WO2004058070A1 - X線撮像装置および撮像方法 - Google Patents

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    • G21K2207/005Methods and devices obtaining contrast from non-absorbing interaction of the radiation with matter, e.g. phase contrast

Definitions

  • the present invention relates to an X-ray imaging apparatus that uses an X-ray phase.
  • a Talbot interferometer In the visible light region, a Talbot interferometer is known, in which a Talpo effect is generated by a diffraction grating and Moire fringes are generated by using another diffraction grating together. This makes it possible to visualize the wavefront of visible light, that is, generate image contrast using phase.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances.
  • An object of the present invention is to provide a device capable of performing X-ray imaging using a phase of X-rays with a simple structure.
  • the X-ray imaging device includes first and second diffraction gratings. And an X-ray image detector, wherein the first diffraction grating is configured to generate a Talbot effect by the X-rays applied to the first diffraction grating, and the second diffraction grating The X-ray diffracted by the first diffraction grating is diffracted, and the X-ray image detector is configured to detect the X-ray diffracted by the second diffraction grating. It is.
  • the second diffraction grating diffracts X-rays diffracted by the first diffraction grating, thereby forming a front surface of the first diffraction grating, or a first diffraction grating and a second diffraction grating. It is possible to form an image contrast caused by a change in the phase of X-rays caused by an object placed between the detectors.
  • the X-ray image detector can detect X-rays that have produced this image contrast.
  • the first and second diffraction gratings may be of a transmission type.
  • the X-ray imaging apparatus may further include an X-ray source.
  • This X-ray source irradiates an X-ray image detector with X-rays via a first diffraction grating and a second diffraction grating.
  • the X-ray imaging apparatus may be arranged so that a subject can be arranged between an X-ray source and a first diffraction grating.
  • the ratio between the distance from the X-ray source to the i-th diffraction grating and the period in the first diffraction grating is the ratio of the distance from the X-ray source to the second diffraction grating and the period in the second diffraction grating. Can be set approximately equal to .
  • the first diffraction grating may be configured to give a phase modulation of about 80 ° to 100 ° to the irradiated X-ray.
  • the periods in the first and second diffraction gratings may be substantially equal to each other.
  • Moire fringes may be formed in the X-ray image detected by the X-ray image detector.
  • the first or second diffraction grating may be relatively rotatable, so that the interval between Moiré fringes may be adjusted.
  • the first and second diffraction gratings each include a diffraction member for diffracting the X-ray, wherein the diffraction member is extended in at least one direction, and the first or second diffraction grating is provided.
  • the diffraction grating may be movable along these diffraction grating surfaces and along a direction intersecting the diffraction member.
  • An X-ray imaging method of the present invention uses an X-ray source, first and second diffraction gratings, and an X-ray image detector, and further includes the following steps.
  • the X-ray image detector is diffracted by the second diffraction grating.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an X-ray imaging apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the first diffraction grating.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the second diffraction grating.
  • FIG. 4 is a side view of the X-ray imaging apparatus of FIG.
  • FIG. 5 is a diagram showing the experimental results of the X-ray Talpo effect in Experimental Example 1, and is a diagram when the distance from the diffraction grating to the measurement surface is 32 cm.
  • FIG. 6 is a diagram showing the experimental results of the X-ray Talpo effect in Experimental Example 1, and is a diagram when the distance from the diffraction grating to the measurement surface is 64 cm.
  • FIG. 7 is a diagram showing an experimental result of the X-ray Talpo effect in Experimental Example 1, and is a diagram when the distance from the diffraction grating to the measurement surface is 96 cm.
  • FIG. 8 is a diagram showing experimental results of the X-ray Talbot interferometer in Experimental Example 2.
  • FIG. 9 is a diagram showing a phase shift differential image obtained in Experimental Example 3.
  • FIG. 10 is a stereoscopic image obtained by tomography in Experimental Example 3. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • An X-ray source 1, a first diffraction grating 2, a second diffraction grating 3, and an X-ray image detector 4 are provided as main components (see FIG. 1).
  • the X-ray source 1 has “spatial coherence enough to generate a Talpo effect when the first diffraction grating 2 is irradiated with X-rays”.
  • the size of the X-ray emission point that is, the aperture diameter of the X-ray source
  • the spatial coherence at a position about 5 meters or more from the X-ray source is that. Equivalent to this.
  • the conditions for forming the Talbot interferometer by the X-ray source 1, the diffraction grating 2 and the diffraction grating 3 will be described later.
  • the first diffraction grating 2 includes a substrate 21 and a plurality of diffraction members 22 attached to the substrate 21 (see FIG. 2).
  • the substrate 21 is, for example, glass.
  • Each of the plurality of diffraction members 22 has a linear shape extending in one direction (the thickness direction of the paper surface in FIG. 2).
  • the interval between the plurality of diffraction members 22 that is, the period of the diffraction grating) d (see FIG. 2) is constant (that is, the diffraction members 22 are equally spaced).
  • gold can be used as a material of the plurality of diffraction members 22.
  • the diffractive member 22 constitutes a so-called phase type diffraction grating that gives a phase modulation of about 80 ° to 100 ° (ideally 90 °) to the irradiated X-ray. Preferably, there is. In other words, the diffractive member 22 changes the phase speed of the X-rays radiated on that part.
  • X-rays do not necessarily have to be monochromatic, and may have an energy width (that is, wavelength spectrum width) in a range that satisfies the above conditions.
  • the second diffraction grating 3 like the first diffraction grating 2, includes a substrate 31 and a diffraction member 32 (see FIG. 3).
  • the second diffraction grating 3 is configured to form an image contrast by diffracting the X-ray diffracted by the first diffraction grating 2.
  • the second diffraction grating 3 is desirably an amplitude type diffraction grating in which the diffraction member 32 is made thicker, but may be configured in the same manner as the first diffraction grating 2.
  • the X-ray image detector 4 detects X-rays that have produced image contrast. Since such a detector 4 may be the same as that used in a conventional X-ray imaging apparatus, a detailed description is omitted.
  • the coherence length 1 is as follows.
  • X X-ray wavelength (usually center wavelength)
  • a aperture diameter of the X-ray source in a direction substantially perpendicular to the diffraction member
  • the distance between the first diffraction grating 2 and the second diffraction grating 3 should almost satisfy the following condition, assuming that the first diffraction grating 2 is a phase type diffraction grating. .
  • n is an integer
  • d is the period of the lattice member.
  • This imaging apparatus is used in a state where a subject 10 (see FIGS. 1 and 4) is arranged between an X-ray source 1 and a first diffraction grating 2.
  • X-rays are emitted from the X-ray source 1 toward the first diffraction grating 2.
  • the irradiated X-rays pass through the first diffraction grating 2.
  • the first diffraction grating 2 generates a Talpo effect.
  • the Talpo effect means that when a plane wave passes through a diffraction grating, in the case of a phase type diffraction grating, a self-image of the diffraction grating is formed at a distance given by Expression (2).
  • the wavefront of the X-ray incident on the first diffraction grating 2 is distorted due to the phase shift of the X-ray due to the subject 10. Therefore, the self-image of the first diffraction grating 2 is deformed accordingly. Subsequently, the X-rays pass through the second diffraction grating 3. As a result, an image contrast can be generated for X-rays by superimposing the deformed self-image of the first diffraction grating 2 on the second diffraction grating 3.
  • the image contrast is generally a moire fringe, and can be detected by the X-ray image detector 4.
  • the generated moiré fringes are modulated by one subject.
  • the amount of modulation is proportional to the angle at which the X-ray is bent by the refraction effect of the subject 10. Therefore, by analyzing the moiré fringes detected by the X-ray image detector 4, the subject 10 and its internal structure can be detected.
  • the diffraction members of the first and second diffraction gratings 2 and 3 are arranged by being rotated by a small angle ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ around a virtual axis passing through the X-ray source and the X-ray image detector. It shall be. Depending on the size of 0, the interval of the generated moiré fringes changes. Assuming that there is no subject 10, the interval between moire fringes is given by d / ⁇ .
  • d is the period of the diffraction grating.
  • the moiré is preferable for observation.
  • the stripes can be adjusted.
  • the minute angle 0 is adjusted to be almost zero, moire fringes do not appear in portions other than the portion corresponding to the subject 10 (that is, in the non-modulated portion). As a result, in the obtained X-ray image, only the contrast due to the subject 10 appears.
  • the subject 10 is located between the X-ray source 1 and the diffraction grating 2 has been described, but the subject 10 is located between the diffraction grating 2 and the diffraction grating 3. Even in this case, the subject 10 deforms the self-image of the diffraction grating 2 generated at the position of the diffraction grating 3. Therefore, even in this case, the moiré fringes (image contrast) modulated by the subject 10 can be detected by the X-ray image detector 4 in substantially the same manner as in the above example. . That is, in the apparatus of the present embodiment, imaging when the subject 10 is located between the diffraction grating 2 and the diffraction grating 3 is also effective.
  • the apparatus of the present embodiment it is possible to realize X-ray imaging with a simple configuration for a subject that is difficult to observe by a general method that relies on contrast generation depending on the magnitude of X-ray absorption. There is an advantage.
  • X-ray used synchrotron radiation with a wavelength of 0.1 nm.
  • X-ray used synchrotron radiation with a wavelength of 0.1 nm.
  • the distance Z between the diffraction gratings 2 and 3 was set to 32 cm where the Talbot effect by the diffraction grating 2 appears.
  • a plastic sphere having a diameter of about 1 mm was used as the subject 10.
  • the subject 10 was placed between the X-ray source 1 and the first diffraction grating 2 and immediately before the first diffraction grating 2.
  • the first and second diffraction gratings are of the transmission type, but may be of the reflection type. However, since the amount of X-ray reflection is generally small, the transmission type is more efficient.
  • the periods of the first and second diffraction gratings 2 and 3 were uniform and the same, but this was larger than the distance Zi shown in FIG. It was possible to assume that the separation was large enough.
  • the ratio of the distance from the X-ray source 1 to the first diffraction grating 2 and the period in the first diffraction grating is determined by the distance from the X-ray source 1 to the second diffraction grating 3 and the second It is desirable to make the ratio substantially equal to the period of the diffraction grating 3.
  • the first diffraction grating has a configuration (phase-type grating) that gives a phase difference to the irradiated X-rays, but gives a difference in intensity to the X-rays.
  • phase-type grating phase difference to the irradiated X-rays
  • intensity diffraction grating Amplitude diffraction grating
  • the diffractive member may be configured to absorb X-rays.
  • the Talpo interferometer can be configured based on the principle described above.
  • the first and second diffraction gratings 2 and 3 have a plate shape, but may have a spherical shape.
  • the radiation source be a spherical surface having a center of curvature.
  • an image is acquired in a plurality of projection directions by rotating either the subject or the imaging system (the X-ray source, each diffraction grating, and the detector), and processing by tomography is performed on those images.
  • the subject and its internal structure can be three-dimensionally observed.
  • a three-dimensional image is formed by the refractive index distribution, and it is possible to depict a structure that is difficult to depict with conventional sensitivity.
  • Step 1 is a distribution image of the angle at which X-rays are bent by the refraction effect of the subject 10 (hereinafter referred to as “Moire fringe image”) from the X-ray image detected by the X-ray image detector 4 (hereinafter, “Moire fringe image”).
  • Phase shift differential image is to obtain an image (hereinafter referred to as “phase shift image”) that represents the phase shift itself by integrating the phase shift differential image.
  • Step 3 is to reconstruct a stereoscopic image by tomography using the phase shift images obtained in multiple projection directions.
  • Step 1 uses the stripe scanning method.
  • one of the diffraction gratings 2 or 3 is translated relative to the other.
  • the translation direction is a direction substantially parallel to the plane of the diffraction grating to be moved and substantially perpendicular to the diffraction member. Therefore, when tomography is performed by the apparatus of the present embodiment, it is preferable that the apparatus of the present embodiment further include a moving mechanism for moving the first diffraction grating 2 or the second diffraction grating 3.
  • the moire fringes move with the translation of the diffraction grating, and when the translation distance reaches one period of the diffraction grating, the moire fringe image returns.
  • the fringe scanning method records a change in the moiré fringe image while translating it by an integral number of one period, and then processes them to obtain a phase-shift differential image ⁇ ( ⁇ ,. jr) is the coordinates indicating the position of the pixel, where the above translation amount is ⁇ and the moire fringe image J (x, is generally
  • I (x, y) AQ cos --- (x, y) + Z ⁇ (x, y) + ⁇
  • ( ⁇ , represents the contribution of contrast generated independently of the subject due to the distortion, fabrication error, and placement error of the diffraction grating.
  • D is the period of the diffraction grating to be translated, and Z] L is The distance between the diffraction grating 2 and the diffraction grating 3.
  • a plastic sphere having a diameter of about 1 mm (identical to the example in FIG. 8) was used as the subject 10.
  • Figure 9 clearly shows the phase shift differential image, including the bubbles contained inside the plastic sphere.
  • phase shift image ⁇ ( ⁇ , is given by integrating ⁇ ( ⁇ , along the X axis. This is step 2.
  • phase shift image ⁇ ( ⁇ , 3 ⁇ ) is defined as n (x, y, z)
  • the z-axis is the direction in which the X-rays travel.
  • Tomography is a technique for reconstructing a three-dimensional image of a subject from projection images that are two-dimensional images when they can be obtained from multiple projection directions. Since the phase shift image &, corresponds to the projected image of ln (x, jr, z), if a phase shift distribution image can be obtained from a plurality of projection directions, a stereoscopic image showing ii (x, y, z) will be reproduced. Is configured (step 3). Steps 2 and 3 may be performed at the same time.
  • FIG. 10 shows the result of reconstructing a three-dimensional image using the above procedure for the plastic sphere of FIG. The example of FIG. 10 is the result of rotating the plastic sphere by 0.72 °, acquiring 250 images corresponding to FIG. 9, and reconstructing using these images. To show the inside of the plastic sphere, a part was processed by computer processing Excluded.
  • the structure of the diffraction grating may be, for example, a structure in which diffraction members are attached to both surfaces of a flat plate, thereby forming first and second diffraction members.
  • a diffraction grating may be constructed by alternately laminating a large number of two types of films or foils having different refractive indexes (or absorptivity), and cutting them in the thickness direction of the film or foil.
  • the configuration including the X-ray source 1 is adopted, but a device without the X-ray source 1 may be used. In this case, it can be combined with an X-ray source at the time of use.
  • the descriptions of the above-described embodiments and examples are merely examples, and do not show configurations essential to the present invention.
  • the configuration of each unit is not limited to the above as long as the purpose of the present invention can be achieved.
  • the components in each of the above-described embodiments need only exist as functional components, and may be integrated with other components as devices or components, and one component may be realized by a plurality of components. It may be.
  • Industrial potential for example, the components in each of the above-described embodiments need only exist as functional components, and may be integrated with other components as devices or components, and one component may be realized by a plurality of components. It may be.
  • an apparatus capable of performing X-ray imaging using a phase of X-rays with a simple structure can be provided.

Abstract

 この発明は、簡便な構造でX線撮像が可能な装置を提供するものである。 この装置においては、まず、X線源1と第1の回折格子2との間に被検体10を配置する。ついで、X線源1から第1の回折格子2に向けてX線を照射する。照射されたX線は、第1の回折格子2を通過する。このとき、第1の回折格子2では、タルボ効果を生じる。ここで、被検体10によるX線の位相のずれがあるので、第1の回折格子2の自己像は、それに依存して変形している。続いて、X線は、第2の回折格子3を通過する。その結果、上記の変形した第1の回折格子2の自己像と第2の回折格子3との重ね合わせにより、X線に、一般的にはモアレ縞となる画像コントラストを生成することができる。生成したモアレ縞をX線画像検出器4により検出することができる。生成されたモアレ縞は、被検体10により変調を受けている。したがって、検出されたモアレ縞を解析することにより、被検体10およびその内部の構造を検出することができる。

Description

明 細 書
X線撮像装置およぴ撮像方法 技術分野
本発明は、 X線の位相を利用する X線撮像装置に関するものである。 背景技術
可視光の領域では、 回折格子によりタルポ効果を生じさせ、 さらにもう一枚の 回折格子を併用してモアレ縞を生成させるタルボ干渉計が知られている。 これに よって、 可視光の波面の可視化、 すなわち位相を利用した画像コントラストの生 成ができる。
一方、 X線の領域でも位相を用いた X線撮像装置が研究開発されており、 例え ば特開平 1 0— 2 4 8 8 3 3号公報記載の文献が知られている。 しかしながら、 この技術では、 装置構成が複雑、 あるいは、 シンクロ トロン放射光という巨大な X線源が必要、 という不都合があった。 発明の開示
本発明は、 前記の事情に鑑みてなざれたものである。 本発明の目的は、 簡便な 構造により、 X線の位相を利用した X線撮像が可能な装置を提供することである 本発明の X線撮像装置は、 第 1およぴ第 2の回折格子と、 X線画像検出器とを 備え、 前記第 1の回折格子は、 この第 1の回折格子に照射された X線によりタル ボ効果を生じる構成となっており、 前記第 2の回折格子は、 前記第 1の回折格子 により回折された前記 X線を回折する構成となっており、 前記 X線画像検出器は 、 前記第 2の回折格子により回折された前記 X線を検出する構成となっているも のである。
前記第 2の回折格子が、 前記第 1の回折格子により回折された X線を回折する ことにより、 第 1の回折格子の前面、 あるいは、 第 1の回折格子と第 2の回折格 子の間に配置された被検体による X線の位相変化に起因する画像コントラストを 形成できる。 X線画像検出器は、 この画像コントラストを生じた X線を検出する ことができる。
前記第 1および第 2の回折格子は、 透過型のものとすることができる。
前記 X線撮像装置は、 さらに X線源を備えてもよい。 この X線源は、 第 1の回 折格子おょぴ第 2の回折格子を介して X線画像検出器に X線を照射するものであ る。
前記 X線撮像装置は、 X線源と第 1の回折格子との間に被検体を配置できるよ う.になっていてもよい。
X線源から第 iの回折格子までの距離と、 第 1の回折格子における周期との比 を、 X線源から第 2の回折格子までの距離と、 第 2の回折格子における周期との 比にほぼ等しく設定することができる。 .
第 1の回折格子は、 照射された X線に対して約 8 0 ° 〜1 0 0 ° の位相変調を 与える構成となっていてもよい。
前記第 1およぴ第 2の回折格子における周期を互いにほぼ等しくしてもよい。 前記 X線画像検出器で検出される X線の画像に、 モアレ縞が形成されていても よい。
前記第 1または第 2の回折格子を、 相対的に回転可能とし、 これにより、 モア レ縞の間隔を調整可能としてもよい。
前記第 1およぴ第 2の回折格子が、 それぞれ、 前記 X線を回折させる回折部材 を備え、 前記回折部材が、 少なくとも一方向に延長され、 前記第 1の回折格子ま たは第 2の回折格子が、 これらの回折格子面に沿い、 かつ、 前記回折部材に交差 する方向に沿って移動可能とされていてもよい。
本発明の X線撮像方法は、 X線源と、 第 1およぴ第 2の回折格子と、 X線画像 検出器とを用い、 さらに、 以下のステップを備える。
( 1 ) 前記 X線源と前記第 1の回折格子との間、 または、 前記第 1の回折格子と 前記第 2の回折格子との間に被検体を配置するステップ;
( 2 ) 前記 X線源から前記第 1の回折格子に向けて X線を照射するステップ; ( 3 ) 前記第 1の回折格子により回折されてタルボ効果を生じた前記 X線が前記 第 2の回折格子に照射されるステップ;
( 4 ) 前記第 2の回折格子より、 前記第 1の回折格子で回折された前記 X線が回 折されるステップ;
( 5 ) 前記 X線画像検出器が、 前記第 2の回折格子により回折された.前記 X線を 検出' 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の一実施形態に係る X線撮像装置の概略的な構成を示す説明図 である。
図 2は、 第 1の回折格子の断面図である。
図 3は、 第 2の回折格子の断面図である。
図 4は、 図 1の X線撮像装置の側面図である。
図 5は、 実験例 1における X線タルポ効果の実験結果を示す図であり、 回折格 子から測定面までの距離が 3 2 c mの時の図である。
図 6は、 実験例 1における X線タルポ効果の実験結果を示す図であり、 回折格 子から測定面までの距離が 6 4 c mの時の図である。
図 7は、 実験例 1における X線タルポ効果の実験結果を示す図であり、 回折格 子から測定面までの距離が 9 6 c mの時の図である。
図 8は、 実験例 2における X線タルポ干渉計の実験結果を示す図である。 図 9は、 実験例 3において得られた位相シフト微分像を杀す図である。
図 1 0は、 実験例 3におけるトモグラフィで得られた立体画像である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の一実施形態に係る X線撮像装置を以下に説明する。 この撮像装置は、
X線源 1と、 第 1の回折格子 2と、 第 2の回折格子 3と、 X線画像検出器 4とを 主要な構成として備えている (図 1参照)。 X線源 1は、 「第 1の回折格子 2に X 線を照射したとき、 タルポ効果を発生させうるだけの空間的干渉性」 を有するも のとする。例えば、 「X線の発光点のサイズ(つまり X線源の開口径) を 3 0ミク 口ン程度とし、 その X線源から約 5メートル以上の位置での空間的干渉性」 がそ れに相当する。 X線源 1、 回折格子 2および回折格子 3によってタルボ干渉計が 構成される条件は後述する。
第 1の回折格子 2は、 基板 2 1と、 この基板 2 1に取り付けられた複数の回折 部材 2 2とを備えている (図 2参照)。 基板 2 1は、 例えばガラスである。 複数の 回折部材 2 2は、 いずれも一方向 (図 2中紙面の厚さ方向) に延びる線状とされ ている。 複数の回折部材 2 2どうしの間隔 (つまり回折格子の周期) d (図 2参 照) は、 この実施形態では、 一定 (つまり回折部材 2 2どうしは等間隔) とされ ている。 複数の回折部材 2 2の素材としては、 例えば金を用いることができる。 ' 回折部材 2 2としては、 照射される X線に対して約 8 0 ° 〜1 0 0 ° (理想的に は 9 0 ° ) の位相変調を与える、 いわゆる位相型回折格子を構成するものである ことが好ましい。 つまり、 回折部材 2 2は、 その部分に照射された X線の位相速 度を変化させていることになる。 X線はかならずしも単色である必要はなく、 上 記条件を満たす範囲のエネルギー幅 (つまり波長スペク トル幅) を有しても構わ ない。
第 2の回折格子 3は、 前記第 1の回折格子 2と同様に、 基板 3 1と回折部材 3 2とを備えている (図 3参照)。 第 2の回折格子 3は、第 1の回折格子 2により回 折された X線を回折することにより、 画像コントラストを形成する構成となって いる。 第 2の回折格子 3については、 回折部材 3 2をより厚くした振幅型回折格 子であることが望ましいが、 第 1の回折格子 2と同様に構成することも可能であ る。
X線画像検出器 4は、 画像コントラストを生じた X線を検出するものである。 このような検出器 4は、 従来の X線撮像装置に使われているものと同様でよいの で、 詳細な説明を省略する。
次に、第 1 ·第 2の回折格子 2 · 3がタルポ干渉計を構成する条件を説明する。 まず、 可干渉距離 1は、 次のようになる。
1 =—— ^ ~~ ( 1 )
al{L + Zl + Z,) ここで、
X : X線の波長 (通常は中心波長)、 a :回折部材にほぼ直交する方向における X線源の開口径、
L : X線源から第 1の回折格子までの距離 (図 4参照)、
:第 1の回折格子から第 2の回折格子までの距離、
Z 2:第 2の回折格子から検出器までの距離
でめる
また、 第 1の回折格子 2と第 2の回折格子 3との距離 ェは、 第 1の回折格子 2が位相型回折格子であることを前提にすれば、 次の条件をほぼ満たさねばなら ない。
ただし mは整数、 dは前記した格子部材の周期である。 ここで、 l = a dとす ると、 式 (1 ) における αは、 a >5 (m+l/2)であることが望ましい。
つぎに、 本実施形態の X線撮像装置の動作について説明する。
この撮像装置は、 X線源 1と第 1の回折格子 2との間に被検体 1 0 (図 1およ び図 4参照) を配置した状態で使用する。 ついで、 X線源 1から第 1の回折格子 2に向けて X線を照射する。 すると、 照射された X線は、 第 1の回折格子 2を通 過する。 このとき、 第 1の回折格子 2では、 タルポ効果を生じる。 ここで、 タル ポ効果とは、 平面波が回折格子を通過したとき、位相型回折格子の場合、 式 (2 ) で与えられる距離において回折格子の自己像を形成することである。 今の場合、 被検体 1 0による X線の位相のずれがあるので、 第 1の回折格子 2に入射する X 線の波面が歪んでいる。 したがって、 第 1の回折格子 2の自己像はそれに依存し て変形している。 続いて、 X線は、 第 2の回折格子 3を通過する。 その結果、 上 記の変形した第 1の回折格子 2の自己像と第 2の回折格子 3との重ね合わせによ り、 X線に画像コントラストを生成することができる。 画像コントラストは一般 にモアレ縞となっており、 X線画像検出器 4により検出することができる。 生成 されたモアレ縞は、 被検体 1ひにより変調を受けている。 その変調量は、 被検体 1 0による屈折効果によって X線が曲げられた角度に比例している。したがって、 X線画像検出器 4で検出されたモアレ縞を解析するこ.とにより、 被検体 1 0およ ぴその内部の構造を検出することができる。 なお、 第 1または第 2の回折格子 2 · 3の回折部材が、 X線源と X線画像検出 器を通る仮想的な軸のまわりに相対的に微小角 Θだけ回転して配置してあるとす る。 0の大きさによって、 発生するモアレ縞の間隔が変わる。 被検体 1 0が無い とすると、 モアレ縞の間隔は d/ θで与えられる。 ここで dは回折格子の周期であ る。 微小角 0を変えるための機構 (例えば、 第 1の回折格子 2および第 2の回折 格子 3の一方を他方に対して相対的に回転させる機構) を備えれば、 観察に好ま しいようにモアレ縞を調整することが可能となる。 また、 微小角 0をほぼゼロに なるように調整すれば、 被検体 1 0に対応する部分以外では (つまり非変調部分 では) モアレ縞は現れない。 その結果、 得られた X線画像では、 被検体 1 0によ るコントラストのみが現れる。
また、 前記の例では、 被検体 1 0が X線源 1と回折格子 2との間に位置する場 合を説明したが、 被検体 1 0が回折格子 2と回折格子 3の間に位置する場合であ つても、 回折格子 3の位置に生成される回折格子 2の自己像が被検体 1 0により 変形する。 したがって、 この場合でも、 X線画像検出器 4により、 前記の例と本 質的に同様に、 被検体 1 0に起因して変調'されたモアレ縞 (画像コントラス ト) を検出することができる。 すなわち、 本実施形態の装置では、 被検体 1 0が回折 格子 2と回折格子 3の間に位置する場合の撮像も有効である。
本実施形態の装置によれば、 X線の吸収の大小にコントラスト生成を頼る一般 的方法では観察しにくい被検体に对して、 簡便な構成によつて X線撮像を実現す ることができるという利点がある。
(実験例 1 )
X線を回折格子に照射することによってタルポ効果を生じさせた実験例 1を示 す。
(実験条件)
使用 X線:,波長 0. 1 nmのシンクロ トロン放射光。
回折格子:厚さ 150ミクロンのガラス板上に、 厚さ約 1ミクロンの金のパター ンを周期 d = 8 ミクロンで形成したもの。
位相型回折格子でタルポ効果が発生する条件は Z = (m+i)—
2 λ
であるので、 まず m=0のときに対応して、 第 1の回折格子 2から検出面までの距 離 Zが 3 2 c mのとき、 回折格子の自己像が形成されるはずである。 そこで、 距 離 Zが 3 2 c mの位置に高解像度の X線画像検出器を配置し、 画像を記録した。 その結果が図 5である。 同様に、 距離 Zが 6 4 c mのときは上の条件から最もは ずれるので、 自己像が不明瞭になった (図 6 )。 距離 Zが 9 6 c mのとき、 m=lの 場合に相当し、 回折格子の自己像が再び形成された (図' 7 )。 これにより、 タルポ 効果の発生が示された。
本実験例 1では、 自己像を直接観察する目的があつたために高解像度の X線画 像検出器を使用したが、 タルポ干渉計として使用するときはモアレ縞が観察でき ればよいので、 必ずしも高解像度の X線画像検出器は必要としない。
(実験例 2 )
ここで X線タルポ効果を利用した本実施形態の実験例 2を示す。
(実験条件)
使用 X線:波長 0 . 1 n mのシンクロ トロン放射光。
回折格子 2 :厚さ 1 5 0ミクロンのガラス板上に、 厚さ約 1ミクロンの金のパタ ーンを周期 d == 8ミクロンで形成したもの。
回折格子 3 :厚さ 1 5 0ミクロンのガラス板上に、 厚さ約 8ミクロンの金のパタ ーンを周期 d = 8ミクロンで形成したもの。
回折格子 2および 3の間隔 Zェを、 回折格子 2によるタルボ効果が現れる 3 2 c mとした。 被検体 1 0として直径約 1 mmのプラスチック球を用いた。
被検体 1 0は、 X線源 1と第 1の回折格子 2との間であって、 かつ、 第 1の回 折格子 2の直前に配置した。
この状態で、 X線源から照射された X線を、 回折格子 3の直後に配置された X 線画像検出器 4により検出した。 その結果、 図 8に示される画像を得ることがで きた。 この実験では、 0 = 0 ° になるように調整したので、 モアレ縞はほぼ発生 しておらず、 被検体としてのプラスチック球による位相のずれに対応するコント ラストだけが現れている。 この実験例では、 球おょぴその内部に存在する気泡が 明瞭に捉えられている。
なお、 前記実験例 2では、 第 1およぴ第 2の回折格子を透過型としたが、 反射 型でもよい。 ただし、 X線の反射量は一般に少ないので、 透過型のほうが効率が よい。
また、 前記実験例 2では、 第 1 ·第 2の回折格子 2 · 3における周期を一様且 つ同じとしたが、 これは、 図 1に示す距離 Z iに比べて、 X線源までの^離 が 十分に大きいという仮定が可能であったからである。 一般的には、 X線源 1から 第 1の回折格子 2までの距離と第 1の回折格子における周期との比を、 X線源 1 から第 2の回折格子 3までの距離と第 2の回折格子 3における周期との比にほぼ 等しくするのが望ましい。
さらに、 前記実験例 2では、 第 1の回折格子が、 照射された X線に対して位相 差を与える構成 (位相型回圻格子) となっているが、 X線に対して強度差を与え る構成 (振幅型回折格子) であってもよい。 この場合、 回折部材が X線を吸収す る構成とすればよい。 この場合でも、 前記した原理でタルポ干渉計を構成できる
、また、 前記実験例 2では、 第 1およぴ第 2の回折格子 2および 3を平板状とし ているが、 球面状としてもよい。 この場合、 線源を曲率中心とする球面とするこ とが好ましい。
また、 前記実施形態においては、 被検体または撮像系 (,镍源と各回折格子と検 出器) のいずれかを回転させて複数の投影方向で画像を取得し、 それらにトモグ ラフィによる処理を施すことにより、 被検体およびその内部の構造を立体的に観 察することもできる。 なお、 この場合、 従来のトモグラフィと異なり、 屈折率分 布により立体像が形成されることになり、 従来の の感度では描出し にくい構造を描出することが可能となる。
(実験例 3 )
ここで、 本実施形態に係る装置を用いた の実験例を示す。
(実験条件)
実験例 3の実験条件は、 実験例 2と同一である( 本実施形態を用いたトモグラフィでは、 つぎの三つの手順が必要となる。 手順
1は、 X線画像検出器 4により検出された X線画像 (以下 「モアレ縞画像」 とい う) から、 「被検体 1 0による屈折効果によって X線が曲げられる角度の分布像」 (以下 「位相シフト微分像」 という) への変換である。 手順 2は、 位相シフト微 分像を積分することにより、位相のずれそのものを表す像(以下「位相シフト像」 という) を取得することである。 手順 3は、 複数の投影方向で得られる位相シフ ト像を用いて、 トモグラフィにより立体像を再構成することである。
手順 1には、 縞走查法を用いる。 この方法では、 回折格子 ·2あるいは 3の一方 を、 他方に対して相対的に並進移動させる。 並進方向は、 移動させる回折格子の 面にほぼ平行であり、 かつ、 回折部材にほぼ垂直な方向である。 したがって、 本 実施形態の装置により トモグラフィを行う場合は、 第 1の回折格子 2または第 2 の回折格子 3を移動させる移動機構を本実施形態の装置にさらに備えることが好 ましい。
回折格子の並進移動に伴って、 モアレ縞は移動し、 並進距離が回折格子の 1周 期に達すると、 モアレ縞画像は元に戻る。 縞走查法は、 モアレ縞画像の変化を 1 周期の整数分の 1ずつ並進させながら記録し、 それらを演算処理することにより 位相シフト微分像 φ(χ, を得るものである。 (x,jr)は画素の位置を示す座標である。 上記並進移動量を ξとして、 モアレ縞画像 J(x, は一般的に
I(x, y) = AQ cos —- { x, y) + Z^(x, y) +ξ
a ( 3 )
k>Q で与えられる。 ここで ( = 0, 1, ···)は、 回折格子の形状により決まる定数で ある。 Δ(χ, は、 回折格子の歪、 製作誤差、 および配置誤差によって被検体とは 関係なく発生するコントラストの寄与を表すものである。 d は、 並進移動させる 回折格子の周期、 Z]Lは、 回折格子 2と回折格子 3の間隔である。 今、 ξ をステツ プ舰 (Μ:整数) で変化させながら Μ枚のモアレ縞画像を取得するとする。 式 ( 3 ) において έ > JSTの項が十分小さく無視できるとすれば、 M > JV+1を満たす ように Mを選べば M
が満たされる。 arg[ ]は偏角の抽出を意味する。 JP(x, は、 ξ = pd/Mとしたとき の式(3 ) の値である。 dおよび は既知であり、 A(x,y)は被検体が無いとき (す なわち φ(χ, = 0) に同様の測定を行って予め求めることができる。 したがって、 以上より (p(x,y)を得ることができる。
第 2の回折格子 3を M=5 で並進させて取得した画像から得られた位相シフト 微分像 q xj)を図 9に示す。被検体 1 0には、直径約 1 mmのプラスチック球(図 8の例と同一) を用いた。 図 9には、 プラスチック球の内部に含まれていた気泡 も含めて、 位相シフト微分像が良く描出されている。
位相シフト像 Φ(χ, と位相シフト微分像 φ(χ, とは
2π ox
で関係付けられる。 ここで xは、 上記縞走查法により回折格子を並進移動させる 方向にあたる。 これより、位相シフト像 Φ(χ, は、 φ(χ, を X軸に沿って積分する ことにより与えられる。 これが手順 2である。
位相シフト像 Φ(χ,3τ)は、 被検体の屈折率分布を n(x,y,z)として
で与えられる。 ここで z軸は、 X線が進む方向である。 トモグラフィは、 二次元 画像である投影像を複数の投影方向から取得できる場合に、 それらから被検体の 三次元像を再構成する技術である。 位相シフト像 &, は、 l-n(x,jr,z)の投影像に あたるので、複数の投影方向から位相シフト分布像が得られれば、 ii(x,y,z)を示す 立体像が再構成される (手順 3 )。 なお、手順 2と手順 3は一括して同時に行って もよレ、。 図 9のプラスチック球について、 前記の手順を用いて立体画像を再構成 した結果を図 1 0に示す。 図 1 0の例は、 プラスチック球を 0 . 7 2 ° ずつ回転 して、 図 9にあたる画像を 2 5 0枚取得し、 これらの画像を用いて再構成した結 果である。 プラスチック球の内部を示すために、 コンピュータ処理により一部を 除いて表示している。
なお、 このような撮像手法は、 手順 3まで進まなくては意味が無いものではな く、前記した実施形態の X線画像検出器 4により直接得られた画像(生画像)、位 相シフト微分像 φ(χ, 、および位相シフト像 Φ(χ,3τ)のいずれも、撮像の目的に応じ て十分に利用できるものである。
また、 前記実施形態では、 第 1および第 2の回折格子として基板に回折部材を 取り付けた構造を示したが、 この構造には限定されない。 回折格子の構造として は、 例えば、 平板の両面に回折部材を取り付け、 これにより、 第 1及び第 2の回 折部材とする構成でもよい。 さらには、 屈折率 (または吸収率) が異なる二種類 のフィルムあるいは箔を交互に多数積層し、 それをフィルムあるいは箔の厚さ方 向に切ることで回折格子を構成しても良い。
また、 前記実施形態では、 X線源 1を含む構成'としたが、 X線源 1が無い装置 としてもよい。 この場合は、 使用時において、 X線源と組み合わせればよい。 なお、 前記実施形態および実施例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。
たとえば、 前記した各実施形態における構成要素は、 機能要素として存在して いればよく、 装置または部品としては、 他の要素と統合されていてもよく、 また 、 複数の部品によって一つの要素が実現されていてもよい。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 簡便な構造で X線の位相を利用した X線撮像が可能な装置を 提供することができる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 第 1および第 2の回折格子と、 X線画像検出器とを備え、前記第 1の回折格 子は、 この第 1の回折格子に照射された X線によりタルポ効果を生じる構成とな つており、 前記第 2の回折格子は、 前記第 1の回折格子により回折された前記 X 線を回折する構成となっており、 前記 X線画像検出器は、 前記第 2の回折格子に より回折された前記 X線を検出する構成となっていることを特徴とする X線撮像
2 . 前記第 1および第 2の回折格子は透過型のものであることを特徴とする請 求項 1記載の X線撮像装置。
3 . さらに X線源を備え、前記 X線源は、前記第 1の回折格子および前記第 2の 回折格子を介して前記 X線画像検出器に X線を照射するものであることを特徴と する請求項 1または 2に記載の X線撮像装置。
4 . さらに、前記 X線源と前記第 1の回折格子との間に被検体を配置できるよう になっていることを特徴とする請求項 3記載の X線撮像装置。
5 . 前記 X線源から前記第 1の回折格子までの距離と前記第 1の回折格子にお ける周期との比は、 前記 X線源から前記第 2の回折格子までの距離と前記第 2の 回折格子における周期との比にほぼ等しいことを特徴とする請求項 3または 4に 記載の X線撮像装置。
6 . 前記第 1の回折格子は、照射された X線に対して約 8 0 ° 〜1 0 0 ° の位相 変調を与える構成となっていることを特徴とする請求項 1〜 5のいずれか 1項記 載の X線撮像装置。 '
7 . 前記第 1およぴ第 2の回折格子における周期は互いにほぼ等しいことを特 徴とする請求項 1〜 4のいずれか 1項記載の X線撮像装置。
8 . 前記 X線画像検出器で検出される X線の画像には、モアレ縞が形成されてい ることを特徴とする請求項 1〜 7のいずれか 1項に記載の X線撮像装置。
9 . 前記第 1または第 2の回折格子は、相対的に回転可能とされており、 これに より、 前記モアレ縞の間隔が調整可能となっていることを特徴とする請求項 8に 記載の X線撮像装置。
1 0 . 前記第 1の回折格子と前記第 2の回折格子との間に被検体を配置できる ようになっていることを特徴とする請求項 1〜 9のいずれか 1項に記載の X線撮
1 1 . 前記第 1および第 2の回折格子は、それぞれ、前記 X線を回折させる回折 部材を備えており、 前記回折部材は、 少なくとも一方向に延長されており、 前記 夢 1の回折格子または第 2の回折格子は、 これらの回折格子面に沿い、 かつ、 前 記回折部材に交差する方向に沿って移動可能とされていることを特徴とする請求 項 1〜 1 0のいずれか 1項に記載の X線撮像装置。
1 2 . X線源と、第 1および第 2の回折格子と、 X線画像検出器とを用い、 さら に、 以下のステップを備える X線撮像方法;
( 1 ) 前記 X線源と前記第 1の回折格子との間、 または、 前記第 1の回折格子と 前記第 2の回折格子との間に被検体を ffi置するステップ;
( 2 ) 前記 X線源から前記第 1の回折格子に向けて X線を照射するステップ;
( 3 ) 前記第 1の回折格子により回折されてタルポ効果を生じた前記 X線が前記 第 2の回折格子に照射されるステップ;
( 4 ) 前記第 2の回折格子より、 前記第 1の回折格子で回折された前記 X線が回 折されるステップ;
( 5 ) 前記 X線画像検出器が、 前記第 2の回折格子により回折された前記 X線を 検出'
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