JP2015165874A

JP2015165874A - Ｘ線管球装置及びｘ線ｃｔ装置

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Publication number: JP2015165874A
Application number: JP2014041653A
Authority: JP
Inventors: 玄近藤; Gen Kondo
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Medical Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2014-03-04
Filing date: 2014-03-04
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-03-04
Also published as: JP6377370B2

Abstract

【課題】高速(数kHz)にパルス状に2つのエネルギーのＸ線を切り替えることにある。
【解決手段】本実施形態に係るＸ線管球装置は、２つの陰極フィラメント１５，１６と、ターゲット１１と、フィラメント１５，１６とターゲット１１との間に縦列に配置された、電場又は磁場により電子ビームを偏向するソース選択用偏向電極１３及び軌道補正用偏向電極１４、Ｘ線照射窓１７とを具備し、前記第１電子ビーム偏向部は、前記第１又は第２電子ビームを選択するために設けられ、軌道補正用偏向電極１４は選択された第１又は第２電子ビームをターゲット上の特定位置に特定角度で照射させるために設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線管球装置及びＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線画像発生装置、例えばＸ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）のデュアルエネルギー技術においては、２種のエネルギーのＸ線をパルス状にばく射/照射できるＸ線管球装置が用いられる。パルスＸ線を高速にばく射／照射させる手段として以下の技術が提案されている。

(1)Ｘ線管球装置の電流を直接オン／オフする。
(2)直流的にばく射されるＸ線を機械的シャッターでパルス状にオン／オフする。
(3)Ｘ線管球装置内電子ビームを高速偏向スイッチングすることにより、Ｘ線としての出力をパルス状にする。

また、２種のエネルギーのＸ線を同時に照射する手段として以下の技術が提案、実現されている。
(4)2つのＸ線管球装置/GeneratorをＸ線CTスキャナに実装し、異なるエネルギーで照射する。
(5)１つのＸ線管球装置/Generatorで、発生Ｘ線のエネルギーを高／低で切り替えて照射する。

２つのエネルギーＸ線で同一軌道、同時収集でスキャンするために、１管球でエネルギーをスイッチングする方法では、管電圧スイッチング時間が高速応答性に欠ける。すなわち２つのＸ線エネルギーによる同一軌道・同時収集性能が保たれない。スイッチングが遅いと言うことは、収集時の角度分解能も劣ると言うことになる。また、１管球による管電圧切換えでは、矩形波的に切り替えることは困難であり、実際には切換え中に中途半端なエネルギーでＸ線が照射されるため、エネルギー分解能が悪くなる。

特開２０１３−３１６４５号公報

目的は、高速(数kHz)にパルス状に2つのエネルギーのＸ線を切り替えることにある。

本実施形態に係るＸ線管球装置は、第１電子ビームを発生する第１電子発生部と、前記第１電子ビームとはエネルギーの異なる第２電子ビームを発生する第２電子発生部と、前記第１又は前記第２電子ビームの照射により第1又は第２Ｘ線を発生するターゲットと、前記第１及び第２電子発生部と前記ターゲットとの間に縦列に配置された、電場又は磁場により前記第１及び第２電子ビームを偏向する第１、第２電子ビーム偏向部と、前記第１電子発生部、前記第２電子発生部、前記ターゲット、前記第１電子ビーム偏向部及び前記第２電子ビーム偏向部を封入するＸ線管球装置と、前記第1又は第２Ｘ線を前記Ｘ線管球装置から出力するために前記Ｘ線管球装置に形成されたＸ線照射窓とを具備し、前記第１電子ビーム偏向部は、前記第１又は第２電子ビームを選択するために設けられ、前記第２電子ビーム偏向部は、前記選択された第１又は第２電子ビームを前記ターゲット上の特定位置に特定角度で照射させるために設けられる。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置のスキャナ本体の回転部の主要部構成を示す図である。本実施形態に係る高／低エネルギーＸ線の切り替えのためのコントローラを示す図である。本実施形態に係るＸ線管球装置内部のフィラメント、偏向部、ターゲットの配置及び偏向オフ時の電子ビームの軌道を示す図である。本実施形態に係るＸ線管球装置内部のフィラメント、偏向部、ターゲットの配置及び偏向オン時の電子ビームの軌道を示す図である。本実施形態において、高／低エネルギーＸ線のプロファイルを、軌道補正しない電子ビームによる高エネルギーＸ線のプロファイルと比較して示す図である。図２のコントローラによる高／低エネルギーＸ線の切り替えのための制御を示す図である。

以下、図面を参照して本発明に係るＸ線管球装置及びＸ線ＣＴ装置（Ｘ線コンピュータ断層撮影装置）の実施形態を説明する。Ｘ線管球装置を備える装置には、Ｘ線診断装置及びＸ線コンピュータ断層撮影装置その他の医療用Ｘ線画像を発生するための装置が含まれる。ここではＸ線コンピュータ断層撮影装置を例に説明する。

図１には本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置のスキャナ本体の回転部の主要部構成を示す図である。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置はＸ線管球装置１を有する。Ｘ線管球装置１の照射窓１７から被検体の体軸（回転フレーム５の回転軸）の方向に広がりを有するコーンビーム形でＸ線が放射される。Ｘ線管球装置１は、コーンビーム形Ｘ線に対応するマルチスライス型又は二次元アレイ型のＤＡＳ／Ｘ線検出器４とともに回転フレーム５に搭載される。ＤＡＳ／Ｘ線検出器４は、Ｘ線管球装置１に対向する。スキャンに際しては、被検体はＸ線管球装置１とＤＡＳ／Ｘ線検出器４との間に配置される。回転フレーム５にはジェネレータ２及びコントローラ３が搭載される。ジェネレータ２は、コントローラ３の制御のもとで、Ｘ線管球装置１の両極間に印加される管電圧、Ｘ線管球装置１の陰極フィラメントに供給されるフィラメント電流、偏向部に供給される偏向電圧を発生する。コントローラ３は、図示しないスキャン動作全体を制御するためのスキャンコントローラの制御にしたがってジェネレータ２を制御してＸ線を発生させ、またＸ線の発生に同期してＤＡＳ／Ｘ線検出器４による検出処理及びアナログ／ディジタル変換処理を実行させる。ＤＡＳ／Ｘ線検出器４の出力は前処理部でチャンネル間感度不均一等の補正を受けて投影データとして再構成プロセッサに供給される。再構成プロセッサは投影データに基づいて断層像データ又はボリュームデータを再構成する。断層像はディスプレイに表示される。

図３、図４には図１のＸ線管球装置１の管球内部の主要部の構成を示している。Ｘ線管球装置１はその管球内部に傘形状を有する回転陽極（陽極ターゲット、以下単にターゲットという）１１と、そのターゲット１１に対向配置される複数、ここでは２種類の陰極フィラメント（電子発生部）１５，１６を有する。２種類の陰極フィラメント１５、１６は、ターゲット１１の半径方向に沿って並列される。ジェネレータ２は、陰極フィラメント１５とターゲット１１との間に第1の電位差（第1の管電圧）を発生させる。ジェネレータ２は、陰極フィラメント１６とターゲット１１との間に第２の電位差（第２の管電圧）を発生させる。ジェネレータ２により、第1の電位差は、第２の電位差よりも低値に設定される。陰極フィラメント１５を以下、ローフィラメントと称する。陰極フィラメント１６を以下、ハイフィラメントと称する。ローフィラメント１５で発生された低エネルギーの電子ビーム（Ｌ）がターゲット１１に照射することにより発生されるＸ線は、ハイフィラメント１６で発生された高エネルギーの電子ビーム（Ｈ）がターゲット１１に照射することにより発生されるＸ線よりも、エネルギーが低い。

フィラメント１５、１６と、ターゲット１１との間には電子ビーム偏向部１２が配置される。電子ビーム偏向部１２は電場又は磁場により電子ビームを偏向する。ここでは対向電極による電場による偏向を例に説明するが、対向コイルによる磁場による偏向を採用してもよい。電子ビーム偏向部１２は、複数、ここでは２つの偏向電極１３，１４を有する。各偏向電極１３，１４は、電子ビーム軌道を挟んで対向配置される一対の電極からなる。偏向電極１３，１４は、フィラメント１５、１６とターゲット１１との間に電子ビームの軌道に沿って縦列に配置される。フィラメント１５側の偏向電極１３は照射窓17を介して外部に出されるＸ線のソースとなる電子ビームを発生するフィラメント１５、１６のいずれかを選択するためのソース選択用として機能する。偏向電極１３はそのオン／オフにより、フィラメント１５、１６のいずれか一方に由来する電子ビームがターゲット１１に照射することにより発生するＸ線が直接的に照射窓１７を介して被検体に照射され、フィラメント１５、１６の他方に由来する電子ビームがターゲット１１に照射することにより発生するＸ線は直接的には照射窓１７を介して外部に出されない。

軌道補正用偏向電極１４は、ソース選択用偏向電極１３とターゲット１１との間に配置される。ソース選択用偏向電極１３及び軌道補正用偏向電極１４がともにオフのとき（図３参照）、ローフィラメント１５で発生した電子ビームは直線的に飛翔してターゲット１１にその表面上の特定位置において特定角度で照射する。ここでいう角度とはターゲット１１の回転軸に垂直な面に対する電子ビームのターゲット１１への入射角度として規定される。ソース選択用偏向電極１３及び軌道補正用偏向電極１４がともにオフの状態で、ローフィラメント１５で発生した電子ビームがターゲット１１の特定位置に特定角度でローフィラメント１５から直線的に飛翔する経路の中心線をここでは軌道センタ軸と称する。当該特定位置で発生した低エネルギーのＸ線（Ｌ）は照射窓１７を介して管球から放射される。ハイフィラメント１６で発生した電子ビームはターゲット１１に特定位置以外の他の位置において他の角度で照射する。当該位置で発生した高エネルギーのＸ線（Ｈ）は照射窓１７以外の方向に発生される。

ソース選択用偏向電極１３及び軌道補正用偏向電極１４がともにオンのとき（図４参照）、ハイフィラメント１６で発生した電子ビームはソース選択用偏向電極１３で軌道センタ軸に交差する向きに偏向される。偏向された電子ビームは軌道補正用偏向電極１４によりソース選択用偏向電極１３によるものとは逆方向に変更される。軌道補正用偏向電極１４に印加される電圧は、ハイフィラメント１６で発生され、ソース選択用偏向電極１３で軌道センタ軸に交差する向きに偏向された電子ビームが、軌道補正用偏向電極１４により逆向きに偏向されて軌道センタ軸に沿ってターゲット１１に向かって飛翔するよう調整されている。ソース選択用偏向電極１３と軌道補正用偏向電極１４とにより偏向されたハイフィラメント１６からの電子ビーム（Ｈ）は、偏向部１２がオフの状態でローフィラメント１５からの電子ビーム（Ｌ）と同じターゲット１１上の特定位置において特定角度でターゲット１１に照射する。

当該特定位置で発生した高エネルギーのＸ線（Ｈ）は照射窓１７を介して管球から放射される。ローフィラメント１５で発生した電子ビーム（Ｌ）はターゲット１１に特定位置以外の他の位置において他の角度で照射する。当該位置で発生した低エネルギーのＸ線（Ｌ）は照射窓１７以外の方向に発生される。

このようにローフィラメント１５で発生した電子ビーム（Ｌ）もハイフィラメント１６で発生した電子ビーム（Ｈ）も、ターゲット１１の表面上の同じ位置に同じ角度で照射する。それにより低エネルギーのＸ線（Ｌ）のＸ線プロファイルと高エネルギーのＸ線（Ｈ）のＸ線プロファイルとは図５に示すようにする。なお、Ｘ線プロファイルとは照射窓から出されるＸ線束の中心軸に対する角度の変化に対する強度分布をいう。

電子ビームの軌道補正をしないとき、電子ビーム（Ｈ）がターゲット１１に照射する角度及び位置は、電子ビーム（Ｌ）がターゲット１１に照射する角度及び位置と相違する。したがって電子ビームの軌道補正をしないときには、低エネルギーのＸ線（Ｌ）のＸ線プロファイルに対して高エネルギーのＸ線（Ｈ）のＸ線プロファイルは図５に破線で示すように変形する。

周知のとおりデュアルエネルギー技術は、物質の減弱係数がＸ線エネルギーによって異なることを利用して異なる管電圧のＸ線を照射して得られたデータから骨や軟部組織などを分離した画像化を可能とする技術である。したがって低エネルギーのＸ線（Ｌ）のＸ線プロファイルに対する高エネルギーのＸ線（Ｈ）のＸ線プロファイルの変形はデュアルエネルギー技術の実現を阻害してしまう。本実施形態では、電子ビームの軌道補正をすることで、高エネルギーの電子ビーム（Ｈ）がターゲット１１に照射する角度及び位置が低エネルギーの電子ビーム（Ｌ）がターゲット１１に照射する角度及び位置が同じになるので、Ｘ線プロファイルの変形は原理的に解消され、それにより単独のＸ線管球装置によるデュアルエネルギー技術の実現性を大きく向上させることができる。

図６には図２のコントローラ３による高／低エネルギーＸ線の切り替えのための制御を示している。コントローラ３には図示しないスキャンコントローラからデータ収集／ばく射同期用のトリガ信号が供給される。ジェネレータ２からローフィラメント１５とハイフィラメント１６との両方に対するフィラメント電流の供給は検査期間中常に継続される。

ローフィラメント１５とハイフィラメント１６との両方にフィラメント電流が常時供給されている検査期間中に、トリガ信号の立ち上がりに同期してジェネレータ２から偏向部１２のソース選択用偏向電極１３及び軌道補正用偏向電極１４に対する偏向電圧の印加のオン／オフが交互に切り替えられる。それによりＸ線管球の照射窓から高／低エネルギーＸ線が交互に出力される。

複数のフィラメントへのフィラメント電流の継続的供給のもと偏向部への電圧印加を一定時間ごとにオン／オフを切り替えることにより１つのＸ線管球装置からエネルギーの異なるＸ線を交互に高速にパルス状に照射することが可能になる。パルスは高速スイッチング制御されるため、２エネルギー収集データの同時性・角度分解能は向上する。エネルギー分解能も向上する。1つの偏向部により換え時間に誤差がない。１つの偏向部への電気的なオンオフにより高／低エネルギーＸ線の切り替えを制御できるため、データ収集系との同期性が確保し易い。

さらに電子ビームの軌道補正により、高／低の電子ビームをターゲットに対して同一角度でかつターゲット上の同一焦点位置に照射させ、高／低エネルギーＸ線のＸ線プロファイルを適当にしてデュアルエネルギー技術の精度を向上させることができる。

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。

１…Ｘ線管球装置、２…ジェネレータ、３…コントローラ、１１…回転陽極、１２…電子ビーム偏向部、１３…ソース選択用偏向電極、１４…軌道補正用偏向電極、１５，１６…陰極フィラメント（電子発生部）、１７…照射窓。

Claims

第１電子ビームを発生する第１電子発生部と、
前記第１電子ビームとはエネルギーの異なる第２電子ビームを発生する第２電子発生部と、
前記第１又は前記第２電子ビームの照射により第1又は第２Ｘ線を発生するターゲットと、
前記第１及び第２電子発生部と前記ターゲットとの間に縦列に配置された、電場又は磁場により前記第１及び第２電子ビームを偏向する第１、第２電子ビーム偏向部と、
前記第１電子発生部、前記第２電子発生部、前記ターゲット、前記第１電子ビーム偏向部及び前記第２電子ビーム偏向部を封入するＸ線管球装置と、
前記第1又は第２Ｘ線を前記Ｘ線管球装置から出力するために前記Ｘ線管球装置に形成されたＸ線照射窓とを具備し、
前記第１電子ビーム偏向部は、前記第１又は第２電子ビームを選択するために設けられる、
前記第２電子ビーム偏向部は、前記選択された第１又は第２電子ビームを前記ターゲット上の特定位置に特定角度で照射させるために設けられる、
ことを特徴とするＸ線管球装置。
前記第１、第２電子ビームは前記第１、第２電子発生部から撮影期間中常時発生されることを特徴とする請求項１記載のＸ線管球装置。
前記第１、第２電子ビーム偏向部がオフ状態のとき前記第１Ｘ線が前記Ｘ線照射窓を介して出力され、
前記第１、第２電子ビーム偏向部がオン状態のとき前記第２Ｘ線が前記Ｘ線照射窓を介して出力されることを特徴とする請求項２記載のＸ線管球装置。
前記第１、第２電子ビーム偏向部はオフ状態とオン状態とが逆相で切り替えられることを特徴とする請求項３記載のＸ線管球装置。
前記第２Ｘ線は前記第１Ｘ線よりも高エネルギーであることを特徴とする請求項４記載のＸ線管球装置。
前記第１、第２電子発生部は前記ターゲットの半径方向に並列されることを特徴とする請求項５記載のＸ線管球装置。
前記ターゲットは多面体形状を有することを特徴とする請求項６記載のＸ線管球装置。
Ｘ線管球装置と、
前記Ｘ線管球装置に対して被検体を挟んで配置されるＸ線検出器と、
前記Ｘ線検出器の出力に基づいて画像を再構成する画像再構成部とを具備するＸ線ＣＴ装置において、
前記Ｘ線管球装置は、
第１電子ビームを発生する第１電子発生部と、
前記第１電子ビームとはエネルギーの異なる第２電子ビームを発生する第２電子発生部と、
前記第１又は前記第２電子ビームの照射により第1又は第２Ｘ線を発生するターゲットと、
前記第１及び第２電子発生部と前記ターゲットとの間に縦列に配置された、電場又は磁場により前記第１及び第２電子ビームを偏向する第１、第２電子ビーム偏向部と、
前記第１電子発生部、前記第２電子発生部、前記ターゲット、前記第１電子ビーム偏向部及び前記第２電子ビーム偏向部を封入するＸ線管球装置と、
前記第1又は第２Ｘ線を前記Ｘ線管球装置から出力するために前記Ｘ線管球装置に形成されたＸ線照射窓とを有し、
前記第１電子ビーム偏向部は、前記第１又は第２電子ビームを選択するために設けられる、
前記第２電子ビーム偏向部は、前記選択された第１又は第２電子ビームを前記ターゲット上の特定位置に特定角度で照射させるために設けられる、
ことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
前記第１、第２電子ビームを撮影期間中常時発生するために前記第１、第２電子発生部を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項８記載のＸ線ＣＴ装置。
前記第１、第２電子ビーム偏向部がオフ状態のとき前記第１Ｘ線が前記Ｘ線照射窓を介して出力され、
前記第１、第２電子ビーム偏向部がオン状態のとき前記第２Ｘ線が前記Ｘ線照射窓を介して出力されることを特徴とする請求項９記載のＸ線ＣＴ装置。
前記制御部は、前記第１、第２電子ビーム偏向部のオフ状態とオン状態とを逆相で切り替えるために前記第１、第２電子ビーム偏向部を制御することを特徴とする請求項１０記載のＸ線ＣＴ装置。
前記第２Ｘ線は前記第１Ｘ線よりも高エネルギーであることを特徴とする請求項１１記載のＸ線ＣＴ装置。
前記第１、第２電子発生部は前記ターゲットの半径方向に並列されることを特徴とする請求項１２記載のＸ線ＣＴ装置。
前記ターゲットは多面体形状を有することを特徴とする請求項１３記載のＸ線ＣＴ装置。