Biophysics · 16.07

X線吸収の機序とエネルギー依存性

Mechanisms and energy dependence of X-ray absorption

🧠 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。

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。

X線吸収の機序とエネルギー依存性を表す式

I=I_0e^{-\mu x}

$I_0$ 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。