JP4820604B2 - Ｘ線コンピュータ断層撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に関する。

周知のとおり、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、被検体を多方向からＸ線で走査することにより収集した投影データに基づいて断面の減弱係数分布、つまり断層像を再構成することを実現した装置である。

この種のＸ線コンピュータ断層撮影装置では、広範囲をスキャンする方式として、主にコンベンショナルスキャンとヘリカルスキャンとが用いられている。周知のとおり、コンベンショナルスキャンは、例えば寝台天板の断続的な移動によりスキャン位置を一定距離ずつ変異させながらその停止に同期してスキャンを繰り返すデータ収集動作であり、またヘリカルスキャンは例えば寝台天板の連続的な移動とＸ線管の連続的な回転とによる螺旋状の移動によりデータを収集する動作である。

これらコンベンショナルスキャンやヘリカルスキャンで広範囲のデータ収集を高速で完了することが重要視されている。そのためにＸ線検出器の多列化が検討され、最近では３２列システムの実用化が進められている。
特開平５−３８９５７号公報 特開平５−１６８６１６号公報

本発明の目的は、広範囲を高速にスキャンできるＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することにある。

本発明のある局面は、回転軸回りに回転可能に支持される略円環状の回転フレームと、前記回転フレームに円周に沿って離散的に装備され、陰極と、前記回転軸と平行な回転軸周りに回転可能に設けられる略傘状の陽極と、前記陰極から前記陽極への電子線を偏向する偏向電極とを有する複数のＸ線管と、前記回転フレームに円周に沿って離散的に装備される複数のＸ線検出器と、前記複数のＸ線管にそれぞれ対応される開口可変の複数のスリットと、前記回転軸の方向に関する前記スリットの開口の幅及び中心位置を制御するスリット制御部と、前記回転軸の方向に関する前記Ｘ線管のＸ線焦点の位置を移動するために前記偏向電極を前記Ｘ線管ごとに制御する焦点制御部とを具備し、前記複数のＸ線管にそれぞれ対応する複数のスライスが前記回転軸に沿って連続するように前記スリットの開口中心が相互に異なる位置に移動され、かつ前記Ｘ線管のＸ線焦点が前記スリットの開口中心位置に対応する位置であって相互に異なる位置に移動されることを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置である。

本発明によれば、広範囲を高速にスキャンできるＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明によるＸ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ装置）を好ましい実施形態により説明する。なお、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置のスキャン方式としては、Ｘ線管とＸ線検出器とが一対として被検体の周囲を回転するローテート／ローテートタイプ、リング状にアレイされた多数の検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転するステーショナリ／ローテートタイプ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本発明を適用可能であるが、ここではローテート／ローテートタイプを例に説明する。また、１枚の断層像データを再構成するには、被検体の周囲１周、約３６０°分の投影データの１セットが、またハーフスキャン法でも１８０°＋ファン角分の投影データが必要とされる。ここでは、前者の例で説明する。なお、投影データとは、Ｘ線パス上の組織等の減弱係数（又は吸収係数）の通過距離に関する積分データとして定義される。

図１に、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成を示している。本実施形態のＸ線コンピュータ断層撮影装置は、スキャンガントリ１０と寝台２０とコンピュータ装置３０とから構成される。スキャンガントリ１０は、被検体に関する投影データを収集するための構造体であり、その投影データはコンピュータ装置３０に取り込まれ、画像再構成等の処理に供される。被検体は、寝台２０の天板２１に載置された状態でスキャンガントリ１０の略円筒形状の撮影領域内に挿入される。

スキャンガントリ１０は、図２にも示すように、多管球型である。回転機構４により回転軸ＲＡ回りに回転自在に支持される円環状の回転フレーム１１には、複数、ここでは３つのＸ線管１−１，１−２，１−３が回転軸ＲＡまわりに１２０°ずつシフトした位置に固定されている。３つのＸ線管１−１，１−２，１−３にそれぞれ対向するように３つのＸ線検出器２−１，２−２，２−３も回転フレーム１１の１２０°ずつシフトした位置に固定されている。通常、撮影に際しては、被検体はその体軸が回転軸ＲＡにほぼ一致するようにスキャンガントリ１０内部に設置される。

Ｘ線管１−１，１−２，１−３は、略傘状の陽極が回転軸ＲＡと平行な陽極回転軸周りに回転可能に設けられ、陽極表面のターゲットに陰極からの電子線を衝突させることでＸ線が発生する回転陽極型Ｘ線管である。陰極から陽極に至る電子線飛翔経路に沿って、集束電極とともに偏向電極が配置される。偏向電極は上下左右に分化する偏向電極部分からなり、対向する偏向電極部分に流す電流バランスを、ポジションコントローラ３５のもと焦点制御部５−１，５−２，５−３により調整することで、陽極表面のターゲットに電子線が衝突する位置を制御することができるようになっている。ここでは特に、回転半径方向に対向する上下に分化した偏向電極部分の電流バランスを意図的に偏向することで、Ｘ線焦点を回転軸ＲＡにそって移動することができるようになっている。

管球チルト／スライド機構７−１，７−２，７−３は、Ｘ線管１−１，１−２，１−３それぞれに対応して設けられる。管球チルト／スライド機構７−１，７−２，７−３は、それぞれ対応するＸ線管１−１，１−２，１−３を、回転軸ＲＡに沿って例えば前後数センチメートルの幅でスライドするための構造及び電動機を有している。

また、管球チルト／スライド機構７−１，７−２，７−３は、それぞれ対応するＸ線管１−１，１−２，１−３を、回転軸ＲＡに対して例えば前後５°の角度範囲でチルトするための構造及び電動機を有している（図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）参照）。具体的には、Ｘ線管１−１，１−２，１−３が基準位置にあるとき、その回転陽極の回転軸は、回転軸ＲＡに対して略平行になる。回転陽極の回転軸が回転軸ＲＡに対して傾斜するように、管球チルト／スライド機構７−１，７−２，７−３は、それぞれ対応するＸ線管１−１，１−２，１−３をチルトする。

Ｘ線検出器２−１，２−２，２−３は、それぞれ一列に配列された複数のＸ線検出素子を有する。Ｘ線検出器２−１，２−２，２−３はそれぞれ後述するようにスライス方向（回転軸ＲＡ方向（Ｚ軸））へのスライスの移動に対応するように、操作者が選択可能な複数のスライス厚の中の最大値に管球数（ここでは３）を乗算した長さに相当する幅広の有感域（スライス方向に関する有感幅）を有している（図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）参照）。

Ｘ線管１−１，１−２，１−３それぞれと撮影領域との間、実際にはＸ線管１−１，１−２，１−３それぞれのＸ線放射窓には、スライス厚を制限するためのスリット機構９−１，９−２，９−３が配置される。スリット機構９−１，９−２，９−３はそれぞれスライス方向に沿って並べられる少なくとも２枚の遮光板を有する。２枚の遮光板はスライス方向に沿って個別に移動自在に支持される。スリット制御部６−１，６−２，６−３の制御により２枚の遮光板それぞれの位置を変化させることにより、スライス方向の開口幅を任意に調整でき、またスライス方向に沿って開口中心位置をシフトさせることができる（図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）参照）。

データ収集装置３−１，３−２，３−３は、Ｘ線検出器２−１，２−２，２−３にそれぞれ接続されている。Ｘ線検出器２−１，２−２，２−３の出力は、それぞれデータ収集装置３−１，３−２，３−３、図示しないが連続回転を可能にするスリップリング及び前処理ユニット３２を介して投影データとしてデータ記憶ユニット３３に供給され記憶される。

コンピュータ装置３０は、上記前処理ユニット３２とデータ記憶ユニット３３とともに、装置全体の制御を司るためのシステムコントローラ３１、スキャン動作を実行するために回転機構４とデータ収集装置３−１，３−２，３−３と図示しない高電圧発生装置を制御するためのスキャンコントローラ３６、記憶された投影データセットに基づいて断層画像データを再構成するための再構成ユニット３４、キーボードやマウス等の入力器３７、断層画像等を表示するためのディスプレイ３８、ポジションコントローラ３５、さらにゼロ補正データ記憶ユニット４１、ゼロ補正処理ユニット４３を備えている。

ゼロ補正処理ユニット４３は、前処理を受けた投影データに対して、Ｘ線強度及びＸ線検出感度の空間的ばらつきを補正するために、複数のＸ線検出器２−１，２−２，２−３の出力を検出素子ごとに補正するために設けられている。周知の通り、Ｘ線強度は、均一ではなく、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に例示するように、陽極表面に対する電子ビームの入射角と反射角とが同一になる向きで最大値を示し、入射角と反射角との差の拡大に応じて低下する。従って、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）を参照して後述するように、３つのスライス間でＸ線強度分布の使用域が相違する。それによりスライスごとに基準強度（ゼロ点）が相違する。これら３スライスの投影データを単一(unity)のデータとして用いて画像データを再構成するとき、ゼロ点の相違によりアーチファクトが発生する。このアーチファクトを軽減するために、ゼロ補正処理ユニット４３においてゼロ点補正が行われる。当該補正処理に用いられる複数のデータセット（複数のゼロ補正データセット）は、ゼロ補正データ記憶ユニット４１に予め記憶される。複数のゼロ補正データセットは、
使用域中心の角度θが相違する。例えば０．０５°ごとにゼロ補正データセットが生成される。複数のＸ線検出器２−１，２−２，２−３の検出素子ごとにゼロ補正データセットが生成される。また、ゼロ補正データセットは、Ｘ線管１−１，１−２，１−３ごとに生成される。ゼロ補正データセットは、典型的には、均一ファントムを使って収集した投影データセット又はそれに基づいて生成したデータである。複数のゼロ補正データセットには、Ｘ線管１−１，１−２，１−３の識別コード、および角度θを識別するコードが関連付けられている。それによりゼロ補正処理ユニット４３は、ポジションコントローラ３５からの角度θ又はそれに関連するスリット開口中心位置等の情報に従って、対応するゼロ補正データセットをゼロ補正データ記憶ユニット４１から選択的に読み出すことができる。

ポジションコントローラ３５は、入力器３７を介して入力されたスライス厚にしたがってスリット機構９−１，９−２，９−３それぞれの開口幅を制御し、またスキャンモード（通常スキャンモード、高速スキャンモード）の選択にしたがってＸ線管１−１，１−２，１−３それぞれのＸ線焦点のスライス方向の位置、、およびスリット機構９−１，９−２，９−３それぞれの開口中心位置を制御する。また、ポジションコントローラ３５は、入力器３７を介して入力されたチルト／スライド／焦点移動に関する情報に従ってチルトスライド機構部を制御する。なお、チルト／スライド／焦点移動は、いずれか１又は２つを組み合わせて用いられる。チルト／スライド／焦点移動により、Ｘ線の使用域の角度θをゼロ°又はそれに接近させることができる。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）には、通常スキャンモードにおけるＸ線焦点位置及び開口幅を示している。通常スキャンモードでは、ポジションコントローラ３５の制御のもとでスリット制御部６−１，６−２，６−３により、操作者により設定されたスライス厚Ｔ１に対応する開口幅に各スリット機構９−１，９−２，９−３の開口１０−１，１０−２，１０−３が調整され、また開口中心位置が揃って基準位置に統一される。さらに、通常スキャンモードでは、ポジションコントローラ３５の制御のもとで焦点制御部５−１，５−２，５−３により、各Ｘ線管１−１，１−２，１−３の焦点位置が基準位置に統一される。Ｘ線管１−１，１−２，１−３からのＸ線は図４に示すように重畳する。この通常スキャンモードでは、コンベンショナルスキャンのために、天板２１は距離Ｔ１の移動と停止とを繰り返す。またヘリカルスキャンのために、Ｘ線管１回転あたり天板２１は距離Ｔ１を移動する速度に調整される。通常スキャンモードでは、シングルスライススキャンのとき、複数、ここでは３つのＸ線検出器の出力を使って断層像を再構成することにより、断層像の時間分解能を実質的に１／３に短縮（高速化）することができる。

次に、高速スキャンモード（広域スキャンモード）では、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように、ポジションコントローラ３５の制御のもとでスリット制御部６−１，６−２，６−３により、操作者により設定されたスライス厚Ｔ１に対応する開口幅に各スリット機構９−１，９−２，９−３の開口１０−１，１０−２，１０−３が調整される。またスリット機構９−１の開口中心位置が基準位置に維持され（図５（ｂ））、スリット機構９−２の開口中心位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のプラス方向に移動され（図５（ｃ））、さらにスリット機構９−３の開口中心位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のマイナス方向に移動される（図５（ａ））。

このような開口中心位置の制御により、図６に示すように、３つのスライスが連続する３列システムと実質的に同等に機能し、つまり１回転により３列分のデータを一度に収集することが可能となる。この高速スキャンモードでは、コンベンショナルスキャンのために、天板２１は、“スライス厚Ｔ１×管球数”の移動と停止とを繰り返す。またヘリカルスキャンのために、Ｘ線管１回転あたり天板２１は“スライス厚Ｔ１×管球数”の距離を移動する速度に調整される。通常スキャンモードと比較すると、高速スキャンモードでは、同一範囲のスキャンを、管球数倍分の一の時間で完了することができる。換言すると、通常スキャンモードに対して、高速スキャンモードでは、同一時間で、管球数倍の範囲をスキャンすることができる。

高速スキャンモードでは、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ），図８に示すように、スリット機構９−１，９−２，９−３の開口１０−１，１０−２，１０−３の中心位置の移動とともに、Ｘ線管１−１，１−２，１−３のＸ線焦点８−１，８−２，８−３のシフトを併用してもよい。ポジションコントローラ３５の制御のもとで焦点制御部５−１，５−２，５−３により、Ｘ線管１−１のＸ線焦点位置が基準位置に維持され（図７（ｂ））、Ｘ線管１−２のＸ線焦点位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のプラス方向に移動され（図７（ｃ））、さらにＸ線管１−３のＸ線焦点位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のマイナス方向に移動される（図７（ａ））。このように開口中心位置の移動とＸ線焦点のシフトとを併用することで、両側のＸ線管１−２、１−３のＸ線中心線を回転軸ＲＡに対して垂直又はそれに近似させることができるので、いわゆるコーン角の増大によるアーチファクトの発生を軽減することができる。また、上述したように、焦点移動により、両側のＸ線管１−２，１−３のＸ線使用域の角度θをゼロ°又はそれに接近させ、画質向上／ゼロ点補正精度の向上を図ることができる。

また、焦点移動に代えて、高速スキャンモードでは、スリット機構９−１，９−２，９−３の開口１０−１，１０−２，１０−３の中心位置の移動とともに、Ｘ線管１−１，１−２，１−３のスライドを併用してもよい。ポジションコントローラ３５の制御のもとでスライド機構部７−１，７−２，７−３の動作により、焦点移動と同様に、Ｘ線管１−１のＸ線焦点位置が基準位置に維持され、Ｘ線管１−２のＸ線焦点位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のプラス方向に移動され、さらにＸ線管１−３のＸ線焦点位置が基準位置からスライス厚Ｔ１に対応する距離だけスライス軸のマイナス方向に移動される。このように開口中心位置の移動とＸ線管球スライドとを併用することで、両側のＸ線管１−２、１−３のＸ線中心線を回転軸ＲＡに対して垂直又はそれに近似させることができるので、いわゆるコーン角の増大によるアーチファクトの発生を軽減することができる。また、両側のＸ線管１−２，１−３のＸ線使用域の角度θをゼロ°又はそれに接近させ、画質向上／ゼロ点補正精度の向上を図ることができる。

さらに、管球スライドと併用して、図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）に示すように、Ｘ線管１−１，１−２．１−３を個別にチルトすることにより、両側のＸ線管１−２，１−３のＸ線使用域の角度θをゼロ°又はそれに接近させ、画質向上／ゼロ点補正精度の向上を図ることができる。

なお、高速スキャンモードでは、開口１０−１，１０−２，１０−３の中心位置は基準位置で固定したまま、Ｘ線管１−１，１−２，１−３のＸ線焦点８−１，８−２，８−３のシフトによりスライス位置を移動するようにしてもよい。

本実施形態によると、一列システムであっても、多列システムと同等に広範囲を高速にスキャンできるものである。また、広範囲の高速スキャンと、シングルスライスの高速スキャン（通常スキャンモード）とを切り替えることができる。その切り替えを、Ｘ線管やＸ線検出器の移動機構等の大がかりな機構を必要としないで実現することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではそ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の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の主要部の構成図。 図１の３つのＸ線管及び検出器の配置を示す図。 図１のポジションコントローラによるＸ線管の第１ポジションを示す図。 図１のポジションコントローラによる第１ポジションを総合的に示す図。 図１のポジションコントローラによるＸ線管の第２ポジションを示す図。 図１のポジションコントローラによる第２ポジションを総合的に示す図。 図１のポジションコントローラによるＸ線管の第３ポジションを示す図。 図１のポジションコントローラによる第３ポジションを総合的に示す図。 図１のポジションコントローラによるＸ線管のチルトポジションを示す図。

符号の説明

１０…スキャンガントリ、２０…寝台、３０…コンピュータ装置、２１…天板、４…回転機構、１１…回転フレーム、１−１…Ｘ線管、１−２…Ｘ線管、１−３…Ｘ線管、２−１…Ｘ線検出器、２−２…Ｘ線検出器、２−３…Ｘ線検出器、３５…ポジションコントローラ、５−１…焦点制御部、５−２…焦点制御部、５−３…焦点制御部、７−１…管球チルト／スライド機構、７−２…管球チルト／スライド機構、７−３…管球チルト／スライド機構、９−１…スリット機構、９−２…スリット機構、９−３…スリット機構、６−１…スリット制御部、６−２…スリット制御部、６−３…スリット制御部、３−１…データ収集装置、３−２…データ収集装置、３−３…データ収集装置、３２…前処理ユニット、３３…データ記憶ユニット、３１…システムコントローラ、３６…スキャンコントローラ、３４…再構成ユニット、３７…入力器、３８…ディスプレイ、３５…ポジションコントローラ、４１…ゼロ補正データ記憶ユニット、４３…ゼロ補正処理ユニット。

Claims (6)

1. 回転軸回りに回転可能に支持される略円環状の回転フレームと、
   前記回転フレームに円周に沿って離散的に装備され、陰極と、前記回転軸と平行な回転軸周りに回転可能に設けられる略傘状の陽極と、前記陰極から前記陽極への電子線を偏向する偏向電極とを有する複数のＸ線管と、
   前記回転フレームに円周に沿って離散的に装備される複数のＸ線検出器と、
   前記複数のＸ線管にそれぞれ対応される開口可変の複数のスリットと、
   前記回転軸の方向に関する前記スリットの開口の幅及び中心位置を制御するスリット制御部と、
   前記回転軸の方向に関する前記Ｘ線管のＸ線焦点の位置を移動するために前記偏向電極を前記Ｘ線管ごとに制御する焦点制御部と、
   前記複数のＸ線管にそれぞれ対応する複数のスライスが前記回転軸に沿って連続するように前記スリットの開口中心が相互に異なる位置に移動され、かつ前記Ｘ線管のＸ線焦点が前記スリットの開口中心位置に対応する位置であって相互に異なる位置に移動されるように前記スリット制御部と前記焦点制御部とを制御するポジションコントローラとを具備することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影装置。
2. 前記ポジションコントローラは、前記複数のＸ線管に各々対応するスライスが前記回転軸に沿って連続する状態と、前記複数のＸ線管に各々対応するスライスの中心線が略一致する状態とを操作者の指示に従って切り替えるように、前記複数のスリット各々の開口位置と前記Ｘ線管各々のＸ線焦点位置とを制御することを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
3. 前記ポジションコントローラは、前記複数のＸ線管に各々対応するスライスの厚さが略一致するように前記複数のスリット各々の開口を制御することを特徴とする請求項１に記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
4. 前記複数のＸ線管各々における回転陽極上のＸ線焦点位置を電子線偏向制御により個別に制御する焦点制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
5. Ｘ線強度及びＸ線検出感度の空間的ばらつきを補正するために前記複数のＸ線検出器の出力を検出素子ごとに補正する補正部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。
6. 前記補正された前記複数のＸ線検出器の出力を単一のデータとして用いて画像データを再構成する再構成部をさらに備えることを特徴とする請求項５記載のＸ線コンピュータ断層撮影装置。

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