(57)【要約】【課題】吸収格子を用いないでＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となるＸ線撮像装置を提供する。【解決手段】Ｘ線源からのＸ線を用い、タルボ効果によってＸ線位相コントラスト像を撮像するＸ線撮像装置であって、  前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に配置される被検体の前方または後方にあって、透過するＸ線のタルボ効果により自己像を形成するための第一の回折格子と、  前記第一の回折格子によって自己像が形成される位置に配置される第二の回折格子と、  前記第二の回折格子を透過したＸ線の強度分布を検出するための画素を備えたＸ線検出器と、を有し、  前記第二の回折格子がプリズム格子で構成され、該プリズム格子によって前記自己像の特定の部分を前記Ｘ線検出器における特定の画素に反映させることが可能に構成されている。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源からのＸ線を用い、タルボ効果によってＸ線位相コントラスト像を撮像するＸ線撮像装置であって、
前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に配置される被検体の前方または後方にあって、透過するＸ線のタルボ効果により自己像を形成するための第一の回折格子と、
前記第一の回折格子によって自己像が形成される位置に配置される第二の回折格子と、
前記第二の回折格子を透過したＸ線の強度分布を検出するための画素を備えたＸ線検出器と、を有し、
前記第二の回折格子がプリズム格子で構成され、該プリズム格子によって前記自己像の特定の部分を前記Ｘ線検出器における特定の画素に反映させることが可能に構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
前記プリズム格子は、該プリズム格子の周期が前記第一の回折格子が形成する自己像の周期と同じ周期であり、またはモアレの形成が可能な範囲で同程度の周期であることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記第一の回折格子の位置、前記プリズム格子の位置、前記入射するＸ線の位置のうち、少なくともいずれか一つの位置を複数回変化させることが可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記プリズム格子は、断面の形状が三角形である部位を複数有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記プリズム格子は、断面の形状が傾いた四角形である部位を複数有していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記第一の回折格子の前記Ｘ線が入射する側に、ビームスプリッターが配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記プリズム格子の周期が、一定間隔で半周期ずれていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【請求項８】
前記プリズム格子の前方もしくは後方に、Ｘ線レンズアレーが配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タルボ効果によってＸ線位相コントラスト像を撮像するＸ線撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は高い物質透過性を持ち、かつ高空間分解能イメージングが可能であることから、工業的利用として物体の非破壊検査、医療的利用としてレントゲン撮影、等に用いられている。
これらは、物体や生体内の構成元素や密度差によりＸ線透過時の吸収の違いを利用してコントラスト画像を形成するものであり、Ｘ線吸収コントラスト法と言われる。
しかしながら、軽元素ではＸ線吸収が非常に小さいため、生体の構成元素である炭素、水素、酸素などからなる生体軟組織、あるいはソフトマテリアルをＸ線吸収コントラスト法により画像化することは困難である。
これに対して、１９９０年代より、Ｘ線の位相差を用いた位相コントラスト法の研究が、放射光施設を中心に行なわれてきた。
また、実験室でのＸ線管を用いた位相イメージングについても研究が行なわれ、以下に記述する伝播法やタルボ干渉法、等が原理的に可能となっている。
伝播法とは、微焦点Ｘ線光源からでるＸ線を被写体に照射し、被検体での屈折されたＸ線を、被検体より十分に距離を離した検出器により検出する方法である。この手法は、従来の吸収コントラスト画像の輪郭を強調することで、より鮮明で見やすい画像を取得することが可能であるが、被検体内部の軟組織を画像化することは困難である。
【０００３】
一方、タルボ干渉法とは、特許文献１に記載されているように、透過型の回折格子を用いて、ある干渉条件で発現する干渉縞から位相像を回復する方法である。このようなタルボ干渉法の代表的な構成例を、図８に示す。
図８において、８１はＸ線源、８２は被検体、８３は位相格子、８４は吸収格子、８５はＸ線検出器である。
タルボ干渉法による撮像のためには、空間的に可干渉なＸ線源８１、Ｘ線の位相を周期的に変調するための位相型回折格子（以下、位相格子と記す）８３、Ｘ線検出器８５が少なくとも必要である。
十分な空間的可干渉性を有するためには、λ×（Ｒ／ｓ）が、位相格子のピッチｄに対して十分大きい条件を満たすことが必要である。
ここで、λはＸ線の波長、ＲはＸ線源と位相格子との距離、ｓは線源のサイズである。
なお、この明細書において位相格子のピッチとは、格子が並んでいる周期を指している。
【０００４】
タルボ干渉は、位相格子から特定の距離において位相格子の形状を反映した干渉縞が出現する。これを自己像という。
この干渉縞が生じる位置は、Ｘ線源と位相格子との距離を十分大きいとした場合には、位相格子から（ｄ2／λ）×Ｎの距離離れたＸ線検出器側になる。ここでＮは位相格子の種類によって異なるが、例えば１次元のπ変調位相格子の場合にはＮ＝ｎ／４−１／８となる。ここでｎは自然数である。この位置をタルボ位置という。ここで、位相格子の前に被検体を配置すると、照射されたＸ線は被検体により屈折する。
被検体を透過したＸ線による位相格子の自己像を検出すれば、被検体の位相像を得ることができる。
但し、十分なコントラストで発生された自己像を検出するためには、空間分解能の高いＸ線検出器が必要となるが、一般的に使用可能なＸ線検出器では分解能が不十分である場合が多い。そのため、直接自己像を検出する方法ではなく、Ｘ線を吸収する材料で作製され十分な厚さを持つ回折格子である吸収格子を通して撮像することが行なわれている。
【０００５】
非特許文献１や特許文献２に見られるように、吸収格子は使用するＸ線を部分的に遮断出来る様に、厚い金属のスリット配列で構成されている。
例えば、その間隔は２μｍ、幅が約１μｍ、厚みが２６μｍの高アスペクト比を有する金で作製されている。この格子作製には一般的にＭＥＭＳ技術が用いられている。
この位相格子を透過したＸ線が自己像を形成する位置であるタルボ位置に吸収格子を配置すれば位相シフトの情報はモアレ縞の変形として検出することができることから、このモアレ縞をＸ線検出器で検出すれば、被検体を撮像することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許５８１２６２９号明細書
【特許文献２】米国特許７１８０９７９号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  ６３１８−６３２８，２００６（Ｗｅｉｔｋａｍｐ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例の方法では、吸収格子の作製が困難であるという課題を有している。また、金の様な貴金属を用いることは装置コスト上も問題である。
使用するＸ線のエネルギーが高くなると、この吸収格子は更に厚くする必要があり、例えば３０ＫｅＶ以上のエネルギーを有するＸ線では厚みが５０μｍ以上必要になってくる。
また、吸収格子を用いることにより、本来情報を有するＸ線強度分布の一部を遮断して捨てることになる。例えば、特許文献２で示した方法では、遮断する割合は５０％に達している。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、吸収格子を用いないでＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となるＸ線撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、次のように構成したＸ線撮像装置を提供するものである。
本発明のＸ線撮像装置は、Ｘ線源からのＸ線を用い、タルボ効果によってＸ線位相コントラスト像を撮像するＸ線撮像装置であって、
前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に配置される被検体の前方または後方にあって、透過するＸ線のタルボ効果により自己像を形成するための第一の回折格子と、
前記第一の回折格子によって自己像が形成される位置に配置される第二の回折格子と、
前記第二の回折格子を透過したＸ線の強度分布を検出するための画素を備えたＸ線検出器と、を有し、
前記第二の回折格子がプリズム格子で構成され、該プリズム格子によって前記自己像の特定の部分を前記Ｘ線検出器における特定の画素に反映させることが可能に構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、吸収格子を用いないでＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となるＸ線撮像装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態におけるビームスプリッターを用いる場合のＸ線撮像装置の構成例を説明する図。
【図２】本発明の実施形態におけるプリズム格子の作用を示す図。
【図３】本発明の実施形態におけるプリズム格子によるパターン分離を示す図。
【図４】本発明の実施形態における周期的に半周期ずらしたプリズム格子を用いた場合のＸ線位相像の撮像方法を説明する図。
【図５】本発明の実施形態におけるレンズアレーを用いた構成例を説明する図。
【図６】本発明の実施形態におけるプリズム格子の構成例を説明する図。
【図７】本発明の実施例１、２におけるＸ線分離の計算結果を示す図。
【図８】従来例である特許文献１のＸ線撮像装置の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置について説明する。
本実施形態では、Ｘ線源からのＸ線を用い、タルボ効果によってＸ線位相コントラスト像を撮像するＸ線撮像装置において、ビームスプリッターを用いる場合の構成例について説明する。
本実施形態では、図１に示すように、入射Ｘ線１側からビームスプリッター２、位相格子（第一の回折格子）３、プリズム格子（第二の回折格子）４、第二の回折格子を透過したＸ線の強度分布を検出するＸ線検出器５を備えている。
各々は概ねＸ線入射方向に対して垂直に、またお互いに平行に配置されている。本実施形態では、前記Ｘ線源からのＸ線が入射する位置に配置される被検体の前方または後方にあって、透過するＸ線のタルボ効果により自己像を形成するための第一の回折格子は位相格子３で構成されるが、位相格子でなくても吸収格子であってもよい。但し、Ｘ線利用効率の観点から見れば、位相格子であることが好ましい。
【００１４】
この位相格子の周期は入射Ｘ線がタルボ干渉を発生させる必要があることから、一般的には１５μｍ以下の周期構造であることが好ましい。
この位相格子によりタルボ距離れたＸ線下流側に自己像６が形成される。自己像の周期はＸ線照射系の拡大率と位相格子の形状に依存するが、概ね１〜１５μｍの周期構造となる。
Ｘ線検出器としてＸ線検出エリアセンサーを用いた場合には一般的に画素サイズが数十μｍ以上であるため、直接この自己像を撮像することは出来ない。
従来技術では吸収格子により自己像の一部、例えば明部のみを遮蔽し暗部のみを検出素子に導くことにより撮像を可能としている。
自己像の周期構造は位相格子の形状に対応して１次元、もしくは２次元の明暗のパターンとなる。ここでは簡単のため、１次元について説明するが、当然２次元にも拡張可能である。
【００１５】
本実施形態では、プリズム格子によって自己像の特定の部分をＸ線検出器における特定の画素に反映させることが可能に構成される。
このプリズム格子を配置する位置は自己像のできる位置が好ましく、本実施形態ではこの位置に配置される。
ここで、タルボ干渉では自己像が形成される位置が周期的に表れるが、一番距離が短い位置に配置することが全体の装置長からは好ましい。
ここで、位相格子３で形成される自己像の周期とプリズム格子の周期は同じ場合を説明するが、モアレの形成が可能な範囲で同程度の周期としてもよい。例えば、若干周期や傾きを変えることによりモアレを形成させて位相情報を取得することも可能である。
【００１６】
図１では被検体が挿入されていない初期の状態を示している。
ここでは自己像に歪みは無く、図２に示されているように自己像の明暗に対応した位置にプリズムの凹凸周期が重なる様に配置されている。
Ｘ線の屈折率は物質中で１．０より若干小さいので、プリズムに入射したＸ線の明暗領域は、プリズムにより図２にあるように屈折Ｘ線Ａ２４と屈折Ｘ線Ｂ２５に分離される。
プリズムによる屈折の角度とプリズム格子４とＸ線検出器５の距離を適切にすると、自己像の暗部と明部が図１に示す様に検出器に別々の一部を投影することが可能となる。
投影後にはプリズムによりＸ線が広がるので、ビームスプリッター２を挿入することにより、投影された暗部と明部を分けて撮像することが可能となる。
【００１７】
図３にはＸ線入射方向から見たＸ線の分離の様子を示す。
図３（ａ）、（ｂ）は１次元の場合の例であり、図３（ａ）は自己像のパターンであり、水平に干渉縞が現れる。
図３（ｂ）はプリズム格子を抜けて検出器面での分離像の一部であり、細かく分かれていた干渉縞の明部と暗部が大きく上限に分離されている。
【００１８】
図３（ｃ）、（ｄ）は２次元の場合の一例であり、図３（ｂ）は市松格子状の自己像のパターンが現れる。
これに１次元で用いたプリズム格子を縦と横方向に設置すると市松模様の４つの領域が拡大される。
図３（ｄ）にプリズム格子を抜けて検出器面での分離像の一部を示すが、細かく分かれていた干渉縞の明部と暗部が２次元でも大きく上限に分離されている。
光線追跡と屈折による解析では、上記のプリズムによる明部、暗部の分離は完全であるが、実際に光を波面として計算すると分離は完全ではない。
分離を良くするにはビーム領域にあるプリズムの数を多くすることが好ましく、実質的には４以上あることが好ましい。
【００１９】
本実施形態のＸ線検出器はＸ線エリアセンサーを用いる方法が一般的であるが、フィルムを用いて撮像することも可能である。
その場合にはフィルムを現像後にデジタル画像にして処理する事が必要となる。また、Ｘ線エリアセンサーにはシンチレータを介する間接変換型でもアモルファスセレンなどを用いた直接変換型のセンサーを用いても構わない。
図１の構成ではビームスプリッターが必要となるが、プリズム格子に周期ずれを形成することによりビームスプリッターを不要にすることができる。
以下に、一定間隔で半周期ずれるようにした構成について、図４を用いて説明する。
図４ではプリズム格子４において、一定周期、ここでは４つの凸部毎に半周期だけプリズム周期をプリズムずらし部４１によりずらしている。
これによる屈折の作用を図４では暗部に対応するＸ線だけを示す。半周期ずらすことにより、暗部の情報のみＸ線検出器５の特定のエリア、例えば図１中の画素Ａ７に集光させることが可能となる。
この場合図示はしていないが、明部は画素Ｂ８に集光される。Ｘ線検出素子では周期的に明部と暗部が集光されることになる。
【００２０】
実際の撮像方法には１回のみ撮像して明視野像、暗視野像を取得する方法がある。
この場合には図１、図４に示したプリズム格子配置において、被検体を位相格子の前方、もしくは後方に設置すれば良い。
また、プリズム格子のピッチを自己像と若干変えたり、もしくは自己像の向きと若干変化させることによりモアレを形成したのち画像処理、例えばＦＦＴ法により画像を形成可能である。
いずれの場合もＸ線検出器の明部に対応する強度情報と暗部に対応する強度情報を別々に扱うことにより達成出来る。
情報処理は従来のタルボ法と同等に出来る。但し、従来の吸収格子を用いる撮像装置では明視野像と暗視野像を得るには最低２回の撮像が必要であったが、本発明では１回の撮像で可能となる。
【００２１】
上記の撮像装置による方法以外にも、縞走査法と呼ばれる方法も可能である。縞走査法とは一般的に第一の回折格子と第二の回折格子の入射Ｘ線に対する位置関係を複数回変化させて撮像する方法が採られる。
１次元タルボ法においては、例えば吸収格子である第二の回折格子を格子とは垂直方向に回折格子のピッチ以下の距離を移動させて最低３回以上撮像する。これにより各画素での位相変化量を計算することができる。
本発明でも縞走査法の適用が可能であり、第一の回折格子と第二の回折格子、すなわちプリズム格子のＸ線に対する位置関係を若干変化させて撮像することが可能である。
例えば、プリズム格子４をプリズムの凹凸とは垂直方向に凹凸周期の数分の１ずつ移動させて撮像することにより同等の撮像が可能である。
本実施形態では前述した様に自己像の明部と暗部を同時に測定可能であるので、基本的には２回の撮像で位相情報が取得可能である。
【００２２】
上記したように、実際にＸ線を波面として計算するとプリズムによる分離は完全ではない。
分離を良くするにはビーム領域にあるプリズムの数を多くする方法以外にレンズアレーを用いる方法が可能である。
図５にＸ線レンズアレー９をプリズム格子４の前方に配置した例を示す。
レンズアレーはプリズムよりピッチが広く、Ｘ線検出器での画素の２倍のピッチに拡大率で割ったピッチが有効である。
このレンズにより各画素への自己像の暗部と明部の投影が絞れることになる。Ｘ線レンズアレー９をプリズム格子４の後方に配置した場合にも同様な効果が得られる。
【００２３】
本実施形態のプリズム格子の具体的な構造を図６を用いて説明する。
本実施形態では、プリズム格子を、断面の形状が三角形である部位、あるいは傾いた四角形である部位を複数有した構成とすることができる。
図６（ａ）、（ｂ）はずらし部が無いプリズム格子の構造例である。図６（ａ）ではプリズム格子の凸部分の１つ１つの断面形状が２等辺三角形をしており、図中左側から右側へＸ線が入射される場合には、プリズム上下へＸ線は回折される。
プリズム格子を形成する材料には特に限定は無く、シリコンでも有機物でも金属や半導体、セラミックでも良い。
但し、Ｘ線が高エネルギーになると屈折角が小さくなり、分離を発生する為に必要なプリズム格子とＸ線検出器の距離が大きくなる。
このような場合にはプリズム格子の凸部アスペクト比を大きくする必要が出てきて、例えばプリズム凸の幅が数μｍ、高さが数十μｍ以上必要になる。
このような高アスペクト比の微細構造を一般的には作製が困難である。この場合には、図６（ｂ）に示すように平行スリットを作製して若干傾ける方法が有効である。
傾き角は図中矢印で示す様に入射Ｘ線に対してがスリット幅分ずれるようにする。このようなスリット構造はＳｉウェハーに対してＭＥＭＳ技術で作製可能であり、Ｓｉにマスクをストライプ状に形成した後に、深堀のエッチングを施す事により達成出来る。
【００２４】
図４で示した様な半ピッチずれを有するプリズム格子を作製するには、図５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）に示すような構造が可能である。
図６（ｃ）はプリズム凹凸の片側だけ存在させることによりずらし部６２を形成する例である。また、図６（ｄ）はプリズム凹凸の半周期分プリズムを無くしてずらし部６３を形成する例であり、図６（ｅ）はプリズム凹凸の半周期分プリズムではなくＸ線遮断部分を形成してずらし部６４を形成する例である。
先ほど同様に三角の形状を作製するのが困難な場合には、図６（ｆ）に示すように、ずらし部の部分のみスリットの幅を太く、もしくは狭くして、上記同様に傾けることによりプリズム格子が作製可能である。
以上のようなプリズムを例えばＳｉで形成するのであれば、プリズム周期を４μｍとしたとき、１７．７ｋｅＶのＸ線に対しては４５μｍ、あるいは３５ｋｅＶであれば９０μｍあればプリズム半周期での位相差が２πとなる。
これにより、プリズム格子から検出器までの距離を１ｍ程度にすることができることになる。
また、このようなプリズム格子を備えたＸ線位相撮像装置を実現することができる。
以上の本実施形態の構成によれば、金などの高アスペクト比金属スリットも用いることなく、Ｘ線位相コントラスト像を撮像することが可能となる。
また、吸収格子によって遮断破棄されてきたＸ線も情報として取り出すことが可能になる。
【実施例】
【００２５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、ビームスプリッターを用いた１次元タルボ法を適用したＸ線撮像装置の構成例について説明する。
本実施例においては、図１の構成の数値計算を行った。ここでＸ線は平行光であり、エネルギーを１７．５ＫｅＶとした。また、第一の回折格子には位相格子を利用し、ピッチ８μｍで位相差を４μｍおきにπだけ形成する。
第二の回折格子にはプリズム格子を用い、ピッチ４μｍで高さを位相差で２π分とした。ビームスプリッターの開口幅は６４μｍであり、プリズムの凹凸が１６ケ入る様にした。
この条件では位相格子から下流側に１１．２９ｃｍの位置に自己像が形成されるので、その位置にプリズム格子を配置した。Ｘ線検出器はプリズム格子から下流側に９０．３２ｃｍとすることにより最適な位置となる。
【００２６】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に計算結果を示す。
図７（ａ）は、図１の構成における画素Ａ７、画素Ｂ８でのＸ線の縦方向の強度分布である。
プリズム位置は自己像の明暗の位置に合致するように配置してある。各画素での合計のＸ線の強度比は画素Ａ：画素Ｂ＝２０：８０であり明暗の分離が得られていることがわかる。
この結果から、明部の画素情報をＸ線検出器全体から抽出してＦＦＴ画像処理することにより、明視野微分位相像を抽出できることがわかる。
また逆に暗部の画素情報をＸ線検出器全体から抽出してＦＦＴ画像処理することにより、暗視野微分位相像を抽出できる。
【００２７】
次にプリズム格子を１／４、１／２周期だけ縦方向に移動させた場合の計算結果を図７（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。
プリズム格子を１／４周期ずらした場合では、各画素での合計のＸ線の強度比は３２：６８となり、プリズム格子を１／２周期だけ移動させた場合、つまり明部と暗部が同じ割合でプリズムの片面に入射した場合では４９：５１となる。これらにより、プリズム移動量にしたがって明部と暗部が分離されていることが理解できる。このことから縞走査法が出来ていることがわかる。
【００２８】
［実施例２］
実施例２においては、実施例１にレンズアレーを追加した１次元タルボ法を適用したＸ線撮像装置の構成例について説明する。
本実施例では図１の構成に、図５で示したレンズアレーを追加した計算を行った。ここでＸ線レンズアレーはプリズム格子４の前方に配置した。
この計算でもプリズム内での最大位相変化量を２πとし、レンズアレー内での位相変化量、すなわち傾きはプリズムの半分としている。レンズアレーのピッチは６４μｍである。
【００２９】
図７（ｄ）に計算した結果を示す。
図７（ｄ）は、図１の構成における画素Ａ７、画素Ｂ８でのＸ線の強度分布である。
レンズアレーが無い場合の図７（ａ）と比較すると、コントラストが明確になっているのが分かる。各画素での合計のＸ線の強度比は画素Ａ：画素Ｂ＝９：９１であり、Ｘ線レンズアレー９が無い場合と比較して分離度の向上がみられる。
また、Ｘ線レンズアレー９をプリズム格子４の後方に配置した場合にも同様な効果が得られる。
【符号の説明】
【００３０】
１：入射Ｘ線
２：ビームスプリッター
３：位相格子
４：プリズム格子
５：Ｘ線検出器
６：自己像
７：画素Ａ
８：画素Ｂ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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