JP4994375B2

JP4994375B2 - 点焦点湾曲モノクロメータ光学体を使用するｘ線結像系

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Publication number: JP4994375B2
Application number: JP2008525079A
Authority: JP
Inventors: エー．マクドナルドキャロリン; メイルノア; ゼウーチェン
Original assignee: ザリサーチファウンデーションオブステートユニバーシティオブニューヨーク; エックス−レイオプティカルシステムズインコーポレーテッド
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2006-07-31
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2026-07-31
Also published as: WO2007016484A3; WO2007016484A2; JP2009503546A; US20090225947A1; US7583789B1; CN101356589A; CN101356589B

Description

本発明は、一般に高エネルギー電磁放射を集束するためのデバイスに関する。詳細には、本発明は、Ｘ線を方向付けて三次元合焦することで生体などの被写体の低線量・高鮮明度画像化を可能に刷る改善された結合系を提供するものである。

Ｘ線分析技法は前世紀の間の科学技術において最も著しく発展したもののうちの一部である。Ｘ線回折、Ｘ線分光法、Ｘ線画像化をよび他のＸ線分析技法が事実上すべての科学分野の知識に大きな増大をもたらしている。

今日、Ｘ線結像は、医学用途、科学用途、および産業用途を含む様々な用途で使用される。これらの用途のうちの様々なものは非常に取り組みがいのあるものである。例えば、Ｘ線画像化を使用する検診のための乳房Ｘ線撮影は重要で取り組みがいのある用途であり、そこでは線量、コントラスト、解像度、およびコストのすべてが重要となっている。

米国特許第６２８５５０６号明細書米国特許出願第１１／０４８１４６号明細書米国特許第６３１７４８３号明細書国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００３／０２３４１２号明細書国際公開第２００４／０１３８６７Ａ２号パンフレット米国特許仮出願第６０／４００８０９号明細書米国特許第５５７０４０８号明細書国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３８８０３号明細書米国特許仮出願第６０／３９８９６８号明細書国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３８４９３号明細書米国特許仮出願第６０／３９８９６５号明細書米国特許仮出願第６０／４９２３５３号明細書国際公開第０３／０４８７４５号パンフレット（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０２／３８７９２号明細書）米国特許仮出願第６０／３３６５８４号明細書 ChenおよびWittry,"Microprobe X-ray Fluorescence with the Use of Point-focusing Diffractors," Applied Physics Letters, 71 (13), 1884 (1997)

別段画像に貢献することなし患者に大量に吸収される低エネルギーフォトンを除去し、また比較的低い被写体コントラストを与えてコンプトン散乱を引き起こし、画像品質を落とす高エネルギーフォトンを除去することによる単色ビームを用いて、患者の線量は減少され、かつ画像品質が向上する。しかし、１つの問題は、シンクロトロンが高価で、一般に臨床的に利用可能でないことである。単色ビームは単結晶回折を使用することによって従来の線源から達成することもできるが、適切なエネルギーおよび適切な角度のごく一部の入射ビームしか回折されないので、そのような手段は所望の強度を与えない。

したがって、例えば、現在利用可能なＸ線結像系よりも線量、コントラスト、解像度、およびコストの配慮を有益に釣り合わせるためにＸ線結像系の向上への要求が当技術分野にある。

Ｘ線源、光学デバイス、および検出器を含むＸ線結像系（x-ray imaging system）の提供によって、従来技術の欠点が克服され、付加的な利点が与えられる。Ｘ線源からのＸ線を方向付ける光学デバイスは、Ｘ線源からのＸ線を焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体（point-focusing, curved monochromating optic）を含んでいる。少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は合焦単色Ｘ線ビーム(focused monochromatic x-ray beam)を焦点の方に方向付け、検出器がその光学デバイスから方向付けられた合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされる。光学デバイスから方向付けられた合焦単色Ｘ線ビーム内で光学デバイスと検出器との間に被写体（object;物体ともいう）が配置される場合に、検出器を使用しての被写体のＸ線結像（x-ray imaging）を光学デバイスが容易にする。

機能強化された実装では、各点焦点湾曲モノクロメータ光学体は二重湾曲光学面を有し、少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は複数の二重湾曲光学結晶または複数の二重湾曲多層光学体を含む。

被写体が焦点の前に配置され、被写体が焦点に対するよりも検出器が焦点に対してより接近して配置される場合に、光学デバイスは被写体の受動的な画像縮小を容易にする。被写体が焦点に対するよりも検出器が焦点に対してより遠くに配置される場合に、光学デバイスは被写体の受動的な画像拡大を容易にする。結像用途に応じて、検出器ができるのと同様に、被写体は焦点の前または後のいずれかに配置することができる。

さらなる態様では、Ｘ線源、第１の光学デバイス、第２の光学デバイス、および検出器を含む結像系が提供される。第１の光学デバイスは、Ｘ線源からのＸ線を第１の合焦単色Ｘ線ビームの形態で第１の焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの第１の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む。第２の光学デバイスは第１の合焦単色Ｘ線と位置合わせされ、第１の合焦単色Ｘ線ビームのＸ線を第２の合焦単色Ｘ線ビームの形態で第２の焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの第２の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む。検出器は第２の合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされる。被写体が第１の合焦単色Ｘ線ビーム内で第１の光学デバイスと第２の光学デバイスとの間に配置される場合、第１および第２の光学デバイスは検出器を使用しての被写体の画像化を容易にする。

さらに、付加的な特徴および利点が本発明の技法によって実現される。本発明の他の実施形態および態様が本明細書で詳細に説明され、それらは請求される本発明の一部と考えられる。

本発明と見なされる内容は、本明細書に添付の特許請求の範囲で特に指摘され明確に主張されている。本発明の前述および他の目的、特徴、ならびに利点は、添付図面と共に行われる以下の詳細な説明から明らかである。

以下の説明および添付の特許請求の範囲において、本発明の様々な態様がＸ線放射の経路の変更への適用に関して説明されるが、本発明は他のタイプの放射、例えばガンマ線、電子ビーム、中性子の操作および使用に適用可能であることが理解されるべきである。

Ｘ線分光学の分野では、高いＸ線ビーム強度はサンプル露光時間を減少させ、したがってＸ線分析測定の信号対雑音比を改善するための必須要件である。以前は、高出力シールド管、回転アノードＸ線管、またはシンクロトロンなどの高価で強力なＸ線源が、高強度Ｘ線ビームを生成するために利用できる唯一の選択枝であった。最近、Ｘ線光学デバイスの発展によって、Ｘ線を集束することによりＸ線源からの発散放射を集めることができるようになった。Ｘ線集束光学体と小型低出力Ｘ線源との組合せにより、高価なデバイスで達成されたものに匹敵する強度をもつＸ線ビームを生成することができる。その結果、小型Ｘ線源と集光光学体の組合せに基づいた光学系は、例えば小型実験室または現場用途、診療室用途、プロセスライン用途もしくは工場用途においてＸ線分析装置の能力を非常に拡大した。

１つの既存のＸ線光技術は、結晶、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）、シリコン（Ｓｉ）によるＸ線の回折に基づく。湾曲結晶はＸ線源からの発散放射のターゲット上への偏向ならびにターゲットに達するフォトンの単色化（単色光分光、モノクロメート）を行うことができる。単一湾曲結晶および二重湾曲結晶（ＤＣＣ）の２つの異なるタイプの湾曲結晶が存在する。ローランド円形状として当技術分野で知られているものを使用して、単一湾曲結晶は第３面または直交面ではＸ線放射を非集束にしたまま、二次元で集束（focusing；集光、あるいは焦点合わせともいう）を行う。例えば、その開示が参照により本明細書に組み込まれる非特許文献１に開示されているように、二重湾曲結晶は線源からのＸ線を全三次元で点ターゲットに集束する。この三次元集束は当技術分野で「ポイントツーポイント」集束（フォーカシング）と呼ばれる。

いくつかの二重湾曲結晶のポイントツーポイント集束特性は、例えば材料科学構造または組成分析に多くの重要な用途を有する。湾曲結晶はさらにヨハンソン（Ｊｏｈａｎｓｏｎ）タイプおよびヨハン（Ｊｏｈａｎ）タイプに分類される。ヨハンソン形状は、例えばローランド円の半径の２倍に同等の曲率を有するような結晶面を必要とするが、結晶表面はローランド円の半径に研磨され、一方、ヨハン形状は、例えばローランド円の半径の２倍の曲率を必要とする。

高強度Ｘ線ビームを供給する１つの利点は、所望のサンプル（試料）露光が一般に短い測定時間で達成できることである。短い測定時間を提供する可能性は多くの用途において重要となることがある。例えば、いくつかの用途では、測定時間の短縮は測定の信号対雑音比を向上させる。さらに、分析時間を最短化すると、例えば産業用途においてサンプル処理能力を向上させ、それにより生産性が改善される。別の重要な用途は、本発明が対象とする用途であるＸ線結像である。

点焦点モノクロメータ湾曲光学体などの光学デバイスを使用する回折によって固有Ｘ線の三次元集束を容易にする様々な放射線結像系が本明細書で提示されている。非常に低いパワー線源を利用してハイコントラストの単色画像化を実現させることが点焦点モノクロメータ湾曲光学体を使用して、例えば患者の結像エネルギーで実証される。湾曲光学体は１つまたは複数の二重湾曲結晶（ＤＣＣ）光学体または１つまたは複数の二重多層光学体を含む様々な光学デバイスを含むことができる。そのような二重湾曲光学デバイスの一実施形態が図１および図１Ａに示され、その全体が参照により本明細書に組み込まれる特許文献１に詳細に説明されている。

図１の実施形態では、二重湾曲光学デバイスは可撓性層（フレキシブル層）１１０、厚いエポキシ層１１２、および受け板（backing plate）１１４を含む。デバイスの構造は図１Ａの断面正面図にさらに示される。

このデバイスでは、エポキシの層１１２は、曲率を有する選択された形状に可撓性層１１０を保持し拘束する。好ましくは、エポキシの層の厚さは２０μｍよりも大きく、可撓性層の厚さは５μｍよりも大きい。さらに、エポキシ層の厚さは、一般に可撓性層の厚さよりも厚い。可撓性層は、マイカ（雲母）、Ｓｉ、Ｇｅ、石英、プラスチック、ガラスなどを含む種々様々の材料のうちの１つとすることができる。エポキシ層１１２は、１０^３から１０^４ポアズ（poise;粘度の単位）および３０から６０分ポットライフ（pot life）の程度の粘性をもつペーストタイプとすることができる。受け板１１４はエポキシ樹脂でよく接合する固体物体とすることができる。受け板の表面１１８は平坦（図１Ａ）または湾曲とすることができ、可撓性層の形状および表面仕上げにとって正確な形状および表面仕上げは重要でない。図１および図１Ａのデバイスでは、特別に準備された受け板を必要としない。

可撓性層を取り囲むものは可撓性層端部の周りで用いる薄いプラスチックなどの保護材料１１６の薄いシートとすることができる（図１Ａ参照）。保護材料は型を再使用可能とするために組み立て型を守り、可撓性層と正確に同じサイズか、もしくはそれよりも小さい型または犠牲型の型は必要としないであろう。

二重湾曲結晶（ＤＣＣ）光学体などの二重湾曲光学デバイスは、大きな立体角からのＸ線を集めて集束（焦点合わせ）させ、Ｘ線源からの使用可能な線束を増加させるために、現在材料分析で使用される。御存知のように、固有Ｘ線（特性Ｘ線）の三次元集束は、小型電子照射（bombardment）Ｘ線源と共に使用されるドーナツ形をしたトロイダル結晶からの回折によって達成することができる。このポイントツーポイントのヨハン幾何学図形が図２に示されている。各結晶光学要素２００の回折面は結晶表面と平行にすることができる。点線源および焦点を含む焦点円２１０が半径Ｒ_０を有する場合、結晶の表面は焦点円の面内に２Ｒ_０の曲率の半径Ｒおよび垂直面にｒ＝２Ｒ_０ｓｉｎ^２θ_Ｂｒａｇの曲率の半径を有し、その半径は線源と焦点との間に引かれたラインセグメント上に中心がある。線源から発散し、結晶のロッキングカーブ内の角度で結晶の表面に入射するＸ線は焦点または像点に効率的に反射されることになる。ＤＣＣベースの結像系の焦点での単色線束密度は、高いパワー線源および線源から被写体までの同様の距離をもつ従来の結像系よりも数桁大きい。この増加は、（本明細書で説明されるように）放射線画像化を含む多くの異なる用途での使用で非常に高い感度をもたらす。

さらなる強化として、図２は、光学デバイスがローランド円の周りにグリッドパターン（格子図形）で配置された多数の二重湾曲結晶光学要素２００を含むことができることを示す。そのような構造はブラッグ回折を介して発散放射の捕捉および出力先変更（向け直し）を最適化するように配置することができる。一態様では、変化する原子回折面方位を有する複数の光学結晶を使用して、発散Ｘ線を捕捉し焦点の方に集束させることができる。別の態様では、結晶の二次元または三次元マトリクスをＸ線源に対して位置決めして発散Ｘ線を捕らえ三次元で集束させることができる。そのような構造のさらなる詳細は先に組み込まれ、同時係属出願の「An Optical Device for Directing X-Rays Having a Plurality of Optical Crystals」という名称の特許文献２に提示されている。

前述の二重湾曲結晶（ＤＣＣ）などの点焦点モノクロメータ湾曲光学体を本例では使用して、Ｘ線結像用の大きい立体角のＸ線源からのＸ線を点焦点し単色で向け直す。単色ビームはコントラストを改善し、かつ単色のビームは、低パワー化線源が望ましい場合、または画像化されるべき被写体が患者である場合に、重要になることがある放射線量を最小化する。乳房Ｘ線撮影に関して本明細書で以下に詳細に説明されるが、本明細書で説明されるＸ線結像系および技法は、ある特定の用途にではなく放射線結像に一般に適用可能であることが理解されるべきである。例えば、説明された結像系および技法を使用して任意の生体または集積回路チップなどの非生体を画像化することができる。

単色ビームは、本実施形態では点焦点モノクロメータ湾曲光学体を使用することによって達成される。そのような光学体を使用するＸ線結像系の一実施形態が図３に示される。図示されるように、Ｘ線源３００からのＸ線３０５は少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイス３２０によって方向付けされて、制御可能に焦点３６０に集束する。Ｘ線源のサイズはＸ線結像用途に応じて変わることができる。一般に、線源は、従来の固定陽極または回転陽極Ｘ線管を含む電子衝撃源などの従来のＸ線源になるであろう。しかし、いくつかの用途では、低パワー線源を例えば５００ワット未満で使用することができる。

湾曲モノクロメータ光学体３２０は、線源からのＸ線を合焦単色Ｘ線ビーム３２５として焦点の方に方向づける。入力焦点スリット３１０および出力焦点スリット３３０を単独または一緒に使用して、さらにバックグラウンド放射線（背景放射）の制限、発散の制限、または出力ビームの整形を行うことができる。画像化されるべき被写体（オブジェクト）３４０は合焦単色Ｘ線ビーム３２５内で光学デバイス３２０の後に配置される。被写体３４０は図示のように焦点３６０の前に、または焦点３６０の後に配置することができる。被写体３４０が焦点の前に配置された状態で、検出器３５０を焦点の前または焦点の後に配置することができる。検出器３５０はＸ線強度の二次元マップを与える画像検出器である。これは、直接検出器または蛍光体（Ｘ線を可視光に変換する）に結合された間接検出器のいずれかとすることができる。検出器は、フィルム、フィルム／スクリーンカセット、蛍光体に結合されたＣＣＤ、アモルファスセレンもしくはアモルファスシリコン検出器、コンピューテッドラジオグラフィープレート、ＣｄＺｎＴｅ検出器、または他のアナログもしくはデジタル検出器とすることができる。

検出器３５０が焦点３６０の前に配置される場合、検出器が焦点に近接して、例えば場所３７０または３８０に配置されるとき画像を検出器上で縮小することができる。あるいは、被写体は場所３９０に配置された検出器上で、すなわち被写体３４０よりも焦点３６０から遠く配置された検出器で拡大することができる。システム解像度が検出器制限である場合には、拡大が有利であり、一方、小さく廉価な検出器を使用することが望まれる場合には、縮小が有利である。

拡散による画像ぼけは、検出器を被写体３４０の近くの場所３５０に配置することによって低減することができ、図４に示されるように、被写体と焦点との間の距離を増加させることによってさらに低減することができる。図４では、Ｘ線源４００からのＸ線４０５は、点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイス４２０によって合焦単色Ｘ線ビーム４２５に再び方向付けられ、焦点４６０で制御可能に集束する。この実施形態では、画像化されるべき被写体４４０は、光学デバイス４２０と焦点４６０との間に配置される場合に可能であるよりも、焦点から遠くなるように焦点の後に配置される。画像検出器４５０は被写体４４０の近くに配置される。

点集束単色ビームの強度は特定の結像用途に合わせて調整される。強度は、ある程度、集結する立体角に依存し、それはＸ線源と光学デバイスとの間の入力焦点距離を減少させることによって、または光学デバイスのサイズを増大させることによって、または先に組み込まれた「An Optical Device For Directing X-Rays Having a Plurality of Optical Crystals」という名称の特許文献２に示されたような構造で配置された多数の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を使用することによって増加することができる。画像の解像度は、点集束単色ビームの角度発散を減少させることによって改善することができ、それは被写体から焦点までの距離を増加させるか、または出力焦点距離を増加させることによって達成することができる。強度および解像度は、同等の入力焦点距離および出力焦点距離を有する対称型光学体または異なる入力焦点距離および出力焦点距離をもつ非対称型光学体をもつ光学デバイスを使用することよって調節することもできる。

本明細書で説明されるような二重湾曲光学デバイスは、図５に一例として示されたような湾曲した扇形ビーム出力を生成する。この扇形ビーム出力は、従来のスロット／走査系と同様の方法で被写体を横切って走査することができる。被写体から光学体までの距離を非常に大きくする必要なしに、大きな面積を対象範囲に含め易くする走査は、（１）ビームを横切って被写体を移動させることによって、または（２）ビームが被写体を横切るように線源および光学体を一緒に移動させることによって、または（３）入力は線源である方向を指したままであるが出力が被写体を横切って走査するように光学体を回転させることによって達成することができる。これらのオプションは、図５Ａから図５Ｃを参照しながらそれぞれ示される。これらの図では（ここで、同様の数字は同様の要素を示すために使用される）、図３の結像系が例示として用いられるが、当業者は、これらの原理が本明細書で開示される結像系のどれにも拡張することができることを認識されよう。図５Ａは、被写体３４０および大面積検出器（large area detector）３８０をビームを横切って移動させるためのガントリ（構台)５１０および５１２を示す。被写体は、例えばビームに垂直な方向にその細い寸法を横切って移動される。検出器は、例えば、同時に、同じ方向に、被写体速度の拡大率倍と同等の速度で移動される。図５Ｂは、静止している被写体３４０を横切ってビームを移動させるように集団で走査される線源３００、光学体３２０、ならびにスリット３１０および３３０（もしあれば）を支持するガントリ５２０を示す。図５Ｃは、ブラッグ角度で配列を維持して、線源を中心とした円に沿って光学体３２０を移動させるように走査される光学体３２０ならびにスリット３１０および３３０（もしあれば）を支持するガントリ５３０を示す。線源形状の制約に応じて、線源ハウジングを同時に回転させることが必要なことがある。当業者は、所望の結果を生成するためにこれらの走査系の特徴を組み合わせることができることを認識されよう。検出器は被写体に対して固定された大面積検出器とすることができ、あるいは、ビームに対して固定され、被写体がビームに対して移動するときの変化を記録する小さい、例えば出力ビームの大きさの検出器とすることができる。ビームは、図３に示されたようなスリットを使用して直線の扇形に制限することができ、または単一もしくは多数の湾曲したセグメント（切片）として使用することができる。さらに、大きい被写体を画像化する場合、散乱生成の著しい低減が、走査ビームを使用して得られる。

二重湾曲光学デバイスからの出力焦点スポットを第２の光学デバイスの線源として使用して（図６に示されるように）、屈折コントラスト（回折強化型）画像化を行うことができる。この実施形態では、二重湾曲光学デバイス６２０はＸ線源６００からの放射線６０５を集め、この放射線を点集束単色Ｘ線ビーム６２５に方向付けて第１の焦点６３０で集束させるが、分かるようにその焦点は第２の光学デバイス６５０のＸ線源である。第２の二重湾曲光学デバイスからなるデバイス６５０は、合焦単色Ｘ線ビーム６２５を第２の点集束単色Ｘ線ビーム６５５に方向付けて、第２の焦点（図示せず）で集束させる。この実施形態では、画像化されるべき被写体６４０は、点集束単色Ｘ線ビーム内で第１の光学デバイス６２０と第２の光学デバイス６５０との間に配置される。画像検出器６６０は、第２の光学結晶６５０からの第２の合焦単色Ｘ線ビーム６５５光軸に位置合わせされる。被写体の屈折率の変化はＸ線を偏向させ、平面結晶で使用される場合、「屈折率画像化」または「回折増強型画像化」と呼ばれる方法でコントラストを生成する。

図６の実施形態への変形として、出力ビームが偏光されるように第１の光学デバイス６２０は４５°に近いブラッグ角で使用することができ、第２光学デバイス６５０は検光フィルタとして働くように、第１の光学デバイスに対して直交して配置することができる（これも４５°に近いブラッグ角を有する）。例えば、この実施形態では、線源からのビームがｘ方向に移動する場合、第１の光学デバイスからの回折ビームはｙ方向に移動し、第２の光学デバイスからの回折ビーム（被写体に偏光解消がない限りそれは存在しないはずである）はｚ方向に移動する。これは、コントラストを向上させ、バックグラウンド（背景）を低減させることができる偏光ビーム画像化を可能にする。

したがって、本実施形態では、二重湾曲光学デバイスは、様々な画像化用途用の高輝度で、かつ良好な角度分解をもつ点集束単色ビームを生成するのに使用される。単色Ｘ線および細い出力ビームは、患者または被写体で生成される散乱を低減し、それによりコントラストが改善され、必要線量が低減される。散乱防止用グリッド（回折格子）が使用されない場合、これは特に有利である。図６に示されるような対の光学体を使用すると、従来のＸ線源を使用して、または低パワーＸ線源（すなわち１ｋＷ未満の線源）を使用してさえも高コントラストの屈折率画像化が可能になる。

色々な単色Ｘ線撮影の具体例についての実験結果を、図７から図１２を参照しながら以下で説明する。

図７は本発明の態様による単色結像系のさらなる概略図を示す。この結像系は、二重湾曲結晶（ＤＣＣ）光学体などの点焦点二重湾曲光学体からなる光学デバイスを再び使用する。結像系はＸ線源７００を含み、このＸ線源はＸ線７０５をスリット７１０を介して光学デバイス７２０に供給する。デバイス７２０は合焦単色Ｘ線ビーム７２５のＸ線を第２のスリット７３０を通して焦点７６０の方に導く。画像化されるべき被写体７４０は、この例では、被写体の近くに配置された検出器７５０と共に焦点７６０の後に配置される。実行された実験でのＤＣＣ光学体のパラメータを表１に示す。線源はＯｘｆｏｒｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，ＬＴＣからの１２０ワットの最大線源パワーをもつＭｉｃｒｏｆｏｃｕｓＭｏ線源であり、検出器はＦｕｊｉＣｏｍｐｕｔｅｄＲａｄｉｏｇｒａｐｈｙＰｌａｔｅであった。

ＤＣＣ光学体はＸ線ビームを横断する２つの移動ステージに取り付けられ、線源スポットからの設計された焦点距離に大体で配置された。線源から光学体までのおおよその位置合せは先ずＣＣＤカメラで行われた。カメラは回折画像を途中で捕まえられるように光学体から１８０ｍｍに２θ_{Ｂｒａｇｇ}角で配置され、光学体が最大輝度を得るように走査された。次に、回折強度が（全ビーム中の光子束の合計を与える）Ｇｅ検出器で記録され、その回折強度は異なるｚ位置でｘおよびｙ方向に沿ってＤＣＣ光学体を走査することによって最大にされた。その結果生じた出力スペクトルを図８に示す。図８では、２５ｋＶの電源電圧、０．１ｍＡの電流、および２０秒の記録時間での、ＤＣＣ光学体による回折スペクトルが示されている。測定されたスペクトルの幅は検出器制限であることに留意されたい。

コントラスト測定が図９に示されるような２つのプラスチックファントム（phantom）を用いて行われた。図９に示されるように、ポリプロピレンの５ｍｍのステップ（段差）付きファントム１１００が１０ｍｍのポリメタクリル酸メチルブロック１１１０に取り付けられて使用された。ファントムは図７に示されるように出力焦点を越えた７０ｍｍの距離に、すぐ近傍のＣｏｍｐｕｔｅｄＲａｄｉｏｇｒａｐｈｙＰｌａｔｅ（計算機化Ｘ線写真プレート）と共に配置された。この位置でのビームサイズは水平軸に沿って約１ｍｍ、垂直軸に沿って１０ｍｍであった。ファントムおよびプレートは３つの並進ステージ（translation stage）に取り付けられ、垂直方向に沿って走査された。約２００ｍｍ^２の画像サイズが、１０Ｗ線源で２分から５分の範囲の露光時間で得られた。これは１０ＫＷパルス源の場合の１秒未満の露光に対応することになる。

単色コントラスト測定も、５ｍｍのステップ高さをもつポリプロピレンファントム（図９参照）で行われ、次に６ｍｍおよび７ｍｍの深さの２つの孔をもつ１２ｍｍ厚のポリスチレンファントム（図示せず）で行われた。ポリプロピレンステップ付きファントムについて、単色ビームによる画像およびその強度プロファイルを図１０に示す。測定されたコントラストおよび計算されたコントラストを表２に掲載した。測定は計算とよく一致している。表２に掲載されているように、２．５のコントラスト比は、光学体の前の全スペクトル放射線を用いて測定されたコントラストと比較して得られたものである。

ポリスチレンファントムの画像およびその強度プロファイルを図１１に示す。同図は、破線の端から端までの強度プロファイルにより６ｍｍおよび７ｍｍの異なる深さの２つの孔を示している。電源電圧は１０Ｗパワーで３５ｋＶであった。ファントムは、３分の露光時間で、０．１ｍｍ／ｓで移動された。測定されたコントラストおよび計算されたコントラストを表３に示す。

どのような結像系でも画像解像度は重要なパラメータである。厚い被写体、または被写体から検出器までの長い距離に対して、空間分解能は角度発散にほぼ比例し、角分解能とも呼ばれる。角分解能測定はＯｘｆｏｒｄＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＭｉｃｒｏｆｏｃｕｓ５０１１モリブデン線源で行われた。この線源は、ＯｘｆｏｒｄＭｉｃｒｏｆｏｃｕｓ線源の１５μｍスポットサイズよりも臨床線源のものにやや近い約６０μｍの大きい焦点スポットサイズを有する。

角分解能は、５０μｍ画素をもつＦｕｊｉレスティムブル（ｒｅｓｔｉｍｕｂｌｅ）蛍光体コンピュータ化Ｘ撮影イメージプレートを用いてナイフエッジ影を記録することによって測定された。出力ビームの半分を阻止するためにナイフエッジは結晶の後に配置された。検出器によって記録された強度プロファイルは識別され、半値で全幅を得るのに用いたガウスフィット(Ｇａｕｓｓｉａｎｆｉｔ)であった。検出器角分解能σ_Ｄは、ナイフエッジから検出器までの距離で割った５０μｍである。表４および表５に掲載した結果は、求積法（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）で減算された検出器解像度を有し、測定された角分解能は

であると想定され、ここでσはＸ線ビームの実際の角分解能である。最初に、ビームが集束ではなく発散しているように光学体から１９０ｍｍである出力焦点を越えた７０ｍｍを用いて、解像度はナイフエッジにより測定された。画像プレートはナイフエッジに対して５０、２００、３００、４５０ｍｍの距離に配置された。集束角が異なるので、解像度は水平方向および垂直方向で異なる。５０ミクロン画素を有するこの検出器では、３００ｍｍを越えてプレート距離を増加させても解像度は大きく改善されず、したがって、残りの測定は３００ｍｍのプレート距離で行われた。その後、測定は図１２に示される様々なナイフエッジ位置で行われた。その測定された結果を表５に示す。全集束の様々な部分がサンプリングされるので角分解能は光学体からの距離と共に変わる。予想どおりに、出力焦点からファントムまでの距離が増加すると共に解像度は改善される。しかし、図１０および図１１に示されるように、焦点スポットから７０ｍｍで全く良好である一様性は、焦点スポットからファントムまでの距離が長くなる程、若干劣化してくる。非対称型光学体設計において出力焦点距離を増加させることによって、一様性を低減することなしに解像度はさらに改善することができる。ビームが走査されることになっている場合、走査に沿った方向の一様性は重要でない。

図８に示されるように、ＤＣＣ光学体によって回折された線束はＧｅ検出器で測定された。開口測定で得られた、光学体から回折されるフォトン(光子)と光学体の表面に入射されるフォトンの数の比であるＤＣＣ光学体の回折効率ηは、

によって計算されたが、ここで、Ｃ_Ｄは回折されたカウント、Ｃ_ｗは光学体なしでのカウント、Ａ_ａｐｅｒは開口の面積、Ａ_{ｏｐｔｉｃ}は光学面の実効面積、ｄ_{ｏｐｔｉｃ}は線源までの光学体の距離、ｄ_ａｐｅｒは線源までの開口距離である。１７ｋｅＶから１８ｋｅＶまでの１ｋｅＶウィンドウ内のこれらの入力フォトンだけを考慮すると、回折効率ηは１．８％である。

結晶帯域幅σ_Ｃと、線源発散σ_Ｓおよびエネルギー角度帯域幅σ_Ｅの求積法における和との比としての効率ηの概算は、

で与えられ、ここで、σ_Ｓは線源サイズと線源距離の比で約０．５ｍｒａｄであり、約０．２ｍｒａｄのσ_Ｅは特性線のエネルギー幅に起因するブラッグの法則から計算された角度幅である。計算されたηは測定とよく一致している。

０．１ｍＡの電流で様々な電源電圧でＤＣＣ光学体を使用して測定された回折線束（diffraction flux）を表６に示す。

光学体までの様々な距離での強度を表７に示す。

当業者は以上の説明から患者などの被写体の画像化で使用される合焦単色Ｘ線ビームを方向づけるための１つまたは複数の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を使用するＸ線結像系が、本明細書で提示されていることに留意されよう。Ｘ線の単色化は二重湾曲結晶光学体または二重湾曲多層光学デバイスを使用して容易に達成することができる。さらに、そのような光学体は、大きいサイズで製作することが比較的容易であり、その結果、本明細書で提案されるようなＸ線結像系は、従来の手法よりも製作するのが簡単で容易である。Ｘ線結像系のビーム発散は、光学体から被写体までの距離を増加させることによって、または出力焦点距離を増大させるように光学設計を変更することによって抑制することができる。

前述の光学体は、湾曲結晶光学体（例えば、各々全体が参照により本明細書に組み込まれる、Ｘ−ＲａｙＯｐｔｉｃａｌ，Ｉｎｃ．の特許文献１、特許文献３、および２００３年７月２５日に出願された特許文献４として完成され、２００４年２月１２日の特許文献５として英語によりＰＣＴ条項下で公表された、「An Optical Device for Directing X-Rays Having a Plurality of Crystals」という名称で２００２年８月２日に出願された特許文献６）または同様に機能する多層光学体を含む。光学体はビーム利得ならびに一般的なビーム制御を与えることができる。

さらに、上述のように、単色化光学要素はシステム要求に応じて放射線帯域を狭くするために望ましいことがある。この機能のために、上記の光学体の多く、特に湾曲結晶光学体および多層光学体が、先に組み込まれた米国特許の多くに記載されているように、使用することができる。

Ｘ−ＲａｙＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．の１９９６年１０月２９日に発行された特許文献７、ならびに（１）（特許文献８として完成され、「Method and Device for Cooling and Electrically-Insulating a High-Voltage, Heat-Generating Component」という名称で２００２年７月２６日に出願された）特許文献９、（２）（特許文献１０として完成され、「X-Ray Source Assembly Having Enhanced Output Stability」という名称で２００２年７月２６日に出願された）特許文献１１、（３）（「X-Ray Source Assembly Having Enhanced Output Stability Using Tube Power Adjustments and Remote Calibration」という名称の２００３年８月４日に出願された）特許文献１２、（４）（「X-Ray Tube and Method and Apparatus for Analyzing Fluid Streams Using X-Rays」という名称で特許文献１３として完成された「X-Ray Tube and Method and Apparatus for Analyzing Fluid Streams Using X-Rays」という名称で２００１年１２月４日に出願された）特許文献１４に開示されたものなどの光学体／線源組合せも使用可能であり、これらはすべて全体が参照により本明細書に組み込まれる。

好ましい実施形態が本明細書で図示され詳細に説明されたが、本発明の趣旨から逸脱することなく、様々な変形、追加、代替などを行うことができ、したがって、これらは添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の範囲内にあると考えられることが当業者には明らかであろう。

本発明の態様によるＸ線結像系用の点焦点湾曲モノクロメータ光学体の一実施形態を示す図である。図１の構造のＡ−Ａ線に沿った断面正面図である。本発明の態様による、Ｘ線結像系の一実施形態で使用するための光学デバイスの一実施形態（およびローランド円形状）を示す図である。本発明の態様によるＸ線結像系の一実施形態を概略形態で示す図である。本発明の態様によるＸ線結像系の別の実施形態を概略形態で示す図である。本発明の態様による、Ｘ線結像系によって使用される光学デバイスの二重湾曲光学セグメントからのＸ線ビーム露光を示す図である。本発明の態様に沿って、大きな部品間距離を必要とせずに、広い面積の対象範囲を実現しやすくするために、本明細書に開示された系の部品を機械的に走査する包括的な実施形態を示す図である。本発明の態様に沿って、大きな部品間距離を必要とせずに、広い面積の対象範囲を実現しやすくするために、本明細書に開示された系の部品を機械的に走査する包括的な実施形態を示す図である。本発明の態様に沿って、大きな部品間距離を必要とせずに、広い面積の対象範囲を実現しやすくするために、本明細書に開示された系の部品を機械的に走査する包括的な実施形態を示す図である。本発明の態様によるＸ線結像系のさらなる実施形態を概略形態で示す図である。本発明の態様によるＸ線結像系の別の実施形態を概略形態で示す図である。本発明の態様による、点焦点湾曲モノクロメータ光学体、および２５ｋＶの電源電圧、０．１ｍＡの電流、２０秒の記録時間を使用するＸ線結像系に対する強度カウント対エネルギーを示すグラフである。本発明の態様による、図７のＸ線結像系の実験で使用するための１０ｍｍのポリメタクリル酸メチルブロックに取り付けられたポリプロピレンの５ｍｍのステップ付きファントムのブロック図である。本発明の態様による、図７に示されたようなＸ線結像系を使用して結像された図９のファントムに対する検出強度対位置のグラフである。本発明の態様による、６ｍｍおよび７ｍｍの異なる深さの２つのファントム孔の画像、および図７に示されたようなＸ線結像系を使用して結像された破線の端から端までの強度プロファイルを示す図である。本発明の態様による、図７に示されたＸ線結像系の実験における点焦点湾曲モノクロメータ光学体から方向付けられた合焦単色Ｘ線ビームおよびナイフエッジ解像度測定用の様々な位置を示す図である

Claims

Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を方向づける光学デバイスであって、前記Ｘ線源からのＸ線を合焦単色Ｘ線ビームの形態で焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイスと、
前記光学デバイスから方向付けられた前記合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた画像式検出器である検出器と
を含み、
被写体が、前記光学デバイスによって供給される前記合焦単色Ｘ線ビーム内で、前記光学デバイスと前記検出器との間に配置される場合に、前記光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にし、かつ
前記被写体が前記合焦単色Ｘ線ビーム内で前記焦点の前に配置されて、前記被写体が前記焦点に対するよりも、前記検出器が前記焦点に対してより近くに配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体の画像縮小を容易にすることを特徴とするＸ線結像系。
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を方向づける光学デバイスであって、前記Ｘ線源からのＸ線を合焦単色Ｘ線ビームの形態で焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイスと、
前記光学デバイスから方向付けられた前記合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた画像式検出器である検出器と
を含み、
被写体が、前記光学デバイスによって供給される前記合焦単色Ｘ線ビーム内で、前記光学デバイスと前記検出器との間に配置される場合に、前記光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にし、かつ
前記被写体が前記合焦単色Ｘ線ビーム内で前記焦点の前に配置されて、前記検出器が前記被写体と前記焦点との間に配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にすることを特徴とするＸ線結像系。
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を方向づける光学デバイスであって、前記Ｘ線源からのＸ線を合焦単色Ｘ線ビームの形態で焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイスと、
前記光学デバイスから方向付けられた前記合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた画像式検出器である検出器と
を含み、
被写体が、前記光学デバイスによって供給される前記合焦単色Ｘ線ビーム内で、前記光学デバイスと前記検出器との間に配置される場合に、前記光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にし、かつ
前記被写体が前記合焦単色Ｘ線ビーム内で前記焦点の前に配置されて、前記検出器が前記焦点の後に配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にすることを特徴とするＸ線結像系。
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を方向づける光学デバイスであって、前記Ｘ線源からのＸ線を合焦単色Ｘ線ビームの形態で焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む光学デバイスと、
前記光学デバイスから方向付けられた前記合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた画像式検出器である検出器と
を含み、
被写体が、前記光学デバイスによって供給される前記合焦単色Ｘ線ビーム内で、前記光学デバイスと前記検出器との間に配置される場合に、前記光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にし、かつ
前記被写体および前記検出器が前記焦点の後に配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にすることを特徴とするＸ線結像系。
前記光学デバイスの各少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、二重湾曲の光学面を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記光学デバイスの前記少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、複数の二重湾曲光学結晶または複数の二重湾曲多層光学体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、同等の入力焦点距離および出力焦点距離を有する少なくとも１つの対称型光学体を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記少なくとも１つの点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、少なくとも１つの半径Ｒのローランド円を画定するための前記Ｘ線源および前記焦点で位置決めされた複数の二重湾曲光学体を含み、前記複数の二重湾曲光学体は前記Ｘ線源からのＸ線の前記焦点への集束を行い、前記複数の二重湾曲光学体の表面プロファイルはローランド円の半径の２倍の曲率を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記Ｘ線源は１０００ワット未満の低いパワーＸ線源であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記被写体は生体であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの項に記載のＸ線結像系。
前記被写体が前記焦点に対するよりも、前記検出器が前記焦点に対してより近くに配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にすることを特徴とする請求項３に記載のＸ線結像系。
前記被写体が前記検出器よりも前記焦点に対してより近くに配置される場合に、前記光学デバイスは前記被写体のレントゲン写真の画像化を容易にすることを特徴とする請求項３に記載のＸ線結像系。
Ｘ線源と、
前記Ｘ線源からのＸ線を第１の合焦単色Ｘ線ビームの形態で第１の焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの第１の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む第１の光学デバイスと、
前記第１の光学デバイスからの前記第１の合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた第２の光学デバイスであって、前記第１の合焦単色Ｘ線ビームのＸ線を第２の合焦単色Ｘ線ビームの形態で第２の焦点の方に方向づけるための少なくとも１つの第２の点焦点湾曲モノクロメータ光学体を含む第２の光学デバイスと、
前記第２の光学デバイスから方向付けられた前記第２の合焦単色Ｘ線ビームと位置合わせされた画像式検出器である検出器とを含み、
被写体が前記第１の合焦単色Ｘ線ビーム内で前記第１の光学デバイスと前記第２の光学デバイスとの間に配置される場合に、前記第１の光学デバイスおよび前記第２の光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体のＸ線画像化を容易にすることを特徴とするＸ線結像系。
前記少なくとも１つの第１の点焦点湾曲モノクロメータ光学体および前記少なくとも１つの第２の点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、各々二重湾曲の光学面を含むことを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記少なくとも１つの第１の点焦点湾曲モノクロメータ光学体および前記少なくとも１つの第２の点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、複数の二重湾曲光学結晶および複数の二重湾曲多層光学体のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記少なくとも１つの第１の点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、少なくとも１つの半径Ｒのローランド円を画定するための前記Ｘ線源および前記第１の焦点で位置決めされた第１の複数の二重湾曲光学体を含み、前記第１の複数の二重湾曲光学体は前記線源からのＸ線の前記第１の焦点への集束を行い、前記第１の複数の二重湾曲光学体の表面プロファイルはローランド円の前記半径Ｒの２倍の曲率を有し、前記少なくとも１つの第２の点焦点湾曲モノクロメータ光学体は、少なくとも１つの半径Ｒ’のローランド円を画定するための前記第１の焦点および前記第２の焦点で位置決めされた第２の複数の二重湾曲光学体を含み、前記第２の複数の二重湾曲光学体は前記第１の焦点からのＸ線の集束を行い、前記第２の複数の二重湾曲光学体の表面プロファイルはローランド円の前記半径Ｒ’の２倍の曲率を有することを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記被写体が前記第１の合焦単色Ｘ線ビーム内で前記第１の焦点と前記第２の光学デバイスとの間に配置される場合に、前記第１の光学デバイスおよび前記第２の光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体の画像化を容易にすることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記被写体が前記第１の合焦単色Ｘ線ビーム内で前記第１の光学デバイスと前記第１の焦点との間に配置される場合に、前記第１の光学デバイスおよび前記第２の光学デバイスは、前記検出器を使用しての前記被写体の画像化を容易にすることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記第１の光学デバイスおよび前記第２の光学デバイスのうちの少なくとも１つは、前記被写体の屈折率画像化を容易にすることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。
前記第１の光学デバイスおよび前記第２の光学デバイスのうちの少なくとも１つは、前記被写体の偏光ビーム画像化を容易にすることを特徴とする請求項１３に記載のＸ線結像系。