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ANGIOGRAPHY SYSTEM USING PARAMETRIC X-RAY

Patent code P07A013252
File No. NUBIC-2005000091
Posted date Mar 14, 2008
Application number P2006-021031
Publication number P2007-195888A
Patent number P4774544
Date of filing Jan 30, 2006
Date of publication of application Aug 9, 2007
Date of registration Jul 8, 2011
Inventor
  • (In Japanese)佐藤 勇
  • (In Japanese)早川 恭史
  • (In Japanese)早川 建
  • (In Japanese)田中 俊成
Applicant
  • (In Japanese)学校法人日本大学
Title ANGIOGRAPHY SYSTEM USING PARAMETRIC X-RAY
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To capture a clear image by generating two-color X-ray beams exceeding/lowering K absorption edge energy of contrast agent in an angiography system.
SOLUTION: This angiography system irradiates an electronic beam 1 from electronic accelerator (a linac) of 100 Me class to a silicon single crystal and generates parametric X-ray using iodine K absorption edge as a central energy. A light path of a low-range X-ray beam is shifted by crystal diffraction and superimposed on a high-range X-ray beam. The two-color X-ray beam is irradiated to a sample 6 to capture the image. The image in the low-range X-ray beam generates no image of the contrast agent, however, the image of the high-range X-ray beam generates the image of the contrast agent. This system captures the image by changing over the two-color X-ray beams with shutters 8, 9 and 10, and finds a difference to provide the clear absorption image of the contrast agent alone. The accelerator and the injection of the contrast agent are synchronized with the heart rate of a patient to provide a still image of the cardiovascular with the minimum contrast agent and X-ray irradiation.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


ヨウ素を造影剤とした(心臓)血管造影(アンギオグラフィー)システムとしては、通常のX線管を用いたもの、大型放射光施設でのシンクロトロン放射によるもの、小型電子加速器(リニアック)によるレーザーコンプトン散乱で得られるX線を用いるものがある。



パラメトリックX線放射(PXR: parametric X-ray radiation)は、相対論的な高エネルギー電子ビームを結晶に照射することによって発生するX線放射現象であり、単色性、X線エネルギー(波長)選択性、指向性といった特徴を持つ。PXRは、シンクロトロン放射に比べると弱い放射現象であるが、10MeV~100MeV程度の電子ビームによってX線領域の放射を得ることができるため、中規模以下の加速器によるエネルギー(波長)可変単色X線源の候補として関心を持たれてきた。基礎研究の段階より、応用としてアンギオグラフィー(心臓血管造影)が挙げられてはいた。しかしながら、基礎研究では弱い放射の観測が主であり、X線イメージ撮影を試みるケースは稀であった。



本発明者らは、自由電子レーザー用の125MeV電子線形加速器を利用して、PXRによる実用的な線源を開発した。図7に示すように、同じ結晶を用いた2結晶システムによる対称反射を利用して、固定されたビームポートから、エネルギー可変なX線を取り出す。非常に高精度にX線のエネルギーを制御することができる。比較的均一で広い照射野を持つX線ビームである。点線源的であり、指向性も高いため、イメージングに適した線源となっている。



2結晶システムで得られるPXRビームには、X線のエネルギー分布に関して、非常に有用な特性を持つ。図7に示すように、逆格子ベクトルgを持つ結晶に、相対論的な電子(速度v)を、ブラッグ角θでもって入射する。PXRも他の相対論的な粒子からの放射現象と同様、放出方向は大体、1/γのオーダーの角度広がりを持つ。
1/γ=√(1-β2)
β=|v|/c* (c*は、結晶媒質中の光速)



vとgで作られる平面で考えると、電子に対して角度φで放出されるPXRのエネルギー(h/2π)ωは、以下の式で表される。
(h/2π)ω=(h/2π)c*|g|sinθ/(1-βcosφ) (1)
φ=2θとなるとき、(h/2π)ωは、通常のブラッグ回折のエネルギー(h/2π)ωBと、β≒1の近似のもとでは一致する。
(h/2π)ωB=(h/2π)c*|g|/2sinθ



ここで、図7に示すように、φ=2θより微小な角度△θだけずれた場合を考える。式(1)を角度φで微分すると、次のようになる。
d((h/2π)ω)/dφ=-(h/2π)c*|g|βsinθsinφ/(1-βcosφ)2
=(h/2π)ω(-βsinφ)/(1-βcosφ) (2)
△θだけずれたことによるPXRエネルギーの変化は、次のように近似できる。
(h/2π)ω'=(h/2π)ωB+Δ(h/2π)ω
=(h/2π)ωB+(d((h/2π)ω)/dφ)△θ
≒(h/2π)ωB(1-((βsin2φ)/(1-βcos2θ))△θ)
≒(h/2π)ωB(1-△θ/tanθ) (3)



電子ビームが良く収束され、ターゲット結晶と観測点の距離Lが十分大きい場合には、φ=2θとなるブラッグ条件を満たす点を原点とした水平方向の位置xを用いて、△θ≒x/Lと近似できるので、次のようになる。
(h/2π)ω'≒ (h/2π)ωB(1-x/Ltanθ) (4)
エネルギーシフトは、水平方向の位置xにほぼ比例する。図8は、電子エネルギー100MeV、ブラッグ角8.422°、L=7.2mの場合のエネルギー分布の例である。



ちなみに、式(1)は、βにのみ依存し、γには直接的には依存していないので、100MeV程度の十分に相対論的な電子の場合は、電子エネルギーが多少変化しても、PXRのエネルギー分布には影響しない。ただし、カバーする角度範囲は変化する。低エネルギーの場合は、角度幅が広く、カバーするエネルギー範囲も広い。高エネルギーの場合は、角度幅とエネルギー範囲は狭い。



また、結晶への入射の際の電子ビームの角度発散の影響は、図9に示すようなケースを考えると、ブラッグ角自体が△θだけずれることになる。ブラッグ条件を満たす放出方向も、△θだけシフトする。この場合は、ブラッグエネルギー(h/2π)ωBの微小変化量を評価することとなる。△θだけずれた時のブラッグエネルギー(h/2π)ω"は、次のようになる。
(h/2π)ω"≒(h/2π)ωB+(d((h/2π)ωB)/dφ)△θ
=(h/2π)ωB+(h/2π)c*|g|cosθ/(2sin2θ)
=(h/2π)ωB(1-△θ/tanθ)
≒(h/2π)ωB(1-x/(Ltanθ) (5)



式(3)、式(4)と比べると、電子ビームに多少の角度発散があっても、Lが十分に大きければ、同じ点に到達するX線のエネルギーは、一次近似の範囲では等しいことになる。つまり、PXRのエネルギー分布に関して言えば、ターゲット結晶上の電子ビームスポットサイズと有効な結晶の厚みによってエネルギー分解能が決まることになる。



完全結晶によるPXRの回折について説明する。実際には、ターゲットである第1結晶も、反射板である第2結晶もともに、シリコン完全結晶の(111)面を用いている。ここでさらに、シリコン完全結晶の同じ面を第3結晶として用いて回折を試みる場合を考える。図10に、その概略図を示す。ここでは、(+,-,+)と呼ばれる平行な結晶配置を考えることにする。



完全結晶の場合、回折幅は非常に狭く、大体0.001°程度であり、X線のエネルギー幅でいうと、数eV程度のオーダーである。PXRの放射の角度広がりは1/γのオーダーであるから、100MeVの電子の場合、1/γ~5mrad~0.3°である。また、図8に示したような場合では、1keVくらいのエネルギー幅を持つことになる。このため一見すると、完全結晶を用いると、ごく一部のX線しか回折しないように思える。しかしながら、先の議論を応用すると、ブラッグ条件より角度△θだけずれた方向に放出されたX線は、第3結晶に(θ+△θ)で入射することになる。式(3)と式(5)の議論から、この方向のPXRのエネルギーと、ブラッグ角(θ+△θ)でのブラッグエネルギーは、一次近似の範囲では等しくなるので、ブラッグ回折が起こることが期待できる。これは△θの符号に依らず成立するので、この(+,-,+)配置では、結晶全面にわたってブラッグ回折が生じることになる。図10のようなブラッグ配置とよばれる完全結晶での回折では、反射率はほぼ100%になるため、効率の良いX線の反射が期待できる。実際、この特性を実験的に確認している。



現在のアンギオグラフィー(心臓血管造影法)では、一般的にヨウ素を血管造影剤として用いている。造影剤を用いない方法としては、大型放射光を用いる位相コントラスト法が研究されているが、X線源や測定精度に対する要求が非常にシビアである。一般への普及を考えると、当面は造影剤を用いる現在の手法の延長上での高度化が実際的である。ヨウ素を造影剤とする場合、ヨウ素のK吸収端エネルギー(33.17keV)以上のエネルギーのX線に対する吸収コントラストを測定することになる。



PXRの場合、X線ビームの中心でのエネルギーの値を、造影剤の吸収端に厳密に合わせてやれば、それを境として、吸収端以下のエネルギーを持つX線ビームと、吸収端以上のエネルギーのX線ビームを、同時に得ることができる。図11は、PXRの中心エネルギーを銅のK吸収端(8.981KeV)にした時の透過X線画像である。銅フォイルによる吸収は、吸収端を境に急激に変化しており、X線のエネルギーが精度よく制御されている様子がうかがえる。



2結晶システムによるPXR発生装置は公知である。これを応用してマルチビームライン化するアイデアは「小型可変エネルギー単色コヒーレントマルチX線発生装置」として、本出願人により特許出願(特許文献2)している。PXRのアンギオグラフィーへの応用も公知である。アンギオグラフィーへの応用自体は、PXRの基礎研究の動機の一つとして早くから挙げられていた。PXRの完全結晶による回折特性は、非常にユニークな特性であるが、これ自体は物理現象そのものであり、公知である。既に、学会・研究会などの発表で触れている。非対称結晶反射による単色X線ビーム拡大は、大型放射光施設においては一般的に行われている。



パルス性は、高周波加速器一般の特性であるので、造影剤の投入の同期も含め、加速器ベースの線源ならば、心拍同期撮影は自明のことである。造影剤の吸収端を跨いだ2色CTのアイデア自体は、レーザーコンプトンX線源の開発においても取り上げられている。X線位相コントラスト法によるイメージングは、1995年頃より精力的に研究されており、特に、マンモグラフィーへの応用が重視されている。



特許文献1には、2色X線を発生させる放射線源が開示されている。制動放射X線である。特許文献2には、小型可変エネルギー単色コヒーレントマルチX線発生装置が開示されている。2結晶システムによるPXR発生装置を応用してマルチビームライン化したものである。非特許文献1には、ヨウ素の吸収端を挟む2色X線で、心臓の造影剤撮影をする方法が開示されている。非特許文献2には、レーザーコンプトン散乱X線で、屈折コントラスト画像を撮影する方法が開示されている。



【特許文献1】
特開平10-106460号公報
【特許文献2】
特願2004-339792号明細書
【非特許文献1】
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・" http://detserv1.dl.ac.uk/herald/xray_review_angiography.htm
【非特許文献2】
Sakai, T. Nakajyo, et. al., 「レーザーコンプトン散乱X線の発生とX線によるイメージング」 Proceedings of the 2nd Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 29th Linear Accelerator Meeting in Japan., Tosu, Japan, 2005, p. 108, (in Japanese).

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、パラメトリックX線を利用したアンギオグラフィーシステムに関し、特に、2色のパラメトリックX線により造影剤撮影を行うシステムに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
造影剤の吸収端エネルギーの波長を跨いだ波長帯のパラメトリックX線ビームを発生して前記吸収端エネルギーより高いエネルギーの高域X線ビームと前記吸収端エネルギーより低いエネルギーの低域X線ビームとを発生するX線ビーム発生手段と、前記高域X線ビームと前記低域X線ビームが重なるように光路を変えるX線ビーム重畳手段と、前記高域X線ビームと前記低域X線ビームを前記造影剤が注入された撮影対象物に照射するための撮影対象物設定手段と、前記撮影対象物を透過した前記高域X線ビームまたは前記低域X線ビームを画像化するために前記撮影対象物の後方に設けたイメージング手段とを具備することを特徴とするアンギオグラフィーシステム。

【請求項2】
 
前記X線ビーム発生手段は、ほとんど光速の電子ビームを発生する電子ビーム発生装置と、前記電子ビームを照射して前記パラメトリックX線ビームを発生する第1完全結晶と、前記パラメトリックX線ビームを反射して前記X線ビーム重畳手段に輸送する第2完全結晶とを備え、前記X線ビーム重畳手段は、前記低域X線ビームを反射する第3完全結晶と、前記第3完全結晶で反射された前記低域X線ビームを再度反射する第4完全結晶とを備えたことを特徴とする請求項1記載のアンギオグラフィーシステム。

【請求項3】
 
前記X線ビーム重畳手段は、前記高域X線ビームまたは前記低域X線ビームを遮断する機械式シャッターを備えたことを特徴とする請求項1記載のアンギオグラフィーシステム。

【請求項4】
 
前記第2完全結晶は、前記低域X線ビームを対称反射させ、前記高域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であり、前記第4完全結晶は、前記低域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であることを特徴とする請求項2記載のアンギオグラフィーシステム。

【請求項5】
 
造影剤の吸収端エネルギーの波長を跨いだ波長帯のパラメトリックX線ビームを発生して前記吸収端エネルギーより高いエネルギーの高域X線ビームと前記吸収端エネルギーより低いエネルギーの低域X線ビームとを発生するX線ビーム発生手段と、前記高域X線ビームと前記低域X線ビームが重なるように光路を変えるX線ビーム重畳手段と、重畳された前記高域X線ビームと前記低域X線ビームとを照射するために前記造影剤が注入された撮影対象物を回転する撮影対象物駆動手段と、前記撮影対象物を透過した前記高域X線ビームを画像化するために前記撮影対象物の後方に設けた第1イメージング手段と、前記撮影対象物を透過した前記低域X線ビームを画像化するために前記撮影対象物の後方に設けた第2イメージング手段とを具備することを特徴とする2色X線CT装置。

【請求項6】
 
前記X線ビーム発生手段は、ほとんど光速の電子ビームを発生する電子ビーム発生装置と、前記電子ビームを照射して前記パラメトリックX線ビームを発生する第1完全結晶と、前記パラメトリックX線ビームを反射して前記X線ビーム重畳手段に輸送する第2完全結晶とを備え、前記X線ビーム重畳手段は、前記低域X線ビームを反射する第3完全結晶と、前記第3完全結晶で反射された前記低域X線ビームを再度反射する第4完全結晶とを備えたことを特徴とする請求項5記載の2色X線CT装置。

【請求項7】
 
前記第2完全結晶は、前記低域X線ビームを対称反射させ、前記高域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であり、前記第4完全結晶は、前記低域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であることを特徴とする請求項6記載の2色X線CT装置。

【請求項8】
 
高域X線ビームと低域X線ビームとを発生するX線ビーム発生手段と、前記高域X線ビームと前記低域X線ビームが重なるように光路を変えるX線ビーム重畳手段と、前記高域X線ビームと前記低域X線ビームを撮影対象物に照射するための撮影対象物設定手段と、前記撮影対象物を透過したX線ビームを回折させるために前記撮影対象物の後方に設けた回折手段と、前記回折手段で回折されたX線ビームを検出する第1イメージング手段と、前記回折手段を透過したX線ビームを検出する第2イメージング手段とを具備することを特徴とする位相コントラスト撮像システム。

【請求項9】
 
前記X線ビーム発生手段は、ほとんど光速の電子ビームを発生する電子ビーム発生装置と、前記電子ビームを照射して前記パラメトリックX線ビームを発生する第1完全結晶と、前記パラメトリックX線ビームを反射して前記X線ビーム重畳手段に輸送する第2完全結晶とを備え、前記X線ビーム重畳手段は、前記低域X線ビームを反射する第3完全結晶と、前記第3完全結晶で反射された前記低域X線ビームを再度反射する第4完全結晶とを備えたことを特徴とする請求項8記載の位相コントラスト撮像システム。

【請求項10】
 
前記X線ビーム重畳手段は、前記高域X線ビームまたは前記低域X線ビームを遮断する機械式シャッターを備えたことを特徴とする請求項9記載の位相コントラスト撮像システム。

【請求項11】
 
前記第2完全結晶は、前記低域X線ビームを対称反射させ、前記高域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であり、前記第4完全結晶は、前記低域X線ビームを非対称反射させる完全結晶であることを特徴とする請求項9記載の位相コントラスト撮像システム。

【請求項12】
 
ほとんど光速の電子ビームを発生する電子ビーム発生装置と、前記電子ビームを照射してパラメトリックX線ビームを発生する第1完全結晶と、前記パラメトリックX線ビームを照射するために撮影対象物を回転する撮影対象物駆動手段と、前記撮影対象物を透過したパラメトリックX線ビームを反射する第2完全結晶と、前記第2完全結晶で反射されたパラメトリックX線ビームを回折させる第3完全結晶と、前記第3完全結晶で回折されたX線ビームを画像化する第1イメージング手段と、前記第3完全結晶を透過したX線ビームを画像化する第2イメージング手段とを具備することを特徴とする拡大CT装置。

【請求項13】
 
ほとんど光速の電子ビームを発生する電子ビーム発生装置と、前記電子ビームを照射してパラメトリックX線ビームを発生する第1完全結晶と、撮影対象物に前記パラメトリックX線ビームを照射する撮影対象物設定手段と、前記撮影対象物を透過したパラメトリックX線ビームを反射する第2完全結晶と、前記第2完全結晶で反射されたパラメトリックX線ビームを回折させる角度調節可能な第3完全結晶と、前記第3完全結晶で回折されたX線ビームを画像化する第1イメージング手段と、前記第3完全結晶を透過したX線ビームを画像化する第2イメージング手段とを具備することを特徴とする拡大位相コントラスト撮像システム。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006021031thum.jpg
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