JP2015078976A - Ｘ線撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて高分解能あるいは高速撮像が可能なＸ線撮像システムを提供する。
【解決手段】本発明によるＸ線撮像システムは、微小Ｘ線源アレが有するそれぞれの微小Ｘ線源をさらに微小な複数のＸ線源に変換するための線源格子と、前記線源格子を通過したＸ線を回折し干渉パターンを形成するビームスプリッター格子と、前記干渉パターンとのあいだでモアレを形成するパターンを有するアナライザー格子と、前記干渉パターンと前記アナライザー格子のパターンのあいだで形成されたモアレを画像化するＸ線検出器と、を有するＸ線撮像システムである。
【選択図】図３

Description

本発明は、Ｘ線撮像システムに関する。

従来、被検体のＸ線透過率分布を検出することにより被検体の内部構造を観察する撮像手法が広く利用されている。一方近年では、Ｘ線が被検体を通過する際の位相シフト分布を検出することにより撮像を行う技術の研究開発が進められている。このような技術の一つにトールボット干渉法がある。

トールボット干渉法では、被検体とビームスプリッター格子を通過したＸ線の作る干渉パターンをアナライザー格子とＸ線検出器を用いて検出することで撮像を行う。被検体を透過したＸ線の位相シフト分布に従い、あるいは別の表現をすれば被検体を透過したＸ線の屈折の仕方に従い、干渉パターンに歪みが発生する。そのため、撮像されたパターンを解析することにより、被検体を透過したＸ線の位相分布などを得ることができる。

トールボット干渉法において干渉パターンを得るためには干渉性の高いＸ線を使用する必要があるため、例えば高出力のＸ線管などにより形成される実効サイズが数百μｍ以上となるようなＸ線源をそのままＸ線源として使用することは通常できない。

このため、特許文献１ではビームスプリッター格子の上流にもう一枚の格子を設置する方法を提案している。このもう一枚の格子のことを本明細書では線源格子と呼ぶことがある。線源格子は、線状又は点状に形成されたＸ線透過部とＸ線遮蔽部から成る。線源格子上の線状Ｘ線透過部の幅あるいは点状Ｘ線透過部の径は十分に小さいため、個々のＸ線透過部を通過したＸ線は高い干渉性を有することができ、ビームスプリッター格子による干渉パターンを形成することができる。さらに、Ｘ線透過部は一定の規則に従って配置されているため、これらを通過したＸ線の作る干渉パターンは互いにパターン周期の整数倍の位置ずれを持つ位置関係で重なり合う。これにより、Ｘ線源のサイズが大きい場合でも干渉パターンを得ることが可能となる。このような線源格子を使用するトールボット干渉計のことをトールボット・ロー干渉計と呼ぶことがある。

また、別の解決方法として、特許文献２では符号化線源イメージング（Ｃｏｄｅｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ）法を利用する方法を提案している。
符号化線源イメージング法は、Ｘ線源の形状を制御することにより、撮像システムの点拡がり関数（ＰＳＦ（Ｐｏｉｎｔ Ｓｐｒｅａｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ぶ）を制御し、撮像システムの空間分解能向上等を可能にする撮像方法である（非特許文献１）。符号化線源イメージング法におけるＰＳＦ制御の効果は、ＰＳＦのフーリエ変換の絶対値である変調伝達関数（ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）と呼ぶ）により評価できる。尚、本明細書においてＭＴＦは周波数座標の原点における値を１として規格化した値を用いるものとする。また、符号化線源イメージング法において用いられるような特徴的なＰＳＦによりコンボリューションされた被検体画像は通常そのままでは利用できない画像であるため、原則として何らかのデコンボリューション処理を施した上で最終的な被検体画像を取得する。このような符号化線源イメージング法におけるデコンボリューション処理のことを復号処理と呼ぶこともある。トールボット干渉計においては画像形成の過程が通常のＸ線撮像とは異なりより複雑であるものの、符号化線源イメージング法の原理を近似的に用いることができる。

また、符号化線源イメージング法において用いられるＸ線源の形状として一般的なのは
、多数の微小なＸ線源の集合から成るような形状である。このようなＸ線源は例えば多数の微小なピンホールを有するＸ線遮蔽マスクを用いることにより得ることができる。尚、このような多数の微小なピンホールを有するＸ線遮蔽マスクのことを符号化開口マスクと呼ぶことがある。

前述の特許文献２では、特許文献１における線源格子の代わりに符号化開口マスクを用いることで、符号化線源イメージング法の原理により干渉パターン形成に関するＭＴＦを高め、干渉パターンの情報を伝達する方法を提案している。ただし、ここで問題となっているＭＴＦは、符号化線源の形状が所謂幾何学的不鋭の効果によりアナライザー格子上における干渉パターン形成に関して与える影響を表現したＭＴＦである。トールボット干渉計では干渉パターンをアナライザー格子との間に発生するモアレに変換し、干渉パターンを直接取得できるような空間分解能を持たない検出器により検出することが多い。この場合、最終的に検出される画像においては干渉パターンの基本周波数成分も含む一定以上の高周波数成分は失われることになる。よって、特許文献２が問題としているＭＴＦは、撮像システム全体に関するＭＴＦとは正確には異なる。

米国特許第５８１２６２９号明細書 米国特許第７９２０６７３号明細書

Ａ． Ｌ． Ｄａｍａｔｏ ｅｔ ａｌ．， "Ｃｏｄｅｄ Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ ｆｏｒ Ｎｅｕｔｒｏｎｓ ａｎｄ Ｘ−Ｒａｙｓ" ２００６ ＩＥＥＥ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｒｅｃｏｒｄ， １９９‐２０３

一般に、トールボット干渉法では被検体とビームスプリッター格子は近接していることが望ましい。また、被検体及びビームスプリッター格子の位置とアナライザー格子とは数百ｍｍ以上離れていることが望ましい。このため、結果として被検体とＸ線検出器とは数百ｍｍ以上離れていることが一般的である。これにより、Ｘ線源が有限の大きさを持つことに起因する幾何学的不鋭の効果により、被検体に対する干渉計の空間分解能が低下することがあった。

幾何学的不鋭の効果による空間分解能の低下はよりサイズの小さいＸ線源を使用することで低減することができるが、これは単位時間当たりのＸ線発生量の低下を伴うため、撮像時間の増大を招く。これとは逆に、よりサイズの大きいＸ線源を用いることで高速撮像が可能となるが、これは幾何学的不鋭の効果の増大を伴い、空間分解能の低下を招いてしまう。

特許文献２に記載の方法では、符号化線源イメージング法の原理を用いて干渉パターンの情報を伝達可能にすると同時に、通常の線源格子を用いる場合に比べて被検体画像の取得に関する撮像システムの空間分解能を向上させることも原理的には可能である。
しかしながら、干渉パターンの周期とＸ線検出器の画素サイズとでは通常後者の方が大きく、その大きさの比は一桁程度であることが多い。より具体的には、干渉パターンの周期が通常数μｍであるのに対し、画素サイズは数十μｍであることが多い。
よって、干渉パターンの形成のためには数μｍ周期に対応する周波数成分が十分に伝達されることが重要であり、一方、最終的に検出される画像の鮮鋭度や撮像システムの空間
分解能を有意に向上させるためには、通常は画素サイズの数倍に相当する数十〜数百μｍ周期に対応する周波数成分が十分に伝達されることが重要であることが本発明の発明者によって分かった。

したがって、ショットノイズを始めとするノイズの存在下において干渉パターン情報を伝達しながら被検体に対する空間分解能をも有意に向上させるには、被検体の情報を含む周期パターンの像形成に関して、数μｍの周期と数十〜数百μｍの周期付近に対応するＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ）値を同時かつ十分に向上させる必要がある。このようなＭＴＦを実現するには、例えばランダムアレイなどの一般的な符号化開口パターンを持つ符号化開口マスクでは十分ではないことが多いことが本発明の発明者の検討により分かった。

そこで本発明は、上述のような課題を解決し、従来に比べて高分解能あるいは高速撮像が可能なＸ線撮像システムを提供することを目的とする。

本発明は、微小Ｘ線源アレイが有するそれぞれの微小Ｘ線源を、さらに微小な複数のＸ線源に変換するための線源格子と、前記線源格子を通過したＸ線を回折し干渉パターンを形成するビームスプリッター格子と、前記干渉パターンとのあいだでモアレを形成するパターンを有するアナライザー格子と、前記干渉パターンと前記アナライザー格子のパターンのあいだで形成されたモアレを画像化するＸ線検出器と、を有するＸ線撮像システムを提供する。

本発明によれば、従来に比べて高分解能あるいは高速撮像が可能なＸ線撮像システムを提供することができる。

符号化線源パターンの例を示した図。 図１の符号化線源パターンに対応するＭＴＦ曲線の例を示した図。 第１実施形態のＸ線撮像システムを表した模式図。 第２実施形態のＸ線撮像システムを表した模式図。 第３実施形態におけるＸ線管の構造の例を表した模式図。 実施例１における符号化開口マスクと線源格子の例を示した図。 実施例１により得られるモアレ画像の例と、その復号結果を示した図。 実施例１により得られるモアレ解析結果の例を示した図。 実施例２おける符号化開口マスクの機能を有する線源格子の例を示した図。 実施例４により得られるモアレ画像の例を示した図。 実施例４により得られるモアレ解析結果の例とその復号結果を示した図。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、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。

本発明は、トールボット干渉法を利用したＸ線撮像システムにおいて、符号化線源イメージング法を利用することで、従来に比べて高分解能あるいは高速撮像が可能なシステムを提供することを目的としている。
ただし上述のように、線源格子を符号化開口マスクにより置き換えたとしても、ショットノイズを始めとするノイズの存在下において干渉パターン情報を伝達しながら被検体に対する空間分解能をも有意に向上させるのは難しいことが、本発明の発明者によって分か
った。少なくともランダムアレイなどの一般的な符号化線源パターンでは、そのような目的を達成できない。以下ではまず、簡単な例を用いてこれを説明する。

図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、典型的なランダムアレイ状の符号化線源パターンを表している。ここでは、正方格子を基本構造とし、その格子点上に１／２の確率で円形の微小線源(白色部)が配置された構造を想定している。また、円形線源の径は格子周期の１／２としている。また、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）の全体サイズは等しく、それぞれ４×４、８×８、１６×１６の格子点が収まるような形でパターンが形成されている。

幾何学的不鋭の効果を表すＰＳＦは、被検体の配置される位置に径の十分に小さい（ただし、回折の影響が顕著に生じない程度に大きい）単一のピンホールを配置してＸ線を照射した際に形成されるＸ線強度分布に実質的に等しい形状を持つ関数であると言える。このため、ＰＳＦの形状と符号化線源の形状とは実質的に同じである。したがって、ここでは図１（Ａ）〜（Ｃ）に示した符号化線源パターンによりもたらされる幾何学的不鋭の効果を表すＰＳＦは、それぞれの符号化線源パターンと同一のパターンを有すると近似的に考えられる。

また一般に、符号化線源イメージング法では微小線源の径により空間分解能が決定されるとされている。これは、個々の微小線源に対応するＰＳＦ像中の個々の明部の径により、ＭＴＦ値が概ねゼロに至る空間周波数（以下、カットオフ周波数と呼ぶことがある）が概ね決定されるということに由来している。これに従えば、例えば図１（Ａ）〜図１（Ｃ）のパターンの比較において最も高いカットオフ周波数が期待できるのは図１（Ｃ）のパターンである。

図２は図１（Ａ）〜図１（Ｃ）のパターンをＰＳＦとみなした際の、それぞれに対応するＭＴＦ曲線の一部を表している。ここでＤ´はＰＳＦ全体の幅（点が分布している正方形領域のおおよその幅）であり、表示しているのは周波数座標の原点を通る１ライン上のＭＴＦ値である。各曲線における空間周波数４／Ｄ´、８／Ｄ´、１６／Ｄ´の位置における高いピークは、各ＰＳＦにおいて基本構造となっている正方格子の基本空間周波数に相当するピークである。

上述のように図１（Ａ）〜図１（Ｃ）のパターンの中で最も高いカットオフ周波数が期待できるのは図１（Ｃ）のパターン（１６×１６）であるが、これは図２におけるＭＴＦ曲線の比較からもある程度見てとれる。したがって、検出される画像データのＳＮ比（シグナルノイズ比）が十分に高い場合、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）のパターンの中で最も高い空間分解能が期待できるのは図１（Ｃ）のパターンである。

しかしながら、検出される画像データのＳＮ比が十分に高くない場合、一定以上のシグナル量と高いＭＴＦ値を持つ周波数領域でしか十分なＳＮ比が得られなくなる。したがってこのような場合、空間分解能は前述の定義に基づくカットオフ周波数だけでは決まらず、低周波領域におけるＭＴＦ値の高低も重要な意味を持つ。

ここで、図２における各ＭＴＦ曲線を再度比較すると、カットオフ周波数の最も高い図１（Ｃ）のパターン（１６×１６）の低周波領域におけるＭＴＦ値は図１（Ａ）のパターン（４×４）のＭＴＦ値に比べ大きく劣っていることが分かる。

この比較から類推できるように、一般に符号化線源パターンにおいて個々の線源を微小化し、同時にそれを補う分だけ微小線源の数を増やした場合、カットオフ周波数は高くなる一方、低周波数領域におけるＭＴＦ値は低下する傾向があると言える。したがって、例えば図１（Ｃ）のパターンは図１（Ａ）のパターンなどに比べて潜在的には高い空間分解
能を実現できる可能性を持っているものの、一定以上のノイズの存在下において空間分解能を有意に向上させることはかえって難しいと言える。

つまり、比較的低周波数の領域におけるＭＴＦ値を大きく高めるためには図１（Ａ）のような粗いパターンが必要となるが、このような粗いパターンでは高周波数領域のＭＴＦ値を大きく高めることができない。一方、高周波数領域のＭＴＦ値を大きく高めるためには図１（Ｃ）のような微小なパターンが必要となるが、このような微小なパターンでは低周波数領域のＭＴＦ値を大きく高めることができない。このように、ランダムアレイ等の一般的な符号化線源パターンを用いて広範な周波数領域にわたりＭＴＦ値を大きく高めることは一般に困難である。

したがって、前述のように微細な周期を持つ干渉パターン情報の伝達と被検体に対する空間分解能の向上を同時に実現することは、両者にとって重要となる空間周波数領域が一桁程度異なることにより、通常は難しいと言える。

本発明の実施形態に係るトールボット干渉計は、符号化Ｘ線源と線源格子の両方を備える。線源格子は、トールボット効果による干渉パターンを形成するために、微小なＸ線透過部を１次元または２次元に一定周期で配置した構成とする。このような線源格子を用いることで、微細な周期を持つ干渉パターン情報の伝達を可能にする。一方の符号化Ｘ線源は、撮像システムの空間分解能を向上すべく、そのＰＳＦ（ＭＴＦ）が所望の形状をもつように（いろいろな空間周波数成分を含むように）複数の微小Ｘ線源のサイズや配置がデザインされた構成とする。典型的には、線源格子のＸ線透過部のサイズ及び周期は、符号化Ｘ線源の各微小Ｘ線源のサイズよりも、十分小さくするとよい。言い換えると、符号化Ｘ線源の各微小Ｘ線源が、線源格子によって、更に小さい複数の超微小Ｘ線源に分割されるとよい。具体的には、線源格子の周期が、符号化Ｘ線源の微小Ｘ線源のサイズの1／５
倍以下であることが好ましく、１／１０倍以下であることがより好ましい。

図３（Ａ）は、本発明の実施形態のトールボット干渉計の構成を模式的に示している。本干渉計は符号化Ｘ線源１と、線源格子２と、ビームスプリッター格子３と、アナライザー格子４と、Ｘ線検出器５と、画像処理装置６と、ビームスプリッター格子移動手段７を有している。符号化Ｘ線源は、微小Ｘ線源のアレイであり、線源格子２は、符号化Ｘ線源１をさらに微小な複数のＸ線源に変換するための格子である。また、ビームスプリッター格子３は、線源格子２（および被検体）を通過したＸ線を回折し干渉パターンを形成する格子であり、アナライザー格子４は、干渉パターンとのあいだでモアレを形成するパターンを有する格子である。線源格子は、Ｘ線透過部とＸ遮蔽部とが配列した格子である。Ｘ線透過部は、あるＸ線透過部を透過したＸ線がビームスプリッター格子により回折されて形成する干渉パターンの明部と暗部のそれぞれが、別のＸ線透過部を透過したＸ線がビームスプリッター格子により回折されて形成する干渉パターンの明部と暗部の夫々と重なり合うように配置されている。ビームスプリッター格子は回折格子であり、周期的にＸ線の位相を変調する位相型の回折格子（位相格子）でも、周期的にＸ線の振幅を変調する振幅型の回折格子(遮蔽格子)でも良いが、Ｘ線の損失が少ないため、位相格子が用いられることが多い。アナライザー格子としては、Ｘ線透過部と遮蔽部とが配列したＸ線遮蔽格子が用いられることが多い。Ｘ線検出器は、Ｘ線を検出することができれば特に問わないが、撮像範囲を広くするために、２次元の強度分布が取得できるＸ線検出器を用いることが望ましい。画像処理装置は例えばプロセッサ、メモリ、記憶装置、入出力装置などを有するコンピュータ、または、論理回路であり、両方を併用しても良い。
尚、これら３枚の格子の形状、Ｘ線検出器、画像処理装置の構成、これらの配置は、良く知られているトールボット・ロー干渉計の設計手法に従って設計すれば良い。
なお、各格子は１次元状の周期構造を有していても良いし、２次元状の周期構造を有していても良い。また、８は被検体を表している。

この構成によれば、微細な干渉パターンを形成する機能は線源格子２が担うことから、符号化Ｘ線源１のパターンは干渉パターンを形成する機能とは独立して自由に選ぶことができる。

またここまでの議論から明らかなように、空間分解能の向上のために必要とされる以上に、符号化Ｘ線源の微小Ｘ線源の径を小さくし、数を増やすと、低周波数の領域のＭＴＦを高めることが難しくなるため好ましくない。

ここで、微小Ｘ線源の径をｄ_Ｓ、符号化Ｘ線源１と被検体８との間の距離をＬ_１、被検体８とＸ線検出器５との間の距離をＬ_２とすると、検出器５上における被検体像の形成に関するＰＳＦにおいて個々の極大部分（ローブ）の径ｄ_Ｌはｄ_Ｌ＝（Ｌ_２／Ｌ_１）×ｄ_Ｓと概ね表せる。検出器５により像を検出する際、画素サイズ（画素ピッチ）の２倍の周期に相当するナイキスト周波数を超える周波数は通常検出できないことから、例えば画素サイズよりもｄ_Ｌを小さくすることは空間分解能の向上にほとんど寄与しないと考えられる。したがって、検出器５の画素サイズをｄ_Ｐとすると、ｄ_Ｌ＞ｄ_Ｐが成立することが望ましい。すなわち、
ｄ_Ｓ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐ （式１）
であることが望ましい。

また、本構成により幾何学的不鋭の効果による空間分解能の低下を低減できることから、通常よりも高拡大率の撮像系が利用しやすくなる。ここで拡大率は通常（Ｌ_１＋Ｌ_２）／Ｌ_１により決定されるが、拡大率向上のために例えばＬ_１＜Ｌ_２となるように設計しても良い。

一方、トールボット干渉計においては線源格子２からアナライザー格子４までの距離が長く、ビームスプリッター格子３が被検体に近接していることが微分位相計測に関する感度の観点から望ましい。
したがって、本発明では一般的な設計のトールボット・ロー干渉計を利用することもできるが、Ｌ_１＜Ｌ_２となるような高拡大率系に対しては、線源格子２からビームスプリッター格子３までの距離がビームスプリッター格子３からアナライザー格子４までの距離よりも短い設計がより適している。このような設計は、インバース配置とも呼ばれる。このような撮像系の利点は、高い空間分解能が得やすいことと、アナライザー格子４の周期が相対的に大きくなることにより、通常最大の面積が要求されるアナライザー格子４の作製難度を緩和できることである。尚、図３（Ａ）はこのようなインバース配置のトールボット・ロー干渉計を想定して描かれている。

以下、第１実施形態では符号化開口マスクを利用して符号化Ｘ線源１を形成する場合について説明する。また、第２実施形態では符号化開口マスクと線源格子２を一体化する場合について説明する。また、第３実施形態では特殊な構造のＸ線管により符号化Ｘ線源１を構成する場合について説明する。また、第４実施形態では通常と異なる復号方法を利用する場合について説明する。

〔第１実施形態〕
本実施形態では符号化開口マスクを利用して符号化Ｘ線源１を形成する。例えば、符号化Ｘ線源１は、Ｘ線管と、Ｘ線管におけるＸ線発生部のごく近くに設置した符号化開口マスクにより構成される。符号化開口マスクは、Ｘ線管のＸ線発生部から放射されるＸ線を部分的に遮ることで、仮想的に所望のパターンの微小Ｘ線源のアレイを形成する。符号化開口マスクは、複数の開口が設けられたＸ線遮蔽部を有するマスクである。複数の開口のそれぞれは、ピンホールであることが望ましい。符号化Ｘ線源は、このように、仮想的な
微小Ｘ線源のアレイであっても良い。

本実施形態において符号化Ｘ線源１における個々の微小Ｘ線源の径ｄ_Ｓは符号化開口マスクの個々の開口の径ｄ_Ｈに一致する。そのため、撮像系が式（１）を満たすことで符号化線源イメージング法の効果を有効に利用するためにはｄ_Ｈ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐを満たすことが望ましい。

トールボット干渉計では通常、ビームスプリッター格子３により形成された干渉パターンとアナライザー格子４のパターンとのあいだで発生するモアレをＸ線検出器５により画像化する。本実施形態では符号化Ｘ線源１により符号化されたモアレ画像が得られる。このモアレ画像はＸ線強度分布を表す情報である。Ｘ線検出器５で得られた符号化モアレ画像は、画像処理装置６の復号処理により、単一の微小Ｘ線源により撮像されるものに近いモアレ画像に変換される。ただし、トールボット干渉計における画像形成過程は通常のＸ線撮像よりも複雑であるため、単純なデコンボリューション処理により正しい画像が復元されないことがありうる。例えば、モアレパターンの周期が幾何学的不鋭の規模と同程度に小さいような場合、正確な画像の復元が困難となることがある。この問題は、例えば「被検体の無い場合のモアレの周期」を「ＰＳＦが所定値以上の値を持つ領域の幅」よりも３倍以上大きくすることで低減することができる。「ＰＳＦが所定値以上の値を持つ領域の範囲」は、符号化Ｘ線源１全体の実効的径をＤとすれば（Ｌ_２／Ｌ_１）×Ｄと表すことができる。したがって、「被検体の無い場合のモアレ周期」をｄ_Ｍとすれば、ｄ_Ｍ＞３×（Ｌ_２／Ｌ_１）×Ｄを満たすことが望ましい。

復号処理は画像処理装置６により行われる。具体的には、例えばＰＳＦの推定値あるいは実測値の情報に基づいたデコンボリューション計算などによりモアレ画像の復号を行うことができる。

画像処理装置６はさらに、取得した復号後のモアレ画像を元に位相回復などの解析処理を行っても良い。本実施形態では前述のようにモアレの周期が一定以上大きいことが望ましいことから、空間分解能がモアレ周期の影響を受けて低下しない解析法が望ましい。このような解析法として例えば位相シフト法がある。位相シフト法を使用するためにはモアレの位相の異なる複数のモアレ画像を取得する必要がある。本実施形態においてはビームスプリッター格子を移動させる移動部７によりビームスプリッター格子を面内方向に移動させることによりモアレ位相をシフトさせることができる。ビームスプリッター格子を移動させる移動部としてアクチュエータを用いることができる。また、干渉パターンとアナライザー格子との相対位置を変化させればモアレの位相がシフトするため、移動部は、ビームスプリッター格子の代わりに、線源格子を移動させて干渉パターンを移動させても良いし、アナライザー格子を移動させても良い。尚、位相シフト法のアルゴリズムの詳細については干渉計に関する多くの書籍、例えば、Ｄａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ編“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ”第３版の第１４章、などに記載されているのでここでは説明を省略する。モアレ画像の解析からは、主として被検体８によるＸ線の吸収率分布、被検体８を透過したＸ線の微分位相分布、及び被検体８によるＸ線の小角散乱能分布（モアレパターンのビジビリティ分布）の３つの像を得ることができる。

〔第２実施形態〕
第２実施形態のＸ線撮像システムに係るトールボット干渉計では、符号化開口マスクと一体化した線源格子により符号化Ｘ線源を形成する。つまり、線源格子が、本来の機能に加え、第１実施形態における符号化開口マスクの機能を同時に有する。

図４は、本実施形態のトールボット干渉計の構成を模式的に示している。本実施形態においてＸ線源９は線源格子２の存在により符号化Ｘ線源として機能する。このような線源
格子２は、例えば符号化開口マスクと線源格子を密着させることで構成しても良いし、あるいはそれと等価な透過率分布を持つ一枚のＸ線遮蔽マスクであっても良い。また、本実施形態では通常のトールボット・ロー干渉計とは異なり、線源格子２をＸ線源９のごく近くに配置する必要がある。

尚、本実施形態における符号化開口マスクの機能を有する線源格子２は、線源格子の機能を有する符号化開口マスクの一種とみなすこともできる。例えば図２のＭＴＦ曲線にも見られているように、符号化線源のパターンを反映したＰＳＦのパターンにおける基本構造の周期に相当する空間周波数においてはＭＴＦ曲線が高いピークを持つ場合がある。したがってこの基本構造の周期と干渉パターンの周期を一致させることで干渉パターンを形成し易くすることができる。このように、ＭＴＦ曲線における顕著なピークを利用して干渉パターンを形成することは、符号化開口パターンに線源格子の機能を持たせることに相当する。

前述のように、この方法を用いたとしてもランダムアレイのような符号化線源パターンでは低周波数領域のＭＴＦを向上させることは難しい。しかしながら本実施形態のように、符号化線源パターンが線源格子パターンと、より粗い符号化線源パターンとの重ね合わせとみなせるようなパターンであり、かつ、分離された粗い符号化線源パターンが例えば式（１）を満たすような十分に粗いパターンであった時には、低周波数領域のＭＴＦ向上効果も同時に得られる可能性は高くなる。符号化線源パターンが、線源格子パターンと、より粗い符号化線源パターンとの重ね合わせとみなせるようなパターンを持つとき、その符号化線源パターンのＰＳＦをフーリエ変換すると、干渉パターンの空間周波数と一致する位置にピークが現れる。
そのほか、モアレ画像の取得、復号処理、解析処理などについては第１実施形態と同様に行うことができる。

〔第３実施形態〕
第３実施形態では特殊な構造のＸ線管により符号化Ｘ線源１を形成する。図５は本実施形態におけるＸ線管構造の一例を示している。図５では回転陽極型のＸ線管を想定しており、１０１は回転陽極（ターゲット）、１０２はターゲット１０１の回転軸、１０３はターゲットに入射する電子線、１０４はターゲットから出射されるＸ線を表している。尚、図５で描かれているのはターゲット１０１の断面図であり、ターゲット１０１は回転軸１０２に対して回転対称となる形状を有している。また、電子線１０３は紙面に垂直な方向に対しては十分に薄く分布しているものとする。

図５では、電子線入射部に複数の溝を形成したターゲット１０１を示している。尚、上述のようにターゲット１０１は回転軸１０２に対して回転対称となる形状を有しているため、この溝はターゲットの回転軸１０２を軸として同心円状に形成されている。図５に示すように、ターゲット表面のうち溝の部分からはＸ線は出射されず、溝と溝のあいだの部分（溝間の隔壁（突条）の頂部）だけがＸ線の出射に寄与する。これによりターゲットの表面（電子線入射面）が複数のＸ線出射面に細かく分断され、１次元状のパターンを持つ符号化Ｘ線源１が形成できる。複数のＸ線出射面は回転軸１０２の径方向に分離して形成されることとなる。

ここでＸ線出射面の径（幅と呼ぶこともできる）ｄ_Ｔを図中に示したような位置の寸法として定義し、Ｘ線出射面と、当該Ｘ線出射面からＸ線検出器（被検体）に向けて出射するＸ線ビームの中心線とのなす角（所謂Ｘ線取り出し角）をθとする。そうすると、個々のＸ線出射面により形成される実効的な微小Ｘ線源の径ｄ_Ｓは概ねｄ_Ｔ×ｓｉｎθに一致する。したがって、撮像系が式（１）を満たすことで符号化線源イメージング法の効果を有効に利用するためにはｄ_Ｔ×ｓｉｎθ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐを満たすことが望ましい
。ここで、Ｌ_１は、ターゲット１０１のＸ線出射面と被検体のあいだの距離であり、Ｌ_２は、被検体とＸ線検出器のあいだの距離であり、ｄ_Ｐは、Ｘ線検出器の画素サイズである。

尚、Ｘ線出射面の径ｄ_Ｔや溝の中心間隔は必ずしも一様でなくても良い。また、図５に示したようにターゲット上の電子線入射面に凹凸を形成する方法のほかにも、電子線入射面をＸ線発生効率の異なる複数のターゲット材料を組み合わせることで、複数のＸ線出射面を形成できる。あるいは、ターゲットに対して、空間的に分離した複数の電子線を入射させる構成によっても、複数のＸ線出射面を形成できる。さらに、ターゲットの回転も必須ではなく、固定型のターゲットを用いても良い。
そのほか、格子の配置、モアレ画像の検出、復号処理、解析処理などについては第１実施形態と同様に行うことができる。

〔第４実施形態〕
第１〜第３実施形態では検出されるモアレ画像に対して復号処理を行う方法について説明した。しかしながら前述のように、トールボット干渉計における画像形成過程は通常のＸ線撮像よりも複雑であることから、特にモアレ周期の小さい場合において復号の正確さに対して悪影響が表れることがあった。

この問題に対処するため、本実施形態ではモアレ画像自体に対しては復号処理を行わない。すなわち、画像処理装置６は符号化された状態で取得されたモアレ画像を元に解析処理を先に行い、得られる被検体８のＸ線吸収率分布、透過Ｘ線微分位相分布、及びＸ線小角散乱能分布などに対してデコンボリューション等の方法による復号処理を行う。

本実施形態では第１〜第３実施形態のようにモアレ画像に対して復号処理を行った場合に比較して復号の精度が低下する場合がある一方、モアレの周期によらず一定の性能の復号処理を行えるという利点がある。
尚、本実施形態の画像処理手法は、第１〜第３実施形態で説明したいずれの構成のトールボット干渉計にも適用することができる。

また、本実施形態ではモアレの周期を小さくすることが可能であることから、フーリエ変換法によりモアレ画像解析を行う場合などにも適している。フーリエ変換法の詳細は、Ｍｉｔｓｕｏ Ｔａｋｅｄａ ｅｔ ａｌ．， “Ｆｏｕｒｉｅｒ−ｔｒａｎｓｆｏｒｍ
ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｆｒｉｎｇｅ−ｐａｔｔｅｒｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｂａｓｅｄ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ， Ｖｏｌ． ７２， Ｎｏ． １， １５６−１６０ （１９８２）、に記載されているのでここでは説明を省略する。フーリエ変換法を行う場合、モアレの周期を画素サイズの数倍とすることが多く、モアレの周期がこの程度の場合は本実施形態のようにモアレの解析処理の後で複合処理を行うことが好ましい。

以下、各実施形態のより具体的な実施例について記述する。

（実施例１）
実施例１は第１実施形態の具体的な実施例である。図３（Ａ）は実施例１のＸ線撮像システムの全体構成を模式的に示しており、図３（Ｂ）は実施例１の符号化Ｘ線源１の構成を模式的に示している。

符号化Ｘ線源１はＸ線管１１１と、Ｘ線管１１１のＸ線出射部のごく近くに設置した符号化開口マスク１１２により構成される。Ｘ線管１１１はモリブデンターゲットを有する
Ｘ線管であり、１７．５ｋｅＶの位置に特性Ｘ線ピークを持つエネルギースペクトルを有するＸ線を出射する。

図６（Ａ）は符号化線源マスク１１２のパターンを示している。図６（Ａ）における個々の開口（ピンホール）の径ｄ_Ｈは１２０μｍである。また、Ｘ線遮蔽部は厚さ５０μｍの金である。符号化Ｘ線源１のＸ線出射部全体の実効的径Ｄは、符号化開口マスク１１２上でピンホールが分布している領域全体の径に相当することから、およそ６００μｍとなる。

尚、本実施例では被検体が無い場合のモアレ周期ｄ_Ｍが実質的に無限大になるように各格子の位置や角度を調整して撮像を行う。したがって、前述のｄ_Ｍ＞３×（Ｌ_２／Ｌ_１）×Ｄが満たされ、モアレ画像の正確な復号が期待できる。

図６（Ｂ）は線源格子２のパターンを示している。線源格子２はＸ線遮蔽マスク上に線状のＸ線透過部が等間隔に並んだ構造を有している。Ｘ線透過部の中心間隔は１０．３μｍ、幅は５．１５μｍである。また、Ｘ線遮蔽部は厚さ５０μｍの金であり、Ｘ線透過部は開口である。

ビームスプリッター格子３は位相変調型回折格子であり、線状の位相進行部と位相遅延部が交互に並んだ構造を有している。位相進行部と位相遅延部の幅は共に６．８７μｍである。格子の材料はシリコンであり、位相進行部の厚さが位相遅延部の厚さに比べ２２．３μｍ厚いことにより、１７．５ｋｅＶのＸ線に対して透過時にπｒａｄの位相差を与えることができる。

アナライザー格子４は線源格子２と同様にＸ線遮蔽マスク上に線状のＸ線透過部が等間隔に並んだ構造を有している。Ｘ線透過部の中心間隔は２０．６μｍ、幅は１０．３μｍである。また、Ｘ線遮蔽部は厚さ５０μｍの金であり、Ｘ線透過部は開口である。

線源格子２は符号化Ｘ線源１の付近に配置される。また、線源格子２とビームスプリッター格子３の間の距離と、ビームスプリッター格子３とアナライザー格子４の間の距離はそれぞれ５００ｍｍ、９９８ｍｍに調整される。被検体８はビームスプリッター格子３のごく近くに配置され、Ｘ線検出器５はアナライザー格子４のごく近くに配置される。尚、Ｘ線検出器５の画素サイズｄ_Ｐは５０μｍである。

また、以上の設計値からこの撮像系はｄ_Ｈ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐを満たすため、符号化線源イメージング法の効果を有効に利用できるものと期待できる。

以下では、本撮像系を用いて検出されるモアレ画像を想定した画像データと、これを用いて復号やモアレ解析を行った結果を用いて本実施例を説明する。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、モアレの位相を２π／３ｒａｄずつシフトさせて検出した、符号化されているモアレ画像を表している。ここでは被検体８として２個の球形の物体を用いている。また、前述のように被検体が無い場合のモアレ周期が実質的に無限大になるような場合を想定している。さらに、一定の規模のショットノイズの存在を想定している。

図７（Ｄ）〜図７（Ｆ）は、図７（Ａ）〜図７（Ｃ）のモアレ画像それぞれに対して画像処理装置６により復号処理を行った結果を示している。復号処理の結果、単一の微小Ｘ線源により撮像したモアレ画像に近い画像が得られていることが分かる。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、図７（Ｄ）〜図７（Ｆ）を元に位相シフト法のアルゴリズムに基づく解析を行った結果を示している。また図８（Ａ）〜図８（Ｃ）はそれぞれ、Ｘ線透過率分布、Ｘ線微分位相分布、Ｘ線小角散乱能分布を示している。図から分かるように、単一の微小Ｘ線源により得られる各解析結果に近い解析結果を比較的高い空間分解能により得ることができる。

（実施例２）
実施例２は第２実施形態の具体的な実施例である。
本実施例では符号化開口マスクの機能を有する線源格子２により符号化Ｘ線源を形成する。図９は本実施例における線源格子２のパターンを示している。ここでは実質的に実施例１における符号化開口マスクと線源格子２を密着させたものと等価となるようなパターンを想定している。すなわち、図９における円形のスリット分布領域の径は１２０μｍ、スリット中心間隔は１０．３μｍ、幅は５．１５μｍである。また、Ｘ線遮蔽部は厚さ５０μｍの金であり、Ｘ線透過部は開口である。また、本実施例では線源格子２はＸ線管のＸ線出射部のごく近くに配置することが望ましい。

その他、Ｘ線管、各格子、Ｘ線検出器等に関する詳細および配置は実施例１と同様とする。このような符号化開口マスクの機能を有する線源格子２を用いても、実施例１において説明したのと同様のモアレ画像の検出、復号、及び解析を行うことができる。

（実施例３）
実施例３は第３実施形態の具体的な実施例である。
本実施例では図５に示したのと同様の構造のＸ線管により符号化Ｘ線源１を構成する。これにより、微小Ｘ線源が１次元状に配列したようなパターンの符号化線源を得ることができる。

本実施例における回転ターゲット１０１の材料はモリブデンであり、ターゲット１０１上には同心円状に等間隔の溝が形成されている。溝の幅は２４０μｍ、深さは２００μｍであり、中心間隔は４８０μｍとする。すなわち、Ｘ線出射面の径ｄ_Ｔは２４０μｍとなる。また、Ｘ線取り出し角θは３０°とする。したがって、実効的な符号化Ｘ線源１は、概ね１２０μｍの径を持つ微小Ｘ線源が２４０μｍ周期で一次元状に配列したようなパターンを有するものとなる。
その他、各格子やＸ線検出器等に関する詳細および配置は実施例１と同様とする。

尚、以上の設計値からこの撮像系はｄ_Ｔ×ｓｉｎθ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐを満たすため、符号化線源イメージング法の効果を有効に利用できるものと期待できる。
このような特殊な構造のＸ線管により符号化Ｘ線源１を構成しても、実施例１において説明したのと同様のモアレ画像の検出、復号、及び解析を行うことができる。

（実施例４）
実施例４は第４実施形態の具体的な実施例である。
第４実施形態は画像処理装置６による復号及び解析処理の部分を除いて他の実施形態との違いは無いので、実施例４では画像処理装置６以外の構成は実施例１と同様とする。ただし、ここでは格子の相対的な面内回転により被検体が無い場合のモアレ周期ｄ_Ｍが一定程度小さくなっている場合を例に説明を行う。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、モアレの位相を２π／３ｒａｄずつシフトさせて検出した、符号化されているモアレ画像を表している。ここでは実施例１と同様に、被検体８として２個の球形の物体を用いた。さらに、一定の規模のショットノイズの存在を想定している。

図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、図１０（Ａ）〜（Ｃ）を元に位相シフト法のアルゴリズムに基づく解析を行った結果を示している。また図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）はそれぞれ、Ｘ線透過率分布、Ｘ線微分位相分布、Ｘ線小角散乱能分布を示している。図から分かるようにこれらの解析結果は、単一微小Ｘ線源による撮像により得られるべきそれぞれの解析結果を、符号化線源パターンを反映したＰＳＦによりコンボリューションしたものに近いような画像となる。

図１１（Ｄ）〜（Ｆ）は、図１１（Ａ）〜（Ｃ）の暫定的解析結果に対して画像処理装置６により復号処理を行った結果を示している。図から分かるように、概ね妥当とみなせる解析結果を比較的高い空間分解能により得ることができる。
このように、モアレ画像自体ではなくモアレの暫定的解析結果に対して復号処理を行うことで、モアレ周期の小さい場合でも符号化線源イメージング法を有効に利用することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。また、本発明及び本明細書において撮像とは、被検体の情報に基づく画像を取得することに限定されず、被検体に照射されたＸ線の強度を、複数の位置において検出すること全般を被検体の撮像と呼ぶ。

本発明によれば、従来に比べて高分解能あるいは高速撮像が可能なＸ線撮像システムを提供することができる。

１ 符号化Ｘ線源
２ 線源格子
３ ビームスプリッター格子
４ アナライザー格子
５ Ｘ線検出器
６ 画像処理装置

Claims (15)

1. 微小Ｘ線源アレイが有するそれぞれの微小Ｘ線源を、さらに微小な複数のＸ線源に変換するための線源格子と、
   前記線源格子を通過したＸ線を回折し干渉パターンを形成するビームスプリッター格子と、
   前記干渉パターンとのあいだでモアレを形成するパターンを有するアナライザー格子と、
   前記干渉パターンと前記アナライザー格子のパターンのあいだで形成されたモアレを画像化するＸ線検出器と、を有する
   Ｘ線撮像システム。
2. 前記微小Ｘ線源アレイは、Ｘ線源と、前記Ｘ線源から出射するＸ線を部分的に遮る符号化開口マスクとを有する請求項１に記載のＸ線撮像システム。
3. 前記符号化開口マスクは、前記複数の微小Ｘ線源にそれぞれ対応する複数の開口が形成されたＸ線遮蔽マスクである
   ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線撮像システム。
4. 前記符号化開口マスクに形成された開口の径ｄ_Ｈは、前記Ｘ線源と被検体とのあいだの距離をＬ_１、前記被検体と前記Ｘ線検出器とのあいだの距離をＬ_２、前記Ｘ線検出器の画素サイズをｄ_Ｐとしたとき、ｄ_Ｈ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐを満たす大きさである
   請求項３に記載のＸ線撮像システム。
5. 前記線源格子と前記符号化開口マスクが一体化している
   請求項２乃至４のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。
6. 前記微小Ｘ線源アレイは、電子線源と、前記電子線源からの電子線が入射することによりＸ線を出射するターゲットを備え、前記ターゲットは複数のＸ線出射面を有する
   請求項２に記載のＸ線撮像システム。
7. 前記ターゲットは回転軸を中心に回転するものであり、
   前記複数のＸ線出射面は、前記回転軸の径方向に分離して形成されている
   請求項６に記載のＸ線撮像システム。
8. 前記ターゲットの電子線の入射面に凹凸を設けることにより、前記複数のＸ線出射面が形成されている
   請求項６または７に記載のＸ線撮像システム。
9. 前記ターゲットの電子線の入射面をＸ線発生効率の異なる複数の材料を組み合わせて構成することにより、前記複数のＸ線出射面が形成されている
   ことを特徴とする請求項６または７に記載のＸ線撮像システム。
10. 前記電子線源は、前記ターゲットの電子線の入射面に対して、空間的に分離した複数の電子線を入射させることにより、前記複数のＸ線出射面が形成されている
    ことを特徴とする請求項６または７に記載のＸ線撮像システム。
11. 前記複数のＸ線出射面のうち少なくとも一つのＸ線出射面の径ｄ_Ｔは、Ｘ線出射面と、当該Ｘ線出射面から前記Ｘ線検出器に向けて出射するＸ線ビームの中心線とのなす角度をθ、前記Ｘ線出射面と被検体とのあいだの距離をＬ_１、前記被検体と前記Ｘ線検出器との
    あいだの距離をＬ_２、前記Ｘ線検出器の画素サイズをｄ_Ｐとしたとき、
    ｄ_Ｔ×ｓｉｎθ＞（Ｌ_１／Ｌ_２）×ｄ_Ｐ
    を満たす大きさである
    請求項６乃至１０のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。
12. 前記線源格子と前記ビームスプリッター格子とのあいだの距離が、前記ビームスプリッター格子と前記アナライザー格子とのあいだの距離よりも短い
    ことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。
13. 被検体が無い場合に形成される前記モアレの周期ｄ_Ｍが、前記Ｘ線源と被検体とのあいだの距離をＬ_１、前記被検体と前記Ｘ線検出器とのあいだの距離をＬ_２、前記符号化線源におけるＸ線出射部全体の実効的径をＤとしたとき、
    ｄ_Ｍ＞３×（Ｌ_２／Ｌ_１）×Ｄ
    を満たす大きさである
    請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。
14. 前記Ｘ線検出器により得られたモアレ画像に対して復号処理を行う画像処理装置をさらに有する
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。
15. 前記Ｘ線検出器により得られたモアレ画像を解析することにより得られた、被検体のＸ線の吸収率分布、被検体を透過したＸ線の微分位相分布、および、モアレのビジビリティ分布のうち少なくともいずれかの分布に対して復号処理を行う画像処理装置をさらに有する
    請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のＸ線撮像システム。

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