(57)【要約】【課題】  Ｘ線屈折コントラスト法における密度変化の分解能を定量的に評価し得る密度変化分解能評価用ファントム及び密度変化分解能評価方法を提供する。【解決手段】  Ｘ線屈折コントラスト法において、密度変化に対する分解能を評価するための密度変化分解能評価用ファントムである。直線状の境界線ＳＬを境にして、厚さが一定の平坦領域Ａと、斜めに削り取られた傾斜領域Ｂとが形成されており、境界線ＳＬと直交する方向において、傾斜領域Ｂの平坦領域Ａに対する傾斜角度αが０°から所定の角度まで次第に増加するように傾斜領域Ｂが形成されている。境界線ＳＬに沿ってＸ線を照射して屈折コントラスト画像を撮影し、平坦領域Ａと傾斜領域Ｂの境界部分でコントラストが見られる最小の角度αｍｉｍに基づいて密度変化の分解能を評価する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線屈折コントラスト法において、密度変化に対する分解能を評価するための密度変化分解能評価用ファントムであって、
直線状の境界線を境にして、厚さが一定の平坦領域と、斜めに削り取られた傾斜領域とが形成されており、当該境界線と直交する方向において、傾斜領域の前記平坦領域に対する傾斜角度αが０°から所定の角度まで次第に増加するように前記傾斜領域が形成されていることを特徴とする密度変化分解能評価用ファントム。
【請求項２】
直方体の上面が長辺と平行な前記境界線により２分割されており、一方が平坦面とされて前記平坦領域とされ、他方が次第に傾斜角度が増加する傾斜面とされて前記傾斜領域とされていることを特徴とする請求項１記載の密度変化分解能評価用ファントム。
【請求項３】
前記所定の角度が３０°〜５０°であることを特徴とする請求項１または２記載の密度変化分解能評価用ファントム。
【請求項４】
前記所定の角度が４５°であることを特徴とする請求項１または２記載の密度変化分解能評価用ファントム。
【請求項５】
アクリル樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の密度変化分解能評価用ファントム。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項記載の密度変化分解能評価用ファントムを用い、
前記境界線に沿ってＸ線を照射して屈折コントラスト画像を撮影し、平坦領域と傾斜領域の境界部分でコントラストが見られる最小の角度αｍｉｍに基づいて密度変化の分解能を評価することを特徴とする密度変化分解能評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線屈折コントラスト法における密度変化分解能の評価に用いられる密度変化分解能評価用ファントムに関するものであり、さらには、このファントムを用いた密度変化分解能評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば医療の分野等においては、Ｘ線撮影画像が診断に利用されている。Ｘ線撮影画像は、Ｘ線源から放射されたＸ線を被写体に照射し、透過するＸ線を撮像することによって得られ、密度や原子量の差による吸収コントラストによって画像形成を行う吸収コントラスト法が一般的である。吸収コントラスト法によるＸ線画像撮影においては、骨組織のように生体の主な構成要素である水や蛋白質等に比べて密度が高く比較的原子番号の大きな元素から構成される組織で吸収が強く、鮮明なコントラスト画像が得られる。
【０００３】
前述のＸ線画像撮影に際しては、装置の調整、日常点検、さらにはＸ線技師のトレーニング等が必要不可欠であり、これらを適正に行うことによって正確なＸ線画像撮影が可能になる。そのため、ファントムと称されるＸ線画像撮影装置用の評価器具が広く用いられている。
【０００４】
ファントムは、これを撮影対象物として使用し、その撮影状態を把握することで、前記調整や点検、トレーニング等を可能とするもので、例えば骨と同程度のＸ線吸収係数を有する骨格部とし、その周囲を皮膚や筋肉等と同程度のＸ線吸収係数を有する樹脂等で被覆した手模擬ファントム等が代表的である。その他、胸・腹部用Ｘ線水ファントムや、バーガーファントム、板状ファントム等、様々な種類のファントムが市販されており、例えば特許文献１においては、骨疾患撮影装置評価用ファントムが提案されている。
【０００５】
特許文献１に開示される骨疾患撮影装置評価用ファントムは、骨と近似するＸ線減弱特性を持つ骨部ファントムと、軟骨と近似するＸ線減弱特性を持つ軟骨部ファントム、関節と近似するＸ線減弱特性を持つ有機酸塩水溶液、及び皮膚と近似するＸ線減弱特性を持つ高分子材料から構成されている。特許文献１に記載される骨疾患撮影装置評価用ファントムは、骨部と軟骨部の病変診断画像に関する研究開発時に、定量的な評価を可能とするものである。
【０００６】
一方で、高輝度シンクロトロン放射Ｘ線源（例えばＳＰｒｉｎｇ−８）等の高平行度の放射光利用によるＸ線屈折コントラスト法の研究が盛んになっており、Ｘ線に対する吸収係数の小さい生体材料（例えば軟組織等）の観察用として医療診断への応用が試みられている。また、実用性を考慮して、例えば特許文献２には、Ｘ線管から照射され、被写体を透過したＸ線画像をＸ線検出器で検出するＸ線画像撮影方法であって、半影により低下する鮮鋭性を、屈折コントラスト強調による画像エッジ強調によって高めることを特徴とするＸ線画像撮影方法が開示されている。
【０００７】
Ｘ線吸収コントラスト法の場合、Ｘ線に対する吸収係数の小さい軟組織等では十分なコントラストが得られない。これに対して、Ｘ線屈折コントラスト法は、Ｘ線の屈折の効果を利用したものであり、組織の境界部分でのコントラストが高められ、境界が強調された輪郭強調画像が得られる。Ｘ線屈折コントラスト法によれば、Ｘ線の吸収によらずに軟組織の密度差を感度良く計測することができ、放射線被曝を低減することができる他、例えば造影剤を使用する必要がないので、造影剤の副作用を解消することができる等、数々の利点を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２８９５６０号公報
【特許文献２】特開２００１−９１４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、前述の通り、Ｘ線吸収コントラスト法によるＸ線画像撮影においては、ファントムによる調整や点検等がある程度確立されているのに対して、Ｘ線屈折コントラスト法では、Ｘ線吸収コントラスト法に比べて使用する手法や装置のセッティング条件等で画像の質に大きな違いが生じるにもかかわらず、定量的に各手法間やセッティング条件を評価する方法は確立されていない。
【００１０】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、Ｘ線屈折コントラスト法において、使用する手法やセッティング条件等を定量的に評価し得る評価用ファントム及び評価方法を提供することを目的とし、特に、Ｘ線屈折コントラスト法における密度変化の分解能を定量的に評価し得る密度変化分解能評価用ファントム及び密度変化分解能評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的を達成するために、本発明の密度変化分解能評価用ファントムは、Ｘ線屈折コントラスト法において、密度変化に対する分解能を評価するための密度変化分解能評価用ファントムであって、直線状の境界線を境にして、厚さが一定の平坦領域と、斜めに削り取られた傾斜領域とが形成されており、当該境界線と直交する方向において、傾斜領域の前記平坦領域に対する傾斜角度αが０°から所定の角度まで次第に増加するように前記傾斜領域が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の密度変化分解能評価方法は、前記密度変化分解能評価用ファントムを用い、前記境界線に沿ってＸ線を照射して屈折コントラスト画像を撮影し、平坦領域と傾斜領域の境界部分でコントラストが見られる最小の角度αｍｉｍに基づいて密度変化の分解能を評価することを特徴とする。
【００１３】
前述の構成の評価用ファントムにおいて、平坦領域と傾斜領域の境界部分ではそれぞれの厚さがほぼ等しいので、吸収による影響の差は小さい。一方、平坦領域と傾斜領域では境界線を境に傾斜角度αが急に変化するので、屈折像については、境界部分においてもその差は大きい。すなわち、前記境界部分でコントラストに差が見られる場合、傾斜角度αに相当する密度変化が観測されているものと考えられる。したがって、前記構成を有する評価用ファントムのＸ線屈折コントラスト画像を撮影し、境界線に沿ってコントラストが見られるか否かの限界点（コントラストの判別が不能となる位置）を探すことで密度変化の分解能が把握され、当該限界点における傾斜領域の角度が、密度変化分解能を与える最小の角度αｍｉｍとして密度変化分解能の指標となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、Ｘ線屈折コントラスト法において、その性能の指標として密度変化分解能を定量的に評価することが可能になり、例えば使用する手法やセッティング条件等を客観的に評価することが可能である。また、本発明の密度変化分解能評価用ファントムは、例えばアクリル樹脂を成形することによって簡単に作製することができ、正確な評価を可能とする評価用ファントムを安価に提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ｘ線吸収コントラスト法とＸ線屈折コントラスト法の相違を説明する図である。
【図２】密度変化分解能評価用ファントムの実施形態を示す概略斜視図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図２に示す密度変化分解能評価用ファントムの位置による断面形状の相違を示す図である。
【図４】物体をｙ軸方向にＸ線が透過する様子を示す図である。
【図５】クサビ形の物体を例示する図である。
【図６】アナライザーのロッキングカーブの一例を示す図である。
【図７】頂角αと反射Ｘ線の相対強度の関係を示す図である。
【図８】実施例で作製した密度変化分解能評価用ファントムの模式的な斜視図である。
【図９】試作した密度変化分解能評価用ファントムのＸ線屈折コントラスト画像（低角度側）を示す図である。
【図１０】分解能評価線の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した密度変化分解能評価用ファントム及びこれを用いた密度変化分解能評価方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１７】
本発明の密度変化分解能評価用ファントム及び密度変化分解能評価方法が評価対象とするのは、いわゆるアナライザーを用いたＸ線屈折コントラスト法である。アナライザーを用いたＸ線屈折コントラスト法は、高輝度シンクロトロン放射Ｘ線源（例えばＳＰｒｉｎｇ−８）等のような極めて平行性（指向性）の高いＸ線とアナライザーを用いた場合にのみ可能な手法であり、Ｘ線の屈折の効果をアナライザー結晶によりコントラストに変換する（すなわち密度変化を画像化する）ことができる。
【００１８】
図１は、Ｘ線吸収コントラスト法とアナライザー結晶を用いたＸ線屈折コントラスト法の相違を示すものであり、被写体１内部のＸ線の吸収率の違いの結果として得られる透視画像を撮影する吸収コントラスト法では、厚みがわずかに違う場所のように吸収差が小さい場合はコントラストが得られないのに対して、Ｘ線の屈折を利用した屈折コントラスト法では、密度のわずかな変化により屈折したＸ線にアナライザー結晶ＡＣを適用することにより、屈折方向に対応したコントラストが観察される。なお、評価対象となるＸ線屈折コントラスト法は、前記アナライザーを用いたＸ線屈折コントラスト法に限られるものではなく、Ｘ線の屈折効果を利用したものであれば、いずれにおいても本発明を適用することが可能である。
【００１９】
前述のＸ線屈折コントラスト法の評価に使用される本実施形態の密度変化分解能評価用ファントム２は、例えば図２に示すように、略々直方体形状を有する成形体であり、上面において長辺と平行な境界線ＳＬを境に２分割され、一方（図中、左側部分）が平坦領域Ａ、他方（図中、右側部分）が傾斜領域Ｂとされている。なお、本実施形態の場合、平坦領域Ａの幅が傾斜領域Ｂの幅よりも小さい。平坦領域Ａでは、上面が平坦面３とされており、厚さは一定である。傾斜領域Ｂでは、上面が斜めに削られる形になっており、これにより傾斜面４が形成されている。
【００２０】
ここで、前記傾斜面４は、ただ単に斜めに削られているのではなく、傾斜角度が次第に大きくなるような傾斜面とされている。すなわち、直方体の一辺５に沿った所定の位置での断面を見た場合、傾斜面４の傾斜角度αが０°から所定の角度（ここでは４５°）まで次第に大きくなるように形成されている。例えば、前記密度変化分解能評価用ファントム１の一端部Ｌ１での断面形状は、図３（ａ）に示すようなものであり、傾斜角度αは０°である。直方体の一辺５に沿って切断位置を移動していくと、前記傾斜角度αは次第に大きくなり、例えば中間点Ｌ２では、図３（ｂ）に示すように、傾斜角度α１＝ａｒｃｔａｎ（０．５）＝２６．６°となる。さらに、切断位置を移動していき、反対側の端部Ｌ３に到達すると、当該端部Ｌ３での断面形状は、図３（ｃ）に示すように、傾斜面４の傾きが最も大きくなり、傾斜角度α２＝４５°となる。
【００２１】
なお、前記傾斜角度α（α１，α２）は、境界線ＳＬと直交する方向における平坦領域（平坦面３）と傾斜領域（傾斜面４）とがなす角度である。また、前記傾斜角度αのタンジェント（ｔａｎα）の変化は直線的（一次関数的）であり、前記傾斜面４により形成される端縁６は直線をなしている。
【００２２】
前記傾斜角度αにおいて、最大となる傾斜角度α（先の例では端部Ｌ３での傾斜角度α２）が３０°〜５０°になるように設定することが好ましく、４５°とすることがより好ましい。前記角度が小さすぎると、評価可能範囲が狭くなりすぎるおそれがある。逆に、前記角度をあまり大きくし過ぎても、評価性能に大きな向上が期待できないばかりか、必要以上に直方体の厚さを厚くする必要が生じる等の問題が生ずるおそれがある。
【００２３】
前述の密度変化分解能評価用ファントム２は、例えばアクリル樹脂を成形することにより形成されるが、その材質としてはアクリル樹脂に限定されるものではなく、任意の材料を使用することができる。例えば、評価対象となる手法や装置等に応じて最適のＸ線屈折率を有する材質を選択すればよい。
【００２４】
また、本実施形態の密度変化分解能評価用ファントム２は、直方体を基本形状としているが、これに限らず、Ｘ線屈折コントラスト法で撮影する撮影対象の形状等に応じて変更することも可能である。
【００２５】
次に、前述の構成を有する密度変化分解能評価用ファントム２を用いた密度変化分解能評価方法の原理について説明する。
【００２６】
（Ｉ）原理
物質の屈折率の実数部分は、（１）式で表される。
ｎ＝１−δ    ・・・（１）
δは、観測する物体の各部分の密度によって異なるので、これを位置の関数として（２）式のように表す。
δ＝δ（ｘ，ｙ）    ・・・（２）
【００２７】
ここで、図４に示すように物体Ｓ１をｙ軸方向にＸ線が透過する場合、物体を通過する間のδについての積分は（３）式のようになる。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
仮に、物体が均一な物質で形成されており、密度が場所によって変わらないとすると、前記（３）式は（４）式に書き換えることができる。
Ｎ（ｘ）＝δ（ｙ１−ｙ０）    ・・・（４）
そして、仮に物体のｙ方向への厚さΔｙ＝ｙ１−ｙ０がｘの関数であるとするならば、（４）式はさらに（５）式に変換される。
Ｎ（ｘ）＝δΔｙ（ｘ）      ・・・（５）
【００３０】
次に、図５に示すような均一な物質で形成されているクサビ形の物体Ｓ２を考える。前記クサビ形の物質の頂角（傾斜角度）はαである。この物体についての（５）式のＮ（ｘ）を計算すると、下記（６）式となる。
Ｎ（ｘ）＝δｘｔａｎα      ・・・（６）
【００３１】
この時、Ｘ線がｙ軸方向に向かって物体Ｓ２を透過するならば、透過した後のＸ線のｙ方向からの屈折角Δθは、光学的な考察及び（６）式を用いて、（７）式となる。
【００３２】
【数２】
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【００３３】
つまり、屈折角は物質Ｓ２の頂角αのみで決まる。したがって、（８）式となる。
Δθ（α）＝δｔａｎα      ・・・（８）
このｄＮ（ｘ）／ｄｘは密度変化の大きさを表していると考えてよい。すなわち、頂角αを変化させたとき、ｄＮ（ｘ）／ｄｘ（＝δｔａｎα）をどこまで観察できるか、が密度変化の分解能を表すことになる。前述の密度変化分解能評価用ファントム２では、傾斜領域の傾斜角度αが前記頂角αに相当することになる。
【００３４】
（II）アナライザーのロッキングカーブを用いた屈折角の強度変化への変換
ブラッグケースでは、図６のようなアナライザーのロッキングカーブが得られる。図６は、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）にある放射光科学研究施設ＰＦ（Photon Factory）において、ビームラインＢＬ−１４Ｂ（精密Ｘ線回折実験ステーション）、３０ｋｅＶ、Ｓｉ（４４０）反射を用いた場合の実験結果である。
【００３５】
試料を透過したＸ線は、ロッキングカーブの半値に相当する角度に調整したアナライザーに入射する。この時、屈折角に応じてアナライザーからの反射強度は変化する。すなわち屈折角変化が強度変化に変換される。
【００３６】
ここで、前記原理の項で述べたようなクサビ形の物体を透過したＸ線を考える。この物体については、頂角αのみで屈折角が決まるので、透過Ｘ線にロッキングカーブを適用することにより、αの値により一義的に反射Ｘ線の強度が決まる。
【００３７】
物体の密度が均一であるならば、これは例えば図７のような関係になると考えられる。ここではδの一例として、カーボンの値（３０ｋｅＶで５．１×１０−７）を使い、Δθ＞０として計算した。αの値が大きい時（すなわち密度変化が大きい時）、ロッキングカーブの低角側を用いても、高角側を用いても、分解能はゼロとなることがわかる。これは特に低角側において顕著に生じている。
【００３８】
（III）密度変化の分解能
分解能を論じるときには、一般には値の小さい方を考えるので、ここでは密度変化が小さい側について考える。図７から明らかなように、αの値が大きくなる程、低角側では相対強度は小さく、高角側では大きくなる。密度変化の無い場合（α＝０）の場合には、屈折は起らないので、強度変化が観測できる最小の頂角（傾斜角度）αｍｉｎが密度変化の分解能を表すと考えられる［（９）式］。
【００３９】
【数３】
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【００４０】
すなわち、α＝０のときの強度と区別可能な強度に対応する最小の頂角αｍｉｎが密度変化の分解能を与えると考えられる。このことから、密度変化の分解能を調べるファントムとしては、α＝０の部分と任意のαを持つ部分が隣接し、しかも両者の間に吸収の差が無いことが必要な条件と考えられる。
【００４１】
以上が本発明における密度変化分解能評価方法の測定原理であり、図２に示す密度変化分解能評価用ファントム２は、前述の測定原理や条件に基づいて、密度変化の分解能を調べるために設計したものである。
【００４２】
前述の通り、密度変化分解能評価用ファントム２は、左側のα＝０の平坦領域Ａと、右側のα＝０°〜４５°の角度を持つ傾斜領域Ｂからなる。なお、平坦領域Ａと傾斜領域Ｂが接する点（境界線ＳＬ）ではそれぞれの部分の厚みは等しい。
【００４３】
このファントムに矢印の方向からＸ線を照射する。この際、得られる吸収像においては、平坦領域Ａと傾斜領域Ｂの境界部分での厚みが等しいことから、この付近での吸収による影響の差は小さい。一方、屈折像については、平坦領域Ａと傾斜領域Ｂで傾斜角度αが急に変化するので、境界部分でも差が大きい。すなわち、この境界部分でコントラストに差が見られる場合、密度変化が観測されていると考えられ、境界部分でコントラストが見られる最小の角度αｍｉｎが、密度変化分解能を与える角度となる。
【００４４】
実際に密度変化の分解能を評価する際には、先ず、前述の密度変化分解能評価用ファントム２の境界線ＳＬに沿って様々な位置で屈折像を撮影する。撮影した画像を観察し、平坦領域Ａと傾斜領域Ｂのコントラストが判別不能になる位置を探す。前記判別不能となる位置は、例えば撮影した画像から目視にて観測してもよいし、あるいはＩＰやＣＣＤ等で撮影し、統計学的に平坦領域Ａと傾斜領域Ｂの強度に差が生じ始める位置を求めるようにしてもよい。この時の位置の値を予め求めておいた分解能評価線に適用し、分解能を求める。
【実施例】
【００４５】
以下、本発明を適用した具体的な実施例について、実験結果を基に説明する。
【００４６】
評価用ファントムの作製
図８に作製した評価用ファントムの寸法を示す。作製した評価用ファントムは、長さ９０ｍｍであり、傾斜領域Ｂの最大の傾斜角度αは４５°である。また、傾斜領域Ｂの幅は１５ｍｍである。図８に示す評価用ファントムでは、位置ｈが決まれば傾斜角度αが決まり、寸法ｌも決まる。例えば、ｈ＝９０ｍｍの位置（図中、手前側の端部）では、傾斜角度αは４５°であり、寸法ｌは１５ｍｍである。
【００４７】
Ｘ線屈折コントラスト画像の撮影
作製した評価用ファントムについて、Ｘ線屈折コントラスト画像を撮影した。なお、Ｘ線屈折コントラスト画像は、高エネルギー加速器研究機構（ＫＥＫ）にある放射光科学研究施設ＰＦ（Photon Factory）において、ビームラインＢＬ−１４Ｂ（精密Ｘ線回折実験ステーション）、３０ｋｅＶ、Ｓｉ（４４０）反射を用いて撮影した。
【００４８】
図９は、試作した評価用ファントムについて、傾斜領域Ｂの傾斜角度αが低角度の部分を撮影した結果である。右端から１５ｍｍ程度の部分から平坦領域Ａと傾斜領域Ｂの境界が観測できる。図１０は、分解能評価線の一例を示すものであり、予め評価用ファントムの位置ｈと密度変化の関係を求めておけば、前記境界が観測できる位置から、対応する密度変化（分解能）を求めることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  被写体、２  密度変化分解能評価用ファントム、３  平坦面、４  傾斜面、ＳＬ  境界線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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