デ ィ ジ タ ル 時 代 の 画 質 と 線 量 ： 低 線 量 CT と 画 質

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デ ィ ジ タ ル 時 代 の 画 質 と 線 量 ： 低 線 量 CT と 画 質

熊 本 大 学 大 学 院 生 命 科 学 研 究 部 ・ 医 用 理 工 学 船 間 芳 憲

は じ め に

X 線 CT は、空 間 分 解 能 の高 さ・臨 床 における汎 用 性 から現 代 の画 像 診 断 を支 えているといっても過 言 ではない。しかし、CT は X 線 を取 り扱 うことによる 被 曝 線 量 の問 題 があり、X 線 量 を如 何 に低 減 するかが重 要 である。一 般 的 に、

X 線 量 と CT の画 質 はトレードオフの関 係 にあり、 画 像 は X 線 量 の 低 減 に と も な っ て 、 ノ イ ズ や ア ー チ フ ァ ク ト な ど が 増 加 す る (1) 。 CT における被 曝 線 量 低 減 は、 ALARA(as low as reasonably achievable) の原 則 に示 されて いるごとく、診 断 に必 要 な画 質 を担 保 した上 で X 線 量 を可 能 な限 り低 減 する、

つまり X 線 量 を如 何 に最 適 化 するかが重 要 である。 Sodickson(2) らは 22 年 間 で 31463 人 の CT を受 診 した患 者 のコホート調 査 を行 っている。その報 告 で CT 検 査 が 5 回 を超 える場 合 が 33% の 10383 人 、 38 回 を超 える場 合 が 1%の 315 人 であり、中 には 120 回 を超 えるケースもあったと報 告 している。繰 り返 し CT 検 査 を行 う上 でも可 能 な限 り X 線 量 を低 減 し撮 像 をおこなう低 線 量 CT は 必 要 不 可 欠 となっている。“低 線 量 CT ”というキーワードは現 在 だけの問 題 で はなく、例 えば 1981 年 には骨 ミネラル CT （ QCT ）での低 線 量 CT(3) 、 1984 年 には骨 盤 計 測 に関 する低 線 量 CT(4) 、 1990 年 には肺 野 の低 線 量 CT など (5) 、さまざまな領 域 で報 告 がおこなわれている。低 線 量 CT への取 り組 みは、

いつの時 代 も議 論 の対 象 となっている。

今 回 は、低 線 量 で増 加 する画 像 ノイズ、 X 線 量 低 減 の有 効 策 である低 管 電 圧 CT と逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 について概 説 する。

画 像 ノ イ ズ (image noise)

画 像 ノ イ ズ の 表 現 方 法 と し て 最 も シ ン プ ル な 定 義 は 均 一 な 水 な ど の 物 質 を ス キ ャ ン し 、 関 心 領 域 （ ROI ） を 設 定 し 、 CT 値 （ HU ） の 標 準 偏 差 と し て 表 示 す も の で あ る 。 こ の ノ イ ズ は 一 般 的 に さ ま ざ ま な ス キ ャ ン パ ラ メ ー タ の 影 響 を 受 け る 。 代 表 的 な も の と し て は １ ） 管 電 圧

（ kV ）、 ２ ） 管 電 流 ・ 時 間 値 （ mAs ）、 ３ ） 再 構 成 ス ラ イ ス 厚 、 ４ ） 再

構 成 関 数（ カ ー ネ ル ）、５ ）ヘ リ カ ル ピ ッ チ 、６ ）ヘ リ カ ル 補 間 ア ル ゴ

リ ズ ム な ど で あ る (6) 。例 え ば 、ス キ ャ ン の 際 に 他 の パ ラ メ ー タ が 一

定 で あ り 、管 電 流・時 間 値 の み が 変 化 す る 場 合 、画 像 ノ イ ズ と 管 電 流 ・

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時 間 値 は 以 下 の よ う な 関 係 が あ る (6) 。

Noise ∝

(1)

す な わ ち 、 管 電 流 ・ 時 間 値 と ノ イ ズ は 反 比 例 の 関 係 に あ り 、 管 電 流 ・ 時 間 値 が 2 倍 増 加 す る と ノ イ ズ は 29% 低 減 し 、 逆 に 管 電 流 ・ 時 間 値 が 1/2 に 低 下 す る と 41% 増 加 す る 。 Fig. 1 は 65 mAs と 32 mAs で ス キ ャ ン し た Catphan 画 像 を 示 す 。 画 像 ノ イ ズ を 測 定 す る と 65mAs で は 12.23 HU 、 32 mAs で は 17.54 HU と な る 。画 像 ノ イ ズ の 増 加 量 は 1.43 倍 と な り 理 論 値 の 1.414 倍 と ほ ぼ 同 じ で あ る 。

次 に 、 再 構 成 ス ラ イ ス 厚 の み が 変 化 し た 場 合 、 画 像 ノ イ ズ と 再 構 成 ス ラ イ ス 厚 は 以 下 の よ う な 関 係 が あ る (6) 。

Noise ∝

(2)

再 構 成 ス ラ イ ス 厚 が 変 化 し た 場 合 も mAs と 同 様 で 再 構 成 ス ラ イ ス 厚 が 1/2 薄 く な る と 、画 像 ノ イ ズ 値 は 1.41 倍 増 加 す る 。 Fig. 2 は 再 構 成 ス ラ イ ス 厚 を 5.0 mm と 0.625 mm で の 画 像 ノ イ ズ の 比 較 を 示 す 。 画 像 ノ イ ズ の 測 定 値 は 5.0 mm の 場 合 が 17.57 HU で あ り 0.625 mm の 場 合 が 46.27 HU で あ っ た 。画 像 ノ イ ズ の 増 加 量 は 2.64 倍 と な り 、理 想 的 な 場 合 の 2.83 倍 と ほ ぼ 同 じ で あ る 。 CT の 撮 像 に お い て は 薄 い ス ラ イ ス 厚 や 管 電 流 ・ 時 間 値 を 増 加 さ せ る こ と も あ り 、 ノ イ ズ と の 関 係 を 把 握 す る こ と は 画 質 を 決 定 す る た め に も 重 要 で あ る 。

低 管 電 圧 CT (low tube voltage CT)

低 管 電 圧 CT と は 通 常 の 管 電 圧 120 kV に 比 べ て 低 い 管 電 圧 を 設 定

し CT ス キ ャ ン を お こ な う こ と で あ る 。 低 管 電 圧 を 使 用 す る こ と で ヨ

ー ド の エ ン ハ ン ス 効 果 は 水 な ど と 比 べ て 増 加 す る (7) 。こ れ は ヨ ー ド の

線 減 弱 係 数 （ μ ） が 水 な ど と 比 較 し て 増 加 す る た め で あ る 。 ヨ ー ド の

原 子 番 号 は (Z=53) で あ り 水 の 実 効 原 子 番 号 （ Z=7.42 ） と 比 較 す る と 非

常 に 高 く CT 画 像 を 形 成 す る 上 で 光 電 効 果 が 支 配 的 で あ る 。 光 電 効 果

は 入 射 物 質 の 原 子 番 号 が 高 い ほ ど 、 X 線 光 子 エ ネ ル ギ ー が 低 い ほ ど 光

電 効 果 の 確 率 は 高 く な る 。 そ の た め に 、 管 電 圧 を 低 く 設 定 す る こ と で

光 電 効 果 の 寄 与 す る 割 合 が 増 加 す る 。 一 方 、 水 の 場 合 は 原 子 番 号 が 低

い た め に CT で 使 用 す る 管 電 圧 領 域 で は コ ン プ ト ン 効 果 が 支 配 的 で あ

る 。 こ の よ う な 減 弱 係 数 の 差 が CT 値 へ 影 響 を 与 え る こ と に な る (8) 。

ま た 、 CT 値 の 定 義 式 は

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CT number HU 1000 (3)

で あ り 、 CT 値 は わ ず か な 減 弱 係 数 の 違 い を ス ケ ー ル ア ッ プ さ せ る 。上 記 理 由 に よ っ て 、 水 の 減 弱 係 数 に 対 し て 組 織 の 減 弱 係 数 か ら 水 の 減 弱 係 数 を 引 い た 値 が 0.05 と な る だ け で CT 値 に 換 算 す る と 50 HU も 変 化 す る こ と に な る 。 Fig. 3 は 造 影 剤 を 用 い な い CT に お い て 低 管 電 圧

（ 90 kV ） と 標 準 管 電 圧 （ 120 kV ） で の 、 各 生 体 内 の CT 値 を 比 較 し た も の で あ る (9) 。こ の グ ラ フ を 見 る と 筋 肉 や 肝 臓 、腎 臓 、 膵 臓 な ど の 軟 部 組 織 は 、水 と 同 様 に コ ン プ ト ン 効 果 が 支 配 的 で あ る 。そ の た め に 、 管 電 圧 を 低 く 設 定 し て も CT 値 は 肝 臓 で 1.9 HU 、 腎 臓 で 2.0 HU 、腎 臓 で 0.5 HU 、 筋 肉 で 2.5 HU と 、 ほ ぼ 同 等 か 若 干 の 増 加 を 認 め る の み で あ る 。 し か し 骨 の 場 合 は 低 管 電 圧 を 使 用 す る こ と で 標 準 管 電 圧 に 比 べ て CT 値 が 54.7HU と 増 加 し て い る 。次 に 、造 影 剤 を 使 用 し た 場 合 、 ヨ ー ド の エ ン ハ ン ス 効 果 は 早 期 の 動 脈 相 で 大 動 脈 が 133.3 HU、膵 臓 で 35.9 HU 、 脾 臓 で 32.1 HU と 報 告 さ れ て い る 。 こ の エ ン ハ ン ス 効 果 は 造 影 剤 の 投 与 法 な ど で も 変 化 す る が 、 造 影 剤 を 用 い る こ と で 造 影 前 に 比 べ る と 有 意 に CT 値 が 増 加 し て い る こ と が 伺 え る 。

低 管 電 圧 を 使 用 し た 場 合 、 標 準 管 電 圧 と 低 管 電 圧 で は 生 体 内 で の 中 心 、 お よ び 表 面 で の X 線 量 が 異 な っ て く る (10) 。 Fig. 4 お よ び Fig.5 の グ ラ フ は フ ァ ン ト ム 中 心 お よ び 周 辺 の X 線 量 を 測 定 し た も の で あ る 。 ま ず Fig. 4 は フ ァ ン ト ム 中 心 で の X 線 量 を 示 し て い る 。 例 え ば 300 mAs で 比 較 す る と 標 準 管 電 圧 と 低 管 電 圧 で は 標 準 管 電 圧 の 方 が 2.3 倍 、 X 線 量 が 増 加 し て い る 。 Fig. 5 で も 同 様 に 中 心 線 量 ほ ど 高 く は な い が 300mAs で 1.86 倍 、 X 線 量 が 増 加 し て い る 。次 に 、中 心 線 量 が 同 じ 管 電 流・時 間 値 を 見 る と 、例 え ば 120 kV が 200 mAs の と き 9.53 mGy で あ り 、 90 kV が 450mAs で 9.49 mGy と な る 。こ れ ら 120 kV-200 mAs 、 90 kV-450 mAs で Fig. 5 の 周 辺 で の X 線 量 を 比 較 す る と 、 120 kV-200 mAs で 18.17 mGy 、 90 kV-450 mAs で 22.03 mGy と な り 90 kV の 方 が 中 心 線 量 一 定 の 場 合 、 周 辺 線 量 は 増 加 す る 。 以 上 の こ と を ま と め る と 一 般 的 に 両 者 の 実 効 エ ネ ル ギ ー の 差 で 比 率 は 異 な る が (1)管 電 流 ・ 時 間 値 （ mAs ） が 一 定 で 管 電 圧 を 標 準 管 電 圧 か ら 低 管 電 圧 へ 単 純 に 変 更 す る と X 線 量 低 減 と な る 。 (2) 中 心 の X 線 量 を 標 準 管 電 圧 と 低 管 電 圧 で 揃 え た 場 合 、 低 管 電 圧 で は 周 辺 の X 線 量 が 増 加 傾 向 と な る 。

臨 床 の 低 管 電 圧 CT で は X 線 量 の 低 減 効 果 と 画 質 の バ ラ ン ス 、 体 格

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な ど の 患 者 因 子 な ど か ら 管 電 流・時 間 値 を 決 定 し て い る 。 CT の ス キ ャ ン パ ラ メ ー タ を 決 定 す る 際 、 管 電 圧 の み の 低 減 で は X 線 量 の 低 減 効 果 が 大 き い た め に 、 低 管 電 圧 を 使 用 し た 場 合 で は 管 電 流 を 増 加 し て 調 整 を お こ な う 。 Fig. 6 は 横 軸 に 患 者 体 重 、縦 軸 に 管 電 流・時 間 値 を と り 、 管 電 圧 を 80 kV か ら 140 kV で の 管 電 流 ・ 時 間 値 の 変 化 を 示 し た グ ラ フ で あ る (11)。グ ラ フ は 70 kg の 患 者 で 120 kV、200 mAs で の 検 出 器 へ の エ ネ ル ギ ー フ ル エ ン ス が 一 定 に な る ス キ ャ ン 条 件 を 提 示 し て い る 。 例 え ば 比 較 的 体 重 の 軽 い 50 kg で は 420 mAs@80 kV 、 190 mAs@100 kV 、 91 mAs@120 kV 、 57 mAs@140 kV と な り 、 管 電 流 ・ 時 間 値 は 最 大 で も 80 kV の 420mAs 程 度 で ス キ ャ ン が 可 能 で あ る 。一 方 、比 較 的 体 重 の 重 い 100 kg の 場 合 は 3600 mAs@80 kV 、 1400 mAs@100 kV 、 620 mAs@120 kV 、 370 mAs@140 kV と な り 、 80 kV で の ス キ ャ ン は 3600 mAs も の 高 管 電 流 ・ 時 間 値 が 必 要 と な り 、 ス キ ャ ン は 実 際 不 可 能 で あ る 。 つ ま り 高 体 重 の 患 者 で は 画 質 を 補 う た め の 管 電 流 ・ 時 間 値 の 上 限 値 を 考 慮 し て 設 定 す る 必 要 が あ る 。 Marin (12)ら は 腹 部 の 臨 床 研 究 に お い て 標 準 管 電 圧 と 低 管 電 圧 の 検 討 を お こ な っ て い る 。 こ の 場 合 の 患 者 体 重 は 平 均 で 87kg (42-125kg) で あ り 、 著 者 ら は 、 低 管 電 圧 CT は 腫 瘍 と 肝 臓 の CNR （ contrast-to-noise ratio ）を 大 幅 に 改 善 し 有 効 な 手 段 で あ る と 述 べ て い る が 、 高 体 重 の 患 者 に 対 し て 画 質 が 乏 し く な る こ と も 指 摘 し て い る 。 Schindera (13) ら も 肝 腫 瘍 の 検 出 を 目 的 と し て フ ァ ン ト ム を 用 い て 、 管 電 圧 を 80, 100, 120, 140 kV と 変 化 さ せ 検 討 を お こ な い 、 体 重 と 撮 像 条 件 の 問 題 を 同 様 に 指 摘 し て い る 。 国 内 で は 一 般 的 に 平 均 体 重 が 60 kg 前 後 と 欧 米 と 比 べ る と 軽 い た め に 、 ほ と ん ど の 患 者 で 適 応 可 能 で あ る 。 Nakaura(14) ら の 腹 部 の 臨 床 研 究 の 検 討 で は 、患 者 体 重 の 集 団 が 平 均 53.6 kg (39kg-70kg) で あ り 、低 管 電 圧 を 使 用 し 標 準 管 電 圧 に 比 べ て 線 量 低 減 な ら び に 画 質 改 善 が 得 ら れ る と 報 告 し て い る 。 Nakayama(9) ら の 報 告 で も 患 者 平 均 体 重 は 約 58 kg と し 、 一 部 の 高 体 重 の 患 者 を 除 き 低 管 電 圧 CT は 有 効 な 手 段 で あ る と 結 論 づ け て い る 。

特 に ノ イ ズ の 増 加 が 懸 念 さ れ る 心 臓 な ど の 部 位 や 高 体 重 の 患 者 に は

中 間 的 な 100 kV の 使 用 も X 線 量 低 減 な ら び に 画 質 改 善 か ら 有 効 と 考

え る (15-17) 。 Fig. 7 は 心 臓 CT に お け る 平 均 実 効 線 量 を 各 ス キ ャ ン テ

ク ニ ッ ク で 表 示 し た も の で あ る (18) 。中 間 的 な 管 電 圧 100 kV を 使 用 し

た プ ロ ス ペ ク テ ィ ブ ECG ゲ ー ト 法 で 1.5 mSv 、 100 kV を 使 用 し た ハ

イ ピ ッ チ モ ー ド で 1.0 mSv と な っ て お り 、 管 電 流 変 調 を 用 い な い レ ト

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ロ ス ペ ク テ ィ ブ ECG ゲ ー ト 法 の 15 mSv と 比 較 し て 画 質 を 維 持 し た 状 態 で 被 曝 低 減 が 可 能 と な っ て い る 。

低 管 電 圧 CT で は 標 準 管 電 圧 の 120kV で も 各 装 置 メ ー カ で 実 効 エ ネ ル ギ ー が 異 な る こ と に 注 意 し な け れ ば な ら な い 。日 本 工 業 規 格（ JIS ） で は 管 電 圧 は ピ ー ク 値 を kV で 表 示 す る と 定 義 し て あ り 、 実 効 値 で は な い 。 例 え ば GE 社 の Light Speed VCT だ と 80 kV で 43.7 keV に 対 し て 120 kV ま た は 140 kV の 範 囲 は 56.8keV か ら 61.5keV な ど と 報 告 さ れ て い る (13) 。 A 社 の 100 kV と B 社 の 120 kV の 実 効 エ ネ ル ギ ー を 比 較 す る と ほ ぼ 同 じ や 、 C 社 の 120 kV と D 社 の 140 kV が 同 じ な ど 想 定 さ れ る 話 で あ る 。 そ の た め に 標 準 管 電 圧 の 実 効 エ ネ ル ギ ー が 相 対 的 に 低 い 場 合 か ら 低 管 電 圧 CT へ 変 更 す る と ノ イ ズ の 増 加 が 顕 著 と な り 画 質 の 劣 化 を 招 き 、 画 質 改 善 へ 寄 与 し な い 可 能 性 も あ る 。

逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 （ iterative reconstruction）

X 線 量 を 低 減 す る た め の 技 術 と し て は 、 上 述 し た 低 管 電 圧 撮 像 や

3 次 元 方 向 の 管 電 流 変 調 技 術（ 自 動 X 線 曝 射 制 御 ）、量 子 ノ イ ズ 低 減 フ

ィ ル タ 、 検 出 器 ・ 回 路 系 の 改 良 、 ヘ リ カ ル ス キ ャ ン 端 の 無 効 X 線 の 遮

蔽 、 テ ー ブ ル 移 動 に よ る 関 心 領 域 の セ ン タ リ ン グ な ど が 挙 げ ら れ る 。

最 近 X 線 量 を 低 減 す る た め の 技 術 と し て 、 特 に 注 目 さ れ て い る の が 逐

次 近 似 画 像 再 構 成 法 で あ る (19-21) 。現 在 検 討 が 進 め ら れ て い る 逐 次 近

似 画 像 再 構 成 法 は 統 計 学 的 (statistical) な ア プ ロ ー チ で あ り 、解 を 一 度

に 求 め る も の で は な く 、 繰 り 返 し 手 法 で 求 め る も の で あ る 。 一 方 、 現

在 主 流 の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 は 解 析 的 (analytical) な ア プ ロ ー チ で

あ る 。 こ れ は 、 投 影 デ ー タ （ raw data ） 上 で 逆 投 影 処 理 時 の ボ ケ を 補

正 し た 後 、 一 度 に 逆 投 影 処 理 で 解 で あ る 再 構 成 画 像 を 求 め る も の で あ

る 。 Table 1 に 逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 と 現 在 使 用 さ れ て い る フ ィ ル タ 補

正 逆 投 影 法 （ FBP ） の 利 点 ・ 欠 点 を 記 す 。 ま ず 、 現 在 主 流 の フ ィ ル タ

補 正 逆 投 影 法 は 逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 と 比 べ て 特 別 な 装 置 を 必 要 と せ

ず 画 像 再 構 成 が 可 能 で あ り 、 再 構 成 時 間 も 短 い 。 一 方 で 、 フ ィ ル タ 補

正 逆 投 影 法 で 作 成 さ れ る 再 構 成 画 像 上 の ノ イ ズ は 投 影 デ ー タ 上 の ノ イ

ズ に 比 例 す る た め に X 線 量 の 低 下 に 伴 い 画 像 ノ イ ズ が 増 加 す る 。 こ の

フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で の 欠 点 を 補 う た め に 、 統 計 学 的 な 逐 次 近 似 再

構 成 法 が 開 発 さ れ て い る 。 実 は 逐 次 近 似 再 構 成 法 は フ ィ ル タ 補 正 逆 投

影 法 に 置 き 換 わ る 初 期 の CT 装 置 に 代 数 的 再 構 成 法 (ART) と し て 導 入

も さ れ て い た 。そ の よ う な 理 由 か ら 、論 文 な ど で は サ ブ タ イ ト ル に old

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idea and new technology な ど と 書 か れ た も の も あ る (19) 。

画 像 ノ イ ズ 低 減 に 関 し て 、 例 え ば シ ー メ ン ス 社 の 逐 次 近 似 法 (SAFIRE: sinogram-affirmed iterative reconstruction) で は 心 臓 CT で の 検 討 が お こ な わ れ 、 フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 に 比 べ て 50% 、 X 線 量 を 低 減 し た と し て も 診 断 能 を 損 な う こ と な く 画 像 ノ イ ズ を 低 減 で き る と 述 べ て あ る (22)。わ れ わ れ は フ ィ リ ッ プ ス 社 の 逐 次 近 似 法（ iDose

） と 低 管 電 圧 を 組 み 合 わ せ て 心 臓 CT で の 適 応 を 検 討 し て い る (20)。目 的 は 低 管 電 圧 CT に よ る コ ン ト ラ ス ト 改 善 と そ れ に 伴 っ て 増 加 す る 画 像 ノ イ ズ を 低 減 す る こ と で あ る 。 標 準 管 電 圧 に 対 し て 低 管 電 圧 を 使 用 し X 線 の 低 減 率 を 61.8% 低 減 し た 画 像 と 76.2% 低 減 し た 画 像 を 表 示 し た (Fig. 8) 。 ま ず フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 で は X 線 量 の 低 下 に 伴 い ノ イ ズ 、 ア ー チ フ ァ ク ト と も に 増 加 し 中 心 の 模 擬 腫 瘤 が 検 出 困 難 と な っ て い る 。 一 方 、 iDose を 用 い た 場 合 で は X 線 量 の 低 下 に 伴 っ て 生 じ る ノ イ ズ お よ び ア ー チ フ ァ ク ト を 抑 え る こ と が 可 能 と な っ て い る 。 そ の た め に 模 擬 腫 瘤 の 検 出 能 も X 線 量 を 76.2%低 減 し た 場 合 で も 可 能 と な っ て い る 。 Fig. 9 に 実 際 の 臨 床 画 像 を 示 す 。 画 像 は 低 管 電 圧 CT で の フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影 法 と iDose と の 比 較 で あ り 、 両 者 と も X 線 量 を 120 kV で 撮 像 さ れ る 条 件 の 65% 低 減 し て い る 。 FBP で は ノ イ ズ お よ び ア ー チ フ ァ ク ト の 影 響 に よ り 画 質 の 劣 化 が 著 し い 。 し か し iDose を 用 い る こ と で 画 質 の 改 善 が 実 現 で き て い る 。

逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 の 欠 点 は 現 時 点 で は コ ン ピ ュ ー タ の パ ワ ー

が 足 り ず 画 像 再 構 成 時 間 が 長 く な る こ と で あ る 。そ の た め に 、 CT で 用

い ら れ て い る ほ と ん ど の 逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 は 、 核 医 学 検 査 で 用 い

ら れ る 逐 次 近 似 法 と は 異 な る 手 法 で あ る こ と に 注 意 し な け れ ば な ら な

い 。 CT で は レ イ 数 や 画 素 数 な ど が 核 医 学 の 場 合 よ り も 、か な り 膨 大 と

な り 、 同 様 な 計 算 を 行 っ た 場 合 で は 画 像 再 構 成 の 計 算 時 間 が 相 当 掛 か

る た め で あ る 。 CT で 用 い ら れ る 画 像 再 構 成 手 法 は フ ィ ル タ 補 正 逆 投 影

法 を ベ ー ス と し て 、 投 影 デ ー タ 上 で 統 計 学 的 な 確 率 を 考 慮 し て ポ ア ソ

ン 分 布 に 起 因 す る ノ イ ズ （ ポ ア ソ ン ノ イ ズ ） を 繰 り 返 し 低 減 す る も の

で あ る 。 こ れ は 画 像 再 構 成 時 間 を 可 能 な 限 り 短 縮 さ せ る 狙 い も あ る 。

シ ー メ ン ス 社 の 逐 次 近 似 法 SAFIRE は 計 算 時 間 が 約 20 枚 /秒 で 、 フ ィ

ル タ 補 正 逆 投 影 法 は 40 枚 / 秒 の 半 分 程 度 で あ る と 述 べ て あ る (22) 。 ま

た 、フ ィ リ ッ プ ス 社 の iDose を 用 い た 場 合 で は 約 20 枚 / 秒 で あ り 、 1851

枚 の 画 像 再 構 成 に 93 秒 、 667 枚 の 画 像 再 構 成 に 35 秒 掛 か る と 報 告 さ

れ て い る (23) 。

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各 社 、 逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 の 開 発 は 目 覚 ま し い も の で あ り 、 も し 、 コ ン ピ ュ ー タ パ ワ ー な ど の 技 術 的 制 限 か 解 除 さ れ た 場 合 は 新 た な 画 像 再 構 成 法 に よ る 大 幅 な X 線 量 低 減 が 期 待 で き る で あ ろ う 。

お わ り に

低 線 量 CT と 画 質 に 関 し て 画 像 ノ イ ズ の 問 題 、低 管 電 圧 CT、逐 次 近

似 画 像 再 構 成 法 に つ い て 概 説 し た 。 低 線 量 CT は X 線 量 低 減 の 目 的 は

当 然 で あ る が 、 前 提 と し て 診 断 能 の 維 持 が 挙 げ ら れ る 。 今 回 取 り 上 げ

た 低 管 電 圧 CT や 逐 次 近 似 画 像 再 構 成 法 な ど の 技 術 を 活 用 し 、 X 線 量

と 画 質 の バ ラ ン ス を 図 り な が ら 低 線 量 CT を 執 り 行 う こ と が 重 要 で あ

る 。

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参 考 文 献

1. Poletti PA, Platon A, Rutschmann OT, Schmidlin FR, Iselin CE, Becker CD. Low-dose versus standard-dose CT protocol in patients with clinically suspected renal colic. AJR Am J Roentgenol 2007;

188:927-933.

2. Sodickson A, Baeyens PF, Andriole KP, et al. Recurrent CT, cumulative radiation exposure, and associated radiation-induced cancer risks from CT of adults. Radiology 2009; 251:175-184.

3. Cann CE. Low-dose CT scanning for quantitative spinal mineral analysis. Radiology 1981; 140:813-815.

4. Suramo I, Torniainen P, Jouppila P, Kirkinen P, Lahde S. A low-dose CT-pelvimetry. Br J Radiol 1984; 57:35-37.

5. Naidich DP, Marshall CH, Gribbin C, Arams RS, McCauley DI.

Low-dose CT of the lungs: preliminary observations. Radiology 1990; 175:729-731.

6. Brooks RA, Di Chiro G. Statistical limitations in x-ray reconstructive tomography. Med Phys 1976; 3:237-240.

7. Yu L, Bruesewitz MR, Thomas KB, Fletcher JG, Kofler JM,

McCollough CH. Optimal tube potential for radiation dose reduction in pediatric CT: principles, clinical implementations, and pitfalls.

Radiographics; 31:835-848.

8. Waaijer A, Prokop M, Velthuis BK, Bakker CJ, de Kort GA, van Leeuwen MS. Circle of Willis at CT angiography: dose reduction and image quality--reducing tube voltage and increasing tube current settings. Radiology 2007; 242:832-839.

9. Nakayama Y, Awai K, Funama Y, et al. Abdominal CT with low tube voltage: preliminary observations about radiation dose, contrast enhancement, image quality, and noise. Radiology 2005;

237:945-951.

10. Funama Y, Awai K, Nakayama Y, et al. Radiation dose reduction without degradation of low-contrast detectability at abdominal multisection CT with a low-tube voltage technique: phantom study.

Radiology 2005; 237:905-910.

11. Huda W, Scalzetti EM, Levin G. Technique factors and image quality

as functions of patient weight at abdominal CT. Radiology 2000;

9

217:430-435.

12. Marin D, Nelson RC, Samei E, et al. Hypervascular liver tumors: low tube voltage, high tube current multidetector CT during late hepatic arterial phase for detection--initial clinical experience. Radiology 2009; 251:771-779.

13. Schindera ST, Nelson RC, Mukundan S, Jr., et al. Hypervascular liver tumors: low tube voltage, high tube current multi-detector row CT for enhanced detection--phantom study. Radiology 2008; 246:125-132.

14. Nakaura T, Awai K, Oda S, et al. Low-kilovoltage, high-tube-current MDCT of liver in thin adults: pilot study evaluating radiation dose, image quality, and display settings. AJR Am J Roentgenol 2011;

196:1332-1338.

15. Leschka S, Stolzmann P, Schmid FT, et al. Low kilovoltage cardiac dual-source CT: attenuation, noise, and radiation dose. Eur Radiol 2008; 18:1809-1817.

16. Hausleiter J, Meyer T, Hermann F, et al. Estimated radiation dose associated with cardiac CT angiography. JAMA 2009; 301:500-507.

17. Napoli A, Catalano C, Francone M, et al. Imaging coronary and extracoronary atherosclerosis: feasibility and impact of whole-body computed tomography angiography. Eur Radiol 2009; 19:1704-1714.

18. Alkadhi H, Leschka S. Radiation dose of cardiac computed

tomography - what has been achieved and what needs to be done. Eur Radiol 2011; 21:505-509.

19. Fleischmann D, Boas FE. Computed tomography--old ideas and new technology. Eur Radiol 2011; 21:510-517.

20. Funama Y, Taguchi K, Utsunomiya D, et al. Combination of a Low-Tube-Voltage Technique With Hybrid Iterative Reconstruction (iDose) Algorithm at Coronary Computed Tomographic Angiography.

J Comput Assist Tomogr 2011; 35:480-485.

21. Silva AC, Lawder HJ, Hara A, Kujak J, Pavlicek W. Innovations in CT dose reduction strategy: application of the adaptive statistical iterative reconstruction algorithm. AJR Am J Roentgenol 2010;

194:191-199.

22. Moscariello A, Takx R, Schoepf U, et al. Coronary CT angiography:

image quality, diagnostic accuracy, and potential for radiation dose

10

reduction using a novel iterative image reconstruction

technique—comparison with traditional filtered back projection.

European Radiology:2011 (in press).

23. Palacio M. Reducing radiation dose. Applied radiology 2010; 39:4-7.

11

Figure legends

Figure 1: Catphan phantom images acquired on the same scanner with all technical factors the same expect the tube current-time product (mAs) value: (a) 65 mAs (b) 32 mAs of 50% reduction. When the mAs setting is reduced by a factor of 2, the image noise ideally increases by a factor of 1.414 (41%).

Figure 2: Catphan phantom images acquired on the same scanner with all technical factors the same expect different slice thickness (mm) : (a) 5.0 mm (b) 0.625 mm. When the slice thickness is reduced by a factor of 8, the image noise ideally increases by a factor of 2.828.

Figure 3: Mean CT numbers of tissues at 90 and 120 kV

Change in CT number from 120 to 90 kV was 1.9, 2.0, 0.5, 2.5, and 54.7 HU corresponding to liver, kidney, pancreas, muscle, and vertebra, respectively.

Figure 4: Radiation Dose in the Center of the Phantom (mGy):

Comparison of low tube voltage at 90 kV and standard tube voltage at 120 kV

Figure 5: Radiation Dose in the Periphery of the Phantom (mGy):

Comparison of low tube voltage at 90 kV and standard tube voltage at 120 kV

Figure 6: Tube current time-product values as a function of patient weight and X-ray tube potential

Figure 7: Bar graph illustrating the average effective radiation doses of cardiac CT applying the various radiation dose reducing algorithms

Figure 8: Comparison of image artifact and nodule detectability between FBP and iDose algorithm obtained at 80 kV

Figure 9: Cardiac CT with FBP and iDose algorithm at 80 kV: 65% dose

12

reduction compared to radiation dose acquired at 120 kV

The left image is ECG gated cardiac image using 80 kV technique and a standard FBP algorithm with a coronary standard (CB) kernel. The center of the imaging window was set at 75% of the R-R interval. The right

image is a reconstructed image with the iDose algorithm and the CB kernel.

120 kV , 65 mAs 5.0 mm slice thickness SD: 12.23 HU (a)

120 kV , 32 mAs 5.0 mm slice thickness SD: 17.54 HU (b) Fig. 1

(b) (a) 120 kV , 50 mAs 0.625 mm slice thickness SD: 46.27 HU

120 kV , 50 mAs 5.0 mm slice thickness SD: 17.57 HU Fig. 2

0 50

100

150

200

250

300 Liver K idney P ancreas Muscle V ertebra

90 kV 120 kV 1.9 HU 2.0 HU

0.5 HU 2.5 HU

54.7 HU Fig. 3

Modified from original version published in Radiology; Nakayam a Y; 2005; 237; 945-951.

Mean CT number (HU)

0

5 10

15

20

25 100 150 200 250 300 350 400 450 500 560

90 kV 120 kV T ube Current–T ime Product (mAs)

Radiation dose (mGy)

Fig. 4

Modified from original version publishe d in Radiology; Funam a Y; 2005; 237; 905-910.

0 10

20

30

40

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 560 T ube Current–T ime Product (mAs)

Radiation dose (mGy)

90 kV 120 kV Fig. 5

Modified from original version publishe d in Radiology; Funam a Y; 2005; 237; 905-910.

0

1000

2000

3000

4000

5000 0 2 0 4 0 6 0 8 0 100 120 140

0 100

200

300

400

500

600

700 10 20 30 40 50 60

Tube current-time product (mAs)

Patient mass (kg)

Expanded x-y axis 80 kV 100 kV 120 kV 140 kV

80 kV 100 kV 120 kV 140 kV Fig. 6 M odified from original version publis hed in Radiology; Huda W ; 2000; 217; 430-435.

Fig. 7

Alkadhi H et al.; Eur R adiol 201 1; 21:505-509.

120 kV 900 ef f. m A s 80 kV 1 120 ef f. m A s 61.8%

80 kV 700 ef f. m A s 76.2% Dose reduction rate per the radiation dose at 120 kV (%)

Ef fective m A s

FBP iDose Fig. 8

Modified from original version publishe d in JCA T ; Funam a Y; 201 1; 35; 480-485.

FBP iDose Fig. 9

Table 1 Pros and cons of filtered back projection (FBP) and iterative reconstruction (IR) technology

フィルタ補正逆投影法 逐次近似法

利点 再構成時間が短い 画像ノイズの低減が可能

特別な装置を必要としない スキャン時の線量を低減可能

コーンビームアーチファクトを低減可能

散乱線の影響や検出器の特性などを考慮し画質改善可 欠点 画像ノイズが多い 計算速度の速いコンピュータ処理装置が必要

コーンビームアーチファクトを生じやすい

ストリークアーチファクトやビームハードニングの問題