Ｘ線位相イメージングにおけるＸ線画像の鮮鋭性向上
The Improvement of X-ray Image Sharpness in X-ray Phase Imaging

大原

弘＊

Ohara, Hiromu

本田凡＊

Honda, Chika

要旨
筆者らは実用的な小焦点Ｘ線管を用いる位相イメージ

石坂

哲＊＊

Ishisaka, Akira

１

島田

文

生＊

Shimada, Fumio

緒言

ングによって、Ｘ線画像の鮮鋭性を向上させる技術を開Ｘ線医用画像において、病変検出のために画質向上は発した。すでに写真フィルムの現像における隣接効果に重要な課題であり、我々はＸ線画像入力および出力シス起因するエッジ効果によって写真画像の鮮鋭性が向上すテムの研究開発を続けてきている。さらにＸ線源をも含ることは広く知られており、その定量的評価方法が確立されている。本研究ではその評価方法を位相イメージン

むＸ線画像入力システムの画質向上の検討を進めてきた
結果、小焦点Ｘ線管を用いた位相イメージングによっグによるエッジ効果に適用した。さらに0.1mm焦点のモて、Ｘ線医用画像の鮮鋭性を向上させる技術を開発した１）。

リブデン管を用いる位相イメージングで生ずる拡大効果

位相イメージングの例として、Fig.１に直径 8.5mmのプラについても定量的に評価し、Ｘ線位相イメージングでのスチックファイバーのＸ線画像を示す。右の位相イメー

鮮鋭性の向上を見積もった。その結果、直径１mmプラスジング画像は、左の従来の密着撮影画像に比べて鮮明でチックファイバー画像の位相イメージングに起因するあることがわかる。

エッジ効果によって周波数レスポンスが100％を超える結果を得た。さらに拡大効果を考慮し、乳房Ｘ線画像撮影における鮮鋭性の向上を定量的に評価することができた。

Abstract
We have reported that X-ray phase imaging can improve the sharpness of X-ray images using practical X-ray
tubes with small focal spot sizes. In photographic film, edge
effect (generated by interaction between adjacent imageareas) has long been known to improve image sharpness,and methods of estimating such edge effect are well established. In this study, we used simulation to estimate theimpact on image sharpness of the edge effect generated
through phase imaging. We also simulated the magnification effect obtained in phase imaging when using a molybdenum tube with a 0.1mm focal spot in order to estimate
the overall improvement in image sharpness when using
phase imaging. We estimated the gain in frequency re-Fig.1 The images of a plastic fiber (diameter of 8.5mm);(a) contact imaging at R1=0.6m and R2 =01m,(b) phase imaging at R1=1.0m and R2 =0.5m.
R1 is the distance between the X-ray source and theobject, and R2 is the distance between the object andthe image plane. Note that the sizes of the photographic
images were printed equal optically for both contactand phase imaging.

sponse at the edge of a 1mm-diameter plastic fiber object
image to be over 100%, and we were successful in esti-

ここで、Fig.１の矢印で示すプラスチックファイバの画

mating the improvement of image sharpness in a mam-

像辺縁の濃度プロファイルの測定結果をFig.２に示す。位

mography imaging system due to the use of phase imag-

相イメージングの画像濃度プロファイルは、密着撮影画

ing with an X-ray tube.

像に対し、被写体と空気との境界の内側で画像濃度が低下し、外側では画像濃度が上昇する。これはエッジ効果と呼ばれており、画像の鮮鋭性を向上させることが広く知られている。

＊コニカミノルタエムジー㈱＊＊コニカミノルタエムジー㈱開発センター
開発センター

技術企画室
MI システムグループ

ハロゲン化銀フィルムの現像処理時に生ずる隣接効果によるエッジ効果（Fig.３）は、写真業界では従来から知KONICA MINOLTA TECHNOLOGY REPORT VOL.1（2004）

131屈折方向は可視光線とは逆方向であって、例えばFig.４に示すような円形の断面をもつ被写体では、Ｘ線は集光せず発散する。そこで、被写体とＸ線画像検出器との距離を十分に離すことにより、Ｘ線の屈折により生じた被写体画像境界部でのＸ線量の疎の部分（被写体内側）と、その屈折したＸ線が、被写体を通らないＸ線と重なる密の部分（被写体外側）がＸ線検出器上で生じ、位相コントラストが得られる（屈折コントラストとも呼ばれる）４）。
Fig.2 X-ray intensity profiles at the edge of theplastic fiber shown in Figure 1.

られており、このエッジ効果によって、画像辺縁の鮮鋭度（MTFe）は100％を超えることが報告されている２）。
そこで我々は、この隣接効果によるエッジ効果に適用された鮮鋭度の定量評価方法を、位相イメージングに起因するエッジ効果に適用し、鮮鋭性向上の定量評価を行なった。さらに小焦点Ｘ線管を用いる位相イメージング
でエッジ効果と同時に生ずる、拡大撮影効果による鮮鋭性の向上と幾何学的不鋭による画像のボケをも考慮し、Fig.4 Phase contrast takes place with refraction of X-ray beams
passing through an object. A solid cylinder acts as a diverging lens when X-rays pass through, because the X-ray refractive index of solids is less than unity.

小焦点モリブデン陽極Ｘ線管（モリブデン管）を用いる位相イメージングの鮮鋭性向上を定量的に見積もった。

３ 小焦点X線管を用いた位相イメージングにおける拡大撮影の画質への影響
Ｘ線が放射状に広がる熱電子Ｘ線管を用いて、被写体からＸ線検出器を離して行うＸ線画像撮影は、拡大撮影である。Fig.４ではＸ線源が理想的な点光源の場合を示すが、医療用小焦点Ｘ線管の焦点サイズ（Ｘ線が放射される窓の１辺の長さ）は、一般に0.1mm以上である。そのために、拡大撮影ではＸ線焦点の半影に起因する幾何学的不鋭が生じ、Fig.５に示すように位相イメージングによるエッジ効果が減衰する。

Fig.3 Schematic diagrams for improvement of image
sharpness due to edge effect caused by the adjacent effect in development of photographic film.

２

位相イメージングの原理

Ｘ線が物体を透過すると、物体による吸収もしくは散乱によってＸ線強度が減弱する。このＸ線強度変化による画像濃度差は吸収コントラストと呼ばれ、Ｘ線画像形成の原理であることは広く知られている。一方、Ｘ線がFig.5 Geometrical unsharpness due to blurring caused by penumbra using a typical X-ray tube. The blurring diminishes theedge effect so that the edge enhancement is progressively
broadened and lost as blurring increases.

物体を透過するとき、同時にＸ線は位相変化を生ずる。
この位相変化は、物理現象としては一般に屈折や干渉とまた拡大撮影画像においては、いわゆるリスケーリンして観測される。位相イメージングとは、この位相変化

グ効果によって鮮鋭性が向上する。すなわちFig.６に模式を画像濃度変化（位相コントラスト）に変換して画像化的に示すように、拡大撮影ではMTF（Modulation Trans-３)

fer Function）値が、画像の拡大分だけ低周波数側に移動することと定義されよう 。
ここで、可視光線の屈折はよく知られているが、Ｘ線して、その結果、Ｘ線検出器上での鮮鋭性が向上する。の屈折による偏移は極めて小さいことから、通常のＸ線

従って、医用画像撮影で用いる小焦点Ｘ線管を用いる画像撮影ではＸ線の屈折は経験されない。また、Ｘ線の位相イメージングでの画質の向上を定量的に見積もるに

132

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は、拡大撮影であることから以下の３つの要素を個別に

Ｘ線照射量は、前者は1.5 mAs、後者は10 mAsであった。この位相イメージングは 1.5 倍拡大撮影であるが、見積もり、乗算すればよい。
①位相コントラストによるエッジ効果

Fig.１の位相イメージング画像は、比較のために密着撮影②拡大撮影で生ずる幾何学的不鋭画像と同じ大きさで表示した。Ｘ線画像撮影後のＸ線③

拡大撮影でのリスケーリング効果

フィルムは、自動現像機コニカ製S R X 5 0 2 を使用し本稿では、スクリーン・フィルム乳房画像撮影システ35℃90秒で処理した。ここで用いたスクリーン・フィル

ムの位相イメージングにおける鮮鋭性の向上についてシムシステムの密着撮影でのMTF曲線はスリット法で求めミュレイション計算を行った結果を報告する。

た。
４．２

エッジ効果のシミュレイション計算

シミュレイション計算の前提として、Ｘ線エネルギーはモリブデン管の輝線スペクトルの17keVとした。まずFig.７に示すように、１mm径プラスチックファイバーの吸収コントラストＸ線強度プロファイル（a）をＸ線の吸収
Fig.6 A schematic diagram for increase of MTF value by
re-scaling effect in 1.5 magnification X-ray imaging.

係数から算出した。次に位相コントラストＸ線強度プロ
ファイル（b）を光線追跡法で算出し４）、吸収コントラストＸ線強度プロファイルと加算してエッジ強調画像のＸ線

４強度プロファイル（c）を得た。

方法

４．１

さらに吸収コントラスト画像のＸ線強度プロファイル

Ｘ線画像撮影とエッジ強調画像のＸ線強度プロファイルとを、それぞ

Ｘ線管は東芝製回転陽極Ｘ線管ロータノードD R X −れフーリエ変換して周波数レスポンスを求めた（（d）
及び

B1146−Moを用いた。焦点サイズは0.1mmで管電圧は28kV（e））。得られた結果から空間周波数ごとの周波数レスポ設定とし、0.03mmモリブデンフィルターを使用した。Ｘンスの比（e/d）を求めた。この比の値（f）がエッジ効果

線画像検出器はコニカ製乳房撮影用蛍光増感紙MD100とによる鮮鋭度向上である。

Ｘ線フィルムCMHで構成するスクリーン・フィルムシス
テムを用いた。密着撮影はＸ線管と被写体との距離 R1＝0.6 m、被写体からＸ線検出器との距離R2＝０とし、位相イメージングではR1＝１m、R2＝0.5mとした。

４．３

拡大撮影におけるリスケーリング効果と幾何学的不鋭の評価

拡大撮影効果におけるリスケーリングによる鮮鋭度のFig.7 Procedure to simulate the edge effect in frequency response.

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133向上は、例えば1.5倍拡大撮影の場合、従来の密着撮影のレスポンスとして表した。

MTF曲線を用いて、拡大率が１のときの空間周波数２サ

Ｘ線の屈折によるエッジ効果の強さ、すなわち位相コイクルのMTF値を３サイクルのMTF値に、４サイクルのントラストの半値幅Eは、s式で表すことができる４）。

MTF値を６サイクルのMTF値に移動させることで得られる（Fig.６参照）。焦点の半影のボケによる幾何学的不鋭

1/2 2/3｛ R2δ（2r）｝ ・・・s
E＝2. （
3 1＋R2/R1）1/3５）は、式aのsinc関数で見積った 。ここで、fは空間周波数、DはＸ線管焦点径を示す。

この式によればエッジ効果の強さは、撮影距離のR1とR2に加えて被写体の曲率半径（r）や被写体の屈折率（ｎ＝sinc（f, D）= sin（πfD ）／（πfD ） ・・・a１−δ）などに依存することがわかる。Fig.８には直径１mmの空気中のプラスチックファイバーについての結果を示したが、同様の方法で水中の160µm 直径のポリ燐酸５粒子に対して本計算を行った結果をFig.９に示す。この場

結果

合、周波数レスポンスは100％を超えるものではないが、Fig.８に１mm径のプラスチックファイバーの位相イやはり大きな鮮鋭度の上昇が得られた。すなわち、乳房メージングによる鮮鋭度向上のシミュレイション結果をＸ線撮影の乳がん診断で対象となる微小石灰化粒子群の示す。この結果は、上記の計算で得られた結果を以下の描写性の向上が期待できる１）。

ようなプロセスで得たものである。

Fig.8 Simulation of increase in modulation response due tophase imaging with a screen-film system of MD100CMH for a 1mm-plastic fiber image. An increase of frequency response in the higher frequency range is notable in phase contrast imaging.

Fig.9 Simulation of increase in modulation response due to phaseimaging with a screen-film system of MD100-CMH for a0.16mm-speck image of Aluminum oxide imitating calcification in mammography. An increase of frequency response inthe higher frequency range is also notable in phase contrast
imaging.

密着撮影で得られたMTF曲線をベースに、まずリスケーリングによる拡大撮影による鮮鋭度の向上を見積もる。次にsinc関数で得られたボケによるMTF値の劣化を７まとめ算入することで、1.5倍拡大撮影における画像のMTF曲線位相イメージングにおけるエッジ効果による鮮鋭度のが求められる（拡大撮影効果）。この各空間周波数のMTF向上を、銀塩写真フィルムの現像時に生ずる隣接効果に値に対して前記周波数レンポンス比（Fig.７（f））を乗ずる

よる鮮鋭度の向上と同様に、定量的に見積もることがでことによりエッジ効果が算入されることから、拡大撮影きた。同時に拡大効果についても定量評価を行うことにである小焦点Ｘ線管を用いる位相イメージングによる鮮より、乳房撮影用の小焦点Ｘ線管を用いる位相イメージ鋭度の向上を見積もることができる。

ングにおける鮮鋭性の向上をみつもることができた。

６

●参考文献

考察

１）本田凡、大原弘、石坂哲、島田文生、医学物理 , 22a, 21（2002）

本稿で報告したエッジ効果による鮮鋭度の向上は、その被写体画像のエッジ部分で生ずるものであって、画像

２）M. A. Kriss, The Theory of the Photographic Process. 4th ed.,
T.H.James ed., New York, NY: Macmillan Publishing, 1977: 609613

全体の鮮鋭度が向上するものではない。画像全体の鮮鋭

３）百生敦、医学物理、22a, 5（2002）

度はMTFとして表示されるが、これと区別するために

４）A. Ishisaka et al., Optical Review, 7, 566（2000）

MTFe と表示する場合があるが２）、本稿では 周波数134５）K.Doi and K.Rossman, Radiation Phys.114, 435（1975）

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