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 ： 1405029S

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 応 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 評価を進めている。
前回の測定では、高次エネルギー X 線の混入により正常な断面像を取得できなかったこ と か ら 、 単 色 器 の 回 折 面 を Si(220)か ら Si(111)に 変 更 し 、 原 理 的 に 2 次 光 が 発 生 し ない 光 学 系 を 用 い て CT 像 の 取 得 を 試 み た 。 試 料 は 前 回 と 同 様 に ヌ ー ド マ ウ ス か ら 摘 出 した 表 在 ガ ン （ 上 皮 ガ ン と 腺 ガ ン ） を 対 象 と し 、 エ ネ ル ギ ー は 12 keV と 14 keV に し た 。
さ ら に 、 画 像 検 出 器 を 画 素 サ イ ズ の 1/n 毎 に 動 か こ と で 空 間 分 解 能 を 向 上 す る SPS（ Sub-pixel shift） 法 を 用 い た 。 こ の 結 果 、 画 素 サ イ ズ 43 ミ ク ロ ン の 三 次 元 像 の 取 得 に成功し、内部構造を可視化することができた。しかし、空気中で測定したため、背景領域 と の 強 度 差 が 大 き い た め に 、検 出 器 が 飽 和 し て Zeff 値 の 算 出 に 十 分 な S/N は 得 ら れ なか っ た 。こ の た め 、次回 は サ ン プ ル を 密 度 がほ ぼ 同 じ 溶 液 中 に 設 置し て 、背 景 領 域 と の吸 収 差 が 小 さ い 条 件 で 測 定 を 試 み る 。こ れ に よ り 、Zeff 像 の 取 得 に 十 分 な S/N の 画 像 が取得できると考えられる。
（ 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 12-keV and14-keV X-rays. Obtained three-dimensional images showed the detailed inner structures of thesample. However, the signal to noise ratio of the images was not enough for Zeff (effectiveatomic number) imaging.
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、密度の差が大きい領域（構造）を明瞭に可視化することはできるが、被写体がどのような元素で構成されているか、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、２種類のエネルギーのＸ線で取得した画像から、元素毎に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，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腫瘍を対象として、実効原子番号（元素組成）との関係評価を進めている。前回までの測定
では、高次エネルギーのX線の混入により正常な断面像を取得できなかったことから、今回は単色器の回折面をSi(220)からSi(111)に変更し、原理的に2次光が発生しない光学系を用いて高精細かつ高S/NのCT像の取得を試みた。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
測定はX線強度が強く、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(111)）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。
分光器の回折面を前回のSi(220)からSi(111)に変更したことにより、原理的に2次光は発生せず、基本波の次は3次光となる。このため、X線のエネルギーを12 keVに設定した場合、36 keVのX線が混入することになるが、光源のスペクトル分布から30 keV以上のX線は12 keVより数桁弱いことがわかっている。したがって、この光学系では高次光の影響はないと考えられる。
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。さらに、空間分解能を向上するために、上記CTの測定毎にサンプルの位置を43 ミクロン光軸と直交する方向に移動して複数のCT測定を行った。そして、測定後に全データをマージして1個のCTデータセットとし、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）により断面像を再構成した。
試料には、ヌードマウス表在ガン（上皮ガン）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（高次光の影響を抑えるために単色器の回折面をSi(220)からSi(111)に変更した。
）

４．実験結果と考察
前節の計測系において， 12 keV のＸ線を利用して得られた上皮ガン切片の断面像と 3 次元ボリュームレンダリング像を図２に示す。高次光の混入がないために、前回の測定で現れていたビームハードニング（中心部分の CT 値が低下）がなく、また、SPS 法による分解能の向上により、腫瘍内部の構造（壊死や血液の塊など）をより詳細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。

(a)断面像(b)三次元ボリュームレンダリング像
図 2 エネルギー12 keV の測定で得られた表在ガンの断面像(a)と三次元像(b)
前回の測定と比較すると、濃度分解能及び空間分解能ともに大きく向上しているが、正確な Zeff像の取得には、S/N が不足していると考えられる。この原因として、サンプルを空気中で測定していることが考えられる。
X 線のエネルギーが 12 keV と比較的低いために、サンプル領域では X 線が 90%以上吸収されることになる。一方、背景領域における吸収はほぼ 0 であるために、両領域間で非常に大きな強度差が発生する。このため、背景領域が飽和しないような測定条件では、サンプル領域の信号量が不十分となり、S/N が低下してしまっていると考えられる。
５．今後の課題
前節に記述したように、サンプルを空気中で測定することが S/N 低下の原因となっている。このため、次回は図 3 に示すようにサンプルを密度がほぼ同じ溶液中に入れて測定を行う。これにより、背景領域とサンプルでの吸収差が解消され、十分な信号量でも測定が可能なると期待される。

図３ 修正予定のサンプル周辺の構成図。サンプルをほぼ同じ溶液内に入れて回転することにより，背景領域との強度差を抑える
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（2014 年度実施課題は 2016 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10 月）