JP4414055B2

JP4414055B2 - Ｘ線ｃｔシステムにおけるガントリ装置及びその制御方法

Info

Publication number: JP4414055B2
Application number: JP2000087186A
Authority: JP
Inventors: 大吉田; 勝正能勢
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001276039A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＸ線照射によって被検体のＸ線断層像を得るＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線ＣＴ(Computerized Tomography)システム及び装置は、大別すると、ドーナツ状の空洞部を有する装置（一般に、ガントリ装置と呼ばれている）、ガントリ装置に対して各種制御信号を与えると共にガントリ装置より得られた信号（データ）に基づいてＸ線断層像を再構成し、表示する操作コンソール、そして、被検体（被検者）をガントリ装置の空洞部内に固定支持するため、及び、被検体を空洞部に向けて搬送するための搬送装置で構成される。
【０００３】
ガントリ装置は、上記空洞部を挟んで設けられたＸ線発生源（Ｘ線管）とこのＸ線発生源より照射されたＸ線を検出する検出部とを内蔵する回転部を備える。
【０００４】
実際に、スキャンする場合には、被検体を上記の搬送装置上に横たえさせて、ガントリ装置の空洞部に向けて搬送する。そして、ガントリ装置の回転部を回転駆動させると共にＸ線管を駆動することで、被検体に対する異なる方向でのＸ線の照射及び被検体を透過してきたＸ線の検出を検出部で行う。操作コンソールでは、上記のようにして、ガントリ装置より転送されてきた透過Ｘ線強度に対応する信号を受信し、これに基づいて、算術的に被検体の断層面におけるＸ線減衰率に応じた画像を生成する。この再生される像は一般にＸ線断層像と呼ばれ、Ｘ線断層像を再生する処理はＸ線断層像を再構成する、もしくは単に再構成する、と呼ばれる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ガントリ装置における回転部の所定位置には、上記の通りＸ線管が配置されるが、このＸ線管の重量は数十キロｇにも達する。従って、回転部の全体が重量的に不均一、つまりアンバランスになる。また、回転部そのものの精度の問題、或いは、回転部を支えるベースの歪み、更には、回転部の１回転に要する時間も１秒程度と、比較的高速であるので、重量のある部分で働く遠心力も無視できなくなる。上記の様々な要因によって、回転部の１回転中における水平方向（被検体の搬送方向に対して直交する水平方向）に対して位置ずれ（振動）が発生する。
【０００６】
Ｘ線ＣＴでは、回転部の中心位置が固定であることを前提にして、Ｘ線断層像の再構成の演算処理を行うものであるから、この水平方向の振動が許容範囲を越えてしまうと、再構成されるＸ線断層像に影響が現れ高い精度を保つことができない。
【０００７】
また、一般に、Ｘ線断層像の精度を高くする、すなわち、Ｓ／Ｎ比を向上させるためには、多くの回転角度位置でのＸ線透過データを必要とする。このためには、少なくとも、Ｘ線管が或る角度Ａにあったときに検出部で透過Ｘ線を検出したとき、その位置から１８０°回転した角度Ｂにおいても同様の透過Ｘ線を検出することが必要になる。
【０００８】
この場合に問題になるのは、上記角度Ａと角度Ｂにおける水平方向のずれの差が許容範囲を越えてしまうと、高い精度のＸ線断層像を再構成することができなくなってしまう点である。
【０００９】
そこで、本願発明は特にガントリ装置の水平方向の振動において、或る回転角と、それから１８０°の位相差を有する回転角におけるずれ量を抑制し、もって再構成されるＸ線断層像の信頼性を高めることを可能にするガントリの制御装置及びその制御方法を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため、例えば本発明のＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置は以下の構成を備える。すなわち、
Ｘ線発生源と、当該Ｘ線発生源から放射されたＸ線を、被検体を位置させる空洞部を介して検出するＸ線検出部とを有するガントリ回転部を備える、Ｘ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置であって、
前記ガントリ回転部の１回転中における前記被検体の搬送方向に対して直交する水平方向の位置ずれ量を検出する検出手段と、
該検出手段で検出した位置ずれ量における最大となる回転角を抽出する抽出手段と、
前記ガントリ回転部上に設けられた重りの、前記ガントリ回転部の回転中心からの距離を調整する重り調整手段と、
該重り調整手段を制御し、前記抽出手段で抽出された位置ずれの方向に対して逆の水平方向に対する遠心力を相対的に増加する制御手段とを備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に従って本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
先ず、実施形態におけるガントリ装置の構成を図１、図２を用いて説明し、その上で実施形態におけるガントリ装置の制御処理について説明する。
【００１３】
図１、２において、１はフロア上に置かれるベースであり、２はベース１に対して前後方向に傾斜可能な設けられたサブベースである。３はサブベース２に設けられた固定ケーシングであり、４は固定ケーシング３に対して回転可能に支持されているガントリ回転部である。５はサブベース２に設けられ、ベルト６を介してガントリ回転部４の回転駆動を行うモータである。
【００１４】
ガントリ回転部４内には、被検体１０に対してＸ線を放射するＸ線発生源であるＸ線管７、被検体１０を透過したＸ線を検出するＸ線検出部８、及び、Ｘ線管７からのＸ線について、図１に示すファン角θ及び図２に示す被検体１０の搬送方向の厚み（Ｘ線照射幅）をｗを画定するコリメータ９を有する。Ｘ線検出部８は、図１に示すようにファン角θの範囲のＸ線を検出する複数の検出素子を備える。この検出素子の列（アレイ）が１つ（１列）のみを有する装置を一般にシングルスライスＸ線ＣＴ装置或いはシステムと呼び、このアレイが隣接して複数列備えるものをマルチスライスＸ線ＣＴ装置或いはシステムと呼ばれる。
【００１５】
上記構成において、実際にＸ線断層像を再構成する場合には、モータ５によってガントリ回転部４を回転させ、尚且つ、Ｘ線管７を駆動し、Ｘ線検出部８により各回転の回動位置における被検体１０を透過し、減衰したＸ線を検出することを繰り返す（この一連の動作がスキャンと呼ばれるものである）。不図示の操作コンソールは、Ｘ線検出部８より検出して得た各回転位置における透過Ｘ線の強度に関するデータを受信し、算術演算を行うことで被検体１０のＸ線断層像を再構成することになる。
【００１６】
さて、実施形態では、ガントリ回転部４の１回転における水平方向の振動（位置変化）を、図１に示すごとく、２つのセンサ３００、３０１で検出し、その結果に基づいてガントリ回転部４の水平方向に振動を抑制する。
【００１７】
そこで、先ず、ガントリの水平方向の振動検出概要を図４を用いて説明する。
【００１８】
説明を簡単にするため、図示の如く、ガントリ回転部４のＸ線管７が最上部にある位置を回転の始点とし、時計周りに回転するものとする。また、回転始点における各センサとガントリ回転部４の円周までの距離をそれぞれの基準距離とする。センサ３００、３０１は、この基準距離に対する、ガントリ回転部４の回転角θにおいて検出された距離の差（＝基準距離−回転角θにおける距離）をデータとして出力するものとする。従って、センサ３００及びセンサ３０１は、ガントリ回転部４の円周外の適度の位置にそれぞれ設ければよく、それぞれの基準距離は異なっていても構わない。尚、センサ３００、３０１は、例えば公知のレーザ光による測距装置を用いるものとするが、ガントリ回転部４の水平方向の位置変化が検出できれば如何なるものであってもよい。ただし、センサ３００、３０１はガントリ装置から発生する振動の影響を受けないようにするため、ガントリ装置とは独立して、フロアに固定されることが望まれる。
【００１９】
センサ３００、３０１は、図示の如く、ガントリ回転部４の対向する位置に設けられているので、それぞれで検出する方向は正反対である。それ故、図４に示す如く、加算部４０では、一方のセンサ（図示ではセンサ３０１）からのデータ（基準距離に対する差）の符号を反転してから加算する。つまり、実施形態における水平方向のずれ量は、２つのセンサの合成結果となる。コントローラ４１は、ガントリ回転部４を１回転させ、その回転中に得られる上記の加算結果を、ガントリ回転部４の回転角θに対する値ｆ（θ）とし、１回転分をメモリに記憶する。なお、この１回転動作は、ガントリ回転部４の水平方向の振動を検査することを目的としているので、Ｘ線管７の駆動は行わないようにし、被検体が無駄に被曝することを防ぐ。
【００２０】
図５は、１回転（＝２π）における上記加算結果ｆ（θ）の変化の一例を示している。
【００２１】
コントローラ４１は図示のようなデータｆ（θ）を記憶しているので、そのデータ中の或る角度αと、その角度αから１８０°回転したときの角度（α＋π）における差（＝ｆ（θ）−ｆ（θ＋π））が最大となる角度を検索（抽出）する。
【００２２】
図示では、角度Ｐと、そこから１８０°回転したときの角度Ｑ（＝Ｐ＋π）の差が最大となっていることを示している。尚且つ、角度Ｐにおいて位置ずれ量に当たるｆ（θ）も最大になっている。
【００２３】
コントローラ４１は、かかる角度Ｐを求めると、それ以降に行われる実際のスキャンにおいては、角度Ｐにおいて水平方向における振動を抑制する制御を行う。その制御は、図１におけるモータ１１１、２１１の駆動制御を行うことにより実現する。そのため、コントローラ４１はそれぞれに対して設けられたモータドライバ４２、４３を制御する。
【００２４】
次に、実施形態における水平方向振動の抑制の概要を説明する。
【００２５】
水平方向振動の抑制機構は、図１に示す如く振動抑制装置１０１、２０１をガントリ回転部４上の回転中心位置に対して互いに対向する位置（１８０°）に設けることで実現する。振動抑制装置１０１、２０１は共に同じ構造を成している。つまり、振動抑制装置１０１における符号１１１乃至１１４と、振動抑制装置２０１における符号２１１乃至２１４は同じ構成要素を示している。そこで、ここでは振動抑制装置１０１について説明する。
【００２６】
実施形態における振動抑制装置１０１は図３に示す構造を成している。図示において、１１１はモータ（モータドライバ４２により駆動制御される）であって、非駆動時、その回転軸１１２が固定される構造を成す（例えば電磁ブレーキを内臓している）。また回転軸１１２は図示の如くネジ溝を有し、重り１１３内に設けられたメスネジ溝１１３ａに螺合するようになっている。１１４は振動抑制装置１０１のベースとなるガイドであり、長手方向にガイド溝１１４ａを有する。重り１１３は、このガイド溝１１４ａに嵌まる突起部１１３ｂを備えることで、回転軸１１２の周りに対して回転しない構造になっている。
【００２７】
上記構成にすることで、モータ１１１をモータドライバ４２により駆動し、その駆動軸１１２を回転させると、重り１１３が回転軸１１２の軸方向にガイド溝１１４ａに沿って運動（図示の場合は上下運動）することが可能になっている。
【００２８】
図１に示すように、振動抑制装置１０１、２０１の回転軸１１２、２１２は共にガントリ回転部４の中心から放射するように設けられているので、モータ１１１、２１１の駆動制御することで、重り１１３、２１３はガントリ回転部４の中心に対して近づけたり、逆に遠ざけることが可能になっている。
【００２９】
なお、説明が前後するが、重り１１３、２１３は、ガントリ回転部４が静止状態にあるとき、全体のバランスがとれている位置に予め調整されているものである。
【００３０】
上記の構成における水平方向振動抑制の原理の更なる詳細を以下に説明する。
【００３１】
図５における角度Ｐにおいて、水平方向の振動差が最大になるのは、角度Ｐにおいて図１における水平方向の右側への遠心力が大きくなっていると考える。つまり、図６に示すごとく、矢印Ａ方向の遠心力が全体的に大きいものと見るわけである。
【００３２】
従って、この矢印Ａ方向に対して逆方向にある矢印Ｂの遠心力を相対的に増加させ、上記矢印Ａ方向の位置ずれを抑制することができる。矢印Ｂ方向の遠心力を相対的に増加させるには、矢印Ａ方向に対する遠心力を小さするか、矢印Ｂ方向の遠心力を増加させればよい。実施形態では、この両方を機能させるようにして、効率良く位置ずれ量を抑制した。
【００３３】
矢印Ａの遠心力を小さくするには、図示の状態であれば重り２１３を実線状態からガントリ回転部４の回転中心位置に向かう破線方向に移動させれば良い。この結果、遠心力はβ１からβ２への減少することになり、矢印Ａの方向に働く力は、結局のところ（β１−β２）・ｃｏｓＰだけ減少することになる。
【００３４】
また、矢印Ｂ方向の遠心力を増すには、重り１１３をガントリ回転部４の回転中心から遠ざかる方向に移動させ、それまでの遠心力α１からα２へ増加させるようにすればよい。
【００３５】
これら２つの重りの位置制御により、図５の角度Ｐにおける水平方向の変位を破線で示す様に修正することが可能になる。
【００３６】
なお、先に説明したように現在のＸ線ＣＴ装置におけるガントリ回転部４はそれが１回転するのに要する時間は１秒程度と比較的高速であるし、今後益々高速化することが予想される。仮に１回転１秒とし、１度単位にＸ線照射とＸ線検出を行うとすると、１度だけ回転するに要する時間は、１秒／３６０度≒０．００３秒／度となる。このような短い時間で重り１１３、２１３の移動を完了させ、且つ、元の位置に戻すことは実質的に不可能である。
【００３７】
しかし、図５に示すごとく、水平方向の振動は、とびとびの値をとることは少なく、連続した曲線状になっているので、角度Ｐ付近で最大の振動抑制効果が発揮できるようにすれば良い。
【００３８】
そこで、実施形態では、角度Ｐの所定手前の角度（Ｐ−ｗ）（ｗはガントリ回転部の回転速度に依存する）になったとき、重り１１３、２１３の移動を開始し、角度Ｐになったときに元の位置に戻すようにした（角度Ｐ＋ｘで元に戻る）。ただし、角度Ｐにおける重り１１３、２１３の元の位置からの移動距離については明確には設定しない。
【００３９】
理由は、演算によって得られた最適な距離だけ各重りを移動させるには、モータの回転速度が、最大移動可能距離を十分に満足するだけ早いものが必要になるからである。ただし、ガントリ回転部４の回転速度を遅くするのであれば、厳密に重り１１３、２１３の位置を算術し、その位置まで移動させることは可能ではある。
【００４０】
上記動作を実現するためには、例えば、図６に示す重り１１３を有する振動抑制装置１０１の場合、ガントリ回転部４の回転角θが、角度Ｐ−ｗと角度Ｐ内にあるとき、モータ１１１を駆動して、重り１１３を回転中心から離れるように駆動しつづけ、回転角θが角度Ｐと角度Ｐ＋ｘ内にあるとき元に戻す（回転中心に向かうよう）駆動しつづけ、いずれの範囲にも属さない場合には、モータ１１１１を駆動しないようにする。一方、振動抑制装置２０１は駆動方向が異なるだけである。
【００４１】
上記のように、実施形態によれば、１８０度の位相差における水平方向の振動を抑制することが可能になるが、通常のＸ線断層像を再構成する際には、先ず、そのスキャンを行う前に、ガントリ回転部４を１回転させ、上記のデータを取得する（ただし、このとき、Ｘ線管７は駆動しないようにして、被検体が無駄に被曝しないようにする）。そして、得られたデータから、１８０度の位相差を有する２つの角度Ｐ、Ｑにおける振動の差が最大となる位置を求め、この差が許容範囲内にあるかどうかを判定する。
【００４２】
許容範囲内であれば、振動抑制装置に関する制御は不要であるので、そのまま通常のスキャン動作に移行する。また、許容範囲を越えていると判断した場合には、角度Ｐにおける水平方向の振動を抑制する動作を行いながら、スキャンを行うことになる。
【００４３】
上記動作は、コントローラ４１によるものであるが、その動作は概ね図７のフローチャートに従って動作することになる。
【００４４】
先ず、スキャン開始の指示が、外部の操作コンソールより受けると、ステップＳ１でガントリ回転部４を１回転させ、各回転角における水平方向の位置変化（ずれ）の差を２つのセンサ３００、３０１で検出し、その差（ずれの合成となるを加算器４０より得、コントローラ４１内部のメモリ等に記憶する。次いで、ステップＳ２において、記憶されたデータの中の或る角度とその角度＋１８０度間の差の中で最大となる角度Ｐ、Ｑ（＝Ｐ＋π）を求める。
【００４５】
次いで、ステップＳ３に進み、その角度Ｐ、Ｑにおけるずれの差と、予め設定された閾値と比較することで、許容範囲を越えているか否かを判断する。許容範囲内であれば、水平方向の振動抑制装置１０１、２０１の制御を行う必要がないので、ステップＳ４に進み、通常のスキャンを行うことになる。
【００４６】
一方、許容範囲を越えると判断した場合には、ステップＳ５に進み、これ以降のスキャン処理においては振動抑制装置１０１、２０１を使用したスキャン動作を行うことになる。
【００４７】
なお、実施形態では、回転角Ｐを抑制対象として説明したが、回転角Ｑを抑制対象にしてもよい。また、いずれを抑制対象とするかを適宜選択する様にしてもよい。例えば、図５に示す様な変化の場合、回転角Ｐ近傍（具体的にはＰ±ｗ）における変化が、回転角Ｑ近傍の変化（具体的にはＱ±ｗ）より大きいから、回転角Ｐを抑制対象する（ｗは予め設定した値）。また、場合によっては、回転角Ｐ、Ｑの両方に対して抑制するようにしても良い。特に、後者の場合、より水平振動を抑制することが可能になる。
【００４８】
また、実施形態でのガントリ回転部４の水平方向の振動（ずれ量）を検出するセンサ３００、３０１をレーザ光による測距装置を用いる例を説明したが、例えば、図８に示すような構造でも良い。
【００４９】
同図において、４００はガントリ回転部４の円周の水平方向のずれ量を検出する装置であり、ガントリ回転部４の円周に当接するローラ４０１と、このローラ４０１を回転自在に支持する金属製のロッド４０２、このロッド４０２のガントリ回転部４に向けて作用を引っ張りバネ４０３ａ，４０３ｂ、そして、静電容量を検出する装置４０４で構成される。
【００５０】
上記構成において、ガントリ回転部４が回転中に水平方向にずれが発生すると、それに応じてロッド４０２が図示左右に移動することになる。ロッド４０２（少なくともその先端）を導電性材質としているので、静電容量検出装置４０４との距離Ｌに応じて変動する可変コンデンサを構成することになる。静電容量検出装置４０４はこの電化変化を検出することで、距離Ｌを検出することになる。かかる構成の場合、レーザ光による測距装置に対して低コストで実現できるようになる。なお、水平方向のずれを検出する手段としては、歪みゲージ、ロードセル、加速度センサ、変位系（エディカレント、接触式）等でも良い。
【００５１】
また、実施形態では、振動抑制装置３００、３０１をガントリ回転部４の回転中心位置に対して角度差にして１８０度の対向する位置に設ける例を説明したが、これによって限定されるわけでない。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、Ｘ線ＣＴ装置或いはシステムにおけるガントリ装置が有する回転部の１回転における水平方向における振動を抑制することが可能になり、Ｘ線断層像を高い精度で再構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるＸ線ＣＴ装置におけるガントリ装置の正面図である。
【図２】実施形態におけるＸ線ＣＴ装置におけるガントリ回転部の側面断面図である。
【図３】実施形態における振動抑制装置の構造を示す図である。
【図４】実施形態における振動抑制に係るブロック構成図である。
【図５】ガントリ回転部の１回転における水平方向の振動変化と、振動抑制結果の関係を示す図である。
【図６】実施形態における振動抑制の原理を説明するための図である。
【図７】実施形態におけるコントローラの動作処理内容を示すフローチャートである。
【図８】実施形態に水平方向の振動を検出する他のセンサの構造例を示す図である。

Claims

Ｘ線発生源と、当該Ｘ線発生源から放射されたＸ線を、被検体を位置させる空洞部を介して検出するＸ線検出部とを有するガントリ回転部を備える、Ｘ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置であって、
前記ガントリ回転部の１回転中における前記被検体の搬送方向に対して直交する水平方向の位置ずれ量を検出する検出手段と、
該検出手段で検出した位置ずれ量における最大となる回転角を抽出する抽出手段と、
前記ガントリ回転部上に設けられた重りの、前記ガントリ回転部の回転中心からの距離を調整する重り調整手段と、
前記抽出手段で抽出された水平方向の最大位置ずれとなる前記ガントリ回転角をθとしたとき、ガントリ回転角θ−ｗからガントリ回転角θの間で前記重りの移動を継続し、ガントリ回転角θからガントリ回転角θ＋ｗで元の位置に戻すことように該重り調整手段を制御し、前記抽出手段で抽出された位置ずれの方向に対して逆の水平方向に対する遠心力を相対的に増加する制御手段と
を備えることを特徴とするＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置。
前記重りは、前記ガントリ回転部の回転中心点に対して略対向する２ヶ所に設けられ、前記制御手段は、第１の重りを前記抽出手段で抽出された位置ずれの方向にする遠心力を減少させ、第２の重りを前記抽出手段で抽出された位置ずれの方向とは逆の水平方向に対する遠心力を増加させることを特徴とする請求項第１項に記載のＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置。
前記検出手段は、前記ガントリ回転部を挟む水平位置の２箇所に設けられ、前記ガントリ回転部の基準回転角位置における、当該ガントリ回転部の水平方向の位置を基準とし、当該基準に対する前記ガントリ回転部の回転中におけるそれぞれの位置ずれの差の合成を、前記ガントリ回転部の水平方向の位置ずれ量として検出し、前記抽出手段は、前記検出手段で検出された位置ずれ量に対して、１８０度の位相差を有する２つの回転角における差が最大となる回転角を抽出することを特徴とする請求項第１項又は第２項に記載のＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置。
Ｘ線発生源と、当該Ｘ線発生源から放射されたＸ線を、被検体を位置させる空洞部を介して検出するＸ線検出部とを有するガントリ回転部を備える、Ｘ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の制御方法であって、
前記ガントリ回転部の１回転中における前記被検体の搬送方向に対して直交する水平方向の位置ずれ量を所定の検出手段を用いることで検出する検出工程と、
該検出工程で検出した位置ずれ量における最大となる回転角を抽出する抽出工程と、
前記ガントリ回転部上に設けられた重りの、前記ガントリ回転部の回転中心からの距離を調整する重り調整手段を用い、前記抽出手段で抽出された水平方向の最大位置ずれとなる前記ガントリ回転角をθとしたとき、ガントリ回転角θ−ｗからガントリ回転角θの間で前記重りの移動を継続し、ガントリ回転角θからガントリ回転角θ＋ｗで元の位置に戻すことように当該重り調整手段を制御し、前記抽出工程で抽出された位置ずれの方向に対して逆の水平方向に対する遠心力を相対的に増加する制御工程と
を備えることを特徴とするＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の制御方法。