JP3375713B2 - 液体中の物体観察用位相型トモグラフィ装置 - Google Patents

液体中の物体観察用位相型トモグラフィ装置

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JP3375713B2 JP00436894A JP436894A JP3375713B2 JP 3375713 B2 JP3375713 B2 JP 3375713B2 JP 00436894 A JP00436894 A JP 00436894A JP 436894 A JP436894 A JP 436894A JP 3375713 B2 JP3375713 B2 JP 3375713B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はX線、γ線或は中性子線
が物体を透過して得られる投影像を複数の異なる方向か
ら取得し、該物体の断層像を再生するトモグラフィ装置
に於て、X線、γ線或は中性子線の位相を検出すること
により従来の透過強度検出型のトモグラフィ装置に比べ
て格段にコントラストを向上させた位相型トモグラフィ
装置に関するものであり、物体を液体中に沈めて観察す
ることにより画像処理におけるエラーを減少させ画質の
改善を実現しており、非染色、無造影の状態で有機材料
等の非破壊評価、生体の観察を更に有効とするものであ
る。
【0002】
【従来の技術】本願の発明者が先に提案した位相型トモ
グラフィ装置(特願平2−179667、「位相型トモ
グラフィ装置」)は線源、干渉計、位相板、試料台、検
出器、及び、画像処理装置から成っており、X線等の位
相を検出することによって極めて高いコントラストでの
断層像再生を可能としている。干渉計はSi等の単結晶
による回折を利用した第一の半透鏡で信号波と参照波の
二つのビームを形成し、鏡によりビームの伝播方向を変
え、被観察物体や位相板を透過させた後、第二の半透鏡
で再び一本のビームに統合し、干渉させる仕組を持つ。
第二の半透鏡の直後に配置した二次元検出器により干渉
縞が観察され、得られた画像を画像処理装置へ送り、そ
こで位相分布像に変換される。これを物体の複数の異な
る投影方向について繰返し、断層像が再生される。被観
察物体は空気中で保持、回転される。
【0003】この位相型トモグラフィ装置はX線等の位
相コントラストを利用しているので、それより以前の吸
収コントラストを利用したトモグラフィ装置(医療用X
線CT診断装置等)に比べ桁違いに感度を向上させた。
ただし、この位相型トモグラフィ装置は物体を空気中で
保守、回転して像を取得する構造のため、以下に述べる
問題点もあった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】コントラストの物理的
由来は物体内の物質密度分布や組成分布によって決まる
屈折率であると言える。今、観察視野内に屈折率分布が
急激に変化する部分があるとすると、そこでは観察され
る干渉縞が不連続になったり、像が欠落する現象が起き
た。これに対応する場所は専ら物体の輪郭部分であると
言える。
【0005】これは、物体(固体)を空気(気体)中で
観察すると、物体(固体)と空気(気体)との物質密度
(即ち屈折率)の差が大きい故に、物体表面に対してビ
ームがすれすれに入射する場合はビームは少なからず屈
折を受けるからである。この様な状態で得られた投影像
を用いて断層像を再生しようとすると、エラーが発生し
たり、画質が劣化するという問題があった。
【0006】本発明の目的は像の一部が欠落したり、干
渉縞が不連続にならないような手段を構じ、上記画像処
理上の問題が発生し難い位相型トモグラフィ装置を提供
することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】位相型トモグラフィ装置
で干渉縞を観察する段階に於て、物体の輪郭部分の像の
欠落や干渉縞が不連続になる問題は物体を空気中で観察
していることが原因であることは既に述べたが、更に詳
しく説明すると次のようになる。
【0008】物体と空気の境界に於て、X線は僅かに曲
折される。特に、物体輪郭部分ではX線が物体表面に対
してすれすれの角度で入射するためその効果が顕著であ
り、角度にして1〜2分に及ぶ場合もある。また、干渉
計の半透鏡はX線の回折を利用しているので、回折条件
を満たさなければ半透鏡として働かない。その回折条件
は入射角に対して厳しく、数秒の角度範囲でしか満たさ
れない。
【0009】従って、1〜2分ビームが曲げられると回
折条件から大きく外れることになり、もはやそのビーム
は半透鏡を透過できず、結果的にその部分の像が欠落す
る形となる。また、干渉縞の不連続は、像が欠落する場
合ほどビームが曲げられないものの、屈折率分布の変化
が急激なため、干渉縞の間隔が狭くなり位相型トモグラ
フィ装置の空間分解能(これは検出器の空間分解能や干
渉計への入射ビーム自体が持っているビーム発散、及
び、干渉計を通るビームの航路長の安定性に依存)より
細かくなった場合は見かけ上この部分での干渉縞が見え
なくなり、より広い視野で見ると干渉縞が不連続に見え
ることになる。
【0010】以上の考察から、X線ビームの僅かな屈折
が原因であることが判った。屈折を軽減するにはエネル
ギーの高いビームを使用する方法と、物体を液体中に沈
めて物体とその周辺との屈折率差を小さくする方法があ
る。
【0011】本発明は物体を液体中に沈め、断層像を観
察するための位相型トモグラフィ装置、特に、物体容器
の構造を示す。容器はX線等の入射側と出射側に十分透
過率の高い平坦な窓を有し、内部に液体が満たされるよ
うにする。物体は容器の枠を貫通する回転軸に固定され
ており、ビームの進行方向に対して回転軸が直角になる
ように配置する。一方、容器本体はビームに対して静止
している構造物、例えば物体回転用モータの保持台、に
固定されており、ビームに対して静止するようにし、物
体と回転軸のみがビームに対して回転するようにする。
容器の枠と回転軸はグリース等で潤滑され、且つ、液体
の漏れを防ぐ構造とする。液体の注入は上部に口を開け
ておき、自由に入れ換えができるものとする。液体の屈
折率はその種類や成分を選び、物体の平均屈折率に近付
けるようにする。
【0012】以上述べた物体容器は干渉計によって形成
される二本のビームの一方の伝播路に挿入する。
【0013】
【作用】X線の物体に対する複素屈折率nは n=1−δ−iβ (iは虚数単位) で表される。上式で、虚数部は吸収を示す項である。一
般的にδは1/106から1/108の値を持ち、βは1
/108から1/1010の値を持つ。この大小差が吸収
率を測定するより位相差を測定する方がコントラストが
高い所以である。本発明は吸収が小さく従来の吸収コン
トラストを利用した手法では観察が難しい有機物や生体
を念頭としているので、以下βは無視する。今、X線ビ
ームが物体表面に入射角θで進入してきた場合を考え
る。物体の屈折率をn1=1−δ1、物体を取り囲む流体
の屈折率をn2=1−δ2とすると、屈折角θoと入射角
θの差Δ(≡θo−θ)は近似的に Δ=(δ1−δ2)tanθ で書ける。従って、θが90°に近い場合、即ち、X線
が物体表面に対してすれすれに入射するときにビームが
顕著に曲げられることを示している。ただし、θが90
°に極めて近いとき(約89.9°以上)はX線は物体
表面で全反射され、上式は成り立たない。
【0014】一方、δ1とδ2の差が大きいときもビーム
の曲がりが顕著になることが判る。即ち、物体周辺の流
体の屈折率を物体のそれと近いものを選べば、物体表面
での屈折を防げる。従って、屈折率が1(即ちδ=0)
の空気に代って水などの液体中で物体を観察すればビー
ムの曲がりを抑えられることが判る。
【0015】このように、物体を液体中で観察すると、
得られる断層像は物体と液体の屈折率差の分布を示すも
のとなる。また、物体容器(窓)とその外側、即ち空気
との境界では物質密度の差は大きいが、窓が平坦でビー
ムに対し直角に配置すれば、窓と空気との間の屈折は無
い。
【0016】また、入射側と出射側の窓が互いに平行に
なるように配置すれば、ビームが窓に対して直角に入射
しない場合でも入射側の窓と出射側の窓で起こる屈折が
互いに相殺し、影響は全く無い。また、入射側と出射側
の窓を互いに傾いている場合は物体容器が楔形となるの
で、実質的に投影像に一様な位相傾斜を与える位相板の
機能を兼ね備えることとなり、別途、位相板の使用を省
略させることができるようになる。
【0017】
【実施例】以下、図を用いて実施例を示す。各実施例は
X線を用いた場合のものだが、γ線、中性子線について
も同様に構成できる。
【0018】(実施例1)図1は位相型X線トモグラフ
ィ装置の基本構成を示したものである。線源1から供給
されるビーム2が回転テーブル13上に載せられた干渉
計3に、回折条件を満たす角度で入射されると、2本の
ビームに分離され、被観察物体4、位相板6を透過した
後、再び重なり合い干渉する。本発明では物体を液体中
で観察できる様、物体容器を図1の試料位置に追加し
た。図2はその物体容器の構成を示す。樹脂でつくられ
た枠20にステンレス製の回転軸14を通し、自由に回
転可能とし、回転軸14の先端に物体を接着した。X線
の入射側と出射側には窓材としてカバーグラス23を互
いに平行になるように枠に密着して張り付け、内部を水
24で満たした。
【0019】尚、回転軸14と枠20の隙間にはグリー
ス等の潤滑材を充填し、摩擦を軽減させると共に水洩れ
を防いだ。物体容器は物体回転用モータの保持台5に固
定し、物体21及び回転軸14のみがビーム25に対し
て回転する機構とした。
【0020】今、物体21が水24で満たされている場
合と水24が無い場合、即ち空気で包まれている場合を
比較する。X線ビーム25の波長を0.1nmで考える
と、水に対するδ(水)は7.4/107程度であり、
物体21として有機物や生体を想定すると一般的にδ
(物体)=7.6/107となる。空気についてはδ
(空気)は殆ど零なので、物体21が空気で包まれてい
る場合はδ(物体)に比例する屈折が発生するが、水で
満たされている場合には、屈折はδ(物体)−δ(水)
に比例するので、数十分の一まで屈折を抑えられること
になる。また、物体容器とその外部(即ち空気)との間
で起こる屈折は、容器の窓23をビーム25に対して直
角に配置すればビーム25は屈折を受けないし、直角か
らずれている場合でも入射側と出射側の窓が互いに平行
であるため、入射側の窓と側の出射側の窓で起こる屈折
が互いに相殺し、影響は現れない。
【0021】使用するX線の波長や観察される物体によ
っては、δ(水)とδ(物体)が大きく異なる場合があ
り得るが、水に適当な混合物(塩やホルマリンなど)を
適当な濃度になるよう添加して屈折率を調整する。
【0022】(実施例2)図1の楔形位相板6はビーム
を僅かに曲げ、試料が挿入されていないときに視野全面
に一様な干渉縞を与えるためのものである。試料が挿入
されるとこの干渉縞が部分的に移動し、位相シフトを干
渉縞の移動量から読取ることができる。即ち、干渉縞か
ら位相分布像へ変換するために楔形位相板6は必須なも
のである。実施例2では、図3に示すように物体容器自
体を楔形として図1における楔形位相板6の使用を省略
させたものである。物体容器の構造はビーム25の入射
側と出射側のまどを互いに傾けて配置しているところが
図2と異なる。この場合ビームに対して入射側或は出射
側の一方が直角からずれているか、ビームに対して入射
側或は出射側の両方が直角からずれているのでビームが
一様に僅かに曲げられ、図1における楔形位相板6の機
能をかねることになる。
【0023】
【発明の効果】本発明はX線、γ線及び中性子線の位相
を検出することによる位相型トモグラフィ装置に於て、
物体を液体中に沈めて観察するための物体容器を新規に
導入することにより、物体による屈折のためにビームが
曲がることを抑え、位相の検出精度を向上させ、ひいて
は、断層像再生時にエラーを少なくし、画質を向上させ
る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】位相型トモグラフィ装置の構成図。
【図2】実施例1に示した物体容器の構造図。
【図3】実施例2に示した物体容器の構造図。
【符号の説明】
1…線源、2…入射ビーム、3…干渉計、4…物体、5
…物体回転台、6…楔形位相板、7…位相板駆動台、8
…二次元検出器、9…検出器制御装置、10…画像デー
タ取込み用インターフェイス、11…画像処理装置、1
2…モータドライバ、13…干渉計回転用テーブル、1
4…物体回転軸、20…枠、21…物体、23…窓、2
4…液体(水)、25…ビーム。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の異なる方向から物体にX線、γ線或
    は中性子線を照射し、該物体を透過するX線、γ線或は
    中性子線の位相を検出することにより、該物体の断層像
    を再生する装置に於て、液体で満たされた容器内で物体
    を回転させて測定することを特徴とする位相型トモグラ
    フィ装置。
  2. 【請求項2】物体を液体中で回転するための容器に関
    し、X線、γ線或は中性子線ビームに対し、物体及びそ
    の支持体のみが回転し、その他の部位がX線、γ線或は
    中性子線ビームに対し静止していることを特徴とする請
    求第1項記載の位相型トモグラフィ装置。
  3. 【請求項3】物体を液体中で回転するための容器に関
    し、X線、γ線或は中性子線の入射側及び出射側にX
    線、γ線或は中性子線が十分透過できる平坦な窓を互い
    にほぼ平行に有することを特徴とする請求第1項記載の
    位相型トモグラフィ装置。
  4. 【請求項4】物体を液体中で回転するための容器に関
    し、X線、γ線或は中性子線の入射側及び出射側にX
    線、γ線或は中性子線が十分透過できる平坦な窓を互い
    に傾けて有することを特徴とする請求第1項記載の位相
    型トモグラフィ装置。
  5. 【請求項5】物体を沈める液体の種類、或は、液体に添
    加する混合物の種類及び濃度を選び、入れ換え可能にす
    ることにより、X線、γ線或は中性子線の位相を調整で
    きることを特徴とする請求第1項記載の位相型トモグラ
    フィ装置。
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