JP6283873B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

一般的に、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（以下、Ｘ線ＣＴ装置と表記）においては、Ｘ線管から被検体に放射されたＸ線（当該被検体を透過したＸ線）がＸ線検出器で検出され、当該Ｘ線検出器の出力（投影データ）がデータ収集装置（ＤＡＳ：Data Acquisition System）によって収集される。Ｘ線ＣＴ装置では、このようにデータ収集装置において収集された投影データに基づいて被検体の内部画像が再構成される。

ところで、上記したデータ収集装置は、予め定められているデータ収集期間（Ｖｉｅｗ）毎に投影データを収集する。

通常、データ収集装置におけるデータ収集期間を短くし、より高い密度でデータを収集することによって、より高精細な画像を得ることができる。

上記したようにより高い密度でデータ収集を行う場合、高速にデータを収集することが可能なデータ収集装置（つまり、よりサンプリング速度の速いデータ収集装置）が必要であり、コスト及び技術的な観点から実現は容易ではない。

また、一般的にデータ収集を高速化すると、回路ノイズが増加するため、画像ノイズが増加してしまう場合がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、データ収集装置を変更することなく、高い密度でのデータ収集を行い、高精細な画像を得ることが可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。

実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に照射されるＸ線を発生するＸ線管と、前記Ｘ線管からＸ線を発生させるために前記Ｘ線管に印加される管電圧を発生する高電圧発生部と、前記高電圧発生部を制御することによって前記Ｘ線の発生を制御するＸ線制御部と、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線検出器の出力に基づいて前記被検体に関する投影データを収集するデータ収集部と、前記データ収集部によって収集された投影データに基づいて、前記被検体の断面に関する画像を再構成する再構成部とを具備し、前記Ｘ線管は回転可能に支持されており、前記データ収集部は、前記Ｘ線管の回転角度に対応するデータ収集期間毎に前記投影データを収集し、前記Ｘ線制御部は、前記Ｘ線管が１回転する場合において半回転する間は前記データ収集期間毎に当該データ収集期間より短い第１の期間にＸ線を発生させ且つ前記第１の期間以外の第２の期間にＸ線を発生させず、前記Ｘ線管が前記１回転する場合において前記半回転後に更に半回転する間は前記データ収集期間毎に前記第１の期間にＸ線を発生させず且つ前記第２の期間にＸ線を発生させるように制御する。

第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す図。 本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部の動作について具体的に説明するための図。 本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部の動作について具体的に説明するための図。 第２の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部の動作について具体的に説明するための図。 本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部の動作について具体的に説明するための図。 本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部の動作について具体的に説明するための図。 第１及び第２の実施形態を組み合わせた場合について説明するための図。 第１及び第２の実施形態を組み合わせた場合について説明するための図。

以下、図面を参照して、各実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置（以下、Ｘ線ＣＴ装置と表記）の構成を示す。

図１に示すように、Ｘ線ＣＴ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（ガントリ）１と、当該架台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）２とを有する。

架台１は、Ｘ線管装置１１、Ｘ線検出器１２、データ収集装置（ＤＡＳ）１３及びＸ線制御・高電圧発生装置１４を備える。

Ｘ線管装置１１及びＸ線検出器１２は、回転駆動されるリング状のフレーム（以下、回転フレームと表記）に搭載される。つまり、Ｘ線管装置１１及びＸ線検出器１２は、架台１において回転可能に支持されている。また、Ｘ線管装置１１及びＸ線検出器１２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。

Ｘ線管装置１１は、Ｘ線を発生するＸ線管を有する。このＸ線管は、例えば陰極及び陽極を有し、当該Ｘ線管の陰極−陽極間には管電圧が印加され、またＸ線管の陰極のフィラメントにはフィラメント電流が供給される。このような管電圧の印加及びフィラメント電流の供給により、Ｘ線管の陽極の例えばタングステン等のターゲットからＸ線が発生する。

Ｘ線検出器１２は、Ｘ線管から発生され、撮影領域Ｓに挿入された被検体を透過したＸ線を検出する。なお、Ｘ線検出器１２は、２次元状に配列された複数の検出素子を搭載する。例えば、複数の検出素子は、上記した回転フレームの回転軸を中心とした円弧に沿って配列される。この円弧に沿う検出素子の配列方向はチャンネル方向と呼ばれる。チャンネル方向に沿って配列された複数の検出素子は、検出素子列と呼ばれる。複数の検出素子列は、回転フレームの回転軸に沿う列方向に沿って配列される。各検出素子は、Ｘ線管から発生されたＸ線を検出し、当該検出されたＸ線の強度に応じた電気信号（電流信号）を生成する。このように生成された電気信号は、データ収集装置１３に供給される。

なお、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、更に当該変換された光をフォトダイオード等の光電変換素子で電化に変換する間接変換系と、Ｘ線による半導体内の電子正孔体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系とが主流である。上記した検出素子としては、それらのいずれの方式が採用されても構わない。

データ収集装置１３は、Ｘ線検出器１２を介して電気信号を予め定められているデータ収集期間（以下、Ｖｉｅｗと表記）毎に収集する。このＶｉｅｗは、回転フレーム（つまり、Ｘ線管）の回転角度に対応する。データ収集装置１３は、収集されたアナログの電気信号をデジタルデータ（投影データ）に変換する。この投影データは、所定Ｖｉｅｗ毎にコンソール２に供給される。

Ｘ線制御・高電圧発生装置１４は、高電圧発生部及びＸ線制御部（図示せず）を含む。高電圧発生部は、Ｘ線管からＸ線を発生させるために当該Ｘ線管に印加される管電圧を発生する。

Ｘ線制御部は、例えば操作者によって設定されたスキャン条件等に応じて高電圧発生部を制御することによってＸ線の発生を制御する。

本実施形態において、Ｘ線制御部は、高電圧発生部を制御することによって、Ｘ線管（Ｘ線管装置１１）が１回転する場合において半回転する間はＶｉｅｗ毎に当該Ｖｉｅｗより短い期間（以下、第１の期間と表記）にＸ線を発生させ、当該半回転後に更に半回転する間はＶｉｅｗ毎に当該第１の期間以外の期間（以下、第２の期間と表記）にＸ線を発生させる。

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２１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２２と、データ収集装置１３によって収集された投影データに基づいて被検体の断面に関する画像（断層像）を再構成する再構成部２３とを備える。

なお、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置においては、ノンヘリカルスキャン方式が採用されているものとする。

以下、図２及び図３を参照して、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部（Ｘ線制御・高電圧発生装置１４）の動作について具体的に説明する。

ここでは、回転フレームの駆動に応じてＸ線管が１回転する間に例えばＶｉｅｗ番号が１〜１２のＶｉｅｗ（以下、Ｖ１〜Ｖ１２と表記）の投影データがデータ収集装置１３によって収集されるように設定されているものとする。

この場合、Ｘ線制御部は、図２及び図３に示すように、Ｖ１〜Ｖ１２の各期間を例えば２分の１に分割し、当該Ｖ１〜Ｖ１２のうちのＶ１〜Ｖ６（つまり、半回転分のＶｉｅｗ）については当該２分の１に分割された期間のうちの前半の期間（第１の期間）にのみＸ線をパルス状に発生（照射）させるようにし、残りのＶ７〜Ｖ１２（つまり、残りの半回転分のＶｉｅｗ）については当該２分の１に分割された期間のうちの後半の期間（第２の期間）にのみＸ線をパルス状に発生（照射）させるような制御を行う。

以下の説明においては、便宜的に、各ＶｉｅｗにおいてＸ線を発生させる期間をＯＮ期間、各ＶｉｅｗにおいてＸ線を発生させない期間をＯＦＦ期間と称する。なお、図２においては、各Ｖｉｅｗにおける斜線部分がＯＦＦ期間を表しており、他の部分がＯＮ期間を表している。

本実施形態においては、Ｘ線制御部の上記したようなＸ線制御によって、１つのＶｉｅｗにおけるデータサンプリング幅を半分にすることが可能となる。

この場合、操作卓２に含まれる再構成部２３は、データ収集装置１３によって収集された投影データを上記した予め設定されているＶｉｅｗの２分の１のＶｉｅｗ（間隔）で収集された投影データとして再構成処理を実行する。

なお、本実施形態においては、各Ｖｉｅｗ（つまり、Ｖ１〜Ｖ１２）においてＯＦＦ期間が存在するため、Ｘ線管を１回転させた場合には当該Ｘ線を発生させていない期間（つまり、ＯＦＦ期間）についての投影データが不足することになる。

この場合、例えば図２に示す各ＶｉｅｗのＯＦＦ期間に対向するＶｉｅｗのＯＮ期間において収集された投影データ（逆方向投影データ）を利用する。すなわち、例えばＶ７のＯＮ期間において収集された投影データで、Ｖ１のＯＦＦ期間に収集される投影データを補間（対向ビーム補間）する。これにより、本実施形態においては、１回転で全てのＶｉｅｗにおいて通常の２倍の密度で投影データを収集することが可能となるため、例えば動きのある部位を撮影した場合であってもぶれの少ない画像を再構成することができる。

上記したように本実施形態においては、Ｘ線管が１回転する場合において半回転する間はＶｉｅｗ（データ収集期間）毎に前半の期間（第１の期間）のみにＸ線を照射し、残りの半回転の間はＶｉｅｗ毎に後半の期間（第２の期間）のみにＸ線を照射する構成により、データ収集装置（ＤＡＳ）を変更することなく、高い密度でのデータ収集を行うことが可能となる。

なお、データサンプル角度のピッチが細かい（Ｖｉｅｗ幅が短い）、すなわち、１回転（３６０°）中のデータサンプル区間が多いほどＸ線ＣＴ装置において再構成される画像の解像度が向上するため、本実施形態においては、より高精細な画像を得ることが可能となる。

また、単にデータ収集装置１３におけるＶｉｅｗ幅を短くし、データ収集を高速化した場合、回路ノイズが増加し、画像ノイズが増加する。これに対して、本実施形態においては、データ収集装置１３におけるデータ収集自体を高速化することなく高い密度でのデータ収集を実現しているため、回路ノイズの増加に伴う画像ノイズの増加を招くことはない。

更に、本実施形態においては、各Ｖｉｅｗ内でのＸ線の照射量が低減するため、被検体Ｐの被曝量を削減することが可能となる。

なお、本実施形態においては、図２及び図３に示すＶ１〜Ｖ１２のうちのＶ１〜Ｖ６については前半の期間（第１の期間）にのみＸ線を発生させ、Ｖ７〜Ｖ１２については後半の期間（第２の期間）にのみＸ線を発生させるものとして説明したが、例えばＶ１〜Ｖ１２のうちのＶ１〜Ｖ６については後半の期間にのみＸ線を発生させ、Ｖ７〜Ｖ１２については前半の期間にのみＸ線を発生させるような構成としても構わない。すなわち、本実施形態においては、各ＶｉｅｗのＯＮ期間において収集された投影データで他のＶｉｅｗのＯＦＦ期間に収集される投影データを補間できるように、対向する２つのＶｉｅｗのＯＮ期間とＯＦＦ期間とが設定されていればよい。

また、本実施形態においてはＶｉｅｗの各期間を２分の１（つまり、等間隔）に分割するものとして説明したが、当該Ｖｉｅｗは等間隔に分割されなくても構わない。

また、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置にはノンヘリカルスキャン方式が採用されているものとして説明したが、本実施形態は、適宜、補間等が行われることによってヘリカルスキャン方式が採用されているＸ線ＣＴ装置に適用されても構わない。

なお、Ｘ線ＣＴ装置には、Ｘ線管とＸ線検出器１２とが１対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るが、本実施形態はいずれのタイプにも適用可能である。

また、近年では、Ｘ線管とＸ線検出器１２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ＣＴ装置の製品化が進み、その周辺技術の開発が進んでいるが、本実施形態は、一管球型のＸ線ＣＴ装置及び多管球型のＸ線ＣＴ装置のいずれにも適用可能である。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成は、前述した第１の実施形態と同様であるため、適宜、図１を用いて説明する。

本実施形態において、Ｘ線制御部は、高電圧発生部を制御することによって、Ｘ線管（Ｘ線管装置１１）が１回転する間（つまり、１回転目）はＶｉｅｗ（データ収集期間）毎に当該Ｖｉｅｗより短い期間（第１の期間と表記）にＸ線を発生させ、当該１回転後に更に１回転する間（つまり、２回転目）はＶｉｅｗ毎に当該第１の期間以外の期間（第２の期間と表記）にＸ線を発生させる。

以下、図４〜図６を参照して、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置におけるＸ線制御部（Ｘ線制御・高電圧発生装置１４）の動作について具体的に説明する。

ここでは、回転フレームの駆動に応じてＸ線管が１回転する間に例えばＶｉｅｗ番号が１〜１２のＶｉｅｗ（Ｖ１〜Ｖ１２）の投影データがデータ収集装置１３によって収集されるように設定されているものとする。

この場合、Ｘ線制御部は、図４及び図６に示すように、Ｖ１〜Ｖ１２の各期間を例えば２分の１に分割し、Ｘ線管の１回転目の間は当該Ｖ１〜Ｖ１２の全てにおいて当該２分の１に分割された期間のうちの前半の期間（第１の期間）にのみＸ線を発生（照射）させるような制御を行う。また、Ｘ線制御部は、図５及び図６に示すように、Ｘ線管及びＸ線検出器１２の２回転目の間はＶ１〜Ｖ１２の全てにおいて２分の１に分割された期間のうちの後半の期間（第２の期間）にのみＸ線を発生（照射）させるような制御を行う。

なお、本実施形態に係るＸ線ＣＴ装置においてはノンヘリカルスキャン方式が採用されており、Ｘ線管は、被検体Ｐの同一断面について２回転するものとする。

なお、図４及び図５においては、前述した図２と同様に、各Ｖｉｅｗにおける斜線部分がＸ線を発生させない期間（ＯＦＦ期間）を表しており、他の部分がＸ線を発生させる期間（ＯＮ期間）を表している。

本実施形態においては、Ｘ線制御部の上記したようなＸ線制御によって、１つのＶｉｅｗにおけるデータサンプリング幅を半分にすることが可能となる。

なお、本実施形態においては、Ｘ線管が被検体Ｐの同一断面について２回転することによって全てのＶｉｅｗにおいて通常の２倍の密度で投影データを収集することが可能となる。

この場合、操作卓２に含まれる再構成部２３は、データ収集装置１３によって収集された投影データを予め設定されているＶｉｅｗの２分の１のＶｉｅｗ（間隔）で収集された投影データとして再構成処理を実行する。

上記したように本実施形態においては、Ｘ線管の１回転目の間にＶｉｅｗ（データ収集期間）毎に前半の期間（第１の期間）のみにＸ線を照射し、２回転目の間はＶｉｅｗ毎に後半の期間（第２の期間）のみにＸ線を照射する構成により、データ収集装置（ＤＡＳ）を変更することなく、高い密度でのデータ収集を行うことが可能となる。

また、本実施形態においては、Ｘ線管が２回転する間に収集される投影データを用いることによって、前述した第１の実施形態において説明したような補間処理によって得られた投影データを用いる場合と比較してより高精細な画像を得ることが可能となる。

なお、本実施形態においてはＶｉｅｗの各期間を２分の１に分割するものとして説明したが、当該各期間を例えば３分の１や４分の１に分割してもよい。具体的には、Ｖｉｅｗの各期間を例えば３分の１ずつの３つの期間（以下、第１〜第３の期間と表記）に分割した場合、Ｘ線管の１回転目の間は第１の期間にのみＸ線を照射させ、２回転目の間は第２の期間にのみＸ線を照射させ、３回転目の間は第３の期間にのみＸ線を照射させるように制御する。これにより、Ｘ線管が２回転する間に収集される投影データを用いる場合と比較して、より高い密度でのデータ収集を実現できる。

また、本実施形態においてはＶｉｅｗの各期間を２分の１（つまり、等間隔）に分割するものとして説明したが、当該Ｖｉｅｗは等間隔に分割されなくても構わない。

なお、本実施形態は、前述した回転／回転タイプ及び固定／回転タイプ等の様々なタイプのいずれのタイプにも適用可能であるし、また、前述した一管球型のＸ線ＣＴ装置及び多管球型のＸ線ＣＴ装置のいずれにも適用可能である。

以上説明した各実施形態によれば、データ収集装置を変更することなく、高い密度でのデータ収集を行い、高精細な画像を得ることが可能なＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することができる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態を組み合わせた構成とすることも可能である。具体的には、Ｘ線管の１回転目の間は前述した図２及び図３において説明したようにＸ線を照射し、当該Ｘ線管及びＸ線検出器１２の２回転目の間は図７及び図８に示すように図２及び図３におけるＯＮ期間及びＯＦＦ期間を逆にしてＸ線を照射するような制御を行うことも可能である。

更に、前述した第１の実施形態は、Ｘ線管とＸ線検出器１２とが１回転するのみで画像を再構成することができるため、第２の実施形態と比較して例えば心臓等の動きのある部位の撮影に適している。一方、第２の実施形態は、上記したように第１の実施形態と比較してより高精細な画像を得ることができるため、例えば頭部等の動きのない部位の撮影に適している。したがって、Ｘ線ＣＴ装置によって撮影される被検体Ｐの部位や操作者の指示に応じて、第１の実施形態において説明したＸ線制御部の動作と第２の実施形態において説明したＸ線制御部の動作とを切り替えるような構成とすることも可能である。

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…Ｘ線管装置、１２…Ｘ線検出器、１３…データ収集装置、１４…Ｘ線制御・高電圧発生装置、２１…操作部、２２…制御部、２３…再構成部。

Claims (3)

1. 被検体に照射されるＸ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管からＸ線を発生させるために前記Ｘ線管に印加される管電圧を発生する高電圧発生部と、
   前記高電圧発生部を制御することによって前記Ｘ線の発生を制御するＸ線制御部と、
   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線検出器の出力に基づいて前記被検体に関する投影データを収集するデータ収集部と、
   前記データ収集部によって収集された投影データに基づいて、前記被検体の断面に関する画像を再構成する再構成部と
   を具備し、
   前記Ｘ線管は回転可能に支持されており、
   前記データ収集部は、前記Ｘ線管の回転角度に対応するデータ収集期間毎に前記投影データを収集し、
   前記Ｘ線制御部は、前記Ｘ線管が１回転する場合において半回転する間は前記データ収集期間毎に当該データ収集期間より短い第１の期間にＸ線を発生させ且つ前記第１の期間以外の第２の期間にＸ線を発生させず、前記Ｘ線管が前記１回転する場合において前記半回転後に更に半回転する間は前記データ収集期間毎に前記第１の期間にＸ線を発生させず且つ前記第２の期間にＸ線を発生させるように制御する
   ことを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記第１の期間は、前記データ収集期間を２分の１に分割した期間のうちの前半の期間であり、
   前記第２の期間は、前記データ収集期間を２分の１に分割した期間のうちの後半の期間である
   ことを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記再構成部は、前記データ収集期間毎の前記第２の期間における前記投影データを、前記複数のデータ収集期間のうちの対向するデータ収集期間の前記第１の期間において収集された前記投影データで補間する、ことを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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