JP4088058B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ｘ線を被検体に透過させ、その透過データをコンピュータ処理することにより画像を再構成するＸ線コンピュータト断層撮影装置が知られている。こうして得られた画像により、治療対象の位置、大きさ及び病変の程度等の医学的な知見を得、それに基づいて治療計画を立てる、つまり放射線の照射範囲、照射位置、さらに照射線量等を設定する。こうして、放射線を治療領域にのみ正確に照射することによって、周囲の健常組織へのダメージを最小限に抑えて、治療対象のみを放射線で治療するようにしている。
【０００３】
しかしながら、従来では、治療対象の位置及び大きさ等を知見を得るためのＸ線コンピュータ断層撮影装置と放射線治療装置との２つの装置が必要となり、大きな設置面積が必要であるとともに、多大なコストがかかる。そればかりでなく、別個の装置であるＸ線コンピュータ断層撮影装置で位置や大きさ等を求めてから、患者を、通常は別室の放射線治療装置に移送し、そこで改めて位置設定を行うため、位置決め精度が低下するという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、放射線治療の位置決め精度を向上し得るＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１局面に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に照射するためのＸ線を発生する第１Ｘ線管と、前記被検体を透過したＸ線を検出する第１Ｘ線検出器と、前記被検体の治療対象に照射するためのＸ線を発生する第２Ｘ線管と、前記第２Ｘ線管からのＸ線を絞るための幅及び位置が可変の開口を有する第２Ｘ線コリメータと、前記第１Ｘ線管装置、前記第１Ｘ線検出器及び前記第２Ｘ線管装置を前記被検体回りに回転する回転機構と、前記第１Ｘ線管装置及び前記第１Ｘ線検出器の回転と並行して、前記Ｘ線検出器で検出されたデータに基づく画像の再構成を繰り返す再構成ユニットと、前記画像から前記治療対象の領域を繰り返し抽出する画像処理部と、前記抽出された前記治療対象の領域に基づいて前記Ｘ線コリメータの開口の中心位置と幅との少なくとも一方を、前記第２Ｘ線管の回転に伴って動的に変化させる制御部とを具備し、前記第２Ｘ線管から前記治療対象へのＸ線照射と並行して、前記第１Ｘ線管装置及び前記第１Ｘ線検出器によるデータの検出、前記画像の再構成、前記画像からの前記治療対象の領域の抽出、前記Ｘ線コリメータの開口の制御が即時的に実行される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ装置）を好ましい実施形態により説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置のスキャン方式としては、Ｘ線管とＸ線検出器とが１体として被検体の周囲を回転するローテート／ローテートタイプ、リング状にアレイされた多数の検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転するステーショナリ／ローテートタイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能であるが、ここではローテート／ローテートタイプを例に説明する。また、１枚の断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データの１セットが、またハーフスキャン法でも１８０°＋ファン角分の投影データが必要とされる。ここでは、前者の例で説明する。なお、投影データとは、Ｘ線パス上の組織等の減弱係数（又は吸収係数）の通過距離に関する積分データとして定義される。
【０００７】
図１に、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成を示している。本実施形態のＸ線コンピュータ断層撮影装置は、スキャンガントリ１とコンピュータ装置２と図示しない寝台とから構成される。スキャンガントリ１は、被検体に関する投影データを収集するための構成要素であり、その投影データはコンピュータ装置２に取り込まれ、画像再構成等の処理に供される。被検体は、寝台の天板に載置された状態でスキャンガントリ１の撮影領域内に挿入される。
【０００８】
コンピュータ装置２は、中央制御ユニット２１と、それに対してデータ／制御バス２２を介して接続された前処理部２３、画像再構成ユニット２４、画像表示ユニット２５及び画像処理部２６から構成される。
【０００９】
スキャンガントリ１は、多管球型であり、つまり円環状の回転架台に、Ｘ線管装置とＸ線検出器とのペアが複数搭載されている。ここでは、２管球型として説明する。第１ペア１１は、第１Ｘ線管装置１１０と、それに対向する多チャンネル型の第１Ｘ線検出器１１３とが回転架台に搭載されている。第２ペア１２は、第２Ｘ線管装置１２０と、それに対向する多チャンネル型の第２Ｘ線検出器１２３とが、その中心軸が第１ペア１１の中心軸と回転軸ＲＡで所定角度（ここでは９０°と仮定する）交差する位置関係で回転架台に搭載されている。
【００１０】
第１Ｘ線管装置１１０は、第１Ｘ線管球１１１と、第１Ｘ線管球１１１と被検体との間に配置される、具体的には第１Ｘ線管球１１１のＸ線放射窓の直前に取り付けられる第１Ｘ線絞り装置１２０等の周辺要素とから構成される。この第１Ｘ線絞り装置１２０は、第１Ｘ線管球１１１から放射されるＸ線の広がり角（ファン角ともいう）を制限するための装置であり、複数の可動式遮蔽板と、それらを個々に移動する駆動部とを備えている。複数の可動式遮蔽板各々の位置を制御することにより、開口幅および開口位置を任意に調整することができるようになっている。
【００１１】
第２Ｘ線管装置１２０も同様に、第２Ｘ線管球１２１と、第２Ｘ線絞り装置１２２等の周辺要素とから構成される。また、第２Ｘ線絞り装置１２２も、第１Ｘ線絞り装置１１２と同様に、第２Ｘ線管球１２１から放射されるＸ線の広がり角（ファン角）を制限するための装置であり、複数の可動式遮蔽板と、それらを個々に移動する駆動部とを備え、複数の可動式遮蔽板各々の位置を制御することにより、開口幅および開口位置を任意に調整することができるようになっている。ただし、第２Ｘ線絞り装置１２２はその開口幅に関する機構上の制約が、第１Ｘ線絞り装置１１２のそれよりも緩和されている。具体的には、第２Ｘ線絞り装置１２２の開口下限（最小の開口幅）が、第１Ｘ線絞り装置１１２の開口下限よりも、狭く構成されている。なお、第２Ｘ線絞り装置１２２の開口上限（最大の開口幅）に関しては、第１Ｘ線絞り装置１１２の開口上限と略同じに構成されている。それにより、第２Ｘ線絞り装置１２２は、Ｘ線を被検体の断面全域をカバーするファン角に広げること、及びＸ線を被検体の断面内の比較的小さい治療対象（患部）に対して限定的に照射する程度にファン角に狭く設定することが可能である。
【００１２】
第２Ｘ線管装置１２０は、Ｚシフト機構１５に支持されている。Ｚシフト機構１５は、図２に示すように、回転軸ＲＡ（Ｚ軸に同じ）と平行又は略平行な向きに、第２Ｘ線管装置１２０を移動可能に支持するために必要な構造及び電動駆動部を装備している。このＺシフト機構１５による第２Ｘ線管装置１２０の移動は、架台制御部１４の制御のもとにある。なお、典型的には、第１Ｘ線管装置１１０から照射されるＸ線束の中心軸は、回転軸ＲＡに直交するように、第１Ｘ線管装置１１０のＺ位置が設計され、その結果、第１Ｘ線管装置１１０から照射されるＸ線束は架台回転に伴ってその回転軸ＲＡに直交する面（スキャン面）内で移動する。Ｚシフト機構１５が第２Ｘ線管装置１２０をシフトしないとき、第２Ｘ線管装置１２０から照射されるＸ線束は架台回転に伴って上記と同じスキャン面内を移動するが、Ｚシフト機構１５が第２Ｘ線管装置１２０をΔＤの距離をシフトするとき、第２Ｘ線管装置１２０から照射されるＸ線束の中心軸は回転軸ＲＡに対して斜めに交差するので、そのＸ線中心軸が架台回転に伴って描く形状としてはΔＤを高さとする２つの円錐を頂点で結合した鼓形状になる。
【００１３】
図１に戻る。Ｘ線制御部１３は、管電圧及びフィラメント電流（フィラメント電流により管電流が制御される）を第１、第２Ｘ線管球１１１，１２１に対して個別に印加及び供給することができるように、第１Ｘ線管球１１１と第２Ｘ線管球１２１とにそれぞれ対応する２系統の高電圧発生器を装備している。第１Ｘ線管球１１１に対応する高電圧発生器は、イメージング用のＸ線条件のもとで第１Ｘ線管球１１１に電力を供給する。例えば、この高電圧発生器は、第１Ｘ線管球１１１に対して、管電圧が１５０ｋＶ以下、管電流が３００ｍＡ以下の駆動能力を持っている。一方、第２Ｘ線管球１２１に対応する高電圧発生器は、イメージング用のＸ線条件よりも過酷な治療用のＸ線条件で第１Ｘ線管球１１１に電力を供給することが可能な高出力型が採用されている。例えば、この高電圧発生器は、第２Ｘ線管球１２１に対して、管電圧が１５０ｋＶ以上、管電流が３００ｍＡ以上の駆動能力を持っている。
【００１４】
これら２系統の高電圧発生器から第１、第２Ｘ線管球１１１、１２１に印加される管電圧及び管電流制御用のフィラメント電流は、架台制御部１４の制御のもとにある。このＸ線制御部１３に対する制御とともに、架台制御部１４は、第１、第２Ｘ線絞り装置１１２、１２２それぞれの開口幅および開口位置、さらには回転架台の回転、天板のスライド等スキャンに関わる全てのオペレーション制御を担当する。
【００１５】
第１、第２Ｘ線検出器１１３、１２３の出力は、それぞれデータ収集部１１４、１２４、図示しないが連続回転を可能にするスリップリング及び前処理部２３を介して投影データとして再構成ユニット２４に供給され、そこで断層像データの再構成のために用いられる。この断層像データは、画像表示ユニット２５に表示されるとともに、特に第１ペア１１を使って取得した断層像データは画像処理部２６に送られ、そこで治療対象（患部）の領域の輪郭抽出に供される。
【００１６】
上述したように、第２Ｘ線管球１２１に対応する高電圧発生器に高出力型を採用し、また第２Ｘ線絞り装置１２２にその開口下限が狭いものを採用したことにより、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に断層撮影とともに、放射線治療を兼用させることが可能になる。それにより断層像撮影、放射線治療時の位置決め、そして実際に放射線治療に至るまで、同じＸ線コンピュータ断層撮影装置一台でまかなうことができ、従って患者の物理的な移送が不要になり、位置決め精度の向上を図ることができる。
【００１７】
しかも、多管球型を採用しているので、一方のペア１２で放射線治療を実行しながら、それと並行して他方のペア１１でイメージングのためのスキャン、つまりイメージング用Ｘ線条件でＸ線の曝射及び透過Ｘ線の検出を行って、即時的に断層像を観察し、またその断層像から体動等に伴う患部の移動に対して治療Ｘ線の照射位置を刻々と修正することを実現する。
【００１８】
図３には、本実施形態の治療動作の流れを示している。まず、治療の準備作業が行われる。その最初の作業としては、第１ペア１１により治療計画のためのプリスキャンが比較的低線量で実行される（Ｓ１）。もちろん、このプリスキャンは、第２ペア１２を使って行っても良いし、第１、第２両方のペア１１，１２を使って行うようにしてもよい。
【００１９】
このプリスキャンにより収集した多方向の投影データに基づいて再構成ユニット２４により断層像データが再構成される（Ｓ２）。この断層像は表示ユニット２５に表示される。術者は、表示された断層像上に図示しない入力デバイスを介して治療対象（患部）を指定する。画像処理部２６では、術者に指定された点を使って、患部領域の輪郭を抽出する（患部マーキング、Ｓ３）。輪郭抽出の手法としては、既存の手法から任意に選択される。典型的には指定点から外側に探索範囲を拡大しながら特定のＣＴ値変化を示す場所を輪郭として認識する領域拡大法、または輪郭線上の点が指定され、その指定点を起点として連続的に輪郭線上の点を追跡していく輪郭追跡法が採用される。
【００２０】
この抽出された輪郭に基づいて、この画像処理部２６又は中央制御ユニット２１により、患部領域の位置（中心位置、又は重心位置）が計算され、また大きさが計算される（Ｓ４）。さらに、患部領域の位置と大きさに基づいて、画像処理部２６又は中央制御ユニット２１により、回転架台の回転に伴う第２Ｘ線管球１２１の回転角の変化に対する第２Ｘ線絞り装置１２２の開口位置及び開口幅の変化が計算される（Ｓ５）。具体的には、治療時に設定されるＺシフト量に対応する第２Ｘ線管球１２１の回転軌道上に一定間隔で所定数の離散点を与え、その離散点ごとに、第２Ｘ線管装置１２０からのＸ線が患部だけ又は患部とその周辺の最小限の健常組織だけに限定的に照射されるように開口幅及び開口位置が計算される。離散点間の位置に対応する開口幅及び開口位置は、補間により揃えるようにしてもよいし、治療中の開口制御を離散点の通過周期で更新するようにしてもよい。
【００２１】
準備作業の最終段階として、課題制御部１４の制御のもとに第２絞り装置１２２の開口幅及び開口位置を初期値、つまり予め決まっている治療開始回転角に対応するＳ５で計算した開口幅及び開口位置に設定する（Ｓ６）。このＳ６では、開口初期設定と共に、第２Ｘ線管装置１２を所定距離だけＺシフトする。このＺシフトにより、上述したように、第２Ｘ線管装置１２からの治療用Ｘ線は、第１Ｘ線管装置１１からのイメージング用Ｘ線が描くスキャン面とは一点のみで交差する鼓形状の中を移動するので、患部以外の被曝をできるだけ抑制することが実現され得る。
【００２２】
以上の準備作業が完了した後、実際に治療作業が開始される（Ｓ７）。つまり、治療用のＸ線条件で対応する高電圧発生装置から第２Ｘ線管球１２１に電力供給（管電圧、フィラメント電流）が開始され、それにより第２Ｘ線管球１２１から治療用の比較的高線量でＸ線が曝射され、そして第２Ｘ線絞り装置１２２の狭い開口でビーム状に細く絞られたＸ線が被検体患部に照射される。このＸ線は連続的に曝射するようにしても良いし、パルス的に、つまり非常に短い周期で間欠的に曝射するようにしても良い。
【００２３】
そして、図４乃至図７に示すように、架台制御部１４は、第２Ｘ線管装置１２（又は第２Ｘ線管球１２１）の回転角を図示しないロータリーエンコーダ等の位置センサを介して検出し、その検出した回転角と、Ｓ５で事前に計算した結果とに従って、その回転角に応じた開口幅及び開口位置に設定するために、第２Ｘ線絞り装置１２３を制御する（Ｓ８）。
【００２４】
治療開始から、予定した治療時間（放射線照射時間）が経過していれば、治療終了する（Ｓ１０）。つまり、第２Ｘ線管球１２１から治療用の比較的高線量のＸ線の照射を停止するために、高電圧発生装置から第２Ｘ線管球１２１への電力供給（管電圧、フィラメント電流）を停止する。治療開始から、予定した治療時間（放射線照射時間）が経過していないとき、次のステップＳ１１に移行する。
【００２５】
Ｓ１１では、第１ペア１１により、スキャン面がスキャンされる。つまり、イメージング用のＸ線条件で高電圧発生装置から第１Ｘ線管球１１１に電力供給（管電圧、フィラメント電流）が開始され、それにより第１Ｘ線管球１１１からイメージング用の比較的低い線量でＸ線が曝射され、そして第１Ｘ線絞り装置１１２の広い開口を通して広いファン角でＸ線が被検体に照射され、その透過Ｘ線が第１Ｘ線検出器１１３で検出される。次のＳ１２で、その検出された投影データに基づいて再構成ユニット２４で断層像データが即時的に再構成され、表示される（ＣＴ透視）。この断層像から、画像処理部２６で、患部領域の輪郭が抽出され（Ｓ１３）、その抽出された輪郭に基づいてこの画像処理部２６又は中央制御ユニット２１により患部領域の位置が再計算される（Ｓ１４）。
【００２６】
この再計算した患部領域の位置に基づいて、事前に計算した第２Ｘ線管球１２１の回転角の変化に対する第２Ｘ線絞り装置１２２の開口位置の変化を、補正する（Ｓ１５）。なお、この開口位置とともに、開口幅も補正するようにしてもよいが、補正処理の即時性を考慮して、ここでは開口位置補正にとどめることが好ましいと考えられる。
【００２７】
この補正した“第２Ｘ線管球１２１の回転角の変化に対する第２Ｘ線絞り装置１２２の開口位置の変化”に基づいて、Ｓ８に戻り、第２Ｘ線絞り装置１２２の開口幅及び開口位置を制御する。
【００２８】
このように治療と並行して、断層撮影を行い、その断層像から抽出した患部領域に基づいて、第２Ｘ線絞り装置１２２の開口位置を制御することにより、患者の体動等による患部に対する治療用Ｘ線の照射位置のずれを逐次修正することができる。
【００２９】
なお、上述したＳ１１の第１ペア１１によるスキャンは、１回転周期で連続的に繰り返され、それに伴い再構成ユニット２４で１周ごとに収集した投影データに基づいて断層像データの再構成を１周分のフレームレートで繰り返すようにしても良いし、それよりも実質的なスキャン間隔を短縮してフレームレートを高くするために、いわゆるハーフスキャンを採用してもよいし、さらにそれよりも実質的なスキャン間隔を短縮してフレームレートを高くするために、例えば６０°ごとに新旧の投影データを１周期前の断層像データに加える／引き算するという再構成処理を採用しても良い。
【００３０】
また、上述では、Ｓ１１の第１ペア１１によるスキャンは、連続的に繰り返していたが、図８に示すように、Ｓ１６において、例えば患者の体動を目視確認して、患部位置修正の必要性が生じて術者が手動で位置修正を指示したときにだけ、または一定の時間間隔を空けて間欠的に実行するようにしてもよい。これは位置変動に対する追従性は多少低下するものの、イメージングのための被曝量低減に効果的である。
【００３１】
本発明は上述した実施形態に限定されず、種々変形して実施可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、１台の装置を使って、治療対象の位置決めから、放射線治療まで被検体移動なく行うことができるので、被検体の移送に伴う位置ずれ等が解消され、従って放射線治療の位置決め精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成図。
【図２】図１のＺシフト機構の機能説明図。
【図３】本実施形態において、回転架台が基準位置のときの第２Ｘ線絞り装置の開口幅及び開口位置を示す図。
【図４】本実施形態において、回転架台が基準位置から９０°回転したのときの第２Ｘ線絞り装置の開口幅及び開口位置を示す図。
【図５】本実施形態において、回転架台が基準位置から１８０°回転したときの第２Ｘ線絞り装置の開口幅及び開口位置を示す図。
【図６】本実施形態において、回転架台が基準位置から２７０°回転したときの第２Ｘ線絞り装置の開口幅及び開口位置を示す図。
【図７】本実施形態による治療動作の流れを示すフローチャート。
【図８】本実施形態による他の治療動作の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１…スキャンガントリ、
１１…第１ペア、
１１０…第１Ｘ線管装置、
１１１…第１Ｘ線管球、
１１２…第１Ｘ線絞り装置、
１１３…第１Ｘ線検出器、
１１４…第１データ収集部、
１２…第２ペア、
１２０…第２Ｘ線管装置、
１２１…第２Ｘ線管球、
１２２…第２Ｘ線絞り装置、
１２３…第２Ｘ線検出器、
１２４…第２データ収集部、
１３…Ｘ線制御部、
１４…架台制御部、
１５…Ｚシフト機構、
２…コンピュータ装置、
２１…中央制御ユニット、
２２…データ／制御バス、
２３…前処理部、
２４…再構成ユニット、
２５…画像表示ユニット、
２６…画像処理部。

Claims (4)

1. 被検体に照射するためのＸ線を発生する第１Ｘ線管と、
   前記被検体を透過したＸ線を検出する第１Ｘ線検出器と、
   前記被検体の治療対象に照射するためのＸ線を発生する第２Ｘ線管と、
   前記第２Ｘ線管からのＸ線を絞るための幅及び位置が可変の開口を有する第２Ｘ線コリメータと、
   前記第１Ｘ線管装置、前記第１Ｘ線検出器及び前記第２Ｘ線管装置を前記被検体回りに回転する回転機構と、
   前記第１Ｘ線管装置及び前記第１Ｘ線検出器の回転と並行して、前記Ｘ線検出器で検出されたデータに基づく画像の再構成を繰り返す再構成ユニットと、
   前記画像から前記治療対象の領域を繰り返し抽出する画像処理部と、
   前記抽出された前記治療対象の領域に基づいて前記Ｘ線コリメータの開口の中心位置と幅との少なくとも一方を、前記第２Ｘ線管の回転に伴って動的に変化させる制御部とを具備し、
   前記第２Ｘ線管から前記治療対象へのＸ線照射と並行して、前記第１Ｘ線管装置及び前記第１Ｘ線検出器によるデータの検出、前記画像の再構成、前記画像からの前記治療対象の領域の抽出、前記Ｘ線コリメータの開口の制御が即時的に実行されるＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記第１Ｘ線管からのＸ線を絞るための幅が可変の開口を有する第１Ｘ線コリメータをさらに備え、前記第１Ｘ線コリメータの開口の可変範囲は、前記第２Ｘ線コリメータの開口の可変範囲よりも狭い請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記第１Ｘ線管からのＸ線が前記被検体の断面全域をカバーするように前記第１Ｘ線コリメータの開口が設定され、前記第２Ｘ線管からのＸ線が前記被検体の治療対象に実質的に限定して照射されるように前記第２Ｘ線コリメータの開口が前記第１Ｘ線コリメータの開口より狭く設定される請求項６記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記第２Ｘ線管に対応する第２Ｘ線検出器をさらに備える請求項４記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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