Development of 4D X-ray elastography

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H04530
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Yashiro Wataru 東北大学, 国際放射光イノベーション・スマート研究センター, 教授 (10401233)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2024-03-31
• Keywords: Ｘ線 / イメージング / トモグラフィ / エラストグラフィ / 粘弾性体 / 複素弾性率 / ソフトマテリアル / 医療診断

Outline of Final Research Achievements

We have succeeded in realizing the world's first X-ray elastography CT. By utilizing white synchrotron radiation beams at synchrotron radiation facilities, an originally developed sample excitation and rotation device, and a uniquely arranged grating interferometer (high-sensitivity displacement detection method), we succeeded in visualizing the three-dimensional distribution of storage and loss elastic moduli inside a pig lung with a temporal resolution of 250 ms and a spatial resolution of 10 μm. Also, the world's first X-ray elastography CT even with a laboratory X-ray source was realized in a shorter time than the deformation due to sample vibration, using a state-of-the-art high-speed photon-counting X-ray image detector, a denoising technique based on deep learning, and a CT reconstruction technique based on compressed sensing.

Free Research Field

Ｘ線光学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、世界で初めて、Ｘ線を用いて高い空間分解能・時間分解能で、試料内部の貯蔵弾性率、損失弾性率の三次元分布を可視化するＸ線エラストグラフィCTに成功した。当初はシンクロトロン放射光施設の白色放射光による原理実証であったが、最先端の高速Ｘ線フォトンカウンティング画像検出器と、深層学習や圧縮センシングなどのデータサイエンスの活用により、実験室Ｘ線源でも、高い時空間分解能でＸ線エラストグラフィの実現に成功した。この成果は、ソフトマテリアルの新たなツールを提供するだけでなく、新たな医療診断機器の実現可能性も示しており、学術的有効性だけでなく、社会的な意義も示すことができたと考えている。