(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源と、この交流電源に接続されこの電圧を昇圧する変圧器と、この変圧器に接続され昇圧された交流電圧を整流する整流器と、この整流器の出力電圧をＸ線管に供給するＸ線高電圧装置であって、少なくとも上記変圧器と整流器とを収納する容器と、この容器に満たされた冷媒と、この冷媒を放熱、冷却する放熱冷却装置と、前記容器と放熱冷却装置との間を接続する配管と、この配管を通して容器と放熱冷却装置とに冷媒を搬送するポンプと、前記変圧器を内蔵し前記容器に内蔵される第１のダクトと、前記整流器を内蔵し前記容器に内蔵される第２のダクトを有し、前記第１のダクト内の冷媒が前記放熱冷却装置へ導かれるように、前記第１のダクトが前記配管と接続され、前記第２のダクト内の冷媒が前記放熱冷却装置から導かれるように、前記第２のダクトが前記配管と接続されるＸ線高電圧装置において、
前記容器内の冷媒が前記第１のダクトへ吸い込まれ、前記第２のダクト内の冷媒が前記容器へ拡散するように、前記容器と前記第１のダクトと前記第２のダクトが接続されることを特徴とするＸ線高電圧装置。
【請求項２】
請求項１に記載のＸ線高電圧装置の出力直流高電圧をＸ線管に印加して該Ｘ線管から放射されるＸ線を被検体に照射して撮影することを特徴とするＸ線画像診断装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線管からＸ線を放射するための高電圧を発生するＸ線高電圧装置及びこれを用いたＸ線画像診断装置に関し、特にＸ線管から大きなＸ線量を高負荷率で放射するための電力を該Ｘ線管に供給することができるＸ線高電圧装置及びこれを用いて高機能、高画質、高スループットの撮影が可能なＸ線画像診断装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線高電圧装置からの直流高電圧をＸ線管に印加して該Ｘ線管から放射されるＸ線を被検体に照射して撮影するＸ線撮影装置及びＸ線コンピュータ断層撮影装置（以下、Ｘ線ＣＴ装置と呼ぶ）などのＸ線画像診断装置は、医用画像診断装置の分野で非常に多く用いられている。近年、これらのＸ線画像診断装置には、新しい撮影法に対応するために多量のＸ線を長時間に亘って出力する、いわゆる高負荷率のＸ線発生装置が必要となってきている。特に、Ｘ線ＣＴ装置においては、“短時間で広い範囲のスキャンが可能”、“体軸方向に連続したデータが得られ、これによって三次元画像の生成が可能になる”等の特徴により、ヘリカルスキャンやスパイラルスキャンと呼ばれるら旋ＣＴが普及している。
【０００３】
このら旋ＣＴは、Ｘ線管とＸ線検出器を連続して回転させると同時に、被検体を載置した寝台を前記被検体の体軸方向に連続移動させて、Ｘ線管とＸ線検出器を被検体に対し相対的にら旋運動をさせるものである。このように、ら旋スキャンの撮影中は、連続回転スキャンと並行して撮影位置も変えているため、全体の撮影時間が短縮される。また、撮影中に体軸方向にも連続走査しているため、三次元データを収集していることになる。
【０００４】
このようなら旋スキャンを実現するためには、Ｘ線管とＸ線検出器を支持したスキャナ回転盤を連続して回転させる必要があり、そのためにはスキャナ回転盤に搭載したＸ線管に連続して電力を供給するための手段が必要となる。この手段として、スリップリングとブラシから成る電力伝達機構が用いられ、前記スキャナ回転盤には少なくともＸ線管と共に該Ｘ線管に高電圧（以下、この電圧を管電圧と呼ぶことにする）を印加するための高電圧発生装置を搭載し、この高電圧発生装置に前記電力伝達機構を介して前記Ｘ線管から所要のＸ線を発生するための電力を供給する。
【０００５】
このように、高電圧発生装置は、スキャナ回転盤に搭載されて高速に回転されるために、その重量はできるだけ軽い方が望ましい。このため、Ｘ線高電圧装置には、前記高電圧発生装置の高電圧変圧器を小型、軽量化でき、かつ管電圧の脈動を小さくできるインバータ式Ｘ線高電圧装置が用いられている。
【０００６】
このインバータ式Ｘ線高電圧装置は、商用の交流電源をコンバータで直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータで前記商用電源周波数よりも高い周波数の交流電圧に変換して、この高周波の交流電圧を高電圧変圧器で昇圧し、この昇圧した交流高電圧を高電圧整流器で直流の高電圧に整流して、この直流高電圧をＸ線管に印加してＸ線を発生するように構成されている。そして、高電圧変圧器の小型化と管電圧波形の脈動低減のために、インバータの動作周波数は20kHz以上に高周波化されたものを用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとしている課題】
このようなら旋ＣＴは、スキャンを連続して行うために撮影時間が長くなり、さらに、近年においては、モーションアーチファクトがなく、心臓の診断も可能とするためにスキャン時間はますます高速化する傾向にあり、1スキャン時間が0.5秒以下のものが要望されるようになってきた。
【０００８】
したがって、1スキャン時間が0.5秒に対応するためには、上記スキャナ回転盤を0.5秒で1回転させなければならないので、それよりも低速の従来の装置に比べてスキャナ回転時間に反比例して単位時間当たりのＸ線量を多くしなければならない。
【０００９】
すなわち、粒状ノイズの少ない良好な断層画像を得るためには、Ｘ線管の陽極と陰極間に流す電流（以下、管電流と呼ぶ）をスキャナ回転速度に反比例して多く流し、十分なＸ線量を発生させて被検体にＸ線を放射する必要があり、管電流は従来のものよりも大きくなる。このために、スキャン時間の高速化による管電流の増大とら旋スキャンによる撮影時間の長時間化とにより、Ｘ線管には許容負荷の大きなものが必要となり、これに電力を供給するためのＸ線高電圧装置にも大出力のものが必要となってきた。具体的には、60kW以上を連続して1分以上出力できるＸ線発生装置が必要である。すなわち、大Ｘ線量、高負荷率のＸ線管と大出力、高負荷率のＸ線高電圧装置が必要である。特に、Ｘ線高電圧装置においては、従来の技術を用いて、単にＸ線高電圧装置を構成する各部の出力を上げるだけでは限界があり、冷却にも工夫を要する。この中でも、インバータの出力電圧を昇圧する高電圧変圧器及びこの高電圧変圧器の出力電圧を直流の高電圧に整流する高電圧整流器は、該高電圧整流器の出力電圧を平滑する平滑コンデンサやＸ線管の陰極であるフィラメントを加熱するための加熱変圧器と共に容器（以下、これを高電圧タンクと呼ぶ）の中に絶縁油で浸されているのみであるので、該絶縁油の温度上昇による絶縁耐電圧の低下を招き、上記高電圧タンクに収納されている電気部品が故障に至るということが懸念される。以下、この課題について詳しく説明する。
【００１０】
高電圧変圧器や高電圧整流器などが収納されている上記高電圧タンク内で発生する主な損失をその大きさの順番に列挙するとおよそ次の通りである。
(1) 高電圧変圧器の一次巻線及び二次巻線で生じる銅損
(2) 高電圧変圧器の磁心で生じる鉄損
(3) 高電圧整流器で生じる導通損失とスイッチング損失
(4) 加熱変圧器で生じる損失
(5) 配線及び、平滑コンデンサで生じる損失
高電圧変圧器は、上記(1)(2) の原因によって、例えば、短時間では数キロワットにも及ぶもっとも多くの損失が発生する。しかし，その構成材料としては、鉄系の磁心と、導線、絶縁物などであり、仮に周囲の絶縁油温度が100℃に上昇したとしても、焼きつきや耐圧不良を生じることはない。これは、加熱変圧器も同様である。
【００１１】
また、平滑コンデンサは、それ自体の損失は小さく、周囲絶縁油温度で例えば85℃程度であれば破損や、寿命短縮の心配はない。
【００１２】
ところが、高電圧整流器は、半導体素子、ここでは、ダイオードを多数直列接続して構成されたもので、ダイオードに流れる電流とこのときのダイオードの順方向の電圧降下との積によって、導通損失が生じ、また、高電圧変圧器から供給される高周波交流電力によって、高電圧整流器のダイオードにスイッチング損失が生じ、この両者の損失によって、ダイオードの接合部温度が周囲の絶縁油温度に対して、例えば50℃ほども上昇する。高周波動作が可能な高電圧ダイオードの許容接合部温度は、およそ130℃程度までであるので、高電圧整流器周辺の絶縁油温度は、130℃−50℃＝80℃ 以下である必要があり、これを越えるようなことがあると、高電圧整流器内部のダイオードの漏れ電流の増加、それにともなう熱暴走によって破損することが懸念される。
【００１３】
上記のようにＸ線ＣＴ装置が、従来にまして大Ｘ線量、高負荷率で使用されるようになるにつれて、このような問題が起きる可能性は高くなり、高電圧変圧器周辺の絶縁油温度が100℃を越えることも起き、この高温の絶縁油が隣接した高電圧整流器周辺に流れ込み、該高電圧整流器が破損することが懸念される。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、高電圧発生装置の構成部品を収納する高電圧タンク内の温度を許容温度以下にして、Ｘ線管から大きなＸ線量を高負荷率で放射するための電力を該Ｘ線管に供給することができるＸ線高電圧装置及びこのＸ線高電圧装置を用いて高機能、高画質、高スループットの撮影が可能なＸ線画像診断装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、以下の手段によって達成される。
（1）交流電源と、この交流電源に接続されこの電圧を昇圧する変圧器と、この変圧器に接続され昇圧された交流電圧を整流する整流器と、この整流器の出力電圧をＸ線管に供給するＸ線高電圧装置であって、少なくとも上記変圧器と整流器とを収納する容器（高電圧タンク）と、この容器に満たされた冷媒と、この冷媒を放熱、冷却する放熱冷却装置と、前記容器と放熱冷却装置との間を接続する配管と、この配管を通して容器と放熱冷却装置とに冷媒を搬送するポンプと、前記変圧器を内蔵し前記容器に内蔵される第1のダクトと、前記整流器を内蔵し前記容器に内蔵される第2のダクトを有し、前記第1のダクト内の冷媒が前記放熱冷却装置へ導かれるように、前記第1のダクトが前記配管と接続され、前記第2のダクト内の冷媒が前記放熱冷却装置から導かれるように、前記第2のダクトが前記配管と接続されるＸ線高電圧装置において、前記容器内の冷媒が前記第1のダクトへ吸い込まれ、前記第2のダクト内の冷媒が前記容器へ拡散するように、前記容器と前記第1のダクトと前記第2のダクトが接続されることを特徴とするＸ線高電圧装置。
（2）上記(1)のＸ線高電圧装置の出力直流高電圧をＸ線管に印加して該Ｘ線管から放射されるＸ線を被検体に照射して撮影することを特徴とするＸ線画像診断装置。
【００１６】
上記のように、Ｘ線高電圧装置の高電圧発生装置の構成部品を収納する高電圧タンク内の絶縁油をラジエータで冷却するようにしたので、前記高電圧タンク内の高電圧整流器や高電圧変圧器などを許容温度以下にして、Ｘ線管から大きなＸ線量を高負荷率で放射するための電力を該Ｘ線管に供給することができる。特に、損失が大きく、周囲の絶縁油の温度が上昇しやすい高電圧変圧器については、ラジエータで冷却した絶縁油をダクトによって該絶縁油の流線を制約する構造にすれば、前記絶縁油の流速が速くなり高電圧変圧器から絶縁油への熱伝達効率が良くなる。
【００１７】
さらに、高電圧変圧器周辺で熱せられた絶縁油をダクトでポンプを経由してラジエータへ直接導く構造とすることにより、高温の絶縁油が高電圧タンクの他の部品に熱的なダメージを与えないばかりか、ラジエータに流入する絶縁油の温度が上昇するために、ラジエータによる放熱効率が飛躍的に向上し、高電圧タンク内部の絶縁油の温度をより低くすることができる。このような高冷却構造の高電圧発生装置を備えたＸ線高電圧装置をＸ線画像診断装置に用いることにより、高機能、高画質、高スループットの撮影が可能なものとすることができ、特に、大きなＸ線量で長時間撮影が要求されるＸ線ＣＴ装置には有効である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図1は本発明によるＸ線高電圧装置及びこれをＸ線ＣＴ装置に用いた場合の該Ｘ線ＣＴ装置の全体構成図である。
【００１９】
図1において、101は交流電源、102aと102bは交流電源101に接続され前記交流電源101の交流電圧をスキャナの回転部108へ伝達するためのブラシ、111a，111bはブラシ102a，102bに接触しながらスキャナ回転部108とともに回転するスリップリング、104はスリップリング111a，111bに接続されてその交流電圧を直流に変換するコンバータ、103はコンバータ104に接続され該コンバータの出力電圧を平滑化するコンデンサ、105はコンデンサ103で平滑された直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ、106はインバータ105に接続されその出力電圧である高周波の交流電圧を昇圧する高電圧変圧器、107は高電圧変圧器106に接続され昇圧された交流の高電圧を直流に変換する整流器、109は高電圧整流器106の出力電圧を平滑化するための平滑コンデンサ、110は高電圧整流器に接続されその直流高電圧の印加によってＸ線を発生するＸ線管である。また、205は加熱インバータで、この出力交流電圧は加熱変圧器201に接続され、更に、加熱変圧器の二次側は、Ｘ線管110のカソード側のフィラメントに接続され、Ｘ線管110に流れる管電流を制御する。
【００２０】
ここでコンバータ104、平滑コンデンサ103、インバータ105、高電圧変圧器106、高電圧整流器107及び平滑コンデンサ109でＸ線高電圧装置100を構成し、また、高電圧変圧器106、高電圧整流器107、平滑コンデンサ109、加熱変圧器204は高電圧タンク204の内部に絶縁油（図示せず）に満たされた状態で実装されている。前記絶縁油は、後述のダクトを介してポンプ207で吸い上げられてラジエータ206に導かれ、ここで絶縁油を冷却して、この冷却された絶縁油は後述のダクトを介して高電圧タンク204内に送出する構成としている。Ｘ線管110から放射されたＸ線は、被検体118を透過したのち、Ｘ線検出部115を構成するＸ線検出器116で検出され、さらにアンプ117で増幅される。111cはスキャナの回転部108に搭載されたスリップリング、102cはスリップリング111cに接触しながら前記アンプ117から出力されるＸ線検出信号を伝達するブラシ、112はブラシから伝達されたＸ線検出信号から断層像を生成する画像処理装置、113は画像処理装置112に接続され生成された断層像を表示する画像表示装置である。上記Ｘ線高電圧装置100とＸ線管110を含むＸ線発生装置とＸ線検出部107はスキャナ回転部108に搭載され、このスキャナ回転部108と、図示省略の被検体109を載置する寝台と、前記画像処理装置112と画像表示装置110を含む図示省略の操作卓との3つのユニットでＸ線ＣＴ装置は構成される。なお、図1はＸ線高電圧装置全体とポンプ207及びラジエータ206をスキャナ回転部108に搭載した例であるが、本発明はこれに限定するものではなく、前記Ｘ線高電圧装置100のうち、少なくとも高電圧タンク204を搭載できれば、インバータ105と高電圧タンク204とを搭載する構成でも良い。また、ポンプ207及びラジエータ206はスキャナ回転部108に搭載しないで、スキャナ回転部108の外においても良い。この場合は、高電圧タンク204の内の絶縁油をポンプ207及びラジエータ206に送出、送入する手段が必要となるが、この手段は本発明の目的とは異なるので、ここでは省略する。
【００２１】
図2は本発明の要部である高電圧タンク204の内部の構造の第1の実施例である。
【００２２】
図2において、209はインバータ105からの交流出力電圧を高電圧タンク204内の高電圧変圧器106に接続するためのターミナル、202と203はそれぞれＸ線管110へ直流高電圧を供給するためのブッシングである。高電圧タンク204は、高電圧変圧器106、高電圧整流器107、平滑コンデンサ109、加熱変圧器201を内蔵し、絶縁油で満たされている。
【００２３】
208は、高電圧タンク204に内蔵され、高電圧変圧器106と高電圧整流器107を内蔵するダクトであって、これには高電圧タンク204全体と同じように、絶縁油が満たされている。207は、ダクト208に接続されその中の冷媒、すなわち、絶縁油を吸い上げるポンプ、206はポンプ207に接続され、前記ダクト208内の絶縁油の熱エネルギーを放出するためのラジエータで、これはダクト208に接続され、ラジエータ206で冷却された絶縁油をダクト208に送出して、前記冷却された絶縁油で高電圧変圧器106と高電圧整流器107を冷却する。図2に示したように高電圧タンク204を構成することにより、ラジエータ206で外気温近くまで冷却された絶縁油をダクト208で高電圧整流器107の周囲に循環させることによって、高電圧整流器107の周囲温度がほぼ外気温度付近に保たれ、高電圧変圧器周辺の高温の絶縁油が回り込むことがないので、高電圧整流器107内部のダイオードの接合部温度が異常に上昇し破損に至ることを確実に防ぐことができる。
【００２４】
また、もっとも損失が大きく、周囲の絶縁油の温度が上昇しやすい高電圧変圧器106については、ダクト208によって絶縁油の流線が制約されるので、流速が速くなり高電圧変圧器106から絶縁油205への熱伝達効率が良くなる。さらに、高電圧変圧器周辺で熱せられた絶縁油は、ダクト208に導かれ、ポンプ207を経由して、ラジエータ206へ直接導かれることになり、高温の絶縁油が高電圧タンク204の他の部品に熱的なダメージを与えないばかりか、ラジエータ206に流入する絶縁油の温度が上昇するために、ラジエータ206 による放熱効率が飛躍的に向上する。その結果、コンバータ104、インバータ105を大電流化しても高電圧タンク204内部の絶縁油205の温度を低く保つことができ、これによって大出力、高負荷率に対応するＸ線高電圧装置が可能となる。
【００２５】
図3は本発明の要部である高電圧タンク204の内部の構造の第2の実施例である。
【００２６】
図3の第2の実施例は、図2に示した第１の実施例のダクト208を208’と208”に分割したものである。図2の高電圧タンクでは、ラジエータによって冷却できる高電圧タンク内の部品は、高電圧整流器107と高電圧変圧器106のみであり、それ以外は，高電圧タンク204の外壁からの自然放熱しかなかった。
【００２７】
これに対して、図3に示す第2の実施例では、ダクト208”にガイドされて高電圧整流器107を冷却した絶縁油は、一旦、高電圧タンク204内部に拡散し、再び、ダクト208’に吸い込まれ、高電圧変圧器106を効率良く冷却したのちに、ポンプ207で吸い上げられ、ラジエータ206で放熱して冷却されて再びダクト208”に戻る。この場合は、平滑コンデンサ109や、加熱変圧器201で発生した熱も、ラジエータ206で効率良く放熱されることになり、高電圧タンク204全体が効率良く冷却されることになる。なお、高電圧変圧器以外での発熱が問題とならない場合には、高電圧整流器のダクトは必ずしも必要でない。
【００２８】
また、図2，図3に示した実施例は、ラジエータで冷却された絶縁油を循環させることによって、温度的に弱い高電圧整流器をまず冷却し、最後に、温度的に強靭で、発熱量の大きな高電圧変圧器を冷却して外部に導く順番を明確にしているものであって、ダクトはそのために冷媒である絶縁油の流路を形成するためのものである。
【００２９】
したがって、本発明は、ダクトの形状を制限するものではなく、外部の冷却装置、高電圧整流器周囲、高電圧変圧器周囲、外部冷却装置の順番さえ規定できればどのような形状であっても良い。また、同じ理由でラジエータとポンプの順番はどちらでも良いし、高電圧タンク内部にポンプが備えられていても良い。なお、上記実施例は、発熱量の大きい高電圧整流器と高電圧変圧器を効率よく冷却するために、ダクトで前記高電圧整流器と高電圧変圧器を取り囲むように構成したものであるが、高電圧整流器と高電圧変圧器だけを特別に冷却する必要がなく、単に高電圧タンク内を冷却するだけで十分である場合は、ポンプ207を用いて絶縁油を高電圧タンク204の外部のラジエータ206を経由して循環させ、このラジエータ206で冷却した絶縁油を再び高電圧タンク204に戻すようにしても良い。
【００３０】
さらに、ここでは放熱装置としてラジエータを用いたが、ヒートポンプ式の冷却器、別の媒体を用いた熱交換器、ペルチェ効果を利用した冷却器を併用しても良い。
【００３１】
上記のように、高電圧タンク内を冷却して大出力、高負荷率に対応するＸ線高電圧装置を構成し、このＸ線高電圧装置をＸ線ＣＴ装置に適用することにより、スキャンの高速化による心臓撮影などの高機能化、撮影時間の短縮によるスループットの向上、大Ｘ線量撮影による高画質化などにに寄与するＸ線ＣＴ装置を提供することができる。
【００３２】
以上は、本発明のＸ線高電圧装置をＸ線画像診断装置に適用する例として、Ｘ線ＣＴ装置に用いた場合について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、Ｘ線ＣＴ装置以外の大出力のＸ線高電圧装置を必要とする循環器Ｘ線診断装置やその他のＸ線画像診断装置に用いて有効なことは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、高電圧発生装置の構成部品を収納する高電圧タンク内の絶縁油をラジエータで冷却するようにしたので、前記高電圧タンク内の高電圧整流器や高電圧変圧器などを許容温度以下にして、Ｘ線管から大きなＸ線量を高負荷率で放射するための電力を該Ｘ線管に供給するためのＸ線高電圧装置を提供することができる。特に、損失が大きく、周囲の絶縁油の温度が上昇しやすい高電圧変圧器については、ラジエータで冷却した絶縁油をダクトによって該絶縁油の流線を制約する構造にすれば、前記絶縁油の流速が速くなり高電圧変圧器から絶縁油への熱伝達効率が良くなる。
【００３４】
さらに、高電圧変圧器周辺で熱せられた絶縁油をダクトでポンプを経由してラジエータへ直接導く構造とすることにより、高温の絶縁油が高電圧タンクの他の部品に熱的なダメージを与えないばかりか、ラジエータに流入する絶縁油の温度が上昇するために、ラジエータによる放熱効率が飛躍的に向上し、高電圧タンク内部の絶縁油の温度をより低くすることができる。このような高冷却構造の高電圧発生装置を備えたＸ線高電圧装置をＸ線画像診断装置に用いることにより、高機能、高画質、高スループットの撮影が可能なものとすることができ、特に、大きなＸ線量で長時間撮影が要求されるＸ線ＣＴ装置には有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＸ線高電圧装置及びこれをＸ線ＣＴ装置に用いた場合の該Ｘ線ＣＴ装置の全体構成図。
【図２】本発明の要部である高電圧タンクの内部の構造の第1の実施例。
【図３】本発明の要部である高電圧タンクの内部の構造の第2の実施例。
【符号の説明】
100…Ｘ線高電圧装置、101…交流電源、111a，111b，111c…スリップリング、102a，102b，102c…ブラシ、104…コンバータ、105…インバータ、106…高電圧変圧器、107…高電圧整流器、108…スキャナの回転部、109…平滑コンデンサ、110…Ｘ線管、112…画像処理装置、113…画像表示装置、115…Ｘ線検出部、116…Ｘ線検出器、117…アンプ、118…被検体、201…加熱変圧器、204…高電圧タンク、207…ポンプ、206…ラジエータ
【図１】
0004231648.tif 000002
【図２】
0004231648.tif 000003
【図３】
0004231648.tif 000004