JP5743481B2

JP5743481B2 - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP5743481B2
Application number: JP2010231536A
Authority: JP
Inventors: 橋本　敬介; 敬介橋本; 寛太小渕
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: JP2012081181A

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線ＣＴ装置に関する。

現行のＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置は、架台回転部のＸ線検出器で取得した投影データ（生データ）を静電結合データ通信で架台固定部へ転送し、架台固定部から広帯域伝送線路を通じて再構成用コンピュータまで送り、再構成用コンピュータにて診断用画像データの再構成を行っている。

Ｘ線検出器から再構成用コンピュータまでのデータは下り２５Ｇｂｐｓ、上り６Ｇｂｐｓと非常に広帯域である。架台回転部内では、Ｘ線検出器の出力信号をデータ収集装置でアナログ-デジタル変換後、パラレル-シリアル変換して光ファイバ伝送し、架台固定部と架台固定部間では、再び光信号を電気信号に変換して静電容量による伝送を行う。さらに架台固定部内では、電気信号を再度光信号に変換して光ファイバ伝送し、再度シリアル-パラレル変換を行い、再構成コンピュータへ伝送するような複雑な伝送手段が必要とされる。このように高速電子部品や光部品を多用した通信機構は非常に高価であり、シリアルパラレル変換などをはじめとする信号処理による伝送遅れも無視できないという問題が生じる。

図６は、従来のＸ線ＣＴ装置を示している。このＸ線ＣＴ装置は、被検体Ｐ（患者）をＸ線でスキャンするための架台（ガントリ）６１と、被検体Ｐを架台６１内に移動する寝台６２を制御する寝台駆動部６３と、高電圧を生成して架台６１に供給するための電源装置６４と、架台６１の動作を制御すると共に架台６１から得られた投影データを処理するコンピュータとしてのコンソール６５とを有する。

架台６１は、相対的に運動する２つの系である回転部６６とそれ以外の固定部６７とから構成される。回転部６６には、Ｘ線管６６１、高電圧発生装置６６２、Ｘ線検出器６６３、データ収集装置（ＤＡＳ：Data Acquisition System）６６４、回転駆動部６６５、Ｘ線管６６１を冷却するためのオイルクーラ６６６、回転部の回転モーメントのバランスをとるためのバランサ６６７が設けられる。

架台６１の回転部６６と固定部６７の間には、リング状の電極とブラシとから構成されたスリップリング６８、撮影データを非接触で広帯域伝送する非接触データ伝送装置６９が設けられる。

電源装置６４から供給された電力は、架台６１の固定部６７に入力され、この固定部６７からスリップリング６８を通して回転部６６の高電圧発生装置６６２に入力される。この高電圧発生装置６６２は、供給された電力をＸ線発生に適した高電圧に昇圧してＸ線管６６１に供給する。このＸ線管６６１とＸ線検出器６６３とは、架台６１の略中央に形成された空洞を挟んで対向して配置されており、互いの位置関係を保ちながら相対的に回転するようになっている。

Ｘ線管６６１は、供給された高電圧によりＸ線を発生させ、被検体Ｐに照射する。Ｘ線検出器６６３は、被検体Ｐを透過したＸ線を検出し電気信号として取出すことができるようになっている。データ収集装置６６４は、Ｘ線検出器６６３からの電気信号をアナログ-デジタル変換して投影データとして収集する。この投影データは、非常に大容量のデータであり診断画像の高精細化、高機能化のため年々増加の傾向がある。

回転部６６で取得された投影データを非接触で伝送する非接触データ伝送装置６９は、一般的には、静電結合方式による通信を行う。この非接触データ伝送装置６９は上述のように非常に複雑な伝送手段である、高速電子部品や光部品を多用した通信機構は非常に高価であり、信号処理による伝送遅れも無視できないという問題が生じる。

コンソール６５は、機能的には、システムを制御する部分６５ａと架台６１から取得した投影データを再構成する部分６５ｂに大きく分けられ、特に再構成には計算能力の高いプロセッサが求められることから、システム制御用のコンソールコンピュータと再構成コンピュータとを分離し２つのコンピュータで構成されるのが一般的である。

コンソール６５は、システムを統合的に制御するシステム制御部６５１、画像やシステムメニューを表示するための表示部６５２、表示装置としてのモニタ６５３、マウスや操作卓のスイッチなどのユーザーインターフェースを制御する操作部６５４、非接触データ伝送装置６９から投影データ（生データ）を受信するデータ受信部６５５、受信した投影データを再構成して所望の診断用画像データを生成する再構成部６５６、これら投影データや再構成された画像データを保存するデータ保存部６５７から構成される。

また、非接触データ伝送装置６９を使用する従来のＸ線ＣＴ装置では、撮影した大容量の投影データを一旦コンソール６５に取り込んだ後、再構成画像の生成を指示し、診断画像を取得する必要があった。そのため医師らによる読影が可能になるまでに時間がかかり迅速な診断ができないという問題がある。

特開２００７−１７５２０６号公報

本発明が解決しようとする課題は、診断画像の生成が早く、しかも安価で高性能なＸ線ＣＴ装置を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態のＸ線ＣＴ装置は、装置全体を制御するシステム制御部と、Ｘ線を発生するＸ線管およびこのＸ管と対向して取り付けられたＸ線検出器が回転可能に取り付けられた回転部と、この回転部内に、前記Ｘ線検出器の出力データを収集するデータ収集装置と、このデータ収集装置で収集された投影データから所望の診断を行うための画像データを再構成して生成する再構成部と、この再構成された画像データを無線により回転部外に送信する無線通信部と、前記投影データを保存するデータ保存部と、を有し、前記システム制御部は、前記回転部の回転制御、あるいは前記Ｘ線管またはＸ線検出器の温度制御を含む所定のシステム制御を実行する間に、前記画像データの再構成を行うこと、並びに前記画像データを回転部外に送信を行うことを実行する。

第１の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置のブロック構成図。同実施形態におけるＸ線ＣＴ装置の動作を示すフローチャート図。第２の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置のブロック構成図。第３の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置のバランサを説明する構成図。第４の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置の冷却方法を説明する構成図。従来のＸ線ＣＴ装置のブロック構成図。

以下、発明を実施するための実施形態について図１から図５に示す図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置を示している。本実施形態は、従来架台６１外に配置していた再構成部６５６、データ保存部６５７等から構成される再構成用コンピュータを架台６１内に配置し、しかも非常に高速で高価な非接触データ装置６９を不要にすることを目的としている。

第１の実施形態のＸ線ＣＴ装置は、被検体Ｐ（患者）をＸ線でスキャンするための架台（ガントリ）１１と、被検体Ｐを架台１１に移動する寝台１２を制御する寝台駆動部１３と、高電圧を生成して架台１１に供給するための電源装置１４と、本Ｘ線ＣＴ装置を操作・制御するコンソール１５とを有する。

架台１１は、回転部１６とそれ以外の固定部１７とから構成される。回転部１６には、Ｘ線を発生するＸ線管１６１、このＸ線管に印加する高電圧を発生する高電圧発生装置１６２、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器１６３、Ｘ線検出器の出力を収集するデータ収集装置（ＤＡＳ：Data Acquisition System）１６４、回転部１６を駆動する回転駆動部１６５、さらに、データ収集装置１６４の大容量投影データから直接画像データを再構成する再構成部１６６、投影データおよび画像データを保存するデータ保存部１６７、投影データおよび画像データを回転部１６外に送信する無線通信部１６８を有する。

架台１１の回転部１６と固定部１７の間には、図示しないリング状の電極とブラシとから構成されたスリップリング１８が設けられる。

電源装置１４から供給された電力は、架台１１の固定部１７に入力され、この固定部１７からスリップリング１８を通して回転部１６の高電圧発生装置１６２に入力される。この高電圧発生装置１６２は、供給された電力をＸ線発生に適した高電圧に昇圧してＸ線管１６１に供給する。このＸ線管１６１とＸ線検出器１６３とは、架台１１の略中央に形成された空洞を挟んで対向して配置されており、互いの位置関係を保ちながら相対的に回転するようになっている。この回転部１６の回転制御は、後述のシステム制御部から、スキャン条件等に基づき回転駆動部１６５によって制御される。

Ｘ線管１６１は、供給された高電圧によりＸ線を発生させ、被検体Ｐに照射する。Ｘ線検出器１６３は、被検体Ｐを透過したＸ線を検出し電気信号として取出すことができるようになっている。データ収集装置１６４は、Ｘ線検出器１６３からの電気信号をアナログ-デジタル変換して投影データとして収集する。

コンソール１５は、システムを統合的に制御するシステム制御部１５１、画像データやシステムメニューを表示するための表示部１５２、表示装置としてのモニタ１５３、マウスや操作卓のスイッチなどのユーザーインターフェースを制御する操作部１５４、無線通信部１６８から診断用画像データを受信する無線通信部１５５、さらに病院内のネットワークに接続するためのネットワーク部１５６を有する。システム制御部１５１は、操作部１５４から入力される指示やスキャン条件などに応じて高電圧発生装置１６２、回転駆動部１６５、寝台駆動部１３などを矢印で示すように制御する。

再構成部１６６は、Ｘ線検出器１６３のデータを収集しアナログ-デジタル変換を行うデータ収集装置１６４のバスに直接接続され、データ保存部１６７に一旦保存された投影データを元に診断用画像データの再構成を行うことができる。また、データ保存部１６７に投影データを保存することなく、ダイレクトに画像データの再構成を行うこともできる。この場合は、投影データを一時的に格納できる比較的大容量のＲＡＭ（Random Access Memory）が必要である。再構成部１６６には、演算能力の高いプロセッサと演算結果を一時的に格納する高速のＲＡＭが要求される。

データ保存部１６７は、スキャン中に得られる投影データの保存を行う。また再構成された画像データの保存も行うことができる。データ保存部１６７と再構成部１６６の接続には、高速性の要求からＳｅｒｉａｌ−ＡＴＡ（Serial Advanced Technology Attachment）規格やＳＡＳ(Serial Attached SCSI)規格などで接続される。データ保存部１６７内は、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の半導体不揮発性メモリを用いた半導体ストレージで構成されており、複数の半導体ストレージを配置して冗長性を持たせてある。これによりデータ消失のリスクを抑えている。ＳＳＤ等の半導体不揮発性メモリを用いた半導体ストレージは、近年小型化、低価格化、特にアクセススピードの高性能化が進んでおり、半導体ストレージの使用は、装置全体としての低価格化、高性能化に貢献する。

また、従来のＸ線ＣＴ装置では、Ｘ線検出器からの大容量の投影データを架台外の再構成コンピュータまで伝送してから診断用画像データを生成していた。本実施形態においては、再構成部１６６がデータ収集装置１６４のバスに直接接続され、データ保存部１６７に一旦投影データを保存、もしくは保存せずに回転部１６内で再構成を行うことができる。その結果、診断に必要な画像データが得られれば、その後投影データを保存する必要がないため、投影データを削除することで、データ保存部１６７の保存領域を削減できる。ただし、操作者が投影データの保存を指示した場合は、データ保存部１６７に所望の期間保存できる。

無線通信部１６８は、例えば、５４Ｍｂｐｓの通信速度を有するＩＥＥＥ８０２．１１ａ／ｇなどの無線ＬＡＮ（Local Area Network）規格を使用する。さらに、高速の通信規格のものを用いても構わない。また、本実施形態では、システム制御部１５１からの信号線を無線送信部１６８、１５５で通信される通信線とは別の矢印で示したが、この無線通信部１６８、１５５の通信データ内に本Ｘ線ＣＴ装置の制御情報、また医師ら操作者がコンソール１５から入力するスキャン情報・各種パラメータなどのデータを重畳してもよい。

このように、再構成された診断用画像データを架台外のコンソール１５に送信して診断画像を表示することにより、従来のようなギガビット級の伝送容量は不要になり、汎用の無線通信にて診断用画像の表示がコンソール１５で可能になる。低価格な汎用部品を使用できるため、装置の低価格化に大きく貢献する。さらに伝送容量を削減して画像が表示されるまでの時間を短縮するには、画像データを圧縮するか、あるいは前に送信した画像データとの差分データとすることで伝送容量を小さくする。

この実施形態のＸ線ＣＴ装置の動作を示すフローチャートを、図２に示す。ステップＳＴ２０１では、被検体Ｐを架台１１内に移動し、撮影条件をコンソール１５から入力する。そして、Ｘ線ＣＴ装置のスキャンを開始し撮影を行う（ステップＳＴ２０２）。ステップＳＴ２０３では、データ収集装置１６４で収集された投影データについて直接再構成部１６６で診断用画像データの生成を行い、無線通信部１６８を介してコンソール１５に診断用画像データを送信する。したがって、医師らは、すぐに被検体Ｐの患部の読影を開始することが可能である（ステップＳＴ２０４）。しかし、従来のＸ線ＣＴ装置では、ステップＳＴ２０２とステップＳＴ２０３の間において、大容量の投影データを、非接触データ装置６９を介して送り、受信が完了してから医師らの操作者の指示によって所望の診断画像を再構成して得ていたため、読影開始までにかなりの時間を要していた。

以上説明したように、第１の実施形態によれば、データ収集装置に直接バス接続された再構成部が回転部内に配置されており、大容量の投影データを架台外に送信することなくダイレクトに再構成を行うことができる。また、投影データの保存を行わなければ、データの保存領域を削減することもできる。

また、回転部内で再構成がなされるので、大容量の投影データを架台外に送信する必要がなく、従来のような非常に高価格で、ギガビット級の広帯域な伝送容量を持つ非接触データ伝送装置は不要になり、汎用の無線通信にて診断用画像の表示が可能になる。このように低価格な汎用部品を使用できるため、装置の低価格化に大きく貢献する。

さらに、回転部内にてスキャン終了後に再構成が行われるので、医師らは、すぐに被検体の読影を開始することが可能である
（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態のＸ線ＣＴ装置を示す。第1の実施形態との違いは、さらにシステム制御部を回転部内に配置したことである。

第２の実施形態のＸ線ＣＴ装置は、第１の実施形態と同じく被検体Ｐ（患者）をＸ線でスキャンするための架台（ガントリ）１１と、被検体Ｐを架台１１に移動する寝台１２を制御する寝台駆動部１３と、高電圧を生成して架台１１に供給するための電源装置１４と、本Ｘ線ＣＴ装置を操作・制御するコンソール１５とを有し、架台（ガントリ）１１の回転部１６には、システムを統合的に制御するシステム制御部１６９が配置される。システム制御部１６９は、操作部１５４からの指示やスキャン条件などに応じて高電圧発生装置１６２、回転駆動部１６５、寝台駆動部１３などを矢印で示すように制御する。この制御信号は、無線通信部１６８で伝送されるデータの中に含まれている。

コンソール１５は、画像データやシステムメニューを表示するための表示部１５２、表示装置としてのモニタ１５３、マウスや操作卓のスイッチなどのユーザーインターフェースを制御する操作部１５４、無線通信部１６８から診断用画像データを受信する無線通信部１５５、さらに病院内のネットワークに接続するためのネットワーク部１５６を有する。

システム制御部１６９が回転部１６内に配置されているため、コンソール１５は、無線通信部１６８を介してシステム制御部１６９にログインすることにより各種制御を行うことができる。これにより、コンソール１５には、特別なアプリケーションやハードウエアを搭載することなく、ネットワーク接続可能な汎用のコンピュータ、例えば、パーソナルコンピュータなども使用することができる。このことから低価格化に貢献し、利便性も向上する。

また、本実施形態では、無線通信部１５５，１６８の通信データ内に本Ｘ線ＣＴ装置の制御情報、また医師ら操作者のコンソール１５から入力するスキャン情報・各種パラメータなどのデータが重畳される。さらに画像データを圧縮するか、あるいは前に送信した画像データとの差分データとすることで伝送容量を小さくし、画像が表示されるまでの時間を短縮する。

以上説明したように、第２の実施形態によれば、第1の実施形態の効果に加え、システム制御部が回転部内に配置されており、無線通信部経由によりネットワークに接続された他の汎用コンピュータから本Ｘ線ＣＴ装置を制御することが可能である。また、コンソールコンピュータはネットワーク接続できるものであれば、汎用のコンピュータを使用できるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
Ｘ線ＣＴ装置は、回転部が１秒間に２回転程度の高速回転行うことが可能である。回転の安定化に必要な回転モーメントの調整のため、図６に示すようにＸ線管６６１とほぼ対向する位置にカウンタウエイトとしてバランサ６６７を配置する必要がある。図４は、第３の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置のバランサを説明する構成図である。説明に不必要な部分については省略しているが、実際の構成は図３に準じる。

第１の実施形態、および第２の実施形態で述べたように、再構成部１６６は、データ収集装置１６４の近傍に直接バス接続される。この配置は、Ｘ線管１６１にほぼ対向する位置にあたるためバランサとしての機能を合わせ持つ。一点鎖線の四角４１で示すように、さらにデータ保存部１６７、システム制御部１６８などの重量配分から最適な回転モーメントになるように配置を行う。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、再構成部、データ保存部、システム制御部などの重量を加味し、これらを最適な回転モーメントになるように配置を行うため、従来のカウンタウエイトの重量を軽減することが可能となる。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態におけるＸ線ＣＴ装置の冷却方法を説明する構成図である。

再構成部の演算プロセッサは、高速で再構成をする必要があることから、演算能力に優れた高速のプロセッサと、計算結果の一時的な格納のための高速のＤＲＡＭが必要となる。再構成演算時は、プロセッサ使用率がほぼ１００％となるので１００Ｗから１５０Ｗ程度の熱量を放出する。このため冷却機構が必要となる。

Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線管１６１の発熱が非常に大きく、一般的にはオイルクーラ６６６が接続されている。従って冷却方法の第１の方法は、たとえばヒートパイプなどの高い熱伝導度を持つ部材５１ａにてオイルクーラ６６６と接続することにより再構成部１６６の冷却を行う方法である。

また、Ｘ線ＣＴ装置は、Ｘ線検出器１６２の恒温化を図るためヒータを備えるものがある。Ｘ線検出器１６２を恒温化することによって投影データのアーチファクトを低減している。従って冷却方法の第２の方法は、たとえばヒートパイプなどの高い熱伝導度を持つ部材５１ｂにてＸ線検出器１６２のヒータ部分と接続することにより再構成部１６６の冷却を行う方法である。

さらに、回転部１６は高速回転しており、６ｍ／ｓ程度の風速を得ることが可能である。従って冷却方法の第３の方法は、熱の放出量の多い演算プロセッサに対して強制的に風量を起こすファンは必要なく、回転部１６の回転によって発生する風向に対して放熱面積が大きくなるような放熱フィンを演算プロセッサに対して搭載する方法である。

以上述べた３つの冷却方法のいずれかまたは、複数を組み合わせて有効な冷却方法を選択することが可能である。

以上説明したように、第４の実施形態によれば、再構成部の冷却方法は、現行のＸ線ＣＴ装置にあらかじめ備えられたオイルクーラやヒータ、もしくは回転による風速を効果的に利用しているため、安価な冷却方法が達成される。

本発明は、上記実施態様に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上記実施形態では、Ｘ線ＣＴ装置に特化して説明したが、回転部を有する装置であれば適用可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…架台（ガントリ）
１２…寝台
１３…寝台駆動部
１４…電源装置
１５…コンソール
１６…回転部
１６１…Ｘ線管
１６２…高電圧発生装置
１６３…Ｘ線検出器
１６４…データ収集装置
１６５…回転駆動部
１６６…再構成部
１６７…データ保存部
１６８…無線通信部
１６９…システム制御部
１７…固定部
１８…スリップリング

Claims

装置全体を制御するシステム制御部と、
Ｘ線を発生するＸ線管およびこのＸ管と対向して取り付けられたＸ線検出器が回転可能に取り付けられた回転部と、
この回転部内に、
前記Ｘ線検出器の出力データを収集するデータ収集装置と、
このデータ収集装置で収集された投影データから所望の診断を行うための画像データを再構成して生成する再構成部と、
この再構成された画像データを無線により回転部外に送信する無線通信部と、
前記投影データを保存するデータ保存部と、を有し、
前記システム制御部は、前記回転部の回転制御、あるいは前記Ｘ線管またはＸ線検出器の温度制御を含む所定のシステム制御を実行する間に、前記画像データの再構成を行うこと、並びに前記画像データを回転部外に送信を行うことを実行するＸ線ＣＴ装置。
Ｘ線を発生するＸ線管およびこのＸ管と対向して取り付けられたＸ線検出器が回転可能に取り付けられた回転部と、
この回転部内に、
前記Ｘ線検出器の出力データを収集するデータ収集装置と、
このデータ収集装置で収集された投影データから所望の診断を行うための画像データを再構成して生成する再構成部と、
この再構成された画像データを無線により回転部外に送信する無線通信部と、
前記投影データを保存するデータ保存部と、
装置全体を制御するシステム制御部と、を有し、
前記システム制御部は、前記回転部の回転制御、あるいは前記Ｘ線管またはＸ線検出器の温度制御を含む所定のシステム制御を実行する間に、前記画像データの再構成を行うこと、並びに前記画像データを回転部外に送信を行うことを実行するＸ線ＣＴ装置。
ネットワーク接続可能な任意のコンソールから前記無線通信部を介してシステム制御部にログインし、このコンソールからの指示によって、少なくとも前記システム制御および前記画像データの再構成を同時に行う請求項１または２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記無線通信部で送受信される通信データは、前記画像データの他に前記システム制御を行う装置制御情報、スキャン情報、あるいは各種パラメータが重畳された構成を有する請求項１から３のいずれか１項記載のＸ線ＣＴ装置。
前記データ保存部は、半導体不揮発性メモリを使用する半導体ストレージで構成される請求項１または請求項２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記再構成された画像データを、前記データ保存部に保存可能とする請求項１または請求項２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記再構成部は、前記データ収集装置と直接、バス接続されている請求項６記載のＸ線ＣＴ装置。
前記再構成部は、前記回転部の回転風量を利用した冷却手段、前記Ｘ線管の冷却に使用するオイルクーラに熱伝導部材で接続する冷却手段、または前記Ｘ線検出器のヒータに熱伝導部材で接続する冷却手段のいずれか１つまたは複数の手段を有する請求項１または２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記再構成部およびデータ保存部は、前記Ｘ管と対向する位置に配置される請求項６記載のＸ線ＣＴ装置。
前記無線通信部で送受信されるデータは、画像データの他にシステム制御データを含む請求項１または２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記無線通信部で送受信されるデータは、圧縮データまたは前に送信した画像データとの差分データとする請求項１または２記載のＸ線ＣＴ装置。