(57)【要約】【課題】  ダイナミックレンジが広くかつ密度分解能が高い屈折コントラスト型X線撮像方法を提供する【解決手段】  被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を変化させることによって、入射Ｘ線と回折Ｘ線がほぼ比例する角度領域を広げ、回折Ｘ線強度が最大値の半分となる低角および高角の入射角度で測定を行う。【選択図】  図１３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたＸ線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームを回折するアナライザー結晶と、上記回折されたＸ線ビームを検出するＸ線検出器と、上記Ｘ線検出器から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたＸ線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成されるＸ線撮像装置において、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有すことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、前置結晶の回折格子面と表面のなす角度がＸ線ビームの波長と回折格子面の間隔から計算されるブラッグ角より小さいことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項３】
請求項１記載のＸ線撮像装置において、Ｘ線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項４】
Ｘ線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたＸ線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームの一部を回折する上流アナライザー結晶と、上記回折されたＸ線ビームを検出するＸ線検出器１と、上流アナライザー結晶を透過したＸ線を回折する下流アナライザー結晶と、上記回折されたＸ線ビームを検出するＸ線検出器２と、上記Ｘ線検出器１及び２から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたＸ線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成されるＸ線撮像装置において、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有すことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項５】
請求項４記載のＸ線撮像装置において、前置結晶の回折格子面と表面のなす角度がＸ線ビームの波長と回折格子面の間隔から計算されるブラッグ角より小さいことを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項６】
請求項４記載のＸ線撮像装置において、Ｘ線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項７】
Ｘ線ビームを前置結晶によりコリメートし、コリメートされたＸ線ビームを被写体に照射し、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームをアナライザー結晶で回折し、上記回折されたＸ線ビームをＸ線検出器で検出し、検出されたＸ線ビームの像から、演算により上記被写体によって生じたＸ線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得るＸ線撮像法において、被写体の密度分布に応じて、前置結晶を回折格子面に垂直な軸を回転軸として回転し、前置結晶の非対称度を調整して上記Ｘ線ビーム像を取得することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項８】
請求項７記載のＸ線撮像方法において、アナライザー結晶に対する透過Ｘ線ビームの入射角を回折されたＸ線ビームの強度が最大値の半分となる二つの角度に順次設定し、各々の角度で得られたＸ線ビームの像から被写体によって生じた屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得ることを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項９】
請求項７記載のＸ線撮像方法において、Ｘ線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１０】
Ｘ線ビームを前置結晶によりコリメートし、コリメートされたＸ線ビームを被写体に照射し、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームの一部を上流アナライザー結晶で回折し、上記回折されたＸ線ビームをＸ線検出器１で検出し、上流アナライザー結晶を透過したＸ線を下流アナライザー結晶で回折し、上記回折されたＸ線ビームをＸ線検出器２で検出し、検出されたＸ線ビームの像から、演算により上記被写体によって生じたＸ線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得るＸ線撮像法において、被写体の密度分布に応じて、前置結晶を回折格子面に垂直な軸を回転軸として回転し、前置結晶の非対称度を調整して上記X線ビーム像を取得することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１１】
請求項１０記載のＸ線撮像方法において、上流アナライザー結晶に対する透過Ｘ線ビームの入射角が回折されたＸ線ビームの強度が最大値の半分となる角度で、かつ下流アナライザー結晶に対する透過Ｘ線ビームの入射角が回折されたＸ線ビームの強度が最大値の半分となるもう一方の角度で回折されたＸ線ビームを検出することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１２】
請求項１０記載のＸ線撮像方法において、Ｘ線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするＸ線撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＸ線撮像装置及びＸ線撮像方法に係わり、特に、物体の内部を非破壊に検査するのに適した屈折コントラスト型のＸ線撮像装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は物質に対する透過能が非常に高く、被写体内部の構造や組成等を非破壊で観察・検査する方法として、医療診断をはじめとして様々な分野で広く利用されている。このうち、Ｘ線を発生するＸ線源とＸ線を検出するＸ線フィルムなどの間に被写体を設置し、被写体によって生じたＸ線の強度の変化を画像化する方法は、吸収コントラスト型Ｘ線イメージング、或いは一般にレントゲンという名称で、各種のスクリーニングなどに利用されている。
また、Ｘ線源を試料の周りで高速に回転させ、各角度で取得した試料の投影像から３次元像を計算によって得る方法は、Computed Tomography（ＣＴ）と呼ばれ、各種の非破壊観察に不可欠な計測手法になっている。しかし、酸素や炭素などの原子番号の小さい軽元素はＸ線に対してほぼ透明であり、Ｘ線が透過してもその強度はほとんど変化しない。このため、軽元素で主に構成された生体の軟部組織や、有機材料などに対しては感度が低く、高精細に観察することが難しいという問題があった。  
この問題の原理的な解決方法として、Ｘ線の位相情報を用いた方法が近年注目されている。Ｘ線は波長の短い電磁波であり、試料を透過する際に強度の変化に加えて、位相の変化（位相シフト）も同時に生じる。Ｘ線のエネルギーが10 keV以上の硬Ｘ線領域において、位相シフトを与える散乱断面積は、強度変化を与える散乱断面積に比べて、軽元素に対して3桁以上高いという特徴がある。このため、位相シフトを画像化する「位相コントラストＸ線イメージング法」は、強度変化を画像化する従来の方法に比べて、感度が非常に高く、低被曝かつ短時間で造影剤等の補助手段を用いることなく、生体の軟部組織等を高精細に観察することが可能になる。
【０００３】
しかし、Ｘ線の振動数は極めて高く、直接位相シフトを検出することは現在の技術では不可能である。このため、位相シフトを検出可能な強度の変化に変換し、検出する必要がある。これまでに変換方法として、非特許文献１に記載されているように（１）Ｘ線干渉計を用いる特許文献１や特許文献２に記載された方法（Ｘ線干渉法）、（２）位相シフトの空間微分に比例するＸ線の屈折角θを利用する特許文献３や特許文献４に記載された方法（屈折コントラスト法、Diffraction enhanced imaging: DEI）、（３）Ｘ線のフレネル回折を用いる方法、などが研究・開発されている。
【０００４】
上記方法の原理的な違いは、（１）のＸ線干渉法が干渉縞の動きから位相シフトを直接変換しているのに対して、他の方法では位相シフトの空間微分を変換していることである。このため、干渉法が最も高感度で、がんと正常組織の無造影での識別や、アルツハイマー病のβアミロイドの可視化などが行われている。
【０００５】
一方、屈折コントラスト法などでは、感度は干渉法に比べると若干低下するが、密度のダイナミックレンジが広いという特徴がある。また、屈折コントラスト法では装置構成が単純で、かつ特別な光源を必要としないという特徴がある。
このため、他の方法に比べて汎用性が高く種々のサンプルの観察に適していると考えられ、これまでに、密度差の大きな部位を含んだ乳がんや、膝軟骨の観察に適用され、従来法に比べてより高精細な画像が得られている。
【０００６】
次に、本発明に関わる屈折コントラスト法の原理について詳しく説明する。屈折コントラスト法は、Ｘ線が試料を透過した際に生じたＸ線進行方向の「曲がり」、すなわち屈折角をＸ線の回折を利用して位相シフトを検出する方法である。空間的に密度が不均一な試料をＸ線が透過すると、Ｘ線の伝搬方向（波面）は図１に示すように屈折によってわずかに曲げられる。屈折された角度（屈折角）dθは試料によって生じる位相シフトp (x, y) の空間的な微分（dp/dx）の関数として、図２１に示す〔数1〕で与えられる。
【０００７】
ここで、λはＸ線の波長である。したがって、dθを検出することにより、位相シフトの空間的な微分(dp/dx) を求めることができる。さらに、位相シフトpは試料の密度ρに比例するため、dp/dx をｘ方向（図１の上下方向）積分することにより密度ρを定量的に求めることができる。
【０００８】
硬Ｘ線領域において、屈折角dθは一般に数μrad 程度と非常に小さいために、アナライザー結晶と呼ばれる単結晶から一体で削りだした結晶板のＸ線回折を利用して検出する。動力学的な回折理論において、結晶に入射するＸ線が平行な場合、回折されるＸ線の強度は入射角のブラッグ角からのずれｄｓに対して、図２１に示す〔数２〕で与えられる。
ここで結晶による吸収は無視してあり、またＷは、図２１に示す〔数３〕で、θＢはブラッグ角、χｈは電気感受率のｈ次のフーリエ成分である。
【０００９】
図２には、Wを単位として各入射角度における回折Ｘ線の強度（回折強度曲線（ロッキングカーブ））を数２に基づいて計算した結果を示す。この結果から、回折強度が半分となるθB±ｄθD/2（以後低角側をθＬ、高角側をθHと呼ぶ）近傍において、入射角と回折されたＸ線の強度がほぼ比例している領域（以下Ａ領域と呼ぶ）が存在していることがわかる。したがって、Ｘ線の伝搬方向にずれがないとき(dθ＝0)の入射角をθＬに設定すれば、回折されたＸ線の強度Irはdθにほぼ比例し、θＬにおける強度（最大値の半分）を中心としてdθの増減に伴ってIrも増減することになる。（θＨの場合は、dθの増減に伴うIrの増減が逆比例になる。）この現象を利用して、屈折コントラスト法では回折強度Irの空間的な分布（回折像）からdθ、即ち位相シフトの空間的な微分量をコントラストとする像を、更に積分計算によって位相シフトｐの空間的な分布像(位相マップ)を得ている。
【００１０】
しかし、1枚の回折像だけでは、サンプルの吸収による強度変化と、dθによる強度変化を区別できず、位相シフト量pを定量的に求めることができない。このため、アナライザー結晶をブラッグ角近傍で回転させ、取得した複数の回折像から計算によってdθを求める方法が提案されている。この方法には大きく分けて2種類あり、（ａ）２つの角度のみで測定を行う「２点方式」（非特許文献２）と、（ｂ）３つ以上の角度で測定を行う「スキャン方式」（特許文献４や非特許文献３など）がある。
（ａ）の「２点方式」では、Ｘ線のアナライザー結晶への入射角を図２に示したθＬとθＨに設定して像を取得する。このとき、結晶によって回折されたＸ線の強度Ｉｒは、図２１に示す〔数４〕で与えられる。
ここで、Ｉｏは入射Ｘ線の強度、Ｒはアナライザー結晶の反射率である。上記の角度において、Ｒはθに対してほぼ比例するため、Ｒは図２１に示す〔数５〕の2次のテーラー展開で近似することができ、数４及び数５から、θＬとθHにおける回折強度(Ｉｌ及びＩｈ)は各々
図２１に示す〔数６〕および〔数７〕となる。
上式からＩｏを消去すると、dθは最終的に図２１に示す〔数８〕と表すことができる。
【００１１】
したがって、サンプル上の各点(ピクセル)における屈折角dθ(x,y)は、二つの角度で取得したＩｌ及びＩｈの各点について、数８の計算を行うことによって求めることができる。また、位相マップは、得られた各点のdθ(x,y)を図１のＸ軸方向に積分することによって求めることができる。
【００１２】
一方、（ｂ）の「スキャン方式」は、図３に示すように、アナライザー結晶をブラッグ角近傍で回折角度幅(〜ｄθD)以上に回転させ、取得した複数（通常は３枚以上）の像から計算によって屈折角dθを求める方法である。アナライザー結晶の回転θAに伴って、各位置における回折強度は図４のように変化するので、サンプル上の各点(x,y)を透過してきたＸ線の回折強度は、ブラッグ角θＢから屈折角dθだけオフセットした角度にピークを持つことになる。このため、屈折角dθは回折強度の重心として、図２１に示す〔数９〕から算出することができる。
ここで、θｎはアナライザー結晶の各角度、Ｉｎ（θｎ）はθｎで得られた回折強度である。したがって、位相シフトｐの空間的な分布像(位相マップ)は、２点方式と同様に各点のdθ(x,y)を積分することによって求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平４−３４８２６２号公報
【特許文献２】特開平１０−２４８８３３号公報
【特許文献３】ＷＯ９５／０５７２５号パンフレット
【特許文献４】特開平９−１８７４５５公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Phys. Today 53, (2000) P 23
【非特許文献２】Phys. Med. Biol. 42, (１997) P2015
【非特許文献３】Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005) P8219
【非特許文献４】Med. Phys. 35(10), October 2008 P4724-4734
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上記に示した屈折コントラスト法の「２点方式」と「スキャン方式」を比較すると、後者は測定する回折像の枚数が多いために、長い測定時間を要するが、結晶をスキャンすることで原理的にはいくらでも大きな屈折角を検出できる。このため、密度のダイナミックレンジが広いという特徴がある。しかし、角度のスキャン範囲が広くスキャン数が多いほど、雑音が増幅されて密度分解能が低下してしまうという問題がある（非特許文献４）。一方、「２点方式」では「スキャン方式」のような問題がないために密度分解能は高いが、Ａ領域の幅より大きい場合、回折されたX線の強度は屈折角にもはや比例しなくなるため、正常に屈折角、すなわち位相を求めることができないという問題があった。
【００１６】
以上をまとめると、「スキャン方式」では密度ダイナミックレンジが広いが密度分解能が低く、一方の「２点方式」では密度分解能は高いがダイナミックレンジが狭くなっていて、密度分解能とダイナミックレンジはトレードオフの関係にあることがわかる。このため、密度差の大きな領域を含んだ試料を高精細に観察することは難しいという問題があった。本発明の目的は、ダイナミックレンジが広くかつ密度分解能が高い屈折コントラスト型X線撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するための本願発明の構成の一例としては、X線撮像装置において、Ｘ線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたＸ線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームを回折するアナライザー結晶と、上記回折されたＸ線ビームを検出するＸ線検出器と、上記Ｘ線検出器から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたＸ線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成され、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、Ｘ線ビームの屈折角を高い角度分解能、かつ広い範囲にわたって検出することが可能となるので、高い密度分解能で密度差の大きな被写体でも内部を非破壊で観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】試料によるＸ線の屈折を示す図
【図２】各入射角度において回折されたＸ線の強度を示す図
【図３】スキャン方式におけるアナライザー結晶の角度を示す図
【図４】スキャン方式における試料各点の回折強度を示す図
【図５】各ビーム広がりにおける回折強度曲線の計算例を示す図
【図６】非対称結晶によるＸ線の回折を示す図
【図７】非対称結晶によるＸ線の回折を示す図
【図８】各結晶の回転角における非対称因子の計算例を示す図
【図９】薄い結晶によるＸ線の回折を示す図
【図１０】薄い結晶による回折Ｘ線と透過Ｘ線の強度の計算例を示す図
【図１１】各ビーム広がりにおける薄い結晶の回折強度曲線の計算例を示す図
【図１２】薄い結晶を２個組み合わせた場合のＸ線回折を示す図
【図１３】本発明によるＸ線撮像装置の実施例１の構成を示す図
【図１４】実施例１における非対称結晶位置決め機構の詳細を示す図
【図１５】実施例１における測定手順を示す図
【図１６】実施例２における被写体位置決め機構の詳細を示す図
【図１７】実施例２における測定手順を示す図
【図１８】実施例２における被写体位置決め機構の詳細を示す図
【図１９】本発明によるＸ線撮像装置の実施例３の構成を示す図
【図２０】実施例３におけるアナライザー結晶の詳細を示す図
【図２１】明細書に於いて説明に用いる数式を示す図
【図２２】明細書に於いて説明に用いる数式を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の原理について詳述し、その後実施の形態について説明する。
「２点方式」において、密度のダイナミックレンジが狭い原因は、Ａ領域の角度幅が狭いことにある。そこで、本発明では入射Ｘ線の平行度（Ｘ線のビーム広がり）を人為的に低下させることによって、Ａ領域の幅を広げる。これにより、「２点方式」における高い密度分解能を維持したまま、広いダイナミックレンジを確保することが可能になる。
【００２１】
角度広がりをもったＸ線に対する回折強度曲線は、数２とＸ線の角度広がりとの畳み込み積分（コンボリューション）になり、平行なＸ線における回折強度曲線の形状（図２のシルクハット型）から、非平行度が増すに従って両側の肩が次第に崩れた形になる。入射Ｘ線の角度広がりを矩形と仮定し、各広がりにおける回折強度曲線を計算した結果を図５に示す。この結果から、入射Ｘ線の角度広がりが大きくなるに従って形が崩れ、6.5μrad程度の広がりになると曲線はほぼ三角形で両方のＡ領域が繋がり、中心部のフラットな領域がなくなることがわかる。被写体による一般的な屈折角の大きさは数秒程度（〜10μrad）で、図２のシルクハットの幅（10μrad）と同程度である。このため、Ａ領域がこのようにシルクハットの幅程度まで広がれば、屈折角はＡ領域内に収まることになる。したがって、密度分解能の高い「２点方式」により、正確にdθを求めることが可能になる。
【００２２】
次に、Ｘ線の平行度（角度広がり）を変化させる方法について、図６を用いて以下に説明する。回折格子面と結晶の表面が非平行な非対称結晶によるＸ線回折において、回折されたＸ線の角度広がりωｈは入射Ｘ線の角度広がりω０を用いて動力学的な回折理論により、図２２に示す〔数１０〕で与えられる。
ここで、ｂは非対称因子と呼ばれる変数で、図２２に示す〔数１１〕で定義される。
ここで、θＢはブラッグ角、αは回折格子面と結晶表面のなす角度（非対称角）である。したがって、αが大きいほどｂは小さく、Ｘ線の角度広がりは小さく平行光に近づくことになり、逆にαが小さいほど角度広がりは大きくなる。
【００２３】
従来の装置では非対称結晶の非対称角αは固定されており、変更するためには結晶そのものを交換する必要があった。なお、特許文献４などに記載された装置において非対称結晶を搭載したステージに調整機構があるが、いずれも回転軸が回折格子面に対して平行な２軸で、入射角やチルトを調整するものでありαを調整することはできない。
そこで、本発明では回折格子面に垂直な軸を回転軸として非対称結晶を回転させる機構を設けることにより、任意のαを選択できるようにする。
【００２４】
図７に示すように、非対称結晶の回折格子面をｘ−ｙ面に固定し、結晶をｚ軸の周りで回転する座標系を考える。結晶表面と回折格子面のなす最大角度（非対称角）をα、結晶のｚ軸周りの回転角をβとして、図に示すようにβの原点をとるとすると、結晶表面に垂直な単位ベクトルgは、図２２に示す〔数１２〕となる。
【００２５】
一方、Ｘ線はＸ軸に対して角度θiで入射したとすると、その単位ベクトルaは、図２２に示す〔数１３〕で与えられる。
したがって、内積の計算から結晶表面と入射Ｘ線のなす角度θｉ’は、図２２に示す〔数１４〕となる。
【００２６】
また、回折Ｘ線の単位ベクトルｃは、図２２に示す〔数１５〕となるので、上記と同様に内積の計算から結晶表面と回折Ｘ線のなす角度θｏ’は、図２２に示す〔数１６〕となる。
回折条件が成り立つための条件（θi=θB）、数１４、及び数１６から、非対称因子ｂをα及びβの関数として表すと、図２２に示す〔数１７〕となる。
【００２７】
図８に、Si(220)、Ｘ線のエネルギー17.8 keV、α=10.5度において、各βに対する非対称因子ｂの逆数を計算した結果を示す。βを０から９０度まで回転させることによって、ｂを１から２０まで、すなわちビーム広がりを入射Ｘ線と同じ広がりからその１／２０まで変化できることがわかる。したがって、被写体内部の密度分布に応じて、適当なβに設定することにより、ビーム広がりを調整して回折強度曲線における領域Ａの幅、すなわち密度のダイナミックレンジを最適化でき、「２点方式」により観察を行うことが可能になる。
【００２８】
さらに、図９に示すように結晶を薄くするとＸ線は回折されるだけでなく、一部は結晶を透過するようになる。透過するＸ線の強度は動力学的な回折理論により、図２２に示す〔数１８〕で与えられる。
ここで、図２２に示す〔数１９〕で、Hは結晶の厚さである。
【００２９】
図１０にSi(220)、Ｘ線のエネルギー17.8 keV、πＨ／Λ＝４における回折及び透過Ｘ線強度（透過Ｘ線強度は数１８で得られた強度を１から減算して求めた）を計算した結果を示す。
裾野の領域で振動が生じているが、基本的な形状は厚い結晶と同じくシルクハット型になっていることがわかる。この結晶について、図５と同様に入射Ｘ線の角度広がりを矩形と仮定し、各広がりにおける回折強度曲線を計算した結果を図１１に示す。この結果から、入射Ｘ線の角度広がりが大きくなるに従って裾野の振動が消え、6.5μrad程度の広がりになると曲線はほぼ三角形で両方のＡ領域が繋がり、中心部のフラットな領域がなくなってしまうことがわかる。したがって、Ｘ線が透過するような薄い結晶であっても、Ｘ線が透過しない厚い結晶と同様な取扱いが可能で、入射するＸ線の角度広がりを変化させることによって、Ａ領域、すなわち密度のダイナミックレンジを調整できることがわかる。
【００３０】
さらに、図１２に示すように２枚の結晶を準備し、入射Ｘ線に対する各結晶の角度をそれぞれθＬとθHに設定しておくと、それぞれの回折Ｘ線強度はθL及びθHで回折されたものとなる。したがって、アナライザー結晶を回転することなく、θLとθHにおける回折Ｘ線強度を同時に検出することが可能となり、瞬間的な観察を行うことができる。この場合でも、Ａ領域の幅は入射するＸ線の角度広がりにより調整可能で、密度のダイナミックレンジを被写体内部の密度分布に応じて変化させ、最適なＡ領域の幅で観察を行うことができる。
【００３１】
以上、本発明によれば被写体内部の密度差に対応して、非対称結晶の非対称度を変化させることによって、最適なビーム広がりをもったＸ線で密度分解能が高く且つ測定時間の短い屈折コントラストの「２点方式」で観察を行うことができる。
【００３２】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。以下に示す図において、同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【実施例１】
【００３３】
本発明の第一の実施例を、図１３〜図１５により説明する。まず、図１３は、本発明で使用するＸ線撮像装置のシステム構成例を示す図である。図に示すように、本Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源１、このＸ線源から放出されたＸ線ビーム１４の幅を広げる非対称結晶２、この非対称結晶２の保持および位置決めをする非対称位置決め機構３、被写体１５を保持する被写体ホルダー４、入射Ｘ線ビーム１４に対して被写体１５を位置決めする被写体位置決め機構５、被写体を透過したＸ線ビーム１６を回折するアナライザー結晶（単結晶）６、結晶ホルダー７、結晶６の角度を調整する結晶ホルダー位置決め機構８、回折されたＸ線ビーム１７の空間的な強度分布像を検出する２次元Ｘ線画像検出器９、制御部１０、処理部１１、表示装置１２及び角度設定ユニット１３を備えている。
【００３４】
このＸ線撮像装置において、Ｘ線源１から放射されたＸ線ビーム１４は、非対称結晶２により横方向に拡大され、被写体ホルダー４で保持され、被写体位置決め機構５によって位置決めされた被写体１５に照射される。被写体を透過したＸ線ビーム１６は、結晶ホルダー７で保持され、結晶ホルダー位置決め機構８で入射角度を調整されたアナライザー結晶６に入射する。そして、アナライザー結晶によって回折されたＸ線ビーム１７は、２次元画像検出器９で検出される。アナライザー結晶６の角度スキャンや、各角度における回折像の検出、試料の位置決めなどは制御部１０で行う。処理部１１では、取得した像の各ピクセル位置における屈折角及び位相シフト量を算出する。そして、この算出した量を表示部１２で画像化して表示する。なお、上記解析手段は、本発明に必要な機能を実現できるものであれば、上記構成例に限定されないことは言うまでもない。
【００３５】
非対称結晶２として、シリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。回折格子面にはＸ線の高い利用効率を得るために後述するアナライザー結晶の回折格子面と同じものを用いる。本非対称結晶２の位置決めを行う非対称位置決め機構３の詳細な構成を図１４に示す。非対称結晶２は、結晶ホルダー１８で支持されており、結晶ホルダー１８には図のｙ軸周りの回転を調整するチルトステージ１９に取り付けられている。そして、チルトステージ１９はｘ軸周りの回転を調整する面内回転ステージ２０に取り付けられている。チルトステージ１９では面内回転ステージ２０の回転軸が回折格子面に垂直なるように調整を行い、面内回転ステージ２０では非対称因子ｂの調整を行う。さらに、面内回転ステージ２０はＬ字型治具２１を介してθ回転ステージ２２に固定されている。θ回転ステージ２２では非対称結晶に対するＸ線１４の入射角をブラッグ角になるように調整する。
【００３６】
アナライザー結晶６には、非対称結晶２と同様にシリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。回折格子面は、使用するＸ線のエネルギー等に基づいて決定する。低次の回折ほど大きな回折Ｘ線強度を確保でき、測定時間を短縮できるので、基本的には低次の回折（Ｓｉ（１１１）や（２２０）など）を利用するとよい。ただし、高エネルギーＸ線の場合、低次ではブラッグ角が小さくなるために調整が難しくなる。この場合は、高次の回折（Ｓｉ（３１１）やＳｉ（４４０）など）を利用すればよい。
【００３７】
一般に単結晶による回折の角度幅は０．０１mrad以下と極めて狭いために、非対称結晶２とアナライザー結晶６の角度は、高い精度でその回転を調整する必要がある。また、測定中に結晶が回転ドリフトすると、正確にＸ線の屈折角を求められなくなってしまうため、回転ドリフトは極力抑える必要がある。そこで、非対称位置決め機構３のθ回転ステージ２２と結晶ホルダー位置調整機構８として、タンジェンシャルバーを用いた精密ゴニオステージを用いるのが望ましい。この機構を採用することにより、回転位置決め精度を１／１００角度秒、ドリフトを１／１０角度秒以下と、測定に全く支障がない精度で回転を制御することができる。
【００３８】
Ｘ線画像検出器９としては、サチコン管や蛍光体＋集光光学系（レンズやオプティカルファイバー）＋ＣＣＤカメラを組み合わせたものなどを用いるとよい。Ｘ線の検出効率が高いため、より短い測定時間で精度の高い測定を行うことができる。また、解析手段の処理部１１は、例えば、中央処理部、入出力部と記憶装置、及びネットワークインターフェース等を備えたコンピュータからなる。記憶装置はメモリや外部記憶装置１８等により構成され、以下のフローチャートで述べるＸ線画像の取得、画像解析処理及び表示処理などを行う少なくとも１つのプログラムを保持すると共に、Ｘ線画像のデータ、測定パラメータ等をテーブル等に格納する。中央処理部は、マイクロプロセッサを主体に構成され、記憶装置に格納されている上記プログラムを実行する。
【００３９】
次に、第一の実施例における測定の手順について、図１５のフローチャートを参照しながら説明する。まず、オペレーター等による、試料像の測定対象領域や露光時間、画像の表示方法など、測定のために必要な各種条件の設定、すなわち初期設定がなされ（Ｓ４００）、制御部１０は設定された条件に基づき測定を開始する（Ｓ４０２）。はじめに、被写体位置決め機構５を用いて、被写体１４をＸ線の光路から退避する（Ｓ４０４）。また、非対称結晶の面内回転ステージ２０を用いて、非対称結晶の結晶表面と入射Ｘ線のなす角度が最も浅くなるように調整し、さらに回折されたＸ線強度が最大となるようにθ回転ステージ２２を用いて入射角を調整する（Ｓ４０５）。次に、角度設定ユニット１３により、２次元画像検出器９で検出している回折X線像の中心近傍における強度が最大となる角度θｃになるようにアナライザー結晶６の角度を調整する（Ｓ４０６）。その後、制御部１０および角度設定ユニット１３により、アナライザー結晶の角度を上記により調整した角度θｃを中心として±０．１mrad程度の範囲で０．００１mrad程度の送り幅でスキャンし、各角度における回折像の予備測定を行う（Ｓ４０８）。なお、スキャン範囲、および送り幅は、使用するアナライザー結晶の種類、回折格子面、およびX線のエネルギーに依存して決定する。通常は、スキャン範囲を回折角度幅の５倍程度に、送り幅を回折角度幅の１／１０程度に設定すればよい。たとえばシリコン結晶の（２２０）面の回折、Ｘ線のエネルギー１５keVにおける回折角度幅は１２４mmradであるので、スキャン範囲は６０mrad、送り幅は１mrad程度となる。
【００４０】
次に、上記のスキャンにより得られた各角度における回折像について、中心近傍の回折強度曲線を求めてθｃがスキャン範囲の中心であること、および回折強度が最大値のほぼ半分になる角度（θLとθH）で測定を行っていること、を確認する。中心が一致していなければスキャン開始角度およびスキャン角度幅の調整を行い、θｃがスキャン中心となるようにする。また、角度θLとθHで測定していなければ、アナライザー結晶の送り幅およびスキャンの開始点を調整し、低角および高角側の両方で半分となる角度に測定角度がくるようにする（Ｓ４１０）。以上の調整の後に、被写体１４をＸ線の光路に設置し（Ｓ４１４）、回折像の予備測定を行う（Ｓ４１６）。被写体による屈折角が図２に示した角度領域Ａより大きい場合、像には白あるいは黒に飽和した領域が現れる（Ｓ４１８）。この場合、非対称結晶の面内回転ステージ２０を用いて、非対称結晶を回折格子面に垂直な軸を中心として回転し、非対称因子ｂを低下させてＡ領域の幅を広げる（Ｓ４２０）。そして、Ｓ４０４からの手順を繰り返し行い、飽和した領域がなくなるまで行う。この手順の終了後に、再度被写体１４をＸ線の光路から取り除き（Ｓ４２２）、アナライザー結晶の各角度（θLとθH）における回折像の測定を行い、背景像となるデータを取得する（Ｓ４２４）。次に、被写体位置決め機構５を用いて被写体１４をＸ線の光路に再度設置する（Ｓ４２６）。そして、制御部１０および角度設定ユニット１３により、背景データの取得と同じ条件で本測定となる各アナライザー結晶の角度における回折像を取得する（Ｓ４２８）。
【００４１】
以上の測定によって得られた回折像を用いて、処理部１１により背景の減算を行った後（Ｓ４３０）、数８に示した計算手順により試料像を算出する（Ｓ４３２）。さらに、得られた屈折角についてＸ方向に積分を行い、位相シフトp(x,y)の空間的な分布像（位相マップ）を求める（Ｓ４３４）。以上の手順により得られた試料の像を、オペレーターの指示等により表示部１２で表示し（Ｓ４３６）、一連の処理を終了する（Ｓ４３８）。
【００４２】
本実施例のＸ線撮像装置によれば、被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を設定することで、屈折角と回折Ｘ線強度が比例する角度領域を最適化し、密度分解能の高い「２点方式」により高精細に観察することが可能になる。
【実施例２】
【００４３】
次に、本発明の第二の実施例について用いて説明する。被写体位置決め機構５として、被写体の２次元的な位置決め機構２４（ｘ−ｚ面）の他に、図１６に示すようにＸ線ビームに対して被写体を回転させる回転機能２５を付加し、被写体の各角度で２次元像を取得するようにすれば、Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＣＴ）の原理により、非破壊で被写体の断面像を取得することができる。この場合、測定は、図１７のフローチャートに示したように、以下の手順で行なう。
【００４４】
（１）透過像と同様な手順（図１５のフローチャートのＳ４００からＳ４３４に相当）により、試料によって生じた屈折角ｄθの空間的な分布、及び位相マップを求める（Ｓ５００〜５３６）。
【００４５】
（２）試料位置決め機構４に付加された回転機構２５により、試料１５をΔｒだけ回転する（Ｓ５３８）。
【００４６】
（３）上記（１）〜（２）を必要なステップ数ｎ（＝１８０°／Δｒ）だけ繰り返し、被写体の断面の各角度に対する屈折角ｄθの空間的な分布、及び位相マップを求める（Ｓ５３２、Ｓ５３４）。
の手順により行う。
【００４７】
そして、測定後に、各角度で得られた位相マップから位相プロジェクション像を求め、更に、フィルターバックプロジェクション法などの断面像再構成アルゴリズムにより位相プロジェクション像から位相コントラストの試料断面像を計算で再構成する。計算により得られた位相コントラスト断面像は、例えばオペレーターの指示等により、表示部１２で表示する。位相コントラスト断面像の表示（Ｓ５３６）は、オペレーターの指示等により、例えば各角度毎に行う。
【００４８】
被写体を空気中に設置した場合、被写体と空気との比重の差が大きく、Ｘ線がＡ領域の角度幅以上に屈折される可能性がある。この場合、図１８に示しようにセル２６を設け、この中を適当な液体２７で満たし被写体１５を設置する。空気に比べて液体２７の比重が被写体に近いために、密度差が低減されるので、屈折角を小さくすることができる。また、被写体の回転機構２５は図に示したようにＸ線を遮蔽しないように被写体の上部などに設置し、回転棒を介して被写体１５を回転させる。液体２７として被写体の比重に応じて選択すればよく、例えば生体試料の場合は生理食塩水やホルマリンなどを用いることができる。
【００４９】
以上、本実施例のＸ線撮像装置によれば、被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を設定することで、屈折角と回折Ｘ線強度が比例する角度領域を最適化し、密度分解能の高い「２点方式」により高精細にＣＴ像を観察することが可能になる。
【実施例３】
【００５０】
実施例１及び２では、アナライザー結晶として１個の結晶を用いていた。このため、２点方式であっても、結晶の角度スキャンを行う必要があった。このため、瞬間的な測定を行うことができなかった。ここでは薄い２個のアナライザー結晶を採用することによって瞬間的な観察が可能な実施例を示す。
【００５１】
図１９は本発明によるＸ線撮像装置の一例の構成図である。このＸ線撮像装置は、アナライザー結晶が２枚になっていること、アナライザー結晶を調整する機構が２個あること、及び各アナライザー結晶で回折されたＸ線を検出するために２個の画像検出器で構成されていることを除いて実施例１の構成と同一である。
【００５２】
試料を透過したＸ線１６は、第１アナライザー結晶位置決め機構２８で位置決めされた第１アナライザー結晶３０に入射し、ある角度条件を満たしたＸ線のみが回折されて回折Ｘ線４０を形成し、その他のＸ線は透過して透過Ｘ線４１となる。透過Ｘ線４１は更に第２アナライザー結晶位置決め機構２９で位置決めされた第２アナライザー結晶３１に入射し、ある角度条件を満たしたＸ線のみが回折され回折Ｘ線４２を形成し、残りのＸ線は透過して透過Ｘ線４３となる。各々の回折Ｘ線はＸ線検出器３２及び３３で検出する。
【００５３】
実施例１と同様に、回折強度が半分になる角度（ブラッグ角より低角側）に第１アナライザー結晶位置決め機構２８により、第１アナライザー結晶３０を設定しておくと、数６で与えられる回折Ｘ線強度Ｉｌが得られる。また、第２アナライザー結晶位置決め機構２９により第２アナライザー結晶３１を回折強度が半分になる別の角度（ブラッグ角より高角側）に設定しておくと、数７で与えられる回折強度Ｉｈも得られることになる。従って、検出したＩｌとＩｈから数８を用いて、２点方式により試料によるＸ線の屈折角を検出することができる。また、積分することによって、試料の位相マップを得ることができる。
【００５４】
また、被写体の断面像は、実施例２と同様に被写体をＸ線に対して垂直な方向で回転し、被写体の各角度で実施例１と同様の手法により取得した位相マップから、再構成計算により求めることができる。
【００５５】
さらに図２０に示すように、アナライザー結晶を同一の結晶ブロック上に形成してもよい。この場合、アナライザー結晶の位置決め機構を大幅に簡略化することができる。また、アナライザー結晶間の角度は、土台となる結晶ブロックに切り込みを入れ、その一端を圧電素子４５などにより押し広げることによって調整すればよい。図１９に示した構成に比べて、アナライザー結晶間の距離が近く、それぞれの結晶で回折されたＸ線はほぼ隣接することになるので、視野の広い１個のＸ線画像検出器で両回折Ｘ線を同時に検出することができ、この場合、制御系をより単純化することができる。
【００５６】
以上、本実施例によれば、アナライザー結晶（結晶歯２７及び結晶歯２８）の角度スキャンを行わず、高い空間分解能、高感度、短い測定時間、かつ低被曝で被写体の透過像及び断面像を観察することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１：Ｘ線源、２：非対称結晶、３：非対称位置決め機構、４：被写体ホルダー被写体位置決め機構、５：被写体位置決め機構、６：アナライザー結晶、７：結晶ホルダー、８：結晶ホルダー位置決め機構、９：２次元Ｘ線画像検出器、１０：制御部、１１：処理部、１２：表示装置、１３：角度設定ユニット、１４：Ｘ線、１５：被写体、１６：透過したＸ線、１７：回折Ｘ線、１８：外部記憶装置、１９：チルトステージ、２０：面内回転ステージ、２１：Ｌ字治具、２２：θ回転ステージ、２４：位置決め機構、２５：回転機構、２６：セル、２７：液体、２８：第１アナライザー結晶位置決め機構、２９：第２アナライザー結晶位置決め機構、３０：第１アナライザー結晶、３１：第２アナライザー結晶、３２：Ｘ線検出器、３３：Ｘ線検出器、４０：回折Ｘ線、４１：透過Ｘ線、４２：回折Ｘ線、４３：透過Ｘ線、４５：圧電素子。
【図４】
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【図６】
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【図１５】
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【図１７】
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【図２１】
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【図２２】
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【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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