JP5127247B2 - Ｘ線装置の焦点‐検出器装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査対象の投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するために、Ｘ線を生成しかつ検査対象に照射するためのＸ線源と、ビーム路中で検査対象の後方に配置されＸ線の予め定められたエネルギー範囲内にＸ線の干渉パターンを生成する位相格子と、位相格子によって生成された干渉パターンをその位相シフトに関して位置分解して検出する分析‐検出器システムとを有するＸ線装置の焦点‐検出器装置に関する。

検査対象の投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するためのこのような焦点‐検出器装置は一般に知られている。例えば特許文献１とまだ公開されていない独国特許出願第１０２００６０１７２９０．６号明細書、独国特許出願第１０２００６０１５３５８．８号明細書、独国特許出願第１０２００６０１７２９１．４号明細書、独国特許出願第１０２００６０１５３５６．１号明細書および独国特許出願公１０２００６０１５３５５．３号明細書とを参照するように指示する。

イオン化ビーム、特にＸ線ビームによる画像化に関して検討することができるのは基本的に、材料をＸ線が通過するときに現れる２つの作用、つまり検査対象を通過したＸ線の吸収と位相シフト（位相のずれ）である。多くの場合検査対象をビームが通過するとき位相シフトの作用は透過させる材料の厚さおよび組成に関する僅かな違いに、吸収作用よりもはるかに強く依存することも知られている。このような位相コントラストラジオグラフィーまたは位相コントラスト断層撮影法では、対象に起因した位相シフトが評価されねばならない。その際、従来の吸収コントラストＸ線ラジオグラフィーもしくは吸収コントラストＸ線断層撮影法と同様に、位相シフトの投影画像を作成することができ、また位相シフトの断層撮影表示を多数の投影画像から計算することもできる。

Ｘ線波の位相は、直接にではなく、基準波との干渉によってのみ決定することができる。基準波もしくは隣接ビームに対して相対的な位相シフトは干渉格子を用いて測定することができる。干渉測定法に関しては先に引用した特許文献を参照するように指示する。これらの方法では検査対象がコヒーレントＸ線で透射され、引き続き、Ｘ線の波長に整合した突条部高さを有する位相格子に通され、これにより、対象内に現れる位相シフトに依存した干渉パターンが生じる。この干渉パターンは引き続く分析‐検出器装置によって測定され、位相シフトは位置分解して決定することができる。

この点について基本的に次のことを付記しておく。
実験室Ｘ線線源（例えばＸ線管、二次ターゲット、プラズマ源、Ｘ線源）からのＸ線光子の放出、および第一乃至第三世代の従来のシンクロトロンＸ線源からのＸ線光子の放出は、確率的プロセスに基づいている。それゆえに、放出されたＸ線は空間的コヒーレンスを持たない。しかし、線源が観察者もしくは対象、格子または検出器に対して現れる観察角が十分に小さい場合、Ｘ線線源のＸ線は位相コントラストラジオグラフィー、位相コントラスト断層撮影法もしくは任意の干渉実験において空間的コヒーレントＸ線として挙動する。拡張されたＸ線線源の空間的または横方向コヒーレンスの尺度とすることができるのはいわゆる空間的コヒーレンス長Ｌ_Cである。
Ｌ_C＝λ（ａ／ｓ）。 （１）
但し、λはＸ線の波長、ｓは横方向線源寸法、ａは線源‐観察点間の距離である。幾人かの専門家は上で定義した値の半分も空間的コヒーレンス長と称している。厳密な値は二次的なことである。重要なのは、ビームが互いに干渉する空間領域の（横方向）寸法に比較してコヒーレンス長Ｌ_Cが大きいことである。

本件明細書においてコヒーレントＸ線とは、Ｘ線光学格子の定められたジオメトリと定められた距離とにおいて干渉パターンを形成するＸ線である。自明のことであるが空間的コヒーレンス、従って空間的コヒーレンス長は、波長と線源寸法と観察距離との３つのパラメータによって常に決まる。表現を簡潔にする意味でこの事情は「コヒーレントＸ線」、「コヒーレントＸ線線源」または「コヒーレントＸ線を生成するための点状線源」等の用語に短縮された。これらの短縮の基礎にあるのは、ここで検討する応用においてＸ線の波長またはエネルギーＥが一方で検査対象の所望の透過能力によって、他方で実験室Ｘ線線源で利用可能なスペクトルによって限定されていることである。線源と観察点との間の距離ａも、非破壊材料試験または医療診断のための実験室施設では一定の制約を受けている。ここでは線源寸法と管出力との間の関連に狭い限界があるとしても、大抵の場合、唯一の自由度として残るのは線源寸法ｓである。

小さなもしくは点状Ｘ線源が求められる結果、利用可能な強度も比較的僅かである。それゆえに強度を高めるために、比較的面積の大きい焦点を有するＸ線線源を使用し、焦点と検査対象との間でビーム路中にＸ線光学吸収格子、いわゆる線源格子を介装することも提案された。面積の大きい焦点は、一層大きな、従って一層出力の強いＸ線線源の使用を可能とする。線源格子の狭い条溝もしくは間隙（溝）は、同一の条溝から出射する全ビームの所要の空間的コヒーレンスを守ることをもたらす。条溝の幅は横方向線源寸法ｓに対する、式（１）から生じる寸法要求を満たさねばならない。線源格子の条溝ごとの光子の間で、線源格子周期ｇ₀、干渉パターン周期ｇ₂、線源格子Ｇ₀と位相格子Ｇ₁との間の距離ｌ、位相格子Ｇ₁と干渉パターンとの間の距離ｄを
ｇ₀／ｇ₂＝ｌ／ｄ （２）
に従って適切に調整すると、少なくとも定在波場の最大と最小との強度的に正しい重なりが可能である。

本件明細書の短縮した表現ではこれに関連して用語「準コヒーレントＸ線」または「準コヒーレントＸ線源」が使用される。

Ｘ線の時間的コヒーレンスまたは縦コヒーレンスは、Ｘ線またはＸ線線源の単色性と平行して現れる。特的線のＸ線は、ここで検討した応用にとって大抵の場合十分な単色性もしくは時間的コヒーレンス長を有する。前置されたモノクロメータ、または位相格子の突条部高さによる共鳴エネルギーの選択は、制動放射スペクトルまたはシンクロトロンスペクトルからでも十分に狭いスペクトル範囲を取り出すことができ、それゆえ本装置において時間的コヒーレンス長に対する要求を満たすことができる。

この干渉パターン測定の問題は、干渉現象を十分な精度で測定できるようにするために、できるだけ明確に現れる干渉現象が位相格子の後方に必要とされることにある。しかしながら、通常のＸ線管を使用する場合一般に幅広のＸ線スペクトルが提供される一方、位相シフトに起因した干渉パターンを生成するのに寄与するのは限定されたエネルギー範囲のＸ線のみである。それゆえ時として、測定すべき干渉パターンに対して比較的高い暗騒音が存在する。
欧州特許出願公開第１４４７０４６号明細書

そこで本発明の課題は、できるだけ明確な干渉パターンを生成する位相格子によって投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するための焦点‐検出器装置を提供することである。

この課題は、本発明によれば、検査対象の投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するために、Ｘ線を生成しかつ検査対象に照射するためのＸ線源と、ビーム路中で検査対象の後方に配置されＸ線の予め定められたエネルギー範囲内にＸ線の干渉パターンを生成する位相格子と、位相格子によって生成された干渉パターンを少なくともその位相シフトに関して位置分解して検出する分析‐検出器システムとから少なくとも構成されているＸ線装置の焦点‐検出器装置において、位相格子がその突条部間の間隙内に、当該エネルギー範囲において突条部の減弱係数よりも高い線形減弱係数を持つ充填材料を有し、
間隙内での充填材料の高さは、
位相シフトの測定に利用されたエネルギーおよび波長のＸ線がＸ線の位相シフトを生成し、位相格子後に、突条部を透過したビームが、充填材料を有する間隙を透過するビームに対して半波長だけ位相シフトしているように設定され、
かつ、Ｘ線の減弱が、少なくとも位相シフトの測定に利用されたエネルギーに関して、突条部を通過する時と充填材料を通過する時とで同じになるように設定されていることによって解決される（請求項１）。
Ｘ線装置の焦点‐検出器装置に関する本発明の有利な実施態様は、次の通りである。
・位相格子が、直接前後に配置された複数の部分格子から構成されている（請求項２）。
・位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線の半波長の位相シフトを生成するように間隙内の充填材料の高さが設定されていることが、各部分格子に個別に適用される（請求項３）。
・少なくとも１つの部分格子が突条部の高さに充填材料を有し、
少なくとも１つの部分格子が間隙内に充填材料を有しておらず、
全ての部分格子の上下に配置された間隙内の全充填材料の高さは全体として、
位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線の半波長の位相シフトを生成するように設定され、
かつ、全ての部分格子を通過した後、ビーム方向に前後に配置された突条部全体を透過したビームが、充填材料付きおよび充填材料なしでビーム方向に前後に配置された間隙全体を透過するビームと比べて同じ強度損失を受けるように設定されている（請求項４）。
・使用されたＸ線がファンビームまたはコーンビームを有し、
ビーム方向に前後に配置された部分格子が異なる格子周期を有し、
ビーム束のビームが格子間隙のみまたは格子突条部のみを透過するように、格子周期の周期間隔が少なくとも１つの部分格子から少なくとも１つの後続の部分格子へ向かって大きくなり、かつ部分格子が互いに位置合せして配置されている（請求項５）。
・少なくとも１つの格子が平坦に構成されている（請求項６）。
・全ての格子が平坦に構成されている（請求項７）。
・少なくとも１つの格子が少なくとも１つの平面で放射原点を中心に湾曲している（請求項８）。
・全ての格子が少なくとも１つの平面で放射原点を中心に湾曲している（請求項９）。
・少なくとも１つの格子が、ビーム方向に向けられている突条部および間隙を有する（請求項１０）。
・全ての格子が、ビーム方向に向けられている突条部および間隙を有する（請求項１１）。

本発明者達は、焦点‐検出器装置内でできるだけ強い干渉パターンを生成し、それにより位相測定のできるだけ大きな信号対雑音比を作成するのに少なくとも寄与することは、干渉するＸ線成分の強度値ができるだけ同じ大きさであることを認識した。さらに、Ｘ線が位相格子内を通過する時にこの状況を正確に達成できるのは、公知のように周期的に配置された多数の格子突条部と格子突条部間に存在する間隙とからなる位相格子が、一方で突条部および間隙を通過する隣接ビーム間に干渉パターンを生成するための基本条件としてπもしくはλ／２の位相跳躍が生じるように、他方で間隙の後のＸ線強度と突条部の後のＸ線強度とができるだけ同じになるように構成されているときであることが認識された。

このため本発明者達は、Ｘ線が突条部を通過するか又は充填材料を有する間隙を通過するかにかかわりなく、所望の位相跳躍も同一のＸ線減弱も現れるように、突条部高さと格子間隙内にある充填材料とに関して位相格子を構成することを提案する。

それに応じて本発明者達は、検査対象の投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するために、
Ｘ線を生成しかつ検査対象に照射するためのＸ線源と、
ビーム路中で検査対象の後方に配置されＸ線の予め定められたエネルギー範囲内にＸ線の干渉パターンを生成する位相格子と、
位相格子によって生成された干渉パターンを少なくともその位相シフトに関して位置分解して検出する分析‐検出器システムとから少なくとも構成されるＸ線装置の公知の焦点‐検出器装置において、
位相格子がその突条部間の間隙内に、当該エネルギー範囲内において突条部の減弱係数よりも高い線形減弱係数を持つ充填材料を有し、
間隙内での充填材料の高さは一方で、位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線内に位相シフトを生成し、位相格子後に、突条部を透過したビームが、充填材料を有する間隙を透過するビームに対してこのＸ線の半波長だけ位相シフトしているように設定され、
間隙内での充填材料の高さは他方で、Ｘ線の減弱が、少なくとも位相シフトの測定に利用されたエネルギーに関して、突条部を通過する時と充填材料を通過する時とで同じになるように設定されていることを提案する。

格子材料の突条部高さを充填材料の高さにこのように調整することは、格子を製造するのに適しかつ突条部を充填するのに適した相応の材料を使った実験によって容易に実施することができる。代替的に、突条部および充填材料の高さに相応して既知の吸収係数と屈折率とから分析的に計算することも当然に可能である。

格子間隙および充填材料を通過するＸ線が、格子突条部を通過するＸ線に対してπもしくはλ／２の位相差を有するように、次の条件が満たされていなければならない。
δ_Fｈ_F＝δ_Sｈ_S＋λ／２ （３）
但し、δ_Fもしくはδ_Sは充填材料もしくは突条部材料の屈折率の実際の減少分、ｈ_Fもしくはｈ_Sは充填材料もしくは突条部の高さ、λは検討するＸ線の波長である。

格子間隙および充填材料を通過するＸ線が、格子突条部を通過する放射に対して同じ減弱を有するように、次の条件が満たされていなければならない。
μ_Fｈ_F＝μ_Sｈ_S （４）
但し、μ_Fもしくはμ_Sは充填材料もしくは突条部材料の吸収係数、ｈ_Fもしくはｈ_Sは充填材料の高さである。この場合厳密には吸収係数のエネルギー依存性も考慮しなければならない。

格子の製造を簡素化するために、本発明者達はさらに、位相格子を、直接前後に配置された複数の部分格子から構成することを提案する。これにより突条部高さは、大抵は使用される部分格子の数に相応して低減し、単純な製造プロセスも用いることができる。

前後に配置された複数の部分格子を使用する場合さらに、位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線のλ／２の位相シフトを生成するように間隙内の充填材料の高さが設定され、そして各部分格子後にＸ線の減弱が、少なくとも位相シフトの測定に利用されたエネルギーに関して、突条部を通過する時と間隙内の充填材料を通過する時とで同じであることが、各部分格子に個別に適用されると有利である。

製造をさらに簡素化するために別の有利な実施態様において、
少なくとも１つの部分格子が突条部の高さに充填材料を有し、
少なくとも１つの部分格子が間隙内に充填材料を有しておらず、
全ての部分格子の上下に配置された間隙内の全充填材料の高さは全体として、一方で、位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線中にλ／２の位相シフトを生成するように設定され、
全ての部分格子の間隙内の充填材料の高さは他方で、全ての部分格子を通過した後、ビーム方向に前後に配置された突条部の全体を透過したビームが、充填材料付きおよび充填材料なしでビーム方向に前後に配置された間隙の全体を透過するビームと比べて同じ強度損失を受けるように設定されている。

これにより例えば部分格子は充填材料の所望の総高さに一致した突条部高さで製造することができ、この充填材料もこの格子内に簡単に充填される一方、充填された部分格子の前方および／または後方の１つまたは複数の部分格子は単に格子材料で構成することができる。つまりこれにより、格子の間隙内に、突条部高さとは異なる特定高さで充填材料を均一に充填することがもはや必要ではなくなる。

複数の平坦な部分格子を使用し、ビーム方向に前後に配置された部分格子が異なる格子周期を有し、ビーム束のビームが実質的に格子間隙のみまたは格子突条部のみを透過するように、格子周期の周期間隔が少なくとも１つの部分格子から少なくとも１つの後続の部分格子へ向かって大きくなり、かつ部分格子が互いに位置合せして配置されていることによって、僅かな間隙幅もしくは突条部幅を有する高い格子突条部でファン状Ｘ線またはコーン状Ｘ線が陰になる問題は減らすことができることも、本発明者達は認識した。平坦な格子に突条部を垂直に配置する場合、半径方向に向けられている突条部への階段状近似はこうして達成することができる。それぞれ垂直な突条部を有する個々の平坦な部分格子のセットを用いて、その突条部が全体として半径方向に向いている格子はこうして近似することができる。

少なくとも１つの格子（線源格子、位相格子、位相格子の部分格子、または分析格子）または全ての格子は平坦に構成することができ、または少なくとも１つの格子または全ての格子は少なくとも１つの平面で放射源点を中心に湾曲させ、平坦に構成することができる。

少なくとも１つの格子が、ビーム方向に半径方向に向けられている突条部および間隙を有すると有利である。

本発明に係る焦点‐検出器装置は例えば、投影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線システムにおいて、投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線Ｃアームシステムにおいて、または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線コンピュータ断層撮影システムにおいて利用することができる。

以下において本発明を図を参照して好ましい実施例に基づいて詳しく説明する。図には本発明を理解するのに必要な特徴のみが示されている。
なお次の符号が使用されている。１：コンピュータ断層撮影システム、２：第１Ｘ線管、３：第１検出器、４：第２Ｘ線管、５：第２検出器、６：ガントリハウジング、７：患者、８：患者寝台、９：システム軸線、１０：制御および演算ユニット、１１：記憶装置、Ａ：格子材料、ａ：格子材料Ａを通過した後のＸ線ビーム、Ｂ：格子間隙内の充填材料、ｂ：格子間隙および充填材料Ｂを通過した後のＸ線ビーム、ｄ：位相格子Ｇ₁と分析格子Ｇ₂との距離、Ｄ₁：検出器、Ｅ：エネルギー、Ｅ_i：ｉ番目の検出素子、Ｆ₁：焦点、Ｇ₁：位相格子、Ｇ₂：分析格子、Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃：部分格子、ｈ_1S，ｈ_1F，ｈ_11F，ｈ_12F，ｈ_13F，ｈ_11S，ｈ_12S，ｈ_13S：突条部高さ、Ｉ（Ｅ_i（ｘ_G））：格子ずれｘ_Gにおいて検出素子Ｅ_iで測定した強度、Ｉ_ph：測定された光子流強度、Ｌ_C：コヒーレンス長、Ｌ：格子内の間隙、Ｐｒｇ_n：プログラム、Ｓ：格子の突条部、Ｓ_i：Ｘ線ビーム、ｘ_G：分析格子もしくは検出条帯のずれ、ｘ，ｚ：直角座標、φ_Ex：検出素子Ｅ_xでの正弦波状強度分布の位相、φ_ij：検出素子Ｅ_i，Ｅ_j間の相対的位相シフト、λ：波長。

理解を助けるためにまず図１および図２で位相コントラスト測定の基本原理を説明する。この点について基本的に付記しておくなら、図は寸法に忠実に描いてあるのでなく、基本構造もしくは記述する作用を強調するものである。横軸は縦軸（光軸）に比べて伸張されている。これにより角度は誇大に図示されている。干渉パターンの最大、すなわちタルボ距離に分析格子を位置決めすることがまさに本方法の目標であるが、特に干渉パターンおよび分析格子は教示する理由から互いに空間的に分離して書き込まれた。それゆえに寸法ｄ，ｒ₂は干渉パターンにも分析格子にも関係する。

図１は、焦点から到来し試料Ｐを透過するコヒーレントＸ線または線源格子から到来し試料Ｐを透過する準コヒーレントＸ線を示し、試料Ｐを透過した後に位相シフト現象が生じる。位相シフト（位相のずれ）の測定時に位相対象の屈折率の局部勾配が描出される事実に基づいてこれは厳密には微分位相コントラスト画像化とも称される。

ここではいわゆるタルボ距離の格子Ｇ₁を通過する時に干渉パターンが形成され、この干渉パターンは格子Ｇ₂によって、後続の検出器Ｄ₁とその検出素子とに、検出素子ごとに異なるＸ線強度を生じる。図１には干渉パターンが灰色ハッチングによって図示されている。例えば検出素子Ｅ_iの測定された強度を分析格子Ｇ₂の相対位置ｘ_Gに依存して検討し、強度Ｉ_phを相対位置ｘ_Gの関数としてプロットすると、図２に示すように各検出素子Ｅ_i，Ｅ_jでの強度Ｉ（Ｅ_i（ｘ_G）），Ｉ（Ｅ_j（ｘ_G））の正弦波状推移が得られる。これらの関数から各検出素子Ｅ_i，Ｅ_jについて位相位置φ_Ei，φ_Ejを決定することができる。隣接するピクセルの位相位置φ_Ei，φ_Ejの比較から相対的相互位相シフトφ_i，_jが得られる。こうして２π以下の相対的位相シフトを決定することができる。対象の位相シフトが２πより大きくなると、位相シフトの存在しない領域から、求める領域内に微分位相シフトを、対象の求める位置まで積分することが必要である。こうして決定された位相シフトから投影ピクセル画像を作成し、または相応の再構成法によってボリューム画像も作成することができる。

つまりこの方法は、回折格子として働きビームを＋１次ビームと−１次ビームとに分割する位相格子Ｇ１を利用する。

このような位相格子はシリコンウェハ内に長方形構造体をエッチングすることによって製造することができる。標準技術であるドライエッチングでは一般に、突条部幅１〜２μｍ、周期２〜４μｍにおいて高さ２０〜５０μｍの構造体が製造される。図３に示すように、突条部の高さは、符号「ｂ」を付した位置で通過したＸ線ビームと比較して符号「ａ」を付した位置で通過したＸ線ビームの位相シフトにπもしくはλ／２の差が得られるように選択される。位置「ａ」で通過したＸ線ビームが位置「ｂ」で通過したＸ線ビームと同じ強度を有し、格子がその他のジオメトリ特性に関して厳密に仕上げられている場合、ゼロ次回折は消える。しかしＸ線ビームが構造体内を進む路程は位置「ｂ」と比較して位置「ａ」では僅かに長いので、位置「ｂ」で通過したＸ線ビームは僅かに高い強度を有し、格子が厳密に仕上げられているとしてもゼロ次回折は消えない。

回折されたビームは位相格子の後方の波場において互いに干渉して定在波場を形成する。位相格子の前方または後方の対象は局部位相シフトに影響し、波面を変形させ、定在波場の振幅、位相およびオフセットを局部的に修正する。それゆえに、例えば定在波場の振幅、位相およびオフセット等の定在波場に関する情報を提供する測定を利用して、位相格子の前方および後方の対象に基づいて局部位相シフトの影響を計算することができる。所要の分解能で波場を走査するために、大抵、分析格子が波場を介して歩進的に移動される一方、同時に検出素子ごとに強度が監視される。

それゆえ、空間内の各ビームに対して分析格子をその都度ずらして少なくとも３回測定することによってビームごとの位相シフトを決定することができ、それから投影によるＸ線撮影の場合投影画像のピクセル値を直接計算することができ、またはコンピュータ断層撮影検査の場合にはそのピクセル値が位相シフトに一致した投影図を作成することができ、それから、周知の再構成法によって、検査対象内のどのボリューム要素に、測定された位相シフトのどの成分を属させるべきであるかを計算することができる。従って、そこから、Ｘ線の位相シフトに関して検査対象の局部作用を反映するスライス画像またはボリュームデータが計算される。検査対象の厚さまたは組成における僅かな差が既に位相シフトに対して強い作用を及ぼすので、本来比較的類似した材料、特に軟部組織の非常に詳細かつコントラストの強いボリュームデータを再現することができる。

多重にずらされた分析格子によって検査対象を透過したＸ線ビームの位相シフトを検出し、分析格子の後方で検出素子でのＸ線強度を測定するこの変形例によれば、分析格子をその都度移動させて各Ｘ線ビームについて少なくとも３回の測定を実行しなければならない。

このような分析格子を省き、それに代えて、十分に高い位置分解能の検出器を使用することも基本的に可能であり、その場合、測定時に生じる線量損失が少なくなり、検討したビーム中での位相シフトは１回の測定で決定することができる。

図３に示す公知の格子を使用する場合、定在波場の正弦波状強度変調の振幅は最大でなく、強度ゼロからの正弦波状強度曲線の最小強度オフセットがあり、もしくはオフセットが高まる。

図３に示す格子の問題は、突条部を透過するビームと間隙内を通るビームとが格子の後方で異なる強度を有し、測定されるべき所望の干渉パターンが最適に形成されないことにある。

これにより、干渉最大の位置は一層劣る形で測定される。

振幅格子の種々の位置において検出器を用いて位置分解された強度分布が測定される。複数のこのような画像から、試料に起因した相対的位相シフトによって干渉パターンの移動が決定される。先に述べたように、これは例えば格子線に垂直に振幅格子を移動させることによって行うことができ、種々の格子位置において１つの画像が撮影される。その際、格子位置に依存した同じ検出器ピクセルの強度を検討すると、正弦波状強度推移を観察することができる。この強度推移の位置から次に定在波場の１つまたは複数の干渉最大が決定され、これらの干渉最大からさらに、試料に起因した相対的位相シフトを決定することができる。

検出器ピクセルのグレー値は、定在波場の１つまたは複数の干渉最大の位置を決定するために格子位置に依存してプロットされ、雑音等の測定誤差を含む。定在波場のこの位置測定はその測定誤差とによって損なわれない。

それゆえに、定在波場の正弦波状強度変調の振幅が測定誤差と比べて大きければ大きいほど、前記測定は一層良好に機能する。

実際に測定されたグレー値の偏差（標準偏差）の期待値は統計的測定誤差によって引き起こされ、以下で雑音σと称される。この雑音がなかんずく、計数された光子の数の期待値の根に比例した量子雑音からなるとの実際的仮定のもとに、この数もしくは１つのピクセルのグレー値の期待値と共に雑音σが高まる。

前記測定時に測定時間または線源強度が高められる場合、検出器ピクセルで計数される光子の数が高まる。付属する量子雑音はこの光子数の根に伴って増加する。同時に、この光子数に比例して定在波場の正弦波状強度変調の振幅が増加し、これにより結局、定在波場の正弦波状強度変調の振幅と測定誤差との間の関係が高まり、前記測定が一層良好に機能する。

しかし図３に示すような公知の格子を使用することによって、正弦波状強度推移の、強度ゼロからの最小強度オフセットが発生するか、またはこれが高まり、同時に定在波場の正弦波状強度変調の振幅が高まらない場合、干渉最大の位置は一層劣る形で測定される。オフセットは情報を含まないが、しかし雑音を高める。

つまり理想的には干渉パターンができるだけ高い振幅であり、正弦波状強度推移の、強度ゼロからの最小強度オフセットができるだけ小さくなければならない。

これはオフセットもしくは信号対雑音比に対する検出器の貢献を述べているにすぎない。しかしここで重要なのはなかんずく、位相格子と分析格子での走査とが貢献するオフセットもしくは基礎である。分析格子の間隙は任意に細くはない。突条部幅と間隙幅との通常の比は５０：５０である。それゆえに、このような分析格子は干渉パターンの一定幅にわたって測定された強度を伝える。突条部幅と間隙幅との比が９０：１０である分析格子は干渉パターンをはるかに細かく走査するが、しかし走査回数もしくは測定時間を多大に要する。格子突条部内のＸ線の残留透過も、信号対雑音比に否定的に作用する。この理由から、高い信号対雑音比を達成するために、格子突条部内での吸収ができるだけ高くかつ格子間隙内での吸収ができるだけ少ない分析格子が必要である。

この問題を解決するために格子構成の種々の変形例を以下に示すが、これらは個々にまたは互いに組合せて使用することができる。

本発明の基本的な考えにより図４にまず問題の簡単な解決変形例が示される。ここに示されている位相格子Ｇ₁は例示的にシリコンウェハからエッチングされ、定められた高さの突条部Ｓを有する。位相格子は特定Ｘ線エネルギーＥへの作用に関して設計されている。高い線形減弱係数を有する充填材料が位相格子Ｇ₁の間隙Ｌ内に挿入されている。格子突条部の高さｈ_1Sおよび充填材料の高さｈ_1Fは、格子用に使用された材料「Ａ」と充填材料用に使用された材料「Ｂ」とに依存して、ビーム「ａ」のＸ線の吸収とビーム「ｂ」の吸収とが、少なくとも位相格子に合わせられているエネルギー範囲Ｅ内で同じになるように選択されている。しかし同時に、ビーム「ａ」，「ｂ」の位相シフトが、直接に突条部Ｓの末端の高さで、ビーム方向に関してπもしくはλ／２だけ移動していることも考慮される。

実務においてこれは例えば、充填材料「Ｂ」を格子にスパッタリングし、引き続き格子の表面、つまり突条部の末端を化学‐機械的に研磨することによって行うことができる。

突条部と間隙の高さ‐幅比、いわゆるアスペクト比はかなり大きく、それゆえに手間をかけて製造することができるので、本発明によれば、単一の回折格子の代わりに複数の回折格子を前後に配置して応用することも提案される。その１例が図５に示されている。ここには前後に配置され突条部および間隙に関して互いに位置合せされた３つの格子Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃が示され、その突条部高さｈ_11S，ｈ_12S，ｈ_13Sおよび充填材料の高さｈ_11F，ｈ_12F，ｈ_13Fはそれぞれ所要の高さの１／３にすぎない。図示した配置によって個々の格子の作用が加算され、結果は図４に示す単一格子に一致する。

図６はこの実施例の別の変形例を示し、２つの加算的に配置された格子Ｇ₁₁，Ｇ₁₂を有する。ここで付加的特殊性として付記しておくなら、一方の格子、ここでは格子Ｇ₁₁は充填材料の高さｈ_11Fに一致した突条部高さｈ_11Sを有する。突条部Ｓの所要の付加的高さｈ_12Sは第２格子Ｇ₁₂によって達成されるが、しかし第２格子Ｇ₁には充填材料がない。この変形例は製造技術的に、特定高さの充填材料を間隙Ｌ内に充填するよりもはるかに容易に、かつ厳密にも達成することができる。

指摘しておくなら、突条部領域と間隙領域とが同じ吸収を有するという基本原理が守られる限り、間隙内に充填された格子、部分的に充填された格子および空の格子と種々の突条部高さとの種々の組合せが、本発明の範囲から逸脱することなく数多く可能である。さらに指摘しておくなら、図示例では格子の突条部がすべて１方向を向いているが、しかし逆の向きまたは異なる向きの組合せも容易に可能である。

本発明に係る位相格子が、広く拡散する放射と合せて、つまりコーンビームジオメトリまたはファンビームジオメトリ用に使用される場合、本発明者達は付加的改良として複数の部分格子を使用して、ファン（扇）状に広げられたビームが格子突条部のみまたは格子間隙のみを透過することが保証されているように個々の部分格子用に異なる周期を利用することを提案する。そのような１例を図７に認めることができる。ここではファンビームを応用して、ビーム方向において周期長が大きくなる３つの格子Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃が示され、専ら、ビーム方向において最後の格子Ｇ₁₁は同一平面で充填された間隙内に、高い線形減弱係数を持つ充填材料を有する。周期長の増加は焦点Ｆ₁との各距離におけるビームのファン状広がりに一致する。これにより、符号「ａ」のビームが突条部Ｓのみを透過する一方、符号「ｂ」のビームが間隙Ｌのみを透過し、場合によってはそこにある充填材料Ｂを透過することが確保される。

格子上の相応のマークを利用して格子相互の（前方）位置合せを実現できることが指摘される。

格子の微調整は徐々に行うこともできる。これには第１格子が利用される。この格子は最適な構造にとって薄すぎるので、結果として得られる定在波場は確かに明確さが劣るが、しかしそれにもかかわらず存在している。つまりこの格子は定在波場を利用して位置合せすることができる。

１．構造体の光軸に沿った格子位置の位置合せ：
位相格子Ｇ₁の周期と分析格子Ｇ₂の周期は、コーンビームジオメトリの場合次式によって互いに結合されている。
ｇ₂＝（１／２）｛（ｒ₁＋ｄ）／ｒ₁｝ｇ₁ （５）
但し、
ｄは格子間の距離、
ｒ₁は線源と第１格子との間の距離、
ｇ₂は分析格子Ｇ₂の周期（定在波場の横周期に等しい）
ｇ₁は位相格子Ｇ₁の周期である。

この条件が守られない場合、分析格子の後方に配置された検出器には、干渉パターンではなく、格子突条部に対して平行な陰影線からなるいわゆる分割モアレパターンが生じる。そのことが該当するのは例えば、所定位置に関して位相格子が光軸に沿って移動されたときである。格子は、このパターンが消えるように位相格子を移動させることによって、ビーム軸線に沿った位置に位置合せすることができる。

２．格子線の平行な位置合せ：
分析格子の格子線が定在波場に対して（従ってビームスプリッタ格子の格子線に対して）平行でない場合、分析格子の後方に配置された検出器には、干渉パターンではなく、格子突条部に対して垂直な陰影線からなるいわゆる捩れモアレパターンが生じる。格子は、このパターンが消えるように位相格子を回転させることによって平行に位置合せすることができる。

実際には、捩りモアレパターンと分割モアレパターンとが重なることがある。角度および距離に関する格子位置合せの原理がそのことで変化することはない。まず、純分割モアレ、つまり格子線に対して平行な陰影線を有するモアレパターンが検出器上で観察されるまで格子を回すことによって格子線は平行に位置合せすることができる。次に、上記の如くに格子の距離が修正される。選択的に、純捩れモアレ、つまり格子線に垂直な陰影線を有するモアレパターンが検出器上で観察されるまで格子を回すことによって格子位置は光軸に沿って位置合せすることができる。次に、上記の如くに格子の捩れが修正される。

正しく位置合せされた格子に、正しく位置合せされていない他の位相格子が追加されると、定在波場は乱される。その場合、上記と同様にモアレパターンが生じる。追加された位相格子は第１格子と同じようにして位置合せされる。同じようにして別の格子が追加される。

図８は２つの部分格子Ｇ₁₁，Ｇ₁₂から構成された位相格子の他の変形例を示し、ここでは部分格子Ｇ₁₁が空の間隙を有し、部分格子Ｇ₁₂は充填材料を同一面に充填された間隙を有する。両部分格子がここでは焦点Ｆ₁を中心に同心で曲げられ、これにより個々の部分格子の突条部Ｓも半径方向に焦点に向けられ、突条部ＳでＸ線の陰影は何ら現れ得ない。

突条部の位置合せの別の変形例が図９に示されている。ここでは平坦な部分格子Ｇ₁₁、Ｇ₁₂が使用される一方、部分格子の突条部Ｓは半径方向に焦点Ｆ₁に向けられている。

別のＸ線システム、特に投影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線システム、Ｃアーム機器の一例または代替として、本発明に係る焦点‐検出器システムを備えかつ本発明に係る方法を実施するための完全コンピュータ断層撮影システムが図１０に示されている。この図に示されているコンピュータ断層撮影システム１はＸ線管２と対向する検出器３とを有する第１焦点‐検出器システムを備え、Ｘ線管２と検出器３とは詳しくは図示しないガントリのガントリハウジング６内に配置されている。第１焦点‐検出器システム２、３のビーム路中に本発明に係るＸ線光学格子システムが配置され、患者７はシステム軸線９に沿って移動可能な患者寝台８上に横たわり、第１焦点‐検出器システムのビーム路内に動かすことができ、そこで走査される。演算および制御ユニット１０の記憶装置１１に記憶されたプログラムＰｒｇ₁〜Ｐｒｇ_nは上で説明した本発明に係る方法を実行し、測定されビームに依存する位相シフトから相応の断層撮影画像を再構成する。

代替的に、単一の焦点‐検出器システムの代わりに、第１焦点‐検出器システムに追加して第２焦点‐検出器システムをガントリハウジング内に配置することができる。そのことが図に破線で示すＸ線管４と点線で示す検出器５とによって示唆されている。

補足的になお指摘しておくなら、図示された焦点‐検出器システムでもってＸ線の位相シフトを測定できるだけでなく、位相シフトはさらにＸ線吸収を従来どおり測定しかつ相応の吸収画像を再構成するのにも適している。場合によっては、吸収画像と位相コントラスト画像との複合画像を作成することもできる。

さらに指摘しておくなら、本件明細書において図示した医療用コンピュータ断層撮影システムは本発明の応用変種の単なる例示にすぎない。同様に本発明は、本発明の範囲から逸脱することなく、生物試料または無機試料を検査するためのシステムと合せて利用することができる。特に本発明は材料分析システムに応用することができる。

自明のことであるが、本発明の前記特徴はその都度記載した組合せにおいてだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく別の組合せや単独でも応用可能である。

干渉現象を表示するための位相格子と分析格子と検出器とを有する平行ビームジオメトリ用の焦点‐検出器装置の縦断面原理図。 格子の相対移動時の選択された検出素子での強度分布を示す図 間隙内に充填材料のない位相格子の縦断面図 突条部の間の間隙内に充填材料を有する本発明に係る位相格子を示す図 間隙内に充填材料をそれぞれに有する３つの部分格子からなる本発明に係る位相格子を示す図 ２つの部分格子、つまり充填材料を完全に充填された間隙を有する格子と間隙内に充填材料がなくかつ高い格子突条部を有する格子とからなる本発明に係る位相格子を示す図 ３つの平坦な部分格子、つまり間隙内に充填材料を有する１つの格子と充填材料のない２つの格子とからなり、格子の間隙と格子突条部が互いに半径方向を向いている本発明に係る位相格子を示す図 ２つの湾曲した部分格子、つまり間隙内に充填材料を同一平面に充填した格子と充填材料のない格子とからなり、格子の間隙と格子突条部が互いにかつそれ自体半径方向を向いている本発明に係る位相格子を示す図 ２つの平坦な部分格子、つまり間隙内に充填材料を同一平面に充填した格子と充填材料のない格子とからなり、格子の間隙と格子突条部がそれぞれそれ自体半径方向を向いている本発明に係る位相格子を示す図 本発明に係る焦点‐検出器システムを有するＸ線コンピュータ断層撮影システムの三次元図

符号の説明

１ コンピュータ断層撮影システム
２ 第１Ｘ線管
３ 第１検出器
４ 第２Ｘ線管
５ 第２検出器
６ ガントリハウジング
７ 患者
８ 患者寝台
９ システム軸線
１０ 制御および演算ユニット
１１ 記憶装置
Ａ 格子材料
ａ 格子材料Ａ通過した後のＸ線ビーム
Ｂ 格子間隙内の充填材料
ｂ 格子間隙および充填材料Ｂを通過した後のＸ線ビーム
ｄ 位相格子Ｇ₁と分析格子Ｇ₂との距離
Ｄ₁ 検出器
Ｅ エネルギー
Ｅ_i ｉ番目の検出素子
Ｆ₁ 焦点
Ｇ₁ 位相格子
Ｇ₂ 分析格子
Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃ 部分格子
ｈ_1S，ｈ_1F，ｈ_11F，ｈ_12F，ｈ_13F，ｈ_11S，ｈ_12S，ｈ_13S 突条部高さ
Ｉ（Ｅ_i（ｘ_G）） 格子ずれｘ_Gにおいて検出素子Ｅ_iで測定した強度
Ｉ_ph 測定された光子流強度
Ｌ_C コヒーレンス長
Ｌ 格子内の間隙
Ｐｒｇ_n プログラム
Ｓ 格子の突条部
Ｓ_i Ｘ線ビーム
ｘ_G 分析格子もしくは検出条帯のずれ
ｘ、ｚ 直角座標
φ_Ex 検出素子Ｅ_xでの正弦波状強度分布の位相
φ_ij 検出素子Ｅ_i、Ｅ_j間の相対的位相シフト
λ 波長

Claims (14)

1. 検査対象（７，Ｐ）の投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するために、
   Ｘ線を生成しかつ検査対象（７，Ｐ）に照射するためのＸ線源（２）と、
   ビーム路中で検査対象（７，Ｐ）の後方に配置されＸ線の予め定められたエネルギー範囲（Ｅ）内にＸ線の干渉パターンを生成する位相格子（Ｇ₁）と、
   位相格子（Ｇ₁）によって生成された干渉パターンを少なくともその位相シフトに関して位置分解して検出する分析‐検出器システムと
   から少なくとも構成されているＸ線装置（１）の焦点‐検出器装置（Ｆ₁，Ｄ₁）において、
   位相格子（Ｇ₁）がその突条部（Ｓ）間の間隙（Ｌ）内に、当該エネルギー範囲において突条部の減弱係数よりも高い線形減弱係数を持つ充填材料（Ｂ）を有し、
   間隙（Ｌ）内での充填材料（Ｂ）の高さ（ｈ_xF，ｈ_xyF）は、
   位相シフトの測定に利用されたエネルギーおよび波長（λ）のＸ線がＸ線の位相シフト（φ）を生成し、位相格子（Ｇ₁）後に、突条部（Ｓ）を透過したビーム（ａ）が、充填材料（Ｂ）を有する間隙（Ｌ）を透過するビーム（ｂ）に対して半波長（λ／２）だけ位相シフトしているように設定され、
   かつ、Ｘ線の減弱が、少なくとも位相シフト（φ）の測定に利用されたエネルギーに関して、突条部（Ｓ）を通過する時と充填材料（Ｂ）を通過する時とで同じになるように設定されている
   ことを特徴とするＸ線装置の焦点‐検出器装置。
2. 位相格子（Ｇ₁）が、直接前後に配置された複数の部分格子（Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃）から構成されていることを特徴とする請求項１記載の焦点‐検出器装置。
3. 位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線の半波長（λ／２）の位相シフトを生成するように間隙（Ｌ）内の充填材料（Ｂ）の高さが設定されていることが、各部分格子（Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３）に個別に適用されることを特徴とする請求項２記載の焦点‐検出器装置。
4. 少なくとも１つの部分格子（Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３）が突条部（Ｓ）の高さに充填材料（Ｂ）を有し、
   少なくとも１つの部分格子（Ｇ１１，Ｇ１２，Ｇ１３）が間隙（Ｌ）内に充填材料（Ｂ）を有しておらず、
   全ての部分格子（Ｇ_xy）の上下に配置された間隙（Ｌ）内の全充填材料（Ｂ）の高さ（ｈ_xF，ｈ_xyF）は全体として、
   位相シフトの測定に利用されたエネルギーのＸ線がＸ線の半波長（λ／２）の位相シフトを生成するように設定され、
   かつ、全ての部分格子（Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃）を通過した後、ビーム方向に前後に配置された突条部（Ｓ）全体を透過したビーム（ａ）が、充填材料（Ｂ）付きおよび充填材料（Ｂ）なしでビーム方向に前後に配置された間隙（Ｌ）全体を透過するビーム（ｂ）と比べて同じ強度損失を受けるように設定されている
   ことを特徴とする請求項３記載の焦点‐検出器装置。
5. 使用されたＸ線がファンビームまたはコーンビームを有し、
   ビーム方向に前後に配置された部分格子（Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃）が異なる格子周期（ｇ_1-1，ｇ₁₂，ｇ₁₃）を有し、
   ビーム束のビームが格子間隙（Ｌ）のみまたは格子突条部（Ｓ）のみを透過するように、格子周期（ｇ₁₁，ｇ₁₂，ｇ₁₃）の周期間隔が少なくとも１つの部分格子（Ｇ₁₁）から少なくとも１つの後続の部分格子（Ｇ₁₂）へ向かって大きくなり、かつ部分格子（Ｇ₁₁，Ｇ₁₂，Ｇ₁₃）が互いに位置合せして配置されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
6. 少なくとも１つの格子（Ｇｘ，Ｇｘｙ）が平坦に構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
7. 全ての格子（Ｇ_x，Ｇ_xy）が平坦に構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
8. 少なくとも１つの格子（Ｇｘ，Ｇｘｙ）が少なくとも１つの平面で放射原点を中心に湾曲していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
9. 全ての格子（Ｇ_x，Ｇ_xy）が少なくとも１つの平面で放射原点を中心に湾曲していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
10. 少なくとも１つの格子（Ｇｘ，Ｇｘｙ）が、ビーム方向に向けられている突条部（Ｓ）および間隙（Ｌ）を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
11. 全ての格子（Ｇ_x，Ｇ_xy）が、ビーム方向に向けられている突条部（Ｓ）および間隙（Ｌ）を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置。
12. 投影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線システムにおいて、Ｘ線システムが請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置（Ｆ₁，Ｄ₁）を有することを特徴とするＸ線システム。
13. 投影または断層撮影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線Ｃアームシステムにおいて、Ｘ線Ｃアームシステムが請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置（Ｆ₁，Ｄ₁）を有することを特徴とするＸ線Ｃアームシステム。
14. 断層撮影による位相コントラスト画像を作成するためのＸ線コンピュータ断層撮影システムにおいて、Ｘ線コンピュータ断層撮影システムが請求項１乃至１１のいずれか１つに記載の焦点‐検出器装置（Ｆ₁，Ｄ₁）を有することを特徴とするＸ線コンピュータ断層撮影システム。

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