JP5438022B2 - Ｘ線位相コントラストイメージングの検出セットアップ - Google Patents

Description

本発明は、対象の位相コントラストＸ線画像を生成するＸ線装置及び方法に関する。

古典的なＸ線イメージングが、対象によって引き起こされるＸ線の吸収を測定する一方、位相コントラストイメージングは、Ｘ線が対象を通過するときの位相シフトＸ線経験を検出することを目的とする。文献（T. Weitkamp他による「X-ray phase imaging with a grating interferometer」(Optics Express 13(16), 2005)に記述される設計によれば、対象が（コヒーレントな）Ｘ線によって照射されるとき、強度最大値及び最小値の干渉パターンを生成するために、位相格子が、対象の後ろに配置される。対象によって導入されるＸ線波の任意の位相シフトは、干渉パターンに、ある特徴的な変位を引き起こす。従って、これらの変位を測定することは、興味がある対象の位相シフトを再構成することを可能にする。

記述されるアプローチの問題は、既存のＸ線検出器の実施可能なピクセルサイズが干渉パターンの最大値と最小値との間の距離より（かなり）大きいことである。従って、これらのパターンは、直接的に、空間分解されることができない。この問題に対処するために、検出器ピクセルのすぐ前の吸収格子を使用して、検出器のピクセルによる干渉パターンの小さいサブセクションのみを見ることが提案されている。ピクセルに対して吸収格子をシフトすることは、干渉パターンの構造（すなわち対象なしのデフォルトパターンからの偏り）を回復することを可能にする。しかしながら、光学素子の必要な移動は、特に位相コントラストイメージングが医療環境において利用されるべきである場合に要求されるような迅速さと高い正確さを伴ってそれが行われなければならない場合、些細でない機械的なタスクである。

この背景に基づいて、本発明の目的は、例えばコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）のような医用イメージングにおける利用に特に適した、対象のＸ線位相コントラスト画像を生成する手段を提供することである。

この目的は、請求項１に記載のＸ線装置、請求項９に記載の方法、請求項１０に記載のコンピュータプログラム製品、請求項１１に記載の記録担体及び請求項１２に記載の送信プロシージャによって達成される。好適な実施例は、従属請求項に開示されている。

本発明によるＸ線装置は、対象の位相コントラスト画像、すなわち、画像ポイントの位置が（例えば投影又はセクションマッピングを介して）対象に空間的に関連し、画像ポイントの値が対象によって透過されたＸ線に引き起こされた位相シフトに関連する画像、を生成するように機能する。Ｘ線装置は、以下の構成要素を備える。
−Ｘ線を生成するＸ線源。干渉パターンの生成を可能にするために、生成されるＸ線は、十分に大きい空間的及び時間的なコヒーレンスをもつべきである。
−以下に「ＤＯＥ」と略記される回折光学素子。ＤＯＥはＸ線源に露出されており、すなわち、ＤＯＷは、Ｘ線源がアクティブである場合、そのＤＯＷがＸ線源の発光によってヒットされるように配置される。
−ＤＯＥによって生成される干渉パターンを検出するスペクトル分解Ｘ線検出器。

記述されるＸ線装置は、ＤＯＥによって生成される干渉パターンがスペクトル分解の方法で検査されるので、この干渉パターンから最大の情報量を抽出するという利点を有する。これは、高速に位相コントラスト画像を得ることを可能にし、このことは、特に露光をするのに利用できる時間がさまざまな理由により制限される医用イメージングにおいて有利である。

更に、記述されるＸ線装置は、医用イメージングにおける標準の線源である多色Ｘ線源の利用を許す（又は要求する）。特に、光子エネルギーに対して１０％より広い、好適には約２０−４０％の発光帯幅（Ｘ線光子のエネルギー分布の半値全幅が最大時のエネルギーの約２０−４０％であることを意味する）を有するＸ線源が、使用されることができる。

回折光学素子ＤＯＥは、Ｘ線によって照射されるとき、所望の干渉パターンを生成することが可能な任意の装置でありうる。好適には、ＤＯＥは、位相格子を含み、すなわち格子のラインが、ごくわずかな吸収を有するが、実質的な位相シフトを有し、ゆえにＸ線光子の損失を最小限にする該格子を含む。

原則として、Ｘ線検出器は、対応する感光領域において測定を行うことを可能にする単一の感光素子を有することができる。しかしながら、好適には、検出器は、複数のＸ線感光素子（ピクセル）をもつアレイ、特に１次元又は２次元アレイ、を備える。測定は、複数の位置において同時に行われることができ、例えば１ステップで空間的に分解された２次元投影画像をサンプリングすることを可能にする。

本発明の別の実施例において、Ｘ線検出器は、ＤＯＥの周期と固定の関係を有する（例えば、ＤＯＥの周期のほぼ２倍の周期を有する）周期により、その空間感度を変調する変調器を備える。このような変調器の利用は、特に、通常のＸ線感光素子（例えば、関連する光検出器を有するシンチレータを含むピクセル又は直接変換材料を含むピクセル）と組み合わされる場合に有用である。この理由は、通常のＸ線感光素子が、一般に、干渉パターンのピッチより非常に大きいサイズを有するからである。この例において、変調器は、干渉パターンの周期によって与えられる限界までＸ線検出器の空間分解能を増大するために使用されることができる。変調器は、例えば、米国特許出願第２００７／０１８３５８０Ａ１号明細書に記載されるように吸収格子によって又はシンチレーション構造によって実現されることができる。

Ｘ線装置は、好適には、対象によって引き起こされた位相シフトを決定する評価ユニットを更に有し、評価ユニットは、Ｘ線源とＤＯＥとの間のＸ線パス上に配置される。評価ユニットは、任意には、専用の電子ハードウェア、関連するソフトウェアを有するデジタルデータ処理ハードウェア、又は両方を混ぜたものによって、実現されることができる。評価ユニットは、対象によって引き起こされる位相シフトと、ＤＯＥの後ろで観察されることができる干渉パターンに結果的に現れる変化との間の明確な関係があるという事実を利用する。この関係を逆にすることは、対象の所望の位相コントラスト画像を計算することを可能にする。

上述した実施例の更なる展開において、評価ユニットは、更に、さまざまな異なる方向から得られた前記対象の位相コントラスト投影から、対象の断面位相コントラスト画像を再構成する再構成モジュールを備える。再構成モジュールは、吸収Ｘ線イメージングの分野の当業者によく知られているコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）のアルゴリズムを利用することができる。

Ｘ線源が、ＤＯＥの後ろで干渉パターンを生成するのに必要な時間的な及び空間的なコヒーレンスを有するべきであることは既に言及された。Ｘ線源は、任意には、格子の後ろに配置される空間的に拡張されたエミッタを備えることができ、ここで、「後ろ」なる語は、Ｘ線源の発光方向に関連する（すなわち放出されたＸ線が格子を通過する）。拡張されたエミッタは、それが通常のＸ線源において使用されるとき、標準のアノードでありえ、それ自体は空間的にインコヒーレントでありうる。格子の助けを借りて、エミッタは、各々が（その長さに対して垂直な方向に）空間的にコヒーレントである複数のラインエミッタに効果的に分割される。

Ｘ線源は、例えばＸ線源によって放出されるＸ線スペクトルの特定のバンドを抑制するフィルタのような少なくとも１つのフィルタを任意に備えることができる。所望の位相コントラストイメージングにとって全く役に立たない又はこのようなイメージングを妨げさえするＸ線スペクトルの部分は、こうして落とされることができる。これは、Ｘ線照射に対する対象の露出を最小限にするのを助け、このことは、特に医用アプリケーションにおいて重要である。

本発明は更に、対象のＸ線位相コントラスト画像を生成する方法に関する。前記方法は、以下のステップを含む：
−多色Ｘ線により対象を照射するステップ。
−対象の後ろに配置される回折光学素子（ＤＯＥ）により干渉パターンを生成するステップ。ここで、「後ろ」なる語は、印加されるＸ線照射の伝播方向に関連する。
−スペクトル分解によって前記干渉パターンを検出し、すなわち少なくとも１つの閾値に関してＸ線の光子エネルギーを弁別（例えば「７０ｋｅＶより低い」又は「７０ｋｅＶより高い」）するステップ。
−検出される干渉パターンに基づいて対象によって引き起こされた位相シフトを決定するステップ。

Ｘ線装置は、一般にプログラマブルであり、例えば、それは、マイクロプロセッサ又はＦＰＧＡを含むことができる。従って、本発明は更に、コンピューティング装置上で実行されるとき本発明による方法の任意のものの機能を提供するコンピュータプログラム製品を含む。

更に、本発明は、機械可読形式のコンピュータ製品を記憶するとともに、データ担体に記憶されるプログラムがコンピューティング装置上で実行されるとき本発明の方法のうち少なくとも１つを実行する、例えばフロッピーディスク、ハードディスク又はコンパクトディスク（ＣＤ−ＲＯＭ）のようなデータ担体を含む。

今日、このようなソフトウェアは、ダウンロードのために、インターネット又は企業イントラネット上に提供されることが多い。それゆえ、本発明は、更にローカル又はワイドエリアネットワークを通じて、本発明によるコンピュータ製品を送信することを含む。コンピューティング装置は、パーソナルコンピュータ又はワークステーションを含むことができる。コンピューティング装置は、マイクロプロセッサ及びＦＰＧＡのうちの一方を含むことができる。

上述の方法、コンピュータプログラム製品、データ担体及び送信プロシージャは、本質的な要素として、上述のＸ線装置の概念を含む。従って、これらの要素の詳細、利点及び変形の詳細についての更なる情報については、上述の説明を参照されたい。

対象の位相コントラスト画像を生成する本発明によるＸ線装置を概略的に示す図。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施例から明らかであり、それらを参照して解明される。これらの実施例は、添付の単一の図面の助けを借りて例示によって記述される。

位相コントラストＸ線イメージングは、Ｘ線が対象を通過するときのＸ線の位相シフトの測定を目的とする。位相感受性のある測定の利益は、位相コントラストが、潜在的に、吸収コントラストより高いオーダーの大きさであることである（A. Momoseによる「Phase sensitive imaging and phase tomography using X-ray interferometers」(Optics Express 11(19), 2003)；T. Weitkamp他による「X-ray phase imaging with a grating interferometer」(Optics Express 13(16), 2005)を参照）。最初に、位相感受性の方法の主な欠点は、非常に狭い帯幅を有するＸ線源が必要とされることであった。しかしながら、この欠点は、１０％―２０％の帯幅を達成するための特別なフィルタを有する標準Ｘ線管を使用することによって、克服されることができる（F. Pfeiffer他による「Phase retrieval and differential phase contrast imaging with low-brilliance X-ray sources」(Nature Physics 2, pp 258-261, 2006)を参照）。

知られているセットアップによりＸ線の位相を測定するために、各々の幾何学的な光線の少なくとも３の独立した測定が必要とされ、いくつかのグリッドのうち少なくとも１つが、そのグリッド定数の何分の一かだけ光軸に対して垂直に変位されなければならない。トモグラフィは、回転する対象を使用してこれらのアプローチにおいて実施されることができ、測定は、測定セットアップの静止相対位置において行われる。しかしながら、医用トモグラフィシステムの場合、データ取得が対象（患者）の周りを連続的に回転するシステムを使用して実施されるのが必須である。更に、医用トモグラフィシステムにおいて、グリッド移動は、正確に実施されなければならないだけでなく、かなり迅速に行われなければならず、これを実施するのは非常に困難である。

添付の図１は、上述の問題に対処するＸ線装置１００示している。Ｘ線装置１００は、多色Ｘ線を生成するＸ線源１０を備える。Ｘ線源１０は、ケース内に、空間的に拡張されたエミッタ１１を有し、エミッタ１１は、例えば標準の「広い帯幅」のＸ線源のフォーカス（アノード）によって実現されることができ、一般に光軸（ｚ軸）に対して垂直方向に数ミリメートルの拡張を有する。格子Ｇ_０は、各々が横方向において空間的にコヒーレントであるラインでの発光を再分割するために、エミッタ１１の前に配置される。このアプローチについての更なる詳細は、文献（例えば上述のPfeiffer他による）に見い出されることができる。

明確さのために、格子Ｇ_０の１つのスリットの向こう側でｚ方向に伝播するただ１つのシリンドリカル波が、図１に示されている。シリンドリカル波は、装置１００によってイメージングされるべきである対象１（例えば患者の身体）を通過する。対象１の材料は、Ｘ線波の位相シフトを引き起こし、その結果、対象１の後ろ側に変更された（乱された）波面を生じさせる。光軸に対して垂直な各位置ｘについて、位相シフトΦ（ｘ）は、対応するＸ線パスに沿った材料特性にとって特徴的である波面に関連する。完全関数Φは、興味がある対象１の位相コントラスト投影画像である。

位相シフト関数Φを決定するために、回折光学素子（ＤＯＥ）が、対象１の後ろに配置される。図示される例において、このＤＯＥは、光軸に対して垂直に延在する位相格子Ｇ_１（線源格子Ｇ_０のスリットと平行なそのスリットを有する）によって実現される。格子Ｇ_１は、透過ジオメトリに、すなわち対象の側と反対側の空間に、干渉パターンを生成する。この干渉パターンは、固定の座標ｙ及びｚにおいて、以下の関数によって特徴付けられることができる。
Ｉ＝Ｉ（ｘ，λ，Φ（ｘ））
上式で、λは、干渉パターンのスペクトル強度Ｉが観察されるＸ線波長である。

図１に概略的に示されるように、干渉パターンは、ＤＯＥ格子Ｇ_１から所与の距離ｄのところで、特定の波長λに関して、強度最大値及び最小値をもつ周期的なパターンに対応する。Ｘ線検出器３０によってこの干渉パターンを測定することは、対象１によって導入された位相シフトΦ（ｘ）を推定することを可能にする。

しかしながら、実際に、グリッドＧ_１から距離ｄのところにある干渉パターンＩの測定は、些細でないタスクである。この理由は、２つの隣接する最大値又は最小値の間の距離によって決定される必要な空間分解能は、通常のＸ線検出器の感光素子又はピクセル３１の大きさより非常に小さいからである。この問題に対処するために、検出器ピクセル３１の直前に吸収格子Ｇ_２を配置することが、文献において提案されており、前記格子は、本質的に、対象の後ろのグリッドＧ_１と同じ周期をもつ。吸収格子Ｇ_２は、小さいウィンドウを提供する効果を有し、前記ウィンドウを通じて、検出器は、周期的な干渉パターンＩの対応するサブセクション、例えば最大値の周りの小さい領域、を「見る」ことにより、これらのサブセクションにおける強度を効果的に測定する。ｘ方向に格子Ｇ_２をシフトすることによって、干渉パターンが、いくつかの位置でサンプリングされることができ、それによって、完全にそれを再構成することを可能にする。

記述されるグリッド−ステッピングアプローチの問題は、それが複雑且つ正確な力学を必要とすることである。更に、ステッピングは、測定が異なる時間に逐次的に行われることを示し、このことは、対象が移動する場合又は回転セットアップがコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）再構成のために使用されるべきである場合、不利益である。

これらの問題を回避するために、格子Ｇ_２の１つの位置についてのみであるが、エネルギー分解Ｘ線検出器３０を同時に使用してさまざまな異なるエネルギー又は波長λについて、干渉パターンＩ（ｘ，λ，Φ）を測定することがここで提案される。このようなエネルギー分解検出器は、当分野において良く知られている。エネルギー分解検出器は、パルス計数及びパルス弁別を利用することができ、すなわち、ピクセル３１によって吸収されるあらゆるＸ線光子は、電気パルスＰに変換され、電気パルスＰの高さは、光子のエネルギーに対応する。パルスＰは、複数の異なるエネルギーレベルＥ１，...Ｅｎに関して弁別器３２によって容易に計数され、分類されることができる。

Ｘ線検出器３０の測定は、例えば適当なソフトウェアを有するデジタルデータ処理ユニット（ワークステーション）のような評価ユニット４０によって評価されることができる。このユニットは、特に対象１の周りのさまざまな異なる回転方向から生成された対象１の位相コントラスト投影から、ＣＴ再構成を実行するための再構成モジュール４１を有することができる。

例えば、記述されるアプローチは、いくつかの利点を有する：
−格子の機械的な調節が不用になる。
−より広いＸ線スペクトルが使用されることができるので、Ｘ線源１０の管電力が、より効率的に使用される（検出側において、１０％のオーダーの狭い帯幅が実現される）。
−エネルギーごとの干渉パターンが、真に同じジオメトリにおいて測定される。

最後に、本願において、「含む、有する」なる語は、他の構成要素又はステップを除外せず、「a」又は「an」なる語は、複数性を除外せず、単一のプロセッサ又は他のユニットは、いくつかの手段の機能を実施することができることに注意されたい。本発明は、一つ一つの新しい特徴的なフィーチャ及び特徴的なフィーチャの一つ一つの組み合わせにある。更に、請求項における参照符号は、それらの範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (12)

1. 対象の位相コントラスト画像を生成するＸ線装置であって、
   Ｘ線源と、
   前記Ｘ線源に露出される回折光学素子と、
   前記回折光学素子によって生成される干渉パターンを検出するスペクトル分解Ｘ線検出器であって、複数の異なるエネルギーレベルについてパルス弁別及び計数を行う弁別器を有する、スペクトル分解Ｘ線検出器と、
   を有するＸ線装置。
2. 前記Ｘ線源は、１０％より大きい、好適には約２０−４０％の発光帯幅を有する、請求項１に記載のＸ線装置。
3. 前記回折光学素子は位相格子を備える、請求項１に記載のＸ線装置。
4. 前記Ｘ線検出器は、Ｘ線感光素子のアレイを有する、請求項１に記載のＸ線装置。
5. 前記Ｘ線検出器は、前記回折光学素子の周期に対応する周期によって、その空間感度を変調する変調器を有する、請求項１に記載のＸ線装置。
6. 前記Ｘ線源から前記Ｘ線検出器までのＸ線パス上の対象によって引き起こされた位相シフトを決定する評価ユニットを有する、請求項１に記載のＸ線装置。
7. 前記評価ユニットは、さまざまな異なる方向から得られた前記対象の位相コントラスト投影から、前記対象の断面位相コントラスト画像を再構成する再構成モジュールを有する、請求項６に記載のＸ線装置。
8. 前記Ｘ線源は、格子の後ろに配された空間的に拡張されたエミッタを有する、請求項１に記載のＸ線装置。
9. 対象のＸ線位相コントラスト画像を生成する方法であって、
   多色Ｘ線照射により前記対象を照射するステップと、
   前記対象の後ろに配される回折光学素子により干渉パターンを生成するステップと、
   スペクトル分解によって前記干渉パターンを検出するステップであって、複数の異なるエネルギーレベルについてパルス弁別及び計数を行う、ステップと、
   前記検出された干渉パターンに基づいて、前記対象によって引き起こされた位相シフトを決定するステップと、
   を含む方法。
10. 請求項９に記載の方法を実施することを可能にするコンピュータプログラム。
11. 請求項１０に記載のコンピュータプログラムが記憶された記録担体。
12. ローカル又はワイドエリア通信ネットワークを通じた請求項１０に記載のコンピュータプログラムの送信。

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