JP4208271B2

JP4208271B2 - グリッド制御回転陽極型ｘ線管

Info

Publication number: JP4208271B2
Application number: JP15220397A
Authority: JP
Inventors: 雅敬植木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JPH113797A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、医用診断により有効な画像情報を提供するためのＸ線を発生するＸ線管装置ならびにこのＸ線管装置を用いたＸ線像撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線像撮像装置は、人体や物体の内部を調べるために有用であり、人体や物体に照射されたＸ線の透過濃度分布あるいはＸ線像を、電気的画像信号に変換し、例えばモニタ装置に、Ｘ線の透過濃度分布あるいはＸ線像をリアルタイムで表示するものである。
【０００３】
Ｘ線像撮像装置は、Ｘ線を発生するＸ線発生器と、被撮像対象物すなわち人体を通過したＸ線発生器からのＸ線を検出するＸ線検出器と、Ｘ線検出器を介してＸ線から変換された画像信号をリアルタイムでモニタ可能とするモニタ装置と、を有している。
【０００４】
Ｘ線発生器から放射されたＸ線は、人体を通過し、透過濃度分布またはＸ線像としてＸ線検出器に入射する。透過濃度分布またはＸ線像は、Ｘ線検出器により電気的画像信号に変換され、画像処理装置により所定の画像処理が施された後、モニタ装置に出力される。
【０００５】
ところで、被検査対象すなわち検体としての人体に照射されるＸ線量は少ないほど人体への影響が少なく、また最適なタイミングでの撮影を可能とするため、カテーテル治療における患者への被爆を低減する方法として、Ｘ線源から放射されるＸ線のグリッド制御とＸ線像増強管により得られたＸ線像をＣＣＤセンサにより電気信号に変換することにより、ＣＣＤセンサによる読み出し時間中は、Ｘ線照射を休止することを高速で繰り替えすパルス透視方法が実現されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、高いコントラストの画像を得るためには、低エネルギーで吸収線量の多いＸ線を大量に照射する必要があり、患者の被爆線量が多くなる問題がある。
【０００７】
また、患者の被爆線量を低減するために、エネルギーサブトラクションの技術を用い、ＣＲスクリーンの間に挟んだ金属板の固有ろ過に基づいて、上下のＣＲスクリーンにエネルギー特性の異なる画像を写し、２つスクリーンのＣＲの像を取り出して画像処理する方法も実現されているが、エネルギーサブトラクション画像を、実時間で観ることはできない。
【０００８】
この発明の目的は、より多くの画像情報を含んだＸ線画像を提供し、画像処理によるパルス透視画像の高画質化を可能なＸ線像撮像装置およびこの撮像装置に適したＸ線管装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記問題点に基づきなされたもので、高真空中の容器に熱電子を放出するフィラメントと電子を集束する集束電極とこれに対向する陽極を設け、熱電子を高電圧で加速して陽極に衝突させ、制動輻射によりＸ線を発生させるものであって、前記フィラメントと前記集束電極との間にバイアス電圧を印加することにより、電界強度の変化でフィラメントからの熱電子放出を制御可能であるグリッド制御回転陽極型Ｘ線管において、熱電子放出用のフィラメントを回転陽極の径方向にずらして２以上配置し、前記回転陽極に、前記フィラメントのそれぞれに対応して形成された２以上の同心円上の円弧または互いに重なることのない複数の曲線状に形成され、少なくとも内側に位置する軌道面については２以上に区切られている電子衝撃軌道面を設け、それぞれのフィラメントごとに加熱用電源およびバイアス電圧発生回路を独立に接続し、全てのフィラメントのバイアス電圧を、それぞれ独立に設定可能としたことを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管を提供するものである。
【００１０】
またこの発明は、高真空中の容器に熱電子を放出するフィラメントと電子を集束する集束電極とこれに対向する陽極を設け、熱電子を高電圧で加速して陽極に衝突させ、制動輻射によりＸ線を発生させるものであって、前記フィラメントと前記集束電極との間にバイアス電圧を印加することにより、電界強度の変化でフィラメントからの熱電子放出を制御可能であって、陽極を回転可能としたグリッド制御回転陽極型Ｘ線管において、回転陽極の径方向にずらして配置されたパルス透視用の焦点寸法を提供可能なフィラメントと単純撮影用の焦点寸法を提供可能なフィラメントとを有し、前記回転陽極に、前記フィラメントのそれぞれに対応して形成された同心円上の円弧または互いに重なることのない複数の曲線状に形成され、少なくとも内側に位置する軌道面については２以上に区切られている電子衝撃軌道面を設け、それぞれのフィラメントが独立にグリッド制御可能に独立したバイアス電圧発生回路と接続された電子銃を有することを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管を提供するものである。
【００１１】
さらにこの発明は、所定の半径および角度が与えられた第１の電子衝撃軌道面とこの第１の電子衝撃軌道面の半径、角度あるいは材質の少なくとも一つが変化された第２の電子衝撃軌道面を一体に有し、回転可能に形成された回転陽極と、この回転陽極に向けて熱電子を放出可能、かつ回転陽極の回転軸と平行な方向に、前記回転陽極のそれぞれの電子衝撃軌道面のそれぞれに対して独立に設けられ、熱電子を放出する複数のフィラメントを一体的に有する陰極と、前記陰極と前記回転陽極との間に設けられ、前記それぞれのフィラメントから放出された熱電子が前記回転陽極の前記それぞれのフィラメントに対応する電子衝撃軌道面に到達する量を変更する制御電極と、前記フィラメントのそれぞれを独立に加熱するための電源と、前記それぞれの制御電極に独立にバイアス電圧を供給するバイアス電圧回路と、を有し、前記回転陽極の前記第１および第２の電子衝撃軌道面の内の内周側に位置する電子軌道面と対応する前記陰極のフィラメントによりパルス透視のためのＸ線を発生し、前記のフィラメントの内の残りのフィラメントと対応する回転陽極電子軌道面により撮像用のＸ線を発生することを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管を提供するものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、この発明のＸ線管装置が組み込まれるＸ線像撮像装置を示す概略図である。
【００１３】
図１に示されるように、Ｘ線像撮像装置１は、Ｘ線を発生するＸ線発生器１１と、被検査対象としての人体Ｏを通過したＸ線発生器１１からのＸ線すなわちＸ線像を可視光像に変換するＸ線像増強管１３と、Ｘ線像増強管１３により可視光像に変換された出力像をモニタ可能するモニタ装置２１、並びにモニタ装置２１に対してＸ線像増強管１３により可視光像に変換された出力像を表示させるために、Ｘ線像増強管１３の出力像を撮像して電気的画像信号を出力する撮像装置３１を有している。
【００１４】
Ｘ線発生器１１から放射されたＸ線は、人体Ｏを通過し、Ｘ線像としてＸ線像増強管１３の入力窓１５に入力される。入力窓１５に入力されたＸ線像は、Ｘ線像増強管１３により増強され、Ｘ線像増強管１３の出力面１７により可視光像に変換されて出力面１７から出力される。
【００１５】
Ｘ線像増強管１３の出力面１７の出力像は、撮像装置３１のレンズ３３によりカメラ３５の撮像素子３７の撮像面に投影される。撮像素子３７の撮像面に投影された可視光像は、撮像素子３７により画像信号に変換され、画像処理装置３９により所定の画像処理が施されて、モニタ装置２１に表示される。
【００１６】
図２は、図１に示したＸ線像撮像装置１に組み込まれるＸ線発生管を説明する概略図である。
図２に示されるように、Ｘ線発生器４１は、熱電子を発生する陰極電子銃４２、陰極電子銃４２から発生された熱電子を加速して被撮像対象である人体に向けて連続的に放射する陽極ターゲットすなわち回転陽極４３、回転陽極４３を回転可能に保持するとともに回転陽極４３を所定の速度で回転させるためのモータ機構の一部を構成するロータ４４、ロータ４４に所定方向の駆動力を与えるステータ４５、及びステータ４５を除く要素を真空中に維持する真空外囲器４６等により構成されている。
【００１７】
回転陽極４３には、撮影用電子衝撃軌道面４７と、パルス透視用電子衝撃軌道面４８，４９が設けられ、図２に示されるような位置関係で陰極電子銃４２から発生された熱電子を真空外囲器４６の外部に向けて放射可能に配置されている。なお、パルス透視用電子衝撃軌道面４８，４９は、それぞれ、例えばＷ（タングステン），Ｍｏ（モリブデン）あるいはＲｈ（ロジウム）等により形成される。
【００１８】
陰極電子銃４２は、図３に詳述するよう、第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂおよび第３のフィラメント５２を有し、第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂは、回転陽極４３のパルス透視用電子衝撃軌道面４８、４９と組み合わせて、パルス透視時に利用される。なお、第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂは、図３に示されるように、同一箇所に焦点を結ぶように設計されている。また、陰極電子銃４２とフィラメント５１ａ，５１ｂとを電気的に絶縁し、相互間に所定のバイアス電圧を印加することで、回転陽極４３に入射される電子が制御される。
【００１９】
回転陽極４３の撮影用電子衝撃軌道面４７は、第３のフィラメント５２と組み合わせてＸ線撮影に利用される。また、回転陽極４３のパルス透視用電子衝撃軌道面４８，４９は、それぞれ異なる角度に形成され、第１および第２のフィラメントが焦点を結ぶことで、異なる実効焦点長さを提供する。なお、２つのパルス透視用電子衝撃軌道面４８，４９は、必要により材質が変更されてもよい。すなわち上述したＷ，ＭｏあるいはＲｈが、任意の組み合わせにより用いられてもよい。
【００２０】
図４は、図１に示したＸ線像撮像装置１の制御系を概略的に示すブロック図である。
図４に示されるように、Ｘ線発生器１１の陰極電子銃４２の第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂは、加熱用電源６０に接続されている。
【００２１】
グリッド電極を兼ねる陰極電子銃４２には、パルス発生回路６１に接続されたバイアス電源回路６２に接続されている。なお、バイアス電源回路６２はグリッドバイアス電圧を、１ミリ秒以下の時間内で、０Ｖないし数千Ｖまで任意に変化可能に形成されている。また、バイアス電源回路６２は、それぞれのフィラメント毎に独立に設置されていることから、万一、一方のフィラメントが断線しても、制御装置側でこれを検知してその系統を切り離せば、残ったフィラメントは継続使用可能となり、フェイルセーフ性を提供できる。
【００２２】
パルス発生回路６１には、基本クロック発生回路６３と分周回路６４により所定の周波数に低減された透視用パルスＰ１，Ｐ２が供給される。なお、通常、透視用パルスＰ１，Ｐ２は、同一間隔すなわち同一周波数に設定され、それぞれが発生されるタイミングが１／２パルス分ずらされている。すなわち、図５（ａ）および図５（ｂ）を用いて以下に説明するよう、一方のパルスがオンのとき他方のパルスがオフとなり、実質的に第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂのそれぞれを交互に駆動するよう、設定されている。また、バイアス電源回路６２は、パルスＰ１，Ｐ２が供給されるごとに所定期間、印加されるバイアス電圧出力を低下させることで、対応するフィラメントからの透視用Ｘ線のための熱電子を、回転陽極４３のパルス透視用電子衝撃軌道面４８、４９に到達可能とする。これにより、Ｘ線発生器４１の外部に、透視用Ｘ線が放射される。
【００２３】
透視用Ｘ線が放射されると、撮像装置３１のカメラ３５により撮像素子３７に結像されたＸ線像がモニタ装置２１に表示される。
再び図４を参照すれば、Ｘ線発生器１１の陰極電子銃４２の第３のフィラメント５２は、モニタ装置２１の近傍に設けられた図示しない撮影スイッチがオンされたことをトリガとしてバイアス電源回路６５から印加されるバイアス電圧出力所定期間を低下されることで、第３のフィラメント５２からの撮影用Ｘ線のための熱電子を回転陽極４３の撮影用電子衝撃軌道面４７に到達可能とし、撮影用電子衝撃軌道面４７から外部に向けて放射されるＸ線によりＸ線像が撮影される。なお、バイアス電源回路６５はグリッドバイアス電圧を、１ミリ秒以下の時間内で、０Ｖないし数千Ｖまで任意に変化可能に形成されている。また、この撮影時には、撮像装置３１による画像取り込みおよびモニタ装置２１への画像の表示は停止される。
【００２４】
以下、図１ないし図５に示したＸ線像撮像装置の動作の一例を説明する。
第１のフィラメント５１ａが透視用Ｘ線のための熱電子を出力するタイミングを、回転陽極４３の角度の深い軌道面４９の回転周期に、第２のフィラメント５１ｂが透視用Ｘ線のための熱電子を出力するタイミングを角度が浅い軌道面４８の回転周期に、それぞれに合わせ、図５に示したバイアス制御すなわちグリッド電圧制御を行えば、第１のフィラメント５１ａで大きな焦点、第２のフィラメント５１ｂで小さな焦点を交互に結像させることができる。なお、同一焦点を作ることもできる。この場合、それぞれのフィラメント５１ａ，５１ｂからの熱電子は、電子集束電極の第１および第２の軌道面４７，４８に向けて加速され、陽極に衝突した時点で制動輻射によりＸ線を発生することは、周知の通りである。
【００２５】
また、第１のフィラメント５１ａにより熱電子が発生される時と第２のフィラメント５１ｂにより熱電子が発生される時の管電圧を変化させることが可能であれば、異なるエネルギーによる画像を交互に収集可能となる。
【００２６】
いずれの場合も、画像取り込み系は、回転陽極４３の１回転ごとに出力される同期信号に同期して画像を収集する。なお、パルス透視から撮影に移る場合は、第３のフィラメント５２への電源の接続すなわちフィラメントの加熱の開始および電子集束電極の回転の起動に従いパルス透視用のＸ線の発生タイミングが変化してしまい、サブトラクション映像の収集が困難となるため、画像処理を停止するものとする。この場合、像影剤の陰影が見えれば問題ないので、第１および第２のフィラメント５１ａ，５１ｂとも、小焦点に切り換えることが望ましい。
【００２７】
一方、撮影時には、第３のフィラメント５２の加熱と、グリッドバイアス電圧の印加、および電子集束電極の回転を立ち上げにつづいて、所定のタイミングでグリッドバイアスを０にすることで、Ｘ潜像が撮影される。
【００２８】
以上説明したように、医用Ｘ線管装置に利用する場合、小焦点による高周波成分の多い画像、大焦点による低周波成分の多い画像、さらにターゲット材質の違いにより、高エネルギー成分による画像、低エネルギー成分による画像を、所定の順で収集可能となり、これらの画像を高周波強調、低周波強調画像の足し算、引き算や、高エネルギー成分の多いＸ線と低エネルギー成分の多いＸ線による画像の足し算、引き算（エネルギーサブトラクション）により、邪魔になる骨、または臓器陰影の消去、ガン病巣部の種留陰影、微小石灰像の強調、血管内カテーテル治療の場合は、カテーテル陰影の強調等、より高度な画像処理を行える画像情報の収集が実時間で可能となる。
【００２９】
また、造影剤を用いた血管撮影でパルス透視からフィルム撮影への切り替え時、単純撮影用焦点をグリッド制御することで、造影剤投入前に電子集束電極の陽極回転速度を低速回転から高速回転へ起動すると同時に、高電圧を維持したままで単純撮影用フィラメントの本加熱が可能で、フィラメントの加熱立ち上がり時間が短縮し、造影剤が流れる瞬間の撮影タイミングを逃すことがない。
【００３０】
なお、上述したＸ線発生器においては、少なくとも２個以上設けられた熱電子放出用フィラメントの陽極に対する取り付け位置を互いに電子集束電極の径方向にずらし、個々のフィラメントに合わせて異なった電子衝撃軌道面を形成する、あるいは電子衝撃軌道面の角度を軌道面毎に変えることにより、任意のＸ線を得ることができる。また、特性Ｘ線の利用が有効な場合は、軌道面の材質を変えることも可能である。
【００３１】
さらに、電子衝撃軌道面の一部、特に内側の軌道面については２分割、またはそれ以上に区切り、各分割位置ごとに角度、さらに必要であれば材質を変えることも可能である。
【００３２】
またさらに、陽極の回転位置を光学的、または磁気的、電気的方法にて検出し、陽極の回転に同期して電子銃のグリッドバイアス電圧を制御し、電子集束電極の電子衝撃軌道面の場所により異なる角度を選ぶことで焦点の長さ方向寸法を変化させることも可能である。
【００３３】
さらにまた、幅方向寸法について弱いグリッドバイアス電圧をかけることで制御し、同一のフィラメントで軌道面の角度とグリッドバイアス電圧を変化させることで２種類以上の焦点寸法を作り出すことができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明のＸ線管装置は、陽極の回転に同期した任意のグリッドバイアス電圧制御と、軌道面の角度、材質を２種類とすることで、線質と焦点寸法の異なるＸ線を高速で切り替えながら発生させることができる。
【００３５】
これによるＸ線像を、Ｘ線像増強管とＣＣＤカメラによりデジタル画像として取り込み、画像情報の高周波成分と低周波成分、エネルギーの高いＸ線による画像と、低いＸ線による画像とで、サブトラクション等の画像処理を行うことにより、邪魔になる骨、または臓器陰影の消去、ガン病巣部の種留陰影、微小石灰像の強調、血管内カテーテル治療の場合は、カテーテル陰影の強調等、より高度な画像処理を行える画像情報の収集が実時間で可能となり、より質の高い診断画像を得ることができる。
【００３６】
また、造影剤を用いた血管撮影においては、パルス透視からフィルム撮影への切り替え時、単純撮影用焦点をグリッド制御することで、造影剤投入前に電子集束電極の陽極回転速度を低速回転から高速回転へ起動すると同時に、単純撮影用フィラメントの本加熱が可能で、フィラメントの加熱立ち上がり時間が短縮し、造影剤が流れる瞬間の撮影タイミングを逃すことを低減できる。
【００３７】
さらに、パルス透視用のフィラメントは、従来タイプのＸ線管の電子銃によく見られる様に、Ｖ溝型の電子収束電極構造とすれば、同じ構造のフィラメントを２個備えることも可能で、どちらのフィラメントでも２種類の焦点寸法を構成できる。この場合、左右交互に使用することでフィラメント寿命の延長をはかったり、あるいは片方が断線しても、片方の焦点で使用を継続したりすることが可能となる。
【００３８】
グリッドバイアス電源を独立して持っているため、片方のフィラメントが断線して電子収束電極と接触しても、システム側でこれを検知してその系統を切り離せば、残った焦点はグリッド制御が可能でありフェイルセーフ性を提供できる。
これにより、被撮像対象である人体の患部に、不所望なＸ線が照射される時間およびＸ線エネルギー量を低減でき、患者をＸ線被爆から保護できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態であるＸ線発生管が組み込まれるＸ線像撮影装置を示す概略図。
【図２】図１に示したＸ線像撮像装置に組み込まれるＸ線発生管を説明する概略図。
【図３】図２に示したＸ線発生管の電子集束電極と陰極電子銃の相対位置関係を示す概略図。
【図４】図１に示したＸ線像撮像装置の制御系を概略的に示すブロック図。
【図５】図２に示したＸ線発生管の各フィラメントの出力を電子集束電極に到達させるためのバイアス電圧の制御タイミングを示すタイミングチャート。
【符号の説明】
１ …Ｘ線像撮像装置、
１１ …Ｘ線発生器、
１３ …Ｘ線像増強管、
２１ …モニタ装置、
３１ …撮像装置、
４２ …陰極電子銃、
４３ …電子集束電極、
４７ …撮影用電子衝撃軌道面、
４８ …パルス透視用電子衝撃軌道面、
４９ …パルス透視用電子衝撃軌道面、
５１ａ…第１のフィラメント、
５１ｂ…第２のフィラメント、
５２ …第３のフィラメント、
６０ …加熱用電源、
６１ …パルス発生回路、
６２ …バイアス電源回路、
６５ …バイアス電源回路。

Claims

高真空中の容器に熱電子を放出するフィラメントと電子を集束する集束電極とこれに対向する陽極を設け、熱電子を高電圧で加速して陽極に衝突させ、制動輻射によりＸ線を発生させるものであって、前記フィラメントと前記集束電極との間にバイアス電圧を印加することにより、電界強度の変化でフィラメントからの熱電子放出を制御可能であるグリッド制御回転陽極型Ｘ線管において、
熱電子放出用のフィラメントを回転陽極の径方向にずらして２以上配置し、前記回転陽極に、前記フィラメントのそれぞれに対応して形成された２以上の同心円上の円弧または互いに重なることのない複数の曲線状に形成され、少なくとも内側に位置する軌道面については２以上に区切られている電子衝撃軌道面を設け、それぞれのフィラメントごとに加熱用電源およびバイアス電圧発生回路を独立に接続し、全てのフィラメントのバイアス電圧を、それぞれ独立に設定可能としたことを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管。
前記フィラメントは、２以上の焦点寸法を提供可能であることを特徴とする請求項１記載のグリッド制御回転陽極型Ｘ線管。
高真空中の容器に熱電子を放出するフィラメントと電子を集束する集束電極とこれに対向する陽極を設け、熱電子を高電圧で加速して陽極に衝突させ、制動輻射によりＸ線を発生させるものであって、前記フィラメントと前記集束電極との間にバイアス電圧を印加することにより、電界強度の変化でフィラメントからの熱電子放出を制御可能であって、陽極を回転可能としたグリッド制御回転陽極型Ｘ線管において、
回転陽極の径方向にずらして配置されたパルス透視用の焦点寸法を提供可能なフィラメントと単純撮影用の焦点寸法を提供可能なフィラメントとを有し、前記回転陽極に、前記フィラメントのそれぞれに対応して形成された同心円上の円弧または互いに重なることのない複数の曲線状に形成され、少なくとも内側に位置する軌道面については２以上に区切られている電子衝撃軌道面を設け、それぞれのフィラメントが独立にグリッド制御可能に独立したバイアス電圧発生回路と接続された電子銃を有することを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管。
所定の半径および角度が与えられた第１の電子衝撃軌道面とこの第１の電子衝撃軌道面の半径、角度あるいは材質の少なくとも一つが変化された第２の電子衝撃軌道面を一体に有し、回転可能に形成された回転陽極と、
この回転陽極に向けて熱電子を放出可能、かつ回転陽極の回転軸と平行な方向に、前記回転陽極のそれぞれの電子衝撃軌道面のそれぞれに対して独立に設けられ、熱電子を放出する複数のフィラメントを一体的に有する陰極と、
前記陰極と前記回転陽極との間に設けられ、前記それぞれのフィラメントから放出された熱電子が前記回転陽極の前記それぞれのフィラメントに対応する電子衝撃軌道面に到達する量を変更する制御電極と、
前記フィラメントのそれぞれを独立に加熱するための電源と、
前記それぞれの制御電極に独立にバイアス電圧を供給するバイアス電圧回路と、
を有し、
前記回転陽極の前記第１および第２の電子衝撃軌道面の内の内周側に位置する電子軌道面と対応する前記陰極のフィラメントによりパルス透視のためのＸ線を発生し、前記のフィラメントの内の残りのフィラメントと対応する回転陽極電子軌道面により撮像用のＸ線を発生することを特徴とするグリッド制御回転陽極型Ｘ線管。