JP2009025234A - 硬組織の評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線回折法に基づいて硬組織を評価する際に、硬組織を破壊することなく測定を行うことができるようにし、もって、硬組織の評価を簡単且つ短時間で行えるようにする。
【解決手段】Ｘ線源１から出射したＸ線を硬組織４に入射させ、硬組織４で回折して硬組織４の透過側に出射したＸ線をＸ線検出器５で検出する硬組織の評価方法である。Ｘ線源１はＭｏＫα線以上のエネルギを有する特性Ｘ線を発生し、硬組織４は自身の長手方向にｃ軸配向した性質を有し、硬組織４は自身の長手方向がＸ線の光軸と交差するように配置され、Ｘ線検出器５はｃ軸に対応する格子面である（００２）面で回折した回折線の子午線Ａ−Ａ方向の強度を検出し、さらにＸ線検出器５は参照面である（３１０）面で回折した回折線の子午線Ａ−Ａ方向の強度を検出し、参照面と（００２）面の回折線強度との比較に基づいて硬組織を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体骨、生体歯等といった生体硬組織、人工骨等といった骨補てん材料、骨置換材料等といった硬組織代替材料等といった硬組織の評価方法に関する。特に、本発明は、Ｘ線回折法に基づいた硬組織の評価方法に関する。

従来、Ｘ線回折法を用いて硬組織を評価する方法が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。この従来の方法においては、（１）硬組織を構成する結晶の結晶軸のうちのａ軸及びｃ軸の配向性を判断できるようにＸ線の入射方向と試料表面との角度を設定し、（２）ｃ軸の配向性を知りたい場合には、ブラッグ角度２θが２６°前後の回折線を用い、そして（３）ａ軸、ｃ軸及びそれ以外の方向に対する回折強度を比較することにより、硬組織の内部の結晶の配向性を測定し、その配向性に基づいて硬組織を評価している。

特許文献１の段落［００１９］には、（００２）と（３１０）面からの回折強度は、それぞれａ軸、ｃ軸の配向の強さを示すため、その比を取ることで、相対的な配向性が解析可能である、と記載されている。なお、ａ軸が（３１０）面に対応し、ｃ軸が（００２）面に対応する。そして、段落［００２０］には、ｃ軸の配向性を知りたい場合には、ブラッグ角度２θが２６°前後の回折線を用いればよい、と記載されている。これらの記載から判断すれば、特許文献１には、Ｘ線としてＣｕＫα線（波長１．５４Å）の特性線を用い、試料で反射した状態の回折線の強度を検出する構造の、いわゆる反射法の回折法に基づいて回折線の強度を測定していることが明らかである。

特開２００３−１２１３９０（第２〜４頁、図１、図２） 中野貴由他７名，「再生医学と材料工学の融合 ＨＡｐ結晶の配向性を利用した生体硬組織の評価」，ＢＯＵＮＤＡＲＹ，日本，２００１年８月１５日，第１７巻第８号，第１０−１３頁

上記のような反射法の回折法を用いる場合には、透過法の回折法（すなわち試料の透過側に配置したＸ線検出器によって回折線を検出する方法）を用いる場合とは異なって、測定対象である硬組織、例えば骨を切断することにより、Ｘ線を入射させる面を外部に露出させなければならない。骨の評価を行う場合、測定者は骨の長手方向における回折線の強度分布を測定することが多い。この場合、反射法の回折法に基づいて測定を行うときには、骨を多数の薄い片に切断した上で、それらの切片の１つ１つに対して測定を繰り返して行わなければならなかった。この作業は非常に面倒であり、しかも測定結果にばらつきが発生し易かった。

本発明は、上記の問題点に鑑みて成されたものであって、Ｘ線回折法に基づいて硬組織を評価する際に、その硬組織を破壊することなく測定を行うことができるようにすることを目的とする。そして、そのように非破壊での測定を可能とすることにより、測定を簡単且つ短時間で行えるようにし、しかも硬組織のうちの異なった複数の部位に対する測定を簡単且つ短時間に行えるようにすることを目的とする。

本発明に係る硬組織の評価方法は、Ｘ線源から出射したＸ線を硬組織に入射させ、該硬組織で回折して該硬組織の透過側に出射したＸ線をＸ線検出手段で検出し、前記Ｘ線源はＭｏＫα線以上のエネルギを有する特性Ｘ線を発生し、前記硬組織は自身の長手方向にｃ軸配向した性質を有しており、前記硬組織は自身の長手方向がＸ線の光軸と交差するように配置され、前記Ｘ線検出手段のＸ線受光面において前記硬組織の長手方向と平行であってＸ線の光軸を通る線を子午線とするとき、前記Ｘ線検出手段は、前記ｃ軸に対応する格子面である（００２）面で回折した回折線の前記子午線方向の強度を検出し、前記Ｘ線検出手段は、（００２）面以外の格子面である参照面で回折した回折線の前記子午線方向の強度を検出し、前記参照面の回折線強度と前記（００２）面の回折線強度との比較に基づいて硬組織を評価することを特徴とする。

硬組織とは、例えば、生体硬組織、骨補てん材料、硬組織代替材料等である。生体硬組織とは、例えば生物の骨や歯である。骨補てん材料とは、例えば人工骨である。硬組織代替材料とは、例えば骨置換材料である。硬組織は、一般に、多数の六方晶系の結晶が配列することによって形成されている。骨に代表されるように、硬組織には一定方向から荷重が加わることが多い。例えば、生物の大腿骨にはその長手方向に荷重が加わることが多い。正常な硬組織に関しては、力学的に荷重がかかる方向に結晶のｃ軸が配向している。もちろん、硬組織は骨に代表されるように正確に直線状の物質ではないので、その内部の結晶がどの部分でも正確に骨の長手方向にｃ軸配向しているわけではない。しかしながら、適宜の長さを有する硬組織の中央の所定領域内では、結晶が硬組織の長手方向にほぼ正確にｃ軸配向していると考えられる。

硬組織代替材料とは、例えば（１）アパタイトセラミックスやアルミナセラミックスに代表される非金属無機材料、（２）ステンレス鋼、Ｃｏ−Ｃｒ合金、チタン合金等といった金属材料である。さらに、セラミックスには、生体活性セラミックスや生体不活性セラミックスがある。さらに、生体活性セラミックスには、リン酸カルシウム系セラミックス、シリカ系ガラス、結晶化ガラス等がある。さらに、リン酸カルシウム系セラミックスとして、例えばヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム等がある。ヒドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム等は、例えば人工歯根、皮膚端子、金属コーティング材等として使われている。

本発明に係る硬組織の評価方法は、硬組織を構成する結晶の配向をＸ線回折強度によって分析し、その分析された結晶の配向に基づいて硬組織を評価するものである。ここで、結晶の配向とは、高分子固体を構成する単位組織（微結晶）が一定方向に配列することである。また、配向には、面配向、一軸配向、らせん配向、二重配向等の種類が考えられる。

面配向は、例えばポリエチレンフィルムに見られるものであり、ｃ軸がフィルム面内にあってそれ以外には配向性がないものである。一軸配向は、ｃ軸が繊維方向に配向するものである。らせん配向は、例えば木綿、麻に見られるものであり、ｃ軸が繊維方向と一定の傾きを持つものである。そして、二軸配向は、ある結晶面が繊維軸を含む一定の面に平行なものである。

例えば、正常な硬組織の配向性を予め調べておき、評価の対象である試料、例えば硬組織代替材料の配向性をＸ線回折法に基づいて調べ、それらの配向性を比較すれば、硬組織代替材料が正常か、正常でないかの評価を行うことができる。例えば、硬組織の代表的な成分であるヒドロキシアパタイトの配向性をＸ線回折法に基づいて調べ、正常なものと再生中のものとを比較することにより、ヒドロキシアパタイトの再生過程を知ることができる。

結晶の回折強度と結晶の配向性との関係について説明すれば、例えば（００２）面からの回折線強度は結晶軸の１つであるｃ軸の配向の強さを示すものである。また、（１００）面や（３００）面は結晶軸の他の１つであるａ軸の配向の強さを示すものである。但し、（１００）面や（３００）面からの回折ピークは回折プロファイル（すなわちＸ線回折図形）上で他の回折ピークと重なり合ってしまうため正確な強度を示さないおそれがあるので、（１００）面や（３００）面に代えて（３１０）面からの回折線強度をａ軸の配向強さを示す参照面であると考えるのが実用的である。

考え方によっては、測定対象の硬組織に関して、ｃ軸の配向強さを示す（００２）面からの回折線強度だけを測定し、その測定値を標準の硬組織の（００２）面からの回折線強度と比較すれば、測定対象の硬組織に関する評価を行うことができるとも考えられる。しかしながら、（００２）面からの回折線強度、あるいはその他の種々の格子面からの回折線強度は複数の硬組織間でバラツキがある。つまり、複数の硬組織の個体間でバラツキがある。そこで、回折線強度を比較するに際しては、単に（００２）面における回折線強度を比較するのではなく、基準となる参照面を予め決めておいて、その参照面からの回折線の強度を測定し、（００２）面の強度と参照面の強度との比を計算し、得られた強度比に基づいて結晶の配向性を分析することが望ましい。これにより、複数の硬組織間での個体間のバラツキを解消できる。この場合、参照面は特別の格子面に限られるものではないが、例えば上記のように、回折ピークの特定が容易である（３１０）面を選定することが望ましい。

本発明によれば、ＣｕＫαよりもエネルギが高いＭｏＫα線を用いるので、硬組織の透過側に強い回折線を得ることができ、しかも波長が短いために回折角２θが低角度になるので、透過法に基づいたＸ線回折法を行うことが可能である。そして、透過法によるＸ線回折法においては、骨組織をスライスによって破壊する必要が無く、短時間に簡単に測定を行うことができ、しかも骨組織を破壊されていないそのままの状態で保存できる。さらに、骨組織を破壊しないで済むので、骨組織の長手方向の分析を行う場合には、スライスによって複数の骨の薄片を試料片として形成することなく、単に骨組織を長手方向に所定間隔ずつ、ずらして測定を行えば良い。このため、測定処理が極めて簡単であり、測定の精度も高めることができる。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法においては、前記硬組織を位置不動に支持した状態で、前記（００２）面の回折線強度及び前記参照面（例えば（３１０）面）の回折線強度を検出することが望ましい。入射Ｘ線に対する硬組織の角度を変えることなく一定に固定した状態で、（００２）面や参照面からの回折線の強度測定を連続して行うことにすれば、回折線強度比データを短時間で得ることができる。通常のＸ線回折の当業者であれば、（００２）面の回折線を求めるといえばＸ線測定系を（００２）面に適合した回折条件に設定し、他方、（３１０）面の回折線を求めるといえばＸ線測定系を（３１０）面に適合した回折条件に設定し直す、というのが一般的である。しかしながら、このような測定方法では測定時間が非常に長くかかってしまう。これに対し、硬組織の姿勢及びＸ線測定系の条件を一定に固定した状態で（００２）面及び参照面の回折線強度を測定することにすれば、測定処理が非常に簡単であり、測定時間が非常に短くて済む。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法において、前記Ｘ線検出手段は平面内での位置分解能を有する２次元Ｘ線検出手段であることが望ましい、こうすれば、前記（００２）面の回折線強度及び前記参照面の回折線強度は前記２次元Ｘ線検出手段のＸ線受光面内の異なる位置で同時に検出される。この構成により、回折線強度比データを短時間で得ることができる。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法においては、前記硬組織の長手方向が鉛直方向とほぼ平行になるように当該硬組織を立てて配置し、且つ前記Ｘ線源から前記硬組織へＸ線を当該硬組織に対して垂直方向（すなわち前記鉛直方向に対する水平方向から）入射させることが望ましい。この構成によれば、不定形な硬組織を安定した状態で支持することができ、しかも測定の再現性を高く維持できる。前記硬組織の長手方向を鉛直方向に設定し、Ｘ線を硬組織へ垂直方向から入射させる場合には、ｃ軸に対応する格子面である（００２）面から最も強い回折線を検出していない状態であると考えられるが、硬組織の回折線に基づいた極点図の分布はブロードなプロファイルを呈するので、評価の結果に間違いが生じる心配はない。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法においては、前記硬組織を自身の長手方向に移動させることにより、硬組織に入射するＸ線の位置を当該長手方向で変化させることが望ましい。これにより、試料である硬組織を試料台上で固定状態に置いたままで、硬組織の長手方向の結晶の配向性のデータを連続的に採取できる。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法において、前記参照面は（３１０）面であることが望ましい。参照面は複数の硬組織間の個体間のバラツキを解消するために設定される格子面であり、基本的には、（００２）面と直角でありｃ軸から遠く離れた格子面であることが望まれる。この意味からすれば、（１００）面や（３００）面であることが合理的であると考えられるが、（１００）面や（３００）面は回折線プロファイル上で他の回折ピークと切り離して読取ることが難しいピークであり、これに対して（３１０）面は回折線プロファイル上で他のピークから離れて単独で存在するので、参照強度として好適である。

次に、本発明に係る硬組織の評価方法において、前記硬組織は生物の骨であり、当該骨は自身の長手方向にｃ軸配向していることが望ましい。本発明は、この種の骨の結晶の配向性を非常に短時間で正確に測定することができる。特に、長手方向の分布を測定することに関して、非常に有利である。

本発明に係る硬組織の評価方法によれば、エネルギが高いＭｏＫα線を用いるので、硬組織の透過側に強い回折線を得ることができ、しかも波長が短いため回折角２θが低角度になるので、透過法に基づいたＸ線回折法を行うことが可能である。そして、透過法によるＸ線回折法においては、骨組織をスライスによって破壊する必要が無く、短時間に簡単に測定を行うことができ、しかも骨組織を破壊されていないそのままの状態で保存できる。さらに、骨組織を破壊しないで済むので、骨組織の長手方向の分析を行う場合には、スライスによって複数の骨の薄片を試料片として形成することなく、単に骨組織を長手方向に所定間隔ずつ、ずらして測定を行えば良い。このため、測定処理が極めて簡単であり、測定の精度も高めることができる。

以下、本発明に係る硬組織の評価方法を一実施形態に基づいて説明する。図１はその評価方法を実現するＸ線測定系の一実施形態を示している。この実施形態では、硬組織の一例である生体骨、特にマウスの大腿骨を評価する場合を例示する。同図において、Ｘ線源１から放射されたＸ線はモノクロメータ２によって単色化され、コリメータ３で平行化された後、試料である硬組織４に照射される。硬組織４を構成する結晶の格子面と入射Ｘ線との間でブラッグの回折条件が満たされると回折線が発生し、その回折線がＸ線検出器５を露光する。

Ｘ線源１はＭｏＫα（波長約０．７１Å）の特性Ｘ線を発生する。それ以上のエネルギを有する特性Ｘ線、例えばＡｇｋα（波長約０．５６Å）であっても良い。モノクロメータ２はグラファイトの単結晶によって形成することができる。モノクロメータ２はＸ線源１から放射されたＸ線からＭｏＫαの特性線を選択的に取り出す。なお、モノクロメータ２に代えてＭｏＫαを透過させることができるフィルタを用いることもできる。コリメータ３は２つのスリットを並べてなる、いわゆるダブルスリットコリメータによって構成されている。一対のスリットのそれぞれの径は例えば直径０．３ｍｍである。

硬組織４は本実施形態では図２（ａ）及び（ｂ）に示すようなマウスの大腿骨である。（ａ）は大理石骨病にかかったマウスの大腿骨（ＯＰ／ＯＰ）であり、（ｂ）は正常なマウスの大腿骨（ｃｏｎｔｒｏｌ）である。大理石骨病の大腿骨の長さＬ１はＬ１＝１４．６ｍｍであり、正常な大腿骨の長さＬ２は１６．９ｍｍであった。これらの骨４はいずれか１つが選択されて測定に供される。一般に骨は六方晶系の結晶によって形成されている。通常、結晶系は３つの結晶軸であるａ軸、ｂ軸、及びｃ軸によって規定される。正常な骨の内部においては、結晶のｃ軸が骨の長手方向に一致するように多数の結晶が並んでいる。つまり、骨４は力学的に荷重がかかる長手方向にｃ軸配向するという性質を持っている。もちろん、骨４は正確に直線状の形状を有しておらず、不定形に曲がった状態であることが多いが、長手方向とは骨４が全体的に延びる方向のことである。

図１に示すＸ線測定系において、Ｘ線源１からＸ線検出器５の中心に至るＸ線の中心軸線、いわゆるＸ線光軸を含む水平面は測定の基準となる平面であり、この面は赤道面と呼ばれている。本実施形態では水平面を赤道面としているが、場合によっては水平面から適宜に傾いた面を赤道面とする場合もある。そして、Ｘ線検出器５のＸ線受光面において、赤道面に直交しＸ線光軸を通る線Ａ−Ａは子午線と呼ばれている。図１において矢印ＸＹＺで３次元方向が示されているが、ＸＹ平面は赤道面と平行な面であり、Ｚ方向は子午線と平行の方向である。本実施形態では、ｃ軸配向の方向である骨４の長手方向がＸ線光軸と交差するように、特にほぼ直角に交差するように骨４が固定配置されている。

図１において、矢印Ｐｒｏは生物の体の中央に向かう方向を示し、矢印Ｄｉｓは末端方向を示し、矢印Ａｎｔは体の前方を示し、矢印Ｐｏｓは体の後方を示し、矢印Ｍｅｄは体の内側方向を示し、そして矢印Ｌａｔは体の外側方向を示している。

試料である骨４は、その長手方向が垂直方向となるように、つまり結晶のｃ軸方向が垂直方向となるように固定状態に配置されている。そして、水平方向からＸ線が骨４に入射する。骨４をその長手方向が垂直方向となるように固定する方法は自由である。例えば、チャック機構を備えた試料支持装置によって支持しても良いし、粘土等といった固着剤によって骨４を支持台上に固定しても良い。本実施形態では、Ｘ−Ｙの水平面内で平行移動できると共にその水平面に対して直角のＺ方向にも平行移動できる支持機構、すなわち３次元空間内で水平移動できる支持機構によって骨４が支持されている。Ｘ−Ｙ平面内の平行移動は骨４のセンタリング、すなわち骨４の所望の測定点をＸ線光路上にセットするための移動である。また、Ｚ方向への平行移動は骨４の測定点を骨４の長手方向で変化させるための移動である。

Ｘ線検出器５は、平面内で位置分解能を有する２次元Ｘ線検出器であり、例えば、Ｘ線受光面が一様な厚さの蓄積性蛍光体の層によって形成された検出器プレートや、２次元ＣＣＤセンサを備えた２次元Ｘ線検出器によって構成できる。２次元ＣＣＤセンサはＸ線を直接に検出するＣＣＤＸ線センサであっても良いし、蛍光体によってＸ線を光に変換した後にその光を検出するＣＣＤ光センサであっても良い。図１では、蓄積性蛍光体によって構成された検出器プレートを用いるものとする。この検出器プレート５のＸ線受光面がＸ線像によって露光されると、そのＸ線像に対応したエネルギ像が蓄積される。そして、所定の読取り装置によってレーザ光等といった輝尽励起光で検出器プレート５のＸ線受光面を走査すると、輝尽励起光が照射された部分のエネルギ像が発光し、この発光をホトマルチプライヤ等といった光電変換器によって読取ることにより、検出器プレート５に蓄積されたＸ線像を読取ることができる。符号６はダイレクトビームストッパを示している。

図３は、骨４と同じ材料の無配向の試料にＭｏＫαを入射させたときに得られたＸ線プロファイルを示している。横軸が回折角度２θで縦軸が回折線強度を示している。このプロファイルから分かるように、骨４にＭｏＫα線を照射すると、回折角度２θ＝１２．０°のところに（００２）面の回折線が得られ、２θ＝１８．０°のところに（３１０）面の回折線が得られる。

従って、図１において、ｃ軸が垂直方向となるように固定された骨４に水平方向からＸ線を入射させたとき、検出器プレート５のＸ線受光面上の２θ＝１２．０°のリング軌跡上に（００２）面の回折線が得られ、２θ＝１８．０°のリング軌跡上に（３１０）面の回折線が得られる。図１の骨４内に描かれた符合７で示す複数の平行線は（００２）面を模式的に表示している。ＭｏＫαの入射Ｘ線が水平方向から入射する場合、（００２）面の回折線で最も強度の強いものが符号７で示す（００２）面から発生する。この状態の（００２）面は、（００２）面の回折ピークが２θ＝１２．０°のところに現れることを考慮すれば、θ＝６．０°である。

本測定では骨４のｃ軸方向の配向を知りたいわけであり、その意味ではθ＝６．０°ではなく、θ＝０°に在る（００２）面の回折強度を測定することが合理的である。しかしながら、実験的にθ＝６．０°とθ＝０°の配向性にはほとんど変化はなく、θ＝０°の回折強度に代えてθ＝６．０°の回折強度を利用しても、評価の結果は実用的には変わりがないことが分かった。以下、この点について説明する。

図４（ａ）は骨４と同じ材料の無配向試料に関する（００２）面の一般的な極点図形を示している。図４（ｂ）は図４（ａ）の横軸Ｂ−Ｂに沿った極点図形の断面プロファイルを示している。図４（ａ）及び図４（ｂ）から分かるように、試料の傾き角度αがα＝０°のときと、α＝６．０°のときと、α＝９．０°のときの回折線強度Ｉ（０）、Ｉ（６）、Ｉ（９）にはほとんど差が無い。つまり、骨４の回折線は非常にブロード（幅広）である。このため、α＝０°に代えてα＝６．０°の回折線を測定点としても結果的には大きな差が出ないということである。

このことは、図５のグラフからも分かることである。図５は、図１のＸ線測定系を用いて、図２（ｂ）の正常骨（ｃｏｎｔｒｏｌ）及び図２（ａ）の大理石骨病の骨（ｏｐ／ｏｐ）のぞれぞれに関して、骨の傾き角度χ（横軸）を変化させながら、（００２）面と（３１０）面の回折線強度比を測定した実験の結果のグラフである。このグラフから分かるように、正常骨（曲線Ｅ）であっても大理石骨病の骨（曲線Ｆ）であっても、傾きχ＝０°のときの強度比と傾きχ＝６．０°のときの強度比にはほとんど差が無く、傾き０°に代えて傾き６．０°の回折線を測定点としても結果的には大きな差が出ないということが分かった。

なお、図４（ｂ）において、鎖線Ｇは本実施形態で参照面として用いられている（３１０）面の極点図形の断面プロファイルを参考として示している。この断面プロファイルの元となる極点図形の図示は省略している。（３１０）面の回折線強度は傾き角αの高角度領域に強いピークを有し、傾き角αが０°の近傍で強度が弱くなっている。本実施形態では、（３１０）面の回折線強度と（００２）面の回折線強度の比をとることにしているが、（００２）面の回折線強度も（３１０）面の回折線強度も図１の子午線Ａ−Ａの部分の強度を読んでいるので、結果的には、図４（ｂ）のα＝６．０°のところのＩａとＩｂとを測定したことになっている。

なお、図４（ｃ）は配向性が非常に高い金属材料の極点図形の断面プロファイルを参考のために描いてある。このように、配向性の高い物質に関しては、格子面の傾き角度が６°や９°程度の小さい角度だけ傾いた場合であっても回折線強度は大きく変化するので、本発明の硬組織の評価方法を適用することは難しいと考えられる。

本実施形態では、長手方向が垂直方向に一致するように配置された骨４に対して水平方向からＭｏＫαのＸ線を入射し、骨４内の結晶格子面で回折したＸ線を骨４の後方に配置（すなわち透過側に配置）した検出器プレート５で検知する。検出器プレート５のＸ線受光面上には、回折角２θ＝１２．０°のリング状領域に（００２）面の回折線が得られ、２θ＝１８．０°のリング状領域に（３１０）面の回折線が得られる。次に、レーザ光を輝尽励起光とする公知の構成の読取り装置によって子午線Ａ−Ａ方向の回折線強度を読取る。具体的には、評価対象面である（００２）面及び参照面である（３１０）面の回折線リングを含み子午線Ａ−Ａを中心とする所定幅Ｗの矩形領域の回折線強度を積算、すなわち積分して、（００２）面及び（３１０）面の回折線ピークを含む回折プロファイルを得る。本実施形態では積分範囲をＷ＝１０ｍｍに設定する。一般的な読取り装置の分解能は０．１ｍｍであるので、Ｗ＝１０ｍｍは読取り装置によって１００画素（ピクセル）を読み取ることによって実現できる。このように、子午線Ａ−Ａの局所的な強度ではなく積分強度を測定するのは、子午線Ａ−Ａ部分だけでは強度の強いＸ線が得られないからである。

次に、上記のようにして得られた回折プロファイル中の（００２）面及び（３１０）面の積分強度を算出し、さらにそれらの比Ｉ(002)／Ｉ(310)を求める。実験によれば、正常（すなわち健常）の骨ではその比の値が「１５」程度であり、健常でない骨の値はそれよりも小さくなる。場合によっては、「１」程度となることがある。このため、Ｘ線回折法によって骨の（００２）面と（３１０）面との回折線強度比を求め、その値を予め求めておいた正常な骨の強度比と比較すれば、測定対象の骨が正常であるか否かを迅速且つ正確に評価できる。

本実施形態では、結晶のｃ軸に沿った方向である骨４の長手方向を垂直方向にセットしているので、子午線Ａ−Ａ方向に観測された（００２）面の回折線強度は骨４のｃ軸方向の配向度を与える。また、（００２）面だけの回折強度を評価するのではなく、参照面である（３１０）面の回折強度との比をとった上で評価を行うので、複数の骨４の個体間でのバラツキを解消でき、信頼性の高い評価を行うことができる。

従来の評価方法では、Ｘ線としてＣｕＫα（波長約１．５４Å）を用いていた。この特性線はＭｏＫα（波長約０．７１Å）に比べてエネルギが低い。ＭｏＫα線を用いた本実施形態の評価方法は透過法（すなわち、Ｘ線源から見て試料の後方にＸ線検出器を配置してそのＸ線検出器によって回折線を検出する方法）に従ってＸ線回折測定を行うものであるが、ＣｕＫαを用いて透過法の測定を行った場合には満足できる結果が得られなかった。その理由は、ＣｕＫαのエネルギが低いこと、及びＣｕＫαを用いたときの（００２）面及び（３１０）面の回折角度が大きいことである。ＣｕＫαを用いたときの（００２）面の回折角度は２θ＝２６°であり、（３１０）面の回折角度は２θ＝３９．７°である。

図６（ａ）は、ＮＩＳＴのアパタイトの粉末標準試料を直径１．５ｍｍのガラスキャピラリに詰め込み、５０ｋＶ、９０ｍＡで得られたＣｕＫα線でそのアパタイト試料を１０分間露光すると共に透過法配置のＸ線検出器によって回折線を検出したときに得られた２次元回折像を示している。また、図６（ｂ）は、同じアパタイト試料を同じ電力量で得られたＭｏＫα線で同じ時間露光したときに透過法配置のＸ線検出器によって得られた２次元回折像を示している。これらの図から明らかなように、ＭｏＫαを用いた場合には鮮明な回折線が得られて（００２）面や（３１０）面の回折線強度を正確に求めることができるが、ＣｕＫαを用いた場合には回折線が不鮮明であり回折線強度を正確に求めることができない。このため、ＣｕＫα線を用いる場合には透過法に基づいたＸ線回折法によって骨の評価を行うことは不可能であることが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、ＣｕＫαよりもエネルギの高いＭｏＫα線を用いるので、骨４の透過側に強い回折線を得ることができ、しかも波長が短いため回折角２θが低角度になるので、透過法に基づいたＸ線回折法を行うことが可能である。そして、透過法によるＸ線回折法においては、骨４をスライスによって破壊する必要が無く、短時間に簡単に測定を行うことができ、しかも骨４を破壊されていないそのままの状態で保存できる。さらに、骨４を破壊しないで済むので、骨４の長手方向の分析を行う場合には、スライスによって複数の骨の薄片を試料片として形成することなく、単に骨４を長手方向に所定間隔ずつ、ずらして測定を行えば良い。このため、測定処理が極めて簡単であり、測定の精度も高めることができる。

以上、好ましい実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はその実施形態に限定されるものでなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々に改変できる。
例えば、上記実施形態ではＸ線としてＭｏＫα（波長約０．７１Å）を用いたが、これに代えてＡｇＫα（波長約０．５６Å）を用いることができる。上記実施形態では図１に例示したＸ線測定系を用いたが、Ｘ線測定系は図１に示した構成以外の任意の構成とすることができる。上記実施形態では硬組織の一例である生物の生体骨、特に大腿骨を評価する場合を例示したが、評価の対象は生体骨以外の任意の硬組織とすることができる。

上記実施形態では、骨４の長手方向を垂直上下方向に設定し、Ｘ線を水平方向（θ＝０°）から骨４に入射させた。この構成により、Ｘ線測定系の構造を簡単にすることができ、骨４を支持するための構造も簡単にすることができた。しかしながら、本発明を実施するにあたっては、骨等といった硬組織の支持方法及び入射Ｘ線の入射角度θを上記実施形態以外の条件に設定することも可能である。

また、上記の実施形態では参照面として（３１０）面を用いたがその他の格子面を参照面とすることも可能である。但し、参照面としては、評価対象面である（００２）面に対して直角で、ｃ軸からできるだけ離れている面であることが望ましい。

図１のＸ線測定系を用いて、図２（ａ）の大理石骨病を患ったマウスの大腿骨及び図２（ｂ）の正常なマウスの大腿骨に関してＸ線回折法の測定及び評価を行った。骨に関しては、図２（ａ）及び（ｂ）の数字１〜１０の測定点を設定した。骨の下端を試料支持台上に粘土等によって固定し、試料支持台を図１のＺ方向へ平行移動させることにより、測定点１〜１０を１個所ずつＸ線光路上の測定位置に置いて測定を行った。測定中は骨４を固定状態に置き、１つの測定点に対して約１分間のＸ線露光を行った。その結果、図７及び図８に示す結果を得た。

図７（ａ）〜（ｅ）は、図２（ａ）の大理石骨病の骨（ｏｐ／ｏｐ）における１，３，５，７，９のそれぞれの測定点に関して得られた２次元回折像を示している。また、図８の曲線Ｂは、図７（ａ）〜（ｅ）の各回折図形における（００２）面の子午線方向の回折強度と（３１０）面の子午線方向の回折強度との比をプロットして得られた曲線である。また、図７（ｆ）〜（ｊ）は、図２（ｂ）の正常な骨（ｃｏｎｔｒｏｌ）における１，３，５，７，９のそれぞれの測定点に関して得られた２次元回折像を示している。また、図８の曲線Ｃは、図７（ｆ）〜（ｊ）の各回折図形における（００２）面の子午線方向の回折積分強度と（３１０）面の子午線方向の回折積分強度との比をプロットして得られた曲線である。なお、曲線Ｄは大理石骨病の骨（ｏｐ／ｏｐ）の赤道方向の強度比を示しており、曲線Ｅは正常な骨（ｃｏｎｔｒｏｌ）の赤道方向の強度比を示している。

曲線Ｃから分かるように、正常な骨（図２（ｂ））の中央部分の強度比は高く、両端部の強度比は低い。このことから、中央部分はきれいにｃ軸配向しており、両端部へ向かうに従って配向度が低くなることが分かる。また、正常な骨でｃ軸配向している部分の強度比は約「１４」である。他方、曲線Ｂから分かるように、正常でない骨に関しては強度比が全体的に低く、骨の長手方向の分布に大きな差が無い。つまり、骨の中央部分のｃ軸配向がきれいに揃っていないことが分かる。

本発明に係る硬組織の評価方法を実施できるＸ線光学系の一例を示す図である。 硬組織の一例である生体大腿骨を示しており、（ａ）は大理石骨病にかかったマウスの大腿骨を示し、（ｂ）は正常なマウスの大腿骨を示している。 骨と同じ材料である無配向試料の回折線図形である。 （００２）面の極点図形の一例を示す図である。 硬組織の入射Ｘ線に対する傾き角度を変化させたときの（００２）面の回折線と（３１０）面の回折線の強度比の変化を示すグラフである。 ＣｕＫα線を用いた透過法測定によって得られた回折線図形とＭｏＫα線を用いた透過法測定によって得られた回折線図形とを並べて示す図である。 図１のＸ線測定系を用いて図２の骨を試料として測定を行ったときに得られた測定データである回折線図形を示す図である。 図７の回折線図形に基づいて得られた強度比データをグラフとして示す図である。

符号の説明

１．Ｘ線源、 ２．モノクロメータ、 ３．コリメータ、 ４．硬組織（骨）、
５．Ｘ線検出器、 ６．ダイレクトビームストッパ、 ７．（００２）面、
Ｐｒｏ．生物の体の中央に向かう方向、 Ｄｉｓ．末端方向、 Ａｎｔ．体の前方、
Ｐｏｓ．体の後方、 Ｍｅｄ．体の内側方向、 Ｌａｔ．体の外側方向

Claims (7)

1. Ｘ線源から出射したＸ線を硬組織に入射させ、該硬組織で回折して該硬組織の透過側に出射したＸ線をＸ線検出手段で検出し、
   前記Ｘ線源はＭｏＫα線以上のエネルギを有する特性Ｘ線を発生し、
   前記硬組織は自身の長手方向にｃ軸配向した性質を有しており、
   前記硬組織は自身の長手方向がＸ線の光軸と交差するように配置され、
   前記Ｘ線検出手段のＸ線受光面において前記硬組織の長手方向と平行であってＸ線の光軸を通る線を子午線とするとき、
   前記Ｘ線検出手段は、前記ｃ軸に対応する格子面である（００２）面で回折した回折線の前記子午線方向の強度を検出し、
   前記Ｘ線検出手段は、（００２）面以外の格子面である参照面で回折した回折線の前記子午線方向の強度を検出し、
   前記参照面の回折線強度と前記（００２）面の回折線強度との比較に基づいて硬組織を評価する
   ことを特徴とする硬組織の評価方法。
2. 請求項１記載の硬組織の評価方法において、
   前記硬組織を位置不動に支持した状態で、前記（００２）面の回折線強度及び前記参照面の回折線強度を検出する
   ことを特徴とする硬組織の評価方法。
3. 請求項１又は請求項２記載の硬組織の評価方法において、
   前記Ｘ線検出手段は平面内での位置分解能を有する２次元Ｘ線検出手段であり、
   前記（００２）面の回折線強度及び前記参照面の回折線強度は前記２次元Ｘ線検出手段のＸ線受光面内の異なる位置で同時に検出される
   ことを特徴とする硬組織の評価方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の硬組織の評価方法において、
   前記硬組織の長手方向が鉛直方向とほぼ平行になるように当該硬組織を立てて配置し、
   前記Ｘ線源から前記硬組織へＸ線を該硬組織に対する垂直方向から入射させる
   ことを特徴とする硬組織の評価方法。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の硬組織の評価方法において、
   前記硬組織を自身の長手方向に移動させることにより、硬組織に入射するＸ線の位置を当該長手方向で変化させること
   を特徴とする硬組織の評価方法。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の硬組織の評価方法において、前記参照面は（３１０）面であることを特徴とする硬組織の評価方法。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つに記載の硬組織の評価方法において、前記硬組織は生物の骨であり、当該骨は自身の長手方向にｃ軸配向していることを特徴とする硬組織の評価方法。

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