JP5462408B2 - X線源回折格子のステップ撮像システムおよび撮像方法 - Google Patents
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Description
and method for X−ray gratings phase−contrast imaging」および特許文献2の「X ray Phase contrast tomographic imaging」において、ホアン・ジーフォン(HUANG Zhifeng)らは、2つの吸収格子を使用して、1つの格子周期で並行して相対的に数ステップ移動させ、検出器が各ステップで1つの画像を取得し、1つの格子周期における取得工程が終了した後に、各ピクセル点が対応するサンプル光の強度曲線をバックグラウンド光の強度曲線と比較することにより、検出する物体の屈折像の情報を算出することを含む、非コヒーレントな格子の位相コントラスト撮像の斬新な技術的概念および解決策を提案した。これは、優れた位相コントラスト撮像効果をもたらす。前記方法は、多色の非コヒーレントな線源の下で作動され得て、簡単で利用可能な手段を実現する。
けるX線強度を光強度曲線として表し、検出器上の各ピクセルにおける光強度曲線と、検出されるべき物体が存在しないときの光強度曲線の間のコントラストに従って各ピクセルの散乱角分布の2次モーメントを算出して、別々の角度から物体の画像を得た後に、CT再構成アルゴリズムによる物体の散乱情報の撮像を得ることを含む、物体の暗視野撮像を遂行する技術的解決法を提案した。
物体の立体画像が、CT画像の再構成アルゴリズムによって再構成される。
以下の本文は、引用された従来技術との差異があって特別な紹介が必要な構成要素をさらに説明する。
「固定回折格子モジュール」
固定回折格子モジュールPは、2つの高精度の回折格子G1およびG2から成る。背景技術の部分で引用された特許出願の格子撮像技術では、使用される2つの高精度の回折格子は、ステップ技術を実現するように相対的にステップ移動する必要があるが、本発明では、それらの相対的な位置は、一定不変である。2つの回折格子G1およびG2の周期は、p1およびp2としてそれぞれ設定され、X線ビームの放射方向に、並行して連続的に配置される。
1)撮像システムが前記コヒーレントな状態を満たすとき、前記第1回折格子G1が位相格子で、入射X線の位相を変化させ、第1回折格子G1の背後にタルボ効果が生じる。第2回折格子G2が、吸収格子として働き、第1回折格子によって回折されるタルボ距離で平行に配置される。第1回折格子と第2回折格子は、相対的に固定される。
2)撮像システムが前記コヒーレントな状態を満たさないとき、2つの回折格子G1およびG2は、どちらも吸収格子である。2つの吸収格子は、互いに距離Dだけ離れて固定して平行に配置される。
「線源回折格子およびそのステップ技術」
線源回折格子G0は、マルチスリット吸収格子であり、X線装置を複数の狭ビーム線光源に分割する機能を有する。図1に示されるように、本発明では、線源回折格子は、少なくとも1つの格子周期p0で、光路方向(Z軸)および格子縞方向(Y方向)に対して垂直なX方向に、平行移動を達成する、すなわちステップ技術を達成することになる。それとは対照的に、既存の格子撮像技術では、線源回折格子の位置は、固定され、あるいはX線装置のターゲット材に直接エッチングされる。結果として、本発明を、引用された従来技術と区別するのは線源回折格子のステップである。線源回折格子の周期p0は、一般に約12マイクロメートルまたは数十マイクロメートルであり、したがって、ステップ長は
、数マイクロメートルもしくは12マイクロメートル、または数十マイクロメートルの大きさでさえよく、そのとき、並進移動装置は、約数マイクロメートルまたは12マイクロメートルの精度を有する。線源回折格子のステップ技術の成果が従来技術の格子モジュールPの2つの格子の相対的ステップと同等の結果を達成し得ることは、証明されうる。
「線源回折格子のステップ移動工程」
図2に示されるように、理想的な状態では計算は、簡単になるはずである。すなわち、示されるように、3つの格子はすべて、X方向に十分に大きな寸法を有する。線源回折格子G0は、大きな焦点のX装置(X−machine)を線光源の行に分割し、その分布は関数T0(x)によって表される。一方、回折格子G1およびG2は、それぞれT1(x)およびT2(x)によって表される。回折格子G0、G1およびG2の周期は、p0、p1およびp2である。
検出されるべき物体が光路に配置されていないとき、X線照射下の回折格子G1によって回折格子G2の位置に形成される画像は、関数Is(x)によって表される。すなわち、
Is(x)=I1(x)×S(x) (1)
であり、I1(x)は点の線源の照射下の回折格子G1によって回折格子G2の位置に形成された画像であり、S(x)は回折格子G2の位置における線源回折格子G0の投影像であって、次式で表される。
ST(x)=S0(x)T0(x)
G2の位置におけるI1(x)およびS(x)の周期は、回折格子の周期T2(x)と
等しく、すべてp2であって、便宜上pと印を付けられていることが注目される。
ID(x)=Is(x)T2(x) (2)
検出器ユニット(ピクセル)の寸法が回折格子G2の周期よりはるかに大きいので、特定のピクセルが受け取る光強度値は、回折格子周期の数倍または数十倍といった範囲の光強度の蓄積であり、したがって普遍性を失うことなく、次のように設定される。
Js(x)=J1(x)×S(x) (4)
この式で、J1(x)は、点の線源の状態での回折格子G2の位置における、物体および回折格子G1の画像であり、すなわち次式で表される。
p2=(p1/2)×L/(L−DT)
したがって、線源回折格子のステップ技術は、第1と第2回折格子の相対的ステップ技
術と実質的に同一の結果を得る、と要約することができる。その一方で、線源回折格子のステップ技術は、高精度の要件およびステップの困難さを大幅に緩和し、システムの安定性を著しく向上する。
「CT情報の抽出およびCT画像の再構成」
線源回折格子ステップのX線撮像工程中に、線源回折格子のステップにより、各検出器ユニット(ピクセル)に関してバックグラウンド変位曲線および試料変位曲線を得ることができる。実際のシステムにおける3つの回折格子の限定された寸法を考慮して、バックグラウンド変位曲線および試料変位曲線は、正弦波の曲線に類似であり、すなわち次式で表される。
Is(k)≒as+bscos(kΔx+φs) (8)
Ib(k)≒ab+bbcos(kΔx+φb) (9)
ここで、Is(k)は試料が存在する状態でステップkにおいて測定された光強度の値であり、Ib(k)は試料が存在しない状態でステップkにおいて測定された光強度の値であり、Δχはステップ長であり、曲線の位相変化はΔφ=(φs−φb)であって、as、bs、ab、bbは正弦波曲線の係数である。図3には、実際のシステムで測定されたバックグラウンド変位曲線が示されている。試料が検出されない状態での光強度曲線がバックグラウンド情報として役立ち得ると予測することが可能で、前記情報は、システムの記憶装置に事前に蓄積することができ、あるいは、装置が始動するとき一時的に自動取得される。
曲線の最大値および最小値を表し、次式の関係を有する。
式(10)および式(12)によれば、物体の内部の線減衰係数μおよび一般的な散乱パラメータfsの3次元分布を再構成するために、従来のフィルタリングされた逆投影アルゴリズム(RLフィルタリング、SLフィルタリングなど)が用いられてよい。式(10)は、特定の点を通過するX線の光強度の変化を測定することによって、検出された物体の吸収情報および減衰情報を得ることができることを示す。式(12)は、X線強度曲線のコントラストの変化を測定することによって、検出された物体の散乱情報を間接的に測定することができることを示す。
「撮像工程」
X線源は、物体に対して各角度でX線を放射する。一方、本発明の撮像システムの線源回折格子G0は、少なくとも1つの周期のステップ移動を達成する。前記処理を通じて、検出器は、光強度信号を、デジタル的に処理することができる電気信号に変換し、電気信号は、データ処理ユニットによってデータ処理される。検出器上の各ピクセル点における光強度曲線の変化を比較することによって、検出されるべき物体を通過するX線の減衰値、散乱値、および屈折値の1または複数を、検出器上のピクセル・ユニットにおいて得ることができる。次いで、物体を、ある角度だけ相対的に回転し、上記の回折格子のステップ移動を繰り返して、検出されるべき物体を通過するX線の減衰値、散乱値および屈折値
の1または複数を前記別の角度で得る。上記の処理を繰り返して、検出されるべき物体を通過するX線の減衰値、散乱値および屈折値の1または複数を複数の角度で得る。減衰値、散乱値および屈折値の1または複数を、検出された物体のCT画像に構成するのに、CT再構成アルゴリズムが用いられる。
Claims (22)
- X線を用いて物体を撮像するためのX線撮像のシステムであって、前記システムは、
X線源(S)と;
線源回折格子(G0)と;
固定回折格子モジュール(P)と;
X線検出器(T)と
を備え、
前記X線源(S)、前記線源回折格子(G0)、前記固定回折格子モジュール(P)、および前記X線検出器(T)は、前記X線の伝搬方向に連続して配置され、
検出されるべき物体は、前記線源回折格子と前記固定回折格子モジュールの間に配置され、
前記線源回折格子は、前記X線の光路方向および格子縞に対して垂直な方向にステップ移動することができ、
前記システムはさらに、前記X線源、前記線源回折格子、および前記X線検出器を制御するためのコンピュータ・ワークステーションを備え、前記コンピュータ・ワークステーションは、
前記線源回折格子を、その少なくとも1つの周期でステップ移動させる移動工程と;
各ステップ移動において、前記X線源は、前記検出されるべき物体にX線を放射し、前記X線検出器は、前記X線を同時に受け取って、少なくとも1つの周期のステップおよびデータ収集の後に、前記X線検出器上の各ピクセル点におけるX線の光強度を光強度曲線として表す表示工程と;
前記X線検出器上の各ピクセル点における前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態における光強度曲線と比較して、前記光強度曲線の変化から各ピクセル点のピクセル値を算出する算出工程と;
前記算出されたピクセル値によって検出された前記物体の画像を再構成する再構成工程と
を達成する、システム。 - 前記システムはさらに、作動手段を備え、
前記作動手段は、前記線源回折格子がステップ移動することと、前記検出されるべき物体が前記コンピュータ・ワークステーションの制御下で前記システムの他の部分に対してある角度だけ回転することとのうちの少なくとも一方を可能にする、
請求項1に記載のシステム。 - 前記線源回折格子の前記移動工程、前記表示工程、および前記算出工程が各回転角で繰り返されることによって、複数の角度におけるX線画像のピクセル値が得られ、次いで、所定のCT画像再構成アルゴリズムにより、前記検出されるべき物体の立体画像が再構成される、
請求項2に記載のシステム。 - 前記コンピュータ・ワークステーションは、
データの情報を処理し、そこから、前記検出されるべき物体のそれぞれの点のピクセル値を算出するデータ処理モジュールと;
前記算出されたピクセル値によって、前記検出されるべき物体の画像を再構成するための画像再構成モジュールと;
前記X線源、前記線源回折格子、および前記X線検出器の動作を制御する制御モジュールと
を備える、
請求項1に記載のシステム。 - 前記固定回折格子モジュール(P)は、相対的に固定された第1回折格子(G1)と第2回折格子(G2)からなる、
請求項1に記載のシステム。 - 前記コンピュータ・ワークステーションはさらに、前記検出されるべき物体の画像を表示する表示装置を備える、
請求項1に記載のシステム。 - 前記コンピュータ・ワークステーションは、前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の屈折情報を算出し、前記屈折情報から対応するピクセル値を算出することができる、
請求項1に記載のシステム。 - 前記コンピュータ・ワークステーションは、前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の散乱情報を算出し、且つ前記散乱情報から対応するピクセル値を算出することができる、
請求項1または7に記載のシステム。 - 前記コンピュータ・ワークステーションは、前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の減衰情報を算出し、且つ前記減衰情報から対応するピクセル値を算出することができる、
請求項1、7または8に記載のシステム。 - 前記X線源は、非コヒーレントなX線を放射する、
請求項1に記載のシステム。 - 前記線源回折格子、前記第1回折格子(G1)、前記第2回折格子(G2)、および前記X線検出器は、次式の関係を有し、
p2は、前記第2回折格子(G2)の周期であり、
Lは、前記X線源から前記第1回折格子(G1)までの距離であり、
Dは、前記第1回折格子から前記第2回折格子までの距離である、
請求項5に記載のシステム。 - 前記線源回折格子、前記第1回折格子(G1)、前記第2回折格子(G2)、および前記X線検出器は、次式の関係を有し、
P2=(p1/2)×L/(L−DT)
ここで、p1は、前記第1回折格子(G1)の周期であり、
p2は、前記第2回折格子(G2)の周期であり、
Lは、前記X線源から前記第1回折格子(G1)までの距離であり、
DTは、前記第1回折格子から前記第2回折格子までの距離であって、
λは、X線の波長である、
請求項5に記載のシステム。 - X線源、線源回折格子、固定回折格子モジュール、X線検出器、およびコンピュータ・ワークステーションを備えるX線撮像システムによって検出されるべき物体を撮像するためのX線撮像方法であって、前記X線撮像方法は、前記コンピュータ・ワークステーションの制御下で、
前記検出されるべき物体にX線を放射する工程と;
前記線源回折格子が、少なくとも1つの周期でステップ移動することを可能にする工程と;
各ステップ移動の処理において、前記X線検出器が、X線を受取り、処理可能なデジタル電気信号に変換することであって、少なくとも1つの周期のステップおよびデータ収集の後に、前記X線検出器上の各ピクセル点におけるX線の光強度を光強度曲線として表す表示工程と;
前記X線検出器上の各ピクセル点における前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態での光強度曲線と比較することによって、前記光強度曲線の変化を取得する変化取得工程と;
前記光強度曲線の変化から各ピクセル点のピクセル値を算出する算出工程と;
画像再構成モジュールが、すべてのピクセル値によって前記検出された物体の画像を再構成する再構成工程と
を遂行する、X線撮像方法。 - 前記コンピュータ・ワークステーションは、制御モジュール、データ処理モジュール、および画像再構成モジュールを備える、
請求項13に記載のX線撮像方法。 - 前記X線撮像方法はさらに、
前記検出されるべき物体を回転する工程と;
前記表示工程、前記変化取得工程、および前記算出工程それぞれを、各回転角において繰り返して、前記検出されるべき物体のそれぞれの点の前記X線検出器上のピクセル値の分布を別々の角度で得る工程と;
前記検出されるべき物体の立体画像を、CT画像の再構成アルゴリズムによって再構成する工程と
を有する、
請求項13に記載のX線撮像方法。 - 前記X線撮像方法はさらに、
前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の屈折情報を算出する工程と;
対応するピクセル値を前記屈折情報から算出する工程と
を有する、
請求項13に記載のX線撮像方法。 - 前記X線撮像方法はさらに、
前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の散乱情報を算出する工程と;
対応するピクセル値を前記散乱情報から算出する工程と
を有する、
請求項13または16に記載のX線撮像方法。 - 前記X線撮像方法はさらに
前記検出されるべき物体が存在する状態での前記光強度曲線を、前記検出されるべき物体が存在しない状態でのバックグラウンドの光強度曲線と比較することによって、前記検出されるべき物体の所定の点におけるX線の減衰情報を算出する工程と;
対応するピクセル値を前記減衰情報から算出する工程と
を有する、
請求項13、16または17に記載のX線撮像方法。 - 前記コンピュータ・ワークステーションはさらに、前記検出された物体の画像を表示するための表示装置を備え、
前記X線撮像方法はさらに、前記再構成された画像を相補的に表示する工程を有する、
請求項18に記載の方法。 - 前記ステップ移動の処理は、前記線源回折格子の1つの周期において5よりも多いステップ数を含む、
請求項18に記載のX線撮像方法。 - 前記ステップ移動の処理は、前記線源回折格子の1つの周期において5未満のステップ数を含む、
請求項18に記載のX線撮像方法。 - 請求項13乃至21のいずれか1項に記載のX線撮像方法を達成するためのコンピュータ実行可能命令からなるコンピュータ・プログラム製品。
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