JP5601909B2 - X-ray imaging apparatus and X-ray imaging method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、Ｘ線の位相を利用して被写体の内部構造を高感度で観察するためのＸ線撮像装置に関するものである。 The present invention relates to an X-ray imaging apparatus for observing the internal structure of a subject with high sensitivity using the phase of X-rays.
Ｘ線は透過力が高いゆえに、物体内部を透視するためのプローブとして、医用画像診断、非破壊検査、セキュリティチェックなどにおいて、広く利用されている。Ｘ線透視画像のコントラストは、Ｘ線減衰率の違いによっており、Ｘ線を強く吸収する物体はＸ線の影として描出される。Ｘ線吸収能は、原子番号が大きい元素を多く含むほど強くなる。逆に原子番号が小さい元素から成る物質についてはコントラストがつきにくいことも指摘でき、これがＸ線透視画像の原理的欠点でもある。したがって、生体軟部組織やソフトマテリアルなどに対しては、十分な感度を得ることができない。 Since X-rays have high penetrating power, they are widely used in medical image diagnosis, non-destructive inspection, security check and the like as a probe for seeing through the inside of an object. The contrast of an X-ray fluoroscopic image depends on the difference in X-ray attenuation rate, and an object that strongly absorbs X-rays is rendered as an X-ray shadow. X-ray absorption ability becomes stronger as more elements with larger atomic numbers are included. Conversely, it can be pointed out that a substance composed of an element with a small atomic number is difficult to contrast, and this is also a principle defect of an X-ray fluoroscopic image. Therefore, sufficient sensitivity cannot be obtained with respect to biological soft tissue or soft material.
一方、Ｘ線の位相情報を利用すれば、一般的な従来のＸ線透視画像に比べて最高で約３桁の高感度化が実現することが知られている。Ｘ線をあまり吸収しない軽元素からなる物質（生体軟組織や有機材料など）の観察に適用できることから、その実用が期待される。 On the other hand, it is known that the use of X-ray phase information realizes a sensitivity increase of up to about three digits compared to a general conventional X-ray fluoroscopic image. Since it can be applied to the observation of substances (light body soft tissues, organic materials, etc.) made of light elements that do not absorb X-rays very much, their practical use is expected.
このＸ線位相情報を利用した高感度撮像法の研究は、１５年ほど前から興った分野であるが、通常は高度なＸ線源が必要となるために、現実的にはその実用は進んでいない。すなわち、単色平面波のＸ線を使うＸ線光学系がその主流としてこれまで研究されてきており、それゆえに極めて高い輝度のＸ線源の使用を前提としている。 Research on high-sensitivity imaging using this X-ray phase information is a field that has been around for about 15 years, but since an advanced X-ray source is usually required, its practical use is not practical. Not progressing. That is, X-ray optical systems that use monochromatic plane wave X-rays have been studied as the mainstream, and it is therefore premised on the use of an extremely high-brightness X-ray source.
単色平面波を得るためには、もともと得られるＸ線から、特定の方向に進む特定のスペクトル成分のみを選別する必要がある。そのため、撮像に必要な強度を確保するためには、選別によるロスを補えるだけの十分な明るさが元のＸ線に求められる。そのような選別を行うための光学素子としてシリコンなどの単結晶が使われるが、同時に巨大なシンクロトロン放射光施設の利用を実質的に前提とせざるを得ず、実用を検討する場合には大きな障害になっている。 In order to obtain a monochromatic plane wave, it is necessary to select only a specific spectral component traveling in a specific direction from the originally obtained X-ray. Therefore, in order to ensure the intensity necessary for imaging, the original X-ray is required to have sufficient brightness to compensate for the loss due to sorting. A single crystal such as silicon is used as an optical element for such selection, but at the same time it must be essentially assumed to use a huge synchrotron radiation facility. It is an obstacle.
広いバンド幅のコーンビームで機能する位相利用撮像法が実現すれば、シンクロトロン放射光以外のコンパクトＸ線源を用いた装置化が期待できる。そのような撮像法の候補として、Ｘ線タルボ干渉計によるＸ線位相撮像法が期待されている（下記特許文献１及び２参照）。この方法では、単結晶ではなくＸ線格子を使うため、多色の発散ビームＸ線を利用した撮像が可能である。 If a phase-based imaging method that functions with a wide-band cone beam is realized, an apparatus using a compact X-ray source other than synchrotron radiation can be expected. As a candidate for such an imaging method, an X-ray phase imaging method using an X-ray Talbot interferometer is expected (see Patent Documents 1 and 2 below). In this method, since an X-ray lattice is used instead of a single crystal, imaging using multi-colored divergent beam X-rays is possible.
ただし、位相利用撮像法では、ある程度の空間的可干渉性がＸ線に求められる。そのためには、Ｘ線発生源のサイズがある程度小さくなくてはならない。すると、コンパクトなＸ線源といっても、この方法で使用できる既存のＸ線源は、実質的にマイクロフォーカスＸ線源ということになってくる。通常フォーカスのＸ線源はこれに該当しない。 However, in the phase-based imaging method, a certain degree of spatial coherence is required for X-rays. For this purpose, the size of the X-ray generation source must be small to some extent. Then, even if it is a compact X-ray source, an existing X-ray source that can be used in this method is substantially a microfocus X-ray source. This does not apply to normal focus X-ray sources.
マイクロフォーカスＸ線源では、ターゲットにおける微少領域に電子線を照射することによって、Ｘ線を発生させている。Ｘ線を多く発生させたいときは多くの電子を照射する必要があるが、ターゲットにおける熱負荷の問題があり、実際上のＸ線パワーの上限を決めている。結果として、長い露光時間が許されるケースを除いて、マイクロフォーカスＸ線源で得られるＸ線のパワーは、Ｘ線撮像に適用するには不十分であるという問題がある。 In a microfocus X-ray source, X-rays are generated by irradiating an electron beam onto a minute region of a target. When it is desired to generate a large amount of X-rays, it is necessary to irradiate many electrons. However, there is a problem of thermal load on the target, and the upper limit of the actual X-ray power is determined. As a result, except for the case where a long exposure time is allowed, there is a problem that the power of the X-ray obtained by the microfocus X-ray source is insufficient for application to X-ray imaging.
従来のＸ線タルボ・ロー干渉計では、通常フォーカスのＸ線源を用いて強度不足の問題を回避している。Ｘ線タルボ・ロー干渉計の構成は、Ｘ線タルボ干渉計の構成にマルチスリットが加わったものとされる（下記特許文献３〜４及び非特許文献１参照）。すなわち、この技術では、ターゲットにおける比較的広い面積に対して電子線を照射してＸ線を発生させ、発生したＸ線をマルチスリットで部分的に透過させる。これにより、細幅でかつ線状の仮想的Ｘ線源が所定ピッチで配置された線源を実現することができる。なお、このような、複数のマイクロラインを持つ線源を、マイクロマルチライン線源と称することがある。 In the conventional X-ray Talbot-Lau interferometer, a normal focus X-ray source is used to avoid the problem of insufficient intensity. The configuration of the X-ray Talbot-Lau interferometer is obtained by adding a multi-slit to the configuration of the X-ray Talbot interferometer (see Patent Documents 3 to 4 and Non-Patent Document 1 below). That is, in this technique, an X-ray is generated by irradiating an electron beam to a relatively large area of the target, and the generated X-ray is partially transmitted through a multi slit. As a result, it is possible to realize a radiation source in which narrow and linear virtual X-ray sources are arranged at a predetermined pitch. Such a radiation source having a plurality of micro lines may be referred to as a micro multi-line radiation source.
Ｘ線タルボ・ロー干渉計は、Ｘ線タルボ干渉計におけるＸ線源を、通常フォーカスのＸ線発生部とマルチスリットによって実現した技術ということができ、Ｘ線タルボ干渉計の具体的な一形態というべきものである。 The X-ray Talbot-Lau interferometer can be said to be a technology in which the X-ray source in the X-ray Talbot interferometer is realized by a normal focus X-ray generator and a multi-slit. It should be said.
ところで、前記した従来のＸ線タルボ干渉計（タルボ・ロー干渉計を含む）においては、いずれも、図１に示されるように、Ｘ線画像検出器５の手前に第２格子４を配置している。なお、図１は、Ｘ線発生部１とマルチスリット２とを用いたタルボ・ロー干渉計を示している。Ｘ線発生部１とマルチスリット２とにより、Ｘ線源が構成されている。 By the way, in each of the conventional X-ray Talbot interferometers (including the Talbot-Lau interferometer), the second grating 4 is disposed in front of the X-ray image detector 5 as shown in FIG. ing. FIG. 1 shows a Talbot-Lau interferometer using an X-ray generator 1 and a multi-slit 2. The X-ray generation unit 1 and the multi slit 2 constitute an X-ray source.
第２格子４は、第１格子３で回折されたＸ線で形成される自己像と第２格子４とのモアレ干渉縞を形成する。Ｘ線画像検出器５は、このモアレ干渉縞を検出することができる。 The second grating 4 forms a moire interference fringe between the self-image formed by the X-rays diffracted by the first grating 3 and the second grating 4. The X-ray image detector 5 can detect this moire interference fringe.
画像検出器５とマルチスリット２との間に被検体（すなわち試料）を配置すると、被検体によりＸ線の位相が変化し、モアレ干渉縞も変形する。この変形を検出して分析することにより、被検体の情報を取得することが可能となる。 When a subject (that is, a sample) is placed between the image detector 5 and the multi-slit 2, the phase of the X-ray is changed by the subject, and the moire interference fringes are also deformed. By detecting and analyzing this deformation, it is possible to acquire information on the subject.
ところで、画像検出器５の前面に配置される第２格子４は、撮影に必要な視野の大きさにほぼ対応するため、撮像装置において使用される格子のなかで最も大きな面積となる。さらに、第２格子４は、一般には、金などの重金属を素材とし、かつ、高アスペクト比を持つ吸収格子とされ、その製作には高度な技術が要求される。従って、撮影装置の大視野化は容易ではなく、それを実現させるためのコストも膨大となる。 By the way, the second grid 4 arranged in front of the image detector 5 substantially corresponds to the size of the field of view necessary for photographing, and therefore has the largest area among the grids used in the imaging apparatus. Further, the second grating 4 is generally an absorption grating made of a heavy metal such as gold and having a high aspect ratio, and high technology is required for its production. Therefore, it is not easy to increase the field of view of the photographing apparatus, and the cost for realizing it is enormous.
本発明は、前記した事情に鑑みてなされたものである。本発明の一つの目的は、従来必要とされていた第２格子を省略することができる技術を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances. One object of the present invention is to provide a technique capable of omitting the second grating which has been conventionally required.
本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。 The present invention can be expressed as an invention described in the following items.
（項目１）
Ｘ線源と、格子と、Ｘ線画像検出器とを備えており、
前記Ｘ線源は、必要量のＸ線を、前記格子に向けて照射する構成となっており、
前記格子は、前記格子に向けて照射された前記Ｘ線を回折することにより、前記格子の自己像を、前記格子から離間した位置に形成する構成となっており、
前記Ｘ線画像検出器は、前記格子により回折された前記Ｘ線を検出する構成となっており、
かつ、前記Ｘ線画像検出器は、前記自己像が形成される位置又はその近傍に配置されており、
さらに、以下の条件１及び条件２を満たすことを特徴とするＸ線撮像装置。
（条件１）
ここで、
Ｒ１：前記Ｘ線源から前記格子までの距離；
Ｒ２：前記格子から前記自己像が形成される位置までの距離；
λ：前記Ｘ線の中心波長；
Ｒ：Ｒ１＋Ｒ２；
ｄ：前記格子の周期；
ｐ：前記格子からの距離に関するパラメータ
である。
（条件２）
ここで、
Ｄ：前記Ｘ線画像検出器における空間分解能；
ｄ１：前記自己像の周期
である。
(Item 1)
An X-ray source, a grating, and an X-ray image detector;
The X-ray source is configured to irradiate a required amount of X-rays toward the grating,
The grating is configured to form a self-image of the grating at a position separated from the grating by diffracting the X-rays irradiated toward the grating.
The X-ray image detector is configured to detect the X-ray diffracted by the grating,
And the said X-ray image detector is arrange | positioned in the position where the said self-image is formed, or its vicinity,
Furthermore, the X-ray imaging device characterized by satisfying the following conditions 1 and 2:
(Condition 1)
here,
R 1 : distance from the X-ray source to the grating;
R 2 : distance from the lattice to the position where the self-image is formed;
λ: center wavelength of the X-ray;
R: R 1 + R 2 ;
d: period of the lattice;
p: a parameter related to the distance from the lattice.
(Condition 2)
here,
D: spatial resolution in the X-ray image detector;
d 1 is the period of the self-image.
前記した条件を満たすＸ線撮像装置では、従来のような第２格子を用いること無く、格子の自己像を、画像検出器により検出することができる。なお、本発明において、「条件を満たす」とは、数学的に厳密な意味であることは必要としない。正確な条件から離れるほど、画像にボケを生じる。しかしながら、ある条件において生じるボケが実用上支障のない程度であれば、その条件を採用することは、実質的には「条件を満たす」という概念に含まれる。 In an X-ray imaging apparatus that satisfies the above-described conditions, a self-image of a grating can be detected by an image detector without using a second grating as in the prior art. In the present invention, “satisfying the condition” does not need to have a mathematically exact meaning. The further away from the correct conditions, the more blurred the image will be. However, if the blur that occurs under a certain condition is a level that does not impede practical use, adopting the condition is substantially included in the concept of “condition”.
（項目２）
前記Ｘ線源は、Ｘ線発生部とマルチスリットとを備えており、
前記Ｘ線発生部は、前記マルチスリットを介して前記Ｘ線を前記格子に向けて照射する構成となっている
ことを特徴とする項目１に記載のＸ線撮像装置。
(Item 2)
The X-ray source includes an X-ray generation unit and a multi-slit,
The X-ray imaging apparatus according to Item 1, wherein the X-ray generation unit is configured to irradiate the X-rays toward the lattice through the multi-slit.
（項目３）
前記Ｘ線源は、Ｘ線発生部を備えており、
前記Ｘ線発生部は、空間的可干渉性を有するＸ線を、前記格子に直接照射する構成となっている
ことを特徴とする項目１に記載のＸ線撮像装置。
(Item 3)
The X-ray source includes an X-ray generator,
The X-ray imaging apparatus according to Item 1, wherein the X-ray generation unit is configured to directly irradiate the grating with X-rays having spatial coherence.
（項目４）
さらに並進機構を備えており、
前記並進機構は、前記格子及び前記マルチスリットのうちの一方を、他方に対して、前記格子における回折ベクトルとほぼ平行な方向に相対的に並進させる構成となっている
ことを特徴とする項目１〜３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
(Item 4)
It also has a translation mechanism,
Item 1 is characterized in that the translation mechanism is configured to translate one of the grating and the multi-slit relative to the other in a direction substantially parallel to a diffraction vector in the grating. The X-ray imaging apparatus of any one of -3.
（項目５）
項目１〜３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置を用いたＸ線撮像方法であって、
（１）前記Ｘ線源から前記Ｘ線画像検出器までの間に被検体を配置するステップ；
（２）前記Ｘ線源から前記格子に向けてＸ線を照射するステップ；
（３）前記格子により回折されて自己像を形成する前記Ｘ線を、前記Ｘ線検出器が検出するステップ。
(Item 5)
An X-ray imaging method using the X-ray imaging apparatus according to any one of Items 1 to 3,
(1) placing a subject between the X-ray source and the X-ray image detector;
(2) irradiating X-rays from the X-ray source toward the grating;
(3) a step in which the X-ray detector detects the X-rays diffracted by the grating to form a self-image;
本発明によれば、従来必要とされていた第２格子を省略することが可能となる。これにより。本発明では、構造が簡易で、大視野化が容易となり、コスト低減が可能になる技術を提供することが可能になる。 According to the present invention, it is possible to omit the second grating, which has been conventionally required. By this. According to the present invention, it is possible to provide a technique that has a simple structure, facilitates a wide field of view, and enables cost reduction.
（第１実施形態におけるＸ線撮像装置の構成）
以下、図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係るＸ線撮像装置の構成を説明する。
(Configuration of X-ray imaging apparatus in the first embodiment)
The configuration of the X-ray imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本実施形態のＸ線撮像装置は、Ｘ線源１０と、格子２０と、Ｘ線画像検出器３０とを備えている。 The X-ray imaging apparatus according to the present embodiment includes an X-ray source 10, a grating 20, and an X-ray image detector 30.
Ｘ線源１０は、必要量のＸ線を、格子２０に向けて照射する構成となっている。より具体的には、本実施形態のＸ線源１０は、Ｘ線発生部１０１とマルチスリット１０２とを備えている。Ｘ線発生部１０１は、マルチスリット１０２を介してＸ線を格子２０に向けて照射する構成となっている。マルチスリット１０２としては、この例では、周期がdsとされた透過型の吸収格子が用いられている。マルチスリット１０２におけるスリットを構成する部材は、図２においては、紙面に対して垂直な方向に延長されている。マルチスリット１０２としては、従来のタルボ・ロー干渉計で使われているものと同様とすることができるので、これについてはこれ以上の説明を省略する。 The X-ray source 10 is configured to irradiate a required amount of X-rays toward the grating 20. More specifically, the X-ray source 10 of this embodiment includes an X-ray generation unit 101 and a multi slit 102. The X-ray generation unit 101 is configured to irradiate X-rays toward the grating 20 through the multi slit 102. In this example, a transmissive absorption grating having a period of d s is used as the multi slit 102. The members constituting the slits in the multi slit 102 are extended in a direction perpendicular to the paper surface in FIG. The multi-slit 102 can be the same as that used in the conventional Talbot-Lau interferometer, and thus further description thereof will be omitted.
格子２０は、この格子２０に向けて照射されたＸ線を回折することにより、格子２０の自己像を、格子２０から離間した位置に形成する構成となっている。格子２０は、位相格子でも吸収格子でもよい。格子２０における回折パターンを構成する部材（いわゆる「ライン」）は、図２においては、紙面に対して垂直な方向に延長されている。格子２０としては、従来のタルボ干渉計（例えば特許文献１参照）あるいはタルボ・ロー干渉計（例えば特許文献４参照）における第１格子と同様に構成することができるので、これについてもこれ以上の説明を省略する。 The grating 20 is configured to form a self-image of the grating 20 at a position away from the grating 20 by diffracting X-rays irradiated toward the grating 20. The grating 20 may be a phase grating or an absorption grating. In FIG. 2, members (so-called “lines”) constituting the diffraction pattern in the grating 20 are extended in a direction perpendicular to the paper surface. The grating 20 can be configured in the same manner as the first grating in a conventional Talbot interferometer (for example, see Patent Document 1) or a Talbot-Lau interferometer (for example, see Patent Document 4). Description is omitted.
Ｘ線画像検出器３０は、格子２０により回折されたＸ線を検出する構成となっている。さらに、Ｘ線画像検出器３０は、自己像が形成される位置又はその近傍に配置されている。 The X-ray image detector 30 is configured to detect X-rays diffracted by the grating 20. Furthermore, the X-ray image detector 30 is disposed at or near the position where the self-image is formed.
さらに、本実施形態のＸ線撮像装置の各要素は、以下の条件１及び条件２を満たすように配置されている。 Furthermore, each element of the X-ray imaging apparatus of this embodiment is arrange | positioned so that the following conditions 1 and 2 may be satisfy | filled.
（条件１）
ここで、
Ｒ１：前記Ｘ線源から前記格子までの距離；
Ｒ２：前記格子から前記自己像が形成される位置までの距離；
λ：前記Ｘ線の中心波長；
Ｒ：Ｒ１＋Ｒ２；
ｄ：前記格子の周期；
ｐ：前記格子からの距離に関するパラメータ
である。
(Condition 1)
here,
R 1 : distance from the X-ray source to the grating;
R 2 : distance from the lattice to the position where the self-image is formed;
λ: center wavelength of the X-ray;
R: R 1 + R 2 ;
d: period of the lattice;
p: a parameter related to the distance from the lattice.
（条件２）
ここで、
Ｄ：前記画像検出器における空間分解能；
ｄ１：前記自己像の周期
である。
(Condition 2)
here,
D: spatial resolution in the image detector;
d 1 is the period of the self-image.
以下、前記した条件の意味について説明する。 Hereinafter, the meaning of the above-described conditions will be described.
Ｘ線タルボ干渉計（タルボ・ロー干渉計を含む）において、格子配置に関する理想的な条件は
で与えられる。R1はＸ線源から格子までの距離であり（図１参照）、R2は格子から、その自己像が形成される位置までの距離である。従来は、自己像の位置に別の格子（第２格子）が配置されていた。Ｘ線タルボ・ロー干渉計の場合は、Ｘ線源の位置にマルチスリットが置かれる。
For X-ray Talbot interferometers (including Talbot-Lau interferometers), the ideal conditions for grid placement are
Given in. R 1 is the distance from the X-ray source to the grating (see FIG. 1), and R 2 is the distance from the grating to the position where the self-image is formed. Conventionally, another grating (second grating) has been arranged at the position of the self-image. In the case of an X-ray Talbot-Lau interferometer, a multi-slit is placed at the position of the X-ray source.
さて、装置の全長が一定である（すなわちR1＋R2≡R＝定数）とすると、R2が満たす解として、
が得られる。また、
である。すなわち、R1とR2の選び方には二通りあることが指摘でき、その様子を図３に示した。前記の式によれば、すなわちR1とR2を入れ替えてもよい。従来のＸ線タルボ干渉計およびＸ線タルボ・ロー干渉計によるＸ線位相イメージングの技術は、図３(a)に対応していると考えられる。すなわち、ここでは、格子により細かい自己像が生成される。自己像と、自己像の位置に配置された第２格子（図３（ａ）では省略）とは、モアレ干渉を生じる。そこで、自己像が被写体によって変形する様子を、自己像と第２格子とのモアレ干渉の変化として検出する。
Now, assuming that the overall length of the device is constant (ie R 1 + R 2 ≡R = constant), the solution that R 2 satisfies is:
Is obtained. Also,
It is. In other words, it can be pointed out that there are two ways to select R 1 and R 2 , as shown in FIG. According to the above equation, that is, R 1 and R 2 may be interchanged. The X-ray phase imaging technique using the conventional X-ray Talbot interferometer and X-ray Talbot-low interferometer is considered to correspond to FIG. That is, here, a fine self-image is generated by the lattice. The self image and the second grating (not shown in FIG. 3A) arranged at the position of the self image cause moire interference. Therefore, the state in which the self-image is deformed by the subject is detected as a change in moire interference between the self-image and the second grating.
一方、本実施形態の装置の原理は、図３(b)の状況に対応する。このときは、格子の自己像が大きく拡大される配置となる。そこで、その自己像のピッチを画像検出器の分解能より大きくすることにより、従来のような第２の格子を用いずに、画像検出器で直接に撮影することが可能になる。すなわち、第２格子を省略することが可能になる。 On the other hand, the principle of the apparatus of the present embodiment corresponds to the situation shown in FIG. At this time, the self-image of the lattice is greatly enlarged. Therefore, by making the pitch of the self-image larger than the resolution of the image detector, it is possible to directly take an image with the image detector without using the second grating as in the prior art. That is, the second lattice can be omitted.
（マルチスリットの周期）
本実施形態（図２参照）では、一般的なＸ線発生部１０１のそばにマルチスリット１０２を配置し、マルチスリット１０２から特定の距離R1離れた位置に格子２０を配置している。両者とも、ストライプ状の構造パターンを有し、そのストライプが互いにほぼ平行となるように配置する。
(Multi slit period)
In this embodiment (see FIG. 2), a multi-slit 102 is arranged near the common X-ray generation unit 101, are arranged grating 20 from the multi-slit 102 a certain distance R 1 away. Both have a stripe-like structure pattern and are arranged so that the stripes are substantially parallel to each other.
マルチスリットの周期がds、自己像の周期がd1として
と
が満たされる必要がある。ここから、
の関係が見出せる。mは格子２０のタイプによって決まる１か２の整数である。これらの関係から、マルチスリットの周期dsについての設計条件を導くことができる。
The multi-slit period is d s and the self-image period is d 1
When
Need to be met. from here,
Can be found. m is an integer of 1 or 2 determined by the type of the lattice 20. From these relationships, design conditions for the multi slit period d s can be derived.
本実施形態においては、周期d1を持つ自己像を画像検出器３０で直接検出するので、画像検出器３０の空間分解能Dは
を満たす必要がある。この（８）式は最低限の条件であり、d1がDより大きい程望ましい。従来のＸ線タルボ干渉計やＸ線タルボ・ロー干渉計は、周期d1を持つ振幅格子（第２格子）を用い、D> d1とすることによって、モアレ干渉縞を撮影する方法である。したがって、従来のＸ線タルボ干渉計やＸ線タルボ・ロー干渉計において吸収格子（第２格子）を単に省略するだけでは、本実施形態の目的は達成できない。
In the present embodiment, since the self-image having the period d 1 is directly detected by the image detector 30, the spatial resolution D of the image detector 30 is
It is necessary to satisfy. This equation (8) is the minimum condition, and d 1 is preferably larger than D. Conventional X-ray Talbot interferometers and X-ray Talbot-low interferometers are methods for imaging moire interference fringes by using an amplitude grating (second grating) having a period d 1 and D> d 1. . Therefore, the object of the present embodiment cannot be achieved simply by omitting the absorption grating (second grating) in the conventional X-ray Talbot interferometer or X-ray Talbot-low interferometer.
（６）、（７）式より、
あるいは
なので、（８）式は
あるいは
と表現してもよい。
From equations (6) and (7),
Or
So, equation (8) is
Or
It may be expressed as
なお、pは格子２０がπ/2位相格子であれば半整数、吸収格子であれば整数である。また、このときはm=1である。格子がπ位相格子の場合、pは1/8の倍数であり、また、自己像の周期が半分になる効果を反映させてm=2とする。格子が吸収格子であれば、pは整数、m=1である。λはＸ線の波長である。ただし、上で述べた式はほぼ満たされていれば実用上は問題無い。Ｘ線の波長についても、λとは少し異なる波長のＸ線を照射しても撮像は可能であるし、様々なスペクトル成分を含むＸ線（一般的なＸ線源ではむしろこれが普通である）を照射しても、ある程度の画質の低下はあるものの、本実施形態で述べる原理に基づくコントラスト生成効果は得られる。 Note that p is a half integer if the grating 20 is a π / 2 phase grating, and an integer if the grating 20 is an absorption grating. At this time, m = 1. When the grating is a π phase grating, p is a multiple of 1/8, and m = 2 is set to reflect the effect that the period of the self-image is halved. If the lattice is an absorption lattice, p is an integer and m = 1. λ is the wavelength of X-rays. However, there is no problem in practical use as long as the above expression is almost satisfied. As for the wavelength of X-rays, imaging is possible even when X-rays having a wavelength slightly different from λ are irradiated, and X-rays containing various spectral components (this is rather normal for general X-ray sources) Even if the image is irradiated, a contrast generation effect based on the principle described in the present embodiment can be obtained although there is a certain degree of image quality degradation.
既に述べたように、従来のＸ線タルボ干渉計およびＸ線タルボ・ロー干渉計で使われる画像検出器３０の手前の吸収格子（第２格子）には、使用する格子の中でもっとも広い面積が求められる。さらに、この吸収格子は、金などの重金属から構成され、かつ、高アスペクト比のストライプ構造が必要である。このため、この吸収格子の製作には極めて高い技術が求められている。本実施形態によってこの吸収格子が省略できることは、装置構成上のメリットとして絶大である。なお、本実施形態では、マルチスリットにも高アスペクト比の構造が必要であるが、これはＸ線源１０に近いので、その面積は比較的小さくてよく、吸収格子（第２格子）よりは容易に製作できる。 As described above, the absorption grating (second grating) in front of the image detector 30 used in the conventional X-ray Talbot interferometer and the X-ray Talbot-low interferometer has the largest area among the gratings used. Is required. Furthermore, this absorption grating is made of a heavy metal such as gold and requires a stripe structure with a high aspect ratio. For this reason, extremely high technology is required for manufacturing this absorption grating. The fact that this absorption grating can be omitted according to the present embodiment is a tremendous advantage in apparatus configuration. In this embodiment, the multi-slit also requires a high aspect ratio structure, but since this is close to the X-ray source 10, the area thereof may be relatively small and is smaller than the absorption grating (second grating). Easy to manufacture.
なお、マルチスリット１０２の周期dsは、一般に、従来のＸ線タルボ・ロー干渉計で使われるマルチスリットの周期よりは小さくする必要がある。しかしながら、限られた狭い面積における微細加工には多くの技術が開発されており、本実施形態におけるマルチスリットの製作は比較的容易である。 Note that the period d s of the multi-slit 102 generally needs to be smaller than the period of the multi-slit used in the conventional X-ray Talbot-Lau interferometer. However, many techniques have been developed for microfabrication in a limited narrow area, and the production of the multi-slit in this embodiment is relatively easy.
本実施形態のＸ線撮像方法は、前記した装置を用いて、以下のステップにより実施できる。
（１）Ｘ線源１０からＸ線画像検出器３０までの間に被検体を配置するステップ。すなわち、被検体を配置する場所は、マルチスリット１０２から格子２０までの間でもよく、また、格子２０からＸ線画像検出器３０までの間であってもよい。
（２）Ｘ線源１０から格子２０に向けてＸ線を照射するステップ。
（３）格子２０により回折されて自己像を形成するＸ線を、Ｘ線検出器３０が検出するステップ。
The X-ray imaging method of the present embodiment can be implemented by the following steps using the above-described apparatus.
(1) A step of placing a subject between the X-ray source 10 and the X-ray image detector 30. That is, the place where the subject is arranged may be between the multi slit 102 and the grating 20 or between the grating 20 and the X-ray image detector 30.
(2) A step of irradiating X-rays from the X-ray source 10 toward the grating 20.
(3) A step in which the X-ray detector 30 detects X-rays diffracted by the grating 20 to form a self-image.
本実施形態では、前記した条件１及び２を満たす構成とされているので、Ｘ線検出器３０により、格子２０の自己像を取得することができる。そして、この自己像の変化を解析することにより、被検体の状態ないし変化を検出することができる。 In the present embodiment, since the above-described conditions 1 and 2 are satisfied, a self-image of the grating 20 can be acquired by the X-ray detector 30. Then, by analyzing the change in the self-image, the state or change of the subject can be detected.
（実験例）
図4に、前記した本実施形態の構成を用いて、画像検出器３０に検出された画像を示す。実験条件は以下の通りである。
ds = 5.3μm；
d = 5.157μm；
λ = 0.071nm；
Ｘ線発生部：Moターゲットに励起ビームを照射する構成とした。発生したＸ線をグラファイト板で反射させてＫα特性Ｘ線のみを取り出し、それを、マルチスリット１０２を介して格子２０に向けて照射した。
(Experimental example)
FIG. 4 shows an image detected by the image detector 30 using the configuration of the present embodiment described above. The experimental conditions are as follows.
d s = 5.3 μm;
d = 5.157 μm;
λ = 0.071 nm;
X-ray generator: The Mo target is irradiated with an excitation beam. The generated X-rays were reflected by the graphite plate, and only the Kα characteristic X-rays were taken out and irradiated toward the grating 20 through the multi slit 102.
この実験例では、マルチスリット１０２と格子２０の間隔R1を192mmとした。すなわち、p=0.5、m=1とした。格子２０から画像検出器３０までの間隔R2は約6.9mとした。試料（ポリマー球）は画像検出器から2.4mの位置に配置した。 In this experimental example, the interval R 1 between the multi slit 102 and the grating 20 was set to 192 mm. That is, p = 0.5 and m = 1. The distance R 2 from the grid 20 to the image detector 30 was about 6.9 m. The sample (polymer sphere) was placed at a position 2.4 m from the image detector.
その結果、図４に示されるように、格子２０の自己像が、画像検出器３０において、そのままの形状で取得できた。すなわち、周期約0.2mmのストライプパターンが観察された。さらに、被検体（試料）として配置されたポリマー球によって、ストライプパターンが変形している様子も観察できる。 As a result, as shown in FIG. 4, the self-image of the grating 20 can be acquired in the image detector 30 in the same shape. That is, a stripe pattern with a period of about 0.2 mm was observed. Further, it can be observed that the stripe pattern is deformed by the polymer sphere arranged as the subject (sample).
図４のような画像から、試料に基づく位相微分像を得るためには、縞走査法とフーリエ変換法が適用できる。縞走査法では、格子２０をその回折ベクトルにおおよそ沿った方向（図２において上下方向）に所定のピッチで並進させて得た複数の画像から、位相微分像を演算する。その具体的演算方法は特許第4445397号に記載されているものと同様であるので省略する。フーリエ変換法についても、M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, J. Opt. Soc. Am. 72, 156 (1982)に記載がある。なお、格子２０の並進に代えて、マルチスリット１０２を、格子２０の回折ベクトルと平行な方向に並進させてもよい。要するに、格子２０かマルチスリット１０２が、回折ベクトルと実質的に（つまり所望の画質が得られる程度に）平行な方向に、相対的に並進できればよい。もちろん、格子２０とマルチスリット１０２の両者をともに並進移動させることも可能である。格子２０あるいはマルチスリット１０２の並進は、適宜な並進機構（図示せず）により実現可能である。このような並進機構としては、従来と同様のものを使用可能なので、並進機構についての詳しい説明は省略する。 In order to obtain a phase differential image based on a sample from an image as shown in FIG. 4, a fringe scanning method and a Fourier transform method can be applied. In the fringe scanning method, a phase differential image is calculated from a plurality of images obtained by translating the grating 20 in a direction approximately along the diffraction vector (vertical direction in FIG. 2) at a predetermined pitch. The specific calculation method is the same as that described in Japanese Patent No. 4445397, and is therefore omitted. The Fourier transform method is also described in M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, J. Opt. Soc. Am. 72, 156 (1982). Instead of translation of the grating 20, the multi slit 102 may be translated in a direction parallel to the diffraction vector of the grating 20. In short, it is sufficient that the grating 20 or the multi slit 102 can relatively translate in a direction substantially parallel to the diffraction vector (that is, to the extent that a desired image quality can be obtained). Of course, it is also possible to translate both the grating 20 and the multi-slit 102 together. Translation of the lattice 20 or the multi slit 102 can be realized by an appropriate translation mechanism (not shown). As such a translation mechanism, the same translation mechanism as that of the prior art can be used, and a detailed description of the translation mechanism is omitted.
加えて、試料によるＸ線の散乱に起因して観察される像のコントラストが低下する場合がある。これを画像化することにより、新奇な情報が得られる。このことは、Ｘ線タルボ・ロー干渉計を用いた場合に関して、
に報告されている。これをvisibility像と呼ぶこととする。すなわち、一度の測定から、位相微分像、吸収像、およびvisibility像が得られる。本実験例で得られる画像においても、縞走査法の場合は上記F. Pfeifferの論文に記載の演算をおこなうことにより、前記した画像を得られる。また、フーリエ変換法の場合においても、０次および１次の成分をそれぞれa0, a1とすることにより、2|a1|/|a0|から、前記の各画像を得ることができる。
In addition, the contrast of an image observed due to X-ray scattering by the sample may be reduced. By imaging this, novel information can be obtained. This is the case with an X-ray Talbot-Lau interferometer.
Has been reported. This is called a visibility image. That is, a phase differential image, an absorption image, and a visibility image are obtained from a single measurement. Also in the image obtained in this experimental example, in the case of the fringe scanning method, the above-described image can be obtained by performing the calculation described in the above F. Pfeiffer paper. Also in the case of the Fourier transform method, each image can be obtained from 2 | a 1 | / | a 0 | by setting the 0th and 1st order components to be a 0 and a 1 , respectively. .
図５には、縞走査法によって得た画像を示す。この画像は、格子２０を周期方向に1/9周期ずつ並進させて得た9枚の画像から生成した微分位相像である。実験誤差による縞模様（自己像の痕跡）が残っているが、被検体としてのポリマー球およびその内部のボイド構造によるコントラストが検出された。 FIG. 5 shows an image obtained by the fringe scanning method. This image is a differential phase image generated from nine images obtained by translating the grating 20 by 1/9 period in the period direction. Although a fringe pattern (a trace of the self-image) remains due to an experimental error, a contrast due to a polymer sphere as an object and a void structure therein was detected.
なお、このような測定を試料を回転させて複数の投影方向において繰り返すことにより、三次元像（位相ＣＴ像）を再構成することができる。その詳細は従来と同様でよいので、詳しい説明は省略する。 Note that a three-dimensional image (phase CT image) can be reconstructed by repeating such measurement in a plurality of projection directions by rotating the sample. Details thereof may be the same as those in the prior art, and detailed description thereof is omitted.
さらに、前記した実験例ではdsおよびdを5μm強のサイズとしたので、全体の大きさが7m程度となった。これをよりコンパクトなものに変更するには、dsおよびdを小さくすればよく、このことは比較的に容易に実現可能である。 Furthermore, since d s and d were set to a size of slightly over 5 μm in the above-described experimental example, the overall size was about 7 m. To change this to a more compact one, d s and d can be reduced, which can be achieved relatively easily.
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係るＸ線撮像装置について、図６を参照しながら説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、第１実施形態と基本的に共通する要素については同一符号を用いることにより、説明の煩雑を避ける。
(Second Embodiment)
Next, an X-ray imaging apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the description of the second embodiment, the same reference numerals are used for elements that are basically the same as those in the first embodiment, thereby avoiding complicated description.
前記した第１実施形態では、タルボ・ロー干渉計の場合と同様に、Ｘ線源がマルチスリットを備えていた。これに対して第２実施形態では、前記特許文献１などに示されるタルボ干渉計の場合と同様に、十分に狭い領域からＸ線を発生するＸ線発生部２１０１を備えたＸ線源２１０を用いた。したがって、本実施形態のＸ線発生部２１０１は、空間的可干渉性を有するＸ線を、格子２０に直接照射する構成となっている。 In the first embodiment described above, the X-ray source has a multi-slit as in the case of the Talbot-Lau interferometer. On the other hand, in the second embodiment, as in the case of the Talbot interferometer disclosed in Patent Document 1 or the like, the X-ray source 210 including the X-ray generator 2101 that generates X-rays from a sufficiently narrow region is provided. Using. Therefore, the X-ray generation unit 2101 of this embodiment is configured to directly irradiate the grating 20 with X-rays having spatial coherence.
第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。 Other configurations and advantages of the second embodiment are the same as those of the first embodiment described above, and thus detailed description thereof is omitted.
なお、前記実施形態および実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。 Note that the description of the embodiment and the examples is merely an example, and does not indicate a configuration essential to the present invention. The configuration of each part is not limited to the above as long as the gist of the present invention can be achieved.
１０・２１０ Ｘ線源
１０１・２１０１ Ｘ線発生部
１０２ マルチスリット
２０ 格子
３０ Ｘ線画像検出器
10.210 X-ray source 101-2101 X-ray generator 102 Multi-slit 20 Grating 30 X-ray image detector
Claims (5)
前記Ｘ線源は、必要量のＸ線を、前記格子に向けて照射する構成となっており、
前記格子は、前記格子に向けて照射された前記Ｘ線を回折することにより、前記格子の自己像を、前記格子から離間した位置に形成する構成となっており、
前記Ｘ線画像検出器は、前記格子により回折された前記Ｘ線を検出する構成となっており、
かつ、前記Ｘ線画像検出器は、前記自己像が形成される位置又はその近傍に配置されており、
さらに、以下の条件１及び条件２を満たすことを特徴とするＸ線撮像装置。
（条件１）
ここで、
Ｒ１：前記Ｘ線源から前記格子までの距離；
Ｒ２：前記格子から前記自己像が形成される位置までの距離；
λ：前記Ｘ線の中心波長；
Ｒ：Ｒ１＋Ｒ２；
ｄ：前記格子の周期；
ｐ：前記格子からの距離に関するパラメータ
である。
（条件２）
ここで、
Ｄ：前記Ｘ線画像検出器における空間分解能；
ｄ１：前記自己像の周期
である。 An X-ray source, a grating, and an X-ray image detector;
The X-ray source is configured to irradiate a required amount of X-rays toward the grating,
The grating is configured to form a self-image of the grating at a position separated from the grating by diffracting the X-rays irradiated toward the grating.
The X-ray image detector is configured to detect the X-ray diffracted by the grating,
And the said X-ray image detector is arrange | positioned in the position where the said self-image is formed, or its vicinity,
Furthermore, the X-ray imaging device characterized by satisfying the following conditions 1 and 2:
(Condition 1)
here,
R 1 : distance from the X-ray source to the grating;
R 2 : distance from the lattice to the position where the self-image is formed;
λ: center wavelength of the X-ray;
R: R 1 + R 2 ;
d: period of the lattice;
p: a parameter related to the distance from the lattice.
(Condition 2)
here,
D: spatial resolution in the X-ray image detector;
d 1 is the period of the self-image.
前記Ｘ線発生部は、前記マルチスリットを介して前記Ｘ線を前記格子に向けて照射する構成となっている
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。 The X-ray source includes an X-ray generation unit and a multi-slit,
The X-ray imaging apparatus according to claim 1, wherein the X-ray generation unit is configured to irradiate the X-rays toward the grating through the multi slit.
前記Ｘ線発生部は、空間的可干渉性を有するＸ線を、前記格子に直接照射する構成となっている
ことを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。 The X-ray source includes an X-ray generator,
The X-ray imaging apparatus according to claim 1, wherein the X-ray generation unit is configured to directly irradiate the grating with X-rays having spatial coherence.
前記並進機構は、前記格子及び前記マルチスリットのうちの一方を、他方に対して、前記格子における回折ベクトルとほぼ平行な方向に相対的に並進させる構成となっている
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線撮像装置。 It also has a translation mechanism,
The translation mechanism is configured to translate one of the grating and the multi-slit relative to the other in a direction substantially parallel to a diffraction vector in the grating. 2. The X-ray imaging apparatus according to 2.
（１）前記Ｘ線源から前記Ｘ線画像検出器までの間に被検体を配置するステップ；
（２）前記Ｘ線源から前記格子に向けてＸ線を照射するステップ；
（３）前記格子により回折されて自己像を形成する前記Ｘ線を、前記Ｘ線画像検出器が検出するステップ。 An X-ray imaging method using the X-ray imaging apparatus according to claim 1,
(1) placing a subject between the X-ray source and the X-ray image detector;
(2) irradiating X-rays from the X-ray source toward the grating;
(3) A step in which the X-ray image detector detects the X-rays that are diffracted by the grating to form a self-image.
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2010
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