JP2012125343A - 放射線撮影システム及び画像処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレ撮影と本撮影との間での走査位置のずれに起因するアーチファクトを補正する。
【解決手段】画像処理部１４に、走査位置ズレ量算出５６、走査位置補正部５７、及び減算処理部５２を設ける。走査位置ズレ量算出５６は、プレ撮影と本撮影との間で、強度変調信号の差異を検出することにより、プレ撮影と本撮影との間での前記各走査位置のズレ量を算出する。走査位置補正部５７は、本撮影時に位相微分像生成部５０で位相微分像を生成する際に用いられる各走査位置を、走査位置ズレ量算出５６により算出されたズレ量を用いて補正する。減算処理部５２は、本撮影時に生成された第１の位相微分像から、プレ撮影時に生成された第２の位相微分像を減算する。
【選択図】図６

Description

本発明は、Ｘ線等の放射線により被検体の撮影を行う放射線撮影システム及び画像処理方法に関し、特に、縞走査法を用いた放射線撮影システム及び画像処理方法に関する。

Ｘ線は、物質を構成する元素の原子番号と、物質の密度及び厚さとに依存して減衰するといった特性を有することから、被検体の内部を透視するためのプローブとして用いられている。Ｘ線を用いた撮影は、医療診断や非破壊検査等の分野において広く普及している。

一般的なＸ線撮影システムでは、Ｘ線を放射するＸ線源とＸ線を検出するＸ線画像検出器との間に被検体を配置して、被検体の透過像を撮影する。この場合、Ｘ線源からＸ線画像検出器に向けて放射された各Ｘ線は、Ｘ線画像検出器までの経路上に存在する物質の特性（原子番号、密度、厚さ）の差異に応じた量の減衰（吸収）を受けた後、Ｘ線画像検出器の各画素に入射する。この結果、被検体のＸ線吸収像がＸ線画像検出器により検出され画像化される。Ｘ線画像検出器としては、Ｘ線増感紙とフイルムとの組み合わせや輝尽性蛍光体のほか、半導体回路を用いたフラットパネル検出器（ＦＰＤ：Flat Panel Detector）が広く用いられている。

しかし、Ｘ線吸収能は、原子番号が小さい元素からなる物質ほど低くなるため、生体軟部組織やソフトマテリアルなどでは、Ｘ線吸収能が小さく、Ｘ線吸収像としての十分な画像の濃淡（コントラスト）が得られないといった問題がある。例えば、人体の関節を構成する軟骨部とその周辺の関節液は、いずれも殆どの成分が水であり、両者のＸ線の吸収量の差が小さいため、画像のコントラストが得られにくい。

近年、被検体によるＸ線の強度変化に代えて、被検体の屈折率の違いによるＸ線の位相変化（角度変化）に基づいた画像（以下、位相コントラスト画像と称する）を得るＸ線位相イメージングの研究が盛んに行われている。Ｘ線が物体に入射したとき、Ｘ線の強度よりも位相のほうがより高い相互作用を示すため、位相差に基づいたＸ線位相イメージングでは、Ｘ線吸収能が低い弱吸収物体であっても高コントラストの画像を取得することができるが得られる。

このようなＸ線位相イメージングとして、第１の格子と第２の格子とを所定の間隔で平行に配置し、第１の格子によるタルボ干渉効果によって、第２の格子の位置に第１の格子の自己像を形成し、この自己像を第２の格子によって強度変調することにより位相コントラス画像を取得する放射線撮影システムが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。被検体の位相情報は、自己像を強度変調することにより得られる縞画像に反映される。

上記縞画像から被検体の位相情報を求めるには種々の方法があり、縞走査法、モアレ干渉測定法、フーリエ変換法などが知られている。特許文献１では、縞走査法が用いられている。縞走査法は、第１の格子に対して第２の格子を、格子線方向にほぼ垂直な方向に、格子ピッチよりも細かい所定量ずつ相対的に並進移動（走査）させながら、各走査位置で撮影を行って複数の縞画像を取得し、各画素値の強度変化に基づいてＸ線の位相変化量に対応する位相微分値を取得する方法である。この位相微分値の２次元像（位相微分像）に基づいて位相コントラスト画像を生成することができる。この縞走査法は、Ｘ線の分野に限られず、レーザ光を利用した撮影装置でも用いられている（非特許文献２参照）。

縞走査法では、第１及び第２の格子に製造誤差や歪み、配置ずれ等が生じると、各画素について取得される位相微分値には、被検体に関係のない値が加算されてしまう。特許文献１では、被検体を配置して行なう本撮影と、被検体を配置せずに行なうプレ撮影とのそれぞれで位相微分像を取得し、本撮影で得られた第１の位相微分像から、プレ撮影で得られた第２の位相微分像を減算することにより、被検体のみに起因した位相微分像を取得することが提案されている。

特許第４４４５３９７号公報

C. David, et al., Applied Physics Letters, Vol.81, No.17, 2002年10月，3287頁 Hector Canabal, et al., Applied Optics, Vol.37, No.26, 1998年9月，6227頁

しかしながら、特許文献１に記載の補正方法では、第１及び第２の格子の製造誤差や歪みのように、プレ撮影と本撮影との間で変動しない要因については精度よく補正が可能であるが、プレ撮影と本撮影との間で上記走査位置にずれが生じた場合には補正が不可能である。特許文献１には、本撮影時の第１の位相微分像とプレ撮影時の第２の位相微分像とを同一の計算式を用いて算出することが記載されているため、走査位置のずれについては明らかに考慮されていない。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、プレ撮影と本撮影との間での走査位置のずれに起因するアーチファクトを補正することを可能とする放射線撮影システム及び画像処理方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の放射線撮影システムは、格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子と、前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を格子線方向に直交する方向に変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段と、前記各走査位置において、放射線源から放射された放射線を、前記第１及び第２の格子を介して撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、前記画像データの画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、被検体を配置せずに撮影を行うプレ撮影と、被検体を配置して撮影を行う本撮影との間で、前記強度変調信号の差異を検出することにより、前記プレ撮影と前記本撮影との間での前記各走査位置のズレ量を算出する走査位置ズレ量算出手段と、前記位相微分像生成手段により位相微分像を生成する際に用いられる前記各走査位置を、前記走査位置ズレ量算出手段により算出されたズレ量を用いて、前記本撮影または前記プレ撮影のいずれか一方の場合に補正する走査位置補正手段と、前記本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第１の位相微分像から、前記プレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を減算する減算手段と、を備えることを特徴とする。

なお、走査位置ズレ量算出手段は、前記放射線画像検出器の複数の画素に対応する強度変調信号を用いて前記各走査位置のズレ量を統計的に算出することが好ましい。この場合には、前記放射線画像検出器は、前記放射線源から放射された放射線が被検体を透過せずに入射する素抜け領域が区分されており、前記複数の画素は、前記素抜け領域に属するものであることがさらに好ましい。

また、前記走査位置ズレ量算出手段は、前記複数の画素について前記各走査位置のズレ量を算出し、該ズレ量に対する画素数の度数分布のピーク位置、平均値、または中央値を検出することにより、前記各走査位置のズレ量を決定することが好ましい。

また、前記走査位置ズレ量算出手段は、同一画素における前記本撮影時及び前記プレ撮影時の強度変調信号について、一方の強度変調信号について隣接する走査位置間を補間し、この補間された強度変調信号を基準として、他方の強度変調信号とのズレ量を前記各走査位置ごとに算出することが好ましい。特に、前記補間は、線形補間であることが好ましい。

さらに、前記走査位置ズレ量算出手段は、前記一方の強度変調信号について外挿を行い、１周期以上の信号とすることが好ましい。

前記位相微分像生成手段は、最小二乗に基づく計算式を用いて強度変調信号の位相ズレ量を算出することが好ましい。

前記位相微分像生成手段により生成された位相微分像を、前記相対位置の変更方向に沿って積分処理することにより位相コントラスト画像を生成する位相コントラスト画像生成手段をさらに備えてもよい。

前記第１の格子は、吸収型格子であり、前記放射線源から入射した放射線を幾何光学的に前記第２の格子に投影するものであることが好ましい。これに代えて、前記第１の格子は、位相型格子であり、タルボ干渉効果により前記放射線源から入射した放射線にタルボ干渉効果を生じさせ、前記第２の格子の位置に自己像を形成するものであることも好ましい。

さらに、本発明の画像処理方法は、格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子と、前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を格子線方向に直交する方向に変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段と、前記各走査位置において、放射線源から放射された放射線を、前記第１及び第２の格子を介して撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、前記画像データの画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、を備えた放射線撮影システムに用いられる画像処理方法において、被検体を配置せずに撮影を行うプレ撮影と、被検体を配置して撮影を行う本撮影との間で、前記強度変調信号の差異を検出することにより、前記プレ撮影と前記本撮影との間での前記各走査位置のズレ量を算出し、前記位相微分像生成手段により位相微分像を生成する際に用いられる前記各走査位置を、前記ズレ量を用いて、前記本撮影または前記プレ撮影のいずれか一方の場合に補正し、前記本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第１の位相微分像から、前記プレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を減算することを特徴とする。

本発明によれば、プレ撮影と本撮影との間で強度変調信号の差異を検出することにより、プレ撮影と本撮影との間での各走査位置のズレ量を算出し、位相微分像を生成する際に用いられる各走査位置を、算出したズレ量を用いて、本撮影またはプレ撮影のいずれか一方の場合に補正し、そして、本撮影時に生成された第１の位相微分像から、プレ撮影時に生成された第２の位相微分像を減算するので、プレ撮影と本撮影との間での走査位置のずれに起因するアーチファクトを補正することができる。

Ｘ線撮影システムの構成を示すブロック図である。 撮影部の筐体を示す概略斜視図である。 Ｘ線画像検出器の構成を示す模式図である。 第１及び第２の吸収型格子の構成を示す概略側面図である。 縞走査法を説明する説明図である。 画像処理部の構成を示すブロック図である。 本撮影時及びプレ撮影時に得られる素抜け領域の強度変調信号を例示するグラフである。 走査位置のズレ量の算出方法を説明するグラフである。 走査位置ズレ量算出部により算出されるズレ量を例示するグラフである。 走査位置のズレ量に対する画素数の度数分布を例示するグラフである。

図１において、Ｘ線撮影システム１０は、Ｘ線源１１、撮影部１２、メモリ１３、画像処理部１４、画像記録部１５、撮影制御部１６、コンソール１７、及びシステム制御部１８を備えている。Ｘ線源１１は、例えば、回転陽極型のＸ線管と、Ｘ線の照射野を制限するコリメータとを有し、被検体ＨにＸ線を放射する。

撮影部１２は、Ｘ線画像検出器２０と、第１及び第２の格子２１，２２とからなる。第１及び第２の格子２１，２２は、吸収型格子であり、Ｘ線照射方向であるｚ方向に関してＸ線源１１に対向配置されている。Ｘ線源１１と第１の格子２１との間には、被検体Ｈが配置可能な間隔が設けられている。Ｘ線画像検出器２０は、例えば、半導体回路を用いたフラットパネル検出器であり、第２の格子２２の背後に、検出面がｚ方向に直交するように配置されている。

Ｘ線画像検出器２０の検出面は、主として被検体Ｈを透過したＸ線が第１及び第２の格子２１，２２を介して入射する被検体検出領域２０ａと、被検体Ｈを透過せずにその周囲を通過したＸ線が第１及び第２の格子２１，２２を介して入射する素抜け領域２０ｂとに区分されている。

第１の格子２１は、ｚ方向に直交する面内の一方向であるｙ方向に延伸された複数のＸ線吸収部２１ａ及びＸ線透過部２１ｂを備えている。Ｘ線吸収部２１ａ及びＸ線透過部２１ｂは、ｚ方向及びｙ方向に直交するｘ方向に沿って交互に配列されており、縞状のパターンを形成している。第２の格子２２は、第１の格子２１と同様にｙ方向に延伸され、かつｘ方向に沿って交互に配列された複数のＸ線吸収部２２ａ及びＸ線透過部２２ｂを備えている。Ｘ線吸収部２１ａ，２２ａは、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等のＸ線吸収性を有する金属からなる。Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂは、シリコン（Ｓｉ）や樹脂等のＸ線透過性を有する材料からなる。

メモリ１３は、撮影部１２から読み出された画像データを一時的に記憶する。画像処理部１４は、メモリ１３に記憶される複数の画像データに基づいて位相コントラスト画像を生成する。画像記録部１５は、画像処理部１４により生成された位相コントラスト画像を記録する。撮影制御部１６は、Ｘ線源１１及び撮影部１２の制御を行う。

コンソール１７は、撮影条件や、後述するプレ撮影や本撮影の実行指示等の入力を可能とする操作部１７ａや、撮影情報や画像等の表示を行うモニタ１７ｂを備えている。システム制御部１８は、操作部１７ａから入力される信号に応じて、各部を統括的に制御する。

撮影部１２には、第２の格子２２をｘ方向に並進移動させ、第１の格子２１に対する第２の格子２２の相対的な位置を変化させる走査機構２３が設けられている。走査機構２３は、例えば、圧電素子等のアクチュエータにより構成される。走査機構２３は、後述する縞走査の際に、撮影制御部１６の制御に基づいて駆動される。詳しくは後述するが、メモリ１３には、縞走査の各走査位置でＸ線画像検出器２０により撮影される画像データがそれぞれ記憶される。

以上のように構成された撮影部１２は、図２に示す矩形状の筐体３０の内部に保持されている。筐体３０のＸ線入射面３１には、ｘ方向及びｙ方向に関する中心位置を示す中心線３２，３３と、Ｘ線画像検出器２０の被検体検出領域２０ａと素抜け領域２０ｂとの境界を示す矩形状の枠線３４が印刷形成されている。枠線３４の外側が素抜け領域２０ｂに対応する。

図３において、Ｘ線画像検出器２０は、Ｘ線を電荷に変換して蓄積する複数の画素４０が、ｘ方向及びｙ方向に沿ってアクティブマトリクス基板上に２次元配列されてなる受像部４１と、画素４０からの電荷の読み出しタイミングを制御する走査回路４２と、画素４０から電荷を読み出し、電荷を画像データに変換して出力する読み出し回路４３とから構成されている。走査回路４２と各画素４０とは、行ごとに走査線４４によって接続されており、読み出し回路４３と各画素４０とは、列ごとに信号線４５によって接続されている。画素４０の配列ピッチは、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ１００μｍ程度である。

画素４０は、アモルファスセレン等の変換層（図示せず）によりＸ線を電荷に直接変換し、変換された電荷を変換層の下部の電極に接続されたキャパシタ（図示せず）に蓄積する直接変換型のＸ線検出素子である。各画素４０には、ＴＦＴスイッチ（図示せず）が設けられ、ＴＦＴスイッチのゲート電極が走査線４４、ソース電極がキャパシタ、ドレイン電極が信号線４５に接続されている。走査回路４２からの駆動パルスによってＴＦＴスイッチがオン状態になると、キャパシタに蓄積された電荷が信号線４５に読み出される。

なお、画素４０は、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）やヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等からなるシンチレータ（図示せず）でＸ線を一旦可視光に変換し、変換された可視光をフォトダイオード（図示せず）で電荷に変換して蓄積する間接変換型のＸ線検出素子としてもよい。また、Ｘ線画像検出器２０には、ＴＦＴパネルをベースとしたＦＰＤに限られず、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子をベースとした放射線画像検出器を用いることも可能である。

読み出し回路４３は、積分アンプ、Ａ／Ｄ変換器、補正回路（いずれも図示せず）等により構成されている。積分アンプは、各画素４０から信号線４５を介して出力された電荷を積分して電圧信号である画像信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器は、積分アンプにより変換された画像信号を、デジタルの画像データに変換する。補正回路は、画像データを構成する各画素値に対して、暗電流補正、ゲイン補正、及びリニアリティ補正等を行い、補正済みの画像データをメモリ１３に入力する。

走査回路４２及び読み出し回路４３は、撮影制御部１６を介してシステム制御部１８により制御される。受像部４１は、前述のように被検体検出領域２０ａと素抜け領域２０ｂとに区分されている。被検体検出領域２０ａと素抜け領域２０ｂとに含まれる画素４０は同一構成である。システム制御部１８は、走査線４４と信号線４５とのアドレスにより、被検体検出領域２０ａに含まれる画素４０と、素抜け領域２０ｂに含まれる画素４０とを識別する。

図４において、Ｘ線源１１から照射されるＸ線は、Ｘ線焦点１１ａを発光点としたコーンビームであり、第１の格子２１を通過することにより生成されるＸ線の第１の周期パターン像（以下、Ｇ１像という）は、Ｘ線焦点１１ａからの距離に比例して拡大される。第２の格子２２のＸ線吸収部２２ａのｘ方向の配列ピッチｐ_２及び幅ｄ_２は、Ｘ線焦点１１ａと第１の格子２１との間の距離Ｌ_１、第１の格子２１と第２の格子２２との間の距離Ｌ_２、及び第１の格子２１のＸ線吸収部２１ａの配列ピッチｐ_１及び幅ｄ_１を用いて下式（１）及び（２）に示すように決定される。

例えば、配列ピッチｐ_２は５μｍであり、幅ｄ_２はその半分の２．５μｍである。Ｘ線吸収部２１ａのｚ方向の厚みは、Ｘ線源１１から放射されるコーンビーム状のＸ線のケラレを考慮して、例えば１００μｍ程度となっている。

第１及び第２の格子２１，２２は、Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂを通過したＸ線を幾何光学的に投影するように構成される。具体的には、ｘ方向に関するＸ線透過部２１ｂ，２２ｂの幅（幅ｄ_１，ｄ_２と同一）を、Ｘ線源１１から照射されるＸ線のピーク波長より十分大きな値とすることで、第１及び第２の格子２１，２２は、大部分のＸ線を回折させずに、直進性を保ったまま通過させる。例えば、Ｘ線源１１のＸ線管の回転陽極としてタングステンを用い、管電圧を５０ｋＶとした場合には、Ｘ線のピーク波長は約０．４Åである。この場合には、Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂの幅として、１〜１０μｍ程度の範囲が許容される。

距離Ｌ_２は、タルボ干渉計の場合にはタルボ干渉距離に制約されるが、本実施形態では、第１及び第２の格子２１，２２がＸ線を幾何光学的に投影するため、距離Ｌ_２をタルボ干渉距離とは無関係に設定することができる。

上記のように本実施形態の撮影部１２は、タルボ干渉計を構成するものではないが、第１の格子２１でＸ線の回折が生じ、タルボ干渉が生じた場合のタルボ干渉距離Ｚ_ｍは、配列ピッチｐ_１，ｐ_２、Ｘ線の波長λ、及び正の整数ｍを用いて、下式（３）で表される。

上式（３）は、Ｘ線源１１から照射されるＸ線がコーンビーム状である場合のタルボ干渉距離を表す式であり、「Atsushi Momose, et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.47, No.10, 2008年10月, 8077頁」により知られている。

本実施形態では、距離Ｌ_２をタルボ干渉距離Ｚ_ｍと無関係に設定することができるため、撮影部１２の薄型化を目的とし、距離Ｌ_２を、ｍ＝１の場合の最小のタルボ干渉距離Ｚ_１より短い値に設定する。すなわち、距離Ｌ_２は、下式（４）を満たす範囲に設定される。

以上のように構成された撮影部１２では、第１の格子２１により生成されたＧ１像が第２の格子２２との重ね合わせにより強度変調されることにより第２の周期パターン像（以下、Ｇ２像という）が生成され、Ｘ線画像検出器２０で撮像される。第２の格子２２の位置におけるＧ１像のパターン周期と、第２の格子２の格子周期（配列ピッチｐ_２）とに、配置誤差などによる若干の差異が生じると、Ｇ２像にモアレ縞が生じる。このモアレ縞が発生した場合でも、モアレ縞の周期が画素４０のＸ線受光領域のサイズと異なっていれば、後述する強度変調信号の取得には特に問題はない。

Ｘ線源１１と第１の格子２１との間に被検体Ｈを配置するとＧ２像が被検体Ｈにより変調を受ける。この変調量には、被検体Ｈでの屈折によって偏向したＸ線の角度が反映される。

次に、縞走査法について説明する。同図には、被検体Ｈのｘ方向に関する位相シフト分布Φ（ｘ）に応じて屈折するＸ線の１つの経路が例示されている。符号Ｘ１は、被検体Ｈが存在しない場合にＸ線が直進する経路を示している。この経路Ｘ１を進むＸ線は、第１及び第２の格子２１，２２を通過してＸ線画像検出器２０に入射する。符号Ｘ２は、被検体Ｈが存在する場合に、被検体Ｈにより屈折したＸ線の経路を示している。この経路Ｘ２を進むＸ線は、第１の格子２１を通過した後、第２の格子２２のＸ線吸収部２２ａにより吸収される。

被検体Ｈの位相シフト分布Φ（ｘ）は、被検体Ｈの屈折率分布をｎ（ｘ，ｚ）として、下式（５）で表される。ここで、説明の簡略化のため、ｙ座標は省略している。

第１の格子２１により第２の格子２２の位置に形成されたＧ１像は、被検体Ｈを透過する際のＸ線の屈折により、その屈折角φに応じた量だけｘ方向に変位する。この変位量Δｘは、Ｘ線の屈折角φが微小であることに基づいて、近似的に下式（６）で表される。

ここで、屈折角φは、Ｘ線の波長λと位相シフト分布Φ（ｘ）を用いて、下式（７）で表される。

このように、変位量Δｘは、被検体Ｈの位相シフト分布Φ（ｘ）に関連している。また、変位量Δｘ及び屈折角φは、Ｘ線画像検出器２０で検出される各画素４０の強度変調信号の被検体Ｈによる位相ズレ量ψと、次式（８）に示すように関連している。詳しくは後述するが、強度変調信号とは、第１の格子２１に対する第２の格子２２の走査位置に対する画素値の変化を表す波形信号である。

したがって、各画素４０の強度変調信号の位相ズレ量ψを求めることにより、上式（８）から屈折角φが求まり、上式（７）を用いて位相シフト分布Φ（ｘ）が求まる。

縞走査法では、強度変調信号を得るために、第１及び第２の格子２１，２２の一方を他方に対して相対的にｘ方向に並進移動（走査）させながら、所定の走査位置でＧ２像の撮影を行う。本実施形態では、第１の格子２１を固設し、走査機構２３により第２の格子２２をｘ方向に移動させる。Ｇ２像に生じるモアレ縞は、第２の格子２２の移動に伴って移動し、移動距離が第２の格子２２の格子周期（配列ピッチｐ_２）に達すると、元の位置に戻る。

図５は、配列ピッチｐ_２をＭ（２以上の整数）個に分割した値（ｐ_２／Ｍ）を走査ピッチとし、この走査ピッチごとに第２の格子２２を並進移動させる様子を模式的に示している。走査機構２３は、ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１のＭ個の各走査位置に、第２の格子２２を順に移動させる。

ｋ＝０の位置では、主として、被検体Ｈにより屈折しなかったＸ線が第２の格子２２を通過する。ｋ＝１，２，・・・と順に第２の格子２２を移動させていくと、第２の格子２２を通過するＸ線は、被検体Ｈにより屈折されなかった成分が減少する一方で、被検体Ｈにより屈折された成分が増加する。特に、ｋ＝Ｍ／２の位置では、第２の格子２２を通過するＸ線は、ほぼ被検体Ｈにより屈折された成分のみとなる。ｋ＝Ｍ／２の位置を超えると、第２の格子２２を通過するＸ線は、被検体Ｈにより屈折された成分が減少する一方で、被検体Ｈにより屈折されなかった成分が増加する。

ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１の各走査位置で、Ｘ線画像検出器２０によりＧ２像の撮影を行うと、メモリ１３にＭ枚の画像データが記憶される。各画素４０について得られるＭ個の画素値が上記強度変調信号を構成する。この縞走査によるＭ枚の画像データの取得は、被検体Ｈを配置して行われる本撮影と、被検体Ｈを配置せずに行われるプレ撮影とのそれぞれにおいて実行され、メモリ１３に記憶される。

次に、画像処理部１４の構成について説明する。図６において、画像処理部１４は、位相微分像生成部５０、補正データ記憶部５１、減算処理部５２、位相コントラスト画像生成部５３、素抜け領域データ抽出部５４、素抜け領域データ記憶部５５、走査位置ズレ量算出部５６、及び走査位置補正部５７により構成されている。矢印に付した“Ａ”は、本撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表し、“Ｂ”は、プレ撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表し、“Ａ／Ｂ”は、本撮影時及びプレ撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表している。

位相微分像生成部５０には、本撮影時及びプレ撮影時に、縞走査により取得されメモリ１３に記憶されたＭ枚の画像データが読み出される。位相微分像生成部５０は、後述する方法によりＭ枚の画像データから位相微分像を生成する。本撮影時に生成される第１の位相微分像は、減算処理部５２に入力される。一方、プレ撮影時に生成される第２の位相微分像は、補正データとして補正データ記憶部５１に入力される。補正データ記憶部５１は、入力された第２の位相微分像を記憶し、本撮影が行われた際に、記憶している第２の位相微分像を減算処理部５２に入力する。

減算処理部５２は、本撮影時に入力された第１の位相微分像から第２の位相微分像を減算する補正処理を行い、補正後の位相微分像（以下、補正済み位相微分像という）を位相コントラスト画像生成部５３に入力する。位相コントラスト画像生成部５３は、補正済み位相微分像をｘ方向に沿って積分処理を行うことにより、位相コントラスト画像を生成し、画像記録部１５に入力する。

素抜け領域データ抽出部５４は、本撮影時及びプレ撮影時に、メモリ１３に記憶されたＭ枚の各画像データから、素抜け領域２０ｂに対応するデータ（以下、素抜け領域データという）を抽出する。本撮影時に抽出される第１の素抜け領域データは、走査位置ズレ量算出部５６に入力される。一方、プレ撮影時に抽出される第２の素抜け領域データは、素抜け領域データ記憶部５５に入力される。素抜け領域データ記憶部５５は、入力された第２の素抜け領域データを記憶し、本撮影が行われた際に、記憶している第２の素抜け領域データを走査位置ズレ量算出部５６に入力する。

走査位置ズレ量算出部５６は、詳しくは後述するが、入力された第１及び第２の素抜け領域データに基づき、本撮影時のプレ撮影時に対する走査位置ｋのズレ量α_ｋを統計的に算出し、算出したズレ量α_ｋを走査位置補正部５７に入力する。走査位置補正部５７は、本撮影時の走査位置ｋにズレ量α_ｋを付加する補正を行い、補正後の走査位置ｋ＋α_ｋを位相微分像生成部５０に供給する。

位相微分像生成部５０は、プレ撮影時には、配列ピッチｐ_２をＭ分割した等間隔の走査位置ｋに基づいて強度変調信号の位相ズレ量ψを算出することにより第２の位相微分像の生成を行なうが、本撮影時には、非等間隔の走査位置ｋ＋α_ｋを用いて強度変調信号の位相ズレ量ψを算出することにより第１の位相微分像を生成する。

以下に、走査位置ズレ量算出部５６によるズレ量α_ｋの算出方法を説明する。図７は、本撮影時及びプレ撮影時に得られる第１及び第２の素抜け領域データに基づく、ある１つの画素４０における強度変調信号を例示している。同図は、Ｍ＝１０の場合であり、各強度変調信号は、走査位置ｋが等間隔であると仮定して画素値をプロットしたものである。同図における本撮影時とプレ撮影時との強度変調信号のズレは、主として、本撮影とプレ撮影との間で生じる走査位置ｋのズレに起因している。

走査位置ズレ量算出部５６は、プレ撮影時の強度変調信号を基準とし、本撮影時の各画素値のズレ量を算出することにより、走査位置ｋのズレ量α_ｋを算出する。具体的には、図８に示すように、まず、プレ撮影で得られた第２の素抜け領域データの各画素４０におけるＭ個の画素値に基づき、隣接する走査位置間を線形補間することにより、連続した強度変調信号を生成する。次いで、本撮影で得られた第１の素抜け領域データの各画素４０におけるＭ個の画素値について、線形補間されたプレ撮影時の強度変調信号との各走査位置ｋのズレ量α_ｋを算出する。なお、上記補間は、線形補間に限られず、曲線による補間であってもよい。

走査位置ズレ量算出部５６により算出されるズレ量α_ｋは、−１から１の範囲であることが望ましいが、０≦ｋ≦Ｍ−１の範囲外にはプレ撮影時の強度変調信号が存在しないため、補間（内挿）のみでは、ズレ量α_０またはα_Ｍ−１が−１から１の範囲外となってしまう。図７に示した例では、ズレ量α_９が−１から１の範囲外となる。このため、走査位置ズレ量算出部５６は、プレ撮影時の強度変調信号を、０≦ｋ≦Ｍ−１の範囲外に直線または曲線を用いて外挿し、該強度変調信号を１周期以上としたうえでズレ量α_ｋを算出する。

図９は、図７に示した強度変調信号の場合に、走査位置ズレ量算出部５６により算出されるズレ量α_ｋを矢印で示している。この例では、プレ撮影時の強度変調信号が本撮影時の強度変調信号よりｋの正側にシフトしているため、プレ撮影時の強度変調信号をｋ≧Ｍ−１の範囲へ外挿することにより、ズレ量α_９が０から１の範囲の値として算出される。なお、上記外挿に代えて、プレ撮影時に１周期分以上の走査を行って、０≦ｋ≦Ｍ−１の範囲を超える強度変調信号を実際に取得するようにしてもよい。

さらに、走査位置ズレ量算出部５６は、素抜け領域２０ｂの全ての画素４０について同一のズレ量α_ｋが算出されるとは限らないため、素抜け領域２０ｂの全ての画素４０についてズレ量α_ｋを算出したうえで、統計的に１組のズレ量α_ｋを決定する。具体的には、図１０に示すように、ズレ量α_ｋに対する画素数の度数分布を作成して、度数分布のピーク値（最頻値）を検出し、このピーク値をズレ量α_ｋとして決定する。この処理は、各走査位置ｋについて行う。なお、度数分布のピーク値に限られず、度数分布の平均値や中央値を検出してもよい。

次に、補正された走査位置ｋ＋α_ｋを用いて強度変調信号の位相ズレ量ψ（ｘ）を算出する方法を説明する。まず、走査位置ｋ＋α_ｋにおける画素値Ｉ_ｋ（ｘ）を、下式（９）のように表す。

ここで、ｘは、画素４０のｘ座標を表す。Ａ_０は入射Ｘ線の強度に対応し、Ａ_ｎは強度変調信号の振幅に対応する値である。ｎは正の整数、iは虚数単位である。また、δ_ｋは、下式（１０）で表される。

上式（９）において、ｎ≧２以上の高次の項を無視すると、画素値Ｉ_ｋ（ｘ）は、正弦波として下式（１１）で表される。

上式（１１）を満たす画素値Ｉ_ｋ（ｘ）は理論値であり、Ｘ線画像検出器２０により実際に得られる実測値は誤差を含んでいる。画素値Ｉ_ｋ（ｘ）の実測値から位相ズレ量ψ（ｘ）を算出するには、まず、上式（１１）を下式（１２）のように変形する。

ここで、パラメータａ_０，ａ_１，ａ_２は、それぞれ下式（１３）〜（１５）で表される。

そして、最小二乗法等を用いて、画素値Ｉ_ｋ（ｘ）の理論値と実測値との差を最小にするパラメータａ_０，ａ_１，ａ_２の値を求めれば、下式（１６）に示すように、位相ズレ量ψ（ｘ）が算出される。

最小二乗法を用いた位相ズレ量の方法は、「応用光学 光計測入門 谷田貝豊彦著 第二版 平成１７年２月１５日発行 丸善株式会社 （第１９６頁〜第１９８頁）」に開示されている。この最小二乗法により導かれる行列式（１７）を解くことにより、パラメータａ_０，ａ_１，ａ_２を決定することができる。

ここで、行列ａ，Ａ（δ_ｋ），Ｂ（δ_ｋ）は、それぞれ下式（１８）〜（２０）で表される。

以上の説明では、画素４０のｙ座標を考慮していないが、画素４０のｙ座標を考慮して同様の演算を行うことにより、ｘｙ方向に関する２次元的な位相ズレの分布ψ（ｘ，ｙ）が得られる。この分布ψ（ｘ，ｙ）が位相微分像である。

また、上記説明では、上式（９）からｎ≧２以上の高次の項を無視して上式（１１）に変形しているが、ｎ≧２以上の項は、線形結合として付加される項であるため、ｎ≧２以上の項を含めた場合においても同様に上式（１６）〜（２０）が成立する。

本撮影時には、位相微分像生成部５０は、上式（１６）〜（２０）に基づく演算により第１の位相微分像ψ_１（ｘ，ｙ）を算出する。プレ撮影時には、位相微分像生成部５０は、α_ｋ＝０として同様に上式（１６）〜（２０）に基づく演算を行い第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）を算出してもよいが、α_ｋ＝０の場合には、より簡便な式を用いて演算が可能である。

以下に、α_ｋ＝０の場合の演算方法を説明する。α_ｋ＝０の場合には、δ_ｋが等間隔の値を取るため、上式（１９）の右辺の行列の非対角成分がすべて０となり、上式（１９）は、下式（２１）に変形される。

このＡ（δ_ｋ）を上式（１７）に適用すると、パラメータａ_１，ａ_２は、それぞれ下式（２２）,（２３）で表される。

したがって、位相微分像生成部５０は、プレ撮影時には、上式（１６），（２２），（２３）に基づいて第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）を算出することができる。なお、第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）は、プレ撮影と本撮影との間で変動しない要因である第１及び第２の格子２１，２２の製造誤差や歪みに起因するものである。

減算処理部５２は、第１の位相微分像ψ_１（ｘ，ｙ）から第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）を減算する。プレ撮影と本撮影との間での走査位置のずれの影響は、走査位置の補正により除去されているため、減算処理部５２により得られた補正済み位相微分像は、被検体の位相情報のみが反映された位相微分像であり、画質が向上する。

次に、以上のように構成されたＸ線撮影システム１０の作用を説明する。まず、被検体Ｈを配置せずに、操作部１７ａからプレ撮影指示が入力されると、走査機構２３により第２の格子２２が所定の走査ピッチ（ｐ_２／Ｍ）ずつ並進移動されながら、各走査位置ｋにおいて、Ｘ線源１１によるＸ線照射及びＸ線画像検出器２０によるＧ２像の検出が行われる。この結果、Ｍ枚の画像データが生成され、メモリ１３に格納される。

次いで、画像処理部１４によりメモリ１３に格納されたＭ枚の画像データが読み出される。画像処理部１４内では、位相微分像生成部５０により第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）が算出され、補正データとして補正データ記憶部５１に入力される。また、同時に、素抜け領域データ抽出部５４により、Ｍ枚の各画像データから、素抜け領域２０ｂに対応する第２の素抜け領域データが抽出され、素抜け領域データ記憶部５５に格納される。プレ撮影時の動作は以上で終了する。

次いで、被検体Ｈを配置して、操作部１７ａから本撮影指示が入力されると、同様に第２の格子２２が並進移動されながら、各走査位置ｋにおいて、Ｘ線照射及びＧ２像の検出の検出が行われ、Ｍ枚の画像データがメモリ１３に格納される。

次いで、画像処理部１４によりメモリ１３に格納されたＭ枚の画像データが読み出される。画像処理部１４内では、まず、素抜け領域データ抽出部５４により、Ｍ枚の各画像データから、素抜け領域２０ｂに対応する第１の素抜け領域データが抽出され、走査位置ズレ量算出部５６に入力される。このとき、素抜け領域データ記憶部５５に記憶された第２の素抜け領域データが走査位置ズレ量算出部５６に入力される。

次いで、走査位置ズレ量算出部５６により、本撮影時のプレ撮影時に対する走査位置ｋのズレ量α_ｋが統計的に算出され、走査位置補正部５７に入力される。そして、走査位置補正部５７により、本撮影時の走査位置ｋにズレ量α_ｋを付加する補正が行われ、補正後の走査位置ｋ＋α_ｋが位相微分像生成部５０に入力される。

次いで、位相微分像生成部５０により、補正後の走査位置ｋ＋α_ｋを用いて、Ｍ枚の画像データから第１の位相微分像ψ_１（ｘ，ｙ）が生成され、減算処理部５２に入力される。このとき、補正データ記憶部５１に記憶された第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）が減算処理部５２に入力され、補正データ記憶部５１により第１の位相微分像ψ_１（ｘ，ｙ）から第２の位相微分像ψ_２（ｘ，ｙ）を減算する処理が行われる。そして、補正済み位相微分像が位相コントラスト画像生成部５３に入力され、ｘ方向に沿って積分処理が施されることにより位相コントラスト画像が生成される。この位相コントラスト画像は、画像記録部１５に記録された後、モニタ１７ｂに表示される。

なお、上記実施形態では、プレ撮影時の強度変調信号を基準として本撮影時の走査位置のズレ量を算出し、第１の位相微分像を生成する際に、このズレ量を用いて走査位置を補正する構成であるが、これとは逆に、本撮影時の強度変調信号を基準としてプレ撮影時の走査位置のズレ量を算出し、第２の位相微分像を生成する際に、このズレ量に基づいて走査位置を補正するよう構成してもよい。

また、上記実施形態では、素抜け領域２０ｂに属する画素４０のデータを用いて走査位置のズレ量を統計的に算出しているが、被検体検出領域２０ａに属する画素４０のデータも含めて、全画素４０のデータでズレ量を統計的に算出してもよい。画素数が多い場合には、被検体Ｈによる影響は僅かであり、ズレ量の算出精度は許容範囲内に収まる。

また、上記実施形態では、走査機構２３により第２の格子を並進移動させる際に、走査位置の初期位置をｋ＝０の位置としているが、初期位置として、ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１のうちのいずれの位置を選択してもよい。

また、上記実施形態では、位相コントラスト画像を画像記録部１５に記録してモニタに表示しているが、位相コントラスト画像に代えて、若しくは、位相コントラスト画像とともに、補正済み位相微分像を画像記録部１５に記録してモニタに表示するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、強度変調信号の位相ズレ量の２次元分布を位相微分像として定義しているが、位相シフト分布Φ（ｘ，ｙ）の微分値と比例関係を有するものであれば、屈折角φ等、いかなる物理量の２次元分布を位相微分像としてもよい。

また、上記実施形態では、被検体ＨをＸ線源１１と第１の格子２１との間に配置しているが、被検体Ｈを第１の格子２１と第２の格子２２との間に配置してもよい。

また、上記実施形態では、Ｘ線源１１の後に線源格子（マルチスリット）を設けていないが、Ｘ線源１１の後に線源格子を設け、焦点を分散化してもよい。

また、上記実施形態では、第１及び第２の格子２１，２２を、そのＸ線透過部を通過したＸ線を線形的に投影するように構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、Ｘ線透過部でＸ線を回折することによりタルボ干渉効果が生じる構成（特許第４４４５３９７号公報等に記載の構成）としてもよい。ただし、この場合には、第１及び第２の格子の間の距離をタルボ干渉距離に設定する必要がある。また、この場合には、第１の格子を吸収型格子に代えて、位相型格子を用いることが可能であり、第１の格子に代えて用いた位相型格子は、タルボ干渉効果により生じる自己像を、第２の格子の位置に形成する。

さらに、本発明は、医療診断用の放射線撮影システムに限定されず、工業用等のその他の放射線撮影システムに適用することが可能である。また、放射線として、Ｘ線以外に、ガンマ線等を用いることも可能である。

１０ Ｘ線撮影システム
２０ Ｘ線画像検出器
２１ 第１の格子
２１ａ Ｘ線吸収部
２１ｂ Ｘ線透過部
２２ 第２の格子
２２ａ Ｘ線吸収部
２２ｂ Ｘ線透過部
５０ 位相微分像生成部
５２ 減算処理部
５６ 走査位置ズレ量算出
５７ 走査位置補正部

Claims (12)

1. 格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子と、
   前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を格子線方向に直交する方向に変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段と、
   前記各走査位置において、放射線源から放射された放射線を、前記第１及び第２の格子を介して撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、
   前記画像データの画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、
   被検体を配置せずに撮影を行うプレ撮影と、被検体を配置して撮影を行う本撮影との間で、前記強度変調信号の差異を検出することにより、前記プレ撮影と前記本撮影との間での前記各走査位置のズレ量を算出する走査位置ズレ量算出手段と、
   前記位相微分像生成手段により位相微分像を生成する際に用いられる前記各走査位置を、前記走査位置ズレ量算出手段により算出されたズレ量を用いて、前記本撮影または前記プレ撮影のいずれか一方の場合に補正する走査位置補正手段と、
   前記本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第１の位相微分像から、前記プレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を減算する減算手段と、
   を備えることを特徴とする放射線撮影システム。
2. 走査位置ズレ量算出手段は、前記放射線画像検出器の複数の画素に対応する強度変調信号を用いて前記各走査位置のズレ量を統計的に算出することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮影システム。
3. 前記放射線画像検出器は、前記放射線源から放射された放射線が被検体を透過せずに入射する素抜け領域が区分されており、前記複数の画素は、前記素抜け領域に属するものであることを特徴とする請求項２に記載の放射線撮影システム。
4. 前記走査位置ズレ量算出手段は、前記複数の画素について前記各走査位置のズレ量を算出し、該ズレ量に対する画素数の度数分布のピーク位置、平均値、または中央値を検出することにより、前記各走査位置のズレ量を決定することを特徴とする請求項２または３に記載の放射線撮影システム。
5. 前記走査位置ズレ量算出手段は、同一画素における前記本撮影時及び前記プレ撮影時の強度変調信号について、一方の強度変調信号について隣接する走査位置間を補間し、この補間された強度変調信号を基準として、他方の強度変調信号とのズレ量を前記各走査位置ごとに算出することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
6. 前記補間は、線形補間であることを特徴とする請求項５に記載の放射線撮影システム。
7. 前記走査位置ズレ量算出手段は、前記一方の強度変調信号について外挿を行い、１周期以上の信号とすることを請求項５または６に記載の放射線撮影システム。
8. 前記位相微分像生成手段は、最小二乗に基づく計算式を用いて強度変調信号の位相ズレ量を算出することを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
9. 前記位相微分像生成手段により生成された位相微分像を、前記相対位置の変更方向に沿って積分処理することにより位相コントラスト画像を生成する位相コントラスト画像生成手段を備えることを特徴とする請求項１から８いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
10. 前記第１の格子は、吸収型格子であり、前記放射線源から入射した放射線を幾何光学的に前記第２の格子に投影することを特徴とする請求項１から９いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
11. 前記第１の格子は、位相型格子であり、タルボ干渉効果により前記放射線源から入射した放射線にタルボ干渉効果を生じさせ、前記第２の格子の位置に自己像を形成することを特徴とする請求項１から９いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
12. 格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子と、前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を格子線方向に直交する方向に変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段と、前記各走査位置において、放射線源から放射された放射線を、前記第１及び第２の格子を介して撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、前記画像データの画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、を備えた放射線撮影システムに用いられる画像処理方法において、
    被検体を配置せずに撮影を行うプレ撮影と、被検体を配置して撮影を行う本撮影との間で、前記強度変調信号の差異を検出することにより、前記プレ撮影と前記本撮影との間での前記各走査位置のズレ量を算出し、
    前記位相微分像生成手段により位相微分像を生成する際に用いられる前記各走査位置を、前記ズレ量を用いて、前記本撮影または前記プレ撮影のいずれか一方の場合に補正し、
    前記本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第１の位相微分像から、前記プレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を減算することを特徴とする画像処理方法。

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