(57)【要約】Ｘ線管の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定するための方法と装置において、これらの特性の少なくとも一つが時間と共に変化し、複数の検出素子からなる検出器アレイを設け、マイクロホールコリメータを前記焦点と前記検出器アレイとの間の、前記検出器アレイよりも前記焦点寄りの位置に配置する。焦点から発するＸ線を、マイクロホールコリメータの開口を通過して検出器アレイ上に焦点を拡大投射する。検出器アレイの検出素子からの夫々の電気信号をサンプリングし、これらサンプリングした信号を結合させて、焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定する。
2004535559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線管の陽極上の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定する方法であって、
前記位置、形状、寸法および配光のうちの少なくとも一つが時間と共に変化し、夫々がその上に入射するＸ線によって電気信号を生成する複数の検出素子からなる検出器アレイを設ける工程と、
マイクロホールコリメータを前記焦点と前記検出器アレイとの間の、前記検出器アレイよりも前記焦点寄りの位置に配置する工程と、
前記焦点からＸ線を発射して、前記マイクロホールコリメータの開口を通過させ、前記検出器アレイ上に前記焦点を拡大投射する工程と、
前記検出素子からの電気信号を夫々サンプリングする一方、前記拡大投射を前記検出器アレイに照射し、前記夫々の電気信号を組み合わせて前記焦点の前記位置、形状、寸法および配光を動的に測定する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記焦点を、前記拡大投射において基本放射体を投射する複数の基本放射体に理論的に分割する工程を含み、各基本放射体投射は基本放射体を重複させることで行い、前期検出器アレイは検出器解像度を有し、更に前記Ｘ線が通過する前記マイクロホールコリメータの前記開口の径を設定して、前記検出器解像度と前記マイクロホールコリメータの前記位置に伴う拡大係数によって所定の量だけ重複するように設定することで前記検出素子からの電気信号の騒音を回避する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記重複を５０％に設定する工程を含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記の電気信号を組み合わせる各工程が、設定した重複に基づき前記夫々の電気信号を選択的に組み合わせる工程を含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記重複を５０％に設定する工程と、検出素子からの夫々別の電気信号を一つの検出素子によって結合する工程を含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記焦点を夫々ｍ個の基本放射体を有する複数の線形行に理論的に分割し、ｋ＝１・・・ｍ−１のときに各基本放射体で輝度ｅkで照射する工程を含み、前記検出器アレイの各検出素子は、前記行の夫々における前記基本放射体の隣接する同士から照射を受けると共に、前記電気信号をｉk＝ｅk＋ｅk+1として発信することと、ｅk＝ｉk−ｅk+1からなる等式の線形系を解くことによって前記焦点の前記配光を判定することとを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項７】
前記マイクロホールコリメータを前記Ｘ線の中心の光線が前記開口と直接並ばないように横方向に機械的にずらし、前記Ｘ線によって前記検出器アレイ上に生成された画像を得る工程と、前記Ｘ線の前記中心の光線が前記開口と直接並ぶように前記マイクロホールコリメータを横方向にずらし前記焦点の前記拡大投射を前記検出器アレイ上に得る工程と、前記画像を前記拡大投射から減算して前記マイクロホールコリメータの材料を通過する放射量子を補償する工程とを含む請求項１記載の方法。
【請求項８】
コンピュータ断層撮影装置の標準ＣＴ検出器を採用して前記焦点の前記拡大投射を得る工程と、前記コンピュータ断層撮影装置のコンピュータで前記夫々の電気信号を組み合わせる工程とを含む請求項１記載の方法。
【請求項９】
Ｘ線管の陽極上の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定するための装置であって、
前記位置、形状、寸法および配光のうちの少なくとも一つが時間と共に変化し、夫々がその上に照射されるＸ線によって電気信号を生成する複数の検出素子からなる検出器アレイと、
前記焦点と前記検出器アレイとの間の、前記検出器アレイよりも前記焦点寄りの位置に配置した開口を有するマイクロホールコリメータと、
前記焦点からＸ線を発射して、前記マイクロホールコリメータの開口を通過させ、前記検出器アレイ上に前記焦点を拡大投射する手段と、
前記検出器アレイに接続され、前記検出素子から夫々の電気信号をサンプリングする一方、前記拡大投射を前記検出器アレイに入射してサンプリングした信号を得る回路と、
前記サンプリングした信号を受け取り、前記サンプリングした信号を組み合わせて前記焦点の前記位置、形状、寸法および配光を動的に測定するコンピュータと
を備える装置。
【請求項１０】
前記焦点は、基本放射体を前記拡大投射に投射する複数の基本放射体に理論的に分割可能であり、各基本放射体投射が基本放射体を重複させることにより生成されることと、前記検出器アレイが検出器解像度を有することと、前記Ｘ線が通過する前記マイクロホールコリメータの前記開口が前記検出素子からの前記電気信号における顕著な騒音を実質的に回避できるような径を有し、前記径が前記検出器解像度による所定の量の前記重複と前記マイクロホールコリメータの前記位置に伴う拡大係数に依存することとを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記重複が５０％であることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記コンピュータが、前記重複に依存する前記サンプリング信号を選択的に組み合わせることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１３】
前記重複は５０％であり、前記コンピュータは、各検出素子からの夫々別のサンプリングした信号を一つの検出素子により結合することを特徴とする請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記焦点を夫々ｍ個の基本放射体を有する複数の線形行に理論的に分割し、ｋ＝１・・・ｍ−１のときに各基本放射体で輝度ｅkで照射し、前記検出器アレイの各検出素子は、前記行の夫々における前記基本放射体の隣接する同士から照射を受けると共に、前記電気信号をｉk＝ｅk＋ｅk+1として発信することと、前記コンピュータがｅk＝ｉk−ｅk+1からなる等式の線形系を解くことによって前記焦点の前記配光を判定することとを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１５】
前記マイクロホールコリメータを前記Ｘ線の中心の光線が前記開口と直接並ばないように横方向に機械的にずらすアクチュエータを備え、前記回路が前記電気信号をサンプリングして前記Ｘ線によって前記検出器アレイ上に画像を生成することと、前記アクチュエータが前記Ｘ線の前記中心の光線が前記開口と直接並ぶように前記マイクロホールコリメータを横方向に再びずらすことと、前記回路が前記電気信号をサンプリングして前記焦点を前記検出器アレイ上に前記拡大投射することと、前記コンピュータが前記画像を前記拡大投射から減算し、前記マイクロホールコリメータの材料を通過する放射量子を補償することとを特徴とする請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線管、特にコンピュータ断層撮影（ＣＴ）用Ｘ線管の実効焦点の位置、形状、寸法および配光の測定に適した方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＴ装置におけるＸ線管の焦点の位置、寸法および輝度の安定性は、陽極表面の機械的許容誤差やその動的安定性並びに電子線およびその陽極表面上における配光の制御の正確性を含む多くの要素に依存している。許容誤差偏差値と電子線の発散との相互作用で、上記の一つ又はそれ以上の特性に伴い時間と共に変化する陽極表面上に電子焦点（過熱点）が生ずる。過熱点の位置と配光から、焦点の撮像特性の基本的な測定手段である、変調伝達関数（ＭＴＦ）を得ることができる。通常、焦点の有効寸法とは、管の軸に対し垂直な撮像方向への過熱点の投射として定義されている。
【０００３】
新型のコンピュータ断層撮影Ｘ線管では、焦点位置の積極的なトグリング（フライングフォーカルスポットシステム）により、サンプリング密度をより高くしている。これら管は、電子線の磁界偏向を利用して焦点位置を切り替える。別の新型ＣＴＸ線管では、ピストン型のバルブを使った回転バルブ管で、電子線の積極的な磁界偏向を利用して電子線を屈折させ、それを過熱トラック上に維持する。この型のＸ線管では、焦点の有効寸法と形状は、更に電子線を偏向させるために使用する磁界の一様性と安定性に依存する。
【０００４】
上記の焦点特性に影響を与える要素が数多く存在するため、有効焦点の寸法と形状に加え、その配光を測定する単純な装置が必要となる。必要に応じ、形状、寸法および配光に関して得られる情報に基づき、安定した、又は動的な修正を加え得ることが望まれる。
【０００５】
焦点の寸法を測定すべく採用された従来の方法は、シーメンス社、クレステル、Ｅｄ．氏による、「医療診断用撮像装置」（１９９０）の２３０、２３１頁に記載のピンホールカメラ型画像の生成に基づくものである。しかしこの周知の技術は、配光の測定には適さない。何故なら、Ｘ線が通過するコリメータの孔の有限直径によって起こる特有の開口誤差を修正できないからである。更に、コリメータの厚みが不十分なために寄生放射を完全に軽減できず、よってコリメータ材を通過する寄生放射によって別の誤差が起こる。結果として、この周知の技術は、孔径と、コリメータの厚みと、総誤差との間の相互妥協という点に関し問題を残している。
【０００６】
他の周知の技術では、焦点の、少なくともその配光に関する更に正確な分析につき、Ｘ線を焦点の二本の主軸に沿って向けた狭いスリットを通すという方法を用いている。このようにして得た画像を、焦点におけるＸ線の配光が測定可能なように測光器で分析する。この点に関しても、上記の医療診断用撮像装置のテキストに述べている。しかしこの技術は、例えば陽極が回転するため、時間と共に変化する焦点の形状と位置を動的に測定して使用するには適していない。更に、この周知の方法で得た測定結果を、例えば校正段階で焦点の寸法と形状を動的に変更する自動調整手順において使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、周知の技術と装置に伴う上記の誤差を回避又は少なくとも最小限に抑制し、調整手順において、上記の一つ又はそれ以上のパラメータを自動的に変更する場合の使用に適した、Ｘ線管の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を測定するための方法と装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、Ｘ線管の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定するための方法と装置において、上記特性の内少なくとも一つが時間と共に変化し、夫々がそこに入射するＸ線により電気信号を生成する多数の検出素子からなる検出器アレイを備え、マイクロホールコリメータが、焦点と検出器アレイとの間の、検出器アレイより焦点寄りに配設された本発明の原理に従う方法と装置により達成できる。Ｘ線が焦点から発射されると、マイクロホールコリメータの開口を通過し、アレイ上に焦点が投射される。コリメータは、検出器アレイより焦点寄りに位置しているので、コリメータと検出器アレイの間の距離と、焦点とコリメータの間の距離の比により決まる拡大係数、即ちズーム係数が確立する。コリメータは検出器アレイより焦点寄りに位置するので、拡大係数は１より大きくなる。検出器アレイの各検出素子は、そこに入射する入射光に応じた電気信号を生ずる。
【発明の効果】
【０００９】
検出器アレイ要素の各出力信号は、検出素子上に入射する入射光の輝度に依存する故、投射された画像、即ち焦点の配光は、どの方向でも判定できる。検出器アレイの完全に照射された要素の数と、投射位置周辺に位置する部分的に照射された検出素子とが、夫々投射された画像、即ち焦点の寸法と形状を表す。各検出素子からの出力信号は、時間の経過と共に監視可能なので、焦点の上記の特性の一つ又はそれ以上における変化を表すこれらの出力信号の変化を、容易に監視および識別可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示す本発明の装置において、電子線（図示せず）が電子焦点に入射するＸ線管の陽極、この場合、回転陽極皿又は板の一部の平面図を示す。電子線の中の電子と陽極との相互作用により、Ｘ線が出射され、マイクロホールコリメータの開口を通過する。
【００１１】
図２に基づき更に詳しく説明するように、Ｘ線は拡大され、よってマトリクス検出器上に実効焦点の拡大投射画像を生ずる。マトリクス検出器は、多数の個々の検出素子から構成され、その夫々が検出素子に入射する入射光によって電気信号を発する。検出素子全てからの電気信号が、検出素子を識別可能な測定装置へ行と列毎に送信され、それによって出力信号を生成し、測定装置が夫々の出力信号の振幅を識別してこの情報をデジタル形式に変換する。マトリクス検出器からの全出力信号を表すデジタル信号は、測定装置からデジタル信号を分析するコンピュータへ送信され、マトリクス検出器上に投射されたその拡大画像から焦点の位置、寸法、形状および配光を識別する情報を得る。
【００１２】
拡大係数と検出器アレイの検出素子の利用可能な数とにより、検出器アレイの表面への投射は、拡大されているにも係わらず焦点の境界を正確に定められる場合や、図２に示す如くより大きい、長期の焦点の“ぶれた”又は“不明瞭な”領域を含む場合もある。
【００１３】
拡大係数は、次のようにして定める。第１の概算では、コリメータ材料が焦点から発せられたＸ線に対し無限に高い減衰を行い、コリメータの開口は焦点の実際の寸法に比較して非常に小さいと仮定する。このような状況下では、図２に示すように、マトリクス検出器の各検出素子は、焦点の小さい表面要素から出る放射のみを受ける（焦点は、理論的にはそのような基本放射体に分割される）。詳細には、マトリクスの各検出素子は、陽極表面上のコリメータの開口を通って光学的に投射された検出器表面の圧縮画像に相当する焦点の表面要素で生成した照射を測定する。
【００１４】
図２に示すように、ズーム、即ち拡大係数は、コリメータとマトリクス検出器の表面間の距離ｄ1と、コリメータと焦点の間の距離ｄ2との比である。数学的に言えば、拡大係数はｄ1／ｄ2である。
【００１５】
マトリクス検出器の表面上に投射された実効焦点の拡大画像は、データ測定装置とコンピュータによって、表面領域（形状および寸法）と、Ｘ線輝度領域と、時間領域とにおいて動的にサンプリングする。特にマトリクス検出器が標準ＣＴマトリクス検出器なら、図５に示すように、既に存在するＣＴ測定方法と演算方法を使用し、校正段階において必要な測定と計算を行うことができる。
【００１６】
図１と２に示す拡大マイクロホールコリメータでの誤差には２つの基本的原因がある。
【００１７】
これらのうち第１の誤差原因は、ピンホールコリメータが無限に小さい開口を有すると理想化しているが、これは、勿論実際問題としては実現不可能である。“実使用”のコリメータは、小さいが、開口の寸法は有限であるため、隣接する陽極基本放射体の投射が、図３に示す如くマトリクス検出器の表面上で互いに重なり合い、よって、開口誤差と、焦点のぼけた画像を生成することになる。しかし、精度と正確性の高さを確立するには、マイクロコリメータの開口の径を目標とするサンプリング解像度に比較して無視できる程小さくせねばならない。しかし、開口の径が小さいと、検出器の表面に到達する放射量子の数が減り、その結果、測定の騒音と誤差が増える。
【００１８】
第２の基本的誤差原因は、コリメータの開口が小径であるために起こる。即ち、焦点と共に焦点のぶれ領域についてもカバーすべくキャプチャー領域を十分に拡大するには、非常に薄いコリメータを使用せねばならない。コリメータ材のＸ線に対する減衰が限られているため、薄いコリメータを使用すると相当数の放射量子がコリメータを透過し、開口を通過する量子と共にマトリクス検出器に達し、検出器上の焦点画像を歪める結果となる。
【００１９】
本発明の方法と装置によれば、これら基本的な誤差原因を一緒に修正できる。
【００２０】
上記の如く、二つの基本的な誤差原因の内の第１の誤差原因は、マトリクス検出器の検出素子のコリメータの開口を介する投射が陽極表面上で部分的に重なるため真のマイクロホールコリメータが開口誤差を生ずることにある。これは、図３に概略で示すように、マトリクスのうち、二つの隣接する検出素子が同時に、焦点の同じ基本（理論）区分から発射した量子を受け取るということを意味する。重なりの程度は、マイクロホールコリメータとマトリクス検出器の幾何学的配置によって異なる。コリメータの開口を小さくすることにより、重複を軽減させることができるが、検出素子によって測定される信号の振幅も低減するため、騒音が大きくなり、それにより他の測定誤差を引き起こす。
【００２１】
本発明の方法と装置によると、これらの重複誤差を修正する一方、コリメータの開口の大きさを検出素子出力信号の顕著な騒音を回避できるだけの大きさに保つことができる。これは、図４に示すような、重複係数を、例えば５０％に制御することで実現できる。この場合、マイクロホールコリメータは、
Ｄ＝検出器の解像度／（拡大係数＋１）
の関係に従う開口径Ｄを有さねばならない。
【００２２】
例として解像度が１(１ｍｍ2のマトリクス検出器で拡大係数が１０なら、マイクロホールコリメータの開口は、５０％の重複を得るには０．０９１ｍｍでなければならない。
【００２３】
焦点の表面配光を測定するには、この重複誤差を修正せねばならない。本発明の方法と装置は、二つの異なる方法でこれを実現する。
【００２４】
図６と７に示すように、例えば所定の重複係数５０％を使う場合、検出素子間に信号を生成する間隙がない、所謂“スパース”マトリクス検出器を用い、陽極表面上の各基本放射体が単一の検出素子のみに照射するようにしてもよい。最大の精度を得るには、スパースマトリクス検出器のカバレージファクタは、図６に５０％の重複を示すように、重複係数と同じでなければならない。重複率５０％の受像器としてＣＴマトリクス検出器（図５参照）を使用する場合は、一つおきの検出素子からの出力信号を使って焦点の画像輝度を判定することで簡単に修正できる。即ち、サンプリング解像度は半分になる。例えば検出素子の解像度が２０×２０なら、焦点輝度のサンプリングで得られる解像度は、１０×１０である。更に、拡大係数も同様に半分になる。即ち、幾何学的拡大係数が４の場合、得られる拡大係数は２となる。
【００２５】
本発明の方法が重複作用を克服し、かつ利用可能なサンプリング解像度と精度を維持するもう一つの方法は、単純な算術修正を用いる方法である。この修正手順を説明すべく、５チャネルで、拡大係数が一つである一次元ベクトル検出器を想定する。重複率５０％の場合、マイクロホールコリメータの開口は、図４に示す如く検出器ウィンドウの寸法の半分となる。陽極発射面上の各検出素子の投射は検出器ウィンドウの２倍の大きさとなり、陽極上の調査領域は（理論的に）６つの線形要素に分けられ、夫々が、輝度ｅ1ないしｅ6で照射する。検出素子の夫々の出力信号は、ｉ1からｉ5で示している。各検出素子は、次式で表す２つの隣接するエミッタからの放射量子を受け取る。
ｉk＝ｅk＋ｅk+1
但し、ｋ＝１・・・５とする。
【００２６】
調査領域の範囲において無視できる程度の焦点輝度を考慮し（ｅ6＝０、よって線形要素がある場合はｋ＝ｍ−１）、焦点の配光は次の式の線形系を解くことで得られる。
ｅk＝ｉk＋ｅk+1
但し、ｋ＝１・・・５とする。
焦点配光の２次元分析においても同様の結果が想定できる。
【００２７】
本発明の方法と装置は、コリメータを透過する“開口外”照射により起こる誤差を次のように補償する。上記の如く、マトリクス検出器は、コリメータの開口を通過する照射と共に、コリメータ材自体を通過する一定量の付加的照射を受け取る。この開口外放射は、マトリクス検出器の“開口内”放射のみが予測される箇所に到達する。そのためこの寄生放射は投射された焦点画像に歪みを生じさせる。
【００２８】
この誤差をなくすため、本発明の方法では、画像減算に基づく修正を行う。図５に示す如く、移動アクチュエータを使ってコリメータの位置をずらす。コリメータを、まず横方向にずらし、マイクロホールをマトリクス検出器のキャプチャー領域外に位置させる。焦点から放射し、この際マトリクス検出器を、コリメータ材を通過する開口外放射によってのみ照射する。この状況では、検出素子からの出力信号は、測定装置により得られ、コンピュータに保存される。すると、コリメータを、Ｘ線がマイクロホールコリメータの開口を名目上通過するようにずらし、検出素子からの出力信号を再び記録する。二つの保存したエネルギー画像を減算することで、開口外放射のない、コリメータの開口の効果のみを表す画像が生成するため、この画像は、歪みのない焦点画像となる。コリメータは、上記のようにずらすことで別の誤差が出ないように、全体を通して均一な厚みとする。
【００２９】
上記の様に、この方法と装置は、特性が時間と共に変化する不明瞭又はぶれのある焦点の寸法と位置を動的に測定する場合に適している。このため、上記のような重複誤差は無視し、拡大係数は、マトリクス検出器が焦点の予測される不明瞭な領域全体をキャプチャーできるように小さくする。この測定装置は、焦点の投射がマトリックスのうちの小さい領域、例えば２×２の検出素子のみをカバーしている点を除けば、図５にＣＴ装置用として示すものと同じである。コンピュータは、個々の検出器の出力信号を分析することによって焦点の不明瞭な領域を識別する。
【００３０】
本発明の要旨を逸脱することなく、上記の実施形態を変更できることは当業者にとって明白であろう。例えば１５の拡大係数に対し、マイクロホールコリメータは焦点から１５０ｍｍの位置をとり、マトリクス検出器からは１５００ｍｍの位置をとる。
【００３１】
中央に解像度１(１ｍｍ2、２０×２０の要素のマトリクス検出器を使ったＣＴ装置は、０．１×０．１ｍｍ2のサンプリング解像度で、焦点の周囲２(２ｍｍ2の総サンプリング領域を提供する。この場合、マイクロホールコリメータの開口は、５０％の重複に対し、０．６２５ｍｍでなければならない。
【００３２】
当業者は、変更および変形を提案できるであろうが、本発明者は、特許によって保護される範囲内において、全ての変更および変形を合理的かつ適正に発明者の技術に対する貢献範囲に含まれるように具体化することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明による方法によって操作する、Ｘ線管の実効焦点の位置、形状、寸法および配光を動的に測定する装置の基本的構成要素を示す図。
【図２】本発明によって確立した拡大又はズーム係数を示す図。
【図３】コリメータの開口の有限寸法に起因する重複作用を示す図。
【図４】図３に示す重複による誤差を本発明による方法と装置で修正する様子を示す図。
【図５】コンピュータ断層撮影装置に本発明の方法と装置を採用した様子を示す図。
【図６】上記の重複誤差を修正するために所謂“スパース”マトリクス検出器を使用した本発明装置の一実施形態を示す側面図。
【図７】図６の“スパース”検出マトリックスの一部の平面図。
【図１】
2004535559.tif 000003
【図２】
2004535559.tif 000004
【図３】
2004535559.tif 000005
【図４】
2004535559.tif 000006
【図５】
2004535559.tif 000007
【図６】
2004535559.tif 000008
【図７】
2004535559.tif 000009
【国際公開パンフレット】
2004535559.tif 000010
2004535559.tif 000011
2004535559.tif 000012
2004535559.tif 000013
2004535559.tif 000014
2004535559.tif 000015
2004535559.tif 000016
2004535559.tif 000017
2004535559.tif 000018
2004535559.tif 000019
2004535559.tif 000020
2004535559.tif 000021
2004535559.tif 000022
2004535559.tif 000023
2004535559.tif 000024
2004535559.tif 000025
2004535559.tif 000026
2004535559.tif 000027
2004535559.tif 000028
2004535559.tif 000029
2004535559.tif 000030
2004535559.tif 000031
2004535559.tif 000032
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004535559.tif 000033
【国際調査報告】
2004535559.tif 000034
2004535559.tif 000035
2004535559.tif 000036