JP2012005820A - Ｘ線撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来よりも装置の構成が簡単で、回折格子と遮蔽格子の回転操作なしでも交差する２方向の微分位相像を得ることができるＸ線撮像装置を提供する。
【解決手段】
Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部とＸ線を透過する透過部とが２次元に配列しており、干渉パターンの前記明部の一部を遮る遮蔽格子と、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を変化させる移動部と、遮蔽格子を経たＸ線の強度分布を検出する検出器と、検出器による検出結果に基づいて被検体の微分位相像又は位相像を算出する演算部を備える。演算部は、検出器の複数回の検出結果に基づいて、交差する２方向の各々における微分位相像または位相像を算出する。
【選択図】 図１
【解決手段】
Ｘ線撮像装置は、Ｘ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部とＸ線を透過する透過部とが２次元に配列しており、干渉パターンの前記明部の一部を遮る遮蔽格子と、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を変化させる移動部と、遮蔽格子を経たＸ線の強度分布を検出する検出器と、検出器による検出結果に基づいて被検体の微分位相像又は位相像を算出する演算部を備える。演算部は、検出器の複数回の検出結果に基づいて、交差する２方向の各々における微分位相像または位相像を算出する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、被検体のＸ線位相像を計測するＸ線撮像装置に関するものである。
Ｘ線が被検体を透過すると、被検体の構成元素や密度差により位相の変化が生じる。このＸ線の位相変化を用いた位相コントラスト法の研究が、１９９０年代より行なわれている。
位相コントラスト法の一つに、特許文献１に記載されている方法がある。この方法は位相
シフト法と呼ばれる方式の１種である。
位相シフト法の特徴は、被検体の透過率分布や照射されるＸ線の強度の空間的不均一性に影響されないこと、さらに空間的分解能が高く原理的にＸ線を撮像する撮像素子と同じ分解能を有していることである。
位相コントラスト法の一つに、特許文献１に記載されている方法がある。この方法は位相
シフト法と呼ばれる方式の１種である。
位相シフト法の特徴は、被検体の透過率分布や照射されるＸ線の強度の空間的不均一性に影響されないこと、さらに空間的分解能が高く原理的にＸ線を撮像する撮像素子と同じ分解能を有していることである。
特許文献１では、つぎのようなＸ線撮像装置が提案されている。
この装置では、被検体を透過したＸ線を回折格子に照射し、回折格子から特定の距離（タルボ距離）だけ離れた位置に自己像と呼ばれる周期的な干渉パターンを生じさせる。この干渉パターンが生じる位置に干渉パターンの周期と同じ周期を持つ遮蔽格子を設置することによってモアレを発生させ、そのモアレをＸ線検出器で検出する。
そして、回折格子または遮蔽格子を一定間隔で移動させて検出した３枚以上のモアレの画像に基づいて被検体を透過したＸ線の位相情報を取得し、被検体の位相像を得るように構成されている。
この装置では、被検体を透過したＸ線を回折格子に照射し、回折格子から特定の距離（タルボ距離）だけ離れた位置に自己像と呼ばれる周期的な干渉パターンを生じさせる。この干渉パターンが生じる位置に干渉パターンの周期と同じ周期を持つ遮蔽格子を設置することによってモアレを発生させ、そのモアレをＸ線検出器で検出する。
そして、回折格子または遮蔽格子を一定間隔で移動させて検出した３枚以上のモアレの画像に基づいて被検体を透過したＸ線の位相情報を取得し、被検体の位相像を得るように構成されている。
一般に、被検体の位相像を復元するには、交差する２方向の微分位相像を得ることが必要となる。
上記特許文献１の方法で交差する２方向の微分位相像を得るためには、上述のようにモアレを撮像した後、回折格子と遮蔽格子を格子面内で回転させ、再度同様にモアレの撮像を実施する必要がある。
しかしながら、このように回折格子と遮蔽格子を回転させると、撮像装置の構成が複雑になる。更に、モアレの撮像に加え、回折格子と遮蔽格子を回転させる操作が必要なため、操作が煩雑になる。
上記特許文献１の方法で交差する２方向の微分位相像を得るためには、上述のようにモアレを撮像した後、回折格子と遮蔽格子を格子面内で回転させ、再度同様にモアレの撮像を実施する必要がある。
しかしながら、このように回折格子と遮蔽格子を回転させると、撮像装置の構成が複雑になる。更に、モアレの撮像に加え、回折格子と遮蔽格子を回転させる操作が必要なため、操作が煩雑になる。
本発明は、上記課題に鑑み、従来よりも装置の構成が簡単で、回折格子と遮蔽格子の回転操作なしでも交差する２方向の微分位相像を得ることができるＸ線撮像装置の提供を目的としている。
Ｘ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、
前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが２次元に配列しており、前記干渉パターンの前記明部の一部を遮る遮蔽格子と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させる移動部と、
前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて被検体の微分位相像又は位相像を算出する演算部を備え、
前記演算部は、前記検出器の複数回の検出結果に基づいて、交差する２方向の各々における微分位相像または位相像を算出することを特徴とする。
前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが２次元に配列しており、前記干渉パターンの前記明部の一部を遮る遮蔽格子と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させる移動部と、
前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて被検体の微分位相像又は位相像を算出する演算部を備え、
前記演算部は、前記検出器の複数回の検出結果に基づいて、交差する２方向の各々における微分位相像または位相像を算出することを特徴とする。
本発明によれば、従来よりも装置の構成が簡単で、回折格子と遮蔽格子の回転操作なしでも交差する２方向の微分位相像を得ることができるＸ線撮像装置を提供することができる。
次に、本発明の実施形態について図１を用いて説明する。
図１の撮像装置はＸ線を出射するＸ線源１と、Ｘ線源１からのＸ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部が２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子４と、回折格子４の位置を格子面内で変化させる回折格子移動部５と、Ｘ線を透過する透過部とＸ線を遮る遮蔽部が２次元に配列している遮蔽格子６と、遮蔽格子６の位置を格子面内で変化させる遮蔽格子移動部７と、遮蔽格子６を経たＸ線の強度分布を取得するＸ線検出器８と、Ｘ線検出器８で取得したＸ線の強度分布の検出結果から被検体の微分位相像または位相像を算出する演算部９を備える。
なお、回折格子移動部５と遮蔽格子移動部７は、干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させるための移動部であり、両方を備える必要はない。また、移動部は回折格子移動部５と遮蔽格子移動部７に限定されるものではない。例えばＸ線源を移動させることによって干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させるＸ線源移動部を移動部として備えていても良い。Ｘ線源を移動させて縞走査を行う方法は国際特許出願公開ＷＯ２００６／１３１２３５号公報に記載されているので詳細は述べないが、干渉パターンを移動させたい方向の逆方向にＸ線源を移動させればよい。回折格子上の干渉パターンの移動距離はＸ線源の移動距離に、回折格子と遮蔽格子の距離をＸ線源と回折格子の距離で割った値をかけた値になる。
図１の撮像装置はＸ線を出射するＸ線源１と、Ｘ線源１からのＸ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部が２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子４と、回折格子４の位置を格子面内で変化させる回折格子移動部５と、Ｘ線を透過する透過部とＸ線を遮る遮蔽部が２次元に配列している遮蔽格子６と、遮蔽格子６の位置を格子面内で変化させる遮蔽格子移動部７と、遮蔽格子６を経たＸ線の強度分布を取得するＸ線検出器８と、Ｘ線検出器８で取得したＸ線の強度分布の検出結果から被検体の微分位相像または位相像を算出する演算部９を備える。
なお、回折格子移動部５と遮蔽格子移動部７は、干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させるための移動部であり、両方を備える必要はない。また、移動部は回折格子移動部５と遮蔽格子移動部７に限定されるものではない。例えばＸ線源を移動させることによって干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させるＸ線源移動部を移動部として備えていても良い。Ｘ線源を移動させて縞走査を行う方法は国際特許出願公開ＷＯ２００６／１３１２３５号公報に記載されているので詳細は述べないが、干渉パターンを移動させたい方向の逆方向にＸ線源を移動させればよい。回折格子上の干渉パターンの移動距離はＸ線源の移動距離に、回折格子と遮蔽格子の距離をＸ線源と回折格子の距離で割った値をかけた値になる。
以下、上記構成について詳細に説明する。
回折格子４は、位相進行部と位相遅延部が２次元周期的に配列した位相型回折格子や遮蔽部と透過部が２次元周期的に配列した振幅型回折格子を用いることができる。本実施形態の位相型回折格子は、位相進行部を透過したＸ線と位相遅延部を透過したＸ線の位相が一定量シフトするようにＸ線透過部材の厚みが周期的に変化した構造を有する。
Ｘ線源１からのＸ線２が回折格子４に入射すると、次に示す式（１）のＺ１で表される所定の距離（タルボ距離）だけ回折格子から離れた位置に、明部と暗部が２次元に配列した干渉パターンが形成される。
回折格子４は、位相進行部と位相遅延部が２次元周期的に配列した位相型回折格子や遮蔽部と透過部が２次元周期的に配列した振幅型回折格子を用いることができる。本実施形態の位相型回折格子は、位相進行部を透過したＸ線と位相遅延部を透過したＸ線の位相が一定量シフトするようにＸ線透過部材の厚みが周期的に変化した構造を有する。
Ｘ線源１からのＸ線２が回折格子４に入射すると、次に示す式（１）のＺ１で表される所定の距離（タルボ距離）だけ回折格子から離れた位置に、明部と暗部が２次元に配列した干渉パターンが形成される。
但し、式（１）においてＺ０はＸ線源１と回折格子４の距離、λはＸ線２の波長、ｄは回折格子４の格子周期である。
また、Ｎは位相のシフト量がπ／２で、位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相型回折格子の場合はｎ−１／２、位相のシフト量がπで、位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相型回折格子の場合はｎ／２−１／４、遮蔽部と透過部が市松格子状に配列した振幅型回折格子の場合はｎと表される実数である。但し、ｎは自然数である。
遮蔽格子６はＸ線を遮る遮蔽部とＸ線を透過する透過部が２次元に配列している。この遮蔽格子６は干渉パターンが形成される位置に配置され、遮蔽部によって干渉パターンの明部の一部を遮る。本実施形態の遮蔽格子６の周期は被検体３が存在しない状態で干渉パターンの周期に一致し、その周期方向も干渉パターンの周期方向と一致する。
また、Ｎは位相のシフト量がπ／２で、位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相型回折格子の場合はｎ−１／２、位相のシフト量がπで、位相進行部と位相遅延部が市松格子状に配列した位相型回折格子の場合はｎ／２−１／４、遮蔽部と透過部が市松格子状に配列した振幅型回折格子の場合はｎと表される実数である。但し、ｎは自然数である。
遮蔽格子６はＸ線を遮る遮蔽部とＸ線を透過する透過部が２次元に配列している。この遮蔽格子６は干渉パターンが形成される位置に配置され、遮蔽部によって干渉パターンの明部の一部を遮る。本実施形態の遮蔽格子６の周期は被検体３が存在しない状態で干渉パターンの周期に一致し、その周期方向も干渉パターンの周期方向と一致する。
回折格子移動部５は駆動部を有し、回折格子４の周期方向に回折格子４を移動させる。回折格子移動部５によって回折格子４を移動させると干渉パターンも移動する。干渉パターンが移動すると干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置が変化し、遮蔽格子６の各透過部を透過するＸ線の量が周期的に変化する。
同様に、遮蔽格子移動部７は駆動部を有し、遮蔽格子６の周期方向に遮蔽格子６を移動させる。遮蔽格子６が移動すると干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置が変化し、遮蔽格子６の各透過部を透過するＸ線の量が周期的に変化する。
検出器８は回折格子移動部５または遮蔽格子移動部７による干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置の変化に対応して遮蔽格子を経たＸ線の強度分布を複数回検出する。
また、演算部９は検出器８による複数回の検出結果に基づいて交差する２方向の各々の微分位相像を算出し、それを積分することにより位相像を算出する。
演算部９による被検体の位相像の算出方法について説明をする。
同様に、遮蔽格子移動部７は駆動部を有し、遮蔽格子６の周期方向に遮蔽格子６を移動させる。遮蔽格子６が移動すると干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置が変化し、遮蔽格子６の各透過部を透過するＸ線の量が周期的に変化する。
検出器８は回折格子移動部５または遮蔽格子移動部７による干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置の変化に対応して遮蔽格子を経たＸ線の強度分布を複数回検出する。
また、演算部９は検出器８による複数回の検出結果に基づいて交差する２方向の各々の微分位相像を算出し、それを積分することにより位相像を算出する。
演算部９による被検体の位相像の算出方法について説明をする。
図１では被検体３をＸ線源１と回折格子４の間に配置したが、回折格子４と遮蔽格子６の間に配置しても良い。
Ｘ線源１と回折格子４の間又は回折格子４と遮蔽格子６の間に被検体３が存在すると、被検体の屈折率分布に応じて、干渉パターンの明部と暗部が形成される位置が変化する。この理由について簡単に説明をする。
被検体３を透過したＸ線の位相が被検体３の屈折率分布に応じて変化すると、Ｘ線の位相の空間的変化率である微分位相も変化する。
Ｘ線の進行方向は微分位相に比例して変化するので、遮蔽格子６上での干渉パターンの明部と暗部の位置も微分位相の分布に比例して変化する。
被検体３を透過したＸ線のｘ方向の微分位相φｘとすると、Ｘ線の進行方向の変化はλφｘ／（２π）であるから、干渉パターンのｘ方向の位置変化をΔｘとすれば、Δｘ＝λφｘＺ１／（２π）である。
したがって、干渉パターンのｘ方向の位置変化Δｘを計測すれば、次に示す式（２）の関係から被検体を透過したＸ線のｘ方向の微分位相を求めることができる。φｘのことをｘ方向の被検体の微分位相像と呼ぶ。
Ｘ線源１と回折格子４の間又は回折格子４と遮蔽格子６の間に被検体３が存在すると、被検体の屈折率分布に応じて、干渉パターンの明部と暗部が形成される位置が変化する。この理由について簡単に説明をする。
被検体３を透過したＸ線の位相が被検体３の屈折率分布に応じて変化すると、Ｘ線の位相の空間的変化率である微分位相も変化する。
Ｘ線の進行方向は微分位相に比例して変化するので、遮蔽格子６上での干渉パターンの明部と暗部の位置も微分位相の分布に比例して変化する。
被検体３を透過したＸ線のｘ方向の微分位相φｘとすると、Ｘ線の進行方向の変化はλφｘ／（２π）であるから、干渉パターンのｘ方向の位置変化をΔｘとすれば、Δｘ＝λφｘＺ１／（２π）である。
したがって、干渉パターンのｘ方向の位置変化Δｘを計測すれば、次に示す式（２）の関係から被検体を透過したＸ線のｘ方向の微分位相を求めることができる。φｘのことをｘ方向の被検体の微分位相像と呼ぶ。
以下にΔｘの求め方を説明する。遮蔽格子６に対する干渉パターンの相対位置が１方向に等間隔で変化するように、回折格子移動部５により回折格子４、あるいは遮蔽格子移動部７により遮蔽格子６、をそれぞれの格子面内で１方向に移動させる。
その際に、遮蔽格子６と干渉パターンの相対位置の変化に対応し、最低３箇所の相対位置で遮蔽格子６を経たＸ線の強度分布をＸ線検出器８により検出する。
次に、これら複数回の検出結果に基づいて、演算部９で位相シフト法アルゴリズムによる演算処理をすると、干渉パターンのｘ方向の位置変化Δｘが算出できる。この、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の変化とそれに対応した検出、その検出結果に基づいた演算処理をｘ方向と交差する方向で行えば、交差する２方向の各々における微分位相像を得ることができる。この交差する２方向は直交していなくても被検体の２次元の微分位相像または位相像を得ることができるが、直交していない２方向で検出を行うと一般的に２次元の微分位相像または位相像を得るための演算処理が複雑になる。本実施形態では、直交する２方向において上記の回折格子４又は遮蔽格子６を移動させて干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させ、この相対位置の移動に対応して検出器８でＸ線の強度分布を検出し、演算部９によって直交する２方向の微分位相像を夫々算出する。
その際に、遮蔽格子６と干渉パターンの相対位置の変化に対応し、最低３箇所の相対位置で遮蔽格子６を経たＸ線の強度分布をＸ線検出器８により検出する。
次に、これら複数回の検出結果に基づいて、演算部９で位相シフト法アルゴリズムによる演算処理をすると、干渉パターンのｘ方向の位置変化Δｘが算出できる。この、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の変化とそれに対応した検出、その検出結果に基づいた演算処理をｘ方向と交差する方向で行えば、交差する２方向の各々における微分位相像を得ることができる。この交差する２方向は直交していなくても被検体の２次元の微分位相像または位相像を得ることができるが、直交していない２方向で検出を行うと一般的に２次元の微分位相像または位相像を得るための演算処理が複雑になる。本実施形態では、直交する２方向において上記の回折格子４又は遮蔽格子６を移動させて干渉パターンと遮蔽格子６の相対位置を移動させ、この相対位置の移動に対応して検出器８でＸ線の強度分布を検出し、演算部９によって直交する２方向の微分位相像を夫々算出する。
上述のように、遮蔽格子６の周期は被検体３がＸ線源１と回折格子４の間又は回折格子４と遮蔽格子６の間に存在しない状態での遮蔽格子上での干渉パターンの周期に一致し、またその周期方向は干渉パターンの周期方向と一致する。
したがって、被検体３が存在しなければ、遮蔽格子６の各透過部と干渉パターンの明部の相対位置ｘ０は干渉パターンの全面で等しい。
したがって、被検体３が存在しなければ、遮蔽格子６の各透過部と干渉パターンの明部の相対位置ｘ０は干渉パターンの全面で等しい。
式（２）よりΔｘが全面で一定値変化してもＸ線の微分位相の形状は不変なので、位相像を取得するには被検体３が存在しない状態での計測は必ずしも必要ではない。
但し、回折格子４と遮蔽格子６の形状誤差および配置誤差などの影響を除去するためには、予め被検体３がない状態で計測しておくことは有効である。即ち、被検体３がある状態で計測したＸ線の微分位相から被検体３がない状態で計測したＸ線の微分位相を差し引いたものを被検体３によるＸ線の微分位相変化とすれば、遮蔽格子６と干渉パターンの周期と周期方向は、厳密に一致していなくてもよい。
さらに、回折格子４と遮蔽格子６のパターン形状に誤差があってもその影響を除去することができる。
但し、回折格子４と遮蔽格子６の形状誤差および配置誤差などの影響を除去するためには、予め被検体３がない状態で計測しておくことは有効である。即ち、被検体３がある状態で計測したＸ線の微分位相から被検体３がない状態で計測したＸ線の微分位相を差し引いたものを被検体３によるＸ線の微分位相変化とすれば、遮蔽格子６と干渉パターンの周期と周期方向は、厳密に一致していなくてもよい。
さらに、回折格子４と遮蔽格子６のパターン形状に誤差があってもその影響を除去することができる。
なお、位相シフト法とそのアルゴリズムの詳細説明は干渉計に関する多くの書籍、例えばＤａｎｉｅｌ Ｍａｌａｃａｒａ著の¨Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｈｏｐ Ｔｅｓｔｉｎｇ¨第２版の第１４章（５０１ページ）に記載されているのでここでは省略する。
被検体の位相像を得るためには、被検体の微分位相像を微分方向に積分すればよい。
被検体の位相像を得るためには、被検体の微分位相像を微分方向に積分すればよい。
以上述べたとおり、本実施形態によれば、回折格子を交換したり、取り付け方向を変えたりすることなく、位相シフト法を用いて交差する２方向の微分位相像を得ることができる。
また、１つの検出結果を共有して２方向の微分位相を算出できるので、Ｘ線強度分布の検出回数を１回減らすことができる。
また、１つの検出結果を共有して２方向の微分位相を算出できるので、Ｘ線強度分布の検出回数を１回減らすことができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１−図７を用いて、本発明の実施例１について説明する。
実施例１のＸ線撮像装置は実施形態と同様に図１に示した構成であり、Ｘ線源から放射されたＸ線は被検体、回折格子、遮蔽格子を通過してＸ線検出器に達する。
また、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置は、回折格子を移動させる回折格子移動部によって変化させ、遮蔽格子は固定した。
［実施例１］
図１−図７を用いて、本発明の実施例１について説明する。
実施例１のＸ線撮像装置は実施形態と同様に図１に示した構成であり、Ｘ線源から放射されたＸ線は被検体、回折格子、遮蔽格子を通過してＸ線検出器に達する。
また、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置は、回折格子を移動させる回折格子移動部によって変化させ、遮蔽格子は固定した。
図２は、本実施例における回折格子４の一部分をＸ線源側から見た図である。本実施例では回折格子として、位相進行部４１と位相遅延部４２が市松格子状に配列したシリコン製の位相型回折格子を用いた。位相進行部４１と位相遅延部４２は、位相進行部４１を透過したＸ線と位相遅延部４２を透過したＸ線の位相差がπ／２になるようにシリコンの厚みに差が付いており、周期ｄで配列している。
遮蔽格子上に干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１／２である。
図３は本実施例の回折格子を用いた場合に遮蔽格子上に形成される干渉パターンを示しており、その周期ｄ１は、次に示す式（３）で表される。
遮蔽格子上に干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１／２である。
図３は本実施例の回折格子を用いた場合に遮蔽格子上に形成される干渉パターンを示しており、その周期ｄ１は、次に示す式（３）で表される。
ここで、前述したようにＺ１はＸ線源と回折格子の間隔である。
図４は、本実施例における遮蔽格子の一部分をＸ線源側から見た図である。遮蔽格子はＸ線の透過率が小さい金で作製されており、Ｘ線を透過する透過部６１が干渉パターンと同じ周期ｄ１で井桁格子状に配列している。透過部６１は１辺がｄ１／２の正方形である。
図５（ａ）、図５（ｂ）は、遮蔽格子と干渉パターンを示しており、干渉パターンの明部５１のうち遮蔽格子の透過部６１に重なった部分だけが遮蔽格子を経てＸ線検出器に達する。
Ｘ線検出器は受光面にＸ線蛍光材を有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）撮像器で構成されている。本実施例ではＸ線検出器の画素サイズは、遮蔽格子の周期ｄ１に等しくしてあるがｄ１の整数倍であれば良い。
回折格子を回折格子移動部により面内移動させると干渉パターンの明部５１も移動する。図５（ｂ）は、図５（ａ）の時より回折格子を１／３周期すなわちｄ１／３だけｘ方向に移動した時の干渉パターンの明部５１と遮蔽格子の透過部６１の重なり具合を例示している。
この例では、図５（ａ）の時と比べると図５（ｂ）の時には干渉パターンの明部５１と遮蔽格子の透過部６１の重なる面積が少ないので、Ｘ線検出器に達するＸ線量も減少する。
図４は、本実施例における遮蔽格子の一部分をＸ線源側から見た図である。遮蔽格子はＸ線の透過率が小さい金で作製されており、Ｘ線を透過する透過部６１が干渉パターンと同じ周期ｄ１で井桁格子状に配列している。透過部６１は１辺がｄ１／２の正方形である。
図５（ａ）、図５（ｂ）は、遮蔽格子と干渉パターンを示しており、干渉パターンの明部５１のうち遮蔽格子の透過部６１に重なった部分だけが遮蔽格子を経てＸ線検出器に達する。
Ｘ線検出器は受光面にＸ線蛍光材を有するＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）撮像器で構成されている。本実施例ではＸ線検出器の画素サイズは、遮蔽格子の周期ｄ１に等しくしてあるがｄ１の整数倍であれば良い。
回折格子を回折格子移動部により面内移動させると干渉パターンの明部５１も移動する。図５（ｂ）は、図５（ａ）の時より回折格子を１／３周期すなわちｄ１／３だけｘ方向に移動した時の干渉パターンの明部５１と遮蔽格子の透過部６１の重なり具合を例示している。
この例では、図５（ａ）の時と比べると図５（ｂ）の時には干渉パターンの明部５１と遮蔽格子の透過部６１の重なる面積が少ないので、Ｘ線検出器に達するＸ線量も減少する。
図６は、干渉パターンの移動量と遮蔽格子を透過するＸ線量の関係を示している。
実線は遮蔽格子に照射されるＸ線量に対する遮蔽格子を透過するＸ線量の比であり、横軸は干渉パターンの周期を単位とした干渉パターンの移動量である。点線は比較のために表示した振幅、周期、位相を実線と一致させた理想的な正弦波である。
回折格子の移動量に対する透過部６１を通過するＸ線量の変化は、略正弦波と一致していることから、位相シフト法のアルゴリズムにおいて小さなステップ数（検出回数）を採用しても大きな精度劣化にはならない。
本実施例では計測時間および被検体のＸ線被曝量を考慮してステップ数を最小の３ステップとし、それに対応したアルゴリズム（３ステップアルゴリズム）を採用している。
実線は遮蔽格子に照射されるＸ線量に対する遮蔽格子を透過するＸ線量の比であり、横軸は干渉パターンの周期を単位とした干渉パターンの移動量である。点線は比較のために表示した振幅、周期、位相を実線と一致させた理想的な正弦波である。
回折格子の移動量に対する透過部６１を通過するＸ線量の変化は、略正弦波と一致していることから、位相シフト法のアルゴリズムにおいて小さなステップ数（検出回数）を採用しても大きな精度劣化にはならない。
本実施例では計測時間および被検体のＸ線被曝量を考慮してステップ数を最小の３ステップとし、それに対応したアルゴリズム（３ステップアルゴリズム）を採用している。
図７は、本実施例における被検体の測定ステップを示している。
ステップ１１０で、遮蔽格子は回折格子との距離Ｚ１が、式（１）を満足するように配置されるので、遮蔽格子６上には明瞭な干渉パターンの強度分布が生じている。
ステップ１２０で、検出器により強度分布を取得しこれをＩ０とする。
ここで説明を容易にするため、回折格子４の位置としてＰ０からＰ４を以下のように定義する。
即ち、ステップ１２０の回折格子の位置をＰ０、Ｐ０からｘ方向に回折格子の周期の１／３周期だけ移動した位置をＰ１、Ｐ０から−ｘ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ２、とする。
また、Ｐ０からｙ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ３、Ｐ０から−ｙ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ４とする。なお、ｘ方向およびｙ方向とは図２に示されている矢印の方向であり、−ｘ方向及び−ｙ方向とは図２に示されている矢印の逆方向である。
ステップ１１０で、遮蔽格子は回折格子との距離Ｚ１が、式（１）を満足するように配置されるので、遮蔽格子６上には明瞭な干渉パターンの強度分布が生じている。
ステップ１２０で、検出器により強度分布を取得しこれをＩ０とする。
ここで説明を容易にするため、回折格子４の位置としてＰ０からＰ４を以下のように定義する。
即ち、ステップ１２０の回折格子の位置をＰ０、Ｐ０からｘ方向に回折格子の周期の１／３周期だけ移動した位置をＰ１、Ｐ０から−ｘ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ２、とする。
また、Ｐ０からｙ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ３、Ｐ０から−ｙ方向に１／３周期だけ移動した位置をＰ４とする。なお、ｘ方向およびｙ方向とは図２に示されている矢印の方向であり、−ｘ方向及び−ｙ方向とは図２に示されている矢印の逆方向である。
ステップ１３０で、回折格子移動部により回折格子をＰ１に移動する。ステップ１４０で、検出器により強度分布を検出しこれをＩ１とする。
以下、ステップ２１０まで回折格子４をＰ２、Ｐ３、Ｐ４への移動と検出を繰り返し、得られた検出結果を順にＩ２、Ｉ３、Ｉ４とする。
ステップ２２０で、位相シフト法の３ステップアルゴリズムに基づく次に示す式（４）、式（５）よりＩ０、Ｉ１、Ｉ２、からｘ方向の微分位相の位相φｘを、同様にＩ０、Ｉ３、Ｉ４からｙ方向の微分位相の位相φｙを画素ごとに算出する。
以下、ステップ２１０まで回折格子４をＰ２、Ｐ３、Ｐ４への移動と検出を繰り返し、得られた検出結果を順にＩ２、Ｉ３、Ｉ４とする。
ステップ２２０で、位相シフト法の３ステップアルゴリズムに基づく次に示す式（４）、式（５）よりＩ０、Ｉ１、Ｉ２、からｘ方向の微分位相の位相φｘを、同様にＩ０、Ｉ３、Ｉ４からｙ方向の微分位相の位相φｙを画素ごとに算出する。
式（４）、式（５）で算出したφｘおよびφｙは２πの範囲に位相が畳み込まれた位相（ｗｒａｐｐｅｄ位相）になっているので、位相接続（ｕｎｗｒａｐ）して各々の方向の微分位相Ｗｘ、Ｗｙを得ている。
さらに必要に応じて、ステップ２３０で得られた直交する２方向の微分位相を積分して得
られた２つの位相分布を合成することで、被検体を透過したＸ線の位相分布、即ち被検体の位相像を得ることができる。
さらに必要に応じて、ステップ２３０で得られた直交する２方向の微分位相を積分して得
られた２つの位相分布を合成することで、被検体を透過したＸ線の位相分布、即ち被検体の位相像を得ることができる。
以上の説明では、回折格子を最初の撮影時の位置を中心にｘおよびｙの正負の方向に３
分の１周期移動したが、移動量はこれに限らない。但し、正確な被検体の微分位相像又は位相像を取得するためには、各移動量は等しいことが好ましい。式（４）、式（５）に換えて移動量に準拠した計算式を採用することでφｘ、φｙの算出が可能である。
さらに、回折格子の移動の仕方に関しても、格子位置がｘ、ｙ両方向で直線的に３点以上並べばよいので、例えば最初の位置Ｐ０からｘ方向に２回移動し、その後ｙ方向に２回移動してもよい。
分の１周期移動したが、移動量はこれに限らない。但し、正確な被検体の微分位相像又は位相像を取得するためには、各移動量は等しいことが好ましい。式（４）、式（５）に換えて移動量に準拠した計算式を採用することでφｘ、φｙの算出が可能である。
さらに、回折格子の移動の仕方に関しても、格子位置がｘ、ｙ両方向で直線的に３点以上並べばよいので、例えば最初の位置Ｐ０からｘ方向に２回移動し、その後ｙ方向に２回移動してもよい。
［実施例２］
図８−図１０を用いて、本発明を実施したＸ線撮像装置の実施例２について説明する。本実施例は実施例１と回折格子と遮蔽格子が異なり、その他の構成については実施例１と同様である。
図８（ａ）は、本実施例における回折格子４の一部分をＸ線源側から見た図である。
本実施例の回折格子は、位相進行部４３と位相遅延部４４が周期ｄ２で市松格子状に配列したシリコン製の位相変調格子を用いた。位相進行部４３を透過したＸ線と位相遅延部４４を透過したＸ線の位相差はπになるようにシリコンの厚みに差を付けている。
遮蔽格子上に回折格子の干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１／４とした。
図８（ｂ）は本実施例の回折格子を用いた場合に遮蔽格子上に形成される干渉パターンを示しており、その周期ｄ３は、次に示す式（６）で表される。
図８−図１０を用いて、本発明を実施したＸ線撮像装置の実施例２について説明する。本実施例は実施例１と回折格子と遮蔽格子が異なり、その他の構成については実施例１と同様である。
図８（ａ）は、本実施例における回折格子４の一部分をＸ線源側から見た図である。
本実施例の回折格子は、位相進行部４３と位相遅延部４４が周期ｄ２で市松格子状に配列したシリコン製の位相変調格子を用いた。位相進行部４３を透過したＸ線と位相遅延部４４を透過したＸ線の位相差はπになるようにシリコンの厚みに差を付けている。
遮蔽格子上に回折格子の干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１／４とした。
図８（ｂ）は本実施例の回折格子を用いた場合に遮蔽格子上に形成される干渉パターンを示しており、その周期ｄ３は、次に示す式（６）で表される。
ここで、前述したようにＺ０はＸ線源と回折格子の間隔である。
図８（ｃ）は、本実施例における遮蔽格子の一部分をＸ線源側から見た図である。遮蔽格子は、実施例１と同様に金で作製されており、透過部６２が干渉パターンと同じ周期ｄ３で市松格子状に配列している。透過部６２は１辺がｄ２／√２の正方形である。
図９（ａ）、（ｂ）は遮蔽格子上の干渉パターンを示しており、干渉パターンの明部５２のうち透過部６２に重なった部分だけが遮蔽格子を経てＸ線検出器に達する。
Ｘ線検出器の画素サイズは、実施例１と同様に遮蔽格子の周期ｄ３に等しくしてあるがｄ３の整数倍ならそれに限らない。
本実施例では回折格子を面内で移動させることにより干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を移動させる。図９（ｂ）は、図９（ａ）の時から干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を干渉パターンの１／３周期のｘ方向に移動させたときの干渉パターン５２と遮蔽格子６２の重なり具合を例示している。
回折格子の移動に伴って、透過部６２と重なっている干渉パターンの明部５２の面積が変化する。この例では、図９（ａ）の時と比べると図９（ｂ）の時には透過部６２と重なっている明部５２の面積が小さくなるので、Ｘ線検出器に達するＸ線量も減少する。
図８（ｃ）は、本実施例における遮蔽格子の一部分をＸ線源側から見た図である。遮蔽格子は、実施例１と同様に金で作製されており、透過部６２が干渉パターンと同じ周期ｄ３で市松格子状に配列している。透過部６２は１辺がｄ２／√２の正方形である。
図９（ａ）、（ｂ）は遮蔽格子上の干渉パターンを示しており、干渉パターンの明部５２のうち透過部６２に重なった部分だけが遮蔽格子を経てＸ線検出器に達する。
Ｘ線検出器の画素サイズは、実施例１と同様に遮蔽格子の周期ｄ３に等しくしてあるがｄ３の整数倍ならそれに限らない。
本実施例では回折格子を面内で移動させることにより干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を移動させる。図９（ｂ）は、図９（ａ）の時から干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を干渉パターンの１／３周期のｘ方向に移動させたときの干渉パターン５２と遮蔽格子６２の重なり具合を例示している。
回折格子の移動に伴って、透過部６２と重なっている干渉パターンの明部５２の面積が変化する。この例では、図９（ａ）の時と比べると図９（ｂ）の時には透過部６２と重なっている明部５２の面積が小さくなるので、Ｘ線検出器に達するＸ線量も減少する。
図１０は実施例１の図６と同様に、干渉パターンの移動量と透過部６２を通過するＸ線量の関係を示している。
実線は遮蔽格子に照射されるＸ線量に対するこれを透過するＸ線量の比であり、横軸は干渉パターン周期を単位とした干渉パターンの移動量である。点線は比較のために表示した振幅、周期、位相を実線と一致させた理想的な正弦波である。本実施例でも実施例１と同様に回折格子の移動量に対する透過部６１を通過するＸ線量の変化が、略正弦波と一致していることから、位相シフト法のアルゴリズムにおいて小さなステップ数を採用しても大きな精度劣化にはならない。本実施例でもステップ数を３にした。
図１０と図６を比較して分かるように、本実施例は実施例１に比べて遮蔽格子６を通過するＸ線量が２倍になっている。そのため、本実施例の方がＸ線の利用効率が高い。
本実施例における測定ステップは、実施例１で図７を用いて説明したものと同様なので省略する。
実線は遮蔽格子に照射されるＸ線量に対するこれを透過するＸ線量の比であり、横軸は干渉パターン周期を単位とした干渉パターンの移動量である。点線は比較のために表示した振幅、周期、位相を実線と一致させた理想的な正弦波である。本実施例でも実施例１と同様に回折格子の移動量に対する透過部６１を通過するＸ線量の変化が、略正弦波と一致していることから、位相シフト法のアルゴリズムにおいて小さなステップ数を採用しても大きな精度劣化にはならない。本実施例でもステップ数を３にした。
図１０と図６を比較して分かるように、本実施例は実施例１に比べて遮蔽格子６を通過するＸ線量が２倍になっている。そのため、本実施例の方がＸ線の利用効率が高い。
本実施例における測定ステップは、実施例１で図７を用いて説明したものと同様なので省略する。
［実施例３］
図１１（ａ）−図１１（ｃ）を用いて、本発明を実施したＸ線撮像装置の実施例３について説明する。
本実施例は回折格子に振幅型回折格子を用いたＸ線撮像装置であり、回折格子と遮蔽格子以外の構成は実施例１と同様である。
図１１（ａ）は、本実施例における回折格子の一部分をＸ線源側から見た図である。
本実施例に用いられる回折格子はＸ線を透過する透過部４５とＸ線を遮る遮蔽部４６が周期ｄ４で市松格子状に配列している構造を有する。
遮蔽格子上に回折格子の干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１とした。
図１１（ｂ）は遮蔽格子上に形成された干渉パターンを示しており、その周期ｄ５は、次に示す式（７）で表される。
図１１（ａ）−図１１（ｃ）を用いて、本発明を実施したＸ線撮像装置の実施例３について説明する。
本実施例は回折格子に振幅型回折格子を用いたＸ線撮像装置であり、回折格子と遮蔽格子以外の構成は実施例１と同様である。
図１１（ａ）は、本実施例における回折格子の一部分をＸ線源側から見た図である。
本実施例に用いられる回折格子はＸ線を透過する透過部４５とＸ線を遮る遮蔽部４６が周期ｄ４で市松格子状に配列している構造を有する。
遮蔽格子上に回折格子の干渉パターンが形成されるように、回折格子と遮蔽格子の間隔Ｚ０が式（１）を満足するように遮蔽格子を配置した。但し、Ｎ＝１とした。
図１１（ｂ）は遮蔽格子上に形成された干渉パターンを示しており、その周期ｄ５は、次に示す式（７）で表される。
図１１（ｃ）は、本実施例における遮蔽格子の一部分をＸ線源側から見た図である。
遮蔽格子は実施例１同様金で作製されており、Ｘ線を透過する透過部６３とＸ線を遮る遮蔽部６４が、干渉パターンと同じ周期ｄ５で井桁格子状に配列している。透過部６３は１辺がｄ５／２の正方形である。
遮蔽格子は実施例１同様金で作製されており、Ｘ線を透過する透過部６３とＸ線を遮る遮蔽部６４が、干渉パターンと同じ周期ｄ５で井桁格子状に配列している。透過部６３は１辺がｄ５／２の正方形である。
図３、図４と図１１（ｂ）、図１１（ｃ）を見れば分かるように本実施例の干渉パターンと遮蔽格子は実施例１と同様なので、それらの重なり方、回折格子の移動と遮蔽格子の透過部６３を透過するＸ線量の関係も実施例１と同様である。また、本実施例における測定ステップも、実施例１で図７を用いて説明したものと同様なので省略する。
また、回折格子と遮蔽格子のパターンを入れ替えることもできる。つまり、回折格子を図１１（ｃ）のような井桁格子状にして、遮蔽格子を図１１（ａ）のような市松格子状にしても良い。この場合の干渉パターンは図８（ｂ）のようになる。このような回折格子と遮蔽格子を用いた場合、干渉パターンと遮蔽格子が実施例２と同様になるので、干渉パターンの明部と遮蔽格子の透過部の重なり方、回折格子の移動と遮蔽格子の透過部６３を透過するＸ線量の関係も実施例２と同様である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
また、回折格子と遮蔽格子のパターンを入れ替えることもできる。つまり、回折格子を図１１（ｃ）のような井桁格子状にして、遮蔽格子を図１１（ａ）のような市松格子状にしても良い。この場合の干渉パターンは図８（ｂ）のようになる。このような回折格子と遮蔽格子を用いた場合、干渉パターンと遮蔽格子が実施例２と同様になるので、干渉パターンの明部と遮蔽格子の透過部の重なり方、回折格子の移動と遮蔽格子の透過部６３を透過するＸ線量の関係も実施例２と同様である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
１：Ｘ線源
２：Ｘ線
３：被検体
４：回折格子
５：回折格子移動部
６：遮蔽格子
７：遮蔽格子移動部
８：検出器
９：演算部
２：Ｘ線
３：被検体
４：回折格子
５：回折格子移動部
６：遮蔽格子
７：遮蔽格子移動部
８：検出器
９：演算部
Claims (8)
- Ｘ線源からのＸ線を回折することで明部と暗部とが２次元に配列した干渉パターンを形成する回折格子と、
前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが２次元に配列しており、前記干渉パターンの前記明部の一部を遮る遮蔽格子と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させる移動部と、
前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、
前記検出器による検出結果に基づいて被検体の微分位相像又は位相像を算出する演算部を備え、
前記演算部は、前記検出器の複数回の検出結果に基づいて、交差する２方向の各々における微分位相像または位相像を算出することを特徴とするＸ線撮像装置。 - 前記移動部は、前記相対位置を交差する２方向に変化させ、
前記検出器は、前記相対位置の変化に対応して前記Ｘ線の強度分布を複数回検出することで、前記複数回の検出結果を取得することを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。 - 前記移動部は、前記Ｘ線源と前記回折格子と前記遮蔽格子のうち少なくともいずれか１つを移動させ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線撮像装置。
- 前記移動部は、前記相対位置を直交する２方向で変化させ、
前記演算部は、直交する２方向の各々の、微分位相像または位相像を算出することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。 - 前記回折格子は位相進行部と位相遅延部とを有し、
前記位相進行部を透過したＸ線と前記位相遅延部を透過したＸ線との位相差はπ／２であり、
前記位相進行部と前記位相遅延部とは市松格子状に配列しており、
前記遮蔽格子は前記遮蔽部と前記透過部とが井桁格子状に配列していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。 - 前記回折格子は位相進行部と位相遅延部とを有し、
前記位相進行部を透過したＸ線と前記位相遅延部を透過したＸ線との位相差はπであり、
前記位相進行部と前記位相遅延部とは市松格子状に配列しており、
前記遮蔽格子は前記遮蔽部と前記透過部とが市松格子状に配列していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。 - 前記回折格子はＸ線を透過する透過部とＸ線を遮る遮蔽部とを有し、
前記回折格子の前記透過部と前記遮蔽部とが市松格子状に配列しており、
前記遮蔽格子は前記遮蔽部と前記透過部とが井桁格子状に配列していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。 - 前記回折格子はＸ線を透過する透過部とＸ線を遮る遮蔽部とを有し、
前記回折格子の前記透過部と前記遮蔽部とが井桁格子状に配列しており、
前記遮蔽格子は前記遮蔽部と前記透過部とが市松格子状に配列していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
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