JP4425792B2 - Ｘ線画像化のためのガントリ位置決め装置 - Google Patents

Description

関連出願

本出願は、２００２年８月１１日出願の米国特許仮出願第６０／４０５，０９８号の利益を主張するものであり、この米国特許仮出願の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。本出願は、２００３年６月１１日出願の米国特許出願第１０／４５９，４０５号に関連しており、この米国特許出願の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

医療の現場において、主に放射線診断部門における診断ツールとして、三次元画像化がきわめて大きな価値を有していることが見出されている。手術室、集中治療部門、および救急部門などを含む医療の他の分野では、診断および治療の指針の主たる手段として、二次元の画像化（蛍光透視法、超音波診断、移動式二次元Ｘ線）に依存している。これは、主に、コスト、サイズ、および従来の三次元装置の操作に必要とされる専門的技術ゆえである。さらに、放射線医療品質のＣＴスキャナは、画像化品質を最良にするために移動性を犠牲にして設計されている。同一装置で二次元の画像化および三次元の画像化の両者を実行することができる「非放射線部門」用の真に実用的で、移動式の画像化のための解決策は、いまだ開発されていない。従来の試みは、期待される画像品質の水準を満足しつつ手ごろな大きさを保つという真のニーズへの対応が全くなされていない。過去において、このニーズに対処すべく２種類の装置が提案されている。１つの種類の装置は、シーメンス社（Ｓｉｅｍｅｎｓ ＡＧ）のＳｉｒｅｍｏｂｉｌ Ｉｓｏ‐Ｃ^３Ｄシステムなどのように、移動式のＣ字型アームを使用して、これを人体の周囲で回転させる。これらのＣ字型アームを基本とする試みは、視野が限定されており、手順が煩雑であり、画像品質に本質的に生じる制約がある。

その他の多くは、Ｂｕｔｌｅｒ Ｗ．Ｅ．らの「手術中およびＩＣＵ用途を有する移動式ＣＴスキャナ（A mobile CT Scanner with Intraoperative and ICU Application」（１９９８年）（
http://neurosurgerly
.mgh.harvard.edu/mobileCT.htm.）に記載の装置のように、固定開口のＣＴを移動式にしようと試みた。しかしながら、これらのいわゆる「移動式ＣＴスキャナ」は、従来からの固定ＣＴスキャナの高い線量レベルを特徴としており、操作が難しく、二次元画像化だけが必要な場合であっても、これを実行することができない。

一般に、蛍光透視Ｃ字アームの試みは、移動性および汎用性の基準を満足するが、画像の品質および画像の大きさが不充分である。「移動式ＣＴスキャナ」の試みは、画像の大きさおよび品質の基準を満足するが、操作性およびコストという実用上の問題を解決できていない。さらに、最新式のＣＴスキャナでも、移動式蛍光透視システムと同じ方式で平行移動および傾斜させることができない。

「非放射線部門」での三次元画像化を実行し、さらに二次元画像化も可能な真の移動式かつ実用的な解決策は、現在のところ存在しない。これは主として、現在の断層撮影スキャナを、実際的な意味では移動式でないためである。ＣＴスキャナを移動式Ｃアームと同じ自由度で動かすことができないことが、移動式三次元画像化の採用および使用を妨げてきた。このことが、三次元コンピュータ断層撮影画像化の価値を、主に放射線部門における診断ツールとしての分野に限定してきた。

手術室、集中治療室、緊急治療室、および病院の他の部門、外来手術センター、内科医医局、および戦場での使用のための移動式ＣＴスキャナであって、真に移動式で、多自由度で平行移動および傾斜させることができ、かつ二次元および三次元Ｘ線画像化の両者を実行できる移動式ＣＴスキャナへのニーズが存在する。

本発明の１つの態様は、画像化される対象物に対して放射線画像化システムのガントリを位置決めする方法および装置に関する。１つの実施形態においては、位置決め装置は、３つの直交軸（Ｘ‐Ｙ‐Ｚ）に沿った平行移動ならびにＸ軸およびＹ軸を中心とした回転移動を含む最大５自由度を、ガントリに提供する。

放射線画像化システムの５自由度ガントリ位置決め装置は、ガントリを支持構造体に対して第１の方向に平行移動させるための第１の直線位置決め機構、ガントリを支持構造体に対して前記第１の方向と直交する第２の方向に平行移動させるための第２の直線位置決め機構、ガントリを支持構造体に対して前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に平行移動させるための第３の直線位置決め機構、ガントリを支持構造体に対して第１の軸を中心として回転させるための第１の回転位置決め機構、および、ガントリを支持構造体に対して第２の軸を中心として回転させるための第２の回転位置決め機構を有している。制御システムが位置決め装置を駆動して、ガントリを所定の位置および向きに動かす。所定の位置および向きは、ユーザによって設定することができ、あるいは記憶されている位置決めデータに基づいて設定することができる。好ましくは、位置決め装置は位置フィードバック機構を備えることにより、三次元空間におけるガントリの位置および／または向きを決定する。

ガントリ位置決め装置の一端は、移動台車、天井、床面、壁面、または患者テーブルなどの支持構造体に接続することができ、他端をＯ字型ガントリまたはＣ字型ガントリなどのガントリに取り付けて、ガントリを片持ち方式で支持することができる。ガントリ位置決め装置は、手動によってガントリを位置決めすることができ、あるいは、特定のガントリ位置および向きを記憶する位置フィードバックを用いてモータ駆動することができる。詳細には、この位置決め装置は、三次元コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像化および二次元Ｘ線透視撮影スキャンを含む医療用の画像化用途、ならびに他の医療用途、科学用途、および産業用途に有利である。

別の態様において、このガントリ位置決め装置は、それぞれＸ軸およびＹ軸を中心とするガントリの「傾斜」および「首振り」回転を、アイソセンタおよび非アイソセンタの両方で可能にする。アイソセンタの「首振り」すなわちｙ軸回転は、ガントリ位置決め装置の平行移動と回転運動とを組み合わせることによって達成される。

さらに一般的には、本発明の画像化システムは、放射源およびガントリ内側に配置された対象物の画像を収集する検出器を有するガントリ、支持構造体、およびガントリを支持構造体に片持ち方式で固定するガントリ位置決め装置を備えている。ガントリ位置決め装置は、ガントリのアイソセンタ軸と平行であるが同一線上にはない第１の軸を中心としてガントリを回転させる動作ができる。ここで、ガントリのアイソセンタ軸とは、ガントリの垂直軸のような、ガントリの画像化体積の中心（すなわち、アイソセンタ）と交差する軸である。制御システムがガントリ位置決め装置を駆動して、ガントリを第１の軸を中心として回転させるとともに、第２および第３の軸の方向に平行移動させることにより、ガントリのアイソセンタ軸を中心とするガントリの回転を実現する。

さらに本発明は、アイソセンタ軸を中心としてガントリを回転させる方法であって、ガントリをアイソセンタ軸と平行であるが同一線上にはない軸を中心として回転させ、ガントリを第１の方向に第１の距離だけ平行移動させるとともに、第２の方向に第２の距離だけ平行移動させて、ガントリのアイソセンタを固定の位置に保つ方法に関する。

さらに別の態様においては、本発明は、放射線画像化システムにおいて視野を拡大するシステムおよび方法に関する。１つの実施形態においては、放射源および検出器が純粋な前／後位置または純粋な側方位置にあるときに放射源の焦点を中心とするガントリ・アセンブリの回転を実現することによって、比較的大きい視野が得られる。焦点を中心とする回転は、１つの回転と２つの平行移動とからなる多軸の組み合わせによって可能になる。ガントリ・アセンブリを焦点を中心として回転された２つまたは３つのガントリ位置まで動かし、得られたデータをデジタル的に「継ぎ」合わせることによって、視野の大きい画像を得ることができる。

さらにまた別の態様においては、本発明は、ガントリ内での放射源および検出器の回転をガントリの多軸平行移動と組み合わせることにより、画像化対象物の視野を拡大するガントリ画像化装置および方法に関する。ガントリを平行移動させて検出器を画像化対象物に近付けることによって、視野を拡大する。好ましくは、検出器はガントリ内で、画像化対象物上に中心があり、かつ画像化対象物を包含する「仮想の円」に接するように動かされる。放射源および検出器がガントリの内側周りを回転するとき、ガントリが同調して平行移動することにより、検出器は人間の胴体の周りの「フラフープ」の運動と同様の、仮想円に接したままに保たれる。

本発明の前述の目的、特徴および利点、ならびにその他の目的、特徴および利点は、添付の図面に示されている本発明の好ましい実施形態についての以下のより詳細な説明から明らかになるであろう。添付の図面においては、同一参照符号は異なる図面であっても同一部品を指している。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を説明するのに重点が置かれている。

本発明の好ましい実施形態を、以下に説明する。

図１は、本発明の１つの実施形態による放射線画像化システムであるＸ線スキャン・システム１０を示した概略図である。Ｘ線スキャン・システム１０は、支持構造体に固定されたガントリ１１を備えており、支持構造体は、移動または固定の台車、患者テーブル、壁、床、あるいは天井などでもよい。図１に示すように、ガントリ１１が、ガントリ位置決め装置２０を介して支持構造体である移動台車１２に、片持ち方式で固定されている。以下でさらに詳しく説明するとおり、ガントリ位置決め装置２０によって、ガントリ１１を支持構造体に対して平行移動および／または傾斜させることができ、ガントリ１１を任意の数の位置および向きに位置合わせすることができる。

随意により、図１の移動台車１２に電源およびＸ線発生装置を備えることができ、Ｘ線スキャン装置の動作を制御し、画像化処理、Ｘ線画像の記憶、あるいは他のデータ処理機能を実行するためのコンピュータ・システムを備えることができる。好ましい実施形態においては、コンピュータ・システムは位置決め装置２０を制御して、ガントリ１１をユーザの定める特定の位置および向きに迅速に動かすことができる。コンピュータは、好ましくは、特定のガントリ位置および／または向きに関する位置決め情報を格納できるメモリを備える。格納されたこの位置決め情報を用いて、必要に応じてガントリを所定の配置に移動させることできる。

さらに移動台車１２は、好ましくは、Ｘ線スキャナによって得た画像を表示するため、平面型表示装置などの表示システム６０を備えている。さらに、表示装置は、タッチ・スクリーン式のコントローラなど、ユーザがスキャン・システムの機能と対話して制御できるユーザ・インターフェイス機能を備えることができる。特定のいくつかの実施形態においては、ユーザが操作する吊り下げスイッチまたは足踏みペダルによって、スキャン・システムの機能を制御できる。

移動台車１２のいずれかの機能を、１つあるいは複数のユニットを用いて実行することも可能であることは、理解されるであろう。

１つの態様によれば、本発明のＸ線スキャン・システムを用いて、例えば患者など対象物の二次元平面または三次元コンピュータ断層撮影（ＣＴ）Ｘ線画像を取得できる。図１に示した実施形態においては、ガントリ１１は、画像化される対象物が配置される中央開口を備えるほぼ環状すなわち「Ｏ字型形状」の筐体である。例えば「Ｃ字型」ガントリなど、他のさまざまなガントリ構成も使用可能であることは、理解できるであろう。１つの実施形態においては、ガントリ１１は、Ｘ線放射ビームをガントリの中央開口内の画像化される対象物を通過させて、ガントリの反対側に位置する検出器アレイ（平板型デジタル検出器アレイなど）に投射する放射線源であるＸ線源（回転陽極パルスＸ線源など）を備えている。次いで、検出器１４で検出したＸ線を利用して、公知の技法を用いて対象物の二次元または三次元画像を生成できる。

Ｘ線源１３が、ガントリ１１の内側周りを連続的または段階的に回転できることにより、Ｘ線ビームを、３６０°回転の一部または全体にわたるさまざまな角度で、対象物に投射し、共通のアイソセンタ（iso-center；同一回転中心）を通過するようにできる。検出器アレイも、ガントリの内側周りをＸ線源の回転と同調して回転することにより、Ｘ線源の各投射角度について、検出器アレイがガントリ上でＸ線源と反対側に位置するようになる。このようにして、この装置によって、３６０°回転の一部または全体にわたる任意の投射平面において、目標とする対象物の高品質のＸ線画像を得ることができる。

図２は、本発明の１つの態様による５自由度ガントリ位置決め装置２０を示している。この位置決め装置２０は、片側をガントリ１１に接続して、ガントリを移動台車１２または他の支持体に片持ち方式で取り付けることができる。好ましい実施形態においては、この位置決め装置２０がロボット制御され、ガントリ１１を、ｘ、ｙ、およびｚ軸に沿った平行移動ならびにｘおよびｙ軸を中心とする回転移動を含む５自由度で、支持構造体に対して平行移動および回転させることができる。ガントリ位置決め装置２０は、手動で動かすことができ、あるいは好ましい実施形態においては、所望の位置に電気機械的に駆動することができるモータ駆動システムである。コンピュータ式動作制御システムは、位置決め装置のモータ駆動構成要素に組み合わせることができ、ガントリの１つまたは複数の控えの位置および向きを、コンピュータのメモリに格納できる。スキャン・システムの動作の際、あらかじめ定めたガントリ位置および向きに、高速かつ容易に復帰させることができる。

ガントリ位置決め装置のさまざまな平行移動運動が、図３〜５に示されている。図３は、スキャン・システムの側面図であり、ガントリ位置決め装置２０が、ガントリを第１の軸であるｘ軸方向に距離ｄＸだけ平行移動させている。図４は、スキャン・システムの側面図であり、ガントリ位置決め装置２０が、ガントリを第２の軸であるｙ軸方向に距離ｄＹだけ平行移動させている。図５は、スキャン・システムの平面図であり、ガントリ位置決め装置２０が、ガントリを第３の軸であるｚ軸方向に、中央位置の左方距離ｄＺにある第１の位置から中央位置まで平行移動させ、さらに中央位置の右方距離ｄＺにある第３の位置まで平行移動させている。

図６および７には、本発明の１つの態様によるガントリ位置決め装置２０の回転運動が示されている。図６は、スキャン・システムの正面図であり、ガントリ位置決め装置２０が、システムのｘ軸を中心としてガントリを回転させている。この「傾斜」回転運動はアイソセンタ運動であり、ガントリがｘ軸を中心として回転してもガントリの画像化体積の中心は固定されたままである。

図７は、スキャン・システムの平面図であり、ガントリ位置決め装置２０が、システムのｙ軸を中心としてガントリを回転させている。１つの態様によれば、位置決め装置２０は、回転運動と平行移動運動とを組み合わせることによって、ガントリをｙ軸中心に真にアイソセンタ運動で「首振り」回転させることができる。これが、図８Ａ〜８Ｃに示されている。この実施形態においては、ガントリ位置決め装置２０の片側は、ガントリ１３が回転点８００を中心として自由に回転できるように、ガントリに接続される。この回転運動の中心軸は、ガントリのｙ軸と平行である。しかしながら、この回転運動の軸はガントリのｙ軸と同一線上にないため、ガントリのアイソセンタ８０１がＹＺ平面内において平行移動することになる。図８Ａ〜Ｃに示されているように、ガントリが角度θだけ回転すると、ガントリのアイソセンタがｚ軸方向に距離ｄＺだけ平行移動し、ｘ軸方向に距離ｄＸだけ平行移動する。この平行移動を補償して、真にアイソセンタの「首振り」回転を実現するため、図６に示すように、位置決め装置２０はガントリをｘ軸およびｚ軸方向にそれぞれ平行移動させて、整列状態に戻す。図８Ｂに示すとおり、アイソセンタ８０１を元の位置に戻すために必要なｚ軸方向の平行移動距離ｄＺは、ｄＺ＝Ｒ＊ｔａｎ（θ）であり、ここでＲは、ガントリの半径である。図８Ｃに示すとおり、アイソセンタ８０１を元の位置に戻すために必要なｘ軸方向の平行移動距離ｄＸは、ｄＸ＝Ｒ［ｔａｎ（θ）ｓｉｎ（θ）＋ｃｏｓ（θ）−１］であり、ここでＲは、ガントリの半径である。ガントリのあらゆる角度の回転θについて、アイソセンタを当初の位置に戻すために必要なｚ軸およびｘ軸方向の平行移動、すなわち真のｙ軸回転を実現するのに必要なｚ軸およびｘ軸方向の平行移動は、システム・コントローラによって決定でき、このコントローラで、位置決め装置２０を自動制御して適正な平行移動による補償を行なうことができる。

同時係属中の２００３年３月１８日出願の米国特許出願第１０／３９２，３６５号は、参照によりその全内容を本明細書に引用したものとするが、比較的大きい対象物を比較的小さい検出器アレイを用いて画像化するシステムおよび方法を記載している。この出願では、検出器位置決め装置が放射ビームの軌跡にほぼ直交する方向に検出器アレイを放射源に対して平行移動させるによって、放射線画像化システムにおいて大きな「実効」視野を得ることを記載している。

１つの態様によれば、本発明のガントリ位置決め装置２０は、画像化される対象物に対するガントリの平行移動および／または回転運動を制御することによって、大きな「実効」視野を得ることが可能である。例えば、図５に示すように、ガントリ位置決め装置２０は、ガントリ１１をｚ軸の方向に平行移動させることによって、画像化システムの視野を軸方向すなわち縦方向に拡大できる。対象物の二次元平面画像または三次元ＣＴ画像を連続的に取得することができ、すなわち、ガントリ（したがって検出器も）を中央位置の左方に距離ｄＺだけ平行移動させて得た第１の画像と、ガントリおよび検出器が中央位置にあるときに得た第２の画像と、ガントリおよび検出器を中央位置の右方に距離ｄＺだけ平行移動させて得た第３の画像とを取得できる。次いで、得られた連続する３つの画像を結合すなわち「継ぎ」合わせ、単一の固定検出器を用いて得られる画像よりも広い軸方向の視野を有する画像を生成できる。この技法によれば、有利には、人間の脊椎などの縦方向においてガントリの視野外まで広がるような対象物を、ほぼ同時に画像化きるようになる。

図９は、放射源１３の焦点９００を中心としてガントリを回転させることによって、対象物について広角度の二次元の前／後画像を取得する方法を示している。この方法は、放射源１３がガントリの上部にあって検出器１４が底部にある場合か、または検出器１４が上部にあって放射源１３が底部にある場合に使用することができる方法であって、一般に前／後（ＡＰ）構成として知られる。位置決め装置２０は、ガントリをｘ軸中心に回転させ、さらに、焦点９００が最初の位置に戻るまでガントリをｙ軸およびｚ軸方向に平行移動させることによって、ＹＺ平面における焦点９００の平行移動を補償することにより、放射源の焦点９００を中心とする回転を実現できる。１つの回転運動と２つの補償平行移動を含むこの技法は、図７および８Ａ〜８Ｃに関して説明したｙ軸「首振り」回転に類似している。図９に示すように、放射源１３の焦点９００を中心とするガントリの回転を実現するこの技法によって、スキャナは種々の検出器位置で複数の前／後画像を連続して取得することが可能になり、次いで、得られたデータをデジタル的に「継ぎ」合わせて、実効視野の広いＡＰ画像を生成することができる。

図１０においては、これと同一技法を利用して、対象物の実効視野の大きい二次元の横方向画像を取得する方法を示す。ここでは、放射源および検出器の両者が、ガントリのｘ軸上にある（すなわち、側方位置にある）。ガントリ位置決め装置はガントリをｙ軸を中心として回転させるとともに、ＸＺ平面において平行移動させることにより、Ｘ線の焦点９００を中心とした回転を実現する。これにより、スキャナは、種々の検出器位置で対象物の横方向の画像を複数連続して取得し、次いで、得られたデータをデジタル的に「継ぎ」合わせて、実効視野の広い横方向画像を生成することができる。

実効的に視野の広い二次元の対象物画像を得るこの方法は、放射源と検出器とがガントリ上で互いに反対に位置し、放射源と検出器とを結ぶ直線がガントリの回転軸に直交しているガントリ位置決め装置およびガントリのあらゆる構成に、広く適用することができる。このようにして、ガントリ位置決め装置は、放射源の焦点を中心とする適正な回転状態まで、ガントリを回転および平行移動させ、これにより、対象物について広角度の二次元の対象物画像を生成できる。

次に図１１を参照すると、５自由度のガントリ位置決め装置２０が詳細に示されている。図示された実施形態においては、装置２０はｘ軸方向の平行移動のための第１の直線位置決め機構である出入り位置決め機構３０５、ｙ軸方向の平行移動のための第２の直線位置決め機構である垂直位置決め機構３０７、およびｚ軸方向の平行移動のための第３の直線位置決め機構である横位置決め機構３０９を含む３つの直線位置決め機構を備えている。装置２０はさらに、ｘ軸を中心とした回転のための第１の回転位置決め機構である傾斜位置決め機構３１１、およびｙ軸を中心とした回転を実現するための第２の回転位置決め機構である首振り位置決め機構３１２を含む２つの回転位置決め機構を備えている。さまざまな位置決め装置が垂直ブラケット３１３に取り付けられている。位置決め装置２０の種々の部品は、図１２に分解図で示されている。ここに示されているとおり、首振り位置決め機構３１２は、一端が出入り位置決め機構３０５に接続され、他端が垂直ブラケット３１３に接続されている。これにより、出入り位置決め機構３０５が、位置決め装置の上部分およびガントリをｘ軸の方向に水平移動させることができる。首振り位置決め機構３１２は、ブラケット３１３全体ならびにガントリを、垂直軸を中心として出入り位置決め機構および支持構造体に対して回転させることができる。ブラケット３１３は、垂直位置決め機構３０７の一部分に取り付けられており、垂直位置決め機構３０７の第２の部分が、ガントリと一緒にブラケットおよび支持構造体に対して垂直方向に可動する。この垂直位置決め機構３０７の可動部分が、横位置決め機構３０９の一部分に取り付けられており、横位置決め機構３０９の第２の部分が、ガントリと一緒にブラケットおよび支持構造体に対して横方向に可動である。最後に、傾斜位置決め機構３１１は横位置決め機構３０９の可動部分に固定されており、一方、ガントリを装置２０に取り付けている傾斜位置決め機構３１１の部分は、ガントリを支持構造体に対してｘ軸中心に回転させる。

次に図１３を参照すると、ｘ軸方向の平行移動のための出入り位置決め機構３０５はモータ駆動アセンブリを備えており、このアセンブリにより、片持ち支持されたガントリ・リングを支持構造体に近付く方向に、あるいは支持構造体から離れる方向に平行移動させる。出入り位置決め機構は、上部プレート３１５を備えており、この上部プレート３１５上に首振り回転位置決め機構３１２がボルトで固定される（図１１を参照）。上部プレート３１５は、基部プレート３１７に固定されるレール台３２０上に取り付けられた直線ガイド・レール３２１と係合するブロック３１９を介し、基部プレート３１７の長辺に沿って移動可能である。歯車機構付きのサーボ・モータ３２３が、モータ取付け具３２５を介して基部プレート３１７に固定して取り付けられている。ボールねじアセンブリ３２７が、基部プレート３１７に取り付けられ、基部プレート３１７の長辺に沿って直線ガイド・レール３２１と平行に延びている。ボールねじアセンブリは、ボールねじナットと係合するボールねじを有している。ナットは、上部プレート３１５に固定して取り付けられている。モータ３２３は、モータ軸継ぎ手を介してボールねじを時計回りまたは反時計回りに回転させる。ボールねじの時計回りまたは反時計回りの回転が、ボールねじナットしたがって上部プレート３１５を、ボールねじの長さ方向に沿って往復移動させる。上部プレートが、サーボ・モータ３２３によって基部プレート３１７の長辺に沿って移動するとき、直線ガイドおよびブロックが上部プレートを案内する。このようにして、片持ち支持されたガントリ・アセンブリを、移動台車、床面、壁面、天井、または患者支持テーブルなどの支持構造体に近付く方向、あるいはこれら支持構造体から離れる方向に、制御によって平行移動させることができる。

図１４には、片持ち支持されたガントリを支持構造体に対して垂直方向に平行移動させるための垂直位置決め機構３０７が示されている。図１４に示した実施形態では、垂直位置決め機構３０７は、出入り位置決め機構３０５と構造および動作の点で本質的に同一であるモータ駆動アセンブリである。ただし、垂直位置決め機構３０７は、ブロック３１９を基部プレート３１７に対して上方または下方に平行移動させることができるよう垂直方向を向いている。図１４に示すように、垂直位置決め機構は、基部プレート３１７の片面に取り付けられたレール台３２０に取り付けられた直線ガイド・レール３２１上に載っている一式のブロック３１９を備えている。これらブロック３１９が、図１３に関して説明したとおり、サーボ・モータ３２３およびボールねじアセンブリ３２７によって、基部プレート３１７に対して平行移動する。基部プレート３１７のもう一方の面は、一対の第２のレール台３２２になっている。これらレール台３２２は、図１１に示すように、垂直取り付けブラケット３１３に対して上下に移動する垂直位置決め機構３０７を案内するために使用される。垂直位置決め機構３１７のブロック３１９およびボールねじアセンブリ３２７のナットが、取付けブラケット３１３の後部壁に固定されている。したがって、モータ３２３およびボールねじアセンブリ３２７は、ナットを基部プレート３１７に対して直線的に水平移動させたとき、基部プレート３１７がブロック３１９に案内されて、ブラケット３１３に対して垂直方向に上下に移動する。

図１５は、片持ち支持されたガントリを支持構造体に対して横方向に平行移動させるための横位置決め機構３０９を示している。この実施形態では、横位置決め機構３０９は、ブロック３１９を基部プレート３１７に対してｚ軸方向に平行移動させることができるように横方向を向いたモータ駆動アセンブリを備える。図１５に示すとおり、横位置決め機構は、レール台３２０に取り付けられた直線ガイド・レール３２１に載せられた一式のブロック３１９に接続された保持プレート３４４を備えている。レール台３２０は、基部プレート３１７の片面に固定して取り付けられている。歯車機構付きのサーボ・モータ３２３およびギア・ボックス３４０も、基部プレート３１７に取り付けられている。モータ３２３およびギア・ボックス３４０は、基部プレート３１７の長辺に沿って横方向に移動するベルトを有するベルト駆動アセンブリ３４２に接続されている。このベルトが保持プレート３４４に接続され、ベルト駆動アセンブリはモータおよびギア・ボックスによって駆動されたとき、保持プレート３４４がブロック３１９によって案内され、基部プレート３１７に対して横方向に平行移動する。図１２に示すとおり、横位置決め機構３０９の基部プレートは、垂直位置決め機構３０７の基部プレートに固定して取り付けられている。したがって、横位置決め機構３０９の全体は、出入り位置決め機構３０５および垂直位置決め機構３０７のそれぞれの運動に伴って、出入りまたは垂直方向に上下するように平行移動する。横位置決め機構３０９の保持プレートをガントリ・リングに取り付けることにより、ガントリ・リングをブラケット３１３および支持構造体に対して左右横方向に平行移動させることができる。

図１６には、片持ち支持されたガントリを支持構造体に対して回転させるための回転位置決め機構が示されている。このような回転位置決め機構の１つを、ｘ軸を中心としてガントリを回転させるための傾斜位置決め機構３１１として使用することができ、第２の回転位置決め機構を、ｙ軸を中心としたガントリの回転を実現するための首振り位置決め機構３１２として使用することができる。内側リング３３５を備えるベアリングが、直径が内側リングよりも大きい外側リング・アセンブリ３３９に対して回転する。外側リング３３９は、取り合いプレート３４６に固定して取り付けられる。内側リング３３５は、歯車機構付きのサーボ・モータ３４７およびギア・ボックス３４８によって駆動され、外側リング３３９に対して回転可能である。この回転位置決め機構をｘ軸傾斜位置決め機構３１１として使用する場合、図１５に示すとおり、外側リング３３９を横位置決め機構３０９の保持プレート３４４に固定し、次いで内側リング３３５をガントリに固定することができ、このようにしてガントリをガントリ位置決め装置の残りの部分および固定の支持構造体に対して傾けることができる。この回転位置決め機構をｙ軸首振り位置決め機構３１２として使用する場合、図１２に示すとおり、内側リング３３５が出入り位置決め機構３０５の上部プレート３１５に固定されるとともに、外側リング３３９が垂直固定ブラケット３１３に固定され、このようにしてガントリ位置決め装置の上部およびガントリそのものを、垂直軸を中心として出入り位置決め機構３０５および支持構造体に対して回転させることができる。

１つの態様によれば、ガントリ位置決め装置２０を構成する位置決め機構アセンブリ３０５、３０７、３０９、３１１、および３１２のそれぞれは、それぞれのサーボ・モータに位置フィードバック情報を提供する機構を備えることにより、平行移動または回転運動の各自由度に従ってガントリを精密に位置決めできる。例えば、図１３を参照すると、直線ガイド・レール３２１に直線エンコーダ・テープを貼り付けることができ、上部プレート３１５に読み取りヘッドを配置して、このエンコーダ・テープを読み取って上部プレート３１５と基部プレート３１７との相対位置を示すフィードバック・データを得ることができる。同様に、図１６を参照すると、回転エンコーダを使用して、内側リング３３５と外側リング３３９との相対角度位置を決定できる。好ましくは、位置フィードバック機構が絶対位置エンコーダ・システムであり、この結果、与えられたあらゆる時点においてコンピュータによる動作制御システムがすべての自由度においてリング位置決めユニットの平行移動位置および／または回転位置を決定でき、したがって三次元空間内におけるガントリの位置および向きを決定できる。

次に図１７〜１９を参照すると、片持ち支持ガントリ１１およびガントリ位置決め装置２０の種々の実施形態が示されている。図１７においては、ガントリ位置決め装置２０が、出入り位置決め機構３０５の基部プレートによって支持構造体である床面３５５に取り付けられている。傾斜位置決め機構３１１が、ガントリ１１の一方の側に取り付けられている。ガントリ位置決め装置は、ガントリ１１を固定の部屋に対して平行移動および傾斜させように動作できる。

図１８は、一方の側が支持構造体である壁面３５７に取り付けられるとともに、他方の側がガントリ１１に取り付けられ、したがって片持ち支持されたガントリを固定の部屋に対して平行移動および傾斜可能にしているガントリ位置決め装置２０を示している。図１９においては、ガントリ位置決め装置２０は、一方の側が支持構造体である天井３５９に取り付けられ、他方の側がガントリ１１に取り付けられている。リング位置決め装置２０およびガントリ１１は、検査を受ける患者が横たわるテーブルなど、任意の適切な支持構造体に同様に取り付けることができる。

さらに別の態様によれば、本発明は、放射源および検出器の回転を直交する２つの方向においてガントリ・リングの平行移動と組み合わせることにより、画像化される対象物の視野を最大にするための放射線画像化システムおよび方法に関する。この方法は、図１に関してすでに説明したＸ線スキャン・システムおよびガントリ位置決め装置を使用して、実行できる。

図２０〜２９は、拡大された視野を有する対象物の三次元ＣＴ再構成画像を得るためのこの技法の一例を示している。図２０に示すとおり、スキャン・システムは、患者８１１をガントリ１１の内側に配置している。患者８１１は、患者テーブル８１３上に支持されており、最初は、ガントリ・リング１１のアイソセンタに中心が合わされている。ガントリ位置決め装置２０は、ｘ方向およびｙ方向に中間位置まで展張されており、出し入れ位置決め機構および垂直位置決め機構は、それぞれの移動範囲のほぼ中央にある。Ｘ線源１３および検出器１４は、ガントリ内で０°位置まで回転しており、この状態でＸ線源はガントリの上死点（頂点）に位置し、検出器は患者の直下のガントリの底部にある。

次に、図２１に示すとおり、ガントリ位置決め装置２０はガントリ１１をｙ軸の方向に垂直上方へと平行移動させて、画像化される対象物に中心を有し、かつ対象物およびあらゆる支持構造体（例えばテーブル８１３など）の直径よりもわずかに大きい直径を有する仮想円８１５にガントリの内側開口の直径が接するようにする。検出器を画像化される対象物の近くに移動することにより、システムの視野を広げることができる。ガントリが図示のとおりに配置されると、Ｘ線画像をコンピュータのメモリに取り込み、表示または別の処理に備えて保存することができる。

三次元ＣＴ画像を取得するため、放射源および検出器をガントリ内で回転させて、種々の投射角度からＸ線データを得る。好ましくは、対象物の周りを回転スキャンする間、システムはガントリ開口の円と前記仮想円とを接した状態に保つことにより、検出器の拡大された視野を維持する。これは、図２２〜２８に示すように、ガントリの平行移動を検出器の回転と同調させて制御することによって達成できる。

例えば、図２２に示すように、検出器１４はガントリ上で０°位置から４５°位置まで移動した。検出器が回転するとき、ガントリ位置決め装置２０は、ガントリをｘ軸の方向に第１の距離だけ平行移動させ、ｙ軸の方向に第２の距離だけ平行移動させることにより、検出器の位置にあるガントリの内側開口が患者および支持テーブルを囲む前記仮想円８１５に接した状態を維持する。この工程が、検出器が９０°（図２３）、１３５°（図２４）、１８０°（図２５）、２２５°（図２６）、２７０°（図２７）、および３１５°（図２８）に回転するときに繰り返される。検出器および放射源の後続の回転位置のそれぞれにおいて、（あるいは、少なくともＸ線投射データが取得される各位置において）、ガントリ位置決め装置２０はガントリをｘ軸およびｙ軸方向に平行移動させ、検出器１４と仮想円８１５とが接する状態を維持する。検出器が完全に３６０°回転して０°位置に戻るとき、ガントリは図２１に示した最初の位置に平行移動して戻る。このように、ガントリ１１は、検出器の回転移動に同調してＸＹ平面内を連続的に移動し、検出器の位置においてガントリが対象物および支持構造によって規定される仮想円に接する状態を維持する。この仮想円に対するガントリの多軸平行移動運動は、人間の胴体の周りの「フラフープ」の運動に類似している。検出器がＸ線に露光されるごとに、放射源および検出器の回転角度ならびにガントリの平行移動位置が記録される。次いで、格納されたガントリ位置がＣＴアルゴリズムに供給され、対象物の三次元再構成画像が生成される。ガントリの「フラフープ」平行移動により、再構成画像の視野が、従来のアイソセンタ・ガントリ・スキャンで得られる画像よりも大きくなる。ＣＴデータ収集マトリクスの一部が、図２９に示されている。

領域検出器の視野を拡大するために、ここで説明したようにガントリ位置決め装置を使用することは、放射線画像化システムにおいて視野を拡大するための他の方法に対し、特定のいくつかの利点を有している。例えば、ガントリ全体を平行移動させて検出器を対象物により近づけることによって、ガントリの内径を小さくすることなく、かつＸ線コーン・ビームの広がりすなわちビームの末端の影響を増すことなく、視野を拡大できる。さらに、本発明の視野拡大方法は容易かつ高速に実行することができ、複数の検出器を追加する費用が不要であり、あるいは広い視野を実現するために放射源を複数位置に移動する複雑さとも無縁である。さらに本発明の方法によれば、データ収集に要する追加時間をわずか、あるいはまったく必要とせず、特に、造影剤注入回転血管形成術など、画像化を高速かつより安全に実行しなければならない用途において有用である。

ここで説明したＸ線画像化システムおよび方法は、二次元および／または三次元のＸ線スキャンのために有利に利用することができる。ガントリの回転に沿って設定された各角度から個々の二次元投射を観測でき、あるいは回転の一部または全体にわたって収集した複数の投射を、コーン・ビームまたはファン・ビーム断層撮影画像構成技法を用いて画像に再構成することができる。本発明は、例えば本件出願と所有者が同一である２００３年３月１３日出願の米国特許出願第１０／３８９，２６８号に記載されているように、多平面のＸ線画像を擬似同時的に取得するために使用することができ、この米国特許出願の全内容は、参照により本明細書に引用したものとする。

本発明の検出器アレイは、二次元平板半導体検出器アレイを含んでいる。しかし、本発明においては種々の検出器および検出器アレイを使用することができ、これら検出器には、Ｃ字アーム蛍光透視装置、単一切断面または多切断面ＣＴスキャナ、あるいは蛍光増倍管技術を利用する移動式および室内固定の蛍光透視装置など、標準的な診断用ファン・ビームまたはコーン・ビーム画像化システムにおいて使用されているあらゆる検出器構成を含むことは、理解できるであろう。好ましい検出器は、シンチレータ非晶質シリコン技術を利用する二次元薄膜トランジスタＸ線検出器である。

さらに別の態様においては、Ｏ字型のガントリが、ガントリ・リングから少なくとも部分的に取り外すことができる部分を備えることができ、画像化しようとする対象物がガントリ・リングの中央画像化領域に半径方向に進入および退出できる開口すなわち「切断部」が、ガントリ・リングに設けられる。この形式の装置の利点は、Ｘ線ガントリを患者などの目標とする対象物の周囲で操作し、その後に、ガントリを対象物の周囲で閉じることができ、対象物への妨害を最小にしつつＸ線画像化を実行できる点にある。Ｘ線画像化のための「切断可能な」ガントリ装置の例は、本件出願と所有者が同一である２００２年１２月１２日出願の米国特許出願第１０／３１９，４０７号に記載されている。この米国特許出願における全内容も、参照により本明細書に引用したものとする。

本発明の特定の実施形態においては、ガントリ位置決め装置はガントリを平行移動および／または回転させて複数の検出器位置において画像を取得し、スキャン・システムにプログラムを組み込むことにより、複数の検出器位置において取得したデータを単一の仮想等直線または等角検出器アレイに再投射することができる。これに関しては、本件出願と同日に出願されて同時係属中の発明の名称「ダイバージェント・スキャン・コンピュータ断層撮影システムにおける体積画像を再構成する装置および方法（Apparatus and Method for Reconstruction of Volumetric Images in a Divergent Scanning Computed Tomography System）」（代理人ファイルＮｏ．３３４９．１００５‐００１）の米国特許出願に記載されている。

ここで示した実施形態は５自由度のガントリ位置決め装置を備えているが、本発明の別のさまざまな実施形態では、ガントリ位置決め装置は、特定の方向について平行移動または傾斜可能であるが他の方向については平行移動または傾斜が不可能である場合も存在することは、理解されるであろう。

以上、本発明を、本発明の好ましい実施形態を参照して詳細に示し説明してきたが、添付の特許請求の範囲に包含される本発明の技術的範囲を逸脱することなく、形状や細部についてさまざまな変更が可能であることは、当業者であれば理解できるであろう。例えば、ここで示し説明した特定の実施形態は、一般に、Ｘ線画像化用途に関係していたが、本発明の原理を、例えば磁気共鳴画像化（ＭＲＩ）、陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）、単一光子放射コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、超音波画像化、および写真画像化を含む他の医療および非医療の画像化用途に拡張できることも、理解されるであろう。

また、ここで示し説明した実施形態は、主に医療における画像化に関係しているが、本発明を材料の試験や分析、容器の検査、および大きな物体の画像化などの工業用途を含む他の多数の用途に利用できることも、理解されるであろう。

片持ち式のＯ字型ガントリおよび移動台車と組み合わせたガントリ位置決め装置を有するＸ線スキャン・システムの概略を示す斜視図である。 ５自由度ガントリ位置決め装置を示した斜視図である。 ガントリ・リングをｘ軸に沿って平行移動させているガントリ位置決め装置の側面図である。 ガントリ・リングをｙ軸に沿って平行移動させている、ガントリ位置決め装置の側面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はガントリ・リングをｚ軸に沿って平行移動させているガントリ位置決め装置を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はガントリ・リングをｘ軸中心に回転させているガントリ位置決め装置を示す正面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はガントリ・リングをｙ軸中心として回転させているガントリ位置決め装置を示す平面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）はｙ軸を中心とするアイソセンタ「首振り」回転を実行する方法を示す概略図である。 Ｘ線源の焦点を中心としてガントリを傾斜させることにより、視野の大きい前後Ｘ線画像を得る方法を示す概略図である。 Ｘ線源の焦点を中心としてガントリを傾斜させることにより、視野の大きい側方Ｘ線画像を得る方法を示す概略図である。 平行移動および回転運動を実行するためのガントリ位置決め装置の各位置決め台座を示す斜視図である。 ５自由度のガントリ位置決め装置の分解概略図である。 ｘ軸方向に平行移動するための位置決め装置の分解概略図である。 ｙ軸方向に平行移動するための位置決め装置の分解概略図である。 ｚ軸方向に平行移動するための位置決め装置の分解概略図である。 一軸を中心とした回転運動のための位置決め装置の分解概略図である。 ガントリ位置決め装置を備えた床面取り付け片持ちガントリ・リングを示す斜視図である。 ガントリ位置決め装置を備えた壁面取り付け片持ちガントリ・リングを示す斜視図である。 ガントリ位置決め装置を備えた天井取り付け片持ちガントリ・リングを示す斜視図である。 患者がガントリ・リングの中心に位置しているガントリ位置決め装置を備えた画像化システムを示す側面図である。 ガントリを垂直に平行移動させて検出器の視野を拡大している画像化システムを示す側面図である。 、検出器が４５°の位置に回転し、ガントリが平行移動することにより、患者を囲む仮想円との接線関係を維持している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が９０°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が１３５°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が１８０°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が２２５°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が２７０°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 検出器が３１５°の位置に回転している図２１のシステムを示す側面図である。 大視野ＣＴ画像を得るための「フラフープ」データ採取マトリクスを示す概略図である。

Claims (14)

1. 放射線画像化システムのための５自由度のガントリ位置決め装置であって、ほぼＯ字型形状であるガントリ・リングを片持ち方式の支持構造体に接続するように構成されており、
   前記ガントリを前記支持構造体に対して第１の方向に平行移動させるための第１の直線位置決め機構と、
   前記ガントリを前記支持構造体に対して前記第１の方向と直交する第２の方向に平行移動させるための第２の直線位置決め機構と、
   前記ガントリを前記支持構造体に対して前記第１および第２の方向と直交する第３の方向に平行移動させるための第３の直線位置決め機構と、
   前記ガントリを前記支持構造体に対して第１の軸を中心として回転させるための第１の回転位置決め機構と、
   前記ガントリを前記支持構造体に対して前記第１の軸と直交している第２の軸を中心として回転させるための第２の回転位置決め機構と、
   Ｘ線源を前記支持構造体に対して前記第１の軸と前記第２の軸に直交している第３の軸の周りを３６０°回転するように構成されている前記のほぼＯ字型形状であるガントリ・リングとを備えている、ガントリ位置決め装置。
2. 請求項１において、さらに、
   前記ガントリの平行移動および回転運動を制御するための制御システムを備えている、ガントリ位置決め装置。
3. 請求項２において、前記制御システムが前記ガントリ位置決め装置を駆動して、前記ガントリをユーザが設定した位置および向きに動かす、ガントリ位置決め装置。
4. 請求項２において、前記制御システムが、格納されている位置決めデータに基づいて前記ガントリ位置決め装置を駆動する、ガントリ位置決め装置。
5. 請求項２において、さらに、前記支持構造体に対する前記ガントリの位置を決定するための位置フィードバック機構を備えている、ガントリ位置決め装置。
6. 請求項１において、前記ガントリが、放射源とこの放射源に対向して配置された検出器とを備えることにより、投射された放射線を検出する、ガントリ位置決め装置。
7. 請求項６において、前記Ｘ線源および検出器が前記ガントリの内側周りを回転して、さまざまな投射角度における対象物の画像を取得する、ガントリ位置決め装置。
8. 請求項７において、前記Ｘ線源および検出器が対象物の二次元Ｘ線画像を取得するように作動する、ガントリ位置決め装置。
9. 請求項７において、前記Ｘ線源および検出器が対象物の三次元コンピュータ断層撮影画像を取得するように作動する、ガントリ位置決め装置。
10. 請求項１において、前記支持構造体が、壁面、床面、および天井のうちの少なくとも１つを含む、ガントリ位置決め装置。
11. 請求項１において、前記支持構造体が台車を含む、ガントリ位置決め装置。
12. 請求項１において、前記支持構造体が、画像化される対象物を支持するテーブルを含む、ガントリ位置決め装置。
13. 請求項１において、前記支持構造体が移動式である、ガントリ位置決め装置。
14. 請求項１において、さらに、前記直線および回転位置決め機構を取り付けるためのブラケットを備えている、ガントリ位置決め装置。

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