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JPH09187455A - 位相型ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

位相型ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number
JPH09187455A
JPH09187455A JP8002048A JP204896A JPH09187455A JP H09187455 A JPH09187455 A JP H09187455A JP 8002048 A JP8002048 A JP 8002048A JP 204896 A JP204896 A JP 204896A JP H09187455 A JPH09187455 A JP H09187455A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ray
crystal
phase
image
distribution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP8002048A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsushi Momose
敦 百生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP8002048A priority Critical patent/JPH09187455A/ja
Priority to KR1019960071160A priority patent/KR100218080B1/ko
Priority to DE69635155T priority patent/DE69635155T2/de
Priority to AU76526/96A priority patent/AU688701B2/en
Priority to EP96120999A priority patent/EP0784202B1/en
Priority to US08/780,572 priority patent/US5715291A/en
Publication of JPH09187455A publication Critical patent/JPH09187455A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B6/00—Apparatus or devices for radiation diagnosis; Apparatus or devices for radiation diagnosis combined with radiation therapy equipment
    • A61B6/48—Diagnostic techniques
    • A61B6/484—Diagnostic techniques involving phase contrast X-ray imaging
    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【課題】Ｘ線干渉計を用いない位相型Ｘ線ＣＴ。 【解決手段】Ｘ線源、単色器、被写体、角度アナライザ
結晶、Ｘ線イメージセンサ、駆動系、及び、画像処理系
からなり、Ｘ線が被写体を透過することで発生するビー
ムの屈折角の分布を調べ、Ｘ線の位相分布を決定し、位
相による三次元像を再生する機能を果たす。 【効果】Ｘ線干渉計を使わずに位相分布が決定でき、装
置構成が比較的単純になった。大視野の確保が容易であ
る等、実用性に優れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はＸ線を用いて物体内
部を非破壊的に三次元観察するためのもので、特に、吸
収コントラストに頼る従来法では感度不足である軽元素
で構成されている被写体が対象となる。有機材料の検査
機器や医療診断装置に利用が可能である。
【０００２】
【従来の技術】従来のＸ線透過像撮像システムにおい
て、得られる像のコントラストは被写体によるＸ線の吸
収の大小によっている。即ち、吸収が大きい重元素が密
な領域があると、その部分のＸ線透過率が小さくなり、
暗い影として像中に捉えることができる。逆に、軽元素
からなる有機物は、Ｘ線に対して透明であり、像コント
ラストは得難い。従って、例えばＸ線の医療診断画像を
取得する際、生体軟部組織（臓器や腫瘍、血管等）を観
察するために、重元素を造影剤として注入して、コント
ラストを強調する方法が取られている。しかし、調べた
い全ての観察部位に造影手法が適用できるわけではな
く、また、造影処理が身体に悪影響を及ぼす場合もあ
る。三次元内部観察手法であるＸ線ＣＴでも、像コント
ラストに関する上の問題は同様に存在している。
【０００３】一方、Ｘ線の吸収ではなく、位相コントラ
ストに依存した撮像法がある。Ｘ線吸収の相互作用断面
積より、位相シフトの断面積が軽元素に対して約千倍大
きいため、位相コントラスト撮像法を用いて、従来より
千倍感度に優れた観察ができる。このことは生体軟部組
織を特別な造影処理を施さずに観察できることを示して
おり、実験的に証明されている。また、造影剤を使用す
るとしても、造影剤、造影手法を幅広く選択できるの
で、機能イメージング等の特殊な目的にも対応し易くな
る。
【０００４】本発明に深く関係する技術に、三次元観察
を可能とするＸ線ＣＴにこの位相コントラストを導入し
た位相型Ｘ線ＣＴ装置が考案されている。装置構成は百
生他：「位相型トモグラフィ装置」（特開平04-34826
2）、生体組織の観察例はA. Momose, et al., Rev. Sc
i. Instrum. 66 (1995) 1434に記載がある。この手法
は、Ｘ線干渉計を用い、干渉図形から仮想的な断面にお
ける像を再生するもので、直径数ミリの被写体で観察例
が示されている。しかし、医療診断への実用化には到達
していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記位相型
Ｘ線ＣＴを、Ｘ線干渉計を使用しない簡便な方式で提供
することを目的としている。前記のＸ線干渉計を用いる
方式は、（１）干渉性を確保するために、Ｘ線ビームの
エネルギー幅を狭くして、高い単色度を得なくてはなら
ず、シンクロトロン放射光のような、明るい光源を使用
しなくてはならない、（２）精密光学系を必要とするの
で、扱いが難しい、（３）実用に見合う広い視野を確保
するための技術が確立されていない、といった問題があ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】位相コントラストによる
Ｘ線ＣＴは、入力データとして、Ｘ線の位相分布を必要
とする。前記、Ｘ線干渉計を用いる方法では、干渉図形
から演算により位相分布を取得していたが、本手法で
は、Ｘ線干渉計を用いず、以下の方法で位相分布を決定
する。
【０００７】図１に示すように、被写体１にＸ線２が照
射されるとする。被写体１は強いＸ線吸収は示さず（吸
収コントラストでは濃淡がつき難い）、透過Ｘ線３が得
られるとする。被写体１による位相シフトのために、Ｘ
線２の波面２’（ここでは簡単のために、Ｘ線２は平面
波であるとする）がＸ線３の波面３’のように変化する
とする。 位相シフトφ（ｘ）は波面形状の変化量に相
当するので、位相シフトφ（ｘ）を計測すると言うこと
は、波面形状を計測すると言うことに対応する。尚、以
下の議論は、簡単のためにｘ軸上の波面形状に注目した
ものとするが、後に、ｘ−ｙ平面での議論に拡張する。
【０００８】単純にＸ線３の強度分布を計測するだけで
は、波面形状に関する情報（位相情報）は失われる。前
記、Ｘ線干渉計を用いる方法では、物体の透過Ｘ線に参
照Ｘ線を重ねあわせて、発生する干渉図形から波面形状
を決定していた。本発明では図１のようにアナライザ結
晶４を使用して、波面形状を決定する。Ｘ線は波面に垂
直な方向に伝播するので、波面が図１のように曲がると
言うことは、ビームが屈折されて伝播方向を変えたと理
解することもできる。従って図１の場合、点Ａ、Ｂ、Ｃ
で波面の勾配に応じてそれぞれ微妙に伝播方向が違う。
今、アナライザ結晶４を点ＡのＸ線に対して、ブラッグ
回折条件を満たすように入射角を設定したとする。アナ
ライザ結晶４の回折指数を、回折角度幅が十分に狭くな
るように選び、点Ｂ、ＣのＸ線はアナライザ結晶４で反
射されないとする。このとき、Ｘ線イメージセンサ６の
位置では、点ＡのＸ線及びそれにほぼ平行なＸ線のみが
検出されることになる。即ち、アナライザ結晶４は波面
３’のある特定の勾配部分のみを選別する働きを果たす
ことになる。ここまでの原理は、"Improved X-rayoptic
s, especially for phase contrast imaging" (PCT/AU9
4/00480)に記載がある。ただし、位相分布を決定する方
法には言及されていない。従って、Ｘ線ＣＴの技術に結
び付けるには新たな発明を付加しなくてはならない。本
発明では、以下のように位相分布を決定する。
【０００９】ビームの屈折角θは、被写体１による位相
シフトφと、
【００１０】
【数１】
【００１１】なる関係を満たす。λはＸ線の波長であ
る。これから、
【００１２】
【数２】
【００１３】が得られる。即ち、像の各点ｘで屈折角度
θを調べ、これを積分することにより位相が決定できる
ことを示している。そこで、アナライザ結晶４をある回
転軸５のまわりで高精度に回転できるようし、アナライ
ザ結晶４の設定角度を変化させながら、Ｘ線イメージセ
ンサ６で回折強度を複数枚記録し、各画素について、回
折強度が最大となる設定角度を調べることで、屈折角の
分布を求められるようにする。（２）式が示すように、
得られた屈折角分布を積分することで位相分布がきま
る。また、画像中の被写体がない部分でφの零点を決め
ることができる。
【００１４】尚、Ｘ線の屈折角は大きくても数秒程なの
で、これに起因する像のぼけは被写体とＸ線イメージセ
ンサとの距離が１ｍ程あっても数十μｍであり、これよ
り粗い空間分解能での像観察が前提であれば問題はな
い。
【００１５】ＣＴ像を再生するためには、被写体を回転
させるか、Ｘ線源とアナライザ結晶およびＸ線イメージ
センサを一体で回転させて、複数の投影方向でのφを集
め、従来のアルゴリズムをそのまま用いればよい。
【００１６】次に、波面を二次元として考える場合を示
す。各点の屈折角θは
【００１７】
【数３】
【００１８】と、互いに直行する二つの屈折方向で表す
ことができる。それぞれ、
【００１９】
【数４】
【００２０】と書け、やはり
【００２１】
【数５】
【００２２】が成り立つ。従って、φを求めるためには
θxかθyの少なくとも一方がわかっていればよいことに
なる。従って、アナライザ結晶４はｘ軸方向かｙ軸方向
のどちらか一方でスキャンすればよい。仮に、アナライ
ザ結晶４の回転軸をｙ軸に平行とし、ｘ軸方向の屈折角
を調べるとする。このときのｙ軸方向の屈折はアナライ
ザ結晶４の回折条件には殆ど影響しないので、独立にθ
xを求めることができる。 既知の位相コントラストＸ
線ＣＴと本発明との違いは、ＣＴ像再生アルゴリズムへ
の投入データφを決定する方式が容易になったことであ
り、実用性が増したと言える。即ち、 ・作製及び扱いが難しいＸ線干渉計が不要。
【００２３】・太いＸ線ビームが使え、広い視野を確保
できる。
【００２４】・比較的明るい光学系を構築できる。
【００２５】といった利点があり、医療応用から見て有
利な特徴を備えている。
【００２６】位相の決定精度に関しては屈折角の決定精
度に依存する。屈折角は0.01秒程度が本発明による検出
下限と考えられる。仮に、Ｘ線干渉計を用いて同じよう
な屈折角のビームを参照Ｘ線と干渉させると、約１Åの
Ｘ線で２ｍｍ程の間隔の干渉縞が発生することになる。
更に屈折が緩やかな場合でも、干渉縞の間隔が広がるの
で、容易に検出できる。即ち、弱い屈折に対してはＸ線
干渉計を用いる方が高感度であると言える。逆に、屈折
が大きくなると、干渉縞の間隔が狭まり、その間隔がＸ
線画像センサの空間分解能に近付くと、干渉縞の鮮明度
が低下してゆく。勿論、空間分解能より狭い干渉縞は検
出できない。一方、本手法では、屈折が大きいほど検出
し易くなる。即ち、本発明とＸ線干渉計を用いる位相型
Ｘ線ＣＴでは、感度に関する議論においては、必ずしも
競合する技術ではなく、それぞれ有利な感度領域が異な
ると言える。本手法は、吸収コントラストに依存した従
来のＸ線ＣＴとＸ線干渉計を用いる位相型Ｘ線ＣＴの中
間の感度領域で像が得られる発明であると見ることがで
きる。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、図を用いて本発明の実施例
を示す。
【００２８】実施例１ 図２に実施例１の構成を示す。Ｘ線源７から得られるＸ
線ビーム８をシリコン等の良質の完全結晶塊から削り出
した結晶９に照射し、結晶表面に対して傾いた格子面
９’に対して特定のエネルギー幅のＸ線が回折条件を満
たして回折ビーム１０ａが発生する。結晶によるＸ線の
非対称反射に関しては、図３に示すような特徴が知られ
ている。即ち、図のように結晶９の回折格子面９’が結
晶表面に対して角度αだけ傾いているとする。非対称度
ｂが
【００２９】
【数６】
【００３０】のように定義でき、ビームの幅が１／ｂ倍
になり、ビームの発散角がｂ倍（即ち、ωh／ωo＝ｂ）
となる。即ちαの値がブラッグ角θＢに近いほど、ビー
ム幅は広がり、且つ、回折ビームの発散角が小さくなり
平面波に近付く。従って、結晶９は、回折ビームのエネ
ルギー幅を限定する単色化作用に加えて、ビーム断面積
を広げる作用、及び、回折ビームを平行化する（平面波
に近付ける）作用を同時に担っている。
【００３１】さて、被写体１を透過して位相シフト（屈
折）を受けたビーム１０ｂはアナライザ結晶１１によっ
て、特定の屈折角の成分のみが抽出され、ビーム１０ｃ
となる。アナライザ結晶１１は結晶９と同じように、非
対称な回折を利用しているが、二枚の反射面（１１ａと
１１ｂ）を一体のブロック中に有している。また、結晶
９とアナライザ１１の回折面はほぼ平行とする。これ
は、結晶９によってｘ軸方向には平行化されているが、
ｙ軸方向では線源７からのビーム発散がそのまま残って
いるので、アナライザ１１ｘ軸を回転軸として、ｙ軸方
向で回転して屈折角を決めようとしても、精度上不利で
あるからである。また、Ｘ線が結晶１１ａに入射する経
路は結晶９とは逆になっている。これは、僅かな屈折に
も敏感にするためである。だた、回折ビーム１０ｃの空
間幅が狭くなってしまうので、結晶１１ｂで再び回折さ
せて（ここでは結晶９と同じ）元のビーム幅に戻す。結
晶１１は回転台１２の上に固定されており、点１３を支
点として、リニアモータ或は圧電素子を使ったような平
行移動機構１８が押すシャフト１９で高精度に回転でき
る。
【００３２】アナライザ結晶１１を通ったビーム１０ｄ
はＸ線イメージセンサ６で検出され、アナライザ結晶１
１が特定の角度に設定される毎に画像メモり１４に蓄え
られる。画像処理装置１６はＸ線イメージセンサ６の各
画素ごとに、最大強度を与えるアナライザ結晶１１の設
定角度を求め、（４-１）式のθ(x)を決定する。θ(x)
の積分形が位相分布像φ(x)であるので、画像処理装置
１６は演算によりφx(x)を決定できる（図２にあるよう
に、ｘ軸ｙ軸を定義している）。
【００３３】ＣＴスキャンのためには被写体用の台１７
を軸２０のまわりで回転させることで、複数の異なる投
影方向で位相を決めることができる。被写体１及びアナ
ライザ結晶１１の回転は、画像処理装置１６と同期して
駆動できるコントローラ１５を使用する。尚、被写体を
静止させ、軸２０のまわりで、Ｘ線源７、結晶９、アナ
ライザ結晶１１及びＸ線イメージセンサ６を一体で回転
させても同等のスキャンを行うことができる。以上、各
投影方向における位相分布像が所得できたので、このデ
ータを一般的なＸ線ＣＴアルゴリズムに投入すること
で、位相型のＸ線ＣＴ像が再生できる。Ｘ線イメージセ
ンサ６が二次元センサであるときは、上の方法で紙面に
平行な複数の連続した面におけるＣＴ像が再生できるの
で、三次元観察が可能となる。
【００３４】図４には一連の測定手続きのフローチャー
トを示した。本発明はＸ線が屈折により曲がることを利
用しているのであるが、これによる画像のぼけはほぼ無
視できると近似している。従って、被写体は１８０°分
だけスキャンし、残り半周のデータは最初の半周分のデ
ータを反転して使用してよい。勿論、スキャン時間が２
倍になることを厭わなければ、３６０°スキャンして画
質の向上を優先させてもよい。
【００３５】また、ビーム１０ａは厳密に平面波である
とは言い切れない。従って、予め被写体がない状態でア
ナライザ１１をスキャンしてビーム１０ａの初期波面形
状（位相の初期値）を調べておく必要がある。被写体に
よる位相シフトは、被写体を挿入して求めた波面形状の
初期波面からの変化量に相当する。被写体を挿入する前
後で位相シフトφを求めて差分を取る方法と、まず屈折
角分布の差分を求め、これを積分する方法がある。図５
（ａ），（ｂ）にそれぞれの場合についてフローチャー
ト（対応部分のみ）を示した。
【００３６】実施例２ 実施例１においてはアナライザ結晶として回折格子面に
対して表面を傾けて切り出した二枚一体形状のものを使
用した。この場合、二回の回折があるので、イメージセ
ンサに到達するまでに、多少の強度ロスがある。本実施
例では、一回の回折で、角度分解能も高い高次の回折に
よるアナライザ結晶を用いる場合を示す。
【００３７】図６に構成を示した。実施例１と異なる点
は２１と２２である。結晶２１については、実施例１に
おける結晶９と目的が同じである。従って、実施例１に
おける結晶９と同じものをここに設置しても構わない。
結晶２２は被写体１の像が縮むのを避けるために、対称
反射面を使用している。その他の構成は実施例１と同じ
である。高次の回折を使用すると、回折角が大きくなる
ため、被写体１が挿入されるスペースが狭くなるという
欠点はある。
【００３８】
【発明の効果】本発明により、比較的簡単な装置構成
で、Ｘ線位相コントラストによる三次元観察が可能とな
る。また、容易に広い視野を確保でき、従来より大きい
被写体に適用し易くなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｘ線が被写体を透過することにより発生する位
相シフトの決定法の原理図。
【図２】結晶表面と回折格子面が傾いている場合の回折
の様子。
【図３】実施例１による構成図。
【図４】測定のフローチャート。
【図５】位相の初期値を補正する場合のフローチャー
ト。
【図６】実施例２による構成図。
【符号の説明】
１…被写体、２…入射Ｘ線、２’…入射Ｘ線波面、３…
透過Ｘ線、３’…透過Ｘ線波面、４…アナライザ結晶、
５…アナライザ結晶の回転軸、６…Ｘ線センサ、７…Ｘ
線源、８…Ｘ線ビーム、９…非対称結晶、１０ａ…Ｘ線
ビーム、１０ｂ…Ｘ線びーむ、１０ｃ…Ｘ線ビーム、１
０ｄ…Ｘ線ビーム、１１…アナライザ結晶、１１ａ…ア
ナライザ第１結晶、１１ｂ…アナライザ第２結晶、１２
…アナライザ結晶回転台、１３…アナライザ結晶回転台
の回転軸、１４…画像メモり、１５…駆動コントロー
ラ、１６…画像処理装置、１７…被写体回転台、１８…
平行移動機構、１９…シャフト、２０…被写体回転軸、
２１…結晶、２２…アナライザ結晶。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】複数の異なる方向から物体にＸ線を照射
    し、該物体を透過したときに発生するＸ線の位相シフト
    分布より、該物体の断層像を再生する装置に於て、該位
    相シフト分布が該物体を透過したＸ線の屈折角の分布か
    ら求められることを特徴とする位相型Ｘ線ＣＴ装置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の装置に於て、物体を透過し
    たＸ線の屈折角の空間分布を調べるために、該物体を透
    過したＸ線ビームを後置結晶で回折し、該ビームの該後
    置結晶への入射角を変化させながら回折像を二次元或は
    一次元Ｘ線センサで取得し、得られた複数の回折像から
    演算により位相シフト分布を決定することを特徴とする
    位相型Ｘ線ＣＴ装置。
  3. 【請求項３】請求項２記載の装置に於て、後置結晶への
    入射角を変化させながら回折像を取得する過程で、画像
    の各ピクセル位置でＸ線強度が最大となる角度位置を決
    定し、該角度位置を各ピクセル毎に並べた像から位相シ
    フト分布像を取得するアルゴリズムを有することを特徴
    とする位相型Ｘ線ＣＴ装置。
JP8002048A 1996-01-10 1996-01-10 位相型ｘ線ｃｔ装置 Pending JPH09187455A (ja)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8002048A JPH09187455A (ja) 1996-01-10 1996-01-10 位相型ｘ線ｃｔ装置
KR1019960071160A KR100218080B1 (ko) 1996-01-10 1996-12-24 위상시프트분포 결정방법 및 위상형 x선 ct장치
DE69635155T DE69635155T2 (de) 1996-01-10 1996-12-30 Phasenkontrast-Röntgen-Computertomograph
AU76526/96A AU688701B2 (en) 1996-01-10 1996-12-30 Phase-contrast X-ray CT apparatus
EP96120999A EP0784202B1 (en) 1996-01-10 1996-12-30 Phase-contrast X-ray CT apparatus
US08/780,572 US5715291A (en) 1996-01-10 1997-01-08 Phase-contrast X-ray CT apparatus

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP8002048A JPH09187455A (ja) 1996-01-10 1996-01-10 位相型ｘ線ｃｔ装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH09187455A true JPH09187455A (ja) 1997-07-22

Family

ID=11518455

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