JP2012080963A - Ｘ線画像撮影方法およびｘ線画像撮影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線源に対する試料および検出器間の距離を微調整するだけで、目的に応じて高分解能位相コントラスト画像と高分解能吸収コントラスト画像を短時間で撮影することができるＸ線画像撮影方法およびＸ線画像撮影装置を提供する。
【解決手段】有限の大きさをもつＸ線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするＸ線画像撮影方法であって、Ｘ線源１１０から試料５００までの距離をＬ、試料５００から検出器１３０までの距離をｄとするとき、ｄ／Ｌが１より十分に小さい。また、Ｘ線源１１０から照射されるＸ線の平均波長をλとし、検出器１３０の分解能をΔとするとき、位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離が１／３Δ以上３Δ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、有限の大きさをもつＸ線源を用い、微細な構造を撮影可能にするＸ線画像撮影方法およびＸ線画像撮影装置に関する。

従来、Ｘ線透過画像撮影の分野では検出器の分解能は高くても十数μｍであった。したがって、分解能の高い画像を撮影するためには、１０μｍ以下程度のなるべく小さな焦点サイズのＸ線源を用い、試料を拡大投影し画像撮影をしていた。すなわち、Ｘ線源から試料までの距離を小さくし、試料から検出器までの距離を十分に大きくとり、その距離関係を調整して倍率を調整していた。

これに対して、位相コントラストを用いた撮影と吸収コントラストを用いた撮影を同一装置で行う方法が研究されている（特許文献１〜３、非特許文献１）。たとえば、特許文献１は、試料から検出器までの距離とＸ線源から試料までの距離との比を０．５にして、位相コントラストを利用し、エッジを強調した画像の撮影方法を開示している。

特開２００１−２３８８７１号公報 特開２００６−２６４２５号公報 国際公開第２００７／００７４７３号パンフレット

大原弘、儀同智紀、石坂哲、本田凡、「位相コントラスト乳房撮影の原理と画像」、Vol.23(2006)、No.2、pp.27-33

しかしながら、上記のような拡大投影を用いたＸ線透過画像の撮影方法では、Ｘ線源、試料および検出器の配置により拡大倍率が決まる。したがって、微細な構造を高い分解能で撮影するための高倍率撮影条件では、その倍率を維持して位相コントラストと吸収コントラストの割合を自由に調整することは容易にできない。一方で、ＳＥＭやＴＥＭ等の電子線を用いた方法では、試料表面や薄い試料に対しての高い分解能の画像を得ることはできるが、厚い試料内部の構造を撮影することは困難である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、Ｘ線源に対する試料および検出器間の距離を微調整するだけで、目的に応じて高分解能位相コントラスト画像と高分解能吸収コントラスト画像を短時間で撮影することができるＸ線画像撮影方法およびＸ線画像撮影装置を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、有限の大きさをもつＸ線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするＸ線画像撮影方法であって、Ｘ線源から試料までの距離をＬ、前記試料から検出器までの距離をｄとするとき、ｄ／Ｌが１より十分に小さく、前記Ｘ線源から照射されるＸ線の波長をλとし、前記検出器の分解能をΔとするとき、以下の数式を満たすことを特徴としている。
なお、通常のＸ線源においては、放射されるＸ線は１つの波長λだけでなく、多数のＸ線波長を含んでいる。そのような場合、数１のλは試料に照射されるスペクトラムに応じて加重平均した数値に置き換えられる。

上記の特徴により、Ｘ線源に対する試料および検出器の配置をｄ／Ｌ≪１の範囲で調整するだけでミクロンオーダーで試料の輪郭を強調した位相コントラスト画像を撮影したり、吸収コントラストによるＣＴ再構成をしたりすることを可能にする。また、比較的大きな焦点サイズの高出力Ｘ線源を用いることができ、短時間で高分解能のＸ線透過画像を得ることができる。なお、１より十分に小さいとは、（Ｌ＋ｄ）／Ｌ＝１＋ｄ／Ｌで記述される撮影倍率がほぼ１で近似されることを意味する。

（２）また、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、前記ｄ／Ｌが０．１以下であることを特徴としている。これにより、十分大きな焦点サイズの高出力Ｘ線源を用いても高分解能の検出器を用いて数ミクロン以下の分解能で画像が得られるだけでなく、Ｘ線源の焦点位置のドリフトに対して安定した撮影を行なうことができる。

（３）また、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、前記Ｘ線源の焦点サイズが、前記Δより十分大きいことを特徴としている。これにより、焦点サイズに制限されず、高出力のＸ線源を利用することができる。なお、十分大きいとは、たとえばＳ＞１０Δを満たす程度に大きいことをいう。

（４）また、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、前記検出器が、２μｍ以下の空間分解能を有することを特徴としている。これにより、高分解能でＸ線透過像を検出できる。

（５）また、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、前記Ｘ線源が用いられる際の供給電力が３０Ｗ以上であることを特徴としている。これにより、大きい電力を用い短時間で撮影できる。

（６）また、本発明に係るＸ線画像撮影方法は、前記Ｘ線源に、発散Ｘ線をＸ線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることを特徴としている。これにより、単色の仮想光源を使えば一つのλで撮影できる。また、吸収係数も定量的に算出でき、定量的な密度情報を持つＣＴ再構成が可能になる。

（７）また、本発明に係るＸ線画像撮影装置は、有限の大きさをもち、Ｘ線を発生させるＸ線源と、前記発生したＸ線が照射される試料を支持する支持台と、前記試料を透過したＸ線を検出する検出器と、を備え、前記Ｘ線源から前記試料までの距離をＬ、前記試料から前記検出器までの距離をｄとするとき、前記Ｘ線源、支持台および検出器の配置を調整し、ｄ／Ｌを１より十分に小さくして、前記試料の微細な構造を撮影可能にすることを特徴としている。

これにより、Ｘ線源に対する試料および検出器の配置を調整することで試料の輪郭を強調した位相コントラストによる画像を撮影したり、吸収コントラストによる画像を自由に選択して撮影することができ、定量性の高い、かつアーティファクトの少ないＣＴ再構成を可能にする。また、強力なＸ線源を用いることにより、短時間で高分解能のＸ線透過画像を得ることができる。

本発明によれば、Ｘ線源に対する試料および検出器の配置を微調整することにより、短時間かつ高分解能で位相コントラスト画像や吸収コントラスト画像を撮影することができる。

本発明に係るＸ線画像撮影方法のためのコンフィグレーションを示す概略図である。 焦点と投影との関係を示す図である。 位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離を示す図である。 （ａ）（ｂ）それぞれ試料サイズ１０μｍ、試料サイズ５０μｍで平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の間の距離ｆと、試料と検出器の間の距離ｄとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）（ｂ）それぞれ試料サイズ１０μｍ、試料サイズ５０μｍでそれぞれ平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の距離とＸ線の波長λの関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）それぞれ試料と検出器との距離を１ｍｍ、５ｍｍにした場合撮影した植物細胞のＸ線透過画像である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれカーボンファイバーレインフォースドプラスティック（ＣＦＲＰ、炭素繊維強化樹脂）の直交する２つの断面および拡大断面のＣＴ画像である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ蟻の足を垂直に切断した断面、足に沿った方向の断面のＣＴ画像である。 第２の実施形態に係る仮想光源を生成するコンフィグレーションを示す図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

［第１の実施形態］
（装置構成）
図１は、本発明のＸ線画像撮影方法のためのコンフィグレーションを示す概略図である。このようなコンフィグレーションは、Ｘ線画像撮影装置１００の各部配置により構成されている。図１に示すように、Ｘ線画像撮影装置１００は、Ｘ線源１１０、支持台１２０および検出器１３０を備えている。

Ｘ線源１１０は、有限な焦点サイズを有する実験室で用いられるＸ線源である。Ｘ線源１１０には、シンクロトロン放射による放射光は用いられない。具体的には、銅、モリブデン、タングステン等をターゲットしたＸ線源が用いられ、特に種類は限定されないが、特性Ｘ線の波長に応じて各部の配置が調整される。なお、Ｘ線源１１０は、必ずしも電子衝突型、プラズマＸ線、逆コンプトン放射等に限られず、後述の仮想光源も含まれる。

Ｘ線源１１０の焦点サイズは、検出器の分解能Δより十分に大きいことが好ましい。これにより、焦点サイズに制限されず、高出力のＸ線源１１０を利用することができる。そして、ｄ／Ｌが１より十分に小さいため、Ｘ線源１１０の焦点位置のドリフトに対しても安定した撮影を行うことができる。なお、Ｘ線源１１０への供給電力は３０Ｗ以上が好ましく、１００Ｗ以上であることがさらに好ましい。このように大きな電力を供給することで、短時間でＸ線画像を撮影できる。

支持台１２０は、Ｘ線が照射される試料５００を支持する。支持台１２０は、試料５００を固定でき、回転制御が可能になっている。回転軸のぶれが小さい方が好ましく、特にこれが１μｍ以下であることが好ましい。これにより、ソフトウェアによる補正なしに高分解能のＣＴ再構成を実現できる。

検出器１３０は、試料５００を透過したＸ線を検出する。検出器１３０は、１０μｍ未満の高い空間分解能を有している。検出器１３０の空間分解能は、７μｍ以下が好ましく、１μｍ以下であればさらに好ましい。これにより、高分解能のＸ線透過像を活かして高分解能の検出が可能になる。仮想光源を用いて単色化したＸ線を用いる場合のＸ線画像撮影装置１００では繊細な試料に対しても高コントラストの像が得られ、これは生体の軟組織や、有機物の工業製品等の微細な構造を観察するのに適している。

また、Ｘ線画像撮影装置１００は、たとえばスライド機構（図示せず）を有し、Ｘ線源１１０に対する支持台１２０または検出器１３０の配置を制御することで微調整可能である。そして、ｄ／Ｌ≪１の範囲で微調整により位相コントラストによる輪郭を強調した画像や吸収コントラストによるＣＴ再構成に適した画像を撮影できる。このとき、ｄ／Δ≪１であるため倍率（Ｌ＋ｄ）／Ｌ＝１＋ｄ／Ｌが約１であり、倍率や視野を変えずに位相コントラストの度合いを調整することも可能になる。

（画像撮影）
上記のように構成されたＸ線画像撮影装置１００を用いて画像を撮影できる。Ｘ線源１１０から試料５００までの距離をＬ、試料５００から検出器１３０までの距離をｄとするとき、Ｘ線源１１０、支持台１２０および検出器１３０の配置を調整し、ｄ／Ｌを１より十分に小さくして測定する。ｄ／Ｌは、０．１以下であることが好ましい。このようにして試料５００の微細な構造を撮影可能にしている。

図２は、焦点と投影との関係を示す図である。上記のような配置ではｄ／Ｌが小さく、Ｘ線源の焦点サイズＳが検出器１３０上ではｄ／Ｌ倍に縮小投影されるため、検出器１３０に投影されるＸ線源の像の大きさδはｄ／Ｌ倍だけ小さくなる。したがって、十分大きな焦点サイズのＸ線源を使っても高分解能な画像を撮影できるだけでなく、焦点位置のドリフトの影響も小さく抑えることができる。このように大きな焦点サイズを有する高出力Ｘ線源を用いることができる結果、短時間での効率的な撮影が可能となる。

Ｘ線画像撮影装置１００の各部の配置は、ｄ／Ｌを十分に小さくする以外に次のような条件も満たす。すなわち、Ｘ線源１１０から照射されるＸ線の平均波長をλとし、検出器１３０の分解能をΔとするとき、Ｘ線画像撮影装置１００の構成は、以下の数式を満たす。

試料５００から検出器１３０までの距離ｄを上記の数式（１）の範囲で調整することで、Ｘ線源１１０に対する試料５００、検出器１３０の配置を調整し位相コントラストで試料の輪郭を強調した画像を撮影したり、吸収コントラストでＣＴ再構成のための画像を撮影したりすることが可能になる。

Ｘ線は、屈折により拡がって影が映る。そして、投影された強度の分布形状が、試料５００の位置と検出器１３０との距離ｄで決まる。Ｘ線画像撮影装置１００は、この距離ｄを適当な大きさに調整できる。図３は、位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離を示す図である。位相コントラストのピーク位置と谷位置との間の距離ｆ（λ，ｄ）は、いわゆる位相コントラスト（フェイズのフリンジ）であり、フレネル回折を考慮することで以下の通りに導ける。

図４（ａ）（ｂ）は、それぞれ径１０μｍ、径５０μｍの円筒形の試料に対して平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の間の距離ｆと、試料と検出器の間の距離ｄとの関係のシミュレーション結果を示すグラフである。このときＸ線の波長λは２２９ｐｍとして算出している。図４（ａ）（ｂ）に示すように、試料の径に関係なく、距離ｆはｄ＝５ｍｍで約１μｍになる。また、図５（ａ）（ｂ）は、それぞれ径１０μｍ、径５０μｍの円筒形の試料に対して平面波により位相コントラストを生じさせたときの強度のピークと谷の距離ｆとＸ線の波長λの関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。このとき試料５００から検出器１３０までの距離ｄは２ｍｍである。図５（ａ）（ｂ）に示すように、試料の径に関係なく、たとえば２２９ｐｍの波長では、距離ｆは約０．６５μｍとなっている。これらの関係を数式化したものが上記の数式（２）である。

このようにして与えられるｆを、検出器１３０の分解能程度またはそれ以上にしておけば、撮影画像の輪郭を強調できる。しかし、このようにしてエッジが強調された画像は、実際の吸収係数の差以上に強度に差が生じており、定量的な吸収係数の評価には適していない。たとえばＸ線撮影画像をＣＴ再構成に用いる場合、どの方向からみてもエッジが強調されすぎるため、強いアーティファクトが発生し、再構成は困難になる。

そこで、ＣＴ再構成用には、位相コントラストを抑制し、吸収コントラストによる画像を撮影する。その場合には、位相コントラストｆ（λ，ｄ）の値を検出器１３０の分解能Δの値より小さくなるように微調整して撮像することが好ましい。よって、吸収コントラストによる画像を撮影する場面では、位相コントラストｆ（λ，ｄ）が、少なくとも検出器１３０の分解能Δの１／３以上かつ１倍以下となる範囲を満たしていればよい。そして、Ｘ線画像撮影装置１００は、少なくともその範囲で各部配置を微調整できる必要がある。

一方、エッジを強調して透過像を撮影する場合には、検出器の分解能Δが位相コントラストｆ（λ、ｄ）の値より小さくなるように調整する必要がある。したがって、撮影時には、位相コントラストｆ（λ，ｄ）が、数式（１）に示すように検出器１３０の分解能Δの１／３以上かつ３倍以下となる範囲内で各部の配置を調整することで、微細な構造の観察で位相コントラストの画像および吸収コントラストの画像の両方を撮影することができる。

（実施例１）
次に、Ｘ線画像撮影装置１００を用いた実験を説明する。まず、植物の葉を試料として位相コントラストを用いたＸ線透過画像を撮影した。供給電力８７５Ｗ、Ｃｒターゲット、焦点サイズ７０μｍのＸ線源１１０、０．６５μｍの画素サイズ（０．６５μｍの空間分解能）を有する検出器１３０を用いた。Ｘ線源１１０と試料５００との間の距離Ｌは２５０ｍｍとした。図６（ａ）は、試料５００と検出器１３０との距離ｄを１ｍｍにした場合、図６（ｂ）は、試料５００と検出器１３０との距離ｄを５ｍｍにした場合に撮影された植物の細胞のＸ線透過画像を示す図である。

図６（ａ）に示すように、距離ｄが１ｍｍのとき、細胞壁のエッジが強調されない吸収コントラストによるＸ線透過画像が得られた。このとき、ｆ（λ，ｄ）が０．５μｍであり、検出器の分解能Δ＝０．６５μｍより小さい。また、図６（ｂ）に示すように、距離ｄを５ｍｍにすると、細胞壁のエッジが強調されたＸ線透過画像が得られた。このときｆ（λ，ｄ）が１．１μｍとなり、検出器の分解能Δ＝０．６５μｍより大きな値となっている。このようにｄ／Ｌが１より十分に小さい０．１、ｆ（λ，ｄ）が上記の数式（１）を満たす配置でＸ線画像を撮影し、ミクロンオーダーで輪郭の明瞭な位相コントラストによる画像を得ることができた。

（実施例２）
上記の実施例と同様の条件で、カーボンファイバーレインフォースドプラスティック（ＣＦＲＰ、炭素繊維強化樹脂）を試料として吸収コントラストを用いたＸ線透過画像を撮影し、３次元ＣＴ再構成を行った。Ｘ線源１１０と試料５００との間の距離Ｌは２５０ｍｍとし、試料５００と検出器１３０との距離ｄを上記２つの例の中間である２〜３ｍｍに配置し、位相コントラストが強調されすぎないよう調整して撮影した。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれカーボンファイバーレインフォースドプラスティック（ＣＦＲＰ、炭素繊維強化樹脂）の直交する２つの断面および拡大断面のＣＴ画像である。カーボン繊維は繊維方向の強度は高いが、それ以外の方向の強度は十分でないため、多数の方向の繊維を多層に積み重ねている。図７に示すように、ファイバー内では、方向を変えて積み重ねられたカーボン繊維、これを繋いでいるプラスチック、さらにその隙間等を明瞭に区別して観察することができた。なお、クラック状の大きな隙間は、界面で結合が破壊されて生じたものである。

（実施例３）
また、上記の実施例と同様の条件で、蟻の足の関節部分を試料として吸収コントラストを用いたＸ線透過画像を撮影し、３次元ＣＴ再構成を行った。Ｘ線源１１０と試料５００との間の距離Ｌは２５０ｍｍとし、試料５００と検出器１３０との距離ｄを２〜３ｍｍに調整して撮影した。図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ蟻の足を垂直に切断した断面、足に沿った方向の断面のＣＴ画像である。図８（ａ）、（ｂ）に示すように、足の外骨格の内部に、液体とそれに包まれた筋肉繊維があるのが観察できた。このようにｄ／Ｌが１より十分に小さい０．００８〜０．０１２程度でＸ線画像を撮影し、ミクロンオーダーで明瞭なＣＴ画像を得ることができた。以上のように、ミクロンオーダーの分解能を有するＸ線顕微鏡を実現できることを実証できた。

［第２の実施形態］
上記のＸ線源１１０には、発散Ｘ線をＸ線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることができる。図９は、Ｘ線源１１０として仮想光源を生成するコンフィグレーションを示す図である。図９に示すように、仮想光源を生成するコンフィグレーションは、発散Ｘ線を放射する現実のＸ線源２１０、第１のミラー２２０、第２のミラー２３０（Ｘ線光学素子）により構成されており、その結果、仮想光源のＸ線源１１０を発生させることができる。

このようにして得られる仮想光源サイズは、１００μｍ以下にすることが好ましい。仮想光源サイズは、５０μｍ以下または２０μｍ以下であればさらに好ましい。仮想光源サイズが１０μｍ〜数十μｍであれば、１μｍ程度の分解能を有するＸ線画像を得る上で効果が大きくなる。なお、ピンホールやスリットを用いて仮想光源を整形し、適切なサイズの光源を得ることもできる。

図９に示すように、第１のミラー２２０は、現実のＸ線源２１０で発生したＸ線を、支持台１２０に平行な面内で反射させ、第２のミラー２３０は、第１のミラー２２０で反射されたＸ線を支持台１２０に垂直な面内で反射する。

第１のミラー２２０、第２のミラー２３０には、たとえば多層膜ミラー（多層膜光学素子）を用いることができる。これにより、第１のミラー２２０による集光および第２のミラーによる集光について、特性線（ＣｕＫα）の波長のＸ線のみを選択的に取り出すことができる。また、Ｘ線の入射位置により格子定数を変化させることができるため、入射角が変わったときでも格子定数を調整して回折を起こさせることができる。

第１のミラー２２０、第２のミラー２３０は、結晶板（結晶光学素子）で構成されていてもよい。これにより、たとえば、第１または第２のミラーはＫα１のＸ線だけを取り出すことができる。また、第１のミラー２２０、第２のミラー２３０を全反射ミラーで構成し反射Ｘ線の波長を長波長に制限してもよい。

このように多層膜ミラーや結晶板により得られる単色の仮想光源を用いることにより、一つのλで撮影できる。この結果、吸収係数も定量的に算出でき、定量的な密度情報を持つＣＴ再構成が容易になり、定量的な濃度のマッピングも可能になる。また、仮想光源を用いることで焦点サイズを小さくする一方で、Ｘ線の発生に十分な電力を維持することができる。

１００ Ｘ線画像撮影装置
１１０ Ｘ線源（仮想光源を含む）
１２０ 支持台
１３０ 検出器
２１０ Ｘ線源（現実のＸ線源）
２２０ 第１のミラー（第１のＸ線光学素子）
２３０ 第２のミラー（第２のＸ線光学素子）
５００ 試料
Ｌ Ｘ線源から試料までの距離
ｄ 試料から検出器までの距離
ｆ 位相コントラスト（ピーク位置と谷位置との間の距離）
Ｓ Ｘ線源の焦点サイズ
δ 投影される像の大きさ
Δ 検出器の分解能

Claims (7)

1. 有限の大きさをもつＸ線源を用い、高い空間分解能で微細な構造を撮影可能にするＸ線画像撮影方法であって、
   Ｘ線源から試料までの距離をＬ、前記試料から検出器までの距離をｄとするとき、ｄ／Ｌが１より十分に小さく、
   前記Ｘ線源から照射されるＸ線の波長をλとし、前記検出器の分解能をΔとするとき、以下の数式を満たすことを特徴とするＸ線画像撮影方法。
   
2. 前記ｄ／Ｌが０．１以下であることを特徴とする請求項１記載のＸ線画像撮影方法。
3. 前記Ｘ線源の焦点サイズは、前記Δより十分に大きいことを特徴とする請求項１または請求項２記載のＸ線画像撮影方法。
4. 前記検出器は、２μｍ以下の空間分解能を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＸ線画像撮影方法。
5. 前記Ｘ線源が用いられる際の供給電力は３０Ｗ以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＸ線画像撮影方法。
6. 前記Ｘ線源には、発散Ｘ線をＸ線光学素子で集光して形成された微小な焦点を仮想光源として用いることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のＸ線画像撮影方法。
7. 有限の大きさをもち、Ｘ線を発生させるＸ線源と、
   前記発生したＸ線が照射される試料を支持する支持台と、
   前記試料を透過したＸ線を検出する検出器と、を備え、
   前記Ｘ線源から前記試料までの距離をＬ、前記試料から前記検出器までの距離をｄとするとき、前記Ｘ線源、支持台および検出器の配置を調整し、ｄ／Ｌを１より十分に小さくして、前記試料の微細な構造を撮影可能にすることを特徴とするＸ線画像撮影装置。