(57)【要約】【課題】Ｘ線は被写体内部を非破壊的に観察するためのものであるが、吸収コントラストに頼る従来法では軽元素で構成されている被写体の観察は困難である。しかし、X線は物体を透過したときに、吸収だけでなく、位相変化を受ける。この位相変化を検出し、生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）の医療診断装置に利用するためのX線画像撮影方法及びその撮影装置を提供する。【解決手段】微小焦点X線管から照射され、被写体を透過し、一定の距離伝播した、一枚または複数枚のX線画像をX線検出器で検出し、強度輸送方程式に基づく該X線画像の数値処理より、被写体直後の位相分布を求める。【選択図】図４
2007195718.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小焦点X線管から照射され、被写体を透過し、一定の距離伝播した、一枚または複数枚の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、
該一枚または複数枚のX線画像から、被写体直後の位相分布を数値処理により求めることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項２】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
該微小焦点X線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズより小さいことを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項３】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
該微小焦点X線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズよりの１／２以下であることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項４】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
該微小焦点X線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズにより変化させることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項５】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
該微小焦点X線管と被写体との距離R1、および該X線検出器と被写体との距離R2を、被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定することを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項６】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
被写体直後のX線画像と、被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定される前記距離R2を伝播したX線画像から、強度輸送方程式に基づく数値処理により、被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項７】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定される前記距離R2を伝播したX線画像のみから、被写体直後のX線の振幅分布および位相分布との間に関係を仮定し、数値処理により被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項８】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
前記距離R2を伝播したX線画像の局所平均により、被写体直後のX線画像を近似し、前記距離R2を伝播したX線画像のみから、強度輸送方程式に基づく数値処理により、被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項９】
請求項１のX線画像撮影方法であって、
該微小焦点X線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズの３倍以下とし、
X線を被写体より伝播させて撮影したX線画像の該微小焦点X線管の焦点サイズによる幾何学的なぼけを、デコンボルーションにより除去することを特徴とするX線画像撮影方法。
【請求項１０】
微小焦点X線管と、X線検出器と、被写体への照射領域を制限する手段と、
前記微小焦点X線管と被写体との距離R1、および前記X線検出器と被写体との距離R2を設定する手段を備えたX線画像撮影装置において、
請求項１ないし９のいずれかに記載のX線画像撮影方法を行うために、
一枚または複数枚のX線画像から位相分布を求める位相演算機構を有すること特徴とする、X線画像撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線を用いて被写体内部を非破壊的に観察するためのものである。特に、吸収コントラストに頼る従来法では観測困難である軽元素で構成されている被写体の観察に関するもので、被写体の位相コントラストによる撮影方法及びその撮影装置に関する。特に、生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）の医療診断装置への利用が可能である。
【背景技術】
【０００２】
従来のＸ線透過像撮像システムにおいては、得られる像のコントラストは被写体によるＸ線の吸収の大小によっている。即ち、吸収が大きい重元素が密にある領域があると、その部分のＸ線透過率が小さくなり、吸収コントラストとして像中に捉えることができる。そして、Ｘ線フィルムを用いれば１０ミクロンの解像度も達成できる。
【０００３】
しかし、軽元素からなる生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）は、Ｘ線に対してほとんど透明である。このため、S/N比の高い画像を得るには多くのＸ線を照射しなければならず、Ｘ線被爆が問題となる。従って、重元素を造影剤として注入して、コントラストを強調する方法が取られているが、造影剤による副作用、患者への負担が問題である。
【０００４】
Ｘ線が被写体を通過すると、吸収だけではなく、被写体による位相変化（位相シフト）も受ける。そして、軽元素に対する位相シフトの断面積はＸ線吸収の断面積より約千倍大きい。このため、位相変化に基づく撮像法が実現できれば、従来の吸収に基づく撮像法より千倍感度に優れた観察が期待できる。このことは生体軟部組織を特別な造影処理を施さずに観察できることを示している。
【０００５】
しかし、Ｘ線画像は強度として観測されるため、被写体による位相変化を直接観察することは出来ない。このため、位相変化に敏感な観察法として、大きく分けて３つの方法が提案されている（例えば、非特許文献１）。
【０００６】
１つ目はＸ線干渉計を用いた方法である。この手法は位相変化をうけた波面そのものを、干渉効果により観測するもので、シンクロトロン放射Ｘ線で実験的に実証されている（非特許文献２）。しかし、シンクロトロン放射Ｘ線のような干渉性の高い光源（単色平面波）が必要とされる、大きな位相変化では干渉縞が密になるので計測が困難になる、結晶性Ｘ線干渉計の製作および設定が困難である等により、医療診断装置への利用はなされていない。
【０００７】
２つ目は位相変化に由来する屈折効果を使用するものである。この方法では被写体の境界に於ける屈折（回折）が強調されて観測されるので、DEI(Diffraction Enhanced Imaging: 回折強調結像法)と呼ばれている。ここでの屈折角は1.0E-5程度に小さいので、微小に偏向した成分をアナライザ結晶により分離して画像とする方法がシンクロトロン放射Ｘ線を用いて実験されている（非特許文献３）。この手法もシンクロトロン放射Ｘ線のような干渉性の高い光源（単色平面波）が必要とされるので、まだ医療診断装置への利用はなされていない。
【０００８】
また、波を有限の距離だけ伝播させることにより、被写体の境界に於ける微小な屈折角で偏向した成分を検出可能なズレとして観察する方法がある（特許文献１）。この方法は小焦点X線管（焦点径１００ミクロン以下）を用いたマンモグラフィ装置として最近実用化された（特許文献２）。しかし、この手法では、伝播距離を大きくできないので、本発明に較べてコントラストが低い。さらに、屈折による正負のコントラストが焦点サイズによる平均化によって相殺されて、さらにコントラストが低くなる。また、屈折コントラストは多くの場合内部構造の境界にそって観測され、吸収コントラストのように内部構造をそのまま反映したものではない。
【０００９】
３つ目の方法は波を伝播させることにより、被写体による位相変化（位相シフト）を強度の変化として観測するものであり、本当の意味での位相コントラスト法である。この方法では複数の伝搬距離において観測された強度から、被写体による位相変化を数値処理により求める。そのなかで、本発明の基礎となる強度輸送方程式（Transport of Intensity Equation: TIE）が有名である（非特許文献４）。この手法は全ての波に対して成立し、Ｘ線、中性子線、電子線に対して有用であることが示されている。この手法では、屈折コントラストとは異なり、内部構造をそのまま反映した位相分布が得られるのが特徴である。
【００１０】
Ｘ線における強度輸送方程式を用いた方法では、照射が実効的な平面波となるシンクロトロン放射Ｘ線での実験が報告されている（非特許文献５）。しかし、Ｘ線源の特殊性より、まだ医療診断装置への利用はなされていない。
【００１１】
Ｘ線における強度輸送方程式を用いた別の方法では、光源径の小さな微小焦点Ｘ線管（焦点径２０ミクロン以下）での実験が報告されている(非特許文献６)。そこでは、小領域（１ｍｍ程度）の１ミクロン以下の構造を高拡大（百倍以上）して観察することに重点が置かれている。この実験に基づく特許文献３では大きな視野の観察を必要とする医療診断への考察がなされていない。
【００１２】
Ｘ線画像撮影装置の検出器としてＸ線フィルムを用いれば１０ミクロンの解像度も達成できる。しかし、Ｘ線フィルムは現像処理を必要とし、またディジタル画像処理に適さない等の欠点を持つ。一方、輝尽性蛍光体プレート（SPP）をもちいたコンピューテッドラジオグラフィ（CR）や平面X線検出器（FPD）ではディジタル画像処理に適するが、画素サイズが１００ミクロン程度と大きく、高解像の画像が得られないという欠点が有った。
【特許文献１】WO 96/31098.
【特許文献２】特開2004-209152.
【特許文献３】WO 98/28950.
【非特許文献１】R. Fitzgerald, Physics Today 53(2000)23.
【非特許文献２】A. Momose, Nucl. Instrum. Meth. A352(1995)622.
【非特許文献３】D. Chapman et al., Phys. Med. Biol. 42(1997)2015.
【非特許文献４】M.R. Teague, J. Opt. Soc. Am. 73(1983)1434.
【非特許文献５】A. Snigirev et al., Rev. Sci. Instrum. 66(1995)5486.
【非特許文献６】S. Wilkins et al., Nature 384(1996)335.
【非特許文献７】K. Ishizuka and B. Allman, J. Electron Micros. 54(2005) 191.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、前記強度輸送方程式に基づくＸ線画像撮影方法及びその撮影装置を提供することを目的としている。特に、生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）の医療診断装置に利用するための、必要な解像度及び大きな視野を確保するＸ線画像撮影方法及びその撮影装置を提供することを目的としている。さらに、ディジタル画像処理に適する検出器を採用したＸ線画像撮影方法及びその撮影装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は以下のように構成することにより前記課題を解決し、かつ目的を達成した。
【００１５】
請求項１に記載の発明は、『微小焦点Ｘ線管から照射され、被写体を透過し、一定の距離伝播した、一枚または複数枚の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、該一枚または複数枚のＸ線画像から、被写体直後の位相分布を数値処理により求めることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００１６】
この請求項１に記載の発明によれば、一枚または複数枚のＸ線画像から数値処理により被写体の構造を反映した被写体直後の位相分布が求まるので、吸収コントラストの小さな生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）の位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズより小さいことを特徴とするＸ線画像撮影方法。』である。
【００１８】
この請求項２に記載の発明によれば、微小焦点Ｘ線管の焦点サイズによる被写体の検出したい構造のぼけの影響を小さくできるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズよりの１／２以下であることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００２０】
この請求項３に記載の発明によれば、微小焦点Ｘ線管の焦点サイズによる被写体の検出したい構造のぼけの影響をさらに小さくできるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズにより変化させることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００２２】
この請求項４に記載の発明によれば、被写体の検出したい構造のサイズに合わせて該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズを変更することにより、Ｘ線の露光時間を最適化できるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００２３】
請求項５に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、該微小焦点Ｘ線管と被写体との距離R1、および該Ｘ線検出器と被写体との距離R2を、被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定することを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００２４】
この請求項５に記載の発明によれば、被写体の検出したい構造のサイズを基により式６により、あるいは装置全長を基にした式１４により、該微小焦点Ｘ線管と被写体との距離R1、および該Ｘ線検出器と被写体との距離R2を最適に設定することができるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００２５】
請求項６に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、被写体直後のＸ線画像と、被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定される前記距離R2を伝播したＸ線画像から、強度輸送方程式に基づく数値処理により、被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００２６】
この請求項６に記載の発明によれば、被写体直後のＸ線画像と、最適に設定された伝播距離におけるＸ線画像から、式５に従い強度の微分をもとめ、式４により被写体直後の位相分布を求めることができるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００２７】
請求項７に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、被写体の検出したい構造のサイズ、あるいは装置全長により決定される前記距離R2を伝播したＸ線画像のみから、被写体直後のＸ線の振幅分布および位相分布との間に関係を仮定し、数値処理により被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００２８】
この請求項７に記載の発明によれば、被写体直後のＸ線の振幅分布および位相分布との間に関係式１６を仮定することにより、前記距離R2を伝播したＸ線画像のみから式１７に従い被写体直後の位相分布を求めることができ、よってＸ線被爆を少なくできるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００２９】
請求項８に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、前記距離R2を伝播したＸ線画像の局所平均により、被写体直後のＸ線画像を近似し、前記距離R2を伝播したＸ線画像のみから、強度輸送方程式に基づく数値処理により、被写体直後の位相分布を求めることを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００３０】
この請求項８に記載の発明によれば、前記距離R2を伝播したＸ線画像の局所平均により、被写体直後のＸ線画像を近似し、前記距離R2を伝播したＸ線画像のみから、式４により被写体直後の位相分布を求めることができ、よってＸ線被爆を少なくできるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００３１】
請求項９に記載の発明は、『請求項１のＸ線画像撮影方法であって、該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズを被写体の検出したい構造のサイズの３倍以下とし、Ｘ線を被写体より伝播させて撮影したＸ線画像の該微小焦点Ｘ線管の焦点サイズによる幾何学的なぼけを、デコンボルーションにより除去することを特徴とするＸ線画像撮影方法』である。
【００３２】
この請求項９に記載の発明によれば、伝播させて撮影したＸ線画像の焦点サイズによる幾何学的なぼけをデコンボルーションにより除去できるので、大きな焦点サイズの微小焦点Ｘ線管を使用することが可能となり、露光時間の短縮がかのうになるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００３３】
請求項１０に記載の発明は、『微小焦点Ｘ線管と、Ｘ線検出器と、被写体への照射領域を制限する手段と、前記微小焦点Ｘ線管と被写体との距離R1、および前記Ｘ線検出器と被写体との距離R2を設定する手段を備えたＸ線画像撮影装置において、請求項１ないし９のいずれかに記載のX線画像撮影方法を行うために、一枚または複数枚のＸ線画像から位相分布を求める位相演算機構を有すること特徴とする、Ｘ線画像撮影装置』である。
【００３４】
この請求項１０に記載の発明によれば、一枚または複数枚のＸ線画像から位相分布を求める位相演算機構を有することにより、請求項１ないし９のいずれかに記載のＸ線画像撮影方法が実現されるので、位相コントラストＸ線画像撮影に好適である。
【００３５】
本発明における微小焦点Ｘ線管を利用したＸ線画像撮影方法及びその撮影装置は概念的に図１のように示される。
【００３６】
すなわち、構成要素は、Ｘ線源１、被写体２およびＸ線検出器３である。ここで、Ｘ線源１と被写体２の距離をR1、被写体２とＸ線検出器３の距離をR2と表す。また、Ｘ線源１の光源径（焦点径）をS1、被写体の解像したい構造のサイズをD1、Ｘ線検出器３の画素サイズをDとする。
【００３７】
この場合、結像倍率M、光源径のＸ線検出器３上の大きさS2、被写体の解像したい構造のサイズのＸ線検出器３上の大きさD2は幾何学的条件により以下のようになる：
【００３８】
【数１】
2007195718.tif 000003
【００３９】
【数２】
2007195718.tif 000004
【００４０】
【数３】
2007195718.tif 000005
【００４１】
従来の吸収コントラスト型のＸ線画像観察装置ではＸ線検出器３は被写体２の直後に置かれる。すなわち、R2 = 0 である。この場合は、M = 1 であり、光源径S1は解像度に全く影響せず、Ｘ線検出器３の画素サイズが解像度を決定する。
【００４２】
しかし、本発明のように波の伝播を利用する場合には、R2 > 0であり、常に、M > 1となる。そして、光源径によるぼけを考慮しなければならない。Ｘ線検出器３上において光源径S1により被写体の解像したい構造のサイズD1がぼけないためにはS2 < D2、すなわち、(M-1)*S1 < M*D1を満たす必要がある。この条件は、S1 < D1の場合に常に成立する。すなわち光源径（焦点径）S1を被写体の解像したい構造のサイズD1より小さくすることにより、光源径によるぼけの影響を抑えることができる。
【００４３】
さらに、光源径（焦点径）S1を被写体の解像したい構造のサイズD1の1/2にすることにより光源径によるぼけの影響をより小さくできるようになる。
【００４４】
また、本発明では結像が拡大系であるので、画素サイズの大きなディジタル画像検出器の利用に好都合である。Ｘ線検出器３の画素サイズDは標本化の定理よりD < D2/2を満たす必要がある。これによりM > 2*D/D1となり、必要な最低倍率が被写体の解像したい構造のサイズD1とＸ線検出器３の画素サイズDにより決定される。
【００４５】
次に、本発明の基礎となる強度輸送方程式を説明する。簡単のために図２に示すような平面波照射（Ｘ線源が被写体から無限の距離にある場合に相当する）の場合を最初に考察する。入射平面波は被写体２を通過後、その強度（振幅）と位相が変化する。吸収が小さい場合には、振幅は殆ど変化しないが、位相（波面）が変化する。
【００４６】
強度輸送方程式は波の伝播による強度と位相の変化を記述する以下のような微分方程式である（非特許文献４）：
【００４７】
【数４】
2007195718.tif 000006
【００４８】
ここで、I(ｘｙｚ)は電子波の強度分布、φ(ｘｙｚ)は電子波の位相分布、λは電子波の波長である。また、
【００４９】
【数５】
2007195718.tif 000007
【００５０】
はxy平面内の２次元ベクトル微分演算子である。
【００５１】
式４の左辺は波面の伝播方向への強度の微分である。すなわち、強度輸送方程式を使用して位相分布を求めるには、位相を求めたい平面での像強度と、その面での伝播方向の強度の微分が必要となる。
【００５２】
通常、微分を計測することは困難なので、強度の差分で微分を近似する。この場合、強度を観測する面が大きくなれば、伝播による波の変化が大きくなり、強度差は大きくなる。そして、強度の差分への観測系のノイズの影響を小さくすることができる。しかし、余り大きく離れた観測面での強度の差分は微分への誤差が大きくなる。このため、微分を十分によく近似する観測面の最大間隔を推定する必要がある。
【００５３】
像強度を２つの面、観測面１および観測面２、で観測し、微分をその強度の差分
【００５４】
【数６】
2007195718.tif 000008
【００５５】
により近似する。
【００５６】
この場合には、観測面の最大許容間隔Zは以下のようになる：
【００５７】
【数７】
2007195718.tif 000009
【００５８】
ここで、cは誤差を表す係数である（非特許文献７）。この式から判るように、許容される観察面の間隔は波長に反比例し、被写体の解像したい構造のサイズD1の自乗に比例する。
【００５９】
例えば、係数cを0.15、X線の波長を0.1nmとし、D1を10, 20, 30, 50および100ミクロンとすると、観測面の許容間隔は0.1m, 0.4m, 0.9m, 2.5mおよび10mとなる。
【００６０】
ここで、重要なのは波面が伝播したときの振幅（強度）変化である。波面の変化（位相変化）が空間的に急峻である場合、すなわちD1が小さい場合には、波の伝播による振幅変化が大きくなる。一方、緩やかに波面が変化している場合、すなわちD1が大きい場合には、少しの距離だけ伝播した波の振幅はほとんど変化しない。しかし、式６によれば、大きな構造を結像したい場合には、伝播距離を大きくすることが出来る。そして、伝播距離および結像倍率を調整することにより小さな構造から、大きな構造まで観測することが可能である。
【００６１】
ただし、空間的な制約により伝播距離の上限が決定される可能性がある。しかし、コントラストが十分あれば、これ以下の伝播距離での画像をもちいて位相分布を高精度で求めることは可能である。特に、大きな構造ではコントラストが大きいのが通常である。
【００６２】
これまでは、平行照射を仮定していたが、図3に示すように、光源が有限の距離にある場合には、球面波の伝播に対する補正を行わなければならない（例えば、J.M. Cowley (1975) Diffraction Physics）。光源から観測面１および観測面２がR1、L2 = R1+R2の距離にあるとすると、倍率Mは
【００６３】
【数８】
2007195718.tif 000010
【００６４】
となる。
【００６５】
平面波照射の場合に距離zだけ伝播した場合の波を
【００６６】
【数９】
2007195718.tif 000011
【００６７】
と表すると、球面波照射で観測面１から観測面２に伝播した場合の波は
【００６８】
【数１０】
2007195718.tif 000012
【００６９】
と表される。すなわち、球面波照射での観測面２における波は式９により平面波照射での実効的な伝播距離Zにおける波に置き換えて取り扱うことができる。
【００７０】
ここで球面波照射の実効的な伝播距離Zは、
【００７１】
【数１１】
2007195718.tif 000013
【００７２】
となる。この伝播距離Zは平面波照射に相当する伝播距離で、その許容範囲は式６で与えられる。この実効的な伝播距離Zは球面波照射時の実際の伝播距離R2によりZ = R2/Mと表される。すなわち、実際の伝播距離R2を平面波照射時の伝播距離ZのM倍にしなければ平面波照射時と同等の伝播効果が得られない。平面波照射の場合はM = 1に相当し、R2 = Zとなる。
【００７３】
さらに、R1, R2, L2は倍率Mと実効的な伝播距離Zを用いると, 
【００７４】
【数１２】
2007195718.tif 000014
【００７５】
【数１３】
2007195718.tif 000015
【００７６】
のように表される。そして、一定の実効的な伝播距離Zに対して、距離L2の最小値は倍率M=2の時に与えられる。
【００７７】
ここで、重要なのは球面波照射では、式１０で判るように、一定の実効的な伝播距離Zを与える無数のR1, R2の組み合わせが存在するということである。そして、実効的な伝播距離ZはR1とR2に対して対称的である。すなわち、距離L2を同じにして、R1とR2の大きさを取り替えても、平面波照射時の伝播距離Zは同じになる。しかし、R1とR2の大きさを取り替えれば倍率Mは変化し、R1 < R2とした方が、微小焦点X線管から放射状に発生するするX線を有効に使用することが出来る。
【００７８】
装置によるL2の上限をL2maxとし、L2max > L2である場合には、実効的な最大許容間隔Zの距離を伝播させることが出来ない。この場合（R1+R2 = L2max）に、伝播による最大の強度差を得るためには、実効伝播距離Zを最大にすることであり、倍率をMとすると、
【００７９】
【数１４】
2007195718.tif 000016
【００８０】
【数１５】
2007195718.tif 000017
【００８１】
となる。そして、一定のL2maxに対して、実効伝播距離Zは倍率M=2の時に最大となる。
【００８２】
強度輸送方程式の解法としては、Paganin & Nugentにより提案された以下の手法を用いる（D.Paganin, K.A. Nugent, Phys. Rev. Lett.80 (1998) 2586.）：
【００８３】
【数１６】
2007195718.tif 000018
【００８４】
ここで、
【００８５】
【数１７】
2007195718.tif 000019
【００８６】
は形式的にポアソン方程式の解を表している。この方法の特徴として、位相が実関数として直接に求まるので、位相を求める場合に必要となる位相のアンラッピングが不要である。
【００８７】
被写体通過後の波の振幅分布（吸収による強度分布）と位相分布の間に次の関係
【００８８】
【数１８】
2007195718.tif 000020
【００８９】
が成立しているとすると、強度輸送方程式を以下のように書き換えることが出来る：
【００９０】
【数１９】
2007195718.tif 000021
【００９１】
この近似の下では、観測面２だけの計測で位相を求めることが可能である（D. Paganin et al., J. Microsc. 214 (2004) 315.）。
【発明の効果】
【００９２】
本発明により、強度輸送方程式に従った計算処理を行うことにより、比較的簡単な装置構成で、Ｘ線位相コントラストによる観察が可能となる。位相コントラストは吸収コントラストに較べまた、感度が高いのでＸ線による被爆を増加させること無く、今までよりも解像度の高い観察が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００９３】
以下、図を用いて本発明の実施例を示すが、この発明はこれに限定するものではない。
【実施例１】
【００９４】
図４は実施例１のマンモグラフィ装置（乳房Ｘ線画像観察装置）の構成を示す。この場合には通常のマンモグラフィ装置のように受診者は立ち位で検診される。ここでは被写体４２（乳房）の解像したい構造のサイズを１０ないし１００ミクロンとする。Ｘ線源４１は微小焦点Ｘ線管であり、焦点径は管球電力（Tube Power）により調整可能である。ここでは焦点径は被写体４２（乳房）の解像したい構造のサイズの半分に調整して、５ないし５０ミクロンで使用する。
【００９５】
本実施例１では、Ｘ線源４１は被写体４２の下方に距離R1に、Ｘ線検出器４３は被写体４２の上方に距離R2に置かれている。これは、R1 < R2とし、微小焦点Ｘ線管から放射状に発生するするＸ線を有効に使用するためである。
【００９６】
Ｘ線源４１と照射角度制限機構４４、およびＸ線検出器４３は移動機構４５により、被写体４２に対して、それぞれ独立に垂直に移動可能である。また、乳房を斜めの角度から観察できるように、当該移動機構４５は移動機構回転支点４５aの周りに正負に４５度回転可能になっている。照射角度制限絞り４４aは照射角度制限機構４４によりＸ線源４１に対して上下に移動可能である。
【００９７】
また、被写体４２の撮影場所を選択するために、Ｘ線源４１と照射角度制限機構４４、およびＸ線検出器４３はそれぞれ被写体４２に対して水平面内に移動可能である。
【００９８】
Ｘ線源４１およびＸ線検出器４３の被写体からの距離R1および距離R2、照射角度制限機構４４、Ｘ線照射線量は制御コンピュータ４６により制御される。画像データは実時間で位相演算機構４７に送られ、強度輸送方程式に従い処理されて位相分布が計算され、外部記憶機構４８に保存されるとともに、モニター４９に表示される。
【００９９】
照射角度制限機構４４はＸ線源４１のビーム頭頂角（Beam Cone Angle）を制限し、被写体４２への不要な被爆を回避する。本実施例１では照射角度制限絞り４４aはＸ線検出器４３の形状に合わせ一辺２ｍｍの正方形の穴をもつ鉛の平板である。そして、本実施例１の微小焦点Ｘ線管は開放型であるので、Ｘ線管を物体に接近されることが可能で、照射角度制限絞りのＸ線発生源からの距離R0は２０ｍｍから１００ｍｍの範囲に設定可能である。
【０１００】
本実施例１のＸ線検出器４３は画素サイズ５０ミクロン、画素数は2048x2048のFPDであり、記録面サイズはおよそ100mm x 100mmである。しかし、Ｘ線検出器４３は同画素サイズの電荷結合素子（CCD）を用いることも出来る。ここでは、Ｘ線源１、被写体２およびＸ線検出器３が垂直に配置されているため、本装置は設置する場所を考えてL2の上限（L2max）を３メートルとした。
【０１０１】
Ｘ線源４１はモリブデンとし、MoK線（λ=0.07nm）の特性Ｘ線を使用する。被写体の解像したい構造のサイズD1を10, 20, 30, 50, 100ミクロンとすると、平面波照射での観測面の最大許容間隔Zは式６によると、0.142, 0.568, 1.28, 3.55, 14.2mとなる。また、画素サイズ50ミクロンの検出器にたいする最低倍率は10, 5, 3.3, 2, 1となる。このときのL2は式１３によれば1.58, 3.55, 5.76, 14.20m、無限大となる。これより、20ミクロン以上の構造に関しては、L2 > L2maxとなり、式６で与えられる理想的な伝搬距離を用いることはできない。この場合には、倍率Mを２から３にすることにより、実行伝播距離Zを最適化することが出来る。
【０１０２】
本装置では、100ミクロンの解像度での広域の観察は密着撮影で、すなわち、R0=29mm 、R1=1.5m、R2=0mとして被写体の100x100mmの領域の吸収コントラストの像を記録する。この像は以降の強度輸送方程式での強度微分に使用する。また、高解像で検査したい領域を選択するのに使用される。
【０１０３】
50ミクロン解像度の位相コントラスト像を得るには、倍率を２倍にして、L2 > L2maxなので、式１３により、R1=R2=1.5m（実効伝播距離Z=0.75m）として、R0=59mmで、被写体の50x50mmの領域の位相コントラスト像を記録する。
【０１０４】
本実施例１では密着撮影以外のデータは密着撮影の領域の一部である。この領域の選択はＸ線源４１、X線検出器４３および角度制限機構４４を固定された被写体４２に対して水平面内に移動することにより行われる。
【０１０５】
密着撮影での吸収コントラスト像には微細構造が少ないので、位相コントラスト像と同一領域の吸収コントラスト像を２倍に補間してサンプリングを行い、位相コントラスト像の標本間隔にあわせる。このスケーリングされた２つの画像を用いて、強度輸送方程式に従い演算することにより50ミクロン解像度の位相分布を得ることができる。
【０１０６】
本実施例１では詳細撮影の指針として被写体直後の像を密着撮影するので、観察面１と観察面２の強度から、式５にしたがい強度微分を求め、式１５に従い位相分布を求める。この処理において、処理結果を迅速に得るために特願2005-327684に開示の位相演算機構を利用するのは好ましい実施様態である。
【０１０７】
更に高解像の位相分布が必要な場合は、例えば20ミクロン解像の場合には、倍率を５倍にする。この場合には、L2 > L2maxなので、式１１より、R1=0.6m, R2=2.4m（実効伝播距離Z=0.48m）として、R0=59mmで、被写体の20x20mmの領域の位相コントラスト像を記録する。この場合の、位相コントラスト像と同一領域の吸収コントラスト像を５倍に補間してサンプリングを行い、位相コントラスト像の標本間隔にあわせる。
【０１０８】
しかし、被写体の位置を固定する場合には、このような設定はできない。被写体を装置の中央に固定した場合には、R1=0.375m, R2=1.5m（実効伝播距離Z=0.30m）として、R0=37mmで、被写体の20x20mmの領域の位相コントラスト像を記録する。
【０１０９】
更に高解像の位相分布が必要な場合は、例えば10ミクロン解像の場合には、倍率を１０倍にする。この場合には、L2 < L2maxなので、式１１より、R1=0.158m, R2=1.42m（実効伝播距離Z=0.142m）として、R0=31mmで、被写体の10x10mmの領域の位相コントラスト像を記録する。この場合の、位相コントラスト像と同一領域の吸収コントラスト像を１０倍に補間してサンプリングを行い、位相コントラスト像の標本間隔にあわせる。
【０１１０】
この実施例１で、被写体直後での密着撮影を行わない場合には、観察面２の強度のみから、式１６、式１７に従い、位相分布を求める。
【０１１１】
本実施例１ではX線検出器４３にFPDあるいはCCDを用いているが、実時間性に劣るが、画素数が多く、広領域を記録できる輝尽性蛍光体プレート(SPP)をもちいたコンピューテッドラジオグラフィ（CR）を採用することも可能である。画素サイズ50ミクロン、画素数は4096x4096のSPPを用いると、実施例１と同じ設定で(ただし、照射角度制限絞りの位置は必要に応じて変更する)、2x2倍の領域、すなわち密着撮影では200mmx200mmを一度に観察可能である。また、100mmx100mmの領域の50ミクロン解像の位相コントラスト像を一度に取得することが可能である。
【実施例２】
【０１１２】
図５に示す別の実施例２では、Ｘ線源１、被写体２およびＸ線検出器３を水平に配置し、L2の上限L2maxを６メートルとして、伝播による大きな強度変化が利用できるようにした。マンモグラフィ装置として使用する場合には受診者は仰臥位が望ましい。血管等を観察する場合には受診者は立ち位が望ましい。実施例１と同じＸ線源、Ｘ線検出器を用いると、L2は前記の通りである。
【０１１３】
しかし、全長L2maxを長くしたことで、30ミクロンの構造まで理想的な伝搬距離での観察が可能になり、大きな位相コントラストが得られる。また、50ミクロンの構造の観察の場合でもR1=R2=2.5mとなり、実効伝播距離Zが1.25mと長くなるので、位相コントラストが２倍向上する。
【０１１４】
式６によれば、波長が長くなれば位相効果が大きくなり、観測面の最大許容間隔Zが小さくなる。このため、波長を長くすれば装置全体を小さくできる。しかし、波長が長くなると吸収が大きくなる。このため、薄い被写体の観察には、例えば、CuK線（0.154nm）などをＸ線源とする装置が考えられる。
【０１１５】
画素サイズ、画素数が異なるＸ線検出器も当然使用可能である。その場合には、６式で与えられる有効伝播距離Zをもとに、解像したい構造のサイズD1、装置の制約によりR1, R2を決定し、最高の位相コントラストが得られる条件で撮影を行えばよい。
【０１１６】
さらに、微小焦点Ｘ線管の焦点サイズが被写体の検出したい構造のサイズより大きい場合には、伝播させて撮影したＸ線画像の焦点サイズによる幾何学的なぼけが無視できなくなる。この場合には、強度輸送方程式による位相演算処理の前に、伝播させて撮影したＸ線画像を微小焦点Ｘ線管の焦点形状を装置関数としてデコンボルーション処理を施し、焦点サイズによる幾何学的なぼけを除去することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】微小焦点Ｘ線管を利用したＸ線画像撮影方法及びその撮影装置の概念図
【図２】平面波照射の場合の波の伝播を示す概念図
【図３】球面波照射の場合の波の伝播を示す概念図
【図４】本発明の実施例１を示す概念図
【図５】本発明の実施例２を示す概念図
【符号の説明】
【０１１８】
１      Ｘ線源
２      被写体
３      Ｘ線検出器
４１    Ｘ線源
４２    被写体
４３    Ｘ線検出器
４４    照射角度制限機構
４４a   照射角度制限絞り
４５    移動機構
４５a   移動機構回転支点
４６    制御コンピュータ
４７    位相演算機構
４８    外部記憶機構
４９    モニター
【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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