(57)【要約】【課題】コストを抑えつつガントリの回転部の回転速度が一定になったことを早く検出することのできるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置およびその制御方法を提供すること。【解決手段】Ｘ線検出機構を回転させる回転部（４）を有するＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置であって、前記回転部（４）を回転させるためのモータ（５）と、前記モータ（５）の駆動を制御するモータドライバ（２０）と、前記モータドライバ（２０）から前記モータ（５）に供給される駆動電力に基づいて前記回転部（４）の回転速度がほぼ一定になったことを検出する検出手段（３０）とを備える。【選択図】　図３
2004049484.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線検出機構を回転させる回転部を有するＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置であって、
前記回転部を回転させるためのモータと、
前記モータの駆動を制御するモータドライバと、
前記モータドライバから前記モータに供給される駆動電力に基づき、前記回転部の回転速度がほぼ一定になったことを検出する検出手段と、
を備えることを特徴とするガントリ装置。
【請求項２】
前記モータの回転を測定するエンコーダを更に備え、前記モータドライバは、前記エンコーダの出力に基づき前記モータに供給すべき駆動電力を決定するサーボ制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載のガントリ装置。
【請求項３】
前記検出手段は、
前記駆動電力の分散を計算する計算手段と、
計算された分散値が所定のしきい値未満の値に収束したか否かを判断する判断手段と、
を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のガントリ装置。
【請求項４】
前記検出手段は、所望する前記回転部の回転速度に応じた前記モータの回転速度指令値を前記モータドライバに供給するコントローラに含まれることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載のガントリ装置。
【請求項５】
Ｘ線検出機構を回転させる回転部と、その回転部を回転させるためのモータと、そのモータの駆動を制御するモータドライバとを備えるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の制御方法であって、
前記モータドライバから前記モータに駆動電力を供給する供給ステップと、
前記駆動電力に基づいて前記回転部の回転速度がほぼ一定になったことを検出する検出ステップと、
を有することを特徴とするガントリ装置の制御方法。
【請求項６】
当該ガントリ装置は、前記モータの回転を測定するエンコーダを更に備えており、前記モータドライバは、前記エンコーダの出力に基づき前記モータに供給すべき駆動電力のサーボ制御を行うことを特徴とする請求項５に記載のガントリ装置の制御方法。
【請求項７】
前記検出ステップは、
前記駆動電力の分散を計算する計算ステップと、
計算された分散値が所定のしきい値未満の値に収束したか否かを判断する判断ステップと、
を含むことを特徴とする請求項５または６に記載のガントリ装置の制御方法。
【請求項８】
前記検出ステップは、所望する前記回転部の回転速度に応じた前記モータの回転速度指令値を前記モータドライバに供給するコントローラにおいて実行されることを特徴とする請求項５から７までのいずれかに記載のガントリ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線照射によって被検体のＸ線断層像を得るＸ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）システムにおけるガントリ装置およびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線ＣＴシステムは、大別すると、ドーナツ状の空洞部を有する装置（一般に、ガントリと呼ばれている）、ガントリに対して各種制御信号を与えるとともにガントリより得られた信号（データ）に基づいてＸ線断層像を再構成し、表示する操作コンソール、そして、被検体（被検者）をガントリの空洞部内に固定支持するため、および、被検体を空洞部に向けて搬送するための搬送装置で構成される。
【０００３】
ガントリは、上記空洞部を挟んで設けられたＸ線発生源（Ｘ線管）、および、このＸ線発生源より照射されたＸ線を検出するＸ線検出部、を含むＸ線検出機構を内蔵する回転部を備える。
【０００４】
上記のような構成により、Ｘ線ＣＴシステムは、被検体を透過したＸ線より得られる投影データを収集して、その投影データからＸ線断層像を再構成する。具体的には、まず、被検体を搬送装置上に横たえさせて、ガントリの空洞部に向けて搬送する。そして、ガントリの回転部を回転駆動して、異なる投影角度から被検体に向けてＸ線を照射し、各角度での被検体を透過したＸ線を検出する。そして、その検出されたデータ（投影データ）を操作コンソールが受信し、算術演算によってＸ線断層像を再構成する、という工程を踏むことになる。上記のＸ線を検出する一連の工程が、一般にスキャンとよばれるものである。
【０００５】
ところで、上記の再構成演算には投影データと投影角度との対応関係がシビアに求められるため、スキャンはガントリの回転速度が一定になるのを待って実行されなければならない。そのために、ガントリの回転速度が一定になったことを検出する手段が必要である。
【０００６】
従来、ガントリの回転速度が一定になったことの検出は例えば、ガントリの回転部を回転させるためのエンコーダ付モータのエンコーダ出力に基づいて行っていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際には、モータの駆動力は例えばベルトを介してガントリの回転部に伝達されるため、ベルトの伸びやスリップを考慮して、モータの回転速度がある程度収束した時点から一定時間経過するのを待って、回転部の回転速度が一定になったと判断するようにしていた。そのため、検出に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
この問題を解決するために、ガントリの回転部に直接エンコーダを設け、このエンコーダ出力に基づき、ガントリの回転速度が一定になったか否かを判断することも考えられる。この手法によればガントリの回転部の回転を直接測定することになるので、高速に判定することができるというメリットがある。
【０００９】
しかし、この手法では専用のエンコーダが必要であるため、その設置・調整にかかるコスト高を招くという不都合がある。
【００１０】
したがって、本発明は、コストを抑えつつガントリの回転部の回転速度が一定になったことを早く検出することのできるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置およびその制御方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面は、Ｘ線検出機構を回転させる回転部を有するＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置に係り、当該ガントリ装置は、前記回転部を回転させるためのモータと、前記モータの駆動を制御するモータドライバと、前記モータドライバから前記モータに供給される駆動電力に基づき、前記回転部の回転速度がほぼ一定になったことを検出する検出手段とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明の他の側面は、Ｘ線検出機構を回転させる回転部と、その回転部を回転させるためのモータと、そのモータの駆動を制御するモータドライバとを備えるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の制御方法に係る。この制御方法は、前記モータドライバから前記モータに駆動電力を供給する供給ステップと、前記駆動電力に基づいて前記回転部の回転速度がほぼ一定になったことを検出する検出ステップとを有することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
【００１４】
まず、実施形態におけるガントリ装置の構成を図１、図２を用いて説明し、その上で実施形態におけるガントリ装置の制御処理について説明する。
【００１５】
図１、２において、１はフロア上に置かれるベースであり、２はベース１に対して前後方向に傾斜可能な設けられたサブベースである。３はサブベース２に設けられた固定ケーシングであり、４は固定ケーシング３に対して回転可能に支持されている回転部である。５はサブベース２に設けられ、ベルト６を介して回転部４の回転駆動を行うモータである。
【００１６】
回転部４内には、被検体１０に対してＸ線を照射するＸ線発生源であるＸ線管７、被検体１０を透過したＸ線を検出するＸ線検出部８、および、Ｘ線管７からのＸ線について、図１に示すファン角θおよび図２に示す被検体１０の搬送方向の厚み（Ｘ線照射幅）をｗを画定するコリメータ９を有する。Ｘ線検出部８は、図１に示すようにファン角θの範囲のＸ線を検出する複数の検出素子を備える。
【００１７】
上記構成において、実際にＸ線断層像を再構成する場合には、モータ５によって回転部４を回転させ、なおかつ、Ｘ線管７を駆動し、Ｘ線検出部８により各回転の回転位置における被検体１０を透過し、減衰したＸ線を検出することを繰り返す（この一連の動作がスキャンと呼ばれるものである）。不図示の操作コンソールは、Ｘ線検出部８より検出して得た各回転位置における透過Ｘ線の強度に関するデータを受信し、算術演算を行うことで被検体１０のＸ線断層像を再構成することになる。
【００１８】
上記した回転部４を回転させるためのモータ５を駆動制御するための概略構成は図３に示すとおりである。モータ５は例えばエンコーダ付ＡＣサーボモータであり、図３に示すように、サーボドライバとしてのモータドライバ２０からの電力供給によって駆動制御される。コントローラ３０は、計画されたスキャン条件（具体的には、設定された回転部４の回転速度）に応じたモータ５の回転速度指令値をモータドライバ２０に与える。回転速度指令値の実体は電圧によるものであってもよいし（電圧制御方式）、パルスによるものでもよい（パルス制御方式）。本実施形態では電圧制御方式によるものとする。モータドライバ２０は、入力された回転速度指令値に応じた操作量としての駆動電力をモータ５に供給してモータ５を駆動する。そして、モータ５の回転は測定手段としてのエンコーダ１５が出力するパルス信号（モータ５の回転速度に対応する）により実測され、モータドライバ２０にフィードバックされるサーボ系が構成されている。
【００１９】
さらに、モータドライバ２０からモータ５に供給される駆動電力（操作量）は図示の如くコントローラ３０にフィードバックされる。コントローラ３０は、フィードバックされた操作量に基づいて回転部４の回転速度がほぼ一定になったことを検出する。もちろん、図示のようにモータ５に供給される駆動電力を直接フィードバックするのではなく、モータドライバ２０内から、駆動電力を指示する指令値を取り出してそれをフィードバックする構成としてもよい。駆動電力とその指令値とは一般に１対１に対応するものであるから、駆動電力そのものをフィードバックする構成としても、その指令値をフィードバックする構成としてもよいことは当然である。その意味で、本明細書における「駆動電力」または「操作量」の用語はそれらの指令値を含む意で使用する。
【００２０】
以下、回転部４の回転速度がほぼ一定になったことを検出する具体的な方法を説明する。
【００２１】
図４は、コントローラ３０による、回転部４の回転速度が一定になったことの検出処理を示すフローチャートである。
【００２２】
コントローラ３０は、まず、スキャン計画で設定された回転部４の回転速度に応じたモータ５の回転速度指令値をモータドライバ２０に出力する（ステップＳ１）。モータドライバ２０は、入力された回転速度指令値を目標値とするフィードバック制御によってモータ５を駆動し、モータ５の回転速度を目標値に近づけていくことになる。
【００２３】
コントローラ３０は、このフィードバック制御中に逐次モータドライバ２０からモータ５に供給する操作量のフィードバックを受け、例えばこの操作量の分散σを計算する（ステップＳ２）。操作量の分散の大小によって、操作量の変動のようすが分かる。
【００２４】
そして、所定の期間内での分散σが所定のしきい値Ｔ未満の値に収束したかどうかを判定する（ステップＳ３）。ここで、分散σがＴ以上であれば、まだ回転部４の回転速度は一定になっていないと判断し（ステップＳ４）、分散σがＴ未満の値に収束すれば、回転部４の回転速度がほぼ一定になったと判断する（ステップＳ５）。
【００２５】
以上の処理によって、回転部４の回転速度が一定になったことを検出でき、この結果に応じてスキャン実行可能状態とすることができる。
【００２６】
なお、上述の例では、回転部４の回転速度がほぼ一定になったことを判断するのに分散σを用いたが、分散σの代わりに、操作量の移動平均や低域通過フィルタ処理後の値を用いてもよい。
【００２７】
ここで、操作量が収束したことで回転部４の回転速度がほぼ一定になったとみなすことができる理由を付言しておく。
【００２８】
図５は、ベルトを介してモータＭによりガントリＧを駆動する場合における近似モデルを示す図である。同図において、ｉはモータ電流、Ｒは電機子抵抗、ｕは操作量を示している。また、θｍはモータ回転角度、θｓはベルトのバネ要素の変位量、θＬはガントリ回転角度、ｆｃはバネ要素による力を示す。
【００２９】
かかる近似モデルより、次のような運動方程式が導かれる。
【００３０】
ｕ　＝　ｉＲ　　　　　　　　　　　…（１）
Ｊｍθ”ｍ　＝　ＫＴｉ　＋　Ｄｍθ’ｍ　＋　ｆｃ　…（２）
θｓ　＝　θｍ×１／Ｎ　−　θＬ　　　　…（３）
ｆｃ　＝　θｓ・Ｋｃ　＋　ＤＬ２・θ’ｓ　　　　…（４）
ｆｃ　＝　ＪＬ・θ”Ｌ　＋　ＤＬ１・θ’Ｌ　　　…（５）
ただし、Ｊｍはモータ慣性モーメント、θ”ｍはモータ回転角加速度、ＫＴはトルク定数、Ｄｍはモータ摩擦係数、θ’ｍはモータ回転速度、Ｎはギア比、Ｋｃはバネ定数、ＤＬ２はバネ要素ダンピング係数、θ’ｓはバネ要素の変位速度、ＪＬはガントリ慣性モーメント、θ”Ｌはガントリ回転角速度、ＤＬ１は駆動部摩擦係数、θ’Ｌはガントリ回転速度、である。
【００３１】
（３），（４），（５）式より、次式が導かれる。
（θｍ／Ｎ　−　θＬ）Ｋｃ　＋　ＤＬ２（θ’ｍ／Ｎ　−　θ’Ｌ）　−　ＪＬ・θ”Ｌ　＋　ＤＬ１・θ’Ｌ　…（６）
【００３２】
（６）式についてラプラス変換を行い、θｍとθＬの伝達関数を求めると、次式のようになる。
【００３３】
2004049484.tif 000003
【００３４】
ここで、モータ回転速度θ’ｍが一定速とすると、最終値定理より、θＬは次式で表される。
【００３５】
2004049484.tif 000004
【００３６】
これにより、θ’ｍが一定でθ’Ｌも収束することが分かる。また、（１），（２），（４）式より、
Ｊｍθ”ｍ　＝　ＫＴＵ／Ｒ　＋　Ｄｍθ’ｍ　＋　ＪＬθ”Ｌ　＋　ＤＬ１θ’Ｌ　…（９）
となるが、θ’ｍ、θ’Ｌが共に一定であるとすると、
θ’ｍ　＝　ｗｍ０，　　θ”ｍ　＝　０　…（１０）
θ’Ｌ　＝　ｗｍ０／Ｎ，　　θ”Ｌ　＝　０　…（１１）
（ただし、ｗｍ０はθｍの一定速度値）
といえるので、操作量Ｕは、
Ｕ　＝　Ｒ／ＫＴ（Ｄｍ　＋　ＮＤＬ１）ｗｍ０　…（１２）
で表され、すなわち一定値となる。
【００３７】
したがって、操作量Ｕを観測し、ある範囲内に収束したことを検出すれば、ガントリ回転速度θ’Ｌが、一定値になったことを検出することができる。
【００３８】
上述の実施形態によれば、モータドライバ２０における操作量を用いて、回転部４の回転速度が一定になったことが検出される。したがって、この検出のためのエンコーダ等の専用の装置を設ける必要がないので、コストを増大させることなく実現が可能である。そして、この検出は、モータドライバ２０によるモータ５に対するフィードバック制御中に逐次行われるので、高速に検出することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コストを抑えつつガントリの回転部の回転速度が一定になったことを早く検出することのできるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置およびその制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態におけるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の正面図である。
【図２】実施形態におけるＸ線ＣＴシステムにおけるガントリ装置の側面断面図である。
【図３】実施形態におけるモータの駆動制御に係る概略構成図である。
【図４】実施形態におけるコントローラの動作処理内容を示すフローチャートである。
【図５】ベルトを介してモータによりガントリを駆動する場合における近似モデルを示す図である。
【図１】
2004049484.tif 000005
【図２】
2004049484.tif 000006
【図３】
2004049484.tif 000007
【図４】
2004049484.tif 000008
【図５】
2004049484.tif 000009