JP3548664B2 - Phase contrast X-ray imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は位相コントラストX線撮像装置に係り、位相コントラストが、吸収コントラストに頼った従来のX線撮像法に比べ、極めて像感度が高いことを利用したX線撮像装置に関する。本発明は、X線吸収能が小さい生体の軟部組織等の観察に適しており、比較的広い観察視野を確保できるので医療診断装置として使用できる。
【0002】
【従来の技術】
現在実用化されているX線撮像装置は全てX線の吸収の大小により像コントラストを得ている。X線の吸収は重い元素ほど大きく、被写体中に重元素を多く含んでいればX線の影を形成し易い。一方、X線をあまり吸収しない軽元素からなる物質はX線に対して透明すぎ、十分なコントラストが得られない。医療用のX線診断装置では、そのような観察しずらい対象(軟部組織)には、可能な場合に限るが、重元素を含む造影剤を被写体中に注入して像コントラストを強調する方法がとられている。また、乳ガン診断用のX線診断装置(マモグラフィ装置)など、適当な造影剤がない場合は、比較的エネルギーの低いX線を用いて少しでも像感度を増そうという努力がなされる。これは、X線の吸収がX線エネルギーの3乗に反比例し、コントラストがつき易くなるためである。但し、X線被爆量もX線エネルギーの3乗に反比例するので、低エネルギーX線を使用することに伴うX線被爆量の増加は甘受せねばならない。また、それで診断上十分な画像が得られるとも言えない。
【0003】
一方、X線の吸収ではなく、位相シフトによってコントラストを得る撮像法がる。X線吸収の相互作用断面積より、位相シフトの断面積が軽元素に対して約千倍大きいため、従来より数100倍感度に優れた観察ができる。このことは従来法でX線の影を生成し難い被写体を特別な造影剤を使用しないで観察できることを示しており、実験的に証明されている。X線位相コントラスト像はX線干渉計を用いて観察されるが、構成可能な干渉計の大きさの制限から、観察視野が狭く、医療診断装置への応用はそのままでは難しい。数ミリの観察視野での例としては位相コントラストラジオグラフィ(A. Momose, et al., Med. Phys., 22, 5−380 (1995))、位相コントラストX線CT( A. Momose, et al., Rev. Sci.Instrum. 66, 1434−1436 (1995), 米国特許5,173,928)がある。
【0004】
現在知られているX線干渉計は、図1に示すように、全体をシリコン等の単結晶塊から一体で削り出して作製される。三枚の結晶板1、2、3が互いに平行で等間隔に並んでおり、入射するX線4がある結晶格子面5に対して回折条件を満たすとき、入射X線4は二つのビーム6a、7aに分離され、それぞれが同様に第二の結晶板2で再び二つのビーム6bと6cおよび7bと7cに分離され、ビーム6b、7bは第三の結晶板3で結合され、干渉する。即ち、三枚の結晶板1、2、3はX線ハーフミラーの役割を果たしている。一方のビームパス、例えばビーム6b中に被写体8を挿入するとX線の位相がシフトし、第三の結晶板3を通ったX線ビーム6d、7dに干渉図形が現れる。観察視野の大きさは干渉計を通るX線ビームの太さに相当するが、干渉計内に形成される二本のビームが完全に分かれる(重なりあわない)ことが要求されるので、ビームを太くするためには干渉計全体を大きくしなくてはならない。干渉計全体を単結晶塊から削り出すこと、現在入手可能なシリコンインゴットの大きさに制限があること、を考慮すると、確保できる観察視野はたかだか2cm角程度である。
【0005】
また、二つの独立した結晶ユニットにそれぞれ二つのX線ハーフミラーを形成したX線干渉計が報告(P. Becker and U. Bonse, J. Appl. Cryst., 7, 593−598 (1974))され、必要な調整軸についての研究があるが、実際的な進展はない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
位相コントラストX線撮像法における観察視野を広げ、医療診断技術に利用できるようにするためには、広い視野を確保できるX線干渉計を開発しなくてはならない。本発明は従来一体で形成されている複数のX線ハーフミラーを必要な範囲で独立に作製し、分離して配置することで観察視野を広げることを目的としている。一体型で構成されている各X線ハーフミラーを分離すると、先に引用したP. Becker et alでも指摘されているように、各X線ハーフミラーの相対的位置を調整することが重要となる。従って、X線の波長が、特に医療応用を狙う場合、数分の1Åと極めて短かく、これに対応した精度で、独立に作製したX線ハーフミラーを配置、調整するための工夫が重要となる。
【0007】
本発明によれば、2cm角を超える観察視野を確保でき、X線位相コントラストを利用した各種撮像手法(位相コントラストマモグラフィ、位相コントラストアンジオグラフィ、位相コントラストX線CT等)への医療診断応用が可能となる。
【0008】
X線干渉計を用いて干渉図形を取得することができるが、医療診断技術への応用を考えた場合、干渉図形が診断に必要な情報を提供するとは限らないことに注意しなければならない。即ち、干渉図形は被写体内部の構造に関連した何らかの模様を示しているのであるが、それから如何にして診断情報を読み取るかが実用上大切である。干渉図形は被写体を透過することによって発生するX線の位相シフトの等高線を表すのであるが、X線位相シフトの大きさは被写体全体の形状に大きく依存し、干渉計内に形成される二つのビームの位相差(理想的に干渉計が構成されていれば零であるが、一般に調整誤差が発生するので零ではない)によっても影響を受ける。従って、例えば癌の組織がいつも明るく見えたり或は暗く見えるのではなく、腫瘍の大きさおよび光学系の調整具合によって明るく見えたり暗く見えたりする。正常組織の像も同様に像の明暗が変わるので、干渉図形のみから癌など特定の病巣を発見することは難しい。従って、光学系の状態に依存しない画像処理が必要となる。そのためには、干渉図形から位相シフト分布像に変換して計測するのが良い。位相シフト分布像は被写体によるX線の位相シフトの空間分布を示すもので、光学系の状態が変化しても基本的に像コントラストは変わらない。
【0009】
【課題を解決するための手段】
図2に、独立のX線ハーフミラーによって構成されたX線干渉計のビームパスの基本的な構成をいくつか例示する。図2(a)は図1に示したハーフミラー1、2、3を単純に独立した形に分離した例、図2(b)は中央のハーフミラーを更に2a、2bの二つの独立したハーフミラーに分離し、互いに反対方向へずらすことで被写体挿入のためのスペース(ハーフミラー2aとハーフミラー3との間隔)を広げた例、また、図2(c)は、図2(b)の例の二枚のハーフミラー1とハーフミラー2aおよび二枚のハーフミラー2bとハーフミラー3のそれぞれを一組として一体にし、全体として二つの独立したハーフミラーの組をユニット9、9’で構成した例である。この場合、ユニット9、9’のハーフミラー1、2aおよびハーフミラー2b、3はシリコンの柱状インゴットから削り出して作製することができ、各ハーフミラー間を平行に作成するのが容易となる。なお、ハーフミラーの配列の形状のみで見るとこの例はP. Becker et alが研究したものと対応する。さらに、図2(d)は、中央のハーフミラー2に代えてX線反射ミラー10、10’を使用する例である。これは図2(a)、(b)および(c)の中央のハーフミラー2、2a、2bが、実質的にX線の伝播方向を変えるためのミラーとして機能しているにすぎないので、ハーフミラーによるビーム強度の損失を避けるように工夫されたものである。
【0010】
図3(a)(b)および(c)は結晶表面と回折格子面が成す角度αの違いによる回折様式の違いを示す模式図であり、結晶によるX線反射ミラー、X線ハーフミラーの違いを示すものである。 図はいずれも結晶の断面図を示すとともに図中に示す横線が結晶の格子面を示す。図3(a)のように、結晶表面11と回折に係わる格子面5が角度αであるとすると、ブラッグ回折角をθBとしてα<θBならX線反射ミラーとして機能し、図3(b)のようになる(この例ではα=0°)。α>θBならX線ハーフミラーとして機能し、図3(c)のようになる(この例ではα=90°)。これらの図において矢印を付して示す実線は入射あるいは出射するX線を示す。(b)の場合はブラッグ条件を満たすX線に対し80%から90%の反射率を示し、(c)の場合よりミラーとしての効率は優れているのであるが、本発明のように太いビームを扱う目的になると、長い反射面が必要となるという不便さはある。
【0011】
干渉計の構成は他にも考えられるが、基本として、二つのビームパスの長さがほぼ等しくなるように考慮すべきである。これはX線ビームの干渉性が一般に完全ではなく、パスの長さの違いが大きくなるほど干渉性が低下し、観察される干渉縞の鮮明度が低下するからである。
【0012】
図2に示したいずれの構成の場合にも、各X線ハーフミラー或はX線反射ミラーの相対位置をX線の波長より細かい精度で調整する必要がある。また、ブラッグ回折条件を満たすように角度調整機構も必要となる。
【0013】
【発明の実施の形態】
実施例1
図4は、図2(c)に示した二枚のX線ハーフミラー1、2aおよび2b、3のそれぞれの組を共通基板を持ったユニット9および9’を使用して位相コントラストマモグラフィ装置を構成する本発明の実施例1のためのX線ハーフミラーの形状とその調整軸を示した。この図において矢印を付して示す太い実線はハーフミラーの中心部に入射し、中心部から出射するX線を示す。5は結晶の回折格子面の一部を代表して示し、回折格子面5の法線方向をx軸、散乱面(図中x線ビームの進行方向を示す矢印を含む面)の法線方向をy軸、 x軸およびy軸に垂直な軸をz軸とする。また、 x軸、y軸およびz軸回りの回転軸をそれぞれφ軸、θ軸およびω軸とする。この構成のユニットを用いる場合、x軸、y軸およびz軸の平行移動は干渉現象に影響せず、調整不要という利点がある。これは、2枚のX線ハーフミラーが同じに平行移動することになるため、x線の位相への影響が相殺されることによる。θ軸の回転に関しては、(440)反射を用い、ユニットのX線ハーフミラーの間隔を80cmに取った場合、1×10−10rad以下の精度が必要である。ω軸の回転に関しては、(440)反射を用い、ユニットのX線ハーフミラーの間隔を80cm、X線の波長を0.2Åとし、 X線源と撮像装置間の距離(図9に示す実施例におけるX線源33とX線二次元センサ59間の距離)を10mとすると、1×10−7rad以下の精度が必要である。φ軸に関しては特に厳密な微調整の必要はない。したがって、調整を要するのは、ω、θ軸の回転のみである。
【0014】
図5は、二枚のX線ハーフミラー1、2aおよび2b、3のそれぞれを共通基板を持ったユニット9および9’として、一つのインゴット32から切り出す様子を示す図である。この図において、公称6インチ径のFZシリコンを使った場合、X線ハーフミラーの有効面積を10cm角として、X線ハーフミラーの間隔を80cm程度にとることは容易である。ユニット9、9’を円柱状のシリコン単結晶インゴットから切り出す場合、図2(c)のようにビームがX線ハーフミラーのユニット9およびユニット9’の長手方向にほぼ沿うように形成されなければならないので、インゴットの成長軸や回折に利用する結晶格子面にある制限が加わる。例えば、60keVのX線を(440)反射で用いる場合、<111>軸から<110>軸方向へ6度傾いた方向で成長させたインゴットを用いると効率的に広い視野を確保できる。
【0015】
図6は、実施例1のθ軸の制御のための回転ステージ100の構成例を示す平面図および側面図である。2枚の厚板の一つが固定部101として機能し、他の厚板が回転部102として機能するように、回転の支点として機能する結合部103とばね部として機能する結合部104とで結合されている。この構造は、たとえば、一枚の厚板からワイアカットによって製作される。結合部104に近い固定部101の側面に保持部105が支持ボルト106によって固定される。結合部104に近い回転部102の側面と保持部105との間に圧電素子108が設けられる。圧電素子108は、制御電圧が与えられていない状態で回転部102が図の右側方向に少し押し広げられた状態になるようにセットされる。したがって、たとえば、回転部102の上面に図に破線で示すようにX線ハーフミラーのユニット9、9’を固定して圧電素子108に加える電圧の極性と大きさを制御するとこれに応じて圧電素子108が伸縮し、固定部101に対して回転部102が矢印の方向に変位して回転部102が結合部103を中心として回転できる。
【0016】
なお、固定部101と回転部102は、側面図を参照して明らかなように、回転部102が固定部101の底面よりわずかに浮き上がったものとなされる。これにより回転部102がスムースに回転できる。さらに、固定部101、回転部102の各厚板を独立の厚板から作成してもよい。この場合、結合部103、104に代えて、図7の構成で説明するような、支点とばね機能を持つ結合部で結合すれば良い。
【0017】
図7は、実施例1のω軸の制御のための回転ステージ200の構成例を示す平面図および側面図である。2枚の厚板の一つが固定部201として機能し、他の厚板が回転部202として機能するように、各厚板の側面が結合部203によって結合される。結合部203はボルト207によって両者を結合し、回転の支点として機能し且つばね機能を持つため、中央部に括れた部分204が形成される。各厚板の結合部203と反対側の対向する面の間に圧電素子205が設けられる。圧電素子205は、制御電圧が与えられていない状態で回転部202が図の下面側から見た側面図において上方に少し押し上げられた状態になるようにセットされる。したがって、たとえば、回転部202の上面に図に破線で示すようにX線ハーフミラーのユニット9、9’を固定して圧電素子205に加える電圧の極性と大きさを制御するとこれに応じて圧電素子205が伸縮し、固定部201に対して回転部202が矢印の方向に変位して回転部202が結合部203の括れた部分204を支点として回転できる。
【0018】
先に説明したように、この実施例では、X線ハーフミラーにとって重要な微調軸はθ、ω軸であり、それらを独自に調整するときは、図6、7に示したステージを使用すれば良いが、一つのX線ハーフミラーのθ、ω軸をともに調整可能としたいときは、図6、7に示したステージを多段に重ねて、これらを独自に調整すれば良い。たとえば、図6に示したステージ100の可動部102の上に、図7に示したステージ200の固定部201を長さ方向を一致させて固定し、ステージ200の可動部202の上面に破線で示すようにX線ハーフミラーのユニット9(9’)を6度傾けて固定すれば良い。ここで6度傾けて固定したのは、(440)反射で用いるために<111>軸から<110>軸方向へ6度傾いた方向で成長させたインゴットからX線ハーフミラーのユニット9(9’)を切り出している場合に対応する。そうすると、たとえば下段のステージ100の可動部102がθ軸に対応して制御され、上段のステージ200の可動部202はω軸に対応して制御されることになる。
【0019】
次に干渉図形から診断情報を得る方法について記述する。吸収コントラストを利用する従来法を顧みると、光学系によってコントラストが変わることは基本的になく、ましてコントラストが反転することは決してない。物質固有の量であるX線吸収係数の投影が像コントラストを決めているからである。本発明の位相コントラスト法においても、光学系が理想的にできていれば、物質固有の量(屈折率)の分布を示す像コントラストを持つ画像が干渉図形として得られる筈であるが、位相コントラスト法においてはいつでも屈折率の分布を示す像コントラストを持つ画像が得られるとは限らず、このときには、この画像は診断に使えないといえる。一方、屈折率の投影がX線位相シフトに相当することを考えると、位相シフトの分布を示す像が得られればこれはいつでも診断に使える。そこでX線干渉図形から位相シフト分布像を得るための手法が必要となってくる。干渉図形から位相シフトを決定する手法は可視光の干渉光学の研究に於て幾つか確立したものがあり、その中でX線干渉計に利用できるものの一つに縞走査法(J. H. Bruning, et al., Appl. Opt., 33, 2693−2673 (1974))がある。この手法は、干渉し合う二つのX線ビームの相対的位相差を少しずつ変えながら得られる複数の干渉図形から位相シフト分布像を計算により与えるものである。いま、位相差を2π/Mずつ変化させながらM枚の干渉図形が得られたとすると、(数1)の偏角を計算すれば位相シフト分布像が得られるというのが縞走査法の原理である。
【0020】
【数1】
【0021】
図8は縞走査法を実施するためにX線干渉計のビームパス中に配置される位相板の例を示し、これを動かして位相差が調整できる。(a)は楔形の位相板25を利用する場合で、X線干渉形の一方のビームパスに挿入して楔25の傾斜方向に移動できるようにする。X線位相板による位相シフト量はX線位相板の厚さに比例するので、図7の矢印のように楔25を動かせばX線が通過する位置での厚さを変えられ、楔25の移動量に比例した位相差を与えることができる。ただし、このタイプの位相板は、X線ビームの中に位相勾配を発生させる効果があり、結果的に等間隔の干渉縞を生成する。前記縞走査法を用いて得られる位相シフト分布像からこの位相勾配を差し引けば求める像(被写体の位相シフト分布像)が得られるので原理上問題ないが、縞走査の精度が悪い場合は、楔25による干渉縞が位相シフト分布像に痕跡として残り、縞状のアーチファクトとなってしまうという欠点がある。(b)は板状の位相板26を矢印のように回転させることで位相板の厚さを変え、位相差を調整する方式である。位相板26自体が干渉縞を生成することはないので、楔型位相板25を使う場合のようなアーチファクトの心配はない。その代り、位相板の回転角は与える位相差に対して比例関係にないので、予め回転角と位相差を校正する必要がある。(c)は同じ形状の楔27、27’を反平行に重ねたもので、少なくとも一方の楔を傾斜方向に移動させて位相差を調整する方式である。楔の移動量が与える位相差に比例するという(a)の利点、および縞状のアーチファクトが発生する心配がないという(b)の利点を兼ね備える方式である。なお、上記(a)、(b)および(c)のいずれの場合においても、位相板の挿入位置は図1に示したビーム6a、6b、7aおよび7bのいずれでもよい。(d)も同じ目的のものであるが、二つのビームパス、たとえば、図1のビーム6a、7aに同じ形状の楔型位相板28、28’を同じ向きで一つずつ挿入する方法である。位相差を調整するためには少なくとも一方の楔を矢印に示す傾斜方向に動かせば良い。
【0022】
本発明は太いX線ビームが利用でき、かつ各ミラー間の距離を十分に大きく取れるX線干渉計を実現することで、位相コントラストX線撮像法の医療診断装置への応用を可能とした。また、X線干渉図形のままでは診断に利用できないばあいがあるので、干渉図形から位相分布像が得られる工夫を施し、装置の調整具合によらず、常に同じコントラストの像を提供できるようになった。本発明の装置を用いて位相コントラストマモグラフィ、位相コントラストアンジオグラフィ等の新しい診断手法が実現でき、更に、被写体を回転して複数の投影方向から位相シフト分布像を取得し、処理すれば位相コントラストX線CTが実現できる。これらの手段により、従来法では診断が難しい生体中の軟部組織(癌等)を約千倍の像感度で診断できる。また、人体へのX線照射量も従来法に比べて大幅に軽減できる。更に、X線干渉計を通るX線ビームは平面波に近いので像のぼけが少なく、50μm以下の空間分解能の画像を得ることができる。
【0023】
図9に、図4で説明したX線ハーフミラーのユニットを使用して構成したマモグラフィ装置の全体構成を示す。各ユニットはステージ36および37に固定されている。本実施例ではステージ36には図6に示したθ軸調整用の回転ステージが採用され、ステージ37にはθ軸とω軸の調整のため、前述したように、図6に示したθ軸調整用の回転ステージと図7に示したω軸調整用の回転ステージ200とを2段重ねしたステージが採用されている。なお、θ軸またはω軸の調整は相対的なものであるから、これを逆関係にしてもユニット9、9’の相対的回転角は同じように調整できる。ステージ36、37は共通の除振台39の上に配置されており、更に装置全体がチャンバ51の中に納められているが、図では、チャンバーの外側の線のみが51で示されている。ユニット9、9’の側面は鏡面に研磨されており、この鏡面を利用した光の反射により、オートコリメータ307でユニット9(X線ハーフミラー1、2a)に対するユニット9’(X線ハーフミラー2b 、3)の相対的な回転角θおよびωの診断に先立つ粗調整を行う。オートコリメータ307から発せられた光308はユニット9の側面を反射して戻り、光309は直角プリズム310および311を介してユニット9’の側面を反射して戻る。光308、309の戻り位置を調べることで角度θ、ωの粗調整のための信号が得られる。尚、研磨面と結晶格子面の角度はできるだけ二つのユニットで同じになるよう工作するが、予めX線を用いて両ユニット間のずれを調べておき、それを考慮の上粗調整するのが良い。また、二つのユニットが離れているため、プリズムやミラーを用いて光路を変更させるが、このときの光学素子による影響も予め測定しておき、補正するのが良い。粗調整の操作は追って説明する。
【0024】
ユニット9のX線ハーフミラー1に入射するX線は、X線ハーフミラー1によりビーム6aと7aに分かれ、ビーム6aはX線ハーフミラー2aによりビーム6bと6cに分かれる。ビーム7aはX線ハーフミラー2bによりビーム7bと7cに分かれる。ビーム6bとビーム7bはX線ハーフミラー3により干渉してビーム6dと7dとして出力される。被検者49の被検査部位50はビーム6bのパスに挿入する。このとき、ビーム6cはチャンバ51のビーム6cが当たる部分に貼り付けられたシールド板53により被検者49にあたらないようにされる。なお、被験者49はビーム7bの位置に配置しても同様な診断ができ、その場合凹部の設置位置はビーム7b側となる。また、撮像に先立って、被検査部位(乳房)50をホルダ54によって所定の位置で一定厚さに圧迫し、例えば床に仮固定する。ただし、ホルダ54には多少平行移動および回転できるだけの自由度を設け、撮像の柔軟性を確保するのが良い。55および56は位相板およびその駆動台であり、干渉図形のままで診断が難しいときは、縞走査法により位相シフト分布像で診断できるようにビーム7aのパスに設置される。駆動台56は駆動時の振動が除振台39に伝わるのを避け、チャンバ51の天井に固定されている。位相板の駆動は、コンピュータ60からの指令を受けた制御装置328の信号により行われる。57および58はX線強度モニタで、ビーム7cおよびビーム6dを受けるように配置される。さらに81もX線強度モニタであるが、これは、ビーム7aの所定のビーム位置の端部に配置され、ビーム7aの端部のX線を受ける。これらのX線強度モニタ57、58および81には例えばPINダイオード検出器を用い、X線があたったときに流れる電流を計測する方法が簡便である。また、これらのX線強度モニタ57、58および81の出力を使用して診断に先立つ粗調整を行う。なお、検査部位50の干渉図形はビーム6dおよび7dでほぼ同じものが観察され、ここではビーム7dを受けるように配置したX線二次元センサ59で干渉図形を検出したが、 X線強度モニタ58をX線二次元センサとして、X線干渉図形を取得するものとしても良い。図の例では、X線強度モニタ58をX線二次元センサとして、X線二次元センサ59のX線干渉図形とは別に干渉計の安定化のためのフィードバック信号として利用した。X線二次元センサ58、59はカメラコントローラ63’、63で駆動され、カメラコントローラ63’、63はコンピュータ60によって制御されている。コンピュータ60内で稼働している制御プログラムによって撮像が指示され、取得画像はカメラコントローラ63’、63を介してコンピュータ60のメモリに蓄えられる。このメモリーに貯えられた画像データから診断が行われ、且つ、フィードバックによる安定化の制御信号が制御装置325に出される。コンピュータ60からの指令を受けた制御装置325の信号により、2段重ねとされたステージ37の圧電素子に電圧制御信号が与えられθ、ωのフィードバックが行われるが、この具体例については後述する。
【0025】
ユニット9のX線ハーフミラー1に入射するX線は、隔壁52を介して隔離された部屋に配置されたX線源33から供給するのが望ましい。 被検者49への不必要な被爆を避けるとともにX線源33から発生する振動がX線干渉計に伝わるのを防止することができるからである。
【0026】
X線源33から放出されるX線を単色器34を用いて特定のエネルギーのX線ビーム4を取りだし、撮像装置へ導いた。単色器34は非対称反射(図3(a)において、0<α<θの場合)でビーム4の横幅を広げる作用も兼ねている。回折指数はX線ハーフミラーのものと同じにした方がよく、(220)、(440)、(400)、(422)等が望ましい。X線源33は図9の紙面の方向で横長であるほうが単色器34でビーム幅を広げるのに有利であり、強いX線ビームが干渉計内に形成される。単色器34直後にシャッタ35を設け、撮像時以外の不必要なX線照射は行わないようにする。このシャッタ35はX線源33直後にあっても良い。
【0027】
次に、診断に先立つ粗調整と干渉計の安定化のためのフィードバック制御について説明する。
【0028】
まず、X線強度モニタ81の出力に着目してする。X線ハーフミラーは回折条件を満たしているときのみ正常に機能するものであるから、 X線ハーフミラー1のθが適切でないとX線が適切にX線ハーフミラーを透過しない。 X線強度モニタ81は、ビーム7aの端部に配置されているから、θが適切でないときはほとんどX線が感知されない。したがって、 X線強度モニタ81にほとんどX線が感知されないときは、X線強度モニタ81の出力がほぼ最大になるようθを修正する信号をステージ36に与える。つぎに、オートコリメータ307から出された光308、309のユニット9(X線ハーフミラー1、2a)およびユニット9’(X線ハーフミラー2b、3)の両側面からの反射光を調べて、この反射光が平行になるようにステージ37に角度θ、ωの調整のための信号与える。前記の粗調整後、X線画像センサ59に干渉図形が現れるまでステージ37の二つの圧電素子を制御して回転二軸(θおよびω)をスキャンして干渉図形を見つける。一旦干渉縞が得られれば、この干渉縞が最適状態になるように回転二軸(θおよびω)を制御して診断に入ることができる。
【0029】
一旦干渉縞が得られて診断に入ることができた後も、高精度の調整の必要なθ軸、ω軸がドリフトすると干渉図形が変化する。そのため、被験者の診断中はX線画像センサ58に得られる干渉図形をモニタすることによりX線干渉計の安定化を図ることができる。θ軸、ω軸がドリフトすると干渉図形が変化するが、その様子は各軸で異なる。θ軸の場合、二つのビーム6b、7bの見かけ上の位相差が変化し、一方、ω軸がドリフトする場合は回転モアレに似た縞が発生して、ω軸のドリフトの量に依存してこれが伸縮する。したがって、 X線画像センサ58に得られる干渉図形をカメラコントロール63’を介してコンピュータ60による処理で変化をキャンセルするようにフィードバック制御をすることで安定した診断ができる。
【0030】
縞走査法による画像取得が必要なときは、位相差を変化させながら複数の画像(干渉図形)を取得するよう、コンピュータ60内で稼働している制御プログラムが位相板の駆動台56およびカメラコントローラ63に命令を発する。得られた画像から(1)式に基づく演算をコンピュータ60が施し、生成された位相シフト分布像をコンピュータ60の表示装置に表示する。
【0031】
図10に、前述した実施例1の構成をチャンバ51を装着した状態で見た斜視図を示した。ビーム6bは窓71を通って一旦チャンバ51の外へ導き出され、被験者49の検査部位50(図では省略)を透過した後、再びチャンバ51内へ窓72を通って入り、干渉ビーム6d、7dが窓73を通ってチャンバ51外へ導かれ、計測される。尚、窓71、72、73はX線をあまり吸収しないプラスチック板等でチャンバ51内外を隔てており、被検者49が発する熱(体温、息等)が光学系に影響することはない。なお、図では、入射するX線の表示は省略した。
【0032】
図11は、 X線干渉計としては前述した実施例1と同じ構成であるが、より速い変動としての振動に対する対策を施した実施例の概要を示す。
【0033】
X線ハーフミラーのユニット9、9’が相対的に振動しているとX線干渉縞が速い周波数で空間的に揺れるため、見かけ上干渉縞の鮮明度が低下したり見えなくなる場合がある。従って、ユニット9、9’に振動が伝わらないよう工夫する必要がある。本実施例では図に示すように、X線ハーフミラー1、2aおよび、2b、3をプール450に固定し、プール内に粘性の高い液体(例えば油)を満たして、X線ハーフミラー1、2aおよび、2b、3のみが液面より上に表れるようにする。プール450は除振台39の上に載せられ、全体はチャンバ51で覆われている。こうすることで高い周波数成分の振動が抑えられ、干渉縞の鮮明度が向上する。チャンバ51の壁に設けられたX線の通過窓452、453、454、455には金属ベリリウムが張り付けてあり、外部の空気が流れ込まないようになっている。他の窓材としては、ポリマーフィルムや薄いアルミ板、ガラス板等が使える。
【0034】
この実施例は、通常用いられる防音室、防音壁および除振台を採用するに加え、干渉計のX線ハーフミラーより下部を粘性の高い液体中に沈めた例である。
【0035】
実施例2
この実施例は、図2(a)に示すように独立した3枚のX線ハーフミラー1、2および3を使用してX線干渉計を構成するものである。図12にこの実施例でX線ハーフミラー を調整する場合に必要な自由度を示した。 X線反射ミラーの場合も同様である。実施例1について図4で説明したと同様に、この図においても矢印を付して示す太い実線はハーフミラーの中心部に入射し、中心部から出射するX線を示す。5は結晶の回折格子面の一部を代表して示し、回折格子面5の法線方向をx軸、散乱面(図中x線ビームの進行方向を示す矢印を含む面)の法線方向をy軸、 x軸およびy軸に垂直な軸をz軸とする。また、 x軸、y軸およびz軸回りの回転軸をそれぞれφ軸、θ軸およびω軸とする。X線ハーフミラーの平行移動に関してはx軸の精度が厳しく要求され、数分の1Å以下の精度が必要になる。z軸に関しては1μmの精度で十分であり、y軸は特に厳密な微調整の必要はない。回転に関してはθ軸はブラッグ回折条件に関係する軸であり、十分の1秒以下の精度が必要である。θ軸と直交しかつ結晶表面と垂直な方向のω軸は百分の一秒以下の精度が必要である。φ軸に関しては特に厳密な微調整の必要はない。したがって、重要な微調軸はx、z、ω、θ軸である。
【0036】
図13に示すように、各X線ハーフミラー1、2、3は、円柱形のシリコンのインゴット32を縦割りにして作製した。X線ハーフミラーとして機能する結晶板30はベース31と一体となるように破線で示すインゴット32から削り出される。X線ハーフミラー1、2、3の回折面は(220)、(440)、(400)、(422)等を使うのがよい。
【0037】
図14は数分の1Å以下の位置制御を実現するためのx軸方向の移動ステージ300の構成例を、中央に平面図、左側および右側にそれぞれ側面図をとって示す。ステージ300は一軸平行移動ステージであり、厚板の鋼材からワイアーカット加工で切り出して作製された。ステージ取り付け部301と可動部302とが平行に配置され、支持部303、304により連結されている。支持部303、304はそれぞれ括れた部分A〜Dを介して連結される。ステージ取り付け部301の一端には逆L字型の圧電素子取り付け部305が設けられる。可動部302の一端には括れた部分Fを介して、てこ306の一端が連結される。てこ306の他端と圧電素子取り付け部305との間には圧電素子310が設けられる。括れた部分Fに近い位置に括れた部分Eが形成され、この一端はてこ306に他端はステージ取り付け部301に支持される。てこ306の圧電素子310が設けられた面の反対側の面とステージ取り付け部301との間に電極312a、312bが設けられる。括れた部分A〜Fが弾性的に変形するとする。圧電素子310に加える電圧の極性と大きさを制御するとこれに応じて圧電素子310が伸縮し、可働部302が矢印の方向に変位する。その際、点E、Fが支点および作用点に相当するので、圧電素子310の伸縮長さがてこの原理で縮小され、可動部302の微少な位置制御ができる。距離の比a/bを選ぶことで縮小率が決まる。また、電極312a、312b間の静電容量を測定することで圧電素子310の伸縮量をモニタすることができる。図14に示す両側面図から分かるように、ステージ取り付け部301に対して可動部302、支持部303、304およびてこ306は底面がごくわずか高く形成され、さらに可動部302の上面は他の部分よりごくわずか高く形成されている。これによって、可動部302の動きがスムースになるとともに二段重ねとしたときにも支障無く制御できる。
【0038】
本実施例においてもω軸やθ軸の制御が必要でありこれに利用できる回転ステージが必要であるが、それぞれの回転軸に対して、図6、図7で説明した回転ステージが使用できるから、この実施例における回転ステージの構成例の図示は省略する
図12で説明したように、X線ハーフミラーにとって重要な微調軸はx、z、ω、θ軸であるから、図14、図6、図7に示したステージを多段に重ねて、これらを調整可能として独立のX線ハーフミラーを支持することができる。たとえば、図14に示したステージを90°ずらせて上下に重ねて配置し、下段のステージのステージ取り付け部301を独立した各X線ハーフミラーの共通の除振台に固定し、下段のステージの可動部302に上段のステージのステージ取り付け部301を固定するものとする。そうすると、たとえば下段のステージの可動部がx軸方向に対応して制御されるものとすれば、上段のステージの可動部はz軸方向に対応して制御されることになる。同様に、図6、図7に示した回転ステージを実施例1で2段重ねとして使用したと同様にすれば、この実施例においても、ω、θ軸の制御ができる。図14に示したステージの2段重ねの上段のステージの可動部に、図6、図7に示した回転ステージの2段重ねの下段のステージの固定側の厚板101を固定すれば、図7に示したステージの回転側の厚板202は、 x、z、ω、θ軸の4軸に対応して制御されることになる。
【0039】
第1の実施例と異なり、この実施例では、独立のX線ハーフミラー1、2、3を個々に制御する必要がある。X線ハーフミラー1に対してはθ軸の調整ステージ36を、X線ハーフミラー2に対してはθ軸およびω軸の2段重ねの調整ステージ37を、 X線ハーフミラー3に対しては上述のθ軸およびω軸の回転ステージおよびx軸およびy軸の平行移動ステージの4段重ねの圧電ステージ38をそれぞれ設け、これを介して除振台39上に配置した。図12のx軸に相当する方向の変位を検出するためにレーザ干渉形42も除振台39上に配置した。レーザ干渉計42から出るレーザビーム45は圧電素子ステージ38上に固定された反射鏡48(コーナーキューブ等)で反射されてレーザ干渉計42に戻される。除振台39には被験者49の検査部位50をX線ビームパス6bに挿入できるように凹部を設けた。なお、被験者49はビーム7bの位置に配置しても同様な観察ができ、その場合凹部の設置位置はビーム7b側となる。また、X線干渉計、レーザ干渉計の動作の安定化および被験者49の安全のために、除振台39の形状に合わせたチャンバ51を設け、X線干渉計、レーザ干渉計と外部との接触を絶つとともにX線シールド53を設け必要なX線以外のX線が被験者49に照射されないようにすること、また、撮像に先立って、検査部位(乳房)50をホルダ54によって所定の位置で一定厚さに圧迫し、例えば床に仮固定する。ただし、ホルダ54には多少平行移動および回転できるだけの自由度を設け、撮像の柔軟性を確保するのが良いことは実施例1と同じである。55および56は位相板およびその駆動台であり、実施例1と同様に、干渉図形のままで診断が難しいときは、縞走査法により位相シフト分布像で診断できるようにビーム7aのパスに設置される。位相板の駆動は、コンピュータ60からの指令を受けた制御装置328の信号により行われる。また、57、58および81は強度モニタで、実施例1と同様に配置され、X線ハーフミラー1、2、3の粗調整に用いられる。検査部位50の干渉図形はビーム6dおよび7dでほぼ同じものが観察されるが、ここでも、実施例1と同様に、ビーム7dを受けるように配置したX線二次元センサ59で干渉図形を検出した。
【0040】
強度モニタ57、58および81によるX線ハーフミラー1、2、3の粗調整について説明する。この実施例でも実施例1と同様に、強度モニタ81の出力がほぼ最大になるようにX線ハーフミラー1のθの粗調整を行う。次いで、強度モニタ57の出力がほぼ最大になるようにX線ハーフミラー2のθの粗調整を行う。その後、強度モニタ58の出力がほぼ最大になるようにX線ハーフミラー3のθの粗調整を行う。
【0041】
前記の粗調整後、X線画像センサ59に干渉図形が現れるまでステージ37の二つの圧電素子を制御して回転二軸(θおよびω)をスキャンし、ステージ38の三つの圧電素子を制御して回転二軸(θおよびω)およびz軸をスキャンして干渉図形を見つける。一旦干渉縞が得られれば、この干渉縞が最適状態になるように回転二軸(θおよびω)を制御して診断に入ることができる。
【0042】
X線二次元センサ58、59はカメラコントローラ63’、63で駆動され、カメラコントローラ63’、63はコンピュータ60によって制御されている。コンピュータ60内で稼働している制御プログラムによって撮像が指示され、取得画像はカメラコントローラ63’、63を介してコンピュータ60のメモリに蓄えられる。このメモリーに貯えられた画像データから診断が行われ、且つ、フィードバックによる安定化の制御信号が制御装置325に出される。コンピュータ60からの指令を受けた制御装置325の信号により、ステージ36、2段重ねとされたステージ37および4段重ねのステージ38の圧電素子に電圧制御信号が与えられθ、ωおよびx軸のフィードバックが行われるが、この具体例については後述する。
【0043】
一旦干渉縞が得られて診断に入ることができた後も、高精度の調整の必要なθ軸、ω軸およびx軸がドリフトすると干渉図形が変化する。実施例1と同様に、被験者の診断中はX線画像センサ58に得られる干渉図形をモニタすることによりX線干渉計の安定化を図ることができる。θ軸、ω軸のドリフトについては実施例1で説明した通りであり、 x軸のドリフトもθ軸と同様に、二つのビーム6b、7bの見かけ上の位相差が変化する。したがって、 X線画像センサ58に得られる干渉図形をカメラコントロール63’を介してコンピュータ60による処理で変化をキャンセルするようにフィードバック制御をすることで安定した診断ができる。
【0044】
縞走査法による画像取得が必要なときは、実施例1と同様にして生成された位相シフト分布像をコンピュータ60の表示装置に表示すればよい。
【0045】
図16は、図15に示した装置の4段重ねのステージ38をコンピュータで駆動、制御するためのブロック図を示す。ステージ36および37の制御は実施例1で説明したと同様であり、説明を省略する。 X線ハーフミラー3を支持している圧電素子ステージ38は、図12で説明したx、z、ωおよびθ軸を調整するために、図14に示す構造の平行移動ステージ65a、65bおよび図6、図7に示す構造の回転ステージ64a、64bを前述したような組み合わせで構成したものである。圧電素子ステージ38は、複数のチャンネルを持つ圧電素子コントローラ61により駆動される。圧電素子コントローラ61の出力により圧電素子ステージ38が駆動されるとき、平行移動ステージ65a、65bの可動部の動きに対応した静電容量センサ312a、312bの出力の変化を圧電素子コントローラ61が読取り、圧電素子コントローラ61は圧電素子のヒステリシスを補正した電圧を圧電素子に出力する。また、センサ出力はコンピュータ60へも伝えられる。レーザ干渉計42はレーザビーム45を発しており、圧電素子ステージ38上にX線ハーフミラー3とともに設置された反射鏡48がレーザビーム45を反射し、レーザ干渉計42に戻す。レーザ干渉計42は圧電素子ステージ38の位置(x軸方向)が変化したとき、その変化量を検出、出力し、A/Dコンバータ62を介してコンピュータ60へ伝える。コンピュータ60内で稼働している制御プログラムは伝えられた信号を処理し、フィードバック信号として圧電素子にかける電圧の変更を圧電素子コントローラ61に指示する。強度モニタ57、58からの信号はコンピュータ60内で稼働している制御プログラムの補助データとして、フィードバック信号の調整に使われる。X線二次元センサ59はカメラコントローラ63で駆動され、カメラコントローラ63はコンピュータ60によって制御されている。コンピュータ60内で稼働している制御プログラムによって撮像が指示され、取得画像はカメラコントローラ63を介してコンピュータ60のメモリに蓄えられる。
【0046】
縞走査法による画像取得が必要なときは、実施例1と同様、位相差を変化させながら複数の画像(干渉図形)を取得して、得られた画像から(1)式に基づく演算をコンピュータ60が施し、生成された位相シフト分布像をコンピュータ60の表示装置に表示する。
【0047】
図15と図16とを対照して分かるように、図16では、図面を簡単化するために、制御用のコンピュータへの信号の伝送および制御用のコンピュータから各ステージへの制御信号の伝送の線は一部の表示を省略した。
【0048】
なお、本実施例では、すべてのX線ハーフミラー1.2および3に調整のためのステージを設けたが、これらのミラーの調整は相対的なものであるので、三つのミラーのうち一つを固定とすることができるのは言うまでもなかろう。
【0049】
実施例1、2の変形として、被験者49をビーム7aのパスに入れることもできる。この場合は、実施例2で必要であったシールド板53を省略できるメリットがある。もちろん本発明では、弱いX線で良いからシールド板53を省いても被験者49に照射されるX線は2倍になるのみであるので、従来法よりX線被爆線量は遥かに低い。しかしX線被爆線量は少ないほど良いことおよびX線干渉計のX線入射側と出射側を反転させてもほぼ同じ性能が期待できるので、被験者49の入るビームパスを7aにしても良い。同様に、実施例1では、被験者49の位置をビーム6aのパスとしても同じである。ただし、これらの場合には、検査部位50を通ったX線が二次元検出器59に到達するまでに2枚のX線ハーフミラー2、3を通過することになるので得られる画像の空間分解能はやや低下する。この実施例では被検者49の利用できるスペースが広くなり、被検者49が撮像の際に姿勢を保持するのが楽になる。また装置全体の大きさも小さくできる。また、縞走査法を適用するための位相板の挿入されるパスもどちらでも良い。
【0050】
図17は、X線干渉計のための、より強力なX線源の例を示す。
【0051】
X線干渉計は準単色X線に対して機能するので、迅速に撮像するためにはある程度強力なX線源を使用するのが有利である。前述の実施例の光学系の場合、X線源の形状として鉛直方向には細い必要があるが、水平方向には長くても構わない。従って、特に電子線励起或はレーザー励起の線源を使用する場合、図のように構成するのが有効である。
【0052】
図17において、540はターゲット、541は回転軸、542はX線発生部位、543は電子線源或はレーザー光源、544は電子線或はレーザー、545はX線、546はフィルタである。図ではターゲット540の部分の平面図をも併記した。この構成によれば、電子線或はレーザー光544をターゲット540上で線状に走査して横長のX線源542を形成することができる。これによりターゲットに与える熱を比較的分散させることができるので、より多くのX線545をX線干渉計に導くことができる。
【0053】
また、図は省略したが、X線干渉計へより良質のX線ビームを供給するために、各実施例における結晶34の反射方向を変えたり、2枚以上の結晶を連続して反射させる単色器とするのも有効である。
【0054】
なお、上記のいずれの実施例においても、X線ハーフミラーまたはX線ハーフミラーユニットは、それぞれ取り付け位置に関わらず、実質的に同じ構造に作るのが有利である。したがって、除振台に取り付ける際、制御ステージの有無、あるいは制御ステージの構成の差異によってX線ハーフミラーまたはX線ハーフミラーユニットの底面の高さが除振台表面から異なることにことなる。これに対しては、図面によっては説明をしなかったが、スペーサー等を挿入して高さ合わせをすることは当然である。
【0055】
本発明は、高感度の撮像ができるので、本来、造影剤の注入は不要となるが、特定の興味ある部位のコントラストを強調したいときには併用しても良い。この場合、従来法のように重元素からなる造影剤を使用しなくてはならないという制限はなく、造影剤の材料を幅広く求めることができる。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、広い観察視野を有する高感度の位相コントラストX線撮像装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】公知の一体型X線干渉計を示す図。
【図2】(a)(b)(c)および(d)は、独立のX線ハーフミラーによって構成されたX線干渉計のビームパスの基本的な構成を示す図。
【図3】(a)(b)および(c)は結晶表面と回折格子面が成す角度αの違いによる回折様式の違いを示す模式図。
【図4】本発明の実施例1で使用するX線ハーフミラーユニットの形状とその調整軸を示す図。
【図5】図4に示すX線ハーフミラーユニットを円柱形のシリコンのインゴットから切り出す様子を示す図。
【図6】本発明の実施例1における回転軸θのための圧電素子駆動ステージの構成例を示す平面図および側面図。
【図7】本発明の実施例1における回転軸ωのための圧電素子駆動ステージの構成例を示す平面図および側面図。
【図8】(a)(b)(c)および(d)は縞走査法のための位相板の構成を示す図。
【図9】本発明の実施例1の位相コントラストマモグラフィ装置の全体の構成を示す平面図。
【図10】本発明の実施例1の位相コントラストマモグラフィ装置にチャンバを付けた状態で見た斜視図。
【図11】本発明の実施例1の位相コントラストマモグラフィ装置に振動抑制対策を施したチャンバの内部構造の概略を示す斜視図。
【図12】本発明の実施例2で使用するX線ハーフミラーの形状とその調整軸を示す図。
【図13】図12に示すX線ハーフミラーを円柱形のシリコンのインゴットから切り出す様子を示す図。
【図14】本発明の実施例2における平行移動軸xのための圧電素子駆動ステージの構成例を示す平面図。
【図15】本発明の実施例2の位相コントラストマモグラフィ装置の全体の構成を示す図。
【図16】位相コントラストマモグラフィ装置を駆動制御するためのブロック図。
【図17】線状光源としてのX線源の構成例と干渉計との配置関係を示す図。
【符号の説明】
6a、6b、7aおよび7b:ビームパス、9,9’: X線ハーフミラーユニット、36:ユニット9の調整ステージ、37: ユニット9’の調整ステージ、39:除振台、49:被検者、50:被検査部位、100,200:回転ステージ、32:インゴット、25,26,27,28:楔型位相板、51:チャンバ、53:シールド板、54:ホルダ、55:位相板、56:位相板の駆動台、60:コンピュータ、57,58,81:X線強度モニタ、59:X線二次元センサ、63’,63:カメラコントローラ、52:隔壁、33:X線源、34:単色器、35:シャッタ、71,72,73:窓、101,201:固定部、102,202:回転部、103,104,203:結合部105:保持部、103:支持ボルト、108,205:圧電素子、207:ボルト、204:括れた部分、307:オートコリメータ、308,309:光、310,311:直角プリズム、325,328:制御装置、450:プール、452、453、454、455: X線の通過窓。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a phase contrast X-ray imaging apparatus, and more particularly, to an X-ray imaging apparatus using a phase contrast that has extremely high image sensitivity as compared with a conventional X-ray imaging method that relies on absorption contrast. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for observation of a soft tissue or the like of a living body having a small X-ray absorptivity, and can be used as a medical diagnostic apparatus because a relatively wide observation field of view can be secured.
[0002]
[Prior art]
All of the X-ray imaging devices currently in practical use obtain image contrast depending on the magnitude of X-ray absorption. The absorption of X-rays is larger for heavier elements, and it is easy to form X-ray shadows if the subject contains more heavy elements. On the other hand, a substance made of a light element that does not absorb much X-rays is too transparent to X-rays, and a sufficient contrast cannot be obtained. In a medical X-ray diagnostic apparatus, a method of emphasizing image contrast by injecting a contrast agent containing a heavy element into a subject, if possible, for such a hard-to-observe target (soft tissue), if possible. Has been taken. In the case where there is no suitable contrast agent such as an X-ray diagnostic apparatus (mammography apparatus) for diagnosing breast cancer, an effort is made to increase the image sensitivity as much as possible using X-rays having relatively low energy. This is because the absorption of X-rays is inversely proportional to the cube of the X-ray energy, and the contrast is easily obtained. However, since the X-ray exposure is also inversely proportional to the cube of the X-ray energy, the increase in the X-ray exposure due to the use of low energy X-rays must be accepted. Also, it cannot be said that a diagnostically sufficient image can be obtained.
[0003]
On the other hand, there is an imaging method in which contrast is obtained not by absorption of X-rays but by a phase shift. Since the cross section of the phase shift is about 1000 times larger than that of the light element than the interaction cross section of the X-ray absorption, observation with sensitivity several hundred times higher than the conventional one can be performed. This indicates that it is possible to observe a subject that is unlikely to generate an X-ray shadow by a conventional method without using a special contrast agent, and has been experimentally proved. Although an X-ray phase contrast image is observed using an X-ray interferometer, the observation field of view is narrow due to the limitation of the size of a configurable interferometer, and application to a medical diagnostic apparatus is difficult as it is. Phase contrast radiography (A. Momose, et al., Med. Phys., 22, 5-380 (1995)) and phase contrast X-ray CT (A. Momose, et al.) Rev. Sci. Instrument 66, 1434-1436 (1995), U.S. Patent 5,173,928).
[0004]
Currently known X-ray interferometers are manufactured by integrally cutting the whole from a single crystal mass such as silicon as shown in FIG. When the three
[0005]
Also, an X-ray interferometer in which two X-ray half mirrors are formed on two independent crystal units is reported (P. Becker and U. Bonse, J. Appl. Cryst., 7, 593-598 (1974)). There is research on the necessary coordination axis, but no practical progress has been made.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In order to widen the observation field of view in the phase contrast X-ray imaging method and use it for medical diagnosis technology, an X-ray interferometer capable of securing a wide field of view must be developed. An object of the present invention is to broaden an observation field of view by independently producing a plurality of conventionally formed X-ray half mirrors within a necessary range and disposing them separately. Separating each X-ray half mirror configured as an integral type, the P.C. As pointed out by Becker et al, it is important to adjust the relative position of each X-ray half mirror. Therefore, when the X-ray wavelength is particularly short for medical applications, it is extremely short, several tenths of a millimeter, and it is important to devise a means for arranging and adjusting independently manufactured X-ray half mirrors with an accuracy corresponding to this. Become.
[0007]
According to the present invention, an observation field of view exceeding 2 cm square can be secured, and medical diagnostic applications to various imaging methods using X-ray phase contrast (phase contrast mammography, phase contrast angiography, phase contrast X-ray CT, etc.) are possible. It becomes possible.
[0008]
Although an interferogram can be acquired using an X-ray interferometer, it must be noted that the interferogram does not always provide information necessary for diagnosis when applied to medical diagnosis technology. That is, the interference graphic shows some pattern related to the structure inside the subject, and how to read the diagnostic information from it is practically important. The interferogram represents the contour line of the phase shift of the X-ray generated by transmitting through the subject. The magnitude of the X-ray phase shift greatly depends on the shape of the entire subject, and two interferometers are formed in the interferometer. It is also affected by the phase difference of the beam (it is zero if an interferometer is ideally constructed, but is not zero because an adjustment error generally occurs). Thus, for example, the cancerous tissue does not always look bright or dark, but looks bright or dark depending on the size of the tumor and the adjustment of the optical system. Since the brightness of the image of the normal tissue changes similarly, it is difficult to find a specific lesion such as cancer from only the interferogram. Therefore, image processing independent of the state of the optical system is required. For this purpose, it is preferable to convert the interferogram into a phase shift distribution image for measurement. The phase shift distribution image shows the spatial distribution of the phase shift of the X-ray by the subject, and the image contrast basically does not change even if the state of the optical system changes.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 2 illustrates some basic configurations of a beam path of an X-ray interferometer configured by independent X-ray half mirrors. FIG. 2A is an example in which the
[0010]
FIGS. 3A, 3B and 3C are schematic diagrams showing the difference in the diffraction pattern due to the difference in the angle α between the crystal surface and the diffraction grating surface, and the difference between the X-ray reflecting mirror and the X-ray half mirror by the crystal. It is shown. In each of the figures, a cross-sectional view of the crystal is shown, and a horizontal line shown in the figure indicates a lattice plane of the crystal. Assuming that the
[0011]
Other configurations of the interferometer are conceivable, but basically, the two beam paths should be considered to be approximately equal in length. This is because the coherence of the X-ray beam is generally not perfect, and as the difference in path length increases, the coherence decreases and the sharpness of the observed interference fringes decreases.
[0012]
In any of the configurations shown in FIG. 2, it is necessary to adjust the relative position of each X-ray half mirror or X-ray reflection mirror with an accuracy smaller than the X-ray wavelength. Further, an angle adjusting mechanism is required to satisfy the Bragg diffraction condition.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Example 1
FIG. 4 shows a phase contrast mammography apparatus using the
[0014]
FIG. 5 is a diagram showing a state in which each of the two X-ray half mirrors 1, 2a, 2b, and 3 is cut out from one
[0015]
FIG. 6 is a plan view and a side view illustrating a configuration example of the
[0016]
The fixed
[0017]
FIG. 7 is a plan view and a side view illustrating a configuration example of a
[0018]
As described above, in this embodiment, the fine adjustment axes that are important for the X-ray half mirror are the θ and ω axes, and when they are independently adjusted, the stages shown in FIGS. However, when it is desired to adjust both the θ and ω axes of one X-ray half mirror, the stages shown in FIGS. 6 and 7 may be multi-tiered and adjusted independently. For example, the
[0019]
Next, a method for obtaining diagnostic information from the interferogram will be described. Considering the conventional method using the absorption contrast, the contrast is basically not changed by the optical system, and the contrast is never inverted. This is because the projection of the X-ray absorption coefficient, which is an intrinsic amount of the substance, determines the image contrast. In the phase contrast method of the present invention as well, if the optical system is ideally made, an image having an image contrast showing the distribution of the amount (refractive index) inherent to the substance should be obtained as an interferogram. In the method, an image having an image contrast indicating the distribution of the refractive index is not always obtained. In this case, it can be said that this image cannot be used for diagnosis. On the other hand, considering that the projection of the refractive index corresponds to the X-ray phase shift, if an image showing the phase shift distribution is obtained, it can be used for diagnosis at any time. Therefore, a method for obtaining a phase shift distribution image from an X-ray interference pattern is required. Several methods for determining the phase shift from the interferogram have been established in the study of visible light interference optics. Among them, one of the methods that can be used for an X-ray interferometer is the fringe scanning method (JH. Bruning, et al., Appl. Opt., 33, 2693-2673 (1974)). In this method, a phase shift distribution image is provided by calculation from a plurality of interferograms obtained while gradually changing the relative phase difference between two interfering X-ray beams. Now, assuming that M interferograms are obtained while changing the phase difference by 2π / M at a time, the phase shift distribution image can be obtained by calculating the argument of (Equation 1) according to the principle of the fringe scanning method. is there.
[0020]
(Equation 1)
[0021]
FIG. 8 shows an example of a phase plate arranged in the beam path of the X-ray interferometer for performing the fringe scanning method, and the phase difference can be adjusted by moving the phase plate. (A) shows a case in which a wedge-shaped
[0022]
The present invention makes it possible to apply a phase contrast X-ray imaging method to a medical diagnostic apparatus by realizing an X-ray interferometer that can use a thick X-ray beam and can take a sufficiently large distance between mirrors. In addition, since there is a case where the X-ray interferogram cannot be used for diagnosis as it is, a device for obtaining a phase distribution image from the interferogram is devised so that an image with the same contrast can always be provided regardless of the adjustment condition of the apparatus. became. New diagnostic methods such as phase contrast mammography and phase contrast angiography can be realized using the apparatus of the present invention. Furthermore, by rotating the subject and acquiring and processing phase shift distribution images from a plurality of projection directions, the phase contrast is obtained. X-ray CT can be realized. By these means, a soft tissue (cancer or the like) in a living body, which is difficult to diagnose by the conventional method, can be diagnosed with about 1000 times the image sensitivity. Further, the amount of X-ray irradiation on the human body can be significantly reduced as compared with the conventional method. Furthermore, since the X-ray beam passing through the X-ray interferometer is close to a plane wave, the image is less blurred, and an image with a spatial resolution of 50 μm or less can be obtained.
[0023]
FIG. 9 shows the overall configuration of a mammography apparatus configured using the unit of the X-ray half mirror described in FIG. Each unit is fixed to
[0024]
The X-rays incident on the
[0025]
The X-rays incident on the
[0026]
The X-ray emitted from the
[0027]
Next, feedback control for rough adjustment prior to diagnosis and stabilization of the interferometer will be described.
[0028]
First, attention is paid to the output of the
[0029]
Even after the interference fringes are once obtained and the diagnosis can be started, if the θ-axis and the ω-axis which need to be adjusted with high precision drift, the interferogram changes. Therefore, during the diagnosis of the subject, the X-ray interferometer can be stabilized by monitoring the interferogram obtained by the
[0030]
When the image acquisition by the fringe scanning method is necessary, a control program running in the
[0031]
FIG. 10 shows a perspective view of the configuration of the first embodiment as viewed with the
[0032]
FIG. 11 shows an outline of an embodiment in which an X-ray interferometer has the same configuration as that of the above-described first embodiment, but takes measures against vibration as faster fluctuation.
[0033]
If the
[0034]
This embodiment is an example in which a normally used soundproof room, a soundproof wall and a vibration isolation table are employed, and the lower part of the interferometer below the X-ray half mirror is immersed in a highly viscous liquid.
[0035]
Example 2
In this embodiment, as shown in FIG. 2A, an X-ray interferometer is constituted by using three independent X-ray half mirrors 1, 2, and 3. FIG. 12 shows the degree of freedom necessary for adjusting the X-ray half mirror in this embodiment. The same applies to the case of an X-ray reflection mirror. As in the first embodiment described with reference to FIG. 4, also in this figure, a thick solid line indicated by an arrow indicates an X-ray that enters the center of the half mirror and exits from the center.
[0036]
As shown in FIG. 13, each of the X-ray half mirrors 1, 2, and 3 was manufactured by vertically dividing a
[0037]
FIG. 14 shows a configuration example of a moving stage 300 in the x-axis direction for realizing position control of a fraction of a degree or less, with a plan view at the center and side views at the left and right sides. The stage 300 is a uniaxial translation stage, and is manufactured by cutting out a thick steel material by wire cutting. The
[0038]
Also in the present embodiment, control of the ω axis and the θ axis is required, and a rotary stage that can be used for this is required. However, since the rotary stages described with reference to FIGS. 6 and 7 can be used for each rotary axis. The illustration of the configuration example of the rotary stage in this embodiment is omitted.
As described with reference to FIG. 12, the fine adjustment axes important for the X-ray half mirror are the x, z, ω, and θ axes. Therefore, the stages shown in FIGS. An independent X-ray half mirror can be supported as adjustable. For example, the stage shown in FIG. 14 is shifted vertically by 90 ° and placed one above the other, and the
[0039]
Unlike the first embodiment, in this embodiment, it is necessary to control the independent X-ray half mirrors 1, 2, and 3 individually. For the
[0040]
The coarse adjustment of the X-ray half mirrors 1, 2, and 3 by the intensity monitors 57, 58, and 81 will be described. In this embodiment, as in the first embodiment, the coarse adjustment of θ of the
[0041]
After the coarse adjustment, the two piezoelectric elements of the
[0042]
The X-ray two-
[0043]
Even after the interference fringes are once obtained and the diagnosis can be started, the interferogram changes when the θ-axis, ω-axis and x-axis, which require high-precision adjustment, drift. As in the first embodiment, during diagnosis of the subject, the X-ray interferometer can be stabilized by monitoring the interferogram obtained by the
[0044]
When it is necessary to obtain an image by the fringe scanning method, the phase shift distribution image generated in the same manner as in the first embodiment may be displayed on the display device of the
[0045]
FIG. 16 shows a block diagram for driving and controlling a four-
[0046]
When it is necessary to obtain an image by the fringe scanning method, a plurality of images (interferograms) are obtained while changing the phase difference as in the first embodiment, and a calculation based on the equation (1) is performed from the obtained image. The generated phase shift distribution image is displayed on a display device of the
[0047]
As can be seen by contrasting FIGS. 15 and 16, FIG. 16 shows, for simplicity of the drawing, the transmission of signals to the control computer and the transmission of control signals from the control computer to each stage. Lines are partially omitted.
[0048]
In this embodiment, the stages for adjustment are provided for all the X-ray half mirrors 1.2 and 3. However, since the adjustment of these mirrors is relative, one of the three mirrors is used. It goes without saying that can be fixed.
[0049]
As a modification of the first and second embodiments, the subject 49 can be put in the path of the
[0050]
FIG. 17 shows an example of a more powerful X-ray source for an X-ray interferometer.
[0051]
Since X-ray interferometers work on quasi-monochromatic X-rays, it is advantageous to use a somewhat powerful X-ray source for rapid imaging. In the case of the optical system of the above-described embodiment, the shape of the X-ray source needs to be thin in the vertical direction, but may be long in the horizontal direction. Therefore, especially when an electron beam excitation or laser excitation source is used, it is effective to configure as shown in the figure.
[0052]
In FIG. 17, 540 is a target, 541 is a rotation axis, 542 is an X-ray generation site, 543 is an electron beam source or laser light source, 544 is an electron beam or laser, 545 is an X-ray, and 546 is a filter. In the figure, a plan view of the
[0053]
Although illustration is omitted, in order to supply a higher quality X-ray beam to the X-ray interferometer, the reflection direction of the
[0054]
In any of the above-described embodiments, it is advantageous that the X-ray half mirror or the X-ray half mirror unit has substantially the same structure regardless of the mounting position. Therefore, the height of the bottom surface of the X-ray half mirror or the X-ray half mirror unit differs from the surface of the anti-vibration table due to the presence or absence of the control stage or the difference in the configuration of the control stage when attached to the anti-vibration table. To this end, although not described in some drawings, it is natural that the height is adjusted by inserting a spacer or the like.
[0055]
According to the present invention, injection of a contrast agent is basically unnecessary because high-sensitivity imaging can be performed. However, it may be used together when it is desired to enhance the contrast of a specific site of interest. In this case, there is no limitation that a contrast agent composed of a heavy element must be used unlike the conventional method, and a wide range of materials for the contrast agent can be obtained.
[0056]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a high-sensitivity phase contrast X-ray imaging device having a wide observation field of view.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a known integrated X-ray interferometer.
FIGS. 2A, 2B, 2C, and 2D are diagrams illustrating a basic configuration of a beam path of an X-ray interferometer configured by independent X-ray half mirrors.
FIGS. 3A, 3B, and 3C are schematic diagrams showing a difference in diffraction mode due to a difference in an angle α between a crystal surface and a diffraction grating surface.
FIG. 4 is a diagram showing a shape of an X-ray half mirror unit used in
FIG. 5 is a diagram showing a state in which the X-ray half mirror unit shown in FIG. 4 is cut out from a cylindrical silicon ingot.
FIGS. 6A and 6B are a plan view and a side view illustrating a configuration example of a piezoelectric element driving stage for the rotation axis θ according to the first embodiment of the present invention.
7A and 7B are a plan view and a side view illustrating a configuration example of a piezoelectric element driving stage for the rotation axis ω according to the first embodiment of the present invention.
8 (a), (b), (c) and (d) are diagrams showing a configuration of a phase plate for a fringe scanning method.
FIG. 9 is a plan view showing the overall configuration of the phase contrast mammography apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a perspective view of the phase contrast mammography apparatus according to the first embodiment of the present invention with a chamber attached.
FIG. 11 is a perspective view schematically showing the internal structure of a chamber in which the phase contrast mammography apparatus according to the first embodiment of the present invention has a vibration suppression measure.
FIG. 12 is a diagram showing a shape of an X-ray half mirror used in
FIG. 13 is a view showing a state in which the X-ray half mirror shown in FIG. 12 is cut out from a cylindrical silicon ingot.
FIG. 14 is a plan view showing a configuration example of a piezoelectric element driving stage for a translation axis x in
FIG. 15 is a diagram illustrating an overall configuration of a phase contrast mammography apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a block diagram for driving and controlling a phase contrast mammography apparatus.
FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of an X-ray source as a linear light source and an arrangement relationship between the X-ray source and an interferometer.
[Explanation of symbols]
6a, 6b, 7a and 7b: beam path, 9, 9 ': X-ray half mirror unit, 36: adjustment stage of
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