JP5416006B2 - X線発生装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、X線発生装置及びその制御方法に関する。
X線管には、反射型ターゲットと透過型ターゲットとを用いたものがある。いずれの方式においても、高速に加速された電子線がターゲットに照射され、当該照射された領域からX線が発生する。このとき、X線は、全方向に向かって放出される。そのため、多くのX線管では、必要以外の方向へのX線を遮蔽するため、X線管を入れた容器又はX線管の周囲を鉛のようなX線遮蔽部材で覆っている。特許文献1には、前方遮蔽部材、後方遮蔽部材を設け、必要以外の方向へのX線の放出を抑制する技術が開示されている(特許文献1)。
ここで、図8(a)は、従来のX線管120の構成の一例を示す図である。電子源121から照射された電子線201は、後方遮蔽部材122に設けられた開口を介して透過型ターゲット124に照射される。これにより、当該照射された領域から全方向に向かってX線が発生する。
透過型ターゲット124における電子源121との逆側には、前方遮蔽部材123が設けられている。透過型ターゲット124の照射された領域から発生したX線(203)は、前方遮蔽部材123に設けられた開口を介して被写体に向けて照射される。後方遮蔽部材122及び前方遮蔽部材123は、必要以外の方向へX線が放出されるのを抑制するために設けられる。
特開2007−265981号公報
ここで、電子線201の照射に際しては、透過型ターゲット124に対して電圧を印加し、電子源121と透過型ターゲット124との間を高電圧に印加する。透過型ターゲット124への電圧の印加タイミングや電子源121からの電子線201の照射タイミングによっては、後方遮蔽部材122が有効に働かず、不必要な方向へX線が放出されてしまう場合がある。
この原因としては、電子源121と透過型ターゲット124との間に印加される電圧は、印加時間に対して勾配を持って上昇するためである。すなわち、透過型ターゲット124に対して電圧の印加を開始したとしても、透過型ターゲット124は、瞬時に、所定電圧には達しない。そのため、印加開始の直後では、電圧が低く、必要以外の領域にも電子線が照射されてしまう。例えば、図8(b)に示すように、後方遮蔽部材122に対しても電子線が照射されてしまい、後方遮蔽部材122からX線205が発生してしまう。後方遮蔽部材122から発生したX線205は不要であり、除去されなければならない。
このように後方遮蔽部材122を設けても、透過型ターゲット124への電圧の印加タイミングや電子源121からの電子線の照射タイミングによっては、不要なX線が発生してしまう可能性がある。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、X線管の大きさや重さを変えずに、不要なX線の発生を抑制できるようにした技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様によるX線発生装置は、X線を発生するX線管と、前記X線管を駆動制御する制御手段とを具備し、前記X線管は、電圧の印加により電子を放出する電子源と、前記電子源から放出された電子の衝突によりX線を発生する透過型ターゲットと、前記電子源と前記透過型ターゲットとの間に配され、前記電子源から放出された電子が通過する開口が設けられるとともに前記電子源側に向けて散乱するX線を遮蔽する遮蔽部材とを具備し、前記制御手段は、前記X線の発生に際しては、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、該電圧の印加が開始してから該透過型ターゲットが所定電圧に達するまでの時間を示す所定期間が経過した後、前記電子源から電子を放出させ、前記X線の発生の停止に際しては、前記電子源からの電子の放出を停止させた後、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止することを特徴とする。
本発明によれば、X線管の大きさや重さを変えずに、不要なX線の発生を抑制できる。
本発明の一実施の形態に係わるX線撮影装置10の機能的な構成の一例を示す図。 図1に示すX線管20の構成の一例を示す図。 図1に示す制御部13におけるX線管20の駆動制御の一例を示す図。 実施形態2に係わるX線管20の構成の一例を示す図。 実施形態2に係わるX線管20の駆動制御の一例を示す図。 実施形態3に係わるX線管20の駆動制御の一例を示す図。 変形例に係わるX線管20の駆動制御の一例を示す図。 従来技術の一例を示す図。
以下、本発明の一実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の一実施の形態に係わるX線撮影装置10の機能的な構成の一例を示す図である。
X線撮影装置10は、1又は複数のコンピュータを含んで構成される。コンピュータには、例えば、CPU等の主制御手段、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等の記憶手段が具備される。また、コンピュータには、ネットワークカード等の通信手段、キーボード、ディスプレイ又はタッチパネル等の入出力手段等、が具備されていてもよい。なお、これら各構成手段は、バス等により接続され、主制御手段が記憶手段に記憶されたプログラムを実行することで制御される。
ここで、X線撮影装置10は、X線発生部11と、X線検出部12と、制御部13と、表示部14とを具備して構成される。
X線発生部11は、被写体(例えば、人体)に向けてX線を照射する役割を果たす。X線発生部11には、詳細については後述するが、X線を発生するX線管20が設けられる。X線管20は、高温度に加熱したフィラメントから熱電子を放出し、電極を介して電子線を高エネルギに加速する。そして、所望の形状に電子線を形成した後、透過型ターゲットに当該電子線を照射してX線を発生させる。
X線検出部12は、被写体を透過したX線発生部11からのX線を検出する。これにより、当該被写体に基づくX線画像が撮影される。制御部13は、X線撮影装置10における処理を統括制御する。例えば、X線発生部11とX線検出部12とによるX線撮影を制御する。また、例えば、X線管20を駆動制御する。表示部14は、X線検出部12により撮影された被写体のX線撮影画像を表示する。
以上が、X線撮影装置10の構成の一例についての説明である。なお、X線検出部12や表示部14は、必須の構成要素ではない。例えば、X線管20を備えたX線発生装置であってもよい。
次に、図2を用いて、図1に示すX線管20の構成の一例について説明する。
X線管20は、電子源21と、後方遮蔽部材22と、前方遮蔽部材23と、透過型ターゲット24と、配線(25、26)と、真空容器27とを具備して構成される。
電子源21は、電子線を照射する。より具体的には、電子を放出し、それを高速に加速させて透過型ターゲット24に衝突させる。これにより、X線が発生する。電子源21には、電子源21に電圧を印加する配線26が接続されている。なお、電子源21は、カーボンナノチューブのような冷陰極であっても、タングステンフィラメントや含浸型カソードのような熱陰極でもあってよい。電子源21には、加熱された電子源表面から電子を引き出すための引き出し電極が配置される。電子の引き出し条件は、電子源の種類により異なってくる。ここでは、引き出し電極は、電子源21に含まれており、その図示については省略している。
後方遮蔽部材22は、透過型ターゲット24に対する電子の衝突により全方向に発生したX線のうち、後方(電子源側)へ向かって発生するX線を遮蔽する。すなわち、後方(電子源側)に向けて散乱するX線を遮蔽する。後方遮蔽部材22には、電子源21から放出された電子が通過する開口が設けられる。後方遮蔽部材22には、例えば、遮蔽効果の大きいタングステンやタンタル等の重金属を含む材料を用いればよい。
前方遮蔽部材23は、透過型ターゲット24に対する電子の衝突により全方向に発生したX線のうち、前方(電子源21と逆側)へ向かって発生するX線の一部を遮蔽する。より具体的には、X線透過窓28方向以外の方向に向かって発生したX線を遮蔽する。前方遮蔽部材23には、発生したX線が通過する開口が設けられる。前方遮蔽部材23には、後方遮蔽部材22同様に、例えば、遮蔽効果の大きいタングステンやタンタル等の重金属を含む材料を用いればよい。
透過型ターゲット24は、電子源21から照射される電子線に応じてX線を発生する。電子線の照射に際しては、電子源21と透過型ターゲット24との間が所定電圧(高電圧、例えば、100kV)に印加されている必要がある。そのため、透過型ターゲット24には、電圧(高電圧)を印加する配線25が接続されている。
透過型ターゲット24には、高融点でX線発生効率の良い重金属を含む材料、例えば、タングステン、タンタル等を用いればよい。また、用途によっては、重金属ではないが、モリブデン等を用いることもできる。透過型ターゲット24の構造は、タングステン等の薄い金属箔のみで構成されてもよいし、例えば、カーボン等のX線を透過し易い材料との積層体で構成されてもよい。例えば、透過型ターゲット24が金属薄膜で構成された場合、その層の厚さは、使用される金属の種類等に応じて異なるが、概ね、数μmから10数μmとなる。
また、透過型ターゲット24に対して印加される電圧は、その使用用途によって異なってはくるが、例えば、タングステンを用いた医療用のX線管の場合には、例えば、80〜110kVとなる。透過型ターゲット24に対して高電圧が印加された場合には、後方遮蔽部材22及び前方遮蔽部材23に対しても、透過型ターゲット24とほぼ同電圧が印加されることになる。
真空容器27は、X線管20の内部を真空に保つ役割を果たす。真空容器27は、10−5パスカルオーダーの真空度を保つことができればよく、その材質には、例えば、ガラス、金属、セラミックス等を用いればよい。真空容器27には、X線透過窓28が設けられている。X線透過窓28は、被写体に向けてX線を照射するために形成された開口である。X線透過窓28には、例えば、アルミニウム、ベリリウム等の軽元素金属やガラス等のセラミックス材を用いればよい。
次に、図3を用いて、図1に示す制御部13におけるX線管20の駆動制御の一例について説明する。図3には、透過型ターゲット24に対して印加される電圧の印加タイミングと、電子源21による電子の放出タイミングとが示される。なお、横軸は、時間軸を示している。
制御部13は、まず、タイミングT1において、透過型ターゲット24に対して高電圧(所定電圧)を印加する。透過型ターゲット24が所定電圧に達するまでには若干の遅延(期間T5)がある。なお、制御部13には、透過型ターゲット24が所定電圧に達するまでの時間(所定期間)を規定した情報が保持されている。
ここで、透過型ターゲット24は、タイミングT2で所定電圧に達する。透過型ターゲット24が所定電圧に達すると、制御部13は、タイミングT10において、電子源21から電子線を発生させる。
所定のX線発生時間(期間T6)が経過すると、制御部13は、タイミングT11において、電子源21による電子線の発生を停止させる。その後、タイミングT3において、透過型ターゲット24に対する電圧の印加も停止する。実際に、透過型ターゲット24に印加された電圧がほぼ完全に元に戻るのは、タイミングT4の時点となる。
ここで、期間T5(T1〜T2)では、透過型ターゲット24に対して電圧が印加されているが、電子源21から電子が放出(電子線が照射)されていないため、X線は発生しない。期間T6(T10〜T11)では、電子源21から電子が放出され、また、透過型ターゲット24に対して所定電圧が印加されているため、放出された全ての電子が透過型ターゲットに衝突する。このため、前方遮蔽部材23の開口からは、必要とされるX線のみが発生し、後方遮蔽部材22から不要なX線は発生しない。
また、タイミングT11では、電子源21による電子の放出が停止するため、X線の発生も停止する。タイミングT3では、透過型ターゲット24に対する電圧の印加を停止するため、透過型ターゲット24の電圧は所定電圧に達していない。そのため、このタイミングT3以降では、X線は発生しない。
透過型ターゲット24に対する電圧の印加が開始したタイミング(T1)〜電子源21による電子線の照射が開始するまでのタイミング(T10)を示す期間T8は、透過型ターゲット24がほぼ一定の電圧(所定電圧)に達するまでに要する時間に相当する。期間T8は、例えば、0.3〜2msec程度であるのが望ましい。
期間T6は、X線が発生する時間であり、例えば、10msec〜1sec程度である。タイミングT11では、電子源21による電子の放出が終了するため、タイミングT3(透過型ターゲット24への電圧の印加の終了タイミング)は、タイミングT11の後であればよい。
仮に、タイミングT10が、タイミングT1とタイミングT2との間にあると、透過型ターゲット24が所定電圧に達していないため、電子源21から放出された電子は、透過型ターゲット24以外にも衝突してしまう。この場合、不要なX線が発生してしまう。
以上説明したように本実施形態によれば、X線の発生に際しては、透過型ターゲット24が所定電圧に達した後、電子源21から電子を放出させる。また、X線の発生の終了に際しては、電子源21からの電子の放出を停止させた後、透過型ターゲット24への電圧の印加を停止する。これにより、X線管の大きさや重さを変えずに、不要なX線の発生を抑制できる。
(実施形態2)
次に、実施形態2について説明する。図4は、実施形態2に係わるX線管20の構成の一例を示す図である。なお、実施形態1を説明した図2と同様の構成については同一の符号を付しており、その説明については省略する場合もある。
実施形態2に係わるX線管20には、電子源21と後方遮蔽部材22との間にレンズ電極30が設けられる。レンズ電極30は、レンズ作用により電子源21から照射される電子線を形成する。レンズ電極30には、レンズ作用を生じさせない電圧である第1の電圧と、レンズ作用を生じさせる電圧である第2の電圧とが印加される。より具体的には、第1の電圧は、電子源21に印加される電圧よりも低い電圧であり、第2の電圧は、電子源21に印加される電圧よりも低い電圧である。
次に、図5を用いて、実施形態2に係わるX線管20の駆動制御の一例について説明する。図5には、透過型ターゲット24に対する電圧の印加タイミングと、電子源21による電子の放出タイミングと、レンズ電極30に対する電圧の印加タイミングとが示される。なお、横軸は、時間軸を示している。
タイミングT1〜T11は、実施形態1を説明した図3で示したタイミングと同じである。図5においては、レンズ電極30に対して印加する電圧(第1の電圧から第2の電圧)を切り替えるタイミングT12と、レンズ電極30に対して印加する電圧(第2の電圧から第1の電圧)を切り替えるタイミングT13とが追加されている。
電子源21により電子が放出されている状態で透過型ターゲット24に単に電圧を印加すると、後方遮蔽部材22よりも後方(電子源21側)に向けてX線が発生してしまう。しかし、ここでは、透過型ターゲット24に対して電圧が印加される前に、レンズ電極30に対して第2の電圧が印加されているため、電子源21から電子が放出されたとしても、レンズ電極30に大部分の電子が流れる。
透過型ターゲット24に対しては、例えば、100kV程度の電圧が印加されるが、レンズ電極30や電子源21に対しては、このような高電圧は印加されない。レンズ電極30にかける電位は、数kV以下であり、このレベルで発生するX線のエネルギーは、1〜2keVとなる。そのため、発生したX線は、通常のX線管の容器でほぼ吸収されてしまう。透過型ターゲット24へ印加される電圧が所定電圧に近くなるにつれ、透過型ターゲット24へ流れる電流も増加する。
図5の場合、X線の発生に際しては、タイミングT12において、タイミングT1よりも前にレンズ電極30に対して第1の電圧から第2の電圧に切り替えて電圧を印加する。また、X線の発生の停止に際しては、タイミング13において、タイミングT4の後でレンズ電極30に対して第2の電圧から第1の電圧に切り替えて電圧を印加する。
このように、透過型ターゲット24に対して電圧が印加される期間全てに渡って、レンズ電極30に対して第2の電圧を印加するように構成した場合、電子源21からの電子の放出タイミングは、図5に示すタイミングに限られない。例えば、タイミングT10をタイミングT12の後に移動しても良いし、また、タイミングT11をタイミングT13よりも前に移動しても良い。
以上説明したように実施形態2によれば、透過型ターゲット24に対して電圧が印加される期間全てに渡って、レンズ電極30に対して第2の電圧を印加する。これにより、電子源21による電子の放出タイミングの自由度が増える。
(実施形態3)
次に、実施形態3について説明する。なお、実施形態3に係わるX線管20の構成は、実施形態2を説明した図4と同様であるため、その説明については省略する。ここでは、実施形態2と相違する点について説明する。相違点としては、電子源21による電子の放出タイミングと、レンズ電極30に対する電圧の印加タイミングとが挙げられる。
図6を用いて、実施形態3に係わるX線管20の駆動制御の一例について説明する。
制御部13は、タイミングT12において、レンズ電極30に対して第2の電圧を印加する。すなわち、レンズ電極30への第2の電圧の印加は、タイミングT2において、透過型ターゲット24が所定電圧に達した後、タイミングT10において、電子源21から電子を放出する前に行なわれる。
X線の発生を停止する際には、制御部13は、タイミングT11において、電子源21による電子の放出を停止させ、タイミングT13において、レンズ電極30への電圧を第2の電圧から第1の電圧に切り替える。その後、制御部13は、タイミングT3において、透過型ターゲット24への電圧の印加を停止する
この場合、電子源21から電子が放出される際には必ず、レンズ電極30に対して第2の電圧が印加されているため、実施形態1に比べて、電子線が絞られ、より不要なX線の発生を抑制できる。また、誤動作により、透過型ターゲット24が所定電圧に達していない状態で電子源21から電子が放出されたとしても、レンズ電極30に対して第2の電圧が印加されていれば、透過型ターゲット24や後方遮蔽部材22に電子線が照射されることはほぼない。この場合、多くの電子は、レンズ電極30に流れる。このため、不要なX線の発生をより抑制できる。
以上説明したように実施形態3によれば、上述した誤作動等が生じた場合であっても、不要なX線の発生を抑制できる。そのため、例えば、真空容器27の外部に不要なX線が漏洩しない。
なお、実施形態2及び実施形態3で説明したレンズ電極30に対して印加する第1の電圧は、マイナス電位であっても良い。マイナス電位は、例えば、−0.1kV程度以上、−数kV程度が望ましい。レンズ電極30の電位がマイナスであれば、発生した電子は、電子源21の方向へ戻り、グランドに流れる。このようなタイミングで、透過型ターゲット24に高電圧が印加されたとしても、不要なX線は発生しない。
以上が本発明の代表的な実施形態の例であるが、本発明は、上記及び図面に示す実施形態に限定することなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施できるものである。
例えば、上述した実施形態1においては、図3を用いて電子源からの電子の放出タイミングや透過型ターゲット24に対する電圧の印加タイミングについて説明したが、必ずしもこのようなタイミングで行なう必要はない。例えば、図7に示すように、期間T21と期間22との長さを変更しても良い(T21≧T22)。
期間T10(T2〜T10)は、透過型ターゲット24の昇圧にかかる時間を考慮して決めなければならない。一方、透過型ターゲット24に対する電圧の印加の終了タイミングT3は、タイミングT11で電子源21からの電子の放出が終了しているため、短くなっても構わない。そのため、期間T22(T11〜T3)は、期間T21(T2〜T10)に比べて短くても良い。このように構成した場合、不要なX線の発生を抑制できるとともに、また、透過型ターゲット24に対する電圧の印加時間を短くできる。

Claims (7)

  1. X線を発生するX線管と、
    前記X線管を駆動制御する制御手段と
    を具備し、
    前記X線管は、
    電圧の印加により電子を放出する電子源と、
    前記電子源から放出された電子の衝突によりX線を発生する透過型ターゲットと、
    前記電子源と前記透過型ターゲットとの間に配され、前記電子源から放出された電子が通過する開口が設けられるとともに前記電子源側に向けて散乱するX線を遮蔽する遮蔽部材と
    を具備し、
    前記制御手段は、
    前記X線の発生に際しては、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、該電圧の印加が開始してから該透過型ターゲットが所定電圧に達するまでの時間を示す所定期間が経過した後、前記電子源から電子を放出させ、
    前記X線の発生の停止に際しては、前記電子源からの電子の放出を停止させた後、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止する
    ことを特徴とするX線発生装置。
  2. 前記電子源から電子の放出を停止させてから前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止するまでの時間は、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始してから前記電子源から電子を放出させるまでの時間よりも短い
    ことを特徴とする請求項1記載のX線発生装置。
  3. 前記電子源と前記遮蔽部材との間に配され、前記電子源に印加される電圧よりも低い電圧である第1の電圧が印加されているレンズ電極
    を更に具備し、
    前記制御手段は、
    前記X線の発生に際しては、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第1の電圧から前記電子源に印加される電圧よりも高い電圧である第2の電圧に切り替えた後、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、該電圧の印加が開始してから前記所定期間が経過した後、前記電子源から電子を放出させ、
    前記X線の発生の停止に際しては、前記電子源からの電子の放出を停止させ、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第2の電圧から前記第1の電圧に切り替えた後、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止する
    ことを特徴とする請求項1記載のX線発生装置。
  4. X線を発生するX線管と、
    前記X線管を駆動制御する制御手段と
    を具備し、
    前記X線管は、
    電圧の印加により電子を放出する電子源と、
    前記電子源から放出された電子の衝突によりX線を発生する透過型ターゲットと、
    前記電子源と前記透過型ターゲットとの間に配され、前記電子源から放出された電子が通過する開口が設けられるとともに前記電子源側に向けて散乱するX線を遮蔽する遮蔽部材と、
    前記電子源と前記遮蔽部材との間に配され、前記電子源に印加される電圧よりも低い電圧である第1の電圧が印加されているレンズ電極と
    を具備し、
    前記制御手段は、
    前記X線の発生に際しては、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第1の電圧から前記電子源に印加される電圧よりも高い電圧である第2の電圧に切り替えた後、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、
    前記X線の発生の停止に際しては、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止した後、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第2の電圧から前記第1の電圧に切り替える
    ことを特徴とするX線発生装置。
  5. 前記制御手段は、
    前記X線の発生に際しては、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第1の電圧から前記第2の電圧に切り替える前に前記電子源から電子を放出させ、
    前記X線の発生に停止に際しては、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第2の電圧から前記第1の電圧に切り替えた後に前記電子源から電子の放出を停止させる
    ことを特徴とする請求項4記載のX線発生装置。
  6. X線管を駆動制御するX線発生装置の制御方法であって、
    前記X線管は、
    電圧の印加により電子を放出する電子源と、
    前記電子源から放出された電子の衝突によりX線を発生する透過型ターゲットと、
    前記電子源と前記透過型ターゲットとの間に配され、前記電子源から放出された電子が通過する開口が設けられるとともに前記電子源側に向けて散乱するX線を遮蔽する遮蔽部材と
    を具備し、
    前記X線の発生に際しては、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、該電圧の印加が開始してから該透過型ターゲットが所定電圧に達するまでの時間を示す所定期間が経過した後、前記電子源から電子を放出させ、
    前記X線の発生の停止に際しては、前記電子源からの電子の放出を停止させた後、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止する
    ことを特徴とするX線発生装置の制御方法。
  7. X線管を駆動制御するX線発生装置の制御方法であって、
    前記X線管は、
    電圧の印加により電子を放出する電子源と、
    前記電子源から放出された電子の衝突によりX線を発生する透過型ターゲットと、
    前記電子源と前記透過型ターゲットとの間に配され、前記電子源から放出された電子が通過する開口が設けられるとともに前記電子源側に向けて散乱するX線を遮蔽する遮蔽部材と、前記電子源と前記遮蔽部材との間に配され、前記電子源に印加される電圧よりも低い電圧である第1の電圧が印加されているレンズ電極と
    を具備し、
    前記X線の発生に際しては、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第1の電圧から前記電子源に印加される電圧よりも高い電圧である第2の電圧に切り替えた後、前記透過型ターゲットに対して電圧の印加を開始し、
    前記X線の発生の停止に際しては、前記透過型ターゲットに対する電圧の印加を停止した後、前記レンズ電極に対して印加される電圧を前記第2の電圧から前記第1の電圧に切り替える
    ことを特徴とするX線発生装置の制御方法。
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