JP4594699B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線管球と、複数の検出素子列を有するマルチスライス対応のＸ線検出器との対を複数有する多管型のＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を透過したＸ線の強度に基づいて、被検体についての情報を画像により提供するものであり、疾病の診断、治療や手術計画等を初めとする多くの医療行為において重要な役割を果たしている。

近年では、Ｘ線管球と、複数の検出素子列を有するＸ線検出器との対を複数有する多管型の実用化、更に多管型にマルチスライス対応のＸ線検出器を組み合わせることが検討されている。

例えば、特許文献１では、２つの２次元検出器が患者の体軸方向、すなわちスライス幅方向にオフセット配置することにより、厚いスライス幅の立体像を得ることを可能としている。また、特許文献２では、多管型の各系統に別々に走査条件を設定できるようにしたり、一方の系統を他方のバックアップとしても待機させておくこと等様々な使い方が検討されている。
特開平７−２３１８８８ 特開平６−３８９５７

本発明の目的は、マルチスライス対応で多管型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の用途を拡大することにある。

本発明の局面は、第１Ｘ線管球と、前記第１Ｘ線管球に対向する複数の第１検出素子列を有する第１Ｘ線検出器と、前記第１Ｘ線管球に対して回転軸回りに所定角度ずれて配置された第２Ｘ線管球と、前記第２Ｘ線管球に対向する複数の第２検出素子列を有する第２Ｘ線検出器と、前記第１Ｘ線管球、前記第１Ｘ線検出器、前記第２Ｘ線管球及び前記第２Ｘ線検出器を回転軸回りに回転する回転機構と、前記第１Ｘ線管球と前記第２Ｘ線管球との少なくとも一方を前記第１Ｘ線検出器と前記第２Ｘ線検出器との少なくとも一方とともに前記回転軸に沿って移動する移動機構と、前記第１Ｘ線管球に対する前記第２Ｘ線管球の相対位置をヘリカルピッチと前記第１検出素子列の列ピッチとに応じた位置であって、前記第２検出素子列の少なくとも1つの列の軌道が前記第１検出素子列の軌道の間に配置されるように、前記第１Ｘ線管球に対する前記第２Ｘ線管球の相対位置を変更するために前記移動機構を制御する制御部とを具備する。

本発明によれば、マルチスライス対応で多管型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の用途を拡大することができある。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管球と放射線検出器とが１体として被検体の周囲を回転する回転／回転タイプと、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管球のみが被検体の周囲を回転する固定／回転タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプとして説明する。また、１スライスの断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋α（α：ファン角）分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも適用可能である。ここでは、前者の例で説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよい。

図１は本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。このＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集するために構成された架台１を有する。架台１は、架台回転駆動装置１６により回転駆動されるリング状の回転フレームを収容する。なお、回転フレームの回転軸をＺ軸とし、Ｚ軸に対して垂直面をＸＹの直交２軸で既定するものとする。回転フレームにはＺ軸を挟んで対向するように第１Ｘ線管球１１１と第１Ｘ線検出器１１３とが搭載される。

第１Ｘ線管球１１１の陰極陽極間には第１高電圧発生部１４から管電圧が印加され、また第１Ｘ線管球１１１のフィラメントには第１高電圧発生部１４からフィラメント電流が供給される。管電圧の印加及びフィラメント電流の供給により第１Ｘ線管球１１１の陽極ターゲットからＸ線が発生される。

第１Ｘ線検出器１１３は、図２に示すように、複数のＸ線検出素子１１５を有する。例えば９１６個のＸ線検出素子１１５がチャンネル方向にそって一列に配列される。この列がスライス方向に複数列並設される。説明の便宜上、９１６個のＸ線検出素子１１５の列がスライス方向に３列並設されるものと仮定するが、それ以上の列数として例えば２４列、４０列であってもよい。ここで、スライス方向に隣り合う２つの列の中心間距離、すなわち列ピッチは「Ｐ」と表記するものとする。

第１Ｘ線検出器１１３には、一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれている第１データ収集部１１４が接続される。第１データ収集部１１４は、後述のサンプリングパルス発生器２７からの第１サンプリングパルスに従って周期的に第１Ｘ線検出器１１３の各チャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号に変換する動作を繰り返す。

回転フレームには、Ｚ軸を挟んで対向するように第２Ｘ線管球１２１と第２Ｘ線検出器１２３とが搭載される。第２Ｘ線管球１２１は、第１Ｘ線管球１１１に対して、回転軸回りに例えば９０°後方にずれた位置に配置される。第２Ｘ線管球１２１は、第２高電圧発生部１５から管電圧の印加及びフィラメント電流の供給により陽極ターゲットからＸ線を発生する。第２Ｘ線検出器１２３は、第１Ｘ線検出器１１３と同一構造を有し、すなわちここでは９１６個のＸ線検出素子１１５の列が列ピッチＰでスライス方向に３列並設される。第２Ｘ線検出器１２３には、第２データ収集部１２４が接続され、後述のサンプリングパルス発生器２７からの第２サンプリングパルスに従って周期的に各チャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号に変換する動作を繰り返す。

寝台１０は、Ｚ軸に沿って移動可能な天板２０を有する。天板２０の移動は寝台駆動部１７により駆動される。データ収集時には被検体が天板２０上に載置され、Ｚ軸を中心とした撮影領域内に挿入される。

Ｚシフト機構１３は、第１Ｘ線管球１１１と第２Ｘ線管球１２１との少なくとも一方を第１Ｘ線検出器１１３と第２Ｘ線検出器１２３との少なくとも一方とともに回転軸（Ｚ軸）に沿って移動することにより、図３に示すように、第１Ｘ線管球１１１に対する第２Ｘ線管球１２１の相対的な位置（Ｚ軸上の位置）を、第１Ｘ線管球１１１を挟んで前後にわたる所定の可動範囲内で任意に変更するために設けられている。ここでは、第１Ｘ線管球１１１が第１Ｘ線検出器１１３とともに回転フレームに固定され、第２Ｘ線管球１２１が第２Ｘ線検出器１２３とともに回転フレームからＺシフト機構１３を介して移動可能に支持されるものとする。第２Ｘ線管球１２１及び第２Ｘ線検出器１２３のＺ軸に関するシフトはＺシフト機構駆動部１９により駆動される。

Ｚシフト機構駆動部１９は、計算機ユニット２のＺシフト制御部２２により制御を受ける。Ｚシフト制御部２２は、詳細は後述するが、ヘリカルピッチ及び列ピッチＰに基づいて、第１Ｘ線管球１１１に対する第２Ｘ線管球１２１の相対的な位置、つまり第１Ｘ線管球１１１から第２Ｘ線管球１２１までの距離及びその向きを決定する。なお、説明の便宜上、第１、第２Ｘ線管球１１１、１２１からみてヘリカルスキャンにおいて天板２０が接近してくる向きを、「前方」、天板２０が遠ざかる向きを、「後方」として定義する。

計算機ユニット２は、上述のＺシフト制御部２２及びサンプリングパルス発生器２７とともに、システム制御部２０、スキャン制御部２１、前処理部２３、画像再構成部２４、表示部２５、操作卓２６から構成される。前処理部２３は、第１、第２データ収集部１１４，１２４から出力されるデータ（生データ）に対して感度補正等の補正処理を施して投影データを発生する。画像再構成部２４は、投影データから画像データを再構成するためにも受けられている。

次に、本実施形態の動作について説明する。スキャンに先立って、システム制御部２０又は図示しないスキャンエキスパートシステムの制御のもとで、スキャン計画が決定される。スキャン計画には、例えば、シングルスキャン／マルチスライススキャン／ヘリカルスキャンの区別を表すスキャンモード、スキャン開始位置、終了位置、ＣＴＤＩ（ＣＴ線量指数）、管電圧、管電流、スキャンスピード（Ｘ線管球１１１，１２１の１回転に要する時間）、スライス数、撮影スライス厚、画像スライス厚、Ｘ線管球の１回転期間に天板２０が移動する距離を表すヘリカルピッチＨＰ、撮影視野（撮影ＦＯＶ）、再構成視野（再構成ＦＯＶ）等の一般的なパラメータとともに、ヘリカルスキャンを高速で行う高速スキャンモードとヘリカルスキャンをＺ軸に関して高解像度で行う高解像度スキャンモードとのいずれかが選択される。

高速スキャンモードが選択されたとき、Ｚシフト制御部２２は、第２Ｘ線管球１２１及び第２Ｘ線検出器１２３を高速スキャンに対応するＺ位置にシフトするために、Ｚシフト機構駆動部１９を制御する。また、Ｚシフト制御部２２は、Ｚ軸高解像度スキャンモードが選択されたとき、第２Ｘ線管球１２１及び第２Ｘ線検出器１２３をＺ軸高解像度スキャンに対応するＺ位置にシフトするために、Ｚシフト機構駆動部１９を制御する。

図４には、高速スキャンモードが選択されたときの第１,第２Ｘ線検出器１１３，１２３の各列の軌道を示している。高速スキャンモードでは、第１Ｘ線検出器１１３のここでは３列分の３つの軌道と、第２Ｘ線検出器１２３の３つの軌道とが列ピッチＰで等間隔に並ぶように、換言すると、第１Ｘ線検出器１１３と第２Ｘ線検出器１２３とが、それぞれの２倍の６列を有する単一のＸ線検出器でスキャンするのと同じ軌道が描かれるように、第２Ｘ線管球１２１及び第２Ｘ線検出器１２３の位置が変更される。第１Ｘ線検出器１１３の列数をＮ、第１Ｘ線検出器１１３の列ピッチをＰ、ヘリカルピッチをＨＰ、第１Ｘ線管球１１１に対する第２Ｘ線管球１２１のズレ角をβとした場合、図５に示すように、第２Ｘ線管球１２１は第１Ｘ線管球１１１より後方に回転軸上でＤ１の距離隔てた位置にシフトされる。もちろん、同様に、第２Ｘ線検出器１２３は第１Ｘ線検出器１１３より後方に回転軸上でＤ１の距離隔てた位置にシフトされる。

Ｄ１＝Ｎ×Ｐ−ＨＰ×（β／３６０）
ここでは、第２Ｘ線管球１２１が第１Ｘ線管球１１１に対して回転軸回り後方に９０°ずれているので、
Ｄ１＝Ｎ×Ｐ−ＨＰ／４
で与えられる。

この位置に第２Ｘ線管球１２１を第２Ｘ線検出器１２３とともにシフトすることで、９０°回転した時点で第１Ｘ線検出器１１３の各列の軌道に同じ列ピッチＰで等間隔に揃うことになる。従って検出器１１３，１２３各々の実質的に２倍の列数を備えた広視野の検出器で高速にスキャンすることができる。

図６には、Ｚ軸方向に高解像度を実現するＺ軸高解像度スキャンモードが選択されたときの第１,第２Ｘ線検出器１１３，１２３の各列の軌道を示している。Ｚ軸高解像度スキャンモードでは、第１Ｘ線検出器１１３のここでは３列分の３つの軌道に対して、第２Ｘ線検出器１２３の３つの軌道が列ピッチＰの１／２だけずれてオーバーラップするように、換言すると、第１Ｘ線検出器１１３と第２Ｘ線検出器１２３とが、列ピッチＰの１／２の列ピッチで配列されたそれぞれの２倍の６列を有する単一のＸ線検出器でスキャンするのと同じ軌道が描かれるように、第２Ｘ線管球１２１及び第２Ｘ線検出器１２３の位置が変更される。図７に示すように、第２Ｘ線管球１２１は第１Ｘ線管球１１１より前方にＤ２の距離隔てた位置にシフトされる。もちろん、同様に、第２Ｘ線検出器１２３は第１Ｘ線検出器１１３より前方にＤ２の距離隔てた位置にシフトされる。

Ｄ２＝ＨＰ×（β／３６０）−Ｐ／２
ここでは、第２Ｘ線管球１２１が第１Ｘ線管球１１１に対して回転軸回り後方に９０°ずれているので、
Ｄ２＝ＨＰ／４−Ｐ／２
で与えられる。

この位置に第２Ｘ線管球１２１を第２Ｘ線検出器１２３とともにシフトすることで、９０°回転した時点で第１Ｘ線検出器１１３の各列の軌道から列ピッチＰの１／２だけずれて等間隔に揃うことになる。従って検出器１１３，１２３各々の実質的に２倍の解像度（１／２の列ピッチ）を備えた検出器で高解像でスキャンすることができる。

なお、上述の高速スキャンモードとＺ軸高解像度スキャンモードに、ＸＹ方向の解像度の向上技術を併用することができる。ＸＹ方向の解像度の向上のために、ここでは２種の方法を提供する。その一方の方法としては、図８に示すように、第１データ収集部１１４へのサンプリングパルスに対して、第２データ収集部１２４に与えられるサンプリングパルスが、１８０°移相される。つまり、第１データ収集部１１４へのサンプリングパルスに対して、第２データ収集部１２４にはサンプリングパルスが逆相で与えられる。それにより第１、第２データ収集部１１４、１２４からのデータを合わせた場合、１周分のサンプリング数（ビューポイント数）を実質的に２倍、サンプリングポイントの間隔（ビューピッチＶＰ）を実質的に１／２に向上することができる。

第１、第２データ収集部１１４、１２４に同相でサンプリングポイントを供給しながらも、同様に、ＸＹ方向の解像度を向上するために、図９に示すように、第１Ｘ線管球１１１を回転軸回りにビューピッチＶＰの１／２に相当する角度αだけ回転シフトさせる回転シフト機構を更に備えるようにしても良い。

なお、上述の説明では、２管球型のＣＴの例で説明したが、Ｘ線管球とＸ線検出器が３組ずつ装備された３管球型、Ｘ線管球とＸ線検出器が５組ずつ装備された５管球型などの他の組数でも本実施形態は適用可能である。

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構成を示す図。 図1の第1Ｘ線検出器の平面図。 図1のＺシフト機構による第２Ｘ線管球及び第２Ｘ線検出器の稼動範囲を示す図。 本実施形態において高速スキャンモードが選択されたときの第１,第２Ｘ線検出器の各列の軌道を示す図。 図４の高速スキャンモードに対応する第１Ｘ線管球に対する第２Ｘ線管球の位置を示す図。 本実施形態においてＺ方向高解像度スキャンモードが選択されたときの第１,第２Ｘ線検出器の各列の軌道を示す図。 図６の高解像度スキャンモードに対応する第１Ｘ線管球に対する第２Ｘ線管球の位置を示す図。 本実施形態においてＸＹ高解像度スキャンモードがオンされたときの第１,第２データ収集部各々に対するサンプリングパルス列を示す図。 本実施形態においてＸＹ高解像度スキャンモードがオンされたときの第１Ｘ線管球の回転方向シフトを示す図。

符号の説明

１…架台、１０…寝台、２０…天板、２…計算機ユニット、１３…Ｚシフト機構、１４…第１高電圧発生部、１５…第２高電圧発生部、１６…架台回転装置、１７…寝台駆動部、１９…Ｚシフト機構駆動部、２０…システム制御部、２１…スキャン制御部、２２…Ｚシフト制御部、２３…前処理部、２４…画像再構成部、２５…表示部、２６…操作卓、２７…サンプリングパルス発生器、２８…データ制御バス、１１１…第１Ｘ線管球、１１３…第１Ｘ線検出器、１１４…第１データ収集部、１２１…第２Ｘ線管球、１２３…第２Ｘ線検出器、１２４…第２データ収集部。

Claims (8)

1. 第１Ｘ線管球と、
   前記第１Ｘ線管球に対向する複数の第１検出素子列を有する第１Ｘ線検出器と、
   前記第１Ｘ線管球に対して回転軸回りに所定角度ずれて配置された第２Ｘ線管球と、
   前記第２Ｘ線管球に対向する複数の第２検出素子列を有する第２Ｘ線検出器と、
   前記第１Ｘ線管球、前記第１Ｘ線検出器、前記第２Ｘ線管球及び前記第２Ｘ線検出器を回転軸回りに回転する回転機構と、
   前記第１Ｘ線管球と前記第２Ｘ線管球との少なくとも一方を前記第１Ｘ線検出器と前記第２Ｘ線検出器との少なくとも一方とともに前記回転軸に沿って移動する移動機構と、
   前記第１Ｘ線管球に対する前記第２Ｘ線管球の相対位置をヘリカルピッチと前記第１検出素子列の列ピッチとに応じた位置であって、前記第２検出素子列の少なくとも1つの列の軌道が前記第１検出素子列の軌道の間に配置されるように、前記第１Ｘ線管球に対する前記第２Ｘ線管球の相対位置を変更するために前記移動機構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. 前記第２検出素子列の複数の軌道が前記第１検出素子列の複数の軌道に隣接するように、前記第１Ｘ線管球に対する前記第２Ｘ線管球の相対位置が変更されることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記第１Ｘ線管球が前記第２Ｘ線管球に対して回転軸回りに略９０°ずれた位置に配置されているとき、前記第２Ｘ線管球は前記第１Ｘ線管球から前記回転軸上で距離Ｄだけ後方の位置に配置される
   Ｄ＝Ｎ×Ｐ−ＨＰ／４
   Ｎ：前記第１検出素子列の列数
   Ｐ：前記第１検出素子列の列ピッチ
   ＨＰ：ヘリカルピッチ
   ことを特徴とする請求項２記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記第１Ｘ線管球が前記第２Ｘ線管球に対して回転軸回りに略９０°ずれた位置に配置されているとき、前記第２Ｘ線管球は前記第１Ｘ線管球から距離Ｄだけ前方の位置に配置される
   Ｄ＝ＨＰ／４−Ｐ／２
   Ｐ：前記第１検出素子列の列ピッチ
   ＨＰ：ヘリカルピッチ
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. 前記制御部は、操作者による高速スキャンモードと高解像度スキャンモードとのいずれかの選択に応じて前記相対位置を変更し、前記高速スキャンモードが選択されたとき、前記第２検出素子列の複数の軌道が前記第１検出素子列の複数の軌道に隣接するように前記相対位置を変更し、前記高解像度スキャンモードが選択されたとき、前記第２検出素子列の少なくとも1つの列の軌道が前記第１検出素子列の軌道の間に配置されるように前記相対位置を変更することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記第１Ｘ線管球及び前記第１Ｘ線検出器によるビューポイントを前記第２Ｘ線管球及び前記第２Ｘ線検出器によるビューポイントからずらすための手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
7. 前記ビューポイントをずらすための手段は、前記第２Ｘ線管球に対する前記第１Ｘ線管球の回転軸回りのずれ角を変更するための機構を有することを特徴とする請求項６記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
8. 前記ビューポイントをずらすための手段は、前記第１Ｘ線検出器からの信号に対するサンプリングパルスと前記第２Ｘ線検出器からの信号に対するサンプリングパルスとの間に位相差を与える手段を有することを特徴とする請求項６記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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