JP2005509483A - 撮像方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、対象（１３）を透過した透過Ｘ線ビーム（１２）を検出することによって、Ｘ線ビームを照射された対象を撮像する装置を提供する。結晶分析器（１５）は透過Ｘ線ビームを受容し、次いで、第１および第２のＸ線検出器（１６,１７）を含む検出アッセンブリー（１４）に第１の回折Ｘ線ビームを出射する。第１の検出器（１６）は、第１の回折Ｘ線ビームの第１の部分を検出して第１の画像データを生成し、第１の回折ビームの第２の部分を第２の画像データを生成する第２の検出器（１７）に回折する分光器半導体検出器である。第１の画像データと第２の画像データとを結合して、対象の屈折画像および吸収画像を誘導するための画像加工手段（１８）を備える。

Description

本発明は撮像方法および装置に関する。より詳しくは、本発明はＸ線撮像に関する。

Ｘ線撮像システムはよく知られており、医療分野において、また、機械構造の非破壊検査のごとき他のアプリケーションにおいて広く用いられている。従来のＸ線撮像システムにおいて、対象をＸ線で照射し、Ｘ線は、対象の材質のＸ線に対する密度に依存した吸収の度合で対象を通過する。かくして、例えば、骨折の従来のＸ線画像は、事実上、比較的密度の低い周囲組織内にある比較的密度の高い骨による投影図である。そのような画像は顕著に異なる密度の領域間を識別するには適しているが、健康組織内の腫瘍等のごとき同程度の密度の領域間を識別するには、そのコントラストでは不充分である。

走査型Ｘ線撮像システムは、対象を扇状Ｘ線ビームで走査することによって、上記の基本的システムを改善する。Ｘ線源および適当の検出器を同時に走査して一連のデータラインを生じ、それらの各々がビームの位置の関数で対象の投影密度(projected density)を表す。次いで、標準数学的技法を用いるコンピュータによりデータを加工して二次元画像に修復する。特に、単一エネルギーＸ線ビームを用いれば、良好なコントラストレベルの画像がこのようにして得られる。このような走査技法は、例えば、腫瘍の検出において、密度分解能の優れた画像を作成して、同様のＸ線透過性を有する組織間で良好な識別を可能とするために用いられている。このようなシステムは、例えば、乳ガンの早期診断に大きな衝撃を与えた。

より近年、Ｘ線撮像技法は、回折増幅Ｘ線撮像(diffraction enhanced X-ray imaging)の開発によってより一層改善された。米国特許第５,９８７,０９５号は、散乱効果が実質的にない非常に高い品質の画像作成を可能とし、さらに撮像される対象内の屈折および吸収効果に独立して感受性のある画像を作成し得るそのようなシステムを開示する。別個の屈折および吸収画像はさまざまな有用な情報を提供する。例えば、屈折画像は、対象内の不均一領域における境界または辺縁を強調するのに非常に有用である。

結晶分析器（ブラッグ型またはラウエ型のいずれか）を対象と画像板その他の検出器との間のビームパス中に配置して、Ｘ線ビームをその検出器に反射させる。この反射は結晶格子によるＸ線ビームの回折のためであり、結晶の反射率はＸ線ビームの入射角の強い関数である。分析器の結晶は狭い角度許容性（結晶の「ロッキング曲線」という。）しか有していないので、散乱効果はほぼ完全に除去され、それはコントラストを大いに向上させる。別個の屈折および吸収画像は、Ｘ線ビームに対して２つの別々の配向に設定された結晶分析器で２つの独立した画像を撮ることによって得られ、結晶ロッキング曲線のいずれかの側の点に対応し、比較的率直な数学的手法を用いてこれら２つの画像からデータを結合させる。以下に、このプロセスをより詳細に説明する。

従来のＸ線画像に対してかなり優れたコントラストの画像を作成し、従来の撮像システムからは得られなかった情報を提供するが、従来技術の回折増幅撮像システムはいくつかの欠点がある。屈折および吸収効果を別々にすべきであれば、対象の２つの独立した画像を撮らなければならない。これは、対象を走査するのにかかる時間を増やし、対象が被爆するＸ線量を増大する。撮像する対象が人体の部分であるとき、これは特に不都合である。さらに、正確に結合すべき２つの画像からのデータに関して、各画像の対応する領域が正確に相関するように、２つの画像暴露の間対象に移動も変化もあってはならない。対象が人体の部分であるとき、例えば、システムをマンモグラフィーに用いるのであれば、これも特に問題となる。

米国特許第５,９８７,０９５号公報 "An X-Ray monochromator that detects the Bragg condition"; T. Jach et al; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research; A263 (1988) 522-524

本発明の目的は上記の不都合を除去し、軽減することにある。

本発明の第１の局面によれば、対象を透過した透過Ｘ線ビームを検出することによって、Ｘ線ビームを照射された対象を撮像する装置であって、
透過Ｘ線ビームを受容し、次いで、第１および第２のＸ線検出器を含む検出アッセンブリーに第１の回折Ｘ線ビームを出射する結晶分析器であって、ここに、第１の検出器は、第１の回折Ｘ線ビームの第１の部分を検出して第１の画像データを生成し、第１の回折ビームの第２の部分を第２の画像データを生成する第２の検出器に回折する分光器半導体検出器であるものを含み、第１の画像データと第２の画像データとを結合して、対象の屈折画像および吸収画像を誘導するための画像加工手段を備えた装置が提供される。

本発明の第２の局面によれば、対象を撮像する方法であって、
Ｘ線ビームを対象に透過させ；
透過Ｘ線ビームを結晶分析器に方向付けて第１の回折Ｘ線ビームを発生させ；
第１の回折Ｘ線を当該検出器のロッキング曲線と重なる入射角にて分光半導体検出器を含む第１の検出器に方向付け；
第１の検出器によって出射された第２の回折ビームを第２の検出器に方向付け；
第１の検出器で検出されたＸ線から第１の画像データおよび第２の検出器で検出された第２の画像データを誘導し；次いで、
第１および第２の画像データを結合して対象の屈折画像および吸収画像を作成する方法が提供される。

本発明の特定の具体例を、付随する図面を参照して、単なる例示として、説明する。
図１は、上記した米国特許第５,９８７,０９５号に開示された従来技術の回折増幅撮像システムの一つの具体例を例示する。対象１は単一エネルギーＸ線ビーム２で走査される。それはシンクロトロンから２結晶分光器３によって発生され、結晶分析器５を通って画像板４に映し出される。

２結晶分析器は公知の型でよく、例えば、（３，３，３）格子面構造を持つシリコンで構成され約１８ＫｅＶおよび１．５ｅＶのバンド幅、および８０ｍｍ幅および０．１ｍｍ高の程度のＸ線ビーム２を発生する。分光器３のチューニングをモニターするためのイオン化チャンバー６が含まれ、吸収材７が備えられてＸ線量の制御を可能とする。シャッター８（例えば、回転シャッター）を用いて画像暴露を制御し、さらなるイオン化チャンバー９がシャッター８と対象１との間のビームパス中に備えられ対象１の表面でのＸ線量をモニターする。

対象を透過したＸ線ビームは、このビームを垂直面で屈折するように配向された結晶分析器５（この具体例においてはブラッグ型分析器）によって画像板４に反射される。透過Ｘ線ビーム方向に対する結晶分析器５の正確な角度配向は並進ステージ（図示せず）によって駆動されるステッパーモーターによって制御される。反射画像はボディ１における屈折効果に感受性がある。なぜならば、反射強度は結晶表面にてのＸ線ビームの入射角の急峻な関数（上記のごとく結晶のロッキング曲線という。）だからである。結晶分析器５は様々な形態をとることができるが、好ましくは分光器結晶３（分析器結晶はそれ自体分光器とみなされる。）に適合した格子構造を有する。

１８ＫｅＶのＸ線撮像レベルにての（３,３,３）格子構造のシリコン分析器結晶のロッキング曲線を図２に示す。これは、強度が最大になるブラッグ角（図２で示される０゜の位置に対応する。）近傍の角度の変化に対する結晶の最大反射強度に対する強度を示す。図２から分かるように、透過ビームの数μ半径以内にあるＸ線のみが反射される。ボディ内部の回折効果による散乱角（小角散乱）は典型的には数ミリラジアンのオーダーなので、ほとんどの回折散乱が画像から除去される。一方屈折効果は、Ｘ線ビームの透過方向に沿った物質の密度および／または厚みの空間的変動によるものであり、通常約２μラジアン（典型的には１μラジアン）未満でありそれ故に反射される。同様に、ビームのその他の干渉性および非干渉性散乱成分は、分析器結晶によって反射ビームから除去されるので、検出器に到達する透過Ｘ線ビームのその部分（Ｉ_Ｒで示す）は吸収および吸光のみによる屈折および減衰により影響を受けている。

画像板４に映し出されるいずれの一つ一つの画像も散乱効果がほぼ完全にない結合された吸収および屈折画像であろう。これはそれ自体で従来のＸ線画像に比べてコントラストを改善するが、もっとも重要な改善は、ロッキング曲線上の異なる点に対応する異なる配向にて結晶分析器５で２つの独立した画像を撮り、次いで、それを結合して別個の屈折および吸収画像を誘導することによって得られる。かくして、第１の画像は、Ｘ線ビームの透過方向がロッキング曲線の一方の側に重なる角度にて結晶に入射するように配向された分析器結晶で（同時に画像板４および対象１を移動させることを含み）対象を走査することによって撮る。好ましくは、選択された角度は、前記曲線の勾配が最も急峻な点における半ダーウィン幅（ダーウィン幅とは前記曲線の半値幅である）である。第１の画像は記憶され、先ず結晶分析器の配向を第１の画像に用いるロッキング曲線と反対側の点（ここでも、好ましくは半ダーウィン幅）に対応させた後、第２の画像が走査される。次いで、これら２つの画像を比較し、結合して回折および吸収情報を分離して独立した屈折および吸収画像を作成する。

好ましくは、結合は、先ず画像をデジタル化し、次いで、適当なアルゴリズムを用いてピクセル・バイ・ピクセルで画像データを比較することによって行われる。対象の同一領域に対応する各画像のピクセルは一つ一つ整列されているべきであり、それで、２つの画像の暴露の間に変化も移動もしないことが重要である。

屈折および吸収画像を分離するのに必要な数学的加工は比較的率直である。分析器結晶配向は、ビームが垂直面で回折するように選択されるので、屈折Ｘ線の垂直成分、Δθ_Ｚにのみ感受性がある。分析器結晶がブラッグ角θ_Ｂから相対角θ（ここに、θ_Ｂ＋θは入射透過Ｘ線ビームと結晶回折面との間の角度である。）に設定すると、屈折ビームの強度（ＩＢ）は：

で表され、ここに、Ｒ（θ）は（ピーク反射率に対する）分析器反射率であって、Ｉ_Ｒは、吸収および吸光による屈折および減衰によってのみ影響された透過Ｘ線ビームの部分の強度である。

上記したように、好ましくは、２つの画像の各々につき、分析器をθ＝±Δθ_Ｄ／２（式中、Δθ_Ｄはダーウィン幅である。）に設定する。かくして、対象を通過する際に屈曲せず、かくして、±Δθ_Ｄ／２の角度にて結晶に入射する入射Ｘ線について、分析器反射率は０．５である。Δθ_Ｚによって対象内部で屈折させられたＸ線について、反射強度は：

である。

いずれの屈折Ｘ線の反射強度はロッキング曲線のスロープにより変動する。例えば、正のΔθ_Ｄ／２（すなわち、ロッキング曲線の高角側）にて配向された結晶分析器で撮られた画像について、Δθ_Ｚ＞０で屈折させられたいずれのＸ線も反射率＜０．５で分析器によって回折されるであろう。一方、Δθ_Ｚ＜０で屈折させられたいずれのＸ線も反射率＞０．５で分析器によって回折されるであろう。第２の画像について、Δθ_Ｄ／２が負になるように配向された分析器結晶で、ロッキング曲線（ｄ／Ｒ／ｄθ）の微分は反対符号になるので、効果は反転する。

Ｘ線ビームの屈折成分がΔθ_Ｄ／２よりも多く屈曲すれば、反射率は特有ではなく、屈折効果も分解できない。しかしながら、実際の実験では、屈折角はおよそ±０．２μラジアン以内にあると測定されているので、全ての可能性のある屈折角はロッキング曲線の限定された領域内にある。Δθ_Ｚのそのような小角にて、および±Δθ_Ｄ／２ではロッキングカーブのスロープはほぼ一定であると仮定すれば、分析器反射率は二項テーラー級数近似：

によって表わされる。したがって、ロッキング曲線の高い側および低い側の反射Ｘ線の強度は、それぞれ：

である。上記の等式は、２つの未知数がＩ_ＲおよびΔθ_Ｚである連立方程式であり、その解：

は単純である。

したがって、これら２つの画像の対応する領域からのデータを比較し、結合して、対象の各領域につき（例えば、ピクセル・バイ・ピクセルベースで）見かけの吸収（Ｉ_Ｒ）および屈折（Δθ_Ｚ）情報を誘導し得、その情報を２つの画像、それぞれ、吸収および屈折画像を構築するために用いる。

ここで図３を参照すると、これは本発明による撮像装置の概略図である。図１の装置のように、分光器１１を用いて対象１３を走査するための（シンクロトロン源から誘導された）単一エネルギーＸ線ビーム１２を発生する。図１の装置の分析器結晶５と全く同じ方法で画像から散乱効果を除去する分析器結晶１５によって、透過Ｘ線ビームを検出器配列に反射する。分光器および分析器結晶の詳細は図１の装置に関して開示されたのと全く同じである。シャッターやＸ線ビーム制御配列のごとき他の特徴は簡便化のため図３から割愛されているが、図１の装置の構成要素に基づき同様であってよい。

本発明と従来技術の回折増幅撮像システムとの間の根本的な違いは、本発明の検出配列が第１および第２の検出器１６および１７を含むことであり、それらは、各々、同時に画像データを記録して、対象１３を２回走査する必要を取り除く。検出器１６および１７で検出された画像データを符号１８で示される画像加工ステージにて結合して、独立した吸収および屈折画像を作成する。

より詳細には、第１の検出器１６は結晶性半導体検出器であり、それは、検出器として、また、そのロッキング曲線内に重なる入射Ｘ線ビームの成分をＣＣＤ素子のごときいずれかの従来の検出器の形態であってよい第２の検出器１７に反射する分光器としての両方として機能する。第１の検出器１６によって反射されなかったＸ線ビームの成分は単純に検出器１６によって検出される。

結合検出器／分光器として使用するのに適した基本構造を有する半導体検出器は公知であり、ここでは詳細に説明しない。例えば、いくつかの市販のシリコンストリップ検出器は、狭いロッキング曲線内で良好な反射強度を提供する良好な結晶性構造を有する。本発明に要求される特性を有する検出器を製造するのに特に適した方法は論文［"An X-Ray monochromator that detects the Bragg condition"; T. Jach et al; Nuclear Instruments and Methods in Physics Research; A263 (1988) 522-524］に開示されている。これは、ホウ素拡散をいかに用いてダイオード構造をシリコン基板表面下０．６ミクロン程度に埋め込むことができるかを開示する。それはまた、ブラッグ条件に合致したときに、いかにダイオード電流がドロップオフするかを示している。そのようなドープ化材料の反射率は原料のそれとほとんど変わらない。

検出器配列に到達するＸ線ビームの強度を最大にするために、好ましくは、対象を透過したＸ線ビームに対してブラッグ角（すなわち、そのロッキング曲線のピークに対応する。）に、分析器結晶１５を設置する。しかしながら、検出器１６は分析器結晶１５から反射したビームに対して配向しているので、入射放射線は検出器１６のロッキング曲線の一方または他方の側に重なり、入射Ｘ線ビームの単に一部のみが検出器１７に反射される。検出器１６がロッキング曲線のいずれの側に配向されるかは問題ではないが、図１の装置に関して上記した理由から、好ましくは、検出器１６は分析器結晶１５から反射されているＸ線ビームに対してΔθ_Ｄ／２にて配向させる。

したがって、第２の検出器１７で受容した画像データは単一画像について図１の装置の検出器４で受容した画像データに対応する。検出器１６がそのロッキング曲線の低角側に配向していると仮定すれば、検出器１７に反射されるビームの強度は単純にＩ_Ｌであり、それは、上記と同じく、式：

で与えられる。

分光検出結晶１６で検出された画像データの強度（Ｉ_Ｍ）は、単に、分析器結晶１５によって反射されたＸ線ビームの強度（すなわち、分析器１５は上記のようにブラッグ角に設置されていると仮定する）とＩ_Ｌとの間の差である。すなわち：

である。

上記２つの式もまた未知数がＩ_ＲおよびΔθ_Ｚである簡単な連立方程式であり、その解は：

である。

かくして、２つの検出器からの画像データは、従来技術のシステムの２つの独立した画像からの画像データに対するのと同じ方法で結合して（すなわち、データをデジタル化し、これをピクセル・バイ・ピクセルベースで結合することによって）、上記した従来技術の回折増幅撮像システムから得られたものに匹敵するコントラストと解像度の独立した吸収および屈折画像を作成し得る。

図４ａないし４ｃは、マウス肺の３つのＸ線画像を示している。図４ａは従来のラジオグラフであり、一方、図４ｂおよび４ｃは、それぞれ、本発明の装置によって得られた吸収および屈折画像である。コントラストの改善が明瞭に目視できる。さらに、屈折画像のコントラストがＸ線ビームパスに沿った屈折率勾配の結果であることから生じている屈折画像の三次元的な陰影も明瞭に目視できる。

本発明は、上記の従来技術の回折増幅撮像システムに対していくつかの重要な利点がある。単に一度だけ対象を暴露すればよいので、独立して屈折および吸収データを誘導するのに必要な２つの画像が同時に得られ、別々の暴露の間での対象のいかなる変化または移動に関連する問題が除去される。さらに、総Ｘ線量が削減され、それは、生体組織を撮像するときに特に重要である。これらの利点の両方とも、例えば、マンモグラフィーにおいて重要であろう。さらに、画像を誘導するために、透過ビームの全て（から分析器結晶によって除去された散乱成分を差し引いたもの）を用いて、良好な画像を作成するのに必要とされるビーム強度を低減し、ここでも、有利に要求Ｘ線量を削減するようにする。

本発明の基本システムは、多数の常法によって修正や改良できる。上記のごとく、従来技術のシステムに含まれているイオン化チャンバーおよび吸収材の装備のごとき制御特徴を同様に本発明のシステムに含ませることができる。換言すれば、分析器結晶１５の上流にある装置構成部品は全部従来品であってよい。

ブラッグ型分析器結晶１５の代わりに、ラウエ型分析器結晶を用いることができ、図３の鎖線で表される第３の検出器上に回折画像を作成することができる。これは、第３の画像データを吸収および屈折画像データと結合させることによって、米国特許第５,９８７,０９５号に記載されるような第３の散乱画像の誘導を可能とする。

同様に、上記したごとく、検出器１６および１７は従来の構成部品であってよい。特に、結合分光器／検出器１５として用いることができる適当な分光半導体結晶性検出器はよく知られている。

画像データ解析、および画像作成／表示システムは、屈折および吸収画像を誘導するのに必要であり、例えば、米国特許第５,９８７,０９５号の従来技術回折増幅撮像システムに提唱されているように、全部従来品であってよい。他の可能性は当業者にとって明白であり、かくして、これらのシステムについてここでは詳細な議論は行わない。

分光器／検出器１６の制御は従来技術のように従来のステッパーモーターを用いることによって達成することができる。同様に、対象および検出器の走査運動を制御するためのシステムは全部従来品であってもよい。

本発明を用いて、従来のＸ線撮像、すなわち回折増幅撮像に適用し得るいかなるアプリケーションにおいても画像を提供し得ることが理解されるであろう。これは医療用撮像および、機械構造の非破壊検査のごとき非医療用撮像も含む。
本発明の他の修正および適用は当業者に容易に明らかになるであろう。

従来技術の回折増幅撮像システムの概略図。 回折増幅撮像システムに用いられる典型的な分析器結晶のロッキング曲線。 本発明による撮像システムの概略図。 従来のラジオグラフと比較して本発明の有効性を示すためのマウス肺の画像。 従来のラジオグラフと比較して本発明の有効性を示すためのマウス肺の画像。 従来のラジオグラフと比較して本発明の有効性を示すためのマウス肺の画像。

Claims (17)

1. 対象を透過した透過Ｘ線ビームを検出することによって、Ｘ線ビームを照射された対象を撮像する装置であって、
   透過Ｘ線ビームを受容し、次いで、第１および第２のＸ線検出器を含む検出アッセンブリーに第１の回折Ｘ線ビームを出射する結晶分析器であって、ここに、第１の検出器は、第１の回折Ｘ線ビームの第１の部分を検出して第１の画像データを生成し、第１の回折ビームの第２の部分を第２の画像データを生成する第２の検出器に回折する分光器半導体検出器であるものを含み、第１の画像データと第２の画像データとを結合して、対象の屈折画像および吸収画像を誘導するための画像加工手段を備えた装置。
2. 第１の回折ビームの強度を最大化するように、結晶分析器が配向されている請求項１に記載の装置。
3. 結晶分析器がブラッグ型またはラウエ型分析器である請求項１または２に記載の装置。
4. 結晶分析器が透過Ｘ線ビームに対してブラッグ反射角にて配向しているブラッグ型分析器である請求項３記載の装置。
5. 分析器が第１の回折Ｘ線ビームに加えて前方回折Ｘ線ビームを出射するラウエ型分析器であり、さらにこの前方回折Ｘ線ビームを検出するための第３の検出器および、第１、第２および第３の画像データを結合することによって対象の散乱画像を誘導して、第３の画像データから回折および吸収効果を除去する手段を含む請求項３に記載の装置。
6. 第１の回折ビームが検出器ロッキング曲線の一つのスロープに相当する角度にて第１の検出器に入射するように、第１の検出器が配向されている前記請求項いずれかに記載の装置。
7. 第１の回折ビームに対する第１の検出器の配向角が±Δθ_Ｄ／２であって、ここに、θ_Ｄは検出器のロッキング曲線の半値幅である請求項６に記載の装置。
8. 第１の検出器がシリコンストリップ検出器である前記請求項いずれかに記載の装置。
9. 第１および第２の検出器が第１および第２の画像データから第１および第２のデジタル画像を作成することが可能である前記請求項いずれかに記載の装置。
10. 第１および第２の画像データをデジタル化し、次いで、ピクセル・バイ・ピクセルベースでそれを比較し結合することによって、第１および第２の画像データを結合してデジタル化された屈折および吸収画像が作成される前記請求項いずれかに記載の装置。
11. デジタル化された屈折および吸収画像がビジュアル画像に変換される請求項１０に記載の装置。
12. 第２の検出器が入射Ｘ線ビームの強度を検出し、第１の検出器が第１の屈折ビームから第２の回折ビームを差し引いた強度を検出し、当該加工手段が対象の対応する領域について検出された強度を結合して吸収および屈折画像を誘導する前記請求項いずれかに記載の装置。
13. 実質的な単一エネルギーＸ線ビームを発生し、このＸ線ビームを対象に方向付ける手段をさらに含む前記請求項いずれかに記載の装置。
14. 対象をＸ線ビームで走査する手段をさらに含む前記請求項いずれかに記載の装置。
15. 対象を撮像する方法であって、
    Ｘ線ビームを対象に透過させ；
    透過Ｘ線ビームを結晶分析器に方向付けて第１の回折Ｘ線ビームを発生させ；
    第１の回折Ｘ線を当該検出器のロッキング曲線と重なる入射角にて分光半導体検出器を含む第１の検出器に方向付け；
    第１の検出器によって出射された第２の回折ビームを第２の検出器に方向付け；
    第１の検出器で検出されたＸ線から第１の画像データおよび第２の検出器で検出された第２の画像データを誘導し；次いで、
    第１および第２の画像データを結合して対象の屈折画像および吸収画像を作成する方法。
16. 付随する図面のうち図３に関して実質的に前記された対象を撮像する装置。
17. 付随する図面のうち図３に関して実質的に前記された対象を撮像する方法。
    

Images