モンテカルロ法を用いた“後処理法”による散乱線成分除去の検討

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モンテカルロ法を用いた“後処理法”による散乱線成分除去の検討

村島陽明

*1

_{、五反田宗真}

*1

_{、吉岡良真}

*1

_{、亀井修}

*1

*1_{大阪物療大学保健医療学部} （2018.2.27 受理）

Using the Monte Carlo Method, Removal of the Scattered X-ray Component

by "Post-treatment Method" was Examined

Haruaki MURASHIMA

*1

_{, Souma GOTANDA}

*1

_{, Ryouma YOSHIOKA}

*1

_,

Osamu KAMEI

*1

*1_{Faculty of Health Sciences, Butsuryo College of Osaka}

（Received and accepted February 27, 2018）

要旨：散乱 X 線は、画像コントラスト及び鮮鋭度の低下を起こす。そのため散乱線除去用グリッド（以下グリッド）が用いられてきた。後処理で散乱線除去をする手法として GLG 法（Single-Exposure Cascaded Grid-Less and GridX-ray Imaging System）がある。本研究では、モンテカロ法の PHITS（particle and heavy ion transport code system）コードを用いて、グリッドを含む X 線撮影体系を構築し、シミュレーション時の線量分布と実測時の画像の相関関係を検討した。モンテカルロ法により仮想空間上にファントムおよびグリッドを構築し、グリッドの有無により線量分布を作成した。実測は X 線撮影装置を用いてシミュレーション条件と同様に配置し撮影を行い線量分布と撮影画像の比較を行った。この結果、グリッドあり、なし共に実測値と近似した線量分布が得られた。

キーワード：散乱 X 線、散乱線除去用グリッド、モンテカルロ法

Keywords：Scattered X-ray、Scattered ray removal grid、Monte Carlo method

1. はじめに X 線撮影を行う際は散乱 X 線が発生し、写真コントラスト及び鮮鋭度の低下を起こす。この散乱線成分を除去する方法として、従来から散乱線除去用グリッド（以下グリッド）が用いられている。しかし、グリッドは鉛箔により一次線成分を一部カットしてしまい、一定の画像の濃度を得るためには、照射 X 線量を増やす必要がある。その結果として被ばく線量の増加につながることになる。また、グリッドに対して斜めに入射すると鉛箔が画像上に投影され、濃度ムラになってしまう。しかし、いずれの場合でも散乱線は鉛箔の厚さや高さに応じて除去されることなる。このように散乱線を除去する方法として、以上述べたような物理的方法の他、撮影した画像データを使用してソフト的な後処理によって散乱線除去をする方法がある 1)2)_{。この手法の一つに、 GLG 法（} Single-Exposure Cascaded Grid-Less and GridX-ray Imaging System）がある 3)_{。GLG 法の配置} を図 1 に示した。GLG 法は図に示したように、被検体直後の IP（Imaging plate,）（前面 IP）像、およびグリッド直後の IP（後面 IP）

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村島、五反田、吉岡、亀井像の 2 枚の同位相の画像を作成し、この 2 枚の画像の構成成分の違いから、散乱 X 線成分だけを計算し、1 枚目の画像から除去することで一次 X 線成分だけの画像を作成することができる。しかしこの手法では、後面の IP 像が拡大することになるため、この拡大をおさえ GLG 法の特徴を最大にいかすためには、市販のグリッドでは不十分であり高密度、低グリッド比のグリッドの使用が必須となる。また、ソフト的な散乱線除去の方法としてモンテカルロシミュレーションの手法（以下 MC 法）を利用した方法がある。 図 1 GLG 法の配置図 2. 目的 モンテカロ法の一つである PHITS コード（Particle and Heavy Ion Transport code System）4)_{を用い、仮想空間上にグリッド} を構築して撮影した画像とグリッドを構築せずに撮影を行った画像を作成する。次にそれぞれの画像の差分から散乱線推定画像を作成し、GLG 法と同様な方法で散乱線が混在した画像から散乱線成分を除去することにより、GLG と同様な効果が得られると考えた。本研究では、GLG 法を念頭に置き、グリッドを含む X 線撮影体系を構築し、シミュレーション時の線量分布と実測時の画像の相関関係を確認することを目的とした。 3. 方法 モンテカルロ法のコード PHITS（Ver2.97）を使用し、仮想空間上にアクリルファントムとしてアクリル板 30cm×30cm、厚さ 5cm を 2 枚重ねて構築した。また、アクリル板上部の中央に 10cm×10cm、厚さ 2mm の鉛板を置き、またアクリル板の下部にはグリッドおよび、厚さ 5mm の Al 板を配置する体型を図 2 のように構築した。図 2 の（a）はアクリル板の下に、グリッドおよび Al 板を配置した。また、（b）はアクリル板の下にグリッド「無」で Al 板のみを配置した。また、（c）は体系全体の概要である。シミュレーションの条件は管電圧を 120kV、撮影距離を 100cm でヒストリー数（乱数の発生回数）は 1000 万回で行った。

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また、実際の画像の X 線撮影は、株式会社島津製作所製（UD150L-30E）の発生装置、 CR システム（コンピューテッドラジオグラフィシステム：FCR xg-1）を使用して画

像を作成した。撮影用カセッテは FUJIFILM FUJI IP CASSETTE（ TypeC 35.4cm×35.4cm）を使用した。（a）（b） (c) 図 2 体系の概要 3 . 1 仮想グリッドの構築 散乱 X 線除去用グリッドは、株式会社三田屋製作所のモデル（ MS-Xray グリッド集束型 SIZE 38.3cm×45.9cm（ 14×17in））を参考にして、グリッド密度：60 本 /cm、グリッド比 8： 1 の平行グリッドを構築した。グリッドは、一定の間隔で X 線吸収の大きい材料（鉛など）の箔と中間物質 (炭素繊維強化樹脂 ) などを交互に配置して作られている。グリッド密度は 1cm あたりの吸収物質の本数 N である。また、グリッド比は、吸収箔 d の間隔 D を 1 とした箔の高さ h との比である。体系は PHITS コードを用いて図 3 のような平行グリッドを構築した 5 )_。

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村島、五反田、吉岡、亀井図 3 平行グリッドグリッド密度：

𝑁 =

1 𝑑+𝐷

・・・・・（ 1）グリッド比：

𝑟 =

ℎ

𝐷

・・・・・・（ 2）グリッドの密度 N を 60 本 /cm を（ 1）の式に代入し、吸収箔の間隔 D を 0.118mm とした。また（２）式に D=0.118mm を代入し、グリッド比

r

を 8.0 として、グリッドの高さ h を算出した。その結果グリッドの高さ h は 8： 1 では 0. 0944cm となった。シミュレーションでは、これらの数値を使用して仮想グリッドを構築した。 3 . 2 X 線源 X 線発生ソフト S R S -3 0 を用いて、ターゲット角度 12 度、ターゲット物質をタングステン、管電圧 120kV 、付加フィルタを 5 mmA l として X 線スペクトルを作成した。その出力 X 線スペクトルを図 4 に示した。また、撮影距離を 100cm、照射野を 35cm× 3 5 c m とした。 3 . 3 実測撮影 一般 X 線撮影装置を使用し、仮想空間上と同様にアクリルファントムおよび鉛板を図 5 のように配置し、 CR 装置の IP を用いて撮影を行った。なお、撮影の際はグリッド比： 8:1、グリッド密度： 60 本 /cm、集束距離 100cm の集束グリッドを用いて、グリッド「有」および「無」で撮影を行った。撮影条件は管電圧 120kV、管電流 100mA、撮影時間 5ms 、撮影距離 100cm 、照射野 35cm× 3 5 c m とした。 3 . 4 評価方法 グリッド「有」および「無」の線量分布を作成した。また、画像の上部、中部、下部のプロファイルを作成した。グリッド「有」と「無」の実測画像を Image J（ Ver1 .5 1 ）を用いてトリミングを行い、データを 512×512 マトリクスに変換し白黒の反転を行った。作成した画像データを Text Image で保存し、画像の上部、中部、下部のピクセル値を抽出した。なお各ピクセル値は、受像器のピクセルに入射した X 線より付与されたエネルギーに線形対応しているものとした。また、モンテカルロ法で作成した線量分布と撮影画像および線量プロファイルとピクセル値の比較を行った。吸収箔の間隔吸収箔の厚さ箔の高さ

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4. 結果 4.1 線量分布と撮影画像の比較 グリッドの「有」「無」による撮影画像を図 6～図 9 に示した。図 6 および図 8 はシミュレーションにおいて得られた画像である。グリッド「無」に比べてグリッド「有」では、散乱線成分が明らかに低下した。また、図 7 および図 9 は実測撮影で得られた画像である。この場合もシミュレーションの同様にグリッド「有」では散乱成分の濃度が低下した。 4.2 線量プロファイルとピクセル値の比 グリッドの「有」「無」による線量プロファイルとピクセル値を図 10～図 15 に示した。 図 6 グリッド無シミュレーション画像 図 7 グリッド無実測画像 図 8 グリッド有シミュレーション画像 図 9 グリッド有実測画像

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村島、五反田、吉岡、亀井 図 10 グリッド無（上部） 図 11 グリッド無（中部） 図 12 グリッド無（下部） 図 13 グリッド有（上部） 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 ピクセル値吸収線量［ μ G y ］位置シミュレーション実測 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 ピクセル値吸収線量［ μG y ］位置シミュレーション実測 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 ピクセル値吸収線量 [μG y] 位置シミュレーション実測 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 ピクセル値吸収線量［ μ G y ］位置シミュレーション実測

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図 14 グリッド有（中部） 図 15 グリッド有（下部） 5. 考察 シミュレーション時の検出器への到達線量分布と撮影画像を比較したところ、実測の時と同様にグリッド使用時には到達線量が低下し、アクリルファントムと鉛板とのコントラストが高くなっていることがわかった。したがって、撮影した画像とシミュレーション画像を視覚的に比べると両画像は近似していると考えられた。また、グリッドの有無によるピクセル値の比較を行った結果、グリッド使用時は使用しない時に比べて約 40％程度受像面への到達線量が低下していることがわかった。その一方でグリッドを用いることでアクリルファントム部と鉛板のコントラストが高くなっていることがわかった。シミュレーション時の線量プロファイルとピクセル値を比較したところ、グリッド有の場合、ピクセル値に比べ線量プロファイルで、画像の両端の線量が低下している。これは、撮影時は集束グリッドを使用したが、シミュレーション時は平行グリッドを構築したため、一次線が減弱したと考えられた。しかし、グリッド有無の場合共に形状は近似していることがわかった。また、シミュレーション時には、グリッドなど構築する物質が増えるほど実測との間に補正が必要になると考えた。本研究では、ヒストリー数により統計的ばらつきが変動するため、粒状度や鮮鋭度などの詳細な評価は困難であった。そのため妥当なヒストリー数を検討した後、散乱線推定画像を作成して、コントラストの変異がないかを確認する必要があった。本手法の問題点は、物質の組成や体積が正確にわかっていないと結果に誤差を生じる点であった。この手法を人体を撮影する場合に応用した時、呼吸や体動により正確な体系の構築が難しと考えられた。しかし最近では、体系作成用の外部ソフトも開発されている。そのため、撮影画像から体系を構築できると本手法による散乱線成分の 0 100 200 0 50 100 ピクセル値吸収線量［ μ G y ］位置シミュレーション実測 0 100 200 0 50 100 ピクセル値吸収線量［ μ G y ］位置シミュレーション実測

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村島、五反田、吉岡、亀井定量化も可能だと考えられた。そのためには、ヒストリー数を増やし、モンテカルロシミュレーションを用いた後処理により散乱線除去を行っても極端な画像の変異がないかを検証する必要がある。その検証を行ったうえで、後処理法による散乱線成分除去の手法の開発につなげていきたい。引用文献 1) 川村隆浩，内藤慧，他 2 名． FUJIFILM RESEARCH＆DEVELOPMENT，新画像処理「Virtual Grid(バーチャルグリッド)技術」の開発 :Ｘ線検査の画質と作業性の向上． No60， 2015． 2) 加藤秀起．ディジタルＸ線画像の後処理による散乱成分除去法．日本放射線技術学会雑誌．62 巻 9 号，1359-1368，2006． 3) 小縣祐二，橋爪由美子，他．CR を用いた新しい散乱線除去法．日本写真学雑誌． 61 巻 4 号,212-220,1998. 4) 仁井田浩二，他． PHITS 紹介資料集 . https://phits.jaea.go.jp/lec/phits-introduction-jp.pdf.2016. 5) 青柳泰司，安部真治，小倉泉，清水悦雄，共著．新版放射線機器学(1) 診療画像機器学．コロナ社，157-162，2012．

モンテカルロ法を用いた“後処理法”による散乱線成分除去の検討