JP2010502977A - 位相コントラスト画像形成 - Google Patents

Abstract

位相コントラスト画像形成は、試料マスク（８）および検出器マスク（６）を用いて達成される。Ｘ線源（２）から放射されたＸ線は試料マスクによって個々のビーム（１６）に形成されて、試料（１４）を通過し、検出器マスク（６）を通って検出器（４）の各ピクセル（１２）に到達する。各Ｘ線ビームは、各ピクセル行、各ピクセル列、あるいは各ピクセルのピクセル縁部（２０）に衝突するように配置される。各ビーム（１６）の小さな偏向θがピクセルの露出領域（２２）に衝突して信号の大幅な増加あるいは減少を生じさせ、大きな位相コントラスト信号に帰着する。

Description

本発明は、位相コントラスト（ＰＣ）Ｘ線画像を形成する装置、およびそのような画像の形成方法に関する。

位相コントラスト（ＰＣ）は、従来のＸ線画像形成のほとんどの制約を取り払う刺激的で新しいＸ線画像形成技術である。位相コントラストは、Ｘ線画像形成のあらゆる分野、すなわち国の安全保障（セキュリティ検査）ばかりでなく、医学的（診断、および治療の計画／提供／監視）、工業的（検査、非破壊試験）に利用することができる。基本的にこれらの全ての分野は、信頼性の高いＰＣ技術の導入によって大きな恩恵を受ける。従来技術によっては見ることができない細部の可視化の大幅な改善および物体の検出の可能性に結びつくからである。

ＰＣ画像形成の概説は、R. Lewis,「 医学的な位相コントラストＸ線画像形成：現状と将来予測」、Phys. Med. Biol, volume 49 (2004) pages 3573-83に記載されている。

吸収に基づく従来技術とは異なり、ＰＣは位相シフト効果に基づいている。位相効果の原因となる期間は、吸収の原因となる期間より格段に長く（〜１０００倍）、したがってＰＣの感度を劇的に増加させる。

位相効果を活用する３つの従来の方法がある。１つは、検出器と試料との距離を最適化して位相の摂動から生じる干渉パターンを検出するもので、この方法は自由空間伝搬あるいはインラインホログラフィと呼ばれている。この方法によって得られる結果は線源の特性に強く依存しており、従来の線源によって得られる結果はむしろ劣ったものとなる。優れた画像はシンクロトロン放射によって得ることができるが、この技術を従来技術の線源に当てはめるには、画質あるいはまた露出時間における厳しい交換条件を受け入れなければならない。

この方法の例は、A. Snigirev他「干渉性の高エネルギーシンクロトロン放射によるＸ線位相コントラストマイクロイメージングの可能性」、Rev. Sci, Instrum. volume 66 (1995) pages 5486-92、およびS.W. Wilkins他「多色性硬Ｘ線を用いた位相コントラスト画像形成」、Nature volume 384 (1996) pages 335-8、に見出すことができる。

第２の方法は、干渉計の使用を含むものである。伝統的に、それは完全結晶の適切な切断によって得られるが、非常に小さい視野だけを観察することができる、必要とするビームは厳密に平行かつ単色でなければならないといった、多くの問題に結びついているこのことは、この方法の利用をほとんどの状況において非常に困難なものとしている。この方法の実例は、A. Momose他「生物学的な軟組織を観察するための位相コントラストＸ線コンピューター断層撮影」、Nature Medicine volume 2 (1996) pages 473-5、に記載されている。

近年、従来の結晶ベースの干渉計の使用に関連したいくつかの問題を解決する、格子干渉計をベースとする方法が発明された。この方法は、F. Pfeiffer他「低輝度Ｘ線源による位相取り出しおよび差分位相コントラスト画像形成」、Nature Physics 2 (2006) 258-61、に記載されている。

しかしながら、この方法においては、干渉計は高度なミクロ製作技術によって得られるが目下のところ最大視野は５〜６ｃｍである、照射量が無駄に供給される、この技術は一方向のみにおいて位相効果を感知できる、単一の画像を得るために少なくとも４つの異なる位置において格子に段差を設ける必要がある、放射ビームのスペクトルバンド幅は１０％未満でなければならない、といったいくつかの制約を有している。

第３の方法は、位相シフトによるＸ線波面のゆがみがＸ線方向の局部的なミクロ変動に帰結するという事実に基づいている。言い換えると、 画像を形成する試料を出た後、Ｘ線の方向が数十マイクロラジアン変化するが、それを検出して画像コントラストに変換することができるという効果である。

これは、非常に幅の狭い反射カーブによって特徴づけられる、角度偏向を輝度の違いに変換するアナライザ結晶を用いて実行される。この方法の例は、V.N.Ingal and E.A. Beliaevskaya「非結晶物体からの位相コントラストのＸ線平面波トポグラフィー観測」、J. Phys. D: Appl. Phys. volume 28 (1995) pages 2314-7、およびD. Chapman他「回折を改良したＸ線画像形成」、Phys. Med. Biol, volume 42 (1997) pages 2015- 25に記載されている。

これは、ほとんどの場合に、本明細書で言及した他の全ての方法で得られるよりも極めて高い画質に帰着する（システムの感度を結晶方位の変更によって変化させることができるという）極めて柔軟な方法を可能とする。

しかしながら、完全結晶に依存することの必然性は、４つの主な理由によってこの第３の方法の用途を大幅に制約する。
１）このシステムは、単色で平行な放射線を必要とする。このことは、シンクロトロン放射による画像形成のための完全なツールとなるが、市販のＸ線源を用いるときには極めて無力なものとする。その結果は、おそらく２桁以上の露出時間の増加である。
２）照射量は非効率的に供給される。Ｘ線が試料を横切った後に結晶がかなりの部分を吸収する。医学的な用途においては、照射量の増加が特に問題となる。
３）このシステムは周囲の振動に大きく影響され、結晶の方位が１マイクロラジアン変化しただけで画質に影響が及ぶ。
４）このシステムは本質的に、一方向においてのみ位相効果を検知できる。

これにより、これらの３つの方法の全てが短所を有している。

他の実験的な方法は、A. Olivo他「医学分野における位相コントラストの適用に対する低照射量アプローチを可能とする革新的なデジタル画像処理機構」、Med. Phys. volume 28 (2001) pages 1610- 1619に記載されているような、シンクロトロン放射を用いるものである。

これらの実験においては、一連のピクセルの有効表面の縁部だけをＸ線で照射することにより、光子方向の極めて小さい角度偏向に対する高い感度を達成できるということが観察された。

残念なことに、この実験的な方法は、多くの理由によって市販のシステムへの転用が困難である。第１に、この方法は、粒子加速装置から得られるような本質的に平坦なＸ線シートを必要とするが、それは従来の線源から得ることができない。シンクロトロンの使用は極めて平行度の高いＸ線をもたらすが、そのような照射を用いる方法は、ビームの拡散が実質的な問題である従来の線源への転用が困難である。スリットの使用は出力Ｘ線強度を大きく減少させるが、長い露出時間を必要とする。さらに、この方法は、ピクセルの配列を有した従来の２次元画像検出器では動作しないため、ほとんどの既存の装置と相容れないものとなっている。加えて、検出器の単一ラインからの画像を構築するための試料全体のスキャンは、この方法を遅いものとし、かつ整列の維持を極めて困難なものとする。これにより、そのようなスキャンは、例えば医学的あるいはセキュリティ用途といった、照射量の限界およびデータを記録するための時間尺度が重要な要素である市販の装置には適合しない。

Ｘ線画像形成の研究に関係する科学界は、位相コントラスト画像形成がＸ線画像形成に大きな変化をもたらすという事実に全面的に同意する。発明者の知る限りでは、現在までに位相コントラスト画像形成をベースとする２つのシステムが商業化されているが、それらは、上述した理由によって限られた適用範囲あるいはまた画質の限られた改良に苦しんでいる。

したがって、位相コントラスト画像形成の改良された方法の必要性が残っている。

発明の概要
本発明に基づいて、請求項１に開示したＸ線画像処理システムが記載される。

発明者らは、請求項１に開示されているような装置の使用が、平行でないＸ線ビームの使用を可能とし、高価なシンクロトロンを線源とする必要性が回避されることを発見した。それに代えて、従来の市販の線源を用いることができる。

そのような市販の線源は一般的に、シンクロトロン線源より非常に少ない放射線を生じさせ、かつその放射線はコリメートされない。

ここに記載される発明においては、試料マスクと検出器におけるピクセル縁部との組合せによってＸ線の方向の小さな変動が検出される。このようにして、アナライザ結晶をベースとする方法で得られるものに十分に匹敵する画質を得つつ、先に概説した４つの制約を完全に取り除く。
１）このシステムは、発散する、完全に多色性の放射線、すなわち従来の線源から得られるような放射線を用いる。
２）結晶あるいは干渉計による他の方法よりも極めて効率的に照射が供給される。このことは、以下のセクションにおいてより詳細に議論する。
３）このシステムの周囲の振動に対する感度は無視できるものである。
４）詳細な説明においてより詳しく議論する複数のスリット設計により、位相効果に対する両方向での効果的な感度を達成することができる。

別の態様において、本発明は請求項１１の方法に関連する

より良好な理解のために、単なる実施形態としての特定の実施形態について、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、これらの図面は純粋に模式的なものであり、一定の大きさを示すものではない。類似あるいは同種の部分には、異なる図面において同一の参照符号が付けられる。

本発明の実施形態を試料なしで示す概略図。 図１に試料を追加した状態で示す概略図。 図１の実施形態の検出器マスクを示す図。 図１の実施形態の試料マスクを示す図。 個々のピクセルおよびビームを示す第１の概略図。 個々のピクセルおよびビームを示す第２の概略図。 個々のピクセルおよびビームを示す第３の概略図。 予備的な結果を示す図。 他の実施形態の検出器マスクを示す図。 図９の実施形態の変形例を実現する試料および検出器マスクを示す図。 異なる構成の実施形態において得られた結果を示す図。 異なる構成の実施形態において得られた結果を示す図。 本発明の別の実施形態を示す図。 本発明のさらに他の実施形態を示す図。 本発明の実施形態において得られた結果を示す図。 本発明の実施形態において得られた結果を示す図。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態のシステムは、線源２、Ｘ線検出器４、および試料領域１０の直前に配設された試料マスク８を備えている。Ｘ線源は、本質的にコリメートされた単色のシンクロトロン線源ではなく、従来市販の線源である。例えば、線源は、モリブデンターゲット線源であり、多くの他の市販の線源を用いることができる。そのような線源は一般に単色ではなく、しばしば支配的なエネルギーを持つものの、それらは実際に他の周波数で少量のエネルギーを放射し、その意味において多色である。これにより、この明細書における「多色」とは、幅広いスペクトル周波数を必要とすることを意図しない。さらに、そのような市販の線源はまた、シンクロトロン線源のように本質的にはコリメートされず、Ｘ線はある角度範囲で放射される。これにより、放射されるＸ線は発散性であってコリメートされない。

Ｘ線検出器４は、ピクセル１２の２次元配列５から構成され、ピクセルが延在して列および行を形成している（この図には示されない。図９を参照）。この実施形態において、検出器は、ピクセル縁部２０を画成する検出器マスク６を有している。ここで説明するように、マスク６、８は使用の際に特定のシャドーイング効果を生じさせるように配設されている。具体的に、検出器マスク６は、分離したピクセル１２の境界上に、中実のＸ線吸収領域１８を具備するように配設されて、このＸ線吸収領域１８と開口若しくはスリット３０との間に縁部２０を画成している。これにより、検出器マスク６の各開口３０はＸ線検知領域、すなわち対応するピクセル１２の覆われていない領域２２を画成する。検出器マスク６上に入射したＸ線は吸収されるからである。

試料マスク８には開口３２が設けられている。

使用する線源２に応じて、線源２と試料マスク８との間に追加のビーム成形用光学部品あるいは他の物体を選択的に設け得ることは、当業者が理解するところである。しかしながら、好ましい実施形態においてはそのようなビームの形状付けは省略され、実際にそのようなビームの形状付けなしに作用することが、本発明の特別な利点である。

試料がないときにＸ線源２からＸ線が放射されると、Ｘ線はビーム方向に透過して試料マスク８の中実領域によって吸収される。Ｘ線が試料マスクの開口３２にぶつかると、それらは分離したビーム１６として透過して検出器マスク６に当たる。各分離したビーム１６は、Ｘ線吸収領域１８に部分的に掛かり、かつ対応するピクセル１２の覆われていない領域２２に部分的に掛かるように、すなわち分離ビームが縁部２０をカバーするように配置される。これは、Ｘ線の各分離ビーム１６の一部だけがピクセル１２の覆われていない領域２２に到達し、したがって測定されることを意味している。

Ｘ線の発散性の性質により、試料マスク８の開口３２のピッチが検出器マスク６の開口３０のピッチより小さいことに注目されたい。

使用の際には、図２に示すように試料１４が試料領域１０に配置され、分離ビーム１６は試料１４を通過すると角度θだけわずかに偏向する。比較のために、偏向しないビームが点線で示されている。角度θは小さく、１ラジアンのうちの小さな部分であるが、図２においては明確さのために誇張されている。この偏向が縁部２０に対して垂直（図示のように、図２において上方あるいは下方）であるときには、このわずかな偏向は、各分離ビーム１６のピクセル１２にぶつかるＸ線部分を増減させ、したがって信号に影響を及ぼす。これは、試料１４によって生じる分離ビーム１６の極めて小さな偏向を、検出器によって検出できることを意味している。

試料マスク８および検出器マスク６の正確な配置は、良好な感度のための構成とすることができる。

図示の好ましい実施形態においては、試料マスク８は２次元のマイクロメートル位置決めシステム２４上に取り付けられている。これは、異なる技術に基づいて画像を得るシステムを可能にする。検出器マスク６もまたそのようなシステム上に取り付けることができる。

あるいは、マスク６、８は、所定の場所の正確な位置に機械的に保持することができる。

画像を獲得する間、マスク６、８を全く走査／ステッピング／運動させる必要がないことに気づくことが重要である。

試料マスクの開口３２が、ピクセルの複数の行のピクセル縁部、ピクセルの複数の列のピクセル縁部、あるいは行および列に配列された複数のピクセルのピクセル縁部に衝突する、複数のＸ線ビーム１６を生じさせることに注目されたい。このようにして、実質的に平行に用いられる多数のビームが存在し、それは過剰な測定時間なしに低強度の市販のＸ線源の使用を可能にする。

獲得される画質は、線源２のサイズによって左右される。しかしながら、最大５０〜７０ミクロンまでの線源サイズについては、画質の関連する損失は予想されない、このことは、様々な市販の線源によって現時点において達成可能である。さらに、線源サイズが大きい場合には、ピクセルの有効表面にぶつかる形付けられたビームの一部分の断面を減少させることにより、画質を回復させることができる。このことは、選択した線源に基づいて設計段階において、あるいはシステムを実現した後においても、検出器に対して試料前方の開口システムをさらにシフトさせることによって実行することができる。この第２の解決案は、よりフレキシブルではあるが、医学的な用途において問題となり得る照射量については若干のコストがかかる。

ここで、マスク６、８についてより詳細に議論する。本発明が、長いスリットすなわち１次元の開口、あるいは２次元の開口と称される各ピクセルのための個々の開口と共に用い得ることに注目されたい。これらのスリットは、スリット方向に沿って配向された縁部のみについて縁部エンハンスメントを生じさせるが、２次元の開口は、縁部の向きとは無関係に縁部エンハンスメントを生じさせる。このように、１次元および２次元という用語は、検出器としてのピクセルの２次元配列、すなわち従来のピクセル配列と共に作用する縁部エンハンスメントを指す。

１方向のみにおいて位相効果を感知できる、簡単な１次元のシステムの場合から説明を始める。これは、いくつかの基礎的な要点の明確化を可能にする。その後、位相効果を２次元に活用するいくつかの設計が与えられる。

最も簡単な例においては、試料マスク８および検出器マスク６の両方が金属箔から形成され、検出器の各ピクセル行（あるいはピクセル列）について一つずつ横方向（あるいは縦方向）のスリット３０、３２がこの金属箔を横切っている。検出器マスク６のスリット３０のピッチは、検出器ピクセル１２のピッチによって決定され、かつ試料マスク８のスリット３２のピッチは、線源から試料への距離が乗算されるとともに線源から検出器への距離によって除算された検出器ピクセル１２のピッチによって決定される。

寸法およびスリット３０、３２の位置については、３つの異なるアプローチがある。

第１の方法は、図３〜５に示されている。図３は検出器マスクを示し、図４は試料マスクを示し、図５は単一のピクセル１２に衝突する単一のビーム１６の模式的なブロック図である。

試料マスク８のスリット３２は、Ｘ線の分離ビーム１６を形成する。この分離ビーム１６は、検出器マスクのスリット３０全体に当たって、ピクセル１２の覆われていない領域２２の全体、したがって検出器マスクの帯状部分の両方の縁部２０にわたって拡がる。この構造において、各ピクセル１２は、検出器マスクの帯状部分の縁部２０によって画成される２つのピクセル縁部２０を具備している。検出器マスク６のスリット３０は、検出器マスク６のスリット３０の間のＸ線吸収領域１８の開口のすぐ近傍におけるわずかな部分と共に、放射線によって完全に照射される。

この方法を適用する場合、開口のサイズによって信号がスケールダウンするので、検出器マスク６のスリット３０は小さく、典型的には検出器ピクセルの１／３または１／４でなければならない。試料マスクのスリット３２は、検出器に到達したビームの投影高さが、検出器マスクの開口よりわずかに（両側で２、３ミクロン）大きくなるように決定されなければならない。これは、線源と試料の距離および試料と検出器の距離を選択した後に、簡単な比率計算によって容易に達成できる。

具体例においては、ピクセルサイズは２５４マイクロメートル、線源と試料の距離は１．６メートル、試料と検出器の距離は０．４メートルである。この場合、試料および検出器マスクのスリット３０、３２は幅が５０マイクロメートル、検出器マスク６におけるピッチは２５４マイクロメートル、かつ試料マスク８におけるピッチは２０３マイクロメートルである。

第２の方法は、図６に示されているが、これは現在最も簡単であるばかりでなく最も効果的であるように思える。図６は、試料と検出器の間の領域の構成および予想される信号を示す模式図である。

この場合、検出器マスク６の一つの縁部２０に向けられるビームを画成する、より狭いスリット３２が試料マスク８に用いられている。検出器マスク６には、第１の方法におけるよりも幅の広いスリット３０が用いられている。図８に示した結果はより大きく強化された縁効果を示しており、かつこの方法はコントラストのエンハンスメントを大幅に改良する。

この第２の方法を適用する場合、検出器マスク６上のスリット３０の幅は、ピクセルサイズより小さい限り画質には影響を及ぼさない。画質は、検出器の有効表面に当たるビームの部分によって決まる。その結果、一般的に言うと、試料マスク８のスリット３２の幅がより狭いほど、画質はより高くなる。これは、Ｘ線源２によって与えられる放射線束および最大露出時間の制約に基づいて、予め決定することができるものである。

しかしながら、試料マスク８がマイクロメートル精度の移動ステージ２４上に取り付けられている場合、このシステムは、試料マスクを（図６に示した位置から）わずかに上方に移動させることにより、高照射量あるいはまた露出時間を代償とすることで画質の向上を達成することが可能であるという意味において、ある程度の柔軟性を有している。こうすることにより、有効表面それ自身の端部のごく近傍において、ピクセル有効表面のより小さな部分が照射される。これは、試料によって生じたより小さな角度偏向さえも、それらの光子が信号に対して大きく貢献することを意味する。以下に提示された結果（図８ｂ、図８ｃ、図８ｄ）が、この効果を示している。

第１の方法に比較すると、第２の方法は低い照射量を用いるものであり、これはいくつかの用途、特に医学的な用途にとって重要である。

ここで注目すべきことは、照射量が問題とならないケースにおいては、試料マスクがマイクロメートル精度の移動ステージ２４上に取り付けられるとともに、検出器に到達するビームの高さが検出器マスクの隣接する２つの開口の間の距離よりも小さいならば、この節に概説した状況を第１の方法（図５）に記載した機構によって達成できるということである。この効果を達成するためには、検出器マスクの隣接するスリット３０の間のＸ線吸収領域１８にビーム１６の大部分が衝突し、検出器ピクセルの覆われていない領域２２に少量のＸ線だけが到達するまで、図５中に矢印で示したように試料マスクを移動させる。

このことは、高い照射量を代償として第１の方法のマスクを用いる第２の方法と同様の状況に帰着する。これは、非破壊試験またはセキュリティ検査に用いる非常に柔軟なシステムのために最適な解決策である。

第３の方法は、図７に示されている。この第３の方法は、検出器マスク６の各スリット３０に試料マスク８の２つのスリット３２を割り当てることにより、第１および第２の方法の利点をある程度組み合わせたものである。

この方法は、各ピクセルに衝突するビームのうち信号に対して効果的に貢献しない中央部分を取り除くので、第１の方法に対して高い強度の自由空間伝搬タイプ信号の取得を可能にする。

図７の第３の方法においては、図６の第２の方法と同様、検出器マスク６のスリット３０の寸法は信号強度に影響せず、信号強度はピクセルの有効表面に衝突するビームの一部分、したがって試料マスク８のスリット３２によって決定される。しかしながら、このシステムは、第２の方法に記載されているものよりも柔軟性が低い。試料マスクの上方あるいは下方への移動が、ピクセルの一方の側においては信号を増加させるが、他方の側においては信号を減少させるからである。その結果、マスクのスリットは、最適な位置に配置されてそこに留まっている線源の強度および所望の露出時間に基づいて予め設計されなければならない。しかしながら、いくつかの用途においては、取得した信号が２つの正／負のピークを持ち得ることが細部の探知能力の強化に帰着し得る。

図８は測定結果を示しており、図５の第１の方法の結果が図８ａに、図６の第２の方法の結果が図８ｂ、図８ｃおよび図８ｄに示されている。ここで留意されるべきことは、これらの結果が予備的なものであり、かつ装置の極めて限られた最適化によって取得されたものであるということである。それにもかかわらず、本発明を用いたことによる改善を見い出すことができる。

図８ａは、図５の装置を用いてポリエチレン繊維のイメージから抽出された水平輪郭を示している。任意の単位で７００あたりに解像度限界のピークを見ることができる

図８ｂ、図８ｃおよび図８ｄは第２の方法（図６）のケースに対応しており、Ｘ線ビームとピクセルのオーバーラップを変化させたものである。図８ｂはオーバーラップを最大とし、図８ｄはオーバーラップを最小とし、図８ｃはその中間としたものである。

本発明を用いたことによる繊維の縁部の可視性の大きな増加は、容易に判る。

さらに、極めて小さい角度のＸ線散乱の実験に、同じ装置を用いることができる。この場合、各ビームが検出器開口のスリット３０から外れる、すなわち試料がない場合にＸ線がピクセルに対して遮蔽されることを確実なものとするために、位置決め装置２４が用いられる。試料領域に試料を導入すると、位相コントラスト効果が生じてビーム１６が極めてわずかに移動し、それらは検出される。

１次元の縁部エンハンスメントについての上述した方法はまた、スリットではなく開口として形成された開口の異なるパターンと共に、２次元の縁部エンハンスメントに適用することができる。

強調すべき第１の点は、１次元のケースにおける詳細な検討が２次元のケースにも当てはまるということである。したがって、それを用いる方法が上述したものと同じであるので、１次元のケースから２次元のケースへの明らかな敷衍によって、ここではマスクの図面を与えれば充分である。

１次元のケースのように、検出器マスクは、各ピクセルの境界を放射線に反応しないようにする作業を成し遂げる。模式的な図面が図９に与えられているが、 白い正方形が検出器マスクの開口３０を表し、黒い破線がその下にある検出器４のピクセル１２の間の分離を表している。

２次元において等価な上述したものとは異なる試験条件を達成するために、試料マスク８には異なる設計が用いられている。これらの設計は図１０に示されているが、第１の方法において議論した試験条件が図１０ａに、第２の方法が図１０ｂに、第３の方法が図１０ｃに示されている。このケースにおいては、各ピクセル１２の試料マスク８に分離した開口３２があることに注目されたい。第２の１次元ケースに対応する図１０ｂにおいて、開口３２は、行および列の方向に延在する互いに垂直なスリット３４、３６の形態となっている。

各ケースにおいて、上の図面が試料マスク８を示し、下の図面が検出器マスク６の一部を示しているが、検出器マスク６は開口３０を具備している。試料マスク８から対応する各ビーム１６が検出器マスク６上に入射する領域は、陰影処理を用いて示されている。開口の寸法については、試料と検出器の距離および線源と試料の距離の間の適切な割合を考慮に入れることにより、１次元ケースにおいて議論したルールが２次元ケースに当てはまる。

ここで留意されるべきことは、マスク６、８は、薄い金属箔から製作することができるとともに、ほとんどＸ線を透過させる黒鉛のような低吸収支持層の上に画成できることである。これらの低吸収特性により、それらを使用するためにマスクを支持層から解放する必要はない。これはまた、開口の中央にブロックを具備する図１０ｃに示した構造の実現を可能とする。あるいは、中央の金属製の正方形を適所に保持するために、薄い金属ストリップを各開口の隅に残すことができる。

特に好ましい変形例は、検出器を製造する間にピクセル上に別個のマスク層としてマスク６を製造することによって、検出器マスク６を検出器自体に組み込むことである。

１次元ケースで上述した柔軟なシステムにおける感度の同一の増加は、Ｘ線で照射されるピクセルの部分を水平方向および垂直方向の両方において減少させるべく、図８ｂに描かれている試料マスクを右上隅の方へさらに移動させることにより、２次元ケースにおいても得ることができる。

このシステムの柔軟性の程度については、照射量が問題とならないケースにおいて同じマスク設計を用いることによる、第１の方法と第２の方法との間におけるスワッピングの可能性と共にすでに議論した。

ここで、さらなる成果について説明する。これらの成果は、上述した任意の実施形態とともに用いることができる。

最適なシステムサイズを決定するシミュレーションが実行された。特に、線源と検出器との距離を１．５メートル、２メートルとするシミュレーションが実行された。各距離において、放射線によって照射するピクセルを５０パーセント、２５パーセントとする、２つの異なるシミュレーションが実行された。

図１１は、試料と検出器の距離に対する関数としてのコントラストを、これらの４つのケースについて示している。

他の全ての事項が等しいので、より長いシステムがより良好な結果をもたらしている。しかしながら、１．５メートルで３３％を照射するシステムは、２メートルで５０％を照射するシステムよりも良好な結果をもたらしている。すなわち、照射量のほうがシステム長より重要である。そのうえ、線源と検出器との間の距離がより短いと、逆二乗則によって小規模システムにおけるＸ線強度はより大きくなる。これより、１．５メートルのシステムは露出時間も改善する。

最初の実験は、試料および検出器のマスクとして１３０マイクロメートルの厚さの金を用いて実施された。そのようなマスクは、最大３５ｋｅＶのＸ線を９９％吸収するとともに、平均出力が１７ｋｅＶのモリブデン線源からのエネルギーのほとんどすべてを吸収する。

しかしながら、そのような厚いフィルムは、コストおよび有限厚さ効果を含む問題点を生じさせる。

したがって、２０マイクロメートルおよび３０マイクロメートルの金の厚さを用いた場合の効果が研究された。そのようなフィルムは、それぞれ１７ｋｅＶおよび２０ｋｅＶのＸ線を９９％止めるが、使用する線源が単色ではないのでかなりの量のＸ線を通過させる。Ｘ線源の多色の特性について、マスク吸収（透過性の逆）の適切な測定値は、線源から放射されたＸ線の吸収百分率である。２０マイクロメートルおよび３０マイクロメートルの厚みの金は、モリブデン線源から放射されたＸ線をそれぞれ約９４％（２０マイクロメートル）および９７％（３０マイクロメートル）通過させた。

図１２は、１３０マイクロメートルの厚みの金と比較した結果を示している。グラフａは２０マイクロメートル厚のマスクと５０％ピクセル照射、グラフｂは２０マイクロメートル厚のマスクと３３％ピクセル照射、グラフｃは、３０マイクロメートル厚のマスクと５０％ピクセルを照射、およびグラフｄは３０マイクロメートル厚のマスクと３３％ピクセル照射の場合を示している。マスクを介したかなりの透過という良好な結果も認めることができる。

これらの実施形態において、試料および検出器マスクは、Ｘ線源から放射されたＸ線の全体の９９．５％未満、例えば９０％〜最高で９９．５％、あるいは９２％〜９９％、若しくは９３％〜９８％を吸収し、薄いマスクを可能としている。

例えば、試料および検出器マスクは、１０〜３００マイクロメートル、例えば１５〜７０マイクロメートルの厚みの金から製作することができる。選択した線源のＸ線エネルギー分布に応じて検出器マスクの材料および厚さを変更できることは、当業者が理解するところである。

有限厚さのマスクを取扱う他の方法は、試料マスク８および検出器マスク６の開口の縁部を形付けることにより、特に厚いマスクを用いたときにＸ線が平行ではないという事実を取り扱うことである。図１３は、試料マスク８の開口３２の角度を付けた縁部を示しているが、主なＸ線と平行となるように角度が付けられている。Ｘ線が発散性であるので、縁部はビームが進行する方向においてマスクの中心から離れるように角度が付けられている。同じ方法を検出器マスクに用いることができる。

さらなる成果が図１４に示されている。このケースでは、試料マスク８は２つのパーツから構成され、第１のマスク要素５０および第２のマスク要素５２は、互いに接近しているがマスクの平面内で互いに相対移動できるように配置されている。試料マスク８の開口３２は、第１のマスク要素５０を第２のマスク要素５２に対して動かすことによって調整できる有効寸法を具備している。これは、使用するＸ線の強度を減少させるときに使用することができる。開口３２の大きさを減少させると照射量の減少に帰着するからである。これより、この方法は、例えば医学的な用途のように照射量の影響を受ける用途に用いることができる。

図１５は、市販のＸ線源において観察される、有限な線源サイズの影響を示している。線源サイズの関数としてのコントラストが示されている。最大５０マイクロメートルまで影響は見られないものの、１００マイクロメートルにおいて軽微な影響が認められる。これは、採用した方法が有限な大きさの線源に対して機能することを証明している。

図１６は、３００マイクロメートルの厚みのポリエチレン繊維のイメージ全体にわたって測定した実際の結果を示しており、シミュレートした輪郭と比較した実際の測定強度が含まれている。良好な一致が使用したシミュレーションの正当性を立証している。

この装置は、ＰＣ測定のために特別に設計されてはいるものの、ＰＣ測定の実施だけには限定されない。このシステムは、極めて小さい角度の散乱画像の形成を可能とする。この技術は、従来の小角散乱における２〜５度の角度よりはるかに小さい、１度以下おそらくは０．２度若しくは０．１度以下といった角度領域を調査する。ＰＣから極めて小さい角度の散乱画像形成への転換は、図７に示した機構により、成形ビームが検出器の有効領域に衝突しないように試料マスクを単純に上方に移動させることによって、容易に得ることができる。これは、他の関連する柔軟性をこのシステムにもたらす。

また、試料マスクにおける開口の奇数および偶数の線（または列）に異なるピッチを用いて、成形されたビームの引き続く線（列）がピクセルの有効表面に交互に衝突しあるいは外れるようにすることにより、ＰＣおよび拡散画像を同時に獲得することが考えられる。明らかに、このような方法で獲得した散乱およびＰＣ画像は、２倍減少させた空間サンプリング周波数によって特徴づけられるが、この問題に対して考え得る解決策は、ディザ処理技術（すなわち、試料あるいは画像化装置をそれらの間で移動させることによって２つの異なる画像を得る技術）によって、あるいは最初の要求に対して２倍の解像度を具備した検出器を用いることによって得ることができる。

全体的に、提案した技術はピクセル有効表面の減少を必要とするので、それが使用する検出器に本来備っている解像度の増加に帰着するということに注目することが重要である。その結果、ディザ処理技術は、他の技術においてそれが与えるものよりも大きな利点をこのケースにもたらす。

しかしながら、注目されるべきことは、改良された結果を記録された画像に見ることができるので、本発明がいかなる特別な後処理アルゴリズムも必要としないということである。

この技術の唯一の制約は、すなわち１つのピクセルによって理想的にカウントされたＸ線が隣接するピクセルによって記録されたカウント数に影響を及ぼしてはならないという、隣接する検出器ピクセル間における物理的な分離に依存していることである。いくつかの検出器、特に非構造的シンチレータを用いる間接変換システムは、そうではない。したがって、この技術は直接変換検出器を用いるときにその最大能力で機能し、最適な結果は構造化シンチレータを用いる間接変換システムによって得ることができる。この最後のケースにおいては、それに加えて、この技術が中央部分のピクセルだけ照射されることを必要とするという事実は、隣接するピクセルに誘発され得るカウント数を制限するために大いに役立つ。

一般的に、隣接するピクセルにカウントを誘発する効果は、画像コントラストの損失となる。しかしながら、この損失は、誘発されたカウントの数が照射されたピクセルにおける総カウント数の１０〜１５％以内に保たれるので、実際には無視することができる。この状態は、上述した両方の状況において容易に達成される。

しかしながら、この技術は、「チェス盤」のように半分のピクセルだけが照射される試料マスクを設計することにより、非構造的シンチレータを採用する間接的な検出器と共に用いることができる。解像度の損失は、ディザ処理技術によって回復することができる。あるいは、いくつかの用途においては、上述したようにピクセル上の照射される領域を減少させることにより、コントラストの損失を受け入れあるいはまた部分的に補償することができる。しかしながら、ここで注目されるべきことは、本発明が比較的鋭い遷移（すなわち縁部）を用いるものであり、かつ（制限された充填率として公知の）反応しない領域を具備するいくつかの従来装置が反応領域と非反応領域との間に滑らかな遷移を有していることである。そのような検出器においては、鋭い縁部を達成するためにマスクの使用が有利である。

また、上述した全ての実施形態がピクセル配列５の上にある別個の検出器マスク６を用いているが、本発明は原理的に、例えば検出器の個々のピクセル２２の縁部のためにピクセルの縁部がピクセル配列５それ自体の一部である検出器４を用い得ることに注目されたい。そのような方法は、ピクセルに対するマスクの正確な位置決めを助ける。あるいは、全く別の金属マスク６を用いることができる。この場合、調整のためのマイクロ位置決め装置に金属マスクを取り付けることができる。

この説明においては行および列を用いているが、これらの行および列の方向は本質的に任意であり、「行」という用語の使用が行は水平である必要があるということを意味するものと考えられてはならない。行および列は、必要に応じて水平あるいは垂直とすることができる。

さらに、いくつかの実施形態においては、ピクセルを行には配置するが列には配置せず、隣接する行のピクセルを互いにオフセットさせることもできる。

ピクセルおよび検出器マスクの形状は、必要に応じて変更することができる。例えば、ピクセルおよび開口は正方形、長方形、あるいは必要な結果をもたらすならば任意の形状とすることができる。

Claims (21)

1. 試料領域（１０）にある試料の位相コントラストＸ線画像を形成する装置であって、
   Ｘ線源（２）と、
   前記Ｘ線源と前記試料領域（１０）との間に設けられ、複数の個々のＸ線ビーム（１６）をそれぞれ画成するための複数の開口（３２）を具備する試料マスク（８）と、
   Ｘ線に反応する反応領域およびＸ線に反応しない非反応領域を具備し、前記反応領域がピクセルの縁部によって前記非反応領域から境界付けられている、複数の検出器ピクセル（１２）を有するＸ線検出器（４）とを備え、
   前記ピクセル（１２）は、並んで配列されたピクセルの２次元配列（５）として構成され、
   前記Ｘ線源（２）は、多色のコリメートされないＸ線の線源であり、
   前記試料マスクの開口（３２）は、前記Ｘ線ビーム（１６）が試料領域（１０）を通過して、複数のＸ線ビームに対応する複数のピクセル行のピクセル縁部、複数のＸ線ビームに対応する複数のピクセル列のピクセル縁部、あるいは複数のＸ線ビームに対応する複数の各ピクセルのピクセル縁部に衝突するように配設されていることを特徴とする装置。
2. 前記試料マスク（８）は、前記Ｘ線検出器のピクセルのパターンに整合する前記開口の２次元配列を画成しており、前記開口は、それぞれ前記Ｘ線検出器の各ピクセルに対応していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記試料マスク（８）の各開口（３２）は、前記行および前記列の方向に沿って配向された正方形であり、
   前記開口によって生成された各Ｘ線ビームが、各ピクセルの前記反応領域および前記反応領域の周囲の非反応領域の全体を覆うように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記試料マスク（８）の各開口（３２）は、この各開口によって生成された各Ｘ線ビームが各ピクセルの前記行方向および前記列方向に延びる２つの隣接するピクセル縁部を正確に覆うように配設された、行方向に延びるスリット（３４）および列方向に延びるスリット（３６）を具備していることを特徴とする請求項２に記載の装置。
5. 前記Ｘ線検出器は、前記試料領域に対向する検出器マスク（６）を有し、
   前記検出器マスクは、前記非反応領域を画成する中実領域に囲まれた前記ピクセルの反応領域を画成する、複数の開口（３０）を具備していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記試料マスクおよび前記検出器マスク（８、６）は、予め定められた平均エネルギーのＸ線の最高９９．５％を吸収することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記試料マスクおよび前記検出器マスク（８、６）は、１０〜３００マイクロメートルの厚みの金から製作されていることを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
8. 前記開口（３０、３２）の少なくともいくつかは、前記線源によって放射されて前記開口をそれぞれ通過したＸ線に平行になるように構成された、角度が付けられた縁部を具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記試料マスク（８）は、複数の第１の開口を具備する第１のマスク要素（５０）および複数の第２の開口を具備する第２のマスク要素（５２）を有し、
   前記第１および第２のマスク要素は、前記試料マスクの開口の有効寸法を調整するために互いに相対移動可能となっていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記試料マスク（８）は、前記ピクセルの各行に対応するとともに前記行方向にそれぞれ延びる複数のスリットを画成していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記試料マスクの各スリットは、前記各行のピクセルの行方向に延びる単一のピクセル縁部を横切って延びるＸ線ビームをそれぞれ生成するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記試料マスク（８）は、各ピクセル行に対して２つのスリットを画成しており、前記２つのスリットは、各ピクセル行の行方向に延びる対向するピクセル縁部に対応した一対のＸ線ビームを生成するように構成されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 位置決め装置（２４）をさらに備え、前記行方向および／または前記列方向における前記試料マスクの位置を調整するために、前記位置決め装置（２４）上に前記試料マスクが取り付けられることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 位相コントラストＸ線画像を形成する方法であって、
    Ｘ線源（２）から多色のコリメートされないＸ線を生成する工程と、
    複数の開口（３２）を具備している試料マスク（８）にＸ線を照射して複数のＸ線ビーム（１６）を生成する工程と、
    前記複数のＸ線ビーム（１６）を試料（１４）を介してＸ線検出器（４）に到達させる工程とを備え、
    前記Ｘ線検出器は、ピクセルの行を有するピクセルの２次元配列（５）として構成された複数の検出器ピクセル（１２）を有し、前記ピクセルは、Ｘ線に反応する反応領域およびＸ線に反応しない非反応領域を具備し、前記反応領域は、ピクセル縁部によって前記非反応領域から境界付けられており、
    前記試料マスクの開口（３２）は、複数のＸ線ビームに対応する複数のピクセル行のピクセル縁部、複数のＸ線ビームに対応する複数のピクセル列のピクセル縁部、あるいは複数のＸ線ビームに対応する複数のピクセルのピクセル縁部にＸ線が衝突するように配設されていることを特徴とする方法。
15. 前記試料マスク（８）は、前記Ｘ線検出器のピクセルのパターンに整合する前記開口の２次元配列を画成しており、
    前記開口は、それぞれ前記Ｘ線検出器の各ピクセルに対応しており、
    前記方法は、
    前記開口によって各ピクセルに衝突する各Ｘ線ビームが画成されるように、前記試料マスクを整列させる工程を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記試料マスク（８）の各開口（３２）は、行方向に延びるスリット（３４）および列方向に延びるスリット（３６）を具備しており、
    前記方法は、
    各開口によって生成された各Ｘ線ビームが、各ピクセルの前記行方向および前記列方向に延びる２つの隣接したピクセル縁部を正確に覆うように前記試料マスクを配置する工程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記試料マスク（８）は、前記ピクセルの各行に対応するとともに前記行方向にそれぞれ延びる複数のスリットを画成しており、
    前記方法は、
    各スリットによって画成された各Ｘ線ビームが、各行においてピクセルの行方向に延びる少なくとも１つのピクセル縁部を横切って延びるように前記試料マスクを配置する工程を含むことを特徴とする請求項１４または１５に記載の方法。
18. 前記検出器（４）に検出器マスク（６）がさらに設けられ、
    前記検出器マスク（６）は、非反応領域を画成する中実領域に囲まれた前記ピクセルの反応領域を画成する、複数の開口を具備した前記試料領域に対向しており、
    前記方法は、
    前記検出器マスクの複数の開口が前記ピクセル（１２）と整列するように前記検出器マスク（６）を配置する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 前記試料マスクおよび前記検出器マスク（６、８）は、前記線源から放射されたＸ線の最高９９．５％を吸収することを特徴とする請求項１８に記載の方法。
20. 前記試料マスク（８）の位置を前記行方向および前記列方向に調整して各Ｘ線ビーム（１６）を前記検出器のピクセル（１２）に位置合わせする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１４乃至１９のいずれか一項に記載の方法。
21. 前記試料マスク（８）は、複数の第１の開口を具備する第１のマスク要素（５０）および複数の第２の開口を具備する第２のマスク要素（５２）を有し、
    前記方法は、
    前記第１のマスク要素（５０）を前記第２のマスク要素（５２）に対して移動させて、前記試料マスクの開口の有効寸法を調整する工程を含むことを特徴とする請求項１４乃至２０のいずれか一項に記載の方法。

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