WO2014171234A1

WO2014171234A1 - Ｘ線管装置及びｘ線撮影装置

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Publication number: WO2014171234A1
Application number: PCT/JP2014/056680
Authority: WO
Inventors: 喜明円谷
Original assignee: 株式会社日立メディコ
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-10-23
Also published as: JPWO2014171234A1; JP6318147B2

Abstract

　冷却効率を低下させることなくX 線遮蔽できる構造の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ために、電子線を放出する陰極（２１１）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（２１２）と、前記陰極（２１１）と前記陽極（２１２）とを真空雰囲気中に収納する真空外囲器（２１３）と、前記真空外囲器（２１３）を冷却媒体とともに保持するハウジング（２２０）と、前記真空外囲器（２１３）と前記ハウジング（２２０）との間に設けられ前記焦点から放射されるX 線を遮蔽するX 線遮蔽体（５００）であって、前記冷却媒体の流れの方向に沿って設けられるX 線遮蔽体（５００）を備えることを特徴とする。

Description

Ｘ線管装置及びＸ線撮影装置

　本発明はX線管装置及びX線撮影装置に係わり、特にX線管装置が有するX線放射窓以外から漏洩するX線の遮蔽に関する。

　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線管装置から放射されるX線のうち、被検体の撮影部位に照射されるX線はX線画像を作成するために必要であるが、それ以外のX線は被検体に無用な被曝を与えることになる。
そこでX線画像の作成に寄与しないX線を遮蔽するために、X線管装置の内側にはX線放射窓以外の箇所に、鉛を主成分としたX線遮蔽体が設けられている。

　特に、特許文献1には、X線遮蔽材の配置に関わる製造コストを低減するために、真空外囲器及びハウジング間に位置し、真空外囲器及びハウジングに隙間を置いて設けられるX線遮蔽体を備えるX線管装置が開示されている。

特開2010-257902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、単に真空外囲器とハウジングの間に、隙間を置いてX線遮蔽体を設けるだけでは、真空外囲器とハウジングの間を満たす冷却液である絶縁油の流れを阻害し、X線管装置内の冷却効率を低下させることになる。冷却効率の悪化は、X線管装置の連続運転時間を制限することになり、X線撮影装置の使い勝手を悪くする。

　そこで本発明の目的は、冷却効率を低下させることなくX線遮蔽できる構造の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、真空外囲器とハウジングの間を満たす冷却媒体の流れを阻害しないように、冷却媒体の流れに沿って設けられるX線遮蔽体を備え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、前記真空外囲器を冷却媒体とともに保持するハウジングと、前記真空外囲器と前記ハウジングとの間に設けられ前記焦点から放射されるX線を遮蔽するX線遮蔽体であって、前記冷却媒体の流れの方向に沿って設けられるX線遮蔽体を備える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線管装置と前記X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X線検出器により検出された複数角度からの透過X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、を備えたX線撮影装置である。

　本発明によれば、冷却効率を低下させることなくX線遮蔽できる構造の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 X線管装置と冷却装置の構成の一例を示す図陰極側レセプタクルと焦点の位置関係を示す図第1の実施例のX線遮蔽体の形状を示す図第2の実施例のX線遮蔽体の形状を示す図第3の実施例のX線遮蔽体の形状を示す図

　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230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230に陰極211から放出された電子線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230に衝突すると、焦点230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、図2中の1点鎖線219を回転軸として回転する。以降、1点鎖線219をX線管装置101の管軸219と呼ぶ。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230が常に移動するので、焦点230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、後述する冷却装置300により冷却される。

　ハウジング220には、陰極211及び陽極212のそれぞれに電圧を印加するための陰極側レセプタクル221と陽極側レセプタクル222とが接続される開口部が備えられる。陰極側レセプタクル221及び陽極側レセプタクル222は、陰極211及び陽極212に電圧を印加するための良導体と、良導体をハウジング220等から絶縁するための絶縁体とを有し、良導体の周りを絶縁体で覆う二重円筒形状をなす。良導体には銅等の金属が用いられ、絶縁体には樹脂等が用いられる。一般的に、金属に比べ絶縁体はX線遮蔽能力が低い。

　陰極側レセプタクル221には、中性点接地型X線管装置の場合に-50kV～-80kV程度が印加され、陽極接地型X線管装置の場合に-100kV～-160kV程度が印加される。すなわち、陰極側レセプタクル221の絶縁体は、最大160kV程度もの電圧を絶縁する必要がある。

　陽極側レセプタクル222には、中性点接地型X線管装置の場合に+50kV～+80kV程度が印加され、陽極接地型X線管装置の場合には接地電位となる。

　図3を用いてX線管装置101と冷却装置300との構成について説明する。ハウジング220内に充填された冷却媒体は、X線管装置101のハウジング220に接続された配管301を通じて冷却装置300に導かれ、冷却装置300にて熱を放散した後、配管301を通じてハウジング220内に循環される。

　焦点230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の表面から輻射により真空外囲器213へ放熱され、残りの熱は熱伝導により回転体支持機構215を通じて真空外囲器213へ流れる。真空外囲器213へ伝熱された熱は、真空外囲器213とハウジング220との間に充填された冷却媒体に熱伝達する。冷却媒体は、前述のように配管301を通じてハウジング220と冷却装置300との間を循環し、冷却装置300にて放熱する。X線管210の冷却効率を向上するには冷却媒体を効率よく循環させる必要がある。

　図4を用いてX線放射窓218以外の箇所から漏洩するX線について説明する。図4は陰極側レセプタクルと焦点の位置関係を示す図であって、図4(a)が図4(b)中のB-B矢視図であり、図4(b)が図4(a)中のA-A断面図である。

　本実施形態では、ハウジング220の内面に鉛板400が貼り付けられる。ただし、X線放射窓218と、陰極側レセプタクル221と陽極側レセプタクル222とが接続される開口部には、鉛板400は貼り付けられない。

　焦点230で発生したX線は、焦点230を中心とした球面状に放射され、その多くは鉛板400により遮蔽され、X線撮影に用いられるX線はX線放射窓218から被検体に向けて照射される。しかし、鉛板400が存在しない陰極側レセプタクル221と陽極側レセプタクル222とが接続される開口部からX線が漏洩しうる。このうち、陽極側レセプタクル222の開口部については、焦点230と開口部との間に、X線を遮蔽しうる陽極212が存在するので、陽極212によりX線は遮蔽される。これに対し、陰極側レセプタクル221の開口部と焦点230との間には陽極212のようなものが存在しない。また、陰極側レセプタクル221は、良導体の周りを絶縁体で覆う二重円筒形状であるので、絶縁体の部分からX線が漏洩する。

　そこで本発明では、真空外囲器213とハウジング220との間、特に焦点230から陰極側レセプタクル221の開口部を見込む範囲を覆うようにX線遮蔽体が設けられ、このX線遮蔽体が冷却媒体の流れを阻害しないように、冷却媒体の流れ方向に沿って設けられる。以下、X線遮蔽体の具体的な実施例について図3乃至5を用いて説明する。

　図5を用いて第1の実施例のX線遮蔽体500を説明する。図5(a)は図5(b)中のD-D矢視図であり、図5(b)は図5(a)中のC-C断面図である。

　本実施例のX線遮蔽体500は、管軸219と平行な円筒形状であって、円筒の円周方向に波型形状を有するものである。X線遮蔽体500は、X線遮蔽能力の高い材質、例えば鉛や、鉛を主成分として材質で構成される。またX線遮蔽体500は、焦点230から陰極側レセプタクル221の開口部を見込む範囲を覆うように、陰極211側の真空外囲器213の周囲に配置される。

　このような構成のX線遮蔽体500によれば、真空外囲器213とハウジング220との間に充填される冷却媒体の流れ、特に管軸219方向の流れを阻害せずにすむので、X線管装置101の冷却効率を低下させることなく、X線遮蔽、特に陰極側レセプタクル221の開口部からのX線遮蔽が可能となる。

　またX線遮蔽体500が波型形状を有することによりX線遮蔽体500の表面積が広くなり、真空外囲器213からX線遮蔽体500へ伝導した熱を効率よく冷却媒体へ熱伝達させることができる。

　また、X線遮蔽体500が円筒の円周方向に波型形状を有することにより、波型形状でない場合に比べ、管軸219と直交する面内において、X線の透過長が長くなり、X線遮蔽体500の見かけ上の厚さが厚くなるため、X線遮蔽体500の厚さを薄くすることができる。すなわちX線管装置101の軽量化が図れるようになる。

　図6を用いて第2の実施例のX線遮蔽体600を説明する。図6(a)は図6(b)中のF-F矢視図であり、図6(b)は図6(a)中のE-E断面図である。

　本実施例のX線遮蔽体600は、管軸219と平行な円筒形状であって、管軸219方向に波型形状を有するものである。X線遮蔽体600は、X線遮蔽能力の高い材質、例えば鉛や、鉛を主成分として材質で構成される。またX線遮蔽体600は、焦点230から陰極側レセプタクル221の開口部を見込む範囲を覆うように、陰極211側の真空外囲器213の周囲に配置される。

　このような構成のX線遮蔽体600によれば、真空外囲器213とハウジング220との間に充填される冷却媒体の流れ、特にX線遮蔽体600の円周方向の流れを阻害せずにすむので、X線管装置101の冷却効率を低下させることなく、X線遮蔽、特に陰極側レセプタクル221の開口部からのX線遮蔽が可能となる。

　またX線遮蔽体600が波型形状を有することによりX線遮蔽体500の表面積が広くなり、真空外囲器213からX線遮蔽体600へ伝導した熱を効率よく冷却媒体へ熱伝達させることができる。

　また、X線遮蔽体600が管軸219方向に波型形状を有することにより、波型形状でない場合に比べ、管軸219と平行な面内において、X線の透過長が長くなり、X線遮蔽体600の見かけ上の厚さが厚くなるため、X線遮蔽体600の厚さを薄くすることができる。すなわちX線管装置101の軽量化が図れるようになる。

　図7を用いて第3の実施例のX線遮蔽体700を説明する。図7(a)は図7(b)中のH-H矢視図であり、図7(b)は図7(a)中のG-G断面図である。

　本実施例のX線遮蔽体700は、管軸219と平行な半円筒形状である。X線遮蔽体700は、X線遮蔽能力の高い材質、例えば鉛や、鉛を主成分として材質で構成される。またX線遮蔽体700は、焦点230から陰極側レセプタクル221の開口部を見込む範囲を覆うように、陰極211側の真空外囲器213の周囲の陰極側レセプタクル221側に配置される。

　このような構成のX線遮蔽体700によれば、真空外囲器213とハウジング220との間に充填される冷却媒体の流れを阻害せずにすむので、X線管装置101の冷却効率を低下させることなく、X線遮蔽、特に陰極側レセプタクル221の開口部からのX線遮蔽が可能となる。

　また、本実施例のX線遮蔽体700の形状であれば、第1の実施例及び第2の実施例に比べ、X線遮蔽体の大きさがおよそ半分になるので、X線管装置101の軽量化が図れるようになる。

　本発明は前記実施例に限定されるものではない。例えば、第1の実施例や第2の実施例に示した波型形状を第3の実施例に示した半円筒形状のX線遮蔽体に適用しても良い。またX線遮蔽体500～700が配置される位置は、図5乃至7に図示した位置に限定されず、焦点230から陰極側レセプタクル221の開口部を見込む範囲を覆うように配置される位置であれば良い。

　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、219　管軸、220　ハウジング、221　陰極側レセプタクル、222　陽極側レセプタクル、230　焦点、300　冷却装置、301　配管、400　鉛板、500　第1のX線遮蔽体、600　第2のX線遮蔽体、700　第3のX線遮蔽体

Claims

　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、
　前記真空外囲器を冷却媒体とともに保持するハウジングと、
　前記真空外囲器と前記ハウジングとの間に設けられ前記焦点から放射されるX線を遮蔽するX線遮蔽体であって、前記冷却媒体の流れの方向に沿って設けられるX線遮蔽体を備えることを特徴とするX線管装置。
　請求項1に記載のX線管装置において、
　前記X線遮蔽体は、波型形状を有することを特徴とするX線管装置。
　請求項2に記載のX線管装置において、
　前記X線遮蔽体は円筒形状であって、円筒の円周方向に波型形状を有することを特徴とするX線管装置。
　請求項2に記載のX線管装置において、
　前記X線遮蔽体は円筒形状であって、円筒の中心軸方向に波型形状を有することを特徴とするX線管装置。
　請求項1に記載のX線管装置において、
　前記陰極に高電圧を供給する陰極側レセプタクルを更に備え、
　前記ハウジングは前記陰極側レセプタクルが通る開口部を有しており、
　前記X線遮蔽体は、前記焦点から前記開口部を見込む範囲を少なくとも覆うように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線管装置において、
　前記X線遮蔽体は、半円筒形状を有することを特徴とするX線管装置。
　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線源と前記X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、を備えたX線撮影装置であって、
　前記X線源は、請求項1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。