JP5117151B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、ダイレクトドライブ（ＤＤ）モータをガントリに装備したＸ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

従来から、被検体の断層像を撮影するためのＸ線コンピュータ断層撮影装置が広く利用されている。現在のＸ線コンピュータ断層撮影装置の主流は、被検体の周囲を、Ｘ線管とＸ線検出器とが連続的に回転するタイプである。ガントリには、Ｘ線管とＸ線検出器を搭載する円環状の回転フレームを回転駆動するモータが装備されている。近年では当該モータとしてダイレクトドライブ（ＤＤ）モータを採用するものが普及してきた。

ダイレクトドライブモータは、固定部側に円周状に配列された複数のステータコイルと、ステータコイルに対向してその内側の回転フレームに配列された複数のロータマグネットとを主要構成要素としている。ステータコイルにはサーボアンプからパルス信号がコイル配列及び必要な速度に応じて周波数で供給される。従ってパルス信号の極性の切り替えタイミングは、ステータコイルに対するロータマグネットの位置、具体的に停止状態でのステータコイルの中心位置とロータマグネットの中心位置との距離とその向き（以下、磁極位置という）に従って図る必要がある。

従来では、磁極位置の検出に、ホールＩＣやフォトセンサを使用していた。
しかし、ホールＩＣを用いた方式では、モータコイルとマグネットの間にホールＩＣ及びそれを実装し信号を取り出すための基板及びコネクタが必要になるし、ケーブルも必要になる。また、基板をコイルとマグネットの間に実装するためモータコイルとマグネットとのギャップもある程度必要となり、モータとしての効率が落ちる。当然、各電気部品の故障も考慮する必要がある。

また、フォトセンサを用いた方式では、上記と同様に電気部品点数が増えるため、故障を考慮する必要がある。またフォトセンサ用のカット板の実装も必要であり、このカット板はマグネットとのエッジ位置を合わせる必要があり、形状の制約が発生する。フォトセンサ、カット板を実装することにより体軸方向へのスペースも確保しなければならず、装置としての実装上の制約が増えることになる。

本発明の目的は、ダイレクトドライブモータをガントリに装備したＸ線コンピュータ断層撮影装置において、磁極位置検出ための構造を簡易にして省スペースで、ステータコイルとロータマグネットとを接近させることができ、しかも回転負荷変動に対応容易なものを提供することにある。

本発明のある局面は、回転フレームと、前記回転フレームを回転自在に支持する機構と、前記回転フレームに搭載されたＸ線管と、前記回転フレームに搭載されたＸ線検出器と、前記回転フレームに配列された複数のロータマグネットと、前記ロータマグネットに対向する複数のステータコイルと、前記ロータマグネットの移動に伴う磁束変動を検出するセンサと、前記ステータコイルの短時間励起による前記回転フレームの励振後から前記回転フレームの振動停止までの収束時間又は前記収束時間に対応する値に基づいて前記ステータコイルに対する前記ロータマグネットの磁極位置又は前記磁極位置に対応する値を特定する位置特定部とを具備するＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供する。

本発明によれば、ダイレクトドライブモータをガントリに装備したＸ線コンピュータ断層撮影装置において、磁極位置検出ための構造を簡易にして省スペースで、ステータコイルとロータマグネットとを接近させることができ、しかも回転負荷変動に対応容易なものを提供することができる。

本発明の実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、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°＋ビュー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。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよいが、ここでは、前者の間接変換形として説明する。また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転フレームに搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本発明では、従来からの一管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であっても、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

図１、図２に示すように、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、ガントリ１０を有する。ガントリ１０は、開口部９を有する。データ収集時には、寝台により被検体が開口部９内に配置される。ガントリ１０は、略円環状の回転フレーム２４を有する。回転フレーム２４には、Ｘ線管２６と、Ｘ線検出器２８とが搭載される。Ｘ線検出器２８は、被検体を挟んでＸ線管２６に対峙する。Ｘ線検出器２８は、被検体を透過したＸ線を検出する。図示しないが高電圧発生部は、Ｘ線管２６に供給されるフィラメント電流を発生し、またＸ線管２６に印加される管電圧を発生するために設けられる。

Ｘ線検出器２８により検出される透過Ｘ線量を反映したデータは、図示しないデータ収集部によって収集され、断層像の再構成処理に供される。再構成された断層像は、モニタに表示される。

回転中心軸Ｒを中心として回転自在に支持された回転フレーム２４の回転を駆動するために、ダイレクトドライブモータが採用されている。ダイレクトドライブモータは、図２，図３に示すように、回転フレーム２４の外周に円環状に配列された複数のロータマグネット２９と、固定側においてロータマグネット２９に対向するようにやはり円環状に配列された複数のステータコイル２７とを有する。

固定側においてステータコイル２７の近傍に、磁束変動を検出するＭＲ（磁気抵抗）センサ１２のＭＲセンサヘッド１１が設置される。回転フレーム２４とともにロータマグネット２９が回転しているとき、それに伴う磁束変動をＭＲセンサヘッド１１で検出する。ＭＲセンサＩ／Ｆユニット１３は、ＭＲセンサヘッド１１で磁束変動を検出している期間中、つまりロータマグネット２９が回転している期間中継続してエンコーダパルスを繰り返し出力する。

サーボアンプ２１は、ガントリコントローラ１９から送信される制御信号に従ってステータコイル２７に駆動電流を供給する。なお、駆動電流の振幅及び極性切替タイミングはガントリコントローラ１９の制御下にある。

磁極位置特定部１５は、磁極位置特定オペレーション期間において、ＭＲセンサ１２のＭＲセンサＩ／Ｆユニット１３からのエンコードパルスに基づいて、ロータマグネット２９の磁極位置を特定するために設けられている。なお、実際のスキャンオペレーションに際して、ロータマグネット２９の磁極位置に対して、ガントリコントローラ１９から送信される制御信号により極性切替タイミングが整合される。

図４に示すように、磁極位置とは、例えばステータコイル２７の中心に対するロータマグネット２９の中心の距離ΔＤとその方向とで規定される。この磁極位置は、当該回転フレーム２４等の歪みや重心位置等の固有の性質により決まるものであり、ステータコイル２７の励磁を停止している状態では同位置に再現される。当該距離ΔＤに応じて、サーボアンプ２１からステータコイル２７に対する駆動電流を供給開始してから最初の極性反転までの遅延時間が調整されることになる。

上述の通り磁極位置とは、ステータコイル２７の中心に対するロータマグネット２９の中心の距離ΔＤである。その距離ΔＤに応じて、ステータコイル２７に短時間で電流を供給して回転フレーム２４を励振した後にその振動が停止するまでの時間（収束時間という）がほぼ決まる。本実施形態では、この収束時間から磁極位置を推定するものである。このため、複数の収束時間と複数の磁極位置との複数の対応が予め測定され、メモリ１７に記憶される。

図５には本実施形態による磁極位置特定オペレーションの処理手順を示している。磁極位置特定オペレーションはユーザがガントリコントローラ１９に対して所定操作をして磁極位置特定オペレーション機能を起動することにより開始される。磁極位置特定オペレーションの初期状態として、図６に示すように、磁極位置はＰ0であり、そのステータコイル２７の中心に対するロータマグネット２９の中心の距離がΔＤ0であるとする。この初期状態から、磁極位置特定オペレーションにおいて、ガントリコントローラ１９はサーボアンプ２１に対して、所定の極短時間に所定の振幅で所定極性の電流をステータコイル２７に供給するための制御信号を供給することにより、サーボアンプ２１は所定の極短時間に所定の振幅で所定極性の電流をステータコイル２７に供給する（Ｓ１１）。それによりステータコイル２７は励磁され、図７に示すように、ロータマグネット２９は回転フレーム２４とともに移動される。電流供給が停止された時、図８に示すように、その位置から回転フレーム２４の振動が開始される。

磁極位置特定部１５は、電流供給が停止された時点、つまり振動開始された時点から、エンコードパルスが停止するまで、つまり振動が収束して回転フレーム２４が停止するまでの収束時間又はその間のエンコードパルス数を計測する（Ｓ１２）。磁極位置特定部１５は収束時間又はその間のエンコードパルス数に対応する磁極位置（距離ΔＤ0）又はそれに相当する値をメモリ１７から読み出すことにより磁極位置を特定し、当該オペレーションを終了する。

ここで、スリップリングのブラシの磨耗や回転バランスの調整不足、ベアリングの経時変化による負荷変動により回転フレーム２４の回転トルクが減少する。それにより収束時間計測が不成功に終わることがある。例えば付勢された回転フレーム２４が振動しないでそのまま一方向に回転継続して、計測した収束時間が所定の上限時間を超過したと磁極位置特定部１５で判定したとき（Ｓ１３）、ガントリコントローラ１９は励磁条件を変更し、例えばサーボアンプ２１からステータコイル２７に供給する電流の振幅を所定幅低下させる（Ｓ１４）。なお、電流振幅を低下させることに代えて又はそれと共に電流の供給時間を所定時間だけ短縮する。

その条件でサーボアンプ２１からステータコイル２７に電流供給し（Ｓ１１）、磁極位置特定部１５で収束時間を計測する（Ｓ１２）。そして磁極位置特定部１５では収束時間を所定の上限時間を超過したか否かを判定する（Ｓ１３）。収束時間が所定の上限時間以下であるとき、その収束時間に対応する磁極位置又はそれに相当する値をメモリ１７から読み出すことにより磁極位置を特定し、当該オペレーションを終了する。

Ｓ１３において、収束時間が所定の上限時間を再度超過しているとき、ガントリコントローラ１９は励磁条件を再度変更する（Ｓ１４）。それによりサーボアンプ２１からステータコイル２７に供給する電流の振幅がさらに所定幅低下され（Ｓ１１）、収束時間が再度計測される。

このように収束時間が所定の上限時間以下に収まるまで、励磁条件を低下しながら収束時間の計測が繰り返される。

このようにブラシの磨耗や回転バランスの調整不足、ベアリングの経時変化による負荷変動を考慮して最適条件から最悪状態までの各段階について励磁条件を変更する。負荷が軽くなり、摩擦トルクが減少してくると、本機能により磁極を検出するまでの収束時間が長くなる。本磁極特定方式により、どんな負荷変動の状況下においても、磁極検出が必ず成功するようになり、装置としての信頼性があがるとともに、部品点数削減、故障率の低減、低コスト化を実現できる。最適条件で使用を続けられることが、装置としてのパフォーマンスをアピールする上では有利である。

さらに、励磁条件を段階的に低下させたことのステータスはガントリコントローラ１９とともにＣＴ装置のホストコントローラへ通達される。励磁条件を何段階で低下させたことをホストコントローラがログファイルに記録したり、ガントリの状態（ブラシの磨耗、ベアリングの状態、回転バランス調整不足）をチェックするトリガとして活用することができる。この状態をサービスエンジニアがチェックできることにより、システムダウンに陥る前に最適なブラシの交換タイミング判断や、バランスチェック要否判断、ベアリングの交換要否判断に用いる情報を提供することができる。

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。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成を表す図である。 図１のガントリの内部構造を示す図である。 図２のステータコイルとロータマグネットの配列の一部を示す図である。 図２のステータコイルに対するロータマグネットの位置（磁極位置）の定義を示す図である。 本実施形態において、磁極位置特定手順を表すフローチャートである。 本実施形態において、励磁開始時点の状態を示す図である。 本実施形態において、励磁停止時点の状態を示す図である。 本実施形態において、振動状態を示す図である。 本実施形態において、振動終了時点の状態を示す図である。

符号の説明

１０…ガントリ、１１…ＭＲセンサヘッド、１２…ＭＲセンサ、１３…ＭＲセンサＩ／Ｆユニット、１５…磁極位置特定部、１７…収束時間／磁極位置対応表メモリ、１９…ガントリコントローラ、２１…サーボアンプ、２７…ステータコイル、２９…ロータマグネット。

Claims (4)

1. 回転フレームと、
   前記回転フレームを回転自在に支持する機構と、
   前記回転フレームに搭載されたＸ線管と、
   前記回転フレームに搭載されたＸ線検出器と、
   前記回転フレームに配列された複数のロータマグネットと、
   前記ロータマグネットに対向する複数のステータコイルと、
   前記ロータマグネットの移動に伴う磁束変動を検出するセンサと、
   前記ステータコイルの短時間励起による前記回転フレームの励振後から前記回転フレームの振動停止までの収束時間又は前記収束時間に対応する値に基づいて前記ステータコイルに対する前記ロータマグネットの磁極位置又は前記磁極位置に対応する値を特定する位置特定部とを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記収束時間又は前記収束時間に対応する値と前記磁極位置又は前記磁極位置に対応する値との複数の対応を記憶する記憶部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記位置特定部は、前記収束時間が所定時間を超過しているか否かを判定することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記収束時間が所定時間を超過していると判定されたとき、前記ステータコイルを励起するための電流の振幅と継続時間との少なくとも一方を変更する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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