CN102187207A - X射线成像装置和x射线成像方法 - Google Patents

Abstract

用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息的X射线成像装置包括：分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束；衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且衰减元件依赖于该元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。

Description

X射线成像装置和X射线成像方法

技术领域

本发明涉及X射线成像装置和X射线成像方法。

背景技术

利用放射线的非破坏性检查在工业、医学治疗等中被广泛地进行。

例如作为一种类型的放射线的X射线是具有约

至10nm(10^-12至10^-8m)的范围中的波长的电磁射线。具有较短波长的X射线(约2keV或更高)被称为硬X射线，并且，具有较长波长的X射线(约0.1keV至约2keV)被称为软X射线。

通过利用高度穿透性X射线的吸收能力的差异，X射线吸收衬度(contrast)方法在实践上被采用以例如用于铁和钢中的内部裂纹的检查或行李安全检查。

另一方面，对于密度与周围介质具有较小差异并导致较小的X射线吸收衬度的被检体(object)的检测，检测由被检体导致的X射线的相位偏移(shift)的X射线相位衬度成像方法是有效的。正在对于共混聚合物的成像以及对于医学治疗等研究这种X射线相位衬度成像方法。

在各种X射线相位衬度成像方法之中，在以下的专利文献1中公开的折射衬度方法利用由被检体导致的相位偏移所产生的折射效果。

该折射衬度方法在将检测器放置得离被检体距离大的情况下通过微细焦点的X射线源来拾取图像。该折射衬度方法通过被检体的X射线折射效果获得被检体的边缘增强图像。

并且，利用折射效果的该折射衬度方法不一定需要像同步加速器放射线(synchrotron radiation)那样的高度相干X射线，这与通常的X射线成像方法不同。

另一方面，专利文献2公开了具有在检测器的像素的边缘部分处遮蔽X射线的遮盖件(mask)的成像装置。通过在不存在被检体的情况下放置要被X射线部分照射的遮盖件，由被检体的折射效果导致的X射线的位置偏移可被检测作为X射线的强度变化。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]日本专利申请公开No.2002-102215

[专利文献2]国际专利申请公开No.2008/029107

发明内容

但是，在专利文献1中公开的折射衬度方法中，由被检体的折射效果导致的X射线折射的角度非常小，使得检测器应被放置得离被检体距离足够大，以获得边缘增强的被检体图像。因此，折射衬度方法不可避免地需要较大尺寸的检测装置。

本发明意在提供用于克服折射率衬度方法的以上缺点的X射线成像装置和X射线成像方法。

本发明针对一种X射线成像装置，用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息，所述X射线成像装置包括：

分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束(X-ray beam)；

衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及

强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且

衰减元件依赖于该元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。

所述装置可具有：计算单元，用于从由强度检测器单元检测到的X射线强度信息计算被检体的微分相位衬度图像或相位衬度图像。

衰减元件可具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的厚度。

衰减元件可具有三角棱柱的形状。

衰减元件可具有在与入射的X射线垂直的方向上连续变化的密度。

衰减元件可具有使衰减元件中的光路长度对于X射线入射位置的二阶微分值为正的形状。

所述装置可具有：移动机构，用于同步移动X射线产生器单元、分离元件、衰减器单元和强度检测器单元。

本发明针对一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，包括：

在空间上分离X射线；以及

通过使用具有衰减元件的布置的衰减器单元，从已透射通过衰减元件的X射线的强度收集关于由被检体导致的X射线相位偏移的信息；并且

衰减元件对应于该元件中的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。

本发明针对一种X射线成像装置，包括：

X射线产生器单元，用于产生X射线；

衰减器单元，具有多个衰减元件的布置，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度(absorptive power gradient)；以及

X射线强度检测器，用于检测已被衰减器单元衰减的X射线的强度。

本发明针对一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，所述方法采用具有多个衰减元件的布置的衰减器单元来检测通过衰减元件的X射线的强度分布的变化，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度。

本发明提供可解决常规的折射衬度方法中的问题的X射线成像装置和X射线成像方法。

从参照附图对示例性实施例的以下描述，本发明的进一步的特征将变得明显。

附图说明

图1示出本发明实施例1中的X射线成像装置的构成。

图2示意性地示出本发明实施例1中的衰减器单元的一部分。

图3示出本发明实施例2中的X射线成像装置的构成。

图4A和图4B示出本发明实施例2中的衰减器单元的一部分。

图5是本发明实施例2中的计算处理的流程图。

图6示意性地示出实施例3中的构成，其采用另一类型的衰减器单元替代实施例2的衰减器单元。

图7A和图7B是用于描述本发明实施例4中的衰减器单元和衰减元件的示图。

图8是用于比较指数函数型的光路长度变化与线性函数型的光路长度变化的曲线图。

图9A和图9B是用于比较指数函数型的光路长度变化与线性函数型的光路长度变化的曲线图。

图10是用于描述实施例4中的衰减器单元的示图。

图11示意性地示出本发明实施例5中的计算层析摄影术(computed tomography，CT)的构成。

图12是本发明实施例5中的计算处理的流程图。

图13示出本发明例子1中的X射线成像装置的构成。

图14示出本发明例子2中的X射线成像装置的构成。

图15示出物质对于X射线的折射。

图16A和图16B是用于描述专利文献2中的问题的示图。

具体实施方式

在本发明的实施例中，采用衰减器单元来获得关于由折射效果导致的X射线强度分布的变化或X射线束的位置偏移的信息，所述衰减器单元由分别具有吸收能力梯度(或透射率梯度)的多个衰减元件的布置所构成。

这里，具有吸收能力梯度(或透射率梯度)的衰减元件表示X射线的吸收量(或透射量)依赖于X射线强度分布或X射线入射位置而连续变化的元件。可通过连续或逐步地(stepwise)改变形状来构成这种衰减元件。否则，可通过改变每单位体积的X射线的吸收(或透射)量来构成衰减元件。顺便说一句，本申请的说明书中的措词“连续”可包括措词“分阶段(in stages)”的意思。

以下参照具体实施例描述本发明的X射线成像装置和X射线成像方法。

(实施例1)

实施例1描述用于从X射线的相位偏移拾取被检体图像的X射线成像装置的构成。

图15示意性地示出透射通过物质所导致的X射线束的折射。这里，物质对于X射线的折射率比1稍低。

因此，在图15所示的情况下，X射线束1507通过透射通过物质1502而从物质1502向外被折射(X射线束1507在图15中向上折射)。

已透射通过物质1502的X射线束与沿物质1502的外部行进的X射线1501重叠，以增大重叠位置处的X射线强度，而在要在物质上的入射位置处折射的X射线束1507的假想延长线上，X射线强度较低。因此，如图15所示，透射的X射线的强度分布1503在物质1502的边缘处增大。

由于X射线的折射角θ非常小，因此，考虑到检测器的像素尺寸，应使得物质和检测器之间的距离较长，以获得边缘增强的轮廓线(profile line)。因此，在以上的专利文献1中描述的折射衬度方法中，由于为了放大图像的在被检体和检测器之间的必要的长距离，所以装置不可避免地较大。

在检测器被放置得离被检体距离较近的情况下，检测器1504的一个像素1505的尺寸比透射X射线强度分布1503中的强度图案大，以相互抵消，从而使该一个像素内的强度均匀化。这使得不能获得物质的边缘增强图像。

因此，该实施例的特征在于：衰减器单元在各衰减元件中具有吸收能力梯度以用于检测X射线强度的图案，被检体和检测器之间距离短。

图1示出该实施例的X射线成像装置的构成。

由作为X射线产生器单元的X射线源101产生的X射线通过被检体104偏移其相位以被折射。折射的X射线被引至衰减器单元105。已透射通过衰减器单元105的X射线被作为强度检测器单元的检测器106检测。由检测器106获得的信息被输出到像监视器那样的显示单元108。

被检体104包含人体以及诸如无机材料和无机-有机复合材料的其它材料。顺便说一句，为了移动被检体104，可以另外设置移动机构(图中未示出)。通过适当地移动被检体104，可以获得被检体104的特定点(spot)处的图像。

作为检测器106，可以使用各种类型的X射线检测器，包括间接型X射线检测器和直接型X射线检测器，诸如X射线平板检测器、X射线CCD照相机和直接转换型X射线二维检测器。

检测器106可被放置在衰减器单元105附近或者离它有一定的距离。衰减器单元105可被并入检测器106中。

为了使用单色X射线，单色器单元102可被设置在X射线源101和被检体104之间。单色器单元102包含X射线多层反射镜和狭缝的组合。

接下来，更详细地描述衰减器单元105。图2示意性地示出衰减器单元105的一部分。在该图中，衰减器单元203由分别具有三角棱柱形状的衰减元件204构成，该三角棱柱形状具有在与入射的X射线垂直的方向上改变的厚度。

通过这种构成，衰减元件204中的透射的X射线的光路长度在X方向上变化。因此，衰减元件204具有吸收能力梯度，通过该吸收能力梯度，吸收(或透射)依赖于X射线强度分布或X射线入射位置而变化。可通过板状部件的加工来形成衰减元件204。

在图2中，附图标记201表示在不存在被检体104的情况下被引至衰减元件204的基准X射线的强度分布，并且，附图标记202表示通过被检体104造成的折射而被改变并且被引至衰减元件204的基准X射线的强度分布。

通过检测器的一个像素检测到的X射线的强度是该一个像素内的积分(integrated)强度，而不管被引至该一个像素的X射线的强度分布如何。但是，将在X方向上连续改变透射X射线强度的衰减元件204使得能够将通过被检体104造成的折射所导致的X射线强度分布变化转换成透射X射线强度的变化。

例如，在图2中，图中的增强位置202的向上偏移增大透射X射线的强度，而图中的增强位置202的向下偏移减小透射X射线的强度。因此，可通过比较在不存在被检体104的情况下检测到的X射线强度与在存在被检体104的情况下检测到的X射线强度，作为X射线强度分布来检测微小的折射效果。

这种构成使得能够对检测器106的一个像素内的强度分布的微小变化进行检测。这使得不必将检测器106放置得离被检体104距离长，并使得能够实现装置的较小尺寸。并且，通过该构成，可通过将检测器106放置得离被检体104距离更长，来检测由折射导致的强度分布的更微细的变化。

通过该技术，由于通过X射线的折射效果检测相位偏移，因此不需要使用较高度相干的X射线。

在以上的描述中，衰减元件具有均匀的有效吸收系数并具有连续改变的形状。但是，衰减元件仅需要具有吸收能力梯度，以在一定的方向上改变X射线的吸收量(透射量)。例如，对于本实施例的X射线成像装置，如将在后面描述的图4A和图4B所示的具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的密度的衰减元件也是有用的。

并且，衰减元件的吸收能力梯度不必如图2所示的那样是连续的，而是吸收(透射)量可以逐步改变。例如，元件的形状可逐步改变，或者，元件的密度可逐步改变。

为了获得X射线强度分布的变化，可以在两个或更多个方向上形成衰减元件中的吸收能力梯度。例如，可以在一个衰减元件内在X方向和Y方向上形成吸收能力梯度，以测量两个方向上的相位梯度。为了两个或更多个方向上的测量，元件可以具有棱锥(pyramid)或圆锥(cone)的形状。

吸收能力梯度不限于在衰减元件之间是均匀的。可以在平面上交替布置在X方向上具有梯度的第一类型的衰减元件和在Y方向上具有梯度的第二类型的衰减元件，以二维地测量相位梯度。

另外，可以层叠沿X方向具有梯度的衰减元件和沿Y方向具有梯度的衰减元件。即，第一层可由在X方向上具有吸收能力梯度的第一衰减器单元形成，并且，第二层可由在Y方向上具有吸收能力梯度的第二衰减器单元形成。

为了防止由于来自衰减器单元105的散射X射线导致的图像模糊，可以在衰减器单元105和检测器106之间放置像常规上用于伦琴成像中的格栅(grid)那样的格栅。

(实施例2：采用分离(splitting)元件的构成)

该实施例2描述用于获得作为X射线相位偏移信息的相位衬度图像的X射线成像装置和X射线成像方法。该实施例与实施例1的不同在于，采用用于分离X射线的元件。

在以上引用的专利文献2中公开的成像装置采用用于分离X射线的光学元件和用于遮蔽检测器的元件的边缘部分处的X射线的遮盖件。图16A和图16B示出在专利文献2中描述的检测器的一部分的例子。图16A是自X射线引入侧的检测器的该部分的视图，图16B是从与X射线引入方向垂直的一侧取得的视图。

遮盖件1602被设置以遮蔽检测器的各像素1601的边缘部分处的X射线束。投影的X射线束1603被引至各像素，X射线束的部分被遮盖件1602遮蔽。通过这种布置，入射的X射线束1603通过折射效果被偏转以改变像素1601上的入射位置。该偏转通过遮盖件1602的遮蔽改变被引至像素的X射线束的强度。可通过检测X射线强度的变化来测量折射效果。

在专利文献2中公开的方法中，采用遮盖件1602来遮蔽X射线。因此，当X射线1603的照射的区域完全在遮盖件1602上时，不利地不能检测到X射线的偏转。并且，不能检测到遮盖件1602的区域内的入射X射线1603的偏转。即，专利文献2的方法具有不能感测的区域(insensible region)的问题。

因此，该实施例2描述了与折射衬度方法相比使得能够实现装置的较小尺寸并且与专利文献2中描述的方法相比具有较少的不能感测的区域的方法和装置。

图3示出该实施例的X射线成像装置的构成。

从作为X射线产生器单元的X射线源301发射的X射线在空间上被分离元件303分离成X射线束。即，X射线用作如专利文献2中描述的具有开口(aperture)的采样遮盖件。透射通过分离元件303的X射线形成X射线的束(flux of X-ray)。分离元件303可以具有线和间隔(line-and-space)狭缝阵列的形状或者具有二维孔布置的形状。

分离元件303中的狭缝不需要穿透通过基板(base plate)，只要狭缝允许X射线通过即可。分离元件303由具有高X射线吸收能力的材料形成，该材料包含Pt、Au、Pb、Ta和W，以及包含这样的元素的化合物。

在检测器306的位置处由分离元件303分离的X射线的线和间隔的节距(pitch)不小于检测器306的像素尺寸。即，构成X射线检测器单元的像素的尺寸不大于被分离元件303分离的X射线的空间节距。

在空间上被分离元件303分离的X射线束被被检体304折射。各X射线束被引入衰减器单元305中。已通过衰减器单元305的X射线束通过检测器306经受X射线强度的测量。由检测器306获得的关于X射线的信息利用计算器单元307在算术上被处理，并且被输出到像监视器那样的显示单元308。

单色器单元302、被检体304、用于移动被检体304的移动机构、检测器306、格栅等可以与实施例1中采用的那些相同。

更具体地描述衰减器单元305。

图4A示意性地示出衰减器单元305的一部分。

基准X射线束401是在不存在被检体304的情况下分离的X射线束，并优选被引至X方向上的X射线衰减器元件404的中心。X射线束402表示由于被检体304的存在所折射的X射线束。衰减器单元403由多个衰减元件404的布置所构成。

如图4B所示，衰减元件404具有在X方向上(与入射的X射线束垂直)连续分布的密度。图4A和图4B中的衰减元件404的密度变化改变了X射线的吸收程度(透射率)，较高密度部分允许较少的X射线穿透。即，衰减元件404具有依赖于X射线的入射位置而连续改变X射线的吸收(透射)的吸收能力梯度。

已通过衰减元件404的基准X射线401的强度由以下的式1表示：

$I=I_0{e}^{-\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right){\mathrm{\ρ}}_{0}L}$ 式1

在上式中，I₀表示已在空间上通过分离元件303分离的X射线的强度；μ/ρ表示衰减元件404的有效质量吸收系数；ρ₀表示衰减元件404的在基准X射线束401通过衰减元件404的部分处的密度；并且L表示衰减元件404的厚度。

已被被检体304折射并且已通过衰减元件404的X射线束402的强度由以下的式2表示：

$I^{\′}=I_0{\mathrm{Ae}}^{-\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right){\mathrm{\ρ}}^{\′}L}$ 式2

在上式中，A表示通过被检体304的X射线的透射率；ρ′表示衰减元件404的在X射线束402通过衰减元件404的部分处的密度。从以上的式1和式2，基准X射线束401通过衰减元件404的部分的密度和偏移X射线束402通过衰减元件404的部分的密度之间的差由以下的式3表示：

${\mathrm{\ρ}}_0-{\mathrm{\ρ}}^{\′}=\frac{1}{\left(\frac{\mathrm{\μ}}{\mathrm{\ρ}}\right)L}\ln \left(\frac{I^{\′}}{\mathrm{IA}}\right)$ 式3

对于极少吸收X射线的被检体304，透射率A约为1。对于具有不可忽略的吸收效果的被检体，可以从不存在衰减元件305的情况下的成像导出透射率A。

另一方面，由于X射线吸收体中的密度分布是已知的，因此，可以从以上的式3表示的密度差导出衰减器单元305上的位置偏移(d)。

即，可以从基准X射线401和X射线402的检测强度之间的关系估计由被检体304造成的折射所导致的微细位置偏移。

接下来，以下描述该实施例中的算术处理。

图5是算术处理的流程图。

首先，在第一步骤S100中，获得关于已通过衰减器单元305的各X射线束的强度的信息。

在第二步骤S101中，处理器单元307从关于与狭缝节距方向垂直的方向上的各像素中的强度的信息，计算各X射线束相对于基准X射线401的位置偏移d。

可通过式3估计位置偏移(d)。由于X射线吸收体中的密度分布是已知的，因此可从式3所示的密度差估计衰减器单元305上的位置偏移(d)。

否则，透射X射线强度和位置偏移(d)之间的对应关系的表被存储于处理器单元307等中，并且，可通过参照数据表从测量强度估计位置偏移(d)。通过移动衰减器单元305或分离元件303并检测位置中的每一个处的透射X射线强度，可对于各衰减元件404准备该数据表。在准备数据表时，替代移动分离元件303，可以采用具有与分离元件303相同的狭缝宽度的单狭缝，并且，在衰减元件404的各位置处检测透射X射线强度。

在第三步骤S102中，计算各X射线束的折射角(Δθ)。根据以下的式4从位置偏移(d)以及被检体304和衰减器单元305之间的距离(Z)计算各X射线束的折射角(Δθ)：

$\mathrm{\Δ\θ}={\tan }^{-1}\left(\frac{d}{Z}\right)$ 式4

折射角(Δθ)和微分相位(

)在式5的关系中。

$\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dx}}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ\θ}$ 式5

在式中，λ表示X射线的波长。当X射线是连续波时，λ表示有效波长。

接下来，在第四步骤S103中，根据以上的式5对于各像素在与狭缝节距方向垂直的方向上计算微分相位(

)，以获得微分相位信息。

接下来，在第五步骤S104中，在X方向上对由以上计算获得的微分相位(

)中的每一个进行积分以获得相位信息。在步骤S105中，可以在显示单元108中显示计算的微分相位衬度图像和相位衬度图像。

通过以上的构成，可以检测到X射线的微小位置偏移，这使得能够实现被检体304和检测器306之间的较短距离。因此，与专利文献1中公开的折射衬度方法的装置相比，该装置可被小型化。并且，分离元件303的使用使得能够实现相位量和微分相位量的量化。并且，由于使用不具有X射线遮蔽区域的透射型衰减器单元305，因此该构成不具有不能感测的区域。

通过在被检体304和检测器306之间具有更长距离的以上构成，可以检测到X射线的更微细的位置偏移。

并且，由于通过利用X射线折射效果来检测相位偏移，因此X射线不需要是高度相干的。

(实施例3)

该实施例3描述采用与实施例2中的衰减器单元不同的衰减器单元的X射线成像装置的构成。该实施例中的装置的基本构成与用于描述实施例2的图3中所示的基本构成相同。

图6示意性地示出实施例3的构成。

附图标记601表示在不存在被检体304的情况下分离的X射线束。该基准X射线601优选被引至X方向上的衰减元件604的中心。附图标记602表示由被检体304折射的X射线束。

如图6所示，衰减器单元603由各具有三角棱柱的形状的衰减元件604的布置构成。该衰减元件604具有均匀的有效射线吸收系数，并具有在与X射线引入垂直的方向上连续改变的厚度。

由于衰减元件604具有三角棱柱的形状，因此，透射X射线的光路长度在衰减元件604内在X方向上改变，这依赖于X方向上的X射线入射位置而改变X射线的吸收(透射)量。

已通过衰减元件604的基准X射线601的强度由以下的式6表示：

$I=I_0{e}^{-\mathrm{\μ}{l}_0}$ 式6

在上式中，符号I₀表示在空间上通过分离元件303分离的X射线束的强度，符号μ表示衰减元件604的有效线性吸收系数，并且符号l₀表示通过衰减元件604的基准X射线束601的光路长度。

另一方面，已被被检体304折射并且已通过衰减元件604的X射线束602的强度由以下的式7表示：

I′＝I₀Ae^-μl    式7

在上式中，符号A表示通过被检体304的X射线的透射率，符号l表示通过衰减元件604的X射线束602的光路长度。

从式6、式7和衰减元件604的顶角α，衰减器单元305上的被检体所导致的X射线束的位置偏移d由以下的式8表示：

$d=\frac{1}{\mathrm{\μ}}\ln \left(\frac{I^{\′}}{\mathrm{IA}}\right)\tan \mathrm{\α}$ 式8

当被检体304的X射线吸收效果极小时，A的值为1，并且，当吸收效果不可忽略时，可从不存在衰减器单元305的情况下的成像导出A的值。

即，可以从基准X射线束601和折射X射线束602的检测强度之间的关系导出由被检体304造成的折射所导致的微小位置偏移d。

衰减元件604的三角棱柱使得能够在衰减元件604的任何位置处基于基准X射线601与折射X射线602的比来估计位置偏移d。

通过检测器306来检测已透射通过衰减器单元305的X射线。从检测到的数据，用与在实施例2中采用的计算器单元307类似的计算器单元307来计算与狭缝节距方向垂直的方向上的各元件中的X射线的微分相位(

)和相位(

)。通过显示单元308显示微分相位衬度图像和相位衬度图像。

在没有式8的情况下，可参照关于检测强度对于位置偏移d的关系单独地准备的数据表，从实际测量中的强度信息估计位置偏移d。可通过对于衰减元件604中的每一个使衰减器单元305或分离元件303移位而检测透射X射线束的强度来准备该数据表。在数据表的准备中，作为使分离元件303移位的替代，可以采用具有与分离元件303相同的宽度的单狭缝，用于检测衰减元件604的位置上的透射X射线强度。

这种构成使得能够检测X射线束的极微小的位置偏移，从而使得被检体304和检测器306之间的长距离不是必需的，并且使得能够实现成像装置的小型化。并且，作为不包含X射线遮蔽区域的透射型的该构成的衰减器单元305没有不能感测的区域。

通过该构成，可通过使被检体304和检测器306之间的距离变长，来检测由折射导致的X射线束的更微细的位置偏移。

并且，由于通过X射线束的折射效果来检测相位偏移，因此，X射线不需要是高度相干的。

(实施例4：弯曲形状的衰减元件)

该实施例4描述形状与实施例3不同的衰减元件。

图7A示出实施例4的衰减器单元的构成。图7B示出衰减器单元的衰减元件的构成。

具有随着折射X射线束702自基准X射线束701的位置的位置偏移连续变化的形状的衰减元件能够通过检测器305检测位置偏移作为X射线强度变化。但是，当光路长度的变化对于折射X射线的位置偏移是线性的时，检测到的X射线强度相对于位置偏移以指数的方式明显改变，并且，仅可在有限的窄范围中进行位置偏移的有效检测。因此，在该实施例中，光路长度的变化对于折射X射线的位置偏移不是线性的，而是具有给出其二阶微分的正值的形状。

图7B是衰减元件703的示意性放大图。在图7B中，由折射导致的位置偏移的方向取在X轴方向上，并且，与其垂直的X射线束的光路取在Y轴方向上。

已透射通过被检体的X射线束从基准X射线束709至折射X射线束705被偏移Δx(附图标记704)。衰减元件703具有给出透射通过衰减元件703的折射X射线束的光路长度t(x)706对于X射线束入射位置的正的二阶微分d²t(x)/dx²的形状。特别地，当光路长度706的变化是指数的时，光路长度t(x)由以下的式9表示。

t(x)＝AR·s[1-ln(X+1)/ln(s+1)]    式9

这里，符号s表示衰减元件703在x轴方向上的长度，AR表示衰减元件703的纵横比(aspect ratio)。上式中的符号s在图7B中由附图标记707表示。纵横比AR由以下的式10表示：

AR＝L/s                           式10

这里，L表示由附图标记708表示的y轴方向上的长度。当衰减器单元和X射线检测器单元被放置得相互接近时，符号s(附图标记707)是X射线检测器单元的分辨率的整数倍，而当它们不相互接近时，s的值被调整，使得衰减元件703到检测面上的投影是X射线检测器单元的分辨率的整数倍。

当光路长度706的变化是线性的时，光路长度t(x)由以下的式11表示：

t(x)＝AR(s-x)                         式11

该光路长度t(x)的二阶微分为零。

关于检测器的动态范围DR，由检测器测量的X射线的强度I(x)由式12表示：

I(x)＝DR·exp(-t(x)/l_ex)              式12

这里，l_ex表示衰减元件703的材料对于X射线的衰减长度。另一方面，当衰减元件703中的光路长度的变化是指数的时，由检测器检测的X射线的强度I(x)由以下的式13表示：

I(x)＝DR·exp[-AR·s{1-ln(x+1)/ln(s+1)}/l_ex]

＝DR·e^-a(x+1)^b                       式13

这里，a和b分别由式14和式15表示：

a＝AR·s/l_ex                          式14

b＝a/ln(s+1)＝AR·s/(l_ex·ln(s+1))    式15

通过选择衰减元件703的纵横比和材料将b的值调整为接近1，检测强度的变化变为线性的。通过将强度变化调整为线性的，与强度的指数的迅速变化相比，可使得检测强度的变化是平缓的(gradual)。

接下来，将衰减元件703中的光路长度706的指数变化(强度变化是线性的)与光路长度的线性变化(强度变化是指数的)相比较。

在以下的计算中，从X射线产生器单元发射的X射线是Mo的特征X射线。衰减元件703的x轴方向上的长度s(附图标记707)和动态范围DR分别依赖于检测器306的分辨率和动态范围。在该实施例中，采用的检测器是X射线平板检测器，并且，s＝100μm，DR＝5000cps，并且，检测的积分时间为1秒。

对于衰减元件703，为了入射位置偏移的足够的强度变化，想要元件的两端之间的约100倍(a factor of about 100)的强度变化，并且，为了可加工性，AR被选择为约为1。即，根据式子：l_ex＝-ln(1/100)/(AR·s)来选择约22μm的衰减长度l_ex的材料。用于衰减元件的这种材料的例子是l_ex＝22.8μm的Cu。

这里，检测强度I(x)的有效检测范围是I(x)的微分比作为统计误差的I(x)的平方根大的范围。有效检测范围对于X轴方向上的长度s的比由“eff”表示。因此，当位置偏移的检测遍及衰减元件703的整个区域都有效时，eff＝1。

在图8中，图线81示出针对衰减元件703的光路长度706的变化为对数函数类型(式9)的情况的eff对于纵横比AR的依赖性，并且，图线82针对该变化为线性函数类型(式11)的情况。

从曲线图可见，当光路长度变化为对数函数类型时，通过将纵横比AR调整在从约1.5至2.5的范围中，可以实现eff＝1，而当光路变化为线性函数类型时，即使纵横比AR被调整，eff的改善也限于约eff＝0.5。

在图9A中，图线91示出对于纵横比1.5处的光路长度706的对数函数类型变化的测量强度变化，图线92示出对于纵横比0.85处的光路长度706的线性函数类型变化的变化。

图9B示出图9A所示的强度变化的微分和平方根(统计误差)。图线93示出对数函数类型的强度变化的微分，图线95示出其统计误差。图线94示出线性函数类型的强度变化的微分，图线96示出其统计误差。

如以上的曲线图所示，与线性类型的相比，由对数类型的纵横比导致的测量强度变化是平缓的，并且，遍及元件的整个区域，测量强度变化的微分比统计误差大：即，eff＝1。

当光路长度的变化为对数函数类型时，即使当纵横比AR被固定为1，也可通过将衰减长度l_ex调整为约1.4来实现eff＝1。

可通过像Cu那样的纯金属来调整衰减长度l_ex，但也可通过合金或金属混合物来调整它。因此，合金优选为固溶体。但是，具有与X射线束的截面尺寸相比x轴方向上的长度足够小的微结构的材料是有用的。纯金属、合金或金属混合物可通过多孔结构改变密度，以调整衰减长度l_ex。多孔结构优选具有相对于长度s(附图标记707)和折射X射线束702的截面尺寸足够小的孔隙尺寸。

衰减元件可由如图10所示的对置的柱面构成。例如，由Cu形成的X射线衰减部件1001被支撑板1002支撑。支撑板1002可由具有实际上将不导致X射线吸收的厚度的树脂构成。在图10所示的衰减器单元中，在相邻的衰减元件之间，相同方向上的折射X射线束自基准X射线1003的位置偏移被检测作为相反指向(sense)上的强度变化。在该衰减元件中，光路变化的二阶微分是正的。

(实施例5：计算层析摄影术)

该实施例5描述了用于基于计算层析摄影术(CT)的原理获得三维相位分布的装置的构成。

图11示意性地示出该实施例中的CT装置的构成。

在图11中，附图标记表示以下的部件：1101，X射线源；1103，分离元件；1104，被检体；1105，衰减器单元；1106，X射线检测器；1107，计算器单元；以及1108，显示单元。

在该实施例的CT装置中，X射线源1101、分离元件1103、衰减器单元1105和X射线检测器1106可通过移动机构绕着被检体1104同步移动。

在空间上通过分离元件1103分离的X射线束被投影到被检体1104，并且，透射的X射线束被引入衰减器单元1105中。

衰减器单元1105检测由被检体1104造成的折射所导致的分离X射线的微小位置偏移。通过X射线检测器1106检测已透射通过衰减器单元1105的X射线。

通过绕着被检体同步移动X射线源1101、分离元件1103、衰减器单元1105和X射线检测器1106，收集被检体1104的投影数据。否则，被检体1104被旋转，而X射线源1101、分离元件1103、衰减器单元1105和X射线检测器1106被固定，以收集投影数据。

接下来，下面描述该实施例中的计算处理。

图12是计算处理的流程图。

在第一步骤S200中，收集关于已透射通过衰减器单元1105的X射线束的强度的信息。

在第二步骤S201中，从各X射线束的强度计算X射线束自基准X射线束的位置偏移(d)。

在第三步骤S202中，从位置偏移(d)以及被检体1104和衰减器单元1105之间的距离(Z)导出X射线束的折射角(Δe)。

在第四步骤S203中，从折射角(Δθ)计算各X射线束的微分相位(

)。

在第五步骤S204中，通过X方向上对微分相位(

)的积分计算相位(

)。

对于全部的投影数据重复以上的从S201至S204的操作的系列。

接下来，在第六步骤S205中，通过计算层析摄影术中的图像重构方法(例如，滤波器背投影方法)从全部投影数据的相位衬度图像获得层析图像。

在步骤S206中，通过显示单元1108显示层析图像。

该构成使得能够实现装置的小型化，并且，通过利用折射效果，排除了使用高度相干的X射线的必要性。该CT装置使得能够非破坏性地形成被检体的三维图像。

[例子]

以下描述本发明的例子。

[例子1]

例子1描述本发明的X射线成像装置的构成。

图13示意性地示出该例子的构成。

在图13中，附图标记表示以下的部件：1301，X射线源；1302，单色器；1303，分离元件；1304，被检体；1305，衰减器单元；1306，X射线检测器；1307，处理器单元；以及1308，显示单元。

在该例子中，X射线源1301是Mo靶旋转对阴极型的X射线产生装置。

为了使得X射线单色化，使用高度取向热解石墨(HOPG)的单色器1302，并且，提取Mo的特征X射线部分。

来自单色器1302的单色X射线在空间上通过放置得离开X射线源100cm的分离元件1303被分离。

该分离元件1303是衰减器单元1305上的W为40μm宽、100μm厚、狭缝节距为150μm的狭缝的布置。

替代作为用于分离元件的材料的W，可以使用Au、Pb、Ta、Pt等。

来自分离元件1303的X射线束被投影到被检体1304上。然后，已透射通过被检体1304的X射线束被引至放置得离开被检体1304有50cm的衰减器单元1305。

衰减器单元1305具有这样的结构：其中，在1mm厚的碳基板上以150μm的节距布置高75μm的Ni的三角棱柱。

衰减器单元被放置为使得被分离元件1303分离的X射线束分别被引至节距方向上的三角棱柱的中心。

通过被放置为接近衰减器单元1305的作为检测器单元的X射线检测器1306检测已透射通过衰减器单元1305的X射线束的强度。

X射线检测器1306是具有尺寸为50μm×50μm的像素的平板型检测器。棱柱节距方向上的三个像素处的X射线强度的和被取为一个衰减元件的X射线强度。

在不存在被检体1304的情况下进行相同的成像。从通过被检体的存在导致的X射线束的强度的变化，通过处理器单元1307基于初步测量的衰减器单元的各位置处的X射线透射率的数据库来计算各X射线束的位置偏移(d)。从其在与狭缝节距方向垂直的方向上根据式4来计算衰减元件中的每一个中的折射角(Δe)。

从折射角(Δθ)，根据式5计算微分相位量，并且，微分相位量在空间上被积分以获得相位分布图像。

在作为显示单元1308的PC监视器中显示通过处理器单元1307获得的X射线微分相位衬度图像和X射线相位衬度图像。

[例子2]

该例子2描述本发明的X射线成像装置的另一构成。

图14示意性地示出该例子的构成。

在图14中，附图标记表示以下的部件：1401，X射线源；1404，被检体；1405，衰减器单元；1406，X射线检测器；以及1408，显示单元。

在该例子中，X射线源1401是Mo靶旋转对阴极型的X射线产生装置。

通过X射线源1401产生的X射线被投影到放置得离开X射线源1401有100cm的被检体1404。已透射通过被检体1404的X射线被引至放置得离开被检体1404有50cm的衰减器单元1405。

衰减器单元1405具有以150μm的节距布置于1mm厚的碳基板上的75μm高的Ni的三角棱柱。

通过接近衰减器单元1405放置的作为检测器单元的X射线检测器1406来检测已透射通过衰减器单元1405的X射线束的强度。

X射线检测器1406是具有50μm×50μm的尺寸的像素的平板型检测器。

从以相同的方式在不存在被检体的情况下形成的图像通过数学处理获得被检体的图像，并且，在作为显示单元1408的PC监视器上显示获得的图像。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但要理解，本发明不限于公开的示例性实施例。所附的权利要求的范围要被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。

本申请要求在2008年10月24日提交的日本专利申请No.2008-273859和在2009年6月1日提交的日本专利申请No.2009-132096的权益，在此通过引用而并入它们的全部内容。

Claims (10)

1.一种X射线成像装置，用于获得关于由被检体导致的X射线的相位偏移的信息，所述X射线成像装置包括：

分离元件，用于将从X射线产生器单元发射的X射线在空间上分离成X射线束；

衰减器单元，具有用于接收被分离元件分离的X射线束的衰减元件的布置；以及

强度检测器单元，用于检测被衰减器单元衰减的X射线束的强度；并且

衰减元件依赖于衰减元件上的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。

2.根据权利要求1的X射线成像装置，其中，所述装置具有：计算单元，用于从由强度检测器单元检测到的X射线强度信息计算被检体的微分相位衬度图像或相位衬度图像。

3.根据权利要求1或2的X射线成像装置，其中，衰减元件具有在与入射的X射线垂直的方向上连续改变的厚度。

4.根据权利要求3的X射线成像装置，其中，衰减元件具有三角棱柱的形状。

5.根据权利要求1或2的X射线成像装置，其中，衰减元件具有在与入射的X射线垂直的方向上连续变化的密度。

6.根据权利要求1至3中任一项的X射线成像装置，其中，衰减元件具有使衰减元件中的光路长度对于X射线入射位置的二阶微分值为正的形状。

7.根据权利要求1至6中任一项的X射线成像装置，其中，所述装置具有：移动机构，用于同步移动X射线产生器单元、分离元件、衰减器单元和强度检测器单元。

8.一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，包括：

在空间上分离X射线；以及

通过使用具有衰减元件的布置的衰减器单元，从已透射通过衰减元件的X射线的强度收集关于由被检体导致的X射线相位偏移的信息；并且

衰减元件对应于所述元件中的X射线入射位置连续改变X射线的透射量。

9.一种X射线成像装置，包括：

X射线产生器单元，用于产生X射线；

衰减器单元，具有多个衰减元件的布置，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度；以及

X射线强度检测器，用于检测已被衰减器单元衰减的X射线的强度。

10.一种用X射线成像装置进行X射线成像的方法，所述方法采用具有多个衰减元件的布置的衰减器单元来检测通过衰减元件的X射线的强度分布的变化，所述多个衰减元件各具有根据已透射通过被检体的X射线的强度分布来连续改变X射线的透射量的吸收能力梯度。

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