JP4961796B2

JP4961796B2 - 外科用ｘ線診断装置

Info

Publication number: JP4961796B2
Application number: JP2006094077A
Authority: JP
Inventors: 肇武本; 忠彦中原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-03-30
Also published as: JP2007267788A

Description

この発明は、被検体を透視撮影する外科用Ｘ線装置に係り、特に、アームの回転する際に映像中心を同じ位置に保つ心技術に関する。

外科用Ｘ線装置は、透視および撮影を行うことができ、手術支援等に用いられている。図４（ａ）に示すように、本装置は、図示省略の手術台に載置された被検体ＭにＸ線を照射するＸ線管５１と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出部５３とが、対向した状態でＣ字状アーム５５に保持されている。Ｃ字状アーム５５は、アーム保持部５７によって回転可能に保持されている。アーム保持部５７は、水平支持部５９に支持されており、この水平支持部は台車６５に搭載されている。台車６５にはキャスター６７が付設されている。

Ｃ字状アーム５５は、Ｘ線管５１とＸ線検出部５３とＣ字状アーム５５との全体の重心の位置を回転中心Ｐとして回転可能に構成されている。このため、Ｘ線管５１およびＸ線検出部５３を保持するＣ字状アーム５５全体は回転中心Ｐにおいてバランスがとられており、Ｃ字状アーム５５を手動で迅速に回転することができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−６５９４１号公報

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
従来の装置は、回転中心ＰがＸ線管５１から照射されるＸ線の照射軸Ｅ上に位置しない。したがって、照射軸Ｅ上の１点である映像中心Ｑが回転中心Ｐと一致する場合はない。そして、Ｃ字状アーム５５を回転させると、映像中心Ｑの位置が回転中心Ｐの周囲を回るように変動変位する。このため、一時的に被検体Ｍの関心領域を映像中心Ｑに合わせても、Ｃ字状アーム５５の回転に応じて映像中心Ｑは被検体の関心領域からずれる。

具体的には、図４（ａ）に図示するように、照射軸Ｅ上の１点を映像中心Ｑとしてとり、この映像中心Ｑに検体Ｍの関心領域を映像中心Ｑに合わせても、図４（ｂ）に図示するように、Ｃ字状アーム５５を回転させると映像中心Ｑの位置は被検体Ｍの関心領域からずれる。この結果、Ｘ線検出部５３から得られる画像には、その中央から外れた位置に被検体Ｍの関心領域が投影されるという不都合がある。

特に、Ｃ字状アーム５５を回転させつつ種々の撮影角度から被検体Ｍの関心領域を撮影して多数枚の画像を取得し、これら多数枚の画像に基づいて３次元画像を作る手技においては、映像中心Ｑと回転中心Ｐとが一致していることが不可欠である。このため、従来の装置では、３次元画像を作る手技を行うことが極めて困難である。

これに対して、Ｃ字状アーム５５を回転させる電動駆動機構を備えて、映像中心Ｑを中心にＣ字状アーム５５を回転させる外科用Ｘ線装置もある。しかしながら、このような装置によれば、Ｃ字状アーム５５の回転中心Ｐが重心から外れているため、バランスがとれておらず、Ｃ字状アーム５５を迅速に回転させることが困難であるという不都合がある。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、手動で回転可能なアームの回転中心が映像中心からずれている場合であっても、アームの回転の際に映像中心が変位することを抑えることができる外科用Ｘ線装置を提供することを目的とする。

この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、被検体を透視撮影する外科用Ｘ線装置において、Ｘ線を被検体に照射するＸ線発生源と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出手段と、前記Ｘ線発生源と前記Ｘ線検出手段とを対向させて保持するアームと、前記アームを回転可能に保持するアーム保持手段と、前記アーム保持手段を移動させる移動手段と、前記アームの回転量を検出する検出手段と、前記検出手段から得られた検出結果に基づいて前記移動手段を操作して、前記アームが回転する際にＸ線の照射軸上の１点である映像中心を同じ位置に保つ制御手段と、を備えており、前記アームの回転中心は、前記Ｘ線の照射軸から外れており、前記映像中心は、前記アームの回転中心から前記Ｘ線の照射軸に垂直に下ろした点であることを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、アーム保持手段を移動させる移動手段を備え、かつ、この移動手段を操作する制御手段を備えることによって、アームの回転に伴う映像中心の変位を打ち消すことができ、映像中心の位置がずれることを抑制することができる。したがって、アームを回転させる前後で映像中心の位置を同じ位置に保つことができ、検出手段から得られる画像においては同じ位置に被検体を投影させることができる。
また、映像中心をアームの回転中心からＸ線の照射軸に垂直に下ろした点とすることで、回転中心と映像中心の距離を最短にすることができる。このため、アームの回転に伴う映像中心の変位の大きさを最小にすることができ、移動手段によるアーム保持手段の移動量を低減することができる。

また、上述した発明において、前記移動手段は、前記アーム保持手段を水平方向に移動させる水平駆動機構と、前記アーム保持手段を鉛直方向に移動させる鉛直駆動機構とを備えていることが好ましい。アーム保持手段を好適に移動させることができる。

また、上述した発明において、前記制御手段は、前記アームの回転に伴う前記映像中心の変位の水平成分および鉛直成分をそれぞれ打ち消す水平補正量および鉛直補正量を算出する演算部と、前記水平補正量に従って前記水平駆動機構を駆動させ、かつ、前記鉛直補正量に従って前記鉛直駆動機構を駆動させる駆動指令部と、を備えていることが好ましい。演算部と駆動指令部とによって制御手段を適切に構成することができる。

また、上述した発明において、前記アームの回転中心は、前記アームと前記Ｘ線発生源と前記Ｘ線検出手段との全体の重心の位置であることが好ましい。手動でアームを容易に回転することができる。

なお、本明細書は、次のような外科用Ｘ線装置に係る発明も開示している。

（１）被検体を透視撮影する外科用Ｘ線装置において、Ｘ線を被検体に照射するＸ線発生源と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出手段と、前記Ｘ線発生源と前記Ｘ線検出手段とを対向させて保持するアームと、前記アームを回転可能に保持するアーム保持手段と、前記アーム保持手段を移動させる移動手段と、前記アームの回転量を検出する検出手段と、前記検出手段から得られた検出結果に基づいて前記移動手段を操作して、前記アームの回転中心からＸ線の照射軸に垂直に下ろした点である映像中心を、前記アームの回転に伴う前記映像中心の変位を打ち消す制御手段と、を備えていることを特徴とする外科用Ｘ線装置。

前記（１）に記載の発明によれば、アーム保持手段を移動させる移動手段を備え、かつ、この移動手段を操作する制御手段を備えることによって、アームの回転に伴う映像中心の変位を打ち消すことができる。したがって、アームを回転させる前後で映像中心の位置を同じ位置に保つことができ、検出手段から得られる画像においては同じ位置に被検体を投影させることができる。

この発明に係る外科用Ｘ線装置によれば、アーム保持手段を移動させる移動手段を備え、かつ、この移動手段を操作する制御手段を備えることによって、アームの回転に伴う映像中心の変位を打ち消すことができ、映像中心の位置がずれることを抑制することができる。したがって、アームを回転させる前後で映像中心の位置を同じ位置に保つことができ、検出手段から得られる画像においては同じ位置に被検体を投影させることができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例１を説明する。
図１は、実施例に係る外科用Ｘ線装置の概略構成を示すブロック図である。

実施例に係る外科用Ｘ線装置は、Ｘ線管１と、Ｘ線検出部３と、Ｃ字状アーム５と、アーム保持部７と水平支持部９等を備えている。

Ｘ線管１は、図示省略の手術台に載置される被検体ＭにＸ線を照射する。Ｘ線検出部３は、被検体Ｍを透過したＸ線を検出する。本実施例に係るＸ線検出部３は、イメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）とＴＶカメラと（いずれも図示省略）を組み合わせて構成されている。Ｃ字状アーム５は、Ｃ字型に湾曲した形状を呈し、その両端側においてそれぞれＸ線管１とＸ線検出部３とを対向させた状態で保持する。アーム保持部７は、Ｃ字状アーム５を回転可能に保持している（図１において回転方向を矢印ＲＡで示す）。ここで、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐは、Ｘ線管１とＸ線検出部３とＣ字状アーム５との全体の重心の位置と一致させている。また、Ｃ字状アーム５には手動操作用のハンドル６が付設されている。水平支持部９は、アーム保持部７を支持している。Ｘ線管１とＸ線検出部３とＣ字状アーム５とアーム保持部７は、それぞれこの発明におけるＸ線発生手段とＸ線検出手段とアームとアーム保持手段とに相当する。

実施例に係る外科用Ｘ線装置は、アーム保持部７を鉛直方向に昇降させる鉛直駆動機構１１と、アーム保持部７を水平方向に移動させる水平駆動機構１３とを備え、これらが台車１５に搭載されている。この台車１５の下部には、キャスター１７が付設されている。以下、鉛直駆動機構１１と水平駆動機構１３とについて説明する。

鉛直駆動機構１１は、鉛直ベース２１と、鉛直ラック２３と、第１ピニオン２７とベアリング２９等を備えている。鉛直ベース２１は、鉛直方向を長手とする柱状を呈し、その上端が台車１５から突き出るように、鉛直方向に摺動可能にベアリング２９に保持されて台車１５に搭載されている。鉛直ラック２３は、鉛直ベース２１の側面に設置されている。第１ピニオン２７は鉛直ラック２３に外接している。この第１ピニオン２７は、台車１５に固定されているモータ（図示省略）に連結されて回転駆動される。また、鉛直ベース２５の上端は、水平支持部９を水平方向に摺動自在に保持している。具体的には、鉛直ベース２１の上面に形成される凸部２１ａが、水平支持部９の下面に形成される案内溝（図示省略）に摺動可能に挿入されている。

また、水平駆動機構１３は、水平ラック３３と、第２ピニオン３７等を備えている。水平ラック３３は、水平支持部９の下面に設置されている。第２ピニオン３７は水平ラック３３に外接している。この第２ピニオン３７は、鉛直ベース２１に固定設置されているモータ（図示省略）に連結されて回転駆動される。

上述のように構成される鉛直駆動機構１１は、第１ピニオン２７と連結するモータを正、逆方向に回転駆動させることにより、水平支持部９を鉛直方向に昇降移動させる。また、水平駆動機構１３は、第２ピニオン３７と連結するモータを正、逆方向に回転駆動させることにより、水平支持部９を水平方向に出退移動させる。これらの結果、水平支持部９に支持されたアーム保持部７も一体となって鉛直方向と水平方向にそれぞれ移動する。

実施例に係る外科用Ｘ線装置は、さらに、回転角度検出器４１と制御部４３とを備えており、制御部４３は演算部４５と駆動指令部４７とを含んでいる。以下、順に説明する。

回転角度検出器４１は、Ｃ字状アーム５の外周の一部位に設けられ、Ｃ字状アーム５の回転角度（回転量）を検出する。この回転角度検出器４１としては、ロータリーエンコーダ、または、ポテンショメータ等が例示される。回転角度検出器４１は、この発明における検出手段に相当する。

演算部４５は、回転角度検出器４１の検出結果に基づいて、水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙを算出する。これら水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙは、Ｃ字状アーム５の回転に伴う映像中心Ｑの変位Ｈの水平成分および鉛直成分とそれぞれ同じ大きさで、かつ、向きが反対である。すなわち、水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙを合成した補正量（移動量）は、Ｃ字状アーム５の回転に伴う映像中心Ｑの変位Ｈと相殺する関係になる。ここで、映像中心Ｑとは、Ｘ線管１から照射されるＸ線の照射軸Ｅ上の任意の１点である。この映像中心Ｑは、透視または撮影によってＸ線検出部３から得られる画像の中央に常に投影される。本実施例では、映像中心Ｑとして、Ｘ線の照射軸Ｅと、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐから照射軸Eに下ろした垂線との交点としている。

図２を参照して水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙについて具体的に説明する。図２は、映像中心の変位と水平補正量および鉛直補正量の関係を示す図である。図２は、Ｘ線管１およびＸ線検出部３が回転する鉛直平面内を模式的に示しており、この鉛直平面の水平方向、鉛直方向をそれぞれｘ軸、ｙ軸とする。ここで、説明の便宜上、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐと映像中心Ｑ_１が水平軸（ｘ軸）上に並んでいるときを基準にして、Ｃ字状アーム５が回転角度θだけ回転した場合を仮想する。そして、回転した後の映像中心をＱ_２と記載する。ただし、アーム保持部７は移動しないものと仮定する。また、回転中心Ｐと映像中心Ｑとの間の偏心距離Ｌは、装置の構造、寸法から特定できるものであり、既知であるとする。

図示するように、Ｃ字状アーム５の回転に伴って、映像中心Ｑは回転中心Ｐ回りに回転角度θだけ回転する。このとき、映像中心Ｑの変位Ｈは、映像中心Ｑ_１から映像中心Ｑ_２へのベクトルで表される。水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙは、映像中心Ｑの変位の水平成分と鉛直成分とをそれぞれ打ち消す移動量であるので、数式（１）、（２）のように表せる。ただし、図中のｘ軸方向、およびｙ軸方向をそれぞれ正とする。

Ｄｘ＝Ｌ（１−cosθ）（１）
Ｄｙ＝ −Ｌsinθ （２）

この場合、演算部４５の処理としては、記数式（１）、（２）に、回転角度検出器４１から得られたＣ字状アーム５の回転角度θを代入して、水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙを算出する。

駆動指令部４７は、算出された水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙに従って、鉛直駆動機構１１と水平駆動機構１３とを操作してアーム保持部７を水平方向と鉛直方向とにそれぞれ移動させる。

これら演算部４５および駆動指令部４７を含む制御部４３は、所定のプログラムを読み出して実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）や、偏心距離Ｌ等、各種情報を記憶するＲＡＭ（Random-Access Memory）や固定ディスク等の記憶媒体等で実現される。

次に、実施例に係る外科用Ｘ線装置の動作について説明する。
外科用Ｘ線装置を手術台に載置された被検体Ｍに近づけて、被検体Ｍの関心領域に映像中心Ｑを位置させる。次に、術者がハンドル６を握って手動でＣ字状アーム５を回転する。回転角度検出器４１は、Ｃ字状アーム５の回転角度を検出する。演算部４５は、回転角度検出器４１から得られる検出結果に基づいて、水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙとを算出する。駆動指令部４７は、算出された水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙとに従って、鉛直駆動機構１１と水平駆動機構１３とを駆動させる。これにより、アーム保持部７はＣ字状アーム５と一体に水平方向に水平補正量Ｄｘの分だけ移動し、鉛直方向に鉛直補正量Ｄｙの分だけ移動する。

図３を参照する。図３（ａ）は、Ｃ字状アーム５を回転する前の外科用Ｘ線装置の姿勢を模式的に示す図であり、図３（ｂ）はＣ字状アーム５を回転させた後の外科用Ｘ線装置の姿勢を模式的に示す図である。図３（ａ）の姿勢にある装置において、Ｃ字状アーム５を図３（ｂ）に図示する矢印ＲＢの向きに回転させる際、アーム保持部１１およびＣ字状アーム５は、矢印Ｆ_Ｈの向きに水平移動し、かつ、矢印Ｆ_Ｖの向きに鉛直下方に降下する。

このような動作の結果、Ｃ字状アーム５の回転に伴う映像中心Ｑの変位Hは、Ｃ字状アーム５の水平方向および鉛直方向の移動によって相殺される。すなわち、回転後の映像中心Ｑ（図３（ｂ）参照）は、Ｃ字状アーム５を回転させる前（図３（ａ）参照）と同じ位置にある。したがって、映像中心Ｑは、回転前後において被検体Ｍの関心領域に位置させた状態が維持されている。そして、術者の操作により、適宜に透視、または撮影が行われる。

このように、実施例に係る外科用Ｘ線装置によれば、鉛直駆動機構１１および水平駆動機構１３と、これらを操作する制御部４３を備えているので、Ｃ字状アーム５が回転する際に映像中心Ｑが変位することを抑制できる。したがって、Ｃ字状アーム５の回転の前後において、映像中心Ｑの位置を同じ位置に保つことができる。よって、透視または撮影によって得られる画像において、投影される被検体Ｍの関心領域が中央からずれることがない。

また、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐから照射軸Ｅに垂直に下ろした点を映像中心Ｑとすることで、回転中心Ｐと映像中心Ｑの偏心距離Ｌを最短にすることができる。このため、Ｃ字状アーム５の回転に伴う映像中心Ｑの変位の大きさを最小にすることができ、鉛直駆動機構１１および水平駆動機構１３によるアーム保持部１１およびＣ字状アーム５の移動量を低減することができる。

また、Ｃ字状アーム５を回転可能に保持するアーム保持部７を備えているので、Ｃ字状アーム５を手動で回転させることができる。また、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐを、Ｘ線管１とＸ線検出器３とＣ字状アーム５との全体の重心の位置としているので、手動で迅速に回転可能なＣ字状アーム５を好適に実現することができる。

また、回転角度検出器４１を備えているので、Ｃ字状アーム５の回転角度（回転量）を適切に検出することができる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、鉛直駆動機構１１と水平駆動機構１３とは、鉛直ラック２３または水平ラック３３に第１、第２ピニオン２７、３７が噛合する機構を備えていたが、鉛直方向または水平方向に駆動することができれば、これに限られない。たとえば、ベルトを回動させて移動させる機構や、螺軸を回転させて移動させる機構によって構成してもよい。

（２）上述した実施例では、各駆動機構１１、１３の方向は、鉛直方向と水平方向であったが、これに限らず、Ｘ線管１とＸ線検出部３とが回転する鉛直平面内であれば任意の異なる２方向に変更してもよい。この場合であっても、異なる２方向への各補正量を適宜に選択することで、アーム保持部７およびＣ字状アーム５を所定の位置に移動させることができる。また、リンク機構を採用することで、アーム保持部７およびＣ字状アーム５を移動させてもよい。

（３）上述した実施例では、映像中心Ｑとして、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐから照射軸Ｅに下ろした垂線と、Ｘ線の照射軸Ｅとの交点としたが、これに限られない。すなわち、照射軸Ｅの点であれば、適宜に映像中心Ｑとして選択、変更することができる。この場合であっても、Ｘ線検出部３から得られる画像の中央に常に投影させることができる。

（４）水平補正量Ｄｘおよび鉛直補正量Ｄｙを求めるとき、回転中心Ｐと映像中心Ｑが水平軸上に並ぶときを基準に説明したが、これ以外の位置関係のときを基準にとってもＣ字状アーム５の回転に伴う映像中心Ｑの変位は求められるので、適宜に設計変更できる。また、演算部４５の処理内容も基準の取り方によって適宜に変更される。

（５）上述した実施例では、Ｃ字状アーム５の回転中心Ｐを、Ｘ線管１とＸ線検出器３とＣ字状アーム５との全体の重心の位置としたが、Ｃ字状アーム５を手動で回転させることができれば、厳密に重心の位置と一致させなくてもよい。

（６）上述した実施例では、Ｘ線検出部３はイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ．）とＴＶカメラとを組み合わせて構成したものを例示したが、これに限られない。たとえば、フラットパネル型Ｘ線検出器によってＸ線検出部を構成してもよい。

実施例に係る外科用Ｘ線装置の概略構成を示すブロック図である。映像中心の変位と水平補正量および鉛直補正量の関係を模式的に示す図である。（ａ）は、Ｃ字状アーム５を回転する前の外科用Ｘ線装置の姿勢を模式的に示す図であり、（ｂ）はＣ字状アーム５を回転させた後の外科用Ｘ線装置の姿勢を模式的に示す図である。従来例に係る外科用Ｘ線装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ …Ｘ線管
３ …Ｘ線検出部
５ …Ｃ字状アーム
７ …アーム保持部
１１ …鉛直駆動機構
１３ …水平駆動機構
４１ …回転角度検出器
４３ …制御部
４５ …演算部
４７ …駆動指令部
Ｍ …被検体
Ｐ …回転中心
Ｑ …映像中心
Ｈ …変位
Ｄｘ …水平補正量
Ｄｙ …鉛直補正量
E …照射軸

Claims

被検体を透視撮影する外科用Ｘ線装置において、Ｘ線を被検体に照射するＸ線発生源と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出手段と、前記Ｘ線発生源と前記Ｘ線検出手段とを対向させて保持するアームと、前記アームを回転可能に保持するアーム保持手段と、前記アーム保持手段を移動させる移動手段と、前記アームの回転量を検出する検出手段と、前記検出手段から得られた検出結果に基づいて前記移動手段を操作して、前記アームが回転する際にＸ線の照射軸上の１点である映像中心を同じ位置に保つ制御手段と、を備えており、
前記アームの回転中心は、前記Ｘ線の照射軸から外れており、
前記映像中心は、前記アームの回転中心から前記Ｘ線の照射軸に垂直に下ろした点であることを特徴とする外科用Ｘ線装置。
請求項１に記載の外科用Ｘ線装置において、前記移動手段は、前記アーム保持手段を水平方向に移動させる水平駆動機構と、前記アーム保持手段を鉛直方向に移動させる鉛直駆動機構とを備えていることを特徴とする外科用Ｘ線装置。
請求項２に記載の外科用Ｘ線装置において、前記制御手段は、前記アームの回転に伴う前記映像中心の変位の水平成分および鉛直成分をそれぞれ打ち消す水平補正量および鉛直補正量を算出する演算部と、前記水平補正量に従って前記水平駆動機構を駆動させ、かつ、前記鉛直補正量に従って前記鉛直駆動機構を駆動させる駆動指令部と、を備えていることを特徴とする外科用Ｘ線装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の外科用Ｘ線装置において、前記アームの回転中心は、前記アームと前記Ｘ線発生源と前記Ｘ線検出手段との全体の重心の位置であることを特徴とする外科用Ｘ線装置。