JP2011078669A - Ｘ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子、該位相格子を用いた撮像装置、ｘ線コンピューター断層撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】２波長のＸ線を用いてＸ線位相コントラスト像を撮像する際に、単波長を用いた場合と同一サイズの位相格子によりＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となる位相格子を提供する。
【解決手段】Ｘ線を照射してＸ線位相コントラスト像を撮像する際に用いられる位相格子であって、
前記位相格子が、同一面内の複数の方向に周期構造を備え、該周期構造は互いに異なる周期を有し、
前記Ｘ線の照射により前記周期構造によって複数の明暗周期像が同一平面に形成される構成を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子、該位相格子を用いた撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムに関する。

従来、Ｘ線の吸収能の違いを利用してコントラスト画像を得るＸ線透視画像技術が検討されてきた。
しかし、Ｘ線の吸収能は軽元素になればなるほど小さくなるため、生体軟組織やソフトマテリアルに対しては十分なコントラストが期待できないという問題がある。
そこで、近年、Ｘ線の位相シフトに基づいてコントラストを発生させる撮像方法が検討されている。
この位相コントラストを利用したＸ線位相コントラスト像の撮像方法（Ｘ線位相イメージング法）の一つとして、タルボ干渉法を用いた撮像方法がある。

ここで、図４を用いて、上記のタルボ干渉法の撮像方法の概略について説明する。
タルボ干渉法による撮像のためには、空間的な可干渉を持つＸ線源６、Ｘ線の位相を周期的に変調するための位相型回折格子（以下、位相格子と記す）１、検出器９が少なくとも必要である。
空間的に可干渉なＸ線は、位相格子１を透過した後のＸ線強度分布が位相格子１の形状を反映したものになる。
前記Ｘ線強度分布は、Ｘ線のＸ線源からの距離に応じてコントラストが変化する。
このように、格子の特定の距離において周期的に明暗周期像が形成される現象がタルボ効果である。そして、この明暗周期像を自己像と呼ぶ。
このような明暗周期像が最も高コントラストで形成される場所は、照射されるＸ線の波長や位相格子１のピッチにより決まる。

ここで、この明細書において位相格子１のピッチとは、格子が並んでいる周期を指している。
それは、図５の位相格子の断面模式図に示されているように、ある格子とそれに隣接する格子との間における、中心部分同士の距離Ｃでもよいし、それら格子の端面同士の距離Ｃ’でもよい。
また、図５において、互いに平行な構造が一定の間隔で周期的に配列された構造を、本明細書では周期構造と呼ぶ。
位相格子の近傍でＸ線源に近い側に被検体７を配置すると、照射されたＸ線は被検体７により屈折する。
そのため、被検体７を透過して屈折されたＸ線により形成された自己像を検出すれば、被検体７のＸ線位相コントラスト像を得ることができる。
但し、十分なコントラストで発生された自己像を検出するためには、空間分解能の高いＸ線検出器９が必要となる。
空間分解能の高いＸ線検出器９を用いない場合、Ｘ線を吸収する材料で作製され、十分な厚みを持つ回折格子である吸収格子８を用いることで、Ｘ線位相コントラスト像を取得することが出来る。
まず、吸収格子８を、自己像が形成される位置に配置する。自己像と吸収格子８の位置関係によってはモアレ縞が発生する。これにより、タルボ干渉を確認することが出来る。
また、位相格子近傍のＸ線側に被検体７を設置することによる位相シフトしていることは、吸収格子８を透過するＸ線量の変化やモアレ縞の変形として検出器９により観察することができる。
ところで、前記手法により得られる被検体の位相像は、０から２πの間で表される。
このため、単波長のＸ線を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像方法によって、複数の被検体のＸ線位相像を取得した際、位相変化量の差が２πｎ（ｎは０を含まない整数）であった場合には、被検体同士を区別することができない。
このようなことから、特許文献１では、図６に示されるような異なる２波長のＸ線を用いたＸ線位相コントラスト像の撮像方法を提案している。

特開２００７−２０３０７４号公報

しかしながら、上記従来例の特許文献１のものでは、位相格子のサイズが単波長のＸ線を用いた場合よりも大きくなるという課題を有している。
すなわち、特許文献１では、図６に示すようにピッチの異なる位相格子１を２個並べ、同一個所の撮像を２回実施している。
そのため位相格子１、吸収格子８を、撮像エリアよりも大型化させることが必要となり、単波長によるＸ線位相コントラスト像の撮像方法の場合よりも位相格子のサイズが大きくなる。

本発明は、上記課題に鑑み、２波長のＸ線を用いてＸ線位相コントラスト像を撮像する際に、単波長を用いた場合と同一サイズの位相格子によりＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となる位相格子を提供することを目的とする。また、本発明は、上記位相格子を用いた撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムを提供することを目的とする。

本発明は、次のように構成したＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子、該位相格子を用いた撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムを提供するものである。
本発明の位相格子は、Ｘ線を照射してＸ線位相コントラスト像を撮像する際に用いられる位相格子であって、
前記位相格子が、同一面内の複数の方向に周期構造を備え、該周期構造は互いに異なる周期を有し、
前記Ｘ線の照射により前記周期構造によって複数の明暗周期像が同一平面に形成されることを特徴とする。
また、本発明の撮像装置は、上記のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子を用い、Ｘ線位相コントラスト像の撮像が可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明のＸ線コンピューター断層撮影システムは、上記のＸ線位相コントラスト像の撮像装置を有することを特徴とする。

本発明によれば、２波長のＸ線を用いてＸ線位相コントラスト像を撮像する際に、単波長を用いた場合と同一サイズの位相格子によりＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となる位相格子を実現することができる。
また、本発明によれば、上記位相格子を用いた撮像装置、Ｘ線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。

本発明の実施形態におけるＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子の構成例を説明する図。 本発明の実施形態における、２方向に互いに直交する周期構造によって形成された位相格子を用い、放射光にてＸ線位相コントラスト像を撮像した例を説明する図。 本発明の実施形態における、周期構造が２方向に互いに直交するように形成された位相格子を用い、点光源の白色Ｘ線源にてＸ線位相コントラスト像を撮像した例を説明する図。 従来例であるＸ線位相像を得るためのタルボ干渉計を説明する図。 Ｘ線位相イメージングに用いられる位相格子におけるピッチ、突状部の厚さ（高さ）、突状部の幅、開口幅を説明するための模式図。 従来例である特許文献１を説明するための図。

次に、本発明の実施形態について説明する。
図１を用いて、本実施形態におけるＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子の構成例について説明する。
本実施形態では、位相格子１は同一面内の複数の異なる方向に、図５に示されるような周期構造１０を備えている。
この周期構造は互いに異なる周期を有し、Ｘ線照射時に周期構造が形成する複数の明暗周期像が同一平面に形成されるように構成される。
本実施形態の位相格子において、周期構造とは、互いに平行な直線状や柱状の構造が一定の間隔で周期的に配列された構造を意味しており、前記構造を透過したＸ線と透過しないＸ線で位相差が生じる構造体によって構成される。
周期構造は突起や凹みとして基板の表面に形成しても良いし、基板の中に埋め込んでも良い。
貫通構造であればＸ線の吸収量を減少できるのでなお好ましい。

図１には、Ｘ線が照射される方向と垂直な方向の位相格子表面が示されている。
黒色部が位相格子１の周期構造である。Ｘ、Ｙの２種類の方向に、図５に示されるような周期構造１０が形成されており、図５で説明した格子間におけるピッチ（ＣまたはＣ’）において、Ｘ方向のピッチ２とＹ方向のピッチ３が異なる。

位相格子はどのような材料で作製しても良いが、Ｘ線照射時にＸ線減衰をなるべく小さくするため、Ｘ線の吸収が少ない材料を使用することが好ましい。
例えば、ＳｉやＧａＡｓ、Ｇｅ、ＩｎＰといった半導体、ガラスなどを使用することができる。
Ｘ線の吸収はＳｉより大きいが、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などの樹脂を用いることもできる。また、基板表面に周期構造を形成する場合、コントラストを向上させるために、裏面が鏡面であることが好ましい。

位相格子を形成するためには、フォトリソグラフィー法やドライエッチング法、スパッタや蒸着・ＣＶＤ・無電解めっき・電解めっきといった各種成膜法、ナノインプリント法などを用いることができる。
つまり、フォトリソグラフィー法でレジストパターンを形成した後に、ドライエッチングまたはウェットエッチングで基板に加工しても良いし、リフトオフ法で基板上に位相格子１を付与することもできる。
また、ナノインプリント法により基板又は基板上に成膜した材料を加工しても良い。

位相格子１に形成する周期構造の厚みは、所望の複数のＸ線が周期構造を透過したときに、周期構造を透過しなかったＸ線に対する位相差が（２ａ−１）×πまたは（２ａ−１）×（π／２）（ただしａは１以上の整数）となる厚さとすることが好ましい。
周期構造によるＸ線の吸収を最小にするため、Ｘ線が周期構造を透過したときの位相差はπおよびπ／２の組み合わせであればなお良い。
位相がπ変化する厚みは、例えばＳｉであれば、１７．７ｋｅＶのＸ線に対しては２２．６μｍ、３５ｋｅＶであれば４５．３μｍである。位相差をπとするために、周期構造により３πや５π位相が変化するような厚みにしても良い。
但し、周期構造の厚みはこれに限定されるものではなく、周期構造の領域に照射したＸ線が自己像を形成する範囲内であればどのような厚みでも良い。
位相格子１に形成された周期構造を透過した所望のＸ線は、位相格子１からの距離に応じたコントラストで明暗周期像を形成する。
位相格子１に形成する複数の周期構造は、所望のＸ線が形成する各自己像が同一平面に形成されるようなピッチとする。

放射光では、位相格子１が波長λ_１のＸ線に対してπ格子となるとき、位相格子１を透過したＸ線は次に示す条件の位置において自己像を形成する。

（（２ｍ＋１）／８）×（ｄ_１ ^２／λ_１）

また、位相格子１が波長λ_２のＸ線に対してπ／２格子となるとき、位相格子１を透過したＸ線は次に示す条件の位置において自己像を形成する。

（（２ｎ＋１）／２）×（ｄ_２ ^２／λ_２）

また、つぎの条件を満たすｄ_１、ｄ_２、λ_１、λ_２、ｍ、ｎとしたときに、各自己像が同一平面に形成される。

（（２ｍ＋１）／８）×（ｄ_１ ^２／λ_１）＝（（２ｎ＋１）／２）×（ｄ_２ ^２／λ_２）

但し、ｄ１およびｄ２は位相格子１の異なる方向におけるピッチ、λ_１およびλ_２は異なる２波長のＸ線におけるそれぞれの波長、ｍおよびｎは整数である。

ここで、波長λ_１のＸ線が自己像を形成する第一の位置において、波長λ_２のＸ線が形成する明暗周期像がなるべく低コントラストとなるようなｄ_１、ｄ_２、λ_１、λ_２、ｍ、ｎとする。
位相格子１の周期構造は３方向以上に形成されても良いが、Ｘ線照射時に得られる自己像が高コントラストであるほど被検体７の位相像を容易に得ることが出来るため、位相格子１に形成される周期構造は２方向に形成されることが好ましい。
また、周期構造が互いに成す角は、２方向であれば９０°、３方向であれば６０°といったように、３６０°／（同一平面内に含まれる１次元周期構造の本数）とすることが好ましい。

図２を用いて、２方向に互いに直交する周期構造によって形成された位相格子により、放射光にてＸ線位相コントラスト像を撮像した例について説明する。
図２には、照射するＸ線と垂直な面の位相格子１が示されている。
図中の明部と暗部では透過するＸ線の位相がπ変化する設定とした。
Ｘ方向、Ｙ方向とも明部幅：暗部幅＝１：３である。
照射するＸ線は平行光であり、Ｘ線のエネルギーは１２．４ｋｅＶと２８．２ｋｅＶの２種類である。
このとき、位相格子１のＸ方向およびＹ方向周期に相当する２種類の１次元位相格子にＸ線を照射すると、等しい位置に自己像を形成する。同様に、図２に示す位相格子にＸ線を照射したとき、１次元位相相格子が自己像を形成する位置に、位相格子形状を反映した２次元の明暗周期構造が観察される。

図３を用いて、点光源の白色Ｘ線源にてＸ線位相コントラスト像を撮像した例について説明する。
図中で白色に近い部分ほどＸ線透過量が多いことを示す。
図３より、Ｘ方向およびＹ方向とも、位相格子１に形成されている周期構造の１／２ピッチの明線が形成され、Ｘ方向Ｙ方向とも位相格子１に形成された周期構造のピッチに対応する明暗周期像が得られた。
これより、Ｘ方向とＹ方向でピッチの異なる位相格子を用いることで、一組の位相格子１および吸収格子８により、異なるエネルギーのＸ線により位相像を得ることできることがわかる。
なお、自己像を得るために用いるＸ線は連続Ｘを用いても良いが、特性Ｘ線を用いることでより高コントラストな自己像を得ることができる。
例えば、ＭｏのＫα線の特性Ｘ線エネルギーは１７．５ｋｅＶ、Ｒｈは２０．２ｋｅＶである。
２種類以上のエネルギーのＸ線を同時に照射しても良いし、エネルギー毎に照射して別々にＸ線吸収像を取得しても良い。

被検体７の位相像を取得するためには、被検体撮像時における位相格子１の自己像を取得する必要がある。
このために、自己像の線幅よりも高分解能なＸ線検出器９を用いる方法と、吸収格子８を用いて従来のＸ線吸収像撮像装置に用いられるＸ線検出器９を用いる方法がある。
吸収格子８を用いる場合には、Ｘ線が照射される方向と垂直な方向において、位相格子１によって形成される各周期構造が形成するそれぞれの自己像を組み合わせた形状が好ましい。
または、各周期構造が形成するそれぞれの自己像を組み合わせた形状を、拡大・縮小した形状でも良い。
吸収格子８の厚さは、Ｘ線のエネルギーと吸収格子の材料によって決まり、遮光部においてはＸ線透過量を２０％以下とすることが好ましい。

位相格子１と吸収格子８を用いたＸ線位相コントラスト像取得時には、縞操作法を用いる。
縞操作法とは、位相格子１または吸収格子８を周期構造の単ピッチ内で複数回移動し、３枚以上のＸ線吸収像を取得することで、格子の移動量に対するＸ線強度変化量をピクセル毎に取得する手法である。
各ピクセル間の位相変化量は微分位相像に相当し、周期構造を移動した方向に積分することで位相コントラスト像を得ることが出来る。
本実施形態においては上記位相格子を、Ｘ線位相コントラスト像の撮像装置に用いることにより、単波長を用いた場合と同一サイズの位相格子によりＸ線位相コントラスト像を取得することが可能となる撮像装置を実現することができる。
また、このようなＸ線位相コントラスト像の撮像装置を備えたＸ線コンピューター断層撮影システムを実現することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、互いに直交する周期構造を形成した位相格子１を用い、放射光にてＸ線位相コントラスト像を撮像する構成例について説明する。
本実施例においては、まず、４インチ径の両面研磨２００μｍ厚シリコンウェハー表面にレジストコート後、フォトリソグラフィー法により６０ｍｍ角のエリアにレジストパターンを作製する。
レジストパターンはＸ方向Ｙ方向でピッチが異なっており、またＸ方向のパターンとＹ方向のパターンが直交する網目状の構造とする。
つまり、Ｘ方向はレジストパターン幅が幅４μｍ開口４μｍとし、Ｙ方向はレジストパターン幅が幅１．６４μｍ開口１．６４μｍとする。
次に、ディープ・リアクティブ・イオン・エッチング（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ；以下、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥと記す）により、レジスト開口部を深さが２２．６μｍとなるまでＳｉを除去する。
その後Ｓｉ表面のレジストを除去する。以上の工程により位相格子１を作製する。

次に、前記位相格子に対応した吸収格子８を作製する。
まず、４インチ径の両面研磨２００μｍ厚シリコンウェハー表面にレジストコート後、フォトリソグラフィー法により６０ｍｍ角のエリアにレジストパターンを作製する。
レジストパターンは互いに平行なライン状パターンとし、レジストパターン幅が幅０．８２μｍ開口２．４６μｍとする。
次に、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥにより、レジスト開口部を深さが５０μｍとなるまでＳｉを除去する。
その後蒸着法により、Ｓｉ表面にＴｉ１００ｎｍおよびＡｕ２００ｎｍを形成する。
次に、蒸着で形成したＡｕより、金めっきを行う。めっき液として日本エレクトロプレイティング・エンジニヤーズ株式会社製ミクロファブＡｕ１１０１を用い、６５℃・０．５Ａ／ｄｍ２でパドル攪拌しながら８５分間めっき行う。
これによりＳｉ基板表面に０．８２μｍ厚の金層が形成される。

同様にして、幅２μｍ開口６μｍのＳｉスリット構造を形成し、Ｓｉ基板表面に２μｍ厚の金層を形成する。
前記手法により形成した２枚のＡｕめっき済Ｓｉ基板を、互いに形成されたスリットパターンが直交するようにした後、接着剤で２枚の基板を固定することで吸収格子８とする。
前記位相格子１を放射光施設内で入射光に対して垂直に設置した後、位相格子１に対しＸ線源６から逆方向で、位相格子１から１１４ｍｍ離れた位置に、吸収格子８を設置する。
このとき、吸収格子８も入射光に対して垂直に設置する。また、吸収格子８の周期構造１０と位相格子１の周期構造１０は、等しいピッチ同士を平行にする。
更に、吸収格子８に対しＸ線源から逆方向で、吸収格子から５ｍｍ離れた位置に、Ｘ線検出器９を設置する。
その後、１７．７ｋｅＶのＸ線を、位相格子１を形成したウェハーの垂直構造から照射する。
これにより、Ｘ方向に位相格子１のＸ方向に形成した８μｍピッチ周期構造１０に由来する自己像が形成される。また、自己像と吸収格子８により、吸収格子のピッチよりも広い画素ピッチのＸ線検出器９でモアレ縞を観察することが可能となる。
一方Ｙ方向に形成されるＸ線明暗周期パターンは、Ｘ方向と比較してコントラストが弱い。

次に、被検体を位相格子の直前に設置した後に、Ｘ方向の縞操作法に対応したＸ線透過像取得および位相回復を行うことで、１７．７ｋｅＶのＸ線によって形成される位相像を得る。
次に、３５．０ｋｅＶのＸ線をウェハーの垂直構造から照射する。これにより、Ｙ方向に位相格子のＸ方向に形成した３．２８μｍピッチ周期構造に由来する自己像が形成される。
また、自己像と吸収格子によりＸ線検出器９で観察することが可能となる。
一方Ｘ方向に形成されるＸ線明暗周期パターンは、Ｙ方向と比較してコントラストが弱い。
Ｙ方向の縞操作手法により、１７．７ｋｅＶの場合と同様に３５．０ｋｅＶのＸ線においても被検体７のＸ線位相コントラスト像の観察が実現できる。

［実施例２］
実施例２においては、互いに直交する周期構造１０を形成した位相格子１を用い、微小な白色Ｘ線源６にてＸ線位相コントラスト像を撮像する構成例について説明する。
位相格子１は実施例１と同様の方法により作製し、Ｘ方向はレジストパターン幅が幅４μｍ開口４μｍとし、Ｙ方向はレジストパターン幅が幅１．６４μｍ開口１．６４μｍとする。Ｘ線源サイズは５μｍとし、ターゲットはＭｏとする。
Ｘ線源６から１０００ｍｍ離れた場所に位相格子１を設置する。
位相格子１にＸ線を照射すると、ＸとＹそれぞれの方向の周期構造１０が形成する自己像は、位相格子１から見てＸ線源と反対方向で位相格子１から１２８ｍｍ離れた位置に形成される。
自己像が形成される位置に実施例１と同様に作製した吸収格子８を設置する。吸収格子８は、Ｘ方向は金の格子幅２．２６μｍ開口２．２６μｍとし、Ｙ方向は金の格子幅０．９３μｍ開口０．９３μｍとする。
更に、吸収格子８に対しＸ線源から逆方向で、吸収格子８から５ｍｍ離れた位置に、Ｘ線検出器９を設置する。
被検体７を設置した後に、実施例１と同様に縞操作法でＸ線透過像を取得し位相回復することで、Ｘ線位相コントラスト像の観察が実現できる。

１：位相格子
２：Ｘ方向ピッチ
３：Ｙ方向ピッチ
４：位相πシフトする部分
５：自己像
６：Ｘ線源
７：被検体
８：吸収格子
９：Ｘ線検出器
１０：周期構造

Claims (7)

1. Ｘ線を照射してＸ線位相コントラスト像を撮像する際に用いられる位相格子であって、
   前記位相格子が、同一面内の複数の方向に周期構造を備え、該周期構造は互いに異なる周期を有し、
   前記Ｘ線の照射により前記周期構造によって複数の明暗周期像が同一平面に形成されることを特徴とするＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子。
2. 前記周期構造は、２方向に互いに直交する周期構造によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子。
3. 前記周期構造は、該周期構造を前記Ｘ線が透過したときに、該周期構造を透過しなかったＸ線に対する位相差が、
   （２ａ−１）×πまたは（２ａ−１）×（π／２）［但し、ａは１以上の整数］
   となる厚さを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子。
4. 前記位相格子が、該位相格子を透過したＸ線の位相が周期的にπ変化する周期構造を備えている領域に対しては、（（２ｍ＋１）／８）×（ｄ_１ ^２／λ_１）の条件を満たし、
   前記位相格子が、該位相格子を透過したＸ線の位相が周期的にπ／２変化する周期構造を備えている領域に対しては、（（２ｎ＋１）／２）×（ｄ_２ ^２／λ_２）の条件を満たすと共に、
   （（２ｍ＋１）／８）×（ｄ_１ ^２／λ_１）＝（（２ｎ＋１）／２）×（ｄ_２ ^２／λ_２）
   の条件を満たすことを特徴とする請求項３に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子。
   
   但し、ｄ：位相格子１のピッチ
   λ_１、λ_２：異なる２波長のＸ線におけるそれぞれの波長
   ｍ、ｎ：整数
5. 前記λ１またはλ２が、特性Ｘ線の波長であることを特徴とする請求項４に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像に用いられる位相格子を用い、Ｘ線位相コントラスト像の撮像が可能に構成されていることを特徴とするＸ線位相コントラスト像の撮像装置。
7. 請求項６に記載のＸ線位相コントラスト像の撮像装置を有することを特徴とするＸ線コンピューター断層撮影システム。

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