JP2014521437A - 微分位相コントラストx線イメージングシステム及びそのためのコンポーネント - Google Patents
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Abstract
【解決手段】微分位相コントラストX線イメージングシステムは、X線透視システムと、X線透視システムの光路中に配置されたビームスプリッタと、ビームスプリッタを通過したX線を検出するために光路中に配置された検出システムと、を含む。
【選択図】図1
Description
本出願は、2011年7月29日に出願された米国特許出願第61/513,175号及び2012年4月4日に出願された米国特許出願第61/620,140号の優先権を主張し、その全ては参照により本出願に組み込まれる。
本発明で主張される実施形態の技術分野は、X線システムに関し、特に、微分位相コントラストX線イメージングシステム(differential phase contrast X-ray imaging systems)とX線透視システム(X-ray illumination systems)に関する。
X線微分位相コントラスト(DPC)イメージングは、物体を通過したX線の屈折に基づくものである。硬X線では屈折角がμラジアンのレンジにあるため、DPCイメージングを用いた基本的な技術は、透過されたX線ビームをμラジアンの分解能で角度的にフィルタリングすることにより、屈折によるビーム角偏差を従来の検出器における強度変化に変換するものである。角度フィルタリングは、結晶や回折格子のようなX線光学素子(最近のレビューから非特許文献1を参照)を用いて行われる。
回折格子を傾けることは、従来の垂直入射のタルボ・ロー干渉計(図2(b))の修正である。この修正は単純に見えるが、斜入射のタルボ・ロー干渉計が拡大された線源とともに動作することを理論的に予測することは困難である。我々は、'物理的周期'ミラーの概念に従ったこの思想に達し、それが直接的な実験を通してのみ動作することを確かめることができた。
更に議論されるように、本発明の一実施形態は、単純な全反射X線ミラーをかすめ入射で用いて、干渉計が最も高いコントラストを有するスペクトル領域を選択する。もう一つの実施形態では、線源格子は、参考文献7に記載された'物理的周期'幾何学的配置('physical period' geometry)にある微細周期ミラーに置き換えられる。これは、一つの光学素子の中で、スペクトルフィルタリングと準コヒーレント放射の生成を組み合わせるものである。
本発明のもう一つの実施形態では、更に向上した干渉計コントラストと角感度のために、傾斜多層ミラー(graded multilayer mirrors)はスペクトルフィルタ又は'線源格子'として用いられる。
このバリエーションに関する一実施形態は、高いコントラストの領域外の光子を識別するエネルギー分解検出器を用いる高エネルギーのm=1のDPCイメージングシステムである。このようなシステムに関する応用例は、宇宙工業や航空工業における複合金属部品の位相コントラストに基づいた非破壊検査であろう。
ミラーは、スペクトルフィルタとしてのみ役立つ単純なパターン化されていないミラー(non-patterned mirror)であってよく(図8(a))、あるいはミラーは、線源格子(図8(b))に取って代わる、入射X線に平行なストリップを有する(参考文献7に記載された'物理的周期'幾何学的配置)微細周期的にパターン化されたミラー(micro- periodically patterned mirror)であってもよい。後者の場合には、ミラーは同時にスペクトルフィルタ及び空間フィルタとして機能するため、光学素子の数を減らし、構成を単純化することができる。さらに、ミラーは、約1〜1.5mradの角度で動作する全反射ミラーか、より大きな数mradの角度で動作する傾斜多層ミラーのいずれかであってもよい。
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以下の実施例は、タルボ法(Talbot method)を用いた屈折強調イメージングに必要な角感度を分析し、従来のX線源を用いる屈折に基づいた向上したイメージング用のタルボ構成を最適化する方法を提案する。我々は医療用イメージング及び高エネルギー密度(HED)プラズマイメージングからの例を用いているが、その結論は材料科学、NDT、又はセキュリティなどの他分野にも当てはまる。
タルボ法の角度幅が典型的な応用におけるX線屈折角とどのように比較されるのかを評価するために、我々は2つの実施例を考察した。HEDプラズマにおける硬X線の屈折と、軟骨、腱、及び筋肉のような軟部組織における屈折である。
典型的なHEDプラズマX線撮影法では、ミクロンサイズのX線バックライター(X-ray backlighter)(通常はレーザ生成プラズマ)は、爆縮IFE(慣性核融合エネルギー:Inertial Fusion Energy)カプセルなどの、サブmmで固体密度の何倍もの低Zプラズマ標的を照射する。高い空間分解能は、高い倍率でのイメージングを必要とする(Mが約10〜100)[11,26,27]。
軟部組織イメージングは、タルボ法の最も研究された応用のうちの一つである。シンクロトロン実験は、例えば、関節炎の診断に重要であり、X線屈折が軟骨又は腱などの関節軟部組織のイメージングを可能にすることを示す[1,4,18]。軟部組織に関する典型的な屈折角を見積もるために、我々は、小さな関節の場合を仮定し、単純な数値モデルすなわち'ファントム'を用いて、その減衰と屈折角のプロファイルを計算した。ファントムは、骨、軟骨、滑液、関節包の結合組織、腱、及び骨格筋をシミュレートした材料の層からなっており(図13の挿入図)、人間の近位指関節の解剖学的構造を近似している。関節軟部組織に関するδ及びβを計算するために、我々はWoodardとWhiteによる編集物[28]からの体組織の組成及び密度を用いた。
図10における表記法を用いると、拡大した幾何学的配置におけるタルボ干渉計の角度幅Wは、W〜g2/D=MT g1/D∝λ/(m・g1)であり、MT=(L+D)/Lはタルボ拡大(Talbot magnification)である[19,20]。したがって、所定の波長で角度幅を減少させる第1の方法は、タルボ周期(Talbot period)を増加させることである。しかしながら、このことは、タルボ距離が周期の2乗でスケールするために、干渉計長さを急速に増加させる。代わりに、タルボ次数mを増加させることが可能である。しかしながら、高コントラストのスペクトル領域の幅が1/mでスケールするため、この方法も、例えばW陽極管などの分光的に広いX線源の使用に制限される。
K吸収端吸収材でフィルタされるK線スペクトル。
準単色スペクトルを得るための最も単純な方法は、生体応用のためのMo又はRh陽極管、又は、HEDプラズマX線撮影法のためのAg K−αバックライターなどの明るいK線エミッタを用いるとともに、エミッタと同じ原子番号のK吸収端吸収材で放射をフィルタすることである。
最も単純なアプローチを提供する一方で、図17(a)に示されたように、光子のうちの多くが、干渉計が低い角感度を有するK−αエネルギーよりも高いエネルギーにおいて放射されているため、K吸収端フィルタリングで可能なコントラストの増加は限定される。加えて、数十keVの範囲における明るいK線の線源の選択は制限される(例えば、医療用のMo又はRh陽極管)。
我々の分析は、タルボ干渉法は、屈折に基づいたイメージングに関する単純な技術であるが、その角感度及びコントラストは、結晶法のそれらと拮抗するために注意深く最適化されるべきであることを示す。このことは、屈折角がサブμラジアンのレンジにあり得る軟部組織イメージング、又は高エネルギー密度プラズマ診断などの要求の多い応用にとって特に重要である。タルボ法の角感度及びコントラストを同時に最大化する実用的な方法は、準単色線源スペクトルによる対称干渉計の構成を用いることである。線源スペクトルの成形に関して、K吸収端の吸収フィルタからかすめ入射ミラーでの反射にわたるいくつかの解決策が記載された。このようなフィルタリングを用いることによって、数十keVまでのエネルギーにおける低Zの物体に関して、強い屈折コントラストが得られることを計算は示す。タルボ回折格子とバンドパスミラー及び/又は微細周期ミラーの組み合わせは、タルボ法をより高いX線エネルギーまで拡大することに関して魅力的にも見える。
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37.S. Cornaby and D. H. Bilderback, J. Synchrotron Rad. 15, 371 (2008)
38. A. Iida, T. Matsushita, and Y. Gohshi,Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. A235, 597(1985)
102,200 X線透視システム
104 ビームスプリッタ(スプリッタ格子)
106,110 光路
108 検出システム
112 X線検出素子
114 アナライザ格子
116,X線源
118 線源格子
202 多エネルギーX線源
204 バンドパスフィルタ
206,222 X線
208 ハイパスX線ミラー
210 第1部分
212 第2部分
214 第1のビームストップ
216 ローパスX線ミラー
218 第2部分の一部
220 第2のビームストップ
Claims (18)
- X線透視システムと、
前記X線透視システムの光路中に配置されたビームスプリッタと、
X線検出素子を有し、前記ビームスプリッタを通過したX線を検出するために光路中に配置された検出システムと、を含み、
前記ビームスプリッタは、入射X線ビームを受けてX線の干渉縞を生成するように配置されたスプリッタ格子を含み、
前記検出システムは、前記X線検出素子に到達する前のX線の前記干渉縞の少なくとも一部を受けて遮断するように配置されたアナライザ格子を含み、
前記アナライザ格子は、長手寸法と、当該長手寸法に直交する第1の横寸法と、当該長手寸法及び当該第1の横寸法に対して直交する第2の横寸法と、を有しており、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、前記第1の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置され、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法における長さよりも短い深さを前記第2の横寸法に有しており、
前記アナライザ格子は、前記長手寸法が入射X線に対して相対的に浅い角度を成すように配置され、
前記浅い角度が30度よりも小であることを特徴とする微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも1/2短い深さを前記第2の横寸法に有していることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも1/10短い深さを前記第2の横寸法に有していることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法の長さよりも少なくとも1/100短い深さを前記第2の横寸法に有していることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記浅い角度が25度より小かつ3度よりも大であることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記浅い角度が15度より小かつ5度よりも大であることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記スプリッタ格子が反射型回折格子であることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記スプリッタ格子が透過型回折格子であることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記スプリッタ格子は、長手寸法と、当該長手寸法に直交する第1の横寸法と、当該長手寸法及び当該第1の横寸法に対して直交する第2の横寸法と、を有しており、複数の光学的高密度領域のパターンを含み、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法に沿った最も長い寸法を含み、隣り合う光学的高密度領域間に光学的低密度領域が存在するように、前記第1の横寸法に互いに隙間を空けて実質的に平行に配置され、
前記各光学的高密度領域は、前記長手寸法における長さよりも短い深さを前記第2の横寸法に有しており、
前記スプリッタ格子は、前記長手寸法が入射X線に対して相対的に浅い角度を成すように配置され、
前記浅い角度が30度よりも小であることを特徴とする請求項8に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記X線透視システムは、
X線源と、
前記X線源と前記ビームスプリッタの間の光路中に配置された線源格子と、を含み、
前記線源格子が複数の実質的にコヒーレントなX線ビームを生成することを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記X線透視システムは、
多エネルギーX線源と、
前記多エネルギーX線源からのX線の光路中に配置されたバンドパスフィルタと、を含み、
前記バンドパスフィルタは、あるエネルギー帯域内にあるX線を、当該エネルギー帯域外のX線よりも強く通過させることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記バンドパスフィルタは、
低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の入射ビームの第1部分を反射し、X線の前記入射ビームの第2部分を通過させるハイパスX線ミラーと、
前記低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の前記入射ビームの前記第1部分を受けて少なくとも減衰させるように配置された第1のビームストップと、
前記ハイパスX線ミラーを通過し、高い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の前記入射ビームの前記第2部分の一部を反射するローパスX線ミラーと、
第2のビームストップに到達する前に前記ハイパスX線ミラーを外れたX線を受けて少なくとも減衰させるように配置された前記第2のビームストップと、を含み、
前記第1及び第2のビームストップが、前記高い通過帯域エネルギーと前記低い通過帯域エネルギーの間のエネルギーを有するX線のビームを透過させるように配置されることを特徴とする請求項11に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記ローパスX線ミラーは、低Z材料を含む支持層の上に高Z材料を含む反射層を含む薄膜X線ミラーであり、Zは原子番号であり、
前記高Z材料はZが少なくとも42の原子を含み、前記低Z材料はZが14よりも小さい原子を含むことを特徴とする請求項12に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。 - 前記スプリッタ格子と前記アナライザ格子は、タルボ・ロー条件により決定された間隔をもって配置されることを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 前記スプリッタ格子と前記アナライザ格子は、タルボ・ロー条件により決定された格子パターンを有することを特徴とする請求項1に記載の微分位相コントラストX線イメージングシステム。
- 多エネルギーX線源と、
前記多エネルギーX線源からのX線の光路中に配置されたバンドパスフィルタと、を含み、
前記バンドパスフィルタは、あるエネルギー帯域内にあるX線を、当該エネルギー帯域外のX線よりも強く通過させることを特徴とするX線透視システム。 - 前記バンドパスフィルタは、
低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の入射ビームの第1部分を反射し、X線の前記入射ビームの第2部分を通過させるハイパスX線ミラーと、
前記低い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の前記入射ビームの前記第1部分を受けて少なくとも減衰させるように配置された第1のビームストップと、
前記ハイパスX線ミラーを通過し、高い通過帯域エネルギーよりも少ないエネルギーを有するX線の前記入射ビームの前記第2部分の一部を反射するローパスX線ミラーと、
第2のビームストップに到達する前に前記ハイパスX線ミラーを外れたX線を受けて少なくとも減衰させるように配置された前記第2のビームストップと、を含み、
前記第1及び第2のビームストップが、前記高い通過帯域エネルギーと前記低い通過帯域エネルギーの間のエネルギーを有するX線のビームを透過させるように配置されることを特徴とする請求項16に記載のX線透視システム。 - 前記ローパスX線ミラーは、低Z材料を含む支持層の上に高Z材料を含む反射層を含む薄膜X線ミラーであり、
Zは原子番号であり、
前記高Z材料はZが少なくとも42の原子を含み、前記低Z材料はZが14よりも小さい原子を含むことを特徴とする請求項17に記載のX線透視システム。
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