JP2012522212A

JP2012522212A - 円形格子を用いる差分位相コントラスト撮像

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Publication number: JP2012522212A
Application number: JP2012501436A
Authority: JP
Inventors: エヴァルトレッスル; トマスコーレル; ゲルハルトマルテンス
Original assignee: Koninklijke Philips NV; Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2012-09-20
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: US20120008747A1; WO2010109368A1; JP5705826B2; CN102365052B; CN102365052A; US9269471B2; EP2410921A1

Abstract

本発明は、３つの円形格子を持つＸ線差分の位相コントラスト撮像システムに関する。円形格子は、放射線ビームの光学軸と揃えられ、位相ステッピングが、焦点スポット、位相格子及び／又は吸収格子を備える光学軸に沿って実行される。測定される信号は、光学軸から離れる半径方向における位相―グラジエントである。

Description

本発明は、位相コントラスト撮像に関する。特に、本発明は、関心対象物を検査する位相コントラスト撮像装置、位相コントラスト撮像の方法、コンピュータ可読媒体及びプログラム要素に関する。

電磁放射線を用いて関心対象物を検査するのに、可視又は不可視光又はＸ線が用いられることができる。Ｘ線差分の位相コントラスト撮像（ＤＰＣ）の分野におけるPfeifferらによる「Phase retrieval and differential phase-contrast imaging with low-brilliance X-ray sources」、Nature Physics 2006に記載される方法は、タルボットインターフェロメトリの拡張に基づかれる。この拡張は、多色のＸ線スペクトルの使用を可能にする第３の格子を加えることから成る。図１及び図２に図示されるように、この技術において使用される格子は、線形トレンチ構成により形成される。位相ステッピングを介した強度変動の検出は、格子のトレンチに垂直なＸ線波面の位相グラジエントの測定を可能にする。

しかしながら、相当に良い品質の画像を提供するには、ステッピングの間の適切な位置決め精度を必要とし、相当な（non trivial）位相回復（phase retrieval）が実行されなければならない場合がある。

位相回復に関するより堅牢な可能性を持つ撮像システム及び方法を提供することが望ましい。

本発明は、独立請求項の特徴に基づかれる、関心対象物を検査する位相コントラスト撮像装置、位相コントラスト撮像の方法、コンピュータ可読媒体及びプログラム要素に関する。本発明の例示的な実施形態の追加的な特徴が、従属項に述べられる。

例えば以下において撮像装置に関して説明される特徴は、方法、コンピュータ可読媒体又はプログラムにおける方法ステップとして実現されることもできる点に留意されたい。逆もまた同じである。

本発明の例示的な実施形態によれば、関心対象物を検査する位相コントラスト撮像装置が提供される。この装置は、放射線のビームを放出する源と、検出器と、上記源及び上記検出器の間に配置される位相格子とを有する。上記検出器が、上記関心対象物及び上記位相格子を進んだあとの上記放射線を検出するよう構成され、上記位相格子は、カーブするジオメトリを持つ。

例えば、撮像装置において使用されるすべての格子は、斯かるカーブするジオメトリを持つ。「カーブするジオメトリ」という用語は、線形ではなく、例えば円又は円若しくは円状のものの一部といった円弧状又は曲げた構造を有する位相格子ジオメトリを指す。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、上記位相格子が、円形ジオメトリ及び螺旋ジオメトリの１つを持つ。言い換えると、位相格子（及び例えば吸収格子も同様）は、同心状に構成されたトレンチ、又はヘリカル、即ち螺旋状トレンチを有する。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、上記源により放出される放射線の上記ビームが、コーンビームである。従って、撮像装置は、コーンビーム対称性を持って設計される。

従来のＸ線管源を用いると、線形格子構成は、撮像システムのコーンビーム対称性を壊す。上記及び以下に説明される格子は、上述の対称性を尊重する。こうして、複数の利点が得られる。

例えば、カーブするジオメトリ、例えば螺旋又は円形格子を持つ格子を用いることにより、ステッピングの間の位置決め精度に関する要件が緩和されることができる。更に、位相回復は、「光学軸上の位相点」という共通の真実により、単純化されることができる。更に、円筒状の対称性は、エッジ歪みを回避することができる。上記及び以下に説明されるセットアップは、線形格子を用いる他のＤＰＣ技術に対する現実的代案を提供することができる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、この撮像装置は、検出器の前に配置される吸収格子の形式で構成される第２の格子を更に有する。第２の格子は、同様にカーブするジオメトリを持ち、第１の位相格子のピッチと異なるピッチを持つ。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、この撮像装置は、源及び関心対象物の間に配置される吸収格子であり、カーブするジオメトリを持つ第３の格子を更に有する。上記第３の格子は、上記位相格子の基本的にコヒーレントな照射を可能にする、上記位相格子の上記第１のピッチと異なる第３のピッチを持つ。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、撮像装置は、ステッパーモータを更に有する。上記源により放出される放射線の上記ビームが、光学軸を持ち、上記ステッパーモータは、上記源により放出される放射線の上記ビームの上記光学軸に沿って上記位相格子及び上記第２の（吸収）格子のうちの少なくとも１つを動かすよう構成される。

更に、源により放出される放射線のビームの焦点スポットが、画像取得の間、光学軸に沿って移動するという態様で、この撮像装置は構成されることができる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、撮像装置は回転モーターを更に有し、上記回転モーターは、放射線の上記ビームの上記光学軸の周りで上記位相格子及び上記第２の格子のうちの少なくとも１つを回転させるよう構成される。

例えば、位相格子Ｇ１及び／又は第２の吸収格子Ｇ２は、螺旋ジオメトリにおいて構成され、光学軸上に配置される。代替的に又は追加的に、２つの格子Ｇ１、Ｇ２の１つ又は各々が、光学軸においてオフセットされて配置され、光学軸の周りで回転される。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、位相格子（１０４）のピッチは、一定でなく、位相格子の中央からの距離の関数である。特に、ピッチは、中央から距離の増加と共に増加することができる。これは、吸収格子Ｇ０及びＧ２に関しても当てはまる。これは、光学軸に沿って位相ステッピング手順を単純化するのに有益でありえる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、上記源が、Ｘ線源であり、上記装置は、Ｘ線ベースの差分位相コントラスト撮像装置として構成される。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、源は光源であり、撮像装置は光学撮像装置として構成される。ここで、対象物を探査するのに使用される放射線のビームは、例えば４００〜１４００ｎｍの範囲に含まれる波長を持つ光学放射線ビームである。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、関心対象物を検査する位相コントラスト撮像の方法が提供される。ここで、放射線のビームは源により放出される。更に、位相格子は、源及び検出器の間に配置される。位相ステッピングが、焦点スポット、位相格子及び／又は吸収格子を持つ光学軸に沿って実行される。更に、上記検出器により、上記関心対象物及び上記位相格子を通過した後の上記放射線が検出される。ここで、上記位相格子が、カーブするジオメトリを持つ。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、検出された放射線の外向き放射方向の積分が、位相回復のため実行される。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、位相格子と、検出器の前に配置され、カーブするジオメトリを持つ吸収格子である第２の格子と、源により放出される放射線のビームの焦点スポットとの少なくとも１つが、ビームの光学軸に沿って移動される。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、位相格子、第２の格子、及び源により放出される放射線のビームの少なくとも１つが、ビームの光学軸の周りで回転される。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、関心対象物の検査に関するコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読媒体が提供される。上記プログラムは、撮像装置のプロセッサにより実行されるとき、上記撮像装置に上述した方法のステップを実行させる。

本発明の別の例示的な実施形態によれば、関心対象物の検査に関するコンピュータプログラムが提供される。上記プログラムは、撮像装置のプロセッサにより実行されるとき、上記撮像装置に上述した方法のステップを実行させる。

３つのカーブする、例えば円形又は螺旋形状の格子が、ＤＰＣセットアップに関する３つの線形格子の代わりに用いられることが、本発明の主旨であることが分かる。線形格子の場合、位相ステッピングが、デカルト座標のステッピング方向に沿った位相グラジエントを明らかにする。光学軸と揃えられ、従ってシステムの円筒状の対称性を尊重する円形格子の場合、位相ステッピングは、焦点スポット、位相格子又は吸収格子を持つ光学軸に沿って実行される。測定された信号は、半径方向における位相グラジエントである。光学軸に沿って必要とされる位置決め精度は、線形格子の場合にステッピングに関して必要とされる比較的高い精度と比べると比較的低くすることができる。

３つの線形格子を持つ測定セットアップを示す図である。図１Ａのセットアップの断面を示す図である。線形位相格子を示す図である。線形吸収格子を示す図である。本発明の例示的な実施形態による測定セットアップを示す図である。本発明の例示的な実施形態による撮像システムを示す図である。本発明の例示的な実施形態による方法のフローチャートを示す図である。

本発明のこれら及び他の側面は、本書において述べられる実施形態から明らかとなり、及び実施形態を参照して説明されることになる。

本発明の例示的な実施形態が、以下の図面を参照して以下に説明されることになる。

図面における説明は、概略的であり、大きさ通りに描かれているものではない。異なる図面において、同様な又は同一の要素は、同じ参照符号を用いて提供される。

図１Ａは、線形格子を持つ差分の位相コントラスト撮像に関する測定セットアップを示す。焦点スポット１０１により象徴化されるインコヒーレントＸ線源が用いられる。この源により放出される放射線ビームは、光学軸４を持つ。最初に、ビームは、吸収格子１（Ｇ_０）を通過する。その後、ビームは、関心対象物１０３及び位相格子２（Ｇ_１）を通過する。その後、ビームは、第２の吸収格子３（Ｇ_２）を通過する。この格子は、撮像検出器１０２の前に構成される。

参照符号５は、ｘ軸を示し、参照符号６は、ｙ軸を示し、参照符号７は、光学軸４に平行して構成されるｚ軸を示す。

図１Ｂは、図１Ａに示されるセットアップの断面図を示す。源１０１の焦点スポットは、幅Ｗを持つ。この幅は通常、第１の吸収格子１のピッチｐ_０（参照符号８を参照）より非常に大きい。位相格子２は、第１の吸収格子１から距離ｌの所に構成される。第１の吸収格子１及び位相格子２の間に、関心対象物１０３がある。

第２の吸収格子３は、位相格子２から距離ｄの所に構成される。この格子は、第１の吸収格子１のピッチより小さいピッチ１０（ｐ_２）を持つ。位相格子２は、特定のエネルギーＥを持つ源からの放射線が撮像検出器１０２でのタルボット画像を生み出すことを可能にするピッチ９（ｐ_１）を持つ。

図２Ａ及び図２Ｂはそれぞれ、線形格子２及び３の部分を示す。

図３は、本発明の例示的な実施形態による撮像装置に関するフィルタ及び検出器セットアップを示す。撮像セットアップは、３つの円形格子を持つ。即ち、源１０１の焦点スポットの後に構成される吸収格子１０６、関心対象物１０３の後に構成される位相格子１０４及び検出器１０２の前に構成される第２の吸収格子１０５である。

第２の吸収格子１０５は、移動されることができるか又は光学軸４に沿って進められることができる。円形（又は、螺旋）格子１０４、１０５及び１０６のピッチが大きさ通りに描かれていない点に留意されたい。

Pfeifferらにより開示されるシステムに関して、すべての線形格子は、円形格子（又は、螺旋格子）により置換され、位相ステッピングは、光学軸に沿って実行される。この方法は、放射位相グラジエントに対する感度が良い。

Ｇ_１のピッチｐ_１とＧ_２のＰ_２との間の関係は、変更されないままである。平面波（シンクロトロン）に対しては、ｐ２＝ｐ１／２であり、球状波（現在のケースがこれ）に対しては、ｐ２＝ｐ１／２＊ｌ／（ｌ−ｄ）である。ここで、ｌは、Ｇ_０及びＧ_１の間の距離であり、ｄは、タルボット距離である。

源格子１０６は、位相格子１０４の基本的に「コヒーレントな」照射を保証するよう構成される。位相対象物１０３により生成されるタルボット自己像（フーリエ画像）の歪みは、光学軸４に沿ったステッピングを介して吸収格子１０５により解析される。検出器は、半径方向における局所位相グラジエントを測定する。位相回復のため、波面位相に関する共通の「アンカー」を持つ利点を用いて、外向き放射方向の積分が実行される。

別の例示的な実施形態によれば、格子のトレンチは、同心状リングの形ではなく、螺旋として実現される。位相ステッピングは、３６０度の角度分、光学軸周りで格子の１つを回転させることを介して実現されることができる。

第２の位相格子（例えば図４の位相格子４１０）が、検出器で第２のタルボット画像を生み出すために、第１の位相格子１０４の隣に配置されることができる点に留意されたい。

撮像システムは、Ｘ線撮像システム又は光学撮像システムとすることもできる点も留意されたい。

図４は、本発明の例示的な実施形態による撮像システム４００を示す。図４に示される撮像システムは、マンモグラフィ撮像システムの形式において構成されることができる。関心対象物１０３は、患者の胸部に圧力を適用する２つの圧力プレート４０１、４０２の間に配置される患者の胸部とすることができる。

源１０１は、Ｘ線源とすることができるか、又は例えば、光学エネルギー源とすることができる（この場合、このシステムは他の目的に用いられることができる）。

源１０１により放出される放射線は最初に、格子１０６を通過し、次に、撮像される関心対象物１０３を通過する。

その後、放射線は、位相格子１０４を通過し、必要であれば、第２の位相格子４１０を通過する。位相格子は、対応する筐体において一体化されることができ、こうしてモジュールを形成することができる。格子１０４、４１０が、矢印３０８、３０９に沿って上方及び下方へ移動されることができるよう、モジュールは制御ユニット４０３に接続される。

更に、第２の吸収格子１０５が、検出器１０２の前に配置される。格子の各々は、矢印３０８、３０９に沿った移動及び／又は光学軸４周りでの回転のため、同じ又はそれぞれ個別のモーター４０８に接続されることができる。

源１０１及び検出器１０２はそれぞれ、線４０５、４０６を介して制御ユニット４０３に接続される。

検出器１０２は、タルボット干渉計４０８を有する。

更に、データライン４０７は、入力及び出力デバイス４０４に制御ユニット４０３を接続する。この制御ユニットは、撮像システム４００を制御する制御情報を入力するのに用いられることができ、最終的な画像に関する視覚的情報を出力するのにも用いられることができる。

図５は、本発明の例示的な実施形態による方法のフローチャートを示す。ステップ５０１において、放射線のビームが、源により、例えば多色のＸ線を放出するＸ線源により放出される。ステップ５０２において、焦点スポット、位相格子又は検出器での吸収格子がステッピングされる。即ち、光学軸に沿って移動される。螺旋格子が用いられる場合、線形運動の代わりに回転が実行される。

その後、ステップ５０３において、関心対象物及び格子を通過した後の放射線が検出され、ステップ５０４において、検出された信号の外向き放射方向の積分を実行することにより、位相が取得される。

積分は、光学軸上で同じ値に到達する必要条件を用いて、外側から始まり内向きに向かうよう実行されることもできる。

「comprising」という単語は、他の要素又はステップを除外するものではない点、及び「a」又は「an」は、複数性を排除するものではない点に留意されたい。また、異なる実施形態に関連して記載される要素は、結合されることができる。

また、請求項における参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない点に留意されたい。

Claims

関心対象物を検査する位相コントラスト撮像装置であって、
放射線のビームを放出する源と、
検出器と、
前記源及び前記検出器の間に配置される位相格子とを有し、
前記検出器が、前記関心対象物及び前記位相格子を進んだあとの前記放射線を検出するよう構成され、
前記位相格子は、カーブするジオメトリを持つ、位相コントラスト撮像装置。
前記位相格子が、円形ジオメトリ及び螺旋ジオメトリの１つを持つ、請求項１に記載の撮像装置。
前記源により放出される前記放射線のビームが、コーンビームである、請求項１又は２に記載の撮像装置。
第２の格子を更に有し、
前記第２の格子が、前記検出器の前に配置される吸収格子であり、
前記第２の格子は、カーブするジオメトリを持ち、
前記第２の格子が、前記位相格子の第１のピッチと異なる第２のピッチを持つ、請求項１乃至３の一項に記載の撮像装置。
第３の格子を更に有し、
前記第３の格子が、前記源及び前記関心対象物の間に配置される吸収格子であり、
前記第３の格子は、カーブするジオメトリを持ち、
前記第３の格子が、前記位相格子の基本的にコヒーレントな照射を可能にする、前記位相格子の前記第１のピッチと異なる第３のピッチを持つ、請求項１乃至４の一項に記載の撮像装置。
ステッパーモータを更に有し、
前記源により放出される前記放射線のビームが、光学軸を持ち、
前記ステッパーモータは、前記源により放出される前記放射線のビームの前記光学軸に沿って前記位相格子及び前記第２の格子のうちの少なくとも１つを動かすよう構成される、請求項１乃至５の一項に記載の撮像装置。
回転モーターを更に有し、
前記源により放出される前記放射線のビームが、光学軸を持ち、
前記回転モーターは、前記源により放出される前記放射線のビームの前記光学軸の周りで前記位相格子及び前記第２の格子のうちの少なくとも１つを回転させるよう構成される、請求項１乃至６の一項に記載の撮像装置。
前記源が、Ｘ線源であり、
前記装置は、Ｘ線ベースの差分位相コントラスト撮像装置として構成される、請求項１乃至７の一項に記載の撮像装置。
光学撮像装置として構成される、請求項１乃至７の一項に記載の撮像装置であって、前記源が、光源である、撮像装置。
前記位相格子のピッチが、前記位相格子の中央からの距離の関数である、請求項１乃至９の一項に記載の撮像装置。
関心対象物を検査する位相コントラスト撮像の方法において、
源により放射線のビームを放出するステップと、
前記源及び検出器の間に位相格子を配置するステップと、
前記検出器により、前記関心対象物及び前記位相格子を通過した後の前記放射線を検出するステップとを有し、
前記位相格子が、カーブするジオメトリを持つ、方法。
位相回復のため、前記検出された放射線の外向き放射方向の積分及び内向き放射方向の積分のいずれかを実行するステップを更に有する、請求項１１に記載の方法。
前記ビームの光学軸周りで、前記位相格子、前記第２の格子、及び前記源により放出される前記放射線のビームの少なくとも１つを回転させるステップを更に有する、請求項１１又は１２に記載の方法。
関心対象物の検査に関するコンピュータプログラムが格納されるコンピュータ可読媒体であって、前記プログラムは、撮像装置のプロセッサにより実行されるとき、前記撮像装置に、
源により放射線のビームを放出するステップと、
前記源及び検出器の間に位相格子を配置するステップと、
前記検出器により、前記関心対象物及び前記位相格子を通過した後の前記放射線を検出するステップとを実行させ、
前記位相格子が、カーブするジオメトリを持つ、コンピュータ可読媒体。
関心対象物の検査に関するコンピュータプログラムであって、撮像装置のプロセッサにより実行されるとき、前記撮像装置に、
源により放射線のビームを放出するステップと、
前記源及び検出器の間に位相格子を配置するステップと、
前記検出器により、前記関心対象物及び前記位相格子を通過した後の前記放射線を検出するステップとを実行させ、
前記位相格子が、カーブするジオメトリを持つ、コンピュータプログラム。