JP2011206489A - Radiographic system and radiographic method - Google Patents
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Images
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- A—HUMAN NECESSITIES
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B6/00—Apparatus for radiation diagnosis, e.g. combined with radiation therapy equipment
- A61B6/48—Diagnostic techniques
- A61B6/484—Diagnostic techniques involving phase contrast X-ray imaging
Abstract
Description
本発明は、X線等の放射線を用いて被写体の撮影を行う放射線撮影システム及び放射線撮影方法に関する。 The present invention relates to a radiation imaging system and a radiation imaging method for imaging a subject using radiation such as X-rays.
X線は、物質を構成する元素の原子番号と、物質の密度及び厚さとに依存して減衰するといった特性を有することから、被写体の内部を透視するためのプローブとして用いられている。X線を用いた撮影は、医療診断や非破壊検査等の分野において広く普及している。 X-rays are used as a probe for seeing through the inside of a subject because they have characteristics such as attenuation depending on the atomic numbers of elements constituting the substance and the density and thickness of the substance. X-ray imaging is widely used in fields such as medical diagnosis and non-destructive inspection.
一般的なX線撮影システムでは、X線を放射するX線源とX線を検出するX線画像検出器との間に被写体を配置して、被写体の透過像を撮影する。この場合、X線源からX線画像検出器に向けて放射された各X線は、X線画像検出器までの経路上に存在する物質の特性(原子番号、密度、厚さ)の差異に応じた量の減衰(吸収)を受けた後、X線画像検出器の各画素に入射する。この結果、被写体のX線吸収像がX線画像検出器により検出され画像化される。X線画像検出器としては、X線増感紙とフイルムとの組み合わせや輝尽性蛍光体のほか、半導体回路を用いたフラットパネル検出器(FPD:Flat Panel Detector)が広く用いられている。 In a general X-ray imaging system, a subject is placed between an X-ray source that emits X-rays and an X-ray image detector that detects X-rays, and a transmission image of the subject is captured. In this case, each X-ray emitted from the X-ray source toward the X-ray image detector is caused by a difference in characteristics (atomic number, density, thickness) of the substance existing on the path to the X-ray image detector. After receiving a corresponding amount of attenuation (absorption), it enters each pixel of the X-ray image detector. As a result, the X-ray absorption image of the subject is detected and imaged by the X-ray image detector. As an X-ray image detector, in addition to a combination of an X-ray intensifying screen and a film and a stimulable phosphor, a flat panel detector (FPD) using a semiconductor circuit is widely used.
しかし、X線吸収能は、原子番号が小さい元素からなる物質ほど低くなるため、生体軟部組織やソフトマテリアルなどでは、X線吸収像としての十分な画像の濃淡(コントラスト)が得られないといった問題がある。例えば、人体の関節を構成する軟骨部とその周辺の関節液は、いずれも殆どの成分が水であり、両者のX線の吸収量の差が少ないため、濃淡差が得られにくい。 However, since the X-ray absorption ability is lower as a substance composed of an element having a smaller atomic number, a problem that a sufficient softness (contrast) of an X-ray absorption image cannot be obtained with a soft tissue or a soft material of a living body. There is. For example, most of the components of the cartilage part constituting the joint of the human body and the joint fluid in the vicinity thereof are water, and there is little difference in the amount of X-ray absorption between them, so that it is difficult to obtain a difference in light and shade.
このような問題を背景に、近年、被写体によるX線の強度変化に代えて、被写体によるX線の位相変化(角度変化)に基づいた画像(以下、位相コントラスト画像と称する)を得るX線位相イメージングの研究が盛んに行われている。一般に、X線が物体に入射したとき、X線の強度よりも位相のほうが高い相互作用を示すことが知られている。このため、位相差を利用したX線位相イメージングでは、X線吸収能が低い弱吸収物体であっても高コントラストの画像を得ることができる。このようなX線位相イメージングの一種として、近年、2枚の透過回折格子(位相型格子及び吸収型格子)とX線画像検出器とからなるX線タルボ干渉計を用いたX線撮影システムが考案されている(例えば、特許文献1参照)。 Against the background of such problems, in recent years, an X-ray phase for obtaining an image (hereinafter referred to as a phase contrast image) based on an X-ray phase change (angle change) by an object instead of an X-ray intensity change by an object. Imaging research is actively conducted. In general, it is known that when X-rays are incident on an object, the interaction is higher in phase than in X-ray intensity. For this reason, in the X-ray phase imaging using the phase difference, a high-contrast image can be obtained even for a weakly absorbing object having a low X-ray absorption capability. As a kind of such X-ray phase imaging, in recent years, an X-ray imaging system using an X-ray Talbot interferometer comprising two transmission diffraction gratings (phase grating and absorption grating) and an X-ray image detector has been proposed. It has been devised (for example, see Patent Document 1).
X線タルボ干渉計は、被写体の背後に第1の回折格子(位相型格子あるいは吸収型格子)を配置し、第1の回折格子の格子ピッチとX線波長で決まる特定距離(タルボ干渉距離)だけ下流に第2の回折格子(吸収型格子)を配置し、その背後にX線画像検出器を配置することにより構成される。上記タルボ干渉距離とは、第1の回折格子を通過したX線が、タルボ干渉効果によって自己像を形成する距離であり、この自己像は、X線源と第1の回折格子との間に配置された被写体とX線との相互作用(位相変化)により変調を受ける。 In the X-ray Talbot interferometer, a first diffraction grating (phase type grating or absorption type grating) is arranged behind a subject, and a specific distance (Talbot interference distance) determined by the grating pitch of the first diffraction grating and the X-ray wavelength. The second diffraction grating (absorption type grating) is disposed only downstream, and the X-ray image detector is disposed behind the second diffraction grating. The Talbot interference distance is a distance at which X-rays that have passed through the first diffraction grating form a self-image due to the Talbot interference effect, and this self-image is between the X-ray source and the first diffraction grating. It is modulated by the interaction (phase change) between the arranged subject and the X-ray.
X線タルボ干渉計では、第1の回折格子の自己像と第2の回折格子との重ね合わせにより生じるモアレ縞を、縞走査法により検出し、被写体によるモアレ縞の変化から被写体の位相情報を取得する。この縞走査法とは、第1の回折格子に対して第2の回折格子を、第1の回折格子の面にほぼ平行で、かつ第1の回折格子の格子方向(条帯方向)にほぼ垂直な方向に、格子ピッチを等分割した走査ピッチで並進移動させながら複数回の撮影を行い、X線画像検出器で得られる各画素の信号値の変化から、被写体で屈折したX線の角度分布(位相シフトの微分像)を取得し、この角度分布に基づいて被写体の位相コントラスト画像を得るものである。 In the X-ray Talbot interferometer, moire fringes generated by superimposing the first image of the first diffraction grating and the second diffraction grating are detected by a fringe scanning method, and the phase information of the subject is obtained from the change of the moire fringes caused by the subject. get. In the fringe scanning method, the second diffraction grating is substantially parallel to the surface of the first diffraction grating with respect to the first diffraction grating and substantially in the grating direction (strip direction) of the first diffraction grating. The angle of X-rays refracted by the subject from a change in the signal value of each pixel obtained by the X-ray image detector, which is taken multiple times while being translated in the vertical direction at a scanning pitch obtained by equally dividing the lattice pitch. A distribution (phase shift differential image) is obtained, and a phase contrast image of the subject is obtained based on this angular distribution.
なお、タルボ干渉計を用いた画像撮影による位相イメージングは、X線と同様に干渉性の高い可視光(例えば、He−Neレーザー等)を対象に、X線位相イメージングより以前に考案されている(例えば、非特許文献1参照)。 Note that phase imaging by image capturing using a Talbot interferometer has been devised before X-ray phase imaging for visible light (for example, a He-Ne laser) having high coherence like X-rays. (For example, refer nonpatent literature 1).
上記位相イメージングにおいて、第2の回折格子を所定の走査ピッチで並進移動させて得られるX線画像検出器の各画素から出力される信号値は、特許文献1によれば、次式(1)で与えられる。 In the above phase imaging, the signal value output from each pixel of the X-ray image detector obtained by translating the second diffraction grating at a predetermined scanning pitch is expressed by the following equation (1). Given in.
ここで、Ak(k=0,1,…)は回折格子の形状により決まる定数、dは第2の回折格子の格子パターンの周期、δ(x,y)は回折格子の歪や製作誤差や配置誤差によって発生するオフセット値、Zは第1の回折格子と第2の回折格子との距離、φ(x,y)は被写体によるX線の屈折角、ξは第2の回折格子の並進移動量である。 Here, A k (k = 0, 1,...) Is a constant determined by the shape of the diffraction grating, d is the period of the grating pattern of the second diffraction grating, and δ (x, y) is the distortion and manufacturing error of the diffraction grating. Offset value caused by the arrangement error, Z is the distance between the first diffraction grating and the second diffraction grating, φ (x, y) is the X-ray refraction angle by the subject, and ξ is the translation of the second diffraction grating. The amount of movement.
第1の回折格子の自己像は、被写体でのX線の屈折により、その屈折角φに応じた量だけ変位することになる。ここで、屈折角φ(x,y)は、X線波長λと被写体の位相シフト分布Φ(x、y)を用いて、次式(2)で表される。 The self-image of the first diffraction grating is displaced by an amount corresponding to the refraction angle φ due to refraction of X-rays at the subject. Here, the refraction angle φ (x, y) is expressed by the following equation (2) using the X-ray wavelength λ and the phase shift distribution Φ (x, y) of the subject.
このように、被写体でのX線の屈折による第1の回折格子の自己像の変位量は、被写体の位相シフト分布Φ(x、y)に関連している。この変位量をΔとして、変位量Δは、第2の回折格子を走査して得られる、画像検出器の各画素から出力される強度変調信号の位相ズレ量ψ(被写体がある場合とない場合とでの各画素の強度変調信号の位相のズレ量)に、次式(3)のように関連している。 As described above, the amount of displacement of the self-image of the first diffraction grating due to the refraction of X-rays at the subject is related to the phase shift distribution Φ (x, y) of the subject. With this displacement amount as Δ, the displacement amount Δ is obtained by scanning the second diffraction grating, and the phase shift amount ψ of the intensity modulation signal output from each pixel of the image detector (with or without the subject) And the phase shift amount of the intensity modulation signal of each pixel at (1) and (3).
そして、被写体が球状の場合に、そのエッジ部分でのφ(x,y)は、次式(4)で与えられる。 When the subject is spherical, φ (x, y) at the edge portion is given by the following equation (4).
ここで、Dは第2の回折格子の走査方向に関する画像検出器の各画素の幅、Δnは被写体とその周囲の媒質との屈折率差である。 Here, D is the width of each pixel of the image detector in the scanning direction of the second diffraction grating, and Δn is the refractive index difference between the subject and the surrounding medium.
式(1)〜式(4)より、画像検出器の各画素の強度変調信号から取得される位相ズレ量ψから、屈折角φを求めようとすると、第2の回折格子の格子パターンの周期dや、第1の回折格子と第2の回折格子との距離Zや、X線画像検出器の各画素の幅Dの影響を受ける。 From Equations (1) to (4), when the refraction angle φ is obtained from the phase shift amount ψ acquired from the intensity modulation signal of each pixel of the image detector, the period of the grating pattern of the second diffraction grating d, the distance Z between the first diffraction grating and the second diffraction grating, and the width D of each pixel of the X-ray image detector.
ここで、X線源から放射されるX線はコーンビームであるのに対して、X線画像検出器は典型的には平面である。そのため、X線画像検出器の各画素におけるX線入射角は、X線画像検出器の各部で異なる。X線画像検出器の中央部の画素においてX線が略垂直に入射する(X線入射角が深い)場合に、周辺部の画素において、X線は周辺に行くほどに傾いて入射する(X線入射角が浅くなる)。よって、各画素の実効幅、即ち、各画素を、そこに入射するX線の中心線に直交する平面に投影した場合の投影幅が、X線画像検出器の各部で異なる。 Here, the X-ray emitted from the X-ray source is a cone beam, whereas the X-ray image detector is typically a plane. Therefore, the X-ray incident angle in each pixel of the X-ray image detector is different in each part of the X-ray image detector. When X-rays are incident substantially vertically on the central pixel of the X-ray image detector (X-ray incident angle is deep), the X-rays are inclined toward the periphery in the peripheral pixels (X Line incident angle becomes shallower). Therefore, the effective width of each pixel, that is, the projection width when each pixel is projected onto a plane orthogonal to the center line of the X-rays incident thereon is different in each part of the X-ray image detector.
特許文献1では、各画素の実効幅は何ら考慮されていないが、上述のとおり、各画素の信号値、そして信号値の変化から取得される屈折角は、X線画像検出器の各画素の幅Dに依存する。各画素の実効幅が異なると、入射X線の位相シフトが同じであっても各画素の信号値が異なり、無用なコントラストが形成される。
In
本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、被写体の位相イメージングを行う放射線撮影システム及び放射線撮影方法において、イメージングの精度向上を図ることにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and it is an object of the present invention to improve the accuracy of imaging in a radiation imaging system and a radiation imaging method for performing phase imaging of a subject.
(イ) 放射線を放射する放射線源と、前記放射線を通過させて縞画像を生成する第1の格子と、前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で前記縞画像に強度変調を与える強度変調手段と、前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された縞画像を検出する放射線画像検出器と、前記放射線画像検出器で取得される複数の画像から、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角の分布を演算し、この屈折角の分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する演算手段と、を備え、前記演算手段は、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影システム。
(ロ) 放射線源から被写体に放射線を放射し、前記放射線を第1の格子を通過させて縞画像を生成させ、前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で強度変調手段により前記縞画像に強度変調を与え、前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された前記縞画像を放射線画像検出器で検出し、前記放射線画像検出器で取得された複数の縞画像に基づいて、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角分布を演算し、この屈折角分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法であって、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法。
(A) A radiation source that emits radiation; a first grating that generates a fringe image by passing the radiation; and an intensity of the fringe image at a plurality of relative positions that are different in phase from the periodic pattern of the fringe image. An intensity modulation unit that applies modulation; a radiation image detector that detects a fringe image intensity-modulated at each relative position by the intensity modulation unit; and a plurality of images acquired by the radiation image detector, Calculating a refraction angle distribution of the radiation incident on the detector, and generating a phase contrast image of the subject based on the refraction angle distribution, the calculation means including a refraction angle distribution image. With respect to the incident radiation with respect to the direction of movement of the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel with respect to the pixel value of each of the constituent elements, the moving direction when the intensity modulation unit takes the plurality of relative positions A radiation imaging system that performs sensitivity correction in accordance with all effective widths and generates a phase contrast image based on the corrected distribution image of the refraction angle.
(B) Radiation is radiated from a radiation source to a subject, the radiation passes through a first grating to generate a fringe image, and intensity modulation means at a plurality of relative positions whose phases are different from the periodic pattern of the fringe image By applying intensity modulation to the fringe image, the intensity modulation means detects the fringe image intensity-modulated at each relative position by a radiological image detector, and a plurality of fringe images acquired by the radiological image detector are detected. A radiation imaging method for calculating a refraction angle distribution of radiation incident on the radiation image detector and generating a phase contrast image of a subject based on the refraction angle distribution, and forming a refraction angle distribution image In relation to the pixel value of each pixel, the incident radiation with respect to the direction of movement of the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel when the intensity modulation means takes the plurality of relative positions. A radiation imaging method in which sensitivity correction is performed according to an effective width of the image and a phase contrast image is generated based on the corrected distribution image of the refraction angle.
本発明によれば、位相コントラスト画像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応する放射線画像検出器の画素の入射放射線に対する実効幅に応じた感度補正を行うことで、イメージングの精度を高めることができる。 According to the present invention, by performing sensitivity correction on the pixel value of each pixel constituting the phase contrast image according to the effective width with respect to the incident radiation of the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel, Accuracy can be increased.
図1及び図2に示すX線撮影システム10は、被写体(患者)Hを立位状態で撮影するX線診断装置であって、被写体HにX線を放射するX線源11と、X線源11に対向配置され、X線源11から被写体Hを透過したX線を検出して画像データを生成する撮影部12と、操作者の操作に基づいてX線源11の曝射動作や撮影部12の撮影動作を制御するとともに、撮影部12により取得された画像データを演算処理して位相コントラスト画像を生成するコンソール13とに大別される。
An X-ray imaging system 10 shown in FIGS. 1 and 2 is an X-ray diagnostic apparatus that images a subject (patient) H in a standing position, and includes an
X線源11は、天井から吊り下げられたX線源保持装置14により上下方向(x方向)に移動自在に保持されている。撮影部12は、床上に設置された立位スタンド15により上下方向に移動自在に保持されている。
The
X線源11は、X線源制御部17の制御に基づき、高電圧発生器16から印加される高電圧に応じてX線を発生するX線管18と、X線管18から発せられたX線のうち、被写体Hの検査領域に寄与しない部分を遮蔽するように照射野を制限する可動式のコリメータ19aを備えたコリメータユニット19とから構成されている。X線管18は、陽極回転型であり、電子放出源(陰極)としてのフィラメント(図示せず)から電子線を放出して、所定の速度で回転する回転陽極18aに衝突させることによりX線を発生する。この回転陽極18aの電子線の衝突部分がX線焦点18bとなる。
Based on the control of the X-ray
X線源保持装置14は、天井に設置された天井レール(図示せず)により水平方向(z方向)に移動自在に構成された台車部14aと、上下方向に連結された複数の支柱部14bとからなる。台車部14aには、支柱部14bを伸縮させて、X線源11の上下方向に関する位置を変更するモータ(図示せず)が設けられている。
The X-ray source holding device 14 includes a
立位スタンド15は、床に設置された本体15aに、撮影部12を保持する保持部15bが上下方向に移動自在に取り付けられている。保持部15bは、上下方向に離間して配置された2つのプーリ15cの間に掛架された無端ベルト15dに接続され、プーリ15cを回転させるモータ(図示せず)により駆動される。このモータの駆動は、操作者の設定操作に基づき、後述するコンソール13の制御装置20により制御される。
In the standing stand 15, a holding
また、立位スタンド15には、プーリ15cまたは無端ベルト15dの移動量を計測することにより、撮影部12の上下方向に関する位置を検出するポテンショメータ等の位置センサ(図示せず)が設けられている。この位置センサの検出値は、ケーブル等によりX線源保持装置14に供給される。X線源保持装置14は、供給された検出値に基づいて支柱部14bを伸縮させ、撮影部12の上下動に追従するようにX線源11を移動させる。
Further, the standing stand 15 is provided with a position sensor (not shown) such as a potentiometer that detects the position of the photographing
コンソール13には、CPU、ROM、RAM等からなる制御装置20が設けられている。制御装置20には、操作者が撮影指示やその指示内容を入力する入力装置21と、撮影部12により取得された画像データを演算処理してX線画像を生成する演算処理部22と、X線画像を記憶する記憶部23と、X線画像等を表示するモニタ24と、X線撮影システム10の各部と接続されるインターフェース(I/F)25とがバス26を介して接続されている。
The console 13 is provided with a control device 20 including a CPU, a ROM, a RAM, and the like. The control device 20 includes an
入力装置21としては、例えば、スイッチ、タッチパネル、マウス、キーボード等を用いることが可能であり、入力装置21の操作により、X線管電圧やX線照射時間等のX線撮影条件、撮影タイミング等が入力される。モニタ24は、液晶ディスプレイ等からなり、制御装置20の制御により、X線撮影条件等の文字やX線画像を表示する。
As the
撮影部12には、半導体回路からなるフラットパネル検出器(FPD)30、被写体HによるX線の位相変化(角度変化)を検出し位相イメージングを行うための第1の透過型格子31及び第2の透過型格子32が設けられている。FPD30は、検出面がX線源11から照射されるX線の光軸Aに直交するように配置されている。詳しくは後述するが、第1及び第2の透過型格子31,32は、FPD30とX線源11との間に配置されている。また、撮影部12には、第2の透過型格子32を上下方向に並進移動させることにより、第1の透過型格子31に対する第2の透過型格子32の相対位置関係を変化させる走査機構33が設けられている。この走査機構33は、例えば、圧電素子等のアクチュエータにより構成される。なお、第2の透過型格子32及び走査機構33が特許請求の範囲に記載の強度変調手段に対応している。
The
図3に示すように、FPD30は、X線を電荷に変換して蓄積する複数の画素40が、アクティブマトリクス基板上にxy方向に2次元配列されてなる受像部41と、受像部41からの電荷の読み出しタイミングを制御する走査回路42と、各画素40に蓄積された電荷を読み出し、電荷を画像データに変換して記憶する読み出し回路43と、画像データをコンソール13のI/F25を介して演算処理部22に送信するデータ送信回路44とから構成されている。なお、走査回路42と各画素40とは、行毎に走査線45によって接続されており、読み出し回路43と各画素40とは、列毎に信号線46によって接続されている。
As shown in FIG. 3, the
各画素40は、アモルファスセレン等の変換層(図示せず)でX線を電荷に直接変換し、変換された電荷を変換層の下部の電極に接続されたキャパシタ(図示せず)に蓄積する直接変換型の素子として構成することができる。各画素40には、TFTスイッチ(図示せず)が接続され、TFTスイッチのゲート電極が走査線45、ソース電極がキャパシタ、ドレイン電極が信号線46に接続される。TFTスイッチが走査回路42からの駆動パルスによってON状態になると、キャパシタに蓄積された電荷が信号線46に読み出される。
Each
なお、各画素40は、酸化ガドリニウム(Gd2O3)やヨウ化セシウム(CsI)等からなるシンチレータ(図示せず)でX線を一旦可視光に変換し、変換された可視光をフォトダイオード(図示せず)で電荷に変換して蓄積する間接変換型のX線検出素子として構成することも可能である。また、X線画像検出器としては、TFTパネルをベースとしたFPDに限られず、CCDセンサやCMOSセンサ等の固体撮像素子をベースとした各種のX線画像検出器を用いることも可能である。
Each
読み出し回路43は、積分アンプ回路、A/D変換器、補正回路、及び画像メモリ(いずれも図示せず)により構成されている。積分アンプ回路は、各画素40から信号線46を介して出力された電荷を積分して電圧信号(画像信号)に変換して、A/D変換器に入力する。A/D変換器は、入力された画像信号をデジタルの画像データに変換して補正回路に入力する。補正回路は、画像データに対して、オフセット補正、ゲイン補正、及びリニアリティ補正を行い、補正後の画像データを画像メモリに記憶させる。なお、補正回路による補正処理として、X線の露光量や露光分布(いわゆるシェーディング)の補正や、FPD30の制御条件(駆動周波数や読み出し期間)に依存するパターンノイズ(例えば、TFTスイッチのリーク信号)の補正等を含めてもよい。
The
図4及び図5に示すように、第1の透過型格子31は、基板31aと、この基板31aに配置された複数のX線遮蔽部31bとから構成されている。同様に、第2の透過型格子32は、基板32aと、この基板32aに配置された複数のX線遮蔽部32bとから構成されている。基板31a,31bは、いずれもX線を透過させるガラス等のX線透過性部材により形成されている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the first transmissive grating 31 includes a
X線遮蔽部31b,32bは、いずれもX線源11から照射されるX線の光軸Aに直交する面内の一方向(図示の例では、x方向及びz方向に直交するy方向)に延伸した線状の部材である。各X線遮蔽部31b,32bの材料としては、X線吸収性に優れるものが好ましく、例えば、金、銀、白金等の金属であることが好ましい。これらのX線遮蔽部31b,32bは、金属メッキ法や蒸着法によって形成することが可能である。
Each of the
X線遮蔽部31bは、X線の光軸Aに直交する面内において、上記一方向と直交する方向(図示の例では、x方向)に一定の周期p1で、互いに所定の間隔d1を空けて配列されている。同様に、X線遮蔽部32bは、X線の光軸Aに直交する面内において、上記一方向と直交する方向(本実施形態では、x方向)に一定の周期p2で、互いに所定の間隔d2を空けて配列されている。このような第1及び第2の透過型格子31,32は、入射X線に位相差を与えるものでなく、強度差を与えるものであるため、透過型格子のなかでも特に吸収型格子ないし振幅型格子と称される。なお、スリット部(上記間隔d1,d2の領域)は空隙でなくてもよく、高分子や軽金属等のX線低吸収材で該空隙を充填してもよい。
The
第1及び第2の透過型格子31,32は、タルボ干渉効果の有無に係らず、スリット部を通過したX線を線形的に投影するように構成されている。具体的には、間隔d1,d2を、X線源11から照射されるX線のピーク波長より十分大きな値とすることで、照射X線に含まれる大部分のX線をスリット部で回折させずに、直進性を保ったまま通過するように構成する。例えば、前述の回転陽極18aとしてタングステンを用い、管電圧を50kVとした場合には、X線のピーク波長は、約0.4Åである。この場合には、間隔d1,d2を、1〜10μm程度とすれば、スリット部で大部分のX線が回折されずに線形的に投影される。
The first and
X線源11から放射されるX線は、平行ビームではなく、X線焦点18bを発光点としたコーンビームであるため、第1の透過型格子31を通過して射影される投影像(以下、この投影像をG1像と称する)は、X線焦点18bからの距離に比例して拡大される。第2の透過型格子32の格子ピッチp2及び間隔d2は、そのスリット部が、第2の透過型格子32の位置におけるG1像の明部の周期パターンとほぼ一致するように決定されている。すなわち、X線焦点18bから第1の透過型格子31までの距離をL1、第1の透過型格子31から第2の透過型格子32までの距離をL2とした場合に、格子ピッチp2及び間隔d2は、次式(5)及び(6)の関係を満たすように決定される。
The X-ray emitted from the
第1の透過型格子31から第2の透過型格子32までの距離L2は、タルボ干渉計では、第1の回折格子の格子ピッチとX線波長とで決まるタルボ干渉距離に制約されるが、本X線撮影システム10の撮影部12では、第1の透過型格子31が入射X線を回折させずに投影させる構成であって、第1の透過型格子31のG1像が、第1の透過型格子31の後方のすべての位置で相似的に得られるため、該距離L2を、タルボ干渉距離と無関係に設定することができる。
Distance L 2 from the first transmission type grating 31 to the second transmission type grating 32, a Talbot interferometer, but is constrained to Talbot distance determined by the grating pitch and the X-ray wavelength of the first diffraction grating The
上記のように撮影部12は、タルボ干渉計を構成するものではないが、第1の透過型格子31でX線を回折したと仮定した場合のタルボ干渉距離Zは、第1の透過型格子31の格子ピッチp1、X線波長(ピーク波長)λ、及び正の整数mを用いて、次式(7)で表される。
As described above, the
本X線撮影システム10では、撮影部12の薄型化を目的とし、上記距離L2を、m=1の場合の最小のタルボ干渉距離Zより短い値に設定する。すなわち、上記距離L2は、次式(8)を満たす範囲の値に設定される。
In the present X-ray imaging system 10, the distance L 2 is set to a value shorter than the minimum Talbot interference distance Z when m = 1 for the purpose of reducing the thickness of the
X線遮蔽部31b,32bは、コントラストの高い周期パターン像を生成するためには、X線を完全に遮蔽(吸収)することが好ましいが、上記したX線吸収性に優れる材料(金、銀、白金等)を用いたとしても、吸収されずに透過するX線が少なからず存在する。このため、X線の遮蔽性を高めるためには、X線遮蔽部31b,32bのそれぞれの厚みh1,h2を、可能な限り厚くすることが好ましい。例えば、X線管18の管電圧が50kVの場合に、照射X線の90%以上を遮蔽することが好ましく、この場合には、厚みh1,h2は、金(Au)換算で30μm以上であることが好ましい。
The
一方、X線遮蔽部31b,32bの厚みh1,h2を厚くし過ぎると、第1及び第2の透過型格子31,32に斜めに入射するX線がスリット部を通過しにくくなり、いわゆるケラレが生じて、X線遮蔽部31b,32bの延伸方向(条帯方向)に直交する方向(x方向)の有効視野が狭くなるといった問題がある。このため、視野確保の観点から、厚みh1,h2の上限を規定する。FPD30の検出面におけるx方向の有効視野の長さVを確保するには、X線焦点18bからFPD30の検出面までの距離をLとすると、厚みh1,h2は、図5に示す幾何学的関係から、次式(9)及び(10)を満たすように設定する必要がある。
On the other hand, if the thicknesses h 1 and h 2 of the
例えば、d1=2.5μm、d2=3.0μmであり、通常の病院での検査を想定して、L=2mとした場合には、x方向の有効視野の長さVとして10cmの長さを確保するには、厚みh1は100μm以下、厚みh2は120μm以下とすればよい。 For example, when d 1 = 2.5 μm and d 2 = 3.0 μm, and assuming L = 2 m assuming a normal hospital examination, the effective visual field length V in the x direction is 10 cm. In order to ensure the length, the thickness h 1 may be 100 μm or less and the thickness h 2 may be 120 μm or less.
以上のように構成された第1及び第2の透過型格子31,32では、被写体Hが配置されていない場合に、第1の透過型格子31のG1像と第2の透過型格子32との重ね合わせにより、X線に画像コントラストが生じ、この画像コントラストがFPD30によって撮像される。第2の透過型格子32の位置におけるG1像のパターン周期p1’と、第2の透過型格子32の実質的な格子ピッチp2’(製造後の実質的なピッチ)とは、製造誤差や配置誤差により若干の差異が生じる。このうち、配置誤差とは、第1及び第2の透過型格子31,32が、相対的に傾斜や回転、両者の間隔が変化することによりx方向への実質的なピッチが変化することを意味している。
In the first and
G1像のパターン周期p1’と格子ピッチp2’との微小な差異により、画像コントラストはモアレ縞となる。このモアレ縞の周期Tは、次式(11)で表される。 Due to the minute difference between the pattern period p 1 ′ of the G1 image and the grating pitch p 2 ′, the image contrast becomes moire fringes. The period T of the moire fringes is expressed by the following equation (11).
このモアレ縞をFPD30で検出するには、画素40のx方向に関する配列ピッチPは、少なくとも次式(12)を満たす必要があり、さらには、次式(13)を満たすことが好ましい(ここで、nは正の整数である)。
In order to detect the moire fringes with the
式(12)は、配列ピッチPがモアレ周期Tの整数倍でないことを意味しており、n≧2の場合であっても原理的にモアレ縞を検出することが可能である。式(13)は、配列ピッチPをモアレ周期Tより小さくすることを意味している。 Expression (12) means that the arrangement pitch P is not an integral multiple of the moire period T, and it is possible in principle to detect moire fringes even when n ≧ 2. Expression (13) means that the arrangement pitch P is made smaller than the moire period T.
FPD30の画素40の配列ピッチPは、設計的に定められた値(一般的に100μm程度)であり変更することが困難であるため、配列ピッチPとモアレ周期Tとの大小関係を調整するには、第1及び第2の透過型格子31,32の位置調整を行い、G1像のパターン周期p1’と格子ピッチp2’との少なくともいずれか一方を変更することによりモアレ周期Tを変更することが好ましい。
Since the arrangement pitch P of the
図6に、モアレ周期Tを変更する方法を示す。モアレ周期Tの変更は、第1及び第2の透過型格子31,32のいずれか一方を、光軸Aを中心として相対的に回転させることにより行うことができる。例えば、第1の透過型格子31に対して、第2の透過型格子32を、光軸Aを中心として相対的に回転させる相対回転機構50を設ける。この相対回転機構50により、第2の透過型格子32を角度θだけ回転させると、x方向に関する実質的な格子ピッチは、「p2’」→「p2’/cosθ」と変化し、この結果、モアレ周期Tが変化する(FIG.6A)。
FIG. 6 shows a method of changing the moire cycle T. The moire period T can be changed by relatively rotating one of the first and second
別の例として、モアレ周期Tの変更は、第1及び第2の透過型格子31,32のいずれか一方を、光軸Aに直交し、かつy方向に沿う方向の軸を中心として相対的に傾斜させることにより行うことができる。例えば、第1の透過型格子31に対して、第2の透過型格子32を、光軸Aに直交し、かつy方向に沿う方向の軸を中心として相対的に傾斜させる相対傾斜機構51を設ける。この相対傾斜機構51により、第2の透過型格子32を角度αだけ傾斜させると、x方向に関する実質的な格子ピッチは、「p2’」→「p2’×cosα」と変化し、この結果、モアレ周期Tが変化する(FIG.6B)。
As another example, the change in the moire period T is such that one of the first and
さらに別の例として、モアレ周期Tの変更は、第1及び第2の透過型格子31,32のいずれか一方を光軸Aの方向に沿って相対的に移動させることにより行うことができる。例えば、第1の透過型格子31と第2の透過型格子32との間の距離L2を変更するように、第1の透過型格子31に対して、第2の透過型格子32を、光軸Aの方向に沿って相対的に移動させる相対移動機構52を設ける。この相対移動機構52により、第2の透過型格子32を光軸Aに移動量δだけ移動させると、第2の透過型格子32の位置に投影される第1の透過型格子31のG1像のパターン周期は、「p1’」→「p1’×(L1+L2+δ)/(L1+L2)」と変化し、この結果、モアレ周期Tが変化する(FIG.6C)。
As another example, the moire period T can be changed by relatively moving one of the first and
本X線撮影システム10において、撮影部12は、上述のようにタルボ干渉計ではなく、距離L2を自由に設定することができるため、相対移動機構52のように距離L2の変更によりモアレ周期Tを変更する機構を、好適に採用することができる。モアレ周期Tを変更するための第1及び第2の透過型格子31,32の上記変更機構(相対回転機構50、相対傾斜機構51、及び相対移動機構52)は、圧電素子等のアクチュエータにより構成することが可能である。
In the X-ray imaging system 10,
X線源11と第1の透過型格子31との間に被写体Hを配置した場合には、FPD30により検出されるモアレ縞は、被写体Hにより変調を受ける。この変調量は、被写体Hによる屈折効果によって偏向したX線の角度に比例する。したがって、FPD30で検出されたモアレ縞を解析することによって、被写体Hの位相コントラスト画像を生成することができる。
When the subject H is disposed between the
次に、モアレ縞の解析方法について説明する。 Next, a method for analyzing moire fringes will be described.
図7は、被写体Hのx方向に関する位相シフト分布Φ(x)に応じて屈折される1つのX線を例示している。符号55は、被写体Hが存在しない場合に直進するX線の経路を示しており、この経路55を進むX線は、第1及び第2の透過型格子31,32を通過してFPD30に入射する。符号56は、被写体Hが存在する場合に、被写体Hにより屈折されて偏向したX線の経路を示している。この経路56を進むX線は、第1の透過型格子31を通過した後、第2の透過型格子32より遮蔽される。
FIG. 7 illustrates one X-ray refracted according to the phase shift distribution Φ (x) of the subject H in the x direction.
被写体Hの位相シフト分布Φ(x)は、被写体Hの屈折率分布をn(x,z)、zをX線の進む方向として、次式(14)で表される。 The phase shift distribution Φ (x) of the subject H is expressed by the following equation (14), where n (x, z) is the refractive index distribution of the subject H and z is the direction in which the X-rays travel.
第1の透過型格子31から第2の透過型格子32の位置に投射されたG1像は、被写体HでのX線の屈折により、その屈折角φに応じた量だけx方向に変位することになる。この変位量Δxは、X線の屈折角φが微小であることに基づいて、近似的に次式(15)で表される。 The G1 image projected from the first transmissive grating 31 to the position of the second transmissive grating 32 is displaced in the x direction by an amount corresponding to the refraction angle φ due to refraction of X-rays at the subject H. become. This amount of displacement Δx is approximately expressed by the following equation (15) based on the small X-ray refraction angle φ.
ここで、屈折角φは、X線波長λと被写体Hの位相シフト分布Φ(x)を用いて、次式(16)で表される。 Here, the refraction angle φ is expressed by the following equation (16) using the X-ray wavelength λ and the phase shift distribution Φ (x) of the subject H.
このように、被写体HでのX線の屈折によるG1像の変位量Δxは、被写体Hの位相シフト分布Φ(x)に関連している。そして、この変位量Δxは、FPD30の各画素40から出力される強度変調信号の位相ズレ量ψ(被写体Hがある場合とない場合とでの各画素40の強度変調信号の位相のズレ量)に、次式(17)のように関連している。
Thus, the displacement amount Δx of the G1 image due to the refraction of X-rays at the subject H is related to the phase shift distribution Φ (x) of the subject H. This displacement amount Δx is the amount of phase shift ψ of the intensity modulation signal output from each
したがって、各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψを求めることにより、式(17)から屈折角φが求まり、式(16)を用いて位相シフト分布Φ(x)の微分量が求まるから、これをxについて積分することにより、被写体Hの位相シフト分布Φ(x)、すなわち被写体Hの位相コントラスト画像を生成することができる。本X線撮影システム10では、上記位相ズレ量ψを、下記に示す縞走査法を用いて算出する。
Accordingly, by obtaining the phase shift amount ψ of the intensity modulation signal of each
縞走査法では、第1及び第2の透過型格子31,32の一方を他方に対して相対的にx方向にステップ的に並進移動させながら撮影を行う(すなわち、両者の格子周期の位相を変化させながら撮影を行う)。本X線撮影システム10では、前述の走査機構33により第2の透過型格子32を移動させているが、第1の透過型格子31を移動させてもよい。第2の透過型格子32の移動に伴って、モアレ縞が移動し、並進距離(x方向への移動量)が、第2の透過型格子32の格子周期の1周期(格子ピッチp2)に達すると(すなわち、位相変化が2πに達すると)、モアレ縞は元の位置に戻る。このようなモアレ縞の変化を、格子ピッチp2を整数分の1ずつ第2の透過型格子32を移動させながら、FPD30で縞画像を撮影し、撮影した複数の縞画像から各画素40の強度変調信号を取得し、演算処理部22で演算処理することにより、各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψを得る。
In the fringe scanning method, imaging is performed while one of the first and second
図8は、格子ピッチp2をM(2以上の整数)個に分割した走査ピッチ(p2/M)ずつ第2の透過型格子32を移動させる様子を模式的に示している。走査機構33は、k=0,1,2,・・・,M−1のM個の各走査位置に、第2の透過型格子32を順に並進移動させる。なお、同図では、第2の透過型格子32の初期位置を、被写体Hが存在しない場合における第2の透過型格子32の位置でのG1像の暗部が、X線遮蔽部32bにほぼ一致する位置(k=0)としているが、この初期位置は、k=0,1,2,・・・,M−1のうちいずれの位置としてもよい。
FIG. 8 schematically shows how the second transmissive grating 32 is moved by the scanning pitch (p 2 / M) obtained by dividing the grating pitch p 2 into M (an integer of 2 or more). The
まず、k=0の位置では、主として、被写体Hにより屈折されなかったX線が第2の透過型格子32を通過する。次に、k=1,2,・・・と順に第2の透過型格子32を移動させていくと、第2の透過型格子32を通過するX線は、被写体Hにより屈折されなかったX線の成分が減少する一方で、被写体Hにより屈折されたX線の成分が増加する。特に、k=M/2では、主として、被写体Hにより屈折されたX線のみが第2の透過型格子32を通過する。k=M/2を超えると、逆に、第2の透過型格子32を通過するX線は、被写体Hにより屈折されたX線の成分が減少する一方で、被写体Hにより屈折されなかったX線の成分が増加する。 First, at the position of k = 0, mainly X-rays that are not refracted by the subject H pass through the second transmission type grating 32. Next, when the second transmission type grating 32 is moved in order of k = 1, 2,..., X-rays passing through the second transmission type grating 32 are not refracted by the subject H. While the line component decreases, the X-ray component refracted by the subject H increases. In particular, at k = M / 2, mainly only X-rays refracted by the subject H pass through the second transmission type grating 32. When k = M / 2 is exceeded, the X-ray component that is refracted by the subject H decreases in the X-rays that pass through the second transmission type grating 32, while the X-ray that is not refracted by the subject H. The line component increases.
k=0,1,2,・・・,M−1の各位置で、FPD30により撮影を行うと、各画素40について、M個の画素データが得られる。以下に、このM個の画素データから各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψを算出する方法を説明する。第2の透過型格子32の位置kにおける各画素40の画素データ(信号値)をIk(x)と標記すると、Ik(x)は、次式(18)で表される。
When imaging is performed by the
ここで、xは、画素のx方向に関する座標であり、A0は入射X線の強度であり、Anは強度変調信号のコントラストに対応する値である(ここで、nは正の整数である)。また、φ(x)は、上記屈折角φを画素40の座標xの関数として表したものである。
Here, x is a coordinate in the x direction of the pixel, A 0 is the intensity of the incident X-ray, and An is a value corresponding to the contrast of the intensity modulation signal (where n is a positive integer). is there). Φ (x) represents the refraction angle φ as a function of the coordinate x of the
次いで、次式(19)の関係式を用いると、上記屈折角φ(x)は、式(20)のように表される。 Next, using the relational expression of the following expression (19), the refraction angle φ (x) is expressed as the expression (20).
ここで、arg[ ]は、偏角の抽出を意味しており、各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψに対応する。したがって、各画素40で得られたM個の画素データから、式(20)に基づいて各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψを算出することにより、屈折角φ(x)が求められる。
Here, arg [] means extraction of the declination and corresponds to the phase shift amount ψ of the intensity modulation signal of each
具体的には、各画素40で得られたM個の画素データは、図9に示すように、第2の透過型格子32の位置kに対して、格子ピッチp2の周期で周期的に変化する。同図中の破線は、被写体Hが存在しない場合の画素データの変化を示しており、同図中の実線は、被写体Hが存在する場合の画素データの変化を示している。この両者の波形の位相差が各画素40の強度変調信号の位相ズレ量ψに対応する。
Specifically, as shown in FIG. 9, the M pixel data obtained in each
そして、屈折角φ(x)は、上記式(16)で示したように微分位相値に対応する値であるため、屈折角φ(x)をx軸に沿って積分することにより、位相シフト分布Φ(x)が得られる。 Since the refraction angle φ (x) is a value corresponding to the differential phase value as shown in the above equation (16), the phase shift is obtained by integrating the refraction angle φ (x) along the x-axis. A distribution Φ (x) is obtained.
上記の説明では、画素40のy方向に関するy座標を考慮していないが、各y座標について同様の演算を行うことにより、x方向及びy方向における2次元的な位相シフト分布Φ(x,y)が得られる。
In the above description, the y coordinate in the y direction of the
次に、各画素40の実効幅を考慮した位相シフト分布Φ(x,y)の補正について説明する。
Next, correction of the phase shift distribution Φ (x, y) considering the effective width of each
図10は、補正の一例を示している。まず、ピンホール61が設けられたX線遮蔽板60を、X線源11から放射されるX線の光軸(中心X線)にピンホール61が位置するように配置する。その状態でX線源11からX線を放射し、ピンホール61を通過したX線をFPD30で撮影する。ピンホール61を通過したX線の像位置から、FPD30における中心X線の到達位置P0を求める。例えば、ピンホール61を通過したX線を検出した画素40のうち、その信号値が最も大きい画素40の位置、又はX線像の中心にあたる画素40の位置を、中心X線の到達位置P0とすることができる(FIG.10A)。
FIG. 10 shows an example of correction. First, the
次いで、FPD30における中心X線の到達位置P0に、X線吸収性に優れる材料で形成されたサンプル62を設置する。サンプル62の形状は特に限定されないが、例えば棒状のものを用いることができる。X線遮蔽板60を取り除き、X線源11からX線を放射してFPD30で撮影し、サンプル62のX線吸収像Iを取得する(FIG.10B)。
Next, a
次いで、取得されたX線吸収像から、中心X線の到達位置P0におけるX線入射角θ0及びX線入射方向を求める。例えば、入射角を種々に変え、各入射角でのサンプル62のX線吸収像をX線撮影システム10の記憶部23に予め記憶しておき、記憶部23に記憶された多数のX線吸収像と、取得されたX線吸収像との画像比較を行って、入射角θ0を推定することができる。また、入射方向については、棒状のサンプル62であれば、そのX線吸収像の伸びる方向となる。
Next, the X-ray incident angle θ 0 and the X-ray incident direction at the arrival position P 0 of the center X-ray are obtained from the acquired X-ray absorption image. For example, the X-ray absorption image of the
次いで、X線源11(詳細にはX線焦点18b)をFPD30の受像面に垂直に投影した投影位置Oを求める。中心X線の到達位置P0におけるX線入射角θ0から中心X線の到達位置P0と投影位置Oとの距離R0が次式(21)により得られ、投影位置Oは、距離R0と、中心X線の到達位置P0におけるX線入射方向とに基づいて求められる(FIG.10C)。
Next, a projection position O obtained by projecting the X-ray source 11 (specifically, the X-ray
ここで、LはX線源11とFPD30との距離である。
Here, L is the distance between the
そして、各画素40におけるx方向(第2の透過型格子32の走査方向)のX線入射角θは、次式(22)により幾何学的に求められる(FIG.10C)。
Then, the X-ray incident angle θ in the x direction (scanning direction of the second transmissive grating 32) in each
ここで、RはX線源11の投影位置Oから各画素40へのx方向距離であり、FPD30のx方向の画素ピッチから求められる。
Here, R is the distance in the x direction from the projection position O of the
各画素40のx方向の実効幅D´は、各画素40におけるx方向のX線入射角θより、次式(23)のように表される。
The effective width D ′ in the x direction of each
式(4)及び式(23)から、各画素40の補正係数を√cosθとすれば、屈折角φ(x,y)(ないし位相シフト分布Φ(x,y)の微分量)に対して、各画素40の実効幅D´に応じた補正を行うことができる。例えば、各画素40の補正係数√cosθを求め、これらを感度補正マップとして記憶部23に保存しておく。そして、屈折角φ(x,y)の分布像を構成する各画素の画素値に対し、記憶部23に記憶された上記感度補正マップを参照してその画素に対応したFPD30の画素40の補正係数√cosθをかけて補正する。そして、補正された屈折角φ(x,y)をx、y方向に積分して、位相シフト分布Φ(x、y)を得て、これを位相コントラスト画像に変換する。なお、各画素40のy方向の実効幅の変化は考慮していないが、第2の透過型格子32をx方向に走査する場合において、画素40の強度変調信号には異方性が生じ、x方向には急激に変化するのに対して、y方向では緩やかに変化する。そのため、画素40のx方向の実効幅が変化すると、得られる屈折角φも大きな変動を受けるが、画素40のy方向の実効幅の変化は屈折角φに与える影響が少ない。そのため、画素40のx方向の実効幅に応じた補正を行うことで、実用上は足りる。
From Expressions (4) and (23), if the correction coefficient of each
上述の例では、ピンホール61が設けられたX線遮蔽板60を用いてFPD30における中心X線の到達位置を求め、そして、サンプル62を用いて中心X線の到達位置におけるX線入射角及びX線入射方向を求めているが、他の方法で中心X線の到達位置におけるX線入射角を求めてもよい。例えば、レーザー変位計などの測定器を用い、又はX線源11に加速度センサを設けて、XFPD30に対するX線源11の相対位置を測定し、そして、X線源11に加速度センサを設けて、FPD30に対するX線源11の姿勢を測定して、FPD30における中心X線の到達位置、及び中心X線の到達位置におけるX線入射角、並びにX線入射方向を求めることもできる。
In the above example, the arrival position of the central X-ray in the
以上の演算は、演算処理部22により行われ、演算処理部22は、補正された位相コントラスト画像を記憶部23に記憶させる。
The above calculation is performed by the
以上の縞走査、及び位相コントラスト画像の生成処理は、入力装置21から操作者により撮影指示がなされた後、制御装置20の制御に基づいて各部が連係動作し、自動的に行われ、最終的に被写体Hの位相コントラスト画像がモニタ24に表示される。
The above-described fringe scanning and phase contrast image generation processing is performed automatically after the imaging instruction is given by the operator from the
上述したX線撮影システム10によれば、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応するFPD30の画素40の、入射放射線に対するx方向(第2の透過型格子32の走査方向)の実効幅D´に応じた感度補正を行うことで、イメージングの精度を高めることができる。
According to the X-ray imaging system 10 described above, with respect to the pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image, the x direction (second transmission type) of the
そして、上述したX線撮影システム10によれば、第1の透過型格子31で殆どのX線を回折させずに、第2の透過型格子32に線形的に投影するため、照射X線には、高い空間的可干渉性は要求されず、X線源11として医療分野で用いられている一般的なX線源を用いることができる。そして、第1の透過型格子31から第2の透過型格子32までの距離L2を任意の値とすることができ、該距離L2を、タルボ干渉計での最小のタルボ干渉距離より小さく設定することができるため、撮影部12を小型化(薄型化)することができる。また、X線撮影システム10によれば、第1の透過型格子31からの投影像(G1像)には、照射X線のほぼすべての波長成分が寄与し、モアレ縞のコントラストが向上するため、位相コントラスト画像の検出感度を向上させることができる。
According to the X-ray imaging system 10 described above, most of the X-rays are not diffracted by the first transmissive grating 31 and are linearly projected onto the second transmissive grating 32. High spatial coherence is not required, and a general X-ray source used in the medical field as the
なお、上述したX線撮影システム10は、第1の透過型格子31の投影像に対して縞走査を行って屈折角φを演算するものであって、そのため、第1及び第2の透過型格子31,32がいずれも吸収型格子であるものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上述のとおり、タルボ干渉像に対して縞走査を行って屈折角φを演算する場合にも、屈折角φは、FPD30の各画素40の走査方向の実効幅D´に依存し、屈折角φに対して各画素40の走査方向の実効幅D´に応じた補正を行う本発明は有用である。よって、第1の透過型格子31は、吸収型格子に限らず位相型格子であってもよい。
The X-ray imaging system 10 described above performs a fringe scan on the projection image of the first transmission type grating 31 to calculate the refraction angle φ. Therefore, the first and second transmission types are used. Although the
また、X線源11からFPD30までの距離を長くした場合に、X線焦点18bの焦点サイズ(一般的に0.1mm〜1mm程度)によるG1像のボケが影響し、位相コントラスト画像の画質の低下をもたらす恐れがあるため、X線焦点18bの直後にマルチスリット(線源格子)を配置してもよい。
Further, when the distance from the
このマルチスリットは、第1及び第2の透過型格子31,32と同様な構成の吸収型格子であり、一方向(上述したX線撮影システム10では、y方向)に延伸した複数のX線遮蔽部が、第1及び第2の透過型格子31,32のX線遮蔽部31b,32bと同一方向(上述したX線撮影システム10では、x方向)に周期的に配列されたものである。このマルチスリットは、X線源11からのX線を部分的に遮蔽してx方向に関する実効的な焦点サイズを縮小するとともに、x方向に多数の点光源(分散光源)を形成することにより、G1像のボケを抑制する。
The multi-slit is an absorption type grating having a configuration similar to that of the first and second
さらに、上述したX線撮影システム10では、被写体HをX線源11と第1の透過型格子31との間に配置しているが、被写体Hを第1の透過型格子31と第2の透過型格子32との間に配置した場合にも同様に位相コントラスト画像の生成が可能である。
Further, in the X-ray imaging system 10 described above, the subject H is arranged between the
上述のX線撮影システム10では、強度変調手段として第2の透過型格子32を用いているが、特開平2009−133823号公報に開示された構成のX線画像検出器を用いることにより、第2の透過型格子32を排することができる。このX線画像検出器は、X線を電荷に変換する変換層と、変換層において変換された電荷を収集する電荷収集電極とを備えた直接変換型のX線画像検出器において、各画素の電荷収集電極が、一定の周期で配列された線状電極を互いに電気的に接続してなる複数の線状電極群を、互いに位相が異なるように配置することにより構成されている。
In the X-ray imaging system 10 described above, the second transmission type grating 32 is used as the intensity modulation means. However, by using the X-ray image detector having the configuration disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-133823, the
図11は、上記のX線画像検出器(FPD)の構成を例示する。画素70が、x方向及びy方向に沿って一定のピッチで2次元配列されており、各画素70には、X線を電荷に変換する変換層によって変換された電荷を収集するための電荷収集電極71が形成されている。電荷収集電極71は、第1〜第6の線状電極群72〜77から構成されており、各線状電極群の線状電極の配列周期の位相がπ/3ずつずれている。具体的には、第1の線状電極群72の位相を0とすると、第2の線状電極群73の位相はπ/3、第3の線状電極群74の位相は2π/3、第4の線状電極群75の位相はπ、第5の線状電極群76の位相は4π/3、第6の線状電極群77の位相は5π/3である。画素70のy方向への電荷がそれぞれ線状電極群72〜77を通して蓄えられる。
FIG. 11 illustrates the configuration of the above X-ray image detector (FPD). The
さらに、各画素70には、電荷収集電極71により収集された電荷を読み出すためのスイッチ群78が設けられている。スイッチ群78は、第1〜第6の線状電極群72〜77のそれぞれに設けられたTFTスイッチからなる。第1〜第6の線状電極群72〜77により収集された電荷を、スイッチ群78を制御してそれぞれ個別に読み出すことによって、一度の撮影により、互いに位相の異なる6種類の縞画像を取得することができ、この6種類の縞画像に基づいて位相コントラスト画像を生成することができる。即ち、電荷収集電極71が特許請求の範囲に記載の強度変調手段を構成する。
Further, each
上述のX線撮影システム10において、FPD30に代えて、上記構成のX線画像検出器を用いることにより、撮影部12から第2の透過型格子32が不要となるため、コスト削減とともに、さらなる薄型化が可能となる。また、本実施形態では、一度の撮影により、異なる位相で強度変調が行われた複数の縞画像を取得することが可能であるため、縞走査のための物理的な走査が不要となり、上記走査機構33を排することができる。なお、電荷収集電極71に代えて、特開平2009−133823号公報に記載のその他の構成の電荷収集電極を用いることも可能である。
In the X-ray imaging system 10 described above, by using the X-ray image detector having the above-described configuration instead of the
さらに、第2の透過型格子32を配置しない場合の別の実施形態として、X線画像検出器により得られた縞画像(G1像)を、信号処理によって位相を変えながら周期的にサンプリングすることで、該縞画像に強度変調を与えることも可能である。 Furthermore, as another embodiment when the second transmission type grating 32 is not disposed, the fringe image (G1 image) obtained by the X-ray image detector is periodically sampled while changing the phase by signal processing. Thus, it is also possible to apply intensity modulation to the fringe image.
また、上述したX線撮影装置10は、本発明を医療診断用の装置に適用したものであるが、本発明は医療診断用途に限られず、工業用等のその他の放射線検出装置に適用することも可能である。 The X-ray imaging apparatus 10 described above is an application of the present invention to an apparatus for medical diagnosis. However, the present invention is not limited to medical diagnosis applications, and may be applied to other radiation detection apparatuses for industrial use. Is also possible.
以上、説明したように、本明細書には、放射線を放射する放射線源と、前記放射線を通過させて縞画像を生成する第1の格子と、前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で前記縞画像に強度変調を与える強度変調手段と、前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された縞画像を検出する放射線画像検出器と、前記放射線画像検出器で取得される複数の画像から、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角の分布を演算し、この屈折角の分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する演算手段と、を備え、前記演算手段は、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影システムが開示されている。 As described above, in the present specification, the phase of the radiation source that emits radiation, the first grating that generates the fringe image by passing the radiation, and the periodic pattern of the fringe image are different. Obtained by intensity modulation means for applying intensity modulation to the fringe image at a plurality of relative positions, a radiation image detector for detecting the fringe image intensity-modulated at each relative position by the intensity modulation means, and the radiation image detector A calculation means for calculating a refraction angle distribution of radiation incident on the radiation image detector from a plurality of images, and generating a phase contrast image of a subject based on the distribution of refraction angles, The arithmetic means moves the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image when the intensity modulating means takes the plurality of relative positions. Relates direction, performs a sensitivity correction in accordance with the effective width of the relative incident radiation, a radiation imaging system that generates a phase contrast image based on the distribution image of the corrected refraction angles is disclosed.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記演算手段が、前記屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素における、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向の放射線入射角をθとして、√cosθで表される感度補正係数をかけることによって感度補正する。 Further, in the radiation imaging system disclosed in the present specification, the calculation unit is configured to detect a pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image in a pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel. Sensitivity correction is performed by applying a sensitivity correction coefficient represented by √cos θ, where θ is the radiation incident angle in the moving direction when the intensity modulating means takes the plurality of relative positions.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記放射線画像検出器の受像面への前記放射線源の垂直投影位置を検出する位置検出手段をさらに備え、前記演算手段は、前記放射線源から前記位置検出手段により検出される前記放射線源の垂直投影位置までの距離と、前記位置検出手段により検出される前記放射線源の垂直投影位置から前記放射線画像検出器の各画素までの、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に沿った距離と、に基づいて、その画素における放射線入射角θを幾何学的に演算する。 The radiation imaging system disclosed in the present specification further includes a position detection unit that detects a vertical projection position of the radiation source on an image receiving surface of the radiological image detector, and the calculation unit includes: The distance to the vertical projection position of the radiation source detected by the position detection means, and the intensity modulation from the vertical projection position of the radiation source detected by the position detection means to each pixel of the radiation image detector. Based on the distance along the moving direction when the means takes the plurality of relative positions, the radiation incident angle θ at the pixel is geometrically calculated.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記演算手段が、前記屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対する前記感度補正係数を全ての画素について保持した感度補正マップを記憶する記憶部を有しており、前記記憶部に記憶された前記感度補正マップを参照して感度補正を行う。 Further, in the radiation imaging system disclosed in this specification, the calculation unit stores a sensitivity correction map in which the sensitivity correction coefficient for the pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image is held for all pixels. And a sensitivity correction is performed with reference to the sensitivity correction map stored in the storage unit.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記強度変調手段が、前記縞画像の周期パターンに実質的に一致する周期パターンを有する第2の格子と、前記第1及び第2の格子のいずれか一方を所定のピッチで移動させる走査手段と、を備える。 Further, in the radiation imaging system disclosed in this specification, the intensity modulation unit includes a second grating having a periodic pattern substantially matching the periodic pattern of the fringe image, and the first and second gratings. Scanning means for moving any one of them at a predetermined pitch.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記放射線画像検出器が、放射線を電荷に変換する変換層と、変換層において変換された電荷を収集する電荷収集電極とを画素ごとに備えた放射線画像検出器であって、前記電荷収集電極は、前記縞画像と同一方向の周期パターンを有する複数の線状電極群が、互いに位相が異なるように配列されてなり、前記強度変調手段は、前記電荷収集電極により構成されている。 In the radiographic system disclosed in this specification, the radiological image detector includes, for each pixel, a conversion layer that converts radiation into charges and a charge collection electrode that collects charges converted in the conversion layer. The charge collection electrode is formed by arranging a plurality of linear electrode groups having a periodic pattern in the same direction as the fringe image so that their phases are different from each other. The charge collecting electrode is used.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記第1の格子が、吸収型格子であり、前記放射線源からの放射線を周期パターンとして前記強度変調手段に投影する。 In the radiation imaging system disclosed in this specification, the first grating is an absorption grating, and projects the radiation from the radiation source onto the intensity modulation unit as a periodic pattern.
また、本明細書に開示された放射線撮影システムは、前記第1の格子が、位相型格子であり、タルボ干渉効果により、前記放射線源からの放射線を周期パターンとして前記強度変調手段に射影する。 In the radiation imaging system disclosed in this specification, the first grating is a phase-type grating, and the radiation from the radiation source is projected onto the intensity modulation unit as a periodic pattern by a Talbot interference effect.
また、本明細書には、放射線源から被写体に放射線を放射し、前記放射線を第1の格子を通過させて縞画像を生成させ、前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で強度変調手段により前記縞画像に強度変調を与え、前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された前記縞画像を放射線画像検出器で検出し、前記放射線画像検出器で取得された複数の縞画像に基づいて、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角分布を演算し、この屈折角分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法であって、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法が開示されている。 Further, in the present specification, radiation is emitted from a radiation source to a subject, the radiation is passed through a first grating to generate a fringe image, and a plurality of relative phases having different phases with respect to the periodic pattern of the fringe image are provided. Intensity modulation is applied to the fringe image by an intensity modulation means at a position, and the fringe image intensity-modulated at each relative position by the intensity modulation means is detected by a radiation image detector, and acquired by the radiation image detector. A radiation imaging method for calculating a refraction angle distribution of radiation incident on the radiation image detector based on a plurality of fringe images and generating a phase contrast image of a subject based on the refraction angle distribution, comprising: With respect to the pixel value of each pixel constituting the distribution image, the pixel of the radiation image detector corresponding to that pixel is related to the moving direction when the intensity modulation means takes the plurality of relative positions. Performs sensitivity correction in accordance with the effective width of the relative incident radiation, a radiation imaging method for generating a phase contrast image based on the distribution image of the corrected refraction angles is disclosed.
10 X線撮影システム(放射線撮影システム)
11 X線源(放射線源)
12 撮影部
13 コンソール
14 X線源保持装置
15 立位スタンド
16 高電圧発生器
17 X線源制御部
18 X線管
19 コリメータユニット
20 制御装置
21 入力装置
22 演算処理部
23 記憶部
24 モニタ
25 I/F
30 フラットパネル検出器(放射線画像検出器)
31 第1の透過型格子
32 第2の透過型格子(強度変調手段)
33 走査機構(強度変調手段)
40 画素
10 X-ray imaging system (radiography system)
11 X-ray source (radiation source)
DESCRIPTION OF
30 Flat panel detector (radiation image detector)
31 First transmission type grating 32 Second transmission type grating (intensity modulation means)
33 Scanning mechanism (intensity modulation means)
40 pixels
Claims (9)
前記放射線を通過させて縞画像を生成する第1の格子と、
前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で前記縞画像に強度変調を与える強度変調手段と、
前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された縞画像を検出する放射線画像検出器と、
前記放射線画像検出器で取得される複数の画像から、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角の分布を演算し、この屈折角の分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する演算手段と、
を備え、
前記演算手段は、屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影システム。 A radiation source that emits radiation; and
A first grating that passes the radiation to generate a fringe image;
Intensity modulation means for applying intensity modulation to the fringe image at a plurality of relative positions different in phase with respect to the periodic pattern of the stripe image;
A radiation image detector for detecting a fringe image intensity-modulated at each relative position by the intensity modulation means;
An operation for calculating a refraction angle distribution of radiation incident on the radiation image detector from a plurality of images acquired by the radiation image detector and generating a phase contrast image of the subject based on the refraction angle distribution. Means,
With
When the intensity modulation unit of the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel has a plurality of relative positions with respect to the pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image, A radiation imaging system that performs sensitivity correction according to an effective width for incident radiation with respect to a moving direction, and generates a phase contrast image based on the corrected distribution image of the refraction angle.
前記演算手段は、前記屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素における、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向の放射線入射角をθとして、√cosθで表される感度補正係数をかけることによって感度補正する放射線撮影システム。 The radiation imaging system according to claim 1,
When the intensity modulating means takes the plurality of relative positions in the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel value of each pixel constituting the distribution image of the refraction angle. Radiation imaging system that performs sensitivity correction by applying a sensitivity correction coefficient represented by √cosθ, where θ is the radiation incident angle in the moving direction of.
前記放射線画像検出器の受像面への前記放射線源の垂直投影位置を検出する位置検出手段をさらに備え、
前記演算手段は、前記放射線源から前記位置検出手段により検出される前記放射線源の垂直投影位置までの距離と、前記位置検出手段により検出される前記放射線源の垂直投影位置から前記放射線画像検出器の各画素までの、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に沿った距離と、に基づいて、その画素における放射線入射角θを幾何学的に演算する放射線撮影システム。 The radiographic system according to claim 2,
A position detecting means for detecting a vertical projection position of the radiation source onto the image receiving surface of the radiation image detector;
The calculation means is configured to detect the radiation image detector from the distance from the radiation source to the vertical projection position of the radiation source detected by the position detection means and the vertical projection position of the radiation source detected by the position detection means. A radiation imaging system that geometrically calculates a radiation incident angle θ at each pixel based on a distance along the moving direction when the intensity modulation means takes the plurality of relative positions.
前記演算手段は、前記屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対する前記感度補正係数を全ての画素について保持した感度補正マップを記憶する記憶部を有しており、前記記憶部に記憶された前記感度補正マップを参照して感度補正を行う放射線撮影システム。 The radiation imaging system according to any one of claims 1 to 3,
The calculation means has a storage unit that stores a sensitivity correction map that holds the sensitivity correction coefficient for all the pixels for the pixel value of each pixel constituting the refraction angle distribution image, and stores the storage unit in the storage unit. A radiation imaging system that performs sensitivity correction with reference to the sensitivity correction map.
前記強度変調手段は、前記縞画像の周期パターンに実質的に一致する周期パターンを有する第2の格子と、前記第1及び第2の格子のいずれか一方を所定のピッチで移動させる走査手段と、を備える放射線撮影システム。 The radiographic system according to any one of claims 1 to 4,
The intensity modulation means includes a second grating having a periodic pattern substantially matching the periodic pattern of the fringe image, and scanning means for moving one of the first and second gratings at a predetermined pitch. A radiography system comprising:
前記放射線画像検出器は、放射線を電荷に変換する変換層と、変換層において変換された電荷を収集する電荷収集電極とを画素ごとに備えた放射線画像検出器であって、
前記電荷収集電極は、前記縞画像と同一方向の周期パターンを有する複数の線状電極群が、互いに位相が異なるように配列されてなり、
前記強度変調手段は、前記電荷収集電極により構成されている放射線撮影システム。 The radiographic system according to any one of claims 1 to 4,
The radiological image detector is a radiological image detector comprising a conversion layer for converting radiation into electric charge and a charge collecting electrode for collecting electric charge converted in the conversion layer for each pixel,
The charge collection electrodes are arranged such that a plurality of linear electrode groups having a periodic pattern in the same direction as the fringe image are arranged in different phases.
The intensity modulation means is a radiographic system comprising the charge collection electrode.
前記第1の格子は、吸収型格子であり、前記放射線源からの放射線を周期パターンとして前記強度変調手段に投影する放射線撮影システム。 The radiation imaging system according to any one of claims 1 to 6,
The first grating is an absorption grating, and projects the radiation from the radiation source onto the intensity modulation unit as a periodic pattern.
前記第1の格子は、位相型格子であり、タルボ干渉効果により、前記放射線源からの放射線を周期パターンとして前記強度変調手段に射影する放射線撮影システム。 The radiation imaging system according to any one of claims 1 to 6,
The first grating is a phase-type grating, and projects a radiation pattern from the radiation source onto the intensity modulation unit as a periodic pattern by a Talbot interference effect.
前記放射線を第1の格子を通過させて縞画像を生成させ、
前記縞画像の周期パターンに対して位相が異なる複数の相対位置で強度変調手段により前記縞画像に強度変調を与え、
前記強度変調手段により前記各相対位置で強度変調された前記縞画像を放射線画像検出器で検出し、
前記放射線画像検出器で取得された複数の縞画像に基づいて、前記放射線画像検出器に入射する放射線の屈折角分布を演算し、この屈折角分布に基づいて、被写体の位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法であって、
屈折角の分布像を構成する各画素の画素値に対して、その画素に対応した前記放射線画像検出器の画素の、前記強度変調手段が前記複数の相対位置をとるときの移動方向に関する、入射放射線に対しての実効幅に応じた感度補正を行い、前記補正された屈折角の分布像に基づいて位相コントラスト画像を生成する放射線撮影方法。 Radiation from the radiation source to the subject,
Causing the radiation to pass through a first grating to produce a fringe image;
Applying intensity modulation to the fringe image by intensity modulation means at a plurality of relative positions having different phases with respect to the periodic pattern of the stripe image,
The fringe image intensity-modulated at each relative position by the intensity modulation means is detected by a radiation image detector,
Based on the plurality of fringe images acquired by the radiation image detector, a refraction angle distribution of the radiation incident on the radiation image detector is calculated, and a phase contrast image of the subject is generated based on the refraction angle distribution. A radiography method,
With respect to the pixel value of each pixel constituting the distribution image of the refraction angle, the incident of the pixel of the radiation image detector corresponding to the pixel with respect to the moving direction when the intensity modulation means takes the plurality of relative positions. A radiation imaging method for performing sensitivity correction in accordance with an effective width for radiation and generating a phase contrast image based on the corrected distribution image of the refraction angle.
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