Absorption and Phase-Contrast Microtomography Using Direct X-ray Detection With COTS CMOS Sensors

技術概要：COTS CMOS センサーを用いた直接 X 線検出による吸収および位相コントラストマイクロトモグラフィー

問題提起
高解像度 X 線マイクロトモグラフィーは、通常、シンクロトロン放射施設や、シンチレーターおよび複雑な光学系と結合された専用ナノフォーカス源など、高価で複雑なインフラに依存しています。これらの装置はサブマイクロメートル解像度を達成しますが、コストと複雑さのため、標準的な実験室での利用はしばしば不可能です。さらに、従来の吸収コントラストトモグラフィーは、十分な減衰コントラストを提供しない低密度材料（低 Z）や軟組織の可視化に苦しんでいます。本論文は、特殊な光学系やシンクロトロンへのアクセスを必要とせずに、軟境界を可視化するために位相コントラスト機構を活用でき、かつ高解像度イメージングが可能な、よりシンプルで低コストの実験室規模のシステムへのニーズに対応するものです。

手法
著者らは、商用オフ・ザ・シェルフ（COTS）CMOS イメージセンサーを直接 X 線検出器として利用する高解像度マイクロトモグラフィーシステムを開発しました。実験装置は、以下の主要コンポーネントで構成されます。

• 光源: 5 µm の焦点スポットを持ち、10–90 kV の範囲で動作するマイクロフォーカス・タングステン・アンード X 線源（Micro X-ray Inc. Microbox）。
• 検出器: 1280 × 1024 ピクセルアレイと 5.2 µm のピクセルピッチを備えた Micron MT9M001 CIS。減衰および散乱効果を排除し、直接 X 線検出を可能にするため、センサーのガラスカバーは除去されました。
• 幾何学: 物体からセンサーまでの距離が調整可能なコニカルビーム幾何学。サンプルから検出器までの距離を増やすことで、このシステムは吸収コントラストのための幾何学的拡大と、伝搬に基づく位相コントラストとの間で切り替えることができます。
• 遮蔽と冷却: 二次光子を最小化するためにコリメーターで区切られた鉛張りキャビネット内に装置が収容されています。ペルチェ式冷却システムがセンサー温度を管理し、全体の組み立ては振動を低減するためにフォームマット上で絶縁されています。
• データ取得と補正: ショットノイズを軽減するため、複数の 1 秒間フレームを平均化します。重要な手法上の貢献として、動的フラットフィールド補正アルゴリズムが挙げられます。長時間の X 線照射は全電離線量（TID）効果を引き起こし、暗電流の線形増加とフラットフィールドのドリフトを引き起こすため、著者らはスキャンの開始時と終了時に参照画像を取得します。これらを用いて、すべての投影に対して補正パラメータ（$K_D$ および$K_F$）を補間し、長時間の取得中のセンサー劣化を実質的に補償します。
• 再構成: トモグラフィック再構成は、機械的な誤整合を補正するためのシノグラム分析に先行して、Reconstruction Toolkit (RTK) を介したフィルタリング逆投影（FDK）アルゴリズムを用いて行われます。

主要な貢献

1. COTS センサーによる直接検出: 標準的な CMOS センサーのガラスカバーを除去することで、それがシンチレーターや光学結合なしに高解像度直接 X 線検出器として機能し、3.9 µm から 5.2 µm までのボクセルサイズを達成できることを本研究は実証しています。
2. 動的フラットフィールド補正: 著者らは、長時間のトモグラフィックスキャン中にリアルタイムで TID 誘起センサー劣化（暗電流の増加とフラットフィールドのドリフト）を補正するための線形補間法を提案し、検証しました。これは、高線量用途における消費者向けハードウェアの使用における主要な制限を克服するものです。
3. デュアルモードイメージング: システムは 2 つの明確なモードで正常に動作します。
   • 吸収コントラスト: 物体をセンサーの近くに配置することで、高減衰材料の高解像度イメージングを達成します。
   • 伝搬に基づく位相コントラスト: 物体から検出器までの距離を増やすことで、干渉縞を捉え、従来の放射線写真では見えない低減衰軟組織の可視化を可能にします。

結果
システムは 2 つの異なるサンプルを用いて検証されました。

• 集積回路（吸収コントラスト）: AD8615 表面実装オペアンプがイメージングされました。システムは、測定直径が約 18 µm の金ボンディングワイヤを含む内部金属構造を分解しました。これは、マイクロエレクトロニクスにおける故障解析に対するシステムの能力を示しています。
• 昆虫標本（位相コントラスト）: スズメバチの頭部がイメージングされました。位相コントラストを可能にする 19 cm の距離に配置された場合、システムは軟組織の境界と触角を明確に可視化しました。対照的に、同じ標本を 25 mm（位相効果を排除）に配置した場合、低吸収コントラストのため触角と軟境界は区別できなくなり、取り付け針付近のノイズレベルが増加し、成功したセグメンテーションを妨げました。

意義と主張
本論文は、COTS CMOS センサーが、実験室規模の高解像度マイクロトモグラフィーのための実用的でアクセス可能かつ費用対効果の高い代替手段であると主張しています。著者らは、その解決策が、シンクロトロン施設やナノフォーカスシステムの複雑さと高コストを回避しつつ、数ミクロンのボクセル解像度を数ミリの視野全体で提供することを強調しています。

この研究は、センサーの内在的な解像度とマイクロフォーカス源の干渉性を活用することで、複雑な光学系なしに伝搬に基づく位相コントラストイメージングを実行可能であることを浮き彫りにしています。著者らは、このアプローチが、センサーの経年劣化に対する特定の補正が実施されれば、高減衰（例：マイクロエレクトロニクス）および低減衰（例：生物学的軟組織）の両方のサンプルの高解像度 3D イメージングを標準的な研究実験室でアクセス可能にすると結論付けています。