JP5041750B2 - Ｘ線撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

Description

本発明はＸ線撮像装置及び撮像方法に係わり、物体の内部を非破壊に検査する装置及び方法に関する。

Ｘ線を用いて試料内部を非破壊に観察する撮像装置として、試料によって生じたＸ線の強度変化を利用する吸収コントラストＸ線撮像装置と、位相の変化（位相シフト）を利用する位相コントラストＸ線撮像装置がある。

前者の吸収コントラストＸ線撮像装置は、Ｘ線源、試料設置機構及び検出器から主に構成され、Ｘ線源から出射したＸ線を試料設置機構により位置決めされた試料に照射し、試料を透過してきたＸ線を検出器で検出するもので、試料の吸収によって生じたＸ線の強度変化をコントラストとする像が得られる。測定原理及び装置の構成が比較的簡単であるため、投影による２次元観察の場合はレントゲン、Computed Tomography（ＣＴ）による３次元観察の場合はＸ線ＣＴという名称で医療診断を始めとして多くの分野で広く利用されている。

一方、後者の位相コントラスト型Ｘ線撮像装置は、上記装置構成に加えて位相シフトを検出する手段が必要となるが、吸収コントラスト型Ｘ線撮像装置に比べて極めて感度が高く、無造影・低被曝で生体軟部組織を観察することが可能である。これは位相シフトを与える散乱断面積が強度の変化を与える散乱断面積に比べて軽元素において約１０００倍大きいためである。

位相シフトの検出手段として、Phys. Today 53(2000) 23（非特許文献１）に記載されているように（１）Ｘ線干渉計を用いる特開平４−３４８２６２号公報（特許文献１）や特開平１０−２４８８３３号公報（特許文献２）に記載された方法、（２）Ｘ線の屈折角をアナライザー結晶で検出するＷＯ９５／０５７２５号パンフレット（特許文献３）や特開平９−１８７４５５公報（特許文献４）に記載された方法、（３）フレネル回折を用いる方法、がある。このうち、（１）の方法が位相シフトを直接検出しているが故に、最も高感度であることが知られている。ここでは以下、本発明に関連の深い（１）の方法について説明する。

上記に示した特開平４−３４８２６２号公報（特許文献１）は、Ｘ線源、試料設置機構及び検出器に、ボンゼ・ハート型干渉計（Appl. Phys. Lett. 6,155(1965)（非特許文献２）に記載されたようなもの）や、この型の干渉計を複数の結晶ブロックに分割した干渉計（J. Appl. Cryst. 7, 593(1974)（非特許文献３）に記載されたようなもの）などＸ線用の干渉計を加えた構成となっている。

図１はボンゼ・ハート型干渉計の構成の概要を示す斜視図である。ボンゼ・ハート型干渉計は、等間隔で平行に配置された３枚の歯（ビームスプリッタ１、ミラー２、アナライザー３）を持ち、単結晶インゴットから一体で形成された結晶ブロックで構成される。入射Ｘ線４は１枚目の歯（ビームスプリッタ１）で２本のビーム５及びビーム６に分割され、２枚目の歯（ミラー２）で反射され、３枚目の歯（アナライザー３）上で結合されて２本の干渉ビーム７及び８を形成する。分割されたビーム５或いはビーム６の光路に試料９を設置すると、試料９によって生じたビームの位相の変化が波の重ね合わせ（干渉）により干渉ビーム７及び８の強度変化となって現れる。この現象を利用して、位相の変化を示す像（位相コントラスト像）は、この干渉ビーム７及び８の強度変化を画像検出器等で像として検出し、計算によりを求めている。

また、この位相コントラスト撮像法と通常のＸ線ＣＴの手法とを組み合わせて、３次元の非破壊観察を可能とした撮像装置として、特開平４−３４８２６２号（特許文献１）公報に記載されたものなどがある。通常のＸ線ＣＴと同様に試料に複数の異なる方向からＸ線を照射し、得られた各プロジェクション毎の位相コントラスト像から演算処理により試料の断面像を再生している。

Phys. Today 53(2000) 23 Appl. Phys. Lett. 6,155(1965) J. Appl. Cryst. 7, 593(1974) 特開平４−３４８２６２号公報 特開平１０−２４８８３３号公報 ＷＯ９５／０５７２５号パンフレット 特開平９−１８７４５５号公報

酸素や炭素等の軽元素はＸ線に対してほぼ透明で、入射Ｘ線のほとんどが吸収されずに透過してしまう。このため、被写体の吸収によって生じる強度の変化は極めて小さく、上記の吸収コントラストＸ線撮像法では、軽元素から主に構成される生体軟部組織や有機材料等を感度よく観察することは難しいという問題がある。この感度不足を補うために、造影剤の使用や露光時間の延長等を行っているが、この場合、撮像可能な箇所が限定されることや、被曝が増大しまう等の問題がある。

一方、位相コントラストＸ線撮像の感度は十分であるが、位相アンラップと呼ばれる複雑な演算処理を行う必要がある。図２に示すように位相コントラストＸ線撮像において、試料によって生じた位相の変化αは、０〜２πで丸め込まれた（ラップされた）値α’（α’＝α−Ｉｎｔ（α／２π）×２π）で検出される。このため、例えば、特開２００１−１５３７９７号公報に記載された計算方法等を用いて、真の位相の変化αを復元する処理（位相アンラップ）が必要になる。さらに、試料の形状や内部構造が複雑で密度が空間的に急激に変化している箇所では、Ｘ線が屈折されて本来の光路からずれ、図４（Ｂ），（Ｃ）を参照して後述するように、参照元のビームとは異なったビームと重ね合わさることになる。このため、可干渉距離が数〜数十μｍと短いＸ線では、干渉像の鮮明度（Visibility）の低下や干渉縞の消失等を生じてしまい、正常に上記アンラップ処理ができず、αを正確に復元できないという問題があった。

尚、この問題を回避するために、特開平７−２０９２１２号公報に記載されたような試料を液体中に沈めて試料とその周辺との密度差を小さくするという方法もあるが、この場合、形状の影響は低減できても、内部の急激な密度変化には対応することができなかった。また、測定対象が限定されるという問題がある。

図３は、従来の吸収及び位相コントラストＸ線撮像法における観察領域の制約と本発明による観察領域を説明する図である。従来の吸収及び位相コントラストＸ線撮像法では、試料の密度変化に対する感度領域が各々大・小の両極に限定されてしまい、例えば骨や肺等のような密度変化の大きい部位と、生体軟部組織等のような密度変化の小さい部位が絡み合って存在するような試料を密度分解能良く観察することができないことがわかる。

本発明の目的は、図３に示すように位相コントラストＸ線撮像法の密度ダイナミックレンジを吸収コントラストＸ線撮像法の領域にまで拡大し、上記のような各部位が絡み合った試料であっても位相コントラストＸ線撮像法と同じ密度分解能で観察できる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。

本発明の課題を解決するための手段を図４に示した一般的なＸ線干渉計を用いて説明する。図４（Ａ）−（Ｃ）はＸ線干渉計のビームの状態を模式的に示す図である。図４（Ａ）に示すように、Ｘ線干渉計１０において、入射Ｘ線ビーム１４は、スプリッタ１１により第１ビーム１５と第２ビーム１６に分割され、ミラー光学系１２により光路を変更され、アナライザー１３により結合されて干渉ビーム１７ａ及び１７ｂを形成する。

スプリッタ１１で分割された第１ビーム１５と第２ビーム１６の強度をそれぞれＩ_１及びＩ_２としたとき、干渉ビーム１７の強度Ｉは式（１）で与えられる。

ここで、ｒはコヒーレンス度、φは第１ビーム１５と第２ビーム１６の間の位相差である。コヒーレンス度ｒは、入射Ｘ線ビーム１４の波長λ、発散角Ｗ、アナライザー１３上での第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路のずれΔｘの関数として、式（２）、式（３）で与えられる。

ここで、Ｊは第１種のベッセル関数である。

第１ビーム１５及び第２ビーム１６の光路になにもなく、且つＸ線干渉計１０の形状が理想的にできていればアナライザー１３上における第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路は完全に一致してΔｘ＝０となり、ｒは１（Visibilityが１００％）となる。一方、干渉計に形状誤差等があると第１ビーム１５と第２ビーム１６の光路がずれてΔｘ≠０となり、Δｘの増大に伴ってｒは減少し、ｖ＝３．８３１７近傍でｒ＝０、即ち干渉しなくなる。尚、ここでは計算簡略化のために、Ｘ線干渉計１０の形状は理想的にできているとする。

いま、図４（Ｂ）に示すように、Ｘ線干渉計１０の第１ビーム１５の光路内のみに、強度の変化ΔＩ、位相の変化Δｐ、Ｘ線の伝搬方向の変化Δθを生じる試料１８を設置したとすると、試料１８を透過したＸ線は点線１７ｂ’のように屈折されることになり、式（１）は式（４）のように変形される。

ここで、ｒ’は伝搬方向の変化Δθに伴って変化したコヒーレンス度を表している。

試料１８の中心位置とアナライザー１３の中心位置との距離をＲとしたとき、Δθによって生じるアナライザー上における第１ビーム１５と第２ビーム１６の位置ずれΔｘ’は式（５）で与えられる。

したがって、式（２）及び式（３）によりｒ’はΔθの関数として、式（６）と表すことができる。

但し、ここでｋ＝２π／λである。

次に、図４（Ｃ）に示すように、形状、及び内部密度が既知で、強度の変化ΔＩ’、位相の変化Δｐ’、Ｘ線の伝搬方向の変化Δθ’を生じる参照体１９を第２ビーム１６の光路に設置したとすると、参照体１９を透過したＸ線は点線１７ａ’のように屈折されることになり、式（４）は更に変形されて、式（７）となる。

ここで、ｒ’’は伝搬方向の変化Δθ’に伴って変化したコヒーレンス度を表している。

参照体１９とアナライザー１３の距離をＲ’としたとき、Δθ’によって生じるアナライザー上における第１ビーム１５と第２ビーム１６の位置ずれΔｘ’’は式（５）と同様に、式（８）で与えられ、

式（２）、式（３）、及び式（６）からｒ’’は、式（９）と表すことができる。

以上から、例えばＲ≒Ｒ’となる位置に、Δθ≒Δθ’、即ち形状と３次元的な密度分布が試料と類似した参照体を設置するなどして、ＲΔθ≒Ｒ’Δθ’を満たすようにすれば、位置ずれΔｘ’−Δｘ’’はほぼ０（ｒ’’≒１）となると同時に、ΔθはΔｐの空間微分に比例した量であるために必然的にΔｐ＋Δｐ’も小さくなり、従来問題となっていたVisibilityの低下や、アンラップエラーの問題等を解決できる。

以上から、骨や肺等のような密度変化の大きい部位と、生体軟部組織等のような密度変化の小さい部位が絡み合って存在するような試料であっても密度分解能良く観察することが可能となる。

本発明によると試料と類似した形状及び内部密度の参照体をＸ線干渉計の参照波に設置することによって、急激な位相シフトを抑えることができ、従来位相コントラストＸ線撮像装置では測定が難しかった骨や肺等のような大きな密度変化を含むような生体軟部試料であっても、高感度に観察することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。尚、以下に示す図面において、同じ機能を有する部分には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

（実施例１）
図５は本発明によるＸ線撮像装置の実施例１の構成を示す図である。実施例１の撮像装置は、スプリッタ３３、ミラー３４、アナライザー３５を備えるＸ線干渉計２０、Ｘ線干渉計用位置調整機構２１、試料ホルダー２２、試料ホルダー位置決め機構２３、参照体２４、参照体位置決め機構２５、くさび２６、くさび位置決め機構２７、Ｘ線画像検出器２８、制御装置２９、処理部３０、表示装置３１から構成される。

ここでは、Ｘ線干渉計２０として図１に示したボンゼ・ハート型干渉計を用いている。この干渉計において、Ｘ線干渉計２０に入射したＸ線３２はスプリッタ３３、ミラー３４、アナライザー３５で順次分割・反射・結合され、第１干渉ビーム３６ａ及び第２干渉ビーム３６ｂを形成する。形成された第１干渉ビーム３６ａ及び第２干渉ビーム３６ｂはＸ線画像検出器２８で検出され、処理部３０において試料によって生じた位相シフトを計算し、表示装置３１で得られた試料像を表示する。この際、試料は干渉計内の分割された一方のビームの光路に試料ホルダー位置決め機構２３により位置決めされた試料ホルダー２２を用いて、また、参照体２４は他方のビーム光路に参照体位置決め機構２５を用いて設置する。

Ｘ線干渉計２０には、スプリッタ３３、ミラー３４、アナライザー３５の各形状とその間隔の加工精度が数ミクロン以下のものを用いるとよい。Ｘ線の可干渉距離は一般に数ミクロンから数十ミクロン程度であるので、このようなＸ線干渉計を利用することによってVisibilityの良いＸ線干渉像（第１干渉ビーム３６ａ及び第２干渉ビーム３６ｂが形成するビーム像）が得られ、実際に測定に関わる信号強度が増加するために、より精度の高い測定を行うことができる。また、スプリッタ３３、ミラー３４、アナライザー３５の各厚さは、薄いほど歯内でのＸ線ビームの広がりが抑えられるので高い空間分解能を得ることができるが、機械的な強度不足や厚さ均一性等の問題があるので、大きさが５ｍｍ角程度の小さな歯では数十ミクロン程度以上、２０ｍｍ角より大きな歯では１００ミクロンから１ｍｍ程度にすると良い。また、Ｘ線干渉計２０の母材としては、例えばＦＺのシリコン単結晶インゴット等できる限り結晶転移が少ない単結晶を用いるとよい。結晶転移はＸ線ビームを極端に歪ませるので、転移が少ないほど、良質なＸ線干渉像を得ることができる。

Ｘ線干渉計用位置調整機構２１には、入射角を１／２００秒以上の回転精度で位置決めできるものを用いるとよい。Ｘ線干渉像のVisibilityはＸ線の入射角に対して極めて敏感に変化し、例えば、入射角の角度が１／１００秒異なるだけでも、Visibilityが６０％から２０％に低下してしまうこともある。したがって、このような精度の機構を利用することによって、Visibilityの高いＸ線干渉像が得られる入射角度に調整することができる。

また、Ｘ線干渉計２０は機械的なストレスに対して極めて敏感で、ごく僅かな外力が作用しただけでもＸ線干渉像が歪んでしまう。このため、Ｘ線干渉計２０はＸ線干渉計用位置調整機構２１上に設けた平らな台３７の上に単に置く等すると良い。また、スプリッタ３３、ミラー３４、アナライザー３５の各歯はＸ線干渉計周辺の空気の流れや、騒音等による音圧によって変形し、Ｘ線干渉像が歪むことがある。したがって、Ｘ線干渉計２０とＸ線干渉計用位置調整機構２１の全体を覆うフードなどを設けると、周囲の影響を受け難く、より歪みの少ない良質なＸ線干渉像を得ることができる。

参照体２４は、可能な限り試料に似た形状、及び内部密度を持ったものにすると、試料を透過したビームと参照体２４を透過したビームのアナライザー３５上における位置ずれ、即ちVisibilityの低下を最小限に抑えることができる。試料が生体の場合、参照体２４として試料の部位と同じファントムを用いればよい。例えば、小動物の頭の測定をする場合などは、参照体２４としては、小動物の頭蓋骨を有機材料等で固めて外形を似せたものとする。この場合、例えば、マウスなどであれば、成長に応じて外形のサイズが異なるので、月齢別に１ヶ月から１２ヶ月の参照体を準備すればよい。また、試料が病変部位の場合では、正常部位を参照体２４として使用すれば、病気によって生じた変化のみを抽出することができる。

図６は、被測定試料が試験管の内部に溶媒と一緒に収納されている例を示す図である。このように、試料が試験管の内部に溶媒と一緒に収納されている場合、参照体２４としては、同じ試験管に同じ溶媒を収納して、そのまま使用すれば、試験管内の変化のみを直接検出することができる。

試料ホルダー位置決め機構２３及び参照体位置決め機構２５には、ステッピングモータ駆動の直交２軸のＸ−Ｚステージなどを用い、リモートで試料及び参照体２４を位置決めできるものを用いるとよい。試料と参照体２４を各ビームに対してより正確に位置決めすることが可能となり、Visibilityの高いＸ線干渉像を得ることができる。

Ｘ線画像検出器２８としては、サチコン管や蛍光体＋集光光学系（レンズやオプティカルファイバー）＋ＣＣＤカメラを組み合わせたものなどを用いるとよい。Ｘ線の検出効率が高いため、より短い測定時間で精度の高い測定を行うことができる。

次に、実施例１において、試料によって生じた位相差をコントラストする像を取得する方法について説明する。

図５において、干渉ビーム３６ａ及び３６ｂの強度は、試料と参照体２４によって生じた位相の差に応じて変化することになる。したがって、試料によって生じた位相差は、以下に示すフーリエ変換法等のサブフリンジ計測法により求めることができる。分割されたビームの一方の光路にくさび位置決め機構２７を用いてアクリルなどＸ線の吸収が少ない材質でできたくさび２６を設置すると、くさびの傾斜方向に直交する方向（Ｘ）に干渉モアレ縞が干渉像に重畳して形成される。このとき、干渉像の強度分布は式（１０）と表すことができる。

但し、ここで、

であり、αは干渉縞とは無関係の背景強度分布、Ａは干渉縞の振幅、Δｐは試料を透過したビームと参照体を透過したビーム間の位相差、ｆ_０はモアレ縞のｘ方向の空間周波数である。また、＊は複素共役を示す。

式（１０）を変数ｘについてフーリエ変換すると、ｘ方向の空間周波数スペクトルＩ_Ｆ（ｆ，ｙ）は式（１２）となる。ここで、α_ＦとＣ_Ｆ及びＣ_Ｆ ^＊は、式（１０）のおけるα、Ｃ及びＣ^＊をフーリエ変換した量である。

いま、試料の構造に比べてモアレ縞の間隔が十分に狭くなるようにくさび２６の角度を設定すると、式（１２）においてα_ＦとＣ_Ｆ及びＣ_Ｆ ^＊はほぼ完全に分離されたスペクトルとなる。このとき、Ｃ_Ｆ或いはＣ_Ｆ ^＊成分のみを分離し、ｆ_０だけ原点方向にシフトし、逆フーリエ変換すれば位相の変化に関する情報を含んだｃのみを取得することができ、偏角の計算から位相差Δｐを求めることができる。

したがって、参照体２４の形状及び内部密度分布が既知であれば、使用したＸ線のエネルギーにおいて参照体によって生じる位相差Δｐ’’を算出でき、Δｐから単純に減算することによって、試料によって生じた位相差Δｐ’を求めることができる。以上の処理は、処理部３０で行い、試料によって生じた位相差Δｐ’をコントラストする像を表示部３１で表示する。

図７は、実施例１の計測において、位相差Δｐの信号から背景分布を排除する手順を示すフロー図である。Ｘ線干渉計２０に結晶歪み等が残存していると位相の背景分布（試料がないときの空間的な分布）が一様でなくなり、正確に試料の像を観察できなくなくなってしまう。実施例１では、図７に示す手順を用いて、Δｐから背景分布を排除することができる。
ステップ７１（背景の測定）：試料及び参照体を設置する前に、フーリエ変換法を用いて位相の背景分布（Δｐｏ）を求める。
ステップ７２：試料ホルダー２２及び試料ホルダー位置決め機構２３を用いて試料を、参照体位置決め機構２５を用いて参照体２４を各々の光路に設置する。この際、試料と参照体２４の位置が各ビームにおいてほぼ同じになるように調整する。
ステップ７３（本測定）：フーリエ変換法により、背景＋試料となる位相の分布（Δｐ１）を求める。
ステップ７４：ステップ７１及び７３で求めた位相の分布像から、試料と参照体によって生じた位相の変化Δｐ（＝Δｐ１−Δｐｏ）の分布像を求める。
ステップ７５：ステップ７４で求めた位相の分布像から、分布像の表示の計算を行う。

ところで、フーリエ変換法において、空間分解能はくさび２６によって形成されたＸ線干渉像のキャリアフリンジの間隔によって一般に決定されてしまうので、数百ミクロン程度である。このため、試料によっては空間分解能が不足し、十分に精度の良い観察ができない場合がある。この問題は、以下に示す縞操作法と呼ばれるサブフリンジ計測によって解決できる。縞走査法では、くさび２６をくさび位置決め機構２７によりＸ線に対して直交して移動してＸ線の位相を変化させ、それぞれ異なった位相差にある複数の干渉像を取得する。そして、取得した複数の干渉像から計算で位相シフトを求める。等間隔に位相をシフトさせたＭ枚の干渉像であれば、位相の変化Δｐは式（１３）から求めることができる。

但し、Ａｒｇは偏角を計算することを示す。

したがって、フーリエ変換法を用いた測定と同様に、参照体２４の形状及び内部密度分布が既知であれば、使用しているＸ線のエネルギーにおいて参照体によって生じる位相差Δｐ’’を算出でき、Δｐから単純に減算することによって、試料によって生じた位相差Δｐ’を求めることができる。

尚、縞走査法による計測では、くさびに代えて図８に示すような位相シフタ等も使用することができる。この場合、くさび２６に代えて位相シフタ３８を配置し、これを回転させてＸ線の位相を変化させることによって、それぞれ異なった位相差にある複数の干渉像を取得することができる。

以上の処理は、フーリエ変換法の時と同様に処理部３０で行い、試料によって生じた位相差Δｐ’をコントラストする像を表示部３１で表示する。また、背景分布に関しても、フーリエ変換法の時と同様の測定手順を用いることにより排除することができる。尚、変化させる位相シフト量は不等間隔でも良いし、等間隔でも良い。また、くさび２６、或いは位相シフタ３８の動作制御は制御装置２９で行う。

実施例１による測定のシミュレーションとして、図９（Ａ）に示した形状の仮想的な試料を想定し、数値計算により求めた測定結果（試料像）を図９（Ｂ）及び（Ｃ）に示す。この結果から、従来のように、試料のみを設置した場合は、試料の形状により大きな位相差が生じて干渉縞が消失してしまっており、正常にアンラップ処理ができず試料像を得ることができないことがわかる（図９（Ｂ））。

一方、本発明に従って、類似した参照体を他方の光路に設置すると、Visibilityの高い干渉像縞を形成することが可能となり、試料を正確に観察することが可能になることがわかる（図９（Ｃ））。

以上、実施例１によれば、試料によって生じた干渉ビームの位相の変化をコントラストとする投影像を取得することができ、骨や肺等のような大きな密度変化から生体軟部組織等のような小さな密度変化までを含むような試料であっても高感度に観察することができる。

（実施例２）
実施例１では、試料を透過してきた像（透過像）しか測定することができなかった。ここでは、非破壊に試料内部の観察を可能な実施例２を示す。図１０は本発明によるＸ線撮像装置の実施例２の構成を示す図である。試料ホルダー回転機構３９、及び参照体回転機構４０が実施例１の構成に加わった構成となっている。試料は試料ホルダー２２に固定され、試料ホルダー回転機構３９により光軸に対して垂直な方向（ｘ及びｚ）で回転できるようになっている。また、同様に参照体２４も、参照体回転機構４０により、試料の回転と同期して、光軸に対して垂直な方向（ｘ及びｚ）で回転できるようになっている。

図１１は、実施例２の計測において、位相差Δｐの信号から背景分布を排除する手順を示すフロー図である。
ステップ１１１（背景の測定）：試料及び参照体を設置する前に、フーリエ変換法を用いて位相の背景分布（Δｐｏ）を求める。
ステップ１１２：試料ホルダー２２及び試料ホルダー位置決め機構２３を用いて試料を、参照体位置決め機構２５を用いて参照体２４を各々の光路に設置する。この際、試料と参照体２４の位置が各ビームにおいてほぼ同じになるように調整する。
ステップ１１３（本測定）：フーリエ変換法により、背景＋試料となる位相の分布（Δｐ１）を求める。
ステップ１１４：ステップ１１１及び１１３で求めた位相の分布像から、試料と参照体によって生じた位相の変化Δｐ（＝Δｐ１−Δｐｏ）の分布像を求める。
ステップ１１５：上記ステップ１１１〜ステップ１１４が必要な回転角（＝１８０°／Δｒ）だけ繰り返されたか判定する。Ｙｅｓなら計測終了であり、Ｎｏならステップ１１７に進む。
ステップ１１６：一旦試料を退避させる。
ステップ１１７：、試料回転機構３９及び参照体回転機構４０により、試料及び参照体２４をΔｒだけ回転させる。
次いで、ステップ１１１の手順に戻り、新しい回転位置での計測を行う。
ステップ１１８：ステップ１１５の判定がＹｅｓ、すなわち、必要な回転角（＝１８０°／Δｒ）だけ計測が繰り返された後、Δｐ像の表示計算を行う。

そして、測定後に得られたデータに基づいて、参照体によって生じた位相シフトを減算し、試料によって生じた位相の変化Δｐをコントラストする断面像を処理部３０において計算で再構成する。そして、計算により得られた断面像は、表示部３１で表示する。尚、再構成の計算には、一般的なＸ線ＣＴのアルゴリズム等を用いればよい。また、上記の一連の測定フローの制御は制御部２９で行う。

以上、実施例２によれば、試料によって生じた干渉ビームの位相の変化をコントラストとする断面像を非破壊で取得することができ、骨や肺等のような大きな密度変化から生体軟部組織等のような小さな密度変化までを含むような試料であっても高感度に観察することができる。

（実施例３）
実施例１及び２で使用したＸ線干渉計２０は一体の結晶ブロックで構成されているために、干渉計の大きさが母材となる結晶インゴットの直径で制限されてしまい、観察視野を２ｃｍ以上確保することができないという問題がある。ここでは、Ｘ線干渉計の結晶ブロックを２つに分離する結晶分離型Ｘ線干渉計を用いることにより、観察視野が２ｃｍ以上確保可能な撮像装置の例を示す。

図１２は本発明によるＸ線撮像装置の実施例３の構成を示す図である。実施例３では、観察視野を広げるために、２枚の歯を持った第１結晶ブロック４１及び第２結晶ブロック４２から構成された結晶分離型Ｘ線干渉計を用いる。入射Ｘ線３２は第１結晶ブロック４１の第１歯４３でラウエケースのＸ線回折により第１ビーム４４と第２ビーム４５に分割される。第１ビーム４４は第１結晶ブロック４１の第２歯４６で、第２ビーム４５は第２結晶ブロック４２の第３歯４７で回折され、第２結晶ブロック４２の第４歯４８上の同じ点に入射し、結合され第１干渉ビーム４９ａ及び第２干渉ビーム４９ｂを形成する。

この結晶分離型Ｘ線干渉計において、分割された結晶ブロック（４１と４２）間のＺ軸周りの相対的な回転変動は、干渉するビームの位相差の変動となって現れる。このため、安定した撮像を行うためには、上記回転変動を極めて高い精度で制御する必要がある。回転変動Δθと干渉ビームの位相の変動Δφの関係は、式（１４）で与えられる。

ここで、ｔは第４歯４８の歯の厚さ、ｘは第３歯４７と第４歯４８の間隔、ｄは回折格子面の間隔、θ_Ｂはブラッグ角である。この式から、例えば、Ｓｉ（２２０）（ｄ＝０．１９２ｎｍ）の回折を利用し、λ＝０．０７ｎｍ、ｔ＝１ｍｍ、ｘ＝６３ｍｍ、θ_Ｂ＝１０．５度という条件では、Δφ＝２πに対応するΔθは約２ｎ（ｒａｄ）となる。したがって、安定した測定を行うためには、Δθを少なくともサブｎ（ｒａｄ）の位置決め精度で制御する必要がある。

上記位置決め精度を実現するために、実施例３では、動摩擦係数と静止摩擦係数がほぼ等しい滑り材を使用した固体滑り機構を使用し、機械的な剛性を高めたステージ群（干渉計全体のθ軸回転を担う第１θテーブル５０、第２結晶ブロック４２のθ軸回転を行う第２θテーブル５１、第１結晶ブロック４１のφ軸回転を行うチルトテーブル５２から構成される）を用いて、結晶ブロック間の位置決めを行う。サブｎｒａｄの位置決めが要求される第２θステージ５１には、圧電素子等を用いた極めて精度の高い位置決め機構５３を使用する。また、床振動等の影響を低減するために、上記ステージ群は除振装置６４上に設置する。更に、長時間にわたるΔθのドリフトを抑制するために、結晶ブロック間の回転をフィードバックループにより逐次調整する制御機構を制御装置２９に新たに追加する。

この制御機構には、検出器５４で干渉ビーム４９ａの強度を検出しておき、Δθのドリフト回転によって強度が変動した場合、直ちに変動をキャンセルするように位置決め機構５３を介して第２θテーブル５１の回転を調整するようなものを用いる。また、入射Ｘ線の強度変動等により、強度の検出だけではΔθのドリフトを十分に抑制できない場合には、検出器５４に２次元検出器を採用し、Ｘ線干渉像そのものを検出し、像に現れているモアレ縞の位置変動をキャンセルするように第２θテーブル５１の回転を調整するようなものを用いる。

試料ホルダー５５、試料ホルダー位置決め機構５６、参照体位置決め機構５７には、実施例１と同様の構成に加えて、実施例２の試料ホルダー回転機構３９、及び参照体回転機構４０の機能を併せ持たせる。これにより、実施例２と同様の測定により非破壊に試料内部を観察することが可能となる。また、参照体２４としては、実施例１と同様なものを用いる。

測定は実施例１及び２と同様に行い、取得したデータに基づいて、位相の変化Δｐをコントラストとする像を表示部３１で表示する。

以上、実施例３によれば、サイズが２ｃｍを超えるような大きな試料においても、試料によって生じた干渉ビームの位相の変化をコントラストとする投影像及び断面像を非破壊で取得することができ、骨や肺等のような大きな密度変化から生体軟部組織等のような小さな密度変化までを含むような試料であっても高感度に観察することができる。

（実施例４）
本発明の撮像法の特徴である、軽元素に対して特に感度が高く、軽元素から主に構成された生体軟部組織の観察に適しているという点を生かした診断装置の一例として、マモグラフィー装置（乳ガン診断装置）を提案する。

図１３（Ａ），（Ｂ）は本発明によるＸ線撮像装置の実施例４の構成を示す平面図、側面図である。なお、ここでは、図を簡略にして分りやすくするため、主要な構成要素のみを示した。診断装置には、Ｘ線照射による被爆をできる限り抑える手段、被写体を一度に取得できる広い観察視野、何回測定を行っても同じ像が得られる高い安定性が要求される。そこで、実施例４では実施例１及び３の基本的な構成に加えて、Ｘ線防護壁５８やＸ線防護カバー５９など被写体の照射領域以外へのＸ線照射を防ぐ手段、Ｘ線ビームを拡大する拡大用非対称結晶プレート６０を新たに設けた。

Ｘ線防護壁５８は、Ｘ線源６１と拡大用非対称結晶プレート６０との間に設置し、Ｘ線源６１から放射されたＸ線のうち不要なＸ線を遮蔽するもので、鉛等を含んだ厚い壁で出来ており、Ｘ線強度のほぼ１００％を遮断することができる。Ｘ線防護カバー５９は拡大用非対称結晶プレート６０、Ｘ線干渉計等本装置の主要な構成部分全体を覆うもので、Ｘ線干渉計の各歯（４３、４６、４７、４８）によって生じた散乱Ｘ線が被験者６２や、Ｘ線画像検出器２８及び検出器５４に照射することを防ぐ。散乱Ｘ線の強度はそれほど強くないので、鉛を含んだアクリル板や、薄い鉛を貼り付けた鉄板等を用いる。被写体６３をＸ線ビーム内に設置する部分は図１３に示すように凹型部を備えており、被写体６３のビームが照射される部分以外は、Ｘ線が照射されないようになっている。

被験者６２の発熱によって生じる第１結晶ブロック４１の第２歯４６と、第２結晶ブロック４２の第３歯４７の歪み等は被験者６２と、各歯との距離を３０ｃｍ以上離すことによって抑える。また、被験者６２の交代時に生じる床振動等の影響は、拡大用非対称結晶プレート６０及びＸ線干渉計を同一の除振台６４の上に設置することによって抑える。この除振台６４も被験者の近くで凹型の形状をしており、被験者が除振台に触れない構造とする。測定の高い再現性を実現するために、第２θテーブル５１は実施例３と同様なフィードバックにより、位置決めを行う。

参照体２４としては、予めＸ線を用いずに測定した被写体６３の形状を参考にして形成した同じ形状をもつジェル状の有機材料（密度は被写体である生体軟部組織と同程度）などを用いると良い。或いは、マモグラフィー装置の測定のように被写体６３を平面板で薄く延ばしてほぼ板状にした状態で計測する場合は、図１４に示すように単に同じ厚みのＤ型の有機材料等を用いることができる。

この装置を用いた測定は実施例１で説明したように、図７に示したフローチャートに従って行い、被写体６３によって生じた位相シフトをコントラストとする像を処理部３０で計算し、その結果を表示部３１で表示する。

ボンゼ・ハート型干渉計の構成の概要を示す斜視図である。 位相コントラストＸ線撮像における計測において、試料によって生じた位相の変化αが、０〜２πで丸め込まれた（ラップされた）値α’（α’＝α−Ｉｎｔ（α／２π）×２π）で検出されることを説明する図である。 従来の吸収及び位相コントラストＸ線撮像法における観察領域の制約と本発明による観察領域を説明する図である。 （Ａ）−（Ｃ）はＸ線干渉計のビームの状態を模式的に示す図である。 本発明によるＸ線撮像装置の実施例１の構成を示す図である。 被測定試料が試験管の内部に溶媒と一緒に収納されている例を示す図である。 実施例１の計測において、位相差Δｐの信号から背景分布を排除する手順を示すフロー図である。 縞走査法による計測において、くさびに代えて使用できる位相シフタの例を示す斜視図である。 （Ａ）−（Ｃ）は、実施例１による実際の試料の測定に代える仮想的な試料の形状と、数値計算により求めた測定結果（試料像）を示す図である。 本発明によるＸ線撮像装置の実施例２の構成を示す図である。 実施例２の計測において、位相差Δｐの信号から背景分布を排除する手順を示すフロー図である。 本発明によるＸ線撮像装置の実施例３の構成を示す図である。 （Ａ），（Ｂ）は本発明によるＸ線撮像装置の実施例４の構成を示す平面図、側面図である。 参照体の一例を示す図である。

符号の説明

１…ビームスプリッタ、２…ミラー、３…アナライザー、４…入射Ｘ線、５…ビーム、６…ビーム、７…干渉ビーム、８…干渉ビーム、９…試料、１０…Ｘ線干渉計、１１…スプリッタ、１２…ミラー光学系、１３…アナライザー、１４…入射Ｘ線ビーム、１５…第１ビーム、１６…第２ビーム１６、１７ａ…干渉ビーム、１７ｂ…干渉ビーム、１８…試料、１９…参照体、２０…Ｘ線干渉計、２１…Ｘ線干渉計用位置調整機構、２２…試料ホルダー、２３…試料ホルダー位置決め機構、２４…参照体、２５…参照体位置決め機構、２６…くさび、２７…くさび位置決め機構、２８…Ｘ線検出器、２９…制御装置、３０…処理部、３１…表示装置、３２…入射Ｘ線、３３…スプリッタ、３４…ミラー、３５…アナライザー、３６ａ…第１干渉ビーム、３６ｂ…第２干渉ビーム、３７…平らな台、３８…位相シフタ、３９…試料ホルダー回転機構、４０…参照体回転機構、４１…第１結晶ブロック、４２…第２結晶ブロック、４３…第１歯、４４…第１ビーム、４５…第２ビーム、４６…第２歯、４７…第３歯、４８…第４歯、４９ａ…第１干渉ビーム、４９ｂ…第２干渉ビーム、５０…第１θテーブル、５１…第２θテーブル、５２…チルトテーブル、５３…位置決め機構、５４…検出器、５５…試料ホルダー、５６…試料ホルダー位置決め機構、５７参照体位置決め機構、５８…Ｘ線防護壁、５９…Ｘ線防護カバー、６０…拡大用非対称結晶プレート、６１…Ｘ線源、６２…被験者、６３…被写体。

Claims (20)

1. 入射Ｘ線ビームを第１及び第２Ｘ線ビームに分割する分割素子と、
   該分割された第１及び第２Ｘ線ビームを反射する反射素子と、
   該反射された第１及び第２Ｘ線ビームを結合する結合素子と、
   よりなるＸ線干渉計と、
   前記第１Ｘ線ビーム及び第２Ｘ線ビームの任意の一つのＸ線ビームの光路内に試料を設置する手段と、
   前記試料を設置したＸ線ビームとは異なるＸ線ビームの光路内に、前記試料と形状と内部の密度分布が類似し、且つ既知である参照体を設置する手段と、
   前記結合素子から出射した干渉Ｘ線ビームを検出する検出器と、
   該検出器の出力に基づいて前記試料によって生じた干渉Ｘ線ビームの位相シフトを表す試料像を得る処理部と、
   から構成されることを特徴とするＸ線撮像装置。
2. 前記第１Ｘ線ビーム及び第２Ｘ線ビームの任意の一つのＸ線ビームの光路内に位相シフタを設置する手段を備えた請求項１記載のＸ線撮像装置。
3. 前記第１Ｘ線ビーム及び第２Ｘ線ビームの任意の一つのＸ線ビームの光路内に試料を設置する手段が前記試料を前記Ｘ線ビームの光路内で回転させる第１の回転手段を備え、
   前記試料を設置したＸ線ビームとは異なるＸ線ビームの光路内に、前記試料と形状と内部の密度分布が類似し、且つ既知である参照体を設置する手段が前記参照体を前記異なるＸ線ビームの光路内で回転させる第２の回転手段を備え、
   前記第１の回転手段及び前記第２の回転手段は、前記試料及び前記参照体を同時に、且つ、同一回転角度ずつ回転可能とされるとともに、
   前記処理部は前記試料及び前記参照体の回転で得られた複数の試料像から前記試料の断面像を再生する手段を備えている請求項１記載のＸ線撮像装置。
4. 前記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックである請求項１記載のＸ線撮像装置。
5. 前記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックである請求項２記載のＸ線撮像装置。
6. 前記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックの複数個の組み合わせで構成されている請求項１記載のＸ線撮像装置。
7. 前記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックの複数個の組み合わせで構成されている請求項２記載のＸ線撮像装置。
8. 前記位相シフタの形状がくさび型である請求項２記載のＸ線撮像装置。
9. Ｘ線源と、Ｘ線源から出射したビームを整形・拡大する手段と、整形・拡大されたビームを第１及び第２Ｘ線ビームに分割し、反射し、そして結合する手段で構成されるＸ線干渉計と、前記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内に試料を設置する手段と、前記試料を設置したビームとは反対の第１或いは第２Ｘ線ビームの光路内に形状と内部の密度分布が試料と類似し、且つ既知である参照体を設置する手段と、前記第１及び第２Ｘ線ビームのうち任意のビームの光路内に位相シフタを設置する手段と、前記試料のビーム照射領域以外へのＸ線照射を防ぐ手段と、前記Ｘ線干渉計から出射した干渉Ｘ線ビームを検出する検出器と、前記検出器の出力に基づいて前記試料によって生じた干渉Ｘ線ビームの位相シフトを表す試料像を得る処理部から構成されることを特徴とするＸ線撮像装置。
10. 前記Ｘ線干渉計は複数枚の結晶プレートとこれらプレートを保持する土台が一体で形成された単結晶ブロックの複数個の組み合わせで構成されている請求項９記載のＸ線撮像装置。
11. 複数の各結晶ブロックの回転角度を調整する位置決め機能を備え、位置決め精度が１ｎｒａｄ以下である請求項１０記載のＸ線撮像装置。
12. 前記位相シフタの形状がくさび型である請求項９記載のＸ線撮像装置。
13. 前記試料と形状と内部の密度分布が類似し、且つ既知である参照体が、骨格はサンプルとなる小動物から得たものであり、これを有機材料で固めて外形をサンプルとなる小動物に似せたものである請求項１記載のＸ線撮像装置。
14. 前記試料と形状と内部の密度分布が類似し、且つ既知である参照体が、骨格はサンプルとなる小動物から得たものであり、これを有機材料で固めて外形をサンプルとなる小動物に似せたものである請求項９記載のＸ線撮像装置。
15. 入射Ｘ線ビームを相互に干渉するビーム１とビーム２に分割し、前記ビーム１及びビーム２の光路に、試料、及び形状と内部密度分布が試料と類似し且つ既知の参照体をそれぞれ設置し、前記試料及び参照体をそれぞれ透過したビーム１’とビーム２を結合し、前記結合によって形成された干渉ビームから前記試料によって生じた位相シフト量を表す像を取得することを特徴とするＸ線撮像方法。
16. 試料によって生じた位相シフトは、ビーム１或いはビーム２に設置した位相シフタを動作し、ビーム１とビーム２間の異なる位相差で取得した複数の試料像から計算で求める請求項１５記載のＸ線撮像方法。
17. 前記試料によって生じた位相シフト量は、前記干渉ビームの位相シフト量から参照体によって生じた位相シフト量を減算して求める請求項１５記載のＸ線撮像方法。
18. 前記試料によって生じた位相シフト量は、前記干渉ビームの位相シフト量から参照体によって生じた位相シフト量を減算して求める請求項１６記載のＸ線撮像方法。
19. Ｘ線ビームの光路に対して前記試料及び参照体を同時に回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から前記試料の断面像を再生する請求項１５記載のＸ線撮像方法。
20. Ｘ線ビームの光路に対して前記試料及び参照体を同時に回転させ、複数の異なる方向からＸ線を照射して得られた複数の試料像から前記試料の断面像を再生する請求項１６記載のＸ線撮像方法。

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