JP5812679B2

JP5812679B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置

Info

Publication number: JP5812679B2
Application number: JP2011107558A
Authority: JP
Inventors: 早苗原田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2015-11-17
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: JP2012235935A

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ装置）に関する。

近年、管電圧スイッチング制御や、心電同期制御において、Ｘ線管電流の高速応答は性能及び被曝低減という観点で重要となっている。Ｘ線管電圧・管電流変調制御時の波形の例を図５に示す。管電圧スイッチング制御時は、管電流も管電圧の変動に追従した波形が必要となり、高速な応答が必要となる。また、心電同期などの管電流変調時は、管電流を高速で制御することにより、不要なＸ線を低減することが望ましい。

従来の管電流制御技術は、陰極・陽極の２極構造を有する２極Ｘ線管と、陰極・陽極・バイアス電極の３極構造を有する３極Ｘ線管について次の通りである。

まず、バイアス電極を持たない、２極Ｘ線管の場合、Ｘ線管電流はフィラメント電流の調整により制御される。管電流の周波数応答は陰極フィラメントの熱時定数に依存するため、図５の要求に対し管電流が追従できず、Ｘ線管電流はフィラメント電流に対して図６に示すように遅延する。これにより線量不足や不要被曝が発生することがある。

次に３極Ｘ線管の場合は、図７、図８に示すバイアス電圧は、事前に特定されている管電流との関係に基づいて制御される。周波数応答の遅い陰極フィラメント電流ではなく、バイアス電圧を調整することで、管電流の周波数応答性を改善する方式である。

しかし、バイアス電圧が印加されると、管電流が減少するだけでなく、焦点サイズも縮小され、最終的には焦点がなくなり、電子ビームがカットされ管電流が”０ｍＡ“になる。この電圧をカットオフ電圧という。低い管電流領域で制御を行う場合、バイアス電圧はカットオフ電圧に近い値を印加することとなり、焦点サイズが著しく小さくなり、図６に示すように実際の管電流波形は不安定になり、安定した制御が難しい。

目的は、三極Ｘ線管におけるＸ線発生の制御性を向上することにある。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置されるバイアス電極とを有するＸ線管と、前記Ｘ線管から発生され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する画像再構成部と、前記陰極と前記陽極との間に印加される管電圧を発生する高電圧電源と、前記陰極のフィラメントに供給されるフィラメント電流を発生するフィラメント加熱電源と、前記陰極と前記陽極との間の管電流を制御するために前記バイアス電極に印加されるバイアス電圧を発生するバイアス電源と、前記高電圧電源と前記フィラメント加熱電源と前記バイアス電源とを制御するＸ線制御部とを具備し、前記Ｘ線制御部は、前記管電圧を継続的に印加させ、前記フィラメント電流を継続的に供給させ、前記バイアス電圧をパルス列として印加させるとともに、前記バイアス電圧のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を経時的に変化させる。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。図１のＸ線高電圧電源の構成を示す図である。図１のＸ線制御部によるバイアス電圧制御を示す図である。図１のＸ線制御部による他のバイアス電圧制御を示す図である。従来のＸ線制御を示す図である。従来のバイアス電圧制御による不具合を示す図である。バイアス電圧と管電流との相関を示す図である。バイアス電圧と管電流との相関を示す図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置を説明する。
本実施形態のＸ線管は陰極と、陽極と、陰極と陽極との間に配置されるバイアス電極とを有する三極Ｘ線管である。バイアス電極に印加するバイアス電圧はパルス列として発生される。バイアス電圧のパルス幅とパルス繰り返し周波数との少なくとも一方は経時的に変化される。それによりＸ線発生の制御性が向上する。

なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置には、Ｘ線管と放射線検出器とが１体として被検体の周囲を回転する回転／回転タイプと、リング状に多数の検出素子がアレイされ、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転する固定／回転タイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本実施形態を適用可能である。ここでは、現在、主流を占めている回転／回転タイプとして説明する。また、１スライスの断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データが、またハーフスキャン法でも１８０°＋α（α：ファン角）分の投影データが必要とされる。いずれの再構成方式にも本発明を適用可能である。ここでは、前者の例で説明する。また、入射Ｘ線を電荷に変換するメカニズムは、シンチレータ等の蛍光体でＸ線を光に変換し更にその光をフォトダイオード等の光電変換素子で電荷に変換する間接変換形と、Ｘ線による半導体内の電子正孔対の生成及びその電極への移動すなわち光導電現象を利用した直接変換形とが主流である。Ｘ線検出素子としては、それらのいずれの方式を採用してもよい。また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器との複数のペアを回転リングに搭載したいわゆる多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいる。本実施形態では、従来からの一管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であっても、多管球型のＸ線コンピュータ断層撮影装置であってもいずれにも適用可能である。ここでは、一管球型として説明する。

図１、図２は本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示している。このＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集するために構成された架台１と、架台１の制御及び画像再構成等の各種信号処理に必要な複数のモジュールを収容する操作卓（コンソールともいう）２とを有する。架台１は、Ｘ線管装置１２とＸ線検出器１４とを有する。Ｘ線管装置１２とＸ線検出器１４は、回転駆動されるリング状のフレーム１１に搭載される。Ｘ線管装置１２と多チャンネル型Ｘ線検出器１４は、撮影時に被検体が挿入される撮影領域Ｓを挟んで対向する。一般的にＤＡＳ(data acquisition system) と呼ばれているデータ収集部１５は、Ｘ線検出器１４からチャンネルごとに出力される信号を電圧信号に変換し、増幅し、さらにディジタル信号（投影データという）に変換してから出力する。操作卓２は、操作者がスキャン条件等を入力するための操作部２２と、操作者により設定されたスキャン条件に従って装置全体を制御してスキャンを実行するための制御部２１と、データ収集部１５で収集された投影データに基づいて断層面またはボリュームに関する画像データを再構成するデータ再構成部２３とを有する。

上記Ｘ線管装置１２は、真空状態で密閉される三極Ｘ線管１２１を有する。三極Ｘ線管１２１は、回転陽極１２２、それに対向する陰極１２４、そして陽極１２２と陰極１２４との間に配置されるバイアス電極１２５とを収容する。バイアス電極１２５に印加される電圧によりＸ線の発生と停止とを制御することができる。

Ｘ線高電圧電源ユニット１３は、高電圧電源１３１、フィラメント加熱電源１３２、バイアス電源１３３を有する。高電圧電源１３１は、Ｘ線制御部１６からの制御信号に従って、陽極１２２と陰極１２４との間に印加される高電圧（管電圧）を出力し、また停止する。フィラメント加熱電源１３２は、Ｘ線制御部１６からの制御信号に従って、陰極１２４のフィラメントに供給されるフィラメント電流を出力し、また停止する。バイアス電源１３３は、バイアス電極１２５に印加されるバイアス電圧を発生するインバータ式電源であり、Ｘ線制御部１６からの制御パルスに同期するスイッチング素子によりパルス系列としてバイアス電圧を発生する。バイアス電極１２５の電位は、ゼロと、陰極１２４の電位と等価またはそれより低いマイナス極性の電位（カットオフ電圧）との間で変位する。図３に示すようにカットオフ電位が維持されている期間をパルス幅ＰＷ、カットオフ電位の発生周期をパルス周期ＰＳとする。バイアス電位がゼロのとき、陰極１２４のフィラメントから発生される熱電子がバイアス電極１２５を通過して回転陽極１２２のタングステン等のターゲット１２３に衝突し管電流が流れる。バイアス電位がカットオフ電位のとき、陰極１２４のフィラメントから発生される熱電子がバイアス電極１２５で遮断され管電流は流れない。

図３に示すように、スキャン期間中においては、管電圧が継続的に印加され、フィラメント電流が継続的に供給されるとともにバイアス電圧のデューティー比（ＰＷ／ＰＳ）が経時的に変化されることによりパルスＸ線の発生とその停止とが制御される。デューティー比を変化させるために、バイアス電圧のパルス幅ＰＷとパルス繰り返し周波数（スイッチング周波数ｆsw、１／ＰＳ）との少なくとも一方が経時的に変化される。図３の例では、スイッチング周波数ｆswは一定に保たれ、パルス幅ＰＷが変化される。

バイアス電圧を連続的に変化させる従来の方式では、低い管電流領域での安定した制御が困難であった。本実施形態では、バイアス電源１３３にリニアアンプではなく、ＯＮ−ＯＦＦスイッチング可能な例えばチョッパ形電源を採用し、バイアス電圧を図３に示すようにＶb0とカットオフ電圧Ｖbcutの間で高速スイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）させパルスのデューティー比を変化することにより、管電流を制御する。デューティー比は、ゼロ又はその近似値から、１又はその近似値まで連続的に変化される。

なお、バイアス電源１３３のスイッチング周波数ｆswを管電流の応答速度より十分速く、例えば数十〜１００ｋＨｚの範囲から選択することにより、電流検出部１７で検出される管電流は図３の実線のような波形になり安定した制御が可能となる。

さらに、バイアス電圧のスイッチング周波数ｆswをデータ収集部１５のサンプリング速度（数ｋＨｚ）の例えば１０倍以上として数十ｋＨｚ以上であって、管電流の応答速度を基準とした周波数（数十〜１００ｋＨｚ）よりも低い周波数に設定する場合は、管電流検出部１７に数十ｋＨｚのフィルタ（平均化回路）を追加することが好ましい。この場合、実際の管電流波形は、図３の点線で示す波形を示すことになるが、管電流検出部１７の波形は図３に実線で示す連続波形を得られる。また、スイッチング周波数がデータ収集部１５のサンプリング速度よりも十分速いため、スイッチングされたＸ線は１サンプリング内で積分されるため、データ収集部１５で検出されるＸ線量は平均化されスイッチングの影響は画像には表れない。

バイアス電圧のパルス制御としては、以下のように制御する。バイアス電源１３３のパルス周波数を一定のもとでパルス幅ＰＷを拡大していくと、バイアス電極１２５にカットオフ電圧を印加している期間は陰極１２４からの電子がカットされるため、管電流は低くなる。パルス幅ＰＷを狭くしていくと、管電流は高くなる。図４に示すように、パルス幅ＰＷを一定として、スイッチング周波数ｆswを連続的に変化させることでデューティー比を連続的に変化させるようにしてもよいし、パルス幅ＰＷとスイッチング周波数ｆswとの両方を変化させることでデューティー比を連続的に変化するようにしてもよい。

スイッチング周波数ｆswを非常に高くしていくと、パルス幅ＰＷは狭くなっていき、パルス出力が難しくなっていく。この場合は、デューティー比制御に加えて、管電流領域により出力電圧可変制御と、パルス出力制御を切り替えて制御することで対応する。低い管電流領域では、焦点が著しく小さくなるカットオフ領域付近での制御となるため、バイアス電圧はパルス出力制御とし、焦点が著しく小さくならないような管電流領域では、バイアス電圧をリニアに変えて制御する。

本実施形態のように管電流制御をバイアス電圧のパルス系列のデューティー比制御により実現んすることにより、管電流、管電流変調制御をより低い管電流領域でも高速且つ安定に制御することができ、不要な被曝を低減することが可能となる。

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同様に、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ものである。

１…架台、２…操作卓、１１…回転フレーム、１２…Ｘ線管装置、１３…Ｘ線高電圧電源ユニット、１４…Ｘ線検出器、１５…データ収集部、１７…管電流検出部、２１…制御部、２２…操作部、２３…データ再構成部、１２１…三極Ｘ線管、１２２…回転陽極、１２４…陰極、１２５…バイアス電極、１３１…高電圧電源、１３２…フィラメント加熱電源、１３３…バイアス電源。

Claims

陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置されるバイアス電極とを有するＸ線管と、
前記Ｘ線管から発生され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する画像再構成部と、
前記陰極と前記陽極との間に印加される管電圧を発生する高電圧電源と、
前記陰極のフィラメントに供給されるフィラメント電流を発生するフィラメント加熱電源と、
前記陰極と前記陽極との間の管電流を制御するために前記バイアス電極に印加されるバイアス電圧を発生するバイアス電源と、
前記高電圧電源と前記フィラメント加熱電源と前記バイアス電源とを制御するＸ線制御部とを具備し、
前記Ｘ線制御部は、前記管電圧を継続的に印加させ、前記フィラメント電流を継続的に供給させ、前記バイアス電圧をパルス列として印加させるとともに、前記バイアス電圧のパルス幅およびパルス繰り返し周波数を経時的に変化させることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
陰極と、陽極と、前記陰極と前記陽極との間に配置されるバイアス電極とを有するＸ線管と、
前記Ｘ線管から発生され、被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する画像再構成部と、
前記陰極と前記陽極との間に印加される管電圧を発生する高電圧電源と、
前記陰極のフィラメントに供給されるフィラメント電流を発生するフィラメント加熱電源と、
前記陰極と前記陽極との間の管電流を制御するために前記バイアス電極に印加されるバイアス電圧を発生するバイアス電源と、
前記高電圧電源と前記フィラメント加熱電源と前記バイアス電源とを制御するＸ線制御部とを具備し、
前記Ｘ線制御部は、
前記管電圧を継続的に印加させ、前記フィラメント電流を継続的に供給させ、前記バイアス電圧をパルス列として印加させるとともに、前記バイアス電圧のパルス幅とパルス繰り返し周波数との少なくとも一方を経時的に変化させ、
前記バイアス電圧のパルス幅とパルス繰り返し周波数との少なくとも一方とともに、前記バイアス電圧の電圧値を変化させることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記パルス繰り返し周波数は、前記管電流の応答速度の逆数よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記Ｘ線検出器の出力には、前記Ｘ線検出器の出力信号を所定のサンプリング周波数でディジタル信号に変換する機能を有するデータ収集部が接続され、
前記パルス繰り返し周波数は、前記サンプリング周波数よりも高いことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
前記管電流を検出する電流検出部をさらに備え、
前記Ｘ線制御部は、前記電流検出部で検出された管電流値に基づいて前記パルス幅とパルス繰り返し周波数との少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。