(57)【要約】位相画像データ３８の生成において、第一のピクセルごとの測定信号値３０ａを含む第一のX線画像データ２８ａおよび第二のピクセルごとの測定信号値３０ｂを含む第二のX線画像データ２８ｂが受領される。第一のX線画像データ２８ａは第一の測定モードで得られたものであり、第二のX線画像データ２８ｂは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで同時に得られたものである。あるピクセル３１における位相値３４を該ピクセル３１における第一の測定モードで得られた第一の測定信号値３０ａおよび該ピクセル３１における第二の測定モードで得られた第二の測定信号値３０ｂから決定することによって、前記第一および第二のX線画像データ２８ａ、２８ｂからピクセルごとの位相値３４を含む位相画像データが決定される。
2015503430.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相画像データを生成する方法であって：
第一のピクセルごとの測定信号値を含む第一のX線画像データを受領する段階と；
第二のピクセルごとの測定信号値を含む第二のX線画像データを受領する段階とを含み、前記第一のX線画像データは第一の測定モードで得られたものであり、前記第二のX線画像データは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで得られたものであり、
当該方法は、
あるピクセルにおける位相値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定することによって、前記第一および第二のX線画像データからピクセルごとの位相値を含む位相画像データを決定することを特徴とする、
方法。
【請求項２】
前記位相値は、測定モードのエネルギー振る舞いをモデル化する感度関数（Φi,gE）に基づいて決定される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第一のX線画像データが光子エネルギーの第一のスペクトル重み付けを用いて得られたものであり、前記第二のX線画像データが前記第一のスペクトル重み付けとは異なる第二のスペクトル重み付けを用いて得られたものである、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第一および第二のスペクトル重み付けが、光子を計数すること、光子エネルギーを積分することまたは光子エネルギーゆらぎを決定することを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記位相値が、前記位相値についての連立方程式および前記第一および第二の測定信号値を数値的に逆に解くことによって決定される、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
前記位相値が、前記位相値を測定モードに基づいて測定信号値に相互に関連付ける経験的モデルに基づいて決定される、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
あるピクセルにおける減衰値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定する段階をさらに含む、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項８】
前記第一のX線画像データおよび前記第二のX線画像データを、異なるスペクトル重みをもって光子を検出するよう適応された一つの検出器を用いて同時に取得することをさらに含む、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項９】
前記第一のX線画像データが第一のエネルギー・レベルにおいて得られたものであり、前記第二のX線画像データが前記第一のエネルギー・レベルとは異なる第二のエネルギー・レベルにおいて得られたものである、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１０】
前記第一のX線画像データを第一のエネルギー・レベルにおいて格子ベースの差分位相撮像システムを用いて取得し；
前記第二のX線画像データを第二のエネルギー・レベルにおいてかつ同じ格子位置において前記格子ベースの差分位相撮像システムを用いて取得することをさらに含む、
請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
プロセッサによって実行されるときに請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の方法の段階を実行するよう適応された、位相画像データを生成するためのコンピュータ・プログラム。
【請求項１２】
請求項１１記載のコンピュータ・プログラムが記憶されている、コンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の方法を実行するよう適応されたX線システムのためのコントローラ。
【請求項１４】
X線源と；
X線検出器と；
コントローラとを有するX線システムであって、
当該X線システムは、異なる複数の測定モードでX線画像データを得るよう適応されており、
前記コントローラは、異なる測定モードで得られたX線画像データに基づいて位相画像データを生成するよう適応されている、
X線システム。
【請求項１５】
前記X線検出器が、複数の異なる測定モードを実行するよう適応されている、
請求項１４記載のX線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相画像データを生成するための方法、コンピュータ・プログラムおよびコンピュータ可読媒体ならびにX線システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
X線撮影法および断層撮影法は多様な応用、たとえばバルク試料の非破壊検査、産業製品の品質検査および患者の身体内部の関心対象の解剖学的構造および組織領域の非侵襲的検査のための重要な方法である。
【０００３】
X線の減衰に基づくX線撮像は、骨のような強く吸収する解剖学的構造が比較的弱く吸収する材料の組織に埋め込まれている場合に優れた結果を出しうる。これは、高X線ビームの侵入深さがかなり高いことがあり、そのため減衰係数の鮮鋭な投影を記録できるという事実のためである。
【０００４】
特許文献１および特許文献２では、減衰ベースの画像データを検出するために適応されたX線撮像システムが示されている。
【０００５】
同様の吸収断面積をもつ異なる種類の組織が（たとえばマンモグラフィーまたは血管造影法で）検査にかけられるとき、X線吸収のコントラストは比較的貧弱であることがある。この場合、関心対象に侵入するX線の位相が検査される位相コントラストX線撮影法および断層撮影法が用いられてもよい。
【０００６】
位相情報を取得するにはいくつかの方法がある。現在、最もポピュラーなのは、格子に基づいていてもよいトールボット（Talbot）干渉計型の方法であるが、代替もある。中でも、インライン・ホログラフィー手法は、入念に整列させる必要があるモノクロメーターまたは格子のような光学機器を全く必要としないことがあるので、魅力的である。
【０００７】
特許文献３では、位相コントラスト撮像のためのX線干渉計が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第2009/0304149A1
【特許文献２】米国特許出願公開第2011/0216878A1
【特許文献３】国際公開2008/006470A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的の一つは、位相画像データを生成するさらなる可能性を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる例示的な実施形態は従属請求項および以下の記述から明白である。
【００１１】
本発明のある側面は、位相画像データを生成する方法に関する。
【００１２】
本発明のある実施形態によれば、本発明は：第一のピクセルごとの測定信号値を含む第一のX線画像データを受領する段階と；第二のピクセルごとの測定信号値を含む第二のX線画像データを受領する段階とを含み、第一のX線画像データは第一の測定モードで得られたものであり、第二のX線画像データは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで得られたものである。一般に、本方法は、X線画像データの少なくとも二つのセットを受領する段階を含んでいてもよい。各セットは異なる測定モードで得られたものである。
【００１３】
本方法は、あるピクセルにおける位相値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定することによって、前記第一および第二のX線画像データからピクセルごとの位相値を含む位相画像データを決定する段階を含む。
【００１４】
X線画像データにおける位相および減衰情報は、通例、X線画像データ中に格納される、検出器によって得られるまたは検出される強度情報またはデータ中に混合されている。二セットの画像データが異なる測定モードで、たとえば異なるエネルギーまたは異なる検出器型で得られる場合には、この混合された情報またはデータが分離されうるという点が、本発明の要旨と見ることができる。分離は、あるピクセルにおける位相値（および任意的には減衰値）を強度値または測定信号値にマッピングする関数関係（通例、数学的モデルを用いて決定されうる関数）があるという事実に基づいて実行されうる。二つの異なる測定モードに基づく二つの測定を用いて、上記関数関係から二つの独立な式が導出でき、それらの式を解いて位相値および／または減衰値を得ることができる。
【００１５】
本発明のさらなる諸側面は、プロセッサによって実行されるときに上記および下記の方法の段階を実行するよう適応された、位相画像データを生成するためのプログラム要素ならびにそのようなコンピュータ・プログラムが記憶されているコンピュータ可読媒体に関係する。コンピュータ可読媒体はフロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、USB（ユニバーサル・シリアル・バス）記憶デバイス、RAM（ランダム・アクセス・メモリ）、ROM（読み出し専用メモリ）およびEPROM（消去可能なプログラム可能型読み出し専用メモリ）であってもよい。コンピュータ可読媒体は、プログラム・コードのダウンロードを許容するデータ通信ネットワーク、たとえばインターネットであってもよい。
【００１６】
本発明のあるさらなる側面は、上記および下記の方法を実行するよう適応されたX線システムのためのコントローラに関する。
【００１７】
本発明のあるさらなる側面は、X線システムに関する。本発明のある実施形態によれば、X線システムはX線源と、X線検出器と、コントローラとを有する。X線システムは、異なる複数の測定モードでX線画像データを得るよう適応されている。コントローラは、異なる測定モードで得られたX線画像データに基づいて位相画像データを生成する。上記および下記で述べる方法の特徴が上記および下記で述べるシステムまたはコントローラの特徴であってもよく、逆もまたしかりであることは理解しておく必要がある。
【００１８】
本発明のこれらおよびその他の側面は、以下に述べる実施形態から明白となり、これを参照することで明快にされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のある実施形態に基づくX線システムを概略的に示す図である。
【図２】本発明のある実施形態に基づく処理ユニットを概略的に示す図である。
【図３】本発明のある実施形態に基づくX線システムを制御するための流れ図を示す図である。
【図４】本発明のある実施形態に基づくX線システムを制御するための流れ図を示す図である。
【図５】差分位相撮像システムを概略的に示す図である。
【図６】本発明のある実施形態に基づくX線システムを制御するための流れ図を示す図である。  原則として、同一のパーツは諸図面において同じ参照符号を与えられる。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、検出器構成１２および評価ユニット１４を有するX線システム１０を示している。検出器構成１２はX線源１６およびX線検出器１８を有する。X線源１６とX線検出器１８との間にオブジェクト２０が配置され、X線源１６から発するX線はオブジェクト２０を貫通して検出器１８に入射することができる。オブジェクト２０の貫通の際に、X線は減衰させられ、位相がシフトする。しかしながら、検出器１８はX線の強度をピクセルごとに測定するよう適応されているだけであることがありうる。たとえば、検出器１８はライン検出器または二次元検出器である。
【００２１】
ワークステーション１４であってもよい評価ユニット１４は、X線源１６および検出器１８を制御するよう適応されたコントローラ２２を有する。たとえば、コントローラ２２はX線源１６の動作継続時間および／またはX線源１６から発されるX線のエネルギー・レベルを制御してもよい。さらに、コントローラ２２は、測定の間にX線検出器１８から生成される画像データ２８を受領してもよい。
【００２２】
画像データ２８は、処理ユニット２４において処理されてもよく、ディスプレイを用いてHMI  ２６上に表示されてもよい。X線システム１０の動作は、HMI  ２６を介して人間の操作者によって制御されてもよい。
【００２３】
以下では、画像データにおける吸収および位相シフトの分離を許容する種々の方法が説明される。一般に、これは、異なる測定モードで画像データ２８を取得することによって達成されうる。たとえば、画像データ２８は、異なるエネルギー・レベルにおいてまたは異なる測定方法を用いて得られてもよい。
【００２４】
異なるエネルギー・レベルで画像データ２８を得るためには、X線源１６は異なるエネルギー・レベルでX線を生成するよう適応されていてもよく、および／または検出器１８は異なるエネルギー・レベルのX線の間の弁別のために適応されていてもよい。後者の場合、検出器１８はステレオスコピック検出器（stereoscopic  detector）であってもよい。
【００２５】
しかしながら、画像データ２８は、異なる測定方法でX線を、特に一つの測定の間に同時に、検出することによって得られてもよい。これは、異なるスペクトル重み付けを用いた少なくとも二つの測定を使うことによって、および／または１８測定モードで同時に動作するよう適応された検出器１８を使うことによって達成されてもよい。これらの場合、計数および積分X線（CIX:  counting  and  integrating  x-ray）検出器１８または積分およびキャンベリングX線（ICX:  integrating  and  Campbelling）検出器１８のような非ステレオスコピック検出器１８が使用されてもよい。この最後の二つの例は、ステレオスコピック検出器ほど高価ではないことがある。さらに、そのような検出器１８は、相関したノイズをもつ画像データ２８を生成してもよい。これは吸収と位相コントラストの分離のために有益であることがある。
【００２６】
特許文献１は、計数および積分のために適応されている検出器を示している。
【００２７】
特許文献２は、積分およびキャンベリングのために適応されている検出器を示している。
【００２８】
スペクトル重み付けは、ステレオスコピック検出器がもちうるような高度にピークのある（highly  peaked）関数に制約されず、CIXまたはICX検出器のために有効なもののような一般的な重み付けが使用されてもよい。このように、これらの検出器の異なるチャネルにおけるノイズ相関の恩恵が活用されうる。
【００２９】
図２は、処理ユニット２４における画像データ２８の処理を示している。検出器１８によって検出され得られる画像データ２８は、異なる測定モードに関係している少なくとも二セットの画像データ２８ａ、２８ｂを含む。各画像データ２８ａ、２８ｂは、画像データ２８ａ、２８ｂ中の各ピクセル３１について測定信号値３０ａ、３０ｂを含む。たとえば、測定信号値３０ａ、３０ｂは、検出器１８の特定のピクセル３１におけるX線の強度を示していてもよい。
【００３０】
各ピクセル３１について、処理ユニット２４は、測定信号値３０ａ、３０ｂに基づいて減衰値３２および／または位相値３４を決定する。これについては下記で説明する。減衰値３２および／または位相値３４から、処理ユニット２４によって減衰画像データ３６および／または位相画像データ３８が再構成される。処理ユニット３４は、減衰画像データ３６または位相画像データ３８だけを生成することが可能であることを注意しておく必要がある。
【００３１】
処理ユニット２４はプロセッサをもつコンピュータであってもよい。プロセッサ上で走る、処理ユニット２４の記憶部に記憶されているソフトウェアは、上記および下記で説明する方法を実行してもよい。また、画像データ２８ａ、２８ｂおよび減衰画像データ３６および位相画像データ３８が、処理ユニット２４の記憶部に記憶されてもよい。
【００３２】
本発明のある実施形態によれば、減衰画像データ３６および／または位相画像データ３８を生成する方法は：処理ユニット２４において第一のピクセルごとの測定信号値３０ａを含む第一のX線画像データ２８ａを受領する段階と、第二のピクセルごとの測定信号値３０ｂを含む第二のX線画像データ２８ｂを受領する段階とを含む。
【００３３】
本発明のある実施形態によれば、X線システム１０は、X線源１６と、X線検出器１８と、減衰画像データを位相画像データから分離するよう適応されたコントローラ２４とを有する。X線システム１０は、異なる測定モードでX線画像データ２８ａ、２８ｂを得るよう適応されていてもよい。たとえば、X線システム１０はCIXまたはICX検出器１８を有する。
【００３４】
本発明のある実施形態によれば、X線検出器１８は異なる複数の測定方法を、特に同時に、実行するよう適応されている。
【００３５】
本発明のある実施形態によれば、X線検出器１８は、少なくとも二つの異なる仕方で、たとえば光子を計数する、光子エネルギーを積分することによって、あるいは光子をキャンベリングすることによって、検出された光子にスペクトル重み付けするよう適応されている。キャンベリングは、光子フローにおけるゆらぎを検出し、該ゆらぎの平均値を決定することによって実行されてもよい。この平均値が光子エネルギーの平方の指標である。
【００３６】
以下では、減衰値３２および位相値３４を測定信号値３０ａ、３０ｂに関係付ける関数関係のベースとなる理論的背景を説明する。
【００３７】
オブジェクト２０（z＝0にあるものとする）の直後で光軸Aに直交する平面内の強度Iおよび位相φの分布は、オブジェクト２０の複素屈折率n(x,y,z,λ)
n＝1−δ＋iβ
の線積分を用いて
【００３８】
【数１】
2015503430.tif 000003
として表現できる。
【００３９】
Mは、屈折率nの虚部βに依存する減衰関数である。I0(x,y,λ)はX線源１６の空間依存の一次（primary）スペクトルである。
【００４０】
波面の位相関数φはさらに、
【００４１】
【数２】
2015503430.tif 000004
に従って乱され、屈折率nの実部δに依存する。屈折率n、その実部δおよびその虚部βは波長λに、よってX線のエネルギーに依存することを注意しておく。
【００４２】
位相関数φは、直接検出可能ではないが、波面が光軸Aに沿ってさらに伝搬する場合に強度変動につながる。
【００４３】
課題は、検出器平面z＝RからMおよびφの両方を取得することである。特定のピクセルの減衰値３２は検出器平面におけるそのピクセルの位置x,yにおける減衰関数Mに基づき、位相値３４は検出器平面におけるそのピクセルの位置x,yにおける位相関数φに基づく。
【００４４】
z＝Rにおける検出器平面への伝搬はフレネル伝搬によって、あるいは近似的に強度輸送方程式
【００４５】
【数３】
2015503430.tif 000005
によって記述できる。この式は、強度が近距離場においてオブジェクトの背後で強く変化しない場合にはさらに単純化できる。
【００４６】
【数４】
2015503430.tif 000006
という想定のもとで、これは次のようになる。
【００４７】
【数５】
2015503430.tif 000007
オブジェクト中に吸収K端がない場合、平均波長λ0のそこそこ小さなエネルギー範囲について、この依存性は次式によって与えられる。
【００４８】
【数６】
2015503430.tif 000008
ここで、コンプトン効果が無視できる小さなエネルギーについてはpは3であり、より高いエネルギーではpはより小さくなる。σ＝λ/λ0、γ＝Rλ/2πを使い、簡潔のため空間座標を省略すると、次のようになる。
【００４９】
【数７】
2015503430.tif 000009
この式は、所与の波長について期待される強度を与えるよう再び変換される必要がある：
【００５０】
【数８】
2015503430.tif 000010
すると、測定信号値３０ａ、３０ｂは次のようになる。
【００５１】
【数９】
2015503430.tif 000011
ここで、スペクトル感度関数Φは、検出器１８のデータ収集をモデル化する。インデックスiは、異なる測定モードについては異なる関数関係があることを示している。
【００５２】
たとえば、異なる測定モードについての最も一般的な依存性は次のようなものである。
【００５３】
【数１０】
2015503430.tif 000012
項
【００５４】
【数１１】
2015503430.tif 000013
は無視でき、その結果、次のようになる。
【００５５】
【数１２】
2015503430.tif 000014
この最後の関数は、減衰値３２、すなわち平均波長λ0におけるMと位相値３４、すなわち平均波長λ0における
【００５６】
【数１３】
2015503430.tif 000015
とを測定信号Sにマッピングする関数関係または関数である。この関係式はピクセルごとに評価されうる。
【００５７】
関数関係はスペクトル感度関数Φi(λ)および／または一次スペクトルI0(λ)に依存する。
【００５８】
スペクトル感度関数Φi(λ)は、検出器１８の較正測定によって得られてもよい。代替的または追加的に、既知のスペクトル感度関数Φi(λ)をもつ検出器１８が使用されてもよい（上記参照）。
【００５９】
また、一次スペクトルI0(λ)は較正測定を用いて決定されてもよい。
【００６０】
上記の関数関係を解くことによって二つの量
【００６１】
【数１４】
2015503430.tif 000016
を導出するためには、Sについての二つの独立な測定３０ａ、３０ｂが必要とされるだけでよい。
【００６２】
少なくとも二セットの画像データ２８ａ、２８ｂから減衰画像データ３６および位相画像データ３８を生成する種々の可能性について、図３ａおよび図３ｂに関して説明される。
【００６３】
本発明のある実施形態によれば、本方法は、あるピクセル３１における位相値３４を該ピクセル３１における第一の測定モードで得られた第一の測定信号値３０ａおよび該ピクセル３１における第二の測定モードで得られた第二の測定信号値３０ｂから決定することによって、前記第一および第二のX線画像データ２８ａ、２８ｂから、ピクセルごとの減衰値３２を含む減衰画像データ３６および／またはピクセルごとの位相値３４を含む位相画像データ３８を決定する段階を含む。
【００６４】
本発明のある実施形態によれば、画像データ３６および／または３８は、減衰値３２および位相値３４を第一の測定信号値３０ａおよび第二の測定信号値３０ｂにマッピングする関数関係に基づいて得られる。該関数関係は、第一の測定モードおよび第二の測定モードに、たとえばそれぞれのモードにおいて測定に使われる検出器１８のスペクトル感度関数Φiに依存する。
【００６５】
本発明のある実施形態によれば、この関数関係は、減衰値３２および／または位相値３４を測定信号値Sにマッピングするピクセルごとの関数に基づく。
【００６６】
図３ａに関し、画像データ３６、３６が、上記の関数関係を数値的に解くことによって決定される。
【００６７】
ステップS10では、診断スキャンが実行され、その結果、少なくとも二セットの画像データ２８ａ、２８ｂが得られる。特に、第一の画像データ２８ａが第一の測定モードで得られ、第二の画像データ２８ｂが第二の測定モードで得られる。たとえば、第一および第二の画像データ２８ａ、２８ｂは、計数検出器１８、積分検出器またはキャンベリング検出器１８を用いて得られてもよく、第二の画像データ２８ｂは積分検出器を用いて得られてもよい。
【００６８】
第一のX線画像データ２８ａおよび第二のX線画像データ２８ｂは、検出器１８またはX線システム１０の機械的なコンポーネントを動かすことなく得られてもよく、あるいは検出されてもよい。二セットの画像データ２８ａ、２８ｂは同時に検出されてもよい。
【００６９】
また、第一および第二の画像データ２８ａ、２８ｂは、異なるエネルギー・レベルにおいて、たとえばステレオスコピック検出器１８を用いて得られてもよい。
【００７０】
臨床的な観点からは、患者動きに影響されないために、二つの画像データ２８ａ、２８ｂが同時に取得されることがさらに望ましいことがありうる。異なるエネルギーにおける画像データ２８ａ、２８ｂの同時取得は、ステレオスコピック検出器を使ってまたは上述したCIXまたはICX検出器１８のような、一つの測定の間に上述した複数の測定モードを実行するよう適応された検出器を使って可能である。
【００７１】
本発明のある実施形態によれば、本方法は：第一のX線画像データ２８ａおよび第二のX線画像データ２８ｂを、異なる複数のスペクトル重み付けを用いて光子を検出するよう適応された一つの検出器１８を用いて同時に取得する段階を含む。
【００７２】
本発明のある実施形態によれば、第一のX線画像データ２８ａは第一の測定モードで得られたものであり、第二のX線画像データ２８ｂは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで得られたものである。
【００７３】
本発明のある実施形態によれば、第一のX線画像データ２８ａは光子エネルギーの第一のスペクトル重み付けを用いて得られたものであり、第二のX線画像データ２８ｂは第一のスペクトル重み付けとは異なる第二のスペクトル重み付けを用いて得られたものである。スペクトル重み付け（spectral  weighting）は、異なるエネルギーをもつ光子を異なる仕方で考慮に入れる測定方法と見てもよい。
【００７４】
本発明のある実施形態によれば、第一および第二のスペクトル重み付けは、光子を計数すること、光子エネルギーを積分することまたは光子エネルギーゆらぎを決定することを含む。
【００７５】
ステップS12では、画像データ２８ａ、２８ｂが処理ユニット２４において受領され、画像データ３６、３８を生成するために処理される。
【００７６】
各ピクセルについて、処理ユニット２４は、第一の測定信号値３０ａ、第一の測定モードについてのスペクトル感度関数Φ1(λ)および第一のエネルギー・レベルについての一次スペクトルI0(λ)を関数関係に挿入して、二つの未知数３２、３４についての第一の方程式を得る。
【００７７】
同様に、処理ユニット２４は、第二の測定信号値３０ｂ、第二の測定モードについてのスペクトル感度関数Φ2(λ)および第二のエネルギー・レベルについての一次スペクトルI0(λ)を関数関係に挿入して、二つの未知数３２、３４についての第二の方程式を得る。
【００７８】
二つの方程式は、処理ユニット３４によって数値的に解くことができ、値３２、３４が決定される。
【００７９】
本発明のある実施形態によれば、関数関係は、光子エネルギーに重み付けする（スペクトル）感度関数Φiに依存する。第一および第二の測定モードは、異なるスペクトル感度関数Φiをもつ異なるスペクトル重み付けを有していてもよい。
【００８０】
本発明のある実施形態によれば、位相値（３４）は、第一および第二の測定モードをモデル化する少なくとも二つの（スペクトル）感度関数Φi(λ)に基づいて決定される。特に、（スペクトル）感度関数Φi(λ)は、特定の測定モードにおける光子エネルギーの検出器１８の重み付けをモデル化してもよい。
【００８１】
本発明のある実施形態によれば、減衰値３２および位相値３４は関数関係を数値的に逆に解くことによって決定される。
【００８２】
減衰画像データ３６は、すべてのピクセルの減衰値３２から生成され、位相画像データ３８はすべてのピクセルの位相値３４から生成される。ここで、ラプラス演算子
【００８３】
【数１５】
2015503430.tif 000017
を逆に解いて位相画像データ３８を得ることができる。
【００８４】
図３ｂに関し、画像データ３４、３６は経験的モデルに基づいて決定される。
【００８５】
ステップS20では、較正スキャンが実行される。このステップでは、既知の屈折率nをもつオブジェクトがX線源１６、検出器１８の間に置かれて測定が実行される。測定が評価され、これらの測定から経験的モデルが決定される。各測定モードについて、経験的モデルは、第一および第二の測定信号値を減衰値および位相値にマッピングする関数をモデル化してもよい。経験的モデルはルックアップテーブルに基づいていてもよい。
【００８６】
較正スキャンの間の測定は、後続のデータ解析の間に評価されるべき同じ測定モードについて実行される必要があることがある。
【００８７】
較正スキャンが一度だけ実行されうることを注意しておく必要がある。一方、後続の診断スキャンは、較正スキャンの間に生成された同じ較正データを用いて数回実行されてもよい。
【００８８】
ステップS22では、診断スキャンが図３ａのステップS12と同様に実行され、その結果、第一の測定モードにおいて第一の画像データ２８ａが得られ、第二の測定モードにおいて第二の顔図データ２８ｂが得られる。
【００８９】
ステップS24では、画像データ２８ａ、２８ｂが処理ユニット２４において受領され、画像データ３６、３８を生成するために処理される。各ピクセルについて、第一の測定値３０ａおよび第二の測定値３０ｂは、減衰値３２および位相値３４を決定するために経験的モデルに入力される。
【００９０】
本発明のある実施形態によれば、関数関係は、減衰値３２および位相値３４を測定モードに基づいて測定信号値３０ａ、３０ｂに相互に関係付ける経験的モデルに基づく。
【００９１】
本発明のある実施形態によれば、経験的モデルは較正測定を用いて決定される。
【００９２】
上記および下記で記述する方法は、図５に示されるような差分位相撮像システム５０を用いて実行されてもよい。提案される方法の主たる恩恵は、もはやオブジェクト・スキャンの間に機械的な位相ステッピングを必要としないということでありうる。こうして、スキャン速度が一桁改善されうる。さらに、本方法は、連続的に動く源検出器構成をもつ断層撮影のために使用されてもよい。
【００９３】
図５は、X線源１６および検出器１８をもつ差分位相撮像（differential  phase  imaging）システム１０を概略的に示している。
【００９４】
X線源１６は、インコヒーレントなX線源５２、たとえばX線管５２と、空間的ビーム・コヒーレンスを達成するための源格子５４とを有していてもよい。検出器１８は、位相格子５６と、吸収器格子５８と、オブジェクト２０を通じてX線源１６から発したX線からの画像データ２８ａ、２８ｂを検出するよう適応されたX線検出器要素６０とを有していてもよい。
【００９５】
位相格子５６は位相シフト・ビーム・スプリッターとしてはたらく。これはX線ビームの位相波面の変動を強度変調、すなわち干渉パターンに変換する。干渉パターンは、吸収器格子５８の位置における位相格子５６のピッチの半分の典型的な長さスケールをもつ。吸収器格子５８は、位相格子５６を出るX線からモワレ干渉パターンを生成する。検出器要素６０上のモワレ干渉パターンは、オブジェクト２０および位相格子５６両方を通過後の偏向され位相シフトされたX線の位相シフトについての情報を含む。
【００９６】
格子５４、５６、５８の一つを動かす代わりに、以下では、X線画像データ２８ａ、２８ｂを得るために異なるエネルギー・レベルを使う、減衰画像データ３６および位相画像データ３８を生成する方法が記述される。本方法は、差分位相コントラストCT（differential  phase  contrast  CT）のための較正および処理方式として見ることができる。たとえば、エネルギー選択性検出器要素６０が使用されてもよい。
【００９７】
位相ステッピングは高い機械的精度を要求することがあり、スキャン時間を増大させることがあるので、機械的ステッピングを避けることで、より高速な断層撮影セットアップが得られる。また、連続回転システム１０が実現されてもよい。
【００９８】
以下では、減衰値３２および位相値３４を測定信号値３０ａ、３０ｂに関係付ける関数関係のベースとなる理論的背景を、DPCIシステム１０に関して説明する。
【００９９】
すでに述べたように、屈折率nは波長およびエネルギーに依存する。
【０１００】
n＝1−δ＋iβ
投影近似を使うと、X線ビームの強度はオブジェクトにより、次式に従って減衰させられる。
【０１０１】
【数１６】
2015503430.tif 000018
波面の位相はさらに次式に従って擾乱される。
【０１０２】
【数１７】
2015503430.tif 000019
ここで、すべての積分はX線の幾何学的な経路に沿って実行される。システムの設計エネルギーがE0であるとする。格子５６および５８の相対位置ξの関数としての各ピクセル３１における強度変動（1に規格化）は次式のようにモデル化されてもよい。
【０１０３】
【数１８】
2015503430.tif 000020
ここで、Φは格子配向の勾配である。量A0は平均強度I(E0)に等しい。
【０１０４】
提案される処理方式の基本的発想を例解するために、まず完璧な格子およびかなり低いX線エネルギーをもつ理想化された場合について述べる（より複雑な一般的な方式については後述する）。まず、屈折率は、K端がない場合、（コンプトン散乱が無視できる）そこそこ小さなエネルギーについて、次のエネルギー依存性をもつことを想起しておく。
【０１０５】
【数１９】
2015503430.tif 000021
これらの関係を使って、
【０１０６】
【数２０】
2015503430.tif 000022
と結論できる。
【０１０７】
この関係を知っていれば、関心のある量、すなわちA0およびΦ0を異なるエネルギーだが各回ともξ＝0であるビュー強度から推定することが可能である。上記の式において、異なるエネルギーでの入射X線ビームの異なる強度を補償するために、振幅A0はすでに空気（較正）スキャンに規格化されていることを注意しておく。
【０１０８】
現実のシステムでは、格子変位の関数としての強度の依存性の前記モデルはよく満たされないことがありうる。特に、X線ビームは部分的にインコヒーレントであることがあり、格子５６はπの位相シフトを課す完璧な位相格子ではないことがあり、格子５８は完璧にX線を吸収しないことがあり、検出器６０のスペクトル応答は完璧でないことがある。
【０１０９】
これらすべての効果は較正スキャンの間、通常の格子ステッピングを実行することによって補償されてもよい。より特定的には、この較正スキャンの間、格子変位の関数としての強度の関数的な依存性が測定される。結果として得られる関数gEは、エネルギー・ビンに依存してもよい。その依存性は添え字Eによって反映される。
【０１１０】
I(ξ,E)＝AgE(2πξ＋Φ)
gEが周期的であるという先験的な知識があるので、有限のフーリエ級数で測定値を展開することが望まれるであろう。もう一つの重要な複雑化要因がより高いエネルギーについて生じる。すなわち、吸収係数のエネルギー依存性がより複雑化する。全吸収を光（photo-）効果とコンプトン（Compton-）効果の寄与に分離することが一般的である。
【０１１１】
【数２１】
2015503430.tif 000023
この式は、位相値を強度値３０ａ、３０ｂまたは測定信号値３０ａ、３０ｂに関係付ける関数関係を与える。この式は、参照エネルギーEにおける所望される位相勾配Φ0を測定されたデータIと結びつける前方（forward）モデルと見ることができる。ξは格子５６および５８の相対位置であり、0に設定されてもよいことを注意しておく。
【０１１２】
図６は、位相画像データ３８を決定するための方法の流れ図を示している。
【０１１３】
ステップS30では、較正スキャンが実行される。このスキャンでは、感度関数gEが測定または決定される。格子５６、５８は較正スキャンでは動かされる必要がないことを注意しておく。特に、関数gEは、そのフーリエ係数を異なるエネルギーにおける強度の測定値を用いて当てはめすることによって有限フーリエ級数を決定することによって決定されてもよい。追加的な当てはめパラメータはパラメータBphotoおよびBComptonである。これらのパラメータおよび有限フーリエ級数は、検出器１８の経験的モデルと見ることができる。
【０１１４】
ステップS32では、診断スキャンが実行される。診断スキャンの間、強度I(0,Ei)がいくつかのエネルギーEiについて（たとえば少なくとも二つのエネルギーEiについて）測定される。各エネルギーEiについて、X線画像データ２８ａ、２８ｂが生成される。格子５６、５８は診断スキャンにおいて動かされる必要がないことを注意しておく。
【０１１５】
本発明のある実施形態によれば、第一のX線画像データ２８ａが第一のエネルギー・レベルE1で得られ、第二のX線画像データ２８ｂが第一のエネルギー・レベルE1と異なる第二のエネルギー・レベルE2で得られる。
【０１１６】
本発明のある実施形態によれば、本方法は：較正スキャンの間に格子ベースの差分位相撮像システム５０を用いて第一のエネルギー・レベルE1において第一のX線画像データ２８ａを得る段階と；格子ベースの差分位相撮像システム５０を用いて第二のエネルギー・レベルE2において同じ格子位置で第二のX線画像データ２８ａを得る段階とを含む。
【０１１７】
ステップS34では、診断スキャンの間に生成されたX線画像データ２８ａ、２８ｂは処理ユニット３４において受領され、評価されて位相画像データ３８が生成される。
【０１１８】
上記の決定された関数gEを用いた関数関係は、異なるエネルギーEiにおいてピクセル３１において得られた測定信号値３０ａ、３０ｂからピクセル３１における位相値３４またはΦ0を決定するために使われる。たとえば、結果として得られる式が、数値的に逆に解かれてもよい。
【０１１９】
本発明のある実施形態によれば、位相値３４は、検出器１８のエネルギー振る舞いをモデル化する（スペクトル）感度関数gEに基づいて決定される。
【０１２０】
本発明は、図面および以上の記述において詳細に図示し、記述されているが、そのような図示および記述は制約するものではなく、例解または例示するものと考えられるべきである。本発明は開示されている実施形態に限定されるものではない。開示される実施形態に対する他の変形が、図面、本開示および付属の請求項を吟味することから、特許請求される発明を実施する当業者によって理解され、実装されることができる。請求項において、「有する／含む」の語は他の要素やステップを排除するものではない。単数形は複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたはコントローラまたはその他のユニットが請求項に記載されるいくつかの項目の機能を充足してもよい。ある種の施策が互いに異なる従属請求項において記載されているというだけの事実がそれらの施策の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。請求項に参照符号があったとしても、それは範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図１】
2015503430.tif 000024
【図２】
2015503430.tif 000025
【図３】
2015503430.tif 000026
【図４】
2015503430.tif 000027
【図５】
2015503430.tif 000028
【図６】
2015503430.tif 000029
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月15日(2014.7.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相画像データを生成する方法であって：
第一のピクセルごとの測定信号値を含む第一のX線画像データを受領する段階と；
第二のピクセルごとの測定信号値を含む第二のX線画像データを受領する段階であって、前記第一のX線画像データは第一の測定モードで得られたものであり、前記第二のX線画像データは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで得られたものである、段階と；
あるピクセルにおける位相値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定することによって、前記第一および第二のX線画像データからピクセルごとの位相値を含む位相画像データを決定する段階とを含み、
当該方法は、前記第一および第二の測定モードを同時に実行するよう構成されたX線検出器を使うことを特徴とする、
方法。
【請求項２】
前記位相値は、測定モードのエネルギー振る舞いをモデル化する感度関数に基づいて決定される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記第一のX線画像データが光子エネルギーの第一のスペクトル重み付けを用いて得られたものであり、前記第二のX線画像データが前記第一のスペクトル重み付けとは異なる第二のスペクトル重み付けを用いて得られたものである、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記第一および第二のスペクトル重み付けが、光子を計数すること、光子エネルギーを積分することまたは光子エネルギーゆらぎを決定することを含む、請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記位相値が、前記位相値についての連立方程式および前記第一および第二の測定信号値を数値的に逆に解くことによって決定される、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項６】
前記位相値が、前記位相値を測定モードに基づいて測定信号値に相互に関連付ける経験的モデルに基づいて決定される、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項７】
あるピクセルにおける減衰値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定する段階をさらに含む、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項８】
前記第一のX線画像データおよび前記第二のX線画像データを、異なるスペクトル重みをもって光子を検出するよう適応された一つの検出器を用いて同時に取得することをさらに含む、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項９】
前記第一のX線画像データが第一のエネルギー・レベルにおいて得られたものであり、前記第二のX線画像データが前記第一のエネルギー・レベルとは異なる第二のエネルギー・レベルにおいて得られたものである、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１０】
前記第一のX線画像データを第一のエネルギー・レベルにおいて格子ベースの差分位相撮像システムを用いて取得し；
前記第二のX線画像データを第二のエネルギー・レベルにおいてかつ同じ格子位置において前記格子ベースの差分位相撮像システムを用いて取得することをさらに含む、
請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１１】
プロセッサによって実行されるときに請求項１ないし１０のうちいずれか一項記載の方法の段階を実行するよう適応された、位相画像データを生成するためのコンピュータ・プログラム。
【請求項１２】
請求項１１記載のコンピュータ・プログラムが記憶されている、コンピュータ可読媒体。
【請求項１３】
X線源と；
X線検出器と；
コントローラとを有するX線システムであって、
当該X線システムは、（ｉ）第一のピクセルごとの測定信号値を含む第一のX線画像データを受領する段階と；（ｉｉ）第二のピクセルごとの測定信号値を含む第二のX線画像データを受領する段階であって、前記第一のX線画像データは第一の測定モードで得られたものであり、前記第二のX線画像データは第一の測定モードとは異なる第二の測定モードで得られたものである、段階と；（ｉｉｉ）あるピクセルにおける位相値を該ピクセルにおける第一の測定モードで得られた第一の測定信号値および該ピクセルにおける第二の測定モードで得られた第二の測定信号値から決定することによって、前記第一および第二のX線画像データからピクセルごとの位相値を含む位相画像データを決定する段階とを含み、
前記コントローラは、前記第一および第二の測定モードで得られたX線画像データに基づいて位相画像データを生成するよう適応されており、
前記X線検出器は、前記第一および第二の測定モードを同時に実行するよう構成されている、
X線システム。
【請求項１４】
前記X線検出器が、複数の異なる測定モードを実行するよう適応されている、
請求項１３記載のX線システム。
【国際調査報告】
2015503430.tif 000030
2015503430.tif 000031