CN103068310A - 放射线摄影系统及其图像处理方法 - Google Patents

Abstract

一种防止由于在对应于X射线图像检测器的信号线的方向上产生的条纹状噪声而引起的相位对比度图像的图像质量劣化的X射线摄影系统。该X射线摄影系统具有X射线源、第1和第2吸收型光栅以及平板检测器（FPD），在使第2吸收型光栅相对于第1吸收型光栅在与其光栅线方向垂直的x方向上移动的同时进行多次摄影。FPD在x方向和与其垂直的y方向上排列有像素，在x方向上排列的像素组利用电荷读出用信号线进行公共连接。相位微分像生成部根据通过上述多次摄影得到的多张图像数据，生成相位微分像。相位对比度图像生成部通过在与FPD的信号线对应的方向上对由相位微分像生成部生成的相位微分像进行积分，生成相位对比度图像。

Description

放射线摄影系统及其图像处理方法

技术领域

本发明涉及利用放射线进行被检体的摄影的放射线摄影系统及其图像处理方法，尤其涉及使用了条纹扫描法的放射线摄影系统及其图像处理方法。

背景技术

放射线、例如X射线具有取决于构成物质的元素的原子序数、物质的密度以及厚度而衰减的特性。着眼于该特性，在医疗诊断或无损检测等领域中，X射线已经被广泛用于透视被检体内部用的探测器。

在一般的X射线摄影系统中，被检体被配置于放射X射线的X射线源和检测X射线的X射线图像检测器之间，以拍摄被检体的透射像。在此情况下，从X射线源向X射线图像检测器放射的X射线在受到与存在于到X射线图像检测器的路径中的物质的特性（原子序数、密度和厚度）差异对应的量的衰减（吸收）后，入射到X射线图像检测器的各像素（X射线转换元件）。其结果，通过X射线图像检测器检测到被检体的X射线吸收像并将其图像化。作为X射线图像检测器，除了光可激励荧光体面板（stimulable phosphor panel）以外，还广泛采用使用了半导体电路的平板检测器（FPD：Flat Panel Detector）。

越是由原子序数小的元素构成的物质，X射线吸收能力就越低，因此在生物体软组织或者软材料等中，存在不能得到作为X射线吸收像的足够的图像深浅（对比度）的问题。例如，构成人体关节的软骨部及其周边的关节液的大部分成分均是水，两者的X射线吸收量的差异较小，因此难以获得深浅差。

以这种问题为背景，近年来，积极进行了替代被检体引起的X射线的强度变化，而得到基于被检体引起的X射线的相位变化（角度变化）的图像（以下称作相位对比度图像）的X射线相位成像的研究。一般而言，在X射线入射到物体时，X射线的相位比X射线的强度示出更高的相互作用，因此在利用了相位差的X射线相位成像中，即使是X射线吸收能力低的弱吸收物体也能够得到高对比度的图像。作为这种X射线相位成像的一种，公知有使用了由2张透射型衍射光栅和X射线图像检测器构成的X射线Talbot干涉仪的X射线摄影系统（例如参照专利文献1、非专利文献1）。

在X射线Talbot干涉仪中，在被检体的背后配置第1衍射光栅，在相隔由第1衍射光栅的光栅节距和X射线波长确定的Talbot干涉距离的下游位置处配置第2衍射光栅，并在该第2衍射光栅的背后配置了X射线图像检测器。Talbot干涉距离是指通过第1衍射光栅后的X射线利用Talbot干涉效应形成自身像（条纹图像）的距离。该自身像通过配置于X射线源与第1衍射光栅之间的被检体引起的X射线的相位变化而受到调制。

在该X射线摄影系统中，根据利用第1衍射光栅的自身像与第2衍射光栅的重叠而进行了强度调制的条纹图像中由被检体导致的变化，通过条纹扫描法，取得被检体的相位对比度图像。所谓条纹扫描法，是指使第2衍射光栅相对于第1衍射光栅，在与第1衍射光栅的面大致平行、并且与第1衍射光栅的光栅线方向大致垂直的方向上，在以对光栅节距进行等分而得到的扫描节距进行平移（扫描）的同时在各扫描位置处进行摄影，根据由X射线图像检测器得到的各像素的像素数据相对于上述扫描位置的强度变化的相位偏差量，取得相位微分像。该相位微分像与在被检体处进行折射后的X射线的角度分布对应。通过沿着条纹扫描方向对相位微分像进行积分，而得到被检体的相位对比度图像。另外，像素数据通过上述扫描来周期性地调制强度。将对于上述扫描的多个像素数据的组称作“强度调制信号”。该条纹扫描法还能够在利用了激光的摄影装置中使用（例如参照非专利文献2）。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特许第4445397号公报

非专利文献

非专利文献1：C.David,et al.,Applied Physics Letters,Vol.81,No.17,2002年10月，3287页

非专利文献2：Hector Canabal,etal.,Applied Optics,Vol.37,No.26,1998年9月，6227页

发明内容

发明所要解决的课题

在用于X射线摄影系统的X射线图像检测器中，有TFT方式和光开关方式（光读取型）等，但在各种方式中均将像素排列成二维矩阵状，成为如下结构：在一个方向上排列的像素通过同一信号线（读出线）输出信号电荷，通过积分放大器等检测电路和/或A/D转换器得到像素值。因此，由于信号线、检测电路和A/D转换器等的特性差引起的偏置和/或线性（像素值相对于电压的线性）等特性，针对共用同一信号线的像素组的各像素值，附加同一噪声。因此，在利用X射线图像检测器得到的图像中，如图13所示，在信号线方向上产生条纹状的噪声，从而图像产生不均。

这种条纹状的图像不均还在相位微分像中产生，使相位对比度图像的图像质量劣化，但在以往的X射线摄影系统中，没有对上述那样的图像不均实施任何对策。

本发明的目的在于，提供能够减少由于在对应于X射线图像检测器的信号线的方向上产生的条纹状噪声引起的相位对比度图像的图像质量劣化的放射线摄影系统及其图像处理方法。

用于解决课题的手段

为了达到上述目的，本发明的放射线摄影系统具有第1光栅、强度调制部、放射线图像检测器、相位微分像生成部和相位对比度图像生成部。第1光栅使从放射线源照射的所述放射线通过而生成第1周期图案像。强度调制部对所述第1周期图案像施加强度调制而生成第2周期图案像。放射线图像检测器沿着所述第1光栅的光栅线方向及其垂直方向二维排列有像素，通过电荷读出用信号线公共地连接排列在所述垂直方向上的像素组，检测所述第2周期图案像而生成图像数据。相位微分像生成部根据所述图像数据生成相位微分像。相位对比度图像生成部通过在与所述信号线对应的方向上对所述相位微分像进行积分而生成相位对比度图像。

所述强度调制部在相位不同的多个相对位置对所述第1周期图案像施加强度调制而生成多个第2周期图案像，所述放射线图像检测器检测各所述第2周期图案像，生成多个图像数据。所述相位微分像生成部根据所述多个图像数据，计算强度调制信号的相位偏差量而生成所述相位微分像，其中，该强度调制信号表示像素数据相对于所述相对位置的强度变化。

所述放射线图像检测器是经由TFT将针对每个像素由放射线生成的电荷读出到所述信号线的TFT型放射线图像检测器。

所述强度调制部具有第2光栅，其具有与所述第1周期图案像相同方向的周期图案。所述强度调制部使所述第1光栅和所述第2光栅中的任意一方以预定节距与所述信号线平行地移动。

所述第1光栅和所述第2光栅是吸收型光栅。所述第1光栅将来自所述放射线源的放射线作为所述第1周期图案像线性地投影到所述第2光栅。

所述第1光栅是相位型光栅。所述第1光栅可以利用Talbot干涉效应，将来自所述放射线源的放射线作为所述第1周期图案像形成于所述第2光栅的位置处。

所述放射线图像检测器优选为兼用作所述强度调制部的光读取型。该放射线图像检测器将所述第1周期图案像记录为静电潜像，通过对所记录的静电潜像扫描读取光来检测所述第2周期图案像，并将其作为图像数据读出。

所述放射线图像检测器在所述第1周期图案像的周期图案方向上以比该周期短的节距扫描读取光。

本发明的放射线摄影系统优选在所述放射线源的出射侧还具有线源光栅。

本发明的放射线摄影系统优选还具有拆装自如地固定放射线图像检测器的固定件。

本发明的放射线摄影系统优选具有防误装单元，该防误装单元防止在所述信号线的方向与所述光栅线方向垂直的朝向以外的朝向上，将所述放射线图像检测器安装到所述固定件。

本发明的放射线摄影系统还优选具有防误照射单元，该防误照射单元在所述信号线的方向与所述光栅线方向垂直的朝向以外的朝向上将所述放射线图像检测器安装到所述固定件时，禁止从所述放射线源照射放射线。

本发明的图像处理方法用于具有如下部件的放射线摄影系统：第1光栅，其使从放射线源照射的所述放射线通过而生成第1周期图案像；强度调制部，其对所述第1周期图案像施加强度调制来生成第2周期图案像；以及放射线图像检测器，其沿着所述第1光栅的光栅线方向及其垂直方向二维排列有像素，通过电荷读出用信号线公共地连接排列在所述垂直方向上的像素组，检测所述第2周期图案像而生成图像数据。本发明的图像处理方法具有如下步骤：根据所述图像数据生成相位微分像；以及通过在与所述信号线对应的方向上对所述相位微分像进行积分来生成相位对比度图像。

发明的效果

本发明通过在与放射线图像检测器的电荷读出用信号线对应的方向上对由相位微分像生成部生成的相位微分像进行积分，生成相位对比度图像，因此能够减少由于在对应于信号线的方向上产生的条纹状噪声引起的相位对比度图像的图像质量劣化。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施方式的X射线摄影系统的结构的示意图。

图2是示出平板检测器（FPD）的结构的框图。

图3是示出FPD以及固定件的立体图。

图4是示出第1和第2吸收型光栅的结构的说明图。

图5是用于说明条纹扫描法的说明图。

图6是示出有被检体时和没有被检体时的强度调制信号的曲线图。

图7是示出本发明的第2实施方式的FPD和固定件的立体图。

图8是示出本发明的第3实施方式使用的多狭缝的立体图。

图9是示出本发明的第4实施方式的FPD的结构的示意图。

图10是示出本发明的第6实施方式的FPD的结构的说明图。

图11A是说明本发明的第6实施方式的FPD的摄影动作的说明图。

图11B是说明本发明的第6实施方式的FPD的摄影动作的说明图。

图12是说明本发明的第6实施方式的FPD的读取处理的说明图。

图13是示出利用FPD得到的图像数据的一例的图。

具体实施方式

（第1实施方式）

在图1中，本发明的第1实施方式的X射线摄影系统10由X射线源11、摄影部12、存储器13、图像处理部14、图像记录部15、摄影控制部16、控制台17和系统控制部18构成。X射线源11向被检体H照射X射线。摄影部12与X射线源11相对配置，检测从X射线源11透射被检体H后的X射线并生成图像数据。存储器13存储从摄影部12读出的图像数据。图像处理部14对存储在存储器13中的多个图像数据进行图像处理来生成相位对比度图像。图像记录部15对由图像处理部14生成的相位对比度图像进行记录。摄影控制部16进行X射线源11和摄影部12的控制。控制台17具有操作部和监视器。系统控制部18根据从控制台17输入的操作信号统一控制X射线摄影系统10的整体。

X射线源11由高电压产生器、X射线管和准直器（均未图示）等构成，根据摄影控制部16的控制，将X射线照射到被检体H。例如，X射线管是旋转阳极型，根据来自高电压产生器的电压，从热丝释放出电子束，通过使电子束碰撞以预定速度旋转的旋转阳极，而产生X射线。旋转阳极进行旋转，以减轻电子束持续打到固定位置而产生的劣化。电子束的碰撞部分成为放射X射线的X射线焦点。准直器限制照射区域，以遮蔽从X射线管发出的X射线中的、不会有助于被检体H的检查区域的部分。

在摄影部12中，设置有由半导体电路构成的平板检测器（FPD）20，以及用于检测被检体H引起的X射线的相位变化（角度变化）来进行相位成像的第1吸收型光栅21和第2吸收型光栅22。FPD20配置成检测面20a与沿着从X射线源11照射的X射线的光轴LA的方向（以下称作z方向）垂直。

第1吸收型光栅21在与z方向以及y方向垂直的方向（以下称作x方向）上，以预定的节距p₁排列有在与z方向垂直的面内的一个方向（以下称作y方向）上延伸的多个X射线遮蔽部（X射线高吸收部）21a。同样，第2吸收型光栅22在x方向上以预定的节距p₂排列有在y方向上延伸的多个X射线遮蔽部（X射线高吸收部）22a。作为X射线遮蔽部21a、22a的材料，优选为X射线吸收性优异的金属，优选为例如金（Au）或铂（Pt）。

此外，在摄影部12中设置有扫描机构23，该扫描机构23通过使第2吸收型光栅22在与光栅线方向（y方向）垂直的方向（x方向）上平移，而改变第2吸收型光栅22相对于第1吸收型光栅21的相对位置。扫描机构23由压电元件等致动器构成。扫描机构23在后述的条纹扫描时，基于摄影控制部16的控制而被驱动。具体内容将后述，但在存储器13中，分别存储有在条纹扫描的各扫描步骤中由摄影部12得到的图像数据。另外，第2吸收型光栅22和扫描机构23构成了强度调制部。

图像处理部14具有相位微分像生成部30和相位对比度图像生成部31。相位微分像生成部30根据在利用扫描机构23进行的条纹扫描的各扫描步骤中由摄影部12拍摄并存储在存储器13中的多个图像数据，生成相位微分像。相位对比度图像生成部31通过沿着扫描方向（x方向）对由相位微分像生成部30生成的相位微分像进行积分，生成相位对比度图像。由相位对比度图像生成部31生成的相位对比度图像在记录到图像记录部15中后，输出到控制台17并显示在监视器（未图示）上。

控制台17除了监视器以外，还具有操作者输入摄影指示及其指示内容的输入装置（未图示）。例如使用开关、触摸面板、鼠标、键盘等作为该输入装置。通过输入装置的操作，输入X射线管的管电压和X射线照射时间等X射线摄影条件、摄影定时等。监视器由液晶显示器或CRT显示器构成，对X射线摄影条件等文字和/或上述相位对比度图像进行显示。

在图2中，FPD20由以下部件构成：显像部41，其是由多个像素40沿着x方向和y方向二维排列在有源矩阵基板上而构成的，该多个像素40将X射线转换为电荷并进行蓄积；门驱动器42，其控制从像素40读出电荷的定时；以及读出电路43，其从像素40读出电荷，将电荷转换为数字形式的图像数据并输出。

像素40具有：像素电极40a，其对由于非晶硒等X射线转换层（未图示）转换X射线而产生的电荷进行收集；以及作为开关元件的薄膜晶体管（TFT）40b。TFT40b的栅电极与栅极扫描线44连接，源电极以及漏电极的一方与信号线45连接，另一方与像素电极40a连接。栅极扫描线44与信号线45被布线成格栅状。栅极扫描线44与门驱动器42连接，信号线45与读出电路43连接。像素40的排列节距在x方向和y方向上分别为100μm左右。

排列在y方向上的像素40的TFT40b与公共的栅极扫描线44连接，通过接通一个栅极扫描线44，经由信号线45输出与该栅极扫描线44连接的像素40的电荷，并输入到读出电路43。门驱动器42由移位寄存器等构成，其依次接通栅极扫描线44。此外，排列在x方向上的像素40与同一信号线45连接，并经由该信号线45将电荷输出到读出电路43。

读出电路43由积分放大器46、多路复用器（MUX）47和A/D转换器48构成。积分放大器46与各信号线45连接，对从像素40经由信号线45传送的电荷进行积分，转换为电压信号并输出。按照每多个积分放大器46连接1个多路复用器（MUX）47，并且在各MUX47的输出侧连接有1个A/D转换器48。

MUX47从所连接的多个积分放大器46中依次选择1个积分放大器46，并将从所选择的积分放大器46输出的电压信号输入到A/D转换器48。A/D转换器48将所输入的电压信号进行数字化并输出。

另外，上述X射线转换层可以是间接转换型，其在由氧化钆（Gd₂O₃）或碘化铯（CsI）等形成的闪烁器（未图示）中将X射线临时转换为可见光，并在光电二极管（未图示）中将转换后的可见光转换为电荷。此外，在本实施方式中，使用TFT面板构成了FPD20，但也能够使用CCD传感器或CMOS传感器等固体摄像元件构成。

在图3中，FPD20构成为可拆装自如地固定于固定件51，该固定件51与收纳有第1和第2吸收型光栅21、22的光栅模块50一体形成。在FPD20上，以覆盖检测面20a的外周的方式设置有框体52。固定件51设置有：可在侧部插入FPD20的侧部开口51a；以及前面开口51b，在插入FPD20时，该前面开口51b使FPD20的检测面20a露出。

在框体52的上部，沿着上边形成有线状的槽部53。在固定件51上形成有线状的突起54，以便与槽部53卡合。槽部53和突起54仅设置有1组，因此FPD20仅能够在该图所示的方向上安装于固定件51。FPD20在该图所示的方向以外的方向上，由于突起54的妨碍而不能插入。

固定件51仅能够将FPD20安装成其信号线45与第1和第2吸收型光栅21、22的光栅线方向垂直（换言之，信号线45与扫描机构23的扫描方向平行），槽部53和突起54作为防误装单元发挥功能。

在图4中，第1吸收型光栅21的X射线遮蔽部21a在x方向上以预定的节距p₁相互隔开预定间隔d₁进行排列，在间隔d₁的部分设置有X射线低吸收部21b。同样，第2吸收型光栅22的X射线遮蔽部22a在x方向上以预定的节距p₂相互隔开预定间隔d₂进行排列，在间隔d₂的部分设置有X射线低吸收部22b。第1和第2吸收型光栅21、22对入射X射线赋予强度差，而不赋予相位差，也被称作振幅型光栅。X射线低吸收部21b、22b优选为由硅（Si）或聚合物等形成，而且还可以是空隙。

第1和第2吸收型光栅21、22构成为对通过X射线低吸收部21b、22b后的X射线线性（按几何光学方式）地进行投影。具体而言，构成为将间隔d₁、d₂设为与从X射线源11照射的X射线的峰值波长相比足够大的值，使得照射X射线所包含的大部分的X射线不由X射线低吸收部21b、22b衍射，而在保持直线传播性的状态下通过。例如，在使用钨作为上述X射线管的旋转阳极，并将管电压设为50kV的情况下，X射线的峰值波长为大约

该情况下，如果将间隔d₁、d₂设为1～10μm左右，则大部分的X射线被线性投影，而不由X射线低吸收部21b、22b衍射。光栅节距p₁、p₂为2～20μm左右。

从X射线源11照射的X射线不是平行光束而是以X射线焦点为发光点的圆锥型光束，因此通过第1吸收型光栅21而形成的第1周期图案像（以下称作G1像）与距X射线焦点11a的距离成比例地放大。确定第2吸收型光栅22的光栅节距p₂和间隔d₂，使得X射线低吸收部22b的图案与第2吸收型光栅22的位置处的G1像的亮部的周期图案大体一致。即，在设从X射线焦点11a到第1吸收型光栅21的距离为L₁、从第1吸收型光栅21到第2吸收型光栅22的距离为L₂的情况下，确定为光栅节距p₂和间隔d₂满足下式（1）和（2）的关系。

[式1]

$p_2=\frac{L_1+L_2}{L_1}{p}_1---\left(1\right)$

[式2]

$d_2=\frac{L_1+L_2}{L_1}{d}_1---\left(2\right)$

在Talbot干涉仪的情况下，从第1吸收型光栅21到第2吸收型光栅22的距离L₂被由第1衍射光栅的光栅节距和X射线波长确定的Talbot干涉距离制约，但在本实施方式的摄影部12中，是针对入射X射线、第1吸收型光栅21不进行衍射而进行投影的结构，且在第1吸收型光栅21后方的所有位置处能够相似地得到第1吸收型光栅21的G1像，因此能够与Talbot干涉距离无关地设定该距离L₂。

如上所述，本实施方式的摄影部12不构成Talbot干涉仪，但在假定为在第1吸收型光栅21产生X射线的衍射、且产生Talbot干涉效应时的Talbot干涉距离Z_m使用第1吸收型光栅21的光栅节距p₁、第2吸收型光栅22的光栅节距p₂、X射线波长（峰值波长）λ以及正整数m，用下式（3）表示。

[式3]

$Z_m=m\frac{p_1{p}_2}{\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

在本实施方式中，如上所述能够与Talbot干涉距离Z_m无关地设定距离L₂，因此以摄影部12的z方向上的薄型化为目的，将距离L₂设定为比m=1时的最小Talbot干涉距离Z₁短的值。即，将距离L2设定为满足下式（4）的范围的值。

[式4]

$L_2<\frac{p_1{p}_2}{\mathrm{\&lambda;}}---\left(4\right)$

为了生成对比度高的周期图案像，优选X射线遮蔽部21a、22a完全遮蔽（吸收）X射线，但即便使用了上述的X射线吸收性优异的材料（金、铂等），也存在不少不被吸收而透射的X射线。因此，为了提高对X射线的遮蔽性，优选尽量增厚（即提高纵横比）X射线遮蔽部21a、22a各自的厚度（z方向的厚度）。例如，在X射线管的管电压为50kV的情况下，优选遮蔽照射X射线的90%以上，X射线遮蔽部21a、22a的厚度优选处于10μm～200μm的范围内。

在如上那样构成的第1和第2吸收型光栅21、22中，由第1吸收型光栅21生成的G1像通过与第2吸收型光栅22的重合而被部分遮蔽，通过被强度调制而生成第2周期图案像（以下称作G2像）。通过FPD20拍摄该G2像。

第2吸收型光栅22的位置处的G1像的图案周期和第2吸收型光栅22的光栅节距p₂由于配置误差等而产生了一些差异。由于该微小的差异而在G2像中产生莫尔（Moire）条纹。此外，当在第1和第2吸收型光栅21、22的光栅排列方向上产生误差而使得在排列方向上不相同的情况下，在G2像中产生所谓的旋转莫尔条纹。但是，即使在G2像中产生了这种莫尔条纹的情况下，如果莫尔条纹在x方向或y方向上的周期处于比像素40的排列节距大的范围内，则没有特别的问题。理想上优选不产生莫尔条纹，但如后所述，莫尔条纹能够用于确认条纹扫描的扫描量（第2吸收型光栅22的平移距离）。

当在X射线源11与第1吸收型光栅21之间配置被检体H时，利用FPD20检测的G2像由于被检体H而受到调制。该调制量与由于被检体H的折射效果而偏转的X射线的角度成比例。因此，能够通过对由FPD20检测到的G2像进行分析，而生成被检体H的相位对比度图像。

接着，对G2像的分析方法进行原理性说明。在该图中，例示了根据被检体H的与x方向相关的相移分布Φ（x）折射的1个X射线。标号60示出了在不存在被检体H时直线传播的X射线的路径。在该路径60前进的X射线通过第1和第2吸收型光栅21、22入射到FPD20。标号61示出了在存在被检体H的情况下，由于被检体H折射而偏转的X射线的路径。在该路径61前进的X射线通过第1吸收型光栅21后，被第2吸收型光栅22的X射线遮蔽部22a遮蔽。

当设被检体H的折射率分布为n（x，z)且z为X射线的前进方向时，被检体H的相移分布Φ（x）用下式（5）表示。

[式5]

$\mathrm{\&Phi;}\left(x\right)=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\&Integral;[1-n(x,z)]\mathrm{dz}---\left(5\right)$

从第1吸收型光栅21投影到第2吸收型光栅22的位置处的G1像由于被检体H处的对X射线的折射，而在x方向上移位了与其折射角φ对应的量。基于X射线的折射角φ比较微小的情况，该移位量Δx近似地用下式（6）表示。

[式6]

Δx≈L₂φ…（6）

此处，使用X射线波长λ和被检体H的相移分布Φ（x），用下式（7）表示折射角φ。

[式7]

$\mathrm{\&phi;}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&Phi;}}{\&PartialD;x}---\left(7\right)$

由此，由于被检体H处的对X射线的折射造成的G1像的移位量Δx与被检体H的相移分布Φ（x）关联。并且，该移位量Δx与由FPD20检测的各像素40的强度调制信号的相位偏差量ψ（存在被检体H时和不存在被检体H时的各像素40的强度调制信号的相位偏差量）如下式（8）那样关联。

[式8]

$\mathrm{\&psi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}{L}_2}{p_2}\mathrm{\&phi;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{p_2}\mathrm{\&Delta;x}---\left(8\right)$

因此，通过求出各像素40的强度调制信号的相位偏差量ψ，根据式（8）求出折射角φ，使用式（7）求出相移分布Φ（x）的微分量，之后关于x对其进行积分，由此能够生成被检体H的相移分布Φ（x），即被检体H的相位对比度图像。

在条纹扫描法中，使第1和第2吸收型光栅21、22中的一方相对于另一方在x方向上相对平移的同时进行摄影（即，在使两者的光栅周期的相位变化的同时进行摄影）。在本实施方式中，利用上述扫描机构23使第2吸收型光栅22移动。在G2像中产生的莫尔条纹伴随第2吸收型光栅22的移动而移动，在平移距离（x方向上的移动量）达到第2吸收型光栅22的光栅周期的1个周期（光栅节距p₂）时（即相位变化达到2π时），返回到原来的位置。由此，在使第2吸收型光栅22逐次移动光栅节距p₂的整数分之一的量的同时，用FPD20拍摄G2像，从通过摄影得到的多个图像数据中取得各像素的强度调制信号，并在上述图像处理部14内的相位微分像生成部30中进行运算处理，从而得到各像素的强度调制信号的相位偏差量ψ。该相位偏差量ψ的二维分布相当于相位微分像。

图5示意性示出了使第2吸收型光栅22逐次移动将光栅节距p₂分割为M（2以上的整数）个而得到的扫描节距（p₂/M）的情形。扫描机构23使第2吸收型光栅22依次平移到k=0、1、2、···、M－1的M个各扫描位置。另外，在该图中，将第2吸收型光栅22的初始位置设为了在不存在被检体H时的第2吸收型光栅22的位置处的G1像的暗部与X射线遮蔽部22a大体一致的位置（k=0），但也可以将该初始位置设为k=0、1、2、···、M－1中的任意一个位置。

首先，在k=0的位置处，未被被检体H折射的X射线的成分（非折射成分）主要通过第2吸收型光栅22。接着，在按照k=1、2、···的顺序使第2吸收型光栅22移动时，通过第2吸收型光栅22的X射线的非折射成分减少，另一方面，被被检体H折射的X射线的成分（折射成分）增加。尤其是，在k=M/2的位置处，主要来讲，仅折射成分通过第2吸收型光栅22。在超过k=M/2的位置时，反之，通过第2吸收型光栅22的X射线的折射成分减少，另一方面，非折射成分增加。

在k=0、1、2、···、M－1的各位置处，在利用FPD20进行摄影而生成图像数据时，关于各像素40得到M个像素数据。以下，对根据该M个像素数据计算各像素40的强度调制信号的相位偏差量ψ的方法进行说明。第2吸收型光栅22的位置k处的各像素40的像素数据I_k（x）一般用下式（9）表示。

[式9]

$I_l\left(x\right)=A_0+\underset{n>0}{\mathrm{\&Sigma;}}{a}_n\exp \left[2\mathrm{\&pi;i}\frac{n}{p_2}\right\{L_2\mathrm{\&phi;}\left(x\right)+\frac{{\mathrm{kp}}_2}{M}\left\}\right]---\left(9\right)$

这里，x是像素在x方向上的坐标，A₀是入射X射线的强度，A_n是与强度调制信号的对比度对应的值，n是正整数，i是虚数单位。此外，φ（x）将上述折射角φ表示为像素40的坐标x的函数。

在应用由下式（10）表示的关系式时，上述折射角φ（x）如式（11）那样表示。

[式10]

$\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\exp (-2\mathrm{\&pi;i}\frac{k}{M})=0---\left(10\right)$

[式11]

$\mathrm{\&phi;}\left(x\right)=\frac{p_2}{2\mathrm{\&pi;}{L}_2}\arg \left[\underset{k=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I}_k\left(x\right)\exp (-2\mathrm{\&pi;i}\frac{k}{M})\right]---\left(11\right)$

这里，arg[]表示辐角的提取，相当于相位偏差量ψ。因此，基于式（11）根据由针对各像素40得到的M个像素数据表示的强度调制信号，计算相位偏差量ψ（x），从而求出折射角φ（x）。另外，折射角φ（x）和相位偏差量ψ（x）如上述式（8）所示那样存在比例关系，因此均为与相移分布Φ（x）的微分量对应的物理量。通过在x方向上对它们进行积分而得到与相移分布Φ（x）对应的物理量。

具体而言，如图6所示，强度调制信号相对于第2吸收型光栅22的位置k，以光栅节距p₂的周期进行周期性变化。该图中的虚线表示不存在被检体H时的强度调制信号，该图中的实线表示存在被检体H时的强度调制信号。这两者的波形的相位差相当于上述相位偏差量ψ（x）。

在以上的说明中，没有考虑像素40在y方向上的y坐标，但通过针对各y坐标进行同样的运算，能够得到与x方向和y方向相关的二维相位偏差量ψ（x，y）。被检体H的相移分布Φ（x，y）通过使用相位偏差量ψ（x，y），依照下式（12）进行积分处理而得到。

[式12]

$\mathrm{\&Phi;}(x,y)=\frac{p_2}{\mathrm{\&lambda;}{L}_2}\underset{0}{\overset{x}{\&Integral;}}(x,y)\mathrm{dx}---\left(12\right)$

接着，对如上所述那样构成的X射线摄影系统10的作用进行说明。在将FPD20安装到固定件51，并通过控制台17发出摄影开始指示时，通过系统控制部18进行各部的控制，进行扫描机构23对第2吸收型光栅22的扫描，并且进行X射线源11的X射线的照射以及FDP20执行的检测动作，根据条纹扫描的结果、即存储器13所存储的多个图像数据，由相位微分像生成部30生成相位微分像ψ（x，y）。并且，通过相位对比度图像生成部31进行基于上述式（12）的积分处理，生成相位对比度图像。该相位对比度图像在被记录到图像记录部15中后，被输出到控制台17并显示在监视器上。

在存储器13所存储的各图像数据中，由于FPD20的信号线45的特性差、和与信号线45连接的积分放大器46和A/D转换器48的特性差，如图13所示，在与信号线45对应的方向上产生条纹状的噪声。该噪声在相位微分像ψ（x，y）中也成为x方向的条纹状的噪声而出现。

作为其对策，在本实施方式中，通过固定件51将FPD20固定为信号线45与扫描机构23的扫描方向平行，因此相位对比度图像生成部31的相位微分像ψ（x，y）的积分方向（x方向）与噪声的条纹方向一致。如上述式（12）所示，针对相位微分像ψ（x，y）进行的积分在x方向上是原点0到坐标x的积分。在本实施方式中，在积分方向上噪声量大致均匀，噪声的变化较小，因此噪声的变化不易被反映到积分的结果中，从而能够抑制相位对比度图像的图像质量劣化。与此相对，在使积分方向与噪声的条纹方向垂直的情况下，噪声在积分方向上急剧变化，因此噪声的变化对积分结果产生较强的影响，从而相位对比度图像的图像质量劣化。

（第2实施方式）

在上述第1实施方式中，通过设置于FPD20的槽部53和设置于固定件53的突起54，将FPD20和固定件51设为仅可在一个方向上进行卡合，由此防止FPD20的错误安装，但可以替代该结构而构成为检测FPD20是否以正确的朝向进行了安装，仅当以正确的朝向进行了安装的情况下设为可照射。

作为本发明的第2实施方式，如图7所示，FPD70在覆盖检测面70a周围的框体71的一个部位设置有信息赋予部72，该信息赋予部72通过条形码或IC标签等赋予信息。此外，在安装有FPD70的固定件73上，在安装有FPD70时与信息赋予部72接近的位置处，设置有条形码读出器或IC标签读出器等信息读取部74。另外，FPD70除了在框体71上替代槽部而具有信息赋予部72以外，是与第1实施方式的FPD20相同的结构。此外，固定件73除了替代突起而具有信息读取部74以外，是与第1实施方式的固定件51相同的结构。

在本实施方式中，系统控制部18监视信息读取部74的读取信号，仅在能够读取FPD70的信息赋予部72的信息时，即以正确的朝向将FPD70安装到了固定件73的情况下允许X射线源11照射X射线。由此，仅在FPD70的信号线45与扫描机构23的扫描方向平行的情况下能够进行摄影。由此，信息赋予部72和信息读取部74作为防误照射单元发挥功能。另外，信息赋予部72和信息读取部74也可以是由电气方式的触点和开关构成的部件等。

（第3实施方式）

在上述第1实施方式中，在增长了从X射线源11到FPD20的距离的情况下，X射线焦点11a的焦点尺寸（一般为0.1mm～1mm左右）造成的G1像的模糊会产生影响，从而可能会引起相位对比度图像的图像质量降低。因此，作为本发明的第3实施方式，如图8所示，在X射线源11的出射侧配置多狭缝（线源光栅）80。第3实施方式的X射线摄影系统除了具有多狭缝80以外，是与上述第1实施方式相同的结构。

多狭缝80是与第1和第2吸收型光栅21、22相同结构的吸收型光栅，在x方向上周期性排列有在y方向上延伸的多个X射线遮蔽部81。该多狭缝80部分遮蔽来自X射线源11的X射线来缩小与x方向相关的有效焦点尺寸，并且在x方向上形成多个点光源（分散光源），从而抑制G1像的模糊。另外，在x方向上相邻的X射线遮蔽部81之间，同样地设置有X射线低吸收部（未图示）。

（第4实施方式）

在上述第1实施方式中，将第1吸收型光栅21构成为将通过X射线低吸收部21b后的X射线线性地投影为G1像，但本发明不限于该结构，还可以设为通过用第1吸收型光栅21对X射线进行衍射，而产生所谓的Talbot干涉效应的日本特许第4445397号公报等记载的结构。作为本发明的第4实施方式，将第1吸收型光栅21设为衍射光栅，第1和第2吸收型光栅21、22的距离L₂设定为Talbot干涉距离，构成Talbot干涉仪。在本实施方式中，由于Talbot干涉效应而产生的第1光栅21的G1图像（自身像）形成于第2吸收型光栅22的位置处。

此外，在本实施方式中，还可以将第1吸收型光栅21设为相位型光栅（相位型衍射光栅）。该情况下，以在X射线高吸收部21a与X射线低吸收部21a之间，在X射线中产生“π”或“0.5π”的相位差的方式设定厚度和材料即可。

另外，在上述各实施方式中，将被检体H配置于X射线源11与第1吸收型光栅21之间，但也可以将被检体H配置于第1吸收型光栅21与第2吸收型光栅22之间。该情况下也同样能够生成相位对比度图像。

（第5实施方式）

在上述各实施方式中，第2吸收型光栅22与FPD20独立设置，但能够通过使用日本特开平2009－133823号公报所公开的结构的X射线图像检测器，省略第2吸收型光栅22。

本实施方式的X射线图像检测器是具有将X射线转换为电荷的转换层、和收集在转换层中进行转换后的电荷的电荷收集电极的直接转换型X射线图像检测器，其中，各像素的电荷收集电极通过将多个线状电极组配置成相位彼此不同而构成，该多个线状电极组是通过对以一定周期排列的线状电极相互进行电连接而成。在本实施方式中，电荷收集电极构成了强度调制部。

在图9中，在本实施方式的FPD90中，像素91沿x方向和y方向以固定节距进行二维排列，在各像素91中形成有电荷收集电极92，该电荷收集电极92用于收集被将X射线转换为电荷的转换层进行转换后的电荷。电荷收集电极92由第1～第6线状电极组92a～92f构成，各线状电极组的线状电极的排列周期的相位逐个错开π/3。具体而言，在将第1线状电极组92a的相位设为0时，第2线状电极组92b的相位为π/3，第3线状电极组92c的相位为2π/3，第4线状电极组92d的相位为π，第5线状电极组92e的相位为4π/3，第6线状电极组92f的相位为5π/3。

并且，在各像素91中，设置有用于读出由电荷收集电极92收集的电荷的开关组93。开关组93由分别设置于第1～第6线状电极组92a～92f的TFT开关构成。通过第1～第6线状电极组92a～92f收集的电荷通过控制开关组93并分别独立读出，经由信号线94被传送到积分放大器（未图示）。信号线94经由开关组93对在x方向上排列的像素91进行了公共地连接。

在本实施方式中，通过使用FPD90，利用一次摄影而检测出相位彼此不同的6种G2像。根据与该6种G2像对应的多个图像数据生成相位对比度图像。其他结构与上述第1实施方式相同，因此省略说明。

在本实施方式中，不需要摄影部12至第2吸收型光栅22，因此能够削减成本，并且进一步薄型化。此外，在本实施方式中，能够通过一次摄影，检测以不同的相位进行了强度调制的多个G2像，因此不需要用于条纹扫描的物理性扫描，从而不需要上述扫描机构23。另外，还能够替代上述结构的电荷收集电极92，而使用日本特开平2009－133823号公报记载的其他结构的电荷收集电极。

（第6实施方式）

并且，作为不需要第2吸收型光栅22的另一实施方式，还能够使用光开关方式（光读取型）的X射线图像检测器。在本发明的第6实施方式中，使用了下述结构的X射线图像检测器。

在图10中，FPD100由以下部件构成：使X射线透射的第1电极层110；记录用光电导层111，其利用透射第1电极层110后的X射线的入射产生电荷对（电子-空穴对）；电荷输送层112，其相对于由记录用光电导层111产生的电荷对中的一方的极性的电荷，作用为绝缘体，并且相对于另一方的极性的电荷，作用为导电体；读取用光电导层113，其受到读取光LT的照射而产生电荷对（电子－空穴对）；第2电极层114；玻璃基板115；以及产生直线状读取光LT的线状读出光源116。在记录用光电导层111与电荷输送层112的界面上，形成有对在记录用光电导层111内产生的电荷对中的一方的电荷进行蓄积的蓄电部117。此外，上述各层在玻璃基板115上从第2电极层114起依次形成。

第1电极层110是大约100nm厚度的金（Au）。记录用光电导层111是厚度为大约10μm～1500μm的非晶硒（a-Se）。作为电荷输送层112，优选为在X射线摄影时第1电极层110所带的电荷的移动度、与其相反极性的电荷的移动度的差较大（例如10²以上，期望为10³以上）。读取用光电导层113是厚度为大约5μm～20μm的a-Se。

第2电极层114具有使读取光LT透射的多个透明线状电极114a和遮蔽读取光LT的多个遮光线状电极114b。透明线状电极114a和遮光线状电极114b分别在x方向上从检测面的一端延伸到另一端，在y方向上隔开预定间隔交替地平行排列。

透明线状电极114a由透射读取光LT且具有导电性的材料制成。透明线状电极114a例如由厚度为100nm～200nm左右的ITO、IZO或IDIXO制成。

遮光线状电极114b由遮蔽读取光LT且具有导电性的材料形成。遮光线状电极114b使消除光透射，该消除光用于消除在后述的读取处理后残留在蓄电部117中的电荷。因此，遮光线状电极114b优选由遮蔽读取光LT且使消除光透射的滤光片和上述透明导电材料的组合构成。该透明导电材料的厚度为100nm～200nm左右。

线状读出光源116在y方向上从检测面的一端延伸到另一端，与所有的透明线状电极114a垂直。线状读出光源116配置在玻璃基板115的下方，在后述的读取处理时，经由玻璃基板115和第2电极层114向读取用光电导层113照射读取光LT。此外，线状读出光源116构成为利用未图示的移动机构在x方向上平移，并由上述摄影控制部16控制读取光LT的照射和平移。

此外，在FPD100中设置有电源电路118，该电源电路118根据摄影控制部16的控制，向第1电极层110赋予预定的负电压或接地电压。具体将后述，但电源电路118在X射线像的记录时向第1电极层110提供负电压，在读取处理时向第1电极层110提供接地电位。

并且，在FPD100中，设置有用于在读取处理时读出由读取用光电导层113产生的电荷的积分放大器119。积分放大器119分别与各透明线状电极114a连接。一方的遮光线状电极114b均被接地。积分放大器119是对电荷进行积分的电路，具有用于对积分后的电荷进行复位的复位开关119a。由摄影控制部16进行该复位开关119a的控制。

线状读出光源116在读取处理时，在x方向上每隔预定的节距移动（扫描），在移动后的各位置（以下称作扫描位置）处，照射读取光LT，并经由透明线状电极114a通过积分放大器119读出对应于该读取光LT而在读取用光电导层113中产生的电荷。由此，检测到相位彼此不同的多个G2像。使线状读出光源116移动的节距（以下称作扫描节距）与投影到FPD100的检测面（第1电极层110的表面110a）的吸收型光栅21的G1像在x方向上的图案周期相比足够短。另外，关于透明线状电极114a和遮光线状电极114b在y方向上的排列节距，没有特别限制，但优选与该图案周期为同等程度。

接着，对各扫描位置处的FPD100的摄影动作进行说明。如图11A所示，照射到FPD100的X射线透射第1电极层110而照射到记录用光电导层111，在记录用光电导层111中通过X射线照射产生电荷对。此时，第1电极层110被电源电路118施加负电压，从而带负的电荷。由记录用光电导层111产生的电荷对中的正的电荷与第1电极层110的负的电荷结合而消失。如图11B所示，一方的负电荷被作为潜像电荷（静电潜像）蓄积到蓄电部117中。

接着，如图12所示，在由电源电路118对第1电极层110进行了接地的状态下，从线状读出光源116发出读取光LT。读取光LT透射透明线状电极114a而照射到读取用光电导层113。利用读取光LT，由读取用光电导层113产生的电荷对中的正的电荷与蓄电部117的潜像电荷结合，并且负的电荷经由积分放大器119与遮光线状电极114b所带的正的电荷结合。

并且，在读取用光电导层113中产生的负的电荷与遮光线状电极114b所带的正的电荷结合，由此在积分放大器119中流过电流，对该电流进行积分并输出为像素信号。从积分放大器119输出的像素信号由A/D转换器（未图示）进行数字化并作为图像数据依次被输入到存储器13。

在本实施方式中，透明线状电极114a相当于信号线，透明线状电极114a与条纹扫描的扫描方向（换言之，相位微分像的积分方向）平行。

（第7实施方式）

在上述各实施方式中，利用条纹扫描法求出了相位微分像，但也可以替代该方法，而通过国际公开WO2010/050483所记载的傅立叶变换法求出相位微分像。该傅立叶变换法是如下方法：通过对由X射线图像检测器得到的1张图像数据进行傅立叶变换而取得在图像数据中产生的莫尔条纹的傅立叶光谱，从该傅立叶光谱中分离出与载波频率对应的光谱并进行傅立叶逆变换而得到相位微分像。通过同样地对该相位微分像进行积分处理而得到相位对比度图像。

以上所说明的各实施方式除了医疗诊断用的放射线摄影系统以外，还能够用于工业用等其他的放射线摄影系统。此外，作为放射线，除了X射线以外，还能够使用伽马射线等。

Claims (13)

1.一种放射线摄影系统，其中，该放射线摄影系统具有：

第1光栅，其使从放射线源照射的所述放射线通过而生成第1周期图案像；

强度调制部，其对所述第1周期图案像施加强度调制而生成第2周期图案像；

放射线图像检测器，其沿着所述第1光栅的光栅线方向及其垂直方向二维排列有像素，通过电荷读出用信号线公共地连接排列在所述垂直方向上的像素组，检测所述第2周期图案像而生成图像数据；

相位微分像生成部，其根据所述图像数据生成相位微分像；以及

相位对比度图像生成部，其通过在与所述信号线对应的方向上对所述相位微分像进行积分而生成相位对比度图像。

2.根据权利要求1所述的放射线摄影系统，其中，

所述强度调制部在相位不同的多个相对位置对所述第1周期图案像施加强度调制而生成多个第2周期图案像，

所述放射线图像检测器检测各所述第2周期图案像而生成多个图像数据，

所述相位微分像生成部根据所述多个图像数据，计算强度调制信号的相位偏差量，由此生成所述相位微分像，其中，该强度调制信号表示像素数据相对于所述相对位置的强度变化。

3.根据权利要求1所述的放射线摄影系统，其中，

所述放射线图像检测器是经由薄膜晶体管将针对每个像素由放射线生成的电荷读出到所述信号线的薄膜晶体管型放射线图像检测器。

4.根据权利要求2所述的放射线摄影系统，其中，

所述强度调制部具有：第2光栅，其具有与所述第1周期图案像相同方向的周期图案；以及扫描机构，其使所述第1光栅和所述第2光栅中的任意一方以预定节距与所述信号线平行地移动。

5.根据权利要求4所述的放射线摄影系统，其中，

所述第1光栅和所述第2光栅是吸收型光栅，所述第1光栅将来自所述放射线源的放射线作为所述第1周期图案像线性地投影到所述第2光栅。

6.根据权利要求4所述的放射线摄影系统，其中，

所述第1光栅是相位型光栅，所述第1光栅利用Talbot干涉效应，将来自所述放射线源的放射线作为所述第1周期图案像形成于所述第2光栅的位置处。

7.根据权利要求2所述的放射线摄影系统，其中，

所述放射线图像检测器是兼用作所述强度调制部的光读取型，其将所述第1周期图案像记录为静电潜像，通过对所记录的静电潜像扫描读取光来检测所述第2周期图案像，并将其作为图像数据读出。

8.根据权利要求7所述的放射线摄影系统，其中，

所述放射线图像检测器在所述第1周期图案像的周期图案方向上以比该周期短的节距扫描读取光。

9.根据权利要求1所述的放射线摄影系统，其中，

在所述放射线源的射出侧还具有线源光栅。

10.根据权利要求1所述的放射线摄影系统，其中，

该放射线摄影系统还具有拆装自如地固定放射线图像检测器的固定件。

11.根据权利要求10所述的放射线摄影系统，其中，

该放射线摄影系统还具有防误装单元，该防误装单元防止在所述信号线的方向与所述光栅线方向垂直的朝向以外的朝向上，将所述放射线图像检测器安装到所述固定件。

12.根据权利要求10所述的放射线摄影系统，其中，

该放射线摄影系统还具有防误照射单元，该防误照射单元在所述信号线的方向与所述光栅线方向垂直的朝向以外的朝向上将所述放射线图像检测器安装到所述固定件时，禁止从所述放射线源照射放射线。

13.一种图像处理方法，其被用于具有如下部件的放射线摄影系统：

第1光栅，其使从放射线源照射的所述放射线通过而生成第1周期图案像；

强度调制部，其对所述第1周期图案像施加强度调制而生成第2周期图案像；以及

放射线图像检测器，其沿着所述第1光栅的光栅线方向及其垂直方向二维排列有像素，通过电荷读出用信号线公共地连接排列在所述垂直方向上的像素组，检测所述第2周期图案像而生成图像数据，

其中，该图像处理方法具有如下步骤：

根据所述图像数据生成相位微分像；以及

通过在与所述信号线对应的方向上对所述相位微分像进行积分，生成相位对比度图像。

Images