JP6523451B2 - 放射線検出器とそれを備えたｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、X線、γ線などを検出する放射線検出器に係り、特に散乱線を除去するために放射線検出器の放射線源側に設けられる散乱線除去部に関する。またそのような散乱線除去部が設けられた放射線検出器を備えたX線CT装置に関する。

医用画像診断装置の一つであるX線CT(Computed Tomography)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線量の分布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装置で取得される断層画像は、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。

X線CT装置用のX線検出器に代表される放射線検出器では、セラミックシンチレータなどの蛍光体素子と、フォトダイオードなどの光検出素子を組み合わせた放射線検出素子を備えた間接変換型検出器が主に用いられている。また半導体素子を放射線検出素子として備えた直接変換型検出器も用いられつつある。いずれの型の放射線検出器でも、回転面内においてX線焦点を中心とした円弧上に1000個程度の放射線検出素子を並べた放射線検出素子列を、さらに回転軸方向に複数列並べた構造が採用されている。近年のX線CT装置には検査時間の短縮を主たる目的として放射線検出素子列が数百列にも及ぶ装置があり、用いられる放射線検出器は比較的大型サイズの二次元検出器となる。

被検体を透過したX線には散乱線が含まれており、散乱線は断層画像の画質に悪影響を与えるので、放射線検出器に入射するX線から散乱線をできるだけ除去することが望ましい。特許文献1には、遮蔽板を回転軸方向に沿って多数配列したチャネル方向コリメータと、遮蔽板を放射線検出素子列と平行に多数配列したスライス方向コリメータとをX線入射方向に重ねて、X線検出器のX線管装置側に配置された散乱線除去部を備えた構成が開示されている。遮蔽板はX線を十分に遮蔽可能な金属の薄板で構成され、X線焦点に向かって放射状に配置されているので、これらの遮蔽板によってチャネル方向及びスライス方向への散乱線が除去される。

特開平10-5207号公報

しかしながら、特許文献1では、チャネル方向コリメータとスライス方向コリメータとがX線入射方向に重ねられた構成であるので、散乱線を十分に除去するためには各々の遮蔽板の高さを十分に高くする必要があり、そうした場合、散乱線除去部のトータル高さが大きくなり、X線CT装置に放射線検出器を収めることが困難になる。

そこで本発明の目的は、チャネル方向及びスライス方向への散乱線を除去する散乱線除去部を簡易な構造でコンパクトにした放射線検出器及びそれを備えた4X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、放射線源から発生した放射線を検出する複数の放射線検出素子が第1の方向及び第1の方向と直交する第2の方向に配置された放射線検出素子アレイと、前記放射線検出素子アレイの前記放射線源の側に第1の方向に沿って複数の遮蔽板が放射線源を指向するように配置される一次元コリメータと、第1の方向に沿って複数の第一遮蔽壁が放射線源を指向するように配置されるとともに、第2の方向に沿って複数の第二遮蔽壁が放射線源を指向するように配置される二次元コリメータと、を備え、前記一次元コリメータと前記二次元コリメータとが放射線入射方向に重ねられることを特徴とする。

本発明によれば、チャネル方向及びスライス方向への散乱線を除去する散乱線除去部を簡易な構造でコンパクトにした放射線検出器及びそれを備えた4X線CT装置を提供することができる。

本発明のX線CT装置1の全体構成を示すブロック図 X線焦点201とX線検出器106との位置関係を説明する図 第一の実施形態のX線検出器106を示す斜視図 第一の実施形態のX線検出器106を示す断面図 散乱線除去部202により除去可能な散乱線の散乱角Φ、θを示す図 散乱線の散乱角Φ、θを示す図 第三の実施形態の二次元コリメータ302を示す平面図

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、同一の符号を付けることにより重複説明を省略することにする。また、各図の向きの理解を助けるために、必要に応じて図の左下にXYZ座標系を示す。

(第一の実施形態)
まず、図1を用いて本実施形態の医用画像診断装置の一例であるX線CT装置の全体構成を説明する。図1は、X線CT装置1の全体構成を示すブロック図である。図1に示すようにX線CT装置1は、スキャンガントリ部100と操作ユニット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、照射野制限部103と、X線検出器106と、データ収集装置107と、寝台装置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、高電圧発生装置111を備えている。X線管装置101は寝台装置105上に載置された被検体にX線を照射する装置である。照射野制限部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、寝台装置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の回転面(XY面)内の周方向と回転軸方向(Z軸と平行な方向)との二次元に配列したものである。なお、放射線検出器の一例であるX線検出器106の詳細については後述する。

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、寝台装置105の上下左右前後動を制御する装置である。高電圧発生装置111はX線管装置101に印加される高電圧を発生する装置である。X線制御装置110は、高電圧発生装置111の出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断層画像を再構成する装置である。

表示装置125は、画像演算装置122で作成された断層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で作成された断層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、特に管電圧と管電流などに基づいてX線制御装置110が高電圧発生装置111を制御することにより、高電圧発生装置111からX線管装置101に所定の電力が供給される。供給された電力により、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、特に回転速度等に基づいて回転する。寝台装置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、特にらせんピッチ等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。投影データは、各角度を表すビュー(View)と、X線検出器106の検出素子番号であるチャネル(ch)番号及び列番号と対応付けられる。取得された様々な角度からの投影データは画像処理装置122に送信される。画像処理装置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断層画像を再構成する。再構成して得られた断層画像は表示装置125に表示される。

図2を用いてX線検出器106について説明する。なおX線検出器106は放射線検出器の一例であり、放射線の一種であるX線の量であるX線量を計測する装置である。図2は放射線源であるX線焦点201とX線検出器106との位置関係を示す図である。X線検出器106は散乱線除去部202と検出素子モジュール203とを備えている。

散乱線除去部202は、被検体等で発生した散乱線を除去するものであり、散乱線を含んだX線がX線検出器106で検出されると、被検体で減弱されたX線量が正しく計測されず、再構成された断層画像の画質が劣化する。本発明の要部である散乱線除去部202の詳細な構造は後述する。

検出素子モジュール203は、散乱線除去部202を透過したX線の空間的な分布を計測するものであり、X線量を計測するX線検出素子が平板上で二次元に配列されて構成される。X線検出素子は放射線検出素子の一例である。X線検出器106には、複数の検出素子モジュール203が備えられ、回転円盤102の回転面(XY面)においてX線焦点201を中心とする円弧の接線で形成される多角形状をなすように各検出素子モジュール203が配置される。このように各検出素子モジュール203が配置されることにより、X線検出素子はX線焦点201を中心とする円弧上にほぼ配置されることになる。なお、図2では図面を簡略化するために検出素子モジュール203を7つしか描いていないが、検出素子モジュール203の数は7つに限定されるものでない。

図3乃至図5を用いて散乱線除去部202と検出素子モジュール203のより具体的な構造について説明する。

図3は散乱線除去部202と検出素子モジュール203の斜視図である。散乱線除去部202は一次元コリメータ301と2次元コリメータ302とがX線入射方向に重ねられて構成される。検出素子モジュール203はシンチレータアレイ303とフォトダイオードアレイ304とがX線入射方向に積層されて構成される。

一次元コリメータ301は複数の遮蔽板301aによって構成される。遮蔽板301aはX線を十分に遮蔽可能な部材、例えばタングステンやモリブデン等の重金属の板材であり、回転円盤102の回転軸方向、すなわちスライス方向(Z方向)に沿って配置され、各々がX線焦点201を指向するように、回転円盤102の接線方向、すなわちチャネル方向(X方向)に配列される。これにより、画質に影響を及ぼしやすいチャネル方向の散乱線を効果的に低減することができる。

二次元コリメータ302は、複数の第一遮蔽壁302aと複数の第二遮蔽壁302bによって構成される。第一遮蔽壁302aはX線を十分に遮蔽可能な部材、例えばタングステンやモリブデン等の重金属の壁であり、スライス方向(Z方向)に沿って配置され、各々がX線焦点201を指向するように、チャネル方向(X方向)に配列される。第二遮蔽壁302bもX線を十分に遮蔽可能な部材の壁であり、チャネル方向(X方向)に沿って配置され、各々がX線焦点201を指向するように、スライス方向(Z方向)に配列される。

図4は図3のXY断面図である。本実施形態ではX線焦点201側から、一次元コリメータ301、二次元コリメータ302、シンチレータアレイ303、フォトダイオードアレイ304の順に配置される。

シンチレータアレイ303は、シンチレータ素子303aと、反射材303bから構成されている。シンチレータ素子303aはX線が入射するとX線量に応じた量の可視光を発するものであり、X線入射方向と直交する平面、すなわちXZ面上に二次元に複数配置される。反射材303bはシンチレータ素子303aが発する可視光を反射するものであり、シンチレータ素子303aのフォトダイオードアレイ304と対向する面以外の面を覆う。

フォトダイオードアレイ304は、各シンチレータ素子303aに対向するようにフォトダイオード素子を備えている。フォトダイオード素子はシンチレータ素子303aが発する可視光を電気信号に変換し、図示しないAD変換回路に電気信号を送る。図3、図4を用いて説明した検出素子モジュール203は、シンチレータ素子303aとフォトダイオード素子とでX線検出素子を構成するので間接変換型検出器であるが、半導体素子でX線検出素子を構成する直接変換型検出器であっても良い。X線検出素子は放射線検出素子の一例である。

一次元コリメータ301の遮蔽板301aと二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aはともに、X線を十分に遮蔽可能な部材で構成され、図4に示すように各々がX線焦点201を指向するように配列されている。このような構造により、X線焦点201から被検体を直線的に透過した直接X線のほとんどは、一次元コリメータ301と二次元コリメータ302を透過してX線検出素子に達する。一方、被検体で散乱され、XY面と平行な方向の成分を有する散乱線のほとんどは一次元コリメータ301又は二次元コリメータ302に吸収されX線検出素子に到達しない。また、YZ面と平行な方向の成分を有する散乱線のほとんどは二次元コリメータ302の第二遮蔽壁302bに吸収されX線検出素子に到達しない。

図5に、図3に示した構造の散乱線除去部で除去可能な散乱線の散乱角の一例を示す。なお、散乱角は図6に示すように極座標で表しており、散乱角θはX線検出素子のX線入射面と散乱線とがなす角であり、散乱角ΦはX線検出素子のX線入射面に散乱線が投影された線とX軸とがなす角である。

図5に示したグラフは、縦軸が散乱角θ、横軸が散乱角Φであり、遮蔽板301aの高さと第一遮蔽壁302aの高さの合計H_Xを15mm固定し、第二遮蔽壁302bの高さH_Zを0、5、10、15mmと変化させた時にX線検出素子へ入射可能な散乱線の散乱角Φおよびθを示している。すなわち、図5中の各折れ線より上の角度の散乱角であればX線検出素子に入射可能であることを示している。

図5から明らかなように、第二遮蔽壁302bが存在しないH_Z =0mmでは、散乱角Φが大きくなるに従い散乱角θが低下し、特に散乱角Φが80[deg.]以上になると散乱角θが急激に低下し、散乱角Φ＝80[deg.]のとき散乱角θ＝72[deg.]、散乱角Φ＝85[deg.]のとき散乱角θ＝58[deg.]であり、散乱角θの広い範囲に亘って散乱線がX線検出素子に到達することになる。

これに対し、第二遮蔽壁302bの高さをH_Z =15mmまで増加させると散乱角Φ全範囲に亘って散乱角θが大きな値を保ち、ほとんどの散乱線が除去されることになる。また、H_Z =5〜10mm程度であれば散乱角Φが80[deg.]以上の範囲でも散乱角θは80[deg.]弱にとどまっており、多くの散乱線が除去されることになる。すなわち本実施形態のように、二次元コリメータ302の高さを低く抑えたとしても、二次元コリメータ302の上に一次元コリメータ301を配置することによって全方向の散乱線を効率良く除去することが可能となる。また二次元コリメータ302の高さを低く抑えている為、散乱線除去部202をコンパクトにすることができる。

さらに二次元コリメータ302の高さを低く抑えている為、二次元コリメータ302を積層方式により製造する場合には製造時間を短時間に抑えることができる。また、第二遮蔽壁302bの高さが低いので、X線焦点が移動した際に第二遮蔽壁302bの存在によって発生する影も極力低減させることができ、断層画像の画質への影響を抑制できる。

また、X線CT装置に用いる放射線検出器の多スライス化、すなわち回転円盤102の回転軸方向へのX線検出素子列の多列化を図るために、本実施形態の散乱線除去部202と検出素子モジュール203を回転軸方向に複数個併設させても良い。さらに、一次元コリメータ301と二次元コリメータ302の位置合わせを容易にするために、一次元コリメータ301の検出素子モジュール203側、若しくは二次元コリメータ302のX線焦点201側に、位置合わせ用の凹凸を適宜設けても良い。さらに二次元コリメータ302と検出素子モジュール203の位置合わせを容易にするために、二次元コリメータ302の検出素子モジュール203側、若しくは検出素子モジュール203のX線焦点201側に、位置合わせ用の凹凸を適宜設けても良い。

(第二の実施形態)
本発明の第二の実施形態について説明する。第一の実施形態では、X線入射方向に一次元コリメータ301と二次元コリメータ302とが重ねられた散乱線除去部202について説明した。本実施形態では、一次元コリメータ301の遮蔽板301aの厚さと、二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aの厚さとの関係について図4を用いて説明する。

本実施形態では、図4に示すように一次元コリメータ301の遮蔽板301aの厚さW1を二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aの厚さW2よりも薄くする。

このように構成することにより、二次元コリメータ302の高さよりも高い高さを有する遮蔽板301aが反っていたり、回転円盤102の回転によって発生する遠心力によって変形したり、取り付け位置精度が適切でない場合であっても、遮蔽板301aの影がX線検出素子にかかることを、第一遮蔽壁302aによって抑制することができる。すなわち、X線CT装置で得られる断層画像の画質を劣化させずに済む。

(第三の実施形態)
本発明の第三の実施形態について説明する。第二の実施形態では、一次元コリメータ301の遮蔽板301aの厚さと、二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aの厚さとの関係について説明した。本実施形態では、二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aの厚さと第二遮蔽壁302bの厚さの関係について図7を用いて説明する。

図7は二次元コリメータ302をX線焦点201側から見た平面図である。図7に示すように本実施形態では、二次元コリメータ302の第一遮蔽壁302aの厚さW2を第二遮蔽壁302bの厚さW3よりも厚くする。二次元コリメータ302を用いる場合、二次元コリメータ302を用いない場合に比べ、X線検出素子に入射する直接X線の線量が低下してしまい、X線CT装置で得られる断層画像の画質を劣化させることがある。また、X線CT装置では、回転円盤102の回転面内のクロストークは、回転軸方向のクロストークに比べて断層画像の画質劣化への影響が大きい。

そこで本実施形態のように第一遮蔽壁302aの厚さW2を第二遮蔽壁302bの厚さW3よりも厚くすることにより、回転面内のクロストークを抑制しつつ、X線検出素子に入射する直接X線の線量を増やすことができる。すなわち、X線CT装置で得られる断層画像の画質を劣化させずに済む。

なお、上述した実施形態は本発明の構造を限定するためのものではなく、具体的な実施の形態を示す例であり、同一の効果を有する他の形態であっても本発明を実現することは可能である。例えば、上述した実施形態では、散乱線除去部202をX線焦点201側から一次元コリメータ301、二次元コリメータ302の順に重ねた構造としているが、X線焦点201側から二次元コリメータ302、一次元コリメータ301の順に重ねた構造としても良い。

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 照射野制限部、104 開口部、105 寝台装置、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、111 高電圧発生装置、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、201 X線焦点、202 散乱線除去部、203検出素子モジュール、301 一次元コリメータ、301a 遮蔽版、302 二次元コリメータ、302a 第一遮蔽壁、302b 第二遮蔽壁、303 シンチレータアレイ、303a シンチレータ素子、303b 反射材、304 フォトダイオードアレイ

Claims (3)

1. 放射線源から発生した放射線を検出する複数の放射線検出素子が第1の方向及び第1の方向と直交する第2の方向に配置された放射線検出素子アレイと、
   前記放射線検出素子アレイの前記放射線源の側に第1の方向に沿って複数の遮蔽板が放射線源を指向するように配置される一次元コリメータと、
   前記第1の方向に沿って複数の第一遮蔽壁が放射線源を指向するように配置されるとともに、前記第2の方向に沿って複数の第二遮蔽壁が放射線源を指向するように配置される二次元コリメータと、を備え、
   前記一次元コリメータと前記二次元コリメータとが放射線入射方向に重ねられ、前記一次元コリメータが前記二次元コリメータよりも放射線源側に配置され、
   前記遮蔽板の厚さが、前記第一遮蔽壁の厚さより薄いことを特徴とする放射線検出器。
2. 放射線源から発生した放射線を検出する複数の放射線検出素子が第1の方向及び第1の方向と直交する第2の方向に配置された放射線検出素子アレイと、
   前記放射線検出素子アレイの前記放射線源の側に第1の方向に沿って複数の遮蔽板が放射線源を指向するように配置される一次元コリメータと、
   前記第1の方向に沿って複数の第一遮蔽壁が放射線源を指向するように配置されるとともに、前記第2の方向に沿って複数の第二遮蔽壁が放射線源を指向するように配置される二次元コリメータと、を備え、
   前記第一遮蔽壁の厚さが前記第二遮蔽壁の厚さより厚いことを特徴とする放射線検出器。
3. 前記放射線源と、前記放射線源に対向配置され被検体を透過した放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射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、前記放射線検出器により検出された複数角度からの透過放射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、
   前記放射線検出器が請求項1または２に記載の放射線検出器であることを特徴とするX線CT装置。

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