博 士 （ 工 学 ） 日 塔 光 一
学 位 論 文 題 名
放射線によるカラーイメージング技術の開発
(Color imaging technology of radiation)
学 位 論 文 内 容 の 要旨
物質 を透過 する 際に、 放射線 の種類 やエネ ルギ ー、物 質の材質や形状によって吸収や散乱が起こ り 、 透過 す る 量 が 異な る 。 放 射線の 透過強 度にも とづ く情報 を2次元の 映像と して、 フィル ムや 電 子 媒体 で記録 する方 法をラ ジオグ ラフ イ[radiography]と いう。 放射線 でも、 特にX線の 透過 を フィ ルムで 記録す ること を医 療分野 ではレ ントゲ ン撮 影という。近年、フィルムに変わって輝尽性 螢光 シート あるい はイメ ージ ングプ レート と呼ば れる 記録媒体を用いた撮影も行われている。フイ ル ム と異 をり、 暗室を 使わず にレー ザー 装置で シート をスキ ャニ ングし てデジ タルで 画像化 する もの である 。リア ルタイ ムの 撮影は できを いが、 現像 液を使わず暗室も使わずに撮影と処理（現像 と呼 んでい る場合 もある ）が 行える 特徴を 持つ。 動画 では、放射線と反応する螢光を発光する螢光 シー ト（螢 光板と も言う ）を テレビ カメラで撮影する放射線カメラ（放射線テレビ）またはX線カメ ラ(X線 テレ ピ）と 呼ばれ るも のを使 用する 。更に 感度を 上げ るため に電子 増幅機 能を 持たせ 、螢 光増 倍管や イメー ジ管と も呼 ばれる イメー ジイン テン シファイアがある。ここでは、これらの手法 を含 めて放 射線イ メージ ング と呼ぶ ことに する。
現在 でも、 多く の放射 線のイ メージ ングは 、放 射線が 物質を透過し、その透過量の強弱に応じて 濃淡 のモノ クロ画 像とし て表 示して いるの がほと んど である。画像の輝度に応じて疑似カラー処理 を適 用して いる場 合もあ るが 、同じ 物質で も動画 で厚 さの違う状況にをると、放射線の透過量が変 化し 、濃淡 の輝度 が変化 する と疑似 カラー も変わ り、 かえって不自然に見えてしまう場合がある。
また 、疑似 カラー 処理の 方法 によっ ては、 カラー の境 界がはっきりしすぎて滑らかさに欠ける画像 にを ったり 、元の 画像に ノイ ズがあ る場合 には、 その ノイズの色が強調されてかえって視認性が悪 くを ったり する場 合もあ る。
一般 にカラ ーと は複数 の色、 即ち物 が自然 に見 える天 然色を想定しているが、トンネル等に設置 して いるナ トリウ ムラン プ等 特定の 波長の 光を照 射す る場合には、赤いりンゴも青いりンゴもオレ ンジ 色の光 の中で は、オ レン ジか黒 に見え てしま い、 区別がっかをい。天然色では多くの光の波長 があ るため 、赤い りンゴ 、青 いりン ゴとい っても 赤紫 色のりンゴから鮮やかを明るい赤い色のりン ゴ、 黄緑や 青緑と 厳密に は異 をった 色で見 ること がで き、その情報量の多さからモノクロではでき をぃ 識別が 可能に なる。
放射 線も光 の波 長と同 じよう にエネ ルギー に応 じて波 長が異誼るが、可視光では誼いため人は直 接見 ること ができ をい。 波長 に応じ て色を 変えて 表示 したり、放射線の種類に応じて色を変えて表 示す ること で、物 質透過 の違 いによ る視認 性を向 上し たり、放射線の種類に応じて透過の違いを区 別し て表示 するこ とが可 能に をる。
本論 文は、 この ような 背景の もと、 放射線 の種 類識別 に、そのエネルギーの違いによる物質透過 の違 いをカ ラーイ メージ ング し視認 性を向 上させ る新 た極手法を実用化するために、そのべースで ある 螢光シ ート開 発から 既存 のカメ ラ製品 に組み 込ん だ性能試験、実用製品としてのカラーイメー
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ジイ ンテ ン シファイ アの開発とその性 能評価をど、カラ ーイメージング法の 開発の成果につい て述 べたものである。
本論文の構成を 以下に示す。
第1章「 カラ ー ラジ オグ ラ フイ 」で は 、本 研究 の 背景 とし て 従来 の放 射 線に よるイメージ ング
（ラジオグラフィ ）の課題とその解 決手段について記 載する。特に、モノクロイメージによって人が 識 別 で き る 限 界 や カ ラ ー 識 別 方 法 に よ る カ ラ ー 化 に よ る メ リ ッ ト に つ い て 詳 細 に 示 す 。 第2章 「マ ルチ カ ラー シン チ レー タ」 では、マルチカラ ーシンチレータの開 発と、放射線の種 類を 色別 にイ メ ージ ング す る技 術に つ いて述べる。 放射線の種類とし て、特に、X線あるいは同じ 性質 のy線 と中 性子 を 色別 に撮 影 する シン チレータの構成や 放射線と反応する材 料とシンチレータ の構 成 に つ い て 述 ベ 、 実 際 に 撮 影 し た 画 像 を 用 い て そ の 性 能 に つ い て 詳 細 に 議 論 す る 。 第3章「X線、 中性 子 ラジ オグ ラ フイ のダ イ ナミ ック レ ンジ拡大」では、 開発したマルチカ ラー シ ン チ レー タをX線の カ メラ に組 み 込み 、材 質 の違 い、 密 度の 違い に よるX線の 透過 量 の違 いを カラ ーで ダ イナミッ クレンジを広くし て撮影するカラー 撮影手法を実際に検 証した。ここでは 、カ ラー 化を 取 り入 れた 装 置構 成と 、 カメ ラと し て組 みあ げ た時の、撮影手法 やマルチカラーシ ンチ レー タと 撮 像素 子の 特 性に つい て 示し 、実 際 にX線 や中 性子 を 用い たイ メ ージ ングでカラー 画像 の特長につい議論 する。
第4章「 カラ ー イメ ージ イ ンテ ンシ ファイアの構造」 では．マルチカラー シンチレータをイ メー ジイ ンテ ン シファイ アの出力螢光体に 用いたカラーイメ ージインテンシファ イアの構造につい て述 ベ、 従来 の モノクロ のイメージインテ ンシファイアとの 違いやカラー化によ るメリットを実際 の撮 影例で示す。
第5章 「X線 、y線 用 カ ラ ーI.I.TM」 で は、X線、y線を 用い た カラ ーイ メ ージ イン テ ンシ ファ イア につ い て反応膜 の構成とその特長 について撮影実施 例を示して議論する 。実用化に向けた シス テムの構成につい ても示す。
第6章「 中性 子 用カ ラーI.I.TM」で は、中性子に対応 するためのカラーイ メージインテンシ フア イア の構 造 について 述べる。中性子と の反応膜としてガ ドリニウムや濃縮ボ ロンを用いた場合 につ いて 、膜 の 最適化や 製作する上での課 題についても検討 し、その製作に成功 した異をる特長を 持つ 2種 類 に つ い て そ の 特 性 を 示 す。 更に 、 アメ リカ の 工業 規格ASTMの 中性 子 ラジ オグ ラ フイ の撮 影規格とそれに用 いられるインジケ ータについて撮影 した結果を示す。
第7章「 パル ス 中性 子源 対 応の 中性 子用カラーI.I.TM」では、パルス中性 子源と中性子のエ ネル ギー に対 す る選択的 をイメージングを 行をうために開発 したプランキング機 能を搭載した中性 子カ ラーI.I.TMの特 性に つ いて 述ベ 、 パル ス初 期 のガ ンマ バ ース トに よ るX線 イメ ージングと中 性子 エネ ルギ ー を選択し たイメージングの 同時撮影や材料の 中性子エネルギーに 対するプラッグェ ッジ や 共 鳴 吸 収 を 用 い 、 エ ネ ル ギ ー 選 択 的 イ メ ー ジ ン グ ヘ の 適 応 性 ・ 特 徴 に つ い て 議 論 す る 。 第8章「 まと め と今 後の 展 開」 では 、全体のまとめと 、今後の展開と期待 される適用先につ いて 述べる。
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学 位 論 文 審 査 の 要 旨
主 査 特 任 教 授 副 査 教 授 副 査 准 教 授
鬼柳 古坂 加美山
学 位 論 文 題 名
善明 道弘 隆
放射線によるカラーイメージング技術の開発
(Color imaging technology of radiation)
放射 線 の 透 過 強度 に も と づ く情 報 を2次 元の 映 像 と し て、 フ ィル ムや電 子媒体 で記 録する 方法を ラ ジ オグ ラ フ イ ［radiography]と い う 。物質 を透 過する 際に、 放射線 の種 類やエ ネルギ ー、物 質の 材 質 や形 状 に よ っ て吸 収 や 散 乱 が 起こ り 、透過 する量 が異な る。 このよ うを透 過撮影 を総称 して 放 射 線 イメ ー ジ ン グ と呼 ぶ こ と に す る。 近 年、フ ィルム に変わ って 輝尽性 螢光シ ートあ るいは イメ ー ジ ン グプ レ ー ト と 呼ぱ れ る 記 録 媒 体を 用 いた撮 影も行 われて いる 。フア ルムと 異なり 、暗室 を使 わ ず に レー ザ ー 装 置 でシ ー ト を ス キ ャニ ン グして デジタ ルで画 像化 するも のであ る。リ アルタ イム の 撮 影 はで き を い が 、現 像 液 を 使 わ ず暗 室 も使わ ずに撮 影と処 理が 行える 特徴を 持つ。 動画で は、 放 射 線 と反 応 す る 螢 光を 発 光 す る 螢 光シ ー ト（螢 光板と も言う ）を テレビ カメラ で撮影 する放 射線 カ メ ラ （放 射 線 テ レ ビ） ま た はX線カ メ ラ(X線テ レ ピ ） と 呼ば れ るも のを使 用する 。更 に感度 を上げ る た めに 電 子 増 幅 機能 を 持 た せ 、 螢光 増 倍管や イメー ジ管と も呼 ぱれる イメー ジイン テンシ フん イ ア （III． ） が ある 。
現在 で も 、 多 くの 放 射 線 イ メー ジ ン グは 、放射 線が物 質を 透過し 、その 透過量 の強 弱に応 じて濃 淡 の モノ ク ロ 画 像 とし て 表 示 し て いる の がほと んどで ある。 画像 の輝度 に応じ て疑似 カラー 処理 を 適 用 して い る 場 合 もあ る が 、 同 じ 物質 で も動画 で厚さ の違う 状況 にをる と、放 射線の 透過量 が変 化 し 、 濃淡 の 輝 度 が 変化 す る と 疑 似 カラ ー も変わ り、か えって 不自 然に見 えてし まう場 合があ る。 ま た 、 疑似 カ ラ ー 処 理の 方 法 に よ っ ては 、 カラー の境界 がはっ きり しすぎ て滑ら かさに 欠ける 画像 に を っ たり 、 元 の 画 像に ノ イ ズ が あ る場 合 には、 そのノ イズの 色が 強調さ れてか えって 視認性 が悪 く を っ たり す る 場 合 もあ る 。 し か し 、カ ラ ー化を うまく 行うこ とに よって 、その 情報量 の多さ から モ ノ ク ロで は で き を い識 別 が 可 能 に をる と 考 え ら れる 。
放射 線 も 光 の 波長 と 同 じ よ うに エ ネ ルギ ーに応 じて波 長が 異をる が、可 視光で はな いため 人は直 接 見 るこ と が で き ない 。 波 長 に 応 じて 色 を変え て表示 したり 、放 射線の 種類に 応じて 色を変 えて 表 示 す るこ と で 、 物 質透 過 の 違 い に よる 視 認性を 向上し たり、 放射 線の種 類に応 じて透 過の違 いを 区 別 し て表 示 す る こ とが 可 能 に を る 。
本論 文 は 、 こ のよ う を 背 景 のも と 、 放射 線の種 類識別 に、 そのエ ネルギ ーの違 いに よる物 質透過 の 違 いを カ ラ ー イ メー ジ ン グ し 視 認性 を 向上さ せる新 たを手 法を 実用化 するた めに、 そのべ ース で あ る 螢光 シ ー ト 開 発か ら 既 存 の カ メラ 製 品に組 み込ん だ性能 試験 、実用 製品と しての カラー イメ ー ジ イ ンテ ン シ フ ん イア の 開 発 と そ の性 能 評価を ど、カ ラーイ メー ジング 法の開 発の成 果につ いて 述 べ た もの で あ り 、 その 内 容 は 以 下 の通 り で あ る 。
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第1章 「 カ ラ ー ラ ジオ グ ラ フ イ 」で は 、 本 研 究の 背 景 と し て 従来 の 放 射 線 によ る イ メ ー ジン グ の 課 題 と そ の解 決 手 段 に つ いて 記 載 す る 。特 に 、モ ノクロ イメー ジによ って 人が識 別でき る限界 や カ ラ ー 識 別 方 法 に よ る カ ラ ー 化 に よ る メ リ ッ ト に つ い て 詳 細 に 述 べ て い る 。 ・ 第2章 「マ ル チ カ ラ ーシ ン チ レ ー タ」 で は 、 マ ルチ カ ラ ー シ ン チレ ー タの開 発を行 い、放 射線 の 種 類 を 色 別 にイ メ ー ジ ン グ する 技 術 に つ いて 検 討 し て いる 。 放 射 線 の種 類とし で、特 に、X線あ る い は 同 じ 性 質のy線 と 中 性子 を 色 別 に 撮 影す る シ ン チ レー タ 材 料 と シン チレ ータの 構成を 検討し 、 実 際 に 画 像 を撮 影 し 、 そ の 性能 を 明 ら か にし て い る 。
第3章 「X線 、 中 性 子ラ ジ オ グ ラ フイ の ダ イ ナ ミッ ク レ ン ジ 拡大 」 で は 、 開 発し た マ ル チ カラー シ ン チ レ ー タ をX線 の カメ ラ に 組 み 込 み、 撮 影 手 法 の検 討 や マ ル チカ ラ ー シ ン チレ ー タ と 撮 像 素 子 の 特 性 に つい て 示 し 、 実 際にX線 や 中 性子 を 用 い た イメ ー ジ ン グ でカ ラー 画像の 撮影に 成功し 、 そ の 特 長 に つい て 述 べ て い る。
第4章 「カ ラ ー イ メ ージ イ ン テ ン シフ ァ イ ア の 構造 」 で は ， マ ルチ カ ラーシ ンチレ ータを イメ ー ジ イ ン テ ン シフ ん イ ア の 出 力螢 光 体 に 用 いた カ ラー イメー ジイン テンシ フん イアの 構造に ついて 述 ベ 、 従 来 の モノ ク ロ の イ メ ージ イ ン テ ン シフ ァ イア との違 いやカ ラー化 によ るメリ ットを 実際の 撮 影 例 で 明 ら かに し た 。
第5章 「X線 、y線用 カ ラ ー I.I.亅で は 、X線、 ア線を 用い たカラ ーイメ ージイ ンテ ンシフ んイア に つ い て 反 応膜 の 構 成 と そ の特 長 に つ い て撮 影 実施 例を示 して議 論する 。実 用化に 向けた システ ム の 構 成 に つ いて も 示 し て い る。
第6章 「中 性 子 用 カ ラー I.I.亅 で は 、 中性 子 に対 応する ために 開発し たカ ラーイ メージ インテ ン シ フ ァ イ ア の構 造 に つ い て 述べ る 。 中 性 子と の 反応 膜とし てガド リニウ ムや 濃縮ポ 口ンを 用いた 場 合 に つ い て 、膜 の 最 適 化 や 製作 す る 上 で の課 題 を 検 討 し、 製 作 に 成 功し た異を る特長 を持つ2種 類 に つ い て そ の 特 性 を 明 ら か に し た 。 更 に 、 ア メ リ カの 工 業 規 格ASTMの 中性 子 ラ ジ オ グ ラフ ィ の 撮 影 規 格 と そ れ に 用 い ら れ る イ ン ジ ケ ー タ に つ い て 撮 影 し 、 そ の 性 能 を 示 し て い る 。 第7章 「 パ ル ス 中 性子 源 対 応 の 中性 子 用 カ ラ ーI.I.‑Iで は 、 パ ルス 中 性 子 源 と 中性 子 の エ ネ ル ギ ー に 対 す る選 択 的 を イ メ ージ ン グ を 行 をう た めに 開発し たプラ ンキン グ機 能を搭 載した 中性子 カ ラ ーI.I.の 特 性 に つ い て 述 ベ 、 パ ル ス 初 期 の ガ ン マ バ ー ス ト に よ るX線イ メ ー ジ ン グ と中 性 子 エ ネ ル ギ ー を選 択 し た イ メ ージ ン グ の 同 時撮 影 や材 料の中 性子工 ネルギ ーに 対する プラッ グェッ ジ や 共 鳴 吸 収 を 用 い 、 エ ネ ル ギ ー 選 択 的 イ メ ー ジ ン グ ヘ 適 応 で き る こ と を 明 ら か に し て い る 。 第8章 「ま と め と 今 後の 展 開 」 で は、 全 体 の ま とめ と 今 後 の 展 開、 さ らに期 待され る適用 先に つ い て 述 べ て いる 。
以 上 要 する に 、 本 論 文は こ れ ま で モノ ク ロ が 主であ った放 射線イ メー ジング におい て、カ ラー 化 の 手 法 を 開 発し 、 異 を っ た 放射 線 の イ メ ージ を カラ ー化に よって 区別し て表 示させ ること 、また 、 同 じ 放 射 線 でも カ ラ ー 化 に よっ て 観 測 で きる 透 過強 度のダ イナミ ックレ ンジ を大き く広げ ること に 成 功 し た も ので あ り 、 放 射 線計 測 工 学 に おけ る 貢献 大なる ものが ある。 よっ て著者 は北海 道大学 博 士 （ 工 学 ） を授 与 さ れ る 資 格あ る も の と 認め る 。
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