JP6579652B2 - Ｘ線透視装置 - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ線透視装置の関連技術である。Ｘ線透視においてＸ線の吸収が少なくコントラストの付きにくい生体軟組織や樹脂などを対象とするとき、試料物体の屈折率の変化を画像化する手法として屈折コントラスト法やタルボ干渉計が用いられるが、本発明はそれらに代わり試料物体の屈折率の変化の画像化を、より低い被曝線量で可能とする為の技術を提供するものである。

医療用途から工業用途まで広くＸ線透視撮影法が用いられているが、これは対象の試料物体にＸ線を透過させた際の、試料物体内部のＸ線の吸収度を反映した投影像が得られる方法である。

試料物体中においてより重い元素がより高い密度で存在しているほどより高いＸ線の吸収度をもち、より明瞭なコントラストが得られるという吸収コントラストの原理により、同種の軽元素を主成分とする生体の軟組織や樹脂などを対象とする場合には、像にコントラストが付きにくいという欠点がある。

これを解決する手段として、屈折コントラスト法（図１）やタルボ干渉計（図２）が提案されている。いずれも、試料物体のＸ線に対する屈折率の分布を反映した像を取得するものである。一般に試料物体のＸ線に対する屈折率は１に近く、屈折率分布をもった試料物体を通過したＸ線は、微小角度だけ屈折する。

図１に示す屈折コントラスト法では、Ｘ線の点光源１１を用いて試料物体１２を照射し、ある距離だけ離れたスクリーン１３あるいはＸ線イメージセンサ上に投影された像を取得するものである。これは微小角度だけ屈折されたＸ線が有限距離を伝播することにより直進した場合に比べて投影位置がずれ、直進した場合のスクリーン上での位置が暗くなり、また、屈折した先のスクリーン位置が明るくなる事により、屈折現象がコントラストとして可視化される事を原理としている（非特許文献３参照）。

図２に示すタルボ干渉計は、屈折率分布により生じる波面の変化を、微分位相の分布として可視化するものである（特許文献１、非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３参照）。具体的には、Ｘ線の点光源２１を用いて試料物体２２を照射し、試料物体２２の直後に位相格子２３を配置し、位相格子から適当な距離を経て振幅格子２４を配置し、振幅格子の直後にスクリーン２５やＸ線イメージセンサ配置するものである。位相格子２３は位相分布をもった試料物体の透過Ｘ線を、微分位相に依存したモアレ・パタンへと変換する能力をもっており、振幅格子２４はモアレ・パタンを強度コントラストへと変換しており、結果として微分位相の分布をスクリーン上のＸ線強度コントラストとして可視化する事を原理としている。また、モアレ・パタンを直接に２次元イメージセンサで検出することも可能である。その場合には、モアレ・パタンの形状の検出により微分位相の分布を得ると同時に、モアレ・パタンのＸ線強度の計測によりＸ線吸収の分布も取得することができる。

屈折コントラスト法に比べ、タルボ干渉計は試料物体の吸収率分布と屈折率分布を同時に計測し、さらにより微小な屈折率分布を検出する能力を持つ。しかしながら、現実的な位相格子２３はＸ線に対して有限の吸収を持っており、Ｘ線が試料物体２２を透過した後に位相格子２３を配置する必要性から、試料物体２２を透過したＸ線の一部を無駄にしている状況になり、試料物体のＸ線被曝が増えてしまうという問題がある。

また、試料物体２２と位相格子２３との距離が有限距離に開いてしまうと、この試料物体２２と位相格子間２３の距離により、屈折コントラストの効果が混入してしまうという問題が生じる。試料物体２２と位相格子２３が密接していれば、タルボ干渉計は屈折の効果を純粋な微分位相として画像化すると同時に吸収率分布も画像化できるが、試料物体２２と位相格子２３との距離が有限の場合には試料物体２２での屈折によりスクリーン２５上の投影位置が屈折率の変化の大きさや距離に応じて変化するとともに、吸収率分布を反映する筈の強度分布も変化する。これにより、強度分布に屈折率の効果が混入するとともに、スクリーン上の位置と試料物体の位置とが１対１に対応しなくなり、像の解釈が難しくなるという問題がある。

国際公開番号ＷＯ２００４／０５８０７０

Franz Pfeiffer, Timm Weitkamp, and Christian David, "X-ray phase contrast imaging using a grating interferometer", Europhysics News, 37, p13-15 (2006) Wataru Yashiro, Yoshihiro Takeda, Atsushi Momose , "Efficiency of capturing a phase image using cone-beam x-ray Talbot interferometry", Journal of the Optical Society of America A | OPTICS, IMAGE SCIENCE, AND VISION, 25(8) : 2025-39 (2008) Atsushi Momose, Wataru Yashiro, and Yoshihiro Takeda, "X-ray Phase Imaging with Talbot Interferometry", in Biomedical Mathematics: Promising Directions in Imaging, Therapy Planning and Inverse Problems, edited by Y. Censor, M. Jiang, and G. Wang (Medical Physics Publishing, Madison, Wisconsin, USA, 2009), Ch. 14 (p281-320).

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、試料物体へのＸ線被曝を抑えつつ、試料物体のＸ線屈折率を画像化し、Ｘ線屈折率の分布を定量的に計測するＸ線透視装置を提供することにある。

本発明は、以下の構成によって把握される。
（１）本発明に係る第１の観点は、Ｘ線透視装置であって、Ｘ線源と、前記Ｘ線源と試料物体の間に配置され、前記Ｘ線源から放射されたＸ線が通過するレンズアレイと、前記試料物体の背後に配置され、前記試料物体を透過した前記Ｘ線を像として検出するスクリーン又は２次元Ｘ線センサを含む検出手段と、を備えることを特徴とする。

（２）上記（１）の構成において、前記Ｘ線源は、点状又は線状の単位Ｘ線源を含み、前記Ｘ線源の発光形状として、複数の点状の単位Ｘ線源が２次元的に配列している第１のＸ線源、複数の線状の単位Ｘ線源が等間隔又は不等間隔に１次元的に配列している第２のＸ線源、有限の大きさをもったＸ線源に対して複数の小孔を２次元的に配置した絞りにより実効的に点状の単位Ｘ線源の２次元配列を実現している第３のＸ線源、及び線状のスリットを等間隔又は不等間隔に１次元的に配置し実効的に線状の単位Ｘ線源の１次元配列を実現している第４のＸ線源、の少なくとも一つを有してもよい。

（３）上記（１）の構成において、前記Ｘ線源は、点状又は線状の単位Ｘ線源を含み、その発光形状として、前記Ｘ線源が前記点状の単位Ｘ線源を含むとき、複数の点状の単位Ｘ線源が正方格子、三角格子、六角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子、準結晶格子及びランダム格子の少なくとも一つを含む２次元配列をもち、その配列全体の２次元形状として三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもち、前記Ｘ線源が前記線状の単位Ｘ線源を含むとき、複数の線状の単位Ｘ線源がその配列全体の２次元形状として三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもつようにしてもよい。

（４）上記（１）の構成において、前記レンズアレイは、前記Ｘ線を収束させる微小レンズの集合体であり、各微小レンズの焦点が前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に存在し、前記焦点が点状又は線状の形状を有してもよい。

（５）上記（１）の構成において、前記レンズアレイは、単位レンズアレイを複数重ね合わせて合成したものであって、全体形状として平面又は曲面を有し、前記単位レンズアレイは、タングステン、白金、金、銀、銅、鉛、鉄、亜鉛、錫、モリブデン、チタン、ニッケル若しくはアルミニウムを含む純金属若しくはそれらの合金、又はケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭素、カーバイド、石灰、ガラス若しくはセラミックを含む単一素材若しくはそれらの複合材料を素材とする板であって、前記板に凹形状の窪みをアレイ状に配置し形成した第１の板、前記板の内部に、ガラス、石英、セラミック若しくは金属から選択され、前記板を構成する前記素材とは異なる相対的に密度の低い素材から形成された球形物体、球殻物体、レンズ形状物体又はレンズ形状殻物体を埋め込み、アレイ状の配置に低密度部又は空洞部を形成した第２の板、前記第１の素材から形成された回折レンズをアレイ状に配置した第３の板、及び
同心円状の前記第１の素材をアレイ状に配置した第４の板、の少なくとも一つから構成されてもよい。

（６）上記（１）の構成において、前記レンズアレイは、微小な収束レンズの集合体であり、前記収束レンズが点状の焦点をもち、２次元の正方格子、三角格子、六角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子、準結晶格子及びランダム配置の少なくとも一つを含む配置で前記レンズアレイ面上に配置され、又は、前記収束レンズが線状の焦点をもつシリンドリカル・レンズ若しくは円筒レンズであって、１次元的に等間隔若しくは不等間隔に前記レンズアレイ面上に配置されてもよい。

（７）上記（１）の構成において、前記レンズアレイは、微小レンズから構成され、前記微小レンズのレンズ開口部以外の部分において、前記Ｘ線を遮蔽する素材及び／又は構造をもつようにしてもよい。

（８）上記（１）の構成において、さらに、前記試料物体を回転させる機構、又は前記Ｘ線源、前記レンズアレイ及び前記２次元Ｘ線センサを前記試料物体に対して回転させる機構と、前記試料物体の内部の屈折率の分布を計測する手段とを備えてもよい。

（９）上記（１）の構成において、さらに、前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサの直前に設けられ、前記試料物体を配置しない場合に、前記Ｘ線が前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に収束する位置のビームを遮るような焦点遮蔽板と、前記試料物体での前記Ｘ線の屈折によるＸ線の収束点の位置の変化を前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上の前記Ｘ線の強度変化に変換し、前記試料物体の２次元に投影された屈折率の分布を強度コントラストの分布として計測する手段と、を備えてもよい。

（１０）上記（１）の構成において、さらに、前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に投影されるＸ線の収束点の位置、形状及び強度を計測することにより、前記試料物体の２次元に投影された屈折率分布及び吸収率分布を計測する手段を備えてもよい。

本発明によれば、試料物体へのＸ線被曝を抑えつつ、試料物体のＸ線屈折率を画像化し、Ｘ線屈折率の分布を定量的に計測するＸ線透視装置を提供することができる。

一つの従来技術における屈折コントラスト法の構成図である。 他の従来技術におけるタルボ干渉計の構成図である。 本発明の実施形態に係る（以下、同様）レンズアレイ方式の構成図である。 スクリーン上の焦点位置の移動をコントラストに変換する方式の構成図である。 Ｘ線点源アレイを用いる方式の構成図である。 正方形の正方格子のＸ線点源アレイと正方格子レンズアレイを用いる方式の構成図である。 正六角形の正三角格子のＸ線点源アレイと正三角格子レンズアレイを用いる方式の構成図である。 屈折レンズにより構成したＸ線レンズアレイの断面図であって、（Ａ）片面凸型、（Ｂ）両面凸型、（Ｃ）球形空洞型、（Ｄ）レンズ空洞型である。 微小なレリーフ型回折レンズの集合により構成したレンズアレイの断面図である。 微小なπ位相型ゾーン・プレートの集合により構成したレンズアレイの断面図である。 微小な振幅型ゾーン・プレートの集合により構成したレンズアレイの断面図である。 微小な円形の回折レンズの正方格子配置で構成したＸ線レンズアレイの平面図である。 微小な円形の回折レンズの正三角格子配置で構成したＸ線レンズアレイの平面図である。 微小な正方形の回折レンズの正方格子配置で構成したＸ線レンズアレイの平面図である。 微小な正六角形の回折レンズの正三角格子配置で構成したＸ線レンズアレイの平面図である。 単一焦点距離の球面レンズアレイと球面スクリーンの方式の構成図である。 レンズアレイ曲面とスクリーン曲面の座標系の図である。 単一焦点距離の平面レンズアレイと曲面スクリーンの方式の構成図である。 単一焦点距離の曲面レンズアレイと平面スクリーンの方式の構成図である。 ＣＴの構成と座標系である。

（実施形態）
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）について詳細に説明する。実施形態の説明の全体を通して同じ要素には同じ番号を付している。

（（Ｘ線透視装置１０の全体構成））
上記した問題を解決するため検討したところ、発明者は、図３に示す様なＸ線透視装置１０、即ちＸ線の点光源３１、レンズアレイ３２、試料物体３３、検出手段としてＸ線を像として検出するスクリーン３４又は２次元Ｘ線センサとを配置することが有効である事を見出した。

レンズアレイ３２は多数の微小レンズ３５より構成されており、多数の微小レンズ３５の其々は、試料物体３３が配置されていない場合に、Ｘ線の焦点３７をスクリーン３４上に結ぶ様に位置や焦点距離が設定させている。この為、スクリーン３４上には多数のＸ線の焦点３７が微小レンズ３５の位置に応じて投影されている。なお、本明細書において、焦点をＸ線の収束点ということがある。

試料物体３３は、レンズアレイ３２とスクリーン３４の間に配置される。試料物体３３が屈折率分布をもつ場合、収束Ｘ線ビーム３６は屈折をうけ、試料物体３３の背後に設けられたスクリーン上の焦点位置が移動３８する事になる。その焦点位置シフト量は、屈折の大きさと、屈折点からスクリーンまでの距離に応じて大きくなる。この焦点位置シフト量をスクリーン上で画像として計測する事により、試料物体３３中での屈折の様子を、２次元の投影像として計測する事が可能となる。

試料物体３３内部でのＸ線の屈折量の計測感度は、焦点３７のサイズが小さいほど高くなり、また、試料物体３３からスクリーン３４までの距離が遠いほど高くなる。

画像として計測される個々の焦点３７のＸ線強度は、射線となる収束Ｘ線ビーム３６上の試料物体３３の吸収率を反映しており、従来のＸ線吸収コントラストも同時に計測可能である。

空間分解能はレンズアレイ３２を構成する個々の微小レンズ３５のサイズにより決定される。試料内部に空間分解能よりも細かい屈折率分布があった場合には、焦点サイズが大きくなったり、歪んだり、複数の焦点に分裂するなどの現象が生じる。この焦点の広がり等の情報も試料内部の情報として利用することもできる。

現実に作成可能なレンズアレイ３２はＸ線を収束する効果だけでなく吸収する効果も副作用としてもっているが、Ｘ線が試料物体３３に照射される前に吸収されるため、試料のＸ線被曝量が増える事はない。

図４に、スクリーン３４上の焦点位置の移動３８の大きさをスクリーン上の強度コントラストに変換して画像計測する方式を提示する。試料を置かない場合の標準位置の焦点に集まるＸ線ビームを遮蔽部分４２により隠すものの、それ以外のビームは透過部分４３により通す機能をもつ焦点遮蔽板４１を、スクリーン３４や２次元Ｘ線画センサの直前に配置することにより、焦点が移動した場合のみにスクリーンまでＸ線ビームが到達４４するようになり、焦点の移動をスクリーン３４上の強度コントラストへと変換できるようになる。

この焦点移動を強度コントラストへと変換する方式は、２次元画像センサの画素を小さく取れない場合に、ピクセルサイズに比べて微小な焦点移動を、ピクセル上での強度変化として捉える事ができ、有効な手法となる。この方式の場合、図４の焦点遮蔽板４１の面上において黒色で示した遮蔽部分４２の形が、試料物体が無い場合の焦点の位置及び大きさに、可能な限り一致している方がより屈折の計測感度が高くなる。また、遮蔽部分４２の形を面上でＸ方向若しくはＹ方向に伸ばし扁平な形にすることにより、Ｙ方向若しくはＸ方向など特定の方向の試料の屈折量のみを選択的に計測することもできる。この遮蔽部分の扁平化は其々の焦点毎に方向や大きさが異なっていてもよく、同時に各方向の屈折量を計測することもできる。

図５に、Ｘ線源としてＸ線の点源アレイ５１を用いる方式の構成図を示す。Ｘ線点源アレイ５１上には多数のＸ線点源が２次元的に配列されている（この場合、「第１のＸ線源」ともいう）。この方式の場合、レンズアレイ５３は飛び飛びの位置に存在する多数の微小レンズ５４と、微小レンズの間を埋めるＸ線遮蔽板５５より構成されている。個々の微小レンズは、点源アレイ５１全体の２次元像をスクリーン５７上に投影するように焦点距離が定められている。また、個々の微小レンズがスクリーンに投影する焦点の集合どうしが重ならず、しかも焦点の集合がスクリーン上を万遍なく埋め尽くすように、Ｘ線点光源アレイ５１の全体形状とレンズアレイ５３上の微小レンズ５４の配置が定められている。なお、本明細書を通じ、Ｘ線の点源又は点光源というとき、「点状の単位Ｘ線源」を指す。

図６に、Ｘ線点源アレイ６１としてＸ線の点源６２が２次元の正方格子に配列され、その全体形状が正方形である場合の例を示す。レンズアレイを構成する個々の微小レンズは、スクリーンに光源の像６１０を投影しており、その投影された焦点分布の形状はＸ線点源アレイの配列を上下左右に転置されたものになっている。この場合、レンズアレイ６３のレンズの配列を正方格子にし、その格子間隔を適切に選べば、スクリーン６７上に万遍なく焦点６９を分布させることができる。

図７に、Ｘ線点源アレイ７１としてＸ線の点源７２が２次元の正六角格子に配列され、その全体形状が正六角形である場合の発光形状の例を示す。この場合には、レンズアレイ７３を構成する個々の微小レンズ７４はスクリーンに上下左右に反転した光源の像７１０を投影しており、レンズアレイ７３のレンズ配列を三角格子にすることにより、スクリーン上に万遍なく焦点７９を分布させることができる。なお、図６及び図７では、正方格子及び正六角格子の場合を図示したが、Ｘ線の点源７２の２次元配列は、これらに限定されることなく、三角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子、準結晶格子及びランダム格子の少なくとも一つを含むものとしてもよい。その際、その配列全体の２次元形状としては、三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもつようにしてもよく、後記するようなＸ線の線源であるときは、同様に、その配列全体の２次元形状として三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもつようにしてもよい。

上記のＸ線の点源アレイを用いる方式は、スクリーン上の多数の焦点位置に多数独立に収束してゆく照射Ｘ線の生成方法に違いはあるものの、試料物体５６のＸ線屈折を計測する原理において、図３や図４に示したＸ線点源とレンズアレイを用いる方法の計測原理に違いはない。即ち、焦点位置の移動３８、５１０の計測や、スクリーン直前に焦点遮蔽板４１を設置し焦点移動を強度コントラストとして計測するなどの手法をそのまま用いることができる。

このＸ線の点源アレイを用いる手法には、空間コヒーレンスの悪い大きな線源サイズのＸ線源を屈折率計測に利用できるという利点がある。即ち、大きな線源サイズのＸ線源に、Ｘ線を遮蔽する板にＸ線を通す多くの小孔を２次元的に配列して穿孔した多孔絞りを置くことにより、Ｘ線点源アレイ５１を実効的に構成することができ（この場合、「第３のＸ線源」ともいう）、それを用いて試料物体の屈折量を計測することができる。

また別の方法としては、Ｘ線を発生させるＸ線管のターゲットとして、小さな重金属ターゲットを軽元素材料の表面や内部に２次元的に配列したものを採用することにより、Ｘ線点源アレイ５２を構成することもできる。

本計測手法をコンピューテッド・トモグラフィ（ＣＴ）の手法と組み合わせることにより、試料物体内部のＸ線屈折率分布を計測することも可能である。即ち、試料物体を回転させる機構によって回転させながらの投影データの連続計測、若しくは試料に対して計測装置の全体を回転させる機構によって回転させながらの投影データの連続計測を行い、投影データから数値計算により試料物体内部の屈折率分布を得ることが出来る。また、同時にＸ線吸収の投影データも取得できることから、試料内部の吸収率分布もＣＴ手法により計測できる。

タルボ干渉計では、試料物体２２を透過したＸ線が位相格子２３に吸収されるため、試料物体２２のＸ線被曝量が増える問題点があるが、図３〜図７、及び請求項１に記載の本手法ではその問題が解決されている。

また、タルボ干渉計では、微分位相の分布を正確に計測するには試料物体２２は位相格子２に近付けておく必要がある。試料物体２２と位相格子２３の距離が離れた場合には、試料物体２２による屈折の効果により、距離に応じてスクリーン２５上で非局所的なＸ線ビームの混合が生じ、結果としてボケが生じてしまう欠点があるが、本手法ではレンズアレイ３２から試料物体３３までの距離や、試料物体３３からスクリーン３４までの距離が離れていても、レンズアレイ３２の各微小レンズ３５の焦点３７の位置がスクリーン３４上でそれに応じて移動３８するだけであり、タルボ干渉計で問題となる様なボケは生じない。

上述の、レンズアレイ３２やスクリーン３４から試料物体３３が離れていても、Ｘ線の屈折率及び吸収率の計測に問題が生じないことは、ＣＴ手法による試料物体内部の屈折率分布や吸収率分布の計測には特に有利である。ＣＴ手法では、試料と計測装置を相対的に回転させる必要があるため、装置のレンズアレイやスクリーンと、試料物体とは必ず一定の距離を離す必要があり、また、回転する有限サイズの試料物体内部の各点と装置各部位とは回転に応じて変動する距離を取ることになる。請求項１０に記載の本手法では有限距離で問題となりえる屈折コントラストの効果の混入を排除できており、正確な資料内部の屈折率分布と吸収率分布のＣＴ計測を可能とする点も特徴としている。

以上に説明した本手法の利点は、レンズアレイ３２の下流側に試料物体３３を置くことにより得られたものであるが、逆にレンズアレイ３２の上流側に試料物体を置いても試料物体内部の屈折率分布を反映した２次元像を取得することができる。この場合は、レンズアレイとスクリーンの系は、試料を透過しレンズアレイに入射したＸ線に対する２次元の波面センサとして動作することになる。

（（レンズアレイ３２の構成））
次に、本発明を実施するために必要となる、レンズアレイの設計と制作手法、レンズアレイの配置方法、及びＣＴ計測の具体的な計算方法を開示する。

レンズアレイ３２は、Ｘ線に対し屈折率をもった物質の形状加工により形成する事が出来る。以下、Ｘ線に対する屈折率や焦点距離などを検討し、屈折型微小レンズ及び回折型微小レンズより構成されるレンズアレイの具体的な設計や作成の手法を提示する。

以下に屈折型の微小レンズで構成されるレンズアレイの設計手法について提示する。具体的なレンズアレイの形状の断面図を図８に示す。

上述の様に、金属やケイ素などの素材の板の表面に球面状やレンズ状の凹形状の窪み８２を多数設ける、あるいは素材の内部に球形状の空洞８４や凸レンズ形状の空洞８５を多数設ける、などの方法により、素材の板をレンズアレイに加工して用いることができる。具体的な凹部の形成方法としては、ＮＣ加工機などによる機械加工、凸形状アレイの型によるプレス加工、金属板に多数の球形のガラス玉やセラミック球などを押し付け加工、などが可能である。ここで、板に凹形状の窪みをアレイ状に配置し形成したものを第１の板、板の内部に、ガラス、石英、セラミック若しくは金属から選択され、板を構成する素材とは異なる相対的に密度の低い素材から形成された球形物体、球殻物体、レンズ形状物体又はレンズ形状殻物体を埋め込み、アレイ状の配置に低密度部又は空洞部を形成したものを第２の板、素材から形成された回折レンズをアレイ状に配置したものを第３の板、同心円状の素材をアレイ状に配置したものを第４の板、とそれぞれ呼ぶ。素材の板は、これらの第１の板、第２の板、第３の板及び第４の板の少なくとも一つから構成される。

レンズアレイにおける微小レンズの配置は、正方格子や三角格子など整列された配置が望ましいが、ランダム配置でも可能である。ランダム配置の場合には、予め試料を配置せずにＸ線を発光させ、スクリーン上にランダムに現れる焦点位置を計測しておき、試料を配置した場合との焦点位置の比較を取ることにより、試料物体内部での屈折の量と方向などを計測する。素材内部に球形や凸レンズ形状の素材を埋め込む作成手法を採用する場合において、その埋め込む素材の位置を正確に制御できない場合があるが、以上の方法により対応可能である。なお、微小レンズの２次元の配置は、正方格子、三角格子、ランダム配置のほかにも、六角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子及び準結晶格子の少なくとも一つを含むようにしてもよい。

レンズアレイは、ゾーン・プレート等を含む回折レンズを構成要素の微小レンズとするアレイとして形成することもできる。レンズアレイの構成要素となる回折レンズあるいはフレネル・ゾーン・プレートとしては、場所に依存して位相を変調する位相型と、吸収率を分布させる振幅型の２種類に大別されるが、どちらも採用可能である。

以下ではビーム利用効率が高く不要な散乱も少ないレリーフ型回折レンズ（あるいは同等の意味の呼称として連続的位相型フレネル・ゾーン・プレート、あるいはマルチ・バリュー位相型フレネル・ゾーン・プレート）をレンズアレイの構成要素とする場合の設計手法を提示する。この形状の断面図を図９に、この形状の平面図を図１２〜図１５に示す。

以上に、レンズアレイの設計手法としてレリーフ型回折レンズとしての連続的位相型フレネル・ゾーン・プレートを用いる方法を提示したが、図１０に示す様な断面形状をもつπ位相シフトのバイナリ位相型フレネル・ゾーン・プレートを構成要素としてもつレンズアレイとして作成してもよい。連続位相型に比べバイナリ位相型の方が単純な構造であり比較して容易に作成可能であるが、不要な散乱が増える欠点があり、連続位相型の方がより望ましい。また、レンズアレイを、位相型ではなく図１１に示す様な振幅型（あるいは吸収型）のフレネル・ゾーン・プレートの集合体として作成することもできる。この場合、Ｘ線を吸収しやすい素材を用いて輪帯を構成する。図１１では、Ｘ線を吸収しにくい軽元素でできた基板１１２の上に、Ｘ線をより球種する重い元素でできたゾーン・プレートの輪体１１１を構成する方法を示した。位相型に比べ振幅型ではＸ線の吸収が増えてしまう欠点があり、位相型の方がより望ましい。

レンズアレイ上の微小な回折レンズの２次元的な配置は、図１２に示す正方格子の配置や、図１３に示す正三角格子の配置など、任意の配置が可能である。また、微小回折レンズの形は図１２、図１３に示した円形のみならず、図１４に示す正方格子における正方形や、図１５における正三角格子における正六角形などの、格子の基本領域を最大に利用する形も可能である。微小回折レンズの形として、円形に比べ基本領域を最大限利用する形状は、Ｘ線の利用効率を最大化するとともに、試料への不要なＸ線の照射を少なくする効果がある。

レンズアレイを構成するレンズの焦点距離を一定値に揃え、さらにレンズアレイを平面にする方法には、レンズアレイの製造を簡単にする利点がある。この場合には、スクリーン形状をビーム軸に関するある特定の回転曲面形状にすれば、スクリーン上にレンズアレイの各焦点を合わせることができる。この曲面形状は以下のように求められる。

Ｘ線の光源として光源形状が線状の光源を用いる場合には、光源の形状に平行な方向のシリンドリカル・レンズ又は円筒レンズを、等間隔又は不等間隔に１次元的に配置したレンズアレイを用いる（この場合、「第２のＸ線源」ともいう）。また、線状のスリットを等間隔又は不等間隔に１次元的に配置し、実効的に１次元配列を実現してもよい（この場合、「第４のＸ線源」ともいう）。レンズアレイとスクリーンを、線光源を中心とした同心円筒形状に配置すれば、レンズアレイの個々のレンズ焦点距離を一定とすることが出来る。また、レンズアレイの焦点距離を一定値にする場合、平面レンズアレイと曲面スクリーンの組み合わせ、及び曲面レンズアレイと平面スクリーンの組み合わせを選択することもできる。なお、本明細書を通じ、Ｘ線の線状の光源又は線光源というとき、「線状の単位Ｘ線源」を指す。

試料内部の屈折率分布を計測する場合には、本装置に対し試料を回転させながら連続撮影、若しくは試料は静止したままでＸ線源、レンズアレイ及びスクリーンよりなる本装置を回転させながら連続撮影するなどし、得られた投影情報から数値計算により試料内部の屈折率分布を取得するコンピューテッド・トモグラフィ（ＣＴ）の手法を用いることが出来る。以下にその具体的手法を開示する。

本発明は、医療・医学・生物学及び獣医学などの為のＸ線ＣＴを含むＸ線画像診断装置、産業用のＸ線検査装置として利用される。

１０…Ｘ線透視装置、１１…Ｘ線点源、１２…試料物体、１３…スクリーン、２１…Ｘ線点源、２２…試料物体、２３…位相格子、２４…振幅格子、２５…スクリーン、３１…Ｘ線点源、３２…レンズアレイ、３３…試料物体、３４…スクリーン、３５…微小レンズ、３６…収束Ｘ線ビーム、３７…Ｘ線の焦点、３８…焦点位置の移動、４１…焦点遮蔽版、４２…遮蔽部分、４３…透過部分、４４…スクリーンに到達したビーム、５１…Ｘ線点源アレイ、５２…Ｘ線点源、５３…レンズアレイ、５４…微小レンズ、５５…遮蔽板、５６…試料物体、５７…スクリーン、５８…収束Ｘ線ビーム、５９…Ｘ線の焦点、５１０…焦点位置の移動、６１…Ｘ線点源アレイ、６２…Ｘ線点源、６３…レンズアレイ、６４…微小レンズ、６５…遮蔽板、６６…試料物体、６７…スクリーン、６８…収束Ｘ線ビーム、６９…Ｘ線の焦点、６１０…光源の像、７１…Ｘ線点源アレイ、７２…Ｘ線点源、７３…レンズアレイ、７４…微小レンズ、７５…遮蔽板、７６…試料物体、７７…スクリーン、７８…収束Ｘ線ビーム、７９…Ｘ線の焦点、７１０…光源の像、８１…素材、８２…凹部（微小レンズ）、８３…両側凹部（微小レンズ）、８４…球形空洞部（微小レンズ）、８５…レンズ型空洞部（微小レンズ）、９１…素材、９２…微小レリーフ型回折レンズ、９３…レンズ中心、９４…鋸歯形輪帯、１０１…素材、１０２…微小π位相ゾーン・プレート、１０３…ゾーン・プレート中心、１０４…位相輪帯、１１１…Ｘ線吸収素材の輪帯、１１２…軽元素基板、１１３…微小振幅ゾーン・プレート、１１４…ゾーン・プレート中心、１６１…Ｘ線点源、１６２…球面レンズアレイ、１６３…試料物体、１６４…球面スクリーン、１７１…Ｘ線点源、１７２…レンズアレイ曲面、１７３…試料物体、１７５…Ｘ線の射線、１８１…Ｘ線点源、１８２…平面レンズアレイ、１８３…試料物体、１８４…曲面スクリーン、１９１…Ｘ線点源、１９２…曲面レンズアレイ、１９３…試料物体、１９４…平面スクリーン、１９５…解曲線、１９６…曲面レンズアレイ、１９７…試料物体、２０１…Ｘ線平行ビーム入射、２０２…レンズアレイ、２０３…試料物体、２０４…スクリーン平面、２０５…回転中心

Claims (9)

1. Ｘ線源と、
   前記Ｘ線源と試料物体の間に配置され、前記Ｘ線源から放射されたＸ線が通過するレンズアレイと、
   前記試料物体の背後に配置され、前記試料物体を透過した前記Ｘ線を像として検出するスクリーン又は２次元Ｘ線センサを含む検出手段と、
   を備えることを特徴とするＸ線透視装置であって、
   前記レンズアレイは、前記Ｘ線を収束させる微小レンズの集合体であり、各微小レンズの焦点が前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に存在し、前記焦点が点状又は線状の形状を有する、
   Ｘ線透視装置。
2. 前記Ｘ線源は、点状又は線状の単位Ｘ線源を含み、前記Ｘ線源の発光形状として、
   複数の点状の単位Ｘ線源が２次元的に配列している第１のＸ線源、
   複数の線状の単位Ｘ線源が等間隔又は不等間隔に１次元的に配列している第２のＸ線源、
   有限の大きさをもったＸ線源に対して複数の小孔を２次元的に配置した絞りにより実効的に点状の単位Ｘ線源の２次元配列を実現している第３のＸ線源、及び
   線状のスリットを等間隔又は不等間隔に１次元的に配置し実効的に線状の単位Ｘ線源の１次元配列を実現している第４のＸ線源、
   の少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
3. 前記Ｘ線源は、点状又は線状の単位Ｘ線源を含み、その発光形状として、
   前記Ｘ線源が前記点状の単位Ｘ線源を含むとき、複数の点状の単位Ｘ線源が正方格子、三角格子、六角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子、準結晶格子及びランダム格子の少なくとも一つを含む２次元配列をもち、その配列全体の２次元形状として三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもち、
   前記Ｘ線源が前記線状の単位Ｘ線源を含むとき、複数の線状の単位Ｘ線源がその配列全体の２次元形状として三角形、正方形、六角形、長方形、円形及び楕円形の少なくとも一つを含む有限面積の形状をもつことを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
4. 前記レンズアレイは、単位レンズアレイを複数重ね合わせて合成したものであって、全体形状として平面又は曲面を有し、
   前記単位レンズアレイは、
   タングステン、白金、金、銀、銅、鉛、鉄、亜鉛、錫、モリブデン、チタン、ニッケル若しくはアルミニウムを含む純金属若しくはそれらの合金、又はケイ素、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、炭素、カーバイド、石灰、ガラス若しくはセラミックを含む単一素材若しくはそれらの複合材料を素材とする板であって、
   前記板に凹形状の窪みをアレイ状に配置し形成した第１の板、
   前記板の内部に、ガラス、石英、セラミック若しくは金属から選択され、前記板を構成する前記素材とは異なる相対的に密度の低い素材から形成された球形物体、球殻物体、レンズ形状物体又はレンズ形状殻物体を埋め込み、アレイ状の配置に低密度部又は空洞部を形成した第２の板、
   前記素材から形成された回折レンズをアレイ状に配置した第３の板、及び
   同心円状の前記素材をアレイ状に配置した第４の板、
   の少なくとも一つから構成されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
5. 前記レンズアレイは、微小な収束レンズの集合体であり、
   前記収束レンズが点状の焦点をもち、２次元の正方格子、三角格子、六角格子、矩形格子、斜方格子、菱形格子、歪斜格子、ペンローズ格子、準結晶格子及びランダム配置の少なくとも一つを含む配置で前記レンズアレイ面上に配置され、又は、
   前記収束レンズが線状の焦点をもつシリンドリカル・レンズ若しくは円筒レンズであって、１次元的に等間隔若しくは不等間隔に前記レンズアレイ面上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
6. 前記レンズアレイは、微小レンズから構成され、前記微小レンズのレンズ開口部以外の部分において、前記Ｘ線を遮蔽する素材及び構造をもつこと特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
7. さらに、前記試料物体を回転させる機構、又は前記Ｘ線源、前記レンズアレイ及び前記２次元Ｘ線センサを前記試料物体に対して回転させる機構と、前記試料物体の内部の屈折率の分布を計測する手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
8. さらに、前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサの直前に設けられ、前記試料物体を配置しない場合に、前記Ｘ線が前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に収束する位置のビームを遮るような焦点遮蔽板と、
   前記試料物体での前記Ｘ線の屈折によるＸ線の収束点の位置の変化を前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上の前記Ｘ線の強度変化に変換し、前記試料物体の２次元に投影された屈折率の分布を強度コントラストの分布として計測する手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。
9. さらに、前記スクリーン又は前記２次元Ｘ線センサ上に投影されるＸ線の収束点の位置、形状及び強度を計測することにより、前記試料物体の２次元に投影された屈折率分布及び吸収率分布を計測する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線透視装置。