CTスキャンと線減弱の基礎
CTスキャンは、X線を利用して体内のさまざまな組織の密度差を画像化する技術です。X線が物質に入射すると、その物質の密度や組成に応じて吸収や散乱が発生します。この減衰の度合いが物質ごとに異なるため、CTスキャンでは異なる組織を画像上で区別することが可能です。
CTスキャンで得られるCT値は、線減弱係数と呼ばれるX線の減衰率に基づいており、物質の密度、電子密度、さらには平均自由行程と深い関係があります。
CT値（HU）と線減弱係数（μ）
CT値は、物質のX線に対する減衰特性を表す指標で、ハウンズフィールド単位（HU）で示されます。通常、CT値の基準として水を0 HU、空気を-1000 HUとし、他の物質はこの基準に基づいて表示されます。CT値は次のように定義されます：CT値（HU）=1000×μ物質−μ水μ水\text{CT値（HU）} = 1000 \times \frac{\mu_{\text{物質}} – \mu_{\text{水}}}{\mu_{\text{水}}}CT値（HU）=1000×μ水μ物質−μ水
ここで、μ物質\mu_{\text{物質}}μ物質は対象物質の線減弱係数、μ水\mu_{\text{水}}μ水は水の線減弱係数です。密度が高く、電子密度も大きい物質では、X線が多く減衰され、CT値が高くなります。逆に、密度が低く電子密度の小さい物質は減衰が少なくなり、CT値が低くなります。
電子密度とCT画像の構造
電子密度は、CTスキャンで重要な役割を果たす要素の一つです。
電子密度が高い物質では、X線が強く散乱・吸収されるため、線減弱係数（μ）が大きくなります。したがって、電子密度が高い組織ほどCT値が大きくなり、画像上で明るく表示されます。例えば、骨や金属は電子密度が高く、CT画像で明るく映ります。一方、脂肪や空気は電子密度が低いため、CT値が低く画像上で暗く表示されます。
線減弱係数（μ）と平均自由行程（λ）の関係
線減弱係数（μ）は、物質中でX線がどれだけ減衰するかを示す物理量であり、次のように平均自由行程（λ）と逆数の関係があります：μ=1λ\mu = \frac{1}{\lambda}μ=λ1
ここで、平均自由行程（λ）は、X線が物質を通過する際に電子や原子と相互作用するまでの平均距離を表しています。線減弱係数が大きい物質ほど平均自由行程は短くなり、X線が物質中を通過する際の相互作用頻度が増えます。例えば、骨のような高密度の物質は平均自由行程が短く、X線が効率よく減衰されるため、線減弱係数が大きくなります。一方で、空気や脂肪のような低密度の物質は平均自由行程が長く、X線がほとんど減衰されずに通過するため、線減弱係数が小さくなります。
CT画像におけるこれらの概念の影響
CT画像では、各画素（ボクセル）のCT値が物質の密度や電子密度に基づいて表示され、これによりさまざまな組織や構造を視覚的に区別できます。たとえば、骨はCT値が高いため明るく表示され、空気や脂肪はCT値が低く暗く表示されます。このように、CT値の分布を利用して、臓器や腫瘍、骨の構造の違いを視覚化し、診断に役立てることが可能です。
具体的なCT値の目安
- 空気：-1000 HU（CT値が非常に低く、暗く表示）
- 脂肪：-100～-50 HU（空気ほど低くないが暗めに表示）
- 水：0 HU（基準物質として中間的な明るさ）
- 筋肉・軟部組織：20～70 HU（CT値がやや高め、肝臓、脾臓などの内臓）
- 骨：1000 HU以上（CT値が非常に高く、非常に明るく表示）
このように、CT値の差が画像上でのコントラストを生み出し、画像の診断性が向上します。
まとめ
CT値、線減弱係数（μ）、電子密度、平均自由行程（λ）は互いに密接に関連しており、CT画像における物質識別の基本を成しています。物質の電子密度や密度に応じて線減弱係数が決まり、これによりCT値が変化し、画像上での組織や構造の視覚的な違いが明瞭になります。
CTスキャンを通じて得られるこれらの情報は、医療診断において、組織や臓器、異常部位の評価に欠かせないものとなっており、物質の構造的特徴を高精度に反映した画像を提供することで、より高度な診断と治療計画（放射線治療）の立案に貢献しています。
