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画像工学・医用工学

X線検出器のしくみ（CRの輝尽性蛍光とFPDの2つの変換方式）

#画像工学 #FPD #CR #検出器 #国家試験 #過去問解説

デジタルX線検出器は、国家試験で毎回のように出題されます。しかも聞かれ方がはっきりしていて、CR と FPD のどちらの話か、直接変換と間接変換のどちらか、この2つの仕分けができれば大半が解けます。

誤りの選択肢の作り方も決まっていて、2つの用語を入れ替えるだけです。「間接変換方式では a-Se が用いられる」「励起光の波長は 400 nm 程度である」——どちらも、正しい記述の主語を入れ替えたものです。

この記事では、その入れ替えられやすいポイントを中心に整理します。撮影条件や画質の基礎は「撮影条件（管電圧kV・管電流時間積mAs）と画像」「一般撮影の画質」にあります。

CR と FPD：違いは「読み取り装置に運ぶ工程があるか」

CRとFPDの流れCRとFPDの読み出しの流れを比べた図。CRはいったんためてあとから読み出す方式で、X線を当ててイメージングプレートに蓄え、読取装置へカセッテを運び、レーザーで読み出して輝尽発光を集め、最後に強い光で消去して繰り返し使う。FPDはその場で電気信号にしてすぐ読み出す方式で、X線を当てて変換層で電荷にし、TFTで行ごとにスイッチングして読み出し、撮影直後に画像を確認でき、消去の工程はなく動画も撮れる。いちばんの違いは読み取り装置に運ぶ工程があるかどうかである。CRはリアルタイムに観察できない。FPDは撮影直後に確認でき、パルス照射で動画も撮れる。FPDはイメージインテンシファイアと違って画像の歪がない。量子検出効率はFPDのほうが高い。CR と FPD：違いは「読み取り装置に運ぶ工程があるか」CR はためてから読み出す。FPD はその場で電気信号にするCR：いったん「ためて」、あとから読み出すX線を当てるIP に蓄える読取装置へ運ぶカセッテを持っていくレーザーで読み出す輝尽発光を集める強い光で消去繰り返し使えるFPD：その場で電気信号にして、すぐ読み出すX線を当てる変換層で電荷にするTFT で読み出す行ごとにスイッチングすぐ画像になる撮影直後に確認できる消去の工程はない動画も撮れるいちばんの違いは「読み取り装置に運ぶ工程があるか」CR はリアルタイムに観察できない。読み取ってはじめて画像になるFPD は撮影直後に確認でき、パルス照射で動画（透視）も撮れるFPD は I. I. と違って画像の歪がない。素子が平面に並んでいるだけだから量子検出効率（DQE）は FPD のほうが高い。ダイナミックレンジはどちらもフィルムより広い
CR はいったん蓄えて、あとから読み出す。FPD はその場で電気信号にする。だから FPD は撮影直後に確認できる。

CR（Computed Radiography）は、イメージングプレート（IP）にX線のエネルギーをいったん蓄えておき、読み取り装置でレーザーを当てて読み出す方式です。読み取り装置まで運ぶ工程があるので、リアルタイムには観察できません。

FPD（Flat Panel Detector）は、X線をその場で電荷に変えて、TFT（Thin Film Transistor：薄膜トランジスタ）で読み出します。撮影直後に画像を確認でき、パルス照射で動画（透視）も撮れます。

ここから、両者の性格の違いが出てきます。

  • リアルタイム観察 … CR は不可、FPD は可能
  • 動画撮影 … FPD のみ
  • 量子検出効率（DQE） … FPD のほうが高い
  • 画像の歪 … FPD は原理的に歪がない。素子が平面に並んでいるだけだからです。歪が出るのは電子レンズを使う I. I.（イメージインテンシファイア）
  • ダイナミックレンジ … どちらも増感紙-フィルム系よりはるかに広い

CR：赤いレーザーを当てて、青い光を取り出す

CRのしくみと波長の分離CRの読み出しのしくみと、励起光と輝尽発光の波長の関係を示した図。読み出しは4段階で、イメージングプレートの輝尽性蛍光体にX線のエネルギーを蓄え、赤色レーザーを当てて励起し、青色の輝尽発光を取り出し、光電子増倍管とlogアンプで広い範囲を対数に圧縮する。グラフは横軸が波長で、青色の輝尽発光は400ナノメートル付近に、赤色の励起レーザーは633から690ナノメートル付近にあり、大きく離れている。その間にフィルタを入れれば励起光を切って発光だけを取り出せる。波長が近いと分離できず読み取り精度が落ちる。励起光の波長が400ナノメートル程度という記述は入れ替わりで誤りであり、波長が近いほうが読み取り精度が高いという記述も誤りである。CR：赤いレーザーを当てて、青い光を取り出す励起光と発光の波長が離れているから、フィルタで分けられるCR の読み出しイメージングプレート輝尽性蛍光体（BaFX：Eu²⁺）赤色レーザーを当てる波長 633〜690 nm 程度青色の輝尽発光が出る波長 400 nm 程度光電子増倍管 → log アンプ広い範囲を対数に圧縮励起光と発光は、波長が離れているほどよい輝尽発光400 nm励起レーザー633〜690 nmフィルタでここを切れば、発光だけ取り出せる近いと分離できず、読み取り精度が落ちる波長の数字が入れ替えて出される励起（当てる光）＝ 赤色レーザー、輝尽発光（出てくる光）＝ 青「励起光の波長は 400 nm 程度」は入れ替わりで誤り「波長が近いほうが読み取り精度が高い」も誤り。離れているほど分離しやすい
励起光は赤色レーザー、輝尽発光は青。波長が離れているから、フィルタで分けられる。

CR の心臓部は 輝尽性蛍光体（BaFX：Eu²⁺ など）です。X線を受けると電子が準安定な状態に捕らえられ、そこに光を当てると、たまっていたエネルギーが光として放出されます。これが輝尽発光です。

読み出しの流れはこうなります。

  1. イメージングプレートにX線のエネルギーを蓄える
  2. 赤色レーザー（波長 633〜690 nm 程度）を当てて励起する
  3. 青色の輝尽発光（波長 400 nm 程度）が出てくる
  4. 光電子増倍管で受け、log アンプを通して A/D 変換する

ここで問われるのが、2つの光の波長の関係です。

励起光と輝尽発光の波長は、離れているほどよい

理由は単純で、フィルタで分離するためです。読み出しでは、当てている強いレーザー光と、出てくる弱い発光が同時に存在します。波長が十分に離れていれば、フィルタでレーザー光を切って発光だけを取り出せます。近いと分離できず、読み取り精度が落ちます。

CR で問われる4点と、log アンプ

CRの注意点とlogアンプCRで問われる4点とlogアンプの特性を示した図。第1にフェーディングは時間とともに蓄積情報が失われる現象で、輝尽発光量は減り画質は低下するので撮影後は早く読み取る。第2に消去は強い可視光で行い加熱ではない。加熱で消すのはTLDの方式である。第3に画素サイズは一般撮影で100マイクロメートル程度、乳房撮影で50マイクロメートル程度であり、乳房は微小石灰化を写すのでより細かい。第4に両面集光方式は蛍光体層の表と裏の両方から光を集める方式で、集光効率が上がりSN比が改善する。logアンプの入出力特性は、入力が小さいうちは急に立ち上がり大きくなると寝ていく対数の形である。S字のシグモイドは増感紙フィルムの特性曲線であり、指数関数はlogの逆である。logアンプを使うのはCRのダイナミックレンジが10の4乗以上と広すぎるからで、対数に圧縮すると扱いやすくなりフィルムの特性曲線とも対応がとれる。CR の注意点と、log アンプの形フェーディングは画質を下げる。消去は「強い光」で、加熱ではないCR で問われる4点フェーディング時間とともに蓄積情報が失われる輝尽発光量は減り、画質は低下する。撮影後は早く読み取る消去は「強い可視光」加熱ではない加熱で消すのは TLD の方式画素サイズ一般撮影 100 µm 程度／乳房撮影 50 µm 程度乳房は微小石灰化を写すので、より細かい両面集光方式蛍光体層の表と裏の両方から光を集める集光効率が上がり SN 比が改善するlog アンプの入出力特性入力 V(in)出力V(out)小さいうちは急に立ち上がり、大きくなると寝ていくS字（シグモイド）は増感紙-フィルムの特性曲線指数関数（右上がりに反る形）は log の逆log アンプを使うのは、CR のダイナミックレンジが広すぎるから輝尽発光の強さは X線量に対して 10⁴ 以上の範囲にわたる。そのままでは桁が大きすぎる対数に圧縮すると扱いやすくなり、フィルムの特性曲線とも対応がとれる（フィルムの濃度は露光量の対数に比例する）グラフを選ぶ問題では、まず「対数の形」を思い出すこと
フェーディングは画質を下げる。消去は「強い光」で、加熱ではない。log アンプの形は対数。

① フェーディング

蓄えた情報は、時間とともに自然に失われていきます。輝尽発光量が減るので、画質は低下します。だから撮影後はできるだけ早く読み取ります。「画質が向上する」という選択肢は逆です。

② 消去は「強い可視光」

読み取ったあとの IP は、強い光を当てて消去し、繰り返し使います。加熱ではありません。加熱で消すのは TLD（熱ルミネセンス線量計）の方式です。

③ 画素サイズ

  • 一般撮影用 … 100 µm 程度
  • 乳房撮影用 … 50 µm 程度

乳房撮影は微小石灰化を写す必要があるので、より細かくなっています。「乳房撮影用は 100 µm 程度」は一般撮影用の値で、誤りです。

④ 両面集光方式

輝尽性蛍光体層の表と裏の両方から光を集める方式です。透明な支持体を使うことで実現しています。集光効率が上がるぶん、SN 比が改善します。

log アンプを使う理由

CR の輝尽発光の強さは、X線量に対して 10⁴ 以上の広い範囲にわたります。そのままでは桁が大きすぎるので、対数に圧縮して扱いやすくします。フィルムの濃度が露光量の対数に比例することとも対応がとれます。

グラフを選ぶ問題では、対数の形を思い出してください。入力が小さいうちは急に立ち上がり、大きくなるにつれて寝ていく形です。S字（シグモイド）は増感紙-フィルム系の特性曲線、右上がりに反る形は指数関数で、どちらも log ではありません。

FPD：直接変換は1段階、間接変換は2段階

FPDの直接変換と間接変換FPDの直接変換方式と間接変換方式を比べた図。直接変換方式はX線を1段階で電荷に変える方式で、アモルファスセレンすなわちa-Seを用い、数キロボルトの高電圧を印加して電荷を電極へ引き寄せる。光に変える段階がないのでホトダイオードは不要で構造は単純だが、常時の温度管理が必要である。間接変換方式はX線をいったん光に変えてから電荷にする2段階の方式で、ヨウ化セシウムやGOSのシンチレータを使い、高電圧は不要だが光を電荷に変えるホトダイオードが必要で、段階が1つ多いぶん構造は複雑である。どちらの方式でも読み出しはTFTすなわち薄膜トランジスタのスイッチングで、画素にたまった電荷を行ごとに順番に読み出す。a-Seは直接変換、シンチレータで光に変えるのは間接変換、高電圧を印加するのは直接変換、ホトダイオードを使うのは間接変換である。FPD：直接変換は1段階、間接変換は2段階読み出しはどちらも TFT。変換のしかただけが違う直接変換方式X線 → 電荷（1 段階）a-Se（アモルファスセレン）X線を直接 電荷 に変える高電圧の印加が必要数 kV。電荷を電極へ引き寄せるホトダイオードは不要光に変える段階がないから構造は単純ただし常時の温度管理が必要間接変換方式X線 → 光 → 電荷（2 段階）シンチレータ（CsI・GOS）X線を いったん光 に変える高電圧は不要印加は直接変換のほうホトダイオードが必要光を電荷に変える素子段階が1つ多いそのぶん構造は複雑どちらの方式でも、読み出しは TFT（薄膜トランジスタ）のスイッチング画素にたまった電荷を、行ごとに順番に読み出していく入れ替えて出される4点a-Se は 直接変換。「間接変換方式では a-Se が用いられる」は誤りシンチレータで光に変えるのは 間接変換。「直接変換方式でシンチレータ」は誤り高電圧を印加するのは 直接変換。ホトダイオードを使うのは 間接変換構造が単純なのは 直接変換。常時の温度管理が必要なのも 直接変換（a-Se）
a-Se は直接変換、シンチレータは間接変換。読み出しはどちらも TFT。

FPD には2つの方式があります。違いは X線を電荷に変えるまでの段階数です。

直接変換方式間接変換方式
変換の順序X線 → 電荷（1段階）X線 → 光 → 電荷（2段階）
X線変換部a-Se（アモルファスセレン）シンチレータ（CsI・GOS）
光電変換素子不要ホトダイオードが必要
高電圧の印加必要（数 kV）不要
構造単純段階が1つ多く複雑
温度管理常時必要（a-Se）直接変換ほどは要らない
読み出しTFT スイッチングTFT スイッチング

読み出しはどちらも TFT（薄膜トランジスタ）のスイッチングです。画素にたまった電荷を、行ごとに順番に読み出していきます。ここは方式によらず共通なので、「読み出しは何か」と聞かれたら TFT と答えます。

入れ替えて出されるのは、次の4点です。

  • a-Se は直接変換。「間接変換方式では a-Se が用いられる」は誤り
  • シンチレータで光に変えるのは間接変換。「直接変換方式ではX線をシンチレータで光に変換する」は誤り
  • 高電圧を印加するのは直接変換。a-Se 層に電界をかけて電荷を電極まで引き寄せます
  • ホトダイオードを使うのは間接変換。光を電荷に変える素子が要るからです

FPD の3つの補正

FPDの3つの補正と雑音特性FPDの3つの補正と雑音特性を示した図。オフセット補正はX線を当てない状態で行い、暗電流すなわちダークノイズを測って差し引く。ゲイン補正は均一なX線を当てて行い、素子ごとの感度のばらつきをそろえる。欠陥画素補正は使えない画素を周囲の値から補う。どれも定期的なキャリブレーションとして行う。X線を当てるか当てないかが入れ替えて出題されるので注意する。オフセットは当てない、ゲインは当てる。空間分解能は画素サイズで決まり、ナイキスト周波数は1を2掛ける画素サイズで割って求める。画素150マイクロメートルなら1割る0.3で3.3サイクル毎ミリメートルになる。一般撮影は100から200マイクロメートル、マンモグラフィは50から100マイクロメートルである。雑音にいちばん効くのは検出された量子すなわち光子の数で、量子雑音が支配的である。構造雑音は補正で減らせ、量子化雑音はふつう小さい。素子ごとの感度ばらつきは必ずあるので感度補正は方式を問わず必要である。FPD の補正は3つ。「X線を当てる／当てない」で分かれるオフセットは当てない、ゲインは当てる。ここが入れ替えて出るオフセット補正X線を 当てない暗電流（ダークノイズ）を測って差し引く定期的なキャリブレーションゲイン補正均一なX線を 当てる素子ごとの感度のばらつきをそろえる定期的なキャリブレーション欠陥画素補正—使えない画素を、周囲の値から補う定期的なキャリブレーション「X線を当てる／当てない」が入れ替えて出されるオフセットは当てない（暗電流を測るのだから当ててはいけない）。ゲインは当てる空間分解能は画素サイズで決まるナイキスト周波数 ＝ 1 ÷ (2 × 画素サイズ)画素 150 µm なら 1 ÷ 0.3 ＝ 3.3 cycles/mm一般撮影 100〜200 µm／マンモ 50〜100 µm雑音にいちばん効くのは検出された量子（光子）の数量子雑音が支配的。構造雑音は補正で減らせる量子化雑音（A/D の丸め）はふつう小さいFPD の補正は3つセットで覚えるオフセット（暗電流）・ゲイン（感度ばらつき）・欠陥画素素子ごとの感度ばらつきは必ずあるので、感度補正は方式を問わず必要「間接変換方式では素子間の感度補正は不要」は誤り
オフセットは X線を当てない、ゲインは当てる。ここが入れ替えて出される。

FPD は数百万個の素子の集合体なので、1つ1つの感度に必ずばらつきがあります。そのままでは固定パターンノイズとして見えてしまうため、3つの補正をセットで行います。

補正X線は？何をするか
オフセット補正当てない暗電流（ダークノイズ）を測って差し引く
ゲイン補正均一なX線を当てる素子ごとの感度のばらつきをそろえる
欠陥画素補正—使えない画素を周囲の値から補う

出題では、「X線を当てる／当てない」が入れ替えられます。理屈で考えれば迷いません。

オフセット補正は暗電流を測るのだから、X線を当ててはいけない

また、素子ごとの感度ばらつきは必ずあるので、感度補正は方式を問わず必要です。「間接変換方式では素子間の感度補正は不要である」は誤りです。

空間分解能と雑音

FPD の空間分解能は、ほぼ画素サイズで決まります。上限はナイキスト周波数です。

fN=12×画素サイズf_N=\frac{1}{2 \times \text{画素サイズ}}

画素サイズが 150 µm（0.15 mm）なら、

12×0.15=10.3=3.3 cycles/mm\frac{1}{2 \times 0.15}=\frac{1}{0.3}=3.3\ \text{cycles/mm}

が上限になります。画素サイズは一般撮影用で 100〜200 µm、マンモグラフィ用で 50〜100 µm 程度です。「10〜20 µm」は細かすぎて誤りです。

雑音については、いちばん効くのは検出された量子（光子）の数です。量子雑音が支配的で、構造雑音は補正で減らせますし、量子化雑音（A/D 変換の丸め）はふつう小さい値です。

試験で問われやすいポイント

論点覚える形
CR の検出器輝尽性蛍光体（イメージングプレート）
CR の励起光赤色レーザー（633〜690 nm）
CR の輝尽発光青（400 nm 程度）
波長の関係離れているほどよい（フィルタで分けるため）
フェーディング情報が失われ、画質は低下する
CR の消去強い可視光（加熱は TLD）
CR の画素サイズ一般撮影 100 µm／乳房 50 µm
両面集光方式表裏から集光 → SN 比が改善
log アンプ広いダイナミックレンジを対数に圧縮
log の形最初は急、あとは寝る（S字・指数は違う）
直接変換a-Se・高電圧が必要・構造は単純
間接変換シンチレータ ＋ ホトダイオード・2段階
読み出しどちらも TFT スイッチング
オフセット補正X線を当てない（暗電流）
ゲイン補正均一なX線を当てる（感度ばらつき）
感度補正の要否方式を問わず必要
空間分解能画素サイズで決まる。fN=1÷(2×画素)f_N = 1 \div (2 \times \text{画素})
FPD の画素サイズ一般撮影 100〜200 µm／マンモ 50〜100 µm
雑音に最も効く検出された量子の数（量子雑音）
画像歪FPD はなし。歪むのは I. I.

まとめ

  • CR はいったん蓄えて読み出すのでリアルタイム観察ができない。FPD はその場で電気信号にする
  • CR の励起光は赤、輝尽発光は青。波長が離れているからフィルタで分けられる
  • フェーディングは画質を下げる。消去は強い光で、加熱ではない
  • log アンプは、10⁴ 以上の広いダイナミックレンジを対数に圧縮するために使う
  • 直接変換は a-Se で1段階、間接変換はシンチレータ＋ホトダイオードで2段階
  • 高電圧は直接変換、ホトダイオードは間接変換。読み出しはどちらも TFT
  • 補正は3つ。オフセットは X線を当てない、ゲインは当てる
  • 空間分解能は画素サイズで決まる。雑音にいちばん効くのは検出量子数

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