JP7320501B2 - 位相コントラストｘ線イメージングシステムおよび位相コントラストｘ線イメージング方法 - Google Patents

Description

（関連出願への相互参照）
本出願は、出願日２０１７年１０月１８日の米国仮出願６２/５７３、７５９および出願日２０１７年１２月１２日出願の米国仮出願６２/５９７、６２２に基づく優先権を主張する。この出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

本開示は、一般にＸ線イメージングに関し、より具体的には位相コントラストＸ線イメージングシステムおよび位相コントラストＸ線イメージング方法に関する。

Ｘ線イメージングは、コントラストを用いて、当該コントラストの成分の不均一なＸ線吸収により対象を可視化するための広範囲のアプリケーションである。Ｘ線の透過パワーが対象物を十分に透明にできなければ、当然Ｘ線イメージングの主要なパラダイムの有用性は低下する。これは、柔らかい生体組織やプラスティックなどの低密度材料でしばしば発生する。この文脈において、光学部品では、当該光学部品に関連して、電磁波が強度と位相の両方を持つことが理解される。Ｘ線が対象物を透過すると、情報は、吸収に起因して強度でエンコードされるだけなく、屈折に起因して位相でエンコードされる。これは光学部品のレンズでも同様である。すなわちレンズは必然的に透明であるが、可視光の屈折はレンズの形状をエンコードする。位相コントラストＸ線イメージング（ＸＰＣ）は、検出器を用いて検出したＸ線強度パターンから、位相情報を抽出する方法を含む。

従来提案された実用的な解決方法では、Ｘ線グレーティングや干渉技術（タルボロー等）を多く含むほど、効率が低下し、空間分解能が低下し、コストとイメージングチェーンの複雑さが増加する。これによりシステム全体が大型化し、低コストコンパクトなアプリケーション（例えばベンチトップＸＰＣ）に不向きなものとなる。伝播ベースのＸＰＣ（ＰＢ－ＸＰＣ）は最もシンプルな方法であるが、これらはすべて追加的な装置を必要とする。

ＰＢ－ＸＰＣを用いた場合、位相情報を取得する能力（これは、Ｘ線の非常に小さな屈折角を検出するものである）は、完全にＸ線源の性能に相当する。ＰＢ－ＸＰＣは、現在シンクロトロン施設で使われる共通の技術である。ここでは、ＰＢ－ＸＰＣが以下の３つの基準を同時に満たすことが要求される。（１）画像の再構成を容易にするため、モノリシックＸ線であること。（２）位相変化を検出するため、相関した波動場を与えることが可能な空間コヒーレントＸ線であること。（３）空間コヒーレンスは線源と対象との距離に比例するため、Ｘ線の強いフラックスが必要である。なぜなら対象は線源の遠くに配置され、Ｘ線強度は距離の２乗に反比例するからである。ＰＢ－ＸＰＣ技術は有用であるが、シンクロトロン施設での使用に限定される。コンパクトで高速かつ位相コントラストＸ線イメージングシステムは、ライフサイエンス用の小規模な実験室、健康および自然科学における画像化、ＰＢ－ＸＰＣに基づく非破壊検査などの分野で需要がある。これらの分野における低Ｘ線暴露による低密度材料の画像化は、シンクロトロン線源を必要としない。

従って、位相コントラストイメージングのための高分解能Ｘ線検出の新たな方法およびシステムが必要となる。

本開示のある態様では、対象を画像化するための位相コントラストＸ線イメージングシステムが与えられる。この位相コントラストＸ線イメージングシステムは、Ｘ線源と、ピクセルピッチが２５μｍ以下のＸ線検出器とを備える。Ｘ線源と対象との距離（Ｒ_１－１）は、１０ｃｍ以下である。

別の態様では、Ｒ_１－１は、Ｘ線源の焦点と対象の対象面との間の距離である。さらなる態様では、Ｘ線検出器と対象との距離（Ｒ_２－１）は、０ｃｍより大きい。さらに別の態様では、Ｒ_２－１は、対象の対象面とＸ線検出器の検出器面との距離である。ある態様では、Ｒ_２－１は、２００ｃｍ以下である。

さらなる態様では、このシステムは、第２のＸ線源と、第２のＸ線検出器とをさらに備える。第２のＸ線源と対象との距離（Ｒ_１－２）は、１０ｃｍ以下である。別の態様では、第２のＸ線検出器と対象との距離（Ｒ_２－２）は、０ｃｍより大きい。別の態様では、Ｘ線源および第２のＸ線源は、Ｘ線ビームを対象に向けて非平行な方向に放射する。さらに別の態様では、Ｘ線源および第２のＸ線源は、Ｘ線ビームを対象に向けて互いに垂直な方向に放射する。ある態様では、Ｘ線源の焦点は、３０μｍ未満である。別の態様では、Ｘ線検出器は、マルチレイヤＸ線検出器である。さらに別の態様では、マルチレイヤＸ線検出器は、直接変換レイヤを備える。別の態様では、マルチレイヤＸ線検出器は、直接変換レイヤおよび間接変換レイヤを備える。さらに別の態様では、マルチレイヤＸ線検出器は、間接変換レイヤを備える。

本開示の別の態様では、位相コントラストＸ線イメージング方法が与えられる。この方法は、Ｘ線源を、画像化される対象からの距離がＲ_１の位置に配置するステップと、Ｘ線検出器を、画像化される対象からの距離がＲ_２の位置に配置するステップと、多色ビームを、Ｘ線源を用いて対象に導くステップと、Ｘ線検出器を用いてＸ線光子を検出するステップとを備える。Ｘ線検出器は、２５μｍ以下のサイズのピクセルを含む。Ｒ_１は、１０ｃｍ未満である。別の態様では、Ｒ_２は、０ｃｍ以上２００ｃｍ以下である。

本開示の別の態様では、対象を画像化するための位相コントラストＸ線イメージングシステムが与えられる。このシステムは、Ｘ線源と、Ｘ線検出器とを備える。Ｘ線源と対象との距離（Ｒ_１）は、１０ｃｍ以下である。Ｘ線検出器と対象との距離（Ｒ_２）は、０ｃｍ以上２００ｃｍ以下である。

別の態様、Ｒ_１は、Ｘ線源の出力と対象の対象面との間で測定される。さらに別の態様では、Ｒ_２は、Ｘ線検出器の検出面と対象の対象面との間で測定される。

以下、添付の図面を参照しながら例示のみを用いて本開示の実施形態を説明する。
伝播ベースの位相コントラストＸ線イメージングシステムの模式図である。 直接変換Ｘ線検出器の断面の模式図である。 図１のシステムで使われるデジタルＸ線検出器の写真である。 図３のＸ線検出器を用いたときのＤＱＥと空間周波数との関係を示すグラフである。 既知のＸ線検出器を用いたときのＤＱＥと空間周波数との関係を示すグラフである。 図５ａは、位相コントラスの低下したピーマンの種の吸収画像のＸ線画像である。図５ｂは、位相コントラスのあるピーマンの種の吸収画像のＸ線画像である。 レイヤ１からＮを有する複数レイヤ検出器の模式図である。 複数エネルギーのＸ線画像と位相コントラスト画像を同時に取得するための第１の実施の形態のシステムの模式図である。 アモルファスセレン光検出器材料へのＸ線光子の侵入深さを示すグラフである。 位相コントラストＸ線イメージング方法を示すフローチャートである。

本開示は、位相コントラストＸ線イメージングシステムおよび位相コントラストＸ線イメージング方法に関する。ある実施の形態では、このシステムは、Ｘ線源と、ピクセルピッチが２５μｍ以下のＸ線検出器と、を含む。好ましくは、Ｘ線源は、対象面からの距離がＲ_１の位置に配置される。そして好ましくは、Ｘ線検出器は、対象面からの距離がＲ_２の位置に配置される。

図１は、位相コントラストＸ線イメージングのための高分解能Ｘ線検出システムの模式図である。このシステムは、伝播ベースの位相コントラストＸ線イメージングシステムであると考えてよい。ある実施の形態では、このシステムにより、伝播ベースの位相コントラストＸ線イメージング（ＰＢ－ＸＰＣ）を高速かつコンパクトに実現できる。これは、線源と検出器の観点から、ＰＢ－ＸＰＣにアプローチするものである。システム１０は、Ｘ線（例えば多色ビーム１４）を、画像化される対象１６に導くＸ線源１２を含む。このシステムは、対象１６に関してＸ線源と反対側に配置されるＸ線検出器１８をさらに含む。Ｘ線検出器１８は、自由空間伝播を通して対象１５を通過したＸ線を受信または検出する。ある好ましい実施の形態では、Ｘ線源１２は、標準的な実験室用微小焦点線源である。そしてＸ線検出器１８は、ピクセルピッチが２５μｍ以下の、高解像度かつ高線量効率のＸ線検出器である。

図１に示される通り、Ｘ線源１２の焦点の出力面２０は、対象面２２からの距離がＲ_１の位置に配置される。一方、Ｘ線検出器１８の画像面２４は、対象面２２からの距離がＲ_２の位置に配置される。対応するピクセルピッチ（好ましくは、２５μｍ以下）を選ぶことにより、最適な（または好ましい）Ｒ_１（これは、Ｘ線源の焦点から対象面までの距離、すなわち線源から対象までの距離と考えてよい）と、最適な（または好ましい）Ｒ_２（これは、対象面から検出器の画像面までの距離、すなわち対象から検出器までの距離と考えてよい）と、を選ぶことができる。これによりベンチトップデバイスを用いて、高速かつ高線量効率のＰＢ－ＸＰＣを実現することができる。ある実施の形態では、ピクセルピッチは、対象から発したＸ線のＸ線屈折角（複素屈折率によって計算される）と、伝播距離Ｒ_２と、に基づいて選択されてもよい。ある好ましい実施の形態では、Ｒ_２（これは、小さいピクセルピッチ（例えば２５μｍ以下）の検出器によって検出されるＸ線の偏差を生む）は、小さいことがより望ましい。

実験により、本システムは、対象１６によってエンコードされた位相に関連した微小な（１０^－５ラジアンから１０^－４ラジアンの）Ｘ線屈折を検出できることが示された。

ある好ましい実施の形態では、Ｘ線源１２は、焦点サイズが５μｍ以上９μｍ以下の、標準的な低パワー（８Ｗ）実験室用微小焦点線源である。焦点サイズは、Ｘ線源の電子ビームのサイズである。この電子ビームは、アノードターゲット材料（例えばタングステンまたはモリブデン）に衝突してＸ線を生成する。このＸ線は、対象１６に伝播した後、Ｘ線検出器１８に到達する。現行の医療用イメージング装置では、焦点サイズは０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下である。焦点が小さいほど（例えば５μｍ以上９μｍ以下）、焦点から広がる半陰影ぼけは最小化されるか低減される。これによりＸ線源１２は、システム１０内の空間分解能を制限しない。対象１６に起因する位相の変化を検出するという目的が与えられた場合、コヒーレントな（または部分的にコヒーレントな）入射ビームが必要である（または好ましい）。横方向のコヒーレンス長は、線源から対象までの距離Ｒ_１に比例し、焦点サイズに反比例する。これは、焦点サイズが小さいほど、Ｒ_１の小さい部分的なコヒーレントビーム（すなわちよりコンパクトなシステム）が得られることを意味する。

従来の固定的なアノード（すなわち、安価な液晶ジェット源）における小さな焦点では、対象での熱負荷に起因して、微小焦点源の生む出力パワーが小さいという課題がある。この制限は、短時間かつ低Ｘ線暴露（例えば、対象（例えば整体標本だが、これに限定されない）の放射ダメージを最小化または低減する）で位相コントラストイメージを得るための主要な課題である。

図２は、Ｘ線検出器の断面の模式図である。本開示では、Ｘ線検出器は、直接変換光電導体と、ピクセルピッチが２５μｍ以下の相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）ピクセル電子回路とを使用する、高分解能Ｘ線検出器であることが望ましい。

図２に示される通り、Ｘ線検出器１８は、複数の小さなサイズのピクセル３２を備えた底部ＣＭＯＳレイヤを含む。本開示では、各ピクセル３２のピクセルピッチは、２５μｍ以下である。Ｘ線検出器１８は、スタビリティ／ブロッキングレイヤ３４と、光電導体レイヤ３６と、ブロッキングレイヤ３８と、電極レイヤ４０と、をさらに含む。Ｘ線検出器１８は、制御／データ信号のための電気接続を可能とするためのボンドパッド４２をさらに含んでもよい。

ある実施の形態では、光電導体レイヤ３６は、アモルファスセレニウム（ａ－Ｓｅ）光電導体レイヤ３６である。この実施の形態では、ａ－Ｓｅ光電導体レイヤ３６の両側にあるブロッキングレイヤ３４および３８は、検出器１８の機械的安定性を向上させるために、および／または、検出器１８の強電界での動作中の暗電流を低減するために使われてよい。別の実施の形態では、Ｘ線検出器１８は、ブロッキングレイヤ３４または３８のどちらか１つだけを含んでもよいし、まったく含まなくてもよい。

別の実施の形態では、スタビリティ／ブロッキングレイヤ３４は、耐結晶化レイヤと光電導体レイヤ３６の底部におけるブロッキングコンタクトの両方として機能するポリイミドレイヤであってもよい。別の実施の形態では、ブロッキングレイヤ３８は、光電導体レイヤ３６のブロッキングコンタクトとして機能するパリルンレイヤであってもよい。光電導体レイヤ３６とスタビリティ／ブロッキングレイヤとの間のブロッキングレイヤは、Ｐ型のレイヤ（例えば、ヒ素ドープされたセレン、その他のソフトポリマー材料）であってよいが、これに限定されない。光電導体レイヤ３６とブロッキングレイヤ３８との間のブロッキングレイヤはまた、Ｎ型のレイヤ（例えば、アルカリ金属ドープされたセレン、低温堆積されたセレン、その他の既知の有機または無機のホールブロッキングレイヤ）であってよいが、これに限定されない。前述の議論は直接変換Ｘ線検出器に関するが、これに代えて他の高分解能検出技術、例えば間接変換検出器、直接変換検出器と間接変換検出器との組合せなどであってもよい。

直接変換Ｘ線検出器では、アモルファスセレン、シリコン、ＣｄＺｎＴｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＩ_２、ＰｂＯ、およびシンチレータで満たされた有機光電導体（例えば、ＣＭＯＳと統合したペロブスカイトその他の既知の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）ピクセルアレイ）が、光電導体レイヤ３６として使われてもよい。間接変換Ｘ線検出器では、Ｃｓｌ、ＬａＢｒ_３、およびピクセル化されたＧＯＳまたはＣＭＯＳもしくはＴＦＴピクセルアレイと統合したＣｓｌシンチレータが使われてもよい。

Ｘ線傾斜（これは直接および間接変換検出器の両方に影響する）を除けば、Ｘ線検出器内の直接変換光電導体の厚さは、空間分解能に関し間接変換光電導体ほどにはトレードオフがない。なぜなら与えられた強電界は、Ｘ線で生成された荷電キャリアを輸送するが、このときの横方向の拡散は無視できる程度だからである。

本開示の１つの利点は、ＰＢ－ＸＰＣアプローチのために、非常に細く小さいピクセルピッチを持ち、微小焦点線源１２とともに動作する高線量効率の直接変換Ｘ線検出器を利用するところにある。

現行のＸ線間接検出技術には、空間分解能と線量効率との間にトレードオフがある。フォトダイオードのピクセル化されたマトリックスを用いてＸ線を検出用光子に変換するために使われるシンチレータ材料は、その厚さにより光学的散乱を増加させる。シンチレータの厚さが厚いほど多くの光子を吸収するが、それだけ多くの光が散乱される。一方、厚さの薄いシンチレータは、散乱を制限するので分解能が高いが、吸収される光子が少ないため、線量効率が悪く検出量子効率（ＤＱＥ）が低下する。さらに、非常に微細な特性を低分解能の検出器で可視化するには、大きな倍率が必要となる。このとき、微小焦点の（従って低パワーの）Ｘ線源が組み合わされると、スキャン時間と線量がさらに増加する。

図３は、ある実施の形態のピクセルピッチ撮像素子の写真である。図３のピクセルピッチ撮像素子は５．５μｍ×６．２５μｍのピクセルピッチ撮像素子である。実験により、現行のシステムの約１０倍の線量効率が観測され、２５μｍ以下のピクセルを使うことにより現行の検出器の１００倍良好な結果が得られることが予測された。Ｘ線源として高出力微小焦点Ｘ線チューブ（例えば、メタルジェットＸ線）を使うことにより、撮像時間をさらに短縮できる。しかし高線量効率の検出器（例えば、高スループット産業アプリケーション）を使うことにより、撮像時間をさらに短縮でき、さらに重要なことには、繊細な生体組織（特に、ライフサイエンスや医療アプリケーションにおいて）に対する放射ダメージを最小化またはさらに削減できる。

さらに図３の顕微鏡写真では、ピクセル撮像素子またはハイブリッドａ－Ｓｅ／ＣＭＯＳデジタルＸ線検出器の全体のサイズは１．８×３．０ｍｍ^２である。ａ－Ｓｅ／ＣＭＯＳハイブリッド構造は、金電極に正の高電圧を与えるためのバイアスプローブを用いて見ることができる。

図４ａに、測定された変調伝達関数（ＭＴＦ）と、測定されたノイズパワースペクトル（ＮＰＳ）と、を用いて計算された７０ｋＶｐのスペクトルに関して計算されたＤＱＥを示す。この図は、本開示に係るＸ線検出器を用いた結果／測定を反映する。ここでの２０－６０サイクル／ｍｍ領域における結果は、先行技術で報告されたすべての他のＸ線検出器のＤＱＥの結果を超える。図４ｂは、吸収が最適化された厚さ１０００μｍのａ－Ｓｅ光電導体レイヤに関し、７０ｋＶｐでのモデル化されたＤＱＥを示す。ただし、焦点ボケはなく、１００ｅ－ＲＭＳの読み出しノイズがあると仮定する。最適化されたＸ線吸収により、２０－６０サイクル／ｍｍ領域でのＤＱＥは非常に高い（約０．５すなわち５０％）。図４ｂのグラフでは、モデル化された検出器に関する光電導体の厚さは、１０００μｍである。一方図４ａの検出器の光電導体の厚さは、５６μｍである。

本開示の位相コントラストＸ線システムを用いて、位相コントラストに起因して追加された詳細が、図５ａおよび５ｂに示される。画像化されるピーマンの種を吊るすために、フックが使われた。この位相コントラスト画像では、線源と検出器との距離（Ｒ_１＋Ｒ_２）は２６ｃｍであった。これにより画像化に掛かる時間は、現行の位相コントラストシステムで共通に報告された数分から数時間に比べ、数秒となる。このように本開示のシステムは、非常にコンパクトかつ高速かつ低線量のＰＢ－ＸＰＣシステムであると考えてよい。この実験では、画像をキャプチャするためのＲ_１は１０ｃｍより小さかった（Ｒ_２は０ｃｍより大きい）。本開示のシステムで使われるＲ_１の値は、現行のＰＢ－ＸＰＣシステム（１０ｃｍよりＲ_１を小さいものはない）と対照的である。

本開示のシステムを用いて、あるＲ_２の範囲（例えば０ｃｍ以上２００ｃｍ以下）と２５μｍ以下のピクセルサイズで、１０ｃｍより大きいＲ_１の位相コントラスト画像が得られた。ある実施の形態では、１０μｍのピクセルサイズが考えられる。

シミュレーションでは、３０μｍより小さい線源焦点サイズが、位相コントラスト画像に好適であることが示された。しかしながら、より先鋭な画像およびよりコンパクトなシステムのためには、１０μｍより小さい焦点サイズが望ましい。

図６は、本開示のシステムで使われるＸ線検出器の他の実施の形態の模式図である。図６のＸ線検出器１８は、マルチレイヤ検出器であると考えてよく、マルチスペクトル（例えば、デュアルエネルギーＸ線データ）と位相コントラスト画像（位相回復を含む）の両方を同時に必要とするコンパクトなＸ線イメージングシステムを実現できる。

この実施の形態では、Ｘ線検出器１８は、変換レイヤの組１００（変換レイヤ１、変換レイヤ２、…、変換レイヤＮ（Ｎは任意の数）として示される）と、基板レイヤの組１０２と、Ｘ線フィルタ１０４と、を含む。変換レイヤ１００、基板レイヤ１０２およびＸ線フィルタ１０４の異なるデザイン／構造が考えられ、図６はこうした構造の例を与える。理解されるように、こうしたマルチレイヤ検出器の最も簡単な実装は、中間に中間フィルタ１０４を備えた、２つの積層した変換レイヤ１００を含む。発展的なアプローチでは、中間フィルタとして機能する中間変換レイヤを備えた、３つの積層した変換レイヤを使ってもよい。理解されるように、各変換レイヤは、２５μｍ以下のピクセルサイズを持つピクセルの組と結び付けられる。Ｎ個の変換レイヤとＮ組のピクセルの場合、低対象線量の（すなわち、マルチスペクトルでかつ元の減衰画像に沿った位相コントラストの）Ｎ個のユニークなデータセットが同時に得られる（または生成される）。

「強度輸送方程式」（ＴＩＥ）により、フレネル領域では、強度変化に起因する画像面のコントラストは、対象面からの伝播距離と、対象面内の位相分布の空間勾配と、に比例することが示唆される。この微分位相コントラストにより、「エッジ強調」効果が発生する。この効果は、対象のエッジで最も急峻な位相変化（すなわち、エッジで屈折率が急速に変化する）に起因する。ＰＢ－ＸＰＣイメージングを使うことにより、対象の境界でのコントラストが増し、少ないＸ線吸収で物質をよりよく検出することができる。しかしながら対象の物理的ジオメトリと、その画像面での可視化との関係はより複雑である。

特に画像の境界は、対象の境界に正確に一致しなくてもよい。画像における定量的な境界情報を回復するために、典型的には「位相回復」再構成を行う必要がある。位相回復の方法の１つは、Ｘ線強度と対象面における位相情報とに関する決定的ＴＩＥを解くことによる「直接アプローチ」である。反復がなく、数値的に有効であるため、この方法は投影画像や３Ｄマイクロ－ＣＴに使うことができる。

単一波長に関するＴＩＥは、１つの既知の変数（画像面における強度）と２つの未知の変数（対象面における強度と位相）とを含む。純粋位相（すなわち吸収がない）または均一の対象で単色放射の場合、ＴＩＥの解は簡単に得られる。この場合、ジオメトリックな光学近似において対象面における強度と位相とがＴＩＥに結び付けられ、画像面での単一の観測から（あるいは代替的に、単一の画像取得により）ユニークな解が得られる。

相関のない吸収および屈折特性を持つ一般的な不均一の対象（すなわち、より実用的な状況）では、方程式を解くためには、異なる画像面または異なる放射波長での少なくとも２つの観測が必要である。この要求条件は、放射線量に敏感（ライフサイエンスや医療）なアプリケーションや高スループット（例えばリアルタイムの）のアプリケーションにおいて課題となる。このようなアプリケーションでは、位相回復に必要な２つの測定値（すなわち画像）を得るために検出器を動かすのに掛かる時間が許容されない。このように本開示のシステムにより、対象への暴露がより少ないままで、複数の画像を得ることができる。さらに、大抵の実用的なアプリケーション（例えば、医療生体画像や工業検査）では、一般的に入手可能な多色Ｘ線源を使う必要がある。これは、従来のＴＩＥ解法を不確かなものとする。なぜなら従来のＴＩＥ解法は本質的に単色線源を仮定するからである。

単色および／または多色線源におけるＴＩＥを解くために少なくとも２つの測定値を得るという前述の課題を解決するために、図６に示されるマルチレイヤの（すなわち積層した）Ｘ線検出器が使われてよい。これにより、異なる画像面において、ＰＢ－ＸＰＣに適応可能なＸ線スペクトルを持つ複数の画像が同時に取得される。マルチレイヤ検出器は、典型的には、光学的基板上の複数の積層されたＸ線変換レイヤを含む。各変換レイヤは、それぞれ異なる画像面での情報をキャプチャする。マルチレイヤ検出器は、選択的に中間Ｘ線フィルタ材料（図６に示されるような）を備えてもよい。

各変換レイヤは、直接変換レイヤ（例えば、提案された細いピッチのａ－Ｓｅ直接変換Ｘ線検出器）または間接変換レイヤである。直接変換レイヤでは、Ｘ線半導体（例えば、アモルファスセレン、シリコン、ＰｂＯ、ＨｇＩ_２、ＣｄＺｎＴｅ、ナノ粒子を備えた有機半導体等）が、入射Ｘ線光子を荷電粒子に直接変換する。Ｘ線半導体は選択的に、読み出しピクセル（トランジスタおよび／またはストレージキャパシタ）のアクティブマトリックスアレイを有する読み出し面（例えば、薄層トランジスタアレイ、ＣＭＯＳ、ピクセルアレイ）と組み合わされてもよい。いくつかの実施例では、Ｘ線半導体と読み出し面は、ともにＸ線変換レイヤの一部である。

間接Ｘ線変換レイヤでは、入射Ｘ線光子を光子に変換するために、シンチレータ材料（例えば、ＧＯＳ、Ｃｓｌ、Ｎａｌ、ＣａＷＯ_４、ＬＹＳＯ等）が使われる。変換された光子は、その後、下部にあるピクセル化された光感受性読み出し電子プレートで検出される。光感受性読み出し電子プレートは、広範囲の薄層無機半導体（例えば、アモルファスシリコン、金属酸化物、ＬＴＰＳ、連続粒界結晶シリコン、結晶シリコン）や有機半導体を含む様々な材料で作られた、広範囲のピクセルのアクティブマトリックスアレイ（例えば、薄層トランジスタのフォトダイオードまたはアクティブピクセルセンサのフォトダイオードを含む）であってよい。この実施の形態では、シンチレータと光感受性読み出し電子回路は、ともにＸ線変換レイヤの一部であってもよい。

より低いエネルギーの光子に比べて、より高いエネルギーの光子は侵入深さが深い（例えば、図８のアモルファスセレン半導体おける侵入深さを参照）ことに起因して、各Ｘ線変換レイヤは、単一のＸ線暴露により、異なるＸ線スペクトルを持つ画像を取得する。Ｘ線スペクトルは、各変換レイヤ（すなわち、直接変換における半導体レイヤまたは間接変換におけるシンチレータレイヤ）および／またはフィルタレイヤの厚さを用いて制御できる。（対象がないときの）スペクトルの特性は、位相回復で必要である。

ある実施の形態では、侵入深さは、Ｘ線の減衰係数の逆数に等しく、材料内でＸ線が初期値の３７％まで減衰する深さに相当する。１２．７ｋｅＶでの不連続性は、光電吸収に起因する。

フィルタの材料は、アルミニウムや銅などの一般的な金属中間フィルタであってよい。追加的なＸ線変換レイヤがフィルタとして使われる場合、積層した３つのＸ線変換レイヤがあるだろう。原理的には少なくとも２つのＸ線変換レイヤが必要だが、必要に応じて追加的なスペクトル吸収を実現するために、追加的なレイヤが積層されてもよい。これによりより正確な再構成方式が使えるので、位相回復が改善される。

任意の所定の直接Ｘ線変換レイヤにおいて、ピクセルバイピクセルベースでＸ線半導体の厚さを変調することにより、あるいは代替的に、任意の所定の間接Ｘ線変換レイヤにおいて、ピクセルバイピクセルベースでシンチレータの厚さを変調することにより、スペクトルをさらに分離することができる。シングルレイヤの場合であっても、Ｘ線変換レイヤの厚さをピクセルレベルで変調することにより、空間分解能がスペクトル分離を実現するためにトレードオフとなり得る。

各変換レイヤで非常に小さいピクセルピッチ（前述のように、例えば２５マイクロｍ以下のピクセルピッチ）を採用することにより、対象面から画像面までの伝播距離がより小さいままＸ線の小屈折角（これは位相コントラストに必要である）を検出できるので、さらに性能を改善することができる。Ｘ線強度（従って信号対雑音比）は、伝播距離の逆２乗で減少する。従って伝播距離を小さくすることにより線量を減らすことができ、潜在的には他の伝播ベースの方法や他の位相コントラスト方法（例えば、グレーティングベースの）に比べて位相回復の速度を上げることができる。

他の実施の形態では、マルチスペクトルとＰＢ－ＸＰＣの位相回復データの両方を得るために、システムは、２つの細いピッチのシングルレイヤＸ線検出器と結びついた２つの異なるＸ線源を含んでよい。図７に模式的に示されるように、これらは異なる面で動作する。理解されるように、細いピッチのシングルレイヤＸ線検出器は、２５μｍ以下のピクセルサイズを持つ。

図７に示される通り、このシステムは、多色ビームを対象１５２に導く第１のＸ線源１５０を含む。この多色ビームは、その後第１のＸ線検出器１５４によって検出される。このシステムは、多色ビームを対象１５２に導く第２のＸ線源１５６をさらに含む。この多色ビームは、その後第２のＸ線検出器１５８によって検出される。ある実施の形態では、第１のＸ線源１５０と対象との距離（Ｒ１_Ｄ１またはＲ_１－１）、および、第２のＸ線源１５６と対象との距離（Ｒ１_Ｄ２またはＲ_１－２）は同じ値に設定されてよい。一方、対象面と第１のＸ線検出器１５４の画像面との距離（Ｒ２_Ｄ１またはＲ_１－２）、および、第２のＸ線検出器１５８の画像面と対象面との距離（Ｒ１_Ｄ２またはＲ_２－２）は異なる値に設定されてよい。Ｘ線源とＸ線検出器のペアとの組が２つあることにより、システムは、第１および第２のＸ線検出器から複数の２次元（２Ｄ）画像を得ることができる。代替的な実施の形態では、第１のＸ線源および第２のＸ線源のＸ線ビームは、対象に向けて非平行な方向に導かれる。別の実施の形態では、第１のＸ線源および第２のＸ線源のＸ線ビームは、対象に向けて互いに垂直な方向に導かれる。

複数の画像が生成されて検出されるいずれに実施の形態でも、（必要であれば）画像全体にわたる単一画像を得るために、これらの画像が任意の既知の技術（例えば再構成アルゴリズム）を用いて組み合わされてよい。

図７のシステムの利点の１つは、第１のＸ線源１５０からのＸ線スペクトル、および、第２のＸ線源からのＸ線スペクトルを、第１のＸ線検出器１５４および第２のＸ線検出器１５８と独立に定義できるところにある。これにより、再構成アルゴリズムがさらに簡易となる。前述のように、図７のシステム構成によれば、位相コントラスト画像の取得、位相回復、マルチスペクトル画像の取得、および単一スキャンでの従来の減衰画像の取得が可能となる。３次元（３Ｄ）画像を得るために、再構成のための複数の投影を得る目的で、対象または線源／検出器のペアのいずれかが回転されてもよい。あるいは、さらなるＸ線源／Ｘ線検出器のペアが使われてもよい。

図９は、位相コントラストＸ線イメージング方法を示すフローチャートである。最初に、Ｘ線源が、画像化される対象からの距離がＲ_１の位置に配置される（９００）。この距離は、好ましくは１０ｃｍ未満であり、ある実施の形態では、Ｘ線源の焦点から対象の対象面までで測定される。その後Ｘ線検出器が、対象に関してＸ線源と反対側に、対象からの距離がＲ_２の位置に配置される（９０２）。この距離は、好ましくは０ｃｍ以上２００ｃｍ以下であり、ある実施の形態では、対象面から検出器面までで測定される。

その後Ｘ線源は、多色ビームを対象に導く（９０４）。結果として生じる光子はその後、ピクセル（ピクセルサイズは２５μｍ以下である）の組を介してＸ線検出器で検出される（９０６）。必要であれば、より低い放射線量で複数の画像を得るために、さらなるＸ線源及びＸ線検出器のペアが対象の周囲に配されてよい。

本開示は、直接変換セレン－ＣＭＯＳ検出器を備える、コンパクトな位相コントラストＸ線検出器を対象とした。しかし、他の直接変換材料、例えば、ＨｇＩ_２、ＣＺＴ、ＴｌＢｒおよびシリコンなどが、セレンに代えて使われてもよい。あるいはＣＭＯＳピクセルが、ポリシリコン、金属酸化物、または一般のＩＩ－ＶＩ属やＩＩＩ－Ｖ族半導体に代えて使われてもよい。さらに、直接変換検出器に比べて線量効率は低いかもしれないが、高分解能間接変換Ｘ線検出器（例えば、薄シンチレータやピクセル化されたシンチレータを備えるもの）が使われてもよい。異なる視点から対象の複数のＸ線投影画像を生成するために、回転ステージ（または回転ガントリー）を追加することにより、マイクロコンピュータ断層撮影（マイクロＣＴ）およびＣＴ再構成ソフトウェアをこのシステムに使ってもよい。

コンパクトなシステムにより高速イメージングを与えることに加えて、本開示のシステムはまた、微小解剖イメージングに関して顕著な利点を有する。これは、画像取得のためのＸ線放射がより少ないことから、詳細のより高いレベルでの可視化とＤＮＡ破壊の回避とを両立できることによる。例えば遺伝子に関する詳細な知見や、遺伝子発現の制御はマウスやラットで得られる。高度に目標を定められた器官構造および機能への遺伝子操作のインパクトの定量化を、位相コントラストマイクロＣＴを用いて実現することは、遺伝子がどのように身体全体の遺伝子発現に結びつくかを解明することに役立つ。位相コントラストＸ線を用いた軟組織のよりよい可視化と、検出器の高線量効率とを組み合わせることにより、ゲノム科学を根本的に発展させることができる。これは、生きた完全な動物、植物、組織および単細胞への高分解能かつ非侵襲のイメージングにより可能となる。これは他の技術では達成できない。他の科学および非破壊画像化アプリケーション、例えば、農作物、プラスティック、ポリマーおよび様々なナノコンポジット材料あるいはガラスなどの画像化に関しても同様の利点が存在する。

説明を目的として、実施形態の完全な理解のための多数の詳細を述べた。しかし当業者は、これらの特定の詳細は必須ではないことを理解するだろう。理解を明確にするため、別の例では、周知の構造がブロック図の形で示されてもよい。例えば本明細書に記載された実施形態の実装がソフトウェアルーチンか、ハードウェア回路か、ファームウェアか、あるいはこれらの組み合わせかに関する特定の詳細は与えられない。

本開示の実施の形態またはその構成要素は、機械可読媒体（またはコンピュータ可読媒体、プロセッサ可読媒体、あるいはコンピュータ可読プログラムコードが実装されたコンピュータ利用可能媒体とも呼ばれる）に記憶されたコンピュータプログラムプロダクトとして与えられてよい。機械可読媒体は、任意の好適な有形の固定媒体であってよく、磁気的、光学的、または電気的記憶媒体を含み、これらはディスケット、ＣＤ－ＲＯＭ（登録商標）、メモリーデバイス（揮発性または不揮発性）、または同様のストレージメカニズムを含む。機械可読媒体は、様々な命令の組、コードシーケンス、構成情報、その他のデータを記憶してよく、実行されたとき、本開示の実施の形態に係る方法のステップをプロセッサまたはコントローラに実行させる。当業者は、前述の実施の形態を実行するのに必要な他の命令や操作もまた、機械可読媒体に記憶されてよいことを理解するだろう。機械可読媒体に記憶された命令は、プロセッサ、コントローラその他の好適な処理デバイスによって実行されてもよく、前述のタスクを実行するための回路との間で通信されてもよい。

前述の実施の形態は、単なる例示である。添付の請求項のみで定義される発明の範囲を逸脱することなく、当業者による特定の実施形態の代替、改良あるいは変形が有効である。

Claims (18)

1. 対象を画像化するための位相コントラストＸ線イメージングシステムであって、
   Ｘ線源と、
   ピクセルピッチが２５μｍ以下のＸ線検出器と
   を備え、
   前記Ｘ線検出器は、少なくとも１つの位相コントラストエッジ強調画像を得るための少なくとも１つの直接変換レイヤを含み、
   前記Ｘ線源の焦点と前記対象の対象面との距離（Ｒ_１－１）は、１ｃｍより大きく１０ｃｍ未満であり、
   前記Ｘ線検出器の検出器面と前記対象の対象面との距離（Ｒ_２－１）は、０ｃｍより大きく２００ｃｍ以下であり、
   前記Ｘ線源の焦点は１０μｍ未満であることを特徴とする位相コントラストＸ線イメージングシステム。
2. 第２のＸ線源と、
   第２のＸ線検出器と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
3. 前記第２のＸ線検出器と前記対象との距離（Ｒ_２－２）は、０ｃｍより大きいことを特徴とする請求項２に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
4. 前記Ｘ線源および前記第２のＸ線源は、Ｘ線ビームを前記対象に向けて非平行な方向に放射することを特徴とする請求項３に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
5. 前記Ｘ線源および前記第２のＸ線源は、Ｘ線ビームを前記対象に向けて互いに垂直な方向に放射することを特徴とする請求項４に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
6. 前記Ｘ線検出器は、マルチレイヤＸ線検出器であることを特徴とする請求項１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
7. 前記マルチレイヤＸ線検出器は、少なくとも３つの直接変換レイヤを備えることを特徴とする請求項６に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
8. 前記マルチレイヤＸ線検出器は、直接変換レイヤおよび間接変換レイヤを備えることを特徴とする請求項７に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
9. 位相コントラストＸ線イメージング方法であって、
   Ｘ線源を、画像化される対象からの距離がＲ_１の位置に配置するステップと、
   Ｘ線検出器を、画像化される前記対象からの距離がＲ_２の位置に配置するステップと、
   多色ビームを、前記Ｘ線源を用いて前記対象に導くステップと、
   前記Ｘ線検出器を用いてＸ線光子を検出するステップと、
   少なくとも１つの位相コントラストエッジ強調画像を得るステップと、
   を備え、
   前記Ｘ線源は１０μｍ未満の焦点を持ち、
   前記Ｘ線検出器は、２５μｍ以下のサイズのピクセルを含み、
   Ｒ_１は１ｃｍより大きく１０ｃｍ未満であり、
   Ｒ_２は１ｃｍより大きいことを特徴とする位相コントラストＸ線イメージング方法。
10. Ｒ_２は、１０ｃｍ以上２００ｃｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の位相コントラストＸ線イメージング方法。
11. 対象を画像化するための位相コントラストＸ線イメージングシステムであって、
    Ｘ線源と、
    ピクセルピッチが２５μｍ以下のＸ線検出器と
    を備え、
    前記Ｘ線検出器は、少なくとも１つの位相コントラストエッジ強調画像を得るための少なくとも１つの直接変換レイヤを含み、
    前記Ｘ線源と前記対象との距離（Ｒ_１）は、１ｃｍより大きく１０ｃｍ未満であり、
    前記Ｘ線検出器と前記対象との距離（Ｒ_２）は、１０ｃｍ以上２００ｃｍ以下であることを特徴とする位相コントラストＸ線イメージングシステム。
12. Ｒ_１は、前記Ｘ線源の焦点と前記対象の対象面との間で測定されることを特徴とする請求項１１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
13. Ｒ_２は、前記Ｘ線検出器の検出面と前記対象の対象面との間で測定されることを特徴とする請求項１１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
14. 前記Ｘ線検出器のピクセルピッチは２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
15. 前記Ｘ線検出器のピクセルピッチは１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１４に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
16. 前記Ｘ線検出器のピクセルピッチは１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１５に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
17. 前記Ｘ線源の焦点は、５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。
18. 前記第２のＸ線源と前記対象との距離（Ｒ_１－２）は、１０ｃｍ未満であることを特徴とする請求項２に記載の位相コントラストＸ線イメージングシステム。

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