JP4478504B2 - コンパクトなｘ線源組立体を持つ静止型コンピュータ断層撮影システム - Google Patents

Description

本発明は一般的に云えばコンピュータ断層撮影（ＣＴ）システムに関し、詳しくはコンパクトなＸ線源組立体を持つ静止型ＣＴシステムに関するものである。

コンピュータ断層撮影（ＣＴ）法は三次元身体構造から二次元断面画像を作成する手法である。そのＣＴイメージング・システムは主にＣＴガントリと患者テーブル又は寝台とを含んでいる。ガントリは可動のフレームであって、Ｘ線源（典型的には、コリメータ及びフィルタを備えたＸ線管）と、検出器と、データ収集システム（ＤＡＳ）と、スリップ・リング・システムを含む回転部品と、ガントリ角度測定モータ及び位置決め用レーザ光のような全ての関連電子装置とを収容している。

既知の第３世代ＣＴシステム（スパイラル／ヘリカル）では、Ｘ線源及び検出器アレイが、撮像平面内で撮像しようとする対象物の周りをガントリと共に回転させられて、Ｘ線ビームが対象物と交差する角度が絶えず変化するようにする。Ｘ線源は典型的にはＸ線管を含んでいて、焦点でＸ線ビームを放出する。Ｘ線検出器は、Ｘ線フォトンが衝突したときに光又は電気エネルギを生成する結晶又は電離性ガスである。ＣＴシステムで利用される２種類の検出器はシンチレーション又は固体検出器とキセノン・ガス検出器である。ＣＴシステムは、典型的には、検出器における散乱放射線を低減するためのポスト・ペイシェント・コリメータを含むことができる。

現在の第３世代のＣＴシステムは、身体を走査するために患者の周りにＸ線源を回転させることを必要とし、走査速度に関して制約がある。

静止型ＣＴの構想を含んでいる次世代のＣＴアーキテクチャは、高走査速度を提案していて、高パワーの高速で動く電子ビームを静止したＸ線ターゲットに差し向けてＸ線を生じさせることに関している。静止型ＣＴの構想には、ＣＴ走査システムでのコンパクトなＸ線発生システムのターゲット及び幾何学的設計に独自の課題がある。集束した高パワーの電子ビームの静止したＸ線ターゲットへの衝突及びその結果生じる静止型ＣＴシステムの様々な構成要素についての熱分布によりかなりの熱的及び構造的危険が伴う。
米国特許第６８０７２４８号

従って、熱的及び構造的危険を軽減し、且つ静止したターゲット、電子ビーム源、集束室及び放射窓を含む基本的なＣＴシステム構成要素を収容することができ、また新型ＣＴシステムの高パワー高速走査の要件を満足するようなコンパクトなＣＴシステム幾何学的構成を提供することが望ましい。

要約して云うと、本発明の一実施形態によれば、静止型ＣＴシステムは少なくとも１つの環状Ｘ線源組立体を有し、該環状Ｘ線源組立体はそれに沿って間隔を置いて配置された複数のそれぞれのＸ線源を有している。それぞれのＸ線源の各々は、それぞれの静止したＸ線ターゲットと、電子ビーム集束室と、それぞれの静止したＸ線ターゲットに対して離間した関係で配置された電子ビーム源とを有する。電子ビーム集束室は、Ｘ線通路に通すＸ線を生じさせるために電子ビーム源から放出された複数の電子を集束してそれぞれの静止したＸ線ターゲットに衝突させるようにするための選択された断面輪郭部を有する。

本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付の図面を参照した以下の説明からより良く理解されよう。添付の図面においては、図面全体を通じて同様な部品には同じ参照符号を付している。

本発明は、静止したＸ線ターゲット１０２、電子ビーム源１０８、電子ビーム集束室１０４及び高熱流束冷却を含む一次源構成要素をコンパクトな形に組み合わせ、もって静止型ＣＴの導入を可能にした、適当な静止型ＣＴの実施形態を記述する。

図１は静止型ＣＴシステム１０の断面図を示しており、一実施形態では、静止型ＣＴシステム１０は少なくとも１つの環状Ｘ線源組立体１２を有し、環状Ｘ線源組立体１２はこの環状Ｘ線源組立体１２に沿って間隔を置いて配置された複数のそれぞれのＸ線源１００を有する。図２に示す特定の一実施形態では、Ｘ線源１００の各々は、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２、電子ビーム集束室１０４、Ｘ線通路１０６、及びそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対して離間した関係に配置された電子ビーム源１０８を有する。「離間した関係」とは、電子ビーム源１０８から出た電子ビームがＸ線ターゲット１０２に約２０度の低角度で入射するような関係である。電子ビーム集束室１０４は真空室１１０の一部分を含んでいる。ビーム集束室１０４は、Ｘ線通路１０６に通すＸ線を生じさせるために電子ビーム源１０８から放出された複数の電子を集束してそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に衝突させるようにするための選択された断面輪郭部を有する（すなわち、上部区画２０２及び下部区画２０４によって画成される室１０４の構成には、このような区画によって画成される内壁の形状、壁相互間の間隔、並びにビーム源１０８及びＸ線通路１０６のような構成要素との隔たった関係が含まれる）。該選択された断面輪郭部は、正しいビームをターゲット衝突点に確実に集束するために電子光学を考慮して定められる。

真空室１１０は、図２に示されているように、電子ビーム集束室１０４と絶縁室１１２との間に挟まれている。図２はまた、Ｘ線通路１０６が真空室１１０の延長部であることも示している。

電子ビーム源１０８は、絶縁室１１４（図５）内に収容することによって、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２から電気的に絶縁分離されている。絶縁室は高温セラミック又はプラスチック（例えば、GE Plastics 社によって製造されているＵＬＴＥＭ（商標））のような絶縁媒体で構成される。一例では、絶縁室１１２内に収容されている電子ビーム源１０８が真空室１１０及び電子ビーム集束室１０４に対して負電位に維持されるように改造され、静止したＸ線ターゲット１０２が接地される。ここで用いる「改造」又は同様な用語は、導体、絶縁体、及び構成要素相互間の電位を維持することのできる電源の電気的構成を表す。別の一例では、電子ビーム源１０８が接地され、静止したＸ線ターゲット１０２が正電位に維持される。更に別の一例では、電子ビーム源１０８が負電位に維持され、静止したＸ線ターゲット１０２が正電位に維持される。

電子ビーム源１０８はフィラメント又はフィールド・エミッタ・アレイを有し、その具体例は当該分野で公知である。

特定の一実施形態では、図２のＸ線源１００の各々は更に、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２及びＸ線通路１０６から所定の角度変位した位置にある放射窓１１６を有する。放射窓１１６は、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２によって発生された複数のＸ線についての出口通路として使用される。上記の所定の角度変位は、放射窓１１６から最大のＸ線束が出て行くように保証する。放射窓１１６はアルミニウム又はベリリウムのような材料で構成される。熱サイクルに起因して窓取付け領域に生じる可能性が高い熱応力を軽減するために、本発明の一実施形態では図３に示されているものと同様な適当な順応性装置１１７が使用される。順応性装置１１７はバネ又は任意の通常の可撓性材料であってよい。別の特定の一実施形態では、放射窓１１６は、ろう付け接触部によってターゲット基体１１８及び電子ビーム集束室１０４の選択された断面輪郭部に結合される。別の実施形態では、この結合は機械的接触によって達成される。一実施形態では、放射窓１１６及び電子ビーム集束室１０４の支持断面部が、Ｘ線源１００の外表面とＸ線ターゲット１０２との間の間隙中の小さな間隙２０１（図５）によって、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２から電気的に絶縁分離されている。別の実施形態では、放射窓１１６はそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対して負バイアスされており、これは放射窓１１６に蓄積する電子の量を低減するのに役立ち、また更に放射窓１１６に加わるピーク温度及びストレスを低下させる。

以上の実施形態に述べたような静止したＸ線ターゲット１０２は、４０以上の原子番号を持つ金属及び金属合金で構成される。このような金属及び金属合金は、タングステン、モリブデン、レニウム、ロジウム及びジルコニウムより成る群から選択される。

別の実施形態では、Ｘ線源１００の各々は更に、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に取り付けられたターゲット基体１１８（図２）を含んでいる。ターゲット基体１１８はまた、図２に示されているように電子ビーム集束室１０４の選択された断面輪郭部の下部区画を形成するように成形されている。ターゲット基体１１８は約７５Ｗ／ｍ／Ｋよりも大きい熱伝導度を持つ高熱伝導度材料で構成される。このような高熱伝導度材料は銅、アルミニウム、黒鉛、黒鉛発泡体、並びにアルミニウム及び銅の金属発泡体より成る群から選択される。静止したＸ線ターゲット１０２及び高熱伝導度ターゲット基体１１８は接地してゼロ電位に維持するか、この代わりに、静止したＸ線ターゲット１０２及びターゲット基体１１８は電子ビーム源１０８及び放射窓１１６に対して正バイアスする。

より特定の実施形態では、電子ビーム集束室１０４の選択された断面輪郭部は、図２に示されているようにＸ線通路１０６によって分離された上部区画２０２及び下部区画２０４を有する輪郭形成された囲いで構成されている。上部区画２０２及び下部区画２０４は、本発明の一実施形態では、銅、アルミニウム、黒鉛、黒鉛発泡体、並びにアルミニウム及び銅の金属発泡体のような高熱伝導度材料で構成される。上部区画２０２は、電子ビームがそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に衝突した結果として生じる後方散乱電子の多くを受け取る。このことを図４に例示してある。

後方散乱電子の問題を扱うために、特定の一実施形態では、図５に示されているように通路１０６に隣接している区画２０２の部分に複数の溝２０６が切り込まれている。これらの溝２０６はそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対向した領域に位置決めされて、複数の後方散乱電子を捕捉し且つこれらの後方散乱電子がそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に衝突するのを防止するように配置される。特定の一例では、このような溝２０６は約３〜４ｍｍの深さ及び２ｍｍの幅を有する。これらの溝２０６はまた、この領域における加熱の表面積を増大させ且つ冷却を容易にする。

図６に示されているような代替実施形態では、通路１０６に隣接している区画２０２の部分は、複数の後方散乱電子を捕捉し且つこれらの後方散乱電子がそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に衝突するのを防止するために、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対向して位置決めされた切欠き２０８を含んでいる。特定の一例では、このような切欠き２０８は約９．１ｍｍの幅及び１２ｍｍの深さを有する。

図７に示されているような更に別の実施形態では、電子ビーム集束室１０４の選択された断面輪郭部の上部区画２０２は、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対向している領域であって後方散乱電子の衝突によって加熱される領域を冷却するための複数の冷却通路２１０を含んでいる。この熱を散逸させるために冷却通路２１０には冷却剤が通される。冷却剤は、水、或いは３Ｍ社によって製造されているFLUORINERT（商標）のような適当な冷却剤として作用する液体のうちの少なくとも一方で構成される。代替実施形態では、冷却通路２１０は熱を散逸させるために蓄熱材料で構成される。これらの蓄熱材料は、特定の一実施形態では、パラフィンのような相変化材料で構成される。別の実施形態では、蓄熱材料は、ナトリウム、カリウム、錫、鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、ナトリウム−カリウム合金、錫−鉛合金及びインジウム−アンチモン合金のうちの少なくとも１つで構成される。

静止したＸ線ターゲット１０２に電子が連続して衝突することに起因して、静止したＸ線ターゲット１０２をその領域における熱応力から保護するために冷却機構を設けることが望ましい。特定の一実施形態では、図８に示されているようにターゲット基体１１８がそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２の領域の直ぐ下に複数の冷却通路２００を含んでいる。一実施形態では、これらの冷却通路は小さな円形断面の通路であり、特定の一例では、該通路はそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２の直ぐ下でターゲット基体１１８に、直径約３〜４ｍｍで、４ｍｍ間隔でドリルによりあけられる。水、或いは３Ｍ社によって製造されているFLUORINERT（商標）のような適当な冷却剤として作用する液体のような冷却剤が、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２からより急速に熱を除去し易くするために該通路に圧送される。この代わりに、冷却通路２００は、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２において発生された熱を散逸するために蓄熱材料で構成する。一例では、蓄熱材料は相変化材料で構成される。これらの相変化材料にはパラフィンが含まれる。別の実施形態では、蓄熱材料は、ナトリウム、カリウム、錫、鉛、インジウム、アンチモン、ビスマス、ナトリウム−カリウム合金、錫−鉛合金及びインジウム−アンチモン合金のうちの少なくとも１つで構成される。

更に別の実施形態は図９に示されているような静止型ＣＴシステム１０である。静止型ＣＴシステム１０は複数のＸ線源組立体２４０を有する。複数のＸ線源組立体２４０の各々は、それぞれの環状Ｘ線源組立体の各々に沿って間隔をおいて設けられた複数のそれぞれのＸ線源１００を有する。複数のＸ線源組立体２４０は環状の直径が異なるものとすることができる。複数のそれぞれのＸ線源１００の各々は、それぞれの静止したＸ線ターゲット１０２と、電子ビーム集束室１０４と、Ｘ線通路１０６と、電子ビーム源１０８とを有する。電子ビーム源１０８はそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に対して離間した関係で配置される。電子ビーム集束室１０４は、Ｘ線通路１０６に通すＸ線を生じさせるために電子ビーム源１０８から放出された複数の電子を集束してそれぞれの静止したＸ線ターゲット１０２に衝突させるようにするための選択された断面輪郭部を有する。

図１のＸ線源１００に関して説明した様々な実施形態及び具体例は、図９の静止型ＣＴシステム１０にも適用可能である。

上記の実施形態において、複数の検出器２２０が環状Ｘ線源組立体１２の環状方向の長さに沿って位置決めされていて、図１０に示されているように最適なＸ線フォトン束を確実に検出するために環状Ｘ線源組立体１２からずらした位置に隔たっている。「ずらした位置」とは、隣接した環状Ｘ線源組立体１２から出て行くＸ線が隣接した検出器に入射しないように検出器２２０が配置されることを意味する。

以上の実施形態で説明した様々な特徴は必ずしも互いに対して排他的であるとは限らない。上記の特徴の幾つかの組合せが可能であり、例えば、ターゲット基体１１８に冷却通路２００を含むと共に、電子ビーム室１０４の上部区画２０２に切欠き２０８を含む実施形態が可能である。同様に、別の実施形態では、ターゲット基体１１８に冷却通路２００を含むと共に、電子ビーム集束室１０４の上部区画２０２に溝２０６を含む。これらの実施形態には、追加の特徴として、電子ビーム集束室１０４の上部区画２０２に冷却通路２１０を設けることができる。

図１０について説明すると、静止型ＣＴシステム１０の部分的側面図が環状Ｘ線源組立体１２を含んでいる。環状Ｘ線源組立体は、上述した様々な実施形態で説明した特徴を含んでいるＸ線源１００を有する。Ｘ線源１００は環状組立体上の線源の位置に対向する検出器２２０へ向かってＸ線ビームを投射する。検出器２２０は典型的には複数の検出素子によって形成され、これらの検出素子は患者を通過した投射Ｘ線を検知する。各検出素子は、入射したＸ線ビームの強度、従って患者を通過したＸ線ビームの減弱度を表す電気信号を発生する。

Ｘ線源１００の動作は静止型ＣＴシステム１０の制御機構（図示していない）によって支配される。制御機構は、Ｘ線源１００に電力及びタイミング信号を供給するＸ線源制御器を含んでいる。制御機構内のデータ収集システム（ＤＡＳ）が検出素子からのアナログ・データをサンプリングして、該データをその後の処理のためにディジタル信号に変換する。画像再構成装置がＤＡＳからのサンプリングされてディジタル化されたＸ線データを受け取って、高速画像再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータに入力として印加され、コンピュータは大容量記憶装置に画像を格納する。

コンピュータ（図示していない）はまた、ユーザ・インターフェース又はグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）を介して信号を受け取り且つ供給する。詳しく述べると、コンピュータはオペレータ・コンソールから指令及び走査パラメータを受け取る。オペレータ・コンソールはキーボード及びマウス（図示していない）を含むのが好ましい。付設された陰極線管表示装置により、オペレータはコンピュータからの再構成された画像及びその他のデータを観察することができる。コンピュータはオペレータにより供給された指令及びパラメータを使用して、静止型ＣＴシステム１０の構成要素の動作及び動きを制御するために、Ｘ線制御器、ＤＡＳ、並びにテーブルと連絡するテーブル・モータ制御器に制御信号及び情報を供給する。

本発明の特定の特徴のみを例示して説明したが、当業者には多くの修正及び変更をなし得よう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の精神の範囲内にあるこの様な全ての修正及び変更を包含するものであることを理解されたい。

環状Ｘ線源組立体を有する静止型ＣＴシステムの断面図である。 環状Ｘ線源組立体内のＸ線源の断面図である。 本発明の一実施形態において熱応力を低減する順応性装置を備えた放射窓を示す略図である。 図２の真空室及びＸ線通路内での電子ビーム散乱分布を例示する略図である。 後方散乱電子が静止したＸ線ターゲットに衝突するのを防止するための溝を備えた実施形態を示す略図である。 後方散乱電子が静止したＸ線ターゲットに衝突するのを防止するための切欠きを備えた実施形態を示す略図である。 図２の電子ビーム集束室の上部区画内に複数の冷却通路を持つ実施形態を示す略図である。 図２のターゲット基体内に複数の冷却通路を持つ実施形態を示す略図である。 複数の環状Ｘ線源組立体を有する静止型ＣＴシステムの実施形態を示す略図である。 Ｘ線源組立体の環状方向の長さに沿って位置決めされていて、環状Ｘ線源組立体からずらした位置に隔たっている検出器を有する実施形態を示す略図である。

符号の説明

１０ 静止型ＣＴシステム
１２ 環状Ｘ線源組立体
１００ Ｘ線源
１０２ 静止したＸ線ターゲット
１０４ 電子ビーム集束室
１０６ Ｘ線通路
１０８ 電子ビーム源
１１０ 真空室
１１２ 絶縁室
１１４ 絶縁室
１１６ 放射窓
１１７ 順応性装置
１１８ ターゲット基体
２００ ターゲット基体内の冷却通路
２０１ Ｘ線源の外面とＸ線ターゲットとの間の間隙
２０２ 電子ビーム集束室の上部区画
２０４ 電子ビーム集束室の下部区画
２０６ 溝
２０８ 切欠き
２１０ 電子ビーム源の上部区画内の冷却通路
２２０ 検出器
２４０ 複数の環状Ｘ線源組立体

Claims (7)

1. 少なくとも１つの環状Ｘ線源組立体（１２）を有する静止型ＣＴシステム（１０）であって、
   前記環状Ｘ線源組立体（１２）は、前記環状Ｘ線源組立体（１２）に沿って間隔をおいて配置された複数のそれぞれのＸ線源（１００）を有し、
   前記それぞれのＸ線源（１００）の各々は、それぞれの静止したＸ線ターゲット（１０２）と、電子ビーム集束室（１０４）と、Ｘ線通路（１０６）と、前記それぞれの静止したＸ線ターゲット（１０２）に対して離間した関係に配置された電子ビーム源（１０８）とを有しており、前記電子ビーム集束室（１０４）は、前記Ｘ線通路（１０６）に通すＸ線を生じさせるために前記電子ビーム源（１０８）から放出された複数の電子を集束して前記それぞれの静止したＸ線ターゲットに衝突させるようにするための選択された断面輪郭部を有するように互いに離れて配置された上部区画（２０２）及び下部区画（２０４）を有しており、
   前記上部区画（２０２）は、前記それぞれの静止したＸ線ターゲットに衝突した電子ビームにより生成された複数の後方散乱電子を受け、前記複数の後方散乱電子が前記それぞれの静止したＸ線ターゲット（１０２）に衝突するのを防止するために、前記それぞれの静止したＸ線ターゲットに対向して位置決めされた切欠き（２０８）又は複数の溝（２０６）を含んでいること、を特徴とする静止型ＣＴシステム（１０）。
2. 前記Ｘ線源（１００）の各々は更に、前記電子ビーム集束室（１０４）と絶縁室（１１２）との間に配置された真空室（１１０）を含み、前記絶縁室（１１２）は前記電子ビーム源（１０８）を収容している、請求項１記載のシステム。
3. 前記Ｘ線源（１００）の各々は更に、前記それぞれの静止したＸ線ターゲット（１０２）及び前記Ｘ線通路（１０６）から所定の角度変位した位置にある放射窓（１１６）を含んでいる、請求項１記載のシステム。
4. 前記Ｘ線源（１００）の各々は更に、前記それぞれの静止したＸ線ターゲット（１０２）に取り付けられたターゲット基体（１１８）を含んでいる、請求項１記載のシステム。
5. 前記ターゲット基体（１１８）は複数の冷却通路（２００）を含んでいる、請求項４記載のシステム。
6. 前記Ｘ線源（１００）は、前記Ｘ線通路（１０６）によって分離された上部区画（２０２）及び下部区画（２０４）を含んでおり、前記上部区画（２０２）及び前記下部区画（２０４）は、銅、アルミニウム、黒鉛、黒鉛発泡体、並びにアルミニウム及び銅の金属発泡体より成る群から選択された高熱伝導度材料で構成されており、また前記上部区画及び前記下部区画は前記電子ビーム集束室（１０４）の内壁の一部分を画成しており、前記壁の形状は前記選択された断面輪郭部の一部分を画成している、請求項１記載のシステム。
7. 前記電子ビーム集束室（１０４）の前記上部区画（２０２）は複数の冷却通路（２１０）を含んでいる、請求項６記載のシステム。
   
   

Images