JP2017514583A - X線干渉イメージングシステム - Google Patents
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Abstract
Description
[分野]
本明細書に開示された本発明による複数のX線源で使用されるもの等のターゲットは、本発明の発明者による同時係属中の「STRUCTURED TARGETS FOR X―RAY GENERATION」という名称の米国特許出願(2014年8月21日に出願された米国特許出願第14/465,816号)に詳細に説明されており、その内容は本明細書によってその全体が参照により組み込まれた。上記の参照された同時係属中の出願に開示されたターゲット設計および構成のいずれも、本明細書で開示された任意のX線源または全てのX線源の構成要素としての使用が考慮され得る。
表II:X線材料/基板の組み合わせについてのフィギュア・オブ・メリット
3.1.さらなる吸収グリッド
複数のさらなる実施形態は、さらなる吸収グリッドを有してよく、機能および配置は、散乱した放射(イメージングシステムの分解能より実質的に小さい寸法を有する複数の微細構造からのコンプトン散乱および弾性散乱等)を低減するように設計される。そのグリッドは、上述の様々な実施形態または様々なX線吸収イメージング技術を含む、X線イメージングにおける背景および多くのX線イメージング技術における画像コントラストの減少に寄与する。複数の画像を形成する一次放射線の強度に対する散乱放射線の強度の比は、例えば、照射されている大量の組織を伴うものおよび高エネルギーX線を必要とするものといった大量な散乱が生成される場合にイメージング検査に特に重要であり、従って肥満の患者または(例えば、頭顔、高密度の胸部組織等)複数の高密度の体部分に対する病気診断の有効性を限定する。散乱防止用グリッドにおける現在の技術は、通常、高い放射透過を有する媒体(アルミニウムまたはファイバー材料等)と組み合わされる(通常、鉛のような高いZの材料を用いて製造される)高放射吸収隔壁を有する。それは、グリッド比(複数の構造の高さとそれらの間の間隔との比)、周期、および隔壁幅によって通常特定される。しかしながら、散乱防止用グリッドの使用は、1次ビームの何分の1もが複数の隔壁によって減衰させられるので、患者へのより高い放射線暴露を必要とする。
検出器構成および位置付けの複数の変形例は、本発明に従って構成されたX線システムの信号対雑音比における改善にも寄与し得る。複数の検出器特性の選択によって影響を受け得るフィギュア・オブ・メリットは、変調伝達関数(MTF)および検出量子効率(DQE)である。
3.3変更された検出器を用いる実施形態
存在する臨床、セキュリティ検査、および非破壊的試験用のX線イメージングシステムは、主に吸収コントラスト(隣り合う特徴部の間の減衰の差異)を使用する。X線位相コントラストは(隣り合う特徴部の間の位相シフトの差異)が、特に低いZの材料について、高エネルギーX線においてほぼ全ての材料の吸収コントラストより著しく大きくなり得ることが長い間、認識されている。最近、散乱コントラスト(複数の隣り合う特徴部の間の小さい角度の散乱強度の差異)は、イメージング解像度素子(イメージング解像度より小さい寸法の複数の孔および微細構造等)内の複数のイメージングサブ分解能機能に対して認識されてきた。シングルショット(露光)において、微分位相コントラスト画像、位相コントラスト画像、または散乱コントラスト画像のうち少なくとも1つと組み合わせて吸収コントラスト画像を同時に取得することが可能であるのが非常に望ましい。
本発明の複数の他の実施形態、2つの検出器を有するシステムにおいて、一方の検出器は、分数のTalbot距離の1つにおいて配置され、そのグリッド(アクティブ画素)、間隔(複数のアクティブ画素間の透明な領域)および配置と位置合わせされ、そうすることで、複数の行(および/または列)の中央は、複数のTalbot縞のアンチノードの中央と位置合わせされる。一方、他方の検出器は、第1の検出器の下流側で分数のTalbot距離の別の1つにおいて配置され、そのグリッド(アクティブ画素)、間隔(複数のアクティブ画素の間の、好ましくは透明な領域)および配置と位置合わせされ、そうすることで、複数の行(および/または列)の中央は、複数のTalbot縞のノードの中央と位置合わせされる。そのような間隔および整列を有する一対の検出器を用いることによって、吸収および散乱(暗視野)画像の両方は、「シングルショット」において、同時に収集されてよい。いくつかの実施形態において、2つの検出器の位置は逆にされ得るが、この場合、上流側の検出器の複数のアクティブ画素間の間隔は、X線に対してまだ十分に透明であるべきである。
本発明の複数の実施形態で使用された複数の格子の製造は、Christian David(C.David他、「Fabrication of diffraction gratings for hard x―ray phase contrast imaging」、Microelectron.Eng.84、1172〜1177、2007年)によって前述されたもの等の公知の従来技術の製造プロセスを用いてなされてよい。
表IV:πラジアンのケイ素位相シフトのエッチング深さ
検出器は、X線画像を形成するのに使用される多数の検出器のいずれか1つであってよい。一般に使用されるX線検出器の1つの種類に、X線にさらされたときに可視の光子を放出するヨウ化セシウム(CsI)、タリウムドープのCsI、イットリウムアルミニアムガーネット(YAG)またはスルホキシル酸ガドリニウム(GOS)の層を有するもの等の、蛍光スクリーンまたはシンチレータが含まれる。可視の光子は、次に、多くの場合、蛍光スクリーンによって放出された光子の強度パターンを拡張し、拡大する可視の光学を用いるリレー画像のさらなる形成と共に、可視強度を電子信号へと変換する電子センサによって検出される。リレー光学と共に、電子検出器は、高い分解能のセンサ自体を有する必要はなく、例えば、1024×1024画素を有し、各々が、24μm×24μmの正方形である安価な商業用のCCD検出器または相補型金属酸化膜半導体(CMOS)センサ配列が使用されてもよい。
複数の実施形態は、所望のX線エネルギー帯域幅およびを取得するスペクトルフィルタおよびシステムの様々な構成要素の全てのための配置制御システムを含む、Talbot干渉計に通常含まれる複数の他の構成要素をさらに有してよい。
概念 本文書は、少なくとも以下の概念も示す。
概念1。
X線干渉イメージングシステムであって、
真空チャンバと、
電子ビームのための放出器と、
電子ターゲットと、を有するX線源であって、前記電子ターゲットは、
第1の材料を有する基板と、
上記基板に埋め込まれ、複数のX線発生特性のために選択された第2の材料を含み、複数のサブ線源の周期的パターン内に配置されている、少なくとも複数の離散構造と、を含む、X線源と、
複数のX線のサブ線源によって発せられたX線を回折させるように位置付けられたX線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、ビーム分割格子によって回折された複数のX線を検出するように位置付けられたX線検出器と、
ビーム分割X線格子と検出器との間に位置付けられたX線吸収材料を含む複数の隔壁の周期的配列を有する散乱防止用グリッドと、を備える、
X線干渉イメージングシステム。
概念2。
X線位相シフト格子が、およそπラジアンの位相シフトを予め定められたX線波長に導入する複数の構造を備える、概念1に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念3。
X線位相シフト格子が、およそπ/2ラジアンの位相シフトを予め定められたX線波長に導入する複数の構造を備える、概念1に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念4。
ビーム分割X線位相シフト格子は、X線位相シフト格子の周期p1が、
ここで、λは、予め定められたX線波長であり、Lは、ターゲットとビーム分割X線格子との間の距離である、概念1、2または3に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念5。
散乱防止用グリッドの複数の隔壁は、スズ、白金、金、タングステン、タンタル、モリブデン、ニッケル、鉛、銅およびガドリニウムから成る群から選択される高いZの材料を含む、概念1から4および8から10に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念6。
散乱防止用グリッドは、X線透明材料を有する基板をさらに備える、概念1から5および8から10に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念7。
複数の隔壁の1または複数は、複数の特徴部の間の間隙の幅の5倍より高い高さを有する、概念1から6および8から10に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念8。
ビーム分割格子と相互作用するときにX線源によって発せられる複数のX線は、Talbot干渉パターンを形成し、散乱防止用グリッドの複数の隔壁の寸法および周期性は、Talbot干渉パターンの複数の寸法に対応するように選択される、概念4に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念9。
散乱防止用グリッドの複数の隔壁の位置は、複数の隔壁がTalbot干渉パターンの複数のノードと位置合わせされるように設定される、概念8に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念10。
散乱防止用グリッドの複数の隔壁の周期は、Talbot干渉パターンの横方向の周期の整数倍である、概念9に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念11。
第1の散乱防止グリッドと検出器との間に配置されたX線吸収材料を有する第2の散乱防止用グリッドをさらに備える、概念1から10に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念12。
X線干渉イメージングシステムであって、
真空チャンバと、
電子ビームのための放出器と、
電子ターゲットと、を有するX線源であって、前記電子ターゲットは、
第1の材料を含む基板と、
基板に埋め込まれ、複数のX線発生特性のために選択された第2の材料を含み、複数のサブ線源の周期的パターン内に配置された、少なくとも複数の離散構造と、を含む、X線源と、
複数のX線のサブ線源によって発せられた複数のX線を回折させるように位置付けられた、X線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、ビーム分割格子によって回折された複数のX線を検出するように位置付けられた、X線検出器と、を備える、X線干渉イメージングシステムであって、
ビーム分割格子と相互作用するときにX線源によって発せられるX線は、Talbot干渉パターンを形成し、複数のX線検出素子の寸法および位置は、Talbot干渉パターンの寸法に対応するように選択される、
X線干渉イメージングシステム。
概念13。
X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対して、およそπラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を有する、概念12に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念14。
X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対して、およそπ/2ラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を有する、概念12に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念15。
ビーム分割X線位相シフト格子は、X線位相シフト格子の周期p1が、
ここで、λは、予め定められたX線波長であり、Lは、ターゲットとビーム分割X線格子との間の距離である、概念12から14に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念16。
検出器は、予め定められた分数のTalbot距離で位置付けられ、複数の検出素子の位置は、複数の検出素子が、Talbot干渉パターンの複数のアンチノードと位置合わせされるように設定される、概念12から15に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念17。
検出器は、予め定められた分数のTalbot距離で位置付けられ、複数の検出素子の位置は、複数のp検出素子がTalbot干渉パターンの複数のノードと位置合わせされるように設定される、概念12から16に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念18。
上記検出器は、予め定められた分数のTalbot距離で位置付けられ、
複数の第2の検出素子を有する第2のX線検出器をさらに備え、
上記第2の検出器も第2の予め定められた分数のTalbot距離で位置付けられ、そのサイズおよび位置は、複数の第2の検出素子が、Talbot干渉パターンの複数のノードとお位置合わせされるように設定される、概念16に記載されたX線干渉イメージングシステム。
概念19。
X線源と、
X線源によって発せられるX線を回折するように位置付けられたX線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、ビーム分割格子によって回折された複数のX線を検出するように位置付けられた、X線検出器と、を備えるX線干渉イメージングシステムであって、
ビーム分割格子と相互作用するときにX線源によって発せられる複数のX線は、Talbot干渉パターンを形成し、複数のX線検出素子の寸法および位置は、Talbot干渉パターンの寸法に対応するように選択される、X線干渉イメージングシステム。
概念20。
Talbot干渉パターンのコントラストは、20%より高い、概念19に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念21。
第2の材料および第1の材料についての比(Z2ρ2)/(Z1ρ1)は12より高く、ここでZは原子番号であり、ρは質量密度である、概念1から18に記載のX線干渉計イメージングシステム。
概念22。
選択された第1の材料は、ベリリウム、ダイアモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイアおよびダイアモンド状炭素から成る群から選択される、概念1から18または21に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念23。
第2の材料は、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、およびこれらの組み合わせおよびこれらの合金から成る群から選択される、概念1から18または21から22に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念24。
複数の離散構造は類似の形状を有する、概念1から18または21から23に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念25。
類似の形状は、正角プリズム、直角長方プリズム、立方体、三角プリズム、台形プリズム、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、およびたる形から成る群から選択される、概念24に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念26。
複数の離散構造の周期的パターンは正方格子であり、複数の離散構造のうち1または複数について、一次元の幅は、10ミクロン未満である、概念1から18または21から25に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念27。
複数の離散構造の周期的パターンは、一式の平行な線であり、複数の離散構造のうち1または複数について、一次元における幅は、10ミクロン未満であり、鉛直の次元における長さは20ミクロンを超える、概念1から18または21から26に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念28。
ターゲットは、真空チャンバのためのウィンドウとしても機能する、概念1から18または21から27に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念29。
X線検出器はシンチレータを有し、電荷結合素子(CCD)の配列も有する、概念1から28に記載のX線干渉イメージングシステム。
概念30。
第2のX線検出器は、シンチレータを有し、電荷結合素子(CCD)の配列も有する、概念18に記載のX線干渉イメージングシステム。
Claims (30)
- X線干渉イメージングシステムであって、
真空チャンバと、
電子ビームのための放出器と、
電子ターゲットと、を有するX線源であって、
前記電子ターゲットは、
第1の材料を有する基板と、
前記基板に埋め込まれ、複数のX線発生特性のために選択された第2の材料を含み、複数のサブ線源の周期的パターン内に配置されている、少なくとも複数の離散構造と、を含む、X線源と、
X線の前記複数のサブ線源によって発せられた複数のX線を回折するように位置付けられたX線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、前記ビーム分割X線格子によって回折された前記複数のX線を検出するように位置付けられたX線検出器と、
前記ビーム分割X線格子と前記X線検出器との間に位置付けられたX線吸収材料を含む複数の隔壁の周期的配列を有する散乱防止用グリッドと、を備える、X線干渉イメージングシステム。 - 前記X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対し、およそπラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を有する、請求項1に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対し、およそπ/2ラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を備える、請求項1に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記散乱防止用グリッドの前記複数の隔壁は、スズ、白金、金、タングステン、タンタル、モリブデン、ニッケル、鉛、銅およびガドリニウムから成る群から選択される高いZの材料を含む、請求項1から4および8から10のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記散乱防止用グリッドは、X線透明材料を含む基板をさらに有する、請求項1から5および8から10のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記複数の隔壁の1または複数は、複数の特徴部の間の間隙の幅の5倍より高い高さを有する、請求項1から6および8から10のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記ビーム分割X線格子と相互作用するときに前記X線源によって発せられる前記複数のX線は、Talbot干渉パターンを形成し、前記散乱防止用グリッドの前記複数の隔壁の寸法および周期性は、Talbot干渉パターンの複数の寸法に対応するように選択される、請求項4に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記散乱防止用グリッドの前記複数の隔壁の位置は、前記複数の隔壁が前記Talbot干渉パターンの複数のノードと位置合わせされるように設定される、請求項8に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記散乱防止用グリッドの前記複数の隔壁の前記周期は、前記Talbot干渉パターンの横方向の周期の整数倍である、請求項9に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記散乱防止用グリッドと前記X線検出器との間に配置されたX線吸収材料を有する第2の散乱防止用グリッドをさらに備える、請求項1から10のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- X線干渉イメージングシステムであって、
真空チャンバと、
電子ビームのための放出器と、
電子ターゲットと、を有するX線源であって、
前記電子ターゲットは、
第1の材料を含む基板と、
前記基板に埋め込まれ、複数のX線発生特性のために選択された第2の材料を含み、複数のサブX線源の周期的パターン内に配置された、少なくとも複数の離散構造と、
を含む、X線源と
X線源と、
前記複数のサブX線源によって発せられた複数のX線を回折するように位置付けられた、X線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、前記ビーム分割X線格子によって回折された前記複数のX線を検出するように位置付けられた、X線検出器と、を備える、X線干渉イメージングシステムであって、
前記ビーム分割X線格子と相互作用するときに前記X線源によって発せられる前記複数のX線は、Talbot干渉パターンを形成し、前記複数のX線検出素子の寸法および位置は、Talbot干渉パターンの複数の寸法に対応するように選択される、
X線干渉イメージングシステム。 - 前記X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対し、およそπラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を有する、請求項12に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記X線位相シフト格子は、予め定められたX線波長に対し、およそπ/2ラジアンの位相シフトを導入する複数の構造を備える、請求項12に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記検出器は、予め定められた分数のTalbot距離において位置付けられ、前記複数のX線検出素子の位置は、前記複数のX線検出素子が、前記Talbot干渉パターンの複数のアンチノードと位置合わせされるように設定される、請求項12から15のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記検出器は、予め定められた分数のTalbot距離において位置付けられ、前記複数のX線検出素子の位置は、前記複数のX線検出素子が前記Talbot干渉パターンの複数のノードと位置合わせされるように設定される、請求項12から16のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記X線検出器は、予め定められた分数のTalbot距離において配置され、
複数の第2のX線検出素子を有する第2のX線検出器であって、第2の予め定められた分数のTalbot距離においても位置付けられ、そのサイズおよび位置は、前記複数の第2のX線検出素子が、前記Talbot干渉パターンの複数のノードと位置合わせされるように設定される、前記第2のX線検出器をさらに備える、
請求項16に記載のX線干渉イメージングシステム。 - X線源と、
前記X線源によって発せられる複数のX線を回折するように位置付けられたX線位相シフト格子を形成する複数の周期構造を有するビーム分割X線格子と、
複数のX線検出素子の2次元配列を有し、前記ビーム分割X線格子によって回折された前記複数のX線を検出するように位置付けられた、X線検出器と、を備え、
前記ビーム分割X線格子と相互作用するときに前記X線源によって発せられる前記複数のX線は、Talbot干渉パターンを形成し、前記複数のX線検出素子の複数の寸法および位置は、前記Talbot干渉パターンの複数の寸法に対応するように選択される、X線干渉イメージングシステム。 - 前記Talbot干渉パターンのコントラストは、20%より高い、請求項19に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記第2の材料および第1の材料についての比(Z2ρ2)/(Z1ρ1)は、12より大きく、Zは原子番号であり、ρは質量密度である、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 選択された前記第1の材料は、ベリリウム、ダイアモンド、グラファイト、ケイ素、窒化ホウ素、炭化ケイ素、サファイア、およびダイアモンド状炭素から成る群から選択される、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記第2の材料は、鉄、コバルト、ニッケル、銅、ガリウム、亜鉛、イットリウム、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、銀、スズ、イリジウム、タンタル、タングステン、インジウム、セシウム、バリウム、金、白金、鉛、およびこれらの組み合わせおよびこれらの合金から成る群から選択される、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記複数の離散構造は、類似の形状を有する、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記類似の形状は、正角プリズム、直角長方プリズム、立方体、三角プリズム、台形プリズム、ピラミッド型、四面体、円柱、球体、卵形、およびたる形から成る群から選択される、請求項24に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記複数の離散構造の前記周期的パターンは正方格子であり、前記複数の離散構造のうち1または複数について、一次元の幅は、10ミクロン未満である、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記複数の離散構造の前記周期的パターンは、一式の平行な線であり、前記複数の離散構造のうち1または複数について、一次元における幅は、10ミクロン未満であり、鉛直の次元における長さは20ミクロンを超える、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記ターゲットは、前記真空チャンバのためのウィンドウとしても機能する、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記X線検出器は、シンチレータを有し、複数の電荷結合素子(CCD)の配列も有する、請求項1から18のいずれか一項に記載のX線干渉イメージングシステム。
- 前記第2のX線検出器は、シンチレータを有し、複数の電荷結合素子(CCD)の配列も有する、請求項18に記載のX線干渉イメージングシステム。
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