回転させ 多数の異なる方向からの X 線像を収集する 乳房の異なる高さにある対象物は 各投影像にそれぞれ異なって表示される 図 2では 二つの対象物 ( 針状病変および楕円 ) が入射 X 線が 0 度のとき重なっているが 0 度以外での収集では二つの対象陰影が画像内でずれている トモシンセシス演算

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1 技術レポート 乳房トモシンセシス マンモグラフィの性能向上 Breast Tomosynthesis Improving the Performance of Mammography 落合是紀 1) Yoshinori Ochiai アンドリュースミス 2) Andrew Smith 1) 株式会社日立メディコ XR 営業本部 2) Hologic, Inc. 乳房トモシンセシスは 圧迫された乳房を短時間でスキャンし複数の角度で画像収集する 3 次元撮影技術である 収集した個々の画像は一連の薄い高解像度断層像に再構成され 一画像ずつまたは連続的にシネモードで表示できる 再構成されたトモシンセシス断層像は 従来の 2 次元マンモグラフィ撮影における組織の重なりや構造ノイズに起因する問題を減少あるいは排除することができる またデジタル乳房トモシンセシスは 診断や検診精度の改善 再検の減少 放射線科医の確信度向上 および 3Dでの病変位置の特定など多くの効果が期待できる Hologicは 複数の施設や読影者による臨床試験を行い 検診環境におけるトモシンセシスの臨床性能を評価した 本レポートでは トモシンセシスの理論 その期待される臨床上の利点と臨床試験の結果を概説する Breast tomosynthesis is a three-dimensional imaging technology that involves acquiring images of a stationary compressed breast at multiple angles during a short scan. The individual images are then reconstructed into a series of thin high-resolution slices that can be displayed individually or in a dynamic cine mode. Reconstructed tomosynthesis slices reduce or eliminate the problems caused by tissue overlap and structure noise in single slice two-dimensional mammography imaging. Digital breast tomo synthesis also offers a number of exciting opportunities including improved diagnostic and screening accuracy, fewer recalls, greater radiologist confidence, and 3D lesion localization. Hologic has conducted a multi-center, multi-reader clinical trial to measure the clinical performance of tomosynthesis in a screening environment. This paper outlines the theory of tomosynthesis, its expected clinical benefits, and summarizes the results of the clinical trial. Key Words: Tomosynthesis, Mammography, Three-Dimensional Imaging, BIRADS 1. トモシンセシスの原理 従来の X 線マンモグラフィは 2 次元 (2D) 画像のモダリティである 従来のマンモグラフィでは関心病変の上下からのX 線信号の散乱のため 関心病変を視覚化するのが往々にして困難である これはフィルムカセッテまたはデジタル検出器上の X 線信号が その位置の上部の全組織での全 X 線吸 収で決まるためである トモシンセシス 1)2)3)4)5) は 組織の重なりを効果的に減少または排除することができる 3 次元 (3D) 撮影法である 図 1に乳房トモシンセシスシステムを搭載した Selenia Dimensions を示す 乳房を圧迫している間に 検出器に対して X 線管を * 本レポートは Breast Tomosynthesis の原理について解説したものである したがって製品としての デジタル式乳房 X 線撮影装置 Selenia Dimensions の仕様と異なる数値や技術の記載があることに留意願いたい 30 MEDIX VOL.54

2 回転させ 多数の異なる方向からの X 線像を収集する 乳房の異なる高さにある対象物は 各投影像にそれぞれ異なって表示される 図 2では 二つの対象物 ( 針状病変および楕円 ) が入射 X 線が 0 度のとき重なっているが 0 度以外での収集では二つの対象陰影が画像内でずれている トモシンセシス演算処理では 関心病変はお互いの相対的な投影像の適当なずれによって 所定の高さで関心病変を強調する再構成画像を生成する 図 3に示す例では 一つの特定の高さでの断層像を再構成している この例では 各投影像が加算され 針状病変部を強調し 楕円形対象部をぼかすことによってコントラストを減少させる特殊な方法で 他方を相対的にずらしている トモシンセシス演算処理は 一連の撮影設定で 3D 断層像を再構成できるので 高さを変えた追加の画像収集は必要がない 2. 収集の実行図 4にトモシンセシス撮影時の装置の動作状態を示す 乳房は通常の方法で圧迫される 乳房を圧迫している間に X 線管を限られた角度範囲で回転させる 低線量照射が各々の角度で行われ 画像を収集する 通常 X 線管は 5 秒以下の全スキャンの間に 度回転し 回の照射がほぼ 1 度ごとに行われる 収集した画像は異なる角度で乳房を通過したX 線投影像で これらの画像から断層像に再構成される 通常 乳房は MLO(Mediolateral Oblique) または CC(Caranio Caudal) 方向から撮影されるが トモシンセシスシステムでも 任意の向きの画像を収集できなければならない トモシンセシスシステムの設計で一つの考慮すべき点は 撮影中の X 線管装置の動きである X 線管は 連続動作また は停止 撮影繰り返し動作のいずれかである 連続動作では X 線照射時間は焦点の動きによる画像ぼけを避けるため十分短くなければならない 停止 撮影繰り返し動作の場 X 線 セッテまたはデジタル 出 上に見られる画像 図 2: トモシンセシスは組織の重複を低減または排除トモシンセシス撮影で 異なる角度から収集された画像に異なる高さの構造物を分離 従来のマンモグラフィは中央の画像のみを収集 の画像 成画像 の画像投影 1 の画像投影 2 の画像投影 mm スラ ス 図 3: トモシンセシスは所定の高さで対象を強調収集された投影像を移動および加算して 任意の高さの関心病変の視認性を増加 図 1: 乳房トモシンセシスシステムを搭載した Selenia Dimensions 図 4: トモシンセシス撮影における X 線管の動作状態 MEDIX VOL.54 31

3 合 ガントリーは X 線を照射する前に各角度位置で完全に停止しなければならない 停止できないと振動で画像がぼけてしまう 最も重要な基準は 全撮影時間をできるだけ短くし 微小石灰化像やスピキュラ像の視認性を劣化させる受診者の動きをできるだけ減らすことである 角度範囲と撮影中に収集された画像数は 最適化する必要がある別の要素である 一般的に 画像数が増えればアーチファクトの少ない再構成画像ができる 一方 一定の全照射線量に対し照射回数が多くなれば 一回ごとの X 線照射線量が減ることにより画像の信号が減少する これらの間でバランスを取る必要がある 照射回数が少な過ぎると 画像検出器のノイズが画像を支配し 再構成像の画質を劣化させる 照射回数が多い場合 データ量と再構成時間が増大する 角度範囲に関しては 角度範囲を大きくすると再構成された断層像の分離が大きくなり 角度範囲を小さくすると一断層像の中にあるより多くの構成物に焦点が合うことになる 角度間隔を大きくすることは 理論的には二つの近接して存在する構成物を分離するのに望ましいが 個々の石灰化が別の断層像に表示されることによる微小石灰化の集まり具合の評価 あるいは一つ以上の狭い断層像にあるスピキュラの表示を著しく低下させる 3. トモシンセシスのシステム必要条件 (1) 検出器効率と線量トモシンセシス撮影は 各画像収集が通常の単一画像マン モグラフィの約 5-10% の一連の低線量撮影からなっている 各照射が低線量なので 画像検出器は量子効率が高く ノイズが低いことが不可欠である 画像は毎秒数画像ずつ収集されているので 高速画像処理がもう一つの必要条件である マンモグラフィのエネルギーで X 線吸収 95% 以上の量子検出効率 (DQE) と高速読出し能力を持ったセレンをベースとした画像検出器は トモシンセシスシステムには理想的な検出器である セレン検出器を用いることにより 全照射線量が従来のマンモグラフィと同様の照射線量でトモシンセシスの撮影を行うことができる (2) 収集モードトモシンセシスシステムは トモシンセシス収集に加えて 従来の2Dデジタルマンモグラフィ検査を行えなければならない トモシンセシス画像においては CCとMLOだけでなく すべての撮影方向で撮影できなければならない また このシステムは 一回の圧迫で通常の 2Dマンモグラフィとトモシンセシス検査を行えなければならない これを可能にするため グリッドの自動退避と 2Dと3Dの撮影モード間を高速かつ自動的に切り換えられることが必要である 4. 画像再構成図 5に示すように トモシンセシス再構成処理は その断面が撮影台に平行な面で高解像度画像を計算している 通常 これらの画像は 1mmのスライス間隔で再構成される 従って 図 5: トモシンセシスは 複数角度の乳房像を撮影し それを断層像に再構成左の画像は 異なる角度の乳房から収集された 15 投影画像のうちの 3 画像 右の画像は 1mm ピッチでの再構成断層像のうちの 3 画像 32 MEDIX VOL.54

4 5cmに圧迫された乳房トモシンセシス検査は50 枚の再構成断層像からなっている 特にトモシンセシスがインターベンショナル検査の一部となる場合 高速再構成は不可欠で 撮影後の処理時間は 10 秒以下にすることが重要である 5. 表示法再構成されたトモシンセシス断層像は CT 断層像に似た表示ができる 術者は 画像を一度に一枚または反復動画で見ることができる 元画像である投影像は 各々が低線量で あっても従来の 2Dマンモグラフィと同じで これらは必要に応じて従来どおり観察することができる このシステムが 2D または 3Dマンモグラムを一度の圧迫で収集した場合 これら二つの方法で撮影された画像は共通に登録される 二つのモード間の高速切換ができるソフトコピーワークステーションでは 各モードで撮影した病変部と他のモードで撮影した対応する病変部の特定が素早くできる 図 6に乳房の再構成トモシンセシス断層像の一例を示す 図 7に低コントラスト領域における描出の優位性の一例を示す 図 6: 再構成されたトモシンセシス断層像撮影台から圧迫パドルまでの乳房の再構成されたトモシンセシス断層像は 矢印で示す嚢胞と石灰化が乳房内の異なる高さにあることを明らかにしている 4 倍線量のデジタルマンモグラム 1 倍線量のトモシンセシス ファントム の断層像 図 7: 低コントラスト領域における描出の優位性低コントラスト領域の視認性評価のため 左画像 :ACR ファントムを切除した乳房の上に配置して撮影 中央画像 :4 倍線量の従来デジタルマンモグラム 右画像 : デジタルマンモグラムの 1/4 の線量の線量で撮影したトモシンセシス画像 中央画像は右画像に対し低コントラスト部分の視認性が劣っている MEDIX VOL.54 33

5 6. 可能性のある臨床上の利点 (1) 再検査や生検の減少および癌病変部検出の改善トモシンセシスは 2Dマンモグラフィ検査での再検査と 追加撮影が必要となる主な原因である組織の重なりによる読影問題の多くを解決するであろう また疑わしい部分の視覚化が改善されることにより 生検率は減少できるだろう 2D マンモグラフィでは隠されているいくつかの病変は 構造ノイズ解消により識別できるようになる 従ってトモシンセシスは癌病変部の検出を改善する可能性が大きい (2) 組織の位置特定トモシンセシス断層像内の病変の位置が乳房内の真の 3D 座標を完全に決めるので バイオプシー検査はトモシンセシスで作成された座標を用いて行うことができる (3) より明瞭な画像組織の重なりや構造ノイズが減った画像が示されるため 病変部がより明瞭に見えることが期待される これは より確実な読影につながる可能性がある 図 8は3Dトモシンセシス撮影がどうしてより確実な読影につながるかを示している 従来のマンモグラフィでは 乳房は組織の重なりを減らすように圧迫される トモシンセシスでは 構造ノイズの減少のため良好な病変視認性が得られる この図で青で示される病変は 白で示される重なった組織からの 2D 画像でははっきりしない 右に示される適切な断層像 (3D 画像 ) では病変の明瞭な視覚化が可能である このことは読影を行う放射線科医にとって確信度が向上される結果となる (4) トモシンセシス撮影の方向トモシンセシスの開発当初には トモシンセシス画像の 3D 特性から多方向からの乳房を観察することができるので トモシンセシス撮影は MLO 方向での撮影のみでよいであろうと示唆されていた 6) しかし 現在ではトモシンセシスは MLO 方向とCC 方向の両方が必要となることが示されている これはトモシンセシスが CTのような他の撮影モダリティとは異なり サジタル像やコロナル像のような直交多面再構成画像を生成できないためである 伸ばした平面の または球体でない病変部は 多方向より一方向で撮影された場 7) 合に よりよく表示できる 最近の科学発表では CC 方向のトモシンセシス像で見られたが MLO 方向のトモシンセシス像では見えなかった癌が 9% あったとの報告がある 7. トモシンセシス臨床試験 Hologicは トモシンセシスの性能を調査するため 複数の施設や読影医による試験を行った 8) 試験の目的は 従来のデジタルマンモグラフィ (2D) に加えて乳房トモシンセシス (3D) を用いた放射線科医による癌検出率と検診の再検率を 2D 画像のみを用いた場合と比較することである 試験では 5カ所の臨床センターにおいて女性 1,083 人が両乳房の 2D 撮影と 3D 撮影を受けた 画像は検診マンモグラフィだけでなく診断マンモグラフィからも集められた 2Dと3D 撮影の両方とも 両乳房の CC 画像とMLO 画像からなっている CCと MLO の3D 撮影は Hologic Seleniaトモシンセシス プロトタイプを用いて行われた ランダムに選ばれた 316 例の撮影データが 放射線医 12 人により検討された まず 2D 画像が評価され 次に読影者が 2Dと3D 画像を一緒に読影し評価した 読影者 12 人全員について 臨床評価結果をROC 曲線に表し 測定した結果 2D+3D 画像による読影結果が 2D 画像のみの読影結果と比較して優れていた 図 9に読影者 12 名分のROC 曲線の平均から作成された ROC 曲線を示す 読影者の ROC 曲線下の平均面積は forced BIRADS 評価を用いて0.83から0.90と0.07 増加し のp 値 ( 有意確率 ) で高い有意性の増加を示している 2D 撮影のみの読影においては BIRADSで 4および 5と評価された癌の割合が 66% から 2D 撮影に 3D 撮影を組み合わせた読影では 76% に改善され BIRADSで1-3と評価された特 図 8: トモシンセシスは より鮮明な画像を提供従来のマンモグラフィ内で重なった組織 ( 左 ) と隠れた病変は トモシンセシスを用いることで不明瞭になる可能性が減少 ( 右 ) 図 9: トモシンセシスは マンモグラフィのみに比べて診断能が改善読影者 12 名を平均した 2D および 2D+3D 撮影性能の ROC 曲線 トモシンセシスを用いた臨床性能に著しい改善を示している 34 MEDIX VOL.54

6 異度は84% から 89% に増加し 43% の平均再検率の減少がみられた この複数施設の複数読影検査で 放射線医の読影成績は 2D 撮影に 3D 撮影を組み合わせて読影した場合 2D 撮影のみの場合と比較して著しく改善された 図 10に臨床例画像を示す いずれも従来の画像に比べ トモシンセシスデータからの断層像で明瞭に描出されている 8. 結論乳房トモシンセシスは 重なった組織間の情報をより明瞭に識別可能にすることによって 病変のより正確な評価ができる 3D 画像を提供する この技術の利用から より低い再検率 要生検のためのより高い陽性予測率 より高い癌検出率 より少ない再検 より少ない生検 および放射線医のより確実な読影がもたらされることが期待される 乳房トモシンセシスは 検診マンモグラフィおよび診断マンモグラフィの両 方で大いに役立つであろう 謝辞本文の画像を提供していただいた下記の施設に謝意を表します Dartmouth Hitchcock Medical Center, Lebanon, NH USA Magee Women s Hospital, Pittsburgh, PA USA Massachusetts General Hospital, Boston, MA USA Netherlands Cancer Institute-Antoni Van Leeuwenhoek Hospital, Amsterdam, Holland University of Iowa Health Care, Iowa City, IA USA Yale University School of Medicine, New Haven, CT USA 従来のデジタルマンモグラムではよく見えない管状小葉腺癌 ( 左の画像 ) は トモシンセシスデータからの断層像でより良く評価される ( 右の画像 ) デジタルマンモグラフィでは疑わしい領域 ( 左の画像 ) は トモシンセシスで問題ないと識別できる ( 右の画像 ) 浸潤性小葉癌と 従来のデジタルマンモグラムでよく見えない多病巣 ( 左の画像 ) は トモシンセシスデータからの断層像ではより明瞭に描出されている ( 右の画像 ) マンモグラフィでは隠れている癌 ( 左の画像 ) がトモシンセシスデータからの断層像では描出されている ( 右の画像 ) 図 10: 臨床例画像 MEDIX VOL.54 35

7 用語説明 CC... CaranioCaudal( 頭尾方向 ) MLO... Mediolateral Oblique( 内外側斜位方向 ) DQE... Detective Quantum Efficiency ( 検出量子効率 ) 検出器の線量効率の尺度 BIRADS... Breast Imaging Reporting And Data System Forced BIRADS... 1~5のみの評価値 すなわち再検なしを可能とする BIRADS 評価点 ROC... Receiver Operating Characteristics( 受信者動作特性 ) 識別閾値が変化するような 2 値分類システムのための真陽性率対偽陽性率のグラフ プロット トモシンセシス... トモシンセシスは デジタル画像収集と画像処理に 従来の断層撮影装置で使用される単純な X 線管 / 検出器運動を組み合わせている CT に似ているが 別個の技法である セレン... 直接変換 X 線画像検出体に使用される放射線検出材料ヨウ化セシウム... 間接変換 X 線検出体に使用される放射線検出材料 RSNA 2004, Session SSM02-03 Breast (digital mammography). 7) Rafferty EA, Niklason L, Jameson-Meehan L. : Breast Tomosynthesis : One View or Two? Presented at RSNA 2006, Session SSG01-04 Breast Imaging (digital tomosynthesis.) 8) Rafferty EA, Niklason L, Halpern E et al. : Assessing Radiologist Performance Using Combined Full-Field Digital Mammography and Breast Tomosynthesis Versus Full-Field Digital Mammography Alone : Results of a Multi-Center, Multi-Reader Trial. Presented at RSNA 2007, Session SSE26-02 Late Breaking Multicenter Clinical Trials. Selenia はホロジック インコーポレイテッドの登録商標です 参考文献 1) Dobbins JT III and Godfrey DJ. : Digital x-ray tomosynthesis : current state of the art and clinical potential, Phys. Med. Biol Oct 7 ; 48(19)R ) Newman, L. : Developing technologies for early detection of breast cancer: a public workshop summary. Washington, D.C. : Institute of Medicine and Commission on Life Sciences National Research Council, ) Niklason LT, Christian BT, Niklason LE, Kopans DB, et al. : Digital tomosynthesis in breast imaging. Radiology Nov ; 205(2): ) Smith A, Hall PA, Marcello DM. : Emerging technologies in breast cancer detection. Radiology Management. July-August 2004 ; ) Smith AP, Ren B, DeFreitas K et al. : Initial Experience with Selenia Full Field Digital Breast Tomosynthesis. In : Proceedings of IWDM Durham North Caroline, June 2004, Ed. Etta Pisano. 6) Rafferty EA, Kopans DW, Wu T, Moore RH. : Breast Tomosynthesis : Will a Single View Do? Presented at 36 MEDIX VOL.54

加するのではないかという危惧がある それについての詳細 は当院技師の別稿を参照してもらいたいが 苦痛や乳腺線量 が大幅に増加することはない 2.Selenia Dimensions System についての文献的報告 先に述べたように ひと口に乳房トモシンセシスと言って も 装置によって表示される画

加するのではないかという危惧がある それについての詳細 は当院技師の別稿を参照してもらいたいが 苦痛や乳腺線量 が大幅に増加することはない 2.Selenia Dimensions System についての文献的報告 先に述べたように ひと口に乳房トモシンセシスと言って も 装置によって表示される画 論文 乳房デジタルトモシンセシス 3D マンモグラフィ : 臨床現場での現状 Breast Tomosynthesis, Three-Dimensional X-Ray Breast Imaging Systems : Current Clinical Relevance 鯉淵幸生 Yukio Koibuchi 小田原宏樹 Hiroki Odawara 独立行政法人国立病院機構高崎総合医療センター乳腺

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