JP2004357724A - X-ray ct apparatus, x-ray generating apparatus, and data collecting method of x-ray ct apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療診断分野で被検体(患者)の断層画像を得ることによって診断を行うX線CT装置(X線コンピュータ断層撮影装置)に係り、特に、拍動性、呼吸性の動きによる画像のブレを問題とするような診断、および撮影部位での造影剤の動的変化をとらえるような診断に必要となるダイナミック(動的)CT技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図40は、従来の典型的なRotate/Rotate型と呼ばれるX線CT装置の外観を示す図である。周知のとおり、X線CT装置は、X線管とそれに対向する検出器ユニットとが被検体の周りを1回転する間に繰り返し収集した透過X線強度データ(投影データ)に基づいて、断層画像データを再構成する。したがって、1枚の断層画像データの再構成に必要な投影データの収集時間(スキャン時間)は、X線管及び検出器ユニット等の回転速度によって決まる。しかし、X線管及び検出器ユニット等の重量構造体を高速回転するには、その遠心力に耐えうる剛性を持った大規模な構造物が必要とされ、また、モータ及び回転機構も大規模かつ複雑なものとなる。これらはいずれもCT装置の重量、サイズを増加し、さらにそれに伴って高価格のものとなるという課題があった。
【0003】
この課題を解決するために、X線管と検出器を固定した構造を持つ、いわゆるStationary/Stationary型と呼ばれるX線CT装置が考えられている。その1つのタイプが、図41に示されている。これは、ガントリー中心軸上に配置した1つの電子銃から出射された電子ビームの軌道を偏向電磁石によって回転させ、ガントリー円周上に周回配置した円環状ターゲットに集束、入射してX線ビームを発生させる。本タイプのX線CT装置は、電子ビーム軌道を安定に維持するのに複雑な電磁石制御が必要とされる。また電子ビーム電流量を増加してX線の発生量の増加を試みるときに、空間電荷効果と長い集束距離の影響により電子ビームの集束スポット径が拡大し、それによって解像度が低下する。さらに電子ビーム軌道をカバーするダクトの容量が大きく、このダクト内の真空度を維持することが必要であり、またダクト形状も複雑でメンテナンス性に問題がある。
【0004】
図42、図43は、Stationary/Stationary型を実現する他のタイプの構成を示している。このタイプでは、ガントリー円周上に複数のX線管を設置したもので、同様にX線検出器も周上に配置することによって回転機構を廃することを可能としたものである。同様のタイプのX線CT装置は、特開平10−295682号公報、特開2002−320610号公報、特開2002−343291号公報、米国特許第6,385,292B1号明細書に記載されている。
【0005】
このタイプにおける最も大きな問題は、X線管のサイズに起因する。周知のとおり、X線管は、陰極、フィラメント、陽極、陽極の回転機構をガラス管に収容する構造を備え、数十センチの幅を有する。そのため投影データのサンプリングピッチ(ビューピッチ)の拡大に応じて画像の解像度は低下する。1本づつ独立したX線管を使用せずに、熱陰極とグリッド部分だけを分離し、これを多数配列する方式も提案されているが、熱陰極型電子銃のサイズを考慮すると、必要とされる解像度を得るために求められるビューピッチを達成するだけの数を配置するにはガントリの直径を大きくしてX線源を設置する円周の直径を相当大きくすることが必要になり、これはX線の利用効率がX線管から検出器までの距離の2乗に反比例となるため必要なX線ビーム強度を得ることが困難となる。
【0006】
上述の従来例の説明で記述したように、高速スキャンを可能にするためにStationary/Stationary型の1つである電子ビーム偏向型CT装置では、陽極ターゲット上での電子ビーム集束径が大きく、それによって高解像度化が困難であること、さらに煩雑なメンテナンス性と高いコストなどが課題とされている。また、これに代わる方法として多数のX線源をガントリー円周上に配置する方式では、X線源、または電子銃のサイズによる制約からスキャン角度が大きくせざるを得なくなり良好なCT解像度を得ることが困難となるという課題が予想される。
【0007】
【特許文献1】
特開平10−295682号公報
【0008】
【特許文献2】
特開2002−320610号公報
【0009】
【特許文献3】
特開2002−343291号公報
【0010】
【特許文献4】
米国特許第6,385,292B1号明細書
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、装置規模が小さく、低価格で、メンテナンス性に優れ、高い解像度を有するX線CT装置、X線発生装置及びX線CT装置のデータ収集方法を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、撮影領域内の被検体に向かってX線を発生するX線発生部と、前記被検体を透過したX線を検出するX線検出部と、前記X線検出部の出力に基づいて画像データを再構成する画像再構成部とを有するX線CT装置において、前記X線発生部は、前記撮影領域の周囲に円環状に配列された複数の陰極と、前記陰極に対向する円環形状を有する陽極と、前記陽極の表層に円環状に配列された複数のターゲットと、前記陰極各々の表面に形成された複数の電子放出部と、前記複数の陰極から所定距離隔てて円環状に配列された複数のゲート電極と、前記陰極と前記陽極と前記ゲート電極とを収容する密閉容器とを有する。
【0013】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の実施形態の概要について簡単に説明する。本発明の実施形態では、高電界のもとで電子を放出する炭素系構造体としての電子放出部を有する複数の微小な電子エミッタを、被検体が収容される通常、円柱形状の撮影領域の周囲に円環状に配列し、またそれに円環形状を有する陽極を対向させることで、装置規模が小さく、低価格で、メンテナンス性に優れ、高い解像度を有するR/R型のX線CT装置の提供を実現する。
【0014】
電子エミッタの絶縁距離は、陰極との間に電界を形成して電子放出部からの電子放出を制御するためのゲート電極に加える電圧の維持に十分な値をとることが必要であるが、このゲート電極に印加する電圧が1kV以下であれば、絶縁距離は1mm以下に設定するこことが可能である。電子エミッタでは複数の電子放出孔を持つゲート電極と陰極との間を均一に且つできるだけ接近させることが、ゲート電極に印加する電圧を低く抑えて、電子エミッタを陰極上に高密度に配列するためには重要である。そのためゲート電極と陰極との間に絶縁層を介在させる。
【0015】
また、本実施形態では、集束電極を設け、陰極表面を凹形状化する等の工夫により、電子エミッタから陽極面上に対する電子ビームの集束性を向上させて、電子エミッタの面積を拡大して得られる電子ビーム電流量の裕度の増加及び焦点サイズの縮小に伴う解像度の向上を実現する。同様に、同一のターゲットに対して一対の電子エミッタを対応付け、一対の電子エミッタを撮影領域中心線(Z軸)に沿って並列するとともにそれぞれ向きをターゲットに集中させることによって、1つ当たりの電子エミッタに与えられるスペースを効果的に広げることができ、それによって電子エミッタの面積を広げ、電子ビーム電流の上限値を増加することが可能となる。
【0016】
また、本実施形態では、電子エミッタと陽極を撮影領域の半径方向に沿って並べてもよいし、電子エミッタと陽極を撮影領域中心線と平行な向きに並べても良い。前者の場合、ターゲットで発生したX線のうち陽極を透過した成分が被検体に照射される。後者の場合、前者の透過型陽極に比べて大きな熱容量を持った陽極を備えることができるため、より大きな電子ビーム電流量を必要とする場合に有効となる。なお、後者場合では、X線ビーム形状を整形するためのコリメータがX線発生ポイントより離れてしまう。しかし、所定のファン角をとるためには、コリメータのサイズを大きくすることが必要となり、必然的にスペース内に収まらなくなる。これを避けるためにはコリメータをX線発生ポイント、すなわち陽極上の電子ビーム集束スポット(X線焦点)に近づけた構成とすることが必要となる。そのため、陽極にその構造を工夫してコリメータ機能を持たることによって、所定のスペース内で十分なファン角を持ったX線ビームの発生が可能となる。
【0017】
本実施形態では、複数の電子エミッタを陽極とともに円環形状の密閉容器(真空容器)内で配列してもよいし、単一の電子エミッタと単一の陽極とを微小な密閉容器に収容させて微小なX線管を構成し、複数の微小なX線管を円環状に配列するようにしても良い。後者の場合、X線管は構造が非常に簡単であるため低コスト化できる可能性があり、寿命に達した管を交換や保守・補修を簡便化することが可能となる。なお、微小なX線管としては、透過型、反射方のいずれを採用しても良い。後者の場合では、上述したように、陽極の熱容量が増加でき、大きな電子ビーム電流の入射による熱負荷に対しても陽極の耐久性を保証することが可能となる。
【0018】
なお、微小なX線管を円環状に配列する場合、複数の電子エミッタを円環形状の密閉容器内で配列するよりも、X線焦点の間隔が多少とはいえ拡大するので、解像度を確保することが困難となる。これは、X線管配列を微小角度範囲で揺動させることで、解決可能である。X線管配列を微小角度範囲で揺動させるので、スリップリングを用いて高電圧の供給を行う必要は無く、ハードワイヤで高電圧供給が可能となる。
【0019】
透過型の場合、X透過率が高く、熱伝導性に優れた金属ベースに、電子ビームが侵入できる程度のごく表層部分にX線の発生効率の高い属の薄い膜をコーテイング、含侵、またははさみ込んだ構造の陽極を備え、その陽極にX線透過窓と、真空隔壁と、さらに放出されたX線ビームの空間強度分布を補正するフィルタの機能とを持たせる。この場合、所定のビーム形状への整形が容易で、良好な空間強度分布を持ったX線ビームが得られること、さらに陽極に放出される熱の除去が容易であるなどの利点を得ることができる。
【0020】
上記電子放出部は電界内で電子を放出する。この電子放出のための電界は、陰極から電子放出部を挟んで配置したゲート電極で生成する。ゲート電極への電圧印加により、電子放出を制御することができる。電子放出部から放出された電子は、陰極陽極間電圧により陽極のターゲットに衝突して、X線を放出する。本実施形態では特に、電子エミッタ内の陰極とゲート電極間の電界に比較して、陽極と電子エミッタ間の電界が低くなるように各部に印加する電圧を調整する。このような電圧調整をしないのであれば、電子エミッタを動作させない状態においてもゲート電極の表面からの電界放出電子があれば、これが陽極に入射して発生するX線がノイズとなってデータの精度を低下することが懸念される。上述のようにゲート電極表面からの電界放出電子電流量が無視できる程度になるように設定し、ゲート電極と陰極間に加えられる電界に比べて十分低い値とすることにより、ゲート電極に駆動電圧を加えないときの暗電流を抑え、また、異常放電を防止することが可能となる。同様の効果は、電子エミッタのゲート電極に負バイアスを印加することによっても奏することができる。
【0021】
また、本実施形態では、電子エミッタ内のゲート電極に流れ込む電子電流量を検知して、それが一定量になるようにゲート電極に印加する電圧パルスの大きさをフィードバック制御する機能をゲートパルス発生ユニットに持たせる。本実施形態では、多くの電子エミッタ及びターゲットを配列するので、その性能のバラツキにより、X線強度が不均一になる傾向がある。これはCT画像におけるノイズ発生の要因となる。上記ゲート電極に流れ込む電子電流量に基づいてゲート電圧をフィードバック制御することにより、各電子エミッタの出力(電子ビーム電流量)を一定に保つことができ、このノイズの発生を抑制することが可能となる。この効果は、ゲート電圧のフィードバック制御に代えて、各電子エミッタが駆動されたときのゲート電極に流れ込む電子電流値に基づいて当該電子エミッタの駆動により発生したX線に由来する投影データを補正することによっても奏することができる。
【0022】
本実施形態では、円環状に配列した電子エミッタ及び円環形状の陽極とともに、複数の検出素子を円環状に配列して固定する。電子エミッタを順番に駆動することで多方向の投影データを高速に収集することを実現する。電子エミッタの駆動手順に同期して、円環状に配列された複数の検出素子の前面に回転可能に支持された散乱除去用コリメータを回転させる。被検体(患者)内での散乱X線成分は、透過データにノイズを乗せ、CT画像の画質を低下させる要因となる。そのため、検出器の前面にX線発生点を見込むようなスリット構成のコリメータを設置することによってこの散乱成分を有効に除去することが可能となる。
【0023】
本実施形態では、円環状に配列した電子エミッタ及び円環形状の陽極からなるX線発生ユニットを、被検体の体軸に略一致する撮影領域中心軸に沿って移動する機構を備える。被検体を載置した天板を固定し、その代わりにX線発生ユニットを体軸方向に移動することにより、被検体を載置した天板を高速で前後移動した場合の被検体の揺れに起因するCT画像の体動アーチファクトを軽減することができる。
【0024】
本実施形態では、円環状に配列した電子エミッタ及び円環形状の陽極からなるX線発生ユニットは、1系統装備してもよいし、2系統又はそれ以上装備してもよい。複数系統のX線発生ユニットは、被検体の体軸に略一致する撮影領域中心軸に沿って並設される。これにより、さらに被検体体軸方向に長い領域にわたって高い解像度を保証しながら高速にスキャンを完了することが可能となる。
【0025】
上述の通り、電子放出部は電界内で電子を放出する。この電子放出のための電界は、陰極から電子放出部を挟んで配置したゲート電極で生成する。ゲート電極に電圧パルスを印加したとき、電子が放出され、X線が発生される。ゲート電極に電圧パルスを印加しないとき、X線は発生しない。円環状に配列されたゲート電極にその配列順に従って順番に電圧パルスを印加していく。電圧パルスの継続時間τを、ゲート電極の数をN、スキャン時間をTとしたとき、T/Nよりも短く設定することにより、隣り合うゲート電極間での電圧パルスの時間的重複を回避することができる。結果的に、密接に配置した電子エミッタを順次駆動してX線を発生させる場合であっても、隣合う電子エミッタによってトリガされるX線ビームが時間的にオーバラップして照射されることによるデータ混信を避けることが可能となる。
【0026】
また、円環状に配列された複数の電子エミッタ(ゲート電極)を奇数(M)、例えば3つのセグメントに等分し、各セグメント内ではゲート電極にその配列順に従って順番に電圧パルスを印加していくのであるが、第1のセグメント内のあるゲート電極に電圧パルスを印加し、それに続いて今度は第2のセグメント内のゲート電極に電圧パルスを印加し、さらに第3のセグメント内のゲート電極に電圧パルスを印加し、このように電圧パルスを印加するごとに、隣のセグメントに電圧パルスの印加対象を移動していくことにより、電圧パルスの印加周期を延長しなくても、隣合う電子エミッタ18間での電圧パルスの間隙を拡大して、上記オーバラップの回避の信頼性を向上することができる。
【0027】
また、所定角度、例えば120°ずつずれた関係にある3つのゲート電極に同時に電圧パルスを印加することで、360°分のデータ収集に要する時間、つまりスキャン時間を数分の一、例えば1/3に縮小することが可能となる。なお、同時駆動では、相互に散乱線の影響を受ける。しかし、照射方向をずらしたことで、この影響を軽減することができる。
【0028】
以下に、図面を参照して本発明の実施形態に係るX線CT装置を詳細に説明する。図1は、本実施形態に係るX線CT装置の全体構成を示している。図2は、図1のガントリの正面図である。このX線CT装置は、略円柱形状を有する撮影領域IR内の被検体5に関する多方向の投影データを収集するためのガントリ4を有する。データ収集に際しては、被検体5は、寝台6aの天板6上に載置され、天板駆動機構7により駆動された天板6の体軸方向に沿った移動に伴ってガントリ4の撮影領域IR内に挿入される。ガントリ4内又はその近傍には、ガントリ4のX線発生ユニット1に印加するための高電圧を発生する高圧電源8、X線発生ユニット1の後述するゲート電極に印加するための電圧パルスの発生を促すゲートパルスを発生するためのゲートパルス発生ユニット9、X線発生ユニット1内の陽極を冷却するための冷却ユニット10が配置される。また、コンソールには、ガントリ4内の検出器ユニット3を制御し、そこからのデータ(生データ)を収集するとともに生データを、チャンネル間の感度不均一補正等の前処理を通して投影データに変換するためのデータ収集ユニット11が設けられる。またコンソールには、360°又は(180+ファン角)分の投影データのセットに基づいて画像データを再構成するための画像再構成ユニット12と、画像表示のためのモニタ13と、画像データ保存ユニット14が装備されている。
【0029】
ガントリ4の内部には、撮影領域を取り囲むように円環形状を有するX線発生ユニット1が固定されている。X線発生ユニット1は、被検体5に対して多方向からX線34を照射することを可能とするために、円周方向に沿って分割された複数のX線発生要素1aを有する。X線発生要素1aは、X線の発生及び停止を独立して制御することのできる構成単位として定義される。
【0030】
図3に示すように、X線発生ユニット1は、中心線CLを中心とした円環形状を有する陽極17を有する。陽極17に対して所定の距離を隔てて対向するように複数の陰極19が陽極17と同心の円環状に配列される。陽極17と陰極19との間には複数のゲート電極38が、陽極17と同心の円環状に配列される。陰極19とゲート電極38との間は所定距離隔てられる。陰極19とゲート電極38との間には、電界内で電子を放出する特性を有する複数の電子放出部36が、陽極17と同心の円環状に配列される。実際には、各陰極19の表面に、複数の電子放出部36が離散的に形成される。
【0031】
ゲート電極38に電圧パルスが印加されると、ゲート電極38と陰極19との間に電界が形成される。この電界により、電子放出部36から電子が放出される。放出された電子は、ゲート電極38に形成された多数の孔を通過して、陽極17に向かって飛翔し、陽極17の表面に形成されたターゲットに衝突する。衝突はX線を発生させる。発生したX線のうちターゲットを透過するX線成分が被検体に照射される。
【0032】
単一のX線発生要素1aは、単一のゲート電極38とそれに関連する構成要素から構成され、つまり単一の陰極19、陰極19上の電子放出部36、単一のゲート電極38、単一のターゲット、及び単一のターゲットに対応する陽極17の一部分から構成されると定義される。また、単一の電子エミッタ18は、単一の陰極19、陰極19上の電子放出部36、単一のゲート電極38から構成されると定義される。単一のX線発生要素1aを構成する陽極17の一部分、単一のターゲット、単一のゲート電極38、陰極19上の電子放出部36、単一の陰極19は、円環中心から外側に向かってその半径方向に沿って順番に配列される。換言すると電子エミッタ18は、陽極17の外周に配列される。
【0033】
図4は、本実施形態の典型的なX線発生ユニット1の横断面図であり、図5はその縦断面図である。図6、図7は電子エミッタ18の構成を示している。ゲート電極38と陰極19との間に所定の距離を確保するためにゲート電極38と陰極19との間に、数μmの厚さを有する絶縁層37が介在される。ゲート電極38には、電子放出部36からの電子を放出するために多数の孔(開口)39が形成されている。このゲート電極38の電子放出孔39に対応して所定数の縦孔が絶縁層37に形成されている。絶縁層37の縦孔の底部を構成する陰極19の表面に電子放出部36が設けられる。電子放出部36で発生した電子ビーム33は絶縁層37の縦孔を通過してゲート電極38の電子放出孔39から放出され、ターゲット16に衝突する。それによりターゲット16でX線が発生する。
【0034】
実際には、絶縁送37の表面にゲート電極38となる金属がコーティングされる。この構造を採ることによって電子放出部36が形成された陰極19とゲート電極38との間の距離は、数μm〜数10μmの範囲から選択された所定の距離に均一に保つことが可能となる。陰極19とゲート電極38との間の距離を上記短い距離に設定することにより、数10〜100V程度の低い電圧を陰極19とゲート電極38との間に印加することによって電子放出部36から電子を放出させることができる。
【0035】
陽極17は、台形断面を有する一対の円環部17−1,17−2から構成される。円環部17−1,17−2は、導電性とX線遮蔽性とを兼ね備えた材料で構成される。円環部17−1,17−2は、所定距離を隔てて、撮影領域の中心線(Z軸)に沿って並設されることにより、陽極機能とともに、体軸方向(Z軸方向)に関してX線34の放射角αを制限するためのコリメータ27としての機能を兼用する。円環部17−1,17−2にはターゲット16が渡されている。電子衝突によりターゲット16で発生したX線のうちターゲット16を透過するX線成分がコリメータ27を介して放出される。陽極17の円環部17−1,17−2には、冷却液を循環するための冷却ジャケット15が形成されている。
【0036】
陰極19、電子放出部36、ゲート電極38、ターゲット16及び陽極17は、円環形状を有する単一の絶縁容器(密閉容器)21に収容される。絶縁容器21は、複数の容器部分から構成されるものであってもよい。陽極17及びターゲット16は、絶縁容器21の一部を構成する。絶縁容器21の内部ガスは排気ポート32から強制排気される。それにより絶縁容器21の内部に真空室20が形成される。絶縁容器21は、円環形状を有する絶縁液又は絶縁ガスの封入容器26に収容される。封入容器26には、絶縁容器21とともに、安定化抵抗24aとパルス増幅回路24bとからなる回路ボックス24が収容される。
【0037】
回路ボックス24は、絶縁性支持体30により封入容器26内部に支持される。安定化抵抗24aは、高圧ケーブル23によって供給される高電圧を安定化して陰極19に供給する。高圧ケーブル23は、高圧ケーブルブッシング端子29により封入容器26の内部に導入される。パルス増幅回路24は、光ファイバーケーブル22を経由して送られてきたパルス状のゲート信号(ゲートパルス)を増幅してゲート電極38に電圧パルスを供給する。電圧パルスがゲート電極38に供給される期間、陰極19とゲート電極38との間に電界が形成され、それにより電子放出部36からの電子の放出が促進される。この電子は陽極17のターゲット16に衝突してX線を発生させる。
【0038】
封入容器26は、円環形状のX線遮蔽容器28に収容される。X線遮蔽容器28の内壁表面にはX線検出器ユニット3が取り付けられる。X線検出器ユニット3は、円環に沿って配列される複数のチャンネルを有する。1つのチャンネルは、信号線が連結された一対を構成するX線検出素子3aとX線検出素子3bとからなる。X線検出素子3aとX線検出素子3bとは、コリメータ27からのX線ビーム33の経路幅以上の間隙を隔てて撮影領域中心線(Z軸)に沿って並設される。コリメータ27から放出するX線は、一対を構成するX線検出素子3aとX線検出素子3bとの間隙を通過して被検体に照射される。被検体を透過したX線は、その反対側にあるX線検出素子3aとX線検出素子3bで検出される。このようにX線はX線検出素子3aとX線検出素子3bとの間隙から放出されることにより、X線中心軸がZ軸に対して直交するというデータ収集にとって好適な幾何学的関係を実現することができる。
【0039】
このような構成を採ったX線発生ユニット1において、10−7Pa以下の真空度に保たれた真空室210に設置された陰極に約100kVの高電圧を印加し、電子エミッタ18のゲート電極38に電圧パルスを印加することによって、周回配置された電子エミッタ18のうち電圧パルスを供給された特定の電子エミッタ18のみから電子ビーム33を発生させることができる。この電子ビーム33は、陽極17上の対応するターゲット16に衝突してX線を放出する。ここで電子ビーム33のエネルギーのほとんどはターゲット16で熱に変換される。陽極17の熱は、冷却ジャケット15によって放出される。それによりターゲット16の溶融が抑制され得る。電子ビーム33が衝突するターゲット16のスポットから放射状にX線が放出されるが、そのX線を、ターゲット1の近傍に設置することによって小型化を実現したコリメータ27により既定のファン角θに制限することができる。
【0040】
このとき、既定のX線放射量を得るために必要となる電子電流量から、電子エミッタ18に対する放出電子量の要求値が決まるが、一般に数10〜100mA/cm2と言われる高い電子放出能を有する炭素系構造体などを電子放出部36として利用することにより、非常に小型のX線発生要素1aが提供され得る。
【0041】
上述のように電子放出性能の高い炭素系材料から電子放出部36を形成した場合には、十分な電子電流密度を得るための電界強度として、略5kV/mm以下が必要とされている。上記のように陰極19とゲート電極38とを接近させることにより、ゲート電極38に印加する電圧を低く抑えることができ、それにより隣り合う電子エミッタ18間の絶縁距離を短縮して高密度で配列することができる。また、電子放出部36を電子放出性能の高い炭素系構造体で構成したことにより、個々の電子エミッタ18に割り当てられた微小な有効面積であっても、必要とされる電子ビーム電流量(管電流)を実現することが可能となる。
【0042】
上記のようなゲート電極38で電子放出を制御する3端子構造を採用したことによって、全ての電子エミッタ18の陰極19に同じDC高電圧を継続的に印加しながら、任意の電子エミッタ18からのみ電子を放出することができる。これにより各電子エミッタ18は、このゲート電圧(おおむね数10V〜1kV)程度の耐電圧を保てばよいことになり、電子エミッタ18を近接、密集配置することが可能となる。
【0043】
一例として、電子エミッタ18を80cmの直径で円環状に周回配置した場合を考えると、周長は251cmで、ここに29(=512)個の電子エミッタ18を配列すると、電子エミッタ18の円周方向の配列ピッチは約5mmとなる。隣り合う電子エミッタ18間の絶縁を考慮すると、電子エミッタ18の陰極17、ゲート電極38は2mm程度の幅に制限される。体軸方向Zに関してサイズ制限は緩やかであるので、電子エミッタ18の陰極17、ゲート電極38を体軸方向Zに約10mmの長さで設計する。これにより各電子エミッタ18の陰極17、ゲート電極38を、20mm2の面積で構成することができる。一般に、50mA/cm2以上の電子平均電流密度が得られる炭素系構造体を電子放出材としとて使用すると、一の電子エミッタ18当たりの放出電子電流は、10mAとなり、全電子エミッタ18では、10mA×512=12Aの平均電子ビーム電流が得られる計算となり、これは電子駆動型CTとして要求される電流値(おおむね1A)を十分満足できるものとなる。
【0044】
また、1周当たりに配置できる電子エミッタ18の数を増加させることは、1周スキャン当たりのデータ点数(ビュー数)を増加させ、CT画像の解像度を向上させる。したがって、高密度配列を可能とするためには、高い電子放出能と低電圧駆動のゲート機能を備えた電子エミッタ18の適用が必要不可欠となり、他の方式、構造によって同等の仕様を満足することはできないものである。
【0045】
さらに、より高い電子放出能が得られるよう工夫された同様の電子放出部を用いた場合、またはゲート駆動電圧を小さくできるように工夫された構造を持つ電子エミッタ18を採用することによって同様の平均電子ビーム電流量を得るために必要となる電子エミッタ18面積を縮小することが可能となり、これは周回配置するX線発生要素1aの数を増加させ、さらに精度の高いスキャンを保証することが可能となる。
【0046】
図3に示したように、X線発生ユニット1内の電子エミッタ18を順次駆動する、つまりゲート電極36に順番に電圧パルスを印加することによって、機械的な回転機構を用いずに、X線発生ユニット1を固定した状態でX線ビームを電子的に移動することができる。X線ビームの電子的な移動は、機械的な回転機構によるものと比較して、大幅なスキャン時間の短縮を実現することができる。つまり、スキャン時間は、電子エミッタ18の周回駆動時間に依存して決まり、これは従来の機械的駆動方式のような制約が排除されているため、スキャン時間の短縮に反比例してX線発生量を増加させることによって決まってくる。従来の機械駆動式と同じ感度のX線検出ユニット3を適用し、上述の電子ビーム電流量が確保できれば、スキャン時間は従来方式の限界値(3〜5sec)の1/10以下に短縮することが可能になる。これに加えて、体軸方向の検出幅を増加させ、さらに検出器データ収集ユニット11の高速化、画像再構成ユニット12の高速化、大容量化をはかることによって3次元CT画像を時間分解で撮影することも可能となる。
【0047】
図8、図9には、上記陰極19の変形例を示している。電子エミッタ18の幅は周回方向の密度の制約を受けるが、体軸方向Zの長さに関してはこの制約が無いため、体軸方向Zに長い長方形形状を採用することができる。その一方で、電子エミッタ18から放出された電子が、陽極17のターゲット16上でより小さなスポットサイズに集束されることが要求されている。このスポットサイズによってX線源の焦点サイズが決定され、画質の観点から、CT装置ではこのX線焦点サイズとして1mmφ程度が得られることが一般的に要求されている。
【0048】
そのため図8に示すようにターゲット16から見て陰極19の表面を凹状に曲面化することにより、電子ビーム33を集束方向に向かう方向に電界を成形することができる。それによりスポットサイズを小径化することが可能となる。
【0049】
陽極17上のターゲット16で要求される電子ビーム33のスポットサイズ、すなわちX線焦点サイズよりも大きな面積の電子エミッタ18を使用することが可能であり、特に体軸方向に長いサイズの電子エミッタ18を適用して放出電子ビーム電流量を大きくすることが可能となる。所定の電子エミッタ18の密度を確保しながら、大きな放出電子ビーム電流量を得ることができ、X線ビーム放出性能の裕度の高いX線CT装置を提供することが可能となる。
【0050】
図10には、上記X線発生ユニット1の詳細断面構造を示している。真空室20を形成する絶縁容器21は、円環状の全体形状を有しているが、その側壁を個別に着脱可能な扇形状を有する複数のアクセスパネル(扉)35で構成する。密閉一体化構造では、電子エミッタ18および陽極17のターゲット16の交換、補修は困難であり、これらの素子に寿命がきた場合は、この円環状X線発生ユニット1の全体を交換することが必要とされる。しかし、アクセスパネル35の採用は、これらの寿命が尽きた又は故障発生した電子エミッタ18だけを交換、補修することが可能となる。このような構造では、寿命に関わる損耗を考慮するべき電子エミッタ18と、陽極17のターゲット16を交換、補修するために、X線発生ユニット1の容器21の側壁を真空隔壁の機能も備えたアクセスパネル35で構成したものとする。この構造を採用することにより、アクセスパネル35を側面方向から開放して補修交換の必要な電子エミッタ18および陽極17のターゲット16だけを取り外し、補修し、又は交換することが可能となる。なお、補修が完了した後、アクセスパネル35を閉じ、真空ポンプを駆動させて、真空室20内を元の真空度に復帰させれば、ユニット1の再使用が可能となる。
【0051】
図8、図9を参照して説明した通り、電子エミッタ18から放出された電子ビーム33の集束は、X線焦点の小型化及びそれに伴う画質向上の促進に寄与する。図8の陰極19の凹面化の変わりに、又は併用して、図11に示すように、絶縁容器21内であって、電子エミッタ18と陽極17のターゲット1との間に、加速電極40とともに集束電極41を設置するようにしてもよい。この構成により電子エミッタ18から放出された電子ビーム33は、加速電極40によって加速され、その後、集束電極41により減速、再加速されることによって、集束化が促進され得る。この構成は、一般的な電子ビームの集束機構を利用したものであるが、陰極の形状を変えて表面の電界形状を制御するりも効果的、かつ確実に電子ビームを集束させることが可能となる。したがって、より小さなスポットに電子ビームを集束させて小さなX線焦点をつくり、さらなる高画質化を実現することができる。
【0052】
電子ビーム33の集束性は、図12,図13,図14に示すように、単一のターゲット16に対して、一対の電子エミッタ18を対応させることによっても向上させることができる。また、電子エミッタ18から電子を限界近くまで放出させると電子エミッタ18内の電子放出部36の寿命を短縮する要因となるため、できだけ裕度を持たせることがその寿命を長くするために有効となる。寿命延長には、単一のターゲット16に対して、一対の電子エミッタ18を対応させて面積を実質的に増加することが効果的である。また、電子エミッタ18の周回密度の低下を防止するために、一対の電子エミッタ18を体軸方向Zに沿って並設するとともに、同一のターゲット16に照準するようにそれぞれ異なる角度で設置する。換言すると、電子エミッタ18の円環配列を体軸方向Zに関して2列化する。
【0053】
一対の電子エミッタ18を、体軸方向Zに関して陽極17の前後に分離配置し、それぞれの電子エミッタ18から同時に陽極17上のターゲット16に電子ビーム33を出射する。これによって、電子エミッタ18に与えることのできるスペースを、これまでの1例に配置した方式に比べて倍増することができ、電子放出能力に裕度を与えことが可能となる。
【0054】
上述では、電子エミッタ18はその電子ビームが半径方向に沿って放出されるように配置されていた。しかし、図15に示すように、電子エミッタ18はその電子ビームがZ軸方向に沿って放出されるように配置してもよい。この場合、ターゲット16はその表面が電子ビームの中心軸、つまりZ軸に対して傾斜する向きで配置される。実際には、陽極17はその表面がZ軸に対して傾斜する向きで配置され、ターゲット16は、傾斜された陽極17の表面に形成される。
【0055】
電子エミッタ18から放出された電子ビームによってターゲット16で発生されるX線のうちターゲット16で陽極表面方向(反射方向)に反射するX線成分が、陽極17とは別体で設けられるコリメータ27で成形され、X線放出窓42から放出され、被検体に照射される。
【0056】
図15のように、電子エミッタ18、陽極17をZ軸方向に沿って配列することは、図4の透過型の場合のようにターゲット16を透過するX線の減衰量を減らすという設計上の制約から開放される。それにより厚みの大きな陽極17を採用して、陽極17の熱容量を増大させることができる。これは、電子ビーム電流量を増加する場合、または電子ビームの集束スポットを小さくしてX線焦点を縮小させようとした場合に、ターゲット表面の温度上昇による劣化が問題となることが予想されるが、そのような場合に有効である。また、ターゲット16のZ軸に対する傾斜角を小さく設計することによって電子ビーム33が入射するターゲット面を線状に長くして照射面積を増加させることが可能となる。これにより、照射時間に対する裕度が増加することなり、ターゲット16の寿命の観点からも図4の透過型に比べて有利となる。
【0057】
図15に示した反射式のX線発生ユニット1では、陽極17の熱容量増加という長所を有するものであるが、その構成上、陽極17に、X線のファン角を制限するコリメータを兼用させることはできない。そのため、ファン角を制限するコリメータは陽極17とは別にX線発生要素1aごとに必要とされる。X線発生要素1aを密接に配列した構成では、X線ビームのファン角を想定角に制限するためのコリメータの幅が制約される。つまり、円周方向の幅が小さなコリメータが必要とされる。幅の小さなコリメータで必要なファン角を確保するためには、ターゲット16上のX線焦点とファン角制限用コリメータとの距離を短縮する必要がある。
【0058】
そのため、図16に示すように、絶縁容器21の内部に、ファン角制限用のコリメータ27aを配置する。実際には、陽極17の先端部にX線ビームのファン角を決めるコリメータ27aを直接取り付ける。このコリメータ27aには、熱負荷の大きな陽極に取りつけられるため、その蒸発を抑制するために高融点で蒸気圧特性に優れ、また高いX線遮蔽能を持つことを基準に、タングステン、およびその合金、または相当の金属が選定される。
【0059】
ターゲット16の表面から放出されるX線は、この陽極17に取り付けられたコリメータ27aによってファン角を制限され、さらに絶縁容器21の外に設置された円環形状のコリメータ27bによって体軸方向Zの広がり角を制限される。このようにコリメータ27aを絶縁容器21内に収容した反射式のX線発生要素1aでは、大きな熱容量とともに、X線発生要素1aの高密度配列を実現できる。
【0060】
上述では、円環形状の絶縁容器(真空容器)21内に複数のX線発生要素1aを円環状に配列する構造を説明した。図17、図18に示すように、X線発生要素1aごとに絶縁容器21aで個別の真空室を設けるようにしてもよい。おおむね10−7Paに真空確保された微小径の絶縁容器21aに、個別陽極17、ターゲット16、電子エミッタ18を収容することにより、微小径のX線管を構成する。複数の微小径のX線管を、円環形状を有するX線管支持体49に円環状に配列することによりX線発生ユニット1が構成される。絶縁容器21aは、円、楕円又は長方形の断面を有する。楕円又は長方形の断面を有する絶縁容器21aの採用は、図8,図13に示した体軸方向Zに長い長方形の電子エミッタ18の利用を可能とする。
【0061】
このような複数の微小径のX線管を円環状に配列した構成の採用は、寿命又は故障が生じたX線管をX線管単位で交換することを可能にする。X線管単位での交換は、陰極17、ターゲット16等を個別に交換するよりも、交換作業工数を減少して、復帰時間を短縮することができる。
【0062】
なお、図19,図20に示すように、複数の微小径のX線管に反射式を採用しても良い。これにより、陽極の熱容量が増加でき、大きな電子ビーム電流の入射による熱負荷に対しても陽極の耐久性を保証することが可能となる。
【0063】
図17,図19に示したように、複数の微小径のX線管を円環状に配列する場合、円環形状の絶縁容器21の内部にX線発生要素1aを配列するよりも、密度は低くなる。複数の微小径のX線管の配列密度より高い密度のビューポイントで投影データを収集するために、図21,図22に示すように、微小径X線管からなるX線発生ユニット1とX線検出器ユニット3とを、円環形状を有する単一の支持体50上に設置する。支持体50をZ軸回りに回転自在に支持し、回転駆動機51を用いて微小回転角度範囲Δθで往復移動する。つまり、微小な振幅Δθで、X線発生ユニット1とX線検出器ユニット3とを揺動させ、その間にX線発生と透過X線の検出とを繰り返すことにより、高い密度で投影データを収集することを実現する。この場合、連続回転ではないのでスリップリングは必要なく、図23に示すように、X線管への高圧ケーブル23をハードワイヤによって構成することが可能である。同様に、電子エミッタ18のゲートパルス供給の光ファイバ22、X線検出器ユニット3からの信号引き出し線53、さらにはX線管の冷却液循環用の冷却ホースについても既存物をそのまま利用することができる。
【0064】
図24には、上述した透過型のターゲット16の断面構造を示している。ターゲット16は、X線発生ユニット1の寿命を左右する最も重要な構成要素の一である。電子エミッタ18から放出された電子ビーム33は、集束されターゲット16に衝突した際、そのエネルギーの大部分(99%以上)が熱に変換される。したがって、透過型のターゲット16では、X線の発生量、X線の透過率、および除熱性能の3つの観点から、その材質、構造を決定する必要がある。ターゲット16の母材16bとして、X線減弱率が小さく、かつ熱伝導率の高い低い原子番号のアルミニウム、カーボンなど、またはその合金が採用される。ターゲット母材16bの表面には、X線透過率が高く、熱伝導性に優れた金属としてタングステン、レニユムなどの高い原子番号の金属のターゲット層16aが形成される。典型的には、ターゲット母材16bの表面に上記金属がコーテイングされることによりターゲット層16aが形成される。ターゲット層16aの厚さは入射する電子の侵入深さとX線の減弱率を考慮して5μm程度に設定される。
【0065】
このように構成された透過式のターゲット16では、コリメータ27を陽極近傍に設置することができ、それによって小さなサイズのコリメータ27で所定の広がり角を持つX線ビームに整形することが可能となる長所を有するが、大電流の電子ビーム入射を想定する場合には陽極の冷却が問題となる。これを解決して、冷却能率を向上させるために、本来的にX線経路上に配置され、X線の線質を調整するためのアルミニウムなどの軽金属でつくられたX線フィルタ31をビートパイプとして利用する。ターゲット16がX線フィルタ31上に接触状態で配置される。X線フィルタ31は、陽極16に物理的に接続される。つまり、ターゲット16は、X線フィルタ31を介して陽極17に支持される。
【0066】
ターゲット16で発生した熱は、ビートパイプとしてのX線フィルタ31を介して陽極17に伝達される。これにより冷却のしにくいターゲット16の中央部分の熱をフィルタ31の伝導冷却によって補うことができ、ターゲット16の蒸発、損耗を抑制することが可能となる。
【0067】
図25は、陽極17と電子エミッタ18との間の電界に対する電子エミッタ18内の陰極19とゲート電極38との間の電界の最適化ディメンジョンを示している。電子エミッタ18と陽極17との間には、直流(DC)高電圧が印加されているため、電子エミッタ18の表面に位置するゲート電極38からは、この電界によって電界電子が放出することが予想される。この電子成分は、ゲート電極38に加える駆動電圧パルスが停止している期間にも放出されるものであるため、この漏洩電子が陽極17に入射して発生するX線はノイズとなってデータの精度を低下することが懸念される。漏洩電子の発生を防止する必要がある。
【0068】
ゲート電極38からの電子漏洩を抑制するためにはゲート電極38と陽極17との間の電界Eaが、ゲート電極38と陰極17との間に加えられる電圧による電界Egより十分小さくなるように、電子エミッタ18と陽極17間の距離が十分長く設定される。例えば、陰極陽極間に100kVを印加すると仮定する場合、電子エミッタ18と陽極17との間の距離を50mmとすれば、その間の電界は、2kV/mmになる。電子放出部36からの電子放出が十分な密度に達するのに必要な電界が典型的には5〜10kV/mmであるので、ゲート電極38の表面から漏洩する電界放出電子量を十分な裕度を持って抑制することが可能となる。つまり、陰極陽極間に印加する管電圧の典型的な上限は、200kVである。電子エミッタ18と陽極17との間の距離を50mmで設計することにより、上限の200kVが陰極陽極間に印加されたとしても、漏洩電子の発生を抑制することができる。
【0069】
このように電子エミッタ18のゲート電極38に電圧パルスを印加しない状態でも、陽極17と電子エミッタ18の間に印加される管電圧によってゲート電極38の表面から電界電子が放出されることは、上述のとおりであるが、この電界がゲート電極38の電子放出孔内に浸透し、陰極19の表面の電子放出部36から直接、電界電子を放出させることも懸念される。この課題を解決するために、図26,図27に示すように、陰極19に対して負の直流(DC)バイアス電圧をゲート電極38に印加するためのバイアス電源45を装備させる。これにより、ゲート電極38に正電圧の電圧パルスが印加されないとき、電子放出部36からの漏洩電子の発生を完全に抑制することが可能となる。
【0070】
上述のように、複数のX線発生要素1aを配列したことにより、X線強度の不均一が生じることがある。複数のX線発生要素1a間でX線強度を均一化する必要がある。各X線発生要素1aから発生するX線の強度を従来のようにリファレンス検出器で検出することは、X線発生要素1aを大型化して、X線発生要素1aの配列密度を低下させるため好ましくない。
【0071】
そこで、図28に示すように、電子エミッタ18内のゲート電極38に流れ込む電子電流量を電流検出器46で検出する。ゲート電極38に流れ込む電子電流量は、ターゲット16で発生するX線の強度に対応している。フィードバック制御ユニット47は、電流検出器46で検出したゲート電極38に流れ込む電子電流量に基づいて、ゲート電極38に印加される電圧パルスを発生するためのパルス増幅回路24aを制御する。フィードバック制御ユニット47は、ゲート電極38に流れ込む電子電流量と所定量との差に応じた制御信号を発生する。パルス増幅回路24aでは、制御信号に応じてゲートパルスの増幅率が変化される。ゲート電極38に流れ込む電子電流量が所定量よりも過多の場合、増幅率を低下させるための制御信号がフィードバック制御ユニット47で発生される。ゲート電極38に流れ込む電子電流量が所定量よりも過少の場合、増幅率を高くするための制御信号がフィードバック制御ユニット47で発生される。
【0072】
このようなフィードバック制御により、複数のX線発生要素1a間でX線強度を均一化することができる。
【0073】
複数のX線発生要素1a間でのX線強度の不均一は、最終的には再構成画像にアーチファクトとして表面化する。図27,図28に示したように、複数のX線発生要素1a間でX線強度を均一化する代わりに、図29に示すように、ゲート電極38に流れ込む電子電流値を検出器46で検出し、その検出データに基づいて投影データをデータ収集ユニット11で補正するようにしても同様の効果を奏することができる。
【0074】
図30、図31には、被検体内で発生する散乱線を除去するためのコリメータ52を示している。コリメータ52は、X線焦点を中心として円弧状に配列された複数の鉛板から構成される。各鉛板の向きは、X線焦点を中心とした円の半径方向に沿って調整される。コリメータ52は、被検体とX線検出器ユニット3との間に回転自在に支持体50に支持される。回転駆動機51はコリメータ52を回転させるために設けられる。回転駆動機51は例えばステッピングモータであり、図示しない電源からゲートパルスに同期して駆動パルスが供給される。コリメータ52は、ゲートパルスに応じて電圧パルスで駆動されるゲート電極38に対向するように、駆動されるゲート電極38の移動に同期して回転する。それにより被検体内で発生する散乱線は、コリメータ52で除去され、検出器3には到達しない。散乱線が除去された鮮明度の高いCT画像が得られる。
【0075】
本実施形態のX線CT装置は、図32に示すように、ガントリ4をZ軸に沿って移動するガントリ駆動機構43と、ガントリ駆動機構43を制御する制御装置44とを備える。ガントリ4はガントリ駆動機構43とともに、保護カバー48に収容される。ガントリ駆動機構43の採用により、被検体5を載置した天板6を停止した状態で、ヘリカルスキャン又はマルチスライススキャンを実行することができる。ガントリ4の移動は、X線CT装置を構成するX線発生ユニット1が回転機構を含まないためX線検出器ユニット3も含めたガントリ4全体の重量が従来のR/R型に比べて圧倒的に軽量なものとなることにより、採用可能である。従来、被検体5を載置した天板6を前後移動して行っていた体軸方向のスキャンを、被検体5を停止させて、ガントリ4を移動することにより可能となる。被検体(患者)を停止した状態でヘリカルスキャン又はマルチスライススキャンを実行できるので天板移動に伴う被検体5のぶれや体動に起因するCT画像の劣化を抑制することができ、また患者に不快感を与えることのなどの問題を排除することができる。
【0076】
上述のように本実施形態のX線発生ユニット1は小型軽量であるので、図33に示すように、複数、例えば2系統のX線発生ユニット1−1,1−2を体軸方向Zに関して所定距離隔てて並設することができる。同様に、2系統のX線検出ユニット3−1,3−2が体軸方向Zに並設される。X線発生ユニット1−1,1−2及びX線検出ユニット3−1,3−2を2系統装備することにより、ヘリカルスキャンやマルチスライススキャンの撮影時間を短縮することができる。
【0077】
図34、図35には、本実施形態による電子エミッタ18の駆動手順を示している。電子エミッタ18の駆動とは、電子エミッタ18のゲート電極38に電圧パルスを印加することをいう。ゲート電極38に電圧パルスが印加されている期間に限局して、電子放出部26から一定量の電子が放出される。放出された電子は陽極17のターゲット16上のスポット(X線焦点)に衝突する。そのX線焦点を中心に放射状にX線が発生する。コリメータ27で所定のファン角θに制限されたX線は、被検体を透過して、X線検出器ユニット3で検出される。データ収集ユニット11は、全チャンネルのデータから、X線焦点の位置に対応する所定数のチャンネル(特定のチャンネル)のデータのみ収集し、他のチャンネルのデータは収集しない。データ収集対象の特定チャンネルは、X線焦点に対向するX線検出器ユニット3上の位置を中心とするファン角θの範囲内に配置されているチャンネルをいう。駆動する電子エミッタ18の切り替えに応じて、データ収集対象の特定チャンネルが切り替えられる。特定チャンネルの切り替えは、例えばX線検出器ユニット3とデータ収集ユニット9との間に設けられた電子スイッチのスイッチングにより実現される。
【0078】
ここで、円環状に配列された電子エミッタ18の総数(=ゲート電極38の総数)をNと仮定する。また、円環状に配列された複数の電子エミッタ18に、その配列順に従って、#1〜#Nの番号を付して個々を区別する。また、1周分の投影データを収集するのに要する時間、つまりスキャン時間をTと表記する。また、ゲートパルス(電圧パルス)の継続時間をτと表記する。
【0079】
ゲートパルス発生ユニット9は、円環状に配列された複数の電子エミッタ18を、その配列順に従って順番に駆動する。つまり、ゲートパルス発生ユニット9は、円環状に配列された複数の電子エミッタ18に対して、その配列順に従って順番にゲートパルス(電圧パルス)を印加する。ゲートパルス発生ユニット9は、所定継続時間のゲートパルスを一定周期で繰り返し発生するゲートパルス発生部と、ゲートパルス発生部と全チャンネルのパルス増幅回路24aとの間に介在されゲートパルス発生部に対して単一チャンネルのパルス増幅回路24aを選択的に接続する電子スイッチと、電子スイッチを制御する電子スイッチ制御部とからなる。電子スイッチ制御部は、電子スイッチを制御して、ゲートパルス発生部に対して、パルス増幅回路24aを順番に接続する。
【0080】
スキャン時間Tを確保するために、ゲートパルスは、T/Nの周期で発生される。同様に、ゲートパルス発生部に対するパルス増幅回路24aの接続はT/Nの周期で配列順に従って順番に切り替えられる。ゲートパルスの継続時間τは、ゲートパルス(電圧パルス)の周期T/Nより短い時間に設定される。つまり、0<τ<T/Nの範囲内から選択的にゲートパルス(電圧パルス)の継続時間τが設定される。好ましくは、τ=T/(2・N)に設定される。
【0081】
ゲートパルスの継続時間τを、ゲートパルスの周期T/Nより短い時間に設定したことにより、例えば番号#nの電子エミッタ18へ印加するゲートパルスと、隣の位置の番号#(n+1)の電子エミッタ18へ印加するゲートパルスとの間には時間的間隙が存在する。つまり、番号#nの電子エミッタ18へのゲートパルスが立ち下がってから、所定の時間的間隙を経て、隣の番号#(n+)の電子エミッタ18へのゲートパルスが立ち上がる。番号#nの電子エミッタ18を含むX線発生要素1aからX線が発生される期間と、隣の番号#(n+1)の電子エミッタ18を含むX線発生要素1aからX線が発生される期間とは、時間的に分離される。そのため、番号#(n+1)の電子エミッタ18に対応する特定チャンネルのデータに、番号#nの電子エミッタ18に対応するX線焦点からのX線の情報が混在するという事態(データ混信)は生じない。当該データ混信に起因する画像アーチファクトは効果的に防止され得る。例えば、1周スキャン時間が50msで、電子エミッタ18の総数が514個とすると、ゲートパルスの最大継続時間を97μs未満に設定することによってデータ混信を防止することが可能となる。
【0082】
図36,図37には、上記データ混信の防止効果を向上し得る駆動手順を示している。円環状に配列された複数の電子エミッタ18を円周に沿って奇数(M)のセグメントに等分される。セグメントを奇数に設定する理由は、セグメント内で発生させたX線ビームをカバーする検出器の領域のオーバラップを避けるためであり、セグメント数を増加させた場合には、X線ビームのカバー領域が狭くなるため、それに合わせてX線ビームのファン角を狭める必要が生じる。例えば、同図中の例に示すように、ファン角を60°の場合は、分割セグメント数は3を設定することになる。
【0083】
T/Nの周期で駆動対象のセグメントが切り替えられる。各セグメント内では、電子エミッタ18がその配列順に従って1つずつ順に駆動される。すなわち、あるセグメント内のある電子エミッタ18を駆動して、次に隣の電子エミッタ18を駆動開始するまでの期間に、他の2つのセグメント内の電子エミッタ18を順番に駆動する。つまり、セグメント内でゲート電極38にその配列に従って順番に電圧パルスを印加するとともに、隣接するゲート電極38に電圧パルスを印加する間に、所定角度(ここでは120°)づつずれた離散的な2個のゲート電極38に対して電圧パルスを順番に印加する。
【0084】
これにより、隣り合う電子エミッタ18の間でみると、ゲートパルスの周期は実質的に、M×T/Nとなり、図34,図35の周期T/Nよりも裕度を増したものとすることができ、隣合う電子エミッタ18によってトリガされるX線ビームとの混信をより確実に避けることができる。
【0085】
図36,図37の例では、ある電子エミッタ18を駆動して、次に隣の電子エミッタ18を駆動開始するまでの期間に、120°づつずれた2つの電子エミッタ18を順番に駆動するものである。
【0086】
図38,図39に示すように、ある電子エミッタ18の駆動と同時に、それと120°づつずれた2つの電子エミッタ18を駆動するようにしてもよい。これにより、混信防止の効果は、図34,図35の例と等価であるが、1回転当たりのスキャン時間をT/Mに短縮することが可能となる。例えば、1周当たりのスキャン時間を50msとして、120°づつずれた3つの電子エミッタ18を同軸動する場合、スキャン時間を17msにすることが可能となる。
【0087】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。
【0088】
【発明の効果】
本発明によれば、装置規模が小さく、低価格で、メンテナンス性に優れ、高い解像度を有するX線CT装置、X線発生装置及びX線CT装置のデータ収集方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係るX線CT装置の構成図。
【図2】図1のガントリーの内部構造を示す正面略図。
【図3】図1のX線発生ユニットの内部構造を示す正面略図。
【図4】図1のX線発生ユニットの内部構造を示す横断面図。
【図5】図4のX線発生ユニットの内部構造を示す縦断面図。
【図6】図4の電子エミッタ18の横造図。
【図7】図6の陰極、電子放出部及びゲート電極の構造を示す外観図。
【図8】図6の電子エミッタ18の他の構造を示す横断面図。
【図9】図6の電子エミッタ18の他の構造を示す縦断面図。
【図10】図4のX線発生ユニットの他の内部構造を示す横断面図。
【図11】図6の電子エミッタ18の集束電極を示す横断面図。
【図12】図4のX線発生ユニットの他の内部構造を示す縦断面図。
【図13】図12の一対の電子エミッタ18の向きを示す横断面図。
【図14】図12の一対の電子エミッタ18のターゲットに対する平面位置を示す図。
【図15】図1のX線発生ユニットの他の内部構造を示す横断面図。
【図16】図1のX線発生ユニットの他の内部構造を示す横断面図。
【図17】図1のX線発生ユニットの他の構造を示す縦断面図。
【図18】図17の微小径X線管の横断面図。
【図19】図17のX線発生ユニットの他の構造を示す縦断面図。
【図20】図19の微小径X線管の横断面図。
【図21】図17のX線発生ユニットの揺動機構の構造を示す横断面図。
【図22】図21の揺動機構による揺動動作を示す図。
【図23】図21のX線発生ユニットに対する高圧ケーブルを示す図。
【図24】図1のX線発生ユニットのターゲット構造を示す縦断面図。
【図25】図1のX線発生ユニットのゲート電極−陰極間の電界を陽極−電子エミッタ18間の電界に比較して示す図。
【図26】図1のゲートパルス発生ユニットの構成図。
【図27】図26のゲートパルス発生ユニットによりゲート電極に印加される電圧時間変化を示す図。
【図28】図26のゲートパルス発生ユニットの他の構成を示す図。
【図29】図1の検出器データ収集ユニットの強度均一化補正機能を示す図。
【図30】図1のX線検出器ユニットに設けられた散乱除去用コリメータを示す横断面図。
【図31】図30の散乱除去用コリメータの回転動作を示す正面略図。
【図32】図1のガントリーの移動機構を示す図。
【図33】図1のガントリーのX線検出器ユニット及びX線検出器ユニットを2系統備えた他の構造を示す図。
【図34】図1のゲートパルス発生ユニットによる電子エミッタ18の駆動手順を示す図。
【図35】図33の手順において、隣接する電子エミッタ18へ印加する電圧パルスの間隔を示す図。
【図36】図1のゲートパルス発生ユニットによる電子エミッタ18の他の駆動手順を示す図。
【図37】図36の手順において、隣接する電子エミッタ18へ印加する電圧パルスの間隔を示す図。
【図38】図1のゲートパルス発生ユニットによる電子エミッタ18の他の駆動手順を示す図。
【図39】図38の手順において、隣接する電子エミッタ18へ印加する電圧パルスの間隔を示す図。
【図40】従来のローテション/ローテーション(R/R)型のX線CT装置の外観図
【図41】従来のStationary/Stationary型のX線CT装置の外観図。
【図42】従来のStationary/Stationary型のX線CT装置の構成図。
【図43】図42のガントリーの内部構造を示す略図。
【符号の説明】
1…X線発生ユニット、2…真空ポンプ、3…X線検出器ユニット、4…ガントリー、5…被検体、6…テーブル、7…テーブル駆動機構、8…高圧電源、9…ゲートパルス発生ユニット、10…陽極冷却ユニット、11…陽極冷却ユニット、12…画像再構成ユニット、13…モニタ、14…画像データ保存ユニット、15…冷却ジャケット、16…冷却ジャケット、17…陽極、18…電子エミッタ18、19…陰極、20…真空室、21…絶縁容器、22…ゲートパルス信号伝送用光ファイバーケーブル、23…高圧ケーブル、24…回路ボックス、24a…パルス増幅回路、24b…安定化抵抗、25…絶縁液、26…絶縁液封入室、27…コリメータ、28…X線遮蔽板、29…高圧ケーブルブッシング端子、30…絶縁性支持体、31…フィルタ、32…排気ポート、33…電子ビーム、34…X線ビーム、35…アクセスパネル、36…電子放出部、37…絶縁層、38…ゲート電極、39…電子ビーム放出孔、40…加速電極、41…集束電極、42…X線放出窓、43…ガントリー駆動機構、44…ガンドリー駆動機構制御装置、45…バイアス電源、46…電流検出器、47…フィードバック制御ユニット、48…保護カバー、49…X線管支持体(水冷ジャケット付き)、50…支持板、51…回転駆動機、52…散乱除去用コリメータ、53…高圧ケーブル(ハードワイヤ)。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an X-ray CT apparatus (X-ray computed tomography apparatus) for performing diagnosis by obtaining a tomographic image of a subject (patient) in the field of medical diagnosis, and in particular, to an image based on pulsatile and respiratory motion. The present invention relates to a dynamic (dynamic) CT technique required for a diagnosis that causes blurring of a subject and a diagnosis that captures a dynamic change of a contrast agent in an imaging region.
[0002]
[Prior art]
FIG. 40 is a diagram showing the appearance of a conventional typical X-ray CT apparatus of the Rotate / Rotate type. As is well known, an X-ray CT apparatus uses a tomographic image based on transmitted X-ray intensity data (projection data) repeatedly acquired while an X-ray tube and a detector unit facing the X-ray tube make one rotation around a subject. Reconstruct the data. Therefore, the acquisition time (scan time) of the projection data required for reconstructing one piece of tomographic image data is determined by the rotation speed of the X-ray tube, the detector unit, and the like. However, in order to rotate heavy structures such as the X-ray tube and the detector unit at high speed, a large-scale structure having rigidity capable of withstanding the centrifugal force is required, and the motor and the rotation mechanism are also large-scale. And it is complicated. All of these have the problem that the weight and size of the CT device increase, and the cost increases accordingly.
[0003]
In order to solve this problem, a so-called Stationary / Stationary X-ray CT apparatus having a structure in which an X-ray tube and a detector are fixed has been considered. One type is shown in FIG. This is because the trajectory of an electron beam emitted from one electron gun arranged on the central axis of the gantry is rotated by a deflection electromagnet, and the X-ray beam is focused on an annular target arranged around the gantry circle and incident there. generate. This type of X-ray CT apparatus requires complicated electromagnet control to stably maintain the electron beam trajectory. In addition, when attempting to increase the amount of X-ray generation by increasing the amount of electron beam current, the focused spot diameter of the electron beam increases due to the effect of the space charge effect and the long focusing distance, thereby lowering the resolution. Furthermore, the capacity of the duct that covers the electron beam trajectory is large, it is necessary to maintain the degree of vacuum in this duct, and the shape of the duct is complicated, and there is a problem in maintainability.
[0004]
FIG. 42 and FIG. 43 show other types of configurations for realizing the Stationary / Stationary type. In this type, a plurality of X-ray tubes are installed on the circumference of the gantry. Similarly, by arranging the X-ray detector on the circumference, the rotation mechanism can be eliminated. X-ray CT apparatuses of a similar type are described in JP-A-10-295682, JP-A-2002-320610, JP-A-2002-343291, and U.S. Pat. No. 6,385,292B1. .
[0005]
The biggest problem in this type is due to the size of the X-ray tube. As is well known, an X-ray tube has a structure in which a rotating mechanism for a cathode, a filament, an anode, and an anode is housed in a glass tube, and has a width of several tens of centimeters. Therefore, the resolution of the image decreases as the sampling pitch (view pitch) of the projection data increases. A method has been proposed in which only the hot cathode and the grid portion are separated without using an independent X-ray tube one by one, and a large number of such components are arranged. However, considering the size of the hot cathode type electron gun, it is necessary. Arranging enough numbers to achieve the required view pitch in order to obtain the required resolution requires a large gantry diameter and a considerable increase in the diameter of the circumference on which the X-ray source is placed. However, it is difficult to obtain a required X-ray beam intensity because the use efficiency of X-rays is inversely proportional to the square of the distance from the X-ray tube to the detector.
[0006]
As described in the description of the conventional example described above, in an electron beam deflection type CT apparatus which is one of the stationery / stationary type in order to enable high-speed scanning, the electron beam focusing diameter on the anode target is large. Therefore, it is difficult to increase the resolution, and further, complicated maintenance and high cost are required. Alternatively, in a method in which a large number of X-ray sources are arranged on the circumference of the gantry as an alternative method, the scan angle must be increased due to the restriction due to the size of the X-ray source or the electron gun, and a good CT resolution is obtained. It is expected that the task will be difficult.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-10-295682
[0008]
[Patent Document 2]
JP-A-2002-320610
[0009]
[Patent Document 3]
JP-A-2002-343291
[0010]
[Patent Document 4]
US Patent No. 6,385,292B1
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an X-ray CT apparatus, an X-ray generator, and a data collection method of an X-ray CT apparatus which are small in scale, inexpensive, excellent in maintainability, and have high resolution.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides an X-ray generation unit that generates X-rays toward a subject in an imaging region, an X-ray detection unit that detects X-rays that have passed through the subject, and an output based on the output of the X-ray detection unit. An X-ray CT apparatus having an image reconstruction unit for reconstructing image data by means of a plurality of cathodes arranged in an annular shape around the imaging region, and a circle facing the cathodes. An anode having a ring shape, a plurality of targets arranged in an annular shape on the surface layer of the anode, a plurality of electron-emitting portions formed on the surface of each of the cathodes, and an annular shape separated by a predetermined distance from the plurality of cathodes And a hermetically sealed container that houses the cathode, the anode, and the gate electrode.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, an outline of an embodiment of the present invention will be briefly described. In the embodiment of the present invention, a plurality of minute electron emitters having an electron emitting portion as a carbon-based structure that emits electrons under a high electric field are provided in a normally cylindrical imaging region in which a subject is accommodated. An R / R type X-ray CT apparatus having a small size, low cost, excellent maintainability, and high resolution is provided by arranging the ring in the periphery and facing the ring-shaped anode to the periphery. Realize the offer.
[0014]
The insulation distance of the electron emitter needs to be a value sufficient to maintain a voltage applied to the gate electrode for controlling the electron emission from the electron emission portion by forming an electric field between the electron emitter and the cathode. If the voltage applied to the gate electrode is 1 kV or less, the insulation distance can be set to 1 mm or less. In the electron emitter, the gate electrode having a plurality of electron emission holes and the cathode should be as close and even as possible to reduce the voltage applied to the gate electrode and to arrange the electron emitters on the cathode with high density. Is important. Therefore, an insulating layer is interposed between the gate electrode and the cathode.
[0015]
Further, in the present embodiment, the focusing property of the electron beam from the electron emitter to the anode surface is improved by providing a focusing electrode and making the surface of the cathode concave, and the area of the electron emitter is increased. As a result, it is possible to achieve an increase in the margin of the electron beam current amount and an improvement in resolution accompanying a reduction in the focal spot size. Similarly, by associating a pair of electron emitters with the same target, arranging the pair of electron emitters in parallel along the imaging region center line (Z-axis), and concentrating the directions on the targets, respectively, The space provided to the electron emitter can be effectively increased, thereby increasing the area of the electron emitter and increasing the upper limit of the electron beam current.
[0016]
In the present embodiment, the electron emitter and the anode may be arranged along the radial direction of the imaging region, or the electron emitter and the anode may be arranged in a direction parallel to the center line of the imaging region. In the former case, the subject is irradiated with a component of the X-rays generated at the target that has passed through the anode. In the latter case, an anode having a larger heat capacity can be provided as compared with the former transmission type anode, which is effective when a larger amount of electron beam current is required. In the latter case, the collimator for shaping the X-ray beam shape is separated from the X-ray generation point. However, in order to obtain a predetermined fan angle, it is necessary to increase the size of the collimator, and the collimator cannot necessarily fit within the space. In order to avoid this, it is necessary to make the collimator close to the X-ray generation point, that is, the electron beam focusing spot (X-ray focal point) on the anode. Therefore, by devising the structure of the anode to have a collimator function, it becomes possible to generate an X-ray beam having a sufficient fan angle in a predetermined space.
[0017]
In the present embodiment, a plurality of electron emitters may be arranged together with the anode in an annular closed container (vacuum container), or a single electron emitter and a single anode may be housed in a small closed container. To form a minute X-ray tube, and a plurality of minute X-ray tubes may be arranged in a ring. In the latter case, the structure of the X-ray tube is very simple, so there is a possibility that the cost can be reduced, and it becomes possible to easily replace, maintain, and repair a tube whose life has expired. As the minute X-ray tube, either a transmission type or a reflection type may be adopted. In the latter case, as described above, the heat capacity of the anode can be increased, and the durability of the anode can be assured even with a heat load due to the incidence of a large electron beam current.
[0018]
In addition, when arranging minute X-ray tubes in a ring shape, the interval between the X-ray focal spots is expanded, though somewhat, compared to arranging a plurality of electron emitters in a ring-shaped closed container, so that the resolution is secured. It will be difficult to do. This can be solved by oscillating the X-ray tube array in a minute angle range. Since the X-ray tube arrangement is swung in a minute angle range, it is not necessary to supply a high voltage using a slip ring, and a high voltage can be supplied with a hard wire.
[0019]
In the case of the transmission type, a thin film of a genus having a high X-ray generation efficiency is coated, impregnated, or impregnated in a metal layer having a high X transmittance and excellent thermal conductivity on a very small surface layer where an electron beam can enter. An anode having a sandwiched structure is provided, and the anode has an X-ray transmission window, a vacuum partition, and a filter function for correcting the spatial intensity distribution of the emitted X-ray beam. In this case, advantages such as easy shaping into a predetermined beam shape, an X-ray beam having a good spatial intensity distribution, and easy removal of heat emitted to the anode can be obtained. it can.
[0020]
The electron emission section emits electrons in an electric field. The electric field for electron emission is generated by a gate electrode arranged from the cathode with the electron emission portion interposed therebetween. Electron emission can be controlled by applying a voltage to the gate electrode. The electrons emitted from the electron emitting portion collide with the anode target by the voltage between the cathode and the anode, and emit X-rays. In this embodiment, in particular, the voltage applied to each part is adjusted so that the electric field between the anode and the electron emitter is lower than the electric field between the cathode and the gate electrode in the electron emitter. If such voltage adjustment is not performed, even if the electron emitter is not operated, if there are field-emission electrons from the surface of the gate electrode, the X-rays generated by the incidence on the anode become noise and the accuracy of data will be reduced. Is likely to decrease. As described above, the driving voltage is applied to the gate electrode by setting the field emission electron current from the gate electrode surface to be negligible and sufficiently lower than the electric field applied between the gate electrode and the cathode. It is possible to suppress the dark current when not adding and to prevent abnormal discharge. The same effect can be obtained by applying a negative bias to the gate electrode of the electron emitter.
[0021]
Further, in this embodiment, the function of detecting the amount of electron current flowing into the gate electrode in the electron emitter and performing feedback control on the magnitude of the voltage pulse applied to the gate electrode so that the amount of the electron current becomes a constant amount is controlled by the gate pulse generation. Hold the unit. In this embodiment, since many electron emitters and targets are arranged, the X-ray intensity tends to be non-uniform due to variations in performance. This causes noise in the CT image. By performing feedback control of the gate voltage based on the amount of electron current flowing into the gate electrode, the output (electron beam current amount) of each electron emitter can be kept constant, and the generation of this noise can be suppressed. Become. This effect corrects projection data derived from X-rays generated by driving the electron emitters based on the electron current value flowing into the gate electrode when each electron emitter is driven, instead of the feedback control of the gate voltage. You can also play by doing.
[0022]
In the present embodiment, a plurality of detection elements are arranged and fixed in an annular shape together with an electron emitter and an annular anode arranged in an annular shape. By driving the electron emitters in sequence, it is possible to collect projection data in multiple directions at high speed. In synchronization with the driving procedure of the electron emitter, the scattering removal collimator rotatably supported on the front surfaces of the plurality of detection elements arranged in a ring is rotated. The scattered X-ray component in the subject (patient) adds noise to the transmission data and becomes a factor of deteriorating the image quality of the CT image. Therefore, it is possible to effectively remove this scattered component by installing a collimator having a slit configuration that can see the X-ray generation point on the front surface of the detector.
[0023]
In the present embodiment, a mechanism is provided for moving the X-ray generation unit including the annularly arranged electron emitters and the annular anode along the center axis of the imaging region substantially coincident with the body axis of the subject. By fixing the top plate on which the subject is placed and moving the X-ray generating unit in the body axis direction instead, the subject on the top plate on which the subject is placed moves back and forth at high speed can be shaken. It is possible to reduce the resulting body motion artifact of the CT image.
[0024]
In the present embodiment, the X-ray generation unit including the electron emitters arranged in a ring shape and the ring-shaped anode may be equipped with one system, or two or more systems. The X-ray generation units of a plurality of systems are arranged side by side along the center axis of the imaging region substantially coincident with the body axis of the subject. As a result, it is possible to complete the scan at a high speed while ensuring a high resolution over a longer region in the axial direction of the subject.
[0025]
As described above, the electron emitter emits electrons in the electric field. The electric field for electron emission is generated by a gate electrode arranged from the cathode with the electron emission portion interposed therebetween. When a voltage pulse is applied to the gate electrode, electrons are emitted and X-rays are generated. When no voltage pulse is applied to the gate electrode, no X-ray is generated. Voltage pulses are sequentially applied to the gate electrodes arranged in a ring according to the arrangement order. By setting the duration τ of the voltage pulse to be shorter than T / N, where N is the number of gate electrodes and T is the scan time, time overlap of voltage pulses between adjacent gate electrodes is avoided. be able to. As a result, even when the closely arranged electron emitters are sequentially driven to generate X-rays, the X-ray beams triggered by the adjacent electron emitters are irradiated with overlapping time. Data interference can be avoided.
[0026]
In addition, a plurality of electron emitters (gate electrodes) arranged in a ring are equally divided into an odd number (M), for example, three segments, and a voltage pulse is sequentially applied to the gate electrodes in each segment according to the arrangement order. More specifically, a voltage pulse is applied to one gate electrode in the first segment, followed by a voltage pulse to a gate electrode in the second segment, and then to a gate electrode in the third segment. By applying a voltage pulse to each segment and moving the application target of the voltage pulse to the adjacent segment each time the voltage pulse is applied in this manner, adjacent electrons can be extended without extending the voltage pulse application cycle. The gap between the voltage pulses between the
[0027]
In addition, by simultaneously applying voltage pulses to three gate electrodes that are shifted by a predetermined angle, for example, 120 °, the time required for data collection for 360 °, that is, the scan time, is reduced by a fraction, for example, 1 / 3 can be reduced. Note that simultaneous driving is mutually affected by scattered radiation. However, this effect can be reduced by shifting the irradiation direction.
[0028]
Hereinafter, an X-ray CT apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the entire configuration of the X-ray CT apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a front view of the gantry of FIG. This X-ray CT apparatus has a
[0029]
An
[0030]
As shown in FIG. 3, the
[0031]
When a voltage pulse is applied to the
[0032]
The single
[0033]
FIG. 4 is a cross-sectional view of a typical
[0034]
In practice, the surface of the insulating
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The enclosing
[0039]
In the
[0040]
At this time, the required value of the amount of emitted electrons with respect to the
[0041]
When the electron-emitting
[0042]
By adopting the three-terminal structure for controlling electron emission with the
[0043]
As an example, consider the case where the
[0044]
Increasing the number of
[0045]
Further, when a similar electron-emitting portion is devised so as to obtain a higher electron-emitting ability, or when the
[0046]
As shown in FIG. 3, by sequentially driving the
[0047]
8 and 9 show modified examples of the
[0048]
Therefore, as shown in FIG. 8, the electric field can be formed in a direction toward the focusing direction of the
[0049]
It is possible to use an
[0050]
FIG. 10 shows a detailed sectional structure of the
[0051]
As described with reference to FIGS. 8 and 9, the convergence of the
[0052]
The convergence of the
[0053]
A pair of
[0054]
In the above, the
[0055]
Among the X-rays generated on the
[0056]
Arranging the
[0057]
The reflection type
[0058]
Therefore, as shown in FIG. 16, a
[0059]
The fan angle of the X-rays emitted from the surface of the
[0060]
In the above, the structure in which the plurality of
[0061]
The adoption of such a configuration in which a plurality of micro-diameter X-ray tubes are arranged in an annular shape makes it possible to replace an X-ray tube having a life or failure in units of X-ray tubes. The replacement in units of X-ray tubes can reduce the number of replacement work steps and the return time as compared with replacing the
[0062]
As shown in FIGS. 19 and 20, a reflection type may be employed for a plurality of X-ray tubes having a small diameter. As a result, the heat capacity of the anode can be increased, and the durability of the anode can be assured even against a heat load caused by the incidence of a large electron beam current.
[0063]
As shown in FIGS. 17 and 19, when a plurality of micro-diameter X-ray tubes are arranged in a ring shape, the density is lower than in the case where the
[0064]
FIG. 24 shows a cross-sectional structure of the
[0065]
In the
[0066]
The heat generated in the
[0067]
FIG. 25 shows an optimized dimension of the electric field between the
[0068]
In order to suppress electron leakage from the
[0069]
As described above, even when a voltage pulse is not applied to the
[0070]
As described above, the arrangement of the plurality of
[0071]
Therefore, as shown in FIG. 28, the amount of electron current flowing into the
[0072]
By such feedback control, the X-ray intensity can be made uniform among the plurality of
[0073]
The non-uniformity of the X-ray intensity among the plurality of
[0074]
FIGS. 30 and 31 show a
[0075]
As shown in FIG. 32, the X-ray CT apparatus of the present embodiment includes a
[0076]
As described above, since the
[0077]
34 and 35 show a procedure for driving the
[0078]
Here, it is assumed that the total number of the
[0079]
The gate
[0080]
In order to secure the scan time T, the gate pulse is generated at a period of T / N. Similarly, the connection of the
[0081]
By setting the duration τ of the gate pulse to a time shorter than the period T / N of the gate pulse, for example, the gate pulse applied to the
[0082]
FIGS. 36 and 37 show a driving procedure that can improve the effect of preventing the above data interference. The plurality of
[0083]
The segment to be driven is switched at a cycle of T / N. In each segment, the
[0084]
Thus, when viewed between the
[0085]
In the examples of FIGS. 36 and 37, two
[0086]
As shown in FIGS. 38 and 39, at the same time as driving a
[0087]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying constituent elements in an implementation stage without departing from the scope of the invention. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiments.
[0088]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide an X-ray CT apparatus, an X-ray generation apparatus, and a data collection method for an X-ray CT apparatus which are small in scale, inexpensive, excellent in maintainability, and have high resolution.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an X-ray CT apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic front view showing the internal structure of the gantry of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic front view showing the internal structure of the X-ray generation unit of FIG.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing the internal structure of the X-ray generation unit of FIG.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the internal structure of the X-ray generation unit of FIG.
FIG. 6 is a lateral view of the
FIG. 7 is an external view showing the structure of a cathode, an electron-emitting portion, and a gate electrode in FIG. 6;
8 is a cross-sectional view showing another structure of the
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing another structure of the
FIG. 10 is a cross-sectional view showing another internal structure of the X-ray generation unit of FIG. 4;
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a focusing electrode of the
FIG. 12 is a longitudinal sectional view showing another internal structure of the X-ray generation unit of FIG. 4;
FIG. 13 is a transverse sectional view showing the orientation of a pair of
FIG. 14 is a diagram showing a plane position of a pair of
FIG. 15 is a transverse sectional view showing another internal structure of the X-ray generation unit of FIG. 1;
FIG. 16 is a transverse sectional view showing another internal structure of the X-ray generation unit of FIG. 1;
FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing another structure of the X-ray generation unit of FIG. 1;
18 is a cross-sectional view of the small-diameter X-ray tube of FIG.
19 is a longitudinal sectional view showing another structure of the X-ray generation unit of FIG.
FIG. 20 is a cross-sectional view of the small-diameter X-ray tube of FIG. 19;
FIG. 21 is a transverse sectional view showing the structure of the swing mechanism of the X-ray generation unit shown in FIG. 17;
FIG. 22 is a view showing a swing operation by the swing mechanism of FIG. 21;
FIG. 23 is a diagram showing a high-voltage cable for the X-ray generation unit in FIG. 21.
FIG. 24 is a longitudinal sectional view showing a target structure of the X-ray generation unit of FIG. 1;
25 is a diagram showing an electric field between a gate electrode and a cathode of the X-ray generation unit of FIG. 1 in comparison with an electric field between an anode and an
FIG. 26 is a configuration diagram of the gate pulse generation unit of FIG. 1;
FIG. 27 is a diagram showing a time change of a voltage applied to a gate electrode by the gate pulse generation unit of FIG. 26;
FIG. 28 is a diagram showing another configuration of the gate pulse generation unit of FIG. 26;
FIG. 29 is a diagram showing an intensity uniforming correction function of the detector data collection unit of FIG. 1;
FIG. 30 is a transverse sectional view showing a scatter removing collimator provided in the X-ray detector unit of FIG. 1;
FIG. 31 is a schematic front view showing the rotation operation of the scattering removal collimator of FIG. 30;
FIG. 32 is a view showing a moving mechanism of the gantry of FIG. 1;
FIG. 33 is a view showing another structure of the gantry of FIG. 1 having two X-ray detector units and two X-ray detector units;
FIG. 34 is a diagram showing a driving procedure of the
FIG. 35 is a diagram showing intervals between voltage pulses applied to
FIG. 36 is a diagram showing another driving procedure of the
FIG. 37 is a diagram showing intervals of voltage pulses applied to
FIG. 38 is a diagram showing another driving procedure of the
FIG. 39 is a diagram showing intervals of voltage pulses applied to
FIG. 40 is an external view of a conventional rotation / rotation (R / R) type X-ray CT apparatus.
FIG. 41 is an external view of a conventional Stationary / Stationary X-ray CT apparatus.
FIG. 42 is a configuration diagram of a conventional Stationary / Stationary X-ray CT apparatus.
FIG. 43 is a schematic view showing the internal structure of the gantry of FIG. 42.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (32)
前記X線発生部は、
前記撮影領域の周囲に円環状に配列された複数の陰極と、
前記陰極に対向する円環形状を有する陽極と、
前記陽極の表層に円環状に配列された複数のターゲットと、
前記陰極各々の表面に形成された複数の電子放出部と、
前記複数の陰極から所定距離隔てて円環状に配列された複数のゲート電極と、
前記陰極と前記陽極と前記ゲート電極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線CT装置。An X-ray generation unit that generates X-rays toward the subject in the imaging region; an X-ray detection unit that detects X-rays transmitted through the subject; and image data based on the output of the X-ray detection unit. An X-ray CT apparatus having an image reconstruction unit to reconstruct,
The X-ray generator,
A plurality of cathodes arranged in an annular shape around the imaging region,
An anode having an annular shape facing the cathode,
A plurality of targets arranged in a ring on the surface of the anode,
A plurality of electron-emitting portions formed on the surface of each of the cathodes,
A plurality of gate electrodes arranged in an annular shape at a predetermined distance from the plurality of cathodes,
An X-ray CT apparatus comprising: a hermetically sealed container containing the cathode, the anode, and the gate electrode.
前記X線発生部は、前記撮影領域の周囲に円環状に配列された複数のX線管を有し、
前記X線管各々は、
陰極と、
前記陰極に対向する陽極と、
前記陽極の表層に形成されたターゲットと、
前記陰極の表面に形成された複数の電子放出部と、
前記電子放出部から所定距離隔てて配置されたゲート電極と、
前記陰極と前記陽極と前記ゲート電極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線CT装置。An X-ray generation unit that generates X-rays toward the subject in the imaging region; an X-ray detection unit that detects X-rays transmitted through the subject; and image data based on the output of the X-ray detection unit. An X-ray CT apparatus having an image reconstruction unit to reconstruct,
The X-ray generation unit has a plurality of X-ray tubes arranged in an annular shape around the imaging region,
Each of the X-ray tubes,
A cathode,
An anode facing the cathode,
A target formed on the surface of the anode,
A plurality of electron-emitting portions formed on the surface of the cathode,
A gate electrode disposed at a predetermined distance from the electron emitting portion;
An X-ray CT apparatus comprising: a hermetically sealed container containing the cathode, the anode, and the gate electrode.
前記X線発生部は、
前記撮影領域の周囲に円環状に配列された複数の電子エミッタと、
前記電子エミッタに対向する円環形状を有する陽極と、
前記陽極の表層に形成されたターゲットと、
前記電子エミッタと前記陽極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線CT装置。An X-ray generation unit that generates X-rays toward the subject in the imaging region; an X-ray detection unit that detects X-rays transmitted through the subject; and image data based on the output of the X-ray detection unit. An X-ray CT apparatus having an image reconstruction unit to reconstruct,
The X-ray generator,
A plurality of electron emitters arranged in an annular shape around the imaging region,
An anode having an annular shape facing the electron emitter;
A target formed on the surface of the anode,
An X-ray CT apparatus, comprising: a sealed container containing the electron emitter and the anode.
前記複数の陰極に対向する陽極と、
前記陽極の表層に配列された複数のターゲットと、
前記陰極各々の表面に形成された複数の電子放出部と、
前記複数の陰極から所定距離隔てて配列された複数のゲート電極と、
前記陰極と前記陽極と前記電子放出部と前記ゲート電極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線発生装置。A plurality of cathodes arranged,
An anode facing the plurality of cathodes,
A plurality of targets arranged on the surface of the anode,
A plurality of electron-emitting portions formed on the surface of each of the cathodes,
A plurality of gate electrodes arranged at a predetermined distance from the plurality of cathodes,
An X-ray generator comprising: a hermetically sealed container accommodating the cathode, the anode, the electron-emitting portion, and the gate electrode.
前記X線管各々は、
陰極と、
前記陰極に対向する陽極と、
前記陽極の表層に形成されたターゲットと、
前記陰極の表面に形成された複数の電子放出部と、
前記陰極から所定距離隔てて配置されたゲート電極と、
前記陰極と前記陽極と前記電子放出部と前記ゲート電極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線発生装置。Comprising a plurality of X-ray tubes arranged,
Each of the X-ray tubes,
A cathode,
An anode facing the cathode,
A target formed on the surface of the anode,
A plurality of electron-emitting portions formed on the surface of the cathode,
A gate electrode disposed at a predetermined distance from the cathode,
An X-ray generator comprising: a hermetically sealed container accommodating the cathode, the anode, the electron-emitting portion, and the gate electrode.
前記複数の電子エミッタに対向する陽極と、
前記陽極の表層に配列された複数のターゲットと、
前記電子エミッタと前記陽極とを収容する密閉容器とを有することを特徴とするX線発生装置。A plurality of arrayed electron emitters,
An anode facing the plurality of electron emitters;
A plurality of targets arranged on the surface of the anode,
An X-ray generator comprising: a sealed container that houses the electron emitter and the anode.
前記電圧パルスの印加により発生され、前記撮影領域内の被検体を透過したX線を、前記電圧パルスを印加された電子エミッタに対向する位置で検出することを特徴とするX線CT装置のデータ収集方法。Assuming that the number of electron emitters is N and the scan time is T, voltage pulses having a duration shorter than T / N are arranged in the arrangement order for a plurality of electron emitters arranged in an annular shape around the imaging region. Apply in order according to
X-ray CT apparatus for detecting X-rays generated by application of the voltage pulse and transmitted through a subject in the imaging region at a position facing an electron emitter to which the voltage pulse is applied. Collection method.
前記電子エミッタの駆動により発生され、前記撮影領域内の被検体を透過したX線を、前記駆動された電子エミッタに対向する位置で検出することを特徴とするX線CT装置のデータ収集方法。A plurality of electron emitters arranged in a ring around the imaging region are driven in order according to the arrangement order, and a voltage is applied to at least two discrete gate electrodes while applying a voltage pulse to an adjacent gate electrode. Apply a pulse,
A data acquisition method for an X-ray CT apparatus, wherein an X-ray generated by driving the electron emitter and transmitted through a subject in the imaging region is detected at a position facing the driven electron emitter.
前記電子エミッタの駆動により発生され、前記撮影領域内の被検体を透過したX線を、前記駆動された電子エミッタに対向する位置で検出することを特徴とするX線CT装置のデータ収集方法。A plurality of electron emitters arranged in a ring around the imaging region are driven in order according to the arrangement order, and a predetermined number of electron emitters are separated by a predetermined angle at the same time as driving each electron emitter,
A data acquisition method for an X-ray CT apparatus, wherein an X-ray generated by driving the electron emitter and transmitted through a subject in the imaging region is detected at a position facing the driven electron emitter.
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