JP7094808B2

JP7094808B2 - Ｘ線検出器及びｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP7094808B2
Application number: JP2018130217A
Authority: JP
Inventors: 実堀之内; 輝西島
Original assignee: Canon Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2022-07-04
Anticipated expiration: 2038-07-09
Also published as: US10823684B2; JP2020005928A; US20200011813A1

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線検出器及びＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置等に用いられるＸ線検出器では、Ｘ線管球から照射されたＸ線を、シンチレータを介して可視光に変換し、光センサアレイにおいて可視光を電気信号に変換する。そして、検出された電気信号は、Ｘ線検出器の外部に設けられたデータ収集部に送信されてＡ／Ｄ変換などのデータ処理が実行されて撮像データとして取得される。

ところで、光センサアレイを有するＸ線検出器の基板において、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアを搭載することで、可視光を電気信号に変換する機能に加えて、素子上でＡ／Ｄ変換などのデータ処理を実行する場合がある。このタイプの検出器ではその基板内の回路で発熱する場合があり、発生した熱が基板内に留まれば、回路の動作保障を超える温度となってしまい、正常に動作しなくなるおそれがある。

特開２００６－２７６０１６号公報

本発明が解決しようとする課題は、検出器の基板で発生する熱を簡易かつ効率的に外部に排出することである。

実施形態に係るＸ線検出器は、光センサアレイと、基板と、第１のサポート板と、第２のサポート板と、を有する。光センサアレイは、Ｘ線を受けて電気信号を発生する。基板は、電気信号をＡ／Ｄ変換する素子を少なくとも備える。第１のサポート板は、散乱線除去のためのセパレータを保持する。第２のサポート板は、第１のサポート板より熱伝導率の高い材料で形成され、基板と少なくとも一部を接して設けられる。

実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成を示す構成図。実施形態に係るＸ線ＣＴ装置における、Ｘ線管とＸ線検出器との位置関係を示す説明図。（Ａ）は、図２に示すＸ線検出器のＩ－Ｉ断面図、（Ｂ）は、図２に示すＡ方向からＸ線検出器を見た上面図。実施形態に係るＸ線検出器の基板で発生した熱が排出される様子を示す説明図。

以下、実施形態に係るＸ線検出器について添付図面を参照して説明する。

まず、実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、Ｘ線ＣＴ装置１は、架台装置１０と、寝台装置３０と、コンソール装置４０と、を有する。図１では架台装置１０に挿入される被検体Ｐの位置関係を説明するため、架台装置１０を複数描画している。

なお、本実施形態では、非チルト状態での回転フレーム１３の回転軸又は寝台装置３０の天板３３の長手方向をｚ軸方向、ｚ軸方向に直交し、床面に対し水平である軸方向をｘ軸方向、ｚ軸方向に直交し、床面に対し垂直である軸方向をｙ軸方向とそれぞれ定義するものとする。

架台装置１０は、Ｘ線管１１と、Ｘ線検出器１２と、回転フレーム１３と、Ｘ線高電圧装置１４と、を有する。

Ｘ線管１１は、Ｘ線高電圧装置１４からの高電圧の印加により、陰極（フィラメント）から陽極（ターゲット）に向けて熱電子を照射することでＸ線を発生する真空管である。

ウェッジ１６は、Ｘ線管１１から照射されたＸ線量を調節するためのフィルタである。具体的には、ウェッジ１６は、Ｘ線管１１から被検体Ｐへ照射されるＸ線が、予め定められた分布になるように、Ｘ線管１１から照射されたＸ線を透過して減衰するフィルタである。例えば、ウェッジ１６（ウェッジフィルタ（wedge filter）、ボウタイフィルタ（bow-tie filter））は、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウムを加工したフィルタである。

Ｘ線絞り１７は、ウェッジ１６を透過したＸ線の照射範囲を絞り込むための鉛板等であり、複数の鉛板等の組み合わせによってスリットを形成する。

Ｘ線高電圧装置１４は、変圧器（トランス）及び整流器等の電気回路を有し、Ｘ線管１１に印加する高電圧を発生する機能を有する高電圧発生装置と、Ｘ線管１１が照射するＸ線に応じた出力電圧の制御を行うＸ線制御装置とを有する。高電圧発生装置は、変圧器方式であってもよいし、インバータ方式であっても構わない。なお、Ｘ線高電圧装置１４は、後述する回転フレーム１３に設けられてもよいし、架台装置１０の固定フレーム（図示しない）側に設けられても構わない。なお、固定フレームは回転フレーム１３を回転可能に支持するフレームである。

Ｘ線検出器１２は、Ｘ線管１１から照射され、被検体Ｐを通過したＸ線を検出し、当該Ｘ線量に対応した電気信号をＤＡＳ１８へと出力する。Ｘ線検出器１２は、Ｘ線管１１の焦点を中心として１つの円弧に沿ってチャネル方向に複数のＸ線検出素子２１が配列された複数のＸ線検出素子列を有する。なお、Ｘ線検出器１２の詳細な構成については後述する。

ＤＡＳ１８（Data Acquisition System）は、Ｘ線検出器１２の各Ｘ線検出素子から出力される電気信号に対して増幅処理を行う増幅器と、電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを有し、検出データを生成する。ＤＡＳ１８が生成した検出データは、コンソール装置４０へと転送される。なお、ＤＡＳ１８は、Ｘ線検出器１２の基板２４（図３）内でＡ／Ｄ変換等のデータ処理を実行する場合には、一部の機能を省略できる。

回転フレーム１３は、Ｘ線管１１とＸ線検出器１２とを対向支持して、後述する制御装置１５によってＸ線管１１とＸ線検出器１２とを回転させる円環状のフレームである。なお、回転フレーム１３は、Ｘ線管１１とＸ線検出器１２に加えて、Ｘ線高電圧装置１４やＤＡＳ１８を更に備えて支持する。ＤＡＳ１８が生成した検出データは、回転フレーム１３に設けられた発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する送信機から光通信によって架台装置１０の非回転部分（例えば固定フレーム。図１での図示は省略している。）に設けられた、フォトダイオードを有する受信機に送信され、コンソール装置４０へと転送される。なお、回転フレーム１３から架台装置１０の非回転部分への検出データの送信方法は、前述の光通信に限らず、非接触型のデータ伝送であれば如何なる方式を採用しても構わない。

制御装置１５は、ＣＰＵ等を有する処理回路と、モータ及びアクチュエータ等の駆動機構とを有する。制御装置１５は、コンソール装置４０若しくは架台装置１０に取り付けられた、後述する入力インターフェース４３からの入力信号を受けて、架台装置１０及び寝台装置３０の動作制御を行う機能を有する。

例えば、制御装置１５は、入力信号を受けて回転フレーム１３を回転させる制御や、架台装置１０をチルトさせる制御、及び寝台装置３０及び天板３３を動作させる制御を行う。なお、架台装置１０をチルトさせる制御は、架台装置１０に取り付けられた入力インターフェースによって入力される傾斜角度（チルト角度）情報により、制御装置１５がＸ軸方向に平行な軸を中心に回転フレーム１３を回転させることによって実現される。なお、制御装置１５は架台装置１０に設けられてもよいし、コンソール装置４０に設けられても構わない。

寝台装置３０は、スキャン対象の被検体Ｐを載置、移動させる装置であり、基台３１と、寝台駆動装置３２と、天板３３と、支持フレーム３４とを備えている。基台３１は、支持フレーム３４を鉛直方向に移動可能に支持する筐体である。寝台駆動装置３２は、被検体Ｐが載置された天板３３を天板３３の長軸方向に移動するモータあるいはアクチュエータである。支持フレーム３４の上面に設けられた天板３３は、被検体Ｐが載置される板である。なお、寝台駆動装置３２は、天板３３に加え、支持フレーム３４を天板３３の長軸方向に移動してもよい。

コンソール装置４０は、メモリ４１と、ディスプレイ４２と、入力インターフェース４３と、処理回路４４とを有する。なお、コンソール装置４０は架台装置１０とは別体として説明するが、架台装置１０にコンソール装置４０又はコンソール装置４０の各構成要素の一部が含まれてもよい。

メモリ４１は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。メモリ４１は、例えば、投影データや再構成画像データを記憶する。

ディスプレイ４２は、各種の情報を表示する。例えば、ディスプレイ４２は、処理回路４４によって生成された医用画像（ＣＴ画像）や、操作者からの各種操作を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）等を出力する。例えば、ディスプレイ４２は、液晶ディスプレイやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイである。また、ディスプレイ４２は、架台装置１０に設けられてもよい。また、ディスプレイ４２は、デスクトップ型でもよいし、コンソール装置４０本体と無線通信可能なタブレット端末等で構成されることにしても構わない。

入力インターフェース４３は、操作者からの各種の入力操作を受け付け、受け付けた入力操作を電気信号に変換して処理回路４４に出力する。例えば、入力インターフェース４３は、投影データを収集する際の収集条件や、ＣＴ画像を再構成する際の再構成条件、ＣＴ画像から後処理画像を生成する際の画像処理条件等を操作者から受け付ける。例えば、入力インターフェース４３は、マウスやキーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック等により実現される。

また、入力インターフェース４３は、架台装置１０に設けられてもよい。また、入力インターフェース４３は、コンソール装置４０本体と無線通信可能なタブレット端末等で構成されることにしても構わない。

処理回路４４は、入力インターフェース４３を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、処理回路４４の各種機能を制御する。例えば、処理回路４４は、出力された検出データに対して対数変換処理やオフセット補正処理、チャネル間の感度補正処理、ビームハードニング補正等の前処理を施したデータを生成する。そして、この生成されたデータに対してフィルタ補正逆投影法や逐次近似再構成法等を用いた再構成処理を行ってＣＴ画像データを生成する。

続いて、実施形態に係るＸ線検出器１２について説明する。
図２は、Ｘ線管１１とＸ線検出器１２との位置関係を示す説明図である。なお、Ｘ線検出器１２の円弧に沿う方向をチャネル方向とし、チャネル方向に直交し、天板３３の長軸方向に移動する方向と平行となる方向をスライス方向（ｚ軸方向）とする。

図３（Ａ）は、実施形態に係るＸ線検出器１２の縦断面図（図２のＩ－Ｉ断面図）であり、図３（Ｂ）は、Ｘ線検出器１２をＡ方向から見た場合の上面図である。なお、図３（Ｂ）では、保持容器２６の内部の構成を明示するために、保持容器２６を省略して記載している。

Ｘ線検出器１２は、第１のサポート板１９と、セパレータ２０と、Ｘ線検出素子２１と、シンチレータ２２と、第２のサポート板２５と、を有する。

第１のサポート板１９（１９_１，１９_２）は、２つの板が対向するように配置されて、それぞれの板に溝が複数設けられている。セパレータ２０が、対向する位置に設けられた溝に挿入されて、第１のサポート板１９は、複数のセパレータ２０をスライス方向と平行に保持する。第１のサポート板１９は、薄い板であるセパレータ２０を保持するための溝を形成する観点から、成形が容易なガラスエポキシ材などの材質で構成される。

セパレータ２０は、モリブデンなどのＸ線を吸収する材料で形成されており、Ｘ線管１１から照射されるＸ線の散乱線を除去するための遮蔽材である。第１のサポート板１９とセパレータ２０とでコリメータが形成される。

Ｘ線検出素子２１は、シンチレータ２２と、光センサアレイ２３と、基板２４と、を有する。Ｘ線検出素子２１は、アルミニウムなどの金属で形成された筐体である保持容器２６内に収容される。

シンチレータ２２は、照射されたＸ線を光に変換する部材であり、基板２４上に載せられて配置される。シンチレータ２２は、複数のシンチレータアレイから構成されており、シンチレータ２２は入射Ｘ線量に応じた光子量の光を出力するシンチレータ結晶を有している。

光センサアレイ２３は、照射されたＸ線によりシンチレータ２２で生成された可視光を電気信号に変換する素子である。光センサアレイ２３は、シンチレータ２２からの光量に応じた電気信号に変換する機能を有し、例えば、フォトダイオード等の光センサが例示される。なお、Ｘ線検出器１２は、実施形態のようにシンチレータを介してＸ線を可視光に変換した後で電気信号に変換する間接変換型の検出器ではなく、入射したＸ線を電気信号に変換する半導体素子を有する直接変換型の検出器でもよい。

基板２４は、光センサアレイ２３で発生した電気信号をＡ／Ｄ変換する素子を少なくとも備えている。基板２４には、電気信号をＡ／Ｄ変換などのデータ処理を実行するＡＳＩＣ等のハードウェア回路が搭載される。シンチレータ２２が基板２４上に配置されて、シンチレータ２２の直下に配置される光センサアレイ２３と基板２４とが一体となって構成されている。基板２４は、第１のサポート板１９及び第２のサポート板２５の少なくとも一方に接続されて固定される。

なお、基板２４内の回路で、光センサアレイ２３で発生した電気信号のＡ／Ｄ変換等のデータ処理を実行してもよいし、基板２４とＤＡＳ基板１８とで実行する機能を分けて処理してもよい。光センサアレイ２３に近い位置でＡ／Ｄ変換を実行することで、伝送によって生じる回路ノイズを抑制できる。

第２のサポート板２５（２５_１，２５_２）は、第１のサポート板１９より熱伝導率の高い材料で形成されており、基板２４と少なくとも一部を接して設けられる。第２のサポート板２５は、金属等の熱伝導率のよい材質、例えば鉄などの金属材料で形成される。

具体的には、２つの第２のサポート板２５は、第１のサポート板１９の外側で対向するように配置されて、下面で基板２４と接して配置されている。そして、第２のサポート板２５の側面は、保持容器２６の内面に接して設けられる。

Ｘ線検出素子２１の基板２４を第２のサポート板２５に接触させることで、基板２４で発生した熱が第２のサポート板２５に伝達されて排出される。さらに、第２のサポート板２５と保持容器２６とが接することで、保持容器２６に熱が拡散される。

なお、Ｘ線検出器１２は、チャネル方向に複数のＸ線検出素子２１が配列されたＸ線検出素子列がスライス方向に複数配列された構造を有してもよい。

図４は、実施形態に係るＸ線検出器１２の基板２４において発生した熱が排出される様子を示す説明図である。図中の矢印は、基板２４で発生した熱が外部に排出されるまでの流れを示している。

基板２４で発生した熱は、第２のサポート板２５に伝達される。そして、第２のサポート板２５を介して保持容器２６に拡散されて、Ｘ線検出器１２の外部に排出される。

なお、保持容器２６は、例えば外気側に突出する突出部を複数形成したヒートシンクを設けて、外気との表面積を増加させて空冷で熱を排出してもよい。これにより、より効率的にＸ線検出器１２の外部に排出できる。

このように、Ｘ線検出器１２の基板２４で発生した熱を、第２のサポート板２５を介して保持容器２６に拡散させることで、基板２４内での熱の滞留を抑制でき、発生した熱を外部に効率よく排出できる。このため、Ｘ線検出器の基板２４内に、Ａ／Ｄ変換するＡＳＩＣ等のハードウェアを搭載した場合であっても、ハードウェアの動作保障温度以下に温度を保つことができ、回路の動作を安定的に維持できる。

また、ヒートパイプやペルチェ素子などの冷却機構を用いる場合と比較して、簡易な構造かつ安価にＸ線検出器の素子の冷却を実現できる。冷却ファン等の機械的な冷却機構をＸ線ＣＴ装置に適用した場合には、高速回転に伴う重力の影響により冷却機構が故障するおそれがあるが、本実施形態のＸ線検出器では、安定的に検出器の基板を冷却できる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、検出器の基板で発生する熱を簡易かつ効率的に外部に排出することができる。

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。

１Ｘ線ＣＴ装置
１１Ｘ線管
１２Ｘ線検出器
１３回転フレーム
１９第１のサポート板
２０セパレータ
２１Ｘ線検出素子
２２シンチレータ
２３光センサアレイ
２４基板
２５第２のサポート板
２６保持容器

Claims

Ｘ線を受けて電気信号を発生する光センサアレイと、
前記光センサアレイのＸ線入射側の対向側に配置され、前記電気信号をＡ／Ｄ変換する素子を少なくとも備える基板と、
散乱線除去のためのセパレータが前記光センサアレイの前記Ｘ線入射側に配置されるようにスライス方向において両側で前記セパレータを保持する第１の板と、
前記第１の板より熱伝導率の高い材料で形成され、前記スライス方向において前記第１の板の外側に前記基板と少なくとも一部を接して設けられる第２の板と、
を有するＸ線検出器。
前記第２の板は、その前記対向側で前記基板と接する、
請求項１に記載のＸ線検出器。
前記光センサアレイと、前記基板と、前記第１の板と、前記第２の板とを収容する保持容器をさらに備え、
前記第２の板は、前記保持容器の内壁に接して設けられて、前記基板で発生した熱を前記保持容器に拡散させる、
請求項１または請求項２に記載のＸ線検出器。
前記保持容器は、外気と接する表面積を増加させるヒートシンクを備える、
請求項３に記載のＸ線検出器。
Ｘ線を照射するＸ線管と、
請求項１から４のいずれか一項に記載のＸ線検出器と、
Ｘ線管とＸ線検出器とを対向支持して、Ｘ線管とＸ線検出器とを回転させる回転フレームと、
を有するＸ線ＣＴ装置。