KR20140129394A - 미분 위상 대조 x선 이미징 시스템 및 컴포넌트 - Google Patents

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KR20140129394A
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마이클 핀켄탈
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Abstract

본 발명에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법은 이미지화될 물체를 비추기 위한 X선 빔을 제공하는 단계; 빔 스플리터 상에 입사될(to be incident) X선 빔을 발사하는 단계 - 상기 빔 스플리터는, 상기 X선 빔을 인터셉트하고 X선으로부터의 간섭 패턴을 제공하기 위해 배치된 스플리터 격자를 포함함 -; 상기 빔 스플리터로부터 X선의 상기 간섭 패턴을 인터셉트하기 위해 상기 이미지화될 물체를 배치하는 단계; 및 상기 이미지화될 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함한다. 상기 검출하는 단계는 분석기 격자를 사용하여 상기 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 차단하는 단계를 포함하고, 상기 분석기 격자는 종 차원, 상기 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 상기 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가지고, 상기 분석기 격자는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 포함하고, 상기 광학적 고밀도 영역들은 상기 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 상기 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치하고, 각각의 광학적 고밀도 영역은 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지고, 상기 분석기 격자는 입사 X선에 대한 셸로우 앵글로 상기 종 차원으로 배치되고, 그리고 상기 셸로우 앵글은 30도보다 작다.

Description

미분 위상 대조 X선 이미징 시스템 및 컴포넌트{DIFFERENTIAL PHASE CONTRAST X-RAY IMAGING SYSTEM AND COMPONENTS}
관련 출원의 상호 참조
참조에 의해 그 전체 내용이 본 출원에 통합되는 2011년 7월 29일 출원된 미국 특허 가출원 제61/513,175호 및 2012년 4월 4일 출원된 미국 특허 가출원 제61/620,140호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 Department of Energy에 의해 수여된 Grant No. DE-FG02-99ER54523 및 Department of Health and Human Services, National Institutes of Health(NIH)에 의해 수여된 Grant No. 1R21EB012777-01A1하에서 정부 지원 하에 만들어졌다. 미국 연방 정부는 본 발명에서 일정 권리를 가진다.
본 발명의 실시 예는 X선 시스템, 보다 구체적으로 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템 및 X선 일루미네이션 시스템에 관한 것이다.
X선 미분 위상-대조(X-ray differential phase-contrast, DPC) 이미징은 물체를 관통하는 X선의 굴절을 필요로 한다. 경질 X선에 대해 굴절각은 μ-radian 범위 내에 있기 때문에, DPC 이미징을 위해 사용되는 기본적인 기술은 μ-radian 해상도로 전송된 X선 빔을 각여과(angularly filter)하기 위한 것이고, 따라서 종래의 디텍터에서 굴절로부터 강도 변화로 각도 빔 편차를 전환한다. 각 필터링은 결정 또는 격자와 같은 X선 광학을 사용하여 수행된다(최근 연구에 대한 [1] 참조).
DPC 이미징의 근본적인 장점은 측정 물체에서 그것의 X선 흡수 양보다는 밀도 변화도에 민감하다는 점이다. 의학적 이미징에서 예를 들어 굴절은 종래의 X선 이미징에서 보이지 않는 연조직의 탐지를 가능하게 하는, 조직 경계에서 대조 증대 효과를 가진다. 연골, 힘줄, 인대 또는 근육과 같은 미세 구조 연조직에서 발생하는 극소 각 산란은 또한 볼륨 대조 증대 효과를 가진다[1-5]. 의학적 이미징에 대한 DPC의 다른 장점은 종래의 X선 이미징보다 유사한 또는 더 낮은 투여량으로 대조와 해상도를 향상시킬 수 있다는 것이다. 이것은 DPC가 신체에 의해 흡수되지 않는 X선을 사용하기 때문에 그리고 연조직 굴절 계수가 흡수에 대한 것보다 더 느리게 X선 에너지에서 감소하기 때문에 가능하다. 특히, 대략 50-80 keV 범위에서 평균 에너지로 스펙트럼을 DPC에 대해 사용함으로써, 연조직 투여량은 굴절이 흡수 이상으로 강하게 지배하는 동안 최소화된다[1,6].
X선 위상-대조는 또한 특히 하위-Z 물질들에 대하여, 재료 과학에서 비파괴 특성 및 이미징에 대해 유익하다. 중합체로부터 섬유 복합체, 목재, 변형된 바이오-물질들에까지 물질들의 구조 및 결함들은 X선 위상-대조를 사용하여 마이크로미터 스케일로 탐색될 수 있다[7-9]. X선 위상-대조를 위해 사용되는 몇몇 기법들은 중성자에도 적용될 수 있다[10]. 최근에 X선 위상-대조는, 물체의 밀도 변화도를 측정하기 위한 굴절 기반 이미징의 능력이 관성 밀폐 핵융합(ICF) 및 그 밖의 고 에너지 밀도 물리학(HEDP) 실험들에서 고밀도 플라즈마의 진단을 위해 사용될 수 있는 융합 에너지 연구에서 주목을 받아왔다[11].
최근까지, X선 DPC 이미징에 대한 연구는 결정 광학(crystal optics)을 사용하여 대부분 싱크로트론에서 수행되어 왔다. 싱크로트론의 높은 강도는 결정 광학의 낮은 효율성(1%의 1/100보다 작은)을 보상한다[1, 12]. 테이블-탑 싱크로트론을 발전시키기 위한[13], 또는 종래의 튜브로부터 좁은 Kα 라인을 사용하기 위한[14] 노력들이 있었음에도 불구하고, 결정 방식은 실용적인 응용의 영역에 아직 진입하지 못하였다. 따라서, 종래의 의학적 또는 산업적 X선 튜브로 동작할 수 있는 더 효율적인 DPC 방식 및 광학을 발전시키기 위한 관심이 존재한다.
종래의 X선 소스로 동작할 수 있는 DPC 방식은 격자들과 같은 마이크로-주기 광학이 μ-radian 해상도로 굴절된 X선을 각여과(angularly filter)하기 위해 사용되는 탈벗-라우 쉬어링 간섭 측정(Talbor-Lau shearing interferometry)이다[15-17]. 탈벗 간섭계는 들어오는 빔을 수 μ-radian 폭 빔 조각들로 탈벗 효과를 통해 분리하는 (또는 '전단하는(shear)') '빔 스플리터' (일반적으로 π-쉬프트 위상 격자)를 포함한다. 탈벗 효과는 λ는 X선 파장, g는 격자 주기, k=l,2,...는 패턴의 오더 그리고 π/2 위상 쉬프팅 격자 또는 흡수 격자에 대해 η=1, 그리고 π 위상 격자에 대해 η=2일 때, 탈벗 거리 dT=k/η2·g2/(2λ)로 일컬어지는 빔을 따른 주기적 거리에서 파형 강도에 의한 격자 패턴의 '레플리케이션'에 있다[18]. 빔-스플리터는 그러므로 '탈벗 거리'에서, 굴절성 물체가 빔 안으로 들어갈 때 비동요 패턴에 관해서 형태를 변화시키는(changes shape, shifts) 마이크로-주기 프린지(fringe) 패턴을 생성한다. 미분 위상-대조 이미징은 그러므로, 물체 없이 패턴에 관해, 물체에 의해 유도된 프린지 패턴에서의 변화를 측정하는 것으로 이루어진다. 경질 X선 파장에서 μ-radian 각도 감도를 달성하기 위해, 주기 g는 수십 cm의 탈벗 거리를 야기하면서, μm 범위 내에 존재하여야 한다.
프린지 패턴은 원칙적으로 마이크로스코픽 픽셀 디텍터를 사용하여 직접적으로 측정될 수 있다[17]. 이것은 다소 비효율적이다. 대부분의 현실적인 응용들을 위해서, 프린지 패턴 변화는 탈벗 패턴의 주기를 가지고 빔-스플리터 뒤에 위치하는 '분석기' 흡수 격자를 도입함에 따라 매크로스코픽 픽셀 디텍터 상에서 강도 변화로 전환된다. 최근에, 확장된 스팟 X선 튜브로 기능하기 위한 그러한 간섭계에 대해, '소스' 흡수 격자가 소스 앞에 배치되고, 따라서, 그것을 준-코히런트(quasi-coherent) 라인 소스들의 어레이로 분리한다[16-18].
격자들은 얇은 규소(Si) 웨이퍼 또는 포토레지스트에 마이크로-리소그래피(micro-lithography)에 의해 제조된다[19, 20]. 흡수 격자들은 제조하기 어렵다. 그것들은 일반적으로 표준 전송 격자들 내의 갭들에 금을 채움으로써 제조된다. 상술된 '격자 쉬어링 방식'은 수십 keV보다 작은 에너지에서 결정 방식과 유사한 성과를 입증하여 왔다.
이 방식은 그러나 수십 keV보다 큰 에너지에서는 덜 유용하다. 그 이유는 더 높은 에너지 X선을 차단하기 위해 요구되는 두께를 가진 마이크론-주기 흡수 격자를 제조하는 것이 어렵기 때문이다. 이것은 광자 에너지의 함수로서, 95% 흡수를 위해 요구되는 금(Au) 두께의 그래프로 도1에 도시된다. 도시된 바와 같이, 수백 μm 깊이 격자가 임상 DPC 이미징을 위한 이익의 범위에서 요구될 것이다. 격자 주기에 따라, 현재의 기술적 한계는 그러나 대략 50-100 μm이다[19, 20, 22]. 이것은 30 μm 두께, 4 μm 주기 금(Au) 분석기 격자를 구비하는 간섭계에 대해 프린지 대조에 의해서 도1에 도시된 바와 같이 고 에너지 X선에 대한 격자 쉬어링 방식의 대조를 제한한다(상세한 설명에서 우리는 X선 위상-대조 및 광학 산출을 위해 XWFP 파장 전파 코드 [23] 및 XOP 광학 패키지 [24]를 사용하였다).
배경 기술 참조 문헌들
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2. Carol Muehleman, Jun Li, Zhong Zhong, Jovan G. Brankov and Miles N. Wernick, "Multiple-image radiography for human soft tissue", J. Anat. 208, 115 (2006)
3. Tetsuya Yuasa, Eiko Hashimoto, Anton Maksimenko, Hiroshi Sugiyama, Yoshinori Arai, Daisuke Shimao, Shu Ichihara, Masami Ando, "Highly sensitive detection of the soft tissues based on refraction contrast by in-plane diffraction-enhanced imaging CT", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 591, 546 (2008)
4. J. Li, Z. Zhong, D. Connor, J. Mollenhauer and C. Muehleman, "Phase-sensitive X- ray imaging of synovial joints", Osteoarthritis and Cartilage 17, 1193 (2009)
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그러므로 광학의 새로운 타입은 수십 keV 이상의 X선 에너지에서 효율적인 DPC 이미징을 가능하게 하기 위해 요구된다.
본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법은 이미지화될 물체를 비추기 위한 X선 빔을 제공하는 단계; 빔 스플리터 상에 입사될(to be incident) X선 빔을 발사하는 단계 - 상기 빔 스플리터는, 상기 X선 빔을 인터셉트하고 X선으로부터의 간섭 패턴을 제공하기 위해 배치된 스플리터 격자를 포함함 -; 상기 빔 스플리터로부터 X선의 상기 간섭 패턴을 인터셉트하기 위해 상기 이미지화될 물체를 배치하는 단계; 및 상기 이미지화될 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 검출하는 단계는 분석기 격자를 사용하여 상기 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 차단하는 단계를 포함하고, 상기 분석기 격자는 종 차원, 상기 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 상기 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가지고, 상기 분석기 격자는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 포함하고, 상기 광학적 고밀도 영역들은 상기 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 상기 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치하고, 각각의 광학적 고밀도 영역은 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지고, 상기 분석기 격자는 입사 X선에 대한 셸로우 앵글로 상기 종 차원으로 배치되고, 그리고 상기 셸로우 앵글은 30도보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 X선 일루미네이션 방법은 이미지화될 물체를 비추기 위한 폴리-에너제틱 X선 빔을 제공하는 단계; 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제1 부분을 반사하는 단계 - 상기 제1 부분은 낮은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -; 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제2 포션을 전달하는 단계; 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제1 포션을 감쇠시키는 단계; 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제3 포션을 반사하는 단계 - 상기 제3 포션은 높은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -; 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제4 포션을 감쇠시키는 단계 - 상기 제4 포션은 반사되지 않은 X선을 포함함 -; 및 상기 이미지화될 상기 물체를 비추기 위해 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 상기 제3 포션을 제공하는 단계 - 상기 제3 포션은 상기 높은 통과-대역 에너지와 상기 낮은 통과-대역 에너지 사이의 에너지를 가진 X선을 포함함 - 를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 효율적인 DPC 이미징이 가능하다.
본 발명의 목적과 이점들이 후술하는 상세한 설명, 도면, 및 예시들로부터 더욱 명백해질 것이다.
도1은 X선 에너지의 함수로 95% 흡수를 위해 요구되는 금 두께를 도시한다. 또한 30 μm 두께, 4 μm 주기 금(Au) 분석기를 구비한 격자 간섭계에 대한 프린지 대조를 도시한다. 임상 이익의 에너지에서 분석기는 간섭계 대조를 크게 감소시키면서 X선에 투명해진다.
도2a는 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도2b는 종래의 수직 입사 탈벗-라우 간섭계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 듀얼-미러 대역-통과 필터를 구비한 X선 일루미네이션 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도3b는, 첫 번째는 3 μm 두께 마일라(Mylar) 멤브레인 상에 위치한, 3 mrad 입사각에서 두 개의 백금(Pt) 미러들을 결합하여 획득된 듀얼-미러 필터(도3a)의 결정 광학 전송을 도시한다. 또한 m=5, <E>=26 keV 탈벗 간섭계의 대조 곡선의 형태를 도시한다.
도4는 X선 에너지의 함수로서, 95% 흡수를 위해 요구되는 금(Au) 두께를 나타낸 도면이다.
도5a는 종래의 시스템과 본 발명의 실시 예를 대조하기 위해서 수직 입사에서 그리고 10° 입사에서 100 μm 두께 금(Au) 소스 및 분석기 격자들을 사용한, 5 μm 주기, 60 keV 평균 에너지의 m=l 간섭계에 대해 산출된 대조를 도시한다.
도5b는 7° 입사에서 100 μm 두께 금(Au) 소스 및 분석기 격자들을 사용한, 60 keV 설계 에너지의 간섭계에 대한 것임을 제외하고, 도5a와 유사한 산출이다. 곡선의 회색 부분은 물체에서 저 에너지 광자들의 흡수에 의해 또는 분리된 스펙트럼 필터를 사용함으로써 제거된 낮은 에너지 피크들을 나타낸다.
도6은 큰 시야의 필드를 가진 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도7a는 본 발명의 실시 예에 따라 ~43 keV 평균 에너지의 스펙트럼으로 그리고 여입사각(22.5°) 탈벗-라우 간섭계에서 획득된 무아레(Moire) 패턴 및 강도 프로파일을 도시한다.
도7b는 수직 입사 간섭계에 대한 것을 제외하고 유사한 데이터를 도시한다.
도7c는 본 발명의 실시 예에 따라 기울어진 격자 간섭계로 12 mm 나일론 막대에 의해 생성된 무아레 프린지 쉬프트를 도시한다. 우측은 도7a 및 도7b에 대한 X선 스펙트럼을 보여준다.
도8a는 위상-대조 이미징을 위한 여입사각 격자들과 준-단색성 스펙트럼 필터링을 위한 측면 단계형 다층(laterally graded multilayer) 미러를 구비하는 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한다.
도8b는 소스 격자 대신에 마이크로-주기 미러를 사용한 것을 제외하고 도8a의 실시 예와 유사한 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한다.
도9는 200 mm의 연조직과 200 μm 구리(Cu)를 통한 전송 후 300 kVp W 양극 튜브의 산출된 스펙트럼을 도시한다. 또한 10° 입사각에서 100 μm 두께 금(Au) 격자들을 구비하는 m=5 간섭계의 대조와 함께, 1.1 mrad에서 금(Au) 미러 상에서 반사 후 스펙트럼을 보여준다.
도10은 종래의 X선 소스와 탈벗-라우 격자 간섭계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도11a 내지 도11d는 수배지(water medium)에서 1 mm 베릴륨(Be) 막대의 시뮬레이션된 위상-스캔 곡선(a), 굴절 증대 이미지(b), 위상-변화도(gradient) 이미지(c), 그리고 감쇠 이미지(d)를 도시한다. 우리는 m=3, <E>=20 kV, 2.4 m 길이의 10 μm 주기 대칭적 간섭계 및 소스로 W 양극 튜브를 가정하였다. 100 μm 직경 금(Au) 와이어는 대조 참조로서 포함되었다. 100 μm 직경 금(Au) 와이어는 대조 참조로서 포함되었다. ABI 방식에서 전형적인 진동 결정 곡선은 도11a에 또한 도시된다.
도12는 22 keV에서 IFE 캡슐 모델에 대해 산출된 굴절각을 도시한다. 감쇠 이미지가 또한 삽화로 도시된다.
도13은 25 keV에서 소형 관절 팬텀에 대해 산출된 굴절각을 도시한다. 관절 팬텀의 구조는 상단에 도시된다.
도14a는 <E>=25 keV, m=3에 대해, 간섭계 길이에 대한 각 너비의 상관성을 도시한다.
도14b는 <E>=25 keV, Z=2 m, m=3에 대해, MT에 대한 격자 주기 변화를 도시한다.
도15는 <E>=25 keV의 2 m 간섭계에 대해 에너지 및 탈벗 오더의 함수로서 산출된 대조를 도시한다. 또한 35 kV에서 W 양극 튜브의 파워 스펙트럼의 형태를 보여준다.
도16은 19, 25 그리고 37 keV의 에너지에서 도15의 m=5, E=<25 keV> 간섭계에 대해 분석기 위치에서 산출된 탈벗 패턴을 도시한다. 분석기 격자 바의 위치는 수평 선으로 도시된다. 참조를 위해 도15의 m=5 대조 곡선이 또한 상단에 재도시된다.
도17a는 30 μm 로듐(Rh) 흡수체로 여과된 로듐(Rh) 튜브의 정규화된 파워 스펙트럼을 도시한다. 또한 m=7, <E>=20 keV 대칭적 간섭계의 대조를 도시한다.
도17b는 3.5 mrad에서 백금(Pt) 미러 상에서 반사에 의한 저역-통과 필터링 후 도17a와 대응하는 스펙트럼을 도시한다.
도18a 내지 도18d는 서로 다른 소스 스펙트럼들을 사용한 소형 관절 팬텀의 이미지들을 도시한다: a) 35 kV, m=3에서 W 양극 튜브, b) 40 kV, m=7에서 K-엣지 여과된 로듐(Rh) 튜브 스펙트럼, c) m=7, 전반사 미러 여과된 로듐(Rh) 튜브 스펙트럼, d) m=7, 다층 미러 여과된 로듐(Rh) 튜브 스펙트럼.
도19는 Ag-Kα 백라이팅을 사용한 IFE 캡슐의 무아레 이미지를 도시한다. 50 μm 직경 불투명 구의 이미지가 대조 참조로서 우측 상단에 도시된다.
도20은 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도21a는 분리된, 흡수 소스 격자 및 미러 필터링을 사용하여 대형 관절 팬텀의 산출된 굴절 증대 이미지를 도시한다.
도21b는 반사 소스 격자로서 마이크로-주기 미러를 가정하여 획득된 팬텀 이미지를 도시한다.
본 발명의 일부 실시 예는 다음에 상세하게 기술된다. 기술된 실시 예에서, 특정 용어는 명료성을 위하여 채택된다. 그러나, 본 발명은 이렇게 선택된 특정 용어에 한정되도록 의도되지 않는다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 다른 등가의 구성 요소가 채택되고 본 발명의 넓은 개념으로부터 벗어남이 없이 다른 방법이 개발된다는 것을 인식할 것이다. 배경기술, 상세한 설명 부분을 포함하는 본 명세서에서 인용된 모든 도면 부호는 각각이 개별적으로 통합된 것처럼 참조에 의해 통합된다.
본 발명의 몇몇 실시 예들은 매우 높은 X선 에너지(100 keV 이상)까지 탈벗-라우 미분 위상-대조(differential phase-contrast, DPC) 간섭계를 제조하기 위해서 여입사(수 도로부터 수십 도까지의 범위에서 입사각 α)로 기울어진 시판되는 마이크로-주기 격자들을 사용할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시 예들은 준-단색성 X선 스펙트럼을 생성하는데 및/또는 격자들 상의 방사선 입사의 코히런스(coherence)를 향상시키는데 도움을 주는 기울어진 격자들과 결합한 그레이징(grazing) 입사 미러들을 포함할 수 있다.
본 발명의 몇몇 실시 예에 따르면, 일부 응용들은 굴절 및 극소각 산란(USAXS)이 연골, 힘줄, 혈관벽, 뇌조직, 미세 석회화 및 종양과 같은 연조직의 가시성을 강하게 증대시키는 것을 보여온 의학적 X선 이미징을 포함할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시 예는 고 에너지 X선 및 높은 파워, 확장된 스팟 의학적 X선 관으로 동작할 수 있고, 따라서 인간 신체의 깊은 조직의 X선 위상-대조 이미징을 가능하게 한다. 가능한 의학적 응용들의 실시 예는 췌장, 폐, 전립선 또는 뇌와 같은 신체의 깊은 장기에 대해 초기 암 진단을 가능하게 할 수 있는 'X선 생체 검사' 시스템이다.
이에 더하여, 본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 다른 응용들은, 예를 들어, 변형된 조직들, 재료 과학 및 나노 구조에 기반하는 물질들, 산업적 비파괴 검사(NDT) 및 보안 검사 및 에너지 연구의 영역에서 사용될 수 있다. 예를 들어, NDT에서 대략 100 keV X선을 사용한 위상-대조 이미징은 비행기 날개들 또는 기체와 같은 중대한 요소들에서 균열 및 미세한 구조적 약화 손상의 향상된 탐지를 가능하게 할 수 있다. 그러나, 본 발명의 일반적인 개념은 이러한 특정 실시 예들에 제한되지 않는다.
연조직에 대한 주요 이미징 양상들은 MRI, 초음파, 및 X선이다. 그러나, MRI 및 초음파는 유용한 연조직 대조를 제공하지만, 그것들의 공간 해상도는 제한된다. 반면에 종래의 (감쇠 기반) X선 이미징은 훌륭한 공간 해상도를 가지지만, 미약한 연조직 대조를 가진다.
최근에 미분 위상-대조(DPC)로 일컬어지고 X선 굴절 및 극소 각 산란에 기반하는 새로운 X선 이미징 양식이 탐구되어 왔다. 그것은 뛰어난 연조직 대조 및 고도의 공간 해상도를 제공한다. 이러한 성능들은 물체의 흡수 양보다는 물체의 소규모 밀도 변화도에 대한 DPC의 감도로부터 발생한다. 이것은 연골, 힘줄, 인대나 근육과 같은 미세 구조 조직에 대한 그리고 조직 경계에 대한 대조를 강화한다. 이에 더하여, 최근의 연구는 DPC가 유방, 간, 폐 등 다양한 장기들의 종양에 대해 예리한 검출을 제공할 수 있음을 보여준다. 따라서 X선 DPC에 대한 가능성 있는 의학 응용 분야가 빠르게 성장하고 있다[1]. 또한, 비파괴 시험 및 재료 과학에서 X선 위상 대조에 대한 다수의 신규한 응용들이 존재할 수 있다.
DPC 이미징은 전송된 방사선에서 굴절된 요소를 각여과(angularly filter)하기 위해서 X선 광학을 사용함으로써 수행한다. 최근에 종래의 X선 관의 사용을 가능하게 하는 매우 효율적인 DPC 방법이 개발되었다. 이 방법은 마이크로-주기 흡수 및 전송 격자들이 굴절된 X선을 각여과하기 위해 사용되는 탈벗-라우(Talbot-Lau) 간섭계 설정에 기초한다[2,3].
두꺼운 마이크로-주기 격자의 제조에 있어 기술적 한계 때문에[4,5], 수직 입사에서 격자들을 사용하는 종래의 탈벗-라우 간섭계는 수십 keV를 초과하는 X선 에너지에서 불충분한 변두리 대조 또는 가시성을 가진다[2-4]. 그러나, 수십 keV를 초과하는 X선은 큰 신체 부위에 침투하기 위해 필요하다. 이와 같은 동일한 제한이 DPC 이미징의 재료 연구 응용 또는 산업에서 발생한다.
본 발명의 몇몇 실시 예들은 여입사 마이크로-주기 격자들, 또는 여입사 격자들과 미러들의 조합을 포함하는 탈벗-라우 간섭계에 기반한 새로운 타입의 X선 이미징 시스템을 제시한다. 이 시스템은 종래의 확장된(extended) 스팟 X선 관들을 사용하여 100 keV 또는 그 이상까지 X선으로 고해상도 DPC 이미징을 가능하게 할 수 있다. 본 발명의 몇몇 실시 예들에 따라 설명되는 시스템은 가장 실용적인 응용들을 가능하게 하기 위한 시야의 충분히 큰 2-D 필드들(단일 간섭계에 대해 2 x 7 cm의 오더)을 가진다.
본 발명의 몇몇 실시 예들은 MICRO-PERIODIC MIRROR BASED SYSTEMS FOR PHASE-CONTRAST IMAGING WITH HARD X- RAYS [7]에서 본 발명자에 의해 설명된 개념들의 조합으로 사용될 수 있고 그리고/또는 개념들을 추가적으로 발전시킬 수 있다. 이전에 보고된 시스템은 고 에너지에서 DPC 이미징을 제공할 수 있지만, 한가지 차이점은 시야의 필드가 한 차원에서 수백 μm에 국한된다는 것이다.
도2a는 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템(100)을 개략적으로 도시한 도면이다. 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템(100)은 X선 일루미네이션 시스템(102), X선 일루미네이션 시스템(102)의 광학 패스(106)에 배치된 빔 스플리터(104), 및 빔 스플리터(104)를 통해서 통과한 X선을 검출하기 위해 광학 패스(110)에 배치된 검출 시스템(108)을 포함한다. 검출 시스템(108)은 X선 검출 컴포넌트(112)를 포함한다. 빔 스플리터(104)는 도2a의 실시 예에 도시된 바와 같이, 입사 X선 빔을 인터셉트하고 X선의 간섭 패턴을 제공하기 위해 배치된 스플리터 격자를 포함한다.
검출 시스템(108)은 또한 X선 검출 컴포넌트(112)에 도달하기 이전에 X선의 간섭 패턴의 적어도 일부를 인터셉트하고 그리고 차단하기 위해 배치된 분석기 격자(114)를 포함한다. 분석기 격자(114)는 종 차원, 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가진다. 분석기 격자(114)는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 가진다. 광학적 고밀도 영역들은 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치한다. 각각의 광학적 고밀도 영역은 종 차원의 길이보다 작은 높이 차원의 깊이를 가진다. 분석기 격자(114)는 셸로우(shallow) 앵글 α가 30도보다 작도록 입사 X선에 대한 셸로우 앵글 α로 종 차원을 가지고 배치된다. 도2a의 실시 예에 도시된 바와 같이, 분석기 격자(114)의 종 차원은 셸로우 앵글 α로 기울어진 점을 제외하면 실질적으로 광학 패스(110, 예를 들어, 광확 축이 될 수 있음)를 따라 맞춰진다(이것은 또한 여입사각(glancing angle)으로 언급될 것이다).
본 발명의 실시 예에서, 각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 2배만큼 종 차원의 길이보다 작은 높이 차원의 깊이를 가진다. 실시 예에서, 각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 10배만큼 종 차원의 길이보다 작은 높이 차원의 깊이를 가진다. 추가적인 실시 예에서, 각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 100배만큼 종 차원의 길이보다 작은 높이 차원의 깊이를 가진다.
본 발명의 실시 예에서, 셸로우 앵글 α는 5도보다 크고 25도보다 작다. 다른 실시 예에서, 셸로우 앵글 α은 3도보다 크고 15도보다 작다. 본 발명의 실시 예는 의학적 응용을 제시한다. ~100μm 금 흡수체 두께 이상의 수-마이크론 주기 격자를 제공하는 것은 어렵기 때문에, 5-25° 범위의 각도에서 격자들을 기울이는 것은 200-1000μm인 사실상의 금 두께를 형성한다. 도4에 도시된 바와 같이, 이러한 두께는 신체의 깊은 의학적 위상-대조 이미징에 대한 이익인 ~40 keV-110 keV 에너지 범위에서 >90% X선 흡수를 (따라서 높은 간섭계 대조를) 가능하게 한다. 다른 실시 예는 산업적 또는 비파괴 시험(NDT) 응용들을 제시한다. 3-15° 범위의 여입사각을 사용하여, 사실상의 금(Au) 두께는, 상업적 NDT 응용들에 대한 이익인 ~100 keV-250 keV 에너지 범위에서 뛰어난 간섭계 대조 및 X선 흡수에 도움이 되는, 400-2000 μm 범위에 있다.
본 발명의 실시 예에서, 스플리터 격자(104)는 반사 격자이다(미도시됨). 여기에 참조로서 통합되는 참조 [7]에 설명된 바와 같은 반사 격자는 본 발명의 몇몇 실시 예에 따라 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서, 스플리터 격자(104)는 도2a에 개략적으로 도시된 바와 같이 전송 격자이다. 본 발명의 실시 예에 따라 스플리터 격자(104)가 분석기 격자(114)와 유사한 전송 격자이면, 분석기 격자의 그러한 실시 예는 종 차원, 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가진다. 이 실시 예에서 스플리터 격자(104)는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 가진다. 광학적 고밀도 영역들은 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치한다. 각각의 광학적 고밀도 영역은 종 차원의 길이보다 작은 높이 차원의 깊이를 가진다. 스플리터 격자(104)는 셸로우 앵글 α가 30도보다 작도록 입사 X선에 대한 셸로우 앵글 α로 종 차원으로 배치된다. 몇몇의 실시 예에서, 스플리터 격자(104)는 광학 축을 따라 서로 다른 위치에 배치되지만, 분석기 격자(114)에 관하여 상술한 바와 같이 셸로우 앵글 α로 유사하게 배치될 수 있고 분석기 격자(114)와 구성에서 유사할 수 있다.
도2b는 본 발명의 실시 예에 따른 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템(100)과 대조될 수 있는 종래의 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다. 탈벗-라우 관측계에 기반하는 종래의 시스템에서, 격자들은 X선 빔이 이동하는 광학 축에 대해 수직으로, 어떤 경우에는 약간 수직을 벗어난 각도로 배치된다. 도2b에 도시된 바와 같이, 소스의 종 차원, 빔-스플리터 및 분석기 격자들은 모두 수직 방향으로 있다. 격자의 두께 t는 실리콘 기질과 같은 하위-Z 물질의 영역들에 의해 분리된 금 또는 그 밖의 상위-Z 물질의 평행한 라인과 같은 광학적 고밀도 영역들에 대응하는 최대 깊이이다. 종래의 접근법에 따르면, 광학적 고밀도 영역들로 고 에너지 X선을 실질적으로 차단하기 위하여 고 에너지 X선으로 동작하기 위해 광학적 고밀도 영역들의 깊이를 증가시켜야 할 것이다.
본 발명자는 설명되는 실험을 통해 입사 X선이 격자의 두께 t보다 광학적 고밀도 층에서 보다 더 긴 패스를 이동하도록 격자들이 도2a에 도시된 바와 같이 방향지어질 수 있음을 인식했다. 특정 격자들에 따라, X선이 격자들의 광학적 고밀도 물질을 통해 따라가는 패스는 두께 t보다 큰 규모의 순서일 수 있다. 그러나, 격자들은 X선의 파동성에 기인하는 회절 및 간섭 효과를 유발하기 때문에, 회절 격자들의 기하에서 그러한 변화가 X선 빔에 어떻게 영향을 미칠 것인지를 이론적 및/또는 수치적으로 예측하기는 어려웠다. 따라서 본 발명자는 실험을 통해 도2a에 개략적으로 도시된 바와 같은 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템(100)을 개발하였고 입증하였다.
여기에서 사용되는 X선을 “차단하다” 라는 용어는 특정 응용들에 대한 유용한 대조를 허용하기 위해서 격자의 광학적 소밀도 영역들을 통과하는 X선에 대해 충분한 감쇠가 달성된다는 것을 의미한다. 절대적으로 100% 감쇠를 요하지는 않는다.
스플리터 격자(104) 및 분석기 격자(114)는 본 발명의 몇몇 실시 예에 따라 탈벗-라우 조건에 따라서 결정되는 분리로 배치된다. 몇몇의 실시 예에서, 스플리터 격자(104) 및 분석기 격자(114)는 탈벗-라우 조건에 따라서 결정되는 격자 패턴들을 가진다.
본 발명의 몇몇 실시 에에 따른 X선 일루미네이션 시스템(102)은 X선 소스(116) 및 X선 소스(116)와 빔 스플리터(104) 사이의 광학 패스에 배치되는 소스 격자(118)를 포함할 수 있다. 소스 격자(118)는 도2a에 개략적으로 도시된 바와 같이 X선 소스(116)가 X선의 공간적으로 확장된 소스일 때 실질적으로 코히런트(coherent)한 복수의 X선 빔들을 제공한다. 그러나, 본 발명의 전반적인 개념은 도2a에 도시된 특정 실시 예에 한정되지 않는다. X선 일루미네이션 시스템(102)은 전송 및/또는 반사 격자들을 포함하는 하나 또는 그 이상의 격자들과 미러들의 조합을 포함할 수 있다.
도3a는 본 발명의 실시 예에 따른 X선 일루미네이션 시스템(200)을 개략적으로 도시한 도면이다. X선 일루미네이션 시스템(200)은, 예를 들어, 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템(100) 그리고/또는 상술된 변형들의 일부로 사용될 수 있고 그리고/또는 도2b에 도시된 바와 같은 종래의 시스템에서 사용될 수 있다. 예를 들어, X선 일루미네이션 시스템(200)은 X선 일루미네이션 시스템(102)으로 또는 그 것의 일부로서 사용될 수 있다. 그러나, X선 일루미네이션 시스템(200)은 이러한 특정 응용들로 제한되지 않는다.
X선 일루미네이션 시스템(200)은 폴리-에너제틱(poly-energetic) X선 소스(202) 및 폴리-에너제틱 X선 소스(202)로부터의 X선(206)의 광학 패스에 배치된 대역-통과 필터(204)를 구비한다. 대역-통과 필터(204)는 에너지 대역 내의 X선이 에너지 대역 밖의 X선보다 더 강하게 통과하도록 허용한다. X선 일루미네이션 시스템(200)의 실시 예에서, 대역-통과 필터(204)는 낮은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선(206)의 입사 빔의 제1 포션(210)을 반사하고 그리고 X선의 입사 빔의 제2 포션(212)을 통과하도록 허용하는 고역-통과 X선 미러(208)를 포함한다. 대역-통과 필터(204)는 또한 낮은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가지는 X선(206)의 입사 빔의 제1 포션(210)을 인터셉트하고 그리고 적어도 감쇠시키기 위해 배치된 제1 빔 스톱(214), 높은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 갖는 고역-통과 X선 미러(208)를 통해서 통과한 X선(206)의 입사 빔의 제2 포션(212)의 부분(218)을 반사하는 저역-통과 X선 미러(216), 제2 빔 스톱(220)에 도달하기 이전에 고역-통과 X선 미러(208)를 빗나간 X선을 인터셉트하고 그리고 적어도 감쇠시키기 위해 배치된 제2 빔 스톱(220)을 포함한다. 제1 및 제2 빔 스톱들(214, 220)은 높은 통과-대역 에너지와 낮은 통과-대역 에너지 사이의 에너지를 갖는 X선(222)의 빔이 통과하도록 허용하기 위해 배치된다. 대역-통과 필터(204)는 도3a에서 도시된 특정 예시들로 제한되지 않는다. 다른 실시 예에서, 예를 들어, 3개 이상의 미러들이 사용될 수 있다. X선 일루미네이션 시스템(200)은 X선 소스(202)보다 더욱 단색성인 X선의 빔을 제공한다. 이에 더하여, 반사 및/또는 전송 격자들은 폴리-에너제틱 X선 소스(202)로부터의 X선의 코히런스를 향상시키기 위해 대역-통과 필터(204)와 결합되어 사용될 수 있다. 다른 실시 예에서, 고역-통과 미러들과 적어도 하나의 저역-통과 미러의 결합은 폴리-에너제틱 X선 소스(202)로부터의 X선의 결합된 향상된 코히런스와 색도를 제공할 수 있다.
저역-통과 X선 미러는, 예를 들어, 하위-Z 물질인 지지 층 상에 상위-Z 물질인 반사 층을 구비하는 멤브레인 X선 미러일 수 있다. Z는 원자 번호이다. "상위-Z 물질"이란 용어는 X선에 대해 비교적으로 강한 반사도를 가지기 위해서 Z가 적어도 42인 원자 성분들(이에 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 로듐(Rh), 백금(Pt) 및/또는 금(Au))을 포함하는 물질들을 의미한다. "하위-Z 물질"이란 용어는 X선에 대해 비교적으로 낮은 반사도를 가지기 위해서 Z가 14보다 작은 원자 성분들(이에 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 탄소(C), 규소(Si), 석영 및/또는 유리)을 포함하는 물질들을 의미한다.
이하는 종래의 시스템과 비교하여 본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 새로운 요소들이다.
ⅰ) 도2a와 같이 입사 방사선의 방향을 따라서 여입사각으로 기울어진 흡수 바들을 구비하는 마이크로-주기 격자들의 사용.
격자들의 기울어짐은 수직 입사에 있는 종래의 탈벗-라우 간섭계(도1b)에 대한 변경 사항이다. 이러한 변경이 단순함에도 불구하고, 여입사 탈벗-라우 간섭계가 확장된 소스들과 동작할 것인지를 이론적으로 예측하는 것은 난해하다. 우리는 '물리적 주기' 미러들의 개념에 따라 이러한 아이디어에 도달하였고 직접적인 실험을 통해서만 이것이 동작한다는 것을 입증할 수 있었다.
ⅱ) 단순한 또는 마이크로-주기 X선 미러들과 함께 여입사각에서 마이크로-주기 격자들의 사용.
후술될 바와 같이, 본 발명의 실시 예는 간섭계가 최대의 경조를 가지는 스펙트럼 영역을 선택하기 위해서 그레이징 입사에서 단순한 전반사 X선 미러를 사용한다. 다른 실시 예에서, 소스 격자는 단일 광학적 요소에서 스펙트럼 필터링과 준-코히런트 방사선의 생성을 병행하는, 참조 7에서 설명되는 '물리적 주기' 기하에서 마이크로-주기 미러로 대체된다.
ⅲ) 기울어진 격자들과 함께 스펙트럼 대역-통과 다층 X선 미러들의 사용.
본 발명의 다른 실시 예에서, 단계형 다층 미러들은 더욱 향상된 간섭계 대조 및 각도 감도를 위해서, 스펙트럼 필터 또는 '소스 격자'로서 사용된다.
ⅳ) 최대 간섭계 대조의 스펙트럼 영역을 선택하기 위해 에너지-분석 디텍터들의 사용.
도2a에 예를 들어 도시된 위상-대조 이미징 시스템은 수 도에서부터 수십 도까지의 범위에서, 동일한 여입사각 α로 기울어진, 탈벗-라우 간섭계 구조에 세개의 마이크로-주기 격자들을 포함한다. 격자들의 주기는 수 μm(이에 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, g0=g1=g2=5 μm)일 수 있고 격자 상호-거리들 및 주기들은 수직 입사 탈벗-라우 간섭계의 방정식을 따른다. 제1 격자는 확장된 인코히런트(incoherent) 소스로부터 준-코히런트 라인 소스들의 어레이를 생성하는 '소스 격자'이다. 제2 격자는 소스 격자를 통해 일루미네이트될 때 분석기 위치에서 경조 프린지 패턴('탈벗 패턴')을 생성하는 빔-스플리터이다. 최근에, 분석기 격자는 2-D X선 디텍터에서 탈벗 패턴의 변화를 강도 변화로 변형하기 위해 사용된다.
시스템은 도2b에 참조로 도시된 종래의 수직 입사 탈벗-라우 간섭계[2,3]와 유사하게 동작한다. 굴절성 물체가 X선 빔 내에 위치할 때(도2a의 "물체") 그것은 빔-스플리터에 의해 생성된 탈벗 패턴을 교란한다. 분석기는 물체에 의해 유발된 X선의 굴절 및 산란에 대한 이미징과 계량화를 가능하게 하는 디텍터에서 이러한 섭동을 강도 변화로 변환한다.
소스 및 분석기 격자들은 참조 [5, 6]에 설명된 바와 같이, 예를 들어, 금으로 실리콘 또는 포토레지스트 격자의 갭들을 채움으로써 형성된 종래의 상업적으로 이용 가능한 흡수 격자들일 수 있다. 빔-스플리터는 π-쉬프트 위상 격자일 수 있고, 또한 종래의 방식으로 형성될 수 있다.
그러나, 본 발명의 몇몇 실시 예에 따르면, 도2a에 개략적으로 도시된 바와 같이, 격자들은 여입사각으로 기울어지고 입사 방사선의 방향을 따라서 흡수 바들을 가진다. 우리의 실험들은 탈벗-라우 셋업의 이러한 변경이 고 에너지에서 DPC 이미징의 문제점을 간이하고 실용적인 방식으로 해결한다는 것을 보여준다.
실제로, 고 에너지에서 수직 입사 탈벗-라우 간섭계의 사용에 있어서 장애물은 작은 주기 소스 및 분석기 격자들의 두께에 대한 현실적인 한계이다[5,6]. 높은 간섭계 대조 또는 가시성을 얻기 위해서 소스 및 분석기 격자들의 흡수 바들은 강하게 감쇠시켜야 한다(일반적으로 약 90-95%). 동시에, 어느 물질의 X선 흡수는 X선 에너지가 증가하는 동안에 빠르게 감소한다. 이것은, 에너지의 함수로서 입사 X선의 95%를 흡수하기 위해 요구되는 금(Au)의 두께를 보여주는 도4에 도시된다. 도시된 바와 같이, E>40 keV에서 효율적인 흡수를 위해 요구되는 두께는 수백 μm보다 크다.
현재에 이르러, 그러나, 수 마이크론 주기와 수백 μm의 두께로 흡수 격자들을 제조하는 것은 기술적으로 불가능하다. 상술한 바와 같이, 수백의 측면-비율(바 두께와 폭 사이의 비율)이 고 에너지에 대한 경조 간섭계를 만들기 위해 요구될 수 있고, 격자 측면 비율에 있어 현재의 한계는 대략 50이다. 이러한 사실은 실험을 통해 확인된다. 따라서, 수직 입사 격자들을 사용한 60 keV 평균 에너지의 탈벗-라우 간섭계를 만들기 위한 시도는 하찮게 성공하였다. 변두리 대조는 단지 몇 %였다. 동일한 효과가 도5a 및 도5b에서 확인될 수 있다. 그러나 고 에너지를 위한 위상 격자들은 더욱 얇게 되어야 하기 때문에, 용이하게 제작될 수 있음을 주목해야 한다[2,3,7,8].
본 발명의 몇몇 실시 예는 이 문제에 대한 간이하고 실질적이고 그리고 경제적인 해결책을 제공할 수 있다. 여입사각 α로 격자들을 기울임으로써, X선 패스에서 사실상의 흡수 두께는, 격자의 물리적인 또는 수직 입사 두께 t에 대하여, t/sin(α)로 증가한다. 예를 들어 α~10°에서 사실상의 두께는 6배 만큼 증가한다. 그러므로, 현재 기술상 가능한 100 μm 두께, 5 μm 주기 격자는 방사선의 방향으로 10°의 여입사각으로 기울어질 때 600 μm 두께의 격자로 나타난다.
빔-스플리터의 물리적인 두께는 각도 α에서 X선 입사에 의해 보여질 때, 바람직한 설계 에너지 E0에서 π-위상 쉬프트를 만들기 위해 요구된다. 예를 들어, t(0)이 E0에서 수직 입사 동작을 위해 요구되는 두께인 경우, 여입사 α에서 요구되는 두께는 t*sin(α)이다.
본 발명의 몇몇 실시 예들은 이러한 방식으로 매우 높은 X선 에너지까지 경조 탈벗-라우 간섭계를 개발해 낼 수 있다. 이것은 10° 여입사각 및 수직 입사에서 100 μm 두께 격자들을 구비하는 간섭계에 대해 에너지의 함수로서 산출된 대조를 그래프로 나타낸 도 5a에서 보여진다. 빔-스플리터는 60　keV의 '설계' 또는 평균 에너지에 대해 t(0)=20 μm인 니켈(Ni) 위상 격자이다. 소스 격자의 듀티-사이클(갭 폭/주기)은 37% 이고 탈벗 오더는 m=l이다.
도5a에 도시된 바와 같이, 격자들을 기울이는 것은 대략 40 keV 이상의 에너지에 대해 인상적인 대조 증가를 초래한다. 특히, 양질의 대조는 40-70 keV 범위에서 존재한다. 이것은 이 범위에서 연조직 투여량은 최소한에 있기 때문에 의학 위상-대조 이미징에 대해 매우 유익하다[1]. 추가적으로, 주목할만한 대조는 또한 80 keV에서 금(Au) K-엣지 위에 존재한다.
도5a에서 참조로 예를 든 바와 같이, 본 발명의 몇몇 실시 예들은 훨씬 더 높은 X선 에너지에 대해 경조 간섭계를 제공할 수 있다. 이것은 7°로 기울어진 ,100 μm 두께 금(Au) 소스 및 분석기 격자들을 구비한 m=l 간섭계에 대해 산출된 대조를 그래프로 나타낸 도5b에서 보여진다. 이러한 경우에 위상 격자는 120 keV 설계 에너지에 대해, 금으로 제조되고 t(0)=10 μm이다. 소스 격자 듀티-사이클은 37%이다. 높은 간섭계 대조의 넓은 대역이 범위 ~90 -130 keV에서 존재한다. 이러한 높은 에너지에서의 동작 능력은 NDT 및 보안 응용들에 대한 강한 관심으로 본 발명의 몇몇 실시 예들로 이르게 된다.
동시에, 본 발명의 몇몇 실시 예들은 의학 및 그 밖의 실용적인 응용들을 위한 충분히 큰 시야의 필드를 가진 간섭계를 획득하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상업적으로 이용 가능한 70x70 mm 분석기 격자는 10° 입사에서 ~12x70 mm 시야의 필드를 획득할 수 있고, 7° 입사에서 9x70 mm 시야의 필드를 획득할 수 있도록 한다. 이에 더하여, 도6에 개략적으로 도시된 바와 같이, 복수의 기울어진 격자들을 적층함으로써 큰 시야의 필드들을 구비하는 고 에너지 이미징 시스템을 제작하는 것이 용이하다.
본 발명의 몇몇 실시 예에 따른 탈벗-라우 간섭계의 변경이 용이한 것으로 보여짐에도 불구하고, 도2a에 도시된 바와 같이 입사 X선들의 방향을 따라 방향지어진 격자 바들을 가진 여입사 셋업이 공간적으로 확장된 X선 소스와 작동할 수 있다는 것을 이론적으로 또는 산술적으로 예측하는 것은 난해하다. 여입사각 격자 탈벗 간섭계가 문헌 [10,11]에서 논의되어 오는 동안, 격자 바들은 언제나 전송되는 방사선의 방향에 수직으로 방향지어져 왔다(즉, 참조 7 에서 논의된 '사실상의 주기' 기하). 이러한 기하에서, 그러나, 흡수체를 통과하는 효과적인 X선 패스가 증가 대신 감소하기 때문에, 고 에너지에서 격자 대조는 격자들을 기울일 때 향상되지 않는다.
우리는 따라서 ~43 keV 평균 에너지에서 동작하고 22.5°의 여입사각으로 기울어진 격자들을 구비한 탈벗-라우 간섭계를 사용하여 실험적으로 본 발명의 실시 예들을 발전시켰다. 모든 격자들은 10 μm의 동일한 주기를 가지고, 소스 격자는 55 μm 두께 금(Au) 바들을 구비하고 분석기는 100 μm 두께 금(Au) 바들을 가진다. 위상 격자는 22.5°의 동일한 각도로 기울어진 23 μm 두께 규소(Si) 격자였다. 모든 격자들은 50% 듀티 사이클을 가졌다. 간섭계는 X선 소스로 60 kVp에서 확장된 스팟 W 양극 튜브를 사용하여 제1차 탈벗 오더에서 작동되었다. 대략 43 keV 평균 에너지에서 스펙트럼을 획득하기 위해 튜브 출력은 100 mm 두께 물 층 및 65 μm 구리(Cu)로 여과되었다. 격자들에서 산출된 스펙트럼 입사가 도7c의 우측에 도시된다.
기울어진 격자들에 의해 생성된 무아레 프린지 패턴은 도7a의 좌측에 도시된다. 패턴을 통한 라인아웃은 우측에 도시된다. 프린지 대조는 V=(Imax-Imin)/(Imax+Imin)으로 정의된다. 도시된 바와 같이, 기울어진 격자들을 사용하는 것은 높은 X선 에너지에서 유용한 간섭계 대조(V~25%)를 제공할 수 있다. 훨씬 더 높은 대조가 분석기와 유사한 100 μm 두께 소스 격자를 가지고 획득될 수 있다.
비교를 위해서, 도7b는 수직 입사 격자들을 사용한 탈벗-라우 간섭계로 획득될 수 있는 제한된 대조를 도시한다. 이 경우에 무아레 패턴은 해당 주기에서 기술적인 한계인 100 μm 두께를 명목상으로 가진 소스 및 분석기 격자들로 5.4 μm 주기 격자들을 사용하여 획득되었다. 위상 격자는 40 keV 평균 에너지에 대해 설계된 15 μm 두께 니켈(Ni) 격자였다. 입사 스펙트럼은 도7a에 도시된 바와 같다. 도시된 바와 같이, 최대로 달성할 수 있는 수직 입사 대조는 여입사에서보다 두 배 이상 더 작다(V~11%). 이에 더하여, 여입사 간섭계의 대조는 격자들을 더욱 기울임으로써 훨씬 높은 값들로 쉽게 푸시될 수 있다.
마지막으로, 도7c는 여입사각 탈벗-라우 간섭계가 수직 입사의 경우와 유사하게 위상 대조 측정을 수행하는 것을 보여준다. 도7c의 좌측은 12 mm 직경의 나일론 막대를 이미징할 때 기울어진 격자들로 얻어진 동요된 무아레 패턴을 보여준다. (이미지에서 불투명한 물체는 1.5 mm 직경의 주석(Sn) 와이어이다). 도7c에서 볼 수 있듯이, 나일론 막대가 X선에 대해 거의 투명하긴 하지만, 그것은 그것의 엣지 근처에 강한 무아레 프린지 쉬프트를 생성한다.
결론적으로, 우리의 실험 결과는 여입사 탈벗-라우 간섭계를 기반으로 한 이미징 시스템이 고 X선 에너지에서 미분 위상-대조 이미징에 대한 간이하지만 강력한 해결책을 제공한다는 것을 보여준다. 이에 더하여, 상술된 결과는 X선 패스의 두꺼운 물 층을 이용하여 얻어졌기 때문에, 그 결과는 본 발명의 시스템이 종래의 X선 튜브들을 사용한 두꺼운 몸체 부분의 위상-대조 이미징을 위해 동작할 수 있다는 것을 보여준다. 지금까지, 이러한 가능성은 단지 싱크로트론 X선 소스들을 사용하여 입증되었다.
여기에서 보여지는 기울어진 격자 탈벗-라우 간섭계 개념은 추가적인 개발없이 고 에너지에서 X선 위상-대조 이미징에 직접적으로 적용될 수 있다. 이것은 특히 m=l 탈벗-라우 간섭계의 각도 감도가 충분한 응용들에 대한 경우이다(각도 감도는 m=l, 3, 5…에서 탈벗 오더 m에 대해 √m으로 증가한다). 그러한 상황들의 예시는 재료 과학, 나노기술 또는 산업에서 마이크로/나노 구조물의 비파괴 검사 및 연구들에 대한 극소 각 산란(USAXS) 이미징 시스템일 수 있다. 뼈는 강한 USAXS 산란체이기 때문에, 고 에너지 m=l 기울어진 격자 시스템은 의학적 뼈 위상-대조 이미징에 대해 유익할 수 있다.
굴절각은 1/E2으로 조정되기 때문에 고 에너지에서 굴절 기반 연조직 이미징에 대해 m=l 간섭계의 각도 감도는 아주 낮다. 고도의 각도 감도를 가지는 고 에너지 탈벗-라우 간섭계를 만들기 위해서, 더 높은(m>3) 탈벗 오더에서 동작 해야한다. 그러나 높은 m에서 양질의 대조의 스펙트럼 영역은 협소해져 갔고(폭 ~l/m) 스펙트럼 필터링은 유용한 간섭계 대조를 유지하기 위해 이용될 수 있다. 그러므로 여입사각 격자 개념과 X선 미러 필터링 개념의 결합은 몇몇 응용들에 대해 유용할 수 있다.
다른 실시 예는 높은 간섭계 대조의 스펙트럼 영역을 선택하기 위해 에너지 분해 디텍터를 사용할 수 있다. 도5b에서, 이것은 예를 들어 대략 90 keV 및 130 keV 사이의 영역이 될 수 있다. 카드뮴텔루라이드(CdTe) 어레이들과 같은 2-D 픽실레이티드(pixilated) 디텍터들이 존재하고 수백 keV까지의 에너지에서 고 에너지 분해, 고 양자 효율 및 뛰어난 광자 카운팅 능력을 가진다. 이와 같은 새로운 접근은 높은 간섭계 대조의 영역 밖에서의 광자들의 큰 유동이 해롭지 않을 것이기 때문에 산업상의 응용들에서와 같은 더 높은 방사선 투여량을 견딜 수 있는 상황에 대해 특히 유익하다.
다른 실시 예들은 아래의 두 가지 기본적인 변경들을 포함할 수 있다:
1) 도2a에서 도시된 것과 같은, 단지 여입사각 격자들을 사용한 고 에너지 위상-대조 이미징 시스템.
이 변경에 대한 실시 예는 경조 영역 밖의 광자들을 식별하기 위해 에너지 분해 디텍터를 사용한 고 에너지 m=l DPC 이미징 시스템이다. 그러한 시스템의 실시 예는 항공우주 및 항공 산업에서 합성 금속성 부분의 위상-대조 기반 비파괴 검사일 수 있다.
2) 도8a 및 도8b에서 도시된 것과 같은, 전반사 또는 브래그(Bragg) 반사 (다층) 미러들과 여입사 격자들을 결합한 고 에너지 위상-대조 이미징 시스템.
미러는 단지 스펙트럼 필터로 쓰이는 단순하고, 비-패턴형의 미러일 수 있다(도8a). 또는 그것은 소스 격자를 대체할 수 있는 입사 X선에 평행하는 스트립을 가지는 마이크로-주기적 패턴형의 미러(참조 7에 설명된 '물리적 주기' 기하)일 수 있다(도8b). 후자의 경우, 미러는 스펙트럼 필터 및 공간적 필터로 동시에 쓰일 수 있다. 따라서, 광학적 요소들의 개수를 감소시키고 셋업을 단순화시킨다. 추가로, 미러는 대략 1-1.5 mrad의 각도로 동작하는 전반사 미러이거나 또는 수 mrad의 더 큰 각도로 동작하는 단계형 다층 미러일 수 있다.
그러한 시스템의 실시 예는 ~60-70 keV 사이의 텅스텐 K-셸 라인 방출에 대한 m=5 간섭계일 수 있다. 이 준-단색성 방출은 고 전압(수백 kV)에서 W 양극 튜브를 사용하여 매우 밝게 생성될 수 있다. 이에 더하여, 언급된 바와 같이, 이 에너지 영역은 신체의 의학 위상-대조 이미징에 가장 적절하다.
이 실시 예의 원리는 도9에 도시된다. 미러 상의 전반사는 스펙트럼의 고 에너지 영역을 효과적으로 차단하고, 위상 대조 이미지에 기여하는 것 없이 투여량에 기여할 것이다[8]. 스펙트럼의 저 에너지 영역은 흡수 필터에 의해서 차단된다. 미러/필터 조합은 m=5 탈벗-라우 간섭계의 대조 곡선과 대등한 방사선의 준-단색성 대역을 생성한다(도9).
필터링 미러는, ~60-70 keV 사이의 협소한 대역만 반사시킬 수 있고, 따라서 훨씬 높은 탈벗 오더(즉, m=9)로 동작하도록 그리고 훨씬 높은 각도 감도 및 간섭계 대조를 달성하도록 허용하는 측면 단계형 합성 다층 미러일 수 있다. 마지막으로, 미러는 마이크로-주기 패턴형일 수 있고, 따라서 스펙트럼 필터와 소스 격자의 기능을 동시에 충족시킬 수 있다.
도8에 도시된 것과 같이, 그레이징 입사 미러들과 여입사각 격자들이 결합된 시스템의 시야의 필드는 순수한 기울어진 격자 시스템에 대한 경우보다 수직 차원에서 더 작다. 일반적인 값은 수 cm에 대해 수 mm이다. 그럼에도 불구하고, 도6과 유사하게 큰 시야의 필드를 획득하기 위해서 복수의 미러/여입사 격자 간섭계들을 적층할 수 있다. 이 가능성은 큰 영역(-10x20 cm) 준-단색성 방사선 촬영 시스템을 형성하기 위해 수십 개의 측면 단계형 다층 미러들이 층층이 적층된 참조 10의 종래의 X선 이미징에 대해 실험적으로 설명되어 왔다.
상세한 설명 참고 문헌들
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5. David C, Bruder J, Rohbeck T, Grunzweig C, Kottler C, Diaz A, Bunk O and Pfeiffer F, Microelectronic Engineering 84, 1172(2007)
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10. M. Testorf, J. Jahns, N. A. Khilo, and A. M. Goncharenko, Opt. Commun. 129, 167-172 (1996)
11. Han Wen, Camille K Kemble, and Eric E. Bennett OPTICS EXPRESS 19,
25093(2011)
추가적인 실시 예들
후술되는 실시 예들은 탈벗 방식을 사용한 굴절 강화 이미징에 대해 요구되는 각도 감도를 분석하고 종래의 X선 소스들로 향상된 굴절 기반 이미징을 위해 탈벗 셋업을 극대화하기 위한 방법을 제안한다. 비록 여기에서 의학 및 고 에너지 밀도(HED) 플라즈마 이미징에 관한 예시들을 사용하더라도, 결론들은 재료 과학, NDT 또는 보안과 같은 그 밖의 영역들에도 적용될 수 있다.
탈벗 간섭계는 λ는 파장이고, g1는 격자 주기이고, m=l,3,5...는 패턴의 오더일 때, 탈벗 거리 dT=m g1 2/8λ에서, X선에 의해서 일루미네이트된 '빔 스플리터' 격자에 의한 마이크로-프린지 패턴들의 생성으로 구성되는 탈벗 효과를 기반으로 한다. 기본적인 간섭계는, L이 소스와 빔-스플리터 사이의 거리인, 빔-스플리터로부터 확대된 탈벗 거리 D~dT/(1-dT/L)에 배치되는 탈벗 프린지 패턴의 경우와 동일한 주기 g2의 '분석기' 흡수 격자와 빔-스플리터(일반적으로 π-쉬프트 위상 격자)로 구성된다(도10). 굴절성 물체가 X선 빔에 놓일 때 탈벗 패턴은 X선의 굴절의 각도에 거의 비례하는 분석기 뒤로 강도 변화를 일으키면서 쉬프트된다. 경질 X선은 하위-Z 물질에서 단지 수 μ-radians에 의해 방향이 돌려질 수 있기 때문에, g2는 충분한 각도 감도를 달성하기 위해서 미터의 오더의 D 그리고 수 μm의 오더이어야 한다. 이에 더하여, 확장된, 인코히런트 X선 소스들로 간섭계가 동작하게 만들기 위해서, 주기 g0=g2·L/D 및 폭 s0≤g0/2의 오프닝들을 가진 제3의 흡수 격자가, 준-코히런트 마이크로-소스들의 어레이로 효과적으로 분리하면서, 소스 근처에 배치된다. 이러한 주기 및 오프닝 폭의 선택은 각각의 마이크로-소스로부터 탈벗 패턴들이, 어떤 L 및 D 조합에 대해서, 분석기에 구조적으로 첨가하는 것을 보증한다[13-15,19-21].
간섭계는 각 너비(angular width) 또는 해상도 W~g2/D에 의해 특징지어지고, 그것의 각도 감도 S=1/W를 결정한다. 그리고 그것의 스펙트럼 응답을 결정하는 고 프린지 대조 영역의 평균 에너지 <E>와 스펙트럼 폭 ΔE에 의해 특징지어진다. 종래의 X선 소스로 동작할 때 대표적인 각 너비는 5-10 μ-radian 범위에 있고 대표적인 대조 값은 ≤ 수십 퍼센트이다[20,21]. 이에 더하여, 참조 19에서 설명된 바와 같이, 탈벗 간섭계 Seff의 사실상의 각도 감도는 빔-스플리터와 물체 사이의 거리 R에 비례하여 감소한다. 예를 들어, 물체가 도10과 같이 위상-격자 뒤에 위치하는 경우 Seff=S·(1-R/D)이다. 감소는 거리 R에서 빔-스플리터에 의해 '보여지는' 굴절각이 물체에서 보다 작기 때문에 발생한다[19].
이제, Weff=1/Seff로 탈벗 간섭계에 대한 효과적인 각 너비를 정의할 수 있고 탈벗 방식으로 상당한 굴절 대조 증대를 성취하기 위해서 동시에 만족되어야 하는 두 조건들을 요약할 수 있다: (i) 높은 간섭계 대조 및 (ii) 물체에 의해 생성되는 굴절각의 범위에 필적하는 효과적인 각 너비
격자 간섭계에서 가능한 평균 에너지는 m이 탈벗 오더일 때, 스펙트럼 폭 Δ E/<E>~1/m으로 수십 keV 까지이다[13-15, 20-21]. 에너지 상한은 두꺼운, 마이크론-주기 흡수 격자들의 제조 상의 기술적인 한계 때문이다[22,23]. 발산성(divergent) 및 다색성 광에 대한 탈벗 간섭계의 광 전송 또는 처리량은 결정 ABI 시스템에 대한 것 보다 더 높다(10-20%까지). 탈벗 방식은 종래의 X선 소스들에 의해 생성된 스펙트럼적으로 넓고 발산성인 방출을 효과적으로 활용할 수 있다. 시야의 필드는 대략 <10x10 cm 인 현실적인 격자 사이즈에 의해 제한된다.
탈벗 방식은 실질적인 응용들에 대해 매력적이면서, 상술된 것처럼 그 결과들은 지금까지 그것의 굴절 대조가 결정 방식보다 낮다는 것을 보여준다. 따라서 본질적인 차이들을 기술하기 위해서 두 방식을 간단히 비교하는 것은 유용하다. 이것은 탈벗 방식에서 '위상-스캔' 강도 커브[14,15]를 ABI 방식에서 분석기 결정의 진동 곡선[5]과 비교함으로써 행하여 질 수 있다; 이 곡선들은 아래에서 설명될 바와 같이 굴절 기반 이미징에서 동등한 역할을 한다.
위상-스캔 기법은 도11a 내지 도11d에서 수치 시뮬레이션으로 도시된다. 굴절 이미지들을 산출하기 위해서 예시들 전반에 걸쳐 XOP 데이터베이스와 함께 XWFP 코드를 사용한다[24, 25]. XWFP는 막대, 구 및 구멍과 같은 물체들을 통해 그리고 위상 및 흡수 격자들과 같은 광학 요소들을 통해 흡수, 굴절 및 회절을 포함하여 X선 파장 전파를 산출한다. XOP 데이터베이스는 각각의 요소에 대한 질량 분율 및 화합물의 질량 밀도를 명시함으로써 임의 구성의 물질들에 대한 δ 및 β를 산출하는 것을 허용한다.
10 μm으로 주기가 동일한 격자들 그리고 L=D인 '대칭적' 설계를 가지는 간섭계에 대해 스펙트럼적으로 평균화된 굴절 이미지를 시뮬레이션하였다. 20 keV의 평균 에너지에 대해, 흡수 격자들은 60 μm 두께 금 바들을 구비하였고, 위상 격자는 25 μm 두께 규소(Si) 바들을 구비하였다. 간섭계는 R=1 cm로 제3차 탈벗 오더(L=D=1.2 m)에서 설정되었다(Weff~W=8.3 μ-radian). 소스는 25 kV(<E>~20 keV)에서 동작하는 60 μm 스팟 W 양극 X선 튜브, 10 mA·s의 노출, 그리고 디텍터는 20% 양자 효율 및 50 μm 해상도를 가지는 것으로 가정하였다. 테스트 물체로 범위 ≤αM=±4 μ-radian에서 굴절각을 생성하면서, 수배지(water medium)에서 1 mm 직경 베릴륨(Be) 막대를 사용하였다. 100 μm 직경 X선 불투명 금(Au) 와이어는 대조 기준을 제공하기 위해 시뮬레이션에 포함되었다. 스펙트럼적으로 평균화된 이미지들은 W 튜브 파워 스펙트럼으로 0.5 keV 간격에서 산출된 단색성 이미지들에 가중치를 줌으로써 그리고 통계적 광자 노이즈를 포함함으로써 획득되었다.
사이즈 z=1 μm의 30 스텝들에서 분석기 위치를 스캔함으로써 획득된 위상-스캔 곡선이 도11a에 도시된다. 결정 방식과의 비교를 위해서, z는 스텝 사이즈인 θ~k·z/D, k=0,l,..., 위상-스캔에 의해 이어진 각도의 단위로 세로축에 도시하였다. 위상-스캔 변조의 최고치들은 '명-필드'(bright-field, BF) 강도를 나타내고 최저치들은 '암-필드'(dark-field, DF) 강도를 나타낸다[15]. 이러한 강도들 사이에 정규화된 차는 간섭계 대조 VTalbot=(IBF-IDF)/(IBF+IDF)를 정의하기 위해 사용될 수 있다. 이 정의는 전반적인 간섭계 대조를 특징지으면서, 탈벗 프린지 대조 또는 가시성의 경우와 유사하다[20,21]. 도11a의 산출된 대조 값들은 종래의 X선 튜브들로 동작하는 탈벗 간섭계를 사용하여 실험적으로 획득된 것과 잘 매치된다[13-17].
도11b는 화살표로 가리켜진 위상-스캔 곡선의 준-선형 부분의 중간의 간섭계 위치에서 획득된 미가공된, 굴절 강화 이미지를 보여준다. ~20%의 굴절 대조는 위상-스캐닝 없이, 탈벗 방식이 αM/Weff의 오더의 대조 강화를 생성할 수 있음을 보여주며 베릴륨(Be) 막대기의 엣지에서 획득한다.
도11c 및 도11d는 위상 복원 절차의 출력을 보여준다. 도11c는 강도가 굴절각에 비례하는 위상 변화도 또는 '순수 굴절' 이미지를 보여준다. 도11d는 '순수 감쇠' 이미지를 보여준다. 분석은 참조 15에서 설명된 푸리에 방식을 사용하여 수행되었다. 도11b에서 도11d는 굴절 기반 이미징의 가능성을 도시한다. 약하게 흡수하는 베릴륨(Be) 물체는 감쇠 이미지에서 거의 보이지 않는 반면에, 그것은 위상 변화도 및 굴절 증대 이미지에서 양질의 대조로 나타난다.
탈벗 방식과 결정 방식 사이의 양적인 비교를 위해서, 도11a에 ABI 방식[5]의 분석기 결정의 전형적인 진동 곡선을 근사시켜 1.5 μ-radian FWHM의 로렌찌안(Lorentzian) 분포를 도시하였다. 탈벗 위상-스캔 변조의 각 너비 W~g2/D를 결정 진동 곡선의 각 너비와 비교함으로써 두 방식의 각도 감도를 직접적으로 비교할 수 있다. 두 방식들의 대조 사이에서 근사한 비교는 위와 같이 동등한 '결정 대조' Vcrystal를 정의함으로써 그리고 진동 곡선의 피크에서의 강도를 IBF로 사용하고, 예를 들어 피크로부터 떨어진 FWHM 거리에서, 그것의 윙의 강도를 IDF로 사용함으로써 또한 수행될 수 있다.
두 방식들 사이의 3개의 기본적인 차이점은 다음 비교로부터 명백하다:
-첫째로, 전형적인 결정 각 너비는 탈벗 간섭계보다 몇 배 작다(도11a에서 W~8.5 μ-radian).
-둘째로, 동등한 결정 대조는 VTalbot~25%과 비교하여 Vcrystal~67%으로 또한 상당히 높다.
-셋째로, 도11a는 결정이 단지 좁은 각 영역을 여과하는 반면에, 탈벗 간섭계가 주기 각 필터로 동작하는 것을 보여준다. 그러므로, 결정과 달리 탈벗 간섭계는 각 너비보다 높은 각도에서 산란되는 X선들을 제거하지 않는다. 산란된 방사선의 제거는 ABI 방식의 우월한 성과에서 중요한 요소로 여겨진다[1-5].
이러한 논의는 두 개의 질문들을 이끌어 낸다: (i) 탈벗 방식의 전형적인 각 너비는 응용에서 기대되는 굴절각의 범위와 어떻게 비교되는가, 그리고 (ii) 탈벗 방식의 각도 감도 및 대조는 결정 방식의 것과 가깝게 어떻게 형성될 수 있는가. 첫번째 질문은 아래에서 논의된다.
현실적인 응용에서 X선 굴절각의 범위
탈벗 방식의 각 너비가 전형적인 응용에서의 X선 굴절각과 어떻게 비교하는지를 가늠하기 위해서 두 가지 실용적인 예시들을 고려하였다: HED 플라즈마에서 경질 X선의 굴절과 연골, 힘줄 및 근육과 같은 연조직에서의 굴절.
HED 플라즈마 방사선 촬영의 경우. 전형적인 HED 플라즈마 방사선 촬영에서 마이크론 사이즈의 X선 백라이터(일반적으로 레이저 생성 플라즈마)는 임플로딩 IFE(Inertial　Fusion Energy) 캡슐과 같은, mm보다 작은(sub-mm) 하위-Z 플라즈마 타겟을 수차례 고체 밀도로 일루미네이트한다. 고도의 공간 해상도는 고배율에서의 이미징을 필요로 한다(M~10-100) [11,26,27].
IFE 방사선 촬영에서 굴절각을 측정하기 위해 각각 직경 0.4 mm 및 0.3 mm, 두께 0.1 mm, 밀도 6 g/cm로 베릴륨(Be) 및 수소(H)의 동심원형(concentric) 층으로 임플로딩 캡슐 견본을 제작하였다. 이미징 셋업을 위해 백라이터와 캡슐 사이의 거리를 7.5 cm로 그리고 L=D=2 m (R=1.9 m)로 가정하였다. 이 셋업에서 빔-스플리터는 보호 필터 뒤에 위치할 때 내파를 견뎌내기 위해 임플로딩 캡슐로부터 충분히 멀리 떨어질 수 있다[26,27]. 그러나, 이미징되는 물체는 빔-스플리터로부터 멀리 떨어져 존재하기 때문에, 사실상의 각도 감도는 논의된 바와 같이 (1-R/L) ~ 0.05에 의해 감소된다.
도12는 22 keV의 전형적인 백라이터 에너지에 대해 빔-스플리터 상에서 굴절각 입사의 범위를 도시한다(Ag K-α, [27]). 도시된 바와 같이, 굴절 대조는 베릴륨(Be) 및 수소(H) 층을 구별하도록 하는 반면에(감쇠 이미지에서는 보이지않음), 굴절각의 범위는 αM≤±1 μ-radian으로 작다.
연조직 방사선 촬영의 경우. 연조직 이미징은 탈벗 방식에서 가장 연구된 응용 중에 하나이다. 싱크로트론 실험은 예를 들어 X선 굴절이 관절염의 진단에 있어 중요한, 연골 또는 힘줄과 같은 관절 연조직의 이미징을 가능하게 함을 보여준다[1,4,18]. 연조직에 대한 일반적인 굴절각을 추정하기 위해서, 소형 관절의 경우를 가정하였고 감쇠 및 굴절각 프로파일을 산출하기 위해 단순한 수치 모델 또는 '팬텀'을 사용하였다. 팬텀은 인간 근위 손가락 관절의 구조에 비슷하게 뼈, 연골, 활액, 관절 캡슐의 결합 조직, 힘줄 및 골격 근육(도13의 삽화)으로 보이도록 만들어진 물질들의 층으로 구성되었다. 관절 연조직에 대한 δ 및 β를 산출하기 위해서, Woodard와 White에 의해 편집된 자료로부터 신체 조직의 구성 및 밀도를 사용하였다[28].
25 keV에서 소형 관절 팬텀에 대한 굴절각은 도13에 도시된다. 도시된 바와 같이, 뼈/연골 및 힘줄/근육 결합의 예외 외에, μ-radian의 수 십분의 일 범위에서 αM으로, 연골, 활액 및 관절 캡슐에 대한 굴절각의 범위는 매우 작다. 이것은 연조직 사이의 굴절률의 작은 차이에서 기인한다(즉, 연골 및 관절 액의 경우 수 %). 우리의 모델로부터 예측된 이러한 매우 작은 굴절각은 싱크로트론 실험들과 일치한다, 예를 들어, Shimao 등은 36 keV에서 인간 손가락 관절에 대해 0.1-0.4 μ-radian 범위에서 굴절각을 추정하였다[18].
결론은 탈벗 간섭계의 실질적으로 더 큰 너비 특성은, 그것의 더 낮은 고유한 대조와 마찬가지로, 종래의 X선 소스로 연조직 이미징을 생성할 수 있다는 것이다. 다소 유사한 상황이 빔-스플리터가 타겟 플라즈마로부터 멀리 떨어져 위치하는 기하에 대한 IFE DPC 방사선 촬영에서 발생한다. 방법은 따라서, 더 논의될 바와 같이, 최대의 각도 감도 및 대조를 위해 탈벗 셋업을 최적화하기 위해서 답사되어야 한다.
고도의 각도 감도 및 대조를 위한 탈벗 셋업의 최적화
도10의 표기를 사용하여, 확대한 기하에서 탈벗 간섭계의 각 너비 W는 W~g2/D=MT g1/D ∝ λ/(m·g1)이다. MT=(L+D)/L은 탈벗 배율이다[19,20]. 그러므로, 주어진 파장에서 각 너비를 감소시키기 위한 첫 번째 방법은 탈벗 주기를 증가시키는 것이다. 그러나, 탈벗 거리는 주기의 제곱으로 조정하기 때문에, 이것은 간섭계 길이를 빠르게 증가시킨다. 대안적으로, 탈벗 오더 m을 증가시킬 수 있다. 그러나, 경조의 스펙트럼 영역의 폭은 1/m로 조정하기 때문에, 이러한 접근법은 또한, 예를 들어 W 양극 튜브와 같은, 스펙트럼적으로 넓은 X선 소스의 사용으로 인해 제한된다.
상술된 관계는 주어진 간섭계 길이 Z=L+D에 대해 사용될 수 있는 격자 주기, 탈벗 오더 및 거리의 복수의 조합들이 존재함을 보여준다. 주어진 시스템 길이에 대해 각도 감도를 최대화하는 값을 찾기 위해서, 평균 에너지 <E>, 탈벗 오더 m 및 시스템 길이 Z를 변수로 가지는 탈벗 배율 MT=(L+D)/L의 함수로 탈벗 간섭계 방정식을 나타내었다. <E>=25 keV, m=3, 그리고 Z =1.0, 1.5, 및 2 m에 대한 결과는 도14a 및 도14b에 도시된다. 모든 경우에 대해 R=5 cm로 가정하였다. 도14a에서 첫 번째 관찰은 작은 각 너비가 큰 간섭계 길이를 필요로 한다는 것이다. 작은 m의 현실적인 한계는 그러나 기계적 안정성 고려 사항에 의해서 그리고 종래의 X선 소스로부터 가능한 광자 유동에 의해서 이러한 길이에 대해 적용된다
둘째로, 도14a는 주어진 시스템 길이에 대해 각 너비는 L=D (MT=2)인　'대칭적' 탈벗 셋업에서 최소화됨을 보여준다. Z=2 m, m=3에서 MT에 대한 주기 g0, g1 그리고 g2의 상관성은, 대칭적 셋업이 또한 모든 격자 주기들은 일치하고 비교적 크다는 현실적인 이익을 가진다는 것을 보여주며 도 14b에 도시된다. 예를 들어, Z=2 m, E=25 keV, m=3에 대해 g0=g1=g2~8은 실제로 쉽게 성취될 수 있다.
셋째로, 도14a는 일단 시스템 길이가 고정되고 대칭적 셋업이 선택되면, 각도 감도를 증가시키기 위한 유일한 방법은 탈벗 오더를 증가시키는 것임을 보여준다. 그러나, 언급된 바와 같이, 스펙트럼적으로 넓은 X선 소스로 동작할 때, 스펙트럼적으로 평균화된 프린지 대조에서의 감소 때문에, 각도 감도가 이러한 방식으로 얼마나 증가될 수 있는지에 대한 한계가 존재한다.
이 점을 도시하기 위해, 도15에서, <E>=25 keV인 2 m 길이 대칭적 간섭계에 대해 증가하는 탈벗 오더에서 산출된 프린지 대조를 그래프로 도시한다. 우리는 55 μm 두께 금 소스 및 분석기 격자들 및 33 μm 두께 규소(Si) 위상 격자를 가정하였다. 소스 격자는 폭 s0=g0/2의 오프닝들을 포함하였다(50% 듀티 인자). 간섭계 대조는 위와 같이 정의된다. 탈벗 주기는 2 m 간섭계 길이에 매치하기 위해 각각의 순서로 조정되었다. 도15의 대조 곡선은 가우시안 폭 s0으로 분석기에서 탈벗 패턴을 휘감음으로써(by convolving) 시뮬레이션된 한정된 소스 격자 오프닝들에 의한 탈벗 프린지 패턴의 기하학적 확장을 또한 포함한다[20,21].
비교를 위해서, 폭 1 mm 알루미늄(Al)으로 여과되고 20 mm의 연조직을 가로지르는 35 kV에서의 W 양극 X선 튜브의 스펙트럼을 도15에 도시하였다. 이것은 상기 관절 팬텀과 같은 작은 생체 의학적 물체에 대해 빔-스플리터 상의 스펙트럼 입사를 근사화한다. 도시된 바와 같이, 대조 곡선과 넓은 W 양극 스펙트럼 사이의 오버랩은 증가하는 탈벗 오더에 대해 빠르게 감소한다. 스펙트럼적으로 평균화된 대조는 m=l에서 32%, m=3에서 27% 그리고 m=5에서 20%이다.
결론으로, 탈벗 방식의 각도 감도를 극대화한 실용적인 구성은 약 2 m의 동일한 주기 및 길이의 격자들을 구비하는 대칭적 셋업이다. 이에 더하여, 제3차 탈벗 오더는 스펙트럼적으로 넓은 소스를 사용할 때 각도 감도 및 대조 사이의 적절한 타협을 제공한다.
그럼에도 불구하고, 도14a에서 도시된 바와 같이, 낮은 오더(m≤3)에서 탈벗 간섭계로 성취할 수 있는 최소의 각 너비는 결정 시스템의 경우보다 여전히 수 배로 크다. 그러므로, 결정 광학의 경우와 가까운 탈벗 방식 각도 감도로 성취할 수 있는 유일한 방법은 높은 탈벗 오더를 사용하는 것이다. 예를 들어, 도14a에 도시된 바와 같이, 거의 5 μ-radian 각 너비가 제7차 오더에서 2 m 길이 간섭계로 획득될 수 있다.
동시에, 도15에 도시된 바와 같이, 탈벗 오더가 증가하는 동안 간섭계 대조 곡선은 넓은 소스 스펙트럼으로 오버랩을 감소시키는 m개의 좁은 피크들로 벌어진다(break). 더욱이, 상세한 분석은, 각 너비는 에너지와 변하기 때문에, 도15에서 높은 오더 대조 곡선들은 오해의 소지가 있음을 보여준다. 이것은 도15의 m=5 대조 피크들의 중앙의 25 keV와 인접한 19 keV 및 37 keV 각각에 대해 결정 탈벗 패턴의 그래프로 도16에서 도시된다. 도시된 바와 같이, m=5 피크들 중에 25 keV의 설계 에너지에서 경조 및 작은 각 너비 모두 나타난다. 인접한 피크들은 중앙 피크의 패턴의 두 배 주기를 가지지만 경조 탈벗 패턴들을 생성하는 '고조파'이다. 넓은 소스 스펙트럼이 이러한 측면의 피크들과 오버랩될 수 있음에도 불구하고, 그것은 간섭계의 총 각도 감도로 굴절 이미지의 형성에 기여하지 않을 것이다. 그러나 이 값의 절반으로 기여할 것이다. 이에 더하여, 이미지된 물체의 세부 사항에 따라, 이러한 측면 피크들은 중앙 피크에 의해 생성되는 효과적인 굴절 대조에 가하는 것 대신에 굴절 대조로부터 제할 수 있다.
결론적으로, 우리의 분석은 실용적인 길이의 간섭계에 대해 탈벗 방식의 각 너비는 결정 시스템(<1.5 μ-radian) 의 경우보다 높은 대략 5 μ-radian 이상의 값으로 본질적으로 제한된다는 것을 보여준다. 이에 더하여, 최소한의 가능한 각 너비를 달성하기 위해 탈벗 간섭계는 효과적인 대조가 실질적으로 감소하기 때문에, 넓은 소스 스펙트럼을 사용하는 것이 최적이 아닌 경우에, 높은 오더로 동작되어야 한다.
탈벗 방식의 각도 감도와 효과적인 대조를 동시에 최대화하기 위한 해결책은 폭 ΔE/<E>≤l/m~15-20%의 준-단색성 X선 스펙트럼을 사용하는 동안 높은 오더(m≥5)로 동작하는 것이다. 이를 위한 가능한 방법은 후술된다.
준-단색성 스펙트럼의 탈벗 간섭 측정
K-엣지 흡수체로 여과된 K-라인 스펙트럼. 준-단색성 스펙트럼을 획득하기 위한 가장 간이한 방법은 생체 의학적 응용을 위한 몰리브텐(Mo) 또는 로듐(Rh) 양극 튜브와 같은 밝은 K-라인 이미터 또는 HED 플라즈마 방사선 촬영을 위한 은(Ag) K-α 백라이터를 사용하는 것과, 그리고 이미터로서 동일한 원자 번호의 K-엣지 흡수체로 방출을 여과하는 것이다.
30 μm 로듐(Rh) 흡수체로 여과된 40 kVp에서 로듐(Rh) 양극 튜브의 스팩트럼과 연조직의 20 mm를 통과한 전달 후는 도17a에 도시된다. 도17a는 또한 6 μm 주기, 55 μm 두께 금(Au) 소스 및 분석기 격자들, s0=g0/2, 20 keV 평균 에너지에서 최적화된 규소(Si) 위상 격자를 가지고 제7차 오더에서 동작하는 대칭적 2 m 탈벗 간섭계의 결정 대조를 보여준다. 도시된 바와 같이, K-엣지 여과된 스펙트럼은 제7차 오더에서 대조 곡선의 피크에 가깝게 매치하는, 20 keV에서 강한 로듐(Rh) K-α 라인에 의해 두드러진다. 유사한 유용한 매치가 17.5 keV에서 몰리브덴(Mo) K-α 라인에 대해 생산될 수 있다.
높은 탈벗 오더를 사용하는 가능한 굴절 대조에서의 증가와 K-라인/K-엣지 여과된 스펙트럼들은 도 18a 내지 도18d에서 관절 팬텀의 결정 굴절 증대 이미지로 도시된다. 픽셀 당 ~100의 평균 디텍터 카운트를 생성하면서, 상기 2 m 간섭계, 50 μm 픽셀 디텍터 및 40 kVp에서 로듐(Rh) 양극 튜브로 50 mA·s의 노출을 가정하였다. 굴절 증대 이미지는, 도11b에 도시된 바와 같이 굴절 대조를 극대화하는. 명 및 암 필드 셋팅들 사이에 중간-거리에서 간섭계 위상에 대해 산출되었다.
도18a는 참조로서 도15의 W 양극 튜브 스펙트럼을 가정하면서 획득된 이미지와 이 스펙트럼에 대해 최적의 제3차 탈벗 오더에서의 동작을 보여준다. 도시된 바와 같이, 불충분한 각도 감도 때문에, 굴절 대조 증대는 복수의 노출을 요구하는 위상-스캐닝 및/또는 CT에 의존함이 없이 실용적으로 사용하기에 너무 희미하다.
도18b는 단일 노출 대조가 K-엣지 여과된 로듐(Rh) 스펙트럼과 제7차 오더에서 간섭계를 사용함으로써 실질적으로 증가할 수 있음을 보여준다; 이 경우 연골(cartilage), 관절액(joint fluid) 및 결합 캡슐(connective capsule)은 분명하게 묘사된다. 예를 들어 연골 액 접점에서 상대적인 강도 변화 또는 대조는 대략 20%이다.
높은 탈벗 오더에서 준-단색성 이미징의 HED 플라즈마 예시는 도19에 도시된다. 도19는 도12에서 모형화된 IFE 캡슐의 디플렉토그램(deflectogram) 또는 무아레 프린지 이미지를 보여준다. HED 플라즈마에서 밀도 프로파일 진단에 대한 무아레 편향 간섭법(deflectometry)의 사용은 결상 광학계와 XUV 레이저로 백라이팅을 사용한 NOVA 시설에서 입증되었다[29]. 우리는 제5차 탈벗 오더에서 동작하는 4 m 길이와 10 μm 주기의 대칭적 간섭계, 50 μm 픽셀의 디텍터, 그리고 50 μm 은(Ag)으로 여과된 은(Ag) K-α 백라이터 스펙트럼의 일루미네이션을 가정하였다. 도19에서 베릴륨(Be) 융제제와 수소(H) 연료 레이어의 위치에서 분명한 무아레 프린지 쉬프트는 준-단색성 백라이팅으로 탈벗 방식을 사용하는 것이, X선 레이저 또는 결상 광학계에 대한 필요성 없이, 캡슐에 대한 간이한 밀도 프로파일 진단을 제공할 수 있음을 보여준다.
미러 여과된 슬랏-스캔 탈벗 간섭계. 간섭계가 낮은 각도 감도를 가질 때, 도17a에 도시된 바와 같이 광자의 상당 부분이 K-α 에너지 이상의 에너지에서 방출되기 때문에, 가장 단순한 접근법을 제공하면서, K-엣지 필터링으로 가능한 대조 증가는 제한된다. 이에 더하여, 수십 keV의 범위에서 밝은 K-라인 소스들의 선택은 제한된다(즉, 의학적 응용을 위한 단지 몰리브덴(Mo) 또는 로듐(Rh) 양극 튜브들).
탈벗 방식의 감도와 대조를 더욱 증가시키기 위해 그리고 가능한 간섭계 에너지의 범위를 확장하기 위해, 우리는 소스 스펙트럼을 형성하도록 X선 미러들 또는 리플렉터들을 사용하는 것을 제안한다. 이 방식의 원리는 도20에 도시된다. 그레이징 입사 미러는 소스 격자 근처에 배치되고 슬랏 분광기는 오직 반사된 빔만을 선택한다.
필터링 미러에 대한 몇 가지 선택들이 존재한다. 첫 번째 가능성은 전반사 미러들을 사용하는 것이다. 이것은 하위-Z 기질 상에 높인 얇은 상위-Z 필름(즉, 금(Au), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt))으로 간단하게 형성되고 임계 반사 각 이하로 경질 X선 입사를 높은 효율(> 60-80%)로 반사할 수 있다[30]. 전반사 효과에 따른 날카로운 에너지 차단은 고 에너지 광자들을 효율적으로 여과하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 30 μm 로듐(Rh) 흡수체로 여과되고 3.5 mrad 입사각에서 백금(Pt) 미러 상에 반사로 이어진 40 kVp에서 결정 로듐(Rh) 튜브 스펙트럼으로 도17b에 도시된다. 미러는 3 Å 표면 조도를 가지는 것으로 가정하였다. 도시된 바와 같이, 유용한 로듐(Rh) K-α 대역의 방사선은 효율적으로 전달되는 반면에, 약 22 keV 이상의 기생(parasitic) 방사선은 완전하게 억제되었다.
이 스펙트럼을 가정하여 획득된 관절 팬텀의 이미지는 도18c에 나타난다. 도18c는 고 에너지 광자들의 기생 대역을 억제하는 것은 ~35%에 도달하는 연골 액 접점에서 강도 대조로 굴절 대조를 강하게 증가시킴을 보여준다. 미러 필터링 기법의 다른 실용적 이익은, K-α 대역 이상의 광자들은 반사되지 않기 때문에, 튜브 전압을 증가시킴으로써 K-α 대역의 명도(brightness)를 증가시키도록 하는 것이다. 1.5-1.6의 파워에 대한 전압으로 조정되기 때문에, 전류보다 전압을 증가시킴으로써 K-α 명도를 증가시키는 것은 유익하다.
미러 기법의 다른 가능성은 높은 쓰루풋 스펙트럼 필터들, 좁은 대역으로 측면 단계형 다층 미러들을 사용하는 것이다. 이것은 평면 미러의 전체 길이 이상 파장의 좁은 범위를 반사하도록 하면서, 주기가 길이에 따라 변화하는 합성 브래그 리플렉터들이다[31]. 최근 실험들은 수 밀리-라디안의 입사각에서 미러들이 수십 KeV까지 X선을 효율적으로 반사할 수 있음을 입증한다. 예를 들어, Park 등은 32 내지 38 Å 사이에서 가변하는 주기를 가진 100 mm 길이 단계형 다층 및 종래의 회전 양극 X선 튜브를 사용하여 준-단색성 X선 대역의 효율적 생성(≥50% 반사율)을 입증하였다[32]. 평균 X선 에너지/대역폭은 20 keV/15%에서 40 KeV/7.5% 사이로 가변할 수 있다. 굽은 HOPG(curved highly ordered pyrolytic graphite) 리플렉터들은, Lawaczeck 등에 의해서 몰리브덴(Mo) K-α 유방 X선 조영 시스템으로 입증된 바와 같이, 종래의 X선 소스로부터 거의 단색성인 방사선을 생성하는데 사용될 수 있다[33].
그러한 리플렉터들을 사용하면서, 좁은 K-α 스펙트럼들은 탈벗 방식의 굴절 대조를 더욱 증가시키면서 생성될 수 있다. 이것은 로듐(Rh) K-α 에너지에 집중된 4 keV 폭 대역에서 광자로 관절 팬텀의 일루미네이션을 가정하고 도18d에 도시된다. 이 경우에 연골 액 접점에서 대조는 거의 50%에 이른다. (더 좁아진 스펙트럼 때문에 도18d에서 K-α 강도는 도18b 및 도18c에서와 동일한 광자 카운트를 달성하기 위해 ~3배 만큼 증가하는 것으로 가정되었다. 상술된 바와 같이, 이것은 40에서 대략 60 kV까지 튜브 전압을 증가시킴으로써 간이하게 수행될 수 있다.)
미러 필터링 방식의 제약은 미러 플레인에 수직인 시야의 필드(FOV) 높이(도20에서 수직)가, Δα는 미러에서 최대 및 최소 입사각 사이의 차이이고 d는 미러와 물체 사이의 거리일 때, 물체 위치에서 값 H~Δα·d 으로 제한된다는 것이다. 전반사 미러에 대해 Δα는 미러의 길이를 가로지르는 고 에너지 차단에서 허용 가능한 변화에 의해 결국 제한된다. 예를 들어, 60 kVp에서 로듐(Rh) 양극 스펙트럼과 3.5 milli-radian 중심 입사각에서 백금(Pt) 미러를 가정하면, ~1 milli-radian의 Δα은 도18c에서처럼 높은 굴절 대조 획득을 허용하는 22 keV에서 28 keV 사이의 차단 에너지 변화에 대응할 것이다. 물체에서 수직 FOV는 그러므로 도20처럼 d~L인 2 m 길이 간섭계에 대해 H~1 mm로 제한될 것이다. 수직 방향에서 FOV는 넓은 영역 X선 미러들이 근래에는 쉽게 제조될 수 있기 때문에, 단지 이용 가능한 격자 폭에 의해서만 제한된다.
측면 단계형 다층들로 시야의 필드 높이는 충분히 클 수 있고, 그러나, 단지 제한 인자는 미러에 따른 브래그 각 변화이다. 예를 들어, 참조 32에서 미러 파라미터를 가정하면, H는 2 m 길이 간섭계에 대해 ~2.5 mm까지 증가할 것이다. 또한, 굽은 광학(curved optics)을 사용하면 시야의 필드는 더욱 확대될 수 있다. 예를 들어, 소스로부터 50 mm에 위치한 480 mm 곡률 반경으로 50 mm 길이 결정을 사용하면서, Lawaczeck 등은 소스로부터 550 mm 거리에서 몰리브덴(Mo) K-α 방사선에 대해 10 mm 높이 FOV를 달성하였다[33]. 2 m 길이 대칭적 탈벗 간섭계에 대해 이것은 ~15 mm의 FOV 높이로 변경될 것이다.
그렇더라도, 큰 물체들을 이미지하기 위해, 미러 여과된 탈벗 간섭계는 도20에서 물체 또는 시야의 간섭계 필트 모두 수직으로 스캔되는 슬랏-스캔 모드로 동작하는 것을 필요로 할 것이다. 이것은 원칙적으로 큰 시야의 필드 '콘-빔' 시스템으로 가능한 것보다 더 긴 측정 시간을 필요로 할 것이다. 슬랏-스캔 기하의 보상적인 이익은 디텍터에 도착한 큰 각 산란 방사선에서 강한 감소일 수 있다. 슬랏-스캔 의학 시스템에 의해 입증된 바와 같이 이러한 감소는 실질적으로 전반적인 이미지 대조를 향상시킨다[32-34]. 이에 더하여, 준 단색성 스펙트럼을 사용하는 것은, 오직 이미징에 유용한 파장이 물체에 입사하기 때문에, 방사선 투여량을 감소시키는 이점을 가진다[33,34]. 슬랏-스캔 탈벗 시스템은 상술된 바와 같이 큰 각 산란 방사선을 마찬가지로 거부하는 결정 ABI 시스템과 거의 유사할 것이다. 끝으로, 미러 여과된 슬랏-스캔 시스템의 측정 시간은 복수의 적층된 리플렉터들을 사용함으로써 크게 단축될 수 있다. 이것은 ~200 mm x 240 mm 사이즈의 이미지에 대해 1 s보다 작은 스캔 시간을 달성하기 위해 적층된 다층 미러들의 어레이를 사용한 Park 등에 의해 입증되었다[32].
미러 필터링은 준-단색성 탈벗 간섭 측정에 대해 이용 가능한 에너지 대역의 범위를 확장시킬 수 있다. 이것은 회전 W 양극 튜브와 같은 밝은 컨티넘 소스와 조합하여 좁은 대역-통과 미러를 사용하여 수행될 수 있다. 좁은 에너지 대역을 획득하는 첫 번째 방법은 깊이 단계형 다층 미러들을 사용하는 것일 수 있다. 이것들은 수십 keV 에너지까지 X선에 대해, ΔE/<E> ~10-15% 폭의 에너지 대역을 효율적으로 생성하도록 하는 주기가 깊이에 따라 변화하는 다층들이다[35,36].
이에 더하여, 간이하고 조율 가능한 대역 통과 필터가 두 개의 전반사 미러들을 사용하여 형성될 수 있다. 이러한 듀얼-미러 필터 디자인은 도3a에 도시되고 싱크로트론에서 입증된 필터링 기법에 대해 확장된다('전송 미러')[37,38]. 제1 미러는 얇은(수 μm) 하위-Z 멤브레인 상에 배치된 상위-Z 금속성 필름을 구비한다. 고 에너지 영역이 미약한 감쇠로 얇은 멤브레인을 통과하여 전달되는 동안, 이 미러에서 전반사는 스펙트럼의 저 에너지 영역을 거부한다. 제1 미러에 의해 전달된 방사선은 이후 제2 전반사 미러에 의해서 저역-통과 여과된다. 도3b는 이러한 디자인으로 가능한 스펙트럼 응답의 예시를 보여주고, 15-20%의 오더의 대역 통과는 수십 keV까지의 에너지에 대해 달성될 수 있음을 보여준다. 에너지 밴드는 도3b에 도시된 바와 같이, 높은 오더에서 탈벗 간섭계의 대조와 결국 적절하게 대응할 것이다.
마지막으로, 미러 여과된 간섭계 디자인에 대한 개선은 참조 30에서 설명된 마이크로-주기 미러 개념을 사용하여 단일 광학 요소에서 필터 미러와 소스 격자를 결합하는 것이다. 이는 상위-Z 금속의 얇은(~500 Å) 주기성 스트립으로 하위-Z 기질을 패터닝함으로써 형성되는 전반사 '미러 격자들'이다. 참조 30에서와 같이, 상위-Z 스트립과 하위-Z 기질 사이의 반사율의 차이는 수십 keV까지 X선 에너지에 대해 경조(~80%까지) 반사 격자들을 생성하도록 할 수 있다. 그러므로, 광학적 셋업의 간소화에 더하여, '소스' 격자 대신에 마이크로-주기 미러의 사용은 미러는 매우 두꺼운 흡수 격자와 등가물일 것이기 때문에, 높은 에너지에서 간섭계 대조를 증가시키도록 할 수 있다.
이러한 가능성은 대형 관절 팬텀에 대한 굴절 증대 이미지의 산출로 도21a 및 도21b에 도시된다. 팬텀은 무릎 관절의 전형적인 면적을 제외하고 도13에서의 것과 동일한 배치를 가진다(근육 직경 15 cm, 두께 연골1.5 mm, 액 및 결합 조직 층, 뼈 직경 35 mm 및 힘줄 직경 6 mm). 소스로, 70 kVp(무릎 방사선 촬영에서 전형적)에서 동작하는 0.3 mm 스팟의 W 양극 튜브를 가정하였고, 0.12 mm 구리(Cu) 및 2 mm 알루미늄(Al)으로 여과하였다. 디텍터는 100 μm 픽셀로 동작하였다.
도21a는 제5차 오더에서 동작하는, 45 keV 평균 에너지 및 5 μm 주기의 2.2 m 길이 대칭적 간섭계를 가정하고, 33%의 소스 격자 듀티 인자로 100 μm 두께 소스 및 분석기 격자들을 사용하여 획득된 이미지를 도시한다. ~50 keV 이상의 광자들은 1.8 밀리-라디안 입사각에서 백금(Pt) 미러에 의해 차단된다. 도시된 바와 같이, 연조직에 대한 굴절 대조는 소스 격자의 바들과 오프닝들 사이의 흡수 대조가 수십 keV 이상의 X선에 대해 빠르게 감소하기 때문에 미약하다.
도21b는 소스 격자 대신에, 에너지에 독립적인 반사 및 비반사 스트립들 사이의 80% 반사 대조 및 33% 듀티 인자를 가지는 마이크로-주기 백금(Pt) 미러를 가정하여 획득된 이미지를 보여준다. 도시된 바와 같이, 격자를 마이크로-주기 미러로 교체하는 것은 대형 관절에서 모든 연조직을 가시적으로 만들면서, 고 에너지에서 굴절 대조를 강하게 향상시킬 수 있다. 끝으로, 고 에너지에서 거의 단색성인 미분 위상-대조 이미징에 대해, 최대 가능한 굴절 대조를 달성하기 위해 소스 격자는 마이크로-주기적으로 패턴형인 다층 미러 또는 아마도 패턴형 HOPG 결정으로 교체될 수 있다.
결론
여기의 분석은 탈벗 간섭 측정이 굴절 기반 이미징에 대해 간이한 기법이고, 각도 감도 및 대조는 결정 방식의 경우와 경쟁하기 위해 신중하게 극대화될 수 있음을 보여준다. 이것은 특히, 굴절각이 서브 μ-radian 범위 내에 있는, 연조직 이미징 또는 고 에너지 밀도 플라즈마 진단과 같은 까다로운 응용들에 있어서 중요하다. 탈벗 방식의 각도 감도 및 대조를 동시에 극대화하기 위한 실용적인 방법은 준-단색성 소스 스펙트럼으로 대칭적 간섭계 셋업을 사용하는 것이다. 몇몇의 해결책들이 그레이징 입사 미러들에서 K-엣지 흡수 필터로부터 반사까지 소스 스펙트럼을 형성하기 위해 설명되었다. 산출들은 그러한 필터링을 사용하여 강한 굴절 대조가 수십 keV까지의 에너지에서 하위-Z 물체에 대해 획득될 수 있음을 제시한다. 대역 통과 미러들 및/또는 마이크로-주기 미러들과 탈벗 격자들의 조합은 더 높은 X선 에너지까지 탈벗 방식을 확장하기 위해 매력적인 것으로 나타난다.
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본 명세서에서 설명 및 검토된 실시 예들은 통상의 기술자에게 본 발명을 어떻게 이루고 사용하는 지를 설명하기 위한 것이다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서, 특정의 용어가 명료성의 목적으로 이용된다. 그러나, 본 발명은 이와 같이 선택된 특정 용어로 제한되지 않는다. 본 발명의 전술한 실시 예들은 상기의 설명에 비추어 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변경 또는 변화될 수 있다. 따라서, 특허청구범위 및 이의 균등물의 범위 내에서 본 발명은 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
100 : 미분 위상 대조 X선 이미징 시스템
102 : X선 일루미네이션 시스템
104 : 빔 스플리터
106 : 광학 패스
108 : 검출 시스템
110 : 광학 패스
112 : X선 검출 컴포넌트
114 : 분석기 격자
116 : X선 소스
118 : 소스 격자

Claims (17)

  1. 이미지화될 물체를 비추기 위한 X선 빔을 제공하는 단계;
    빔 스플리터 상에 입사될(to be incident) X선 빔을 발사하는 단계 - 상기 빔 스플리터는, 상기 X선 빔을 인터셉트하고 X선으로부터의 간섭 패턴을 제공하기 위해 배치된 스플리터 격자를 포함함 -;
    상기 빔 스플리터로부터 X선의 상기 간섭 패턴을 인터셉트하기 위해 상기 이미지화될 물체를 배치하는 단계; 및
    상기 이미지화될 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 검출하는 단계를 포함하되,
    상기 검출하는 단계는 분석기 격자를 사용하여 상기 물체를 통해서 통과한 후의 X선의 상기 간섭 패턴의 적어도 일부를 차단하는 단계를 포함하고,
    상기 분석기 격자는 종 차원, 상기 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 상기 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가지고,
    상기 분석기 격자는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 포함하고,
    상기 광학적 고밀도 영역들은 상기 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 상기 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치하고,
    각각의 광학적 고밀도 영역은 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지고,
    상기 분석기 격자는 입사 X선에 대한 셸로우 앵글로 상기 종 차원으로 배치되고, 그리고
    상기 셸로우 앵글은 30도보다 작은 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 2배만큼 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 10배만큼 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    각각의 광학적 고밀도 영역은 적어도 100배만큼 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 셸로우 앵글은 3도보다 크고 25도보다 작은 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 셸로우 앵글은 5도보다 크고 15도보다 작은 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스플리터 격자는 반사 격자인 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스플리터 격자는 전송 격자인 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스플리터 격자는 종 차원, 상기 종 차원에 수직인 횡 차원, 그리고 상기 종 및 횡 차원들에 수직인 높이 차원을 가지고,
    상기 스플리터 격자는 상기 종 차원을 따라 최장 크기를 각각 가지고 그리고 인접한 광학적 고밀도 영역들 사이에 광학적 소밀도 영역들이 존재하도록 상기 횡 차원에서 서로 실질적으로 평행하게 간격을 두고 위치하는 광학적 고밀도 영역들의 패턴을 포함하고,
    각각의 광학적 고밀도 영역은 상기 종 차원의 길이보다 작은 상기 높이 차원의 깊이를 가지고,
    상기 스플리터 격자는 상기 스플리터 격자 상의 X선 빔 입사에 대한 셸로우 앵글로 상기 종 차원으로 배치되고, 그리고
    상기 셸로우 앵글은 30도보다 작은 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    소스 격자 상에 입사될 상기 X선 빔을 발사하는 단계 - 상기 소스 격자는 복수의 실질적으로 코히런트한 X선 빔들을 제공함 -; 및
    상기 복수의 실질적으로 코히런트한 X선 빔들을 인터셉트하기 위해 상기 빔 스플리터를 배치하는 단계를 더 포함하는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이미지화될 물체를 비추기 위한 X선 빔은 폴리-에너제틱 X선 빔이고,
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔을 필터링하는 단계 - 상기 필터링은 에너지 대역 내의 X선이 상기 에너지 대역 밖의 X선보다 더 강하게 통과하도록 허용함 -; 및
    상기 빔 스플리터 상에 입사될 상기 필터링된 폴리-에너제틱 X선 빔을 발사하는 단계를 더 포함하는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔을 필터링하는 단계는,
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제1 포션을 반사하는 단계 - 상기 제1 포션은 낮은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제2 포션을 전달하는 단계;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제1 포션을 감쇠시키는 단계;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제3 포션을 반사하는 단계 - 상기 제3 포션은 높은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제4 포션을 감쇠시키는 단계 - 상기 제4 포션은 반사되지 않은 X선을 포함함 -; 및
    상기 빔 스플리터 상에 입사될 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 상기 제3 포션을 발사하는 단계 - 상기 제3 포션은 상기 높은 통과-대역 에너지와 상기 낮은 통과-대역 에너지 사이의 에너지를 가진 X선을 포함함 - 를 포함하는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제1 포션을 반사하는 단계 및 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션을 전달하는 단계는,
    낮은-Z 물질을 포함하는 지지 층 상에 높은-Z 물질을 포함하는 반사 층을 포함하는 멤브레인 X선 미러 상에 입사될 상기 폴리-에너제틱 X선 빔을 발사하는 단계를 포함하고,
    Z는 원자 번호이고,
    상기 높은-Z 물질은 Z가 적어도 42인 원자 성분들을 포함하고, 그리고
    상기 낮은-Z 물질은 Z가 14보다 작은 원자 성분들을 포함하는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스플리터 격자 및 상기 분석기 격자는 탈벗-라우 조건들에 따라서 결정되는 분리로 배치되는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 스플리터 격자 및 상기 분석기 격자는 탈벗-라우 조건들에 따라서 결정되는 격자 패턴들을 가지는 미분 위상 대조 X선 이미징을 수행하는 방법.
  16. 이미지화될 물체를 비추기 위한 폴리-에너제틱 X선 빔을 제공하는 단계;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제1 부분을 반사하는 단계 - 상기 제1 부분은 낮은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 제2 포션을 전달하는 단계;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제1 포션을 감쇠시키는 단계;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제3 포션을 반사하는 단계 - 상기 제3 포션은 높은 통과-대역 에너지보다 적은 에너지를 가진 X선을 포함함 -;
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 제4 포션을 감쇠시키는 단계 - 상기 제4 포션은 반사되지 않은 X선을 포함함 -; 및
    상기 이미지화될 상기 물체를 비추기 위해 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션의 상기 제3 포션을 제공하는 단계 - 상기 제3 포션은 상기 높은 통과-대역 에너지와 상기 낮은 통과-대역 에너지 사이의 에너지를 가진 X선을 포함함 - 를 포함하는 X선 일루미네이션 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제1 포션을 반사하는 단계 및 상기 폴리-에너제틱 X선 빔의 상기 제2 포션을 전달하는 단계는,
    낮은-Z 물질을 포함하는 지지 층 상에 높은-Z 물질을 포함하는 반사 층을 포함하는 멤브레인 X선 미러 상에 입사될 상기 폴리-에너제틱 X선 빔을 발사하는 단계를 포함하고,
    Z는 원자 번호이고,
    상기 높은-Z 물질은 Z가 적어도 42인 원자 성분들을 포함하고, 그리고
    상기 낮은-Z 물질은 Z가 14보다 작은 원자 성분들을 포함하는 X선 일루미네이션 방법.
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