JP5204857B2 - 放射線撮影システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線等の放射線により被検体の撮影を行う放射線撮影システムに関し、特に、位相イメージングを行う放射線撮影システム及びその制御方法に関する。

Ｘ線は、物質を構成する元素の原子番号と、物質の密度及び厚さとに依存して減衰するといった特性を有することから、被検体の内部を透視するためのプローブとして用いられている。Ｘ線を用いた撮影は、医療診断や非破壊検査等の分野において広く普及している。

一般的なＸ線撮影システムでは、Ｘ線を放射するＸ線源とＸ線を検出するＸ線画像検出器との間に被検体を配置して、被検体の透過像を撮影する。この場合、Ｘ線源からＸ線画像検出器に向けて放射された各Ｘ線は、Ｘ線画像検出器までの経路上に存在する物質の特性（原子番号、密度、厚さ）の差異に応じた量の減衰（吸収）を受けた後、Ｘ線画像検出器の各画素に入射する。この結果、被検体のＸ線吸収像がＸ線画像検出器により検出され画像化される。Ｘ線画像検出器としては、Ｘ線増感紙とフイルムとの組み合わせや輝尽性蛍光体のほか、半導体回路を用いたフラットパネル検出器（ＦＰＤ：Flat Panel Detector）が広く用いられている。

しかし、Ｘ線吸収能は、原子番号が小さい元素からなる物質ほど低くなるため、生体軟部組織やソフトマテリアルなどでは、Ｘ線吸収能が小さく、Ｘ線吸収像としての十分な画像の濃淡（コントラスト）が得られないといった問題がある。例えば、人体の関節を構成する軟骨部とその周辺の関節液は、いずれも殆どの成分が水であり、両者のＸ線の吸収量の差が小さいため、画像のコントラストが得られにくい。

近年、被検体によるＸ線の強度変化に代えて、被検体の屈折率の違いによるＸ線の位相変化（角度変化）に基づいた画像（以下、位相コントラスト画像と称する）を得るＸ線位相イメージングの研究が盛んに行われている。Ｘ線が物体に入射したとき、Ｘ線の強度よりも位相のほうがより高い相互作用を示すため、位相差に基づいたＸ線位相イメージングでは、Ｘ線吸収能が低い弱吸収物体であっても高コントラストの画像を取得することができる。

このようなＸ線位相イメージングとして、第１の格子と第２の格子とを所定の間隔で平行に配置し、第１の格子によるタルボ干渉効果によって、第２の格子の位置に第１の格子の自己像を形成し、この自己像を第２の格子によって強度変調することにより位相コントラス画像を取得する放射線撮影システムが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。被検体の位相情報は、自己像を強度変調することにより得られる縞画像に反映される。

上記縞画像から被検体の位相情報を求めるには種々の方法があり、縞走査法、モアレ干渉測定法、フーリエ変換法などが知られている。特許文献１では、縞走査法が用いられている。縞走査法は、第１の格子に対して第２の格子を、格子線方向にほぼ垂直な方向に、格子ピッチよりも細かい所定量ずつ相対的に並進移動（走査）させながら、各走査位置で撮影を行うことにより複数の縞画像を取得し、各画素値の強度変化に基づいてＸ線の位相変化量に対応する位相微分値を取得する方法である。この位相微分値の２次元像（位相微分像）に基づいて位相コントラスト画像を生成することができる。この縞走査法は、Ｘ線の分野に限られず、レーザ光を利用した撮影装置でも用いられている（非特許文献２参照）。

縞走査法では、第１及び第２の格子に製造誤差や歪み、配置ずれ等が生じると、各画素について取得される位相微分値には、被検体に関係のない値が加算されてしまう。特許文献１では、Ｘ線源とＸ線画像検出器との間に被検体を配置して上記一連の撮影を行う「本撮影」と、被検体を配置せずに上記一連の撮影を行なう「プレ撮影」とを行ない、本撮影で得られた第１の位相微分像から、プレ撮影で得られた第２の位相微分像を減算する減算処理を行うことにより、被検体のみに起因した位相微分像を生成することが提案されている。

特許第４４４５３９７号公報

C. David, et al., Applied Physics Letters, Vol.81, No.17, 2002年10月，3287頁 Hector Canabal, et al., Applied Optics, Vol.37, No.26, 1998年9月，6227頁

プレ撮影は、本撮影のたびに行う必要がなく、放射線撮影システムの立ち上げ時等に実行しておき、得られた第２の位相微分像を補正データとしてメモリに格納しておけばよい。

しかしながら、上記第１及び第２の位相微分像のそれぞれには、第１及び第２の格子の位置に依存したモアレ縞が生じるため、プレ撮影と本撮影との間において、第１及び第２の格子の位置関係が変化してモアレ縞が変化した場合には、上記減算処理にてモアレ縞が相殺されず、アーチファクトとして残存するという問題がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、プレ撮影と本撮影との間でのモアレ縞の変化によるアーチファクトの発生を低減することを可能とする放射線撮影システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の放射線撮影システムは、放射線源から放射された放射線を撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に配置された少なくとも１つの格子と、前記放射線画像検出器により生成された画像データに基づいて位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に被検体を配置して行なわれる本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第１の位相微分像から、前記被検体を配置せずに行なわれるプレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第２の位相微分像を減算し、補正済み位相微分像を生成する減算手段と、前記本撮影と前記プレ撮影との間で、前記第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の変化を検出し、該変化に対応した特性量を算出するモアレ縞変化検出手段と、前記特性量に基づき、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

なお、前記モアレ縞変化検出手段は、前記補正済み位相微分像に生じる縞状のアーチファクトの周期を前記特性量として算出することが好ましい。

また、前記判定手段は、前記アーチファクトの周期と前記放射線画像検出器の視野サイズとを比較し、該周期が該視野サイズより小さい場合に、前記プレ撮影の再実行が必要であると判定することが好ましい。前記判定手段は、前記アーチファクトの周期と前記放射線画像検出器の視野サイズとの比率を所定値と比較し、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定するようにしてもよい。

また、前記減算手段は、前記プレ撮影が再実行された場合には、再実行時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を、前記第１の位相微分像から減算することにより、補正済み位相微分像を生成することが好ましい。

また、前記判定手段により前記プレ撮影の再実行が必要であると判定された場合に、プレ撮影の再実行を促すメッセージを報知する報知手段を備えることが好ましい。

また、前記補正済み位相微分像を積分処理することにより位相コントラスト画像を生成する位相コントラスト画像生成手段を備えることが好ましい。

また、前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に、格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子が配置されていることが好ましい。

また、前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段を備え、前記位相微分像生成手段は、前記画像データを構成する画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成することが好ましい。

また、前記第１の格子は、吸収型格子であり、前記放射線源から入射した放射線を幾何光学的に前記第２の格子に投影することが好ましい。

また、前記第１の格子は、位相型格子であり、タルボ干渉効果により前記放射線源から入射した放射線にタルボ干渉効果を生じさせ、前記第２の格子の位置に自己像を形成するものであってもよい。

さらに、本発明の放射線撮影システムの制御方法は、放射線源から放射された放射線を撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に配置された少なくとも１つの格子と、前記放射線画像検出器により生成された画像データに基づいて位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に被検体を配置して行なわれる本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第１の位相微分像から、前記被検体を配置せずに行なわれるプレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第２の位相微分像を減算し、補正済み位相微分像を生成する減算手段と、を備えた放射線撮影システムの制御方法において、前記本撮影と前記プレ撮影との間で、前記第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の変化を検出して、該変化に対応した特性量を算出し、前記特性量に基づき、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定することを特徴とする。

本発明によれば、プレ撮影と本撮影との間で、第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の変化を検出し、該変化に対応した特性量に基づき、プレ撮影の再実行が必要か否かを判定するので、プレ撮影と本撮影との間でのモアレ縞の変化によるアーチファクトの発生を低減することができる。

Ｘ線撮影システムの構成を示すブロック図である。 Ｘ線画像検出器の構成を示す模式図である。 第１及び第２の格子の構成を示す概略側面図である。 縞走査法を説明する説明図である。 プレ撮影及び本撮影時の強度変調信号を例示するグラフである。 画像処理部の構成を示すブロック図である。 モアレ縞変化検出部の構成を示すブロック図である。 ２次元フーリエペクトルの０次ピークを通るｕ方向のプロファイルである。 補正済み位相微分像に生じるアーチファクトの特徴量について説明する図である。

図１において、Ｘ線撮影システム１０は、Ｘ線源１１、撮影部１２、メモリ１３、画像処理部１４、画像記録部１５、撮影制御部１６、コンソール１７、及びシステム制御部１８を備えている。Ｘ線源１１は、例えば、回転陽極型のＸ線管と、Ｘ線の照射野を制限するコリメータとを有し、被検体ＨにＸ線を放射する。

撮影部１２は、Ｘ線画像検出器２０と、第１及び第２の格子２１，２２とからなる。第１及び第２の格子２１，２２は、吸収型格子であり、Ｘ線照射方向であるｚ方向に関してＸ線源１１に対向配置されている。Ｘ線源１１と第１の格子２１との間には、被検体Ｈが配置可能な間隔が設けられている。Ｘ線画像検出器２０は、例えば、半導体回路を用いたフラットパネル検出器であり、第２の格子２２の背後に、検出面がｚ方向に直交するように配置されている。

第１の格子２１は、ｚ方向に直交する面内の一方向であるｙ方向に延伸された複数のＸ線吸収部２１ａ及びＸ線透過部２１ｂを備えている。Ｘ線吸収部２１ａ及びＸ線透過部２１ｂは、ｚ方向及びｙ方向に直交するｘ方向に沿って交互に配列されており、縞状のパターンを形成している。第２の格子２２は、第１の格子２１と同様にｙ方向に延伸され、かつｘ方向に沿って交互に配列された複数のＸ線吸収部２２ａ及びＸ線透過部２２ｂを備えている。Ｘ線吸収部２１ａ，２２ａは、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等のＸ線吸収性を有する金属からなる。Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂは、シリコン（Ｓｉ）や樹脂等のＸ線透過性を有する材料からなる。

メモリ１３は、撮影部１２から読み出された画像データを一時的に記憶する。画像処理部１４は、メモリ１３に記憶される複数の画像データに基づいて位相コントラスト画像を生成する。画像記録部１５は、画像処理部１４により生成された位相コントラスト画像を記録する。撮影制御部１６は、Ｘ線源１１及び撮影部１２の制御を行う。

コンソール１７は、撮影条件や、後述するプレ撮影や本撮影の実行指示等の入力を可能とする操作部１７ａや、撮影情報や画像等の表示を行うモニタ１７ｂを備えている。システム制御部１８は、操作部１７ａから入力される信号に応じて、各部を統括的に制御する。

撮影部１２には、第２の格子２２をｘ方向に並進移動させ、第１の格子２１に対する第２の格子２２の相対位置を変更する走査機構２３が設けられている。走査機構２３は、例えば、圧電素子等のアクチュエータにより構成される。走査機構２３は、後述する縞走査の際に、撮影制御部１６の制御に基づいて駆動される。詳しくは後述するが、メモリ１３には、縞走査の各走査位置でＸ線画像検出器２０により撮影される画像データがそれぞれ記憶される。

また、撮影部１２には、プレ撮影と本撮影との間での画像データに生じるモアレ縞の変化を検出するモアレ縞変化検出部２４が設けられている。モアレ縞変化検出部２４による検出結果はシステム制御部１８に入力され、システム制御部１８は、再度プレ撮影を行う必要があるか否かを判定する。システム制御部１８は、再度プレ撮影を行う必要がある場合には、その旨をモニタ１７ｂに表示させる。

図２において、Ｘ線画像検出器２０は、Ｘ線を電荷に変換して蓄積する複数の画素３０が、ｘ方向及びｙ方向に沿ってアクティブマトリクス基板上に２次元配列されてなる受像部３１と、画素３０からの電荷の読み出しタイミングを制御する走査回路３２と、画素３０から電荷を読み出し、電荷を画像データに変換して出力する読み出し回路３３とから構成されている。走査回路３２と各画素３０とは、行ごとに走査線３４によって接続されている。読み出し回路３３と各画素３０とは、列ごとに信号線３５によって接続されている。画素３０の配列ピッチは、ｘ方向及びｙ方向にそれぞれ１００μｍ程度である。

画素３０は、アモルファスセレン等の変換層（図示せず）によりＸ線を電荷に直接変換し、変換された電荷を変換層の下部の電極に接続されたキャパシタ（図示せず）に蓄積する直接変換型のＸ線検出素子である。各画素３０には、ＴＦＴスイッチ（図示せず）が設けられ、ＴＦＴスイッチのゲート電極が走査線３４、ソース電極がキャパシタ、ドレイン電極が信号線３５に接続されている。走査回路３２からの駆動パルスによってＴＦＴスイッチがオン状態になると、キャパシタに蓄積された電荷が信号線３５に読み出される。

なお、画素３０は、酸化ガドリニウム（Ｇｄ_２Ｏ_３）やヨウ化セシウム（ＣｓＩ）等からなるシンチレータ（図示せず）でＸ線を一旦可視光に変換し、変換された可視光をフォトダイオード（図示せず）で電荷に変換して蓄積する間接変換型のＸ線検出素子としてもよい。また、Ｘ線画像検出器２０には、ＴＦＴパネルをベースとしたＦＰＤに限られず、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子をベースとした放射線画像検出器を用いることも可能である。

読み出し回路３３は、積分アンプ、Ａ／Ｄ変換器、補正回路（いずれも図示せず）等により構成されている。積分アンプは、各画素３０から信号線３５を介して出力された電荷を積分して電圧信号である画像信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器は、積分アンプにより変換された画像信号を、デジタルの画像データに変換する。補正回路は、画像データを構成する各画素値に対して、暗電流補正、ゲイン補正、及びリニアリティ補正等を行い、補正済みの画像データをメモリ１３に入力する。

図３において、Ｘ線源１１から放射されるＸ線は、Ｘ線焦点１１ａを発光点としたコーンビームであり、第１の格子２１を通過することにより生成されるＸ線の第１の周期パターン像（以下、Ｇ１像という）は、Ｘ線焦点１１ａからの距離に比例して拡大される。第２の格子２２のＸ線吸収部２２ａのｘ方向の配列ピッチｐ_２は、Ｘ線焦点１１ａと第１の格子２１との間の距離Ｌ_１、第１の格子２１と第２の格子２２との間の距離Ｌ_２、及び第１の格子２１のＸ線吸収部２１ａの配列ピッチｐ_１を用いて下式（１）に示すように決定される。

例えば、配列ピッチｐ_２は５μｍである。Ｘ線吸収部２１ａのｚ方向の厚みは、Ｘ線源１１から放射されるコーンビーム状のＸ線のケラレを考慮して、例えば１００μｍ程度となっている。

第１及び第２の格子２１，２２は、Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂを通過したＸ線を幾何光学的に投影するように構成される。具体的には、ｘ方向に関するＸ線透過部２１ｂ，２２ｂの幅を、Ｘ線源１１から放射されるＸ線のピーク波長より十分大きな値とすることで、第１及び第２の格子２１，２２は、大部分のＸ線を回折させずに、直進性を保ったまま通過させる。例えば、Ｘ線源１１のＸ線管の回転陽極としてタングステンを用い、管電圧を５０ｋＶとした場合には、Ｘ線のピーク波長は約０．４Åである。この場合には、Ｘ線透過部２１ｂ，２２ｂの幅として、１〜１０μｍ程度の範囲が許容される。

距離Ｌ_２は、タルボ干渉計の場合にはタルボ干渉距離に制約されるが、本実施形態では、第１及び第２の格子２１，２２がＸ線を幾何光学的に投影するため、距離Ｌ_２をタルボ干渉距離とは無関係に設定することができる。

上記のように本実施形態の撮影部１２は、タルボ干渉計を構成するものではないが、第１の格子２１でＸ線の回折が生じ、タルボ干渉が生じた場合のタルボ干渉距離Ｚ_ｍは、配列ピッチｐ_１，ｐ_２、Ｘ線の波長λ、及び正の整数ｍを用いて、下式（２）で表される。

上式（２）は、Ｘ線源１１から放射されるＸ線がコーンビーム状である場合のタルボ干渉距離を表す式であり、「Atsushi Momose, et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol.47, No.10, 2008年10月, 8077頁」により知られている。

本実施形態では、距離Ｌ_２をタルボ干渉距離Ｚ_ｍと無関係に設定することができるため、撮影部１２の薄型化を目的とし、距離Ｌ_２を、ｍ＝１の場合の最小のタルボ干渉距離Ｚ_１より短い値に設定する。

以上のように構成された撮影部１２では、第１の格子２１により生成されたＧ１像が第２の格子２２との重ね合わせにより強度変調されることにより第２の周期パターン像（以下、Ｇ２像という）が生成され、Ｘ線画像検出器２０で撮像される。第２の格子２２の位置におけるＧ１像のパターン周期と、第２の格子２の格子周期（配列ピッチｐ_２）と配置誤差などによる若干の差異により、Ｇ２像にはモアレ縞が生じる。

Ｘ線源１１と第１の格子２１との間に被検体Ｈを配置するとＧ２像が被検体Ｈにより変調を受ける。この変調量には、被検体Ｈでの屈折によって偏向したＸ線の角度が反映される。

次に、本実施形態で用いる縞走査法の原理について説明する。同図には、被検体Ｈのｘ方向に関する位相シフト分布Φ（ｘ）に応じて屈折するＸ線の１つの経路が例示されている。符号Ｘ１は、被検体Ｈが存在しない場合に直進するＸ線の経路を示している。この経路Ｘ１を進むＸ線は、第１及び第２の格子２１，２２を通過してＸ線画像検出器２０に入射する。符号Ｘ２は、被検体Ｈが存在する場合に、被検体Ｈにより屈折したＸ線の経路を示している。この経路Ｘ２を進むＸ線は、第１の格子２１を通過した後、第２の格子２２のＸ線吸収部２２ａにより吸収される。

被検体Ｈの位相シフト分布Φ（ｘ）は、被検体Ｈの屈折率分布をｎ（ｘ，ｚ）として、下式（３）で表される。ここで、説明の簡略化のため、ｙ座標は省略している。

第１の格子２１により第２の格子２２の位置に形成されたＧ１像は、被検体Ｈを透過する際のＸ線の屈折により、その屈折角φに応じた量だけｘ方向に変位する。この変位量Δｘは、Ｘ線の屈折角φが微小であることに基づいて、近似的に下式（４）で表される。

ここで、屈折角φは、Ｘ線の波長λと位相シフト分布Φ（ｘ）を用いて、下式（５）で表される。

このように、変位量Δｘは、被検体Ｈの位相シフト分布Φ（ｘ）に関連している。また、変位量Δｘ及び屈折角φは、Ｘ線画像検出器２０で検出される各画素３０の強度変調信号の被検体Ｈによる位相ズレ量ψと、下式（６）に示すように関連している。詳しくは後述するが、強度変調信号とは、第１の格子２１に対する第２の格子２２の走査位置に対する画素値の変化を表す波形信号である。

したがって、各画素３０の強度変調信号の位相ズレ量ψを求めることにより、上式（５），（６）から位相シフト分布Φ（ｘ）が求まる。位相ズレ量ψの２次元分布が上記位相微分像に対応する。

縞走査法では、強度変調信号を得るために、第１及び第２の格子２１，２２の一方を他方に対して相対的にｘ方向に並進移動（走査）させながら、所定の複数の走査位置でＧ２像の撮影を行う。本実施形態では、第１の格子２１を固設し、走査機構２３により第２の格子２２をｘ方向に移動させる。Ｇ２像に生じるモアレ縞は、第２の格子２２の移動に伴って移動し、移動距離が第２の格子２２の格子周期（配列ピッチｐ_２）に達すると、元の位置に戻る。

図４は、配列ピッチｐ_２をＭ（２以上の整数）個に分割した値（ｐ_２／Ｍ）を走査ピッチとし、この走査ピッチごとに第２の格子２２を並進移動させる様子を模式的に示している。走査機構２３は、ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１のＭ個の各走査位置に、第２の格子２２を順に移動させる。

ｋ＝０の位置では、主として、Ｘ線源１１から放射され被検体Ｈにより屈折されなかったＸ線が第２の格子２２を通過する。ｋ＝１，２，・・・と順に第２の格子２２を移動させていくと、第２の格子２２を通過するＸ線は、被検体Ｈにより屈折されなかった成分が減少する一方で、被検体Ｈにより屈折された成分が増加する。特に、ｋ＝Ｍ／２の位置では、第２の格子２２を通過するＸ線は、ほぼ被検体Ｈにより屈折された成分のみとなる。ｋ＝Ｍ／２の位置を超えると、第２の格子２２を通過するＸ線は、被検体Ｈにより屈折された成分が減少する一方で、被検体Ｈにより屈折されなかった成分が増加する。

ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１の各走査位置で、Ｘ線画像検出器２０によりＧ２像の撮影を行うと、メモリ１３にＭ枚の画像データが記憶される。各画素３０について得られるＭ個の画素値が上記強度変調信号を構成する。この縞走査によるＭ枚の画像データの取得は、被検体Ｈを配置して行われる本撮影と、被検体Ｈを配置せずに行われるプレ撮影とのそれぞれにおいて実行され、メモリ１３に記憶される。

具体的には、各画素３０で得られたＭ個の画素値は、図５に例示するように、走査位置ｋに対して周期的に変化する。同図中の破線は、プレ撮影時に得られる強度変調信号を例示している。これに対して、実線は、本撮影時に被検体Ｈの影響により位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）が生じた強度変調信号を例示している。ここで、ｘ，ｙは、画素３０の座標を示しており、各画素３０について位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）を算出することにより、位相微分像が得られる。

次に、位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）の算出原理について説明する。走査位置ｋに対する画素値Ｉ_ｋ（ｘ，ｙ）の変化を表す強度変調信号は、一般に下式（７）で表される。

ここで、Ａ_０は入射Ｘ線の強度に対応し、Ａ_ｎは強度変調信号の振幅に対応する値である。ｎは正の整数、iは虚数単位である。

配列ピッチｐ_２を等分割し、走査ピッチを一定とした場合には、下式（８）が成立する。この関係式を適用すると、位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）は、下式（９）で表される。

位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）の２次元分布が位相微分像に対応する。位相ズレ量ψ（ｘ，ｙ）は、三角関数を用いて下式（１０）のように表すことも可能である。

Ｇ２像に生じたモアレ縞が生じた場合には、結果的に位相微分像にもモアレ縞が生じることになる。位相微分像は、−π／２からπ／２の値を取る上式（１０）を用いて算出されるものであり、いわゆる「位相飛び」によりモアレ縞が生じる。このため、位相微分像のモアレ周期は、Ｘ線画像検出器２０により検出されるＧ２像のモアレ周期の１／２倍である。

次に、画像処理部１４及びモアレ縞変化検出部２４の構成について説明する。図６において、画像処理部１４は、位相微分像生成部４０、補正データ記憶部４１、減算処理部４２、及び位相コントラスト画像生成部４３を備える。矢印に付された“Ａ”は、本撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表し、“Ｂ”は、プレ撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表し、“Ａ／Ｂ”は、本撮影時及びプレ撮影時に動作する構成部間の各種データの移動経路を表している。

位相微分像生成部４０には、本撮影時及びプレ撮影時に、縞走査により取得されメモリ１３に記憶されたＭ枚分の画像データが読み出される。位相微分像生成部４０は、前述した方法によりＭ枚の画像データから位相微分像を生成する。本撮影時に位相微分像生成部４０により生成された第１の位相微分像は、減算処理部４２に入力される。一方、プレ撮影時に位相微分像生成部４０により生成された第２の位相微分像は、補正データとして補正データ記憶部４１に入力される。補正データ記憶部４１は、入力された第２の位相微分像を記憶し、本撮影が行われた際に、記憶している第２の位相微分像を減算処理部４２に入力する。

減算処理部４２は、本撮影時に入力された第１の位相微分像から第２の位相微分像を減算する補正処理を行い、補正後の位相微分像（以下、補正済み位相微分像という）を位相コントラスト画像生成部４３に入力する。位相コントラスト画像生成部４３は、入力された補正済み位相微分像をｘ方向に沿って積分処理を行うことにより、位相コントラスト画像を生成し、位相コントラスト画像を画像記録部１５に入力する。

図７において、モアレ縞変化検出部２４は、モアレ周期検出部５０、モアレ周期記憶部５１、及び特性量算出部５２を備える。矢印に付された符号の意味は上記と同様である。

モアレ周期検出部５０には、本撮影時及びプレ撮影時に、縞走査により取得されメモリ１３に記憶されたＭ枚分の画像データのうちから１枚分の画像データ（例えば、ｋ＝０の走査位置で得られた画像データ）が入力される。モアレ周期検出部５０は、画素値Ｉ_ｋ（ｘ，ｙ）からなる画像データに対して、下式（１１）に基づいて離散フーリエ変換を行うことにより得られる２次元フーリエペクトルＦ（ｕ，ｖ）からモアレ周期を算出する。ここで、Ｎ_ｘ，Ｎ_ｙは、それぞれ画像データ中のｘ方向及びｙ方向における画素数である。

具体的には、モアレ周期検出部５０は、図８に示すように、２次元フーリエペクトルＦ（ｕ，ｖ）から、０次ピークＰ０を通るｕ方向に沿ったプロファイルを切り出し、０次ピークＰ０から分離された１次ピークＰ０までの距離ｕ_ｐを求め、この逆数を求めることによりモアレ周期を算出する。なお、上記離散フーリエ変換は、周知の高速フーリエ変換アルゴリズムを用いて行なう。

本撮影時にモアレ周期検出部５０により算出された第１のモアレ周期Ｔ_１は、特性量算出部５２に入力される。一方、プレ撮影時にモアレ周期検出部５０により算出された第２のモアレ周期Ｔ_２は、モアレ周期記憶部５１に入力される。モアレ周期記憶部５１は、入力された第２のモアレ周期Ｔ_２を記憶し、本撮影が行われた際に、記憶している第２のモアレ周期Ｔ_２を特性量算出部５２に入力する。

特性量算出部５２は、画像処理部１４の減算処理部４２により生成される補正済み位相微分像に生じるアーチファクトの特性量を、入力された第１及び第２のモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２に基づいて算出する。

図９は、補正済み位相微分像に生じるアーチファクトの特徴量について説明する図である。同図（Ａ）は、本撮影時にモアレ周期検出部５０に入力される第１の画像データを例示しており、同図（Ｂ）は、プレ撮影時にモアレ周期検出部５０に入力される第２の画像データを例示している。第１のモアレ周期Ｔ_１は、第２のモアレ周期Ｔ_２より約１割小さい値に変化している。ここでは、プレ撮影と本撮影とでのモアレ縞の変化について説明を行なうため、被検体Ｈによるモアレ縞の変化は示していない。

同図（Ｃ）は、本撮影時に同図（Ａ）の第１の画像データを含むＭ枚の画像データに基づいて生成される第１の位相微分像を示しており、同図（Ｄ）は、プレ撮影時に同図（Ｂ）の第２の画像データを含むＭ枚の画像データに基づいて生成される第２の位相微分像を示している。第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の周期Ｓ_１，Ｓ_２は、上記したように第１及び第２のモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２の１／２倍となる。

同図（Ｅ）は、上記第１の位相微分像から上記第２の位相微分像を減算することにより生成される補正済み位相微分像を示している。この補正済み位相微分像には、第１及び第２の位相微分像のモアレ周期Ｓ_１，Ｓ_２の差異により相殺されなかったモアレ縞の成分が縞状のアーチファクトとして残存している。このアーチファクトのｘ方向に関する周期Ｕは、下式（１２）で表される。

さらに、この周期Ｕは第１及び第２のモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２を用いて下式（１３）で表される。

前述の特性量算出部５２は、上式（１３）に基づき、アーチファクトの周期Ｕを算出し、周期Ｕをシステム制御部１８に供給する。システム制御部１８は、周期ＵがＸ線画像検出器２０のｘ方向への視野サイズＷより大きい場合には、アーチファクトが目立たず、問題がないという観点に基づき、周期Ｕを視野サイズＷと比較する。なお、視野サイズＷとは、図２に示す受像部３１のｘ方向に関する長さである。

システム制御部１８は、周期Ｕが視野サイズＷより小さい場合には、画像処理部１４の処理を停止させ、モニタ１７ｂに位相コントラスト画像を表示させる代わりに、プレ撮影の再実行を促すメッセージをモニタ１７ｂに表示させる。

次に、以上のように構成されたＸ線撮影システム１０の作用を説明する。まず、被検体Ｈを配置せずに、操作部１７ａからプレ撮影指示が入力されると、走査機構２３により第２の格子２２が所定の走査ピッチ（ｐ_２／Ｍ）ずつ並進移動されながら、各走査位置ｋにおいて、Ｘ線源１１によるＸ線照射及びＸ線画像検出器２０によるＧ２像の検出が行われる。この結果、Ｍ枚の画像データが生成され、メモリ１３に格納される。

この後、画像処理部１４によりメモリ１３に格納されたＭ枚の画像データが読み出される。画像処理部１４内では、位相微分像生成部４０により第２の位相微分像が算出され、補正データとして補正データ記憶部４１に格納される。また、同時に、モアレ縞変化検出部２４により、メモリ１３に格納されたＭ枚の画像データから１枚の画像データが読み出される。モアレ縞変化検出部２４では、モアレ周期検出部５０により第２のモアレ周期Ｔ_２が検出され、モアレ周期記憶部５１に格納される。プレ撮影時の動作は以上で終了する。

次いで、被検体Ｈを配置して、操作部１７ａから本撮影指示が入力されると、同様に第２の格子２２が並進移動されながら、各走査位置ｋにおいて、Ｘ線照射及びＧ２像の検出の検出が行われ、Ｍ枚の画像データがメモリ１３に格納される。

この後、画像処理部１４によりメモリ１３に格納されたＭ枚の画像データが読み出される。画像処理部１４内では、位相微分像生成部４０により第１の位相微分像が算出される。これと同時に、モアレ縞変化検出部２４により、メモリ１３に格納されたＭ枚の画像データから１枚の画像データが読み出される。モアレ縞変化検出部２４では、モアレ周期検出部５０により第１のモアレ周期Ｔ_１が検出され、この第１のモアレ周期Ｔ_１が特性量算出部５２に入力されるとともに、モアレ周期記憶部５１に記憶された第２のモアレ周期Ｔ_２が特性量算出部５２に入力される。

そして、特性量算出部５２により、第１及び第２のモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２に基づいて、アーチファクトの周期Ｕが算出され、この周期Ｕがシステム制御部１８に供給される。システム制御部１８により、周期Ｕと視野サイズＷとの大小関係が判定され、周期Ｕが視野サイズＷより小さい場合には、画像処理部１４の処理が停止され、モニタ１７ｂに「再度プレ撮影を実行してください」といったプレ撮影の再実施を促すメッセージ表示が行われる。

一方、周期Ｕが視野サイズＷより大きい場合には、画像処理部１４の処理が続行される。画像処理部１４内では、減算処理部４２に第１の位相微分像が入力されるとともに、補正データ記憶部４１に記憶された第２の位相微分像が入力される。そして、減算処理部４２により、第１の位相微分像から第２の位相微分像を減算する処理が行われ、補正済み位相微分像が生成される。この補正済み位相微分像は、位相コントラスト画像生成部４３に入力され、積分処理が施されることにより、位相コントラスト画像が生成される。この位相コントラスト画像は、画像記録部１５に記録された後、モニタ１７ｂに表示される。

なお、上記のプレ撮影の再実施を促すメッセージ表示の後、再度プレ撮影が行われた場合には、このプレ撮影で得られた第２の位相微分像と、先の本撮影で得られた第１の位相微分像とを用いて、減算処理部４２により減算処理が行われ、補正済み位相微分像が生成される。この補正済み位相微分像は、同様に、位相コントラスト画像に変換され、画像記録部１５に記録された後、モニタ１７ｂに表示される。

以上のように、Ｘ線撮影システム１０では、プレ撮影と本撮影との間での画像データのモアレ縞の変化が大きい場合には、再度プレ撮影を実行することが促されるため、減算処理部４２により生成される補正済み位相微分像のアーチファクトの発生は常に低減される。

なお、上記実施形態では、プレ撮影と本撮影との間で画像データのモアレ縞の周期が変化した場合を例示しているが、本発明は、プレ撮影と本撮影との間で画像データのモアレ縞が回転した場合や、モアレ縞の周期が不均一となり粗密変化が生じた場合にも対応可能である。

モアレ縞が回転した場合には、画像データの２次元フーリエペクトルＦ（ｕ，ｖ）に生じる０次ピークが原点（ｕ＝ｖ＝０の点）からずれることになるが、この場合も０次ピークから１次ピークまでのｕ方向の距離を求めることで、ｘ方向のモアレ周期を検出することが可能である。また、モアレ縞の周期が不均一となった場合には、１次ピークの分布に広がりが生じることになるが、同様にｘ方向のモアレ周期（平均値）を検出することが可能である。

また、上記実施形態では、プレ撮影及び本撮影で得られた画像データに離散フーリエ変換を施すことによりモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２を検出し、このモアレ周期Ｔ_１，Ｔ_２に基づいてアーチファクトの周期Ｕを算出しているが、これに代えて、第１及び第２の位相微分像に離散フーリエ変換を施すことによりモアレ周期Ｓ_１，Ｓ_２を検出し、このモアレ周期Ｓ_１，Ｓ_２に基づいてアーチファクトの周期Ｕを算出してもよい。

また、上記実施形態では、システム制御部１８により、アーチファクトの周期Ｕと視野サイズＷとの大小関係の判定を行っているが、これに代えて、周期Ｕと視野サイズＷとの比率に基づいて判定を行ってもよい。例えば、補正済み位相微分像のアーチファクトが、周期Ｕの間に位相がπだけずれる変調がかり、視野サイズＷにおける位相の変調量ψ_Ｗが、下式（１４）で表されることに基づいて判定を行う。

変調量ψ_Ｗが小さいほどアーチファクトが目立たないことから、変調量ψ_Ｗを所定の閾値ψ_Ｔと比較判定し、閾値ψ_Ｔより大きい場合にプレ撮影の再実行を促す。この閾値ψ_Ｔは、例えば、被検体Ｈによる変調量を基準として定めればよい。例えば、被検体Ｈが生態軟組織である場合には、Ｘ線の被検体Ｈによる屈折角φは、１０^−７ｒａｄ程度となる。この屈折角φより１桁程度小さい値に相当する位相の変調量を閾値ψ_Ｔとすればよい。この場合の閾値ψ_Ｔは、下式（１５）で表される。

また、上記実施形態では、視野サイズＷを、受像部３１のｘ方向への長さとしているが、受像部３１中の被検体Ｈが撮影される所定領域の長さとしてもよい。

また、上記実施形態では、プレ撮影の再実施を促す旨の報知を、モニタ１７ｂへのメッセージ表示により行なっているが、これに限られず、音声やＬＥＤ等により報知を行なってもよい。

また、上記実施形態では、走査機構２３により第２の格子２２を並進移動させる際に、走査位置の初期位置をｋ＝０の位置としているが、初期位置として、ｋ＝０，１，２，・・・，Ｍ−１のうちのいずれの位置を選択してもよい。

また、上記実施形態では、位相コントラスト画像を画像記録部１５に記録してモニタ１７ｂに表示しているが、位相コントラスト画像に代えて、若しくは、位相コントラスト画像とともに、補正済み位相微分像を画像記録部１５に記録してモニタ１７ｂに表示してもよい。

また、上記実施形態では、第１及び第２の位相微分像を減算処理部４２によりそのまま減算処理しているが、第１及び第２の位相微分像のそれぞれに位相アンラッピング処理を施したうえで減算処理を行ってもよい。位相アンラッピング処理とは、第１及び第２の位相微分像において、−π／２からπ／２の範囲に折り畳まれた位相情報を解いて連続的にする（すなわち、位相飛びを除去する）処理である。また、この位相アンラッピング処理を、減算処理部４２により生成された補正済み位相微分像に施してもよい。

また、上記実施形態では、強度変調信号の位相ズレ量の２次元分布を位相微分像として定義しているが、位相シフト分布Φ（ｘ，ｙ）の微分値と比例関係を有するものであれば、屈折角φ等、いかなる物理量の２次元分布を位相微分像としてもよい。

また、上記実施形態では、被検体ＨをＸ線源１１と第１の格子２１との間に配置しているが、被検体Ｈを第１の格子２１と第２の格子２２との間に配置してもよい。

また、上記実施形態では、Ｘ線源１１の後に線源格子（マルチスリット）を設けていないが、Ｘ線源１１の後に線源格子を設け、焦点を分散化してもよい。

また、上記実施形態では、第１の格子２１を、そのＸ線透過部２１ｂを通過したＸ線を幾何光学的に投影するように構成しているが、本発明はこの構成に限定されるものではなく、Ｘ線透過部２１ｂでＸ線を回折することによりタルボ干渉効果が生じる特許第４４４５３９７号公報等に記載の構成としてもよい。ただし、この場合には、第１及び第２の格子２１，２２の間の距離Ｌ_２を前述のタルボ干渉距離Ｚ_ｍに設定する必要がある。また、この場合には、第１の格子２１を吸収型格子に代えて、位相型格子にすることが可能であり、第１の格子２１は、タルボ干渉効果により生じる自己像を、第２の格子２２の位置に形成する。

また、上記各実施形態では、Ｘ線源１１とＸ線画像検出器２０との間に第１及び第２の格子２１，２２を設けているが、第２の格子２２は、必ずしも設ける必要はない。例えば、Ｘ線画像検出器２０に代えて、特開平２００９−１３３８２３号公報に開示されたＸ線画像検出器を用いることにより、第２の格子２２を排することができる。このＸ線画像検出器は、Ｘ線を電荷に変換する変換層と、変換層において変換された電荷を収集する電荷収集電極とを備えた直接変換型のＸ線画像検出器において、各画素の電荷収集電極が、一定の周期で配列された線状電極を互いに電気的に接続してなる複数の線状電極群を、互いに位相が異なるように配置することにより構成されたものである。

また、上記各実施形態では、縞走査法により位相微分像を求めているが、これに限られず、国際公開ＷＯ２０１０／０５０４８３に記載されたフーリエ変換法により位相微分像を求めてもよい。フーリエ変換法を採用した場合には、モアレ縞が生じた画像データをフーリエ変換することによってフーリエスペクトルを取得し、このフーリエスペクトルからキャリア周波数に対応したスペクトルを分離して逆フーリエ変換を行なうことにより位相微分像が得られる。この場合には、走査機構２３が不要となる。

さらに、本発明は、医療診断用の放射線撮影システムに限定されず、工業用等のその他の放射線撮影システムに適用することが可能である。また、放射線として、Ｘ線以外に、ガンマ線等を用いることも可能である。

１０ Ｘ線撮影システム
１１ Ｘ線源
１４ 画像処理部
１７ コンソール
１８ システム制御部
２０ Ｘ線画像検出器
２１ 第１の格子
２１ａ Ｘ線吸収部
２１ｂ Ｘ線透過部
２２ 第２の格子
２２ａ Ｘ線吸収部
２２ｂ Ｘ線透過部
２４ モアレ縞変化検出部

Claims (12)

1. 放射線源から放射された放射線を撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、
   前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に配置された少なくとも１つの格子と、
   前記放射線画像検出器により生成された画像データに基づいて位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、
   前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に被検体を配置して行なわれる本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第１の位相微分像から、前記被検体を配置せずに行なわれるプレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第２の位相微分像を減算し、補正済み位相微分像を生成する減算手段と、
   前記本撮影と前記プレ撮影との間で、前記第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の変化を検出し、該変化に対応した特性量を算出するモアレ縞変化検出手段と、
   前記特性量に基づき、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする放射線撮影システム。
2. 前記モアレ縞変化検出手段は、前記補正済み位相微分像に生じる縞状のアーチファクトの周期を前記特性量として算出することを特徴とする請求項１に記載の放射線撮影システム。
3. 前記判定手段は、前記アーチファクトの周期と前記放射線画像検出器の視野サイズとを比較し、該周期が該視野サイズより小さい場合に、前記プレ撮影の再実行が必要であると判定することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮影システム。
4. 前記判定手段は、前記アーチファクトの周期と前記放射線画像検出器の視野サイズとの比率を所定値と比較し、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定することを特徴とする請求項２に記載の放射線撮影システム。
5. 前記減算手段は、前記プレ撮影が再実行された場合には、再実行時に前記位相微分像生成手段により生成された第２の位相微分像を、前記第１の位相微分像から減算することにより、補正済み位相微分像を生成することを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
6. 前記判定手段により前記プレ撮影の再実行が必要であると判定された場合に、プレ撮影の再実行を促すメッセージを報知する報知手段を備えることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
7. 前記補正済み位相微分像を積分処理することにより位相コントラスト画像を生成する位相コントラスト画像生成手段を備えることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
8. 前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に、格子線方向が一致するように対向配置された第１及び第２の格子が配置されていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の放射線撮影システム。
9. 前記第１の格子に対する第２の格子の相対位置を変更し、複数の走査位置に順に設定する走査手段を備え、
   前記位相微分像生成手段は、前記画像データを構成する画素値の前記走査位置に対する変化を表す強度変調信号の位相ズレ量を求めることにより位相微分像を生成することを特徴とする請求項８に記載の放射線撮影システム。
10. 前記第１の格子は、吸収型格子であり、前記放射線源から入射した放射線を幾何光学的に前記第２の格子に投影することを特徴とする請求項８または９に記載の放射線撮影システム。
11. 前記第１の格子は、位相型格子であり、タルボ干渉効果により前記放射線源から入射した放射線にタルボ干渉効果を生じさせ、前記第２の格子の位置に自己像を形成することを特徴とする請求項８または９に記載の放射線撮影システム。
12. 放射線源から放射された放射線を撮影して画像データを生成する放射線画像検出器と、
    前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に配置された少なくとも１つの格子と、
    前記放射線画像検出器により生成された画像データに基づいて位相微分像を生成する位相微分像生成手段と、
    前記放射線源と前記放射線画像検出器との間に被検体を配置して行なわれる本撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第１の位相微分像から、前記被検体を配置せずに行なわれるプレ撮影時に前記位相微分像生成手段により生成される第２の位相微分像を減算し、補正済み位相微分像を生成する減算手段と、
    を備えた放射線撮影システムの制御方法において、
    前記本撮影と前記プレ撮影との間で、前記第１及び第２の位相微分像に生じるモアレ縞の変化を検出して、該変化に対応した特性量を算出し、
    前記特性量に基づき、前記プレ撮影の再実行が必要か否かを判定する
    ことを特徴とする放射線撮影システムの制御方法。