活用X光的能量 | Blog

1. X光的能量（波長）

X光與可見光同屬電磁波。波長在可見光的1/1000以下範圍的電磁波稱為X光（※1）。

電磁波的能量即為波長的倒數。換言之，能量鑑別也就是所謂的波長鑑別，與可見光中利用彩色濾光片進行波長選擇相同。可見光的數位相機等裝置透過彩色濾光片分別記錄RGB（紅綠藍），即可呈現彩色影像。若X光也能進行波長濾波，便可實現此波長範圍的彩色化（取得並活用波長資訊）。

一般而言，工業用途或醫療用途所使用的X光源所放出的X光波長在100pm（皮米）以下。由於其波長短於構成物體的原子間距離，因此是穿透物質能力極高的電磁波。對於如此極短的波長，並不存在如可見光所使用、可選擇波長的彩色濾光片，因此無法以相同方式進行波長鑑別。

2. X光的能量鑑別

要在X光範圍進行波長鑑別，可利用光電效應（※2）所產生的電荷數與入射X光能量成正比的特性。由於X光具有極高的能量，會在光電二極體內產生數千至數萬個電荷。例如，60keV的X光入射CdTe感測器時會產生13,500個電荷，120keV的X光入射時則會產生約27,000個電荷。由於入射X光與光電二極體的響應訊號呈正比關係，只要能準確計算電荷數，即可得知X光的能量。此技術因計算入射X光的光子數量，而被稱為「光子計數（Photon Counting）」。

以採用CdTe感測器的量測系統、在約2keV的能量解析度下量測放射性同位素（Am241），即可取得如下的能譜（縱軸：輻射數量，橫軸：輻射能量）。

圖1：Am241的能譜

可進行能量鑑別的X光相機之資料量

光子計數方式可取得X光的頻度與能量兩種資訊，因此資訊量也相應增加。例如可見光的情況，是分別取得RGB各自的影像，再依加法混色原理計算色彩資訊以實現全彩，因此資訊量如下。可見光影像的資料量 = 8bit * 3色 * 像素數另一方面，X光所需的能量不一定只有三種，例如需要8種能量時，資訊量如下。 X光影像的資料量 = 16bit * 8能量 * 像素數在像素數方面，可見光單眼相機為1500～6000萬像素，而X光相機在20x20cm、0.1mm間距的情況下為400萬像素，因此資料量約為可見光相機的一半至同等程度。

※若以圖1的能量解析度取得，8能量的部分將變為75能量（150keV/2keV），因此資料量會比可見光相機大約一個數量級。

3. X光的能量活用

材料識別是X光能量資訊的活用方法之一。在進行X光CT攝影時同步取得能量資訊，即可算出原子序與密度，從而直接識別材料。由於取得兩種能量即可實現，因此稱為Dual Energy X-ray CT（DECT、DXCT），是活用能量的攝影方法中研究最為熱絡的技術。此外，活用更多能量的攝影方法稱為Spectral CT，在放射核醫學等研究領域已有相關應用報告。

如圖2所示，在X光攝影中，感測器所取得的值（像素值）的意義與資訊維度會因攝影方法而異。在所謂單純攝影的X光（倫琴）攝影中，像素值為攝影對象的衰減係數與穿透長度相乘的值，因此即使是不同材料，也可能因與厚度的組合而得到完全相同的像素值，故無法分辨材料差異。CT攝影透過全周攝影並重建，可取得斷層影像，穿透長度的資訊被分解至各像素中，因此像素值代表衰減係數。如此一來，相較於X光影像，對衰減係數不同之攝影對象的識別能力大幅提升。若在CT攝影中活用能量資訊，還能進一步將衰減係數分解為原子序。其原理如前所述，至少以兩種能量進行攝影，即可算出各物質衰減係數的差異，從而推估原子序。

圖2：各攝影方法中像素值的意義