JP5785772B2

JP5785772B2 - 高速電流変調を行うｘ線管

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Publication number: JP5785772B2
Application number: JP2011104808A
Authority: JP
Inventors: ユン・ジュー; ブライアン・ラウンズベリー; ケアリー・ショーン・ロジャース; セルジオ・ルメイトル; シャオイェ・ウー; ジジョン・チェン; フロリバータス・ピー・ヒューケンズフェルド・ジャンセン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2031-05-10
Also published as: US20110280363A1; DE102011050144A1; US8396185B2; JP2011238614A

Description

本発明の各実施形態は一般的には、Ｘ線撮像装置に関し、さらに具体的には、電子ビーム放出の改善された制御、従ってＸ線発生の改善された制御を有するＸ線管に関する。

Ｘ線システムは典型的には、Ｘ線源又はＸ線管と、検出器と、Ｘ線管及び検出器のための支持構造とを含む。動作時には、対象を配置した撮像台がＸ線管と検出器との間に配置される。Ｘ線管は典型的には、対象へ向けてＸ線のような放射線を放出する。放射線は典型的には、撮像台の上の対象を通過して検出器に入射する。放射線が対象を通過するのに伴って、対象の内部構造が検出器において受光される放射線に空間的な変化を生ずる。データ取得システムが検出器において受光される信号を読み取って、放射線の変化を画像へ変換し、この画像を用いて対象の内部構造を評価することができる。当業者は、対象が、限定しないが医療撮像手順における患者又は被検体、及び例えばＸ線スキャナ又は計算機式断層写真法（ＣＴ）小包スキャナにおける小包のような無生物を含み得ることを認められよう。以下では、「被検体」及び「対象」「物体」等の用語は、Ｘ線によって画像化されることが可能な任意の物体を包含するものとする。

典型的には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システムのようなイメージング・システムでは、Ｘ線源が患者又は手荷物のような対象へ向けてファン形状（扇形）又はコーン形状（円錐形）のビームを放出する。ビームは被検体によって減弱された後に放射線検出器のアレイに入射する。検出器アレイにおいて受光される減弱後のビーム放射線の強度は典型的には、被検体によるＸ線ビームの減弱量に依存する。検出器アレイの各々の検出器素子が、各々の検出器素子によって受光される減弱後のビームを示す別個の電気信号を発生する。電気信号はデータ処理システムへ伝送されて解析され、これらの信号を最終的に用いて画像を形成する。
Ｘ線検出器は典型的には、検出器において受光されるＸ線ビームをコリメートするコリメータと、コリメータに隣接して設けられてＸ線を光エネルギへ変換するシンチレータと、隣接するシンチレータから光エネルギを受け取ってここから電気信号を発生するフォトダイオードとを含んでいる。典型的には、シンチレータ・アレイの各々のシンチレータがＸ線を光エネルギに変換する。各々のシンチレータは、隣接するフォトダイオードに光エネルギを放出する。各々のフォトダイオードが光エネルギを検出して対応する電気信号を発生する。次いで、フォトダイオードの出力はデータ処理システムへ伝送されて画像再構成を施される。

Ｘ線管は典型的には、焦点スポットにおいて発生される熱を分散する目的のための陽極構造又はターゲットを含んでいる。Ｘ線管の陰極が放出器から電子ビームを与え、この電子ビームは、陰極−陽極間の真空間隙に跨がって印加される高電圧を用いて加速されて、陽極に衝突するとＸ線を発生する。電子ビームが陽極と衝突する区域をしばしば焦点スポットと呼ぶ。典型的には、陰極は１又は複数のフィラメントを含んでおり、フィラメントはカップの内部に配置されて、例として述べると高出力の大径焦点スポット又は高分解能の小径焦点スポットを生成するビームとして電子を放出する。撮像応用は、応用に依存して特定の形状を有する小径又は大径の焦点スポットの何れかを選択することを含めて設計され得る。

米国特許第7203268号

以下の段落では、本発明の主題である改善された電子ビーム制御方法を具現化するＣＴシステムについてのさらに詳細な説明を掲げる。但し、本発明はＣＴシステムに限定されず、１又は複数のＸ線管を含む全ての形式のイメージング・システムに適用され得ることを理解されたい。

ＣＴイメージング・システムは、エネルギ識別能力、多重エネルギ能力、又は二重エネルギ能力を含む場合がある。測定を得るための手法として、２種の別個のエネルギ・スペクトルによる走査を行なって、検出器でのエネルギ堆積によってフォトン・エネルギを検出するものが挙げられる。システムは、入射したＸ線の低エネルギ部分及び高エネルギ部分に基づいてエネルギ識別及び物質の特徴評価を提供することができる。医用ＣＴの所与のエネルギ領域では、二つの物理的過程すなわち（１）コンプトン散乱、及び（２）光電効果がＸ線減弱を支配する。従って、当技術分野で公知のように、二つのエネルギ領域からの検出信号が、被撮像物質のエネルギ依存性を分解して２種の仮想的な物質で構成される対象の相対的な組成を決定するのに十分な情報を提供する。

従来の第三世代ＣＴシステムは、放出されるＸ線ビームを構成する入射フォトンのエネルギのピーク及びスペクトルを変化させた異なるピーク・キロボルト数（ｋＶｐ）レベルにおいて、相次いで投影を取得することができる。すると、二つの走査が、（１）時間的に逐次的に連続して取得されて、走査が被検体の周りの２回の回転を含むか、又は（２）管が例えば８０ｋＶｐ電位及び１４０ｋＶｐ電位において動作するようにして回転角度の関数としてインタリーブされて取得されて、被検体の周りの一回転を必要とするかの何れかとなる。相次いで走査を行なうと、得られるデータは取得と取得との間の対象の僅かな運動のため位置ずれを生ずる場合がある。しかしながら、高周波発生器によって、交互のビュー毎にＸ線源の管電圧又は電位を切り換えることが可能になった。結果として、二つのエネルギ感知型走査についてのデータを数秒間で離隔して形成された二つの別個の走査として得るのではなく、時間的にインタリーブされた態様で得ることができる。

このように、幾つかの撮像応用においては、マイクロ秒又はマイクロ秒未満での電子ビームの電流変調及び／又はグリッド制御を生じて、時間的にインタリーブされた走査データを取得し得るようにすることが望ましい。幾つかの技術は、電子ビーム電流を増大させたり減少させたりすることが可能であるが、かかる技術は、放出器温度、従って放出されるビーム電流を変化させることにより電流変調を達成する。かかる電流変調過程は、放出器の熱時定数のため緩慢である。すなわち、フィラメントの蓄熱容量（thermal mass）のため、マイクロ秒の時間尺度でこのアプローチによって有意の電流変調を達成するのは不可能である。

高速の電流応答時間を達成するために、グリッド制御（gridding）技術を用いて、介在型グリッド又は非介在型グリッドの何れかを介して電子ビームの動作を静電的に制御して電流を変調させることができる。しかしながら、典型的には、高電圧が高まる又は低くなると、放出器表面における電場がそれぞれ高まる又は低くなる結果として電流は呼応して増大し又は減少し、このことは典型的に望ましい傾向とは逆である。すなわち、電圧が高まると電流が小さくなり、また反対になることが典型的には望ましい。検出器表面において十分なＸ線束を得るためには、電圧が低いときに電流が高まることが望ましい。というのは、物質のＸ線減弱係数は入射Ｘ線ビームのエネルギが高まるほど減少するからである。

低い管電圧での動作について、電流又は管ｍＡは高い方が典型的には望ましく、幾つかの応用では一例として８０ｋＶにおいて１０００ｍＡ以上であることが望ましい。呼応して、１４０ｋＶでは、電流又は管ｍＡが低く、７５０ｍＡ以下であることが典型的には望ましい。現在の管では、フィラメント温度を高めることにより高放出を達成することが可能である。しかしながら、前述のようにこの過程は緩慢であり、フィラメントの温度変化の時間的な応答はミリ秒の範囲にある。第二に、フィラメントの温度を高めると、フィラメントの寿命が短縮し又は制限され得る。このように、高速ｋＶ切り換え動作については、システム動作及び寿命の要件のため、この高速ｋＶ切り換え動作の低管電圧動作時に望ましい電流での性能が制限され得る。

従って、Ｘ線撮像装置において、放出器の寿命を損なわずに高電流放出を達成しつつ電子ビームのマイクロ秒電流変調が可能な装置及び方法を提供し得ると望ましい。

本発明の各実施形態は、Ｘ線撮像装置において電子ビームの電流を変調することを提供することにより上述の欠点を克服する装置及び方法を提供する。

本発明の一観点によれば、Ｘ線管が、ターゲットと、陰極アセンブリとを含んでいる。陰極アセンブリは、ターゲットへ向けて第一の電子ビームを放出するように構成されている第一のフィラメントと、第一のフィラメントに結合されている第一のグリッド制御電極と、ターゲットへ向けて第二の電子ビームを放出するように構成されている第二のフィラメントと、第二のフィラメントに結合されている第二のグリッド制御電極とを含んでいる。

本発明のもう一つの観点によれば、多重エネルギ撮像の方法が、第一のＸ線管電圧レベルに基づいて第一のＸ線管電流を決定し、第二のＸ線管電圧レベルに基づいて第二のＸ線管電流を決定するステップと、第一のフィラメントに第一のフィラメント電流を印加し、第二のフィラメントに第二のフィラメント電流を印加するステップと、第一のフィラメント及び第二のフィラメントを収容する陰極アセンブリに第一のＸ線管電圧レベル及び第二のＸ線管電圧レベルを交互に印加するステップと、第一及び第二のフィラメントからの放出が管電圧に合わせてそれぞれ別個に制御可能となるように、陰極−陽極間隙に跨がる第一及び第二のＸ線管電圧レベルの印加時に、それぞれの第一及び第二のグリッド制御電極に第一及び第二のグリッド制御電圧を選択的に印加するステップと、焦点スポットにおいて発生されるＸ線から撮像情報を取得するステップと、この撮像情報を用いて画像を形成するステップとを含んでいる。

本発明のさらにもう一つの観点では、イメージング・システムが、走査される対象を収容する開口を有するガントリと、ガントリに結合されて、開口を通してＸ線を投射するように構成されているＸ線源とを含んでいる。Ｘ線源は、ターゲットと、陰極アセンブリとを含んでいる。陰極アセンブリは、ターゲットへ向けて第一の電子ビームを放出するように構成されている第一のフィラメントと、第一のフィラメントに結合されている第一のグリッド制御電極と、ターゲットへ向けて第二の電子ビームを放出するように構成されている第二のフィラメントと、第二のフィラメントに結合されている第二のグリッド制御電極とを含んでいる。このシステムは、第一の管電圧レベル及び第二の管電圧レベルへの陰極アセンブリの通電時に陰極アセンブリから放出される電子によって発生されるＸ線から撮像データを取得して、取得された撮像データを用いて画像を形成するように構成されている制御器を含んでいる。

他の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面は、本発明の各実施形態を実行するのに現状で思量される１又は複数の実施形態を図示する。
本発明の各実施形態を組み入れたＣＴイメージング・システムの見取り図である。図１に示すシステムのブロック模式図である。ＣＴシステム検出器アレイの一実施形態の遠近図である。検出器の一実施形態の遠近図である。Ｘ線管の陰極アセンブリであって、ターゲットの焦点スポットへ向けて放出を行なう２個のフィラメントを有する陰極アセンブリの図である。陰極アセンブリのグリッド制御動作の負荷サイクルのグラフ図である。一次元グリッド制御電極を結合させたフィラメントの遠近図である。本発明の一実施形態の組み入れから利益を享受し得る非侵襲型小包検査システムと共に用いられるＸ線システムの見取り図である。

Ｘ線源の応用としては、Ｘ線イメージング・システムにおいて用いられる撮像、医療、警備、及び産業検査の各応用等がある。

本発明の動作環境を６４スライス型計算機式断層写真法（ＣＴ）システムに関して説明する。しかしながら、当業者には、本発明が他のマルチ・スライス型構成での利用にも同等に適用可能であることを認められよう。本発明は、ＣＴシステムに限定されず、１又は複数のＸ線管を含む全ての形式のイメージング・システムに適用され得る。本発明を「第三世代」ＣＴスキャナに関して説明するが、本発明は他のＣＴシステムでも同等に適用可能である。

図１及び図２には、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム１０が、「第三世代」ＣＴスキャナに典型的なガントリ１２を含むものとして示されている。ガントリ１２はＸ線源１４を有し、Ｘ線源１４は、ガントリ１２の反対側に位置する検出器アセンブリ又はコリメータ１８へ向けてＸ線ビーム１６を投射する。本発明の各実施形態では、Ｘ線源１４は静止ターゲット又は回転ターゲットの何れかを含んでいる。検出器アセンブリ１８は、複数の検出器２０及びデータ取得システム（ＤＡＳ）３２によって形成されている。複数の検出器２０は、患者２２を透過する投射Ｘ線を感知し、ＤＡＳ３２は後続の処理のためにデータをディジタル信号へ変換する。各々の検出器２０が、入射Ｘ線ビームの強度を表わし従って患者２２を透過した減弱後のビームを表わすアナログ電気信号を発生する。Ｘ線投影データを取得するための１回の走査の間に、ガントリ１２及びガントリ１２に装着されている構成部品は回転中心２４の周りを回転する。

ガントリ１２の回転及びＸ線源１４の動作は、ＣＴシステム１０の制御機構２６によって制御される。制御機構２６は、Ｘ線源１４に電力及びタイミング信号を供給するＸ線制御器２８及び発生器２９と、ガントリ１２の回転速度及び位置を制御するガントリ・モータ制御器３０とを含んでいる。画像再構成器３４が、標本化されてディジタル化されたＸ線データをＤＡＳ３２から受け取って高速再構成を実行する。再構成された画像はコンピュータ３６への入力として印加され、コンピュータ３６は大容量記憶装置３８に画像を記憶させる。

コンピュータ３６はまた、キーボード、マウス、音声作動式制御器、又は他の任意の適当な入力装置のような何らかの形態の操作者インタフェイスを有するコンソール４０を介して、操作者から命令及び走査用パラメータを受け取る。付設されている表示器４２によって、操作者は、再構成された画像及びコンピュータ３６からのその他のデータを観測することができる。操作者が供給した命令及びパラメータはコンピュータ３６によって用いられて、ＤＡＳ３２、Ｘ線制御器２８及びガントリ・モータ制御器３０に制御信号及び情報を供給する。加えて、コンピュータ３６は、電動テーブル４６を制御するテーブル・モータ制御器４４を動作させて、患者２２及びガントリ１２を配置する。具体的には、テーブル４６は患者２２を図１のガントリ開口４８を通して全体として又は部分的に移動させる。

図３に示すように、検出器アセンブリ１８は、コリメート用ブレード又はプレート１９を間に配置したレール１７を含んでいる。プレート１９は、Ｘ線ビームが例えば検出器アセンブリ１８に配置された図４の検出器２０に入射する前にＸ線１６をコリメートするように配置される。一実施形態では、検出器アセンブリ１８は５７個の検出器２０を含んでおり、各々の検出器２０が６４×１６のアレイ寸法のピクセル素子５０を有している。結果として、検出器アセンブリ１８は６４列の横列及び９１２列の縦列（１６ｘ５７個の検出器）を有し、これによりガントリ１２の各回の回転によって６４枚の同時スライスのデータを収集することを可能にしている。

図４を参照すると、検出器２０はＤＡＳ３２を含んでおり、各々の検出器２０が、パック５１として構成されている多数の検出器素子５０を含んでいる。検出器２０は、検出器素子５０に対してパック５１の内部に配置されたピン５２を含んでいる。パック５１は、複数のダイオード５９を有する背面照射型ダイオード・アレイ５３の上に配置されている。次に、背面照射型ダイオード・アレイ５３は多層基材５４の上に配置されている。スペーサ５５が多層基材５４の上に配置されている。検出器素子５０は背面照射型ダイオード・アレイ５３に光学的に結合され、次に背面照射型ダイオード・アレイ５３は多層基材５４に電気的に結合される。軟質（フレックス）回路５６が、多層基材５４の面５７及びＤＡＳ３２に取り付けられている。検出器２０は、ピン５２の利用によって検出器アセンブリ１８の内部に配置される。

一実施形態の動作時には、検出器素子５０の内部に入射するＸ線がフォトンを発生し、フォトンがパック５１を横断することによりアナログ信号を発生して、この信号が背面照射型ダイオード・アレイ５３の内部のダイオードにおいて検出される。発生されるアナログ信号は、多層基材５４を通り、フレックス回路５６を通ってＤＡＳ３２まで運ばれて、ここでアナログ信号がディジタル信号へ変換される。

図５は、図１及び図２に示すシステム１０の一実施形態の各部を示す。システム１０は上述のように、Ｘ線源１４と、Ｘ線制御器２８及び発生器２９を含む制御器２６と、コンピュータ３６とを含んでいる。Ｘ線源１４は、ターゲット１００（ターゲットの縁端に隣接する視点から示す）と陰極アセンブリ１０２とを含んでおり、両者の間に間隙が形成されている。陰極アセンブリ１０２は、第一のフィラメント１０６を有する第一のフィラメント・カップ１０４と、第二のフィラメント１１０を有する第二のフィラメント・カップ１０８とを含む。フィラメント１０６、１１０は同寸法であるように図示されているが、当業者は、第一及び第二のフィラメント１０６、１１０は必ずしも同寸法でなくてもよく、一つの小型フィラメント及び一つの大型フィラメントとして構成され得ることを認められよう。かかる態様において、各フィラメントは一例では、所期のｍＡ放出に応じた寸法とされ、一方のフィラメントが低管電圧動作向けに設計され、他方のフィラメントが高管電圧動作向けに設計され得る。

本発明の各実施形態によれば、各々のフィラメント・カップ１０４、１０８が、それぞれのフィラメント１０６、１１０をグリッド制御する能力を含む。フィラメントをグリッド制御する能力は、当技術分野では理解されるように、典型的にはフィラメントに関して僅かに負電圧である電圧を印加して、フィラメントから放出される電子がグリッドに偏向されるようにすることを含んでおり、従って電子がターゲットに入射しないように急速にオフに切り換えることを可能にする。グリッド制御に用いられる電圧は典型的には、数千ボルト程度までであるので、応答時間はマイクロ秒程度となり、このようにして、当技術分野では他の場合であればｍＡとして指定されていた管電流の迅速で効率よい変調を可能にする。図５は、フィラメント１０６、１１０から放出される電子ビームに近接して配置された管電流又はｍＡグリッド制御電極の図を含んでいる。但し、電子の経路に配置される一次元グリッドを含む他の実施形態も同等に適用可能であり、このことについては後にあらためて説明する。

第一のフィラメント・カップ１０４は、第一のフィラメント１０６に近接して第一の対のｍＡグリッド制御電極１１２を含む。第二のフィラメント・カップ１０８も同様に、第二のフィラメント１１０に近接して第二の対のｍＡグリッド制御電極１１４を含む。第一のフィラメント１０６は、焦点スポット１１８へ向けて第一の電子ビーム１１６を放出するように配置され、第二のフィラメント１１０は、焦点スポット１１８へ向けて第二の電子ビーム１２０を放出するように配置される。各々の一対のグリッド制御電極１１２、１１４が、グリッド制御電圧を各フィラメントに適用するように構成される。第一のフィラメント１０６のｍＡグリッド制御電極１１２は線１２２を介してＸ線制御器２８に結合され、第二のフィラメント１１０のｍＡグリッド制御電極１１４は線１２４を介してＸ線制御器２８に結合される。発生器２９は、高電圧線１２６を介して陰極アセンブリ１０２に結合される。かかる態様で、高及び低管電圧を高電圧線１２６を介して陰極アセンブリ１０２に、選択的に、独立に、且つ交互に印加することができる。従って、各々のフィラメント１０６、１１０に印加される電圧は、高電圧線１２６を介して、またグリッド制御電極１１２、１１４を介して、選択的に且つ独立に制御され印加され得る。当業者は、本書に記載される動作は必ずしも単一のＸ線管構成に限定されず、任意のＸ線管構成に適用可能であることを認められよう。例えば、一実施形態ではＸ線管が接地陽極を有していてもよいし、もう一つの実施形態ではＸ線管は正電圧が陰極に印加され負電圧が陽極に印加される二極構成として動作してもよい。

第一及び第二のｍＡグリッド制御電極１１２、１１４に印加されるグリッド制御電圧は典型的には、数百ボルトと数千ボルトとの間にある。各々の一対のｍＡグリッド制御電極１１２、１１４はそれぞれ一対の電極として図示されているが、グリッド制御電極は代替的には各々単体の電極であってもよいことを理解されたい。換言すると、一例として、ｍＡグリッド制御電極１１２は開口又はアパーチャを有し、この開口又はアパーチャを通して電子を焦点スポット１１８へ向けて通過させるようにした単体であってよい。また、各々のグリッドに加えて、追加の集束及び偏向電極を設けて、さらに集束及び偏向を行なってもよいことを理解されたい。これにより、２本のビームを同時に動作させることにより生じ得る焦点スポット及び位置のシフトを補償する能力が提供される。

動作について述べると、本発明の各実施形態によれば、Ｘ線管１４の陰極アセンブリ１０２は、広いダイナミック・レンジのｍＡを与えることが可能である。ダイナミック・レンジの低域側端部では、第一及び第二の電子ビーム１１６、１２０の一方が、それぞれの第一及び第二の対のｍＡグリッド制御電極１１２、１１４を介して完全にオフにグリッド制御され、第一及び第二の電子ビーム１１６、１２０の他方が、それぞれの第一及び第二の対のｍＡグリッド制御電極１１２、１１４の他方を介して完全にオンとなるか、又は部分的に若しくは完全にオフにグリッド制御され得る。すると、管電圧又はエネルギ・レベルが低電圧レベルから高電圧レベルまで急速に切り換えられるのに伴って、ｍＡ又は焦点スポット１１８へのフィラメント放出は、フィラメントの一方又は両方からの放出を実質的にカットするグリッド制御電圧を介して呼応して制御され得る。かかる態様で、焦点スポット１１８への放出は、ゼロｍＡまでカットされてもよいし、例えば５ｍＡのような低ｍＡまでカットされてもよい。

ｍＡのダイナミック・レンジの他端すなわち高域側端部では、合計ｍＡが例えば１０００ｍＡを上回るようにするために、両方の電子ビーム１１６、１２０が焦点スポット１１８へ向けて同時に放出されるようにすることができる。当技術分野では理解されるように、各々の電子ビーム１１６、１２０は、各々のそれぞれのフィラメント１０６、１１０の動作温度を最大化することにより最大化され得る。さらに、焦点スポット１１８における合計ｍＡは、グリッド電極１１２、１１４に位置する各々の可能な集束電極に印加される集束電圧を選択的に制御することにより、可変的に又は無限に制御され得る。すると、本発明の各実施形態によれば、ゼロｍＡ（フィラメント１０６、１１０を両方とも完全にグリッド制御する）から完全ｍＡ（グリッド制御せずに各々のフィラメント１０６、１１０から最大放出を行なう）に到る完全なダイナミック・レンジを実現することができる。このように、管電圧が高管電圧から低管電圧まで急速に切り換えられるのに伴って、合計焦点スポットｍＡも同様に、対応する低ｍＡ及び高ｍＡまで所望に応じて急速に変調され得る。従って、高ｍＡが実現され得るような態様でフィラメント１０６、１１０を組み合わせた組から、合計ｍＡを焦点スポット１１８に放出することができる。

空間電荷のため、２本のビームは両方ともオンにされると互いに影響し合う。これにより、ビームの位置又はビームの焦点スポット寸法の何れかがシフトする。この位置及び／又は焦点スポット寸法のシフトは、シミュレーション又は実測の何れかを介して特性決定され得る。このシフトを補償する一つの方法は、ＣＴの画像再構成時にこれらの影響を較正して補償するものである。補償するもう一つの方法は、各々の電子ビーム１１６、１２０の位置及び／又は形状を独立に制御し得る機構を設けることである。このことは、グリッド制御電極１１２、１１４に近接して選択随意で配置され得るそれぞれの集束及び偏向電極１１３、１１５を介して達成され得る。こうすることにより、両方の位置及び形状が重なり合って焦点スポット１１８を形成するように各々の位置及び／又は形状を独立に制御することができる。一実施形態では、集束及び偏向電極の各々の対を、これらの電極に差電圧が印加され得るように互いから切り離してもよい。このように、追加の電極１１３、１１５を各々のフィラメント１０６、１１０の近傍に設けて、当技術分野で理解されているような作用範囲を提供することができる。換言すると、図示のような電極１１２、１１４の対は、焦点スポット１１８を形成するように用いられるときにｍＡ変調、ビーム成形、及びビーム配置を含めて多数の作用範囲を提供することができる。しかしながら、多数の電極１１３、１１５を別個に設けて、当技術分野で理解されるように焦点スポット配置、グリッド制御、長さ、幅、偏向、及び形状の制御を独立に制御することもできる。すると、画像再構成は、所載のように各電極を用いて独立に調節され得る焦点スポット形状及び焦点スポット寸法等を補償することにより強化され得る。かかる補償は、システム１０の制御器２８が焦点スポット形状、焦点スポット寸法、又は両方を特性決定した後に生じ得て、次いで電極に印加される電圧を呼応して調節する。

各々のフィラメント１０６、１１０からの放出は、例えば以下の実施形態に従って変調され得る。一実施形態では、フィラメント１０６、１１０を両方とも最高フィラメント温度に設定し、次いで、上述のようにグリッド制御電極１１２、１１４を介して別個に変調することができる。かかる態様では所載のように、焦点スポット１１８に放出される合計ｍＡは、約ゼロｍＡから、１０００ｍＡを超える場合もあり各々のフィラメント１０６、１１０の最高温度設定点によってのみ限定される最大値（両方のフィラメント１０６、１１０がグリッド制御されていないとき）まで動的に及び得る。このように、例えばそれぞれの対の電極１１２、１１４にグリッド制御電圧を与える能力によってのみ限定されるｍＡ変調速度（一例として典型的には１マイクロ秒程度）を可能にしつつ、極端な動作のための最大ｍＡを達成することができる（１０００ｍＡ以上）。

もう一つの実施形態では、一方のフィラメントを最高フィラメント温度に設定し、他方のフィラメントを最高温度の部分数に設定することができる。例として述べると、最高温度は低管電圧における望ましいｍＡに基づいて選択され、最高温度の部分数は高管電圧における望ましいｍＡに基づいて選択され得る。かかる態様で、グリッド制御電圧を低及び高管電圧の高速切り換えと共に印加することができ、グリッド制御動作は単純なオン・オフ動作となり、従ってマイクロ秒程度の応答ｍＡ変調を高速管電圧切り換えと共に可能にすることができる。

一実施形態によれば、各フィラメントの寸法を、低ｋＶｐ動作及び高ｋＶｐ動作、並びにフィラメント１０６、１１０の対応する放出に対応するようなものにすることができる。このようにして、フィラメント１０６、１１０を絶えず最高温度に保ち、次いで低及び高管電圧切り換えに対応して別個にグリッド制御することができる。一例として、第一のフィラメント１０６は第二のフィラメント１１０に対して小型のフィラメントであってよい。すると、第一のフィラメント１０６を高管電圧／低ｍＡ動作に対応する温度に設定し、第二のフィラメント１１０を低管電圧／高ｍＡ動作に対応する温度に設定することができる。従って、低管電圧から高管電圧への切り換えが生ずるのに伴って、グリッド制御を呼応して制御することができる。このように、フィラメントを、当技術分野では理解されるように例えば所期のｍＡ、焦点スポット寸法、形状、及び偏向の各能力に基づく適正な寸法とすることができる。さらに、この実施形態はまた、迅速で効率よいｍＡ変調を高速管電圧切り換えと共に可能にしつつ、所載のようにｍＡ放出の両極端が約ゼロｍＡから１０００ｍＡ以上にわたる完全ダイナミック・レンジを達成することを可能にする。

もう一つの実施形態によれば、放出及びｍＡ変調を、負荷サイクル制御方式を介して制御することができる。この動作について述べると、各々のフィラメント１０６、１１０を例えば最大放出に設定して、一方又は両方のグリッド制御電極の対を図６に示すような高速電圧パルス列に接続することができる。図６を参照して述べると、第一の負電圧２０２から第二の負電圧２０４にわたる電圧パルス列２００がグリッド制御電極１１２、１１４に印加され得る。電圧パルス列２００は、第一の負電圧２０２にある第一のパルス集合２０６と、第二の負電圧２０４にある第二のパルス集合２０８とを含んでいる。第一のパルス集合２０６の各々のパルスがパルス幅２１０を含んでおり、パルス２０６は、図示のように繰り返しサイクル２１２にわたって繰り返すパルスのパターンとして設定される。パルス２０６、２０８は、第一及び第二の負電圧２０２、２０４、パルス幅２１０、並びに繰り返しサイクル２１２の合計時間に基づく大きさ２１６を有する平均電圧２１４を生ずる。当業者は、図示の平均電圧２１４はこのように負荷サイクルの関数として一般に表現され得ることを認められよう。従って、当業者は、電圧パルス列２００の電極への印加が、パルス２０６、２０８の幅を考慮に入れ、またピーク負電圧２０４及び「谷」電圧２０２を考慮に入れてピークｍＡ及び負荷サイクルの関数として一般に表現され得る合成ｍＡを生ずることを認められよう。例えば、一例として、平均ｍＡは、１）第二のパルス集合２０８の負荷サイクルを第二の負電圧２０４倍したものに、２）第二のパルス集合２０８の負荷サイクルを第一の負電圧２０２倍したものを１から減じたものを加えたもの（［第二のパルス集合の負荷サイクル×第二の負電圧］＋［１−第二のパルス集合の負荷サイクル×第一の負電圧］）の関数として表現され得る。

図５ではＸ線管１４は、同図に図示されており焦点スポット１１８へ向けてそれぞれの第一及び第二の電子ビーム１１６、１２０を放出するように配置されている２個のフィラメント１０６、１１０を有するものとして示されているが、それぞれの電子ビームを焦点スポット１１８へ向けるように全てが配置され得る１又は多数の付加的なフィラメントを含めてもよいことを理解されたい。このように、本書の記載と一致して、各々のフィラメントは、複数の電子ビームが焦点スポット１１８へ向けられるように陰極アセンブリの内部のそれぞれのフィラメント・カップに配置され得る。一実施形態（図示されていない）では、１０個のフィラメントが、各々が焦点スポット１１８へ向けてそれぞれの電子ビームを放出するように、図５の陰極アセンブリ１０２のような陰極アセンブリの内部に配置される。

電圧パルス列２００はグリッド制御電極に印加され得る。すると、フィラメントからの放出が呼応して制御され得る。一例では、２００マイクロ秒のＣＴ取得ビューの窓において、多数のサイクルを有するパルス列を介してグリッド制御電極を制御することができ、従って上述のようにグリッド制御電極に印加される電圧を制御すると応答時間をマイクロ秒の単位にすることができる。

上述のような電極１１２又は１１４のような一対のグリッド制御電極の代わりに、一次元グリッド制御電極を用いてｍＡ放出をグリッド制御してもよい。ここで図７を参照して述べると、本発明の各実施形態によれば、図５のフィラメント１０６又は１１０のようなフィラメント３００が、フィラメント３００の近傍に一次元（１Ｄ）グリッド３０２を配置することによりグリッド制御され得る。上のグリッド制御電極１１２、１１４の場合と同様に、グリッド制御電圧は、オン・オフ動作又は負荷サイクルの何れかを用いて１Ｄグリッド３０２に印加され得る。すると、フィラメント３００からのｍＡを、所載のような１Ｄグリッド３０２に印加される電圧を介して制御することができる。一実施形態によれば、１Ｄグリッド３０２の桟材３０４が、フィラメント３００からの放出に最小の影響を及ぼすように配置され得る。当技術分野で公知のように、フィラメント３００からの放出は各々のフィラメント・コイル３０６から一様に行なわれるのではなく、限定しないが例として述べるとコイル径３０８、フィラメント桟材の径３１０、及びフィラメントに印加されるｋＶを含む多数の設計パラメータ及び動作パラメータの関数となる。フィラメント３００からの電子放出のプロファイルは、かかる設計パラメータ及び動作パラメータに基づいて、例えば経験的に又はコンピュータ・モデルによって決定されることができ、このプロファイルを用いて、放出が各々の桟材３０６の位置の関数として最小となる位置を決定することができる。決定された電子放出のプロファイルに基づいて、電圧が１Ｄグリッド３０２に印加されていないときにはフィラメント３００からの放出が最小の影響を受けるように１Ｄグリッド３０２をフィラメント３００に関して配置することができる。一例として、最小の放出が桟材の間３１２の等距離の位置に生ずるような一実施形態では、１Ｄグリッド３０２は、それぞれの桟材３１４が、対応する桟材３１６の間の等距離に最小放出位置が位置するように配置される。もう一つの実施形態では、桟材３１６は、コイル３０６の間の等距離に配置されるのではなく、代替的にこの配置から軸方向にずれて、前述のように経験的に又はコンピュータ・モデルによって決定されるような最小の放出を有する位置に配置される。さらにもう一つの実施形態では、１Ｄグリッド３０２は、桟材３１４によって形成される仮想的な平坦な表面が、電子が桟材３１４の間を通過する電子に対して全体的に垂直になるように配置され得る。但し、本発明はこのように限定されている訳ではなく、１Ｄグリッド３０２は、桟材３１４が傾き又は斜面を有し、電子が桟材３１４の間を通過するときに電子に対して全体的に垂直でなく数度以上傾斜するように配置されてもよい。

従って、１Ｄグリッド３０２は、前述のようにｍＡをグリッド制御する能力を与えつつグリッド３０２からの放出時に電子の放出に最小の影響を与えるように選択的に配置され得る。

図８は、非侵襲型小包検査システムと共に用いられるＸ線システム５００の見取り図である。Ｘ線システム５００は、小包又は手荷物を通過させ得る開口５０４を有するガントリ５０２を含んでいる。ガントリ５０２は、Ｘ線管５０６のような高周波電磁エネルギ源と、検出器アセンブリ５０８とを収容している。また、コンベヤ・システム５１０が設けられており、コンベヤ・システム５１０は、構造５１４によって支持されており走査のために小包又は手荷物５１６を自動的に連続的に開口５０４に通すコンベヤ・ベルト５１２を含んでいる。物体５１６をコンベヤ・ベルト５１２によって開口５０４に送り込み、次いで撮像データを取得し、コンベヤ・ベルト５１２によって開口５０４から小包５１６を除去することを、制御された連続的な態様で行なう。結果として、郵便物検査官、手荷物積み降ろし員及び他の警備人員が、爆発物、刃物、銃及び密輸品等について小包５１６の内容を非侵襲的に検査することができる。当業者は、ガントリ５０２が静止型であっても回転式であってもよいことを認められよう。ガントリ５０２の場合には、システム５００は、手荷物走査若しくは他の産業応用、又は医療応用向けのＣＴシステムとして動作するように構成され得る。

開示される方法及び装置の技術的寄与は、これらの方法及び装置がコンピュータ実装型の電子ビーム放出の制御を提供することである。

本発明の一実施形態によれば、Ｘ線管が、ターゲットと、陰極アセンブリとを含んでいる。陰極アセンブリは、ターゲットへ向けて第一の電子ビームを放出するように構成されている第一のフィラメントと、第一のフィラメントに結合されている第一のグリッド制御電極と、ターゲットへ向けて第二の電子ビームを放出するように構成されている第二のフィラメントと、第二のフィラメントに結合されている第二のグリッド制御電極とを含んでいる。

本発明のもう一つの実施形態によれば、多重エネルギ撮像の方法が、第一のＸ線管電圧レベルに基づいて第一のＸ線管電流を決定し、第二のＸ線管電圧レベルに基づいて第二のＸ線管電流を決定するステップと、第一のフィラメントに第一のフィラメント電流を印加し、第二のフィラメントに第二のフィラメント電流を印加するステップと、第一のフィラメント及び第二のフィラメントを収容する陰極アセンブリに第一のＸ線管電圧レベル及び第二のＸ線管電圧レベルを交互に印加するステップと、第一及び第二のフィラメントからの放出が管電圧に合わせてそれぞれ別個に制御可能となるように、陰極−陽極間隙に跨がる第一及び第二のＸ線管電圧レベルの印加時に、それぞれの第一及び第二のグリッド制御電極に第一及び第二のグリッド制御電圧を選択的に印加するステップと、焦点スポットにおいて発生されるＸ線から撮像情報を取得するステップと、この撮像情報を用いて画像を形成するステップとを含んでいる。

本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、イメージング・システムが、走査される対象を収容する開口を有するガントリと、ガントリに結合されて、開口を通してＸ線を投射するように構成されているＸ線源とを含んでいる。Ｘ線源は、ターゲットと、陰極アセンブリとを含んでいる。陰極アセンブリは、ターゲットへ向けて第一の電子ビームを放出するように構成されている第一のフィラメントと、第一のフィラメントに結合されている第一のグリッド制御電極と、ターゲットへ向けて第二の電子ビームを放出するように構成されている第二のフィラメントと、第二のフィラメントに結合されている第二のグリッド制御電極とを含んでいる。このシステムは、第一の管電圧レベル及び第二の管電圧レベルへの陰極アセンブリの通電時に陰極アセンブリから放出される電子によって発生されるＸ線から撮像データを取得して、取得された撮像データを用いて画像を形成するように構成されている制御器を含んでいる。

本発明の各実施形態は好適な実施形態に関して説明されており、明示的に述べた以外の均等構成、代替構成及び改変が可能であり特許請求の範囲内に含まれることを認められよう。

１０：計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム
１２：ガントリ
１４：Ｘ線源
１６：投射Ｘ線
１７：レール
１８：検出器アセンブリ
１９：コリメート用ブレード又はプレート
２０：検出器
２２：患者
２４：回転中心
２６：制御機構
２８：Ｘ線制御器
２９：発生器
３０：ガントリ・モータ制御器
３２：データ取得システム（ＤＡＳ）
３４：画像再構成器
３６：コンピュータ
３８：大容量記憶装置
４０：コンソール
４２：表示器
４４：テーブル・モータ制御器
４６：電動テーブル
４８：ガントリ開口
５０：検出器素子
５１：パック
５２：ピン
５３：背面照射型ダイオード・アレイ
５４：多層基材
５５：スペーサ
５６：軟質回路
５７：面
５９：複数のダイオード
１００：ターゲット
１０２：陰極アセンブリ
１０４：第一のフィラメント・カップ
１０６：第一のフィラメント
１０８：第二のフィラメント・カップ
１１０：第二のフィラメント
１１２：第一の対のｍＡグリッド制御電極
１１３、１１５：集束及び偏向電極
１１４：第二の対のｍＡグリッド制御電極
１１６：第一の電子ビーム
１１８：焦点スポット
１２０：第二の電子ビーム
１２２、１２４：線
１２６：高電圧線
２００：電圧パルス列
２０２：第一の負電圧
２０４：第二の負電圧
２０６：第一のパルス集合
２０８：第二のパルス集合
２１０：パルス幅
２１２：繰り返しサイクル
２１４：平均電圧
２１６：大きさ
３００：フィラメント
３０２：一次元（１Ｄ）グリッド
３０４：桟材
３０６：フィラメント・コイル
３０８：コイル径
３１０：桟材の径
３１２：桟材の間
３１４、３１６：桟材
５００：小包／手荷物検査システム
５０２：ガントリ
５０４：開口
５０６：高周波電磁エネルギ源
５０８：検出器アセンブリ
５１０：コンベヤ・システム
５１２：コンベヤ・ベルト
５１４：構造
５１６：小包又は手荷物

Claims

ターゲット（１００）と、
陰極アセンブリ（１０２）と
を備えたＸ線管（１４）であって、前記陰極アセンブリ（１０２）は、
前記ターゲット（１００）へ向けて第一の電子ビーム（１１６）を放出するように構成されている第一のフィラメント（１０６）と、
該第一のフィラメント（１０６）に結合され、複数の桟材（３０４）を含む一次元メッシュ（３０２）を含む第一のグリッド制御電極（１１２）であって、前記複数の桟材（３０４）の各々の桟材が、前記第一のフィラメント（１０６）のコイルの各ターンの前記一次元メッシュに最も近い位置で、前記第一のフィラメント（１０６）の巻線の間のそれぞれの間隙（３１２）に整列している、前記第一のグリッド制御電極（１１２）と、
前記ターゲット（１００）へ向けて第二の電子ビーム（１２０）を放出するように構成されている第二のフィラメント（１１０）と、
該第二のフィラメント（１１０）に結合されている第二のグリッド制御電極（１１４）と
を含んでいる、Ｘ線管（１４）。
前記陰極アセンブリ（１０２）は、第一の導線（１２２）を介して前記第一のグリッド制御電極（１１２）に第一のグリッド制御電圧を、また第二の導線（１２４）を介して前記第二のグリッド制御電極（１１４）に第二のグリッド制御電圧を選択的に印加するように構成されている、請求項１に記載のＸ線管（１４）。
前記陰極アセンブリ（１０２）は、第一の管電圧が当該陰極アセンブリ（１０２）と前記ターゲット（１００）との間の間隙に跨がって印加されているときには第一の望ましい放出を達成し、第二の管電圧が当該陰極アセンブリ（１０２）と前記ターゲット（１００）との間の前記間隙に跨がって印加されているときには第二の望ましい放出を達成するために、前記第一及び第二の電子ビーム（１１６、１２０）の放出を制御するように前記第一及び第二のグリッド制御電圧を選択的に印加するように構成されている、請求項２に記載のＸ線管（１４）。
前記第一及び第二のフィラメント（１０６、１１０）からの前記放出は、前記ターゲット（１００）に一つの焦点スポット（１１８）を形成するように同時に生ずる、請求項１乃至３のいずれかに記載のＸ線管（１４）。
前記陰極アセンブリ（１０２）は、放出が前記第一のフィラメント（１０６）及び前記第二のフィラメント（１１０）の一方のみから生ずるように構成されている、請求項１乃至４のいずれかに記載のＸ線管（１４）。
前記第二のグリッド制御電極（１１４）は、前記第一のグリッド制御電極（１１２）から独立に制御可能である、請求項１乃至５のいずれかに記載のＸ線管（１４）。
前記第一のフィラメント（１０６）及び前記第二のフィラメント（１１０）は、前記第一の電子ビーム（１１６）及び前記第二の電子ビーム（１２０）が両方とも前記ターゲットの同じ焦点スポット位置（１１８）に入射するように、予め決められた位置に向けて前記第一の電子ビーム（１１６）及び前記第二の電子ビーム（１２０）を放出するように配置されている、請求項１乃至６のいずれかに記載のＸ線管（１４）。
それぞれのグリッド制御電極（１１２）に近接して配置されて、各々のそれぞれの電子ビーム（１１６）がオフにグリッド制御されていないときにそれぞれの電圧によりバイアスされる集束及び偏向電極の一つ（１１３）をさらに含んでいる請求項１乃至７のいずれかに記載のＸ線管（１４）。
前記陰極アセンブリ（１０２）は、当該陰極アセンブリ（１０２）に印加される管電圧レベルが前記第一のフィラメント（１０６）及び前記第二のフィラメント（１１０）の両方ともに印加されるように構成されている、請求項１乃至８のいずれかに記載のＸ線管（１４）。