JP6683118B2 - Ｘ線位相撮影装置 - Google Patents

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Description

本発明は、Ｘ線位相撮影装置に関する。
従来、被写体を通過したＸ線の位相差を利用して被写体内部を画像化するＸ線撮像装置（Ｘ線位相撮影装置）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１のＸ線撮像装置は、Ｘ線源と、Ｘ線源の照射方向に配置されたＸ線画像検出器（検出部）と、Ｘ線源とＸ線画像検出器との間に配置された複数の格子と、を備えている。上記特許文献１のＸ線撮像装置は、複数の格子のいずれかを格子ピッチの方向に移動させながら、Ｘ線源から照射されたＸ線を複数の格子を用いて干渉させることにより、Ｘ線画像検出器において検出されるＸ線の強度変化を表す強度変調信号を取得する。上記特許文献１のＸ線撮像装置は、複数の格子の間に被写体を置かない場合の強度変調信号と、被写体を置いた場合の強度変調信号と、の位相差に基づいて、被写体内部を画像化した位相微分像（画像）を生成するように構成されている。この種のＸ線撮像装置は、Ｘ線の吸収量ではなく、Ｘ線の位相差を利用して、被写体内を画像化することによって、Ｘ線を吸収しにくい軽元素物体や生体軟部組織を画像化することが可能である。
特開２０１２−１６３７０号公報
しかしながら、上記特許文献１のようなＸ線撮像装置では、装置の周囲で発生する熱の影響等により、格子を支持する部材（格子ステージ）の形状および大きさが変動することによって、格子に所定位置からの位置ずれが生じる場合がある。この場合、複数の格子の間に被写体を置かない場合の強度変調信号の取得と、複数の格子の間に被写体を置いた場合の強度変調信号の取得との間に時間差がある場合、それぞれの強度変調信号の取得時における格子の位置に、熱の影響による位置ずれが生じるため、位相微分像を生成するための強度変調信号が全体的にオフセットされてしまう。このオフセットは、位相微分像の生成過程で補正可能であるが、このオフセットの大きさが、たとえば、強度変調信号の位相の半周期付近になると、被写体の縁部付近において、オフセットに加えて被写体に起因する位相差が加算され、複数の格子の間に被写体を置かない場合の強度変調信号と、複数の格子の間に被写体を置いた場合の強度変調信号との間の位相差が２πの範囲に折り畳まれる位相折り畳み（位相ラッピング）が生じる。この位相折り畳みが生じると、例えば、被写体に起因する位相差が（３／２）πであったとしても、位相差が−（１／２）πである場合と区別できなくなり、誤った値が測定される。このように、上記特許文献１のようなＸ線撮像装置では、熱の影響による格子の位置ずれが生じることにより、位相微分像に位相折り畳みが生じてしまうという問題点がある。なお、本発明において、強度変調信号とは、Ｘ線源から照射されたＸ線を複数の格子を用いて干渉させることにより形成された干渉縞に対して、複数の格子のいずれかを格子ピッチの方向に格子の１周期分に相当する距離を移動（ステップ）させる際に、Ｘ線画像検出器において検出されるＸ線の強度変化を表す概念である。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、格子の位置ずれに起因して画像に位相折り畳みが生じることを抑制することが可能なＸ線位相撮影装置を提供することである。
上記目的を達成するために、この発明の第１の局面におけるＸ線位相撮影装置は、Ｘ線源と、Ｘ線源からＸ線が照射される第１格子と、第１格子を通過したＸ線が照射される第２格子と、を少なくとも含む複数の格子と、第２格子を通過したＸ線を検出する検出部と、Ｘ線源と第１格子の間もしくは第１格子と第２格子の間に被写体を配置した場合の、検出部により検出されるＸ線の強度変化を表す強度変調信号と、被写体を配置しない場合の、強度変調信号と、の間の位相差に基づいて、画像を生成する画像生成部と、を備え、複数の強度変調信号に基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を取得するとともに、取得したずれ量が予め設定されたしきい値を越えたか否かを判断するように構成されており、しきい値は、単一の画素の位相差、および、位相差の複数画素の領域または全域における位相差の代表値の少なくともいずれかがπ未満となるように設定されている。
この発明の第１の局面によるＸ線位相撮影装置では、上記のように、複数の強度変調信号に基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を取得するように構成する。これにより、複数の格子の相対位置にずれが生じても、ずれ量を適宜補正することにより、ずれ量が蓄積されるのを抑制することができる。その結果、複数の強度変調信号の間の位相差がπ付近まで近づく前にずれ量を補正することにより、格子の位置ずれに起因して画像に位相折り畳みが生じることを抑制することができる。
上記第１の局面によるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、複数画素の領域は、被写体の縁部を含まない領域である。このように構成すれば、被写体の有無に起因する、位相差の影響を受けないので、より誤差の少ないずれ量を取得することができる。その結果、ずれ量の補正をより精度良く行うことができる。
上記第１の局面によるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、ずれ量が予め設定されたしきい値を超えた場合に、ずれ量を補正するように構成する。このように構成すれば、位相折り畳みが生じないように、ずれ量のしきい値を設定することにより、位相折り畳みが生じない程度の相対位置のずれの場合には、ずれ量の補正を行わないようにすることができる。その結果、強度変調信号を取得する度に、ずれ量を補正する必要がなくなるので、ずれ量の補正回数を最小限に抑えることができる。
上記第１の局面によるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、複数の格子は、Ｘ線源と第１格子との間に設けられる第３格子をさらに含む。このように構成すれば、第３格子を用いてＸ線源から照射されたＸ線を微小焦点化することにより、第１格子の自己像を形成するために、微小焦点のＸ線源を使う必要がなくなるので、微小焦点のＸ線源では得られないＸ線強度が高いＸ線源を用いることができる。その結果、Ｘ線源から照射されるＸ線の強度が高くなり、画像を抽出する時間を短縮することができる。
上記第１の局面によるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、検出部により検出されるＸ線の強度を変化させるために、複数の格子の少なくともいずれかを移動させる移動機構をさらに備える。このように構成すれば、複数の格子の相対位置を容易に変化させることができる。
上記Ｘ線位相撮影装置が移動機構を備える構成において、好ましくは、移動機構により、複数の格子の少なくともいずれかを移動させることによって、ずれ量を補正するように構成する。このように構成すれば、例えば、画像を生成するために移動機構により格子を移動させる場合に、画像用の移動機構と、ずれ補正用の移動機構とを共通化することができるので、装置構成を簡単にすることができるとともに、部品点数を削減することができる。
上記Ｘ線位相撮影装置が移動機構を備える構成において、好ましくは、移動機構により、複数の格子の中で最大の格子ピッチを有する格子を移動させることによって、ずれ量を補正するように構成されている。このように構成すれば、ずれ量が格子の格子ピッチに比例するため、格子ピッチの広い格子で補正する場合は、格子ピッチの狭い格子で補正する場合と比較すると、ずれ量が大きくなる。その結果、ずれ量を補正するために移動機構を移動させる距離が大きくなるので、ずれ量の補正を容易に行うことができる。
上記Ｘ線位相撮影装置が移動機構を備える構成において、好ましくは、移動機構により、複数の格子の中で画像を生成するために移動させた格子を移動させることによって、ずれ量を補正するように構成する。このように構成すれば、複数の格子の中で、特定の格子だけを移動すれば良いので、移動機構による格子の移動を簡単に行うことができる。
上記第１の局面によるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、Ｘ線源と、複数の格子と、検出部とを備えた撮影系と、被写体とを相対回転させる回転機構をさらに備え、回転機構により、撮影系と被写体とを相対回転させることによって、被写体を断層撮影するように構成する。このように、被写体を断層撮影する場合は、撮影時間が長くなり、格子の相対位置にずれが生じやすいため、画像に位相折り畳みが生じることを抑制可能な上記Ｘ線位相撮影装置は好適である。
本発明によれば、上記のように、複数の格子の相対位置のずれに起因して画像に位相折り畳みが生じることを抑制可能なＸ線位相撮影装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態によるＸ線位相コントラスト撮影装置の全体構成を示す図である。 縞操作によるステップカーブの取得を説明する図である。 被写体の有無に起因するステップカーブ間の位相差を説明するための図である。 Ｘ線位相コントラスト画像の生成方法を説明するための図である。 Ｘ線撮影の時間経過に伴う複数の格子の相対位置のずれを説明するための図である。 ステップカーブ間の位相差により複数の格子の相対位置のずれ量を算出する方法を説明するための図である。 複数の格子の相対位置のずれを補正する処理のフローチャートである。 本発明の第２実施形態によるＸ線位相コントラスト撮影装置の全体構成を示す図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態によるＸ線位相コントラスト撮影装置１００の構成について説明する。なお、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、特許請求の範囲の「Ｘ線位相撮影装置」の一例である。
Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、図１に示すように、被写体Ｔを通過したＸ線の位相差を利用して、被写体Ｔの内部を画像化する装置である。また、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、タルボ（Ｔａｌｂｏｔ）効果を利用して、被写体Ｔの内部を画像化する装置である。
（Ｘ線位相コントラスト撮影装置の構成）
図１に示すように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、Ｘ線源１と、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２と、検出部２と、制御部３と、格子移動ステージ４ａおよび４ｂと、被写体回転ステージ５と、を備えている。Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、Ｘ線源１と、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２と、検出部２とが、Ｘ線の照射軸方向（光軸方向、Ｚ方向）に、この順に並んで配置されている。なお、本明細書において、Ｘ線の照射軸方向をＺ方向とし、Ｚ方向と直交する面内において互いに直交する方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。なお、位相格子Ｇ１および吸収格子Ｇ２はそれぞれ、特許請求の範囲の「第１格子」および「第２格子」の一例である。また、格子移動ステージ４ａおよび４ｂは、特許請求の範囲の「移動機構」の一例である。また、被写体回転ステージ５は、特許請求の範囲の「回転機構」の一例である。
Ｘ線源１は、高電圧が印加されることにより、Ｘ線を発生させるとともに、発生されたＸ線を微小焦点で照射するように構成されている。
位相格子Ｇ１は、通過するＸ線の位相を変化させる回折格子である。位相格子Ｇ１は、Ｙ方向に所定の周期（格子ピッチ）ｄ１で配列されるスリットＧ１ａおよびＸ線吸収部Ｇ１ｂを有している。各スリットＧ１ａおよびＸ線吸収部Ｇ１ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されている。
位相格子Ｇ１は、Ｘ線源１と、吸収格子Ｇ２との間に配置されており、Ｘ線が照射される。位相格子Ｇ１は、タルボ効果により、自己像を形成するために設けられている。可干渉性を有するＸ線が、スリットが形成された格子を通過すると、格子から所定の距離（タルボ距離）離れた位置に、格子の像（自己像）が形成される。これをタルボ効果という。自己像は、Ｘ線の干渉によって生じる干渉縞である。
吸収格子Ｇ２は、Ｙ方向に所定の周期（格子ピッチ）ｄ２で配列される複数のスリットＧ２ａおよびＸ線吸収部Ｇ２ｂを有している。各スリットＧ２ａおよびＸ線吸収部Ｇ２ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されている。
吸収格子Ｇ２は、位相格子Ｇ１と検出部２との間に配置されており、位相格子Ｇ１を通過したＸ線が照射される。また、吸収格子Ｇ２は、位相格子Ｇ１からタルボ距離だけ離れた位置に配置される。
Ｘ線源１と位相格子Ｇ１との距離をＲ１、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との距離をＲ２、Ｘ線源１と吸収格子Ｇ２との距離をＲ（＝Ｒ１＋Ｒ２）とした場合、Ｘ線源１と、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２との位置関係は、以下の式（１）により表される。したがって、吸収格子Ｇ２の格子ピッチｄ２は、位相格子Ｇ１の格子ピッチｄ１よりも大きくなる。
Figure 0006683118
検出部２は、Ｘ線を検出するとともに、検出されたＸ線を電気信号に変換し、変換された電気信号を画像信号として読み取るように構成されている。検出部２は、たとえば、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。検出部２は、複数の変換素子（図示せず）と複数の変換素子上に配置された画素電極（図示せず）とにより構成されている。複数の変換素子および画素電極は、所定の周期（画素ピッチ）で、Ｘ方向およびＹ方向に並んで配置されている。
検出部２の検出信号は、制御部３が備える画像生成部６へと送られる。画像生成部６は、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２とを、複数箇所の所定位置に配置して撮影した画像から、Ｘ線位相コントラスト画像４２（図４参照）を含む画像を生成するように構成されている。なお、Ｘ線位相コントラスト画像４２は、特許請求の範囲の「画像」の一例である。
制御部３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などを含んで構成されたコンピュータである。制御部３は、画像生成部６を用いてＸ線位相コントラスト画像４２を含む画像を生成するように構成されている。また、制御部３は、格子移動ステージ４ａおよび４ｂそれぞれを用いて、位相格子Ｇ１および吸収格子Ｇ２を所定位置へ移動させるように構成されている。また、制御部３は、後述するしきい値Ｌを記憶する記憶部（図示せず）を備えている。
格子移動ステージ４ａおよび４ｂはそれぞれ、位相格子Ｇ１および吸収格子Ｇ２を保持する格子保持部（図示せず）を有する。格子移動ステージ４ａおよび４ｂはそれぞれ、制御部３より送られる信号に基づいて、保持した位相格子Ｇ１および吸収格子Ｇ２を、Ｚ方向、Ｘ方向およびＹ方向の所定方向に移動させるように構成されている。格子移動ステージ４ａおよび４ｂは、たとえば、ステッピングモータやピエゾアクチュエータを用いた電動位置決めステージである。これにより、位相格子Ｇ１および吸収格子Ｇ２の相対位置を容易に変化させることができる。
被写体回転ステージ５は、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との間に配置された被写体Ｔを載置可能に構成されている。被写体回転ステージ５は、制御部３より送られる信号に基づいて、被写体Ｔを、Ｘ線源１と、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２と、検出部２と、を含む撮影系７に対して、Ｘ軸方向またはＹ軸方向を軸として３６０度回転させることができる。Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００は、被写体回転ステージ５を用いずに、被写体Ｔの撮影を行うこともできるし、被写体回転ステージ５を用いて、所定の回転角度の回転位置の各々における被写体Ｔの撮影（ＣＴ撮影）をすることもできる。
（Ｘ線位相コントラスト画像生成方法）
次に、図２〜図５を参照して、複数の強度変調信号の位相差を用いてＸ線位相コントラスト画像４２を生成する方法を説明する。
吸収格子Ｇ２を格子ピッチｄ２のピッチ方向（Ｘ方向）に並進させることにより、検出部２で検出されるＸ線の信号強度が変化する。図２の（１）では、吸収格子Ｇ２をＸ方向に並進（ステップ）させた場合の、位相格子Ｇ１の明部と暗部とを含む自己像と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂのとの重なり具合の変化を示している。図２（１）において、状態Ａは、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが完全に重なった状態である。また、状態Ｂは、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが半分だけ重なった状態である。また、状態Ｃは、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが完全にずれた状態である。
図２の（２）では、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとの重なり具合の変化に伴って、検出部２で検出されるＸ線の信号強度の変化を表した強度変調信号２０を示している。たとえば、図２（１）の状態Ａの場合では、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが完全に重なるため、吸収格子Ｇ２を通過できるＸ線量が小さくなるので、検出部２で検出されるＸ線の信号強度が低くなる。また、図２（１）の状態Ｂの場合では、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが完全にずれているため、吸収格子Ｇ２を通過できるＸ線量が大きくなるので、検出部２で検出されるＸ線の信号強度が高くなる。また、図２（１）の状態Ｃの場合では、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとが半分だけ重なっているため、吸収格子Ｇ２を通過できるＸ線量が、状態Ａの場合と状態Ｃの場合との中間の大きさとなるので、検出部２で検出されるＸ線の信号強度が、状態Ａの場合と状態Ｃの場合との中間の値となる。このような検出部２で検出されるＸ線の信号強度の変化は、画像中の全ての画素３０（図４参照）に生じる。
各画素３０において、強度変調信号２０は、位相格子Ｇ１の自己像の明部と吸収格子Ｇ２のＸ線吸収部Ｇ２ｂとの重なり具合が、吸収格子Ｇ２の格子ピッチｄ２を１周期として繰り返されるので、図２（２）に示すように、正弦波形状（周期関数）となる。したがって、強度変調信号２０を取得するには、吸収格子Ｇ２の格子ピッチｄ２だけＸ方向にステップさせればよい。本実施形態では、吸収格子Ｇ２を格子ピッチｄ２のＸ方向に（ｄ２／８）ずつ８回ステップさせる例を示している。この強度変調信号２０は、各ステップ位置でＸ線画像を取得することにより、検出部２の全ての画素３０に対して取得される。以下の説明では、この強度変調信号を「ステップカーブ」と呼ぶ場合がある。また、ステップカーブ２０を取得するために、上記のように、吸収格子Ｇ２を格子ピッチｄ２方向に並進させながらＸ線撮影を行うことを「縞走査」と呼ぶ場合がある。なお、縞走査は、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との相対位置を変化させることによって行うことができるので、位相格子Ｇ１を格子ピッチｄ１の方向に並進させることにより行うこともできる。
図３に示すように、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との間に、被写体Ｔを置いてＸ線撮影した場合と、被写体Ｔを置かないでＸ線撮影した場合とで、それぞれのステップカーブ２０に位相差Δφが生じる場合がある。これは、被写体Ｔを通過するＸ線が屈折することに起因して位相格子Ｇ１の自己像がシフトし、検出部２で検出されるＸ線の信号強度が変化するからである。このような被写体Ｔに起因する位相差Δφは、Ｘ線が屈折する被写体Ｔの縁部（外表面や内表面）近傍を撮影した画素３０で顕著に現れる。これにより、被写体Ｔに起因する位相差Δφの値に基づいた、Ｘ線位相コントラスト画像４２を生成することができる。
具体的には、図４に示すように、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との間に、被写体Ｔを置かない場合と、被写体Ｔを置いた場合とで、縞走査をしながらＸ線撮影を行う。被写体Ｔを置かない場合の撮影画像４０と、被写体Ｔを置いた場合の撮影画像４１とを、それぞれ吸収格子Ｇ２の格子ピッチｄ２の少なくとも１周期分だけ撮影する。被写体Ｔを置かない場合の撮影画像４０と被写体Ｔを置いた場合の撮影画像４１とで、それぞれ同一の画素３０におけるステップカーブ２０の位相差Δφを取得する。この位相差Δφの値を画像化することにより、Ｘ線位相コントラスト画像４２が生成される。なお、以下の説明では、被写体Ｔを置かない場合の撮影画像４０と被写体Ｔを置いた場合の撮影画像４１とを、それぞれ「ＡＩＲ画像」および「被写体撮影画像」と呼ぶ場合がある。
図５に示すように、Ｘ線位相コントラスト画像４２を含む画像を生成するためのＸ線撮影では、最初に、ＡＩＲ画像４０が撮影され、その後、被写体撮影画像４１の撮影が繰り返し行われる。ところで、Ｘ線撮影開始時からの時間経過に伴い、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２とをそれぞれ支持する格子移動ステージ４ａおよび４ｂには、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの周囲の熱の影響により膨張や収縮を起こし、格子が初期位置からずれる場合がある。ここで、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置は、ＡＩＲ画像４０の撮影時における格子移動ステージ４ａおよび４ｂの位置である。このような格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置のずれが生じると、図５に示すように、最初のＡＩＲ画像４０によるステップカーブ２１の取得時と、時間経過に伴って、格子移動ステージ４ａおよび４ｂに初期位置からの位置ずれが生じている場合の被写体撮影画像４１によるステップカーブ２２の取得時と、の間の位相差Δφは、被写体Ｔに起因する位相差ΔΦに加えて、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置からの位置ずれに起因する位相差ΔΦａが加算された状態となる。すなわち、ＡＩＲ画像４０によるステップカーブ２１と被写体撮影画像４１によるステップカーブ２２との間の位相差Δφは、（ΔΦ＋ΔΦａ）で表される。
この格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置からのピッチ方向の位置ずれに起因する位相差ΔΦａの加算は、検出部２で検出される画像の全域に均等に現れるため、Ｘ線位相コントラスト画像４２の全体において、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置からの位置ずれがない場合に比べて、ステップカーブ２１および２２が位相差ΔΦａだけオフセットされた状態となる。
このオフセットは、Ｘ線位相コントラスト画像４２を生成する過程で補正可能であるが、このオフセットの大きさが、たとえば、ステップカーブ２２の位相の半周期（π）付近になると、被写体Ｔの縁部付近において、オフセットに加えて被写体Ｔに起因する位相差ΔΦが加算され、ＡＩＲ画像４０によるステップカーブ２１と、被写体撮影画像４１によるステップカーブ２２と、の間の位相差が２πの範囲に折り畳まれる位相折り畳み（位相ラッピング）が生じる。
この位相折り畳みが生じると、例えば、被写体Ｔに起因する位相差ΔΦにオフセットされた位相差ΔΦａが加算された位相差Δφが、（３／２）πであったとしても、位相差Δφが−（１／２）πである場合と区別できなくなる。これにより、誤った値として測定された画素３０は、白黒が反転したような状態となる。
この位相折り畳みの発生を抑制するために、本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００は、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置の位置ずれを補正するように構成されている。
（Ｘ線位相コントラスト画像補正方法）
次に、図６を参照して、格子移動ステージ４ａおよび４ｂの初期位置の位置ずれを補正する方法を説明する。
ＡＩＲ画像４０と被写体撮影画像４１とのそれぞれによる各画素３０のステップカーブ２１および２２を取得するため、Ｍ回のステップによる縞走査によってＸ線撮影を行った場合、検出部２で検出されるＸ線の信号強度は、以下の式（２）により表される。
Figure 0006683118
 ここで、Ｉk（ｘ，ｙ）は、画素座標（ｘ，ｙ）におけるＫステップ目のＸ線の信号強度であり、図２および図３に示される信号強度に対応する。
ＡＩＲ画像４０における各画素３０の各ステップkでの信号強度をＩk0（ｘ，ｙ）、被写体撮影画像４１における各画素３０の信号強度をＩk（ｘ，ｙ）とし、以下の式（３）および式（４）を定義すると、画素座標（ｘ，ｙ）における位相差Δφ（ｘ，ｙ）は、以下の式（５）により表される。
Figure 0006683118
本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００では、図６に示すように、ＡＩＲ画像４０によるステップカーブ２１と被写体撮影画像４１によるステップカーブ２２との間の位相差Δφの、ＡＩＲ画像４０（または被写体撮影画像４１）における複数画素の領域３１における平均値Ｍφが算出される。この平均値Ｍφに基づいて、格子移動ステージ４ａおよび４ｂにより位相格子Ｇ１または吸収格子Ｇ２の位置が補正される。位相格子Ｇ１の位置を補正する場合のずれ量ΔＤ1および吸収格子Ｇ２の位置を補正する場合のずれ量ΔＤ2は、それぞれ以下の式（６）および式（７）により表される。
Figure 0006683118
上記のように、格子の初期位置からのずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を算出するために、本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００では、位相差Δφの複数画素の領域３１における平均値Ｍφを用いる。また、図６に示すように、複数画素の領域３１を、ＡＩＲ画像４０（または被写体撮影画像４１）において被写体Ｔを含めないほうが好ましいが、含めてもよい。なお、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を算出するために、位相差Δφの複数画素の領域３１における平均値Ｍφに代えて、位相差Δφの複数画素の領域３１における中間値等を用いてもよい。
また、本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００では、図５に示すように、位相格子Ｇ１または吸収格子Ｇ２それぞれの初期位置からのずれ量ΔＤ1またはΔＤ2に、しきい値Ｌを設定し、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2がしきい値Ｌを超えた場合に、位置ずれを補正するように構成されている。しきい値Ｌは、位相差Δφの複数画素の領域３１における平均値Ｍφが、ステップカーブ２１および２２に位相折り畳みが生じないように、πよりも小さく設定する。また、位置ずれの補正回数が多くなりすぎないように、たとえば、（２／３）π以上に設定する。
また、本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００では、位相格子Ｇ１によって縞走査を行った場合は、格子移動ステージ４ａにより位相格子Ｇ１の位置ずれを補正し、吸収格子Ｇ２によって縞走査を行った場合は、格子移動ステージ４ｂにより吸収格子Ｇ２の位置ずれを補正するように構成する。
また、本実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００では、通常は、格子の中で、格子ピッチが最大の吸収格子Ｇ２を移動させることにより、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するように構成する。
次に、図７を参照して、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００における格子位置の位置ずれの補正処理のフローチャートについて説明する。フローチャートの処理は、制御部３により行われる。なお、ＡＩＲ画像４０の撮影が行われ、基準となるステップカーブ２１が取得されているものとする。
まず、ステップＳ１１において、制御部３は、ユーザの入力や記憶部に記憶された設定値を読み込むなどにより、複数の格子の相対位置のずれ量ΔＤ1またはΔＤ2のしきい値Ｌを設定する。
被写体撮影画像４１が撮影されると、制御部３は、ステップＳ１２において、被写体撮影画像４１からステップカーブ２２を取得する。
次に、ステップＳ１３において、制御部３は、取得したステップカーブ２２と、基準のステップカーブ２１との間の、被写体撮影画像４１（またはＡＩＲ画像４０）の複数画素の領域３１または全域における、位相差Δφの平均値Ｍφを算出する。
次に、ステップＳ１４において、制御部３は、位相差Δφの平均値Ｍφに基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を算出し、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が、ステップＳ１１で設定されたしきい値Ｌよりも大きいか否かを判断する。ステップＳ１４において、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が、しきい値Ｌ以上の場合は、ステップＳ１５に進む。また、ステップＳ１４において、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が、しきい値Ｌ未満の場合は、ステップＳ１２の処理に戻る。
ステップＳ１５において、制御部３は、格子移動ステージ４ａをずれ量ΔＤ1だけ移動させる、または、格子移動ステージ４ｂを、ずれ量ΔＤ2だけ移動させることにより、格子移動ステージ４ａまたは４ｂの位置ずれを補正する。
その後、ステップＳ１６において、ユーザからの指示やＸ線撮影の終了等に基づいて、格子位置の位置ずれの補正処理を終了するか否かが判断される。ステップＳ１６において、格子位置の位置ずれの補正処理を終了する場合は、補正処理を終了する。また、ステップＳ１６において、格子位置の位置ずれの補正処理を終了しない場合は、ステップＳ１２の処理に戻る。
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、複数のステップカーブ２０に基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を取得するように構成する。これにより、複数の格子の相対位置にずれが生じても、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を適宜補正することにより、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が蓄積されるのを抑制することができる。その結果、複数のステップカーブ２０の間の位相差Δφがπ付近まで近づく前にずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正することにより、複数の相対位置のずれに起因してＸ線位相コントラスト画像４２に位相折り畳みが生じることを抑制することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、検出部２により検出される複数画素の領域３１または全域におけるステップカーブ２０から取得した代表値に基づいて、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を取得するように構成する。これにより、たとえば、複数のステップカーブ２０の間の位相差Δφの、複数画素の領域３１または全域における平均値Ｍφや中央値などを代表値として用いて、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を取得することにより、誤差の少ないずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を取得することができる。その結果、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2の補正を精度良く行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、複数画素の領域３１を、被写体Ｔの縁部を含まない領域が好ましい。これにより、被写体Ｔの有無に起因する位相差ΔΦの影響を受けないので、より誤差の少ないずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を取得することができる。その結果、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2の補正をより精度良く行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が予め設定されたしきい値Ｌを超えた場合に、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するように構成する。これにより、位相折り畳みが生じないように、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2のしきい値Ｌを設定することにより、位相折り畳みが生じない程度の相対位置のずれの場合には、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2の補正を行わないようにすることができる。その結果、ステップカーブ２２を取得する度に、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正する必要がなくなるので、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2の補正回数を最小限に抑えることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、検出部２により検出されるＸ線の強度を変化させるために、複数の格子の少なくともいずれかを移動させる格子移動ステージ４ａおよび４ｂを設ける。これにより、複数の格子の相対位置を容易に変化させることができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、格子移動ステージ４ａおよび４ｂにより、複数の格子の少なくともいずれかを移動させることによって、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するように構成する。これにより、例えば、Ｘ線位相コントラスト画像４２を生成するために格子移動ステージ４ａおよび４ｂにより格子を移動させる場合に、Ｘ線位相コントラスト画像４２生成用の移動機構と、ずれ補正用の移動機構とを共通化することができるので、装置構成を簡単にすることができるとともに、部品点数を削減することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、格子移動ステージ４ａおよび４ｂにより、複数の格子の中で最大の格子ピッチを有する格子を移動させることによって、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するように構成する。これにより、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が格子の格子ピッチに比例するため、格子ピッチの広い格子で補正する場合は、格子ピッチの狭い格子で補正する場合と比較すると、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2が大きくなる。その結果、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するために格子移動ステージ４ａおよび４ｂを移動させる距離が大きくなるので、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2の補正を容易に行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、格子移動ステージ４ａおよび４ｂにより、複数の格子の中でＸ線位相コントラスト画像４２を生成するために移動させた格子を移動させることによって、ずれ量ΔＤ1またはΔＤ2を補正するように構成する。これにより、複数の格子の中で、特定の格子だけを移動すれば良いので、格子移動ステージ４ａおよび４ｂによる格子の移動を簡単に行うことができる。
また、第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相コントラスト撮影装置１００を、Ｘ線源１と、複数の格子（位相格子Ｇ１、吸収格子Ｇ２）と、検出部２とを備えた撮影系７と、被写体Ｔとを相対回転させる被写体回転ステージ５をさらに備え、被写体回転ステージ５により、撮影系７と被写体Ｔとを相対回転させることによって、被写体Ｔを断層撮影するように構成する。これにより、被写体Ｔを断層撮影する場合は、撮影時間が長くなり、格子の相対位置にずれが生じやすいため、Ｘ線位相コントラスト画像４２に位相折り畳みが生じることを抑制可能なＸ線位相コントラスト撮影装置１００は好適である。
［第２実施形態］
次に、図８を参照して、第２実施形態について説明する。この第２実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、Ｘ線源１と位相格子Ｇ１との間に、マルチスリットＧ３をさらに備えるように構成されている。なお、上記第１実施形態と同一の構成については、図中において同じ符号を付して図示し、その説明を省略する。
（Ｘ線位相コントラスト撮影装置の構成）
本発明の第２実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置２００では、上記第１実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００の構成に加えて、マルチスリットＧ３と、格子移動ステージ４ｃと、を備える。また、Ｘ線位相コントラスト撮影装置２００では、Ｘ線源１１は、上記第１実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００のＸ線源１よりも高出力のＸ線源である。なお、Ｘ線位相コントラスト撮影装置２００は、特許請求の範囲の「Ｘ線位相撮影装置」の一例である。また、マルチスリットＧ３は、特許請求の範囲の「第３格子」の一例である。また、格子移動ステージ４ｃは、特許請求の範囲の「移動機構」の一例である。
Ｘ線位相コントラスト撮影装置２００では、Ｘ線源１１は焦点を絞らなくてよいので、上記第１実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００のＸ線源１よりも、Ｘ線強度の高いＸ線を照射することができる。これにより、Ｘ線位相コントラスト画像４２を抽出する時間を短縮することができる。なお、Ｘ線源１１は、焦点サイズが大きいため、位相格子Ｇ１の自己像を形成するために、照射するＸ線を微小焦点化する必要がある。
マルチスリットＧ３は、Ｘ線源１から照射されたＸ線を微小焦点化することが可能な格子である。マルチスリットＧ３は、Ｙ方向に所定の周期（格子ピッチ）ｄ３で配列される複数のスリットＧ３ａおよびＸ線吸収部Ｇ３ｂを有している。各スリットＧ３ａおよびＸ線吸収部Ｇ３ｂは、Ｘ方向に延びるように形成されている。
マルチスリットＧ３と位相格子Ｇ１との距離をＲ１、位相格子Ｇ１と吸収格子Ｇ２との距離をＲ２、マルチスリットＧ３と吸収格子Ｇ２との距離をＲ（＝Ｒ１＋Ｒ２）とした場合、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２と、マルチスリットＧ３との位置関係は、以下の式（８）により表される。
Figure 0006683118
格子移動ステージ４ｃは、マルチスリットＧ３を保持する格子保持部（図示せず）を有する。格子移動ステージ４ｃは、制御部３より送られる信号に基づいて、保持したマルチスリットＧ３を、Ｚ方向、Ｘ方向およびＹ方向の所定方向に移動させるように構成されている。格子移動ステージ４ｃは、たとえば、ステッピングモータやピエゾアクチュエータを用いた電動位置決めステージである。これにより、位相格子Ｇ１、吸収格子Ｇ２、およびマルチスリットＧ３の相対位置を容易に変化させることができる。
また、被写体回転ステージ５は、制御部３より送られる信号に基づいて、被写体Ｔを、Ｘ線源１１と、位相格子Ｇ１と、吸収格子Ｇ２と、マルチスリットＧ３と、検出部２と、を含む撮影系１７に対して、Ｘ軸方向またはＹ軸方向を軸として３６０度回転させることができる。
第２実施形態の構成においても、上記第１実施形態と同様に、複数の格子のいずれかをステップさせて縞走査することができる。また、上記第１実施形態と同様に、複数の格子のいずれかを移動させることにより、複数の格子の相対位置のずれを補正することができる。
なお、マルチスリットＧ３を移動させることにより、位相格子Ｇ１、吸収格子Ｇ２、マルチスリットＧ３の相対位置の位置ずれを補正する場合、相対位置のずれ量ΔＤ3は、以下の式（９）により表される。
Figure 0006683118
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第２実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置２００では、上記のように、上記第１実施形態のＸ線位相コントラスト撮影装置１００の構成に加えて、複数の格子は、Ｘ線源１１と位相格子Ｇ１との間に設けられるマルチスリットＧ３をさらに含む。これにより、マルチスリットＧ３を用いてＸ線源１１から照射されたＸ線を微小焦点化することにより、位相格子Ｇ１の自己像を形成するために、微小焦点のＸ線源１を使う必要がなくなるので、微小焦点のＸ線源１では得られないＸ線強度が高いＸ線源１１を用いることができる。その結果、Ｘ線源１１から照射されるＸ線の強度が高くなり、Ｘ線位相コントラスト画像４２を抽出する時間を短縮することができる。
なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。
［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
また、上記第１および第２実施形態では、ＡＩＲ画像４０のステップカーブ２１を基準として、被写体撮影画像４１のステップカーブ２２との位相差Δφに基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を補正するようにしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、被写体撮影画像４１のステップカーブ２２を基準として、被写体撮影画像４１のステップカーブ２２と被写体撮影画像４１のステップカーブ２２と位相差Δφに基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を補正するようしてもよい。
また、第１および第２実施形態では、ＡＩＲ画像４０の撮影を、図５に示すように、Ｘ線撮影の開始後の最初の１回だけとしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、ＡＩＲ画像４０の撮影を再度行ってもよい。たとえば、ＡＩＲ画像４０と被写体撮影画像４１とを交互に撮影したり、被写体撮影画像４１を数回撮影する毎にＡＩＲ画像４０を撮影するようにしてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、複数の格子の相対位置のずれ量にしきい値Ｌを設定し、しきい値Ｌを超えた場合に、ずれ量を補正するとしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、撮影時間または撮影回数にしきい値Ｌを設定し、しきい値Ｌを超えた場合に、ずれ量を補正してもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、複数の格子の中で、いずれか１つの格子をステップさせることにより縞走査を行うとしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、複数の格子を同時にステップさせることにより縞走査を行うこともできる。
また、上記第１および第２実施形態では、複数の格子の中で、縞走査のために移動させた格子により複数の格子の相対位置のずれ量を補正するとしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、複数の格子を同時に移動させることにより、複数の格子の相対位置のずれ量を補正することもできる。
また、上記第１および第２実施形態では、タルボ効果による自己像を形成するために設けられている格子を位相格子Ｇ１としたが、本発明はこれに限られない。本発明では、格子Ｇ１の自己像は縞模様であればよいので、格子Ｇ１に吸収格子を用いて、格子Ｇ１の影を自己像の縞模様として用いてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、被写体Ｔと撮影系とを相対回転させる被写体回転ステージ５を設けたが、本発明はこれに限られない。本発明では、被写体回転ステージ５を設けない構成にすることもできる。
また、上記第１および第２実施形態では、被写体Ｔを位相格子Ｇ１の下流（検出器側）に置いたが、本発明はこれに限られない。本発明では、被写体Ｔを位相格子Ｇ１の上流（管球側）においてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、複数画素の領域３１または全域におけるステップカーブ２０から取得した代表値に基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を取得するようにしたが、本発明はこれに限られない。本発明では、単一の画素３０の位相差Δφそのものに基づいて、複数の格子の相対位置のずれ量を取得してもよい。
また、上記実施形態では、説明の便宜上、制御部の処理を処理フローに沿って順番に処理を行うフロー駆動型のフローを用いて説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、制御部の処理を、イベント単位で処理を実行するイベント駆動型（イベントドリブン型）の処理により行ってもよい。この場合、完全なイベント駆動型で行ってもよいし、イベント駆動およびフロー駆動を組み合わせて行ってもよい。
上記の各実施形態において、位相微分像以外に、暗視野像、吸収像、あるいは、それら３つの画像のうちの２つ以上の画像を任意で組み合わせて使用した画像を生成するようにしてもよい。また、タルボ干渉ではなく、非干渉計で使用することもできる。その場合、Ｇ２格子は位相格子ではなく、吸収格子が使用される。
１、１１ Ｘ線源
２ 検出部
４ａ、４ｂ、４ｃ 格子移動ステージ（移動機構）
５ 被写体回転ステージ（回転機構）
６ 画像生成部
７、１７ 撮影系
３１ 複数画素の領域
２０（２１、２２） ステップカーブ（強度変調信号）
４２ Ｘ線位相コントラスト画像（画像）
１００、２００ Ｘ線位相コントラスト撮影装置（Ｘ線位相撮影装置）
ｄ０、ｄ１、ｄ２ 格子ピッチ
Ｇ１ 位相格子または吸収格子（第１格子）
Ｇ２ 吸収格子（第２格子）
Ｇ３ マルチスリット（第３格子）
Ｔ 被写体
ΔＤ1、ΔＤ2、ΔＤ3 ずれ量
Δφ 位相差

Claims (9)

  1. Ｘ線源と、
    前記Ｘ線源からＸ線が照射される第１格子と、前記第１格子を通過した前記Ｘ線が照射される第２格子と、を少なくとも含む複数の格子と、
    前記第２格子を通過した前記Ｘ線を検出する検出部と、
    前記Ｘ線源と前記第１格子の間もしくは前記第１格子と前記第２格子の間に被写体を配置した場合の、前記検出部により検出される前記Ｘ線の強度変化を表す強度変調信号と、前記被写体を配置しない場合の、前記強度変調信号と、の間の位相差に基づいて、画像を生成する画像生成部と、を備え、
    複数の前記強度変調信号に基づいて、前記複数の格子の相対位置のずれ量を取得するとともに、取得した前記ずれ量が予め設定されたしきい値を越えたか否かを判断するように構成されており、
    前記しきい値は、単一の画素の前記位相差、および、前記位相差の複数画素の領域または全域における前記位相差の代表値の少なくともいずれかがπ未満となるように設定されている、Ｘ線位相撮影装置。
  2. 前記複数画素の領域は、前記被写体の縁部を含まない領域である、請求項１に記載のＸ線位相撮影装置。
  3. 前記ずれ量が予め設定されたしきい値を超えた場合に、前記ずれ量を補正するように構成されている、請求項１または２に記載のＸ線位相撮影装置。
  4. 前記複数の格子は、前記Ｘ線源と前記第１格子との間に設けられる第３格子をさらに含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
  5. 前記検出部により検出される前記Ｘ線の強度を変化させるために、前記複数の格子の少なくともいずれかを移動させる移動機構をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
  6. 前記移動機構により、前記複数の格子の少なくともいずれかを移動させることによって、前記ずれ量を補正するように構成されている、請求項５に記載のＸ線位相撮影装置。
  7. 前記移動機構により、前記複数の格子の中で最大の格子ピッチを有する前記格子を移動させることによって、前記ずれ量を補正するように構成されている、請求項５または６に記載のＸ線位相撮影装置。
  8. 前記移動機構により、前記複数の格子の中で前記画像を生成するために移動させた前記格子を移動させることによって、前記ずれ量を補正するように構成されている、請求項５〜７のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
  9. 前記Ｘ線源と、前記複数の格子と、前記検出部とを備えた撮影系と、前記被写体とを相対回転させる回転機構をさらに備え、
    前記回転機構により、前記撮影系と前記被写体とを相対回転させることによって、前記被写体を断層撮影するように構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
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