JP2013042983A

JP2013042983A - トモシンセシス撮像装置及びトモシンセシス画像の撮像方法

Info

Publication number: JP2013042983A
Application number: JP2011183406A
Authority: JP
Inventors: Einosuke Ito; 英之助伊藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-03-04

Abstract

【課題】モアレのビジビリティ低下を抑制することができ、高画質な位相像や微分位相像を取得することが可能となるトモシンセシス撮像装置及びトモシンセシス画像の撮像方法を提供する。
【解決手段】被検査物内部の奥行き情報を取得するトモシンセシス撮像装置であって、
遮蔽格子は、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成され、
２つの部分遮蔽格子を周期の方向に移動させ、積層による部分遮蔽格子間の各遮蔽部の重なり状態を制御する制御手段を備え、
電磁波源の回転による電磁波源の入射方向に応じて、制御手段により各遮蔽部の重なり状態を制御し、
電磁波源から出射され遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、各遮蔽部による遮蔽を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トモシンセシス撮像装置及びトモシンセシス画像の撮像方法に関し、特にトールボット干渉計を用いたトモシンセシス撮像装置に関する。

トールボット干渉法は光やＸ線を含む様々な波長の電磁波の干渉を用いて被検体の形状や組成を計測する方法であり、一般に、電磁波源、回折格子、検出器を備える撮像装置が用いられる。
ここで、トールボット干渉法の原理について簡単に説明する。
まず、電磁波源から位相波面の揃った、つまりコヒーレントな入射波を被検体に対し照射する。
被検体を透過した電磁波は被検体の形状や組成によって波面が変化する。
この波面変化が起きた電磁波が回折格子によって回折されると、回折格子からトールボット距離と呼ばれる特定の距離はなれた位置に干渉パターンが形成される。
この干渉パターンを検出器によって検出し、解析することによって被検体によって変化した位相波面（以下、位相像と呼ぶ。）またはその位相波面の微分像（以下、微分位相像と呼ぶ。）を得ることができる。

また、特許文献１に記載されているように、電磁波を透過させる透過部と遮蔽する遮蔽部が周期的に配置された遮蔽格子を、干渉パターンが生じる位置に配置することでモアレを形成し、該モアレを検出し、解析して被検体の位相像や微分位相像を得る方法もある。
この方法を用いると、干渉パターンの周期よりも空間分解能が大きい検出器を用いることができるため、電磁波としてＸ線を用いるトールボット干渉法（以下、Ｘ線トールボット干渉法と呼ぶ。）を用いた撮像装置に良く用いられる。
また、電磁波を複数の光源に分割する光源格子を備えた干渉計を、トールボット・ラウ干渉計という。

Ｘ線撮像診断装置には、被検体内部の奥行き情報を取得する方法の一つとして、トモシンセシスがあり、近年マンモグラフィ装置等で実用化されている。
特許文献２に記載されるように、トモシンセシスは、ＣＴ（コンピューター断層撮影）法とは異なり、Ｘ線管だけを、またはＸ線管と検出器を、最大５０度程度回転すればよく、装置の大型化の必要がなく被検体内部の奥行き情報を取得することができる。

特開２０１０−１６４３７３号公報国際公開９３／２２８９３号パンフレット

トールボット干渉計を用いたトモシンセシス撮像装置を構成する際に、電磁波源の回転角度がある回転角以上に達すると、遮蔽格子に入射する電磁波はそのほとんどが遮蔽格子の電磁波吸収体によって遮蔽されてしまう。
これによって、回折格子と遮蔽格子によって形成されるモアレの強度分布から計算されるビジビリティが低下し、得られる被検体の位相像や微分位相像の画質が低下する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑み、モアレのビジビリティ低下を抑制することができ、高画質な位相像や微分位相像を取得することが可能となるトモシンセシス撮像装置及びトモシンセシス画像の撮像方法の提供を目的とする。

本発明のトモシンセシス撮像装置は、
回転可能に構成された電磁波源と、
前記電磁波源から出射された電磁波を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折された前記電磁波の一部を遮る遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記電磁波の強度分布を検出する検出手段と、
を備え、前記検出手段で検出された情報に基づき被検査物内部の奥行き情報を取得するトモシンセシス撮像装置であって、
前記遮蔽格子は、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成され、
前記２つの部分遮蔽格子を前記周期の方向に移動させ、前記積層による部分遮蔽格子間の各遮蔽部の重なり状態を制御する制御手段を備え、
前記電磁波源の回転による電磁波源の入射方向に応じて、前記制御手段により前記各遮蔽部の重なり状態を制御し、
前記電磁波源から出射され前記遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、前記各遮蔽部による遮蔽を抑制することを特徴とする。
また、本発明のトモシンセシス画像の撮像方法は、
回転可能に構成された電磁波源と、
前記電磁波源から出射された電磁波を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折された前記電磁波の一部を遮る遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記電磁波の強度分布を検出する検出手段と、
を備え、前記検出手段で検出された情報に基づき被検査物内部の奥行き情報を取得するトモシンセシス画像の撮像方法であって、
前記遮蔽格子として、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成された遮蔽格子を用いて前記トモシンセシス画像を撮像するに際し、
前記電磁波源を回転させる工程と、
前記電磁波源の回転に応じて、前記回折格子の姿勢を制御する工程と、
前記電磁波源の入射方向に応じて、前記各遮蔽部の重なり状態を制御し、
前記電磁波源から出射され前記遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、前記各遮蔽部により遮蔽されることを抑制する工程と、
前記電磁波源の回転に応じて、前記検出手段の姿勢を制御する工程と、
を有することを特徴とする。

本発明によれば、モアレのビジビリティ低下を抑制することができ、高画質な位相像や微分位相像を取得することが可能となるトモシンセシス撮像装置及びトモシンセシス画像の撮像方法を実現することができる。

本発明の実施形態に係るＸ線トモシンセシス撮像装置の構成例を説明する図である。本発明の実施形態に係る２次元回折格子を説明する図である。本発明の実施形態に係る部分遮蔽格子の積層状態を説明する図である。本発明の実施形態に係る２次元遮蔽格子を説明する図である。本発明の実施形態に係る代表的な回転角度におけるＸ線トモシンセシス撮像装置を説明する図である。

以下に、本発明の実施形態のトモシンセシス撮像装置の構成例について説明する。
本実施形態のトモシンセシス撮像装置は、回転可能に構成された電磁波源と、前記電磁波源から出射された電磁波を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された前記電磁波の一部を遮る遮蔽格子と、を備える。
そして、この遮蔽格子を経た前記電磁波の強度分布を検出手段で検出し、この検出された情報に基づき被検査物内部の奥行き情報を取得するように構成されている。
これらを図を用いて説明するが、以下に説明する各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態では、本発明を、Ｘ線トールボット干渉法を用いたＸ線トモシンセシス撮像装置に適用した場合について説明する。
図１は本実施形態におけるＸ線トモシンセシス撮像装置の構成例を説明する図である。
図１に示したＸ線トモシンセシス撮像装置は、Ｘ線源１１０と、Ｘ線源からのＸ線を回折する回折格子１３０と、回折格子１３０によって回折されたＸ線の一部を遮蔽する遮蔽格子１５０と、遮蔽格子を経たＸ線を検出する検出器（検出手段）１７０を備えている。
遮蔽格子１５０は、少なくとも２つの部分遮蔽格子３０１（図３参照）から構成される。
更に、検出器の検出結果に基づいて演算を行う演算装置１８０と、Ｘ線源１１０と回折格子１３０と遮蔽格子１５０と部分遮蔽格子３０１の姿勢を制御する制御部（制御手段）１９０を備えている。
この制御部によって、例えば、電磁波源の回転に応じて、遮蔽格子の格子面と前記回折格子の格子面を平行に姿勢を制御し、かつ電磁波の入射方向に対して回折格子の格子面方向に姿勢を制御することができる。
また、電磁波源の回転に応じて、電磁波入射方向に対して回折格子の格子面が垂直になるように回折格子の姿勢を制御することができる。
そして、本実施形態の撮像装置は、被検体（被検査物）１２０の位相情報をモアレとして撮像する。

以下に、上記各構成について更に具体的に説明する。
本実施形態の撮像装置は、電磁波源としてＸ線源１１０を備えている。
Ｘ線源１１０から発生したＸ線１１１が被検体１２０を透過すると、被検体１２０の組成や形状に応じてＸ線１１１に位相の変化及び吸収が生じる。
Ｘ線源としては、連続Ｘ線を発生させるＸ線源を用いても、特性Ｘ線を発生させるＸ線源を用いても良い。
また、波長としては、０．１Å以上５Å以下のものから適宜選択される。
また、Ｘ線源１１０から出射したＸ線の経路上に、波長選択フィルタやＸ線を細いビームに分割するための線源用の光源格子を適宜設けても良い。

また、回折格子１３０は、位相進行部１３１と位相遅延部１３２が周期的に配置されており、Ｘ線１１１を回折することで、明部と暗部を有する干渉パターン１４０を形成する。
図１では回折格子１３０は、被検体１２０と遮蔽格子１５０の間に配置されているが、Ｘ線源と被検体の間に配置しても良い。
回折格子１３０を被検体１２０と遮蔽格子１５０の間に配置すると、被検体により位相波面が変化したＸ線が回折されることで被検体の位相情報を持った干渉パターンが形成される。
一方、Ｘ線源と被検体の間に回折格子を配置すると、回折格子によって回折されたＸ線の位相波面が被検体により変化することで被検体の位相情報を持った干渉パターンが形成される。

位相進行部１３１と位相遅延部１３２は、透過したＸ線に対して位相差がつくように形成されていれば良い。
一般的には、位相遅延部１３２を透過したＸ線と、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相差がπ、またはπ／２である。前者をπ回折格子、後者をπ／２回折格子と称する場合もある。
但し、位相遅延部１３２を透過したＸ線と、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相差は、πやπ／２でなくても、Ｘ線を回折する領域内で一定であれば良く、例えば、透過したＸ線の位相差がπ／３でも良い。

位相進行部１３１と位相遅延部１３２は１次元周期を持つように配置されていても良いし、２次元周期を持つように配置されていても良い。
位相進行部１３１と位相遅延部１３２が２次元周期を持つように配置されている例として、図２（ａ）に示すように位相進行部２２０と位相遅延部２１０が市松格子状に配置されている回折格子２０１が挙げられる。
他にも、図２（ｂ）に示すような位相進行部２２０と位相遅延部２１０が井桁格子状に配置されている回折格子２０１挙げられる。
しかし、位相進行部１３１と位相遅延部１３２の配置方法や形状はこれらに限定されるものではなく、例えば位相進行部や位相遅延部の外縁が円形状であっても回折格子として利用することが可能である。

回折格子１３０が１次元の周期を有する場合には、被検体１２０の１次元方向の位相勾配情報しか取得できない。
しかし、回折格子１３０が２次元の周期を有する場合には、２次元方向の位相勾配情報を取得することができるため、より正確に被検体の位相情報を得ることができる。
なお、回折格子１３０を構成する材料はＸ線を透過する物質であることが好ましく、例えば、シリコン等を用いることができる。

Ｘ線が回折格子１３０に回折されることで形成される干渉パターンは、Ｘ線源１１０と回折格子１３０との距離をＺ₀とすると、回折格子１３０からの距離Ｚ₁が下記の式（１）を満たしている位置に最も明瞭に現れる。
式（１）において、λはＸ線の波長、ｄは回折格子１３０の格子周期である。

Ｎは回折格子の形態により異なる値であり、以下のように表現できる実数である。なお、ｎは自然数である。
１次元配列のπ回折格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
１次元配列のπ／２回折格子：Ｎ＝ｎ−１／２
２次元配列の市松模様π回折格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
２次元で市松模様π／２回折格子：Ｎ＝ｎ／２−１／４
本実施形態の遮蔽格子は、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成される。
具体的には、遮蔽格子１５０は、透過部１５１と遮蔽部１５２を備え、少なくとも２つの部分遮蔽格子３０１から構成される。この部分遮蔽格子３０１は周期的に配置された透過部３５０と遮蔽部３６０を有し、干渉パターン１４０の明部の一部を遮光することでモアレを形成する。
そのため、回折格子１３０から距離Ｚ₁だけ離れた位置に設けられることが好ましいが、製造誤差程度であれば遮蔽格子の配置位置がずれていてもモアレを形成することができる。
なお、図１では説明の都合上、干渉パターン１４０と遮蔽格子１５０を離して記載している。

部分遮蔽格子は、図３に示すように、格子の周期が互いに異なることによって、Ｘ線源から出る球面波に対応することができる。
部分遮蔽格子の格子面の１辺をＬとし、１番目の部分遮蔽格子３０１の周期をｐ１、２番目の部分遮蔽格子３１０の周期をｐ２とすると、以下の条件式（２）を満たす必要がある。

但し、Ｘ線吸収体部分の面積がＸ線透過部分の面積に比べて小さくする場合は、この限りではない。
なお、遮蔽格子の透過部１５１はＸ線の一部が透過可能に構成されていればよく、開口が貫通している必要はない。
また、遮蔽格子の遮蔽部１５２は干渉パターン１４０が形成される位置に遮蔽格子が配置された時にモアレが生じる程度にＸ線を遮蔽すれば良く、Ｘ線を完全に遮蔽しなくても良い。この遮蔽部１５２を構成する材料として、例えば、金を用いることができる。

遮蔽格子１５０の周期は、干渉パターンと同一、または僅かに異なる。
干渉パターンと同一の周期を持つ遮蔽格子を用いた場合、干渉パターンに対して遮蔽格子を面内回転させることによってモアレが発生する。
干渉パターンの周期をＤ、干渉パターンの明暗の周期方向と遮蔽格子の周期方向のなす角をθ（但し、θ＜＜１ラジアン）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ／θとなる。
一方、干渉パターンと僅かに異なる周期を持つ遮蔽格子を用いた場合、遮蔽格子の面内回転を行なうことなくモアレが発生する。
遮蔽格子の周期をＤａ＝Ｄ＋δ（但し、δ＜＜Ｄ）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ²／δとなる。

部分遮蔽格子は、Ｘ線トモシンセシス撮像装置におけるＸ線源の回転角度に応じて、互いに１周期以内の範囲で周期方向に移動することができる。
部分遮蔽格子が移動することによって、部分遮蔽格子の遮蔽部が積層した遮蔽部は、Ｘ線の入射方向に向かって一直線上に配列する。
遮蔽格子１５０において、透過部１５１と遮蔽部１５２は、１次元周期的に配列されていてもよいし、また２次元周期的に配列されていてもよい。
例えば、図２（ａ）に示した市松格子状の回折格子であって、π回折格子を用いた場合には、図４（ａ）のように透過部４２０と遮蔽部４１０が２次元的に配列されている井桁格子状の遮蔽格子４０１を用いることができる。
また、図２（ｂ）に示した井桁格子状のπ／２回折格子を用いた場合には、図４（ｂ）のように透過部４２０と遮蔽部４１０が２次元的に配列されている市松格子状の遮蔽格子４０１を用いることができる。
なお、上記の組合せは一例であり、回折格子と遮蔽格子は種々の組合せが可能である。

前記遮蔽格子１５０を透過したＸ線の干渉パターンの情報はモアレの強度分布として、Ｘ線検出器１７０によって検出される。
Ｘ線検出器１７０は、Ｘ線のモアレを撮像することのできる撮像素子である。
検出器として、例えば、デジタル信号への変換が可能なＦＰＤ（ＦｌａｔＰａｎｅｌＤｅｔｅｃｔｏｒ）等を用いることができる。

本実施形態の制御部は、上記２つの部分遮蔽格子を周期方向に移動させ、部分遮蔽格子間の各遮蔽部の重なり状態を制御する。
その際、電磁波源の回転による電磁波源の入射方向に応じて、この制御手段により各遮蔽部の重なり状態を制御し、電磁波源から出射され遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、各遮蔽部による遮蔽を抑制するように構成されている。
具体的には、本実施形態の制御部は、被検体（被検査物）を中心として回転するＸ線源の回転に応じて、回折格子、遮蔽格子及び検出器の姿勢を制御する。
Ｘ線源の被検体を中心とした回転角は最大で左右に２０度ずつで、この範囲内で２度ずつ姿勢を制御して撮像を行ない、合計１１回の撮像を行なう。
Ｘ線源の被検体を中心とした回転角をθ、正位置（検収器面からの垂線状にＸ線源があるとき）でのＸ線源から被検体の中心までの距離をａ、被検体の中心から回折格子面までの距離をｂ、回折格子面から遮蔽格子面までの距離をｃとするとき、
Ｘ線源の回転による回折格子、遮蔽格子、検出器の姿勢の制御量は、次のようになる。
回折格子の格子面上に沿った平行移動量はｂｔａｎθであり、遮蔽格子および検出器の検出器面上に沿った平行移動量は（ｂ＋ｃ）ｔａｎθである。
但し、遮蔽格子と検出器同士は、極めて近い位置に配置するものとする。
例えば、図５に示すように、Ｘ線源から被検体の中心までの距離を１３５０ｍｍ、被検体の中心から回折格子面までの距離を１０ｍｍ、回折格子面から遮蔽格子面までの距離を１２５ｍｍとする。
そして、正位置から正方向に１５度、負方向に１５度回転した場合のＸ線源の回転による回折格子、遮蔽格子、検出器の姿勢の制御量を計算する。
回折格子は格子面上に沿った平行移動量は２．７ｍｍ、遮蔽格子および検出器の検出器面上に沿った平行移動量は３６ｍｍとなる。

演算装置１８０は、検出器１７０で検出されたモアレの強度分布をフーリエ変換することで空間周波数スペクトルを算出する。
次に、基本周期成分の周波数（以後、キャリア周波数と呼ぶ）に対応するスペクトルを用いて位相回復処理を行い、微分位相像や位相像を得る。演算装置１８０は例えばＣＰＵを有する。
本実施形態のＸ線撮像装置は演算部を有しているが、検出器で検出した情報を基にフーリエ変換と位相回復処理が行えれば、演算装置とＸ線撮像装置が別に設けられていても良い。
また、位相回復方法は、特許文献１に記載の縞走査回復法を用いてもよい。

上記の位相回復処理演算は、Ｘ線源の回転に応じた各ステップについて行ない、シフト加算法によりトモシンセシス画像の再構成を行なう。
シフト加算法とは、撮像された一連の画像に対して、各々の画像を走査方向に適量シフトし、画像を重ね合わせることで、任意の断面の画像を構成する方法である。
また、演算装置と表示部を接続してＸ線撮像システムを構成しても良い。
但し、本明細書においては、演算装置を含めたＸ線撮像装置と、その演算装置の演算結果に基づいた画像を表示する表示部をまとめてＸ線撮像システムと呼ぶ。以上の本実施形態の構成によれば、遮蔽格子を構成する部分遮蔽格子のうちの少なくともいずれか１つの姿勢を制御することにより、高画質な位相像や微分位相像を得ることが可能となる。

１１０：Ｘ線源
１１１：Ｘ線
１２０：被検体（被検査物）
１３０：回折格子
１３１：位相進行部
１３２：位相遅延部
１４０：干渉パターン
１５０：遮蔽格子
１５１：透過部
１５２：遮蔽部
１７０：検出器（検出手段）
１８０：演算装置
１９０：制御部（制御手段）

Claims

回転可能に構成された電磁波源と、
前記電磁波源から出射された電磁波を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折された前記電磁波の一部を遮る遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記電磁波の強度分布を検出する検出手段と、
を備え、前記検出手段で検出された情報に基づき被検査物内部の奥行き情報を取得するトモシンセシス撮像装置であって、
前記遮蔽格子は、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成され、
前記２つの部分遮蔽格子を前記周期の方向に移動させ、前記積層による部分遮蔽格子間の各遮蔽部の重なり状態を制御する制御手段を備え、
前記電磁波源の回転による電磁波源の入射方向に応じて、前記制御手段により前記各遮蔽部の重なり状態を制御し、
前記電磁波源から出射され前記遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、前記各遮蔽部による遮蔽を抑制することを特徴とするトモシンセシス撮像装置。
前記電磁波源から出射された電磁波を分割する光源格子を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
前記制御手段は、前記電磁波源の回転に応じて、前記遮蔽格子の格子面と前記回折格子の格子面を平行に姿勢を制御し、かつ前記電磁波の入射方向に対して前記回折格子の格子面方向に姿勢を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトモシンセシス撮像装置。
前記制御手段は、前記電磁波源の回転に応じて、電磁波入射方向に対して前記回折格子の格子面が垂直になるように前記回折格子の姿勢を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のトモシンセシス撮像装置。
前記電磁波が、Ｘ線であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のトモシンセシス撮像装置。
回転可能に構成された電磁波源と、
前記電磁波源から出射された電磁波を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折された前記電磁波の一部を遮る遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記電磁波の強度分布を検出する検出手段と、
を備え、前記検出手段で検出された情報に基づき被検査物内部の奥行き情報を取得するトモシンセシス画像の撮像方法であって、
前記遮蔽格子として、透過部と遮蔽部とが周期的に配列され、これらの周期が互いに異なる周期を有する、少なくとも２つの部分遮蔽格子の積層によって構成された遮蔽格子を用いて前記トモシンセシス画像を撮像するに際し、
前記電磁波源を回転させる工程と、
前記電磁波源の回転に応じて、前記回折格子の姿勢を制御する工程と、
前記電磁波源の入射方向に応じて、前記各遮蔽部の重なり状態を制御し、
前記電磁波源から出射され前記遮蔽格子の透過部を透過する電磁波が、前記各遮蔽部により遮蔽されることを抑制する工程と、
前記電磁波源の回転に応じて、前記検出手段の姿勢を制御する工程と、
を有することを特徴とするトモシンセシス画像の撮像方法。