JP2012125520A - Ｘ線撮像装置およびｘ線撮像方法 - Google Patents

Ｘ線撮像装置およびｘ線撮像方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ある所定の幅の透過部を有する分割素子を用いてその分割素子より幅の小さな透過部を有する分割素子を用いた時と同程度の位相検出感度を得ることが可能となる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１０１と、Ｘ線源から出射した発散Ｘ線１０２を分割する分割素子１０３ａと、分割素子１０３ａにより分割され、被検体１０４を透過したＸ線の強度を検出する検出器１０６とを備えており、分割素子１０３ａは、発散Ｘ線を透過する複数の透過部１１４ａと発散Ｘ線を遮蔽する複数の遮蔽部１１５ａを有し、遮蔽部のＸ線源側の中心と検出器側の中心を結んだ中心線をＸ線源の方へ延長した複数の延長線１１３ａが交わる分割素子の集束位置１１６ａとＸ線源１０１が異なる位置に配置されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はＸ線撮像装置、およびＸ線撮像方法に関する。
Ｘ線位相イメージングは被検体によるＸ線の位相変化を検出し、その検出結果に基づいて被検体の位相に関する画像を得る方法である。
Ｘ線位相イメージングの１つの方法として、特許文献１に記載されているような、Ｘ線の位相変化によってＸ線が屈折することを利用し、被検体によるＸ線の屈折量を検出することでＸ線の位相変化に関する情報を取得する方法が提案されている。
この方法の原理を簡単に説明する。この方法は、まずＸ線を遮蔽する遮蔽部とＸ線を透過する透過部とを有する分割素子により空間的にＸ線を分割する。分割されたＸ線はＸ線ビームになり、このＸ線ビームを被検体に照射し、被検体を透過したＸ線ビームを検出器で検出する。これにより、検出器上に形成されるＸ線ビームの位置が被検体によってどれだけズレたかが分かり、その位置のズレの量（以下、位置ズレ量と呼ぶ。）からＸ線の屈折量を求めることができる。以下、特に断りのない限り、本明細書におけるＸ線ビームの位置ズレ量とは検出器上におけるＸ線ビームの位置のズレ量を指す。
上述の方法でＸ線位相イメージングを行う場合、一般的に、幅が小さいＸ線ビームを用いた方がＸ線位相検出感度が向上する。
その理由について簡単に説明する。検出器に入射するＸ線ビームの幅が小さいほど、検出器の各画素で検出するＸ線の強度は小さくなる。一方、ある被検体により生じるＸ線の屈折量はＸ線ビームの幅に依存しないため、Ｘ線ビームの位置ズレ量はＸ線ビームの幅に依存しない。そのため、検出器の各画素で検出するＸ線の強度に対するＸ線ビームの位置ズレにより生じる各画素で検出するＸ線強度変化（つまり被検体の有無により生じる各画素が検出するＸ線強度変化）はＸ線ビームの幅が小さいほど大きい。一般に検出器により検出されるＸ線強度の大きさが大きくなるほどノイズの大きさも大きくなるため、Ｘ線の強度に対するＸ線ビームの位置ズレにより生じる各画素で検出するＸ線強度変化が大きい方がそのＸ線強度変化がノイズに埋もれる可能性が低減する。その結果、Ｘ線撮像装置の位相検出感度が向上する。
Ｘ線ビームの幅を小さくするためには、分割素子の透過部の幅を小さくすれば良い。しかし、一般的に透過部の幅が小さい分割素子を製造するのは困難である。特許文献１には、分割素子を２つ備え、その２つの分割素子の相対位置を調整することにより分割素子の透過部の幅を調整することが可能であるＸ線撮像装置が記載されている。このＸ線撮像装置を用いれば従来用いられている分割素子を用いて、より幅の小さいＸ線ビームを得ることができる。
特表２０１０−５０２７７号公報
しかし、複数の分割素子を用いて分割素子を透過するＸ線ビームの幅を調整すると、全ての分割素子と検出器の位置関係を調整する機構が必要になるため、装置の構成が複雑になる。また、一般的に複数の分割素子を用いるとＸ線が透過する透過部の厚みが増す。分割素子の透過部が例えシリコンやアルミ等のＸ線透過率の高い材料で構成されていた場合でも透過部の厚みが増すことで分割素子を透過するＸ線の強度が減衰する課題がある。
そこで本発明は、ある幅を持つ透過部を有する分割素子を用いてその分割素子より幅の小さな透過部を有する分割素子を用いた時と同じ位の幅を持つＸ線ビームを形成することができるＸ線撮像装置を提供することを目的とする。その結果、より幅の小さな透過部を有する分割素子を用いた時と同じくらいの位相検出感度を得ることが可能となる。
その目的を達成するために、本発明の一側面としてのＸ線撮像装置は、
Ｘ線源と、前記Ｘ線源から出射した発散Ｘ線を分割する分割素子と、前記分割素子により分割され、被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、を備えたＸ線撮像装置であって、前記分割素子は、前記発散Ｘ線を透過する複数の透過部と前記発散Ｘ線を遮蔽する複数の遮蔽部とを有し、前記複数の遮蔽部の夫々の前記Ｘ線源側の中心と前記検出器側の中心とを結んだ中心線を前記Ｘ線源の方へ延長した複数の延長線が交わる集束位置と前記Ｘ線源とが異なる位置に配置されていることを特徴とする。
本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。
本発明によれば、ある幅を持つ透過部を有する分割素子を用いてその分割素子より幅の小さな透過部を有する分割素子を用いた時と同じ位の幅を持つＸ線ビームを形成することができるＸ線撮像装置を提供することができる。その結果、より幅の小さな透過部を有する分割素子を用いた時と同じくらいの位相検出感度を得ることが可能となる。
本発明の実施形態１に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施形態１に係るＸ線源と分割素子の模式図。 本発明の実施形態及び実施例に係る分割素子の移動・回転方向の模式図。 本発明の実施形態２に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施形態２に係るＸ線源と分割素子の模式図。 本発明の実施形態３に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施形態３に係るＸ線源と分割素子の模式図。 本発明の実施形態４に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施形態４に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施例４に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施例４に係るＸ線撮像装置の模式図。 本発明の実施例５に係る分割素子とＸ線ビームの模式図。 本発明の実施例５に係る分割素子により形成されたＸ線ビームの強度分布。
以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて説明する。なお、各図に置いて、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
本明細書で説明をする実施形態は、Ｘ線撮像装置において、Ｘ線源から出射したＸ線の分割素子の遮蔽部に対する入射角度を０度よりも大きくすることで、分割素子の透過部の幅よりも小さい幅を持つＸ線ビームを形成することができる。但し、本明細書では遮蔽部の中心線と、遮蔽部に入射するＸ線がなす角度のことを遮蔽部に対するＸ線の入射角度と呼び、θで表す。また、遮蔽部の中心線とは、遮蔽部のＸ線源側の中心と検出器側の中心を結んだ線のこと指す。また、透過部の幅とは分割素子のＸ線源側表面における透過部の幅のことを指し、Ｇａで表す。
また、本明細書では実施形態を説明するために、以下の２点について計算及びモデルを単純化している。
（１）Ｘ線源から発生しているＸ線の放射方向輝度が一定
（２）分割素子をＸ線が透過するときのフレネル回折は考慮しない
（実施形態１）
実施形態１のＸ線撮像装置の模式図を図１に示す。
図１に示したＸ線撮像装置は、Ｘ線源１０１と、Ｘ線源１０１から出射した発散Ｘ線１０２を分割してＸ線ビーム１０５ａを形成する分割素子１０３ａ、Ｘ線ビームを検出する検出器１０６、検出器１０６による検出結果に基づいて演算を行う演算部１０７を備える。また、分割素子１０３ａの移動・回転手段である１０８も備えている。また、被検体１０４は図１に示したように分割素子１０３ａと検出器１０６の間に置かれていても良いし、Ｘ線源１０１と分割素子１０３ａの間に置かれても良い。
本実施形態のＸ線撮像装置には、上述の通り発散Ｘ線を発生させるＸ線源が用いられる。また、本明細書では、Ｘ線源１０１と検出器１０６を結ぶ最短距離の軸を光軸１１１と呼ぶ。
分割素子１０３ａはＸ線を透過する透過部１１４ａと、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部１１５ａを有することで、発散Ｘ線１０２を空間的に分割し、Ｘ線ビーム１０５ａを形成する。図２は、図１におけるＸ線源１０１から分割素子１０３ａの部分を拡大した図であり、発散Ｘ線１０２が分割素子１０３ａにより分割され、Ｘ線ビーム１０５ａが形成される様子を示している。
本実施形態に用いられる分割素子１０３ａは、医療用レントゲン装置において被検体を撮像中に発生する散乱Ｘ線を除去するために使用する集束型グリッドと同様の構造を持つ。この構造は、Ｘ線の透過率が高い軽元素で作られた透過部１１４ａとＸ線を遮光する重元素で作られた遮蔽部１１５ａが交互に配置されている構造である。透過部１１４ａを構成する材料としては例えばアルミニウム、紙、合成樹脂などが用いられ、遮蔽部１１５ａを構成する材料としては例えば白金、金、鉛、タンタル、タングステンなどが用いられる。また、遮蔽部同士の間隔を維持することができれば透過部が空孔であっても良い。
また、分割素子１０３ａの透過部１１４ａと遮蔽部１１５ａは集束型グリッドと同様に集束位置１１６ａが存在するように配置されている。但し本明細書では、遮蔽部のＸ線源側の中心と検出器側の中心を結んだ中心線を、Ｘ線源の方へ延長した延長線１１３ａが少なくとも２本以上交わる位置の集合のことを集束位置とする。
また本明細書では、分割素子１０３ａのＸ線源側の表面から集束位置１１６ａに引いた垂線を分割素子の中心軸１１２ａと呼び、中心軸１１２ａの、分割素子１０３ａのＸ線側の表面から集束位置１１６ａまでの線分の長さを集束距離と呼ぶ。
分割素子の透過部の幅をＧａ、遮蔽部の幅をＧｂ、分割素子の厚さをｔとそれぞれ表し、特に本実施形態に用いる分割素子１０３ａの透過部の幅をＧａ１、遮蔽部の幅をＧｂ１、分割素子の厚さをｔ１としてそれぞれ表す。本実施形態に用いられる分割素子１０３ａは、Ｇａ１が１０μｍ〜１８０μｍ、Ｇｂ１が２０μｍ〜１８０μｍ、Ｇａ１＋Ｇｂ１が５０μｍ〜２００μｍ、ｔ１が１００μｍ〜１ｍｍの範囲内であることが好ましい。但し、透過部と遮蔽部の幅とは、分割素子のＸ線源側の表面における透過部又は遮蔽部の幅のことを指し、幅とは分割素子の中心軸に対して垂直な方向における幅である。また、分割素子の厚さとは、光軸方向における分割素子の厚さのことを指す。
Ｘ線源（Ｘ線焦点）１０１が配置されている場所と集束位置１１６ａが一致するように分割素子１０３ａを配置すると、光軸１１１と分割素子の中心軸１１２ａの位置が一致する。この時、発散Ｘ線１０２は遮蔽部１１５ａに対してほぼ平行に入射するため、分割素子１０３ａを透過直後のＸ線ビーム１０５ａの幅は透過部の幅Ｇａ１とほぼ一致する。
本実施例では、図２に示すように分割素子１０３ａを光軸１１１に対して垂直に移動させて配置している。すると分割素子の集束位置１１６ａも光軸１１１に対して垂直に移動し、その結果、発散Ｘ線１０２は遮蔽部１１５ａの中心線に対して角度θ１で入射する。すると、発散Ｘ線の一部は遮蔽部１１５ａの側面により遮蔽され、分割素子１０３ａを透過直後のＸ線ビーム１０５ａの幅（分割素子により形成されたＸ線ビームの、分割素子の検出器側表面における幅）が透過部の幅Ｇａ１よりも小さくなる。但し、遮蔽部の側面とは遮蔽部の、透過部と接する面のことを指す。
図３（ａ）に示すように、１次元の分割素子１０３ａの透過部と遮蔽部の配列方向をｘ軸、透過部と遮蔽部の配列方向と光軸１１１に垂直な方向をｙ軸とする。この時、分割素子１０３ａをｘ軸方向に移動させると小さな移動量でＸ線ビーム１０５ａの幅を小さくすることができる。
このとき図２に示すｘ軸上の位置ｘに存在する遮蔽部に対する発散Ｘ線１０２の入射角度θ１は、分割素子の平行移動量ｄｘとＸ線源１０１から分割素子１０３ａまでの距離Ｌ１に依存し、式１で表せる。但し、Ｘ線源から分割素子までの距離とは、Ｘ線源の中心から分割素子のＸ線源側表面までの距離のことを指す。
（式１）θ１（ｘ）＝ａｒｃｔａｎ（ｘ／Ｌ１）−ａｒｃｔａｎ（（ｘ−ｄｘ）／Ｌ１）
また、遮蔽部に対する発散Ｘ線１０２の入射角度θから得られる分割素子の実質開口率Ｄは
（式２）Ｄ ＝ （Ｇａ−ｔ×ｔａｎθ）／（Ｇａ＋Ｇｂ）
で表すことができ、分割素子に入射するＸ線と遮蔽部１１５ａの中心線がなす角度の影響を受ける。
分割素子で形成されたＸ線ビームが検出器上で形成するＸ線ビームの幅をＧｄ、Ｘ線源で発生する発散Ｘ線の実効焦点サイズをｆ、分割素子から検出器までの距離をＬ２と表す。すると、検出器上のＸ線ビームの幅Ｇｄは式３で表わされる。
（式３）Ｇｄ＝（Ｇａ−ｔ×ｔａｎθ）×（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１＋ｆ×Ｌ２／Ｌ１
上述の通り、本実施形態のＸ線撮像装置では検出器１０６上で形成されるＸ線ビーム１０５ａの幅（Ｇｄ１）が小さくなるほど位相検出感度が向上する。式１と式３から分割素子１０３ａをｄｘ移動させることで、検出器１０６上で形成されるＸ線ビーム１０５ａの幅Ｇｄ１を小さくすることができることが分かる。
また、分割素子によって形成されるＸ線ビームの幅Ｇｄが不均一だと被検体の撮像に影響が生じる可能性があるため、各遮蔽部におけるθのばらつきは小さい方が好ましい。本実施形態のＸ線撮像装置では、各遮蔽部におけるθ１は分割素子の中央に寄るほど大きく、端にいくほど小さくはなるが、各遮蔽部におけるθ１の値が所望の値±１０％の範囲内の値をとることができれば撮像への影響はほとんど生じない。ここで指す分割素子の中央とは、図３（ａ）のｘｙ平面上のｘ座標がｄｘ／２の位置を指す。しかし、例え各遮蔽部におけるθ１のばらつきが±１０％以上であっても、予め１つ１つのＸ線ビームの幅Ｇｄを把握しておけば、演算装置によって被検体の位相を演算する際にＸ線ビームの幅のばらつきを補正することができる。
分割素子の移動量は用いる分割素子の透過部１１４ａの幅Ｇａ１、遮蔽部１１５ａの幅Ｇｂ１、分割素子の厚さｔ１、得たいＸ線ビームの幅Ｇｄ１、等に応じて適宜決めることができる。θ１が大きい方がＸ線ビームの幅を小さくすることができるが、θ１が大きすぎると実質開口率が小さくなりＸ線のロスが大きくなる。実質開口率は５％以上であることが好ましいため、本実施例の場合は分割素子の透過部や遮蔽部の幅、分割素子の厚さ、得たいＸ線ビームの幅を考慮すると、θ１は２０度未満の値をとることが好ましく、更に１５度未満であることが好ましい。また、より幅の小さな分割素子を用いた時と同じ位にＸ線ビームの幅を小さくするためにはθ１は０度より大きいことが求められる。更にθ１は１度以上であることが好ましい。実質開口率は隣り合う透過部間の距離や得たいＸ線ビームの幅に応じて適宜決めることができる。従来、開口率が５０％以下の分割素子を製造することが困難であったが、本実施例を用いれば実質開口率を５０％未満にすることもできる。但し、分割素子の実質開口率を５０％以上に設定したい場合であっても本発明は有用である。
また、本実施例のＸ線撮像装置は分割素子１０３ａの移動部１０８により分割素子１０３を移動させることが可能な構造をとる。これにより、得たいＸ線ビームの幅Ｇｄ１に応じて移動量ｄｘを変更することができる。また、予め上述のようにＸ線源と分割素子を配置しておけば、移動部１０８を設けなくても良い。
本実施形態は分割素子１０３ａを移動しているが、Ｘ線源１０１を同様に動かして遮蔽部に対する発散Ｘ線１０２の入射角度θ１を調整しても良い。また、本実施形態の分割素子１０３ａは透過部１１４ａと遮蔽部１１５ａが１次元に配置されている１次元の分割素子であるが、２次元の分割素子を用いることもできる。２次元の分割素子を用いる場合は、図３（ｂ）に示すように、分割素子２０３をｘｙ平面上にあり、ｘ軸となす角度とｙ軸となす角度が共に４５°である方向に移動させると小さな移動量でＸ線ビームの幅を小さくすることができる。
被検体１０４を透過したＸ線ビームは検出器１０６によって検出される。本実施形態において、検出器１０６はＸ線を撮像することができる撮像素子が２次元に配置された２次元検出器である。例えば、デジタル信号への変換が可能なＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）やＣＣＤ（Ｃａｒｇ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることができる。
検出器１０６による検出結果は演算装置１０７に送られて演算が行われ、被検体の位相に関する画像を得ることができる。演算装置１０７をＸ線撮像装置と別個に用意し、検出器と接続することにより被検体の位相に関する画像を得るための演算を行っても良い。また、Ｘ線撮像装置は必要に応じて演算装置１０７による演算により得られた画像を表示する表示装置（不図示）を備えていても良い。
（実施形態２）
実施形態２のＸ線撮像装置の構成例を図４に示す。
実施形態２のＸ線撮像装置は分割素子１０３ａの配置以外は実施形態１のＸ線撮像装置と同じ構成をとる。
図５は、図４のＸ線源１０１から分割素子１０３ａの部分を拡大した図であり、発散Ｘ線１０２が分割素子１０３ａにより分割され、Ｘ線ビーム１０５ｂが形成される様子を示している。分割素子１０３ａは実施形態１のＸ線撮像装置に用いられる分割素子１０３ａと同じものであり、集束位置１１６が存在する。
実施形態２のＸ線撮像装置の分割素子１０３ａの配置について説明をする。まず、分割素子の集束位置１１６ａとＸ線源１０１の配置場所が一致するように分割素子１０３ａを配置した後、分割素子１０３ａを回転させる。図５に示した分割素子１０３ａは光軸上の１点を中心として回転しているが、分割素子１０３ａの回転中心は光軸上でなくても良い。すると、光軸１１１と分割素子の中心軸１１２ａはα１の角度をなす。また、この時、分割素子の集束位置１１６は光軸上の１点（分割素子を回転させた中心）を中心としてＸ線源が配置されている位置を回転させた位置と一致する。分割素子をこのように配置すると、発散Ｘ線１０２は各遮蔽部１１５ａの中心線に対して角度θ２で入射することになり、分割素子１０３ａを透過した直後のＸ線ビーム１０５ｂの幅は透過部の幅Ｇａ１よりも小さくなる。また、図３（ａ）に示すように、１次元の分割素子１０３ａを回転軸αｙを中心に回転させると、小さい回転角度でＸ線ビーム１０５ｂの幅を小さくすることができる。このときの各遮蔽部１１５ａの中心線に対する発散Ｘ線１０２の入射角度θ２は、分割素子１０３ａの回転角度αに依存し、式４で表せる。
（式４）θ２＝α
各遮蔽部におけるθ２はθ１と異なり、ばらつきがない（製造誤差を無視した場合。）。
また、式４の入射角度から得られる分割素子１０３ａの実質開口率は実施形態１と同様に式２で表すことができる。
式３より、分割素子１０３ａで形成されたＸ線ビーム１０５ｂが検出器１０６上で形成する幅（Ｇｄ２）は、拡大率（（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１）に依存する。本実施形態のように分割素子を回転させると、Ｘ線源１０１から各透過部１１４ａまでの距離Ｌ１と各透過部１１４ａから検出器１０６までの距離Ｌ２にばらつきが生じるため、各Ｘ線ビームによって拡大率が異なる。すると、各Ｘ線ビームが検出器１０６上で形成する幅にばらつきが生じる。θ２が小さい場合にはこのばらつきは無視出来るが、θ２が大きい場合には、予め１つ１つのＸ線ビーム１０５ｂの幅を把握しておく必要がある。１つ１つのＸ線ビーム１０５ｂ幅を把握しておけば、演算装置によって被検体の位相を演算する際にＸ線ビームの幅のばらつきを補正することができる。または、検出器１０６上でのＸ線ビーム１０５ｂ幅を一定にするために、分割素子１０３ａを回転した角度・方向と同じ角度・方向に検出器１０６を回転させても良い。
本実施例の分割素子１０３ａは１次元の分割素子であるが、２次元の分割素子を用いても良い。２次元の分割素子２０３を用いる場合は図３（ｂ）に示すように、分割素子２０３を回転軸αｘｙを中心に回転させると、小さい回転角度でＸ線ビーム１０５ｂの幅を小さくすることができる。回転軸αｘｙは、ｘｙ平面上にあり、ｘ軸となす角度とｙ軸となす角度が共に４５°である。
また、Ｘ線ビーム１０５ｂの幅を調整するために実施形態１と実施形態２を併せ、分割素子１０３ａの移動と回転を同時に行っても良い。別の方法として、分割素子１０３ａを光軸上の１点を中心として回転させた後、光軸方向に移動させてＸ線源１０１から分割素子１０３ａの距離Ｌ１を短くしたり長くしたりすることで、Ｌ１と集束距離が異なっていても良い。但しその結果、各遮蔽部のθ２にばらつきが生じるため、Ｌ１と集束距離が大きく異なる場合（例えば集束距離がＬ１の±１％の範囲外）はθ２が小さくても１つ１つのＸ線ビームの幅を把握し、補正して被検体の位相を演算する必要がある。
また、実施形態１と同様に予め上述のようにＸ線源と分割素子を配置しておけば、移動部１０８を設けなくても良い。
（実施形態３）
実施形態３のＸ線撮像装置の構成例を図６に示す。
実施形態３のＸ線撮像装置は用いる分割素子１０３ｃとその配置以外は実施形態１のＸ線撮像装置と同じ構成をとる。
図７は、図６のＸ線源１０１から分割素子１０３ｃの部分を拡大した図であり、発散Ｘ線１０２が分割素子１０３ｃにより分割され、Ｘ線ビーム１０５ｃが形成される様子を示している。図７に示すように本実施形態に用いる分割素子１０３ｃには、分割素子の集束位置１１６ｃとＸ線源が特定の位置にあるときに各遮蔽部１１５ｃに対する発散Ｘ線１０２の入射角度が全て同じ角度θ３をとるように遮蔽部１１５ｃと透過部１１４ｃが設けられている。図７に示したＸ線撮像装置においては、Ｘ線源が配置されている位置を光軸に対して所定の距離垂直に移動した位置に集束位置があるときに各遮蔽部１１５ｃに対する発散Ｘ線１０２の入射角度はθ３である。これにより、分割素子１０３ｃを透過直後のＸ線ビーム１０５ｃの幅は透過部の幅Ｇａ３よりも小さくなる。また、各遮蔽部１１５ｃに対する発散Ｘ線１０２の入射角度が一定なので、分割素子１０３ｃを透過直後のＸ線ビーム１０５ｃの幅も一定にすることができる。本実施形態では、分割素子１０３ｃの遮蔽部の中心線の延長線１１３ｃは２本ずつ交わり、その交点の集合である集束位置１１６ｃは図３（ａ）に示したｘ軸とｙ軸に垂直な光軸方向に特定の幅ｄｚを有する線状になる。ｄｚは分割素子の大きさや集束距離にもよるが、一般的に分割素子１０３ｃの製造誤差を含めても２ｃｍ以下となる。
被検体による屈折量を得る方法に関しては、実施形態１と同様である。また、本実施形態では１次元の分割素子１０３ｃを用いているが２次元の分割素子も本実施形態に用いることができる。
また、実施形態１と同様に予め上述のようにＸ線源と分割素子を配置しておけば、移動部１０８を設けなくても良い。
本実施形態のＸ線撮像装置では各遮蔽部１１５ｃに対する発散Ｘ線１０２の入射角度が全て同じ角度θ３（製造誤差を無視した場合。）であり、Ｘ線ビームの拡大率のばらつきもないため、Ｘ線ビームの幅のばらつきをなくすことができる。
（実施形態４）
実施形態４のＸ線撮像装置の構成例を図８に示す。
実施形態４では、平行Ｘ線を発生するＸ線源を用いたＸ線撮像装置について説明をする。
Ｘ線源と分割素子以外の構成は実施形態１と同じである。
図８に示すＸ線撮像装置は、Ｘ線源２０１とＸ線源２０１から出射した平行Ｘ線２０２を分割してＸ線ビーム１０５ｄを形成する分割素子１０３ｄと、Ｘ線ビームを検出する検出器１０６と、検出器１０６による検出結果に基づいて演算を行う演算部１０７を備える。また、分割素子１０３ｄの移動・回転手段である１０８も備えている。
平行Ｘ線２０２を空間的に分割する分割素子１０３ｄは、医療用レントゲン装置において被検体を撮像中に発生する散乱Ｘ線を除去するために使用する平行型グリッドと同様の構造を持つ。この構造は、図８に示すように分割素子１０３ｄの遮蔽部１１５ｄの中心線が夫々平行に設けられている構造であり、集束型グリッドとは異なり集束位置が存在しない。
また、図８に示した分割素子１０３ｄは分割素子１０３ｄの表面に対して透過部１１４ｄと遮蔽部１１５ｄが垂直に設けられている構造である。そのため、平行Ｘ線２０２が分割素子１０３ｄに対して垂直に入射するときには、平行Ｘ線２０２は各遮蔽部１１５ｄの中心線に対して平行に入射し、分割素子１０３ｄを透過した直後のＸ線ビーム１０５ｄの幅は分割素子１０３ｄの透過部の幅Ｇａ４とほぼ一致する。上記の状態から、分割素子１０３ｄをある１点を中心に回転させる。図８に示した分割素子１０３ｄは光軸２１１上の１点を中心に回転しているが、分割素子１０３ｄの回転中心は光軸上でなくても良い。平行Ｘ線２０２と各遮蔽格子の中心線は角度θ４をなす。θ４は、分割素子１０３ｄの回転角度α２に依存し、式４で表せる。また、分割素子１０３ｄの実質開口率は実施形態１と同様に式２で表すことができる。
また、分割素子を光軸に対して回転させる代わりに、図９に示すように分割素子１０３ｅの表面と遮蔽部１１５ｅの中心線が特定の角度（９０度−θ５）をなすように遮蔽部１１５ｅが設けられている分割素子１０３ｅを用いても良い。すると、各遮蔽部１１５ｅに対する平行Ｘ線２０２の入射角度はθ５であり、透過部１１４ｅの幅Ｇａ５よりも分割素子１０３ｅを透過した直後のＸ線ビーム１０５ｅの幅が小さくなる。この分割素子も各遮蔽部１１５ｅは互いに平行である。この本実施形態は１次元分割素子を元に明記しているが、２次元分割素子でもよい。
また、実施形態１と同様に予め上述のようにＸ線源と分割素子を配置しておけば、移動部１０８を設けなくても良い。
各実施形態のより具体的な実施例について説明する。
実施例１では、実施形態１と実施形態２のより具体的な実施例について説明をする。
本実施例では、Ｘ線源として、モリブデン、銀やタングステンターゲットの回転対陰極型のＸ線発生装置を用いる。このＸ線源からは発散Ｘ線が発生し、分割素子に照射される。
分割素子は、透過部として幅７０μｍ，厚さ５００μｍのアルミニウム、遮蔽部として幅３０μｍ，厚さ５００μｍの鉛を有している。集束位置は分割素子から８０ｃｍの位置にある。この分割素子の開口率は７０％である。但し、本明細書における開口率とは分割素子分割素子の面積に対する透過部の面積を指し、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｇｂ）×１００で表され、分割素子の遮蔽部に対するＸ線の入射角度の影響を受けない。
Ｘ線源の配置場所に集束位置が一致するように分割素子を配置すると、実質開口率は開口率と等しく、７０％である。分割素子を移動させることで集束位置を光軸に対して垂直方向に２．８ｃｍ移動すると実質開口率は５２％、５．６ｃｍ移動すると３５％、８．４ｃｍ移動すると１７％に減少し、それに伴い分割素子により形成されるＸ線ビームの幅が小さくなる。
同様に、Ｘ線源の配置場所と集束位置が一致するように分割素子を配置した状態から、分割素子の表面と光軸の交点を中心としてＸ線源を４度回転させた位置に集束位置がくるように分割素子を配置すると実質開口率は３５％になる。この時、分割素子の中心軸と光軸のなす角度は４度である。
分割素子により分割されたＸ線ビームを分割素子の直後に配置した被検体に照射する。更に、分割素子の後方８０ｃｍの位置に２次元のフラットパネル検出器を配置して、被検体を透過したＸ線ビームの屈折量を検出する。検出器は、Ｘ線ビームの１つ１つが検出器の複数の画素にまたがるように配置し、Ｘ線ビーム屈折量は検出器の画素毎の強度の分布から得られる。
本実施例はＸ線ビームを被検体に照射するため被検体の一部にのみにＸ線ビームが照射され、被検体にはＸ線ビームが照射されない部分が存在する。Ｘ線ビームが照射されない部分の被検体の情報は得られないため１回の撮像では被検体全体の情報を得ることができないが、Ｘ線ビームまたは被検体を動かしてＸ線で被検体を走査することで被検体の情報量を増やすことが可能である。上記の撮像方法にて分割素子を走査する場合、検出器は分割素子を走査した距離に対して拡大率（（Ｌ１＋Ｌ２）／Ｌ１）をかけた距離を走査することが望ましい。
実施例２では、実施形態３をより具体的に説明する。
本実施例のＸ線撮像装置の構成は、分割素子以外は実施例１と同じである。
この分割素子は、透過部として幅７０μｍ厚さ５００μｍのアルミニウム、遮蔽部として幅３０μｍ厚さ５００μｍの鉛を有しており、実施例１同様Ｘ線源から８０ｃｍの位置に配置されている。
またこの分割素子は、Ｘ線撮像装置の光軸が分割素子の中央を通るように分割素子を配置した時、全ての遮蔽部の中心線が分割素子に入射する発散Ｘ線と４．２度の角度をなすように遮蔽部が配置されている。本実施例のＸ線撮像装置では上述のように光軸が分割素子の中央を通るように配置されており、その結果遮蔽部の中心線が発散Ｘ線と４．２度の角度をなすため式２から実質開口率が３３％になる。被検体の屈折量を得る方法に関しては、実施例１と同様である。
実施例３では、実施形態１を用いて２次元方向のＸ線位置変化検出を同時に測定する方法をより具体的にて説明する。
図１０を用いて、Ｘ線撮像装置について説明する。図１０において、１０１は発散Ｘ線１を発生するＸ線源、１０３ｆと１０３ｇは１次元分割素子、１０４は被検体、１０６は２次元フラットパネル検出器である。１０８、２０８はそれぞれ分割素子１０３ｆと１０３ｇの移動・回転手段である。
本実施例のＸ線源は、実施例１と同じである。また、Ｘ線源から２枚の分割素子の中間位置までの距離は８０ｃｍである。
本実施例の分割素子１０３ｆと１０３ｇは共に、幅７０μｍ、厚さ５００μｍのアルミニウムからなる透過部と、幅３０μｍ，厚さ５００μｍの鉛からなる遮蔽部を有し、集束位置は分割素子表面から８０ｃｍの位置にある。分割素子１０３ｆと１０３ｇは、分割素子１０３ｆの遮蔽部と透過部の配列方向と分割素子１０３ｇの遮蔽部と透過部の配列方向が直行し、且つ２つの分割素子は２つの集束位置がなるべく近くに位置するように互いに接するように配置されている。実際には２つの分割素子の集束位置は分割素子の厚さ５００μｍ分ずれて位置するが、この程度のずれは誤差範囲として無視できる。Ｘ線源１０１から発生した発散Ｘ線は、分割素子１０３ｆの透過部と分割素子１０３ｇの透過部が空間的に重なっている部分のみ透過することができるため、分割素子１０３ｆと１０３ｇにより形成されたＸ線ビームは２次元のドットアレイ状である。
Ｘ線源１０１が分割素子１０３ｆと１０３ｇの集束位置に配置されている時の実質開口率は４９％だが、分割素子１０３ｆをｘ軸方向、分割素子１０３ｇをｙ′軸方向にそれぞれ２．８ｃｍ移動すると実質開口率は２７％になる。また、５．６ｃｍ移動すると実質開口率は１２％になる。同様に、Ｘ線源１０１が分割素子１０３ｆと１０３ｇの集束位置に配置されている状態から、分割素子１０３ｆを回転軸αｙ、分割素子１０３ｇを回転軸βｘでそれぞれ４度回転すると開口率は１２％になる。
図１０に示したＸ線撮像装置は分割素子を２枚用いて発散Ｘ線を２次元に分割したが、２次元方向に遮蔽部と透過部が配列された分割素子１枚で発散Ｘ線を２次元に分割しても良い。図１１に示したＸ線撮像装置は１枚の２次元分割素子２０３ｂで発散Ｘ線を２次元に分割している。２次元分割素子２０３ｂは、図１０の分割素子１０３ｆの遮蔽部と透過部の配列方向と分割素子１０３ｇの遮蔽部と透過部の配列方向が直行する位置を維持した状態で２つの分割素子を貼り合わせた構造を有している。２次元分割素子２０３ｂをｘｙ平面上にあり、ｘ軸となす角度とｙ軸となす角度が共に４５度である方向（図３（ｂ）の移動方向に対応する方向）に４ｃｍ移動すると実質開口率は２７％、８ｃｍ移動すると実質開口率は１２％に減らすことが可能である。また、２次元分割素子２０３ｂの回転軸αｘｙを回転することでも実質開口率を変えることができる。
分割素子１０３ｆ、１０３ｇ、２０３ｂの実質開口率を調整するために分割素子１０３ｆ、１０３ｇ、２０３ｂの移動と回転を同時に行っても良い。また、分割素子１０３ｆ、１０３ｇ、２０３ｂの代わりにＸ線源１０１を移動・回転させても良い。
被検体１０４の屈折量を得る方法に関しては、実施例１と同様である。
実施例４では実施形態４の具体的な例について説明をする。
本実施例に用いられるＸ線は平行Ｘ線である。
本実施例において、分割素子幅７０μｍ、厚さ５００μｍのアルミニウムからなる透過部と、幅３０μｍ，厚さ５００μｍの鉛からなる遮蔽部を有している。また、分割素子の表面と遮蔽部の中心線が８６度をなすように遮蔽部が設けられているため、分割素子の遮蔽部の中心線と平行Ｘ線がなす角度は４度であり、実質開口率は３５％になる。更に、上記の状態から分割素子の実質開口率を調整するために分割素子を回転しても良い。本実施例で被検体の屈折量を得る方法は、実施例１と同様である。
実施例５では、分割素子の透過部と遮蔽部のＸ線屈折率差により生じるＸ線の屈折と、分割素子の透過部で生じる回折を考慮したときのＸ線ビームの強度分布について具体的に説明をする。本実施例では実施形態１のＸ線撮像装置を用いたときのＸ線ビームの強度分布を計算した結果を説明する。
式３は、分割素子の透過部と遮蔽部のＸ線屈折率差により生じるＸ線の屈折と、分割素子の透過部で生じる回折を考慮していない。実際には図１２に示すように、分割素子１０３ｈに入射した発散Ｘ線１０２は、透過部１１４ｈと遮蔽部１１５ｈの境界面で屈折する（屈折角度φ）。このことから、分割素子１０３ｈは屈折による集光効果を有する。図１３に、分割素子１０３ｈの透過部１１４ｈと遮蔽部１１５ｈの屈折率差で生じるＸ線の屈折、透過部で生じる回折、Ｘ線源１０１の焦点サイズによるボケを考慮したＸ線ビームの強度分布の計算結果を示す。計算は、透過部の幅Ｇａ８と遮蔽部の幅Ｇｂ８を足した幅分のＸ線について行った。
本実施例では、透過部として幅７５μｍ厚み４００μｍのアルミニウム、遮蔽部として幅２５μｍ厚み４００μｍの鉛を有する分割素子１０３ｈと焦点サイズが５０μｍで発散Ｘ線を発生させるＸ線源を用いたＸ線撮像装置について計算を行った。本実施例のＸ線撮像装置は、分割素子の集束位置を分割素子の表面と光軸の交点を中心として８度回転させた位置にＸ線源を配置し、Ｌ１＝１ｍ、Ｌ２＝８０ｃｍである。図１３にＸ線ビーム１つ分のＸ線強度分布を実線で示した。
比較例として、透過部として幅３４μｍ厚み４００μｍのアルミニウム、遮蔽部として幅６６μｍ厚み４００μｍの鉛を有する分割素子と、焦点サイズが５０μｍで発散Ｘ線を発生させるＸ線源を用いたＸ線撮像装置について同様に計算を行った。本比較例のＸ線撮像装置は、分割素子の集束位置にＸ線源を配置し、Ｌ１＝１ｍ、Ｌ２＝８０ｃｍである。計算結果を図１３の破線で示した。図１３を見ると実線と破線がほぼ一致しており、このことから本発明を用いることにより透過部の幅よりも小さな幅をもつＸ線ビームを実際に形成できることが分かった。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
１０１ 発散Ｘ線を発生するＸ線源
１０２ 発散Ｘ線
１０３（ａ〜ｈ） 分割素子
１０４ 被検体
１０５（ａ〜ｈ） Ｘ線ビーム
１０６ 検出器
１０７ 演算装置
１０８ 分割素子を移動・回転する手段
１１１ 光軸
１１２ 分割素子の中心線
１１３ 遮蔽部の中心線の延長線
１１４（ａ〜ｈ） 透過部
１１５（ａ〜ｈ） 遮蔽部
１１６（ａ〜ｃ） 分割素子の集束位置

Claims (9)

  1. Ｘ線源と、
    前記Ｘ線源から出射した発散Ｘ線を分割する分割素子と、
    前記分割素子により分割され、被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、
    を備えたＸ線撮像装置であって、
    前記分割素子は、前記発散Ｘ線を透過する複数の透過部と前記発散Ｘ線を遮蔽する複数の遮蔽部とを有し、
    前記複数の遮蔽部の夫々の前記Ｘ線源側の中心と前記検出器側の中心とを結んだ中心線を前記Ｘ線源の方へ延長した複数の延長線が交わる集束位置と前記Ｘ線源とが異なる位置に配置されていることを特徴とするＸ線撮像装置。
  2. 前記Ｘ線源が配置されている位置を光軸に対して垂直に移動した位置と前記集束位置が一致するように前記分割素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
  3. 前記Ｘ線源が配置されている位置を光軸上の１点を中心として回転させた位置と前記集束位置が一致するように前記分割素子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
  4. 前記遮蔽部の中心線と、前記複数の遮蔽部の夫々に入射するＸ線がなす角度をθとすると、
    θは０度より大きく、２０度未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
  5. 前記θが１度以上、１５度未満であることを特徴とする請求項４に記載のＸ線撮像装置。
  6. 前記分割素子に入射したＸ線が前記複数の遮蔽部の夫々の側面により遮蔽されることで、
    前記分割素子により分割された全てのＸ線の前記分割素子の前記検出器側の表面における幅が、
    前記分割素子の前記Ｘ線源側の表面における透過部の幅よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
  7. Ｘ線源と、
    前記Ｘ線源から出射した平行Ｘ線を分割する分割素子と、
    前記分割素子により分割され、被検体を透過したＸ線の強度を検出する検出器と、
    を備えたＸ線撮像装置であって、
    前記分割素子は、前記平行Ｘ線を透過する複数の透過部と前記平行Ｘ線を遮蔽する複数の遮蔽部を有し、
    前記複数の遮蔽部の夫々の前記Ｘ線源側の中心と前記検出器側の中心を結んだ中心線と、前記遮蔽部に入射するＸ線がなす角度が、０度より大きく２０度未満であることを特徴とするＸ線撮像装置。
  8. 前記中心線と、前記遮蔽部へ入射するＸ線がなす角度が、１度より大きく１５度未満であることを特徴とする請求項７に記載のＸ線撮像装置。
  9. 前記分割素子の実質開口率を下記式のように定めるとき、
    前記実質開口率が５％以上、５０％未満であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
    Ｄ ＝ （Ｇａ−ｔ×ｔａｎθ）／（Ｇａ＋Ｇｂ）
    但し、Ｄ：実質開口率、Ｇａ：前記分割素子の前記Ｘ線源側の表面における透過部の幅、ｔ：分割素子の厚さ、Ｇｂ：前記分割素子の前記Ｘ線源側の表面における遮蔽部の幅、θ：前記遮蔽部の中心線と、前記遮蔽部に入射するＸ線がなす角度。
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