JP6382061B2 - Ｘ線高電圧装置、ｘ線コンピュータ断層撮影装置、及びｘ線診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、Ｘ線高電圧装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、及びＸ線診断装置に関する。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置及びＸ線診断装置に搭載されたＸ線管に印加される高電圧を発生するためにＸ線高電圧装置が用いられている。近年、Ｘ線高電圧装置の小型化が望まれている。Ｘ線高電圧装置の小型化のためインバータの動作周波数を上げると、二次コイルの巻線間の分布容量の影響が増大しまう。そこで、Ｘ線高電圧装置に含まれる高電圧発生部は、二次コイルの巻線間の分布容量を減らすため二次コイルを複数に分割した構造を有している。鉄心に一つの一次コイルと複数の二次コイルとを設けた場合、一次コイルの端部側に隣接する二次コイルと中央部側に隣接する二次コイルとでは鎖交する磁束が異なるため、二次コイルの取付け位置に応じて二次コイルに誘導される電圧がばらついてしまう。電圧がばらつく場合、複数の二次コイルのうちの一部の二次コイルに誘導される電圧の電圧値が異常に上昇し耐圧不良となる虞がある。特に二次コイル毎に高圧整流平滑回路が配置された場合、高圧整流平滑回路に含まれる整流ダイオードや平滑コンデンサが損傷する虞がある。従ってＸ線高電圧装置の出力電圧に関する信頼性が損なわれてしまう。また、高圧整流平滑回路の損傷を防ぐため最も高い電圧を出力する高圧整流平滑回路に他の高圧整流平滑回路を合わせた場合、高圧整流平滑回路に使用する高圧ダイオードや高圧コンデンサの定格を上げる必要があるため、小型化の要請に反してＸ線高電圧装置が大規模及び高価格になってしまう。

特開２００４−１２８１６０号公報 特開２００７−１４９７９７号公報 特開２００６−０４９７８６号公報

実施形態の目的は、小型化を達成したうえで信頼性の高いＸ線高電圧装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、及びＸ線診断装置を提供することにある。

本実施形態に係るＸ線高電圧装置は、直流電圧を発生する直流電圧発生部と、前記直流電圧を交流電圧に変換する直流交流変換部と、前記交流電圧をＸ線管に印加するための直流高電圧に変換する高電圧変換部であって、環形状を有する鉄心の一部範囲において前記鉄心に沿って巻かれた一次巻線と前記鉄心に沿って配列された複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記複数の二次巻線にそれぞれ接続され、且つ前記Ｘ線管に直列的に接続された複数の整流平滑回路と、を有する高電圧変換部と、を具備するＸ線高電圧装置であって、前記一次巻線は、前記一部範囲の中央部に比して端部において間隔が密になるように前記鉄心に沿って巻かれる。

本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図 図１のＸ線高電圧装置の回路ブロック図 図２のＸ線高電圧装置の高圧トランスの構造を示す図 図３の４−４’断面図 本実施形態の応用例１に係る高圧トランスの一次コイルの外観を模式的に示す図 応用例１に係る一次巻線の口出しの位置を模式的に示す図 本実施形態の応用例２に係るＸ線高電圧装置の二次コイルの巻数の位置変化と、高圧トランスの構造とを位置整合して並べて示す図 本実施形態の応用例２に関し、コイル設置範囲における二次コイルの位置毎の二次コイルに誘導される電圧（誘導電圧）と一次コイルに流れる電流との関係を示すグラフ 本実施形態の変形例に係るＸ線診断装置の構成を示す図 従来例に係るＸ線高電圧装置の回路ブロック図 図１０に示す高圧トランスの巻線構造を示す図 図１１に示す高圧トランスよりも二次コイルの個数を増やした高圧トランスの巻線構造を示す図 図１２に示す高圧トランスの一次コイルが発生する磁束を模式的に示す図

以下、図面を参照しながら本実施形態に係わるＸ線高電圧装置、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置、及びＸ線診断装置を説明する。

図１は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、架台１０とコンソール３０とを備えている。架台１０は、円筒形状を有する回転フレーム１１を回転軸Ｚ回りに回転可能に支持している。回転フレーム１１には、回転軸Ｚを挟んで対向するようにＸ線発生部１３とＸ線検出部１５とが取り付けられている。回転フレーム１１の開口（bore）にはＦＯＶ（field of view）が設定される。回転フレーム１１の開口内には寝台１７が挿入される。寝台１７には被検体Ｓが載置される。回転フレーム１１は、回転駆動部１９からの動力を受けて回転軸Ｚ回りに一定の角速度で回転する。回転駆動部１９は、架台制御部２１からの制御に従って回転フレーム１１を回転させるための動力を発生する。寝台１７は、被検体Ｓが載置される天板１７１と天板１７１を移動自在に支持する天板支持機構１７３とを有する。例えば、天板支持機構１７３は、天板１７１を回転軸Ｚ方向や鉛直方向、水平方向に支持する。天板支持機構１７３は、寝台駆動部２３からの動力を受けて天板１７１を任意の方向に移動する。寝台駆動部２３は、架台制御部２１からの制御に従って天板１７１を任意の方向に移動する。

Ｘ線発生部１３は、Ｘ線管１３１とＸ線高電圧装置１３３とを有する。Ｘ線管１３１は、Ｘ線高電圧装置１３３に接続されている。Ｘ線高電圧装置１３３は、架台制御部２１による制御に従いＸ線管１３１に高電圧を印加し、フィラメント電流を供給する。Ｘ線高電圧装置１３３は、設定管電圧値と設定管電流値とを維持するようにＸ線管１３１に印加する高電圧とＸ線管１３１に供給するフィラメント電流とを調節する。

Ｘ線検出部１５は、Ｘ線検出器１５１とデータ収集回路１５３とを有する。Ｘ線検出器１５１は、Ｘ線管１３１から発生されたＸ線を検出する。具体的には、Ｘ線検出器１５１は、二次元湾曲面に配列された複数のＸ線検出素子を装備する。各Ｘ線検出素子は、Ｘ線を検出し、検出されたＸ線の強度に応じた波高値を有する電気信号に変換する。各Ｘ線検出素子は、シンチレータと光電変換器とから構成されＸ線を間接的に電気信号に変換するシンチレータ検出器であっても良いし、Ｘ線を直接的に電気信号に変換する半導体検出器であっても良い。

データ収集回路１５３は、架台制御部２１による制御に従い、Ｘ線検出器１５１から電気信号を読み出し、検出されたＸ線の強度に応じたデジタル値を有する生データをビュー毎に収集する。

架台制御部２１は、架台１０に搭載された各種機器の制御を統括する。具体的には、架台制御部２１は、Ｘ線高電圧装置１３３、データ収集回路１５３、及び回転駆動部１９をビューの切替周期に同期して制御する。具体的には、回転駆動部１９は、予め設定された一定の角速度で回転フレーム１１を回転する。架台制御部２１は、回転フレーム１１が一定の微小角度回転する毎にビューを切り替える。架台制御部２１は、ビューの切替タイミングに同期してＸ線高電圧装置１３３とデータ収集回路１５３とを制御する。Ｘ線高電圧装置１３３は、ビューの切替タイミングに同期した曝射タイミングでＸ線管１３１からＸ線を発生させる。また、データ収集回路１５３は、Ｘ線検出器１５１を介して生データをビュー毎に収集する。また、架台制御部２１は、後述の入力部４１を介したユーザからの入力に従って天板１７１を移動するように寝台駆動部２３を制御する。例えば、架台制御部２１による寝台駆動部２３に対する制御により、被検体Ｓの撮像部位がＦＯＶ内に含まれるように天板１７１が位置決めされる。なお、Ｘ線高電圧装置１３３は、データ収集期間中において、Ｘ線を連続して発生させても良い。

コンソール３０は、データ記憶部３１、再構成部３３、画像処理部３５、Ｉ／Ｆ部３７、表示部３９、入力部４１、主記憶部４３、及びシステム制御部４５を備える。

データ記憶部３１は、架台１０から伝送された生データを記憶するＨＤＤ（hard disk drive）やＳＳＤ(solid state drive)等の記憶装置である。生データは、由来するＸ線検出素子のチャンネル番号、列番号、及びビュー番号に関連づけて記憶される。

再構成部３３は、データ記憶部３１に記憶された生データに基づいて被検体Ｓに関するＣＴ値の空間分布を表現するＣＴ画像を再構成する。ＣＴ画像としては２次元のスライス画像であっても良いし、３次元のボリューム画像であっても良い。画像再構成アルゴリズムとしては、ＦＢＰ（filtered back projection）法やＣＢＰ（convolution back projection）法等に基づく解析学的画像再構成法や、ＭＬ−ＥＭ（maximum likelihood expectation maximization）法やＯＳ−ＥＭ（ordered subset expectation maximization）法、ＯＳ−ＳＡＲＴ（ordered subset simultaneous algebraic reconstruction techniques）法等に基づく統計学的画像再構成法等の既存の画像再構成アルゴリズムが用いられれば良い。

画像処理部３５は、ＣＴ画像に種々の画像処理を施す。画像処理としては、例えば、ボリュームレンダリングやサーフェスレンダリング、多断面変換処理、画素値投影処理等が挙げられる。

Ｉ／Ｆ部３７は、コンソール３０と架台１０との間の通信のためのインタフェースである。例えば、Ｉ／Ｆ部３７は、システム制御部４５からのＸ線条件や撮像開始信号や撮像停止信号等を架台１０に供給する。

表示部３９は、ＣＴ画像や撮影計画画面等の種々の情報を表示機器に表示する。表示機器としては、例えば、ＣＲＴディスプレイや液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、プラズマディスプレイ等が適宜利用可能である。

入力部４１は、入力機器によるユーザからの各種指令や情報入力を受け付ける。入力機器としては、キーボードやマウス、各種スイッチ等が利用可能である。

主記憶部４３は、種々の情報を記憶する、ＨＤＤ(hard disk drive)やＳＳＤ(solid state drive)等の記憶装置である。例えば、主記憶部４３は、ＣＴ画像や撮影プログラム等を記憶する。

システム制御部４５は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の中枢として機能する。システム制御部４５は、本実施形態に係る撮影プログラムを主記憶部４３から読み出し、当該撮影プログラムに従って各種構成要素を制御する。

以下、図１０、図１１、図１２、及び図１３を参照しがら、従来例に係るＸ線高電圧装置について詳細に説明する。

図１０は、従来例に係るＸ線高電圧装置の回路ブロック図である。図１０に示すように、従来例に係るＸ線高電圧装置は、ＡＣ／ＤＣコンバータ、インバータ、及び高圧トランス、第１の高圧整流平滑回路、及び第２の高圧整流平滑回路を有している。ＡＣ／ＤＣコンバータは、商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換する。インバータは、ＡＣ／ＤＣコンバータからの直流電圧を交流電圧に変換する。高圧トランスは、インバータからの交流電圧を昇圧する。具体的には、高圧トランスは、一次コイルと分割された２つの二次コイルとを有する。第１の二次コイルには第１の高圧整流平滑回路が接続され、第２の二次コイルには第２の高圧整流平滑回路が接続される。各高圧整流平滑回路は、各二次コイルの出力を整流及び平滑することにより直流高電圧を発生する。

図１０に示すＸ線高電圧装置は、Ｘ線管の陽極にプラス極性の高電圧が印加され、Ｘ線管の陰極にマイナス極性の高電圧が印加する中性点接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置である。中性点接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置は、Ｘ線診断装置や出力の小さなＸ線コンピュータ断層撮影装置ではよく使用されている。中性点接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置は、出力電圧が管電圧の半分で済む利点を有している。例えば、管電圧が１４０ｋＶのとき、Ｘ線高電圧装置の出力電圧は＋７０ｋＶと−７０ｋＶである。

図１１は、図１０に示す高圧トランスの巻線構造を示す図である。図１１に示すように、一次コイルの個数が１、二次コイルの個数が２であり、二次コイルを一次コイルの中心を挟んで対称の位置に配置した場合、２つの二次コイルに誘導される電圧の電圧値が等しくなる。そのため、２つの二次コイルに接続された２つの高圧整流平滑回路の出力電圧の電圧値も等しくなる。しかしながら、図１１のように、二次コイルが大きい場合、二次コイルの二次巻線間に生じる分布容量が大きくなる。そのため、Ｘ線高電圧装置を小型化するためにインバータの動作周波数を高めると、インバータに流れる無効電流が増加してしまう。

出力の大きなＸ線コンピュータ断層撮影装置では、Ｘ線管の陽極側を接地し、陽極のターゲットの冷却効率を向上させた陽極接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置が使用される。陽極接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置は、管電圧の電圧値と同じで極性が異なる電圧を出力する必要がある。すなわち、陽極接地型Ｘ線管用のＸ線高電圧装置は、管電圧が１４０ｋＶのときは、−１４０ｋＶの電圧を発生させる。このように、接地電位に対して非常に高い電圧を発生させる場合、その極性がプラスでもマイナスでも二次コイルの二次巻線間に生じる分布容量が増大してしまう。

図１２は、図１１に示す高圧トランスよりも二次コイルの個数を増やした高圧トランスの巻線構造を示す図である。図１２に示すように、二次コイルの個数を増やし、各二次コイルの巻数を減らすことで、二次コイルの分布容量を減らすことができる。図１３は、図１２に示す高圧トランスの一次コイルが発生する磁束を模式的に示す図である。図１３に示すように、一次コイルで発生する磁束は、鉄心の中央部では収束し端部では広がる性質がある。そのため、中央部に隣接する二次コイルと両端部に隣接する二次コイルとでは、鎖交する磁束が異なる。その結果、複数の二次コイルに誘導される電圧がばらつき、高圧整流平滑回路の出力電圧もばらついてしまう。

また、一次コイルの巻数に対して二次コイルの個数が多い場合、一次コイルの両端部以外の部分に隣接する二次コイルであっても、一次コイルとの位置関係に応じて二次コイルに誘導される電圧の電圧値がばらついてしまう虞がある。これにより、一部の二次コイルに誘導される電圧の電圧値が異常に上昇し耐圧不良となる虞がある。特に二次コイル毎に高圧整流平滑回路が配置された場合、高圧整流平滑回路に含まれる整流ダイオードや平滑コンデンサが損傷する虞がある。従ってＸ線高電圧装置の出力電圧に関する信頼性が損なわれてしまう。

高圧整流平滑回路の損傷を防ぐため最も高い電圧を出力する高圧整流平滑回路に他の整流平滑回路を合わせた場合、高圧整流平滑回路に使用する高圧ダイオードや高圧コンデンサの定格を上げる必要があるため、小型化の要請に反してＸ線高電圧装置が大規模及び高価格になってしまう。Ｘ線コンピュータ断層撮影装置では回転部の限られた空間に高電圧発生器を搭載する必要があるため、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置においては特に、Ｘ線高電圧装置が大規模になることを避けなければならない。

以下、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３について詳述する。

図２は、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３の回路ブロック図を示す。図２のＸ線高電圧装置１３３は、一例として、陽極接地型のＸ線管１３１に印加する高電圧を発生するＸ線高電圧装置１３３を示している。図２に示すように、Ｘ線高電圧装置１３３は、商用電源とＸ線管１３１とに接続されている。Ｘ線高電圧装置１３３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５１、インバータ５３、及び高電圧変換部５５を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ５１は、商用電源からの交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ５３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５１からの直流電圧を高周波の交流電圧に変換する。高電圧変換部５５は、インバータ５３からの交流電圧を、Ｘ線管１３１に印加するための直流高電圧に変換する。具体的には、高電圧変換部５５は、高圧トランス５７と複数の高圧整流平滑回路５９を有している。高圧トランス５７は、インバータ５３からの交流電圧を昇圧する。具体的には、高圧トランス５７は、１つの一次コイル６１と複数の二次コイル６３と鉄心６５とを有する。一次コイル６１は、インバータ５３からの交流電圧（一次電圧）の印加を受けて電磁誘導の原理により鉄心６５を介して複数の二次コイル６３に交流電圧（二次電圧）を誘起する。複数の二次コイル６３には複数の高圧整流平滑回路５９がそれぞれ接続される。このように、１つの一次コイル６１に対して複数の二次コイル６３を設けることにより、各二次コイル６３の分布容量を低減することができる。

本実施形態において二次コイル６３と高圧整流平滑回路５９とはｎ個ずつ設けられているとする。二次コイル６３と高圧整流平滑回路５９との個数ｎは２以上であれば幾つでも構わない。Ｘ線管１３１の陽極側から第１の高圧整流平滑回路５９−１、第２の高圧整流平滑回路５９−２、…、第ｎの高圧整流平滑回路５９−ｎと標記し、同様に、Ｘ線管１３１の陽極側から第１の二次コイル６３−１、第２の二次コイル６３−２、…、第ｎの二次コイル６３−ｎと標記することにする。

各高圧整流平滑回路５９は、二次コイルからの交流電圧を整流平滑して直流電圧に変換する。具体的には、各高圧整流平滑回路５９は、図２に示すように、高圧整流ダイオードと高圧コンデンサを有している。複数の高圧整流平滑回路５９は、カスケード接続、すなわち、直列的に接続されている。複数の高圧整流平滑回路５９の一端の高圧整流平滑回路５９−１のプラス端子は、接地され、Ｘ線管１３１の陽極に接続される。複数の高圧整流平滑回路５９の他端の高圧整流平滑回路５９−ｎのマイナス端子は、Ｘ線管１３１の陰極に接続される。

図２に示すように、複数の高圧整流平滑回路５９がカスケード接続されているため、Ｘ線管１３１の管電圧は、複数の高圧整流平滑回路５９の各々が発生する直流電圧の総和に等しい。すなわち、Ｘ線管１３１の目標管電圧を高圧整流平滑回路５９の数で除した値に相当する電圧（二次電圧）が各高圧整流平滑回路５９又は各二次コイル６３から発生されれば良い。例えば、高圧整流平滑回路５９が１６（すなわち、ｎが１６）あり、Ｘ線管１３１の管電圧が１４０ｋＶであるとすると、各高圧整流平滑回路５９又は各二次コイル６３は、−１４０ｋＶ／１６＝−８．７５ｋＶの電圧を発生する。なお、本実施形態において管電圧は、陰極の電位に対する陽極の電位の差分であるものとする。上記の例の場合、陽極は接地されているので陽極の電位は０ｋＶであり、陰極の電位−８．７５ｋＶ×１６＝−１４０ｋＶであるので、陰極の電圧に対する陽極の電位の差分、すなわち、管電圧は、０ｋＶ−（−１４０ｋＶ）＝１４０ｋＶとなる。なお、目標管電圧は、例えば、入力部４１を介してユーザにより入力される。

Ｘ線高電圧装置１３３により陽極と陰極との間に高電圧が印加される。また、図示しない経路を介してＸ線高電圧装置１３３からフィラメント電流が陰極に供給される。フィラメント電流の供給を受けた陰極は発熱し、熱電子を放出する。陽極と陰極との間に印加された高電圧（管電圧）により熱電子が加速して陽極のターゲットに衝突しＸ線が発生される。

図３は、図２のＸ線高電圧装置１３３の高圧トランス５７の構造を示す図である。図４は、図３の４−４’断面図である。図３に示すように、高圧トランス５７は、環形状を有する鉄心６５を有している。鉄心６５は、円環形状でも良いし、多角環形状でも良い。例えば、図３に示すように、鉄心６５は四角環形状を有していると良い。鉄心６５としては、例えば、ケイ素鋼板を絶縁し層状に形成したものが用いられる。鉄心６５のうちの一部範囲には一次コイル６１が設けられる。以下、鉄心６５のうちの一次コイル６１が設けられる範囲をコイル設置範囲Ｒｃｏ１と呼ぶことにする。一次コイル６１は、鉄心６５に沿って巻かれ、絶縁体により被覆された銅線等の一次巻線６７を有する。より詳細には、一次巻線６７は鉄心６５のうちのコイル設置範囲Ｒｃｏ１に限定して巻かれている。鉄心６５が四角環形状を有する場合、一辺が複数の二次コイル６３に隣接するように鉄心６５が配置される。当該一辺のうちの複数の二次コイル６３に隣接する部分がコイル設置範囲Ｒｃｏ１に規定される。コイル設置範囲Ｒｃｏ１は、鉄心６５のうちの一次巻線６７が巻かれる部分である。一次巻線６７の鉄心６５への巻き始めの位置Ｐｓと巻き終わりの位置Ｐｅとの間の範囲がコイル設置範囲Ｒｃｏ１に規定される。なお、巻き始めの位置Ｐｓと巻き終わりの位置Ｐｅとは、一次巻線６７が鉄心６５に接触する位置であり、巻き始めの位置Ｐｓから巻き終わりの位置Ｐｅに向けてインバータ５３からの電流が流れる。複数の二次コイル６３は、鉄心６５の中心軸Ａｘｃに沿って並列して配列されている。換言すれば、複数の二次コイル６３は、鉄心６５のうちのコイル設置範囲Ｒｃｏ１に隣接して配列される。各二次コイル６３は、円環形状を有し、当該円環の中心が鉄心６５の中心軸Ａｘｃに略一致するように配置される。各二次コイル６３は、円環形状に巻かれ、絶縁体により被覆された銅線等の二次巻線６９を有する。

一次コイル６１はインバータ５３により駆動され鉄心６５に磁束を発生させる。より詳細には、一次コイル６１にはインバータ５３からの高周波の交流電圧（一次電圧）が印加され交流電流が流れ、この交流電流が電磁誘導作用により鉄心６５に時間変化する磁束を発生させる。複数の二次コイル６３は発生された磁束に鎖交するように配置されている。鉄心に発生された磁束の時間変化が電磁誘導作用により複数の二次コイル６３の各々に交流電圧（二次電圧、誘導電圧）を発生させる。一次コイル６１の一次電圧に対する各二次コイル６３の二次電圧の増幅率は、一次コイル６１の巻数に対する二次コイル６３の巻数の比率に応じて決定される。

高圧トランス５７を小型化するためインバータ５３の動作周波数を上げた場合、高圧トランス５７の構造上、一次コイル６１の巻数はインバータ５３の出力電圧と動作周波数と鉄心６５の特性によって決定されるが、約１０ターンになる。上記の通り、一次コイル６１で発生する磁束は、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の中心軸Ａｘｃに関する中央部Ｒｓでは収束し、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の中心軸Ａｘｃに関する端部Ｒｄでは広がる性質がある。中央部Ｒｓとは、コイル設置範囲Ｒｃｏ１に含まれる部分範囲であって、中心軸Ａｘｃに関する巻き始めの位置Ｐｓと巻き終わりの位置Ｐｅとの間の中心を含む範囲である。端部Ｒｄとはコイル設置範囲Ｒｃｏ１に含まれる部分範囲であって、巻き始めの位置Ｐｓ又は巻き終わりの位置Ｐｅを含む部分範囲である。そのため、中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と両端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３とでは鎖交する磁束が異なってしまう。中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と両端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３とでの鎖交する磁束のばらつきを低減するための一つの方法として、コイル設置範囲Ｒｃｏ１を、鉄心６５のうちの複数の二次コイル６３が隣接する範囲Ｒｃｏ２に比して十分に長くとることが考えられる。しかしながら、この場合、高圧トランス５７の小型化の要請に応えることはできない。

そこで、本実施形態に係る一次巻線６７は、図４に示すように、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の中央部Ｒｓに比して端部Ｒｄにおいて間隔が密になるように、又は、端部Ｒｄに比して中央部Ｒｓにおいて間隔が疎になるように鉄心６５に沿って巻かれる。ここで、間隔とは、中心軸Ａｘｃに沿う一次巻線６７の間隔を指す。換言すれば、単位長さあたり（単位体積あたり）の巻数が中央部Ｒｓに比して端部Ｒｄにおいて多くなるように、又は端部Ｒｄに比して中央部Ｒｓにおいて少なくなるように一次巻線６７が鉄心６５に沿って巻かれる。なお、一次巻線６７は、中央部Ｒｓから端部Ｒｄにかけて段階的に間隔を密から疎に変化させても良いし、連続的に密から疎に変化させても良い。中央部Ｒｓから端部Ｒｄにかけて一次巻線６７の間隔を密から疎に変化させることにより、端部に行くにつれて徐々に減少する磁束を補償することができる。これにより、高圧トランス５７の小型化を達成したうえで、端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３と中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３との鎖交する磁束とを略一致させることができ、ひいては、端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３と中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３との誘導電圧のばらつきを抑制することができる。すなわち、各二次コイル６３の誘導電圧を、管電圧を二次コイル６３（すなわち、高圧整流平滑回路５９）の個数で除した値に略一致させることができる。

なお、鉄心６５に巻かれる一次巻線６７の間隔は、端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３と中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３との鎖交する磁束とが略一致するように、事前に設計されても良い。例えば、一次巻線６７の様々な疎密間隔においてコイル設置範囲Ｒｃｏ１の各位置の磁束数をテスタ等の計器を使用して測定することにより、一次巻線６７の好適な間隔が設計されると良い。

以下、本実施形態の応用例１に係る高圧トランス５７について説明する。

図４に示す高圧トランス５７では、一次巻線６７の巻数の制約のため、一次巻線６７の間隔が広い部分が生じ得る。この場合、一次巻線６７の位置に対する二次巻線６９の位置に応じて当該二次巻線６９に発生する誘導電圧が異なる場合がある。

図５は、応用例１に係る高圧トランス５７の一次コイル６１の外観を模式的に示す図である。図５に示すように、応用例１に係る一次コイル６１は複数の一次巻線６７を含む。一次巻線の本数は２本以上であれば如何なる本数でも良い。例えば、図５においては、４本の一次巻線６７が例示されており、第１の一次巻線６７−１、第２の一次巻線６７−２、第３の一次巻線６７−３、及び第４の一次巻線６７−４が順番に繰り返し鉄心６５に巻かれている。

巻き始め部側の複数の一次巻線６７の口出しはインバータ５３に並列接続されている。複数の一次巻線６７は、鉄心６５に沿って並べて順番に巻き始め部から巻き終わり部まで巻かれ、巻き始め部まで折り返される。複数の一次巻線６７の巻き終わり部側の口出しはインバータ５３に並列接続される。

このように、複数の一次巻線６７を並列的に巻くことにより、一次巻線６７の間隔が過剰に広がることを防止することができ、ひいては、一次巻線６７の位置に対する二次巻線６９の位置に応じた当該二次巻線６９の誘導電圧が変化することを防止することができる。また、複数の一次巻線６７は、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の中央部Ｒｓに比して端部Ｒｄにおいて間隔が密になるように、又は、端部Ｒｄに比して中央部Ｒｓにおいて間隔が疎になるように巻かれる。これにより、一次巻線６７の間隔が過剰に広がることを防止しつつ、端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３と中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３との鎖交する磁束を略一致させることができる。

なお、一次コイル６１が発生する磁束は、一次コイル６１を流れる電流と一次巻線６７の巻数との積に依存する。このため、一本の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合と複数の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合とで、一次コイル６１が発生する磁束に変化は無い。例えば、一次巻線６７が一本、巻数が１０ターン、インバータ５３から１００Ａの電流が供給された場合、磁束は１０ターン×１００Ａ＝１，０００ＡＴ（アンペア・ターン）に比例する。一方、一次巻線６７が４本の場合、各一次巻線６７の巻数が１０ターンであれば、各一次巻線に供給される電流は、１００Ａ／４＝２５Ａとなる。この場合、一次巻線６７は４本あるので、各一次巻線が発生する磁束は１０ターン×２５Ａ＝２５０ＡＴに比例する。従って、一次巻線全体で発生する磁束は、２５０ＡＴ×４＝１，０００ＡＴに比例する。このように、一本の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合と複数の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合とで、一次コイル６１が発生する磁束ひいては誘導電圧に変化は無い。よって、複数の一次巻線６７を設けることにより高圧整流平滑回路５９に過剰な負荷が掛かることはない。このように、複数の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合には、同一の磁束を発生させるために一本の一次巻線６７に対して供給される電流が減少されるので、一次巻線６７の断面積を減少させることができる。これにより、高圧トランス５７を小型化することができる。また、一本の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合と複数の一次巻線６７を鉄心６５に巻いた場合とでインバータ５３の出力を変更する必要もないので、簡便に一次巻線６７の位置に対する二次巻線６９の位置に応じた当該二次巻線６９の誘導電圧の変化を防止することができる。

複数の一次巻線６７の口出しが、中心軸Ａｘｃを中心とした鉄心６５の円周方向に関して同一位置に偏って配置された場合、鉄心６５の表面における巻き始めの部分と巻き終わりの部分とにおいて一次巻線６７が存在しない場所が生じてしまう。この場合、当該場所に隣接する二次コイル６３と一次巻線６７に隣接する二次コイル６３とで誘導電圧にばらつきが生じてしまう。

図６は、応用例１に係る一次巻線６７の口出しの位置を模式的に示す図である。図５及び図６に示すように、複数の一次巻線６７の口出しは、鉄心６５の円周方向に関して異なる位置に配置される。例えば、複数の一次巻線６７の口出しは、鉄心６５の円周方向に関して等角度間隔に配置されると良い。一次巻線６７が４本の場合、一次巻線６７の口出しが３６０°／４＝９０°間隔で配置されると良い。これにより複数の一次巻線６７が鉄心６５の表面に均等に分布するので、鉄心６５の表面において一次巻線６７が存在しない範囲を低減することができる。よって、一次巻線６７の位置に対する二次巻線６９の位置に応じて二次コイル６３が発生する誘導電圧がばらつくことを更に低減することができる。

以下、本実施形態の応用例２に係るＸ線高電圧装置１３３について説明する。

上記の実施形態においては一次巻線６７の巻き方を工夫することにより中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３との誘導電圧を略一致させるものとした。しかしながら、二次巻線６９の巻き方を工夫することにより中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３との誘導電圧を略一致させても良い。

図７は、応用例２に係るＸ線高電圧装置１３３の二次コイル６３の巻数の位置変化と、高圧トランス５７の構造とを位置整合して並べて示す図である。図７に示すように、鉄心６５には複数の一次巻線６７が並列して順番に巻かれている。また、鉄心６５の中心軸Ａｘｃに沿って複数の二次コイル６３が配列されている。複数の二次コイル６３の各々には、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の端部Ｒｄに隣接する二次巻線６９の巻数が中央部Ｒｓに隣接する二次巻線６９の巻数に比して多くなるように、又は中央部Ｒｓに隣接する二次巻線６９の巻数が端部Ｒｄに隣接する二次巻線６９の巻数に比して少なくなるように各二次コイル６３の二次巻線６９が設けられる。

二次コイル６３に誘導される電圧は当該二次コイル６３に鎖交する磁束と当該二次コイル６３に含まれる二次巻線６９の巻数との積に依存する。従って、応用例２に係る二次コイル６３のように、中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３との二次巻線６９の巻数を調節することにより、中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３とに誘導される電圧を略均等にすることができる。

なお、複数の二次コイル６３に誘導される電圧は、一次コイル６１に流れる電流とコイル設置範囲Ｒｃｏ１における二次コイル６３の位置とに応じて変動する。図８は、コイル設置範囲Ｒｃｏ１における二次コイル６３の位置毎の二次コイル６３に誘導される電圧（誘導電圧）と一次コイル６１に流れる電流との関係を示すグラフである。二次コイル６３に誘導される電圧は電流の増加に伴い減少する。一次コイル６１に流れる電流の増加に伴う二次コイル６３に誘導される電圧の減少の度合いは、コイル設置範囲Ｒｃｏ１における二次コイル６３の位置に応じて異なる。具体的には、図８に示すように、コイル設置範囲Ｒｃｏ１の端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３は、中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３に比して、電流の増加に伴う電圧の減少が大きい。複数の高圧整流平滑回路５９の出力電圧を略一致させるため、複数の二次コイル６３の誘導電圧を略一致させることが望ましい。よって、インバータ５３は、複数の二次コイル６３の誘導電圧が一致する電流Ｉｂを一次コイル６１に供給すると良い。電流Ｉｂは、予め実験や予測計算等により決定されると良い。電流Ｉｂが一次コイル６１に供給されることにより、コイル設置範囲Ｒｃｏ１における二次コイル６３の位置に依らず、複数の二次コイル６３の誘導電圧を一致させ、ひいては、複数の高圧整流平滑回路５９の出力電圧を一致させることができる。

なお、応用例２において一次巻線６７は、コイル設置範囲Ｒｃｏ１内の位置に応じて間隔を変えて巻かれるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。すなわち、中央部Ｒｓに隣接する二次コイル６３と端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３との二次巻線６９の巻数を調節することによってのみ、中央部Ｒｓに隣接する二次コイルと端部Ｒｄに隣接する二次コイル６３との誘導電圧を略一致することができるのであれば、一次巻線６７は等間隔に巻かれても良い。

また、上記の実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、陽極接地型のＸ線管１３１に印加する高電圧を発生するための装置であるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。例えば、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、中性点接地型あるいは陰極接地型のＸ線管１３１に印加する高電圧を発生するための装置であっても良い。

また、上記の説明においてＸ線コンピュータ断層撮影装置は、いわゆる第３世代であるとした。すなわち、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、Ｘ線管１３１とＸ線検出器１５１とが１体となって被検体Ｓの周囲を回転する回転／回転型（ＲＯＴＡＴＥ／ＲＯＴＡＴＥ―ＴＹＰＥ）であるとした。しかしながら、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置は、それのみに限定されない。例えば、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置は、リング状に配列された多数のＸ線検出素子が固定され、Ｘ線管１３１のみが被検体の周囲を回転する固定／回転型（ＳＴＡＴＩＯＮＡＲＹ／ＲＯＴＡＴＥ―ＴＹＰＥ）でも良い。

上記の実施形態においてＸ線高電圧装置１３３は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置に設けられるとした。しかしながら、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、Ｘ線診断装置に設けられても良い。以下、本実施形態の変形例について説明する。なお以下の説明において上記実施形態と略同一の機能を有する構成要素については、同一符号を付し、必要な場合にのみ重複説明する。

図９は、本実施形態の変形例に係るＸ線診断装置の構成を示す図である。図９に示すように、変形例に係るＸ線診断装置は、撮影台１００とコンソール３００とを有している。撮影台１００は、例えば、Ｃ形状を有するアーム１１０を有している。アーム１１０は、互いに向き合うように配置されたＸ線管１３１とＸ線検出器１５５とを回転軸Ｚ回りに回転可能に支持している。アーム１１０は、回転駆動部１９０から動力を受けて回転軸Ｚ回りに一定の角速度で回転する。回転駆動部１９０は、撮影台制御部２１０からの駆動信号に従ってアーム１１０を回転させるための動力を発生する。

Ｘ線管１３１にはＸ線高電圧装置１３３が接続されている。Ｘ線高電圧装置１３３は、撮影台制御部２１０による制御に従いＸ線管１３１に高電圧を印加し、フィラメント電流を供給する。Ｘ線高電圧装置１３３は、設定管電圧値と設定管電流値とを維持するようにＸ線管１３１に印加する高電圧とＸ線管１３１に供給するフィラメント電流とを調節する。

Ｘ線検出器１５５は、二次元平面に配列された複数のＸ線検出画素を有する。各Ｘ線検出画素は、Ｘ線を検出し、検出されたＸ線の強度に応じた波高値を有する電気信号に変換する。各Ｘ線検出素子としては、例えば、Ｘ線を直接的に電気信号に変換する半導体検出器が用いられると良い。

Ｘ線検出器１５５にはデータ収集器１５７が接続されている。データ収集器１５７は、撮影台制御部２１０による制御に従い、Ｘ線検出器１５５から電気信号を読み出し、検出されたＸ線の強度に応じたデジタル値を有する画像データを撮影角度毎に収集する。なお、撮影角度とは、Ｃアーム１１０の回転軸Ｚ回りの角度を意味する。

撮影台制御部２１０は、コンソール３００内のシステム制御部４５による指示に従って、撮影台１００に含まれる各種機器の制御を統括する。例えば、撮影台制御部２１０は、回転駆動部１９０、Ｘ線高電圧装置１３３、及びデータ収集器１５７を制御する。具体的には、撮影台制御部２１０は、入力部４１を介したユーザからの指示等に従いＣアーム１１０を所定の位置に移動するように回転駆動部１９０を制御する。撮影台制御部２１０は、既定のＸ線条件に応じたＸ線がＸ線管１３１から発生されるようにＸ線高電圧装置１３３を制御する。架台制御部２１は、Ｘ線管１３１からのＸ線の曝射タイミングに同期して画像データを収集するようにデータ収集器１５７を制御する。

コンソール３００は、画像補正部４７、画像処理部３５、Ｉ／Ｆ部３７、表示部３９、入力部４１、主記憶部４３、及びシステム制御部４５を有する。Ｉ／Ｆ部３７は、コンソール３００と撮影台１００との間の通信のためのインタフェースである。画像補正部４７は、データ収集器１５７からの画像データに座標変換やログ圧縮、散乱線補正等の各種補正処理を施す。画像処理部３５は、画像データに各種の画像処理を施す。表示部３９は画像データ等を表示機器に表示する。入力部４１は、入力機器を介してユーザからの指示を入力する。主記憶部４３は、各種データを記憶する記憶装置である。システム制御部４５は、変形例に係るＸ線診断装置の中枢として機能する。

よって、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置だけでなくＸ線診断装置にも適用可能である。また、上記の実施形態においてＸ線コンピュータ断層撮影装置とＸ線診断装置とはＸ線スペクトラムのエネルギー積分値のデータを収集する電流積分方式であるとした。しかしながら、本実施形態はこれに限定されない。すなわち、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置とＸ線診断装置とはＸ線スペクトラムに含まれるエネルギー帯域毎のデータを収集するフォトンカウンティング方式であっても良い。

上記の説明の通り、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５１、インバータ５３、及び高電圧変換部５５を有する。ＡＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流電圧を発生する。インバータ５３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５１からの直流電圧を交流電圧に変換する。高電圧変換部５５は、インバータ５３からの交流電圧をＸ線管１３１に印加するための直流高電圧に変換する。高電圧変換部５５は、具体的には、高圧トランス５７と複数の高圧整流平滑回路５９とを有する。高圧トランス５７は、鉄心６５と一次コイル６１と複数の二次コイル６３とを有する。一次コイル６１は、鉄心６５の中心軸Ａｓｃに沿って巻かれた一次巻線６７を有する。複数の二次コイル６３は、鉄心６５に沿って配列されている。複数の高圧整流平滑回路５９は、複数の二次巻線６９にそれぞれ接続され互いに直列的に接続されている。一次巻線６７は、鉄心６５の中央部に比して端部において間隔が密になるように、又は端部に比して中央部において間隔が疎になるように、鉄心６５に沿って巻かれる。

上記の構成により、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１３３は、一次巻線６７の鉄心６５への巻き付けの間隔を調節することにより、複数の二次コイル６３の取付け位置に応じた誘導電圧のばらつきを低減することができる。よって、複数の二次コイル６３にそれぞれ接続された複数の高圧整流平滑回路５９の出力電圧を略一定にすることができる。これにより、複数の二次コイル６３の取付け位置に応じて誘導電圧のばらつきが生じていた従来とは異なり、耐圧不良や損傷が生じる虞が減少する。これにより、Ｘ線高電圧装置１３３の信頼性が向上する。また、複数の二次コイル６３の取付け位置に応じて誘導電圧のばらつきが生じていた従来とは異なり、本実施形態によれば、複数の二次コイル６３のうちの一番高い誘導電圧に応じて各二次コイル６３や高圧整流平滑回路５９を設計する必要がなくなる。換言すれば、誘導電圧の変動を加味して一番高価な定格に合わせるのではなく、設定管電圧と二次コイル６３の個数とに応じて一律に決まる各二次コイル６３の誘導電圧に応じた仕様で、二次コイル６３や高圧整流平滑回路５９を一律に設計することができる。よって、本実施形態によれば、二次コイル６３や高圧整流平滑回路５９の製造コストを低く抑えることができる。

かくして本実施形態によれば、Ｘ線高電圧装置１３３の小型化を達成しつつ高信頼性を実現することが可能となる。

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。

１０…架台、１１…回転フレーム、１３…Ｘ線発生部、１５…Ｘ線検出部、１７…寝台、１９…回転駆動部、２１…架台制御部、２３…寝台駆動部、３０…コンソール、３１…データ記憶部、３３…再構成部、３５…画像処理部、３７…Ｉ／Ｆ部、３９…表示部、４１…入力部、４３…主記憶部、４５…システム制御部、５１…ＡＣ／ＤＣコンバータ、５３…インバータ、５５…高電圧変換部、５７…高圧トランス、５９…高圧整流平滑回路、６１…一次コイル、６３…二次コイル、６５…鉄心、６７…一次巻線、６９…二次巻線、１３１…Ｘ線管、１３３…Ｘ線高電圧装置、１５１…Ｘ線検出器、１５３…データ収集回路、１５５…Ｘ線検出器、１５７…データ収集器。

Claims (8)

1. 直流電圧を発生する直流電圧発生部と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換する直流交流変換部と、
   前記交流電圧をＸ線管に印加するための直流高電圧に変換する高電圧変換部であって、環形状を有する鉄心の一部範囲において前記鉄心に沿って巻かれた一次巻線と前記鉄心に沿って配列された複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記複数の二次巻線にそれぞれ接続され、且つ前記Ｘ線管に直列的に接続された複数の整流平滑回路と、を有する高電圧変換部と、
   を具備するＸ線高電圧装置であって、
   前記一次巻線は、前記一部範囲の中央部に比して端部において間隔が密になるように前記鉄心に沿って巻かれる、Ｘ線高電圧装置。
2. 前記一次巻線は、前記鉄心のうちの前記複数の二次巻線に隣接する前記一部範囲に限定して巻かれる、請求項１記載のＸ線高電圧装置。
3. 前記一次巻線は、前記中央部から前記端部に向かうにつれて間隔が狭まる、請求項１記載のＸ線高電圧装置。
4. 前記一次巻線は、複数の巻線を有し、
   前記複数の巻線は、前記鉄心に沿って順番に繰り返し巻かれる、
   請求項１記載のＸ線高電圧装置。
5. 前記複数の巻線は、前記鉄心の中心軸回りの方向に関して異なる位置に口出しが配置されるように前記鉄心に沿って巻かれる、請求項４記載のＸ線高電圧装置。
6. 前記複数の二次巻線のうちの前記端部に隣接する二次巻線が前記中央部に隣接する二次巻線に比して巻数が多い、請求項１記載のＸ線高電圧装置。
7. Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管から発生されたＸ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線管に印加される直流高電圧を発生するＸ線高電圧装置と、
   前記Ｘ線検出器により検出されたＸ線に応じた生データをビュー毎に収集するデータ収集部と、
   を具備するＸ線コンピュータ断層撮影装置であって、
   前記Ｘ線高電圧装置は、
   直流電圧を発生する直流電圧発生部と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換する直流交流変換部と、
   前記交流電圧を前記Ｘ線管に印加するための直流高電圧に変換する高電圧変換部であって、環形状を有する鉄心の一部範囲において前記鉄心に沿って巻かれた一次巻線と前記鉄心に沿って配列された複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記複数の二次巻線にそれぞれ接続され、且つ前記Ｘ線管に直列的に接続された複数の整流平滑回路と、を有する高電圧変換部と、を有し、
   前記一次巻線は、前記一部範囲の中央部に比して端部において間隔が密になるように前記鉄心に沿って巻かれる、
   Ｘ線コンピュータ断層撮影装置。
8. Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管から発生されたＸ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線管に印加される直流高電圧を発生するＸ線高電圧装置と、
   前記Ｘ線検出器により検出されたＸ線に応じた画像データを収集するデータ収集部と、 を具備するＸ線診断装置であって、
   前記Ｘ線高電圧装置は、
   直流電圧を発生する直流電圧発生部と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換する直流交流変換部と、
   前記交流電圧を前記Ｘ線管に印加するための直流高電圧に変換する高電圧変換部であって、環形状を有する鉄心の一部範囲において前記鉄心に沿って巻かれた一次巻線と前記鉄心に沿って配列された複数の二次巻線とを有する変圧器と、前記複数の二次巻線にそれぞれ接続され、且つ前記Ｘ線管に直列的に接続された複数の整流平滑回路と、を有する高電圧変換部と、を有し、
   前記一次巻線は、前記一部範囲の中央部に比して端部において間隔が密になるように前記鉄心に沿って巻かれる、
   Ｘ線診断装置。

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