論文受付 2013年 6 月 4 日 論文受理 2013年 9 月 13 日 Code Nos. 251 883
大村知己 豊嶋英仁 佐藤祐一郎 石田嵩人
Reduction of Radiation Exposure during Computed Tomography
Perfusion Using an Iterative Reconstruction Method
Tomomi Ohmura,＊ Hideto Toyoshima, Yuichiro Sato, and Takato Ishida
Department of Radiology, Research Institute for Brain and Blood Vessels-Akita Received June 4, 2013; Revision accepted September 13, 2013
Code Nos. 251, 883 Summary
The purpose of this study was to evaluate the image noise reduction effect of iterative reconstruction (IR) when used to reduce radiation exposure during computed tomography (CT) perfusion. We scanned a contrast phantom using various radiation doses. Image reconstruction was via filtered back projection (FBP) and IR (adaptive iterative dose reduction 3D: AIDR3D). AIDR3D provided four levels of noise reduction (weak, mild, standard, and strong). We examined the accuracy of CTP map (cerebral blood volume: CBV, mean tran-sist time: MTT, cerebral blood flow: CBF) low-dose IR images to create a digital perfusion phantom that simulates the dynamic curve of ischemic cases using reconstructed images. The optimal filter type of IR was evaluated in the low-frequency area of the NPS at low doses. We were able to obtain the optimal filter type of IR in the low-frequency area of the NPS that was equivalent to that of the reference (150 mA, FBP). The CTP map created using the optimal filter type of IR allowed dose reduction to 80 mA, much lower than the refer-ence. We conclude that it is possible to reduce the dose to 46% of the reference level by using the NPS for dose reduction and IR. IR thus has the potential to contribute to reduction of radiation exposure during CT perfusion.
Key words: computed tomography (CT) perfusion, radiation exposure, iterative reconstruction, noise power
spectrum *Proceeding author 秋田県立脳血管研究センター放射線科診療部 緒 言 Computed tomography（CT）は検出器の多列化が進 み，診断および術前検査として質の高いボリュームデー タの取得が容易に可能となった．320 multi-detector row CT（320MDCT）は，体軸方向に 160 mm の検出器幅を有 し，脳，心臓および肝臓などを 1 回転で撮影可能である ため，血流評価を目的としたダイナミックスキャンに有 用である．ヨード造影剤をボーラス静注して脳内の初回 循環をダイナミック測定する CT 灌流（CT-perfusion: CTP）検査は，灌流マップによる脳血流評価に加えてダ イナミック CT angiography（4D-CTA）による血行動態評 価も可能なことから，臨床的な有用性が高い検査法で ある1, 2）．
CTP では平均通過時間（mean transist time: MTT），脳 血液量（cerebral blood volume: CBV），脳血流量（cerebral blood flow: CBF）などの灌流マップが得られる．これら の灌流マップは，健側主幹動脈で測定した動脈入力関 数（arterial input function: AIF）と脳組織の時間濃度曲線 （time-density curve: TDC）をデコンボリューション数値 計算して求めた伝達関数曲線から得られる．CTP は， 虚血性脳血管障害急性期症例の予後予測，および治療 方針の選択に有用3∼5）であるが，一方で，ダイナミック スキャンによる被ばくの増大が問題であり，撮影条件の 適正化に関して注意勧告が公開されている6）．
CTP の撮影線量低減には，①ダイナミックスキャン の測定時間間隔を 2 回転以上に延ばした間欠スキャン を用いて全スキャン回数を減らすこと，②管電流を低減 すること，③軟部条件の再構成関数の使用すること， などの方法が挙げられる．①に関しては，測定時間間 隔は 4 秒程度まで許容されるという報告7）がある．しか し，64 列検出器列以上の MDCT では，前述の血行動 態評価が有用1）であるため，スキャン間隔を極力短縮し た間欠スキャンもしくは連続スキャンが施行される場合 が多いと考えられる．②に関しては，ダイナミックデー タの脳組織の TDC はベースとピークの差が 20 HU 程 度の範囲で変化するため，低線量化による画像ノイズ の増加が灌流マップの計算精度に影響することが懸念 される．③に関しては，画像ノイズは，非線形ノイズ低 減フィルタ8）の応用によって低減可能であり，CTP でも ノイズ低減効果による低線量化が可能9）であると報告さ れており有用性が高い． 近年，更なる画像ノイズの低減を目的に CT 装置に 実 装 され てきた 逐 次 近 似 応 用 再 構 成 法（iterative reconstruction: IR応用法）は 3D-CTA や心臓 CT の臨床 応用に有用性10, 11）が示されており，CTP への応用にも 期待できる．CTP における撮影線量低下を図るには， 灌流マップの計算精度を評価することが必要であると 考えるが，同一被験者に対して線量を変えて繰り返し 撮影することは現実的ではない． そこで本研究では，画像ノイズの周波数特性評価法 として一般的である noise power spectrum（NPS）12∼14）を
用いて，IR 応用法画像のノイズ特性評価を行った．そ の結果から，IR 応用法画像による自作灌流模擬ディジ タルファントムを用いて，模擬灌流マップを作成してそ の計算精度を評価して，撮影線量低減を検討した． 1．方 法 1-1 灌流模擬ディジタルファントムの作成 灌流模擬ディジタルファントムの作成方法の概要を Fig. 1に示す．直径：180 mm の円柱アクリルファント ムを用いて，1 層目の水で溶かした寒天溶液が固形化し てから，2 層目に水に対して約 20 HU の CT 値差になる ようにヨード造影剤を希釈して調整した寒天溶液を封 入した．寒天の水分が相互に混ざり合う性質を利用 し，1 週間放置後に 2 層の CT 値が 0∼20 HU 間で連 続的に変化した寒天を得た（Fig. 1a）．次にアクリル外 周に，歯科用レジンに油性ヨード造影剤を混合した 10 mm厚の骨等価物質を装着してコントラストファント ムとした．次に，このコントラストファントムを 1-2 に示 す撮影線量条件で撮影を繰り返し，体軸方向に CT 値 が 0∼20 HU 間で連続的に変化する面内均一なファント ム像（以下，均一ファントム像）を各 40 スライス得た （Fig. 1b）． 次にそれらのファントム像を用いて，CTP の脳組織 動態の CT 値変化を模擬して並び替えた画像セットを 作成した．さらに動脈および静脈の造影剤動態を模擬 した直径：7 mm の領域を付加して，時間軸上に 30 フ レームを配列した灌流模擬ディジタルファントムを作成 した（Fig. 1c）． 脳組織の模擬動態は，CTP と15O脳循環代謝 PET を 同時期に施行して中程度な虚血を確認した慢性期脳血 管障害 3 症例を対象にした．基底核レベルの中大脳動 脈域脳組織の健側域および虚血域の TDC を測定し，3 症例を平均化してファントムの正常模擬灌流域動態お (b) Step 2. Forty images of uniform images with a CT value of 0–20 HU were acquired by scanning the contrast phantom.
(c) Step 3. The 40 images were sorted along the TDC, and a perfusion digital phantom comprising one set of 30 images was created.
よび虚血模擬灌流域動態とした（Fig. 2）．灌流模擬 ディジタルファントムの作成における画像処理には ImageJ15）を用いた． 1-2 ファントム撮影条件および灌流マップの作成 CT 装置は Aquilion ONE（東芝メディカルシステム ズ）を使用した．コントラストファントムの撮影条件は， 管電圧：80 kV，回転速度：1.0 s/rot，体軸方向ビーム 幅：160 mm，スキャン方式：寝台移動なしコンベン ショナルスキャン，再構成スライス厚：5 mm，display field of view（DFOV）：240 mm とした．撮影線量低下に は管電流を用い，GuLACTIC16）の推奨条件である 75 mA
の 2 倍である 150 mA を基準条件とし，120，100，80， 60，40 mA を低線量条件として撮影を行った．画像再 構成は従来再構成法（filtered back projection: FBP）を基 準として，実装された IR 応用法 Adaptive Iterative Dose Reduction（AIDR）3D を比較した．AIDR3D における線 量低減率は 25％（weak），50％（mild），75％（standard） および 75％（strong）の 4 タイプとした．再構成関数は臨 床条件である頭部 CTA 用の FC42 とした．
灌流模擬ディジタルファントムの模擬灌流マップ作 成は ziostation2（アミン）を使用した．計算処理は，デコ ンボリューション法による block-circulant singular value decomposition（b-SVD）法17）で行い，CBF，CBV および MTTの模擬灌流マップを得た． 1-3 画像ノイズ評価による IR 応用法フィルタタイ プの至適化 CT 画像の代表的な画像ノイズ評価方法には，簡便な 標準偏差法（standard deviation: SD）ならびに空間周波数 特性を評価できる NPS が用いられている．CTP の脳組 織の造影剤動態によるベース・ピーク間の CT 値の変化 は 10∼20 HU と低コントラストである．低コントラスト 分解能には画像ノイズの低周波成分の影響が大きいた め18, 19），本法では NPS で評価した．Fig. 1b のファント ムを用いて，体軸方向の中心および中心から頭尾方向 へそれぞれ 40 mm に位置する 3 スライスを対象にし て，各隣接するスライスとの差分像を得た．NPS の測 定はプログラム Mathematica による radial frequency 法13, 20）を用いて，差分像の中心部に 256×256 ピクセル の矩形関心領域を設定して測定した．3 スライスの NPS を平均化し，評価対象の NPS とした． 均一ファントムでは軟部条件再構成関数による CT 像 の画像ノイズの NPS は，概ね低周波数領域 0.2 cycles/mm 付近でピークを有する．IR 応用法フィルタタイプを用 いてそのピークを基準撮影条件と同等にすれば，低撮 影線量でもノイズ特性が同等になり，灌流画像は基準 撮影条件と同等な画質を有し，臨床での被曝線量低下 につながると考えられる． そこで，NPS 低 周波数 領域のピーク値として 0.2 cycles/mm±10％の平均値を求めて撮影線量との関係を 評価した．次に，基準条件である 150 mA，FBP 法の 0.2 cycles/mm±10％平均値に同等である IR 応用法フィ ルタタイプを選択して至適と判断した． 1-4 模擬灌流マップの評価 至適化した IR 応用法フィルタタイプを用いて画像再 構 成した灌 流 模 擬 ディジタルファントムを用いて CBV，MTT および CBF の模 擬 灌流マップを作成し た．基準とした 150 mA，FBP 法の模擬灌流マップとの 確度を正常および虚血模擬灌流域について評価した． 評価方法は各模擬灌流マップに設定した 20 mmφ 円形 a b
Fig. 2 TDC used for the perfusion digital phantom.
The TDC was the average of values obtained from three patients with cerebrovascular disease. (a) AIF and VOF values for two TDCs
関心領域 10 領域の平均値および標準偏差を測定し （Fig. 3），Box plot を用いて比較した．統計処理には
Mann-Whitney’sの U 検定を用いた． 2．結 果 2-1 画像ノイズ評価による IR 応用法フィルタタイ プの至適化 NPS 0.2 cycles/mm±10％平均値（低域 NPS 平均値）と 撮影線量の比較を Fig. 4 に示す．低域 NPS 平均値は， 150 mA，FBP 法を基準として相対値で表記した．低域 NPS平均値は画像再構成法やフィルタタイプにかかわ らず，撮影線量が低下すると増加した．IR 応用法フィ ルタタイプは weak，mild，standard，strong の順で低域 NPS平均値が低下した．基準条件である 150 mA，FBP 法と同等な低域 NPS 平均値を示した IR 応用法フィルタ タイプは，120 mA では weak，100 mA では mild，80 mA では standard，60 mA では strong であり，それらを至 適とした．40 mA では相当する IR 応用法フィルタタイ プがないために除外とした．これらの全空間周波数域 の NPS を Fig. 5 に示す．0.2 cycles/mm±10％域の NPS は基準条件と至適化した各 IR 応用法フィルタタイプは 同等なピークを有していたが，それより高周波側では 60 mA，strong の NPS が最も小さかった． 2-2 模擬灌流マップの評価 至適化した IR 応用法フィルタタイプを用いて画像再 構成した灌流模擬ディジタルファントムから計算処理で 求めた模擬灌流マップを Fig. 6 に示す．至適化した IR 応用法フィルタタイプの灌流模擬ディジタルファントム の粒状性は基準条件と視覚的には同等であった．模擬 灌流マップの定量値を Fig. 7∼9 に示す．CBV および MTTで は，120 mA，weak，100 mA，mild，80 mA， standardの低線量条件では，正常・虚血模擬灌流域とも に基準条件との有意差が認められず，同等な確度で あった．60 mA，strong では CBV の有意な増加，およ び MTT の有意な延長がみられた．CBF では有意差が 認められなかった．
Fig. 3 Position of ten regions of interest measuring ø 20 mm on the perfusion map.
Fig. 4 Comparison between scan dosage and mean of NPS 0.2 cycles/mm with ±10% variation in image processing. 120 mA IR weak, 100 mA IR mild, 80 mA IR standard and 60 mA IR strong which were nearest to the dotted line were judged to be optimal.
Fig. 6 The digital phantom and perfusion map which were processed using an opti-mized IR method filter type.
The images of the digital phantom were at the peaks of the TDC.
Fig. 7 An evaluation of CBV computed using the digital phantom which simulated normal and ischemic perfusion.
Fig. 8 An evaluation of MTT computed using the digital phantom which simulated normal and ischemic perfusion.
3．考 察 本研究用に考案した灌流模擬ディジタルファントム は，撮影線量を変化させてファントムの同一領域を繰り 返し撮影し，各条件の IR 応用法によるノイズ低減効果 を反映することが可能である．さらに CTP の動態を反 映した画像セットに任意の血管情報を付加して，IR 応 用法のノイズ低減効果を含めた模擬灌流マップの変化 を評価可能である．また，装置間の比較にも利用可能 である． 線量低減による画像ノイズの増加に対して，ノイズ 低減処理は灌流マップ計算の精度改善に有効であり， 量子ノイズ除去フィルタを用いた検討では，40％の線 量低減が可能とされている9）．本稿では画像ノイズの低 減法に IR 応用法を用いて，線量低減と最終的な灌流 マップ計算の定量値について検討した．CT 画像の線量 変化は画像ノイズに影響し，線量と画像ピクセル値の 変動（PV）の関係は，PV ∝ 1/ mAsであらわされる19）． したがって，撮影線量が基準条件より低下するほど低 域 NPS 平均値が増加した（Fig. 4）．一方，撮影線量が 基準条件より低下しても，IR 応用法によって低域 NPS 平均値が基準条件と同等であれば，0.2 cycles/mm±10％ 域の NPS のピークも同等であった（Fig. 5）．この条件の IR応用法フィルタタイプを至適としたとき，80 mA， standardまで定量値に有意差はなかった．これによっ て，低周波数領域の NPS が定量値に関与することが明 らかであり，灌流マップの計算精度を維持した低線量 化は可能であることが示唆された．この結果は限定さ れた CT 装置および CTP 解析装置によるものだが，各 IR応用法で処理過程が概ね共通であること21），CTP の 解析方法は一般的な b-SVD 法であることを考慮する と，他装置においても同様の傾向を示すと考えられる． 至適としたフィルタタイプのうち最もノイズ低減効果 が強い 60 mA，strong では，CBV および MTT に有意 な変化がみられた．模擬灌流ファントムの作成過程で AIFは，IR 応用法処理後に付加したので，AIF には IR 応用法の処理効果が施されていない．一方，IR 応用法 によって，高周波数域の NPS は strong で最も減少して いた（Fig. 5）．ノイズの低減に平滑化処理が施され， NPSのピークが維持されたことが推測される．平滑化 処理はピクセル単位による定量値の算出において，脳 組織 TDC のベースのピクセル値を安定させ，TDC が 軽微に上昇することが考えられる．そのため，IR 応用 法の処理効果がない AIF とのデコンボリューション解 析によって，定量値に有意差がみられたと推察される． AIFも同様に IR 応用法の処理効果が施された場合で は，60 mA，strong が基準条件と同等の定量値が得ら れる可能性も考えられる．今回使用した実験系では， 80 mA，standard までの撮影線量低下の可能性は明確 に示されたが，60 mA，strong に関しては実験系の課題 が残った．CBF に有意な差が認められなかったのは， CBVおよび MTT がともに軽微な上昇を示したため， それらの除算で求められる CBF には影響が生じなかっ たと思われる． 灌流模擬ファントムは，定量値の測定を容易にする ため均一ファントム画像を用いた．臨床では，CTP 画 像で視覚的な脳組織の領域識別が必要と推察される． また，CTP のダイナミックデータを血管形態評価への 併用も常用される．これらの画質を考慮した場合には， 本研究の結果と異なる線量設定が必要となる可能性が ある．そのため，臨床で考え得る虚血領域を考慮した， Fig. 9 An evaluation of CBF computed using the digital phantom which simulated normal and
4．結 語 IR 応用法のノイズ低減効果による CTP の線量低減 について，灌流模擬ディジタルファントムを用いて検討 を行った．画像ノイズ評価による IR 応用法フィルタタ イプの至適化で得られた条件では，IR 応用法の stan-dardタイプを用いて 80 mA まで灌流マップの定量値の 精度維持が可能であり，基準線量から約 46％の低線量 化が可能であることが示唆された． 射線部 笹木 工氏，宮城県立がんセンター診療放射線 技術部 後藤光範氏，東北大学病院診療技術部放射線 部 佐藤和宏氏に深く感謝いたします． なお，本論文の要旨の一部は，第 40 回日本放射線技 術学会秋季学術大会（2012 年，東京）および第 69 回に 本放射線技術学会総会学術大会（2013 年，横浜）にて発 表した． 参考文献 1）村山和宏，早川基治，井水秀栄，他．320 列面検出器CT
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