JP4956819B2 - 微小孔焦点ｘ線装置 - Google Patents
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Description
本発明は微小孔焦点を有するＸ線管を備える微小孔焦点Ｘ線装置に関するものである。
従来、医療診断用に使用するＸ線管では、ターゲットから放射されるＸ線の強度は、陰極と陽極との間に印加される管電圧の２乗、ターゲットに入射する電子数に関連する管電流、およびターゲットの物質の原子番号に比例する。一般に、医療診断用Ｘ線管のＸ線の発生効率は非常に低く、約１％以下であり、残りの９９％以上のエネルギーは熱に変換される。上記ターゲットの中で、特に電子流が衝突してＸ線を発生する部分は焦点と称されており、この焦点が小さいほど写真上の半影（ボケ）が小さく、従ってボケが低減され、Ｘ線撮影像の解像度が高くなる。しかし、焦点が小さくなればなるほど、電子流が衝突する面積が小さくなり、ターゲットが焼けてしまいターゲットのダメージが大きくなり破損に至る可能性がある。そのため、この焦点は適切な大きさにする必要がある。
焦点から発生したＸ線はあらゆる方向に飛散していくので、Ｘ線管はＸ線の取り出し口以外は全て鉛等の遮蔽物で被覆する必要がある。Ｘ線の線束はコリメータ（絞り）によって必要な大きさにしている。
このコリメータとしては、非特許文献１に見られるように、“簡単な構造の絞り”、“筒型の絞り”、および“多重絞り”、等があるが、一般には照射視野の大きさを自由に設定できる多重絞り型のものが用いられている。
歯科放射線学、第３版、医歯薬出版株式会社、２０００年７月２０日、第２章、
このコリメータとしては、非特許文献１に見られるように、“簡単な構造の絞り”、“筒型の絞り”、および“多重絞り”、等があるが、一般には照射視野の大きさを自由に設定できる多重絞り型のものが用いられている。
歯科放射線学、第３版、医歯薬出版株式会社、２０００年７月２０日、第２章、
“簡単な構造の絞り”として単なる開口が設けられたものがあるが、この開口にしても、直径があまりにも小さいと、歯科Ｘ線撮影の口内法などでは、フィルムなどの受光部からＸ線照射野がはずれ撮影が失敗することがある。
開口の大きさで決定する照射野内の被写体からは２次散乱が起こり、ここから発生する散乱線が画像のコントラストを低下させる。したがって照射野ができるだけ小さいほうがコントラストのよい画像を得ることができる。
Ｘ線管外に設置する微小孔焦点Ｘ線管装置では、照射野を決定する絞りを小さくても撮影に際し、照射方向を決定しやすいＸ線管となり、失敗の少ない写真を得ることができる。
斯様に焦点が大きいと、ボケ（半影）の問題が発生してくる。
開口の大きさで決定する照射野内の被写体からは２次散乱が起こり、ここから発生する散乱線が画像のコントラストを低下させる。したがって照射野ができるだけ小さいほうがコントラストのよい画像を得ることができる。
Ｘ線管外に設置する微小孔焦点Ｘ線管装置では、照射野を決定する絞りを小さくても撮影に際し、照射方向を決定しやすいＸ線管となり、失敗の少ない写真を得ることができる。
斯様に焦点が大きいと、ボケ（半影）の問題が発生してくる。
通常のＸ線撮影における焦点Ｆ（そのサイズをＦとする）、被写体ＳおよびＸ線受光部Ｐの位置関係は図４に示す通りである。
ここで焦点サイズＦ、焦点−被写体間の距離（ａ）および被写体−受光部間の距離（ｂ）の間には次式が成立し、透過像Ｂの縁部に生じるボケ（半影）の大きさHは次式により求めることができる。
ここで焦点サイズＦ、焦点−被写体間の距離（ａ）および被写体−受光部間の距離（ｂ）の間には次式が成立し、透過像Ｂの縁部に生じるボケ（半影）の大きさHは次式により求めることができる。
（数１）
H=F・(b/a)
ボケの大きさ（H）を極力小さくするためには以下の方法がある。
1. 焦点サイズ（Ｆ）をできる限り小さくする。
2. 被写体−受光部間の距離（ｂ）をできるだけ小さくする。
3. 焦点−被写体間の距離（ａ）をできる限り大きくする。
しかし、焦点サイズをできる限り小さくすると、受光部に到達するＸ線量を適正にしようとすると焦点の発熱による焦点の破壊が起こる。
また、被写体−受光部間の距離（ｂ）をできるだけ小さくするには限度がある。
更に、焦点−被写体間の距離（ａ）をできる限り大きくすると、Ｘ線発生量の大きな装置を用いねばならず、またＦＰ間距離も大きくなりＸ線撮影装置や撮影室を小型化することができない。
H=F・(b/a)
ボケの大きさ（H）を極力小さくするためには以下の方法がある。
1. 焦点サイズ（Ｆ）をできる限り小さくする。
2. 被写体−受光部間の距離（ｂ）をできるだけ小さくする。
3. 焦点−被写体間の距離（ａ）をできる限り大きくする。
しかし、焦点サイズをできる限り小さくすると、受光部に到達するＸ線量を適正にしようとすると焦点の発熱による焦点の破壊が起こる。
また、被写体−受光部間の距離（ｂ）をできるだけ小さくするには限度がある。
更に、焦点−被写体間の距離（ａ）をできる限り大きくすると、Ｘ線発生量の大きな装置を用いねばならず、またＦＰ間距離も大きくなりＸ線撮影装置や撮影室を小型化することができない。
本発明は上述した点を考慮して成されたもので、その目的とするところは、充分に大きなサイズの１次焦点を使用し得るとともに、２次焦点として微小孔を使用することにより、点状のＸ線源を構成し、ボケの発生をなくして解像度の高い撮影像を得るようにした微小孔焦点Ｘ線管を備える微小孔焦点Ｘ線装置を提供せんとするものである。
本発明の微小孔焦点Ｘ線装置は、フィラメント１を有する陰極２と、該陰極２に或る距離離間して対向配置され、その対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４と、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５とから成るＸ線管６と、該Ｘ線管６の外側に、密着して前記ガラス円筒管５を囲んで設けられた絶縁体層８と、該絶縁体層８を囲んで設けられたＸ線遮蔽層９とを備えるとともに前記Ｘ線管６のＸ線照射部前面に位置する前記絶縁体層８およびＸ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設け、受光部ＰにＸ線ビームを放出するように構成したＸ線装置において、前記Ｘ線管６のターゲット３と、電子流が衝突してＸ線を発生する部分に前記微小孔１０よりも大きなサイズの１次焦点を構成し、Ｘ線照射部前面に位置する前記Ｘ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設けこれを２次焦点とし、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離と前記２次焦点から前記受光部Ｐまでの距離の比が、前記１次焦点のサイズと前記受光部Ｐのサイズの比と等しくなるように前記１次焦点のサイズと、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離を設定することにより構成したことを特徴とする。
更に本発明の微小孔焦点Ｘ線装置は、フィラメント１を有する陰極２と、該陰極２に或る距離離間し対向して配置され、その対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４と、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６を着脱自在に交換し得る構成で取付け或いは固着し、該Ｘ線管６を囲んで設けられ、内部Ｘ線遮蔽層１２が内壁全周に亘り被覆された筐体１３とを備え、前記Ｘ線管６のＸ線照射部前面に位置するＸ線遮蔽層１２、筐体１３に開口したＸ線装置開口１４と該開口１４を遮蔽する外部Ｘ線遮蔽層１５に微小孔１６を設け、受光部ＰにＸ線ビームを放出するように構成したＸ線装置において、前記Ｘ線管６のターゲット３と、電子流が衝突してＸ線を発生する部分に前記微小孔１６よりも大きなサイズの１次焦点を構成し、前記筐体１３および前記Ｘ線遮蔽層１５に前記微小孔１６を設けこれを２次焦点とし、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離と前記２次焦点から受光部Ｐまでの距離の比が、前記一次焦点のサイズと受光部Ｐのサイズの比と等しくなるように前記１次焦点のサイズと、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離を設定することにより構成したことを特徴とする。
本発明によれば、微小孔に比べ充分に大きい１次焦点を使用し得ることから陽極面の熱量的問題が解決でき、また、管電圧、管電流を大きく出せるため、Ｘ線出力の問題も解決でき、さらに、点状のＸ線源を構成し得る微小孔を設け、これを２次の焦点としているので、半影の少ない画像を抽出することができ、解像力の向上を実現し得る微小孔焦点Ｘ線管、微小孔焦点Ｘ線管装置を提供できる。
図１に示すように、管球焦点Ｆと、微小孔部Ｃと、被写体Ｓおよび受光部Ｐとを図示の順序に配置し、管球焦点Ｆから放射されるＸ線を微小孔部Ｃに照射する。微小孔部Ｃの微小孔を通過するＸ線は被写体Ｓを透過して受光部Ｐに照射されて投影像を記録する。この際、微小孔部Ｃの微小孔を通過するＸ線を微小焦点の点状Ｘ線源とするため、透写像におけるボケ（半影）の形成がきわめて小さいものとなる。従って、鮮明な解像度の高い像を得ることができる。
この際、微小孔部Ｃの位置算出は、以下のように行う。
即ち、微小孔部Ｃと管球焦点Ｆとの間の距離をＸとし、管球焦点Ｆと受光部Ｐとの間の距離を５００ｍｍとし、更に、管球焦点サイズ 5mm、微小孔部（鉛）Ｃの微小孔径100μm（0.1mm）、受光部の一辺の長さを120mmとすると、次式が成立し、これにより、微小孔部Ｃを通して受光部に必要最小限のサイズで照射するための微小孔部の位置を算出することができる。
5 : 120 = Ｘ : (500-Ｘ)
∴ Ｘ = 20 mm
従って、管球焦点（１次焦点）位置から20mmの位置に100μｍの微小孔部（２次焦点）を位置させることによって、100μm焦点サイズの管球が実現可能となる。
即ち、微小孔部Ｃと管球焦点Ｆとの間の距離をＸとし、管球焦点Ｆと受光部Ｐとの間の距離を５００ｍｍとし、更に、管球焦点サイズ 5mm、微小孔部（鉛）Ｃの微小孔径100μm（0.1mm）、受光部の一辺の長さを120mmとすると、次式が成立し、これにより、微小孔部Ｃを通して受光部に必要最小限のサイズで照射するための微小孔部の位置を算出することができる。
5 : 120 = Ｘ : (500-Ｘ)
∴ Ｘ = 20 mm
従って、管球焦点（１次焦点）位置から20mmの位置に100μｍの微小孔部（２次焦点）を位置させることによって、100μm焦点サイズの管球が実現可能となる。
図面につき本発明の第１実施例を説明する。
図２に示すように、本例では、通常、市販されているＸ線管の外壁部に、微小孔を設け、これを２次焦点とする。即ち、本発明Ｘ線管は、フィラメント１を有する陰極２、該陰極２に或る距離離間して対向配置されその対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６の外部に前記ガラス円筒管５を囲んで設けられ、充填材７を介して固着された絶縁体層８と、該絶縁体層８を囲んで設けられたＸ線遮蔽層９とを備え、前記Ｘ線管のＸ線照射部前面に位置する前記該絶縁体層８およびＸ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設けるようにして構成する。
図２に示すように、本例では、通常、市販されているＸ線管の外壁部に、微小孔を設け、これを２次焦点とする。即ち、本発明Ｘ線管は、フィラメント１を有する陰極２、該陰極２に或る距離離間して対向配置されその対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６の外部に前記ガラス円筒管５を囲んで設けられ、充填材７を介して固着された絶縁体層８と、該絶縁体層８を囲んで設けられたＸ線遮蔽層９とを備え、前記Ｘ線管のＸ線照射部前面に位置する前記該絶縁体層８およびＸ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設けるようにして構成する。
陰極２のフィラメント１から放出された電子流は対向する陽極４のターゲット３に衝突してＸ線を発生し、このＸ線はＸ線管の管軸に対しほぼ直交する方向に実効焦点（１次焦点）となるように放出される。この実効焦点サイズは或る程度大きく、従って大きな半影が生ずるようになる。
しかし、本発明によれば、Ｘ線管球の外側に設けられたＸ線遮蔽層９の微小孔１０を通過すると、この際、点状Ｘ線源（２次焦点）となるので、半影の発生を極めて小さくすることができ、従って、鮮明な透過像を得ることができる。
また、第１実施例では、Ｘ線管の外側に密着して微小孔を設けるため、著しく小型のＸ線管装置を提供することができる。
しかし、本発明によれば、Ｘ線管球の外側に設けられたＸ線遮蔽層９の微小孔１０を通過すると、この際、点状Ｘ線源（２次焦点）となるので、半影の発生を極めて小さくすることができ、従って、鮮明な透過像を得ることができる。
また、第１実施例では、Ｘ線管の外側に密着して微小孔を設けるため、著しく小型のＸ線管装置を提供することができる。
上記Ｘ線遮蔽層９としては、エネルギー吸収係数が高い原子番号２０〜８２番までの金属、例えば、モリブデン、タングステン、パラジウム、銀、インジウム、スズ、アンチモン、金、白金、鉛、鉄等を用いることができる。
また、上記金属を混合して使用することもできる。
また、上記金属を混合して使用することもできる。
次に、本発明の第２実施例を説明する。
図３に示すように、本例では、微小孔を有する筐体内に市販されているＸ線管を固定配置する。即ち、本発明Ｘ線装置は、フィラメント１を有する陰極２、該陰極２に或る距離離間して対向配置されその対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３（１次焦点）を有する陽極４、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６を囲んで設けられ、内部Ｘ線遮蔽層１２が内壁全周に亘り被覆された筐体１３とを備え、該筐体１３および前記Ｘ線遮蔽層１２の、前記Ｘ線管のＸ線照射部前面に位置する箇所にＸ線通過開口１４を設け、該Ｘ線通過開口１４を遮蔽する外部Ｘ線遮蔽層１５を設け、該外部Ｘ線遮蔽層１５に微小孔１６（２次焦点）を設けるようにして構成する。
この際、Ｘ線管の筐体内への取付け或は固着には、種々の手段、例えば種々の緊締、固着手段を使用することができ、Ｘ線管を着脱自在に交換しうる構成のものとすることができるためここでは図示しない。
図３に示すように、本例では、微小孔を有する筐体内に市販されているＸ線管を固定配置する。即ち、本発明Ｘ線装置は、フィラメント１を有する陰極２、該陰極２に或る距離離間して対向配置されその対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３（１次焦点）を有する陽極４、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６を囲んで設けられ、内部Ｘ線遮蔽層１２が内壁全周に亘り被覆された筐体１３とを備え、該筐体１３および前記Ｘ線遮蔽層１２の、前記Ｘ線管のＸ線照射部前面に位置する箇所にＸ線通過開口１４を設け、該Ｘ線通過開口１４を遮蔽する外部Ｘ線遮蔽層１５を設け、該外部Ｘ線遮蔽層１５に微小孔１６（２次焦点）を設けるようにして構成する。
この際、Ｘ線管の筐体内への取付け或は固着には、種々の手段、例えば種々の緊締、固着手段を使用することができ、Ｘ線管を着脱自在に交換しうる構成のものとすることができるためここでは図示しない。
上述した第２実施例においてもその作用は第１実施例とほぼ同様であり、解像度の高い透過像を得る事ができる。
また、第２実施例では、Ｘ線管は市販のものを使用し得るため、用途に応じて種々の強度を有する種々の種類のＸ線管を着脱自在に交換することができ、従って種々の強度のＸ線管を用いて１次焦点からのＸ線束を発生させることができる。
また、第２実施例では、Ｘ線管は市販のものを使用し得るため、用途に応じて種々の強度を有する種々の種類のＸ線管を着脱自在に交換することができ、従って種々の強度のＸ線管を用いて１次焦点からのＸ線束を発生させることができる。
更に本発明によれば、前記微小孔はその形状を円形、長方形、楕円形或は正方形とすることができる。
例えば、図５の仮想線に示すように、微小孔１０（実際にはターゲット３の図のＸ軸およびｙ軸に対し夫々直交する軸の方向に位置する）を長方形にし、長辺をＸ線管の軸（Ｘ軸）に対して平行な方向に設置し、Ｘ線撮影を行った場合には、焦点寸法が横長になり、縦方向（y軸方向）である短辺の焦点寸法が小さくなることにより、軸に直交する縦方向、すなわちy軸方向の解像度を向上させることができる。また長方形の設置方向は軸に対して平行にするだけとは限らず、軸と直交する方向に設置することもできる。この場合には軸に平行なＸ軸方向の解像度が向上する。
微小孔が楕円形の場合にも、その効果は長方形の場合と同様である。
微小孔が正方形の場合には、縦横が同じ解像度を呈し、微小孔が円形の場合には全方向に対して同じ解像度を呈するようになる。
例えば、図５の仮想線に示すように、微小孔１０（実際にはターゲット３の図のＸ軸およびｙ軸に対し夫々直交する軸の方向に位置する）を長方形にし、長辺をＸ線管の軸（Ｘ軸）に対して平行な方向に設置し、Ｘ線撮影を行った場合には、焦点寸法が横長になり、縦方向（y軸方向）である短辺の焦点寸法が小さくなることにより、軸に直交する縦方向、すなわちy軸方向の解像度を向上させることができる。また長方形の設置方向は軸に対して平行にするだけとは限らず、軸と直交する方向に設置することもできる。この場合には軸に平行なＸ軸方向の解像度が向上する。
微小孔が楕円形の場合にも、その効果は長方形の場合と同様である。
微小孔が正方形の場合には、縦横が同じ解像度を呈し、微小孔が円形の場合には全方向に対して同じ解像度を呈するようになる。
上述したように、本発明によれば、管球焦点サイズ（１次焦点サイズ）を大きくすることで陽極面の熱量的問題が解決でき、また、管電圧、管電流を大きく出せるため、Ｘ線出力の問題も解決できる。これにより、微小孔１０、１６（２次焦点）からＸ線ビームを絞ったＸ線を放出させても、十分なＸ線量を照射することができ、半影の少ない画像を抽出することができる。したがって、解像力の向上を図ることができる。
また、本発明微小孔焦点Ｘ線装置に組合せて使用するＸ線撮像手段としては、高感度のＸ線イメージセンサおよびＸ線検出器、或はこれらＸ線イメージセンサおよびＸ線検出器の組み合わせのものを使用することができる。
上記Ｘ線イメージセンサには例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＴＦＴ(Thin Film Transistor)センサ、ＣｄＴｅセンサ等があり、また、Ｘ線検出器には、Ｘ線イメージインテンシファイア(Image Intensifier:I.I.)、フラットパネル検出器(Flat Panel Detector:FPD)等がある。
上記Ｘ線イメージセンサには例えば、ＣＣＤ(Charge Coupled Device)イメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＴＦＴ(Thin Film Transistor)センサ、ＣｄＴｅセンサ等があり、また、Ｘ線検出器には、Ｘ線イメージインテンシファイア(Image Intensifier:I.I.)、フラットパネル検出器(Flat Panel Detector:FPD)等がある。
本発明の微小孔焦点Ｘ線管を備える微小孔焦点Ｘ線装置に上述したＸ線撮像手段を組合せて使用する場合には高解像度のＸ線撮像装置を提供することが出来る。
本発明の微小孔焦点Ｘ線管を備える微小孔焦点Ｘ線装置は、医療用Ｘ線撮影装置、ＣＴ装置、非破壊検査装置などに利用可能である。
１ フィラメント
２ 陰極
３ ターゲット
４ 陽極
５ ガラス円筒管
６ Ｘ線管
７ 充填材
８ 絶縁体層
９ Ｘ線遮蔽層
１０ 微小孔
１２ 内部Ｘ線遮蔽層
１３ 筐体
１４ Ｘ線通過開口
１５ 外部Ｘ線遮蔽層
１６ 微小孔
Ｆ 管球焦点
Ｃ 微小孔部
Ｓ 被写体
Ｈ ボケ（半影）
Ｐ 受光部
Ｂ 透過像
ａ 焦点−被写体間距離
ｂ 被写体−受光部間距離
２ 陰極
３ ターゲット
４ 陽極
５ ガラス円筒管
６ Ｘ線管
７ 充填材
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１２ 内部Ｘ線遮蔽層
１３ 筐体
１４ Ｘ線通過開口
１５ 外部Ｘ線遮蔽層
１６ 微小孔
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Ｃ 微小孔部
Ｓ 被写体
Ｈ ボケ（半影）
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ｂ 被写体−受光部間距離
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- フィラメント１を有する陰極２と、該陰極２に或る距離離間して対向配置され、その対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４と、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５とから成るＸ線管６と、該Ｘ線管６の外側に、密着して前記ガラス円筒管５を囲んで設けられた絶縁体層８と、該絶縁体層８を囲んで設けられたＸ線遮蔽層９とを備えるとともに前記Ｘ線管６のＸ線照射部前面に位置する前記絶縁体層８およびＸ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設け、受光部ＰにＸ線ビームを放出するように構成したＸ線装置において、
前記Ｘ線管６のターゲット３と、電子流が衝突してＸ線を発生する部分に前記微小孔１０よりも大きなサイズの１次焦点を構成し、Ｘ線照射部前面に位置する前記Ｘ線遮蔽層９の位置に微小孔１０を設けこれを２次焦点とし、
前記１次焦点から前記２次焦点までの距離と前記２次焦点から前記受光部Ｐまでの距離の比が、前記１次焦点のサイズと前記受光部Ｐのサイズの比と等しくなるように前記１次焦点のサイズと、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離を設定することにより構成したことを特徴とする微小孔焦点Ｘ線装置。 - フィラメント１を有する陰極２と、該陰極２に或る距離離間し対向して配置され、その対向面に或る角度を持って設けられたターゲット３を有する陽極４と、これら陰極２および陽極４を真空密封するガラス円筒管５を備えるＸ線管６と、該Ｘ線管６を着脱自在に交換し得る構成で取付け或いは固着し、該Ｘ線管６を囲んで設けられ、内部Ｘ線遮蔽層１２が内壁全周に亘り被覆された筐体１３とを備え、前記Ｘ線管６のＸ線照射部前面に位置するＸ線遮蔽層１２、筐体１３に開口したＸ線装置開口１４と該開口１４を遮蔽する外部Ｘ線遮蔽層１５に微小孔１６を設け、受光部ＰにＸ線ビームを放出するように構成したＸ線装置において、
前記Ｘ線管６のターゲット３と、電子流が衝突してＸ線を発生する部分に前記微小孔１６よりも大きなサイズの１次焦点を構成し、
前記筐体１３および前記Ｘ線遮蔽層１５に前記微小孔１６を設けこれを２次焦点とし、
前記１次焦点から前記２次焦点までの距離と前記２次焦点から受光部Ｐまでの距離の比が、前記一次焦点のサイズと受光部Ｐのサイズの比と等しくなるように前記１次焦点のサイズと、前記１次焦点から前記２次焦点までの距離を設定することにより構成したことを特徴とする微小孔焦点Ｘ線装置。
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