JP2008122101A - 画像測定方法及び画像測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】広範囲な医療用途などに対して適用することが可能な、高出力かつ高輝度で平行性に優れたX線を利用して、高解像度かつ短時間で目的とする被写体のX線画像を得ることが可能な画像測定方法及び画像測定装置を提供する。
【解決手段】ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させる。次いで、前記X線を分光器に入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成する。次いで、前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら照射し、前記被写体より得たX線画像を検知する。
【選択図】図6
【解決手段】ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させる。次いで、前記X線を分光器に入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成する。次いで、前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら照射し、前記被写体より得たX線画像を検知する。
【選択図】図6
Description
本発明は、画像測定方法及び画像測定装置に関し、特に医療用として好適に用いることが可能な画像測定方法及び画像測定装置に関する。
従来、医療用のX線撮影においては、所定のX線管球が用いられ、このX線管球から発せられるX線を被写体に照射するとともに、前記被写体を透過したX線をフィルムなどの所定の検出部において撮像あるいは検出し、その撮像あるいは検出した映像を解析することにより医療用に供していた。
例えば、従来のX線管においては、実効焦点1mm×1mmから出たX線が広がって40cm×40cmまで拡大して被写体に照射されるとすると、そのX線の輝度は(1mm×1mm)/(400mm×400mm)の割合だけ弱くなる。すなわち、被写体に照射されるX線の輝度は、出射直後の輝度に比較して少なくとも6.25×10−6まで減衰してしまう。
また、従来のX線管を医療用などに用いる場合においては、不要な成分をフィルターによりカットして使用する場合が大部分であった。しかし、この方法では目的とする波長成分を有効に取り出すには不十分であった。
一方、医療現場では、被写体の高速かつ高分解能3次元CTの開発が望まれている。すなわち、分解能が上がれば初期癌などの初期症状の発見が進み、治癒率が格段に上がるためである。被写体を高分解能で撮像するためには、波長幅が小さく平行性の良い高出力かつ高輝度X線を短時間露光する必要がある。しかしながら、従来のX線管球においては、被写体に照射される段階でのX線輝度は格段に減少してしまうとともに、平行性の高いX線を得ることができなかった。
また、従来のX線管球を用いたCT装置では、被写体の画像を得ようとすると、前記X線管球を前記被写体の周りに数十回回転させなければならず、測定が長時間化してしまうという問題があった。
このように、従来のX線管球を特に医療用として使用するには、目的とする被写体の画像を高分解能かつ短時間で得ることができないという問題があった。
本発明は、上述の背景のもとでなされたものであり、広範囲な医療用途などに対して適用することが可能な、高出力かつ高輝度で平行性に優れたX線を利用して、高解像度かつ短時間で目的とする被写体のX線画像を得ることが可能な画像測定方法及び画像測定装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は、
ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させる工程と、
前記X線を分光器に入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成する工程と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら照射し、前記被写体より得たX線画像を検知する工程と、
を具えることを特徴とする、画像測定方法に関する。
ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させる工程と、
前記X線を分光器に入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成する工程と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら照射し、前記被写体より得たX線画像を検知する工程と、
を具えることを特徴とする、画像測定方法に関する。
また、本発明は、
エネルギー線照射によりX線を発生させるためのターゲットと、
前記X線が、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させるためのエネルギー線を生成するエネルギー線源と、
前記X線を入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成するための分光器と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的な回転運動を生ぜしめるための回転駆動系と、
前記平行X線を前記被写体に照射して得たX線画像を検知するための検知器と、
を具えることを特徴とする、画像測定装置に関する。
エネルギー線照射によりX線を発生させるためのターゲットと、
前記X線が、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させるためのエネルギー線を生成するエネルギー線源と、
前記X線を入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成するための分光器と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的な回転運動を生ぜしめるための回転駆動系と、
前記平行X線を前記被写体に照射して得たX線画像を検知するための検知器と、
を具えることを特徴とする、画像測定装置に関する。
本発明においては、従来のようなX線管球に代えてX線発生のための特殊なターゲットを用い、このターゲットに対してエネルギー線を照射するようにしている。したがって、前記ターゲットに対する前記エネルギー線の照射強度及び照射面積を適宜制御することにより、従来のX線管球では実現できなかったような高出力かつ高輝度であって、被写体の大きさ(X線入射側の長さ)とほぼ同等、あるいはそれ以上の大きさを有するようなX線を生成することができる。
また、本発明においては、前記ターゲットから発生したX線を分光器に入射させ、前記X線から平行であって所定の波長範囲にあるX線成分のみを取り出すようにしている。したがって、このように被写体よりも大きくかつ高出力、高輝度の平行X線を使用していることに起因して、前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に、半回転以下で回転させれば、前記被写体の全体画像を得ることができる。したがって、前記被写体のX線画像、具体的には3次元のX線CT画像用データを高精度かつ短時間に得ることができる。なお、前記相対的な回転は、等速で実施しても良いし、必要に応じて任意に速度を変化させるようにすることもできる。
実際、従来の3次元CT装置では測定データをもとに計算機で3次元画像を得る。この時、画像データが全て同じ倍率(実際には倍率1)になるようにするため、3次元CT装置などに用いられているX線管などでは、正方形に近いスリットを通過させることによって平行X線を得るものであるので、前記平行X線においては、本来的にコンマ数ミリメータの大きさを有する断面積まで絞り込んだX線ビームとして使用する。したがって、本来的に小さいX線輝度がさらにその効率を下げてしまう結果となる。
なお、ここで、前記X線ビームの大きさとは、前記X線の大きさを特徴づけるようなものを言い、例えば前記X線の断面積が矩形状の場合は、その一辺の長さを言う。
例えば上述したように、前記平行X線の効率は1mm×1mmのコリメーターを通さないで40cm×40cmの透過写真を撮る場合に比較して1/(400×400)=6.25×10-6にまで減少してしまう。また、前記平行X線の断面積が極めて限定されてしまうため及びデジタルデータから3次元画像を計算により求めるため、前記平行X線を前記被写体に対して数十回スキャンさせる必要が生じる。この結果、前記被写体全体のX線画像を得ようとすると、1回の測定に数十秒オーダの時間を要することになる。
一方、スキャンの高速化に伴い現状では1秒間に3回転する装置も出来ており、回転中心から200mmの位地で1mm×1mmの面積をX線ビームが走査する時間は僅か0.26ミリ秒にすぎない。即ち画素当たりミリ秒以下の露光のため、露光不足になりやすく、良質な画像、即ち低ノイズで解像度が良い3次元CT画像が得にくい。結果として、従来の方法では、分解能を上げるためにはX線ビームを細くする必要があり、その結果更に測定時間が長時間化する。そのため、高解像度の3次元X線CT画像が事実上得られないなどの問題が生じる。
これに対して本発明では、被写体の最大長に相当するような大きさであって、高輝度の平行X線を用いているので、前記被写体のX線画像を得るに際して、前記平行X線を前記被写体に対して、相対的に半回転以下で回転させて照射するようにすれば、目的とするX線画像を得ることができる。したがって、前記被写体の高分解能X線画像を、上記高速スキャンの方法を用いた場合には、極短時間、コンマ秒のオーダで得ることができる。結果として、本発明の方法及び装置では、被写体の大きさや形状に依存することなく、前記被写体に対し、短時間の測定で、高解像度のX線画像を得ることができる。
なお、本発明の一態様においては、前記ターゲットに照射すべき前記エネルギー線の幅に略等しい間隔を持つ、1つのスリットを通過させることによって、前記X線を簡易に平行X線とすることができる。この場合、前記X線が、目的とする幅方向の分解能に合致した大きさの実効焦点を有するように前記エネルギー線の幅及びスリット間隔を選ぶことが好ましい。
また、前記分光器は結晶板を含むようにすることができる。この場合、前記結晶板を2以上組み合わせて用い、前記結晶板の内少なくとも一つは、X線表面反射型結晶板として機能するようにすることができる。また、前記結晶板の内少なくとも一つは、X線透過型結晶板として機能するようにすることができる。これによって、目的とする平行X線を簡易に得ることができる。さらに、これら結晶板の組み合わせ方法を適宜に設定することにより、平行のみならず単色のX線を得ることができる。
また、上述した複数の結晶板の総てをX線表面反射型結晶板とすることもできるし、その総てをX線透過型結晶板とすることもできる。さらに、これらの結晶板を組み合わせて用いることができる。
前記結晶板は、例えば本発明のように細長いX線を用いる場合は、上述したシリコン、ゲルマニウム、リチウムフルオライド(LiF)に加えて、グラファイト、水晶などから構成することもできる。これによって、ターゲットから発生したX線を入射させることによって、上述したような平行X線を簡易に形成することができる。
さらに、上記結晶板はX線用多層膜反射板を含むようにすることができる。このような多層膜反射板は、2種以上の物質を周期的に層状に重ねた膜として構成することができ、X線の回折現象を利用して単色或いは一定幅のX線を取り出しうる多層膜を意味する。この場合、前記多層膜反射板の周期により取り出される波長と反射角の関係が決まる。また、層の数や周期を微少量変化させることによって反射X線幅を変えることが出来る。本態様によれば、ターゲットから発生したX線を入射させることによって、上述したような平行X線を簡易に形成することができる。
また、以下に詳述するように、ターゲットは固定型とすることもできるし、回転式対陰極とすることもできる。後者の場合、エネルギー線を前記ターゲットに対し、ターゲット照射部の少なくとも一部を融解させるような強度で照射することができる。したがって、より高強度のX線を得ることができるようになる。
また、本発明の一態様においては、前記ターゲットは複数のターゲットであり、これら複数のターゲットに対してエネルギー線を照射し、前記被写体の前記入射側全体の長さに相当するような大きさを有するような複数のX線を発生させ、これら複数のX線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら、前記被写体よりX線画像を生成し、検知するようにすることができる。この場合、前記平行X線の、前記被写体の周りに対する相対的な回転角度をさらに低減させることができ、より短時間で前記被写体のX線画像を得ることができる。
以上説明したように、本発明によれば、広範囲な医療用途などに対して適用することが可能な、高出力かつ高輝度で平行性に優れたX線を利用して、高解像度かつ短時間で目的とする被写体のX線画像を得ることが可能な画像測定方法及び画像測定装置を提供することができる。
以下、本発明のその他の特徴及び利点について、発明を実施するための最良の形態に基づいて説明する。
図1は、本発明の画像測定装置における平行X線発生装置の一例を示す構成図である。図1から明らかなように、本例においては、前記平行X線発生装置は、X線発生装置本体10と、分光器30とから構成されている。なお、X線発生装置本体10は、実行焦点が長い直線状のターゲットから白色X線が生成されるように構成された、平板状の固定式ターゲットを用いた場合のX線発生装置である。
図1に示すX線発生装置本体10においては、真空容器11内に、対陰極12が配置されているとともに、これと対向するようにして陰極13が設けられている。陰極13はウエーネルト14の内側にセラミックなどの絶縁体で固定され、通常陰極とウエーネルトには電位差が与えられ、ウエーネルトが電子線用のレンズとして機能している。
対陰極12と陰極13との間にはアパチャーグリッド15及び陽極16が設けられている。アパチャーグリッド15は陰極に対し条件により異なるが概ね±7kV変化でき、負電位の時は電子を遮断し、正電位の時は陰極の空間電荷を中和し、多量の電子を効果的に引き出すのに用いられる。陽極16は陰極13から発せられた電子線20を加速するため及びその後の電位差をなくし高温になったターゲット(対陰極12)の影響を減らすために設けられているものであって、本例においては必要に応じて省略することができる。また、真空容器11にはX線取り出し窓17が設けられており、対陰極12から発生したX線21を外部に取り出させるように構成されている。
なお、通常グリッドは効率を良くするため網目状のものが多いが、それでは電子線束に編み目状の濃淡が出来、更にグリッドに過剰な電流が流れるため、敢えて円筒形のグリッドを用いる、即ち電子線20は円筒の中を通るため陰が出来ない。このようなグリッドをアパチュアーグリッドという。
なお、本例においては、対陰極12及び真空容器11即ちX線取り出し窓17以外を全て絶縁性オイルで冷却するようにしている。しかしながら、対陰極が図1のように直接外部に出ていると大気圧のため、ターゲットに歪みが生じる場合があるその様な場合、対陰極12を真空内に固定して大気圧が掛からないようにして対陰極12にパイプを取り付け、所定の冷媒を循環させて冷却するようにすることもできる。
また、真空容器11の外方の、X線取り出し窓17の近傍には、分光器30が設けられている。分光器30は、第1の結晶板31及び第2の結晶板32が所定の角度2αをなすようにして配置されている。さらに、分光器30内の、第1の結晶板31及び第2の結晶板32の間には、第1のスリット41が設けられ、第2の結晶板32の外方には第2のスリット42が設けられている。
図1に示す装置においては、陰極13から発生した電子線20をグリッド15で電流を制御し、陽極16で加速して対陰極12の表面に所定の形状(長方形)に照射し、白色かつ非平行X線21を生成させる。次いで、X線21をX線取り出し窓17から外部に取り出し、第1の結晶板31で反射させ、続いて第1のスリット41を通ることによって紙面に平行なX線22とする。第1のスリット41は、対陰極12に照射すべき電子線20の幅に略等しい間隔を持つように構成する。この場合、X線22が、目的とする幅方向の分解能に合致した大きさの実効焦点を有するように電子線20の幅及びスリット41の間隔を選ぶことが好ましい。
具体的には、X線21が第1の結晶板31に入射することによって、X線21はブラッグ回折(2dsinα= nλ)を受け、続いて第1のスリット41を通過し、平行X線22及び23となって反射される。第1結晶板と第2結晶板とが同じ素材で且つ同じ反射面を使用し、かつ図1に示されているように、両結晶板が2αの角度に設定されている場合、第一結晶で反射された平行X線22は、第1の結晶板31の入射角度及び反射角度αと等しい角度で第2の結晶板32に入射するので、第2の結晶板32でも同様に反射し、その後は直進して被写体に届くようになる。一方、平行X線22と波長の異なる平行X線23は、第1の結晶板31において入射角度及び反射角度がβとなるのに対し、第2の結晶板32における入射角度は異なる角度γとなる。したがって、第2の結晶板32で平行X線23は反射しなくなる。
なお、第1のスリット41のエッジに当たったX線は散乱され迷光となるがこの迷光は第2の結晶板32及び第2のスリット42によってカットされる。
結果として、図1に示す分光器30では平行X線22のみが生成されるようになる。このことは、その波長に於けるその他の平行X線は生成されないことを意味し、したがって、図1に示す分光器30では単色の平行X線22のみが生成され、被写体に照射される直前の断面形状はほぼ直線状になる。
また、図1に関する例では、第1の結晶板31及び第2の結晶板32の2つの結晶板を用い、いずれの結晶板においてもX線の反射を行わせ、X線表面反射型結晶板として機能させている。これらの結晶板は、シリコン、リチウムフルオライド(LiF)、グラファイト、ゲルマニウム及び水晶からなる群より選ばれる材料から構成することができる。
図2は、本発明の画像測定装置における平行X線発生装置の他の例を示す構成図である。図2に示す平行X線発生装置においては、図1と同様のX線発生装置本体10を用い、分光器の構成のみを替えている。
図2に示すX線発生装置においても、分光器50は2枚の結晶板51及び52によって構成しているが、本例では、結晶板51及び52はX線反射型ではなく、X線透過型(ラウエ型)として構成している。そして、第1の結晶板51と第2の結晶板52との間に、第1のスリット41を設け、第2の結晶板52の後方に第2のスリット42を設けている。なお、本例においても、同種の結晶板を用いている場合には第1の結晶板51の反射面と第2の結晶板52の反射面とは角度2αをなすようにして配置している。異種の結晶板を用いている場合は各々の反射角度の和に等しい角度に配置する。
図2に示す例では、図1に示す例と同様にして、対陰極12に所定の形状(長方形)の電子線を照射して発生した白色かつ非平行X線21を、X線取り出し窓17を介して外部に取り出した後、第1の結晶板51の反射面に対して角度αで入射させる。この際、X線21はブラックの回折式2dsinα= nλに従って回折し、第1の結晶板51内を透過する。この際、特に明示していないが、異なる波長λ’のX線が角度βで入射した際に上記ブラックの回折式を満足すれば、同じく第1の結晶板51を透過することができる。したがって、第1の結晶板51を透過したのみでは、X線21は未だ白色かつ非平行なX線のままである。
なお、実効焦点が極めて細長い長方形からX線21が生成されているので、第1のスリット41通過後は波長λのX線は紙面に平行な面に沿った平行成分を有するようになるが、その他第1のスリット41で散乱された非平行成分も残存する。また、波長λ’のX線は波長λのX線とは異なる方向に回折するので、これらは互いに平行とはならない。なお、第1のスリット41に対して要求される特性は、図1に関する場合と同じである。
次いで、第1の結晶板51を透過したX線22は第2の結晶板52に角度αで入射し、同じくブラックの回折式2dsinα= nλに従って回折し、第2の結晶板52内を透過する。一方、波長λ’のX線は第2の結晶板52に対するブラッグの回折式を満足しないので、第2の結晶板52内を通過することがない。したがって、X線発生装置本体10から生成したX線21は、第2の結晶板52を通過した後に、単色かつ平行なX線22となる。
第1のスリット41で散乱された非平行成分は第2の結晶板52と第2のスリット42で除かれる。
また、本例においては、第1の結晶板51及び第2の結晶板52は、シリコン、ゲルマニウム及びリチウムフルオライド(LiF)などの等軸晶系の結晶板から構成することができるが、その他の材料からなる結晶板を用いることもできる。
図3は、本発明の画像測定装置における平行X線発生装置のその他の例を示す構成図である。図3に示す平行X線発生装置においては、図1と同様のX線発生装置本体10を用い、分光器の構成のみを代えている。なお、本例では、特徴を明確化するために、分光器の構成のみを示すようにしている。
図1に示すX線発生装置では、分光器30は2枚の反射型結晶板31及び32によって構成されていたが、本例のX線発生装置では、分光器70は2枚のX線非対称カット結晶板71及び72から構成されている。非対称カット結晶板とは、結晶の外形面としての反射表面とX線を反射する反射面が平行ではなく、傾斜した結晶表面を有するものである。これによって、生成するX線の断面積(傾斜方向の長さ)を変更でき、前記X線の断面積を拡大したり、縮小したりすることができる。
この場合の拡大率Mは、M ={sin(α+ε)/sin(α−ε)}である。ここでαは反射角、εは非対称カット角である。
この場合の拡大率Mは、M ={sin(α+ε)/sin(α−ε)}である。ここでαは反射角、εは非対称カット角である。
なお、本例では、第1の結晶板71及び第2の結晶板72は、結晶の外形面としての反射表面とX線を反射する反射面を数度、例えば約ε=6度(非対称角6度)の角度で傾斜させている。また、第1の結晶板71の反射面及び第2の結晶板72の反射面は紙面に垂直であるとともに、互いに2αの角度をなすようにして配置されている。
本例に示す分光器70では、X線発生装置本体10から生成したX線21は第1の結晶板71において、断面積(長軸方向のみ)が拡大された状態で反射される。その後、反射X線は第2の結晶板72において、断面積(長軸方向のみ)が更に拡大された状態で反射される。このとき、第1の結晶板71の反射面と第2の結晶板72の反射面とは、上記図1に関する例と同様に、所定の角度で入射したX線のみがブラッグ回折条件を満足し、単色の平行X線22が得られるようになる。したがって、本例においては、X線発生装置本体10から生成したX線に比し、断面積が拡大された単色の平行X線を得ることができる。
具体例を示すと、反射型結晶板としてSiを用い、反射面に(440)を選ぶと面間隔は0.64Åである。波長として沃素(造影剤)の吸収端であるλ=0.3738Åを選ぶと反射角はブラッグの式によりα=11.226Åである。従って拡大率Mは3.25となる。即ち、第1の結晶板71により長軸方向に3.25倍拡大され、次いで第2の結晶板72により更に3.25倍拡大される。結果として10.56倍に拡大される。従って、ターゲットから出射されるX線の実効焦点の長軸方向の長さが4cmの場合、約40cmの被写体に照射可能なX線を得る。
なお、本例においても、第1のスリット41で散乱された非平行成分は第2の結晶板52及び第2のスリット42で除かれることになる。
図4は、本発明の画像測定装置における平行X線発生装置の他の例を示す構成図であり、図5は図4の一部拡大図である。なお、本例において、分光器は上述した図1〜3と同じ構成のものを用いることができるので、図4及び5においては、平行X線発生装置の内、X線発生装置の構造のみを示している。
図4及び5に示すX線発生装置においては、回転式対陰極81が収納される対陰極室82と、電子線源83が収納される電子線源室84と、回転式対陰極81を回転駆動する駆動モータ85が設けられた回転駆動部86とが、互いに隣接するとともに気密構造部材82a、84a及び86aによって隔離されて形成されている。また、対陰極室82と電子線源室84とを仕切る隔壁部82bには、電子線源83から出射される電子線100を通過させるに必要な大きさの貫通孔82cが設けられている。さらに、対陰極室82及び電子線源室84の各々には図示しない真空排気装置が接続される真空排気口82d及び84dが設けられている。
なお、貫通穴82cが加速電極(陽極)としての作用を担うため、それ以降の電子線は電場勾配の無い空間を通る。従って、ターゲット91aが融点以上に加熱されても放電の起こる危険性は激減する。
なお、図においては、電子線100は線状に描かれているが、電子線源83としては、広照射面積の2極管式又は3極管式などを用いることができ、これらから発せられる電子線100は比較的広い照射面積を有する。したがって、電子線100は実際には所定の幅を有するものであるが、ここでは簡略化して線状に記載しているものである。したがって、貫通孔82cもこのような電子線100を通過させるように、所定の大きさを有していることが必要となる。
回転式対陰極81は、従来式医療用バルブの様に放射熱伝達により放熱する簡易型ではこの部分が高熱となるためMo(モリブデン)やW(タングステン)等が用いられるが、図4では放熱効率の良い冷媒による方式を例に取っている。この場合はこの部分が高温になることはないのでステンレスなどからなる筒状部91と、この筒状部91の筒の一方の開口部を塞ぐように形成された円板状部92と、筒状部91及び円板状部92の共通の中心軸をその中心軸とする回転軸部93とが連続して一体に形成され、かつ内部は冷却水を流すことができるように空洞に形成されており、筒状部91の筒の内壁表面91aを電子線照射部とするものである。
電子線照射部の金属は目的により選ばれる、例えば理化学実験用にはCr(クローム)、Fe(鉄)、Co(コバルト)、Ni(ニッケル)、Cu(銅)、Ag(銀)、Mo(モリブデン)が用いられ、医療用として多く用いられる金属はMo(モリブデン)やW(タングステン)である。
回転対陰極81の回転軸部93は、回転駆動部86内に設けられた1対の軸受け部材93a、93bによって回転自在に支持されている。また、回転軸部93の外周部には上記駆動モータ85の回転子85aが取付けられ、この回転子85aを回転駆動する固定子85bが上記回転駆動部86内において気密構造部材86aに取付けられている。
回転軸部93の円板状部92寄りの根元部には、回転軸部93と気密構造部材86aとの間を気密に保持して対陰極室82の真空を維持する回転軸シール部材93cが設けられている。
さらに、回転式対陰極81の内部には、電子線照射部91aの内壁面に冷却水を流通させるための固定隔壁部材94が挿入設定されている。この固定隔壁部材94は、回転軸部93の内部においては筒状をなしており、円板状部92に至ってその筒の端部を円板状に拡げ、筒状部91の内部の右端部内壁の手前で延長されている。
すなわち、この固定隔壁94は、回転式対陰極81の内部の空洞部分をいわば二重管構造に仕切っている。この二重管の外側管部94aは冷却水の導入口96に連通されている。なお、冷却水の導入口96から導入された冷却水は軸受け部材93bや駆動モータ85が設けられた収納スペース内に洩れ出ないようにしつつ二重管の外側管部94a内に導入されるようになっている。
したがって、冷却水導入口96から導入された冷却水は、二重管の外側管部94aを進行し、上記筒状部91の内部の右端部内壁で折り返して二重管の内側管部94bに進行して電子線照射部91aの内壁面を冷却した後、内側管部94b内をさらに進行して冷却水の排出口97を通じて外部に排出される。
回転式対陰極81の電子線照射部91aの近傍の気密構造部材82aには、電子線照射部91aに電子線100が照射されたときに発生するX線110を外部に取り出すためのX線窓101が形成されている。このX線窓101にはべリリウム膜、アルミニウム膜、等のX線透過性の材料からなるX線透過膜102が形成されており、対陰極室82の真空を維持しながらX線を取り出せるようになっている。
取り出されたX線110は、上述したような分光器30,50又は70などを経て平行化され、単色化される。
次に、図4及び5に示すX線発生装置を用いたX線発生方法について説明する。上述の構成において、冷却水導入口96から冷却水を導入し、騒動モータ85によって回転式対陰極81を高速回転させ、電子線源83から回転式対陰極81の電子線照射部91aに電子線100を照射し、X線110を発生させる。この際、電子線100の強度は電子線照射部91aの少なくとも一部(表面から数μm)あるいは可成りの部分(表面から数百μm)が融解するような強度とする。但し、回転式対陰極81が貫通しない程度とする必要がある。
電子線照射部91aの少なくとも一部が融解するような強度の電子線100を照射することにより、回転式対陰極81の電子線照射部91aから高輝度のX線を発生させることができるようになる。
また、従来の方式では熱応力により電子線照射部に凹凸が出来、これにX線が吸収されX線の取り出し効率が下がるため、電子照射部の温度をあまり上げることは出来なかったが、電子線照射部91aの表面から数十〜数百μm融解するような強度の電子線100を照射することにより、電子線照射部91aが回転式対陰極81の回転に伴って逐次融解し、是に強力な遠心力(5,000G〜10,000G)が作用して逐次平坦化処理がなされることになり、電子線照射部位91aの表面は電子線100照射中において常に平坦な状態を保持するようになる。したがって、X線発生部位である91aの荒れに起因したX線の吸収などが生じることがない。この結果、高輝度のX線110を長時間安定的に生成することができるようになる。
なお、本例においては、電子線照射部91aの融解に伴って、その表面荒れを表面平均粗さで1μm以下、さらには100nm以下にまですることができる。すなわち、電子線照射部91aの表面を長時間に亘って極めて平坦に維持することができる。一方、従来の方法では、例えば回転式対陰極の表面荒れは表面平均粗さで2〜10μm程度である。したがって、本発明では、このようにX線発生部位91aの表面荒れの相違に基づいて、高輝度のX線を安定的に生成することができることが分かる。
また、本例では、電子線照射部91aは回転式対陰極81の筒状部91の内壁面に設定しているので、この場合、筒状部91の前記内壁面において融解が生じることになる。したがって、電子線照射部91aは回転式対陰極81の回転に伴う遠心力に抗して存在するようになり、外方への飛散を効果的に抑制することができる。
なお、本例においては、回転式対陰極81の筒状部91に対して特に変形加工を加えることなく、すなわち、筒状部91の側壁が回転軸線(中心軸)に平行となる状態のままで、前記内壁面を電子線照射部91aとしている。しかしながら、電子線照射部91aの表面をその断面の表面輪郭線が回転軸線に対して、コンマ数度ないし十数度傾斜するようにすることもできる。
具体的には、筒状部91の前記側壁を前記回転軸線に向けて内側にコンマ数度ないし数十度の角度で傾斜するようにすることができる。この場合、電子線照射部91aは筒状部91の内壁面上において遠心力に抗してより安定的に存在することができるようになる。したがって、電子線照射部91aの融解による外方への飛散をさらに効果的に抑制することができるようになる。
一方、筒状部91の前記側壁を前記中心軸から外方へ向けて傾斜させるようにすることもできる。この場合、電子線照射部91aの外方への飛散を抑制した状態で、回転式対陰極81から発生したX線の取り出しを容易にすることができる。
さらに、電子線照射部91aの部分を断面がV字溝状又はU字構状に形成すれば、電子照射部91aの融解による外方への飛散を効果的に防止できる。この場合には、V字状又はU字状の溝巾やその傾斜角度もしくは溝深さ等は、X線取り出しが可能な寸法にすることは勿論である。さらには、上記溝形状を、前記表面部分が融解して液状になった場合に遠心力の作用によって形成される液状部の表面形状と同一の表面形状に予め形成しておけば、電子線照射部91aの電子線照射による表面変形を軽減することが可能になる。
また、電子線照射部91aの部分だけを、発生させるX線の種類で決まるターゲット物質で構成し、その周囲をより高融点の物質及び/又は熱伝導度のより高い物質で構成すれば、回転式対陰極81全体の冷却効率の向上が図れるとともに、回転式対陰極81全体の変形を防止することができるようになり、高輝度のX線を長時間安定的に発生させるようにすることができる。
さらに、回転対陰極81、特に電子線が照射される筒状部91aをターゲット材と、このターゲット材の裏面に設けた高融点及び/又は高熱伝導度の物質との2重構造とし、電子線100を前記ターゲット材に照射してX線110を発生させるとともに、前記物質の裏面側に前記ターゲット材に対する冷媒を流すように構成することによって、前記物質の高融点の効果による高耐熱性の効果及び/又は高熱伝導性の効果による高冷却性の効果とによって、回転対陰極81の筒状部91が前記電子線照射によって貫通するのを抑制し、前記冷媒の漏洩を効果的に抑制することができるようになる。
なお、前記冷媒としては、冷却水、不凍液や冷却オイルなどの液体状のものを用いることができる。
また、本発明においては、電子線照射部91aの表面から例えば数ミクロン〜数百μmの深さを融解させるようにしているので、対陰極室82内において、電子線照射部91aを構成する金属の蒸気圧が上昇し、X線透過膜102が汚染される場合がある。これを防止するために、対陰極室82内のX線透過膜102の前面(真空内)に交換可能なX線透過性の保護膜を設けることが望ましい。この保護膜としては、例えば、反跳電子に耐えられるNi膜、BN膜、Al膜、マイラー膜等の長尺状の保護膜をロールに巻いた供給ロールと、この供給ロールの保護膜を巻き取る巻取ロールとをX線窓101の内側に設け、供給ロールと巻取ロールとの間に張られた保護膜がX線透過膜102の前面に配置されるようにすればよい。なお、前記保護膜の厚さは、前記反跳電子のエネルギーやX線の吸収などを考慮して適宜に設定する。
なお、上述したいずれの具体例においても、エネルギー線として電子線を用いているが、その他のエネルギー線、例えばレーザ光線やイオンなどのエネルギー線を適宜に用いるようにすることができる。
また、ターゲットの表面からの蒸発速度を低減するために、例えば前記ターゲット表面に被膜を設けるようにすることもできる。このような被膜としては、電子線の吸収が少ない、即ち原子番号の小さな物質で、高温でも蒸気圧が低く且つターゲット金属に溶解しない物質から構成することが好ましい。
具体的には、前記被膜は前記ターゲット表面に例えば蒸着などの方法で形成する。なお、前記被膜は、BN、カーボン膜、グラファイト、ダイヤモンド、DLC、Be、アルミナ等からなる群から選ばれる材料から構成することができる。この皮膜は強力な電子線及びターゲット金属との膨張率の差等により容易にひびが入るが、強力な遠心力によりターゲット金属に押しつけられるため、容易には系外に飛び散ることはなく、皮膜としての効果を長時間持続させることが出来る。
従来、医療用X線発生装置には封入管が多く使われ、この場合の冷却は放射熱伝達によっているので、水冷式に比べてその冷却効率は格段に劣る。一方、図4及び5に示すような方式では、ターゲットを直接水冷しているとともに、電子線照射部91aを溶解するようにしているので、従来の封入管の方式に比べて放熱面の温度を少なくとも500K高温にすることができる。一方、放射熱は絶対温度の4乗に比例するので、例えば従来では電子線照射によって例えばその照射部の温度を1000Kまでしか上がられなかったものが、本方式では1500K程度まで上げることができるようになる。これによって、放熱効果は約5倍、即ち(1500/1000)4=5.06向上し、本方式のX線発生装置は封入管を作製する際にも極めて有効な手段となる。
次に、本発明の画像測定装置について説明する。図6は、本発明の画像測定装置を、被写体に対して配置した場合の概略構成を示す平面図である。本例では、被写体Sの周囲において、1組の画像測定装置を配置した場合について示している。
図6において、参照数字200は画像測定装置を示しており、参照数字211及び212は、それぞれ分光器を含む平行X線発生装置及び被写体SからのX線画像を検知するための検知器である。
本発明においては、図示しない回転手段を用いて画像測定装置200を被写体Sの周りに回転できるように構成している。そして、半回転の間に、被写体Sに対して、上述したような断面が直線状の単色の平行X線を照射し、それによって得た画像を検知することにより、上記半回転の間に、被写体Sの種々の方位からの画像を得ることができる。勿論1回転することもできる。その結果、3次元X線CT画像を得ることができるようになる。
換言すれば、被写体Sの周りに画像測定装置200を半転させるのみで、被写体SのX線画像を得ることができる。なお、この際、単色の高輝度平行X線を用いているので、本装置のX線に見合う高分解能の検出器を用いれば、得られるX線画像の分解能も高くなる。
なお、このような半回転の回転で被写体Sの画像が得られる理由は、本願では使用するX線の平行性が高いので、画像測定装置200を被写体Sの周りに0から180度まで回転させた場合(半回転)のデータと、180度から360度まで回転させた場合(半回転)のデータは同じになる。したがって、0から180度までの半回転を実施するのみで被写体SのX線画像を得ることができる
なお、上記例では、被写体Sに対して画像測定装置200を回転するようにしているが、本発明においては、被写体Sと画像測定装置200とが相対的に回転しさえすれば良く、したがって、画像測定装置200の代わりに被写体Sを回転するようにすることができる。但し、被写体Sが人体や動物などの場合、それらを高速で回転させると被写体Sに対して多大な負担を強いることになるので、このような場合は、上述したように画像測定装置200を回転させる方が好ましい。また、上記相対的な回転は、等速で実施しても良いし、必要に応じて速度を変化させるようにすることもできる。
また、本発明では、画像測定装置200を複数個取り付けることにより測定速度を上げることが出来る。図7は、本発明の画像測定装置を、被写体に対して配置した場合の概略構成を示す平面図である。本例では、被写体Sの周囲において、4組の画像測定装置を等角度間隔(45度間隔)に配置した場合について示している。
図7において、参照数字200A、200B、200C及び200Dは画像測定装置を示しており、参照数字211、221、231及び241は分光器を含む平行X線発生装置であり、212、222、232、及び242は被写体SからのX線画像を検知するための検知器である。
図7は撮影開始時の配置である。4組の画像測定装置が同時に測定を開始し、200Aが200Bの位置に達したときは、200Bは200Cの位置に、200Cは200Dの位置に、更に200Dは200Aの位置に達し、それぞれ45度分の画像を撮影する。従って全体として半周の画像がえられる。即ちこの場合各々の画像測定装置は45度分を測定すれば良いので、測定時間は図6の場合に比べて1/4になる。
図示はしていないが、1周(360度)測定する場合は画像測定装置の数は奇数台でなければならない。例えば3組の画像測定装置を置く場合は120度間隔で配置する。偶数台、例えば2台配置した場合を図6で説明すると、2台は互いに180度回転した位置に配置することになり、その結果分光器を含むX線発生装置211と検出器である212が同じ場所を閉めることになり、配置することが物理的に不可能になるため偶数台を配置することは出来ない。
図8は図7の1次元検出器をイメージングプレート(IP)を代表とする大型2次元検出器を用いた例である。撮影後IP読み取り装置に運ばれてデジタル化される。図7は半回転用の撮影装置で、211,221,231及び241は分光器を含む平行X線発生装置である。相対する位置に配置されたスリット251〜254は目的とするX線のみを通すためのスリットであり、このスリット以外は全てX線遮蔽材によりIPに不要なX線の照射を防止する。また、撮影時回転運動に伴う遠心力のバランスを取るための重り261〜264などを必要とすることは従来のCT装置と同じく必要である。
また、IPは撮影時には固定された円筒形ドラム250に固定されている必要がある。しかるに撮影終了間際には241が251に接近し、撮影終了時点には241が251の場所に来る。なお、IPを固定するドラム250の半径は241に接触しないよう充分大きな半径を持たせる必要がある。
本発明の画像測定方法及び画像測定装置は、特に限定されるものではないが、人体を含む種々の生物のCT撮影に対して用いることができる。このような場合、本発明によれば、極めて短時間の平行X線照射で目的とする高分解能のX線画像を得ることができる。
また、本発明の画像測定方法及び画像測定装置では単色の平行X線を発生させることができるため、その平行X線の波長を造影剤の吸収端の高エネルギー側に合わせることにより、大きな吸収を得ることができ、前記造影剤の量を大幅に削減すること或いは/更に被曝量を少なくすることができる。したがって、人体を含む種々の生物に対してCT撮影を行う場合に、生物への負担を軽減することができる。さらに、短時間撮影が可能であるため、生物の呼吸停止時間を大幅に削減したり、前記呼吸に伴うノイズの発生を大幅に低減したりすることができる。
なお、当然のことながら、本発明の画像測定方法及び画像測定装置は、医療や生命科学の分野のみならず、非破壊検査などの種々の分野において用いることができる。
また、本発明の画像測定装置における検知器は、汎用のものから構成することができる。
以上、本発明について具体例を挙げながら詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
10 X線発生装置本体
11 真空容器
12 対陰極
13 陰極
14 ウエーネルト
15 グリッド
16 陽極
17 X線取り出し窓
20 電子線
21 (白色かつ非平行)X線
22 平行X線
30 分光器
31 第1の(X線表面反射型)結晶板
32 第2の(X線表面反射型)結晶板
41 第1のスリット
42 第2のスリット
50 分光器
51 第1の(X線透過型)結晶板
52 第2の(X線透過型)結晶板
61 単色の平行X線
70 分光器
71 第1の(X線表面反射型)非対称カット結晶板
72 第2の(X線表面反射型)非対称カット結晶板
81 回転式対陰極
82 対陰極室
83 電子線源
84 電子線源室
85 駆動モータ
86 回転駆動部
91 筒状部
91a 電子線照射部
100 電子線
110 X線
200 画像測定装置
211 平行X線発生装置
212 検知器
200A、200B、200C、200D 画像測定装置
211、221、231、241 分光器を含むX線発生装置
212、222、232、242 検知器
250 イメージングプレート(IP)
251、252、253、254 スリット
261、262、263、264 おもり
11 真空容器
12 対陰極
13 陰極
14 ウエーネルト
15 グリッド
16 陽極
17 X線取り出し窓
20 電子線
21 (白色かつ非平行)X線
22 平行X線
30 分光器
31 第1の(X線表面反射型)結晶板
32 第2の(X線表面反射型)結晶板
41 第1のスリット
42 第2のスリット
50 分光器
51 第1の(X線透過型)結晶板
52 第2の(X線透過型)結晶板
61 単色の平行X線
70 分光器
71 第1の(X線表面反射型)非対称カット結晶板
72 第2の(X線表面反射型)非対称カット結晶板
81 回転式対陰極
82 対陰極室
83 電子線源
84 電子線源室
85 駆動モータ
86 回転駆動部
91 筒状部
91a 電子線照射部
100 電子線
110 X線
200 画像測定装置
211 平行X線発生装置
212 検知器
200A、200B、200C、200D 画像測定装置
211、221、231、241 分光器を含むX線発生装置
212、222、232、242 検知器
250 イメージングプレート(IP)
251、252、253、254 スリット
261、262、263、264 おもり
Claims (35)
- ターゲットの表面に所定のエネルギー線源からエネルギー線を照射し、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させる工程と、
前記X線を分光器に入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成する工程と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら照射し、前記被写体より得たX線画像を検知する工程と、
を具えることを特徴とする、画像測定方法。 - 前記X線画像は、前記平行X線を前記被写体の周りに相対的に半回転以下で回転させることによって得ることを特徴とする、請求項1に記載の画像測定方法。
- 前記X線は、前記ターゲットに対して照射すべき前記エネルギー線の幅方向の大きさと略同一の幅を有する1つのスリットを通過させることによって、前記平行X線とすることを特徴とする、請求項1又は2に記載の画像測定方法。
- 前記分光器は結晶板を含むことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板は、シリコン、リチウムフルオライド(LiF)、グラファイト、ゲルマニウム及び水晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの材料からなる結晶板であることを特徴とする、請求項4に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板を2以上組み合わせて用いることを特徴とする、請求項4又は5に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板の少なくとも一つは、X線表面反射型結晶板として機能することを特徴とする、請求項6に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板の少なくとも一つは、X線透過型(ラウエ型)結晶板として機能することを特徴とする、請求項6又は7に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板はX線用多層膜反射板を含むことを特徴とする、請求項4〜8のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記結晶板は非対称カット結晶板を含むことを特徴とする、請求項4〜9のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記X線を前記分光器に入射させる以前に、不要な長波長成分を除去するための吸収板を透過させることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記ターゲットの表面に被膜を形成し、前記ターゲット表面からの蒸発速度を低減する工程を具えることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記被膜は、BN、カーボン膜、グラファイト、ダイヤモンド、DLC、Be、アルミナからなる群から選ばれる材料から構成することを特徴とする、請求項12に記載の画像測定方法。
- 前記ターゲットは固定式であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記ターゲットは回転式対陰極を構成し、前記エネルギー線は前記回転式対陰極の回転による遠心力に抗して存在する部分に照射することを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一に記載の画像測定方法。
- 前記エネルギー線は、ターゲット照射部の少なくとも一部を融解させるような強度で前記ターゲットに照射することを特徴とする、請求項15に記載の画像測定方法。
- 前記ターゲットは複数のターゲットであり、これら複数のターゲットに対してエネルギー線を照射し、前記被写体の前記入射側全体の長さに相当するような大きさを有するような複数のX線を発生させ、これら複数のX線を前記被写体の周りに相対的に回転させながら、前記被写体よりX線画像を生成し、検知することを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一に記載の画像測定方法。
- エネルギー線照射によりX線を発生させるためのターゲットと、
前記X線が、被写体の最大長に相当するような大きさを有するように前記ターゲットからX線を発生させるためのエネルギー線を生成するエネルギー線源と、
前記X線を入射させ、前記X線から波長及び波長幅を選択するとともに、平行光となった平行X線を生成するための分光器と、
前記平行X線を前記被写体の周りに相対的な回転運動を生ぜしめるための回転駆動系と、
前記平行X線を前記被写体に照射して得たX線画像を検知するための検知器と、
を具えることを特徴とする、画像測定装置。 - 前記回転駆動系は、前記平行X線を少なくとも前記被写体の周りに相対的に半回転以下で回転させるように構成したことを特徴とする、請求項18に記載の画像測定装置。
- 前記X線の断面を直線状とするための、少なくとも1つのスリットを具えることを特徴とする、請求項18又は19に記載の画像測定装置。
- 前記分光器は結晶板を含むことを特徴とする、請求項18〜20のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記結晶板は、シリコン、リチウムフルオライド(LiF)、グラファイト、ゲルマニウム及び水晶からなる群より選ばれる少なくとも一つの材料からなる結晶板であることを特徴とする、請求項21に記載の画像測定装置。
- 前記結晶板を2以上組み合わせて用いることを特徴とする、請求項21又は22に記載の画像測定装置。
- 前記結晶板の少なくとも一つは、X線表面反射型結晶板として機能することを特徴とする、請求項23に記載の画像測定装置。
- 前記結晶板の少なくとも一つは、X線透過型(ラウエ型)結晶板として機能することを特徴とする、請求項23又は24に記載の画像測定装置。
- 前記結晶板はX線用多層膜反射板を含むことを特徴とする、請求項21〜25のいずれ
か一に記載の画像測定装置。 - 前記結晶板は非対称カット結晶板を含むことを特徴とする、請求項21〜26のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記X線を前記分光器に入射させる以前に、不要な長波長成分を除去するための吸収板を具えることを特徴とする、請求項18〜27のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記ターゲットの表面からの蒸発速度を低減するために形成された被膜を具えることを特徴とする、請求項18〜28のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記被膜は、BN、カーボン膜、グラファイト、ダイヤモンド、DLC、Be、アルミナからなる群から選ばれる材料から構成することを特徴とする、請求項30に記載の画像測定装置
- 前記ターゲットは固定式であることを特徴とする、請求項18〜30のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記ターゲットは回転式対陰極を構成し、前記エネルギー線は前記回転式対陰極の回転による遠心力に抗して存在する部分に照射するように構成したことを特徴とする、請求項18〜30のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記エネルギー線は、ターゲット照射部の少なくとも一部を融解させるような強度で前記ターゲットに照射するように構成したことを特徴とする、請求項32に記載の画像測定装置。
- 前記ターゲットは複数のターゲットであり、これら複数のターゲットに対して前記エネルギー線源からエネルギー線を照射し、前記被写体の前記入射側全体の長さに相当するような大きさを有するような複数のX線を発生させ、これら複数のX線を前記回転駆動系で前記被写体の周りに相対的に回転させながら、前記被写体よりX線画像を生成し、前記検知器で検知することを特徴とする、請求項18〜33のいずれか一に記載の画像測定装置。
- 前記平行X線は医療用として使用することを特徴とする、請求項18〜34のいずれか一に記載の画像測定装置。
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