JP4599073B2 - Ｘ線断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線断層撮影の可能なＸ線断層撮影装置に関する。

Ｘ線断層撮影法は、特定点を中心にＸ線管とＸ線フィルムとを相対的に動かしながら撮影を繰り返す撮影手法であり、特定点を含む面の像が鮮鋭になり、その前後の部分ではピンぼけとなる断層画像が撮影される。最近では、Ｘ線フィルムに代えて平面型Ｘ線検出器（フラットパネルデテクタ：ＦＰＤ）を採用したＸ線断層撮影装置が主流を占めている。Ｘ線断層撮影装置には、撮影後に特定面を任意に指定できるという優位性がある。ディジタル画像合成では、複数の方向から撮影した複数の投影画像から、指定された面上の各点（ピクセル）ごとにその点を通るレイの投影データが選択され、加算される。Ｘ線断層撮影装置は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（ＣＴスキャナ）や磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）に比べて、断層撮影装置としては簡易的ではあるものの、価格及びガントリサイズ等の点で有利である。

しかし、Ｘ線管をＸ線検出器とともに移動しながら撮影を繰り返す必要があるため、撮影に長時間を要する。特に断層撮影時には、被検体の動きの影響を強く受け、画質が劣化する。また、断層撮影を行うとき、スキャン軌道にそってＸ線管を移動させる複雑な機構を備える必要とされる。物理的なＸ線管の移動精度に限界があり、その精度によっては画質の劣化が顕著である。

本発明の目的は、Ｘ線断層撮影装置において、撮影時間の短縮、構造の簡素化及びＸ線発生位置精度の向上を図ることにある。

本発明のある局面は、Ｘ線を発生するＸ線発生部と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出部と、前記Ｘ線検出部で検出した撮影方向の異なる複数の画像から断層画像を発生する画像発生部とを具備し、前記Ｘ線発生部は、複数のＸ線発生要素を有し、前記Ｘ線検出部から出力される単一の画像データを、対応するＸ線発生要素が異なる複数の画像データに分割する画像分割処理部をさらに備え、前記分割処理部は、前記Ｘ線発生要素各々と前記Ｘ線検出部との位置関係から前記Ｘ線発生要素各々に対応する前記Ｘ線検出部上の撮像領域を計算して前記単一の画像データを前記複数の画像データに分割することを特徴とするＸ線断層撮影装置を提供する。

本発明によると、撮影時間の短縮、構造の簡素化及びＸ線発生位置精度の向上を図ることができる。

現在主流のＸ線発生手段は、Ｘ線発生に必要な電子を、フィラメントに高電圧を印加することで得ている。高温状態にあるフィラメントから、熱的に励起された熱電子が放出される現象を利用したものである。本実施形態では、こうした熱電子放出型のＸ線発生手段ではなく、電界放出型（ＦＥ型）のＸ線発生手段を採用する。ＦＥ型Ｘ線発生手段は、金属を直流高電界中に置くと、金属中の電子が束縛ポテンシャルを越えて外部に放出される電界放出現象を利用し、電子を得るＸ線発生手段である。電子放出源に用いられる代表的な素材としては、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと記す）が挙げられる。ＣＮＴは、外径が数ナノメートルの中空上炭素繊維であり、先端の曲率半径が極めて小さく、数ボルト程度の電圧印加でも電界放出に必要な電界が得られる。また、化学的に安定であるため、金属を用いたときに問題となるスッパタリング耐性においても優れている。このため、低電圧かつ小型の電子放出源を実現する。本実施形態では、ＣＮＴを採用した小型の複数のＸ線発生要素を２次元状に配列してなる典型的には板状のＸ線発生ユニットを採用する。Ｘ線発生ユニットを固定した状態で、Ｘ線発生要素を切り替えて駆動することで、従来のようなＸ線管を物理的に移動して撮影方向を変化させながら撮影を繰り返す断層撮影と同等の撮影を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態に係るＸ線断層撮影装置は、２次元状に配列され、ＣＮＴを採用した複数のＸ線発生要素を有する板状のＸ線発生ユニット１と、被検体を透過したＸ線を検出するための複数のＸ線検出要素を２次元状に配列してなる板状の２次元アレイＸ線検出器（フラットパネルデテクタ（ＦＰＤ）ともいう）としての受像系２とを有する。図２に示すように、Ｘ線発生ユニット１は、キャスター付きのスタンド装置１２に収容される。同様に、受像系２は、キャスター付きのスタンド装置１２に収容され、撮影に際しては寝台１５の天板１４に載置された被検体Ｐを挟んでＸ線発生ユニット１に対向するよう配置される。本実施形態に係るＸ線断層撮影装置は、Ｘ線発生ユニット１のカソード−アノード間に印加するために高電圧を発生する高圧電源３、ゲート電極に印加するためのゲートパルスを発生するゲートパルス電源４とを有する。また、本実施形態に係るＸ線断層撮影装置は、データ収集ユニット５を有する。データ収集ユニット５は、図３に示すように、受像系２で検出した信号を増幅し、補正し、そしてディジタル化するＸ線検出素子ごと（チャンネルごと）に設けられた複数のデータ収集部３１と、データを記憶するためのデータ記憶部３２とから構成される。データ収集ユニット５には、撮影方向の異なる複数の画像（透視像）データから特定断面の構造が鮮明な断層像データを生成するための画像再結像処理部７、透視像データ及び断層像データを記憶するための画像記憶部６、そして複数方向同時撮影時では１フレーム内に複数の透視像が撮影されるがそれら複数の透視像を１フレームから個々に分離するための画像分割処理部８が接続されている。撮影に際しては、制御部９は、撮影条件設定部１０を介して設定された撮影条件および撮影モード設定部１１を介して設定された撮影モードに従って、Ｘ線発生ユニット１、受像系２、高圧電源３、ゲートパルス電源４、データ収集ユニット５を制御する。

図４に示すように、Ｘ線発生ユニット１は、ＣＮＴを採用した電界放出型（ＦＥ型）のＸ線発生要素が２次元状に配列された板状のＦＥ型Ｘ線発生要素アレイ３３と、多孔型の板状のコリメータ２７と、各Ｘ線発生要素のゲート電極に対して個別にゲートパルスを発生する電極選択回路３４とを有する。各Ｘ線発生要素は、図５に示すように、基板２１上のカソード２２とゲート電極２３の間にＣＮＴ束２３が配置される。ゲート電極２４にゲートパルスが印加されたとき、カソード２２とゲート電極２４との間に電界が形成され、その電界内に配置されているＣＮＴ束（電子放出源）２３から電子が放出される。その電子はアノード２５のターゲット２６に衝突してＸ線を発生する。コリメータ２７の開孔部２８で所定の拡がり角に制限されたＸ線は被検体に照射される。図５の例はターゲット透過型であるが、図６に示すように、電子流に対してターゲット２９を斜めに配置した反射型であってもよい。また、図７に示すように、電子の収束性を向上するためにゲート電極２４−アノード２５間に集束レンズ３０を備えるようにしてもよい。Ｘ線発生要素アレイ３３は、このような複数のＸ線発生要素が、図８に示すように、平面的、図９に示すように円弧状、または図４４に示すように多角形状に配列される。ここでは説明の便宜上、Ｘ線発生要素アレイ３３は平面型として説明する。図１０に示すように、複数のＣＮＴ束２３が縦横に一定間隔で整然と配列される。複数のＣＮＴ束２３にそれぞれ対応する複数のゲート電極２４及び複数のターゲット２６が同様に縦横に一定間隔で整然と配列される。コリメータ２７は、複数のターゲット２６にそれぞれ対応する複数の開孔部２８を有する。ターゲット２６各々から、それぞれ対応する開孔部２８を通過するＸ線は、全てのターゲット２６からのＸ線で共通する単一の撮影視野に照射するように、ターゲット２６と所定の撮影視野の位置との幾何学的位置関係に従って複数の開孔部２８各々の中心位置、形状及び大きさが決定される。その結果、詳細は後述するが、図１１に例示するように、形状及び大きさは、上記位置関係に応じて個々に設計され、開孔部２８各々で相違する。また、それぞれ対応するターゲット２６の中心位置に対する開孔部２８各々の中心位置のズレの距離と方向は、上記位置関係に応じて個々に設計され、開孔部２８各々で相違する。従って、開孔部２８は、ターゲット２６と異なり、縦横に不均一な間隔で配列される。

なお、Ｘ線発生要素アレイ３３と同等の大きさを有するコリメータ２７を、Ｘ線発生要素アレイ３３に固定的に装着してもよいし、図１２，図４３に示すように、コリメータ板２７´に１又は２個の開孔部２８を設けて、撮影時に、円軌道に沿って切り替えられる焦点の移動に伴って、回転操作するようにしても良い。

このような本実施形態のコリメータ２７を備えることで次のような効果がある。それぞれのターゲット２６から発生するＸ線の撮影視野が定量的にわかるため、適切なＸ線撮影が行える。撮影中に、図４１に示すように、Ｘ線発生ユニット１を移動させることなく、固定した状態にままで、同一の撮影視野を異なる角度から撮影でき、撮影のための操作を軽減し、かつ、安全性が向上する(特に治療中の撮影時)。撮影に際しては、大視野の受像系２は固定される。受像系２が比較的小視野であれば、図４１に示すように焦点移動に同期して移動される。断層撮影時には、スキャン軌道にそってＸ線管を移動させるための機構部を備える必要が無くなる。また、断層撮影中、機械的にＸ線管を移動させる必要がなく、Ｘ線発生点の位置が精度良く把握でき、再結像された断層画像の画質が向上する。Ｘ線は、焦点から一定の広がりを持って発生するため、撮影に必要のないＸ線を遮蔽する必要がある。本実施形態では、コリメータ２７の開孔部２８は、Ｘ線発生ユニット１のどのＸ線発生要素から発生するＸ線も、単一の撮影領域を照射するように設計されている。コリメータの設計は、それぞれの焦点の、撮影視野からの距離(距離および角度)に基づいてなされる。ＦＥ型Ｘ線発生ユニット１の複数のターゲット２６がどのような配置であっても、定められた撮影領域を照射するようにＸ線を遮蔽するコリメータの設計が可能である。

まず、図１３に示すように、撮影視野サイズｖとＸ線発生ユニット１−被検体間距離Ｌを定める。これらは、装置の用途によって決めればよい。ただし、Ｘ線発生ユニット１の中央位置と、撮影視野の中央位置は合わせる。Ｘ線発生ユニット１は必ずしも平板状である必要はない。図１３に示した座標系はＸ線発生ユニット１の中央位置を原点とする。

以下、Ｘ線発生ユニット１上の任意の位置にある焦点が備えるコリメータ２７の一例を示す。ターゲット２６（Ｘ線焦点）の位置は、図１３の中で示した座標系を用いる。図１３では、座標系の原点は、Ｘ線発生ユニット１の中央位置とした。なお、小型のＸ線発生ユニット１を複数用いる場合には、それらのＸ線発生ユニット１の集合体の中央の位置とする。ここで、図１４，図１５に示すように、ターゲット（焦点）２６の座標を(x_０、ｙ_０、z_０)、ｘ軸方向の角度をθx、ｙ軸方向の角度をθｙとする。Ｘ線発生ユニット１の中央と撮影視野の中央を結ぶ線と、焦点から発生するＸ線の、中央方向を示す線とがなす角度で、ｘ軸方向、ｙ軸方向の角度を考慮する。また、ここでは、図１６，図１７に示すように、発生するＸ線の中心方向と垂直な面内に設置するコリメータ２７を例に挙げ、焦点からの距離ｃのところに設置するものとする。焦点を通りｚ軸に平行な直線と、撮影視野の両端へ達するＸ線のなす角度をそれぞれ、θ_Ｌ、θ_Rとする。

このとき、ｘ軸方向のコリメート幅は焦点の位置により下記のように場合分けして計算ができる。

例えば、−ｖ/２ ＞ x_０のときには、図１８に示すように、発生するＸ線の中心方向を基準に、撮影視野のｘ軸プラス側の端へ到達するＸ線は、ｃ＊tan(θ_Ｌ−θ_Ｘ)の位置でコリメートし、ｘ軸マイナス側の端へ到達するＸ線は、ｃ＊tan(θ_Ｘ−θ_Ｒ)の位置でコリメートすればよい。

図１９、図２０に示すように、ｙ軸方向についても同様に計算が行える。焦点を通りｚ軸に平行な直線と、撮影視野の両端へ達するＸ線のなす角度をそれぞれ、θ_Ｔ、θ_Ｂとする。

このとき、ｙ軸方向のコリメート幅は焦点の位置により次のように場合分けして計算ができる。

例えば、− ｖ／２ ＞ ｙ_０のときには、図２１に示すように、発生するＸ線の中心方向を基準に、撮影視野のｙ軸プラス側の端へ到達するＸ線は、ｃ＊tan(θ_Ｔ−θ_γ)の位置でコリメートし、ｙ軸マイナス側の端へ到達するＸ線は、ｃ＊tan(θ_γ＋θ_Ｂ）位置でコリメートすればよい。

以上より、Ｘ線発生ユニット１の任意の位置(x_０、ｙ_０、z_０)にある焦点が備えるコリメータ２７の開孔部２８は図２２のようになる。

以上は、焦点から発生するＸ線の中心方向と垂直な面内にコリメータ２７を設置する例を示したが、図２３に示すように、撮影視野と平行に設置してもよい。この場合、図２４に示すように、開孔幅および開孔部２８の焦点からの位置関係を求めることができる。

図２４は、焦点位置のx、ｙ座標(x_０、ｙ_０)が、共に撮影視野に対して、−ｖ／２ ＜ x_０、ｙ_０ ＜ ｖ／２ を満たす場合を示したものであるが、このとき、開孔幅ａ、ｂは、次式で表せる。

他の場合についても、容易に計算することは可能である。受像系２の形状がイメージインテンシファイアのように円形の場合には、上記と同様に、定められた撮影視野からの距離と角度に基づいて、円形の開孔部を持つコリメータ２７の開孔部２８の大きさを決定することが可能である。図２５に示すように、撮影視野と平行な面内にコリメータ２７を設置する場合には、撮影視野(ｚ＝Ｌ、ｘ^２＋ｙ^２＝（ν／２）^２を底面とし、焦点(x_０、ｙ_０、z_０)を頂点とする円錐を考え、底面と平行な面で切った断面の円が開孔部２８となる。また、その円の中心は、焦点と撮影視野の中止を結ぶ直線上にある。

焦点から発生するＸ線の中心方向と垂直な面内にコリメータを設置する場合には、図２６に示すように、例えば、撮影領域の中央を通り、Ｘ線の中心方向に垂直な平面と円錐とが交わる楕円形の断面を底辺とし、焦点を頂点とする立体を考える。開孔部は、立体をＸ線の中心方向に垂直な平面で切った断面として得られる。

なお、焦点サイズを考慮した計算も容易に行える。例えば、(x_０、ｙ_０、z_０)にある大きさfの焦点の場合、図２７の開孔幅aおよびｂは次のように計算できる。図２７で、焦点の両端の座標は、
x = x_０−f/２
x_０+f/２ (ｙ=ｙ_０−f/２ 、 ｙ_０+f/２)
である。ここでは、撮影視野 (ｖ/２ < x、ｙ < −ｖ/２)に対し、x_０−f/２ ＜ −ｖ/２ (ｙ_０−f/２ ＜ −ｖ/２) の場合について示している。このとき、焦点の両端から、撮影視野の端へ達するＸ線とz軸と平行な直線のなす角度をθ_１、θ_２とすると、開孔幅a、bは次式のように計算できる。

上記は、撮影視野と平行な面内にコリメータ２７を設置する場合を示したが、発生するＸ線の中心方向に垂直な面内に設置する場合でも、焦点の大きさを考慮することは容易である。なお、コリメータ２７は、複数ある焦点ごとに個別であっても、複数の焦点に対応した、複数の開孔部２８を持つものであってもよい。

次にゲート電極選択回路３４について詳細に説明する。図４に示したように、複数の焦点（ターゲット２６）を有する平面型のＸ線発生ユニット１は、任意の焦点からＸ線を発生させるためのゲート電極選択回路３４を備えている。ゲート電極選択回路３４により、撮影中にＸ線発生ユニット１を移動させることなく、同一の撮影視野を異なる角度から撮影でき、撮影のための操作を軽減し、かつ、安全性が向上する(特に治療中の撮影時)。断層撮影時に、スキャン軌道にそってＸ線発生ユニット１を移動させるための、複雑な機構部を備える必要が無くなる。あらゆるスキャン軌道に対応可能である。また、断層撮影中、機械的にＸ線発生ユニット１を移動させる必要がなく、Ｘ線発生ユニット１(焦点)の位置精度が向上し、再結像された断層画像の画質が向上する。

複数の電子放出源および焦点（ターゲット２６）を有するＸ線発生ユニット１である場合、カソード２２、ゲート電極２４、アノード２５に一様に電圧を印加すると、すべての焦点からＸ線が発生する。本実施形態では、Ｘ線発生ユニット１の一部として、撮影に必要なＸ線だけを発生させるために、電子放出源に対して選択的に電圧を印加できるゲート電極選択回路３４を備える。ゲート電極選択回路３４の制御は、撮影条件設定部１０を通じて設定された撮影条件に基づいて、制御部９が行う。以下では、カソード２２、ゲート電極２４、アノード２５の３極式の場合を想定し、カソード２２とゲート電極２４の間の回路について記すが、必ずしも、このケースに限定しない。任意の電子放出源に電圧を印加するための回路であれば、どこに備えても良い。例えば、ゲート電極２４とアノード２５間でも同様の回路を備えることができる。また、２極式の場合なら、カソード２２とアノード２５間に備えても良い。

以下に挙げる電極選択回路３４の例の中で示す図は、便宜的に簡易化している。実際には、平板上に規則正しく電子放出源が並んでいる必要はなく、数や配置は、いかなるものでもよい。

電極選択回路３４の一例として、図２８の示す回路が考えられる。全てのアノード２５、ゲート電極２４はそれぞれ互いに絶縁されている。それぞれのアノード２５とゲート電極２４に、電圧を供給するための導電線を、スイッチ３５、３６を介してつなぐ。実際には、カソード２２とゲート電極２４は対向して配置されるが、ここでは回路配線を示すために、並置して示す。＃１から＃９の数字は、アノード２５、カソード２２の区別のために便宜的にチャンネル番号であり、同一番号のアノード２５とカソード２２が互いに対向する。

図２８の回路では、制御部９によって、スイッチ３５，３６を選択することにより、任意の電子放出源にのみ電圧を印加することができる。たとえば、チャンネル＃１、＃９のアノード側スイッチ３５と、ゲート側スイッチ３６を閉じる（オンする）ことにより、＃１、＃９の焦点２６からＸ線が発生する。

図２８では、アノード２５、ゲート電極２４の双方にスイッチ３５，３６を備えたが、どちらか一方にのみスイッチを備える回路であっても良い。例えば、その場合、ゲート電極側のみそれぞれを絶縁した上で選択スイッチ３６を備え、アノード側には一様に電圧を印加すればよい。このような回路を備えることにより、通常のＸ線撮影の他、図２９に示すように、Ｘ線発生ユニット１を移動させることなく同一の撮影視野を異なる角度から撮影できる。また、断層撮影時には、さまざまなスキャン軌道での撮影が可能である。軌道は、被検体撮影部位からみて、あらゆる角度から偏ることなく照射できる軌道が望ましい。例えば、円軌道で撮影を行いたい場合には、図３０に示すように斜線領域の焦点からＸ線が曝射されるよう、順次に、ゲート電極２４を選択してゆけばよい。図３０よりも高密度に電子放出源および焦点を配置すれば、なめらかな円軌道に近づけることも可能である。また、同じスキャン軌道でも、曝射する焦点の数を調節することも可能であり、得られる断層画像が低画質でも良い場合には少ない焦点から、高画質でなければならない場合には、多くの焦点から曝射することで、被検体および操作者の被曝線量を低減できる。

また、アノード２５、ゲート電極２４について、それぞれ行および列ごとに選択できるように、図３１に示すように、スイッチ３５，３６を行および列ごとに設けるようにしてもよい。このような回路でも、図２８に示した回路と同様の撮影が可能である。

ただし、図３１の回路では、複数の焦点から同時にＸ線を発生させたい場合に、不都合な場合がありうる。たとえば、図３１に示すように、チャンネル＃１、＃１６の焦点からＸ線を発生させるために、アノード側スイッチ＃１、＃４と電極側スイッチ＃１、＃４と閉じると、チャンネル＃１、＃１６の焦点だけでなく、＃４、＃１３からもＸ線が発生してしまう。このような場合、例えば、図３２に示すように、各行に対してスイッチ３６を２つずつ設けて、各スイッチ３６に左右を個々に分担させる。＃１、＃４のアノード側スイッチ２６と、＃１、＃８のゲート電極側スイッチ３６を選択すれば、チャンネル＃１、＃１６の焦点からＸ線が照射される。図３２の例では、電極側スイッチ３６の一行を二つに分割したが、より電子放出源、電極の数が多い場合には、二つ以上に分割してもよい。

あらかじめ、特定のスキャン軌道で撮影を行うことが分かっている場合には、スキャン軌道に対応した電子放出源等の配置、電極回路を備えることも可能である。例えば、円軌道による断層撮影を行うことが分かっている場合には、図３３に示すように電子放出源２３を配置したＦＥ型Ｘ線発生ユニット１を用いればよい。

図３３では、あらかじめ円軌道に沿った電子放出源（ＣＮＴ束）２３と、それらに対応するゲート電極２４が配置されている。アノード２５は、それぞれの電子放出源２３ごとに絶縁されておらず、すべての放出源２３に電圧が印加される。複数のＦＥ型Ｘ線発生ユニット１の集合を用いる場合には、アノード２５も個別に存在するが、その場合には、すべてのアノード２５を導電体を用いて接続する。

ゲート電極２４の側は、それぞれの電子放出源２３に対応する電極２４が互いに絶縁されており、スイッチ３７を選択的に閉じることにより、電圧が印加される。複数の焦点から同時曝射も可能である。装置が円軌道による断層撮影の他の用途にもりようできるよう、図３３に示したもの以外の電子放出源を備えていてもよい
次に、撮影モード選択部１１、撮影条件設定部１０について説明する。撮影モードには、一般撮影モードと断層撮影モードとがある。いずれかを最初に選択する。従来のＸ線断層撮影装置では、一般撮影と断層撮影の撮影モードを選択することなく必要な撮影条件の設定を行っていた。そのため、次のような問題があった。一般撮影時と断層撮影時では、撮影に必要な条件設定の項目が異なる。これらを区別しないで撮影条件の設定を行うと、設定しなければならない項目と設定の必要のない項目とを区別する必要があるため、操作が煩雑となり、誤りも多くなる。断層撮影では、複数のＸ線透過像を撮影するため、１回のＸ線曝射線量は、一般撮影時に比べて、通常低い。一般撮影を行うための曝射線量を設定した状態で、誤って断層撮影が行われると、被検体および装置の操作者が不必要に被曝する危険がある。

本実施形態では、あらかじめ一般撮影と断層撮影のどちらを行うかを選択した上で、撮影条件を選択し、撮影を行う。これには、次のような効果がある。どちらの撮影条件を設定する際も、それぞれの撮影時に必要な項目だけを設定することができ、操作者にとってわかりやすく、誤りが減る。たとえば、設定できる管電流・管電圧の最大値を、一般撮影、断層撮影それぞれの条件設定時で別々に設けることができ、一般撮影に用いる高いＸ線曝射線量で、誤って断層撮影を行う危険性がなくなる。

どの焦点からＸ線を発生させるかを簡単に選択できる(主に、断層撮影時のスキャン軌道を簡単に決定できる)。従来、複数の焦点をもつＦＥ型Ｘ線発生ユニット１のどの焦点から発生させるかを設定できないと仮定すると、次のような問題が推定できる。どの焦点からＸ線を曝射するかが、あらかじめ決められたＸ線発生ユニットおよび制御部を備えることが必要となり、装置は限られた撮影しか行うことができない。

本実施形態の設定手段を備えることにより、複数の焦点を利用して、Ｘ線発生ユニット１を移動させることなく、同一の撮影視野を異なる角度が撮影することができる。また、断層撮影時に、さまざまなスキャン軌道が簡単に選択できる。

撮影モード選択手段によって、一般撮影モードと断層撮影モードのいずれかを操作者が選択できる。例えば、モード名が示されたボタンやモード切替のためのボタン、画面それらを手で選択する方法や、画面表示からマウス等の入力手段で選択する方法などが考える。

また、撮影条件設定手段によって、複数ある焦点の、どの焦点からＸ線を発生させるかを操作者が選択できる。さらに、断層撮影のさまざまなスキャン軌道を操作者が選択できる手段を持つ。装置のＸ線発生ユニットおよび制御部が対応する複数のスキャン軌道の中から、採用したい軌道を選択できる。これらについても、例えば、ボタンや画面表示から、手やマウスなどで選択できる。

図３４には、本実施形態による基本的な撮影動作手順を示している。まず、被検体を挟んで、Ｘ線発生ユニット１と検出器２の位置関係調整される。被検体撮影部位に対する、ＦＥ型Ｘ線発生ユニット１および受像系２の位置関係を調整する。Ｘ線発生ユニット１と受像系２の位置関係が固定されている装置では、撮影視野内に被検体撮影部位がおさまるよう、被検体の位置を調整する。Ｘ線発生ユニット１と受像系２の位置関係が調整できる場合には、適切な撮影が行えるよう、Ｘ線発生ユニット１、位置関係の調整と共に、被検体の位置の調整を行う。上述べたように、コリメータ２７によって、撮影視野の大きさ、撮影視野までの距離が異なる。そのため、必要であれば撮影に最も適したコリメータ２７を選んで装着し直しておく。

次に、撮影方式が設定される。通常のＸ線撮影と断層撮影が行える装置の場合には、撮影条件設定部１０を通じて、どちらの撮影を行うかを選択する。一般撮影と断層撮影では、撮影時に必要な設定が異なるため、詳細な撮影条件の設定を行う前に、あらかじめ撮影方式を選択しておく。

一般撮影条件設定段階では、一般撮影を行う際に必要な撮影条件の設定を行う。設定は、撮影条件設定部１０を通じて行える。Ｘ線撮影、透視の選択、管電流、管電圧などの設定と、複数の焦点をもつＦＥ型Ｘ線発生ユニット１の、どの焦点からＸ線を発生させるかについても設定を行う。ここで設定した条件は、のちに制御部９に伝達され、さらに、電源、Ｘ線発生ユニット１、受像系２、データ収集ユニット５に伝達され、撮影が行われる。

断層撮影条件設定段階では、断層撮影を行う際に必要な撮影条件の設定を行う。設定は、撮影条件設定部１０を通じて行える。管電流、管電圧などの設定に加えて、スキャン軌道、スキャン速度、Ｘ線を発生させる焦点の選択を行う。高速な断層撮影(後述)を行うかどうかの指定も行える。ここで設定した条件は、のちに制御部９に伝達され、さらに、電源３，４、Ｘ線発生ユニット１、受像系２、データ収集ユニット５に伝達され、撮影が行われる
撮影条件確認段階では、ここまでに設定された撮影条件を確認する。そして、必要に応じて撮影条件の変更を行う。

Ｘ線曝射段階では、ボタンを押すなどの所定操作をトリガとしてＸ線の曝射が開始される。断層撮影では、撮影が開始される。

データ収集段階では、データ収集ユニット５で行う。断層撮影時には、１回のＸ線透過像が得られるごとに、受像系２から透過像データを収集する。

次に、断層撮影時の高速なデータ収集動作について説明する。断層撮影においては、スキャン軌道上の複数の位置から被検体に向けてＸ線を照射して透過像を得る必要がある。従来の断層撮影方法では、ひとつの焦点からのＸ線で、順次、Ｘ線曝射・透過画像データ収集を繰り返すため、次のような問題があった。撮影にかかる時間が長く、撮影中の被検体の動きの影響を強く受けるために、得られる断層画像の画質は粗悪となる。

本実施形態では、複数の焦点から同時にＸ線を照射し、得られる複数の透過像データを同時収集するため、つぎのような効果がある。撮影時間を短縮できるため、被検体の動きの影響を著しく低減でき、得られる断層画像の画質を大幅に向上できる。

受像系２の大きさによっては、ＦＥ型Ｘ線発生ユニット１の複数の焦点からＸ線を同時に曝射し、ひとつの受像系で同時に得られる複数のＸ線透過像データを一度に収集することができる。データ収集は、受像系２とデータ収集ユニット５で、制御部９の制御に基づいて行われる。図３５、図４２に示すように、任意の複数の焦点から同時に曝射されたＸ線による透過像が、受像系で互いに重ならなければ、複数の透過像データを同時に収集することができる。

データ収集時には、受像系上にある透過像データは一度に収集されるため、複数の透過像データが混合されてしまい、区別がつかなくなる。これを避けるためには、それぞれの焦点からのＸ線による透過画像が、受像系２上のどの領域に映るかを把握できていればよい。任意の焦点からのＸ線による透過画像が映る受像系２上の領域は、次のように求めることができる。

図３６、図３７に示すように、Ｘ線発生ユニット１の中央を原点とする座標系をとり、ｚ＝Ｌにある、一辺の長さｖの正方形の領域を撮影視野とし、ｚ＝Ｌ＋Ｄの位置に受像系２が設置されているとすると、任意の焦点(x_０、ｙ_０、z_０)から発生するＸ線による透過像の中心は、空間座標上の計算により、

と求まる。また、透過像の一辺の長さは、次のように求められる。

以上により、任意の焦点からのＸ線による透過像が、受像系２上のどの領域に映るかを求めることができる。上記では、撮影視野を正方形としたが、円などその他の形でも同様の空間座標上の計算により、領域を求めることができる。

受像系２からのデータ収集は、通常ピクセルを単位として行われるため、図３７に示した領域と受像系２のピクセルの対応付けをする必要がある。そこで、図３８に示すような受像系２を考え、新しい座標系を導入する。受像系は横方向にｉ＝１、２、・・・、ｎ、横方向にｊ＝１、２、・・・、ｍのピクセル数をもつものとする。ただし、ここで、ｎ，ｍはともに偶数とする。受像系左上を原点とする新しい座標系(x’、ｙ’)を導入し、新しい座標系での透過像領域の中心座標を(x’_０、ｙ’_０)、四隅の座標をそれぞれ(x’_１、ｙ’_１) (x’_２、ｙ’_１) (x’_１、ｙ’_２) (x’_２、ｙ’_２)とおくと、座標はそれぞれ、次のように求めることができる。ただしここで、１ピクセルはp×p の大きさとする。

上の式を用いると、透過画像領域に対応するピクセルは次式を満たす(i、j)と求まる。

以上、任意の焦点からのＸ線による透過像が写る受像系のピクセルを求めた。これにより、受像系に映った複数の透過像データを同時に収集してもデータは混合せず、それぞれの焦点に対応する透過像データとして区別できる。

なお、受像系２上の複数の透過像の区別がつけられることにより、例えば、図３９に示すＦＥ型Ｘ線発生ユニット１を用いて、図４０に示すような断層撮影が可能である。

まず、ステップ１で、焦点＃１、＃５からＸ線を曝射する。ステップ２で、データ収集ユニット５が、受像系２からデータを収集し、画像記憶部６で保存す(受像系データ＃１とする)。ステップ３で、焦点＃２、＃６からＸ線を曝射する。ステップ４で、データ収集ユニット５が、受像系２からデータを収集し、画像記憶部６で保存する(受像系データ＃２とする)。ステップ５で、焦点＃３、＃７からＸ線を曝射する。ステップ６で、データ収集ユニット５が、受像系２からデータを収集し、画像記憶部６で保存する(受像系データ＃３する)。ステップ７で、焦点＃４、＃８からＸ線を曝射する。ステップ８で、データ収集ユニット５が、受像系２からデータを収集し、画像記憶部６で保存する(受像系データ＃４とする)。

ステップ９で、画像分割処理部８が、画像記憶部６に保存されたデータ＃１から、焦点＃１のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃１、焦点＃５のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃５を分離抽出して、別々に再び保存する。ステップ１０で、画像分割処理部８が、画像記憶部６に保存されたデータ＃２から、焦点＃２のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃２、焦点＃６のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃６を分離抽出して、別々に再び保存する。ステップ１１で、画像分割処理部８が、画像記憶部６に保存されたデータ＃３から、焦点＃３のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃３、焦点＃７のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃７を分離抽出して、別々に再び保存する。ステップ１２で、画像分割処理部８が、画像記憶部６に保存されたデータ＃４から、焦点＃４のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃４、焦点＃８のＸ線発生要素に対応する透過像データ＃８を分離抽出して、別々に再び保存する。最後に、ステップ１３で、画像再結像処理部７が、透過像データ＃１〜８を用いて、断層画像を再結像する。

上記では、全てのＸ線照射と受像系２のデータ収集を終えた後、いったん画像記憶部６にデータを保存し、ステップ９〜１２で、それぞれの焦点からのＸ線による透過像データを得ているが、データ収集と同時に並行して、データ処理を行うことも可能である。その場合、処理を終えて、分割された透過像データをデータ記憶部に保存すればよい。また、データ収集時には、透過像が、受像系のどのピクセルに映るかがわかるため、該当するピクセルのデータのみを収集することで、直接、それぞれの焦点に対応する透過像データを得てもよい。

ここでは、二つの焦点からＸ線を同時に曝射し、透過像データを収集する方法を示したが、受像系上で、透過像が重ならない限り、いくつの焦点から同時にＸ線を曝射を行っても、同様のデータ収集が行える。また、断層撮影時に限らず、一般撮影時に、同一の撮影視野を異なる角度から撮影を行うときにも同様の方法を用いることができる。

その他、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線断層撮影装置の構成を示すブロック図。 図１のＸ線発生ユニットと受像系の外観図。 図１のデータ収集ユニットのブロック図。 図１のＸ線発生ユニットのブロック図。 図１のＸ線発生ユニットのＸ線発生要素の断面図。 図１のＸ線発生ユニットの他のＸ線発生要素の断面図。 図１のＸ線発生ユニットのさらに他のＸ線発生要素の断面図。 図４のＸ線発生要素アレイの斜視図。 本実施形態において、円弧状に配列されたＸ線発生要素アレイの部分断面図。 図１のＸ線発生ユニットの部分断面図。 図１０のコリメータの部分平面図。 図９のコリメータの回転型を示す図。 図１のＸ線発生ユニットと撮影視野との位置関係を示す図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点と撮影視野の位置関係を上方から見た図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点と撮影視野の位置関係を側方から見た図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点とコリメータの開孔部と撮影視野の位置関係を上方から見た図。 図１６の一部拡大図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応するコリメータの開孔部のＸ軸方向の開孔幅についての説明補足図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点とコリメータの開孔部と撮影視野の位置関係を側方から見た図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応するコリメータの開孔部の開孔幅を上方から見た図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応するコリメータの開孔部のＹ軸方向の開孔幅についての説明補足図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点とコリメータの開孔部との平面的な位置関係を示す図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応するコリメータの開孔部を上方又は側方から見た図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応するコリメータ開孔部のＸＹ軸方向の開孔幅を示す図。 本実施形態において、コリメータを撮影視野に平行に設置したときの円形の撮影視野、コリメータ開孔部、Ｘ線焦点の位置関係を示す図。 本実施形態において、コリメータをＸ軸に垂直に設置したときの円形の撮影視野、コリメータ開孔部、Ｘ線焦点の位置関係を示す図。 本実施形態において、焦点の大きさを考慮したときのコリメータの開孔幅を示す図。 図４の電極選択回路の構成例を示す図。 本実施形態において、断層撮影の様子を示す図。 図４の電極選択回路の電極選択による円軌道を示す図。 図４の電極選択回路の他の構成例を示す図。 図４の電極選択回路の他の構成例を示す図。 図４の電極選択回路の他の構成例を示す図。 本実施形態による基本的な撮影手順を示す図。 本実施形態による複数画像同時撮影の様子を示す図。 図１のＸ線発生ユニットのあるＸ線焦点に対応する受像系上の透過像を示す図。 図３６の受像系上の透過像の大きさを示す図。 図３６の受像系上の透過像の座標を示す図。 本実施形態において、２方向同時撮影操作の説明補足図。 本実施形態において、２方向同時撮影時の受像系上の２つの透過像の位置関係を示す図。 本実施形態において、２方向同時撮影を示す図。 本実施形態において、２方向同時撮影による受像系上の透過像を示す図。 本実施形態において、回転型コリメータを示す図。 図１のＸ線発生ユニットの多角構造例を示す図。

符号の説明

１…Ｘ線発生ユニット、２…受像系、３…高圧電源、４…ゲートパルス電源、５…データ収集ユニット、６…画像記憶部、７…画像再結像処理部、８…画像分割処理部、９…制御部、１０…撮影条件設定部、１１…撮影モード設定部。

Claims (7)

1. Ｘ線を発生するＸ線発生部と、
   被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出部と、
   前記Ｘ線検出部で検出した撮影方向の異なる複数の画像から断層画像を発生する画像発生部とを具備し、
   前記Ｘ線発生部は、複数のＸ線発生要素を有し、
   前記Ｘ線検出部から出力される単一の画像データを、対応するＸ線発生要素が異なる複数の画像データに分割する画像分割処理部をさらに備え、
   前記分割処理部は、前記Ｘ線発生要素各々と前記Ｘ線検出部との位置関係から前記Ｘ線発生要素各々に対応する前記Ｘ線検出部上の撮像領域を計算して前記単一の画像データを前記複数の画像データに分割することを特徴とするＸ線断層撮影装置。
2. 前記Ｘ線発生部は、電界放出型の電子放出源を有することを特徴とする請求項１記載のＸ線断層撮影装置。
3. 前記Ｘ線発生部は、前記複数のＸ線発生要素にそれぞれ対応する複数の開孔部を有するコリメータを有することを特徴とする請求項１記載のＸ線断層撮影装置。
4. 前記Ｘ線発生要素に対する前記開孔部の位置が相互に相違することを特徴とする請求項３記載のＸ線断層撮影装置。
5. 前記Ｘ線発生要素各々は、前記電子放出源とともに、陰極と、前記陰極に対して前記電子放出源を挟んで対向配置される陽極ターゲットと、前記電子放出源と前記陽極ターゲットとの間に配置され、前記電子放出源からの電子放出を促すための電界を前記陰極との間に形成するためのゲート電極とを有することを特徴とする請求項２記載のＸ線断層撮影装置。
6. 前記ゲート電極を個別に駆動するための電極選択回路と、前記電極選択回路を制御するための制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項５記載のＸ線断層撮影装置。
7. 前記制御部は、設定されたスキャン軌道に沿って前記Ｘ線発生要素が順番にＸ線を発生するように前記電極選択回路を制御することを特徴とする請求項６記載のＸ線断層撮影装置。

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