JP5258504B2 - X線位相イメージングに用いられる位相格子及びその製造方法、該位相格子を用いたx線位相コントラスト像の撮像装置、x線コンピューター断層撮影システム - Google Patents
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しかし、X線の吸収能は軽元素になればなるほど小さくなるため、生体軟組織やソフトマテリアルに対しては十分なコントラストが期待できないという問題がある。
そこで、近年、X線の位相変化量に基づいてコントラストを発生させる撮像方法が検討されている。この位相コントラストを利用したX線位相イメージング法の一つとして、タルボ干渉を用いた撮像方法がある。
タルボ干渉法による撮像のためには、空間的に可干渉なX線源13、X線の位相を周期的に変調するための位相型回折格子(以下、位相格子と記す)15、検出器17が少なくとも必要である。
空間的に可干渉なX線は、位相格子15を透過した後のX線強度分布が位相格子15の形状を反映したものになる。
位相格子を透過したX線の位相は周期的に変調され、位相差がπ/2である位相格子を用いた場合には、位相格子からの距離が
(n−1/2)×(d2/λ)
の位置、及びその周辺位置に高コントラストの明暗周期像が現れる。
ここで、dは位相格子15のピッチ、λはX線の波長、n整数である。
なお、本明細書において、位相格子のピッチとは、位相格子中における上記一定の間隔で平行に周期的に配列された直線状の構造体による周期を指している。
また、本明細書において、一定の間隔で平行に周期的に配列された直線状の構造体を、縞状構造部と定義する。
したがって、位相格子は、このような互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配列された回折格子によって構成された構造を備える。
これらについて、更に具体的に説明すると、位相格子のピッチとは、図9の位相格子の模式図に示されているように、ある縞状構造体とそれに隣接する縞状構造体との間における、中心部分同士の距離Cを指し、或はそれら格子の端面同士の距離C’を指している。
また、この縞状構造部の幅とは、図9にAで示されているX線が透過する方向に対し垂直な方向の縞状構造部の長さ(縞状構造部の短辺側の長さ)を指している。
また、この縞状構造部の高さ(厚さ)とは、図9にBで示されているX線の透過する方向と同方向の縞状構造部の長さ(縞状構造部の長辺側の長さ)を指している。
また、この縞状構造部における間隙とは、図9にDで示されている縞状構造部と縞状構造部の間隔を指している。
図10のように、位相格子の前に被検体14を配置すると、照射されたX線は被検体14により屈折する。
そのため、被検体14を透過して屈折されたX線により形成された明暗周期像を検出すれば、被検体14の位相像を得ることができる。
但し、明暗周期像は位相格子と同一ピッチであるため、直接検出するためには、空間分解能の高いX線画像検出器が必要となる。
このような場合、X線を吸収する材料で作製され、十分な厚さを持つ回折格子である吸収格子16を用いることができる。
吸収格子16を明暗周期像が形成される位置に配置すれば、この明暗周期像と吸収格子16との重なりによりモアレ縞が発生する。
つまり、位相シフトの情報はモアレ縞の変形として検出器17により観察することができる。
このように位相格子15から明暗周期像までの距離を短縮する方法の一つとして、位相格子15のピッチを小さくすることが挙げられる。
したがって、縞状構造部における厚さ(高さ)B/縞状構造部における間隙D、あるいは縞状構造部における厚さ(高さ)B/縞状構造部における幅Aによって規定されるアスペクト比が大きくなり、作製するのが困難になる。
例えば、位相格子15の材料としてSiを用いた場合、20keVのX線における位相をπシフトさせるのに必要な厚みは29.2μm程度である。
また、スリット状の位相格子15を作製する場合、求める分解能により2μm程度のピッチ、すなわち1μmの開口幅で作製することが求められることとなる。このとき、アスペクト比は30程度となり、大面積の回折格子を作製することは難しい。
具体的には、図11に示すように、容易に作製可能であるアスペクト比の低い部分格子18を縦方向に積層することで、見かけ上の突条部の高さを高くし、アスペクト比の高い回折格子を作製している。
特許文献1のように多層化した位相格子を用いることで、単層の位相格子と比較し、一応、位相格子と明暗周期像の距離を短縮することはできる。
しかしながら、特許文献1では、部分格子を積層するに際して、位相格子と平行な面内でのX線の強度分布との関係において、部分格子の厚さを所定の厚さとすることによって、上記距離を短縮化させるようにすることについては、何も言及されていない。
位相格子と明暗周期像との距離の短縮化を図ることが可能となるX線位相イメージングに用いられる位相格子及びその製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の位相格子を用いたX線位相コントラスト像の撮像装置、該撮像装置を有するX線コンピューター断層撮影システムを提供することを目的とする。
本発明は、X線の位相を変調する位相格子であって、
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された、第1の回折格子と第2の回折格子を備え、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部は、X線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該X線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
該縞状構造部の厚さは、前記位相格子と平行な面内でのX線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するX線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定され、
前記第1の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第2の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第2の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第1の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して1/4ピッチずらされて積層された構造を有することを特徴とする。
また、本発明のX線の位相を変調する位相格子は、
前記位相のシフト量が、前記透過するX線に対してAπ(但し0<A<1)であることを特徴とする。
また、本発明のX線の位相を変調する位相格子は、前記複数の縞状構造部の幅が、前記周期的に配列された前記複数の縞状構造部同士の間隔と等しいことを特徴とする。
また、本発明のX線の位相を変調する位相格子は、
前記第1の回折格子が基板の一方の面側に形成され、
前記第2の回折格子が前記基板の他方の面側に形成されていることを特徴とする。
また、本発明のX線位相コントラスト像の撮像装置は、上記したいずれかに記載の位相格子と該位相格子を透過したX線を検出する検出器とを備えることを特徴とする。
また、本発明のX線コンピューター断層撮影システムは、上記したX線位相コントラスト像の撮像装置を有することを特徴とする。
また、本発明のX線位相イメージングに用いられる位相格子の製造方法は、
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された第1の回折格子と第2の回折格子を積層する工程を有し、
前記第1及び第2の回折格子の複数の縞状構造部は、X線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該X線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
前記第1の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第2の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記積層する工程は、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第2の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第1の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して1/4ピッチずれるように前記第1の回折格子と前記第2の回折格子とを積層することを特徴とする。
また、本発明によれば、上記の位相格子を用いたX線位相コントラスト像の撮像装置、該撮像装置を有するX線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。
図1に、2層のライン状回折格子をずらして相互に積層したX線位相イメージングに用いられる位相格子の構成例を説明する図を示す。
図1において、1はX線、2は1層目の回折格子、3は2層目の回折格子である。
本実施形態の位相格子は、互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的にライン状に配列されて構成された2層のライン状回折格子が、入射するX線に対して、上記縞状構造部が配列されている周期方向にずらして積層して構成されている。
本実施形態では、このような複数の回折格子を積層した位相格子において、
上記縞状構造部の厚さが、前記位相格子と平行な面内でのX線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するX線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定された構成例について説明する。
また、この縞状構造部の厚さは、前記透過するX線に対して位相をAπシフトさせる厚さに形成されている。但し、0<A<1である。
そして、上記2層のライン状回折格子を積層する際には、図1に示すように、入射するX線に対し2層目の回折格子3(第2の回折格子)を、1層目の回折格子2(第1の回折格子)の周期方向に4分の1ピッチずらして積層する。
X線1は基板に対して垂直方向から入射する。入射したX線は、回折格子のAπシフト部を1層分通過する部分、2層分通過する部分、通過しない部分とがある。
ここで、積層された位相格子を透過したX線の強度が最大及び2番目となる位置と、回折格子の位相シフト量の関係に関するシミュレーション結果を図3に示す。
ここでの位相シフト量とは、回折格子単層時(回折格子1層分)に透過したX線の位相が変化する量である。
例えば、図1及び図2に示す位相格子おいて、位相のシフト量はAπである。
また、位相格子における縞状構造部の幅と間隙は等しく、積層された位相格子は周期方向に1/4ピッチ互いにずれているとした。
なお、図3の横軸は回折格子を透過した時のX線の位相シフト量を示す。
縦軸は位相格子からの距離を示しており、(d2/λ)を100分割し、(d2/λ)×(1/100)〜(d2/λ)×(99/100)の間を1/100×(d2/λ)間隔で計算した。
縦軸は位相格子を透過したX線が形成する明暗周期像と、位相格子の距離である。
白丸プロットは、回折格子単層時における明暗周期像の最大強度となる位置と、位相格子との距離を、位相格子の位相シフト量毎に示している。
また、白三角プロットは回折格子単層時における明暗周期像の2番目の強度となる位置と、位相格子との距離を、位相格子の位相シフト量毎に示している。
同様に、黒丸プロットは回折格子積層時における明暗周期像の最大が強度となる位置と位相格子との距離を、黒三角プロットは回折格子積層時における明暗周期像の2番目の強度となる位置と位相格子との距離を示している。
図より、0.07≦A≦0.89の範囲が効果的である。
ただし、0<A<0.07、0.8<A<1の範囲においても、強度が3番目に強い位置を加味してみれば、積層の効果をみとめることができる。
図4に示すように基板8を形成する材料と異なる材料を用いて位相差Aπの縞状構造部7を形成しても良いし、図5のように基板の一部を加工して縞状構造部を備えた回折格子9としても良い。
また、図5に示す回折格子は非貫通構造であるが、貫通していても良い。貫通していれば基板によるX線の吸収が無いのでX線の利用効率が向上する。
図5において縞状構造部の間隙の少なくとも一部を、縞状構造部を形成する材料と異なる材料により充填しても良い。
例えば、図6において、縞状構造部a10を透過したX線と、縞状構造部b11を透過したX線の位相差がAπとなるような材料を選択する。
さらに、多層化した回折格子を得るためには、図7のように回折格子を形成した基板を2枚以上積層しても良いし、図8のように基板の表裏を加工して作製した回折格子12を用いても良い。
例えば、前記第1の回折格子が単一基板の一方の面側に形成し、前記単一基板の他方の面側に、前記第2の回折格子をその周期方向に1/4ピッチずらして作製するようにしても良い。
積層時には、回折格子同士が接するように加工済み基板を積層することが好ましいが、離れていても良い。この時に基板は互いに平行になるように積層する。
その他のアライメントの方法として、X線顕微鏡により回折格子を拡大観察して位置合わせをすることもできる。
また、空間的に可干渉なX線を照射しタルボ効果により得られる自己像を観察しながら位置合わせをしても良い。
位置合わせした後の位相格子は固定しても良いし、そのままX線位相像の観察を行っても良い。位相格子の固定時には、エポキシ樹脂などの接着剤や金−金接合、クランプなどを用いた機械的な固定などを用いることができる。
形状は薄板状で、表裏が鏡面であればコントラストは良好と成る。例えばSiやGaAs、Ge、InPといった半導体ウェハー、ガラス基板などを使用することができる。
X線の吸収はSiより大きいが、ポリカーボネート(PC)、ポリイミド(PI)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などの樹脂基板を用いることもできる。
つまり、フォトリソグラフィ法でレジストパターンを形成した後に、ドライエッチングまたはウェットエッチングで基板に加工しても良いし、リフトオフ法で基板上に回折格子を付与することもできる。
また、ナノインプリント法により基板又は基板上に成膜した材料を加工しても良い。
その際、吸収格子を用いてモアレ縞を形成した後に検出器を用いて出力を検出しても良い。
また、従来のコンピューター断層撮影システムに用いられているガントリ内に、本発明のX線位相像の撮像装置を組み込むことで患者のX線位相断層像を得ることができる。
本発明の実施形態においては、上記した実施形態のX線位相イメージングに用いられる位相格子をX線位相コントラスト像の撮像装置に用いることにより、X線位相コントラスト像の撮像が可能となる撮像装置を実現することができる。
また、このようなX線位相コントラスト像の撮像装置を備えたX線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。
[実施例1]
実施例1においては、位相格子として互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配置されたライン状回折格子を積層した構成例について説明する。
本実施例においては、まず、4インチ径の両面研磨200μm厚シリコンウェハー表面にレジストコート後、フォトリソグラフィ法により60mm角のエリアに線幅2μm間隙2μmのレジストパターンを作製する。
次に、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング(Deep−RIE)により次のような加工を行う。
すなわち、幅2μm間隙2μmで深さが9μmのスリット構造を作製した後にレジストを除去する(図5参照)。
17.7keVのX線において、9μm厚Siと9μm厚空気の位相差は0.4πとなる。この位相格子に17.7keVのX線をウェハーの垂直構造から照射する。
このとき、位相格子から138mmの位置においてX線強度の明暗像におけるX線強度が最大となり、91.2mmの位置においてX線強度の明暗像におけるX線強度が2番目に強くなる。
パターンが接するように2枚の加工済みシリコンウェハーを張り合わせる(図7参照)。
張り合わせ時には、スリット構造が互いに平行になるようにし、スリットの周期方向のずれ量が1μmになるようにする。
単層の場合と同様に17.7keVのX線をウェハーの垂直構造から照射する。このとき、X線強度の明暗像におけるX線強度が最大となる位置は位相格子から164mmと長くなるものの、X線強度の明暗像におけるX線強度が2番目に強くなる位置は位相格子から64mmとなる。
X線の強度が最大または2番目となる位置のいずれか短いほうを比較すると、位相格子が単層の場合にはX線強度の明暗像の位相格子からの距離が91.2mmだったのに対し、積層した場合は64.0mmとなり、約30%短縮される。
実施例2においては、位相格子として互いに平行な直線状の縞状構造部が一定の間隔で周期的に配置されたライン状回折格子を基板表裏に形成された構成例について説明する。
本実施例においては、まず、1mm厚アクリル板の表裏それぞれ60mm角のエリアに幅4μm間隙4μmで深さが8.2μmのスリット構造を作製する。
このとき、基板表裏に形成された縞状構造部は互いに平行で周期方向に2μmずらして形成する(図8参照)。
17.7keVのX線において、8.2μm厚アクリルと8.2μm厚空気の位相差は0.2πとなる。
比較のためアクリル板の片面のみに幅4μm間隙4μmで深さが8.2μmのスリット構造を形成した基板も作製する。
アクリル板の片面のみ縞状構造を形成した位相格子の場合、位相格子から539mmの位置においてX線強度の明暗像におけるX線強度が最大となる。
また、357mmの位置においてX線強度の明暗像におけるX線強度が2番目に強くなる。
このとき、X線強度の明暗像におけるX線強度が最大となる位置は位相格子から657mmと長くなるものの、X線強度の明暗像におけるX線強度が2番目に強くなる位置は257mmとなる。
X線の強度が最大または2番目となる位置のいずれか短い方を比較すると、位相格子が単層の場合にはX線強度の明暗像の位相格子からの距離が357mmだったのに対し、積層した場合は257mmとなり約30%短縮される。
2:1層目の回折格子
3:2層目の回折格子
4:位相差2Aπの領域
5:位相差Aπの領域
6:X線が位相変化せずに透過する領域
7:位相差Aπの縞状構造部
8:基板
9:基板の一部を加工して作製した回折格子
10:縞状構造部a
11:縞状構造部b
12:基板の表裏を加工して作製した回折格子
13:X線源
14:被検体
15:位相格子
16:吸収格子
17:検出器
18:部分格子
Claims (7)
- X線の位相を変調する位相格子であって、
複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された、第1の回折格子と第2の回折格子を備え、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部は、X線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該X線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
該縞状構造部の厚さは、前記位相格子と平行な面内でのX線の強度分布を所定強度にするために、前記透過するX線に対して位相を必要量シフトさせる厚さに設定され、
前記第1の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第2の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第2の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第1の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して1/4ピッチずらされて積層された構造を有することを特徴とする位相格子。 - 前記位相のシフト量が、前記透過するX線に対してAπ(但し0<A<1)であることを特徴とする請求項1に記載の位相格子。
- 前記複数の縞状構造部の幅が、前記周期的に配列された前記複数の縞状構造部同士の間隔と等しいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の位相格子。
- 前記第1の回折格子が基板の一方の面側に形成され、
前記第2の回折格子が前記基板の他方の面側に形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の位相格子。 - 請求項1から4のいずれか1項に記載の位相格子と該位相格子を透過したX線を検出する検出器とを備えることを特徴とするX線位相コントラスト像の撮像装置。
- 請求項5に記載のX線位相コントラスト像の撮像装置を有することを特徴とするX線コ
ンピューター断層撮影システム。 - 複数の縞状構造部が周期的に配列されて構成された第1の回折格子と第2の回折格子を積層する工程を有し、
前記第1及び第2の回折格子の複数の縞状構造部は、X線が透過する方向に対し垂直な方向の幅と該X線の透過する方向と同方向に厚さを有し、
前記第1の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔は、前記第2の回折格子の複数の縞状構造部の幅と間隔と等しく、
前記積層する工程は、
前記第1及び第2の回折格子の前記複数の縞状構造部が配列されている周期方向において、
前記第2の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれが、前記第1の回折格子の複数の縞状構造部のそれぞれに対して1/4ピッチずれるように前記第1の回折格子と前記第2の回折格子とを積層することを特徴とする位相格子の製造方法。
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