JP5725870B2

JP5725870B2 - Ｘ線撮像装置およびｘ線撮像方法

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Application number: JP2011004533A
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Inventors: 小原　直樹; 直樹小原; 英之助伊藤
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Filing date: 2011-01-13
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Description

本発明は、Ｘ線撮像装置およびＸ線撮像方法に関する。

Ｘ線位相コントラスト法は、被検体によるＸ線の位相シフトを検出することで被検体の位相像を得る方法である。
位相コントラスト法の一つとして、非特許文献１に開示されているような、ＳｃａｎｎｉｎｇＤｏｕｂｌｅＧｒａｔｉｎｇ法（以下、ＳＤＧ法と記す。）が近年考案された。
ＳＤＧ法には、回折格子から特定の距離だけ離れた位置に生じる周期的な干渉強度分布（以下、干渉パターンと記す）を形成する回折格子と、干渉パターンが形成される位置に配置した遮蔽格子を用いる。
この２つの格子を同時に移動させながらＸ線の強度分布を検出すると、１回の撮像で位相コントラスト画像を取得することができる。

上記のＳＤＧ法を行う撮像装置の構成例を、図７に示す。
図７に示した撮像装置は、干渉パターンが形成されるよう回折格子上で空間的可干渉性を有するＸ線源１１１と、Ｘ線源１１１から照射されたＸ線を複数の回折光に分割し、干渉パターンを形成するための回折格子１１３を備えている。
更に、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部とＸ線を透過する透過部が周期的に配列された遮蔽格子１１４が干渉パターンが形成される位置に配置され、遮蔽格子を経たＸ線の強度分布を検出する検出器１１５、回折格子の移動部１１６、遮蔽格子の移動部１１７を備えている。
尚、遮蔽格子１１４はＸ線源から干渉パターンが形成される位置までの間に被検体が置かれていない時に回折格子１１３によって形成される干渉パターンと、同じ周期且つ同じ周期方向を有する。

ＳＤＧ法の原理について簡単に説明をする。Ｘ線源１１１から出射したＸ線が被検体１１２を透過すると、被検体の屈折率や形状に応じてＸ線の波面に傾き（以下、これを微分位相と記す。）が生じる。
この、被検体を透過したＸ線が回折格子１１３により回折されると、被検体の微分位相に応じた歪みを持つ干渉パターンが形成される。
遮蔽格子１１４を干渉パターンの形成される位置（以下、これをタルボ位置と記す。）に配置し、遮蔽格子１１４を経たＸ線を検出器１１５によって検出することで、被検体による干渉パターンの歪みをＸ線の強度分布として検出できる。
しかし、このままでは遮蔽格子１１４によってＸ線が周期的に遮蔽されるため、被検体の位相に関する情報の一部しか得ることができない。
そのため、干渉パターンと遮蔽格子１１４の相対位置を保持したまま、回折格子１１３と遮蔽格子１１４を遮蔽格子の周期方向に１周期以上同期移動させながらＸ線強度分布の検出を行う。
このＳＤＧ法の操作によって、１回の撮像で、被検体の吸収像と微分位相像が重なった画像の取得が可能となる。

"Ｐｈａｓｅｃｏｎｔｒａｓｔｉｍａｇｉｎｇｕｓｉｎｇｓｃａｎｎｉｎｇ−ｄｏｕｂｌｅ−ｇｒａｔｉｎｇｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ" Ｙ．ＮｅｓｔｅｒｅｔｓａｎｄＳ．Ｗｉｌｋｉｎｓ，Ａｐｒｉｌ２００８／Ｖｏｌ．１６，Ｎｏ．８／ＯＰＴＩＣＳＥＸＰＲＥＳＳ

しかしながら、この非特許文献１による方法で得られるＸ線強度分布には、被検体のＸ線透過率分布とＸ線源のＸ線照射むらに起因した不要な成分が含まれることとなる。そのため、被検体を透過したＸ線の位相分布を正確に計測することはできないという課題を有している。

本発明は上記課題に鑑み、ＳＤＧ法によるＸ線撮像の際に被検体の透過率分布と光源の照明むらに起因した不要な成分を減じ、より確度の高い位相分布の計測を可能とするＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法の提供を目的とする。

その目的を達成するために、本発明の一側面としてのＸ線撮像装置は、Ｘ線源からのＸ線を回折することで、明部と暗部とが配列された干渉パターンを形成する回折格子と、前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが配列された遮蔽格子と、前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、前記回折格子と前記遮蔽格子を移動させる移動部とを備えたＸ線撮像装置であって、前記干渉パターンと前記遮蔽格子は、第１の相対位置と、前記遮蔽格子と前記干渉パターンの相対位置を前記第１の相対位置から前記遮蔽格子の周期方向に前記遮蔽格子の前記遮蔽部の幅の長さずらした第２の相対位置とをとることが可能であり、前記検出器は、前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第１の相対位置を保ちつつ、前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動している間に第１のＸ線強度分布を検出し、前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第２の相対位置を保ちつつ、前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動している間に第２のＸ線強度分布を検出し、前記第１の相対位置は、前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させて複数の前記相対位置毎にＸ線強度分布を検出して前記Ｘ線強度分布毎にＸ線の積分強度を計算した場合に、前記Ｘ線の積分強度が極大値と極小値の中間値となる前記Ｘ線強度分布を検出した相対位置と一致する相対位置であることを特徴とする。本発明のその他の側面については、以下で説明する実施の形態で明らかにする。

本発明によれば、ＳＤＧ法によるＸ線撮像の際に、被検出物の透過率分布と光源の照明むらに起因した不要な成分を減じ、精度良く微分位相を算出して正確に位相分布を計測することが可能となるＸ線撮像装置およびＸ線撮像方法を実現することができる。

本発明の実施形態におけるＸ線撮像装置の構成例の模式図。本発明の実施例１における撮像方法の手順を示すフローチャート。（ａ）は本発明の実施例１における第１のＸ線の強度分布取得時の干渉パターンと回折格子および遮蔽格子の相対位置を示す模式図。（ｂ）は本発明の実施例１における第２のＸ線の強度分布取得時の干渉パターンと回折格子および遮蔽格子の相対位置を示す模式図。本発明の実施例１における回折格子の位置を決定するための手順を示すフローチャート。（ａ）は本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置によって被検体の撮像をシミュレーションした時に用いた回折格子上のＸ線強度分布を示す図。（ｂ）は本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置によって被検体の撮像をシミュレーションした時に用いた回折格子上のＸ線位相分布を示す図。（ｃ）は上記（ｂ）のＸ線位相分布を本発明の実施例１における遮蔽格子の周期方向に微分した図。（ｄ）は本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置によって被検体の撮像をシミュレーションした時に検出された第１のＸ線強度分布を示す図。（ｅ）は本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置によって被検体の撮像をシミュレーションした時に検出された第２のＸ線強度分布を示す図。（ｆ）は本発明の実施例１におけるＸ線撮像装置によって被検体の撮像をシミュレーションした時に検出された被検体の微分位相像を示す図。本発明の実施例２におけるＸ線撮像装置の構成例の模式図。従来のＳＤＧ法によるＸ線撮像装置の構成を示す模式図。

つぎに、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図１に本実施形態のＸ線撮像装置を示す。本実施形態のＸ線撮像装置は、Ｘ線源１と、Ｘ線源からのＸ線を回折することによって明部と暗部が配列された干渉パターンを形成する回折格子３を備える。加えて、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と、Ｘ線を透過する透過部が配列された遮蔽格子４を備える。この遮蔽格子４は、Ｘ線源から干渉パターンが形成される位置までの間に被検体が置かれていない時に回折格子３によって形成される干渉パターンと、同一の周期と同一の周期方向で遮蔽部と透過部が配列されている。更に移動部１２を備えており、移動部１２は回折格子を移動させる第１の移動部６と、遮蔽格子を移動させる第２の移動部７を有する。更に、回折格子３および遮蔽格子４のそれぞれの移動量を検出する測長装置８を備えている。
更に、遮蔽格子４を透過したＸ線の強度分布を検出する検出器５と、検出器５で得た第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布から被検体の微分位相像を算出するための演算装置９を備える。尚、第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布については後で説明をする。演算装置９と検出器５はケーブル１０によって接続されている。以下で各構成について説明をする。

Ｘ線源１から出射されるＸ線は、回折格子３に回折されることによって干渉パターンを形成する。
そのためにはＸ線が可干渉性を有することが必要であり、Ｘ線源１はλ×（Ｒ／ｓ）が回折格子３の周期ｄに対して十分大きくなるよう設計される。
但し、λはＸ線の波長、ＲはＸ線源１と回折格子３との距離、ｓはＸ線源１のＸ線発生領域のサイズである。
図１では被検体２がＸ線源１と回折格子３の間に配置されているが、回折格子３と遮蔽格子４の間に配置されても良い。
回折格子３は、照射したＸ線の位相を周期的にπラジアンまたはπ／２ラジアン変調する周期構造を有する１次元位相変調格子である。
１次元位相変調格子の代わりに周期的にＸ線を遮蔽する１次元遮蔽格子を用いても良いが、検出器に入るＸ線量の点で位相変調格子の方が好ましい。回折格子３の干渉パターンは、明部と暗部が一定の周期で配列しており、式０を満たす位置に生じる。

本実施例で形成される干渉パターンは、明部と暗部の干渉パターンの幅が１：１配列されているが、これ以外の干渉パターンを形成する場合も本発明を適用することができる。但し、本明細書における干渉パターンの明部及び暗部の幅とは干渉パターンの周期方向における干渉パターンの幅のことを指す。尚本明細書における明部とはＸ線の強度が大きい部分、暗部とはＸ線の強度が弱い部分のことを指す。
ｚ_０はＸ線源１と回折格子３との距離、ｚは回折格子３と干渉パターンの距離、ｄは回折格子３の周期、λはＸ線波長である。
Ｎは、ｎを自然数として、π／２ラジアン変調格子の場合で（ｎ−１／２）、πラジアン変調格子で（ｎ／４−１／８）、遮蔽格子の場合でｎである。
なお、回折格子３を構成する材料は、例えばシリコンのようにＸ線の透過率が高い物質が好ましい。また、位相の変調量はπラジアンやπ／２ラジアンのものが用いられるのが一般的だが、本実施例に用いられる回折格子はこれに限定されない。

遮蔽格子４は、Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と、Ｘ線を透過する透過部が１次元周期的に配列された１次元遮蔽格子である。遮蔽格子４の周期と周期方向は、被検体がＸ線源から遮蔽格子までの間に配置されていない時に回折格子３によって遮蔽格子４が配置された位置に形成される干渉パターンの周期及び周期方向と同じである。尚、本明細書における遮蔽格子の遮蔽部は、Ｘ線を完全に遮蔽しなくても良い。
また、遮蔽格子４は被検体がＸ線源から遮蔽格子までの間に配置されていない時に干渉パターンの明部の半分を遮蔽するような位置に配置される。この時の干渉パターンと遮蔽格子４の相対位置を第１の相対位置とする。干渉パターンと遮蔽格子４がこの第１の相対位置にある状態から遮蔽格子４だけを遮蔽格子の周期方向に遮蔽部の幅の長さ移動させると、被検体がＸ線源から遮蔽格子までの間に配置されていない時に遮蔽格子４は干渉パターンの明部の半分を遮蔽する。この時遮蔽格子４によって遮蔽される干渉パターンの明部は、干渉パターンと遮蔽格子４が第１の相対位置にあるときには遮蔽格子を透過していた明部である。この時の回折格子３と遮蔽格子４の相対位置を、第２の相対位置とする。尚、本実施例では干渉パターンの位置に合わせて遮蔽格子４の位置を調整したが、遮蔽格子４の位置に合わせて干渉パターンの位置を調整しても良い。干渉パターンの位置を調整するためには、回折格子３の位置を調整すればよい。また、本実施例の遮蔽格子４の周期方向における、遮蔽部と透過部の幅の比は１：１であるが、干渉パターンの明部と暗部の幅の比によっては他の比をとることもできる。
つまり、遮蔽格子は、干渉パターンの明部の半分を遮蔽し、もう半分を透過させるものであり、且つ、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が、第１の相対位置と、第２の相対位置をとることができれば良い。

本実施例の移動部１２は第１の移動部６と第２の移動部７を有し、第１の移動部６および第２の移動部７は、それぞれ回折格子３および遮蔽格子４を遮蔽格子の周期方向に移動させる。また、第１の移動部６と第２の移動部７は、干渉パターンと遮蔽格子４の相対位置を第１の相対位置または第２の相対位置に保ちつつ、回折格子３や遮蔽格子４を移動させることができる。
干渉パターンと遮蔽格子４の相対位置を保ちつつ回折格子３と遮蔽格子４を移動させるためには、発散Ｘ線を用いて撮像を行う場合、回折格子が移動する距離と遮蔽格子が移動する距離の比を、Ｘ線源と回折格子との距離とＸ線源と遮蔽格子との距離の比とすればよい。
一方、平行Ｘ線を用いて撮像を行う場合、回折格子が移動する距離と遮蔽格子が移動する距離を同じにすれば干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を保ちながら回折格子と遮蔽格子を遮蔽格子の周期方向に移動させることができる。
また、移動部は必ずしも第１の移動部と第２の移動部を有する必要はなく、１つの移動部で回折格子３と遮蔽格子４を移動させても良い。夫々の移動部はモータやピエゾアクチュエータなどで駆動する。

測長装置８は、回折格子３および遮蔽格子４のそれぞれの移動方向の変位、つまり移動量を検出するための装置であり、必要に応じて設置される。
検出器５は、干渉パターンと遮蔽格子４が第１の相対位置を保ちつつ、回折格子３と遮蔽格子４が遮蔽格子の周期方向に移動している時に遮蔽格子４を透過したＸ線の強度分布を検出する。その後同様に、干渉パターンと遮蔽格子４が第２の相対位置を保ちつつ、回折格子３と遮蔽格子４が遮蔽格子の周期方向に移動している時に遮蔽格子４を透過したＸ線の強度分布を検出する。
本明細書では、第１の相対位置を保ちながら回折格子と遮蔽格子が移動している時に検出されるＸ線強度分布を第１のＸ線強度分布、第２の相対位置を保ちながら回折格子と遮蔽格子が移動している時に検出されるＸ線強度分布を第２のＸ線強度分布と呼ぶ。
つまり、Ｘ線源と回折格子の間又は回折格子と遮蔽格子の間に被検体が置かれていない時、第１のＸ線強度分布撮像時には干渉パターンの明部の半分が遮蔽され、第２のＸ線強度分布撮像時には干渉パターンの明部の反対側の半分が遮蔽されることとなる。但し、Ｘ線源と回折格子の間又は回折格子と遮蔽格子の間に被検体が置かれ、微分位相が存在する場合は微分位相量に応じて干渉パターンは周期方向に変化する。
また、第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布を検出する時の遮蔽格子４の移動距離は、遮蔽格子４の周期の、１を含む自然数倍に相当する距離、または遮蔽格子の周期に比べて十分に大きな距離である。これにより、検出器の各画素で位相コントラスト情報を有する第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布を取得している。
得られた第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布を用いて演算装置の演算部により演算を行うと、被検体の微分位相を得ることができる。
検出器５はＸ線を検出できる撮像素子を有しており、例えば蛍光体でＸ線を可視光に変換した後ＣＣＤやＣＭＯＳ素子で検出する方式の撮像素子等を用いることができる。

演算装置９は、検出器５とケーブル１０を介して接続されており、図示しない制御部、記憶部（メモリ）、演算部、表示部を含む。
制御部は、測長装置８が検出した回折格子３および遮蔽格子４の移動量に基づいて、移動部の動作を制御し、回折格子３と遮蔽格子４を移動させる。測長装置８がない場合も移動部による移動量を記憶、演算しておけば回折格子３と遮蔽格子４の移動を適切に行うことができる。この場合の適切とは、干渉パターンと遮蔽格子４の相対位置を第１の相対位置及び第２の相対位置に保ちつつ回折格子３と遮蔽格子４を遮蔽格子の周期方向に移動させることを指す。
記憶部は、検出器５で取得されたＸ線強度分布を格納する。
演算部は記憶部に格納されたＸ線強度分布から、微分位相を算出する。また、必要に応じて被検体の位相像を算出する。演算方法について説明をする。

検出器５により取得した第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布の夫々には前述した通り、微分位相だけでなく、透過率分布や光源の照明むらによる誤差が含まれている。この誤差を減ずるために、第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布に基づいて微分位相を算出する。

第１のＸ線強度分布ＩＡが次の（式１）に示すように正の微分位相によって強度が大きくなるとすれば、第２のＸ線強度分布ＩＢは次の（式２）に示すように同じ量だけ強度が小さくなる。なお、明部の半分とは、完全に半分である必要はなく、誤差範囲を考慮した上での半分のことを意味する。

ここで、Φは回折格子直前のＸ線位相分布であり、ｘは回折格子面内における回折格子の周期方向の座標であり、ｙはその直交方向の座標である。
Ｉ₀は、回折格子および遮蔽格子を設置しない状態で取得したＸ線強度分布、つまり微分位相がない場合の透過率分布と光源の照明むらの影響を含むＸ線強度である。
次の（式３）のように、第１と第２のＸ線強度分布の差である位相コントラスト情報を、第１と第２のＸ線強度分布の和Ｉ₀で除することで、すべての画素において微分位相に比例した強度分布を得られる。

微分位相をラジアン単位で算出するためには、上記（式３）に示した、第１と第２のＸ線強度分布の差を和で除した強度分布に、回折格子の周期と回折格子と遮蔽格子の距離によって決定される係数１／ａを乗じればよい。この係数は以下の考察から導くことができる。
微分位相がある場合とない場合の干渉パターンの位置を回折格子から見込んだ角度の差（つまり、被検体によって干渉パターン位置がずれる角度）をθとすると、θは次の（式４）で表わされる。これは干渉パターンが等位相面となる方向に形成されることを示す。

一方、干渉パターンの位置ずれによるＸ線強度の変化率は、第２の回折格子で遮蔽された干渉パターンの幅ｐ／４と、干渉パターンの位置ずれｚ・ｔａｎθの比となることから、次の（式５）が導かれる。

ｚは回折格子３と遮蔽格子４との距離である。但し、本明細書では回折格子の中心と遮蔽格子の中心の距離を回折格子と遮蔽格子の距離とする。（式４）および（式５）から係数１／ａは、次の（式６）に示す通りとなる。

上記（式５）において、Ｘ線による干渉パターンの位置ずれは小さいという仮定をおいたが、（式３）〜（式５）を厳密に解いて、より正確に微分位相を算出することは容易に可能である。
演算部は、検出器により検出された第１のＸ線強度分布、第２のＸ線強度分布と、上述の計算方法を用いることで被検体の微分位相を算出する。また、得られた微分位相から位相像を算出しても良い。微分位相や位相像のことを本明細書では位相情報と呼ぶ。
表示部は、検出器により取得されたＸ線強度分布または演算部による演算結果に基づいた画像を表示する。
また、演算部は回折格子３と遮蔽格子４の周期方向を同じ量だけ変化させて取得した複数の微分位相から位相分布を算出して被検体の断層像を得て、これを表示部で表示しても構わない。

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用したＸ線撮像装置の説明をする。
本実施例のＸ線撮像装置は、図１で説明したＸ線撮像装置と基本的に同じ装置構成のＸ線撮像装置が用いられる。
本実施例でのＸ線源はモリブデンターゲットを有するマイクロフォーカスＸ線管とし、Ｘ線源と回折格子との距離は１０００ｍｍである。
回折格子３１（図３参照）は、１７．５ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線（中心波長０．０７１ｎｍ）の位相を６．０μｍ周期でπ／２変調する１次元位相変調格子であり、周期的に厚みを変えたシリコンにより形成され、Ｘ線源で発生したＸ線が照射される位置に配置する。
上述のＸ線源と回折格子３１を用いると、（式０）よりタルボ位置が３４０ｍｍ（Ｎ＝１／２）なので、回折格子から３４０ｍｍの位置に遮蔽格子４１を配置した。
また、遮蔽格子は、シリコン基板上に深さ２０．０μｍ、周期８．０４μｍで形成した凹部分に金めっきを充填することで、１７．５ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線を周期的に遮蔽するよう設計された１次元遮蔽格子を用いた。
検出器は、Ｘ線を蛍光体で可視光に変換した後ＣＣＤで検出する２次元の検出器であり、遮蔽格子にできるだけ接近した位置に配置する。
つぎに、図２に示すフローチャートを用いて、本実施例のＸ線撮像装置を用いた撮像方法の手順について説明する。

まず、被検体を、Ｘ線源と回折格子の間に配置する（ステップ１０１）。
被検体は回折格子と遮蔽格子の間に配置しても構わないが、その場合は、（式６）におけるｚを被検体と遮蔽格子との距離として、被検体を透過したＸ線の微分位相を算出する。
次に、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が第１の相対位置をとるように、回折格子と遮蔽格子の位置を移動部によって調整する（ステップ１０２）。本実施例のＸ線撮像装置は回折格子と遮蔽格子の位置を調整することで干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を調整したが、どちらか一方の格子の位置を調整することで干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を調整しても良い。
次に、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を第１の相対位置に保ちつつ、回折格子と遮蔽格子を独立かつ同期させて移動させる間に検出器で第１のＸ線強度分布を取得する（ステップ１０３）。ステップ１０３において、回折格子の移動する距離と遮蔽格子が遮蔽格子の周期方向へ移動する距離の比が、Ｘ線源と回折格子との距離とＸ線源１と遮蔽格子との距離の比となるように、演算装置の制御部が測長装置の計測結果に従って移動部を制御する。また、第１のＸ線強度分布を検出する間の遮蔽格子の移動量は遮蔽格子の１周期である。
次に、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が第２の位置をとるように、回折格子と遮蔽格子の位置を調整する（ステップ１０４）。その後ステップ１０３と同様に干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を第２の相対位置に保ちつつ、回折格子と遮蔽格子を独立かつ同期させて移動させている間に第２のＸ線強度分布を検出する（ステップ１０５）。
演算装置の演算部は、第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布の差を第１のＸ線強度分布と第２のＸ線強度分布の和で除した後に（式６）で表わされる係数を乗じた微分位相像を算出する（ステップ１０６）。
算出した微分位相像は、演算装置９の表示部によって表示される。
干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が第１の相対位置と第２の相対位置をとる時の回折格子３１、干渉パターン、遮蔽格子４１の相対位置を図３（ａ）および図３（ｂ）に示す。
図３（ａ）は、干渉パターンと遮蔽格子４１が第１の相対位置をとる時の回折格子３１と遮蔽格子４１との相対位置を示す図である。
また、図３（ｂ）は、干渉パターンと遮蔽格子４１が第２の相対位置をとる時の回折格子３１と遮蔽格子４１との相対位置を示す図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、Ｘ線源と回折格子の間に被検体が配置されていると、被検体により生じたＸ線の微分位相の影響を受けた干渉パターンが形成される。

図４に、干渉パターンと遮蔽格子が第１の相対位置および第２の相対位置をとるように、回折格子と遮蔽格子を配置するアライメントの手順の一例を示す。
図４のアライメント手順は、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置の違いにより検出器に入るＸ線強度が変化することを利用している。
干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を変化させると、遮蔽格子を透過する干渉パターンの幅が遮蔽格子の周期の０〜１／２の間で変化し、検出器に入るＸ線強度が変化することが容易に分かる。
この変化するＸ線強度が中間値をとるときの干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が、第１の相対位置および第２の相対位置である。

図４に示すフローチャートを用いて本実施例のＸ線撮像装置に用いられるアライメント手順の説明をする。本実施例のＸ線撮像装置を用いて被検体の撮像を行う場合はまず、被検体を配置しない状態で干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を変えて（例えば遮蔽格子のみの位置を変えて）その相対位置毎にＸ線強度分布を検出する（ステップ２０１）。
ステップ２０１においてＸ線強度分布を検出している間、回折格子と遮蔽格子は、回折格子によって形成される干渉パターンと遮蔽格子の相対位置が変化しないように同期移動させてもよいし、静止させてもよい。
ステップ２０２で、それぞれのＸ線強度分布毎にＸ線強度分布からＸ線の強度を積分して算出したＸ線の積分強度を、相対位置の関数としてフィッティングする。例えば、遮蔽格子の格子周期を周期とする三角波や正弦関数でフィッティングする。
次に、ステップ２０３で、フィッティングした関数が極大値と極小値の中間値をとる位置を算出し、その位置に回折格子と遮蔽格子を配置する。回折格子と遮蔽格子がこの位置に配置されている時、干渉パターンと遮蔽格子の相対位置は第１の相対位置をとる。
図４に示したアライメント手順は必ずしも撮像毎に実施する必要はなく、以前にアライメントした位置に回折格子および遮蔽格子を配置すればよい。

図５は、本実施例によるＸ線撮像装置により撮像した結果をシミュレーションした結果を示す図である。
図５（ａ）は、被検体の透過率分布やＸ線源の照明むらが原因で生じた回折格子上のＸ線強度分布である。
図５（ｂ）は、被検体により生じた、回折格子上のＸ線位相分布である。
図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＸ線位相分布を回折格子の周期方向に微分した微分位相で、本実施例のＸ線撮像装置で取得されるべき位相コントラスト画像である。
図５（ｄ）は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示したＸ線の強度分布と位相分布に基づいて波動光学的な光伝搬計算で算出した第１のＸ線強度分布である。
図５（ｅ）は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示したＸ線の強度分布と位相分布に基づいて波動光学的な光伝搬計算で算出した第２のＸ線強度分布である。
図５（ｆ）は、図５（ｄ）、図５（ｅ）から算出した、本実施例によるＸ線撮像装置で取得された微分位相像である。
図５（ｆ）と図５（ｃ）は、ほぼ一致しており、本実施例のＸ線撮像装置を用いた撮像により、誤差の少ない位相コントラスト画像が得られることを示している。

［実施例２］
実施例２として、実施例１と異なる形態の構成例を説明する。
図６に、本実施例に用いられるＸ線撮像装置を示すが、実施例１と差異のある部分に限定して説明する。
本実施例では、Ｘ線源１１と回折格子３２の距離を大きくすることで、平行に近いＸ線を回折格子３２に照射する。
そのため、回折格子により形成される干渉パターンと遮蔽格子の相対位置を保ったまま移動させる際、回折格子３２と遮蔽格子４２を固定して、移動部１２０で移動させることが可能となる。
本実施例では、Ｘ線源は高輝度で放射角が小さいことが必要であるため、Ｘ線源１１として１７．７ｋｅＶのエネルギーを有するシンクロトロン放射光を利用する。回折格子３２は、Ｘ線源１１から１５０ｍ離れた実験ハッチ内に配置する。回折格子３２は１７．７ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線の位相を６．０μｍ周期でπ／２変調する１次元位相変調格子である。遮蔽格子４２は、（式０）よりタルボ位置が２５７ｍｍ（Ｎ＝１／２）なので、回折格子３２と２５７ｍｍ離れた状態で板状の部材に固定する。遮蔽格子４２の周期も回折格子３２と同じ６．０μｍで、１７．７ｋｅＶのエネルギーを有するＸ線を周期的に遮蔽する１次元遮蔽格子である。

回折格子３２と遮蔽格子４２の相対位置を固定する際には、図４で一例を示したアライメントを行い、相対位置を固定する。
まず、干渉パターンと遮蔽格子４２が第１の相対位置をとるように回折格子３２と遮蔽格子４２を配置し、この位置で回折格子３２と遮蔽格子４２の相対位置を固定する。実施例１同様に第１のＸ線強度分布を検出した後、回折格子３２または遮蔽格子４２を周期方向に遮蔽格子の透過部の幅の長さ分ずらしてから再び回折格子３２と遮蔽格子４２の相対位置を固定する。実施例１同様に、第２のＸ線強度分布を検出した後演算部により微分位相像を算出し、これを表示部で表示する。

１：Ｘ線源
３：回折格子
４：遮蔽格子
５：検出器
９：演算部
１２：移動部

Claims

Ｘ線源からのＸ線を回折することで、明部と暗部とが配列された干渉パターンを形成する回折格子と、
前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが配列された遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、
前記回折格子と前記遮蔽格子を移動させる移動部とを備えたＸ線撮像装置であって、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子は、
第１の相対位置と、
前記遮蔽格子と前記干渉パターンの相対位置を前記第１の相対位置から前記遮蔽格子の周期方向に前記遮蔽格子の前記遮蔽部の幅の長さずらした第２の相対位置とをとることが可能であり、
前記検出器は、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第１の相対位置を保ちつつ、前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動している間に第１のＸ線強度分布を検出し、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第２の相対位置を保ちつつ、前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動している間に第２のＸ線強度分布を検出し、
前記第１の相対位置は、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させて複数の前記相対位置毎にＸ線強度分布を検出して前記Ｘ線強度分布毎にＸ線の積分強度を計算した場合に、
前記Ｘ線の積分強度が極大値と極小値の中間値となる前記Ｘ線強度分布を検出した相対位置と一致する相対位置であることを特徴とするＸ線撮像装置。
前記干渉パターンの前記明部と前記暗部とは一定の周期で配列しており、
前記遮蔽格子の前記遮蔽部と前記透過部とは前記干渉パターンと同一の周期、同一の周期方向で配列していることを特徴とする請求項１に記載のＸ線撮像装置。
前記干渉パターンの前記明部と前記暗部との周期方向における幅が、１：１であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＸ線撮像装置。
前記第１のＸ線強度分布と前記第２のＸ線強度分布とに基づいて被検体の位相情報を算出する演算部を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
前記演算部は、
前記第１のＸ線強度分布と前記第２のＸ線強度分布との差を、前記第１のＸ線強度分布と前記第２のＸ線強度分布との和で除した値に対して、
前記回折格子の周期および前記回折格子と前記遮蔽格子との距離に基づいて決定される係数を乗ずることにより被検体の位相情報を算出することを特徴とする請求項４に記載のＸ線撮像装置。
前記移動部は、前記回折格子を移動させる第１の移動部と、前記遮蔽格子を移動させる第２の移動部と、を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＸ線撮像装置。
前記回折格子にＸ線を照射するＸ線源を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＸ線撮像装置。
Ｘ線を回折することで、明部と暗部とが配列した干渉パターンを形成する回折格子と、
前記Ｘ線を遮蔽する遮蔽部と前記Ｘ線を透過する透過部とが配列された遮蔽格子と、
前記遮蔽格子を経た前記Ｘ線の強度分布を検出する検出器と、
前記回折格子と前記遮蔽格子を移動させる移動部とを備えたＸ線撮像装置を用いたＸ線撮像方法であり、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置が第１の相対位置をとるように前記回折格子及び前記遮蔽格子の少なくともいずれか一方の位置を調整する工程と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第１の相対位置を保ちつつ前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動させている間に前記検出器により第１のＸ線強度分布を検出する工程と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を前記第１の相対位置から前記遮蔽格子の前記遮蔽部の幅の長さずらした第２の相対位置をとるように前記回折格子及び前記遮蔽格子の少なくともいずれか一方の位置を調整する工程と、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子とが前記第２の相対位置を保ちつつ前記移動部によって前記回折格子と前記遮蔽格子が前記遮蔽格子の周期方向に移動させている間に前記検出器により第２のＸ線強度分布を検出する工程と、
を有し、
前記第１の相対位置は、
前記干渉パターンと前記遮蔽格子の相対位置を変化させて複数の前記相対位置毎にＸ線強度分布を検出して前記Ｘ線強度分布毎にＸ線の積分強度を計算した場合に、
前記Ｘ線の積分強度が極大値と極小値の中間値となる前記Ｘ線強度分布を検出した相対位置と一致する相対位置であることを特徴とするＸ線撮像方法。