JP5959866B2 - Ｘ線管装置及びｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明はX線管装置及びX線CT(Computed Tomography)装置に係わり、特に高温環境下あるいは真空雰囲気において使用される玉軸受に関する。

X線CT装置とは、被検体にX線を照射するX線管装置と、被検体を透過したX線量を投影データとして検出するX線検出器と、を被検体の周囲で回転させることにより得られる複数角度からの投影データを用いて被検体の断層画像を再構成し、再構成された断層画像を表示するものである。X線CT装置で表示される画像は、被検体の中の臓器の形状を描写するものであり、画像診断に使用される。

近年のX線CT装置の開発では、X線管装置とX線検出器を搭載したスキャナをより高速に回転させることで撮影時間の短縮化が図られている。スキャナの回転が高速になっても断層画像の画質を維持するにはX線管装置から発生させる単位時間あたりのX線量を高くする必要がある。X線量を高くするには、管電流を大きくしなければならず、X線管内で発生する熱量は大きくなる。X線管内で発生する熱量は、X線管に対しいくつかの弊害をもたらす。例えば、陽極の過熱によるX線ターゲットの溶融、陽極の回転軸の熱膨張、特に玉軸受の部分的な熱膨張による回転不良、といった弊害の原因となる。

そこで、X線ターゲット側の玉軸受の部分的な熱膨張による回転不良を抑制するために、特許文献1には、熱膨張時の玉軸受の予圧が適正になるように玉と外輪とのラジアル隙間を大きくしたX線管回転陽極や、玉の材質を熱膨張係数の小さな材料、例えばセラミック等としたX線管回転陽極が開示されている。

特許2689561号公報

しかしながら、特許文献1に開示されているように、玉と外輪とのラジアル隙間を大きくしたり、玉の材質を熱膨張係数の小さな材料としたりするだけでは、X線ターゲット側の玉軸受の固体潤滑材の蒸散やスピン滑りの増大による潤滑機能の低下を抑制することができない。潤滑機能の低下は、回転騒音を発生させ、X線管装置の寿命を短くする。

そこで本発明の目的は、玉軸受の潤滑機能の低下を抑制できる構造のX線管装置を提供すること、及びそのX線管装置を搭載するX線CT装置を提供することである。

上記目的を達成するために本発明は、電子線が照射されることでX線を放射する陽極と、前記陽極を回転させる陽極回転駆動部を備えたX線管装置であって、前記陽極回転駆動部は、前記陽極の回転軸方向に複数の玉軸受を有しており、前記陽極に近い側の玉軸受の固体潤滑材の融点が前記陽極から遠い側の玉軸受の固体潤滑材の融点よりも高いことを特徴とする。

また、前記X線管装置と、前記X線管装置に対向配置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線管装置と前記X線検出器を搭載し前記被検体の周囲を回転する回転円盤と、前記X線検出器により検出された複数角度からの透過X線量に基づき前記被検体の断層画像を再構成する画像再構成装置と、前記画像再構成装置により再構成された断層画像を表示する画像表示装置と、を備えたX線CT装置である。

本発明によれば、玉軸受の固体潤滑材の潤滑機能の低下を抑制できる構造のX線管装置を提供すること、及びそのX線管装置を搭載するX線CT装置を提供することができる。

本発明のX線CT装置の全体構成を示すブロック図 本発明のX線管装置の全体構成を示す図 本発明のX線管装置の陽極周辺を示す図 本発明の玉軸受の構成を示す図

以下、添付図面に従って本発明に係るX線CT装置の好ましい実施形態について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図1を用いて本発明を適用したX線CT装置1の全体構成を説明する。X線CT装置1はスキャンガントリ部100と操作卓120とを備える。

スキャンガントリ部100は、X線管装置101と、回転円盤102と、コリメータ103と、X線検出器106と、データ収集装置107と、寝台105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、を備えている。X線管装置101は寝台105上に載置された被検体にX線を照射する装置である。コリメータ103はX線管装置101から照射されるX線の放射範囲を制限する装置である。回転円盤102は、寝台105上に載置された被検体が入る開口部104を備えるとともに、X線管装置101とX線検出器106を搭載し、被検体の周囲を回転するものである。X線検出器106は、X線管装置101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線検出素子を回転円盤102の回転方向に配列したもの、若しくは回転円盤102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107は、X線検出器106で検出された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102の回転を制御する装置である。寝台制御装置109は、寝台105の上下前後左右動を制御する装置である。X線制御装置110はX線管装置101に入力される電力を制御する装置である。

操作卓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、データ収集装置107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107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。

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線管装置101に入力される電力を制御することにより、X線管装置101は撮影条件に応じたX線を被検体に照射する。X線検出器106は、X線管装置101から照射され被検体を透過したX線を多数の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102はガントリ制御装置108により制御され、入力装置121から入力された撮影条件、特に回転速度などに基づいて回転する。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線管装置101からのX線照射とX線検出器106による透過X線分布の計測が回転円盤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。

回転円盤102の開口部104の大きさ及びスキャンガントリ部100の厚さによっては、被検体に圧迫感を与えることがあるので、開口部104は大きく、スキャンガントリ部100は薄いことが望ましい。開口部104の大きさ及びスキャンガントリ部100の厚さは、回転円盤102の搭載物の大きさに依存するので、搭載物の一つであるX線管装置101はより小型であることが好ましい。

図2を用いて、X線管装置101の構成について説明する。X線管装置101は、X線を発生するX線管210と、X線管210を収納する容器220とを備える。

X線管210は、電子線を発生する陰極211と、陰極211に対し正の電位が印加される陽極212と、陰極211と陽極212を真空雰囲気中に保持する外囲器213とを備える。

陰極211はフィラメントもしくは冷陰極と、集束電極とを備える。フィラメントはタングステンなどの高融点材料をコイル状に巻いたものであり、電流が流されることにより加熱され、熱電子を放出する。冷陰極はニッケルやモリブデンなどの金属材料を鋭利に尖らせてなるもので、陰極表面に電界が集中することで電界放出により電子を放出する。集束電極は、放出された電子を陽極212上のX線焦点へ向けて集束させるための集束電界を形成する。フィラメントもしくは冷陰極と、集束電極とは同電位である。

陽極212はターゲットと陽極母材とを備える。ターゲットはタングステンなどの高融点で原子番号の大きい材質で構成される。ターゲット上のX線焦点に陰極211から放出された電子が衝突することにより、X線焦点からX線217が放射される。陽極母材はターゲットを保持し、銅などの熱伝導率の高い材質からなる。ターゲットと陽極母材とは同電位である。

外囲器213は陰極211と陽極212の間を電気的に絶縁するために、陰極211と陽極212を真空雰囲気中に保持する。外囲器213にはX線217をX線管210外へ放射するための放射窓218が備えられる。放射窓218は、X線透過率が高いベリリウムなどの原子番号の小さい材質で構成される。放射窓218は後述する容器220にも備えられる。外囲器213の電位は接地電位である。

陰極211から放出された電子は、陰極と陽極との間に印加される電圧により加速され電子線216となる。電子線216が集束電界により集束されてターゲット上のX線焦点に衝突すると、X線焦点からX線217が発生する。発生するX線のエネルギーは、陰極と陽極との間に印加される電圧、いわゆる管電圧によって決まる。発生するX線の線量は、陰極から放出される電子の量いわゆる管電流と、管電圧によって決まる。

電子線216のエネルギーの内、X線に変換される割合は1％程度に過ぎず、残りのほとんどのエネルギーは熱となる。医療用のX線CT装置1に搭載されるX線管装置101では、管電圧は百数十kV、管電流は数百mAであるので、陽極212は数十kＷの熱量で加熱される。このような加熱により陽極212が過熱溶融することを防止するため、陽極212は回転体支持機構215に接続されており、回転体支持機構215の駆動により、図2中の1点鎖線219を回転軸として回転する。回転体支持機構215は、励磁コイル214が発生した磁界を回転駆動力として駆動する。陽極212を回転させることで、電子線216が衝突する部分であるX線焦点が常に移動するので、X線焦点の温度をターゲットの融点より低く保つことができ、陽極212が過熱溶融することを防止できる。

X線管210と励磁コイル214とは、容器220の中に収納される。容器220の中には、冷却媒体である冷却水もしくはX線管210を電気的に絶縁するとともに冷却媒体となる絶縁油が充填される。容器220内に充填された冷却水もしくは絶縁油は、X線管装置101の容器220に接続された配管を通じて冷却器に導かれ、冷却器にて熱を放散した後、配管を通じて容器220内に戻される。

X線焦点で発生した熱により陽極212は平均温度1000℃程度となる。発生した熱の大半は陽極212の表面から輻射により外囲器213へ放熱され、残りの熱は熱伝導により回転体支持機構215を通じて外囲器213へ流れる。回転体支持機構215へ流れた熱は様々な弊害の原因となるので、回転体支持機構215における熱対策を講じる必要がある。

図3を用いて、陽極212に接続される回転体支持機構215について詳細に説明する。図3は陽極212周辺の構造を示す図である。回転体支持機構215は、陽極212が陰極211と対向する面の裏側に接続され、固定部300と、陽極側玉軸受8と、端部側玉軸受9と、回転軸部7と、回転円筒部301と、を備えている。

固定部300は、円筒形状を有しており、一端が外囲器213に支持される。固定部300の内面には陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9とが保持される。

陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9とは、回転軸部7を固定部300に対して回転可能に支持するものである。陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9との詳細については後述する。

回転軸部7は、円柱形状を有しており、固定部300の内側に配置される。回転軸部7には回転円筒部301が接続され、回転円筒部301には陽極212が接続される。回転円筒部301と回転軸部7との間には、伝熱量を抑制するために熱伝導率の低い金属、例えばステンレス鋼を介在させても良い。

回転円筒部301は円筒形状を有しており、回転円筒部301の内側には固定部300及び回転軸部7が配置される。回転円筒部301は、励磁コイル214が発生した磁界を受けることにより、1点鎖線219を回転軸として回転する。回転円筒部301の回転に伴い、回転円筒部301に接続される陽極212と回転軸部7も1点鎖線219を回転軸として回転する。以降の説明では、陽極212の回転軸を、符号219を用いて回転軸219と呼ぶ。

図4を用いて、陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9について詳細に説明する。陽極側玉軸受8は、回転軸方向において陽極212に近い側に配置され、陽極側内輪軌道溝8cと陽極側外輪軌道溝8aと陽極側玉82とを有する。端部側玉軸受9は、回転軸方向において陽極212から遠い側に配置され、陽極側玉軸受8と同様に、端部側内輪軌道溝9cと端部側外輪軌道溝9aと端部側玉92とを有する。陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9とはインテグラル型の玉軸受であっても良い。

陽極側内輪軌道溝8cと端部側内輪軌道溝9cは、回転軸部7の外周に形成された溝である。回転軸219と平行であって回転軸219を含む断面において、陽極側内輪軌道溝8cと端部側内輪軌道溝9cとは円弧形状を有する。

陽極側外輪軌道溝8aと端部側外輪軌道溝9aは、円環形状を有する陽極側外輪81と端部側外輪91との内周面にそれぞれ形成される溝である。回転軸219と平行であって回転軸219を含む断面において、陽極側外輪軌道溝8aと端部側外輪軌道溝9aとは円弧形状を有する。
陽極側外輪81と端部側外輪91は、回転軸部7と同心であって、陽極側内輪軌道溝8cと陽極側外輪軌道溝8aとが対向するように、また端部側内輪軌道溝9cと端部側外輪軌道溝9aとが対向するように、固定部300の内周面に配置される。陽極側外輪81と端部側外輪91とは、円筒型の間座11と断面がC型形状を有するCスペーサ12とによって、回転軸219方向に所定の間隔で配置される。

陽極側玉82及び端部側玉92は球形状を有している。陽極側玉82は陽極側内輪軌道溝8cと陽極側外輪軌道溝8aとの間に、端部側玉92は端部側内輪軌道溝9cと端部側外輪軌道溝9aとの間に、回転軸219を中心とする円周方向にそれぞれ複数配置される。陽極側玉82の半径は陽極側内輪軌道溝8c及び陽極側外輪軌道溝8aの曲率半径よりも小さく設定され、端部側玉92の半径は端部側内輪軌道溝9c及び端部側外輪軌道溝9aの曲率半径よりも小さく設定される。

陽極側内輪軌道溝8cと陽極側外輪軌道溝8aとの間で陽極側玉82が、また端部側内輪軌道溝9cと端部側外輪軌道溝9aとの間で端部側玉92がそれぞれ転動することで、回転軸部7が陽極側外輪81及び端部側外輪91に対して回転可能に支持される。陽極側玉82及び端部側玉9が陽極側内輪軌道溝8c及び陽極側外輪軌道溝8aとの導電性を保ちつつ、真空雰囲気において円滑に転動可能とするために、陽極側玉82及び端部側玉92の表面には、金属性の固体潤滑材がコーティングされる。

なお、陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9の組み立ての際には、回転軸部7の外周に形成された陽極側内輪軌道溝8c及び端部側内輪軌道溝9cに、陽極側玉82と陽極側外輪81及び端部側玉92と端部側外輪91を対向させ、陽極側外輪81と端部側外輪91との間に間座11を配置して組み付ける。その後、間座11と端部側外輪91との間にCスペーサ12が挿入される。

回転体支持機構215に流れ込む熱により、陽極側玉軸受8と端部側玉軸受9は温度上昇し、熱源である陽極212からの距離に応じて温度分布が生じる。すなわち、陽極側玉軸受8は300℃を超える場合があるのに対し、端部側玉軸受9は300℃未満に保たれる。このような温度上昇は、陽極側玉軸受8の潤滑機能に以下のような悪影響をもたらす。

陽極側玉軸受8が温度上昇すると、陽極側玉82の表面にコーティングされた固体潤滑材が蒸散し、陽極側玉軸受8の潤滑機能を低下させる場合がある。そこで本実施例では、陽極側玉軸受8に用いられる固体潤滑材を端部側玉軸受9に用いられる固体潤滑材に比べて融点の高いものとする。具体的には、陽極側玉軸受8には金や銀といった融点の高い金属を固体潤滑材として用いる。一方、端部側玉軸受9には鉛や錫といった融点の低い金属を固体潤滑材として用いる。

このようにすることにより、陽極側玉軸受8の温度上昇にともなう陽極側玉軸受8に用いられた固体潤滑材の蒸散を防止でき、その結果、玉軸受の潤滑機能の低下を抑制できる。

また、陽極側玉軸受8が温度上昇すると、陽極側内輪軌道溝8cと陽極側玉82と陽極側外輪軌道溝8aとがそれぞれ熱膨張し、陽極側内輪軌道溝8cと陽極側玉82との接触面積、または陽極側玉82と陽極側外輪軌道溝8aとの接触面積が大きくなる。接触面積が大きくなると玉と軌道溝との間の摩擦を増大させ、陽極側玉軸受8の潤滑機能を低下させる。そこで本実施例では、陽極側内輪軌道溝8cの曲率半径を端部側内輪軌道溝9cの曲率半径よりも大きく設定する。または、陽極側外輪軌道溝8aの曲率半径を端部側外輪軌道溝9aの曲率半径よりも大きく設定する。さらに伝熱経路を考慮すると、陽極側内輪軌道溝8cのほうが陽極側外輪軌道溝8aよりも温度上昇が大きいので、陽極側内輪軌道溝8cの曲率半径を陽極側外輪軌道溝8aの曲率半径より大きくすることが好ましい。

このようにすることにより、陽極側玉軸受8の温度上昇にともなう陽極側内輪軌道溝8cと陽極側玉82との接触面積の増大、または陽極側玉82と陽極側外輪軌道溝8aとの接触面積の増大を低減でき、その結果、玉軸受の潤滑機能の低下を抑制できる。

本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態では、玉軸受が回転軸方向に2つ備えられた場合について説明したが、玉軸受が回転軸方向に3つ以上備えられていても良い。すなわち、3つ以上の場合であっても、陽極に近い側の固体潤滑材の融点を高くする、もしくは陽極に近いほど軌道溝の曲率半径を大きくすれば良い。

1 X線CT装置、100 スキャンガントリ部、101 X線管装置、102 回転円盤、103 コリメータ、104 開口部、105 寝台、106 X線検出器、107 データ収集装置、108 ガントリ制御装置、109 寝台制御装置、110 X線制御装置、120 操作卓、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、210 X線管、211 陰極、212:陽極、213 外囲器、214 励磁コイル、215 回転体支持、216 電子線、217 X線、218 放射窓、219 回転軸、220 容器、300 固定部、301 回転円筒部、7 回転軸部、8 陽極側玉軸受、8a 陽極側外輪軌道溝、8c 陽極側内輪軌道溝、81 陽極側外輪、82 陽極側玉、9 端部側玉軸受、9a 端部側外輪軌道溝、9c 端部側内輪軌道溝、91 端部側外輪、92 端部側玉、11 間座、12 Cスペーサ

Claims (4)

1. 電子線が照射されることでＸ線を放射する陽極と、前記陽極を回転させる陽極回転駆動部を備えたＸ線管装置であって、
   前記陽極回転駆動部は、前記陽極の回転軸方向に複数の玉軸受を有しており、
   前記陽極に近い側の玉軸受の固体潤滑材の融点が前記陽極から遠い側の玉軸受の固体潤滑材の融点よりも高く、
   前記玉軸受の軌道溝の曲率半径の大きさが各部の温度上昇の大きさに応じて設定されることを特徴とするＸ線管装置。
2. 電子線が照射されることでＸ線を放射する陽極と、前記陽極を回転させる陽極回転駆動部を備えたＸ線管装置であって、
   前記陽極回転駆動部は、前記陽極の回転軸方向に複数の玉軸受を有しており、
   前記玉軸受の軌道溝の曲率半径の大きさが各部の温度上昇の大きさに応じて設定されることを特徴とするＸ線管装置。
3. 請求項１又は２に記載のＸ線管装置において、
   前記複数の玉軸受は、前記陽極に近い側と前記陽極に遠い側との２箇所に設けられ、
   前記陽極に近い側の玉軸受の内輪の軌道溝、前記陽極に近い側の玉軸受の外輪の軌道溝、前記陽極から遠い側の玉軸受の内輪の軌道溝、前記陽極から遠い側の玉軸受の外輪の軌道溝、の順に曲率半径が小さくなることを特徴とするＸ線管装置。
4. 被検体にＸ線を照射するＸ線源と、前記Ｘ線源に対向配置され前記被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、前記Ｘ線源と前記Ｘ線検出器を搭載し前記被検体の周囲を回転する回転円盤と、前記Ｘ線検出器により検出された透過Ｘ線量に基づき被検体の断層画像を再構成する画像再構成装置と、前記画像再構成装置により再構成された断層画像を表示する画像表示装置と、を備えたＸ線ＣＴ装置であって、
   前記Ｘ線源は、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線管装置であることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。

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