JP7443331B2 - Ｘ線イメージング及び造影剤のための装置及び方法 - Google Patents

Ｘ線イメージング及び造影剤のための装置及び方法 Download PDF

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Description

［任意の先願の言及による援用］
本願は、２０１８年８月２日出願の米国仮特許出願第６２／７１３，５５４号、２０１９年２月１１日出願の米国仮特許出願第６２／８０３，６１３号、２０１９年５月２６日出願の米国仮特許出願第６２，８５３，０５０号、２０１８年７月３０日出願の米国仮特許出願第６２／７１２，０５８号、２０１８年１０月１４日出願の米国仮特許出願第６２／７４５，３６９号、２０１８年９月１１日出願の米国仮特許出願第６２／７２９，４３３号、及び２０１８年１１月３日出願の米国仮特許出願第６２／７５５，４２５号の優先権を主張し、そのそれぞれの開示全体が言及によって本明細書に援用され、本明細書の一部となる。
本願とともに提出した出願データシートにて外国優先権又は国内優先権の主張が特定される任意及びすべての出願は、３７ＣＦＲ１．５７に該当し、言及によって本明細書に援用される。
本願は、２０１９年１月２０日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ１９／１４３９１号、２０１９年３月１８日出願の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０２２８２０号、並びに米国特許第５，６４８，９９７号、米国特許第５，７７１，２６９号、米国特許第６０５２４３３号、米国特許第６１３４２９７号、及び米国特許第６１７３０３４号に関し、そのそれぞれの開示全体が言及によって本明細書に援用され、本明細書の一部となる。
［技術分野］
本開示は、一般にデジタルＸ線イメージングに関する。
［関連技術の説明］
Ｘ線（光子）のビームがイメージングする対象を透過する際、ビームの光子は、（１）直線（１次ビームと呼ばれる）で対象を透過し、イメージング検出器によって収集して、これがＸ線２次元（２Ｄ）イメージの暗部を生成する、（２）対象に吸収されて、イメージの明部を生成する（例えば、骨は白く現れるが、空気を充満させた肺は黒く現れる）、又は（３）対象内に散乱するが、なお対象から出てイメージング検出器によって収集することができる。検出器によって定量的に収集した散乱信号を、対象内に存在する種々の密度のものと相関させることは困難であり、散乱線の測定値は、散乱信号を生成する対象の体内物の精密な３Ｄ空間位置に容易に相関させられず、１次Ｘ線測定によって形成されるイメージが明瞭性でなくなることがある。散乱放射線量が増えると、イメージが明瞭でなくなり、イメージコントラストが低下することがある。
散乱線対１次ビーム比（ＳＰＲ）は、イメージング装置における同じ点に達する１次ビームのエネルギーで除算した散乱放射線のエネルギーである。ヒトの身体のイメージングに２次元検出器を使用する大部分のイメージングシステムにおいて、ＳＰＲは５０％～１００％ほどの高さになることがある。無作為に散乱したＸ線は、イメージコントラストを下げる傾向があり、ぼやけを生成して、信号対ノイズ比を低下させる。
診断、検査、イメージガイダンス、及びトラッキング、セキュリティーの用途のため、定量的イメージングデータが必要とされることがある。回転コンピューター断層撮影（ＣＴ）は、定量的イメージングデータを提供可能であるが、時間を費やすことがあり、一般的に携帯型ではなく、高い放射線量を必要とし、及び／又は、約１０－１～１０－３モルと、一般的にモル感度が低い。非回転ＣＴ及び２Ｄイメージングはより安価で、より高速である、及び／又は回転ＣＴと比較して低い放射線量を必要とするが、典型的には定量的ではない。
臨床におけるＸ線イメージングにおいて、疲労骨折、肺塞栓症、及び他の疾患を含むがこれらに限定されない病気を診断するため、骨又は組織の対象領域における骨折のイメージとデンシトメーターとの相関が、デンシトメーター及びＸ線イメージングシステムにおいて個別に行われる。
３次元（３Ｄ）Ｘ線顕微鏡イメージは、対象又はソース及び検出器が軸に対して回転する、従来の回転ＣＴにおいて使用される方法を用いて生成される。複数のイメージが、対象のイメージを再構成するように１８０°で対象全体を撮るため必要とされる。結果として、プロセスは時間を費やすものとなる。しかしながら、１桁のナノメーター（ｎｍ）分解能、又は対物レンズの進歩によってさらにより高い分解能に達し得るＸ線顕微鏡は、１ｍｍ範囲などのスモールフォームファクターで対象に行われることがある。
一般的に、スキャン性能や動作性能を追加することなく、光子計数検出器、エネルギー感応検出器、シリコンドリフト検出器、分光器、及び／又は、スペクトル吸収測定システムのみが、小さい寸法の対象を測定することができる。
３ＤＣＴスキャナーの高放射線レベルにより、特に診断及び治療プロセスにおけるそうしたイメージング方法の回数は限られる。
臨床におけるＸ線イメージングは、患者がギプス包帯サポートを着用する必要がある骨折に関する症例に関与する。現行のＸ線イメージング技術は、ギプス包帯のイメージの重なりのため、ヒトの身体及び内蔵の明瞭な２次元投影Ｘ線イメージを得る能力がない。ギプス包帯又はファイバーグラスの化学組成が骨材のものに近いこと、並びに、ギプスの厚み及び不規則な構造のため、実質的に、ギプス内部の傷害のある骨又は組織の状態について、イメージ情報を得ることができない。そして、ギプスは、回復をモニタリングするために各Ｘ線イメージを撮る前に取り除く必要があり、患者の処置及び／又は術後治療がよりタイミングよく個別化又は実施できない。
個々の細胞又は小粒子、分子、及び生体は、臨床及び／又は科学的目的で、診断、スクリーニング、治療的モニタリング時に、インビボ又はエクスビボにおいて、可視化、定量化、及び／又はトラッキングする必要があり得る。しかしながら、Ｘ線イメージングなどの現行のイメージングモダリティーでは、必要とされる感度を得ることができていない。
産業上及びセキュリティー上のＸ線イメージングにおいて、危険な、爆発性の、及びセキュリティー上の脅威（例えば、空港において）を分析する必要があり、イメージングされる対象における素材や部品を特徴づけて識別する必要があり得る。これらの作業は、本発明の進歩により行うことができる。
Ｘ線イメージング装置及び方法により、多様な方法でＸ線イメージングを向上させることができる。
一部の態様において、Ｘ線測定システムは、イメージング対象に向けた１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されたＸ線源と、イメージング対象の下流の２次元（２Ｄ）Ｘ線検出器とを含むことができ、システムの制御器は、ｘ－ｙ－ｚ軸における位置を含む３Ｄ空間の少なくとも２つの軸において、Ｘ線放出位置又はＸ線源を移動させる又は操舵することと、２ＤのＸ線測定値を得ることとによって、対象の多次元及び／又は３次元（３Ｄ）イメージを得るように構成することができる。
一部の態様において、検出器は、対象の診断、検査、トラッキング、及び／又はモニタリングのため、第１測定値、及び／又は、ライブ若しくは第２測定値を得るように構成することができる。Ｘ線源は、制御可能なエネルギーを有するＸ線ビームを放出するように構成することができる。Ｘ線源は、単一コーンビーム又は複数の細ビームを放出するように構成することができる。システムは、特定のビームがＸ線検出器の所定の位置に達することを選択的に可能にするように構成されたビームセレクター又はビーム吸収プレートを含むことができる。プロセッサーは、Ｘ線測定値から散乱線を取り除くように構成することができる。システムは、第２の２ＤのＸ線検出器を含むことができる。２ＤのＸ線検出器は、システムにおける唯一のＸ線検出器とすることができる。隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、第３の軸に必要とされる解像度の寸法、及び／又は、２つの位置がＸ線ビームのセットを生成して、各セットが対象領域における異なるボクセルパスを照射するように必要とされる最小距離とすることができる。隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、１画素ピッチ、画素ピッチの整数倍、又は１画素ピッチ未満とすることができる。３Ｄイメージを構築するために取る放出位置の総数又は２Ｄイメージの総数は、第３の軸の解像度で除算した第３の軸の深さとすることができる。ｘ次元及びｙ次元において移動するとき、最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．１度未満、又は０．１度、又は０．１～１度とすることができる。ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸において移動するとき、軸のそれぞれに沿って最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．０００８度未満、又は０．０００８度、又は０．０００８～０．５度、又は０．５～１度とすることができる。
一部の態様において、Ｘ線照射する対象を、２次元Ｘ線検出器を使用してリアルタイムでモニタリングする方法は、第１時点における対象の複数の第１Ｘ線測定値を得ること、第１時点より後の第２時点における対象の複数の第２Ｘ線測定値を得ることであって、対象又はその部分は第１時点と第２時点との間で移動しているか、又は移動していないこと、複数の第２Ｘ線測定値を複数の第１Ｘ線測定値とマッチングすること、並びに、第１時点と第２時点との間の対象における少なくとも１つのターゲット、構成要素、及び／又は対象領域の６Ｄ位置を出力することを含むことができる。
一部の態様において、方法は、Ｘ線源を使用してＸ線を放出することであって、Ｘ線は単一パルスで放出され、各パルスは異なるエネルギー又は波長であること、をさらに含むことができる。方法は、Ｘ線源を使用してＸ線を放出することであって、Ｘ線は、異なるエネルギーレベル又は波長の１つ又は複数のパルスで放出されること、をさらに含むことができる。第１測定値及び／又は第２測定値は、ポイント、１Ｄ及び／若しくは２ＤのＸ線測定値、並びに／又は、３Ｄ及び／若しくは４Ｄイメージングを含むことができる。第２Ｘ線測定値はライブ測定値を含むことができる。方法は、ターゲット、対象領域、対象、及び対象領域における他の構成要素に対する構成要素の６Ｄ相対位置を測定することをさらに含むことができる。第１測定値及び／又は第２測定値は、定量的イメージを含むことができる。１Ｄ及び／又は２Ｄにおける第１測定値及び／又は第２測定値から、散乱線を取り除くことができる。第１測定値及び／又は第２測定値を得るために放出されるＸ線は、コリメーターを通過するように構成することができる。コリメーターは、第１測定値及び／又は第２測定値を得るために使用されるＸ線検出器において異なる透過領域を生成するため、移動可能又は回転可能とすることができる。方法は、第１測定値及び／又は第２測定値を得るため複数のＸ線細ビームを放出することをさらに含むことができる。方法は、動的移動時に１回を超えて第１測定値及び／又は第２測定値をサンプリングすることを含むことができる。方法は、同じ頻度又は異なる頻度で第１測定値及び第２測定値をサンプリングすることを含むことができる。第１測定値は、シミュレート若しくは合成データ及び／又は所定のデータをさらに含むことができる。マッチングは、構成要素の空間構造、寸法、フォームファクター、解剖学的マーカー、フロー特性、構成要素同士の間の相対距離、及び／若しくは相対空間位置、３Ｄボリューム、６Ｄ方向、組成、並びに／又は密度に基づくマッチングを含むことができる。対象は、患者の身体における手術用具、カテーテル、生体組織検査先端部、ロボットプローブ、及び／又はインプラントを含むことができる。方法は、ロボット手術用具の構成要素又はガイダンスプローブ又は基準マーカーのトラッキングを含むロボット支援手術において適用することができる。方法は、他のイメージングモダリティーからさらなるイメージングデータを得ることさらに含むことができる。他のイメージングモダリティーは、様々なフレームレートの検出器、様々なスペクトル分解能、若しくは様々な数のエネルギー感応検出器セル、単一検出器アレイ、若しくは直線状検出器アレイ、若しくは複数の検出チャネルの検出器、スペクトル測定法、吸収測定法、Ｘ線顕微鏡法、干渉法、分光法、及び／又は非Ｘ線に基づくイメージングモダリティーを含むことができる。他のイメージングモダリティーは、Ｘ線測定と同期して、又はＸ線測定と異なる時間枠で、共配置又は測定するように構成することができる。方法は、任意の特定の構成要素の測定可能な特性及び／又は相対空間位置及び／又は可視性に基づいて識別可能な構成要素イメージに基づいて第１Ｘ線測定値及び第２Ｘ線測定値とさらなるイメージングデータとの共配置を行うことをさらに含むことができる。対象又はその部分は、多次元において第１時点と第２時点との間で移動することができる。多次元は、最大６自由度及び／又は時間基準を含むことができる。方法は、Ｘ線源、Ｘ線検出器、及び／又はビームセレクターの間の相対距離及び位置をキャリブレーションすることをさらに含むことができる。方法は、第１測定値を種々のエネルギーレベルでサンプリングすること、並びに対象領域の特定の物体、物質、及び構成要素、及びターゲットのエネルギー分解イメージ、並びに特定のエネルギーレベルにおける構成要素、ターゲット、及び対象領域の選択されるポイントデータ領域、２Ｄ、３Ｄ、４Ｄ、５Ｄ、６Ｄ、及び７Ｄ表示を抽出することをさらに含むことができる。
一部の態様において、２つ以上の物質を含む対象のイメージを生成するように構成されたＸ線イメージングシステムは、複数のエネルギーレベルを有して対象に向けた１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されたＸ線源と、スペクトル感応検出器を含む、イメージング対象の下流のＸ線検出器又は検出器組立体と、フィルターと、予め選択されるビームの通過を選択的に可能にする又は阻害するように構成されたコリメーターとを含むことができ、システムのプロセッサーは、Ｘ線検出器又は検出器組立体において受信する１次元及び／又は２次元データに基づいて対象における対象領域を３次元イメージングするように構成することができる。
一部の態様において、フィルターは符号化開口を含むことができる。符号化開口は、Ｋエッジ符号化開口を含むことができる。符号化開口は、対象と検出器若しくは検出器組立体との間、又はＸ線源と対象との間に位置することができる。コリメーターはフィルターとＸ線源との間に位置することができる。検出器又は検出器組立体は、フラットパネル検出器及びスペクトル測定検出器又は種々のフレームレートの検出器又はフラットパネル検出器の後ろの検出組立体を含むことができる。検出器又は検出器組立体は、フラットパネル検出器とフラットパネル検出器の後ろのより小さい２Ｄ検出器又は１Ｄ若しくはポイント検出器とを含むことができる。フィルターは、システムによるエネルギー及び／又はスペクトル感応測定の速度を向上させることができる。
一部の態様において、散乱線除去を向上させた、及び／又は放射線レベルを低下させたＸ線イメージングシステムは、イメージング対象に向けた１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されたＸ線源と、イメージング対象の下流の第１の２次元Ｘ線検出器と、スペクトル測定、Ｘ線顕微鏡、吸収測定組立体、又は高速フレームレート検出器とを含むことができ、システムのプロセッサーは、Ｘ線検出器からイメージング対象の全視野Ｘ線信号と、顕微鏡、分光、吸収測定組立体からイメージング対象内の対象領域のより高い空間又はスペクトル分解能の信号を受信及び処理するように構成することができる。
一部の態様において、Ｘ線源は、制御可能なエネルギーを有するＸ線ビームを放出するように構成することができる。Ｘ線源は、各イメージング操作において制御可能なエネルギーを有する少なくとも２つの連続するＸ線パルスを放出し、２つの連続するＸ線は高エネルギーパルスの後、低エネルギーパルスが続き、又は、エネルギーピークを有しない、若しくは１つ以上のエネルギーピークを有する広帯域Ｘ線スペクトルを放出するように構成することができる。Ｘ線源は単色とすることができる。Ｘ線源は、単一コーンビーム又はファンビーム又は多重ビームを放出するように構成することができる。Ｘ線源は、多重ビームの放出位置を制御するためビーム操舵デバイスを含むことができる。多重ビームの移動は、Ｘ線検出器の画素ピッチの整数倍又は分数を含むことができる。Ｘ線源は、Ｘ線ビームを、様々なエネルギー又は波長の多重Ｘ線ビームに分割及び回折させる回折素子を含むことができる。顕微鏡又は吸収測定又はスペクトルＸ線測定又は高速イメージング組立体は、スペクトル感応検出器、又はシリコンシフト検出器、又は光子計数検出器、又はフォトダイオード、又は光倍増管、及び高速フレームレート２Ｄ検出器を含むことができる。システムは、特定のビームがＸ線検出器の所定の位置に達することを選択的に可能にするように構成されたビームセレクターを含むことができる。ビームセレクターは２Ｄアレイを含むことができる。ビームセレクターの孔は、Ｘ線検出器の画素ピッチの整数倍で隔てることができる。Ｘ線検出器は、１次イメージのみを受信するように構成された領域と、散乱線イメージのみを受信するように構成された領域とを含むことができ、プロセッサーはＸ線検出器において受信した信号に基づいて散乱線を除去するように構成される。プロセッサーは、多重エネルギーシステムにおいて各エネルギーレベルで散乱線を取り除くように構成することができる。
一部の態様において、散乱線除去を向上させた、及び／又は放射線レベルを低下させたＸ線イメージングシステムは、所定の距離だけ互いから離間した複数のＸ線ビームを放出するように構成されるとともに、イメージング対象を通過する特定のＸ線ビームが１次ビーム及び散乱線ビームを含むことができるＸ線源と、イメージング対象の下流の２次元Ｘ線検出器と、１次ビームが検出器の所定の位置に達することを選択的に可能にして、検出器の他の特定の位置に１次ビームが存在しないように構成されたビームセレクターとを含むことができ、システムのプロセッサーは、検出器の他の特定の位置における信号からの高解像度散乱線信号を内挿することで高解像度１次信号を得るように構成することができる。
一部の態様において、距離は検出器における１画素を含むことができる。ビームセレクターは、検出器の所定の位置及び他の特定の位置がチェッカーボードパターンを形成するように構成することができる。ビームセレクターは複数のビーム吸収粒子を含むことができる。Ｘ線源は、単一、２重、又はスペクトルのエネルギーＸ線ビームを放出するように構成することができる。検出器はスペクトル感応検出器を含むことができる。プロセッサーは、多重エネルギーシステムにおいて各エネルギーレベルで散乱線を取り除くように構成することができる。プロセッサーは、２つ以上の物質を有するイメージング対象の物質分解分析を出力するように構成することができる。物質分解分析は、様々な物質のＸ線測定特性のデータベースに少なくとも部分的に基づくことができる。
一部の態様において、散乱線除去を向上させた、及び／又は放射線レベルを低下させたＸ線イメージングシステムは、１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されるとともに、イメージング対象を通過する該１つ以上のＸ線ビームが１次ビーム及び散乱線ビームを含むことができるＸ線源と、イメージング対象の下流の前方２次元Ｘ線検出器と、特定のビームが検出器の所定の位置に達することを選択的に可能にするように構成されたビームセレクターと、後方２次元Ｘ線検出器と、を含むことができ、ビームセレクターは前方検出器と後方検出器との間に位置し、システムのプロセッサーは、後方検出器が受信したＸ線信号に少なくとも部分的に基づいて高解像度散乱線信号を決定し、高解像度散乱線信号を前方検出器において受信した高解像度信号から減算することで高解像度１次信号を出力するように構成することができる。
一部の態様において、Ｘ線源は、単一、２重、又はスペクトルのエネルギーＸ線ビームを放出するように構成することができる。ビームセレクターは複数の積層プレートを含むことができる。複数の積層プレートの孔は照射パスを形成するようにアライメントすることができる。孔のサイズは、前方検出器により近接するプレートから後方検出器により近接するプレートに向かって次第に大きくすることができる。ビームセレクターは、１つ以上の次元及び／又は焦点において、移動することができる。検出器はスペクトル感応検出器を含むことができる。プロセッサーは、多重エネルギーシステムにおいて各エネルギーレベルで散乱線を取り除くように構成することができる。プロセッサーは、２つ以上の物質を有するイメージング対象の物質分解分析を出力するように構成することができる。物質分解分析は、様々な物質のＸ線測定特性のデータベースに少なくとも部分的に基づくことができる。
一部の態様において、２つ以上の物質を含む対象のイメージを生成するように構成されたＸ線イメージングシステムは、複数のエネルギーレベルを有して対象に向けた１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されたＸ線源と、イメージング対象の下流のＸ線検出器又は検出器組立体であって、スペクトル感応検出器又はスペクトル非感応検出器又はシリコンシフト検出器又はエネルギー分散光学素子を含むスペクトル感応検出組立体又は空間感応検出器を含む検出器と、予め選択されるビームの通過を選択的に可能にする又は阻害するように構成されたビームセレクターとを含むことができ、システムのプロセッサーは、イメージング対象における異なる２つ以上の物質についての物質分解情報を出力するように構成することができる。
一部の態様において、物質分解情報は、様々な物質のＸ線測定特性のデータベースに少なくとも部分的に基づいて得ることができる。対象の異なる２つ以上の物質と同じ若しくは類似の物質又は対象の実際の物質は、データベースを構築するためキャリブレーションに使用することができる、又は定量的数値関係は、未知の物質とその既知の同等の物質との間で、測定されたデータ同士の間において導くことができる。Ｘ線測定特性は、物質又は造影剤の特定の原子ｚ番号、密度、フロー動態、流体工学、フロー方向、移動特徴、空間特徴、寸法、形状、体積、化学物質、エネルギー、又は機械的誘導変化、及び／又は状態変容を含むことができる。Ｘ線源は、所定の距離だけ互いから離間した複数のＸ線細ビームを放出するように構成することができる。距離は、検出器の画素ピッチの少なくとも整数倍とすることができる。
一部の態様において、エピトープを含むイメージングターゲットを標識するように構成された造影剤複合体は、エピトープに結合するように構成されたドメインを含むとともに、第１造影剤とコンジュゲートした第１分子を含むことができ、ドメインとエピトープとの結合は、第１分子を第１分子の第１構造から第１分子の第２構造に変化させることができ、第１分子の第２構造は第２エピトープを含み、第２エピトープは、第２造影剤とコンジュゲートした第２分子の第２ドメインを結合するように構成することができる。
一部の態様において、第１分子は、抗体又はナノボディ又は低分子又はペプチド又はタンパク質とすることができる。第１造影剤は、有機、イオン、非イオン、非金属、内因性、内在性、又は金属由来の造影剤から選択することができる。造影剤は、カルシウム、亜鉛、空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、ヘリウム、酸素、ガドリニウム、鉄、マグネシウム、マンガン、銅、クロム、金、銀、ツレニウム（ｔｈｕｌｅｎｉｕｍ）、及びバリウムよりなる群から選択することができる。内在性由来の造影剤は、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）、硫黄、塩素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、セレン、ヨウ素、及びクロムから選択することができる。第１分子は抗原特異的分子標識をさらに含むことができる。第１造影剤はリポソーム由来分子とすることができる。第１造影剤はヨウ素由来化合物とすることができる。金属由来の造影剤は、バリウム、タンタル、タングステン、金、銀、ビスマス、ガドリニウム、又はイッテルビウム由来の造影剤から選択することができる。造影剤複合体は、内部で会合するとき３００ｎｍ未満又はそれより大きい有効粒子径を有することができる。第１造影剤の有効量は、１０－１２モル～１０－３モルとすることができる。第２造影剤は、有機、イオン、非イオン、非金属、内因性、内在性、又は金属由来の造影剤から選択することができる。造影剤は、カルシウム、亜鉛、空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、ヘリウム、酸素、ガドリニウム、鉄、マグネシウム、マンガン、銅、クロム、及びバリウムよりなる群から選択することができる。内在性由来の造影剤は、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）、硫黄、塩素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、セレン、ヨウ素、及びクロムから選択することができる。第１造影剤は陰性造影剤とすることができる。第２造影剤は陰性造影剤とすることができる。陰性造影剤は、イメージング対象において自然に発生させることができる。陰性造影剤は、カルシウムイオン又はカルシウムイオン複合体を含むことができる。第２ドメインを第２エピトープに結合させることは、第２分子を第２分子の第１構造から第２分子の第２構造に変化させることができ、第２分子の第２構造は、第３分子と結合するように構成された第３エピトープを含む。複合体は自己組織化することができる。第１分子及び第２分子は反復単位とすることができる。自己組織化された複合体は、ケージ構造、ケージ構造によって封入された１つ以上の造影剤、又は１つ以上のマイクロ気泡によって封入された、若しくは１つ以上のマイクロ気泡に結合した造影剤を含むことができる。複合体は、１つ以上の造影剤がメッシュに組み合わせられるようにメッシュを含むことができる。第１分子は、１つを超える造影剤を結合するように構成された１つを超えるドメインを含むことができる。第１造影剤及び第２造影剤は同じとすることができる。第１造影剤及び第２造影剤は、様々なイメージングモダリティーに適するように異なることができる。ドメインと第１エピトープとの結合は、イメージングに必要とされる時間に基づいて解離するように構成することができる。ドメインと第１エピトープとの結合の解離は、複合体を崩壊させることができる。造影剤複合体は、細胞内又は細胞外環境において形成することができる。
上述に開示するシステム及び／又は方法は、上述の造影剤複合体の任意の特徴を有する造影剤複合体を含むことができる。
一部の態様において、Ｘ線イメージングを使用して複数の造影剤複合体で標識されるターゲット内の細胞又は酵素事象をモニタリングする方法は、Ｘ線源とＸ線検出器との間に配置されるターゲットを透過する、Ｘ線源からのＸ線ビーム又は複数のＸ線細ビームを放出することと、Ｘ線検出器においてＸ線信号を受信することであって、ターゲットからの信号の部分は複数の造影剤複合体によってバックグラウンド信号に対して増幅され、各造影剤複合体は１つを超える造影剤分子を含むことと、受信したＸ線信号に少なくとも部分的に基づいて細胞又は酵素事象を検出すること、を含むことができる。
一部の態様において、造影剤複合体は、モニタリングされる細胞又は酵素事象に干渉することなくターゲットのマーカー分子を標識することができる。造影剤複合体は、ミセル、ナノミセル、ポリマーミセル、ナノ懸濁剤、ナノカプセル、又はナノ乳剤から選択される形態とすることができる。方法は、第１時点において第１造影剤、及び第２時点において第２造影剤を投与することをさらに含むことができる。方法は、第１時点における第１造影剤の進行、及び第２時点における第２造影剤の進行を検出することをさらに含むことができる。方法は、複数の造影剤複合体を対象に投与することをさらに含むことができる。造影剤複合体は、経口で又は静脈内に投与することができる。造影剤複合体は、薬学的に許容される担体をさらに含むことができる。造影剤複合体は、安定剤をさらに含むことができる。１つを超える造影剤分子は、ターゲットが位置する生体において自然に発生させることができる。１つを超える造影剤分子は、カルシウムイオン又はカルシウムイオン複合体を含むことができる。造影剤複合体は、有機、イオン、非イオン、非金属、内因性、内在性、又は金属由来の造影剤から選択することができる。造影剤複合体は、カルシウム、亜鉛、空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、ヘリウム、酸素、ガドリニウム、鉄、マグネシウム、マンガン、銅、クロム、及びバリウムよりなる群から選択することができる。内在性由来の造影剤は、ナトリウム、マグネシウム、カリウム、カルシウム、リン（ｐｈｏｓｐｈｏｒｏｕｓ）、硫黄、塩素、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、セレン、ヨウ素、及びクロムから選択することができる。造影剤複合体はリポソーム由来分子とすることができる。造影剤複合体はヨウ素由来化合物とすることができる。金属由来の造影剤は、バリウム、タンタル、タングステン、金、ビスマス、ガドリニウム、又はイッテルビウム由来の造影剤から選択することができる。造影剤複合体は、３００ｎｍ未満の有効粒子径を有することができる。第１造影剤の有効量は、１０－９モル～１０－３モルとすることができる。第１造影剤は陰性造影剤とすることができる。造影剤複合体は、エピトープに結合するように構成されたドメインを含むとともに、第１造影剤分子とコンジュゲートした第１分子を含むことができ、ドメインとエピトープとの結合は、第１分子を第１分子の第１構造から第１分子の第２構造に変化させることができ、第１分子の第２構造は第２エピトープを含み、第２エピトープは、第２造影剤分子とコンジュゲートした第２分子の第２ドメインを結合するように構成することができる。造影剤複合体は自己組織化することができる。ドメインと第１エピトープとの結合は、イメージングに必要とされる時間に基づいて解離するように構成することができる。ドメインと第１エピトープとの結合の解離は、造影剤複合体を崩壊させることができる。造影剤複合体は、細胞内又は細胞外環境において形成することができる。Ｘ線源は、単一、２重、又はスペクトルのソースを含むことができる。Ｘ線イメージングは、全視野Ｘ線、Ｘ線顕微鏡、吸収測定、Ｘ線スペクトル測定、及び／又は、全視野Ｘ線イメージングシステムのものと比較して、感度、フレームレート、空間分解能若しくはスペクトル分解能の少なくとも１つにおける違いを有する検出器の測定を含むことができる。
上述の方法のＸ線測定システム及び／又は上述のシステムは、Ｘ線源若しくはＸ線放出位置は対象領域の多次元若しくは３Ｄ若しくは４Ｄイメージを構築するため３軸３次元空間における少なくとも２軸において移動すること、隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、第３の軸に必要とされる解像度の寸法とする、及び／若しくは、２つの位置が対象領域における様々な組合せ若しくは様々な数のボクセルに関与する照射パスのセットを生成するように必要とされる最小距離とすること、隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、１画素ピッチ、画素ピッチの整数倍、若しくは１画素ピッチ未満とすること、３Ｄイメージを構築するために取る放出位置の総数若しくは２Ｄイメージの総数は、第３の軸の解像度で除算した第３の軸の深さとすること、ｘｙ平面においてＸ線放出位置若しくはＸ線源を移動させるとき、最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．１度未満、若しくは０．１度、若しくは０．１～１度とすること、ｘ軸、ｙ軸、及び／若しくはｚ軸においてＸ線放出位置若しくはＸ線源を移動させるとき、軸のそれぞれに沿って最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．０００８度未満、若しくは０．０００８度、若しくは０．０００８～０．５度、若しくは０．５～１度とすること、Ｘ線放出位置若しくはＸ線源は移動しないこと、及び複数のＸ線放出位置若しくは複数のＸ線源を使用すること、Ｘ線放出位置若しくはＸ線源の２つ以上のセットは、対応する検出器の反対側で互いから離れるように空間位置に配置され、各セットは、セットの残りのものとは異なる１つ以上のエネルギーレベルのＸ線を生成するＸ線源を含むこと、並びに／又は、物質分解方法は、構成要素又は物質を分離するように構成され、他の構成要素若しくは対象領域のものに対して３Ｄイメージングを可能にする、及び／若しくは、バックグラウンド若しくは外部空間マーカー若しくはセンサーのものと比較して空間及び時間における６Ｄ若しくは７Ｄイメージを導き出すこと、の１つ以上を含むことができる。
種々の実施形態は、例示を目的とする添付の図面において記載し、実施形態の範囲を限定するものとして一切解釈されるべきでない。さらに、開示する様々な実施形態の種々の特徴は、本開示の一部である、さらなる実施形態を構成するように組み合わせることができる。対応する数字は対応する部分を示す。
図１Ａは、本開示の例のＸ線イメージング装置を模式的に示す。 図１Ｂは、２つのフラットパネル検出器を有する例の２ＤのＸ線イメージング装置を模式的に示す。 図２は、複数のプレートを含む１次Ｘ線の選択的透過のためのコリメーターを有する例のＸ線装置を模式的に示す。 図３は、２イメージステッププロセスにおいて複数のＸ線細ビームを使用することによって散乱線が除去される例の２ＤのＸ線イメージング装置を模式的に示す。 図４は、図３に示すＸ線源に基づく例のイメージング方法のフロー図を示す。 図５は、本明細書に記載するような２層検出器システムを使用して多重エネルギーシステムにおける散乱線を除去するための例の方法のフロー図を示す。 図６は、ビーム吸収粒子を含む、散乱線を除去するための例のビームブロッカーの平面図を模式的に示す。 図７は、散乱を除去するための例のビームブロッカーの側面図を模式的に示す。 図８は、１つ又は複数のＸ線イメージング設備から種々の時間で導き出した同じ対象のためのデータを含む例のデータベースを模式的に示す。 図９は、多次元及び３Ｄイメージング取得のためのイメージング取得時の新たに導入された未知の領域を示す。 図１０は、Ｘ線源と対象との間における画素化Ｋエッジ符号化開口の使用を示す。 図１１は、定量的測定を提供するように構成された例の２ＤのＸ線イメージング装置を模式的に示す。 図１２Ａは、選択対象領域におけるＸ線スペクトル測定及びスペクトル吸収測定並びに全視野Ｘ線イメージングのハイブリッドシステムの概略図を示す。 図１２Ｂは、Ｘ線顕微鏡及び全視野Ｘ線測定のハイブリッドシステムの概略図を示す。 図１２Ｃは、Ｘ線顕微鏡及び全視野Ｘ線測定のハイブリッドシステムの概略図を示す。 図１３Ａは、３Ｄ顕微鏡イメージングの例のフロー図を示す。 図１３Ｂは、Ｘ線顕微鏡、吸収測定、及び／又はスペクトル測定と組み合わせた２Ｄ全視野Ｘ線イメージングの例のフロー図を示す。 図１３Ｃは、２Ｄ及び３ＤのＸ線顕微鏡、スペクトル測定、並びに／又は吸収測定と組み合わせた３Ｄ全視野Ｘ線イメージングの例のフロー図を示す。 図１４は、多重マイクロビームを使用する散乱線除去を示す。 図１５Ａは、磁気プレートを使用する例のＸ線ビーム偏向を示す。 図１５Ｂは、コリメーターの構成例を示す。 図１５Ｃは、コリメーターと２ＤＸ線検出器の組立体例を示す。 図１５Ｄは、コリメーターとしての総内反射管の例によるＸ線ビーム投影を示す。 図１５Ｅ及び１５Ｆは、図１５Ｅのような超小型電子デバイス、すなわちチューナブルＭＥＭのＸ線光学系、Ｘ線鏡、又は格子、又は超音波システムなどの図１５Ｆのような音響変調器などの変調制御システムによるＸ線ビームの回折又は操舵の例を示す。そうした装置及び関連する方法は、多次元イメージングにおいて、又はインターフェログラム生成において、又は散乱線及び１次Ｘ線の分離、又は構造的照射ビーム測定において、Ｘ線放出位置を生成することに使用することができる。 図１５Ｇは、２Ｄの１次及び散乱線イメージ分離における方法及び装置の概要を示す。 図１５Ｈは、２Ｄ機能イメージングの概要である。 図１６は、対象の対象領域とともにイメージングした、最小侵襲外科手術においてカテーテルガイドワイヤ及びインプラントを含む、処置装置と併せて使用されるＸ線装置の例を模式的に示す。 図１７は、トラッキング及びモニタリングのためのＸ線細ビーム装置の例を模式的に示す。 図１８は、Ｘ線装置における５０１、５０２、５０３などの図１７のコリメーター２４の様々な態様の平面図を模式的に示し、そうしたコリメーターはＸ線源１２と対象２との間に配置される。 図１９は、Ｘ線透過領域を有する回転ディスクにおける図１７のコリメーター２４の態様を模式的に示す。 図２０は、透過領域２００が２Ｄ平面においてパターンを形成する図１７の装置における例のコリメーター２４を模式的に示す。 図２１は、透過及び不透過領域の例のパターン及び形状を有する図１７の装置のためのコリメーター２４の他の例を模式的に示す。 図２２は、透過及び不透過領域の例のパターン及び形状を有する図１７の装置のためのコリメーター２４の他の例を模式的に示す。 図２３は、透過領域２００が不透過領域２０１と組み合わさった、図１７に示すＸ線装置におけるコリメーター２４の例を模式的に示す。 図２４は、任意の特定の領域において組織に対する放射線量を少なくするためのＸ線源及びＸ線ビーム操舵ハードウェアを組み合わせる例を模式的に示す。 図２５は、定量的Ｘ線イメージと非Ｘ線イメージングモダリティーとの所定位置の共配置の例のフロー図を示す。 図２６は、対象領域における複数の構成要素及びターゲットにおける種々の構成の例を示す。 図２７Ａ～２７Ｃは、対象領域における複数の構成要素及びターゲットにおける種々の構成の例を示す。 図２８は、対象領域における構成要素及びターゲットのデータ点、１Ｄ、２Ｄイメージの第１測定値、及び対象領域における構成要素及びターゲットにおける同じものの単一エネルギーライブ測定値とのマッチングに基づいて対象領域における対象の構成要素及びターゲットを位置決め及びトラッキングをするための例のフロー図を示す。 図２８は、対象領域における構成要素及びターゲットのデータ点、１Ｄ、２Ｄイメージの第１測定値、及び対象領域における構成要素及びターゲットにおける同じものの単一エネルギーライブ測定値とのマッチングに基づいて対象領域における対象の構成要素及びターゲットを位置決め及びトラッキングをするための例のフロー図を示す。 図２９Ａは、その新生状態における例の多次ＮａｎｏＸｇｅｎを示す。 図２９Ｂは、ターゲットの１次、２次、及び３次結合を形成する図２９Ａの多次ＮａｎｏＸｇｅｎを示す。 図３０は、対象の信号の増幅のためのカスケード反応を誘導する例のプロセスを示す。 図３１は、ターゲットにおけるＣａ＋＋密度を増大するための、種々の形状における例の自己組織化３Ｄ封入構造又はケージを示す。 図３２Ａ～図３２Ｂは、Ｃａ２＋ミセル状構造を示す。 図３３は、Ｘ線源放出位置が、３Ｄ空間における少なくとも２つの軸における位置と組み合せて移動することができ、表されるＸ線放出位置の移動はｘ、ｙ、ｚ軸に沿って直線的であり、対象領域の外部の領域におけるすべての新たな未知のものの導入を少なくする又は極力少なくし、完全な３Ｄイメージを再構築するために必要とされるイメージの数を少なくする、又は極力少なくする、例の３Ｄイメージング方法を示す。 図３４は、Ｘ線源１２の下流及びイメージングする対象２の上流に配置されるＸ線ビーム吸収体プレートＰ１を示す。 図３５Ａ及び図３５Ｂは、種々のＸ線エネルギーの様々なＸ線源によって照射されるＸ線対象における対象領域又は構成要素の例を示し、Ｘ線対象における対象領域又は構成要素は、それぞれ異なるエネルギーのＸ線を放出可能な少なくとも２つのＸ線源によって同時又は異なる時間で照射することができる。対象領域から出るＸ線信号は、１つ以上の検出器に投影することができる。 図３６Ａ及び図３６Ｂは、それぞれＸ線対象の上流及び下流に配置される図７のようなビーム吸収プレートを示す。そうした構成は、高速低分解能１次Ｘ線測定値及びイメージングを生成するため使用することができ、単一エネルギー及びスペクトル測定及びイメージングと組み合わせたとき、リアルタイムデンシトメーター又はトラッキングシステムにおいて使用することができる。そうしたプレートは、散乱線除去１次Ｘ線測定及びイメージングデバイスとして使用するとき、断層撮影測定において、ｘｙ平面においてわずかに移動する、又は静的であることができる。１次Ｘ線の遮断による欠落データは、断層撮影用途において関連させるには十分に小さいものとなり得る。高空間分解能完全３Ｄイメージングを必要とする場合、いずれのＸ線源も、欠落するデータをその後の測定値によって取得することができるように、その原位置から十分に離れて、対象又はプレート２４に対して移動することができる。任意で、プレートは、欠落データをその後の測定で取得することができるように、３Ｄ空間において移動することができる。
本開示の態様は、図面及び種々の実施形態に関して提供される。しかしながら、当業者は、本明細書に開示する装置及び方法の他の実施形態及び態様が、一部の他の実施形態と同じく詳細に記載されていなくても、なお本開示の範囲内に該当するということを理解する。記載される種々の実施形態の態様は、この説明の後の特許請求の範囲によって規定される本明細書における本開示の範囲を限定するものではない。
概要
本明細書に開示する装置、及び方法、及び材料は、特に、ｘ線照射される対象における種々の構成要素が、散乱ノイズにより従来の２ＤのＸ線撮影のＸ線測定を使用して容易に区別されない、及び／又は従来のＣＴスキャナーが、高放射線のため慣例的に使用されない、及び／又はＣＴスキャナーが、リアルタイムでなく、あまりに時間を費やすものである、及び／又は実行不可能な一部の場合において、構成要素のＸ線測定に使用することができる。
図１Ａに示すように、例の２ＤのＸ線イメージング装置１０は、Ｘ線源１２、ビームセレクター又はコリメーター又はビームブロッカー２４、及びＸ線検出器又は検出器組立体１４を含むことができる。検出器又は検出器組立体１４は、単一のフラットパネル検出器、又は前方２次元Ｘ線検出器２２及び後方２次元Ｘ線検出器２６の組立体を含むことができる（図１Ｂ参照）。Ｘ線放射線及び／又はＸ線源、及び／又はＸ線源の相対位置は、空間において１～６次元で移動させるように構成することができる。あるいは、Ｘ線源は、２つ以上のＸ線放出位置を有することができる、又は２Ｄ若しくは２Ｄ空間に配置された複数のＸ線源が存在するとすることができる。
対象２はＸ線源１２と検出器１４との間に配置される。Ｘ線源１２は対象２に向かってＸ線ビーム３０を放出することができる。Ｘ線ビーム３０は、場合によっては単一エネルギーピーク、２重エネルギーピーク、又は多重エネルギーピークを有する、広帯域スペクトルのものである。対象２又は対象２における対象領域４は、様々なＸ線測定特性を有するターゲット内の、図１Ａに示すような２つを超える物質又は２つを超える構成要素を含むことができる。また、Ｘ線ビーム３０は単色とすることができる。各ビームはパルス状とすることができる。Ｘ線ビーム３０は、対象２との相互作用によって変わらない進行方向を有する１次Ｘ線ビーム３２と、対象２との相互作用によって変わる進行方向を有する散乱Ｘ線ビーム３４とを含む。検出器１４は、１次及び散乱Ｘ線ビーム３２、３４を共に受信することができる。
ビームセレクター２４（コリメーターとも呼ばれる）は、検出器１４と対象２との間、又は検出器１４と吸収測定組立体１１、若しくはスペクトル測定組立体１５、高速検出器若しくは検出器１４とは異なる検出器及び該当する組立体、及び／若しくは顕微鏡組立体１５との間、又は前方検出器と後方検出器との間に配置することができる。ビームセレクター２４は、Ｘ線源１２と対象２との間に配置することができる。ビームセレクター２４は、１次ビーム３２の部分の通過を可能にし、Ｘ線ビーム３０の残りの部分を妨害又は遮断することができる。あるいは、ビームセレクター２４（図７に示すようなビームセレクター１０５と類似する）は、第２検出器（吸収測定検出器、スペクトル感応検出器、顕微鏡検出器、又は後方検出器であってもよい）の所定の位置においてのみ、散乱ビーム３４を通過させて、１次Ｘ線ビーム３２をそれらの位置に対して遮断することができ、そして、１次ビーム３２及び散乱ビーム３４を第２検出器の残りの位置において通過させることができる。スペクトル測定、Ｘ線顕微鏡、及び他のタイプの検出器のＸ線関連測定は、全視野Ｘ線イメージングを撮った後、選択領域において行うことができる。ユーザー又はデジタルプログラムは、１つ以上の条件により領域を選択する。一般的に、そうした選択領域は、全視野よりはるかに小さく、μｍ、又はｍｍの寸法になり得る。選択したモダリティーを使用して、選択領域において、高空間分解能及び高スペクトル分解能が得られる。そうしたイメージングシステムは、リアルタイムで選択領域を測定するため、所定位置に及び所定位置から移動することができる。モダリティーは、Ｘ線全視野検出器の下流又は上流に配置可能である。装置は、Ｘ線源及びフラットパネル検出器ペアに対して角度をなして配置可能な、それ自体のソース及び検出器組立体を有することができるが、なお選択領域にアクセス可能である。非Ｘ線系モダリティーは、Ｘ線測定及びイメージングと同期して、又は異なる時間枠で、共配置又は測定することができる。
Ｘ線検出器は、対象２による減衰後のＸ線放射線を検出し、検出Ｘ線を表示するように構成される。また、装置１０は、検出Ｘ線の信号を受信して、検出Ｘ線放射線をイメージに解像するように構成されたプロセッサー１３を含むことができる。
ビームセレクター２４は、例えば、第２検出器が受ける信号に基づいた高解像度散乱信号を得て、第１検出器における高解像度イメージから高解像度散乱信号を除去して高解像度１次信号を得ることを可能とすることにより、以下により詳細に記載されるように対象２の高解像度１次信号を受けるように散乱線を取り除くために使用することができる、第２検出器における構造的照射を可能にする。
ビームセレクター２４は、対象２の対象領域４において第２検出器の構造的照射を可能とする。構造的照射技術を使用して対象全体より小さい領域に集中させることで、対象における全放射線暴露量を少なくすることができる。本明細書に開示するＸ線装置から得たイメージは、装置の持ち運び性及び／若しくは利用可能性を改善、並びに／又は時間、放射線レベル、毒性、及び／若しくは費用を低減しながら、物質分解、及び／又は外科機器のトラッキングなどのさらなる情報を含むように、空間的、スペクトル的、及び／又は時間的に、分解能及び／又は感度を改善することができる。
また、向上させたＸ線装置は、静止位置及び動的移動位置における対象領域の内部ターゲット又は構成要素の特定及びトラッキングを行うことを可能とする。時間及び空間における、対象における対象領域及び／又はその構成要素は、４Ｄイメージを形成する。対象領域における構成要素又はターゲットの空間分解能は、６自由度、すなわち、ｘ、ｙ、ｚ軸、ピッチ、ヨー、及びロールにおける移動を有することができる。トラッキングは、対象におけるターゲット、構成要素、対象領域についての第１セットの測定値と、対象におけるターゲット、構成要素、対象領域についてのライブ測定値のセットを得ること、及び第１セットの測定値とライブ測定値又は第２測定値とをマッチングすることで行うことができる。
本開示は、互いに重なり合うことのある少なくとも２つの異なる物質を有する対象の個々の構成要素のイメージング及び測定のため、２Ｄ検出器とともに低毒性若しくは無毒性の造影剤を使用して、２重及び／若しくは多重エネルギーの、顕微鏡的若しくは分光学的Ｘ線測定、並びに／又は、Ｋエッジ若しくはＡスペースＸ線イメージングを行うことにおける、静的及び／又はリアルタイムのＸ線イメージングの例の材料、装置、及び／又は方法を提供する。
本開示は、向上させたＸ線イメージングシステム及び方法とともに使用される造影剤を含むことができる。本明細書に開示する分子造影剤は、２Ｄフラットパネル検出器とスペクトル物質分解改良型２Ｄ及び３Ｄイメージングシステム及び方法との組合せを併せることができる。本明細書に開示する、対象領域における小領域へのスペクトル吸収測定、及びＸ線顕微鏡、並びに光子計数検出器又はＰＭＴを追加したものなどの改良型Ｘ線イメージングシステムは、造影剤がＣＴ又は２ＤのＸ線像で観察されるように、要求される造影剤濃度を下げて、毒性を下げることができる。任意で、内因性元素、特にＣａ２＋、及び身体における他の自然に多量の元素は、広い範囲の濃度で毒性ではなく、使用可能である。任意で、内因性元素は、２ＤのＸ線像及び本明細書に開示する他の任意のイメージングシステムによるものなどのイメージングにおける造影剤濃度の増加に適する構造に自己結合することができる。
２ＤのＸ線イメージング装置は、６自由度の及び／又は時間的な、対象における種々の構成要素の３Ｄイメージング及び／又はトラッキングを生成するように構成することができる。６Ｄイメージングは、ポイント測定、１Ｄ測定、２Ｄ測定、３Ｄ測定、及び／又は４Ｄ測定（動的移動、並びに／又は流れの方向及び／若しくは速度などの時間に基づく特徴づけを含む）を使用して生成することができる。イメージングは、Ｘ線スペクトル測定、Ｘ線顕微鏡法、分光法、並びに／又はスペクトル吸収測定、種々のフレーム速度及び／若しくはスペクトル分解能及び／若しくは空間分解能の検出器を使用して、全視野及び集中選択対象領域の両方であるとすることができる。イメージングは、単一、２重、並びに／又は他の多重エネルギーシステムで、及び／若しくは、それらに例えばフィルターの使用によるＫエッジ測定を含んで、行うことができる。
本明細書に開示の材料、装置、及び／又は方法の利点は、以下の１つ以上を含むことができる。１）大きいサンプルにおける小さい構成要素のトラッキングなどを含む、ナノメートル範囲などへの、分解能の向上。２）１０－１５秒、若しくはテラヘルツ、若しくはヨタヘルツ（１ｘ１０２４Ｈｚ）範囲ほども速くなり得る、又は単一のフォトダイオード、若しくは光子計数検出器、若しくはＰＭＴ許容などの最高速度検出器ほども速くなり得る、検出器速度及び／又はトラッキング速度の向上。３）対象の物質及び／又は構成要素の特徴づけに使用するなどの、エネルギースペクトル測定におけるスペクトル分解能の向上。４）従来の２ＤのＸ線測定と比較してはるかに大きく感応し、ＰＥＴ及びＭＲＩ、又は、光音響イメージング、光学イメージング、及び超音波のものに近い又は同等であるなどの、空間分解能、スペクトル分解能、及び／又は時間分解能における向上による感度の向上。トラッキング速度の増加により、単一又は少数のフォトダイオードは、１ヨタヘルツほども速い検出器速度で小さい対象領域をトラッキング又は測定するために十分であるとすることができる。分子、原子、電子、及び／又は細胞における、物理的現象、例えば、原子物理、若しくは量子力学現象、及び／又は超高速レーザー誘導の変化は、Ｘ線測定に基づいて測定又は特徴づけることができる。（５）分子メカニズム（複合体及び構造の形成など）による信号の増幅向上。（６）信号、特に、カルシウム、亜鉛、及びマグネシウムなどの内因性物質のものの有無の優れた検出。（７）エネルギー、化学反応、電気、電磁気、及び音響方法による、物質若しくは構成要素の状態の活性化及び／若しくは不活性化、又は構成要素の変容の検出の向上。例えば、ＲＦ焼灼術時、心臓組織が壊死となり、組織の分子及び細胞構造を、生きた組織から死細胞及び死組織に変容する。この変容時の分子複合体及び細胞構造の蓄積又は崩壊を測定することができる。他の例として、対象領域の超音波妨害などのさらなるエネルギーにより、対象における対象領域又は構成要素の区別及びモニタリング又はトラッキングの向上をもたらし得る様々なＸ線測定を行うことができる。（８）対象の対象領域又は構成要素に対するマーカーを標的とする造影剤としてのカルシウム、亜鉛、及びマグネシウムなどの内因性分子で、種々の分子リガンド、タンパク質、低分子、オリゴ、有機及び／又は無機分子であり得る、マーカーを標識することによる毒性の低減及び／又は排除。（９）ギプス包帯内の骨組織のイメージングの向上。分子標識の代わりに、ヨウ素のギプスセメント若しくは混合物との混合、又は外科的、生体組織検査、及び／若しくは処置の装置、及び／若しくはガイダンスツールの造影剤若しくはＸ線測定感応材との混合など、造影剤を対象の物質又は対象の構成要素と混合して、そうした構成要素を定量化又は分離することができる。
本明細書に開示する方法及び／又は装置は、低毒性又は無毒性の造影剤、２つ以上の物質を含む対象における多重エネルギーシステムの散乱線除去の任意の組合せを個別に及び／又は共に実施することによって、全視野Ｘ線をスペクトル測定、Ｘ線顕微鏡法、スペクトル吸収測定、及び／又は分光器と組み合わせて、外科ガイダンスのために種々の次元におけるＸ線測定を使用して、モジュール式に実施することができる。例えば、本明細書に開示する低毒性又は無毒性の造影剤は、従来の２ＤのＸ線又は他の従来のイメージングモダリティーにおいて適用することができる。本開示において、分光法はＸ線スペクトル測定を指し、顕微鏡法はＸ線顕微鏡法を指し、吸収測定法Ｘ線吸収測定を指す。
本明細書に開示するＸ線装置は、バッテリー作動Ｘ線源と組み合わせたハンドヘルド又は持ち運びタイプなどの、携帯型フォーマットにすることができる。Ｘ線源は、例えば、パルス毎に１００ジュール～１，０００ジュールの蓄積電気エネルギーに対応するＸ線出力、及び０．１ｍｓ～１０ｍｓの典型的なパルス持続時間を有する単発Ｘ線パルスを提供する小型パルスＸ線源を含むことができる。また、飛行時間型Ｘ線源も、ｐｓ範囲のパルス持続時間で、使用することができる。また、冷陰極フィールドエミッターに基づくＸ線源も使用することができる。そうしたＸ線源は、軽量、小型であり、極めて低い電力供給を必要とするものとすることができる。装置は、人体イメージング、生体組織の他のタイプのイメージング、及び／又は産業用途（半導体、建設、又は環境用途など）に適するものとすることができる。携帯型タイプは、バッテリー作動する折りたたみシステムを含むことができる。折りたたみシステムは、現場検査、診断、イメージガイダンス、及び／又は物質の特徴づけに使用することができる。
多重エネルギー散乱低減例
臨床におけるＸ線イメージングは、有害な散乱効果を軽減するためにブッキーグリッドを使用することができる。しかしながら、ブッキーグリッドは非効率で精巧でない装置であり得、患者のＸ線暴露を２～４倍増加しながら、散乱線をその総強度のよくて３０％又は２０％に低減するものである。また、他の種々の方法も、空間周波数変調器又は飛行時間型ソースを使用することによってなどで、散乱放射線を低減するため開発されている。しかしながら、各方法は重大な難点がある。例えば、ビームハードニング技術は、２Ｄ検出器において測定エラー又は超高速測定の必要性をもたらし、これは大部分の臨床用途において実際的でない。
また、ビームセレクターも、該ビームセレクターを２重検出器構成の間に挟んで、単一エネルギー、２重エネルギー、及び／又は多重エネルギーの方法に使用することができる。前方検出器は、散乱及び１次イメージを共に測定し、後方検出器は、Ｘ線吸収プレート（すなわち、ビームセレクター）に包埋された１次Ｘ線透過用に設計された選択的透過チャネルにより、１次Ｘ線のみを測定する。散乱線は、高精度でＸ線イメージから実質的に除去することができる。そうしたビームセレクター及び２重検出器構成は、米国特許第５，６４８，９９７号明細書、米国特許第５，７７１，２６９号明細書、米国特許第６０５２４３３号明細書、米国特許第６１３４２９７号明細書、及び米国特許第６１７３０３４号明細書、並びに国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０２２８２０号に記載されている。
本開示は、製造性の向上、コストの低下、及び／又は、例えば、１次及び散乱Ｘ線の分離をより緻密化することによることを含む、散乱線除去の精度の保持においてなど、ビームセレクター及び２重検出器構成よりも改善されている。本明細書に開示する例の２ＤのＸ線イメージング装置は、一般的にＸ線投影ビームパスに沿って重なり合う、イメージを識別する、又は対象における対象領域における種々の構成要素の１つ以上のＸ線測定から情報及び構造化した結果を導き出す。装置は、インビボ及びエクスビボイメージングにおける解剖学的マーカー及び／若しくは時間的指標による種々の組織若しくは組織領域の識別及び特徴づけを向上させる、並びに／又は、２つ以上の物質を含む対象における測定、イメージ品質、識別、及び物質組成の分析を向上させることができる。装置で得られる２ＤのＸ線イメージは、散乱干渉を実質的に又はほぼ又は完全に除去することができる。
また、本明細書に開示する２ＤのＸ線イメージング装置は、２ＤのＸ線撮影よりはるかに高価で、及び／又は時間を費やす、コンピューター断層撮影（ＣＴ）スキャナー、磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）、ポジティブ放射断層撮影（ＰＥＴ）、及び単一光子放射コンピューター断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、並びに他の既存の定量的断層撮影及びイメージング方法において以前は行われていた可視化、及び／又は定量的データ分析を可能にすることができる。本明細書に開示する２ＤのＸ線イメージング装置において行われる可視化及び／又は定量的データ分析は、人工知能、深層機械学習、人工ニューラルネットワーク、畳み込みニューラルネットワーク、及び／又は深層ニューラルネットワークを使用して診断及び識別及び特徴づけのために開発されたアルゴリズムを走らせることで行うことができる。
本開示は、散乱Ｘ線を低減及び／又は除去するように構成された２ＤのＸ線イメージング装置及び方法の例を提供する。
本明細書に開示する２ＤのＸ線イメージング装置及び方法は、単一エネルギー、２重エネルギー、又は多重エネルギーとすることができる。例の２ＤのＸ線イメージング装置は、多重エネルギー散乱線除去を可能にすることができる。本明細書に開示する装置のＸ線源は、単一エネルギースペクトル、２つの異なるエネルギースペクトル、及び／又は多重エネルギースペクトルのＸ線を放出することができる。散乱線は、単一エネルギー方法、２重エネルギー方法、及び／又は各エネルギーレベルにおける多重エネルギーシステムのための拡張多重エネルギー方法（用途に、物質分解のための多重エネルギーＸ線イメージング及び分析の使用を必要とする場合、スペクトルイメージングとしても既知である）を使用して、それぞれ除去することができる。
図１Ａの特徴のいずれかを組み込む図１Ｂにおける装置１０において、対象２はＸ線源１２と前方検出器２２との間に配置される。Ｘ線源１２は対象２に向かってＸ線ビーム３０を放出することができる。Ｘ線ビーム４０は、単一エネルギースペクトル、２重エネルギースペクトル、又は多重エネルギースペクトルのものとすることができる。Ｘ線ビーム３０は、対象２との相互作用によって変わらない進行方向を有する１次Ｘ線ビーム３２と、対象２との相互作用によって変わる進行方向を有する散乱Ｘ線ビーム３４とを含む。前方検出器２２は、１次及び散乱Ｘ線ビーム３２、３４を共に受信することができる。ビームセレクター２４は、１次ビーム３２の部分の通過を可能にして、後方検出器２６に到達させ、Ｘ線ビーム３０の部分が後方検出器２６に到達することを防ぐ又は阻止することができる。後方検出器２６は、通過した１次Ｘ線ビーム３２のみを実質的に受信することができる。あるいは、ビームセレクター２４（図７に示すようなビームセレクター１０５と類似する）は、散乱ビーム３４を後方検出器２４の所定の位置においてのみ通過させ、１次Ｘ線ビーム３２をそれらの位置に対して遮断することができ、そして、１次ビーム３２及び散乱ビーム３４の両方を後方検出器２４の残りの位置において通過させることができる。後方検出器２６は、単一２Ｄ検出器の代わりに、多重検出器又はダイオード組立体を含むことができる。
さらに、図２は、以下に記載のものを除いて図１Ａ～図１Ｂの装置の特徴のいずれかを組み込む装置２０を示す。ビームセレクター２４の透過チャネルをＸ線源のＸ線放出位置にアライメントして、１次Ｘ線３２を後方検出器２６における選択領域５２に到達させるため、ビームセレクター２４は、１次Ｘ線３２が選択照射パスを通過できるように透過領域又は孔が並ぶ、複数のＸ線吸収プレートｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４を含むことができる。各プレートは所定の厚みを有することができる。後方検出器２６に到達する散乱Ｘ線量を低減するため、スペーサーをプレート同士の間に配置することができる。スペーサーは、例えば、２つ以上のスペーサーを含む機械的スペーサーとすることができる。あるいは、前方検出器２２及びビームセレクター２４は、１つ以上の第１対象に取り付けることができ、後方検出器２６は、１つ以上の第２対象に取り付けることができ、第１対象及び第２対象がそれらの間に既定の距離を有する。プレートのＸ線吸収領域の総厚みは、それぞれのプレートが、例えば、製造性に必要なアスペクト比を最適化するようにプレートの製造性に対して十分に薄いものでありながら、Ｘ線ビームを完全に吸収するように設計することができる。また、複数のプレートを有することは、後方検出器２６により近接するプレートにおけるＸ線透過用の各孔が、後方検出器２６から離れたプレートにおける対応する孔よりわずかに大きくなるように、各プレートにおけるＸ線透過用の孔を設計することができる。
本開示における定量的イメージング及び３Ｄイメージング方法は、一般的に最少の散乱干渉を要する又は散乱干渉がない。対象を通過する１次Ｘ線及び散乱Ｘ線の測定に関与する散乱線除去方法は、一般に、空間及びスペクトルドメインにおける広視野高分解能測定において最も正確かつ実際的である。一般的に、散乱干渉が１次Ｘ線の１％未満であるとき、イメージング方法は定量的であると考えられる、つまり、原子ｚ、密度、組成、及び他の特性などの測定可能な特性を正確に測定することができる。以下は、対象特有である散乱線除去方法の例である。
キャリブレーションを伴う散乱線除去
本開示及び上述のＰＣＴにおける定量的イメージング及び３Ｄイメージング方法は、一般的に最少の散乱干渉を要する又は散乱干渉がない。
前方高解像度１次Ｘ線イメージは、一部の態様において以下のプロセスを使用して測定することができる。コンピューター又はプロセッサーは、まず、通過したＸ線ビーム３２のイメージから後方検出器において後方低解像度１次Ｘ線イメージを測定し、測定した後方低解像度１次Ｘ線イメージから前方低解像度１次Ｘ線イメージを計算することができる。また、コンピューター又はプロセッサーは、計算した前方低解像度１次Ｘ線イメージから前方低解像度散乱Ｘ線イメージを計算することができる。そして、コンピューター又はプロセッサーは、計算した前方低解像度散乱Ｘ線イメージの内挿から前方高解像度散乱Ｘ線イメージを計算し、このようにして前方高解像度散乱Ｘ線イメージを前方合成イメージから減算して前方高解像度１次Ｘ線イメージを導き出すことができる。一般的に、「分解能」という用語は、イメージ空間分解能及び／又は単一画素の信号振幅分解能を表すために使用することができる。本開示において、「分解能」は、「スペクトル分解能」又は「時間分解能」の場合を除いて、イメージ空間分解能のみを指す。
散乱線除去プロセスの例は、本明細書に開示される。例えば、一例において、プロセスは、（ａ）Ｘ線源１２からのＸ線ビーム３０で対象２を照射すること、（ｂ）前方検出器２２の位置５８を通過してビームセレクター２４の透過チャネル５６を通って後方検出器２６の領域５２に到達する１次Ｘ線ビーム３２に基づいて、低解像度１次ＸイメージＤｒＰｌ、（ｉ’，ｊ’）を生成すること、（ｃ）選択した投影ラインに沿って前方検出器２２の対応する領域５８における低解像度１次イメージＤｆＰｌ（ｉ，ｊ）を計算すること、（ｄ）前方検出器から高解像度イメージＤｆｈを測定すること、（ｅ）Ｄｆｈから前方検出器における低解像度合成イメージＤｆｌ、（ｉ，ｊ）を生成すること、（ｆ）Ｄｆｌ（ｉ，ｊ）から前方検出器における低解像度１次イメージＤｆＰｌ（ｉ，ｊ）を減算して、低解像度散乱成分ＤｆＳｌ（ｉ，ｊ）を決定すること、（ｇ）高空間周波数成分を除去することで低解像度散乱成分ＤｆＳｌを平滑化すること、（ｈ）前方検出器において平滑化した低解像度散乱成分ＤｆＳｌを内挿することによって前方検出器高解像度散乱線イメージＤｆＳｈを計算すること、及び（ｉ）前方検出器高解像度合成イメージＤｆｈから前方検出器の高解像度散乱線イメージＤｆＳｈを減算して、前方検出器高解像度１次Ｘ線イメージＤｆＰｈを得ることのステップを含むことができる。上述のビームセレクター２４による様々なタイプの遮断間の違いは、後方検出器における低解像度１次イメージＤｒＰｌがどのように生成されるかということである。
上述の散乱線除去のプロセスは、キャリブレーションビームを使用するキャリブレーションステップを含むことができる。キャリブレーションビームは、投影した細ビームのパスに沿って前方検出器の１次Ｘ線測定と後方検出器の１次Ｘ線測定との数値的関係を確立することで、投影した細ビームのパスにおける検出器の前方低解像度１次Ｘ線イメージを導き出すために使用することができる。前方低解像度散乱Ｘ線イメージは、前方低解像度１次Ｘ線及び前方低解像度散乱線イメージを含む、投影したキャリブレーション細ビームのパスに沿う検出器における測定した前方イメージから抽出することができる。前方高解像度散乱Ｘ線イメージは、前方低解像度散乱線イメージから内挿し、前方高解像度１次Ｘ線イメージを生じるように１次及び散乱Ｘ線を共に含む実際のＸ線イメージから減算することができる。
ビームセレクターは調節可能とすることができる。ビームセレクターは、１又は多次元及び／又は焦点において、ずれて移動することができる。調節は、手動及び／又は自動で（例えば、アクチュエーター又は電子制御などによって）行うことができる。調節性により、Ｘ線源又はＸ線放出位置の適応性を可能とすることができる。適応性は、検出器に対するＸ線源の位置決めのキャリブレーションにおいて有用とすることができる。キャリブレーションは、Ｘ線源及び／又は検出器が測定時に移動するとき、Ｘ線源及び検出器の相対位置のより速い調節を可能とすることができる。調節は、対象が移動するとき後方検出器の選択位置における１次Ｘ線の測定を確実にするため使用することができる。
キャリブレーションステップに関与する方法は、２つ以上のイメージを使用する構造化照射散乱線除去方法を含むことができる。本明細書に開示する２ＤのＸ線イメージング装置は、２重検出器構成ではなく単一検出器（図３参照）を含むことができる。本明細書に開示する装置のＸ線源は、隣接する細ビーム同士の間に距離を有する複数の細ビームを放出することができる。距離は、検出器において収集するときに少なくとも１画素などとすることができる。そうした収集した測定値は、１次信号及び散乱信号を含むことができる。１次信号領域が小さい、例えば、１つ又は少数の画素であるとき、これらの領域における散乱Ｘ線はすぐ隣接する領域、例えば、散乱のみの信号を有する周囲領域における１つ以上の画素から内挿することができる。
図４は、各エネルギーレベルにおける散乱線除去にＸ線細ビームを使用する構造的照射を使用する例の方法を示す。図４に示すように、ブロック（ａ）において、Ｘ線源は、図３に示すもののようなビームセレクター２４を有する構造的照射装置で対象２における対象領域４を照射することができる。Ｘ線は、Ｈのエネルギーレベルを有することができる。ブロック（ｂ）において、装置は検出器からイメージＤｈ（ｘ，ｙ）を取得することができる。Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、投影パスのラインに沿う１次Ｘ線からのイメージファイルとすることができる。ブロック（ｃ）において、Ｘ線源は、エネルギーＨのＸ線細ビームで対象を照射することができ、隣接するビーム同士の間に間隔を有する。ブロック（ｄ）において、装置は検出器からイメージＤｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を取得することができる。ブロック（ａ）～（ｂ）及びブロック（ｃ）～（ｄ）のシーケンスを切り替えることができる。ブロック（ｅ）において、装置は、式Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））－Ｄｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を使用してイメージＤｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を得ることができる。装置は、低解像度イメージＤｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を検出器の残りの部分に内挿して、イメージＤｓｈ（ｘ，ｙ）を導き出した後、式Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）=Ｄｈ（ｘ，ｙ）－Ｄｓｈ（ｘ，ｙ）を用いてブロック（ｆ）において高解像度１次イメージＤｈｐ（ｘ，ｙ）を得ることができる。
構造的ビームは、図３に示すように間隔を有する低放射線量細ビーム３２を含むことができる。ビーム３２は、キャリブレーションビームとして使用して、ビームセレクター２４を介した検出器１４の選択領域（ｉ，ｊ）における１次ビーム信号を得ることができる。領域は、１又は複数の画素を有する。いくつかのレベルの散乱Ｘ線３４が、やはり検出器１４の選択領域に到達し得る。散乱Ｘ線３４は、他のキャリブレーションビームから散乱したビームである。そうした場合、図４に示す散乱線除去プロセスのステップ１において式（１）～（３）で以下に示すように、（ｉ，ｊ）の散乱信号は、選択領域（ｉ，ｊ）にすぐに隣接する画素の散乱信号を内挿することによって導き出すことができる。
キャリブレーションビーム３２同士の間の間隔が増加する場合、キャリブレーションビームからの１次ビームと同じ位置において検出器１４に到達する散乱量は減少する。一部の例において、キャリブレーションビームが検出器１４において低解像度１次Ｘ線信号及び低解像度散乱信号を導き出すために必要とされる密度に達するときキャリブレーションビーム同士の間に十分な間隔が存在することを確実にするため、大きく離間したキャリブレーションビームを様々な位置で共に放出することができる。１次Ｘ線イメージがＸ線細ビームによって形成される検出器領域における散乱量を低減するため、細ビームもまた２又は複数回放出することができる。各回において、細ビームの位置は互いに離すことができる。組み合わせたキャリブレーションビームイメージは、最終高解像度１次Ｘ線イメージを得るために抽出可能な散乱Ｘ線イメージを計算するために必要とされる１次Ｘ線イメージの密度に達することができる。数学的方法は、１次信号が（ｉ´、ｊ´）における測定した信号である図４の式（４）において以下に記載される。
図４の方法における計算はいくつかのステップを含むことができる。ステップ１において、Ｘ線キャリブレーション細ビームの数は、照射パスにおける実際のＸ線散乱測定値を全イメージに内挿可能とするＸ線細ビームの最小限必要数によって決定することができる。ゆえに、決定した数のビームは、抽出した高解像度１次イメージｐ（ｉ、ｊ）を生じさせることができる。ビームの数は、照射パスにおいて検出器に達する散乱Ｘ線を低減するように選択することができる。細ビームの数は、１次Ｘ線のものと比較して１％未満ほども小さい散乱Ｘ線が照射パスにおいて検出器に達することができるように選択することができる。或いは、又はさらに、構造化照射散乱線除去方法を使用することなく得られたもののような高解像度１次Ｘ線イメージを得るために必要な散乱Ｘ線及び内挿を計算するために必要とされる密度に達するように、より大きく離間したビームセットを様々な時間で放出することができる。また、散乱線除去プロセスは、本明細書に開示する散乱線除去方法を使用して各エネルギーレベルでなすことができる。
照射パスにおける１次Ｘ線信号は、検出器における対象領域を照射するＸ線ビームの直接的な測定値から同じ領域における散乱Ｘ線をマイナスすることによって抽出することができる。照射パスにおける散乱Ｘ線は、照射パスにおける画素を包囲する各方向における１つ又はいくつかの隣接領域であり得る、隣接する画素におけるＸ線信号を内挿することで導き出すことができる。計算を以下の式（１）～（３）にまとめる。
Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅ（Ｄｓｌ（ｘ（ｉ＋１），ｙ（ｊ）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ＋１），ｙ（ｊ＋１）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ－１），ｙ（ｊ－１）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ＋１），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ－１），ｙ（ｊ），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ－１））） （１）
Ｄｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＋Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （２）
Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝Ｄｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））－Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （３）
一部の場合、隣接する画素からの散乱信号の内挿を省略することができ、例えば、Ｘ線細ビームの直径が、マイクロビーム又はナノビームのようなμｍ又はｎｍ範囲で、及び場合によってミリービームで、小さい場合に、Ｘ線細ビームからの測定した信号を、最小限の散乱干渉を有する又は散乱干渉を有しない１次Ｘ線信号とすることができ、以下の式（４）をもたらす。
Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝Ｄｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （４）
ステップ２において、Ｘ線コーンビームが対象領域を照射することができ、式（５）～（７）を適用することができる。
Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝Ｄｈ（ｘ（ｉ），ｙ（ｉ））-Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （５）
Ｄｓｈ（ｘ，ｙ）＝ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （６）
Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）＝Ｄｈ（ｘ，ｙ）－Ｄｓｈ（ｘ，ｙ） （７）
ここで、Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、検出器のｘ－ｙ２Ｄ平面上の選択領域（ｉ，ｊ）での細ビーム照射パスにおける検出器の散乱信号である：Ｄｓｌ（ｘ（ｉ＋１），ｙ（ｊ）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ＋１），ｙ（ｊ＋１）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ－１），ｙ（ｊ－１）），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ＋１），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ－１），ｙ（ｊ），Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ－１）））は、（ｉ，ｊ）にすぐに隣接する領域のいくつかにおける画素の例を表す。
Ｄｌｃ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、検出器における選択領域（ｉ，ｊ）でのＸ線細ビームの照射パスに沿う測定したＸ線信号である。Ｄｈｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、検出器における選択領域（ｉ，ｊ）でのＸ線細ビームの照射パスに沿うＸ線細ビームの１次Ｘ線信号である。
Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、ステップ２の検出器におけるＸ線ファンビーム照射による選択領域（ｉ，ｊ）における散乱Ｘ線である。
Ｄｓｈ（ｘ，ｙ）は、ステップ２の検出器におけるＸ線ファンビーム照射から測定したＸ線信号の散乱Ｘ線成分である。
Ｄｈ（（ｘ，ｙ））は、ステップ２の検出器における対象のＸ線ファンビーム照射からの測定したＸ線信号である。
Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）は、ステップ２の検出器における対象のＸ線ファンビーム照射からの１次Ｘ線信号である。
多重Ｘ線細ビーム又は構造化照射パターンの生成は、１００％透過から小さいパーセンテージの透過までの範囲のＸ線透過を可能とする領域、及びＸ線を完全に遮断又は吸収する領域を有するコリメーター２４又はビームセレクターを使用することで得ることができる。ビームセレクター２４は、Ｘ線源の下流だが対象２の上流に配置することができる。一部の場合において、ビームセレクター２４の、図２のような複数のプレートタイプｐ１～ｐ４を使用することができる。一例において、そうした構成は、Ｘ線源が多重エネルギー又は広範なスペクトル放出を可能とするとき、低放射線レベルにおける対象領域における構成要素又はターゲットのスペクトル測定及び／又はデンシトメトリーを可能にする。Ｋエッジフィルター又はＫエッジ符号化開口などのエネルギーフィルターは、コリメーター２４の透過領域の下流に配置することができる。
低散乱及び高空間分解能イメージングにおいて、ビームセレクター２４は、機械的に駆動される動力器によって、又はエネルギー変調方法によって、又は電気的に移動することができる。
疎な分布パターンを有するＸ線細ビームは、ターゲットの選択領域のみにＸ線ビームを生成するため、カソードからの電子ビームのためのアノードにおけるパターン化ターゲットによって生成することができる。パターン化ターゲットは、Ｘ線源の電子ターゲット領域の内外に回転又は移動して、従来のターゲットを使用するＸ線ファンビーム又はＸ線構造化照射又はパターン化照射又は空間的分布Ｘ線細ビームを生成することができる。
任意で、Ｘ線源のアノードターゲットは、生成されるＸ線コーンビームが、１次Ｘ線を放出しない選択領域を有するように変調することができる。変調したＸ線源の使用により、疎に分布したパスを照射する分布Ｘ線ビームで対象を通過する照射Ｘ線をもたらすことができる。例えば、Ｘ線測定は、フラットパネル検出器によって収集するとき、１次Ｘ線信号を回避する複数の領域を有することができる。各領域は、１つ以上の画素を有する。
任意で、レーザー又はＬＥＤソースなどの光源が電子ビームを生成するソースである場合、微小電気機械（ＭＥＭ）装置などのビーム操舵装置、又は光学吸収体若しくは変調器のいずれかは、所定の領域において光学信号を遮断又は変調することで、電子ビームが達しないアノードターゲットの所定の領域が存在する構造化プロファイルを有する電子ビームを生成するために使用することができる。ビーム操舵装置又は光学吸収体若しくは変調器は、既定の位置に配置することができるか、又は移動可能である。生成したＸ線ビームは、ビームが検出器に達するとき１次Ｘ線がない領域が存在するように、設定パスで対象を通過することができる。
本開示に記載される構造的ビーム方法は、ビームセレクターが適用できずに、積層検出器が、１つのＸ線パルスを使用する物質分解のための２重エネルギーイメージング、又は１次Ｘ線のＸ線イメージが顕微鏡ハードウェア構成及び分析によるさらなるプロセッシングのために下流で使用されるＸ線顕微鏡法などの散乱線除去と異なる機能に使用される、積層検出器方法に特に有用とすることができる。
このキャリブレーションビーム方法の一利点は、この方法が、必要とされる上述の事前の物質キャリブレーション又はシミュレーションステップなしで任意の物質タイプに行われ得ることを含むことができることである。これは、２つ以上の重なり合う物質を含む大部分の物質タイプ又は厚み又は組成の定量的分析に有用である。他の利点は、この方法が散乱線及び１次イメージの分離に必要とされる検出器若しくは検出器平面の数及び／又は検出器平面のサイズを削減することでコストを低くするということである。
また、図３におけるコリメーター２４又はビームセレクター２４は、Ｘ線源と対象との間に配置することができる。同様に、図２における積層プレートｐ１～ｐ４の構成は、Ｘ線源と対象との間又は対象と検出器との間に配置することができる。
任意で、分解能の要件が１次Ｘ線測定において低いとき、コリメーター２４及び積層プレートＰ１～Ｐ２は、単一のステップにおける散乱線除去１次Ｘ線イメージングに使用することができる。一例において、波長又はエネルギーフィルターを、コリメーターの下流且つ対象の上流で、又はコリメーターとＸ線源との間において使用して、スペクトル測定及び低分解能デンシトメーターを得ることができる。
多重エネルギー散乱線除去
本明細書に開示する相関性は、各Ｘ線エネルギーレベルでなすことができる。定量的イメージング及び３Ｄ断層撮影及び用途の要件におけるより的確な散乱線除去のため、そうしたキャリブレーションビーム方法を、上述のものの類似の数学的プロセスを使用する２重又は３重又はそれ以上のエネルギーのＸ線散乱線除去プロセッシングに使用するように拡張することができる。多重エネルギーの散乱線除去方法は、それぞれ例えば様々な原子ｚ番号、様々な複合物質、様々な時間的及び／又は空間的マーカーなどの異なるＸ線測定特性を有し得る３つの異なる構成要素又は物質を対象が含むとき２重エネルギーＸ線システムに使用することができる。４つ以上のエネルギーレベルの測定が行われる場合、４つのエネルギーレベルのそれぞれにおける類似又は実際の物質及び対象のキャリブレーションを使用することができ、一部の場合において、それぞれが様々な原子ｚ番号などの様々なＸ線測定特性を有し、それらの複合物質が２つ以上の成分を含む、少なくとも４つの異なる成分でキャリブレーションすることができる。
多重Ｘ線細ビーム照射を使用する場合、各エネルギーレベルにおける散乱線イメージの除去は、Ｘ線イメージを撮る各エネルギーレベルに対して図５に示す例の方法を行うことによってなすことができる。ブロック５０２において、多重エネルギーＸ線源は、各エネルギーレベルで２つ以上の構成要素を含む対象を照射することができる。ブロック５０４において、装置は、各エネルギーレベルでの後方検出器における低解像度１次Ｘ線イメージの測定値ＤｒＥｎＰｌ（ｘ（ｉ’），ｙ（ｊ’））（ｎは整数）を受け取ることができる。ブロック５０６において、装置は、対象における各構成要素の密度ｔ１、ｔ２、…ｔｎを導き出すことができる。ブロック５０８において、装置は、導き出した各構成要素の密度を使用して前方検出器における低解像度１次Ｘ線信号ＤｒＥｎＰｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を計算することができる。ブロック５１０において、装置は、低解像度１次Ｘ線信号を低解像度前方検出器測定値から減算することで前方検出器における低解像度散乱Ｘ線信号ＤｒＥｎＳｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を導き出すことができる。ブロック５１２において、装置は、低解像度散乱Ｘ線信号ＤｒＥｎＳｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を内挿して、前方検出器における高解像度散乱Ｘ線信号ＤｒＥｎＳＨ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を導き出すことができる。ブロック５１４において、装置は、前方検出器における高解像度散乱Ｘ線信号ＤｒＥｎＳＨ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を前方検出器における測定した高解像度イメージＤｆＥｎＨから減算することで前方検出器における高解像度１次Ｘ線信号ＤｒＥｎＰＨ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））を導き出すことができる。
後方検出器イメージファイルを使用する代わりに、キャリブレーションした関係のスケーリング又は導出が必要なくなって前方検出器における計算したイメージを後方検出器における測定したイメージデータに相関させるように、イメージファイルを単一の検出器に包含させることができる。散乱線を除去し、高解像度イメージを導き出すため、単一のイメージのみを撮る場合、ビーム粒子吸収体を利用することができる。散乱線除去方法は、各エネルギーレベルにおいて高解像度１次Ｘ線を得るように各エネルギーレベルにおいて行われる。
上述のように、散乱Ｘ線データは、１次Ｘ線信号を有する領域のために内挿によって導き出され、測定データから減算することができる。また、抽出した１次Ｘ線データは、例えば以下の式（８）及び（９）を使用して、構成要素又は対象領域又はサンプルの２Ｄ及び／又は多次元イメージ構築並びに定量的分析に使用することができる。
Ｄｓｈ（ｘ，ｙ）＝ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （８）
Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）＝Ｄｈ（ｘ，ｙ）－Ｄｓｈ（ｘ，ｙ） （９）
ここで、Ｄｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、Ｘ線照射パスに沿う１次Ｘ線がビーム吸収体又はビーム吸収体粒子（図６に示されるものなど）によって遮断されることにより散乱Ｘ線信号のみが存在する、選択検出器領域（ｉ，ｊ）である。Ｄｓｈ（ｘ，ｙ）は、検出器における測定したＸ線の高解像度散乱Ｘ線成分である。Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）は、検出器における測定したＸ線の高解像度１次Ｘ線成分である。Ｄｈ（ｘ，ｙ）は、１次及び散乱Ｘ線信号の両方を含み得る検出器における測定したＸ線信号である。
領域（ｉ，ｊ）において信号を生じさせる照射パスにおけるＸ線１次ビームが存在しないことから、検出される１次Ｘ線信号が存在しない領域（ｉ，ｊ）では、Ｄｈｐ（ｘ，ｙ）の領域（ｉ，ｊ）における１次Ｘ線信号を以下の式（１０）によって導き出すことができる。
Ｄｐｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ｏｆ （ｉ，ｊ）にすぐに隣接する領域のＤｐｌ （１０）
この方法は、大部分の用途において十分なものとすることができる。本明細書に開示するもののようなトラッキング又は外科ガイダンス用途において、ビーム吸収体が移動し得る、又はＸ線放出位置が調整され得る場合に、２つ以上のイメージを撮るとき、ビーム吸収体が異なる照射パスを遮断するとともに、イメージングギャップがイメージごとに変化するそれぞれの回が、シーケンスにおける１つ以上の様々な測定値から領域（ｉ，ｊ）の測定値を抽出することによってイメージギャップを遡及的に充填するように十分な情報を提供することができる。
あるいは、又はさらに、超高解像度イメージが必要とされる状況、及び／又は対象領域のすべての領域を照射していることを確認する必要があり、ゆえに検出器における対象の欠落データがないか、若しくははるかに少ない状況では、最後のイメージからの領域（ｉ、ｊ）が１次Ｘ線を受信することができるように、１次Ｘ線を遮断するビーム吸収体を移動させて、同じ照射パスに沿って同じ対象を撮るために、２つ以上のイメージが必要とされ得る。あるいは、領域（ｉ，ｊ）におけるそうしたイメージは、ビーム吸収体がその原位置から離れるように調整される該領域（ｉ，ｊ）のみを照射する構造化ビームから導き出すことができる。
複数の構成要素を有する対象を測定するために複数のビーム吸収プレートを有する２重エネルギーシステム、又は３重以上のエネルギーシステムにおいて、前方検出器における低解像度１次及び散乱線イメージＤｆＥ１Ｐｌ、ＤｆＥ２Ｐｌ、ＤｆＥ３Ｐｌ、．．．、ＤｆＥｎＰｌは式（１１）～（１８）によって計算することができる。
（ａ）領域の密度ｔ１、ｔ２、ｔ３、．．、ｔｎに対して低解像度１次Ｘ線イメージングセットを解くことであって、
ＤｒＥ１ｌ（ｉ，ｊ）＝∫［Φ０ Ｅ１（Ｅ）×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））］×Ｓｒ（Ｅ）ｄＥ （１１）、
ＤｒＥ２ｌ（ｉ，ｊ）＝∫［Φ０ Ｅ２（Ｅ）×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））］×Ｓｒ（Ｅ）ｄＥ；１５ （１２）、
ＤｒＥ３ｌ（ｉ，ｊ）＝∫［Φ０ Ｅ３（Ｅ）×ｅｘｐ（－（μＡ（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μＢ（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μＣ（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））］×Ｓｒ（Ｅ）ｄＥ （１３）、
及び、ＤｒＥｎｌ（ｉ，ｊ）＝∫［Φ０ Ｅｎ（Ｅ）×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μＣ（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））］×Ｓｒ（Ｅ）ｄＥ （１４）、
（ｂ）イメージセットのためｔ１、ｔ２、ｔ３、．．、ｔｎの解を式（１５）～（１９）に挿入することであって、
ＤｆＥ１Ｐｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝∫［Φ０ Ｅ１（Ｅ）×Ｓｆ（Ｅ）］×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））ｄＥ （１５）、
ＤｆＥ２Ｐｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝∫［Φ０ Ｅ２（Ｅ）×Ｓｆ（Ｅ）］×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ）＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ））ｄＥ （１６）、
ＤｆＥ３Ｐｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝∫［Φ０ Ｅ３（Ｅ）×Ｓｆ（Ｅ）］×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２ １５（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ））＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ）））ｄＥ （１７）、
ＤｆＥｎＰｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝∫［Φ０ Ｅｎ（Ｅ）×Ｓｆ（Ｅ）］×ｅｘｐ（－（μ１（Ｅ）×ｔ１（ｉ，ｊ）＋μ２（Ｅ）×ｔ２（ｉ，ｊ）＋μ３（Ｅ）×ｔ３（ｉ，ｊ））＋…＋μｎ（Ｅ）×ｔｎ（ｉ，ｊ）））ｄＥ （１８）、
ここで、（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、後方検出器セルとも交差する投影ラインが交差する前方検出器セルの座標（ｉ，ｊ）であり、Φ０ Ｅ１（Ｅ）は、エネルギーＥ１のＸ線のエネルギースペクトルであり、Φ０ Ｅ２（Ｅ）は、エネルギーＥ２のＸ線のエネルギースペクトルであり、μ１（Ｅ）は、面密度ｔ１を有する物質の質量吸収係数であり、μ２（Ｅ）は、面密度ｔ２を有する物質の質量吸収係数であり、Ｓｆ（Ｅ）は、前方検出器のスペクトル感度であり、Φ０ Ｅ３（Ｅ）は、エネルギーＥ３のＸ線のエネルギースペクトルであり、μ３（Ｅ）は、面密度ｔ３を有する物質の質量吸収係数であり、Φ０ Ｅｎ（Ｅ）は、エネルギーＥｎのＸ線のエネルギースペクトルであり、μｎ（Ｅ）は、面密度ｔｎを有する物質の質量吸収係数である。
一態様において、３つ以上の異なる構成要素を有する対象における、各エネルギーレベルでの前方検出器における１次Ｘ線信号を導き出すことができる。対象の４つ以上の構成要素の密度を、４つ以上のエネルギーレベルでの後方検出器における１次Ｘ線測定によって導き出すとき、多重エネルギー測定から各構成要素の密度の解を挿入することで、前方検出器の領域と後方検出器の領域とのキャリブレーションされた又は既知の対応関係に基づいて、各エネルギーレベルでの前方１次Ｘ線低解像度信号の導出をもたらすことができる。次に、前方検出器における低解像度散乱線イメージは、導出した前方検出器の低解像度１次Ｘ線イメージを、測定した前方検出器の高解像度合成イメージから減算することによって導き出すことができる。計算は、式（１９）～（２４）で行うことができ、
ＤｆＥ１Ｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝ＤｆＥ１ｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）－ＤｆＥ１Ｐｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （１９）、
ＤｆＥ１ＳＨ（（ｘ，ｙ））＝Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ（ＤｆＥ１Ｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））） （２０）、
ＤｆＥ１ＰＨ（（ｘ，ｙ））＝ＤｆＥ１Ｈ（（ｘ，ｙ））－ＤｆＥ１ＳＨ（（ｘ，ｙ）） （２１）、
ＤｆＥｎＳｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））＝ＤｆＥｎｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）－ＤｆＥｎＰｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ）） （２２）、
ＤｆＥｎＳＨ（（ｘ，ｙ））＝Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ（ＤｆＥｎＳｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））） （２３）、
ＤｆＥｎＰＨ（（ｘ，ｙ））＝ＤｆＥｎＨ（（ｘ，ｙ））－ＤｆＥｎＳＨ（（ｘ，ｙ））１０ （２４）、
ここで、ＤｆＥ１Ｓｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、エネルギーレベルＥ１で撮った、領域（ｉ，ｊ）での前方検出器における低解像度散乱線イメージであり、ＤｆＥｎｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、領域（ｉ，ｊ）で前方検出器によって測定した低解像度イメージであり、ＤｆＥｎＳｌ（ｘ（ｉ），ｙ（ｊ））は、領域（ｉ，ｊ）における低解像度１次イメージを前方検出器における合成イメージＤｆＥｎｌから減算して導き出される、エネルギーレベルＥｎで、領域（ｉ，ｊ）での、前方検出器における低解像度散乱線イメージである。
また、低解像度散乱線イメージは、さらに、高解像度散乱線イメージに内挿され、これが測定した高解像度イメージから減算されて各エネルギーレベルにおける高解像度１次イメージをもたらす。
したがって、単一エネルギー方法、すなわち、各エネルギー測定に対する上述したような単一エネルギーシステムにおける散乱線除去を用いることが、選択された各エネルギーレベルにおいて散乱線を除去するために使用することができる。
本明細書に開示するすべての散乱線除去方法において、内挿した又は測定された散乱線イメージを、視覚的な分析のために提供することができる。
本明細書の開示に基づく、種々のエネルギーにおける散乱線除去の他の態様が可能である。
前方検出器と後方検出器が同じ又は極めて類似する場合には、単純なスケーラー係数を測定データの相関に使用することができる。前方検出器における１次Ｘ線信号は、単純なスケーラー係数を使用して後方検出器のものと相関させることができる。一態様におけるそうした関係は、関連データ及び／又は測定値に基づいてシミュレートすることができる。
好ましくは、前方検出器は、対象から出るＸ線の一部が前方検出器によって測定され、また一部が、その詳細を以下に開示する高速検出器、動的検出器、又は高分解能スペクトル若しくは多重エネルギー検出器などのハードウェアで、散乱線除去並びに／又は他の検出及び測定方法のための後方検出器及びビームセレクター組立体などのさらなる分析のため通過することができるように、設計されている。ゆえに、前方検出器は透過性又は部分的に透過性とすることができる。好ましくは、ビームハードニングは存在しない、又は最小限のビームハードニングが存在し、任意のＸ線変調特性が存在しない、又は最小限の任意のＸ線変調特性が存在する。好ましくは、検出器の電子素子は、検出器の下流ではなく側部に配置することができる。任意で、検出器は、Ｘ線に対して、又は一部の場合に可視光に対して完全に透明とすることができる。Ｘ線における前方検出器の影響は、対象及び検出器の下流での測定値分析のためキャリブレーションされ除去することができる。
生きている対象又は生体組織のＸ線イメージングにおいて（インビボ及び／又はエクスビボ）、手術用具、インプラント、造影標識若しくは造影剤を含むがこれらに限定されない異物性対象、及び／又は血管などのイメージングされる対象の第３の構成要素など、骨及び軟部組織に加えて組織又は物質が存在し得る。産業上のＸ線イメージングにおいては、混合物又は複数構成要素の対象における種々の構成要素を特徴づける必要があるということがある。特有のＸ線測定特性を有する様々な物質及び複合物質又は領域のデータベースをキャリブレーション又は確立するため、種々の物質を使用することができる。データベースにおける物質タイプは、骨及び軟部組織以上のものを含むことができる。
種々の空間的複雑性及び／又は組成的複雑性のある物質を、データベースのキャリブレーション又は確立のために使用することができる（これは、以下でより詳細に記載される）。例えば、対象内の対象領域における構成要素のものと類似する物質を、キャリブレーションステップのＸ線測定に使用して、前方検出器における１次Ｘ線信号及びその後方検出器における対応する信号を物質タイプに関して相関させることができる。一実施例において、例えばイメージング対象において予期されるものと類似する、Ｘ線エネルギースペクトルを異なるように乱し得る種々の空間的複雑性及び寸法及び組成的複雑性のあるマイクロ構造を、検出器で受信する各エネルギーレベルイメージにおいてキャリブレーションステップに導入する。例えば、胸部のイメージングにおいて、骨、心臓組織、血管内組織及び血液、並びに、カテーテル及び手術用具などの他の構成要素と類似するマイクロ構造をキャリブレーションに使用することができる。
キャリブレーションの目的で、装置は、ビームセレクターと前方検出器、ビームセレクターと後方検出器、及び／又は前方検出器と後方検出器との間の相対位置及び／又はアライメントを調整又は保持することができる。調整は、１つ以上の側部フレームなどの機械的構造によってなすことができる。例えば、装置は、すべての構成要素を取り付け、スペーサーとして機能する複数のねじを含むことができ、接着剤などの化学物質も使用可能である。磁気スペーサーも使用することができる。
装置は、入力としての検出器及びビームセレクターの幾何学配置の設計により、例えば、機械的に及び／又はソフトウェアを使用して、同じ１次Ｘ線投影パスに対応する前方検出器及び後方検出器における画素の位置を測定することができる。イメージングプロセスの前に、該当する画素の位置を機械的設計の一部として選択し、ソフトウェアに記憶させる及び登録することができる。
また、ソフトウェアは、検出器及び／又はビームセレクターの位置の基準及び設計パラメーターとして機能できるターゲットなどの構成要素、又は対象の一部のイメージング信号に基づいて、関連する画素位置を任意でアルゴリズムで測定することができる。
ソフトウェアは、対象に対する、検出器、又は検出器やビームセレクターのマーカーに対する、Ｘ線源位置の空間位置の測定を可能し、各ハードウェア、対象、対象の基準マーカー、及び／又は対象内の該当する構成要素の幾何学配置及び空間位置をキャリブレーションすることができる。
データベースは、少数の様々なオプションに基づいて導き出した１次Ｘ線信号の関係アルゴリズムを含む関係データを含むことができる。シミュレートした物質Ｘ線信号、又は、検出器若しくは同タイプの検出器による物質若しくは類似の物質の以前の測定、若しくは所定の物質の任意の既知の確立したＸ線測定特性に基づく合成したＸ線信号を、相関に使用することができる。前方検出器及び後方検出器の測定値を相関させることは、シミュレートデータを使用してなすことができる。
また、関係は、前方検出器及び対応する後方検出器における１つ以上のエネルギーでの様々なタイプ、物理的組成、及び／又は寸法の物質の以前の測定データから導き出すことができる。また、関係は、特定の前方検出器及び後方検出器の特性、及びそうした特性に基づいて予測した信号レベルから導き出すことができる。例えば、前方検出器及び後方検出器が同じである場合、所定の物質に対して直線関係が存在するとすることができる。一部の例において、そうした関係アルゴリズムは、本明細書に記載される両方の因子に基づいて相関させる。また、アルゴリズムは、同じタイプの又は類似の検出器による記録的に蓄積した１つ以上のエネルギーレベルでの種々の物質タイプ及び厚みの検出器測定値を含むライブラリーからの、各個々の因子及び組み合わせた因子に基づいて相関することができる。
本明細書に開示するＸ線装置は、コンピューターに記憶させたキャリブレーションしたデータベースが様々な検出器のイメージング特性を相関させることができるアルゴリズムソフトウェア操作を含むことができる。前方検出器における１つ以上の画素からの信号は、投影Ｘ線ビームパスに沿って所定の物質又は対象に対して、後方検出器における対応する領域に相関させることができる。物質及びエネルギーレベルは、前方検出器における領域及び後方検出器における投影パスに沿う対応する領域からの１次Ｘ線信号をキャリブレーションするために使用することができる。キャリブレーションデータベースの確立は、必要とされる用途に応じて任意とすることができる。イメージング又は測定される対象の物質が既知であり定義されているとき、Ｘ線測定特性を予測することができる。
複雑性、組成、及び厚みに関する構造の簡易タイプ及び／又は物質同等物を、実際の物質と同様にキャリブレーションに使用することができる。キャリブレーション物質選択における複雑性は、例えば、複数又は混合の有機及び／若しくは無機分子であり得る物質の組成、空間的組成、密度、並びに／又は物質が粉末形態であるかどうか、物質の原子番号、単一物質若しくは複合物質であるかどうか、物質の厚みなどの数多くの要因に起因し得る。一部の物質は空間的に重なり合い得る。例えば、軟部組織及び除脂肪組織のマトリックスにおいて微小石灰化が存在し得る。心臓弁又はステントなどのインプラントは、血球及び血漿を含む血液、血管、骨、筋肉、及び血管外のイメージングパスにおいてその他の軟部組織と混ざり得る。マイクロチップ層は、２つ以上の異なる金属、ポリマーのもの、又は混合物若しくは複合物であり得る。また、対象は、航空機又は自動車に使用される機械部品などの金属又はポリマーの構成要素を含み得る。
データベースは、単一エネルギーＸ線、特に、エネルギースペクトルにおいて１つの単一エネルギーピークを有するとして特徴づけられるそうしたＸ線スペクトルにおける、物質及び物質同等物の測定した特性に対して確立することができる。好ましくは、参照データベースを組み合わせた単一エネルギーＸ線を使用する物質分解が、構成要素の密度を測定し、Ｘ線の照射パスにおける構成要素を識別するため利用することができる。
２重エネルギー及び２重や単一エネルギーから多重エネルギーへの拡張におけるキャリブレーションに２次近似を含めることができる。記載しているように、既知の物質、例えば３つの既知の物質（例えば、ｕ、ｖ、ｗ）の測定値を、ｐ、ｑ、及びｏなどの既知の物質のそれぞれと類似する実際の物質の測定値と関連させることができる。実際の物質は直接測定することが困難であるので、ｕ、ｖ、ｗの未知だが検出の測定値をｐ、ｑ、及びｏのものと相関させることができる。ゆえに、多重エネルギー、この場合は３重エネルギーでの対応するｕ、ｖ、ｗの測定から、密度と他のＸ線感応性又は測定可能なパラメーターにおいて、ｐ、ｑ、及びｏのそれぞれに対して数学的関係を導き出すことができる。この方法は、３つを超えるエネルギーに拡張することができる。
また、本明細書に開示するＸ線装置は、対象でないＸ線ビームを後方検出器に到達させないようにするため、ビームセレクターと後方検出器との間の空間においてビームセレクターの側部によって画定される外周部に１つ以上のビームストッパーを含むことができる。
各物質若しくは複合物質若しくは構成要素の厚みを測定するために、及び／又はキャリブレーション若しくは参照データベースにデータを提供するために、前方検出器における１次ビーム信号と後方検出器における対応する１次ビーム信号とを良好に相関させるため、前方検出器及び後方検出器のＸ線測定を、対象領域において種々の原子ｚ数及び／又は物質組成及び／又は造影標識を有する選択したキャリブレーション物質と同じ又は類似し得る種々の厚みの物質で行うことができる。例の産業用途において、あるタイプの粉末化学物質が複数の構成要素の対象において識別又は検出されるとき、種々の量、及び／又は種々の厚みの粉末化学物質の測定が、前方検出器及び後方検出器を相関させるために使用することができる。
対象領域の厚み又は対象領域における種々の構成要素の厚みが既知である場合、例えば、３次元（３Ｄ）の定量的測定が特定の対象に対して既に得られており、このとき、既知の各ボクセルが対象若しくは対象領域において解決している、又は、該当する構成要素の厚みを決定するため、以前の測定が既に行われている、又は、対象若しくは構成要素の厚みが提供されている場合（例えば、規定の材料タイプ及び寸法を有する手術用具のものなど）、キャリブレーションステップは、参照データベース又はライブラリーに、記載されるような既存のデータを含めることにより、簡略化されてもよい。
２重検出器組立体散乱線除去システムに加えて、図６は、１つの検出器のみを使用して各構成要素の密度を測定することができる散乱線除去及び／又はデンシトメーターの例を示しており、これはビーム吸収体プレート１０５を含むことができる。複数のビーム吸収体粒子１００を、プレート１０５上に空間的に分布させることができる。粒子１００の密度は調整可能である。各粒子は、少なくとも２つの状態位置「オン及びオフ」、又は「１次Ｘ線に対して不透過又は透過」を有することができる。粒子１００が位置するプレート１０５は、１次Ｘ線の透過を調整するために１つ以上のアクチュエーターによって傾斜させることができる。また、プレート１０５は、検出器と平行の平面において１つ以上のアクチュエーターによって２Ｄ空間において移動させることができる。複数のそうしたプレートを１つのビームセレクターとして使用することができる。
図７に示すものなど、複数のＸ線ビームを生成する場合、種々のＸ線吸収特性を有する又はＸ線に対して完全に透明である図６のプレート１０５、例えばポリマープレートは、ビーム吸収粒子を所定位置に保持するように使用することができる。プレート１０５は、対象２とＸ線源１０との間に配置することができる、又は対象２と前方検出器２２との間に配置してもよい。
所定のパターンに分布させた、種々の密度のビーム吸収粒子を含む２つ以上のプレートを、図７の装置に使用することができる。動力器又は１つ以上の軸ポジショナーなどによってｘ、ｙ、及びｚ方向においてそうしたプレートを移動させることで、プレートのＸ線吸収特性を１つ以上の移動で０％～１００％まで調整することができる。ビーム吸収粒子１００の密度は、対象領域の放射線暴露及びイメージの解像度に影響し得る。より高い粒子１００の密度により、対象領域の放射線暴露を少なくすることができる。より低い粒子の密度により、放射線暴露が多くなり得るが、より高い分解能の測定が可能である。十分に高い分解能と共に、より低い位置の放射線暴露で、バランスを取ることができる。
粒子１００のサイズは、検出器１４に平行なｘ及びｙ平面において約０．１μｍから最大約１０ｍｍとすることができる。検出器１４に平行なｘ及びｙの２Ｄ平面におけるビーム吸収粒子１００の位置は、１次Ｘ線ビームが遮断される位置を調整するように移動して、ゆえに以前に遮断されていた対象領域を通る照射パスを可能にし、そうでなければ存在し得る対象領域の孔又は測定欠落を排除することができる。
本明細書に記載される散乱線除去プロセスは、定量的２Ｄ及び３Ｄイメージの構築と対象の測定とにおいて、時間と放射線暴露とを削減することができる。高解像度１次Ｘ線測定データを導き出すため、１回ほども少ないイメージ測定をサンプルに行うことができる。Ｘ線放射線は、それぞれ異なる時間の複数の測定で対象における対象領域の特定の位置に対して削減することができる。例えば、サンプルの測定を、同じ構成要素の異なる位置に、例えばそのすぐに隣接して照射するＸ線ビームを使用して繰り返すことができる。サンプルが受ける総放射線レベルは同じであり得るが、対象領域におけるサンプルの任意の特定の領域は、総放射線の一部のみを受ける。必要とされる又は所望される解像度に応じて、１次Ｘ線信号で照射する領域のサイズを調整してもよく、一部の場合には、サンプルにおける直接的なＸ線放射線をサンプルの任意の特定の位置に対して低減することができるように最小化することができる。また、Ｘ線放射線暴露は、１つの測定において対象領域に対して低減することができる。例えば、Ｘ線ビームは、Ｘ線細ビームにおいて、選択した対象領域のみを照射するように調整することができる。あるいは、又はさらに、対象領域におけるＸ線照射領域の分布を、所望される分解能の測定を行うように調整することができる。あるいは、又はさらに、Ｘ線ビームを、冷陰極Ｘ線源のように電子ビーム生成のため選択領域に対して磁気又は作動などの操舵機構によって操舵することができる。これは、例えば、Ｘ線源１２と対象１６若しくは対象１６と検出器１４との間に配置された、図６及び図７のようなビーム吸収粒子プレート１０５、若しくは図３のような透過孔を有するコリメーター、若しくは図１Ｂのようなビームセレクター２４によって、又は、図２６のような空間的に疎に分布するパスで対象領域を照射するＸ線ビームを生成することができるアノードの選択領域を伴うＸ線源によってなすことができる。２Ｄ又は多次元イメージ及び３Ｄイメージは、本開示に記載するような方法に基づいて構築することができる。サンプルにおける様々な対象領域は、様々な分解能を必要とすることがあり、１次Ｘ線照射パスがどれほどまばらであるかは、様々な領域で、又は一部の場合には、対象領域における種々の組成、複合物質、不均質な物質、均質な物質、２つ以上の物質の界面領域、又は原子ｚ番号の様々な構成要素で、変化し得る。
また、例えば図６に記載されるようなビーム吸収プレートを有する装置は、用途の要求に応じて、調整可能な分解能及び／又は高速チューナブル分解能測定値を測定するために使用することができる。例えば、ビーム吸収粒子は、より低い解像度イメージの測定を行うために、高密度で分布させることができる。ビーム吸収粒子は、より高い解像度イメージを得るため、より疎に分布させることができる。ビーム吸収プレートを有する装置は、ベリリウムなどの物質を含み得る、ビーム吸収領域又はビーム透明領域を含むことができる。１つ又は複数のプレートは、Ｘ線、特にスペクトルＸ線の完全な減衰を可能にするように、互いに積み重ねることができる。プレートは、用途の要求に応じて、調整可能な分解能及び／又は高速チューナブル分解能測定値を測定するために使用することができる。例えば、ビーム吸収粒子は、より低い解像度イメージの測定を行うために、高密度で分布させることができる。
好ましい一態様において、図６に記載するような構成において、ビーム吸収粒子の密度は、２重エネルギーデンシトメーターなどのデンシトメーターのものと同等の分解能を有するとともに、直線状検出器スキャン型２重エネルギーシステムに基づいてデンシトメーターのものと類似する又はデンシトメーターのもの未満の放射線レベルを有するように、調整することができる。この場合、ビーム吸収粒子は円筒状ロッドを含むことができ、ロッドの各長手方向軸は１次Ｘ線照射方向に沿うものである。
従来のスキャン型リニア検出器に基づく２重エネルギーデンシトメーターは、時間を費やし、例えば５００μｍ分解能という低分解能であり、及びフラットパネル検出器による２Ｄイメージの１／１０の放射線である。図６の構成を用いて、ビーム吸収粒子が、例えば検出器と平行なｘｙ次元において５０～５００μｍで設定され、厚みが発生器からのＸ線を完全に減衰させるのに十分に厚い場合、プレートはＸ線源と対象との間に配置することができる。そうした粒子が、放射線を低減するために十分に高く、Ｘ線測定において５００μｍ解像度を得るために十分である密度で設計される場合、リアルタイムの低放射線デンシトメーターを得ることができる。さらに、２重又は多重エネルギー測定を高速化するため、エネルギーフィルターをＸ線透過領域に使用することができる。骨密度並びに／又は他の組織タイプ及び成分タイプの密度を測定することができる。
あるいは、図３、図２、及び図１Ｂのようなコリメーター又はビームセレクタープレートは、Ｘ線源と対象との間に配置することができる。さらに、ビームセレクタープレートの孔を通って透過する１次Ｘ線は、エネルギーフィルター、例えばｋエッジコードフィルターによってフィルタリングすることができる。
孔を有するビーム吸収粒子プレート若しくはコリメーター、又はビームセレクターは、構成要素をこれらのハードウェア素子のそれぞれによって得らえる分解能で特徴づけることができる場合、それぞれ構成要素のトラッキング及びモニタリングに使用することができる。
高分解能イメージングの目的で、高分解能１次Ｘ線イメージングに必要とされる散乱線除去を行うため、ビーム吸収粒子を最小限の密度とすることができる。それ以外に、１次Ｘ線イメージング測定の領域を調整することができる。１つの特定のイメージ測定において十分な情報を有するイメージを得るために、１次Ｘ線領域において画素をいくつ選択するかで、サンプルが受ける放射線量及びイメージの解像度を定めることができる。２つ若しくは３つ以上の隣接する画素ごと、又はクラスター化した画素領域のうちの１つの画素における１次Ｘ線信号は、１次Ｘ線を遮断するように、ビーム吸収粒子のより高密度の、又はより多数の、又はより大きい不透過領域を使用して受信することができる。得られた測定値は、１次Ｘ線が到達しない同じクラスター領域における隣接する画素に内挿することができる。複数のそうしたクラスター化した画素領域を含む完全なイメージは、低解像度、及び比較的高解像度の１次Ｘ線イメージを生じさせる一方、例えば検出器の分解能によって限定されるような、ハードウェアによって得られる最高解像度の１次Ｘ線イメージは必要とされないことがある。例えば骨、除脂肪組織などの組織、又は造影剤標識組織など、種々の構成要素の物質分解イメージング及びデンシトメーターの両方が、単一の、２重又は多重エネルギー方法を使用して共になすことができる。ビームセレクター又はコリメーター又はビーム吸収粒子プレートは、特に高分解能イメージングが望まれる場合、好ましくは対象と検出器との間に配置することができる。
あるいは、対象領域に含まれるターゲット又は構成要素の小領域のイメージのみが特定の用途に必要とされる測定における対象領域の放射線を制限するため、領域のより大きいセグメントをビーム吸収粒子によって遮断することができる。そうした構成は、ビーム吸収粒子が球状である、及び／又は球体の直径によりＸ線の完全な減衰を確実にする、３Ｄイメージング又は断層撮影用途に使用することができる。Ｘ線放出位置／Ｘ線源が移動するとき、球体は任意の方向又は角度から入射するＸ線を減衰させる。
コリメーターの従来の使用において、ファンビームＸ線の出力を、放出の領域又は角度を制限するコリメーターによって調整することができる。この場合、ビーム吸収粒子は同じ結果を得るように使用することができる。任意で、コリメーター及び／又はビーム吸収粒子の両方は、対象領域において望まれるＸ線放出を得るために採用することができる。
本明細書に開示するイメージング方法は、構成要素を位置特定し分析するため、例えば病気の組織領域を位置特定するため、使用することができる。ゆえに、低放射線レベルの低解像度イメージは、まず、ターゲット構成要素が存在することが既知である対象領域の位置特定をするため、及び／又はターゲット構成要素を検出するため、より高密度のビーム吸収粒子を使用することによって得ることができる。また、構成要素の高解像度イメージは、さらに分析の目的で構成要素の詳細なデータを導き出すため、サンプルに対する放射線を構成要素の位置のみに制限しながら測定することができる。
本明細書に開示するイメージング方法は、対象領域において構成要素をトラッキングするため、例えば造影標識した構成要素の存在をスキャンするため、使用することができる。対象領域の高分解能測定は、特に構成要素が小さい、及び／又は低濃度であるとき、構成要素を検出及び位置特定するために得ることができる。構成要素は、対象領域における構成要素を位置特定、トラッキング、分析、及び／又はモニタリングするため、該構成要素の外部の１つ又は複数の場所又は領域において低分解能で測定しながら、該構成要素の選択領域において高分解能及び／又は低分解能で測定することによってトラッキングすることができる。
散乱線除去のさらなる例を、図１４に関して以下にさらに記載する。
付属ハードウェア
本明細書に開示するＸ線システムは対象のホルダーを含むことができ、これはテーブル、又はマイクロ流体チップホルダー上のマイクロ流体チップ、又はサンプルホルダーである。マイクロ流体チップ及び／又はそのホルダーはＸ線に対して透明とすることができる。
一部の場合において、Ｃアーム組立体などの検出器ホルダーを、円弧状のＣアームで接続されたＸ線源を一端部に、検出器を対象の反対側にして、含むことができる。検出器は、任意で、ホルダーに配置され、支持され、もしあれば対象、及びもしあればＸ線源のポジショナー又はホルダーに対してホルダーから独立して移動することができる。
測定及びイメージデータベース
本明細書に開示する装置は、本明細書に開示する装置によって生成された及び／又は本明細書に開示するイメージング方法を使用して生成されたイメージを記憶する、図８に示すような記憶部及び／又はデータベースを含むことができる。各イメージ、又はイメージを及び／若しくはデータを含むデータセットは、時間ｔ＝ｔ０、ｔ１、ｔ２の時間ラベルと関連させることができ、時間の単位は秒、又は分、又は時間、月若しくは年、又は秒より下から年までの任意の範囲とすることができる。そうした時間ラベルは、イメージ又はデータを取得した時間と関連することができる。各イメージ又はデータセットは、同じ設備で取得してもよく、又は取得されなくともよい。時間依存性データベースは、図８の位置１又は位置２又は位置３などの、１つ以上の位置又は設備又は様々なイメージング部位からの対象のイメージを記憶することができ、これらは、同一の識別子又は関連する識別子で対象者に関連する又は対象者のものであるＸ線イメージ以外の非構造化データ及び構造化データと関連付けることができる。そうしたデータは、時間ｔ＝ｔ０、ｔ１、ｔ２．．．の時間表示でラベリングすることができる。そうしたデータベースは、データ及び／若しくはイメージから抽出された、並びに／又は特定の時間に関連した情報に関する非構造化及び構造化データを含むことができる。そうしたシステムは、経時で対象の同じ対象領域のイメージのトラッキング及びモニタリングを可能にする。
本明細書に開示する装置は、時間依存性散乱線除去Ｘ線イメージ、及び例えば物質分解後のそれらの後処理イメージを生成することができる。そうしたイメージは、時間指定子、一般にイメージを撮った時間でラベリングすることができる。空間的及び／又は時間的に対象を撮ったそうしたイメージ及び関連イメージセットは、各イメージ又はイメージセットの特定の時間、及び対象に関連する識別子と関連させるため、タイムスタンプ及び／又は固有の識別子でラベリングすることができる。１つ以上の情報を、時間依存性データを含むそうしたデータベースから抽出することができる。
上述のラベル及びデータベースシステムは、カスタムＤＩＣＯＭ（医用デジタルイメージング及び通信（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ）を含むがこれに限定されないＤＩＣＯＭラベルの任意の特徴を組み込むことができる。一部の態様において、特定の時間及び固有の識別子を有するそうしたラベルは、第２のＩＤ、例えば、比較的永続的である、対象（すなわち、ヒト患者）の社会保障番号、又は対象によって選択された識別子とともに作成することができる。そうした識別子は、暗号化生成のため無作為の番号に組み込むことができる。識別子は、対象に関連する１つの情報、又は対象に関連する２つ以上の情報の１つのセットとすることができる。識別子は、第１の識別子若しくは第１の識別子のセットが公開されないように、又は対象のイメージ若しくはイメージセットにアクセスするとき非表示とすることができるように、対象についての第２の情報若しくは第２のキー、又は対象に割り当てた若しくは対象によって選択された２つ以上の情報若しくは番号のセットとすることができる。第２のキー又は第２の識別子は、個人情報にアクセスする必要なくイメージの取得及び／又は特定対象のイメージの連続を関連付けることを可能にする第２の識別子を使用するというさらなるセキュリティー対策を含むことができる。第２の識別子は、物理的キー又は携帯電話などの装置などのアクセス番号又は方法とすることができる。
データベースは、対象者の個人情報を含まなくともよいが、米国では社会保障番号であり得る対象の固有の識別子などの、対象に割り当てられた、又は対象によって選択された、又は対象に関連したキーを含むことができる。対象及び／又は指定したエンティティーは、確認する又はさらにアクセスの許可を検証するアクセスをすることができる。アクセスセキュリティーを高めるため、第２の識別子の様々な組合せをともに使用することができる。データベースは、対象に関連する一部の又は完全な個人情報を含むことができる。個人情報又は部分的な個人情報が存在しない場合、暗号化又はアクセス又はトラッキング方法が、経時で対象に関連するイメージデータ及び他のデータの連続性を確保するように使用することができる。２次的キーと組み合わせた無作為の番号、遠隔及び／若しくは現場での、第２のアクセス装置、並びに／又は同じ装置の第２のアクセス要素などの、方法の１つ以上を使用することができる。２次的キーは、社会保障番号など、長期的及び変更されないという特性のものとすることができる。第２のアクセス装置は物理的キーとすることができる、又は無線若しくは有線装置を現場で使用することができる。あるいは、又はさらに、データベースにインターネット又はイントラネット通信が存在する場合、装置は遠隔で使用することができる。
ゆえに、データベースシステムは、対象に対して経時で連続的及び／又は断続的にイメージデータを関連付けること、取得すること、及び／又は記憶させることを可能にすることができる。例えば、患者の疾患又は健康状態を診断、処置、及び／又は治療後にモニタリングするため、そうしたシステムは患者のイメージを経時でアクセス及び評価することを可能にする。
本明細書に開示する装置は、同じＸ線ビーム投影パスにおける前方検出器及び後方検出器のイメージング信号を相関させること、単一エネルギーでの散乱線除去イメージプロセッシング、及び／又は２つ以上のエネルギーレベルでの散乱線除去のための、ソフトウェア及び／又はアルゴリズムの１つ以上を含むことができる。
後付けキット
既存のＸ線イメージングシステムを変更する、及び／又は本明細書に開示するシステムを拡張するため、後付けキットを使用することができる。キットは、以下のものなどの任意の１つ以上のハードウェア及び／又はソフトウェアを含むことができる。
・様々なベンダーのＸ線源、検出器、又はコリメーター及びビームセレクターのための動作制御器におけるハードウェアの制御を統合するソフトウェア。
・既存のハードウェアセット及び既存のソフトウェアセットの統合に使用される方法のための作業指示書。又は、提供される後付け部に与えられる１つ以上のハードウェア又はソフトウェア製品に加えて、１つ以上のハードウェア又はソフトウェア品を含む既存の方法を使用するための作業指示書。
・イメージプロセッシングのための上述のようなソフトウェア。
・既存のＸ線撮影システムにＸ線源及び検出器を後付けするための、図６及び図７に記載するような少なくとも１つのハードウェアビーム吸収体粒子プレート。
・Ｘ線源及び検出器を有する既存のＸ線像システムに後付けするための、図１～３に記載するようなビーム吸収コリメーター若しくは検出器及びビーム吸収コリメーター、又は図６における１０５などのビーム吸収粒子プレート。また、そうした後付けシステムは、散乱線除去のため測定データをイメージプロセッシングするためのソフトウェアを含むことができる。ハードウェアを統合することは、Ｘ線源及び検出器又は検出器組立体などの後付けキットにて提供されるハードウェアを、位置合わせのためのＣアーム又は放射線学検査一式など既存のハードウェアに統合するために含むことができる。
・本明細書に記載されるハードウェア及びソフトウェアは、以下のモダリティー及び方法のうちの１つ以上における測定に使用される、又は適応させることができる。Ｋエッジイメージング並びに２重及び多重エネルギー（あるいはスペクトルイメージングと呼ばれる）、フロー動態、流体関連、フロー方向、動的移動、時間マーカーの特徴、解剖学的マーカー、ゴーストイメージング、干渉法、位相コントラスト、暗視野、Ｘ線回折、Ｘ線蛍光法との統合、多光子Ｘ線、Ｘ線散乱、Ｘ線分光法、並びに／又はすべてのＸ線検出可能な造影剤及びエネルギー装置により誘導された測定及び定量化。
・例えば、検出器、ビーム粒子吸収体、ビームセレクター、コリメーター、イメージングプロセッシングのためのソフトウェアなど、本明細書に記載するようなシステムに使用されるハードウェア及びソフトウェア製品並びに方法の少なくとも１つ。
・密度情報及び厚み、又は物質分解、及び測定された他の定量可能なパラメーターを表示する、任意のインビボ、又はインビトロ、又はエクスビボイメージング表示で、整形外科、乳房、肺イメージングのためなどユーザーに必要な用途のために表示する機能を含む、観察又は表示ソフトウェア。ビューアは、Ｘ線イメージング、又は、ＭＲＩ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ若しくは光学的測定などの他のイメージングモダリティー、及び／若しくは他のエネルギー若しくは電気若しくは化学に基づく測定と組み合せたＸ線イメージングに基づく、構成要素のトラッキング、対象の識別、又は対象領域における構成要素の動的特徴、対象領域における流体動態及びフロー方向情報を含み得る、時間的情報を記録及び／又は表示することができる。
・密度測定及び定量的分析情報を表示可能なユーザーのためのデータ分析ソフトウェア。
・定量点、２Ｄ小領域、１Ｄ、３Ｄ～６Ｄ多次元イメージング分析、単一エネルギー、２重エネルギー、及び多重エネルギー物質分解分析、Ｋエッジ測定分析、位相コントラストイメージング分析、コヒーレント及びインコヒーレント及び部分的コヒーレント若しくはインコヒーレントＸ線イメージング、並びに／又は構成要素若しくは対象の原子番号、特徴の決定、対象若しくは対象領域の構成要素の識別を含むその他の定量的な分析タスクに使用されるデータ出力、深層機械学習に使用されるデータ出力、多次元断層撮影に必要とされるデータ出力、他のイメージングモダリティー及び分析方法の測定データを含む、インターネット及びイントラネットを介した、及び同じコンピューターにおける他のソースからの他の構造化及び非構造化データタイプとの統合に必要とされるデータ出力のためのソフトウェア。また、統合は、１つ以上の構成要素及び／又は対象並びに類似のタイプの構成要素及び対象に対して１つ以上のデータマトリックスに基づいて非構造化データ及び／又は構造化データから導き出した、シミュレート及び測定された特性、情報を含むことができる。
・定量分析及び関連する表示のため、同じ構成要素、若しくは同じ対象、若しくは同じ対象領域、若しくは同じタイプのサンプルの、他の構造化及び／若しくは非構造化ドキュメント、又はそうしたドキュメントから導き出した情報との統合のためのソフトウェア。
・装置間の測定値及び定量化データ及び分析結果に基づいて、並びに同じサンプルの分析及び測定データ、トラッキング、所定の周波数及び他の時間関連パラメーターにおける抽出測定値（振動心電図（ｓｅｉｓｍｏｃａｒｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ（ＳＣＧ））信号特性）、ＥＣＧゲート式心臓動作に基づく測定値などのゲート式動作モニタリング、及び／又は１つ以上のサンプルからの情報導出（診断及び挙動の特徴づけ）のためインターネット経由で、イメージ、非構造化及び／又は構造化ドキュメントを転送。例えば、１つ以上の情報を導き出すため、又は対象を遠隔で可視化してモニタリングするため、種々のモダリティーの測定値を有する同じ患者、及び／又は種々の患者からのデータを分析することができる。
・単一エネルギー、２重エネルギー、スペクトルＣＴ、ＰＥＴ、ＳＰＥＴ、ＭＲＩ、及び／又は磁性粒子に基づくイメージング、並びに光音響及び光学イメージング及び分光法を含むＣＴのために開発されたアルゴリズムを使用するなどのＸ線イメージングによって識別可能な造影剤、領域の定量化及び可視化に使用するための化学反応。
・対象領域におけるエネルギー、又は化学的に温度変調した構成要素の定量化、同定、識別、及び特徴づけを含むタスクを行うための、アルゴリズム、ハードウェア、及び化学反応。化学修飾は、ｐｈ、又は分解して、特定の造影剤コンジュゲートリガンドに結合可能な高親和性エピトープを有する特定のタンパク質分子を形成する酵素の触媒機能、若しくはプロテアーゼなどの酵素機能を指すことができる。タスクは、時間依存性及び／又は反復性とすることができ、ＣＴに、並びに、時間及び放射線レベルの検討において各モダリティーの制限を克服できるのであれば、場合によって、ＣＴ、ＳＰＥＴ、ＰＥＴ、ＭＲＩ、光学及び音響方法に適用可能なものを含む。例えば、内因性分子若しくはイオン由来の造影剤のトラッキング、又は、光計数検出器、ＰＭＴ及びフォトダイオード、及びＸ線若しくはＸ線シンチレーション可視光に感応性の１Ｄ若しくは２Ｄ検出器などの使用される検出器の設計若しくは速度によって可能な限り、超高速Ｘ線又は超高速レーザーが可能とするもの、例えば、ピコ秒若しくはフェムト秒での測定までの小さい時間差における、１つ以上の構成要素の動的フロー及び移動、及び分子相互作用の動態のトラッキング。定量化及び分析は、深層機械学習人工知能、特にＣＴ、又はＰＥＴ、又はＭＲＩ、又は光学的方法に適用可能なものを使用することを含むことができる。
・Ｘ線顕微鏡法の現行の方法を、Ｘ線を可視光に変換するためシンチレータースクリーンを追加することによってなどでナノメーター範囲まで、超高分解能での定量的測定のための可視光光学系に適応させる。また、Ｘ線顕微鏡法において既知の従来のＸ線光学系及び可視光光学系は、サンプル測定の性能及び分解能をさらに高めるため、任意で追加することができる。
・測定したデータを記憶、使用、転送するためのサイバーセキュリティー特性を有するソフトウェア。
・携帯型ハードウェアアセンブリは、携帯型Ｘ線源、シールド、持ち運ぶためのケース及び付属品、又は移動させるためのハードウェア、又は格納するためのケースを含む。
・１つ以上のエネルギーレベルのＸ線源。
・シンクロトロン、シンクロトロン型、又は直線状加速器型のＸ線源。
・１つ以上のエネルギーレベルの冷陰極Ｘ線源。
・例えば、図１５Ａに示すような磁気プレート又はソレノイドコイルに基づく偏向装置などの磁気機構を使用して、内蔵の電子ビーム偏向器を有することができる冷陰極、ナノチューブ又はナノワイヤに基づくタイプを含むＸ線源。こうした磁気機構は、ナノチューブに基づくＸ線源の操舵に限定されるものではなく、Ｘ線放射線を生成する種々のタイプのＸ線源、又はナノチューブの種々の領域が電子ビームを生成するため又は様々な空間位置でＸ線ビームを生成するように電子ビームを操舵するために活性化又は不活性化されるナノチューブ源における、すべての電子ビーム操舵に有用とすることができる。例えば、そうしたタイプのナノチューブ源放出位置は、電子ビームの生成のためフィールドエミッター領域又は各フィールドエミッターの領域を非活性化又は活性化することによって、操舵又は移動させることができる。Ｘ線放出位置、又は画素化Ｘ線源などの複数のＸ線放出位置を有するＸ線源の移動は、本開示に記載する多次元Ｘ線イメージング及び３Ｄイメージングに使用することができる。
・その一部が内蔵型光ビーム位置操舵機構、例えば、光ビーム操舵又は光電子増倍管位置移動機構を有する、ＰＭＴに基づくカソード、冷陰極のタイプを含む光に基づくＸ線源。
・内蔵型電子ビーム位置操舵機構、例えば、光ビーム操舵又は光電子増倍管位置移動機構を有する、冷陰極、カーボンナノチューブを有するタイプを含む飛行時間型Ｘ線源。
・各個々の位置のためターゲットへの放射線を低減した、各回で異なる放射線パスの、直鎖加速Ｘ線源。
・冷陰極を有するタイプを含む液体金属アノードＸ線源。
・測定データからの散乱Ｘ線の内挿。
・Ｘ線細ビーム照射方法のための散乱Ｘ線の内挿。
・直線、立方体、余弦、及び／又は径方向グリッドを含む測定データからの散乱Ｘ線の内挿。
・ｎｍより小さい又はｎｍ又はμｍ又はｍｍ又はｃｍ範囲における種々の寸法のＸ線細ビームの種々の空間密度分配を有する、構造化照射。
・各回に行われる測定における各ビームサイズが、異なって空間的に分布する１つ以上のビームにおいて変化し得る、構造化照明。
・本明細書に開示する構造化照射方法に使用されるハードウェア製品。
・構造化照射方法における１次Ｘ線の演繹、種々の内挿方法のためのソフトウェア、アルゴリズム。
・互いに離間して分布させた、図６に示すような複数のビーム吸収体粒子であって、各吸収体は、種々の形状及び容積であってもよく、又は互いに類似していてもよく、そして特定の領域でＸ線を通過させるため、１つ以上の孔、若しくは種々の厚み、若しくは吸収特性を有していてもよい、１つ以上の装置を含み、Ｘ線源と対象との間、又は検出器と対象との間に配置することができる、分布させた透過孔を有する１つのビーム吸収体コリメーター、又はそうしたビーム吸収体コリメーター若しくは図６のようなビーム吸収粒子プレート１０５の積層体を使用することを含む、１つの検出器を用いて単回のショットで散乱線除去イメージ及び／又は物質分解を得るハードウェア及び方法。そうしたビーム吸収体は、所定の方向に向けたときＸ線を完全に遮断し、他の方向に向けたとき（例えば、角度をなして移動させたとき）透過を可能にし、透過のレベルは０～１００％まで変化する。空間の少なくとも１つの軸におけるそうした装置の位置は、複数の照射又はイメージングを行うとき１次Ｘ線が遮断される位置が異なるように、移動させることができる。
・互いに離間して分布させた、図６に示すような複数のビーム吸収体粒子であって、各吸収体は、種々の形状及び容積であってもよく、又は互いに類似していてもよく、そして特定の領域でＸ線を通過させるため、１つ以上の孔、若しくは種々の厚み、若しくは吸収特性を有していてもよい、１つ以上の装置を含み、Ｘ線源と対象との間、又は検出器と対象との間に配置することができる、分布させた透過孔を有する１つのビーム吸収体コリメーター、又はそうしたビーム吸収体コリメーター若しくは図６のようなビーム吸収粒子プレート１０５の積層体を使用することを含む、１つの検出器を用いて２つのイメージにおいて散乱線除去イメージ及び／又は物質分解を得るハードウェア及び方法。そうしたビーム吸収体は、所定の方向に向けたときＸ線を完全に遮断し、他の方向に向けたとき（例えば、角度をなして移動させたとき）透過を可能にし、透過のレベルは０～１００％まで変化する。空間の少なくとも１つの軸におけるそうした装置の位置は、複数の照射又はイメージングを行うとき１次Ｘ線が遮断される位置が異なるように、移動させることができる。ハードウェアのそれぞれは、第１のイメージから高解像度散乱信号を導き出すために使用することができ、第２の高解像度イメージは、高解像度散乱線イメージを第１のイメージから減算した後、高解像度１次イメージを生成するために撮ることができる。
・マイクロ粒子間の相対位置が固定できるとき、粒子装置全体を移動させるため、移動又は回転は機械又はエネルギーに基づいたものとすることができる。
・各ユニットのマイクロ粒子の相対位置は、例えばＭＥＭ型装置における、アクチュエーターなどの機械的方法によって、又は超音波若しくはレーザー若しくは電圧若しくは磁力などの電気的方法などのエネルギーに基づくものによって、少なくとも１次元において移動させることができる。
・ビーム吸収粒子同士の間の媒体は、液体、又は空気、又は例えば板など構造化したポリマー、ベリリウムなどの半透明材料とすることができる。
・各液晶セルが、位置に関して調整することができるＸ線吸収体を有する、液晶装置。
・Ｘ線が透過できる又はＸ線に対して不透過であるように調整することができる、結晶のユニット。
・各粒子は、散乱Ｘ線信号又は光又は電気信号を全体的に構成する少なくとも１画素又は複数の画素を散乱Ｘ線信号から得ることができるように、Ｘ線ビームを遮断する、又は１次Ｘ線が検出器に到達しないようにすることができる。そうした画素は、ｎｍ範囲又は０．０１ｎｍ～１０ｍｍ範囲ほども小さいサイズを有することができる。Ｘ線信号はシンチレーションされ、イメージングのため可視光に変換することができる。
・第２のイメージを所定位置のビーム吸収粒子なしで撮る場合、散乱線測定、内挿イメージ、及び１次イメージは、高解像度散乱イメージ、ゆえに、同じサンプルの高解像度１次イメージの導出に使用することができる。言い換えると、そうしたビームセレクターは所定位置から完全に移動する。
・同じイメージを同じ領域のサンプルから撮る必要がある用途において、ビーム吸収粒子は、異なる位置にわずかにずらすことができ、第１のイメージにおける遮断された１次イメージは、サンプルにおける同じ対象領域から撮った、１つ以上のイメージの抽出データから導き出すことができる。
２ＤのＸ線イメージングシステム又はその部品（ハードウェア及び／若しくはソフトウェア）又はそれを使用する方法、又は上述の後付けキットは、使用に応じた方法を用いて提供することができる。例えば、使用は、１人の患者、若しくは１つの対象の１つのイメージ若しくは複数のイメージ、若しくは測定したＸ線イメージから導出した１つ以上のイメージの出力を得ること、又はイメージ分析結果からの１つ以上の情報を抽出すること、又は１つ以上の診断若しくは治療処置のためのデータを提供することの、１つ以上として定義することができる。
あるいは、料金を、同等のシステムの小売価格のごく一部として計算することができる。２ＤのＸ線イメージングシステム又はその部品（ハードウェア及び／若しくはソフトウェア）又はそれを使用する方法、又は上述の後付けキットは、無料で提供することができる。
２ＤのＸ線撮影をＸ線顕微鏡並びに／又はスペクトルＸ線測定並びに／又はスペクトルＸ線吸収測定、並びに／又は時間依存性及び／若しくは高空間分解能及び／若しくは高スペクトル分解能検出器と組み合わせた、つまりハイブリッド定量Ｘ線システムの例。
本開示において、散乱線除去方法は、３Ｄイメージ及び／又は定量的分析を行うため、顕微鏡及び／又は吸収測定をＸ線撮影技術と組み合わせることにおいて支援をすることができる。
従来より、３ＤのＸ線顕微鏡を使用して対象の３Ｄイメージを再構築するように１８０°で対象全体を撮るため、複数のイメージが典型的に必要とされる。回転させる必要があり、高分解能及び定量的測定を行うため必要とされるハードウェアにより、３ＤのＣＴ及び３Ｄ顕微鏡装置は時間を費やすだけでなくかさ高くなる。３Ｄ顕微鏡システムは、一般的に携帯に適さず、特に病院、研究所、外科センター、又は移動型診断及び外科施設の外部に適さない。対象は、回転ＣＴに基づくシステムでは比較的高い放射線量を受けることがある。
多重ビーム２Ｄイメージングはイメージング視野、及びより大きい領域を網羅する速度を拡張することができるが、対象を中心とする回転動作又は対象の回転が、Ｘ線顕微鏡における３Ｄイメージングを得るため、なお必要とされている。逆ジオメトリ（ｉｎｖｅｒｓｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ）ＣＴ断層撮影に基づく技術は、対象を通過する前に孔を通って放出されるスキャン型Ｘ線源と組み合わせた、これらの孔を有する２次元（２Ｄ）コリメーターの使用を必要とする。第３軸における得られた３Ｄイメージは、十分に高い解像度を有さないことがあり、正確な位置情報を含む定量的情報、及び３ＤのＣＴスキャナーで一般的に得らえる定量的情報を提供できない。
複数のＸ線ビームの信号が個々に測定及び記録される場合に対象をプローブするとき、対ノイズ比(SNR)を向上させることができる。また、複数の平行なＸ線ビームに曝露されている間に、対象の位置を体系的に（例えば、ｘ座標及びｙ座標において）スキャンすると、Ｘ線ビームが対象と相互作用する様々な座標における特性の体系的「マップ」が、同じ領域をスキャンするため単一のＸ線プローブを使用するときよりもはるかに高速に作成されることができる。対象に対するＸ線放出位置の相対位置を６次元で移動させること、及び／又は、様々なプロトコルに従って対象をスキャンすることによる、より速い断層撮影及びスペクトル測定分析が、コーンビーム形状で放射した１次Ｘ線ビームを使用して得られるが、１次Ｘ線ビームの各ビームはその隣接する１次ビームからの空間的ギャップを有し得る。ギャップは、検出器にて検知するとき１画素又はそれ以上とすることができる。あるいは、対象を照射するため、平行化Ｘ線ビームを生成することができる。
しかしながら、前述の多重ビームシステムにおいて、いくつかの制限が存在する。Ｘ線が対象及び検出器に到達する前に、既存のビームマスクをＸ線源からのビームパスに配置する必要がある。回転又は３軸の方法がなお３Ｄイメージングに使用されるとき、この多重ビーム方法を利用する使用法及びサンプル範囲は３Ｄイメージングにおいて制限される。この多重ビーム方法を機能させるため、必要とされるＸ線顕微鏡サンプル寸法を満たすように、対象は薄いものとする必要がある。さらに、そうした多重ビーム方法は、さらに詳細な高分解能顕微鏡イメージングのため対象領域を位置特定するＸ線顕微鏡検出器の上流の２Ｄ検出器に基づく全視野Ｘ線イメージングと組み合わせない。
任意で、光子計数検出器及びＰＭＴなど、全視野Ｘ線検出器よりも高速なフレームレート及び高い分解能を有する検出器を、全視野Ｘ線検出器の下流に配置することができ、Ｘ線顕微鏡に使用するＸ線光学系を使用せずに、選択した対象領域をイメージングするために使用することができる。
また、Ｘ線スペクトル吸収測定又はＸ線スペクトル測定を、選択対象領域における２Ｄ及び３Ｄの両イメージング並びに高スペクトル分解能のためＸ線撮影装置と組み合わせることができる。一般に、Ｘ線吸収測定は、２重エネルギーシステムを使用する骨のデンシトメトリーに限定される。従来より、Ｘ線吸収測定は、軟部組織のものと異なる骨組織によるＸ線の吸収に基づいて骨密度を定量化するため、脊椎にわたってスキャンするように直線状スキャナーで行われる。そうしたシステムは限定的な用途を有し、時間を費やすとともに、得られる解像度において制限される。対象における様々な構成要素の分析のため２重エネルギー吸収測定を使用するインビボの研究は、特有なハードウェアの複雑性、必要とされる時間、限定的な解像度のため、未だ広く採用されていない。
さらに、従来のＸ線撮影は、各用途の要件が異なるので、Ｘ線源における制限により、Ｘ線顕微鏡又は吸収測定と即座に組み合わせられないこともある。また、散乱の干渉は、全視野Ｘ線イメージングにおける定量的分析のための定量可能な１次Ｘ線イメージの形成に影響し得る。さらに、Ｘ線全視野イメージング、及びＸ線顕微鏡システムの両方における多次元測定の回転要件は、大きな寸法の定量的測定、及びＸ線顕微鏡で得られる高分解能測定を達成するために両方を組み合わせることの現実性を限られたものにする。例えば、インビボの測定において、全視野Ｘ線が共配置及びサンプル分析のためのより大きい寸法の定量的測定及びイメージングを網羅しながら、Ｘ線顕微鏡又は高分解能スペクトル測定又は高分解能フォトダイオード、ポイント、１Ｄ、及び小２Ｄアレイ検出器は、単一の細胞又は分子、希少細胞又は細胞の小クラスター、及び分子関連イベント及び形態及び存在を明らかにすることができる。
本明細書に開示する物質分解及びイメージング方法を使用して、さらに詳細なスペクトル測定、吸収測定、並びに／又は顕微鏡イメージング及び分析、並びに／又はより高速なフレームレートのイメージングのため、Ｘ線撮影を、図１Ａにおける対象の対象領域４ｓのように選択することができる。本開示は、選択した対象領域４ｓを調べるため１つ以上のＸ線ビームを有するＸ線イメージング、測定、及び定量的分析システムを提供する。システムの機能性は、選択した対象領域４ｓの、２Ｄ２重、若しくはスペクトルイメージング、３Ｄ全視野Ｘ線イメージング、３Ｄ全視野及び／若しくは単一、２重エネルギー、若しくは多重エネルギーイメージング、非回転２Ｄ及び３ＤのＸ線顕微鏡、並びに／又はポイント、１Ｄ、２Ｄ、若しくは３Ｄスペクトル吸収測定、若しくはスペクトル測定を含むことができ、例えば、２Ｄ又は多次元又は３Ｄ次元の全視野イメージング及び／又はスペクトルイメージングの結果としての１つ以上の条件に基づいて、４ｓを、ユーザーが選択又はプロセッサーのデジタルプログラム１３が選択する。システムは、任意で、または２ＤのＸ線顕微鏡又は３ＤのＸ線顕微鏡又はスペクトル吸収測定又はスペクトルＸ線測定のいずれかを備えた１つの検出器及び／又は複数のＸ線ビーム構成を使用して、対象領域４の全視野又は選択した対象領域４ｓにおける散乱線除去を行うことができる。あるいは、散乱線除去は、顕微鏡及び３Ｄ顕微鏡組立体においてその間にビームセレクターコリメーターを備える２重検出器を使用することができる。システムは、選択した対象領域４ｓ、ターゲット、及び構成要素のポイント、１Ｄ～３Ｄ、及び４Ｄ次元における、高スペクトル分解能スペクトル測定、及び／又はＸ線顕微鏡による詳細な高空間分解能測定若しくはイメージング、及び／又は高空間分解能検出器、及び／又は高速スペクトル測定、及び多次元及び３Ｄ測定及びイメージング、を組み合わせた全視野イメージングのハイブリッドシステムと考えることができる。
散乱線除去は、本明細書に開示のハイブリッドシステムにおいて本開示に記載されるような前述のハードウェア及び方法によってなすことができる。
対象領域４は、１つ以上の構成要素を有することができる。各構成要素は、種々の組成、若しくは複合物質、若しくは不均質な物質、若しくは均質な物質、及び／又は２つ以上の物質の界面領域、又は種々の原子ｚ番号、若しくはＸ線測定可能な特性の物質のものとすることができる。
本開示に開示する物質分解方法は、対象領域における各構成要素の密度、厚み、組成、Ｘ線測定可能な特性を測定するために使用することができる。あるいは、基底関数スペクトルＸ線イメージング方法、並びに、スペクトルＣＴ、及び２重若しくは多重、若しくはスペクトルＸ線イメージングに使用される他の方法及びアルゴリズム、又は先行技術のものも使用することができる。
ハイブリッドシステムにおけるハードウェアの配置
ハードウェアは、所定位置にて静的であり、すべてのＸ線測定モジュールが、対象領域を位置特定して１つ以上のソースから構成要素を調べる能力をなお保持しながら、対象にアクセスできるように、角度をなして配置される。ハイブリッドシステムにおける選択した対象領域の測定のための１つ以上の検出器又は関連するハードウェアは、対象と反対側の、全視野フラットパネル検出器から下流に配置することができる。
全視野検出器は対象に最も近接して配置することができる。また、ハイブリッドシステムのための他のハードウェア及び他の検出モジュールは、対象の反対側において同じＸ線源又は異なるＸ線源を使用して全視野イメージングのためのフラットパネル検出器に対して角度をなして配置することができる。
あるいは、フラットパネル検出器は、他の検出モジュールから最も遠くすることができる。
スペクトル吸収測定は、フラットパネルＸ線検出器から下流に、又はフラットパネルＸ線検出器及びその関連ハードウェアと対象との間の上流に配置することができる。あるいは、フラットパネル検出器を除いて、すべてのハードウェアは、Ｘ線源と対象との間、若しくは対象とフラットパネル検出器との間の位置に、及びその位置から移動させる、又はフラットパネルを異なる位置又はフラットパネル検出器の下流にずらした後フラットパネル検出器の位置に移動させることができる。
単一又はスペクトルＸ線顕微鏡に必要とされるハードウェアは、集光器を含むことができる。同じ又はさらなるＸ線源ビーム開口を使用する場合、これらはＸ線源と対象との間に配置することができる。対象、並びに光子計数器及びシリコンシフト検出器及びエネルギー感応検出器を含む検出器又は検出器モジュールは、図３６Ａ～Ｂに示すようにフラットパネル検出器の上流又は下流のいずれかに配置することができる。一部の場合において、ハイブリッドシステムは、対象を中間にして、互いから斜めとすることができる。
図１２Ｂ及び１２Ｃに示すように、２Ｄ又は３Ｄの全視野Ｘ線イメージングは、対象から離れて、全視野Ｘ線イメージング検出器１４の下流に、又は対象と全視野Ｘ線イメージング検出器１４との間に配置することができる、より高速なフレームレート及び／又はより高いスペクトル分解能及び／又はより多くのエネルギー感応検出器又は検出器セル３２０と組み合わせることができる。例えば、全視野Ｘ線イメージング検出器１４より小さい高速フレームレート２Ｄ検出器、又はポイント検出器、又は１Ｄ直線状アレイは、選択した領域又は選択した構成要素又は選択したターゲットをさらに定量的に分析するように、より高い空間分解能、及び／又はより高いスペクトル分解能、及び／又はより高いフレームレートでさらなる情報を取得するために使用することができる。
そうしたハイブリッドシステム検出器３は、対象領域における選択した領域４ｓを通って投影されたＸ線を測定するように、動的にそれ自体を空間的に位置決めするため、機械的に６Ｄ空間において移動することができる、又は好ましくは、例えば、動力器によって検出器１４と平行なｘ及びｙ平面において移動することができる。
同様に、スペクトル測定若しくはスペクトル吸収測定の検出モジュールに関するハードウェア、又はＸ顕微鏡における対物レンズ及び検出器は、対象及びＸ線源と反対側の全視野検出器から下流、又は対象と全視野Ｘ線検出器との間のいずれかに配置することができ、Ｘ線顕微鏡システムの集光器及びビーム開口、又は照射モジュールは、対象とＸ線源との間に配置することができる。
または、例えば１１、１５のそうしたハードウェアは、全視野Ｘ線検出器１４が動力器によってＸ線ビームの見通し線から外れるように移動するとき、全視野Ｘ線検出器の位置に動力器によって移動させることができる。任意で、選択した対象領域４ｓの詳細な分析のための、ハイブリッドイメージングハードウェアのサブモジュール、例えば、１１又は１５は、例えば、ソース１２からのＸ線ビームが、当初のパスと異なる角度から、又は異なるＸ線源を使用して４ｓを照射するようにＸ線光学系又は関連組立体によって操舵される場合、同じソース１２で、全視野検出器１４から角度をなして配置することができる。
多重エネルギーＸ線源配置
本開示のＸ線システムは、例えば、対象２に対して検出器１４の反対側の様々な空間位置から同じ対象領域Ｒ１を照射するため、１つを超えるＸ線源を有することができる。例えば、図３５Ａに示すように、検出器の領域は、Ｘ線源のそれぞれに対応して読み取ることができる。各ソースは、他のソースとは異なる１つ以上のＸ線エネルギー又は波長を生成することができる。各Ｘ線源によって生成された測定値に基づいて２Ｄ及び３Ｄイメージの両方を生成することができる。これは、多重エネルギー用途において測定の速度を高めることができる。
さらに、２つ以上の検出器２４が対応するＸ線源からの対象領域Ｒ１におけるＸ線出力を収集するように、さらなる検出器を図３５Ｂに示すように使用することができる。
Ｘ線源
任意の適切なＸ線管が、フラットパネルＸ線検出器、２Ｄ検出器、１Ｄ検出器、並びにフォトダイオード及び光子計数器、又はＸ線顕微鏡、又はＸ線スペクトル測定及びスペクトル吸収測定を使用してＸ線全視野イメージングに使用することができる。多色特性のＸ線管を使用することができる。Ｘ線吸収測定を多色ソースで行うとき、対象領域におけるハイブリッドシステムでの詳細な分析のための選択した領域を、１つの条件若しくは一式の条件に基づいて全視野Ｘ線イメージングの結果から又はユーザー若しくはコンピューターの入力から決定する。ＳＮＲは、種々の波長において全視野Ｘ線イメージと比較することができる。多色Ｘ線源は、Ｘ線モノクロメーター、又はＸ線波長若しくはエネルギーフィルター、又はポリグラファイトから作製される鏡などのＸ線光学系を使用してなどで、単色ソースに変換することができる。マイクロソース、シンクロトロンソース、若しくはシンクロトロン型若しくは直線状加速器に基づくもの、又は類似のタイプのソース、又はレーザーコンプトン散乱ソースを使用することができる。鏡、例えば熱分解グラファイト鏡と共に使用するＸ線管は、望まれるエネルギーのためのブラッグ角を画定してファンビーム源として機能する出射スリットを含むことができる。また、ナノチューブ又はナノワイヤに基づくＸ線源も使用することができる。
Ｘ線マイクロソースのアレイを生成するソースは、本明細書に開示するような構造化照射のために、対象に投影することができる。当初のＸ線ビームを空間的に分割可能な結晶又はＭＥＭ装置、屈折格子、又はＸ線光学系は、空間的に分離して、疎に分布させた複数の細ビームを生成することができる。あるいは、選択領域において選択的にＸ線ビームを透過させる孔を有する回転ディスクを、マイクロビーム発生器として機能させることができる。対象領域全体における対象の最終イメージは、細ビームがスティッチングを可能にするように空間的に配置される場合、細ビームによって生成されたイメージからモザイクのように共にスティッチングすることができる。
本明細書に開示するＸ線システムは、空間分解Ｘ線透過分析を行うことができる。入射Ｘ線ビームを対象に向けるとき、Ｘ線は投影パスに沿って透過することができる。入射Ｘ線ビームは、コーンビーム又はファンビーム又はポイントビームとすることができ、Ｘ線細ビームのアレイを含むことができる。透過Ｘ線は、空間分解Ｘ線検出器で測定することができる。
また、本明細書に開示するＸ線システムは、位相コントラスト分析を行うことができる。入射Ｘ線ビームを２つに分割して、対象に向けるとき、Ｘ線は投影パスに沿って透過し、下流で合わさって検出器において干渉パターンを形成することができる。
本明細書に開示するＸ線システムは、位相コントラスト情報又は空間分解Ｘ線回折分析を行うようにハードウェア及びソフトウェアを含むことができる。入射Ｘ線ビームは、回折Ｘ線を生成するように対象に向けることができる。入射Ｘ線ビームは細ビームとすることができ、Ｘ線細ビームのアレイを含むことができる。回折Ｘ線及び／又はインターフェログラムは、空間分解Ｘ線検出器で測定することができる。
本明細書に開示するＸ線システムは、空間分解Ｘ線蛍光分析を行うことができる。Ｘ線励起ビームは、蛍光Ｘ線を生成するように対象に向けることができ、Ｘ線励起ビームはＸ線マイクロビームの平面アレイを含む。個々のＸ線マイクロビームは、それぞれ２桁の低ミクロンより小さい直径を有することができる。蛍光Ｘ線は、Ｘ線イメージング光学システム並びにエネルギー分解及び空間分解Ｘ線検出器を含むＸ線イメージングシステムでイメージングすることができる。Ｘ線イメージング光学システムは、その対象平面がＸ線イメージング光学システムの被写界深度内でマイクロビームの平面アレイの平面と同一平面上であるように配置されたＸ線励起ビームによって対象が照射されるときに生成される蛍光Ｘ線を収集することができる。エネルギー分散、空間分解Ｘ線検出器は、Ｘ線光学イメージングシステムのイメージ平面に配置することができる。
開示のシステムにおけるＸ線源は、対象を照射するために使用され得る「タルボ干渉パターン」と呼ばれる空間において自己複製ビームのセットを生成する「ビームスプリット」格子を照射することができる。１つ以上のビームのそれぞれは、例えば、対象の表面においておよそ２桁の低ミクロン以下の直径を有する、高解像度を有することができる。対象のイメージを生成する、１つ以上の投影細ビームは、１次元及び／又は２次元において高解像度を有することができる。
Ｘ線光学組立体は、Ｘ線源側及び／又はＸ線顕微鏡検出器側において利用することができる。Ｘ線全視野イメージング検出器を顕微鏡方法と共に使用するとき、Ｘ線光学系は、好ましくはＸ線顕微鏡検出器側において適用することができる。
光学組立体は、反射面の少なくとも一部が放物面状又は楕円体状である１つ以上の光学系を含むことができる。光学系は、任意で、その反射面において放物面状であり、楕円体プロファイルが続くとすることができる。Ｘ線光学組立体は、コリメートレンズ又は光学系、及び集束レンズ又は光学系を含む２つの放物面を含むことができる。
光学組立体は、軸方向に対象の光学系の中心を通って透過するＸ線を除去する１つ以上の中心ビームストッパーを含むことができる。光学組立体は、当該技術分野で、例えば共焦点光学系を使用する調査システムで既知の任意の適切なＸ線光学素子を含むことができる。光学系は、光学系の側部を通って透過する（１次透過Ｘ線顕微鏡構成のためなどの）１次Ｘ線又は蛍光、回折、及び／若しくは干渉計構成において光学系の側部を通って透過するが反射されないＸ線のもの以外、ビームパスＸ線からＸ線を除去する開口素子を含むことができる。Ｘ線光学組立体は１つ以上のゾーンプレートを含むことができる。
Ｘ線光学系は、複数のＸ線入力ビーム視野を許容するためより大きい入力視野角を許容するように、単一ビームタイプと比較してより大きい視野を有することができる。
スペクトル測定若しくは吸収測定及び／又は顕微鏡構成の例
図１２Ａ～１２Ｃは、全視野Ｘ線イメージング検出器とスペクトル吸収測定１１（図１２Ａ）又は顕微鏡１７（図１２Ｂ～１２Ｃ）との例の組合せを示す。図１２Ａ～１２ＣにおけるＸ線システムの全視野Ｘ線イメージングの態様は、図１Ａ及び１ＢにおけるＸ線装置１０の任意の特徴を有することができる。図１３Ａ～１３Ｃは、ハイブリッド構成に基づく測定及び分析方法のいくつかの例を示す。
Ｘ線吸収測定又はＸ線スペクトル測定は、１つ以上の構成要素を含む対象を摂動させて、Ｘ線吸収又は減衰又は透過特徴及び密度特徴に基づいて物質及び構成要素を分析及び識別するため、２重多重エネルギー若しくは波長、又は広帯域Ｘ線を使用する。この技術は、種々のＸ線エネルギーの摂動、又はより具体的には、例えば、エネルギー分散格子及び空間感応検出器若しくはシリコンドリフト検出器を組み合わせたエネルギー感応検出器、光子計数検出器、ＰＭＴ、若しくはｘ線光学系組立体を使用して、対象による１次Ｘ線の吸収を測定する。この技術は、物質の３Ｄ定量分析、並びに、対象又は対象における他の物質及び構成要素に対する、３Ｄ及び６Ｄ空間並び時間におけるそうした物質の位置特定及び位置決めを提供するため、本明細書に記載する３Ｄイメージングと組み合わせることができる。骨のためのイメージングエネルギー、及び軟部組織のためのイメージングエネルギー、及び一部のＫエッジエネルギーレベルなど、多数のスペクトルが典型的に選択される、２ＤスペクトルＸ線イメージング又は３ＤスペクトルＸ線イメージング又はスペクトルＸ線断層撮影のように、より大きなイメージング領域ではなく、スペクトル吸収測定では、対象を照射するため、複数の様々な離散エネルギーレベルを連続的に適用する、又は広帯域Ｘ線スペクトルを使用することができる。光子計数器又は格子検出器又は１Ｄ若しくは２Ｄ検出器を、エネルギー分散格子と組み合わせることができる。複数チャネルの吸収測定又はスキャン型Ｘ線吸収測定は、より大きい視野を得るとともに、より高い感度を保持するため使用することができる。得られるスペクトル分解能は、０．０１ｎｍほども高くすることができる。
複数チャネルの吸収測定又はスキャン型スペクトルＸ線測定又はスキャン型Ｘ線吸収測定は、より大きい視野を得るとともに、高い感度を保持するため使用することができる。
Ｘ線ビームサイズ、ゆえに吸収測定の放射線レベル及び対象領域における該技術の感度を制限するため、種々の装置及び方法を使用することができる。使用するため選択した検出器がはるかに高い感度を有するとき、対象領域の３Ｄ特徴は、より容易に明らかにされて検出することができる。３Ｄイメージングは、対象領域の吸収測定データに対する３Ｄ相関に使用することができる。例えば、ビームサイズ調節素子は、固定若しくは調節可能な開口、又は１つ以上のＸ線吸収材料に基づくビームセレクターとすることができる。Ｘ線源においてＸ線ビームを生成するように使用される電子ビームのための選択したターゲット領域の調節可能な位置又は特性は、小さいビームサイズのＸ線を生成するために使用することができる。一部の場合において、放出Ｘ線源の下流の、ＭＥＭ装置又は変調結晶などのチューナブルＸ線変調器は、対象における選択した対象領域のみを照射するように視野を制限するために使用することができる。
図１２Ａに示すように、システムは、Ｘ線源１２、対象２、全視野Ｘ線検出器１４、及び吸収測定組立体１１を含むことができる。Ｘ線源１２は、対象を透過する多色又は単色のＸ線を生成する任意のタイプのソースとすることができる。検出器１４は、任意でエネルギー感応タイプのものとすることができる。全視野Ｘ線検出器１４は、より大きい視野のイメージングを得るように、対象２とスペクトル吸収測定光学系との間に配置することができる。対象領域４は、スペクトル吸収測定分析のために選択することができる。また、検出器１４は、スペクトル吸収測定時に移動又は除去することができる。全視野Ｘ線検出器が除去されない場合、吸収されないＸ線は全視野Ｘ線検出器を通過する。任意で、全視野Ｘ線検出器及びＸ線光学系は、イメージプロセッシング時のそうしたハードウェアに関する干渉信号の抽出を可能にするため測定前にキャリブレーションステップを行うことができるので、Ｘ線吸収測定時に、移動させてもよい又は移動させなくともよい。
Ｘ線ビーム３０は、対象領域４を通過し、任意で全視野Ｘ線検出器１４を通過した後、結晶又は回折格子又はエネルギー分散格子などの素子を含み得る回折素子３４０に到達することができる。回折素子３４０は、Ｘ線ビームを、様々なエネルギー及び／又は波長の多重Ｘ線ビーム３４１に分割及び回折させることができる。特定のＸ線光学系３３０は、回折素子３４０によって分散したエネルギーとなるように、Ｘ線ビーム３４１を好ましい方向に操作、集束、又は操舵させるため、ビームパス、例えば、対象２と回折素子３４０との間に配置することができ、各エネルギーレベル又は波長は他とは異なる空間位置に達し、測定のため検出器３４５に向けられる。検出器３４５は空間感応検出器とすることができる。光学系３３０は、Ｘ線ファンビームをより小さいビームサイズにさらに減縮することができる望遠レンズとすることができる。あるいは、光学系３０は、対象から出射された１次Ｘ線を収集して、出力Ｘ線寸法をより小さい領域に集中又は集束させ、これを下流のエネルギー分散格子及び検出器によってさらに処理することができる。有利には、可動部品は存在しないとすることができる。選択した領域をリアルタイムで測定することができる。
開口などのビームストッパーは、種々のソースの干渉Ｘ線又は対象の測定に有用でないＸ線を遮断するために使用することができる。あるいは、格子素子３４０は、Ｘ線を、種々のエネルギーレベル又は離散波長のＸ線ビーム３４１に、色に関して透過及び分散させることができる。
吸収測定組立体は、シリコンドリフト検出器、シリコンリチウム検出器などのスペクトル感応検出器３４５、若しくは回折結晶若しくは合成多層部などのＸ線波長分散素子と組み合わせて使用される任意のタイプのＸ線検出器若しくは検出器組立体、若しくはフォトダイオード、光子計数検出器などのＸ線感応測定素子の直線状アレイを含むか、又はＸ線信号を可視光子信号に変換するために上流にシンチレーターを有する任意のタイプのＸ線感応カメラ若しくはエネルギー計数検出器若しくは光増倍管を含むことができる。空間感応検出器３４５は、Ｘ線ビーム３４１を測定可能であり、検出器３４５の各画素位置又は各領域は特定のエネルギーレベル又は波長レベルで信号を収集する。このように、空間位置感応Ｘ線検出器３４５は、各離散エネルギーレベルのＸ線からの信号を測定するために使用することができる。開口は、対象空間領域をさらに緻密化するために使用することができる。
あるいは、対象領域の下流の吸収測定組立体は、Ｘ線を空間感応検出器に色に関して分散させることができる、格子システムにＸ線を向ける球状鏡を含むことができる。
任意で、１つ又は複数のチャネルを有するＸ線分光器モジュールは、種々の離散波長で高分解能Ｘ線測定を可能にするために利用することができる。
好適には、スペクトル吸収測定モジュールは、入力から、直線状検出器又は２Ｄ検出器の列などの検出器へとＸ線を移すファイバーを使用するなどで、複数チャネルの測定を可能にすることができる。この構成は、対象における吸収測定のためのより大きい視野を可能にすることができる。
例えばＸ線顕微鏡で使用されるものなど、Ｘ線光学系あり又はなしの相関吸収測定は、形状、厚み、及び／又は位置を含む物理的特徴を測定するためのＸ線顕微鏡及び／又は２Ｄ若しくは３Ｄ全視野Ｘ線イメージングにおける３Ｄ又は多次元測定によって、空間的、時間的、及びスペクトル的高分解能において分子レベルで化学組成を測定することができる。組成は、造影剤などの標識あり又はなしで、分子、細胞、及び／又は異物などの非常に小さい要素の位置特定及び特徴づけを可能にすることができる。
図１２Ｂ及び１２Ｃに示すように、Ｘ線顕微鏡又はスペクトル吸収測定を組み合わせたＸ線顕微鏡は、例えば、詳細なイメージング及び分析のための２Ｄ、多次元、又は３Ｄ構成におけるスペクトル測定あり又はなしのＸ線全視野方法を使用するイメージング及び定量的分析からの結果に基づいて選択した対象領域にズームするために使用することができる。この場合、Ｘ線は好ましくは単色ソースであり、例えば、モノクロメーターが多色Ｘ線源を変調し、集光器がさらにＸ線ビームを焦点に集束させ、焦点の下流で、Ｘ線ファンビームは対象領域を照射し、拡大イメージが、場合によってはゾーンプレートである対物レンズの後部開口に入り、ビームを２Ｄ検出器に集束させる。さらに、３ＤのＸ線顕微鏡は、３Ｄイメージング方法において上述のように適用することができる。吸収測定は、全視野Ｘ線イメージングの直接的な下流ではなく、図１２Ａに記載される構成と類似するＸ線顕微鏡と組み合わせることができる。Ｘ線顕微鏡のためのＸ線源が多色である場合、特にＸ線光学系を例えばＸ線顕微鏡において使用するとき、吸収測定はＸ線顕微鏡検出器の下流とすることができる。
図１２Ｂに示すように、Ｘ線顕微鏡装置１７は、高分解能顕微鏡に必要とされるＸ線光学系を含むことができる。図１２Ｂにおいて、この装置は、対象を照射するため、Ｘ線源１２、集光器などの集束光学系を含むことができるＸ線光学系３０２、及び開口３０４を含むことができる。光学系３０４は、結晶又はモノクロメーター又はＭＥＭ装置又はエネルギー選択Ｘ線フィルター又はトランスミッターとすることができる。装置は、対物レンズ及びリレーレンズを含むことができるＸ線光学系３１０を含むことができる。また、装置は２Ｄセンサー３２０を含むことができる。イメージ対象２は、Ｘ線光学系３０４とＸ線光学系３１０との間に配置することができる。
図１２Ｃにおいて、Ｘ線装置１２００は、対象２とＸ線光学系３１０との間に配置する全視野Ｘ線検出器１４を有することによって、２Ｄ又は３ＤＸ線顕微鏡を全視野Ｘ線イメージングと組み合わせることができる。図１２Ｃにおいて、装置１２００はビームセレクター又はコリメーター２４を含む。ビームセレクター２４は、放出位置１６に対して固定して保つことができる。これは、ビームセレクター２４が固定焦点を有することができるためである。また、ビームセレクター２４が調節可能な焦点を有するので、ビームセレクター２４は放出位置１６に対して固定して保たれなくともよい。コリメーター２４の例の構成を図１５Ｂに示す。例のコリメーター２４及びフラットパネルＸ線前方検出器２２の組立体を図１５Ｃに示す。
あるいは、Ｘ線顕微鏡は、例えば図６に示すようなビーム吸収粒子プレート、又はＸ線透過のための所定のサイズの孔を埋め込んだコリメーター若しくはビームセレクター、若しくはそうしたビームセレクターの積層体を使用する散乱線除去装置で変えることができる。
Ｘ線光学系３０２は、Ｘ線ビーム３０を集束し、及び／又は、フィルタリング又は結晶及び／若しくは同様のものなどのモノクロメーターによって多色Ｘ線を単色細ビームに変換することができる。例えば、ソースが実際に単色のものである場合、変換機能を必要としないことがある。
複数チャネルになされるＸ線吸収測定において、複数のファイバー又は総内反射に基づくＸ線光学系が、対象領域から到達するＸ線を検出器に向けることができる。直線状検出器が吸収測定検出器として機能する場合、複数の直線状検出器は、各直線状検出器が各チャネルに対応するように、複数チャネルシステムに使用することができる。
任意で、Ｘ線吸収測定及び／又は顕微鏡は、複数の対象領域のために複数のチャネルに行うことができる。例えば、図１２Ｃに示すようなＸ線顕微鏡装置は、２Ｄイメージを形成するとともにエネルギー感応性であり得るＸ線検出器を含むことができる。あるいは、上述のものと類似する吸収測定組立体は、Ｘ線顕微鏡に使用される検出器の下流とすることができる。Ｘ線顕微鏡と吸収測定との両方は、全視野Ｘ線イメージングと組み合わせることができる。Ｘ線源は多色とすることができる。装置は、Ｘ線顕微鏡のためのスペクトル感応検出器を含む、並びに／又は、空間感応検出器における信号を生成するため、任意とすることができるＸ線顕微鏡検出器を通過する及び／若しくは回折格子によって分散されるＸ線を分析することができる。
ＭＥＭのチューナブルアレイを有する例の回折格子を図１５Ｅに示す。図示するように、入射角は、ＭＥＭ鏡の中心位置に当たる１次Ｘ線の角度に制限される。ＭＥＭによって回折させたＸ線は、ＭＥＭ位置に対応する第２検出器において収集することができる。以下に記載されるように、格子はまた、Ｘ線の位相コントラスト及び吸収イメージングにおける干渉パターン生成に使用することができる。図１５Ｆは、結晶回折のための入射角、又は結晶面回折のための臨界角を使用する例のビームセレクターを示す。静的２Ｄイメージングにおいて、入射角が所定角度外であるとき、結晶による高エネルギーＸ線の回折は存在しない。動的２Ｄイメージングにおいて、例えば結晶構造における弾性波変調を使用して、ビームセレクターアライメントための可動部品なしで、変調を行うことができる。Ｘ線は、結晶において音波と相互作用することができる。
Ｘ線スペクトル測定、吸収測定、又は顕微鏡法のための入力Ｘ線ビームは、視野を拡大するように、並びに多次元及び３Ｄイメージの構築のため必要とされるイメージ又は測定値を取得するために、対象領域上をスキャンすることができる。Ｘ線ビームは、本明細書に開示するような３Ｄイメージングに使用するような磁気、電磁気、電気、及び機械的方法を含む様々な機構によって移動させることができる。スキャンしたＸ線スペクトル測定値、又は吸収測定又は透過顕微鏡入力は、総視野をさらに増大させて所定の対象領域のイメージング速度を高めるため多重ビーム方法と組み合わせることができる。
多重ビーム構成
検出器のピッチを複数のＸ線源のピッチに一致させることができるので、各画素は、対象の単一のマイクロビームとの相互作用から生じるＸ線のみを検出するように配置され、隣接するマイクロビームに起因する画素間のクロストークを低減することができる。対象の特徴のデータ収集及び最終再構成は、各画素からの特定の信号がさらに逆畳み込みを必要とすることはないということを認識して進めることができる。マイクロビーム間や画素間にクロストークが存在する場合、さらなるイメージ分析は、適切なキャリブレーションでクロストークの一部を除去するために使用することができる。
この一致は、例えば、単一のマイクロビーム、つまり、検出器における１つの画素に形成されるビームのイメージに対する１：１の一致を有する検出器ピッチによって、様々な方法でなすことができる。また、マイクロビームのピッチの整数分の１であるより小さな検出器ピッチ（例えば、２Ｄアレイにおいて、単一のマイクロビームに対応するＸ線を収集するために４個の画素が配置されていることを示し得る、ピッチの２×減縮、又は各マイクロビームに対応するＸ線を検出するために９個の画素が配置されていることを示し得る、ピッチの３×減縮）を使用することができる。検出されるＸ線がいくらかの空間的構造を有する場合、このことはいくらかの利点を与えることができる。
同様に、検査下において対象から生じるＸ線が、拡大Ｘ線システムを生成するＸ線光学組立体を使用して検出器に投影される場合、より大きい検出器ピッチもまた使用することができる。このイメージングシステムは、本明細書に開示する任意のＸ線光学列とすることができる。光学系は、マイクロビームの直径と同等又はそれより大きい視野を有する色消しイメージング光学系として適用することができる。例えば、発散Ｘ線ビームを収集してビームを集束させるように内反射面でＸ線を反射させるため斜入射反射を利用する、軸方向に対称の集光光学系は、１：１イメージを生成するように設計することができる。また、光学系は拡大イメージを生成するために使用することができる。
検出器は、シンチレータースクリーン及び可視光光学系を有するとともにＸ線イメージを形成するため使用される多くの空間分解検出器の任意の１つとすることができる。検出器は、直線状検出器、フラットパネル検出器、エネルギー分解アレイ検出器、光子計数検出器、ＰＭＴ、フォトダイオード、シリコンドリフト検出器、２層及び多層検出器、ビームセレクターをその間に挟んだ２重検出器層、又は同様のものを含む、空間依存Ｘ線強度を電気信号に変換するアレイＸ線検出器とすることができる。
Ｘ線顕微における単一ビーム及び／又は多重ビーム構成において、Ｘ線検出器の例は、Ｘ線に暴露すると可視波長の光子を放出する蛍光スクリーン又はシンチレーターを含む。蛍光スクリーン又はシンチレーターは、ヨウ化セシウム（ＣｓＩ）、タリウムドープＣｓＩ、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ、又はガドリニウムスルホキシレート（ＧＯＳ）の層を含むことができる。生成される光子は、任意で光子の強度パターンを拡張及び拡大するリレー光学系組立体を追加して、可視強度を電気信号に変換するセンサーによって検出することができる。シンチレーター及び電気部品は、各検出器画素が単一マイクロビームに対応するＸ線のみを収集するように薄いものとすることができる。
リレー光学系及び拡大イメージを使用するとき、検出はＸ線光学系の視野に限られ得る。より大きい領域をイメージングするため、複数のイメージを上述のようにモザイクのように組み合わせることができる。
また、各画素内にさらなる構造を有する検出器は、例えば、蛍光信号又は散乱信号又は回折信号、又は当初の照射パスにおける１次Ｘ線を選択的に収集するため、利用することができる。
Ｘ線スペクトル吸収測定のための検出器は、シリコンドリフト検出器、シリコンリチウム検出器などのスペクトル感応検出器、又は回折結晶若しくは合成多層部などのＸ線波長分散素子と組み合わせて使用される任意のタイプのＸ線検出器若しくは検出器組立体のものとすることができる。検出器システムは、感応Ｘ線検出器が各離散エネルギーレベルのＸ線からの信号を測定するために使用する位置の下流で、異なるエネルギー及び波長の複数のＸ線ビームにＸ線ビームを分割して回折する結晶などの回折素子を含むことができる。そうした場合、開口は、対象空間領域をさらに緻密化するために使用することができる。
吸収測定又はＸ線顕微鏡又はその両方と組み合わせた全視野Ｘ線イメージングにおいて、Ｘ線２Ｄフラットパネル検出器は、透過のため、対象と、下流のＸ線光学系及びＸ線検出器との間に配置することができる。最終Ｘ線顕微鏡イメージは、対象とＸ線顕微鏡光学系との間の全視野検出器から生じるアーチファクトを除去するためイメージプロセッシングを利用して導き出すことができる。
あるいは、全視野Ｘ線イメージング検出器のそうしたフラットパネルは、用途において必要とされるときＸ線顕微鏡のイメージング経路の内外に配置することができる。
単一ビーム構成
透過全視野Ｘ線顕微鏡を単一ビームと共にすることができる。さらに、透過、蛍光、干渉計、及び回折Ｘ線顕微鏡を、単一ビームでのスペクトル吸収測定、スペクトル測定、又は分光法と組み合わせることができる。Ｘ線顕微鏡に使用されるのと同じタイプの検出器を使用することができる。透過全視野Ｘ線顕微鏡において、散乱線除去に使用される検出器組立体又は多重エネルギー２重又は多重検出器組立体も使用することができる。
検出器は、シンチレータースクリーン及び可視光光学系を含む検出器システムなどの、Ｘ線イメージを形成するため使用される多くの直線状又は２Ｄ検出器の任意の１つとすることができる。一部の場合において、検出器は、直線状検出器、フラットパネル検出器、エネルギー分解アレイ検出器、光子計数検出器、２層及び多層検出器、及び／又は散乱線除去検出器組立体を含む、空間依存Ｘ線強度を電気信号に変換するアレイＸ線検出器とすることができる。
図１２Ｃに示すように、全視野Ｘ線検出器１４は、検出器１４のイメージが検出器３２０にて形成されるイメージから抽出可能なとき（同様に、検出器１４のイメージが図１２Ａにおける検出器３４５にて形成されるイメージから抽出可能なとき）顕微鏡イメージングに干渉することなく対象２と光学系３１０との間に配置することができる。全視野Ｘ線イメージは、同じＸ線源又は従来のＸ線源でまず形成することができる。対象領域は、より高い分解能で対象領域イメージを解像するため吸収測定又は顕微鏡光学系及び吸収測定又は顕微鏡検出器によってイメージングするために選択することができる。
Ｘ線源１２は制御可能なエネルギーを有するＸ線を放出することができる。ソース１２は、各イメージング操作において単一エネルギーのＸ線を放出することができる。ソース１２は、各イメージング操作において制御可能なエネルギーを有する２つの連続するＸ線パルスを放出することができ、平均エネルギーレベルＨでの高エネルギーパルスの後、平均エネルギーレベルＬでの低エネルギーパルスが続く。各パルスは、制動放射線及び離散線放出から構成され得る単一の、再現可能なエネルギースペクトルを有することができる。また、ソース１２は、各イメージング操作において種々のエネルギーレベルの３つ以上の連続するパルスを放出することができ、例えば、平均エネルギーレベルＨでの高エネルギーパルスの後、平均エネルギーレベルＭでの中エネルギーパルスが続き、平均エネルギーレベルＬでの低エネルギーパルスが続く。各パルスは、単一の、実質的に変化しないエネルギースペクトルを有することができる。
あるいは、Ｘ線源は、シンクロトロン又はレーザーコンプトン散乱ソースなどの単色特性、例えば単色ソースになるように光学系組立体３０４によって変調又はフィルタリングした、又は上述のような多色ソースのものとすることができる。
図１２Ｂ及び１２Ｃ示すように、Ｘ線放出位置１６は、Ｘ線ビームの波面が検出器組立体１４に平行な平面２０２にあるように対象２に対して移動させることができる。機構部２００は、角度をなして、直線的に、又はその両方の組合せのいずれかで放出位置１６を移動させることができる。好ましくは、移動は、対象領域４における第３次元の未知の画素を完全に導き出すため、各移動における新たな未知の画素を導入することを極力少なくし、新たな未知の画素の総数を導入することを極力少なくしながら、対象２内の対象領域４における第３次元の未知の画素を解明するために行われる。また、対象２は、特に対象２がイメージングされるとき既に移動中にある産業用途などの用途において、放出位置１６に対して物理的に移動させることができる。総イメージング時間及び放射線暴露を極力少なくするため、角度をなす又は直線のいずれかの各移動は、好ましくは画素ピッチの整数倍において、第３次元における未知の画素を解像ことができる。
総イメージング時間及び放射線暴露を極力少なくするため、機構部２００は、任意で放出位置１６を迅速に（検出器組立体１４のフレームレートで、又はそれよりも高速で）移動させることができる。機構部２００は、画素ピッチ（隣接する検出器セル同士の間の距離）の整数倍の増分でこの動きを行うことができる。動きの方向において、１画素ピッチ、未知の特性の整数倍、又は最大値のみが、検出器における新たな各測定において対象領域のため移動の軸に導入されるように、この動きを設計することができる。
この動きは、画素ピッチの分数の増分とすることができる。例えば、多次元イメージを再構築するため第３軸に沿って未知の画素を解像するため、動きは、新たな未知の画素を投影イメージに沿って導入することなく、しかしながら対象領域の選択イメージのため異なる投影パスでの検出器における新たな測定値とともに、検出器１４における測定値をもたらすことができる。
機構部２００は、移動放出位置１６、任意で移動検出器組立体１４を提供することができる。例えば、２つ以上のＸ線源１４を平面２０２における様々な位置に配置し、これらの位置から連続的にパルスを放出することができる。検出器組立体１４は固定することができる。この機構部２００において、ビームセレクター２４は複数の固定の焦点又は調節可能な焦点のいずれかを有する。
あるいは、単一Ｘ線源１２は、平面２０２上の様々な位置からＸ線パルスを連続的に放出することができる。Ｘ線源１２は、放出位置１６を制御するため調整並びにスイッチオン及びスイッチオフすることができるミクロンスケールの金属Ｘ線エミッターを含むことができる。
画素ピッチの整数倍離れた各孔を有するコリメーター（又はビームセレクター２４）の２Ｄアレイは、様々な機構を使用してＸ線ビームをラスタースキャンさせることができる。２次元アクチュエーターは、Ｘ線源１２及びＸ線検出器組立体１４を物理的に移動させることができる。好ましくは、アクチュエーターは、検出器組立体１４のフレームレートで又はそれよりも高速で、平面２０２において画素ピッチの低整数倍である各増分で、Ｘ線源１２及びＸ線検出器組立体１４を移動させることができる。この構成において、ビームセレクター２４（コリメーター）は固定焦点を有することができる。２次元アクチュエーターは、Ｘ線源１２のみを物理的に移動させることができる。好ましくは、アクチュエーターは、検出器組立体３２０のフレームレートで又はそれよりも高速で、平面２０２において画素ピッチの低整数倍である各増分で、Ｘ線源１２を移動させることができる。この構成において、ビームセレクター２４は、放出位置１６にアライメントする。ビームセレクター２４は調節可能な焦点を有することができる。２次元アクチュエーターは、放出位置１６が円弧状に移動するようにＸ線源１２のみを物理的に回転させることができる。好ましくは、アクチュエーターは、検出器組立体１４のフレームレートで又はそれよりも高速で、１つの画素ピッチの平面の動きをシミュレートするように円弧に沿って角度をなす各増分で、Ｘ線源１２を回転させることができる。この構成において、ビームセレクター２４は、放出位置１６にアライメントする必要がある。この構成におけるビームセレクター２４はその焦点を調節する必要があり得る。一部の場合において、各Ｘ放出位置への移動は、各回で焦点の調節を伴わないことがある。任意で、Ｘ線放出位置へのすべての移動が焦点の調節を必要とするわけではない。
例えば図２に示すようなＰ１～Ｐ４複数のプレートを使用する散乱線除去において、焦点のそうした調節及び空間移動が必要とされるわけではなく、さらに、そうした構成は、２つ以上のＸ線源がスペクトル測定及び／又はハイブリッドシステムに使用されるときに使用することができる。
図１Ｂ若しくは図３若しくは図９のようなビームセレクター、コリメーター２４、又は図６及び図７のようなビーム吸収粒子プレート１０５、又は図２のような複数プレート構成のコリメーター若しくはビームセレクターなどの一部材のハードウェアを使用する散乱線除去方法において、そうしたハードウェアは、イメージング方法の要件に応じて移動させる又は移動させないことができる。
Ｘ線放出源又はＸ線源の移動
機械的動力器は、Ｘ線源又は例えば３ＤイメージングにおけるＸ線源の放出Ｘ線位置を移動させることができる。Ｘ線源は、画素化Ｘ線源又はフィールドエミッターに基づくソースなどにおいて、２つ以上のＸ線放出位置を有することができる。複数のＸ線源は、種々の空間位置に配置することができる。あるいは、フィールドエミッターに基づく冷陰極Ｘ線源は、種々のＸ線放出位置を空間的に生成するため複数のエミッター又は各エミッターの領域を活性化又は非活性化することができる。
また、機構部２００は、アノードの異なる位置に衝突するようにＸ線源１２内で電子ビームを任意で偏向することによって、Ｘ線ビームを異なる放出位置１６から放出させることができる。図１５に示すように、Ｘ線管２１０の筐体に取り付けられたソレノイドコイル２１２（磁気プレート又は操舵プレートとも呼ばれる）によって、変化する磁界を生成することができる。磁界はＸ線ビーム２１１を偏向することができる。通電すると、コイル２１２は、Ｘ線管２１０において電子ビームに対して磁界及び関連ローレンツ力を生成して、Ｘ線を放出するアノードターゲット２１４における衝突箇所をずらす。図１２Ｂ及び１２Ｃにおける放出位置１６は、アノードターゲット２１４におけるコーンビーム２１３の焦点の移動によって動かすことができる。結果として、放出位置１６が１つの位置から他の位置へ移動可能であるということになる。コイル２１２の緻密な制御により、１次元又は２次元における画素ピッチほども小さい移動を行うことができる。
任意で、電子ビームはまた、ビームが帯電金属プレート又は電気光学レンズを通過するとき偏向させることができる。偏向の方向は、プレートの帯電の極性及び量又は電気光学レンズの設計に対応する。
任意で、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザーなどの光源を、倍増管によって増幅可能な電子ビームを生成するソースとして使用することができる。光学系若しくは鏡などの光偏向器、及び／又は音響／光学偏向器は、光を偏向するために使用することができる。超高速レーザーは、紫外線を放出する紫外線エミッターを生成するために使用することができる。光電陰極は、動作可能に紫外線ＬＥＤに連結され、電子を放出することができる。電子倍増部は、入射電子を倍増させるため光電陰極に動作可能に連結することができる。アノードは、電子倍増部に動作可能に連結して、Ｘ線を生成するように構成することができる。紫外線エミッターは、電子ビームの出力を制御するため様々な角度で操舵することができ、これがアノードから放出されるＸ線ビームの方向又は位置を制御することができる。
任意で、強力なフェムト秒のレーザーパルスでナノワイヤなどの金属素子のアレイを照射することで、高輝度ピコ秒Ｘ線パルスを生成することができる。放出位置１６は、金属素子におけるレーザービームの衝突位置を変えるように光学操舵装置を使用することによって移動させることができる。
超音波は、空間及び時間においてＸ線ビームを変調することができる。例えば、Ｘ線ビームの空間・時間変調は、表面弾性波によって変調させたＬｉＮｂＯ／ｓｕｂ ３／結晶のＹＺカットにおける総外反射によってなすことができる。Ｘ線回折は、表面弾性波の振幅及び波長によって決定することができる。また、Ｘ線の放出位置１６は、超音波又は表面弾性波による結晶からの変調した回折に起因して、移動させることができる。また、単一のビーム源によって放出されたＸ線ビームは、例えば図１５Ｄに示すようなポリキャピラリー管の総内反射を使用して様々な放出位置１６に移動させることができる。
言い換えると、結晶、超音波などの音響などの光学、電気、磁気の、Ｘ線光学系、及び／又は他の操舵機構が、Ｘ線ビーム出力位置を迅速に（ピコ秒、ナノ秒で、又は１０－１５秒ほども速く、一部の場合において、超短Ｘ線パルスの持続時間と同じ又はそれに近く、あるいは本明細書に開示するようなもので）操舵するために使用することができる。
散乱線除去
吸収測定、分光法、あるいは本明細書に開示するようなものなどの任意のさらなるモダリティーを伴う又は伴わないＸ線顕微鏡は、散乱Ｘ線を１次Ｘ線から分離することができる。ビームセレクターは、全視野Ｘ線イメージングにおいてＸ線源の下流及び対象の上流に、又はＸ線顕微鏡法において集光器とＸ線源との間に配置することができる。３Ｄイメージングに必要とされるイメージをさらに得るため、そうした配置が採り入れられるとき、以下に記載されるプロセスを適用することができる。
ビームセレクターの第１位置は、図１４に示すように１つの２Ｄイメージの一部を生成するのに使用することができ、これは以下により詳細に記載される。領域１のみが、対象領域の１次Ｘ線イメージをもたらす。ビームセレクターは、図１４に示すように領域１イメージを生成するためチェッカーボード設計、あるいは他のものとすることができる。ビームセレクターがその第１位置に配置され、Ｘ線がＸ線放出位置の第１位置から放出されるとき、２Ｄイメージは検出器１４において撮られるが、領域の半分のみが１次Ｘ線投影領域のものとなる。Ｘ線源１２は、図１４に示すように平面２０２において種々の位置をラスタースキャンすることができる。すべてのＸ線放出位置に到達し、イメージが平面２０２におけるＸ線放出位置のそれぞれにおいて検出器１４又は検出器３２０によって記録された後、ビームセレクターが、第１スキャンからの検出器における領域１がビームセレクターの第２位置における検出器の領域１に隣接する領域となることができる平面２０２における第２位置に移動する。Ｘ線源又はＸ線の放出位置を変える他の素子は、第１位置からラスタースキャン動作を開始することができ、２Ｄイメージの第２部分を記録することができる。２Ｄイメージの第１及び第２部分は、同じＸ線放出位置だが異なるビームセレクター位置で撮ることができる。第１及び第２部分は、多次元イメージの再構築に使用される単一２Ｄイメージの一部を形成するように共にスティッチングすることができる。２Ｄイメージの第１及び第２部分のみが第１の２Ｄイメージを形成するために十分であることが好ましいが、一部の場合において、対象領域の３Ｄイメージを再構築するために必要とされる完全な２Ｄイメージを形成するため、Ｘ線源が平面２０２において第１位置から最終位置まで３回以上ラスタースキャンを行うことができる場合、第３部分及びそれ以上の部分が必要とされることがある。
図１４に示すように、変調器を移動させることによって検出器１４に異なるパターンを生成することができる。検出器１４において示すようなそうしたパターンを形成するため、Ｘ線源１２は、対象領域４にそうした構造化照射を行うように変調することができる。これを行う多くの方法が存在する。
Ｘ線源１２は、図１４に示すように、対象２の対象領域４における空間的に分離したビームパスを照射するため、例えば、検出器１４において低散乱線干渉で１次Ｘ線イメージ領域１を形成するため、選択した放出位置の多重細ビームを放出することができる。Ｘ線源１２における電子ビームターゲットは、ターゲットの特定の領域が時間において制御可能なようにＸ線ビームを生成するように、空間及び／又は時間においてチューナブルとすることができる。これらの領域は、Ｘ線ビームを選択的に生成する、又はＸ線が生成されないようにスイッチオフすることができる。
ハイブリッドシステムの一例において、Ｘ線源１２はまた、選択領域４ｓの完全な顕微鏡イメージのために、従来のＸ線コーンビームのように選択領域４を照射する十分なコーンビームを放出することもできる。既定の透過及び吸収領域を有するコリメーター（図１２Ｃにおけるビームセレクター２４、又は、透過を可能にするように特定の位置において活性化可能、及び時間遅延して非活性化可能な結晶などのチューナブルコリメーターなど）は、Ｘ線ビームを変調して多重ビームを生成することができる。ＭＥＭ鏡は、指定領域においてＸ線ビームセットを生成するため、スイッチオン及びスイッチオフすることができる。Ｘ線ビームは、同じパスで進行する２つのパルスに分割することができ、第１パルスは１つのパターン変調器を経て、第２パルスは構造照射の第２パターンを生成するように第２照射変調器を通過するため遅延する。第１Ｘ線源は、対象のビームパスで進行するため鏡によってスイッチオンし、異なるパターン又は相補パターンを有する第２のＸ線源がスイッチオンされるときスイッチオフすることができる。そうしたスイッチは、両面鏡などのＸ線鏡とすることができる。
図１４に示すように、１次イメージ１を検出器１４に形成することができる。１次イメージ１は、１画素又は複数の画素上にあるとすることができる。領域２は１次Ｘ線を有しない領域とすることができるが、散乱信号を含み得る。１次イメージ１における散乱信号は、検出器１４におけるイメージ１又は領域１にすぐに隣接する画素２から内挿することができる。イメージ１又は領域１の形状は任意の形状のものとすることができる。散乱干渉が低いか、又は特定の対象及び／若しくは用途において除去する必要がない場合、このステップは任意とすることができる。
Ｘ線は、検出器１４において、図１４に示す「チェッカーボード」パターン又は他のタイプのパターンを生成することができる。例の「チェッカーボード」パターンにおいて、コリメーター又は変調器全体が、検出器１４に平行な平面において移動することができる。領域１及び２のサイズがそれぞれ検出器の画素ピッチの寸法である場合、移動は、検出器１４の検出器画素サイズに応じて、１桁のマイクロ範囲、１００μｍ範囲、又は１桁のｍｍ範囲であり得る、およそ検出器の画素ピッチ範囲とすることができる。領域１及び２のサイズが１画素ピッチを超える場合、変調器の移動はより大きくなり得る。
そうした移動は、第１イメージの領域１が第２イメージの領域１と厳密に完全に同じ位置に配置されないとともに、縁部において第１イメージの領域１と第２イメージの領域２との間に、ある程度の重なり合いが存在するように、設計することができる。重なり合いは、第１検出器イメージの領域１とコリメーターの移動後の検出器における第２イメージの領域１とから組み合わせたイメージのスティッチングにおける完全性、アライメント、及び／又は精度を向上させることができる。
１次イメージ１における散乱信号の内挿は、以下に記載する。検出器１４が、領域１に隣接する画素の領域２における信号Ｓ２を読み取った後、装置のプロセッサーは、領域２の散乱信号を領域１のものに内挿することができる。プロセッサーは、領域１における散乱信号Ｓ１（ｉ，ｊ）をＳ１から導き出すことができる。プロセッサーは、検出器１４の領域１によって読み取った未処理ＬＰ１（ｉ，ｊ）信号から結果のＳ１（ｉ，ｊ）を減算することによって、領域１の１次Ｘ線信号のＰ１（ｉ，ｊ）を導き出すことができる。そして、プロセッサーは、対象点（ｉ，ｊ）における高解像度散乱線イメージＨＳ１を、ＨＳ１（ｉ，ｊ）＝Ｈ１（ｉ，ｊ）－Ｐ１（ｉ，ｊ）によって導き出すことができる。高解像度イメージＨ１（ｉ，ｊ）は、対象領域全体を照射するように生成され投影されたＸ線ファンビームから領域１における画素を読み取ることで導き出すことができる。Ｐ１（ｉ，ｊ）は、低解像度１次イメージの結果である。そして、プロセッサーは、ＨＳ１（ｉ，ｊ）を投影イメージの残りの部分に内挿して、高解像度散乱線イメージＨＳを導き出すことができる。高解像度１次Ｘ線イメージＨＰは、等式ＨＰ＝Ｈ－ＨＳによって導き出すことができる。ＨＳは高解像度散乱線イメージであり、Ｈは、測定した１次及び散乱Ｘ線の高解像度イメージである。
上述のように、Ｘ線細ビームが空間的に十分に離れて生成される場合、隣接するビームから極端に低い量の散乱信号が領域１に達する、又は散乱信号が領域１に達しない。当然ながら、Ｐ１＝ＬＰ１ということが推測される。
３重以上のエネルギーレベルなどの多重エネルギーは、散乱線を１次Ｘ線から分離するために使用することができる。スペクトルイメージングを使用するとき、この方法は、１次Ｘ線からの散乱線分離を向上させるために採り入れることができる。イメージングする対象に３つ以上の様々な物質がそれぞれ存在するとき、多重エネルギーＸ線１次及び散乱線分離方法は、３つ以上のエネルギーのＸ線源を使用する。本開示において開示する多重エネルギーＸ線データ分解方法は、任意の直線型近似又は２次近似に依拠することなくその原型における３重以上のエネルギーのＸ線イメージング基本方程式系を直接解くことができる。
例えば、３重エネルギー方法は、（１）その原型における非線形３重エネルギーＸ線イメージング基本方程式系に従って、各検出器に対して明確な定量的方程式系ＤＨ＝ＤＨ（ｂ、ｓ、ｆ）、ＤＬ＝ＤＬ（ｂ、ｓ、ｆ）、及びＤＭ＝ＤＭ（ｂ、ｓ、ｆ）を構築すること、を含むことができる。ＤＨは高エネルギー１次Ｘ線信号を表し、ＤＭは中エネルギー１次Ｘ線信号を表し、ＤＬは低エネルギー１次Ｘ線信号を表す。ｂ、ｓ、及びｆは、組織又は有機物質又はその両方の混合物とすることができる。ｆは、ｂ及びｓと異なる第３物質の密度を表す。その原型における多重エネルギーＸ線イメージング基本方程式系は、任意の線型近似も任意の級数展開プロセスも含まない。この方法は、（２）ステップ１の方程式系を数値的に逆にすることによって、３次元面方程式系ｂ＝ｂ（ＤＨ、ＤＭ、ＤＬ）、及びｓ＝ｓ（ＤＨ、ＤＭ、ＤＬ）、及びｆ＝ｆ（ＤＨ、ＤＭ、ＤＬ）を再構築すること、並びに（３）ステップ２の数値方程式に利用可能なデータペア（ＤＨ、ＤＭ、ＤＬ）を挿入することによって、各別個の検出器セル位置においてｂ及びｓ及びｆの所望の値を決定すること、又は各別個の検出器セル位置においてＤＨ、ＤＭ、ＤＬ、若しくはそれらの１つのみの所望の値を決定すること、を含むことができる。また、利用可能なデータセット（ｂ、ｓ、ｆ）は、ステップ１の数値方程式に拡張することができる。この方法は、（４）各ステップの正確性を保持することを含む。
そうしたデータセットが常に利用可能ではないとき、対応してｕ、ｖ、ｗなどの、未知の物質又は物体ｂ、ｓ、ｆのそれぞれに類似する既知の物質が、データベースを確立するために使用することができる。データベースは、２つを超える構成要素又は物体の物質分解に拡張することができる。定量的数値関係は、測定するデータによって、ｕ、ｖ、ｗ及びｂ、ｓ、ｆの間で確立することができる。
あるいは、ＣＴ、ＭＲＩ、光学測定、光音響、音響、及びＰＥＴ、及び機械的方法などの他のモダリティーから導き出したデータ、並びに既存のデータに基づくシミュレート及び合成データが、データベースを生成するために使用することができる。
すべてのモダリティーの測定からのデータに基づき人工知能方法及びアルゴリズムから導き出した情報、構造化データ、特徴、結果は、データベースの一部とすることができる。
本明細書に記載する散乱線除去方法において、ビームセレクターは、２回又は数回のみの移動を必要とし、各回は、ピッチ画素の距離又は半ミリメートル若しくは１ミリメートルほども短いものなど、短い距離である。一方で、ビームセレクターが散乱線除去目的で２つの検出器の間に挟まれる場合、ビームセレクターは、はるかに複雑な動きで、例えば多次元で、各ビーム選択領域がＸ線放出軸に対して及び相対的に互いに対して調節されるように移動して、調節する必要がある。Ｘ線放出位置の移動は、この場合はるかに高速にすることができ、他の必要な動き及び／又は３Ｄイメージ記録によってなされるボトルネックを少なくすることができる。これは、より高速なイメージ取得により、対象の移動によって生成されるイメージ歪みを小さくすることができる。
３Ｄイメージング
本明細書に記載する３ＤのＸ線イメージング方法は、２Ｄ領域のＸ線顕微鏡法、全視野Ｘ線イメージング、及びスペクトル測定に適用することができる。図９、１３、及び３３は、スタンドアローン及びハイブリッドシステムにおける３Ｄイメージング方法の例を示す。
３Ｄ断層撮影において、Ｘ線測定値は、図９及び３３に示すようなＸ線放出位置でとることができる。さらに、低解像度Ｘ線イメージは、高解像度イメージング、密度測定、及び／又はスペクトル測定のために対象領域を決定して選択するため、撮ることができる。例えば、イメージは、図３４及び図１０に示すようにＸ線源と対象との間に配置されたビーム吸収粒子プレート１５を使用して撮ることができる。対象領域を選択した後、高解像度イメージは、図１０のようにＸ線吸収領域のより小さい領域においてコリメーター１７を使用して撮ることができる。
Ｘ線ビームセレクター若しくはコリメーター、又はＸ線吸収要素を有するＸ線プレートは、高分解能断層撮影測定の場合においてなど、対象と検出器との間に配置することができる。各Ｘ線イメージは、ビーム吸収素子を含むプレートを伴って撮ることができる。
遮断した投影パスにおける未知の画素は、異なる投影パスの測定において解像することができる。Ｘ線放出位置がずれるときに各Ｘ線イメージを撮るとき、ビーム吸収プレートはｚ方向又はｘ－ｙ方向においてＸ線放出位置又はＸ線源に対してずれることができる、又は、遮断投影パスにおける未知のものに関与する測定値が次の測定セットにて測定されるとともに、その値が解像可能であるように、複数のＸ線イメージを撮る間、回転することができる。
ビーム吸収粒子が、ｘ－ｙ次元において１つ又は２つ又は少数の画素ピッチのサイズを有するなど、ｘ－ｙ次元において小さいとき、未知の画素を隣接する領域から近似することができる。
得られる解像度が最高であり（例えば、１００×以上）、及び測定の速度が、ｐｓ範囲又はそれ以上など最高であるとき、スペクトル感度（１２×以上）は、選択画素において可能な限り高いものであり、全体の感度は、解像度、速度、スペクトル感度の向上により、１０６以上増加することができる。多数、例えば約１０００の測定値から１つ以上の測定値が紛失した場合でも、そうした未知の画素又はボクセルは、物質分解から内挿する、又は導き出すことができる。
このプロセスは、スタンドアローンである、又は、回折、干渉法、蛍光法、及び／若しくは散乱、位相コントラスト、及び暗視野Ｘ線顕微鏡法などのモダリティーの少なくとも１つを組み合わせた透過モードを伴う、２Ｄの単一又は多重ビームＸ線顕微鏡に適用することができる。これらの適用において、多次元イメージ構築のため必要とされるイメージを取得するためにＸ線が放出される各隣接点同士の間の距離は、ｎｍ範囲ほども小さくすることができる。
多数の２Ｄイメージをまず取得する。プロセッサーは、所望の３Ｄイメージの再構築に必要とされる２Ｄイメージの数を決定することができる。また、プロセッサーは、従来の３Ｄイメージングより少ないイメージ層を生成することが可能であるかどうかを決定することができる。２Ｄ検出器アレイがｍ×ｎ検出器セルを有する場合、プロセッサーは、ｐ＜ｎ及びｐ＜ｍである任意の数ｐの２Ｄイメージを生成することができる。これは、それぞれｍ×ｎ画素でＰ層の２Ｄイメージをもたらす。３Ｄイメージング方法は、ｍ×ｎ×ｐ変数とｍ×ｎ×ｐ方程式を有する線型方程式系を解くことに関与する。方程式は、ｘ軸上のｍ点、ｙ軸上のｎ点、及びｚ軸上のｐの、３次元を有する。この方法は、対象の対象領域における各ボクセルが立方体である、つまり、各ボクセルの側面が同じ長さ、Ｄｘ＝Ｄｙ＝Ｄｚ（又はＸａ＝Ｘｂ=Ｘｃ、式中Ｘａ及びＸｂはｘ－ｙ平面の画素ピッチであり、Ｘｃはサンプルの深さの解像度である）であるということを想定する。また、この方法は、Ｄｚにおける側面がＤｘ及びＤｙと同等ではない場合にも拡張することができる。２Ｄイメージからの３Ｄイメージングのさらなる詳細は図９及び１０に関する。
各イメージに対して、プロセス１３１０において、Ｘ線３０を対象２に対して放出する位置１６（図１２Ｂ及び１２Ｃ参照）は、検出器組立体１４及び／又はセンサー３２０の平面に平行な平面２０２において移動する。Ｘ線源１２は、本明細書に開示するようにそうした動きの機構部を含む。Ｘ線３０を放出する位置は、本明細書の残りの部分において放出位置１６として示される。点１６を移動させた後、プロセス１３１２において、別の２Ｄイメージを撮って記録することができる。
１次Ｘ線及び散乱線は、２Ｄイメージを使用する前に２Ｄイメージにおいて分離することができる。散乱線を除去することができる。また、散乱線イメージは、例えば、低原子ｚ番号物質又は類似の原子ｚ番号を有する物質を十分に可視化するために物質の識別及び同定及び検査をするため、別に使用することができる。様々な分離方法で、Ｘ線源及びＸ線検出器に関する様々な装置構成が使用される。プロセス１３１４において、上述の他のモダリティーを有する又は有しない３Ｄ単一又は多重ビームＸ線顕微鏡を得ることができる。
低散乱特性を有する対象において、散乱線分離ステップは省略可能である。さらに、対象領域を照射するためＸ線細ビームを使用するとき、散乱線分離はまた省略可能である。
プロセス１３０２、１３０４、１３０６、１３０８によって、画素ピッチ又は隣接する格子同士の間のさらに小さい距離を有する格子によって分離される種々の波長のＸ線における２Ｄインターフェログラムは、２Ｄイメージを提供するように検出器に形成され得る。プロセス１３０４において、Ｘ線源からのＸ線ファンビームを、２つの同一のビームに分割して、エネルギー分散格子によって多重波長のＸ線ビームに分散させることができ、そのそれぞれが２Ｄ平面において画素ピッチ又は画素ピッチの分数で離れている。対象２を通過するビームは、検出器３２０においてインターフェログラムを形成する。基準ビームは同じ距離を進行するが、対象２を通過しない。これは、結晶又は他のビーム結合機構によってなすことができる。
プロセス１３０６において、様々な放出位置からの多重波長の対応するビームをとの基準ビームのインターフェログラムを、検出器３２０に形成することができる。各波長のイメージは１つの２Ｄイメージを形成可能である。プロセス１３０８において、各波長のイメージがまた、平面２０２における様々な放出位置からの入力ビームから形成されるＸ線イメージを表すとき、多次元Ｘ線イメージの構築は、ソース１２からの単一Ｘ線放出でリアルタイムに様々な波長の２Ｄイメージを組み合わせることによってなすことができる。使用する波長が、例えば１～２０ｎｍバンド幅内又はさらにそれ未満など、互いに近接する場合、同じ物質における吸収レベルのばらつきを極力少なくすることができる。これは、吸収特徴が種々の波長のＸ線の間で各物質において類似するためである。ゆえに、様々な波長の各２Ｄイメージは、多次元イメージを構築するため、様々な位置に相関させて、第３軸における未知の画素を解像するために使用することができる。いずれの場合も、エネルギー又は波長におけるばらつきによる吸収レベルのばらつきは、投影ビームパスに沿う未知のユニット又は未知のボクセルの計算及び導出において考慮することができる。一実施形態において、１つの波長又はエネルギーレベルにおける物質又は複合物質の測定は、他のエネルギーレベルのものと相関させて、データベースを基準として確立することができる。
３Ｄイメージングのために図１２Ａ～１２ＣにおけるＸ線装置を使用する方法は、以下の一般的ステップを含むことができる。（１）キャリブレーション、（２）２Ｄイメージング、（３）イメージ散乱線除去、（４）２Ｄ機能イメージング、（５）多次元及び３Ｄイメージ測定、計算、合成、及び構築、（６）３Ｄ機能イメージング、並びに（７）１つ又は少数の画素の、実際の及び合成した３Ｄ、２Ｄ、多次元、１Ｄ、ポイント領域、及び／又は選択した領域若しくは構成要素若しくはターゲットのタイムスタンプした表示。ステップ１、２、３、５、及び７は、高分解能３Ｄイメージングに使用することができる。ステップ３及び６は任意のステップとすることができ、その使用は用途に応じたものである。さらなる詳細は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１９／０２２８２０号に記載されている。
（１）キャリブレーション
対象の任意のイメージ取得を行う前に、各Ｘ線源位置に対してイメージを撮る。検出器セル（ｉ，ｊ）は種々のサブ画素を通過する信号を受信することができ、各サブ画素透過を計算することができる。例えば、各サブ画素は画素の半分とすることができる。各画素（細列）内で、Ｘ線減衰は均一であり、容積に比例するということが推定される。この幾何学的計算は事前に行うことができる。幾何学的計算からのデータを記憶させ、データを表すため一般式を導き出すことができる。
３Ｄイメージを撮った後、ｍ×ｎ×ｐ変数を伴うｍ×ｎ×ｐ方程式の方程式系を解くことができる。Ｘ線源の各位置は、サイズｍ×ｎのイメージを生成することができ、ｐ層が存在するとすることができる。線型方程式系は、反復法及び行列法のいずれかで解くことができる。
３つの状態を、キャリブレーションおいて考慮することができる。対象の対象領域が、Ｘ線イメージング領域内に十分に配置されるとき、３Ｄイメージの完全性は、線型方程式系を解くことで保証することができる。しかしながら、対象領域は１次元又は２次元においてイメージング領域を超えて延在するとき、さらなる計算を要求し得る。
領域Ａが対象領域であり、領域Ｂが領域Ａに隣接すると推定すると、領域Ｂのデータは領域Ａの投影データを取得するため上述のような第２及び第３の状態に必要とされ得る。領域Ａが領域Ｂによって包囲されるとき、２ステップスキャンを行うことによって、領域Ｂの情報はより大きい領域にさらに拡張することなく正確に得ることができる。
あるいは、第１ステップは、大部分の用途において、特に、対象領域の外側の新たに導入された未知のものが対象領域における未知のものの数と比較して十分に少ない場合、十分であるとすることができる。
あるいは、対象領域の外側の領域における新たに導入される未知のものを解像するため、新たな未知の各ボクセル、又は未知のボクセルの各セットが導入されると、対象領域の多次元又は３Ｄイメージを完全に再構築するため解像する必要がある未知のものの投影パスの測定がなされる検出器の領域は、新たに導入された未知のボクセルに関与する投影パスも読み取る画素を含み得る。Ｘ線放出位置が移動するとき、さらなる未知のボクセルが導入され、当初のｍ×ｎ領域の外側の検出器におけるさらなる画素を読み取る。検出器において読み取る画素の数を極力少なくするため、つまり、撮るイメージの数、及び放射線レベルを極力少なくするため、互いに隣接するＸ線放出位置は、総空間寸法全体又は最も離れた位置からの距離を極力少なくするように、最小の距離、又は最適化した空間位置を有することができる。
２ステップ手法の例において、第１ステップでは、２方向の移動を使用することによって、検出器は、ｘ方向及びｙ方向に沿うデータを取得することができる。データは、ＮＸデータ点及びＮＹデータ点を含むことができる。Ｎは、ｘ、ｙ、又はｚ平面のいずれかにおける放出位置の数である。領域Ａは、画素数ＮＡＸ×ＮＡＹを有する。領域Ｂは、画素数ＮＢＸ×ＮＢＹを有する。ゆえに、ＮＸ及びＮＹのための総投影は、（ＮＡＸ＋ＮＢＸ）（ＮＡＹ＋ＮＢＹ）であるとすることができる。Ｎ＾２は、ｚ軸における厚み又は未知の画素である。移動は、ｚ方向に沿ってなされる場合、この移動は同様にＮＺデータ点に分割することができる。
第２ステップにおいて、スキャンステップは、ＮＺ投影が領域Ａ及びＢにすべて含まれるように、緻密化することができる。例えば、検出器の画素ピッチの整数倍ではなく、スキャンステップは、対象領域内で画素ピッチサイズの分数（画素ピッチサイズの１／１０など）を含むことができる。各新たなスキャンで、未知の画素は導入されず、さらに既存の未知のものを解くことができる。第２ステップのイメージングにおいて照射される領域が対象領域の外側の領域における新たに導入される未知のものに関する照射パスの領域にのみに制限されるということが、一部の場合において、好ましい。コリメーターの寸法又は選択するリーフは、新たに導入される未知のボクセルに関与する領域を照射するビームのみが透過するように、Ｘ線コーンビームを選択的に限定するように使用することができる。そして、プロセッサーは方程式を解いて、正確な解を与える３Ｄイメージを再構築することができる。
（２）２Ｄイメージング
多次元イメージは、Ｘ線源の少なくとも２つの異なる位置から撮られた２Ｄイメージから生成することができる。プロセッサーは、対象又は対象における対象領域の幾何学形状及び寸法を測定することができる。そうした情報が予め定められる又は設定される場合、このステップは省くことができる。Ｘ線源は、第１位置においてＸ線源からのＸ線で対象を照射し、検出器組立体においてイメージを読み取ることができる。プロセッサーは、検出器組立体のＸＹ平面に平行なＸＹ平面における第２位置にＸ線源を移動させることができる。第１位置から第２位置への移動は、上述のように画素ピッチの整数倍とすることができる。移動が、例えば１つの画素ピッチであるとき、対象の対象領域の投影イメージは、方向変更の軸に沿って検出器組立体における画素の１つのラインだけ対象領域のイメージの外縁部を延長することによって、以前の投影イメージとは異なる。言い換えると、２つのイメージの間でＸ線源位置を移動させることにより、所定寸法の対象領域に対して２つの異なる投影イメージを生成するが、同じ対象領域に対する検出器における投影イメージの位置は、ずれる方向において１つの画素セルだけ延長される。Ｘ線源は、第２位置においてＸ線源からのＸ線で対象を照射し、検出器組立体においてイメージを読み取ることができる。このプロセスは、ｚ軸における所望の解像度の３Ｄイメージを生成するため必要とされる限り、多数の様々なＸ線源の位置において繰り返すことができる。
（３）散乱線及び１次Ｘ線分離
このステップにおいて、散乱信号は上述で取得した２Ｄイメージのそれぞれにおいて１次Ｘ線イメージから分離することができる。上述のようなものなどの任意の適切な散乱線除去又は散乱線及び１次分離方法を使用することができる。
対象における対象領域の幾何学形状又は寸法を測定することができる。一部の場合において、そうした情報は予め定められ、プロセッサーによって使用するため記憶させることができる。２次元平面Ｘ線源が存在するところに垂直な第３軸における厚みに基づいて、完全な３Ｄイメージを導き出すためＸ線放出位置が必要とする位置の数を、定めることができる。Ｘ線放出位置が２Ｄ平面として設計される場合、位置の数Ｐ＝対象又は対象領域の厚み／対象又は対象領域の厚み又は深さに沿う画素ピッチ又は解像度＝Ｘ線源位置の総数＝ｎ２である。また、そうした情報を予め定めることができる。
本明細書に開示するようなＸ線源又はＸ線放出位置は、２次元空間において少なくともＰ回移動し、各軸における少なくともｎ個の可能な位置又は少なくとも√ｎ２個の位置の、各直線軸における第１位置として表される。本明細書において言及される未知のユニット又は未知の画素は、典型的にｍ×ｎによって表される２Ｄスライス領域における未知の画素のセットを表すために使用される。未知の画素のセットがｍ×ｎより大きい２Ｄスライス領域を表す場合、未知のもの又は未知のセットの総数はなおｎ２であり、これは、ｎ２位置又はｎ２イメージのみが３Ｄイメージの構築を完成するために必要とされることを意味する。
得られた２Ｄ画像データは、本明細書に開示するような線型方程式系ｍ×ｎ×ｐにおいて、対象又は対象領域のために第３軸における未知の画素を解いて決定するために組み合わせることができる。新たな未知のボクセルは、第１位置におけるＸ線放出位置から生成される。
ｍ×ｎ×ｐの総領域で対象領域の外側の新たに導入される未知のユニット又はボクセルを解像するため、以下を任意の例とする。
新たに導入される未知のものの数が、対象領域と比較して十分に少ない場合、２Ｄ次元におけるｍ×ｎのＰイメージは、対象領域を表すために十分である。
任意で、さらなるイメージは、例えば、第１位置の同じｘｙ領域における、第２位置として言及される、第１位置と異なるｘｙ平面におけるＸ線放出位置において撮られるが、放出位置は第１位置と異なる位置を中心とする。又は、第２位置同士の間の距離は、隣接する第１位置の深さ又は距離の解像度より小さくすることができる。第２位置の各移動ステップは、第１位置の移動のものより微細である。任意で、Ｘ線ビームは、新たに導入される未知のものの領域を照射するビームのみを透過させるように、操舵又はコリメートされる。限られた寸法の２Ｄ測定は、未知のものをさらに解像するために取得することができる。
任意で、以前に記載するように、Ｘ線放出位置が第１位置の領域において移動すると、ｍ×ｎ画素である検出器における当初の２Ｄ領域の外縁部における２Ｄ検出器におけるさらなる画素が、対象領域の外側の未知の領域における測定値を含むように読み取られる。好ましくは、照射パスが、対象領域における、新たに導入される未知のものに関与するときのみ、そうした投影パス信号を測定する検出器の画素領域を読み取る。結果として、新たな未知のものが導入されるとき、さらに既知である画素を読み取る。なお、対象領域の３Ｄボリュームにおける未知のユニットに関与する線型方程式を解き終わるためＰイメージを必要とするのみである。
１次及び散乱線イメージの分離のさらなる詳細を、図１５Ｇにまとめる。
（４）２Ｄ機能イメージング
機能イメージングは、上述のステップにおいて得られた２Ｄイメージングへの改変として行うことができる。機能イメージングは、散乱及び１次Ｘ線分離あり又はなしで、単一エネルギー又は２重エネルギー又は多重エネルギーＸ線源で撮った位置又は２Ｄ可視化に加えて、情報を提供するものとして定義される。機能イメージング方法及びシステムの例を以下に記載する。各例は、他とは独立しており、用途に必要とされるときさらなる情報を提供するように組み合わせることができる。
１つ以上の全視野Ｘ線イメージを撮ると、２Ｄ及び／若しくは３Ｄイメージ分析によって、その一部が散乱線除去を伴い、又はその一部が物質分解若しくはイメージにおけるさらなる他のタイプの定量的及び質的分析を伴い、その一部が組み合わせた散乱線除去及び物質分解定量的分析を伴う。例は、イメージングされる対象における構成要素の種々の絶対的物理的性質、移動、位置及び密度、及び相対的な質的及び定量的測定値の分析を含むことができ、所定の対象領域（図１２Ａ～１２Ｃに示すような領域４など）はさらに詳細な研究のため識別することができる。
さらなる研究には、物質分解及び様々な物質イメージング（上述のようなものなど）を含むことができる。分解は、様々な構成要素の元素ｚ番号及び／又は特定のＸ線測定可能な特性に基づいて単一、２重又は多重エネルギーＸ線分解方法が対象における構成要素を定量的に分析して分離するために使用されるプロセスを含む。
上述のように、Ｘ線源は、平均エネルギーレベルＨでの高エネルギーパルスの後、平均エネルギーレベルＬでの低エネルギーパルスが続く、各Ｘ線源位置から２つのＸ線源パルス、又は、平均エネルギーレベルＨでの高エネルギーパルスの後、平均エネルギーレベルＭでの中エネルギーパルスが続き、平均エネルギーレベルＬでの低エネルギーパルスが続く、各Ｘ線源位置から３つのＸ線パルスを放出することができる。各構成において、各パルスは、単一の、実質的に変化しないエネルギースペクトルを有する。他の構成において、４つ以上のエネルギーパルスをＸ線源から放出することができる。
様々なエネルギーレベル間を区別しないことがある上述のような２Ｄ検出器ではなく、検出器組立体は、エネルギー感応性、光子計数検出器及びＰＭＴ及びシリコンドリフト検出器、又は上流でシンチレーション層と組み合わせた可視検出器を含むことができる。これらの検出器は、種々の原子ｚ番号及び／又はＸ線測定識別可能特性を有する様々な構成要素又は物質又は物体のためのデンシトメトリー及び定量的分析及びイメージの分離のため１次Ｘ線信号を収集するように、従来のＸ線源と共に、又はピコ秒Ｘ線源などの飛行時間型Ｘ線源と共に使用することができる。従来のＸ線源で、エネルギー感応性光子計数検出器は、対象における様々な物質又は構成要素の２重、３重、又は多重エネルギー及びスペクトルエネルギーのイメージング及び吸収測定を可能にしながら、１次Ｘ線及び散乱線分離を確実にするためビームセレクター組立体を加えた、前方検出器、後方検出器、又は２重検出器の両方を置き換えることができる。
物質分解は、上述のもの以外の物質分解方法によってなすことができる。例えば、この方法には、少なくとも２つの基本関数の組合せが少なくとも１つの線型減衰係数の表現を表すために使用されるモデルに基づいて、イメージングデータが少なくとも１つの基準イメージ表現に分解される２重エネルギー方法を含むことができる。単一エネルギー、２重以上のエネルギー方法における任意の他の適切なＣＴ又はＸ線に基づく物質分解方法を、本明細書に採り入れることができる。そうした方法は、例えば、Ｘ線ビームの直径がｍｍ又はより小さい範囲で小さいとき、散乱線除去を必要としないことがある。
１次Ｘ線及び散乱線が分離されるとき機能イメージングを向上することができる。１次Ｘ線定量的測定は、数学的分解の必要なく対象における物質及び構成要素の定量的分析及びデンシトメトリーに使用することができる。識別、測定、定量化、及び／又はイメージングする複数の物質が存在するとき、２重又は多重エネルギーＸ線システムを使用することができる。Ｘ線多重検出器組立体において使用されるビームセレクターの例は、図６に示す。ビームセレクターは、Ｘ線源と対象との間又は対象と検出器との間に配置することができる。
さらに、好ましくはイメージングされる厳密に同じ物質及び物質の組成は、上述されるようにイメージングされる各物質のキャリブレーションをするため、所定の空間及び多重エネルギー依存測定でキャリブレーションするために使用することができる。例えば、バイオハザード又は爆発性の物質の特徴づけ及び検査において、以前に識別した物質又は化学物質を、粉末、液体、又は固体などの、対象に現れる形態においてキャリブレーションするため使用することができる。そうしたキャリブレーションは、荷物資材又は被服及び荷物において一般的な他の材料などの他の材料の存在下においてなすことができる。さらに、例えば、乳房イメージングにおいて、さらなる物質が存在する場合、２重エネルギーシステムはまた、微小石灰化、ステント、カテーテル、異物性対象、手術用具、又は対象における同定できない物質などの、さらなる物質を識別するために使用することができる。
さらなる用途は、ＤＲＣとして記載されることがある、カテーテル、ステント、微小手術用具を特定するため、軟部組織、脂肪、及び除脂肪組織、及び血管及び神経（これらは他の軟部組織及び骨とさらに識別するため造影剤で標識することができる）からの骨の分離のため、胸部イメージングにおいて、２エネルーレベルより大きい３重エネルギー及びスペクトルエネルギーシステムを使用することを含むことができる。異物又は特有の構成要素は、キャリブレーション値又は既存のデータベース（上述のようなものなど）若しくはライブラリーのルックアップ又は記録的値に基づくシミュレート値（上述のようなものなど）に基づいて識別及び同定することができる。そうした構成要素はソフトウェアアルゴリズムを使用して残りの部分から分離することができる。ＤＲＣの分離は、２重エネルギー分解に基づく物質分解方法へのさらなるステップとして、微小石灰化の分離について本明細書に開示するようにさらなる２次近似を使用することができる。測定値が低い又は散乱線なしである、１つ又は少数の画素を含む領域として記載される、１Ｄ、２Ｄ、又はポイント領域の物質分解もまた含むことができる。
複数の対象の空間的存在パターンは、異なるが一貫した空間パターンを有するものから分離することができる。例えば、カテーテルはより小さく、あまり連続的でなく、特定の位置においてのみ存在し、軟部組織及び骨よりまれである。例えば、整形外科の最小侵襲外科手術、腫瘍の生体組織検査の外科ガイダンスにおいて、３重エネルギー及びスペクトルＸ線撮影イメージングシステムは、骨、軟部組織、及び血管、及び神経を識別することができる。手術用具又はセンサーは、多重エネルギーイメージングを使用して大部分が有機物質からなるバックグラウンドイメージから識別又は分解することができる。分解は、重なり合う組織密度測定値及び組成と比較してその存在により変化し得る手術用具又はセンサーの形状、サイズ、非連続的空間的パターン、及び／又は密度の重なりを識別することによって行うことができる。バックグラウンドの組織と重なり合う一方、バックグラウンドと比較して手術用具又はセンサーの密度値が特定可能であるとき、複合バックグラウンド物質内での投影ラインに沿う手術用具の空間的寸法及び密度並びにその位置を導き出すことができる。
放射線療法において、腫瘍領域は造影剤によって標識することができる、又は正常組織のものと異なるデンシトメトリー特性又は空間特性を有し得る。そうした領域は、放射線療法をガイドするため、サブミクロン範囲ほども良好な精度で識別することができる。また、放射線量は、対象領域を特定の組織又は希少な事象又は特徴の位置に限定することによって調節することができ、それによって、Ｘ線曝露領域を、腫瘍が存在する領域であり得る対象領域に限定し、構成要素、例えば、希少細胞、腫瘍、患部組織、物質、並びに位置特定及び可視化のためのバックグラウンドイメージの高解像度アルタイム３Ｄイメージを、選択した対象領域においてリアルタイムで取得し、及び／又は、より低い放射線レベルでより正確な外科ガイダンスを実証することができる。さらに、そうしたイメージング方法は、特にロボット工学に基づく外科的システムに組み込むとき有用な、正確且つ精度の良い外科的又は放射線療法手術前計画及び手術ガイダンスを可能にする。トラッキング及び造影剤のさらなる詳細を以下にさらに記載する。
また、さらなる研究には散乱線除去を含む又は含まない干渉法を含むことができる。干渉計（任意の適切な既存の又は今後の干渉計であり得る）により、吸収、暗視野、及び／又は位相コントラストイメージの２Ｄイメージを得ることができる。そうしたイメージは３Ｄインターフェログラムを構築するため使用することができる。
干渉計は、下流の特定の距離で干渉縞を導入する位相格子を介してＸ線を放出することによって動作する。対象がビームパスに配置されると、対象は吸収、屈折、及び／又は小角散乱によって、観察される干渉パターンを変調する。これらの信号を検出器によって読み取ると、対象の特性及びその構成要素をアルゴリズムによって決定することができる。
一実施例において、タルボ・ロー干渉法は、より大きい視野を有するように使用することができる。タルボ・ロー干渉法において、ビームスプリッター格子（Ｇ１）は、Ｘ線源（Ｓ）と検出器（Ｄ）との間のビームパスに配置することができる。部分的なタルボ効果により、ビームスプリッター格子の周期構造を明らかにする強度分布（Ｉ）が、格子背後の所定距離において発生可能である。対象（Ｏ）が、ビームスプリッター格子の前に配置される場合、対象の吸収、散乱、及び屈折特徴に起因して強度分布は変化する。部分的タルボ効果は空間的にコヒーレントな放射線を必要とする。この要件を満たすため、十分に小さい焦点を有する微小集束Ｘ線管を使用することができる。あるいは、スリットマスク（Ｇ０）を従来のＸ線管の焦点の前に配置することができる。このマスクはＸ線ビームの所定の部分を収集して、それにより、空間的にコヒーレントなスリット源を生成する。これらのスリット源のそれぞれは、ビームスプリッター格子の自己イメージを生成することができる。
ロー効果を利用することによって、これらの自己イメージを鮮鋭な強度分布へと重ねることができる。一般に、これらの干渉縞は、従来のＸ線検出器によって解像するには非常に小さい。この課題を解決するため、干渉縞と同じ周期を有する吸収分析器格子（Ｇ２）を、これらの縞の平面に配置することができる。この分析器格子は、その格子バーに垂直な平面において段階的に分析器格子をずらすことによって周期強度分布をサンプリングするために使用することができる。また、本明細書に記載されるイメージング方法に基づく、前述のインターフェログラム方法の変形、その派生形、位相コントラストイメージング、暗視野イメージングも本開示の一部である。
コヒーレントなＸ線ビームを生成するため、干渉計は画素化Ｘ線源を使用することができる。また、干渉計は、ＭＥＭに基づく、結晶に基づくものである回折格子を有する、又は音響変調結晶格子を利用することができる。ＭＥＭのチューナブルアレイを有する適切な回折格子の例を図１５Ｅに示す。
２Ｄ機能イメージングのさらなる詳細を図１５Ｈにまとめる。
（５）３Ｄイメージ合成、構築、及び計算
プロセッサーは、上述の３Ｄ組合せデータ及び線型方程式の解に基づいて３次元イメージを導き出すため、従来のコンピューター断層撮影イメージングアルゴリズムを使用することができる。
さらに、Ｘ線放出位置は６Ｄ空間に存在することができる。Ｘ線放出位置が、ｘ、ｙ、ｚ直線軸で表す３Ｄ空間おいて移動する、又はＸ線源が対象に対して３Ｄ空間において複数の様々なＸ線放出位置を有するとき、図３３に示すように、様々な照射パスのセットを各放出位置において生成することができる。１２－１、１２－２、１２－３、１２－４、及び１２－５に示すような各Ｘ線照射位置において、対象領域１６における様々な投影パスのセットＩＰ１２－５－１及びＩＰ１２－５－２を照射することができる。各照射パスは、解決される未知のボクセルからの種々のボクセルの様々な組合せ、又は様々な数のボクセルのいずれかの、少なくとも１つの列のボクセルに関与し得る。例えば、放出位置１２－５において、ビームＩＰ１２－５－１は、ボクセル＃Ｘ３Ｙ４Ｚ１、＃Ｘ３Ｙ４Ｚ２、＃Ｘ３Ｙ４Ｚ３、＃Ｘ３Ｙ４Ｚ４の４ボクセルを照射し、ＩＰ１２－５－１＃Ｘ１Ｙ４Ｚ１、＃Ｘ１Ｙ４Ｚ２、＃Ｘ１Ｙ４Ｚ３、＃Ｘ１Ｙ４Ｚ４の４ボクセルも照射する。放出位置が１２－４に移動するとき、生成される照射パスは、ｘ、ｙ、及びｚ軸における座標数によって規定されるボリュームにおける新たなボクセルのセットに沿って投影することができる。例えば、Ｘ線放出位置について本明細書に記載されるような２Ｄ平面の例に加えて、放出位置の領域は３Ｄボリューム内にも存在することができる。例えば、撮るイメージの総数が１０００である場合、対象領域の外側に導入される新たな未知のものの数を極力少なくするためのＸ線放出位置移動の最少総ボリュームは、１０×１０×１０とすることができる。そうしたボリュームのユニットは第３軸に求められる解像度とすることができる。Ｘ線放出位置は、ｘ、ｙ、ｚ軸において直線的に移動することができる。
ここで各未知のものが、第３軸に求められる解像度の整数単位における距離によって分離される深さに沿う各層における未知のボクセルのセットを指すことができる。
つまり、完全な３ｄイメージを構築するための完全な２ｄイメージのセットを導き出すため、及び／又は空間測定を追加することで対象領域における構成要素の３Ｄボリュームの６Ｄ空間位置を位置特定するため、以下のステップを含む。
イメージング対象の下流の２次元（２Ｄ）Ｘ線検出器であって、システムは、ｘ－ｙ－ｚ軸における位置を含む３Ｄ空間の少なくとも２つの軸において、Ｘ線放出位置又はＸ線源を移動させる又は操舵することと、２ＤのＸ線測定値を得ることとによって、対象の多次元及び／又は３次元（３Ｄ）イメージを得るように構成される。
隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、第３の軸に必要とされる解像度の寸法、及び／又は、２つの位置がＸ線ビームのセットを生成して、各セットが対象領域における異なるボクセルパスを照射するために必要とされる最小距離とする。
隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、１画素ピッチ、画素ピッチの整数倍、又は１画素ピッチ未満とする。
３Ｄイメージを構築するために必要とされる放出位置の総数、又は撮られる２Ｄイメージの総数は、第３軸の解像度で除算した第３軸の深さとする。
ｘ次元及びｙ次元において移動するとき、最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．１度未満、又は０．１度、又は０．１～１度とする。
３つすべての直線軸ｘ、ｙ、ｚにおいて移動するとき、軸のそれぞれに沿って最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．０００８度未満、又は０．０００８度、又は０．０００８～０．５度、又は０．５～１度とする。
各２Ｄ測定において、２重エネルギー及びスペクトルエネルギー測定は、エネルギー感応検出器、光子計数検出器、又はエネルギー分散格子及び空間感応検出器に関与するフォトダイオード若しくはスペクトル測定組立体で、広範なスペクトルのＸ線源を使用して得ることができる。物質分解は、対象イメージのバックグラウンド又は対象領域のバックグラウンドイメージ又は外部空間センサー若しくはマーカーから１つ以上の構成要素を分離する。
３Ｄボリュームが構成要素及び対象領域に対してｘ、ｙ、及びｚ軸において解像されるとき、バックグラウンド対象領域に対する構成要素の相対的な６Ｄ又は時間依存性７Ｄ空間位置は、特定の時間枠において第１測定値から構築したイメージ及び第２又はライブ測定値のものを比較することによって導き出すことができる。
（６）３Ｄ機能イメージング
３Ｄ機能イメージングステップは、上述の２Ｄ機能イメージング技術のいずれかを組み込むことができる。
（７）３Ｄ、２Ｄ、１Ｄ、及びポイント領域における複数のスライス２Ｄイメージを含む３Ｄ、多次元イメージにおける選択領域の実際の及び合成したイメージ、並びに種々の高解像度及び低解像度のイメージバックグラウンドを有する又は有しない表示
プロセッサーは、種々の構成要素、対象領域、及び／若しくは対象の２Ｄ及び３Ｄイメージの両方のため、種々の解像度における多軸表現を提供する又は多次元表現を組み合わせた２Ｄイメージを有することができる。
そうした３Ｄイメージング方法が、Ｘ線顕微鏡又はＸ線吸収測定と組み合わせたＸ線顕微鏡において実施されるとき、Ｘ線光学系は、視野を拡張するために変調する、並びに／又は種々の放出位置から出るＸ線によってその意図する機能及び効果に関して最適化することができる。変調及び／又は最適化は、ソースからの種々のＸ線放出位置において測定される各投影２Ｄイメージがイメージ品質、精度、感度、及び信号対ノイズ比に関して同等であることを確実にすることができる。
本明細書に開示するＸ線装置は、２つ以上のエネルギーにおけるＸ線吸収測定、透過、回折、蛍光、及び／又は干渉法のＸ線顕微鏡を含むことができる。ゆえに、上述の技術に必要とされるＸ線光学系は、Ｘ線全視野イメージング検出器を存在させる又は視野から移動させるように、図１２Ａ～１２Ｃに示されるような対象領域４の研究ための位置に移動することができる。Ｘ線光学系は、装置がＸ線全視野イメージングのビームパス、例えば全視野Ｘ線検出器の下流に存在しないように、Ｘ線全視野イメージング組立体と共に配置することができる。
例えば、Ｘ線吸収測定の場合、Ｘ線光学系は、対象領域及び全視野Ｘ線イメージング検出器を通過する投影Ｘ線ビームを異なるエネルギー又は波長レベルに分散させ、種々のエネルギーレベル及び／又は様々な空間的に異なる位置において信号を測定するため、格子及び空間感応検出器及び他の関連光学系を含むことができる。
Ｘ線光学系及び非回転方法を使用して対象のイメージを生成するための３次元（３Ｄ）顕微鏡を使用して、この方法は上述のような多くのステップを含むことができ、キャリブレーション、対象に対して少なくとも２つの異なるＸ線源位置から２Ｄイメージの取得、２Ｄイメージから３Ｄイメージを生成するためのプロセッシング、３Ｄイメージのプロセッシング、及び取得情報の出力などその一部は任意である。
この方法は、例えばＸ線顕微鏡及び全視野Ｘ線イメージングのようなＸ線光学系に関与する迅速な高分解能３Ｄイメージングを提供することができる。各２ＤのＸ線顕微鏡イメージは、多重マイクロビームから形成されるもので組み合わせたイメージによって、又はいわゆる構造化ビームＸ線イメージングと呼ばれるものによって形成することができる。Ｘ線吸収測定及びＸ線分光法は、２Ｄ又は３ＤＸ線顕微鏡と組み合わせることができる。好ましくは、Ｘ線吸収測定又はスペクトルＸ線測定を使用する複数チャネルの測定は、視野を増大させ、Ｘ線源が多色であるとき多重ビームＸ線顕微鏡と組み合わせることができる。
ポイント、１Ｄ、２Ｄ、若しくは３ＤのＸ線吸収測定、並びに／又は単一若しくは多重ビームのスペクトルＸ線測定及び２Ｄ若しくは３ＤＸ線顕微鏡法と組み合わせた２Ｄ又は３Ｄ全視野Ｘ線イメージングは、互いから空間的に分散させた多重Ｘ線ビームを使用する構造化Ｘ線顕微鏡イメージングに適用することができる。
組み合わせた技術は、空間（２Ｄ、３Ｄ、又は他の多次元）及び時間において、一部の場合には互いに対して、又は一部の場合にはスタンドアローンでの、構成要素又は対象領域及び対象の形態の、移動、形態における物理的性質変化、寸法、構造、形状、厚み、及び特定の化学的特徴、及び密度、存在、相互作用、位置、フロー動態、フロー方向、動態、をトラッキングするために使用することができる。組み合わせた技術は、Ｘ線検出可能な動き、事象及び物理現象の観察及びモニタリング、ヒトによる手術、ロボット工学による手術、生体組織検査の外科ガイダンス、及び、一部の場合には遠隔医療のような遠隔のモニタリング若しくはガイダンス若しくは診断、又は製造組立ライン、検査ライン、及びセキュリティーの用途の遠隔モニタリングに使用することができる。各Ｘ線測定及びイメージはトラッキング及びモニタリングのためタイムスタンプすることができる。
したがって、図１３Ｂ及び１３Ｃに示すように、Ｘ線吸収測定は、２Ｄ及び３Ｄ全視野イメージング、及び／又は２Ｄ及び３Ｄ顕微鏡法と組み合わせることができる。Ｘ線３Ｄ顕微鏡装置及び方法は、従来の３Ｄイメージングモダリティーより高速且つ放射線が低いものとすることができる。例えば、構造的照射構成で使用されるとき、散乱線除去方法は、これらの装置において行うことができ、特に対象における選択領域の３Ｄイメージをより高速に生成するために３Ｄイメージングにおいて使用される移動構成と組み合わせることができる。
任意で、３Ｄイメージ取得及び生成はまた、スキャンビームデジタルＸ線ＳＢＤＸに基づくことができる。イメージ品質を向上させたイメージを導き出すため、散乱線のない技術をこの方法に適用することができる。
スキャンビームデジタルＸ線ＳＢＤＸは、大領域透過スタイルタングステンターゲットに、電磁気スキャン電子ビーム入射を使用する。電子ビームは、例えば１／１５秒毎又は異なる周期で、ソースの焦点位置の２Ｄアレイ上にラスタースキャンすることができる。多孔コリメーターは、２Ｄ検出器に集中する一連の重なり合う細いＸ線ビームを画定することができる。細ビーム投影の間の幾何学的関係は、ＳＢＤＸコリメーターの既定の幾何学形状及び既定の検出器位置によって制限することができる。典型的なＳＢＤＸシステム幾何学配置は以下のとおりとすることができる。
ソース－検出器距離（ＳＤＤ）：約１５００ｍｍ
ソース－軸距離（ＳＡＤ）：約４５０ｍｍ
焦点位置：約７１×７１ｍｍ
焦点ピッチ：約２．３×２．３ｍｍ
原検出器アレイ：約３２０×１６０ｍｍ
原検出器素子ピッチ：約０．３３ｍｍ
検出器ビンモード：約２×２ｍｍ
ＳＢＤＸは、逆ジオメトリビームスキャンの使用により、特有のトモシンセシス特性を有する。従来の蛍光透視法に類似するライブ表示を、ＧＰＵに基づくリアルタイムイメージ再構築手段を使用して生成することができる。各表示２Ｄイメージフレームは、２段階再構築方法によって生成することができる。第１段階において、例えば５ｍｍ平面間隔で例えば３２個の単一平面イメージの積層を生成するため、シフト・アンド・アッドデジタルトモシンセシスを行うことができる。トモシンセシスイメージの積層の画素中心は、積層における既定の画素位置（例えば、行１００、列１００）が検出器中心で生じる光線に対応するように、画定することができる。第２段階において、高鮮鋭性及びコントラストの局所領域を識別するため、勾配フィルター方法を単一平面イメージのそれぞれに適用することができる。最終の２Ｄ「合成」イメージは、各画素位置に対して、最高コントラスト及び鮮鋭性を有する単一平面イメージから画素値を選択することによって形成することができる。トモシンセシス画素中心の幾何学配置及び合成方法に起因して、最終合成イメージは、対象ボリュームにおいて焦点が合っている対象の逆「仮想」コーンビーム投影として観察することができる。仮想ＳＢＤＸ投影は検出器の中心で生じ、ソース平面に当たることができる。ソース平面における仮想検出器素子のピッチは、設定幾何学配置に基づいて例えば０．２３ｍｍとすることができる。
Ｋエッジフィルターを使用する３Ｄイメージングの例
対象２における対象領域の質的な３ＤのＸ線イメージを測定することができるＸ線測定装置９０を図９に示し、これは、図１Ａの装置１０の特徴のいずれかを組み込む。Ｘ線源、及び／又はＸ線放出位置、及び／又はＸ線放射線の相対空間位置は、対象に対して移動可能である。Ｘ線源、及び／又はＸ線放出位置、及び／又はＸ線放射線は、例えば、２つの連続する測定の間で、検出器の１画素ピッチ未満、若しくは１画素ピッチで、若しくは複数の画素ピッチなど、ｚ軸に求められる解像度と同じ若しくは類似する寸法、及び／又は最も隣接するＸ線源同士の間の距離で移動するように構成することができる。対象に対するＸ線源、及び／又はＸ線放出位置は、直線状移動又は円弧状移動によって、（検出器に平行であり得る）２Ｄ平面における「第１位置」として規定される位置、又は６Ｄ空間における位置に移動することができる。
Ｘ線測定装置９０のプロセッサーは、線型方程式系を解くことで、検出されるＸ線放射線を３次元イメージに解像するように構成することができる。
それぞれが、未知のボリュームを通る異なる照射パスのセットを生成し、１又は非常に少数の未知のものを導入する、それぞれ１画素又は１ボクセルの、又は深さに求められる解像度の単位での６自由度における移動は、それに基づき完全な３Ｄボリュームの未知のものが解決され得る多くの２Ｄ測定値をもたらすことができる。
画素ピッチ寸法が１画素につきｐｐ(um)である場合、Ｘ線源から検出器の距離はＳＩＤ(um)であり、対象領域又は対象の構成要素又は対象の厚みがＰ(um)であり、進行する総ボリューム、進行する総領域、又は総進行がＰＰである。
厚みに沿って３Ｄ次元において解像される画素又は最小単位の数ＮＰは、ＮＰ＝Ｐ／ＰＰである。データ点又はＸ線放出位置の数ＤＰは、ＤＰ＝Ｐ／ＰＰである。撮るイメージの数ＮＩは、ＮＩ＝Ｐ／ＰＰである。
２Ｄのみの領域の場合に、放出源が、最少数の未知のもの及び完全な３Ｄイメージを提供するように配置される最小化総角度（放出Ｘ線源位置の進行）は、ＴＡ＝アークタンジェント（ＤＰ×３Ｄイメージングにおける最小解像ボリュームの単位／ＳＩＤの平方根）、又はＴＡ＝アークタンジェント（ＤＰ×ＰＰ／ＳＩＤの平方根）である。Ｘ線放出位置が３Ｄ空間にある場合の最少化総角度は、ＴＡ＝アークタンジェント（ＤＰ×ＰＰ／ＳＩＤの立方根）である。
対象に対するＸ線源及び／又はＸ線放出位置が「第１位置」として規定される位置に移動するとき、新たに導入される未知のものの数は、各移動の大きさ及び総移動領域又は総移動空間を小さくすることで減少させることができる。第１位置同士の間の移動又は第１位置の選択は、検出器においてなされる測定が第３軸における少なくとも１つ以上の未知のユニットを解像することができるようになすことができる。
新たに導入される未知のものの測定は、新たに導入される領域におけるさらなるスキャンによって導き出すことができる。Ｘ線ビームは、新たに導入される領域のみを照射するコリメーターを使用して、選択的に生成する又は透過させることができる。新たなＸ線放出位置は、「第２位置」として規定することができる。第２位置は、同じ画素ピッチステップに存在することができるが、ステップの中心は、第１位置とは異なり得る、第１位置同士の間の距離以外の距離を移動することができる。
また、新たに導入される未知のものの測定は、検出器において照射した新たに導入される領域の投影パスにおける検出器測定値を記録することによって導き出すことができる。例えば、Ｘ線放出位置がｘ－ｙ平面において１画素ピッチ移動するたび、少なくとも１つのさらなる画素セル、又は１画素の画素幅を有する画素ラインが、対象領域の多次元イメージングに必要とされる情報を導き出すことにおいて考慮することができる。図９に示すように、対象領域又は対象２を通過するすべての投影パスからの信号を受信する検出器における当初のｘ－ｙ領域は、画素セルのｍ×ｎマトリクスを含むことができる。新たに導入される領域、検出器における対象領域直下の検出器領域は、Ｘ線放出位置がここで対象領域の３Ｄイメージ構築のため原位置に対してその次の隣接位置に移動するとき、ここで、Ｘ線測定のために画素セルの（ｍ＋１）×ｎマトリクスを含むことができる。
さらなる画素領域からのさらなる測定値を、新たに導入されるボクセルに関与するさらなる線型方程式を解くため使用することができる。検出器に対して垂直の軸に沿う未知のユニットの数は変わらないので、線型方程式の総数はここで（ｍ＋１）×ｎ×Ｐとなり、Ｐはｚ軸の深さである。この計算は、Ｘ線源が、各Ｐ単位がＸであるＰ位置移動し、簡略化するため、Ｘａ又はＸｂは画素の解像度、又は検出器の画素ピッチである。Ｘｃは、解像される必要があるサンプルの深さの解像度である。ｍ又はｍの単位測定の解像度はＸａであり、一般に、ｎの単位測定のＸｂと同じである画素ピッチである。この場合、Ｘａ＝Ｘｂ＝Ｘｃである。そして、測定される検出器の総領域は、対象領域に対して（ｍ＋√Ｐ）ｘ（ｎ＋√Ｐ）である。しかしながら、一度に１つのさらなる画素又は１つのさらなる画素ラインが一度に追加できることが好ましい。そうしたさらなる測定は、対象領域の未知のボクセルを解くために画素又はセルの最少数が使用できるように考慮することができる。（ｍ＋√Ｐ）ｘ（ｎ＋√Ｐ）として計算される総領域のすべてが、線型方程式を解くために必要とされる測定に利用されるわけではない。
ＸｃがＸａと同じではない場合が存在し、これは、Ｐ単位が、画素ピッチの解像度ではないということを意味する。ＸｃがＸａより大きく、Ｘ線放出位置が原位置からその最もすぐに隣接するＸ線放出位置に移動すると、Ｘｃ＝２Ｘａの場合、ｍ＋２を読み取り、又は言い換えると、全部で（ｍ＋２）×ｎ画素を読み取ることとなる。あるいは、導入される新たな未知のものが少数なので、測定されるＸ線イメージの総数は、新たに導入される未知のものに影響を受けないことがある。
Ｘ線源が、円弧ライン又は直線ラインなどで、２Ｄ又は３Ｄ又は６Ｄ空間において対象に対して移動しているとき、そうした移動は、計算、キャリブレーション、及び／若しくは所定の測定値によって、又はモーター付き動力器などの機械的機構、電気若しくは磁気、若しくは電気光学機構、電磁気機構、若しくは鏡を含むがこれに限定されないＸ線光学系、ビームスプリッター、総内反射キャピラリー管、ＭＥＭ、格子及び結晶、若しくはそれらの任意の組合せなどのさらなるハードウェアを使用することによって、検出器に平行であり得る、２Ｄ平面における移動と同等であるように解釈することができる。
複数の対象領域が対象２において空間的に分布するとき、この領域は、同期するが様々なフレームレートで共に、又は同期しないで、スキャンすることができる。複数の領域は、同じ分解能又は異なる分解能で測定することができる。
約１００ｃｍのソース－イメージ距離(SID)において、Ｘ線放出位置の最も離れた距離は、検出器に対して垂直の、Ｚ方向に２５ｃｍの深さを有するサンプルで、初期のＸ線放出位置から７ｍｍであり、最大０．４度のスキャン角度が１００μｍの解像度に達するため必要とされ得る。パラメーターの他の組合せを以下の表に示す。
完全な３Ｄイメージング、他の多次元イメージング、及び／又はトラッキング（又は外科ガイダンス）における、本明細書に記載する単一及び／若しくは２重若しくは多重エネルギー測定及び分析、又はスペクトルイメージングを使用する物質分解のため、以下のモダリティーを使用することができる。
・３Ｄ（本明細書に記載される、フラットパネル検出器を利用する任意の他の３Ｄ方法を使用するもの）、
・選択した対象領域の２Ｄイメージング、
・例えば、検出器における直線空間位置に沿って２つ以上の画素を使用する、１Ｄ測定、及び／又は
・例えば、検出器における１つ以上の画素を伴う１つ以上の空間分布領域群など、ポイント又は小領域測定。
トラッキングにおいて、測定値の第１セット、又はデータ点、又は２Ｄイメージ、又は多次元イメージ、又は完全な３Ｄイメージをトラッキング前に取得することができる。あるいは、そうした第１データセットは、従来のＣＴ、定量的断層撮影、本開示の３Ｄイメージング方法、又はＭＲＩ、ＳＰＥＣＴ、ＰＥＴなどの他のモダリティー、光学イメージング若しくは測定、分光法、光音響イメージング、及び／又は、音響測定から導き出すことができる。測定値の１つ以上の第１セットは、６次元において対象領域における構成要素若しくは物体又はイメージングした対象自体をトラッキングするため、直接使用する、又はＸ線測定可能な特徴及び物体を表すデータ情報のセットにデータ分解し、当初のイメージ又は第１イメージ又は対象領域の第１イメージからの合成イメージと比較することができる。
図１０に示すように、符号化Ｋエッジ開口１５は、散乱線可能が最小である又は存在しないとき、好ましくは２Ｄ又は空間分布１Ｄ又は空間分布ポイント測定を使用する感応及びトラッキング測定において、高速エネルギー及び／又はスペクトル感応測定に使用することができる。フィルターは、Ｘ線源１２と対象２との間で開口１５に配置する、又は対象２と検出器１４との間に配置することができる。開口１５は、２つ以上のＸ線透過領域を有する、Ｘ線コリメーター１７と組み合わせることができる。コリメーター１７は、Ｘ線源１２とＫエッジ符号化開口１５との間に配置することができる。アクチュエーターでコリメーター１７を移動させることによって、調節可能なＸ線放出位置を有するアノードを使用することによって、及び／又はフィールドエミッションナノチューブＸ線源又は液体金属ジェットソースのように、移動、若しくは回転、若しくはプログラム制御することによって、コリメーター１７を移動することができる、又はコリメーター１７における１つ以上の開口の位置を調節することができる。
符号化開口１５は、Ｋエッジ符号化開口とすることができる。ＫエッジはＸ線吸収エッジを指すとすることができる。入射するＸ線ビームが原子のＫ殻結合エネルギーよりエネルギーを有するとき、Ｘ線減衰係数が急激に増加し得る。画素化Ｋエッジ符号化開口構造１５は、フィルタリング要素及び画素化符号化用を有する構造とすることができる。フィルタリング要素及び画素化符号化要素は、開口に組み込まれる少なくとも１つのＫエッジフィルターを有する複数の開口を含む単一の構造によって行うことができる。あるいは、画素化Ｋエッジ符号化開口構造は、第１構造、例えば、Ｘ線ビームを画素化するためのパターン化構造、及び第２構造、例えば、第１構造から分離したＸ線ビームをフィルタリングするためのＫエッジフィルター構造を含むことができる。１つ以上のＫエッジフィルターを順に同じビームパスに配置することができる。
Ｘ線ビームは、各画素において準単色ビーム又は単色ビームを含むことができる。ビームは、例えばエネルギー感応検出器、画素化エネルギー感応検出器、１つ以上のエネルギー感応画素セル若しくは光子計数セルを有する検出器、分光検出器、又は分光器であり得る、検出器によって収集することができる。
Ｘａ又はＸｃが、対象領域の３Ｄイメージングにおいて骨と軟部組織との両方を有するように十分に大きいとき、Ｘ線装置９０は、例えば骨及び軟部組織の境界部において、対象の部分的ボリューム領域、又は２つの物質若しくは物体の境界領域をより良好にイメージングすることができる。スキャンの第１行程後、３Ｄイメージを構築することができる。機能イメージング及び物質分解により、各組織の厚みを２Ｄイメージから推定することができる。しかしながら、３Ｄ測定を得るとき、測定をさらに向上させることができる。結果がなお十分でない場合、結果をさらに向上させるため選択領域のより高い分解能の測定を行うことができる。この場合、ｍ×ｎ領域は、対象のものよりはるかに小さい対象領域に限定することができる。使用する検出器はより高い分解能を有することができる。同じ又ははるかに小さいフォームファクターの、及び／又はより小さい画素ピッチ若しくはより高い分解能を有する検出器は、フラットパネル検出器１４を置き換える、又はフラットパネル検出器１４の下流、若しくは検出器１４の上流及び対象の下流に配置することができる。さらに、又はあるいは、分光器、若しくはエネルギー感応検出器、若しくはスペクトル測定組立体モジュール、及び／又ははるかに高速なフレームレートのＸ線検出器、若しくはフォトダイオード、フォトダイオードアレイ、光子計数検出器を、スペクトル測定及び高速イメージ取得のたて検出器の上流又は下流に配置することができる。
対象領域のイメージを生じさせる測定は、エネルギー摂動、化学的摂動、機械的又は電磁気的又は電気的摂動、圧力／力摂動、超音波／音響摂動、磁気摂動、及び／又はゲート式測定の条件下で行うことができる。
本明細書に開示するイメージング方法は、３Ｄイメージ、２Ｄイメージ、１Ｄイメージ、及び／又はポイント若しくは領域の測定を含むＸ線測定にタイムスタンプを追加することを含むことができる。時間情報は、コンピューターにおいて時間を読み取ることができるコンピュータープログラムから、又はサーバー装置から、又はＮＩＳＴなどの機関によって提供される時間基準と同期する別の時間装置から、取得することができる。日付及び時間ラベル及び／又はＤＩＣＯＭラベルを、測定値自体に追加する、及び／又はデータベースに記憶させることができる。さらに、非医療用途では、識別番号、部品名、概要、及び／又は同様のものを含むＤＩＣＯＭラベルに類似するイメージラベルを使用することができる。そうした情報は、キー識別子及び検索可能なキーワード、又は１つ以上の識別子又は１つ以上のキーとともにデータベースに保管することができる。さらに、そうした日付、時間、及び／又は識別子ラベルは、ソフトウェアを使用してＸ線測定から導き出したイメージにスタンプすることができる。任意で、多次元の連続イメージは、様々な時間におけるスペクトル又は単一エネルギー測定の３Ｄ、２Ｄ、１Ｄ、及び／又はポイント測定から構築し、ビデオを再生しているように時間で表示することができる。
そうしたイメージ、特に、ＤＩＣＯＭイメージラベル又はＤＩＣＯＭのようなイメージラベルを有するものは、例えば遠隔で、ソフトウェアによって観察及び分析するため、画像保存通信（ＰＡＣ）システムに送信することができる。３Ｄ、２Ｄ、１Ｄ、及び／又はポイント若しくは領域測定におけるそうしたイメージの観察は、インターネット、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、又はイントラネットなどの無線通信プロトコルでサーバーを介してリアルタイムとすることができる。さらに、１つ以上の検査の圧縮イメージ又はイメージセットを含むデータファイルは、２つのサブセットのデータファイルに整理することができ、１つは１つ以上の予め選択したイメージ又は測定値又は選択データ又は測定に関連するリポートを含む小さいファイルを含み、２番目は完全なデータセットを含む。観察するためデータファイルがネットワークを介して転送されるとき、第１サブセットはまず転送されて、観察するため、又は完全なデータセット転送の前にビューアによってプレビューをするために利用することができる一方、第２サブセット又は完全なデータセットの残りの部分は、次のステップとして転送することができる。そうしたプレビューデータは、完全なファイルと関連付けされた記憶ファイルとして観察するため利用することができる。
ＲＩＳ、ＥＭＳ、ＰＡＣ、ビューア、Ｘ線モダリティー取得及びビューアシステム
本開示のモダリティー取得及びビューアシステムは、本明細書に記載するハードウェア及びソフトウェアを含むことができる。システムは、スタンドアローンとする、又はイントラネット若しくは特別な遠隔接続ネットワークを介してＲＩＳサーバーと接続することができる。モダリティー取得及びビューシステムは、遠隔ビューア又はＰＡＣシステムに接続することができる。ＰＡＣシステムはＥＭＳから患者情報を取得することができ、ＥＭＳはＲＩＳサーバーを更新することができ、モダリティービューア及び取得システムも同様である。
定量的分析及び物質分解
現行のＸ線イメージングは、特定の構成要素又は組織の対象領域において２Ｄ投影Ｘ線イメージと共に、密度情報の測定を得る能力を有しない。したがって、複数のＸ線イメージを種々の時間で撮る必要がある。一部の用途において、ＣＴスキャナー、ＭＲＩ、骨スキャン、及び一般のＸ線イメージはすべて、正確かつ適時の診断を得るため撮る必要がある。
１つの構成要素内の対象領域の、構成要素の残りの部分と比較した相対密度及びイメージ、及び／又は、第１の構成要素のものに隣接する若しくは関連する対象領域における異なる構成要素の相対密度及びイメージは、疾患診断、及び／又は物質組成の特徴づけ若しくは識別を示す情報を生成することができる。２ＤのＸ線装置を使用して時間においてそうした情報をモニタリングすることは、疾患の初期診断の効率を向上させることができる。本明細書に開示する定量的２ＤフラットパネルＸ線システムは、ＣＴスキャナーを置き換えることができ、従来のＣＴスキャナーで診断可能なすべての疾患タイプに適用可能である。さらに、本明細書に開示する２ＤのＸ線装置は、リアルタイムで移動に基づく、及び／又は流体フローに基づく特徴づけを行うことができ、バイオ流体に基づく疾患診断及びモニタリング、並びに／又は他の処置関連作業を可能にする。
また、本明細書に開示する２ＤのＸ線装置は、時間及び／又は空間において対象の個々の物質における組み合わせた定量的及びイメージ分析を行うことができる。装置は、２つ以上の物質を有する対象の単一の物質内で、イメージ、デンシトメトリー、及び／又は複合分析（人工知能ソフトウェアを使用するものなど）を相関させることができる。また、明細書に開示する２ＤのＸ線装置は、外科ガイダンスにおいて骨及び／若しくは他の軟部組織から分離して血管及び／若しくは神経組織を可視化する、並びに／又は、種々の造影剤若しくはＸ線識別可能特性の物質とコンジュゲートした抗体で標識した又は組織（患部組織又は腫瘍など）を分離する場合など、ある程度重なり合い得る、様々な原子ｚ番号の、又はＸ線測定可能若しくは識別可能な特性を有し得る、３つ以上の素材を分離することができる。
本明細書に開示する装置の例の用途としては、がん診断（浮遊がん細胞、幹細胞、希少細胞、及び異物性対象の位置特定）、循環器系疾患及び病態（冠動脈疾患（アテローム性動脈硬化症）、血管動脈瘤、及び血餅など）、脊椎病態、椎間板ヘルニア、てんかん、脳炎、脊柱管狭窄症（脊柱管の狭窄）を含む神経障害、卒中患者の血餅又は頭蓋内出血、腎臓及び膀胱結石、膿瘍、炎症性疾患（潰瘍性大腸炎や副鼻腔炎など）、筋肉障害、並びに／又は頭部、骨格系、内臓の損傷を含むことができる。例えば、肺塞栓症又は肺の血餅では、診断のために種々の組織の詳細を観察するため、スパイラルＣＴが必要とされることがある。しかしながら、２Ｄフラットパネルを伴う本明細書に開示する方法を使用すると、診断に必要とされる詳細な定量的分析情報を得るために、はるかに低いレベルの放射線を必要とする。種々の疾患の診断のため装置によって提供される他のパラメーターは、例えば、血管部分の寸法、凝塊、不規則性、微小石灰化、特殊物質、又は嚢腫の存在、骨折（疲労骨折、骨折の近くでカルス形成が起こり、骨測定及びその周囲の組織の両方に影響を与えるとき、など）、シンスプリント（正常な骨密度と比較した損傷の領域における非典型的な密度のばらつきと、非患部の骨領域及び健康な組織におけるその均一性とを伴う）、疼痛管理における診断、処置、及び長期モニタリング、領域内の密度の増加、組織含量の喪失、組織片の追加、特定のマイクロ構造、特にＣＴスキャナー、骨スキャナー、ＭＲ、及び／又はデンシトメーターを必要とするような高分解能及び精度及び定量化測定が必要とされる場合に、密度測定及びイメージによる組成及び変化の導出を含むことができる。
その結果は、特にＣＴスキャナー、骨スキャナー、ＭＲＩ、及び／又はデンシトメーターを通常必要とする場合、最小侵襲外科手術、放射線療法、及び生体組織検査のためなどの外科ガイダンスに使用することができる。また、例の用途は、身体における他の器官、腎臓、手足、目（例えば、インプラント配置）の処置及び外科手術計画及びガイダンス、治療及び処置対応、及び／又は処置後モニタリングを含むことができる。
ＣＴスキャナーがあるいは必要とされる、輸送物検査、セキュリティーＸ線、及び自動Ｘ線検査においてなど、産業の場における物質の特徴づけ及び識別では、本明細書に開示する２Ｄフラットパネルに基づくシステムは、輸送物検査、セキュリティーＸ線、及び／又は自動Ｘ線検査などの産業用途において、対象に包埋される物質又は物体の存在、位置、特徴づけ、及び／又は識別の定量的分析のために十分であるとすることができる。その結果は、特に通常ＣＴスキャナーを使用する必要があるであろう場合に、構成要素、物質、物体の識別及び特徴づけ、故障解析、並びに部品検査に使用することができる。
定量的及び高解像度イメージはＣＴのものと同等とすることができる。任意で散乱線を除去して、２Ｄフラットパネルイメージによって明らかすることができる詳細及び定量的情報は、例えば、分離した組織イメージ、並びに寸法、密度、及び／又はイメージと相関する及び定量的測定値を含むことができる。
対象内の個々の構成要素のイメージ及び定量的測定値は、寸法、組成、厚み、マイクロ構造、形状、形態、同じ構成要素の１つ以上の領域、相対位置、場所などのパラメーター、及び／又は他のパラメーターに基づいて分離、分析することができる。測定は、スタンドアローンとすることができる、並びに／又は、高分解能で、及びリアルタイムで、及び／又は時間区分で、２Ｄ及び／又は多次元空間において、対象の残りの部分、及びその相対位置、場所、及び／若しくは他の測定値と、若しくは、密度、及び相対移動、相対位置、寸法、組成、厚み、形状、形態、マイクロ構造、含量の追加若しくは喪失に関して、同じ構成要素の他の領域と比較することができる。
図１の装置１０の任意の特徴を組み込む図１１に示すように、２ＤのＸ線装置１１００は、Ｘ線源１２と２ＤのＸ線検出器又は検出器組立体１４とを含むことができる。
対象２は、無機物質又は有機物質と無機物質との混合物とすることができる。対象２は、種々の原子ｚ番号を伴う３つ以上の複合物を有する対象とすることができる。対象の例は、組織又は疑いのある患部組織に特異的な分子標識を含むヒトの身体の部分又は器官を含むことができる。また、対象は、産業的対象、又は検査及び特徴づけされる製品とすることができる。
対象２は、Ｘ線源１２とＸ線検出器又は検出器組立体１４との間に位置することができる。Ｘ線源１２は制御可能なエネルギーを有するＸ線を放出することができる。Ｘ線源１２は、各イメージング操作において連続するパルスを放出することができる。Ｘ線源１２又はソースモジュールは、より高速なパルスレートでビームを放出することによって、又は特定の設計のビーム、例えば、本明細書に開示する細ビーム若しくは他のものを放出することによって、散乱線の除去を支援することができる。
パルスは、対象における分離した物質のより高いレベルの散乱線除去、及び／又はデンシトメトリー及びイメージを得るため、種々のエネルギーレベルとすることができる。平均エネルギーレベルＨを有する高エネルギーパルスを放出し、平均エネルギーレベルＭでの中エネルギーパルスが続き、平均エネルギーレベルＬでの低エネルギーパルスが続くとすることができる。各パルスは、単一の、実質的に変化しないエネルギースペクトルを有することができる。Ｘ線検出器１４は、コンピューターへの送信に適するデジタルデータのセットに２ＤのＸ線イメージ情報を変換する任意の２ＤデジタルＸ線検出器とすることができる。Ｘ線検出器１４は、散乱線干渉を除去する性能を有する又は有しない、従来の検出器又はＸ線検出器組立体とすることができる。
従来の２Ｄ（面積）Ｘ線検出器は、その出力信号に混ざった所定量の無作為散乱Ｘ線を受信することができる。任意で、散乱線除去は、ハードウェア、Ｘ線源、検出器、及び／又はアルゴリズム、又は本明細書に開示するものの任意の組合せを使用して行うことができる。また、装置は、散乱線干渉を除去するため、米国特許第５，６４８，９９７号明細書及び第５，７７１，２６９号明細書に記載される３層検出器構造を任意で使用することができる。Ｘ線検出器１４が十分に少ない量の散乱線干渉を受ける場合、質的に適切だが、定量的に不正確なイメージング結果をやはり得ることとなり得る。どの程度散乱線干渉が許容されるかは、事例に依存し、事例に特有の分析によって決定することができる。
装置１１００は、対象２に対してＸ線源２を移動させるため、動力器を含むことができ、及び／又は対象２に対してＸ線源１２及び検出器１４を移動させるため、動力器を含むことができる。任意で、対象は、１つ以上の構成要素又は対象全体を移動させるため、生体又は動物又は内部ロボティクスを有する無生物の対象の場合など、自発的に移動し得る。
装置１１００を使用して生成するイメージは、ＰＥＴ若しくは光学イメージング、ＭＲＩ、及び／又は超音波若しくは音響若しくは光音響イメージング方法によるなど、他のモダリティーを使用するイメージとともに共配置することができる。生成するイメージは、血行力学的特徴及び／又は循環血管疾患を検査するためトレーサーとして粒子、例えばマイクロ気泡を使用してフローを測定するためにＸ線粒子画像流速測定を含むことができる。２ＤのＸ線検出器を使用する場合、重なり合う組織及び散乱線が可視性及び定量化特性を低下させるとき、フロー分析は、深部組織液体フロー測定に使用することができる。
装置は、ｚ軸変位又は２Ｄフラットパネルに基づくイメージング方法の３Ｄ取得を必要とするため個別の視野角を有する２つの検出器パネルを利用する立体粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）に使用することができ、これは、多次元表現を得ることにおいてＣＴスキャナーより高速であり、３Ｄ空間においてフローの流速を得るために十分に高速とすることができる。ＰＩＶは、流速測定のため組織の分離及び時間における測定と組み合わせることができる。装置は、インターフェログラムに基づく方法を使用してホログラフィーに使用することができる。
装置は、骨量密度イメージｂ（ｘ、ｙ）、軟部組織イメージｓ（ｘ、ｙ）、及び／又は第３物質量密度イメージｐ（ｘ、ｙ）、若しくは分子標識組織量密度イメージｐ（ｘ、ｙ）を含む３Ｄ組成イメージを生成するため、スペクトルデータ分解方法を適用することができる。また、この方法は、位置、密度、及び／又はイメージ（腫瘍サイズ又は患部組織サイズなどの形態及びイメージの寸法を含む）における、個々の構成要素の対象領域、及び対象の他の構成要素に対する構成要素の相対的な組成、密度、及び／又はイメージ情報を分析することを含むことができる。
単一、２重、若しくは３重エネルギー又は多重エネルギーのＸ線源を含む装置は、異なる位置から及び／又は様々な時間で対象の１つ以上の２Ｄイメージを撮ることができる。２ＤのＸ線検出器は、Ｘ線源からＸ線を受けると、透過Ｘ線に含まれるイメージ情報を電気信号に変換して、コンピューター又は図１に示すプロセッサーなどのプロセッサーに送信することができる。
Ｘ線イメージング装置は、産業用途において約１５ＫｅＶ～２００ＫｅＶ又は５００ＫｅＶの範囲の平均エネルギーを有するエネルギースペクトルのＸ線を放出するように構成されたＸ線源を含むことができる。
装置１１００は、例えば、現場における使用に適する、及び持ち運びバッグに梱包可能であるような、低ｋｗＸ線発生器又はナノチューブに基づく冷陰極Ｘ線源を使用して、携帯型とすることができる。そうした装置はバッテリー作動することができる。
Ｘ線源の後の回折格子（図１５Ｅ参照）又はビームスプリッターは、疾患の診断において血液及び他のバイオ流体の流速を測定するために散乱及び／又は１次Ｘ線のインターフェログラムを生成するため、装置１１００に追加することができる。ＰＩＶは、流速測定のため組織の分離及び時間における測定と組み合わせることができる。
外科ガイダンスの例
２Ｄフラットパネルに基づく従来の２Ｄイメージング方法は、質的性質のものであるが、散乱線のため十分に定量的性質のものではない。結果として、２Ｄイメージを３ＤのＣＴスキャナーからの３Ｄ定量的イメージにマッチングさせるため、空間的構造をフレーム構造として使用することができるが、このマッチングは正確でないことがある。確実なリアルタイムの位置決めを行うことはできない。立体Ｘ線イメージングは、少なくとも２つのＸ線源、及び２つのソースのそれぞれのための２つの独立した検出器でなすことができるが、そうした構成は、高放射線レベルをもたらし得、３ＤのＣＴスキャナーが定量的イメージを生成する一方、質的である２Ｄイメージの性質のため、マッチングにおいてやはり正確ではない。
マッチングにおける不正確性のため、特に患者が動くとき、携帯型の３ＤのＣＴスキャナーは手術室で使用され得る、又は３ＤのＣＴスキャンは手術用具、インプラント、及び／又は他のもののトラッキングのため手術時に繰り返す必要がある。また、これは、はるかに高い放射線レベルをもたらす。同様の状況が、処置後モニタリング時に起こり得る。
３ＤのＣＴスキャナーを繰り返し使用することは、放射線レベルによる安全の問題であるだけでなく、費用がかかり非効率である。さらに、ＣＴスキャナーは、ＣＴイメージング及び構築を完了するために必要とされる時間に起因して、流体特性又はフロー特徴をモニタリングするのに適しない。
本明細書に開示する２ＤのＸ線装置は、診断、及び外科的処置を含む処置、処置後モニタリング、及びより具体的には、呼吸及び他の患者の動きにより処置時に移動したターゲット領域の位置の、若しくは対象のターゲット、例えば心臓弁などのインプラントのターゲット領域、脊椎の変形領域、インプラント、ステント、がん細胞、細胞マトリックス、分子及び細胞構造、組織、血管のフロー動態及び血管、高周波（ＲＦ）焼灼術、レーザー手術若しくは結石形成などの装置若しくはエネルギー処置及び治療ターゲット又は薬物治療ターゲットの位置及び動的な生理学的及び物理的特徴のトラッキング、又は生体組織検査ニードルの位置決め、又は光音響若しくは非線形顕微鏡、ＯＣＴ、超音波若しくは内視鏡検査を含む光学生体組織検査、ＰＥＴ及びＭＲＩ、及び磁性粒子に基づくイメージング技術、分光法及び干渉計などの他の高分解能イメージング及び電磁気若しくは超音波、ＲＦ波に基づく技術でのイメージングガイダンス若しくは共配置、の正確性及び有効性及び安全性及び速度を向上させることができる。また、本明細書に開示するＸ線装置は、産業用途、例えばロボット及びドロイドのトラッキング並びに製造プロセス並びに工業プロセス及び／又はハードウェア分析、に使用することができる。
インターフェログラムなどの定量的２ＤのＸ線イメージ及び定量的２Ｄ方法に基づく他のＸ線イメージング方法を使用するボリューム領域における１つ以上の構成要素のイメージング及び特性測定ための方法、並びに多重エネルギースペクトル吸収測定などの他の測定可能な特性、並びに／又は同様のものにより、イメージが、定量化可能なデータ、例えば密度、組成、フロー特性、及び流体動態、動的特性、存在、欠如、位相、及び／又はコヒーレンスを提供することを可能にする。イメージング及び／又は測定は長時間とすることができる。
本明細書に開示する２ＤのＸ線装置は、以下のプロセスを使用してトラッキングするためリアルタイムで２Ｄ検出器を使用して３Ｄイメージを生成することができる。内部ターゲットを含む対象領域における１Ｄ、２Ｄイメージ又は多次元ボリュームイメージのデータ点を生成するため、複数の第１測定値を生成することができる。そうした複数の第１測定値は、それぞれが特定の持続時間若しくは同時である、１つ、２つ、若しくはそれ以上のエネルギーレベルを有する単一パルスによって、又は種々のエネルギーレベルの２重若しくはそれ以上のパルス若しくはチューナブル波長パルスによって生成される２重又は多重エネルギー測定のものとすることができる。第１測定値は、選択領域の１Ｄ、２Ｄイメージ、又は空間的に互いに対して分布させたＸ線細ビーム投影データ点の１つ又はセット、又は細ビーム投影データ領域のデータセット、又はインターフェログラムとすることができる。動的移動を位置決め、トラッキング、及び特徴づけるため、第１測定値は、例えば６自由度（６Ｄ）で空間において及び対応する時間区分において、対象領域の構成要素の移動をトラッキング及び特徴づけるように、動的移動周期又は動的移動の持続時間で１回以上サンプリングすることができる。
そして、対象領域のライブ測定値はトラッキング時にサンプリングすることができる。ライブ測定値は、動的移動において第１測定値のものと同じ、又はより高速な又はより低い頻度のものとすることができる。各ライブ測定値は、１つ以上の１Ｄ若しくは２Ｄイメージ、Ｘ線細ビーム照射からもたらされる１つ以上のデータ点若しくはデータ領域、又は１Ｄ及びデータポイント及び選択データ領域における測定値のセットを含むことができる。
第１及びライブ測定値は定量的イメージであり、対象領域の一部が低散乱線干渉又は最少の散乱線干渉を生成する、又は本明細書に開示する技術のいずれかを使用して任意で散乱線を除去して生成される。各ライブ測定値又は各ライブ測定値からの分解データは、第１測定値、様々なエネルギーレベルの抽出データポイント、又は選択データ領域、又は１Ｄ、２Ｄ、若しくは多次元若しくは３Ｄ若しくは４Ｄ若しくは６Ｄ若しくは７Ｄの選択した表示、又は静的な位置及び時間に対応する動的移動の位置からの複数の第１測定値によって再構成される多次元イメージボリュームデータから生成される対象領域における様々な物質及び構成要素のエネルギー分解データポイント、１Ｄ、２Ｄ若しくは多次元イメージ、３Ｄ若しくは４Ｄ若しくは６Ｄ若しくは７Ｄイメージのものを含む合成データセットの１つとマッチングさせることができる。マッチングは、空間構造、フロー特性、構成要素同士の間の相対距離、並びに相対空間位置、並びに／又は６Ｄ方向における方向、組成、並びに／又は密度、時間マーカー、並びにフロー及び流体の動態及び方向に基づくマッチングを含む。対象領域を通過する照射パスによる構成要素の１つ以上のデータ点、又はデータ領域の、又は１Ｄ線形イメージの１つ以上のスペクトル又は単一エネルギー測定値を使用してマッチングさせる場合、速度を有意に改善することができ、１つの特定の領域に対する放射線レベル又は総放射線レベルを、特にそうした測定値が各回で生成される異なる照射パスのものであるとき、著しく低下させることができる。
装置は、内部ボリューム部又は空隙内に配置可能な小型Ｘ線源を含み、第１及びライブ測定値のすべて又は一部を生成することができる。また、後付けキットは、本明細書に開示するようなトラッキングを行うため、既存のＸ線撮影システムを変えるように使用することができる。装置及び方法は、先払い料金なしで適切な病院及びクリニック、外科センター、イメージングセンター、及び管理治療機関に提供することができる。利用者は、イメージを撮るたびに並びに／又はそうしたイメージを診断、前処置計画、処置、モニタリング、及び処置後評価に利用するときのみ請求される。
本開示において、「ターゲット」（図１６のターゲット１１０参照）は、処置（例えば、外科、又はロボット工学、放射線、エネルギー、及び薬剤）が対象とする領域、又は診断の場合、診断のもとにする領域である。「ターゲット」は、インプラント又は手術用具の領域とすることができる。「ターゲット」は、コンピューター又はユーザーによる対象領域の選択領域及びその周囲領域とすることができる。ターゲットは、投影イメージを生成するためＸ線ビームが照射され得る対象の構成要素を包囲する隣接する領域を含む領域を指す「対象領域」に包埋することができる。対象領域は、１つ以上のターゲット及びその隣接する領域を含むことができる。
「構成要素」（図１６の構成要素１２０を参照）は、所定の定量可能なパラメーターのセットによってＸ線イメージング及び／若しくは定量的測定によって識別することができる、並びに／又は、この定量可能なパラメーターのセットに基づいてターゲット内で異なる構成要素から識別することができる、ターゲット内の領域である。ターゲットは１つ以上の構成要素を含むことができる。
本明細書に開示する「細ビーム」（図１７の細ビーム４００参照）は、画素の整数倍のものの視野を有するＸ線ビームである、又はそうした細ビームは、検出器の少なくとも１つの画素の活性領域において検出可能な信号を生成することができる。典型的に、細ビームは、隣接する細ビーム間における少なくとも１つの画素ピッチの間隔で選択することができる。Ｘ線細ビームを使用してボリューム領域における１つ以上の構成要素の特性をイメージング及び測定するとき、各回で、Ｘ線細ビームは構成要素の様々な部分を照射することができる。１つ以上の細ビームは、測定に基づいてシミュレートしたデータを合成するため及び６Ｄにおいて構成要素又は対象領域又はターゲットを位置決めするため基準点として機能するように基準点対象領域における複数の異なる構成要素を照射することができる。細ビームは、投影パスにおける対象領域を照射して検出器における信号を生成するＸ線ビームを指すものとすることができ、検出器に投影される信号の幅は、１ｍｍ～約１０ｍｍの直径寸法とすることができ、「ミニビーム」と呼ばれ、１μｍ～１ｍｍの直径寸法とすることができ、「マイクロビーム」と呼ばれ、０．０１ｎｍ～１μｍの直径寸法とすることができ、「ナノビーム」と呼ぶことができる。典型的には、Ｘ線細ビームは、散乱線干渉なく、又は最少の散乱線干渉で、検出器においてＸ線測定値を生成する。好ましくは、細ビームの投影パスは、信号が検出器における活性領域の中央又は画素ピッチの中央を中心として画素領域の少なくとも１つの画素ピッチを満たすように、Ｘ線放出位置及び検出器に対するその空間位置及び次元においてキャリブレーションされる。２つ以上の画素に投影される場合、同様に、投影パスは、投影される細ビームが２つ以上の画素を完全に満たして隣接する画素にはみ出さないように、キャリブレーションされる。
「第１測定値」は、対象領域をＸ線コーンビーム、ファンビーム、又は１つ以上のＸ線細ビームで照射することによって生成される、検出器におけるＸ線信号である。
「第１イメージ」は、２ＤフラットパネルＸ線検出器を使用して測定値及びイメージから導き出される１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、又は４Ｄイメージ及びインターフェログラムであり、フラットパネル検出器でのＸ線全視野イメージングは、Ｘ線顕微鏡、スペクトル測定、スペクトル吸収測定、若しくはより高速なフレームポイント、線形、及び小型若しくは大型の２Ｄ検出器、並びに／又はエネルギー感応検出器、シリコンドリフト検出器、Ｘ線分光器、上流シンチレーターがＸ線を可視光に変換するとき可視カメラと組み合わせることができる。第１イメージは、ＣＴスキャン、磁気共鳴画像法、及び超音波及びＰＥＴ又は光学イメージング又は光学分光法又は音響光学（光音響）磁性粒子、他の物理的性質測定技術及びシミュレートデータを含む他のイメージングモダリティーの１つ以上から導き出す、又はそれらと同期して、若しくは同じ時間枠で測定することができる。
「ライブ測定値」又は本開示において「第２測定値」として呼ばれることがある「ライブ測定値」は、診断、処置、モニタリング、又はトラッキングプロセス時に、対象領域をＸ線コーンビーム、ファンビーム、及び／又は１つ以上の選択スライスビーム、若しくは１つ以上のＸ線細ビームで照射することによって生成される、検出器におけるＸ線信号である。「ライブ測定値」は、時間依存的に、及びしばしばリアルタイムで、検出器における選択した投影Ｘ線データをサンプリングすることができる。構成要素、ターゲット、対象領域、及び対象のライブ測定値は、第１測定値及び／若しくは第１イメージ、又はデータ点、データ領域、１Ｄラインイメージ、２Ｄ及び多次元イメージ、第１測定値及び／若しくは第１イメージのデータセットから再構築した多次元イメージから３Ｄ及び４Ｄ若しくは６Ｄ若しくは７Ｄイメージの形態における合成表示をマッチングさせるために使用することができる。
「定量的２Ｄイメージ」は、対象領域の測定値である２ＤのＸ線イメージであり、ここで、１）対象領域は低散乱線物質のものである、若しくは用途の要件は測定されるＸ線イメージが定量的分析に使用され得る任意の種類の検出器からのものであるようなものであり、２）散乱線及び１次Ｘ線の分離若しくは識別の方法及び装置を使用することができ、その一部は、散乱線が非常に小さいイメージを得るように本明細書に記載されている、３）例えば、超高速Ｘ線源、検出器のペアを使用するもの、若しくは調整した１次Ｘ線イメージング方法によるものなど、他の１次Ｘ線イメージング方法を使用する、並びに／又は４）使用するＸ線システムは、用途における定量化分析に十分であるシミュレートした散乱線データ若しくはアルゴリズム方法で散乱線除去をする。
「１Ｄ測定」は、スライスするように対象領域を照射するために選択される１つのスライスのＸ線ビームによって検出器に投影されるラインイメージである。ラインイメージの最小幅は、少なくとも１つの画素で検出器において信号を生成するようになすことができる。ラインイメージの長さは、１画素を超えるとすることができる。典型的なラインイメージは、１つ以上の画素ピッチ幅、及び選択した１Ｄビームプロファイルで対象領域を照射するＸ線ビームの投影１Ｄ測定の長さを有することができる。１Ｄ測定は定量的測定であり、さらなる分析に利用可能な定量的データを向上させるため散乱線除去で処理することができる。また、１Ｄ測定は、スライスした投影パスのすべての画素の、又は検出器における１Ｄ投影スライスに沿って分布した２つ以上の画素の測定値を含むことができ、各画素はそのすぐに隣接する画素測定値から少なくとも１つの画素だけ分離することができる。
「データ点」は、対象領域を照射するために１つのＸ線細ビームによって検出器に投影されるデータ点である。データ点は、検出器の少なくとも１つの画素から収集される信号を含むことができる。投影パス及び検出器における画素の空間位置、すなわち「データ点」は、所定の又は決定されたものであり得る投影ビームの信号を収集する。各ビームが検出器における画素の中心に投影される、又は画素群の中心に投影されるように、Ｘ線細ビームを選択することが好ましい。典型的に、データ点は最小の散乱線干渉を有することができる。
「データ領域」は、対象領域を照射するために選択される１つのＸ線細ビームによって検出器における２つ以上の連結した画素に投影されるＸ線細ビームである。データ領域は、種々の形状及び寸法のものとすることができる。各ビームがデータ領域における画素群の中心に投影されるように、Ｘ線細ビームを選択することが好ましい。典型的に、データ領域は最小の散乱線干渉を有することができる。
「４Ｄイメージ」は、同じ構成要素若しくはターゲット若しくは対象領域若しくは対象の他のイメージ若しくは測定値、又は外部基準若しくはセンサーに対する相対的又は絶対的時間基準を伴う、３Ｄ又は多次元イメージを指す。
「６Ｄイメージ」は、そのｘ、ｙ、ｚの３Ｄボリューム、並びにピッチ、ヨー、及びロールにおけるその空間方向を表す、構成要素又はターゲット又は対象領域又は対象の多次元イメージを指す。
「７Ｄイメージ」は、特に、このイメージの前後の時間の測定値に対して、又は他の構成要素若しくは対象領域若しくはターゲット若しくは対象若しくは外部基準若しくはセンサーに対して、相対的又は絶対的時間基準を伴う、その６Ｄイメージを表す、構成要素又はターゲット又は対象領域又は対象の多次元イメージを指す。
「合成した、又はシミュレートした」イメージ及び／又はデータは、以前の測定値又は既存のデータ又は所定の特性値からデータを導き出すことを指す。例えば、構成要素のＸ線データ点において、１つの領域の骨組織のセグメント１が同じ骨の異なる構成要素、セグメント２と類似するデンシトメトリー測定データを有し得るとき、セグメント１の寸法データはセグメント２の以前の測定値から導き出すことができる。セグメント１の厳密なＸ線測定値及び寸法並びにセグメント２に対する相対位置は、以前の測定値又は既存のデータベースから導き出すことができる。セグメント１及びセグメント２の骨組織の６Ｄ及び７Ｄの位置決め及びトラッキングは、合成データから抽出することができる。また、２つの構成要素は、異なる組織タイプ又は物質タイプのものであり得るが、相対位置は保持することができる。対象の１つの構成要素の１つの特性と第２の構成要素の特性との少なくとも１つの確定的な直線関係が存在する限り、第２の構成要素の細ビーム投影データ点の測定値は、対象の構成要素であるの第１の構成要素のシミュレートされる特性の導出、ゆえにトラッキング及び位置決めのための基準点として機能することができる。
「スペクトル測定」は、対象領域にわたって２つ以上のエネルギーレベル又は２つ以上の波長でＸ線測定値を生成する方法に関する。生成されるＸ線信号は、一般的に、点の寸法、２Ｄデータ領域、又は１Ｄライン領域、又は２Ｄイメージ又は多次元イメージ及び３Ｄイメージにおける測定値である。そうした測定値をエネルギー分解するとき、様々な物質又は構成要素が定量的に分離される。典型的に、スペクトル測定は、低分解能イメージング設定における、又は高スペクトル分解能の、多数の波長若しくはエネルギーレベルの、及び／又は小領域若しくはポイント若しくは１Ｄライン領域における、測定を表す。スペクトル測定は、画素ピッチのみ、又は寸法が画素ピッチに近い投影パスにおいて行うことができる。
「スペクトル吸収測定」は、対象領域にわたって２つ以上のエネルギーレベル又は２つ以上の波長でＸ線測定値を生成する方法に関する。生成されるＸ線信号は、一般的に、点の寸法、２Ｄ領域、又は１Ｄライン領域、又は２Ｄイメージ又は多次元イメージ及び３Ｄイメージにおける測定値である。そうした測定値をエネルギー分解するとき、様々な物質又は構成要素が定量的に分離される。スペクトル吸収測定は、低空間分解能の測定値を表すことがある。スペクトル吸収測定は、１Ｄ及び２Ｄフォーマットにおける低空間分解能及び高スペクトル分解能の測定値を表すことがある。典型的なスペクトル吸収測定分解能は、ＤＸＡなどのスキャン型線形吸収測定のものと類似し得る。
「スペクトルイメージング」は、Ｘ線での１つを超えるエネルギー又は波長レベルで測定される、１Ｄ又は２Ｄ又は３Ｄ又はより高次元においてＸ線イメージを生成する方法を指す。典型的に、スペクトルイメージングは、空間的に比較的高い分解能、スペクトル測定より比較的低い分解能、「スペクトル測定」のものより比較的大きいイメージング領域をもたらす、イメージング方法を表す。任意で、スペクトルイメージング又はスペクトル吸収測定又はスペクトル測定の方法を使用する最も高い性能のシステムの空間及びスペクトル分解能は、類似する又は同じとすることができる。しかしながら、様々に実際的に考慮すると、各構成は本開示の典型的な場合に互いに異なり得る。
「Ｘ線細ビーム」は、検出器における信号を生成する投影パスにおける対象領域を照射するＸ線ビームを指し、検出器に投影される信号の幅は、＞ｍｍの直径寸法とすることができ、「ミニビーム」と呼ばれ、１μｍ～１ｍｍの直径寸法とすることができ、「マイクロビーム」と呼ばれ、０．０１ｎｍ～１μｍの直径寸法とすることができ、「細ビーム」と呼ぶことができる。典型的には、Ｘ線細ビームは、散乱線干渉なく、又は最少の散乱線干渉で、検出器においてＸ線測定値を生成する。好ましくは、細ビームの投影パスは、信号が検出器における活性領域の中央又は画素ピッチの中央を中心として画素領域の少なくとも１つの画素ピッチを満たすように、Ｘ線放出位置及び検出器に対するその空間位置及び次元においてキャリブレーションされる。２つ以上の画素に投影される場合、同様に、投影パスは、投影される細ビームが２つ以上の画素を完全に満たして隣接する画素にはみ出さないように、キャリブレーションされる。Ｘ線の細ビームは例えば、直径が０．０１ｎｍ～１０ｍｍとすることができる。細ビームは、直径がｍｍの整数倍であるとき、ミニビームと呼ばれ、又は直径がμｍであるとき、マイクロビーム、直径がｎｍであるとき、細ビームと呼ばれる。細ビームは、その隣接するビームから離れており、対象領域を照射して、検出器において個々の投影イメージ及び測定データ点を生成することができる。
対象領域における「選択領域」は、ユーザー又はプロセッサーのデジタルプログラムが全視野Ｘ線イメージングの結果に基づいて、又は所定の、又は無作為に選択する対象領域より小さい領域を指す。選択領域は、Ｘ線源の下流でコリメーター又は選択される透過領域を有するように組み合わせた複数のコリメーターリーフを組み合わせることによって選択的に照射することができる。又は、選択領域は、Ｘ線を放出するために選択領域を有するアノードから生成されるＸ線のみによって照射される。又は、Ｘ線源又はＸ線放射線が対象に対してｘ、ｙ、ｚ軸のそれぞれの周りを回転する、対象に対して３Ｄ空間において移動する、及び／又はＸ線ビーム出力の領域を制限するコリメーターと組み合わせるとき、選択領域が照射される。選択領域は、各領域が構成要素及び／又はターゲット及び／又は対象領域の一部である、同じ領域又は異なる領域を照射することによって構成要素及び／又はターゲットをトラッキングするために使用することができる。
本開示における「フラットパネル」検出器は、２次元軸の少なくとも１つにおける寸法が１ｃｍより大きくなるような、２Ｄ検出器を指す。典型的に、そうした検出器は、少なくとも数ｃｍ２のｘｙ寸法である。
本明細書に記載するような構成要素、ターゲット、及び対象領域のトラッキング及び静的位置測定は、第１測定及びライブ測定において移動可能なＸ線源又は複数のＸ線源を使用することができる。測定は、診断のため多次元イメージを再構築し、第１測定からの抽出データ点、データ領域、１Ｄ、２Ｄ及び３Ｄ及び４Ｄ及び６Ｄ及び７Ｄイメージを、多次元イメージから生成されるライブイメージにマッチングさせるために使用することができる。小型Ｘ線源を使用するとき、ソース及び検出器は、例えば、歯科又は腎臓又は腸、又は内臓、又は内腔測定において、第１測定及びライブ測定のためのソースとして使用するため、ターゲットに近接して、例えばヒトの体腔内に、配置することができる。
本明細書に開示する装置は、対象における対象領域の他の部分に関連する空間データを報告することができる。例えば、脊椎手術時に、装置は、外科プローブ又はロボットツールから神経及び／又は血管への距離を報告することができる。そうしたデータは、整形外科又は脊椎手術において手術用具をガイドするため入力信号を提供する、並びに／又は操作装置及び／若しくは外科医に警告するため視覚的に及び／若しくは聴覚的に表示することができる。
本明細書に開示する装置はより高速にマッチングすることができる。例えば、インプラント及び／又はツールは放射線透過性マーカー又は他のタイプのマーカーを有することができる。ゆえに、製造者は、Ｘ線イメージにおけるインプラントのサイズ及び設計の３Ｄ表現を提供することができる。任意で、インプラント及び／又はツールの材料及び設計に基づいて、３ＤのＸ線イメージをシミュレートすることができる。
本明細書に開示する装置は、順に細ビームの相対照射位置を提供することができる。本明細書に開示する装置は、対象、ターゲット、対象領域及び構成要素のリアルタイムの多次元イメージを提供するため、１つ以上のＸ線源を利用する、又は１つ以上のＸ線放出位置を利用することができる。Ｘ線源又はＸ線放出位置は、それぞれ隣接するＸ線源又はＸ線放出位置から画素サイズの分数、１画素サイズ、又は画素サイズの整数倍とすることができる。あるいは、Ｘ線源の放出位置は、ターゲットに隣接する特定の組織領域では、放射線レベルが低下して、新たな未知の画素が導入されないように、ターゲットの別の隣接する領域を照射するが、なお対象領域内を照射するように設計することができる。第１測定から導き出されるデータセットは、迅速なルックアップ及びマッチングのために使用することができる。本明細書に開示する装置は、第１イメージでのＸ線細ビームからの測定データセットを向上させるとともに、予想可能であるように細ビームの位置をずらすことで放射線を低減するように、高速にすることができる。構成要素の様々な領域は、連続的に、及び互いから既知の空間相対距離で照射される。構成要素の３Ｄボリューム領域のためのＸ線測定データの記憶データプールに対するマッチングを、迅速に行うことができる。
また、第１イメージセット又は再構築される多次元イメージ又は抽出される１Ｄ、２Ｄ及び３Ｄイメージのデータベースにおけるより高速なマッチング又はルックアップは、構成要素を照射するＸ線細ビーム又はＸ線ファンビームのおおよその位置及びパスを予測することで、関連領域の第１の測定データ、又は第１測定からの抽出データ、又は合成及びシミュレートされるデータ、又はＡＩ方法から生成されるデータを含むデータベースにおけるルックアップの範囲を限定するため、幾何学形状、Ｘ線源からのＸ線ビームと検出器との相対空間位置関係をキャリブレーションすることによって得ることができる。
また、より高速なマッチングは、各構成要素のサイズ、したがって可能な細ビームパスのデータベース、又は構成要素のポイント、データ領域、及び１Ｄ及び２ＤイメージのＸ線測定のデータベースを限定することで、なすことができる。
各Ｘ線ビーム投影データ点又は画素領域が定量的データを保持するので、マッチングはまた、各ビームが照射する構成要素の物質タイプ又は組成を導き出すように投影データを分解することでなすことができる。例えば、特有の解剖学的部位、並びにその特有の位置及び／又は方向ための抽出イメージデータセットは、データベースルックアップを、少数のデータセットに限定することができる、又は、ライブイメージのイメージングための対象領域若しくはターゲット若しくは構成要素の全体的なボリュームを限定及び／若しくはさらに減少させて、ゆえに放射線量を低下させる可能性があるとすることができる。
任意で、第１イメージから構築される３次元イメージからの抽出２Ｄイメージが、対象領域の同じ投影パスにおいて２Ｄイメージにおける対応する低エネルギーを有する単一エネルギー（例えば、高単一エネルギー）のみから構築することができるとき、各Ｘ線細ビームは、単一エネルギーのものとすることができる。結果として、１つの単一エネルギーライブＸ線イメージは、投影ビームパスに沿う種々の物質の位置、密度、及び他の定量的情報を導き出すために十分であるとすることができる。例えば、照射されるＸ線パスにおける構成要素又はターゲット及び対象領域の骨及び軟部組織の組成を抽出することができる。本明細書に開示する物質分解及び／又は識別の任意の方法を使用することができる。例えば、インプラント又は手術用具又は成分を造影剤で標識することができる。
フィルターを使用するＫエッジ測定、又はしばしばＸ線源と対象との間のＫエッジ符号化開口を含むことができる。特に、ソースとしてＸ線細ビームを使用して、データ点、データ領域、１Ｄ及び小２Ｄ領域を測定するとき、散乱線干渉は小さい。Ｋエッジフィルターでの第１及びライブ測定を使用することができる。さらに、低散乱特性を有する対象領域において、Ｋエッジフィルターを使用することもできる。
一部の例において、トラッキングは、診断及び検査時、処置前、処置時、及び／又は処置後において、実行することができる。処置前に、本明細書に開示する定量的２Ｄイメージからのもの、又はＣＴスキャンを含む他のモダリティーのデータであり得る、少なくとも２つの２Ｄイメージを測定することができる。各２Ｄイメージは、呼吸周期又は心拍動周期又は対象に存在する対象領域に関する他の動きなどの動的動きの周期又はプロセスにおける時点に対応することができる。一連の２Ｄイメージのそれぞれは、実際の２Ｄイメージ又は実際の２Ｄイメージ及びコンピューター抽出２Ｄイメージの組合せとすることができる。ライブイメージとのマッチングのため２Ｄイメージを抽出するため、少なくとも２つの定量的な２Ｄ第１イメージを撮る。そして、２Ｄ合成イメージは、実際の２Ｄイメージから抽出し、処理することができる。各２Ｄイメージは、ターゲットの位置及び／又は方向を示す。
トラッキングを必要とする時間区分時に、１つのライブ定量的Ｘ線イメージ、又は多次元Ｘ線イメージ、又は１つ以上の投影細ビームデータ領域、又は２つ以上のライブ細ビーム投影データ点を、動的移動時に個別の時間間隔で測定することができる。多次元定量的Ｘ線イメージは、少なくとも１つの検出器、及び対象及び検出器に対する少なくとも２つの異なるＸ線放出位置によって生成することができる。ライブ定量的Ｘ線イメージ又は細ビーム投影データ点を、少なくとも１つの検出器及びＸ線源からの１つのＸ線放出位置によって生成することができる。２つ以上のＸ線源、及びＸ線投影イメージを収集する、対応する１つ以上の検出器は、多次元イメージ、又は種々のエネルギーレベルでのスペクトルイメージ、又はターゲット周囲領域における放射線量の低下をなすために使用することができる。構成要素は、Ｘ線測定において明らかに観察されないことがある。しかしながら、構成要素のトラッキング及び６Ｄ位置決めは、時間におけるライブ測定を、第１測定又は第１イメージ又は抽出データ点、第１測定の再構築多次元イメージからの１Ｄ、２Ｄ及び３Ｄ及び４Ｄイメージ、並びにデータ点、データ領域、１Ｄ、２Ｄ、及び多次元のイメージと比較することで決定することができる。
また、構成要素、ターゲット、及び対象領域の最良にマッチングする投影イメージに関連する視野角に基づいて、ライブＸ線測定を行うときに対象が存在する厳密な角度又は移動を決定することができる。対象（患者の身体など）の移動／回転移動、並びに、呼吸、心臓に関する現在の生理学的状態、及び対象の移動に関与する他の関連生理学的状態の両方を、ライブＸ線測定値から推測することができる。処置又はトラッキング時のＸ線投影測定にのみ必要とされる、基準マーカーはこの処置のためにインプラントされる必要がない。
第１及びライブＸ線イメージ及び測定は、ターゲット若しくは対象領域の物質分解及び任意で散乱線除去のために共に、それぞれが異なるエネルギーレベルでのＸ線ビームの２つのパルス、若しくは３つのパルス以上のパルス、又はチューナブルエネルギーパルス源、又は多重エネルギーレベルのパルスで行うことができる。
あるいは、Ｘ線源が１つ又は２重又は３重以上のエネルギーレベルのパルスを生成するとき、Ｘ線測定は、１つ以上のパルス時に様々なエネルギーレベルにおいて行うことができる。エネルギーレベル同士の間の移行は、漸進的又は即時とすることができる。１つのパルスの波長及び／又はエネルギーレベルは、次のものとは変えることができる。例えば、２つのパルスのセットは、発生器によって生成される２つの異なるエネルギーレベルを有する第１パルスと、第１パルスの２つのエネルギーレベルとは異なり得る１つのエネルギーレベルを有する第２パルスとを有することができる。
任意で、第１パルスのエネルギーレベルは低とすることができ、第２パルスのエネルギーレベルは中から高とすることができる。第３パルスのエネルギーレベルは高から中とすることができる。第４パルスのエネルギーレベルもまた低とすることができる。
第１及びライブＸ線測定値を生成するためのパルスのエネルギーレベルは、ターゲット若しくは対象領域の物質分解及び／若しくは散乱線除去、並びに／又は非標識若しくは造影剤標識領域の組成の定量的分析に必要とされるものによって決めることができる。
本明細書に開示する装置のハードウェアの空間位置は、ビームセレクターを組み合わせたデュアル検出器を使用するなどの本明細書に開示する方法を使用するなどの散乱線除去のキャリブレーションとすることができる。ライブＸ線イメージを撮る前に、３Ｄ空間におけるソースに対する、任意で検出器を伴うビームセレクターの相対位置を、散乱線除去プロセス及び取得データをより正確にすることを確実にするようにキャリブレーションすることができる。そうしたキャリブレーションは必要に応じてなすことができる。また、検出器及びＸ線源が所定位置に固定される場合、キャリブレーションは、各対象測定の前に行うことができる。キャリブレーションは手動である、光に基づく、モーター式である、及び／又は他の機械的若しくは視覚的方法に基づくことができる。一部の用途において、そうしたキャリブレーションは任意とすることができる。
また、キャリブレーションは検出器読み取りの速度を向上させるために使用することができる。Ｘ線源及び検出器がキャリブレーションされる場合、Ｘ線サンプリングの各回において、検出器における選択される画素のみを、特定の照射位置に対応して読み取ることが必要となる。
装置は、Ｘ線量を低減するため閉ループフィードバックシステムを含むことができる。対象領域におけるターゲットのための第１イメージ若しくは第イメージの第１セット、又は対象領域の第１イメージ、又は２重若しくは多重エネルギーレベルでの第１イメージに基づいて、対象領域におけるＸ線ビーム放射線出力レベルを調節し、５Ｘ線ビームを、可視化及び定量的分析の目的で取得データを含むことなくその後の第１測定及びライブ測定のために、入力Ｘ線量を極力少なくするように対象領域若しくはターゲットのみを照射するために空間的に調節される。１０
図１６に示すように、例のコンピューター制御エネルギー処置装置１００は、ガイドワイヤ及びカテーテル１０４を含むことができる。処置装置１００は、イメージに基づく外科ガイダンスシステムを提供するため本明細書に開示するＸ線システムと組み合わせることができる。
Ｘ線源１２は、対象１６における対象領域１１０に配置されるターゲット１３０に含まれる構成要素１２０を照射するＸ線ビーム３０を生成する。投影Ｘ線３０は検出器１４においてイメージを形成する。プロセッサー（図１Ａにおけるプロセッサーなどの）を含むことができるコンピューター装置１０２は、エネルギー処置を行うように、エネルギー処置装置１００を制御する。カテーテル１０４は、ターゲット１１０内の構成要素１２０に到達するように、対象１６をプローブすることができる。
図１６におけるＸ線源１２はＸ線ファンビームを提供することができる。図１７において、Ｘ線源１２は多重細ビーム４００を提供することができる。変調器（パターン化マスク、又はコリメーターとも呼ばれる）２４は、検出器１４において検出領域を形成することができるＸ線細ビーム４００を選択的に透過させるために使用することができる。図１８に示すように、これらの領域は、コリメーター５０１、５０２、及び５０３におけるそれぞれ４０１、４０２、及び４０３として示す位置とすることができる。
任意で、スキャン型Ｘ線源は、それぞれ異なる時間において、４０１、４０２、及び４０３となどの２つ以上の領域で、ターゲット１１０を照射するようにコリメーター２４上をスキャンすることができる。
上述のように、多重Ｘ線細ビームは、ビーム吸収体又は図１７若しくは図１５Ｂにおけるコリメーター２４などのビームセレクターマスクを組み合わせた単一Ｘ線源を使用して対象領域を照射するように選択することができる。ビームのそれぞれは、検出器における１つ以上の画素によって検出することができる。コリメーター２４は、所定の領域がＸ線ビームを透過させ、他の領域がＸ線を完全に不透過とすることを可能にする。
本明細書に開示する任意の例などの、コリメーターの種々の位置及びパターンは、特定の位置における組織への放射線量を極力少なくするため様々な時間で透過ビーム位置を選択するように使用することができる。例えば、放射線療法において、１０秒毎に２Ｄイメージを撮って、ターゲットの位置を更新することは一般的である。各２Ｄイメージが１つのＸ線細ビーム（若しくは１ＤのＸ線スライス投影ライン、若しくは多重Ｘ線細ビームによる構造化照射）、及び／又は各回で、様々な透過位置（若しくは回転するなど移動する透過パターンを有する（図１９参照）、若しくは３Ｄ空間において移動するマスク）を有する異なる構造若しくはマスクによって置き換え、次のＸ線測定、イメージングプロセスにおけるその後の測定と比較して、ターゲットの様々な領域及び周囲領域を照射するＸ線細ビームがもたらされる場合、総放射線量は、照射領域において低減される又は極力少なくすることができる。
放射線療法において、放射線療法エネルギー発生器はＸ線源として使用することができる。
図１８に見受けられるように、様々なコリメーター５０１、５０２、５０３はそれぞれ、第１イメージ及びライブイメージのための測定データを生成するためターゲットの様々な領域を照射するようにＸ線を選択的に透過させるためＸ線源１２の下流に配置することができる。また、各データセットは、様々な時間に測定される同じ構成要素のＸ線データセットを表すため使用することができる。コリメーターのそれぞれは、入力Ｘ線パスの内外に配置することができる。４０１のためのビームパスは、４０２のもの及び４０３のものとは異なるので、各ビームパスにおける組織領域は一度、又は総サンプリング回数と比較して限定回数、照射されるのみである。任意で、１つのビームパスのみが、システムの複雑性を少なくするため使用することができる。
図１９は、Ｘ線透過領域２００を有する回転ディスクであるコリメーター２０２を示す。コリメーター２００を回転させながらＸ線測定が様々な時間で行われるとき、透過領域は回転動作時に様々な位置となることができる。コリメーター２０２は、図１７におけるコリメーター２４を置き換えるように使用することができる。
図２０において、図１７におけるコリメーター２４を置き換えるために使用することができるコリメーター２０２は、２Ｄ平面において異なるパターンを形成する透過領域２００を有することができる。コリメーター２０２は、ターゲットに対する放射線量を低減するように様々な照射パスにおいて構成要素又はターゲットに到達するため、検出器に平行な２Ｄ平面において動力器によって移動する、又はＸ線源と共に回転する、又は第３軸を移動することができる。
図２１は、透過領域２００が、交互のＸ線吸収領域又はＸ線不透過領域２０１を伴うチェッカーボードパターンである、他の例のコリメーター２０２を示す。そうしたコリメーターは、透過及び不透過領域が次回と比較してＸ線測定値をサンプリングするたびに相補するように、各回において領域２０１又は２００の画素ピッチで、ｘ及び／又はｙ位置において移動することができる。
図２２は、透過領域２００を有する他の例のコリメーター２０２を示す。そうしたコリメーターは、ｘ及び／又はｙ方向において移動する、及び／又は検出器と平行な２Ｄ平面において回転することができる。
図２３は、透過領域２００が不透過領域２０１と組み合わさった、他の例のコリメーター２０２を示す。
上述のように、Ｘ線源からのＸ線ビームは、Ｘ線サンプリングの１つ又は複数フレームにおいて、プログラムしたパターンでスキャンすることができる。あるいは、Ｘ線源は、Ｘ線細ビームを生成する又はＸ線細ビームを選択的に生成するため、単に領域２０２全体、又は２０２の選択領域を照射する。
コリメーター２４、２０２の選択開口部は、対象領域を照射するため、３Ｄ空間においてＸ線ビームを選択的に透過することができる。あるいは、１つ以上のＸ線源は、Ｘ線ビームが種々の３Ｄ位置から対象領域に入射しているようにＸ線ビームを操舵して対象をスキャンするため、様々な位置において３Ｄ構造、又はビーム操舵装置に取り付けることができる。
図２３は、同じビーム４０４に対する照射領域における放射線レベルを低減するための、操舵組立体１５によるＸ線源１２の配置を示す。組立体１５は、Ｘ線ビーム４０４－１、４０４－２、４０４－３を構成要素１２０に向かって、しかしながらそれぞれ３Ｄにおいて異なる角度から、操舵することができるＸ線光学系を含むことができる。例えば、ビーム４０４－１は第１時点で、ビーム４０４－２は第２時点で、ビーム４０４－３は第３時点で、構成要素１２０を照射することができる。組立体１５は、対象領域における特定領域への総放射線量をライブ測定において低減する及び／又は極力少なくするように、必要とするとき構成要素１２０の種々の領域において連続する照射を可能にする。ビーム操舵組立体１５は屈折装置とすることができ、Ｘ線源１２からのビーム４０４は屈折するように操舵することができる。あるいは、ビーム４０４はそれぞれＸ線細ビームとすることができ、ビーム操舵組立体はビーム４０４を回折させるように操舵することができる。ビーム操舵組立体１５は、ビームストップ又はチューナブルビームスプリッター２０又はキャピラリーに基づく総内反射Ｘ線光学系などのＸ線ガイドを有する（図１５Ｄも参照のこと）、ＭＥＭ鏡、又は結晶、又は回折格子（図１５Ｅも参照のこと）とすることができる。
図２６及び２７Ａ～２７Ｃにおいて、それぞれのターゲット領域１１０－ｔ１、１１０－ｔ２、１１０－ｔ３は、対象１６の対象領域１３０に存在することができる。図２６及び２７Ａ～２７Ｃに示すように、２つ以上の構成要素１２０－ｃ１、１２０－ｃ２、及び１２０－ｃ３もまた対象領域１３０に存在することができる。１Ｄ、２Ｄ、及び３Ｄにおける多次元イメージは、構成要素１２０－Ｃ１（例えばインプラントした心臓弁）、構成要素１２０－Ｃ２（例えば心臓組織）、及び構成要素１２０－Ｃ３（例えば胸部骨）の構成要素のイメージから抽出することができる。各構成要素１２０は、密度、造影標識、空間構造及び形状、相対空間位置、組成、又は移動特徴、フロー特性、フロー特徴、フロー方向、流体動態、存在、可視性、又は移動速度若しくは移動頻度、又は構成要素内のそうした物理的性質のいずれか、又は第１Ｘ線イメージによって分析することができる任意の識別可能な物理的性質、又はシミュレートされる特性、又は既知の特性、又はこれらの特性の任意の組合せによって識別することができる。
物理的性質は、物質組成及びフロー特徴における変化をモニタリング及び測定するため、スペックル、周波数、位相コントラスト、一部の場合には、空間感応検出器、スペクトル吸収測定と組み合わせたエネルギー分散格子によって測定することができる、フロー特性を含むことができる。物理的性質は、インターフェログラムによって識別することができる特性および構造を含むことができる。
シミュレートデータは、既存のデータ、例えば、骨密度などの組織の密度、又は、対象領域に含まれる既知の骨構造の種々のフラグメントの移動に基づいていてもよく、これは骨の予測可能な強度特性、したがって、呼吸、心臓のパンピング、又は一般的な動きなどの様々な条件の下での動的移動特徴の特性を生じさせることができ、これは、事前に測定した、又は以前に行われた測定から抽出した情報でソフトウェアによってシミュレートすることができる。シミュレートデータは、例えば、インプラントの材料タイプ及び設計に基づいて特定の組成及び動的移動特徴を有し得るインプラント又は手術用具のために導き出すことができる。Ｘ線イメージにおけるその効果は、同じタイプのインプラントの測定値からの既存のデータ又はインプラントの予測値のシミュレーションから生成した仮想イメージに基づいて、ライブイメージングの前に決定することができる。上述のように、放射線透過性マーカーは、対象領域に挿入する前に又は対象領域に挿入するときにインプラントを標識するために使用することができる。緊急の状況において、対象１６の第１イメージ又は完全な第１イメージのセットが即座に利用可能ではない、又はイメージングされる対象が完全な第１イメージ構成を利用可能でない位置に存在するとき、そうしたデータは、動物からとったデータ、又は構成要素１２０、ターゲット１１０、又は対象１６に類似する領域の測定データから得た統計に基づいて検証されたデータに基づいてシミュレートすることができる。
以前より既知の特性は、構成要素１２０、ターゲット１１０、及び対象１６を位置特定及びトラッキングするため、Ｘ線イメージング及び測定可能な特性、寸法、空間構造、形状、密度のそうしたデータ、並びに／又はＸ線データ及びイメージング分析に使用される他の関連データを含むことができる。以前より既知の特性は、分光法、ＭＲＩ、超音波、光学イメージング及び分析を含むエネルギー又は電磁波、ＰＥＴ、磁性粒子に基づくイメージング、光音響、熱又は光学干渉法のいずれかを使用する別のイメージング／測定技術の測定からのデータとすることができる。以前より既知の特性は、コンピューター又はユーザー入力のパラメーター及び特性とすることができる。
ロボット工学による外科手術において、構成要素、又はターゲット、又は対象領域の外側に一般的に仮想境界部を必要とする、あるいはインプラント又は手術用具のために仮想境界部を必要とする。そうした境界部は、インプラント又は手術用具と相互作用する構成要素、又はターゲット、又は対象領域の移動及び位置を限定するために存在する。上述の特性のすべては、構成要素、ターゲット、及び対象領域を識別し、コンピューターが手術用具又はインプラント装置の位置、相対距離、及び移動を制御するために仮想境界部を設定するため、使用することができる。
幾何学形状の画定、したがって構成要素、又はターゲット、又は対象領域の境界部は、診断又は処置計画時に定めることができる。そうした情報は、第１測定から抽出し、診断プロセス、検査、及び検出プロセス時に分析することができる。コンピューター又はユーザーは、既存のデータ並びに／又は診断及び計画のために取得したイメージからの測定データに基づいてライブ測定のために対象領域としてそうした領域を選択することができる。例えば、その構造の複雑性及びその動的移動特徴に起因して、肺組織と比較して心臓組織において、より小さい構成要素、より小さいターゲットを画定することができる。結果として、既定の３Ｄボリュームにおけるより多くのターゲットが、正常な肺組織のものと比較して心臓組織において画定され得る。インプラントの手技又は組織若しくは疾患の処置において、選択した数の構成要素のみを測定することができ、一部は、同じ組織において他よりも、又は他の組織と比較して、より高い頻度とすることができる。
対象１６を含む生体のヒトに典型的な動的動きが存在する。動きは、例えば、心拍動、呼吸、及び血流など、典型的な規定の周期又は間隔を有する、又は設定パターンを有する、設定頻度のものとすることができる。動きは設定頻度なしとすることができるが、パターンあり又はなしで動作し得、一部は、食物消化時の胃の動作、又は活動若しくは感情的事象に起因するより速い心拍動などの正常な生理学的事象によって誘発されるとき設定頻度であるとすることができる。動きは、複数の器官又は同じ器官の部分が動的動きの状態にあるとき、関節においてなど、自発的動きを含むことができる。動きは、例えばヒトが鎮静作用下で又は睡眠時にその身体を動かす又はずらすなど、不随意の動きを含むことができる。
イメージング時に、患者は、これらのタイプの動きのいずれかを経験し得る。対象領域１３０は病態に特有の動的動きの特徴を有し得、その構成要素１２０のそれぞれは特定の動的特徴を有し得、これは、Ｘ線ファンビーム又は選択される１つ以上のＸ線細ビームによって構成要素を照射すること、及び様々な時間間隔において測定データをサンプリングすることによって取得することができる。
Ｘ線イメージングは、ハイブリッドイメージング構成においてＸ線データ測定分析と組み合わせることができる。図２５は、ハイブリッドシステム測定、及び定量的Ｘ線イメージと非Ｘ線イメージングモダリティーとの所定位置の共配置、及び対象領域のトラッキングのための例のフロー図を示す。第１及びライブ測定の一部における測定Ｘ線データは、顕微鏡又はスペクトル吸収測定システムから導き出すことができる。
例えば、ｎｍ範囲で細部を解像するはるかに高い分解能のイメージング、及び／又は高分解能スペクトル定量的分析を、対象領域の選択される視野においてなすことができる。
Ｘ線源のさらなる詳細をここで記載する。光線源は、従来のＸ線管、又は複数の放出位置を有する、若しくは複数の放出位置からＸ線を放出することができる、若しくは電子ビームを偏向させるために磁気プレートを有するものなどのビーム出力を操舵することができる、若しくは従来のカソード、冷カソード、光に基づく、シンクロトロンのような、結晶に基づく、ナノチューブに基づくカソードなどのカソード、及び／若しくは任意の従来のアノード、液体アノードなどのアノード、若しくはナノワイヤを含む、電子ビームを生成するために種々のハードウェア方法を使用する、Ｘ線源のものとすることができる。また、Ｘ線源は、回折格子、又はコリメーター、又はビームスプリッター、又はチューナブル格子、又はビームセレクター、又はＭＥＭを含むビーム操舵装置、又は結晶に基づく装置、又は総内反射に基づく装置又は導波管と連結することができる。エネルギー切り換え装置を有する任意のＸ線源を使用することができる。
Ｘ線源は、対象内に配置する、空隙内、又はサイズが小型とすることができる。例えば、Ｘ線源は、カーボンチューブ又は結晶に基づくものとすることができ、第１イメージ及びライブイメージの一部又はすべてを生成することができる。そうしたＸ線源は、対象領域を照射するため対象１６の空隙又は内部ボリュームに挿入することができる。例えば、心臓弁又はステントインプラントをターゲットの位置にガイドするとき、Ｘ線源は、検出器が対象の外部に配置されるということを除いて、内視鏡と類似するように、ガイドワイヤに接続される、及び／又はインプラント位置に対して既定の位置に配置することができる。Ｘ線源は、図１６のように同じ検出器１４、又は別の検出器と共に使用することができる。Ｘ線源は、Ｘ線を集束させて対象領域を通過させるため集光器レンズ及び開口を含むことができるＸ線光学系組立体と共に使用することができる。透過するＸ線は、検出器に収集されて出力することができる。単色ソースのＸ線は、シンクロトロン及び同様のソースでは任意のエネルギーレベル（０～７０ＫｅＶ以上など）とすることができる。従来のＸ線管から導き出される単色ソースは、フィルタリング及びアノードターゲットの仕様からもたらされる、任意のＸ線管エネルギーレベルとすることができる。Ｘ線源は超高速Ｘ線源とすることができる。
あるいは、１つ又は複数のチャネルを有する導波管は、従来のソースから放出されるＸ線を、液体アノードを有するＸ線源に接続するために使用することができる。液体アノードのフロー速度及び空間パターンは、Ｘ線の生成及び生成されるＸ線の量を調整するように調節することができる。
検出器は、２Ｄ若しくは直線状若しくはポイントのＸ線検出器、又はエネルギー感応検出器、又は分光器モジュール、若しくは、各チャネルがエネルギー分散格子、及び対象領域に含まれるターゲットにおいてＸ線ビームによって照射されるラインのエネルギー特徴を測定するため対象若しくは２Ｄ全視野検出器の下流に空間感応センサーアレイを有する、複数のチャネルの分光器モジュールとすることができる。
後付けハードウェア組立体及びソフトウェアは、外科ガイダンスでは２０ＫｅＶ～１０００ＫｅＶで、又は放射線療法ではＭｅＶ範囲でＸ線を生成するなど特定の用途に適するように既存のハードウェア及びソフトウェアを変更するため、本明細書に開示するＸ線トラッキング特性を組み込むことができる。後付けキットは、ハードウェア及びソフトウェアの両方を含むキャリブレーションキット、本明細書に開示するイメージング方法のためにキャリブレーションするためのソフトウェア、種々のエネルギーから切り替えるためにＸ線源及びＸ線源制御を変更するためのハードウェア及びソフトウェア、既存のＸ線源を新しいＸ線源に置き換えること及び／若しくはさらなるＸ線放出位置を生成することを含む本明細書に記載するような１つ以上の追加のＸ線源、後方フラットパネル検出器を置き換えるための本明細書における散乱線除去及び物質分解において記載するようなＸ線検出器組立体、イメージングプロセス及び／若しくは取得のためのソフトウェア、位置決めのためのハードウェア若しくはＸ線源若しくは本明細書に記載する方法に関与するＸ線システムの他の部品を移動させるための動力器、散乱線除去若しくは物質分解イメージングのためにＸ線源ビームからの出力を変調するための１つ以上のコリメーター、既存の二重若しくは多層検出器を変更するためのビームセレクター、既存の検出器が既に存在する場合デュアル検出器散乱線除去組立体をなすため検出器を加えたビームセレクター、ビームセレクター若しくはコリメーター及び検出器が既に存在する場合１つ以上の追加の検出器、ビーム操舵、若しくはＸ線ビームの視野及び他の出力特性を調節、若しくはＸ線細ビームを選択するためのＭＥＭ若しくは結晶などのチューナブルハードウェア、Ｘ線ビーム位置操舵装置若しくは電子ビーム操舵装置、スペクトル吸収測定又はＸ線顕微鏡に必要な任意の追加のハードウェア、Ｘ線若しくは非Ｘ線イメージングモダリティー及び技術、及び光学分光法などの分光法若しくは光分析システム、ＭＲＩ、ＰＥＴ、光学機構、光音響、超音波、熱イメージング及び分析を含むために必要な任意の追加のハードウェア、の任意の１つ以上を含むことができる。
トラッキング方法のさらなる詳細をここで記載する。図２５に示すように、ハイブリッド測定、及び定量的Ｘ線イメージと非Ｘ線イメージングモダリティーとの共配置を、対象領域の位置決め及びトラッキングのために使用することができる。ステップ１において、既存の定量的２Ｄ及び多次元Ｘ線イメージング並びに物質分解イメージデータベースは、他のモダリティー、つまり、ＭＲＩ、ＰＥＴ、光学イメージング及び／若しくは分析、分光法、光音響、超音波、並びに／又は磁性粒子に基づくイメージングモダリティー、からのイメージと組み合わせることができ、そのすべてを、対象領域の動的移動を特徴づけるために十分であり得る静的位置の第１測定値及び３Ｄ及び６Ｄトラッキングデータセットとして記憶させることができる。
ステップ２において、Ｘ線による対象領域のライブ測定は、任意の他のイメージング方法と共に行うことができる。ステップ３において、色素、又はそれぞれ異なるモダリティーに対する第１、第２、第３以上の桁の色素、又は２つ以上のモダリティーに対する共通色素を共に配置することに基づいて、共配置を行うことができる。あるいは、及び／又はさらに、特定の構成要素の測定可能な特性、又は相対空間位置又は可視性に基づいて識別可能な構成要素のイメージに基づいて、共配置を行うことができる。あるいは、及び／又はさらに、構成要素又はターゲット又は対象領域における、各物質タイプ又は特定の空間構造又は物理的性質、又は動的移動特徴の測定値のマッチングのためのイメージに基づいて、共配置を行うことができる。あるいは、及び／又はさらに、イメージングモダリティーの共配置は、上述のものの任意の組合せに基づいて行うことができる。
ステップ４において、Ｘ線装置のプロセッサーは、すべてのモダリティーのライブ測定値を第１測定データベースとマッチングし、構成要素、ターゲット、及び／又は対象領域の３Ｄ位置決め、４Ｄ及び６Ｄトラッキングをすることができる。
図２８は、散乱線除去を組み込んだ多次元動的移動の特徴づけ及びトラッキングの例のフロー図を示す。ステップ１において、プロセッサーは、単一、２重、又はスペクトルエネルギー第１測定でのデータセットを含む対象領域のための既存の３Ｄ完全イメージングデータを得ることができる。データは、２Ｄフラットパネルに基づく多次元イメージングデータベース、又はＣＴスキャナー又はＭＲＩ、又はＰＥＴ、並びに／又は他の光に基づく定量的分析及びイメージングシステムから得ることができる。ライブ点、データ領域、１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、及び／又は４Ｄ測定値と、第１測定値又は合成データセットとのマッチングをここでより詳細に記載する。対象領域の２重及び多重エネルギー第１測定値は、動きの周期の同じ段階かつ種々の時間で取った同じエネルギーレベルの様々な第１測定値と組み合わせることができ、２Ｄイメージ又は１Ｄイメージ又はポイントデータセットは新たなデータセットを形成するように抽出することができる。
ステップ２において、プロセッサーは、本明細書に開示するキャリブレーション方法を使用するなどで、Ｘ線源及び検出器相対距離及び位置、ビームセレクター位置をキャリブレーションすることができる（これはトラッキングプロセスにおいて必要に応じたものとすることができる）。Ｘ線細ビーム位置と、及びＸ線細ビーム位置に相関する検出器の画素領域の相関性を登録することができる。一部の場合において、ステップ２は必要としないことがある。
ステップ３において、プロセッサーは、動的移動の特徴づけのための第１測定の開始時に静的な位置の対象領域、その構成要素、及びターゲットを位置特定するために、様々なＸ線源放出位置で対象領域の１つ以上の２Ｄイメージをサンプリングすることができる。
ステップ４において、プロセッサーは、例えば、各回で、１つのエネルギーレベル、例えば高エネルギーレベルでＸ線細ビームによって投影される１つ以上のデータ領域又は対象領域の２Ｄイメージングを使用して、及び動的移動プロセスにおいて種々の時間で、異なるエネルギーレベル、例えば低エネルギーレベルで１つ以上の選択される細ビームを使用して、種々のエネルギーレベルにおける第１測定値をサンプリングすることができる。トラッキング及び位置決めのための時間依存性測定において、ソースが多重エネルギーＸ線ビームを共に放出する多重エネルギーソースのものである場合、第１測定値は、１つのエネルギーレベル又は複数のエネルギーレベルでサンプリングすることができる。そうした測定は、対象領域におけるＸ線照射の１つのパルスにおいて行うことができる。対象領域を照射するＸ線は、用途の要件に応じて、１つ又は２つの細ビーム、又は細ビームのセット、又は１ＤスライスＸ線ビーム、又は選択されるＸ線ファンビーム領域のものとすることができる。１つ以上のライブ測定値は、様々な時間でＸ線ビームをサンプリングすることによって取ることができる。各イメージは、第１測定値及び第１イメージから導き出したデータのセットから再構築される多次元イメージからの抽出又は合成２Ｄ又は３Ｄ又は４Ｄイメージに対して比較される。
ステップ５において、プロセッサーは、対象領域の特定の物体、物質、及び構成要素のエネルギー分解イメージ、及びターゲット、並びに特定のエネルギーレベルにおける、構成要素、ターゲット、及び対象領域の選択されるデータ領域、１Ｄ～７Ｄ表示を抽出することができ、これは、動的移動プロセス時の構成要素、ターゲット、及び対象領域の動的移動を特徴づけるデータベースを完成させるため合成することができる。
対象領域及び構成要素及びターゲットの複数のイメージを再構築することができ、対象領域、構成要素、及びターゲットのデータ点、１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、及び４Ｄイメージは第１測定値から抽出することができる。多次元イメージを、動的移動周期又は動的移動の関連時間枠時の様々な時間で取った第１測定値に対して再構築する場合、構成要素及びターゲットの６Ｄイメージは、時間が異なる第１測定から再構築される３Ｄイメージに基づいて抽出することができる。
ステップ６において、プロセッサーは、処置又はトラッキングプロセスにおいて、構成要素、ターゲット、及び／又は対象領域のトラッキングに必要とされるライブ測定値を取ることができる。測定の各回において、プロセッサーは、１つのエネルギーレベル（高エネルギーレベルなど）でＸ線細ビームによって投影される１つ以上のデータ領域又は対象領域の２Ｄイメージングをサンプリングし、及び、任意で用途の要件に基づいて、別のエネルギーレベル（例えば低又は中エネルギーレベルなど）で１つ以上の選択される細ビーム投影データ点測定をすることができる。
任意で、ステップ７において、各ライブ測定において、プロセッサーは、放射線量を少なくするためＸ線細ビームで構成要素及び対象領域の選択される様々な領域を照射することができる。また、プロセッサーは、任意で、Ｘ線細ビームによって照射される以降の領域を選択及び画定することができるので、そうした領域の位置のルックアップは、新たな測定データを配置するために必要とされるデータセットの数を限定するように、例えば照射領域が１つ前のもののすぐ隣であるとき、位置データベースで比較的に容易にすることができる。
ステップ８において、各ライブ測定によって、プロセッサーは、ライブ測定値、又はライブ測定値に基づく抽出データ、又はライブ測定値及び抽出データからの合成データを、第１測定値からのものに対して、対応する時間間隔及び構成要素、ターゲット、及び対象領域の選択されるＸ線照射位置において、マッチングさせることができる。同じ対象領域の構成要素は、３次元空間に配置することができる。記憶させた３Ｄ～７Ｄイメージと第１測定値とのマッチングは、対象領域におけるＸ線照射の位置及び検出器における予想される投影イメージ位置に基づいてイメージングデータセットをルックアップ及び抽出することによって対象領域を配置するように行うことができる。例えば、構成要素の１つのみが対象領域において移動し、残りの部分は静止している場合、１つのパルスでの１つのエネルギーレベルにおける１つのイメージは、他の隣接する領域及び他の構成要素に対して同じイメージ及び物質分解データを提供することができる。測定における変化は、測定前のものと比較して、構成要素の移動及び位置を示すことができる。
マッチングは、単一のエネルギーレベルでのライブ測定値と、照射した対象領域の第１測定値及び第１イメージから再構築されるイメージからの抽出又は合成データとの間で行うことができ、第１測定値は、単一、２重又は多重エネルギーレベルのものとすることができる。第１測定値全体は、本明細書に開示する多次元イメージング方法に基づくことができる。構成要素、例えば心臓弁インプラントは、特定の物体に対する２重又は多重エネルギー物質分解方法に基づいて識別することができる。
対象領域の単一、２重及び多重エネルギー第１測定値は、動きの周期の同じ段階かつ種々の時間で取った同じエネルギーレベルの様々な第１測定値と組み合わせることができ、種々の次元のイメージ及び測定値は新たなデータセットを形成するように抽出することができる。
物質組成は変化しないので、対象領域の同じ照射パスにおける移動する構成要素以外の領域のＸ線データは、測定値を取る特定のエネルギーレベルに対して生成することができる。移動する構成要素の厳密な測定を抽出することができる。
移動する構成要素の抽出データは、上述の記憶データベースからの合成データとマッチングすることができ、移動する構成要素の１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、及び６Ｄイメージの位置及び移動方向を導き出すことができる。
対象の構成要素が血管である場合、血流の移動により血管の種々のイメージが生成される一方、バックグラウンドにおける対象領域の残りの部分は比較的静的である。したがって、フロー特性をモニタリング及び特性づけるために血管を照射するため１つ又は少数の細ビームを使用することが適切であるとすることができる。一部の場合において、マイクロ気泡又はナノ気泡などの造影剤を使用することができる。一部の場合において、血管における動的血流をモニタリングするため、位相コントラストＸ線イメージング、インターフェログラムを使用することができる。多重エネルギーＸ線ビームのパルスを構成要素に照射するとき、スペクトル測定値は移動する構成要素における変化をさらに特徴づけるため取ることができる。
ステップ９において、プロセッサーは、ライブ測定が７Ｄ空間における構成要素、ターゲット、及び対象領域のトラッキング及び位置決めをするように行われるたびに、構成要素又はターゲット又は対象領域における選択される領域の種々の次元を表すイメージ及びデータを抽出することができる。
第１イメージの定量的データ分析のため対象領域を位置特定するとき、例えば腫瘍に加え、正常な組織に対して病変又は細胞マトリックス異常を有する周囲領域は、診断及び処置時に腫瘍領域をさらに識別するために特定することができる。コンピューター及び／又はユーザーは、心臓弁インプラントにおいて、心臓組織を、一部の領域は呼吸により動き、一部の領域は心臓弁パンピングにより動き、心臓のいくつかの領域は他の領域よりも動き得る、いくつかの領域にセグメント化することができる。すべての領域は、種々の時間でインプラント配置の手技をモニタリングするため種々の領域のＸ線イメージを撮ることができるように特徴づけることができる。
動きの特徴によって、Ｘ線ビームの照射パターンを外科手術前に計画することができる。例えば、呼吸のみにより動く領域では、この領域を位置特定及び位置決めするため、例えば１つのビームほども少ない、極めて少数のＸ線細ビームで十分である。血液のポンプ及び／又は他の血液関連動態に対応して動く心臓組織の領域では、その動きの動態をモニタリングするため、より多くの数のＸ線細ビームを使用することができる。任意で、全領域を網羅する視野を有するＸ線ビームを、動きのトラッキングのためにこの領域を照射するように予め選択することができる。
対象の他の領域（例えば、心臓イメージングにおける胸部骨）が異なる動態で動いても、そうした領域を、種々の識別した領域での心臓組織における対象領域の相対位置のための基準点として使用することができる。さらに、本明細書に開示する２重又は多重エネルギー物質分解によって、心臓弁が配置され得る領域が、組織のための造影標識Iなく観察することができる。マイクロ気泡又は造影剤が血管を標識するために使用される場合、心臓弁インプラントなどのインプラントのための心臓組織の領域の相対位置及び構造をより正確に特徴づけることができる。
動的特徴づけにおいて、マッチングは、単一のエネルギーレベルでのライブ細ビーム測定値と、細ビーム照射した対象領域の第１測定値から再構築される２Ｄイメージからの抽出データのものとの間で行うことができ、第１測定値は、単一、２重又は多重エネルギーレベルのものとすることができる。第１測定値全体は、本明細書に開示する多次元イメージング方法に基づくことができる。構成要素、例えば心臓弁インプラントは、特定の物体に対する単一、２重又は多重エネルギー物質分解方法に基づいて識別することができる。
対象領域の２重及び多重エネルギー第１測定値は、動きの周期の同じ段階かつ種々の時間で取った同じエネルギーレベルの様々な第１測定値と組み合わせることができ、種々の次元の測定値又はデータ表現は新たなデータセットを形成するように抽出することができる。
物質組成は変化しないので、対象領域の同じ照射パスにおける移動する構成要素以外の領域のＸ線データは、測定値を取る特定のエネルギーレベルに対して生成することができる。移動する構成要素の厳密な測定を抽出することができる。
移動する構成要素の抽出データは、上述の記憶データベースからの合成データとマッチングすることができ、移動する構成要素の１Ｄ、２Ｄ、３Ｄ、及び６Ｄイメージの位置及び移動方向を導き出すことができる。
対象の構成要素が血管である場合、血液の移動により血管の種々のイメージが生成される一方、領域の残りの部分は静的である。したがって、フロー特性をモニタリング及び特性づけるために血管を照射するため１つ又は少数の細ビームを使用することが適切であるとすることができる。一部の場合において、血管における移動をモニタリングするため、インターフェログラムを使用することができる。多重エネルギーＸ線ビームのパルスを構成要素に照射するとき、スペクトル分光測定値は、移動する構成要素における変化をさらに特徴づけるため、エネルギー感応検出器又はエネルギー分散格子及び空間感応検出器で取ることができる。
移動する構成要素、ターゲット、及び対象領域の複雑性が高まると、１つの構成要素を照射するために細ビームの数を増やすことができる、及び／又は、各細ビームの視野を拡張することができる、及び／又は、対象領域におけるスライス領域を照射する１ＤＸ線ビームを必要とし得る、及び／又は、対象領域のための１つの完全な２Ｄイメージ若しくはインターフェログラムを必要とし得る。例えば、軟部組織からなる構成要素などの、より弾性の強度特徴を有する構成要素では、構成要素における様々なセグメントに対して、より細いビームが必要とされ得る。心臓の動きのモニタリングの場合、心臓の特定のセグメントの動きを十分に表して検査するため、さらにより細いビームが必要とされ得る。
動的移動の特徴づけのための第１測定は、動的移動のプロセス又は周期における様々な時間とすることができる。種々の生理学的な状態に起因して、いくつかのタイプの移動がトラッキングプロセス時に対象領域において関与する場合、統計的に有効ない時間間隔での測定が必要とされ得る。例えば、心臓の動きは毎秒発生する。心拍動周期において心臓組織の動きをモニタリングするため、毎秒１～３０フレームにおけるサンプリングを必要とし得る。
例えばポイントから７Ｄまで、種々の次元のイメージは、第１測定値のセット、及び第１測定値から導き出される合成データ、及び他のイメージング技術に基づくデータに基づいて抽出することができる。第１測定値及び抽出される関連イメージング表示データのすべては、構成要素又はターゲット又は対象領域の動的移動の特徴づけのためのデータベースをコンパイルするため、動的移動プロセス又は周期における様々な統計的に有意な時間区分において、組み合わせることができる。
外科手技時及び／又は手技後評価のため、同じプロセスを使用することができる。外科手技時及び外科手技後のデータをマッチングすることができる。第１測定値からのボリュームイメージングデータが分解物質定量的分析から内部ターゲットを示すので、ライブ測定値又はライブ投影データ点若しくはデータ領域を、第１イメージのボリュームデータからの結果とマッチングすることで、構成要素、ターゲット、及び対象領域の３Ｄ及び６Ｄ位置をトラッキングすることができる。
本明細書に開示するＸ線装置は、リアルタイムでターゲット領域の位置をトラッキングするため、１つ以上のセンサー（外部位置センサーなど）及び／又は１つ以上の基準ターゲットと併せて使用することができる。Ｘ線イメージにおけるセンサーからの信号若しくは基準ターゲットの位置、又は他の位置測定技術、光若しくはＲＦ若しくは磁気若しくは超音波若しくは放射性測定値を、ターゲット領域の位置と相関させることができる。相関モデルは、同時に、Ｘ線を行って、センサーからの信号を読み取って及び／又は人工ターゲットを通過するＸ線測定値を読み取って、そして、ターゲット位置を示す、最良にマッチングする３Ｄイメージを特定するためにＸ線を使用することで、生成することができる。相関性が確立されると、ターゲット領域の位置はリアルタイムで連続的にトラッキングすることができる。
造影剤の例
本開示は、Ｘ線イメージングの２Ｄ及び３Ｄイメージング、並びに例えば光学分光法及びイメージング、光音響、ＣＴ、ＰＥＴ、ＰＥＴ、ＭＲＩ、磁性粒子に基づくイメージング及び超音波を伴う、ハイブリッドモダリティー又は共配置イメージングのための、造影剤及び使用の方法を含む。一部の場合において、モダリティーは、解剖学的又は時間マーカーによって本開示のシステムと共配置される。他の場合において、１つ以上の他のモダリティーのための造影剤を、本開示のＸ線システムにおける造影剤として使用することができる。一部の場合において、本開示のＸ線測定のための造影剤は、他のモダリティーに関与するイメージング、診断、モニタリング、及び処置、及び外科ガイダンス、薬剤送達、及び治療処置に使用される造影剤及び／又は他の関連リガンドと共有結合性、又は非共有結合性の結合をすることができる。
一部の場合において、先行技術のＸ線イメージング及びＣＴ及びＸ線測定、並びに／又は他のモダリティーに使用されている造影剤である本明細書に開示する造影剤は、本開示のＸ線測定及びイメージングシステム、すなわち、より具体的には、本明細書に開示するような２つ又はさらに複数の物質又は構成要素を有する対象における対象領域における選択される領域の単一、２重、又は多重エネルギーＸ線イメージングを含む、２Ｄフラットパネル検出器、及びハイブリッドシステムに基づく２以上の次元、３次元定量的デジタルＸ線イメージングに使用することができ、選択される領域の寸法は、ｎｍ、又はμｍ、又はｍｍ、又はｃｍ、又はそれ以上の範囲の直径とすることができる。選択される領域の寸法が小さいとき、Ｘ線測定のためのセンサーの空間分解能又はスペクトル分解能又はフレームレートは、特に選択される領域を選択するため全視野Ｘ線イメージを使用するハイブリッドシステムにおいて、著しく増加し得る。デジタルプログラマーは、全視野Ｘ線イメージのイメージング結果に基づいて１つ以上の条件に基づいて領域を選択することができる。または、ユーザーが領域を選択することができる。対象及び／又は対象の物質は、全視野Ｘ線検出器によって撮るとき、Ｘ線イメージにおいて目視で又は定量的に識別可能ではないことがある。しかしながら、全視野イメージは、どの領域をさらなる分析及びイメージングのために選択するかを決定するために、対象領域の十分な情報を取得することができる。２つ以上の組織の界面領域又は不均質な領域の場合には、スペクトル及び空間におけるより高い分解能及び／又は時間依存性の測定が、選択される領域における、はるかに小さい未知のユニットをさらに分解するために使用することができる。本明細書に開示する造影剤は、生体、動物、若しくはヒトの身体における複数の組織のそれぞれのイメージングと定量的分析、及び／又は、合成対象若しくは有機対象若しくはその両方の混合物において２つ以上の異なる物質若しくは構成要素を有する対象のイメージングとデンシトメトリーに使用することができる。
軟部組織及び骨のヒトの身体構造が異なる物質、例えばギプス若しくはグラスファイバーキャスト材料、又は医療目的のインプラント若しくは手術用具と重なり合う場合において、造影剤は、可視化及び識別を可能にするように物質と混合する又は物質と化学的に結合させるため使用される。骨は、識別可能な原子ｚ番号及び／又は密度の分子又は分子複合体又は分子誘導体で標識される、軟部組織及び／若しくは他の組織、腫瘍、細胞、並びに／又は無機若しくは有機物質から、又は異なる原子ｚ番号及び／若しくは密度の対象若しくは構成要素から、Ｘ線イメージにおいて良好に分離することができる。様々な原子ｚ番号、及び密度測定値に加えて、識別可能なＸ線特性は、物質のボリューム、時間及び空間における移動特徴、形状、パターン、空間位置、流体動態、そのエネルギー誘発状態、フロー方向、時間及び解剖学的マーカーに拡張することもできる。イメージ対象が、Ｘ線システムによって解像するには非常に小さい又は類似する、極めて小さいユニット寸法の１つ以上の構成要素を含むとき、本明細書に開示する造影剤を使用することで、これらの構成要素の検出を向上させることができる。
本明細書に開示する造影剤は、有機、イオン性、非イオン性、非金属（したがって毒性が少ない）、又は金属、Ｃａ２＋若しくはＣａ２＋結合ペプチド若しくはタンパク質などの対象に内因性及び／又は内在性、ガス性物質、気泡、若しくはカチオン高含有領域であるとすることができる。Ｃａ２＋（若しくはカリウム及び／又は同様のもの）などの対象における内因性の分子、又はそうした内因性の分子に基づく誘導体若しくはコンジュゲート複合体を使用する利点は、これらが所与の範囲内で比較的非毒性であることである。さらに、造影剤が分子標識を結合する前後に、対象のイメージの残りの部分から分離したカルシウム又はカルシウムコンジュゲートのイメージを撮ることができるので、２重エネルギーシステムは、撮るイメージにおいてどこにどれだけのカルシウムが存在するかを示すように、骨及び他のカルシウムに基づくイメージをイメージの残りの部分から分離するイメージを撮ることができる。この用途は、特に、希少細胞、分子事象、インプラント、患部組織細胞、異物性抗原などの対象領域において孤発例外観を有する構成要素の識別及び定量化に有用とすることができ、トラッキング並びに長期及び／又は習慣的モニタリングを、毒性の懸念なく行うことができる。
例えば、以下は、ヒトの身体における内在性又は内因性の元素のリストである。
・多量元素－Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、
・必須微量元素－Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｍｏ、Ｓｅ、Ｉ、Ｍｏ、Ｃｒ、
・ヒトにおける活性調節から示唆される機能だが特定の同定された生化学的機能なし－Ｌｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｂ、Ｆ、Ｓｉ、Ａｓ。
Ｎａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｃａ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌは、自然に多量に存在するので好ましい。そうした元素を含む、比較的多い投与量の造影剤を投与することができ、特に低頻度のとき、これは比較的無害とすることができる。
リガンドは、マーカーを有する腫瘍、又は識別可能な特徴を有する患部組織などのターゲットに結合し、そうした内因性の元素及びそれらの誘導体とコンジュゲートして、対象に投入することができる。他の例において、そうしたリガンドは、結合させずに投与することができるが、その組成物が活性ドメイン又はエピトープを元素又はそうした元素を含む分子の遊離イオンに結合させることができる。そうした分子は、内因性である、又は経口摂取、注射、若しくは吸入により対象に投与される前に合成することができる。そうした元素イオン又はそうした元素を含む分子及びそれらの誘導体のクラスター及び複合体構造は、ターゲット領域において形成することができる。そして、そうしたクラスター及び構造は、経時で、又はエピトープ若しくはドメイン若しくは分子集合体の識別可能な特性を認識するリガンドとコンジュゲートするプロテアーゼ若しくは酸化還元分子複合体など、酵素的などで化学的に、又は造影剤及びそのコンジュゲートを含むマイクロ気泡を分解するために超音波を使用するなどのエネルギー摂動によって、分解することができる。ＰＨ及び／又は温度は、Ｘ線測定のためのそうした分子複合体の会合、結合、及び分解における役割を担うことができる。例えば、腫瘍領域におけるＰＨは、相対的に正常な細胞マトリックス領域の７．０のＰＨと比較して、７．４で高い。温度プローブ誘導温度差、又は細菌感染症に対する免疫系の抗炎症反応は、温度誘発性酵素又は化学反応を誘導することができる。
造影剤は、任意でヨウ素を含む又はヨウ素化合物とすることができる。ヨウ素を使用する造影剤は、典型的に、その比較的低毒性及びそのヨウ素原子の共有結合性結合に基づき水溶性有機化合物を含む。ヨウ素化合物は芳香族又は非芳香族とすることができる。ヨウ素化合物は、分子につき１つ、２つ、３つ以上のヨウ素原子を含むことができる。このように、ヨウ素原子に加えて、そうした造影剤は、炭素、水素を含むことができ、窒素、酸素、及び比較的低い元素ｚ番号を有する他の原子を含むことができる。好ましい造影剤の種類は、ヨウ素芳香族化合物の種々のエステルを及びアミド含むことができる。ヨウ素を含む造影剤は、ジアトリゾアート、イオタラメート、メトリゾアート、イオジパミド、イオキサグレート、イオヘキソール、イオビトリドール、イオメプロール、イオジキサノール、イオパミドールを含むことができるが、これらに限定されない。例の非イオン性造影剤は、メトリザミド、イオグルナイド（ｉｏｇｌｕｎｉｄｅ）、イオパミドール、イオプロミド、イオグラミド（ｉｏｇｕｌａｍｉｄｅ）、イオベルソール、及び非イオン性三ヨウ素化合物を含むが、これらに限定されない。ヨウ素を含む造影剤の濃度は、３０ｍｇ／ｍｌ～１００ｍｇ／ｍｌとすることができる。
また、本開示は難溶性造影剤とともに実施することができる。本開示は、ヨードメタンスルホンアミド、ヨウ素芳香族グルコアニリド（ｉｏｄｉｎａｔｅｄ ａｒｏｍａｔｉｃ ｇｌｕｃｏａｎｉｌｉｄｅ）、２－ｋｅｔｏｇｕｌｏｎａｍｉｄｅ、逆転アミド、ペプチド、カルバメート、エステル、グルコシド及びグルコース誘導体、ベンズアミド誘導体、イソフタルアミド、ビス化合物、並びに／又はビス－ポリヒドロキシル化アシルアミドの難溶性誘導体で実施することができる。さらに、本明細書に記載する分子の多数を単量体の形態で使用することができ、また二量体、三量体、又は多量体として調製することができる。
造影剤は、任意で金属を含む造影剤とすることができる。金属由来の造影剤は、ランタニド、バリウム、タンタル、タングステン、金、ビスマス、ガドリニウム、及び／又はイッテルビウムを由来のものを含むことができる。ランタニドを含む造影剤の特定の例は、ガドベルセタミド、ガドペンテタートジメグルミン、ガドブトロール、ガドベナートジメグルミン、ガドテラートメグルミン（ｇｏａｄｏｔｅｒａｔｅ ｍｅｇｌｕｍｉｎｅ）、及びガドキセタート二ナトリウムを含むことができるが、これらに限定されない。
造影剤は、任意で陰性造影剤とすることができる。陰性造影剤は、周囲の血液又は組織より密度の小さい造影剤である。陰性造影剤は、より高い輝度強度を示すことから、イメージにおいてより明るく観察される。空気、酸素、及び二酸化炭素が陰性造影剤の例である。
本開示にしたがって、造影剤は対象に投与することができる。造影剤は、経口又は静脈内など、従来の方法の範囲のいずれか１つで投与することができる。造影剤は、その領域がＸ線照射される組織において所望のコントラストを生成するように投与される。
一部の態様において、造影剤は様々な時点で投与することができる。造影剤組成物及び造影剤と対象の相互作用は、定量的分析及び可視化及び識別及び長期トラッキングを可能にするために使用することができる。長期トラッキングは、組織機能又はホスト生存の長期追跡を必要とし得る臨床試験のためなど、数か月から数年にわたる細胞のトラッキングを含むことができる。他の例において、造影剤は、造影剤の進行を追跡するため互いに近くで投与することができる。
０．３μｍ～５００μｍの空間分解能を有し得る従来のＣＴと比較して、一部の場合において、本開示のＸ線システム、又は好ましくはハイブリッドシステムは、選択される領域においてより高い空間分解能及びスペクトル分解能を有する。顕微鏡機器では、回折限界空間分解能は、波長に、及び対物レンズ又は対象物照射源のいずれかで、どちらか小さい方の開口数に、比例する。顕微鏡の最高分解能は、特有の対物レンズを使用することによって０．１ｎｍ範囲と報告されている。一般的に、ゾーンプレートは対物レンズとして使用され、得られる最高分解能は１００ｎｍ範囲である。
例えば、Ｘ線顕微鏡の回折限界分解能は、０．０１ｎｍの範囲においてその最短の波長のものに比例することができる。現行のＸ線システムは、イメージングが０．１ｎｍの範囲の分解能を有することを可能にすることができる。ハードウェア又はＸ線光学系が引き続き開発されるなら、対物レンズは、その可能な最高の分解能、その回折限界分解能でＸ線測定に対して開発され得る。これは、ＣＴのものと比較して、本開示に開示するＸ線システムを使用すると、場合によっては分解能において１０×～１０８×の向上をもたらす。本開示のＸ線システムのＸ線空間分解能は、選択される領域においてＸ線回折限界に達し得る。ゆえに、造影剤の例えばモル感度は比例して向上し、したがって３Ｄにおける分解能の増大は１０３～１０９、又はさらに大きくなる。対象における造影剤の濃度は、約１０－３～１０－１２モルの範囲及びその間のあらゆるものになり得る。投与される造影剤の量は、例えば、０．１ｍｇ／ｍｌ～１０００ｍｇ／ｍｌとすることができる。好ましくは、投与される造影剤の量は、０．１ｍｇ／ｍｌ～１００ｍｇ／ｍｌである。好ましくは、投与される造影剤の量は、１ｍｇ／ｍｌ～１０００ｍｇ／ｍｌである。
造影剤は、Ｘ線イメージング又は他のイメージングモダリティーを伴うＸ線ハイブリッドイメージングにおいてあるいは対象の残りの部分から識別可能ではないであろう物質を有する１つ以上の構成要素を可視化するため、対象特異的マーカーと混合又は分子結合することのいずれかで導入することができる。分子結合は、イメージング装置における分子標識及びイメージングのための誘導分子カスケード方法、並びに単一細胞検出までの感度に達する本明細書に開示する技術を含むことができる。
造影剤による各構成要素の標識は、イメージングされる対象において第２又は第３物質を結合するために１つ以上の抗原特異的分子標識を使用してなすことができる。そうした分子標識は、原子ｚ番号識別粒子、又は識別可能なイメージング特性若しくは分子、又はそのような粒子若しくは分子の修飾タイプを含むことができる。分子標識は、内因性である又は外部で合成することができる。
抗原特異的分子標識は、ヒトの身体のものと異なる原子ｚ番号を有する物質を含むことができる。抗原分子標識の例は、Ａｕ－（金）、Ｐｔ－（白金）、Ｔａ－（タンタル）、Ｙｂ－（イッテルビウム）、及びＢｉ－（ビスマス）を含むナノ粒子、グラフェンナノ粒子若しくはグラフェン放射標識複合物、ナノチューブ複合物、ヨウ素若しくはバリウム、ガドリニウムの低分子及び他の造影剤、又は、例えば、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）などのポリマー由来分子など循環時間を長くして安定性を高めるために、例えば、スカベンジャー細胞によるＮＰの急速な取り込みを有効に防止するために、若しくはガム、アラビア（ＧＡ）マトリックス、若しくはデンドリマー、若しくは豊富な表面一級アミンを有する分岐ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、オリゴアルギニンなどのオリゴアミノ酸、グルタチオン若しくはＧＳＨなどの天然起源のペプチド、ＲＥＳ吸収及び細胞取り込み率を決定することができる血液における異なるナノ粒子若しくは低分子タンパク質コロナとコンジュゲートすることができる他の表面リガンド、で安定化させるために、修飾されるそうした分子、又は例えば、アルブミン被覆Ａｕナノスター、を含むがことができるが、これらに限定されない。医薬送達に使用される任意の分子標識は、本開示における分子標識として使用することができる。本明細書に開示する造影剤は、イメージング信号強度又はレベルを向上させるために薬剤送達剤又は薬剤又は治療剤とコンジュゲートすることができる。
造影剤又は造影剤複合体は、任意で種々のイメージングモダリティーのためにナノスフィア及び小胞において存在させることができる。種々の造影剤は、光音響イメージング又はＰＥＴ又はＭＲＩ又は光学コヒーレンス断層撮影又は生物発光若しくは蛍光イメージング又は超音波イメージングなどの、２つ以上のイメージングモダリティーに対する感度及びイメージング方法の共配置を可能にするように互いに修飾及び結合することができる。各モダリティーのための造影剤又は造影剤複合体は、共配置を確実にするため化学的に結合することができる。
造影剤は、ヒドロゲルの形態であってもよい。ヒドロゲルは、水、造影剤、及び組織に接触後架橋ヒドロゲルを形成する反応性親水ポリマーを有する。ヒドロゲルは組織を被覆し、コーティングを形成する。コーティングは遊離面を有することができる。ヒドロゲルに配される造影剤は、ヒドロゲルを投与するユーザーが、ヒドロゲルを観察し、その厚みを推測して、所定の厚みに達するまでヒドロゲルを投与することを可能にする。造影剤は、ヒドロゲル形態本明細書に記載するナノ粒子の懸濁剤とすることができる。ヒドロゲルは、マイクロスフィア、粒子、又はマイクロカプセルにカルシウムイオン又はカルシウムイオン誘導体又は他の内在性の元素を含むことができる。一部の例において、ヒドロゲル剤は滅菌されている。ヒドロゲルは、Ｘ線によって測定可能であり得る、マーカー、温度、ｐＨ、又は酵素反応、及び他の摂動に基づいて、拡張又は収縮、及びターゲット領域に移動することができる。
さらに、ミセル又はナノミセル、ポリマーミセル、ナノ懸濁剤、ナノカプセル、ナノ乳剤、又は分子の石化タイプ、又は任意のそうしたものの組合せなどのさらなる修飾は、造影剤又は造影剤複合体を作製するために使用することができる。ナノ懸濁剤は、界面活性剤によって安定化した純粋な薬剤粒子のコロイド分散を含むことができる。そうしたものの例は、ｅ６－エトキシ－６－オキソヘキシル－３，５－ジアセトアミド－２，４，６－トリヨードベンゾアート（ｅ ６－ｅｔｈｙｏｘｙ－６－ｏｘｏｈｅｘｙｌ－３，５－ｄｉａｃｅｔａｍｉｄｏ－２，４，６－ｔｒｉｉｏｄｏｂｅｎｚｏａｔｅ）を含むことができる。ナノ乳剤は、不混和性の第２の液体内における１つの液体物質の安定したナノ構造である。例えば、ナノ乳剤は、油性コアを形成するため植物油及び他の油の混合物で作製し、リン脂質、コレステロール、及びＰＥＧ化脂質で安定化することができる。そうしたナノ乳剤の例は、リピオドールなどの脂溶性のヨウ素を含む化合物、又はポリヨウ素トリグリセリドを含むことができるが、これらに限定されない。ナノカプセルは、多くの場合、周囲の溶媒と不溶性／不混和性であることがあるペイロード物質を覆う架橋ポリマー膜を含む安定したナノ粒子である。ナノ粒子は、ナノ液滴によって油の周りにポリマーを架橋することで形成することができる。一部の例において、ミセル、ナノミセル、ナノ懸濁剤、又はナノ乳液のサイズは２０～２００ｎｍとすることができる。
あるいは、造影剤はリポソーム由来分子とすることができる。リポソームは、生体膜のものに類似する２重層膜構及び内部の水相を有する両親媒性のリン脂質小胞である。その両親媒性特性により、その水性の内部に封入された親水性の造影剤分子と、その膜に溶解した疎水性の分子の両方を輸送することを可能にする。例えば、ヨウ素又はＣａ２＋をロードしたリポソームは、非毒性、容易な輸送性、対象の部位へのアクセス性を確保しながら、コントラスト信号及び密度を集積するために使用することができる。Ｃａ２＋若しくは他の造影剤をロードしたリポソーム、又は任意の他のタイプのケージ、２Ｄ、３Ｄ構造に基づく、又は単にクラスター若しくは凝集造影剤構造を、本開示の造影剤として使用することができる。リポソーム由来造影剤は、脂質にコントラストの原子を化学的にグラフトすることによって得ることができる。リポソーム由来造影剤のサイズは、ＰＥＧで修飾することができる。一部の例において、リポソームに基づく分子はヨウ素又はヨウ素を含む分子を含むことができる。一部の例において、リポソーム由来分子におけるヨウ素の濃度は、３０ｍｇＩ／ｍｌ～１００ｍｇＩ／ｍｌとすることができる。
造影剤は、ポリマーナノ粒子の形態であってもよい。ポリマーナノ粒子の例は、デンドリマー、ナノカプセル、ナノチューブ、又はポリマー被覆ナノ粒子を含む。具体的に、ナノスケールの金属有機構造体（ＮＭＯＦ）は、イメージング及び薬剤送達にも使用することができる、その大量のＭＯＦ類似体とナノ粒子製剤の両方の特徴を保持することができる。ナノ粒子は、ヨウ素化合物の結晶ナノ懸濁剤を含むことができる。一部の例において、第１造影剤又は造影剤複合体は、３００ｎｍ未満の有効粒子径を有する。一部の例において、平均サイズがナノ粒子は３０～５０ｎｍの範囲である。
造影剤は、任意で薬学的に許容される担体又は安定剤を含むことができる。例えば、造影剤は、薬学的に許容される担体として機能する水性液剤に分散させることができる。他の適切な薬学的な担体は、アルコールなどの水性及び非水性溶媒と混合した液体担体、ゲル、ガス、並びに粉末を含む。安定剤は、表面安定剤及び粘度調製剤を含むことができる。薬学的に許容される担体は、生理食塩水、緩衝液、水、等張液、体液、又はそれらの混合物を含むことができるが、これらに限定されない。薬学的に許容される担体は、ナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、亜鉛から選択されるカチオンの添加をさらに含むことができ、約０．０１Ｍ～約５Ｍの量とすることができる。
ナノボディ及び／又は同様のものを、分子又は対象へのイメージング信号近接を向上させることができ得る。細胞トラッキングするに使用するイメージング技術は単一細胞感度を有する、及び／又は任意の解剖学的位置における厳密細胞数の定量化を可能にすることができる。例えば幹細胞の移動パターンは、局所注射後でも未知であり、身体にわたって散在する単一の幹細胞が特定の病状において有効な治療法となり得る明確な可能性があるため、インビボ又はエクスビボのイメージングにおける単一細胞感度は、幹細胞又は腫瘍細胞の特徴づけ及び識別において特に重要となり得る。
局在化の正確性を必要とする用途では、ナノボディ又はペプチド又は低分子又は化学プローブ又はその誘導体などの分子標識が好ましいが、本明細書に開示する他のタイプの分子標識も使用することができる。
最終的に得られる感度のレベルに関わらず、細胞分裂時の造影剤希釈の影響、非幹細胞に移送される一部の造影剤の傾向、及び／又は所定の技術的制限（以下に記載する）を考慮すると、細胞数の定量化は特に困難となり得る。
医療イメージングにおいて、例えば、Ｃａ２＋若しくは他のアルカリ土類金属、又は、酵素関連活性によるカチオン高含有領域若しくはカチオンの凝集、心拍動、微小血管若しくは毛細血管における血流などの流体動態を含むがこれに限定されない移動の速度の変化、及び／若しくは酸素状態などの生理学的条件の状態などの、構成要素の事象若しくは状態の指標など、内因性又は内在性の分子を造影剤として含めることができる。
上記の開示のように、対象は、Ｘ線源とＸ線検出器又は検出器組立体との間に位置することができる。一部の場合において、Ｋエッジ方法と組み合わせた２重又は多重エネルギーデータを使用して、２つ以上の物質組成１５イメージを本明細書に開示するように得ることができる。例えば、インビボイメージング時に、骨密度イメージｂ、軟部組織イメージｓ、及びギプス包帯密度イメージｐ（又は分子標識した組織密度イメージｐ）を得ることができる。さらに、対象の構成要素は、ヨウ素分子及び／又は１つ以上の対象特異的マーカーとコンジュゲートしたナノ粒子１つ以上の造影剤及び標識によって標識することができる。
本明細書に開示するＸ線装置の例のいずれも造影剤を伴う使用に適し、例えば、定量的測定を可能にする本明細書に記載するような散乱線除去２Ｄ及び３Ｄイメージングシステム並びにそれらのハイブリッドシステム、又はそうしたシステムは、光学イメージング、ＭＲＩ、磁性粒子イメージング、及び光学分光法、又は任意の他の適切なモダリティーと組み合わせることができる。これらのイメージングモダリティーのいずれかと共に造影剤を使用することによって、多数の構成要素の対象において、物質は良好に可視化及び識別及び定量化することができる。本開示のＸ線システムにおける造影剤は、他のモダリティーのためのものと同じとすることができる。あるいは、Ｘ線システムにおける造影剤は、良好な可視化及び共局在のため他のモダリティーの造影剤とコンジュゲートすることができる。さらに、構成要素若しくは対象領域の解剖学的、時間的、若しくは空間的マーカー、又は参照マーカー、又は基準マーカーは共配置の基準として機能することができる。
本開示は、分子（分子標識）が対象に結合して、造影剤を有し、２Ｄフラットパネル検出器を用いる定量的な２Ｄ及び３ＤイメージングのためのＸ線イメージング方法で検出される機能を有する、１つ以上の分子複合体を提供する。そうした分子又は分子複合体は「ＮａｎｏＸｇｅｎ」と呼ばれ得る。選択的標識を可能にするため、Ｘ線イメージングのための１次造影剤は、特定の原子ｚ番号又は識別可能であるＸ線測定可能な特性を有する分子が、「１次ＮａｎｏＸｇｅｎ」を作製するため、対象と特異的に結合可能な１つ以上の分子（分子標識とも呼ばれる）とコンジュゲートされるときに作製することができ、これらの前述の分子標識は、抗体、ペプチド、ナノボディ、化学プローブ、低分子、オリゴヌクレオチド、及び／又はそれらの誘導体とすることができる。類似の特性の１つ以上の造影剤は、１次ＮａｎｏＸｇｅｎにおいてコンジュゲートすることができる。さらに、複数の造影剤を分子標識にコンジュゲートすることができる。そうしたコンジュゲートは、ターゲット部位及び／又はエクスビボで行うことができる。ＮａｎｏＸｇｅｎに基づく造影剤システムは、特に本開示の特にＸ線システムにおいて、対象の分子又はマーカーの正確な定量化、及び低濃度分子又は細胞又はターゲット部位を定量化可能又はしばしば可視化可能にすることができる。
ＮａｎｏＸｇｅｎは、対象における他のターゲット部位と結合し、ゆえにＸ線イメージング方法によって検出可能になるように対象と関連する造影剤の密度を高めることによって、又は例えば連続的に、他のＮａｎｏＸｇｅｎを連続的に結合することによって（２次及び／若しくは３次ＮａｎｏＸｇｅｎなど）、定量的イメージングを可能にすることができる。従来の固体金属材料などの造影剤を使用することで細胞又は細胞の集合体を観察可能にするため、細胞体積に関連する金属の体積は、典型的に、その密度の逆数と等しい又はそれより大きい必要がある。例えば、従来のＣＴスキャン時にバックグラウンド信号より大きい信号を生成するため、固体鉄では細胞体積の約１／８を利用することがある。
しかしながら、本開示は、造影剤感度がＭＲＩの１０－６又はＰＥＴの１０－１２のものと同等であることを可能にするシステムを提供する。結果として、造影剤、例えば金属を含む造影剤の体積は、本明細書に記載する本開示におけるＸ線システムを使用するＸ線測定の感度において、細胞体積の１／８よりはるかに小さい、モル濃度において１０×１０－９少ないとすることができる。増幅定数要件は、用途に基づくものであり、Ｘ線システムの感度に達するためいくつのステップの分子増幅カスケードが必要か又はいくつの次数のＮａｎｏＸｇｅｎが必要かを定めるため分析する必要がある。したがって、対象に特異的な１次造影剤の初期の結合からの信号レベルは、超分解能イメージングに記載する類似の機構の造影剤の活性化及び非活性化に関与するさらに高い高分解能イメージングのためなどの一部の用途のため結合部位で又は結合部位近傍で高速で増大させる必要があり得る。
ＮａｎｏＸｇｅｎは少なくとも２つ又は３つの部分を含むことができる分子である。第１部分は、対象における１つ以上のエピトープに特異的に結合するドメインを含むことができる。エピトープに対するドメインの親和性は、特定の時間後にエピトープから解離できるように設計することができる。第２部分は、Ｘ線イメージング、及び／又はＸ線顕微鏡、及び／又はＸ線スペクトル測定若しくはＸ線スペクトル吸収測定によって検出可能な造影標識又は造影剤とすることができ、例えば金、銀、ヨウ素、カルシウム、カリウム、蛍光色素、又は超音波若しくはＭＲＩ若しくはＰＥＴ若しくはＣＴ若しくは光学イメージング若しくは光音響若しくは超音波モダリティーによって認識可能な造影剤を含むことができる。
第３の任意の部分は、対象のターゲットに対するドメインの結合の際に作製される新たな又は第２エピトープとすることができる。この第２のエピトープは、他のＮａｎｏＸｇｅｎに特異的に結合することができ、ドメインの結合により作製される、対象のターゲットによって部分的に、結合分子（すなわちＮａｎｏＸｇｅｎ）によって部分的に形成される、又は結合するときの分子の構造変化によって作製されることができる。
イメージング信号レベルを増幅するため、対象における様々なエピトープを結合するため種々のドメインを有するＮａｎｏＸｇｅｎのセット、及び／又は連続的に結合する多次のそうしたＮａｎｏＸｇｅｎを使用することができる。それにより、イメージングレベルは、そうした対象の最小単位を識別し特徴づけるため、光学イメージング、光学分光法、光音響イメージング、超音波イメージング、ＣＴ、ＰＥＴ、磁性粒子又はＭＲＩなどの本明細書に記載するＸ線イメージングを伴う１つ以上のインビボのイメージングモダリティーによって検出可能であるように十分に高いレベルに達することができる。
対象又は対象領域は、抗体の１つの可変ドメイン又は任意の他の分子標識に結合することができる細胞又はウイルス又は分子とすることができる。対象は第１構成要素とすることができる。薬剤送達剤又は薬剤は第２構成要素とすることができる。１次ＮａｎｏＸｇｅｎは、第１構成要素のターゲットが１次ＮａｎｏＸｇｅｎの１つのドメインと結合するとき、第２構成要素のターゲットが１次ＮａｎｏＸｇｅｎにおける第１ドメインと異なる第２ドメインと結合するように、設計することができる。この連続的なカスケードのプロセスは、存在する少量の対象を検出するために多次のＮａｎｏＸｇｅｎを使用することで１次ＮａｎｏＸｇｅｎの結合によって生成されるイメージ信号を増幅することができる、誘発性分子増幅システム（ＩＭＡＳ）を形成することができる。
図２９Ａ及び２９Ｂに示すように、１次ＮａｎｏＸｇｅｎ１は、造影剤１００と構成要素１０（対象など）又は他の構成要素との構成要素複合体におけるエピトープ３０Ｂに結合可能なドメイン３０Ａとを含むことができる。図２９Ｂに示すように、結合は、結合した分子複合体の構造の変化などの分子事象を誘発する。１次ＮａｎｏＸｇｅｎ１は、１つ以上のエピトープ３１が２次のＮａｎｏＸｇｅｎ（２次ＮａｎｏＸｇｅｎ）２のドメイン３２を結合するために暴露されるように、新たな構造１１を有する１次ＮａｎｏＸｇｅｎに変わる。
２次ＮａｎｏＸｇｅｎ２は、構成要素又はターゲット１０への１次ＮａｎｏＸｇｅｎ１１の結合により作製された新たに暴露されるエピトープ３１を結合するドメイン３２を含む分子にコンジュゲートした造影剤１００を含むことができる。２次ＮａｎｏＸｇｅｎ２は、１次ＮａｎｏＸｇｅｎ１のものと同じ又は類似する造影剤１００を含むことができる。図２９Ａ及び２９Ｂに示すように、ドメイン３１とエピトープ３２との間の結合はまた、２次ＮａｎｏＸｇｅｎ２の新たな構造１２への構造変化を引き起こすことができる。
結合した２次ＮａｎｏＸｇｅｎ１２及び１次ＮａｎｏＸｇｅｎ１１における造影剤１００がイメージングシステムの必要な感度にまだ達しない場合、３次ＮａｎｏＸｇｅｎ３を使用することができる。３次ＮａｎｏＸｇｅｎ３は、２次ＮａｎｏＸｇｅｎ１２による結合の結果として誘導される１つ以上の新たなエピトープ３３に対する結合特異性を有することができる。このカスケードは、すべての結合したＮａｎｏＸｇｅｎにおける造影剤の合計が本明細書に開示するＸ線システムなどのイメージングモダリティーによって検出するために必要とされる密度に達するまで継続されるように設計することができる。
任意で、好ましいイメージングモダリティーによって総信号レベルが検出可能になるように、同じ又は類似の造影剤とコンジュゲートする多様なＮａｎｏＸｇｅｎを結合するため、ターゲット構成要素における２つ又は複数のエピトープを使用することができる。
任意で、結合分子とコンジュゲートした造影剤は、１つの造影剤が１つのモダリティーに対して、異なる造影剤が他のイメージングモダリティーに対して感応して、イメージングモダリティー信号の共配置をなすことができるように、設計することができる。例えば、光学分光法、ＣＴ、又はＭＲＩ、光音響イメージング、又は超音波若しくは光学イメージングなどの他のイメージングモダリティーのために設計した造影剤は、同じ誘発分子増幅カスケードにおいて造影剤として使用する又は造影剤とコンジュゲートすることができる。
任意で、２次ＮａｎｏＸｇｅｎは、低親和性で１次ＮａｎｏＸｇｅｎ及び対象の一方又は双方と結合することができる。しかしながら、１次ＮａｎｏＸｇｅｎが対象に結合するとき、２次ＮａｎｏＸｇｅｎはより高い親和性で両方のターゲットに結合することができる。
また、カスケード反応を図３０に示す。ステップ１において、１次ＮａｎｏＸｇｅｎのドメインは対象のエピトープに結合する。ステップ２において、結合が、１次ＮａｎｏＸｇｅｎの構造変化を引き起こし、１次ＮａｎｏＸｇｅｎの新たな３Ｄ構造をもたらす。ステップ３において、構造変化の後、１次ＮａｎｏＸｇｅｎは新たなエピトープを形成する。ステップ４において、新たなエピトープは２次ＮａｎｏＸｇｅｎに結合し、２次ＮａｎｏＸｇｅｎの構造変化を誘発する。ステップ５において、複合体は、ターゲット及び新たな構造を有する２次ＮａｎｏＸｇｅｎに結合する１次ＮａｎｏＸｇｅｎによって形成され、それにより１次及び２次ＮａｎｏＸｇｅｎ並びにターゲットに関与する第３エピトープを作製することができる。そして、第３エピトープは３次ＮａｎｏＸｇｅｎを結合することができる。ステップ６において、３つのＮａｎｏＸｇｅｎにおける造影剤１００はすべて、対象又はターゲットを標識し、それにより１次ＮａｎｏＸｇｅｎが有するイメージングコントラストを約３倍増幅することができる。このカスケードステップは、イメージングコントラストが選択されるイメージングモダリティーに十分な強度に達するまでさらなるＮａｎｏＸｇｅｎへと継続することができる。
誘発分子増幅システムは、各１次ＮａｎｏＸｇｅｎが特有の構造を有する、又は対象の部位において特定の標識タイプを有する（Ｘ線感応性若しくは光学イメージング、ＰＥＴ若しくはＭＲＩ若しくは超音波を含む他のイメージングモダリティーによって検出可能）特有のカスケード分子増幅システムのセットのみを誘引する特有のペプチド若しくは１本鎖ＤＮＡなどのバーコード分子に付着するように、設計することができる。１次ＮａｎｏＸｇｅｎは、そのターゲットから解離するとき、すべてのＮａｎｏＸｇｅｎがそれらの結合部位から解離することを誘発してもよく、また誘発しなくともよい。任意で、１次ＮａｎｏＸｇｅｎが長期間結合したままとすることができ、２次ＮａｎｏＸｇｅｎは第１測定を行った後に解離することができる。カスケード分子増幅システムは、定期的に、対象をモニタリングするために投与することができる。
また、本明細書に開示するＮａｎｏＸｇｅｎは、造影剤の送達をターゲットからｎｍの距離内にすることができ、したがって局在化の誤りを少なくすることができる。さらに、そうした増幅システムは、対象におけるエピトープの位置に対応して、細胞内環境又は細胞外環境で行うことができる。ＮａｎｏＸｇｅｎは、様々な小器官に対して細胞内で部位特異的標識を可能にすることができる。例えば、ナノボディは、以前は核小体には透過性ではなかった分子を送達したことが示されている。
Ｘ線イメージング又は他のイメージングモダリティーによって検出可能である密度に達するように直接的に結合するため、対象が種々の造影剤に対して十分な数のエピトープを有する場合、そうした増幅システムは任意とすることができる。
そうした増幅システムは、任意の重大な細胞事象を誘発してイメージング方法の観察特性を変えないが、イメージング信号レベルを増大させることのみを目的とするように設計される。１次ＮａｎｏＸｇｅｎが結合するターゲットのエピトープは、その１次ＮａｎｏＸｇｅｎの結合が細胞の生理学的状態、機能、移動性、及び／又は活性に影響を与え得るものを除外するように選択することができる。また、位置の選択及び細胞ペイロードは、細胞の生存性、機能、及び移動性を保持するように極力少なくすることができる。
上述のように、対象の検出及び定量化に使用される造影剤は、既に内因性で又は内在性で存在する、すなわち生体内に自然に発生するものであり得る。例えば、細胞又は分子などの対象は、Ｃａ２＋を含む造影剤に結合可能な少なくとも１つのドメインを有するＮａｎｏＸｇｅｎに結合することができる。Ｃａ２＋をコンジュゲートするそうした分子の凝集は、本明細書に開示するＩＭＡＳを使用するＸ線イメージングによって検出可能であるように感度を向上させることができる。そうした造影剤複合体が対象から解離するとき、造影剤複合体は最終的には崩壊して、対象の部位から離れ、任意の毒性を引き起こさずに身体に放出することができる。
Ｃａ２＋結合ＮａｎｏＸｇｅｎの分子組成は、例えば、カルモジュリンにおける、自然起源のＣａ２＋結合タンパク質ドメインを含むことができる。カルシウムイオンは、グルタミン酸若しくはアスパラギン酸残基のカルボキシル基を結合すること、リン酸化セリン、チロシン、若しくはスレオニン残基と相互作用すること、又はγ－カルボキシル化アミノ酸残基によってキレート化することでタンパク質によって複合体化することができる。ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）など、ヒトの身体において自然に発生するＣａ２＋又はその誘導体、炭酸カルシウム又は二リン酸カルシウム又はヒドロキシアパタイト（ＨＡ）は造影剤とすることができる。
以下に記載するように、多次造影剤は、３つ以上の様々なＮａｎｏＸｇｅｎのセットの反復単位を含むことができる。例えば、小ケージタンパク質は、Ｃａ２＋を閉じ込めてＣａ２＋の密度を増大させるためにケージ構造を自己組織化するように使用することができる。また、造影剤は、スフィア（例えばバッキーボールに類似）などの自己組織化３Ｄ構造若しくはケージ、又は図３１に示すそうした構造の変形に含むことができる。図３１は、多次元において反復単位及びパターンを可能にするように１つ以上の分子間の結合及び解離を制御可能な、低分子、ペプチド、抗体、又はオリゴヌクレオチドフラグメント、又は低分子ケージタンパク質などの分子を含む、バックミンスター・フラーから着想を得たタイプのボール構造の例の構造を示す。炭素又はグラフェンに基づく、又は他の元素の構造も考慮することができる。そうした構造は、構造内でＣａ２＋及びその誘導体分子の流入及び貯留を可能にすることができる。あるいは、そうした構造は、Ｃａ２＋と組み合わせたメッシュ内部を有することができる。ケージ又は３Ｄ構造の形成のための各基本単位は、一部が低分子、タンパク質、又はオリゴヌクレオチド、又は分子の組合せである、１つ以上のケージ形成分子の反復単位を含むことができる。構造を閉じる際、造影剤の密度が選択されるイメージングモダリティーによる可視化のために求められるレベルに達するまでＣａ２＋流（又は任意の他の内因性の造影剤）の流入が存在し得る。
あるいは、Ｃａ２＋は、２Ｄ又は３Ｄ自己組織化メッシュに組み合わせることができる。図３２Ａに示す一例は、図３２Ｂに示すようなＣａ２＋若しくはカルシウム含有ナノクラスター又はカゼインサブミセル４２を伴う、カゼインミセル５０に類似する構造である。そうした複合体は、ターゲット部位に隣接して、すなわち対象に近接して形成されるように設計することができる。
カゼインミセル５０を形成するように自己組織化プロセスを誘発するため、抗体、ナノボディ、又は低分子などの１次分子４１がターゲット又はターゲットマーカーのエピトープに結合することができる。１次分子の構造は変化し、２次分子４２に結合することができる。２次分子がミセル構造の一部となると、自己組織化プロセスが開始される。所定の時間後、そうした１次分子４１は解離し、組織化複合体は分解されて、Ｃａ２＋及び他の分子を放出することができる。
本明細書に開示する分子結合に基づく造影剤は、エピトープへの容易なアクセスと検出点とターゲット対象との共配置とに加え、急速なクリアランスと非毒性の利点を有する。
造影剤活性部分がＣａ２＋など内因性であるとき、骨や軟部組織を識別するため、２重エネルギー又はＫエッジタイプのイメージングを使用することができる。測定を複合体形成時及びその後に行う場合、動的変動性、すなわちＣａ２＋高含有点の可視性及び／又はその空間位置は、対象の構成要素の存在を示し、構成要素の定量的測定がより正確に得られる。
さらに、対象のターゲットは、１次ＮａｎｏＸｇｅｎを結合する対象の細胞若しくは微生物若しくは分子に発現する遺伝子学的に操作されたマーカーによって、又は経時で１次ＮａｎｏＸｇｅｎを使用してバーコードを付けることによって、経時でトラッキング及び識別することができる。１次ＮａｎｏＸｇｅｎは、対象のターゲットに結合されたままとすることができる。あるいは、１次ＮａｎｏＸｇｅｎは、ＤＮＡ配列又はペプチドなどのバーコードを対象のターゲットに導入することができ、これは、そうしたバーコードを結合部位に導くこと、及び、１次ＮａｎｏＸｇｅｎの内因性触媒機能を使用すること、又はそうしたバーコードを対象のターゲットに永続的に結合するために他の酵素タンパク質に結合することによってなされる。１次ＮａｎｏＸｇｅｎ又はバーコードタグを付けたターゲットに特異的な下流のＮａｎｏＸｇｅｎの結合及び解離は経時でのモニタリングを可能にするように慎重に設計することができる。
また、本明細書に開示する造影剤は、対象が空気、ガス、例えば骨内ガス及び円板内ガス、肺内の空気ギャップ、又は関節炎におけるカチオン高含有領域の存在、又は、細胞内領域などの領域における分子凝集を含む酵素活性によって生成されるものなど、対象領域の残りの部分から識別可能な任意のＸ線検知可能領域を含むとき、適切とすることができる。モニタリングされ得る時間依存性又は誘発性の活性は、長期、一年、一日、若しくは数時間にわたって腫瘍増殖若しくは血管成長による細胞アポトーシスなどの内部事象を測定及びトラッキングするため、例えばビオチン－アクチンに基づく酵素生成複合体、又は分子事象又は化学相互作用を含む。また、本明細書に開示する造影剤は、インビボのリキッドバイオプシー、又は例えば腫瘍の存在若しくは細胞アポトーシスによって誘発される分子シグナル伝達経路をモニタリングすることに適切であるとすることができる。ターゲットは、対象領域において種々のＸ線信号を生成し得る造影剤に結合するペプチド若しくはナノボディ、又は酵素などの分子によって認識することができる。
例えば、腎除神経術及び心臓焼灼術のためのＲＦ焼灼術などのエネルギー治療方法の場合、細胞死関連事象が発生するなど、細胞が影響を受けると、様々な化学物質が放出される。これらの化学物質は、ターゲット特異的抗体、又はペプチド、又はナノボディでタグを付けた酵素の活性を誘発する。例えば、ターゲットは、心臓組織又は腎臓組織又は心臓組織若しくは腎臓の特定の領域とすることができる。酵素活性は、カチオン、又はカチオン若しくはＸ線で検出可能な他の分子特徴でタグをつけたビオチン及びアクチン凝集体の形成など、１つ以上のＸ線測定可能な事象を生成することができる。結果として、焼灼術の影響を定量化することができる。あるいは、切除した組織は、カチオン高含有領域を生成することができる、又は生組織より硬性であり得る。Ｘ線測定は、生組織と死組織との間の可動性及び動きの動態における違いを検出することができる。あるいは、Ｘ線測定を行いながら、超音波プローブは組織の対象領域を摂動することができる。生組織及び死組織は異なるように応答し、時間的に様々なＸ線測定値を生成する。
２重、３重エネルギー、又は多重エネルギーのＸ線イメージングにおいて、現在の光電子増倍管（ＰＭＴ）又は光子計数検出器又はフォトダイオードを使用して、分子組成の変化、アポトーシス誘発事象、細胞相互作用の動態、タンパク質とタンパク質との相互作用などの分子相互作用の動態など、分子、細胞、又は構造的な事象を含む任意の事象を、光学イメージング、分光法、超音波、ＭＲＩ、ＰＥＴを含む１つ以上の他のモダリティーとを組み合わせた、組み合わせない、ＭＲＩ、又は光学イメージング、又は本開示のＸ線システムによって測定することができる。
モニタリングされ得る種々のパラメーターは、酸素状態などの生理学的な状態、状態の変化、移動特徴、又は光学方法、分光法による以前の特定可能な事象を含み、インビボにおける状態の変化を誘発し得るインビボにおける分子相互作用、フロー動態、及びフロー速度は、本明細書に記載するような２Ｄ又は３ＤＸ線定量的方法によって測定することができる。
造影剤の複合体又は凝集体の形成は、内部又は内在性の化学物質、電気、電磁気、電気化学、機械、音響の事象、磁気機構、又は任意のそれらの組合せによって誘発することができる。本開示は、化学物質、電気、電磁気、機械、電気化学、磁気、音響を介した、ターゲット若しくは対象領域との相互作用による外部の力、又は内部事象と組み合わせたそれらの外部の力に基づく事象の２つ以上の組合せ、によって誘発され得る、分子、原子、細胞及び構造、又は現象若しくは移動若しくは流体動態の測定を含む。
本開示のＸ線システムによってモニタリングできる事象は、原子及び分子、若しくはナノ構造、マイクロ構造、細胞の動態を特徴づける高速事象、並びに１つ以上の事象の組合せ、フェムト秒若しくはピコ秒のレーザー誘発事象、２光子顕微鏡若しくは２光子Ｘ線誘発事象などの非直線事象、ＣＡＲＳ、テラヘルツ分光法で測定されるような量子動力学事象、又は電磁力によって誘発される他の事象、又は表面プラズモン活性などの事象を含む。
測定は、例えばナノメートル以下までの分解能の位置特定及び感度など、高い空間、スペクトル、及び時間分解能測定を含むことができる。様々な色の活性又は静的な蛍光色素をＸ線で測定可能な時間依存性の変化によって置き換える、インビトロで開発された超分解能方法に類似する技術を、インビボに適用することができる。このＸ線測定は、測定される活性又は領域の位置特定をターゲット領域のものに相関させることを含むことができる。インビトロイメージングにおいて超分解能イメージングに使用されるレーザーは、超高速レーザー又は超高速非直線事象又はＸ線生成非直線活性又は任意の前述の内部活性又は他の化学若しくは外部機械若しくは電力エネルギー誘発活性によって使用する又は置き換えることができる。
１次ＮａｎｏＸｇｅｎ、２次ＮａｎｏＸｇｅｎ、及び／又は３次ＮａｎｏＸｇｅｎは、経口、注射、吸入で、あるいはそうした薬剤がターゲット部位に達することができる限り、投与することができる。内因性造影剤、造影剤は、自然に身体の一部である、又は生細胞若しくは生体であるが、一部の場合においてこの方法で投与することもできる。また、内部ソースからのＣａ２＋などの内因性分子は、そうした粒子又は分子又は分子複合体が身体又はイメージングされる対象に入った後、ＮａｎｏＸｇｅｎの他の部分に結合することができる。本明細書に開示するような分子標識複合体の基本単位が経口、静脈内、注射、又は吸入で投与された後、標識複合体全体は、この機能を行うためターゲット部位で自己組織化することができる。
本明細書に記載する造影剤を使用することは、Ｘ線測定においてより高い分解能を提供する。例えば、ピコ秒Ｘ線源は、特に、全視野Ｘ線イメージングの後に、選択した対象領域をイメージングして測定するため、又はユーザーが定義した領域を有する適切な対象のために、高速ＰＭＴ、光子計数検出器、又はフォトダイオード、又は高速フレームレート検出器と組み合わせることができる。他の例において、ナノチューブに基づくＸ線源、２Ｄ検出器を含む従来のＸ線源を使用することは、イメージにつき最大マイクロ秒であり得る。時間における分解能は少なくとも１～１０１２倍増大させることができる。さらに、空間分解能もまた、例えば、ＰＭＴ、光子計数検出器、又はフォトダイオードを使用するとき、Ｘ線光学系を使用せずに１００ｎｍ～Ｘ線光学系あり又はなしで０．０１ｎｍまで、増大させることができる。
１つ以上のパラメーターの分解能向上の文脈において、測定の感度はまた増大する可能性がある。例えば、時間測定において、Ｘ線感応特性の欠如又は存在を正確にモニタリングすることができる。例えば、種々のカルシウム高含有構成要素の厚み及び密度を測定するとき、種々の時間におけるカルシウム成分の増加及び減少を、従来のＣＴと比較してモニタリングすることができる。さらに、感度をさらに高めるため、複数のＸ線感応特性を共に、かつ同じ領域又は相対領域において測定することができる。例えば、対象領域における１つ以上の組織又は物体の密度測定、厚み測定を、現象について、例えば腫瘍が存在するかどうかについての情報を導き出す又は結論を導くために使用することができる。例えば、腫瘍マーカーに結合する造影剤に加えて、測定値、カチオンレベル及び／又は低ｐＨ誘発分子事象などの指標、又はカチオンドーブ造影剤がさらに感度を高めることができる。
本開示は、モル感度を、ＭＲＩ、ＰＥＴ、又は超音波のレベルに増大させる。造影剤、又は造影剤関連リガンド及びリンカーを含む造影剤複合体は、ＭＲＩ、ＰＥＴ、超音波及び光学又は音響光学又は光音響システムなどのインビボ及びインビトロイメージング及び測定において元素又はマーカーをターゲットにする又は結合することができ、特に高Ｘ線吸収特性を有するものを、ここでＸ線測定に使用することができる。さらに、高放射線レベル及び時間要件及び低感度に起因して、内在性の元素及び分子又はそれらの誘導体由来の造影剤の使用はＣＴでは限定的である。しかしながら、本開示では、特に選択される対象領域のための、２Ｄ２重又は多重エネルギー及びスペクトルイメージングシステム、及び多次元イメージング、及び高スペクトル解像度測定、そして３Ｄイメージングシステム、カルシウムなどの内在性の高Ｘ線減衰元素、及びカルシウムを含む造影剤がここで有用である。
本明細書に開示する分子造影剤は、２Ｄフラットパネル検出器と本明細書に開示するスペクトル物質分解改良型２Ｄ及び３Ｄイメージングシステム及び方法との組合せを併せることができる。本明細書に開示する、対象領域における小領域へのスペクトル吸収測定、及びＸ線顕微鏡、並びに光子計数検出器又はＰＭＴを追加したものなどの改良型Ｘ線イメージングシステムは、造影剤がＣＴ又は２ＤのＸ線像で観察されるように、要求される造影剤濃度を下げて、毒性を下げることができる（６０％細胞含有量を重金属によって標識する必要性から）。
本開示は、Ｘ線イメージングで測定及び定量化するために必要とされる重金属ナノ粒子の量を少なくするために、及び良好な可視化及び定量化のために構成要素を分離するため物質分解を使用する、方法及びシステムを提供する。
例えば、内因性元素、特にＣａ２＋、及び身体における他の自然に多量の元素は、毒性ではなく、以下のように使用可能である。１）既存の内在性の元素及び誘導体から自己組織化複合体を生成する。
２）身体に共に摂取又は注射されるこれらの元素を機能化する。本明細書に記載するシステムの感度がより高く、放射線レベルがより低いとき、前後のイメージ及び測定値をとることができる。所定位置におけるＣａ２＋量のわずかな増加を正確に測定可能である。以前より、放射線レベルが高いので、これを行うためＣＴを使用することは適切ではなく、また従来のＣＴを使用する前後の写真は実際的ではない。
３）金、ビスマス、及び銅などの他のナノ粒子のために開発された既存のリガンドはＣａ２＋ナノ粒子を機能化するために使用することができる。
４）カルシウムは、Ｘ線及び超音波の両方が標識に感応することができるように、グラフェン又はマイクロ気泡、ナノ気泡に配置することができる。
５）ターゲットにおいて高濃度の他の重金属ナノ粒子を必要とすることなく、Ｘ線がカルシウムの存在によりこれらの粒子を検出できるように、カルシウム様内在性成分は、既存のナノ粒子と共に複合体を形成可能である。
さらに、内在性元素の大部分並びにその自然及び合成誘導体は、様々なフォーマットの造影剤として使用することができる。例えば、カルシウムでは、以下の例を含むことができる。
・二リン酸カルシウム形成複合体。リン酸カルシウムは有機ホスフェートアニオンと共にＣａ２を含有する物質及び鉱物のファミリーである。一部のリン酸カルシウムは酸化物及び水酸化物も含有する。
・炭酸カルシウム（任意）。
・ヒアルロナン及び炭酸カルシウム（ＣＣ）など腫瘍ターゲット機能を含むハイブリッド薬剤送達システム（ＤＤＳ）。例えば、ヒアルロナンの腫瘍ターゲット機能と、ＣＣの薬物ロード特性及びＸ線イメージコントラストとを利用することによって、良好に形成されたヒアルロナン－ＣＣナノ粒子が、結腸直腸がんの化学療法において有益となり得る適切な薬物ロード含有量を有する、結腸直腸がんをターゲットとしたＤＤＳとして機能することができる。
・カルシウムは、ＰＨ、温度、及び酵素活性の変化などモニタリングされる外部条件によって誘発される、拡張及び／又は収縮、したがって可変密度及び寸法などのＸ線測定可能な特性を有することが知られるヒドロゲルで使用することができる。
・マイクロスフィア又は粒子又はマイクロカプセルにおけるＣａ２＋誘導体。
・自己組織化カルシウム複合体。
ナノクラスター又はケージシステムの結合又は崩壊は、ｐＨ及び温度、コンタクト又は電磁エネルギーによって誘発することができる。カルシウムコンジュゲートタンパク質又はそれらの誘導体は、対象のターゲットの高親和性活性ドメインと凝集又は結合することができる。ＰＨ若しくは温度並びに分子環境及びマトリックスにおける適切な条件、又はカルシウムコンジュゲートタンパク質と相互作用するプロテアーゼの存在若しくは欠如は、崩壊、又は構造の変化、又はカルシウムカチオンの放出をもたらす。カルシウムカチオン又は結合カルシウム、及びターゲット部位におけるその時間的存在若しくは欠如の両方のＸ線測定は、壊死又はアポトーシスなどの特定の細胞状態又は活性又は事象と関連することができ、ゆえに本開示のＸ線測定によってそれに応じてモニタリングすることができる。カルシウム及びその誘導体分子又は分子複合体は、マイクロ気泡に組み込むことができる。マイクロ気泡は、酵素的な酸化還元活性又は超音波プローブによる超音波エネルギー途絶によって崩壊する、又は自然半減期を有することができる。
任意で、競合性リガンドの存在下で、Ｘ線システム又はＣＴにおいて以前は行われなかった代謝活性をモニタリングするため、代謝物造影剤を本開示のＸ線システムにおいて使用することができる。代謝物造影剤の例は、キャビタンドに基づくナノスケールの配位ケージ、可逆的な四座キャビタンド、リガンド、及び適切な金属前駆物質である。
あるいは、本明細書に開示する造影剤は、２Ｄ検出器、光子計数検出器、及びフォトダイオード、及び光電子増倍管と接続したナノチューブに基づくＸ線源、光に基づく超高速Ｘ線源を含む、従来のＸ線源と共に使用することができ、イメージ取得速度はマイクロ秒又はｐｓ又はｆｓとすることができる。したがって、選択される領域における時間分解能を少なくとも１～１０１２倍向上させることができる。空間分解能は、特に、ＰＭＴ、光子計数検出器、又はフォトダイオード、及びｎｍ以下のＸ線顕微鏡のために設計された対物レンズを使用するとき、例えば、以前の記載のようにＸ線光学系を使用せずに１００ｎｍ、Ｘ線光学系ありでｎｍ以下まで、増大する。
本開示の３Ｄイメージング方法を使用して、３つすべての軸における空間分解能は、従来のＸ線ＣＴと比較して少なくとも１～１０９倍向上させることができる。スペクトル分解能は増大し、スペクトルセンサーを使用することによる典型の１～１２エネルギーレベルの代わりに、ｎｍ以下範囲の分解能を有する、エネルギー分散格子及び空間感応検出器と接続されることがある、光子計数検出器、ＰＭＴ、シリコンドリフト検出器を使用して、０．０１ｎｍスペクトル分解能又はより高いものでの高分解能測定を測定することができる。感度をさらに高めるため、複数のＸ線感応特性を共に、かつ同じ領域又は隣接する領域において測定することができる。例えば、カルシウムなどのコントラストコンジュゲートタンパク質のエピトープ又はｎｐコンジュゲートタンパク質リガンド又はターゲット自体に結合する腫瘍受容体ターゲットにおける活性ドメインのタンパク質ペプチド結合動態など、例えば、ｐｓ、ｆｓ、又はｍｓ範囲において発生する分子複合体及び分子相互作用及び相互作用動態の高い空間及びスペクトル及び時間分解の測定が、ターゲット部位における経時のカルシウム濃度、又はカルシウム信号の急速な消失によってモニタリングすることができる。各ＮａｎｏＸｇｅｎは、二リン酸カルシウム又は炭酸カルシウム又はカルシウムｃａ＋＋遊離イオン又はカルシウムタンパク質複合体などのカルシウムを含む分子に対する、１つ又は複数の結合部位を有することができる。
本明細書に開示する造影剤は、現象についての情報を導き出す又は結論を導くために使用することができ、例えば、腫瘍マーカーに結合する造影剤以外に、測定値、カチオンレベル及び／又は低ｐＨ誘発分子事象などの指標、又はカチオンドーブ造影剤がさらに感度を高めることができる。
一般的に、ＭＲＩは１０－３～１０－５のモル感度を必要とする。核医学は１０－１２～１０－１０のモル感度を必要とする。マイクロ気泡の超音波検出は約１０－１２のモル感度を必要とする。従来のＣＴは約０．１又は０．０１のモル感度を必要とする。本明細書に開示するシステムによって、モル感度を、一部の場合においてＭＲＩ、又はＰＥＴ、又は超音波のレベルに増大させることができる。ＭＲＩ、ＰＥＴ、超音波及び光学又は音響光学又は光音響システムなど、インビボ及びインビトロイメージング、測定及び試験のために開発された造影剤、並びに造影剤関連リガンド及びリンカー、並びにターゲット又はマーカー結合元素、特に高Ｘ線吸収特性を有するものが、Ｘ線測定に使用することができる。
造影剤レベルは用途にしたがって調整することができる。様々な原子ｚ、様々な原子ｚ物質又はヨウ素などの放射標識によって互いに識別されない有機及び無機の対象では、２Ｄで可視化するために必要とされる密度を得るためにイメージングされる物質と混合することができる。これらの物質を可視化するために必要とされる放射標識の比率は、（１）骨のギプスを凝固させ、骨を治癒するために及び意図する他のギプスの機能のために、経時で必要とされる硬性及び安定性をなすことができること、（２）Ｘ線イメージングにおいて定量化及び可視化をすることができ、したがって骨又は軟部組織であるヒトの器官及び／又は組織イメージからギプスイメージの分離ができることを、必要とし得る。
第２の目的を達成するため、イメージング及び定量化に必要とされる信号を検知するためＸ線検出器に対して混合物に必要とされる密度を評価するため、以下の式を使用することができる。物体のＸ線透明度は主に密度に対応する。理論による及び実験における研究は、Ｘ線ビームが媒体を横断するとき、媒体による光子の吸収及び偏向の両方に起因して、ビーム強度は小さくなることを示しており、Ｘ線減衰の程度は以下の式に従う。Ｉ＝Ｉｏｅ－μｘであって、式中、Ｉは透過ビーム強度、Ｉｏは入射ビーム強度、ｘは媒体の厚みである。質量減衰係数であるμは、μ＝ρＺ４／ＡＥ３で表され、式中、ρは密度、Ｚは原子番号、Ａは原子質量、ＥはＸ線エネルギーである。ゆえに、Ｘ線減衰は、低エネルギーＸ線及び高原子番号の物質で高くなる。
ゆえに、この式に基づいて、医療イメージングの骨のギプス材料、又は産業用途の電池材料若しくはマイクロチップ材料において、２つ以上の２Ｄイメージは、そうした材料の形成される２Ｄ層イメージ、又は３Ｄイメージ、定量的イメージングデータ及び識別材料定量的データ、及び密度測定、にさらに拡張することができる。
骨セメント又はギプス材料又はバイオフィルムでは、セメント及びギプス材料を、ヨウ素又は他の原子ｚが異なる標識分子又はそれらの誘導体などの造影剤と混合することで、Ｘ線検出に必要とされる放射線密度を得ることできる。あるいは、無機化合物、すなわち、硫酸鉄、銀被覆マイクロ粒子、又は１－クロロナフタレン、ホルミウム、ハフニウム、又はさらにナノ粒子、他の造影剤をインビボイメージングに使用することができる。
ギプス包帯を、Ｘ線又はハイブリッドイメージングモダリティーで識別可能な標識と混合する方法は、以下のステップを含む。１、造影剤をギプス包帯と均等に混合する。視覚的検査によって確実に均質な混合を行うため、造影剤は予め着色顔料とコンジュゲートすることができる。２、水を加える。ファイバーグラスキャストでは、第１ステップに、造影剤を樹脂と均等に混合することを含むことができる。確実に均質性を視覚的に検証するため、造影剤は顔料とコンジュゲート又は混合することができる。第２ステップにおいて、ファイバーグラスを硬化するため触媒を添加することができる。
本開示のＸ線イメージングのための造影剤としてのマイクロ気泡
対象の血流への導入に適するトレーサーはマイクロ気泡を含むことができる。マイクロ気泡は、超音波イメージングシステム又はＸ線イメージング又は位相コントラストＸ線イメージングシステムを使用して登録されるイメージにおいて観察することができる。マイクロ気泡は、核医学イメージングシステムを使用して登録されるイメージにおいて観察可能な造影剤を含むことができる。マイクロ気泡は、超音波エネルギーのしきい値に対応する脆性の制御をすることができ、超音波エネルギーがしきい値を超過するマイクロ気泡に加えられると、マイクロ気泡の破裂が起こって、造影剤がマイクロ気泡から放出されるようにすることができる。ターゲットのマイクロ気泡は、バイオマーカーをターゲットにするリガンドを機能化することで形成することができる。超音波プローブによって生成される超音波エネルギーは、例えばそうしたマイクロ気泡を崩壊させることができる。又は、マイクロ気泡の健常性には自然半減期があるとすることができる。
適切な酵素、ｐＨ、及び温度により、造影剤は、凝集及び増幅又は崩壊することができる。
結晶ナノ材料などの不可視性に基づく造影剤は、定量化及び識別ツールとして使用することができる。
例えばカルモジュリン、カルレチニン、Ｓ１００Ｂタンパク質、若しくはカルシウムイオンに高親和性を有する他のイオン結合タンパク質のカルシウム結合ドメイン、又は他の元素亜鉛イオン、マグネシウムイオン、若しくは他のタイプの金属イオンの所定の密度を有する、機能化表面を有する、結晶ナノ材料は、バックグラウンドと比較してＸ線測定において観察することができる。溶液又は細胞マトリックスに、又は所定のターゲットがカルシウムイオン及びその誘導体に対してより高い親和性を有する領域に入ると、又は、結晶面に対してより高い親和性を有する領域の他のタイプの金属イオン若しくはマーカーが存在するとき、リガンドを環境に放出し、ターゲットに結合して、結晶ナノ材料を不可視にすることができる。
用語
本開示は、所定の実施形態及び例の文脈で記載しているが、本開示が具体的に開示される実施形態を超えて他の代替的な実施形態及び／又は使用、並びにその明白な改変形及び同等物にまで拡張されることが、当業者には理解される。さらに、いくつかの本開示の実施形態の変形を示して詳細に記載しているが、本開示の範囲内である他の改変形は直ちに当業者に明らかになるものである。また、実施形態における具体的な特徴及び態様の種々の組合せ又は副組合せがなされ得、かつ本開示の範囲に該当するということが考慮される。例えば、一実施形態に関して上述される特徴は、本明細書に記載される別の実施形態と共に使用することができ、その組み合わせは依然として本開示の範囲に該当する。本開示の種々のモードの実施形態を形成するため、開示の実施形態の種々の特徴及び態様を互いに組み合わせる又は置き換えることができるということを理解する必要がある。このように、本明細書における本開示の範囲は上述の特定の実施形態によって限定されるべきでないことが意図される。したがって、特に記載のない限り、又は明らかに不適切でない限り、本発明の各実施形態は、本明細書に記載される本質的な特徴に加えて、本明細書に開示する本発明の他の各実施形態から本明細書に記載されるような１つ以上の特徴を含むことができる。
特定の態様、実施形態、又は実施例と併せて記載される特徴、材料、特性、又はグループは、これらと矛盾しない限り本明細書のこの項又は他の個所に記載される任意の他の態様、実施形態、又は実施例に適用可能であることが理解される。本明細書に開示される特徴のすべて（任意の添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）は、及び／又はそのように開示される任意の方法又は工程におけるステップのすべては、そうした特徴及び／又はステップの少なくとも一部が互いに排他的である組合せを除いて任意の組合せで組み合わせることができる。この保護は、任意の上述の実施形体における詳細に制限されるものではない。この保護は、本明細書に開示される特徴（任意の添付の特許請求の範囲、要約、及び図面を含む）の任意の新規のもの又は任意の新規の組合せに、あるいはそのように開示される任意の方法又は工程におけるステップの任意の新規のもの又は任意の新規の組合せに拡張される。
さらに、別の実施形態の文脈でこの明細書に記載された所定の特徴も単一の実施形態において組合せで実施することができる。あるいは、単一の実施形態の文脈で記載された種々の特徴も別々に複数の実施形態で又は任意の適切な副組合せで実施することができる。さらに、特徴を所定の組合せで作用するとして上述し得るものの、記載の組合せにおける１つ以上の特徴を、一部の場合において、組合せから除いて、組合せを副組合せ又は副組合せの変形として記載することができる。
操作について、特定の順序で図面に示される又は明細書に記載され得るが、そうした操作は、所望の結果を得るために、示される特定の順序又は連続の順序で行われる必要がない、又はすべての操作が行われる必要がない。示されていない又は記載されていない他の操作を例示の方法及び工程に組み込むことができる。例として、１つ以上のさらなる操作を、記載の操作のいずれかの前、それらの後、それらと同時に、又はそれらの間に行うことができる。さらに、他の実施形態において操作を再度編成又は順序付けすることができる。一部の実施形態において、示される及び／又は開示される工程において行う実際のステップが図面に示されるものと異なり得るということを当業者は理解するであろう。実施形態に対応して、上述のステップの所定のものは除かれ得、他のものが追加され得る。さらに、上述の特定の実施形態における特徴及び特性は、様々な方法で組み合わせられて、さらなる実施形態を形成し得、そのすべては本開示の範囲に該当するものである。また、上述の実施形態における種々のシステム構成要素を分離することを、すべての実施形態においてそうした分離を要求するとして理解すべきではなく、一般に、記載の構成要素及びシステムが単一の製品でともに統合できる、又は複数の製品にパッケージ化できるということが理解される必要がある。
この開示の目的のため、所定の態様、利点、及び新規の特徴を本明細書に記載する。そうした利点のすべてが任意の特定の実施形態によって得られるわけではない。ゆえに、例えば、本開示が、必ずしも本明細書に教示される又は示唆され得るような他の利点を得ることなく本明細書に教示するような１つの利点又は複数の利点を得るという方法で実施する又は行うことができるということを、当業者は認識するであろう。
とりわけ、「できる」、「できた」、「し得る」、「可能である」、「例えば」、等の本明細書に使用される条件的文言は、具体的に明示されない限り、又は使用される文脈内で理解されない限り、一般に、所定の実施形態が所定の特徴、要素、及び／又はステップを含む一方で、他の実施形態はこれらを含まないということを意味すると意図する。このように、そうした条件的文言は、特徴、要素、及び／若しくはステップが１つ以上の実施形態に何らかの形で要求されるか、又は１つ以上の実施形態が、他の情報提供若しくは指示の有無で、これらの特徴、要素、及び／若しくはステップを任意の特定の実施形態に含むか若しくは実施するかどうかを決定するロジックを必ず含む、ということの示唆を一般に意図しない。「包含する」、「含む」、「有する」等の用語は同義であり、包括的に、拡張的に使用され、さらなる要素、特徴、機能、動作などを排除しない。また、「又は」いう用語は、包括的な意味で（排他的な意味ではなく）使用されており、例えば、要素のリストをつなげるために使用されるとき、「又は」という用語は、リストの要素の１つ、いくつか、又はすべてを意味する。
具体的に記載されない限り、「少なくとも１つのＸ、Ｙ、及びＺ」という記載などの接続的文言は、アイテム、用語等がＸ、Ｙ、又はＺのいずれかであり得るということを意味するように一般に使用される文脈においてあるいは理解される。ゆえに、そうした接続的文言は、所定の実施形態が少なくとも１つのＸ、少なくとも１つのＹ、及び少なくとも１つのＺの存在を要求するということの示唆を一般に意図しない。
本明細書に使用される「およそ」、「約」、「一般に」、及び「実質的に」という用語などの本明細書に使用される程度の文言は、なお所望の機能をなす又は所望の結果を得る、記載される値、量、又は特徴に近似する、値、量、又は特徴を表す。例として、「およそ」、「約」、「一般に」、及び「実質的に」という用語は、記載される量の１０％未満内、５％未満内、１％未満内、０．１％未満内、及び０．０１％未満内の量を指すことができる。他の例として、所定の実施形態において、「一般に平行である」及び「実質的に平行である」という用語は、１５度、１０度、５度、３度、１度、０．１度以下、又は他の数値だけ厳密な平行からずれる値、量、又は特徴を指す。
本明細書に開示する任意の方法は記載される順に行う必要はない。本明細書に開示する方法は作業者が行う所定の操作を含むが、明示的又は示唆的に、それらの操作を任意で第三者が指示することも含むことができる。例えば、「対象を照射する」などの操作は、「対象を照射することを指示する」ことを含む。
本明細書に記載する方法及び作業のすべては、コンピューターシステムによって行われ完全に自動化することができる。コンピューターシステムは、一部の場合において、記載する機能を行うためネットワークを介して通信及び相互操作する複数の特定のコンピューター又はコンピューティング装置（例えば、物理サーバー、ワークステーション、記憶アレイ、クラウドコンピューティングリソースなど）を含むことができる。そうした各コンピューティング装置は、典型的には、メモリ又は他の非一時的なコンピューター可読記憶媒体又は装置（例えば、ソリッドステート記憶装置、ディスクドライブなど）に記憶されるプログラム命令又はモジュールを実行するプロセッサー（又は複数のプロセッサー）を含む。本明細書に開示する種々の機能は、そうしたプログラム命令において実現することができる、及び／又はコンピューターシステムのアプリケーション特化回路（例えば、ＡＳＩＣ又はＦＰＧＡ）において実施することができる。コンピューターシステムが複数のコンピューティング装置を含む場合、これらの装置は共配置することができるが、共配置しなくともよい。開示の方法及び作業の結果は、ソリッドステートメモリチップ及び／又は磁気ディスクなどの物理的記憶装置を別の状態に変換することで永続的に記憶することができる。一部の実施形態において、コンピューターシステムは、そのプロセッシングリソースが複数の事業者又は他のユーザーによって共有される特定のクラウドに基づくコンピューティングシステムとすることができる。
本開示の範囲は、この項又はこの明細書の他の部分における好ましい実施形態の特定の開示によって限定されることを意図せず、この項又はこの明細書の他の部分において提示される、又は今後提示される特許請求の範囲によって規定され得る。特許請求の範囲の文言は、特許請求の範囲に使用される文言に基づいて広く理解される必要があり、その実施例が非排他的であると解釈される必要がある、本明細書に又は出願手続き時に記載の実施例に限定されない。

Claims (18)

  1. Ｘ線測定システムであって、
    イメージング対象に向けた１つ以上のＸ線ビームを放出するように構成されたＸ線源と、
    前記イメージング対象の下流の２次元（２Ｄ）Ｘ線検出器とを含み、前記システムの制御器は、関心領域に対するＸ線放出位置の複数の相対位置を有することによって、前記対象における前記関心領域の３次元（３Ｄ）イメージを得るように構成され、関心領域を移動すること、及び／又はＸ線放出位置を移動させる若しくは操舵すること、又はｘ－ｙ－ｚ軸における位置を含む３Ｄ空間の少なくとも２つの軸において複数のＸ線源を有すること、及び２ＤＸ線測定値を得ることによって、達成され、さらに
    測定からの散乱線を低減する又は取り除くためのソフトウェアを含む記憶媒体用非一時的なコンピューターを含み、
    隣接するＸ線放出位置同士の間の距離は、第３の軸に必要とされる解像度の寸法、及び／又は、２つの位置のぞれぞれが各セットが関心領域における異なる投影パスを照射するＸ線ビームのセットを生成するために必要とされる最小距離であり、
    前記距離は、寸法が少なくとも０から１画素ピッチの間であるか、又はサイズが１画素ピッチ未満と同じくらい小さくできる、システム。
  2. 前記記憶媒体用非一時的なコンピューターは、少なくとも１つの第１測定の共配置を実行するためのソフトウェアを含み、
    前記検出器は、前記対象の診断、検査、治療と外科のガイダンス、生体組織検査、手術前計画、トラッキング、及び／又はモニタリング、及びセキュリティーの用途のため、第１測定及び／若しくは第２測定、又はライブ測定を行うように構成される、請求項１に記載のシステム。
  3. 前記Ｘ線源は、制御可能なエネルギーレベルを有するＸ線ビームを放出するように構成される、請求項１又は２に記載のシステム。
  4. 前記Ｘ線測定システムは、スペクトル物質分解方法を適用して、少なくとも１つの構成要素の３Ｄイメージを生成する、及び／又は他の構成要素又は前記関心領域の残りの部分に対する構成要素の相対密度を３Ｄにおいて生成するように構成される、請求項１～３のいずれかに記載のシステム。
  5. 特定のビームが前記Ｘ線検出器の所定の位置に達することを選択的に可能にするように構成されたビームセレクター又はビーム吸収プレートを含む、請求項１～４のいずれかに記載のシステム。
  6. プロセッサーは、前記Ｘ線測定値における時間領域、及び／又は空間領域、及び／又は周波数領域の散乱線を低減又は取り除くように、及び／又は高解像度一次Ｘ線イメージを生成するために内挿を実行するソフトウェアを使用するように構成される、請求項１～５に記載のシステム。
  7. 第２の２ＤのＸ線検出器を含む、請求項１～６のいずれかに記載のシステム。
  8. 前記システムのプロセッサーは、Ｘ線検出器から前記イメージング対象の全視野Ｘ線信号と、Ｘ線顕微鏡、Ｘ線分光法、又はＸ線吸収測定組立体から前記イメージング対象内の関心領域のより高い空間又はスペクトル解像度の信号とを受信及び処理するように構成されている、請求項１～７のいずれかに記載のシステム。
  9. 検出器又は検出器組立体は、フラットパネル検出器と、前記フラットパネル検出器の後ろのより小さい２Ｄ検出器又は１Ｄ若しくはポイント検出器とを含む、請求項１～８のいずれかに記載のシステム。
  10. 前記３Ｄイメージを構築するために取る放出位置の総数又は２Ｄイメージの数は、関心領域の前記第３の軸の深さ、又は関心領域の部分の厚さ、及び／又は前記第３の軸若しくは次元における前記解像度と定量的に関連する、請求項１～９のいずれかに記載のシステム。
  11. ｘ次元及びｙ次元において移動する又は操舵するとき、最も遠く離れた放出位置の総移動角度は、０．１度未満、又は０．１度、又は０．１～１度とする、請求項１～１０のいずれかに記載のシステム。
  12. ２Ｄイメージを撮った後、ｍ×ｎ×ｐ変数を伴うｍ×ｎ×ｐ方程式、方程式系を解くことができ、Ｘ線源の各位置は、サイズｍ×ｎのイメージを生成することができ、Ｐ層が存在することができ、線型方程式系は、反復法及び行列法のいずれかで解くことができる、請求項１～１１のいずれかに記載のシステム。
  13. プロセッサーは、組合せデータ及び線型方程式の解に基づいて３次元イメージを導き出すため、従来のコンピューター断層撮影イメージングアルゴリズムを使用することができる、請求項１～１２のいずれかに記載のシステム。
  14. 物質分解方法は、関心領域における各構成要素の密度、厚み、組成、Ｘ線測定可能な特性を測定するために使用することができる、請求項１～１３のいずれかに記載のシステム。
  15. 前記Ｘ線測定システムは、異なる材料のＸ線測定特性のデータベースに少なくとも部分的に基づいて物質分解分析を出力するように構成されており、各材料は既知の密度及び／又は厚さを有する物質を含み、関数スペクトルＸ線イメージング方法、並びに、スペクトルＣＴ、及び２重若しくは多重、若しくはスペクトルＸ線イメージングに使用される他の方法及びアルゴリズム、又は物質分解のために使用される先行技術のもの、に基づく、請求項１～１４のいずれかに記載のシステム。
  16. 前記関心領域内の各構成要素が、密度、造影標識、空間構造及び形状、相対的空間位置、組成、又は移動特徴、フロー特性、フロー方向、流体力学、存在、可視性、又は移動の速度若しくは移動の頻度、又は構成要素内のそうした物理的性質のいずれか、又は第１Ｘ線イメージによって分析することができる任意の識別可能な物理的性質、又はシミュレートされる特性、又は既知の特性、又はこれらの特性の任意の組合せ、によって識別され得、
    前記造影標識は、従来のＣＴ若しくはＸ線造影剤、又は内在性の元素、又はカルシウム、亜鉛、空気、アルゴン、窒素、二酸化炭素、二酸化窒素、メタン、ヘリウム、酸素、ガドリニウム、鉄、マグネシウム、マンガン、銅、クロム、金、銀、ツレニウム、及びバリウムからなる群から選択される、ナトリウム、カリウム、リン、硫黄、塩素、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、モリブデン、セレン、ヨウ素、クロムからなる群から選択されるもの、Ａｕ－（金）、Ｐｔ－（白金）、Ｔａ－（タンタル）、Ｙｂ－（イッテルビウム）、及びＢｉ－（ビスマス）由来の、ナノ粒子、グラフェンナノ粒子若しくはグラフェン放射標識複合物、ナノチューブ複合物、ヨウ素若しくはバリウム、ガドリニウム、ハイドロゲル又は陰性造影剤、マイクロ気泡（バブル）、ナノ気泡から選択される、請求項１～１５に記載のシステム。
  17. Ｘ線システム及び／又は表示用の記憶媒体用非一時的なコンピューターのそれぞれは、ユーザーに必要な用途のために表示する機能を含む、観察又は表示ソフトウェアを含む、請求項１～１６のいずれかに記載のシステム。
  18. 物質分解方法は、構成要素又は物質を分離するように構成され、他の構成要素若しくは関心領域のものに対して少なくとも１つの構成要素のための３Ｄイメージングを可能にする、及び／又は、バックグラウンド若しくは外部空間マーカー若しくはセンサーのものと比較して空間及び時間における少なくとも１つの構成要素のための６Ｄ若しくは７Ｄイメージを導き出す、請求項１～４のいずれかに記載のシステム。
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