JP5346429B2 - 電磁投射のコリメート装置及び、コリメート装置を備えたイメージング・システム - Google Patents

Description

本発明は一般的には、電磁エネルギの投射に関し、さらに具体的には、電磁エネルギの投射のコリメータに関する。

コリメータは、Ｘ線源から投射された電磁エネルギを成形し且つ／又は遮断する。コリメータは、電磁エネルギが投射されるＸ線検出器の作用面積よりも小さいか又は同等の寸法になるように電磁エネルギを制限する。コリメーションは一例では、撮像する必要はないが検出器の作用面積内に位置し得る患者の解剖学的構造の部分へのＸ線照射を除去するのに有用である。

Ｘ線コリメータのＸ線投射を減弱させる部分は典型的には、鉛又はタングステンのような原子番号の大きい元素で製造される。減弱させる部分は典型的には、緩やかなプロファイルを有している。検出器へのＸ線投射は、コリメータによって減弱させられて近ゼロ信号レベルにあるＸ線の完全に近い遮断を提供する区域からコリメータによって減弱させられない区域まで極めて急激な推移を有し得る。具体的には、Ｘ線投射を減弱させる患者の解剖学的構造が存在しない区域では減弱の欠如は特に顕著である。

検出器に入射する照射野の急激な推移は、後に得られる画像に画像アーティファクトを生ずる場合がある。例えば、タリウムをドープしたヨウ化セシウムをシンチレータとして用いているＸ線検出器では、シンチレーション効率が、入射したＸ線照射の強度によって一時的に変化する場合がある。効率は、入射したＸ線照射の勾配によってコリメータ・エッジに跨がって変化し得る。患者の解剖学的構造を作用領域に再配置した態様で後のＸ線画像を取得すると、このシンチレーション効率の一時的な変化によって、コリメータが前回撮像された位置である境界に跨がって信号レベルの望ましくない推移が生ずる。この信号レベル（コントラスト）の変化が背景画像雑音の幾分かを上回ると、この推移はアーティファクトとして可視となる。このアーティファクトは典型的には、画像の見づらい線であり、最悪の場合には疾患又は損傷を有する解剖学的構造の部位を不明瞭にする。不明瞭になると、誤診又は解剖学的構造の誤処置を招き得る。

アーティファクトは、高線量のＸ線エネルギでの様々な寸法のコリメーションによる放射線血管造影応用、放射線四肢撮影応用及び放射線乳房撮影応用で起こり得る。

アーティファクトを補正する従来の一手法は、Ｘ線システムの画像処理の補正工程によるものである。しかしながら、ソフトウェア方式の補正は、開発及び維持のために多額の資金を必要とする。

以上に述べた理由、及び本明細書を精読して理解すると当業者には明らかとなる以下に述べるその他の理由から、当技術分野では、投射域の間での電磁エネルギ投射強度の急激な変化によって生ずる画像のアーティファクトを、ソフトウェア方式のアーティファクト補正を用いずに低減する手段が必要とされている。

以上に述べた欠点、短所及び問題は、本書で扱われ、以下の明細書を精読して検討することにより理解されよう。

コリメータが、前端エッジでの低程度の吸収からコリメータの他の部分と同程度の吸収まで電磁エネルギの吸収を変化させる効果を奏する１又は複数の変化する物理的性質を有するようにするシステム、方法及び装置を提供する。幾つかの実施形態では、コリメータは、テーパ付きナイフ・エッジを有している。コリメータに沿った異なる点での変化する電磁エネルギの吸収は、電磁エネルギ検出器への電磁エネルギの投射の急激な推移を小さくし、これにより、検出器によって形成される画像における誤りを招くアーティファクトを低減する。

一観点では、電磁投射をコリメートする装置が、コリメータ・ブレードと、電磁エネルギを吸収する能力を変化させる少なくとも一つの物理的性質を有し、コリメータ・ブレードに取り付けられているエッジとを含んでいる。幾つかの実施形態では、エッジはテーパ付き形状を有している。幾つかの実施形態では、エッジは異なる原子量を有する物質の変化する組成を有している。幾つかの実施形態では、エッジは変化する密度を有している。

他の観点では、電磁投射をコリメートする装置が、コリメータ・ブレードと、テーパ付き形状を有するエッジとを含んでおり、エッジは、エッジ全体にわたって略一様な密度を有する物質から成り、コリメータ・ブレードの一部として形成されている。

さらにもう一つの観点では、Ｘ線ビームの断面積を制限する装置が、Ｘ線ビームの線源と、テーパ付きエッジを有するコリメータとを含んでいる。

様々な範囲の装置、システム及び方法を本書に記載する。本章に記載した観点及び利点に加えて、図面を参照して以下の詳細な説明を精読することによりさらに他の観点及び利点が明らかとなろう。

以下の詳細な説明では、本書の一部を成し実施可能な特定の実施形態を説明のために示す添付図面を参照する。これらの実施形態は、当業者が実施形態を実施することが可能になるように十分に詳細に説明されており、実施形態の範囲を逸脱することなく他の実施形態を利用することができ、また論理的変形、機械的変形、電気的変形及び他の変形を施し得ることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は限定する意味に解釈すべきではない。

詳細な説明は五節に分かれている。第一節では、システム・レベルの全体像を説明する。第二節では、実施形態の装置を説明する。最後に、第三節では、詳細な説明の結論を掲げる。
〔システム・レベルの全体像〕
図１は、コリメータを併用して投影した画像のアーティファクトを低減する電磁エネルギ・コリメータ１００の全体像を与える断面ブロック図である。システム１００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。システム１００では、コリメータのエッジの所与の寸法にわたって、吸収される電磁エネルギの量が変化し、エッジの物理的性質がこの変化を与えている。

システム１００はコリメータ・ブレード１０２を含んでいる。システム１００はまた、エッジ１０４を含んでいる。エッジ１０４は、電磁エネルギ１０６の特定の周波数又は特定の範囲の周波数を吸収し又は反対に遮断する能力を変化させる１又は複数の物理的性質を有している。

この物理的能力は、空間にわたって変化するが時間にわたっては変化しない。これらの物理的性質は、エッジ１０４の外部境界１０８での比較的少量の電磁エネルギ１０６の遮断から、コリメータ・ブレード１０２とエッジ１０４との間の界面１１０での比較的多量の遮断まで変化する。従って、エッジ１０４は外部境界１０８からコリメータ・ブレード１０２まで漸増する遮断のレベルを提供する。そして、漸増する電磁遮断のレベルは、全く目立たないとは言えないまでも比較的目立たない外部境界１０８からコリメータ・ブレード１０２までの減弱の推移を提供する。比較的目立たない減弱の推移は、画像検出器への電磁エネルギ１０６の投射から形成される画像における誤りや混乱を招くアーティファクトを排除するとは言えないまでも低減する。このようにして、システム１００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

エッジ１０４を電磁推移エッジと呼ぶことができる。コリメータ・ブレード１０２及びエッジ１０４は必ずしも別個の構成要素ではなく、幾つかの実施形態では、単一の構成要素からコリメータ・ブレード及びエッジ１０４という別個に識別可能な複数の部分として製造される。システム１００は如何なる特定のコリメータ・ブレード１０２、エッジ１０４、電磁エネルギ１０６、外部境界１０８及び界面１１０にも限定されないが、分かり易くするために、単純化されたコリメータ・ブレード１０２、エッジ１０４、電磁エネルギ１０６、外部境界１０８及び界面１１０について説明する。
〔実施形態の装置〕
前節では、一実施形態の動作のシステム・レベルの全体像を説明した。本節では、かかる実施形態の特定の装置を一連の図を参照して説明する。

図２は、電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの形状の少なくとも一つの次元の寸法が距離にわたって変化する実施形態による装置２００の断面図である。さらに明確に述べると、この形状はテーパ付きであり、単調型である。図２は、エッジをさらに詳細に示すために図１よりも拡大されている。装置２００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

装置２００は、形状という物理的性質が変化するエッジ１０４を含んでいる。変化する形状によって、エッジを通過する電磁信号の量が形状に正比例して変化する。

さらに明確に述べると、装置２００で示す実施形態では、エッジの厚み２０２が距離２０４にわたって変化する。変化する厚み２０２によって、エッジ１０４によって吸収され又は遮断される電磁エネルギの程度が変化する。エッジ１０４の比較的厚い領域２０６の厚みは、エッジ１０４の比較的薄い部分２０８の厚みよりも大きい。具体的には、エッジ１０６の前端エッジ２１２の厚み１０６は、内部エッジ２１４の厚みよりも小さい。加えて、エッジ１０４を構成する物質の電磁吸収性は、エッジ全体にわたって略均一である。このように、エッジ１０４は、距離２０４に沿った任意の所与の点（図示されていない）において、この点でのエッジ１０４の厚みに正比例して電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。従って、エッジ１０４の比較的厚い領域２０６は、エッジ１０４の比較的薄い部分２０８よりも多量の電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。

幾つかの実施形態では、距離２０４は０．５ミリメートル（ｍｍ）〜２．０ｍｍの範囲にある。幾つかの実施形態では、距離２０５は調節自在である。距離は、システムのＸ線源−イメージャ間距離（ＳＩＤ）及び未修正（raw）被曝レベルによって決定することができる。エッジ１０４を構成する物質としては、タングステン、鋼鉄、鉛、マグネシウム、銅及びアルミニウム等がある。

エッジ１０４の面２１０の直線テーパ付き幾何学的形状は、距離２０４に沿ったエッジ１０４の電磁遮断特性に一貫した直線テーパ型階調を与える。

図３は、電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの部分的方形単調型形状が距離にわたって変化する実施形態による装置３００の図である。装置３００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

装置３００は、部分的に方形を成すエッジ１０４を含んでいる。エッジ１０４のナイフ・エッジ形状の前端エッジ２１２とは対照的に、部分的方形エッジ１０４は装置３００の長手軸（図示されていない）に垂直な面３０２を含んでいる。垂直な面３０２は長手軸に対して直角を成し、この直角が部分的方形エッジを形成している。面３０２はもう一つのテーパ付き面３０４に接合している。装置３００で示す実施形態では、面３０２の長さはコリメータの厚みの約１０％である。他の実施形態では、面３０２の長さはコリメータの厚みの１％〜９９％の範囲内にある。

図４は、エッジ１０４が丸みを帯びた形状を有する実施形態による装置４００の図である。装置４００は、面４０２に丸みを帯びた幾何学的形状を有するエッジ１０４を含んでいる。面４０２の丸みを帯びた幾何学的形状は、幾つかの実施形態では、楕円形、正円形、又は図示のように長円形である。面４０２の丸みを帯びた幾何学的形状は、幾つかの実施形態では、凹面形、又は図示のように凸面形である。

図５は、エッジ１０４が不規則な形状を有する実施形態による装置４００の図である。装置４００は、面５０２に不規則な幾何学的形状を有するエッジ１０２を含んでいる。

図６は、電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの組成が距離にわたって変化する実施形態による装置６００の断面図である。装置６００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

装置６００は、物質の組成が変化するエッジ１０４を含んでいる。変化する物質組成によって、エッジを通過する電磁信号の量は、電磁エネルギ１０６を吸収し又は遮断する物質の能力の変化に正比例して変化する。装置６００では、原子量の最も大きい物質がコリメータ・ブレードに最も近く、原子量の最も小さい物質がコリメータ・ブレードから最も遠くなるような順序で物質の位置が構成されている。

さらに明確に述べると、装置６００で示す実施形態では、コリメータ・ブレード１０２の物質の原子量はエッジ１０４の物質６０２の原子量よりも大きく、物質６０２の原子量はエッジ１０４の物質６０４の原子量よりも大きい。例えば、コリメータ・ブレード１０２の物質は鉛であり、物質６０２はタングステンであり、物質６０４は銅である。物質６０２及び６０４の変化する原子量によって、電磁エネルギがエッジ１０４によって吸収され又は遮断される程度が変化する。具体的には、エッジ１０４の前端エッジ２１２の物質６０４の原子量は、内部エッジ２１４の原子量よりも小さい。加えて、エッジ１０４を構成する物質６０２及び６０４の電磁吸収性は、各々の物質全体について全体的に略均一である。このように、エッジ１０４は、距離２０４に沿った任意の所与の点（図示されていない）において、この点でのエッジ１０４の物質の原子量に正比例して電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。従って、エッジ１０４の領域２０６は、エッジ１０４の比較的薄い部分２０８よりも多量の電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。

装置６００は、２種の物質６０２及び６０４で構成されているエッジ１０４を示している。しかしながら、図示しない他の実施形態は、さらに多数の複数の物質のエッジ１０４を有する。

図７は、電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの物質の密度が距離にわたって変化する実施形態による装置７００の断面図である。装置７００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

エッジ１０４の変化する物質密度によって、エッジを通過する電磁信号の量はエッジ１０４の物質の密度の変化に正比例して変化する。このように、エッジ１０４は、距離２０４に沿った任意の所与の点（図示されていない）において、この点でのエッジ１０４の物質の密度に正比例して電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。従って、エッジ１０４の領域２０６は、エッジ１０４の比較的稠密でない部分２０８よりも多量の電磁エネルギ１０６を遮断し又は吸収する。

密度の変化は、内部エッジ２１４から前端２１２まで一貫して稠密さが低下し、これにより、距離２０４に沿ったエッジ１０４の電磁遮断特性に一貫した階調を与える。

図８は、エッジ全体にわたる画像信号が一様に減少するように、エッジ１０４が可変形状を有する実施形態による装置８００の図である。

エッジ１０４の断面の寸法は式１によって記述される。

ｓ＝ｓ_ｍａｘ（ｅｘｐ（−μｔ）） （式１）
式１において、ｓは信号を表わし、ｓ_ｍａｘは最大信号を表わし、μは電磁エネルギ１０６の減弱係数を表わし、ｔは厚みを表わす。幾つかの実施形態では、ｔは漸減して、Δｓ／ｓが処理後の画像で一定となって曲線８０２を形成するようにする。

図９は、Ｘ線投射を遮断する能力を変化させる１又は複数の物理的性質のコリメータを有する実施形態による医用Ｘ線イメージング・システム９００の図である。装置９００は、画像アーティファクトを低減する当技術分野での必要性を解決する。

装置９００は、Ｘ線ビーム１０６を投射する医用Ｘ線源９０２と、従来のコリメータ９０４とを含んでいる。装置９００はまた、テーパ付きエッジを有するコリメータ２００を含んでいる。テーパ付きエッジを有しないコリメータ９０４及びテーパ付きエッジを有するコリメータ２００の２層のコリメータ・ブレード層を用いる目的は、これらのコリメータ・ブレードのいずれか一方を制御することにある。例えば、テーパ・コリメーションは、低線量のＸ線照射又は撮像面積全体をカバーする全開のコリメータ視野には用いられない。テーパ・コリメーションが必要とされるのは、高線量のＸ線照射で且つ撮像面積の内部で開いたコリメータ視野の場合である。コリメータ２００及び９０４はまた、全ての場合の撮像視野にテーパ・コリメーションを適用するときには一体に結合することもできる。すなわち、幾つかの具現化形態は、テーパ付きエッジを有する１枚のブレードを含んでいるか、又はテーパ付きエッジを有するブレードと有しないブレードとの２枚のブレードを含んでいる。両方のブレードは、適用条件に応じて別個に制御される。

他の実施形態では、装置９００はコリメータ２００の代わりにコリメータ１００、コリメータ３００、コリメータ４００、コリメータ５００、コリメータ７００又はコリメータ９００を含んでいる。コリメータ２００は投射されたＸ線ビーム１０６をコリメートし、Ｘ線検出器９０６がコリメートされたＸ線ビームを検出する。幾つかの実施形態では、Ｘ線検出器９０６はディジタルＸ線検出器である。幾つかの実施形態では、Ｘ線検出器９０６はフィルム方式のＸ線検出器である。
〔結論〕
テーパ付きエッジ断面を有するＸ線コリメータについて説明した。特定の実施形態を本書に図示して記載したが、本書に示す特定の実施形態に代えて、同じ目的を達成すると思量される任意の構成を置換し得ることが当業者には理解されよう。本出願は、任意の適応構成又は変形を網羅するものとする。当業者は、所要の機能を提供する多くの均等構成として具現化形態を形成し得ることを認められよう。

具体的には、当業者は、方法及び装置の名称が実施形態を限定するものではないことを容易に認められよう。さらに、実施形態の範囲を逸脱することなく、構成要素に追加の方法及び装置を付加し、構成要素の間で機能を再構成し、将来の機能強化及び実施形態で用いられる物理的装置に対応する新たな構成要素を導入することができる。当業者は、実施形態が将来の電磁波源、異なるコリメータ及び新たな電磁検出器に応用可能であることを容易に認められよう。

本出願に用いられている用語は、所載のものと同じ機能を提供する全ての環境及び代替技術を含むものとする。

コリメータを併用して投影した画像のアーティファクトを低減する電磁エネルギ・コリメータの全体像を与える断面ブロック図である。 電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの形状が距離にわたって変化する実施形態による装置の断面図である。 電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの部分的方形単調型形状が距離にわたって変化する実施形態による装置の図である。 エッジが丸みを帯びた形状を有する実施形態による装置の図である。 エッジが不規則な形状を有する実施形態による装置の図である。 電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの組成が距離にわたって変化する実施形態による装置の断面図である。 電磁信号の減弱を距離にわたって変化させるために、エッジの物質の密度が距離にわたって変化する実施形態による装置の断面図である。 エッジ全体にわたる画像信号が一様に減少するように、エッジが可変形状を有する実施形態による装置の図である。 Ｘ線投射を遮断する能力を変化させる１又は複数の物理的性質のコリメータを有する実施形態による医用Ｘ線イメージング・システムの図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００ 電磁エネルギ・コリメータ
１０２ コリメータ・ブレード
１０４ エッジ
１０６ 電磁エネルギ
１０８ 外部境界
１１０ 界面
２０２ エッジの厚み
２０４ 距離
２０６ 比較的多量の電磁エネルギを遮断／吸収する領域
２０８ 比較的少量の電磁エネルギを遮断／吸収する領域
２１０ 直線テーパ付き面
２１２ 前端エッジ
２１４ 内部エッジ
３０２ 垂直な面
３０４ テーパ付き面
４０２ 丸みを帯びた面
５０２ 不規則な形状の面
６０２ 原子量の大きい物質
６０４ 原子量の小さい物質
８０２ Δｓ／ｓ曲線
９００ 医用Ｘ線イメージング・システム
９０２ 医用Ｘ線源
９０４ 従来のコリメータ
９０６ Ｘ線検出器

Claims (8)

1. 拡散する電磁エネルギを投射するように動作可能な線源（９０２）と、
   一対のコリメータ・ブレード（１０２）と、
   前記電磁エネルギを吸収する能力を空間的に変化させる少なくとも一つの物理的性質を有し、前記一対のコリメータ・ブレードの端部の各々に取り付けられ、撮像視野の両端を確定する一対のエッジ（１０４）と、
   を備え、
   電磁エネルギを吸収する能力を空間的に変化させる前記少なくとも一つの物理的性質は、前記一対のエッジ（１０４）の寸法と以下の式によって記述され、
   ｓ＝ｓｍａｘ（ｅｘｐ（−μｔ））
   ここで、ｓは信号の強度を表わし、ｓｍａｘは最大の信号の強度を表わし、μは前記電磁エネルギの減弱係数を表わし、ｔは前記電磁エネルギが投射される方向における前記一対のエッジ（１０４）の厚みを表わし、
   漸減するｔに対して、Δｓ／ｓが処理後の画像で一定となる曲線によって記述され、
   ここで、Δｓは前記ｓの変化量を表わす、
   撮像対象及び画像検出器への電磁投射をコリメートする装置。
2. 前記一対のエッジ（１０４）は、テーパ付き形状（２１０）を有している、請求項１に記載の装置。
3. 前記一対のエッジ（１０４）は、部分的方形のテーパ付き形状（３０２）を有している、請求項２に記載の装置。
4. 前記一対のエッジ（１０４）は、変化する物質組成（６０２）を含んでいる、請求項１に記載の装置。
5. 前記一対のエッジ（１０４）は、互いの原子量が異なる複数の物質（６０２、６０４）を含んでおり、該複数の物質の位置は、最も大きい原子量を有する物質が前記コリメータ・ブレードに最も近く（６０２）、最も小さい原子量を有する物質が前記コリメータ・ブレードから最も遠く（６０４）なるように配置される、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記一対のエッジ（１０４）は、変化する物質密度（７００）を有している、請求項１に記載の装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の装置と、
   前記画像検出器と、
   前記画像検出器からの画像信号に基づいて画像を生成する手段と、
   を備えたイメージング・システム（９００）。
8. テーパ付きエッジを有しないコリメータ（９０４）と、テーパ付きコリメータ（２００）との２層のコリメータ層と、
   該２層のコリメータ層を制御する手段と、
   前記２層のコリメータ層の各々を別個に制御する手段と、
   を備え、
   前記線源（９０２）が、異なる線量のＸ線を選択的に照射するように構成されている、請求項７に記載のイメージング・システム（９００）。

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