JP7433274B2

JP7433274B2 - Ｘ線管装置及びｘ線ｃｔ装置

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Publication number: JP7433274B2
Application number: JP2021105268A
Authority: JP
Inventors: 雄太郎田邊; 公博中山; 蓮園田; 善隆関
Original assignee: 富士フイルムヘルスケア株式会社
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2041-06-25
Also published as: JP2023003899A; US20220415601A1; CN115517693A

Description

本発明は、Ｘ線管装置及びＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置に係り、特に回転陽極型Ｘ線管装置に用いられる回転軸受に関する。

Ｘ線ＣＴ装置は、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線を検出するＸ線検出器とを、被検体の周囲で回転させ、多方向から得られる投影データを用いて、被検体の断層画像を生成する。生成された断層画像は、被検体の中の臓器形状を描写し、画像診断に使用される。

Ｘ線ＣＴ装置には、陽極を回転させる回転陽極型Ｘ線管装置が用いられ、陽極を支持して回転する回転部の回転軸の方向に所定の距離を隔てて回転軸受が配置される。Ｘ線発生時に電子線が照射される陽極からの伝熱によって、回転部は温度変化して熱膨張と熱収縮を繰り返す。回転部の熱膨張と熱収縮にともなって回転軸の方向に摺動する回転軸受は、回転軸受を保持する保持部に引っ掛かることがある。

特許文献1には、回転軸受が保持部に対して円滑に摺動できるようにするために、回転軸受の外周面にダイヤモンドライクカーボンや鉛の薄膜がコーティングされたＸ線管装置が開示されている。

特開２０００－２０８０７８号公報

しかしながら特許文献1では、回転軸受が摺動を繰り返すことにより保持部を傷つけることに対する配慮が不十分である。耐久性を必要とされる回転軸受には高硬度な材質が用いられるため、純鉄等の比較的軟らかい材質の保持部を回転軸受の角が損傷させることがある。保持部の損傷は、回転軸受の摺動を妨げるとともに、回転軸受の機能を損なわせる要因になる。特に近年では、Ｘ線ＣＴ装置で必要とされるＸ線量が増大しているため、陽極の重量化が進み、回転軸受の摺動による保持部の損傷が大きくなりつつある。

そこで本発明は、回転軸受を保持する保持部の損傷を防止できるＸ線管装置とそれを備えるＸ線ＣＴ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、電子線を発生する陰極と、前記電子線が照射されることでＸ線を発生する陽極と、前記陽極を支持して回転する回転部と、前記回転部の回転軸の方向に所定の距離を隔てて配置され、転動体を挟む外輪と内輪を有する回転軸受と、前記外輪を保持する保持部を備えるＸ線管装置であって、前記保持部の内壁は、前記外輪の角から離間させられることを特徴とする。

本発明によれば、回転軸受を保持する保持部の損傷を防止できるＸ線管装置とそれを備えるＸ線ＣＴ装置を提供することができる。

Ｘ線ＣＴ装置の全体構成を示す図である。Ｘ線管装置の全体構成を示す図である。陽極周辺の構造を示す図である。回転支持部の構造の一例を示す図である。回転支持部の構造の一例を示す図である。第一実施形態の外輪周辺の構造の一例を示す図である。第一実施形態の外輪周辺の構造の一例を示す図である。第一実施形態の外輪周辺の構造の一例を示す図である。第一実施形態の固定部の内壁構造の一例を示す図である。第一実施形態の固定部の内壁構造の一例を示す図である。第二実施形態の回転円筒部の内壁構造の一例を示す図である。

[第一実施形態]
以下、添付図面に従って本発明に係るＸ線管装置及び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Ｘ線ＣＴ装置１の全体構成について説明する。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を備える。
スキャンガントリ部１００は、Ｘ線管装置１０１、回転円盤１０２、コリメータ１０３、X線検出器１０６、データ収集装置１０７、寝台装置１０５、ガントリ制御装置１０８、寝台制御装置１０９、Ｘ線制御装置１１０を備える。Ｘ線管装置１０１は寝台装置１０５に載置された被検体１０にＸ線を照射する装置である。コリメータ１０３はＸ線の照射範囲を制限する装置である。回転円盤１０２は、寝台装置１０５に載置された被検体１０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、Ｘ線管装置１０１とＸ線検出器１０６を被検体１０の周囲で回転させる。

Ｘ線検出器１０６は、Ｘ線管装置１０１と対向配置され、被検体１０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る。Ｘ線検出器１０６の検出素子は、回転円盤１０２の回転方向と回転軸方向との２次元に配列される。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の回転及び傾斜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。

操作ユニット１２０は、入力装置１２１、画像処理装置１２２、表示装置１２５、記憶装置１２３、システム制御装置１２４を備える。入力装置１２１は、被検体１０の氏名、検査日時、撮影条件等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、タッチパネル等である。画像処理装置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画像を再構成したり、ＣＴ画像に様々な画像処理をしたりする装置である。表示装置１２５は、画像処理装置１２２で生成されたＣＴ画像等を表示する装置であり、具体的には液晶ディスプレイやタッチパネル等である。記憶装置１２３は、データ収集装置１０７で収集されたデータや画像処理装置１２２で生成されたＣＴ画像等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、各部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１０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１０を透過したＸ線を、二次元配列された検出素子で検出し、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Ｘ線計測が回転円盤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、取得された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ＣＴ画像を再構成する。再構成されたＣＴ画像は表示装置１２５に表示される。

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、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たもので、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は円板形状であって、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、銅などの熱伝導率の高い材質からなり、ターゲットを保持する。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２１７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２１７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は回転体支持部２１５に接続されており、回転体支持部２１５の駆動により、図２に１点鎖線で示される回転軸２１９の周りを回転する。回転体支持部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、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の表面からの輻射により外囲器２１３へ放熱され、残りの熱は熱伝導により回転体支持部２１５を通じて外囲器２１３へ流れる。容器２２０にはＸ線２１７をＸ線管装置１０１の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。

図３を用いて、陽極２１２に接続される回転体支持部２１５について説明する。図３は陽極２１２周辺の構造を示す図であり、回転軸２１９に沿った断面図である。回転体支持部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、回転軸受３０４、回転部３０２、回転円筒部３０１、締結部３０３を備える。

固定部３００は、円筒の一端に底面が設けられた形状を有し、固定部３００の底面側の端部が外囲器２１３に支持される。固定部３００の円筒の内側には回転軸受３０４が配置される。

回転軸受３０４は、回転部３０２を固定部３００に対して回転可能に支持する部材であって、回転軸２１９の方向に所定の距離を隔てて配置される。回転軸受３０４の詳細構造については、図４Ａと図４Ｂを用いて後述される。

回転部３０２は、段付き円柱形状を有しており、固定部３００の円筒の内側に配置され、回転軸受３０４によって固定部３００に対して回転可能に支持される。回転部３０２には回転円筒部３０１が締結部３０３を介して接続され、回転円筒部３０１には陽極２１２が接続される。すなわち回転部３０２は陽極２１２を支持する。

回転円筒部３０１は、円筒の一端に底面を有する形状であり、回転円筒部３０１の内側には固定部３００及び回転部３０２が配置される。回転円筒部３０１は、励磁コイル２１４が発生する磁界を駆動力として、回転軸２１９を中心として回転する。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及び回転部３０２も回転する。

締結部３０３は、回転円筒部３０１と回転部３０２を接続する部材であり、陽極２１２から回転部３０２への伝熱経路が長くなるようにハット形状を有する。伝熱経路が長くなることにより、陽極２１２から回転部３０２への伝熱が抑制される。

図４Ａと図４Ｂを用いて、回転体支持部２１５が備える回転軸受３０４の詳細構造について説明する。回転軸受３０４は、内輪３０４Ａ、転動体３０４Ｂ、外輪３０４Ｃを有する。転動体３０４Ｂは球体の部材であって、回転部３０２の周方向に多数配置され、内輪３０４Ａと外輪３０４Ｃに挟まれる。内輪３０４Ａと外輪３０４Ｃは転動体３０４Ｂが滑走する溝を有する部材である。回転軸２１９に近い側が内輪３０４Ａ、回転軸２１９から遠い側が外輪３０４Ｃである。内輪３０４Ａは図４Ａや図４Ｂに例示されるように回転部３０２に設けられても良い。外輪３０４Ｃは固定部３００に保持される。すなわち固定部３００は外輪３０４Ｃを保持する保持部となる。内輪３０４Ａ、転動体３０４Ｂ、外輪３０４Ｃには耐久性が必要とされるため、高速度工具鋼に用いられるような高硬度な材質、例えばＳＫＨ材等が用いられる。

回転軸受３０４は、前述のように回転軸２１９の方向に所定の距離を隔てて配置される。図４Ａでは、ネジ４０２によって固定部３００に固定された間座４００が、予圧バネ４０１とともに、２つの回転軸受３０４の間に配置される。予圧バネ４０１は図４Ａに例示されるようにネジ４０２よりも陽極２１２に近い側に配置されても良いし、ネジ４０２よりも陽極２１２から遠い側に配置されても良い。また、ネジ４０２の両側に予圧バネ４０１が配置されても良い。図４Ｂでは、止め輪４０３とバネ４０４との間に、間座４００によって所定の距離に隔てられた２つの回転軸受３０４が配置される。

陽極２１２からの伝熱による熱膨張と、伝熱が停止したときの熱収縮とを回転部３０２が繰り返すことによって、２つの内輪３０４Ａの間の距離が伸縮するので、外輪３０４Ｃは内輪３０４Ａに追従して図４Ａや図４Ｂに示される矢印の方向に摺動する。外輪３０４Ｃの摺動は、固定部３００と外輪３０４Ｃとの間の潤滑剤を摩耗させたり、純鉄等の比較的軟らかい材質である固定部３００の内壁を損傷させたりすることがある。固定部３００の内壁の損傷は外輪３０４Ｃの摺動を妨げ、内輪３０４Ａや外輪３０４Ｃと転動体３０４Ｂとの隙間を正常範囲外にし、回転軸受３０４の機能を損なわせる要因になる。そこで第一実施形態では、固定部３００の損傷を防止できるように、外輪３０４Ｃの角から固定部３００の内壁を離間させる。

図５Ａ乃至図５Ｃを用いて、第一実施形態の外輪３０４Ｃの周辺構造の一例について説明する。図５Ａでは、外輪３０４Ｃの角Ｅから固定部３００の内壁を離間させるために、固定部３００の端部にＲ部５００が設けられる。Ｒ部５００は、固定部３００の端部の角を丸めることによって形成され、外輪３０４Ｃの角Ｅが回転軸２１９の方向に摺動する範囲にわたって設けられ、外輪３０４Ｃが摺動しても角Ｅを固定部３００の内壁に接触させない。言い換えると、回転軸２１９の方向において、外輪３０４Ｃと固定部３００との接触面の長さが、外輪３０４Ｃの長さよりも短くなるように、固定部３００が形成される。

図５Ｂでは、固定部３００の端部に面取り部５０１が設けられる。面取り部５０１は、固定部３００の端部の角を面取りすることによって形成され、Ｒ部５００と同様に、外輪３０４Ｃの角Ｅが回転軸２１９の方向に摺動する範囲にわたって設けられる。すなわち図５Ｂにおいても、回転軸２１９の方向において、外輪３０４Ｃと固定部３００との接触面の長さが、外輪３０４Ｃの長さよりも短くなるように、固定部３００が形成される。

図５Ｃでは、回転軸２１９の方向において固定部３００の端部よりも外輪３０４Ｃが突出するように固定部３００が形成される。言い換えると、回転軸２１９の方向において、固定部３００が外輪３０４Ｃに対して埋没させられる。なお、図５Ｃにおいても、回転軸２１９の方向において、外輪３０４Ｃと固定部３００との接触面の長さは、外輪３０４Ｃの長さよりも短い。

図５Ａ乃至図５Ｃに例示される構造によれば、外輪３０４Ｃの角Ｅから固定部３００の内壁が離間させられ、固定部３００の内壁が外輪３０４Ｃの角Ｅに接触せずに済むので、固定部３００の損傷を防止できる。図５Ａ乃至図５Ｃでは、陽極２１２に近い側の固定部３００の端部の形状について説明した。外輪３０４Ｃの角Ｅは固定部３００の端部以外にも接触しえるので、以降では固定部３００の内壁構造について説明する。

図６Ａと図６Ｂを用いて、第一実施形態の固定部３００の内壁構造の一例について説明する。図６Ａでは、固定部３００の内壁に溝６００が設けられる。溝６００は、外輪３０４Ｃのそれぞれの角Ｅが回転軸２１９の方向に摺動する範囲にわたって設けられる。その結果、外輪３０４Ｃが摺動しても角Ｅを固定部３００の内壁に接触させずに済むようになり、固定部３００の損傷を防止できる。なお溝６００の端部にＲ部５００が設けられても良い。

図６Ｂでは溝６００とともに、異物回収部６０１が固定部３００の内壁に設けられる。異物回収部６０１は、回転軸２１９の方向において固定部３００と外輪３０４Ｃとの接触面のほぼ中央に設けられる溝であり、接触面から発生する異物を回収する。固定部３００の接触面から発生する異物は、例えば接触面からはがれた潤滑剤であり、外輪３０４Ｃの摺動の妨げとなる。すなわち、異物回収部６０１が異物を回収することにより、外輪３０４Ｃの円滑な摺動が維持される。なお異物回収部６０１は回転軸２１９に直交する方向に対して傾斜する溝であることが好ましい。異物回収部６０１が傾斜溝であることにより、回収された異物は異物回収部６０１の中に留まりやすくなる。

以上説明した第一実施形態によれば、摺動する外輪３０４Ｃの角Ｅを固定部３００の内壁に接触させずに済むので、固定部３００の損傷を防止できる。その結果、回転軸受３０４の機能を維持できる。

[第二実施形態]
第一実施形態では、回転軸受３０４の外輪３０４Ｃが固定部３００に保持される場合について説明した。第二実施形態では、外輪３０４Ｃが回転部３０２に保持される場合について説明する。なお第二実施形態において、固定部３００、回転部３０２、回転軸受３０４以外の構成は、第一実施形態と同じであるので説明を省略する。

図７を用いて、第二実施形態の固定部３００、回転部３０２、回転軸受３０４の構造の一例について説明する。固定部３００は円柱形状を有し、回転軸２１９の方向に所定の距離を隔てて、回転軸受３０４の内輪３０４Ａが設けられる。

回転部３０２は円筒の一端に底面が設けられた形状を有し、回転部３０２の底面側の端部に締結部３０３が接続され、締結部３０３と回転円筒部３０１を介して陽極２１２を支持する。回転部３０２の円筒の内側には、回転軸２１９の方向に所定の距離を隔てて回転軸受３０４が配置され、回転軸受３０４の外輪３０４Ｃは回転部３０２に保持される。すなわち回転部３０２は外輪３０４Ｃを保持する保持部となる。

回転部３０２の円筒の内壁には、溝６００が設けられる。溝６００は、回転部３０２の熱膨張と熱収縮によって、外輪３０４Ｃのそれぞれの角Ｅが回転軸２１９の方向に回転部３０２に対して摺動する範囲にわたって設けられる。その結果、回転部３０２に対して外輪３０４Ｃが摺動しても角Ｅを回転部３０２の内壁に接触させずに済むようになり、回転部３０２の損傷を防止できる。

以上説明した第二実施形態によれば、摺動する外輪３０４Ｃの角Ｅを、外輪３０４Ｃを保持する保持部となる回転部３０２の内壁に接触させずに済むので、保持部である回転部３０２の損傷を防止できる。その結果、回転軸受３０４の機能を維持できる。

以上、本発明の複数の実施形態について説明した。なお本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：Ｘ線ＣＴ装置、１０：被検体、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、１２０：操作ユニット、１２１：入力装置、１２２：画像処理装置、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：回転体支持部、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、３０２：回転部、３０３：締結部、３０４：回転軸受、３０４Ａ：内輪、３０４Ｂ：転動体、３０４Ｃ：外輪、４００：間座、４０１：予圧バネ、４０２：ネジ、４０３：止め輪、４０４：バネ、５００：Ｒ部、５０１：面取り部、６００：溝、６０１：異物回収部

Claims

電子線を発生する陰極と、前記電子線が照射されることでＸ線を発生する陽極と、前記陽極を支持して回転する回転部と、前記回転部の回転軸の方向に所定の距離を隔てて配置され、転動体を挟む外輪と内輪を有する回転軸受と、前記外輪を保持する保持部を備えるＸ線管装置であって、
前記保持部の内壁は、前記外輪の角から離間させられ、
前記保持部の内壁には、前記保持部と前記外輪との接触面から発生する異物を回収する異物回収部が設けられ、
前記異物回収部は、前記回転軸の方向において前記接触面のほぼ中央に位置する溝であることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、
前記保持部の端部の角が丸められたＲ部が設けられることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、
前記保持部の端部の角が面取りされた面取り部が設けられることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、
前記保持部の端部よりも、前記回転軸の方向において、前記外輪が突出することを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、
前記回転軸の方向において、前記保持部と前記外輪との接触面の長さが前記外輪の長さよりも短いことを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置であって、
前記保持部の内壁には、前記外輪の角が摺動する範囲にわたって溝が設けられることを特徴とするＸ線管装置。
請求項１に記載のＸ線管装置を備えることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。