JP7296368B2 - 単色ｘ線撮像システム及び方法 - Google Patents

Description

関連出願についての相互参照
本出願は、２０１７年５月１９日に出願された、単色Ｘ線システム及び装置と題する、米国仮出願番号第６２／５０８９９６号に基づく優先権を主張するものであり、その出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

従来の診断用Ｘ線撮影は、広いエネルギバンドにわたってＸ線を放射するＸ線発生装置を使用する。このバンドの大部分は、それらのエネルギが検査中の組織内で相互作用するには高すぎるか、又はそれらを記録するために使用されるＸ線検出器又はフィルムに到達するには低すぎるために、医用画像には有用でないＸ線を含む。検出器に到達するにはエネルギが低すぎるＸ線は、特に問題である。正常組織を不必要に露光し、患者が受ける放射線量を上昇させるからである。単色Ｘ線の使用は、適当なエネルギで利用可能であれば、放射線量を最小にしながら最適な診断画像を提供することが、長い間認識されてきた。かかる単色Ｘ線源は、今日まで日常的な（routine）の臨床診断には利用できていない。

単色性放射線は、特殊な設定で使用されている。しかしながら、単色放射線を発生させるための従来のシステムは、その極端なサイズ、コスト及び／又は複雑さのために、臨床的又は日常的な商業的使用には適さない。例えば、単色Ｘ線は、フィルターとして非効率的なブラッグ結晶を利用するか、又は固体の平坦なターゲットＸ線蛍光体を使用するシンクロトロン線源で多量に生成することができるが、これらは病院及び診療所での日常的使用には非常に大きく、実用的ではない。

単色Ｘ線は、入射電子ビームに応じて広帯域スペクトル放射を発生するターゲット（アノードとも称される）と、その後、入射した広帯域スペクトル放射に応じて、単色Ｘ線を発生する蛍光ターゲットを連続的に設けることによって生成される。用語「広帯域スペクトル放射」は、本明細書では、アノード材料の特性的放出線（characteristic emission lines）を伴うか又は伴わない制動放射（Bremsstrahlung radiation）を説明するために使用される。簡潔には、Ｘ線蛍光を介して単色Ｘ線を生成する原理は、以下の通りである。

厚いターゲットの制動放射（Thick Target Bremsstrahlung）
Ｘ線管内では、図１に模式的に示すように、カソードと称される加熱されたフィラメントから電子が遊離され、高電圧（例えば、～５０ｋＶ）によってアノードと称される金属ターゲットに向かって加速される。高エネルギ電子は、アノードの原子と相互作用する。エネルギＥ１を有する電子は、しばしばターゲットの核に近づき、その軌道が電磁気的相互作用によって変化する。この偏向プロセスにおいて、電子は核に向かって減速する。エネルギＥ２まで減速するにつれて、それはエネルギＥ２－Ｅ１を有するＸ線光子を放出する。この放射は制動放射（braking radiation）と称され、運動学が図２に示される。

放出された光子のエネルギは、入射電子の最大エネルギＥｍａｘまでの任意の値を取ることができる。電子は破壊されないので、エネルギの全てを失うか、アノードの原子と結合するまで、複数の相互作用を受けることができる。初期の相互作用は、実際の角度及び核への近接度に応じて小さなエネルギ変化から大きなエネルギ変化まで変化する。結果として、制動放射は、図３に示すように、概ね連続したスペクトルを有する。制動放射生成の確率はＺ^２に比例し、ここでＺはターゲット材料の原子番号であり、生成効率はＺ及びＸ線管電圧に比例する。以下に詳細に説明するように、低エネルギの制動放射Ｘ線は、深い内部から逃れようとして、厚いターゲットアノードによって吸収され、強度曲線を最低エネルギにおいて屈曲させることに留意されたい。

特性ライン放出（Characteristic Line Emission）
大部分の電子は減速し、軌跡を変化させるが、ターゲット原子の核を取り巻くそれぞれの軌道や殻の中で、エネルギＢＥによって拘束されている電子と衝突する電子もある。図４に示すように、これらの殻は、Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ等によって示される。入射電子と拘束電子（the bound electron）との衝突において、入射電子のエネルギが軌道を回る電子のＢＥよりも大きいと、拘束電子は原子から射出される。例えば、エネルギＥ＞ＢＥＫを有する衝突電子は、図４に示されるように、Ｋ殻電子を射出させ、Ｋ殻内に空格子点を残す。結果として生じる、励起されイオン化された原子は、外部軌道の電子が空格子点を充填するにつれて脱励起される。脱励起の間、Ｘ線は、脱励起に関与する電子の初期エネルギ準位と最終エネルギ準位の差に等しいエネルギで放出される。軌道殻のエネルギ準位は周期表の各元素に固有であるので、Ｘ線のエネルギは元素を識別する。エネルギは単一エネルギ的（monoenergetic）であり、スペクトルは広い連続帯ではなく単色（monochromatic）を呈する。ここで、単色とは、放出ラインのエネルギ幅が、関係する原子遷移に関連する自然ライン幅（the natural line width）に等しいことを意味する。銅のＫαＸ線に対しては、自然ライン幅は、約４ｅＶである。ＺｒＫα、ＭｏＫα及びＰｔＫαに対しては、それぞれ、線幅は、約５．７ｅＶ、約６．８ｅＶ及び約６０ｅＶである。アノードとしてのモリブデンターゲットを有するＸ線管からの完全なスペクトルは、図５に示される。モリブデンの原子エネルギ準位特有の特性放出ラインを厚いターゲットの制御照射上に重ね合わせて示した。

Ｘ線吸収及びＸ線蛍光（X Ray Absorption and X Ray Fluorescence）
任意の種類のＸ線源からのＸ線が試料に当たる場合、Ｘ線は原子に吸収されるか、又は材料中に散乱される。図６Ａに示すように、Ｘ線が、そのエネルギの全てを最も内側の電子に伝達することによって原子に吸収されるプロセスは、光電効果と呼ばれる。これは、衝突時に遭遇する軌道電子の結合エネルギよりも、入射Ｘ線の方がエネルギが大きいときに起こる。この相互作用において、光子は存在しなくなり、そのエネルギの全てを軌道電子に与える。Ｘ線エネルギの大部分は軌道電子の結合エネルギを克服するのに必要であり、残りは電子の放出時に電子に与えられ、殻に空格子点を残す。放出された自由電子は光電子と呼ばれる。光電相互作用は、入射光子のエネルギが、それが当たる電子の結合エネルギを超えるが、比較的近いときに最も起こりやすい。

例えば、結合エネルギが２３．２ｋｅＶのＫ殻電子では、入射光子が、５０ｋｅＶのときよりも、２５ｋｅＶのときに光電相互作用が起こりやすい。これは、光電効果がＸ線エネルギの約３乗に反比例するからである。Ｘ線エネルギが吸収体中の電子殻（Ｋ、Ｌ、Ｍ等）の結合エネルギに等しいとき、この低下は急激な上昇によって中断される。空格子点の最低エネルギは、特定の殻において形成されることができ、エッジと称される。図７は、スズ（Ｓｎ）の吸収をＸ線エネルギの関数として示す。吸収は、縦軸上に、その質量減衰係数によって定められる。Ｌ軌道とＫ軌道の結合エネルギに対応する吸収エッジは、それぞれ約４３．４ｋｅＶと２９ｋｅＶの不連続なジャンプで示されている。周期表の各要素は、Ｘ線エネルギの関数として吸収を表す同様の曲線をもっている。

原子の内殻の空格子点は原子の不安定な状態を示す。原子が安定な状態に戻るように、外殻からの電子は内殻に移り、その過程で特性Ｘ線を放出する。そのエネルギは、上記の特性ライン放出の項で説明したように、対応する殻の２つの結合エネルギの差である。このＸ線放出の光子誘起プロセスは、Ｘ線蛍光又はＸＲＦと呼ばれる。図６Ｂは、Ｋ殻からのＸ線蛍光を模式的に示し、図８は、アルミニウムの試料からの典型的なＸ線蛍光スペクトルを示す。スペクトルは、固体光子計数検出器で測定され、そのエネルギ分解能がＬ‐Ｋ遷移の自然ライン幅を支配する。これらの単一エネルギの放出ラインは、広帯域連続放射のバックグラウンドの頂部上には存在せず、むしろ、スペクトルは制動放射フリーであることに留意することが重要である。

いくつかの実施態様によれば、広帯域Ｘ線源とともに使用するように構成されたキャリアであって、広帯域Ｘ線源は、電子源と、電子源からの電子を受け取るように配置された一次ターゲットと、を有し、一次ターゲットは、一次ターゲットへの電子の衝突に応じて広帯域Ｘ線を生成する、キャリアが提供される。キャリアはハウジングを有し、ハウジングは、広帯域Ｘ線供給源に着脱自在に結合されるように構成されるとともに、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて単色Ｘ線放射を生成することができる二次ターゲットを収容するように構成されており、ハウジングは、二次ターゲットが存在する場合に、広帯域Ｘ線放射を前記二次ターゲットへ透過させる透過部分（a transmissive portion）と、広帯域Ｘ線放射を吸収するように構成された遮断部分（a blocking portion）と、を有する。

いくつかの実施態様は、広帯域Ｘ線源とともに使用するように構成されたキャリアであって、広帯域Ｘ線源は、電子源と、電子源からの電子を受けるように配置され、一次ターゲットへの電子の衝突に応じて広帯域Ｘ線を生成する一次ターゲットと、を有し、キャリアは、さらにハウジングを有し、ハウジングは、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて単色Ｘ線放射を生成することができる二次ターゲットを収容するように構成されており、ハウジングはさらに、広帯域Ｘ線供給源に着脱自在に結合されるように構成されるており、その結果、ハウジングが広帯域Ｘ線供給源に結合されて二次ターゲットを収容するときに、二次ターゲットは、少なくとも、一次ターゲットからの広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部が二次ターゲットに入射して単色Ｘ線放射を生成するように配置され、ハウジングは、広帯域Ｘ線放射に対して実質的に透明な第１材料を有する第１部分と、広帯域Ｘ線放射に対して実質的に不透明な第２材料を有する第２部分と、を有する、キャリアを含む。

いくつかの実施態様は、単色Ｘ線装置であって、電子を放出するように構成された電子源と、電子源からの電子の入射に応じて広帯域Ｘ線放射を生成するように構成された一次ターゲットと、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて、蛍光を介して単色Ｘ線放射を生成するように構成された二次ターゲットと、二次ターゲットから放出される単色Ｘ線放射を通過させるアパーチャを有する、二次ターゲットのためのハウジングと、を備え、ハウジングは、一次ターゲットによって放出される広帯域Ｘ線放射のうちの少なくとも一部が二次ターゲットに入射するように、二次ターゲットを配置するように構成されており、その結果、単色Ｘ線装置が動作する場合、少なくとも約１５度の視野にわたって０．７以上の単色性を有する単色Ｘ線放射がアパーチャを介して放出される、単色Ｘ線装置を含む。いくつかの実施態様によれば、単色Ｘ線装置が動作する場合、少なくとも約１５度の視野にわたって０．８以上の単色性を有する単色Ｘ線放射がアパーチャを介して放出される。いくつかの実施態様によれば、単色Ｘ線装置が動作する場合、少なくとも約１５度の視野にわたって０．９以上の単色性を有する単色Ｘ線放射がアパーチャを介して放出される。いくつかの実施態様によれば、単色Ｘ線装置が動作する場合、少なくとも約１５度の視野にわたって０．９５以上の単色性を有する単色Ｘ線放射がアパーチャを介して放出される。

いくつかの実施態様は、単色Ｘ線装置であって、電子を放出するように構成された電子源と、電子源からの電子の入射に応じて広帯域Ｘ線放射を生成するように構成された一次ターゲットと、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて、蛍光を介して単色Ｘ線放射を生成するように構成された二次ターゲットと、を備え、Ｘ線装置は、電子源と一次ターゲットとの間の電位差（voltage potential）を使用して動作し、電子源と一次ターゲットとの間の電位差は、二次ターゲットの吸収エッジのエネルギの２倍より大きい、単色Ｘ線装置を含む。いくつかの実施態様によれば、Ｘ線装置は、二次ターゲットの吸収エッジのエネルギの３倍より大きい、電子源と一次ターゲットとの間の電位差を使用して動作する。いくつかの実施態様によって、Ｘ線装置は、二次ターゲットの吸収エッジのエネルギの４倍より大きい、電子源と一次ターゲットとの間の電位差を使用して動作する。いくつかの実施態様によれば、Ｘ線装置は、二次ターゲットの吸収エッジのエネルギの５倍より大きい、電子源と一次ターゲットとの間の電位差を使用して動作する。

いくつかの実施態様は、単色Ｘ線装置であって、トロイダルカソードを有し、電子を放出するように構成された電子源と、電子源からの電子の入射に応じて広帯域Ｘ線放射を生成するように構成された一次ターゲットと、一次ターゲットに向かって電子をガイドするために、トロイダルカソードに同心状に配置された少なくとも１つのガイドと、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて、蛍光を介して単色Ｘ線放射を生成するように構成された二次ターゲットと、を備える単色Ｘ線装置を含む。いくつかの実施態様によれば、少なくとも１つのガイドは、トロイダルカソードの内側で同心状に配置される少なくとも１つの第１内側ガイドを有する。いくつかの実施態様によれば、少なくとも１つのガイドは、トロイダルカソードの外側で同心状に配置される少なくとも１つの第１外側ガイドを備える。

開示される技術の様々な態様及び実施形態は、以下の図を参照して説明される。図面は必ずしも縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。
広帯域Ｘ線源を模式的に示す図である。 電子（核よりはるかに軽い）が核に非常に近づき、電磁気的相互作用が軌跡の偏向を生じさせ、そこで電子がエネルギを失い、Ｘ線光子が放出されるシナリオを示し、最も単純な形で制動放射を説明する図である。 典型的なＸ線管によって生成された制動放射スペクトルを示す図であり、ターゲットから逃れようとするより低いエネルギのＸ線が吸収され、低エネルギでスペクトルの特徴的なロールオーバーを引き起こすことを示す図である。 特性線放出を起こす物理現象を示す図である。 モリブデンの特性ライン放出及び厚いターゲットの制動放射を示すモリブデンアノードを有するＸ線管からの組み合わされたスペクトルを示す図である。 光電効果を示す図である。 Ｋ殻からのＸ線蛍光の原理を示す図である。 スズの吸収係数をＸ線エネルギの関数として示す図であり、不連続なジャンプ又はエッジは、スズ中の電子の結合エネルギのすぐ上でどのように吸収が強化されるかを示す図である。 銅のアノードを有するＸ線管によって生成された銅Ｘ線でアルミニウム（Ａｌ）のターゲットを照射することによって作られるＸ線蛍光スペクトルを示す図である。 単色Ｘ線を生成するためのＸ線装置を示す。 従来の単色Ｘ線装置から放射されるＸ線放射の軸上及び軸外Ｘ線スペクトルを示す図である。 従来の単色Ｘ線装置から放射されるＸ線放射の軸上及び軸外Ｘ線スペクトルを示す図である。 いくつかの実施態様による単色Ｘ線装置を示す図である。 図１１Ａに示される単色Ｘ線装置の構成要素を拡大して示す図である。 いくつかの実施態様による、ハイブリッド材料インタフェース部分を用いる図１１Ａの単色Ｘ線装置の構成要素を拡大して示す図である。 単色Ｘ線装置のレセプタクルに挿入され、レセプタクルから取り外されることができるように構成される着脱可能なキャリアを示す図である。 いくつかの実施形態による、二次ターゲットキャリアを示す図である。 いくつかの実施形態による、二次ターゲットキャリアを示す図である。 いくつかの実施形態による、二次ターゲットキャリアを示す図である。 図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに示される例示的キャリアを用いる単色Ｘ線装置から放出されるＸ線放射の軸上及び軸外Ｘ線スペクトルを示す図である。 図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに示される例示的キャリアを用いる単色Ｘ線装置から放出されるＸ線放射の軸上及び軸外Ｘ線スペクトルを示す図である。 図１０Ａ乃至１０Ｂ及び図１４Ａ乃至１４Ｂに示されるＸ線スペクトルの視野特性を示す。 低エネルギスペクトル及び高エネルギスペクトルでの積分パワー比を視角の関数として示す図である。 単色度を視角の関数としての示す図である。 いくつかの実施形態による二次ターゲットキャリアを示す図である。 図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃに示される例示的キャリアを用いて単色Ｘ線装置から放出されるＸ線放射の軸軸上及び軸外のＸ線スペクトルを示す図である。 図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃに示される例示的キャリアを用いて単色Ｘ線装置から放出されるＸ線放射の軸軸上及び軸外のＸ線スペクトルを示す図である。 ４つの例示的材料の二次ターゲットの蛍光Ｘ線スペクトルを示す図である。 ２つの異なる幾何学的形状の二次ターゲットについてのＸ線強度を、複数の一次電圧に対する放出電流の関数として示す図である。 金の一次ターゲットから放出されるＸ線スペクトルを示す図である。 図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃに示されるキャリアを用いたスズの二次ターゲットに対する一次電圧の関数として、軸上及び軸外の単色性を示す図である。 図１７Ａ、１７Ｂ及び１７Ｃに示されるキャリアを用いた銀の二次ターゲットに対する一次電圧の関数として、図２３は、軸上及び軸外の単色性を示す図である。 いくつかの実施態様による、改善された電子光学を有する単色Ｘ線源２４００の断面を示す図である。 いくつかの実施態様による、改善された電子光学を有する単色Ｘ線源２４００の断面を示す図である。 図２４Ａ及び２４Ｂに示される単色Ｘ線源において、電子が一次ターゲットに当たる点の軌跡を示す図である。 図２４Ａ及び２４Ｂに示される単色Ｘ線源において、電子が一次ターゲットに当たる点の軌跡を示す図である。 ハイブリッドインタフェース構成要素を含む単色Ｘ線源を示す図である。 カソードが一次ターゲットから遠ざかるように移動され、その結果、発散電子軌跡が生じ、単色性が低下する別の構成を示す図である。 本明細書に記載される単色Ｘ線源を使用して撮像実験を実施するために使用されるマンモグラフィファントムを示す図である。 図２９に示されるファントムの埋め込まれたブロックの線形アレイのヒストグラムを示す図である。 市販の広帯域Ｘ線システム及びいくつかの実施形態による単色Ｘ線システムを用いた図２９のファントムの画像を、対応するヒストグラムとともに示す図である。 厚い乳房組織をモデル化するための積層型マンモグラフィファントムを示す図である。 市販の広帯域Ｘ線システム及びいくつかの実施形態による単色Ｘ線システムを用いる図３２のファントムの画像を、対応するヒストグラムとともに示す。 従来の広帯域マンモグラフィと、いくつかの実施形態による単色マンモグラフィとの対比を示す図である。 市販の広帯域Ｘ線システム及びいくつかの実施形態に係る単色Ｘ線システムを用いた微小石灰化の画像を、対応するヒストグラムとともに示す図である。 市販の広帯域Ｘ線システム及びいくつかの実施形態による単色Ｘ線システムを用いた微小石灰化の画像を、対応するヒストグラムとともに示す図である。 異なる二次ターゲット及び市販の広帯域Ｘ線システムに対するライン解像度を示す図である。 単色機器の変調伝達関数（ＭＴＦ）を示す図である。 異なる露光時間及びコーンの幾何学的形状に対して、所望の信号対雑音比のために必要とされるパワー要件を示す図である。 異なる露出時間及びコーンの幾何学的形状に対して、所望の信号対雑音比のために必要とされるパワー要件を、市販の機械の表示とともに示す図である。 ヨウ素の質量吸収係数曲線を示す図である。 ２２ｋｅＶのＡｇＫＸ線及びオキシラン３５０と称されるヨウ素造影剤を用いる造影撮像の一例を示す図である。

上述のように、診断画像を生成するための単色放射を生成することができる従来のＸ線システムは、かかるシステムの製造、動作及び維持のコストが極めて高いこと、及び／又は、システムの設置スペース（footprints）が臨床及び病院での使用には大きすぎるために、臨床及び／又は商業的使用には典型的には適さない。その結果、これらのシステムを用いた研究は、大規模で複雑かつ高価な機器に投資する比較的少数の研究機関での研究に限定されている。

臨床現場における費用対効果の高い単色Ｘ線画像法は、多くの物理学者及び医療従事者の数十年にわたる目標であったが、日常的な診断用途のために診療所で採用できる単色Ｘ線装置の実行可能な選択肢を有さないままの病院及び診療所等の医療施設が依然として存在している。

本発明者は、比較的大きな視野（ＦＯＶ）にわたって選択可能な単色Ｘ線を生成するための方法及び装置を開発した。多くの用途は、医学及び非医学分野の両方において、かかる単色Ｘ線源から利益を得ることができる。医学的用途には、乳房組織、心臓、前立腺、甲状腺、肺、脳、胴体及び四肢の撮像が含まれるが、これらに限定されない。非医学分野には、Ｘ線吸収、Ｘ線回折及びＸ線蛍光による非破壊材料分析が含まれるが、これらに限定されない。本発明者は、日常的な乳癌スクリーニングのための、二次元及び三次元Ｘ線マンモグラフィが、かかる単色源の存在から直ちに利益を得ることができることを認識している。

いくつかの実施形態によれば、異なる解剖学的特徴を最適に撮像するために、選択可能なエネルギ（例えば、１００ｋｅｖまで）が提供される。いくつかの実施形態は、比較的短い露光時間を可能にする強度を有する単色Ｘ線を提供することを容易にし、撮像を受ける患者に与える放射線量を減少させる。いくつかの実施形態によれば、単色Ｘ線が放射される比較的小さなコンパクト領域を使用して、比較的高いレベルの強度を維持することができ、これにより、高品質の撮像に適した空間分解能でのＸ線撮像（例えば、乳房撮像）が容易になる。比較的小さなコンパクト領域から比較的高強度の単色Ｘ線を発生させる能力は、比較的高空間分解能での短時間の低線量撮像を容易にし、これは、他の複数の利点のうちでとりわけ、（例えば、いくつかの実施形態によれば、放射線量レベルを規制当局によって設定された制限以下に依然として維持しながら、厚い乳房組織における癌性病変を検出することの困難性を克服することによって、）従来のＸ線撮像システムの１つ以上の問題に対処する。

従来のマンモグラフィシステムでは、大きい（厚い）かつ高密度の乳房は、より小さい通常密度の乳房組織と同程度の信頼性で検査することは不可能ではないにしても困難である。このことは、乳癌発生率が６倍高い女性集団である、大きい及び／又は高密度の乳房を有する女性（人口の３０～５０％）に対するマンモグラフィの価値を著しく制限している。検出感度は、高密度の乳房を有する女性では８５％から６４％に低下し、極めて高密度の乳房を有する女性では４５％に低下する。さらに、従来のＸ線撮像システム（すなわち、広帯域Ｘ線撮像システム）を使用すると、不満足なレベルで偽陽性及び不必要な生検が発生する。本明細書に記載される技術は、慢性的に診断未確定であり、過剰スクリーニングされ、かつ、乳癌のリスクが最も高い、大きい及び／又は高密度の乳房を有する女性に対してより良い診断ソリューションを提供することができる単色Ｘ線撮像を容易にする。いくつかの実施形態に関連する利点は、厚い及び／又は高密度の乳房に対して特定の利点を有するが、単色Ｘ線撮像のために本明細書で提供される技術は、任意のサイズ及び密度の乳房のスクリーニングに対する利点を提供するとともに、他の臨床診断用途に対する利点を提供することも認識されるべきである。例えば、本明細書に記載される技術は、現在臨床環境で展開されている従来のＸ線撮像システムよりも、全ての患者に対する患者放射線照射量（patient radiation dose）を組織密度に依存して１／６～２６に低減することを容易にし、患者の生涯放射線被曝を大幅に低減しつつ、年次検査及び反復検査を可能にする。さらに、いくつかの実施形態によれば、スクリーニングは、特定の状況において、乳房の痛みを伴う圧迫なしに実施され得る。さらに、本明細書に記載の技術は、現在臨床マンモグラフィに使用されている広帯域Ｘ線システムの現在のコスト制約内に維持される、比較的低コストの単色Ｘ線システムの製造を容易にする。

単色Ｘ線撮像は、低減された線量での組織異常の検出をさらに強化するために、承認済みの造影剤を用いて実施することができる。本明細書に記載される技術は、同様に低線量での三次元３Ｄトモシンセシスとともに使用され得る。本明細書に記載の技術を用いる単色放射線は、例えば、２０１７年１１月２８日に出願され、その全体が本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／８２５７８７号に記載された、「Ｘ線放射を用いた化学組成に関する情報を特定するための方法及び装置」というタイトルの化学分析技術を改良するために、その場化学分析（例えば、腫瘍の化学組成のその場分析）を実施するためにも使用することができる。

従来の単色Ｘ線源は、医用撮像以外の目的のために以前から開発されており、その結果、一般に臨床目的には適さない。特に、単色性、強度、空間分解能、及び／又はパワーレベルは、医用撮像の目的のためには不十分であり得る。本発明者は、乳房及び他の組織の撮像のような臨床目的を含む、多数の用途に適した単色Ｘ線を生成するための技術を開発した。その態様を以下にさらに詳細に説明する。本発明者は、従来の単色Ｘ線源が、放出された単色Ｘ線に加えて、かなりの量の広帯域Ｘ線を放出することを認識した。その結果、かかる単色Ｘ線源から放出されるＸ線は、Ｘ線源から放射されてＸ線スペクトルを汚染する、かなりの量の広帯域放射線のため、単色性が乏しい。

本発明者は、軸上及び軸外の両方において、比較的広い視野にわたって高い単色度（例えば、以下でさらに詳細に述べられるように、広帯域放射に対する単色Ｘ線放射の比によって測定される）を有するＸ線放射を生成するための技術を開発した。本明細書に記載される技術は、広帯域Ｘ線放射による汚染を著しく増加させることなく（すなわち、単色性を実質的に減少させることなく）、広帯域Ｘ線源のパワーを増加させる能力を可能にする。その結果、より高強度の単色Ｘ線が、高い単色度を維持しつつ、増加したパワーレベルを用いて生成されることができる。

いくつかの実施形態によればマンモグラフィのための２０秒未満の露光時間、及び、いくつかの実施形態によれば１０秒未満の露光時間を可能にする特性（例えば、単色性、強度等）を有する単色Ｘ線放射を生成することができる単色Ｘ線装置が提供される。

いくつかの実施形態によれば、診断に適した空間分解能（例えば、１００ミクロン以上の空間分解能）で画像を生成するために、単一の露光においてターゲット臓器（例えば、乳房）を撮像するのに十分な視野にわたって高い単色度（例えば、９０％以上の純度）を有する単色Ｘ線を放射する単色Ｘ線装置が提供される。

以下に、単色Ｘ線システム及びそれに関する技術に関連する様々な概念及び実施形態のより詳細な説明を示す。本明細書に記載される実施形態は、多数の方法のいずれかで実施可能であることを理解されたい。具体的な実装の例は、例示的な目的のためにのみ、以下に提供される。本明細書に記載される技術の態様がこの点に関して限定されないので、実施形態及び提供される特徴／能力は、個別に、全て合わせて、又は２つ以上の任意の組み合わせで、使用され得ることを理解されたい。

図９は、Ｘ線蛍光を介して単色Ｘ線を生成するための従来のＸ線装置の二次元（２Ｄ）概略切断を示す。図９に示されるＸ線装置は、「基本的に単色のＸ線を生成するための放射線源」と題する、米国特許第４，９０３，２８７号に図示され記載されているＸ線装置、及び、Marfeld, et al., Proc. SPIE Vol. 4502, p.
117-125, Advances in Laboratory-based X-ray Sources and Optics II, Ali M.
Khounsayr; Carolyn A. MacDonald; Edsに図示され記載されている単色Ｘ線源の幾何学的形状に類似する。図９を参照すると、Ｘ線装置９００は、カソードとして動作するトロイダル状フィラメント９０５と、広帯域Ｘ線を発生するための回路のアノードとして動作する一次ターゲット９１０とを含む真空管９５０を備える。真空管９５０は、ハウジング９５５、フロント部分９６５（例えば、銅フェイスプレート）及びウインドウ９３０（例えば、ベリリウムウインドウ）によって全体的に形成される真空シールされるエンクロージャを含む。

動作において、フィラメント９０５（カソード）からの電子（例えば、例示的電子９０７）は、カソードとアノードとの間の高電圧バイアスによって確立される電場のために、一次ターゲット９１０（アノード）に向かって加速される。電子が一次ターゲット９１０によって減速されると、広帯域Ｘ線放射９１５（すなわち、図３に示すような制動放射）が生成される。また、電圧が光電子を生成するのに十分大きい場合には、アノード材料の電子衝撃によって、一次ターゲット材料に固有の特性放出ラインを生成することもできる。したがって、広帯域Ｘ線放射（又は代替的に広帯域スペクトル放射）は、一次ターゲットの特性放出ラインを伴うか又は伴わない制動放射を指す。一次ターゲット９１０から放出される広帯域放射９１５は、副ターゲット９２０を照射するために真空エンクロージャのウインドウ９３０を通って伝播する。ウインドウ９３０は、一次ターゲット９１０によって生成された広帯域Ｘ線放射を原則的に透過させ、かつ、不所望な制動放射を生成することを阻止するために、電子が二次ターゲット９２０上に入射しすることを遮断する材料（例えばベリリウム）から作製される、真空エンクロージャの透過部分を提供する。ウインドウ９３０は、二次ターゲット９２０を真空エンクロージャの外側に収容するようにカップ状であてもよく、Ｘ線管９５０の真空シールを破ることなく、二次ターゲットを取り除き、置き換えることができる。

一次ターゲット９１０からの入射広帯域Ｘ線放射に応じて、二次ターゲット９２０は、蛍光を介して二次ターゲット中の（複数の）元素に特有の単色Ｘ線放射９２５を生成する。二次ターゲット９２０は、円錐形状であり、以下でさらに詳述するように、所望のエネルギで蛍光単色Ｘ線を発生するように選択される材料から作製される。広帯域Ｘ線放射９１５及び単色Ｘ線放射９２５は、蛍光を介して単色Ｘ線放射を生成するために、一次ターゲット及び二次ターゲットを使用する基本原理を示すために、図９に模式的に示されている。広帯域及び単色Ｘ線放射は、一次ターゲット及び二次ターゲットによって、それぞれ４π方向に放射されることが認識されるべきである。したがって、Ｘ線放射は、Ｘ線管９５０のアパーチャの中心を通る長手軸に対応する軸９５５に対して異なる角度θでＸ線管９５０から放出される。

上述したように、本発明者は、単色Ｘ線を発生させるための従来のＸ線装置（本明細書では単色Ｘ線源とも称される）が、かなりの量（significant amounts）の広帯域Ｘ線を放射することを認識している。すなわち、従来の単色Ｘ線源は、単色Ｘ線を生成する能力を報告しているが、実際には、これらの従来の装置によって放出されるＸ線の単色性（monochromaticity）は低い（すなわち、従来の単色源は、低い単色度（degrees of monochromaticity）を示す）。例えば、Ｍａｒｆｅｌｄに記載された従来の単色源は、１６５ｋＶで作動するタングステン（Ｗ）の二次ターゲットを有する線源を用い、約５０％の純度の単色Ｘ線を放出する（すなわち、Ｘ線放出は、約５０％広帯域Ｘ線放射である）。別の例として、図９に示す一般的な幾何学形状の従来の単色Ｘ線源は、－５０ｋＶの負電圧のカソードと、接地電位の金製一次ターゲット（Ａｕ；Ｚ＝７９）及びスズ製二次ターゲット（Ｓｎ；Ｚ＝５０）と、で動作し、図１０Ａ（軸上）及び図１０Ｂ（軸外）に示すＸ線スペクトルを放射する。上述のように、Ｘ線放射は、Ｘ線管の長手軸（図９に示される軸９５５）に対して異なる角度θでＸ線管から放出される。

軸上のスペクトル及び軸外スペクトルは単色線源の有効性に役割を果たすので、軸内及び軸外Ｘ線スペクトルの両方が示されている。特に、視角θの関数としてのＸ線放射の単色性の変化は、結果として得られる画像に不均一性をもたらす。加えて、医療用撮像の用途では、軸外角度でのＸ線スペクトルの単色性の減少（すなわち、広帯域Ｘ線の相対量の増加）は、患者に照射される線量を増加させる。したがって、軸上スペクトル及び軸外スペクトルの両方の単色度は、Ｘ線装置のＸ線放出の重要な特性であり得る。図１０Ａにおいて、軸上（on-axis）とは、Ｘ線管の軸周りの狭い角度範囲（約０．５度未満）をいい、軸外（off-axis）とは、Ｘ線管の軸外の約５度をいう。図１０Ａ及び１０Ｂに示すように、従来の単色Ｘ線源から放出されるＸ線スペクトルは、実際には単色ではなく、かなりの量の広帯域Ｘ線放射で汚染されている。

特に、二次ターゲットの特性放出ライン（すなわち、それぞれ、図１０Ａ及び１０ＢにおいてＳｎＫα及びＳｎＫβとしてラベリングされた、Ｌ殻及びＭ殻からの遷移から生じる、スズ（Ｓｎ）二次ターゲットからのＫ殻蛍光を介して放出される単色Ｘ線）に加えて、図１０Ａ及び１０Ｂに示されるＸ線スペクトル１０００ａ及び１０００ｂは、かなりの量の広帯域Ｘ線放射も含む。具体的には、Ｘ線スペクトル１０００ａ及び１０００ｂは、一次ターゲットの特性放出ラインにおける顕著なピーク（すなわち、図１０Ａ及び１０ＢにおいてＡｕＫα及びＡｕＫβとしてラベリングされた、金の一次ターゲットのＫ殻放出に相応するエネルギにおけるＸ線放射）、及びかなりの量の制動放射バックグラウンドを含む。図１０Ａ及び１０Ｂの矢印１００３によって示されるように、ＳｎＫαピークは、軸上方向では、制動放射バックグラウンドよりも（約）８．７倍だけ大きく、軸外方向では、制動放射バックグラウンドよりも約７倍だけ大きい。したがって、この従来の単色Ｘ線源は、以下に定量化されるように、軸上及び軸外の両方において、著しく低い単色性を示すＸ線を放出することは、調査のみからも明らかである。

単色性は、広帯域Ｘ線放射の全積分エネルギに対する、二次ターゲットの特性蛍光放出ラインにおける積分エネルギの比に基づいて計算されることができる。例えば、ここではＰｌｏｗと称される、低エネルギ広帯域Ｘ線放射の積分エネルギ（例えば、図１０Ａ及び１０Ｂにおいて概して矢印１００１により示されるＳｎＫαピークより下のＸ線スペクトルの積分エネルギ）、及び、ここではＰｈｉｇと称される、高エネルギ広帯域Ｘ線放射の積分エネルギ（例えば、図１０Ａ及び１０Ｂにおいて概して矢印１００２により示されるＳｎＫβピークより上のＸ線スペクトルの積分エネルギ）が計算されることができる。Ｐｌｏｗ及びＰｈｉｇｈに対する、特性Ｋ殻放出ラインの積分エネルギ（ここでは、Ｐｋと称し、これは、図１０Ａ及び１０ＢにおけるＳｎＫα放出及びＳｎＫβ放出の積分エネルギに相応する）の比は、Ｘ線源によっ て放出される単色Ｘ線の量に対する広帯域Ｘ線の量の尺度（a measure）を提供する。図１０Ａの例では、比Ｐｋ／Ｐｌｏｗは０．６９であり、比Ｐｋ／Ｐｈｉｇｈは１．７である。図１０Ｂの例では、比Ｐｋ／Ｐｌｏｗは０．９であり、比Ｐｋ／Ｐｈｉｇｈは２．４である。Ｐｌｏｗ及びＰｈｉｇｈの比が増加すると、線源のスペクトル出力が単色である度合いが増加する。ここで用いられるように、Ｘ線スペクトルの単色性Ｍは、Ｍ＝１／（１＋１／ａ＋１／ｂ）として計算される。但し、ａ＝Ｐｋ／Ｐｌｏｗ、ｂ＝Ｐｋ／Ｐｈｉｇｈである。従来のＸ線装置によって生成される図１０Ａの軸上Ｘ線スペクトルについては、Ｍ＝０．３３であり、従来のＸ線装置によって生成される図１０Ｂの軸外Ｘ線スペクトルについては、Ｍ＝０．４である。したがって、Ｘ線スペクトルのエネルギの大部分は、広帯域Ｘ線放射線であって、単色Ｘ線放射線ではない。

本発明者は、著しく高い単色性を有するＸ線放射の生成を容易にする技術を開発し、それにより、Ｘ線装置からのＸ線放射の特性を改善し、改善されたＸ線撮像を容易にする。図１１Ａは、本発明者が開発した技術を組み込んだＸ線装置１１００を示し、図１１Ｂは、いくつかの実施形態に従った、Ｘ線装置１１００のコンポーネントの視点でズームされたものを示す。Ｘ線装置１１００は、Ｘ線装置の電子光学系１１０５及び一次ターゲット１１１０のための真空封止されたエンクロージャを提供する真空管１１５０を含む。真空シールされたエンクロージャは、実質的にハウジング１１６０（フロント部分１１６５を含む）及びインタフェース又はウインドウ部分１１３０によって形成される。フェイスプレート１１７５は、フロント部分１１６５の外面を形成するように設けられてもよい。フェイスプレート１１７５は、概して広帯域Ｘ線放射に対して不透明な材料、例えば、少なくとも一部の広帯域Ｘ線放射がＸ線装置１１００から放射されるのを防止する、鉛、タングステン、厚肉ステンレス鋼、タンタル、レニウム等の高Ｚ材料から構成されてもよい。

インタフェース部分１１３０は、一次ターゲット１１１０からの広帯域Ｘ線放射が真空エンクロージャの外側に通過して二次ターゲット１１２０を照射することができるように、概してＸ線透過性の材料（例えば、ベリリウム）から構成されてもよい。このようにして、インタフェース部分１１３０は、真空エンクロージャの内側と外側との間に「ウインドウ」を提供し、これを通して広帯域Ｘ線は透過することができ、したがって、本明細書では、ウインドウ又はウインドウ部分１１３０とも称される。ウインドウ部分１１３０は、真空エンクロージャの内側に面する内面表と、真空管１１５０の真空エンクロージャの外側に面する外表面（例えば、図１２に示す内表面１２３２と外表面１２３４）とを含んでもよい。ウインドウ部分１１３０は、二次ターゲット（例えば、二次ターゲット１１２０）が、一次ターゲット１１１０から放出される少なくともいくつかの広帯域Ｘ線放射が二次ターゲットに衝突する位置ににおいて、真空エンクロージャの外側に位置するように、二次ターゲットキャリア１１４０を保持するように構成されたレセプタクル（図１２の符号を付されたレセプタクル１２３５参照）を形成するように成形されてもよい。いくつかの実施態様によれば、キャリア１１４０は、着脱可能（removable）である。着脱可能なキャリア１１４０を利用することによって、以下でさらに詳細に説明するように、真空シールを破る必要なく、異なる二次ターゲットがＸ線システム１１００で使用されることができる。しかしながら、いくつかの実施態様によれば、キャリア１１４０は、取り外すことができない。

本発明者は、透過部分と遮断部分とを含むハイブリッドインタフェース部分を設けることにより、Ｘ線装置から放出される広帯域Ｘ線放射の量をさらに低減させることができることを認識した。例えば、図１１Ｃは、いくつかの実施形態による、透過部分１１３０ａ（例えば、ベリリウム部分）及び遮断部分１１３０ｂ（例えば、タングステン部分）を含むインタフェース部分１１３０’を示す。したがって、いくつかの実施形態によれば、インタフェース部分１１３０’は、図１１Ｃの破線より下の第１材料を含んでもよく、かつ、破線より上の第１材料とは異なる第２材料を含んでもよい。この態様は任意の特定の材料とともに使用するために限定されないので、透過部分１１３０ａ及び遮断部分１１３０ｂは、意図される透過及び吸収機能を十分に果たすのに適した、任意のそれぞれの材料を含んでもよい。

いくつかの実施形態によれば、透過部分と遮断部分との間のインタフェースの位置（例えば、図１１Ｃの破線の位置）は、キャリアがインタフェース部分によって形成されたレセプタクル内に挿入される場合の、キャリアの透過部分と遮断部分との間のインタフェースの位置にほぼ対応する。いくつかの実施形態によれば、透過部分と遮断部分との間のインタフェースの位置（例えば、図１１Ｃの破線の位置）は、キャリアがインタフェース部分によって形成されたレセプタクル内に挿入される場合の、キャリアの透過部分と遮断部分との間のインタフェースの位置に対応しない。ハイブリッドインタフェースコンポーネントは図２８Ａにも示されており、以下でさらに詳細に説明する。

図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態では、二次ターゲット１１２０は、円錐形状を有し、広帯域Ｘ線の入射に応じて所望のエネルギでＸ線を蛍光放出する材料で作製される。二次ターゲットは、スズ（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、モリブデン（Ｍｏ）、パラジウム（Ｐｄ）、若しくは任意の他の適切な材料又は材料の組合せを含むが、これらに限定されない、任意の適切な材料で作製され得る。図１９は、上に列挙した４つの例示的な材料の二次ターゲットコーンを照射することによって得られるＸ線スペクトルを示す。以下にさらに詳細に説明するように、良好な空間分解能を提供するために、二次ターゲット１１２０は、小さなコンパクト領域を提供し、そこから蛍光を介して単色Ｘ線を放射することができる。

本発明者は、着脱可能なキャリア１１４０が、真空管１１５０から放射されるＸ線放射の特性を改善するように（例えば、Ｘ線放射放射の単色性を改善するように）設計され得ることを認識している。単色性を改善する技術はまた、以下でさらに詳細に述べられるように、高強度単色Ｘ線を生成する能力を促進する。図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態では、取り外し可能なキャリア１１４０は、一般にＸ線放射に透過性である材料を含む透過部分１１４２を有し、これにより、ウインドウ部分１１３０を通過する、一次ターゲット１１１０によって放射される広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部は、透過部分１１４２をも通過して、二次ターゲット１１２０を照射する。透過部分１１４２は、二次ターゲット１１２０を収容するように構成された筒状部分（a cylindrical portion）１１４２ａを含んでもよく、異なる材料の二次ターゲットがそれぞれの材料の単色Ｘ線を生成するために用いられることができるように、二次ターゲットを除去及び配置できるように構成されてもよいが、態様は、二次ターゲットを交換（例えば、除去及び配置）できるキャリアとの使用に制限されない。透過部分１１４２に好適な例示的材料は、アルミニウム、炭素、カーボンファイバ、ホウ素、窒化ホウ素、酸化ベリリウム、シリコン、窒化シリコン等を含むが、これらに限定されない。

キャリア１１４０は、Ｘ線放射線に対して概ね不透明な材料（すなわち、入射Ｘ線放射線を実質的に吸収する材料）を含む遮断部分１１４４をさらに有する。遮断部分１１４４は、二次ターゲットによって変換されない及び／又は二次ターゲットに入射しない、ウインドウ１１３０を通過する、少なくとも一部の広帯域Ｘ線を吸収するように構成される、及び／又は、さもなければ真空エンクロージャから逃れ得る、広帯域Ｘ線の少なくとも一部を吸収するように構成される。従来のＸ線源（例えば、図９に示す従来のＸ線装置９００）では、装置からかなりの量の広帯域Ｘ線が放射されることができ、二次ターゲットによって放射される蛍光Ｘ線放射線を損ない、放射されるＸ線放射の単色性を実質的に低下させる。図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２、図１３Ａ～図１３Ｃ及び図１７Ａ～図１７Ｃに示す実施形態では、透過部分及び遮断部分は、二次ターゲットを収容するように構成されたハウジングを形成する。

いくつかの実施態様によれば、遮断部分１１４４は、筒状部分１１４４ａ及び環状部分１１４４ｂを含む。筒状部分１１４４ａは、上述のように、少なくとも一部の広帯域Ｘ線を吸収しつつ、一次ターゲット１１１０からの入射広帯域Ｘ線放射に応じて、二次ターゲット１１２０によって蛍光放出されるＸ線放射を透過させることを可能にする。環状部分１１４４ｂは、さもなければＸ線装置１１００によって放射されるであろう付加的な広帯域Ｘ線放射を吸収するために表面積を増大させる部分を提供する。図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態では、環状部分１１４４ｂは、可能な限りまで吸収される広帯域Ｘ線の量を概して最大化するために、Ｘ線管のフロント部分の凹部内にぴったりと嵌合するように構成される。環状部分１１４４ｂは、後述の図１３Ｂ及び１７Ｂにも示されるように、二次ターゲット１１２０から蛍光放出された単色Ｘ線がＸ線装置１１００から放出されることを可能にするために、筒状部分１１４４ｂ及び１１４２ａを通るアパーチャに対応するアパーチャ部分１１４４ｃを含む。遮断部分１１４４に好適な例示的材料には、鉛、タングステン、タンタル、レニウム、白金、金等が含まれるが、これらに限定されない。

図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態では、キャリア１１４０は、二次ターゲットの一部が遮断部分１１４４内に収容されるように構成される。具体的には、図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態に示されるように、円錐形の二次ターゲット１１２０の先端は、二次ターゲットがキャリア１１４０の透過部分１１４２に挿入されると、筒状部分１１４４ｂ内に延在する。本発明者は、以下でさらに述べるように、遮断部分１１４４内に収容される二次ターゲットの部分を有することにより、Ｘ線装置から放出される単色Ｘ線放射の特性が改善されることを認めた。しかしながら、いくつかの実施形態によれば、二次ターゲットキャリアは、二次ターゲットの部分がキャリアの遮断部分に収容されないように構成されてもよく、その例は、以下にさらに詳細に説明される図１３Ａ～図１３Ｃに示される。キャリア１１４０の両方の構成（例えば、二次ターゲットキャリアの遮断オーバーラップを有する場合と有さない場合）は、以下でさらに詳細に説明するように、放出されるＸ線放射の特性を著しく改善する（例えば単色性を改善する）。

図１２に示されるように、キャリア１２４０（図１１Ａ及び１１Ｂに示されるキャリア１１４０と類似又は同一であってもよい）は、着脱可能に構成される。例えば、キャリア１２４０は、例えば、概して矢印１２０５で示される方向において、それぞれキャリアを挿入及び除去することによって、インタフェースコンポーネント１２３０（例えば、透過ウインドウを含むインタフェース）によって形成されるレセプタクル１２３５内に着脱可能に挿入されてもよい。すなわち、いくつかの実施形態によれば、キャリア１２４０は、（例えば、着脱可能なキャリア１２４０をレセプタクル１２３５に挿入すること、及び／又は、レセプタクル１２３５から除去することによって）Ｘ線装置内に挿入され、Ｘ線装置から除去され得る別個のコンポーネントとして構成される。

図１２に示すように、キャリア１２４０は、Ｘ線装置に挿入されるように構成された近位端１２４５と、そこから単色Ｘ線がキャリア１２４０の中心を通ってアパーチャ１２４４ｄを介して放出される遠位端１２４７とを有する。図１２に示される実施形態では、筒状遮断部１２４４ａは、筒状透過部１２４２ａに隣接して、筒状透過部１２４２ａから遠位に配置される。環状遮断部分１２４４ｂは、遮断部分１２４４ａに隣接して、遮断部分１２４４ａから遠位に配置される。図示されるように、環状遮断部分１２４４ｂは、筒状遮断部分１２４４ａ（及び、２つの筒状部分がほぼ同じ直径を有する実施形態では、筒状透過部１２４２ａ）の直径ｄよりも大きい直径Ｄを有する。近位端及び遠位端の両端からの距離は、図１２では高さＨとして示されている。キャリア１２４０の寸法は、キャリアが収容するように構成される二次ターゲットの寸法に依存してもよい。例えば、４ｍｍベースを有する二次ターゲットを収容するように構成される例示的キャリア１２４０については、直径ｄは約４～５ｍｍ、直径Ｄは約１３～１６ｍｍ、高さＨは約１８～２２であってもよい。別の例として、８ｍｍベースを有する二次ターゲットを収容するように構成される例示的キャリア１２４０については、直径ｄは約８～９ｍｍ、直径Ｄは約１８～２２ｍｍ、高さＨは約２８～３２であってもよい。態様は、特定の寸法又は寸法のセットとともに使用するために制限されないので、提供されるキャリア及び二次ターゲットの寸法は、単に例示的なものであり、任意の適切な値であり得ることが理解されるべきである。

いくつかの実施形態によれば、キャリア１２４０は、例えば、レセプタクル１２３５内の協働するネジに手でねじ込まれることができるネジをキャリア１２４０に設けることによって、レセプタクル１２３５にねじ込まれるように構成されてもよい。あるいは、キャリア１２４０が所定の位置に保持されることができるように、解除可能な機械的キャッチが設けられてもよく、レセプタクルから外向きに力を加えることによってキャリア１２４０を除去できるようにする。別の代替例として、キャリア１２４０とレセプタクル１２３５とのフィッティングの密接性は、動作中にキャリアを所定の位置に保持するのに十分であり得る。例えば、キャリア１２４０の側面とレセプタクル１２３５の壁との間の摩擦は、キャリア１２４０を所定位置に保持するのに十分であり得るので、追加の固定機構は必要とされない。キャリアがレセプタクル内に挿入されるときに、キャリア１２４０を所定の位置に保持するのに十分な任意の手段が使用されてもよいことを理解されたい。なぜなら、この態様は、この点に関して限定されないからである。

上述のように、本発明者は、改善された単色Ｘ線放出を容易にする複数のキャリア構成を開発した。図１３Ａ及び１３Ｂは、いくつかの実施形態による、キャリア１３４０の三次元図及び二次元図を示す。図１３Ａの三次元図は、例示的構成部分に分離されたキャリア１３４０を示す。特に、図１３Ａは、遮断部分１３４４から分離された透過部分１３４２を示す。上述のように、透過部分１３４２は、少なくとも関連する関心対象のエネルギにおいて、概して広帯域Ｘ線を透過する材料（すなわち、アルミニウム、炭素、カーボンファイバ、ホウ素、窒化ホウ素、酸化ベリリウム、シリコン、窒化シリコン等の、少なくとも関連する関心対象のエネルギにおいて実質的な吸収なしに、広帯域Ｘ線を通過させることができる材料）を含んでもよい。他方、遮断部分１３４４は、少なくとも関連する関心対象のエネルギにおいて、概して広帯域Ｘ線放射線に対して不透明な材料（すなわち、、例えば、鉛、タングステン、タンタル、レニウム、白金、金等の、少なくとも関連する関心対象のエネルギにおいて、広帯域Ｘ線放射線を実質的に吸収する材料）を含んでもよい。

このようにして、一次ターゲットによって放出される広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部は、透過部分１３４２を通過して二次ターゲットを照射することができ、一方、一次ターゲットによって放出される（及び／又は、Ｘ線管の他の表面から放出又は散乱される）広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部は、遮断部分１３４４によって吸収され、不所望な広帯域Ｘ線放射線がＸ線装置から放出されるのを防止する。その結果、キャリア１３４０は、広帯域Ｘ線放射による汚染が低減された単色Ｘ線放射を提供することを容易にし、Ｘ線装置のＸ線放射の単色性を著しく改善する。図１３Ａ～図１３Ｃに示す実施形態では、より広範囲の角度にわたって放出され、及び／又は、より広範囲の位置に由来する広帯域Ｘ線放射を吸収し、Ｘ線装置のＸ線放射発光の単色性を改善するために、遮断部分１３４４は筒状部分１３４４ａ及び筒状部分１３４４ａよりも大きな直径を有する環状部分１３４４ｂを含む。

いくつかの実施形態によれば、透過部分１３４２及び遮断部分１３４４は、種々の技術のいずれかを使用して、互いに結合又は係合する（couple together or mate）ように構成されてもよい。例えば、図１３Ａの実施形態において筒状セグメントとして示される透過部分１３４２は、遮断部分１３４４の筒状部分１３４４ａの対応する端部において係合部分１３４２ｂと係合するように構成される筒状セグメントの一端に係合部分１３４３ａを含んでもよい。係合部１３４３ａ及び１３４３ｂは、適切に寸法設定されてもよく、例えば、透過部分１３４２及び遮断部分１３４４が、２つの部分を互いにねじ込むことによって係合することを可能にするためのネジ山を備えてもよい。あるいは、係合部分１３４３ａ及び１３４３ｂは、２つの部分を一緒に結合するように、係合部分１３４３ａが係合部分１３４３ｂの上をスライドするように、又はその逆に寸法設定されてもよい。透過部分１３４２及び遮断部分１３４４が分離され、一緒に結合されることを可能にするために、任意の機構が使用され得ることが理解されるべきである。いくつかの実施形態によれば、透過部分１３４２及び遮断部分１３４４は、分離可能ではない。例えば、いくつかの実施形態によれば、キャリア１３４０は、遮断部分１３４４に固定的に結合された透過部分１３４２を有する単一のコンポーネントとして製造されることができ、そうすると、概して当然ながら、互いに分離可能ではない。

透過部分１３４２はまた、二次ターゲット１３２０を収容するように構成された部分１３２５を含んでもよい。例えば、透過部分１３４２の一端は、二次ターゲット１３２０が透過部分１３４２内に位置することができるように、適切に開放されてもよく、それにより、キャリア１３４０がＸ線装置に結合される（例えば、透過ウインドウ等の真空管のインタフェース部分によって形成されるレセプタクルに挿入される）場合に、二次ターゲット１３２０は、一次ターゲットから放出される広帯域Ｘ線の少なくとも一部が、二次ターゲット１３２０を照射し、選択された材料の特性エネルギにおいて、二次ターゲットが単色Ｘ線を蛍光を発するように位置決めされてもよい。このように、異なる複数の二次ターゲット１３２０は、単色Ｘ線のエネルギが選択可能であるように、キャリア１３４０内に位置決めされ、及び／又はキャリア１３４０によって保持され得る。いくつかの実施形態によれば、二次ターゲット１３２０は、二次ターゲット１３２０とキャリア１３４０との嵌合又は結合を容易にする部分１３２２を含んでもよい。例えば、部分１３２２及び１３２５は、キャリア１３４０の透過部分１３４２内の適所に二次ターゲットをねじ込むことを可能にする協働するネジ山を備えることができる。あるいは、部分１３２２及び１３２５は、二次ターゲットが透過部分内にぴったりと嵌合し、嵌合の密接度によって（例えば、２つの構成要素間の摩擦によって）保持されるように寸法設定されることができ、及び／又は、部分１３２２及び／又は部分１３２５は、二次ターゲットが所定の位置に保持されることを可能にする機械的フィーチャを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、別個のキャップ片が、二次ターゲットがキャリア内に挿入された後に透過部分１３４２上に嵌合するように含まれてもよく、及び／又は他の任意の適切な技術が、二次ターゲット１３２０がキャリア１３４０内に挿入され、キャリア１３４０によって十分に保持されることを可能にするために使用されてもよい。なぜなら、この態様はこの点に関して制限されないからである。

図１３Ｂに示される実施形態では、二次ターゲット１３２０は、遮断部分１３４４とのオーバーラップ無しで、透過部分１３４２内に収容される。すなわち、二次ターゲット１３２０の最も遠い延在部（the furthest extent）（例えば、図１３Ｂに示される実施形態における円錐形ターゲットの先端）は、遮断部の筒状部分１３４４ａ（又は遮断部分の他の部分）内に延在しない。二次ターゲット１３２０をキャリアの透過部分内に排他的に収容することによって、広帯域Ｘ線放射に曝露され、したがって単色Ｘ線放射を蛍光放出することができる二次ターゲット１３２０の体積は、概して最大化され、所与の二次ターゲット及びＸ線装置の動作パラメータの所与のセット（Ｘ線管のパワーレベル等）に対して生成される単色Ｘ線放射の強度を概して最適化する機会をもたらし得る。すなわち、二次ターゲットの曝露容積（the exposed volume）を増加させることによって、単色Ｘ線強度を増加させることができる。

図１３Ｂに示されるブロッキング部分１３３４の環状部分１３４４ｂの正面図は、環状部分１３４４ｂが、二次ターゲット１３２０から蛍光放出された単色Ｘ線がＸ線装置から放出されることを可能にする筒状部分１３４４ａ（及び筒状部分１３４２）のアパーチャに対応するアパーチャ１３４４ｃを含むことを示す。遮断部分１３４４は、概して（ｇｅｎｅｒａｌｌｙ）不透明な材料から作られるので、遮断部分１３４４は、ある閾値角度よりも大きい軸外角度で放出される二次ターゲットから蛍光放出される単色Ｘ線の一部を吸収する。この閾値角度は、二次ターゲットの容積のどこに単色Ｘ線が起因するのかに依存する。したがって、遮断部分１３４４は、図１３Ａ～Ｃの実施形態では、キャリア１３４０の中心を通る縦軸に対応する、Ｘ線管の軸に対する角度範囲に放出される単色Ｘ線を制限するコリメータとしても動作する。

図１３Ｃは、Ｘ線装置内に配置された（例えば、図１１Ａ、１１Ｂ、及び１２に示された例示的なウインドウ部分１１３０及び１２３０等の真空管のインタフェース部分によって形成されたレセプタクル内に挿入された）キャリア１３４０の概略図を示す。部分１３６５は、従来銅等の材料で構成された真空管のフロント部分に対応する。さらに、概ね不透明な材料（例えば、鉛、タングステン、タンタル、レニウム、プラチナ、金等）で作られた、キャリア１３４０のアパーチャに対応するアパーチャを有するカバー又はフェイスプレート１３７５が設けられる。フェイスプレート１３７５は、広帯域Ｘ線のさらなる吸収を提供して、疑似（spurious）広帯域Ｘ線放射がＸ線装置から放出されるＸ線放射を汚染するのを防ぐために任意で含まれてもよい。

いくつかの実施形態によれば、例示的なキャリア１３４０は、単色Ｘ線発光特性を改善するために使用されてもよい。例えば、図１４Ａ及び１４Ｂは、図１３Ａ、１３Ｂ及び／又は１３Ｃに示されるキャリア１３４０の使用から生じる軸上Ｘ線スペクトル１４００ａ及び軸外Ｘ線スペクトル１４００ｂを示す。図示のように、得られたＸ線スペクトルは、単色Ｘ線を生成するように構成された従来のＸ線装置（例えば、図９に示されている従来のＸ線装置９００）によって生成され、図１０Ａ及び１０Ｂに示される軸上及び軸外Ｘ線スペクトルに比べて著しく改善される。図１４Ａの矢印１４０３によって示されるように、軸上のＳｎＫαピークは、図１０Ａに示される軸上スペクトルの約８．７から増加し、制動放射バックグラウンドの約１４５倍大きい。図１４Ｂの矢印１４０３によって示されるように、軸外ＳｎＫαピークは、図１０Ｂに示す軸外スペクトルの約７．０から増加し、制動放射バックグラウンドの約３６倍大きい。さらに、Ｐｌｏｗ（図１４Ａ及び１４Ｂの矢印１４０１で示される、ＳｎＫαより低い低エネルギＸ線スペクトルの積分エネルギ）及びＰｈｉｇｈ（矢印１４０２で示されるＳｎＫβピークより上の高エネルギスペクトルの積分エネルギ）に対する、Ｐｋ（ＳｎＫα及びＳｎＫβとしてラベルされた特性Ｋ殻放出線の積分エネルギ）の比は、それぞれ、図１０Ａの軸上スペクトルについての０．６９及び１．７から増加して、図１４Ａに図示される軸上スペクトルについて、２１及び６２であり、比Ｐｋ／Ｐｌｏｗ及びＰｋ／Ｐｈｉｇｈは、図１０Ｂの軸外スペクトルについての０．９及び２．４から増加して、図１４Ｂに示される軸外スペクトルについてそれぞれ１２．９及び２２である。これらの増加した比は、それぞれ、図１０Ａ及び１０ＢのＸ線スペクトルについての軸上単色度０．３３及び軸外単色度０．４から増加して、軸上単色度０．９４（Ｍ＝０．９４）及び軸外単色度８９（Ｍ＝０．８９）になる。

この単色性の顕著な改善は、より均一であり、より良好な空間分解能を有し、医用撮像用途において患者に顕著に少ないＸ線照射量を供給するＸ線画像の取得を容易にする。例えば、マンモグラフィの場合、図１０Ａ及び１０Ｂに示されるＸ線放射スペクトルは、図１４Ａ及び１４Ｂに示されるＸ線放射スペクトルによって供給されるよりも４倍の平均腺照射量を、通常の厚さ及び密度の乳房組織に供給する。図１４Ｃは、図１０Ａ及び１０Ｂに示されるＸ線スペクトルを生成するために使用される従来のＸ線源の視野を、図１４Ａ及び１４Ｂに示されるＸ線スペクトルを生成するために使用されるＸ線装置の視野とともに示す。従来のＸ線装置の半値全幅（ＦＷＨＭ）は約３０度であり、改良型Ｘ線装置のＦＷＨＭは約１５度である。従って、視野は例示的なキャリア１３４０を介して縮小されるが、得られる視野は、コンパクトな線源検出器の距離（例えば、約７６０ｍｍ）で単一の曝露において乳房等の臓器を画像化するのに十分以上であり、しかも、増加した均一性及び空間分解能と、減少した放射線照射量とを有し、顕著に改善された安全なＸ線撮像を可能にする。図１５は、視角θの関数としての低エネルギＸ線放射及び高エネルギＸ線放射の積分パワー比（Ｐｋ／Ｐｌｏｗ及びＰｋ／ＰＨｉｇｈ）を示し、図１６は、従来のＸ線装置（１５６０ａ、１５６０ｂ及び１６６０）及び例示的なキャリア１３４０（１５７０ａ、１５７０ｂ及び１６７０）を使用する改善されたＸ線装置のＸ線放射の単色性を示す。プロット１５７０ａ、１５７０ｂ及び１６７０によって示されるように、単色性は視角の関数として減少する。キャリア１３４０を用いて、単色Ｘ線放射は、１５度の視野にわたって少なくとも０．７の単色光度、及び長手軸まわりの１０度の視野にわたって少なくとも０．８の単色光度を有して放出される。プロット１５６０ａ、１５６０ｂ及び１６６０に示すように、従来のＸ線装置の単色光度は、全視角にわたって極めて劣っている（すなわち、全ての視野全体にわたって０．４未満）。

本発明者は、Ｘ線管から放出されるＸ線放射の単色性の態様に対するさらなる改善は、二次ターゲットキャリアの幾何学的形状を変更することによって改善され得ることを認めた。いくつかの実施形態によれば、単色性は、特に軸外Ｘ線放射に対して劇的に改善され得る。例えば、本発明者は、二次ターゲットの一部がキャリアの遮断部分内にあるようにキャリアを変更することによって、Ｘ線装置によって放出されるＸ線放射線の単色性が、特に軸外Ｘ線放射に関して改善され得ることを認識した。図１７Ａ及び１７Ｂは、いくつかの実施形態による、キャリア１７４０の三次元及び二次元図を図示する。例示的なキャリア１７４０は、図１７Ａに示されるように、二次ターゲット１７２０を収容するための透過部分１７４２と、遮断部分１７４４（筒状部分１７４４ａ及び中央を貫通するアパーチャ１７４４ｃを有する環状部分１７４４ｂを含んでもよい）とを含む、キャリア１３４０に類似する部分を含んでもよい。

しかし、図１７Ａ～図１７Ｃに示される実施形態では、キャリア１７４０は、二次ターゲット１７２０が透過部分１７４２内に位置決めされると、二次ターゲット１７２０の一部が遮断部分１７４４内に延在するように構成される。特に、遮断部分は、二次ターゲット１７２０の一部とオーバーラップするオーバーラップ部分１７４４ｄを含み、従って、二次ターゲットの少なくとも一部が遮断部分１７４４内に含まれる。いくつかの実施形態によれば、オーバーラップ部分１７４４ｄは、二次ターゲットの約０．５～５ｍｍにわたって延在する。いくつかの実施形態によれば、オーバーラップ部分１７４４ｄは、二次ターゲットの約１～３ｍｍにわたって延在する。いくつかの実施形態によれば、オーバーラップ部分１７４４ｄは、二次ターゲットの約２ｍｍにわたって延在する。いくつかの実施態様によれば、オーバーラップ部分１７４４ｄは０．５ｍｍ未満にわたって延在し、及びいくつかの実施形態においては、オーバーラップ部分１７４４ｄは、５ｍｍを超える範囲にわたって延在する。オーバーラップの量は、二次ターゲット、キャリア及びＸ線装置の寸法及び幾何学的形状に部分的に依存する。図１７Ｃは、Ｘ線装置内に配置されたキャリア１７４０（例えば、真空管のインタフェースに形成されたレセプタクルに挿入されたもの）を示し、フェイスプレート１７７５が真空管（例えば、図１１Ａに示された真空管１１５０）のフロント部分１７６５上に設けられている。

いくつかの実施形態によれば、例示的なキャリア１７４０は、単色Ｘ線発光特性をさらに改善するために使用されてもよい。例えば、図１８Ａ及び１８Ｂは、図１７Ａ～Ｃに示されるキャリア１７４０の使用から結果として生じる軸上Ｘ線スペクトル１８００ａ及び軸外Ｘ線スペクトル１８００ｂを示す。図示されるように、結果として生じるＸ線スペクトルは、図１０Ａ及び１０Ｂに示される従来のＸ線装置で生成される軸上及び軸外のＸ線スペクトルと比較して著しく改善されるとともに、図１３Ａ～Ｃに示される例示的なキャリア１３４０を使用して生成されるＸ線スペクトルと比較して改善された特性を示す。図１８Ａの矢印１８０３によって示されるように、軸上のＳｎＫαピークは、図１４Ａの軸上スペクトルについての１４５及び図１０Ａに示される軸上スペクトルについての８．７と比較して、制動放射バックグラウンドよりも１６０倍大きい。図１８Ｂの矢印１８０３によって示されるように、軸外のＳｎＫαピークは、図１４Ｂの軸外スペクトルについての３６及び図１０Ｂに示される軸外スペクトルについての７．０と比較して、制動放射バックグラウンドよりも８４倍大きい。

Ｐｌｏｗ（図１８Ａ及び１８Ｂの矢印１８０１で示される、ＳｎＫαより低い低エネルギＸ線スペクトルの積分エネルギ）及びＰｈｉｇｈ（矢印１８０２で示されるＳｎＫβピークより上の高エネルギスペクトルの積分エネルギ）に対する、Ｐｋ（図１８Ａ及び１８ＢにＳｎＫα及びＳｎＫβとしてラベルされた特性Ｋ殻放出線の積分エネルギ）の比は、図１０Ａの軸上スペクトルについての０．６９及び１．７及び図１４Ａに図示される軸上スペクトルについての２１及び６２と比較して、それぞれ３１及び６８である。比Ｐｋ／Ｐｌｏｗ及びＰｋ／Ｐｈｉｇｈは、図１８Ｂの軸外スペクトルについてはそれぞれ２９及び６８であり、図１４Ｂに示される軸外スペクトルについてはそれぞれ１２．９及び２２であり、図１０Ｂの軸外スペクトルについては０．９及び２．４である。これらの増加した比は、図１４ＡのＸ線スペクトルについての軸上単色度０．９４（Ｍ＝０．９４）、図１４ＢのＸ線スペクトルについての軸外単色度０．８９（Ｍ＝０．８９）、図１０Ａ及び１０ＢのＸ線スペクトルについての軸上単色度０．３３及び軸外単色度０．４と比較して、それぞれ、軸上単色度０．９６（Ｍ＝０．９６）及び軸外単色度９５（Ｍ＝０．９５）になる。

再び図１５及び１６を参照すると、スターは、例示的なキャリア１６４０を使用して放出されるＸ線放射の、軸上及び軸外低エネルギ比（１５８０ａ）及び高エネルギ比（１５８０ｂ）、並びに軸上及び軸外単色度（１６８０）をそれぞれ示す。図示されるように、Ｘ線放射は、基本的に、軸上及び軸外の５度において同一特性を示す。したがって、例示的なキャリア１７４０は、後に詳述するように、軸上単色度及び軸外の単色度の両方を改善するが、図１７Ａ～Ｃに示される例示的なキャリアの使用は、軸外単色度の実質的な増加を示し、例えば、単色強度を増加させ、空間分解能及び能力を改善するために、均一性を改善し、照射量を低減し、より高いＸ線管電圧の使用を可能にすることによって、単色Ｘ線を使用するＸ線撮像に実質的な利益を提供する。キャリア１７４０を用いて、単色Ｘ線放射は、１５度の視野にわたって少なくとも０．９の単色光度及び長手軸まわりの１０度の視野にわたって少なくとも０．９５の単色光度を有して放出される。

本願明細書において記載される例示的なキャリアは、着脱可能なハウジングとして構成されてもよく、又はＸ線装置に一体化されてもよいことが理解されるべきである。例えば、本明細書に記載される例示的なキャリアの１つ以上の態様は、この態様がこの点に関して限定されないので、例えば、固定的コンポーネントとして、Ｘ線装置に一体化され、組み込まれ、又は、別様にＸ線装置の一部を構成することができる。

周知のように、カソード－アノード電圧（例えば、フィラメント１１０６と、図１１Ａ及び１１Ｂに示される主ターゲット１１００との間の電圧電位）を増加させることによって、及び／又は、フィラメント電流を増加させて、放出電流を増加させることによって、単色Ｘ線発光の強度を増加させることができるが、後者の技術は、カソードの特性に大きく依存するので、制限された制御を提供する。Ｘ線放射強度、カソード－アノード電圧、及び放出電流の間の関係が図２０に示されており、これは、銀（Ａｇ）の二次ターゲット及び７５０ｍｍのソース－検出器間距離を使用して生成されたＸ線強度を、２つの異なる二次ターゲット形状（すなわち、直径４ｍｍの基部を有するＡｇ円錐及び直径８ｍｍの基部を有するＡｇ円錐）を使用する複数の異なるカソード－アノード電圧における放出電流についてプロットする。

従来、カソード－アノード電圧は、十分な単色Ｘ線強度を生成するために、二次ターゲットにおいてＸ線蛍光を誘導することができる吸収エッジ上に十分な高エネルギ広帯域Ｘ線を生成することと、所望の単色Ｘ線放射線を汚染する過剰な高エネルギ広帯域Ｘ線を生成することと、のバランスとして、二次ターゲットによって蛍光放出されるべき所望の単色Ｘ線の特性放出線のエネルギの約２倍であるように選択された。例えば、Ａｇ二次ターゲットの場合には、図１９（左下）に示される２２ｋｅＶのＡｇＫ単色Ｘ線を生成するために、図２１に示されるように、従来は、十分な高エネルギ広帯域Ｘ線が銀のＫエッジ（２５ｋｅＶ）の上方に生成されることを確実にするために、４５ｋＶのカソード‐アノード電位（電子光学系はー４５ｋＶに設定され得る）が選択され得る。同様に、Ｓｎ二次ターゲットの場合には、図１９（右下）に示される２５ｋｅＶのＳｎＫ単色Ｘ線を生成するために、図２１に示されるように、従来は、十分な高エネルギ広帯域Ｘ線が錫のＫエッジ（２９ｋｅＶ）の上に生成されることを確実にするために、５０ｋＶのカソード‐アノード電位が選択され得る。カソード－アノード電圧のこの２つの制限は、従来、Ｘ線装置から放出される単色Ｘ線の高エネルギ汚染を制限するために用いられてきた。

本発明者は、本明細書に記載された技術により、２つの制限ファクタが除去され、広帯域Ｘ線放射汚染を顕著に増加させることなく（すなわち、単色性を実質的に減少させることなく）、単色Ｘ線強度を増加させるために高いカソード－アノード電圧が使用されることを可能にすることを認識した。特に、本発明者らが開発した例示的な二次ターゲットキャリアを含む広帯域Ｘ線放射線を遮断する技術は、優れた単色性を維持しつつ、高強度単色性放射線を生成するために使用されることができる。例えば、図２２は、本発明者が開発した例示的なキャリア１７４０を使用するＳｎ二次ターゲットによる、複数のカソード－アノード電圧（一次電圧）について、軸上単色度２２００ａ及び軸外単色度２２００ｂを示す。同様に、図２３は、本発明者が開発した例示的なキャリア１７４０を使用するＡｇ二次ターゲットによる、複数のカソード－アノード電圧（一次電圧）について、軸上単色度２３００ａ及び軸外単色度２３００ｂを示す。図示のように、図示される高電圧の範囲にわたって高い単色性が維持され、図示される範囲にわたってわずか１．５％しか変化しない。したがって、単色性に実質的に影響を及ぼすことなく、単色Ｘ線強度を（例えば、図２０に示す線に沿って）増加させるために、より高い電圧を使用することができる。例えば、純度が９０％を超える単色Ｘ線（Ｍ＞０．９）は、最大１００ＫｅＶ以上（up to and exceeding 100 KeV)の一次電圧を用いて発生させることができ、単色Ｘ線強度を著しく増加させる。

いくつかの実施形態によれば、所与のターゲットから蛍光放出されるＸ線放射のエネルギ２倍よりも大きい一次電圧（例えば、図１１Ａ及び１１Ｂに示されるＸ線管１１５０のフィラメント１１０６と一次ターゲット１１１０との間の電圧ポテンシャル等のカソード－アノード電圧ポテンシャル）が、単色Ｘ線放射を生成するために使用される。いくつかの実施態様によれば、所与のターゲットから蛍光放出される所望の単色Ｘ線のエネルギの約２倍以上約３倍以下の一次電圧が、単色Ｘ線を生成するために使用される。いくつかの実施態様によれば、所与のターゲットから蛍光放出される所望の単色Ｘ線のエネルギの約３倍以上約４倍以下の一次電圧が、単色Ｘ線を生成するために使用される。いくつかの実施態様によれば、所与のターゲットから蛍光放出される所望の単色Ｘ線のエネルギの約４倍以上約５倍以下の一次電圧が、単色Ｘ線を生成するために使用される。いくつかの実施態様によれば、所与のターゲットから蛍光放出される所望の単色Ｘ線のエネルギの５倍以上の一次電圧が、単色Ｘ線を生成するために使用される。いずれの場合においても、視野にわたる軸上及び軸外において、０．９以上の単色度を有するＸ線放射線が達成されることができるが、これらの単色度のレベルを達成することは要件ではないことを理解されたい。

本発明者は、Ｘ線管の幾何学的形状が、広帯域Ｘ線放射汚染に寄与し得ることを認識している。本発明者は、Ｘ線管の電子光学系を改善することによって、Ｘ線装置から放出される単色Ｘ線を汚染する可能性がある、生成される広帯域Ｘ線放射線の量を、さらに減少させ得ることを認識している。再び図１１Ａ及び１１Ｂを参照すると、Ｘ線デバイス１１００は、Ｘ線放射を生成するために、一次ターゲット１１１０に入射する電子を生成するように構成される電子光学系１１０５を含む。本発明者は、真空エンクロージャ内の一次ターゲット以外の表面の衝撃を低減及び／又は除去するように構成された電子光学系の幾何学的形状を開発した。また、この幾何学的形状は、従来のシステムでは追加の冷却によって除去しなければならないであろう他の表面の寄生加熱を低減及び／又は除去する。

一例として、不所望な広帯域Ｘ線が発生し、Ｘ線管から潜在的に放出されて、放出されたＸ線放射スペクトルの単色性を低下させることを防止するために、電子光学系１１０５の幾何学的形状は、ウインドウ部分１１３０及び／又は真空管１１５０内の他の表面への衝撃を低減及び／又は排除するように構成される。図１１Ａ及び１１Ｂに示される実施形態では、電子光学系１１０５は、略トロイダル状であり得るフィラメント１１０６と、トロイダル状フィラメント１１０６の内側及び外側に配置されたガイド１１０７、１１０８及び／又は１１０９とを備える。例えば、以下に詳述するように、ガイド１１０７、１１０８、１１０９は、フィラメント１１０６の両側に壁を設けて、少なくともいくつかの電子が一次ターゲット１１１０以外の表面に衝突するのを防止するために、トロイダル状フィラメント１１０６と同心円状に配置され得る（例えば、フィラメントトーラス内に配置された内側ガイド１１０７と、フィラメントトーラスの周囲に配置された外側ガイド１１０８、１１０９）。

いくつかの実施形態によれば、電子光学系１０５は、高負電圧（例えば、４０ｋＶ、５０ｋＶ、６０ｋＶ、７０ｋＶ、８０ｋＶ、９０ｋＶ以上）で動作するように構成される。すなわち、フィラメント１１０６、内部ガイド１１０７、及び外部ガイド１１０８、１１０９は全て、装置の動作中に高い負電位で提供されてもよい。したがって、これらの実施形態では、フィラメント１１０６から放出される電子が一次ターゲット１１１０に向かって加速されるように、一次ターゲット１１１０は、接地電位で提供されてもよい。しかしながら、真空エンクロージャ内のＸ線管の他のコンポーネント及び表面もまた、典型的には、接地電位にある。その結果、電子は、Ｘ線管１１５０の他の表面、例えば、真空エンクロージャの内側と外側との間の透過インタフェース（例えば、図１１ａ及び１１ｂのウインドウ１１３０）にも向かって加速し、衝突する。従来の電子光学系を使用すると、意図しない表面へのこの衝撃は、Ｘ線装置から放出される不所望な広帯域スペクトルに寄与する広帯域Ｘ線放射線を生成し、Ｘ線管の不所望な加熱を引き起こす。本発明者は、一次ターゲット１１１０以外の表面のこの不所望な衝撃は、フィラメント１１０６によって放出される電子のためのより制限された経路を提供する内部ガイド１１０７及び外部ガイド１１０８及び／又は１１０９を使用して低減及び／又は除去され得ることを認めた。

いくつかの実施形態によれば、ガイド１１０７～１１０９は、筒状の形状であり、電子を一次ターゲット１１１０に導くフィラメント１１０６によって放出される電子のための制限された経路を提供するように同心状に配置され、真空エンクロージャ内の他の表面への不所望な衝撃の少なくとも一部を回避する（例えば、ウインドウ部分１１３０の電子衝撃を低減及び／又は排除する）。しかしながら、任意の所与の実施形態で使用されるガイドは、この観点で限定されないので、任意の好適な形状であってもよいことを理解されたい。いくつかの実施態様によれば、ガイド１１０７、１１０８及び／又は１１０９は、銅を含むが、導電性（好ましくは非磁性）である任意の適切な材料、例えば、ステンレス鋼、チタン等を使用することができる。任意の数のガイドが使用され得ることを理解されたい。例えば、内部ガイドを単一の外部ガイド（例えば、ガイド１１０８又は１１０９のいずれか）とともに使用することができ、カソードの内側に１つとカソードの外側に１つのペアガイドを提供することができる。別の例として、真空管の内側と外側との間のインタフェースに不所望な電子の少なくとも一部が衝突することを防止するために、単一の内部ガイドを設けることができ（例えば、図１１Ａ及び１１Ｂのウインドウ部分１１３０）、又は不所望な電子の少なくとも一部が真空管の他の内側表面に衝突することを防止するために、単一の外部ガイドを設けることができる。さらに、態様がこの点で制限されないので、一次ターゲットへの電子の経路を制限し、真空エンクロージャ内の表面の不所望な衝撃を低減及び／又は排除するために、３つ以上のガイドが用いられ得る。

図２４Ａ及び２４Ｂは、いくつかの実施形態による、改善された電子光学系を有する単色Ｘ線源２４００の断面を示す。図示の実施形態では、カソードとアノードとの間に８０ｋＶの電位が存在する。具体的には、タングステン・トロイダルカソード２４０６は、－８０ｋＶでバイアスされ、金コーティングされたタングステン一次ターゲット２４１０は、接地電位にある。銅の内部ガイド２４０７及び外部ガイド２４０８及び２４０９もまた、－８０ｋＶで提供され、カソードから放出される電子をガイドし、少なくとも一部の電子が一次ターゲット２４１０以外の表面に衝突するのを防止し、疑似広帯域Ｘ線放射（spurious broadband x-ray radiation）の量を減少させる。単色Ｘ線源２４００は、銀の二次ターゲット２４２０及びベリリウムのインタフェースコンポーネント２４３０を使用する。図２４Ｂは、単色Ｘ線源２４００が作動されるときの、トロイダルカソードと一次ターゲットとの間の電子の軌跡を示す。図２５及び２６は、電子が一次ターゲット２４１０に衝突する点の部位を示し、電子がこの構成においてインタフェースコンポーネント２４３０に衝突するのガイドが防止することを表す。図２７は、本明細書に記載の他の技術と組み合わせた（すなわち、本明細書に記載の例示的なキャリアを使用した）場合に、純度９７％（Ｍ＝０．９７）の単色Ｘ線放射を生成するベリリウムの透過部分及びタングステンの遮断部分を有するハイブリッド・インタフェースコンポーネントを含む単色Ｘ線源を示す。図２８は、カソードが一次ターゲットからさらに遠ざかるように移動し、発散電子軌跡（divergent electron trajectories）が結果として生じ、単色性が低下される代替的構成を示す。

本明細書に記載される単色Ｘ線源は、高い単色度を有する比較的高強度の単色Ｘ線を提供することができ、高い信号対雑音比を有する画像を得ながら、撮像を受ける患者に提供される放射線照射量を低減する比較的短い露光時間を可能にする。以下に、マンモグラフィに関連して本明細書に記載の技術を用いて得られた結果を提供する。これらの結果は、本明細書に記載される１つ以上の技術を用いて得られる顕著な改善を例示するために提供されるが、しかしながら、結果は、例として提供されるに過ぎない。というのは、態様は、マンモグラフィでの使用に限定されるものではなく、本明細書に記載されている実施形態のいずれかに関する要件を得る結果でもないからである。

図２９は、本明細書に記載される技術を組み込む、本発明者によって開発された単色Ｘ線装置の性能の態様をテストするために使用されるマンモグラフィファントム（ＣＩＲＳモデル０１１ａ）２９００を示す。ファントム２９００は、図２９に示されるファントム２９００の内部図によって示されるように、変化するサイズ及び異なる吸収特性を有する多数の個々のフィーチャを含む。図３０は、５ブロックの線形アレイを含むファントム２９００の埋め込まれたフィーチャのいくつかをハイライトし、ブロックは、各々１ｃｍの厚さであり、各々が乳房組織の異なる密度をシミュレートする組成を有する。最も左側のブロックは１００％の腺組織、最も右側は１００％の脂肪性（脂肪）組織、残りの３つは７０：３０（腺：脂肪）から５０：５０、３０：７０までの範囲にある比での腺と脂肪の混合物を有する。５つのブロックはすべて、５０：５０の腺対脂肪の混合物から作られたファントム内に埋め込まれる。ファントムの総厚は４．５ｃｍである。

図３０はまた、Ｘ線ビームがファントムに入り、ブロック及びファントムを通過し、透過Ｘ線強度がグレイカウントの積分値に変換される撮像検出器へと向かう際の、一次元の撮像プロセスの概略説明を示す。（この場合の強度は、各検出器ピクセルに到達するＸ線エネルギの和である。各ピクセルの電子素子（The electronics）は、このエネルギの和を０から７０００の間の数に変換する。７０００は、電子素子が飽和する前に許容される最大のエネルギの和である。この数は、グレイカウントと呼ばれる）。

図３０のａ）に赤色の水平線によって示されるデータは、５０：５０腺脂肪混合物のバックグラウンドを通って測定されたＸ線強度Ｂである。黒い曲線で示されたデータは、５０：５０混合物及び１ｃｍブロックを通って透過するＸ線強度Ｗである。変化するステップサイズは、ブロックにおけるＸ線吸収の、それらの異なる組成のために異なる量を表す。図３０のプロットｂ）は、信号ＳをＷ－Ｂとして定義し、図３０のプロットｃ）は、コントラストをＳ／Ｂとして定義する。撮像システムの検出可能性を特定するために最もよく使用される性能指数は、信号対雑音比、ＳＮＲである。ここでの説明では、ＳＮＲは、Ｓ／ｎｏｉｓｅとして定義され、ここで、ノイズは、図３０のプロットａ）に示されるバックグラウンド強度の変動の標準偏差である。画像は、本明細書に記載の技術を用いて、２２ｋｅＶのＸ線及び２５ｋｅＶのＸ線によって生成され、本明細書に提示され、ＳＮＲ値が市販の広帯域Ｘ線マンモグラフィ装置からのものと比較される。

マンモグラフィ検査における放射線被曝は、１９９４年に米国議会によって制定されたマンモグラフィ品質基準法（ＭＱＳＡ）によって厳しく規制されている。ＭＱＳＡは、１つのスクリーニングマンモグラムにおける平均腺照射量（ｍｇｄ）に対して３ミリグレイ（ｍＧｙ）の制限を設定し、グレイはジュール／キログラムである。この３ｍＧｙの制限は、以下でさらに詳細に述べられるように、市販のマンモグラフィ装置の動作に重要な影響を及ぼす。乳房組織は、腺組織と脂肪性組織（脂肪）から構成されている。腺組織の密度（ρ＝１．０３ｇｍ／ｃｍ^３）は脂肪組織の密度（ρ＝０．９３ｇｍ／ｃｍ^３）とあまり変わらない。このことは、ＳＮＲを最適化するために最良の単色Ｘ線エネルギを選択することは乳房組織のタイプに有意に依存しないことを意味する。その代わり、最適な撮像のための単色エネルギの選択は、主に乳房の厚さに依存する。薄い乳房は、厚い乳房よりも減衰させるＸ線がより少なく、それにより、Ｘ線のより多くの部分が検出器に到達できる。これは、より高い品質の画像及びより高いＳＮＲ値をもたらす。これらの考察から、従来の市販のマンモグラフィ装置を用いたマンモグラフィ検査中に乳房圧迫を必要とする主な理論的根拠が得られる。

撮像実験は、図２９に示されている業界標準ファントムで行った。このファントムは、厚さが４．５ｃｍであり、典型的な圧迫下の乳房を表している。ファントム２９００は、５０：５０の腺対脂肪組織混合物の均一な分布を有する。２２ｋｅＶ及び２５ｋｅＶの単色エネルギで得られたＣＩＲＳファントム画像について、ＳＮＲ及び平均腺照射量を以下に詳述する。また、図３２に示すように、二重ファントムを用いて実験を行い、厚さ９ｃｍの圧縮下の厚い乳房をシミュレートした。二重ファントムもまた、５０：５０の腺対脂肪組織混合物の均一な分布を有する。２５ｋｅＶの単色エネルギを用いて二重ファントムのＳＮＲと平均腺照射量を示した。以下でさらに詳しく論じるように、厚い乳房のこのモデルで得られた高いＳＮＲは、単色Ｘ線が、低減された圧迫によって又は全く圧迫しないで、女性を検査できることを示している。なぜなら、概して、厚さ４．５ｃｍの圧迫乳房が厚さ８～９ｃｍの非圧迫乳房と同等だからである。

実験は、単色測定のための平均腺照射量が、同じＳＮＲのための市販の機械のそれより常に低いことを示した。換言すると、単色測定のＳＮＲは、同じ平均腺照射量の場合、市販の機械のＳＮＲより有意に高い。したがって、単色Ｘ線マンモグラフィは、従来の広帯域Ｘ線マンモグラフィ法よりも大きな発展をもたらし、すべての女性、特に、厚い又は高密度の乳房組織を有する女性の乳房病変の診断に顕著な意味をもつ。高密度の乳房は、腺組織の不均一な分布を特徴とし、この不均一性又は変動性は、画像にアーチファクトを導入し、病変の識別をより困難にする。以下でさらに詳細に述べるように、単色画像が提供するＳＮＲの増大により、高密度の乳房に固有の組織変動が存在する場合であっても病変を容易に見ることができる。

図３１は、単色ＡｇＫ（２２ｋｅＶ）及びＳｎＫ（２５ｋｅＶ）Ｘ線を使用する本明細書に記載の単色Ｘ線源から得られたファントム２９００の画像、及び、広帯域発光を使用する従来の市販のマンモグラフィ装置から得られた画像を、軟組織ブロックを通るそれぞれのヒストグラムとともに示す。市販の装置からの画像が図３１の（ａ）に示されている。１００％腺ブロックのＳＮＲは８．４であり、平均腺照射量（ｍｇｄ）は１．２５ｍＧｙ（１Ｇｙ＝１ジュール／ｋｇｍ）である。図３１の画像（ｂ）は、２２ｋｅＶのＸ線を用いた単色画像を示し、図３１の画像（ｃ）は、２５ｋｅＶのＸ線を用いて得られた。２２ｋｅＶで測定した１００％腺ブロックに対する平均腺線量は０．２ｍＧｙであり、２５ｋｅＶで測定したものは０．０８ｍＧｙであり、ＳＮＲ値は両エネルギで８．７であった。市販の装置と同じＳＮＲを達成するために、２２ｋｅＶを使用する単色システムは１／６．７より低い（6.7 times lower）照射量を供給し、２５ｋｅＶを使用するシステムは１／１５より低い線量を供給する。

単色Ｘ線技術による照射量低減は、市販の広帯域システムよりも顕著に良好な診断検出能を提供する。なぜならば、スクリーニングのための規制照射量限度３ｍＧｙをかなり下回るままで、ＳＮＲを３～６倍のファクタで増加させることができるからである。例えば、２２ｋｅＶ画像についてのＳＮＲ値は、市販の装置によって供給されるのと同じ線量（１．２５ｍＧｙ）では２１．８であり、２．７５ｍＧｙの照射量では３２である。同様に、２５ｋｅＶのエネルギを用いると、ＳＮＲ値は、平均腺照射量１．２５ｍＧｙ及び２．７５ｍＧｙに対して、それぞれ３４及び５１である。このＳＮＲが顕著に強調される範囲は、高密度乳房組織を有する女性の診断に非常に大きな利点がある。先に述べたように、かかる組織は非常に不均一であり、ファントム及び通常密度の組織を有する女性の均一な性質とは異なり、高密度乳房における腺分布のばらつきは、アーチファクト及び画像ノイズを導入し、それによって病変の識別をより困難にする。本明細書に記載する技術によって提供されるより高いＳＮＲは、これらの問題を克服することができる。

ここに表示される画像を生成するために使用される本明細書に記載される技術を組み込む単色Ｘ線装置は、市販の広帯域Ｘ線マンモグラフィシステムとサイズ及び設置スペースが同等であり、初めて、９５％の単色度の単色Ｘ線でマンモグラフィファントムの、低照射量、高ＳＮＲ、均一な画像を生成する。実際、従来の単色Ｘ線装置は、これらのレベルの単色性にさえ近づかない。

厚い乳房マンモグラフィをシミュレートするために、２つのファントムを互いに重ねて配置することによって、厚い乳房組織のモデルを作成した（総厚９．０ｃｍ）。図３２に示すように、１８－２２０ＡＣＲマンモグラフィ認証ファントム（３２００）がＣＩＲＳモデル０１１Ａファントム（２９００）の上に配置された。この一連の実験のために、ＣＩＲＳファントム上に埋め込まれた複数のブロックの１ｃｍアレイによって表される軟組織内の良好なコントラストを維持しつつ、透過を最適化するために２５ｋｅＶのＸ線が選択された。２５ｋｅＶ単色Ｘ線の画像は、以前の実験で使用した同じ市販の広帯域マンモグラフィ装置から得た画像と比較されている。得られた画像は、軟組織ブロックを通るコントラストのヒストグラムとともに、図３３に示される。

厚い乳房組織の画質は、現在市販されている広帯域システムで得られるものよりも優れている。市販の装置によって供給される照射量は２．７５ｍＧｙであり、１００％腺ブロックでは３．８のＳＮＲしか達成しない。図３３の単色画像は、０．４３ｍＧｙの線量に対してＳＮＲ＝７．５を有する。市販の広帯域Ｘ線システムがＳＮＲ８．５に到達するのに必要な照射量として、厚さ４．５ｃｍのより薄い組織での検出に成功した放射線科医の認めた値は１４ｍＧｙであり、通常密度の乳房組織の撮像に用いられる市販の照射量（１．２５ｍＧｙ）の１１倍である。これは、スクリーニングのためには極端に高く、安全ではなく、規制されたＭＱＳＡスクリーニング制限の４．７倍である。一方、ＳＮＲ＝８．５を達成するために必要な単色システムからの照射量は、わずか０．５４ｍＧｙであり、これは市販の機械が必要とする線量の１／２６より低い。単色Ｘ線を使用する必要な照射量は安全で、規制値の１／５より低く、市販の広帯域Ｘ線マンモグラフィ装置を使用した通常の厚さ４．５ｃｍの乳房に対する照射量の１／２．５より低い。単色Ｘ線と市販の広帯域Ｘ線装置を最大許容曝露量（２．７５ｍＧｙ）に近いところで比較すると、単色Ｘ線技術は５倍のＳＮＲを提供する。上記の説明は、図３４に概略的にまとめられている。

厚さ９ｃｍの乳房ファントムでの測定は、本明細書に記載の単色技術がマンモグラフィスクリーニング中の乳房圧迫の除去を容易にすることを示す。４．５ｃｍの圧迫された乳房は、圧迫されていない場合、９ｃｍの厚さであり得る。市販のＸ線装置は、ＳＮＲを維持するのに、規制された線量限度を下回ったままで、照射量を十分高く増加させることができないので、乳房の厚さが増すにつれて感度が低下するが、単色Ｘ線システムは、必要なＳＮＲを非常に容易に提供する。例えば、単色乳房撮影法では、乳房がテーブルの切り欠きを通って延在するようにデザインされた診療台の上に腹臥位になることがある。単色Ｘ線システムは、Ｘ線をテーブルの下側に平行に向けるように設計することができる。このテーブルはまた、テーブルの水平表面の下側に鉛の層を組み込むことにより、患者のための改善された放射線遮蔽を容易にする。

本発明者は、本明細書に記載された単色Ｘ線装置の幾何学的形状の空間分解能は、マンモグラフィ用途に優れていることを認識している。いくつかの実施形態によれば、単色Ｘ線システムは、７６０ｍｍの線源－検出器間距離、４ｍｍのベース直径及び８ｍｍの高さを有する二次ターゲットコーン、及び８５ミクロンの画素サイズを有するアモルファスシリコンの撮像検出器を有する。本明細書に記載される技術を使用するこの例示的な単色Ｘ線装置は、ＣＩＲＳ及びＡＣＲファントム中の直径１００～２００ミクロンの微小カ石灰化を容易に解像することができる。図３５及び３６は、この例示的な単色Ｘ線照射装置を使用して得られた画像及び関連するヒストグラムを、同じ市販の装置を使用して得られた画像と比較して示している。単色２５ｋｅＶＸ線ラインを用いて前述した二重ＡＣＲ－ＣＩＲＳファントム（スタックド２９００及び３２００ファントム）実験で測定した微小石灰化は、市販の装置のＳＮＲよりも５０％高いＳＮＲを有し、その平均腺照射量（ｍｇｄ）はこれらの画像の１／６より低い。もし、単色のＳＮＲを市販の機械で測定されたものと同じにするならば、単色の平均腺照射量（ｍｇｄ）は、さらに１／２に小さくなり、合計で１／１１に低くなる。

単純な幾何学的考察は、二次コーンの有効投影スポットサイズが１～２ｍｍであることを示している。図３７は、ＣＩＲＳファントムに埋め込まれたラインペア・ターゲット（line-pair targets）を介して測定された強度スキャンのヒストグラムを示す。ラインペア・ターゲットの間隔は、５ライン／ｍｍから２０ライン／ｍｍまでの範囲である。上の４つのヒストグラムは、上で簡単に説明した４ｍｍの二次コーンを用いた１８ｋｅＶ、２１ｋｅＶ、２２ｋｅＶ、及び２５ｋｅＶのエネルギのスキャンが、１１０ミクロンの空間分解能ＦＷＨＭと一致する９ライン／ｍｍまでの交互強度構造を識別できることを示している。１８ｋｅＶのエネルギでも１０ライン／ｍｍで構造を識別することができる。図３７の一番下のヒストグラムは、一般的に使用されている市販の広帯域マンモグラフィシステムを使用した同じラインペア・アンサンブルを介した強度スキャンである。市販のシステムの構造識別能力は、８ライン／ｍｍを超えない。この性能は、撮像システム又はコンポーネントの空間周波数応答を表すために一般的に使用される特性である、システムの変調伝達関数（ＭＴＦ）と一致する。これは、低周波数に対する所与の空間周波数におけるコントラストとして定義され、図３８に示される。９ライン／ｍｍでの０．２５の値は、直接検出器システムを有する他のシステムと同等であり、フラットパネル検出器よりも優れている。

いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載される例示的な単色システムは、連続モードにおいて最高２０００ワットで動作され、すなわち、一次アノードは水冷され、高電圧及びフィラメント電流は連続的にオンされ、タイマー制御の機械的シャッターを用いて画像が得られる。図２０のＸ線束データは、図３１及び３３に示されたファントム画像とともに、異なる圧縮厚の乳房組織において特定の曝露時間に所望の信号対雑音を得るために必要なパワーに関するスケーリングガイドラインを提供する。Ａｇの二次材料を用いて、図３９において、４ｍｍ及び８ｍｍのコーン状アセンブリを、４．５ｃｍの圧縮厚及び５０：５０の腺脂肪混合物について比較する。上述の実験によって定義された９ｃｍの圧縮厚（５０：５０の腺脂肪混合物）に対するパワー必要量は、Ｓｎ製の４ｍｍ、８ｍｍのコーンについて図４０で比較される。

結果は、４．５ｃｍに圧縮された通常乳房密度のＣＩＲＳファントムに埋め込まれた１００％腺ブロックの測定で得られたＳＮＲ８．５は、４ｍｍコーン（図３９上）を使用して一次側で９．５ｋＷのパワーを消費する５秒間の曝露で達成でき、８ｍｍコーン（図３９下部）を使用する場合は、３．７ｋＷが必要であることを示している。いずれの場合も、線源‐検出器間（Ｓ－Ｄ）は７６０ｍｍである。８ｍｍコーンを使用する場合、又は、７６０ｍｍではなく４７１ｍｍの線源－検出器（Ｓ－Ｄ）距離で４ｍｍコーンを使用できる場合には、２秒が必要な場合に、９．２ｋＷが必要である。空間分解能依存性はＳ－Ｄに線形であるため、４ｍｍコーンを試料に近づけると、空間分解能は１／１．６だけ低下するが、依然として７６０ｍｍの距離での８ｍｍコーンよりも良好である。一般に、空間分解能と露出時間との間にはトレードオフが存在し、２つの線源－検出器間距離での４ｍｍ又は８ｍｍの実施形態が、用途に最適であるかどうかを決定する。このデータは、単色Ｘ線源を設計するためのガイドとして役立ち、他の様々なターゲットサイズ及び線源‐検出器間距離の可能性を除外しない。

９ｃｍに圧縮された厚い乳房組織について、パワーへのＳＮＲの依存性が図４０に示されている。７秒間の曝露では、４ｍｍのＳｎコーンを４７１ｍｍの線源－検出器間距離で使用するか、又は８ｍｍのコーンを７６０ｍｍで使用すると、１１ｋＷで８．５のＳＮＲが得られる。従来の市販の広帯域マンモグラフィシステムでは、この同じＳＮＲを達成するために１４ｍＧｙの照射量を供給しなければならないが、２５ｋｅＶの単色のシステムでは０．５４ｍＧｙしか供給せず、１／２６だけ低く、４．５ｃｍに圧縮された通常密度の乳房組織を有する女性のスクリーニングにおいて、市販の装置によって供給される１．２５ｍＧｙの従来の照射量よりも、さらに１／２．３だけ低い。

本発明者は、コンパクトなＸ線発生器における単色Ｘ線強度を最大化することが、医療画像における応用にとって重要であり得ることを認識している。増加した強度は、より短い曝露を可能にし、モーションアーチファクトが減少し、患者の快適性が向上する。あるいは、増加した強度は、より明白でないフィーチャの検出を可能にするために、ＳＮＲを増大させるために使用されることができる。単色のフラックスを増加させる３つの基本的な方法がある：１）ターゲットの幾何学的形状を介した蛍光効率の最大化、２）定常モードでの一次側へのトータルパワー入力の増加、及び３）パルスモードでの一次側へのトータルパワー入力の増加。

パワーを増加させ、露光時間をさらに減少させるために、１０ｋＷ～５０ｋＷのパワーレベルが用いられることができる。例えば、高パワーの市販の医療用Ｘ線管（すなわち、広帯域Ｘ線管）中の電子ビームは、１０，０００ｒｐｍで回転するアノードに衝突すると、約１×７ｍｍのファン形状を有する。アノードは電子ビームに対して急角度であるので、観察者によって見える長手方向に投影されるスポットサイズは約１ｍｍに減少する。１秒間の露出では、ファンビームによって掃引された環全体が電子衝撃の入射面と見なすことができる。直径７０ｍｍのアノードでは、このトラック長は２１０ｍｍであるので、入射アノードの総表面積は約１４００ｍｍ^２である。直径３６ｍｍ、高さ６ｍｍの円錐アノードを用いた単色システムでは、電子の総入射面積は１０００ｍｍ^２である。したがって、陽極材料を損傷することなく、強力な医療源のパワーの７０％のパワーレベルで１秒の曝露を行うのは簡単であり、１００ｋＷは、最高パワーの医療機器の一般的なパワーである。最高パワーの５０％という非常に控えめな値を仮定すると、５０ｋＷで動作する複合材料製のアノードは、短時間の曝露で達成可能であるはずである。これは、厚い及び／又は高密度の乳房の診断に必要なパワーよりも多いが、二次コーンの有効サイズを縮小することが優先事項となる場合は顕著な柔軟性を提供する。

５０ｋＷで１秒間曝露すると、アノードに５０ｋＪの熱が発生する。アノードがタングステンの場合、比熱は０．１３４Ｊ／ｇ／Ｋである。アノードを変形又は溶融させないために、１０００℃以下に保つためには、アノード質量は少なくとも３７０ｇｍである必要がある。金の厚層でコーティングされた銅のアノードは１３０ｇｍしか有さないであろう。これらのパラメータは、線源のサイズ又は設置スペースを大幅に変更することなく、少なくとも２～３倍に増やすことができる。繰り返し曝露又は長時間曝露のために、このシステムのアノードは能動的に冷却されることができるが、回転アノードシステムは、蓄熱と、スリップリングによる非効率的な冷却と、真空容器からの熱のゆっくりとした放射伝達と、のためにアノード質量に依存しなければならない。上述の単色Ｘ線システムは、水で能動的に冷却されることができる。

いくつかの実施形態によれば、一次アノード材料は、二次からの蛍光強度を最大化するように選択されることができる。現在までの試験では、一次材料はタングステン（Ｗ）又は金（Ａｕ）のいずれかであった。それらはそれぞれ５９ｋｅＶと６８ｋｅＶで特徴的なＫ放出ラインを放出した。これらのエネルギは、銀（Ａｇ；２５．６ｋｅＶ）又はスズ（Ｓｎ；２９ｋｅＶ）の吸収エッジと比べて比較的高く、それによって、Ａｇ又はＳｎの二次ターゲットにおけるＸ線蛍光の誘導において、いくぶん効果が劣る。これらのレインは、一次電圧が５９ｋｅＶより低い場合には、励起さえされないことがある。この状況では、制動放射のみが蛍光を誘導する。一次材料は、二次材料の吸収エッジにより近いエネルギを有する特性ラインを用いて選択されることができ、それによって、Ｘ線蛍光の確率を増大させる。例えば、バリウム、ランタン、セリウム、サマリウムの元素又はこれらの元素を含む化合物は、それらが適切な形状に形成され得る限り使用され得る。いずれも融点が１０００°Ｃを超える。最も効率的な方法では、５０ｋｅＶを超える単色ラインの生成を増強したい場合、より高いＺ要素が必要とされる。例えば、劣化ウラン（Ｋ線＝９８ｋｅＶ）を用いて、Ａｕ（吸収エッジ＝８０．７ｋｅＶ）中にＸ線蛍光を効果的に誘起することができる。１６０ｋＶで一次側を作動させると、制動放射とウランＫの特性ラインは、胸部／胸部撮像、頭部撮像、又は非破壊工業材料分析のための単色Ａｕラインを生成することができる。

マンモグラフィを含む多くのＸ線撮像用途に対して、Ｘ線検出器は、吸収された光子のエネルギを積分する撮像アレイである。全ての分光情報は失われる。分光撮像素子が特定の状況について利用可能である場合、二次ターゲットは、複数の材料の複合体であり得る。試料の材料特性を特定するために、最低２つのエネルギで同時分光撮像を行うことができた。たとえ分光能力を有する撮像検出器が、疑わしい病変の化学組成を特定する目的のために、従来のＸ線マンモグラフィシステムで使用される広帯域線源とともに使用されることが可能であったとしても、分光撮像装置の使用は組織（又は一般に試料）への線量を低減させないであろう。広帯域線源は単色スペクトルよりも高い照射量を試料に供給するからである。

単色Ｘ線を用いる造影マンモグラフィは、広帯域Ｘ線放射を用いるよりも優れている。低線量で単色Ｘ線を選択的に吸収することにより、画像の細部を著しく増強する（increase）ことができる。目標を絞った（targeted）造影剤の選択的Ｘ線吸収はまた、乳房腫瘍の高度に目標を絞ったＸ線治療を促進する。従来のＸ線管からの広帯域Ｘ線放射を用いて現在まで実施されている造影デジタルマンモグラフィ撮像（the contrast enhanced digital mammographic
imaging）において、ユーザは、フィルタリングを調節し、電子加速電圧を増加させてヨウ素の３３ｋｅＶのＫ吸収エッジを超える十分なＸ線フルエンスを生成することにより、ヨウ素等の造影剤中の強化された吸収の利点を得ようと試みている。図４１は、Ｘ線エネルギの関数としてのヨウ素の質量吸収曲線を示す。不連続なジャンプはＬ及びＫ吸収エッジである。従来のソースからの広帯域スペクトルが、これらのエッジを組み込むエネルギ範囲にわたる場合、造影剤はより大きな吸収特性を提供する。その結果、検出性は改善されるはずである。

ここで述べたマンモグラフィシステムで使用される単色放射は、造影撮像のための多くの選択肢を提供する。通常、ヨウ素吸収エッジをわずかに超える単色エネルギを生成するために蛍光ターゲットを選択することができる。この意味で、管からの単色Ｘ線放射は、造影剤の吸収特性に調整される。感度のさらなる改善のために、造影剤の吸収エッジの下及び上にあるエネルギを有する単色Ｘ線を放出する２つの別々の蛍光二次ターゲットを選択することができる。エッジの上下で得られた吸収の差は、造影剤が蓄積しない隣接組織からの影響を効果的に除去することにより、画像コントラストをさらに改善することができる。現在、マンモグラフィで使用されているＸ線画像検出器の大部分は、検出器に同時に照射される場合、これらの２つのエネルギを識別するためのエネルギ分解能を有していないことに留意されたい；これらの２つの測定は、連続して２つの異なる蛍光ターゲットで別々に行われなければならない。これは確かに可能性であり、我々のシステムに組み込まれている。

造影剤は、周囲の組織と比較してＸ線吸収を強調するので、吸収を最大化するために、Ｋエッジの上方に単色エネルギを選択する必要はない。例えば、図４１は、Ｋエッジより下であるＰｄＫα２１．１７５ｋｅＶエネルギの吸収係数が、Ｋエッジより上であるＮｄＫα３７．３６ｋｅＶエネルギの吸収係数と同等であることを示す。造影剤の原子が周囲の組織の原子よりも十分に重い（原子番号、Ｚ＞４５）限り（Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｓ；Ｚ＜１０、微量のＦｅ、Ｎｉ、Ｚｎ等、Ｚ＜３０）、単色Ｘ線法は、将来的に、造影剤の潜在的選択肢を増加させる。Ｐｄ、Ａｇ、及びＳｎの二次ターゲットは、この用途のための完全なオプションである。例えば、ヨウ素の吸収エッジより下の単色エネルギを使用すると、典型的なマンモグラフィ画像検出器の量子吸収効率をより良く利用することができる。３７ｋｅＶ（ヨウ素のエッジより上）での吸収は、２２ｋｅＶ（エッジより下）での吸収の約１／２より低い。また、低エネルギは、同時に、周囲の組織においてより良好な検出可能性を有することが証明され得る。図４２は、ＡＣＲファントム上にスーパーインポーズされた、ゲルベ（Guerbet）によって製造された既承認ヨウ素造影剤であるオキシラン３５０の３滴の線形セット（a linear set）を示す。各滴中のヨウ素の量はヨウ素約１ｍｇである。

このように、本開示に記載された技術のいくつかの態様及び実施形態を説明したが、種々の変形、変更、及び改良が当業者に容易に生じることは理解されるべきである。かかる変形、変更、及び改良は、本明細書に記載した技術の思想及び範囲内にあることが意図されている。例えば、当業者は、本明細書に記載した機能を実行し、及び／又は結果及び／又は１つ以上の利点を得るための種々の他の手段及び／又は構造を容易に想像することができ、そのような変形例及び／又は変更のそれぞれは、本明細書に記載した実施形態の範囲内であるとみなされる。当業者は、日常的な実験のみを用いて、本明細書に記載の特定の実施形態の多くの同等物を認識するか、確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は、単なる例示として示されており、添付の特許請求の範囲及びその均等の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に記載されている以外の方法で実施することができることを理解されたい。さらに、本明細書に記載される２つ以上の特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法の任意の組み合わせは、そのような特徴、システム、物品、材料、キット、及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、本開示の範囲内に含まれる。

本明細書で定義及び使用されるすべての定義は、辞書の定義、参照により組み込まれた文書の定義、及び／又は、定義された用語の通常の意味を制御すると理解されるべきである。

不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、本明細書及び特許請求の範囲において用いられるように、明瞭に反対のことが示されるのでなければ、「少なくとも１つ」を意味すると理解されるべきである。

本明細書及び特許請求の範囲において用いられる「及び／又は」語句は、複数の要素、すなわち、ある場合には連言的に存在し、他の場合には選言的に存在する要素、の「何れか又は両方」を意味すると解されるべきである。「及び／又は」で挙げられた複数の要素は、同じように、つまり、そのように結合された要素の「１つ又は複数」として解釈されるべきである。「及び／又は」の句によって具体的に特定される要素以外に、具体的に特定される要素に関連するかどうかに関係なく、他の要素が任意に存在してもよい。したがって、非限定的な例として、「含む」等の非制限的文言と組み合わせて使用する場合の「Ａ及び／又はＢ」への言及は、一実施形態では、Ａのみ（任意でＢ以外の要素を含む）；別の実施形態では、Ｂのみ（任意でＡ以外の要素を含む）；さらに別の実施形態では、Ａ及びＢの両方（任意で他の要素を含む）；等を指す。

本明細書及び特許請求の範囲で使用される場合、１つ又は複数の要素のリストに関する「少なくとも１つ」という語句は、要素リスト内の任意の１つ以上の要素から選択される少なくとの１つの要素を意味すると理解されるべきであるが、要素リストに具体的に挙げられる各要素及び全要素の少なくとも１つ（at least one of each and every element）を必ずしも含む必要はなく、かつ、要素リスト内の要素の組み合わせを除外しない。この定義は、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素リスト内で具体的に特定された要素以外に、具体的に特定された要素に関連するかどうかに関係なく、任意の要素が存在することを許す。したがって、非限定的な例として、「Ａ及びＢのうち少なくとも１つ」（又は、同等に「Ａ又はＢの少なくとも１つ」、又は同等に「Ａ及び／又はＢの少なくとも１つ」）は、一実施形態では、Ｂの無い、少なくとも１つのＡ、任意には１つより多いＡ（及び任意でＢ以外の要素を含む）；他の実施形態では、Ａの無い、少なくとも１つのＢ、任意には１つより多いＢ（及び任意でＡ以外の要素を含む）；また別の実施形態では、少なくとも１つのＡ、任意には１つより多いＡ、及び、少なくとも１つのＢ、任意には１つより多いＢ（及び任意には他の要素を含む）；等を指す。

また、本願明細書において使用する語法及び用語は、説明のためのものであり、制限的に理解されるべきではない。本明細書における「含む（including）」、「備える（comprising）」又は「有する（having）」、「含有する（containinｇ）」及びそれらの変形の使用は、その後に列挙されている項目、均等物及びその他の付加的項目を包囲する。

特許請求の範囲及び上記の明細書中において「備える（comprising）」、「含む（including）」、「担持する（carrying）」、「有する（having）」、「含有する（containing）」、「包含する（involving）」、「支持する（holding）」、「から構成される（composed of）等のような全ての移行句（transitional phrases）は、非制限的（open-ended）であると理解されるべきである、すなわち、含むがそれに限定されないことを意味する。「から成る（consisting of）」及び「から実質的に成る（consisting essentially of）」の移行句のみは、それぞれ、制限的又は半制限的（closed or semi-closed）移行句であべきである。

Claims (18)

1. 広帯域Ｘ線源とともに使用するように構成されたキャリアであって、
   前記広帯域Ｘ線源は、電子源と、前記電子源からの電子を受けるように配置され、一次ターゲットへの電子の衝突に応じて広帯域Ｘ線を生成する一次ターゲットと、を有し、
   当該キャリアはハウジングを有し、
   前記ハウジングは、前記広帯域Ｘ線源に着脱自在に結合されるように構成されるとともに、広帯域Ｘ線放射の入射に応じて単色Ｘ線放射を生成することができる二次ターゲットを収容するように構成されており、
   前記ハウジングは、
   前記二次ターゲットが存在する場合に、広帯域Ｘ線放射を前記二次ターゲットへ透過させる透過部分と、
   広帯域Ｘ線放射を吸収するように構成された遮断部分と、を有し、
   前記二次ターゲットが前記ハウジングに収容される場合に、前記二次ターゲットの少なくとも第１部分が前記ハウジングの前記透過部分内に配置され、前記二次ターゲットの第２部分が前記ハウジングの前記遮断部分に取り囲まれることによって前記遮断部分内に配置されるように、前記ハウジングが構成されており、前記第１部分は、円錐形状の前記二次ターゲットの基端部分であり、前記第２部分は円錐形状の前記二次ターゲットの先端部分である、キャリア。
2. 前記透過部分は、前記広帯域Ｘ線源によって放出される前記広帯域Ｘ線放射に対して実質的に透明な第１透過材料を少なくとも含む、
   請求項１記載のキャリア。
3. 前記透過部分は、アルミニウム、炭素、カーボンファイバ、ホウ素、窒化ホウ素、酸化ベリリウム、シリコン及び窒化シリコンのうちの、少なくとも１つを含有する、
   請求項２記載のキャリア。
4. 前記遮断部分は、前記広帯域Ｘ線源によって放出される前記広帯域Ｘ線放射に対して実質的に不透明な第１遮断材料を少なくとも含有する、
   請求項１記載のキャリア。
5. 前記遮断部分は、鉛、タングステン、タンタル、レニウム、プラチナ及び金のうちの、少なくとも１つを含有する、
   請求項４記載のキャリア。
6. 前記透過部分は、前記二次ターゲットを収容するように構成された第１筒状部分を有し、
   前記遮断部分は、前記第１筒状部分が前記二次ターゲットを収容する場合に、前記二次ターゲットの前記第２部分にオーバーラップするように構成された第２筒状部分を有する、
   請求項１記載のキャリア。
7. 前記二次ターゲットは円錐状であり、
   前記第１筒状部分は、円錐状の前記二次ターゲットのベースの少なくとも一部を収容するように構成されており、
   前記第２筒状部分は、円錐状の前記二次ターゲットの先端の少なくとも一部にオーバーラップするように構成されている、
   請求項６記載のキャリア。
8. 前記第２筒状部分は、前記第１筒状部分が前記二次ターゲットを収容する場合、前記二次ターゲットの少なくとも１ｍｍにオーバーラップするように構成されている、
   請求項６記載のキャリア。
9. 前記第２筒状部分は、前記第１筒状部分が前記二次ターゲットを収容する場合、前記二次ターゲットの少なくとも２ｍｍにオーバーラップするように構成されている、
   請求項６記載のキャリア。
10. 前記第２筒状部分は、前記第１筒状部分が前記二次ターゲットを収容する場合、前記二次ターゲットの少なくとも３ｍｍにオーバーラップするように構成されている、
    請求項６記載のキャリア。
11. 前記透過部分は、前記二次ターゲットの少なくとも一部を収容するように構成された第１筒状部分を有し、
    前記遮断部分は、
    第１直径を有する第２筒状部分であって、前記第２筒状部分は、前記第１筒状部分に隣接して配置されている、第２筒状部分と、
    前記第１直径より大きい第２直径を有する環状部分であって、前記環状部分は、前記第２筒状部分に隣接して配置されており、前記環状部分を通って設けられるアパーチャを介して単色Ｘ線放射を放出するように構成されている、環状部分と、を有する、
    請求項１記載のキャリア。
12. 前記第１筒状部分は、前記広帯域Ｘ線源のレセプタクルに挿入されるように構成された前記ハウジングの近位端部に配置されており、
    前記環状部分は、単色Ｘ線放射を放出するキャリアの遠位端部に配置される、
    請求項１１記載のキャリア。
13. 前記ハウジングは、前記広帯域Ｘ線源に結合されて前記二次ターゲットを収容する場合に、前記一次ターゲットからの広帯域Ｘ線放射のうちの少なくとも一部が前記ハウジングの前記透過部分を介して前記二次ターゲットに衝突するように、前記二次ターゲットが配置されるように構成されている、
    請求項１記載のキャリア。
14. 前記広帯域Ｘ線源は、前記電子源及び前記一次ターゲットを収容する真空管を有し、
    前記真空管は、前記一次ターゲットによって放出される前記広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部を前記真空管の外部へと透過させる透過ウインドウを有するインタフェースコンポーネントを備え、
    前記ハウジングは、少なくとも部分的に前記インタフェースコンポーネントによって形成されたレセプタクルに着脱可能に挿入されるように構成されており、その結果、前記ハウジングが前記レセプタクルに挿入され、前記二次ターゲットを収容する場合に、前記二次ターゲットは、前記インタフェースコンポーネントの前記透過ウインドウ及び前記ハウジングの前記透過部分を介して伝播する前記一次ターゲットからの広帯域Ｘ線放射の少なくとも一部を受けるように配置されている、
    請求項１３記載のキャリア。
15. 広帯域Ｘ線放射を生成するように前記広帯域Ｘ線源が動作され、前記ハウジングが前記レセプタクルに挿入されて前記二次ターゲットを収容する場合に、前記キャリアは、少なくとも約１５度の視野にわたって０．７を超える単色性を有する単色Ｘ線放射を放出するように構成されており、
    単色性Ｍは、Ｍ＝１／（１＋１／ａ＋１／ｂ）として計算され、ここで、ａ＝Ｐｋ／Ｐｌｏｗ、ｂ＝Ｐｋ／Ｐｈｉｇｈであり、
    Ｐｌｏｗは、Ｌ殻の遷移から生じる前記二次ターゲットのＫ殻蛍光を介して放出される単色Ｘ線より低いスペクトルの積分エネルギであり、
    Ｐｈｉｇｈは、Ｍ殻の遷移から生じる前記二次ターゲットのＫ殻蛍光を介して放出される単色Ｘ線より高いスペクトルの積分エネルギであり、
    Ｐｋは、特性Ｋ殻放出ラインの積分エネルギである、
    請求項１４記載のキャリア。
16. 広帯域Ｘ線放射を生成するために前記広帯域Ｘ線源が動作され、前記ハウジングが前記レセプタクルに挿入されて前記二次ターゲットを収容する場合に、前記キャリアは、少なくとも約１５度の視野にわたって０．８を超える単色性を有する単色のＸ線放射を放出するように構成される、
    請求項１５記載のキャリア。
17. 広帯域Ｘ線放射を生成するために前記広帯域Ｘ線源が動作され、前記ハウジングが前記レセプタクルに挿入されて前記二次ターゲットを収容する場合に、前記キャリアは、少なくとも約１５度の視野にわたって０．９以上の単色性を有する単色のＸ線放射を放出するように構成される、
    請求項１５記載のキャリア。
18. 広帯域Ｘ線放射を生成するために前記広帯域Ｘ線源が動作され、前記ハウジングが前記レセプタクルに挿入されて前記二次ターゲットを収容する場合に、前記キャリアは、少なくとも約１５度の視野にわたって０．９５以上の単色性を有する単色のＸ線放射を放出するように構成される。
    請求項１５記載のキャリア。

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