利用X射线的能量 | Blog

1. X射线的能量（波长）

X射线与光一样属于电磁波。波长不足可见光1/1000的电磁波被称为X射线（※１）。

电磁波的能量与波长成反比。也就是说，能量甄别实际上就是波长甄别，与可见光中利用彩色滤光片进行波长选择是一样的。可见光数码相机等通过彩色滤光片分别记录RGB（红绿蓝），从而呈现彩色图像。对于X射线，如果同样能够对波长进行滤波，便可实现该波长范围的彩色化（获取并利用波长信息）。

一般工业用途及医疗用途所使用的X射线源发出的X射线波长在100pm（皮米）以下。由于其波长比构成物体的原子间距还短，因此是一种穿透物质能力极强的电磁波。对于如此短的波长，并不存在像可见光那样可选择波长的彩色滤光片，因此无法用同样的方法进行波长甄别。

2. X射线的能量甄别

要在X射线范围内进行波长甄别，可以利用光电效应（※２）所产生的电荷数与入射X射线能量成正比这一特性。由于X射线具有极高的能量，会在光电二极管内产生数千至数万个电荷。例如，60keV的X射线入射CdTe传感器时会产生13,500个电荷，120keV的X射线入射时则会产生约27,000个电荷。由于入射X射线与光电二极管的响应信号呈正比关系，只要能够准确计数电荷，就能得知X射线的能量。该技术通过对入射X射线的光子进行计数，因此被称为“光子计数（Photon Counting）”。

使用采用CdTe传感器的测量系统，以约2keV的能量分辨率测量放射性同位素（Am241），可获得如下能谱（纵轴：放射线数量，横轴：放射线能量）。

图1：Am241的能谱

可进行能量甄别的X射线相机的数据量

光子计数方式可同时获得X射线的频度和能量两种信息，因此信息量也相应增加。例如在可见光情况下，分别获取RGB各自的图像，再根据加法混色原理计算色彩信息以实现全彩色，其信息量如下。可见光图像的数据量 = 8bit * 3色 * 像素数而对于X射线，所需的能量并不限于三个，例如需要8个能量时，信息量如下。 X射线图像的数据量 = 16bit * 8能量 * 像素数就像素数而言，可见光单反相机为1500～6000万像素，而X射线相机在20x20cm、0.1mm像素间距的情况下为400万像素，因此数据量约为可见光相机的一半至相当水平。

※若以图1的能量分辨率进行采集，8能量的部分将变为75能量（150keV/2keV），因此数据量比可见光相机大约一个数量级。

3. X射线能量的应用

材料识别是X射线能量信息的应用方法之一。该技术在进行X射线CT成像时同步获取能量信息，从而能够计算出原子序数和密度，进而直接识别材料。由于获取两个能量即可实现，因此被称为Dual Energy X-ray CT（DECT，DXCT），是利用能量的成像方法中研究最为活跃的一种。此外，利用更多能量的成像方法被称为Spectral CT，在放射核医学等研究领域已有相关应用报道。

如图2所示，在X射线成像中，传感器获取的值（像素值）的含义及信息维度因成像方法而异。在所谓的普通成像即X射线（伦琴）成像中，像素值是成像对象的衰减系数与透射长度的乘积，即使材料不同，也可能因厚度组合而得到完全相同的像素值，因此无法区分材料差异。在CT成像中，通过对全周进行成像并重建可获得断层图像，透射长度信息被分解到各个像素中，因此像素值代表衰减系数。与伦琴图像相比，这大幅提升了对衰减系数不同的成像对象的识别能力。若在CT成像中利用能量信息，则可进一步将衰减系数分解为原子序数。其原理如前所述，至少以两个能量进行成像，便可计算出各物质衰减系数的差异，从而推定原子序数。

图2：各成像方法中像素值的含义