KR20160014576A - 고 에너지에서의 x-선 위상 콘트라스트 이미징 및 ct를 위한 넓은 시야 격자 간섭계 - Google Patents

고 에너지에서의 x-선 위상 콘트라스트 이미징 및 ct를 위한 넓은 시야 격자 간섭계 Download PDF

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댄 스터트맨
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더 존스 홉킨스 유니버시티
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Abstract

본 개시의 디바이스 및 방법은 매우 높은 X-선 에너지까지의 넓은 시야 탤버트-라우 위상 콘트라스트 CT 시스템을 제공한다. 상기 디바이스는 단일 기판상에 타일링되고 글랜싱 입사로 기울어진 마이크로간격의 격자들을 포함하여, 넓은 시야 위상 콘트라스트 CT 시스템을 제공한다. 본 개시는 큰 물체에 대해 위상-콘트라스트 단층촬영(PC-CT)을 실행할 수 있는, 다수의 GAI들을 넓은 FOV 시스템에 결합하기 위한 간단하고 경제적이며 정확한 방법이다. 상기 디바이스 및 방법은 의료 X-선 이미징, 산업적 비파괴 검사, 및 보안 스크리닝에 적용될 수 있다.

Description

고 에너지에서의 X-선 위상 콘트라스트 이미징 및 CT를 위한 넓은 시야 격자 간섭계{LARGE FIELD OF VIEW GRATING INTERFEROMETERS FOR X-RAY PHASE CONTRAST IMAGING AND CT AT HIGH ENERGY}
정부 권리
본 발명은 국립 보건원(NIH), 보건 복지부에 의해 허용된 승인 번호 1R21EB012777-01A 에 따른 정부 지원으로 이루어졌다. 상기 정부는 본 발명에 대한 권리를 갖는다.
관련 출원들에 대한 교차-참조
이 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함되는, 2013년 1월 31일에 출원된 발명의 명칭이 "미분 위상 콘트라스트 X-선 이미징 시스템 및 구성요소들"인 미국 특허 출원 일련번호 13/493,392, 댄 스터트맨 및 마이클 핀켄탈에 의한 2014년 2월 6일에 출원된 발명의 명칭이 "위상-콘트라스트 X-선 이미징을 위한 시스템 및 방법"인 미국 특허 출원 일련번호 14/174,830, 및 2013년 2월 12일에 출원된 발명의 명칭이 "타일링된 글랜싱 입사 격자들을 사용한 고 에너지 X-선 위상 콘트라스트 CT 시스템들"인 미국 가 출원 번호 61/763,683에 관한 것이다.
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 의료 이미징(medical imaging)에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 고 에너지 X-선으로 넓은 시야 위상 콘트라스트 이미징을 제공하기 위한 디바이스에 관한 것이다.
탤버트-라우(Talbot-Lau) 간섭계는 세 개의 마이크로-간격의 격자들(micro-period gratings): '소스', '빔-스플리터' 및 '분석기'로 구성된다. 상기 소스 및 분석기는 일반적으로 Au로 이루어진 흡수 격자이며, 상기 빔-스플리터는 일반적으로 Si 또는 Ni로 이루어진 얇은 위상 격자이다. 두꺼운 신체 부분들의 미분 위상-콘트라스트(DPC) 이미징을 가능하게 하기 위해, 상기 간섭계는 고 에너지에서 작동해야한다. 예를 들면, 방사선 촬영이 일반적으로 60-65 kVp(40-45 keV 평균 스펙트럼 에너지)에서 행해지는 무릎을 위한 X-선 DPC 이미징이 가능하게 행해질 수 있으며, 통상의 CT는 80-90 kVp(55-60 keV 평균 에너지)에서 행해진다.
또한, 간섭계는 수용가능한 투여량(dose)으로 굴절 이미징을 가능하게 하기 위해 미세한 X-선 각 변화들에 대해 매우 민감하게 되어야한다. 민감도는 두 개의 파라미터들: 프린지 콘트라스트(fringe contrast) 또는 '가시성(visibility)' V 및 각 해상도(angular resolution) W에 의해 결정된다. 상기 콘트라스트는 V=(IBF-IDF)/(IBF+IDF)로 정의되고, IBF 및 IDF는 각각 명시야(bright-field) 및 암시야(dark-field)이며, W는 간섭계 간격과 격자들 간의 거리 사이의 비에 의해 주어진다. (대략 ≥20% 범위에서의) 높은 콘트라스트가 의료 DPC 이미징에 필수적인데, 이는 DPC 이미지들에서 신호 대 잡음 비(SNR)는 (예컨대, DPC-CT에서 ~V2 와 같이) 콘트라스트를 증가시킴에 따라 빠르게 개선되기 때문이다. 연조직(soft tissue)에서의 X-선 굴절 각들은 서브 μ-라디안 범위에 있기 때문에 양호한 각 해상도(W ≤ 몇 μ-라디언)가 필요하다. 상기 굴절 각들은 ~1/E2와 같은 에너지에 따라 감소하기 때문에, 높은 콘트라스트 및 각 해상도에 대한 요구들이 높은 X-선 에너지에서 더욱 중요하다.
큰 신체 부분들의 DPC 이미징을 위해, 탤버트-라우 간섭계는, ≤10μm 간격의 격자들을 사용하면서, 평균 스펙트럼 에너지 ≥40keV에서 ≥20% 콘트라스트를 가져야한다. 하지만, 이러한 것은 종래의 정규 입사 탤버트-라우 간섭계로는 불가능한데, 이는 몇 마이크론 간격의 흡수 격자들의 두께가 기술적으로 ~100μm로 제한되기 때문이다. 이러한 제한을 설명하기 위해, 도 1a도에는, 55 keV 평균 에너지용으로 설계되고 100μm 두께, 50% 듀티-사이클 Au 격자들을 갖는 제 1 탤보트 오더(m=1), 5μm 간격 간섭계의 계산된 콘트라스트가 표시되어 있다. 또한, 2 mm Al, 75μm Cu 및 150 mm 연조직을 통한 투과 후 80 kVp W 애노드 튜브의 스펙트럼이 표시되어 있다. 최대 콘트라스트는 낮으며, 콘트라스트 곡선은 상기 튜브 스펙트럼과 저조하게 겹쳐있어, 단지 ~6%의 스펙트럼으로 평균된 콘트라스트를 형성한다. 비교를 위해, 완전한 흡수 격자들을 갖는 간섭계는 ~32%의 평균된 콘트라스트를 가질 것이다.
높은 X-선 에너지에서 위상 콘트라스트 이미징을 가능하게 하는 디바이스는 글랜싱 각 탤버트-라우 간섭계(GAI: glancing angle Talbot-Lau interferometer)가 되며, 격자들은 빔 방향을 따라 각α~10-30°로 경사진 바(bar)들을 갖는다. 상기 격자들의 경사 효과는 정규 입사값 t로부터 t/sin(α)로 유효 흡수체 두께를 증가시키는 것이다. X-선 흡수는 두께에 따라 지수적으로 증가하기 때문에, 이러한 것은 기존의 ~100μm 두께의 격자들을 사용하여 높은 에너지에서 높은 콘트라스트를 달성시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 GAI 디바이스의 주요한 제한은, 도 1b에 도시된 바와 같이, 경사진 격자 개구들에서의 강력한 콜리메이션에 의해 격자 바들에 수직인 방향에서의 시야(field of view)가 ≤수십 mm 로 제한(비네팅(vignetted))된다는 것이다. 동시에, 두꺼운 신체 부분들이나 위탁 수하물과 같은 보다 큰 물체들의 CT에 대해 최대 수십 cm 까지 FOV가 요구된다. 부가하여, 이전의 연구들은 위상-콘트라스트 단층촬영(PC-CT)에 대한 최적의 구성은 도 1b에 도시된 바와 같이 CT 축에 평행한 격자 바들에 의한 것이라는 것을 보여준다.
따라서, DPC-CT 및 큰 물체들의 이미징을 가능하게 할 큰 FOV 간섭계 시스템들을 제작하기 위해 효율적이고 정확한 방식으로 다중 GAI 격자들을 결합하는 디바이스를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
상기한 요구사항들은 대부분은 본 개시에 의해 충족되며, 간섭계는 또한 기판 상에 배열된 다수의 타일링된 마이크로-주기적인 격자들을 갖는다. 상기 격자들은 입사되는 방사선의 방향을 따라 글랜싱 각으로 기울어져 있는 흡수 바들을 포함한다. 상기 흡수 바들은 입사하는 X-선과 평행하게 정렬되며, 상기 격자들은 격자 바 방향을 따라 고정된 간격를 갖는다.
본 개시의 실시예에 따라, 간섭계 디바이스는 큰 FOV DPC 이미징 시스템에서의 사용을 위해 구성된다. 상기 기판은 단일 Si 또는 C 웨이퍼의 형태를 가질 수 있다. 다수의 GAI 격자들은 상기 기판 상에서 '타일링'될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 X-선 빔 방향을 따르도록 회전되어, 큰 수평 FOV를 달성할 수 있다. 또한, 격자들은 DPC-CT 또는 DPC 방사선 촬영에 사용되도록 수평 및 수직 방향들 양쪽 모두에서 큰 FOV를 형성하기 위해 수직 방향으로 적층될 수 있다. 격자들의 흡수 바들은 또한 상기 빔 방향을 따라 대략 10°내지 대략 30°의 각으로 경사진다.
전술한 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명은 양쪽 모두 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며, 청구된 바와 같은 개시를 제한하고자 하는 것이 아니라는 것을 이해해야 한다.
상기 개시와 일치하는 추가의 특징들, 실행들 및 실시예들이 이어지는 설명에서 부분적으로 제시될 것이며, 또는 상기 개시의 실행에 의해 학습될 수 있을 것이다. 상기 개시의 상대와 경계들은 특히 첨부된 청구범위에서 언급하는 요소들 및 결합들에 의해 정의될 것이다.
본 명세서에 포함되고 그 부분을 구성하는 첨부된 도면은 상기 개시의 실시예들을 도시하며, 상세한 설명과 함께 상기 개시의 원리들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a는 55 keV 평균 에너지용으로 설계되고 100μm 두께, 50% 듀티-사이클 Au 격자들을 갖는 제 1 탤보트 오더(m=1), 5μm 간격의 통상의 (정규 입사) 간섭계의 계산된 콘트라스트의 그래픽적 그림(연속적인 그레이 라인)을 도시한 도면으로, 또한 매우 두꺼운 격자들(∞)과 10°각으로 경사진 동일한 격자들을 갖는 GAI(600μm)에 대한 콘트라스트를 보여주는 도면.
도 1b는 GAI 간섭계에 대한 격자 바들을 보여주는 도면.
도 2a는 본 개시의 실시예에 따라 단일 기판 상에 입사하는 X-선들과 평행하게 배향된 다수의 격자 블록들을 갖는 타일링된 글랜싱 각 격자 간섭계(GAI)를 보여주는 도면.
도 2b는 격자 패턴이 단지 약간 동요된 방식으로 함께 연결된 서브-격자의 예시적 배열을 보여주는 도면.
도 3은 "타일링된" 모드에서 동작된 GAI 간섭계로 얻어진 물결 무늬들과 높은 프린지 콘트라스트를 보여주는 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 실시예들과 일치하는 큰 극단 관절들(large extremity joints)에 대한 진료 스캐너의 예시적 디자인을 도시한 도면으로서, 도 4a는 세 개의 타일링된 웨이퍼들을 사용하는 큰 FOV 분석기 격자를 보여주고, 도 4b는 스캐너의 측면을 보여주고, 도 4c는 스캐너의 윗면을 보여주는 도면.
도 5는 본 개시의 실시예에 따라, 빔 방향을 따라 각α~10-30°로 경사진 바들을 갖는 격자들을 사용하는 글랜싱 각 탤보트-라우 간섭계를 보여주는 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 개시의 실시예에 따라, 글랜싱 각 간섭계로 높은 에너지에서 콘트라스트의 큰 증가를 보여주는 도면.
도 6c는 본 개시의 실시예에 따라, 10°입사로, 10μm 간격 m=1 간섭계로 20cm의 웨이퍼를 통과하는 X-선들에 의해 80 kVp에서 얻어진 물결 무늬 콘트라스트를 보여주는 도면.
도 7은 본 개시의 실시예에 따라, 타일링이 없는 GAI 간섭계에서 발생하는 시야 비네팅(vignetting)을 보여주는 도면.
도 8은 본 개시의 실시예에 따라, 높은 에너지에서 GAI로 얻어진 수중의 작은 관절 팬텀의 이미지들을 보여주는 도면.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 실시예에 따라, GAI 디바이스로 80kVp 에너지에서 얻어진, ~120 mm 두께의 근육을 갖는 전체의 송아지 다리에 박혀있는 ~40mm 직경의 송아지 뼈의 감쇠(attenuation) 및 DPC 이미지들을 보여주는 도면.
도 10은 본 개시의 실시예에 따라, 60 및 80 kVp에서 각각 동작되는 5.4μm 및 10μm 글랜싱 각 간섭계들로 얻어진, 사람 손가락 관절의 DPC-CT 및 감쇠 CT 이미지들을 보여주는 도면.
이제 본 개시의 예시적인 실시예들에 대해 상세히 언급될 것이며, 그러한 예들은 첨부된 도면들에 도시된다. 편리함을 위해 어디에나 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분들을 참조하도록 도면들 전체에 걸쳐 사용될 것이다.
본 개시의 광범위한 영역을 설명하는 수치적 범위 및 파라미터들이 근사치들이긴 하지만, 특정 예들에서 설명되는 수치적 값들은 가능한 정확하게 기술된다. 하지만, 어떠한 수치적인 값들도 본질적으로, 그들 각각의 시험 측정치들로부터 밝혀진 표준 편자에 기인한 특정의 에러들을 반드시 포함한다. 더욱이, 본 명세서에 개시된 모든 범위들은 여기서 포함된 어떠한 그리고 모든 서브-범위들도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, "10 보다 적은" 범위는 최대값 10과 최소값 0 사이의 (및 이를 포함하는) 어떠한 그리고 모든 서브범위들도 포함할 수 있다. 즉, 어떠한 그리고 모든 서브-범위들은 0과 같거나 이보다 큰 최소값과 10과 같거나 이보다 적은 최대값으로서, 예를 들면 1 내지 5를 갖는다. 어떤 경우들에 있어서, 파라미터에 대해 명시된 수치적 값들은 음의 값들을 취할 수 있다. 이러한 경우에, "10 보다 적은"으로 명시된 범위의 예시적인 값은 음의 값들, 예컨대, -1, -2, -3, -10, -20, -30, 등을 취할 수 있다.
본 개시의 디바이스 및 방법은 매우 높은 X-선 에너지까지의 넓은 시야 탤버트-라우 위상 콘트라스트 CT 시스템들을 제공한다. 상기 디바이스는 글랜싱 각 입사로 기울어지고 단일 기판 상에 타일링된 마이크로-간격의 격자들을 포함하여, 위상 콘트라스트 CT 시스템들에 대해 요구되는 넓은 시야를 제공한다. 본 개시는 높은 X-선 에너지로 큰 물체들 상에 위상-콘트라스트 단층촬영(DPC-CT)을 실행할 수 있는, 다중 GAI들을 보다 큰 FOV 시스템에 결합하기 위한 간단하고 경제적이며 정확한 방법이다. 상기 디바이스 및 방법은 의료 X-선 이미징, 산업 비파괴 검사, 및 보안 스크리닝에 적용될 수 있다.
X-선 미분 위상 콘트라스트(DPC) 또는 탤보트-라우 격자 간섭계들의 굴절 기반 이미징은, 종래의 감쇠 기반 이미징과 비교하여 개선된 연조직 콘트라스트 및 공간 해상력을 제공하는, 새로운 의료 이미징 양상이 될 가능성을 갖는다. 특히, 최근의 분석은, DPC-CT가 다른 이미징 양식들에 의해서는 가능하지 않은, 연조식에서의 미소 병변들(small lesions)을 검출할 수 있다는 것을 시사하고 있다. 새로운 뼈 이미징 양식들이 또한 가능할 수 있다.
본 개시는 도 2a에 도시된 바와 같이, 입사 방사선의 방향을 따라 글랜싱 각으로 기울어지고 또한 입사하는 X-선들과 평행하게 정렬된 흡수 바들을 갖는 다수의 '타일링된' 마이크로-주기적인 격자들의 사용을 포함한다. 상기 기울어진 격자들의 타일링은 탤보트-라우 글랜싱 각 간섭계(GAI)를 넘는 발전이며, 이러한 것은 높은 에너지 X-선을 갖는 DPC-CT에 대해 간단하고 경제적인 방식의 넓은 FOV 간섭계 시스템들에서의 개발을 가능하게 할 것이다.
본 개시는 또한 도 2에 도시된 바와 같이, 단일 기판상에서의 다수의 타일링된 GAI의 사용을 포함한다. 단일 기판의 사용은, 상기 '서브-격자들' 또는 격자 블록들이 리소그래픽 제조 처리를 통해 수 nm 정밀도로 사전 정렬되므로, 간섭계 얼라인먼트를 강력히 단순화하며, 상당한 비용의 마이크로-포지셔닝 스테이지들에 대한 필요성을 제거한다.
도 2a는 본 개시의 실시예에 따라 단일 기판상에 다수의 타일링된 글랜싱 각 격자 간섭계(GAI)를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 다소 회전된 라인들을 갖는 다수의 '서브-격자들' 또는 격자 블록들은 단일 기판 또는 웨이퍼상에 위치된다. 모든 서브-격자들은 동일한 간격 및 폭을 갖는다; 폭은 (예를 들면 10°각에서 10μm 간격의 격자에 대한 대략 10mm 및 2m 길이를 갖는) 그 비네팅 곡선의 FWHM보다 작거나 같다. 회전각은 각각의 서브-격자에 대한 중심 광선 방향을 따른다. 이러한 방식에 있어서, 상기 입사하는 X-선은 양호한 근사치로 상기 광선 방향으로 정렬된 콜리메이터들의 어레이를 '바라보며', 그에 따라 비네팅을 최소화한다. 실례로, 6" Si 웨이퍼는 10mm 폭 및 90mm 높이의 12 서브-격자들을 수용하며, 20°의 글랜싱 각으로 120mm 폭 및 30mm 높이의 검출기에서 FOV를 제공한다. 몇몇의 그러한 웨이퍼들은 나란히, 큰 물체들의 전체 콘-빔 CT에 충분한 수십 cm 폭의 인접하는 FOV를 커버할 수 있다.
이러한 해법의 이점은 상기 서브-격자들이 리소그래픽 제조 처리를 통해 나노미터 정밀도로 정렬된다는 것이며, 그에 따라 복잡하고 값비싼 포지셔닝 시스템들의 필요성을 피할 수 있다는 것이다.
본 개시에서 상기 방법의 기능은 2m 길이의 10μm 간격, 10°글랜싱 각 간섭계에서 상기 격자들을 측면으로 옮기고 동시에 회전시킴으로써 실험적으로 테스트되었다. 도 3은 물결 무늬들(Moire fringes)과 이러한 셋업에서 얻어진 그 콘트라스트를 도시하며, 높은 간섭계 콘트라스트가 축 중심 위치로부터 멀리 위치된 격자들로 얻어질 수 있다는 것을 확인해준다. 타일링된 격자들은 또한 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이, 큰 수평 및 수직 FOV PC-CT 시스템들을 만들도록 수직 방향으로 적층될 수 있다. 상기 타일링된 격자 글랜싱 각 간섭계는 따라서 큰 끝 부분의 관절 또는 머리의 CT에 대한 것과 같이 고 에너지 DPC-CT 시스템들의 개발로 가는 길을 제공한다.
도 4a 내지 도 4c는 본 개시의 실행들과 일치하는 맨 끝 부분의 관절들의 임상 평가에 이용될 수 있는 콘-빔 GAI-CT 스캐너 및 이미저(imager)의 예시적 뷰들을 보여주며, 여기서 도 4a는 세 개의 타일링된 웨이퍼들을 사용하는 큰 FOV 분석기 격자를 보여주고, 도 4b 및 도 4c는 상기 스캐너의 측면 뷰 및 상면 뷰를 각각 보여준다.
상기 시스템은 평균의 사람 무릎에 대해 55-65 keV 평균 에너지를 갖는 투과된 스펙트럼에 대응하는 75-100 kVp 사이에서 작업할 수 있다. 이러한 범위는 (80-90 kVp인) 맨 끝의 감쇠 CT에 대한 최적을 포함한다. 임상적으로 호환 가능한 시스템 길이를 가지면서 각 민감도를 최대화하기 위해, 상기 시스템은, 100μm 두께, 약 5μm의 동일한 간격의 격자들을 가지며 ~12°글랜싱 각에서 제 3 탤버트 오더(~1.5m 길이)에서 동작되는 대칭 GAI 디자인을 사용한다. 계산은 상기 제 3 오더가 각 민감도와 콘트라스트의 곱, 따라서 DPC-CT SNR을 최대화한다는 것을 보여준다. 에너지의 함수로서 계산된 프린지 콘트라스트가 도 1a에 도시되며(600μm로 마크된 곡선), ~30%의 높은 스펙트럼적으로 평균된 콘트라스트를 나타낸다.
큰 영역의 타일링된 격자의 디자인이 도 4a에 도시된다. 30cm 폭 x 20mm 높이의 FOV가, 각각 12°로 기울어진 10mm 폭의 10 서브-격자들로 구성된 100x100mm 타일링된 격자 어레이를 갖는 세 개의 6" 웨이퍼들을 오버래핑함으로써 달성된다. 상기 서브-격자들은, 격자 패턴이 도 2b에 도시된 바와 같이 다소 동요될 뿐인 것과 같은 방식으로 함께 연결될 수 있다. 정확한 포지셔닝을 위해, 상기 웨이퍼들은 깨끗한 애퍼쳐들을 갖는 정밀 머신 트레이 상에 위치될 수 있다. 격자 기판들 사이의 부분적인 오버랩은 빔 감쇠에 있어 미소 증가만을 야기한다. 일부 실행들에 있어서, 상기 타일링된 격자들은 도 2a 및 도 4a에 도시된 바와 같이, 패닝된 기하학 구조(fanned geometry)를 가질 수 있다. 일부 실행들에 있어서, 타일링된 GAI 격자들이 상기 검출기에서 넓은 (예를 들면, 30cm) FOV를 달성하는데 이용되며, 큰 FOV 높이가 타일링 GAI들의 몇몇의 행들을 수직으로 적층함으로써 달성된다. 대안적으로, '슬롯-스캔(slot-scan)' DPC-CT 시스템들이 만들어질 수 있으며, 여기서 물체(예를 들면 무릎)는 GAI 격자들의 단일 행으로 나선형으로 스캐닝된다.
도 4b 및 도 4c는 스캐너(400)의 측면 뷰 및 상면 뷰를 각각 보여준다. 상기 스캐너(400)는 진동이 없는 방식으로 상기 탤버트-라우 간섭계를 지원하도록 정열된 제 1 암(405)을 포함한다. 상기 간섭계는 소스 격자 GO(410), 위상 격자 G1(415) 및 분석기 격자 G2(420)를 포함한다. 상기 제 1 암(405)으로부터 분리된 제 2 암(425)이 X-선 튜브(430) 및 검출기(435)를 지원하도록 배열된다. 상기 제 1 암(405) 및/또는 상기 제 2 암(425)은, 종래 기술에 공지된 바와 같이 우주 광학 기계장치에서 사용되는 바와 같은 가볍고 뻣뻣하며 열적으로 안정된 탄소 벌집(carbon honeycomb)으로 이루어질 수 있다. 상기 스캐너(400)는 샘플(435) 주변으로 상기 스캐너를 회전시킬 큰 구경의 스텝퍼 스테이지(도시되지 않음)상에 장착될 수 있다.
X-선 튜브(430)는 상기 소스 격자의 펄스식 X-선 가열에 기인한 시스템 또는 백그라운드 위상 변화를 제거하기 위해 펄스식 튜브 대신에 dc 튜브가 될 수 있다. 적절한 튜브의 예는 dc 모드에서 80kVp에서 ~25mA까지 전달하고 듀얼 스폿 능력(IEC336 표준에서 160μm/400μm)을 갖는, 스위스 코멧(Comet)에 의해 만들어진 MXR-160HP/11 공업용 튜브이다. 이러한 X-선 튜브는, 민감한 간섭계와 함께 스캐닝하기에 아주 적합한, 간편하고 가벼우며 진동이 없는 X-선 소스를 제공한다. 다른 유사한 X-선 소스는 당기술 분야에 공지된 것으로서 사용될 수 있다.
상기 검출기(435)는, 파노라마 이미징 용으로 Teledyne DALSA Inc. 에 의해 개발된 ARGUS 모델과 같은, 고 효율의 직접 결합된 Cs1/CCD가 될 수 있다. 이러한 검출기는 통상의 CMOS 플랫 패널 보다 대략 열배 정도 높은 민감도를 가지며, 슬롯-스캔 임상 시스템에 아주 적합한 넓은 형태의 팩터를 갖는다. 픽셀 사이즈는 27-160μm 사이에서 변화될 수 있으며, 습득 시간은 ≥0.125s 이다. 다른 유사한 형태의 검출기가 또한 당 기술 분야에 공지된 바와 같이 사용될 수 있다.
본 개시와 관련하여 기술된 타일링된 GAI 격자 탤보트-라우 간섭계는 다른 추가의 개발 없이 높은 에너지에서 X-선 위상-콘트라스트에 대해 직접 적용될 수 있다. 하지만, 상기 디자인은 그러한 시스템들을 물리적으로 입증하고 의학적, 보안, 및 DNT 어플리케이션을 위한 포토타입들을 개발하기 위해 특히 서브-격자 치수들 및 각도들과 관련하여 더욱 최적화될 수 있다.
또한 본 개시와 관련하여, 빔 방향을 따라 각 α~10-30°으로 기울어진 바들을 갖는 격자들을 사용하는 글랜싱 각 탤버트-라우 간섭계가 도 5에 도시된다. 격자들의 기울어짐 효과는 정규의 입사 값 t로부터 t/sin(α)까지의 유효 흡수체 두께를 증가시키는 것이다. X-선 흡수는 두께에 따라 지수적으로 증가하므로, 이라한 것은 기존의 ~100μm 두께의 격자들을 사용하여 높은 에너지로 높은 콘트라스트를 달성할 수 있게 한다. 기대되는 콘트라스트 개선은 도 1a에 도시되며, 여기서 상기한 간섭계에 대한 계산된 콘트라스트는 100μm Au 격자들이 각 α~10°로 기울어진 것으로 가정한다(600μm 유효 두께). 콘트라스트는 높은 에너지에서 강력하게 증가하며, 스펙트럼 평균 콘트라스트에서 대략 다섯-폴드 개선(five-fold improvement)을 이끈다.
도 5를 다시 참조하면, 미분 위상 콘트라스트 X-선 이미징 시스템(500)의 예시적인 구성의 도면이 본 개시의 실시예에 따라 도시된다. 미분 위상 콘트라스트 X-선 이미징 시스템(500)은 X-선 조명 시스템(502), X-선 조명 시스템(502)의 광 경로(506)에 배열된 빔 스플리터(504), 및 상기 빔 스플리터(504)를 통과한 후의 X-선을 검출하기 위해 광 경로(510)에 배열된 검출 시스템(508)을 포함한다. 상기 검출 시스템(508)은 X-선 검출 구성요소(512)를 포함한다. 상기 빔 스플리터(504)는 입사하는 X-선 빔을 가로막도록 배열된 스플리터 격막을 포함하고, X-선의 간섭 패턴을 제공한다. 비-제한적인 예로서 빔 스플리터(504)는 Si 또는 Ni로 이루어진 얇은 위상 격막이 될 수 있다.
상기 검출 시스템(508)은 또한 X-선 검출 구성요소(512)에 도달하기 전에 X-선 갑섭 패턴의 적어도 부분들을 가로막고 차단하도록 배열된 분석기 격자(514)를 포함한다. 상기 분석기 격자(514)는 세로 치수, 상기 세로 치수에 직각인 가로 치수, 및 상기 세로 및 가로 치수들에 직각인 횡단 치수를 포함한다. 상기 분석기 격자(514)는 광학적으로 밀집한 영역들의 패턴을 가지며, 이들 각각은 상기 세로 치수를 따라 가장 긴 치수를 갖고, 가로 치수에서 서로 간에 실질적으로 평행하게 이격되어, 인접하는 광학적으로 밀집한 영역들 사이에는 광학적으로 드문 영역들이 있게 된다.
각각의 광학적으로 밀집한 영역은 상기 세로 치수의 길이보다 작은 상기 횡단 치수의 깊이를 갖는다. 상기 분석기 격자(514)는 입사하는 X-선에 대해 얕은 각 α로 상기 세로 치수로 배열되고, 상기 얕은 각 α는 30°보다 적다. 상기 분석기 격자(514)의 세로 치수는 상기 얕은 각α로 기울어졌다는 것 말고는(이러한 것은 또한 글랜싱 각이라고 참조될 것이다), 실질적으로 광 경로(510)(실례로, 광학축이 될 수 있음)을 따라 배향된다.
본 개시의 실시예에 있어서, 각각의 광학적으로 밀집한 영역은 적어도 2배만큼 세로 치수의 길이보다 작은 횡단 치수의 깊이를 갖는다. 한 실시예에서는, 각각의 광학적으로 밀집된 영역은 적어도 10배만큼 상기 세로 치수의 길이보다 적은 상기 횡단 치수의 깊이를 갖는다. 또 다른 실시예에 있어서는, 각각의 광학적으로 밀집된 영역은 적어도 100배만큼 상기 세로 치수의 길이보다 적은 상기 횡단 치수의 깊이를 갖는다.
본 개시의 실시예에 있어서, 상기 얕은 각 α는 25도보다 적고 5도보다 크다. 다른 실시예에 있어서, 상기 얕은 각 α는 15도보다 적고 3도보다 크다. 본 개시의 실시예는 의료 어플리케이션에 관하고 있다. ~100μm보다 두꺼운Au 흡수체 두께를 갖는 수 미크론 간격의 격자들을 생산하는 것은 어려우므로, 5-25°범위의 각으로 상기 격자들을 경사지게 함으로써 200-1000μm 유효 Au 두께가 되게 한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 이러한 두께는 신체에서 깊숙한 의료용 위상 콘트라스트 이미징으로 유용한, ~40keV-110keV 에너지 범위에 걸친 ＞90% X-선 흡수(그에 따른 높은 간섭계 콘트라스트)를 가능하게 한다. 또 다른 실시예는 산업용 또는 비-파괴 검사(DNT) 어플리케이션들에 관한다. 3-15°범위의 글랜싱 각들을 사용하여, 유효 Au 두께는 400-2000μm 범위에 있게 되며, 이로써 산업용 NDT 어플리케이션들에 유용한 ~100keV-250keV 에너지 범위에서의 양호한 X-선 흡수 및 간섭계 콘트라스트를 만들어낸다.
본 개시의 한 실시예에 있어서, 상기 스플리터 격자(504)는 반사 격자(도시되지 않음)가 된다. 본 발명의 한 실시예에서, 상기 스플리터 격자(504)는 투과 격자(transmission grating)가 된다. 상기 스플리터 격자(504)가 분석기 격자(514)와 유사한 투과 격자인 본 개시의 한 실시예에 따라, 그러한 상기 분석기 격자의 실시예는 세로 치수, 상기 세로 치수에 직각인 가로 치수, 및 상기 세로 및 가로 치수들에 직각인 횡단 치수를 포함한다. 상기 스플리터 격자(504)는 광학적으로 밀집한 영역들의 패턴을 가지며, 이들 각각은 상기 세로 치수를 따라 가장 긴 치수를 갖고, 가로 치수에서 서로 간에 실질적으로 평행하게 이격되어, 인접하는 광학적으로 밀집한 영역들 사이에는 광학적으로 드문 영역들이 있게 된다. 각각의 광학적으로 밀집한 영역은 상기 세로 치수의 길이보다 작은 상기 횡단 치수의 깊이를 갖는다. 상기 스플리터 격자(504)는 입사하는 X-선들에 대해 30°보다 적은 얕은 각 α로 상기 세로 치수로 배열된다. 일부 실시예들에서, 상기 스플리터 격자(504)는 구성에 있어서 상기 분석기 격자(514)와 유사하게 될 수 있으며, 광축을 따라 상이한 위치에 배치되기는 하지만, 상기 분석기 격자(514)와 관련하여 상기한 바와 같이 얕은 각 α로 유사하게 배열된다.
여기에서 이용되는 바와 같은, 용어 X-선들을 "차단하는 것"은 특정 어플리케이션에 대해 유용한 콘트라스트를 허용하도록 격자의 광학적으로 드문 영역들을 통과하는 X-선들에 대해 충분한 감쇠가 얻어진다는 것을 의미하는 것으로 의도되었다. 이것은 절대적으로 100% 감쇠를 요구하는 것으로 의도되지 않았다.
상기 스플리터 격자(504) 및 상기 분석기 격자(514)는 본 개시의 일부 실시예들에 따라서 탤보트-라우 조건들에 따라 결정된 분리에 의해 배열된다. 일부 실시예들에서, 상기 스플리터 격자(504) 및 상기 분석기 격자(514)는 탤보트-라우 조건들에 따라 결정된 격자 패턴들을 갖는다.
본 개시의 일부 실시예들에 따라, 상기 X-선 조명 시스템(502)는 X-선 소스(516), 및 상기 X-선 소스(516)와 빔 스플리터(104) 사이의 광 경로에 배열된 소스 격자(518)를 포함한다. 상기 소스 격자(518)는, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이 상기 X-선 소스(516)가 X-선들의 공간적으로 확장된 소스일 때, 복수의 실질적인 코히런트 X-선 빔들을 제공한다. 하지만, 본 개시의 넓은 개념은 도 5에 도시된 특정 실시예로 제한되지 않는다. 상기 X-선 조명 시스템(502)은, 투과 및/또는 반사 격자들 양쪽 모두를 포함하는, 하나 이상의 격자들 및 미러들의 조합들을 포함할 수 있다. 비 제한적 예의 방식으로, 상기 소스 격자(518) 및 상기 분석기 격자(514)는 Au로 이루어진 흡수 격자들이 된다.
글랜싱 각 설계에서의 제한은 상기 격자들을 기울게 하는 것이 또한 sin(α)의 인자만큼 수직 방향에서 시야를 줄인다는 것이다. 따라서, 대체로 ~70-80mm의 격자 높이를 가정하면, 달성 가능한 수직 시야는 10-30°범위에서의 각들에 대해 ~12-40mm가 된다. 추가로, 모든 격자 간섭계들에 공통인 제한은 수평 시야가 좁지만(수 μm), 깊은(~100μm) 격자 개구들로 줄어들게 된다(비네팅된다)는 것이다. 글랜싱 입사에서 이러한 효과는 상기 개구들의 증가된 유효 깊이로 인하여 더욱 표명된다.
예시적인 실험들에서, '대칭적인' 간섭계 셋업이 이용되었으며, 여기서 모든 격자 간격들은 동일하고, 빔 스플리터는 상기 소스 및 상기 분석기 사이의 중간 거리에 위치되며; 이러한 기하학적 구조는 주어진 간섭계 길이에 대해 최대한의 각 해상도를 제공한다. 두 개의 간섭계들이 이용되었다: (i) 100μm 두께 Au 격자들, 1.6m 총 길이를 가지며, 18-30°글랜싱 각에서 동작되고, 스펙트럼이 40-45keV 범위에서 평균 에너지를 갖는, 5.4μm 간격 m=3 간섭계; 및 (ii) 120μm 두께 Au 격자들을 갖고, 2m 총 길이를 가지며, 10-18°글랜싱 각에서 동작되고, 스펙트럼이 55-58keV 범위에서 평균 에너지를 갖는, 10μm 간격 m=1 간섭계. 상기 격자들은 0.2-0.5mm 두께 Si 웨이퍼들로 독일 Micro Vorks Inc. 에 의해 제조되었으며, 70mm 직경을 가졌다. 40keV 와 58keV 사이의 평균 에너지로 X-선 스펙트럼을 얻기 위해, W 애노드 튜브(1mA 50μm 스폿)이 60-80kVp에서 사용되었으며, 70mm 와 200mm 사이의 두께를 갖는 수조에 이미징되도록 샘플들을 담궜다. 이러한 조건들은 비교적 작은 시험 샘플들을 사용하면서(샘플에서 간섭계의 시야는 검출기 크기 및 1.7 대물 배율에 의해 25mm로 제한됨), 무릎과 같은 큰 관절의 이미징을 시뮬레이트하는 것을 의미한다. 샘플들은 위상 격자의 ~150mm 뒤에 위치되었다.
검출기는 f/1 릴레이 렌즈 시스템을 통해, 36x36 mm, 64-비트 냉각형(cooled) CCD에 의해 관측되는, 150μm 두께, 42x42 mm CsI;Tl 신틸레이터(scintillator)였다. 상기 샘플에서 상기 X-선 이미징 시스템의 공간 해상도는 ~75μm였다. 렌즈 결합된 검출기의 저 효율 및 X-선 튜브의 저 전류는 충분한 광자 통계를 획득하기 위해 오랜 노출(30-40s)을 사용하는 것을 필요로 했다. 글랜싱 각 간섭계로 고 에너지에서의 콘트라스트의 큰 증가는 도 6a 및 도 6b에 도시된다. 도 6a 및 도 6b는 수직 입사(normal incidence) 및 18°입사에서 5.4μm 간섭계 및 43keV 평균 에너지 스펙트럼으로 얻어진 물결 무늬 콘트라스트를 도시한다. 수직 입사에서, 빔 스플리터는 8.5μm 두께 Au 격자였고, 글랜싱 입사에서는 7μm 두께 Ni 격자였다. 도시된 바와 같이, 글랜싱 각 간섭계는 수직 입사의 간섭계의 콘트라스트에 몇 배를 갖는다. 10°입사에서 10μm 간격 m=1 간섭계로 80kVp에서 얻어진 물결 무늬 콘트라스트(Moire contrast)를 도시하는, 도 6c의 결과는 고 에너지 DPC 이미징을 더 권장하게 한다. 스펙트럼은, ~58keV의 평균 에너지를 얻기 위해, 2 mm Al, 0.65μm Cu, 200 mm 물로 필터링된다. Au X-선 흡수는 80keV 아래로 낮기 때문에, 40-60keV 범위의 평균 에너지는 탤버트-라우 간섭계에 대해 특히 어렵다. 그럼에도, 글랜싱 각 셋업은 이러한 어려운 영역에서도 30% 콘트라스트 이상을 달성하는 것을 가능하게 한다.
또한 도 6a 도 6b, 및 도 6c 에서는 콘트라스트 증가와 함께 글랜싱 입사에서의 수직 필드 감소가 분명하다. 더 나아가, 그랜싱 입사에서의 시야 비네팅이 도 7에 도시되며, 여기에는 80kVp/55keV 및 10°글랜싱 각에서 10μm 간섭계로 얻어진 수평 강도 프로파일을 표시한다. 상기 프로파일의 FWHM은 단지 ~18mm 이다. 보다 작은 간격/보다 높은-m 간섭계에 대해, 10°각에서 4.8μm 간격 100μm 두께 Au 격자들을 갖는 m=3, 2m 길이의 간섭계에 대한 수평 강도 프로파일로 도시된 바와 같이, FWHM 은 더욱 감소한다. 글랜싱 입사 간섭계의 X-선 투과는, 예를 들면 55keV 평균 에너지의 스펙트럼에 대해 18°에서 5.4μm 간섭계에 의한 ~21% 피크 투과인, 20% 범위에 있다. 상기 투과는 실험에서보다 얇은 격자 기판들을 사용하여 몇 퍼센트까지 증가될 수 있다.
관절 연조직 유사 물질들을 구별하기 위한 본 발명에 따른 간섭계의 능력 평가를 위해, 물, PMMA, Al 및 나일론으로 이뤄진 동심원 원통형 층들, 모의 관절 유체, 연골, 피질(cortical), 및 지주골(trabecular bone)로 이루어진 팬텀(phantom)이 각각 도 8에 도시된 바와 같이 사용되었다. 언급된 바와 같이, 큰 관절을 이미징할 때 얻을 수 있는 X-선 스펙트럼을 시뮬레이팅하기 위해, 상기 팬텀은 두꺼운 수조에 담궈졌으며, 물이 층들 사이의 틈들을 채웠다.
상기 팬텀의 콘-빔(cone-beam) CT 이미지들은 30°의 5.4μm 간격 간섭계로 60kVp/43keV 평균 에너지에서 얻어졌으며, 도 8에 도시된다. 상기 데이터는 1°스텝, 각(angle) 당 8 위상 스텝들 및 스텝 당 30s 노출로 200 CT 각을 사용하여 얻어졌다. 그 결과는 DPC-CT가 고 에너지에서 연조직형 물질들에 대해 우수한 구별 성능을 갖는다는 것을 보여준다. 실례로, DPC-CT는 PMMA(연골)를 물과 구별하지만, 감쇠 CT는 그렇지 못하다. 나일론/물, 및 특히 나일론/ PMMA 콘트라스트는 또한 DPC-CT에서 우수하다. 또한, 상기 층들 사이의 얇은 인터페이스들과 같은 미세 디테일들은 DPC-CT에서 보다 양호한 콘트라스트를 갖는다. 200mm 물에 담궈진 상개 팬텀의 80kVp DPC 방사선 사진은 감쇠에 의한 것에 비해 우수한 콘트라스트를 보여준다: 감쇠에 의한 것에서는 구별되지 못했던 PMMA 층이 DPC 이미지에서는 구별되고, 나일론/물 콘트라스트가 또한 강력하게 증가된다.
뼈는 의학적 DPC-CT에 주요한 도전을 제기하는데, 이는 뼈에서 강력한 소각(small angle) 스캐터링(USAXS)은, 뼈가 있는 곳에서의 DPC-CT가 종래의 간섭계로서는 더 이상 가능하지 않은 지점까지, 간섭계 콘트라스트의 상당한 손실로 이끌기 때문이다. 고 에너지에서 글랜싱 각 간섭계의 높은 콘트라스트는, 그럼에도, 뼈가 있는 곳에서도 위상 콘트라스트 이미징을 가능하게 한다. 그 이유는 두 부분들이다. 먼저, 충분히 높은 에너지에서 뼈 스캐터는 감소한다. 다음으로, 글랜싱 각 간섭계의 초기 콘트라스트는, 두꺼운 뼈 층을 횡단한 후에도, X-선들이 위상 콘트라스트 이미징을 가능하도록 충분한 코히런트를 유지할 정도로 충분히 높다. 이러한 점은, ~120mm 두께의 근육을 갖는 전체의 송아지 다리에 묻혀있는 ~40mm 직경의 송아지 뼈의 감쇠 및 DPC 이미지들로 도 9a 및 도 9b에 도시된다. DPC 이미지는 미세 골단위 구조를 보여주며 피질골(cortical bone)의 골막층을 보여주는 것도 가능하지만, 감쇠에서는 구별가능하지 않다.
상기 글랜싱 각 간섭계는 또한 활력적인 X-선 스펙트럼으로 인체 관절의 첫번째 DPC-CT 이미지들을 얻는 것을 가능하게 한다. 관측 시야의 제한으로 인해, ~23mm 직경의 인체의 손가락 PIP 관절이 25mm 플라스틱 병에 담가져 사용되었다. 상기 병에는 조직(tissue)을 보존하기 위해 60%-40% 물 에탄올 혼합으로 채워졌고, 또한 활력적인 투과 스펙트럼을 생성하도록 두꺼운 수조에 담궈졌다. 상기 CT 파라미터들은 상기 관절 팬텀 실험들에 대한 것과 동일하다.
도 10은 60 및 80 kVp에서 5.4μm 및 10μm 글랜싱 각 간섭계들로 얻어진, 상기 관절의 DPC-CT 및 감쇠 CT 이미지들을 보여준다. 노이즈가 있긴하지만, DPC-CT 이미지는 60 및 80 kVp 양쪽 모두에서 연조직 콘트라스트를 보여주며, 감쇠 CT 이미지는 어느 한 에너지에서도 보여주지 못하고 있다. DPC-CT에서의 높은 공간 해상도와 연조직 콘트라스트의 조합은 굴근 건(FT: flexor tandon), 수장판(FP: volar plate), 또는 EDC(extensor digitorum communis)와 같은 해부학상의 세부사항을 그려볼 수 있게 한다.
80 kVp DPC 이미지는, 에너지로 굴절각을 낮추는 것으로부터 및 5.4μm의 것에 비해 10μm 간섭계의 보다 낮은 각 감도로부터 예상되는 바와 같이, 60 kVp의 것에 비해 다소 덜한 연조직 콘트라스트를 갖는다. 그럼에도, 제 1 탤버트 오더에서 보다 긴 간격의 간섭계로 높은 에너지에서 연조직들을 이미지화하는 것이 가능하다는 것은 고무적이다. 이러한 것은 보다 긴 간격의 격자들이 두다 두껍게 이루어질 수 있고, 높은 kVp W 튜브에 의해 생성되는 바와 같은 넓은 스펙트럼에 대해 최대 간섭계 콘트라스트가 제 1 오더에서 얻어지기 때문이다.
주로 빔-스플리터 격자에서의 결함으로 인해 DPC-CT 이미지들에서의 고 주파수 노이즈가 나타나게 되며, 저 주파수 노이즈는 늦은 시스템 위상 변화들로 인해 나타나게 된다. 이러한 효과는 오랜 노출에 의해 악화되며, CT 스캔의 시작 또는 끝에서 측정된 위상 배경를 부정확하게 빼내게 한다.
상기한 결과는, 글랜싱 각 격자 간섭계가 40-60keV 평균 에너지의 곤란한 영역에서 DPC 이미징에 대한 양호한 솔루션을 제공한다는 것을 보여준다. 상기 산출은 또한 80keV 을 넘는 Au 흡수의 증가로 인해 이러한 디자인이 ~150kVp까지의 높은 간섭계 콘트라스트를 제공한다는 것을 나타낸다. 또한, 의료 어플리케이션들에 고무적인 것은, 상기한 연조직 DPC 콘트라스트가 높은 에너지에서도 감쇠에 의한 것보다 우수하다는 것이고, 글랜싱 각 간섭계가 뼈가 있는 곳에서도 DPC 이미징을 가능하게 한다는 것이다.
연조직 콘트라스트 및 높은 공간 해상도의 조합은 상기 글랜싱 각 간섭계를 두꺼운 신체 부분들의 임상 DPC 이미징을 위해 흥미롭게 한다. 무릎 관절은 임상 DPC 이미징을 공부하기 시작하는데 좋은 위치가 될 것이다. 이는 무릎은 비교적 긴 기간 동안 고정적으로 유지될 수 있으며, 생리적인 운동은 쟁점이 아니기때문이다. 무릎에 대한 DPC-CT 시스템은 원칙상, 통상의 CT(스캔 당 ＜수백 mA·s 및 80-90kVp 각각)에서의 것과 유사한 환자 노출 및 스펙트럼으로 작동해야한다.
글랜싱 각 간섭계는 상기 고 에너지 콘트라스트의 문제를 해소한다. 더욱이, 이러한 기기의 수직 시야의 제한은 무릎 CT에 대해 제한하는 것 보다 적을 것이며, 이는 관절 공간의 중심에 있는 20-25mm 수직 관련 영역을 이미징하는 것은 대부분의 진단 목적들에 충분할 수 있기 때문이다. 하지만, 수평 FOV는 보다 많이 커야한다. ~150mm의 통상의 무릎 직경 및 약 1.5의 대물 배율, FOV≥220mm이 전체 콘-빔 CT를 위한 검출기에 대해 요구되는 것으로 가정한다. 하지만, 글랜싱 각 간섭계의 강력한 측면 비네팅은 도 7에 도시된 바와 같이 단일 격자로 10-20mm 이상 커버링하는 것을 방지한다.
글랜싱 각 DPC-CT 시스템의 디자인에서 주요한 문제는 따라서 수평 방향에 있어서 큰 FOV를 커버하기 위해 상기 격자들을 어떻게 겹쳐 놓거나 또는 '타일링'하는 것인가 이다. CT 축에 수직인 바들로 격자들을 타일링하는 것은 비교적 용이하다. 하지만, DPC-CT의 바람직한 구성은 도 5에 도시된 바와 같이 격자 바들을 상기 CT 축에 평행하게 하는 것이다.
도 4는 단일의 기판 또는 웨이퍼 상에 이루어진, 다소 회전된 라인들을 갖는 다수의 '서브-격자들'을 사용하는 것을 포함한다. 모든 상기 서브-격자들은 동일한 간격 및 폭을 갖는다; 상기 폭은 그 비네팅 곡선의 FWHM 이하이다(예를 들면, 10°각에서 10μm 간격의 격자에 대한 10mm). 회전 각은 각각의 서브-격자에 대한 중심 방사선 방향을 따른다. 이러한 방법에서, 입사 X-선들은 양호한 근사치로 상기 X-선 방향으로 정렬된 콜리메이터들의 어레이를 '바라보며', 그에 따라 비네팅을 최소화한다. 예를 들면, 6" Si 웨이퍼는 20°의 글랜싱 각에서, 120mm 폭 및 30mm 높이의 검출기에서 FOV를 제공하는, 10mm 폭 및 90mm 높이의 12 서브-격자들을 수용한다. 두 개의 그러한 웨이퍼들은 나란히, 전체 콘-빔 CT에 충분한, 인접한 FOV 240mm 폭을 커버할 것이다.
상기한 예시적 구현의 이점은 상기 서브-격자들이 리소그래픽 제조 처리를 통해 나노미터 정밀도로 정렬되어, 복잡하고 값비싼 포지셔닝 시스템을 피할 수 있다는 것이다.
상기한 예시적인 구현은 10μm 간격, 10°글랜싱 각 간섭계에서 격자들을 측면으로 옮기고 동시에 회전시킴으로써 시험되었다. 도 3은 이러한 셋업에서 얻어진 물결 무늬을 도시하며, 축 중심의 위치로부터 멀리 떨어져 위치된 격자들로 높은 간섭계 콘트라스트가 역시 얻어진다는 것을 확인해준다.
결론적으로, 타일링된 격자 글랜싱 각 간섭계는 무릎 CT에 대한 것과 같이 높은 에너지 DPC 시스템들의 개선을 향한 방향을 제공한다. 그러한 시스템들은 하지만 종래의 CT 시스템들과는 상당하게 다를 수 있을 것이다. 예를 들면, 통상 탤버트-라우 간섭계에 대한 1.5-1.7의 대물 배율에서 높은 공간 해상도를 달성하기 위해, X-선 소스는 100μm 범위의 스폿 사이즈를 가질 수 있다. 동시에, 상기 간섭계 감쇠를 보상하기 위해 충분한 강도를 제공할 수 있으며, DPC-CT 스캔 횟수가 종래의 CT에서보다 길게 될 것이기 때문에, 확장된 간격들 동안 동작할 수 있다. 그럼에도, 그러한 튜브들은 실재하여 진료 DPC-CT에 대해 적합될 수 있다. 실례로, 마이크로포커스 회전 애노드 튜브들이 단백질 결정학 용으로 개발되었으며, 몇 kW 전력으로 연속적으로 동작할 수 있다.
낮은 노이즈, 높은 효율 및 민감도, 및 1차원에서의 큰 FOV를 동시에 갖는 검출기들이 또한 요구될 수 있을 것이다. 그러한 검출기의 예는 파노라마식 덴탈 이미징 용의 DALSA에 의해 개발된 ARGUS X-선 CCD이며, 210mm 폭 CCD에 직접 결합된 고 해상도 신틸레이터를 갖고 있다. 직접 결합된 냉각식 CCD의 높은 민감도 및 낮은 노이즈는 또한 수용가능한 환자 선량(patient dose)에서 높은 공간 해상도를 달성하는데 도움을 줄 것이다. 광자 카운팅 검출기들이 또 다른 옵션이 될 것이다.
추정치들은, 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, '인터레이스된 스캐닝' 또는 무아레 간섭측정(Moire interferometry)과 같은 단일 노출 위상 검색법들과 함께 상기한 감지 검출기들을 사용하여 종래의 CT에 맞먹는 선량(dose)으로 높은 해상도의 DPC-CT를 실행하는 것이 가능하다는 것을 보여준다. 최근의 분석은 또한 DPC-CT는 종래의 CT보다 높은 X-선 플럭스를 요구해서는 안 된다는 것을 제시한다. 그렇지만 격자들에서의 몇 배의 강도 감소로 인하여, 스캔 시간은 본질적으로 보다 길게 될 것이다. 따라서, 상기 선량 및 스캔 시간을 최소화하기 위하여, 당 기술 분야에 공지된 바와 같이, 모델 기반 통계적 복원, 스파스 샘플링(sparse sampling), 또는 압축 감지(compressed sensing)와 같은, 종래의 CT 용으로 개발된 새로운 이미지 복원 방법들을 DPC-CT에 시도하여 적용하는 것이 중요할 것이다.
이상의 설명은 그 예시적 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 당 기술 분야의 숙련된 사람들은 그 진정한 정신과 범위를 벗어나지 않고서 상기 기술된 실시예들에 대한 다양한 수정들을 가능하게 할 수 있을 것이다. 여기에서 사용된 용어들 및 기술들은 단지 실례의 목적으로 설명되었으며, 제한들을 의미하는 것은 아니다. 특히, 상기한 방법은 예들로서 기술되었지만, 상기 방법의 단계들은 예시된 것과는 다른 순서 또는 동시에 실행될 수도 있다. 더욱이, 용어들 "포함하는", "포함한", "가지는", "갖는", "로(또는 함께)", 또는 그 변형들이 본 상세한 설명 및 청구범위에서 사용되는 범위에 대해, 그러한 용어들은 용어 "구비하는" 과 유사한 방식으로 포괄적인 것으로 의도되었다. 여기서 사용되는 용어로서, 예를 들면 A 및 B와 같이 항목들의 리스트에 관련한 "그 중 하나 이상" 은 A만을, B만을, 또는 A 및 B를 의미한다. 당 기술 분야의 숙련된 사람들은 이들 및 다른 변경들이 다음의 청구범위 및 그 등가물에 정의된 바와 같은 정신 및 범위 내에서 가능하다는 것을 인식할 것이다.
본 개시의 다른 실시예들에 대해서는 여기에 기술된 개시의 설명 및 실행을 고려함으로써 당 기술의 숙련된 사람들에게는 명백할 것이다. 상기 설명 및 예들은 단지 예시적인 것으로 고려되는 것으로 의도되었고, 본 개시의 진정한 범위 및 정신은 다음의 청구범위에 의해 보여질 것이다.
500: 미분 위상 콘트라스트 X-선 이미징 시스템
502: X-선 조명 시스템
504: 빔 스플리터
506: 광 경로
508: 검출 시스템
510: 광 경로
512: X-선 검출 구성요소
514: 분석기 격자
515: 소스 격자
516: X-선 소스

Claims (5)

  1. 고 에너지 X-선 시스템에서 입사 X-선들을 조절하도록 작동되는 간섭계 디바이스에 있어서:
    기판;
    상기 기판상에 팬 형상(fan shape)으로 배열된 복수의 타일링된(tiled) 마이크로-간격의 격자들을 구비하며,
    상기 격자들은 흡수 바들(absorbing bars)을 구비하고, 상기 흡수 바들은 상기 입사 X-선들의 방향을 따라 글랜싱 각(glancing angle)으로 기울어지며,
    상기 흡수 바들은 그들의 빔 콜리메이션 또는 비네팅 폭(beam collimation or vignetting width) 이하의 폭에서 상기 입사 X-선들과 평행하게 정렬되는, 간섭계 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    넓은 시야(FOV: field-of-view)의 간섭계 시스템에 사용하도록 구성된, 간섭계 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 단일 기판을 구비하는, 간섭계 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자들은 수평 방향으로 팬 형상으로 타일링되고 수직 방향으로 적층되어, 넓은 수평 및 수직 시야(FOV) 미분 위상-콘트라스트 단층촬영(DPC-CT) 시스템을 형성하는, 간섭계 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 격자들의 흡수 바들은 상기 입사 X-선들의 전파 방향을 따라 대략 5°내지 대략 30°의 각으로 기울어지고, 대략 5°와 대략 15°사이의 각에서 상기 기판상에서 패닝되어(fanned), 50-150kVp 에너지 용의 넓은 FOV X-선 간섭계를 형성하는, 간섭계 디바이스.
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