JP2014039569A - 放射線画像撮影用グリッド及び放射線画像撮影システム - Google Patents

Abstract

【課題】外力に対する耐久性の向上、及び小グリッド間の境界線によるアーチファクトの発生を防止する。
【解決手段】Ｘ線源とＸ線画像検出器との間に第１及び第２のグリッドが配置される。第１及び第２のグリッドは、Ｘ線吸収部の幅、ピッチ、厚さが異なる以外は同様の構成である。第１のグリッド１３は、ガラス等からなる支持基板１３ｂの平面１３ｃ上に、正六角形の外形を有する小グリッド１３ａを敷詰めることにより構成されている。小グリッド１３ａには、ｙ方向に延伸するＸ線吸収部及びＸ線透過部がｘ方向に交互に配置されている。小グリッド１３ａの外形を構成する各辺は、Ｘ線吸収部の延伸方向と非平行である。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｘ線等の放射線を用いた放射線画像撮影用グリッド及び放射線画像撮影システムに関する。

Ｘ線は、物体に入射したとき、相互作用により強度及び位相が変化し、位相変化（角度変化）が強度変化よりも大きい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の一種として、２枚の透過型の回折格子（グリッド）によるタルボ干渉効果を用いた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、非特許文献１参照）。このＸ線画像撮影システムは、Ｘ線源から見て、被検体の背後に第１のグリッドを配置し、第１のグリッドからタルボ干渉距離だけ下流に第２のグリッドを配置する。第２のグリッドの背後には、Ｘ線を検出して画像を生成するＸ線画像検出器が配置されている。第１及び第２のグリッドは、一方向に延伸されたＸ線吸収部及びＸ線透過部を、延伸方向に直交する配列方向に沿って交互に配列した縞状のグリッドである。タルボ干渉距離とは、第１のグリッドを通過したＸ線が、タルボ干渉効果によって自己像を形成する距離である。タルボ干渉効果によって形成された自己像は、被検体とＸ線との相互作用により変調を受ける。

上記Ｘ線画像撮影システムでは、第１のグリッドの自己像と第２のグリッドとの重ね合わせ（強度変調）により生じる縞画像を、縞走査法により検出し、被検体による縞画像の変化から被検体の位相情報を取得する。この縞走査法とは、第１のグリッドに対して第２のグリッドを、第１のグリッドの面にほぼ平行で、かつ第１のグリッドの格子方向（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強度変化から、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）。

このようなＸ線画像撮影システムは、医療診断用途での開発が進められている。患者のように大きな被検体を対象として撮影を行うには、Ｘ線画像検出器の大型化とともに、第１及び第２のグリッドを大型化する必要がある。第１及び第２のグリッドは、Ｘ線吸収部とＸ線透過部とが交互にμｍオーダのピッチで配置された微細構造を有するものであるため、大型のグリッドを一度に製造することは困難である。そこで、矩形状の複数の小グリッドを敷き詰めることにより大型のグリッドを構成することが提案されている（特許文献２参照）。

特許第４４４５３９７号公報 特開２００７−２０３０６１号公報

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

しかしながら、特許文献２に記載のグリッドは、グリッドの外形の対向する２辺がＸ線吸収部の延伸方向と平行であるため、構造上、外力に対する耐久性が低いといった問題がある。また、上記のように小グリッドを敷詰めて大型のグリッドを構成した場合には、小グリッド間の境界線がＸ線吸収部の延伸方向と平行であるため、境界線がグリッド線のように作用して、位相コントラスト画像にアーチファクトを生じさせる可能性がある。

本発明の第１の目的は、外力に対する耐久性の高い放射線画像撮影用グリッド、及びこの放射線画像撮影用グリッドを用いた放射線画像撮影システムを提供することにある。

本発明の第２の目的は、小グリッドを敷詰めて大型のグリッドを構成した場合に、アーチファクトの発生を防止することを可能とする放射線画像撮影用グリッド、及びこの放射線画像撮影用グリッドを用いた放射線画像撮影システムを提供することにある。

本発明の放射線画像撮影用グリッドは、一方向に延伸した放射線吸収部が前記一方向と直交する方向に複数配設されてなる放射線画像撮影用グリッドにおいて、外形を構成する各辺が、前記一方向と非平行であることを特徴とする。

また、本発明の放射線画像撮影用グリッドは、一方向に延伸した放射線吸収部が前記一方向と直交する方向に複数配設されてなる複数の小グリッドを敷詰めることにより構成された放射線画像撮影用グリッドにおいて、前記小グリッドの外形を構成する各辺が、前記一方向と非平行であることを特徴とする。この場合には、前記小グリッドの外形は、正六角形、正四角形、正三角形のうちのいずれかであることが好ましい。

また、前記複数の小グリッドが配設される支持基板を備えることが好ましい。前記複数の小グリッドが配設される前記支持基板の面は、平面または凹面である。

さらに、本発明の放射線画像撮影システムは、放射線源から放射された放射線を通過させて第１の周期パターン像を生成する第１のグリッドと、前記第１の周期パターン像を部分的に遮蔽して第２の周期パターン像を生成する第２のグリッドとを有する放射線画像撮影システムであって、前記第１及び第２のグリッドの少なくとも一方に、請求項１から５いずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッドを用いたことを特徴とする。

本発明の放射線画像撮影用グリッドは、一方向に延伸した放射線吸収部が一方向と直交する方向に複数配設されてなる放射線画像撮影用グリッドにおいて、外形を構成する各辺が、一方向と非平行であるので、外力に対する耐久性が向上する。

また、本発明の放射線画像撮影用グリッドは、一方向に延伸した放射線吸収部が一方向と直交する方向に複数配設されてなる複数の小グリッドを敷詰めることにより構成された放射線画像撮影用グリッドにおいて、小グリッドの外形を構成する各辺が、一方向と非平行であるので、小グリッド間の境界線によるアーチファクトの発生を防止することができる。

第１実施形態のＸ線画像撮影システムの構成を示す模式図である。 第１のグリッドの構成を示す平面図である。 第１のグリッドの構成を示す断面図である。 第１のグリッドの製造工程を示す断面図である。 小グリッドが形成されたシリコンウェーハを示す平面図である。 第２実施形態に係る第１のグリッドを示す図である。 小グリッドの変形例を示す平面図である。 小グリッドのその他の変形例を示す平面図である。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態のＸ線画像撮影システム１０を示す概念図である。Ｘ線画像撮影システム１０は、Ｘ線源１１、第１のグリッド１３、第２のグリッド１４、及びＸ線画像検出器１５を備えている。Ｘ線源１１は、例えば、回転陽極型のＸ線管と、Ｘ線の照射野を制限するコリメータとを有し、被検体Ｈに向けてＸ線を放射する。第１のグリッド１３及び第２のグリッド１４は、Ｘ線を吸収する吸収型グリッドであり、Ｘ線照射方向であるｚ方向においてＸ線源１１に対向配置されている。Ｘ線源１１と第１のグリッド１３との間には、被検体Ｈが配置可能な間隔が設けられている。Ｘ線画像検出器１５は、例えば、半導体回路を用いたフラットパネル検出器（ＦＰＤ：Flat Panel Detector）であり、第２のグリッド１４の背後に配置されている。

第１のグリッド１３は、正六角形の外形を有する複数の小グリッド１３ａを支持基板１３ｂの平面１３ｃ上に隙間なく敷詰めることにより構成されている。同様に、第２のグリッド１４は、正六角形の外形を有する複数の小グリッド１４ａを支持基板１４ｂの平面１４ｃ上に隙間なく敷詰めることにより構成されている。

次に、第１のグリッド１３を例にして、グリッドの構成を説明する。なお、第２のグリッド１４は、大きさが異なること以外は、第１のグリッド１３と同一の構成である。そのため、第１のグリッド１４についての詳しい説明は省略する。

図２は、第１のグリッド１３の小グリッド１３ａをＸ線源１１の側から見た平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面を表している。小グリッド１３ａは、複数のＸ線吸収部２０及び複数のＸ線透過部２１からなるグリッド層２２と、導電層２３とからなる。Ｘ線吸収部２０は、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等のＸ線吸収性を有する金属からなる。Ｘ線透過部２１は、単結晶シリコンからなり、Ｘ線透過性を有する。導電層２３は、クロム（Ｃｒ）等のＸ線吸収性を有する金属からなる。

Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１は、それぞれｚ方向に直交する面内の一方向であるｙ方向に延伸されている。また、Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１は、ｚ方向及びｙ方向に直交するｘ方向に沿って交互に配列されており、縞状のパターンを構成している。

小グリッド１３ａは、それぞれ同一の長さを有する第１〜第６の辺２４ａ〜２４ｆにより外形が構成されている。Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１は、その延伸方向が第２の辺２４ｂと第５の２４ｅに直交するように形成されている。すなわち、Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１の延伸方向は、第１〜第６の辺２４ａ〜２４ｆのいずれにも平行でない。

Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１は、図１に示すように小グリッド１３ａを敷詰めた際に、小グリッド１３ａ間で連続性を有するように配置されている。

Ｘ線吸収部２０のｘ方向の幅Ｗ_１及び配列ピッチＰ_１は、Ｘ線源１１と第１のグリッド１３との間の距離、第１のグリッド１３と第２のグリッド１４との距離、及び第１のグリッド１４のＸ線吸収部のピッチ等に応じて決定される。例えば、幅Ｗ_１は、およそ２〜２０μｍであり、ピッチＰ_１はその倍の４〜４０μｍ程度である。Ｘ線吸収部２０のｚ方向の厚みＴ_１は、Ｘ線源１１から放射されるコーンビーム状のＸ線のケラレを考慮して、例えば１００μｍ程度となっている。

次に、Ｘ線画像撮影システム１０の作用について説明する。Ｘ線源１１から放射されたＸ線は、被検体Ｈを通過することにより位相差が生じる。このＸ線が第１のグリッド１３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第１の周期パターン像が形成される。

第１の周期パターン像は、第２のグリッド１４により部分的に遮蔽されることにより強度変調され、第２の周期パターン像となる。本実施形態では縞走査法に従い、第１のグリッド１３に対し第２のグリッド１４を、Ｘ線焦点を中心としてグリッド面に沿ったｘ方向にグリッドピッチを等分割（例えば、５分割）した走査ピッチで並進移動させながら、並進移動を行なうたびにＸ線源１１から被検体ＨにＸ線を照射してＸ線画像検出器１５により第２の周期パターン像を撮影する。そして、Ｘ線画像検出器１５の各画素の強度変調信号（並進移動に対する画素データの強度変調を表す波形信号）の位相ズレ量を算出することにより位相微分像（被検体で屈折したＸ線の角度分布に対応）を取得する。この位相微分像を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が得られる。

次に、第１のグリッド１３の製造方法について説明する。なお、第２のグリッド１４は、第１のグリッド１３と同様に製造されるので、詳しい説明は省略する。図４は、第１のグリッド１３の小グリッド１３ａの製造手順を示している。

まず、図４（Ａ）に示すように、シリコンウェーハ３０の下面に導電層２３が接合または蒸着により形成される。シリコンウェーハ３０は、通常の半導体プロセスで用いられるほぼ円形の単結晶シリコンウェーハである。導電層２３は、クロム等の導電性材料からなる。導電層２３は、シリコンウェーハ３０との熱膨張係数差が小さいものが好ましく、コバール、インバー等を用いてもよい。また、シリコンウェーハ３０に基板状の導電層２３を接合する場合には、熱と圧力をかけながら行う拡散接合や、高真空中で表面を活性化させて接合する常温接合等により接合を行なえばよい。

次の工程では、図４（Ｂ）に示すように、シリコンウェーハ３０の上面に、レジスト層３１が形成される。レジスト層３１は、例えば、液状レジストをスピンコート等の塗布方法によってシリコンウェーハ３０に塗布する工程と、塗布された液状レジストから有機溶剤を蒸発させるプリベーク等の工程を経て形成される。

次いで、図４（Ｃ）に示すように、ピッチＰ_１を有する縞模様の露光マスク３２を介して、紫外線等の光がレジスト層３１に照射される。そして、図４（Ｄ）に示すように、現像処理によってレジスト層３１の露光部分が除去される。これにより、シリコンウェーハ３０には、ｙ方向に延伸されかつｘ方向に沿って配列された複数のラインパターンを有する縞模様のエッチングマスク３３が形成される。なお、上記レジスト層３１は、ポジ型レジストであるが、ネガ型レジストを用いてもよい。

次の工程では、図４（Ｅ）に示すように、エッチングマスク３３を介したドライエッチングにより、シリコンウェーハ３０に、ｙ方向に延伸されかつｘ方向に配列された複数の溝３４が形成される。このドライエッチングには、アスペクト比の高い溝３４の形成が可能な深堀用ドライエッチングとして、ボッシュプロセスと呼ばれる方法が用いられる。なお、ボッシュプロセス以外にクライオプロセスによるドライエッチングを用いてもよい。

次の工程では、図４（Ｆ）に示すように、導電層２３をシーズ層として用いる電解メッキ法により、溝３４内に金（Ａｕ）等のＸ線吸収材３５が埋め込まれる。この電解メッキ法では、シリコンウェーハ３０と導電層２３とからなる接合基板が、メッキ液中に浸漬され、この接合基板と対向させた位置にもう一方の電極（陽極）が配置される。そして、導電層２３と他方の電極との間に電流が流されることにより、メッキ溶液中の金属イオンがパターン加工した基板に析出され、溝３４内にＸ線吸収材３５が埋め込まれる。

この後、図４（Ｇ）に示すように、アッシング等により、シリコンウェーハ３０上からエッチングマスク３３が除去される。これにより、小グリッド１３ａのグリッド構造が完成する。ここで、Ｘ線吸収材３５がＸ線吸収部２０に対応し、Ｘ線吸収材３５に隣接するシリコンウェーハ３０の部分がＸ線透過部２１に対応する。なお、この後、シリコンウェーハ３０から導電層２３を除去してもよい。

以上の工程により、図５に示すように、シリコンウェーハ３０には、小グリッド１３ａが形成される。そして、一般的な半導体プロセスで使用されるダイシング装置を用いて、シリコンウェーハ３０から小グリッド１３ａが切り出される。このとき、小グリッド１３ａの外形を一辺ずつ切断するように、シリコンウェーハ３０を６０度ずつ回転させながら切断を行なうことにより、Ｘ線吸収部２０の延伸方向に平行でない第１〜第６の辺２４ａ〜２４ｆが形成される。

上記製造方法では、シリコンウェーハ３０の切断時にＸ線吸収部２０の延伸方向に沿った切断を行なわないため、割れ等の不良が生じにくく、耐久性の高い小グリッド１３ａが製造される。また、小グリッド１３ａの外形が六角形であるため、従来のような矩形状の小グリッドの場合と比べて、シリコンウェーハ３０から切り捨てられる部分が少なく、生産性が高い。

そして、上記工程が複数回、繰り返しまたは並行して行なわれることにより、複数の小グリッド１３ａが形成される。最後に、ガラス等からなる支持基板１３ｂの平面１３ｃ上に小グリッド１３ａが隙間なく敷詰められることにより、第１のグリッド１３が完成する。なお、小グリッド１３ａと支持基板１３ｂとの接合は、接着剤等により行なわれる。また、小グリッド１３ａ同士の位置合わせは、各辺と、Ｘ線吸収部２０及びＸ線透過部２１との位置を基準として行なわれる。支持基板１３ｂの平面１３ｃ上に、小グリッド１３ａを正しく配置するためのアライメントマークを設けてもよい。

以上のように、本実施形態では、正六角形の外形を有する小グリッド１３ａ，１４ａをそれぞれ敷詰めることにより、第１及び第２のグリッド１３，１４を構成しているため、生産性が向上する。また、隣接する小グリッド１３ａ間、及び隣接する小グリッド１４ａ間の境界線が直線状に並んでいないため、折れ曲がり難く、外力に対する耐久性が向上する。

また、小グリッド１３ａ，１４ａの外形を構成するいずれかの辺がＸ線吸収部２０の延伸方向と平行である場合には、該辺が格子線のように作用して位相コントラスト画像にアーチファクトが生じる可能性があるが、本実施形態では、小グリッド１３ａ，１４ａのいずれの辺もＸ線吸収部２０の延伸方向と平行でないため、上記アーチファクトの発生は防止される。

以下では、本発明のその他の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態では、既に説明済み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。また、以下の各実施形態においても、第２のグリッドは、グリッドピッチ及び厚さ等が異なる以外は、第１のグリッドと同様の構成及び製造方法を用いるため、詳しい説明は省略する。

［第２実施形態］
第１実施形態では、第１及び第２のグリッドを、平板状の支持基板に小グリッドを配置することにより構成しているが、凹面状の支持基板に小グリッドを配置することにより構成してもよい。

図６（Ａ）は、本実施形態の第１のグリッド４０をＸ線源１１の側から見た平面図である。同図（Ｂ）は、同図（Ａ）のＢ−Ｂ断面を表している。同図（Ｃ）は、同図（Ａ）のＣ−Ｃ断面を表している。第１のグリッド４０は、支持基板４１の凹面４１ａ上に、小グリッド４２が隙間なく敷詰められている。

小グリッド４２は、第１実施形態の小グリッド１３ａと同一構成であり、正六角形の外形を有する。支持基板４１の凹面４１ａの形状は、Ｘ線源１１の焦点を中心とした球面と一致する形状であり、Ｘ線源１１から放射されたＸ線がほぼ垂直に入射する。

［その他の実施形態］
上記各実施形態では、小グリッドの外形を正六角形としているが、本発明はこれに限定されるものでなく、小グリッドの外形をその他の正多角形や、正多角形以外の形状としてもよい。なお、小グリッドの各辺とＸ線吸収部の延伸方向とのなす角は、少なくとも３°以上であればよい。

図７に例示する小グリッド５０は、第１〜第４の辺５１ａ〜５１ｄからなる正四角形の外形を有している。Ｘ線吸収部５２及びＸ線透過部５３は、それぞれｙ方向に延伸されるとともに、ｘ方向に沿って交互に配置されている。該延伸方向は、第１〜第４の辺５１ａ〜５１ｄのいずれにも平行でない。

図８に例示する小グリッド６０は、第１〜第３の辺６１ａ〜６１ｃからなる正三角形の外形を有している。Ｘ線吸収部６２及びＸ線透過部６３は、それぞれｙ方向に延伸されるとともに、ｘ方向に沿って交互に配置されている。該延伸方向は、第１〜第３の辺６１ａ〜６１ｃのいずれにも平行でない。

また、上記各実施形態では、複数の小グリッドを敷詰めることにより大型のグリッドを構成しているが、本発明はこれに限定されるものでなく、第１及び第２のグリッドの少なくともいずれか１つを１つのグリッドとして構成する場合も含む。

また、上記各実施形態では、第１及び第２のグリッドを例に本発明を説明したが、本発明は、Ｘ線源１１の射出側に線源グリッド（マルチスリット）を設けた場合に、その線源グリッドに適用することも可能である。

また、上記各実施形態は、第１及び第２のグリッドを、そのＸ線透過部を通過したＸ線を幾何光学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、Ｘ線透過部で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（特許第４４４５３９７号公報等に記載の構成）としてもよい。ただし、この場合には、第１及び第２のグリッドの間の距離をタルボ干渉距離に設定する必要がある。また、この場合には、第１のグリッドは、吸収型グリッドに代えて位相型グリッドとすることが可能であり、タルボ干渉効果により生じる自己像を、第２のグリッドの位置に形成する。

また、上記各実施形態では、第１及び第２のグリッドの相対位置を変化させて複数回の撮影を行うことにより位相コントラスト画像を生成する例を示しているが、第１及び第２のグリッドを固定したまま１回の撮影を行うことにより位相コントラスト画像を生成することも可能である。例えば、国際公開ＷＯ２０１０／０５０４８３号公報に記載のＸ線画像撮影システムでは、第１及び第２のグリッドにより生成されたモアレ縞をＸ線画像検出器により検出し、この検出されたモアレ縞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、本発明のグリッドは好適である。

さらに、上記各実施形態では、被検体ＨをＸ線源と第１のグリッドとの間に配置しているが、被検体Ｈを第１のグリッドと第２のグリッドとの間に配置してもよい。この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。

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。また、本発明は、Ｘ線撮影において散乱線を除去する散乱線除去用グリッドにも適用可能である。さらに、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
１３ 第１のグリッド
１３ａ 小グリッド
１３ｂ 支持基板
１３ｃ 平面
１４ 第２のグリッド
１４ａ 小グリッド
１４ｂ 支持基板
１４ｃ 平面
２０ Ｘ線吸収部
２１ Ｘ線透過部
２４ａ〜２４ｆ 第１〜第６の辺
３０ シリコンウェーハ

Claims (6)

1. 一方向に延伸した放射線吸収部が前記一方向と直交する方向に複数配設されてなる放射線画像撮影用グリッドにおいて、
   外形を構成する各辺が、前記一方向と非平行であることを特徴とする放射線画像撮影用グリッド。
2. 一方向に延伸した放射線吸収部が前記一方向と直交する方向に複数配設されてなる複数の小グリッドを敷詰めることにより構成された放射線画像撮影用グリッドにおいて、
   前記小グリッドの外形を構成する各辺が、前記一方向と非平行であることを特徴とする放射線画像撮影用グリッド。
3. 前記小グリッドの外形は、正六角形、正四角形、正三角形のうちのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の放射線画像撮影用グリッド。
4. 前記複数の小グリッドが配設される支持基板を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の放射線画像撮影用グリッド。
5. 前記複数の小グリッドが配設される前記支持基板の面は、平面または凹面であることを特徴とする請求項４に記載の放射線画像撮影用グリッド。
6. 放射線源から放射された放射線を通過させて第１の周期パターン像を生成する第１のグリッドと、前記第１の周期パターン像を部分的に遮蔽して第２の周期パターン像を生成する第２のグリッドとを有する放射線画像撮影システムであって、
   前記第１及び第２のグリッドの少なくとも一方に、請求項１から５いずれか１項に記載の放射線画像撮影用グリッドを用いたことを特徴とする放射線画像撮影システム。

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