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 ： 1311160S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL07

（様式第 5 号）

デ ュ ア ル エ ネ ル ギ ー X 線 CT の 医 学 利 用 に 向 け た 基 礎 的 な 検 討
Feasibility test of dual-energy X-ray CT for biomedical applications
馬場理香、米山明男

Rika Baba and Akio Yoneyama（株）日立製作所中央研究所

Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd.
※１
※２

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ 、長 期 ト ラ イ ア ル ユ ー ス 、長 期 産 学 連 携 ユ ー ス ）課 題 は 、実 施 課 題
名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 し て く だ さ い 。
利 用 情 報 の 開 示 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 二 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開 ｛ 論 文 （ 査 読 付 ） の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝ が 必 要 で す 。 (ト ラ イ アルユース、及び産学連携ユースを除く)

１．概要（注：結論を含めて下さい）
デ ュ ア ル エ ネ ル ギ ー X 線 CT は 、 ２ 種 類 の 異 な る エ ネ ル ギ ー の X 線 で 取 得 し た 断 面 像
か ら 、演 算 に よ り サ ン プ ル の 平 均 的 な 原 子 番 号（ 実 効 原 子 番 号 Zeff）を 表 す 像（ Zeff 像 ）を 取 得 す る 方 法 で あ る 。 従 来 の X 線 CT で 得 ら れ る 密 度 分 布 に 加 え て 、 元 素 に 関 す る 情報 も 取 得 す る こ と が で き 、組 成 元 素 の 変 化 と い う 新 し い 指 標 に 基 づ い た 各 種 評 価 が 可 能に な る と 期 待 さ れ て い る 。本 課 題 で は 上 記 撮 像 法 の 医 学 利 用 に 向 け た 基 礎 的 な 検 討 を 目的として、腫瘍の種類による実効原子番号（組成元素）の相違について評価を試みた。
試 料 は ヌ ー ド マ ウ ス か ら 摘 出 し た 表 在 ガ ン（ 上 皮 ガ ン と 腺 ガ ン ）と し 、エ ネ ル ギ ー 10 と12 keV の Ｘ 線 を 用 い た 撮 像 を 行 っ た 。Zeff に 依 存 し た 濃 淡 を 示 す 像 は 、取 得 し た 両 断 面像 を 除 算 処 理 す る こ と で 求 め た 。こ の 結 果 、各 エ ネ ル ギ ー に お け る 通 常 の 断 面 像 で は 腫
瘍 と 表 皮 、及 び 腫 瘍 内 部 を 明 瞭 に 可 視 化 す る こ と が で き た 。し か し 、10 keV の 断 面 像 にビ ー ム ハ ー ド ニ ン グ の 影 響 が 現 れ 、Zeff 像 で は 各 部 位 の 相 違 を 可 視 化 す る こ と が で き なかった。
（ English ）Dual-energy X-ray computed tomography (CT) enables us to obtain not only conventional
density images but also elemental images of samples, and provides a novel evaluation method
based on elemental changes. To evaluate the feasibility of the method for biomedical
applications, observations of tumors taken from nude mice were performed using 10- and
12-keV X-rays. Obtained conventional section images showed the detailed inner structures ofthe sample. However, the Zeff-contrast sectional image calculated from the ratio of CT values
at each pixel in the sectional images did not visualize any differences in the tumor because of
the influence of beam hardening.
２．背景と目的
Ｘ線Computed Tomography（CT）は、被写体内部を非破壊で三次元的に可視化できる撮像法として医療診断から製品の不良検査に至る様々な分野で幅広く利用されている。本法はＸ線が被写体を透過した際に生じた吸収の大きさ（吸収係数）を検出しており、密度に関する情報を得ることができる。
このため、被写体の外形など密度差が大きい領域を明瞭に可視化することができるが、被写体がどのような元素で構成せいされているか、元素組成に関する情報は得ることができなかった。この問題を解決する方法として、デュアルエネルギーＸ線CTが近年注目されている。本法は、各元素の線吸収係数がエネルギーに対して異なる変化率を示すことを利用して，２種類のエネルギーのＸ線で取得した画像から、演算により被写体の平均的な原子番号を求める方法である。
現在、医療用CTを中心に開発が進められており、線源であるＸ線管の電圧を高速に切り替える方法やエネルギー分解能を有する検出器を用いた方法により、カルシウムと造影剤であるヨードとの分離が可能なことなどが示されている[1]。日立でも昨年度より放射光を用いた本手法の原理的な実験に着手しており、これまでにアクリルやアルミなどで構成された各種のファントムの元素同定に関する評価や、生体試料を対象とした試用観察を行い、元素情報の取得に十分資する手法であることを確認している[2]。そこで、本課題では医学利用に向けた基礎的な検討を目的として、ヌードマウスから摘出した異なる種類の腫瘍について、実効原子番号（元素組成）との関係評価を試みた。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
測定は強度が強く、かつ高いエネルギーのＸ線を利用できるウィグラーを光源とするビームライン
ＢＬ−０７にて行った。図１に使用した光学系の配置を示す。光源から放射された白色Ｘ線を二結晶分光器（Si(220)）により単色化し，Ioモニター用イオンチャンバーを経た後、試料に照射した。試料を透過したＸ線は下流に設置したPILATUS 100K検出器で検出した。本検出器のピクセルサイズは172
ミクロン角、画素数は横487、縦195ピクセル、視野は横84 mm、縦34 mm、ダイナミックレンジは20 bits、フレームレートは300 Hzである。なお、ビーム発散による空間分解能の低下を抑えるために、試料とPILATUSとの距離（カメラ長）は配置上最短となる100 mmに設定した。
試料の位置決め及び回転には、ステッピングモータ駆動によりリモートで制御できるＸステージ及び回転ステージを用いた。ＣＴによる断面像の測定は本ステージ群を用いて、（１）試料を光路から待避、（２）背景像の測定、（３）試料を光路に設置、（４）試料像の測定、（５）試料の回転、の手順で行い、（４）と（５）を試料の回転が360度になるまで繰り返し行った。また，測定の最後に（１）と（２）を再度行い，背景像を取得した。回転の刻みは0.72度、プロジェクション数は500とした。
使用したＸ線のエネルギーは10と12 keVで、各投影における露光時間は4秒（１秒×４回、1回の露光では飽和するため複数回に分割）である。
断面像の再構成計算には、一般のＸ線ＣＴで利用されているフィルタードバックプロジェクション法（ＦＢＰ法）を用いた。この際、フィルター関数としてShepp-Logan（SL）関数を利用した。また、実効原子番号Zeffに依存した濃淡を示す像は、12 keVで取得した断面像を10 keVで取得した断面像で除算して求めた。
試料には、種類の異なるヌードマウス表在ガン（癌腫は上皮ガンと腺ガン）を用いた。無菌下で飼育しているヌードマウスの皮下に細胞株を移植し、350 mm3程度の大きさに成長した段階で採取し、ホルマリンで固定した。また、測定時は形状を円筒状に加工した後、専用のポリエチレン容器に封入し、さらにポリエチレンの袋に封入した。

図1

BL7における光学系の配置図

４．実験結果と考察
前節の計測系において，10 keV 及び 12 keV のＸ線を利用して得られた上皮ガン切片の断面像を図２に示す。エネルギー純度の高い単色Ｘ線であること，及び画像検出器のダイナミックレンジが広いことなどにより、腫瘍内部の構造（壊死や血液の塊など）を明瞭に可視化できていることがわかる。
なお、腫瘍内部に合わせた濃淡のレベル設定により、表皮部分が黒く潰れてしまっているが、実際には皮下脂肪の分離なども可能なほど鮮明に観察できている。

図2(a)10 keV 及び(b)12 keV の測定で得られた表在ガンの断面像

図 2 の断面像について、除算処理（(a)/(b)）により求めた Zeff 像（正確には Zeff に依存した濃淡を示す断面像）を図３に示す。この像から，腫瘍内部だけでなく腫瘍と表皮も区別できなくなっていることがわかる。これは以下のビームハードニングが大きく影響してしまったことが原因と考えられる。ビームハードニングとは、被写体を透過する際にＸ線のエネルギー分布が変化（シフト）し、再構成断面像の中心領域において CT 値が実際よりも低くなる現象のことである。図２の(a)について詳細に検討すると中心部分の CT 値が(b)に比べて若干低くなっていることがわかる。
本課題で利用したビームラインの単色器では、Si(220)面の回折を利用してＸ線の分光を行っている。この際、基本の Si(220)面に加えて、Si(440)や Si(660)などの高次の回折面も同時にＸ線回折を起こすため、基本エネルギーのＸ線に加えて２倍及び４倍のエネルギーを持ったＸ線も同時に出射されることになる。例えば、基本エネルギー10 keV のＸ線に加えて、20 keV と 40 keV のＸ線も加わった「Ｘ線群」となる。10 keV のＸ線は 20 keV のＸ線に比べて吸収係数が大きいために、被写体を透過した際により多く吸収されることになる。このため、試料透過時に全体のエネルギー分布が変化し、ビームハードニングが発生してしまったと考えられる。

図 3 図 2 の断面像より算出した Zeff 断面像。
ビームハードニングの影響により、表皮も描出できていない。
５．今後の課題
前節に記述したように、エネルギー10 keV のＸ線を用いた測定ではビームハードニングが発生し、正確な Zeff 像の検出には至らなかった。この対策として、ビームライン分光器の回折面を Si(220)から Si(111)に変更し、問題となっている２次光（20 keV）が原理的に発生しない条件での測定を再度試みる。なお、Si(111)面における高次光は最低 3 次光（30 keV）となり、強度が極めて弱くなるためにその影響はないと考えられる。また、腫瘍の直径が 10 mm 程度と小さく、内部構造を詳細に描出するためには空間分解能が若干不足していた。このため、拡大再構成やサブピクセルシフト法（検出器をピクセルサイズの 1/n ずつ動かすことで仮想的に画素サイズを 1/n にする方法）による分解能の向上も併せて検討する。
６．参考文献[1] http://www.innervision.co.jp/suite/philips/technote/100710/[2] A. Yoneyama, K. Hyodo, and T. Takeda, Appl. Phys. Lett. 103, 204108 (2013)
７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）[1] R. Baba et al., 11th International Conference on Biology and Synchrotron Radiation.

[2] A. Yoneyama et al., 第７回九州シンクロトロン光研究センター合同シンポジウム[3] A. Yoneyama, K. Hyodo, and T. Takeda, Appl. Phys. Lett. 103, 204108 (2013)
８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
デュアルエネルギー、X 線 CT、単色 X 線
９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2013 年度実施課題は 2015 年度末が期限となります。）
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

①

論文（査読付）発表の報告（報告時期：2016 年 3 月）