JP4738044B2 - 医用画像診断装置及び医用画像診断装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線を被検体に曝射（照射、放射）して撮像する医用画像診断装置及びその制御方法に関し、特に、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置等において、Ｘ線管及びその周辺回路の応答を考慮して、所望のタイミングに曝射を行えるようにした技術に係る。

従来から、被検体の断層像を撮影するために医療用として、例えばＸ線ＣＴ装置が広く利用されている。Ｘ線ＣＴ装置におけるＸ線管装置は、Ｘ線管のフィラメント（カソード或いは陰極とも言われる。）に電流を流して加熱し、Ｘ線管のアノード（陽極とも言われる。）とそのフィラメントとの間に、高電圧を印加して曝射を行う。そして、Ｘ線の曝射量を調整するため管電流（アノードを流れる電流）を調整する必要があるが、その管電流は、フィラメント電流を可変することによって行える（特許文献１を参照）。つまり、管電流は、Ｘ線管のフィラメント電流の増減により熱電子放出量を増減させことによって制御される。

上記のように管電流の変動は、すなわち曝射時の曝射量の変動でもあるので、曝射時においては、その管電流を所望の一定の管電流になるよう安定化するための手段が設けられている。

その管電流を安定化させたＸ線発生部５の構成を、図８を基に説明する。図８は、特許文献１に公開されている一技術を、ブロック化して示したものである。

図８において、Ｘ線発生部５が、Ｘ線管５ｃを安定に曝射させるための装置である。高圧電源部５ａの一端がアースされ、そのアース端から管電流センサ５ｂを通して、Ｘ線管５ｃのアノードに接続され、高圧電源部５ａの他端はＸ線管５ｃのフィラメントに接続され、その他端から負の高圧電源がフィラメントに印加されている（不図示）。管電流センサ５ｂは、例えば、抵抗Ｒをアノードとアース間に配置し（不図示）、曝射時に管電流が流れることによって、抵抗Ｒに発生する電圧（管電流検出信号 Ｅｓ）を検出している。一方、フィラメント電源部５ｅは、入力信号に応じてフィラメント電流を可変する。

このような構成において、管電流制御部５ｄは、曝射をコントロールする手段（不図示）からの所望の管電流を表すコントロール信号の振幅Ｅｉｎと、管電流センサ５ｂからの管電流検出信号 Ｅｓを受けて、双方を比較し、その差を誤差電圧として増幅して出力し、フィラメント電源部５ｅへ負帰還（フィードバックループを構成している。）させる。つまり、増幅された誤差電圧は、フィラメント電源部５ｅに対して、誤差電圧がゼロになる方向へ、フィラメント電流を可変させる。その結果、管電流センサ５ｂからの管電流検出信号 Ｅｓは、コントロール信号 Ｅｉｎと等しい大きさになるように制御される。

ところで、Ｘ線管５ｃは、必要なときに必要な量だけ曝射する必要がある。さもないと、過剰な曝射時間、過剰な曝射量は、被検体に危害を与えかねない。また、曝射量等の不足は、そのときの撮像に影響し、結果として診断に影響してくる。必要な（所望の）曝射量に調整することについては、上記図８における管電流の制御方法によって達成できる。

特開平２００３−３１７９９７号公報

しかしながら、上記の従来技術には、Ｘ線管、その他の周辺回路の、動作開始指示信号を受けたときから実際に安定に、目的とする動作を行うまでの立ち上がり応答特性（以下、簡単に「応答特性」と言う。）、言い換えれば動作開始指示信号から安定に動作するまでの遅延時間があり、これによって、次のような問題があった。

一般には、心電計が検出した被検体信号に同期して、所望のタイミングでＸ線を曝射し、被検体の患部等を撮像することが行われている。例えば、図９のように、被検体信号が緩やかに変化するタイミング時に、Ｘ線管の管電流（曝射量）を大きくして鮮明な撮像を行えるようにし、その他のタイミング箇所では、曝射するが観測できる程度の小さな管電流（この場合にも撮像を行うこがあるが、画質が鮮明でなくる可能性がある。）で曝射することが多い。そうすることにより、被検体による被爆量を減らすことができる。

しかしながら、図９の被検体信号のピーク値から離れた所望の撮像タイミングを狙って動作開始を指示しても、上記した応答特性が原因して、狙ったタイミングから所望の良質な画像を得るできない場合があった。また、図９の管電流において、大きな管電流と小さな管電流（電流値がゼロになることもある。）の比（以下、小さな管電流／大きな感電流を「変調度」と言うことがある。）も患者、部位、操作者によって可変されることが多い（一定ではない）ので、小さな管電流から大きな管電流に立ち上がる時間も変化することが多く、従来技術では調整が困難であった。

本発明の目的は、変調度に対応し、かつＸ線を曝射するＸ線管を含む系の応答特性を反映したコントロール信号により、所望の撮像タイミングで曝射を行えるようにする医用画像診断装置及びその方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、Ｘ線管と、コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で段階的に指定された電流値になるよう制御するフィードバックループとを有するＸ線発生部と、前記Ｘ線発生部に対して被検体信号のタイミングに同期してＸ線を曝射させるためのコントロール信号を生成する曝射コントロール部とを備えた医用画像診断装置において、
前記曝射コントロール部は、予め、前記Ｘ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶しておき、操作手段より、前記曝射時の所望の管電流値及びその管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受けて、前記所望の開始タイミングより前記応答特性から得られる応答時間だけ早く前記所望の管電流値へ段階的に変化を開始させる前記コントロール信号を生成する構成とした。

請求項２に記載の発明は、Ｘ線管と、コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で段階的に指定された電流値になるよう制御するフィードバックループとを有するＸ線発生部をコントロールしてＸ線を曝射する医用画像診断装置において、
予め、前記Ｘ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶し、前記曝射時の所望の第１管電流値及び該第１管電流値より小さな所望の第２管電流値、並びに前記第１管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受けて、前記立ち上がり応答特性を基に、曝射時に前記第２管電流値から前記第１管電流値へ段階的に変化させるときに必要な応答時間を演算する波形データ生成部と、
前記開始タイミングより前記応答時間だけ早いタイミングで前記第２管電流値から前記第１管電流値への段階的に変化を開始させるコントロール信号を生成する波形生成部と、を備え、
前記Ｘ線発生部は、前記コントロール信号を受けて、前記フィードバックループにより該コントロール信号に追随するように曝射を行う構成とした。

請求項３に記載の発明は、予め、Ｘ線管を含むＸ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶しておく記憶段階と、
Ｘ線の曝射をしょうとするときの所望の第１管電流値及び該第１管電流値より小さな所望の第２管電流値、並びに前記第１管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受ける段階と、
前記立ち上がり応答特性を基に、曝射時に前記第２管電流値から前記第１管電流値へ段階的に変化させるときに必要な応答時間を演算する演算段階と、
前記所望の開始タイミングより前記応答時間だけ早いタイミングで前記第２管電流値から前記第１管電流値への変化を開始させるコントロール信号を生成する段階と、
心電計から出力される被検体信号と前記コントロール信号とを同期させ、その同期した前記コントロール信号を前記Ｘ線発生部に送る段階と、
前記Ｘ線発生部は、該コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で指定された前記第２の電流値から前記第１の電流値に段階的に変化するようフィードバック制御する曝射段階と、を備えた。

本発明の構成によれば、例えば、設定した所望の撮像タイミングｔ１及び応答特性を反映（Δｔ）してｔ１−Δｔのタイミングで良質な画像を得るための管電流制御を行うことができるので、希望するタイミングｔ１で確実に、かつに安定な曝射を行うことができ、所望のタイミングの画像を漏らすことがなく、確実にかつ良質に取得できる。

本発明に係る医用画像診断装置及びその方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態の機能構成を示す図である。図１は、医用画像診断装置としてはＸ線曝射後に撮像した画像を再構成する手段を有するが、その部分については、従来技術でも良いので図及び説明を省略する。図２は、図１における波形生成部４の詳細例を示す機能構成図である。図３は、図１におけるスタート部６の他の動作例を説明するための図である。図４及び図５は、図１における実施形態の動作のタイミングを説明するための図である。図６は、動作フローを説明するための図である。

図１において、Ｘ線発生部５は、図８に示したＸ線発生部５と同じであり、この内部の説明は省略する。ＥＣＧ１は、心電計であって、被検体に取り付けたセンサから心臓の動きに対応した被検体信号を検出して出力する。図５の「ＥＣＧ波形」がＥＣＧ１の出力信号であり、ピーク値を持っている。

以下の構成の説明は、図６の動作フローに沿って説明する。説明中の（ステップＳ番号）は、図６に記載のブロック番号（Ｓ番号）に相当する。
ユーザインタフェース２は、表示手段及び操作手段を備え、表示手段に表示された案内に沿って、操作手段により操作するためのものである。少なくとも、この発明では、操作手段により、次の情報が設定される（ステップＳ１）。
タイミング情報：これは、図４の「所望の曝射波形」に示されるように、画質良く撮像を行いたい所望の撮像期間を示す情報（ｔ１―ｔ２）である。少なくとも、画質の良好でなくともよい低い管電流値ΔＥ２（第２管電流値：ゼロもありうる。）から、画質を良好にするための大きい管電流値Ｅ（第１管電流値）へ立ち上がるタイミング情報（ｔ１）が不可欠である。
管電流設定値：画質良く撮像を行いたい所望の撮像期間における管電流値Ｅを設定する。
変調度設定：（低い管電流値ΔＥ２）／（撮像期間の管電流値Ｅ）＝変調度Ｍ（％表示であれば、１００倍する。）を設定する。なお、これは実質的に、次の差ΔＥ１をも設定することを意味する（ΔＥ２＝０のときは、変調度Ｍ＝０％）。
（撮像期間の管電流値Ｅ）―（低い管電流値ΔＥ２）＝差ΔＥ１

図１で、曝射コントロール部１０は、Ｘ線発生部５における管電流の立ち上がり応答特性に基づいて、管電流の立ち上がりタイミングを調整する手段である。言い換えれば、設定した所望の撮像タイミングｔ１及び応答特性（Δｔ）を反映してｔ１−Δｔのタイミングで良質な画像を得るための管電流制御を行い、希望するタイミングｔ１で確実に撮像できるようにしたものである。曝射コントロール部１０は、具体的には、波形データ生成部３，波形生成部４、及びスタート部６で構成されている。

波形データ生成部３は、演算手段３ａ及び応答特性メモリ３ｂを備え、上記Ｘ線発生部５等の応答特性を予め反映した波形データを生成する。つまり図４における「関数発生部が記憶する波形データ」を関数データとして生成する。応答特性メモリ３ｂは、少なくともＸ線発生部５の応答特性を予め記憶している。応答特性は、管電流制御部５ｄに波形生成部４から矩形波を入れて立ち上げたとき、フィードバックループが正常に動作して、管電流センサ５ｂから管電流制御部５ｄへ出力されるまでの応答時間についての特性を含む。一般には、前記管電流の矩形波に対して斜めに立ち上がった傾斜波形（ここでは、簡単のため直線的な傾斜波形と仮定して説明する。）で示される。その傾斜（ｄｅ／ｄｔ＝ｋ）をここでは応答特性（上記のΔｔは、そのときの管電流の大きさから時間に換算した値）とする。この応答特性（ｄｅ／ｄｔ＝ｋ）は、経験的に予め求められる。

演算手段３ａは、操作手段から設定された情報、つまり、所望の撮像期間を示す情報（ｔ１―ｔ２）、管電流設定値Ｅ、及び変調度Ｍ（＝ΔＥ２／Ｅ）もしくはΔＥ１（＝Ｅ−ΔＥ２）、を操作部から受けて、次の処理をする。
（ａ） 直線y＝ｋ（ｘ―ｔ１）＋Ｅと直線y＝Ｅ―ΔＥ１＝ΔＥ２との交点
（ｘ＝ｔ１−ΔＥ１／ｋ、y＝ΔＥ２）を求める。
このとき、図４のｔ０，Δｔは、次のようになる。
ｔ０＝ｔ１−ΔＥ１／ｋ、Δｔ＝ΔＥ１／ｋ
このｔ０，Δｔが、変調度Ｍに応じた応答特性を反映した時間である。
（ｂ）そして、次の関数データｙを生成する。
・タイミングｘ＝０〜（ｔ１−ΔＥ１／ｋ）間：y＝ΔＥ２
・タイミングｘ＝（Ｔ−ΔＥ１／ｋ）〜Ｔ間：y＝ｋ（ｘ―Ｔ）
・タイミングｘ＝ｔ１〜ｔ２間：y＝Ｅ
・タイミングｘ＝ｔ２−Ｔ間：y＝ΔＥ２
ただし、Ｔは、ＥＣＧ波形の繰り返し周期

波形生成部４は、関数発生部４ａに波形データ生成部３で生成された関数データを記憶し（ステップＳ３）、それをＥＣＧ波形のピーク値のタイミングで読み出し、Ｄ／Ａ変換部４ａでアナログ信号波形に変換してＸ線発生部５のコントロール信号として出力する（ステップＳ４）。図４にその波形を示す。Ｄ／Ａ変換部４ａから出力されるコントロール信号波形は、所望の撮像タイミングｔ１及び応答特性（Δｔ）を反映してｔ１−Δｔのタイミングで立ち上がっている。結果として、このコントロール信号でＸ線発生部５が制御される。

図２に、関数発生部４ａの構成例を示す。図２で書込部が、波形データ生成部３からの関数データｙを受けて、曝射タイミングの細かさをＴ／Ｎ（Ｎは波形メモリのアドレス数）とすると、波形メモリのアドレスにｘ＝Ｔ／Ｎ（Ｎ＝１、２、…・・、Ｎ）を対応させて、そのタイミングｘの値（アドレス）に応じた該当する関数データｙの値を記憶させる。その後、読出部が、ＥＣＧ波形のピーク値のタイミングで、かつ周期Ｔ／Ｎのクロックで波形メモリから各アドレス（タイミング）ｘにおける関数データｙを読み出すのを開始する。この読み出された関数データｙがアナログ信号に変換され、コントロール信号として出力される。

図１において、スタート部６は、ゲート回路でなり、操作手段から操作者によってフリーのタイミングで設定される曝射開始指示と、コントロール信号とのタイミングをとる。例えば、図４の下段に示すように「曝射開始指示」が、コントロール信号波形のｔ１〜ｔ２の間にあるときは、実際の曝射開始を次回のコントロール信号のスタートから行わせるタイミング信号（図４の「実際の曝射開始信号」）を生成して、高圧電源部５ａのスイッチをオンさせる。「曝射開始指示」のタイミングが、コントロール信号波形の０〜ｔ０間にあるときは、タイミングｔ０から「実際の曝射開始信号」を立ち上げるようにしても良い。

図５に他の動作タイミング例を示す。この場合は、変調度Ｍ＝０％（ΔＥ２＝０）の例である。したがって、小さな管電流で観察することなく、いきなりタイミングｔ１後に、良質な画像を撮像する場合である。この場合も、スタート部６は、上記同様、「曝射開始指示」のタイミングが０〜ｔ０にあるときは、「実際の曝射開始信号」タイミングをｔ０から開始させ、「曝射開始指示」のタイミングがｔ０以降にあるときは、「実際の曝射開始信号」タイミングを次回のコントロール信号波形の開始と同じタイミングで開始させる。

なお、スタート部６を、スタート部６ａと６ｂで構成し、図３に示すように、ＥＣＧ波形と曝射開始指示のタイミングとから実際の曝射タイミングを決定するようにしてもよい。図３の場合は、スタート部６ａが、曝射開始指示を受けた後に、最初に受けたＥＣＧ波形のピーク値のタイミングをパスさせて関数発生部４ａに送って、そのピーク値のタイミングでコントロール信号波形を生成させて、スタート部６ｂと前記管電流制御部５ｄへ送る。スタート部６ｂは、コントロール信号波形が所定のしきい値を超えた瞬間のタイミングを生成し、そのしきい値を超えた瞬間のタイミング（新たな曝射開始指示）で高圧電源部５ａをオンさせる。ここで、しきい値を小さな管電流値ΔＥ２以下にすることも、管電流値ΔＥ２から大きな管電流値Ｅの間にすることもできる。この場合も、スタート部６ａ、６ｂは、ゲートで構成できる。

このようにして、コントロール信号がＸ線発生部５の管電流制御部５ｄに印加されて、かつ高圧電源部５ａが、スタート部６の決定したタイミングでオンされたとき、Ｘ線発生部５では上記したようにフィードバックループが構成され、管電流センサ５ｂの出力（管電流制御部へ帰還入力される信号）波形は、コントロール信号波形とほぼ同一になるように制御される。

したがって、本発明の実施形態によれば、図４にも示すように、設定した所望のタイミングｔ１と応答特性とから、応答特性を反映したｔ１−Δｔ＝ｔ０のタイミングで良質な画像を得るための管電流制御を行うことができるので、希望するタイミングｔ１で確実に、かつに安定な曝射を行うことができ、所望のタイミングの画像を漏らすことがなくなる。

また、本発明によれば、図７に示すようなコントロール信号波形も生成できる。つまり、タイミング０〜ｔ２は、変調度Ｍ＝０％、ｔ１以降次の周期が始まる間での期間を変調度Ｍ＝４０％等とする波形もできる。次回の周期は、また別な変調度の波形とすることもできる。この場合は、操作手段から各周期毎に、かつ変調度と変調度が異なる毎のタイミングを受けて、波形データ生成部３が、各周期毎の関数データを算出し、関数発生部４ａは、周期毎に関数データを読み出せるように記憶しておけば良い。さらには、図７の所望の良質な画像を取得したいタイミングｔ１より、予めΔｈだけ自動的に早めた波形も生成できる。Δｈを応答メモリ３ｂに記憶させておき、タイミング設定値ｔ１を受けたとき、演算手段がｔ１−Δｈを新たなｔ１として演算すれば良い。このようにすると、操作手段からの任意の変調度、タイミングの設定を受けても、確実に所望のタイミングにおける良質な画像を取得できる。

なお、図４においてコントロール信号がΔｔ間は、応答特性の傾斜ｋを持っているが、必ずしも傾斜である必要はない。タイミングｔ０から直接に管電流設定値Ｅになっても良い。ただし、Ｘ線発生部５のように、フィードバックループを採用している場合は、図４のようにΔｔ間で応答特性ｋに沿ったコントロール信号波形の方が好ましい。つまり、この方が、コントロール信号波形と管電流センサ５ｂから管電流制御部５ｄの波形とが一致しやすく、そのため、フィードバックループ内での乱れが少ないからである。

なお、上記図２の構成は、一例であって、これに限らず、本発明の要旨の範囲内で数々のアレンジができる。

本実施形態の機能構成を示す図である。 図１における波形生成部４の詳細例を示す機能構成図である。 図１におけるスタート部６の他の動作例を説明するための図である。 図１における実施形態の動作のタイミングを説明するための図である。 図１における実施形態の他の動作のタイミングを説明するための図である。 動作フローを説明するための図である。 従来技術を説明するための図である。 従来技術におけるタイミングを説明するための図である。 従来技術を説明するための図である。

符号の説明

１ ＥＣＧ（心電計）
２ ユーザインタフェース
３ 波形データ生成部
４ 波形生成部
５ Ｘ線発生部
６ スタート部

Claims (3)

1. Ｘ線管と、コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で段階的に指定された電流値になるよう制御するフィードバックループとを有するＸ線発生部と、前記Ｘ線発生部に対して被検体信号のタイミングに同期してＸ線を曝射させるためのコントロール信号を生成する曝射コントロール部とを備えた医用画像診断装置において、
   前記曝射コントロール部は、予め、前記Ｘ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶しておき、操作手段より、前記曝射時の所望の管電流値及びその管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受けて、前記所望の開始タイミングより前記応答特性から得られる応答時間だけ早く前記所望の管電流値へ段階的に変化を開始させる前記コントロール信号を生成することを特徴する医用画像診断装置。
2. Ｘ線管と、コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で段階的に指定された電流値になるよう制御するフィードバックループとを有するＸ線発生部をコントロールしてＸ線を曝射する医用画像診断装置において、
   予め、前記Ｘ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶し、前記曝射時の所望の第１管電流値及び該第１管電流値より小さな所望の第２管電流値、並びに前記第１管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受けて、前記立ち上がり応答特性を基に、曝射時に前記第２管電流値から前記第１管電流値へ段階的に変化させるときに必要な応答時間を演算する波形データ生成部と、
   前記開始タイミングより前記応答時間だけ早いタイミングで前記第２管電流値から前記第１管電流値への段階的に変化を開始させるコントロール信号を生成する波形生成部と、を備え、
   前記Ｘ線発生部は、前記コントロール信号を受けて、前記フィードバックループにより該コントロール信号に追随するように曝射を行うことを特徴とする医用画像診断装置。
3. 予め、Ｘ線管を含むＸ線発生部における管電流の立ち上がり応答特性を記憶しておく記憶段階と、
   Ｘ線の曝射をしょうとするときの所望の第１管電流値及び該第１管電流値より小さな所望の第２管電流値、並びに前記第１管電流値で曝射を開始させる所望の開始タイミングの情報を受ける段階と、
   前記立ち上がり応答特性を基に、曝射時に前記第２管電流値から前記第１管電流値へ段階的に変化させるときに必要な応答時間を演算する演算段階と、
   前記所望の開始タイミングより前記応答時間だけ早いタイミングで前記第２管電流値から前記第１管電流値への変化を開始させるコントロール信号を生成する段階と、
   心電計から出力される被検体信号と前記コントロール信号とを同期させ、その同期した前記コントロール信号を前記Ｘ線発生部に送る段階と、
   前記Ｘ線発生部は、該コントロール信号を受けて該Ｘ線管を駆動するとともに該Ｘ線管の管電流が前記コントロール信号で指定された前記第２の電流値から前記第１の電流値に段階的に変化するようフィードバック制御する曝射段階と、
   を備えた医用画像診断装置の制御方法。

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