X線吸収の機序とエネルギー依存性

🧠 主な減弱機序は光電効果 photoelectric effect 光電効果（photoelectric effect） photoelectric effect（光電効果） とコンプトン散乱 Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering） Compton scattering（コンプトン散乱） である。 光電吸収photoelectric absorption 光電吸収（photoelectric absorption）photoelectric absorption（光電吸収） の原子番号 atomic number 原子番号（atomic number） atomic number（原子番号） 依存性は診断域で概ねZの3〜5乗程度と近似され、光子エネルギー上昇で急減する。

減弱係数と二つの相互作用

減弱係数μは単位長さあたりに一次光子がビームから失われる確率を表す。狭い単色ビーム、均一媒質という条件では指数則が成り立つが、実際の多色X線¹では低エネルギー成分が先に除かれてビームハードニング beam hardening ビームハードニング（beam hardening） beam hardening（ビームハードニング） が起こる²。

X線吸収の機序とエネルギー依存性を表す式

$I_0$と$I$は入射・透過強度、$\mu$は線減弱係数 linear attenuation coefficient 線減弱係数（linear attenuation coefficient） linear attenuation coefficient（線減弱係数） （m⁻¹）、$x$は厚さ（m）である。単色・狭束・均一媒質を仮定する。

光子が一次ビームから失われる過程

コンプトン散乱Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering）Compton scattering（コンプトン散乱） はZ依存性が小さく、高エネルギー側で相対的に優位になる。

flowchart TD
  A["減弱係数と二つの相互作用"] --> B
  B["光子が一次ビームから失われる過程"] --> C
  C["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='Compton scattering'>コンプトン散乱</span>はZ依存性が小さく、高エネルギー側で相対的に優位になる"] --> D
  D["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='contrast'>コントラスト</span>・散乱・線量"]

コントラスト・散乱・線量

診断X線域では、光電吸収photoelectric absorption 光電吸収（photoelectric absorption）photoelectric absorption（光電吸収） は原子番号 atomic number原子番号（atomic number） atomic number（原子番号）$Z$への依存が強く、光子エネルギーの上昇で急減する。一方、コンプトン散乱Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering）Compton scattering（コンプトン散乱） は$Z$依存性が小さく高エネルギー側で相対的に優位になる。この競合が組織ごとの減弱差を作り、X線重積画像のコントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） と散乱線による画質 image quality 画質（image quality） image quality（画質） 低下を左右する。

骨と軟部組織のZ差がX線画像コントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） の物理的基盤になる。光電効果photoelectric effect 光電効果（photoelectric effect）photoelectric effect（光電効果） はコントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） を高める一方で吸収線量 absorbed dose 吸収線量（absorbed dose） absorbed dose（吸収線量） を増やし、コンプトン散乱Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering）Compton scattering（コンプトン散乱） は検出器へ迷入 migrate/displace into 迷入（migrate/displace into） migrate/displace into（迷入） してコントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） を低下させる。

まとめ

• 主な減弱機序は光電効果 photoelectric effect 光電効果（photoelectric effect） photoelectric effect（光電効果） とコンプトン散乱 Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering） Compton scattering（コンプトン散乱） である。光電吸収photoelectric absorption 光電吸収（photoelectric absorption）photoelectric absorption（光電吸収） はおおむねZ³に比例し、光子エネルギー上昇で急減する。
• コンプトン散乱Compton scattering コンプトン散乱（Compton scattering）Compton scattering（コンプトン散乱） はZ依存性が小さく、高エネルギー側で相対的に優位になる。
• 骨と軟部組織のZ差がX線画像コントラスト contrast コントラスト（contrast） contrast（コントラスト） の物理的基盤になる。