説明

X線撮像装置及びX線撮像方法

【課題】 ダイナミックレンジが広くかつ密度分解能が高い屈折コントラスト型X線撮像方法を提供する
【解決手段】 被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を変化させることによって、入射X線と回折X線がほぼ比例する角度領域を広げ、回折X線強度が最大値の半分となる低角および高角の入射角度で測定を行う。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明はX線撮像装置及びX線撮像方法に係わり、特に、物体の内部を非破壊に検査するのに適した屈折コントラスト型のX線撮像装置及び方法に関する。
【背景技術】
【0002】
X線は物質に対する透過能が非常に高く、被写体内部の構造や組成等を非破壊で観察・検査する方法として、医療診断をはじめとして様々な分野で広く利用されている。このうち、X線を発生するX線源とX線を検出するX線フィルムなどの間に被写体を設置し、被写体によって生じたX線の強度の変化を画像化する方法は、吸収コントラスト型X線イメージング、或いは一般にレントゲンという名称で、各種のスクリーニングなどに利用されている。
また、X線源を試料の周りで高速に回転させ、各角度で取得した試料の投影像から3次元像を計算によって得る方法は、Computed Tomography(CT)と呼ばれ、各種の非破壊観察に不可欠な計測手法になっている。しかし、酸素や炭素などの原子番号の小さい軽元素はX線に対してほぼ透明であり、X線が透過してもその強度はほとんど変化しない。このため、軽元素で主に構成された生体の軟部組織や、有機材料などに対しては感度が低く、高精細に観察することが難しいという問題があった。
この問題の原理的な解決方法として、X線の位相情報を用いた方法が近年注目されている。X線は波長の短い電磁波であり、試料を透過する際に強度の変化に加えて、位相の変化(位相シフト)も同時に生じる。X線のエネルギーが10 keV以上の硬X線領域において、位相シフトを与える散乱断面積は、強度変化を与える散乱断面積に比べて、軽元素に対して3桁以上高いという特徴がある。このため、位相シフトを画像化する「位相コントラストX線イメージング法」は、強度変化を画像化する従来の方法に比べて、感度が非常に高く、低被曝かつ短時間で造影剤等の補助手段を用いることなく、生体の軟部組織等を高精細に観察することが可能になる。
【0003】
しかし、X線の振動数は極めて高く、直接位相シフトを検出することは現在の技術では不可能である。このため、位相シフトを検出可能な強度の変化に変換し、検出する必要がある。これまでに変換方法として、非特許文献1に記載されているように(1)X線干渉計を用いる特許文献1や特許文献2に記載された方法(X線干渉法)、(2)位相シフトの空間微分に比例するX線の屈折角θを利用する特許文献3や特許文献4に記載された方法(屈折コントラスト法、Diffraction enhanced imaging: DEI)、(3)X線のフレネル回折を用いる方法、などが研究・開発されている。
【0004】
上記方法の原理的な違いは、(1)のX線干渉法が干渉縞の動きから位相シフトを直接変換しているのに対して、他の方法では位相シフトの空間微分を変換していることである。このため、干渉法が最も高感度で、がんと正常組織の無造影での識別や、アルツハイマー病のβアミロイドの可視化などが行われている。
【0005】
一方、屈折コントラスト法などでは、感度は干渉法に比べると若干低下するが、密度のダイナミックレンジが広いという特徴がある。また、屈折コントラスト法では装置構成が単純で、かつ特別な光源を必要としないという特徴がある。
このため、他の方法に比べて汎用性が高く種々のサンプルの観察に適していると考えられ、これまでに、密度差の大きな部位を含んだ乳がんや、膝軟骨の観察に適用され、従来法に比べてより高精細な画像が得られている。
【0006】
次に、本発明に関わる屈折コントラスト法の原理について詳しく説明する。屈折コントラスト法は、X線が試料を透過した際に生じたX線進行方向の「曲がり」、すなわち屈折角をX線の回折を利用して位相シフトを検出する方法である。空間的に密度が不均一な試料をX線が透過すると、X線の伝搬方向(波面)は図1に示すように屈折によってわずかに曲げられる。屈折された角度(屈折角)dθは試料によって生じる位相シフトp (x, y) の空間的な微分(dp/dx)の関数として、図21に示す〔数1〕で与えられる。
【0007】
ここで、λはX線の波長である。したがって、dθを検出することにより、位相シフトの空間的な微分(dp/dx) を求めることができる。さらに、位相シフトpは試料の密度ρに比例するため、dp/dx をx方向(図1の上下方向)積分することにより密度ρを定量的に求めることができる。
【0008】
硬X線領域において、屈折角dθは一般に数μrad 程度と非常に小さいために、アナライザー結晶と呼ばれる単結晶から一体で削りだした結晶板のX線回折を利用して検出する。動力学的な回折理論において、結晶に入射するX線が平行な場合、回折されるX線の強度は入射角のブラッグ角からのずれdsに対して、図21に示す〔数2〕で与えられる。
ここで結晶による吸収は無視してあり、またWは、図21に示す〔数3〕で、θBはブラッグ角、χhは電気感受率のh次のフーリエ成分である。
【0009】
図2には、Wを単位として各入射角度における回折X線の強度(回折強度曲線(ロッキングカーブ))を数2に基づいて計算した結果を示す。この結果から、回折強度が半分となるθB±dθD/2(以後低角側をθL、高角側をθHと呼ぶ)近傍において、入射角と回折されたX線の強度がほぼ比例している領域(以下A領域と呼ぶ)が存在していることがわかる。したがって、X線の伝搬方向にずれがないとき(dθ=0)の入射角をθLに設定すれば、回折されたX線の強度Irはdθにほぼ比例し、θLにおける強度(最大値の半分)を中心としてdθの増減に伴ってIrも増減することになる。(θHの場合は、dθの増減に伴うIrの増減が逆比例になる。)この現象を利用して、屈折コントラスト法では回折強度Irの空間的な分布(回折像)からdθ、即ち位相シフトの空間的な微分量をコントラストとする像を、更に積分計算によって位相シフトpの空間的な分布像(位相マップ)を得ている。
【0010】
しかし、1枚の回折像だけでは、サンプルの吸収による強度変化と、dθによる強度変化を区別できず、位相シフト量pを定量的に求めることができない。このため、アナライザー結晶をブラッグ角近傍で回転させ、取得した複数の回折像から計算によってdθを求める方法が提案されている。この方法には大きく分けて2種類あり、(a)2つの角度のみで測定を行う「2点方式」(非特許文献2)と、(b)3つ以上の角度で測定を行う「スキャン方式」(特許文献4や非特許文献3など)がある。
(a)の「2点方式」では、X線のアナライザー結晶への入射角を図2に示したθLとθHに設定して像を取得する。このとき、結晶によって回折されたX線の強度Irは、図21に示す〔数4〕で与えられる。
ここで、Ioは入射X線の強度、Rはアナライザー結晶の反射率である。上記の角度において、Rはθに対してほぼ比例するため、Rは図21に示す〔数5〕の2次のテーラー展開で近似することができ、数4及び数5から、θLとθHにおける回折強度(Il及びIh)は各々
図21に示す〔数6〕および〔数7〕となる。
上式からIoを消去すると、dθは最終的に図21に示す〔数8〕と表すことができる。
【0011】
したがって、サンプル上の各点(ピクセル)における屈折角dθ(x,y)は、二つの角度で取得したIl及びIhの各点について、数8の計算を行うことによって求めることができる。また、位相マップは、得られた各点のdθ(x,y)を図1のX軸方向に積分することによって求めることができる。
【0012】
一方、(b)の「スキャン方式」は、図3に示すように、アナライザー結晶をブラッグ角近傍で回折角度幅(〜dθD)以上に回転させ、取得した複数(通常は3枚以上)の像から計算によって屈折角dθを求める方法である。アナライザー結晶の回転θAに伴って、各位置における回折強度は図4のように変化するので、サンプル上の各点(x,y)を透過してきたX線の回折強度は、ブラッグ角θBから屈折角dθだけオフセットした角度にピークを持つことになる。このため、屈折角dθは回折強度の重心として、図21に示す〔数9〕から算出することができる。
ここで、θnはアナライザー結晶の各角度、In(θn)はθnで得られた回折強度である。したがって、位相シフトpの空間的な分布像(位相マップ)は、2点方式と同様に各点のdθ(x,y)を積分することによって求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0013】
【特許文献1】特開平4−348262号公報
【特許文献2】特開平10−248833号公報
【特許文献3】WO95/05725号パンフレット
【特許文献4】特開平9−187455公報
【非特許文献】
【0014】
【非特許文献1】Phys. Today 53, (2000) P 23
【非特許文献2】Phys. Med. Biol. 42, (1997) P2015
【非特許文献3】Jpn. J. Appl. Phys. 44, (2005) P8219
【非特許文献4】Med. Phys. 35(10), October 2008 P4724-4734
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
上記に示した屈折コントラスト法の「2点方式」と「スキャン方式」を比較すると、後者は測定する回折像の枚数が多いために、長い測定時間を要するが、結晶をスキャンすることで原理的にはいくらでも大きな屈折角を検出できる。このため、密度のダイナミックレンジが広いという特徴がある。しかし、角度のスキャン範囲が広くスキャン数が多いほど、雑音が増幅されて密度分解能が低下してしまうという問題がある(非特許文献4)。一方、「2点方式」では「スキャン方式」のような問題がないために密度分解能は高いが、A領域の幅より大きい場合、回折されたX線の強度は屈折角にもはや比例しなくなるため、正常に屈折角、すなわち位相を求めることができないという問題があった。
【0016】
以上をまとめると、「スキャン方式」では密度ダイナミックレンジが広いが密度分解能が低く、一方の「2点方式」では密度分解能は高いがダイナミックレンジが狭くなっていて、密度分解能とダイナミックレンジはトレードオフの関係にあることがわかる。このため、密度差の大きな領域を含んだ試料を高精細に観察することは難しいという問題があった。本発明の目的は、ダイナミックレンジが広くかつ密度分解能が高い屈折コントラスト型X線撮像方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0017】
上記課題を解決するための本願発明の構成の一例としては、X線撮像装置において、X線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたX線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過X線ビームを回折するアナライザー結晶と、上記回折されたX線ビームを検出するX線検出器と、上記X線検出器から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたX線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成され、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、X線ビームの屈折角を高い角度分解能、かつ広い範囲にわたって検出することが可能となるので、高い密度分解能で密度差の大きな被写体でも内部を非破壊で観察することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】試料によるX線の屈折を示す図
【図2】各入射角度において回折されたX線の強度を示す図
【図3】スキャン方式におけるアナライザー結晶の角度を示す図
【図4】スキャン方式における試料各点の回折強度を示す図
【図5】各ビーム広がりにおける回折強度曲線の計算例を示す図
【図6】非対称結晶によるX線の回折を示す図
【図7】非対称結晶によるX線の回折を示す図
【図8】各結晶の回転角における非対称因子の計算例を示す図
【図9】薄い結晶によるX線の回折を示す図
【図10】薄い結晶による回折X線と透過X線の強度の計算例を示す図
【図11】各ビーム広がりにおける薄い結晶の回折強度曲線の計算例を示す図
【図12】薄い結晶を2個組み合わせた場合のX線回折を示す図
【図13】本発明によるX線撮像装置の実施例1の構成を示す図
【図14】実施例1における非対称結晶位置決め機構の詳細を示す図
【図15】実施例1における測定手順を示す図
【図16】実施例2における被写体位置決め機構の詳細を示す図
【図17】実施例2における測定手順を示す図
【図18】実施例2における被写体位置決め機構の詳細を示す図
【図19】本発明によるX線撮像装置の実施例3の構成を示す図
【図20】実施例3におけるアナライザー結晶の詳細を示す図
【図21】明細書に於いて説明に用いる数式を示す図
【図22】明細書に於いて説明に用いる数式を示す図
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に本発明の原理について詳述し、その後実施の形態について説明する。
「2点方式」において、密度のダイナミックレンジが狭い原因は、A領域の角度幅が狭いことにある。そこで、本発明では入射X線の平行度(X線のビーム広がり)を人為的に低下させることによって、A領域の幅を広げる。これにより、「2点方式」における高い密度分解能を維持したまま、広いダイナミックレンジを確保することが可能になる。
【0021】
角度広がりをもったX線に対する回折強度曲線は、数2とX線の角度広がりとの畳み込み積分(コンボリューション)になり、平行なX線における回折強度曲線の形状(図2のシルクハット型)から、非平行度が増すに従って両側の肩が次第に崩れた形になる。入射X線の角度広がりを矩形と仮定し、各広がりにおける回折強度曲線を計算した結果を図5に示す。この結果から、入射X線の角度広がりが大きくなるに従って形が崩れ、6.5μrad程度の広がりになると曲線はほぼ三角形で両方のA領域が繋がり、中心部のフラットな領域がなくなることがわかる。被写体による一般的な屈折角の大きさは数秒程度(〜10μrad)で、図2のシルクハットの幅(10μrad)と同程度である。このため、A領域がこのようにシルクハットの幅程度まで広がれば、屈折角はA領域内に収まることになる。したがって、密度分解能の高い「2点方式」により、正確にdθを求めることが可能になる。
【0022】
次に、X線の平行度(角度広がり)を変化させる方法について、図6を用いて以下に説明する。回折格子面と結晶の表面が非平行な非対称結晶によるX線回折において、回折されたX線の角度広がりωhは入射X線の角度広がりω0を用いて動力学的な回折理論により、図22に示す〔数10〕で与えられる。
ここで、bは非対称因子と呼ばれる変数で、図22に示す〔数11〕で定義される。
ここで、θBはブラッグ角、αは回折格子面と結晶表面のなす角度(非対称角)である。したがって、αが大きいほどbは小さく、X線の角度広がりは小さく平行光に近づくことになり、逆にαが小さいほど角度広がりは大きくなる。
【0023】
従来の装置では非対称結晶の非対称角αは固定されており、変更するためには結晶そのものを交換する必要があった。なお、特許文献4などに記載された装置において非対称結晶を搭載したステージに調整機構があるが、いずれも回転軸が回折格子面に対して平行な2軸で、入射角やチルトを調整するものでありαを調整することはできない。
そこで、本発明では回折格子面に垂直な軸を回転軸として非対称結晶を回転させる機構を設けることにより、任意のαを選択できるようにする。
【0024】
図7に示すように、非対称結晶の回折格子面をx−y面に固定し、結晶をz軸の周りで回転する座標系を考える。結晶表面と回折格子面のなす最大角度(非対称角)をα、結晶のz軸周りの回転角をβとして、図に示すようにβの原点をとるとすると、結晶表面に垂直な単位ベクトルgは、図22に示す〔数12〕となる。
【0025】
一方、X線はX軸に対して角度θiで入射したとすると、その単位ベクトルaは、図22に示す〔数13〕で与えられる。
したがって、内積の計算から結晶表面と入射X線のなす角度θi’は、図22に示す〔数14〕となる。
【0026】
また、回折X線の単位ベクトルcは、図22に示す〔数15〕となるので、上記と同様に内積の計算から結晶表面と回折X線のなす角度θo’は、図22に示す〔数16〕となる。
回折条件が成り立つための条件(θi=θB)、数14、及び数16から、非対称因子bをα及びβの関数として表すと、図22に示す〔数17〕となる。
【0027】
図8に、Si(220)、X線のエネルギー17.8 keV、α=10.5度において、各βに対する非対称因子bの逆数を計算した結果を示す。βを0から90度まで回転させることによって、bを1から20まで、すなわちビーム広がりを入射X線と同じ広がりからその1/20まで変化できることがわかる。したがって、被写体内部の密度分布に応じて、適当なβに設定することにより、ビーム広がりを調整して回折強度曲線における領域Aの幅、すなわち密度のダイナミックレンジを最適化でき、「2点方式」により観察を行うことが可能になる。
【0028】
さらに、図9に示すように結晶を薄くするとX線は回折されるだけでなく、一部は結晶を透過するようになる。透過するX線の強度は動力学的な回折理論により、図22に示す〔数18〕で与えられる。
ここで、図22に示す〔数19〕で、Hは結晶の厚さである。
【0029】
図10にSi(220)、X線のエネルギー17.8 keV、πH/Λ=4における回折及び透過X線強度(透過X線強度は数18で得られた強度を1から減算して求めた)を計算した結果を示す。
裾野の領域で振動が生じているが、基本的な形状は厚い結晶と同じくシルクハット型になっていることがわかる。この結晶について、図5と同様に入射X線の角度広がりを矩形と仮定し、各広がりにおける回折強度曲線を計算した結果を図11に示す。この結果から、入射X線の角度広がりが大きくなるに従って裾野の振動が消え、6.5μrad程度の広がりになると曲線はほぼ三角形で両方のA領域が繋がり、中心部のフラットな領域がなくなってしまうことがわかる。したがって、X線が透過するような薄い結晶であっても、X線が透過しない厚い結晶と同様な取扱いが可能で、入射するX線の角度広がりを変化させることによって、A領域、すなわち密度のダイナミックレンジを調整できることがわかる。
【0030】
さらに、図12に示すように2枚の結晶を準備し、入射X線に対する各結晶の角度をそれぞれθLとθHに設定しておくと、それぞれの回折X線強度はθL及びθHで回折されたものとなる。したがって、アナライザー結晶を回転することなく、θLとθHにおける回折X線強度を同時に検出することが可能となり、瞬間的な観察を行うことができる。この場合でも、A領域の幅は入射するX線の角度広がりにより調整可能で、密度のダイナミックレンジを被写体内部の密度分布に応じて変化させ、最適なA領域の幅で観察を行うことができる。
【0031】
以上、本発明によれば被写体内部の密度差に対応して、非対称結晶の非対称度を変化させることによって、最適なビーム広がりをもったX線で密度分解能が高く且つ測定時間の短い屈折コントラストの「2点方式」で観察を行うことができる。
【0032】
以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。以下に示す図において、同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。
【実施例1】
【0033】
本発明の第一の実施例を、図13〜図15により説明する。まず、図13は、本発明で使用するX線撮像装置のシステム構成例を示す図である。図に示すように、本X線撮像装置は、X線源1、このX線源から放出されたX線ビーム14の幅を広げる非対称結晶2、この非対称結晶2の保持および位置決めをする非対称位置決め機構3、被写体15を保持する被写体ホルダー4、入射X線ビーム14に対して被写体15を位置決めする被写体位置決め機構5、被写体を透過したX線ビーム16を回折するアナライザー結晶(単結晶)6、結晶ホルダー7、結晶6の角度を調整する結晶ホルダー位置決め機構8、回折されたX線ビーム17の空間的な強度分布像を検出する2次元X線画像検出器9、制御部10、処理部11、表示装置12及び角度設定ユニット13を備えている。
【0034】
このX線撮像装置において、X線源1から放射されたX線ビーム14は、非対称結晶2により横方向に拡大され、被写体ホルダー4で保持され、被写体位置決め機構5によって位置決めされた被写体15に照射される。被写体を透過したX線ビーム16は、結晶ホルダー7で保持され、結晶ホルダー位置決め機構8で入射角度を調整されたアナライザー結晶6に入射する。そして、アナライザー結晶によって回折されたX線ビーム17は、2次元画像検出器9で検出される。アナライザー結晶6の角度スキャンや、各角度における回折像の検出、試料の位置決めなどは制御部10で行う。処理部11では、取得した像の各ピクセル位置における屈折角及び位相シフト量を算出する。そして、この算出した量を表示部12で画像化して表示する。なお、上記解析手段は、本発明に必要な機能を実現できるものであれば、上記構成例に限定されないことは言うまでもない。
【0035】
非対称結晶2として、シリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。回折格子面にはX線の高い利用効率を得るために後述するアナライザー結晶の回折格子面と同じものを用いる。本非対称結晶2の位置決めを行う非対称位置決め機構3の詳細な構成を図14に示す。非対称結晶2は、結晶ホルダー18で支持されており、結晶ホルダー18には図のy軸周りの回転を調整するチルトステージ19に取り付けられている。そして、チルトステージ19はx軸周りの回転を調整する面内回転ステージ20に取り付けられている。チルトステージ19では面内回転ステージ20の回転軸が回折格子面に垂直なるように調整を行い、面内回転ステージ20では非対称因子bの調整を行う。さらに、面内回転ステージ20はL字型治具21を介してθ回転ステージ22に固定されている。θ回転ステージ22では非対称結晶に対するX線14の入射角をブラッグ角になるように調整する。
【0036】
アナライザー結晶6には、非対称結晶2と同様にシリコンやゲルマニウムなどの単結晶を用いる。回折格子面は、使用するX線のエネルギー等に基づいて決定する。低次の回折ほど大きな回折X線強度を確保でき、測定時間を短縮できるので、基本的には低次の回折(Si(111)や(220)など)を利用するとよい。ただし、高エネルギーX線の場合、低次ではブラッグ角が小さくなるために調整が難しくなる。この場合は、高次の回折(Si(311)やSi(440)など)を利用すればよい。
【0037】
一般に単結晶による回折の角度幅は0.01mrad以下と極めて狭いために、非対称結晶2とアナライザー結晶6の角度は、高い精度でその回転を調整する必要がある。また、測定中に結晶が回転ドリフトすると、正確にX線の屈折角を求められなくなってしまうため、回転ドリフトは極力抑える必要がある。そこで、非対称位置決め機構3のθ回転ステージ22と結晶ホルダー位置調整機構8として、タンジェンシャルバーを用いた精密ゴニオステージを用いるのが望ましい。この機構を採用することにより、回転位置決め精度を1/100角度秒、ドリフトを1/10角度秒以下と、測定に全く支障がない精度で回転を制御することができる。
【0038】
X線画像検出器9としては、サチコン管や蛍光体+集光光学系(レンズやオプティカルファイバー)+CCDカメラを組み合わせたものなどを用いるとよい。X線の検出効率が高いため、より短い測定時間で精度の高い測定を行うことができる。また、解析手段の処理部11は、例えば、中央処理部、入出力部と記憶装置、及びネットワークインターフェース等を備えたコンピュータからなる。記憶装置はメモリや外部記憶装置18等により構成され、以下のフローチャートで述べるX線画像の取得、画像解析処理及び表示処理などを行う少なくとも1つのプログラムを保持すると共に、X線画像のデータ、測定パラメータ等をテーブル等に格納する。中央処理部は、マイクロプロセッサを主体に構成され、記憶装置に格納されている上記プログラムを実行する。
【0039】
次に、第一の実施例における測定の手順について、図15のフローチャートを参照しながら説明する。まず、オペレーター等による、試料像の測定対象領域や露光時間、画像の表示方法など、測定のために必要な各種条件の設定、すなわち初期設定がなされ(S400)、制御部10は設定された条件に基づき測定を開始する(S402)。はじめに、被写体位置決め機構5を用いて、被写体14をX線の光路から退避する(S404)。また、非対称結晶の面内回転ステージ20を用いて、非対称結晶の結晶表面と入射X線のなす角度が最も浅くなるように調整し、さらに回折されたX線強度が最大となるようにθ回転ステージ22を用いて入射角を調整する(S405)。次に、角度設定ユニット13により、2次元画像検出器9で検出している回折X線像の中心近傍における強度が最大となる角度θcになるようにアナライザー結晶6の角度を調整する(S406)。その後、制御部10および角度設定ユニット13により、アナライザー結晶の角度を上記により調整した角度θcを中心として±0.1mrad程度の範囲で0.001mrad程度の送り幅でスキャンし、各角度における回折像の予備測定を行う(S408)。なお、スキャン範囲、および送り幅は、使用するアナライザー結晶の種類、回折格子面、およびX線のエネルギーに依存して決定する。通常は、スキャン範囲を回折角度幅の5倍程度に、送り幅を回折角度幅の1/10程度に設定すればよい。たとえばシリコン結晶の(220)面の回折、X線のエネルギー15keVにおける回折角度幅は124mmradであるので、スキャン範囲は60mrad、送り幅は1mrad程度となる。
【0040】
次に、上記のスキャンにより得られた各角度における回折像について、中心近傍の回折強度曲線を求めてθcがスキャン範囲の中心であること、および回折強度が最大値のほぼ半分になる角度(θLとθH)で測定を行っていること、を確認する。中心が一致していなければスキャン開始角度およびスキャン角度幅の調整を行い、θcがスキャン中心となるようにする。また、角度θLとθHで測定していなければ、アナライザー結晶の送り幅およびスキャンの開始点を調整し、低角および高角側の両方で半分となる角度に測定角度がくるようにする(S410)。以上の調整の後に、被写体14をX線の光路に設置し(S414)、回折像の予備測定を行う(S416)。被写体による屈折角が図2に示した角度領域Aより大きい場合、像には白あるいは黒に飽和した領域が現れる(S418)。この場合、非対称結晶の面内回転ステージ20を用いて、非対称結晶を回折格子面に垂直な軸を中心として回転し、非対称因子bを低下させてA領域の幅を広げる(S420)。そして、S404からの手順を繰り返し行い、飽和した領域がなくなるまで行う。この手順の終了後に、再度被写体14をX線の光路から取り除き(S422)、アナライザー結晶の各角度(θLとθH)における回折像の測定を行い、背景像となるデータを取得する(S424)。次に、被写体位置決め機構5を用いて被写体14をX線の光路に再度設置する(S426)。そして、制御部10および角度設定ユニット13により、背景データの取得と同じ条件で本測定となる各アナライザー結晶の角度における回折像を取得する(S428)。
【0041】
以上の測定によって得られた回折像を用いて、処理部11により背景の減算を行った後(S430)、数8に示した計算手順により試料像を算出する(S432)。さらに、得られた屈折角についてX方向に積分を行い、位相シフトp(x,y)の空間的な分布像(位相マップ)を求める(S434)。以上の手順により得られた試料の像を、オペレーターの指示等により表示部12で表示し(S436)、一連の処理を終了する(S438)。
【0042】
本実施例のX線撮像装置によれば、被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を設定することで、屈折角と回折X線強度が比例する角度領域を最適化し、密度分解能の高い「2点方式」により高精細に観察することが可能になる。
【実施例2】
【0043】
次に、本発明の第二の実施例について用いて説明する。被写体位置決め機構5として、被写体の2次元的な位置決め機構24(x−z面)の他に、図16に示すようにX線ビームに対して被写体を回転させる回転機能25を付加し、被写体の各角度で2次元像を取得するようにすれば、Computed Tomography(CT)の原理により、非破壊で被写体の断面像を取得することができる。この場合、測定は、図17のフローチャートに示したように、以下の手順で行なう。
【0044】
(1)透過像と同様な手順(図15のフローチャートのS400からS434に相当)により、試料によって生じた屈折角dθの空間的な分布、及び位相マップを求める(S500〜536)。
【0045】
(2)試料位置決め機構4に付加された回転機構25により、試料15をΔrだけ回転する(S538)。
【0046】
(3)上記(1)〜(2)を必要なステップ数n(=180°/Δr)だけ繰り返し、被写体の断面の各角度に対する屈折角dθの空間的な分布、及び位相マップを求める(S532、S534)。
の手順により行う。
【0047】
そして、測定後に、各角度で得られた位相マップから位相プロジェクション像を求め、更に、フィルターバックプロジェクション法などの断面像再構成アルゴリズムにより位相プロジェクション像から位相コントラストの試料断面像を計算で再構成する。計算により得られた位相コントラスト断面像は、例えばオペレーターの指示等により、表示部12で表示する。位相コントラスト断面像の表示(S536)は、オペレーターの指示等により、例えば各角度毎に行う。
【0048】
被写体を空気中に設置した場合、被写体と空気との比重の差が大きく、X線がA領域の角度幅以上に屈折される可能性がある。この場合、図18に示しようにセル26を設け、この中を適当な液体27で満たし被写体15を設置する。空気に比べて液体27の比重が被写体に近いために、密度差が低減されるので、屈折角を小さくすることができる。また、被写体の回転機構25は図に示したようにX線を遮蔽しないように被写体の上部などに設置し、回転棒を介して被写体15を回転させる。液体27として被写体の比重に応じて選択すればよく、例えば生体試料の場合は生理食塩水やホルマリンなどを用いることができる。
【0049】
以上、本実施例のX線撮像装置によれば、被写体の密度分布に応じて、非対称結晶の非対称度を設定することで、屈折角と回折X線強度が比例する角度領域を最適化し、密度分解能の高い「2点方式」により高精細にCT像を観察することが可能になる。
【実施例3】
【0050】
実施例1及び2では、アナライザー結晶として1個の結晶を用いていた。このため、2点方式であっても、結晶の角度スキャンを行う必要があった。このため、瞬間的な測定を行うことができなかった。ここでは薄い2個のアナライザー結晶を採用することによって瞬間的な観察が可能な実施例を示す。
【0051】
図19は本発明によるX線撮像装置の一例の構成図である。このX線撮像装置は、アナライザー結晶が2枚になっていること、アナライザー結晶を調整する機構が2個あること、及び各アナライザー結晶で回折されたX線を検出するために2個の画像検出器で構成されていることを除いて実施例1の構成と同一である。
【0052】
試料を透過したX線16は、第1アナライザー結晶位置決め機構28で位置決めされた第1アナライザー結晶30に入射し、ある角度条件を満たしたX線のみが回折されて回折X線40を形成し、その他のX線は透過して透過X線41となる。透過X線41は更に第2アナライザー結晶位置決め機構29で位置決めされた第2アナライザー結晶31に入射し、ある角度条件を満たしたX線のみが回折され回折X線42を形成し、残りのX線は透過して透過X線43となる。各々の回折X線はX線検出器32及び33で検出する。
【0053】
実施例1と同様に、回折強度が半分になる角度(ブラッグ角より低角側)に第1アナライザー結晶位置決め機構28により、第1アナライザー結晶30を設定しておくと、数6で与えられる回折X線強度Iが得られる。また、第2アナライザー結晶位置決め機構29により第2アナライザー結晶31を回折強度が半分になる別の角度(ブラッグ角より高角側)に設定しておくと、数7で与えられる回折強度Iも得られることになる。従って、検出したIとIから数8を用いて、2点方式により試料によるX線の屈折角を検出することができる。また、積分することによって、試料の位相マップを得ることができる。
【0054】
また、被写体の断面像は、実施例2と同様に被写体をX線に対して垂直な方向で回転し、被写体の各角度で実施例1と同様の手法により取得した位相マップから、再構成計算により求めることができる。
【0055】
さらに図20に示すように、アナライザー結晶を同一の結晶ブロック上に形成してもよい。この場合、アナライザー結晶の位置決め機構を大幅に簡略化することができる。また、アナライザー結晶間の角度は、土台となる結晶ブロックに切り込みを入れ、その一端を圧電素子45などにより押し広げることによって調整すればよい。図19に示した構成に比べて、アナライザー結晶間の距離が近く、それぞれの結晶で回折されたX線はほぼ隣接することになるので、視野の広い1個のX線画像検出器で両回折X線を同時に検出することができ、この場合、制御系をより単純化することができる。
【0056】
以上、本実施例によれば、アナライザー結晶(結晶歯27及び結晶歯28)の角度スキャンを行わず、高い空間分解能、高感度、短い測定時間、かつ低被曝で被写体の透過像及び断面像を観察することができる。
【符号の説明】
【0057】
1:X線源、2:非対称結晶、3:非対称位置決め機構、4:被写体ホルダー被写体位置決め機構、5:被写体位置決め機構、6:アナライザー結晶、7:結晶ホルダー、8:結晶ホルダー位置決め機構、9:2次元X線画像検出器、10:制御部、11:処理部、12:表示装置、13:角度設定ユニット、14:X線、15:被写体、16:透過したX線、17:回折X線、18:外部記憶装置、19:チルトステージ、20:面内回転ステージ、21:L字治具、22:θ回転ステージ、24:位置決め機構、25:回転機構、26:セル、27:液体、28:第1アナライザー結晶位置決め機構、29:第2アナライザー結晶位置決め機構、30:第1アナライザー結晶、31:第2アナライザー結晶、32:X線検出器、33:X線検出器、40:回折X線、41:透過X線、42:回折X線、43:透過X線、45:圧電素子。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
X線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたX線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過X線ビームを回折するアナライザー結晶と、上記回折されたX線ビームを検出するX線検出器と、上記X線検出器から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたX線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成されるX線撮像装置において、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有すことを特徴とするX線撮像装置。
【請求項2】
請求項1記載のX線撮像装置において、前置結晶の回折格子面と表面のなす角度がX線ビームの波長と回折格子面の間隔から計算されるブラッグ角より小さいことを特徴とするX線撮像装置。
【請求項3】
請求項1記載のX線撮像装置において、X線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からX線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするX線撮像装置。
【請求項4】
X線ビームをコリメートする前置結晶と、前置結晶により回折されたX線ビームを被写体に照射する手段と、上記被写体を透過した透過X線ビームの一部を回折する上流アナライザー結晶と、上記回折されたX線ビームを検出するX線検出器1と、上流アナライザー結晶を透過したX線を回折する下流アナライザー結晶と、上記回折されたX線ビームを検出するX線検出器2と、上記X線検出器1及び2から出力された信号から演算により上記被写体によって生じたX線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得る処理部から構成されるX線撮像装置において、前置結晶の表面と回折格子面が非平行であり、かつ、回折格子面に垂直な軸を回転軸として結晶を回転する機構を有すことを特徴とするX線撮像装置。
【請求項5】
請求項4記載のX線撮像装置において、前置結晶の回折格子面と表面のなす角度がX線ビームの波長と回折格子面の間隔から計算されるブラッグ角より小さいことを特徴とするX線撮像装置。
【請求項6】
請求項4記載のX線撮像装置において、X線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からX線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生する手段を備えていることを特徴とするX線撮像装置。
【請求項7】
X線ビームを前置結晶によりコリメートし、コリメートされたX線ビームを被写体に照射し、上記被写体を透過した透過X線ビームをアナライザー結晶で回折し、上記回折されたX線ビームをX線検出器で検出し、検出されたX線ビームの像から、演算により上記被写体によって生じたX線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得るX線撮像法において、被写体の密度分布に応じて、前置結晶を回折格子面に垂直な軸を回転軸として回転し、前置結晶の非対称度を調整して上記X線ビーム像を取得することを特徴とするX線撮像方法。
【請求項8】
請求項7記載のX線撮像方法において、アナライザー結晶に対する透過X線ビームの入射角を回折されたX線ビームの強度が最大値の半分となる二つの角度に順次設定し、各々の角度で得られたX線ビームの像から被写体によって生じた屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得ることを特徴とするX線撮像方法。
【請求項9】
請求項7記載のX線撮像方法において、X線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からX線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするX線撮像方法。
【請求項10】
X線ビームを前置結晶によりコリメートし、コリメートされたX線ビームを被写体に照射し、上記被写体を透過した透過X線ビームの一部を上流アナライザー結晶で回折し、上記回折されたX線ビームをX線検出器1で検出し、上流アナライザー結晶を透過したX線を下流アナライザー結晶で回折し、上記回折されたX線ビームをX線検出器2で検出し、検出されたX線ビームの像から、演算により上記被写体によって生じたX線の屈折角、及び位相シフトをコントラストとする像を得るX線撮像法において、被写体の密度分布に応じて、前置結晶を回折格子面に垂直な軸を回転軸として回転し、前置結晶の非対称度を調整して上記X線ビーム像を取得することを特徴とするX線撮像方法。
【請求項11】
請求項10記載のX線撮像方法において、上流アナライザー結晶に対する透過X線ビームの入射角が回折されたX線ビームの強度が最大値の半分となる角度で、かつ下流アナライザー結晶に対する透過X線ビームの入射角が回折されたX線ビームの強度が最大値の半分となるもう一方の角度で回折されたX線ビームを検出することを特徴とするX線撮像方法。
【請求項12】
請求項10記載のX線撮像方法において、X線ビームの光路に対して直交する軸を回転軸として上記試料を回転させ、複数の異なる方向からX線を照射して得られた複数の試料像から上記試料の断面像を再生することを特徴とするX線撮像方法。

【図4】
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【図6】
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【図15】
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【図17】
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【図21】
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【図22】
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【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図5】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【図16】
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【図18】
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【図19】
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【図20】
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【公開番号】特開2012−112914(P2012−112914A)
【公開日】平成24年6月14日(2012.6.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−264486(P2010−264486)
【出願日】平成22年11月29日(2010.11.29)
【出願人】(000005108)株式会社日立製作所 (27,607)
【Fターム(参考)】