(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線透視システムと、
前記Ｘ線透視システムの光路中に配置されたビームスプリッタと、
Ｘ線検出素子を有し、前記ビームスプリッタを通過したＸ線を検出するために光路中に配置された検出システムと、を含み、
前記ビームスプリッタは、入射Ｘ線ビームを受けてＸ線の干渉縞を生成するように配置されたスプリッタ格子を含み、
前記検出システムは、前記Ｘ線検出素子に到達する前のＸ線の前記干渉縞の少なくとも一部を受けて遮断するように配置されたアナライザ格子を含み、
前記アナライザ格子は、長手寸法と、当該長手寸法に直交する第１の横寸法と、当該長手寸法及び当該第１の横寸法に対して直交する第２の横寸法と、を有しており、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、前記第１の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置され、
各光学的高密度領域は、前記長手寸法における長さよりも短い深さを前記第２の横寸法に有しており、
前記アナライザ格子は、前記長手寸法が入射Ｘ線に対して相対的に浅い角度を成すように配置され、
前記浅い角度が３０度よりも小であることを特徴とする微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項２】
各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも１／２短い深さを前記第２の横寸法に有していることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項３】
各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも１／１０短い深さを前記第２の横寸法に有していることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項４】
各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも１／１００短い深さを前記第２の横寸法に有していることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項５】
前記浅い角度が２５度より小かつ３度よりも大であることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項６】
前記浅い角度が１５度より小かつ５度よりも大であることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項７】
前記スプリッタ格子が反射型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項８】
前記スプリッタ格子が透過型回折格子であることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項９】
前記スプリッタ格子は、長手寸法と、当該長手寸法に直交する第１の横寸法と、当該長手寸法及び当該第１の横寸法に対して直交する第２の横寸法と、を有しており、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、前記第１の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置され、
各光学的高密度領域は、前記長手寸法における長さよりも短い深さを前記第２の横寸法に有しており、
前記スプリッタ格子は、前記長手寸法が入射Ｘ線に対して相対的に浅い角度を成すように配置され、
前記浅い角度が３０度よりも小であることを特徴とする請求項８に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１０】
前記Ｘ線透視システムは、
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源と前記ビームスプリッタの間の光路中に配置された線源格子と、を含み、
前記線源格子が複数の実質的にコヒーレントなＸ線ビームを生成することを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１１】
前記Ｘ線透視システムは、
多エネルギーＸ線源と、
多エネルギーＸ線源からのＸ線の光路中に配置されたバンドパスフィルタと、を含み、
前記バンドパスフィルタは、あるエネルギー帯域内にあるＸ線を、当該エネルギー帯域外のＸ線よりも強く通過させることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１２】
前記バンドパスフィルタは、
低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の入射ビームの第１部分を反射し、Ｘ線の前記入射ビームの第２部分を通過させるハイパスＸ線ミラーと、
前記低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の前記入射ビームの前記第１部分を受けて少なくとも減衰させるように配置された第１のビームストップと、
前記ハイパスＸ線ミラーを通過し、高い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の前記入射ビームの前記第２部分の一部を反射するローパスＸ線ミラーと、
前記第２のビームストップに到達する前に前記ハイパスＸ線ミラーを外れたＸ線を受けて少なくとも減衰させるように配置された第２のビームストップと、を含み、
前記第１及び第２のビームストップが、前記高い通過帯域エネルギーと前記低い通過帯域エネルギーの間のエネルギーを有するＸ線のビームを透過させるように配置されることを特徴とする請求項１１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１３】
前記ローパスＸ線ミラーは、低Ｚ材料を含む支持層の上に高Ｚ材料を含む反射層を含む薄膜Ｘ線ミラーであり、Ｚは原子番号であり、
前記高Ｚ材料はＺが少なくとも４２の原子を含み、前記低Ｚ材料はＺが１４よりも小さい原子を含むことを特徴とする請求項１２に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１４】
前記スプリッタ格子と前記アナライザ格子は、タルボ・ロー条件により決定された間隔をもって配置されることを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１５】
前記スプリッタ格子と前記アナライザ格子は、タルボ・ロー条件により決定された格子パターンを有することを特徴とする請求項１に記載の微分位相コントラストＸ線イメージングシステム。
【請求項１６】
多エネルギーＸ線源と、
前記多エネルギーＸ線源からのＸ線の光路中に配置されたバンドパスフィルタと、を含み、
前記バンドパスフィルタは、あるエネルギー帯域内にあるＸ線を、当該エネルギー帯域外のＸ線よりも強く通過させ、
前記バンドパスフィルタは、
低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の入射ビームの第１部分を反射し、Ｘ線の前記入射ビームの第２部分を通過させるハイパスＸ線ミラーと、
前記低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の前記入射ビームの前記第１部分を受けて少なくとも減衰させるように配置された第１のビームストップと、
前記ハイパスＸ線ミラーを通過し、高い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線の前記入射ビームの前記第２部分の一部を反射するローパスＸ線ミラーと、
前記第２のビームストップに到達する前に前記ハイパスＸ線ミラーを外れたＸ線を受けて少なくとも減衰させるように配置された第２のビームストップと、を含み、
前記第１及び第２のビームストップが、前記高い通過帯域エネルギーと前記低い通過帯域エネルギーの間のエネルギーを有するＸ線のビームを透過させるように配置されることを特徴とするＸ線透視システム。
【請求項１７】
前記ローパスＸ線ミラーは、低Ｚ材料を含む支持層の上に高Ｚ材料を含む反射層を含む薄膜Ｘ線ミラーであり、
Ｚは原子番号であり、
前記高Ｚ材料はＺが少なくとも４２の原子を含み、前記低Ｚ材料はＺが１４よりも小さい原子を含むことを特徴とする請求項１６に記載のＸ線透視システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年７月２９日に出願された米国特許出願第６１／５１３，１７５号及び２０１２年４月４日に出願された米国特許出願第６１／６２０，１４０号の優先権を主張し、その全ては参照により本出願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、エネルギー省により与えられた助成番号ＤＥ−ＦＧ０２−９９ＥＲ５４５２３、保健福祉省国立衛生研究所（ＮＩＨ）により与えられた助成番号１Ｒ２１ＥＢ０１２７７７−０１Ａ１の助成によりなされたものである。政府は、本発明における一定の権利を有す。
【背景技術】
【０００３】
１．技術分野
本発明で主張される実施形態の技術分野は、Ｘ線システムに関し、特に、微分位相コントラストＸ線イメージングシステム（differential phase contrast X-ray imaging systems）とＸ線透視システム（X-ray illumination systems）に関する。
【０００４】
２．関連技術の考察
Ｘ線微分位相コントラスト（ＤＰＣ）イメージングは、物体を通過したＸ線の屈折に基づくものである。硬Ｘ線では屈折角がμラジアンのレンジにあるため、ＤＰＣイメージングを用いた基本的な技術は、透過されたＸ線ビームをμラジアンの分解能で角度的にフィルタリングすることにより、屈折によるビーム角偏差を従来の検出器における強度変化に変換するものである。角度フィルタリングは、結晶や回折格子のようなＸ線光学素子（最近のレビューから非特許文献１を参照）を用いて行われる。
【０００５】
ＤＰＣイメージングの主要な利点は、バルクＸ線吸収よりも測定物体における密度勾配に敏感な点にある。例えば、医療用イメージングでは、屈折が組織の境界でコントラスト向上効果を有することにより、従来のＸ線イメージングでは見えない軟部組織の検出が可能となる。軟骨、腱、靭帯、又は筋肉などのマイクロ構造の軟部組織で発生する極小角散乱もまた大きなコントラスト向上効果を有している［非特許文献１〜５］。医療用イメージング用のＤＰＣのもう一つの利益は、通常のＸ線イメージングと同様又は少ない線量で、コントラストと分解能を向上させることができる点にある。このことは、ＤＰＣが身体に吸収されないＸ線を用いていることと、軟部組織の屈折係数が、吸収によるものと比較してＸ線のエネルギーとともにはるかに緩やかに減少することで可能となっている。特に、ＤＰＣ用におおよそ５０〜８０ｋｅＶの範囲の平均エネルギーに対するスペクトルを用いることにより、屈折が吸収よりも強く優位である限り、軟部組織の線量が最小化されることとなる［非特許文献１，６］。
【０００６】
Ｘ線位相コントラストはまた、特に低Ｚ材料に関しては、材料科学におけるイメージングと非破壊特性評価にとって有意義なものである。Ｘ線位相コントラストを用いれば、ポリマーから、繊維複合体、木材、生体工学材料にわたる材料の構造や欠陥をマイクロメートルのスケールで調べることが可能となる［非特許文献７〜９］。Ｘ線位相コントラストを用いた技術のうちのいくつかは中性子にも適用できる［非特許文献１０］。近年、物体における密度勾配の測定をするための屈折に基づいたイメージングの性能を、慣性閉じ込め核融合（ＩＣＦ）における高密度プラズマの診断やその他の高エネルギー密度物理（ＨＥＤＰ）の実験に用いることが可能な核融合エネルギーの研究において、Ｘ線位相コントラストは注目を集めている［非特許文献１１］。
【０００７】
最近まで、Ｘ線ＤＰＣイメージングに関する研究は、主にシンクロトロンで結晶光学素子を用いて行われていた。シンクロトロンの高強度は、結晶光学素子の低効率（１００分の１のａ％よりも小）を補てんする［非特許文献１，１２］。卓上型シンクロトロン［非特許文献１３］を開発する努力、あるいは従来の管［非特許文献１４］からの狭いＫα線を用いる努力があるが、結晶法は未だ実用化の領域に入っていない。したがって、従来の医療用又は工業用のＸ線管とともに動作可能である、より効率的なＤＰＣ法と光学素子を開発することは有意義である。
【０００８】
従来のＸ線源とともに動作可能なＤＰＣ法は、タルボ・ロー  シアリング干渉法（Talbot- Lau shearing interferometry）であり、屈折したＸ線をμラジアンの分解能で角度的にフィルタリングするために、回折格子のような微細周期光学素子（micro-periodicoptics）が用いられている［非特許文献１５，１７］。タルボ干渉計（Talbot interferometer）はまず、タルボ効果によって、入射ビームをわずかμラジアン幅のビームレットに分ける（つまり、'切る'）'ビームスプリッタ'（典型的にはπシフト位相回折格子）を含む。タルボ効果は、タルボ距離ｄＴ＝ｋ／η２・ｇ２／（２λ）と呼ばれるビームに沿った周期的距離で、波の強度が格子パターンの'繰り返し'となる効果である。ここで、λはＸ線の波長、ｇは格子周期、ｋ＝ｌ，２，．．．はパターンの次数である。π／２位相シフト格子又は吸収型回折格子に対してはη＝１、π位相回折格子に対してはη＝２である［非特許文献１８］。ビームスプリッタはこのようにして、屈折性物体がビーム内に導入されたときに、乱れを受けていないパターンから形を変える（シフトする）微細周期縞パターンを'タルボ距離'において生成する。このようにして、微分位相コントラストイメージングは、物体がない場合のパターンに対する、物体によって引き起こされた縞パターンの変化を測定するものである。硬Ｘ線の波長においてμラジアンの角感度を達成するためには、周期ｇはμｍのレンジにある必要があるため、タルボ距離は数十ｃｍとなる。
【０００９】
縞パターンは、原理的には微視的な画素検出器を用いて直接測定することが可能である［非特許文献１７］。しかしながら、これはかなり非効率的である。ほとんどの実際的応用では、縞パターンの変化は、ビームスプリッタの後方に配置される'アナライザ'吸収型回折格子を導入するとともに、タルボパターンの周期を持たせることにより、巨視的な画素検出器上で強度変化に変換される。最後に、拡大スポットＸ線管（extended spot X-ray tube）とともに動作するような干渉計に関しては、'線源'吸収型回折格子が線源の前方に配置されるため、線源を準コヒーレント線線源のアレイに分割することとなる［非特許文献１６〜１８］。
【００１０】
回折格子は、薄いＳｉウェハ又はフォトレジストにおけるマイクロリソグラフィによって製造される［非特許文献１９，２０］。吸収型回折格子は加工するのが難しく、典型的には透過型回折格子のギャップに金を充填することで製造される。上述の'グレーティングシアリング法'は、数十ｋｅＶよりも低いエネルギーにおいて結晶法と同様の性能を示してきた［非特許文献２１］。
【００１１】
しかしながら、この方法は数十ｋｅＶよりも高いエネルギーでは余り有用ではない。この理由は、より高エネルギーのＸ線を遮断するのに必要な厚さを有したミクロン周期の吸収型回折格子を製造することが困難であることである。このことは、図１において、９５％の吸収に必要なＡｕの厚さを光子エネルギーの関数としたプロットで図示されている。今まで見てきたように、数百μｍの深さの回折格子は、臨床ＤＰＣイメージングにとって有意義な範囲において必要なものである。しかしながら、格子周期によるが、現在の技術的限界は約５０〜１００μｍである［非特許文献１９，２０，２２］。このことは、図１において、厚さが３０μｍで周期が４μｍのＡｕアナライザ格子を有する干渉計に関して計算された縞コントラストが図示されているように、高エネルギーＸ線に関するグレーティングシアリング法のコントラストを制限する（この明細書全体にわたって、Ｘ線位相コントラストと光学的計算のために、ＸＷＦＰ波動伝搬コード［非特許文献２３］とＸＯＰ光学パッケージ［非特許文献２４］を用いた）。
【００１２】
それゆえに、数十ｋｅＶよりも高いＸ線エネルギーにおいて、効率的なＤＰＣイメージングを可能とするためには、新しいタイプの光学素子が必要である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Shu-Ang Zhou and Anders Brahme, "Development of phase-contrast X-ray imaging techniques and potential medical applications", Physica Medica 24, 129, (2008)
【非特許文献２】Carol Muehleman,Jun Li, Zhong Zhong, Jovan G. Brankov and Miles N. Wernick, "Multiple-image radiography for human soft tissue", J. Anat. 208, 115, (2006)
【非特許文献３】Tetsuya Yuasa, Eiko Hashimoto, Anton Maksimenko, Hiroshi Sugiyama,Yoshinori Arai, Daisuke Shimao, Shu Ichihara, Masami Ando, "Highly sensitive detection of the soft tissues based on refraction contrast by in-plane diffraction-enhanced imaging CT",Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591, 546, (2008)
【非特許文献４】J. Li, Z. Zhong, D. Connor, J. Mollenhauer and C. Muehleman,"Phase-sensitive X-ray imaging of synovial joints", Osteoarthritis and Cartilage 17, 1193, (2009)
【非特許文献５】Paola Coan, Juergen Mollenhauer, Andreas Wagner, Carol Muehleman, Alberto Bravin,"Analyzer-based imaging technique in tomography of cartilage and metal implants: A study at the ESRF" , European Journal of Radiology 68, S41,(2008)
【非特許文献６】R A Lewis, "Medical phase contrast X-ray imaging: current status and future prospects", Phys. Med. Biol. 49, 3573(2004)
【非特許文献７】F. Pfeiffer, M. Bech,O. Bunk, P. Kraft, E. F. Eikenberry, Ch. Bronnimann, C. Grunzweig and C.David, "Hard-X-ray dark-field imaging using a grating interferometer", Nature Materials 7, 134 (2008)
【非特許文献８】Yogesh S. Kashyap, P.S. Yadav,Tushar Roy, P.S. Sarkar, M.Shukla, Amar Sinha, "Laboratory-based X-ray phase-contrast imaging technique for material and medical science applications", Applied Radiation and Isotopes 66, 1083 (2008)
【非特許文献９】Sheridan Mayo, Robert Evans, Fiona Chen and Ryan Lagerstrom, "X-ray phase-contrastmicro-tomography and image analysis of wood micro structure", Journal of Physics: Conference Series 186, 012105 (2009)
【非特許文献１０】M. Strobl, C. Grunzweig, A. Hilger, I. Manke, N. Kardjilov, C. David,and F. Pfeiffer, "Neutron Dark-Field Tomography", Phys. Rev. Lett. 101, 123902 (2008)
【非特許文献１１】Jeffrey A. Koch, Otto L. Landen,Bernard J. Kozioziemski, Nobuhiko Izumi, Eduard L. Dewald, Jay D. Salmonson, and Bruce A. Hammel, "Refraction-enhanced X-ray radiography for inertial confinement fusion and laser-produced plasma applications", J. Appl. Phys. 105, 113112 (2009)
【非特許文献１２】Heikki Suhonen, Manuel Fernandez, Alberto Bravin, Jani Keyrilainenand Pekka Suorttia,"Refraction and scattering of X-rays in analyzer based imaging", J.Synchrotron Rad. 14, 512 (2007)
【非特許文献１３】Martin Bech,Oliver Bunk, Christian David, Ronald Ruth, Jeff Rifkin, Rod Loewen,Robert Feidenhans and Franz Pfeiffer, "HardX-ray phase-contrast imaging with the Compact Light Source based on inverse Compton X-rays", J. Synchrotron Rad. 16, 43 (2009)
【非特許文献１４】Muehleman C, Li J, Connor D, Parham C, Pisano E, Zhong Z.,"Diffraction-enhanced imaging of musculoskeletal tissues using a conventional X-ray tube", Acad. Radiol. 16, 918(2009)
【非特許文献１５】J. F. Clauser,"Ultrahigh resolution interferometric X-rayimaging," US patent No. 5,812,629 (1998)
【非特許文献１６】Pfeiffer, F., Weitkamp,T., Bunk, O., David, C, "Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources", Nature Physics 2, 258 (2006)
【非特許文献１７】Atsushi Momose, Wataru Yashiro, Yoshihiro Takeda, Yoshio Suzuki and Tadashi Hattori, "Phase Tomography by X-ray Talbot Interferometryfor Biological Imaging", Japanese Journal of Applied Physics 45, 5254(2006)
【非特許文献１８】Timm Weitkamp, Christian David, Christian Kottler, Oliver Bunk, and Franz Pfeiffer, "Tomography with grating interferometers at low-brilliance sources", Proc. SPIE 6318,6318 (2006)
【非特許文献１９】C. David , J. Bruder,T. Rohbeck, C. Grunzweig,C. Kottler, A. Diaz, O. Bunk, F. Pfeiffer,"Fabrication of diffraction gratings for hard X-ray phase contrast imaging" Microelectronic Engineering 84, 1172 (2007)
【非特許文献２０】Elena Reznikova, Juergen Mohr, Martin Boerner ,Vladimir Nazmov, Peter- Juergen Jakobs, "Soft X-ray lithography of high aspect ratio SU8 submicron structures", Microsyst.Technol. 14, 1683 (2008)
【非特許文献２１】Martin Bech, Torben H Jensen, Robert Feidenhans,Oliver Bunk, Christian David and Franz Pfeiffer, "Soft-tissue phase-contrast tomography with an X-ray tube source", Phys. Med. Biol. 542747 (2009)
【非特許文献２２】Tilman Donath, Franz Pfeiffer, Oliver Bunk, Waldemar Groot, et al.,"Phase-contrast imaging and tomography at 60 keV using a conventional X-ray tube source", Rev. Sci. Instrum.80, 053701 (2009)
【非特許文献２３】Timm Weitkamp, "XWFP: An X-ray wavefront propagation software package for the IDL computer language", Proc. SPIE 5536, 181-189 (2004)
【非特許文献２４】M. Sanchez del Rio and R. J. Dejus, "XOP: recent developments, in Crystal and Multilayer Optics", Proc. SPIE 3448, 340 (1998)
【発明の概要】
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、微分位相コントラストＸ線イメージングシステムは、Ｘ線透視システムと、Ｘ線透視システムの光路中に配置されたビームスプリッタと、ビームスプリッタを通過したＸ線を検出するために光路中に配置された検出システムと、を含む。検出システムはＸ線検出素子を含む。ビームスプリッタは、入射Ｘ線ビームを受けてＸ線の干渉縞を生成するように配置されたスプリッタ格子を含む。検出システムは、Ｘ線検出素子に到達する前のＸ線の干渉縞の少なくとも一部を受けて遮断するように配置されたアナライザ格子を含む。アナライザ格子は、長手寸法（longitudinal dimension）と、長手寸法に直交する第１の横寸法（lateral dimension）と、長手寸法及び第１の横寸法に対して直交する第２の横寸法（transverse dimension）と、を有している。アナライザ格子は、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、各光学的高密度領域は、長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、第１の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置される。各光学的高密度領域は、長手寸法における長さよりも短い深さを第２の横寸法に有している。アナライザ格子は、長手寸法が入射Ｘ線に対して相対的に浅い角度を成すように配置され、浅い角度は３０度よりも小である。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、Ｘ線透視システムは、多エネルギーＸ線源と、多エネルギーＸ線源からのＸ線の光路中に配置されたバンドパスフィルタと、を含む。バンドパスフィルタは、あるエネルギー帯域内にあるＸ線を、当該エネルギー帯域外のＸ線よりも強く通過させる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
更なる目的及び利点は、明細書、図面及び実施例を考慮することにより明白になるであろう。
【００１７】
【図１】９５％の吸収に必要な金の厚さを、Ｘ線エネルギーの関数として示す。厚さが３０μｍで周期が４μｍのＡｕアナライザを有する格子干渉計に関する縞コントラストも図示されている。臨床的に対象となるエネルギーでは、アナライザはＸ線に対して透明になり、急激に干渉計コントラストを減少させる。
【図２】図２（ａ）は、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。図２（ｂ）は、従来の垂直入射のタルボ・ロー干渉計の概略図である。
【図３】図３（ａ）は、デュアルミラーバンドパスフィルタを有する、本発明の一実施形態としてのＸ線透視システムの概略図である。図３（ｂ）は、２つのＰｔミラーを３ｍｒａｄの入射角で組み合わせて得られたデュアルミラーフィルタ（図３（ａ））の計算された光透過率を示す。１つ目のミラーは３μｍの厚さのマイラー膜の上に蒸着されている。ｍ＝５、＜Ｅ＞＝２６ｋｅＶのタルボ干渉計のコントラストカーブの形状も示されている。
【図４】９５％の吸収に必要なＡｕの厚さをＸ線エネルギーの関数としたプロットである。
【図５】図５（ａ）は、周期が５μｍ、ｍ＝１、平均エネルギーが６０ｋｅＶの干渉計に関して計算されたコントラストを示す。本発明の一実施形態と従来のシステムを対比するために、１００μｍの厚さのＡｕ線源格子とアナライザ格子を垂直入射と１０°の入射で用いている。図５（ｂ）は、図５（ａ）と同様の計算結果であるが、１２０ｋｅＶの設計エネルギー（design energy）の干渉計に関するものであり、１００μｍの厚さのＡｕ線源格子とアナライザ格子を７°の入射で用いている。カーブの灰色部分は、物体の中の低エネルギーの光子の吸収によって、あるいは、別のスペクトルフィルタを用いることによって除去された低エネルギーのピークを表している。
【図６】大きな視野を有する、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の一実施形態による、視射角（２２．５°）のタルボ・ロー干渉計と、約４３ｋｅＶの平均エネルギーのスペクトルとから得られたモアレパターンと強度プロファイルを示す。図７（ｂ）は、同様のデータを示すが、垂直入射の干渉計に関するものである。図７（ｃ）は、本発明の一実施形態による、１２ｍｍのナイロン棒と傾いた格子干渉計によって生成されたモアレ縞のシフトを示す。右側のパネルは、図７（ａ）と図７（ｂ）に関するＸ線スペクトルを示す。
【図８】図８（ａ）は、位相コントラストイメージングのための視射角回折格子と、準単色スペクトルフィルタリングのための横傾斜多層ミラーを有する、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の実施形態と同様であるが、線源格子の代わりに微細周期ミラーを用いる、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。
【図９】２００ｍｍの軟部組織と２００μｍのＣｕを透過後の３００ｋＶｐのＷ陽極管の計算されたスペクトルを示す。Ａｕミラー上の１．１ｍｒａｄでの反射後のスペクトルも、入射角が１０°で厚さが１００μｍのＡｕ回折格子を有するｍ＝５の干渉計のコントラストとともに図示されている。
【図１０】従来のＸ線源を有するタルボ・ロー格子干渉計の概略図である。
【図１１】図１１（ａ）〜（ｄ）は、水媒質中の１ｍｍのＢｅ棒の、シミュレートされた位相走査カーブ（ａ）、屈折強調画像（ｂ）、位相勾配画像（ｃ）、減衰画像（ｄ）を示す。長さが２．４ｍで、ｍ＝３、＜Ｅ＞＝２０ｋＶ、１０μｍ周期の対称干渉計と、線源としてのＷ陽極管を仮定している。直径１００μｍのＡｕワイヤもコントラスト基準として含まれている。ＡＢＩ法における典型的なロッキング結晶カーブも図１１（ａ）にプロットされている。
【図１２】２２ｋｅＶにおけるＩＦＥカプセルモデルに関して計算された屈折角を示す。挿入図として減衰画像も示されている。
【図１３】２５ｋｅＶにおける小さな関節ファントムに関して計算された屈折角を示す。関節ファントムの設計図は上部に示されている。
【図１４】図１４（ａ）は、＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶ、ｍ＝３の場合の干渉計長さに対する角度幅の依存性を示す。Ｚ＝２ｍかつｍ＝７（点線）の場合の角度幅も示されている。図１４（ｂ）は、＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶ、Ｚ＝２ｍ、ｍ＝３の場合のＭＴに対する格子周期の変化を示す。
【図１５】＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶの２ｍの干渉計について、エネルギーとタルボ次数の関数として計算されたコントラストを示す。３５ｋＶにおけるＷ陽極管のパワースペクトルの形状も示されている。
【図１６】図１５のｍ＝５、＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶの干渉計について、１９，２５，及び３７ｋｅＶのエネルギーにおけるアナライザ位置での計算されたタルボパターンを示す。アナライザ格子の筋の位置は横線で示されている。参考のために、図１５におけるｍ＝５のコントラストカーブも上部に再プロットされている。
【図１７】図１７（ａ）は、３０μｍのＲｈ吸収材でフィルタされたＲｈ管球の規格化されたパワースペクトルを示す。ｍ＝７、＜Ｅ＞＝２０ｋｅＶの対称干渉計のコントラストも示されている。図１７（ｂ）は、Ｐｔミラー上の３．５ｍｒａｄでの反射によるローパスフィルタリング後の図１７（ａ）に対応するスペクトルを示す。
【図１８】図１８（ａ）〜（ｄ）は、異なる線源スペクトルを用いた小さな関節ファントムの画像を示す。（ａ）３５ｋＶのＷ陽極管、ｍ＝３；（ｂ）４０ｋＶのＫ吸収端フィルタされたＲｈ管球、ｍ＝７；（ｃ）Ｒｈ管球のスペクトルでフィルタされた全反射ミラー、ｍ＝７；及び（ｄ）Ｒｈ管球のスペクトルでフィルタされた多層ミラー、ｍ＝７
【図１９】Ａｇ−Καバックライティングを用いたＩＦＥカプセルのモアレ画像を示す。直径５０μｍの不透過性の球の画像も、コントラスト基準として右上隅に示されている。
【図２０】本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。
【図２１】図２１（ａ）は、別の吸収型線源格子とミラーフィルタリングを用いて、大きな関節ファントムに関して計算された屈折強調画像を示す。図２１（ｂ）は、微細周期ミラーを反射型線源格子とみなして得られたファントム画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する。実施形態の説明において、明瞭化のために特定の用語を用いている。しかしながら、本発明は、そのように選択した特定の用語に限定されるものではない。当業者であれば、本発明の広範な概念から逸脱することなく他の同等の構成要素を用いたり他の方法を開発したりすることを認識するであろう。背景技術及び発明の詳細な説明の欄を含む本願の明細書において言及した全ての参考文献は、それぞれの参考文献が個別に組み込まれたかのように参照により組み込まれる。
【００１９】
本発明のいくつかの実施形態は、非常に高いＸ線エネルギー（１００ｋｅＶ以上）まで対応するタルボ・ロー微分位相コントラスト（ＤＰＣ）干渉計を製造するために、斜入射（数度から数十度の範囲の入射角α）で傾いている市販の微細周期回折格子を用いることができる。本発明のいくつかの実施形態はまた、傾いた回折格子とともに、準単色Ｘ線スペクトルを生成すること、及び／又、回折格子へ入射する放射線のコヒーレンスを向上させることを助けるかすめ入射ミラー（grazing incidence mirrors）を含んでもよい。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態によれば、いくつかの応用は、屈折と極小角散乱（ＵＳＡＸＳ）が軟骨、腱、血管壁、脳組織、微小石灰化、及び腫瘍などの軟部組織の見やすさを強く高めることが示される医療用Ｘ線イメージングを含むことができる。本発明のいくつかの実施形態は、高エネルギーＸ線と、高出力の医療用の拡大スポットＸ線管とともに動作可能であるため、人体深くの軟部組織のＸ線位相コントラストイメージングが可能となる。医学的応用の可能性がある例としては、前立腺、肺、膵臓、又は脳などの人体深くの臓器用の早期癌発見を可能にし得るＸ線バイオプシーシステムがある。
【００２１】
加えて、本発明のいくつかの実施形態の他の応用は、例えば、培養組織、材料科学、及びナノ構造体に基づく材料、工業用非破壊検査（ＮＤＴ）、並びに、セキュリティスクリーニング及びエネルギー研究の分野で用いることができる。例えばＮＤＴでは、約１００ｋｅＶのＸ線を用いる位相コントラストイメージングは、飛行機の翼や胴体のような重要部品における亀裂や微細構造の疲労損傷の向上した検出を可能にし得る。しかしながら、本発明の全体的な概念は、これらの特定の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
軟部組織に対する主なイメージング法は、ＭＲＩ、超音波、及びＸ線である。しかしながら、ＭＲＩと超音波は良好な軟部組織コントラストを生成するが、それらの空間分解能は限られている。これに対して、従来の（減衰に基づいた）Ｘ線イメージングは、良好な空間分解能と粗悪な軟部組織コントラストを有する。
【００２３】
近年、微分位相コントラスト（ＤＰＣ）と呼ばれ、Ｘ線屈折や極小角散乱に基づいた新しいＸ線イメージング法が探求され、良好な軟部組織コントラストと高い空間分解能の両方を提供している。これらの性能は、バルク吸収よりも、物体における小規模の密度勾配に対するＤＰＣの感度に起因している。このことは、組織の境界や、軟骨、腱、靭帯、又は筋肉のようなマイクロ構造の組織に関するコントラストを向上させる。加えて、近年の研究は、ＤＰＣが、乳房から肝臓、肺にわたる種々の臓器における腫瘍の高感度検出を提供できることを示している。このように、Ｘ線ＤＰＣの医学的応用については急成長の範囲がある。［１］。加えて、工業用非破壊検査及び材料科学において、Ｘ線位相コントラストには多くの新しい応用があり得る。
【００２４】
ＤＰＣイメージングは、透過された放射線における屈折成分を角度的にフィルタリングするＸ線光学素子を用いることにより動作する。近年、従来のＸ線管の使用を可能とした、非常に効率的なＤＰＣ法が開発された。その方法は、微細周期の吸収型回折格子及び透過型回折格子が、屈折したＸ線を角度的にフィルタリングするために用いられるタルボ・ロー干渉計の構成に基づいている［２，３］。
【００２５】
厚い微細周期回折格子の製作における技術的限界により［４，５］、垂直入射で回折格子を用いる従来のタルボ・ロー干渉計は、数十ｋｅＶよりも高いＸ線エネルギーでは、不十分な縞コントラスト又は見やすさを有している［２〜４］。しかしながら、数十ｋｅＶよりも高いＸ線は、大きな身体部位を透過するのに必要である。同様の限界は、ＤＰＣイメージングの産業上又は物質開発の応用に発生する。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態は、斜入射の微細周期回折格子、あるいは、斜入射の回折格子とミラーの組み合わせを有するタルボ・ロー干渉計に基づいた新しいタイプのＸ線イメージングシステムに関する。これらのシステムは、１００ｋｅＶ以上までのＸ線を用いて、従来の拡大スポットＸ線管を用いる高分解能のＤＰＣイメージングを可能とする。本発明のいくつかの実施形態に従って記載されるシステムはまた、ほとんどの実際的応用を可能にする、十分に大きな２次元の視野（単一干渉計については２×７ｃｍのオーダー）を有する。
【００２７】
本発明のいくつかの実施形態は、「硬Ｘ線を用いた位相コントラストイメージングに関する微細周期ミラーに基づいたシステム（MICRO-PERIODIC MIRROR BASED SYSTEMS FOR PHASE-CONTRAST IMAGING WITHHARD X-RAYS）」［７］において本発明者により記載された概念との組み合わせで用いること、及び／又は、その概念を更に発展させることができる。この以前に報告されたシステムは、高エネルギーでのＤＰＣイメージングを提供できるが、視野が１次元で数百μｍに限定されている点が１つの相違である。
【００２８】
図２（ａ）は、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステム１００の概略図を与える。微分位相コントラストＸ線イメージングシステム１００は、Ｘ線透視システム１０２と、Ｘ線透視システム１０２の光路１０６中に配置されたビームスプリッタ１０４と、ビームスプリッタ１０４を通過したＸ線を検出するために光路１１０中に配置された検出システム１０８と、を含む。検出システム１０８はＸ線検出素子１１２を含む。ビームスプリッタ１０４は、図２（ａ）の実施形態に示されているように、入射Ｘ線ビームを受けてＸ線の干渉縞を生成するように配置されたスプリッタ格子を含む。
【００２９】
検出システム１０８はまた、Ｘ線検出素子１１２に到達する前のＸ線の干渉縞の少なくとも一部を受けて遮断するように配置されたアナライザ格子１１４を含む。アナライザ格子１１４は、長手寸法と、長手寸法に直交する第１の横寸法と、長手寸法及び第１の横寸法に対して直交する第２の横寸法と、を有している。アナライザ格子１１４は、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、各光学的高密度領域は、長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、第１の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置される。各光学的高密度領域は、長手寸法における長さよりも短い深さを第２の横寸法に有している。アナライザ格子１１４は、長手寸法が入射Ｘ線に対して相対的に３０度よりも小となるような浅い角度αを成すように配置される。図２（ａ）の実施形態に図示されているように、アナライザ格子１１４の長手寸法は、浅い角度α（これは視射角とも呼ばれる。）で傾いていることを除けば、実質的に光路１１０（例えば光軸であってよい）に沿った方向に向けられている。
【００３０】
本発明の一実施形態では、各光学的高密度領域は、長手寸法の長さよりも少なくとも１／２短い深さを第２の横寸法に有している。一実施形態では、各光学的高密度領域は、長手寸法の長さよりも少なくとも１／１０短い深さを第２の横寸法に有している。更なる実施形態では、各光学的高密度領域は、長手寸法の長さよりも少なくとも１／１００短い深さを第２の横寸法に有している。
【００３１】
本発明の一実施形態では、浅い角度は２５度より小かつ５度よりも大である。もう一つの実施形態では、浅い角度αは１５度より小かつ３度よりも大である。本発明の一実施形態は、医学的応用に関する。Ａｕ吸収材の厚さが約１００μｍよりも厚い数ミクロン周期の回折格子を製造することは困難であるため、５〜２５°のレンジの角度で回折格子を傾けることにより、２００〜１０００μｍの有効Ａｕ厚さを得ている。図４に示されているように、この厚さは、人体深くの医療用位相コントラストイメージングにとって有意義な約４０ｋｅＶ〜１１０ｋｅＶを超えるエネルギー範囲で、９０％よりも大きいＸ線吸収（そしてこのような高い干渉計コントラスト）を可能にする。もう一つの実施形態は、工業用又は非破壊検査（ＮＤＴ）の応用に関する。３〜１５°の範囲の視射角を用いると、有効Ａｕ厚さが４００〜２０００μｍの範囲にあることとなり、工業用のＮＤＴの応用にとって有意義な約１００ｋｅＶ〜２５０ｋｅＶのエネルギー範囲において、良好なＸ線吸収と干渉計コントラストが得られる。
【００３２】
本発明の一実施形態では、スプリッタ格子１０４は反射型回折格子（図２（ａ）には図示されていない）である。参照により本出願に組み込まれる参考文献［７］に記載されたような反射型回折格子は、本発明のいくつかの実施形態に従って用いられる。本発明の一実施形態では、スプリッタ格子１０４は、図２（ａ）に概略的に図示されたような透過型回折格子である。本発明の一実施形態によれば、スプリッタ格子１０４はアナライザ格子１１４と同様に反射型回折格子であり、一実施形態のアナライザ格子は、長手寸法と、長手寸法に直交する第１の横寸法と、長手寸法及び第１の横寸法に対して直交する第２の横寸法と、を有している。この実施形態におけるスプリッタ格子１０４は、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、各光学的高密度領域は、長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、第１の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置される。各光学的高密度領域は、長手寸法における長さよりも短い深さを第２の横寸法に有している。スプリッタ格子１０４は、長手寸法が入射Ｘ線に対して相対的に３０度よりも小となるような浅い角度αを成すように配置される。いくつかの実施形態では、スプリッタ格子１０４は、アナライザ格子１１４と同様の構成であり、アナライザ格子１１４に関して上述のように記載された浅い角度αで、光軸に沿った異なる位置において同様に配置される。
【００３３】
図２（ｂ）は、本発明の一実施形態としての微分位相コントラストＸ線イメージングシステム１００と比較される従来の微分位相コントラストＸ線イメージングシステムの概略図である。このようなタルボ・ロー干渉計に基づく従来のシステムにおいては、回折格子は、Ｘ線のビームがその方向に沿って進む光軸に対して直交、場合によっては、わずかに直交から外れた角度で配置される。図２（ｂ）に図示されているように、線源、ビームスプリッタ、及びアナライザ格子の長手寸法は全て図の垂直方向にある。回折格子の厚さｔは、対応する光学的高密度領域の最大深さである。光学的高密度領域は、シリコン基板などの低Ｚ材料の領域によって分離された金あるいは他の高Ｚ材料の平行線である。従来のアプローチによれば、光学的高密度領域で高エネルギーのＸ線を十分に遮断するためには、高エネルギーのＸ線で動作するように光学的高密度領域の深さを増加させればよい。
【００３４】
本発明者は、図２（ａ）に図示されているように、このような回折格子を、入射Ｘ線が回折格子の厚さｔよりもはるかに長い光学的高密度層中の経路を進むような方向に向けられることを、認識するとともに実験を通して証明した。特定の回折格子によっては、Ｘ線が回折格子における光学的高密度材料を通過する経路は、厚さｔよりも数桁大きくなり得る。しかしながら、回折格子はＸ線の波の性質により回折及び干渉効果を引き起こすため、回折格子の幾何学的配置の変化がどのようにＸ線ビームに影響を及ぼすかを、理論的及び／又は数値的に予測することは困難であった。本発明者は、図２（ａ）に概略的に図示されたように、このようにして実験により微分位相コントラストＸ線イメージングシステム１００を開発するとともに証明した。
【００３５】
ここで用いられるように、Ｘ線を「遮断する」との用語は、特定用途のための有用なコントラストを可能にするために、回折格子の光学的低密度領域を通過したＸ線と比較して、十分な減衰が達成されることを意味することを意図したものである。完全な１００％の減衰を必要とすることは意図していない。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態によれば、スプリッタ格子１０４とアナライザ格子１１４は、タルボ・ロー条件により決定された間隔をもって配置される。いくつかの実施形態では、スプリッタ格子１０４とアナライザ格子１１４は、タルボ・ロー条件により決定された格子パターンを有する。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、Ｘ線透視システム１０２は、Ｘ線源１１６と、Ｘ線源１１６とビームスプリッタ１０４の間の光路中に配置された線源格子１１８と、を含むことができる。図２（ａ）に概略的に図示されたように、Ｘ線源１１６がＸ線の空間的に拡大された線源である場合には、線源格子１１８は、複数の実質的にコヒーレントなＸ線ビームを生成する。しかしながら、本発明の広範な概念は、図２（ａ）に図示された特定の実施形態に限定されない。Ｘ線透視システム１０２は、透過型回折格子及び／又は反射型回折格子を含む１以上の回折格子及びミラーの組み合わせを含むことができる。
【００３８】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態としてのＸ線透視システム２００の概略図である。Ｘ線透視システム２００は、微分位相コントラストＸ線イメージングシステム１００及び／又は上述のあらゆるバリエーションの一部として使用され得る、及び／又は、例えば図２（ｂ）に図示されたような従来のシステムに使用され得る。例えば、Ｘ線透視システム２００は、Ｘ線透視システム１０２として、あるいは、その一部として使用され得る。しかしながら、Ｘ線透視システム２００は、これらの特定用途にのみ限定されるものではない。
【００３９】
Ｘ線透視システム２００は、多エネルギーＸ線源２０２と、多エネルギーＸ線源２０２からのＸ線２０６の光路中に配置されたバンドパスフィルタ２０４と、を有する。バンドパスフィルタ２０４は、あるエネルギー帯域内にあるＸ線を、当該エネルギー帯域外のＸ線よりも強く通過させる。Ｘ線透視システム２００の一実施形態では、バンドパスフィルタ２０４は、低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線２０６の入射ビームの第１部分２１０を反射し、Ｘ線の入射ビームの第２部分２１２を通過させるハイパスＸ線ミラー２０８と、を含む。バンドパスフィルタ２０４はまた、低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線２０６の入射ビームの第１部分２１０を受けて少なくとも減衰させるように配置された第１のビームストップ２１４と、ハイパスＸ線ミラー２０８を通過し、高い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するＸ線２０６の入射ビームの第２部分２１２の一部２１８を反射するローパスＸ線ミラー２１６と、第２のビームストップ２２０に到達する前にハイパスＸ線ミラー２０８を外れたＸ線を受けて少なくとも減衰させるように配置された第２のビームストップ２２０と、を含む。第１及び第２のビームストップ２１４，２２０は、高い通過帯域エネルギーと低い通過帯域エネルギーの間のエネルギーを有するＸ線２２２のビームを透過させるように配置される。バンドパスフィルタ２０４は、図３（ａ）に図示された特定の実施例に限定されない。他の実施形態では、例えば３よりも多いミラーが用いられる。Ｘ線透視システム２００は、Ｘ線源２０２の単色ビームよりも多くのＸ線の単色ビームを生成する。さらに、反射型回折格子及び／又は透過型回折格子は、バンドパスフィルタ２０４との組み合わせで用いられ、多エネルギーＸ線源２０２からのＸ線のコヒーレンスを向上させる。更なる実施形態では、ハイパスミラーと少なくとも１つのローパスミラーの組み合わせは、多エネルギーＸ線源２０２からのＸ線の向上したコヒーレンスと色度の組み合わせを提供できる。
【００４０】
ローパスＸ線ミラーは、例えば低Ｚ材料の支持層の上に高Ｚ材料の反射層を有する薄膜Ｘ線ミラーであってよい。Ｚは原子番号である。「高Ｚ材料」との用語は、Ｘ線に対して比較的強い反射性を有する、Ｚが少なくとも４２の原子（例えば、Ｒｈ、Ｐｔ、及び／又はＡｕ、ただしこれらに限定されない）を含む材料を意味することを意図したものである。「低Ｚ材料」との用語は、Ｘ線に対して比較的低い反射性を有する、Ｚが１４よりも小さい原子（例えば、Ｃ、Ｓｉ、石英及び／又はガラス、ただしこれらに限定されない）を含む材料を意味することを意図したものである。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態によれば、以下は従来のシステムと比較したいくつかの新しい要素である。
【００４２】
ｉ）図２（ａ）にあるような入射放射線の方向に沿った視射角で傾く吸収バー（absorbing bars）を有する微細周期回折格子を使用すること
回折格子を傾けることは、従来の垂直入射のタルボ・ロー干渉計（図２（ｂ））の修正である。この修正は単純に見えるが、斜入射のタルボ・ロー干渉計が拡大された線源とともに動作することを理論的に予測することは困難である。我々は、'物理的周期'ミラーの概念に従ったこの思想に達し、それが直接的な実験を通してのみ動作することを確かめることができた。
【００４３】
ｉｉ）単純なＸ線ミラーあるいは微細周期Ｘ線ミラーとともに、視射角で微細周期回折格子を使用すること
更に議論されるように、本発明の一実施形態は、単純な全反射Ｘ線ミラーをかすめ入射で用いて、干渉計が最も高いコントラストを有するスペクトル領域を選択する。もう一つの実施形態では、線源格子は、参考文献７に記載された'物理的周期'幾何学的配置（'physical period' geometry）にある微細周期ミラーに置き換えられる。これは、一つの光学素子の中で、スペクトルフィルタリングと準コヒーレント放射の生成を組み合わせるものである。
【００４４】
ｉｉｉ）傾いた回折格子とともに、スペクトルバンドパス多層Ｘ線ミラーを使用すること
本発明のもう一つの実施形態では、更に向上した干渉計コントラストと角感度のために、傾斜多層ミラー（graded multilayer mirrors）はスペクトルフィルタ又は'線源格子'として用いられる。
【００４５】
ｉｖ）最大の干渉計コントラストのスペクトル領域を選択するエネルギー分解検出器を使用すること
【００４６】
図２（ａ）に図示された実施例の位相コントラストイメージングシステムは、タルボ・ロー干渉計の構成において、数度から数十度の範囲の同じ視射角αで傾いた３つの微細周期回折格子を含む。回折格子の周期は数μｍ（例えば、ｇ０＝ｇ１＝ｇ２＝５μｍ、ただしこれに限定されない）であってよい。格子距離間隔と周期は、垂直入射のタルボ・ロー干渉計の方程式に従う。第１の回折格子は、拡大されたインコヒーレント線源から準コヒーレント線線源のアレイを生成する'線源格子'である。第２の回折格子は、線源格子を通して照射された場合に、高いコントラストの縞パターン（タルボパターン）をアナライザ位置に生成するビームスプリッタである。最後に、アナライザ格子は、タルボパターンにおける変化を、２次元Ｘ線検出器上で強度変化に変換するために用いられる。
【００４７】
このシステムは、参考のために図２（ｂ）の略図に描かれた従来の垂直入射のタルボ・ロー干渉計［２，３］と同様に動作する。屈折性物体は、Ｘ線ビーム内に配置されたときに（図２（ａ）における「物体」）、ビームスプリッタによって生成されたタルボパターンを乱す。アナライザは、この乱れを検出器上で強度変化に変換することにより、物体により引き起こされたＸ線屈折及び散乱のイメージング及び定量化を可能にする。
【００４８】
線源格子及びアナライザ格子は、参考文献［５，６］に記載されているように、例えばシリコン又はフォトレジストの回折格子のギャップに金を充填することで製造された従来の市販の吸収型回折格子であってよい。ビームスプリッタは、πシフト位相回折格子であってよく、また従来の方法で製造することも可能である。
【００４９】
しかしながら、本発明のいくつかの実施形態によれば、図２（ａ）に概略的に示されているように、回折格子は、視射角で傾いており、入射放射線の方向に沿った吸収バーを有する。我々の実験は、単純かつ実際的な方法で、このタルボ・ローの構成の修正が高エネルギーにおけるＤＰＣイメージングの問題を解決することを証明する。
【００５０】
実際に、垂直入射のタルボ・ロー干渉計を高エネルギーで用いることに対する障害は、小さな周期の線源格子及びアナライザ格子の厚さにおける実用限界である［５，６］。高い干渉計コントラスト又は見やすさを得るためには、線源格子及びアナライザ格子の吸収バーは強く減衰しなければならない（典型的には約９０〜９５％）。同時に、あらゆる物質のＸ線吸収は、Ｘ線エネルギーが増加するに連れて急速に減少する。このことは、入射Ｘ線の９５％を吸収するのに必要なＡｕの厚さをエネルギーの関数として示す図４に図示されている。これにより、Ｅ＞４０ｋｅＶにおける効率的な吸収に必要な厚さが＞数百μｍであることが分かる。
【００５１】
しかしながら、数ミクロン周期で数百μｍの厚さの吸収型回折格子を作製することは、現時点では技術的に不可能である。アスペクト比（バーの厚さと幅の比）における現時点での限界は約５０であるが、上述のように数百のアスペクト比は、高エネルギー用の高いコントラストの干渉計を製造するのに必要である。この事実は実験で確認されている。このようにして、垂直入射の回折格子を用いた６０ｋｅＶの平均エネルギーのタルボ・ロー干渉計を組み立てるという試みは余り成功しなかった。縞コントラストはわずか数％であった。同様の効果は、以下の図５（ａ）と図５（ｂ）に見られる。しかしながら、高エネルギー用の位相回折格子は、はるかに薄くする必要があるため容易に製作可能である［２，３，７，８］。
【００５２】
本発明のいくつかの実施形態は、この問題の単純で実用的でそのうえ経済的な解決策を提供できる。視射角αで回折格子を傾けることにより、Ｘ線の経路における有効吸収材厚さは、回折格子の物理的厚さあるいは垂直入射の厚さをｔとするとｔ／ｓｉｎ（α）まで増加する。例えば、約１０°のαでは、有効厚さは６倍増加する。このようにして、現在の技術能力の範囲内の１００μｍの厚さ、５μｍ周期の回折格子が、放射線の方向に対して１０°の視射角で傾いたときに６００μｍの回折格子として現れる。
【００５３】
ビームスプリッタの物理的厚さは単に、角度αで入射するＸ線から見たとき、所望の設計エネルギーＥ０においてπ位相シフトを生じさせるのに必要なものである。例えば、ｔ（０）がＥ０における垂直入射の動作に必要な厚さであれば、斜入射αにおいて必要な厚さはｔ＊ｓｉｎ（α）である。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態は、このようにして、非常に高いＸ線エネルギーまで高いコントラストのタルボ・ロー干渉計を組み立てることを可能にする。このことは、垂直入射と１０°の視射入射角での１００μｍの厚さの回折格子を有する干渉計に関してエネルギーの関数として計算されたコントラストをプロットした図５（ａ）に示されている。ビームスプリッタは、６０ｋｅＶの平均又は'設計'エネルギーのためのｔ（０）＝２０μｍを有するＮｉ位相回折格子である。線源格子のデューティサイクル（ギャップ幅／周期）は３７％であり、タルボ次数はｍ＝１である。
【００５５】
図５（ａ）に示されているように、回折格子を傾けることは、約４０ｋｅＶよりも高いエネルギーに関して著しいコントラストの増加を生じさせる。特に、軟部組織の線量が最小となる範囲であるため、医療用位相コントラストイメージングにとって非常に有意義な４０〜７０ｋｅＶの範囲において良好なコントラストが得られる［１］。加えて、明らかなコントラストが、８０ｋｅＶのＡｕのＫ吸収端より上でも得られる。
【００５６】
図５（ａ）に関する実施例を見ると分かるように、本発明のいくつかの実施形態は、更に高いＸ線エネルギー用の高いコントラストの干渉計を提供することができる。このことは、７°で傾いた１００μｍの厚さのＡｕ線源格子及びアナライザ格子を有するｍ＝１の干渉計に関して計算されたコントラストをプロットした図５（ｂ）に図示されている。この場合の位相回折格子は金でできており、１２０ｋｅＶの設計エネルギーのためのｔ（０）＝１０μｍを有する。線源格子デューティサイクルは３７％である。このように、広帯域の高い干渉計コントラストが約９０〜１３０ｋｅＶの領域で得られる。これらの高エネルギーにおける動作の性能は、ＮＤＴやセキュリティ応用にとっても非常に有意義である本発明のいくつかの実施形態を構成する。
【００５７】
同時に、本発明のいくつかの実施形態は、医学的応用や他の実際的応用にとって十分に大きな視野を有する干渉計を得ることを可能性にする。例えば、市販の７０×７０ｍｍのアナライザ格子は、１０°の入射で約１２×７０ｍｍの視野と、７°の入射で約９×７０ｍｍの視野を得られるようにすることができるであろう。加えて、図６に概略的に図示されたように、複数の傾けられた回折格子を積み重ねることにより、大きな視野を有する高エネルギーイメージングシステムを製造することは容易である。
【００５８】
既に述べたように、本発明のいくつかの実施形態によるタルボ・ロー干渉計の修正は、一見簡単に見えるが、それにもかかわらず、図２（ａ）にあるような入射Ｘ線の方向に沿った方向に向けられた格子バー（grating bars）を有する斜入射の構成が、空間的に拡大されたＸ線源とともに動作することを理論的又は計算的に予測することは困難である。視射角回折格子タルボ干渉計（glancing angle grating Talbot interferometers）は文献［１０，１１］で議論されているが、格子バーは入射放射線の方向に常に垂直に向けられている（すなわち、参考文献７で議論されている'有効周期'幾何学的配置（'effectiveperiod' geometry））。しかしながら、この幾何学的配置では、高エネルギーにおける回折格子コントラストは、回折格子を傾けたときに向上しない。なぜなら、吸収材の中の有効Ｘ線経路（effective X-ray path）は増加する代わりに減少するからである。
【００５９】
したがって、我々は、２２．５°の視射角で傾き、約４３ｋｅＶの平均エネルギーで動作する回折格子を有するタルボ・ロー干渉計を用いて、実験的に本発明の実施形態を開発した。全ての回折格子は１０μｍの等しい周期を有しており、線源格子は５５μｍの厚さのＡｕバーを有し、アナライザは１００μｍの厚さのＡｕバーを有する。位相回折格子は、同じ２２．５°の角度で傾く２３μｍの厚さのＳｉ回折格子である。全ての回折格子は５０％のデューティサイクルを有する。干渉計は、拡大スポットＷ陽極管を６０ｋＶｐでＸ線源として用いて、１次のタルボ次数（first Talbot order）で動作させられる。約４３ｋｅＶの平均エネルギーのスペクトルを得るために、陽極管出力は１００ｍｍの厚さの水層と６５μｍの厚さのＣｕでフィルタされている。計算された回折格子に入射したスペクトルは、図７（ｃ）の右側のパネルに示されている。
【００６０】
傾いた回折格子により生成されたモアレ縞パターンは、図７（ａ）の左側のパネルに示されており、パターンからのラインアウトは右側のパネルに示されている。縞コントラストは次のように定義される：Ｖ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ）。傾いた回折格子を用いることにより、高いＸ線エネルギーにおいて良好な干渉計コントラスト（Ｖは約２５％）を生成できることが分かる。更に高いコントラストは、アナライザ格子と同様の、１００μｍの厚さの線源格子によって得られるであろう。
【００６１】
比較のために、図７（ｂ）は、垂直入射の回折格子を用いたタルボ・ロー干渉計により得られるわずかなコントラストを図示する。この場合のモアレパターンは、５．４μｍ周期の回折格子であって、この周期に関する技術的限界である名目上約１００μｍの厚さを有する線源格子及びアナライザ格子を用いて得られた。位相回折格子は、４０ｋｅＶの平均エネルギー用に設計された１５μｍの厚さのＮｉ回折格子である。入射スペクトルは図７（ａ）と同様である。達成できる最善の垂直入射のコントラストは、斜入射におけるコントラストよりも２倍よりも低い（Ｖは約１１％）ことが分かる。加えて、斜入射の干渉計のコントラストは、更に回折格子を傾けることによって、更に高い値に容易に押し上げられる。
【００６２】
最後に、図７（ｃ）は、視射角タルボ・ロー干渉計が、垂直入射のタルボ・ロー干渉計と同様の位相コントラスト測定を行うことを証明する。図７（ｃ）の左側のパネルは、直径１２ｍｍのナイロン棒のイメージングを行ったときに、傾いた回折格子で得られた乱れたモアレパターンを示している。（画像中の不透過性の物体は直径１．５ｍｍのＳｎワイヤである。）図７（ｃ）から分かるように、ナイロン棒はＸ線に対してほとんど透明であるが、それにもかかわらず、その端付近に強いモアレ縞のシフトを生成する。
【００６３】
結論として、我々の実験結果は、斜入射のタルボ・ロー干渉計に基づくイメージングシステムが、高いＸ線エネルギーにおける微分位相コントラストイメージングの単純であるが強力な解決策を提供することを示す。加えて、上記の結果は、Ｘ線経路中の厚い水層で得られたので、本発明のシステムが従来のＸ線管を用いた厚い身体部位の位相コントラストイメージングのために動作可能であることを直接証明する。これまで、この可能性はシンクロトロンＸ線源のみを用いて証明されている。
【００６４】
ここに述べられた傾いた回折格子のタルボ・ロー干渉計の概念は、あらゆる更なる発展なしに、高エネルギーにおけるＸ線位相コントラストイメージングに直接適用できる。このことは、特にｍ＝１のタルボ・ロー干渉計の角感度が十分である応用に当てはまる（角感度はタルボ次数ｍの√ｍに伴って増加し、ｍ＝１，３，５・・・である）。そのような状況の例は、材料科学におけるマイクロ・ナノ構造物質、ナノテクノロジー、又は工業の非破壊検査及び研究のための極小角散乱（ＵＳＡＸＳ）イメージングシステムであろう。骨は強いＵＳＡＸＳ散乱体であるため、高エネルギーのｍ＝１の傾いた回折格子のシステムは、医療用の骨の位相コントラストイメージングにとって有意義なものにもなり得る。
【００６５】
高エネルギーにおける屈折に基づいた軟部組織のイメージングに関しては、屈折角が１／Ｅ２でスケールするため、ｍ＝１の干渉計の角感度は非常に低くなる可能性がある。高い角感度をも有する高エネルギータルボ・ロー干渉計を製造するためには、それは高い（ｍ＞３）タルボ次数で動作しなければならない。しかしながら、高いｍでは、良好なコントラストのスペクトル領域は狭くなり（幅〜１／ｍ）、スペクトルフィルタリングが良好な干渉計コントラストを維持するために用いられる［８］。したがって、視射角回折格子の概念をＸ線ミラーフィルタリングの概念と組み合わせることは、いくつかの応用にとって有用となり得る。
【００６６】
もう一つの代わりの実施形態は、高い干渉計コントラストのスペクトル領域を選択するエネルギー分解検出器を用いるものである。図５（ｂ）では、これは例えば約９０ｋｅＶと１３０ｋｅＶの間の領域である。最近は、数百ｋｅＶまでのエネルギーで、高いエネルギー分解能、高い量子効率、及び良好な光子計数能力を有するＣｄＴｅアレイのような２次元画素検出器が存在する。高い干渉計コントラストの領域外の大きな光子束は有害ではないため、この新しいアプローチは、工業的応用におけるような、より高い放射線量に耐え得る状況にとって特別に有意義である。
【００６７】
他の代わりの実施形態は、以下の２つの基本的なバリエーションを含むことができる。
【００６８】
１）図２（ａ）にあるような、視射角回折格子のみを用いる高エネルギー位相コントラストイメージングシステム。
このバリエーションに関する一実施形態は、高いコントラストの領域外の光子を識別するエネルギー分解検出器を用いる高エネルギーのｍ＝１のＤＰＣイメージングシステムである。このようなシステムに関する応用例は、宇宙工業や航空工業における複合金属部品の位相コントラストに基づいた非破壊検査であろう。
【００６９】
２）図８（ａ）及び図８（ｂ）にあるような、斜入射の回折格子に全反射ミラー又はブラッグ反射（多層）ミラーを組み合わせた高エネルギー位相コントラストイメージングシステム。
ミラーは、スペクトルフィルタとしてのみ役立つ単純なパターン化されていないミラー（non-patterned mirror）であってよく（図８（ａ））、あるいはミラーは、線源格子（図８（ｂ））に取って代わる、入射Ｘ線に平行なストリップを有する（参考文献７に記載された'物理的周期'幾何学的配置）微細周期的にパターン化されたミラー（micro- periodically patterned mirror）であってもよい。後者の場合には、ミラーは同時にスペクトルフィルタ及び空間フィルタとして機能するため、光学素子の数を減らし、構成を単純化することができる。さらに、ミラーは、約１〜１．５ｍｒａｄの角度で動作する全反射ミラーか、より大きな数ｍｒａｄの角度で動作する傾斜多層ミラーのいずれかであってもよい。
【００７０】
このようなシステムの一実施形態は、約６０〜７０ｋｅＶの間のタングステンのＫ殻線放射に関するｍ＝５の干渉計であろう。準単色放射は、Ｗ陽極管を高い電圧（数百ｋＶ）で用いることにより、非常に明るくすることができる。加えて、既に述べたように、このエネルギー領域は、人体深くの医療用位相コントラストイメージングにとって理想的である。
【００７１】
この実施形態の原理は、図９の略図に描かれている。ミラーの全反射は、位相コントラスト画像に寄与せず、線量に寄与するスペクトルの高エネルギー部分を効果的にカットオフする［８］。スペクトルの低エネルギー部分は吸収フィルタによってカットオフされる。ミラーとフィルタの組み合わせは、ｍ＝５のタルボ・ロー干渉計のコントラストカーブとよく一致する放射の準単色バンド（quasi-monochromatic band）をこのようにして生成する（図９）。
【００７２】
フィルタリングミラーはまた、約６０〜７０ｋｅＶの間の狭帯域のみを反射可能である横傾斜合成多層ミラー（laterally graded synthetic multilayer mirror）であってもよく、それゆえに、更に高いタルボ次数（例えばｍ＝９）で動作することと、更に高い角感度及び干渉計コントラストを達成することを可能にする。最後に、ミラーは微細周期的にパターン化されていてもよく、それゆえにスペクトルフィルタや線源格子の機能を同時に果たす。
【００７３】
図８にあるような、視射角回折格子にかすめ入射ミラーを組み合わせたシステムの縦寸法の視野は、純粋に傾いた回折格子のシステムよりも小さい。典型的な値は、数ｍｍ×数ｃｍである。それにもかかわらず、より大きな視野を得るために、図６と同様にミラー／斜入射の回折格子干渉計を複数積み重ねることができる。実際にはこの可能性は、１０個の横傾斜多層ミラーが互いに積み重ねられて広い面積（約１０×２０ｃｍ）の準単色Ｘ線撮影システムが製造される、参考文献１０における従来のＸ線イメージングに関して、実験的に証明されている。
【００７４】
詳細な説明の参考文献
１．S.-A. Zhou and A. Brahme, Physica Medica 24 129 (2008) 
２．Momose A, Yashiro W, Takeda Y, Suzuki Y and Hattori T, Japanese Journal of Applied Physics 45 5254 (2006) 
３．Pfeiffer F, Weitkamp T,Bunk O and David C, Nature Physics 2, 258 (2006) 
４．Tilman Donath, Franz Pfeiffer, Oliver Bunk, et al.,Rev. Sci. Instrum. 80, 053701(2009)
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８．D. Stutman, T. Beck, J. Carrino and C. Bingham, Phys. Med. Biol. 56, (5697) 2011
９．Y. Park, S. Han, J. Chae,C. Kim, K. S. Chon, H.-K. Lee and D. S. Han, Proc. SPIE 7258 Medical Imaging2009: Physics of Medical Imaging, 72583L (2009) 
１０．M. Testorf, J. Jahns, N. A. Khilo, and A. M. Goncharenko, Opt. Commun. 129,167-172 (1996) 
１１．Han Wen, Camille K Kemble,and Eric E. Bennett OPTICS EXPRESS 19, 25093(2011)
【００７５】
更なる実施形態と実施例
以下の実施例は、タルボ法（Talbot method）を用いた屈折強調イメージングに必要な角感度を分析し、従来のＸ線源を用いる屈折に基づいた向上したイメージング用のタルボ構成を最適化する方法を提案する。我々は医療用イメージング及び高エネルギー密度（ＨＥＤ）プラズマイメージングからの例を用いているが、その結論は材料科学、ＮＤＴ、又はセキュリティなどの他分野にも当てはまる。
【００７６】
タルボ干渉計は、Ｘ線が照射される'ビームスプリッタ'回折格子による、いわゆるタルボ距離ｄＴ＝ｍ  ｇ１２／８λにおけるマイクロ縞パターンの生成から成るタルボ効果に基づいている。λは波長、ｇ１は格子周期、ｍ＝ｌ，３，５．．．はパターンの次数である。基本的な干渉計は、ビームスプリッタ（典型的にはπシフト位相回折格子）の後に、拡大されたタルボ距離Ｄ〜ｄＴ／（１−ｄＴ／Ｌ）だけビームスプリッタから離れて配置された、タルボ縞パターンの周期に等しい周期ｇ２の'アナライザ'吸収型回折格子から成る。Ｌは、線源とビームスプリッタの間の距離である（図１０）。屈折性物体がＸ線ビーム内に導入されたときにタルボパターンはシフトされ、アナライザの後方において、Ｘ線の屈折角におおよそ比例する強度変化をもたらす。硬Ｘ線は、低Ｚ物質においてはわずかに数μラジアン偏向されるため、十分な角感度を達成するためには、ｇ２は数μｍのオーダー、Ｄはメートルのオーダーでなければならない。加えて、拡大されたインコヒーレントＸ線源とともに干渉計を動作させるためには、周期ｇ０＝ｇ２・Ｌ／Ｄと幅ｓ０≦ｇ０／２の開口部を有する三番目の吸収型回折格子が線源の近くに配置され、線源を準コヒーレントマイクロ線源のアレイに効果的に分割することとなる。この周期と開口幅の選択は、あらゆるＬとＤの組み合わせに関して、各マイクロ線源からのタルボパターンがアナライザで建設的に加算されることを保証する［１３〜１５，１９〜２１］。
【００７７】
干渉計は、角感度Ｓ＝１／Ｗを決定する角度幅又は分解能Ｗ〜ｇ２／Ｄ、スペクトル応答を決定する、高い縞コントラストの領域の平均エネルギー＜Ｅ＞及びスペクトル幅ΔＥによって特徴づけられる。典型的な角度幅は５〜１０μラジアンのレンジにあり、典型的なコントラスト値は、従来のＸ線源とともに動作する場合、数十パーセント以下である［２０，２１］。加えて、参考文献１９で議論されているように、タルボ干渉計の有効角感度Ｓｅｆｆは、ビームスプリッタと物体の間の距離Ｒに比例して減少する。例えば、図１０にあるように、物体が位相回折格子の後方に配置された場合にはＳｅｆｆ＝Ｓ・（１−Ｒ／Ｄ）である。この減少は、距離Ｒにおけるビームスプリッタから'見える'屈折角が、物体における屈折角よりも小さいという事実に由来している［１９］。
【００７８】
したがって、タルボ干渉計の有効角度幅をＷｅｆｆ＝１／Ｓｅｆｆのように定義することができ、タルボ法で実質的な屈折コントラストの増大を達成するために同時に満たさなければならない２つの条件を要約することができる。（ｉ）高い干渉計コントラストと（ｉｉ）物体により生成された屈折角の範囲と比較できる有効角度幅。
【００７９】
格子干渉計で可能な平均エネルギーは数十ｋｅＶまでであり、スペクトル幅ΔＥ／＜Ｅ＞〜１／ｍで、ｍはタルボ次数である［１３〜１５，２０〜２１］。エネルギーの上限は、厚いミクロン周期の吸収型回折格子の製作における技術的限界による［２２，２３］。発散光及び多色光に関するタルボ干渉計の光透過率又はスループットは、結晶ＡＢＩシステム（crystal ABI systems）に関するものよりもはるかに高い（１０〜２０％まで）。タルボ法はこのように、従来のＸ線源により生成された分光的に広く発散した放射を効率的に利用することができる。視野は、約１０×１０ｃｍ未満の実用的な格子サイズにより制限される。
【００８０】
タルボ法は実際的応用にとって魅力的であるが、既に述べたようにこれまでの結果は、屈折コントラストが結晶法のものよりも低いことを示している。したがって、根本的な違いを叙述するためには、２つの方法を手短に比較することが有用である。これは、タルボ法［１４，１５］における'位相走査'強度カーブを、ＡＢＩ法［５］におけるアナライザ結晶（analyzer crystal）のロッキングカーブと比較することにより行うことができる。これらのカーブは、以下に議論されるような屈折に基づいたイメージングにおいて同等の役割を果たす。
【００８１】
位相走査技術は、図１１（ａ）〜１１（ｄ）の数値シミュレーションで説明される。屈折画像を計算するために、我々はこれらの実施例にわたって、ＸＯＰデータベースとともにＸＷＦＰコードを用いる［２４，２５］。ＸＷＦＰは、棒、球、及び空洞などの物体や、位相回折格子及び吸収型回折格子などの光学素子を通る、吸収、屈折、及び回折を含むＸ線の波動伝搬を計算する。ＸＯＰデータベースは、各素子に関する質量分率や化合物の質量密度を特定することにより、任意の組成の材料に関するδ及びβを計算することを可能にする。
【００８２】
我々は、Ｌ＝Ｄ、かつ、１０μｍの等しい周期の回折格子の'対称'な設計を有する干渉計に関する、分光的に平均化された屈折画像（spectrally averaged refraction images）をシミュレートした。平均エネルギー２０ｋｅＶ用に、吸収型回折格子は６０μｍの厚さの金バーを有し、位相回折格子は２５μｍの厚さのＳｉバーを有する。干渉計は、Ｒ＝１ｃｍ（Ｗｅｆｆ〜Ｗ＝８．３μラジアン）で、３次のタルボ次数に設定されている（Ｌ＝Ｄ＝１．２ｍ）。我々は、線源が２５ｋＶ（＜Ｅ＞〜２０ｋｅＶ）、１０ｍＡ・ｓの照射線量で動作する６０μｍスポットのＷ陽極型Ｘ線管であり、検出器が２０％の量子効率と５０μｍの分解能を有すると仮定した。我々は、試験用物体として、水媒質中の直径１ｍｍのＢｅ棒を用い、αＭ＝±４μラジアン以下の範囲内の屈折角を生成した。直径１００μｍのＸ線不透過性のＡｕワイヤもコントラスト基準を与えるためにシミュレーションに含まれている。分光的に平均化された画像は、０．５ｋｅＶ間隔で計算された単色画像をＷ管球のパワースペクトルで重みづけするととともに、統計的な光子雑音を含むことにより得られた。
【００８３】
サイズｚ＝１μｍの３０ステップにあるアナライザ位置を走査することにより得られた位相走査カーブが図１１（ａ）に示されている。結晶法と比較するために、我々は位相走査に対して張る角度を単位として縦座標をプロットした。θ〜ｋ・ｚ／Ｄ、ｋ＝０，１，・・・でｚはステップサイズである。位相走査変調（phase-scan modulations）の最大値は'明視野'（ＢＦ）強度を表し、最小値は'暗視野'（ＤＦ）強度を表す［１５］。規格化されたこれらの強度間の差は、干渉計コントラスト、ＶＴａｌｂｏｔ＝（ＩＢＦ−ＩＤＦ）／（ＩＢＦ＋ＩＤＦ）を定義するために用いられる。この定義は、タルボ縞コントラスト又は見やすさのそれと同様であるが［２０，２１］、全ての干渉計コントラストを特徴づける。図１１（ａ）における計算されたコントラスト値は、従来のＸ線管で動作するタルボ干渉計で実験的に得られたものとよく一致する［１３〜１７］。
【００８４】
図１１（ｂ）は、矢印で示されているように、位相走査カーブの準線形部分の中央にある干渉計位置で得られた未加工の屈折強調画像を示す。約２０％の屈折コントラストがＢｅ棒の端で得られることにより、タルボ法が位相走査なしでαＭ／Ｗｅｆｆのオーダーの屈折コントラストの増大を生じさせることが示される。
【００８５】
図１１（ｃ）と図１１（ｄ）は、位相回復手順の出力を示す。図１１（ｃ）は、強度が屈折角に比例する位相勾配画像又は'純粋な屈折'画像を示すが、図１１（ｄ）は'純粋な減衰'画像を示す［１４，１５］。分析は、参考文献１５に記載されたフーリエ法を用いて行われた。図１１（ｂ）〜（ｄ）は、屈折に基づいたイメージングの可能性を図示する。弱く吸収するＢｅの物体は、減衰画像ではほとんど見えないが、位相勾配画像と屈折強調画像では良好なコントラストを見せる。
【００８６】
タルボ法と結晶法との定量的な比較を行うために、我々は図１１（ａ）に、１．５μラジアンのＦＷＨＭのローレンツ関数もプロットして、ＡＢＩ法におけるアナライザ結晶の典型的なロッキングカーブを近似した［５］。タルボ位相走査変調の角度幅Ｗ〜ｇ２／Ｄを、結晶ロッキングカーブの角度幅と比較することにより、２つの方法の角感度を直接比較することができる。２つの方法のコントラスト間のおおよその比較は、等価'結晶コントラスト'Ｖｃｒｙｓｔａｌを上記のように定義することや、ロッキングカーブのピークにおける強度をＩＢＦとして用いることや、例えばピークから１ＦＷＨＭだけ距離が離れた袖における強度をＩＤＦとして用いることによっても行われる。
【００８７】
２つの方法の間の３つの基本的な差異は、この比較により明らかである。
【００８８】
第一に、典型的な結晶角度幅（crystal angular width）は、タルボ干渉計のものよりも数倍小さい（図１１（ａ）においてＷ〜８．５μラジアン）。
【００８９】
第二に、等価結晶コントラストも実質的により高くなっており、ＶＴａｌｂｏｔ〜２５％に対してＶｃｒｙｓｔａｌ〜６７％である。
【００９０】
第三に、図１１（ａ）は、タルボ干渉計が周期的な角度フィルタとして動作するが、結晶は狭い角度範囲のみをフィルタすることを示す。このように、タルボ干渉計は角度幅よりも高い角度において散乱されたＸ線を排除しないが、結晶は排除してしまう。散乱された放射線の排除は、ＡＢＩ法の優れた性能において重要な要素であると見なされている［１〜５］。
【００９１】
この議論は、２つの疑問を生じさせる。（ｉ）タルボ法の典型的な角度幅は、応用で予想される屈折角の範囲とどのように比較されるのか。（ｉｉ）タルボ法の角感度及びコントラストはどのようにして結晶法のものに近づけることができるのか。第１の論点は以下に議論される。
【００９２】
実際的応用におけるＸ線屈折角の範囲
タルボ法の角度幅が典型的な応用におけるＸ線屈折角とどのように比較されるのかを評価するために、我々は２つの実施例を考察した。ＨＥＤプラズマにおける硬Ｘ線の屈折と、軟骨、腱、及び筋肉のような軟部組織における屈折である。
【００９３】
ＨＥＤプラズマＸ線撮影法の場合
典型的なＨＥＤプラズマＸ線撮影法では、ミクロンサイズのＸ線バックライター（X-ray backlighter）（通常はレーザ生成プラズマ）は、爆縮ＩＦＥ（慣性核融合エネルギー：Inertial Fusion Energy）カプセルなどの、サブｍｍで固体密度の何倍もの低Ｚプラズマ標的を照射する。高い空間分解能は、高い倍率でのイメージングを必要とする（Ｍが約１０〜１００）［１１，２６，２７］。
【００９４】
ＩＦＥ  Ｘ線撮影法において屈折角を見積もるために、我々は、それぞれ０．４ｍｍと０．３ｍｍの直径を有するとともに、それぞれ０．１ｍｍの厚さと６ｇ／ｃｍ３の密度を有するＢｅとＨの同心の層として、爆縮カプセルをモデル化した。イメージングの構成として、我々は、バックライターとカプセルの間の距離を７．５ｃｍ、Ｌ＝Ｄ＝２ｍ（Ｒ＝１．９ｍ）と仮定した。この構成では、ビームスプリッタは、保護フィルタの後方に配置された場合には、爆縮カプセルよりも十分に遠く離れて、爆縮から守られることができる［２６，２７］。しかしながら、画像化される物体がビームスプリッタよりも遠く離れているため、有効角感度は、上記で議論したように（１−Ｒ／Ｌ）〜０．０５の係数で減少する。
【００９５】
図１２は、典型的なバックライターのエネルギーの２２ｋｅＶに関して、ビームスプリッタへの入射の屈折角の範囲を示す（Ａｇ  Ｋ−α［２７］）。今まで見てきたように、屈折コントラストによりＢｅ層とＨ層を識別することが可能になるが（減衰画像では見えない）、屈折角の範囲は小さく、αＭ≦±１μラジアンである。
【００９６】
軟部組織のＸ線撮影法の場合
軟部組織イメージングは、タルボ法の最も研究された応用のうちの一つである。シンクロトロン実験は、例えば、関節炎の診断に重要であり、Ｘ線屈折が軟骨又は腱などの関節軟部組織のイメージングを可能にすることを示す［１，４，１８］。軟部組織に関する典型的な屈折角を見積もるために、我々は、小さな関節の場合を仮定し、単純な数値モデルすなわち'ファントム'を用いて、その減衰と屈折角のプロファイルを計算した。ファントムは、骨、軟骨、滑液、関節包の結合組織、腱、及び骨格筋をシミュレートした材料の層からなっており（図１３の挿入図）、人間の近位指関節の解剖学的構造を近似している。関節軟部組織に関するδ及びβを計算するために、我々はＷｏｏｄａｒｄとＷｈｉｔｅによる編集物［２８］からの体組織の組成及び密度を用いた。
【００９７】
２５ｋｅＶにおける小さな関節ファントムの屈折角が図１３に示されている。骨／軟骨の組み合わせと腱／筋肉の組み合わせを除いては、軟骨、滑液、及び関節包に関する屈折角の範囲は非常に小さく、αＭはμラジアンの数割の範囲にあることが分かる。これは、軟部組織間の屈折率が小さいためである（例えば、軟骨及び滑液に関しては数％）。我々のモデルで予測されたこれらの非常に小さな屈折角はまた、シンクロトロン実験とよく一致している。例えば、島雄らは、人間の指関節について３６ｋｅＶにおいて０．１〜０．４μラジアンの範囲の屈折角を見積もった［１８］。
【００９８】
上記からの結論は、タルボ干渉計の実質的に大きな幅の特性が、それらの低い固有コントラストと同様に、従来のＸ線源による軟部組織のイメージングをやりがいのあるものにできることである。ビームスプリッタが標的プラズマから遠く離れて配置される幾何学的配置に関して、いくらか同様の状況がＩＦＥ  ＤＰＣ  Ｘ線撮影法において起こる。したがって、更に議論されるように、最大の角感度及びコントラストのためのタルボ構成を最適化する方法が探求される必要がある。
【００９９】
高い角感度及びコントラストのためのタルボ構成の最適化
図１０における表記法を用いると、拡大した幾何学的配置におけるタルボ干渉計の角度幅Ｗは、Ｗ〜ｇ２／Ｄ＝ＭＴ  ｇ１／Ｄ∝λ／（ｍ・ｇ１）であり、ＭＴ＝（Ｌ＋Ｄ）／Ｌはタルボ拡大（Talbot magnification）である［１９，２０］。したがって、所定の波長で角度幅を減少させる第１の方法は、タルボ周期（Talbot period）を増加させることである。しかしながら、このことは、タルボ距離が周期の２乗でスケールするために、干渉計長さを急速に増加させる。代わりに、タルボ次数ｍを増加させることが可能である。しかしながら、高コントラストのスペクトル領域の幅が１／ｍでスケールするため、この方法も、例えばＷ陽極管などの分光的に広いＸ線源の使用に制限される。
【０１００】
上記の関係は、格子周期、タルボ次数、及び、所定の干渉計長さＺ＝Ｌ＋Ｄとして使用される距離の複数の組み合わせがあることを示す。所定のシステム長さに関して角感度を最大化する値を見つけるために、我々は、平均エネルギー＜Ｅ＞、タルボ次数ｍ、及びシステム長さＺをパラメータとして、タルボ干渉計の方程式をタルボ拡大ＭＴ＝（Ｌ＋Ｄ）／Ｌの関数としてプロットした。＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶ、ｍ＝３、及びＺ＝１．０，１．５，２ｍに関する結果が、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）にプロットされている。Ｒ＝５ｃｍは全ての場合に仮定されている。図１４（ａ）からの第１の所見は、小さな角度幅は大きな干渉計長さを必要とすることである。しかしながら、機械的安定性の考慮や従来のＸ線源から得られる光子束により、ｍが小さな値となる実用限界がこの長さに関して課される。
【０１０１】
第二に、図１４（ａ）は、所定のシステム長さに関して、角度幅は、Ｌ＝Ｄ（ＭＴ＝２）を有する'対称'タルボ構成において最小化されることを示す。Ｚ＝２ｍかつｍ＝３の場合の、ＭＴに対する周期ｇ０，ｇ１，及びｇ２の依存性は図１４（ｂ）に示されており、対称構成が、全ての格子周期が等しく、かつ相対的に大きいという実用的な利点をも有することを示している。例えば、Ｚ＝２ｍ、Ｅ＝２５ｋｅＶ、ｍ＝３の場合にｇ０＝ｇ１＝ｇ２〜８μｍが実際に容易に達成できる。
【０１０２】
第三に、図１４（ａ）は、一旦システム長さが固定され、対称構成が選択されると、更に角感度を増加させる唯一の方法がタルボ次数を増加させることであることを示す。しかしながら、既に述べたように、分光的に広いＸ線源とともに動作する場合には、分光的に平均化された縞コントラストの減少のために、この方法で角感度がどの程度増加するかには制限がある。
【０１０３】
この問題を図示するために、図１５において我々は、＜Ｅ＞＝２５ｋｅＶを有する２ｍの長さの対称干渉計に関して、タルボ次数を増加させて計算された縞コントラストをプロットした。我々は、５５μｍの厚さの金の線源格子及びアナライザ格子と、３３μｍの厚さのＳｉ位相回折格子を仮定した。線源格子は、幅ｓ０＝ｇ０／２の開口部（５０％のデューティファクタ）を有する。干渉計コントラストは上記のように定義される。タルボ周期は、２ｍの干渉計長さに合うように次数ごとに調整された。図１５のコントラストカーブは、有限の線源格子の開口部によるタルボ縞パターンの幾何学的な広がりも含み、アナライザにおけるタルボパターンに幅ｓ０のガウス関数を畳み込むことによりシミュレートされた［２０，２１］。
【０１０４】
比較のために、我々は、１ｍｍのＡｌでフィルタされ、２０ｍｍの軟部組織を通過した３５ｋＶでのＷ陽極型Ｘ線管のスペクトルも図１５にプロットした。これは、上記の関節ファントムのような小さな生体に関して、ビームスプリッタへ入射したスペクトルを近似する。コントラストカーブと広いＷ陽極のスペクトルの間の重複部分は、タルボ次数の増加に伴って急速に減少することが分かる。分光的に平均化されたコントラストは、ｍ＝１に関して３２％、ｍ＝３に関して２７％、ｍ＝５に関して２０％である。
【０１０５】
結論として、タルボ法の角感度を最大化する実用的な構成は、等しい周期の回折格子と約２ｍの長さを有する対称構成である。加えて、分光的に広い線源を用いる場合には、３次のタルボ次数が、角感度とコントラストの間のよい妥協を提供する。
【０１０６】
それにもかかわらず、図１４（ａ）に示されているように、低い次数（ｍ≦３）のタルボ干渉計で達成可能な最も小さい角度幅は、結晶システムのものよりも数倍大きい。したがって、タルボ法で結晶光学素子に近い角感度を達成する唯一の方法は、より高いタルボ次数を用いることである。例えば、図１４（ａ）に示されているように、ほとんど５μラジアンの角度幅が２ｍの７次の干渉計で得られている。
【０１０７】
同時に、図１５に示されているように、タルボ次数が増加すると、干渉計のコントラストカーブが、広い線源スペクトルとの重複部分を減少させるｍ個の狭いピークに'分裂'する。さらに、詳細分析は、角度幅がエネルギーによっても変化するため、図１５の高い次数のコントラストカーブはある意味紛らわしいことを示している。このことは、図１５におけるｍ＝５のコントラストのピークの中央部分（２５ｋｅＶ）及び隣接部分（それぞれ１９ｋｅＶ及び３７ｋｅＶ）に対して計算されたタルボパターンのプロットとして図１６に示されている。ｍ＝５のピークのうち２５ｋｅＶの設計エネルギーにある唯一のものは、高いコントラストと小さい角度幅の両方を有することが分かる。隣接したピークは、高いコントラストのタルボパターンを生成する'高調波'であるが、中央のピークのパターンの２倍の周期を有している。よって、広い線源スペクトルはこれらのサイドピークと部分的に重なっているが、これらのサイドピークは干渉計の完全な角感度での屈折画像の形成に寄与せず、この値の半分が寄与する。加えて、画像化される物体の詳細に応じて、これらのサイドピークは、中央のピークにより生成された有効屈折コントラストに加わる代わりに引かれる。
【０１０８】
結論として、我々の分析は、実用的な長さの干渉計に関して、タルボ法の角度幅は、結晶システムのもの（＜１．５μラジアン）よりも高く、約５μラジアンより高い値に本質的に限定されることを示す。加えて、可能な限り最小の角度幅を達成するためには、タルボ干渉計は、有効コントラストが実質的に減少するため、広い線源スペクトルを用いるのに最適ではない高い次数で動作しなければならない。
【０１０９】
タルボ法の角感度と有効コントラストを同時に最大化するための解決策は、幅ΔＥ／＜Ｅ＞≦１／ｍ〜１５〜２０％の準単色Ｘ線スペクトルを用いて、このようにして高い次数（ｍ≧５）で動作させることである。これを行うための方法は以下に記載される。
【０１１０】
準単色スペクトルを用いるタルボ干渉法
Ｋ吸収端吸収材でフィルタされるＫ線スペクトル。
準単色スペクトルを得るための最も単純な方法は、生体応用のためのＭｏ又はＲｈ陽極管、又は、ＨＥＤプラズマＸ線撮影法のためのＡｇ  Ｋ−αバックライターなどの明るいＫ線エミッタを用いるとともに、エミッタと同じ原子番号のＫ吸収端吸収材で放射をフィルタすることである。
【０１１１】
３０μｍのＲｈ吸収材でフィルタされ、２０ｍｍの軟部組織を透過した４０ｋＶｐでのＲｈ陽極管のスペクトルが図１７（ａ）に示されている。図１７（ａ）には、６μｍ周期で５５μｍの厚さのＡｕ線源格子及びアナライザ格子、ｓ０＝ｇ０／２、２０ｋｅＶの平均エネルギー用に最適化されたＳｉ位相回折格子を有し、７次で動作する対称な２ｍのタルボ干渉計の計算されたコントラストも示されている。Ｋ吸収端フィルタされたスペクトルは、２０ｋｅＶにおける強いＲｈ  Ｋ−α線に支配され、７次のコントラストカーブのピークにぴったりと一致していることが分かる。同様の良好な一致は、１７．５ｋｅＶにおけるＭｏ  Ｋ−α線について生じる。
【０１１２】
高いタルボ次数とＫ線／Ｋ吸収端フィルタされたスペクトルを用いることで可能となる屈折コントラストの増加は、図１８（ａ）〜１８（ｄ）の関節ファントムの計算された屈折強調画像で図示される。我々は、上記の２ｍの干渉計、５０μｍの画素検出器、４０ｋＶｐでのＲｈ陽極管による５０ｍＡ・ｓの照射線量を仮定し、１画素当たり約１００の平均検出器カウントが生じた。屈折強調画像が、明視野及び暗視野設定の間の中間距離における干渉計フェージングに関して計算され、図１１（ｂ）に図示されているように屈折コントラストを最大化する。
【０１１３】
図１８（ａ）は、図１５のＷ陽極管のスペクトルと、このスペクトルに最適な３次のタルボ次数での動作を仮定して得られた画像を参考として示す。不十分な角感度のために、位相走査及び／又はＣＴに頼ることなしに、屈折コントラストの増大が実際に役立つにはわずか過ぎて、多重露光を必要とするであろうことが分かる。
【０１１４】
しかしながら、図１８（ｂ）は、単一照射のコントラストが、７次の次数の干渉計と、Ｋ吸収端フィルタされたＲｈのスペクトルを用いることにより実質的に増加することを示す。この場合は、軟骨、滑液、及び結合被膜（connective capsule）は明瞭に描写されている。例えば、軟骨と滑液の境界面における相対的な強度変化、すなわちコントラストは約２０％である。
【０１１５】
高いタルボ次数での準単色イメージングのＨＥＤプラズマの例は、図１２でモデル化されたＩＦＥカプセルのモアレ縞画像、すなわち偏向画像（deflectogram）を示す図１９に図示されている。ＨＥＤプラズマにおける密度プロファイル診断用のモアレ偏向法の使用は、ＸＵＶレーザと合焦光学素子でのバックライティングを用いたノバ慣性閉じ込め装置で実演された［２９］。我々は、４ｍの長さで、５次のタルボ次数で動作する１０μｍ周期の対称干渉計と、５０μｍの画素の検出器と、５０μｍのＡｇでフィルタされたＡｇ  Ｋ−αバックライタースペクトルによる照明を仮定した。図１９のＢｅアブレータ及びＨ燃料層の位置における明瞭なモアレ縞のシフトは、準単色バックライティングによるタルボ法を用いることが、Ｘ線レーザや合焦光学素子を必要とせずに、カプセルに対する単純な密度プロファイル診断を与えることを示す。
【０１１６】
ミラーでフィルタされたスロット走査タルボ干渉計。
最も単純なアプローチを提供する一方で、図１７（ａ）に示されたように、光子のうちの多くが、干渉計が低い角感度を有するＫ−αエネルギーよりも高いエネルギーにおいて放射されているため、Ｋ吸収端フィルタリングで可能なコントラストの増加は限定される。加えて、数十ｋｅＶの範囲における明るいＫ線の線源の選択は制限される（例えば、医療用のＭｏ又はＲｈ陽極管）。
【０１１７】
タルボ法の感度及びコントラストを更に増加させ、可能な干渉計エネルギーを広げるために、我々は、線源スペクトルを成形するＸ線ミラー又は反射体を用いることを提案する。この方法の原理は、図２０の略図に描かれている。かすめ入射ミラーが線源格子の近くに配置され、スロットコリメータが反射ビームのみを選択する。
【０１１８】
フィルタリングミラーについてはいくつかの選択がある。第１の可能性は、全反射ミラーを使うことである。これらは、単純に低Ｚ基板に蒸着された薄い高Ｚ膜（例えば、Ａｕ、Ｔａ、Ｐｔ）から成っており、臨界反射角よりも小さい角度で入射する硬Ｘ線を高い効率（＞６０〜８０％）で反射できる［３０］。全反射効果による鋭いエネルギーのカットオフは、高エネルギーの光子をフィルタで効率的に取り除くために用いられる。このことは、３０μｍのＲｈ吸収材でフィルタされ、Ｐｔミラーで３．５ｍｒａｄの入射角で反射された、４０ｋＶｐでの計算されたＲｈ管球のスペクトルとして、図１７（ｂ）に図示されている。ミラーは３Åの表面粗さを有すると仮定されている。約２２ｋｅＶより高い寄生放射は完全に抑制されるが、有用なＲｈ  Ｋ−αバンドは効率的に透過されることが分かる。
【０１１９】
このスペクトルを仮定して得られた関節ファントムの画像は、図１８（ｃ）に描かれており、高エネルギーの光子の寄生バンド（parasitic band）を抑制することは、屈折コントラストを強く増加させ、軟骨と滑液の境界面における強度コントラストを約３５％に到達させることを示す。ミラーフィルタリング技術のもう一つの実用的な利益は、Ｋ−αバンドよりも高い光子は反射されないため、管電圧を増加させることによってＫ−αバンドの明るさを増加させられることである。Ｋ−αの明るさは電圧の１．５〜１．６乗でスケールするため、Ｋ−αの明るさを増加させるには、電流よりも電圧を増加させる方が有利である。
【０１２０】
ミラー技術のもう一つの可能性は、横傾斜多層ミラーを狭帯域で高いスループットのスペクトルフィルタとして用いることである。これらは、長さに沿って周期が変化する合成ブラッグ反射器であり、平面ミラーの全長にわたる波長の狭い範囲を反射することを可能にする［３１］。最近の実験は、そのようなミラーが数ミリラジアンの入射角で効率的に数十ｋｅＶまでのＸ線を反射できることを証明する。例えば、Ｐａｒｋらは、従来の回転陽極Ｘ線管と、１００ｍｍの長さで周期が３２及び３８Åの間で変化する傾斜多層膜を用いる準単色Ｘ線バンドの効率的生成（≧５０％の反射率）を証明した［３２］。平均のＸ線エネルギー／バンド幅は、２０ｋｅＶ／１５％と４０ｋｅＶ／７．５％の間で変化し得る。湾曲したＨＯＰＧ（highly ordered pyrolytic graphite：高配向グラファイト）反射器は、ＬａｗａｃｚｅｃｋらによるＭｏ  Ｋ−αの乳房画像撮影システムで証明されたように、従来のＸ線源からのほとんど単色の放射線を生成するために用いることができる［３３］。
【０１２１】
このような反射器を用いることで、タルボ法の屈折コントラストを更に増加させる狭いＫ−αスペクトルが生成される。このことは、Ｒｈ  Ｋ−αエネルギーが中心の４ｋｅＶの広帯域における光子による関節ファントムの照明を仮定した、図１８（ｄ）に図示されている。この場合は、軟骨と滑液の境界面におけるコントラストはほぼ５０％に到達する。（図１８（ｂ）や図１８（ｃ）にあるのと同じ光子計数を達成するために、図１８（ｄ）におけるＫ−α強度は、狭いスペクトルのため、約３倍増加すると仮定されたことを特筆する。上記で議論されたように、これは単純に管電圧を４０から約６０ｋＶに増加させることによって行うことができる。）
【０１２２】
ミラーフィルタリング法の制約は、鏡面に垂直な視野（ＦＯＶ）の高さ（図２０の縦）が、物体位置で値Ｈ〜Δα・ｄに制限されることにある。Δαはミラーへの最大入射角と最小入射角の間の差であり、ｄはミラーと物体の間の距離である。全反射ミラーに関して、今度はΔαが、ミラーの長さにわたる高エネルギーのカットオフにおける許容変動により制限される。例えば、６０ｋＶｐにおけるＲｈ陽極のスペクトルと、３．５ミリラジアンの中心入射角におけるＰｔミラーを仮定すると、約１ミリラジアンのΔαは、２２ｋｅＶと２８ｋｅＶの間のカットオフエネルギー変化に対応し、図１８（ｃ）にあるような高い屈折コントラストを得ることを依然として可能にする。図２０に示すように、物体における垂直なＦＯＶは、このようにしてｄ〜Ｌを有する２ｍの長さの干渉計に関して、Ｈが約１ｍｍに制限されることになる。面積の広いＸ線ミラーは、最近では容易に製造できるため、垂直方向でのＦＯＶは、利用可能な格子幅によってのみ制限される。
【０１２３】
しかしながら、唯一の限定要因はミラーに沿ったブラッグ角変化であるため、横傾斜多層膜を用いると視野の高さは実質的に大きくなる。例えば、参考文献３２のミラーパラメータを仮定すると、２ｍの長さの干渉計についてはＨが約２．５ｍｍまで増加するであろう。さらに、湾曲した光学素子を用いると、視野は更に大きくなる。例えば、線源から５０ｍｍの位置に配置された４８０ｍｍの曲率半径を有する５０ｍｍの長さの結晶を用いて、Ｌａｗａｃｚｅｃｋらは、Ｍｏ  Ｋ−αの放射線について、線源から５５０ｍｍ離れた位置において１０ｍｍの高さのＦＯＶを達成した［３３］。２ｍの長さの対称タルボ干渉計に関しては、これは約１５ｍｍのＦＯＶ高さに換算されるであろう。
【０１２４】
それにもかかわらず、大きな物体を画像化するためには、ミラーでフィルタされたタルボ干渉計は、物体又は干渉計の視野が図２０において縦に走査されるスロット走査モードで動作する必要がある。原理的には、これは、大きな視野で可能なものよりも長い測定時間の'コーンビーム'システムを必要とする。しかしながら、我々は、スロット走査幾何学的配置の補償する利点は、検出器に到達する大きな角度で散乱された放射線の強い削減であることを特筆する。スロット走査医療システムで証明されたように、この削減は、実質的に画像コントラスト全体を向上させる［３２〜３４］。加えて、イメージングに有用な波長のみが物体に入射するため、準単色スペクトルは放射線量を減少させる利点を有する［３３，３４］。スロット走査タルボシステムは、上記で議論されたように、大きな角度で散乱された放射線を排除する結晶ＡＢＩシステムにもよく似ている。最後に、ミラーでフィルタされたスロット走査システムの測定時間は、複数積み重ねられた反射器を用いることにより、急激に短縮される。これは、約２００ｍｍ×２４０ｍｍのサイズの画像に関して、１ｓよりも短い走査時間を達成するために積み重ねられた多層ミラーのアレイを用いたＰａｒｋらにより証明された［３２］。
【０１２５】
ミラーフィルタリングは、準単色タルボ干渉法に利用可能なエネルギーバンドの範囲を拡大することも可能である。このことは、回転Ｗ陽極管などの明るい連続光源との組み合わせで用いられる狭いバンドパスミラーにより行われる。狭いエネルギーバンドを得るための第１の方法は、深度多層ミラーを用いることである。これらは、周期が深さによって変わる多層膜であり、数十ｋｅＶのエネルギーまでのＸ線に対して、約１０〜１５％の幅ΔＥ／＜Ｅ＞のエネルギーバンドを効率的に生成することを可能にする［３５，３６］。
【０１２６】
加えて、単純な可変バンドパスフィルタは、２つの全反射ミラーを用いて作製することが可能である。このデュアルミラーフィルタ設計は、図３（ａ）の略図に描かれており、シンクロトロンで証明されたフィルタリング技術を拡大する（'透過ミラー'）［３７，３８］。第１のミラーは、薄い（数μｍ）の低Ｚ薄膜に蒸着された高Ｚ金属膜を有する。このミラーにおける全反射は、スペクトルの低エネルギー部分を排除するが、高エネルギー部分は少ない減衰で薄膜を透過する。第１のミラーを透過した放射線は、次に第２の全反射ミラーでローパスフィルタ処理される。図３（ｂ）は、この設計で可能なスペクトル応答の例を示しており、数十ｋｅＶまでのエネルギーに対して１５〜２０％のオーダーのバンドパスが達成されたことを示している。図３（ｂ）に図示されているように、これらのエネルギーバンドは今度は、高次のタルボ干渉計のコントラストによく一致する。
【０１２７】
最後に、ミラーでフィルタされた干渉計の設計に対する更なる改良は、我々が参考文献３０で記載した微細周期ミラーの概念を用いて、単一の光学素子で線源格子とフィルタミラーを組み合わせることである。これらは、低Ｚ基板に薄い（約５００Å）、高Ｚ金属の周期的なストリップをパターン化することにより作製された全反射'ミラー格子'である。参考文献３０に示されているように、高Ｚストリップと低Ｚ基板との間の反射率の差は、数十ｋｅＶまでのエネルギーのＸ線に対して、高いコントラスト（約８０％まで）の反射型回折格子を製造することを可能にする。したがって、光学構成を単純化するのに加えて、'線源'格子の代わりに微細周期ミラーを用いることは、ミラーが非常に厚い吸収型回折格子と等価であるため、高エネルギーにおける干渉計コントラストを増加させることを可能にする。
【０１２８】
この可能性は、大きな関節ファントムに関する屈折強調画像の計算として、図２１（ａ），（ｂ）に図示されている。このファントムは図１３のものと同様の設計図を有するが、膝関節に特有の寸法を有するものである（直径１５ｃｍの筋肉、１．５ｍｍの厚さの軟骨、滑液及び結合組織層、直径３５ｍｍの骨、並びに、直径６ｍｍの腱）。線源として、我々は、０．３ｍｍスポットで（膝Ｘ線撮影法に特有の）７０ｋＶｐで動作し、０．１２ｍｍのＣｕと２ｍｍのＡｌでフィルタされるＷ陽極管を仮定した。検出器は１００μｍの画素を有する。
【０１２９】
図２１（ａ）は、４５ｋｅＶの平均エネルギーと５μｍの周期を有し、５次で動作し、１００μｍの厚さの線源格子及びアナライザ格子を用い、線源格子のデューティファクタが３３％である、２．２ｍの長さの対称干渉計を仮定して得られた画像を示す。約５０ｋｅＶよりも高い光子は、１．８ミリラジアンの入射角でのＰｔミラーによってカットされる。線源格子のバー及び開口部の間の吸収コントラストが、数十ｋｅＶよりも高いＸ線に対して急速に減少するため、軟部組織に関する屈折コントラストは粗悪であることが分かる。
【０１３０】
図２１（ｂ）は、線源格子の代わりに、３３％のデューティファクタと、反射及び非反射ストリップ間の８０％の反射コントラスト（reflection contrast）を有し、エネルギーに依存しない微細周期Ｐｔミラーを仮定して得られた画像を示す［３０］。回折格子を微細周期ミラーに置き換えることは、高エネルギーにおける屈折コントラストを強く向上させ、大きな関節における全ての軟部組織を見えるようにすることが分かる。最後に、最大の可能な屈折コントラストを達成するために、高エネルギーにおけるほぼ単色の微分位相コントラストイメージングに関して、線源格子は、微細周期的にパターン化された多層ミラー、あるいはパターン化されたＨＯＰＧ結晶に置き換えられる。
【０１３１】
結論
我々の分析は、タルボ干渉法は、屈折に基づいたイメージングに関する単純な技術であるが、その角感度及びコントラストは、結晶法のそれらと拮抗するために注意深く最適化されるべきであることを示す。このことは、屈折角がサブμラジアンのレンジにあり得る軟部組織イメージング、又は高エネルギー密度プラズマ診断などの要求の多い応用にとって特に重要である。タルボ法の角感度及びコントラストを同時に最大化する実用的な方法は、準単色線源スペクトルによる対称干渉計の構成を用いることである。線源スペクトルの成形に関して、Ｋ吸収端の吸収フィルタからかすめ入射ミラーでの反射にわたるいくつかの解決策が記載された。このようなフィルタリングを用いることによって、数十ｋｅＶまでのエネルギーにおける低Ｚの物体に関して、強い屈折コントラストが得られることを計算は示す。タルボ回折格子とバンドパスミラー及び／又は微細周期ミラーの組み合わせは、タルボ法をより高いＸ線エネルギーまで拡大することに関して魅力的にも見える。
【０１３２】
参考文献
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３８． A. Iida, T. Matsushita, and Y. Gohshi,Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A235, 597(1985)
【０１３３】
本明細書において図示及び説明した実施の態様は、当業者に、本発明を構成及び実施する方法を教示することのみを意図する。本発明の実施の態様を説明した際に特定の用語を明瞭化を目的として使用した。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることは意図していない。本発明の上記の実施の態様は、上記の記載内容を考慮することにより、当業者が認識するように、本発明から逸脱することなく変更または多様化することができる。したがって、本発明及びそれと等価なものの範囲内で、本発明は、特に説明したものとは異なる別の方法で実行することができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１００  微分位相コントラストＸ線イメージングシステム
１０２，２００  Ｘ線透視システム
１０４  ビームスプリッタ（スプリッタ格子）
１０６，１１０  光路
１０８  検出システム
１１２  Ｘ線検出素子
１１４  アナライザ格子
１１６，Ｘ線源
１１８  線源格子
２０２  多エネルギーＸ線源
２０４  バンドパスフィルタ
２０６，２２２  Ｘ線
２０８  ハイパスＸ線ミラー
２１０  第１部分
２１２  第２部分
２１４  第１のビームストップ
２１６  ローパスＸ線ミラー
２１８  第２部分の一部
２２０  第２のビームストップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図２０】
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【図４】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２１】
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