JP2006317305A - Ｘ線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな観察視野、且つ簡単な装置構成で、被写体によって生じた位相シフトの正確な空間的な微分、及び位相シフトをコントラストとする像を得る。
【解決手段】結晶の同時反射による被写体の反射像から演算により被写体によって生じた位相シフトの空間微分、及び位相シフトを得、これを用いて被写体の位相コントラスト像を形成する。
【選択図】図１０

Description

本発明はＸ線撮像装置に係わり、物体内部を非破壊に観察・検査する装置に関する。

Ｘ線撮像装置は、Ｘ線の物体に対する高い透過能を利用して被写体内部を非破壊で二次元及び三次元観察する装置であり、被写体内部の密度という基本的な物理量をコントラストとして像を形成している。密度を検出する方法は、Ｘ線が被写体を透過する際に吸収によって生じた強度の変化から求める方法と、透過の際に生じた位相シフトから求める方法に大きく二分することができ、前者は吸収コントラスト型Ｘ線撮像法、後者は位相コントラスト型Ｘ線撮像法と呼ばれている。

前者の検出法を用いた撮像装置（吸収コントラスト型Ｘ線撮像装置）は、Ｘ線源、被写体保持機構及び検出器から主に構成され、Ｘ線源から出射したＸ線を保持機構により位置決めされた被写体に照射し、透過してきたＸ線の強度を検出器で検出し画像を形成している。測定の原理及び装置の構成が比較的簡単であるために、投影による二次元観察の場合はレントゲン、ＣＴ（Computed Tomography）による三次元観察の場合はＸ線ＣＴという名称で、医療診断をはじめとして多くの分野で広く利用されている。しかしながら、水素、炭素、酸素等の軽元素はＸ線に対してほとんど透明で強度の変化が生じないために、生体軟部組織や有機材料など主に軽元素から構成された被写体に対しては感度が低く、重元素を含んだ造影剤の利用や、露光時間の延長などが必要となる。

後者の検出法を用いた撮像装置（位相コントラスト型Ｘ線撮像装置）は、上記装置構成に加えて位相シフトを検出する手段が必要となるが、吸収コントラスト型Ｘ線撮像装置に比べて極めて感度が高く、無造影剤・低被曝で生体軟部組織を観察することが可能である。これは位相シフトを与える散乱断面積が強度の変化を与える散乱断面積に比べて軽元素において約１０００倍大きいためである。位相シフトの検出手段として、Phys. Today 53(2000) 23に記載されているように（１）Ｘ線干渉計を用いる特開平４−３４８２６２号公報や特開平１０−２４８８３３号公報に記載された方法、（２）Ｘ線の屈折角をアナライザー結晶で検出する国際公開第９５／０５７２５号パンフレットや特開平９−１８７４５５に記載された方法、（３）フレネル回折を用いる方法、がある。表１は各方法の検出物理量、感度、ダイナミックレンジ、空間分解能、その他特徴について比較した結果を示す。

この表から、アナライザー結晶を用いた方法が各項目に対して最もバランスがとれていることがわかる。また、装置の構成もＸ線干渉計を用いる方法に比べて比較的簡単であり、且つフレネル回折を用いる方法に比べても特殊な光源を必要としないといった特徴がある。

以下、本発明に関わるアナライザー結晶を用いた方法について説明する。

Ｘ線が位相シフトφを生じる被写体を透過するとき、位相シフトφが空間的に不均一な場合、屈折によってＸ線の伝搬方向はθだけ曲げられることになる。ここで、θはφの空間的な微分（ｄφ／ｄｘ）の関数として、式（1）で与えられる。

したがって、θを検出すれば位相シフトの空間的な微分を求めることができ、更に、θを空間的に積分することによって位相シフトそのものも求めることができる。

国際公開第９５／０５７２５号パンフレットに記載されたものは、アナライザー結晶と呼ばれる平板でできた単結晶のブラッグ回折を利用してθ即ち位相シフトの空間的な微分を検出している。ブラッグ回折とは、入射Ｘ線の波長をλ、回折格子面の間隔をｄとしたとき、アナライザー結晶に対するＸ線の入射角θ_ｂが式（２）となる回折条件を数秒の角度範囲で満たしているときにのみ、入射Ｘ線がアナライザー結晶によって反射される現象のことである。

したがって、Ｘ線の伝搬方向のずれθ＝０のときθ_ｂが式（２）を満たすように設定しておけば、反射されるＸ線の強度Ｉはθに依存し、θ＝０で最大で、θの増加に従って減少し、θが数秒でＸ線の強度Ｉはほぼ０になる。このことを利用して、Ｘ線の反射強度Ｉの空間的な分布（反射像）から、θ、即ち位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像を求めている。

Ｘ線の反射強度Ｉはθ_ｂ±θでほぼ同じ値となるため、Ｉの測定だけではθの大きさはわかっても向きはわからない。このため、θの積分計算ができず位相シフトそのものは求めることができない。そこで、特開平９−１８７４５５号公報に記載されたものは、アナライザー結晶を回転させて各角度毎に取得した反射強度Ｉからθの大きさと向きを検出し、積分により位相シフトを求めている。そして、試料の回転と組み合わせ、Computed Tomographyによって位相シフトをコントラストとする被写体の断面像を求めている。

特開平４−３４８２６２号公報 特開平１０−２４８８３３号公報 国際公開第９５／０５７２５号パンフレット 特開平９−１８７４５５号公報 Phys. Today 53(2000) 23

図1に示すように被写体１０１に照射されたＸ線１００が被写体１０１の屈折によりアナライザー結晶１０２に入射するとき、二次元的に曲げられた場合について考える。被写体１０１がないとき、入射Ｘ線１００は破線で示すように、アナライザー結晶１０２の表面に破線で示すｘ，ｙ，ｚ軸の原点に向けてｘ−ｚ面上をｚ軸に対して入射角θ_ｂで照射され、反射Ｘ線１０３のように反射されているとする。被写体１０１を設置すると、入射Ｘ線１００は被写体１０１の屈折による曲げられ、１０４のようになる。曲がりのない入射Ｘ線１００と軌跡１０４とのなす角θのｘ軸成分、すなわち、入射Ｘ線１００と反射Ｘ線１０３のなす面に平行な面（ｘ−ｚ面）内における入射角のずれθ_ｘは、式（２）における入射角θ_ｂのずれΔθ_ｂそのものとなる。したがって、式（２）のブラッグの回折条件がそのまま適用されるので、θ_ｘに対して反射Ｘ線の強度Ｉは敏感に変化する。

一方、曲がりのない入射Ｘ線１００と軌跡１０４とのなす角θのｙ軸成分、すなわち、入射Ｘ線と反射Ｘ線のなす面に垂直な面（ｙ−ｚ面）内における入射角のずれｄρは、θ_ｂのずれΔθ_ｂと式（３）に示す関係にあり、

ｄρに対してΔθ_ｂは非常に鈍感になるので、反射Ｘ線の強度はほとんど変化しない。

以上をまとめて、θ_ｘとｄρに対して反射が生じる領域を示すと図２のようになる。この図において、領域が狭いほど角度のずれに対して反射強度が敏感に変化する、即ち角度分解能が高いことを示している。したがって、ｄρに対して角度分解能がほとんどなく、反射強度Ｉの測定だけでは、ｙ軸方向に対する位相シフトの空間微分は求められないという問題があることがわかる。

一例として、図３（ａ）に示したドーナッツ及びメッシュ形状の被写体について、数値シミュレーションにより求めた反射強度Ｉの空間分布像（反射像）を図３（ｂ）に示す。この結果から、ｄρに対して反射光の強度がほとんど変化しないため、ｙ軸方向に像のコントラストが消失してしまっていることがわかる。

また、特開平９−１８７４５５号公報においては、ｄρに対して角度分解能がないことは、位相シフトを求めるθ_ｘの積分計算の過程で問題となる。積分計算では出発点の初期位相値が既知である必要があるが、ｙ軸方向に角度分解能がないために初期値を０と解っている被写体外部の背景領域に設定することが不可欠となる。もし背景に設定できないときは正確な像が得られなくなってしまう。図３（ｃ）に特開平９−１８７４５５号公報に記載された方法により、計算で求めた位相シフトをコントラストする像（位相コントラスト像）を示す。ドーナッツ状の被写体に対しては背景から積分計算を始めることができるので、ほぼ（ａ）に示す原型の像が再生できているが、メッシュ状の被写体では背景がなく初期値を設定できないためにｙ軸方向の位相シフトがわからず、像が再生できていない。以上から、この方法では被写体全体が観察できる大きな観察視野が不可欠という問題があることがわかる。

本発明の目的は、被写体全体を観察することなく、被写体によって生じた位相シフトの空間的な微分、及び位相シフトを検出できる手段を提供することである。

本発明では、アナライザー結晶によるＸ線の反射として同時反射を用いることによって、上記の課題を解決する。同時反射とは、結晶に入射するＸ線が複数の結晶格子面の回折条件を同時に満たし、各格子面の反射によりビームが複数に分割される現象のことである。通常のＸ線回折と同様に、ブラッグケースとラウエケースが存在し、更に入射Ｘ線と各反射Ｘ線のなす面が全て平行なｃｏｐｌａｎａｒ型と、非平行なｎｏｎｐｌａｎａｒ型とに大きく分けられる。本発明ではブラッグケース及びラウエケースのｎｏｎｐｌａｎａｒ型同時反射を用いる。

ここでは以下、図４に示すように（ｎ１１）面と（ｎ−１−１）面によるブラッグケースのｎｏｎｐｌａｎａｒ型同時反射を用いて説明する。尚、結晶表面に平行な格子面を（ｍ００）面とし、［０１１］面はｘ−ｚ面に平行であるとする。

（ｍ００）面と（ｎ１１）面のなす角をθ_ａ、（ｍ００）面とｘ−ｙ面のなす角度をθ_ｂとしたとき、回折格子ベクトルの単位ベクトルｎは式（４）となる。

波数ベクトルｋｏのＸ線が図４に示すようにアナライザー結晶１０２に入射するとき、ｋｏの単位ベクトルａは、ｘ−ｚ面からのずれをｄρとして、式（５）で与えられる。

したがって、式（４）及び式（５）からｋｏの（ｎ１１）面への入射角θ_ｉは、式（６）となる。

また、（ｎ−１−１）面への入射角θ_ｉ’は式（７）となる。

以上からｄρ＝０のときθ_ｉ＝θ_ｉ’となり、入射Ｘ線の波長λが式（８）となる回折条件を満たしていれば、入射Ｘ線は（ｎ１１）及び（ｎ−１−１）面で同時に反射され（同時反射）、波数ベクトルｋ_ｈのＸ線とｋ_ｈ’のＸ線に分割される。

但し、ここでｄは（ｎ１１）面及び（ｎ−１−１）面の格子面間隔である。

図５に、図２と同様に入射角のずれθ_ｘ及びｄρに対して、上記（ｎ１１）面及び（ｎ−１−１）面によって反射が生じる領域を示す。各格子面による個々の回折は通常のブラッグ回折と同じであり、Ｘ線が格子面に対して斜めに入射しているために、図２と比較して反射領域が単に傾いているにすぎない。なお、この傾きθ_ｓは、式（９）で与えられる。

図５において（ｎ１１）面による反射の領域をＡ、（ｎ−１−１）面による反射の領域をＢとして、式（１０）で与えられる両者が重なる領域Ｃ、すなわち、同時反射の起こる領域を考えた場合、Ｃはθ_ｘ及びｄρがほぼ０となる中心部のごく狭い領域に限定されることがわかる。

この領域Ｃを反射領域とする反射では、θ_ｘ及びｄρのいずれに対しても反射強度が敏感に変化する。したがって、（ｎ１１）面と（ｎ−１−１）面の同時反射の反射強度から「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度Ｉ_ｉ」を算出し、Ｉ_ｉの空間的な分布（反射像）を求めることによって、θ_ｘ及びｄρのいずれに対しても感度がある位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像を得ることができる。

「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度Ｉ_ｉ」の具体的な計算は以下のように行う。被写体の屈折によって生じたＸ線のずれθが図５上の点Ｐである場合、点Ｐは（ｎ１１）面の反射領域Ａに含まれるため入射Ｘ線は（ｎ１１）面で反射される。一方、（ｎ−１−１）面の反射領域Ｂには含まれないため（ｎ−１−１）面では反射されない。さらに、反射領域がＣである仮想的な反射では、図５からわかるように点ＰはＣに含まれないので反射されない。したがって、反射領域がＣである仮想的な反射の強度として、この条件では（ｎ−１−１）面による反射強度を採用すればよいことがわかる。反対に領域Ｂに含まれるが領域Ａに含まれない点Ｐ’においては、上記と逆になるのでＩ_ｉとして（ｎ１１）面による反射強度を採用すればよい。以上から、「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度Ｉ_ｉ」は、式（１１）として算出すればよいことがわかる。

ここで、Ｉ_１は（ｎ１１）面による反射強度、Ｉ_２は（ｎ−１−１）面による反射強度、ｍｉｎ（ａ，ｂ）はａとｂを比較して小さい方の値を返す関数である。

図６（ａ）から（ｃ）に、図３（ａ）に示した被写体について、数値シミュレーションにより求めた（ｎ１１）面及び（ｎ−１−１）面による反射像と、この両像から式（１１）により計算した「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度」の像を示す。この計算結果から、（ｎ１１）面及び（ｎ−１−１）面による反射像では、θ_ｓ及び−θ_ｓの方向にコントラストが消失していることがわかる。これはその方向のＸ線の屈折に対して、反射光の強度が変化しないためである。一方、「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度」による像ではこのような消失がなく、全ての方向に対してはっきりとしたコントラストがついていることがわかる。

以上の方法では、反射されたＸ線の強度Ｉがθ_ｂ±θでほぼ同じ値となることから、θの大きさはわかっても向きはわからない。このため、積分計算ができず位相シフトそのものは求めることができない。そこで、次に、アナライザー結晶１０２を回転させて角度毎に取得した反射強度からθの大きさと向きを検出する方法を示す。

図４に示すｙ軸の周りにアナライザー結晶１０２を回転させた場合、図５における点Ｐは見かけ上矢印のように図中を動くことになる。したがって、（ｎ１１）面及び（ｎ−１−１）面による反射強度は、アナライザー結晶１０２の回転に対して図７のようなプロファイルとなる。このとき、各々の反射強度が最大となるアナライザー結晶の角度をθ_１及びθ_２とすると、θ_ｘは幾何学的な計算からθ_１とθ_２の中心、即ち式（１２）で与えられる。

一方、ｄρは式（１３）で与えられる。

ただし、ここでθ_ｓは式（９）によって与えられる角度である。以上により、被写体によるＸ線ビームのずれθの大きさは式（１４）で与えられるから、ずれの向きφは式（１５）から求めることができる。

更に、位相シフトそのものは、図８に示すように（１）像上の任意点（例えば左上）を原点として初期位相値を適当に決め、（２）その点からｄρを１ライン分だけ積分してｙ軸方向の位相シフト量を求め、（３）上記（２）により位相シフト量が既知となったラインから各θ_ｘを積分することによって求めることできる。

図９には、図３及び図６の数値シミュレーションの対応として、上記のアナライザー結晶１０２を回転させる方法を用いて測定を想定し、位相シフトをコントラストとする像（位相コントラスト像）を計算で求めた結果を示す。この結果から、はじめに図３（ａ）で想定した被写体の形状がよく復元できていることがわかる。

Ｘ線の高い透過能を利用した非破壊での被写体の断面像は、（１）被写体をＸ線ビームに対して回転させて、各角度で上記に示した方法により位相コントラスト像を求め、（２）すべての測定が終了した後に、取得した位相シフト像から従来のＸ線ＣＴアルゴリズムを用いた計算により再生することができる。

以上から、アナライザー結晶１０２によるＸ線の反射として同時反射を用いることによって、被写体全体を観察することなく、被写体によって生じた位相シフトの空間的な微分、及び位相シフトをコントラストとする像を検出することができる。さらに、アナライザー結晶１０２の回転に代えて被写体を回転させることによっても、位相シフトをコントラストとする被写体の断面像も得ることができる。

本発明により、小さな観察視野、且つ簡単な装置構成で、被写体によって生じた位相シフトの正確な空間的な微分、及び位相シフトをコントラストとする像を得ることが可能となる。

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）
図１０は本発明によるＸ線撮像装置の構成の一例を示す図である。同図に示すように本装置は、Ｘ線源１、被写体ホルダー２、被写体ホルダー保持位置決め機構３、アナライザー結晶４、アナライザー結晶角度調整機構５、画像検出器６及び７、処理部８から主に構成される。

Ｘ線源１より出射したＸ線ビーム９は、被写体ホルダー保持位置決め機構３によって位置決めされた被写体ホルダー２内に設置された被写体１０に照射される。被写体を透過して屈折されたＸ線ビーム１１はアナライザー結晶４に入射し、ブラッグの回折条件を満たす成分のみが反射されて反射Ｘ線ビーム１２及び１３となる。反射Ｘ線ビーム１２及び１３の強度は各々画像検出器６及び７で検出され、処理部８に各ピクセルごとの強度が画像データとして保存される。そして、保存された画像データから式（１１）に基づいて「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度Ｉ_ｉ」を計算し、Ｉ_ｉをコントラストとする像、すなわち位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像を表示部１４で表示する。

Ｘ線源１として通常の管球型やロータリー型のものを用いてもよいし、放射光を用いてもよい。ただし、前者の場合、放射されるＸ線ビームは発散光であるので、開口幅が可変なスリット１５をＸ線源と被写体との間に設置することによって、散乱Ｘ線による被写体１０の被曝や、画像検出器６，７の背景ノイズを低減することができる。

アナライザー結晶４としては、単結晶から削りだし、表面をメカノケミカルエッチング等により無歪みで研磨した結晶プレート等を用いればよい。結晶の大きさはスリット１５で切り出されたＸ線ビームサイズ、Ｘ線ビームの波長、使用する回折格子面をもとに決定する。アナライザー結晶４上でのＸ線ビーム１１の横幅Ｗは、Ｘ線ビーム１１の幅をＷ_ｂ、波長をλ、同時反射に使用する回折格子面を（ｎ１１）面と（ｎ−１−１）面としたとき、式（１６）で与えられる。

したがって、アナライザー結晶４の横幅はＷ以上にすればよい。ここでｄは（ｎ１１）面の格子面間隔、θ_ａは（ｎ１１）面と結晶表面とがなす角である。一方、アナライザー結晶４上でのＸ線ビーム１１の縦幅Ｈは、Ｘ線ビーム１１の縦幅Ｈ_ｂとほぼ同じであるので、アナライザー結晶４の縦幅はＨ_ｂ以上にすればよい。

同時反射に使用できる回折格子面は、ほぼ無数にある。そこで、回折格子面の選択は
（１）対象とする被写体１０の大きさ（厚さ）を測定する。
（２）上記被写体の厚さに対する最適なＸ線のエネルギー（波長）を算出する。
（３）上記エネルギーに対して、θ_ｓが４５度に近く、θ_ｉが大きく（１０度以上）、できる限り低次の格子面を選択する。
の手順で行う。被写体１０が厚いほど、透過率を上げるために高エネルギーのＸ線が必要となるが、式（１）で示したように被写体による屈折角θはλに比例、即ちエネルギーに反比例しているので、高いエネルギーほど屈折角θは小さくなり位相シフトの検出感度が低減してしまう。

そこで、上記（２）の課程では、代表的な被写体について、被写体の厚さに対してＳ／Ｎが最大となるエネルギーを計算したグラフを用意しておき、これを用いてエネルギーを決定する。一例として、図１１に生体軟部組織用のグラフを示す。（３）の課程では、図１２に示した各Ｘ線のエネルギーに対する最適な格子面の一覧から、（２）で求めたエネルギーに対応した格子面を選択すればよい。また、Ｘ線源１として通常の管球型やロータリー型のものを用いる場合は、特性Ｘ線を利用するために（２）で求めたＸ線のエネルギーに応じてターゲットの元素を変えるとよい。

結晶は機械的なストレスにきわめて敏感であるために、アナライザー結晶４を保持する結晶ホルダー１６はＬ字型として、２面から結晶をしっかりと支えるようにする。Ｘ線源１は結晶４に比べて重量があり、その位置を動かして微調整することは難しいため、アナライザー結晶４に対するＸ線１１の入射角はアナライザー結晶を動かすことによって調整する。アナライザー結晶の角度調整機構５には、ｄρ制御のための通常のスイベルステージ１７とθ回転ステージ１８を用いることができる。但し、回転ステージ１８の回転位置決め精度は、反射の生じる角度幅より十分に狭くしておく必要がある。反射の生じる角度幅は通常数秒であるので、１／１００秒精度をもったタンジェンシャルバーを使用した回転ステージ等が適している。

画像検出器６及び７としては、サチコン管や蛍光体＋レンズ系＋ＣＣＤカメラを組み合わせたものなどを用いることができる。

測定の手順を図１３のフローチャートに示す。上述したようにして、Ｘ線ビームのエネルギーと同時反射の回折格子面を設定した後、選定した回折格子面が使用可能なアナライザー結晶４をあらかじめ用意し保存しておいた複数のアナライザー結晶４から選び、アナライザー結晶ホルダー１６に固定する。次に、アナライザー結晶角度調整機構５のθ回転ステージ１８を用いて回転させ、Ｘ線が反射される角度、即ち回折条件を満たす角度θ_ｂに調整する。この際、アナライザー結晶４の表面を鏡面研磨しておけば、図１０に示すようにオートコリメータ１９等を利用して角度を数分の範囲まで追い込んだ後に、Ｘ線を用いた調整に移れるので、調整時間を大幅に節約することができる。また、この調整の際に画像検出器６及び７の代わりに、ＰＩＮダイオードやシンチレーションカウンター等の応答速度の速いＸ線検出を使用すれば、高速に回転スキャンを行うことができるので、調整時間を短縮することができる。次に反射Ｘ線ビーム１２及び１３の強度をモニターしながらｄρ軸の回転とθ軸の回転を交互に行い、反射Ｘ線ビーム１２及び１３が同時に現れる角度に調整する。上記調整後に、被写体１０を設置せずに背景となる反射像を画像検出器６及び７で取得する。

次に被写体１０を被写体ホルダー２内に設置し、被写体ホルダー位置決め機構３を用いて位置決めを行った後に、測定を行う。一連のＸ線を用いた測定後に、処理部８において被写体１０を設置して取得した画像データを背景の画像データで割り算処理し、式（１１）に基づいて「反射領域がＣとなる仮想的な反射強度Ｉ_ｉ」を計算し、Ｉ_ｉをコントラストとする像、すなわち位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像を得、表示部１４で表示する。

一般に、同時反射は入射角と出射角が異なる非対称反射であり、反射像には被写体が歪んだ形となって現れる。また、図１０に示すようにｎｏｎｐｌａｎａｒ型の同時反射では、反射ビーム１２及び１３はアナライザー結晶４に対して斜めに出射することになり、画像検出器６及び７を位置決めする機構に複雑な動きが要求される。この問題は、図１４（ａ）に示すように、アナライザー結晶の下流にアナライザー結晶４と対向する面が平行な結晶プレート２０を設けることで解決できる。結晶プレート２０に入射するＸ線ビームは、言うまでもなくアナライザー結晶の反射ビーム１２及び１３であるので、アナライザー結晶４の格子面に相対する格子面、即ち（ｎ１１）面で反射されたビームであれば（ｎ−１−１）面で、（ｎ−１−１）面で反射されたビームであれば（ｎ１１）面の回折条件を、結晶プレート２０において自動的に満たすことになる。したがって、図１４（ａ）のように被写体を透過したＸ線ビーム１１と平行なＸ線ビーム２０及び２１として再度反射される。この際、アナライザー結晶４とは逆の非対称反射となるので、被写体１０の像の歪みも自動的に修正されることになる。アナライザー結晶４と結晶プレート２０は原理的には独立した構造でも良いが、図１４（ａ）に示すように一体の結晶ブロックから形成されている場合、位置決め及び角度調整や、その調整機構の構成もアナライザー結晶単体のときのように簡単にすることができる。

図１４（ｂ）には、アナライザー結晶４と結晶プレート２０が互いに非平行で角度αだけ傾けられている場合を示す。この場合、Ｘ線ビーム２１及び２２は結晶プレート２０によって反射と同時に拡大されることになるので、被写体１０を空間分解能よく観察することが可能となる。像の拡大率ｂは式（１７）で与えられる。

ここで、αはアナライザー結晶と結晶プレートの表面のなす角度である。尚、像はθ_ｓ方向にのみ拡大され歪んでしまうため、歪みのない被写体の像が必要な場合は、処理部において計算で歪みを補正することが必要となる。

観察視野、即ちＷ_ｂを広げるためにはアナライザー結晶４や結晶プレート２０のサイズも大きくする必要がある。例えば、Ｓｉ（２２０）面とＳｉ（２０２）面の同時反射でＸ線のエネルギー１５ｋｅＶにおいて、５ｃｍ角の観察視野を得るためには、アナライザー結晶４のサイズは横２１ｃｍ、縦５ｃｍ以上と非常に大きなものになってしまう。そこで、結晶のサイズを小さくするために、ブラッグケースの代わりに図１５（ａ）に示すようなラウエケースの同時反射を用いてもよい。この場合、結晶板２０１，２０２のサイズは観察視野とほぼ同じサイズとすることができる。結晶板２０１，２０２の厚さｔは、Ｘ線の吸収を避けるためにできる限り薄くすることが望ましいが、薄すぎると機械的な剛性も失われて結晶の歪みが生じてしまうために、１ｍｍ前後が適当である。しかし、この厚さでは１５ｋｅＶ以下の低エネルギーにおいて吸収が大き過ぎる。その場合、例えば図１５（ｂ）に示すように結晶板２０１を外枠２０３で支承する構成として、実際にＸ線が透過する結晶板１３の厚さのみを１ｍｍ以下にすればよい。結晶板１３についても同様である。

被写体１０の位相コントラスト像を得る手順を図１６のフローチャートに示す。ここでは、アナライザー結晶４の各角度で反射像の測定を行って処理部８に格納し、全ての測定が終了した後に処理部８で各画素毎に反射強度が最大となるθ_１及びθ_２を求め、θ_１及びθ_２から式（１２）及び１３に従ってθ_ｘ及びｄρを求め、θ_ｘの積分を計算するという手順の測定により得ることができる。さらに、Ｘ線源１が管球等の場合、Ｘ線ビーム９は平行性が悪い発散ビームであるために背景の位相シフトに傾きが生じて、被写体の正確な像が得られない場合がある。この場合は、被写体１０を設置する前に上記と同様に図１６の手順より背景となる位相シフト像を予め測定しておき、被写体１０を設置して取得した被写体と背景の位相シフトが加算された像から減算することによって、被写体１０の純粋な位相コントラスト像を得ることができる。

被写体１０の断面像は、図１７のフローチャートに示す手順、即ち、被写体１０をＸ線ビーム９に対して回転させ、各回転角度において図１６の手順に従って位相シフト像を得、全ての測定が終了した後に処理部８で一般的なＸ線ＣＴのアルゴリズムにより断面像を計算するという手順を行うことによって得ることができる。被写体１０の回転軸は、Ｘ線ビームに垂直な面内であればどのような方向を選んでもよい。また、被写体１０を固定し、Ｘ線源１、アナライザー結晶４、検出器６及び７を一体で被写体１０の周りを回転させてもよい。

（実施例２）
本発明の撮像法の特徴である、軽元素に対して特に感度が高く、軽元素から主に構成された生体軟部組織の観察に適しているという点を生かした診断装置の一例として、マモグラフィー装置（乳ガン診断装置）を構成した実施例２を図１８に示す。図１８（a）は上面から、図１８（ｂ）は側面から見た図を模式的に示す図である。診断装置には、Ｘ線照射による被爆をできる限り抑える手段、被写体を一度に取得できる広い観察視野、何回測定を行っても同じ像が得られる高い安定性（再現性）が要求される。そこで、実施例２では実施例１の基本的な構成に加えて、Ｘ線源１を被験者から分離するＸ線防護壁２３や被写体のみをＸ線で照射するためのＸ線防護カバー２４を設け、被験者の被写体のＸ線照射領域以外へのＸ線照射を防ぐ。Ｘ線防護壁２３およびＸ線防護カバー２４には、Ｘ線の通路となる部分にのみ小さい開口が設けられる。Ｘ線ビームを整形・拡大する拡大用非対称結晶プレート２５、アナライザー結晶４の角度を１／１００秒以下の精度で位置決めしておくための角度フィードバック機構２６を新たに設けた。また、アナライザー結晶４での非対称な同時反射による不必要な像の拡大を避けるため、及び画像検出器６及び７の位置決めを容易にするために、図１４（ａ）に示したアナライザー結晶４と結晶プレート２０を一体的に構成した構造を採用し、これを結晶ホルダー１６で保持するものとした。ただし、結晶のサイズを小さくするために、図１５に示したラウエケースで使用してもよい。結晶ホルダー１６は角度フィードバック機構２６で制御されるものであるとともに、θ回転用のステージ１８で制御されるが、これらの構造の具体例は後述する。６１は拡大用非対称結晶プレート２５の支持部であり、図示しないが、反射角度の制御装置を備える。

Ｘ線防護壁２３は、Ｘ線源１と拡大用非対称結晶プレート２５との間に設置し、Ｘ線源１から放射されたＸ線のうち不要なＸ線を遮るもので、鉛等を含んだ厚い壁で出来ており、Ｘ線強度の１００％を遮断することができる。Ｘ線防護カバー２４は拡大用非対称結晶プレート２５、アナライザー結晶４と結晶プレート２０等本装置の主要な構成部分全体を覆うもので、各結晶によって生じた散乱Ｘ線が被写体や、画像検出器６及び７に照射することを防ぐ。散乱Ｘ線の強度はそれほど強くないので、鉛を含んだアクリル板や、薄い鉛を貼り付けた鉄板等を用いる。被写体１０をＸ線ビーム内に設置する部分は図１８（ａ）に示すように凹型部を備えており、被写体１０のビームが照射される部分以外は、Ｘ線が照射されないようになっている。

被験者２７の発熱によって生じる拡大用非対称結晶プレート２５とアナライザー結晶４の格子面間隔の歪み等は被験者２７と、拡大用非対称結晶プレート２５及びアナライザー結晶４との距離を３０ｃｍ以上離すことによって抑える。また、被験者２７の交代時に生じる床振動等の影響は、拡大用非対称結晶プレート２５及びアナライザー結晶４と結晶プレート２０を同一の除振台２８の上に設置することによって抑える。この除振台２８も被験者の近くで凹型の形状をしており、被験者が除振台に触れない構造となっている。

図１９はアナライザー結晶４と結晶プレート２０の保持と制御に関する構成の一例を具体的に説明する図である。アナライザー結晶４と結晶プレート２０は図１４に示したように一体の結晶ブロックで構成されていてもよいが、その場合大きさ、即ち観察視野が制限されてしまう。観察視野を大きくとるためにはアナライザー結晶４と結晶プレート２０を分離された構造として距離を大きくとり、アナライザー結晶４と結晶プレート２０の反射面の角度を一体形成と同じ程度に制御すればよい。

図１９はこの考え方に基づく構成とした。即ち、アナライザー結晶４は結晶ホルダー１６に保持されてテーブル７０の上に、結晶プレート２０は結晶ホルダー１６’に保持されて第２チルトステージ３０の上側テーブル４０の上に別々に保持され、アナライザー結晶４と結晶プレート２０を分離することによって新たに必要となる結晶間の角度の調整は第２θステージ２９及び第２チルトステージ３０で行う構成とした。

観察視野を１０ｃｍ×１０ｃｍ確保するためには、Ｘ線のエネルギー３５ｋｅＶ時で各結晶の長さは５０ｃｍ以上となる。このため、第２θステージ２９には、サイズが大きくなっても高い機械的な剛性を確保できる固体滑り機構を用いた。即ち図に示すように、上側テーブル３１は下側テーブル３２上に合成樹脂を特殊加工した個体滑り材を介して搭載されるとともに、左端部でピボット３５で結合されており、右端部には圧電素子３４による伸縮機構が設けられている。圧電素子３４による伸縮機構の一端は上側テーブル３１に、他端は下側テーブル３２に固定されているから、制御電圧源３３の出力電圧を変化し圧電素子３４を伸縮させることによってピボット３５を中心に上側テーブル３１が第２θステージ２９の右側に示す矢印のように、回転駆動される。上側テーブル３１と下側テーブル３２が滑り材を介して接触している面積はボールベアリングを使用した通常のステージ等に比べて大きいために、高い機械的な剛性が得られる。テーブル３１が下側テーブル３２に対して回転されることにより、上側テーブル３１上に保持された第２チルトステージ３０が回転することになるから、第２チルトステージ３０上に保持された結晶プレート２０が結晶ホルダー１６’とともに回転することになり、アナライザー結晶４と結晶プレート２０の反射面の角度を図４に示すｙ軸の周りに回転させることができる。

また、第２チルトステージ３０は上側テーブル４０と下側テーブル３９が一端側でロールベアリング３８で結合され、他端側の端面に圧電素子３７による伸縮機構が設けられている構成とした。圧電素子３７による伸縮機構の一端は上側テーブル４０に、他端は下側テーブル３９に固定されているから、制御電圧源３６の出力電圧を変化し圧電素子３７を伸縮させることによってロールベアリング３８を中心に上側テーブル４０が第２チルトステージ３０の右側に示す矢印のように、回転駆動される。この回転により、上側テーブル４０上に保持された結晶プレート２０が結晶ホルダー１６’とともに回転することになり、アナライザー結晶４と結晶プレート２０の反射面の角度を図４に示すｘ軸の周りに回転させることができる。

テーブル３９とテーブル４０は線（ロールベアリング３８）で接触していることになるために、第２θステージ２９の固体滑り機構に比べて機械的な剛性は低下するが、依然として通常のステージよりは高い剛性が得られる。

また、アナライザー結晶４、結晶プレート２０、第２θステージ２９、及び第２チルトステージ３０を搭載するチルトステージ１７は、第２θチルトステージ３０と同じ構造とする。上下のテーブルの一端部がロールベアリング４３で結合され、他端側の端面に圧電素子４２による伸縮機構が設けられている。制御電圧源４１の出力電圧を変化し圧電素子４２を伸縮させることによってロールベアリング４３を回転中心として回転駆動する構造である。チルトステージ１７を搭載するθステージ１８は第２θステージ２９と同じ構造とする。上下のテーブルの一端部がピボット４６で結合され、他端側の端面に圧電素子４５による伸縮機構が設けられている。制御電圧源４４の出力電圧を変化し圧電素子４５を伸縮させることによってピボット４６を中心に回転駆動するステージである。

測定の高い再現性を実現するためには、各ステージの回転ドリフトを１／１００秒以下に抑える必要がある。そこで、図２０に示したような角度フィーバック機構を設ける。なお、図２０には、第２θステージ２９のフィードバック機構のみを示してある。他の軸に関しても同様なフィードバック機構を組み込みことによって、回転ドリフトを抑えることができる。このフィードバック機構は、レーザーを用いた光学的な方法により各結晶の角度を測定し、予め設定した角度とのずれΔＡを求め、ΔＡに基づいて圧電素子３４に印加している電圧を制御電圧源３３で調整し、ΔＡを０とするものである。角度の検出は、レーザー４７から出射したレーザービームをハーフミラー４８により２本のビームに分割し、分割したビームをテーブルに取り付けたコーナーキューブ４９及び５０で各々反射させ、反射したビームをハーフミラー４８により結合・干渉させ、その干渉強度を検出器５１でモニターし、処理部５２でレーザーからの信号を処理・計算することによって得る。なお、レーザー光はコーナーキューブではなく、結晶表面そのもので反射させてもよい。

乳ガン診断において、被写体（乳房）の厚さは人によって大きく異なる。そこで、個々の被写体の厚さを予め測定し、実施例１で説明したように図１１のようなグラフを用いてＸ線の最適なエネルギーを決定し、さらに図１２に基づいて使用する同時反射の格子面を決定しておく。この際、結晶表面がＳｉ（４２２）となる結晶では、Ｓｉ（２２０）とＳｉ（２０２）、Ｓｉ（４４０）とＳｉ（４０４）、Ｓｉ（６６０）とＳｉ（６０６）のいずれでも、アナライザー結晶の交換をすることなく角度の調整だけですぐに使用できるようになるので、便利である。

Ｘ線を用いた測定は実施例１で説明したように、位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像であれば図１３のフローチャートに従って、位相シフトをコントラストとする像であれば図１６に示したフローチャートに従って行う。但し、後者の方法は前者の方法に比べて被爆量が大きくなるために、前者の方法はスクリーニング検査、後者の方法は再検査及び精査としてもよい。

被写体によるＸ線の二次元的な屈折を示す図である。 θｘとｄρに対して反射の生じる領域を示す図である。 数値シミュレーションによる反射像及び位相コントラスト像を示す図である。 結晶による同時反射を示す図である。 同時反射におけるθｘとｄρに対して反射の生じる領域を示す図である。 数値シミュレーションによる同時反射における各反射像を示す図である。 θｘの回転に伴う反射強度の変化を示す図である。 位相シフトの積算計算において、積算の手順を示す図である。 数値シミュレーションによる本発明における位相コントラスト像を示す図である。 本発明における実施例を示す図である。 被写体の各厚さに対する最適なＸ線のエネルギーを示す図である。 各Ｘ線のエネルギーに対して最適な同時反射を示す図である。 本発明における測定手順を示す図である。 アナライザー結晶と結晶プレートの構成を示す図である。 ラウエケースのアナライザー結晶と結晶プレートの構成を示す図である。 本発明における位相コントラスト像の測定手順を示す図である。 本発明における位相コントラスト断面像の測定手順を示す図である。 診断装置への適用可能な本発明における実施例を示す図である。 アナライザー結晶及び結晶プレートの詳細な構成を示す図である。 フィードバック機構の構成を示す図である。

符号の説明

１…Ｘ線源、２…被写体ホルダー、３…被写体ホルダー保持位置決め機構、４…アナライザー結晶、５…アナライザー結晶角度調整機構、６…画像検出器、７…画像検出器、８…処理部、９…Ｘ線ビーム、１０…被写体、１１…Ｘ線ビーム、１２…反射Ｘ線ビーム、１３…反射Ｘ線ビーム、１４…表示部、１５…スリット、１６…結晶ホルダー、１７…スイベルステージ、１８…θ回転ステージ、１９…オートコリメータ、２０…結晶プレート、２１…反射Ｘ線ビーム、２２…反射Ｘ線ビーム、２３…Ｘ線防護壁、２４…Ｘ線防護カバー、２５…拡大用非対称結晶プレート、２６…角度フィードバック機構、２７…被験者、２８…除振台、２９…第２θステージ、３０…第２チルトステージ、３１…テーブル、３２…テーブル、３３…制御電圧源、３４…圧電素子、３５…ピボット、３６…制御電圧源、３７…圧電素子、３８…ロールベアリング、３９…テーブル、４０…テーブル、４１…制御電圧源、４２…圧電素子、４３…ロールベアリング、４４…制御電圧源、４５…圧電素子、４６…ピボット、４７…レーザー、４８…ハーフミラー、４９…コーナーキューブ、５０…コーナーキューブ、５１…検出器、５２…処理部、２０１…結晶板、２０２…結晶板、２０３…外枠。

Claims (18)

1. 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Ｘ線の同時反射により互いに非平行な複数の反射ビームに分割するアナライザー結晶と、上記複数の反射Ｘ線ビームを検出する複数のＸ線検出器と、上記複数のＸ線検出器から出力された複数の信号から演算により上記被写体によって生じた上記透過Ｘ線ビームの位相シフトの空間的な微分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。
2. 前記複数の反射Ｘ線ビームを透過Ｘ線ビームとほぼ平行なＸ線ビームにそれぞれ反射する後置結晶を備えている請求項１記載のＸ線撮像装置。
3. 前記アナライザー結晶と前記後置結晶が単結晶ブロックから一体で形成された対向する面が互いに平行な２枚の結晶プレートである請求項２記載のＸ線撮像装置。
4. 前記アナライザー結晶と前記後置結晶が単結晶ブロックから一体で形成された対向する面が互いに非平行な２枚の結晶プレートである請求項２記載のＸ線撮像装置。
5. 前記アナライザー結晶と前記後置結晶のＸ線ビームが入射する面と、同時反射による反射Ｘ線ビームが出射する面が異なる請求項３または４記載のＸ線撮像装置。
6. 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Ｘ線の同時反射により互いに非平行な複数の反射Ｘ線ビームに分割するアナライザー結晶と、上記複数の反射Ｘ線ビームを検出する複数のＸ線検出器と、上記複数のＸ線検出器から出力された複数の信号を演算する処理部から構成され、前記アナライザー結晶が透過Ｘ線ビームに対して回転する機能を備え、前記処理部は前記アナライザー結晶の各回転角度においてＸ線検出器で検出した複数の反射Ｘ線ビームから被写体によって生じた上記透過Ｘ線ビームの位相シフトの空間的な微分、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線撮像装置。
7. 前記被写体の像を得る演算に各反射ビームの強度が最大となる結晶の各角度位置の情報を用いる請求項６記載のＸ線撮像装置。
8. 前記被写体を透過Ｘ線ビームに対して回転する機能を備え、前記被写体の各回転角度において取得した位相シフトをコントラストとする像から、被写体によって生じた位相シフトをコントラストとする断面像を得る請求項６または７記載のＸ線撮像装置。
9. 前記Ｘ線ビームのエネルギーと同時反射の回折格子面の組み合わせが、７〜１５ｋｅＶとＳｉ（２０２）、Ｓｉ（２２０）、１５〜３０ｋｅＶとＳｉ（４０４）、Ｓｉ（４４０）、３０ｋｅＶ以上とＳｉ（６０６）、Ｓｉ（６６０）、の何れかである請求項１または６記載のＸ線撮像装置。
10. Ｘ線源と、Ｘ線源から出射したビームを整形・拡大する手段と、整形・拡大されたビームの光路に被写体を設置する手段と、上記被写体のビーム照射領域以外へのＸ線照射を防ぐ手段と、上記被写体を透過した透過Ｘ線ビームをＸ線の同時反射により互いに非平行な第１Ｘ線ビーム及び第２Ｘ線ビームに分割するアナライザー結晶と、上記第１Ｘ線ビーム及び第２Ｘ線ビームを透過Ｘ線ビームとほぼ平行な第３Ｘ線ビーム及び第４Ｘ線ビームに各々反射する後置結晶と、上記第３Ｘ線ビーム及び第４Ｘ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上記透過Ｘ線ビーム位相シフトの空間的な微分をコントラストとする像を得る処理部から構成されることを特徴とするＸ線撮像装置。
11. 前記アナライザー結晶及び後置結晶のＸ線ビームが入射する面と同時反射による反射Ｘ線ビームが出射する面が異なる請求項１０記載のＸ線撮像装置。
12. 前記アナライザー結晶及び後置結晶が透過Ｘ線ビームに対して一体となって回転する回転機能を備え、各回転角度においてＸ線検出器で検出した第３Ｘ線ビーム及び第４Ｘ線ビームの強度から演算により被写体によって生じた上記透過Ｘ線ビームの位相シフトの空間的な微分、及び位相シフトをコントラストとする像を得る請求項１０または１１記載のＸ線撮像装置。
13. 前記回転機能が回転角度のドリフトを抑えるフィードバック機構を備え、角度位置決めの再現性が１／１００秒以下である請求項１２記載のＸ線撮像装置。
14. 前記被写体の像を得る演算に、第３Ｘ線ビーム及び第４Ｘ線ビームの強度が最大となる結晶の各角度位置の情報を用いる請求項１２記載のＸ線撮像装置。
15. 前記被写体を透過Ｘ線ビームに対して回転する機能を備え、前記被写体の各回転角度において取得した密度をコントラストとする像から、被写体によって生じた位相シフトをコントラストとする断面像を得る請求項１２記載のＸ線撮像装置。
16. 前記被写体を透過Ｘ線ビームに対して回転する機能を備え、前記被写体の各回転角度において取得した密度をコントラストとする像から、被写体によって生じた位相シフトをコントラストとする断面像を得る請求項１３記載のＸ線撮像装置。
17. 前記被写体を透過Ｘ線ビームに対して回転する機能を備え、前記被写体の各回転角度において取得した密度をコントラストとする像から、被写体によって生じた位相シフトをコントラストとする断面像を得る請求項１４記載のＸ線撮像装置。
18. 前記Ｘ線ビームのエネルギーと同時反射の回折格子面の組み合わせが、７〜１５ｋｅＶとＳｉ（２０２）、Ｓｉ（２２０）、１５〜３０ｋｅＶとＳｉ（４０４）、Ｓｉ（４４０）、３０ｋｅＶ以上とＳｉ（６０６）、Ｓｉ（６６０）、の何れかである請求項１０記載のＸ線撮像装置。
    

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