九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 1910096F

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL07

（様式第 5 号）

生 体 模 擬 サ ン プ ル を 用 い た 高 速 Ｘ 線 CT 撮 影 の 基 礎 的 な 検 討 (7)Feasibility study of fast X-ray CT imaging
using simulation living-body samples (7)馬場理香、米山明男

Rika Baba, Akio Yoneyama(株 )日 立 製 作 所 研 究 開 発 グ ル ー プ 、 九 州 シ ン ク ロ ト ロ ン 光 研 究 セ ン タ ー

Research and Development Group, Hitachi Ltd.,
Kyushu Synchrotron Light Research Center１．概要（注：結論を含めて下さい）
従 来 の 放 射 光 を 線 源 と す る 単 色 Ｘ 線 CT 計 測 系 で は 1 回 転 の 撮 影 に 数 時 間 を 要 し て おり 、撮 影 中 に 被 写 体 が 乾 燥 や 熱 で 変 形 す る と 言 う 課 題 が あ っ た 。こ れ に 対 し 本 研 究 で は 、
被 写 体 の ３ 次 元 的 な 内 部 構 造 を 高 速 か つ 非 破 壊 で 撮 影 す る 系 を 構 築 す る 。ま ず 、高 強 度の 準 単 色 Ｘ 線 光 源 と 高 速 ・ 高 感 度 な Ｘ 線 カ メ ラ を 組 み 合 わ せ る こ と で 、 高 速 な Ｘ 線 CT
計 測 系 を 構 築 し た 。次 に 、被 写 体 を 回 転 す る こ と な く 内 部 の 断 面 像 を 取 得 可 能 な 手 法 として、後方散乱Ｘ線撮影法を検討する。今回の実験では、生体模擬被写体として金属製
イ ン プ ラ ン ト を 加 え た 下 顎 フ ァ ン ト ム を ハ ム で 覆 っ た サ ン プ ル を 準 備 し 、放 射 光 に よ る
単 色 X 線 を 用 い た 撮 影 系 に お い て 後 方 散 乱 X 線 の 撮 影 を 試 み た 。非 弾 性 散 乱 に 対 す る 弾
性 散 乱 の 比 （ RC 比 ） を 実 験 的 に 求 め 、 理 論 値 と 比 較 し た 結 果 、 ハ ム の 外 側 か ら 内 部 の模擬骨とインプラントの元素を推定することが可能であった。
Conventional monochromatic X -ray computed tomography (CT) imaging systemusing synchrotron radiation (SR) has a problem that measurement time is long andliving-body samples are transformed by drying and heat. A purpose of this stud y isto develop a fast nondestructive X-ray imaging system for detecting the internal
three-dimensional structural and elemental information of a subject. Our novel CT
imaging system uses powerful polychromat ic SR X-rays and high-speed andhigh-sensitive X-ray imager. We also develop an imaging method using
back-scattering X-rays without rotation of a subject. An experimental system withmonochromatic X-rays of SR was developed, and a ceramic mandibular bone and a
metallic implant screw covered with 2-mm-thick ham were measured. The ratio ofelastic and inelastic scattering X -rays (RC ratio) was obtained experimentally. As
a result of the comparison with the ratio calculated theoretically , the element of
the bone and the implant was estimated from the outside of the ham.

２．背景と目的
被写体の３次元的な内部構造を非破壊で計測するニーズは大きく、医療および工業分野で超音波、磁気、レーザ、赤外線など様々な技術が開発されている。その中で、X 線計測はリアルタイムで高精細な画像を得ることができることから医療分野で救急対応や治療支援に用いられており、近年のカテーテル術や内視鏡術の普及に伴い利用の場が拡大している。また、工業分野においては、対象の状態を保ったまま内部の異常や劣化を動画や断面像として観察できることから、X 線計測は製品の品質管理において重要な役割を担っている。
被写体内部の構造を非破壊で 3 次元的に観察する手法として、Ｘ線 Computed Tomography（CT）
がある。本法はＸ線が被写体を透過する際に生じた強度の変化を画像化しており、密度に関する情報を得ることができるため、密度変化を伴う形状や構造など形態の観察に優れている。CT で 3 次元画像を得るためには、被写体を 1 回転させて様々な方向からの撮影像を取得する必要がある。これに対し、これまでの放射光を線源とする単色Ｘ線計測系では 1 回転の撮影に数時間を要しており、撮影中に被写体が乾燥で変形したり、熱で変質すると言う課題があった。
本研究では、この課題を解決するために、被写体内部の 3 次元断面像を非破壊で取得する高速撮影手法を検討する。これまでに、高速な読み出しが可能で検出感度の高い面検出器と、短い露光時間で十分なＸ線量を照射する準単色Ｘ線光源を用いた高速撮影系を構築し、生体模擬サンプルの 3 次元観察を可能とした[1]。次に、被写体を回転することなく内部の断面像を取得可能な手法として、後方散乱Ｘ線撮影法を検討する。今回の実験では、放射光を用いた単色 X 線による後方散乱撮影系において、模擬インプラントを加えた下顎ファントムの観察を試みる。また、非弾性散乱に対する弾性散乱の比（RC 比）を算出し、RC 比から実効原子番号を推定し、物質を構成する元素を画像化する実験を行う。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
放射光を用いた単色 X 線による後方散乱 X 線撮影系を構築した。撮影系の概要を図 1 に示す。また、装置の仕様を表 1 に示す。全波長の放射光を二結晶分光器で単色化し、X 線源として用いる。従来のＸ線 CT 撮影系では被写体を回転しながら、被写体を透過したＸ線を検出する。一方、後方散乱X 線撮影系では被写体は固定し、被写体から X 線源側に散乱した X 線を検出する。
今回構築した後方散乱 X 線撮影系では、単色 X 線を用いることで、X 線のエネルギーに対する特性および被写体の原子番号に対する特性を明確にする。X 線の領域を限定するために、X 線源の出力をコリメータで絞り、被写体の正面から X 線を照射する。被写体から生じる散乱 X 線を高精度で検出するために、エネルギー分解能の高いシリコンドリフト検出器（Silicon Drift Detector: SDD）を用いる。X 線の入射方向の正面に検出器がある角度を 0°とし、検出器を X 線側に 150°まで回転させることで、被写体から生じる後方散乱 X 線を計測する。

図 1 撮影系
表 1 装置の仕様
X-ray source

Monochromatic X-ray
Energy: 30keV

Collimator

Material: Pb, Size: 0.5 x 6.0 mmDetectorAmptek Fast SDD (CdTe)
Gain: 30, Shaping time: 4.8μs

StageDistance: 60mm, Step: 0.2mm

４．実験結果と考察
セラミック製の模擬下顎骨に、同じセラミック製の模擬歯と金属製の模擬インプラントの土台（スクリュー）をはめ込み、表面に皮膚を模擬したハム（厚さ約 2mm）を被せ、下顎ファントムを作成した。正面から撮影したファントムの吸収 X 線画像を図 2 に示す。模擬歯と模擬インプラントは正面から見て、ほぼ同じ断面に位置している。

図 2 下顎ファントムの吸収 X 線画像
図 1(b)の後方散乱撮影系を用い、図 2 の下顎ファントムを撮影した。被写体を水平および垂直方向に平行移動させ、各位置で計測を行いながら被写体全体をスキャンした。エネルギー30keV で後方散乱撮影を行い、非弾性散乱と弾性散乱の画像を求め、非弾性散乱に対する弾性散乱の比（RC 比）を算出した。RC 比の画像を図 3 に示す。
図 3 の画像は、同一の素材から成る歯と骨の領域では同等の値となっており、同じ元素においてRC 比は同等の値を示した。金属製インプラント領域の RC 比はセラミック製の骨よりも高い値を示しており、これは実効原子番号が大きいほど RC 比が増加するという文献[2]の結果と一致した。
エネルギー30keV における RC 比の理論値を図 4 に示す。図 3 において算出された RC 比の平均値は骨の領域で 0.146、インプラント領域で 0.181 であった。これらの値は、図 4 において原子番号19 と 21 に相当する。下顎ファントムに用いた模擬骨の主成分は原子番号 20 のカルシウム、模擬インプラントの主成分は原子番号 22 のチタンと推定され、他の元素との混合により実効原子番号は小さくなることから妥当な値と考えられる。

図 3 30keV における RC 比の画像

図430keV における RC 比の理論値と実測値５．今後の課題
上記の実験の結果、後方散乱 X 線画像から算出された RC 比を用いて、物質の内部構造の元素を可視化する可能性が示された。次回の実験では、図 1(a)の CT 撮影系を用いて吸収 X 線による断面画像を撮影し、散乱 X 線画像との比較を行う予定である。
６．参考文献[1] ECR2019 proceedings DOI:10.26044/ecr2019/C-2040,10.26044/ecr2019/C-1218(2018)[2]米山明男,他,実効原子番号 Zeff を可視化する新しいイメージング法,Isotope News,724(2014)
７．論文発表・特許
ECR2020 proceedings
８．キーワード
単色Ｘ線、後方散乱 X 線、断面像
９．研究成果公開について① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2020 年 7 月）