JP5677940B2

JP5677940B2 - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP5677940B2
Application number: JP2011509289A
Authority: JP
Inventors: 持立　幹雄; 幹雄持立
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-04-16
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2030-04-13
Also published as: US8781061B2; CN102395319A; CN102395319B; JPWO2010119850A1; WO2010119850A1; US20120027163A1

Description

本発明は、高速スキャン可能なX線CT装置に関し、特に、回転フレームに関する。

従来のX線CT装置は、X線管ユニット、X線検出ユニットならびに冷却ユニット等を被検体の周りで回転させるために、これらを円板状の回転部に搭載し、円板状の回転部全体を回転させる構成が一般的である。回転部へのX線管ユニット等の固定には、固定ボルトやブラケット等の固定手段が用いられる。しかしながら、回転部を回転させると、固定ボルト等にはX線管ユニット等の自重だけでなく、遠心力による負荷も加わるため、特に高速回転の場合には固定ボルト等に大きな負担がかかるという問題がある。

そこで、特許文献1および2には、円板の外周に沿うように円筒を固定し、円筒の内壁面にX線管ユニット等を固定することにより、遠心力による負荷を円筒によって支持し、固定ボルトの負荷を軽減した構造が提案されている。この構造では、円板は、回転軸方向について円筒の実質的な中心位置、すなわち円筒の厚み方向の中央を仕切るように配置されている。また特許文献２においては、円板には、X線管ユニット等にフィットする形状の開口が設けられ、X線管ユニット等は、円板の開口に挿入されている。これにより、X線管ユニットの重さおよび遠心力の一部を円板が支える構成としている。

特開2000-116641号公報米国特許第6314157号明細書

特許文献1、2では円筒の軸方向の実質的な中心を仕切るように円板が配置されているため、撮影面（X線透過面）を円板位置に一致させることはできない。従って、X線管ユニットやX線検出ユニットをはじめとする円板の搭載物は、円筒の軸方向の中心からオフセットして配置する必要があり、X線管等の重心が円板からオフセットされるため、円板に面外荷重および遠心力のモーメントが作用することとなる。これらモーメントは、円板を撓ませる方向に作用するため、これに耐えうる円板の強度剛性を確保するには、円板の板厚を全体的に増加させるしかなく、重量増加につながる。

特に、近年ではマルチスライス化が進み、X線検出ユニットのサイズは回転軸方向について長くなっているため、X線検出ユニットの重心およびそれに対応させてX線管ユニットの重心の円板からのずれ量が大きくなり、円板に加わる面外荷重および遠心力のモーメントは大きくなる傾向にある。また、これらモーメントは、回転速度が高速になるにつれ大きくなる。

また、被検体の体軸に対して撮影面をティルトさせる測定方法を用いる場合、X線管ユニットおよびX線検出ユニット等を傾斜させた状態で回転させる必要がある。回転面を傾斜させた場合に、特許文献1および2の構造を採用すると、X線管ユニット等の重力が円板に対して傾斜する方向に作用するため、円板を撓ませる方向のモーメントはさらに大きくなる。

本発明の目的は、高速回転および傾斜に耐えうる回転部を備えたX線CT装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明によれば、以下のX線CT装置が提供される。すなわち、X線管と、X線検出ユニットと、1以上の回路装置と、X線管、X線検出ユニットおよび1以上の回路装置を搭載して回転するための回転部とを有するX線CT装置であって、回転部は、内壁にX線管と1以上の回路装置が固定された円筒部と、円筒部の軸方向の中央よりも一方の開口寄りに配置され、被検体を挿入するための開口部を備えたリング部と、円筒部とリング部とを連結する複数のスポーク部とを備える。このように円筒部の回転軸方向の中心からずらした位置にリング部を配置し、スポーク部で支えることにより、X線検出ユニットや回路装置の重心を円筒部の回転軸方向の中心位置に配置することができる。よって、円筒部に歪みが生じにくく、高速回転やティルトに耐えうる回転部を提供できる。

上述のリング部は、円筒部の一方の開口位置に配置することが可能である。円筒部の内部空間を最も広く確保できるからである。

X線管および1以上の回路装置は、それぞれ端部がスポーク部とスポーク部の間の開口に挿入されている構成にすることができる。回転軸方向に長いX線管等であっても、円筒部に搭載することができるためである。この場合、X線管および１以上の回路装置は、スポーク部およびリング部に非接触に配置できる。

X線管の両側のスポーク部は、他のスポーク部よりも剛性が高い構造であることが望ましい。例えば、X線管の両側のスポーク部は、他のスポーク部よりも、回転軸方向の厚みが厚い部分を有するものを用いる。

複数のスポーク部は、径方向に垂直な方向の断面形状が異なる複数種類のスポーク部を含んでいてもよい。

リング部は、径方向の幅が広げられた領域を有する構成とすることができ、該領域にX線検出ユニットを搭載することができる。

また、本発明の別の態様によれば、以下のようなX線CT装置が提供される。すなわち、X線管と、X線検出ユニットと、1以上の回路装置と、X線管、X線検出ユニットおよび1以上の回路装置を搭載して回転するための回転部とを有するX線CT装置であって、回転部は、内壁にX線管と1以上の回路装置が固定された円筒部と、X線検出ユニットが固定され、被検体を挿入するための開口部を備えたリング部と、円筒部とリング部とを連結する複数のスポーク部とを備える構成とする。

本発明のX線CT装置は、X線管等を円筒の軸方向の中央に配置できるため、X線管にかかる遠心力による円筒の歪みを抑制でき、高速回転およびティルト回転に耐えうる回転部を提供することが出来る。

本実施形態のX線CT装置の全体の外観を説明する斜視図。本実施形態のX線CT装置の全体構造を示すブロック図。本実施形態のX線CT装置の筐体を外したガントリ100の正面図。図3のガントリ100のA-A断面図。図3のガントリ100をティルトさせた状態の側面図。図3のガントリ100をティルトさせた状態の断面図。本実施形態のX線CT装置の回転フレーム40の(a)前面側の斜視図、(b)背面側の斜視図。本実施形態のX線CT装置の回転フレーム40の正面図および部分断面図。本実施形態のX線CT装置の回転フレーム40の(a)正面図、(b)B1-B3断面図、(c)C1-C3断面図。

本発明の一実施形態のX線CT装置について説明する。

まず、本実施形態のX線CT装置の全体構造を図1および図2を用いて説明する。図1は、X線CT装置1の外観図であり、図2は、全体構造を示すブロック図である。図1および図2のようにX線CT装置1は、ガントリ100と寝台105と操作ユニット120とを備える。

ガントリ100は、回転円盤部102と、ガントリ制御装置108と、寝台制御装置109と、X線制御装置110とを含む。

回転円盤部102は、寝台105上に載置された被検体2が入る開口部104を備える回転フレーム40と、回転フレーム40に搭載されたX線管51、コリメータ103およびX線検出ユニット56とを備え、被検体2の周囲を回転する。回転円盤部102は、回転軸方向を寝台105の天板主平面に対して傾斜させた状態で回転させるティルト機構を有している。

なお、ガントリ100は、回転円盤部102等を図1のような筐体に収容している。

X線管51は寝台105上に載置された被検体2にX線を照射する装置である。コリメータ103はX線管51から照射されるX線の照射範囲を制限する装置である。X線検出ユニット56は、X線検出器256aとデータ収集装置256bとを含む。X線検出器256aは、回転フレーム40上でX線管51と対向配置され被検体を透過したX線を検出することにより透過X線の空間的な分布を計測する装置であり、多数のX線検出素子を回転フレーム40の回転方向に配列したもの、若しくは回転フレーム40の回転方向と回転軸方向との2次元に配列したものである。データ収集装置256bは、X線検出器256aが検出したX線量をデジタルデータとして収集する装置である。

ガントリ制御装置108は、回転円盤部102の回転を制御する装置であり、その一部である制御部55は回転フレーム40に搭載されている。寝台制御装置109は、寝台105の上下前後動を制御する装置である。

X線制御装置110は、X線管51に入力される電力を制御する装置であり、その一部である高電圧発生ユニット53,54と冷却装置52は、回転フレーム40に搭載されている。

操作ユニット120は、入力装置121と、画像演算装置122と、表示装置125と、記憶装置123と、システム制御装置124とを備えている。入力装置121は、被検体氏名、検査日時、撮影条件などを入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイスである。画像演算装置122は、X線検出ユニット56のデータ収集装置256bから送出される計測データを演算処理してCT画像再構成を行う装置である。表示装置125は、画像演算装置122で作成されたCT画像を表示する装置であり、具体的にはCRT(Cathode-Ray Tube)や液晶ディスプレイ等である。記憶装置123は、データ収集装置256bで収集したデータ及び画像演算装置122で作成されたCT画像の画像データを記憶する装置であり、具体的にはHDD(Hard Disk Drive)等である。システム制御装置124は、これらの装置及びガントリ制御装置108と寝台制御装置109とX線制御装置110を制御する装置である。

ガントリ100の機械的な構造について図3〜図6を用いてさらに詳しく説明する。

図3は、筐体を外したガントリ100の正面図、図4は図3のA-A断面図、図5はティルトしたガントリ100の側面図、図6はティルトしたガントリ100の断面図、である。ガントリ100は、回転円盤部102を回転可能に支持するためのスタンド10、軸受け20、主フレーム30を備えている。主フレーム30は、軸受け20を介してスタンド10により支持され、寝台105の天板主平面に対してティルト動作可能である。回転円盤部102の回転フレーム40は、ベアリング31を介して、主フレーム30により回転可能に支持されている。回転フレーム40は、不図示の回転駆動源により回転駆動される。

このようなX線CT装置の撮影動作について簡単に説明する。入力装置121から入力された撮影条件、特にX線管電圧やX線管電流などに基づきX線制御装置110がX線管51に入力される電力を制御することにより、X線管51は撮影条件に応じたX線を被検体に照射する。X線検出ユニット56は、X線管51から照射され被検体を透過したX線をX線検出器256aの多数のX線検出素子で検出し、透過X線の分布を計測する。回転円盤部102はガントリ制御装置108により回転速度や、回転軸の角度(ティルト)等が、入力装置121から入力された撮影条件に設定される。寝台105は、寝台制御装置109によって制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特にらせんピッチなどに基づいて動作する。

X線管51からのX線照射とX線検出ユニット56による透過X線分布の計測が回転円盤部102の回転とともに繰り返されることにより、様々な角度からの投影データがデータ収集装置256bにより取得される。取得された様々な角度からの投影データは画像演算装置122に送信される。画像演算装置122は送信された様々な角度からの投影データを逆投影処理することによりＣＴ画像を再構成する。再構成して得られたＣＴ画像は表示装置125に表示される。

本実施形態の回転フレーム40の詳しい形状を図7〜図9を用いてさらに説明する。図7(a)は、回転フレーム40を前面側(Ｘ線検出ユニット56等を搭載する側)から見た斜視図、図7(b)は、回転フレーム40を背面側から見た斜視図、図8は、回転フレーム40の正面図とその部分断面図、図9(a)は、回転フレーム40の正面図、図9(b)はB1-B3断面図、図9(c)は、C1-C3断面図である。

回転フレーム40は、図7〜図9のように、被検体2が挿入される開口104の周囲のリング部41と、円筒部42と、リング部41と円筒部42とを接続する8本の放射状のスポーク部43〜46とにより構成されている。8本のスポーク部43〜46は、4種類の形状のスポークを2本ずつ含み、スポーク部とスポーク部との間はそれぞれ開口61〜68となっている。

リング部41が配置されている位置は、図9(b)，(c)のように回転軸32方向について、円筒部42の背面側開口とほぼ一致する位置である。リング部41を円筒部42の背面側に配置することにより、円筒部42の内部空間を広く確保している。これにより、X線の透過面(スライス面)を円筒部42の回転軸32方向についての中央部に設定することが可能になる。

図3、図4のように、同じ種類の2本のスポーク部43が隣り合わせに配置された間の開口61の前面側の空間には、X線管51が配置されている。X線管51は、円筒部42の内壁面にボルト51aにより固定されている。X線管51の背面側端部は開口61に挿入されている。円筒部42以外の開口61の縁すなわち両側のスポーク部43およびリング部41には接触していない。

冷却装置52、制御部55、高電圧発生ユニット54,53もそれぞれ開口62,63,67,68の前面側の空間に配置され、円筒部42の内壁面にボルトにより固定されている。冷却装置52、制御部55、高電圧発生ユニット54,53の背面側端部はそれぞれ開口62,63,67,68に挿入されているが、両側のスポーク部およびリング部41に非接触である。

X線管51、冷却装置52、制御部55、高電圧発生ユニット54,53の円筒部42へのボルト止めは、いずれもボルトの軸方向が円筒部42のほぼ径方向に向けられている。これにより円筒部42の高速回転によりX線管51等に加わる遠心力によってボルトが搭載物の負荷を受けず、搭載物の遠心力は円筒部42の内壁で受け止めることができる。

なお、円筒部42の内壁面は、図7(a)から分かるようにX線管51、冷却装置52、制御部55、高電圧発生ユニット54,53をボルト止めする部分が台座状に形成され、それ以外の部分はくぼんだ形状である。これは、ねじ止めの強度に影響を与えず、かつ、円筒部42を軽量化させるためである。

次にスポーク部43〜46の形状について説明する。これらは、回転中の変形防止と軽量化の観点を考慮し、いずれも異なる形状に設計されている。すなわち、回転フレーム40のうちX線管51からX線検出ユニット56までの部分は、回転中に変形が生じるとX線の透過面等の幾何学系にずれが生じ撮影精度に影響がでるため、変形を生じさせないように剛性が大きい形状に設計されている。一方、それ以外の部分については、軽量化が図られている。

具体的には、図8のB1-B2断面図、図9(b)のB1-B3断面図に示すように、X線管51の両側に配置されるスポーク部43は、円筒部42との接続部分の回転軸32方向の厚さ143aが、円筒部42の回転軸32方向の厚みと同等に設定されている。これにより、円筒部42のX線管51を支持する部分の剛性を高め、回転中に変形を生じさせないように設計している。また、スポーク部43の回転軸32方向の厚みは、リング部41に近づくにつれて段階的に薄くされ、リング部41との接続部ではリング部41の厚みに近い厚さ143bまで低減させている。また、スポーク部43の周方向の幅についても、図8のB4-B5断面図、B6-B7断面図のように前面側は幅広く、背面側の幅は狭い立体形状としている。これにより、剛性を高めつつ、剛性に寄与しない部分の肉厚を低減し、スポーク部43の軽量化を図っている。

X線検出ユニット56が搭載される部分は、径方向および周方向について広い取り付け面が必要であるため、図8のようにリング部41の径方向の幅を広くとり、これにより剛性も高めている。この幅広のリング部41を円筒部42に連結するスポーク部45および46は、それぞれ2本ずつ、X線検出ユニット56の中心から左右対称に配置されている。スポーク部45、46は、X線検出ユニット56の配置の妨げにならないように、回転軸32方向についての厚みを薄く、リング部41の取り付け面の延長となるように形成されている。このためスポーク部45,46の断面形状は、剛性を高めつつ軽量化を図るため、D4-D5断面図およびE4-E5断面図のように、T字型に形成されている。

リング部41の径方向の幅が広げられた平面状の領域には、図3のようにX線検出ユニット56がボルト56aにより固定されている。ボルト56aの軸方向は、回転軸32の方向である。

一方、スポーク部44は、図3のように冷却装置52と制御部55の間、高電圧ユニット53と54の間にそれぞれ配置されている。この部分は、X線の軸方向には影響を与えにくい部分である。よって、図8のC1-C2断面図、図9(c)のように、スポーク部44の回転軸32の方向については、一定の厚みとして軽量化を図りつつ、C4-C5断面図のように断面形状を十字型にして剛性を高めている。

本実施形態では、リング部41と円筒部42とスポーク部43〜46とを鋳造により一体構成とし、剛性を高めている。

このように、本実施形態では、回転フレーム40を回転させる駆動源が接続されるリング部41を、円筒部42の背面側の開口面に配置し、リング部41と円筒部42とを形状の異なる4種類のスポーク部43〜46により接続した構造であるため、円筒部42の内部空間は広く確保されている。これにより、X線管51からX線検出ユニット56へのX線透過面(スライス面)を回転軸32方向について円筒部42の中央に位置させることができる。よって、マルチスライスであっても複数のX線透過面を円筒部42の中央部に確保できる。また、X線管51の重心151およびX線検出ユニット56の重心156は、図4のように、その構造上X線透過面近傍、すなわち円筒部42の回転軸32方向の中央に位置するため、遠心力が円筒部42に対して回転軸32方向の中央に加わり、円筒部42を歪ませる方向のモーメントが小さいため、歪みを生じさせにくい。

また、形状の異なる4種類のスポーク部43〜46のうち、剛性の大きな2本のスポーク部43をX線管51の両脇に対称に配置するとともに、スポーク部45,46を2本ずつX線検出ユニット56の中心線から左右対称に配置している。これにより、X線管51からX線検出ユニット56を結ぶX線透過面の方向については剛性を重視し、それ以外の方向については軽量化を図っている。よって、X線の透過面の幾何学系を大きな剛性で支持しつつ、軽量化を図ることができる。

したがって、本実施形態のX線CT装置は、回転円盤部102を高速回転や、回転軸を被検体軸に対してティルトさせての回転が可能であり、その場合も、回転フレーム40のX線の透過面の幾何学系の変形を防ぐことができ、マルチスライスで高精度のCT撮影が可能である。

上述してきた本実施形態の回転フレーム40は、8本のスポーク部43〜46を備える構造であったが、スポーク部の数は8本に限られるものではなく、回転速度等に応じて必要とされる剛性や軽量化を考慮し、8本よりも多い数または少ない数にすることが可能である。

1 X線CT装置、10 スタンド、20 軸受け、30 主フレーム、40 回転フレーム、41 リング部、42 円筒部、43〜46 スポーク部、51 X線管、52 冷却装置、53、54 高電圧発生ユニット、55 制御部、56 X線検出ユニット、100 ガントリ、102 回転円盤部、103 コリメータ、104 開口部、105 寝台、108 ガントリ制御装置、109 寝台制御装置、110 X線制御装置、120 操作ユニット、121 入力装置、122 画像演算装置、123 記憶装置、124 システム制御装置、125 表示装置、256a X線検出器、256b データ収集装置。

Claims

X線管と、X線検出ユニットと、1以上の回路装置と、当該X線管、X線検出ユニットおよび1以上の回路装置を搭載して回転するための回転部とを有し、
該回転部は、内壁に前記X線管と前記1以上の回路装置が固定された円筒部と、被検体を挿入するための開口部を備えたリング部と、前記円筒部とリング部とを連結する複数のスポーク部とを備え、
前記X線管の両側のスポーク部は、他のスポーク部よりも剛性が大きい構造であることを特徴とするX線CT装置。
請求項1に記載のX線CT装置において、前記リング部は、前記円筒部の一方の開口位置に配置されていることを特徴とするX線CT装置。
請求項1または2のどちらかに記載のX線CT装置において、前記X線管および前記1以上の回路装置は、それぞれ端部が前記スポーク部とスポーク部の間の開口に挿入されていることを特徴とするX線CT装置。
請求項1乃至3のいずれか一項に記載のX線CT装置において、該X線管の両側のスポーク部は、他のスポーク部よりも、回転軸方向の厚みが厚い部分を有することを特徴とするX線CT装置。
請求項1乃至4のいずれか一項に記載のX線CT装置において、前記リング部は、径方向の幅が他の領域よりも広げられた領域を有し、該領域には、前記X線検出ユニットが搭載されていることを特徴とするX線CT装置。
X線管と、X線検出ユニットと、1以上の回路装置と、当該X線管、X線検出ユニットおよび1以上の回路装置を搭載して回転するための回転部とを有し、
該回転部は、内壁に前記X線管と前記1以上の回路装置が固定された円筒部と、前記X線検出ユニットが固定され、被検体を挿入するための開口部を備えたリング部と、前記円筒部とリング部とを連結する複数のスポーク部とを備え、
前記リング部において、前記X線検出ユニットが固定される領域は他の領域よりも径方向の幅が広いことを特徴とするX線CT装置。