大型放射光施設 SPring-8

公開日

2020年05月13日

2020年5月13日
東北大学多元物質科学研究所
東京学芸大学
筑波大学
高輝度光科学研究センター（JASRI）
科学技術振興機構（JST）

発表のポイント：
●従来のＸ線CTでは、多くの角度から投影像を取得するために試料を非常に高速に回転する必要があった。
●試料を回転せずにミリ秒オーダーのＸ線CTの実現を可能にする放射光マルチビーム化技術の開発に世界ではじめて成功した。
●流動性のある試料や生きた生物などの動的3D観察がミリ秒オーダーで可能となり、広い分野への応用展開が期待される。

研究の背景
　Ｘ線CTは、医療診断分野においてはCTスキャンの名称で知られている、被写体の投影像を多くの方向から撮影して、被写体の内部まで含めた三次元的な構造を可視化する方法です。日本語ではＸ線コンピュータ断層撮影法と呼ばれています。
　病院のCTスキャナの撮影時間は、通常は数秒～数10秒のオーダーですが、強力な放射光^(注1)を用いると、ミリ秒オーダーの時間分解能で試料内部を三次元的に可視化できることが最近実証されました。しかしながら、多くの方向から試料を撮影する必要があるため、試料を非常に高速に回転しなければならず、流動性のある試料への適用や、その場観察のための様々な試料環境の導入が困難であるという問題がありました。

研究成果
　矢代准教授らの共同研究グループは、図1に示すような放射光をマルチビーム化するためのＸ線光学系を開発し、1 ms（ミリ秒）の撮影時間で三次元再構成ができることを世界ではじめて実証しました。Ｘ線CTに用いられている透過力の高いＸ線は、一般に物質との相互作用が小さいため、可視光の鏡による反射のように伝播方向を容易に制御することができません。本研究では、図1左上の形状の薄い単結晶を微細加工により作製し、図1左下のように双曲面上に湾曲させて、図1右のように三段に配置することにより、±70°の投影方向をカバーするマルチビーム光学系の開発に成功しました。
　図2左に投影像の例を、また図2右に三次元再構成結果の例を示します。実験は大型放射光施設SPring-8^(注2)のビームラインBL28B2の放射光を用いて行いました。この放射光マルチビーム化技術を用いると、多くの方向からの投影像を同時に取得できるため、試料を回転せずにミリ秒オーダーのＸ線CTが実現できます。なお、図2右の三次元再構成には、わずか数10方向の投影像から画像再構成が可能な最先端の圧縮センシング^(注3)に基づくアルゴリズムが用いられています。

今後の展望
　本成果により、流動性のある試料や生きた生物などの動的3D観察がミリ秒オーダーで可能となり、また様々な試料環境の導入も可能であることから、物質・生命科学の基礎研究から産業応用に至る広い分野への波及効果が期待されます。例えば、ポリマー材料や接着界面の破壊過程や、生きた昆虫の3D観察による動的バイオミメティクス^(注4)研究など、様々な応用展開を期待しています。

謝辞
　本研究で開発したマルチビーム光学系の双曲面単結晶ホルダーは、東北大学多元物質科学研究所技術室の機械工場において作製されました。

【用語説明】