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波の性質を利用した X線イメージング
財団法人高輝度光科学研究センター 利用研究促進部門
八木直人
SPring-8 ヘルスケア研究会 (第12回) 2011年12月13日 日本化学会化学会館
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X線の波としての性質を利用した イメージング
• 波の性質について
• 屈折コントラストイメージング
• 位相差CT
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X線は波である
• X線は電磁波
• 粒子性・・・光子(フォトン)という概念
伝搬中・・・電磁波
相互作用・・・粒子
• 「回折」は、波の伝搬の性質
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波の干渉
波は干渉して,振幅の大きなところと小さなところが作られる。
回折 干渉
ホイヘンス=フレネルの原理
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2つのスリットによる回折
平面波 完全に平行な波・・・無限遠にある点光源からの波 ↑ 放射光はこれに近い
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波の屈折
Snellの法則
屈折と回折は、同じ原理に基づく。「位相イメージング」
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X線集光ミラー
X線の全反射は、X線が物質に入るときに生じている。光とは逆の方向・・・屈折率が1より小さい(物質中のほうが速い)。
屈折も、光とは逆の方向に生じる。
Siまたは石英(集光用に少し曲がっている)
屈折率 n = c/v cは真空中の光速 vは物質中の光速
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X線の波としての性質を利用した イメージング
• 波の性質について
• 屈折コントラストイメージング
• 位相差CT
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SPring-8におけるイメージング実験 X線の屈折
アンジュレータ(X線源) 分光器
X線ビーム
試料
(far position)
真空
ベリリウム窓
カプトン窓
真空またはヘリウム
試料
(near position)
高分解能X線検出器
6.5 m
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トンボの羽
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ヌードマウス
far near Yagi et al.
Med. Phys.
(1999)
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ガラス管によるX線の屈折
マイクロラジアン程度屈折する
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35keV, 5.5m
35keV, contact
ヘアレスラット
Y. Suzuki et al. J.
Synchrotron Rad.
(2002)
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500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Pixel
Inte
nsity (
Arb
. U
nits)
Profile along line in (c) 7cm
Profile along line in (d) 3m
R. Lewis et al. Phys.
Biol. Med. (1975)
屈折による画像の改善
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スペックル画像生成の物理的考察
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シミュレーション
M. J. Kitchen et al. Phys. Med. Biol.
(2004)
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ウサギ新生児における肺への空気の導入過程の観察
BL20B2@SPring-8
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屈折コントラストCT
5mm
2.5mm
ウサギ肺
低分解能、厚い試料でも屈折効果見られる
near far
Sera et al.,
Eur. J. Radiol.
(2008)
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屈折による見かけ上の分解能向上
Sera, Uesugi & Yagi. Med. Phys. (2005) Sera, Uesugi & Yagi. Eur. J. Radiol. (2008)
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臨床用CTとの比較
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コニカミノルタエムジー資料から
光源は微焦点(100ミクロン)
光源から被写体,被写体からイメージングプレートまでの距離を大きく取る
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X線の波としての性質を利用した イメージング
• 波の性質について
• 屈折コントラストイメージング
• 位相差CT
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位相差イメージング
研究例:目の水晶体
X線の吸収が少なく、一般のCTではコントラストがつきにくい
回折格子型干渉計(タルボ型)
BL20B2
Hoshino et al., PLoS ONE (2011).
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マウス眼球
断面の屈折率分布
キャリブレーション
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1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Ref
ract
ive
ind
ex
Position (mm)
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
Ref
ract
ive
ind
ex
Position (mm)
金魚
Saggital profile
Equatorial profile
Scale bar: 1mm
Sectional image including optical axis
Sectional image perpendicular to optical axis
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1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-4 -2 0 2 4
Re
fra
ctiv
e in
de
x
Position (mm)
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-4 -2 0 2 4
Ref
ract
ive
ind
ex
Position (mm)
カエル
Saggital profile
Equatorial profile
Scale bar: 2mm
Sectional image including optical axis
Sectional image perpendicular to optical axis
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1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-1 -0.5 0 0.5 1
Re
fra
ctiv
e in
de
x
Position (mm)
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-1 -0.5 0 0.5 1
Re
fra
ctiv
e in
de
x
Position (mm)
イモリ
Saggital profile
Equatorial profile
Scale bar: 0.5mm
Sectional image including optical axis
Sectional image perpendicular to optical axis
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1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Re
fra
ctiv
e in
de
x
Position (mm)
1.3
1.35
1.4
1.45
1.5
1.55
1.6
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Ref
ract
ive
ind
ex
Position (mm)
豚
Saggital profile
Equatorial profile
Scale bar: 4mm
Sectional image including optical axis
Sectional image perpendicular to optical axis
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マウス眼球のレイトレース
ネズミは意外と眼が良い
角膜、水晶体の形状と密度分布から光路をトレースできる
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ポリマーブレンド
PSとPMMAの混合体
Momose et al., Macromolecules (2005)
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位相差CTの現状
• 密度分解能が高い・・・コントラストのつきにくいソフトマターに最適
• 密度差が小さいことが望ましい・・・重いものや空気が無いこと
• 空間分解能は現状10ミクロン程度
• 試料サイズは20mm程度まで
• 水に浸して撮影する
• 撮影時間は30分~4時間
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まとめ
• 屈折コントラストイメージング
リアルタイム高コントラスト撮影
吸収CTのエッジ強調
• 位相差CT
高コントラスト(密度分解能)CT
定量性の高い密度測定
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その他の放射光イメージング
• 高分解能CT(0.1ミクロンまで)
• 高時間分解能リアルタイムイメージング(マイ
クロ秒まで)
• 高分解能蛍光マッピング(サブミクロンまで)
• 高分解能赤外マッピング(10ミクロンまで)