JP2016509872A - 高エネルギにおけるｘ線位相コントラストイメージング及びｃｔのための大視野格子干渉計 - Google Patents

Abstract

本発明に基づくデバイス及び方法は、非常に高いＸ線エネルギまで対応する大視野タルボ−ロー位相コントラストＣＴシステムを提供する。このデバイスは、視射角に傾斜され、単一の基板上にタイリングされたマイクロ周期格子（micro-periodic gratings）を含み、大視野位相コントラストＣＴシステムを提供する。本発明は、大きい物体に対して、高いＸ線エネルギで位相コントラストトモグラフィ（ＰＣ−ＣＴ）を実行できるＦＯＶがより大きいシステムに複数のＧＡＩを結合する、簡潔で、経済的で、正確な方法を提供する。デバイス及び方法は、医療用Ｘ線イメージング、産業用非破壊テスト及び保安目的のスクリーニングに適用できる。【選択図】 図５

Description

政府の権利
本発明は、米国保健福祉省、国立衛生研究所（National Institutes of Health：ＮＩＨ）による承認番号１Ｒ２１ＥＢ０１２７７７−０１Ａ号に基づく国庫補助を受けて達成された。米国政府は、本発明について一定の権利を有する。
関連出願
本出願は、Ｄａｎ Ｓｔｕｔｍａｎ及びＭｉｃｈａｅｌ Ｆｉｎｋｅｎｔｈａｌによって２０１３年１月３１日に出願された米国特許出願番号第１３／４９３，３９２号、発明の名称、「Differential Phase Contrast X-ray Imaging System and Components」、及び２０１４年２月６日に出願された米国特許出願第１４／１７４，８３０号、発明の名称、「System and Method for Phase-Contrast X-ray Imaging」に関連し、２０１３年２月１２日に出願された米国仮出願第６１／７６３，６８３号、発明の名称、「High Energy X-Ray Phase Contrast CT Systems Using Tiled Glancing Incidence Gratings」の優先権を主張し、これらの全体は、引用によって本願に援用される。

本発明は、包括的には、医療用イメージングに関する。具体的には、本発明は、高エネルギＸ線を用いて大視野位相コントラストイメージング（large field-of-view phase contrast imaging）を提供するデバイスに関する。

タルボ−ロー干渉計（Talbot-Lau interferometer）は、「線源」、「ビームスプリッタ」及び「アナライザ」の３つのマイクロ周期格子（micro-period gratings）から構成される。線源及びアナライザは、吸収格子であり、通常、Ａｕから形成され、ビームスプリッタは、薄い位相格子であり、通常、Ｓｉ又はＮｉから形成される。人体の厚い部分の微分位相コントラスト（differential phase-contrast：ＤＰＣ）イメージングを可能にするためには、干渉計は、高いエネルギで動作する必要がある。例えば、膝のＸ線ＤＰＣイメージングを行うことができ、このために、ラジオグラフィは、通常、６０〜６５ｋＶｐ（４０〜４５ｋｅＶの平均スペクトルエネルギ）で行われ、従来のＣＴは、８０〜９０ｋＶｐ（５５〜６０ｋｅＶの平均エネルギ）で行われる。

更に、干渉計は、許容できる線量で屈折イメージングを可能にするために、小さなＸ線角変化への感度が非常に高くなければならない。この感度は、フリンジコントラスト又は「鮮明度」Ｖと、角度分解能Ｗの２つのパラメータによって決定される。コントラストは、「明視野（bright-field）」及び「暗視野（dark-field）」の強度をそれぞれＩ_ＢＦ及びＩ_ＤＦとして、Ｖ＝（Ｉ_ＢＦ−Ｉ_ＤＦ）／（Ｉ_ＢＦ＋Ｉ_ＤＦ）と定義され、Ｗは、干渉計周期と、格子間の距離との間の比によって表される。ＤＰＣ画像の信号対雑音比（ＳＮ比）は、コントラストの向上によって急速に向上するため（例えば、ＤＰＣ−ＣＴにおいては、およそＶ^２）、医療用のＤＰＣイメージングにおいては、高コントラスト（約２０％以下の範囲）が必要とされる。また、軟組織のＸ線屈折角は、サブマイクロラジアンの規模であるため、高い角度分解能（Ｗ≦数μｒａｄ）が必要である。屈折角は、エネルギに対して約１／Ｅ^２として減少するので、大きなＸ線エネルギでは、高コントラスト及び角度分解能の要求がより重要となる。

体の大きな部分をＤＰＣイメージングするためには、タルボ−ロー干渉計は、１０μｍ以下の周期の格子を使用しながら、４０ｋｅＶ以上の平均スペクトルエネルギで２０％以上のコントラストを有する必要がある。しかしながら、従来の垂直入射タルボ−ロー干渉計では、数ミクロン周期の吸収格子の厚さが技術的に約１００μｍに制約されるので、これは不可能である。この制約を説明するために、図１Ａでは、５５ｋｅＶの平均エネルギのために設計され、厚さ１００μｍ、５０％のデューティサイクルのＡｕ格子を有する第１タルボ次数（ｍ＝１）、５μｍ周期干渉計の算出されたコントラストをプロットしている。また、２ｍｍのＡｌ、７５μｍのＣｕ及び１５０ｍｍの軟組織を透過した後の８０ｋＶｐのＷ陽極管のスペクトルもプロットしている。最大コントラストは、低く、コントラスト曲線のチューブスペクトルへの重なりは不十分であり、スペクトル平均コントラストは、約６％に過ぎない。これに比べて、完全な吸収格子を有する干渉計の平均コントラストは、約３２％となる。

視射角タルボ−ロー干渉計（glancing angle Talbot-Lau interferometer：ＧＡＩ）は、高いＸ線エネルギで位相コントラストイメージングを可能にするデバイスであり、このデバイスでは、格子は、ビーム方向に対して約１０〜３０°の角度αで傾斜するバーを有する。格子を傾斜させることによって、有効吸収体厚が垂直入射値ｔからｔ／ｓｉｎ（α）に増加するという効果がある。Ｘ線吸収は、厚さに対して指数関数的に向上するため、これによって、既存の約１００μｍの厚さの格子を用いて、高エネルギで高コントラストを達成できる。

上述したようなＧＡＩデバイスの主な制約は、図１Ｂに示すように、傾斜した格子の開口内の強いコリメーションによって格子バーへの方向垂直の視野が数十ｍｍ以下に制約されるという点である（口径食）。同時に、体の厚い部分又は手荷物検査等、より大きい物体のＣＴのためには、最大数十ｃｍの視野（field of view：ＦＯＶ）が必要とされる。更に、これまでの研究によって、位相コントラストトモグラフィ（phase-contrast tomography：ＰＣ−ＣＴ）のための最適な構成は、図１Ｂに示すようなＣＴ軸に平行な格子バーであることが知られている。

したがって、効率的且つ正確に複数のＧＡＩ格子を結合して、大きい物体のＤＰＣ−ＣＴ及びイメージングが可能な大きいＦＯＶ干渉計システムを構成するデバイスが求められている。

上述した課題を解決するために、本発明に係る干渉計は、基板上にタイリング（tiled）された複数のマイクロ周期格子を有する。格子は、入射放射の方向に対して視射角だけ傾斜された吸収バーを含む。吸収バーは、入射Ｘ線と平行に整列され、格子は、格子バー方向に沿って固定の周期を有する。

本発明の実施形態では、干渉計デバイスは、大視野ＤＰＣイメージングシステムにおいて使用されるように構成される。基板は、単一のＳｉウェハ又はＣウェハの形式の基板であってもよい。図２に示すように、複数のＧＡＩ格子をＸ線ビーム方向に従って回転させて基板上に「タイリング」することによって、大きい水平視野を達成することができる。また格子を垂直方向に積層することによって、ＤＰＣ−ＣＴ又はＤＰＣラジオグラフィにおける水平方向及び垂直方向の両方のＦＯＶを大きくすることができる。また、格子の吸収バーは、ビーム方向に沿って約１０°から約３０°の角度で傾斜させる。

以上の包括的な説明及び以下の詳細な説明は、何れも、説明を目的とする例示的なものであり、特許請求される発明を制限するものではない。

本発明に基づく追加的な特徴、具体例及び実施形態は、以下の詳細な説明に示され、又は開示内容の実施によって明らかとなる。本発明の範囲及び境界は、特に、特許請求の範囲で示される要素及びこれらの組合せによって定義される。

添付の図面は、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、詳細な記述と共に、本発明の原理を説明する。

５５ｋｅＶの平均エネルギのために設計され、厚さ１００μｍ、５０％のデューティサイクルのＡｕ格子を有する第１タルボ次数（ｍ＝１）、５μｍ周期の従来の（垂直入射）干渉計の算出されたコントラスト（グレーの連続曲線）及び非常に厚い格子（∞）及び１０°の角度で傾斜された同じ格子を有するＧＡＩ（６００μｍ）のコントラストを示すグラフ図である。 ＧＡＩ干渉計のための格子バーを示す図である。 本発明の実施形態に基づき、単一の基板上で入射Ｘ線に平行に向けられた複数の格子ブロックを有するタイリングされた視射角格子干渉計（ＧＡＩ）を示す図である。 格子パターンが僅かにずれるように組み合わされたサブ格子の構成例を示す図である。 「タイリング」モードで動作するＧＡＩ干渉計によって取得されたモアレ縞及び高い縞コントラストを示す図である。 実施形態に基づく大きな四肢関節のための臨床用スキャナの具体例における３つのタイリングされたウェハを用いた大視野アナライザを示す図である。 実施形態に基づく大きな四肢関節のための臨床用スキャナの具体例におけるスキャナの側面図である。 実施形態に基づく大きな四肢関節のための臨床用スキャナの具体例におけるスキャナの平面図である。 本発明の実施形態に基づき、ビーム方向に沿って約１０〜３０°の角度αで傾斜されたバーを有する格子を用いる視射角タルボ−ロー干渉計を示す図である。 従来の干渉計による高エネルギにおけるコントラストを示す図である。 本発明の実施形態に基づく視射角干渉計による高エネルギにおけるコントラストの大きな向上を示す図である。 本発明の実施形態に基づき、２０ｃｍの水を通過したＸ線を用いて、８０ｋＶｐにおいて、１０μｍ周期、ｍ＝１干渉計によって、１０°の入射角で得られたモアレ縞コントラストを示す図である。 本発明の実施形態に基づくタイリングがないＧＡＩ干渉計において生じる視野の口径食を示す図である。 本発明の実施形態に基づき、高エネルギにおいて、ＧＡＩによって取得された水中の小さい関節ファントムの画像を示す図である。 本発明の実施形態に基づき、８０ｋＶｐのエネルギにおいて、ＧＡＩデバイスによって取得された厚さ約１２０ｍｍの筋肉を有する子牛の脚の全体に埋め込まれている直径約４０ｍｍの子牛の骨の減衰ＣＴ画像を示す図である。 本発明の実施形態に基づき、８０ｋＶｐのエネルギにおいて、ＧＡＩデバイスによって取得された厚さ約１２０ｍｍの筋肉を有する子牛の脚の全体に埋め込まれている直径約４０ｍｍの子牛の骨のＤＰＣ画像を示す図である。 ６０ｋＶｐ及び８０ｋＶｐにおいて、５．４μｍ及び１０μｍ視射角干渉計で取得された人間の指の関節のＤＰＣ−ＣＴ画像及び減衰ＣＴ画像を示す図である。

以下、本発明の例示的な実施形態を、添付の図面に示すその具体例と共に詳細に説明する。便宜上、全ての図面に亘って同じ又は同様の部分には、同じ参照符号を用いている。

本発明について包括的に示す数値範囲及びパラメータは、概数であるが、特定の具体例では、可能な限り詳細な数値を示す。但し、如何なる数値もそれぞれの検査測定における標準偏差から生じる必然的な誤差を含むことがある。更に、ここに開示する範囲は、その範囲に含まれるあらゆる全ての下位範囲を包含するものと解釈される。例えば、「１０以下」の範囲は、最小値ゼロと最大値１０の間のあらゆる全ての下位範囲を含むことができ、すなわち、０以上の最小値と、１０以下の最大値とを有するあらゆる全ての下位範囲、例えば、１〜５等の範囲を含む。ある場合、パラメータについて述べる数値は、負の値を取ることができる。この場合、「１０以下」の範囲の値は、例えば、−１、−２、−３、−１０、−２０、−３０等の負の値も包含できる。

本発明に基づくデバイス及び方法は、非常に高いＸ線エネルギまで対応する大視野タルボ−ロー位相コントラストＣＴシステムを提供する。このデバイスは、視射角に傾斜され、単一の基板上にタイリングされたマイクロ周期格子（micro-periodic gratings）を含み、位相コントラストＣＴシステムに必要な大視野を提供する。本発明は、大きい物体に対して、高いＸ線エネルギで位相コントラストトモグラフィ（ＤＰＣ−ＣＴ）を実行できるＦＯＶがより大きいシステムに複数のＧＡＩを結合する、簡潔で、経済的で、正確な方法を提供する。デバイス及び方法は、医療用Ｘ線イメージング、産業用非破壊テスト及び保安目的のスクリーニングに適用できる。

Ｘ線微分位相コントラスト（differential phase-contrast：ＤＰＣ）又はタルボ−ロー干渉計による屈折に基づくイメージングは、従来の減衰に基づくイメージングと比べて軟組織のコントラスト及び空間分解能を向上させる新しい医療用イメージング方式となる可能性を有している。特に、近年の研究では、ＤＰＣ−ＣＴを用いることによって、他のイメージング方式では検出できない軟組織の小さな病変を検出できることが示唆されている。また、新しい骨イメージング方式も可能である。

本発明は、図２Ａに示すように、入射方向に沿って視射角によって傾斜され、及び入射Ｘ線と平行に揃えられた吸収バーを有する複数の「タイリングされた（tiled：タイルのように貼り付けられた）」マイクロ周期格子の使用を含む。傾斜された格子のタイリングは、タルボ−ロー視射角干渉計（Glancing Angle Interferometer：ＧＡＩ）における改善点（進歩）であり、これによって、簡単で経済的な手法で高エネルギＸ線によるＤＰＣ−ＣＴのための大きなＦＯＶ干渉計システムを構築できる。

また、本発明は、図２に示すように、単一の基板上での複数のタイリングされたＧＡＩ格子の使用を含む。単一の基板を使用することによって、リソグラフィック製造プロセスを用いて、「サブ格子」又は格子ブロックが数ｎｍの精度で予め整列されるので、干渉計の整列が著しく単純化され、多くの高価な微小位置決め段が不用になる。

図２Ａは、本発明の実施形態に基づく単一の基板上の複数のタイリングされた視射角干渉計（ＧＡＩ）格子を示している。図２Ａに示すように、単一の基板又はウェハの上には、僅かに回転されたラインを有する複数の「サブ格子」又は格子ブロックが配置されている。全てのサブ格子は、等しい周期及び幅を有し、幅は、これらの口径食曲線（vignetting curve）のＦＷＨＭ（例えば、１０°の角度及び２ｍの長さを有する１０μｍ周期格子の場合約１０ｍｍ）以下である。回転角は、各サブ格子の中心光線方向に従う。これによって、入射Ｘ線からは、良好な近似によって光線方向に整列するコリメータのアレイが「見え」、この結果、口径食が最小になる。例えば、６インチのＳｉウェハは、１０ｍｍの幅、９０ｍｍの高さの１２個のサブ格子を収容し、これによって、検出器において、２０°の視射角で１２０ｍｍの幅、３０ｍｍの高さのＦＯＶが得られる。このようなウェハを複数個横に並べることによって、大きな物体の完全なコーンビームＣＴに十分な数十ｃｍの幅の連続するＦＯＶをカバーできる。

このソリューションの利点は、サブ格子がリソグラフィック製造プロセスによってナノメータ精度で整列するので、複雑で高価な位置決めシステムが不用になるという点である。

１０μｍ周期、２ｍの長さの１０視射角干渉計を横方向に移動させ、同時に格子を回転させることによって、本発明に基づく方法の機能を実験的に検証した。図３は、このセットアップによって得られたモアレ縞及びそのコントラストを示しており、これによって、格子が軸上位置から遠くに配置されている状態で、高い干渉計コントラストを得ることができることが確認された。更に、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、タイリングされた格子を垂直方向に積層して、大きな水平及び垂直ＦＯＶ ＰＣ−ＣＴシステムを形成してもよい。この結果、格子がタイリングされた視射角干渉計は、大きな四肢関節又は頭部等のＣＴのための高エネルギＤＰＣ−ＣＴシステムの開発を可能にする。

図４Ａ〜図４Ｃは、本発明に基づく四肢関節の臨床的評価に使用できるコーンビームＧＡＩ−ＣＴスキャナ及びイメージャの具体例を示しており、図４Ａは、３つのタイリングされたウェハを用いた、大視野アナライザ格子を示しており、図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれスキャナの側面図及び平面図を示している。

このシステムは、平均的な人間の膝に対して、５５〜６５ｋｅＶの平均エネルギによる透過スペクトルに対応する７５〜１００ｋＶｐで動作できる。この範囲は、四肢の減衰ＣＴに最適な範囲（８０〜９０ｋＶｐ）を含む。臨床的に妥当なシステム長を有しながら、角感度を最大にするために、システムは、約１２°の視射角において、第３タルボ次数（約１．５ｍの長さ）で動作する厚さ１００μｍ、約５μｍの等しい周期の格子を有する対称ＧＡＩ設計を用いる。この第３タルボ次数によって、角感度及びコントラストの積、したがって、ＤＰＣ−ＣＴのＳＮ比が最大になることが計算によって確認された。図１Ａに示すエネルギの関数として算出された縞のコントラスト（６００μｍのマークが付された曲線）は、約３０％の高いスペクトル平均コントラストを示している。

図４Ａは、面積が大きなタイリングされた格子の設計を示している。１２°で傾斜された１０ｍｍ幅の１０個のサブ格子で構成される１００×１００ｍｍの格子アレイがそれぞれタイリングされた３個の６インチウェハを重ねることによって、幅３０ｃｍ、高さ２０ｍｍのＦＯＶが実現される。サブ格子は、図２Ｂに示すように、格子パターンが互いに僅かにずれるように組み合わせることができる。正確な位置決めのために、開口部を有する精密機械加工されたトレーにウェハを載置することができる。格子基板間の部分的な重複によって増加するビーム減衰は、僅かである。幾つかの具体例では、タイリングされた格子は、図２Ａ及び図４Ａに示すように、扇状の構成を有していてもよい。幾つかの具体例では、タイリングされたＧＡＩ格子を用いて、検出器において、広いＦＯＶ（例えば、３０ｃｍ）を達成すると共に、タイリングされた複数列のＧＡＩを垂直に積層することによって、高いＦＯＶを実現する。これに代えて、一列のＧＡＩ格子によって物体（例えば、膝）を螺旋状にスキャンする「スロットスキャン」ＤＰＣ−ＣＴシステムを構築してもよい。

図４Ｂ及び図４Ｃは、それぞれ、スキャナ４００の側面図及び平面図を示している。スキャナ４００は、振動なしでタルボ−ロー干渉計を支持するように構成された第１のアーム４０５を含む。干渉計は、線源格子（source grating）Ｇ０ ４１０と、位相格子（phase grating）Ｇ１ ４１５と、アナライザ格子（analyzer grating）Ｇ２ ４２０とを含む。第１のアーム４０５から独立した第２のアーム４２５は、Ｘ線管４３０及び検出器４３５を支持するように構成されている。第１のアーム４０５及び／又は第２のアーム４２５は、例えば、宇宙光学計器で使用されている当分野で周知の軽く、硬く、熱安定性を有するカーボンハニカムによって形成してもよい。スキャナ４００は、サンプル４３５を巡ってスキャナ４００を回転させる大口径ステッパステージ（stepper stage）に装着してもよい（詳細は図示せず）。

パルスＸ線による線源格子の加熱に起因するシステム又は背景の位相変動を排除するために、Ｘ線管４３０は、パルス管に代えて、ＤＣ管であってもよい。適切なＸ線管の具体例は、直流モードで、８０ｋＶｐにおいて、最大約２５ｍＡ提供し、デュアルスポット能力（ＩＥＣ３３６規格で１６０μｍ／４００μｍ）を有する、スイスのＣｏｍｅｔ社製のＭＸＲ−１６０ＨＰ／１１インダストリアルチューブ（industrial tube）である。このＸ線管は、敏感な干渉計と共に行われるスキャニングに適合する小型で、軽量で、振動がないＸ線源を提供する。また、当分野で周知の他の同様のタイプのＸ線源を用いてもよい。

検出器４３５は、テレダインダルサ社（Teledyne DALSA Inc.）が開発したパノラマ式イメージング用のＡＲＧＵＳモデル等の高効率、直接接続Ｃｓｌ／ＣＣＤであってもよい。この検出器は、一般的なＣＭＯＳフラットパネルに比べて、感度が約１桁高く、スロットスキャン臨床システムに好適な形状を有する。画素サイズは、２７〜１６０μｍの間で変更でき、取得時間は、０．１２５ｓ以上である。また、当分野で周知の他の同様のタイプの検出器を用いてもよい。

ここ説明するタイリングされたＧＡＩ格子タルボ−ロー干渉計は、更なる変更を加えることなく、高エネルギのＸ線位相コントラストＣＴに直接的に適用できる。但し、特に、サブ格子寸法及び角度に関する設計を更に最適化して、このようなシステムを物理的に実証することができ、医療、保安及びＮＤＴ用途のためのプロトタイプを構築することができる。

更に、図５は、本発明に基づく、ビーム方向に沿って約１０〜３０°の角度αで傾斜されたバーを有する格子を用いる視射角タルボ−ロー干渉計を示している。格子を傾斜させることによって、有効アブソーバ厚が垂直入射値ｔからｔ／ｓｉｎ（α）まで大きくなる。Ｘ線吸収は、厚さに対して指数関数的に向上するので、これによって、既存の厚さ約１００μｍの格子を用いて、高エネルギで高いコントラストを実現できる。図１Ａは、上述した干渉計について、１００μｍのＡｕ格子を約１０°の角度αで傾斜させた場合（６００μｍの有効厚）に算定されるコントラストによって、予想されるコントラストの向上を示している。コントラストは、高いエネルギにおいて大きく向上し、スペクトル平均コントラストは、約５倍も改善されている。

図５は、本発明の実施形態に基づく微分位相コントラストＸ線撮像システム５００の具体例を示している。微分位相コントラストＸ線撮像システム５００は、Ｘ線照射システム５０２と、Ｘ線照射システム５０２の光路５０６に配置されたビームスプリッタ１０４と、光路５１０に配置され、ビームスプリッタ５０４を通過したＸ線を検出するように構成された検出システム５０８とを含む。検出システム１０８は、Ｘ線検出コンポーネント５１２を含む。ビームスプリッタ５０４は、入射Ｘ線ビームを遮り、Ｘ線の干渉パターンを提供するように構成されたスプリッタ格子を含む。非制限的な具体例として、ビームスプリッタ５０４は、Ｓｉ又はＮｉから形成された薄い位相格子であってもよい。

また、検出システム５０８は、Ｘ線検出コンポーネント５１２に達する前に、Ｘ線の干渉パターンの少なくとも一部を遮蔽するように構成されたアナライザ格子５１４を含む。アナライザ格子５１４は、縦方向（longitudinal dimension）と、縦方向に直交する横方向（lateral dimension）と、縦方向及び横方向に直交する横断方向（transverse dimension）とを有する。アナライザ格子５１４のパターンは、光学的に密な複数の領域を有し、これらの領域のそれぞれは、縦方向に沿って最も長い寸法を有し、横方向において互いに実質的に平行になるように離間され、これによって、隣り合う光学的に密な領域の間に、光学的に疎な領域が存在する。

光学的に密な領域のそれぞれは、横断方向に深さを有し、この深さは、縦方向の長さより短い。アナライザ格子５１４は、縦方向が入射Ｘ線に対して浅い角度αを形成するように構成されており、浅い角度αは、３０°未満である。アナライザ格子５１４の縦方向は、浅い角度α（これを視射角（glancing angle）とも呼ぶ。）で傾斜されている点を除いて、実質的に光路５１０（例えば、光軸であってもよい。）に沿っている。

本発明の一実施形態では、光学的に密な領域のそれぞれは、横断方向における深さを有し、この深さは、縦方向の長さの少なくとも２分の１より小さい。一実施形態では、光学的に密な領域のそれぞれは、横断方向における深さを有し、この深さは、縦方向の長さの少なくとも１０分の１より小さい。更なる実施形態では、光学的に密な領域のそれぞれは、横断方向における深さを有し、この深さは、縦方向の長さの少なくとも１００分の１より小さい。

本発明の一実施形態では、浅い角度αは、２５°より小さく、５°より大きい。他の実施形態では、浅い角度αは、１５°より小さく、３°より大きい。本発明の実施形態は、医療用途に適する。約１００μｍを超えるＡｕアブソーバの厚さで数ミクロン周期格子を形成することは困難であるため、５〜２５°の範囲の角度で格子を傾斜させて、２００〜１０００μｍの有効Ａｕ厚を実現する。図１Ａに示すように、この厚さによって、医療目的のための約４０ｋｅＶ〜１１０ｋｅＶの関心エネルギ範囲に亘って、人体の深層部への位相コントラストイメージングのための９０％を超えるＸ線吸収（したがって、高い干渉計コントラスト）が可能となる。他の実施形態は、産業用又は非破壊試験（non-destructive testing：ＮＤＴ）の用途に適用される。３〜１５°の範囲の視射角及び４００〜２０００μｍの範囲の有効Ａｕ厚を用いることによって、産業用ＮＤＴ用途のための約１００ｋｅＶ〜２５０ｋｅＶの関心エネルギ範囲において、Ｘ線吸収及び干渉計コントラストが良好になる。

本発明の一実施形態では、スプリッタ格子５０４は、反射格子（図示せず）である。本発明の一実施形態では、スプリッタ格子５０４は、透過格子である。スプリッタ格子５０４が透過格子である実施形態では、スプリッタ格子は、上述したアナライザ格子５１４と同様に、縦方向と、縦方向に直交する横方向と、縦方向及び横方向に直交する横断方向とを有する。この実施形態のスプリッタ格子５０４は、光学的に密な複数の領域を有し、これらの領域のそれぞれは、縦方向に沿って最も長い寸法を有し、側方向において互いに実質的に平行になるように離間され、これによって、隣り合う光学的に密な領域の間に、光学的に疎な領域が存在する。光学的に密な領域のそれぞれは、横断方向に深さを有し、この深さは、縦方向の長さより小さい。スプリッタ格子５１４は、縦方向が入射Ｘ線に対して浅い角度αを形成するように構成されており、浅い角度αは、３０°未満である。幾つかの実施形態では、スプリッタ格子５０４は、アナライザ格子５１４と同様に構成してもよく、アナライザ格子５１４に関して上述したように、光軸に沿って位置は異なるが、浅い角度αを形成するように配置してもよい。

ここで言うＸ線を「遮蔽する」とは、格子の光学的に疎な領域を通過するＸ線に対して十分な減衰を達成し、特定の用途のために有用なコントラストを実現することを意味する。ここでは、必ずしも完全に１００％の減衰を必要としない。

本発明の幾つかの実施形態では、スプリッタ格子５０４及びアナライザ格子５１４は、タルボ−ロー条件に基づいて決定された距離だけ離間して配置される。幾つかの実施形態では、スプリッタ格子５０４及びアナライザ格子５１４は、タルボ−ロー条件に基づいて決定された格子パターンを有する。

本発明の幾つかの実施形態に基づくＸ線照射システム５０２は、Ｘ線源５１６と、Ｘ線源５１６及びビームスプリッタ１０４の間の光路に配置された線源格子５１８とを含むことができる。線源格子５１８は、図５に示すように、Ｘ線源５１６が空間的に広がるＸ線の線源であるとき、複数の実質的にコヒーレントなＸ線ビームを提供する。但し、本発明の広い概念は、図５に示す特定の実施形態に制限されない。Ｘ線照射システム５０２は、透過格子及び／又は反射格子の両方を含む１つ以上の格子及びミラーの組合せを含むことができる。非制限的な具体例として、線源格子５１８及びアナライザ格子５１４は、Ａｕから形成された吸収格子であってもよい。

視射角設計の制約は、格子を傾斜させることによって、垂直方向の視野もｓｉｎ（α）を係数として減少するという点である。すなわち、約７０〜８０ｍｍの一般的な格子高さを仮定すると、達成可能な垂直視野は、１０〜３０°の角度において、約１２〜４０ｍｍである。更に、全ての格子干渉計に共通の制約は、狭く（数μｍ）深い（約１００μｍ）格子開口によって水平視野が減少するという点である（口径食）。視射角では、開口の有効深さが増加するため、この効果が顕著になる。

全ての格子周期が等しく、ビームスプリッタを線源とアナライザの間の中間の距離に配置した「対称」の干渉計セットアップを用いて例示的な実験を行ったところ、この構成は、所与の干渉計長さについて最大の角度分解能を提供した。２つの干渉計、すなわち、（１）厚さ１００μｍ、全長１．６ｍのＡｕ格子を有し、範囲４０〜４５ｋｅＶの平均エネルギを有するスペクトルによって１８〜３０°の視射角で動作する５．４μｍ周期ｍ＝３干渉計と、（２）厚さ１２０μｍ、全長２ｍのＡｕ格子を有し、範囲５５〜５８ｋｅＶの平均エネルギを有するスペクトルによって１０〜１８°の視射角で動作する１０μｍ周期ｍ＝１干渉計とを用いた。厚さ０．２〜０．５ｍｍ、直径７０ｍｍの直径を有するＳｉウェハにおいて、ドイツのマイクロワークス社（MicroWorks Inc.）製の格子を使用した。４０〜５８ｋｅＶの平均エネルギを用いてＸ線スペクトルを取得するために、６０〜８０ｋＶｐでＷ陽極管（１ｍＡ／５０μｍスポット）を使用し、イメージングされるサンプルを厚さ７０〜２００ｍｍの水槽に浸した。これらの条件は、比較的小さいテストサンプルを用いて、膝等の大きい関節のイメージングをシミュレートするためのものである（検出器サイズ及び１．７物体倍率によってサンプルにおける干渉計の視野は、２５ｍｍに制限される）。サンプルは、位相格子の後ろ約１５０ｍｍの位置に配置した。

検出器として、厚さ１５０μｍ、４２×４２ｍｍのＣｓＩ：Ｔｌシンチレータを使用し、ｆ／１中継レンズシステムを介して、３６×３６ｍｍの６４ビット冷却ＣＣＤで撮影した。サンプルにおけるＸ線撮像システムの空間分解能は、約７５μｍであった。レンズ結合検出器の効率が低く、Ｘ線管の電流が小さいので、十分な光子の静的情報を得るために、長い曝露（３０〜４０ｓ）を行う必要があった。視射角干渉計による高エネルギにおけるコントラストの大幅な向上を図６Ａ及び図６Ｂに示す。図６Ａ及び図６Ｂは、垂直入射及び１８°の入射において、５．４μｍ干渉計及び４３ｋｅＶの平均エネルギスペクトルによって取得されたモアレ縞コントラストを示している。垂直入射では、ビームスプリッタは、８．５μｍ厚のＡｕ格子を用い、視射角による入射では、７μｍ厚のＮｉ格子を用いた。これらの図からわかるように、視射角干渉計は、垂直入射干渉計の数倍のコントラストを有している。１０°の入射において、１０μｍ周期ｍ＝１干渉計を用いて８０ｋＶｐで取得されたモアレコトンラストを示す図６Ｃの結果は、高エネルギＤＰＣイメージングの効果をより顕著に示している。スペクトルは、２ｍｍのＡｌ、０．６５μｍのＣｕ及び２００ｍｍの水でフィルタリングされ、約５８ｋｅＶ平均エネルギが得られた。タルボ−ロー干渉法では、４０〜６０ｋｅＶの範囲の平均エネルギは、ＡｕのＸ線吸収が８０ｋｅＶ未満と低いため、特に難しい。ここで、視射角セットアップによって、この難しい範囲でも３０％より大きいコントラストを達成することができる。

図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃから、コントラストの増加と共に視射角の垂直視野が減少することがわかる。更に、８０ｋＶｐ／５５ｋｅＶ及び１０°の視射角において１０μｍ干渉計によって得られた水平強度プロファイルをプロットした図７は、視射角において視野に口径食が生じることを示している。プロファイルのＦＷＨＭは、約１８ｍｍのみである。１０°の角度の４．８μｍ周期、１００μｍの厚さのＡｕ格子を有するｍ＝３、長さ２ｍの干渉計の水平強度プロファイルによって示すように、より周期が短い／ｍが大きい干渉計では、ＦＷＨＭが更に減少する。視射角干渉計のＸ線透過は、２０％の範囲にあり、例えば、５５ｋｅＶの平均エネルギを有するスペクトルの場合、１８°における５．４μｍ干渉計によるピーク透過は、約２１％である。この実験より薄い格子基板を用いことによって、透過率を数パーセント高くすることができた。

本発明に基づく干渉計による、関節軟組織に類似する物質を区別する能力を評価するために、図８に示すように、同心円状の各層が、それぞれ関節滑液、軟骨、皮質及び小柱骨をシミュレートする水、ＰＭＭＡ、Ａｌ及びナイロンからなるファントム（人体模型）を使用した。上述したように、大きい関節をイメージングした際に得られるＸ線スペクトルをシミュレートするために、ファントムを厚い水槽に浸し、層間の隙間に水を満たした。

図８は、６０ｋＶｐ／４３ｋｅＶの平均エネルギで、３０°の傾斜で、５．４μｍ周期干渉計を用いて取得したファントムのコーンビームＣＴ画像を示している。データは、１°ステップで２００個のＣＴ角度、１角度あたり８位相ステップ、１ステップあたり３０秒の曝露を用いて取得した。この結果は、高エネルギにおいて、軟組織に似た物質について、ＤＰＣ−ＣＴが優れた弁別能力を有していることを示している。例えば、ＤＰＣ−ＣＴは、ＰＭＭＡ（軟骨）を水から弁別するが、減衰ＣＴでは、このような弁別はできない。また、ナイロン／水、及び特にナイロン／ＰＭＭＡのコントラストもＤＰＣ−ＣＴの方が優れている。更に、層間の薄い界面の細部についても、ＤＰＣ−ＣＴの方がコントラストが高い。また、２００ｍｍの水に浸されたファントムの８０ｋＶｐのＤＰＣによるＸ線写真は、減衰ＣＴに比べて優れたコントラストを示しており、ＤＰＣ画像では、ＰＭＭＡ層が弁別されているが、減衰ＣＴでは、これは弁別されておらず、また、ナイロン／水のコントラストもＤＰＣにおいて著しく向上している。

骨における強い小角散乱（ＵＳＡＸＳ）によって干渉計コントラストが実質的に損なわれ、骨が存在する箇所では、従来の干渉計では、ＤＰＣ−ＣＴが不可能になるので、医療ＤＰＣ−ＣＴにとって、骨は、主要な課題である。ここで、高エネルギにおける視射角干渉計の高いコントラストによって、骨が存在しても、位相コントラストイメージングが可能になる。これには、２つの理由がある。第１に、十分高いエネルギでは、骨による散乱が減少する。第２に、視射角干渉計は、初期のコントラストが十分高く、厚い骨の層を通過した後であっても、Ｘ線が十分なコヒーレント性を維持するため、位相コントラストイメージングが可能である。これらを例示するために、図９Ａ及び図９Ｂは、厚さ約１２０ｍｍの筋肉を有する子牛の脚の全体に埋め込まれている直径約４０ｍｍの子牛の骨の減衰ＣＴ画像及びＤＰＣ画像を示している。ＤＰＣ画像は、詳細な骨構造及び皮質骨の骨膜層までも示しているが、これらは、減衰ＣＴ画像では弁別できない。

また、視射角干渉計は、エネルギが高いＸ線スペクトルで人間の関節の第１のＤＰＣ−ＣＴ画像を得ることができる。視野の制約のため、２５ｍｍのプラスチック製バイアルに浸された約２３ｍｍの直径の人間の指のＰＩＰ関節を用いた。バイアルには、組織を保存するために６０％〜４０％の水エタノール混合物を満たし、高エネルギの透過スペクトルを生成するためにこれを更に厚い水槽に浸した。ＣＴパラメータは、関節ファントムの実験と同じに設定した。

図１０は、６０ｋＶｐ及び８０ｋＶｐにおいて、５．４μｍ及び１０μｍ視射角干渉計で取得された関節のＤＰＣ−ＣＴ画像及び減衰ＣＴ画像を示している。ＤＰＣ−ＣＴ画像は、雑音が多いものの、６０ｋＶｐ及び８０ｋＶｐの両方において、軟組織コントラストを示しており、減衰ＣＴ画像は、何れのエネルギにおいても、軟組織コントラストを示していない。ＤＰＣ−ＣＴにおける軟組織コントラスト及び高空間分解能の組合せによって、屈筋腱（flexor tendon：ＦＴ）、掌側板（flexor tendon：ＦＰ）又は総指伸筋（extensor digitorum communis：ＥＤＣ）等の解剖学的な細部をイメージングできる。

屈折角の減少によるエネルギの減少及び５．４μｍ干渉計に比べて１０μｍ干渉計の角感度が低いことから予想されるように、８０ｋＶｐのＤＰＣ画像の軟組織コントラストは、６０ｋＶｐのＤＰＣ画像に比べて、若干低い。但し、周期がより大きい第１タルボ次数の干渉計を用いることによって、高エネルギで軟組織をイメージングできる。これは、周期が大きい格子は、より厚くすることができるため及び高ｋＶｐＷチューブによって生成されるスペクトルが広いために最大干渉計コントラストが第１タルボ次数で得られるためである。

ＤＰＣ−ＣＴイメージの高周波雑音は、主にビームスプリッタ格子の不完全性に起因し、低周波雑音は、緩やかなシステム位相変化に起因すると考えられる。これらの作用は、長い曝露によって悪化し、ＣＴスキャンの最初及び最後に特定された位相背景の減算が不正確になる。

上述した結果は、視射角格子干渉計が、４０〜６０ｋｅＶの平均エネルギの難しい領域において、ＤＰＣイメージングのために好適なソリューションを提供することを示している。また、計算により、この設計は、８０ｋｅＶを超えるＡｕ吸収の増加のために、最大１５０ｋＶｐまでの高い干渉計コントラストを提供することが示されている。更に、医療用途における利点として、ＤＰＣイメージングによる軟組織コントラストは、高エネルギにおいても、減衰ＣＴイメージングより優れており、また、視射角干渉計によって、骨が存在する場合でも、ＤＰＣイメージングを行うことができる。

この視射角干渉計は、軟組織コントラストと高い空間分解能の組合せによって、人体の厚い部分の臨床用ＤＰＣイメージングに用いることができる。膝は、比較的長い時間固定でき、生理学的動きが問題となることが少ないため、臨床用ＤＰＣイメージングを検討する際、膝関節は、好適な部位となる。膝のためのＤＰＣ−ＣＴシステムは、原理的に、従来のＣＴと同様のスペクトル及び被曝（それぞれ１スキャンあたり８０〜９０ｋＶｐ及び数百ｍＡ・ｓ未満）で動作する。

視射角干渉計は、高エネルギコントラストの問題を解決する。更に、視射角干渉計は、垂直視野が制限されているが、膝のＣＴの場合、関節空間を中心として、２０〜２５ｍｍの垂直関心領域をイメージングすれば十分であるため、殆どの診断目的のために、このような制限は、問題とならない。但し、水平なＦＯＶは、より大きい必要がある。一般的な膝の直径を約１５０ｍｍとし、物体倍率を約１．５とすると、完全コーンビームＣＴのための検出器では、ＦＯＶ≧２２０ｍｍである必要である。しかしながら、図７に示すように、視射角干渉計の横方向の大きな口径食によって、単一の格子では、１０〜２０ｍｍ以上をカバーできない。

したがって、視射角ＤＰＣ−ＣＴシステムの設計の主な課題は、水平方向において大きなＦＯＶをカバーするために、格子をどのように重ね合わせるか、すなわち「タイリング」するかということである。ＣＴ軸に直交するバーを有する格子をタイリングすることは、比較的容易である。しかしながら、ＤＰＣ−ＣＴでは、図５に示すように、格子バーがＣＴ軸に平行な構成が望ましい。

図４は、単一の基板又はウェハ上に形成された、僅かに回転するラインを有する複数の「サブ格子」を含む、タイリングされた格子ＧＡＩ干渉計の具体例を示している。全てのサブ格子は、等しい周期及び幅を有し、この幅は、サブ格子の口径食のＦＷＨＭ（例えば、１０°の角度の１０μｍ周期の格子では、１０ｍｍ）以下である。回転角は、各サブ格子の中心光線方向に従う。これによって、入射Ｘ線からは、良好な近似によって光線方向に整列するコリメータのアレイが「見え」、この結果、口径食が最小になる。例えば、６インチのＳｉウェハは、１０ｍｍの幅、９０ｍｍの高さの１２個のサブ格子を収容し、これによって、検出器において、２０°の視射角で１２０ｍｍの幅、３０ｍｍの高さのＦＯＶが得られる。このようなウェハを２つ並べることによって、完全なコーンビームＣＴに十分な２４０ｍｍ幅の連続するＦＯＶをカバーできる。

上述した具体例の利点は、サブ格子がリソグラフィック製造プロセスによってナノメータ精度で整列するので、複雑で高価な位置決めシステムが不用になるという点である。

１０μｍ周期の１０視射角干渉計を横方向に移動させ、同時に格子を回転させることによって、上述した具体例の機能を実験的に検証した。図３は、このセットアップによって得られたモアレ縞を示しており、これによって、格子が軸上位置から遠くに配置されている状態で、高い干渉計コントラストを得ることができることが確認された。

このように、格子がタイリングされた視射角干渉計は、膝等のＣＴのための高エネルギＤＰＣシステムの開発を可能にする。このようなシステムは、従来のＣＴシステムとは大きく異なる。例えば、タルボ−ロー干渉法において一般的な１．５〜１．７の物体倍率で高い空間分解能を達成するために、Ｘ線源は、１００μｍ範囲のスポットサイズを有する場合がある。同時に、ＤＰＣ−ＣＴ走査時間は、従来のＣＴより長くなる傾向があるので、干渉計減衰を補償する十分な強度を提供し及び長期間に亘って動作させる必要がある場合がある。このようなＸ線管としては、既存のＸ線管を使用し、臨床用のＤＰＣ−ＣＴのために適応化することができる。例えば、蛋白質結晶構造解析のために開発されている微小焦点回転陽極型Ｘ線管（microfocus rotating anode tube）は、７０μｍのスポットサイズを有し、数ｋＷのパワーで継続的に動作することができる。

低雑音、高効率及び高感度であり、且つ１つの方向に大きいＦＯＶを有する検出器も必要である。このような検出器の具体例は、２１０ｍｍ幅のＣＣＤに直接接続された高分解能シンチレータを有するダルサ社（DALSA）が開発したパノラマ式歯科イメージング用のＡＲＧＵＳ Ｘ線ＣＣＤである。また、直接接続及び冷却ＣＣＤの感度の高さ及び雑音の少なさのために、許容可能なドーズ量で高い空間分解能を達成することができる。他の選択肢として、光子計数検出器（photon counting detector）を用いてもよい。

単一被曝位相回復法（single exposure phase-retrieval method）、例えば、当分野で周知の「インタレース走査」又はモアレ干渉法に関連してこのような高感度な検出器を用いることによって、従来のＣＴと同等なドーズ量で高分解能ＤＰＣ−ＣＴを行うことができると推定される。また、近年の分析は、ＤＰＣ−ＣＴが従来のＣＴより高いＸ線フラックスを要求しないことを示唆している。但し、格子において、強度が数分の一に減少するので、走査時間は、必然的に長くなる。したがって、ドーズ量及び走査時間を最小にするために、当分野で周知のモデルベースの統計的再構築（model-based statistical reconstruction）、スパースサンプリング（sparse sampling）又は圧縮センシング（compressed sensing）等、従来のＣＴのために開発された新たなイメージ再構築法をＤＰＣ−ＣＴに試用及び適用することが重要である。

例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、ここに説明した実施形態を様々に変更できることは、当業者にとって明らかである。ここで使用した用語及び記述は、例示的なものであり、本発明を制限することを意図するものではない。例えば、具体例として方法について説明したが、この方法のステップは、例示したものとは異なる順序で実行してもよく、同時に実行してもよい。更に、詳細な説明及び特許請求の範囲で使用される「備える」、「有する」等の用語及びその活用形は、「含む」と同様に、包含的な意味で用いられる。また、項目の列挙、例えば、Ａ及びＢに関して用いられる「１つ以上」という表現は、Ａのみ、Ｂのみ、又はＡ及びＢの全てを意味する。特許請求の範囲及びその均等物によって定義される本発明の思想及び範囲から逸脱することなく、これらの及びこの他の変形例を実施できることは、当業者にとって明らかである。

この明細書を検討し、この開示を実施することによって、当業者は、他の実施形態を想到することができる。本明細書及び具体例は、例示的なものにすぎず、本発明の範囲及び思想は、以下の特許請求の範囲に示されている。

Claims (5)

1. 高エネルギＸ線システムにおいて入射Ｘ線を調整する干渉計デバイスにおいて、
   基板と、
   前記基板上に扇状にタイリングされた複数のマイクロ周期格子と、を備え、
   前記マイクロ周期格子は、入射Ｘ線の方向に対して視射角だけ傾斜された吸収バーを含み、前記吸収バーは、それらのビームコリメーション又は口径食幅以下の幅に亘って前記入射Ｘ線と平行にされている干渉計デバイス。
2. 大視野（ＦＯＶ）干渉計システムにおいて使用されるように構成されている請求項１記載の干渉計デバイス。
3. 前記基板は、単一の基板を含む請求項１記載の干渉計デバイス。
4. 前記マイクロ周期格子は、水平方向に扇状にタイリングされ、垂直方向に積層され、水平及び垂直大視野（ＦＯＶ）微分位相コントラストトモグラフィ（ＤＰＣ−ＣＴ）システムが形成される請求項１記載の干渉計デバイス。
5. 前記マイクロ周期格子の吸収バーは、前記入射Ｘ線の伝播方向に対して約５°から約３０°の角度で傾斜し、約５°から約１５°の間の角度に亘って、それらの基板上で扇状に配置され、５０乃至１５０ｋＶｐのエネルギのための大視野Ｘ線干渉計を形成する請求項１記載の干渉計デバイス。

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