画像診断の原理（３）： X線写真・CT 放射線医学講座 有泉光子 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 放射線診断から画像診断へ 放射線診断 電磁放射線（X線、γ線）を用いて人体の内部構造 を画像化し、病変の有無や病変の性質を診断する 方法 画像診断 近年、電磁放射線を使わない超音波検査や磁気 共鳴画像（MRI）を含めた総称として、画像診断と 呼ぶ 画像診断の歴史（１） 1895年： 1896年： 1895年： 1927年： 1946年： W.C.RoentogenによるX線の発見 Becquerelによる放射能の発見 Curie夫妻によるラジウムの発見 造影剤を用いた頸動脈造影を施行 BlockとPurcellによる核磁気共鳴 原理の発見 1950年代：超音波の臨床応用 シンチレーションカメラの開発 X線を発見したレントゲン博士 • 正体のわからないものをX線と名付けた。 • X線検査とレントゲン検査はほぼ同義 1896年1月23日撮影 Wilhelm Conrad Röntgen博士 画像診断の歴史（２） 1953年 ：Seldinger法（血管造影法）の開発 1972年 ：HounsfieldによるCTの発明 1973年 ：MansfieldとLauterburによる 磁気共鳴画像の作成 1980年代：磁気共鳴画像（MRI）の臨床応用 超音波カラードプラ法の発明 1990年代：ヘリカルCTの開発、PETの臨床応用 2000年代：多列CT（MDCT)の開発 画像診断：過去、現在、未来 過去：X線フィルムをシャウカステンで観察 現在：単純X線写真、血管造影のデジタル化 CT.MRI.超音波検査の3次元表示 フィルムレス 未来：コンピュータ支援診断 さらに新しい画像診診断法が出現？ 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 放射線の種類 放射線：空間、物質を透過してエネルギーを伝え る性質をもつもの。 放射線の種類： X線、γ 線 （波長10⁻１２～－８ｍ） β 線（電子） α 線（He原子核） 陽子線 中性子線 重粒子線 非電離放射線 紫外線、可視光線、赤外線など 電離放射線 電磁波 粒子線 X線と物質の相互作用 1. 光電効果 光電効果 相互作用 光電子 入射X線 特性X線 X線が軌道電子にエネルギーを与え軌道 電子から光電子が飛び出す現象。 X線はすべてのエネルギーを軌道電子に 与えて消滅。光電子が飛び出した後（電 離）、外殻電子が内殻に落ちるときに、X線 が発生 二次放射線 特性X線→散乱線に 臨床的意義 • 原子番号の３乗に比例。 • 低エネルギーほど起こりやすい。 • 電離作用→生体反応 （飛び出した電子は物 質に吸収される） X線と物質の相互作用 2. コンプトン効果 コンプトン効果 X線が、そのエネルギーの一部を自由電 子に与え、はじき出し（電離）、そのエネル ギーを失って方向を変えて散乱する現象 入射X線 相互作用 散乱X線 二時放射線 散乱X線 臨床的意義 物質の密度に比例 高エネルギーほど起こりやすい。 電離作用→生体反応（飛 び出した電子は物質に吸 収される） X線の発生 X線は波長の短い、すなわちエネルギーが大き い電磁波 X線管球（真空の陰極管）でX線を作る X線装置は放射線発生装置の一種 X線管球 X線撮影装置 X線管球の構造 － 高電圧 電子線 X線 ＋ 撮影条件の３要素 管電圧（ｋV)： X線の線質を決定。高圧ほど透過性が高い 管電流（ｍA)： 照射線量を決定。 曝射時間（ｓ）： 照射線量を決定。 総照射線量＝曝射時間＊管電流（ｍAs) 診療X線の撮影条件 高圧撮影（管電圧１２０－１４０ｋV) 通常の胸部、腹部X線撮影。 低圧撮影（管電圧４０－６０ｋV) →軟線撮影。乳房撮影に使用 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 X線の特徴 直進性 X線は透過性が強い（透過力）・吸収性 物質側：密度、厚さ、原子番号 線源側：エネルギー X線は写真作用や蛍光作用がある （フィルムと増感紙を用いる） X線管から発生したX線が人体を透過し時に生 じる吸収差をフィルムに投影し画像を作成する X線吸収係数と画像コントラスト X線吸収係数（μ ）： μ が大きいほど減弱が強く高濃度（白く写る） 被写体に入射されるX線と、出てくるX線の強さの比 被写体の構成する物質の原子番号（Z)の３乗と 密度（ρ ）におよそ比例する。 μ ∝ρ Z３ S0 μ＝-log ρ Z S S0 S S0:照射するX線 Ｓ：被写体から出てく るX線 ρ：被写体密度 Z：被写体原子番号 X線写真の濃度： 画像の色 白 黒 骨 水 脂肪 石灰化 実質臓器 （肺や腸管の 造影剤 （肝臓・腎臓・脾臓・膵臓など） 中の空気） 筋肉 心臓・血管 血液 人体各部位の濃度は、骨・水・脂肪・空気の4段階に分かれる 空気 X線の物理化学作用 電離作用： 物質の軌道電子を放出してイオン化 蛍光作用： ある種の物質から可視光を発生する 写真作用： X線フィルムを感光して黒化する。 X線撮影 フィルムスクリーン法 X線管 X線束 被写体 グリッド 増感紙 フィルム 増感紙 ＊グリッド：散乱X線がフィルムに入射しないようにする。 ＊増感紙：X線があたると蛍光を発する。 デジタルラジオグラフィー アナログからデジタルへ 人体を通過したX線をフィルムの代わりに鋭 敏な検出器で測定し、デジタル変換を行う 現在ではほぼ全ての撮影がデジタル化され ている 撮影の失敗が少ない 保存、検索が容易 データ処理により画像の表示方法を変更可能 デジタル撮影法 X線検出器で得た信号をデジタル変換し 、コンピュータで画像処理し、画像を作成 する。 検出器： イメージングプレート（IP)：CR 蛍光増倍管（II) フラットパネルディテクター： （X線受光媒体としてアモルファスセレンを使用。デジタル画像を直 接得る。） 良いX線写真の条件 正しい体位で撮影されている 濃度が適切である 鮮鋭度が高いこと 濃度の細かな不規則性がない 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 X線検査の分類 単純X線検査： 造影剤を使用せず撮影する検査の総称 造影X線検査： 造影剤を使用して特定の臓器、病変に的を 絞って行う検査 X線検査撮影の基礎： 検査の種類 単純写真、高圧撮影、軟部撮影、立体撮影、間接撮影 断層撮影 X線透視 X線テレビ 造影検査 消化管造影 尿路系造影 胆道造影 血管造影 、IVR 脊髄造影 その他：子宮卵管造影、リンパ管造影 胸部X線写真 膝関節X線写真 乳房撮影 （マンモグラフィー） 一般撮影：単純写真 断層撮影（トモシンセシス） ギブスをした状態で撮影： 舟状骨骨折 X線透視 X線の持つ蛍光作用を利用 蛍光物資にX線をあてて可視光線を発生 TVモニター上で動態観察 X線テレビ装置 Ｘ線管から曝射されたＸ線は、被写体を透過 したのち、Ｘ線変換系（Image Intensifier：蛍 光増倍管）によって可視光に変換 光学系を経てＴＶカメラに送られ、映像信号と してアナログ/デジタル変換 持続的にX線が照射可能 デジタル処理した画像を、リアルタイムにモニ タで観察 X線撮影の応用：造影検査： 単純X線写真で診断に必要な十分な濃度差 が得られない臓器に対して使用 経口あるいは経静脈的に造影剤を投与 診断可能なコントラストの高い画像を作成 X線造影剤 X線吸収係数（μ ）が組織と異なる物質 病変と正常組織のコントラストが増強 陽性造影剤： μ が大きい ヨード（Z=53)、バリウム（Z=５６） 陰性造影剤： μ が小さい物質 ガス 黒く写る 白く写る 造影剤の種類 陽性造影剤（白く見える） 経口的 ：消化管用の硫酸バリウム 経静脈的：尿路、胆道系、心血管で使用する ヨード造影剤 陰性造影剤（黒く見える） 空気、炭酸ガス （現在は消化管二重造影で使用する程度） 造影剤が備えるべき条件 毒性が少ない 体外への排泄が早い 造影効果が高い 比較的安価である 消化管造影 観察範囲 検査法 上部消化管造影 食道から十二指腸近位部 バリウムを経口的に飲む 小腸造影 十二指腸から回腸 経口法：上部消化管に引き続き行う。 経管法：十二指腸ゾンデからバリウム を注入 注腸造影 回腸末端から直腸 バリウムを直腸から注入 上部消化管造影 胃粘膜の病変を描出可能 陽性造影剤（バリウム）と陰性造影剤（空気）を 組み合わせて造影 撮影法として以下の4つの方法がある 粘膜法（レリーフ造影法） 充盈法 二重造影法 圧迫法 上部消化管造影 充盈法 胃内腔に造影剤を充満させ る方法 胃全体のバランスや胃角の 評価に適する 辺縁の硬さや、変形の描出 に優れる バリウムで覆われている胃 の粘膜面の評価は困難 上部消化管造影 二重造影法 陽性造影剤（バリウム）と陰 性造影剤（空気）を組み合わ せて粘膜面を描出 広い範囲の粘膜面が容易に 描出可能 粘膜面の微細な凹凸の描出 に優れる 胃粘液の状態によって造影 効果が異なる 注腸造影 腸管の粘膜の病変を描出可能 陽性造影剤（バリウム）と陰性造影剤（空気） を組み合わせて造影 経肛門的にバリウムと空気を注入し、二重造 影法を中心に粘膜面を描出 下部消化管造影（注腸造影） 排泄性尿路造影 造影剤を静注射後、経時的に撮影 ヨード造影剤使用の注意点 禁忌 ヨードアレルギーの既往がある患者 重篤な甲状腺疾患の患者 原則禁忌 一般状態が悪い患者 気管支喘息の患者 重篤な心臓、肝臓、腎臓障害の患者 急性膵炎、多発性骨髄腫、褐色細胞腫の患者 ヨード造影剤の副作用 数人/ 100人 不快感、発疹、嘔気、嘔吐など 1人/数万人 ショック状態 1人/数十万人 死亡例 血管造影 主に鼡径部の動脈や静脈から、カテーテルとい う細い管を目的とする血管に挿入 ヨード造影剤をカテーテルから注入し、X線を用 いて撮影を行う 血管の狭窄や腫瘍血管の状態を評価 さらに挿入したカテーテルから狭窄血管を拡張し たり、腫瘍の栄養血管を遮断した治療を行うこと が可能（Interventional Radiology: IVR） DSAの原理 通常の血管造影 （血管＋骨） マスク画像 （造影前、骨） DSA サブトラクション画像 （血管） DSA:Digital subtraction angiography 血管造影検査の長所と短所 長所 直接血管の状態を評価可能 他の画像検査では描出できないような細い血管 も描出可能 検査に続けて、IVR治療が可能 短所 放射線被曝がある 他の画像検査に比べ侵襲的である 血管造影検査の適応と禁忌 適応 血管の狭窄や動脈瘤の評価 腫瘍の血流状態の評価 現在は主に、IVRによる血管拡張術や塞栓術を 行う 禁忌 ヨードアレルギー患者 重篤な腎障害患者 INTERVENTIONAL RADIOLOGY (IVR) 画像診断装置の発達にともない、画像ガイ ド下に局所病変のみを経皮的に治療する 低侵襲治療が可能になってきた。 放射線診断手技の治療へ応用は Interventional Radiology: IVRと呼ばれ、 血管造影以外にも超音波、CTなどの画像 ガイド下に局所治療を行う手技である。 なぜIVR IVRによる治療は、局所麻酔と数mm程度 の皮切による経皮的な操作で、外科手術 に比べて侵襲は軽度であるが、それに匹 敵するような治療効果を得ることも可能で ある。 あまり痛くない 開腹しないから入院期間も短い 治療費も安い 再発病変に対しても再度の治療が可能 IVR の分類 血管系（vascular） 塞栓術、血管拡張・形成術など 非血管系（non-vascular） ドレナージ、組織生検、ラジオ波熱凝固治療など 肝細胞癌に対する動脈塞栓術 治療前後の腹腔動脈造影 治療前 治療後 塞栓術後のCT 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 CTとは Computed Tomography コンピュータ断層撮影 コンピュータを使って身体の輪切り（断層面）を見る装置 Hounsfield（CT発明）が考えたこ と 従来のX線撮影では 人体の臓器が重なる 濃度分解能が不十分 濃度が数値化されていない CT 基本原理 Computed Tomographyの略で、コンピュータを 用いて作成した断層画像のこと Ｘ線発生装置（X線管球）が身体の周りを360° 回転しながらＸ線を照射 身体を透過したＸ線情報（投影データ）を検出し、 コンピュータにて演算処理を行い断層画像を作 成する 断層画像により、体の奥行き方向の情報が得ら れる CT内部のしくみ CTのインパクト 人体を透過したX線量を高感度の検出器で 測定し、そのデータをコンピュータで断層像 として再構成する。 濃度分解能の向上 情報のデジタル化 3次元情報の作成 CT値（HU） ＊X線吸収係数→使いやすく便宜的に表現したもの 水のCT値 μｔ＝ μｗ ０HU 空気のCT値 μｔ＝０ －１０００HU CT 組織吸収値 人体の濃度を＋1000（白）から－1000（黒） の2000段階で表示 骨皮質 ：＋1000 甲状腺 ：80～100 肝臓 ：50～75 水 ：0 脂肪 ：－100～0未満 空気 ：－1000 ＊数値はHounsfield unit CT画像のコントラスト 高吸収病変：周囲の正常組織よりCT値が高い（白 い） →石灰化、急性期血腫 低吸収病変：周囲の正常組織よりCT値が低い（黒 い） →上記以外の、大部分の病変 CT 画像再構成と表示 CT画像は単位体積（ボクセル）に含まれる平均X線吸収値 の大小に応じて白黒濃淡のある画像として表示される。 ボクセル内のX線吸収値を表す単位としてCT値を使用す る。 CT値は水を0、空気を-1000とした相対的値で、CT開発者 のHounsfield 博士（ノーベル賞受賞）の名をとりHounsfield unit（HU)とも呼ばれる。 画像表示は白黒濃淡の階調gray scaleで表示され、表示 に際してはgray scaleを変えるウインドウ機能がある。 作成されたCT画像は、患者の足方向からみるように表示 する。向かった右側が患者の左側。（一般写真と同様） CT 画像の表示法 ウィンドウ幅(WW)：CT値の表示範囲 広い：コントラストは低下 観察可能なCT値の範囲は広い 狭い：コントラストは向上 観察可能はCT値の範囲は狭い ウィンドウレベル：ウィンドウ幅の中央値(WC) 高い：画像が黒くなる 低い：画像が白くなる 胸部CT 肺野条件 WW:1600.WC:-600 縦隔条件 WW:500.WC:50 胸部CT（肺癌） 造影CT 造影剤：水溶性ヨード造影剤 造影剤投与法 一般の造影CT；全量をゆっくり静注し、静注 終了後に撮影を開始。造影剤が全身に分 布した平衡相の状態。 ダイナミック造影CT：造影剤を急速静注しな がら経時的に繰り返し撮影。血行動態をし る。 一般の造影CT 組 織 の 造 影 剤 濃 度 造影剤静注 単純CT撮影 造影CTの撮影 1分 2分 ダイナミック造影CT 組 織 の 造 影 剤 濃 度 造影剤静注 単純CT撮影 動脈相 実質相 1分 平衡相 2分 CT装置の種類 従来のCT（コンベンショナルCT） 1スライス毎に寝台の移動と停止を繰り返しながら撮影 を行う ヘリカルCT 連続回転する線源の中を、寝台を一定速度で動かし続 けながら撮影を行う 多列CT X線を扇状に照射し、対側の検出器を細分割して多列 化したCTであり、1回の線源の回転でより多くの範囲を 撮影可能 コンベンショナルCT Ｘ線ビームと検出器が身 体を挟み、その周囲を1 回転して、投影データを 収集 スキャンとテーブル移動 を交互に行う 1回のスキャンで1つの断 層像が得られる スライス厚やスライス間 隔はスキャン後かえられ ない シングルヘリカルCT Ｘ線管を回転させながら 患者寝台を一定速度で 移動させる Ｘ線管は螺旋起動を描く ように回転しながら投影 データを収集 短時間で広範囲のデータ を収集可能 任意のスキャン断面が得 られる マルチスライスヘリカルCT 体軸方向に複数の検出 器列があり、1回転で複 数の画像がえられる 短時間で広範囲の撮影 が可能 再構成スライス厚をスキ ャン後にも変えることが 可能 任意のスキャン断面が得 られる 本日のテーマ 放射線診断から画像診断へ X線の発生 X線検査撮影の基礎 原理 種類 コンピュータ断層撮影（CT）の基礎 原理 特徴：X線検査と対比して 医療被曝 CT X線CTの特徴 再構成画像 空間分解能の向上 多次元の画像再構成 良好なコントラスト分解能 障害陰影のない人体横断像 CT 再構成画像に起因する留意事項 部分容積効果 CT値は平均吸収値であるため、1ボクセル内に異なったCT値を有す る複数の組織が存在するとそのCT値は平均かされ、複数の組織を互 い認識できない。 画像上の病変組織濃度が本来のCT値と異なる 病変や臓器の辺縁が不鮮明化する 小さい構造が隠れてしまう アーチファクト 本来被検体にないが、データ取得と画像再構成過程で発生する偽像 患者由来：動き、金属など 機器由来： CTの応用 CT血管造影（CT angiography: CTA） • 造影剤を使用し、血管を評価 ミエロCT • 髄腔に造影剤を注入し、脊柱管狭窄を評価 DIC-CT • 造影剤を使用し、胆道系を評価 CTガイド下穿刺と治療 • CTで位置をみながら針を刺し、液体の吸引や 熱で病変を破壊 3次元表示法 連続スキャンした画像データに処理を行って、3 次元表示を行う手法 最大値投影法 Maximum 表面表示法 Shaded Intensity Projection：MIP Surface Display：SSD ボリュームレンダリング Volume Rendering：VR 最大値投影 Maximum Intensity Projection：MIP 3次元的に得られたボリュームデータを任意 の方向に投影する際、その投影線上で最も 高いＣＴ値のボクセル値を投影方向と垂直な 面に投影して2次元の画像として表示 利点 血管の連続性、細い血管の描出に優れる 欠点 深さ方向の情報が得られない 表面表示法 Shaded Surface Display：SSD CT値による被写体の情報から、目的とする構造 の表面位置を閾値により認識し、その表面情報 から3次元画像を作成 利点 静止画像で立体的な形態の把握が可能 処理時間が短い 欠点 単一閾値のため、複数の構造の区別が不可能 閾値により形態が変化する ボリュームレンダリング Volume Rendering：VR 表面情報だけでなく、内部情報も含めて3次元画像を 作成 特定の範囲のCT値に透明度を設定し、表面と内部の 情報を透かして表示 利点 軟部組織病変の描出が可能 複数の閾値を用いさまざまな組織を同時に分離表示 欠点 画像処理が複雑で、閾値や透明度の設定により構造が 消失 断面変換法 Multi Planar Reconstruction：MPR 連続する2次元画像を積み重ねて、任意の断 面の画像を作成する方法 変換できる断面 矢状断（sagittal plane） 冠状断（coronal plane） 斜断面（oblique plane） 局面断面（curved plane） 頭部CTA（脳動脈瘤） DIC-CT（胆嚢結石） VR 心臓CT（狭心症） MPR VR 放射線防護 医療被曝は行為の正当化（正当化）と、防護の 最適化（最適化）により防護される。 職業被曝と、公衆被曝は個人線量限度および 個人リスク限度（線量限度）により防護される。 放射線防護の三原則 正当化 最適化 線量限度 医療被曝による 放射線障害発生の可能性 通常の放射線診断では放射線障害は発 生しない 長時間透視による放射線障害の可能性 紅斑 （カテーテルによる不整脈治療2年後） AJR 177: 13-20, 2001 潰瘍形成 (30時間以内に2回の血管拡張術2ヵ月後) AJR 177: 13-20, 2001 重症潰瘍 （100分のX線透視3ヵ月後） AJR 177: 13-20, 2001 まとめ 画像診断は現在の診療では不可欠な検査であ る X線撮影、CT、血管造影の各画像診断の基本 原理と特徴について概説した ヨード造影剤の使用には禁忌を含めた理解が重 要である 画像診断装置の発達により画像ガイド下に低侵 襲なIVR治療を可能となった、被曝についての 十分な知識も必要
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