上にある焦点に衝突するときに発生される。Ｘ線は、全体的に円錐形のパターンで焦点から分散する。
【０００５】
公知のＣＴシステムでは、Ｘ線源からのＸ線ビームは、プリ・ペイシェント・コリメート装置、即ちプリ・ペイシェント・コリメータを通して投射される。プリ・ペイシェント・コリメータは、患者軸、即ちｚ軸内でのＸ線ビームのプロファイルを画定している。コリメータは、Ｘ線ビームを制限する開口を内部に有しているＸ線吸収材料を含んでいる。Ｘ線ビームを所望のファン・ビーム・プロファイルに制限する過程を「コリメーション」と呼ぶ。
【０００６】
Ｘ線ビームを制限することに関して述べると、公知のコリメータは典型的には、２つの対向する金属製ブレードを含んでおり、これらのブレードを開閉して開口幅を変更することができる。ｚ軸に沿って測定されるファン・ビームの「厚み」は、ブレードの配向を調節することにより選択され得る。又、各ブレードを同一方向に移動させて、開口の中心線を変位させることもできる。開口の中心線を変化させると、ｚ軸に関してファン・ビーム角度が変化する。公知の開口は典型的には直線的であり、即ち矩形である。
【０００７】
コリメートされたビームは患者を通過して減衰し、減衰したビームは少なくとも部分的には検出器配列に入射する。公知の検出器配列は典型的には、Ｘ線源から一定半径を有する円弧構造として構成された検出器セルを含んでいる。コリメータの開口は矩形であるので、Ｘ線源からコリメータまでの実効的な距離（ｓ）は、ファン・ビームが検出器配列内の検出器セルに入射するファン角度（α）の変化に応じて変化する。従って、検出器上には凸形状を成すコリメートされたＸ線ビームが投射される。しかしながら、ポスト・ペイシェント・コリメータが用いられているときには、各々の検出器セルは典型的には、Ｘ線ビームの本影（umbra）のうちの矩形の部分しか検知しない。凸形状を成す減衰したＸ線ビームの一部は使用されない。従って、減衰したビームの一部が使用されないので、患者は不必要なＸ線量にさらされる。不必要なＸ線量を減少させるために、コリメータ開口を狭めることができるが、コリメータ開口を狭めると、検出器によって収集されるデータも減少する。
【０００８】
マルチスライス型ＣＴシステムでは、Ｘ線ビームの本影のみが検出器セルに入射するようにすることが望ましい。半影（penumbra）が検出器セルに入射しないように、Ｘ線ビームを最初にコリメートすることができるが、Ｘ線源が熱するにつれてアノード支持構造体が熱膨張し、この熱膨張がファン・ビームと作像平面との整列性に影響を及ぼす。又、重力及び遠心力も、焦点の移動を発生させることが知られており、これによっても又、ファン・ビームが移動する。ファン・ビームが移動するにつれて、半影の少なくとも一部が検出器セルに入射する可能性がある。ファン・ビームが移動すると、検出器配列セルからの信号の強度が変化する。このようなファン・ビームの移動によってゲイン差による誤差が生じ、複雑な信号補正を採用しない限り、環（リング）状、帯（バンド）状及び中央（センタ）の深刻なアーティファクトが生ずることがある。しかしながら、完全な閉ループ式ビーム安定化を用いて検出器上でのビームの移動を最低限に抑えたときでさえ、即ち、検出器又はコリメータを移動させたときでさえ、ビーム形状が凸形であることにより、患者は若干量の不必要なＸ線量にさらされる。
【０００９】
従って、検出器セルによって現状で収集されているデータの量及び品質を維持しながら、不必要なＸ線量を減少させるようにファン・ビームを制限することが望ましい。又、ファン・ビームの本影と半影とを区別することの重要なマルチスライス型ＣＴシステムにおいて、各々の検出器素子の形状をより正確に近似するようにビームを制限することが望ましい。
【００１０】
【発明の概要】
これらの目的及びその他の目的は、一実施例においては輪郭付けされた（contoured）開口を有しているコリメータによって達成され得る。具体的には、コリメータ開口は、コリメータから放出されたＸ線ビームが検出器上で全体的に矩形を有するように輪郭付けられている。全体的に矩形を成すビームの寸法は、例えばコリメータの開口幅を調節することにより、検出器セルの寸法を近似するように調節されることができるので、このようなセルに入射しないビームの面積が、凸形のビームと比較して減少する。従って、不必要な患者線量は減少し、検出器データは維持される。検出器上での矩形のビームは又、マルチスライス型システムの性能を改善するものと考えられる。
【００１１】
上述したコリメータは、各々の検出器セルの寸法をより正確に近似するようにファン・ビームを制限する。更に、本コリメータは、患者のＸ線量への不必要な被曝を減少させる。更に又、本コリメータは、各々の検出器セルによって受け取られる画像データの量又は品質を低減させることがない。
【００１２】
【実施例】
図１及び図２を参照すると、計算機式断層写真（ＣＴ）作像システム１０は、「第３世代」ＣＴスキャナにおいて典型的なガントリ１２を含んでいるものとして示されている。ガントリ１２は、Ｘ線源１４を有しており、Ｘ線源１４は、Ｘ線のファン・ビーム１６をガントリ１２の反対側にある検出器配列１８に向かって投射する。検出器配列１８は、検出器素子２０によって形成されており、これらの検出器素子２０は一括で、患者２２を通過する投射されたＸ線を検知する。各々の検出器素子２０は、入射するＸ線ビームの強度、従って、患者２２を通過する間でのビームの減衰量を表す電気信号を発生する。Ｘ線投影データを収集するための１スキャンの間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着された構成部品は、回転中心２４の周りを回転する。
【００１３】
ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御されている。制御機構２６は、Ｘ線制御装置２８と、ガントリ・モータ制御装置３０とを含んでいる。Ｘ線制御装置２８は、Ｘ線源１４に対して電力信号及びタイミング信号を供給し、ガントリ・モータ制御装置３０は、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御する。制御機構２６内に設けられたデータ収集システム（ＤＡＳ）３２が、検出器素子２０からのアナログ・データをサンプリングすると共に、後続処理のためにこのデータをディジタル信号に変換する。画像再構成装置３４が、サンプリングされてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って、高速画像再構成を行う。再構成された画像は、計算機３６への入力として印加され、計算機３６は、大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。
【００１４】
計算機３６は又、キーボードを有しているコンソール４０を介して、オペレータから命令（コマンド）及び走査パラメータを受け取る。付設された陰極線管表示装置４２によって、オペレータは、再構成された画像、及び計算機３６からのその他のデータを観察することができる。オペレータが供給した命令及びパラメータを計算機３６で用いて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御装置２８及びガントリ・モータ制御装置３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、計算機３６はテーブル・モータ制御装置４４を動作させ、テーブル・モータ制御装置４４は、モータ式テーブル４６を制御して、ガントリ１２内で患者２２を位置決めする。具体的には、テーブル４６は、患者２２の部分をガントリ開口４８内で移動させる。
【００１５】
図３を参照しながらＸ線源１４の動作に関して述べると、Ｘ線ビーム１６はＸ線源１４の焦点５０から発している。Ｘ線ビーム１６はコリメータ５２によってコリメートされ、コリメートされたビーム１６は、ファン・ビーム１６内の中心に位置しているファン・ビーム軸５４に沿って検出器配列１８に向かって投射される。
【００１６】
図４に示すように、検出器配列１８は、焦点５０から一定半径で全体的に彎曲している。ファン・ビーム角度（α）における焦点５０と検出器素子２０の中心との間の距離（ｄ）は、どの検出器素子の場合にも同一である。具体的には、
ｄ（α₀ ）＝ｄ（α_n ）
であり、ここで、
α₀ ＝垂線におけるファン・ビーム角度
α_n ＝垂線から外れた任意の角度におけるファン・ビーム角度
である。
【００１７】
前述したように、公知のコリメータは、矩形、即ち直線状の開口、即ちスロットを有している。Ｘ線源１４とコリメータ開口との間の距離（ｓ）は、ファン・ビーム角度（α）の関数として変化する。具体的には、
ｓ（α₀ ）＜ｓ（α_n ）
であり、ここで、
α₀ ＝垂線におけるファン・ビーム角度
α_n ＝垂線から外れた任意の角度におけるファン・ビーム角度
である。
【００１８】
図５に示すように、矩形のスロット又は開口５６を有しているコリメータ５２によってコリメートされたファン・ビーム１６は、参照番号５８に示すように全体的に凸形である。具体的には、ビーム１６内の各々のＸ線は、以下の方程式に従って、ｚ軸位置Ｚ（α）において検出器配列１８内の検出器セル（２０）に入射する。
【００１９】
Ｚ（α）＝（ｃ−ｆ）ｄ（α）／ｓ（α）＋ｆ
ここで、
α＝ファン・ビーム角度
Ｚ＝検出器上でのビームの位置
ｆ＝ｚ軸内での焦点の位置
ｃ＝ｚ軸内でのコリメート点の位置
ｄ＝Ｘ線源から検出器までの距離
ｓ＝Ｘ線源からコリメータまでの距離
である。
【００２０】
しかしながら、検出器素子２０は全体的に矩形であるので、凸形のファン・ビーム１６の一部は検出器２０に入射しない。しかも、この使用されない部分６０（斜線部分）は患者２２によって減衰されている。このように患者２２は、凸形のファン・ビームの全部に不必要にさらされていた。
図６を参照すると、本発明の一実施例によれば、コリメータ７０は輪郭付けされた（contoured）開口７２を内部に有している。輪郭付けされた開口７２は彎曲しており、Ｘ線源１４からのＸ線ビームを受け取って、検出器配列１８内の検出器素子２０に入射するときには全体的に矩形となるビーム７４を放出する。図面に示すように、矩形のビーム７４は、矩形の検出器素子２０と直接に重なり合う。従って、一実施例では、輪郭付けされた開口７２は、ファン・ビーム１６の使用されないいかなる部分も検出器素子２０に入射しないように防止しており、このようにして、患者が不必要なＸ線量を被曝することを回避している。
【００２１】
本発明のもう１つの実施例によれば、コリメータ開口は、以下の方程式に従って彎曲している。
ｃ（α）＝（Ｚ−ｆ）ｓ（α）／ｄ（α）＋ｆ
ここで、
α＝ファン・ビーム角度
Ｚ＝検出器上でのビームの位置
ｆ＝ｚ軸内での焦点の位置
ｃ＝ｚ軸内でのコリメート点の位置
ｄ＝Ｘ線源から検出器までの距離
ｓ＝Ｘ線源からコリメータまでの距離
である。
【００２２】
本発明の更にもう１つの実施例によれば、コリメータ開口は、各々のスライス形状及び焦点寸法と関連して輪郭付けされている。例えば、後に詳述するカム式コリメータを用いて、開口寸法の関数として開口形状を連続的に変化させることができる。
本発明の更にもう１つの実施例によれば、図７に示すように、コリメータ８０は、固定的な線形勾配（リニア・ランプ）によって輪郭付けされているコリメータ開口８２を有している。この固定的な線形勾配は、ノミナル（名目的）なスライス形状の曲率を近似している。例えば、Ｘ線源１４と患者２２との間の距離が５４１ｍｍであり、Ｘ線源１４と検出器素子２０との間の距離が９４９ｍｍであり、Ｘ線源１４とコリメータとの間の垂直距離が１６２ｍｍである場合には、１００ｍｍ当たり０．２ｍｍの勾配の傾斜部を用いることができる。線形勾配を有する開口８２は、同様に患者線量を減少させると共に、多数の彎曲した輪郭又は多数の直線的な輪郭よりも容易に製造されるものと考えられる。
【００２３】
図８は、本発明の更にもう１つの実施例によるダブル・カム式コリメータ１００を上方から見た図である。コリメータ１００は、カム１０２及び１０４を含んでいる。カム１０２及び１０４は、隔設されていると共にエッジ１０６及び１０８をそれぞれ全体的に画定しているものとして図示されており、エッジ１０６とエッジ１０８との間を通過するビームを制限している。カム１０２及び１０４の各々は、カム１０２及び１０４から伸びているボス（突起）１１０Ａ及び１１０Ｂ、並びにボス１１０Ｃ及び１１０Ｄを含んでいる。ステップ・モータ（図示していない）を各々のカム１０２及び１０４の少なくとも１つの突起１１０Ａ及び１１０Ｂ、並びにボス１１０Ｃ及び１１０Ｄに接続すれば、これらのカム１０２及び１０４の相対的な移動が制御される。
【００２４】
上述したような輪郭付けされた開口を有しているコリメータは、検出器セル２０の寸法をより正確に近似するように、コリメートされるファン・ビーム１６を制限する。コリメートされるファン・ビーム１６をこのように制限することにより、患者２２によって減衰されるＸ線ビームのうちの使用されない部分は減少し、しかも検出器セル２０で受け取られるデータの健全性は維持される。
【００２５】
本発明の様々な実施例に関する以上の記述から、本発明の目的が達成されたことは明らかである。本発明を詳細にわたって記述すると共に図示したが、これらは説明及び例示のみを意図したものであって、限定のためのものであると解釈してはならないことを明瞭に理解されたい。例えば、ここに記載したＣＴシステムは、Ｘ線源と検出器との両者がガントリと共に回転するような「第３世代」システムである。しかしながら、検出器が全環状の静止式検出器であって、Ｘ線源のみがガントリと共に回転するような「第４世代」システムを含めて他の多くのＣＴシステムを用いることができる。更に、ここに記載した線形勾配で輪郭付けされた開口は、１００ｍｍ当たり０．２ｍｍの勾配の傾斜部を有しているが、他の多くの勾配の傾斜部を用いることができる。更に又、開口の輪郭を、特定の彎曲若しくは傾斜部として予め製造することもできるし、又は代替的に、開口の輪郭を走査中に変更することもできる。従って、本発明の要旨は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＴ作像システムの見取り図である。
【図２】図１に示すシステムのブロック模式図である。
【図３】コリメータを有しているＣＴ作像システムの模式図である。
【図４】ファン・ビーム、コリメータ及び検出器の模式図である。
【図５】公知のコリメータ開口及び凸形のビームの模式図である。
【図６】本発明の一実施例によるコリメータ開口の模式図である。
【図７】本発明のもう１つの実施例によるコリメータ開口の模式図である。
【図８】本発明の更にもう１つの実施例によるダブル・カム式コリメータを上方から見た図である。
【符号の説明】
１０ＣＴシステム
１２ガントリ
１４Ｘ線源
１６Ｘ線ビーム
１８検出器配列
２０検出器素子
２２患者
２４回転中心
２６制御機構
２８Ｘ線制御装置
３０ガントリ・モータ制御装置
３２データ収集システム（ＤＡＳ）
３４画像再構成装置
３６計算機
３８大容量記憶装置
４０コンソール
４２陰極線管表示装置
４４テーブル・モータ制御装置
４６モータ式テーブル
４８ガントリ開口
５０焦点
５２従来のコリメータ
５４ファン・ビーム軸
５６矩形の開口
５８凸形のファン・ビーム
６０ファン・ビームの使用されない部分
７０、８０本発明のコリメータ
７２、８２輪郭付けされた開口
７４矩形のビーム
１００ダブル・カム式コリメータ
１０２、１０４カム
１０６、１０８エッジ
１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ、１１０Ｄボス

Claims

計算機式断層写真法システム（１０）で用いられるコリメートされたファン・ビームの形状を制御するプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）であって、前記計算機式断層写真法システム（１０）は、複数の矩形の検出器素子を備える検出器配列（１８）と、Ｘ線源（１４）とを含んでおり、前記コリメータ（７０、８０、１００）は、前記コリメートされたファン・ビームを制限する彎曲した開口（７２、８２）を内部に有しているＸ線吸収材料を含んでおり、前記彎曲した開口（７２、８２）は、該彎曲した開口を通過するビームの本影が全体的に矩形となるファン・ビームを形成するように輪郭付けされているプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記システム（１０）は、物体を走査するように構成されており、前記彎曲した開口（７２、８２）の寸法は、輪郭を変化させることができる請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記彎曲した開口（７２、８２）は、線形勾配により輪郭付けされている請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記固定的な線形勾配は、１００ｍｍ当たり０．２ｍｍの勾配の傾斜部を有している請求項３に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記検出器配列（１８）は、少なくとも１つの全体的に矩形の検出器素子（２０）を含んでおり、前記彎曲した開口（７２、８２）は、該彎曲した開口を通過するビームのファン・ビーム本影が前記矩形の検出器素子（２０）に実質的に適合するように輪郭付けされている請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記コリメータ（７０、８０、１００）は、第１のカム（１０２）と、第２のカム（１０４）とを含んでいるダブル・カム式コリメータ（１００）であり、少なくとも前記第１のカム（１０２）は、前記第２のカム（１０４）に対して移動可能である請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記コリメータの彎曲した開口（７２、８２）は、前記Ｘ線源（１４）の焦点寸法の関数として調節され得る請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
前記システム（１０）は、構造が変化するスライスを再構成するように構成されており、前記彎曲した開口（７２、８２）は、前記スライスの構造の関数として輪郭付けされている請求項１に記載のプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。
計算機式断層写真法システム（１０）で用いられるコリメートされたファン・ビームの形状を制御するプリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）であって、前記計算機式断層写真法システム（１０）は、検出器配列（１８）と、Ｘ線源（１４）とを含んでおり、前記コリメータ（７０、８０、１００）は、前記コリメートされたファン・ビームを制限する開口（７２、８２）を内部に有しているＸ線吸収材料を含んでおり、
前記開口（７２、８２）は、ｃ（α）＝（Ｚ−ｆ）ｓ（α）／ｄ（α）＋ｆに従って輪郭付けされており、ここで、α＝ファン・ビーム角度、Ｚ＝検出器（１８）上でのビームのｚ軸位置、ｆ＝ｚ軸内での焦点（５０）の位置、ｃ＝ｚ軸内でのコリメート点の位置、ｄ＝Ｘ線源から検出器までの距離、及びｓ＝Ｘ線源からコリメータまでの距離、である
プリ・ペイシェント・コリメータ（７０、８０、１００）。