トピックス
放射光 X 線 CT による木材のイメージング評価
高橋由美子
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 11

平野馨一
高エネルギー加速器研究機構 物質構造科学研究所〒3050801 茨城県つくば市大穂 11蛇石貴宏
住友林業株式会社〒3002646 茨城県つくば市緑ヶ原 32

つくばテクノパーク豊里内〒3002646 茨城県つくば市緑ヶ原 32

つくばテクノパーク豊里内

小椋健二
住友林業株式会社

要 旨

炭化腐朽蟻害による木材内部の断面欠損を可視化するために放射光を用いた木材片の単色 X 線 CT 測定を行い，3 次元再構成データから木材内部の密度変化を立体的にとらえることができた。また，照射 X 線の単色性を生かし早材晩材の密度差，腐朽に伴う密度低下を定量的に確認することができた。放射光実験では苦手とする大型試料についても分割測定＋合成処理により測定する方法を確立し，105 mm×105 mm の角材の CT 測定に成功した。

1.

容易ではなかった2)。

はじめに一方木材自体は不均一材料であることを考慮すると外部X 線 コ ン ピ ュ ー タ 断 層 撮 影 （ computed tomography;

 内 部 状 況 の 把 握 に は X 線 CT 法 は 有 望 な 手 法 と い えCT ）は医療分野での利用が先行していたが，近年， X 線る。しかし市販の X 線 CT 装置は比較的小さい部品材

顕微鏡などラボ機の高性能化に伴い産業分野での応用も広料を対象としているものが多く，木材等の大規模構造材料まりつつある。その中で放射光を光源とする CT 測定は高の評価は苦手であった。また市販装置では連続 X 線を用輝度エネルギー可変性単色/白色 X 線の使い分けなどいている場合が多いので， X 線が物質を透過する際に低ラボ機には無い性能を有し，材料分野における幅広い応用エネルギーの X 線がより多く吸収されて X 線の実効エネの可能性を秘めている。しかし放射光施設を利用することルギーが高くなるビームハードニング効果の影響を避けら自体が放射光実験に慣れていない企業の研究者にとって障れない。ビームハードニングが無視できない場合同じ物質壁となっている場合もある。そこで高エネルギー加速器機

でも大きさや観測位置によって CT 値が変化し，CT 値の構の放射光科学研究施設（ PF ）では企業研究者を対象と定量性が損なわれるという問題が生じる3) 。そこで今回するトライアルユースを行い，放射光の産業利用の促進をビームハードニングがほとんどない単色 X 線 CT により図っている1)。ここではその一例として放射光 X 線 CT を

木材の密度分布の定量評価を検討した。また部分画像のつ用いた木材の評価2)について報告する。

なぎ合わせによる再構成法を大型試料に適用することによ

従来木造建築は住宅等小規模な建築物が代表的なものとり高い空間分解能を維持しながら大面積の CT 像の測定になっていたが，建築基準法の改正や行政による木材の積極成功した。本報告では，今回開発した大面積単色 X 線 CT

的な利用促進によって近年は中大規模な木造建築が増加法を含め，木材の炭化腐朽蟻害に起因する内部割れしてきている。中大規模建築への木材利用にあたり，木断面欠損度合いを評価した結果について述べる。

材を構造躯体として意匠的に現しながら防火性能を高めた
り，高い耐久性が必要となる屋外での化粧材として用いる等々木材の新しい利用法が増えており，使用する木材についてもこれまでとは異なる劣化対策が必要となってきてい2. 実験方法
2.1

試料る。今後の木造建築の発展にはこれらの課題に対して技術

単 色 X 線 CT 測 定 に は ス ギ の 未 処 理 材 （ 密 度 0.46 g /的な改善を図る必要があり，そのためにはより詳細な木材cm3 ）と炭化材（密度 0.40 g / cm3 ）および腐朽材（密度特性の把握が必要である。木材特性評価の 1 つとして木0.40 g / cm3）を用いた（ Fig. 1）。小型試料のサイズは q20

材試験片の観察は通常その切断面によって行われることがmm×30 mm, q6 mm×30 mm の二種類で後者は高分解能多く，切断面の擾乱の影響により内部状況を確認するのは測定（密度測定）用である。大型試料測定には蟻害処理を

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(C) 2015 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

トピックス ■ 放射光 X 線 CT による木材のイメージング評価

Fig. 1(Color online) Samples of (a) untreated, (b) carbonized,and (c) decayed Japanese cedar (Cryptomeria japonica).
The carbonized sample (1b) consists of (i) carbonized layer,(ii) pyrolytically decomposed layer, and (iii) undecomposedlayer.

Fig. 2

Schematic of experimental set-up.

行ったベイツガ105 mm×105 mm×300 mm を用いた。
木材の炭化処理は，発熱性試験（ISO5660）に用いるコーついて重ね合わせる処理）を行う。このとき光学系の点広ンカロリーメーターを用いて木材片の一面を50 kW/m2 のがり関数（ Point Spread Function ）に起因するボケを除輻射熱で 4 分間加熱することにより行った。また，腐朽去するフィルタをかけることによってノイズの少ない断層処理は，JIS K 15712010（木材保存剤性能基準及びそ像（ CT 像）を得ることができる。この手法を FBP 法との試験方法）に準拠して行った。供試菌にはオオウズラタ呼び，測定条件により最適なフィルタを使用する。今回のケ（Fomitopsis palustris (Berk. etCurt) Gilbn. & Ryv.

逆投影処理では Shepp-Logan フィルタを用いた。 FBP 法FFPRI 0507）を用いた。蟻害処理は，沖縄県中頭郡のシにより異なる高さに対する CT 像を求め，各 CT 像を積みロアリ活性の高い屋外試験地にて，105角 1 m の木材を半上げることにより最終的な 3 次元再構成像を得ることが分地中に埋めて 6 ヶ月設置することにより行った。

可能となる。
FBP 法によって得られた CT 像は原理的には線吸収係

2.2

実験

実験は PF BL14B で行った。初めに測定条件を最適化するため X 線波長を変化させて透過像を撮影し，透過像数の 2 次元分布を与えるが，逆変換時の誤差5)や諧調変換の影響があるので，密度分布を得るために以下の変換式を用いた。の形状から波長領域を 0.96～1.4 Å とした。光学系の概略

rxyz＝を Fig. 2 に示す。二結晶モノクロメータで単色化された X
線をスリットで10 mm(H)×10 mm(V)に整形しコリメータ結晶に入射した。コリメータには Si 220非対称反射（aa＋b×Ixyzm /r

ここで rxyz は位置（ x, y, z ）における密度［ g / cm3 ］， Ixyz

＝ 14, 16, 20 deg ）を用い，試料位置でのビームサイズをは位置（ x, y, z ）における画素の強度（画素値）， m / r は40～60 mm(H)×10 mm（V）とした。コリメータで反射試料の質量吸収係数［cm2/g］である。密度が既知である

した X 線を回転並進傾き可能なゴニオメータにセッ

プラスチックボールの CT 像から変換式の係数を最小二乗トされた試料に入射し X 線検出器で透過像を観察した。

法により求めたところ a＝－0.14±0.12, b＝0.28±0.01を検出器には X 線 CCD カメラ（ XFDI, Photonic Science ）得た。変換式の切片 a は本来 0 となるはずであるが，ほを用いた。通常の測定では有効ピクセルサイズ 23 × 23

ぼ誤差範囲とはいえ有限な値になっているのはプラスチッmm2，空間分解能約50 mm のものを用い，特に高分解能がクボールの CT 像画素値のばらつきなどが影響しているも必要な測定では有効ピクセルサイズ6.4×6.4 mm2，空間分のと考えられる。次に測定した木材の CT 像の画素ごとに解能約15 mm のものを使用した。得られた画像は一般的な上式から密度を求め，CT 像を密度分布図に変換した。こフィルタ補正逆投影法（ ˆltered back-projection; FBP ）こで，未処理試料の全体に渡って平均した画素値と平均密によって再構成した4,5)。

度から求めた質量吸収係数をその材質の試料全ての質量吸以下に FBP 法について簡単に述べる。試料回転軸に垂収係数（ 6.58 cm2/g ＠ 9 keV ）とした。この変換式は木材直な方向から照射された X 線は試料によってその一部がの処理によって化学組成が大きく変化しないことを前提と吸収され検出器に到達するので，試料各部位の X 線透過しているので，化学的な変化の大きい炭化材には適用でき率に依存した透過像が得られる。この透過像を試料のあらない。

ゆる方向について収集し，入射 X 線強度の比の対数を取

通常，X 線 CT 測定で観察可能な試料サイズは検出器のった画像（投影データ）を作成した後，逆投影（投影デー受光面積以下に限られる。そのため，大面積の X 線 CCDタを投影方向に沿って戻し，これを各方向の投影データにを使用する場合でも，試料サイズは33×25 mm2 程度以下

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に制限される。しかし木材の試験材を評価する場合，標準とも分かった（Fig. 4）。木材は乾燥に伴い割れが発生する的な試験体である断面積 105 mm × 105 mm の試料をそのが，燃焼中の熱分解領域においても同様の現象が発生してまま観察できることが望ましい。そこで標準試験体サイズいることが確認された。

である大型試料に関しては試料を水平方向に並進移動して一方腐朽材でも炭化材と同様に腐朽した部分が粗になっ各位置で試料の部分透過像を 7 枚撮影し，得られた透過ている様子が強度分布等から窺えるものの炭化材ほど明確像を継ぎ合わせた合成像に対して逆投影を行って CT 像をな違いは見受けられなかった。そこでピクセルサイズ 6.4得た。なお一つの試料を測定するのに要した時間は約 2mm の CCD を用いた高分解能 CT 画像から密度分布を求時間 20 分である。本手法を試みた当初は光学系の設置精めた。結果を Fig. 5(b)に示す。比較のため未処理材の密度度や画像継ぎ合わせの不完全性により生じたアーチファク分布（Fig. 5(a)）も併記する。未処理材では晩材（年輪のトにより，実用に耐えうる画像を得ることができなかっ色の濃い部分）と早材（年輪の色の薄い部分）で 3 倍程た。アーチファクトの発生要因を詳細に検討したところ，度密度に差があり，年輪の外側から内側に向かい早材部か主要因は試料の並進移動時における並進ステージのたわみら晩材部への立ち上がりが急峻であるのに対し晩材部からおよび回転軸のぶれであることが判明した。そこで，並進早材部へはゆるやかに密度が変化している様子が分かる。

ステージの下に厚さ 10 mm のアルミ板を設置し測定系の一方，腐朽材では未処理材に比べて晩材，早材間の密度変剛性を向上させることにより，アーチファクトの発生を抑化がほぼ同一であり未処理材に見られるような急峻な変化制することに成功した。

が少ないことが判る。今回腐朽処理に用いたオオウズラタ
ケは褐色腐朽菌に分類されるが，褐色腐朽菌に腐朽された

3.

結果と検討

木材は曲げ強度が初期の腐朽段階から大きく劣化することが知られている6)。木材の曲げ強度は材料の矩形断面におスギの未処理材炭化材腐朽材の 3 次元再構成像をける一辺の長さである断面高さの 2 乗に比例すること，Fig. 3 に示す。明るい色から暗い色へと線吸収係数は小さ

褐色腐朽菌は木材の強度に大きく影響する成分であるセルく（X 線透過率は高く）なる。未処理材（Fig. 3(a)）と比べ炭化材（Fig. 3(b)）腐朽材（Fig. 3(c)）で暗色部分が目立っており，処理による木材質の密度の低下が示唆される。なお炭化材では，試料上部（Fig. 1(b)(i)）の完全に黒化した部分は視野から外して測定しており，図中の暗色部分は炭化処理によって生じた熱分解領域を示していると考えられる。暗色部分は試料の中心から外周に進むにつれて試料下部に延伸しており，試料中心部では外周部と比較すると熱分解が遅れて生じている様子が窺える。また未処理材と炭化材の平均的な密度差は 0.06 g / cm3 であり，炭化材において熱分解領域とそれ以外の領域の密度変化が明確に観測できていることから，単色 X 線 CT によりこのような微小な密度差も十分可視化できることが分かった。また，CT 像より熱分解領域で微小な割れが発生しているこ

Fig. 3Fig. 4The CT image of the carbonized sample. Micro cracks acrossthe late wood are observed.

(Color online) 3D reconstructed images of the measured Japanese cedars (Fig. 1(ac)). Dark color parts are observed in (b) carbonized, and (c) decayed samples, which are not shown in (a) untreated sample, indicating thedecrease of density.

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トピックス ■ 放射光 X 線 CT による木材のイメージング評価

Fig. 6(Color online) The 3D reconstructed image of termite
damaged western hemlock which size is 105 mm times 105mm, as the example of large size CT observation.

平方向のビニングを 5 として画像処理を行っているため空間分解能は 250 mm 程度になっているが，ビニングをかけずに画像処理を行えば高分解能の画像再構成も可能である。このように放射光 CT は大面積試験材の非破壊検査方法としても有効であることが示された。
これらの結果から木材の炭化腐朽蟻害などによる劣化状態を試験材のまま直接観察することで劣化を誘う環境条件等と材料強度の関係を明らかにすることが可能になることが分かった。一方ミクロレベルでは木材の劣化は細胞の分解や組織の破壊によって引き起こされるので，より詳細な木材劣化機構の解明のためには数 mm から数十 mm の細胞～組織レベルの観察と材料性能の関係を評価することが望ましい。現在 PF では倍率可変 X 線ブラッグ光学系の開発が進められており7,8) ，近い将来にはサブミクロンオーダーから数100 mm の領域までをカバーする X 線 CT技術も期待され，木材の細胞レベルから構造全体を統一的に評価可能なシステムの構築が期待される。

Fig. 5(Color online) Density distributions of (a) untreated and(b) decayed sample with contour maps and line proˆles.
Outer ring in the decayed sample is protective ˆlm of thesample.

4. おわりに炭化腐朽蟻害による木材内部の断面欠損を可視化するために放射光を用いた木材片の単色 X 線 CT 測定を行った。放射光の特徴である単色性エネルギー可変性を生かして測定条件を最適化し木材内部の密度変化を立体的にロースを主に分解することを考慮すると，今回の結果は腐とらえることができた。また，腐朽に伴う密度低下を定量

 腐朽菌による木材全領域朽材で生じる曲げ強度の減少が的に確認することもできた。放射光実験では苦手とする大 強度低下に伴うでのセルロース分解強度低下，および型試料についても新たな測定方法を確立し， 105 mm ×有効な断面高さの減少に起因するという強度低下機構の妥

105 mm の角材の CT 測定に成功した。

当性を示している。

近年の中大規模木造建築の増加に伴い，高い防火性

次に大面積 CT 測定例として蟻害処理を行ったベイツガ

耐久性の実現，点検補修技術のさらなる向上が求められ（断面積 105 mm × 105 mm ）の 3 次元再構成像を Fig. 6 にているなかで本研究結果は木材のより高度な技術構築の一示す。試料全域に迷路のように穿たれたシロアリの摂食跡助になると期待される。

が明瞭に観察できる。CT 像を二値化した画像から求めた空隙率は約 20 で深さ方向（ 32 mm ）の変動はほとんどなかった。本手法では試料サイズに制限が無く，今回は水謝辞
本研究は文部科学省先端研究基盤共用プラットフォー

放射光 Sept. 2015 Vol.28 No.5 ● 217

ム形成事業「フォトンファクトリーの産業利用」トライア

4)

ルユース（課題番号 2012I004 ）によって実施されました。
5)

参考文献

6)

1) http://pfwww.kek.jp/innovationPF/index.html.
2) 蛇石貴宏，小椋健二先端研究基盤共用プラットフォーム形成事業フォトンファクトリーにおける産業利用促進利用報
告書2012I004.
3 ) 豊福不可依，徳森謙二日本放射線技術学会雑誌 56, 792(2000).

7)
8)

Avinash C. Kak and Malcolm Slaney: Principles of Computerized Tomographic Imaging, Classics in Applied Mathematics,
33 (Society for Industrial Mathematics, Philadelphia, 2001)
ch 3.
橋本雄幸，篠原広行C 原語による画像再構成の基礎（医療科学社，2006) p. 245.
公益社団法人日本木材保存協会編木材保存学入門 改訂 3版，（公益社団法人日本木材保存協会，2012) p. 56.
K. Hirano, Y. Takahashi and H. Sugiyama: Jpn. J. Appl.
Phys. 53, 040302 (2014).
K. Hirano, Y. Takahashi and H. Sugiyama: Nucl. Instrum.
Methods Phys. Res., Sect. A 741, 78 (2014).

著者紹介
橋由美子

蛇石貴宏

高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 研究員
E-mail: yumikot＠post.kek.jp
専門X 線イメージング［略歴］
2001 年 3 月総合研究大学院大学数物科学研究科修了。博士（理学）。日本大学理工学部物理学科助手，同理工学研究所上席研究員を経て2011年 4 月より現職。

住友林業株式会社筑波研究所
E-mail: HEBIISHI_takahiro＠star.sfc.co.jp
専門木造防耐火，避難安全［略歴］
2009 年 3 月早稲田大学大学院創造理工学研究科建築学専攻修士課程修了
2009年 4 月より現職。

平野馨一
高エネルギー加速器研究機構物質構造科学研究所 准教授
E-mail: keiichi.hirano＠kek.jp
専門X 線光学，X 線イメージング［略歴］
1989 年 3 月東京大学大学院工学系研究科物理工学博士課程中退。工学博士。東京大学工学部助手，高エネルギー物理学研究所
助手，高エネルギー加速器研究機構講師を経て2009年 3 月より現職。

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小椋健二
住友林業株式会社筑波研究所
E-mail: OGURA_kenji＠star.sfc.co.jp
専門木質材料［略歴］
2002 年 3 月京都府立大学大学院農学研究科修士課程修了
2002年 4 月より現職。

トピックス ■ 放射光 X 線 CT による木材のイメージング評価

Synchrotron X-ray CT measurement of wood
Yumiko TAKAHASHI

Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, 11 Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801, Japan

Keiichi HIRANO

Institute of Materials Structure Science, High Energy Accelerator Research
Organization, 11 Oho, Tsukuba, Ibaraki 3050801, JapanTakahiro HEBIISHI

Sumitomo Forestry Co., Ltd. No. 32, Midorigahara, Tsukuba, Ibaraki 300
2646, JapanKenji OGURA

Sumitomo Forestry Co., Ltd. No. 32, Midorigahara, Tsukuba, Ibaraki 300
2646, Japan

Abstract

In order to visualize the cross-sectional deˆcit inside the wood caused by carbonization, decay,and termite damage, synchrotron X-ray computed tomography (CT) was applied to the woodpiece. By analyzing the three-dimensional reconstruction data, the diŠerence in the density of early wood (bright color part) and late wood (dark color part) of annual rings were observed and thedensity loss caused by decay was detected quantitatively.
The CT method for the large-scale samples which are not suitable for synchrotron radiation CT
was settled by the division measurement and synthesis processing. The CT image of a timber of
105 mm×105 mm was obtained successfully by this method.

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