JP6673188B2 - Ｘ線位相撮影装置 - Google Patents

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Description

本発明は、Ｘ線位相撮影装置に関し、特に、格子を一定周期間隔に走査して得られた複数の画像から再構成画像を作成する方法（縞走査法）によって、Ｘ線位相コントラスト画像を得るＸ線位相撮影装置に関する。
従来、格子を一定周期間隔に走査して得られた複数の画像から再構成画像を作成する方法（縞走査法）によって、Ｘ線位相コントラスト画像を得るＸ線位相撮撮影装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１には、格子を周期方向に１／９周期ずつ並進させて得た９枚の画像から、Ｘ線位相コントラスト画像を得るＸ線位相撮影装置が開示されている。Ｘ線位相コントラスト画像には、吸収像、位相微分像および暗視野像が含まれる。
特開２０１２−１６３７０号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載されたような従来のＸ線位相撮影装置では、格子を９回走査させて撮影した９枚の画像から暗視野像を含むＸ線位相コントラスト画像を生成しているため、撮影に時間がかかるという問題点がある。また、医療用に用いる場合には、多数回の撮影によってＸ線の被ばく量が増加するという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、被写体を撮影する際の撮影時間を短縮するとともに、Ｘ線の被ばく量を低減することが可能なＸ線位相撮影装置を提供することである。
本願発明者らが鋭意検討を行った結果、被写体の暗視野像を得るためには、被写体がある場合とない場合とにおける、検出されるＸ線の強度変調信号（検出器で検出される画素値の変化を表す波形）の振幅の減少量（つぶれ方）が分かればよいという知見を得ることができ、この知見に基づいて、以下の発明に至った。すなわち、この発明の一の局面によるＸ線位相撮影装置は、Ｘ線源と、Ｘ線源から照射されたＸ線を検出する検出器と、Ｘ線源と検出器との間に配置され、Ｘ線源からＸ線が照射される第１格子と、第１格子を通過したＸ線が照射される第２格子とを含む複数の格子と、検出器により検出されたＸ線の強度分布から、暗視野像を含む画像を生成する画像処理部とを備え、画像処理部は、複数の格子を１か所または２か所の所定位置に配置して撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成するように構成されている。
ここで、被写体内にひびなどの微細構造がある場合、被写体内の微細構造によりＸ線が多重に散乱し、被写体を透過するＸ線のＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙ（干渉縞の鮮明度）が変化する。すなわち、被写体がある場合とない場合とを比較すると、被写体がある場合は、得られるＸ線の強度変調信号の振幅が減少する。ここでの強度変調信号は、第２格子を１周期分スキャンさせたときの、検出器で検出した画素値の変化を表した信号である。被写体によるＸ線の吸収によっても強度変調信号の振幅が減少するため、複数の格子を１か所の所定位置に配置して撮影した画像から強度変調信号の振幅の減少量を求めた場合、吸収成分と暗視野成分とを含む画像を生成することができる。また、複数の格子を２か所の所定位置に配置して撮影した画像から強度変調信号の振幅の減少量を求めた場合、吸収成分と暗視野成分とを個別に抽出することができるので、吸収像および暗視野像を生成することができる。したがって、この発明の一の局面におけるＸ線位相撮影装置では、上記のように、複数の格子を１か所または２か所の所定位置に配置して撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成することができる。その結果、格子を格子の周期方向に移動（走査）させて撮影する回数を抑制することが可能となり、被写体を撮影する際の撮影時間を短縮できるとともに、Ｘ線の被ばく量を低減することができる。
上記一の局面によるＸ線位相撮影装置では、好ましくは、画像処理部は、複数の格子のうち、いずれかを格子の周期方向に移動させた第１相対位置と、第２相対位置との２か所で撮影した画像から、暗視野像を生成するように構成されている。このように構成すれば、２か所の所定位置に格子を配置した所定位置で撮影することにより、２か所の所定位置で得られるＸ線の強度の和から吸収成分が抽出でき、２か所で得られるＸ線の強度の差から暗視野成分を抽出できるので、暗視野成分から吸収成分を除くことにより、暗視野像だけを生成することができる。また、暗視野像を生成する際、第１相対位置と第２相対位置との２か所に格子を配置して撮影すればよいので、従来の縞走査法を用いた場合と比べて、格子を格子の周期方向に移動（走査）させて撮影する回数を減らすことができる。その結果、撮影時間を短縮できるとともに、Ｘ線の被ばく量を低減することができる。
この場合、好ましくは、画像処理部は、第１格子の自己像の明線の中心が、第２格子のスリット部分に位置するように、第１格子と第２格子とを配置した第１相対位置において撮影された第１画像と、第１格子の自己像の明線の中心が、第２格子のＸ線吸収部分に位置するように、第１格子と第２格子とを配置した第２相対位置において撮影された第２画像と、から暗視野像を生成するように構成されている。このように構成すれば、第１相対位置で検出されるＸ線の強度が、強度変調信号として得られる波形の山部分に対応し、第２相対位置で検出されるＸ線の強度が、波形の谷部分に対応する。そのため、波形の山部分同士、または谷部分同士の２点で比較する場合と比べ、得られるＸ線の強度差が大きくなり、被写体がある場合の強度変調信号の振幅の減少の仕方が明確になる。その結果、生成する暗視野像の精度を向上させることができる。
さらに好ましくは、画像処理部は、第１格子の自己像の明線の中心と、第２格子のスリット部分の中心とが、略一致するように第１格子と第２格子とを配置した第１相対位置において撮影された第１画像と、第１格子の自己像の明線の中心と、第２格子のＸ線吸収部分の中心とが、略一致するように第１格子と第２格子とを配置した第２相対位置において撮影された第２画像と、から暗視野像を生成するように構成されている。このように構成すれば、Ｘ線を検出して得られる強度変調信号（検出器で検出される画素値の変化を表す波形）の振幅の頂点に対応する部分のＸ線を検出することができる。つまり、コントラスト生成に最も寄与する部分のＸ線を検出することができるので、得られるＸ線の強度差が最も大きくなり、被写体がある場合の強度変調信号の振幅の減少の仕方がより明確になる。その結果、生成する暗視野像の精度をさらに向上させることができる。
上記複数の格子を２か所の所定位置に配置して撮影した画像から暗視野像を生成する構成において、好ましくは、被写体と、Ｘ線源と複数の格子と検出器とを備えた撮影系とを相対回転させる回転機構をさらに備え、被写体と、撮影系との相対回転に伴う複数の回転位置の各々において、複数の格子を第１相対位置および第２相対位置に配置して撮影することにより、断層撮影を行うように構成されている。このように構成すれば、各々の回転位置において、格子を２か所に配置して撮影した画像により、ＣＴ撮影（断層撮影）を行うことが可能となる。その結果、通常の縞走査法を用いてＣＴ撮影（断層撮影）を行う場合と比較して、格子を格子の周期方向に移動（走査）させて撮影する回数を抑制することが可能になるので、撮影時間を短縮することができる。
上記複数の格子を２か所の所定位置に配置して撮影した画像から暗視野像を生成する構成において、好ましくは、被写体と、Ｘ線源と、複数の格子と、検出器とを備えた撮影系とを相対回転させる回転機構をさらに備え、画像処理部は、被写体と、撮影系との１回転分の相対回転を伴う複数の回転位置の各々において、前半１８０度の範囲では、第１相対位置または第２相対位置のどちらか一方に複数の格子を配置して画像を撮影し、後半の１８０度の範囲では、第１相対位置または第２相対位置の他方に複数の格子を配置して画像を撮影することにより、断層撮影を行うように構成されている。このように構成すれば、各々の回転位置において、前半の１８０度の範囲で撮影する間と、後半の１８０度で撮影する間とで、格子を格子の周期方向に移動（走査）させずにＣＴ撮影（断層撮影）を行うことが可能となる。その結果、通常の縞走査法を用いてＣＴ撮影（断層撮影）を行う場合と比較して、格子を格子の周期方向に移動（走査）させて撮影する回数をさらに抑制することが可能になるので、撮影時間をさらに短縮することができる。
上記一の局面におけるＸ線位相撮影装置において、好ましくは、画像処理部は、複数の格子を1か所の所定位置に配置して撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む第３画像を生成するように構成されている。このように構成すれば、あらかじめ決められた１か所の所定位置に格子を配置して撮影した画像から、被写体がある場合とない場合とで得られるＸ線の強度の差がわかる。つまり、被写体がある場合とない場合とにおける、Ｘ線強度変調信号（検出器で検出される画素値の変化を表す波形）の振幅の減少量がわかる。これにより、被写体がある場合とない場合とのＸ線の強度の比から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成することができるので、撮影中に格子を格子の周期方向に移動（走査）させる必要がなくなる。その結果、撮影時間をより短縮することができるとともに、Ｘ線の被ばく量をより低減することができる。
この場合、好ましくは、画像処理部は、第１格子の自己像の明線の中心が、第２格子のスリット部分に位置するように、第１格子と第２格子とを配置して撮影された第１画像と、第１格子の自己像の明線の中心が、第２格子のＸ線吸収部分に位置するように、第１格子と第２格子とを配置して撮影された第２画像との、どちらか一方の画像から第３画像を生成するように構成されている。このように構成すれば、所定位置で検出されるＸ線の強度が、強度変調信号として得られる波形の山部分または谷部分に対応する。そのため、被写体がある場合とない場合とで、強度変調信号の振幅の変化量が大きくなり、強度変調信号の振幅の減少量が明確になる。その結果、生成する画像の精度を向上させることができる。
さらに好ましくは、画像処理部は、第１格子の自己像の明線の中心と、第２格子のスリット部分の中心とが、略一致するように第１格子と第２格子とを配置して撮影された第１画像と、第１格子の自己像の明線の中心と、第２格子のＸ線吸収部分の中心とが、略一致するように第１格子と第２格子とを配置して撮影された第２画像との、どちらか一方の画像から第３画像を生成するように構成されている。このように構成すれば、Ｘ線を検出して得られる強度変調信号の振幅の頂点に対応する部分のＸ線を検出することができる。つまり、コントラスト生成に最も寄与する部分のＸ線を検出することができるので、被写体がある場合とない場合とにおける強度変調信号の振幅の変化量が最も大きくなり、被写体がある場合の強度変調信号の振幅の減少の仕方がより明確になる。その結果、生成する画像の精度をさらに向上させることができる。
上記一の局面におけるＸ線位相撮影装置では、好ましくは、複数の格子は、Ｘ線源と第１格子との間に配置された第３格子をさらに含んでいる。このように構成すれば、第３格子により、Ｘ線源から照射されるＸ線の可干渉性を高めることができる。その結果、焦点距離が微小でないＸ線源を用いて暗視野像を含む画像を生成することができる。
本発明によれば、上記のように、被写体を撮影する際の撮影時間を短縮するとともに、Ｘ線の被ばく量を低減することが可能なＸ線位相撮影装置を提供することができる。
本発明の第１実施形態のＸ線位相撮影装置の全体構成を示す図である。 本発明の第１実施形態のＸ線位相コントラスト画像生成処理フローを示すフローチャート図である。 本発明の第１実施形態の第１格子の自己像の明線と第２格子との位置関係を示すイメージ図（Ａ）〜（Ｄ）である。 本発明の第１実施形態の第１格子の自己像の波形と第２格子との位置関係を示すイメージ図（Ａ）〜（Ｄ）である。 本発明の第１実施形態の被写体がある場合とない場合との得られるＸ線の強度を示す正弦波のイメージ図である。 本発明の第１実施形態の第１相対位置と第２相対位置とで得られる画像のイメージ図（Ａ）〜（Ｄ）と、画像処理部で生成される吸収像（Ｅ）と暗視野像（Ｆ）とのイメージ図である。 本発明の第２実施形態のＸ線位相撮影装置の全体構成を示す図である。 本発明の第３実施形態の所定位置で得られる画像のイメージ図（Ａ）および（Ｂ）と、画像処理部で生成される吸収像と暗視野像とを含む画像（Ｃ）のイメージ図である。 本発明の第４実施形態のＸ線位相撮影装置の全体構成を示す図である。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
［第１実施形態］
図１〜図６を参照して、本発明の第１実施形態によるＸ線位相撮影装置１００の構成について説明する。
（Ｘ線位相撮影装置の構成）
まず、図１を参照して、第１実施形態によるＸ線位相撮影装置１００の構成について説明する。
図１に示すように、Ｘ線位相撮影装置１００は、Ｘ線源１と、位相格子２と、吸収格子４と、検出器５と、画像処理部６と、制御部７と、格子移動機構８とを備えている。なお、本明細書において、Ｘ線源１から位相格子２に向かう方向をＺ２方向、その逆向きの方向をＺ１方向とする。また、Ｚ方向と直交する面内の左右方向をＸ方向とし、紙面の奥に向かう方向をＸ２方向、紙面の手前側に向かう方向をＸ１方向とする。また、Ｚ方向と直交する面内の上下方向をＹ方向とし、上方向をＹ１方向、下方向をＹ２方向とする。なお、位相格子２および吸収格子４はそれぞれ、特許請求の範囲の「第１格子」および「第２格子」の一例である。
Ｘ線源１は、高電圧が印加されることにより、Ｘ線を発生させるとともに、発生されたＸ線を照射するように構成されている。
位相格子２は、Ｙ方向に所定の周期（ピッチ）ｄ１で配列される複数のスリット２ａ、および、Ｘ線位相変化部２ｂを有している。各スリット２ａおよびＸ線位相変化部２ｂはそれぞれ、Ｘ方向に延びるように形成されている。
位相格子２は、Ｘ線源１と、吸収格子４との間に設置されており、Ｘ線が照射される。位相格子２は、タルボ効果により、自己像を形成するために設けられている。可干渉性を有するＸ線が、スリットが形成された格子を通過すると、格子から所定の距離（タルボ距離）離れた位置に、格子の像（自己像）が形成される。これをタルボ効果という。自己像は、Ｘ線の干渉によって生じる干渉縞である。
吸収格子４は、Ｙ方向に所定の周期（ピッチ）ｄ２で配列される複数のスリット４ａおよびＸ線吸収部４ｂを有している。各スリット４ａおよびＸ線吸収部４ｂはそれぞれ、Ｘ方向に延びるように形成されている。
吸収格子４は、位相格子２と検出器５との間に配置されており、位相格子２を通過したＸ線が照射される。また、吸収格子４は、位相格子２からタルボ距離離れた位置に配置される。
Ｘ線源１と位相格子２との距離をＲ１、位相格子２と吸収格子４との距離をＲ２、Ｘ線源１と吸収格子４との距離をＲ（＝Ｒ１＋Ｒ２）とした場合、Ｘ線源１と、位相格子２と、吸収格子４との位置関係は、以下の式（１）により表される。
Figure 0006673188
検出器５は、Ｘ線を検出するとともに、検出されたＸ線を電気信号に変換し、変換された電気信号を画像信号として読み取るように構成されている。検出器５は、たとえば、ＦＰＤ（Ｆｌａｔ Ｐａｎｅｌ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。検出器５は、複数の変換素子（図示せず）と複数の変換素子上に配置された画素電極（図示せず）とにより構成されている。複数の変換素子および画素電極は、所定の周期（画素ピッチ）で、Ｘ方向およびＹ方向に並んで配置されている。
検出器５の検出信号は画像処理部６へと送られる。画像処理部６は、位相格子２と吸収格子４とを、１か所または２か所の所定位置に配置して撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成するように構成されている。
制御部７は、画像処理部６を用いて暗視野像を含む画像を生成するように構成されている。また、制御部７は、格子移動機構８を用いて、吸収格子４を所定位置へ移動させるように構成されている。
格子移動機構８は、吸収格子４を把持する格子把持部（図示せず）と、把持した格子をＺ方向およびＹ方向に移動させる格子移動ステージ（図示せず）とを有している。格子移動機構８は、制御部７より送られる信号に基づいて、格子把持部で把持した吸収格子４を、Ｚ方向およびＹ方向の所定方向に移動させるように構成されている。
（従来の縞走査法によるＸ線位相コントラスト画像生成方法）
ここで、従来の縞走査法において吸収像および暗視野像を生成する方法を説明する。従来の縞走査法では、格子を格子の周期方向に１／Ｍ周期ずつ並進させて撮影した画像から、Ｘ線位相コントラスト画像を生成する。たとえば、Ｍステップの縞走査を行った場合、各ステップｋにおけるＸ線の強度Ｉk（ｘ，ｙ）は、以下の式（２）により表される。
Figure 0006673188
 ここで、ａnは、干渉縞の各周波数成分の量である。また、Ｚ0は、位相格子２と吸収格子４との距離である。また、ｄ1は、位相格子２の周期（ピッチ）ｄ１である。また、ｘ、ｙは検出器５の検出面上における、Ｘ線の照射軸に直交する面内の座標位置である。
また、被写体３を配置した場合の強度をＩk（ｘ，ｙ）、被写体３を配置しない場合の強度をＩ0k（ｘ，ｙ）とすると、以下の式（３）および（４）のように、Ｓ（ｘ，ｙ）およびＳ0（ｘ，ｙ）を定義する。
Figure 0006673188
また、吸収像Ｔ（ｘ，ｙ）は、以下の式（５）により表される。
Figure 0006673188
 また、被写体３を配置した場合のＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙをＶ（ｘ，ｙ）とし、被写体３を配置しない場合のＶｉｓｉｂｉｌｉｔｙをＶ0（ｘ，ｙ）とすると、Ｖ（ｘ，ｙ）およびＶ0（ｘ，ｙ）は以下の式（６）および（７）により表される。
Figure 0006673188
また、暗視野像Ｄ（ｘ，ｙ）は、以下の式（８）により表される。
Figure 0006673188
（Ｘ線位相コントラスト画像生成方法）
次に、図２〜図６を参照して、本発明の第１実施形態によるＸ線位相撮影装置１００のＸ線位相コントラスト画像生成方法について説明する。
まず、図２を参照して、Ｘ線位相撮影装置１００における、Ｘ線コントラスト画像生成処理をフローチャートに基づいて説明する。ステップＳ１において、制御部７は、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が、吸収格子４のスリット４ａの中心と略一致するように、格子移動機構８を介して位相格子２と吸収格子４を移動させ、位相格子２と吸収格子４との位置合わせを行う。なお、本明細書において、ステップＳ１で位置合わせをした位置に、位相格子２と吸収格子４とを配置している状態を、「開口イルミネーション」と定義する。
そして、ステップＳ２において、被写体３を配置せずに撮影を行う。そして、ステップＳ３において、制御部７は、格子移動機構８を介して吸収格子４の周期ｄ２の半周期分、吸収格子４をＹ方向（格子の周期方向）に移動させる。なお、ステップＳ３で位置合わせをした位置に、位相格子２と吸収格子４とを配置している状態を、「閉口イルミネーション」と定義する。そして、ステップＳ４において、被写体３を配置せずに撮影を行う。
そして、ステップＳ５において、制御部７は、格子移動機構８を介して、ステップＳ１で位置合わせをした位置（開口イルミネーション）に吸収格子４をＹ方向（格子の周期方向）に移動させる。そして、ステップＳ６において、被写体３を固定して配置した状態で撮影を行う。
そして、ステップＳ７において、制御部７は、格子移動機構８を介して、ステップＳ３で位置合わせをした位置（閉口イルミネーション）に吸収格子４をＹ方向（格子の周期方向）に移動させる。そして、ステップＳ８において、被写体３を固定して配置した状態で撮影を行う。
そして、ステップＳ９において、ステップＳ２、ステップＳ４、ステップＳ６、ステップＳ８で撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成する。なお、本明細書において、ステップＳ２、ステップＳ４、ステップＳ６およびステップＳ８において撮影した画像をそれぞれ、「Ｉopen_air」、「Ｉclose_air」、「Ｉopen_obj」および「Ｉclose_obj」と定義する。なお、Ｉopen_airおよびＩopen_objは、特許請求の範囲の「第１画像」の一例である。また、Ｉclose_airおよびＩclose_objは、特許請求の範囲の「第２画像」の一例である。また、開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションは、特許請求の範囲の「第１相対位置」および「第２相対位置」の一例である。
図３は、位相格子２の自己像の明線２ｃを帯状で示したイメージ図である。位相格子２の自己像は、明線２ｃ部分と、明線２ｃの間の暗線部分とで形成されており、吸収格子４上において観測される。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、被写体３を配置していない場合の開口イルミネーションの状態および閉口イルミネーションの状態における、位相格子２の自己像の明線２ｃと、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂとの位置関係を示している。また、図３（Ｃ）および図３（Ｄ）は、被写体３を配置している場合の開口イルミネーションの状態および閉口イルミネーションの状態における、位相格子２の自己像の明線２ｃと、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂとの位置関係を示している。なお、本明細書において、位相格子２の自己像の明線とは明線２ｃのことであり、位相格子２の自己像の明線の中心とは、明線２ｃの中心のことである。
第１実施形態では、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂがＸ線を全く透過しない理想的な物質であると仮定した場合、図３（Ａ）のように、被写体３を配置しない場合の開口イルミネーションの状態において、Ｘ線（位相格子２の自己像の明線２ｃ）は吸収格子４のスリット４ａを通過するので、検出器５では明線２ｃのすべてのＸ線が検出される。また、図３（Ｂ）に示すように、被写体３を配置しない場合の閉口イルミネーションの状態では、明線２ｃのＸ線は、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂにおいて、すべて吸収されるため、検出器５では検出されない。
次に、被写体３を配置する場合、位相格子２から照射されるＸ線は、たとえば、被写体３内部のひび９（図６参照）によって一部が散乱する。その結果、位相格子２の自己像の明線２ｃの幅が、幅ｗａから幅ｗｏに拡散する。図３（Ｃ）に示すように、位相格子２の自己像の明線２ｃが幅ｗａから幅ｗｏになったことにより、Ｘ線吸収部４ｂで吸収される明線部分２ｄが現れる。したがって、被写体３を配置しない場合と比べ、検出器５で検出される明線２ｃのＸ線の強度は減少する。たとえば、被写体３を配置しない場合の位相格子２の自己像の明線２ｃの幅ｗａを５μｍ、吸収格子４の周期ｄ２を１０μｍ、検出器５の１画素の大きさｗｇを４０μｍとし、被写体３内部のひび９によって、位相格子２の自己像の明線２ｃの幅ｗｏが７μｍに拡散されたとすると、検出器５で検出される明線２ｃのＸ線の強度は、図３（Ａ）の状態の強度を１とすると、５／７に減少する。
また、図３（Ｄ）に示すように、閉口イルミネーションにおいても、被写体３によって、位相格子２の自己像の明線２ｃの幅が、幅ｗａから幅ｗｏに拡散されたことにより、明線２ｃのＸ線がＸ線吸収部４ｂで吸収されず、スリット４ａを通過する明線部分２ｅが現れる。したがって、被写体３を配置しない場合と比べ、検出器５で検出される明線２ｃのＸ線の強度は増加する。たとえば、開口イルミネーションの場合と同様に、被写体３内部のひび９によって、位相格子２の自己像の明線２ｃの幅ｗｏが７μｍに拡散された場合、検出器５で検出される位相格子２の自己像の明線２ｃのＸ線の強度は、図３（Ｂ）の状態の強度を１とすると、２／７に増加する。
図４は、位相格子２の自己像を波形状で示したイメージ図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、被写体３を配置していない場合の開口イルミネーションの状態および閉口イルミネーションの状態における、位相格子２の自己像の波形２ｆと、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂとの位置関係を示している。また、図４（Ｃ）および図４（Ｄ）は、被写体３を配置している場合の開口イルミネーションの状態および閉口イルミネーションの状態における、位相格子２の自己像の波形２ｇと、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂとの位置関係を示している。なお、本明細書において、位相格子２の自己像の明線とは波形２ｆの全振幅の平均値を示す直線２ｍと、波形２ｆのうち直線２ｍよりも上の部分とで形成される領域２ｒのことであり、位相格子２の明線の中心とは、上記領域２ｒの中心のことである。
被写体３内部のひび９によるＸ線の拡散によって、被写体３を配置していない場合の位相格子２の自己像の波形２ｆが、被写体３を配置している場合の位相格子２の自己像の波形２ｇへと変化する。すなわち、位相格子２の自己像の波形２ｆの振幅が減少し、波形２ｇになるため、開口イルミネーションの状態では、吸収格子４のＸ線吸収部４ｂで吸収されるＸ線の割合が増大し、閉口イルミネーションの状態では、吸収格子４のスリット４ａを通過するＸ線が増大する。そのため、開口イルミネーションの状態では、検出器５で検出されるＸ線の強度が低下し、閉口イルミネーションの状態では、検出器５で検出されるＸ線の強度が増加する。
ここで、暗視野像とは、Ｘ線が被写体を透過する際に、被写体内部に存在する傷などの微細構造により、Ｘ線が多重散乱することによって起こるＸ線の拡散によって得られるＸ線の強度（画素値）の変化を計算により画像化したものである。したがって、暗視野像を生成するには、被写体３を配置する場合と配置しない場合とで検出されるＸ線の強度変調信号（検出器で検出される画素値の変化を表す波形）の振幅の減少量（つぶれ方）がわかればよい。すなわち、画像処理部６は、図５に示す被写体３を配置しない場合のＸ線の強度変調信号の波形２ｈの振幅Ｗ１と被写体３を配置した場合のＸ線の強度変調信号の波形２ｉの振幅Ｗ２とから、強度変調信号の振幅の減少量を求め、暗視野像を生成する。
具体的には、強度変調信号の振幅の減少量を求めるには、検出されるＸ線の強度が異なる２か所のＸ線強度（画素値）から求めることができる。すなわち、波形２ｈの振幅Ｗ１は、被写体３を配置していない場合の開口イルミネーションの状態で検出されるＸ線の強度（画素値）３０と、閉口イルミネーションの状態で検出されるＸ線の強度（画素値）３１との差分により算出される。また、波形２ｉの振幅Ｗ２は、被写体３を配置している場合の開口イルミネーションの状態で検出されるＸ線の強度（画素値）３２と、閉口イルミネーションの状態で検出されるＸ線の強度（画素値）３３との差分により算出される。これら２か所のＸ線強度から吸収像および暗視野像を、以下の式（９）および（１０）によって生成することができる。なお、ｘ、ｙは、検出器５の検出面上におけるＸ線の照射軸方向に直交する面内の座標位置である。
Figure 0006673188
上記式（９）によって、図６（Ｅ）に示す吸収像２４が得られ、上記式（１０）によって、図６（Ｆ）に示す暗視野像２５が得られる。
図６（Ａ）は、被写体３を配置して、開口イルミネーションの状態で撮影した画像２０である。また、図６（Ｂ）は、被写体３を配置せずに、開口イルミネーションの状態で撮影した画像２１である。図６（Ｃ）は、被写体３を配置して、閉口イルミネーションの状態で撮影した画像２２である。また、図６（Ｄ）は、被写体３を配置せずに、閉口イルミネーションの状態で撮影した画像２３である。吸収像２４には、内部に存在するひび９を確認することができない場合でも、暗視野像２５では、内部に存在するひび９を確認することができる場合がある。
（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第１実施形態では、上記のように、Ｘ線位相撮影装置１００は、Ｘ線源１と位相格子２と吸収格子４と検出器５と画像処理部６と制御部７と格子移動機構８とを備えており、位相格子２と吸収格子４とを、開口イルミネーションの状態と閉口イルミネーションの状態との２か所の所定位置に配置する。画像処理部６は、開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションの状態で、被写体３を配置して撮影された画像および被写体３を配置しないで撮影された画像から、暗視野像（図６（Ｆ）参照）を含む画像を生成する。これにより、位相格子２および吸収格子４をＹ方向（格子の周期方向（Ｘ線の照射方向と直交する方向））に移動（走査）して撮影する回数を抑制することができる。その結果、撮影時間を短縮するとともに、Ｘ線の被ばく量を低減することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、画像処理部６が、開口イルミネーションの状態と閉口イルミネーションの状態との２か所の相対位置に位相格子２および吸収格子４を配置して撮影した画像から暗視野像を含む画像を生成している。これにより、開口イルミネーションの状態と、閉口イルミネーションの状態との２か所の所定位置で撮影することにより、２か所の所定位置で得られるＸ線の強度の和から吸収成分が抽出でき、２か所で得られるＸ線の強度の差から暗視野成分と吸収成分とが混合した像を抽出できるので、暗視野成分から吸収成分を除くことにより、暗視野像だけを生成することができる。
また、第１実施形態では、上記のように、画像処理部６が、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のスリット４ａの中心と略一致するように配置した開口イルミネーションの状態と、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のＸ線吸収部４ｂの中心と略一致するように配置した閉口イルミネーションの状態で撮影された画像から、暗視野像を生成している。これにより、Ｘ線を検出して得られる強度変調信号の振幅の頂点に対応する部分のＸ線を検出することができる。つまり、コントラスト生成に最も寄与する位置におけるＸ線の強度を検出することができるので、得られるＸ線の強度差が最も大きくなり、被写体３がある場合の強度変調信号の振幅の減少量（図５のＷ１とＷ２との差）がより明確になる。その結果、生成する暗視野像（図６（Ｆ）参照）の精度を向上させることができる。
［第２実施形態］
次に、図７を参照して、本発明の第２実施形態によるＸ線位相撮影装置２００について説明する。被写体３を固定して撮影するように構成されている第１実施形態とは異なり、第２実施形態では、被写体３を回転させる回転機構１０をさらに備え、被写体３のＣＴ撮影を行うように構成されている。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。
（Ｘ線位相撮影装置の構成）
図７に示すように、第２実施形態によるＸ線位相撮影装置２００では、被写体３を回転させる回転機構１０をさらに備え、被写体３のＣＴ撮影を行うように構成されている。具体的には、Ｘ線位相撮影装置２００では、制御部７は、回転機構１０を介して被写体３を３６０度回転させながら、所定の回転角度（たとえば、９度）の回転位置の各々において、位相格子２および吸収格子４を開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションの状態で撮影することにより、ＣＴ撮影を行うように構成されている。
なお、第２実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第２実施形態では、上記のように、被写体３を回転させる回転機構１０をさらに備え、被写体３の回転に伴う複数の回転位置の各々において、位相格子２および吸収格子４を開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションの状態で撮影することにより、ＣＴ撮影を行うように、Ｘ線位相撮影装置２００を構成する。これにより、被写体３のＣＴ撮影を行う際に、被写体３の回転位置の各々で格子をＹ方向に移動（走査）させて撮影する回数を抑制することが可能になり、撮影時間を短縮することができる。
［第３実施形態］
図２および図８を参照して、本発明の第３実施形態によるＸ線位相撮影装置３００について説明する。第３実施形態では、位相格子２と吸収格子４とを、開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションの状態の２か所の相対位置に配置して撮影した画像から、暗視野像を生成するように構成されている第１実施形態とは異なり、位相格子２と吸収格子４とを、開口イルミネーションの状態の１か所に配置して撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成するように構成されている。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。
（Ｘ線位相撮影装置の構成）
第３実施形態では、Ｘ線位相撮影装置３００は、図２に示すフローチャートのステップＳ３〜ステップＳ５、ステップＳ７、およびステップＳ８を行わず、ステップＳ２で撮影した画像および、ステップＳ６で撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成するように構成されている。すなわち、開口イルミネーションの状態で、被写体３を配置しないで撮影した画像（図８（Ｂ）参照）と、被写体３を配置した状態で撮影した画像（図８（Ａ）参照）とから、吸収像と暗視野像とを含む画像２６（図８（Ｃ）参照）を生成するように構成されている。具体的には、以下に示す式（１１）により、吸収像と暗視野像とを含む画像ＴＤ（ｘ，ｙ）を生成する。
Figure 0006673188
なお、第３実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
（第３実施形態の効果）
第３実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第３実施形態では、位相格子２および吸収格子４を開口イルミネーションの状態で撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像２６を生成するように構成されている。これにより、１か所の所定位置で撮影された画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像２６を生成することができるので、格子のＹ方向への移動（走査）回数を抑制することができる。また、医療用に用いる場合、Ｘ線の被ばく量を低減することができる。また、吸収像と暗視野像とを含む画像２６を１度に得ることができるので、吸収像と暗視野像とを別々に生成し、合成する手間を省くことができる。
また、第３実施形態では、上記のように、位相格子２および吸収格子４を開口イルミネーションの状態で撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像２６を生成するように構成されている。これにより、Ｘ線を検出して得られる強度変調信号の振幅の頂点に対応する部分のＸ線を検出することができるので、被写体３がある場合とない場合とにおける強度変調信号の振幅の変化量が最も大きくなり、被写体３がある場合の強度変調信号の振幅の減少の仕方がより明確になる。その結果、生成する画像２６（図８（Ｃ）参照）の精度を向上させることができる。
［第４実施形態］
次に、図９を参照して、本発明の第４実施形態によるＸ線位相撮影装置４００について説明する。第４実施形態では、上記第１実施形態の構成に加えて、Ｘ線源１と位相格子２との間に、マルチスリット１１をさらに備えるように構成されている。なお、上記第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省略する。
（Ｘ線位相撮影装置の構成）
第４実施形態では、図９に示すように、Ｘ線位相撮影装置４００は、Ｘ線源１と位相格子２との間に配置されたマルチスリット１１をさらに含んでいる。なお、マルチスリット１１は、特許請求の範囲の「第３格子」の一例である。
マルチスリット１１は、Ｙ方向に所定の周期（ピッチ）ｄ０で配列される複数のスリット１１ａおよびＸ線吸収部１１ｂを有している。各スリット１１ａおよびＸ線吸収部１１ｂはＸ方向に延びるように構成されている。
マルチスリット１１は、Ｘ線源１と位相格子２との間に設置されており、Ｘ線源１からＸ線が照射される。マルチスリット１１は、各スリット１１ａを通過したＸ線を、各スリット１１ａの位置に対応する線光源とするように構成されている。これにより、マルチスリット１１は、Ｘ線源１から照射されるＸ線の可干渉性を高めることができる。
マルチスリット１１と位相格子２との距離をＲ１、位相格子２と吸収格子４との距離をＲ２、Ｘ線源１と吸収格子４との距離をＲとした場合、マルチスリット１１と、位相格子２と、吸収格子４との位置関係は、以下の式（１２）により表される。
Figure 0006673188
なお、第４実施形態のその他の構成は、上記第１実施形態と同様である。
（第４実施形態の効果）
第４実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
第４実施形態では、Ｘ線源１と位相格子２との間に配置されたマルチスリット１１をさらに含んでいる。これにより、Ｘ線源１から照射されるＸ線の可干渉性を高めることができるので、Ｘ線源１の焦点距離が微小でない場合でも、暗視野像を含む画像を生成することができる。
（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更（変形例）が含まれる。
たとえば、上記第１実施形態では、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のスリット４ａの中心と略一致する開口イルミネーションの状態で撮影された画像と、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のＸ線吸収部４ｂの中心と略一致する閉口イルミネーションの状態で撮影された画像とから、暗視野像を含む画像を生成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、検出器５によって得られるＸ線の強度が同じか所において検出したＸ線では、暗視野像を生成することができないので、検出されるＸ線の強度が異なるように位相格子２と吸収格子４とを配置して撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成するように構成されていてもよい。
また、たとえば、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のスリット４ａの中心以外の場所に位置する相対位置において撮影された画像と、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のＸ線吸収部４ｂの中心以外の場所に位置する相対位置において撮影された画像とから、暗視野像を含む画像を生成するように構成されていてもよい。
また、上記第２実施形態では、被写体３を回転させてＣＴ撮影を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、Ｘ線源１と、位相格子２と、吸収格子４および検出器５を備えた撮影系を回転させてＣＴ撮影を行う構成でもよい。
また、上記第２実施形態では、被写体３の回転位置の各々において、位相格子２と吸収格子４とを、開口イルミネーションおよび閉口イルミネーションの状態で撮影することによりＣＴ撮影を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、画像処理部６は、被写体３と、撮影系との１回転分の相対回転を伴う複数の回転位置の各々において、前半１８０度の範囲では、開口イルミネーションまたは閉口イルミネーションのどちらか一方に位相格子２と吸収格子４とを配置して画像を撮影し、後半の１８０度の範囲では、開口イルミネーションまたは閉口イルミネーションの他方に位相格子２と吸収格子４とを配置して画像を撮影することにより、断層撮影を行うように構成されてもよい。このように構成すれば、各々の回転位置において、前半の１８０度の範囲で撮影する間と後半の１８０度の範囲で撮影する間とで、格子を格子の周期方向に移動（走査）させずにＣＴ撮影（断層撮影）を行うことが可能となる。つまり、前半の１８０度の範囲で撮影する間は、開口イルミネーションまたは閉口イルミネーションのどちらか一方の状態のままで撮影を行い、後半の１８０度の範囲で撮影する間は、開口イルミネーションまたは閉口イルミネーションの他方の状態のままで撮影を行うので、１８０度以外の各々の回転位置では、毎回開口イルミネーションと閉口イルミネーションとを切り替えることなくＣＴ撮影（断層撮影）を行うことが可能となる。その結果、通常の縞走査法を用いてＣＴ撮影（断層撮影）を行う場合と比較して、格子を格子の周期方向に移動（走査）させて撮影する回数をさらに抑制することが可能になるので、撮影時間をさらに短縮することができる。
また、上記第３実施形態では、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のスリット４ａの中心と略一致する開口イルミネーションの状態で撮影された画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、位相格子２の自己像の明線２ｃの中心が吸収格子４のスリット４ａの中心以外の場所に位置する相対位置において撮影された画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成するように構成されていてもよい。
また、上記第３実施形態では、位相格子２と吸収格子４とを開口イルミネーションの状態で撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像２６を生成する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、位相格子２と吸収格子４とを閉口イルミネーションの状態で撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む画像を生成するように構成されていてもよい。
また、上記第１〜第４実施形態では、格子移動機構８によって、吸収格子４をＹ方向に移動させて撮影を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、格子移動機構８によって、位相格子２をＹ方向に移動させて撮影するように構成されていてもよい。また、格子移動機構８によって、マルチスリット１１をＹ方向に移動させて撮影するように構成されていてもよい。
また、上記第１および第２実施形態では、タルボ効果による自己像を形成するために位相格子２を設ける例を示したが、本発明はこれに限られない。位相格子２の自己像は縞模様であればよいので、位相格子２の代わりに吸収格子を用いて吸収格子の影を自己像の縞模様として用いてもよい。この場合、本発明は、タルボ干渉を使用しない非干渉計にも適用することができる。
また、上記第１実施形態では、制御部７はステップＳ１〜Ｓ９の順番で格子を移動させ撮影する例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、制御部７は、ステップＳ５〜Ｓ８、Ｓ１〜Ｓ４、Ｓ９の順番で撮影を行うように構成されていてもよい。また、ステップＳ１およびＳ２、ステップＳ３およびＳ４、ステップＳ５およびＳ６、ステップＳ７およびＳ８をそれぞれセットにした場合、各セットの順番を入れ替えて撮影を行ってもよい。
１ Ｘ線源
２ 位相格子または吸収格子（第１格子）
２ｃ 位相格子の自己像の明線（第１格子の自己像の明線）
３ 被写体
４ 吸収格子（第２格子）
５ 検出器
６ 画像処理部
８ マルチスリット（第３格子）
２０、２１ 開口イルミネーションの状態で撮影した画像（第１画像）
２２、２３ 閉口イルミネーションの状態で撮影した画像（第２画像）
２６ 暗視野像と吸収像とを含む画像（第３画像）
１００、２００、３００ Ｘ線位相撮影装置

Claims (10)

  1. Ｘ線源と、
    前記Ｘ線源から照射されたＸ線を検出する検出器と、
    前記Ｘ線源と前記検出器との間に配置され、前記Ｘ線源から前記Ｘ線が照射される第１格子と、前記第１格子を通過した前記Ｘ線が照射される第２格子とを含む複数の格子と、
    前記検出器により検出されたＸ線の強度分布から、暗視野像を含む画像を生成する画像処理部とを備え、
    前記画像処理部は、前記複数の格子を１か所または２か所の所定位置に配置して撮影した画像から、暗視野像を含む画像を生成するように構成されている、Ｘ線位相撮影装置。
  2. 前記画像処理部は、前記複数の格子のうち、いずれかを格子の周期方向に移動させた第１相対位置と、第２相対位置との２か所で撮影した画像から、暗視野像を生成するように構成されている、請求項１に記載のＸ線位相撮影装置。
  3. 前記画像処理部は、前記第１格子の自己像の明線の中心が、前記第２格子のスリット部分に位置するように、前記第１格子と前記第２格子とを配置した前記第１相対位置において撮影された第１画像と、
    前記第１格子の自己像の明線の中心が、前記第２格子のＸ線吸収部分に位置するように、前記第１格子と前記第２格子とを配置した前記第２相対位置において撮影された第２画像と、から暗視野像を生成するように構成されている、請求項２に記載のＸ線位相撮影装置。
  4. 前記画像処理部は、前記第１格子の自己像の明線の中心と、前記第２格子のスリット部分の中心とが、略一致するように前記第１格子と前記第２格子とを配置した前記第１相対位置において撮影された前記第１画像と、
    前記第１格子の自己像の明線の中心と、前記第２格子のＸ線吸収部分の中心とが、略一致するように前記第１格子と前記第２格子とを配置した前記第２相対位置において撮影された前記第２画像と、から暗視野像を生成するように構成されている、請求項３に記載のＸ線位相撮影装置。
  5. 被写体と、前記Ｘ線源と、前記複数の格子と、前記検出器とを備えた撮影系とを相対回転させる回転機構をさらに備え、
    被写体と、前記撮影系との相対回転に伴う複数の回転位置の各々において、前記複数の格子を前記第１相対位置および前記第２相対位置に配置して撮影することにより、断層撮影を行うように構成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
  6. 被写体と、前記Ｘ線源と、前記複数の格子と、前記検出器とを備えた撮影系とを相対回転させる回転機構をさらに備え、
    前記画像処理部は、被写体と、前記撮影系との１回転分の相対回転を伴う複数の回転位置の各々において、前半１８０度の範囲では、前記第１相対位置または前記第２相対位置のどちらか一方に前記複数の格子を配置して画像を撮影し、後半の１８０度の範囲では、前記第１相対位置または前記第２相対位置の他方に前記複数の格子を配置して画像を撮影することにより、断層撮影を行うように構成されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
  7. 前記画像処理部は、前記複数の格子を1か所の所定位置に配置して撮影した画像から、吸収像と暗視野像とを含む第３画像を生成するように構成されている、請求項１に記載のＸ線位相撮影装置。
  8. 前記画像処理部は、前記第１格子の自己像の明線の中心が、前記第２格子のスリット部分に位置するように、前記第１格子と前記第２格子とを配置して撮影された第１画像と、
    前記第１格子の自己像の明線の中心が、前記第２格子のＸ線吸収部分に位置するように、前記第１格子と前記第２格子とを配置して撮影された第２画像との、どちらか一方の画像から前記第３画像を生成するように構成されている、請求項７に記載のＸ線位相撮影装置。
  9. 前記画像処理部は、前記第１格子の自己像の明線の中心と、前記第２格子のスリット部分の中心とが、略一致するように前記第１格子と前記第２格子とを配置して撮影された前記第１画像と、
    前記第１格子の自己像の明線の中心と、前記第２格子のＸ線吸収部分の中心とが、略一致するように前記第１格子と前記第２格子とを配置して撮影された前記第２画像との、どちらか一方の画像から前記第３画像を生成するように構成されている、請求項８に記載のＸ線位相撮影装置。
  10. 前記複数の格子は、前記Ｘ線源と前記第１格子との間に配置された第３格子をさらに含んでいる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のＸ線位相撮影装置。
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