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 ： 1305051S

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL-07（様式第 5 号）

マ ル チ エ ネ ル ギ ー X 線 CT の 基 礎 的 な 検 討
Feasibility test of multi-energy X-ray CT
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）
マ ル チ エ ネ ル ギ ー X 線 CT は エ ネ ル ギ ー の 異 な る 複 数 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 取 得 す る 方 法 で あ る 。
従 来 の X 線 CT と 同 様 に サ ン プ ル の 密 度 に 関 す る 情 報 に 加 え て 、 元 素 組 成 に 関 す る 情 報も 得 る こ と が で き 、組 成 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 る 。本課 題 で は 上記 撮 像 法 の基 礎 的 な 検討 と し て 、デ ュ ア ル エネ ル ギ ー Ｘ線（ エ ネル ギ ー の 異 な る ２ 種 類 の Ｘ 線 ）利 用 に お け る 実 効 原 子 番 号 の 検 出 精 度 に つ い て 評 価 を 行っ た 。試 料 に は 生 体 軟 組 織 を 用 い 、サ ン プ ル を 透 過 し た X 線 の 検 出 に は ダ イ ナ ミ ッ ク レン ジ が 20 bit と 極 め て 広 い PILATUS 画 像 検 出 器 を 用 い た 。エ ネ ル ギ ー 20 及 び 30 keV の単 色 放 射 光 に よ り 取 得 し た 断 面 像 に 対 し て 、 各 ピ ク セ ル の CT 値 の 比 か ら 近 似 計 算 を 行
う こ と に よ り 、 Zeff を コ ン ト ラ ス ト と す る 像 を 算 出 し た 。 こ の 結 果 、 脂 肪 と 筋 組 織 を 明
瞭 に 可 視 化 す る こ と が で き 、さ ら に 各 組 織 領 域 で 求 め た 値 は 元 素 組 成 か ら 算 出 さ れ た 理
論 値 と 8%以 内 で 一 致 す る こ と が 分 か っ た 。
（ English ）Multi-energy X-ray computed tomography (CT) enables us to obtain not only conventional
density image but also elemental image of samples, and provides a novel evaluation method
using elemental changes as an indicator. Feasibility observation of a biomedical sample wasperformed using different energy X-rays to evaluate the accuracy of measured effective atomic
number (Zeff). Conventional absorption-contrast CT images were detected by a PILATUS
detector having large dynamic range of 20 bits. The Zeff-contrast image was calculated fromthe ratio of CT values in sectional images obtained using 20- and 30-keV X-rays. The image
visualized the inner structure of the sample clearly, and the Zeff values of fat and muscle
regions corresponded to theoretical value within 8%.
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や製品の不良検査などに広く利用されている。本法は被写体によるＸ線の吸収の大きさ（線吸収係数）を検出しており、近似的には密度に関する情報を得ることができる。しかし、被写体の元素種やその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変化に対して異なる変化率を示すことを利用して、エネルギーの異なるＸ線で取得した複数の画像から演算により被写体の元素組成に関する情報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変化する方法やエネルギー分解能を持った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]。また、単色放射光を用いた原理実験では、有機溶液を対象として、実効原子番号に加えて正確な電子密度も同時に算出できることが示されている[2]。
本課題では、3 種類以上のエネルギーのＸ線を利用するマルチエネルギーＸ線 CT の基礎的な検討として、放射光を用いた上記デュアルエネルギーＸ線 CT の性能評価を目的とし、実効原子番号の検出精度に関する評価を行った。
３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
測定は、高いエネルギーのＸ線を利用できるウィグラーのビームラインBL-7にて行った。光学系の配置を図１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PILATUS100K検出器で検出した。本検出器のピクセルサイズは172μm角、画素数は横487ピクセル、縦195ピ
クセル、視野は横84mm、縦34mm、ダイナミックレンジは20bits、フレームレートは300Hzである。
また、試料とPILATUS検出器との距離（カメラ長）は300 mmである。
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）背景像を測定、（３）試料を光路に設置、（４）試料像を測定、（５）試料を回転、の手順で行い、（４）と（５）を試料の回転が360°になるまで繰り返し行った。また、測定の最後に（１）と（２）を行い、再度、背景像を取得した。回転の刻みは0.72°、プロジェクション数は500投影とした。各プロジェクションにおける露光時間は20 keVでは2秒、30 keVでは10秒とした。
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、フィルター関数にはShepp-Logan（SL）関数を利用した。また、実効原子番号を表す像は、20 keVで取得した断面像を、30 keVで取得した断面像で除算した比rから近似計算により求めた。

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、20 keV 及び 30 keV のＸ線を利用して得られた生体軟部組織（牛肩の筋組織）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、脂肪と筋組織が明瞭に区別できていることが分かる。なお、サンプルは直径 12 mm のチューブに詰めて測定した。図中のサンプル外側に見えている円はこのチューブであり、更にその外側に現れている円状の細い線はチューブを封入したビニール袋である。

図2(a)20 keV 及び(b)30 keV の測定で得られた牛肩組織切片の断面像

図 3 には、図 2 の２つの断面像の比から算出した実効原子番号 Zeff をコントラストとする像（Zeffコントラスト像）を示す。各ピクセルの Zeff 値は理論的な計算により求めた近似式を用いて算出した。この結果から、Zeff コントラスト像でも脂肪と筋組織を鮮明に描出できていることがわかる。脂肪組織における Zeff 値は 6.5±0.3 で、ICRU Report 44 で定義されている一般的な脂肪組織の元素組成から算出した理論値 6.57 とほぼ一致した。一方、筋組織における Zeff 値は 8.0±0.2 で、同様に組成から算出した理論値 7.4 とは 8%ほど異なった値となった。この原因としては、入射Ｘ線の強度変動による影響を十分に低減できていないことなどが考えられる。なお、背景領域に現れている輝度の高いラインダムな点は、0 値による除算によって生じたノイズである（背景領域において CT 値（線吸収係数）は 0 となるため）。

図 3 図 2 の断面像より算出した Zeff コントラスト断面像
５．今後の課題
前節に記述したように、Zeff 値の検出精度は現在のところ 8%程度である。今後、本法をバイオメディカルのみならず材料の解析等に適用していくためには、精度の向上が不可欠である。今後は背景像の計測をより頻繁に行い、入射Ｘ線の強度変動による影響の低減を試みる。また、同時に各種の材料への適用を進め、本法の有用性について検討を行う。
６．参考文献[1] http://www.innervision.co.jp/suite/philips/technote/100710/[2] Masami Torikoshi et al, Phys. Med. Biol. 48, 673(2003)
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）