JP2012143405A - 放射線撮影装置、及び放射線撮影システム - Google Patents

放射線撮影装置、及び放射線撮影システム Download PDF

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Abstract

【課題】逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる放射線撮影装置、及び放射線撮影システムを提供する。
【解決手段】回折格子14に格子部材62を、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源12から照射される放射線の中心位置Cからの距離が大きくなるほど格子部材62間の間隔が大きくなるように形成する。
【選択図】図8

Description

本発明は、放射線撮影装置、及び放射線撮影システムに係り、特に、タルボ干渉を利用して放射線画像を撮影する放射線撮影装置、及び放射線撮影システムに関する。
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、被検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。
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検体を配置して、被検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、被検体の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。
ただし、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。
そこで、近年、被検体によるX線の強度変化に代えて、被検体による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、2参照)。
一方、従来の放射線源として用いられるX線管は、印加する管電圧を変えてX線を発生させた場合、ピークとなるエネルギーは異なるものの、様々なエネルギーのX線が発生する。このX線のエネルギーEとX線の波長λにはE=hc/λ(h:プランク定数、c:光の速度)の関係があり、エネルギーEが異なると波長λも異なる。すなわち、従来のX線管で発生するX線には様々な波長のX線が含まれる。
そこで、波長特性の揃ったX線を発生させる技術として、加速させた電子ビームにレーザ光を衝突させ、逆コンプトン散乱によりX線を発生させる技術が提案されている(特許文献3)。
特開2008−14511号公報 特開2008−200361号公報 特開2002−162371号公報
X線タルボ干渉計は、被検体によるX線の位相変化に基づいた位相コントラスト画像を得るため、波長特性の揃ったX線を照射して撮影することが好ましい。
そこで、逆コンプトン散乱によりX線を発生させる放射線源を用いることが考えられる。
しかしながら、レーザ光と電子ビームの衝突点で逆コンプトン散乱により発生するX線は、電子ビームの進行方向に対する角度が大きくなるほどエネルギーが低下し、X線の波長が長くなる角度依存性がある。
このため、単純にX線タルボ干渉計に、逆コンプトン散乱によりX線を発生させる放射線源を用いた場合、タルボ干渉によって自己像を形成する距離がX線の波長に応じて変わるため、良好な位相コントラスト画像を得ることができない、という問題点があった。
本発明は上記問題点をみてなされたものであり、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる放射線撮影装置、及び放射線撮影システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の放射線撮影装置は、逆コンプトン散乱により発生した放射線を照射する放射線源と、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を回折又は吸収する第1部材が並んで形成され、前記放射線源から照射された放射線を前記第1部材により回折又は吸収する第1格子と、前記第1格子により回折又は吸収された放射線によりタルボ干渉が発生する位置に配置され、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を吸収する第2部材が並んで形成された第2格子と、前記第2格子を透過した放射線を検出する放射線検出器と、を備えている。
本発明は、放射線源から逆コンプトン散乱により発生した放射線が照射され、第1格子に並んで形成され、放射線を回折又は吸収する複数の第1部材により、放射線源から照射された放射線が回折されてタルボ効果を生じさせており、第1格子により回折又は吸収された放射線によりタルボ干渉が発生する位置に配置された第2格子により、第1格子により回折又は吸収された放射線を透過・吸収し、放射線検出器により、第2格子を透過した放射線が検出される。
そして、本発明では、第1格子の第1部材および第2格子の第2部材が、放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど部材間の間隔が大きくなるように形成されている。
このように、請求項1に記載の発明によれば、第1格子の第1部材および第2格子の第2部材を、放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど部材間の間隔が大きくなるように形成しているので、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源のように放射線源から照射される放射線に角度依存性がある場合でも第1格子により回折された放射線によりタルボ干渉が発生する位置を一定の範囲に収めることができるため、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる。
なお、本発明は、請求項2記載の発明のように、第1部材は、前前記放射線源から前記第1格子の各位置に照射される放射線の波長λの平方根に比例して第1部材間の間隔が大きくなるように形成することが好ましい。
また、本発明は、請求項3記載の発明のように、第2部材は、前記第1格子の前記第1部材の間隔を、前記放射線源から前記第2格子の距離を前記放射線源から前記第1格子の距離で除算した値分だけ大きくした間隔で形成することが望ましい。
また、本発明は、請求項4記載の発明のように、前記放射線源が、エネルギーが異なる放射線を個別に照射可能とされ、前記第1格子及び第2格子は、前記第1部材間及び前記第2部材間の間隔の変化度合いの異なるものが複数用意され、交換可能とされてもよい。
また、請求項4記載の発明は、請求項5記載の発明のように、前記放射線源が、撮影部位の種類及び厚さの少なくとも一方に応じてエネルギーの異なる放射線を個別に照射してもよい。
また、本発明は、請求項6記載の発明のように、前記第1格子の前記第1部材及び前記第2格子の前記第2部材が、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど厚さが薄くなるように形成されることが好ましい。
一方、上記目的を達成するために、請求項7記載の発明の放射線撮影システムは、逆コンプトン散乱により発生した放射線を照射する放射線源と、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を回折又は吸収する第1部材が並んで形成され、前記放射線源から照射された放射線を前記第1部材により回折又は吸収する第1格子と、前記第1格子により回折又は吸収された放射線によりタルボ干渉が発生する位置に配置され、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を吸収する第2部材が並んで形成された第2格子と、前記第2格子を透過した放射線を検出する放射線検出器と、を備えている。
従って、本発明によれば、請求項1と同様に作用するため、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる。
本発明によれば、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる、という効果が得られる。
実施の形態に係るX線撮影装置の概略構成を示す構成図である。 実施の形態に係る放射線源の構成を示す構成図である。 放射線源から照射されるX線のエネルギーの変化を中心からのエネルギーの低下率で示した図である。 実施の形態に係る第1格子の構成を示す断面図である。 実施の形態に係る第1格子の構成を示す平面図である。 実施の形態に係る第2格子の構成を示す断面図である。 実施の形態に係る第2格子の構成を示す平面図である。 実施の形態に係るX線撮影装置の概略構成を示す斜視図である。
図1には、本実施の形態に係るX線撮影装置10の概略構成を示す構成図が示されている。
本実施形態に係るX線撮影装置10は、放射線源12と、回折格子14と、吸収格子16と、FPDなどのX線画像検出器18が内蔵された撮影部19を主要な構成として備えている。
本実施形態に係る放射線源12は、レーザ光と電子ビームとを衝突させて逆コンプトン散乱によりX線を発生させるものとされている。放射線源12で発生したX線は、回折格子14及び吸収格子16を介して撮影部19のX線画像検出器18に照射される。
回折格子14は、入射したX線を回折させる。吸収格子16は、回折格子14により回折されたX線がタルボ干渉効果によって自己像を形成する所定のタルボ干渉距離だけ下流に配置されており、回折格子14の自己像と吸収格子16との重ね合わせによりモアレ縞を発生させる。また、吸収格子16は、不図示の移動機構により吸収格子16が、回折格子14の面にほぼ平行に移動可能とされている。
図2には、本実施の形態に係る放射線源12の構成を示す構成図が示されている。
放射線源12は、電子ビーム発生装置20と、レーザ光発生装置40と、を備えており、電子ビームEとレーザ光Lとを衝突させて逆コンプトン散乱により放射線としてX線を発生させる。
電子ビーム発生装置20は、電子銃22と、線形加速管24と、第1偏向磁石26と、第2偏向磁石28と、真空容器30と、電子ビームダンプ32と、を備える。
線形加速管24は、不図示の高周波電源により所定周波数(例えば、11.424GHz)のマイクロ波が供給されることにより、入射される電子ビームEを加速させる。
電子銃22は、電子ビームを発生させる装置であり、線形加速管24に供給されるマイクロ波の周期に同期させてパルス状に電子ビームを発生させる。電子銃22で発生した電子ビームEは、線形加速管24に入射し、線形加速管24内で加速される。
線形加速管24を通過した電子ビームEは、第1偏向磁石26に入射する。第1偏向磁石26は、入射した電子ビームEの軌道を磁場で曲げて真空容器30内の所定の直線軌道34を通過させる。真空容器30内の直線軌道34を通過した電子ビームEは、第2偏向磁石28に入射する。第2偏向磁石28は、入射した電子ビームEの軌道を磁場で曲げて電子ビームEを電子ビームダンプ32まで導く。
電子ビームダンプ32は、直線軌道34を通過した後の電子ビームEを捕捉して、電子ビームEの漏洩を防止する。
一方、レーザ光発生装置40は、レーザ装置42と、レーザ反射ミラー44,46と、を備える。
レーザ装置42は、パルス状にレーザ光Lを発生する。レーザ装置42で発生したレーザ光Lは、レーザ反射ミラー44,46に順に入射し、真空容器30内の上記直線軌道34を交差するように導かれる。
直線軌道34のレーザ光Lとの交差点48では、電子ビームEとレーザ光Lが衝突し、逆コンプトン散乱が発生してX線が発生する。
真空容器30の直線軌道34方向には、X線の透過率の高い材料、例えばプラスチック、ガラスやX線の透過率の高い金属(ベリリウムなど)で構成されたX線取出し窓30Aが形成されている。交差点48で発生したX線はX線取出し窓30Aから外部へ出射され、図1に示す回折格子14へ照射される。
ところで、逆コンプトン散乱により発生するX線は、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向に対する角度が大きくなるほどエネルギーが低下し、X線の波長が長くなる角度依存性がある。
図3には、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向を中心とした場合の中心からの距離によるX線のエネルギーの変化を中心からのエネルギーの低下率で示している。
図3に示すように、逆コンプトン散乱により発生するX線のエネルギーは、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向を中心として、同心円状に広がり、中央のエネルギーが高く、端に行くほどエネルギーが低下する。すなわち、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向に対する角度が大きくなるほどX線の波長が長くなり、エネルギーが低下する。
また、この逆コンプトン散乱により発生するX線のエネルギーは、電子ビームEのエネルギーの2乗に比例し、レーザ光Lの波長に反比例する。
放射線源12は、電子ビームEのエネルギーを変えることが可能とされており、これにより逆コンプトン散乱により発生するX線のエネルギーを変えることが可能とされている。
本実施の形態では、一定の波長のレーザ光Lを電子ビームEと衝突させて発生するX線のエネルギーの角度分布を一定に保っている。また、放射線源12と回折格子14の距離も特定の位置関係に定めている。回折格子14では、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突点から衝突時電子ビームの進行方向に延びる直線と交わる位置を中心位置として、中心位置からの距離が大きくなるほどX線の波長が長くなり、また、放射線源12と回折格子14の距離も特定の関係に定めているため、照射されるX線の波長が回折格子14上の位置に応じて定まる。
図4には、本実施の形態に係る回折格子14の構成を示す断面図が示され、図5には、本実施の形態に係る回折格子14の構成を示す平面図が示されている。
回折格子14は、図4に示すように、基板60と、この基板60に取り付けられた格子部材62を備えている。基板60は、X線の透過性が高い部材であればよく、例えば、ガラスを用いることができる。格子部材62は、X線の透過性が低い部材が好ましく、例えば、金を用いることができる。格子部材62は、照射されるX線に対して約80°から100°(理想的には90°)の位相変調を与える、いわゆる位相回折格子として構成されている。回折格子14を各格子部材62により放射線を回折させる位相回折格子とする場合、各格子部材62の厚みはX線の波長変化に合わせて変化させることが好ましく、1μm以上10μm以下が好ましい。
ここで、タルボ干渉が発生する条件について説明する。
回折格子14を位相回折格子とした場合、タルボ干渉効果によって自己像を形成するタルボ干渉距離Zは以下の(1)式から求められる。
Figure 2012143405
ただし、
mは整数
は回折格子14の格子部材62の周期
は吸収格子16の格子部材72の周期
λはX線の波長
なお、吸収格子16の周期dは回折格子14の周期に対し
Figure 2012143405
を満たす様に作成される。ただし、Zは放射線源12から回折格子14までの距離である。
例えば、m=0とした場合、タルボ干渉距離Zは上記(1)(2)式から以下のようになる。
Figure 2012143405
ところで、上述のように、放射線源12で発生するX線は、角度依存性があり、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向に対する角度が大きくなるほどX線の波長λが長くなる。このため、例えば、回折格子14の格子部材62の周期dを一定の値とした場合、タルボ干渉距離ZがX線の波長λよって変化してしまう。
そこで、本実施の形態では、タルボ干渉距離Zを一定とするために、図5に示すように、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突点から衝突時電子ビームの進行方向に延びる直線と交わる位置を中心位置Cとして、中心位置Cからの距離が大きくなるほど格子部材62の間隔が大きくなるように基板60上に格子部材62を湾曲させて形成させている。具体的には、上記(3)式から、回折格子14の各位置で当該位置に照射されるX線の波長λに対してd=(2λZ/(Z+Z))1/2となるように格子部材62の間隔dを変更している。
一方、吸収格子16も、図6に示すように、回折格子14と同様に、X線の透過性が高い部材による基板70に複数の格子部材72が取り付けられて形成されている。吸収格子16は、図7に示すように、上記(2)式を満たすように形成されている。つまり、吸収格子16の格子部材72の周期d2は、回折格子14の格子部材62の周期dを、放射線源12から吸収格子16の距離(Z+Z)を放射線源12から回折格子14の距離Zで除算した値分だけ大きくした間隔dで形成している。
次に、本実施の形態の作用について説明する。
X線撮影装置10では、位相コントラスト画像の撮影を行う場合、図8に示すように、回折格子14の放射線源12側に撮影部位Bを配置した状態で放射線源12からX線を照射させる。
放射線源12で発生したX線は、撮影部位Bを透過し、回折格子14及び吸収格子16を介して撮影部19のX線画像検出器18に照射される。
この放射線源12から照射されるX線は、角度依存性があり、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突時の電子ビームの進行方向に対する角度が大きくなるほどX線のエネルギーが低下し、X線の波長も長くなる。
しかし、本実施の形態では、回折格子14の格子部材62の間隔を各位置で当該位置に照射されるX線の波長λに対してd=(2λZ/(Z+Z))1/2となるように形成しているため、回折格子14からタルボ干渉距離Z=d/2λの位置にタルボ干渉効果によって自己像を形成させることができる。これにより、回折格子14からZの位置に配置された吸収格子16との間でモアレ縞が発生する。
これにより、本実施形態に係るX線撮影装置10では、従来と同様に、例えば、不図示の移動機構により吸収格子16を所定ピッチずつ並進移動させながらX線画像検出器18により複数回の撮影を行い、X線画像検出器18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)を取得する縞走査法により、位相コントラスト画像を得ることができる。但し、場所によって回折格子の周期が異なっていることを考慮して位相コントラスを計算するようにする必要がある。
このように、本実施の形態によれば、回折格子14の格子部材62および吸収格子16の格子部材72を、放射線源12から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど格子部材62および格子部材72間の間隔が大きくなるように形成しているので、逆コンプトン散乱により放射線を照射する放射線源12を用いた場合でも良好な位相コントラスト画像を得ることができる。
以上、本発明を上記実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
例えば、上記実施の形態では、回折格子14を位相回折格子として構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、回折格子14を吸収格子として構成してもよい。回折格子14を各格子部材62により放射線を吸収させる吸収格子とする場合、各格子部材62の厚みは、吸収格子の場合、10μm以上100μm以下が好ましい。回折格子14を吸収格子とした場合、タルボ干渉効果によって自己像を形成するタルボ干渉距離Zは以下の(5)式から求められる。
Figure 2012143405
とdは(2)式を満たすようにされている。このように回折格子14を吸収格子とした場合でも、例えば、m=1として、回折格子14の格子部材62の間隔を各位置で当該位置に照射されるX線の波長λに対してd=(λZ/(Z+Z))1/2となるように形成することにより、タルボ干渉距離Z=d/λの位置にタルボ干渉効果によって自己像を形成させることができる。そして、吸収格子16も図7に示すように、回折格子14と同様に、Zを放射線源12から回折格子14までの距離として、d=d×(Z+Z)/Zとなるように形成されている。これにより、回折格子14で回折されたX線による画像を安定して得ることができる。
また、上記実施の形態では、回折格子14の各格子部材62の厚みはほぼ等しく構成した場合について説明したが、回折格子14の格子部材62の間隔を各位置で当該位置に照射されるX線の波長λが変わるため、電子ビームEとレーザ光Lとの衝突点から衝突時電子ビームの進行方向に延びる直線と交わる位置を中心位置Cとして、中心位置Cからの距離が大きくなるほど厚さが薄くなるように格子部材62を形成してもよい。これにより、回折格子14を透過したX線量の差を小さく抑えることができる。
また、上記実施の形態では、放射線源12で一定の波長のレーザ光Lを電子ビームEと衝突させて発生するX線のエネルギーの角度分布を一定に保った場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮影部位の種類及び厚さの少なくとも一方に応じて電子ビームEのエネルギーを変えて放射線源12からエネルギーが異なる放射線を個別に照射させるようにしてもよい。この場合、撮影部位の種類及び厚さに応じて撮影時に放射線源12から照射されるX線のエネルギーの角度分布に応じて格子部材62、格子部材72の間隔を変えて格子部材62、格子部材72間の間隔の変化度合いの異なる複数の回折格子14及び吸収格子16を用意しておき、ユーザが交換するものとしてもよい。
また、上記実施の形態では、放射線源12と、回折格子14と、吸収格子16と、X線画像検出器18が内蔵された撮影部19を備えたX線撮影装置10として構成した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、放射線源12と、回折格子14、吸収格子16、及び撮影部19をそれぞれ別な装置として放射線撮影システムとして構成してもよい。
その他、上記実施の形態で説明した構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において、不要な部分を削除したり、新たな部分を追加したり、接続状態等を変更したりすることができることは言うまでもない。
10 X線撮影装置
12 放射線源
14 回折格子(第1格子)
16 吸収格子(第2格子)
18 X線画像検出器
62 格子部材(第1部材)
72 格子部材(第2部材)

Claims (7)

  1. 逆コンプトン散乱により発生した放射線を照射する放射線源と、
    前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を回折又は吸収する第1部材が並んで形成され、前記放射線源から照射された放射線を前記第1部材により回折又は吸収する第1格子と、
    前記第1格子により回折又は吸収された放射線によりタルボ干渉が発生する位置に配置され、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を吸収する第2部材が並んで形成された第2格子と、
    前記第2格子を透過した放射線を検出する放射線検出器と、
    を備えた放射線撮影装置。
  2. 前記第1部材は、前記放射線源から前記第1格子の各位置に照射される放射線の波長λの平方根に比例して第1部材間の間隔が大きくなるように形成された
    請求項1記載の放射線撮影装置。
  3. 前記第2部材は、前記第1格子の前記第1部材の間隔を、前記放射線源から前記第2格子の距離を前記放射線源から前記第1格子の距離で除算した値分だけ大きくした間隔で形成された
    請求項1又は請求項2記載の放射線撮影装置。
  4. 前記放射線源は、エネルギーが異なる放射線を個別に照射可能とされ、
    前記第1格子及び第2格子は、前記第1部材間及び前記第2部材間の間隔の変化度合いの異なるものが複数用意され、交換可能とされた
    請求項1〜請求項3の何れか1項記載の放射線撮影装置。
  5. 前記放射線源は、撮影部位の種類及び厚さの少なくとも一方に応じてエネルギーの異なる放射線を個別に照射する
    請求項4記載の放射線撮影装置。
  6. 前記第1格子の前記第1部材及び前記第2格子の前記第2部材は、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど厚さが薄くなるように形成された
    請求項1〜請求項5の何れか1項記載の放射線撮影装置。
  7. 逆コンプトン散乱により発生した放射線を照射する放射線源と、
    前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を回折又は吸収する第1部材が並んで形成され、前記放射線源から照射された放射線を前記第1部材により回折又は吸収する第1格子と、
    前記第1格子により回折又は吸収された放射線によりタルボ干渉が発生する位置に配置され、前記放射線源から照射される放射線の中心位置からの距離が大きくなるほど間隔が大きくなるように、放射線を吸収する第2部材が並んで形成された第2格子と、
    前記第2格子を透過した放射線を検出する放射線検出器と、
    を備えた放射線撮影システム。
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