JP5801286B2

JP5801286B2 - Ｘ線ソース及びｘ線生成方法

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Publication number: JP5801286B2
Application number: JP2012510429A
Authority: JP
Inventors: フォークトマイヤー，ゲレオン; クロースト，ヴォルフガング
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2030-05-12
Also published as: CN102422364A; RU2011150236A; US20120057669A1; EP2430638A1; RU2538771C2; CN102422364B; WO2010131209A1; US8989351B2; EP2430638B1; JP2012527079A

Description

本発明は、電子ビームが衝突するターゲットを有し、X線を生成するX線ソース又はX線源に関連する。特に、本発明はそのようなX線ソースを伴うX線画像処理装置及びX先生性方法に関連する。

例えば医療用X線診断に使用される従来のX線ソースは、アノード(陽極)に向けて電子を放出する加熱されたカソード(陰極)を有し、電子との衝突によりX線ビームを生成している。更に、特許文献1は湾曲した面を有する単独の「冷陰極(cold cathode)」を備えたX線ソースを開示しており、その湾曲した面から、関連するアノードにおいて電子が収束するように、電子が放出される。

米国特許第6,912,268号明細書

このような背景技術に関し、本発明の課題は、特にX線ビームの空間的な原点(焦点)に関して多彩なX線生成を可能にする手段を提供することである。

一実施形態によるX線ソースは、
a) 電子ビームと衝突した際にX線を放出するターゲットと、
b) 少なくとも2つの電子ビームソースを有し、前記ターゲットの方向に収束する電子ビームを選択的に放出する電子ビーム生成部と
を有するX線ソースである。

本発明による第1形態のX線ソースの概略斜視図。図1のX線ソースのエミッタ装置を別個に示す図。図1のX線ソースに対する概略平面図。平坦な電極装置を用いた場合の本発明による別のX線ソースの平面図。

本発明の課題は例えば出願時の請求項1によるX線ソース、出願時の請求項2による方法及び出願時の請求項15によるX線画像処理装置により達成される。出願時の従属請求項は好適実施形態に関連している。

本発明の第1の形態は、例えば医療用又は産業用の画像処理に使用されることが可能なX線ビームを生成するX線ソースに関連する。X線ソースは以下のa)及びb）の要素を有する：
a)電子ビームと衝突した場合にX線を放つ(放射する)ターゲット。そのようなターゲットに相応しい設計事項及び材料自体は当業者によく知られており、例えばタングステン電極が使用される。動作中、ターゲットは通常正の電位に接続され、以下の説明においてそれは「アノード(陽極)」とも言及される。
b)少なくとも2つの電子ビームソースを備え、上記のターゲットの方向において焦点に収束する(集まる)電子ビームを選択的に放出する電子ビーム生成部。電子ビーム生成部は、方向付けられた電子ビームを生成することが可能な任意の種類の装置としてよい。具体的な実施形態については後述する。

考察される2つの電子ビームソースが電子ビームを放つ領域は、設計により与えられる或る第1の空間距離を有する。更に、放出された電子ビームがターゲットを撃った際の複数のターゲットポイントは互いに第2の空間距離を有する(この場合において、ターゲット「ポイント」(target “point”)は例えば電子ビームが衝突した領域の重心として適切に規定される)。従って電子ビームの収束は次のような条件として換言できる：(電子ビームソースの)第1の距離が、(ターゲットにおけるターゲットポイントの)第2の距離よりも大きいこと。

通常、X線ソースは当業者に知られている別の要素も有するが、本願において明示的には説明されないことに留意すべきである。そのような要素は例えば必要なエネルギを供給する電源や、(例えば、様々な電子ビームソースの活性化を選択的に切り替えることで)電子ビーム生成部を制御するコントローラ等を含む。

上記のX線ソースの利点の1つは、個々の電子ビームソースを適宜制御することにより、非常に柔軟性に富んだ方法でX線放出を制御できることである。ある電子ビームソースから別の電子ビームソースへ活性化を切り替えることで、例えば、機械的な素子の(遅い)移動を要することなく、X線放出の焦点を遷移させることができる。別の利点は、電子ビームは収束するので、上記の遷移又はジャンプの距離が、(切り替えられる)関連する電子ビームソース間の距離よりも小さくできることである。すなわち、電子ビームが収束していることは、ハードウェアにより受けていた制約を克服することに寄与できる。その結果、X線ソースにより達成可能な空間分解能又は空間解像度は、電子ビームソースで達成可能な空間解像度より高くなる。

本発明はX線を生成する方法にも関連しており、当該方法は、以下のステップを有する：
a)電子ビーム生成部の少なくとも2つの異なる電子ビームソースから電子ビームを選択的に生成するステップ。
b)ターゲットにおいて焦点を結ぶように電子ビームの焦点を合わせるステップ。

本方法は一般に上記のX線ソースとともに実行可能なステップを有する。従って本方法に関する詳細な更なる情報、利点及び実現法については上述したものと同様である。

以下、X線ソース及び上記の方法の双方に関する本発明の更なる実施形態が説明される。

一般に、電子ビームソースに加えて、電子ビームソースのアノードにおけるターゲットポイントが空間内に適宜分布している。しかしながら、通常、意図された用途に対する具体的な必要性に応じてターゲットポイントの場所に何らかの順序又は構造が存在する。公的実施例の場合、電子ビームのターゲット(アノード)上のターゲットポイント(複数)は、少なくとも1つの所与の軌跡を描き、一般に「軌跡(trajectory)」という用語は一次元的な線又は曲線を示す。X線ビームはその軌跡に沿った場所から選択的に放出することが可能であり、その軌跡は例えばコンピュータ断層撮影(CT)スキャナで必要とされる。多くの場合、軌跡は単に直線に対応する。

上記の実施形態において、2つの隣接する電子ビームのターゲットポイント相互間の距離は、好ましくは、隣接する電子ビームソース間の距離よりも短い。このように電子ビームの収束性を活用することで高密度に集結したターゲットポイントの軌跡を生成でき、例えば空間分解が高いX線画像処理を行うことができる。

一般に、電子ビーム生成部は少なくとも2つの方向に電子ビームを放出することが可能な任意の装置とすることができる。好適実施例において、電子ビーム生成部は以下の主要な要素を有する：
a)電子エミッタのアレイ又は配列を有する「エミッタ装置」(電子が材料から離れて自由電子として隣接する空間(通常は真空の空間)に入ることを可能にする)。通常、電子エミッタはカソードとして機能し、適切な電場を提供し、電子放出のためのエネルギ(仕事関数)を提供する。
b)エミッタ装置から放出される電子ビームを選択的に方向付ける電極ユニット配列を有する「電極装置」。電極ユニットを利用して、動作中に適切な電位が印加され、電子エミッタからの放出は、明確に規定された適切な方向のビームに形成される。典型的には、電極ユニット及び電子エミッタは互いに1対1の関係で指定されている。

好ましくは、電子エミッタは例えばカーボンナノチューブ(CNT)材料の「冷陰極」である。カーボンナノチューブは、コンパクトな(小型の)寸法で高速スイッチング時間を可能にする優れた電子放出材料として知られている。従って例えば複数のカソード及び/又は静的なCTスキャナとともにX線ソースを内蔵することが可能である。カーボンナノチューブ及びそれらと共に構築されるX線ソースについての更なる情報は次の文献に示されている：US2002/0094064(A1)、US6850595、又はG.Z.Yue et al.,“Generation of continuous and pulsed diagnostic imaging x-ray radiation using a carbon nanotube-based field-emission cathode”, Appl.Phys.Lett. 81(2), 355-8(2002)。

本発明の好適実施例によれば、上記のエミッタ装置の電子エミッタは、曲面上に設けられている。放出された電子は放出面に垂直に運動する傾向があるので、そのような曲率は集束性の強い電子ビームを生成することに資する。

電極装置内の上記電極ユニットの機能の1つは、エミッタ装置から放出された電子のガイド/案内/平行化等である。最も簡易な場合、電子は、対応する電子エミッタから電極ユニットを介して直線に沿ってアノードにおける各自のターゲットポイントに至る。しかしながら別の実施形態において、電極ユニットは電子ビームを曲げるように設計されていてもよい。電子エミッタから到来する電子は、電極ユニットの影響により各自の方向を変える。従って電極ユニットは、電極装置から到来する当初は平行な電子ビームを(又は発散する方向に向いている場合でさえ)、隔たったターゲットにおいて収束させることができる。

上記の電極装置の電極ユニットは、特に、湾曲した面に設けられていてもよい。この形態におけるそのような曲率は、例えば、電子ビームを上記のように偏向させるために使用可能である。

電子ビーム生成部の電子ビームソースは一般に空間内に任意に設けられてよいことについては既に言及した。同様なことが、上記のエミッタ装置の電子エミッタについても成り立つ。しかしながら、好適実施例において、電子ビームソース及び/又は電子エミッタは2次元アレイとして配列される。この場合において、「アレイ(又は配列)」は平面又は曲面におけるユニット(何らかの要素)の任意の並び(arrangement)を示し、その2次元的な並びは全てのユニットが共通の線に沿っていることを必ずしも要しない。電子ビームソース又は電子エミッタを2次元アレイに配列することは、そのような配列が(例えば基板のような)何らかの装置の表面に実現されやすくするという利点や、その表面上で利用可能な空間が最適に活用できるという利点をもたらす。

上記実施形態を実現する際において、電子ビームソース又は電子エミッタの配列はマトリックスパターン(行列形式)になっていてもよい(マトリックスパターンは実質的に並列な列又はカラム(column)から構成され、その列の各々が複数の「ユニット」(すなわち、電子ビームソース又は電子エミッタ)を含む)。更に、このマトリクスパターンにおける隣接するカラムに属するユニットは、カラムの方向において互いにずらしてもよい。従って、マトリクスの「行(row)」は傾斜するようになってもよい。

上記の例において、マトリクスパターンの少なくとも2つの異なるカラムのユニットは、ターゲット上の同じ(1次元の)軌跡で焦点を結ぶことが好ましい。このようにして、異なるカラムに関連付けられている一群のターゲットポイントは、ターゲットにおける1つの単一の軌跡として組み合わせられ、有利なことに、シフトに起因して、その軌跡に属する隣接するターゲットポイント間の隔たりは、1つのカラムに属する隣接するユニット間の隔たりよりも小さい。

本発明の別の実施形態によれば、少なくとも2つの電子ビームソースのターゲットポイントが、ターゲット上で一致する。この場合、ターゲット上の単一の場所(焦点)からX線放射を生成するように、2つの電子ビームソースの電力を組み合わせることができる。

多くの場合、電子ビームが衝突するターゲットの表面は単に平坦である。しかしながら本発明の変形例において、電子ビームが衝突するターゲットの表面は湾曲していてもよい。この曲率は結果的に生じるX線を所望方向に向けることに資する。

本発明は上述したようなX線ソースを有するX線画像処理装置にも関連し、X線ソースは、電子ビームが衝突した際にX線を放出するターゲットと、ターゲットがある方向において焦点を結ぶ電子ビームを選択的に放出する少なくとも2つの電子ビームソースを備えた電子ビーム生成部とを有する。画像処理装置は、特に、CT(コンピュータ断層撮影)装置、マイクロCT(μCT)装置、材料分析(例えば、産業用又は学術用)装置、手荷物検査装置、又はトモシンセシス(tomosynthesis)装置等でもよい。更に、画像処理装置は、典型的には、対象物との相互作用後のX線を検出するディテクタと、測定値を評価して画像を再構築するデータ処理ハードウェアとを有する。

本発明に関する上記及び他の形態については以下に説明される実施形態を参照することで更に明らかになるであろう。これらの実施形態は添付図面と共に例示的に説明される。

同様な参照番号又は100の整数倍だけ異なっている番号は、図面における同一又は類似する要素を示す。

カーボンナノチューブ(CNT)によるフィールドエミッタを利用することで、医療用の画像処理を行う技術分野において、X線ソースを分散させる設計が可能になる。CNTを用いたX線ソースはエミッタ構造を有する基板を含み、そのエミッタ構造の上側表面において、1つ以上のフォーカス電極により形成されるフォーカスユニットが備わっている。これらのCNTによるエミッタの直線的な配列を形成するため、エミッタ及びフォーカス要素(例えば、基板の放出の中心点における電極にある穴(ホール))の配置は、1次元又は2次元的な或る間隔(ピッチ)を隔てて行われる。その結果、電子ビームソースの1次元的なアレイ又は2次元的なアレイが形成され、固定された(又は回転していてもよい)アノードに向けて電子ビームを選択的に放出する。

高い空間解像度の画像を生成するため、異なるカラムに属するCNTエミッタが或るオフセット(例えば、1/4画素オフセット)とともに配置され、アノードから生じるX線ビームに関し、高い解像度の焦点の間隔(ピッチ)を可能にする。

説明される実施形態の場合、エミッタの2次元的な配置により、アノードにおける複数の焦点の位置(電子ビームのターゲット領域)が、異なる位置であるようにする。これは、生じるX線ビームの様々な焦点位置及びサイズをもたらし、更に、焦点から対象物までの距離が使用されるCNTエミッタに依存して変化する。対象物の高解像度サンプリングの場合、しかしながら、ライン上又は1つ以上のライン上に明確に規定された場所に全てのX線焦点を有することが望ましい。平行な電子ビームの場合、このようなことを達成することはできない。

この問題に対処するため、本願では、電子ビーム生成部により生成された電子ビームがターゲットに向かって焦点を結ぶX線ソースを設計することが提案される。こうして、ハードウェア制約として言及された最小距離で電子ソースが集められる一方、それと同時にX線ビームの焦点を高密度に設定することがアノードにおいて達成可能になる。

図1は上記の発明原理により設計された第1形態のX線ソースを斜視図として概略的示す。X線ソース100は以下の要素を有する：
1．タングステン合金のような適切な材料の基板又は板により実現されてもよいターゲット110。ターゲットがターゲットポイントTにおいて電子ビームBに当たると、X線ビームXが放出される。動作中、ターゲット110は、通常、コントローラ150により与えられる正の電位を有する。従って以下の説明においてターゲットは「アノード」と同義的である。
2．アノード110の方向において焦点を結ぶ電子ビームB、B’を生成する電子ビームソース121を有する電子ビーム生成部120。図示の形態の場合、電子ビーム生成部は以下の2つの要素を有する：
2．1 電極装置130。電極装置は、電子ビームB、B’が通過する孔131の配列を含む導電性基板により実現されてもよい。動作中、電極装置130はコントローラ150により或る電位が与えられ、その電位は電子の所望の平行化及び/又は偏向を達成できるように選択される。電極装置は2つ以上の電極から構成されていてもよい。
2．2 エミッタ装置140。エミッタ装置は、電子エミッタ141がマトリクスパターンで配置されている表面を伴う曲面により実現される。動作中、電子エミッタ141にはコントローラ150により選択的に(すなわち、個々に又は個別に)或る電位(負の電位)が与えられ、電子エミッタに電子を放出させる。通常、一度に1つの電子エミッタ141のみが活性化又はアクティブにされる。電子エミッタ141は、特に、カーボンナノチューブ(CNT)に基づいていてもよい。

電子エミッタ141を担うエミッタ装置140の表面の凹面(窪んだ面)に起因して、マトリクスパターン内の異なる列C、C’から放出された電子ビームは、ターゲット110において1つの一次元的な軌跡L上で焦点を結ぶ(収束する)。この点に関し、図2はエミッタ装置140に関する個別的な図において、電子エミッタ141の列又はカラムC、C’を示す。電子エミッタ141は互いに距離Δだけ隔たっており、ハードウェアの限界に起因してこのΔを更に小さくすることはできない。仮に全ての電子エミッタ141が平行な電子ビームを放出したとすると、アノード上での対応するターゲットポイントは同じ相互間距離Δだけ隔たっていることになり、このΔがそのX線ソースで達成可能な空間分解能を制限することになる。このような限界を克服するため、隣接する列C、C’に属する電子エミッタ141は、列方向(y方向)に互いにずれている(シフトした位置関係になっている)。図2の場合、このシフト量は距離Δの4分の1に相当する。列C、C’から放出された電子ビームB、B’は全てアノード110における同じ軌跡Lで焦点を結ぶので、その軌跡LにおけるターゲットポイントT、T’の間に生じる距離もΔ/4になる。従って、収束する電子ビームは、平行な電子ビームの場合に可能であったターゲットアノード上の焦点間隔よりも著しく小さくできる。

電子ビームを収束させることは、エミッタ配列に関する湾曲した基板140だけでなく、フォーカス電極130の湾曲した形状によって達成されてもよい。図3に示されているように、エミッタ141の5つ(又はそれ以上)の列C、C’による焦点は、y軸方向における最小ピッチとともに、アノード110上の1つの焦点ラインL上にある。アノードでのラインに生じる焦点位置の1/4ピッチに起因して、高い空間解像度サンプリングを達成できる。

図3は、(上述したように)いくつもの電子ビームB同士が互いに収束することと、1つの電子ビームBの「内部(internal)」で収束することとを、区別する必要があることも示している。「内部収束(internal convergence)」に起因して、電子ビームBの各々は「倍率(magnification)」を有し、その倍率は電子エミッタ141におけるビーム断面積とターゲットスポットとの比率により規定される。エミッタ141(例えば、CNT)の典型的なサイズは例えば2mm×1mmである。電子ビームBの収束又は焦点(focusing)に起因して、10倍の「倍率」は、200μm×100μmのフォーカルスポットサイズになる。隣接する焦点同士の間に重複又は重なりが許容されない場合(すなわち、それが望まれる場合)、その焦点のサイズは、達成可能な焦点の最小ピッチを制限する。この場合において、装置が設計される場合、1つの電子ビームの「倍率」も考慮する必要がある。

アノード110における1つのラインLにおいて焦点を結ぶことは、異なる列の電極位置における修正されたフォーカス電極によって行われてもよい。図4はそのような例を示し、電子エミッタ241を備えた平坦な基板240が、別様に焦点を結ぶ電極ホール231と組み合わせて使用されている。

更に、軌跡(曲線)上に所望の焦点を生じさせるために、平坦な、湾曲した及び/又は二重に曲がった(及びそれ以上の回数曲がった)、基板、フォーカス電極及び/又はアノードを使用することができる。

いくつかの異なるエミッタから唯1つの焦点位置に至るように電子ビームの焦点を結ぶことも可能である。これは、アノード材料については強度的な制約はないが、エミッタからの最大電流に関して制約があるような場合に好ましい。

要するに、本発明は、(例えば、CNTのような)フィールドエミッタを利用して、医療用画像処理の技術分野におけるCNTを用いたX線ソースを分散させる設計に関連する。CNTを用いたX線ソースの設計例は、エミッタ構造を有する基板を含み、そのエミッタの上部表面において、1つ以上のフォーカス電極を有するフォーカス装置が設けられている。高い空間解像度を達成するために、異なる列に属するCNTエミッタを或るオフセット(例えば、1/4画素)だけずらして配置し、アノードから生じるX線ビームの焦点ピッチ間隔を狭めることで高い解像度を達成する。収束する電子ビームを使用することで(例えば、湾曲した基板におけるエミッタ配列に加えて、湾曲した形状のフォーカス電極又は平坦ではあるが特殊なフォーカス構造を利用することで生成できる)、異なる列からの電子ビームが1つの軌跡の上で焦点を結ぶことができる。

本発明は、例えば、CNTエミッタ技術に基づいて分散したX線ソースを有する全ての高解像度システム(例えば、トモシンセシス、μCT、CT、材料分析又は手荷物検査システム等)に有用である。

本願において、「有する(comprising)」は他の要素又はステップを排除するものではないこと、「或る」又は「ある」は複数個を排除するものではないこと、及び単独の又は他のユニットが複数の手段の機能を実現してもよいことに留意を要する。本発明は新規な特徴の各々及び全て並びに特徴の組み合わせの各々及び全てに関連する。更に、出願時の請求項における参照符号は本発明を限定的に解釈するために使用されてはならない。

Claims

電子ビームが衝突するとＸ線を放出するターゲットと、
前記ターゲットに向かう電子ビームを選択的に放出する複数の電子ビームソースを有する電子ビーム生成部と
を有し、前記電子ビーム生成部は、
２次元的な行列形式に配置された複数の電子エミッタを有する電子エミッタ装置と、
前記電子エミッタ装置から放出された電子ビームを通過させるように所定の電位に設定される孔を複数個有する電極装置と
を有し、前記複数の電子ビームソースの各々は前記電子エミッタ及び前記孔を有し、
前記複数の電子エミッタのうち第１の列に沿って並ぶ電子エミッタの位置と、前記複数の電子エミッタのうち前記第１の列に隣接する第２の列に沿って並ぶ電子エミッタの位置とは、列方向に互いにずれており、
前記第１の列に沿って並ぶ電子エミッタ及び前記第２の列に沿って並ぶ電子エミッタから放出される複数の電子ビームが、前記ターゲットにおいて１つの１次元的な軌跡を描くように、前記複数の電子エミッタ又は孔が形成される面或いは前記ターゲットの表面が湾曲している、Ｘ線ソース。
前記電子ビームソースにより放出された前記電子ビームが、少なくとも１つの所与のライン上にあるターゲットポイントにおいて前記ターゲットに当たる、請求項１記載のＸ線ソース。
前記ライン上で隣接するターゲットポイント同士の相互距離が、隣接する電子ビームソース同士の相互距離よりも短い、請求項２記載のＸ線ソース。
前記複数の電子エミッタがカーボンナノチューブを含む、請求項１記載のＸ線ソース。
前記孔が電子ビームを偏向させるように設計されている、請求項１のＸ線ソース。
少なくとも２つの列に属する電子エミッタから放出された電子ビームが、前記ターゲット上の同じラインにおいて焦点を結ぶ、請求項１記載のＸ線ソース。
請求項１記載のＸ線ソースを有するＸ線画像処理装置であって、ＣＴ、μＣＴ、材料分析、手荷物検査又はトモシンセシスにおいて使用されるＸ線画像処理装置。
２次元的な行列形式に配置された複数の電子エミッタのうち選択された電子エミッタにより電子ビームを放出し、所定の電位に設定された孔を介して該電子ビームを通過させ、該電子ビームがターゲットに衝突することにより前記ターゲットがＸ線を放出することを、前記複数の電子エミッタの各々について行うステップを有し、
前記複数の電子エミッタのうち第１の列に沿って並ぶ電子エミッタの位置と、前記複数の電子エミッタのうち前記第１の列に隣接する第２の列に沿って並ぶ電子エミッタの位置とは、列方向に互いにずれており、
前記第１の列に沿って並ぶ電子エミッタ及び前記第２の列に沿って並ぶ電子エミッタから放出される複数の電子ビームが、前記ターゲットにおいて１つの１次元的な軌跡を描くように、前記複数の電子エミッタ又は孔が形成される面或いは前記ターゲットの表面が湾曲している、Ｘ線生成方法。