イメージングプレート(IP)による X 線ラジオグラフィー (放射線”論外” その 1) 近畿大学原子力研究所・納冨昭弘今から 100 年ぐらい前に、ドイツのレントゲンという物理学者が X 線を発見した。物理学者はよくいろいろとスゴイものを発見して騒ぐけれど、一般の人にはいったい何がスゴイのかよく分からないことがとても多い。でもこの時は違ったネ。何しろ X 線で写真をとると人間の体のなかの骨の様子が透けて見えたんだぜ。これがどんなにスゴイことかは、小学生でもおじいちゃんでも誰にでも感覚的に理解できた。このことがほんとうにスゴイ。だからたくさんの人たちが、このわけの分からない X 線というものを使って手当たり次第にいろいろなものを写してみた(レントゲン自身、わけが分からないのでとりあえず X 線なんていい加減な名前をつけたんだそうだ)。その結果、世界中の人が、このわけの分からない新しい光線の存在を認めたんだ。おかげで、レントゲンは最初のノーベル賞をもらった。でも、当時写真技術が開発されていなかったらこんなに早くレントゲンの功績が世の中に認められることは無かっただろうと思う。何しろ、こんなオカルト的な話が世間を騒がすことはよくあることだからね。ところで、レントゲンが使った写真(いわゆる X 線フィルム)というのは最近はやりのデジカメとは動作原理がまったくちがっているんだ。レントゲンが使ったのは、銀塩写真といって、光があたった後で現像すると写真乾板の乳剤中の銀イオンが金属状の銀に変化して析出することを利用したものだ。つまり光があたった部分がその強さに応じて黒くなるわけだね。君たちはあまり馴染みがないかもしれないけど、僕らはつい最近までこれとまったく同じ原理で写真をうつしていたんだ。でもこいつは写真をとってから実際に画像を見るまですごく手間がかかった。うすぐらい暗室で、鼻につんとくる現像液や定着液と格闘しなければならなかったんだ。まるで化学の実験のようにね。これを写真の用語で湿式プロセスという。まあ、趣味人をのぞいて 1 僕たち普通の人々が暗室にこもる必要はなかったけれど、写真屋さんに現像を頼んで自分の映した写真のできばえを拝むまでには平気で数日待たされたものだ。「こんなやりかたって、サエないよね」と、みんな心の中で感じていたんだろう。それでもフィルムが使われ続けたのは、この欠点を凌駕する利点が多くあったためだと思う。とはいうものの、コンピュータが発達していろいろな画像技術が開発される傍らで、従来の写真技術というのは明らかに色あせてきていたのも事実だった。それまでずいぶん長い間、科学技術の最先端を突っ走ってきた写真というものが、世の中の進歩から確実においてけぼりになりつつあったんだ。アナログ文明とデジタル文明の衝突だね。写真関係者の間にはどうしようもない停滞感がただよった。特に写真フィルムのメーカーにとっては事態は深刻だった。ちょうどそのころ銀の価格が高騰して、銀塩写真はもう商売としてやっていけないのではないかとみんな心配していた。こういった危機感のなかで、富士フィルムという会社の人たちが、まったく新しい原理にもとづく X 線フィルムを開発した。およそ３０年前のはなしだ。これは富士フィルムの宮原さんたちが、失敗覚悟で腹をくくってやった仕事で、NHK の ”プロジェクト X” でとりあげられてもよかったようなネタだと思う。放射線計測の手法としてはめずらしく、日本の純国産技術だったということは覚えておいてもいいだろう（日本人が基礎科学技術の原理的な開発を行ったことは、意外かもしれないが歴史上それほど多くはない）。彼らは、この新しい技術を Computed Radiography (CR) と名付けた。今やこのシステムは富士の名前を冠し Fuji Computed Radiography (FCR)とよばれて、この手の技術の代名詞となっている(ちょうど少し昔のひとが、コピー機のことを”ゼロックス”と呼ぶのと同じことだよ)。うそだと思ったら、知り合いのお医者さんや看護婦さんにたずねてみるといい。きっと知っていると思うよ。放射線医学関係者で FCR を知らない人はモグリだと言っていい。今どき一般の検診で写真フィルムなど使っているところは、村の診療所のようなところを除くとあまりないと思う。ずいぶん前おきが長くなったけど、この FCR システムで放射線の検出技術の根幹を担うのが今日の実験で使うイメージングプレート ( ＩＰ ) というわけだ。富士は医療用の FCR とは別に生物科学分野向けに Bio-AnalyzingSystem(BAS)を発売した。BAS はとても高価だけど、研究所ぐらいに一台あるととても便利だ。近大の原子力研究所には BAS が一台あるんだな。このシステムは画期的な特徴がいつくかあるけれど、まず言わなければならないことは、完全な乾式プロセスを実現していることだ。暗室 2 もいらないしスゴク楽になった。うそみたいだね。次に IP はなにしろ高感度なんだ。ほんの少し放射線を与えるだけで、とてもきれいな画像が得られちゃう。つまり、健康診断でレントゲン写真を撮るときに、あびる放射線の量をだんぜん減らすことができる。これはとても重要なことだ。健康診断で放射線をあびすぎてガンになったらシャレにならないからね。しかも、IP の信号検出可能範囲（ダイナミックレンジという）は X 線フィルムに比べて桁違いに広い。装置のスペックの桁が三つも四つも違うということは、システムの技術到達点を考える上でとてつもない差なのだよ。更に IP はコンピューテッド・ラジオグラフィーというだけあってコンピュータとの相性が抜群によい。レーザスキャナで取り込んだデータは、デジタル化されてコンピュータのメモリー上に記録される。このデータは計算機上で、自由自在に処理することができる。デジカメでとった写真を思いうかべればよい。撮影した写真はいろいろなフォーマット(TIFF とか JPEG とか)に変換して保存することができるし、Photoshop のような優れもののソフトを使えば、画面上に文字を書き込んだり部分的に色を変えたりすることは朝メシ前だ。電子メールに添付して友達に送ることもできる。カラープリンターがあれば、きれいな画像を出力することも簡単だね。利点といえば、IP は使用後に画像を消去して簡単にリサイクルできるんだ。機械的に壊すことをしなければなんどでも使えて、寿命は無限に長いといっても過言ではない。環境に優しくて、とっても今風だろ。ほとんど全ての種類の放射線に対して感度を有する点もたいへん魅力的だ。いま説明したような IP の特徴は輝尽発光(Photo-stimulatedLuminescence : PSL) という物理現象に依存している部分が多い。これはいったい何かというと、IP に放射線が入射した時に、すぐに光らずにそのエネルギー情報を一時的に蓄えてしまうということだ。しかも、このエネルギー情報はあとでレーザを照射することにより光エネルギーとしてとりだすことができる。その時の発光(すなわち輝尽発光)の強さが、まえに放射線が IP に入射した時にあたえたエネルギーと、かなりいい感じで比例関係にあるのである。このことは IP を定量的な放射線測定器として用いる場合とても都合がよい。別の言葉でいえば、IP は放射線エネルギーのストレージ・デバイスであるということができるだろう。つまり、憶えているんだね。一般の放射線検出用の蛍光物質(シンチレータとよばれる)が、放射線の入射とほぼ同時に光るのとは、状況がおおきくことなっているんだ。だから、富士はこの輝尽発光の強度を表す単位を、なんと独自に定義してしまった。そのまんまだけど、英語のかしら文字をとってそれを PSL と名付けた。すこしややこしいが、その定義を書くと次のようになる。 3 PSL の量的定義:IP に W ターゲットで X 線(80kV, 照射線量 :0.15mR)を照射した後の輝尽性蛍光の発光により得られるシステム検出量の値を 100(PSL/mm 2 )と定義する。 [FujiBASTechnicalInformationNo.1 より引用] これって、スゴイことだと思わないかい? 日本の一企業が学術的に用いられる単位を作ってしまったんだ。いまではみんなこれを使っているよ。実態がともなえば、単位なんて決めたもの勝ちだね。それでは、さっそくイメージングプレートをつかっていろいろなものの X 線写真をとってみよう。あまり厚くないものにほんの少しの X 線をあてるだけで、かなりおもしろい画像がとれるはずだ。むしろあまりあてすぎないほうがよい場合が多いよ。昔の X 線写真の撮影や現像には熟練の技が欠かせなかったけれど、IP をつかえば僕ら素人でも完全に失敗することはほとんどないだろう。付属の専用画像解析ソフトを使って、自分がおもしろいと思う画像になるまで画質を調整しよう。その時にいじるパラメータにはどんなものがあるだろうか? 撮影結果をプリントアウトしたらみんなでよく見てみよう。レポートをかく時には、つぎの様なことに注意して考察をまとめてみるといい。・X 線ラジオグラフィーは、X 線という光線が物質を透過するときに強度が減衰するということを利用している。強度が減衰するということは、物質の前後で 1cm2 あたりの光子の数が減るということだ(単位は、個 /cm 2 )。つまり光子の数に注意することが必要なんだね。透過する物質の厚さがあついほど減衰はおおきいだろう。それなら、おなじ厚さのものなら物質の種類によらず X 線を同じだけ減衰させることができるのだろうか。そうではないだろうことは、なんとなく想像できるんじゃないかな。今日の実験で君たちは、金属のような密度の高いものはプラスチックのような密度の低いものにくらべてはっきりと見えるということに気がついたとおもう。はっきり見える部分は、物質がない部分にくらべて光線の強度が(変な言いかただけど)よりたくさん減衰しているということになる。極端なばあい、思いっきり厚いものを置けばそれを透過してしまう X 線の強度は事実上ゼロとみなすことができることもあるだろう。そんな場合は画像のメリハリがきいてはっきりとしたイメージが得られるというわけだ。これをコントラストが高い(強い)という人もいる。でもどんなに弱くなっても決して光線の強度はゼロにならないことをよく憶えておいて欲しい。それはいったい、どういうことなんだろう? 4 ・もう気がついたかもしれないけど、X 線ラジオグラフィーは物質の密度分布を読み出して二次元的に記録するしくみなんだ。もっと正確にいうと物質の電子密度分布を見ているというべきだろう。ではどうして X 線を観察すると物質の電子密度分布についての情報が得られるのだろうか。それは X 線は大ざっぱに言うと物質中の電子と相互作用することによりエネルギーのやりとりをしているからだ。だから、電子密度の高い部分ほど減衰が大きい。主な相互作用の仕方には光電効果 ( 吸収 ) やコンプトン散乱 ( 効果 ) があると教科書には書いてあるけど、これっていったい何がおこっているのだろう。吸収や散乱があると、光子はいったいどうなってしまうのだろうか。・まえに「どんなに弱くなっても決して光線の強度はゼロにならない」と言ったけれど、これは光子が電気を帯びていないことがおおきな原因だ。電気を帯びていない粒子(非荷電粒子という)を物をおいて完全にさえぎるのはとても大変なことで、本当のことをいうと理論的には不可能なんだ。かぎりなく減らすことはできても完全に止めることはできない。確率の問題になってしまう。やっかいだね。・光線の強度をちょうど半分に減らすある物質の厚さを半価層という。長さの単位は cm が使われることが多い。半価層の値は物質の種類によって異なるし、光線のエネルギーによってもちがう。さまざまな物質の半価層をしっておくと、放射線から君たち自身を遮蔽しなければならないときに役に立つので、インターネットや参考書でいくつかの物質の半価層をしらべて書き出してみるといい。きっと見つかるはずだ。それを用いれば、たとえばある光線の強度を 10 分の 1 以下に減らすには何センチの物質を挿入すればいいか、なんてことがたちどころに計算できるだろう。でも残念ながら X 線発生装置から得られる X 線はいろいろなエネルギーの光子がごっちゃに混ざっているから話はそう単純ではないんだ。そこである特定の物質を挿入して、その X 線の半価層を測定して、X 線としての性質を特徴づけることに利用することがよく行われる。こうして得られた X 線の性質のことを線質 (radiation quality) という。「この X 線の半価層はアルミニウムで 0.5cm だ」といった具合にね。この場合、アルミニウムのような比較的手に入りやすくて素性のしれた物質を採用することが一般的だ。・うえに、「X 線発生装置から得られる X 線はいろいろなエネルギーの光子がごっちゃに混ざっている」とかいた。X 線のエネルギーは何かひとつの値に統一され 5 ていた方が、いろいろと考えやすくて便利だと思うんだけど、そんな X 線発生装置って世の中に存在しないのだろうか。それはどんな原理にもとづいているのだろう。そんな装置があまり普及していない理由はなんだろうか。・他の種類の放射線でラジオグラフィーをやったら、どんなイメージがみえるだろうか。たとえばα線を用いたラジオグラフィーは可能だろうか。それはどんな原理にもとづいているのだろう。α線とかβ線のような電気を帯びた粒子 ( 荷電粒子 ) は X 線のような光線とはちがって、物質中をある長さ走ると完全に止まってしまう。止まるということはつまり透過しないということで、それではラジオグラフィーにならないけれど、エネルギーを高くすれば透過させることはできるだろう。この時注目すべき量は、透過した粒子のエネルギーだ。X 線の場合は光子の数に注目したが、荷電粒子の場合は物質を透過する前と透過したあとで粒子のエネルギーがいくら異なるかを知ることが重要になる。これは、荷電粒子と非荷電粒子とでは物質との相互作用の形式がことなることが原因なんだけれど、何となくわかるかな? 原子炉からは中性子が放出されるので、それを使えば中性子ラジオグラフィーもできそうな気がする。中性子は X 線とおなじで電荷をもたないけれど、中性子ラジオグラフィーではいったいなにがみえるんだろうか。まだいろいろ書きたいけれど時間もないし疲れたのでこれまでにしておきます。゛頑張ってレポートをまとめてください。楽しみにしてます。 07Apr24 A.Nohtomi 6