JP6244192B2 - Ｘ線管装置及びｘ線撮影装置 - Google Patents

Description

本発明はX線管装置及びX線撮影装置に係わり、特にX線管装置内の真空度の維持に関する。

X線撮影装置とは、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線量を検出するX線検出器とを備え、検出された透過X線量を用いて被検体のX線画像を作成し、表示するものである。X線撮影装置で表示されるX線画像は、被検体の画像診断に使用される。

X線管装置からX線を放射するには、X線管装置内の陰極と陽極との間に百数十kVの高電圧が印加される。百数十kVの高電圧が印加されてもX線管装置内の絶縁を維持するために、陰極と陽極とは真空雰囲気を保持する真空外囲器中に収納される。しかし何らかの原因で真空外囲器中の真空度が悪化すると、X線管装置内で放電が発生し、X線を放射することができず、X線画像の作成に支障をきたす。そのため、真空外囲器中の真空度を維持するために様々な工夫がなされている。

例えば、特許文献1では、X線管装置内の浮遊ガスを吸着するためのガス吸着物質である、いわゆるゲッターが真空外囲器の内壁にコーティングされている。

特開2003-141985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、ゲッターを真空外囲器の内壁にコーティングしただけでは、ゲッター周辺の浮遊ガスを吸着することはできるものの、ゲッターから離れた箇所を浮遊するガス分子は吸着しづらいので、真空外囲器内の場所によっては真空度が悪化することになる。

そこで本発明の目的は、真空外囲器内の場所によらず真空度を維持することができる構造の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線撮影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、真空雰囲気中の浮遊ガスを吸着するガス吸着部またはガス吸着部の周辺部の少なくとも一方の温度を制御することにより、浮遊ガスをガス吸着部に誘導することを特徴とするX線管装置である。

具体的には、電子線を放出する陰極と、前記電子線が衝突することで前記電子線の衝突点である焦点からX線を放射する陽極と、前記陰極と前記陽極とを真空雰囲気中に収納する真空外囲器と、前記真空外囲器内に設けられたガス吸着部と、前記ガス吸着部または前記ガス吸着部の周辺部の少なくとも一方の温度を制御する温度制御部とを備えるX線管装置である。

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線検出器により検出された透過X線量に基づき前記被検体のX線画像を作成する画像作成部と、前記画像作成部により作成されたX線画像を表示する画像表示部と、を備えたX線撮影装置である。

本発明によれば、真空外囲器内の場所によらず真空度を維持することができる構造の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線撮影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 X線管装置の全体構成を示す図 第1の実施形態のX線管を示す図 第2の実施形態のX線管を示す図 第3の実施形態のX線管を示す図 第4の実施形態のX線管を示す図 第4の実施形態のX線管の動作制御を示す表

以下、添付図面に従って本発明に係るX線撮影装置の代表例として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画像の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・軽量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を収納するハウジング220とを備える。

X線管210は、電子線216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を真空雰囲気中に収納する真空外囲器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。ターゲット上の焦点に陰極211から放出された電子線216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。

真空外囲器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を真空雰囲気中に収納する。真空外囲器213にはX線217をX線管210外へ放射するためのX線放射窓218が備えられる。X線放射窓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。X線放射窓218は後述するハウジング220にも備えられる。真空外囲器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焦点に衝突すると、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211と陽極212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焦点が常に移動するので、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、ハウジング220の中に収納される。ハウジング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。ハウジング220内に充填された冷却水もしくは絶縁油は、図示しない冷却装置により冷却される。

｛第1の実施形態｝
図3を用いて、第1の実施形態の要部であるガス吸着部300を備えたX線管210について説明する。本実施形態のガス吸着部300は、温度制御部であるペルチェ素子301aを介して真空外囲器213の内壁に設けられる。

ガス吸着部300は、例えばバリウム又は、ジルコニウム、アルミニウム、バナジウム、鉄、チタンの少なくとも一つを含む、いわゆるゲッター材であり、真空外囲器213中の浮遊ガスである酸素、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、窒素等を吸着する。

ガス吸着部300と真空外囲器213との間には、温度制御部であるペルチェ素子301aが備えられる。ペルチェ素子301aは、ペルチェ効果を利用した板状の半導体素子であり、直流電流を流すことにより一方の面が吸熱し、他方の面が発熱する素子である。直流電流の極性を逆転させることにより、吸熱面と発熱面が反転するため、接触部の温度を制御することができる。本実施形態では、ガス吸着部300の周辺部にもペルチェ素子301bが取り付けられる。ペルチェ素子301aとペルチェ素子301bはX線制御装置110に接続されており、ペルチェ素子301aとペルチェ素子301b の動作はX線制御装置110により制御される。このような構成により、ガス吸着部300を加熱しながらガス吸着部300の周辺部を冷却したり、ガス吸着部300とその周辺部とを冷却したりすることができる。

ガス吸着部300に吸着される浮遊ガスは、ガス吸着部300の近傍に辿り着いたものだけであるので、ガス吸着部300から離れた場所で浮遊しているガス分子はガス吸着部300に吸着されにくい。真空外囲器213内を浮遊しているガス分子は温度の低い箇所へ移動するので、本実施例ではペルチェ素子301a又はペルチェ素子301bの少なくとも一方を動作させることにより、ガス吸着部300またはガス吸着部300の周辺部の少なくとも一方を真空外囲器213内の他の部分よりも低温にし、浮遊ガスをガス吸着部300へ誘導する。

また、ガス吸着部300は加熱されて活性化されることにより、浮遊ガスを吸着する能力が向上する。そこで、ペルチェ素子301aによりガス吸着部300を加熱しながら、ペルチェ素子301bによりガス吸着部300の周辺部を冷却するようにしても良い。このようにペルチェ素子301aとペルチェ素子301bを動作させることにより、ガス吸着部300のガス吸着能力を向上させながら、浮遊ガスをガス吸着部300に誘導できるので、さらに浮遊ガスを効率よくガス吸着部300に吸着させることができる。

また、浮遊ガスは、真空外囲器213の内壁の温度が上昇した時、すなわちX線照射するために電子線216が陽極212に衝突し、陽極212が加熱されているときに発生するので、X線管装置101からのX線照射に応じて、温度制御部であるペルチェ素子301a又はペルチェ素子301bの少なくとも一方を動作させても良い。すなわち、X線が照射されている間はペルチェ素子301aとペルチェ素子301bを動作させて、ガス吸着部300とその周辺部を冷却して浮遊ガスをガス吸着部300に誘導したり、ガス吸着部300を加熱してガス吸着部300の周辺部を冷却してガス吸着部300のガス吸着能力を向上させながら、浮遊ガスをガス吸着部300に誘導したりする。

以上説明したように本実施形態によれば、ペルチェ素子301a又はペルチェ素子301bの少なくとも一方を動作させることにより、真空外囲器213内の浮遊ガスを効率よくガス吸着部300に吸着させることができる。

｛第2の実施形態｝
図4を用いて、第2の実施形態のX線管210について説明する。第1の実施形態と異なる点は、ガス吸着部300の温度を制御する方法である。以下、第1の実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

本実施形態では、ガス吸着部300は真空外囲器213の内壁に直接取り付けられている。また、ガス吸着部300が取り付けられた真空外囲器213の内壁と対向する面の外壁にはフィン302が設けられている。真空外囲器213の周囲には冷却媒体となる冷却水もしくは絶縁油が充填されており、フィン302が真空外囲器213の外壁に設けられることにより、フィン302の周辺部の冷却効率が向上する。その結果、ガス吸着部300とその周辺部は真空外囲器213内の他の部分よりも低温になり、浮遊ガスをガス吸着部300へ誘導することができる。

本実施形態では、第1の実施形態に比べて簡便な構成により、浮遊ガスをガス吸着部300へ誘導することができる。

｛第3の実施形態｝
図5を用いて、第3の実施形態のX線管210について説明する。第1及び第2の実施形態と異なる点は、ガス吸着部300の温度を制御する方法である。以下、第1及び第2の実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

本実施形態では、ガス吸着部300は真空外囲器213の内壁に直接取り付けられている。また、ハウジング220内には、ガス吸着部300が取り付けられた真空外囲器213の内壁に対向する面の外壁に冷却媒体を噴き付けるためのノズル303が設けられている。ノズル303から噴き付けられる冷却媒体の流速や流量は、X線制御装置110により制御される。

ノズル303から噴き付けられる冷却媒体により、ガス吸着部300の周辺部の冷却効率が向上する。その結果、ガス吸着部300とその周辺部は真空外囲器213内の他の部分よりも低温になり、浮遊ガスをガス吸着部300へ誘導することができる。またノズル303から噴き付けられる冷却媒体の流速や流量が変化させることによりガス吸着部300の温度を制御できるので、X線管装置101からのX線照射に応じて、X線制御装置110が冷却媒体の流速や流量を制御しても良い。すなわちX線が照射されている間はノズル303から噴き付けられる冷却媒体の流速や流量を、X線が照射されていないときよりも増加させる。

本実施形態では、第1の実施形態に比べて簡便な構成により、浮遊ガスをガス吸着部300へ誘導することができる。また第2の実施形態に比べ、X線照射に応じた真空度の管理がしやすくなる。

｛第4の実施形態｝
図6を用いて、第4の実施形態のX線管210について説明する。第1乃至3の実施形態と異なる点は、ガス吸着部300の周辺の構成である。ガス吸着部300に吸着した浮遊ガスは何らかの要因によりガス吸着部300から離脱し再度真空外囲器213内を浮遊する場合がある。本実施形態では、ガス吸着部300から離脱した浮遊ガスを真空外囲器213内に浮遊させないようにする。以下、第1乃至3の実施形態と異なる箇所を中心に説明する。

本実施形態のX線管210では、ガス吸着部300はガストラップ部305の中に設けられており、ガストラップ部305の入り口には電磁バルブ304が設けられる。ガストラップ部305は図6に示すように真空外囲器213から突出して設けられる。電磁バルブ304は入力される制御信号に基づいて開閉し、電磁バルブ304が開いているときは真空外囲器213とガストラップ305との間でガス分子は行き来ができ、閉じているときは行き来ができない。さらに、ガス吸着部300にはペルチェ素子301が取り付けられていても良い。電磁バルブ304とペルチェ素子301とはX線制御装置110に接続されており、電磁バルブ304とペルチェ素子301との動作はX線制御装置110により制御される。

図7を用いて、X線制御装置110による電磁バルブ304とペルチェ素子301の動作の制御について説明する。X線管装置101からX線が放射されているときは、陽極212が電子線216により加熱されているので、陽極212の近傍の温度は上昇し、真空外囲器213から突出して設けられるガストラップ部305は相対的に低温となる。そこで、X線が放射されているときは電磁バルブ304を開くように制御することで、真空外囲器213内の浮遊ガスをガストラップ部305の中に設けられたガス吸着部300に誘導することができる。また、X線放射が停止されているときは、ガストラップ部305とその他の部分との温度差が小さくなるので、電磁バルブ304を閉じることで、ガストラップ部305内の浮遊ガスが真空外囲器213内へ逆流することを防止できる。

また、X線が放射されているときにガス吸着部300が冷却されるようにペルチェ素子301を動作させることで、浮遊ガスをガス吸着部300にさらに誘導することができる。さらに、X線放射が停止されているときにガス吸着部300が加熱されるようにペルチェ素子301を動作させることで、ガス吸着部300を活性化させておき、浮遊ガスを吸着する能力を回復させておいても良い。

本実施形態によれば、ガス吸着部300から離脱した浮遊ガスを真空外囲器213内に浮遊させないようにすることができる。

本発明はここまでに説明した実施形態に限定されるものではない。例えば、第1の実施形態と第2の実施形態とを組み合わせて、ペルチェ素子301aや301bが取り付けられた真空外囲器213の内壁と対向する面の外壁にはフィン302が設けられても良い。

また、第1の実施形態と第3の実施形態とを組み合わせて、ペルチェ素子301aや301bが取り付けられた真空外囲器213の内壁と対向する面の外壁に冷却媒体を噴き付けるためのノズル303が設けられても良い。

また、第1乃至第3の実施形態を組み合わせて、ペルチェ素子301aや301bが取り付けられた真空外囲器213の内壁と対向する面の外壁にフィン302が設けられ、フィン302に冷却媒体を噴き付けるためのノズル303が設けられても良い。

また、第4の実施形態において、ペルチェ素子301の代わりに第2の実施形態で説明したようなフィン302や第3の実施形態で説明したようなノズル303の少なくとも一方を設けても良い。

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 真空外囲器、214 励磁コイル、215 回転体支持機構、216 電子線、217 X線、218 X線放射窓、220 ハウジング、300 ガス吸着部、301、301a、301b ペルチェ素子、302 フィン、303 ノズル、304 電磁バルブ、305 ガストラップ部

Claims (5)

1. 電子線を放出する陰極と、
   前記電子線が衝突することで前記電子線の衝突点である焦点からＸ線を放射する陽極と、
   前記陰極と前記陽極とを真空雰囲気中に収納する真空外囲器と、
   前記真空外囲器の内壁に取り付けられたガス吸着部と、
   前記ガス吸着部または前記ガス吸着部の周辺部の少なくとも一方の温度を制御する温度制御部と、を備え、
   前記温度制御部は、前記ガス吸着部が取り付けられた前記真空外囲器の内壁に対向する面の外壁に設けられたフィンを有することを特徴とするＸ線管装置。
2. 請求項１に記載のＸ線管装置において、
   前記温度制御部は、前記ガス吸着部または前記ガス吸着部の周辺部の少なくとも一方に取り付けられたペルチェ素子を有す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、
   前記温度制御部は、前記真空外囲器の外壁に冷却媒体を噴き付けるためのノズルを有することを特徴とするＸ線管装置。
4. 請求項１又は２に記載のＸ線管装置において、
   前記ガス吸着部は、Ｘ線を放射するか否かに応じて開閉する電磁バルブを入り口に有するガストラップの中に設けられることを特徴とするＸ線管装置。
5. 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線検出器により検出された透過Ｘ線量に基づき被検体のＸ線画像を作成する画像作成部と、前記画像作成部により作成されたＸ線画像を表示する画像表示部と、を備えたＸ線撮影装置であって、
   前記Ｘ線源は、請求項１乃至４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線撮影装置。

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