位相技術

位相技術の説明

軟組織が上手く撮れないというのはレントゲン技術の上で長い間問題点となっておりました。近年、東北大学の百生敦教授はこの難問に踏み込んで研究を続け遂に乳癌や軟骨等のこれまでレントゲン撮影では撮影が不可能であった軟組織の部位を高解像度で撮影する事に成功しました。

TomoShop®の開発者元の緑野リサーチ社はこの位相技術をCTの非破壊検査でも応用可能なアルゴリズムの研究開発をしております。

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命を守るレントゲン革命

1. 原理の説明 

ここでは位相の原理を説明します。X線の複素屈折率を表す式は、と表記します。 ここで 、はX線の振幅減衰(吸収にあたる)、はX線の位相シフトを表します。硬Ｘ線領域においては、X線の位相シフトは振幅の減衰より大きくなります。特に弱吸収物体に対しては1000倍ぐらいになります。この事から軽元素からなる物体に対しては、位相シフトを利用して高感度のイメージングを得ることができます。

TomoShop®の開発元である緑野リサーチ社の位相技術は、以下のようにTalbot自己像効果を使用した実験環境に適用することが可能です。

P.S.
TomoShop®の位相技術は、上図に示す回折格子がTalbot自己像効果が可能な位相格子の場合に実験室用のX線源でも位相画像が得られる事に成功しました。実用に向けてもうあと少しです。

2. 株式会社緑野リサーチの位相技術の特徴

TomoShop®の開発元である㈱緑野リサーチ社は、百生敦教授の位相技術理論に基つき、撮影回数を数十回から数回に減らしても、画質が変わらないアルゴリズムの実用化を目指して研究と開発を行っています。 この位相技術のアルゴリズムの利点を下記に記します。

1. 撮影回数が数十回から数回に抑える事ができます。それにより生体のX線被曝量が大幅に減少させる事が可能です。
2. 回折格子を移動する間隔が大きくなります。それにより操作が簡単になります。
3. 高精度で計算を行うため、位相CTで画像再構成を行う場合はアーチファクトを軽減する事が可能です。
4. 機械操作の精度への要求が低下しコストダウンが可能となります。

3. シミュレーション

上図1で示すように、検出器から回折格子までの距離は、自己像を形成するためにTalbot距離で固定します。 回折格子の周期をN等分して移動距離を決めます。その後、移動距離で回折格子を横方向へ移動して撮影を行います。次の図2にでは位相サンプルを表示し、図3ではシミュレーションの画像を示します。※N＝数値

4. 結果

撮影したN枚の画像を処理して、サンプルの位相差像を復元することができます。
※図4、図5の画像は、4ステップ(N = 4)の4 枚の撮影画像を利用して復元した位相差を表します。

5. 結果（実データ）

下記の画像は従来の手法による結果（実データ）と位相の手法による結果です。

従来の手法による位相差分画像（左）と位相差像（右）

緑野リサーチ（TomoShopの開発元）の技術による位相差分画像（左）と位相差像（右）

注：　緑野リサーチ（TomoShopの開発元）の位相技術は東北大学の百生先生、矢代先生の協力の元開発されました。詳細は論文をご参照ください。

非標準縞走査法（回折格子の移動誤差による画質の低下を防ぎます）

従来の位相を使用したX線画像撮影においてはTalbot現象を利用した解析格子型干渉計法が使用されております。　しかし、この方法には幾つかの問題点があります。　例えば回折格子型干渉計法によるX線画像撮影時では、回折格子を何回か移動させて撮影を行います（縞走査法）。　この時に生じる移動誤差が原因で得られる位相像の画質低下が生じます。　よって、この画質低下を防ぐ為にかなりの高精度な機械操作が要求されます。

TomoShopの開発元である緑野リサーチの開発した非標準縞走査法技術は、機械操作が高精度でなくて回析格子移動に誤差が生じても高画質の結果が得られるように開発されております。
また、回析格子を多周期で多い回数で移動させる多周期操作を行う場合でも正確な位相像を得られる事が可能です。

下の画像は、実データの実験結果を比較した画像です。　解析格子の移動誤差が30nm前後となります。

注：　画像は緑野リサーチから協力を得ました。（オリジナルは東北大学の百生敦教授　所蔵）

位相微分像を3次元画像化するCT再構成技術 (位相CT再構成)

緑野リサーチ（TomoShop）の技術は縞走査法（X線Talbot干渉計及びTalbot-Lau干渉計を用いた）で得た画像データから吸収画像、位相微分画像、そして小角散乱画像等を計算式で算出する事が可能であり、これらの画像を元にCT再構成を行い、対象物の3次元画像を取得する事が可能です。　何故ならば、吸収画像と小角散乱画像は、X線入射方向の線積分になるので既存のCT再構成技術を使用する事が可能です。また、位相微分画像は、微分方向の積分を計算してからCT再構成技術を使用する事が可能となります。

しかし、CTフィルター（Ramp Filter）と位相微分画像の微分方向が同じケースでは、微分方向の積分を行わずにCT再構成して3次元CT画像を得る事ができます。何故ならば、周波数領域において、CTフィルター（Ramp Filter）を分解する事が可能だからです。　下記の式はそれを表しています。

※　＝CTフィルター（Ramp Filter）、＝微分オペレーター、＝Hilvert Transform

下図はシュミレーション微分画像と上記分解式を用いた再構成後の3D画像の横断面結果となります。
※Shepp-Logar頭部ファントムを使用。

位相再構成機能（オプション）

TomoShopにはここで紹介した位相微分像からCT再構成を行い3D画像を生成するオプション機能を提供します。　この機能はTomoShop Fエディションシリーズに搭載が可能となります。

※注
○＝搭載している
×＝搭載していない
△＝オプション（別価格）

機能	位相再構成オプション
微分画像からCT再構成	○
微分画像の輝度補正	○
価格
メーカー希望小売価格（税抜）	100万円
OEM価格（税抜）	お問合せください

 

[1] Momose A, Takeda T, Itai Y and Hirano K, Phase−contrast X−ray computed tomography for observing biological soft tissues, , Nature Medicine 2, 473—475, 1996.

[2] Yashiro W, Harasse S, Takeuchi A, Suzuki A, Momose A, Hard-x-ray phase-imaging microscopy using the self-imaging phenomenon of a transmission grating , Physical Review A, vol. 82, Issue 4, 2010.

[3] 廉 松哲, 楊 海圏, 『位相撮影装置およびその復元方法』, 特願2014-197488.