JP2016038965A

JP2016038965A - Ｘ線装置およびその制御方法

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Publication number: JP2016038965A
Application number: JP2014160095A
Authority: JP
Inventors: 貴之正木; Takayuki Masaki
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】Ｘ線管装置の負担の軽減。
【解決手段】回転陽極を回転駆動するモータを有するＸ線管装置と、被検者を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、Ｘ線画像を表示する表示部と、Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流を入力する入力部と、上記モータの回転速度を制御する制御装置と、上記モータに交流電力を供給する回転駆動部と、を備え、上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に従って目標回転速度あるいは目標トルクを演算し、上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに従ってｄ軸電流とｑ軸電流を演算し、上記制御装置はさらに上記ベクトル演算出力と上記モータの回転速度に基づき上記回転駆動部を制御する制御信号を出力し、上記回転駆動部は上記制御装置からの上記制御信号に従って上記モータを駆動する、Ｘ線装置。
【選択図】図５

Description

本発明は被検者にＸ線を照射して被検者のＸ線画像を得るＸ線装置に関する。

Ｘ線装置は、被検体にＸ線を照射して被検体の断層画像などを取得する装置であり、被検体にＸ線を照射するためのＸ線源を有している。またＸ線源にはＸ線を発生するためのＸ線管が設けられている。Ｘ線管には色々なタイプが存在し、その一つとして、回転陽極を備えた回転陽極型Ｘ線管が知られている。

回転陽極型Ｘ線管では、陰極によって発生した電子ビームが回転する陽極と衝突し、Ｘ線を発生する。しかし電子ビームの運動エネルギがＸ線に変換されるだけでなく熱に変換され、しかもＸ線に変換される割合より熱に変換される割合がはるかに高いのが実態である。電子ビームが陽極の一点に集中し続けると陽極の該集中点が熱により溶融するため、電子ビームの衝突する位置が徐々に移動するように陽極を回転させる構造を備えている。このような技術が例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１３−１８２７６４号公報

回転陽極型Ｘ線管（以下Ｘ線管装置と記す）では、上述のように電子ビームの衝突位置を移動する目的で陽極を回転自在に支持し、電子ビームの衝突する位置が移動するように該陽極を回転させる。上述したように陽極は高温に熱せられると共に真空中に配置されているため、回転支持機構などは大変厳しい条件で動作している。このため回転支持機構の負担をできるだけ低減することが望ましく、Ｘ線管装置の長寿命化にも繋がる。またＸ線管装置に関し長寿命化を望むニーズが大きい。なお特許文献１では回転陽極型Ｘ線管の負担低減について触れられていない。
本発明の目的は、Ｘ線装置が有するＸ線管装置の負担をより低減することが可能なＸ線装置およびその制御方法を提供することである。

本発明に係るＸ線装置は、回転陽極と上記回転陽極を回転駆動するモータを有し被検者に照射するＸ線を発生するＸ線管装置と、上記被検者を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、上記Ｘ線検出器によって検出された画像情報に基づく画像を表示する表示部と、Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流を入力する入力部と、上記モータの回転速度を制御する制御装置と、上記モータに交流電力を供給する回転駆動部と、を備え、上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に従って目標回転速度あるいは目標トルクを演算し、上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに従ってｄ軸電流とｑ軸電流を演算するベクトル演算部を有し、上記制御装置は、上記ベクトル演算部の出力と上記モータの回転速度に基づき上記回転駆動部を制御する制御信号を出力し、上記回転駆動部は上記制御装置からの上記制御信号に従って上記モータを駆動する、ことを特徴とする。

本発明によれば、Ｘ線管装置の負担をより低減することが可能なＸ線装置およびその制御方法を得ることができる。

本発明の一実施例であるＸ線装置の構成を説明するための説明図である。本発明の一実施例であるＸ線制御装置およびＸ線管装置の概要を説明する説明図である。Ｘ線管装置の構造の一例を説明する説明図である。Ｘ線管装置の回転支持部の構造の一例を説明する説明図である。Ｘ線制御装置のＸ線制御部の構成を説明する制御ブロック図である。Ｘ線撮影の手順を説明するフローチャートである。応答性を改善したＸ線撮影の手順を説明するフローチャートである。

本発明が適用されたＸ線装置の一実施形態（以下実施例と記す）を、図面を用いて以下説明する。なお図面に記載した構成や手順に関し、略同じ作用を為す構成や手順に対して同一の符号を付すようにしており、同一符号の構成や手順に対しては説明の繰り返しを省略する場合がある。本発明に関する代表的な解決しようとする課題や代表的な効果を、上記発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄に記載したが、以下説明する実施例は上記発明が解決しようとする課題の欄や発明の効果の欄の内容に止まらず、それ以外の課題に付いても解決することができ、また上記以外の効果に付いても奏することができる。実施例により解決されるこれらの課題や実施例により達成されるこれら効果に付いては以下の実施例の説明の中で述べる。

本明細書では、演算の用語は、単なる代数計算だけでなく、例えば予めデータベースとしてデータを記憶しておき、パラメータに従って上記データベースを検索することにより、好ましい値を得る手法も含んでいる。

１．本発明が適用されたＸ線装置の一実施例の全体構成に関する説明
本発明は、Ｘ線ＣｏｍｐｕｔｅｄＴｏｍｏｇｒａｐｈｙ（以下Ｘ線ＣＴと記す）などの医療機器におけるＸ線装置だけでなく工業製品などを検査するための医療機器以外のＸ線装置にも適用できる。本発明を医療機器用Ｘ線装置に適用した場合により大きな効果がえられ、さらに医療機器用Ｘ線装置に関する市場ニーズがたいへん大きいので、医療機器用Ｘ線装置、特にＸ線ＣＴに適用した例を以下説明する。

図１は本発明が適用された一実施例であるＸ線ＣＴ装置１００の構成を説明する説明図である。Ｘ線ＣＴ装置１００は被検者１０２にＸ線を照射し、被検者１０２を透過したＸ線の強度を検出して被検者１０２の断層画像などを生成する装置である。Ｘ線ＣＴ装置１００は、被検者１０２に対してＸ線を照射して被検者１０２を透過したＸ線を検出するガントリ１２０と、ガントリ１２０を含むＸ線ＣＴ装置１００の全体に対する操作を行い、Ｘ線撮影を行うための様々な処理や制御を行うためのシステム制御装置２１２を有する制御卓２００と、被検者１０２を載置しＸ線撮影スケジュールに従って被検者１０２を移動する寝台１５０を備えている。なおガントリ１２０に設けられたＸ線検出器１４０で検出された検出結果は画像情報３４８として制御卓２００に設けられた画像処理部２１４へ送られて画像処理部２１４で処理され、Ｘ線画像が生成される。該Ｘ線画像は例えば入出力装置２１８の表示部２２４により表示される。

ガントリ１２０は、寝台１５０に載置された被検者１０２が配置されるための開口１２２が形成された回転盤１２４を有している。該回転盤１２４には、被検者１０２へ照射するＸ線を発生するためのＸ線管装置４００や、Ｘ線管装置４００が発生したＸ線を角度αの扇状Ｘ線ビームの状態にして被検者１０２に照射するコリメータ１３０や、被検者１０２を透過したＸ線を検出するＸ線検出器１４０を備えている。Ｘ線検出器１４０は、Ｘ線管装置４００やコリメータ１３０に対して被検者１０２を挟んで反対の位置に固定されている。回転盤１２４が回転すると被検者１０２に照射するＸ線ビームの角度や位置が変わる。被検者１０２を所定の速度で体軸方向に移動すると共に回転盤１２４を回転しながらＸ線ビームを照射することにより、立体的なＸ線画像を生成することができる。なお図１では各構成を模式的に記載しているため、Ｘ線制御装置３０２全体が回転盤１２４ではなくガントリ１２０の回転しない部分に配置されているかのように記載されているが、Ｘ線制御装置３０２の内のＸ線管装置４００に関する駆動部は、Ｘ線管装置４００の近傍に配置することが望ましい。このため前記駆動部は回転盤１２４に設けられている。

操作者が制御卓２００の入出力装置２１８の入力部２２２から撮影スケジュールや被検者１０２に照射するＸ線強度に関係するＸ線管装置４００の管電流や管電圧のパラメータを設定すると、これらの設定値はシステム制御装置２１２が有する記憶装置あるいは記憶装置２１６に記憶される。制御卓２００に設けられたシステム制御装置２１２は上記撮影スケジュールや管電流や管電圧のパラメータに基づきＸ線管装置４００の制御情報３４２をＸ線制御装置３０２へ送る。Ｘ線制御装置３０２はシステム制御装置２１２からの制御情報３４２に従い、Ｘ線管装置４００の管電流や管電圧や、Ｘ線管装置４００のフィラメント電流や、Ｘ線管装置４００の回転陽極４３２の回転速度、などを制御する。
システム制御装置２１２は上記撮影スケジュールや操作者による操作に従って回転盤１２４の回転位置や回転速度を制御するための制御情報３４４をガントリ制御装置１２６へ送り、ガントリ制御装置１２６は回転盤１２４の回転位置や回転速度の制御を行う。また上記撮影スケジュールに従ってシステム制御装置２１２は、被検者１０２を移動するための制御情報３４６を寝台制御装置１５２へ送る。寝台制御装置１５２は、例えば被検者１０２を体軸方向に指示された速度で移動するように寝台１５０の位置を制御する。被検者１０２の移動速度と回転盤１２４の回転速度が制御され、さらにＸ線管装置４００が制御されることにより、被検者１０２に対してスパイラル上にＸ線を照射し、被検者１０２に対して３次元的な画像情報３４８を得ることができ、３次元のＸ線画像を生成することができる。

被検者１０２に照射されて被検者１０２を透過したＸ線はＸ線検出器１４０により検出され、その検出結果はデータ収集装置１４２に送られ、データ収集装置１４２から画像情報３４８として制御卓２００に設けられた画像処理部２１４に送られ、画像処理部２１４において画像が生成され、制御卓２００に設けられた入出力装置２１８の例えば表示部２２４に表示されたり、あるいは記憶装置２１６に記憶されたりする。

制御卓２００は入出力装置２１８を有し、入出力装置２１８は撮影スケジュールや撮影条件などを入力したり、あるいはいろいろな指示をしたりするための入力部２２２を有し、さらに入力結果の表示や入力操作を支援する表示、撮影結果などのＸ線画像の表示、などの表示を行うために表示部２２４を有している。制御卓２００はまたシステム制御装置２１２や画像処理部２１４や記憶装置２１６を有している。システム制御装置２１２は、入出力装置２１８への入力の支援や必要な表示などの処理、さらに入力された撮影スケジュールや撮影条件などに従ってＸ線制御装置３０２やガントリ制御装置１２６、寝台制御装置１５２、データ収集装置１４２、画像処理部２１４、記憶装置２１６、などを制御するための処理や指示を行う。システム制御装置２１２は、このような処理を行うことにより、操作者が制御卓２００において行ったいろいろな指示や設定などに基づき、Ｘ線ＣＴ装置１００全体に対する動作を制御し、Ｘ線撮影作業を遂行する。

２．Ｘ線の照射およびＸ線の検出
操作者が制御卓２００に、Ｘ線撮影を行うための撮影スケジュールおよび撮影条件を入力すると、入力された撮影スケジュールおよび撮影条件に基づいて、システム制御装置２１２からＸ線制御装置３０２へＸ線管装置４００を制御するための指示が送られ、Ｘ線制御装置３０２によりＸ線管装置４００へＸ線を発生するための高電圧および電流が供給され、Ｘ線管装置４００によりＸ線が発生する。Ｘ線管装置４００が発生したＸ線は、コリメータ１３０から所定の照射角αのＸ線ビームの状態で、寝台１５０に載置された被検者１０２に照射される。被検者１０２を透過したＸ線は、Ｘ線検出器１４０により検出されてＸ線の強度に応じた電気信号に変換され、Ｘ線の透過画像データとしてデータ収集装置１４２へ送られる。データ収集装置１４２は透過画像データを収集し、デジタル信号に変換して制御卓２００の画像処理部２１４へ画像情報３４８として供給する。画像処理部２１４は上記画像情報３４８に基づき、被検者１０２の断層画像や３次元画像などのＸ線画像を生成し、システム制御装置２１２により画像データとして入出力装置２１８に表示され、また記憶装置２１６に保存される。

３．Ｘ線制御装置３０２の説明
図２はＸ線制御装置３０２およびＸ線管装置４００の概要を説明する説明図である。図３はＸ線管装置４００の構造を説明する説明図であり、図４はＸ線管装置４００の回転支持部４６２の構造の一例を説明する説明図である。これらの図を使用して以下Ｘ線制御装置３０２の構成および動作を説明する。

Ｘ線制御装置３０２は、Ｘ線管装置４００に管電圧３３４や管電流３３６を供給するための高電圧発生装置３２０や、Ｘ線管装置４００のフィラメント電流３６２を制御するフィラメント駆動部３６０や、回転陽極４３２の回転速度を制御する回転駆動部３５０や、高電圧発生装置３２０やフィラメント駆動部３６０や回転駆動部３５０を制御するＸ線制御部６００、を有している。高電圧発生装置３２０は、要求された管電圧を供給し要求された管電流を流すためにコンバータ３２４やインバータ３２６、高電圧発生部３３２、を有している。

高電圧発生装置３２０には商用の交流電源３２２から商用の交流電圧が供給され、コンバータ３２４は供給された交流電圧を整流すると共に昇圧し、昇圧された直流電圧を発生する。インバータ３２６はＸ線制御部６００の指示に従い、コンバータ３２４が発生した昇圧された直流電圧を入力とし、高周波の交流電圧を発生する。高電圧発生部３３２は、インバータ３２６からの高周波の交流電圧を受けて高電圧の直流電圧を発生し、高電圧の正極側電圧が回転陽極４３２に加わり負極側電圧が陰極４１６に加わるように、高電圧発生部３３２からＸ線管装置４００に直流の高電圧が供給される。高電圧発生部３３２からＸ線管装置４００に供給される電圧や電流を設定された値に維持する制御のために、管電圧３３４や管電流３３６は常時検出され、Ｘ線制御部６００に取り込まれる。Ｘ線制御部６００は検出結果に従い設定値となるようにフィードバック制御する。

フィラメント駆動部３６０は交流電源３２２から供給された電力に基づいてＸ線管装置４００の陰極４１６へ熱電子を供給するためのフィラメントにフィラメント電流３６２を供給する。フィラメント駆動部３６０が出力するフィラメント電流３６２は常時検出されてＸ線制御部６００に取り込まれ、フィードバック制御される。Ｘ線管装置４００のフィラメント（図示省略）が上記フィラメント電流３６２により加熱されることにより、フィラメント（図示省略）から熱電子が放出される。放出された熱電子は陰極４１６と回転陽極４３２との間に印加された高電圧発生部３３２による管電圧により加速され、高い運動エネルギを有する電子線となって回転陽極４３２のターゲット４３４のＸ線焦点に衝突する。この衝突によりターゲット４３４からＸ線４１４が放出される。管電圧により加速された電子線の運動エネルギの極わずか例えば約１パーセントがＸ線発生のエネルギとなり、Ｘ線管装置４００から被検者１０２にＸ線が照射される。上記電子線の残りの運動エネルギは熱に変わる。このため回転陽極４３２のターゲット４３４の電子線が衝突するＸ線焦点は高温となる。ターゲット４３４のＸ線焦点が熱により損傷するのを防止することが必要であり、以下の実施例で説明する通り、例えば陽極の蓄積熱量を示すＨＵ値を計算し、さらにＸ線焦点の温度上昇が演算され、電子線が衝突するＸ線焦点の温度が規定の温度を超えないように回転陽極４３２の回転速度が演算される。演算された回転速度で回転陽極４３２が回転駆動部３５０により回転駆動される。なお回転センサを有していないので、回転陽極４３２の回転速度は直接的には計測されないが、回転陽極４３２からステータ巻線４５２へ供給される電流値が実測されると共にステータ巻線４５２の誘起電圧が計測され、演算により回転陽極４３２の回転速度が求められ、演算により回転陽極４３２の回転速度が指令速度となるように回転駆動部３５０においてフィードバック制御が行われる。なお、回転陽極４３２の回転速度の演算方法は色々あり、これに限定されるものではない。

Ｘ線管装置４００内の外囲器４０４内は真空に維持されているが、Ｘ線管装置４００の外側には冷却液が充填されている。冷却液はＸ線管装置４００の外側を循環し、冷却装置５００に導かれて冷却液自身が冷却され、再びＸ線管装置４００の外側を循環する。冷却液としては例えば絶縁油が使用されるが、冷却効率を上げるためには比熱の大きい液を使用することが好ましく、比熱の大きい水を利用しても良い。

４．Ｘ線管装置４００の説明
図２や図３に記載のごとく、Ｘ線管装置４００は、絶縁油もしくは冷却水が満たされたＸ線管容器４０２内に内部が真空に維持された外囲器４０４が設けられている。真空に維持された外囲器４０４内に陰極４１６が設けられ、陰極４１６は図示しないフィラメントを有し、接続端子４１８を介してフィラメント駆動部３６０から図示しないフィラメントに対してフィラメント電流３６２が供給され、フィラメントが加熱されて熱電子を放出する。なお陰極４１６がフィラメントを有することにより多くの電子を放出することができるが、加熱により熱電子を発生する以外の例えば強い電界を加えることにより電子を電界放出する冷陰極タイプであっても良い。

加熱によりあるいは電界放出により放出された電子は、接続端子４１８などを介して供給されて陰極４１６とターゲット４３４との間に加えられた管電圧により加速された電子線４１２となり、管電圧により加速された大きな運動エネルギを有する電子線４１２が回転陽極４３２に設けられたターゲット４３４に衝突する。この衝突により、Ｘ線４１４が発生する。このＸ線は放射窓４０６や放射窓４０８からＸ線管装置４００の外部に照射される。なお、本発明の適用においては加熱により電子を放出しても電界により電子を放出しても基本構成や基本的作用は同じであり、本明細書では加熱により電子を放出する構成を代表例として説明している。

陰極４１６と回転陽極４３２のターゲット４３４との間に上述した管電圧が、陰極４１６が負極性となる極性で加えられているので、上記放出された電子は加速されて電子線４１２となる。電子線４１２は集束電界により集束されて回転陽極４３２のターゲット４３４のＸ線焦点に衝突する。電子線４１２の衝突によりＸ線焦点からＸ線４１４が発生する。発生するＸ線のエネルギは、陰極４１６と回転陽極４３２との間に加えられた管電圧によって決まる。また発生するＸ線の線量は、陰極４１６から放出される電子の量にも依存し、陰極４１６から放出される電子の量は管電流３３６として検出することができる。Ｘ線の線量をコントロールするために、管電流３３６や管電圧３３４が設定値となるように制御される。

上述したように、ターゲット４３４に衝突する電子線４１２のエネルギの内、Ｘ線に変換される割合は約１％程度に過ぎず、残りのほとんどのエネルギは熱となる。ターゲット４３４のＸ線焦点は電子線４１２のエネルギにより加熱される。ターゲット４３４のＸ線焦点が過熱溶融することを防止するため、回転陽極４３２は回転し、電子線４１２が衝突するＸ線焦点が常に移動する。回転陽極４３２は回転軸４２４に固定されており、回転軸４２４は回転支持部４６２により回転可能に保持されている。さらに回転支持部４６２はモータの回転子として動作し、ステータ鉄心４５４に巻回されたステータ巻線４５２により回転磁界が作られ、ステータ巻線４５２により作られる回転磁界により回転支持部４６２の回転円筒部４７８に回転トルクが発生し、回転円筒部４７８に繋がる回転軸４２４が回転し、回転軸４２４に固定螺子４８２により固定された回転陽極４３２が回転する。

回転支持部４６２の一例を図４に示す。Ｘ線管容器４０２に固定部４７２が固定されることにより、Ｘ線管容器４０２に固定軸受４７４が固定されている。固定軸受４７４は円筒形状を成していて、その内部に回転軸受部４７６が設けられている。固定軸受４７４の円筒形状の部分と回転軸受部４７６とは同心円の配置関係を為し、固定軸受４７４の内側と回転軸受部４７６の外側との間に転がり軸受４８４が設けられている。固定軸受４７４に対して回転軸受部４７６が回転可能に支持されている。回転軸受部４７６は更に回転円筒部４７８を有している。回転円筒部４７８は円筒形状を為しモータの回転子として作用するように回転円筒部４７８はステータ鉄心４５４に対向するように配置されている。

ステータ鉄心４５４に巻回されたステータ巻線４５２に３相交流電流が回転駆動部３５０（図２参照）から供給されると回転磁界が発生する。回転磁界の回転速度は回転駆動部３５０から供給される３相交流電流の周波数とステータ巻線４５２の極数により定まる。供給される３相交流電流の周波数を増加させると発生する回転磁界の回転速度が周波数に従って速くなる。回転円筒部４７８は回転子として動作し、回転磁界により、回転子に回転トルクが発生する。回転円筒部４７８は誘導電動機として作用しても良いし、その他の方式であっても良い。ただ回転円筒部４７８のスペースの点や温度環境の点から、回転子はシンプルな形状が望ましい。

回転円筒部４７８は鉄心で作られており、例えばリラクタンストルクが発生するように、回転円筒部４７８の電気角の９０度毎に、例えば回転子のｄ軸とｑ軸の内のｑ軸の位置に切欠き４８０を形成する。このような形状にすることにより、回転子として作用する回転円筒部４７８の電気角の９０度毎に、切欠き４８０が形成される。切欠き４８０を設けることで、回転子のｄ軸における磁気抵抗と回転子のｑ軸における磁気抵抗との値が異なる構造となる。回転子のｄ軸とｑ軸において磁気抵抗に差が生じると上記回転磁界に対してリラクタンストルクが発生する。なお、上記説明では回転子のｑ軸に切欠きを形成するとして説明したが、リラクタンストルクはｄ軸とｑ軸において磁気抵抗の差に従って発生するので、ｄ軸に相当する位置に切欠き４８０を形成しても同様の効果を得ることができる。

例えば回転円筒部４７８のｄ軸に対応して永久磁石を設けることにより磁石トルクを発生することができる。しかし永久磁石は温度が高くなると保持力が無くなる課題を有している。本実施例のように永久磁石を使用しないで、回転し鉄心の形状により回転トルクを発生する構造とすることにより、高温に極めて強い特性を有するモータを構成することができる。また形状もシンプルであり、故障し難い長所を有する。

回転子として回転トルクを発生する回転円筒部４７８は回転軸受部４７６に固定されて支持され、さらに回転陽極４３２が取り付けられている回転軸４２４とつながっているので、回転円筒部４７８において発生した回転トルクにより回転陽極４３２が回転する。回転陽極４３２の回転速度はステータ鉄心４５４が発生する回転磁界の回転速度により制御することができ、ステータ鉄心４５４の交流の周波数を制御することにより、回転磁界の回転速度を制御することができる。

５．モータの駆動動作の説明
操作者により入力されたＸ線画像の撮影スケジュールやＸ線強度に関する管電圧や管電流の設定値が制御情報３４２としてシステム制御装置２１２からＸ線制御部６００の回転速度演算部６１２に送られる。さらにＸ線管装置４００の温度や蓄積熱量を演算するために、Ｘ線照射の経過時間やＸ線照射停止の経過時間などもシステム制御装置２１２から回転速度演算部６１２に送られる。これらの情報から回転速度演算部６１２は演算により回転陽極４３２の蓄積熱量ＨＵを演算し、さらにターゲット４３４のＸ線焦点の温度を演算により求める。ターゲット４３４のＸ線焦点の温度が所定の温度を超えないように、回転陽極４３２の回転速度を演算する。回転速度の演算は、例えば蓄積熱量ＨＵや管電圧や管電流の設定値、撮影スケジュール、などをパラメータとした回転速度を予めデータベース６２２に記憶しておき、このデータベース６２２を検索することにより、行っても良い。このようにすることで、演算の負荷を軽減し、しかも正確な制御を実現することができる。

演算された回転陽極４３２の回転速度は、回転陽極４３２を回転させるための回転速度指令としてあるいは演算された回転速度を得るためのトルク指令として、回転速度演算部６１２から出力され、ベクトル制御部６４０を構成する電流ベクトル演算部６４２に送られる。電流ベクトル演算部６４２ではｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑを演算により求め、これらの演算結果を電圧ベクトル演算部６４２へ送る。ステータ巻線４５２やロータとして動作する回転円筒部４７８は、回転陽極４３２を回転させるためのモータ６０４として動作し、回転駆動部３５０により作られる３相交流電力により動作する。電流ベクトル演算部６４２も電圧ベクトル演算部６４８も共にベクトル演算部としてベクトル演算を行うが、電流ベクトル演算部６４２と電圧ベクトル演算部６４８を区別するために演算部６４２を電流ベクトル演算部６４２と呼び、演算部６４８を電圧ベクトル演算部６４８と記載することにする。

モータ６０４は、温度が高く回転角度センサなどを使用することが難しい状況であり、センサレスベクトル制御によりモータ６０４が制御される。モータ６０４の回転速度を間接的に求めるためにモータ６０４に供給される例えば電流が電流センサ６５８により検出され、座標変換部６５２により回転座標に変換されて、ｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑが求められる。求められたｑ軸電流Ｉｑと電流ベクトル演算部６４２の演算結果であるｑ軸電流Ｉｑとの偏差を求めるなどの方法により、回転速度演算部６５４によりモータ６０４の回転速度を求めることができる。なお回転速度演算部６５４では他の方法により、例えばモータ６０４の入力端の電圧と電流センサ６５８の検出結果から回転速度を求めても良い。

モータ６０４は同期電動機でもよいがこの実施例ではすべり制御で制御しており、すべり周波数演算部６４４によりすべり周波数を求め、回転速度演算部６５４で求められた回転速度に求められたすべり周波数を加算器６５６により加算して、加算した周波数を電圧ベクトル演算部６４８に送る。電圧ベクトル演算部６４８は、電流ベクトル演算部６４２の演算結果や加算器６５６で加算された周波数を基にインバータである回転駆動部３５０への指令信号を発生し、この指令信号により回転駆動部３５０が動作してコンバータ３２４から供給される直流電力を交流電力に変換し、モータ６０４を駆動する。なお、図５のベクトル制御部６４０の破線で囲った部分はモータ６０４を制御するためのベクトル演算を行う構成を示している。

センサレスベクトル制御では、低速回転時に演算誤差が発生しやすいが、回転陽極４３２を回転させるモータ６０４は毎分数千回転から１万回転など高い回転数で動作し、しかもモータ負荷が比較的小さいので、センサレスベクトル制御に適している。またＸ線管装置４００は回転角センサを設けにくい状態であるが、センサレスベクトル制御では回転角センサが不要であり、この点でＸ線管装置４００の制御に適している。

図４に記載の軸受４８４は真空中に配置され、しかも高温の環境に置かれるなど、厳しい環境に置かれており、軸受４８４の負担をできるだけ低減することが好ましい。Ｘ線制御部６００により、モータ６０４の回転速度を適切に制御することができるので、従来のように安全率を高くして必要以上に高速でモータ６０４を回転させるなどの必要が無く、軸受４８４の負担を低減することができる。またＸ線撮影時の総回転数を低減することができ、これらのことはＸ線管装置４００の長寿命化につながる。

なお、回転速度演算部６５４での回転速度の演算では、例えばDCモータのようなシンプルなモータ近似モデルでは、次の式に基づいて逆起電力を演算し、逆起電力から回転速度を求めることができる。
Vs = R・Is ＋ L・ｄIs／ｄｔ＋ Es

ここでＩｓはモータ電流ベクトル、Ｖｓは入力電圧、Ｅｓは逆起電力ベクトル、Ｒは巻き線抵抗、Ｌは巻き線インダクタンスである。上記式に基づき、入力電圧Ｖｓとモータ電流ベクトルＩｓの検出値より逆起電力ベクトルＥｓを求め、回転速度を求めても良い。また逆起電力ベクトルＥｓの角度θを演算して、ロータの位置を求め、ロータの位置から回転磁界の位相を演算して回転駆動部３５０を制御しても良い。逆起電力ベクトルＥｓの角度θは次式となる。
θ＝arctan（逆起電力ベクトルＥｓのＸ軸成分とY軸成分の比）

さらにまた上記制御に加え、モータモデルと、実際のモータへ、同じ電圧を入力して出力される電流の偏差により補正し、制御の精度を高める手法をとっても良い。なお、上記実施例ではＸ線制御装置302がＸ線制御部６００を備えているとして説明した。しかし、Ｘ線ＣＴ装置１００全体の中で、Ｘ線制御部６００の構成や機能を備えていればよく、制御卓２００に設けられたシステム制御装置２１２がＸ線制御部６００の構成や機能を備えていても良い。

６．Ｘ線ＣＴ装置１００の撮影動作の説明
Ｘ線ＣＴ装置１００のＸ線撮影に関する作業及び動作の概要を図６に記載する。作業が開始されるとステップＳ１０２で、入出力装置２１８の入力部２２２からＸ線画像の撮影スケジュールが入力される。さらに撮影スケジュールにおけるＸ線管装置４００の管電圧や管電流、フィラメント電流３６２の設定パラメータが入力される。スキャン速度やＸ線画像の撮影範囲、焦点サイズ、スライス厚などが設定される。Ｘ線管装置４００の動作スケジュールや諸条件の設定だけでなく、ガントリ１２０の例えば回転盤１２４の制御条件や寝台１５０の制御条件も入力される。撮影方法によっては一旦回転陽極４３２を所定の回転速度にまで上昇させ、Ｘ線撮影の瞬間は回転駆動部３５０の動作を停止し、モータ６０４を惰性運転で回転させ、回転駆動部３５０のノイズ発生を抑制する運転を行うことも可能である。このようなＸ線管装置４００の運転スケジュールを含むガントリ１２０の運転スケジュールや設定値が表示部２２４の表示を参照しながら入力部２２２から入力される。入力されたスケジュールや設定値がシステム制御装置２１２の内部の記憶装置あるいは記憶装置２１６に記憶されて保持される。

ステップＳ１０２の処理後、ステップＳ１０４からステップＳ１２４の一連の動作手順は非常に短い時間周期で繰り返し実行される。ステップＳ１０４で入力されたそれぞれのスケジュールや設定値に従ってシステム制御装置２１２からＸ線制御装置３０２やガントリ制御装置１２６、寝台制御装置１５２へ制御情報が送られる。Ｘ線管装置４００の動作開始前においては、これから撮影しようとするスケジュールに従って以下で説明するステップＳ１０６やステップＳ１０８でモータ６０４の回転速度が演算され、計算された回転速度を目標回転速度としてＸ線制御部６００が動作する。なお、ステップＳ１０６やステップＳ１０８における目標回転速度の演算は例えば図５の回転速度演算部６１２を使用して説明した如く、設定された諸条件からデータベース６２２を検索して求めることができる。目標回転速度となるようにベクトル制御部６４０で回転駆動部３５０の動作条件が演算され、回転駆動部３５０からモータ６０４のステータ巻線４５２に交流電流が供給され、モータ６０４が回転動作を開始する。本実施例では、回転駆動部３５０にコンバータ３２４から昇圧された直流電力を供給しているので、回転駆動部３５０からステータ巻線４５２へ大きな電力を供給することができ、モータ６０４を短時間に目標回転速度に増加させることができる。

ステップＳ１０４からステップＳ１２４の一連の手順が短い時間間隔で繰り返し実行されており、モータ６０４が目標回転速度になると、ステップＳ１０４の制御により、Ｘ線照射の開始のために、Ｘ線管装置４００に管電圧３３４や管電流３３６が供給され、またフィラメント電流３６２が供給される。ステップＳ１０６では回転陽極４３２の蓄積熱量ＨＵが演算され、この演算結果は回転陽極４３２の回転速度の決定に用いられる。蓄積熱量ＨＵを増加する要因としては管電圧や管電流、Ｘ線照射時間の経過、などがある。一方蓄積熱量ＨＵを減少させる要因としては冷却能力やＸ線照射の停止時間経過などがある。これらをパラメータとして演算することにより蓄積熱量ＨＵを求めることができる。

演算方法としては、直接代数演算のように計算しても良いが、予め上記パラメータに基づく蓄積熱量ＨＵを実験によりあるいは計算により求め、データベースとして記憶装置に記憶しておき、パラメータに基づくデータベースの検索によりパラメータに基づく蓄積熱量ＨＵを求めても良い。このようなデータベースの検索による演算で蓄積熱量ＨＵを算出することにより、短時間に正確な演算結果を得ることができる。

Ｘ線管装置４００の陰極４１６から照射される電子線４１２が衝突するターゲット４３４のＸ線焦点が熱により溶解するのを防止するために、モータ６０４により回転陽極４３２を回転させる。回転陽極４３２の回転を速くすればＸ線焦点の温度上昇を抑えることができるが、図４に記載の軸受４８４にその分大きな負担が掛かる。従って不必要に回転陽極４３２の回転速度を上げるのではなく、Ｘ線照射状態において、ターゲット４３４のＸ線焦点の温度が溶解しない程度の温度維持される条件でモータ６０４の回転速度を制御することが望ましい。上述したように総回転数を抑制することができる。

ターゲット４３４のＸ線焦点の温度は、それまでに蓄積された蓄積熱量ＨＵに大きく依存し、さらにこれからＸ線管装置４００に供給される管電圧や管電流にも依存する。このため蓄積熱量ＨＵや管電圧や管電流をパラメータとしてＸ線焦点の温度上昇を予測演算し、モータ６０４の目標回転速度を決めることが好ましい。上述したように予め、上記蓄積熱量ＨＵや管電圧や管電流をパラメータとしてデータベースを用意しておき、データベースを検索することにより、モータ６０４の目標回転速度を決めるようにしても良い。

ステップＳ１０８においてモータ６０４の目標回転速度などが演算されると、演算結果が図５の電流ベクトル演算部６４２へ送られる。上述したようにステップＳ１０８の演算は、代数計算だけでなく予め蓄積熱量ＨＵや管電圧や管電流をパラメータとしたモータ６０４の回転速度データベースとして記憶しておき、記憶されたデータベースを検索する方法であっても良い。また演算結果として目標回転速度が検索されるようにしても良いが、目標回転速度の代わりに電流ベクトルＩｄやＩｑが検索されるようにしても良い。この場合ステップＳ１０８の演算結果が、電流ベクトル演算部６４２の出力の代わりとして使用できる。

Ｘ線管装置４００は温度環境が厳しく劣化し易い。特に回転支持部４６２の軸受構造が劣化し易く故障し易い。ターゲット４３４のＸ線焦点の温度上昇の予測を正確に行い、モータ６０４の回転速度をできるだけ低く抑えることで、回転支持部４６２の軸受構造が劣化低減でき、故障を低減できる。さらに寿命を予測するために、ステップＳ１１２でモータ６０４の動作特性の演算を行う。例えば加速特性の低下が見られたり、回転速度の低下が大きくなった場合には、回転支持部４６２の軸受４８４の劣化が進んでいたり、さらには故障しているなどの判断が可能となる。図５で説明した如く、角度センサを有していなくても回転速度演算部６５４で回転速度を演算することができ、回転速度の変化と回転駆動部３５０の出力との関係からモータ６０４の軸受４８４の摩擦抵抗の大きさを求めることができる。

ステップＳ１１２で演算した動作特性、例えば軸受４８４の摩擦係数の変化を記憶して、方向性を判断することにより、後どの程度使用すれば動作特性例えば軸受４８４の摩擦係数が使用可能範囲から逸脱するかを予測することができる。ステップＳ１１２の演算結果を履歴として記憶していくことが重要である。

モータ６０４の運転中は、ステップＳ１１４から再びステップ１０４に戻り、非常に短い時間でステップ１０４からステップ１１４の処理を繰り返す。Ｘ線撮影が終わり次のＸ線撮影開始される間モータ６０４の運転を停止する。この運転停止状態をステップＳ１１４で判断し、この運転停止状態においてステップＳ１２２が実行される。ステップＳ１２２では、Ｘ線管装置４００の異常診断および寿命の予測が行われる。記憶していた履歴が読み出され、既に予め定めた許容範囲から逸脱していないかが判断される。また許容範囲から逸脱していない場合であっても、特性の変化の履歴から許容範囲からの逸脱が迫っているかどうかが判断される。

このステップＳ１２２には記載が省略されているが、Ｘ線管装置４００の動作特性が既に許容範囲から逸脱している場合には、警報が表示され、次のステップ回転盤１２４の後、強制的に動作が終了する。また動作特性が許容範囲から逸脱していないが逸脱が近いと判断された場合には、やはり警報表示がなされ、Ｘ線管装置４００の寿命が少ないことが知らされる。

ステップＳ１１２の演算結果あるいは検出結果をメモリに記憶し、履歴のデータが作られる。またステップＳ１２２で、過去の履歴に対して今回の演算結果が大きく変化したと判断された場合も異常と判断される。どの程度変化したら異常と判断するかは、予め実験などで予測し、データとして記憶されていて、このデータが使用されて判断される。

Ｘ線撮影において、各撮影の間で一時的にＸ線照射を停止してもその後再び次の撮影スケジュールに従って再びＸ線管装置４００を動作させＸ線撮影を再開する。ステップＳ１２４で撮影作業が全て終了したかどうかを判断し、撮影作業が終了していない場合には再びステップＳ１０４に実行が移る。なお、ステップＳ１２２で、劣化度合いが所定の範囲を超えるなどして異常発生と判断されると、ステップＳ１２４で撮影作業を停止し、撮影作業を強制的に終了する。上記ステップＳ１１２で得られた情報は記憶装置に履歴として保持し、外部から保持されたデータを取り出すことができる。このデータを分析することで、劣化や異常発生の解析を行うことができる。

７．Ｘ線管装置４００の長寿命化に関する説明
図６のフローチャートにおいて、ステップＳ１０６において蓄積熱量ＨＵを演算し、蓄積熱量ＨＵに基づき、更には管電圧や管電流や現在の蓄積熱量ＨＵをパラメータとしてターゲット４３４のＸ線焦点の温度上昇を予測して、蓄積熱量ＨＵやＸ線焦点の温度上昇に対応したモータ６０４の回転速度を求め、この回転速度を目標値としてモータ６０４の制御が行われる。従来制御では、モータ６０４の回転速度の目標値は、非常に高い値に単に設定するものであり、必要以上に高速でモータ６０４を運転していた。Ｘ線管装置４００の軸受などは非常に厳しい環境により劣化し易く、必要以上の高速回転は大きな負担となっており、劣化し易くまた故障し易かった。本実施例の構成および作用によれば適正な回転速度で、回転陽極４３２の回転速度を制御でき、回転陽極４３２の総回転数を低減することができる。このことにより長寿命化を図ることができる。

本実施例では、ステップＳ１０６やステップＳ１０８が短い周期で繰り返し実行され、モータ６０４の回転目標が管電圧や管電流に応じて即座に修正されるので、回転陽極４３２の回転速度を、リアルタイムに高精度で制御できる。

図６のフローチャートにより、モータ６０４の回転速度をＸ線管装置４００の状態に即して正確に制御することが可能となるが、その反面回転陽極４３２の必要回転速度に対するマージンが小さくなる。このことは回転陽極４３２の総回転数が減少し、長寿命化につながるメリットがあるが、マージンが小さいためＸ線管装置４００の動作条件が急に変化した場合の応答性をより向上することが望ましい。応答性をより向上させることができる実施例を図７に示す。図７が図６に示すフローチャートに対して異なる点は、ステップＳ１１０の追加である。他のステップは図６と同じであり、同様のステップに対する説明を省略する。

図６に記載のフローチャートでは、ステップＳ１０６で演算された蓄積熱量ＨＵやＸ線焦点の温度予測に応じてステップＳ１０８で目標回転速度が演算され、この目標回転速度に従ってモータ６０４が制御される。図７ではステップＳ１１０でＸ線管装置４００の動作条件が急に変更されていないかどうかを検知し、動作条件が急に変更された場合には、動作条件の変化に着目し、動作条件の変化に対応したモータ６０４の回転速度の変化分をステップＳ１０８の目標回転速度に加算して目標回転速度を修正し、修正した目標回転速度でモータ６０４を制御する。

例えば管電圧や管電流が急に増加した場合に、これら増加分に対応した回転速度の増加分を演算し、演算された回転速度の増加分をそれまでの目標回転速度に上乗せして新たな目標回転速度とする。逆に管電圧や管電流が急に減少した場合には、上記減少に対応した回転速度の減少分を演算し、演算した減少分をそれまでの目標回転速度から減じて新たな目標回転速度とする。このように急激なＸ線管装置４００の動作条件の変更に対応した修正をモータ６０４の目標回転速度に対して行うことにより、応答性を改善することができる。ステップＳ１０４からステップＳ１１４の処理や、ステップＳ１０４からステップＳ１２４の処理を、非常に短い時間間隔で繰り返し実行するので、高い応答性を得ることができる。

１００…Ｘ線ＣＴ装置、１０２…被検者、ガントリ１２０…ガントリ、１２２…開口、１２４…回転盤、１２６…ガントリ制御装置、１３０…コリメータ、１４０…Ｘ線検出器、１４２…データ収集装置、１５２…寝台制御装置、２００…制御卓、２１２…システム制御装置、２１４…画像処理部、２１６…記憶装置、２１８…入出力装置、２２２…入力部、２２４…表示部、３２０…高電圧発生装置、３２２…交流電源、３２４…コンバータ、３２６…インバータ、３３４…管電圧、３３６…管電流、３４２…制御情報、３４４…制御情報、３４６…制御情報、３４８…画像情報、３５０…回転駆動部、４００…Ｘ線管装置、４０４…外囲器、４０６…放射窓、４０８…放射窓、４１２…電子線、４１４…Ｘ線、４１６…陰極、４１８…接続端子、４２４…回転軸、４３２…回転陽極、４３４…ターゲット、４５２…ステータ巻線、４５４…ステータ鉄心、４６２…回転支持部、４７２…固定部、４７４…固定軸受、４７６…回転軸受部、４７８…回転円筒部、４８０…切欠き、４８４…軸受、６０４…モータ、６１２…回転速度演算部、６１４…回転速度指令、６２２…データベース、６４０…ベクトル制御部、６４２…電流ベクトル演算部、６４４…すべり周波数演算部、６４８…電圧ベクトル演算部、６５２…座標変換部、６５４…回転速度演算部、６５６…加算器。

Claims

回転陽極と上記回転陽極を回転駆動するモータを有し被検者に照射するＸ線を発生するＸ線管装置と、
上記被検者を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
上記Ｘ線検出器によって検出された画像情報に基づく画像を表示する表示部と、
Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流を入力する入力部と、
上記モータの回転速度を制御する制御装置と、
上記モータに交流電力を供給する回転駆動部と、を備え、
上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に従って目標回転速度あるいは目標トルクを演算し、上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに従ってｄ軸電流とｑ軸電流を演算するベクトル演算部を有し、
上記制御装置は、上記ベクトル演算部の出力と上記モータの回転速度に基づき上記回転駆動部を制御する制御信号を出力し、
上記回転駆動部は上記制御装置からの上記制御信号に従って上記モータを駆動する、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１に記載のＸ線装置において、上記制御装置は上記モータの回転速度を演算により算出する回転速度演算部を有し、上記制御装置は、上記ベクトル演算部の出力と演算により算出した上記回転速度に基づき上記回転駆動部を制御する上記制御信号を出力する、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項２に記載のＸ線装置において、上記回転駆動部から上記モータに供給する交流電流を計測し、計測した上記交流電流の計測値を座標変換し、上記交流電流の計測値の座標変換結果から上記モータの回転速度を求める、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１乃至請求項３の内の一に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に基づいて蓄積熱量ＨＵを演算し、演算により求めた蓄積熱量ＨＵから上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクを演算して求める、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１乃至請求項３の内の一に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に基づいて回転陽極のターゲットのＸ線焦点の温度を演算し、演算により求めた上記Ｘ線焦点の温度から上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクを演算して求める、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１乃至請求項５の内の一に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに基づく制御において得られた上記モータの動作特性の変化から、上記Ｘ線管装置の異常を検出する、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項６に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに基づく制御において得られた上記モータの動作特性の変化が、予め定めた範囲を超えて変化した場合に、異常と判断して上記Ｘ線管装置の動作を停止する、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１乃至請求項５の内の一に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに基づく制御において得られた上記モータの動作特性の変化から、上記Ｘ線管装置が異常となる寿命を予測する演算を行う、ことを特徴とするＸ線装置。
請求項１乃至請求項８の内の一に記載のＸ線装置において、上記制御装置は、上記Ｘ線管装置の上記モータの上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに基づく制御において、上記Ｘ線管装置の動作条件が変化したかどうかを検知し、上記Ｘ線管装置の動作条件が変化した場合にその変化量に対応する回転速度の変化分で目標回転速度を修正する、ことを特徴とするＸ線装置。
回転陽極と上記回転陽極を回転駆動するモータを有し被検者に照射するＸ線を発生するＸ線管装置と、
上記被検者を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
上記Ｘ線検出器によって検出された画像情報に基づく画像を表示する表示部と、
Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流を入力する入力部と、
上記モータの回転速度を制御する制御装置と、
上記モータに交流電力を供給する回転駆動部と、を備え、
上記制御装置は、上記Ｘ線撮影のスケジュールあるいは上記Ｘ線管装置に供給する管電圧や管電流に従って目標回転速度あるいは目標トルクを演算する第１ステップと、
上記目標回転速度あるいは上記目標トルクに従ってｄ軸電流とｑ軸電流をベクトル演算する第２ステップと、
上記モータの回転速度を演算する第３ステップと、
上記第２ステップの演算結果と、上記第３ステップの演算結果に基づいて上記回転駆動部を制御する制御信号を出力する第４ステップと、を実行し、
上記回転駆動部は上記制御装置からの上記制御信号に従って上記モータを駆動する第５ステップを実行する、ことを特徴とするＸ線装置の制御方法。