(57)【要約】      （修正有）【課題】高い画像品質を同時に維持しながら、調査すべき対象物への放射線量をさらに減少させることができるＸ線コンピュータ断層撮影装置を提供する。【解決手段】発散Ｘ線ビーム１をビーム軸ｚに沿って射出するＸ線源１１と、Ｘ線ビーム１を減衰するフィルタ要素２と、減衰されたＸ線ビーム１ａによって調査すべき対象物のための載置台１４と、検出領域１５ａを有する２Ｄ−Ｘ線検出器１５と、Ｘ線源１１、フィルタ要素２、及び２Ｄ−Ｘ線検出器１５の全体、又は対象物の載置台１４のいずれかを、ビーム軸ｚに垂直な回転軸ｘに関して回転させることができるガントリシステム１６とを備え、フィルタ要素２は、ビーム軸ｚ及び回転軸ｘの双方に垂直な横方向ｙに沿って空間的に変化するＸ線吸収能力を有し、空間的に変化するＸ線吸収能力は、横方向ｙに沿って零位置ｙ０で最大吸収作用を示し、フィルタ要素２を零位置ｙ０で通過するＸ線が回転軸ｘと交差する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線ビーム（１）、特に発散Ｘ線ビーム（１）をビーム軸（ｚ）に沿って射出するＸ線源（１１）と、
前記Ｘ線ビーム（１）を減衰するフィルタ要素（２）と、
前記減衰されたＸ線ビーム（１ａ）によって調査すべき対象物（３）のための載置台（１４）と、
検出領域（１５ａ）を有する２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）と、
前記Ｘ線源（１１）、前記フィルタ要素（２）、及び前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）の全体、又は前記対象物（３）の前記載置台（１４）のいずれかを、前記ビーム軸（ｚ）に垂直な回転軸（ｘ）に関して回転させることができるガントリシステム（１６）と
を備え、
前記フィルタ要素（２）は、前記ビーム軸（ｚ）及び前記回転軸（ｘ）の双方に垂直な横方向（ｙ）に沿って空間的に変化するＸ線吸収能力を有するＸ線コンピュータ断層撮影（＝ＣＴ）装置（１０）において、
前記空間的に変化するＸ線吸収能力は、前記横方向（ｙ）に沿って零位置（ｙ０）で最大吸収作用を示し、前記フィルタ要素（２）を前記零位置（ｙ０）で通過するＸ線（１８）が前記回転軸（ｘ）と交差することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影（＝ＣＴ）装置（１０）。
【請求項２】
前記フィルタ要素（２）は、高エネルギーＸ線に対するよりも低エネルギーＸ線に対して高い吸収作用を有する材質から製作されることを特徴とする請求項１記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項３】
前記材質は、４０ｋｅＶのＸ線に対する吸収係数μより少なくとも１０倍大きく、好ましくは少なくとも５０倍大きい５ｋｅＶのＸ線に対する吸収係数μを有することを特徴とする請求項２記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項４】
前記フィルタ要素（２）は、アルミニウム又はアルミニウムを含有する材質から製作されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項５】
前記フィルタ要素（２）は、前記横方向（ｙ）に沿って空間的に変化する厚さ（ｄ）を有し、前記零位置（ｙ０）で最大厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項６】
前記フィルタ要素（２）は、前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）の前記検出領域（１５ａ）を影に蔽う前記フィルタ要素（２）の領域において、前記横方向（ｙ）に沿って２倍以上、好ましくは５倍以上の厚さ変化を示すことを特徴とする請求項５記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項７】
前記空間的に変化するＸ線吸収能力は、前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）の前記検出領域（１５ａ）を影に蔽う前記フィルタ要素（２）の領域において、前記横方向（ｙ）に沿って、５倍以上、好ましくは２０倍以上、最も好ましくは５０倍以上の吸収作用変化を示すことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項８】
前記Ｘ線吸収能力は、前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）の前記検出領域（１５ａ）を影に蔽う前記フィルタ要素（２）の領域において、前記横方向（ｙ）に沿って前記零位置（ｙ０）から両側に離れるに従って単調に減少する吸収作用、特に、厳密に単調に減少する吸収作用を示すことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項９】
前記空間的に変化するＸ線吸収能力は、前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）の前記検出領域（１５ａ）を影に蔽う前記フィルタ要素（２）の領域において、前記横方向（ｙ）に関して、前記零位置（ｙ０）を中心とする少なくとも近似的にガウス型分布の吸収作用を示すことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項１０】
前記Ｘ線源（１１）は、特にタングステンアノードを有する、微小焦点Ｘ線管であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項１１】
調査すべき対象物（３）が、特にその長手方向を前記回転軸（ｘ）に沿わせて、前記載置台（１４）上に配置されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項１２】
前記載置台（１４）は、前記回転軸（ｘ）に平行な長手方向軸（ＬＡ）に沿って移動可能であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）。
【請求項１３】
調査すべき対象物（３）を前記載置台（１４）上に配置し、
前記対象物（３）の複数の投影画像を、前記ガントリシステム（１６）の様々な回転位置で前記２Ｄ−Ｘ線検出器（１５）を用いて記録し、
前記投影画像のデータセットから、断面写真のデータセットを逆投影再生アルゴリズムによって生成することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＣＴ装置（１０）の使用法。
【請求項１４】
前記対象物（３）の前記複数の投影画像を、さらに、前記長手方向軸（ＬＡ）に沿った前記載置台（１４）の様々な移動位置で記録することを特徴とする請求項１１記載のＣＴ装置（１０）の請求項１３記載の使用法。
【請求項１５】
前記対象物（３）は、ラットの大きさまでの生きている動物、又は同じ大きさまでの生きていない対象物であることを特徴とする請求項１３又は１４記載の使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
−Ｘ線ビーム、特に発散Ｘ線ビームをビーム軸（ｚ）に沿って射出するＸ線源と、
−Ｘ線ビームを減衰するフィルタ要素と、
−減衰されたＸ線ビームによって調査すべき対象物のための載置台と、
−検出領域を有する２Ｄ−Ｘ線検出器と、
−Ｘ線源、フィルタ要素、及び２Ｄ−Ｘ線検出器の全体、又は対象物の載置台のいずれかをビーム軸（ｚ）に垂直な回転軸（ｘ）に関して回転させることができるガントリシステムとを備え、
フィルタ要素は、ビーム軸（ｚ）及び回転軸（ｘ）の双方に垂直な横方向（ｙ）に沿って空間的に変化するＸ線吸収能力を有するＸ線コンピュータ断層撮影（＝ＣＴ）装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のＣＴ装置は、米国特許出願公開第２０１２／０００２７８２Ａ１号明細書によって既知である。
【０００３】
撮像でのＸ線の使用法は、特に医療及び科学においては、十分に確立された技術である。その基本原理は、Ｘ線源によって生成されたＸ線が、調査しようとする対象物によって部分的に減衰され、対象物を通過するのに十分なエネルギーを有するＸ線が、（２Ｄ）Ｘ線検出器（カメラ）によって検出され、その結果、２次元（２Ｄ）画像になることである。この画像は、投影画像とも呼ばれる。様々なタイプのＸ線源が、様々なカメラと組み合わされて使用されるが、基本原理は変わらない。
【０００４】
対象物の３次元（３Ｄ）画像を生成するためには、投影画像を様々な角度から取得する必要がある。これは、対象物を回転するか、又はＸ線源をカメラと共に対象物の周りに回転させることによって達成することができる。双方の場合とも、２Ｄ投影画像のデータセットが生成される。これら投影画像が、次いで、逆投影と呼ばれるプロセスによって断面写真の新しいデータセットを生成するために使用される。この第２の断面写真データセットから３Ｄ情報を得ることができる。この方法は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）とも呼ばれる。
【０００５】
前臨床研究において特に重要な分野は、マウスやラットなど、生きている小動物の調査である。生きている動物を扱うとき、この動物を回転することは望ましくないことが多い。したがって、特別なスキャナが開発されており、この場合、動物がベッド上に配置され、このベッドが、臨床スキャナにおけるのとまったく同様に、Ｘ線源及びカメラの双方がこのベッドの周りを回転して多数の角度で投影画像を取得している間、スキャナ内を移動する。
【０００６】
Ｘ線を使用して生きている動物を撮像すると、必ずある程度の被放射線量になるが、Ｘ線なしでは画像は存在しない。生きている動物をスキャニングするときに考慮すべき重要な点は、あらゆる生物学的影響を最小限に抑え、さらには回避するために放射線量を低減することである。
【０００７】
従来、フィルタがＸ線源と対象物との間に配置されており、このフィルタは、優先的に低エネルギーＸ線を吸収するように設計されている。通常、これらフィルタは、適切に定められた一様な厚さを有する金属（例えば、アルミニウム）板から製作されてきた。
【０００８】
この種のフィルタを使用すると、低エネルギーＸ線は、大部分がフィルタによって減衰され、動物による減衰はなくなり、また、全放射線量が低減される。フィルタの厚さを増加するか、又はフィルタのタイプを変更（例えば、アルミニウムから銅へ）すると、より多くのＸ線を吸収し、これにより、放射線量がさらに減少する。しかし、Ｘ線強度が低くなり過ぎるか、又はＸ線エネルギーが高くなり過ぎると、画像品質が劣化する。したがって、画像解析を可能にする十分な情報を有する画像をなおも取得しながら総放射線量を最低限に抑えるために、Ｘ線エネルギーとフィルタとの最適な組合せが求められる。
【０００９】
米国特許出願公開第２０１２／０００２７８２Ａ１号は、Ｘ線源及び２Ｄ−Ｘ線検出器が人間の患者用のベッドの周りを回転するＣＴ装置を提案している。厚さが変化し、したがってＸ線吸収能力が変化する補正フィルタがＸ線源の前に配置されている。回転軸と交差するＸ線を遮る補正フィルタの中央が、最小の厚さを有し、したがって、最小のＸ線吸収作用を示す。基本的に３角形のフィルタがＸ線ビームに側方から導入され、これによって、Ｘ線ビームがその縁で最大限に減衰され、その中央ではより少なく減衰される別のＣＴ装置が国際公開第２０１３／１８２９２８Ａ１号から既知である。
【００１０】
後者のフィルタ、又はむしろビーム成形インサート若しくは吸収体は、検出器アレイに達する放射の強度を均一化するように意図されている。この吸収体は、ビームの中央部分には薄い材質層を配置し、周辺領域にはより厚い層を配置する。このような吸収体の形状は、人間又は動物の身体が中央領域でより高いＸ線放射の吸収作用を示し、周辺領域でより低い吸収作用を示すという前提に基づく。一次ビームに適用される吸収層の形状は、スキャンする対象物の予想される局部厚さの逆になり、これにより、照射領域全体の検出器アレイ上の信号が最終的に均一化される。このようにして、断層撮影及び微小断層撮影機構に使用される検出器の必要ダイナミックレンジを減少させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、高い画像品質を同時に維持しながら、調査すべき対象物への放射線量をさらに減少させることができるＣＴ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、空間的に変化するＸ線吸収能力が横方向（ｙ）に沿って零位置（ｙ０）で最大吸収作用を示し、フィルタ要素を零位置（ｙ０）で通過するＸ線が回転軸（ｘ）と交差することを特徴とする冒頭で紹介されたＣＴ装置により、本発明によって達成される。
【００１３】
本発明の基本的思想は、ガントリシステムの回転軸に近いＸ線の強度を意図的に低下させることであり、他方で、回転軸から離れると、Ｘ線強度は高いまま維持される。さらに、本発明によれば、回転軸に近い平均Ｘ線エネルギーは増加され得、他方で、回転軸から離れると、平均Ｘ線エネルギー強度は低く保たれ得、好ましくは殆んど変化しない。これは、空間的に変化するＸ線吸収能力を有する対応フィルタ要素を用いて行われる。このフィルタは、回転軸に対応する（すなわち回転軸を影に蔽う）領域おいて、すなわち零位置ｙ０において、通常そこでの最大厚さにより、最大限の吸収作用を有し、より高い平均Ｘ線エネルギーへの最大限の偏位を生じることができる。一般に、このフィルタ要素は、低エネルギーＸ線を、高エネルギーＸ線よりも高度に吸収し、好ましくは遥かに高度に吸収する。
【００１４】
回転軸に近いＸ線強度を低下させることにより、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域の対応領域の（通常２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域の中央での）信号対雑音比、及びこれに対応する投影画像の信号対雑音比をそれぞれ低下させることになり、これにより、断面写真の画像品質も劣化させる。しかしながら、再生アルゴリズムの過程で（逆投影、特にフィルタ補正逆投影によって）断面写真を計算するとき、回転軸に近付くほど様々な投影画像からより多くの情報が利用可能になり、そこでの断面写真の画像品質を向上させる。したがって、信号対雑音比における損失は、回転軸に近いほど情報が増加することによって補償されることになる。好ましくは、強度の減少が、情報の増加にほぼ釣り合い、これによって、断面内（その中央から端まで）で一様な画像品質が得られる。
【００１５】
この結果、回転軸近くのＸ線強度の低減及び平均Ｘ線エネルギーの増加が、断面写真全体の画像品質を低下させることなく、調査すべき対象物（生きている人間若しくは動物の身体、又はこれらの一部分など）に対する、特に放射損傷に対して極めて敏感なことの多い領域（骨髄又は腸など）における総放射線量を減少させることになる。
【００１６】
ＣＴ装置の各要素は、Ｘ線源によって射出されたＸ線ビームが先ずフィルタ要素を通過し、次いで載置台上の対象物を通過し、次いで２Ｄ−Ｘ線検出器に達するように配置されていることに留意されたい。また、通常、フィルタ要素のＸ線吸収能力は、回転軸（ｘ）の方向に一定であることに留意されたい。
【００１７】
本発明の好ましい変形形態
本発明のＣＴ装置では、フィルタ要素が、高エネルギーＸ線に対するよりも低Ｘ線エネルギーに対して高い吸収作用を有する材質から製作される。これによって、Ｘ線源のエネルギースペクトルが変調され、高エネルギーＸ線の部分が、低エネルギーＸ線に比較して増加する。低エネルギーＸ線は、人間又は動物の組織に高エネルギーＸ線よりも多く吸収され、したがって、身体組織及び／又はＤＮＡにより多くの損傷を蓄積する原因になりやすい。高エネルギーＸ線は、対照的に、頭又は胸などの比較的厚い身体部分を貫通させるのに十分に適しており、それでもなお良好なコントラストが得られる。
【００１８】
上記の実施の形態のさらに別の好ましい発展形態では、材質が、４０ｋｅＶのＸ線に対する吸収係数μより少なくとも１０倍大きく、好ましくは少なくとも５０倍大きい５ｋｅＶに対する吸収係数μを有する。これにより、対象物への損傷が減少し、同時に良好な深度コントラストが得られる。材質の吸収挙動は、詳細には含有されている元素の原子数を介して調節することができることに留意されたい。本発明によれば、フィルタ要素の材質は、μ（５ｋｅＶ）が、μ（４０ｋｅＶ）よりも少なくとも２０倍大きく、好ましくは少なくとも１００倍大きくなるように選択することもできることに留意されたい。
【００１９】
別の好ましい実施の形態では、フィルタ要素は、アルミニウム又はアルミニウムを含有する材質から製作される。アルミニウム（Ａｌ）は、Ｘ線エネルギーに強く依存する吸収作用を示す。好ましくは、材質は、少なくとも３０ｗｔ％（重量パーセント）のＡｌ、より好ましくは少なくとも５０ｗｔ％のＡｌ、最も好ましくは少なくとも８０ｗｔ％のＡｌを含有する。
【００２０】
特に好ましくは、フィルタ要素が、横方向（ｙ）に沿って空間的に変化する厚さを有し、零位置（ｙ０）で最大厚さを有する実施の形態である。これは、通常、フィルタ要素の材質が一様な（空間的に一定の）吸収係数を有する状態で、フィルタ要素の空間的に変化するＸ線エネルギー分布及び吸収能力を確立する最も簡単な方式ある。厚さは、ビーム軸（ｚ）に平行に測定される。通常、厚さは、回転軸（ｘ）の方向に沿っては変化しないことに留意されたい。この代わりに又はこれに加えて、変化するＸ線吸収能力を確立するために、フィルタ要素の材質の密度及び／又は組成を、横方向（ｙ）に沿って変化させてもよいことにさらに留意されたい。
【００２１】
この実施の形態のさらに別の発展形態では、フィルタ要素が、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に沿って、２倍以上、好ましくは５倍以上の厚さ変化を示す。このような変化は、容易に製造することができ、投影画像での透過高エネルギーＸ線の強度変化を成立させ、この変化は、通常の測定条件の下で十分に補償することができる。ただし、厚さの変化は、通常、２０倍を超えないことに留意されたい。
【００２２】
有利な実施の形態では、空間的に変化するＸ線吸収能力が、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に沿って、５倍以上、好ましくは２０倍以上、最も好ましくは５０倍以上の吸収作用変化を示す。これら倍率は、少なくとも５ｋｅＶのＸ線（及び好ましくは約１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶの全ての低エネルギーＸ線）に適用され、かつ高エネルギーＸ線（約１０ｋｅＶ〜１００ｋｅＶのＸ線エネルギーを有する）にもできる限り適用される。ただし、絶対的吸収作用は、低エネルギーＸ線に対するよりも高エネルギーＸ線に対する方が通常遥かに小さいことに留意されたい。これらの倍率は、フィルタ要素の背後で、フィルタ処理後の最も強いＸ線強度をフィルタ処理後の最も弱いＸ線強度と比較する（フィルタ要素の一様な照射を前提とする）。この実施の形態では、実際に、良好な放射線量の減少とそれでもなお高画像品質を示している。投影画像に対する約５０（しばしばこれ以上）の強度倍率は、それでもなお、通常の測定条件の下では、断面写真を計算するときの逆投影によって補償される。
【００２３】
また、好ましくは、Ｘ線吸収能力が、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に沿って零位置（ｙ０）から両側に離れるに従って単調に減少する吸収作用、特に、厳密に単調に減少する吸収作用を示す実施の形態である。回転軸から遠くなるに従って、諸投影画像の全体からの情報が少なくなり、したがって、フィルタ要素のより少ない吸収作用が相殺され得る。この実施の形態では、回転軸から離れると対象物でのＸ線強度が次第に増えるので、結局は、一様な断面写真画像品質を得ることができる。厳密に単調に減少する吸収作用によって、フィルタ要素の吸収能力の急激な変化が排除されるので、画像再生における疑似現象が回避される。この実施の形態は、通常、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に沿って零位置（ｙ０）から両側に離れるに従って単調に減少する厚さ、特に、厳密に単調に減少する厚さを示す、フィルタ要素の厚さ変化によって実現されることに留意されたい。
【００２４】
別の好ましい実施の形態では、空間的に変化するＸ線吸収能力が、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に関して、零位置（ｙ０）を中心として少なくとも近似的にガウス型分布の吸収作用を示す。ガウス型分布によって、回転軸に向かっての強度の減少が情報の増加にほぼ釣り合い、これによって、断面内（その中央から端まで）で一様な画像品質が得られる。２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、実際の吸収作用が正確なガウス分布から最大でも１０％（正確なガウス分布を基準として）しか外れない場合、吸収能力は近似的にガウス型であると考えられる。同様に好ましいのは、２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、横方向（ｙ）に関して、零位置（ｙ０）を中心として少なくとも近似的にガウス型分布の厚さを示すフィルタ要素の厚さ変化であることに留意されたい。２Ｄ−Ｘ線検出器の検出領域を影に蔽うフィルタ要素の領域において、実際の厚さが、正確なガウス分布から最大でも１０％（正確なガウス分布を基準として）しか外れない場合、厚さ変化は近似的にガウス型であると考えられる。やはり、断面内（その中央から端まで）で基本的に一様な画像品質を得ることができる。
【００２５】
さらに好ましくは、Ｘ線源は、特にタングステンアノードを有する微小焦点Ｘ線管である実施の形態である。これによって、最大約６５ｋｅＶ、さらに最大１００ｋｅＶの高エネルギーＸ線による高強度の多色放射を達成することができる。
【００２６】
別の好ましい実施の形態では、調査すべき対象物が、特にその長手方向を回転軸（ｘ）に沿わせて、載置台上に配置される。これによって、対象物を、最小放射線量によって調査することができる。対象物は、放射損傷に特に敏感な部分（例えば、生きている人間又は動物の器官）が回転軸を横切るか、又は回転軸の近傍に位置するように配置することができる。さらに、対象物は、対象物を長手方向に配向することによって、回転軸の方向に沿う並進移動により容易にスキャンすることができる。
【００２７】
高度に有利な実施の形態では、載置台が、回転軸（ｘ）に平行な長手方向軸（ＬＡ）に沿って移動可能である。これによって、より大きい体積の対象物を、長手方向軸に沿ってスキャンすることによって調査することができる。長手方向軸に沿う並進移動は、通常、モータ駆動且つ自動化されていることに留意されたい。
【００２８】
また、本発明の範囲内にあるのは、調査すべき対象物を載置台上に配置し、対象物の複数の投影画像を、ガントリシステムの様々な回転位置で２Ｄ−Ｘ線検出器を用いて記録し、投影画像のデータセットから、断面写真のデータセットを逆投影再生アルゴリズムによって生成することを特徴とする上記の本発明のＣＴ装置の使用法である。これによって、対象物、特に生きている対象物に対する放射線量を低減させて、対象物の良好な品質の３Ｄ画像を得ることができる。逆投影（特にフィルタ補正逆投影）再生アルゴリズムは、回転軸近傍の中央領域で強度が減少することによる信号対雑音比の低下を補償する。ボリューム画素が回転軸に近いほど、より多くの投影画像がこのボリューム画素からの情報を含み、このことが補償のために役立つ。
【００２９】
特に好ましくは、可動載置台を備える本発明のＣＴ装置に関する本発明の使用法の変形形態であって、対象物の複数の投影画像をさらに長手方向軸（ＬＡ）に沿った、載置台の様々な移動位置で記録する使用法である。これによって、長手方向に沿って任意の長さで延在する大きさの対象物を調査することができる。
【００３０】
さらに好ましくは、対象物が、ラットの大きさまでの生きている動物、又は同じ大きさまでの生きていない物である本発明の使用法の変形形態である。ラット（直径約８ｃｍ、長さ２０ｃｍの円筒の大きさに匹敵する）までのような比較的小さなサイズの対象物では、対象物の比較的大きな部分が、回転軸の近傍のより高い情報密度を活用することができ、したがって、この場合、達成可能な放射の低減量が特に大きくなる。ただし、本発明は、人間全体をスキャンする大きさのＣＴ装置に適用することもできることに留意されたい。
【００３１】
さらに別の利点を、本説明及び添付図面から導き出すことができる。上記及び下記の特徴は、個々に又は任意の組合せで集合的にのいずれでも、本発明によって使用することができる。言及される実施の形態は、網羅的な列挙と理解されるべきではなく、本発明を説明するための例示的性格を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に関する、調査すべき対象物の前方におけるＸ線ビーム中のフィルタ要素の配置状態の概略図である。
【図２】本発明のＣＴ装置の実施の形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は添付図面に示される。
【００３４】
概要
Ｘ線コンピュータ断層撮影では、多数のＸ線画像（投影画像）が記録され、各記録形成は調査すべき対象物をＸ線に曝すことを伴う。Ｘ線は、曝された物質を特にイオン化によって損傷することがある。人間又は動物の組織では、Ｘ線は、特に発癌を誘起する可能性がある。したがって、本発明は、Ｘ線コンピュータ断層撮影において調査される対象物への放射線量を減少することを目指す。
【００３５】
吸収線量は、対象物内の物質の吸収係数と、対象物質の厚さと、一次ビームの強度及びエネルギー分布とに依存する。最初の２つの因子は、スキャニング機構によって変えることはできないが、本発明によれば、一次ビームのエネルギースペクトル及び強度分布は、断層撮影再生の結果の品質に著しい影響を与えずに吸収線量を減少させるように、調節することができる。
【００３６】
動物又は人間の身体などの調査すべき対象物の一般に最も厚い中央部分が、身体を通るＸ線の経路がより短い周辺部分より、遥かに多くの放射を吸収する。同時に、身体の中央部分は放射線損傷を最も受けやすい器官を擁する。
【００３７】
本発明は、身体の中央部分がより弱い強度且つより高いエネルギーのＸ線放射を受けるように、一次ビームのエネルギースペクトル及び強度を空間変調する考えに基づいている。強度の低減及びより高いエネルギーへのスペクトル偏位の双方が、身体のこの最も敏感な部分によって吸収される線量率を低下させることになる。一次ビームのこのような強度の低下は、対象物の背後の検出器アレイの中央部分上の信号を低下させることになり得るが、これは、逆投影手順に際し再生領域の中央部分はより高密度の光線パターンによって蔽われるので、一般に、断層撮影再生中に少なくとも部分的に、そしてほとんどの場合に実際的に完全に補償される。
【００３８】
ビーム成形フィルタ要素
本発明の核心は、ビーム成形フィルタ要素であり、この実施の形態は図１に示される。図１は、ビーム成形フィルタ要素２上へ導かれるＸ線ビーム１（ここでは平行タイプ）を示す。フィルタ要素２は調査すべき対象物３を影に蔽い、すなわち、Ｘ線１は、フィルタ要素２を通過するとき、減衰される（ただし完全に遮蔽はされない）。フィルタ要素２は、可変の局部厚さｄ（Ｘ線ビーム１がそれに沿って伝播するｚ方向で測定される）を有し、その中央４で最大厚さとなり、この場合、中央４は対象物３の中央５とｙ方向に関して整列し、厚さｄは、両側端に向かって対称的に減少し、両端部１２、１３で最小厚さに達する。
【００３９】
ｘ及びｙ両方向でのビーム成形フィルタ要素２の大きさ（幅）は、フィルタ要素２が対象物に近く、Ｘ線源（図示せず）から遠くに配置されている場合、対象物３の大きさと類似であり、この状況が図１に示されている。この種のビーム成形フィルタ要素２とＸ線源内部の射出点との距離が短い場合、フィルタ要素２の大きさは、これに対応して縮小されることになる。フィルタリングされていないＸ線は検出器に達しないことが一般に好ましく、必要なら、小さ過ぎるフィルタ要素は、開口によって補完してＸ線ビームの断面に適合させることもあることに留意されたい。フィルタ材質の選択は、Ｘ線源からの放射のエネルギー分布に依存する。小さな実験室動物の生体内微小断層撮影用の、４０〜１００ｋｅＶの最も典型的なエネルギー範囲については、材質はＡｌ又はＡｌ合金でよい。ビームを横切る（ｙ方向の）フィルタ要素２の最大厚さ及び厚さ分布は、ビームの中央部分でのＸ線スペクトルの低エネルギー部分の大幅な低減が達成され、他方で、対象物の背後の検出器上で妥当な信号対雑音比を得るためのこの部分の一次ビームの十分な強度を維持するように選択される。対象物が所定位置にあることによって、対象物の中央部分でのＸ線スペクトルの低エネルギー部分の低減（減衰）が、検出器に到達する信号分布（強度及びエネルギーの双方に関し）を顕著に変化させることはなく、この理由は、中央部分の対象物もまた低エネルギー放射に対する強力なフィルタとして働くからである。しかしながら、低エネルギー光子が、対象物に達する「前に」、ビーム成形フィルタ要素２によって吸収されることによって、身体内部、特に一次ビームの方に面している部分に吸収される線量が大きく改善（すなわち低減）される。フィルタ要素表面の形状は、急な強度及びスペクトル変化を避けるのに十分な滑らかさにすべきであり、これら急な変化は再生での疑似現象を生じる恐れがある。
【００４０】
小動物生体内断層撮影システム用としての、本発明に係るこの種のビーム成形フィルタ要素の実際の実装形態では、フィルタ要素の両側部分での０．５〜０．８ｍｍから中央部分での最大値５〜６ｍｍまで厚さが変化するフィルタ材として、Ａｌが使用されている。一次ビームとしては、最大６５ｋｅＶのピークエネルギー及びタングステンアノードを有する微小焦点Ｘ線管からの多色放射が使用されている。動物によって吸収される線量率の測定値が、「マウスサイズ」のプラスチック模型によってプローブが囲まれている計数率計を使用して計測されている。上記のビーム成形フィルタ要素を使用することによって、厚さ０．５〜１ｍｍの平坦な標準的Ａｌフィルタによるスキャニング、及びフィルタなしの一次ビームによるスキャニングと比較して、吸収線量を２〜５倍減少させることが可能になる。このように吸収線量が減少しても、断層撮影再生後に得られる結果の品質には極めて僅かな影響しか生じない。
【００４１】
ＣＴ装置の機構
図２は、本発明に係るＸ線ＣＴ装置１０の実施の形態を示す。
【００４２】
Ｘ線源１１が、この場合には発散タイプのＸ線ビーム１を、（中央）ビーム軸ｚに沿って射出する。次いで、Ｘ線ビーム１は、この場合アルミニウム製のフィルタ要素２に達し、そこで、Ｘ線ビーム１が、ビーム軸ｚに垂直に延在する横方向ｙでの位置の関数として減衰される。中央４、すなわちｙ方向での零位置ｙ０では、フィルタ要素２の厚さ（ｚで測定された）が最大であり、両側（図２で上方及び下方）又は端部１２、１３の夫々に向かって、厚さが厳密に単調に減少する。ｙの関数としてのｚでの厚さは、この場合、ｙ０を中央とする近似的にガウス型である。ｚ及びｙの双方に垂直である長手方向では（ｘと比較されたい）、フィルタ要素２の厚さは変化しない（ただし、Ｘ線源１１又はＸ線ビーム１それぞれのｘ方向での強度分布が一様でない場合には、フィルタ要素２の厚さは、これに対応してｘ方向に変化し得ることに留意されたい）。フィルタ要素２の形状は、中央４の近くで、Ｘ線ビーム１を特に低エネルギー部分について強く減衰させ、両端部１２、１３に向かって減衰を減少させる。中央での厚さが、この場合、両端部１２、１３での厚さより約５倍大きいので、吸収作用の変化は少なくとも約５倍になるはずであり、通常、指数関数的な吸収挙動によりこれより遥かに高くなる。
【００４３】
次いで、減衰されたＸ線ビーム１ａが、調査すべき対象物（図示せず）としてのラットの大きさまでの生きている動物のベッドとしてこの場合設計された載置台１４に近付く。対象物が配置される領域に、載置台１４に近接して、ＣＴ装置１０の回転軸ｘがある。回転軸ｘは、ビーム方向ｚ及び横方向ｙの双方に対して垂直に延在する。Ｘ線ビーム１の、フィルタ要素２を中央４で通過する部分が回転軸ｘを通り、言い換えれば、Ｘ線源１１の射出点１１ａ、中央（というよりは中央ライン）４、及び回転軸ｘが同一平面内にある。
【００４４】
載置台１４（及び図示されていない対象物）を通過後のＸ線ビーム１ｂは、最終的に、対象物の投影画像を記録する２Ｄ−Ｘ線検出器１５（カメラとも呼ばれる）に達する。載置台１４上に対象物が無ければ、検出領域１５ａ上のＸ線強度分布は、フィルタ要素２の中央４での零位置ｙ０又は回転軸ｘそれぞれに対応する中央面内で最小レベル（暗く示されている）を示し、ｙ方向に関して上昇又は下降するとレベルが上がる（より明るく示されている）ことになる。したがって、載置台１４に対象物を置くと、対象物の、回転軸ｘが横切る部分は最小放射線量を示し、回転軸ｘからｙ方向に離れるにつれて放射線量が増加する。より具体的には、ビーム軸ｚに沿って（又は対応するｘｚ面内を）伝播するＸ線源１１の中央部分Ｘ線１８は、フィルタ要素２をｙ方向の零位置ｙ０で通過し、回転軸ｘを横切り、検出領域１５ａに、この場合その中央１９に到達し、この中央部分Ｘ線１８は、フィルタ要素２において最大の吸収作用を受ける。対照的に、フィルタ要素２においてｙ０に比較して高いか又は低いｙ位置を取るＸ線は、フィルタ要素２において、より小さい吸収作用を受ける。フィルタ要素２は、２Ｄ−Ｘ線検出器１５の検出領域１５ａを完全に蔽うことが好ましいことが留意されるべきである。
【００４５】
対象物に関して様々な角度からの投影画像を得るために、ガントリシステム１６が設けられる。図示の実施の形態では、ガントリシステム１６は、Ｘ線源１１と、フィルタ要素２と、２Ｄ−Ｘ線検出器１５とを結合し、これらアイテムの全体が、回転軸ｘに関して、すなわち非回転載置台１４の周りに回転することを可能にする。回転矢印１７を比較されたい。本発明によれば、夫々固定されたＸ線源１１、フィルタ要素２、及び２Ｄ−Ｘ線検出器１５の全体に対して載置台１４を回転させるガントリシステム１６を有することも可能であることに留意されたい。載置台１４は、さらに、長手方向軸ＬＡ（この軸は回転軸ｘと平行である）に沿って移動可能であり、これによって、ガントリシステム１６の様々な回転位置、及び載置台１４の長手方向軸ＬＡに沿った様々な平行移動位置に関して、投影画像を取得することができる。
【００４６】
要約すると、本発明は、ＣＴ装置１０のＸ線源１１と載置台１４上の対象物との間に配置されるフィルタ要素２の特別な設計を提示する。Ｘ線１がフィルタ要素２によって減衰されると、フィルタ要素２の３Ｄ形状の結果、横方向ｙに沿ったフィルタ要素２の中央４が、周辺部分と比較してより多くの低Ｘ線エネルギーを減衰し除去する形で、一様でない分布を生じる。フィルタ要素２の３Ｄ形状は、ｙ軸に沿った中央４でのＸ線の減衰を最大にするようになっている。Ｘ線がフィルタ要素２を通過するとき、Ｘ線がフィルタ要素２を中央４のより近くで通過するほど、カメラに達するＸ線に指数関数的減衰があり、この中央４ではフィルタ要素２が最大の厚さ（ｙ軸に沿った）を有する。これは、ランベルト・ベールの法則Ｉ＝Ｉ０ｅ−μｄに基づき、式中のｄは材質の厚さであり、μは材質の吸収係数であり、Ｉは透過された強度であり、Ｉ０は初期強度である。中央位置（ｙ軸に沿った）でカメラに到達するＸ線の指数関数的減少により、放射線量が減少する結果になる。この一様でない分布は、また、投影画像上で、カメラの中央において信号対雑音比が低下する結果を生じるが、これは、断面写真を計算するときの再生アルゴリズム（逆投影）によって克服される。これは、逆投影に際し、回転の中心のより近くを再生するとき、より多くの情報があることに基づく（車輪のスポーク間の距離に似ており、この場合、中心に近付くほど間隔が小さくなる）。フィルタの３Ｄ形状と使用される逆投影アルゴリズムとを組み合わせることによって、画像品質を損なうことなく放射線量を減少させる結果になる。
【符号の説明】
【００４７】
１  Ｘ線ビーム
１ａ  減衰されたＸ線ビーム
１ｂ  載置台及び対象物を通過後のＸ線ビーム
２  フィルタ要素
３  対象物
４  フィルタ要素の中央
５  対象物の中央
１０  Ｘ線ＣＴ装置
１１  Ｘ線源
１１ａ  射出点
１２，１３  端部
１４  載置台
１５  ２Ｄ−Ｘ線検出器
１５ａ  検出領域
１６  ガントリシステム
１７  回転矢印
１８  中央部分Ｘ線
１９  検出領域の中央
ｄ  局部厚さ
ＬＡ  長手方向軸
ｘ  ＣＴ装置の回転軸
ｙ  横方向
ｙ０  零位置
ｚ  ビーム軸
【図１】
2016059799.tif 000003
【図２】
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【外国語明細書】
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2016059799000002.pdf
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