WO2023149113A1 - 弾性率算出方法及び弾性率算出装置 - Google Patents

弾性率算出方法及び弾性率算出装置 Download PDF

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航 矢代
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国立大学法人東北大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
    • G01N23/041—Phase-contrast imaging, e.g. using grating interferometers

Definitions

  • the present invention relates to a technique for calculating the elastic modulus of a subject (that is, a sample).
  • Elastography is known as a technique for noninvasively imaging the hardness distribution of viscoelastic bodies. Investigating the hardness distribution of living tissue can be useful for diagnosing cancer and arteriosclerosis and identifying the site.
  • Elastography is roughly divided into static elastography (see, for example, Patent Document 1 below) and dynamic elastography (see, for example, Non-Patent Document 1 below).
  • Static elastography finds the elastic modulus of a viscoelastic body based on the deformation caused by pressing on the body.
  • static elastography it is necessary to construct a model of a viscoelastic body in order to estimate the elastic modulus from the amount of deformation, and it is difficult to construct an accurate model.
  • Dynamic elastography vibrates a viscoelastic body, acquires the propagation velocity distribution of shear waves in the viscoelastic body as a displacement map, and obtains the elastic modulus (complex elastic modulus) of the viscoelastic body.
  • MRI is used to acquire a displacement map.
  • a technique for obtaining a displacement map using ultrasonic waves has also been proposed.
  • techniques using MRI and ultrasound have the problem that the spatial resolution of the elastic modulus distribution is low. Poor spatial resolution can make it difficult to detect small lesions or blur the boundaries between lesion and normal regions. To facilitate diagnosis, a spatial resolution as high as possible is desired.
  • Non-Patent Document 2 proposes a method (dynamic X-ray elastography) of obtaining a displacement map of a viscoelastic body using an X-ray projection image in Non-Patent Document 2 below. According to this method, since X-rays are used, spatial resolution higher than that of MRI and ultrasound can be expected.
  • a method of obtaining an X-ray phase image by a fringe scanning method using a phase contrast X-ray optical system such as a Talbot interferometer is conceivable.
  • a phase contrast X-ray optical system such as a Talbot interferometer
  • it is necessary to move the grating for fringe scanning and there is a problem that the time required for imaging becomes long.
  • the amount of exposure to X-rays may increase, and the possibility of the subject moving significantly during imaging also increases.
  • a method of calculating the X-ray phase image from the X-ray projection image by the Fourier transform method without using the fringe scanning method is also conceivable, but there is a problem that the spatial resolution is lower than in the case of the fringe scanning method.
  • the inventors of the present invention have found that the elasticity of a viscoelastic body can be measured with high spatial resolution by using a projection image in a phase-contrast X-ray optical system without using the fringe scanning method. It was found that the rate distribution can be obtained.
  • a main object of the present invention is to provide a technique capable of calculating the elastic modulus of a viscoelastic body with high spatial resolution and relatively short measurement time.
  • phase-contrast X-ray optical system uses a phase-contrast X-ray optical system that can detect the refraction or scattering of X-rays by the subject.
  • the phase-contrast X-ray optical system includes a grating section, a radiation source for irradiating the grating section and the subject with X-rays, and detection for detecting the X-rays passing through the grating section and the subject for each pixel.
  • the grating unit includes a first diffraction grating and a second diffraction grating arranged parallel to the self-image of the first diffraction grating, Further, a step of detecting the projection image of the X-ray by the detection unit while vibrating the subject while maintaining the relative positional relationship between the first diffraction grating and the second diffraction grating; and calculating the elastic modulus of the subject based on the amount of displacement of the wave caused by the vibration in the X-ray projection image detected by the detection unit.
  • a phase-contrast X-ray optical system capable of detecting refraction or scattering of X-rays by a subject, a vibrating section for vibrating the subject, and a processing section
  • the phase-contrast X-ray optical system includes a grating section, a radiation source for irradiating the grating section and the subject with X-rays, and detection for detecting the X-rays passing through the grating section and the subject for each pixel.
  • the grating unit includes a first diffraction grating and a second diffraction grating arranged parallel to the self-image of the first diffraction grating, Further, a relative positional relationship between the first diffraction grating and the second diffraction grating is maintained,
  • the vibration unit is configured to vibrate the subject in order to vibrate the subject,
  • the processing unit is An elastic modulus calculation device configured to calculate an elastic modulus of the subject based on a displacement amount of waves caused by the vibration in the X-ray projection image detected by the detection unit.
  • the elastic modulus of a viscoelastic body since a phase-contrast X-ray optical system is used, it is possible to calculate the elastic modulus of a viscoelastic body with high spatial resolution. Moreover, since the elastic modulus of the object is calculated using the X-ray projection image obtained by imaging the object while maintaining the relative positional relationship between the first diffraction grating and the second diffraction grating, fringe scanning is possible. Measurement time can be shortened compared to the case of implementing the method.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an elastic modulus calculation device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the configuration of a processing unit in the apparatus of FIG. 1
  • FIG. FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining a procedure of an elastic modulus calculation method using the apparatus of FIG. 1
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the positional relationship of lattice members in the apparatus of FIG. 1; It is a graph for explaining the relationship between the amount of relative movement between the self-image of the G1 grating and the G2 grating and the received light intensity.
  • FIG. 4A is a CT image of a sample (object) used in an example of the elastic modulus calculation method
  • FIG. 2 is a diagram showing a displacement map in a coronal section when the sample is agarose with a concentration of 0.9%, where (a) shows longitudinal displacement and (b) shows transverse displacement.
  • FIG. 2 is a diagram showing a displacement map in a coronal section when the sample is agarose with a concentration of 0.7%, where (a) shows displacement in the vertical direction and (b) shows displacement in the lateral direction.
  • Fig. (a) is a storage modulus map calculated using the longitudinal displacement in the coronal cross section in the sample in Fig. 7, and Fig. (b) is the longitudinal displacement in the coronal cross section in the sample in Fig. 8.
  • Fig. (a) is a storage modulus map calculated using the lateral displacement in the coronal cross section in the sample in Fig. 7, and Fig. (b) is the lateral displacement in the coronal cross section in the sample in Fig. 8. is a storage modulus map calculated using
  • a subject 1 is a viscoelastic body through which vibration is propagated by excitation.
  • the subject 1 is tissue of a living body.
  • the tissue of the living body may be one that has been separated from the living body, or one that has not been separated as in the case of mammography, for example.
  • the subject 1 may be an industrial product.
  • the viscoelastic body includes a body having a low viscosity and a property close to that of an elastic body.
  • the elastic modulus calculation apparatus (hereinafter sometimes simply referred to as "apparatus") of this embodiment includes a phase-contrast X-ray optical system 2 capable of detecting refraction or scattering of X-rays by a subject 1, and a It has a vibrating section 3 and a processing section 4 as a basic configuration.
  • the phase-contrast X-ray optical system 2 includes a grating section 21, a radiation source 22 for irradiating the grating section 21 and the subject 1 with X-rays, a shutter (chopper) 23, a grating section 21, and the subject 1. and a detection unit 24 for detecting X-rays for each pixel.
  • the grating section 21 is composed of a G1 grating (first diffraction grating) 211 and a G2 grating (second diffraction grating) 212 arranged parallel to the self-image of the G1 grating 211 .
  • the basic configuration of G1 grating 211 and G2 grating 212 can be similar to what is conventionally known as a Talbot interferometer. However, in this embodiment, the relative positional relationship between the G1 grating 211 and the G2 grating 212 is maintained (that is, the relative positional relationship between the self-image of the G1 grating 211 and the G2 grating 212 is maintained). Imaging is performed. This point will be described later.
  • the radiation source 22 is configured to irradiate X-rays toward the grid section 21 .
  • the G1 grating 211 of the grating section 21 generates X-rays having sufficient spatial coherence to generate a clear self-image.
  • the source 22 can be a synchrotron radiation source or a microfocus X-ray source.
  • a microfocus X-ray source as the radiation source 22 will be described.
  • the G0 grating is an absorption grating for equivalently generating a plurality of coherent point light sources by transmitting X-rays from a source that generates incoherent X-rays.
  • the G0 lattice can be said to be substantially part of the radiation source.
  • the shutter (chopper) 23 periodically irradiates the grating section 21 with X-rays at the same frequency as the frequency of vibration applied to the subject 1 from the vibrating section 3 .
  • a disk having slits formed therein is rotated, and the X-ray irradiation frequency can be adjusted by the rotation frequency of the slits. Further, by shifting the phase of the rotation cycle of the slit, the phase of the X-ray irradiation cycle can also be adjusted.
  • the time resolution of the detector 24 is sufficiently high, it is possible to omit the shutter (chopper) 23 and allow the detector 24 to perform the same function as the shutter (chopper) 23 .
  • the detection unit 24 can acquire an X-ray intensity distribution image (that is, an X-ray intensity value for each pixel) from a plurality of pixels (not shown) arranged on a two-dimensional plane.
  • the intensity distribution image acquired by the detector 24 is sent to the processor 4 .
  • the detection unit 24 may be an indirect imaging image detector that captures images via a scintillator (not shown) that converts X-rays into visible light, or a direct imaging image detector that directly captures X-ray photons. Since a direct-imaging image detector generally has a spatial resolution comparable to the pixel size, the pixel size should be an integer multiple of the period of the G2 grating 212 by arranging the pixels parallel to the G2 grating 212. is preferred. Alternatively, a direct-imaging image detector having a pixel size that is an integer fraction of the period of the G2 grating 212 is used, and the rows of pixels are arranged parallel to the self-image of the G1 grating 211, or the G2 grating is used. If a direct-imaging or indirect-imaging image detector having a spatial resolution sufficient to resolve the can also In this case, the detector 24 corresponds to the second diffraction grating of the invention.
  • phase-contrast X-ray optical system 2 other than the above can be the same as that of a conventional Talbot interferometer (including the case of a Talbot-Lau interferometer), so further detailed description will be omitted.
  • the vibrating section 3 is configured to vibrate the subject 1 in order to vibrate the subject 1 .
  • the vibrating section 3 of this embodiment drives a vibrating table 31 that supports the subject 1, a hose 32 connected to the vibrating table 31, a speaker 33 connected to the hose 32, and the speaker 33.
  • It consists of an amplifier 34 and a control computer 36 that sends drive signals to the amplifier 34 via a data acquisition module (DAQ) 35 .
  • DAQ data acquisition module
  • the vibration unit 3 drives the speaker 33 at a predetermined frequency in response to a drive signal from the control computer 36, and transmits elastic waves to the vibration table 31 via the hose 32 so that the subject 1 can be vibrated.
  • DAQ data acquisition module
  • the processing unit 4 is configured to calculate the modulus of elasticity of the subject 1 based on the amount of displacement of the wave due to vibration in the X-ray projection image detected by the detection unit 24 .
  • the processing unit 4 of the present embodiment includes a displacement amount calculation unit 41 that calculates the amount of displacement of waves due to vibration in the subject 1, and an elastic modulus calculation unit 42 that calculates the elastic modulus of the subject 1 based on the displacement amount. is configured (see FIG. 2). A specific operation of the processing unit 4 will be described later.
  • Step SA-1 in FIG. 3 First, the relative positional relationship between the G1 grid 211 and the G2 grid 212 is set.
  • FIG. 4 schematically shows a state in which the self-image of the G1 grating 211 and the grating member of the G2 grating 212 are superimposed.
  • the vertical position is slightly shifted.
  • the G1 grating 211 or the G2 grating 212 is shifted in the grating period direction (right or left direction in FIG.
  • the intensity of the X-rays passing through the grating section 21 (intensity for each pixel) is changed to G1 It changes periodically depending on how the self-image of the grating 211 overlaps the G2 grating 212 (see FIG. 5).
  • the horizontal axis of FIG. 5 is the amount ⁇ obtained by dividing the relative displacement amount of the G1 grating 211 (more precisely, its self-image) with respect to the G2 grating 212 by the period of the G2 grating 212 .
  • the X-ray intensity I(x, y) when focusing on one pixel at position (x, y) is approximately sinusoidal (spatial coherence is very high). approximately triangular wave).
  • this x-ray intensity I(x,y) ⁇ dependence I( ⁇ ) can be written as follows (especially for a plane wave Talbot interferometer):
  • A Amplitude ⁇ : Angular frequency ⁇ : Amount obtained by dividing the displacement amount of the G1 grating 211 relative to the G2 grating 212 (more precisely, its self-image) by the period of the G2 grating 212 ⁇ : Initial phase B: Average value .
  • the sensitivity to X-ray refraction by the subject 1 is maximized. Therefore, it is preferable to set the relative positional relationship between the G1 grating 211 and the G2 grating 212 so as to be at or near the position of this average value as much as possible. This position can be obtained in advance computationally or experimentally. However, if I(x, y) is at a position other than the position where Imax or Imin , a certain degree of sensitivity can be expected.
  • Steps SA-2 and SA-3 in FIG. 3 Next, the subject 1 is vibrated by the vibrating section 3 .
  • the shutter (chopper) 23 is driven so as to synchronize with the frequency of this vibration, and the X-ray intensity distribution image (X-ray projection image) is acquired by the detector 24 .
  • the vibration frequency of the shutter (chopper) 23 By fixing the vibration frequency of the shutter (chopper) 23 and gradually shifting the phase, the waves caused by the vibration of the subject 1 can be resolved. Since the wave resolution itself can be the same as in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, further detailed description will be omitted.
  • Steps SA-4 and SA-5 in FIG. 3 The X-ray projection image obtained in step SA-3 has contrast (structural contrast) due to vibration of the object 1.
  • the displacement amount calculator 41 of the processing unit 4 calculates the amount of displacement of the waves in the object 1 based on the amount of displacement of the structural contrast.
  • the elastic modulus calculation unit 42 of the processing unit 4 calculates the elastic modulus (for example, complex elastic modulus) of the subject 1 based on this displacement amount.
  • the complex shear elastic modulus G of an object can be obtained as follows.
  • the object 1 is resolved using the phase-contrast X-ray optical system 2
  • a displacement map displacement amount distribution for each pixel
  • the elastic modulus of the viscoelastic body can be calculated with high spatial resolution.
  • the subject 1 in this embodiment may be a material having G′′ ⁇ 0 (that is, a material close to an elastic body). included in the concept.
  • the elastic modulus of the subject 1 is calculated using an X-ray projection image obtained by imaging the subject 1 while maintaining the relative positional relationship between the G1 grating 211 and the G2 grating 212. ing.
  • a grating movement time is required.
  • such a grating movement time is not required. can save time.
  • the method of this embodiment can obtain a spatial resolution equivalent to that of the fringe scanning method.
  • a quantitative X-ray phase image can be obtained when the fringe scanning method is carried out.
  • Quantitative means that absorption images, differential phase images, and scattering images can be generated depending on the cause of contrast generation.
  • This structural contrast is convoluted with contrast due to various factors (scattering, edge effects, etc.), but it is possible to calculate the elastic modulus by capturing the displacement of the structural contrast itself without quantifying it. can.
  • the spatial resolution itself of the structural contrast in the X-ray projection image obtained by the phase-contrast X-ray optical system 2 is equivalent to the X-ray phase image obtained by the fringe scanning method. Therefore, according to this embodiment, the elastic modulus of the subject 1 can be obtained with high spatial resolution similar to the fringe scanning method.
  • the X-ray projection image of this embodiment is an image in which the structural contrast of the sample is integrated along the X-ray path. Therefore, when the homogeneity in the thickness direction of the object 1 is low, it is preferable to take measures such as forming the object 1 thin.
  • a CT image is obtained by reconstructing X-ray projection images from a plurality of directions, it is possible to obtain three-dimensional structural contrast even for a non-homogeneous object 1 . In this case, it is possible to calculate the elastic modulus in any direction (for example, x, y, and z directions in a three-dimensional space).
  • CT images obtained from X-ray projection images are also included in the concept of X-ray projection images in the present invention.
  • the direction of the lines of each diffraction grating is perpendicular to the rotation axis of the sample (that is, subject 1) in CT.
  • the rotation axis of the CT is arranged parallel to the lines of the grating.
  • the differential phase signal and the scattering (so-called dark-field) signal may change depending on the projection direction, so there is a possibility that the "integral value" required for CT reconstruction cannot be obtained. be.
  • Example 10 Next, an example in which the modulus of elasticity is calculated by the method of the present embodiment described above will be described as an example with reference to FIGS. 6 to 10.
  • a CT reconstructed image obtained by filtering back projection method (FBP method) from the X-ray projection image detected by the detection unit 24 is used as the X-ray projection image in step SA-3.
  • the reconstructed results are shown in FIGS. 6(a) to 6(c).
  • FIG. 7 shows a displacement map in the coronal section when the agarose concentration is 0.9%
  • FIG. 8 shows a displacement map in the coronal section when the agarose concentration is 0.7%. The direction of displacement is shown in the figure.
  • FIG. 9 shows the storage modulus map (storage modulus for each pixel) calculated from the vertical displacement.
  • 9(a) corresponds to the sample in FIG. 7, and
  • FIG. 9(b) corresponds to the sample in FIG.
  • FIG. 10 shows a storage modulus map calculated from horizontal displacement.
  • 10(a) corresponds to the sample in FIG. 7, and
  • FIG. 10(b) corresponds to the sample in FIG.
  • phase-contrast X-ray optical system 21 grating section 211 G1 grating (first diffraction grating) 212 G2 grating (second grating) 22 radiation source 23 shutter (chopper) 24 detection unit 3 vibration unit 31 vibration table 32 hose 33 speaker 34 amplifier 35 data acquisition module 36 control computer 4 processing unit 41 displacement amount calculation unit 42 elastic modulus calculation unit

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Abstract

本発明は、高い空間分解能でかつ比較的に短い測定時間で粘弾性体の弾性率を算出できるものである。本発明では、第１の回折格子２１１と第２の回折格子２１２との相対的位置関係を保持しつつ、被写体１を振動させながら、検出部２４により、Ｘ線の投影像を検出する。ついで、検出部２４で検出されたＸ線の投影像における、振動による波の変位量に基づいて、被写体１の弾性率を算出する。

Description

弾性率算出方法及び弾性率算出装置
　本発明は、被写体（すなわち試料）の弾性率を算出するための技術に関するものである。
　粘弾性体の硬さ分布を非侵襲的に画像化する技術としてエラストグラフィが知られている。生体組織の硬さ分布を調べることにより、がんや動脈硬化の診断や部位の特定に役立てることができる。
　エラストグラフィには、大きく分けて、静的エラストグラフィ（例えば下記特許文献１参照）と動的エラストグラフィ（例えば下記非特許文献１参照）がある。静的エラストグラフィは、粘弾性体への押圧による変形に基づいて物体の弾性率を求めるものである。静的エラストグラフィでは、変形量から弾性率を推定するために粘弾性体のモデル構築が必要であり、正確なモデル構築が難しいという問題がある。
　動的エラストグラフィは、粘弾性体を振動させ、粘弾性体におけるせん断波の伝搬速度分布を変位マップとして取得し、粘弾性体の弾性率（複素弾性率）を求めるものである。下記非特許文献１では、変位マップの取得のためにＭＲＩを用いている。そのほか、超音波を用いて変位マップを取得する技術も提案されている。しかしながら、ＭＲＩや超音波を用いた技術では、弾性率分布の空間分解能が低いという問題がある。空間分解能が低いと、小さな病変の発見が困難になったり、あるいは、病変領域と正常領域との境界が不明確になったりする可能性がある。診断を容易とするためには、できるだけ高い空間分解能であることが望まれる。
　そこで本発明者らは、下記非特許文献２において、Ｘ線投影像を用いて粘弾性体の変位マップを取得する手法（動的Ｘ線エラストグラフィ）を提案した。この手法によれば、Ｘ線を用いるので、ＭＲＩや超音波よりも高い空間分解能を期待できる。
国際公開ＷＯ２０１６／１７６０４４号公報
R. Muthupillai, D. J. Lomas, P. J. Rossman, J. F. Greenleaf, A. Manduca, and R. L. Ehman, Science 269, 1854 (1995). Kamezawa et al., Applied Physics Express 13, 042004 (2020)
　動的Ｘ線エラストグラフィにおいては、粘弾性体を振動させた際の変位マップの取得のため、内部構造の描出が不可欠であるが、内部構造の描出感度、延いては空間分解能をさらに向上させるためには、例えば、タルボ干渉計のような位相コントラストＸ線光学系を用い、縞走査法によってＸ線位相像を取得する方法が考えられる。しかしこの場合は、縞走査のために格子を移動させる必要があり、撮像に要する時間が長くなってしまうという問題がある。また、撮影回数が増えると、Ｘ線被爆量が増える可能性があり、さらには被写体が撮影中に大きく動いてしまう可能性も高くなる。縞走査法を行わずにフーリエ変換法により、Ｘ線投影像からＸ線位相像を計算する方法も考えられるが、縞走査法の場合よりも空間分解能が低下してしまうという問題がある。
　本発明者は、前記の問題を解消するために研究を進めた結果、縞走査法を行わずとも、位相コントラストＸ線光学系における投影像を用いることによって、高い空間分解能で粘弾性体の弾性率分布を求めることができるという知見を得た。
　本発明は、この知見に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、高い空間分解能でかつ比較的に短い測定時間で粘弾性体の弾性率を算出することができる技術を提供することである。
　本発明は、以下の項目に記載の発明として表現することができる。
　（項目１）
　被写体によるＸ線の屈折あるいは散乱を検出可能な位相コントラストＸ線光学系を用いており、
　前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を画素ごとに検出する検出部とを有しており、
　前記格子部は、第１の回折格子と、この第１の回折格子の自己像と平行となるように配置された第２の回折格子とを備えており、
　さらに、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との相対的位置関係を保持しつつ、前記被写体を振動させながら、前記検出部により、前記Ｘ線の投影像を検出する工程と、
　前記検出部で検出された前記Ｘ線の投影像における、前記振動による波の変位量に基づいて、前記被写体の弾性率を算出する工程と
　を有する、弾性率算出方法。
　（項目２）
　前記被写体は生体組織である
　項目1に記載の弾性率算出方法。
　（項目３）
　被写体によるＸ線の屈折あるいは散乱を検出可能な位相コントラストＸ線光学系と、前記被写体を振動させる振動部と、処理部とを備えており、
　前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を画素ごとに検出する検出部とを有しており、
　前記格子部は、第１の回折格子と、この第１の回折格子の自己像と平行となるように配置された第２の回折格子とを備えており、
　さらに、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との相対的位置関係が保持されており、
　前記振動部は、前記被写体を振動させるために、前記被写体に加振する構成となっており、
　前記処理部は、
　前記検出部で検出された前記Ｘ線の投影像における、前記振動による波の変位量に基づいて、前記被写体の弾性率を算出する構成となっている
　弾性率算出装置。
　本発明によれば、位相コントラストＸ線光学系を用いているので、高い空間分解能で粘弾性体の弾性率を算出することができる。しかも、第１の回折格子と第２の回折格子との相対的位置関係を保持しつつ被写体を撮像して得たＸ線投影像を用いて被写体の弾性率を算出しているので、縞走査法を実施する場合に比較して、測定時間を短縮することができる。
本発明の一実施形態に係る弾性率算出装置の概略的な構成を示す説明図である。 図１の装置における処理部の構成を説明するためのブロック図である。 図１の装置を用いた弾性率算出方法の手順を説明するための説明図である。 図１の装置における格子部材の位置関係を説明するための説明図である。 Ｇ１格子の自己像とＧ２格子との相対的な移動量と受光強度との関係を説明するためのグラフであり、横軸は、Ｇ２格子２１２（正確にはその自己像）に対するＧ１格子２１１の相対的な変位量をＧ２格子２１２の周期で割った量（χ）、縦軸は特定の位置（ｘ，ｙ）における画素での受光強度（Ｉ（ｘ，ｙ））である。 弾性率算出方法の実施例に用いた試料（被写体）のＣＴ画像であって、図（ａ）はアキシャル断面図、図（ｂ）はコロナル断面図、図（ｃ）はサジタル断面図である。 試料を濃度０．９％のアガロースとした場合のコロナル断面内の変位マップを示す図であり、図（ａ）は縦方向の変位、図（ｂ）は横方向の変位を示す。 試料を濃度０．７％のアガロースとした場合のコロナル断面内の変位マップを示す図であり、図（ａ）は縦方向の変位、図（ｂ）は横方向の変位を示す。 図（ａ）は、図７の試料における、コロナル断面内の縦方向の変位を用いて計算した貯蔵弾性率マップ、図（ｂ）は、図８の試料における、コロナル断面内の縦方向の変位を用いて計算した貯蔵弾性率マップである。 図（ａ）は、図７の試料における、コロナル断面内の横方向の変位を用いて計算した貯蔵弾性率マップ、図（ｂ）は、図８の試料における、コロナル断面内の横方向の変位を用いて計算した貯蔵弾性率マップである。
　（本実施形態の構成）
　以下、本発明の一実施形態に係る弾性率算出装置を、添付の図面を参照しながら説明する。説明の前提として、まず被写体について説明する。
　（被写体）
　被写体１は、加振により振動が伝搬する粘弾性体である。例えば、被写体１は生体の組織である。ここで、生体の組織としては、生体から分離されたものでもよいし、例えばマンモグラフィの場合のように、分離されていないものであってもよい。また、被写体１は、工業用品であってもよい。ここで粘弾性体とは、この明細書では、粘性が低くて弾性体に近い性質のものを含むものとする。
　（弾性率算出装置）
　本実施形態の弾性率算出装置（以下単に「装置」と略称することがある）は、被写体１によるＸ線の屈折あるいは散乱を検出可能な位相コントラストＸ線光学系２と、被写体１を振動させる振動部３と、処理部４とを基本的な構成として有している。
　（位相コントラストＸ線光学系）
　位相コントラストＸ線光学系２は、格子部２１と、この格子部２１及び被写体１にＸ線を照射するための線源２２と、シャッタ（チョッパ）２３と、格子部２１及び被写体１を通過したＸ線を画素ごとに検出する検出部２４とを有している。
　格子部２１は、Ｇ１格子（第１の回折格子）２１１と、Ｇ１格子２１１の自己像と平行となるように配置されたＧ２格子（第２の回折格子）２１２とから構成されている。Ｇ１格子２１１とＧ２格子２１２の基本的構成は、従来からタルボ干渉計として知られているものと同様とすることができる。ただし、本実施形態では、Ｇ１格子２１１とＧ２格子２１２との相対的位置関係が保持されたまま（つまりＧ１格子２１１の自己像とＧ２格子２１２との相対的位置関係が保持されたまま）、撮像が行われるようになっている。この点については後述する。
　線源２２は、格子部２１に向けてＸ線を照射する構成となっている。本実施形態の線源２２としては、格子部２１のＧ１格子２１１が明瞭な自己像を生成するに足るだけの空間的可干渉性を有するＸ線を発生するものとされている。たとえば線源２２として、シンクロトロン放射光源やマイクロフォーカスＸ線源を使うことができる。本例では、マイクロフォーカスＸ線源を線源２２として用いた例を説明する。ただし、空間的可干渉性の低いＸ線を用いることも可能であり、この場合は、線源２２とＧ１格子２１１との間にＧ０格子（図示せず）を配置する。このような配置のＸ線光学系はタルボ・ロー干渉計と呼ばれる。Ｇ０格子は、非コヒーレントなＸ線を発生する線源からのＸ線を透過することで等価的に複数のコヒーレントな点光源を生成するための吸収格子である。つまり、Ｇ０格子は、実質的には線源の一部ともいえるものである。Ｇ０格子を用いるときは大強度の白色Ｘ線源を用いることが可能になる。
　シャッタ（チョッパ）２３は、振動部３から被写体１に加えられる振動の周波数と同じ周波数でＸ線を周期的に格子部２１に照射するものである。具体的には、スリットが形成された円盤を回転させ、スリットの回転周波数により、Ｘ線の照射周波数を調整できるようになっている。また、スリットの回転周期の位相をずらすことにより、Ｘ線の照射周期の位相も調整できるようになっている。ただし、検出部２４の時間分解能が十分高ければ、シャッタ（チョッパ）２３を省略して、シャッタ（チョッパ）２３と同様の機能を検出部２４に行わせることは可能である。
　検出部２４は、２次元平面に配置された複数の画素（図示せず）によりＸ線の強度分布画像（つまり画素ごとのＸ線強度値）を取得できるものである。検出部２４で取得された強度分布画像は処理部４に送られる。
　検出部２４は、Ｘ線を可視光に変換するシンチレータ（図示せず）を介して撮像する間接撮像型画像検出器でも、Ｘ線光子を直接撮像する直接撮像型画像検出器でもよい。直接撮像型画像検出器は、一般に画素サイズと同程度の空間分解能を有するため、画素の並びがＧ２格子２１２に平行になるようにして、画素サイズをＧ２格子２１２の周期の整数倍にすることが好ましい。また、Ｇ２格子２１２の周期の整数分の１の画素サイズを有する直接撮像型画像検出器を用いて、画素の並びがＧ１格子２１１の自己像に平行になるように配置するか、又はＧ２格子を十分に解像できる空間分解能を有する直接撮像型若しくは間接撮像型画像検出器を用いれば、画像処理により、実質的にＧ２格子２１２と同じ機能を実現することができるため、Ｇ２格子を省くこともできる。この場合は、検出部２４が本発明における第２の回折格子に相当する。
　位相コントラストＸ線光学系２における前記以外の構成は従来のタルボ干渉計（タルボ・ロー干渉計の場合を含む）と同様とすることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（振動部）
　振動部３は、被写体１を振動させるために、被写体１に加振する構成となっている。具体的には、本実施形態の振動部３は、被写体１を支持する振動台３１と、振動台３１に接続されたホース３２と、ホース３２に接続されたスピーカ３３と、スピーカ３３を駆動するアンプ３４と、データ取得モジュール（ＤＡＱ）３５を介してアンプ３４に駆動信号を送る制御コンピュータ３６とから構成されている。この振動部３は、制御コンピュータ３６からの駆動信号により、所定の周波数でスピーカ３３を駆動し、ホース３２を介して弾性波を振動台３１に伝えて、被写体１を振動させることができるようになっている。ただし、ＭＲＩと異なり、Ｘ線イメージングにおいては、金属から構成される振動台の使用も可能であり、例えば、ボイスコイルを用いて直接的に被写体１を加振することもできる。
　（処理部）
　処理部４は、検出部２４で検出されたＸ線の投影像における、振動による波の変位量に基づいて、被写体１の弾性率を算出する構成となっている。本実施形態の処理部４は、被写体１における、振動による波の変位量を算出する変位量算出部４１と、この変位量に基づいて被写体１の弾性率を算出する弾性率算出部４２とから構成されている（図２参照）。処理部４の具体的な動作については後述する。
　（本実施形態の弾性率算出方法）
　次に、前記した装置を用いた弾性率算出方法について、図３～図５をさらに参照しながら説明する。
　（図３のステップＳＡ－１）
　まず、Ｇ１格子２１１とＧ２格子２１２との相対的な位置関係を設定する。この点の説明のため、Ｇ１格子２１１の自己像とＧ２格子２１２の格子部材とが重なった状態を模式的に図４に示す。見易さのため、上下の位置を若干ずらしている。ここで、Ｇ１格子２１１（又はＧ２格子２１２）を格子周期方向（図４中では左右いずれかの方向）にずらすと、格子部２１を通過するＸ線の強度（画素ごとの強度）は、Ｇ１格子２１１の自己像とＧ２格子２１２の重なり具合に依存して、周期的に変化する（図５参照）。図５の横軸はＧ２格子２１２に対するＧ１格子２１１（正確にはその自己像）の相対的な変位量をＧ２格子２１２の周期で割った量χである。図５に示されるように、位置（ｘ，ｙ）にある一つの画素に注目したときのＸ線強度Ｉ（ｘ、ｙ）は、近似的に正弦波状（空間的可干渉性が非常に高い場合には、近似的に三角波状）に変化する。一般的に、このＸ線強度Ｉ（ｘ、ｙ）のχ依存性Ｉ（χ）は以下のように記述できる（特に、平面波タルボ干渉計の場合）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　ここで、
Ａ：振幅
ω：角周波数
χ：Ｇ２格子２１２（正確にはその自己像）に対するＧ１格子２１１の相対的な変位量をＧ２格子２１２の周期で割った量
φ：初期位相
Ｂ：平均値
である。
　そして、強度の平均値Ｂとなる位置（図５中、符号Ｐで示す位置）において、被写体１によるＸ線の屈折に対する感度は最大となる。したがって、なるべくこの平均値の位置またはその近傍となるように、Ｇ１格子２１１とＧ２格子２１２との相対的な位置関係を設定することが好ましい。この位置はあらかじめ計算により又は実験的に取得できる。ただし、Ｉ（ｘ、ｙ）がＩｍａｘ又はＩｍｉｎとなる位置以外の位置であれば、ある程度の感度は期待できる。
　（図３のステップＳＡ－２及びＳＡ－３）
　ついで、振動部３により被写体１を振動させる。これと並行して、この振動の周波数と同期するようにシャッタ（チョッパ）２３を駆動し、検出部２４によりＸ線強度分布画像（Ｘ線投影像）を取得する。シャッタ（チョッパ）２３の振動周波数を固定して位相を少しずつずらすことにより、被写体１の振動による波を解像することができる。この波の解像自体は前記した非特許文献１や非特許文献２と同様とすることができるので、これ以上詳しい説明は省略する。
　（図３のステップＳＡ－４及びＳＡ－５）
　ステップＳＡ－３により取得されたＸ線投影像は、被写体１の振動によるコントラスト（構造コントラスト）を有している。処理部４の変位量算出部４１は、この構造コントラストの変位量に基づいて、被写体１における波の変位量を算出する。ついで、処理部４の弾性率算出部４２は、この変位量に基づいて被写体１の弾性率（例えば複素弾性率）を算出する。
　物体（試料）の複素ずり弾性率Ｇは以下のようにして求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　ここで
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000003
である。複素ずり弾性率の算出方法は前記した非特許文献２と同様でよいので詳しい説明は省略する。
　本実施形態の方法によれば、位相コントラストＸ線光学系２を用いて被写体１を解像しているので、高い空間分解能の変位マップ（画素ごとの変位量の分布）を得ることができ、それにより、高い空間分解能で粘弾性体の弾性率を算出することができる。本実施形態における被写体１としては、Ｇ''≒０である材料（つまり弾性体に近い材料）であってもよく、本明細書では、前記した通り、このような材料についても粘弾性体の概念に含めている。
　また、本実施形態の方法では、Ｇ１格子２１１とＧ２格子２１２との相対的位置関係を保持しつつ被写体１を撮像して得たＸ線投影像を用いて、被写体１の弾性率を算出している。縞走査法を実施する場合は、格子の移動時間が必要になるが、本実施形態では、このような格子の移動時間が不要となるので、縞走査法を実施する場合に比較して、測定時間を短縮することができる。
　ここで重要なこととして、本実施形態の方法では、縞走査法と同等の空間分解能を得ることができる。この点についてさらに補足して説明する。縞走査法を実施した場合には、定量的なＸ線位相像を得ることができる。定量的とは、コントラスト発生の原因に応じて、吸収画像、微分位相画像、散乱画像のそれぞれを生成できることである。しかしながら、本発明者らの知見によれば、被写体の変位マップの生成（つまり変位量の計算）のためには、原因を特定できなくても、Ｘ線投影像における何らかの構造コントラストを捉えることができればよい。この構造コントラストには、様々な要因（散乱やエッジ効果など）によるコントラストが畳み込まれているが、それを定量化せず、構造コントラスト自体の変位をとらえることで、弾性率を算出することができる。しかも、位相コントラストＸ線光学系２によって得られるＸ線投影像における構造コントラストの空間分解能自体は、縞走査法によるＸ線位相像と同等となる。よって、本実施形態によれば、縞走査法と同様の高い空間分解能で被写体１の弾性率を得ることができる。
　本実施形態のＸ線投影像では、Ｘ線の経路に沿って試料の構造コントラストが積分された像となる。このため、被写体１の厚さ方向において均質性が低い場合は、被写体１を薄く形成するなどの対応を行うことが好ましい。あるいは、複数方向からのＸ線投影像を再構成してＣＴ画像を得るようにすれば、非均質の被写体１についても立体的な構造コントラストを得ることができる。この場合は任意方向（例えば３次元空間におけるｘ，ｙ，ｚ方向）での弾性率を算出可能となる。このように、Ｘ線投影像から得られたＣＴ画像も、本発明におけるＸ線投影像の概念に含まれる。ここで、この実施形態においてＣＴを行う場合、各回折格子のラインの向きを、ＣＴにおける試料（つまり被写体１）の回転軸と垂直な方向とすることが好ましい。通常のＸ線回折格子干渉計の場合は、ＣＴの回転軸を、回折格子のラインに平行に配置している。しかし、このようにすると、微分位相シグナル及び散乱（いわゆるdark-field）シグナルが、投影方向によって変化し得るため、ＣＴ再構成に必要な「積分値」が求まらない可能性があるためである。
　（実施例）
　つぎに、前記した本実施形態の方法により弾性率を算出した例を、実施例として、図６～図１０をさらに参照して説明する。この実施例では、被写体（試料）として、アルミナ製の微小なマーカーを分散させた円柱状のアガロースを用いた。
　本実施形態では、検出部２４で検出したＸ線投影像からフィルター補正逆投影法（FBP法）により得たＣＴ再構成画像を、ステップＳＡ－３のＸ線投影像として用いる。再構成した結果を図６（ａ）～（ｃ）に示す。アガロース濃度０．９％のときのコロナル断面内の変位マップを図７に、アガロース濃度０．７％のときのコロナル断面内の変位マップを図８に示す。変位の方向を図中に示した。
　鉛直方向の変位から算出した貯蔵弾性率マップ（画素ごとの貯蔵弾性率）を図９に示す。図９（ａ）は図７の試料に対応し、図９（ｂ）は図８の試料に対応する。また、水平方向の変位から算出した貯蔵弾性率マップを図１０に示す。図１０（ａ）は図７の試料に対応し、図１０（ｂ）は図８の試料に対応する。
　なお、前記実施形態の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
１　被写体
２　位相コントラストＸ線光学系
２１　格子部
２１１　Ｇ１格子（第１の回折格子）
２１２　Ｇ２格子（第２の回折格子）
２２　線源
２３　シャッタ（チョッパ）
２４　検出部
３　振動部
３１　振動台
３２　ホース
３３　スピーカ
３４　アンプ
３５　データ取得モジュール
３６　制御コンピュータ
４　処理部
４１　変位量算出部
４２　弾性率算出部

Claims (3)

  1. 　被写体によるＸ線の屈折あるいは散乱を検出可能な位相コントラストＸ線光学系を用いており、
    　前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を画素ごとに検出する検出部とを有しており、
    　前記格子部は、第１の回折格子と、この第１の回折格子の自己像と平行となるように配置された第２の回折格子とを備えており、
    　さらに、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との相対的位置関係を保持しつつ、前記被写体を振動させながら、前記検出部により、前記Ｘ線の投影像を検出する工程と、
    　前記検出部で検出された前記Ｘ線の投影像における、前記振動による波の変位量に基づいて、前記被写体の弾性率を算出する工程と
    　を有する、弾性率算出方法。
  2. 　前記被写体は生体組織である
    　請求項1に記載の弾性率算出方法。
  3. 　被写体によるＸ線の屈折あるいは散乱を検出可能な位相コントラストＸ線光学系と、前記被写体を振動させる振動部と、処理部とを備えており、
    　前記位相コントラストＸ線光学系は、格子部と、この格子部及び前記被写体にＸ線を照射するための線源と、前記格子部及び前記被写体を通過した前記Ｘ線を画素ごとに検出する検出部とを有しており、
    　前記格子部は、第１の回折格子と、この第１の回折格子の自己像と平行となるように配置された第２の回折格子とを備えており、
    　さらに、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との相対的位置関係が保持されており、
    　前記振動部は、前記被写体を振動させるために、前記被写体に加振する構成となっており、
    　前記処理部は、
    　前記検出部で検出された前記Ｘ線の投影像における、前記振動による波の変位量に基づいて、前記被写体の弾性率を算出する構成となっている
    　弾性率算出装置。
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