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 ： 1805032F

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 (2)Feasibility study of fast X-ray CT imaging
using simulation living-body samples (2)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

English Research and Development Group, Hitachi Ltd.,
Kyushu Synchrotron Light Research Center
１．概要
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 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 。今 回 の 実 験 で は ，被 写 体 に 入 射 す る X 線 の 強 度 分 布 を 処 理に 組 み 込 む こ と に よ り ，高 精 度 の 疑 似 単 色 断 面 像 を 算 出 す る デ ュ ア ル エ ネ ル ギ ー 処 理 法を 開 発 し た 。準 単 色 X 線 に 対 し て 金 属 フ ィ ル タ ー を 用 い て 得 ら れ た 2 つ の エ ネ ル ギ ー で生 体 模 擬 フ ァ ン ト ム を 撮 影 し ，得 ら れ た 断 面 像 か ら 各 エ ネ ル ギ ー の 擬 似 単 色 Ｘ 線 断 面 像を 算 出 し た 。算 出 さ れ た 擬 似 単 色 Ｘ 線 断 面 像 は 生 体 模 擬 フ ァ ン ト ム の 内 部 構 造 を 再 現 して お り ，開 発 し た 高 速 Ｘ 線 CT 計 測 系 を 用 い て デ ュ ア ル エ ネ ル ギ ー 撮 影 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 study isto develop a fast X-ray CT imaging system. Our novel imaging system uses powerfulpolychromatic SR X-rays with metal filters and h igh-speed and high-sensitive X-rayimager. We also develop a dual-energy imaging method in which t he information of
the limited energy spectra is considered in the CT reconstruction process toaccurately calculate the quasi-monochromatic images. In the experiments, two kindsof the peak energy of polychromatic SR X -rays were adjusted by the metal filters.
The polychromatic SR images of simulation living -body samples were acquired inthese energies. The quasi-monochromatic images of the samples were calculat edfrom the polychromatic SR images by using developed dual-energy method. Theinternal structures of the samples were represented in the quasi -monochromaticimages. As a result, the developed fast CT system enables dual -energy X-ray CT
imaging.

２．背景と目的Ｘ線 Computed Tomography（CT）は，被写体内部の構造を非破壊で 3 次元的に観察できる方法
であり，医療診断や製品の不良検査などをはじめとした多くの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。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して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，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線光源を用いた計測系を構築する。また，この計測系を用いて 2 種類のエネルギーの準単色Ｘ線で撮影した断面像から，他のエネルギーの擬似単色Ｘ線断面像を算出するデュアルエネルギーＸ線 CT 計測法の検討を行い，生体模擬サンプルの 3 次元観察を試みる。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
従来の単色 X 線計測系では，全波長のホワイトの放射光を二結晶分光器を用いて単色化する（図1）。これに対し，本実験では，全波長のホワイトの放射光を金属フィルタを用いて準単色化する（図2）。今回，放射光による準単色Ｘ線を利用することでＸ線の強度不足を解消し，さらに高速・高感度なＸ線カメラと組み合わせることで高速なＸ線 CT 計測系を構築した。実験に用いた検出器の性能を
表 1 に示す。単色系では，シンチレータ，オプティカルファイバー，空冷 sCMOS 検出器から成る高感度ファイバーカップリング型検出器(Zyla)を用いる。一方，準単色系では高輝度の X 線を検出可能とするために，シンチレータ，レンズ系，cMOS 検出器から成るレンズカップリング型検出器を用いる。CT 計測では，入射Ｘ線に対して試料を回転させ，角度毎に投影画像を撮影し，得られた投影画像のデータセットを再構成演算して 3 次元の CT 断面像を求める。本実験では，エネルギーの変更を金属フィルターの種類と厚さを変更することにより行う。また，この計測系を用いて構成元素が既知の物質で構成した生体模擬サンプルを撮影し，CT 断面像の評価を行う。

図 1 単色Ｘ線による CT 計測系

図 2 準単色Ｘ線による CT 計測系
表 1 検出器の性能
Monochromatic X-ray

Polychromatic X-ray

Type

Fiber-coupled imager

Lens-coupled imager

Pixel size (μm)

6.5

3.25

Number of pixels

2560 x 2160

2560 x 2160

Field of view (mm2)16.6 x 14.0

8.3 x 7.0

Frame rate (f/s)

10050

Scintillator

CsI (100 μm thick)CsI (15 μm thick)４．実験結果と考察
被写体に入射する X 線の強度分布を処理に組み込むことにより，ビームハードニングを除去した高精度の擬似単色断面像を算出するデュアルエネルギー処理法を開発した（図 3）。準単色Ｘ線に対して 4 種類の金属フィルター（Al 0.5mm，Ag 0.1mm+Al 1.0mm，Cu 0.3mm+Al 0.5mm，Cu0.3mm+Sn 0.2mm）を配置することで，Ｘ線の中心エネルギーを 18keV，22keV，28keV，31keVに設定した。各エネルギーで生体模擬ファントム（アクリル円柱，アルミニウム円柱，3 倍に希釈したヨウ素造影剤を詰めたチューブ，粉末カルシウムを詰めた円柱を直径約 10mm のプラスチック円柱に詰めたもの）を撮影し，準単色 X 線 CT 断面像を取得した（図 4(a)）
。このうち，22keV と31keV の 2 種類のエネルギーで撮影した断面像を用いて，図 3 の処理により 18keV，22keV，28keV

の各エネルギーの擬似単色Ｘ線断面像を算出した（図 4(b)）
。算出された擬似単色Ｘ線断面像は生体模擬ファントムの内部構造を再現しており，開発したデュアルエネルギー処理法を用いて擬似単色CT 断面像を算出可能であることが確認できた。

図 3 デュアルエネルギーX 線計測法

図 4 生体模擬ファントムのデュアルエネルギーCT 断面像
５．今後の課題
今回の実験で，開発した準単色Ｘ線を用いる高速 CT 計測系でデュアルエネルギーＸ線 CT 計測が可能であることが明らかになった。次に，今回の実験で用いた生体模擬ファントムを単色 X 線 CT計測系で撮影し，デュアルエネルギー計測法で算出した擬似単色Ｘ線断面像との比較評価を行う。
６．参考文献[1]米山明男,馬場理香,第 12 回九州シンクロトロン光研究センター研究成果報告会[2]米山明男,馬場理香,第 79 回応用物理学会 秋季学術講演会,21p-235-6
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）
ECR2019 proceedings DOI:10.26044/ecr2019/C-2040,10.26044/ecr2019/C-1218
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）
準単色Ｘ線，金属フィルタ，高速 CT，デュアルエネルギーCT
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：2019 年 7 月）