放射線塾

X 線回折 100 年 歴史・展望

安藤 正海＊，湯浅 哲也＊＊，大浦 紀彦＊＊＊
Ando Masami

Yuasa Tetsuya

Ohura Norihiko

可視光が結晶に当たるときに回折は起きるだ

1．はじめに1895 年初頭に出版されたノーベル賞受賞のろうか。結晶を構成する原子はほぼ 1 Å 間隔で元になるレントゲンの論文を読むと X 線を物並んでいる。したがって回折を起こす X 線は 1質に当てるとどのような信号が得られるかにつÅ 程度の長さになる。これをほぼ 5,000 倍した

いて驚くほど精緻で詳しい記述がある。発見の世界を想定してみよう。これに該当する結晶の元になった写真作用，蛍光，イオン化作用はも世界はオパール結晶（図 1 参照）である。オパとより X 線が電磁波であることを予想していールに 5,000 Å を中心とする白色光が入ってきたと思われる記述が見付かる。屈折，スリット

た と す る と，5,000 Å 付 近 の SiO2・nH2O の 粒回折などである。ただし結晶に X 線を当てた径を持つ粒子列によって光が回折し，見る方向記述はなく，したがって本稿の主題である Xによって緑，空色，赤色などに分光することで線回折の登場は，1912 年マックス・フォン・オパールの輝きを説明できる。

ラウエ理論と 1913 年のブラッグ父子による理論まで待たなくてはならなかった。

2．X 線回折研究の歴史と近年の潮流

X 線を結晶に当てたとき X 線回折が起きる

さて結晶に X 線を当てたときに起きる回折が，この現象の記述はラウエ流とブラッグ流のに関する偉大な貢献をした前記 2 人の学者を紹2 つがある。今日どちらも同じように使われている。違いがあるとすればブラッグ流は現実の3 次元の世界で起こる現象として捉えられ分かりやすい。結晶を層状構造と捉え各層からの X線反射がお互いに位相が合う場合にブラッグ反射が起きるとした直観的な説明である。一方，ラウエ流は長さの逆数の世界で論じるところに特徴がある。回折を満足する 2 つの式は基本的には同じである。特に角度関係は両方とも同じである。
さて，X 線応用を考えるときに歴史の長い可視光の世界を参考にすることは有効である。

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図 1 オパール結晶

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介しよう。一人はラウエである。ゾンマーフェ

ゆるブラッグ角），l は X 線の波長である。こルトの下で学んでいたパウル・エバルトが博士の条件が満たされているとき，X 線は回折さ論文の内容をラウエに話したことを受け，ラウれる。

エは大いに触発されエバルトとは異なって波長X 線平面波が入射した完全結晶中の振る舞いが短い X 線を硫化亜鉛結晶に照射して回折パはラウエによって詳しく記述され X 線動力学タンを得た。このことによって X 線が電磁波理論と呼ばれる。これは 1920 年代に完成し，であることが示された。これを評価して，物質今日シリコン単結晶など完全結晶を理解する上の結晶構造を調べるために多波長からなる白色での大きい理論背景となっている。この理論にX 線を用いて回折写真を撮る方法はラウエ法とより完全結晶中に起きる X 線平面波の振る舞

呼 ば れ る。 一 方， 続 く 1913 年 に は， ヘ ン リ

いはほぼ 100％説明できる。この成功は結晶をー・ブラッグとローレンス・ブラッグの父子が構成する原子を点として取り扱わず，有限の広ブラッグ法則を発表して X 線回折による構造がりをもった電荷の集まりとして取り扱った点解析に理論的な基礎を与えた。にあると思われる。

これに続いて粉末結晶の構造を解くデバイシェ

さて，これから X 線回折研究の一部であるーラー法も生み出され，X 線回折法は広く物質X 線画像の最近の事情を紹介しよう。レントゲの構造解析手法になった。構造生物学においてンの発見した X 線は人体などに対して高い透も広く用いられるようになり，1953 年，ロー過能をもつが，それを利用した X 線画像は医レンス・ブラッグが所長を務めていたキャベ用画像として広く知られており，レントゲンのンディッシュ研究所でジェームズ・ワトソンとX 線発見の 1895 年に医用画像が始まったといフランシス・クリックが DNA の構造を解明しって差し支えない。

た。1962 年にジョン・ケンドリューによるヘ1980 年代後半に，軟組織に対して高い描画モグロビンの構造決定，1964 年にドロシー・能を示す屈折原理を利用する新しい画像法＝屈ホジキンによるペニシリンなどの構造決定，

折 X 線画像法がロシアの 2 つのグループによ2003 年にはロデリック・マキノンによるカリって独立に提唱された。2 つの方法の 1 つは中ウムチャネルの構造決定などがノーベル賞の対性子線，もう 1 つが X 線による画像法であっ象となった。

た。それ以降，完全な大型シリコン単結晶の登

さて X 線のみならず電子線，中性子線も回場と指向性の高い放射光 X 線の登場に助けら折を起こすことが知られ，それぞれの特徴を活れて開発は急ピッチで進んでいる。私たちも，かした構造解析法が編み出されている。1937

2000 年に同分野の開発競争に参入し，X 線暗年，電子線が波動の性質を持つことを発見した視野法（略称 XDFI）1）を開発してきた。

業績に対してトムソンにノーベル物理学賞が授

その手法は図 2 に示されている。XDFI の特与された。中性子が小さい磁石の性質を持つことを利用して磁気物質中の磁気モーメントの微徴は，（a）従来の X 線では見い出せない軟組織の検出，（b）10 mm 以下の微細構造の検出が細配列解析に取り組んだ功績でクリフォード・可能，（c）ほかの CT 等に比して造影剤，増感シャルは 1994 年カナダのバートラム・ブロッ剤が不要である点に特色がある。そのシステム

クハウスとともにノーベル物理学賞を受賞の 構 成 は（1） 平 行 光 線 で あ る X 線 源，（2）した。

我々によって考案された LAA 厚さ条件，（3）

ここでは直観的に分かりやすいブラッグの条X 線の検出，（4）データ処理からなる。画像処

件 2d sin q＝l を説明しておこう。d は結晶原子理に関しては，2 次元から 3 次元の画像処理は面の間隔，q は原子面と X 線がなす角度（いわ山形大学の湯浅教授・砂口博士研究員の協力でIsotope News2012 年 6 月号

No.69817進み，それらの画像は乳癌検診リーダーである
名古屋医療センター放射線科 遠藤部長，病理科の市原科長に指導をいただきながら開発を急いでいる。
現状のマンモグラフィでは乳房圧迫という苦痛があるのでこれを軽減し，造影剤や増感剤を使用することなく，細胞群の識別，50 mm とい

図2X 線暗視野法光学系

う単位での組織の観察などを行うことで，乳房切除をしなくて済み，乳癌の早期発見が可能となると期待している。

料を入れると屈折 2 次元像が現われる。
図 3 には乳癌試料が X 線暗視野像ではどのアジアパワーの高まりの中で日中韓台の東アように見えるかを示してある。試料の大きさはジ ア 地 域 で 2006 年 来， 放 射 光 医 用 画 像 会 議

左右 7〜8 mm，上下 20 mm くらいである。（a）（略称 AMSI）が旗揚げされ，毎年各国持ち回はマンモグラフィ，（b）は X 線暗視野（XDFI）りで開催しポテンシャルを高める最中であるこ像，（c）は（a）と（b）を撮影する前に薄く切とも付記しておきたい。お互いの放射光施設をり出された試料を H & E（ヘマトキシリンエオ利用するプログラムも始まっている。

ジン）染色した像である。病理検査ではこの染色像を用いている。ただし，立体像が得られな

3．放射光と医学利用：どのように乳癌を描出するかいことが病理学者にとって長い間悩みの種であった。

軟組織描画手法には本稿で述べる方法は 1 つ続いてリウマチ早期診断につながる人工的関に過ぎず，位相イメージング，X 線干渉計利用

節炎ラットにおける関節軟骨の破壊を見よう。

3-D イ メ ー ジ ン グ，DEI（diffraction enhanced

図 4 はラット左後肢の X 線暗視野像である。

imaging）利用 2-D イメージングなどの方法が右後肢の足蹠に薬物を注射後 15 日経過した左ある。XDFI は 2 つの結晶格子面を平行にする後肢の様子である。左後肢の関節軟骨に障害が2 結晶平行配置法を用いている。第一結晶は起きている様子が明白であり，足根骨，踵骨でMC（monochromator-collimator） と 呼 ば れ， 出は骨びらんも見られる。

射ビームの角度広がりを抑え，かつビームサイトモシンセシス（擬似 3 次元像）は Houns-ズを拡大する作用がある。第二結晶は透過型角

field の CT 発明以前に擬似 3 次元像を得るため

度分析板 LAA（Laue angle analyzer）である。

工夫された方法の 1 つである。2010 年に開発された新アルゴリズム 2）によるものである。こ4．X 線暗視野法原理と実験れを用いた乳癌試料擬似 3 次元像を図 5 に示試料へのビーム角度広がりはできるだけ小さす。91 枚の DFI 像を用いて合成した。

いことが望ましいので，ビーム発散度 5.5／100

600 枚の DFI 像から求めた血管試料の XDFI-秒が得られる MC の設計とした。図 2 には MC

CT 像 3） を図 6 に示す。真ん中が投影像，左右と LAA を中心とする XDFI を示してある。

は各場所の CT 像である。これを利用して仮想LAA からは 2 つのビームが得られる。1 つ内視鏡も十分実現できると思われる。

は前方回折波 FD（forward diffraction），もう 1つは回折波 D（diffraction）と呼ばれる。LAA

5．展望を適切な厚さにすると FD の強度は角度パラメ

2000 年から始めた X 線暗視野法の開発は 2ーターを W とすると W＝0 でゼロになる。試次元像から始まって 3 次元像に達することがで

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マンモグラフィ
mammography（a）

暗視野像
DFI（dark-field imaging）（b）

病理像
Pathological（c）

図 3 小葉を含む乳癌試料

図4

右足にアジュバントを注射した後 2 週間経過した
ラット左足

図5

乳癌試料のトモシンセシス

きた。さらに，臨床応用に進むためには現在のギー 35 keV は十分である。深部臓器診断に対視野の大きさ 30 mm×50 mm を拡大して，120しては高くすることが望まれる。大視野を得る

mm 角以上の視野を得ること，それに合致するためには口径の大きいチョクラルスキーシリコ

2 次元高効率検出器により臨床へ移行すること

ン結晶利用が望ましく結晶完全性の評価を始めができそうである。

た。放射光に頼らない X 線システムが開発さ

乳癌早期診断を目標とする場合，X 線エネル

Isotope Newsれれば各病院への設置が可能になる。

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No.69819共同研究者，高エネルギー加速器科学研究機構
砂口尚輝博士研究員，名古屋医療センター 市原周科長，同 遠藤登喜子部長，東京理科大学
霍慶凱博士研究員，同修士課程学生 中尾悠基
君，総合研究大学院大学博士課程学生 呉彦霖
君に対して感謝申し上げる。科研費 22591353，
PF 放射光実験課題 2008S2─002，2010G─672 に基づき研究を行ってきた。ここに感謝する。
参考文献

へも間もなく到達できる見込みである。

1）Ando, M., Maksimenko, A., Sugiyama, H.,
Pattanasiriwisawa, W., Hyodo, K., and Uyama, C.,
Jpn. J. Appl. Phys., 41, No.9A,B, L1016─L1018（2002）
2）Sunaguchi, N., Yuasa, T., Huo, Q., Ichihara, S., andAndo, M., Appl. Phys. Letters, 97, 153701─1〜3（2010）
3）Yuasa, T., Hashimoto, E., Maksimenko, A.,
Sugiyama, H., Arai, Y., Shimao, D., Ichihara, S.,
and Ando, M., Nucl. Instrum. & Meth. in Physics
Research A, 591, 546─557（2008）【謝辞】（＊東京理科大学，＊＊山形大学，＊＊＊杏林大学）

図6

糖尿病患者の脚の動脈（左右の円形像は断層図）

上に見たように X 線暗視野法によって十分のコントラストが得られることが分かった。X線病理学確立のためには，空間解像度を上げる技術を更に開発する必要がある。現在，LAAを薄くする技術開発に取り組んでいる（図 2）。
空間解像度は 7〜10 mm に達しており 2〜3 mm

本稿の後半は共同研究の成果である。記して20

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