X 線CTの概要

Contents

1. X線CTとは?
2. X線CTの仕組みとは?
3. X線CTはどのようなときに役立ちますか?
4. 適切な X線CTを選択するにはどうすればよいですか?

1. X線CTとは？

X線コンピュータ断層撮影（CT）は、対象物の密度分布を3Dで非破壊的にスキャンし、内部構造を明らかにするX線イメージング技術です。この技術は、もともと1970年代初頭に人間の脳をスキャンするために商品化され、その後医療目的で広く使用されてきました。その理由の一つは、その非破壊性です。CTスキャンという用語は、コンピュータ断層撮影法を表す一般的な呼称です。

医療用CTスキャナーの解像度はサブミリからミリオーダーですが、マイクロCTおよびナノCTスキャナーはより高い解像度を実現でき、材料および生命科学の研究に広く使用されています。これらのスキャナーも同じ原理に基づいています。測定対象物をスキャンし、物理的なスライスを作成せずに内部構造を明らかにするための「スライス像」を取得します。下の図は、パン（中央）とゴマ（右）の実際のCTスキャンを示しています。

スライスや切り出しを行わずに対象物を 3D でスキャンできることは、SEM (走査型電子顕微鏡)、TEM (透過型電子顕微鏡)、光学顕微鏡などの他の顕微鏡法とは違うX 線 CT の最大の利点です。これはどのような原理なのでしょうか？

2. X線CTの仕組みとは？

X線CTは、X線が物体を透過することができるため、物体を傷つけずに画像化できる技術です。まず、2次元のX線イメージングから説明します。X線は物体に吸収され、透過するX線は2Dの投影像を生成します。病院で腕の骨折をチェックする際に使用される「レントゲン装置」は、X線がどのように作用するかを知るための例です。

測定対象物の密度分布をグレースケール イメージとして表すこの 2D 投影を取得できます。これは、さまざまな物が X 線を異なる方法で吸収するためです。 特定の X 線エネルギーに対して、密度が高く厚い物質ほど、より多くの X 線が吸収されます。 つまり、X線の強度分布を測定することで、場所ごとに物質の密度や厚さを知ることができます。 ただし、下の図を見てわかるように、2D 投影像を見ただけでは、物質が密であるか厚いかの違いはわかりません。 この 2 つの効果を区別するには、3 次元の密度分布画像、つまり X 線 CT 画像を取得する必要があります。

これが基本的な考え方です。物体を一方向から見ていると、立体的な形がわからないことがあります。しかし、いろいろな方向から見ると、その立体的な形がわかります。X線CTも同様に機能します。測定対象物の周りをX線源と検出器がスキャンして、複数の2D投影を取得できます。次に、これらの2D投影像を再構成プログラムに入れて、3D画像を「再構成」できます。3D CT画像を取得したら、測定対象物の断面を任意の角度または任意の場所から見ることができます。さらに3Dレンダリングイメージを作成することもできます。CT画像をセグメンテーションすることで、体積分率、空隙・粒子径分布、厚み分布などを解析できます。

医療用CT装置では、患者はベッドの上で静止し、その周囲をX線源と検出器が回転スキャンします。材料および生命科学の研究や産業検査に使用されるX線CTスキャナーは、一般的にX線源と検出器を固定し、対象物を回転させて複数（しばしば数百から数千）枚の2D投影像を収集します。X線CT装置は、X線源、サンプルステージ、および2D検出器で構成されます。サンプルの密度とサイズに応じて、さまざまなエネルギー範囲のX線源が選択されます。必要な解像度に応じて、さまざまな形状と検出器が選択されます。

3. X線CTはどのようなときに役立ちますか？

試料の内部構造を「非破壊」で画像化する方法を探している場合は、X線CTが最適な方法かもしれません。電子顕微鏡や光学顕微鏡を使用する場合、試料の切断や乾燥、滞留、コーティングなどの必要がない代替法や補完的な技術が必要とされる場合があります。X線CTのメリットとデメリットは以下の通りです。

長所

• 非破壊
• 三次元
• 特別な試料調整はほとんど不要

短所

• 試料のサイズと密度には制限があります (車のエンジンパーツなどがラボ向けの装置の限界です。)
• 解像度の制限 (サブミクロンから数ミクロンが一般的なラボ向け装置の限界です。)
• 元素情報はわからない
  
  

4. 適切なX線CTを選択するにはどうすればよいですか?

見たい部分の特徴を観察するために必要な材料、試料サイズ、および解像度に応じて、さまざまな種類の X 線 CT装置が必要です。 必要なX線のエネルギーと解像度で大まかに分類できます。 発泡樹脂やその他の有機材料などの小さくて軽い試料には、低エネルギー (20 keV 未満) の X 線源と、CCD、sCMOS、拡大レンズを含む高解像度のジオメトリが必要です。 電子機器、プラスチック部品、食品から小動物まで、中程度のサイズと密度の試料には、中エネルギー (20 ～ 100 keV、加速電圧 40 ～ 200 kV) の X 線源と大型フラット パネル検出器が必要です。 自動車エンジンなどの大きな試料には、高エネルギー (100 keV 以上、加速電圧 200 kV) の X 線源とさらに大きな検出器が必要ですが、解像度はミリメートル オーダーに近くなる可能性があります。 覚えておくべき経験則の 1 つは、撮像領域のサイズ (FOV: 視野) と解像度 (ボクセル サイズ) の関係には制限があるということです。 ボクセルの解像度は、大まかに言えば、FOV の数千分の 1 です。

試料の材質、サイズおよび目的の解像度に応じて異なる X 線源、形状、および検出器が必要になるため、1 つの X 線 CT装置を使用してすべてを行うことは現実的ではありません。 専門家に相談して、適切なX線 CTを選択してください。imaging@rigaku.com までご連絡いただくか、このページの右上隅にある [TALK TO AN EXPERT] ボタンをクリックして、当社の CT 専門家にご相談ください。