被検体情報取得装置、Ｘ線撮像装置、被検体情報取得方法及びプログラム
【課題】 少なくとも１回の撮像から、被検体の微分位相像または位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供すること。
【解決手段】 本発明に係るＸ線撮像装置は、位相格子１３０と吸収格子１５０と検出器１７０と演算装置１８０を有する。演算装置１８０は、検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程を実行する。また、フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程を実行する。
【解決手段】 本発明に係るＸ線撮像装置は、位相格子１３０と吸収格子１５０と検出器１７０と演算装置１８０を有する。演算装置１８０は、検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程を実行する。また、フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程を実行する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線撮像装置およびＸ線撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は高い物質透過性を持ち、かつ高空間分解能イメージングが可能であることから、工業的用途として物体の非破壊検査、医療用途としてレントゲン撮影、等に用いられている。これらは、物体や生体内の構成元素や密度差によりＸ線透過時の吸収の違いを利用してコントラスト画像を形成するものであり、Ｘ線吸収コントラスト法と言われる。しかし、軽元素ではＸ線吸収が非常に小さいため、生体の構成元素である炭素、水素、酸素などからなる生体軟組織、あるいはソフトマテリアルをＸ線吸収コントラスト法により画像化することは困難である。
【０００３】
これに対して、軽元素で構成される組織でも明瞭な画像化を可能とする方法として、Ｘ線の位相差を用いたＸ線位相コントラスト法の研究が、１９９０年代より行なわれている。
【０００４】
数多く開発されたＸ線位相コントラスト法のなかでも、通常のＸ線管を用いることが可能な方法として、タルボ干渉を利用したＸ線位相コントラスト法がある（特許文献１）。
【０００５】
特許文献１に記載のタルボ干渉を利用した方式は、Ｘ線を発生するＸ線管、Ｘ線の位相を変調し干渉強度分布を発生させるための位相格子、および前記干渉強度分布をモアレの強度分布に変換する吸収格子、前記干渉強度分布を検出するＸ線検出器から構成される。
【０００６】
特許文献１に記載の方式では、吸収格子を格子周期方向に走査することにより撮像を行なう。この走査により、検出されるモアレは移動し、走査量が吸収格子の１周期に達すると、モアレ画像は元の状態へ戻る。前記走査中の少なくとも３枚以上の撮像データを用いて演算処理することにより、微分位相像を取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許７１８０９７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の方法は、少なくとも３枚以上の撮像を行なうことにより微分位相像を取得し、その微分位相像から位相像を演算する方法である。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は３枚以上の撮像が必要になることから、撮像中に被検体が移動すると、画質が低下するという問題がある。
【００１０】
また、撮像時間の長時間化は被検体へのＸ線線量の増加を招き、医療用の用途を考慮すると好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、少なくとも１回の撮像から、被検体の微分位相像または位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線源と、前記Ｘ線源からのＸ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する位相格子と、前記位相格子により形成された干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる吸収格子と、前記吸収格子により生じたモアレの強度分布を検出する検出器と、前記検出器により検出されたモアレの強度分布から被検体の情報を画像化し、出力する演算装置を有し、前記演算装置は、前記検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程と、前記フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程と、を実行するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、少なくとも１回の撮像から、被検体の微分位相像または位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係るＸ線撮像装置を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態２、および３に係る２次元位相格子を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態１、および２に係る２次元吸収格子を説明する図である。
【図４】干渉強度分布のスペクトルパターンを表している図である。
【図５】２次元位相格子を用いた場合のモアレの強度分布およびスペクトルパターンを表している図である。
【図６】本発明の演算装置で実施する解析方法のフローチャートを説明する図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るモアレの強度分布および空間周波数スペクトルを説明する図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るモアレの強度分布および空間周波数スペクトルを説明する図である。
【図９】本発明の実施形態４に係るズーム機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態１）
タルボ干渉を用いたＸ線撮像装置の構成の一例を図１に示す。Ｘ線撮像装置を用いて位相像を得るまでの工程を具体的に説明する。
【００１６】
（Ｘ線源）
Ｘ線源１１０から発生したＸ線１１１が被検体１２０を透過する。Ｘ線１１１は、被検体１２０を透過する際に、被検体１２０の組成や形状等に応じた位相の変化及び吸収を生じる。
【００１７】
Ｘ線としては、連続Ｘ線を用いても特性Ｘ線を用いても良い。また、波長としては、０．１Åから５Å程度から適宜選択される。また、Ｘ線源１１０の後に、波長選択フィルタや線源用の格子を適宜設けても良い。
【００１８】
（位相格子）
前記被検体１２０を透過したＸ線１１１は、位相格子１３０を透過すると、タルボ効果により干渉強度分布１４０を形成する。
【００１９】
位相格子１３０は、被検体１２０よりも上流側または下流側に配置される。
【００２０】
位相格子１３０は、Ｘ線透過部材の厚みを周期的に変化させることにより構成された位相進行部分１３１と位相遅延部１３２からなる。位相進行部１３１と位相遅延部１３２は、透過したＸ線に対して位相差がつくように形成されていればよい。たとえば、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相が位相遅延部１３２を透過したＸ線の位相に対してπだけ進行するように構成されている。厚みの変化量は、用いるＸ線の波長および部材により決定される。
【００２１】
位相格子１３０は、位相遅延部１３２を透過したＸ線の位相に対して、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相がπ、またはπ／２変調するものが一般的である。前者をπ位相格子、後者をπ／２位相格子と称する場合もある。ただし、位相の変調量は周期的であればよく、例えばπ／３変調するものであっても良い。
【００２２】
位相格子１３０は、１次元の線状形状でもいいし、図２（Ａ）に示すような２次元の市松模様で構成されていてもよい。また、図２（Ｂ）に示すような網戸状の模様で構成されていてもよい。図２において、ｄは周期であり、２０１は２次元位相格子、２１０は位相進行部、２２０は位相遅延部を表している。
【００２３】
なお、位相進行部２１０または位相遅延部２２０の形状は図２（Ａ）および図２（Ｂ）では正方形であるが、作製上、外縁が円形状に変形することもある。このように円形状に変形した場合においても、位相格子として利用することが可能である。
【００２４】
位相格子１３０が１次元の周期を有する場合には、被検体１２０の１次元方向の位相勾配情報しか取得できない。しかし、位相格子１３０が２次元の周期を有する場合には、２次元方向の位相勾配情報を取得することができる点で有利である。
【００２５】
なお、位相格子１３０を構成する材料はＸ線を透過する物質が好ましく、例えば、シリコン等を用いることができる。
【００２６】
位相格子１３０の透過後に形成された干渉強度分布は、Ｘ線源と位相格子１３０との距離Ｚ０とすると、吸収格子１５０からの距離Ｚ１が下記の式（１）を満たしている位置に最も明瞭に現れる。ここで「干渉強度分布」とは、前記位相格子１３０の格子周期を反映した周期的強度分布のことである。
【００２７】
式（１）において、λはＸ線の波長、ｄは位相格子１３０の格子周期である。
【００２８】
【数１】
【００２９】
Ｎは位相格子の形態により異なる値であり、以下のように表現できる実数である。なお、ｎは自然数である。
１次元配列のπ位相格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
１次元配列のπ／２位相格子：Ｎ＝ｎ−１／２
２次元配列の市松模様π位相格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
２次元で市松模様π／２位相格子：Ｎ＝ｎ／２−１／４
（吸収格子）
干渉強度分布の周期は、一般にＸ線検出器１７０の画素サイズより小さいため、そのままでは干渉強度分布を検出できない。そこで、吸収格子１５０を用いることによって、Ｘ線検出器１７０の画素サイズより大きな周期のモアレを発生させ、モアレの強度分布をＸ線検出器１７０で検出する。吸収格子１５０は、位相格子１３０から距離Ｚ１だけ離れた位置に設けることが好ましい。
【００３０】
吸収格子１５０は、周期的に配列した透過部１５１と遮光部１５２を有し、位相格子１３０で形成された干渉強度分布１４０の明部の一部を遮光するように配置される。なお、透過部１５１はＸ線の一部が透過可能に構成されていればよく、開口が貫通している必要はない。吸収格子１５０を構成する材料はＸ線をよく吸収する物質であればよく、例えば、金を用いることができる。
【００３１】
ここで、吸収格子１５０の周期は、干渉強度分布と同一、または僅かに異なる。
【００３２】
干渉強度分布と同一周期を持つ吸収格子を用いた場合、吸収格子の面内回転によってモアレが発生する。干渉強度分布の周期をＤ、干渉強度分布の明暗の方位と吸収格子の方位のなす角をθ（ただし、θ＜＜１）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ／θとなる。
【００３３】
一方、干渉強度分布と僅かに異なる周期を持つ吸収格子を用いた場合、吸収格子の面内回転を行なうことなくモアレが発生する。吸収格子の周期をＤａ＝Ｄ＋δ（ただしδ＜＜Ｄ）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ２／δとなる。
【００３４】
吸収格子１５０において、透過部１５１は、１次元的に配列されていてもよいし、また２次元的に配列されていてもよい。
【００３５】
例えば、図２（Ａ）に示した市松状の位相格子であって、π位相格子を用いた場合には、図３（Ａ）のように透過部３５１と遮光部３５２が２次元的に配列されている網戸状の吸収格子３００を用いる。また、図２（Ａ）に示した市松状のπ／２位相格子を用いた場合には、図３（Ｂ）のように透過部３５１と遮光部３５２が２次元的に配列されている市松状の吸収格子３００を用いる。
【００３６】
なお、上記の組合せは一例であり、位相格子と吸収格子は種々の組合せが可能である。
【００３７】
（検出器）
前記吸収格子１４０を透過したＸ線の干渉強度分布の情報はモアレの強度分布として、Ｘ線検出器１７０によって検出される。Ｘ線検出器１７０は、Ｘ線の干渉強度分布の情報を検出することのできる素子である。例えば、デジタル信号への変換が可能な、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）等を用いることができる。
【００３８】
（演算装置）
前記Ｘ線検出器１７０で検出されたモアレの強度分布の情報は、後述の解析方法による演算装置１８０によって解析され、微分位相像や位相像を画像化する。取得された微分位相像や位相像は、表示部１９０に表示するための出力画像である。演算装置１８０は例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有する。
【００３９】
以下、検出器で取得されるモアレの強度分布情報から位相像を取得する解析方法について説明し、その後に演算装置で行なう処理工程について説明する。
【００４０】
（解析方法）
干渉強度分布が形成される際には多数の回折光が重なって干渉するため、基本周波数（以後キャリア周波数と呼ぶ）と数多くのその高調波成分を含んでいる。しかし、モアレは干渉強度分布のキャリア周波数成分を空間的に拡大した形状を持つので、刻線がｘ軸に直交する１次元の位相格子を使用した場合にモアレは（２）式で表すことができる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
また、２次元の位相格子を使用した場合には、（２）式にｙ方向のキャリア周波数成分が重畳した形状となる。
【００４３】
（２）式は、モアレが、バックグラウンドの第一項と、周期性を持った第二項との和で表されることを示している。ここで、ａ（ｘ，ｙ）はバックグラウンドを表し、ｂ（ｘ，ｙ）はキャリア周波数成分の振幅を表す。また、ｆ０は干渉縞のキャリア周波数を表し、φ（ｘ，ｙ）はキャリア周波数成分の位相を表している。
【００４４】
キャリア周波数成分は、位相格子１３０として市松状のπ／２位相格子を用いた場合は、０次回折光と＋１次回折光の干渉、および０次回折光と−１次回折光の干渉によって生じる。また、位相格子１３０として市松状のπ位相格子を用いた場合は＋１次回折光と−１次回折光の干渉によってキャリア周波数成分が生じる。
【００４５】
０次回折光と１次回折光は位相格子１３０で互いにＮｄだけ離れた位置にある光線が重なり、＋１次回折光と−１次回折光は位相格子１３０で互いに２Ｎｄだけ離れた位置にある光線が重なる。すなわち、これらの干渉はπ／２位相格子の場合はシア量ｓがＮｄ、π位相格子の場合はシア量ｓが２Ｎｄのシアリング干渉である。
【００４６】
したがって、位相格子１３０の位置における被検体１２０の位相像をＷ（ｘ，ｙ）とすると、位相φ（ｘ，ｙ）と位相像Ｗ（ｘ，ｙ）は次式の関係がある。
【００４７】
【数３】
【００４８】
一般にｓは微小なので、
【００４９】
【数４】
【００５０】
となる。
【００５１】
ここで、（３）式より位相φ（ｘ，ｙ）は被検体１２０の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を微分した情報となっていることがわかる。したがって、被検体１２０の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）はφ（ｘ，ｙ）を積分することで求めることができる。
【００５２】
ところで、位相φ（ｘ，ｙ）は、（２）式からフーリエ変換法で求めることができる。すなわち、（２）式は
【００５３】
【数５】
【００５４】
と書き表すことができる。ここで
【００５５】
【数６】
【００５６】
である。
【００５７】
したがって、干渉縞からｃ（ｘ，ｙ）の成分またはｃ＊（ｘ，ｙ）の成分を取り出すことにより、位相φ（ｘ，ｙ）の情報を得ることが可能となる。
【００５８】
ここで、フーリエ変換によって（４）式は
【００５９】
【数７】
【００６０】
となる。
【００６１】
ここでＧ（ｆｘ，ｆｙ）、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）はそれぞれｇ（ｘ，ｙ）、ａ（ｘ，ｙ）、ｃ（ｘ，ｙ）に対する二次元のフーリエ変換である。
【００６２】
図４は、１次元格子を使用した場合の干渉強度分布のスペクトルパターンである。通常、図４のように３つのピークが生じる。中央のピークは主としてＡ（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークである。一方、その両脇のピークはそれぞれＣ（ｆｘ，ｆｙ）とＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するキャリア周波数ピークであり、これらのピークは±ｆ０の位置に生じる。
【００６３】
次に、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークのある領域を切り出す。例えば、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークと、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークの周囲を切り出すことにより、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークを分離する。
【００６４】
次に、分離したＣ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークを周波数空間の原点に移動させ、逆フーリエ変換を行なう。そして逆フーリエ変換により得られた複素数情報から位相φ（ｘ，ｙ）、すなわち微分位相情報を得る。
【００６５】
また、図５（Ａ）は、市松模様のπ／２位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））、または、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いた場合のモアレの強度分布の例であり、５１０はモアレの明部、５２０はモアレの暗部である。なお、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いた場合にも、このような斜め方向にモアレの強度分布が生じる。
【００６６】
また、図５（Ｂ）は、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））を用いた場合のモアレの強度分布であり、５３０はモアレの明部、５４０はモアレの暗部である。この場合、縦横方向にモアレの強度分布が生じる。
【００６７】
なお、網戸模様の位相格子（図２（Ｂ））を用いて、上記のようなモアレの強度分布を得ることもできる。
【００６８】
図５（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図５（Ａ）、（Ｂ）で示したモアレの強度分布をフーリエ変換の一種であるＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。ＦＦＴで算出可能な最大空間周波数は、Ｘ線検出器１７０の画素周期をＰとすれば１／（２Ｐ）である。
【００６９】
それぞれ、直交する位置にある２つのピ−ク５７０と５７１および５８０と５８１の周囲を、上述の１次元の場合と同様に切り出して、それぞれ原点に移動させ逆フーリエ変換を行なう。破線は切り出し領域を示している。そして逆フーリエ変換により得られた複素数情報から、直交する２方向の微分位相情報を得る。
【００７０】
ここで、図５（Ｃ）場合は±４５度方向の微分位相情報となり、図５（Ｄ）場合はＸおよびＹ方向の微分位相情報となる。
【００７１】
このようにして得られた微分位相情報は、２πの領域の間に畳み込まれている（ラップされている）ことが多い。すなわち、ある画面上の任意の点における真の位相をφ（ｘ，ｙ）とし畳み込まれた位相をφｗｒａｐ（ｘ，ｙ）とすると
【００７２】
【数８】
【００７３】
の関係となる。ここでｎは整数であり、φｗｒａｐ（ｘ，ｙ）がある２πの幅を持った領域、例えば０から２πや−πから＋πの間に入るように決定される。
【００７４】
これらの情報を元にして、φ（ｘ，ｙ）ｗｒａｐの位相接続（アンラップ）を行ない元のφ（ｘ，ｙ）に復元する。
【００７５】
被検体の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）は式（８）により復元したφ（ｘ，ｙ）を積分して求めることができる。
【００７６】
【数９】
【００７７】
１次元格子を使用した場合は積分方向が格子刻線方向と直交する方向にしかできない。そのため、位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を正しく計測するには、Ｘ線検出器１７０の前記刻線方向と平行な１辺に被検体１２０を通過しないＸ線が照射されるようにして位相像Ｗ（ｘ，ｙ）が既知の部分を設ける必要がある。
【００７８】
一方、２次元格子を使用した場合は２方向の積分ができるのでＸ線検出器１７０全面に被検体１２０を通過したＸ線が照射されても正しく位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を計測できる。
【００７９】
（演算装置で行なう処理工程）
上記を踏まえて、前記演算装置１８０において実行する処理フローの一例
を図６に示す。
【００８０】
まず、前記Ｘ線検出器１７０からモアレの強度分布の情報を取得する（Ｓ６１０）。
【００８１】
次に、Ｓ６１０で得られたモアレの強度分布の情報をフーリエ変換し、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程を行なう（Ｓ６２０）。
【００８２】
次に、Ｓ６２０で得られた周波数空間において、キャリア周波数に対応したスペクトル（位相情報を担っているスペクトル）を切り出すピーク分離工程を行なう（Ｓ６３１）。なお、キャリア周波数に対応したスペクトル自体を切り出すのが難しい場合には、スペクトルの周辺領域の情報を切り出す。
【００８３】
次に、Ｓ６３１で切り出されたスペクトルを周波数空間の原点に移動させ、逆フーリエ変換を行う（Ｓ６３２）。これにより、位相情報を有した複素数情報を得ることができる。
【００８４】
次に、Ｓ６３２で得られた複素数情報から微分位相像である位相φ（ｘ，ｙ）を得る（Ｓ６３３）。なお、Ｓ６３１、Ｓ６３２、Ｓ６３３を位相回復工程ということもある（Ｓ６３０）。
【００８５】
次に、φ（ｘ，ｙ）がラップされている場合には、アンラップ処理を行ない、真のφ（ｘ，ｙ）を得る（Ｓ６４０）。このことを位相接続工程ということもある。なお、φ（ｘ，ｙ）がラップされていない場合にはこのＳ６４０を省略することも可能である。ここで、φ（ｘ，ｙ）は微分位相情報（微分位相像）である。
【００８６】
次に、φ（ｘ，ｙ）を積分することにより、位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を取得する（Ｓ６５０）。
【００８７】
以上のような構成によれば、少なくとも１枚の撮像から、被検体の位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することが可能となる。また、上記の工程をコンピュータに実行させるプログラムを提供することも可能となる。
【００８８】
（実施形態２）
本発明によるＸ線撮像装置の第２の実施形態を図７を用いて説明する。本実施形態では、実施形態１で説明した図５（Ｃ）の空間周波数スペクトルよりも空間分解能を向上させる工夫がなされている。
【００８９】
図７（Ｂ）は、本実施形態で説明する空間周波数スペクトルを示したものである。このような周波数スペクトルを得るためには干渉強度分布と吸収格子で生じる２次元のモアレの基本周期をＸ線線検出器の画素周期の
【００９０】
【数１０】
【００９１】
とし、モアレの方位を画素配列に対し４５度傾けるように調整する。
【００９２】
図７（Ａ）は、このような状態におけるＸ線検出器上のモアレの強度分布を示している図である。７１０はＸ線検出器の受光面、７２０はモアレの明部、ｄはモアレの周期、ＰはＸ線検出器の画素周期である。なお、本実施形態では、市松模様のπ／２位相格子（図２（Ａ））と、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いている。ただし、発生するモアレの強度分布が同一ならば、他の位相格子および吸収格子を用いてもよい。
【００９３】
図７（Ｂ）は図７（Ａ）のモアレの強度分布をＦＦＴ処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。画素配列数を縦横ともにｎとすれば、ＦＦＴにより得られるスペクトル空間もｎ×ｎの離散的なデータとなる。また、表現できる最大の周波数は、Ｘ線検出器１７０の画素周期をＰとして１／（２Ｐ）である。
【００９４】
本実施形態ではモアレの基本周期は
【００９５】
【数１１】
【００９６】
であるからその周波数であるキャリア周波数の絶対値は
【００９７】
【数１２】
【００９８】
となる。またモアレの方位が４５度傾いているので、スペクトル空間上で
【００９９】
【数１３】
【０１００】
の位置にモアレの強度分布のキャリア周波数に対応するピークであるキャリ
アピーク７１１が生じる。
【０１０１】
４個のキャリアピーク７１１のうち隣り合う２個のピークについて、１辺が
【０１０２】
【数１４】
【０１０３】
である４５度傾いた正方形領域を切り出して実施形態１に記載の処理をすれば被検体の位相像を復元することができる。
【０１０４】
この際、スペクトル領域をなるべく広く切り出すことで空間分解能を大きくすることができる。しかしながら、スペクトル空間にはキャリア周波数のピークの他に、キャリア周波数成分のピーク座標の和または差の位置に高周波成分とＤＣ成分のピークである不要ピーク７２１が存在する。
【０１０５】
切り出し領域を広げすぎることにより、これらの不要ピーク７２１付近の領域まで含めてしまうと、不要ピーク７２１の影響で正確な位相像が得られなくなる。従って、切り出すスペクトル領域は、キャリア周波数のピークと不要ピーク７２１の中間線より内側の切り出し領域７３１としている。
【０１０６】
本実施形態で復元できる位相像の空間周波数は、切り出し領域７３１の大きさの１／２である。従って、図７（Ｂ）を見てわかるように画素配列方向の最大周波数は１／（４Ｐ）、４５度方向の最大周波数は
【０１０７】
【数１５】
【０１０８】
である。これを分解能として復元できる最小周期を画素単位で表現すれば、最大周波数の逆数になるので画素配列方向で４画素、４５度方向で
【０１０９】
【数１６】
【０１１０】
である。図５（Ｃ）の切り出し領域と比較すると、図７（Ｂ）の切り出し領域の方が、図５（Ｃ）の切り出し領域よりも広いため、復元できる空間周波数が大きい。したがって、本実施形態によれば、上記実施形態と比較して空間分解能を向上させることが可能となる。
【０１１１】
（実施形態３）
本発明によるＸ線撮像装置の第３の実施形態を図８を用いて説明する。本実施形態も、実施形態１で説明した図５（Ｄ）の空間周波数スペクトルよりも空間分解能を向上させる工夫がなされている。
【０１１２】
図８（Ｂ）は、本実施形態で説明する空間周波数スペクトルを示したものである。このような周波数スペクトルを得るためには干渉強度分布と吸収格子で生じる２次元のモアレの基本周期をＸ線検出器の画素周期の３倍とし、モアレの方位を画素配列に一致させる。
【０１１３】
図８（Ａ）は、このような状態におけるＸ線検出器上のモアレの強度分布を示している図である。８１０はＸ線検出器の受光面、８２０はモアレの明部、ｄはモアレの周期、ＰはＸ線検出器の画素周期である。なお、本実施形態では、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））を用いている。ただし、発生するモアレの強度分布が同一ならば他の位相格子および吸収格子を用いてもよい。
【０１１４】
図８（Ａ）は図８（Ｂ）に示したモアレの強度分布をＦＦＴ処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。本実施形態ではモアレの基本周期は３Ｐであるから、そのキャリア周波数の絶対値は１／（３Ｐ）となる。従って、スペクトル空間上で
【０１１５】
【数１７】
【０１１６】
のモアレの強度分布のキャリア周波数に対応するピークであるキャリアピーク８１１が生じる。実施形態２と同様に４個のキャリアピーク８１１のうち隣り合う２個のピークのうち、１辺が１／（３Ｐ）の正立した正方形領域を切り出して実施形態１に記載の処理をすれば被検体の位相像を復元することができる。
【０１１７】
本実施形態でも、スペクトル空間にはキャリア周波数のピークの他に、キャリア周波数成分のピーク座標の和または差の位置に高周波成分とＤＣ成分のピークである不要ピーク８２１が存在する。そのため、切り出すスペクトル領域は、キャリア周波数のピークと不要ピーク８２１の中間線より内側の切り出し領域８３１としている。
【０１１８】
本実施形態で復元できる位相像の空間周波数は、切り出し領域８３１の大きさの１／２である。従って、図８（Ｂ）より、画素配列方向の最大周波数は１／（６Ｐ）、４５度方向の最大周波数は
【０１１９】
【数１８】
【０１２０】
である。これを分解能として復元できる最小周期を画素単位で表現すれば、最大周波数の逆数になるので画素配列方向で６画素、４５度方向で
【０１２１】
【数１９】
【０１２２】
である。したがって、画素配列に対して４５度方向の空間分解能において、本実施形態は実施形態２よりも優れている。
【０１２３】
（実施形態４）
本発明によるＸ線撮像装置の第３の実施形態を図９を用いて説明する。本実施形態のＸ線撮像装置は、実施形態１から３記載のＸ線撮像装置に検査物移動装置９００を装備したものである。検査物移動装置９００によって被検体９２０をＸ線の光軸方向に移動させることができる。
【０１２４】
Ｘ線検出器における被検体９２０の撮像倍率は、Ｘ線源９１０と吸収格子９４０の距離をＬ１、Ｘ線源９１０と吸収格子９４０の距離をＬ２とすればＬ１／Ｌ２となる。
【０１２５】
そのため、被検体９２０を位相格子９３０に近づければＬ２が大きくなるため低倍率で撮像することができる。一方、Ｘ線源９１０に近づければＬ２が小さくなるので高倍率で撮像することができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１１０ Ｘ線源
１１１ Ｘ線
１２０ 被検体
１３０ 位相格子
１５０ 吸収格子
１５１ 透過部
１５２ 遮光部
１７０ Ｘ線検出器
１８０ 演算装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線撮像装置およびＸ線撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線は高い物質透過性を持ち、かつ高空間分解能イメージングが可能であることから、工業的用途として物体の非破壊検査、医療用途としてレントゲン撮影、等に用いられている。これらは、物体や生体内の構成元素や密度差によりＸ線透過時の吸収の違いを利用してコントラスト画像を形成するものであり、Ｘ線吸収コントラスト法と言われる。しかし、軽元素ではＸ線吸収が非常に小さいため、生体の構成元素である炭素、水素、酸素などからなる生体軟組織、あるいはソフトマテリアルをＸ線吸収コントラスト法により画像化することは困難である。
【０００３】
これに対して、軽元素で構成される組織でも明瞭な画像化を可能とする方法として、Ｘ線の位相差を用いたＸ線位相コントラスト法の研究が、１９９０年代より行なわれている。
【０００４】
数多く開発されたＸ線位相コントラスト法のなかでも、通常のＸ線管を用いることが可能な方法として、タルボ干渉を利用したＸ線位相コントラスト法がある（特許文献１）。
【０００５】
特許文献１に記載のタルボ干渉を利用した方式は、Ｘ線を発生するＸ線管、Ｘ線の位相を変調し干渉強度分布を発生させるための位相格子、および前記干渉強度分布をモアレの強度分布に変換する吸収格子、前記干渉強度分布を検出するＸ線検出器から構成される。
【０００６】
特許文献１に記載の方式では、吸収格子を格子周期方向に走査することにより撮像を行なう。この走査により、検出されるモアレは移動し、走査量が吸収格子の１周期に達すると、モアレ画像は元の状態へ戻る。前記走査中の少なくとも３枚以上の撮像データを用いて演算処理することにより、微分位相像を取得する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許７１８０９７９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１に記載の方法は、少なくとも３枚以上の撮像を行なうことにより微分位相像を取得し、その微分位相像から位相像を演算する方法である。
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は３枚以上の撮像が必要になることから、撮像中に被検体が移動すると、画質が低下するという問題がある。
【００１０】
また、撮像時間の長時間化は被検体へのＸ線線量の増加を招き、医療用の用途を考慮すると好ましくない。
【００１１】
そこで、本発明は、少なくとも１回の撮像から、被検体の微分位相像または位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線源と、前記Ｘ線源からのＸ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する位相格子と、前記位相格子により形成された干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる吸収格子と、前記吸収格子により生じたモアレの強度分布を検出する検出器と、前記検出器により検出されたモアレの強度分布から被検体の情報を画像化し、出力する演算装置を有し、前記演算装置は、前記検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程と、前記フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程と、を実行するように構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、少なくとも１回の撮像から、被検体の微分位相像または位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係るＸ線撮像装置を説明する図である。
【図２】本発明の実施形態２、および３に係る２次元位相格子を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態１、および２に係る２次元吸収格子を説明する図である。
【図４】干渉強度分布のスペクトルパターンを表している図である。
【図５】２次元位相格子を用いた場合のモアレの強度分布およびスペクトルパターンを表している図である。
【図６】本発明の演算装置で実施する解析方法のフローチャートを説明する図である。
【図７】本発明の実施形態２に係るモアレの強度分布および空間周波数スペクトルを説明する図である。
【図８】本発明の実施形態３に係るモアレの強度分布および空間周波数スペクトルを説明する図である。
【図９】本発明の実施形態４に係るズーム機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（実施形態１）
タルボ干渉を用いたＸ線撮像装置の構成の一例を図１に示す。Ｘ線撮像装置を用いて位相像を得るまでの工程を具体的に説明する。
【００１６】
（Ｘ線源）
Ｘ線源１１０から発生したＸ線１１１が被検体１２０を透過する。Ｘ線１１１は、被検体１２０を透過する際に、被検体１２０の組成や形状等に応じた位相の変化及び吸収を生じる。
【００１７】
Ｘ線としては、連続Ｘ線を用いても特性Ｘ線を用いても良い。また、波長としては、０．１Åから５Å程度から適宜選択される。また、Ｘ線源１１０の後に、波長選択フィルタや線源用の格子を適宜設けても良い。
【００１８】
（位相格子）
前記被検体１２０を透過したＸ線１１１は、位相格子１３０を透過すると、タルボ効果により干渉強度分布１４０を形成する。
【００１９】
位相格子１３０は、被検体１２０よりも上流側または下流側に配置される。
【００２０】
位相格子１３０は、Ｘ線透過部材の厚みを周期的に変化させることにより構成された位相進行部分１３１と位相遅延部１３２からなる。位相進行部１３１と位相遅延部１３２は、透過したＸ線に対して位相差がつくように形成されていればよい。たとえば、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相が位相遅延部１３２を透過したＸ線の位相に対してπだけ進行するように構成されている。厚みの変化量は、用いるＸ線の波長および部材により決定される。
【００２１】
位相格子１３０は、位相遅延部１３２を透過したＸ線の位相に対して、位相進行部１３１を透過したＸ線の位相がπ、またはπ／２変調するものが一般的である。前者をπ位相格子、後者をπ／２位相格子と称する場合もある。ただし、位相の変調量は周期的であればよく、例えばπ／３変調するものであっても良い。
【００２２】
位相格子１３０は、１次元の線状形状でもいいし、図２（Ａ）に示すような２次元の市松模様で構成されていてもよい。また、図２（Ｂ）に示すような網戸状の模様で構成されていてもよい。図２において、ｄは周期であり、２０１は２次元位相格子、２１０は位相進行部、２２０は位相遅延部を表している。
【００２３】
なお、位相進行部２１０または位相遅延部２２０の形状は図２（Ａ）および図２（Ｂ）では正方形であるが、作製上、外縁が円形状に変形することもある。このように円形状に変形した場合においても、位相格子として利用することが可能である。
【００２４】
位相格子１３０が１次元の周期を有する場合には、被検体１２０の１次元方向の位相勾配情報しか取得できない。しかし、位相格子１３０が２次元の周期を有する場合には、２次元方向の位相勾配情報を取得することができる点で有利である。
【００２５】
なお、位相格子１３０を構成する材料はＸ線を透過する物質が好ましく、例えば、シリコン等を用いることができる。
【００２６】
位相格子１３０の透過後に形成された干渉強度分布は、Ｘ線源と位相格子１３０との距離Ｚ０とすると、吸収格子１５０からの距離Ｚ１が下記の式（１）を満たしている位置に最も明瞭に現れる。ここで「干渉強度分布」とは、前記位相格子１３０の格子周期を反映した周期的強度分布のことである。
【００２７】
式（１）において、λはＸ線の波長、ｄは位相格子１３０の格子周期である。
【００２８】
【数１】
【００２９】
Ｎは位相格子の形態により異なる値であり、以下のように表現できる実数である。なお、ｎは自然数である。
１次元配列のπ位相格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
１次元配列のπ／２位相格子：Ｎ＝ｎ−１／２
２次元配列の市松模様π位相格子：Ｎ＝ｎ／４−１／８
２次元で市松模様π／２位相格子：Ｎ＝ｎ／２−１／４
（吸収格子）
干渉強度分布の周期は、一般にＸ線検出器１７０の画素サイズより小さいため、そのままでは干渉強度分布を検出できない。そこで、吸収格子１５０を用いることによって、Ｘ線検出器１７０の画素サイズより大きな周期のモアレを発生させ、モアレの強度分布をＸ線検出器１７０で検出する。吸収格子１５０は、位相格子１３０から距離Ｚ１だけ離れた位置に設けることが好ましい。
【００３０】
吸収格子１５０は、周期的に配列した透過部１５１と遮光部１５２を有し、位相格子１３０で形成された干渉強度分布１４０の明部の一部を遮光するように配置される。なお、透過部１５１はＸ線の一部が透過可能に構成されていればよく、開口が貫通している必要はない。吸収格子１５０を構成する材料はＸ線をよく吸収する物質であればよく、例えば、金を用いることができる。
【００３１】
ここで、吸収格子１５０の周期は、干渉強度分布と同一、または僅かに異なる。
【００３２】
干渉強度分布と同一周期を持つ吸収格子を用いた場合、吸収格子の面内回転によってモアレが発生する。干渉強度分布の周期をＤ、干渉強度分布の明暗の方位と吸収格子の方位のなす角をθ（ただし、θ＜＜１）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ／θとなる。
【００３３】
一方、干渉強度分布と僅かに異なる周期を持つ吸収格子を用いた場合、吸収格子の面内回転を行なうことなくモアレが発生する。吸収格子の周期をＤａ＝Ｄ＋δ（ただしδ＜＜Ｄ）とすれば、モアレの周期Ｄｍは、Ｄ２／δとなる。
【００３４】
吸収格子１５０において、透過部１５１は、１次元的に配列されていてもよいし、また２次元的に配列されていてもよい。
【００３５】
例えば、図２（Ａ）に示した市松状の位相格子であって、π位相格子を用いた場合には、図３（Ａ）のように透過部３５１と遮光部３５２が２次元的に配列されている網戸状の吸収格子３００を用いる。また、図２（Ａ）に示した市松状のπ／２位相格子を用いた場合には、図３（Ｂ）のように透過部３５１と遮光部３５２が２次元的に配列されている市松状の吸収格子３００を用いる。
【００３６】
なお、上記の組合せは一例であり、位相格子と吸収格子は種々の組合せが可能である。
【００３７】
（検出器）
前記吸収格子１４０を透過したＸ線の干渉強度分布の情報はモアレの強度分布として、Ｘ線検出器１７０によって検出される。Ｘ線検出器１７０は、Ｘ線の干渉強度分布の情報を検出することのできる素子である。例えば、デジタル信号への変換が可能な、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）等を用いることができる。
【００３８】
（演算装置）
前記Ｘ線検出器１７０で検出されたモアレの強度分布の情報は、後述の解析方法による演算装置１８０によって解析され、微分位相像や位相像を画像化する。取得された微分位相像や位相像は、表示部１９０に表示するための出力画像である。演算装置１８０は例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を有する。
【００３９】
以下、検出器で取得されるモアレの強度分布情報から位相像を取得する解析方法について説明し、その後に演算装置で行なう処理工程について説明する。
【００４０】
（解析方法）
干渉強度分布が形成される際には多数の回折光が重なって干渉するため、基本周波数（以後キャリア周波数と呼ぶ）と数多くのその高調波成分を含んでいる。しかし、モアレは干渉強度分布のキャリア周波数成分を空間的に拡大した形状を持つので、刻線がｘ軸に直交する１次元の位相格子を使用した場合にモアレは（２）式で表すことができる。
【００４１】
【数２】
【００４２】
また、２次元の位相格子を使用した場合には、（２）式にｙ方向のキャリア周波数成分が重畳した形状となる。
【００４３】
（２）式は、モアレが、バックグラウンドの第一項と、周期性を持った第二項との和で表されることを示している。ここで、ａ（ｘ，ｙ）はバックグラウンドを表し、ｂ（ｘ，ｙ）はキャリア周波数成分の振幅を表す。また、ｆ０は干渉縞のキャリア周波数を表し、φ（ｘ，ｙ）はキャリア周波数成分の位相を表している。
【００４４】
キャリア周波数成分は、位相格子１３０として市松状のπ／２位相格子を用いた場合は、０次回折光と＋１次回折光の干渉、および０次回折光と−１次回折光の干渉によって生じる。また、位相格子１３０として市松状のπ位相格子を用いた場合は＋１次回折光と−１次回折光の干渉によってキャリア周波数成分が生じる。
【００４５】
０次回折光と１次回折光は位相格子１３０で互いにＮｄだけ離れた位置にある光線が重なり、＋１次回折光と−１次回折光は位相格子１３０で互いに２Ｎｄだけ離れた位置にある光線が重なる。すなわち、これらの干渉はπ／２位相格子の場合はシア量ｓがＮｄ、π位相格子の場合はシア量ｓが２Ｎｄのシアリング干渉である。
【００４６】
したがって、位相格子１３０の位置における被検体１２０の位相像をＷ（ｘ，ｙ）とすると、位相φ（ｘ，ｙ）と位相像Ｗ（ｘ，ｙ）は次式の関係がある。
【００４７】
【数３】
【００４８】
一般にｓは微小なので、
【００４９】
【数４】
【００５０】
となる。
【００５１】
ここで、（３）式より位相φ（ｘ，ｙ）は被検体１２０の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を微分した情報となっていることがわかる。したがって、被検体１２０の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）はφ（ｘ，ｙ）を積分することで求めることができる。
【００５２】
ところで、位相φ（ｘ，ｙ）は、（２）式からフーリエ変換法で求めることができる。すなわち、（２）式は
【００５３】
【数５】
【００５４】
と書き表すことができる。ここで
【００５５】
【数６】
【００５６】
である。
【００５７】
したがって、干渉縞からｃ（ｘ，ｙ）の成分またはｃ＊（ｘ，ｙ）の成分を取り出すことにより、位相φ（ｘ，ｙ）の情報を得ることが可能となる。
【００５８】
ここで、フーリエ変換によって（４）式は
【００５９】
【数７】
【００６０】
となる。
【００６１】
ここでＧ（ｆｘ，ｆｙ）、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）はそれぞれｇ（ｘ，ｙ）、ａ（ｘ，ｙ）、ｃ（ｘ，ｙ）に対する二次元のフーリエ変換である。
【００６２】
図４は、１次元格子を使用した場合の干渉強度分布のスペクトルパターンである。通常、図４のように３つのピークが生じる。中央のピークは主としてＡ（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークである。一方、その両脇のピークはそれぞれＣ（ｆｘ，ｆｙ）とＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するキャリア周波数ピークであり、これらのピークは±ｆ０の位置に生じる。
【００６３】
次に、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークのある領域を切り出す。例えば、Ａ（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークと、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークの周囲を切り出すことにより、Ｃ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークを分離する。
【００６４】
次に、分離したＣ（ｆｘ，ｆｙ）あるいはＣ＊（ｆｘ，ｆｙ）に由来するピークを周波数空間の原点に移動させ、逆フーリエ変換を行なう。そして逆フーリエ変換により得られた複素数情報から位相φ（ｘ，ｙ）、すなわち微分位相情報を得る。
【００６５】
また、図５（Ａ）は、市松模様のπ／２位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））、または、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いた場合のモアレの強度分布の例であり、５１０はモアレの明部、５２０はモアレの暗部である。なお、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いた場合にも、このような斜め方向にモアレの強度分布が生じる。
【００６６】
また、図５（Ｂ）は、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））を用いた場合のモアレの強度分布であり、５３０はモアレの明部、５４０はモアレの暗部である。この場合、縦横方向にモアレの強度分布が生じる。
【００６７】
なお、網戸模様の位相格子（図２（Ｂ））を用いて、上記のようなモアレの強度分布を得ることもできる。
【００６８】
図５（Ｃ）、（Ｄ）はそれぞれ、図５（Ａ）、（Ｂ）で示したモアレの強度分布をフーリエ変換の一種であるＦＦＴ（Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。ＦＦＴで算出可能な最大空間周波数は、Ｘ線検出器１７０の画素周期をＰとすれば１／（２Ｐ）である。
【００６９】
それぞれ、直交する位置にある２つのピ−ク５７０と５７１および５８０と５８１の周囲を、上述の１次元の場合と同様に切り出して、それぞれ原点に移動させ逆フーリエ変換を行なう。破線は切り出し領域を示している。そして逆フーリエ変換により得られた複素数情報から、直交する２方向の微分位相情報を得る。
【００７０】
ここで、図５（Ｃ）場合は±４５度方向の微分位相情報となり、図５（Ｄ）場合はＸおよびＹ方向の微分位相情報となる。
【００７１】
このようにして得られた微分位相情報は、２πの領域の間に畳み込まれている（ラップされている）ことが多い。すなわち、ある画面上の任意の点における真の位相をφ（ｘ，ｙ）とし畳み込まれた位相をφｗｒａｐ（ｘ，ｙ）とすると
【００７２】
【数８】
【００７３】
の関係となる。ここでｎは整数であり、φｗｒａｐ（ｘ，ｙ）がある２πの幅を持った領域、例えば０から２πや−πから＋πの間に入るように決定される。
【００７４】
これらの情報を元にして、φ（ｘ，ｙ）ｗｒａｐの位相接続（アンラップ）を行ない元のφ（ｘ，ｙ）に復元する。
【００７５】
被検体の位相像Ｗ（ｘ，ｙ）は式（８）により復元したφ（ｘ，ｙ）を積分して求めることができる。
【００７６】
【数９】
【００７７】
１次元格子を使用した場合は積分方向が格子刻線方向と直交する方向にしかできない。そのため、位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を正しく計測するには、Ｘ線検出器１７０の前記刻線方向と平行な１辺に被検体１２０を通過しないＸ線が照射されるようにして位相像Ｗ（ｘ，ｙ）が既知の部分を設ける必要がある。
【００７８】
一方、２次元格子を使用した場合は２方向の積分ができるのでＸ線検出器１７０全面に被検体１２０を通過したＸ線が照射されても正しく位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を計測できる。
【００７９】
（演算装置で行なう処理工程）
上記を踏まえて、前記演算装置１８０において実行する処理フローの一例
を図６に示す。
【００８０】
まず、前記Ｘ線検出器１７０からモアレの強度分布の情報を取得する（Ｓ６１０）。
【００８１】
次に、Ｓ６１０で得られたモアレの強度分布の情報をフーリエ変換し、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程を行なう（Ｓ６２０）。
【００８２】
次に、Ｓ６２０で得られた周波数空間において、キャリア周波数に対応したスペクトル（位相情報を担っているスペクトル）を切り出すピーク分離工程を行なう（Ｓ６３１）。なお、キャリア周波数に対応したスペクトル自体を切り出すのが難しい場合には、スペクトルの周辺領域の情報を切り出す。
【００８３】
次に、Ｓ６３１で切り出されたスペクトルを周波数空間の原点に移動させ、逆フーリエ変換を行う（Ｓ６３２）。これにより、位相情報を有した複素数情報を得ることができる。
【００８４】
次に、Ｓ６３２で得られた複素数情報から微分位相像である位相φ（ｘ，ｙ）を得る（Ｓ６３３）。なお、Ｓ６３１、Ｓ６３２、Ｓ６３３を位相回復工程ということもある（Ｓ６３０）。
【００８５】
次に、φ（ｘ，ｙ）がラップされている場合には、アンラップ処理を行ない、真のφ（ｘ，ｙ）を得る（Ｓ６４０）。このことを位相接続工程ということもある。なお、φ（ｘ，ｙ）がラップされていない場合にはこのＳ６４０を省略することも可能である。ここで、φ（ｘ，ｙ）は微分位相情報（微分位相像）である。
【００８６】
次に、φ（ｘ，ｙ）を積分することにより、位相像Ｗ（ｘ，ｙ）を取得する（Ｓ６５０）。
【００８７】
以上のような構成によれば、少なくとも１枚の撮像から、被検体の位相像を取得することができるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を提供することが可能となる。また、上記の工程をコンピュータに実行させるプログラムを提供することも可能となる。
【００８８】
（実施形態２）
本発明によるＸ線撮像装置の第２の実施形態を図７を用いて説明する。本実施形態では、実施形態１で説明した図５（Ｃ）の空間周波数スペクトルよりも空間分解能を向上させる工夫がなされている。
【００８９】
図７（Ｂ）は、本実施形態で説明する空間周波数スペクトルを示したものである。このような周波数スペクトルを得るためには干渉強度分布と吸収格子で生じる２次元のモアレの基本周期をＸ線線検出器の画素周期の
【００９０】
【数１０】
【００９１】
とし、モアレの方位を画素配列に対し４５度傾けるように調整する。
【００９２】
図７（Ａ）は、このような状態におけるＸ線検出器上のモアレの強度分布を示している図である。７１０はＸ線検出器の受光面、７２０はモアレの明部、ｄはモアレの周期、ＰはＸ線検出器の画素周期である。なお、本実施形態では、市松模様のπ／２位相格子（図２（Ａ））と、市松模様の吸収格子（図３（Ｂ））を用いている。ただし、発生するモアレの強度分布が同一ならば、他の位相格子および吸収格子を用いてもよい。
【００９３】
図７（Ｂ）は図７（Ａ）のモアレの強度分布をＦＦＴ処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。画素配列数を縦横ともにｎとすれば、ＦＦＴにより得られるスペクトル空間もｎ×ｎの離散的なデータとなる。また、表現できる最大の周波数は、Ｘ線検出器１７０の画素周期をＰとして１／（２Ｐ）である。
【００９４】
本実施形態ではモアレの基本周期は
【００９５】
【数１１】
【００９６】
であるからその周波数であるキャリア周波数の絶対値は
【００９７】
【数１２】
【００９８】
となる。またモアレの方位が４５度傾いているので、スペクトル空間上で
【００９９】
【数１３】
【０１００】
の位置にモアレの強度分布のキャリア周波数に対応するピークであるキャリ
アピーク７１１が生じる。
【０１０１】
４個のキャリアピーク７１１のうち隣り合う２個のピークについて、１辺が
【０１０２】
【数１４】
【０１０３】
である４５度傾いた正方形領域を切り出して実施形態１に記載の処理をすれば被検体の位相像を復元することができる。
【０１０４】
この際、スペクトル領域をなるべく広く切り出すことで空間分解能を大きくすることができる。しかしながら、スペクトル空間にはキャリア周波数のピークの他に、キャリア周波数成分のピーク座標の和または差の位置に高周波成分とＤＣ成分のピークである不要ピーク７２１が存在する。
【０１０５】
切り出し領域を広げすぎることにより、これらの不要ピーク７２１付近の領域まで含めてしまうと、不要ピーク７２１の影響で正確な位相像が得られなくなる。従って、切り出すスペクトル領域は、キャリア周波数のピークと不要ピーク７２１の中間線より内側の切り出し領域７３１としている。
【０１０６】
本実施形態で復元できる位相像の空間周波数は、切り出し領域７３１の大きさの１／２である。従って、図７（Ｂ）を見てわかるように画素配列方向の最大周波数は１／（４Ｐ）、４５度方向の最大周波数は
【０１０７】
【数１５】
【０１０８】
である。これを分解能として復元できる最小周期を画素単位で表現すれば、最大周波数の逆数になるので画素配列方向で４画素、４５度方向で
【０１０９】
【数１６】
【０１１０】
である。図５（Ｃ）の切り出し領域と比較すると、図７（Ｂ）の切り出し領域の方が、図５（Ｃ）の切り出し領域よりも広いため、復元できる空間周波数が大きい。したがって、本実施形態によれば、上記実施形態と比較して空間分解能を向上させることが可能となる。
【０１１１】
（実施形態３）
本発明によるＸ線撮像装置の第３の実施形態を図８を用いて説明する。本実施形態も、実施形態１で説明した図５（Ｄ）の空間周波数スペクトルよりも空間分解能を向上させる工夫がなされている。
【０１１２】
図８（Ｂ）は、本実施形態で説明する空間周波数スペクトルを示したものである。このような周波数スペクトルを得るためには干渉強度分布と吸収格子で生じる２次元のモアレの基本周期をＸ線検出器の画素周期の３倍とし、モアレの方位を画素配列に一致させる。
【０１１３】
図８（Ａ）は、このような状態におけるＸ線検出器上のモアレの強度分布を示している図である。８１０はＸ線検出器の受光面、８２０はモアレの明部、ｄはモアレの周期、ＰはＸ線検出器の画素周期である。なお、本実施形態では、市松模様のπ位相格子（図２（Ａ））と、網戸模様の吸収格子（図３（Ａ））を用いている。ただし、発生するモアレの強度分布が同一ならば他の位相格子および吸収格子を用いてもよい。
【０１１４】
図８（Ａ）は図８（Ｂ）に示したモアレの強度分布をＦＦＴ処理することによって得られた空間周波数スペクトルである。本実施形態ではモアレの基本周期は３Ｐであるから、そのキャリア周波数の絶対値は１／（３Ｐ）となる。従って、スペクトル空間上で
【０１１５】
【数１７】
【０１１６】
のモアレの強度分布のキャリア周波数に対応するピークであるキャリアピーク８１１が生じる。実施形態２と同様に４個のキャリアピーク８１１のうち隣り合う２個のピークのうち、１辺が１／（３Ｐ）の正立した正方形領域を切り出して実施形態１に記載の処理をすれば被検体の位相像を復元することができる。
【０１１７】
本実施形態でも、スペクトル空間にはキャリア周波数のピークの他に、キャリア周波数成分のピーク座標の和または差の位置に高周波成分とＤＣ成分のピークである不要ピーク８２１が存在する。そのため、切り出すスペクトル領域は、キャリア周波数のピークと不要ピーク８２１の中間線より内側の切り出し領域８３１としている。
【０１１８】
本実施形態で復元できる位相像の空間周波数は、切り出し領域８３１の大きさの１／２である。従って、図８（Ｂ）より、画素配列方向の最大周波数は１／（６Ｐ）、４５度方向の最大周波数は
【０１１９】
【数１８】
【０１２０】
である。これを分解能として復元できる最小周期を画素単位で表現すれば、最大周波数の逆数になるので画素配列方向で６画素、４５度方向で
【０１２１】
【数１９】
【０１２２】
である。したがって、画素配列に対して４５度方向の空間分解能において、本実施形態は実施形態２よりも優れている。
【０１２３】
（実施形態４）
本発明によるＸ線撮像装置の第３の実施形態を図９を用いて説明する。本実施形態のＸ線撮像装置は、実施形態１から３記載のＸ線撮像装置に検査物移動装置９００を装備したものである。検査物移動装置９００によって被検体９２０をＸ線の光軸方向に移動させることができる。
【０１２４】
Ｘ線検出器における被検体９２０の撮像倍率は、Ｘ線源９１０と吸収格子９４０の距離をＬ１、Ｘ線源９１０と吸収格子９４０の距離をＬ２とすればＬ１／Ｌ２となる。
【０１２５】
そのため、被検体９２０を位相格子９３０に近づければＬ２が大きくなるため低倍率で撮像することができる。一方、Ｘ線源９１０に近づければＬ２が小さくなるので高倍率で撮像することができる。
【符号の説明】
【０１２６】
１１０ Ｘ線源
１１１ Ｘ線
１２０ 被検体
１３０ 位相格子
１５０ 吸収格子
１５１ 透過部
１５２ 遮光部
１７０ Ｘ線検出器
１８０ 演算装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する位相格子と、
前記位相格子により形成された干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる吸収格子と、
前記吸収格子により生じたモアレの強度分布を検出する検出器と、
前記検出器により検出されたモアレの強度分布から被検体の情報を画像化し、出力する演算装置を有し、
前記演算装置は、
前記検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程と、
前記フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程と、を実行するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
前記演算装置は、前記位相回復工程により得られた微分位相像を積分することにより位相像を取得する工程を実行するように構成されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記演算装置は、前記位相回復工程により得られた微分位相像に対してアンラップ処理を行なう位相接続工程を実行するように構成されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記位相格子は、位相進行部と位相遅延部とが２次元的に周期的に配されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記位相格子は、前記位相進行部と前記位相遅延部とが市松状に配されている請求項４に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記位相格子は、前記位相進行部を透過したＸ線と、前記位相遅延部を透過したＸ線との位相差がπ／２またはπとなるように構成されている請求項４に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記フーリエ変換工程で得られたスペクトル空間上において、前記検出器の画素周期をＰとしたときに、
【数１】
の位置に前記キャリア周波数に対応したスペクトルが生じるように、前記位相格子、前記吸収格子、前記検出器が調整され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。
【請求項８】
前記吸収格子は、前記モアレの周期が
【数２】
でモアレの方位が前記検出器の画素配列に対し４５度となるように配置され、
前記演算装置は、前記キャリア周波数に対応したスペクトルを分離するために、検出器で得られたモアレ画像の周波数空間から１辺が
【数３】
で、画素配列方向に対し４５度傾いた２つの正方形領域を切り出す工程を実行する請求項７に記載のＸ線撮像装置。
【請求項９】
前記フーリエ変換工程で得られたスペクトル空間上において、前記検出器の画素周期をＰとしたときに、
【数４】
の位置に前記キャリア周波数に対応したスペクトルが生じるように、前記位相格子、前記吸収格子、前記検出器が調整され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。
【請求項１０】
前記吸収格子は、前記モアレの周期が３Ｐでモアレの方位が検出器の画素配列に一致するように配置され、
前記演算装置は、前記キャリア周波数に対応したスペクトルを分離するために、検出器で得られたモアレ画像の周波数空間から１辺が１／（３Ｐ）で、画素配列方向に対し正立した２つの正方形領域を切り出す工程を実行する請求項９に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１１】
前記被検体をＸ線の光軸方向に移動させることが可能な検査物移動装置を有する請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１２】
Ｘ線撮像装置において用いるＸ線撮像方法であって、
Ｘ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する工程と、
前記干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる工程と、
前記モアレの強度分布を検出する工程と、
前記モアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得する工程と、
前記空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する工程と、
前記微分位相像を積分することにより、位相像を得る工程とを有することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１３】
コンピュータに、
Ｘ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する工程と、
前記干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる工程と、
前記モアレの強度分布を検出する工程と、
前記モアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得する工程と、
前記空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を得る工程と、
前記微分位相像を積分することにより、位相像を得る工程と、
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１】
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する位相格子と、
前記位相格子により形成された干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる吸収格子と、
前記吸収格子により生じたモアレの強度分布を検出する検出器と、
前記検出器により検出されたモアレの強度分布から被検体の情報を画像化し、出力する演算装置を有し、
前記演算装置は、
前記検出器で取得したモアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得するフーリエ変換工程と、
前記フーリエ変換工程により得られた空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する位相回復工程と、を実行するように構成されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
【請求項２】
前記演算装置は、前記位相回復工程により得られた微分位相像を積分することにより位相像を取得する工程を実行するように構成されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項３】
前記演算装置は、前記位相回復工程により得られた微分位相像に対してアンラップ処理を行なう位相接続工程を実行するように構成されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項４】
前記位相格子は、位相進行部と位相遅延部とが２次元的に周期的に配されている請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項５】
前記位相格子は、前記位相進行部と前記位相遅延部とが市松状に配されている請求項４に記載のＸ線撮像装置。
【請求項６】
前記位相格子は、前記位相進行部を透過したＸ線と、前記位相遅延部を透過したＸ線との位相差がπ／２またはπとなるように構成されている請求項４に記載のＸ線撮像装置。
【請求項７】
前記フーリエ変換工程で得られたスペクトル空間上において、前記検出器の画素周期をＰとしたときに、
【数１】
の位置に前記キャリア周波数に対応したスペクトルが生じるように、前記位相格子、前記吸収格子、前記検出器が調整され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。
【請求項８】
前記吸収格子は、前記モアレの周期が
【数２】
でモアレの方位が前記検出器の画素配列に対し４５度となるように配置され、
前記演算装置は、前記キャリア周波数に対応したスペクトルを分離するために、検出器で得られたモアレ画像の周波数空間から１辺が
【数３】
で、画素配列方向に対し４５度傾いた２つの正方形領域を切り出す工程を実行する請求項７に記載のＸ線撮像装置。
【請求項９】
前記フーリエ変換工程で得られたスペクトル空間上において、前記検出器の画素周期をＰとしたときに、
【数４】
の位置に前記キャリア周波数に対応したスペクトルが生じるように、前記位相格子、前記吸収格子、前記検出器が調整され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。
【請求項１０】
前記吸収格子は、前記モアレの周期が３Ｐでモアレの方位が検出器の画素配列に一致するように配置され、
前記演算装置は、前記キャリア周波数に対応したスペクトルを分離するために、検出器で得られたモアレ画像の周波数空間から１辺が１／（３Ｐ）で、画素配列方向に対し正立した２つの正方形領域を切り出す工程を実行する請求項９に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１１】
前記被検体をＸ線の光軸方向に移動させることが可能な検査物移動装置を有する請求項１に記載のＸ線撮像装置。
【請求項１２】
Ｘ線撮像装置において用いるＸ線撮像方法であって、
Ｘ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する工程と、
前記干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる工程と、
前記モアレの強度分布を検出する工程と、
前記モアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得する工程と、
前記空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を取得する工程と、
前記微分位相像を積分することにより、位相像を得る工程とを有することを特徴とするＸ線撮像方法。
【請求項１３】
コンピュータに、
Ｘ線を透過させることにより、タルボ効果による干渉強度分布を形成する工程と、
前記干渉強度分布の一部を遮光することによりモアレを生じさせる工程と、
前記モアレの強度分布を検出する工程と、
前記モアレの強度分布をフーリエ変換することにより、空間周波数スペクトルを取得する工程と、
前記空間周波数スペクトルから、キャリア周波数に対応したスペクトルを分離し、逆フーリエ変換を用いて微分位相像を得る工程と、
前記微分位相像を積分することにより、位相像を得る工程と、
を実行させることを特徴とするプログラム。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【公開番号】特開２０１３−１０６９６２（Ｐ２０１３−１０６９６２Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２８４４２４（Ｐ２０１２−２８４４２４）
【出願日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【分割の表示】特願２０１０−５３５８０４（Ｐ２０１０−５３５８０４）の分割
【原出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【分割の表示】特願２０１０−５３５８０４（Ｐ２０１０−５３５８０４）の分割
【原出願日】平成２１年１０月２７日（２００９．１０．２７）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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