JP4467970B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

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。

周知のとおり、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、Ｘ線管球とＸ線検出器とが撮影対象の被検体を挟んで配置される。Ｘ線管球はＸ線検出器と共に被検体周囲を連続的に回転しながら、投影データを一定の周期で繰り返し収集する。３６０°分又は１８０°＋ファン角分の投影データに基づいて断面の減弱係数分布、つまり断層像が再構成される。

近年では、Ｘ線管球及びＸ線検出器の小型軽量化に伴って、Ｘ線管球をＸ線検出器と共に複数搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の開発が進んでいる。複数のＸ線管球及びＸ線検出器を搭載することで、１枚の断層像を再構成するのに必要とされる投影データのセットを収集するのに要する時間、つまりスキャン時間を短縮し、あるいは再構成分解能の向上を図ることができる。

ところで、従来の多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置では、複数のＸ線管球から連続的にＸ線を発生している。そのため相互に散乱線を影響し合う事態が生じる。

本発明の目的は、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置において、散乱線の影響を軽減することにある。

本発明のＸ線コンピュータ断層撮影装置のある局面は、複数のＸ線管球と、前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のＸ線検出器と、前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数の高電圧発生部と、前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のデータ収集部と、前記複数のＸ線管球、前記複数のＸ線検出器、前記複数の高電圧発生部及び前記複数のデータ収集部を搭載する回転自在に設けられる略円環状のフレームと、前記複数のＸ線管球から順番にパルスＸ線が略τ／ｎ（τ；パルス継続時間、ｎ；ｎ＝２）ずつシフトして発生するように、前記複数の高電圧発生部を制御する制御部とを具備する。

本発明によれば、散乱線の影響を軽減することができる。

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。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（架台ともいう）１と、計算機装置３と、スキャンガントリ１と計算機装置３とを電気的に接続するための多チャンネル型のスリップリング機構２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、その投影データは計算機装置３に取り込まれ、画像再構成等の処理に供される。計算機装置３は、システム制御部４０を中心として、それに対してデータ／制御バス４８を介して前処理部４１、データ記憶部４２、入力部４３、表示プロセッサ４４、表示部４５、画像再構成部４６、スキャン制御部４７が接続されて構成される。

スキャンガントリ１には、複数、ここでは３つのＸ線管球１２，２２，３２が設けられる。３つのＸ線管球１２，２２，３２にはそれぞれＸ線のファン角を規定するためのＸ線絞りが取り付けられている。３つのＸ線管球１２，２２，３２は、図２に示すように、円環状の回転フレーム６に、円周に沿って離散的、典型的には３６０°／管球数として、ここでは１２０°ずつ等間隔で取り付けられる。回転フレーム６は、回転駆動部４により駆動され、回転軸ＲＡを中心に回転するように設けられている。Ｘ線管球１２，２２，３２はそれぞれ独立して、高電圧発生部１１，２１，３１からフィラメント加熱電流の供給及び高電圧の印加を受け、Ｘ線を発生する。高電圧発生部１１，２１，３１は、回転フレーム６に取り付けられる。高電圧発生部１１，２１，３１は、典型的には、５０／６０Ｈｚの交流電源を整流して直流とし、それを数ｋＨｚ以上の高周波の交流に変換して変圧器で昇圧した後に、再度整流してＸ線管球１２，２２，３２に印加する小型化に有利な高周波インバータ式が採用される。高電圧発生部１１，２１，３１はそれぞれ独立して、スキャン制御部４７からトリガパルスを受けて所定のパルス継続時間τ（パルス幅）を有する高電圧パルスを発生する。高電圧パルスはそれぞれ対応するＸ線管球１２，２２，３２の陰極陽極間に印加される。フィラメント加熱電流により加熱された陰極フィラメントで発生した熱電子は光電圧により加速され陽極のターゲットに衝突して、Ｘ線を発生する。

回転フレーム６には、Ｘ線管球１２，２２，３２及び高電圧発生部１１，２１，３１とともに、多チャンネル型のＸ線検出器１３，２３，３３が搭載されている。Ｘ線検出器１３，２３，３３はそれぞれ、Ｘ線管球１２，２２，３２に対向する位置及び向きで回転フレーム６に取り付けられる。Ｘ線検出器１３，２３，３３の出力は、それぞれデータ収集部１４、２４、３４を介して計算機装置３の前処理部４１に供給される。データ収集部１４、２４、３４はそれぞれ、対応するＸ線検出器１３，２３，３３の各チャンネルの電流信号を電圧に変換するＩ−Ｖ変換器と、電圧信号をＸ線の曝射周期に同期して周期的に積分する積分器と、積分器の出力信号を増幅するアンプと、プリアンプの出力信号をディジタル信号に変換するアナログ・ディジタル・コンバータとがチャンネルごとに設けられている。

前処理部４１では、データ収集部１４、２４、３４で検出されたデータに対して、チャンネル間の感度不均一を補正したり、またＸ線強吸収体、主に金属部による極端な信号強度の低下又は信号脱落を補正する等の前処理を実行する。前処理部４１で補正を受けた投影データはデータ記憶部４２に記憶される。計算機装置３は、前処理部４１及びデータ記憶部４２とともに、システム制御部４０、キーボード及びマウス等を有する入力部４３、表示プロセッサ４４、表示部（ＣＲＴ又はパネルディスプレイ）４５、画像再構成部４６、スキャン制御部４７から構成される。

スキャン制御部４７は、スキャン（データ収集）に際して、回転フレーム６を定速で安定的に回転させために回転駆動部４に回転制御信号を供給し、Ｘ線管球１２，２２，３２各々からＸ線パルスを次々と発生させるために高電圧発生部１１，２１，３１にトリガパルスを次々に供給し、さらにＸ線パルスの発生に同期してデータ収集サイクル（電荷蓄積、信号電荷の読み出し、リセット）を繰り返すためにデータ収集部１４，２４，３４にトリガパルス又はトリガパルスから得られる信号を供給する。

本実施形態では、スキャン制御部４７は、Ｘ線管球１２，２２，３２からのＸ線パルスの発生に関して、３種類のモード（パルスモードという）を選択的に装備している。３種類のパルスモードはいずれも、連続Ｘ線の場合に比べて、散乱線の影響を軽減することができるものであるが、第１のパルスモード（散乱線除去優先モードという）は散乱線除去に効果的であり、第２のパルスモード（ＸＹ分解能優先モードという）は第１の散乱線除去優先モードに比べて散乱線軽減効果は若干低いものの、「ＸＹ分解能」は高いという特徴をそれぞれ有している。ＸＹ分解能が高いとは、１回転中でデータ収集をするビューポイント（サンプリングポイントともいう）の数が多い、ビューポイントの間隔（ビューピッチ）が狭いことを意味する。第３のモード（スキャンスピード優先モード）は、散乱線除去優先モードの場合と等価なＸＹ分解能でもって、スキャンスピードを散乱線除去優先モード、ＸＹ分解能優先モードの１／２にまで高速化できるモードである。

図３に示すように、スキャン計画段階において、操作者により入力器４３を介して、スキャンモード（シングルスライス／マルチスライス／ヘリカル）、スキャン位置、ＣＴＤＩ（被曝線量を表すＣＴ線量指数）、管電圧（ｋＶ）、管電流（ｍＡ）、スキャンスピード（１回転に要する時間）等のスキャン条件と共に、スキャンプロジェクトごとに、散乱線除去優先モードとＸＹ分解能優先モードとスキャンスピード優先モードが選択される。いずれのモードであっても、複数のＸ線管球１２，２２，３２から順番にパルスＸ線が略τ／ｎ（τ；パルス継続時間、ｎ；正の実数）ずつシフトして発生されることにより、散乱線の影響を除去又は軽減することができる。詳細は後述するが、散乱線除去優先モードでは、ｎ＝１に設定され、ＸＹ分解能優先モードとスキャンスピード優先モードでは、ｎ＝２に設定される。

図４には、散乱線除去優先モードにおけるパルスＸ線の発生タイミングを示している。散乱線除去優先モード時には、スキャン制御部４７は、図４に示すように、Ｘ線管球１２，２２，３２からパルスＸ線を発生させるために、高電圧発生部１１，２１，３１に対してそれぞれトリガパルスを発生する。ここでは説明の便宜上、パルスＸ線のパルス継続時間（パルス幅）τを一定として説明する。第１のＸ線管球１２からパルスＸ線が、一定の周期Ｃ１で繰り返し発生される。周期Ｃ１は、パルス継続時間τ×管球数Ｎ、ここでは３・τに設定される。同様に、第２，第３のＸ線管球２２、３２からもそれぞれパルスＸ線が、一定の周期Ｃ１で繰り返し発生される。

第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線の発生時期は、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の発生時期に対して、遅延時間Δｔだけ遅延される。この遅延時間Δｔは、パルス継続時間τに略等価に設定される。第３のＸ線管球３２からのパルスＸ線の発生時期は、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τの２倍に略等価な時間だけ遅延され、また第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τに略等価な時間だけ遅延される。

第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の継続期間に同期して第１Ｘ線検出器１３で電荷が蓄積され、その電荷蓄積期間に続いて電荷読み出し及びリセットが行われるように、スキャン制御部４７は第１のデータ収集部１４の動作を制御する。同様に、第２，第３のＸ線管球２２、３２からのパルスＸ線の継続期間に同期して第２，第３のＸ線検出器２３、３３で電荷が蓄積され、その電荷蓄積期間に続いて電荷読み出し及びリセットが行われるように、スキャン制御部４７は第２，第３のデータ収集部２４、３４の動作を制御する。

このようなパルスＸ線の発生制御により、第１Ｘ線検出器１３の電荷蓄積期間には、第１のＸ線管球１２からはパルスＸ線が発生され、第２，第３のＸ線管球２２、３２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第１Ｘ線検出器１３は、第２，第３のＸ線管球２２、３２からのパルスＸ線に由来する散乱線は検出しない。散乱線の影響はほぼ完全に除去され得る。

同様に、第２Ｘ線検出器２３の電荷蓄積期間には、第２のＸ線管球２２からはパルスＸ線が発生され、第１，第３のＸ線管球１２、３２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第２Ｘ線検出器２３は、第１，第３のＸ線管球１２、３２からのパルスＸ線に由来する散乱線は検出しない。

第３Ｘ線検出器３３の電荷蓄積期間には、第３のＸ線管球３２からはパルスＸ線が発生され、第１，第２のＸ線管球１２、２２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第３Ｘ線検出器３３は、第１，第２のＸ線管球１２、２２からのパルスＸ線に由来する散乱線は検出しない。

このようにパルスＸ線の発生タイミングをパルス継続時間τずつシフトすることで、散乱線が相互に影響を及ぼすという事態が回避される。なお、上述では、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線に対する第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線の遅延時間Δｔ、さらに第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線に対する第３のＸ線管球３２からのパルスＸ線の遅延時間Δｔは、パルス継続時間τに略等価に設定したが、パルス継続時間τ＋所定のマージン時間αに設定しても良い。それにより周期Ｃ１は、３・τ＋３・αに設定される。遅延時間にマージン時間αを与えることで、パルスＸ線の特に立ち上がりや立下り時間に若干の変動が生じたとしても、第１，第２，第３のＸ線管球１２、２２，３２からのパルスＸ線のオーバーラップを回避することができる。

図５には、ＸＹ分解能優先モードにおけるパルスＸ線の発生タイミングを示している。ＸＹ分解能優先モード時には、スキャン制御部４７は、図５に示すように、Ｘ線管球１２，２２，３２からパルスＸ線を発生させるために、高電圧発生部１１，２１，３１に対してそれぞれトリガパルスを発生する。上述同じく、パルスＸ線のパルス継続時間（パルス幅）τを一定として説明する。第１のＸ線管球１２からパルスＸ線が、一定の周期Ｃ２で繰り返し発生される。周期Ｃ２は、上述の散乱線除去優先モード時の周期Ｃ１より短く設定され、管球数をＮとすると、Ｎ・（τ／２）に設定される。同様に、第２，第３のＸ線管球２２、３２からもそれぞれパルスＸ線が、一定の周期Ｃ２で繰り返し発生される。

ＸＹ分解能優先モード時の周期Ｃ２（＝Ｎ・（τ／２））は、散乱線除去優先モード時の周期Ｃ１（＝Ｎ・τ）の１／２に短縮され得る。従って、ＸＹ分解能優先モード時のＸＹ分解能（１回転あたりのビューポイント数）は、スキャンスピードが同じであるという条件のもとでは、散乱線除去優先モード時のそれの２倍に向上させることができる。

第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線の発生時期は、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τの１／２に略等価に設定される。第３のＸ線管球３２からのパルスＸ線の発生時期は、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τに略等価な時間だけ遅延され、また第２のＸ線管球２２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τの１／２に略等価な時間だけ遅延される。さらに、戻って、第１のＸ線管球１２からのパルスＸ線の発生時期は、第３のＸ線管３１２からのパルスＸ線の発生時期に対して、パルス継続時間τの１／２に略等価な時間だけ遅延される。

第１，第２，第３のＸ線管球１２、２２，３２からのパルスＸ線の継続期間に同期して第１，第２，第３Ｘ線検出器１３、２３，３３で電荷が蓄積され、その電荷蓄積期間に続いて電荷読み出し及びリセットが行われるように、スキャン制御部４７は第１，第２，第３のデータ収集部１４、２４，３４の動作を制御する。

このようなパルスＸ線の発生制御により、第１Ｘ線検出器１３の電荷蓄積期間の前半には、第３のＸ線管球３２からパルスＸ線が発生されるが、第２のＸ線管球２２からはパルスＸ線は発生されない。第１Ｘ線検出器１３の電荷蓄積期間の後半には、第２のＸ線管球２２からパルスＸ線が発生されるが、第３のＸ線管球３２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第１Ｘ線検出器１３は、電荷蓄積期間の全期間にわたって、第２，第３のＸ線管球２２、３２からのパルスＸ線に由来する散乱線を受ける従来よりも、散乱線量は原理的に１／２に軽減され得る。

同様に、第２Ｘ線検出器２３の電荷蓄積期間の前半には、第１のＸ線管球１２からパルスＸ線が発生されるが、第３のＸ線管球３２からはパルスＸ線は発生されない。第２Ｘ線検出器２３の電荷蓄積期間の後半には、第３のＸ線管球３２からパルスＸ線が発生されるが、第１のＸ線管球１２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第２Ｘ線検出器２３は、電荷蓄積期間の全期間にわたって、第１，第３のＸ線管球１２、３２からのパルスＸ線に由来する散乱線を受ける従来よりも、散乱線量は原理的に１／２に軽減され得る。

同様に、第３Ｘ線検出器３３の電荷蓄積期間の前半には、第２のＸ線管球２２からパルスＸ線が発生されるが、第１のＸ線管球１２からはパルスＸ線は発生されない。第３Ｘ線検出器３３の電荷蓄積期間の後半には、第１のＸ線管球１２からパルスＸ線が発生されるが、第２のＸ線管球２２からはパルスＸ線は発生されない。従って、第３Ｘ線検出器３３は、電荷蓄積期間の全期間にわたって、第１，第２のＸ線管球１２、２２からのパルスＸ線に由来する散乱線を受ける従来よりも、散乱線量は原理的に１／２に軽減され得る。

スキャンスピード優先モードでは、パルスＸ線発生及び信号収集制御に関しては図５に示したＸＹ分解能優先モードと同じであるが、回転フレーム６が１回転するのに要する時間、つまりスキャンスピードが散乱線除去優先モード及びＸＹ分解能優先モードの略１／２倍に高速化される。それにより、スキャンスピード優先モードでは、ＸＹ分解能は図４の散乱線除去優先モードのそれと等価であって、スキャンスピードを１／２に高速化することができる。スキャンスピード優先モードでは、パルスＸ線発生及び信号収集制御に関しては図５に示したＸＹ分解能優先モードと同じであるので、ＸＹ分解能優先モードと同等の散乱線軽減効果を奏することができる。

以上のように本実施形態によると、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置において、散乱線の影響を解消、または軽減することができる。散乱線の影響を軽減する場合には、散乱線の影響を解消する場合に比べて、ＸＹ分解能を略２倍に向上させる、またはスキャンスピードを高速化することができる。これらモードを撮影対象の動きや大きさ等に応じて有効に使い分けることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

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１の３つのＸ線管球の配置を示す図。 本実施形態において、スキャン計画設定画面例を示す図。 本実施形態において、散乱線除去優先時のパルスＸ線のタイミングシフト量を示す図。 本実施形態において、ＸＹ分解能優先時のパルスＸ線のタイミングシフト量を示す図。

符号の説明

１…ガントリ、４…回転駆動部、５…寝台駆動部、１０…第１Ｘ線系統、１１…第１高電圧発生部、１２…第１Ｘ線管球、１３…第１Ｘ線検出器、１４…第１データ収集部、２０…第２Ｘ線系統、２１…第２高電圧発生部、２２…第２Ｘ線管球、２３…第２Ｘ線検出器、２４…第２データ収集部、３０…第３Ｘ線系統、３１…第３高電圧発生部、３２…第３Ｘ線管球、３３…第３Ｘ線検出器、３４…第３データ収集部、２…スリップリング機構、３…計算機装置、４０…システム制御部、４１…前処理部、４２…データ記憶部、４３…入力部、４４…表示プロセッサ、４５…表示部、４６…画像再構成部、４７…Ｘ線制御部。

Claims (3)

1. 複数のＸ線管球と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のＸ線検出器と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数の高電圧発生部と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のデータ収集部と、
   前記複数のＸ線管球、前記複数のＸ線検出器、前記複数の高電圧発生部及び前記複数のデータ収集部を搭載する回転自在に設けられる略円環状のフレームと、
   前記複数のＸ線管球から順番にパルスＸ線が略τ／ｎ（τ；パルス継続時間、ｎ；ｎ＝２）ずつシフトして発生するように、前記複数の高電圧発生部を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 複数のＸ線管球と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のＸ線検出器と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数の高電圧発生部と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のデータ収集部と、
   前記複数のＸ線管球、前記複数のＸ線検出器、前記複数の高電圧発生部及び前記複数のデータ収集部を搭載する回転自在に設けられる略円環状のフレームと、
   前記複数のＸ線管球から順番にパルスＸ線が略τ／ｎ（τ；パルス継続時間）ずつシフトして発生するように、前記複数の高電圧発生部を制御するものであって、操作者からの指示に従って前記ｎを１と２の何れかに選択的に設定する制御部とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 複数のＸ線管球と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のＸ線検出器と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数の高電圧発生部と、
   前記複数のＸ線管球にそれぞれ対応する複数のデータ収集部と、
   前記複数のＸ線管球、前記複数のＸ線検出器、前記複数の高電圧発生部及び前記複数のデータ収集部を搭載する回転自在に設けられる略円環状のフレームと、
   前記複数のＸ線管球から順番にパルスＸ線が略τ／ｎ（τ；パルス継続時間、ｎ；ｎは１より大きい実数）ずつシフトして発生するように、前記複数の高電圧発生部を制御する制御部とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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