JP5025178B2

JP5025178B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP5025178B2
Application number: JP2006194795A
Authority: JP
Inventors: 正彦山崎
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp; Toshiba Medical Systems Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: JP2007117717A

Description

本発明は、２次元アレイ型のＸ線検出器を装備したＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

マルチスライス型のＸ線コンピュータ断層撮影装置には、複数の検出素子列をスライス方向に並列した検出器が装備されている。さらに、進化して、基板上に半導体検出素子をマトリクス状に形成した複数の検出器モジュールをチャンネル方向に配列したいわゆる２次元アレイ型の検出器も登場している。

これらＸ線検出器では、チャンネル方向に隣り合う検出素子の中心点間距離（実際上の空間分解能）を、見掛け上、短縮させる工夫が講じられていることが多い。例えば、Ｘ線焦点と回転軸とを結ぶ撮影中心線に対して、検出器中心位置をチャンネルピッチの数分の一の距離だけオフセットするオフセット手段や、千鳥櫛状のコリメータを採用すること等が上げられる。

しかし、オフセット手段では、見かけ上の分解能を実際上の分解能の１／２に向上することが限界であり、千鳥櫛状のコリメータと併用した場合であっても、実際上の分解能の１／４が限界である。また、千鳥櫛状のコリメータを採用する場合、それによる遮蔽面積の増加に反比例して、受光効率が低下する、換言すると感度低下を引き起こしてしまう。

本発明の目的は、マルチスライス型や２次元アレイ型のＸ線検出器を有するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、そのＸ線検出器に固有の空間分解能を格段に向上させること、しかもそれを簡易な構造上変更により実現することにある。

本発明の第１局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するマトリクス状に配列された複数の検出素子を有する複数の検出器モジュールを有するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成部と、前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、前記検出器モジュール各々は、前記回転軸に略直交する基準軸に沿って配列され、かつ前記回転軸に対して傾斜されることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置が提供される。
本発明の第２局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成装置と、前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、前記Ｘ線検出器は、前記回転軸に対して傾斜することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置が提供される。
本発明の第３局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成装置と、前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、前記Ｘ線検出器は縦横に配列された複数の検出素子を有し、前記検出素子各々は略平行四辺形の受光領域を有することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置が提供される。
本発明の第４局面において、Ｘ線を発生するＸ線管と、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成装置と、前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、前記Ｘ線検出器は縦横に配列された複数の検出素子を有し、前記検出素子各々は略平行四辺形の平面形状を有するシンチレータチップを有することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置が提供される。

本発明によれば、マルチスライス型や２次元アレイ型のＸ線検出器を有するＸ線コンピュータ断層撮影装置において、そのＸ線検出器に固有の空間分解能を格段に向上させ、しかもそれを簡易な構造上変更により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。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置で、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°＋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本発明を適用可能である。

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。Ｘ線を発生するためのＸ線管１と、被検体を透過したＸ線を検出するためのＸ線検出器２とは、互いに対向した位置関係を維持した状態のままで、回転軸ＲＡまわりに回転可能に図示しない支持機構に支持される。Ｘ線検出器２は、Ｘ線管１に対向する。回転中に図示しない高電圧発生装置からスリップリングを経由してＸ線管１に連続的又は断続的に管電圧が印加されると、Ｘ線管１から連続的又は断続的にＸ線が曝射される。

一般的にＤＡＳ(data acquisition system)と呼ばれているデータ収集部３は、Ｘ線検出器２から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。このデータ（生データ）は図示しない非接触データ伝送装置を経由してガントリ外部のコンソール内に収容された前処理装置に送られ、そこで感度補正等の補正処理を受けた後にいわゆる投影データとして再構成装置４に送られる。再構成装置４は、投影データに基づいてスライス又はボリュームに関するＸ線吸収係数の空間分布（以下単に画像という）のデータを再構成する。このデータは表示装置５に送られ、断面変換（ＭＰＲ）等、任意に処理され、画像として表示される。

図２、図３Ａには、図１のＸ線検出器２の平面構造を示している。Ｘ線検出器２は、複数の検出器モジュール６を有する。複数の検出器モジュール６各々は、縦横に、換言すると格子状に配列された複数の検出素子７を有する。複数の検出素子７は、一方向（チャンネル方向）に関して一定の中心点間距離（チャンネルピッチという）で規則的に配列されている。この一方向（チャンネル方向）に関して隣り合う検出素子７の中心点間距離（チャンネルピッチ）は、「Ｐch」と表記する。複数の検出素子７は、直交する他の方向（スライス方向）に関して一定の中心点間距離（スライスピッチという）で規則的に配列されている。他の方向（スライス方向）に関して隣り合う検出素子７の中心点間距離（スライスピッチ）は、「Ｐsl」と表記する。

図３Ｂに示すように、複数の検出器モジュール６各々は、単一のフォトダイオードアレイ基板１０と、基板１０の表面に設けられた単一のシンチレータ板１１とからなる。シンチレータ板１１は、入射Ｘ線を光に変換する。フォトダイオードアレイ基板１０の表面には、複数のフォトダイオードがマトリクス状に形成される。典型的には、一のフォトダイオードが一のチャンネルを構成する。検出器モジュール６は、サポートブロック１３、１４とバックプレート１２との間に挟み込まれ、ネジ２０により固定される。サポートブロック１３、１４と検出器モジュール６の基板１０との間には、必要に応じてスペーサ１６、１７が配置される。後述するように、検出器モジュール６の中心線ＤＬは、回転軸ＲＡに対して傾斜する。なお、中心線ＤＬは、検出器モジュール６の中心Ｃを通り、フォトダイオードアレイの長軸に平行な線であって、フォトダイオードアレイの対称線として定義される。典型的には、回転軸ＲＡに対する検出器モジュール６各々の中心線ＤＬの傾斜角θは、一定である。しかし、回転軸ＲＡに対する検出器モジュール６各々の中心線ＤＬの傾斜角θは、一定でなくてもよい。例えば、回転軸ＲＡに対する検出器モジュール６各々の中心線ＤＬの傾斜角θは、配列中心で最も狭く、端に向かって広くなるものであってもよい。また、回転軸ＲＡに対する検出器モジュール６各々の中心線ＤＬの傾斜角θは、配列中心で最も広く、端に向かって狭くなるものであってもよい。

図３Ｃに示すように、一方のサポートブロック１３には、位置決めホール１８が一定間隔で形成される。他方のサポートブロック１４にも、位置決めホール１９が同じ間隔で形成される。同様のホールが、スペーサ１６、１７、基盤１０、バックプレート１２にも開けられている。位置決めようのピンをホールを通すことで位置決め精度が向上される。位置決めホール１８に対して、それとペアをなす位置決めホール１９は、検出器モジュール６の傾斜角に応じた距離ＤＳだけ、回転軸ＲＡに直交する方向に、シフトされる。

複数の検出器モジュール６は、回転軸ＲＡに直交するチャンネル方向にそって配列されている。さらに、複数の検出器モジュール６は、その中心線ＤＬが回転軸ＲＡ又はそれと略平行線に対して一定の角度、例えば２°〜１０°の中から選択された角度で傾斜されている。また、複数の検出器モジュール６は、回転軸ＲＡと直交する基準線ＣＬ上にそって配列される。さらに、複数の検出器モジュール６は、それらの中心位置Ｃが基準線ＣＬ上に位置するように配置されている。図３Ｃに示したように、傾斜角に従って検出器モジュール６のスライス方向に関する取り付け位置が設計されている。

この傾斜角は、Ｘ線検出器２の列数をＮ、チャンネル方向に隣り合う検出素子の中心点間距離（チャンネルピッチ）をＰch、スライス方向に隣り合う検出素子の中心点間距離（スライスピッチ）をＰsl、ｍを２以上でＮ以下の整数としたとき、
tan^−１(Ｐch／（ｍ・Ｐsl）)
に設定される。最も高い見掛け上の空間分解能は、ｍ＝Ｎのときに実現される。つまり、傾斜角が、
tan^−１(Ｐch／（Ｎ・Ｐsl）)
のときに、最も高い見掛け上の空間分解能が得られる。

最も高い見掛け上の空間分解能は、図４に示すように、
Ｐch／Ｎ
で与えられる。つまり、空間分解能が、検出器２の実際の空間分解能Ｐchの１／Ｎに短縮することができる。換言すると、見掛け上の解像度としては、検出器２の実際の解像度のＮ倍に向上する。さらに、Ｘ線焦点と回転軸ＲＡとを結ぶ撮影中心線に対して検出器中心位置をチャンネルピッチＰchの数分の一の距離だけオフセットするＱＱオフセット手段を併用すると、見掛け上の空間分解能は１／（２・Ｎ）に短縮し、見掛け上の解像度は２・Ｎ倍に向上することができる。

なお、複数の検出器モジュール６を従来同様に一列に配列し、それらＸ線検出器２の全体を、回転軸ＲＡに対して所定の傾斜角で傾斜させるようにしても良い。

ヘリカルスキャンにおいても、図５に示すように、部分的にオーバーラップするようにヘリカルピッチ（１回転あたりの天板移動距離）を設定することより、図６に示すように、オーバーラップ部分の見掛け上の空間分解能は、１／ｍに短縮し、見掛け上の解像度は２・ｍ倍に向上することができる。さらに、ヘリカルピッチを、｛Ｐsl×（Ｎ−１）｝／Ｎに最適化することにより、見掛け上の空間分解能は１／（２・Ｎ）に短縮し、見掛け上の解像度は２・Ｎ倍に向上することができる。

同様の効果は、図７、図８に示すように、各検出素子７の受光領域、具体的には、シンチレータチップ８の平面形状を、
tan^−１(Ｐch／（Ｎ・Ｐsl）)
で傾斜する平行四辺形に形成することにより実現することができる。

上記モジュール６の傾斜により再構成処理を改良する必要はほとんど無くてよい。図９に示すように、再構成処理の前処理として、座標変換処理をかけることが必要となるにすぎない。傾斜がないときの各素子（チャンネル）の位置ベクトルＲは、Ｎをモジュール番号、ｉをチャンネル番号、ｊを行番号として、次のように表される。

Ｒ(i,j)＝Ｒ(N)＋ｒ(i,j)
傾斜角をθとし、Ｍ(N,θ)をモジュール番号Ｎの検出面を回転角θで回転するときの回転行列としたとき、回転された各素子の位置ベクトルＲ′は、次のように表される。

Ｒ′(i,j)＝Ｒ(N)＋Ｍ(N,θ)・ｒ(i,j)
変換された各素子の位置ベクトルＲ′(i,j)の位置で、コーンビーム再構成処理において、バックプロジェクション処理を実施する。バックプロジェクション処理は従来と同じ処理である。それにより、ボリュームデータを得ることができる。

以上のように、本実施形態によると、回転軸に対してＸ線検出器又は検出器モジュールを傾斜させて取り付けるという簡易な構造上変更により、検出器固有の空間分解能を格段に向上させることができる。

なお、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。

図１は、本発明の実施形態によるＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成を示す図である。図２は、図１のＸ線検出器を構成する複数の検出器モジュールの配列を示す面図である。図３Ａは、図２の検出器モジュールの詳細図である。図３Ｂは、図１のＸ線検出器の横断面図である。図３Ｃは、図３Ｂのバックプレートを外した状態で背面側からサポートに対する検出器モジュールの取り付けの様子を示す平面図である。図４は、図２の部分Ａの詳細図である。図５は、本実施形態において、オーバーラップヘリカルスキャン時の見掛け上の空間分解能の向上に関する説明補足図である。図６は、図５に対応する見掛け上の空間分解能を示す図である。図７は、図３の検出素子の変形例を示す図である。図８は、図７に対応する検出器全体の平面図である。図９は、図１の再構成装置における検出器モジュールの傾斜に伴う座標変換の説明図である。

符号の説明

１…Ｘ線管、２…Ｘ線検出器、３…データ収集部、４…再構成装置、５…表示装置、６…検出器モジュール、７…検出素子、１０…フォトダイオードアレイ基板、１１…シンチレータ板、１２…バックプレート、１３、１４…サポートブロック、１６、１７…スペーサ、１８、１９…位置決めホール、２０…ネジ。

Claims

Ｘ線を発生するＸ線管と、
被検体を透過したＸ線を検出するマトリクス状に配列された複数の検出素子を有する複数の検出器モジュールを有するＸ線検出器と、
前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成部と、
前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、
前記検出器モジュール各々は、前記回転軸に略直交する基準線に沿って配列され、かつ前記回転軸と前記基準線とに対して傾斜され、
前記傾斜角は、前記Ｘ線検出器の列数をＮ、前記基準線に沿って隣り合う検出素子の中心点間距離をＰch、前記回転軸に沿って隣り合う検出素子の中心点間距離をＰslとしたとき、
tan^−１(Ｐch／（Ｎ・Ｐsl）)
に設定されていることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
Ｘ線を発生するＸ線管と、
被検体を透過したＸ線を検出するマトリクス状に配列された複数の検出素子を有する複数の検出器モジュールを有するＸ線検出器と、
前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成部と、
前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、
前記検出器モジュール各々は、前記回転軸に略直交する基準線に沿って配列され、かつ前記回転軸と前記基準線とに対して傾斜され、
前記傾斜角は、前記Ｘ線検出器の列数をＮ、前記基準線に沿って隣り合う検出素子の中心点間距離をＰch、前記回転軸に沿って隣り合う検出素子の中心点間距離をＰslとしたとき、ｍを２以上でＮ以下の整数としたとき、
tan^−１(Ｐch／（ｍ・Ｐsl）)
に設定されていることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
Ｘ線を発生するＸ線管と、
被検体を透過したＸ線を検出するマトリクス状に配列された複数の検出素子を有する複数の検出器モジュールを有するＸ線検出器と、
前記Ｘ線管と前記Ｘ線検出器とを回転軸回りに回転自在に支持する支持機構と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する再構成部と、
前記再構成された画像を表示する表示部とを具備し、
前記検出器モジュール各々は、前記回転軸に略直交する基準線に沿って配列され、かつ前記回転軸と前記基準線とに対して傾斜され、
前記検出器モジュールは、一対のサポートブロックと、バックプレートとの間に挟まれ、
前記一対のサポートブロックには、複数のペアの位置決めホールが形成され、
前記ペアをなす位置決めホールは前記基準線に関して一定距離シフトされていることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。