JP2012129184A - 放射線管装置及び放射線画像撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】小焦点化及びマルチビーム化したＸ線管において、陽極の熱による劣化を防止する。
【解決手段】Ｘ線管に用いられる回転陽極の陽極本体３０のビーム照射面２９に、溝３３と、溝３３の表面に設けられた第１のＸ線非発生材３７と、溝３３内に埋め込まれた第２のＸ線非発生材３４とからなる複数のＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄと、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄの間に設けられ、ビーム照射面２９の表面から構成される複数のＸ線発生部３６ａ〜３６ｃとを設けている。陰極から電子ビームが照射されると、Ｘ線発生部３６ａ〜３６ｃは、放射線画像撮影に適した強度及び波長域のＸ線を発生するので、小焦点化され、かつ所定ピッチで配列された仮想的な複数の点光源を得られる。第１のＸ線非発生材３７及び第２のＸ線非発生材３４は、例えばカーボン及びアルミニウムからなるので、陽極本体３０の熱が放熱される。
【選択図】図４

Description

本発明は、位相コントラスト画像の撮影に用いられる放射線管装置と、この放射線管装置を用いた放射線画像撮影システムとに関する。

放射線、例えばＸ線は、物体に入射したときの相互作用により強度と位相とが変化し、位相の変化が強度の変化よりも高い相互作用を示すことが知られている。このＸ線の性質を利用し、被検体によるＸ線の位相変化（角度変化）に基づいて、Ｘ線吸収能が低い被検体から高コントラストの画像（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。

Ｘ線位相イメージング装置として、タルボ・ロー干渉計を用いたＸ線画像撮影システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。このＸ線画像撮影システムは、一般的な通常サイズのＸ線焦点（例えば、０．１〜１ｍｍ程度）を有するＸ線源から放射されたＸ線をマルチスリットによって部分的に遮蔽し、細幅かつ線状で所定ピッチで配置された複数の仮想的なＸ線源を形成する。マルチスリットにより形成された仮想的なＸ線源は、焦点サイズが小さくなるため、Ｘ線位相イメージングに最適な空間的可干渉性を得ることができ、Ｘ線源が複数になるのでＸ線強度を高めることができる。

上記Ｘ線画像撮影システムは、マルチスリットに対面するように第１の格子を配置し、第１の格子からタルボ干渉距離だけ下流に第２の格子を配置している。第２の格子の背後には、Ｘ線を検出して画像を生成するＸ線画像検出器（ＦＰＤ：Flat Panel Detector）が配置されている。そして、マルチスリットと第１の格子との間に配置された被検体を透過したＸ線から、第１及び第２の格子により縞画像を生成し、縞画像の変化を縞走査法により検出して、被検体の位相情報を取得する（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。

縞走査法とは、第１の格子に対して第２の格子を、第１の格子の面にほぼ平行で、かつ第１の格子の格子方向（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値の変化から、被検体で屈折したＸ線の角度分布（位相シフトの微分像）を取得する方法であり、この角度分布に基づいて被検体の位相コントラスト画像を得る。この縞走査法は、レーザ光を利用した撮影装置においても用いられている（例えば、非特許文献２参照）。

マルチスリットは、Ｘ線を吸収すべき部分の機能を保証するために、十分な厚さを持つ必要がある。しかも、マルチスリットは、数十ミクロンの間隔で十ミクロン程度のスリット幅を持つ必要がある。このため、マルチスリットは、アスペクト比の高い構造となってしまい、作製が難しいという問題がある。さらに、Ｘ線は、発生源から放射状に広がるので、高いアスペクト比を持つＸ線マルチスリットは、理想的には、Ｘ線源を曲率中心とした円筒面である必要がある。このことも、マルチスリットの作製を難しくしている。

従来、製造が難しいマルチスリットを使用せずに、マルチスリットを用いたＸ線源と同様にＸ線を小焦点化及びマルチビーム化できるようにしたＸ線源が発明されている。このＸ線源は、電子ビームの照射によってＸ線を発生しない材質で形成された支持基板上に、電子ビームの照射によりＸ線を発生する陽極をストライプ状に配置することにより、細幅かつ線状で所定ピッチで配置された複数の仮想的なＸ線源を形成している（例えば、特許文献２参照）。

また、特許文献３には、タングステン、モリブデン等の原子番号が大きな高Z材料と、アルミニウム、ベリリウム等の原子番号が小さな低Z材料とを交互に配置した陽極を用いることによりマルチビーム化したＸ線源が開示されている。また、特許文献４には、特許文献３のＸ線源を用いてタルボ干渉法により位相コントラスト画像を撮影できるようにしたＸ線画像撮影システムが開示されている。

特表２００８−５４５９８１号公報 特開２００９−１９５３４９号公報 中国公開公報 ＣＮ１９１７１３５ 米国公開公報 ＵＳ２０１０／００９１９４７

C. David, et al., Applied Physics Letters, Vol.81, No.17, 2002年10月，3287頁 Hector Canabal, et al., Applied Optics, Vol.37, No.26, 1998年9月，6227頁

Ｘ線管では、陽極に照射された電子ビームの総エネルギーのうち、Ｘ線に変換されるエネルギーの変換率は１％以下であり、残りの９９％以上は熱となって陽極を加熱することが知られている。特許文献３では、現ヂ番号が低い低Ｚ材料を用いているが、このような材料は単体では融点が低くいため、電子ビームの照射による加熱で溶融したり、高Ｚ材料と低Ｚ材料とが合金化する等して陽極が劣化することが懸念される。

本発明の目的は、小焦点化及びマルチビーム化した放射線管装置において、陽極の熱による劣化を防止することにある。

上記課題を解決するために、本発明の放射線管装置は、電子ビームを放射する陰極と、電子ビームが照射されるビーム照射面を有する陽極本体と、ビーム照射面に設けられ、電子ビームの照射によって放射線画像の撮影が可能な放射線を発生する複数の放射線発生部、及び放射線発生部の間にそれぞれ配置され電子ビームの照射によって放射線画像の撮影に使用可能な放射線を発生しない複数の放射線非発生部とを有する陽極と、を備えており、放射線非発生部は、ビーム照射面に設けられた溝と、２種類以上の元素で構成され溝内に埋め込まれた放射線非発生材とを含んでいる。

放射線非発生材を構成する２種類以上の元素には、原子番号が３０以下の元素が少なくとも１つ以上含まれていることが好ましい。また、放射線非発生材は、溝の表面に設けられた第１の放射線非発生材と、溝内に埋め込まれた第２の放射線非発生材とから構成してもよい。この場合、第１及び第２の放射線非発生材は、それぞれ単元素または２種類以上の元素の化合物から構成するのが好ましい。また、別の放射線非発生材としては、２種類以上の元素の化合物であってもよい。

陽極に、複数の放射線発生部及び放射線非発生部によって複数本の放射線ビームを放射するマルチビーム発生部と、１つの放射線発生部によって１本の放射線ビームを放射する単ビーム発生部とを設け、電子ビームをマルチビーム発生部と単ビーム発生部とに選択的に照射させる電子ビーム切替手段を備えていてもよい。

また、陽極に、複数の放射線発生部及び放射線非発生部の配置間隔を異ならせることにより、放射される放射線ビームの配置間隔をそれぞれ異ならせた複数のマルチビーム発生部を設け、電子ビームを複数のマルチビーム発生部に選択的に照射させる電子ビーム切替手段を備えていてもよい。

陽極が円板状の回転陽極であるときには、射線発生部及び放射線非発生部を、陽極板に設けられたビーム照射面に円環状に設けてもよい。

本発明の放射線画像撮影システムは、放射線を透過する部分と吸収する部分とからなる格子構造が周期的に配置され、放射線源から照射された放射線を通過させて第１の周期パターン像を形成する第１の格子と、第１の周期パターンに対して位相が異なる少なくとも１つの相対位置で第１の周期パターン像に強度変調を与える強度変調手段と、強度変調手段により相対位置で生成された第２の周期パターン像を検出する放射線画像検出器と、放射線画像検出器により検出された少なくとも１つの第２の周期パターン像に基づいて、位相情報を画像化する演算処理手段とを備えており、放射線菅装置として本発明の放射線管装置を用いたものである。

強度変調手段として、第１の周期パターンを透過する部分と吸収する部分とからなる格子構造が周期的に配置された第２の格子と、前記第１及び第２の格子のいずれか一方を、第１及び第２の格子の格子構造の周期方向に所定のピッチで移動させる走査手段とからなり、走査手段により移動される各位置が相対位置に対応するようにしてもよい。

本発明によれば、２種類以上の元素で構成された放射線非発生材により放射線非発生部を構成しているので、放射線非発生部の融点が高くなり、かつ熱伝導性も向上するので、熱による陽極の劣化を抑制することができる。また、２種類以上の元素で構成された放射線非発生材により放射線非発生部を構成することにより、放射線発生部と放射線非発生部とが合金化するのも防止することができる。

放射線非発生材を構成する２種類以上の元素には、原子番号が３０以下の元素が少なくとも１つ以上含まれていればよいので、放射線非発生材として様々な材料を用いることができる。また、放射線非発生材は、第１及び第２の放射線非発生材としたり、２種類以上の元素の化合物とすることもできるので、様々な構成で利用可能である。

また、放射線の単ビームとマルチビームとを切り換えることができるので、位相コントラスト画像の撮影と吸収の画像の撮影とで、最適な放射線を用いることができる。更に、マルチビームのピッチを切り換えることができるので、位相コントラスト画像の画質を向上させることができる。本発明の放射線画像撮影システムによれば、本発明の放射線管装置を使用するので、位相コントラスト画像の画質を向上させることができる。

本発明のＸ線画像撮影システムの構成を示す模式図である。 本発明の第１実施形態のＸ線管の構成を示す概略図である。 第１実施形態の回転陽極の平面図である。 第１実施形態の陽極板の要部断面図である。 第１実施形態の陽極板の製造手順を示す説明図である。 モリブデンとアルミニウムから発生されるＸ線の特性を示すグラフである。 点光源のピッチと第１及び第２の吸収型格子の格子ピッチとの関係を示す説明図である。 第２実施形態のＸ線管を示す説明図である。 第３実施形態のＸ線管を示す説明図である。 第４実施形態のＸ線管を示す説明図である。

［第１実施形態］
図１に示すように、本発明のＸ線画像撮影システム１０は、被検体ＨにＸ線を照射するＸ線源１１と、Ｘ線源１１に対向配置され、Ｘ線源１１から被検体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とを備えている。撮影部１２には、撮影部１２から読み出された画像データを記憶するメモリ１３が接続されており、メモリ１３には、メモリ１３に記憶された複数の画像データを画像処理して位相コントラスト画像を生成し、生成した位相コントラスト画像を画像記録部１５に記録する画像処理部１４が接続されている。Ｘ線源１１及び撮影部１２は、撮影制御部１６により制御される。システム制御部１８は、操作部やモニタからなるコンソール１７から入力された操作信号に基づいて、Ｘ線画像撮影システム１０の全体を統括的に制御する。

Ｘ線源１１は、図２に示す回転陽極型のＸ線管装置２０と、図示しない高電圧発生器及びコリメータ等から構成されている。Ｘ線管装置２０は、撮影制御部１６の制御に基づいて、被検体ＨにＸ線を照射する。コリメータは、Ｘ線管装置２０から発せられたＸ線のうち、被検体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。

Ｘ線管装置２０は、真空外囲器２１と、この真空外囲器２１内に収容された回転陽極２２、及び陰極２３とを備えている。真空外囲器２１は、内部が真空状態とされたガラス管２５と、ガラス管２５の外側を覆う金属性のケース体２６と、ガラス管２５とケース体２６との間に封入された絶縁オイル２７とからなる。ケース体２６には、Ｘ線を放射する放射口２６ａが設けられている。なお、Ｘ線管装置２０は、回転陽極２２を回転自在に支持する軸受け部や、回転陽極２２を回転させる回転機構等も当然備えているが、本実施形態ではこれらの詳しい説明を省略する。

回転陽極２２は、円板の一方の面の外周部分に他方の面に向かって傾斜されたビーム照射面２９が設けられた円錐台形状の断面を有する陽極本体３０と、陽極本体３０の中央に設けられた回転軸３１とを備えている。陰極２３は、回転軸３１の軸方向において、陽極本体３０のビーム照射面２９に対面するように配置されており、高電圧発生装置から高電圧が印加されたときに、ビーム照射面２９に向けて電子ビームを照射する。陽極本体３０は、例えばモリブデンやタングステン等からなり、電子ビームが照射されたときに材質に依存したＸ線スペクトルでＸ線を発生する。陽極本体３０が発生したＸ線は、回転陽極２２の半径方向に放射され、放射口２６ａを通過してＸ線管装置２０の外に放射される。

図３及び図４に示すように、陽極本体３０のビーム照射面２９には、円環状の溝３３と、溝３３の表面に設けられた第１のＸ線非発生材３７と、溝３３内に埋め込まれた第２のＸ線非発生材３４とからなる４本のＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄが設けられている。また、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄの間には、ビーム照射面２９の一部からなる円環状の３本のＸ線発生部３６ａ〜３６ｃが設けられている。Ｘ線発生部３６ａ〜３６ｃは、位相コントラスト画像の撮影に適した複数の微小なＸ線焦点が得られるように、幅、間隔が設定されている。

なお、本実施形態で用いるＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄとは、X線を全く発生しないという意味ではなく、Ｘ線発生部３６ａ〜３６ｃで発生される所望の波長のＸ線に比べて、十分に無視できるエネルギー量あるいは、所望の波長から外れた波長のＸ線が発生する部位という意味である。Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄから発生するＸ線について、十分に無視できるエネルギー量としては、例えば、Ｘ線発生部３６ａ〜３６ｃから発生するＸ線の１／１０程度が望ましく、より望ましくは１／１００程度である。

また、第１のＸ線非発生材３７、及び第２のＸ線非発生材３４は、電子ビームの照射により発生する特性Ｘ線の波長が、陽極本体３０に用いられた材質の特性Ｘ線よりもはるかに長い材質であればよく、例えば原子番号が３０以下の単元素、または原子番号が３０以下の元素を少なくとも１つ以上含む２種類以上の元素の化合物等を用いることができる。

このような特性を有する第１のＸ線非発生材３７の材質としては、例えば、Ｃ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴａＣ、ＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＣｒＮ等を用いることができる。また、溝３３の表面にイオン注入を行い、その後に加熱処理をして保護層を形成してもよい。

また、第２のＸ線非発生材３４に適用可能な材質としては、例えばアルミニウム等の他、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ_２、ＭｇＯ、ＴｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳＵＳ、ＴｉＣ、ＷＣ、ＷＣＴｉＣｏ、ＧａＮ等が挙げられる。

第１のＸ線非発生材３７及び第２のＸ線非発生材３４として、例えばカーボン及びアルミニウムを用いた場合、カーボン及びアルミニウムは熱伝導性が高いので、第２のＸ線非発生材３４の溶融を防止することができる。また、第１のＸ線非発生材３７を構成するカーボンは、高融点で熱的に安定しているため、陽極本体３０と第２のＸ線非発生材３４との間の反応を抑えて合金化を防止することができる。これにより、熱に対する陽極本体３０の強度が向上する。

回転陽極２２は、例えば次のように製造される。図５（Ａ）に示すように、タングステン、あるいはモリブデン等の金属からなる円板状の金属板３８を用意する。次いで、同図（Ｂ）に示すように、金属板３８の一方の面から外周部分を切削してビーム照射面２９を形成し、金属板３８の断面形状を円錐台形状の陽極本体３０に整形する。同図（Ｃ）に示すように、陽極本体３０のビーム照射面２９には、溝の切削加工あるいはエッチング加工によって４本の円環状の溝３３が形成される。

図５（Ｄ）に示すように、陽極本体３０に形成された複数の溝３３の表面に第１のＸ線非発生材３７を形成する。第１のＸ線非発生材３７は、例えばスパッタ、イオンプレーティング又はＣＶＤ等によって形成することができる。なお、第１のＸ線非発生材３７の厚みは、材質等によって異なるものの、例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下程度であることが好ましい。

図５（Ｅ）に示すように、陽極本体３０の上面には、アルミニウム等からなる第２のＸ線非発生材３４が、メッキあるいは蒸着によって成膜される。陽極本体３０上に成膜された第２のＸ線非発生材３４は、４本の溝３３内にも充填される。次いで、同図（Ｆ）に示すように、陽極本体３０の表面の第２のＸ線非発生材３４が研磨装置により除去される。溝３３内に充填された第２のＸ線非発生材３４は、研磨では除去されずに残る。これにより、溝３３、第１のＸ線非発生材３７及び第２のＸ線非発生材３４からなるＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄと、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄの間に設けられたＸ線発生部３６ａ〜３６ｃとを備えた回転陽極２２が完成する。

陰極２３から放射された電子ビームは、回転軸３１を中心に回転している陽極本体３０のビーム照射面２９に照射される。すると、ビーム照射面２９のＸ線発生部３６ａ〜３６ｃ及びＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄから、それぞれの材質に依存したＸ線スペクトルでＸ線が発生する。

Ｘ線スペクトルには、特定のエネルギーを持つ特性Ｘ線と、それよりも弱いが様々なエネルギー成分を含む連続Ｘ線の成分がある。図６に示すように、モリブデンから発生される特性Ｘ線を含む波長領域は、例えば、Ｘ線画像撮像装置で使われる。一方、アルミニウムから発生される特性Ｘ線は、低エネルギーであるため上記の波長域には含まれず、かつそのほとんどは空気で吸収されるので観測されない。また、連続Ｘ線の全強度も物質の原子番号の自乗にほぼ比例するので、アルミニウムからの連続Ｘ線はかなり弱い。したがって、材料の差異により、発生するＸ線強度が大幅に変わる。また、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄに照射される電子ビームは、全て第１のＸ線非発生材３７及び第２のＸ線非発生材３４に吸収されて陽極本体３０に到達しないので、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄの下面に面する位置では、陽極本体３０からＸ線は発生しない。

以上により、本実施形態では、Ｘ線画像の撮影に適した波長領域のＸ線がＸ線発生部３６ａ〜３６ｃにより発生され、放射口２６ａからＸ線管装置２０の外に放射される。また、これらのＸ線は、図７に示すように、微小な焦点サイズを有し、所定ピッチで配置されるので、位相コントラスト画像の撮影に適した微小サイズの仮想的な複数の点光源１１ａ〜１１ｃを形成することができる。

図１に示すように、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）４０、被検体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の吸収型格子４１及び第２の吸収型格子４２が設けられている。ＦＰＤ４０は、Ｘ線源１１から照射されるＸ線の光軸Ａに沿う方向（以下、ｚ方向という）に検出面が直交するように配置されている。

第１の吸収型格子４１は、ｚ方向に直交する面内の一方向（以下、ｙ方向という）に延伸した複数のＸ線遮蔽部４１ａが、ｚ方向及びｙ方向に直交する方向（以下、ｘ方向という）に所定のピッチｐ_１で配列されたものである。同様に、第２の吸収型格子４２は、ｙ方向に延伸した複数のＸ線遮蔽部４２ａが、ｘ方向に所定のピッチｐ_２で配列されたものである。Ｘ線遮蔽部４１ａ，４２ａの材料としては、Ｘ線吸収性に優れる金属が好ましく、例えば、金、白金、銀、タングステン、モリブデン、タンタル、ニオブ、パラジウム、ロジウム、イリジウム、オスミウム、レニウム及びそれらの合金等が好ましい。

また、撮影部１２には、第２の吸収型格子４２を格子方向に直交する方向（ｘ方向）に並進移動させることにより、第１の吸収型格子４１に対する第２の吸収型格子４２との相対位置を変化させる走査機構４３が設けられている。走査機構４３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。走査機構４３は、後述する縞走査の際に、撮影制御部１６の制御に基づいて駆動されるものである。詳しくは後述するが、メモリ１３には、縞走査の各走査ステップで撮影部１２により得られる画像データがそれぞれ記憶される。なお、第２の吸収型格子４２と走査機構４３とが特許請求の範囲に記載の強度変調手段を構成している。

画像処理部１４は、縞走査の各走査ステップで撮影部１２により撮影され、メモリ１３に記憶された複数の画像データに基づいて位相微分像を生成し、位相微分像をｘ方向に沿って積分することにより、位相コントラスト画像を生成する。位相コントラスト画像は、画像記録部１５に記録された後、コンソール１７に出力されてモニタ（図示せず）に表示される。

コンソール１７は、モニタの他、操作者が撮影指示やその指示内容を入力する入力装置（図示せず）を備えている。この入力装置としては、例えば、スイッチ、タッチパネル、マウス、キーボード等が用いられ、入力装置の操作により、Ｘ線管の管電圧や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。モニタは、液晶ディスプレイやＣＲＴディスプレイからなり、Ｘ線撮影条件等の文字や、上記位相コントラスト画像を表示する。

図７に示すように、第１の吸収型格子４１のＸ線遮蔽部４１ａは、ｘ方向に所定のピッチｐ_１で、互いに所定の間隔ｄ_１を空けて配列されている。同様に、第２の吸収型格子４２のＸ線遮蔽部４２ａは、ｘ方向に所定のピッチｐ_２で、互いに所定の間隔ｄ_２を空けて配列されている。また、Ｘ線管装置２０により仮想的に形成される点光源１１ａ〜１１ｃは、ｘ方向に所定のピッチｐ_３で配列されている。Ｘ線遮蔽部４１ａ，４２ａは、それぞれ不図示のＸ線透過性基板（例えば、ガラス基板）上に配置されたものである。第１及び第２の吸収型格子４１，４２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、振幅型格子とも称される。なお、スリット部（上記間隔ｄ_１，ｄ_２の領域）は空隙でなくてもよく、高分子や軽金属等のＸ線低吸収材が充填されていてもよい。

第１及び第２の吸収型格子４１，４２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ｄ_１，ｄ_２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Ｘ線管の回転陽極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ｄ_１，ｄ_２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。この場合、格子ピッチｐ_１，ｐ_２は、２〜２０μｍ程度の大きさである。

Ｘ線源１１から照射されるＸ線は、平行ビームではなく、Ｘ線焦点を発光点としたコーンビームであるため、第１の吸収型格子４１を通過して射影される第１の周期パターン像である投影像（以下、この投影像をＧ１像または縞画像と称する）は、仮想的な点光源１１ａ〜１１ｃからの距離に比例して拡大される。第２の吸収型格子４２の格子ピッチｐ_２及び間隔ｄ_２は、そのスリット部が、第２の吸収型格子４２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、点光源１１ａ〜１１ｃから第１の吸収型格子４１までの距離をＬ_１、第１の吸収型格子４１から第２の吸収型格子４２までの距離をＬ_２とした場合に、格子ピッチｐ_２及び間隔ｄ_２は、次式（１）及び（２）の関係を満たすように決定される。

第１の吸収型格子４１から第２の吸収型格子４２までの距離Ｌ_２は、タルボ干渉計の場合には、第１の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、本実施形態の撮影部１２では、第１の吸収型格子４１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の吸収型格子４１のＧ１像が、第１の吸収型格子４１の後方のすべての位置で相似的に得られるため、該距離Ｌ_２を、タルボ干渉距離と無関係に設定することができる。

また、点光源１１ａ〜１１ｃのピッチｐ_３は、次式（３）を満たすように設定される。

上記式（３）は、Ｘ線管装置２０により形成された各点光源１１ａ〜１１ｃから射出されたＸ線の第１の吸収型格子４１による投影像（Ｇ１像）が、第２の吸収型格子４２の位置で一致する（重なり合う）ための幾何学的な条件である。このように、本実施形態では、Ｘ線管装置２０により形成された複数の点光源１１ａ〜１１ｃに基づくＧ１像が重ね合わせられることにより、Ｘ線強度を低下させずに、位相コントラスト画像の画質を向上させることができる。

次に、上記実施形態の作用について説明する。図１に示すように、Ｘ線画像撮影システム１０において、Ｘ線源１１と撮影部１２との間に被検体Ｈが配置される。この状態で、コンソール１７からシステム制御部１８に撮影指示が入力されると、撮影制御部１６は、Ｘ線画像撮影システム１０の各部を制御し、第２の吸収型格子４２を第１の吸収型格子４１に対してｘ方向に移動させながら、各走査位置で、Ｘ線源１１による曝射及びＦＰＤ４０による検出動作が行わせる。

図２〜図４に示すように、Ｘ線管装置２０は、各走査位置における曝射期間中に、陰極２３から陽極本体３０のビーム照射面２９に向けて電子ビームを照射させる。陽極本体３０のＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄ及びＸ線発生部３６ａ〜３６ｃは、電子ビームの照射により、それぞれの材質に依存したＸ線スペクトルでＸ線を発生する。しかし、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄから発生されるＸ線はＸ線画像撮影に使用できるような強度を有しないため、Ｘ線管装置２０からは、Ｘ線発生部３６ａ〜３６ｃによって発生されたＸ線が放射される。

図７に示すように、Ｘ線管装置２０から放射されたＸ線により、微小な焦点サイズを有し、所定ピッチｐ３で配置された仮想的な複数の点光源１１ａ〜１１ｃが形成される。点光源１１ａ〜１１ｃのＸ線は、被検体Ｈを通過することにより位相差が生じ、このＸ線が第１の吸収型格子４１を通過することにより、被検体Ｈの屈折率と透過光路長とから決定される被検体Ｈの透過位相情報を反映した縞状のＧ１像が形成される。各点光源１１ａ〜１１ｃのＧ１像は、第２の吸収型格子４２に投影され、第２の吸収型格子４２の位置で一致する（重なり合う）ので、Ｘ線強度を低下させずに、位相コントラスト画像の画質を向上させることができる。

Ｇ１像は、第２の吸収型格子４２により強度変調され、第２の周期パターン像であるＧ２像が形成される。Ｇ２像は、例えば、縞走査法により検出される。縞走査法とは、第１の吸収型格子４１に対し、第２の吸収型格子４２を走査機構４３によって、Ｘ線焦点を中心として格子面に沿った方向に格子ピッチを等分割（例えば、５分割）した走査ピッチでｘ方向に並進移動させながら、Ｘ線源１１から被検体ＨにＸ線を照射して複数回の撮影を行なってＦＰＤ４０により検出し、画像処理部１４により、ＦＰＤ４０の各画素の画素データの位相のズレ量（被検体Ｈがある場合とない場合とでの位相のズレ量）から位相微分像（被検体で屈折したＸ線の角度分布に対応）を取得する方法である。この位相微分像を、画像処理部１４により、上記の縞走査方向に沿って積分することにより、被検体Ｈの位相コントラスト画像を得ることができる。位相コントラスト画像は、画像処理部１４により画像記録部１５に記録され、コンソール１７のモニタ等に表示される。

以上で説明したように、本実施形態のＸ線管装置２０は、マルチスリットを用いずに点光源１１ａ〜１１ｃを形成しているため、製造の難しいマルチスリットを省略することができる。これにより、装置の小型化や低コスト化に資することができる。更に、本実施形態では、第１のＸ線非発生材３７及び第２のＸ線非発生材３４に、熱伝導性のよいカーボン及びアルミニウムを用いているので、電子ビームの照射により発生した陽極本体３０の熱を、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄから放熱することができる。また、溝３３の表面に設けられた第１のＸ線非発生材３７により、陽極本体３０と第２のＸ線非発生材３４の反応が抑止され、合金化が防止されている。したがって、陽極本体３０が熱によって劣化するのを防止することができる。

上記実施形態では、陽極本体３０の溝３３を回転軸３１と平行に配置したが、回転軸３１と非平行に配置してもよい。また、第２のＸ線非発生材３４を溝３３の上端まで埋め込んだが、溝３３の深さ方向の途中まで第２のＸ線非発生材３４を埋め込むようにしてもよい。また、上記実施形態では、第１のＸ線非発生材３７にカーボンを用い、第２のＸ線非発生材３４にアルミニウムを用いたが、それぞれ上述した他の単元素または２種類以上の元素の化合物によって置き換えてもよく、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

以下、上記第１実施形態を変形した別の実施形態について説明する。なお、他の実施形態と同じ構成については、同符号を用いて詳しい説明は省略する。

［第２実施形態］
図８に示すように、陰極２３を圧電素子等のアクチュエータからなる移動機構５５によって水平方向に移動自在にし、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄ及びＸ線発生部３６ａ〜３６ｃからなるマルチビーム発生部５６と、陽極本体３０のビーム照射面２９のみ、すなわちＸ線発生部しか有しない単ビーム発生部５７との間で、電子ビームを選択的に照射できるようにしてもよい。これによれば、位相コントラスト画像の撮影時には、マルチビーム発生部５６に電子ビームを照射することによって複数の仮想的な点光源１１ａ〜１１ｃを得ることができる。また、吸収画像を撮影する際には、単ビーム発生部５７に電子ビームを照射することによって、線量の大きなＸ線を得ることができる。

［第３実施形態］
図９に示すように、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄ及びＸ線発生部３６ａ〜３６ｃからなる第１マルチビーム発生部６０と、第１マルチビーム発生部６０とはＸ線非発生部６１ａ〜６１ｄ及びＸ線発生部６２ａ〜６２ｃの配置間隔が異なる第２マルチビーム発生部６３とを陽極本体３０に設け、移動機構５５によって移動された陰極２３により、第１マルチビーム発生部６０と第２マルチビーム発生部６３とに選択的に電子ビームを照射してもよい。Ｘ線非発生部６１ａ〜６１ｄは、Ｘ線非発生部３５ａ〜３５ｄと同様に溝及びＸ線非発生材からなり、Ｘ線発生部６２ａ〜６２ｃは陽極本体３０のビーム照射面２９からなる。

これによれば、第１マルチビーム発生部６０により形成される仮想的な点光源１１ａ〜１１ｃのピッチｐ３を、例えばピッチｐ４のように切り換えることができるようになる。例えば、Ｘ線源１１と第１の吸収型格子４１との距離Ｌ１、あるいは第１の吸収型格子４１と第２の吸収型格子４２との距離Ｌ２、第２の吸収型格子４２の格子ピッチｐ２等に合わせて、点光源１１ａ〜１１ｃのピッチｐ３を切り換えるようにすれば、より高画質な位相コントラスト画像を撮影することができる。

なお、第１及び第２マルチビーム発生部６０、６３の両方に同時に電子ビームを照射できるような陰極を配置するとともに、第１及び第２マルチビーム発生部６０、６３のいずれか一方からのＸ線の照射と、第１及び第２マルチビーム発生部６０、６３の両方からのＸ線の照射とを切り換えられるようにすることにより、照射するＸ線のエネルギーを切り換えられるようにしてもよい。これによれば、エネルギー帯域の異なるＸ線を用いたエネルギーサブトラクション撮影を行なうことができるようになる。

また、上記第２、第３実施形態では、陰極２３を移動機構５５によって移動させることにより電子ビームの照射位置を切り換えているが、陰極２３と陽極本体３０との間で電子ビームの遮蔽状態を切り換えてもよいし、電子ビームに高電圧を加えて偏向させ、照射位置を切り換えてもよい。

［第４実施形態］
また、上記各実施形態では、Ｘ線非発生部を構成する溝３３の表面に第１のＸ線非発生材３７を設けたが、第２のＸ線非発生材３４の材質に、原子番号が３０以下の元素を少なくとも１つ以上含む２種類以上の元素からなり、融点がカーボンと同程度に高い化合物を用いる場合には、図１０に示すように、第１のＸ線非発生材３７を省略したＸ線非発生部３５ａ〜３５ｄを用いてもよい。

上記各実施形態では、一方向に延伸されかつ延伸方向に直交する方向に沿って配置されたＸ線遮蔽部を有する縞状の一次元格子を使用したＸ線画像撮影装置を例に説明したが、本発明は、Ｘ線遮蔽部を２方向に配列された二次元格子を用いたＸ線画像撮影装置にも適用が可能である。さらに、上記実施形態では、被検体ＨをＸ線源と第１の吸収型格子との間に配置しているが、被検体Ｈを第１の吸収型格子と第２の吸収型格子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。また、上記各実施形態は、矛盾しない範囲で相互に組み合わせることが可能である。

上記各実施形態は、第１及び第２の吸収型格子を、スリットを通過したＸ線を線形的に投影するように構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、第１及び第２の吸収型格子でＸ線を回折することにより、いわゆるタルボ干渉効果が生じる構成（国際公開ＷＯ２００４／０５８０７０号公報等に記載の構成）としてもよい。この場合には、第１及び第２の吸収型格子間の距離をタルボ干渉距離に設定する必要がある。また、第１の吸収型格子の種類を、吸収型格子ではなく、比較的アスペクト比が低い位相型格子にすることも可能である。

また、上記各実施形態では、第２の吸収型格子により強度変調された縞画像を縞走査法によって検出して位相コントラスト画像を生成しているが、１回の撮影によって位相コントラスト画像を生成するＸ線画像撮影システムも知られている。例えば、国際公開ＷＯ２０１０／０５０４８３号公報に記載されているＸ線画像撮影システムでは、第１及び第２の格子により生成されたモアレをＸ線画像検出器により検出し、この検出されたモアレの強度分布をフーリエ変換することによって空間周波数スペクトルを取得し、この空間周波数スペクトルからキャリア周波数に対応したスペクトルを分離して逆フーリエ変換を行なうことにより微分位相像を得ている。このようなＸ線画像撮影システムにも、本発明のＸ線管を用いることができる。

また、１回の撮影により位相コントラスト画像を生成するＸ線画像撮影システムには、強度変調手段として、第２の格子の代わりに、Ｘ線を電荷に変換する変換層と、変換層により生成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線画像検出器を用いたものがある。このＸ線画像撮影システムは、例えば、各画素の電荷収集電極が、第１の格子で形成された縞画像の周期パターンとほぼ一致する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線状電極群が、互いに位相が異なるように配置されたものであり、各線状電極群を個別に制御して電荷を収集することにより、１度の撮影により複数の縞画像を取得し、この複数の縞画像に基づいて位相コントラスト画像を生成している（特開２００９−１３３８２３号公報等に記載の構成）。このようなＸ線画像撮影システムにも、本発明のＸ線管を用いることができる。

また、１回の撮影により位相コントラスト画像を生成する別のＸ線画像撮影システムとして、第１及び第２の格子を、格子の延伸方向が相対的に所定の角度だけ傾くように配置し、この傾きにより延伸方向に生じるモアレ周期の区間を分割して撮影することにより、第１及び第２の格子の相対位置が異なる複数の縞画像を取得し、これらの複数の縞画像から位相コントラスト画像を生成することも可能である。このようなＸ線画像撮影システムにも、本発明のＸ線管を用いることができる。

また、光読取型のＸ線画像検出器を用いることにより、第２の格子を省略したＸ線画像撮影システムが考えられる。このシステムでは、第１の格子によって形成された周期パターン像を透過する第１の電極層と、第１の電極層を透過した周期パターン像の照射を受けて電荷を発生する光導電層と、光導電層において発生した電荷を蓄積する電荷蓄積層と、読取光を透過する線状電極が多数配列された第２の電極層とがこの順に積層され、読取光によって走査されることによって各線状電極に対応する画素毎の画像信号が読み出される光読取型のＸ線画像検出器を強度変調手段として用いており、電荷蓄積層を線状電極の配列ピッチよりも細かいピッチで格子状に形成することにより、電荷蓄積層を第２の格子として機能させることができる。このようなＸ線画像撮影システムにも、本発明のＸ線管を用いることができる。

以上説明した実施形態は、医療診断用の放射線画像撮影システムのほか、工業用や、非破壊検査等のその他の放射線撮影システムに適用することが可能である。更に、本発明は、放射線として、Ｘ線以外にガンマ線等を用いることも可能である。

１０ Ｘ線画像撮影システム
１１ Ｘ線源
１１ａ〜１１ｃ 点光源
１２ 撮影部
２０ Ｘ線菅装置
２２ 回転陽極
２３ 陰極
２９ 傾斜面
３０ 陽極板
３３ 溝
３４ 第２のＸ線非発生材
３５ａ〜３５ｄ Ｘ線非発生部
３６ａ〜３６ｃ Ｘ線発生部
３７ 第１のＸ線非発生材
４０ フラットパネル検出器
４１ 第１の吸収型格子
４２ 第２の吸収型格子
５５ 移動機構
５６ マルチビーム発生部
５７ 単ビーム発生部
６０ 第１マルチビーム発生部
６３ 第２マルチビーム発生部

Claims (9)

1. 電子ビームを放射する陰極と、
   前記陰極から電子ビームが照射されるビーム照射面を有する陽極本体と、前記ビーム照射面に設けられ、電子ビームの照射によって放射線画像の撮影が可能な放射線を発生する複数の放射線発生部、及び前記放射線発生部の間にそれぞれ配置され電子ビームの照射によって放射線画像の撮影に使用可能な放射線を発生しない複数の放射線非発生部とを有する陽極と、を備えており、
   前記放射線非発生部は、前記ビーム照射面に設けられた溝と、２種類以上の元素で構成され前記溝内に埋め込まれた放射線非発生材と、を含むことを特徴とする放射線管装置。
2. 前記放射線非発生材を構成する２種類以上の元素には、原子番号が３０以下の元素が少なくとも１つ以上含まれていることを特徴とする請求項１記載の放射線菅装置。
3. 前記放射線非発生材は、前記溝の表面に設けられた第１の放射線非発生材と、前記溝内に埋め込まれた第２の放射線非発生材とを含み、前記第１及び第２の放射線非発生材は、それぞれ単元素または２種類以上の元素の化合物からなることを特徴とする請求項１または２記載の放射線菅装置。
4. 前記放射線非発生材は、２種類以上の元素の化合物であることを特徴とする請求項１または２記載の放射線菅装置。
5. 前記陽極は、複数の前記放射線発生部及び前記放射線非発生部を有し複数本の放射線ビームを放射するマルチビーム発生部と、１つの放射線発生部を有し１本の放射線ビームを放射する単ビーム発生部とを有し、
   前記電子ビームを、前記マルチビーム発生部と前記単ビーム発生部とに選択的に照射させる電子ビーム切替手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の放射線管装置。
6. 前記陽極は、複数の前記放射線発生部及び前記放射線非発生部の配置間隔を異ならせることにより、放射される放射線ビームの配置間隔をそれぞれ異ならせた複数のマルチビーム発生部を有し、
   前記電子ビームを複数の前記マルチビーム発生部に選択的に照射させる電子ビーム切換え手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の放射線管装置。
7. 前記陽極本体は、円板状の回転陽極であり、前記放射線発生部及び前記放射線非発生部は、前記陽極板に設けられた前記ビーム照射面に円環状に配置されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の放射線管装置。
8. 放射線を透過する部分と吸収する部分とからなる格子構造が周期的に配置され、放射線菅装置から照射された放射線を通過させて第１の周期パターン像を形成する第１の格子と、前記第１の周期パターン像に対して位相が異なる少なくとも１つの相対位置で前記第１の周期パターン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相対位置で生成された第２の周期パターン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により検出された少なくとも１つの前記第２の周期パターン像に基づいて、位相情報を画像化する演算処理手段とを備え、
   前記放射線菅装置に、請求項１〜７いずれか記載の放射線管装置を用いたことを特徴とする放射線画像撮影システム。
9. 前記強度変調手段は、前記第１の周期パターンを透過する部分と吸収する部分とからなる格子構造が周期的に配置された第２の格子と、前記第１及び第２の格子のいずれか一方を、前記第１及び第２の格子の格子構造の周期方向に所定のピッチで移動させる走査手段とからなり、前記走査手段により移動される各位置が前記相対位置に対応することを特徴とする請求項８記載の放射線画像撮影システム。

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