JP6126535B2 - 集束偏向構造板を用いた微分位相コントラスト撮像法 - Google Patents

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Description

本願は、Ｘ線微分位相コントラスト撮像技術に関し、特に、X線微分位相コントラスト撮像用の検出装置、X線微分位相コントラスト撮像用の吸収装置、位相コントラスト画像を生成するX線システムの検出配置、X線画像取得装置、微分位相コントラスト撮像用のX線撮像システム、微分位相コントラスト撮像用の方法、コンピュータプログラム要素、およびコンピュータ可読媒体に関する。
従来の振幅コントラスト画像に比べて、低吸収試料のコントラストを高めるため、例えば、微分位相コントラスト撮像技術が採用される。国際公開第WO2004／071298号には、位相コントラストX線画像を生成するための機器が提供され、この機器では、光路に沿って、非コヒーレントなX線源、光源格子、位相格子、解析器格子、および画像検出器が提供される。現在、格子G1とも称される位相格子によって、格子G2とも称される解析器格子の位置で生じる干渉縞は、通常、既に研究対象物を通過した放射線の50％を吸収する解析器格子を用いた、位相ステップ処理技術により検査される。この後者の事実は、患者を通過した透過放射線の想定される最大の割合を検出し、検出器の画像信号に寄与させる必要がある、医療用の撮像用途において特に問題となる。
国際公開第2004／071298号
放射線の50％の吸収は、検出器に提供される実際の線量に対して、さらには実際に画像情報に使用される線量に比べて、低い線量効率を意味する。
従って、線量効率が改善された、微分位相コントラスト撮像技術を提供する必要がある。
本発明の目的は、独立請求項の主題によって解決される。別の実施例は、従属請求項に取り込まれている。
本発明の以下に記載される態様は、偏向装置、吸収装置、検出器配置、X線画像取得装置、X線撮像システム、および方法、ならびにコンピュータプログラム要素およびコンピュータ可読媒体に適用できることに留意する必要がある。
本発明の一実施例では、偏向構造を有する、X線微分位相コントラスト撮像用の偏向装置が提供される。偏向構造は、第1の領域の第1の複数部と、第2の領域の第2の複数部とを有する。前記第1の領域は、X線放射線の位相および／または振幅を変化するように提供され、第2の領域は、X線に対して透過性である。前記第1および第2の領域は、周期的に配置され、断面において、前記偏向構造には、突起として提供された第1の領域の間に形成された第2の領域が、溝状凹部の形態で提供されるように配置されたプロファイルが設けられる。隣接する突起は、間に配置された前記各凹部を部分的に取り囲むそれぞれの側表面を構成する。各凹部の前記側表面は、前記凹部の深さにわたって変化する距離を有する。
一実施例では、偏向構造の各周期は、X線放射線を集束するマイクロレンズ構造として機能するように適合され、前記マイクロレンズ構造からの距離で、強度最大値が得られる。
一実施例では、強度プロファイルは、最初に、タルボット距離、すなわちp2／8／λの1／16未満の距離で、再生される。ここで、pは、偏向構造の横断周期であり、λは、X線の波長である。
一実施例では、前記偏向構造の前記プロファイルは、放物線型位相プロファイルとして提供される。
一実施例では、前記偏向構造のプロファイルは、離散化（discretized）形状で提供される。
一実施例では、X線微分位相コントラスト撮像用の吸収装置が提供され、これは、第3の領域の第3の複数部と、第4の領域の第4の複数部と、を有する吸収構造を有する。前記第3の領域は、X線に対して不透明であり、前記第4の領域は、X線に対して透明である。また、前記第3および第4の領域は、周期的に配置され、断面において、前記吸収構造には、吸収プロファイルが提供され、該吸収プロファイルにおいて、前記第3の領域は、間の前記第4の領域としてのX線透明充填物を部分的に取り囲む、吸収突起として提供される。前記透明充填物は、各々、前記吸収突起の幅よりも広い断面を有する。
一実施例では、対象物の位相コントラスト画像を形成するX線システムの検出器配置が提供され、これは、位相格子と、解析器格子と、X線放射線の強度変化を記録するように適合されたセンサを有する検出器と、を有する。前記位相格子は、前述の一実施例のいずれかによる偏向装置として提供される。前記解析器格子は、前述の一実施例による吸収装置として提供される。前記位相格子および／または前記解析器格子は、前記偏向構造を横断する態様でステップ化されるように適合される。
一実施例では、対象物の位相コントラスト画像を得るためのＸ線画像取得装置が提供され、これは、Ｘ線源と、位相格子と、解析器格子と、検出器と、を有する。前記Ｘ線源は、Ｘ線放射線を形成し、当該X線画像取得装置は、十分にコヒーレンスなX線ビームを提供するように適合され、前記解析器格子の位置で干渉が観測される。前記位相格子、前記解析器格子、および前記検出器は、前述の一実施例による検出器配置として提供される。
一実施例では、微分位相コントラスト撮像用のX線撮像システムが提供され、これは、前述の一実施例による対象物の位相コントラスト画像を得るためのX線画像取得装置と、処理ユニットと、インターフェースユニットと、を有する。前記処理ユニットは、前記X線源、ならびに前記解析器格子および／または前記位相格子の位相ステップ処理を制御するように適合される。前記インターフェースユニットは、検出された生の画像データを、前記処理ユニットに提供するように適合される。
別の一実施例では、微分位相コントラスト撮像用の方法が提供され、この方法は、
a）少なくとも一部がコヒーレントなX線放射線を、関心対象物に適用する工程と、
b）前記対象物を通過する前記X線放射線を位相格子に適用して、分割されたビームを解析器面に再結合する工程と、
c）前記解析器面に配置された解析器格子に、前記再結合されたビームを適用する工程と、
d）最大p／（n×k）のステップサイズを有する複数のステップで、前記解析器格子または前記位相格子を横断的にステップ処理した状態で、センサを用いて生の画像データを記録する工程と、
を有し、ここで、pは、解析器格子または位相格子のピッチであり、kは、1よりも大きく、例えばk＝2またはk＝3である。
工程b）における前記位相格子は、前述の一実施例による偏向装置である。工程d）における前記解析器格子は、前述の一実施例による吸収装置である。また、nは、前記解析器格子のジューティサイクルの逆数であり、ここで、ジューティサイクルは、解析器格子に衝突した全X線放射線に対する、解析器格子によって停止されたX線放射線の比である。
本発明の要旨は、ビームの全断面にわたって偏向効果が生じるように配置された偏向構造を有する位相格子として、偏向装置が提供されることである。本発明によるこの偏向構造の結果、偏向装置の各周期は、集束配置として機能する。集束効果を通じて、吸収装置、すなわち解析器格子のジューティサイクルが十分に減少し、少ないX線放射線が吸収され、より多くのX線放射線を検出器に適用することが可能となる。従って、線量効果が提供される。
本発明のこれらのおよび他の態様は、以降に示す実施例を参照することにより明らかになる。
本発明によるX線撮像システムを概略的に示した図である。 本発明による、検出器配置を有する概略的な構成におけるX線画像取得装置を示した図である。 本発明による偏向装置の実施例を概略的に示した図である。 本発明による偏向装置の別の実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置の別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による偏向装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による吸収装置の一実施例を示した図である。 本発明による吸収装置のさらに別の一実施例を示した図である。 本発明による方法の実施例の基本工程を示した図である。 本発明による一実施例の別の態様を示した図である。 本発明による一実施例の別の態様を示した図である。 本発明による一実施例の別の態様を示した図である。 本発明による一実施例のさらに別の態様を示した図である。 本発明による一実施例のさらに別の態様を示した図である。 本発明による一実施例のさらに別の態様を示した図である。
図面を参照して、本発明の一例としての実施例について説明する。
図1には、微分位相コントラスト撮像用のX線撮像システム10を概略的に示す。Ｘ線撮像システム10は、Ｘ線画像取得装置12を有し、この装置は、以下に示す実施例または態様の一つにより、対象物の位相コントラスト画像を生成する。X線撮像システム10には、さらに、処理ユニット14およびインターフェースユニット16が提供され、後者は、これ以上説明しない。X線画像取得装置12は、X線源18と、検出器20とを有し、例えば図2を参照して以下に示す実施例による検出器配置として提供される。図から明らかなように、被検査対象物を受容するため、テーブル22が配置される。X線源18および検出器配置20は、Cアーム装置24に取り付けられ、テーブルは、X線源18と検出器配置20の間に配置され、対象物は、X線源と検出器の間に配置される。
Cアーム装置24は、観察方向を適合するため、X線画像取得装置12が患者の周囲に移動可能となるように提供される。また、ベース26が提供され、この上にテーブル22が取り付けられる。ベース26は、例えば、検査室の床上に配置される。ベース26内には、例えば、処理ユニット14およびインターフェースユニット16が提供される。また、テーブル22の近傍にディスプレイ28が配置され、例えば外科医のようなユーザに情報が提供される。さらなるシステム制御を提供するため、インターフェースユニット30が配置される。
図1には示されていないが、放射線処置の間、例えば患者のような対象物が、X線放射線と検出器配置20の間に配置される。検出器は、インターフェースユニット16を介してデータを処理ユニット14に送信し、検出された生画像データが処理ユニットに提供される。当然のことながら、処理ユニット14およびインターフェースユニット16は、他の位置に配置しても良く、例えば異なる実験室または制御室に配置しても良い。
また、示された例は、いわゆるCタイプのX線画像取得装置であることに留意する必要がある。当然のことながら、他のX線画像取得装置、例えば固定式もしくは可動式のX線源および検出器配置を有する静止システム、ならびにCTシステムを提供しても良い。当然、可動式X線装置を提供しても良い。例えば、本発明により、マンモグラフィーシステム、例えば、検査の間、患者が立ち姿勢のシステム、または患者が検査テーブルに横になるシステムを提供することもできる。
図2を参照して、以下、前述の検出器配置20について説明する。検出器配置20は、位相格子22および解析器格子24を有する。また、X線放射線の強度変化を記録するように適合されたセンサを有する検出器26が提供される。
位相格子22は、図3乃至17を参照して示される一実施例による偏向装置28として提供される。解析器格子24は、図18および図19を参照して示される一実施例による吸収装置30として提供される。
前述のように、検出器配置20は、X線画像取得装置12の一部である。X線画像取得装置12は、検出器配置20とともに、X線源18および光源格子32を有するように示されている。また、対象物34は、概略的に示されている。
X線源18は、X線の多色スペクトルのX線ビーム36を発生する。対象物に照射されるX線ビームに十分なコヒーレンスを提供するため、光源格子32は、それぞれの格子構造と適合される。その結果、解析器格子24の位置で干渉が観測される。従って、X線ビーム36は、光源格子32を通過し、その後適合されたX線ビーム38として提供される。
一例では、X線画像取得装置は、少なくとも一部がコヒーレントなX線放射線を放射するX線源のX線放射線を分割するように適合された光源格子32を有し、該光源格子には、光源格子ピッチが提供される。解析器格子ピッチに対する光源格子ピッチの比は、位相格子と解析器格子の間の距離に対する、光源格子と位相格子の間の距離の比と等しい。
示されていないが、別の一実施例では、光源格子は省略され、X線源は、十分にコヒーレントなＸ線放射線を提供するように適合され、例えばシンクロトロンまたはマイクロフォーカスX線管によって、解析器格子の位置に干渉が観測される。
図2では、光源18、光源格子32、位相格子22、解析器格子24、および検出器26は、光路に沿って配置されるように示されている。このため、検出器は、対象物34の画像情報を記録し、この画像情報は、参照符号40で概略的に示されている。
本発明の一態様では、解析器格子および位相格子は、偏向構造42が吸収構造162と整列するように配置される。
図3以下に示した図を参照すると、本発明による偏向装置28は、いくつかの実施例に記載されている。
X線微分位相コントラスト撮像用の偏向装置28は、第1の領域46の第1の複数部44と、第2の領域50の第2の複数部48とを有する偏向構造42を有する。
第1の領域46は、複数の平行な矢印52で概略的に示されている、X線放射線の位相および／または振幅を変化するように提供される。第2の領域50は、X線に対して透明である。
本発明において、一般に、「X線に対して透明」という用語は、X線減衰が40％未満で、好ましくは20％未満であることを意味する。特に、10％未満の減衰が提供される。
また、一般に、X線放射線の位相および／または振幅の変化を提供する際には、第1の領域は、第2の領域のX線減衰性よりも大きなX線減衰性を有する。
また、図3以降を参照すると、第1および第2の領域46、50は、周期的に配置され、例えば、断面において、偏向構造には、突起56として提供された第1の領域46の間に形成された溝状凹部54の形態で、第2の領域50が提供されるように配置されたプロファイルが提供される。従って、隣接する突起同士は、それぞれの側表面58を形成し、これらは、間に配置されたそれぞれの凹部54を部分的に取り囲む。また、各凹部54の側表面58は、凹部54の深さにわたって変化する距離を有する。距離の変化は、参照符号60および記号Wで示されており、凹部の深さは、参照符号62および記号Dで示されている。
本発明の態様では、偏向構造は、位相偏向装置であり、これは、平行なバーおよびスリットを有する位相格子とは異なる偏向構造を有するものの、位相格子とも称される。本発明のさらに別の態様では、偏向装置は、X線放射線の強度を集束し、平行化し、または集光するように適合される。
本発明のさらに別の態様では、偏向構造の偏向効果は、屈折および回折を有する。
別の態様では、凹部および突起は、交互に提供される。
別の態様では、各突起は、突起56の高さにわたって、幅WPが変化する。これは、図3において、突起56の上側領域では第1の突起幅WP1、突起56の下側領域では第2の突起幅WP2で示されている。ここで、上側および下側と言う用語は、図3の配向から見た位置を表す。
別の態様では、各凹部54は、深さに沿って減少する幅を有する。これは、図3に示されており、図において、凹部54の上側領域では第1の凹部幅WR1、凹部54の下側区画では、第2の凹部幅WR2で示されている。換言すれば、凹部は、底部側または密閉側よりも開放側でより広い（図4等も参照）。凹部の開放側と言う用語は、図3以降に示した配置を表すことに留意する必要がある。開放側は、いわば、ビーム放射線52が凹部54に進入する側を意味する。
底部側は、X線放射線の方向の下流、すなわちX線源から遠ざかる方向に配置される。
別の態様では、各突起は、放射線方向、すなわち上部から底部において、高さに沿って増加する幅を有し、すなわちこれらは、ベース部でより広く、反対側の端部でより狭い。この反対側端部は、X線源に対向する。
本発明の別の態様では、第1および第2の領域56、50は、図3に示すように、X線放射線52に対して垂直な配置において、横に並べて配置される。
偏向装置28の構造は、図3において断面で示されていることに留意する必要がある。また、図4乃至17、および吸収装置24に関する図18、図19の場合も同様である。
別の態様では、図4に示すように、第1の領域46は、共通第1領域64により接続され、第1の連続表面66が形成される。
別の態様では、第1の表面66は、位相プロファイルとして提供される。
第1および第2の領域の周期配置は、周期性pで示され、参照符号68で示されている。
別の態様では、図5に示すように、凹部54は、X線放射線52の方向に増加する幅を有し、すなわち突起56は、端部、またはX線放射線に向かって対向する端部で、より広くなり、他端でより狭くなる。例えば凹部は、共通第1領域64に接続される。
図3に示すように、第1および第2の領域46、50を横に並べて提供すること、ならびに図4に示すように、第1の領域46が共通第1領域64に接続されるように、第1および第2の領域46、50を提供することが、以下の図面を参照して説明する1または2以上の以下の態様と組み合わされ得ることは、明確である。
図示されていないが、別の態様では、凹部は、X線放射方向に対して垂直な平面に、直線的に配置される。
別の態様では、凹部は、曲線状パターンで相互に平行に配置される（図示されていない）。
また、凹部は、平行波形として配置されても良い。
別の一実施例では、偏向構造の各周期Pは、X線放射線を集束するマイクロレンズ構造70として機能するように適合され、マイクロレンズ構造70からの距離で、最大の強度が得られる。
これは、例えば図21以降を参照して、さらに説明される。マイクロレンズ構造70の一例は、図6に示されている。しかしながら、図3から5に示した構造も、マイクロレンズ構造として機能するように適合され得ることに留意する必要がある。
別の態様では、以下に示すように、強度最大値は、第1の領域よりも微細になる。
別の態様では、偏向構造42は、マイクロレンズアレイとして機能するように提供される。
例えば、偏向構造は、X線放射線を集束する回折構造として提供される。
図6に示す例では、偏向構造42のプロファイルは、放物型位相プロファイル72として提供される。
図7に示す一実施例では、偏向構造42のプロファイルは、正弦波プロファイル74として提供される。
また、偏向構造42のプロファイルは、図8に示すような球状プロファイル76として、および図9に示すような別の球状プロファイル78として提供されても良い。
図8および9に示す例は、相互に隣接して配置された球状素子の配列を示している。図8では、球状、すなわち半円断面が、いわば共通のグラウンド板に取り付けられており、従って、半ドーム状の第1の領域82の間には、V型の第2の領域80が形成される。
図9のプロファイル形状は、ある種の反対構造を有し、すなわち鋭いエッジ状に形成された第1の領域86の間に、丸いU字型の第2の領域84を有する。図9に示すプロファイルは、例えば、第1の領域86を接続するための共通接続区画88を残した状態で、グラウンド板に半ドーム状凹部を形成することにより提供される。
しかしながら、当然、前述の曲線またはプロファイルとは異なる変形例も可能であるが、ここではこれ以上説明しない。
また、異なる形状区画の組み合わせも可能である。
別の態様では、マイクロレンズ構造には、放物型、正弦波、および／または球状プロファイルが提供されても良い。
別の態様では、偏向構造42のプロファイルには、離散化（discretized）形状90が提供され、この一例は、図10に示されている。
図から明らかなように、離散化形状は、階段（ステップ）区画を有するステップ状プロファイルとして提供されても良い。
例えば、各周期には、少なくとも2つのステップが提供される。
各周期には、8つのステップ、16のステップ、または別の複数の整数回のステップが提供されても良い。
本発明の別の態様では、第1の領域46には、突起の複数部92が提供され、繰り返し順に、異なる突起形状が配置される。例えば、図11に示すように、第1の突起形状94および第2の突起形状96が配置され、これらの突起形状は、参照符号98で示すように、位相格子の周期P2で、周期的に配置される。
別の態様では、偏向構造42のプロファイルは、複数の曲線状プロファイルセグメント100として提供され、セグメント100は、πだけあるいはπの整数倍、例えば、2πまたは4πだけ、曲線状セグメントをラップバックする（折り返す）ことにより形成される。これは、図12乃至14を参照して説明される。
図12には、正弦波状の位相プロファイル102を示す。位相プロファイル102は、第1のプロファイルセグメント104および第2のプロファイルセグメント106にサブ分割され、これらは、第1の分離線108により相互に分割される。
図13には、曲線状プロファイルセグメントを有するプロファイル110の第1の例を示す。曲線110は、第1のセグメント104と交互に、第2のセグメント106を有する。図から明らかなように、左側から曲線を見たとき、曲線は、第2のセグメント106で始まり、次に、πまたはπの整数倍による曲線状セグメントのラップバック（または折り返し）を表す第1の遷移部分112、すなわち第1の曲線状セグメント104が続く。次に、曲線は、第1のセグメント104および第2の遷移部分114を示し、その後、別の第2のセグメント106が続き、以下同様である。
ラップバックにより、断面の薄い構造に、曲線の大きなピークツーピークの距離が得られるという利点が得られる。
例えば、偏向構造42のプロファイルは、複数の放物線、正弦波、および／または球状のプロファイルセグメントとして提供される。
例えば、偏向構造42のプロファイルは、図13、図14に示すように、第1と第2の領域の間に、凹状および凸状の表面部を有する。
図14では、偏向構造42に、第3のプロファイル116が提供され、このプロファイルは、第1の曲線状セグメント118、第2の曲線状セグメント120、および第1のセグメント118と第2のセグメント120の間の第1の中間曲線状セグメント122を有する。第2のセグメント120と後続の第1のセグメント118の間には、第2の中間セグメント124が提供される。第1、第2、および2つの中間セグメントの形態は、正弦波プロファイルを3つのセグメントに分割することにより得られ、これは、図12において、第2の分割線126、128の組で示されている。一例として示す正弦波プロファイルは、第1のセグメント118、第2のセグメント120、第1の中間セグメント122、および第2の中間セグメント124に分割される。
参照符号130で示すように、図12に示す曲線および図13に示す曲線は、周期性Pを示す。
図13の曲線は、第1および第2のセグメント104、106の交互の繰り返しであることに留意する必要がある。また、図14の突起形状は、複数のミラー軸の周囲で繰り返される順番で配置されることに留意する必要がある。このミラー軸は、レンズ構造の光学軸に周期的に配置される。例えば、第2のセグメント120によって形成される凹部は、結果的に、中心に第1の光学軸を有し、この光学軸は、第2のセグメント120が提供される限り、繰り返される。図から明らかなように、光学軸は、破線132で示されている。また、図から明らかなように、図14におけるプロファイルの異なる曲線状セグメントの配置またはパターンは、光学軸132の周囲の鏡映に基づいた繰り返し順を示す。
図示されていないが、マイクロフォーカス管の一例では、実際の2Dレンズアレイまたは円筒状レンズが提供される。
図示されていないが、別の例では、偏向構造のプロファイルは、未変化状態で、断面を横断する方向に連続される。
例えば、偏向構造は、円筒状レンズを有する。
別の例（図示されていない）では、偏向構造のプロファイルは、周期的に変更された態様、例えば断面にわたって同様の変更で、断面を横断する方向に連続する。
例えば、偏向構造は、2次元レンズ効果または焦点効果を有する。
図15乃至図17には、偏向構造42のステップ化曲線状位相プロファイルの別の例を示す。
例えば、図12の曲線102は、図15に示すように、ステップ状プロファイル134として提供される。第1の領域46は、上側および下側部分の間に配置された、第1のステップ136および第2のステップ138を有するステップ状プロファイルで配置され、すなわちこれらのステップは、X線源に向かって配置されたピークセグメント140とX線放射線の下流に配置された底部セグメント142の間に配置される。
従って、例えば、図12の正弦波プロファイル102は、図15の離散状形状に、いわば置換される。
図16には、別のステップ状位相曲線144を示す。ここでは、第1の領域46には、2つの異なる突起形状が提供される。左から図16を見たとき、第1の突起形状146は、下側部分と上側部分の間に第1のステップ148を有するように提供される。第1の突起形状は、いわば図13の第2のセグメント106と置換される。
第1の突起形状146の後には、第2の突起形状150が続き、これは、2つの上側部分154の間に配置された下側部分152を有する。従って、第2の突起形状150は、いわば、図13の第1のセグメント104の離散状またはステップ状の態様に置換され、あるいはそのように描かれる。
次に、プロファイル144は、第1のプロファイル部分146を繰り返し、その後第2のプロファイル部分150が続く。
参照符号130で表された一周期に関し、プロファイルは、材料の厚さが異なる8つの異なる区画を示す。例えば、材料は、4つの異なる厚さを有しても良い。
図17には、別のステップ状または離散状プロファイル156を示す。図には、図14に示す曲線の、微細なステップ状パターンが示されている。第1の突起形状158の後には、第2の突起形状160が続き、さらに第1の突起形状158が続き、この繰り返しである。
図17に示すように、突起形状158、160は、最下部と最上部の間に2つのステップを有し（第1の突起形状158）、または上側部と下側部の間に3つのステップを有する（第2の突起形状160）。従って、参照符号130で示す構造の1周期では、材料厚さの8つのレベルを有する、16の異なる区画が提供され、結果的により微細な偏向構造プロファイルが得られる。
別の一実施例では、図18に示すように、X線微分位相コントラスト撮像用の吸収装置24は、第3の領域166の複数部164と、第4の領域170の第4の複数部168とを有する吸収構造162を有する。第3の領域166は、X線（に対して）不透明であり、第4の領域170は、X線（に対して）透明である。
「X線（に対して）透明」と言う用語は、前述の通りである。「X線（に対して）不透明」と言う用語は、70％を超えるX線減衰性、好ましくは90％を超える減衰性を含む。
別の態様では、第3および第4の領域166、170は、周期的に配置され、断面において、吸収構造162には、吸収突起172として提供された第3の領域166が、その間の第4の領域170としてのX線透明充填物174を部分的に取り囲むような吸収プロファイルが提供される。
周期配置は、記号pAで示され、参照符号176で示されている。
各透明充填物170は、吸収突起よりも広い断面を有し、透明充填物170の断面は、記号WT、参照符号178で示されており、吸収突起172の断面は、記号WO、参照符号180で示されている。
従って、各第4の領域170は、第3の領域166よりも広い断面を有する。
例えば、吸収装置24は、解析器格子と称される。
本発明の別の態様では、吸収構造は、バーとギャップが交互に配置された格子構造であっても良く、この場合、バーは、第3の領域として提供され、ギャップは、第4の領域として提供される。
本発明の別の態様では、1ピッチにわたって、X線透明領域に対する吸収領域の比は、1：1よりも小さく、1：4よりも小さいことが好ましく、例えば1：8である。当然のことながら、1：1よりも小さな他の整数または範囲の比であっても良い。
解析器格子を通過し、検出器に衝突するX線放射線の量に対する、解析器格子に衝突するX線放射線の比は、重要なパラメータである。この量の逆数、すなわち吸収量は、解析器格子のジューティサイクルとも呼ばれる。解析器格子のジューティは、何れの場合も50％未満であり、30％未満であることが好ましく、例えば20％未満である。
図18を参照すると、吸収装置24は、第3および第4の領域166、170の交互配置として示されている。第3の領域166は、バーとして提供され、第4の領域170は、その間の開放ギャップとして提供されても良い。
別の実施例では、第4の領域170は、充填物配置として、すなわち充填物構造で提供されても良い。
図19に示す別の例では、吸収構造は、ボディ構造182を有し、ここには、スロット状凹部184が形成され、これらの凹部には、吸収充填材量186が充填され、充填凹部は、第3の複数部164として配置された第3の領域166を形成する。ボディ構造182の2つの隣接する凹部の間の領域は、第4の領域を表し、これらは第4の複数部168として配置される。
凹部184は、充填材料186で完全に充填されるように示されている。当然のことながら、これらは、部分的に充填されても良い。
さらに、示された凹部の深さは、単に概略的な配置で示されていることに留意する必要がある。当然のことながら、凹部は、より小さな深さを有し、深さと幅の関係が異なる比となるように配置されても良い。
別の一実施例では、第3の領域166は、ベース構造上に設けられ、ベース構造は、X線透明材料として提供され、第3の領域は、X線不透明材料として提供されても良い。換言すれば、この例では、第3の領域は、支持ベースに提供されまたは取り付けられ、隣接するまたは隣り合う第3の領域同士の間の部分は、第4の領域を示し、ここを通り、X線は、いかなる本質的な吸収も受けずに通過することができる、第3の領域の部分では、X線放射線は、吸収される。
図20には、以下の工程を有する微分位相コントラスト撮像用の方法400の基本的な方法工程を示す。第1の適用工程400では、少なくとも一部がコヒーレントなX線放射線412が、関心対象物に適用される。第2の適用工程414では、対象物を通過したX線放射線は、位相格子に適用され、この位相格子は、分離されたビームを、解析器面に再結合する416。第3の適用工程418では、再結合ビームが解析器面に配置された解析器格子に適用される。さらに、記録工程420では、生の画像データがセンサで記録され、その間、最大p／（n×k）のステップサイズを有する複数のステップで、解析器格子または位相格子は、横断的にステップ処理される422。ここで、pは、解析器または位相格子のピッチであり、kは、1よりも大きく、例えばk＝2またはk＝3である。
例えば、本発明では、開始点は、解析器格子の位置で、偏向格子によって生じる最大の幅である。この量は、主としてレンズアレイの「集束パワー」により定められる。いったん、隣接する最大値の間の距離に対する強度最大値の幅の比が把握されると、解析器格子の設計が可能になる。解析器は、干渉パターンと同じ周期性を有する必要があり、解析器のジューティサイクルは、干渉最大値のジューティサイクルとほぼ等しくする必要がある。次に、解析器は、少なくとも4回、各強度最大値をサンプル採取する必要がある。これは、1／nが強度最大値のジューティサイクルである場合、必要なステップの最小数は、n×kであることを意味し、ここでkは、1よりも大きく、例えばk＝2またはk＝3であることが好ましい。
本発明では、第2の適用工程414における位相格子は、前述の一実施例または一態様の一つによる偏向装置22である。記録工程420における解析器格子は、前述の一実施例または一態様の一つによる吸収装置24である。また、1／nは、解析器格子のピッチに対する吸収領域の比である。
第1の適用工程410は工程a）とも称され、第2の適用工程414は工程b）とも称され、第3の適用工程418は工程c）とも称され、記録工程420は工程d）とも称される。
図示されていないが、別の一実施例では、工程d）において、部分的に重なり合う態様で、ステップ構造が提供され、すなわち各後続の階段は、前の階段の位置と部分的に重なり合う。
重なりは、少なくとも30％で提供され、好ましくは50％で提供される。当然のことながら、重なりが多くなると、ステップ処理工程422のための記録工程420における階段の数は、増加する。
図示されていないが、別の一実施例では、工程a）は、従来のX線源のX線放射線を、放射線を分割する光源格子に適用する工程を有し、コヒーレントなX線放射線が生じ、あるいは少なくとも一部がコヒーレントなX線放射線が生じる。
例えば、偏向格子を通過する際に、コヒーレントな放射線は、所与の幅で干渉最大値を有するx線干渉パターンを生成する。対象物によって特徴化された位相変化による強度最大値の正確な転位は、位相ステップ処理技術を用いて測定される。位相ステップ処理の間、偏向格子または解析器格子の一方は、相互に対して横断方向にステップ処理され、その間、全ての検出器画素のX線強度が記録される。必要なステップの数は、偏向装置のマイクロレンズ板の焦点品質により定められる。最大値が微細になると、解析格子の対応するＸ線不透明構造が小さくなり、線量の有用性が高まる。
例えば、2つの格子の構造、ジューティサイクル、および全構成の形状の間には、形状整合性がある。
本発明の態様では、偏向格子の解析器格子までの距離は、偏向構造、例えばレンズ構造の焦点距離により定められる。
本発明の態様では、光源格子のピッチは、以下の形状関係に従う：解析器格子のピッチ（PAG）に対する光源格子のピッチ（PSG）の比は、偏向構造の焦点長（f1）に対する光源格子と位相格子の間の距離（DSG−PG）の比に等しい；ここで、焦点長は、偏向格子と解析器格子の間の距離に等しい。換言すれば、

PSG／PAG＝DSG−PG／f1

本発明の別の態様では、タルボット距離は、偏向構造の焦点長、例えばレンズ構造の焦点長に置換される。
しかしながら、各最大値は、ステップ処理の間、例えば少なくとも4回、サンプル化される必要があるため、必要な位相ステップの数は、強度最大値が微細になると増加する。
従って、nを整数としたとき、p／nのオーダの半値全幅では、ステップサイズは、最大p／（n×k）となる。ここで、kは、1より大きな整数であり、例えばk＝2またはk＝3である。
以下、図21から図26を参照して、別の態様を説明する。構造原理、機能効果、および以下に示す得られる結果は、前述の一実施例または態様および例の一つにも適用できることに留意する必要がある。
本発明の一般的な態様として、偏向装置からある距離で強度最大値が得られるような、X線放射線を集束しまたは束ねる位相格子として、偏向装置を提供することにより、50％未満のジューティサイクルを持つ吸収装置を提供することが可能となる。その結果、50％を超える、対象物を透過する全X線流束の検出割合が得られ、比較可能な改善された情報が提供される。これは、位相格子に平行バーおよびギャップが提供されるような格子アプローチを用いた、50％のサイクル吸収の場合に相当する。以下、本発明では、一般的に実現可能なものに比べて、被検査対象物を通過した流束の、より多くの割合が利用される。吸収装置または吸収格子のジューティサイクルの下限は、回折アレイ、例えばマイクロレンズの焦点化の効率のみにより定められ、これは、主として、そのような構造の製作の精度に依存する。
硬X線領域（10乃至100keV）における微分位相コントラストシステムでは、対象物によってX線波面に特徴化される位相変化を視覚化するため、タルボット効果が使用される。短いシステム形状からの利益を得るため、バーおよびギャップ構造を有する位相格子は、矩形位相プロファイルを有し、矩形強度プロファイルは、最初に、タルボット距離、すなわち2（位相格子のピッチ）2／λの1／16で、再生される。矩形位相格子は、吸収格子Ｇ2の位置で矩形プロファイルが維持されるよう、壁と同じ広さのフリンジを有する必要がある（位相格子は、1／2のジューティサイクルを有する必要がある）。従って、G2のジューティサイクルは、フリンジのステップの間、最大の視認性を得るため、1／2である必要がある。通常、位相格子G1のピッチP1は、μmオーダであり、X線波長よりも約4桁大きい。従って、主として、フリンジの壁で回折効果が生じる。
これに対して、本発明では、例えば、正弦波または放物型位相物が提供され、これは、ビームの全断面にわたって回折効果が生じるような効果に使用される。この重要な結果は、最も単純な場合に、位相格子または偏向装置の各周期が、小さな円筒状マイクロレンズとして機能することであり、放射線は、ある焦点において、対象物の下流のある距離fで、バンド幅P1内に照射されるように集束される。集束の効果により、吸収格子、すなわち吸収装置のジューティサイクルは、顕著に減少し、焦点での強度の半値全幅（FWHM）は、図18、図19に示すように、例えば、シリコン内の金溝の幅と一致する。
図21から図23には、異なる表が示されている。図において、参照符号212で示されている水平軸は、例えばμm単位での横寸法を示す。
図21には、3つの異なる偏向構造を示す。これらは、各欄上に、参照符号a）、b）、c）で示されている。図22および図23も、各偏向装置構造を表す。換言すれば、図21から23は、3つの行、すなわち図21、図22、および図23、ならびに3つの列、すなわち、列a）、列b）、および列c）を有する計算表として見ることができる。
第1の行の図、すなわち図21は、垂直軸上のX線位相214を表す。図22は、例えば分単位の伝播距離を表し、0で示す上側部から始まる。図23は、その垂直軸上のX線強度218を示す。
図21a）には、第1の波形位相プロファイル220が示されており、これは、形状的観点から、図12に示されたものと同様である。図21b）には、別の波形位相プロファイル222が示されており、これは図13と同様である。さらに、図21c）には、さらに別の波形位相プロファイル224が示されている。
波形位相プロファイル220、222、224は、π（プロファイル220）、2π（プロファイル222）、4π（プロファイル224）の、異なるピークツーピークの位相シフトを有する正弦波位相物として示されている。
図22a）には、第1の伝播波形強度226を示し、図22b）には、第2の伝播波形強度228を示し、図22c）には、第3の伝播波形強度230を示す。各伝播波形強度の図において、各伝播波形強度の右側に設置されたスケール232は、それぞれの評価スケールに対する強度値を示す。
各伝播波形強度226、228、230を比較すると、振幅の増加および焦点長の減少の効果が認められる。
別の態様では、偏向構造は、それぞれの焦点距離において、伝播波形強度プロファイルを提供するように適合され、この波形強度プロファイルは、ベース部240としてのベースレベル近傍の曲線、およびピーク部242としてのベースレベルから突出する周期ピークの、主要な部分を示す。1周期にわたるベース部に対するピーク部の形状長さ関係は、1よりも小さい。
例えば、図23に示すように、図23a）には第1の伝播波形強度プロファイル234が示され、図23b）には第2の伝播波形強度プロファイル236が示され、図23c）には第3の伝播波形強度プロファイル238が示されている。図から明らかなように、伝播波形強度プロファイル234、236、238は、ベース部240としてのベースレベル近傍の曲線、およびピーク部242としてのベースレベルから突出する周期ピークの、主要な部分を示す。参照符号244および記号Pで示された1周期にわたるピーク部とベース部の形状長さ関係は、1：1よりも小さく、すなわち1よりも小さい。例えば、ベース部に対するピーク部の関係は、最大1：2であり、好ましくは1：4以下であり、例えば、1：8である。
図23および図26における伝播波形強度プロファイルは、タルボット距離の1／16，1／32、および1／64未満の比に対応することに留意する必要がある。
本発明の態様では、本発明による偏向構造42は、例えば正弦波形状の伝播波形位相プロファイルを提供するように適合される。
本発明の別の態様では、例えば図23に示すような強度プロファイルは、最初に、タルボット距離の1／16未満の距離で再生される。強度プロファイルは、例えば、タルボット距離の1／20以下で再生される。
本発明の別の態様では、タルボット−ロー干渉法（Talbot-Lau-interferometry）は、厳密に適用されない。
例えば光源格子のような単一の線光源の干渉の位置合わせを得るため、例えば、p0＝p2ｘl／fが満たされる。ここで、fは、レンズ構造もしくはレンズアレイの焦点距離または焦点長である。
別の態様では、第1の領域には、πまたはπの整数倍、例えば2πや4πのピークツーピークの振幅を有する透過波形位相プロファイルが実現されるような形状が提供される。透過波形位相プロファイルは、正弦波位相変調の振幅を有しても良い。例えば、この振幅が大きくなると、特徴付けられる位相プロファイルが急になり、いわばレンズ効果が良好になる。
図22から図23を参照すると明らかなように、位相板G1、すなわち偏向装置28の変調の振幅が大きくなると、対応する位相物の曲率が大きくなるため、板の焦点長は短くなる。
図23から明らかなように、伝播波形強度プロファイルは、小さな値を有し、すなわちX線強度218の低い値を有する領域に比べて、最大値を有する領域は狭い。従って、吸収格子すなわち解析器格子として提供される吸収構造は、吸収材料で覆われた領域が少なく、X線放射線の多くの割合は、それぞれの構造に衝突し、検出器で記録される。その結果、対象物を既に透過したより多くの量のX線放射線が使用され、画像情報が記録され形成される。例えば、医療用X線撮像法において患者を検査する際、X線放射線の改善された利用は、特に重要である。
図24から図26には、2つの別の偏向構造が示されている。図24には、伝播波形位相プロファイルが、図25には、伝播波形強度が、図26には、伝播波形強度プロファイルが示されている。ここでも、図は、計算表の形態で配置され、3つの行と2つの列が示されている。行は、第1の行の図24と、第2の行の図25と、第3の行の図26として示されている。列は、列a）からc）を有する図21から図23に加えて、第1の列が記号d）として、第2の列が記号e）として示されている。
図24には、第4の波形位相プロファイル246を示す。図24e）には、第5の波形位相プロファイル248を示す。波形位相プロファイル246は、図16に示した構造と同様に示され、波形位相プロファイル248は、図17に示した構造と同様に示されている。従って、ここではこれ以上説明しない。
図25d）には、第4の伝播波形強度プロファイル250が示されており、図25e）には、第5の伝播波形強度252が示されている。
従って、図26d）には、第4の伝播波形強度プロファイル254が示され、図26e）には、第5の伝播波形強度プロファイル256が示されている。伝播波形強度プロファイル254、256は、ベース部240およびピーク部242を有する。
伝播波形位相プロファイル246、248は、離散化されたプロファイル状態で示されているが、焦点距離において得られる伝播波形強度プロファイルは、ピークを有する小さな部分と、小さな値を有する大きな部分とを呈しても良い。従って、吸収構造は、位相ステップ処理の間、各伝播波形強度プロファイルを記録するように提供される。この吸収構造は、X線吸収する小さな部分しか必要ではない。一方、構造の大部分は、X線透過性である。従って、図21から図23の研究により、離散型またはステップ状のプロファイルは、同様の結果をもたらす。
正弦波プロファイルまたは放物型プロファイルの微細製作では、例えば医療用撮像用に考慮されるエネルギーは、難解な因子を表すため、高さが離散化された形状を有する離散型偏向構造を提供することは、一方で、焦点化が完全ではなくなるものの、他方では、製作プロセスが容易となることを意味する。従って、各種離散の度合いで離散化されたマイクロレンズアレイを有する図24から図26に示した例では、50％のジューティサイクルの解析器格子に比べて、依然改善された結果が得られる。
「離散の度合い」と言う用語は、ピッチ毎に、または位相物の周期毎に得られる、異なる材料深さの数を意味する。
例えば、図24から図26の列d）は、材料厚さの4つの可能なレベルでの、8つの異なる区画を示し、一方列e）では、材料厚さの8つの可能なレベルでの、16の異なる区画を示す。
図には、正弦波位相変調の2π離散型のピークツーピークを示す。図26の強度プロファイルは、タルボット距離の1／16および1／32未満の割合での強度を示している。
一般に、図23および26に示した強度最大値の微細幅から、吸収構造または解析器格子のジューティサイクルは、大きく減少することが認められる。従って、対象物を透過する放射線の約50％が信号に寄与しないような従来の形状に比べて、有意に改善された線量利用が可能となる。
本発明は、例えば、微分位相コントラスト撮像法に使用することができ、一般にコンピュータ断層撮影法、ラジオグラフィまたはマンモグラフィに使用することができる。本発明では、位相感度について妥協することなく、位相コントラスト撮像技術に、改善された線量効率が利用でき、本発明は、特に、その技術を使用する医療用途に適用できる。
本発明の別の実施例（図示されていない）では、コンピュータプログラムまたはコンピュータプログラム要素が提供され、すなわち適当なシステムで、前述の実施例の一つによる方法の工程を実行するように適合される。
従って、コンピュータプログラム要素は、コンピュータユニットに保管され、これは、本発明の実施例の一部であっても良い。この計算ユニットは、前述の方法の工程を実行するように、または発生するように適合される。また、これは、前述の機器の部材を作動させるように適合されても良い。計算ユニットは、自動で作動し、および／またはユーザの命令を実行するように適合され得る。コンピュータプログラムは、データプロセッサの作動メモリにロードされても良い。従って、データプロセッサは、本発明の方法を実行するように備えられても良い。
本発明のこの一実施例は、最初から本発明を使用するコンピュータプログラム、およびアップデートにより、既存のプログラムを本発明を使用するプログラムに変更するコンピュータプログラムの両方を網羅する。
また、コンピュータプログラム要素は、前述の方法の一実施例の手順を満たす、全ての必要な工程を提供可能であっても良い。
本発明の別の一実施例（図示されていない）では、CD-ROMのようなコンピュータ可読媒体が提供され、コンピュータ可読媒体は、それに保管されたコンピュータプログラム要素を有し、このコンピュータプログラム要素は、前述のものである。
コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに供給され、あるいは他のハードウェアの一部として提供された、光記憶媒体または半導体媒体のような、適当な媒体に保管されおよび／または配布され、あるいはインターネットまたは他の有線もしくは無線通信システムを介した、他の形態で配布される。
しかしながら、コンピュータプログラムは、World Wide Webのようなネットワークを介して提供されても良く、そのようなネットワークから、データプロセッサの作動メモリにダウンロードすることも可能である。本発明の別の一実施例では、ダウンロード利用可能なコンピュータプログラム要素を作成する媒体が提供され、このコンピュータプログラム要素は、本発明の前述の実施例の一つによる方法を実行するように配置される。
本発明の実施例は、異なる主題を参照して示されていることに留意する必要がある。特に、いくつかの実施例は、方法形式の請求項に関して示されており、他の実施例は、装置形式の請求項に関して示されている。しかしながら、前述のおよび以下の記載から、特に説明のない限り、一つのタイプの主題に属する特徴のいかなる組み合わせに加えて、異なる主題に関する特徴の間のいかなる組み合わせも、本願に開示されていると見なされることは、当業者には明らかである。しかしながら、全ての特徴は、特徴の単なる合計を超えるシナジー効果を得るため、組み合わせることができる。
特許請求の範囲において、「有する」と言う用語は、他の素子または工程を排斥するものではなく、「一つの」と言う用語は、複数の存在を否定するものではない。単一のプロセッサまたは他のユニットは、請求項に記載のいくつかの事項の機能を満たしても良い。単に、ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されていることから、これらの手段の組み合わせが有意に使用されないと解してはならない。

Claims (11)

  1. X線微分位相コントラスト撮像用の偏向装置であって、
    第1の領域の第1の複数部と、
    第2の領域の第2の複数部と、
    を有する偏向構造を有し、
    前記第1の領域は、X線放射線の位相および／または振幅を変化するように提供され、
    第2の領域は、X線に対して透過性であり、
    前記第1および第2の領域は、周期的に配置され、断面において、前記偏向構造には、突起として提供された第1の領域の間に形成された第2の領域が、溝状凹部の形態で提供されるように配置されたプロファイルが設けられ、
    隣接する突起は、間に配置された前記各凹部を部分的に取り囲むそれぞれの側表面を構成し、
    各凹部の両側の前記側表面間の距離は、前記凹部の深さにわたって変化し、
    前記突起は、複数のミラー軸のまわりで繰り返される順番でもたらされることを特徴とする偏向装置。
  2. 前記偏向構造の各周期は、X線放射線を集束するマイクロレンズ構造として機能するように適合され、前記マイクロレンズ構造からの距離で、強度最大値が得られることを特徴とする請求項1に記載の偏向装置。
  3. 強度プロファイルは、最初に、タルボット距離、すなわち2（当該偏向装置のピッチ）2／λの1／16未満の距離で、再生されることを特徴とする請求項1または2に記載の偏向装置。
  4. 前記偏向構造の前記プロファイルは、放物線型位相プロファイルとして提供されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の偏向装置。
  5. 前記偏向構造のプロファイルは、離散化（discretized）形状で提供されることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の偏向装置。
  6. 前記第1の領域には、複数の突起形状が提供され、
    前記異なる突起形状は、繰り返し構造で配置されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の偏向装置。
  7. 前記偏向構造のプロファイルは、複数の曲線化プロファイルセグメントとして提供され、
    前記セグメントは、πまたはπの整数倍、例えば2πまたは4πで曲線セグメントをラップバック（wrapping back）することにより形成されることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の偏向装置。
  8. 対象物の位相コントラスト画像を形成するX線システムの検出器配置であって、
    位相格子と、
    解析器格子と、
    X線放射線の強度変化を記録するように適合されたセンサを有する検出器と、
    を有し、
    前記位相格子は、請求項1乃至7のいずれか一つに記載の偏向装置として提供され、
    前記位相格子および／または前記解析器格子は、前記偏向構造を横断する態様でステップ化されるように適合されることを特徴とする検出器配置。
  9. 対象物の位相コントラスト画像を得るためのＸ線画像取得装置であって、
    Ｘ線源と、
    位相格子と、
    解析器格子と、
    検出器と、
    を有し、
    前記Ｘ線源は、Ｘ線放射線を形成し、
    当該X線画像取得装置は、十分にコヒーレンスなX線ビームを提供するように適合され、
    前記解析器格子の位置で干渉が観測され、
    前記位相格子、前記解析器格子、および前記検出器は、請求項8に記載の検出器配置として提供されることを特徴とするＸ線画像取得装置。
  10. 光源格子を有し、
    前記光源格子は、前記少なくとも一部がコヒーレントなX線放射線を形成する前記X線源の前記X線放射線を分割するように適合され、
    前記光源格子には、光源格子ピッチが提供され、
    前記解析器格子のピッチに対する前記光源格子のピッチの比は、前記位相格子と前記解析器格子の間の距離に対する、前記光源格子と前記位相格子の間の距離の比と等しいことを特徴とする請求項9に記載のＸ線画像取得装置。
  11. 微分位相コントラスト撮像用のX線撮像システムであって、
    請求項9または10に記載の対象物の位相コントラスト画像を得るためのX線画像取得装置と、
    処理ユニットと、
    インターフェースユニットと、
    を有し、
    前記処理ユニットは、前記X線源、ならびに前記解析器格子および／または前記位相格子の位相ステップ処理を制御するように適合され、
    前記インターフェースユニットは、検出された生の画像データを、前記処理ユニットに提供するように適合されることを特徴とするX線撮像システム。
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