JP5355413B2 - Ｘ線用のビームフィルタ及びビームフィルタを有するｘ線装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線源と検出領域との間に挿入するためのビームフィルタに関する。さらに本発明は、このようなビームフィルタを有するＸ線装置にも関する。

米国特許番号US6,157,703号は、開口の行列を備える銅板又はベリリウム板として実現されるＸ線フィルタを開示している。これら開口は、コリメータの孔に対し照準している位置又は照準していない位置の間を選択的に移動されることができる。照準していない場合、コリメータの孔の前にある前記板の金属がＸ線ビームを減衰させ、特に低いエネルギーの光子を除去する、それ故にこのビームのスペクトルを"硬化(hardening)"させる。

この状況を踏まえて、本発明の目的は、スペクトル分解検出型の装置に特に用いられることができるフィルタリング手段を提供することである。

本目的は、請求項１に記載のビームフィルタ及び請求項１０に記載のＸ線装置により達成される。好ましい実施例は従属請求項に開示される。

本発明によるビームフィルタは、放射線源と検出領域との間に挿入するよう構成され、ここで放射線源は特にＸ線源である。さらに、前記放射線源は、点光源で近似できないような、相当な空間的広がりを持つ。通常は、例えばＸ線管の陽極面のような比較的小さな放射線放出領域を有する。"検出領域"は通例、何らかの検出装置の感度領域に対応しているにもかかわらず、それはまさに仮想の幾何学的物体である。前記ビームフィルタは、それが働く位置（すなわち放射線源と検出領域との間に配置される場合）において、前記検出領域上の異なる点にある前記放射線源の放射線放出領域の異なる小部分(fraction)をマスキングする少なくとも１つの（第１の）吸収体を有する。これは、検出領域上に少なくとも２つの点が存在していることを意味し、前記吸収体により部分的にマスキングされた（空間的に広がった）放射線源がこの領域から見られ、この領域にとって前記マスキングされた線源領域の小部分は異なっている。

説明したビームフィルタは、前記検出領域上の異なる点が異なる程度の半影であるため、前記点は放射線源により放出される放射線の異なる強度により到達されるという利点を有する。従って、検出領域における前記強度分布は特定のアプリケーションの要件に正確に適応されることができる。患者が例えばＸ線写真を撮影される場合、患者の身体の中心領域には、周辺領域よりも強く与えられる。

一般的に、前記ビームフィルタの吸収体は、そのマスキングが全体でないように、放射線源により放出される放射線に対しある透過率を持つ。しかしながら、本発明の好ましい実施例において、前記吸収体は前記放射線源により放出された放射線の全スペクトルにわたり高い吸収性の材料を有する。前記材料は特に、モリブデン（Ｍｏ）又はタングステン（Ｗ）のような高い（平均的な）原子番号Ｚを持つ材料を有し、これら材料はＸ線に対し高い吸収係数を持つ。他に挙げられる材料は、金（Ａｕ）、鉛（Ｐｂ）、プラチナ（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）及びレニウム（Ｒｅ）である。前記吸収体は、上述した材料の１つから完全に又は一部分だけ構成し、勿論この吸収体がこれら材料の幾つか又は全てからなる混合物（合金）から構成されてもよい。高い吸収性の材料を使用することは、前記放射線源のマスキングされた点は輝かず、実際には暗いままであることを意味している。前記検出領域上の点に到達する放射線の強度は、単に前記吸収体の形状により（大体）決められ、これは非常に正確に調節されることができる。他の利点は、放射線源のマスキングされた範囲について完全スペクトルは混ざり合う(blend out)一方、マスキングされない範囲について完全スペクトルは影響を受けることなく通過するので、前記検出領域のある点における強度の減少が放射線のスペクトルの変更を意味しているのではないことである。スペクトルを変更せずにこの強度を調節することは、測定の固有の解釈に対し放射線の既知の明確なスペクトルが必要であるスペクトルＣＴアプリケーションにおいて特に有用である。

本発明の好ましい実施例において、ビームフィルタは、それらが働く位置において、検出領域の異なる点にある放射線源領域の異なる小部分をマスキングする複数の吸収体を有する。さらに、これら吸収体は好ましくは、吸収シートとして成形され、スタック内に配される。ここで中間領域が隣接するシートを隔てている。吸収シートの上記スタックは、光源をマスキング又は隠している複数の薄板を備えるブラインド(jalouise)に似た振る舞いをする。これら吸収シートは一般に他の三次元形状を取ってもよいが、これらシートは好ましくは平坦である。

前記スタックの隣接する吸収シート間にある上述した中間領域は好ましくは、ポリマー、特に固体ポリマー、発泡ポリマー又はポリマー接着剤のようなスペーサー材料で充填されている。このスペーサー材料は、全スタックに安定性及び明確な寸法を提供し、この全スタックをコンパクトなブロックとして取り扱うことを可能にする。このスペーサー材料は、放射線源の放射線に対する吸収シートの材料の減衰係数よりもかなり低い減衰係数を持つべきである。前記スペーサーの減衰係数は例えば、放射線源により放出される放射線（の全スペクトル）に対する吸収シートの減衰係数より約５％小さい、好ましくは約１％小さい。

吸収シートを備えたビームフィルタのもう１つの好ましい実施例において、前記シートは、少なくとも１つの共通点で交差する平面にある。前記放射線源が前記交差点を有するように構成される場合、放出される放射線は、略前記平面の方向に伝搬する。前記放射線は故に、前記シートの平面に平行な吸収シートに衝突し、これが高い吸収係数を保証する。これら平面が厳密に平坦であり、２つの共通点で交差する場合、これら平面は必然的に完全な線で交差することに注意すべきである。

上述した実施例のさらに発展型において、少なくとも１つの吸収シートは変動する幅を持ち、ここで前記幅は、所与の点に対し半径方向に測定される。前記点は好ましくは、これがその点から発する光線はその平面にある対応する吸収シートの全部の幅に衝突することを保証するので、吸収シートが存在する平面の共通する交差点である。

上述した場合において、前記吸収シートの変動する幅は好ましくは、この吸収シートの中心領域において最小値を取る。図を参照して説明されるように、これはビームフィルタを通過する放射線の中心領域において強度がピークとなり、これは例えばＣＴアプリケーションにおいて好ましい。

前記吸収シートは、変動する厚さを任意に持ち、ここで前記厚さは、同じ吸収シート上の異なる点の間及び異なる吸収シート上の点の間を変動する。吸収シートの圧さは、検出領域にわたり所望の強度特性を設定するように調整されることができる他のパラメタである。

本発明の他の改良型において、ビームフィルタは、最初に述べた吸収体に対し移動可能であり、放射線源から検出領域の方向に見たとき、後者と一列に配される第２の吸収体を有する。第１及び第２の吸収体は故に、放射線源により放出される光線が連続的に通過しなければならない。前記吸収体は互いに移動されることができるので、前記第１及び第２の吸収体夫々によりマスキングされる放射線源の範囲の間にある重複を選択的に変えることができ、これが全体的なマスキングの程度を変化させる。従って、検出領域にわたる強度分布は、前記第１の吸収体に対し前記第２の吸収体を移動することにより比較的簡単に変えることができる。

本発明はさらに、上述した種類の放射線源及びビームフィルタを有する、特にＣＴスキャナの形式のＸ線装置に関する。既に説明したように、ビームフィルタは、放射線源のスペクトルを最小限の変化で又は変化させずに、関連する検出領域に如何なる所望の強度特性を実質的に設定することができる。これはＸ線を照射した物体を通過する放射線が既知の明確なスペクトルを持つことを必要とするので、スペクトルＣＴスキャナに特に有用である。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施例から明らかである共に、これら実施例を参照して説明される。これら実施例は、付随する図面を利用し、例として説明される。

本発明によるビームフィルタを備えるＸ線装置を透視図で概略的に示す。 吸収シートの１つのスタックを備えるビームフィルタの第１の実施例の形状を示す。 図２のビームフィルタの平面図を示す。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面を示す。 図３のＶ−Ｖ線に沿った断面を示す。 吸収シートの２つのスタックを有する前記ビームフィルタの第２の実施例を図４及び図５の表示のような表示で示す。 吸収シートの前記スタックが互いに移動されるときの図６のビームフィルタを示す。

同様の参照番号又は１００の整数の倍数ずつ異なっている番号は、これら図において、同じ又は類似の構成要素を指している。

本発明によるビームフィルタは、Ｘ線装置、特にスペクトルＣＴスキャナにおける応用に関し以下に説明されているが、本発明はそれに限定されず、好ましくは他の種類の電磁放射線と共に利用されることも可能である。

スペクトルＣＴは、身体内の異なる要素の弁別を可能にする非常に将来性がある技術である。一般的に、スペクトルＣＴは、化学元素が減衰係数のエネルギー依存度に関して明確な差異を示すという事実に基づいている。このエネルギー依存度を測定するために、検出側に何らかのエネルギー弁別が要求される。さらに、撮像されるべき物体に入射する放射線の一次スペクトルは、広範囲のエネルギーに及ばなければならない。スペクトルＣＴの１つの重要な部分は、前記減衰係数に対する光吸収の貢献の測定であり、これはかなり低いエネルギーの光子の検出に頼っている。

現代のＣＴスキャナにおいて線量を減少する目的で、いわゆる"蝶ネクタイ(bow-tie)型"のフィルタは、光量子束を扇形方向に沿って患者の形状に調節するのに使用されることができる、すなわち中心における患者のより大きな厚さは、そこにより大きな強度を必要とする一方、前記身体の周辺部における減少する厚さには、より小さな強度で十分である。このようなフィルタは、アルミニウムのような軽金属の変動する厚さにより達成される。しかしながら、スペクトルＣＴに対するこの手法の欠点は、フィルタが前記扇形方向に沿った一次放射線のスペクトル形状を変化させることである。特に、前記光吸収の測定にとってかなり重要である低いエネルギーの光子が減衰する。結果として、これが前記扇形の端部領域におけるスペクトルデコンボリューション(spectral deconvolution)の可能性を減少させ、この領域において蝶ネクタイ型のフィルタは、最大の厚さを示す。

これらの理由により、放射線スペクトルの最小限の変更又は理想的には無変更で、Ｘ線ビーム、特に扇形ビームの強度特性を制御することを可能にする代替のビームフィルタが必要である。

上述した目的を達成するために、検出領域の異なる点から見たとき前記放射線源を異なる程度でマスキング又は隠している１つ以上の吸収体を使用することが提案される。図１は、空間的に広がったＸ線源１（例えばＸ線管の陽極領域）と検出領域２（例えばデジタルＸ線検出器のシンチレータ材料又はダイレクトコンバージョン材料）との間に置かれるビームフィルタ１０を有する主要な構成である。ビームフィルタ１０は、中間領域１１２で隔てられている吸収シート１１１のスタック１００を有する。放射線源１により放出されるＸ線Ｘは、これらＸ線が検出領域２に到達する前に、ビームフィルタ１０を通過しなければならない。これら光線の幾つかは、前記中間領域１１２を自由に通過する一方、他の光線は、吸収シート１１に衝突し、ここで前記光線は略完全に吸収される。Ｘ線ビームの減衰は故に、放射線の"部分的全吸収"（前記ビームの光線の全てに対し"部分的"であり、単一の吸収される光線に対し"全て"である）により達成され、ここで減衰した放射線は基本的にその最初のスペクトル形状を保存している。

図１は、検出領域２上にある中心点Ａ及び周辺点Ｂ夫々から放射線源１の領域が見られる画像Ｉ_Ａ及びＩ_Ｂの拡大した概略図を示すことによりこのフィルタリング原理を説明する。吸収シート１１１の特定の形状のため、前記中心画像Ｉ_Ａにおいて放射線源１がマスキングされる範囲Ｍ_Ａは、前記周辺画像Ｉ_Ｂにおいて放射線源１がマスキングされる範囲Ｍ_Ｂよりも小さい総領域を持つ。結果として、点Ａ及び点Ｂを通る線分ｘに沿った強度Φのグラフで前記検出領域の上に表されるように、中心点Ａは、周辺点Ｂよりも高いビーム強度で照光される（中心の厚さが最大である物体、例えば患者がビームフィルタ１０と検出領域２との間に置かれる場合、強度のグラフは再びバランスが取られることに注意すべきである）。点Ａ及び点Ｂにおける総放射線は、全か無かの方法で、ビームフィルタ１０を自由に通過した放射線だけで構成され（及び吸収シートを通過した放射線は無い又は少なくとも最小限の程度だけで構成され）るので、点Ａ及び点Ｂに到達する総放射線のスペクトル構成は略同じままである。

図２は、本発明によるビームフィルタ１０の第１の実施例の主要な形状を示す。このビームフィルタ１０は、略同じ形状からなる吸収シート１１１のスタック１００から構成され、ここで前記形状は、２つの対側が（凸側の曲げ半径は凹側の曲げ半径よりも大きい）異なる曲げ半径で曲げられている四辺形に対応している。平坦な吸収シート１１１の各々は平面Ｐにあり、ここで、これら平面Ｐ全てが共通線Ｌで交差し、故に（吸収シート１１１の対称線上にも存在している）共通の"焦点"Ｆでも交差している。

ビームフィルタ１０が例えば図１のＸ線源のようなＸ線装置に利用される場合、放射線源１は、上述した焦点Ｆを有するように置かれる。放射線源１により放出される放射線は、（全ての光線にとって正確ではないが、放射線源１は、数理点ではなく、何らかの有限拡大を持つので）前記焦点Ｆから略放射状に伝搬する。ビームフィルタ１０の重要な態様は、焦点Ｆから生じる半径ｒに沿う単位として、吸収シート１１１の幅が変動することである。図３に示される吸収シート１１１のスタック１００の平面図において最適に見られるように、この幅は、吸収シート１１１の周辺部において最大値ｄ_Ｂを取り、吸収シート１１１の中心に向けて連続して減少し、中心が幅の最小値ｄ_Ａを取る。

図４及び図５は、図３のＩＶ−ＩＶ線及びＶ−Ｖ線夫々に沿った断面を示す。ビームフィルタ１０は、Ｘ線放射線に対し透過であり、（ドイツのデグサ(Degussa)社によりRohacell（登録商標）という名称で市販される）例えばポリメタクリルイミドの硬質発泡材料からなる（４つの）中間スペーサー１１２で隔てられている（実施例では５つの）吸収シート１１１のスタック１００を有する。前記吸収シート１１１は一般的に、例えばモリブデン又はタングステンのような高い吸収性の材料から構成される。さらに、これら吸収シートは、平面Ｐにおけるこれらの配列（図２）のために、Ｘ線源１に向けて集束される。これら図が前記構成の中心対称軸に平行に伝搬するＸ線に対し特に図示されているので、放射線源１により放出される放射線のより大きな小部分は、短い幅ｄ_Ａを持つ吸収シート１１１の中心部よりも広い幅ｄ_Ｂを前記吸収シート１１１が持っているビームフィルタ１０の周辺部において吸収される。

ビームフィルタ１０の説明される設計は、様々な方法、例えば
−スペーサーシート１１２の厚さに対し（シート面に対し垂直に測定される）高い吸収性のシート１１１の厚さを変更すること、
−スタック１００全体を傾けること、
−前記吸収シート１１１の適切な変形
により変更されることができる。

図６及び図７は、吸収シート１１１及び２１１夫々からなる２つのスタック１００、２００から構成される、調節可能な吸収特性を持つビームフィルタ２０の第２の設計を示し、これらスタックの各々は、上述したビームフィルタ１０のような設計である。吸収シート１１１、２１１からなる２つのスタック１００、２００は、Ｘ線が伝搬する方向において縦に並べて置かれる。Ｘ線は故に、検出器に到達する前に、スタック１００、２００の両方を通過しなければならない。吸収シート１１１、２１１によりマスキングされるＸ線源１の領域は、スタック１００、２００が互いに移動される場合、変化することができる。図６はこの点において、前記２つのスタック１００、２００の吸収シートが一直線に並べられた配置を示すのに対し、図７は、第２のスタック２００が第１のスタック１００に対し幾分移動した配置を示し、出力側においてビームの強度が減少している。

マルチレイヤ構造を持つ一次ビームフィルタの説明される実施例において、放射線のスペクトル形状は、減衰が部分的全吸収により達成されるので、殆ど変化しない。前記ビームフィルタは好ましくは、医用ＣＴ、特にスペクトルＣＴに利用可能である。

最後に、本出願において、"有する"という用語が他の要素又はステップを排除しないこと、複数で表現していないことが、それらが複数あることを排除しないこと、及び単一のプロセッサ又は他のユニットが幾つかの手段からなる機能を果たしてもよいことを指摘しておく。本発明は、全ての新規の特徴的機能及びこれら特徴的機能の全ての組み合わせに帰する。さらに、請求項における参照符号は、請求の範囲を制限するとは考えない。

Claims (9)

1. 放射線源と検出領域との間に挿入するためのビームフィルタであり、
   前記ビームフィルタが、複数の放射線吸収体を有し、前記複数の放射線吸収体は、スタック状に成形される複数の放射線吸収シートであり、前記放射線吸収シートが、前記検出領域の所与の点に対して、前記放射線源の放射線放出領域の所与の部分をマスキングするよう構成され、
   前記複数の放射線吸収シートの少なくとも１つにおいて、前記放射線放出領域の所与の点の放射方向と平行な方向の幅が、前記放射方向と交差方向において変動し、
   前記幅が変動する放射線吸収シートの形状が、２つの対側が異なる曲げ半径で曲げられる四辺形である、ビームフィルタ。
2. 前記放射線吸収シートが、前記放射線源により放出された放射線を完全に吸収する材料を有する、請求項１に記載のビームフィルタ。
3. 前記材料が、モリブデン、タングステン、金、鉛、プラチナ、タンタル及びレニウムからなる集合から選択される材料である、請求項２に記載のビームフィルタ。
4. 隣接する放射線吸収シートにより挟まれる中間領域は、前記放射線吸収シートの材料よりも低い前記放射線源の放射線に対する減衰係数を持つスペーサー材料で充填される、請求項１に記載のビームフィルタ。
5. 前記複数の放射線吸収シートは、少なくとも１つの共通の線で交差する平面にある、請求項１に記載のビームフィルタ。
6. 前記放射方向と平行な方向の幅は、前記放射線吸収シートの中心領域において最小値を取る、請求項１に記載のビームフィルタ。
7. 前記放射線吸収シートは、変動する厚さを持つ、請求項１に記載のビームフィルタ。
8. 第１の複数の放射線吸収体と、前記第１の複数の放射線吸収体に対し移動可能な第２の複数の放射線吸収体とを有し、前記第２の複数の放射線吸収体が、前記放射線源から前記検出領域の方向に見たとき、前記第１の複数の放射線吸収体と一列に配される、請求項１に記載のビームフィルタ。
9. 放射線源及び請求項１に記載のビームフィルタを有する、Ｘ線装置。

Images