医 用 画 像 機 器 工 学 Ⅱ 診 療 放 射 線 技 師 国 家 試 験 に 出 題 される X 線 CTの 問 題 は 非 常 に 少 なく10 問 程 度 しかし 診 療 放 射 線 技 師 はCT 操 作 を 主 な 業 務 として 従 事 する 場 合 が 多 い 現 在 の 放 射 線 技 師 業 務 の 実 態 が 放 射 線 技 師 国 家 試 験 内 容 に 反 映 されていない さらに 眼 底 検 査 の 国 試 問 題 も 扱 う
25 年 国 家 試 験 解 答 5
歯 科 用 CT アーム 型 のコンパクトな 構 造 で 歯 上 顎 骨 下 顎 骨 など 硬 い 構 造 の 断 層 画 像 を コーンビームX 線 で 撮 像
歯 科 用 CTは 歯 上 顎 骨 下 顎 骨 など 硬 い もの( 高 コントラスト 被 写 体 )を 撮 像 できれば よいので 低 感 度 のX 線 検 出 器 でも 実 用 可 能 ( 軟 部 組 織 の 情 報 はほとんど 得 られない)
CTのX 線 検 出 器 に 要 求 される 性 能 1. X 線 検 出 効 率 が 高 いこと CTの 被 曝 量 を 減 らすために 患 者 を 通 過 したX 線 は ほぼ100%の 効 率 で 検 出 できることが 必 要 2. 小 型 安 定 計 数 率 直 線 性 現 在 のCT 装 置 は 検 出 器 を 高 密 度 に 多 列 配 置 するため 検 出 器 間 の 仕 切 り 幅 をできるだけ 狭 くする 必 要 がある ( 検 出 器 間 の 仕 切 り( 隙 間 )を 狭 くすると 検 出 器 全 体 のX 線 検 出 効 率 が 上 がる )
現 在 のCTのX 線 検 出 器 は シンチレータとフォトダイオード シンチレータにX 線 が 入 射 する と 可 視 光 線 が 出 る フォトダイオードで 光 線 を 電 流 に 変 換 Gdを 主 成 分 としたセラミックシ ンチレータの 微 粉 体 を 微 小 な フォトダイオードを 多 数 並 べた ブロック 上 に 焼 付 けている
X 線 用 イメージ インテンシファイア Image Intensifier I. I. 一 般 CTのX 線 検 出 器 には 使 用 されない X 線 検 出 効 率 が 低 く 形 状 も 大 型 I.I.は 人 体 を 透 過 してきたX 線 を (1) 入 力 蛍 光 面 (ヨウ 化 セシウム)で 受 け 光 に 変 換 された 後 (2) 光 電 面 (GaAs 等 の 化 合 物 半 導 体 )にて 電 子 に 変 換 され その 電 子 を 加 速 しながら 収 束 させ (3) 出 力 蛍 光 面 で 光 に 変 換 して 画 像 化 する 蛍 光 面 に 出 現 した 像 をCCD (Charge Coupled Device : 半 導 体 画 像 センサ)で デジタル 信 号 として 取 り 出 す
コーンビームCT cone-beam CT コーンビームX 線 を 用 いたCT cone : 円 錐 中 心 部 から 外 れた(コーン 角 が 大 きい) 部 位 ほど 像 の 歪 み などのアーチファクトがあり 幾 何 学 的 歪 み 補 正 を 実 施 して 断 層 像 を 再 構 成 する 必 要 がある
ヘリカルスキャンCT helical scan CT helical : らせん scan : 走 査 X 線 管 球 が 高 速 連 続 回 転 し 患 者 ベッドが 一 定 速 度 で 移 動 するので らせん 状 にX 線 が 通 過 検 出 器 も 体 軸 方 向 に 複 数 ( 現 在 は 最 大 256 列 ) 並 び(マルチスライスCT MultiSlice CT, MSCT) 短 時 間 で 広 範 囲 多 断 面 を 撮 影 できる 体 軸 方 向 データに 切 れ 目 がないので 体 軸 方 向 の 断 面 像 も 良 好 に 得 られる
25 年 国 家 試 験 解 答 4
DAS Data Acquisition System データ 収 集 システム 複 数 のX 線 検 出 器 の 出 力 電 流 を 集 約 化 およびデジタル 化 して コンピュータシステムに 送 るユニット
DAS Data Acquisition System X 線 検 出 器 のフォトダイオードからの 出 力 電 流 は 微 弱 で 数 pa~μa まず 電 流 信 号 の 雑 音 除 去 と 増 幅 および 積 分 回 路 で 1ミリ 秒 程 度 の 時 間 幅 のデータに 整 える 同 時 に 得 る 複 数 の 信 号 を 一 つの 時 経 列 信 号 にまとめるマルチプレクサ 回 路 を 介 して 複 数 の 検 出 器 信 号 を 時 経 列 アナログ 信 号 に 変 換 それをAD 変 換 (Analog to Digital ) 回 路 を 介 し て 断 層 画 像 を 算 出 するコンピュータに 送 る
CTに 使 用 されるX 線 発 生 装 置 現 在 では 高 周 波 インバータ 方 式 が 多 い CTに 自 己 整 流 X 線 管 球 は 用 いない 自 己 整 流 型 X 線 管 X 線 管 球 自 体 で 整 流 を 行 う 方 式 整 流 器 が 不 要 になる 利 点 と X 線 管 球 の 負 担 が 大 きくなる 欠 点 がある 多 くの 歯 科 用 X 線 撮 影 装 置 は 自 己 整 流 方 式 を 用 いている
CTでは 回 転 陽 極 X 線 管 が 用 いられる 高 額 である( 数 百 万 ~2 千 万 円 ) 年 1 回 交 換 回 転 陽 極 は 傘 状 のターゲットを 高 速 回 転 させ 冷 却 装 置 も 備 え X 線 発 生 時 の 発 熱 を 抑 制 CTでは 数 秒 間 の 連 続 的 なX 線 発 生 が 必 要 で 固 定 陽 極 X 線 管 では 発 熱 が 多 く 使 用 できない
歯 科 用 CTでは イメージ インテンシファイアと CCDなどのフラットパネル 型 の 画 像 センサを X 線 検 出 器 に 使 用 するが 一 般 のCTでは このような 検 出 器 の 組 合 せは X 線 検 出 効 率 が 低 く 形 状 も 大 型 で 使 用 しない 現 在 のCTのX 線 検 出 器 は X 線 検 出 効 率 が 高 く 形 状 も 小 型 で 多 列 配 列 が 容 易 な シンチレータとフォトダイオードの 組 合 せが 使 用 されている
患 者 の 頚 部 角 度 を 調 節 して OM line に 沿 うCT 撮 影 を 実 施 するのは 難 しい CTの 走 査 ガントリは 傾 き 角 度 を 変 えられる チルト 機 構 (tilt : 傾 き)を 備 えた 装 置 が 多 い 頭 部 CTでは OM line (orbito-meatal baseline) ( 外 眼 角 と 外 耳 孔 中 心 を 結 ぶ 線 )に 沿 う 断 面 を 撮 影 する ガントリーをチルトすると 便 利
25 年 国 家 試 験 解 答 5 ピッチ = Δ / T 2 = Δ / 10 Δ = 20
シングルスライスヘリカルCTの 場 合 ヘリカルピッチは 管 球 (またはガントリ)が 1 回 転 する 間 のベッド(テーブル) 移 動 距 離 Δ を ビームコリメーション 幅 T( = コーンビームX 線 の 体 軸 (Z 軸 ) 方 向 の 幅 )で 割 った 値
シングルスライスヘリカルCTの 場 合 ヘリカルピッチ = テーブル 移 動 距 離 Δ コリメーション 幅 T ヘリカルピッチの 意 味 は 体 軸 方 向 のデータ 量 ピッチが 大 きい = 体 軸 方 向 のデータ 収 集 が 粗 い 実 際 の 撮 影 でのヘリカルピッチは 0.6 ~ 1.5 程 度 ピッチの 値 が 小 さいほど 体 軸 方 向 の 断 層 像 の 画 質 が 良 くなるが 撮 影 時 間 は 長 くなり 患 者 の 被 曝 が 多 くなる
マルチスライスヘリカルCTの 場 合 ヘリカルピッチは 管 球 (またはガントリ)が1 回 転 す る 間 に 患 者 ベッド(テーブル)が 移 動 する 距 離 Δ を ビーム 厚 ( 検 出 器 列 数 N x コリメーション 幅 T ) で 割 った 値
マルチスライスヘリカルCTの 場 合 ビームピッチ = ディテクタピッチ = テーブル 移 動 距 離 Δ ビーム 厚 NT テーブル 移 動 距 離 Δ 検 出 器 1 列 分 の コリメーション 幅 T 実 際 の 撮 影 でのビームピッチは 0.6 ~ 1.5 程 度 ビームピッチが 1 未 満 体 軸 方 向 データに 重 複 (オーバーラップ)が 生 じる ビームピッチが 1 以 上 体 軸 方 向 データに 欠 損 (ギャップ)が 生 じる
ビームピッチ 0.66 の 鼻 腔 体 軸 断 層 像 ビームピッチ 1.25 階 段 状 のアーチファクトあり
原 理 上 は ビームピッチを 1 に 設 定 した 撮 影 が 理 想 的 と 考 えられるが 実 際 の 撮 像 データは 辺 縁 部 に 並 ぶ 検 出 器 から 得 るデータは 中 心 部 に 並 ぶ 検 出 器 から 得 るデータよりノイズが 多 いので ビームピッチを 1 未 満 にして 体 軸 方 向 データ に 重 複 (オーバーラップ)を 生 じさせ 辺 縁 部 検 出 器 から 得 るデータを 重 複 させて 体 軸 方 向 断 層 画 像 の 画 質 を 良 くする
25 年 国 家 試 験 解 答 4
CT 装 置 の 日 常 点 検 項 目 7 項 目 日 本 工 業 規 格 で 定 められている(JIS-Z-4923) 1.ノイズ 2.コントラストスケール 3. 空 間 分 解 能 4.スライス 厚 5. 高 コントラスト 分 解 能 6. 低 コントラスト 分 解 能 7.CTDI (CT Dose Index : CT 線 量 指 数 )
CTDI (CT Dose Index : CT 線 量 指 数 ) CT 検 査 による 被 曝 量 推 定 値 ( 少 なくとも 半 年 に1 回 大 きな 修 理 後 にも 実 施 ) CTによる 被 曝 量 は 7~10mSv (ダイナミック 撮 影 を 行 えば 数 倍 に 増 加 ) 数 種 類 の 直 径 の 円 柱 ファントムで 計 測 ファントム 内 の 穴 に 線 量 計 を 挿 入 32cmφ 体 幹 ファントム 16cmφ 頭 部 ファントム
CTDI = 厚 さ1cmの 断 層 像 を 得 る 被 曝 量 N : 得 られるCT 画 像 枚 数 T : X 線 コリメーション 幅 z : 体 軸 方 向 の 座 標 D(z): 座 標 z での 線 量 計 測 定 値
実 際 には 有 限 な 間 隔 での 被 曝 量 しか 測 定 できないので 現 実 的 なCTDI として CTDI100 という 値 が 定 義 されている CTDI 測 定 用 ファントム 内 の 孔 に 10cmの 長 さの 電 離 箱 線 量 計 を 挿 入 して 1cmの 断 層 撮 影 が100mmの 間 隔 の 中 に 与 える 被 曝 量 を 測 定 する
CTDI W : Weighted CTDI 重 み 付 けCTDI CTの 被 曝 量 は 被 写 体 の 中 心 部 (central)と 周 辺 部 (peripheral)で 異 なる 被 写 体 が 大 きいほど その 差 は 大 きい その 差 を 考 慮 した CTDI が CTDI W である ファントム 中 心 部 の 線 量 測 定 値 を CTDI 100C 辺 縁 から1cm 内 側 4 個 所 の 平 均 を CTDI 100p として 以 下 の 式 で 定 義 する
CTDI vol : Volume CTDI マルチスライスヘリカルCTの 被 曝 量 ピッチが 1 の 場 合 は CTDI vol = CTDI W ピッチが 小 さいほど 体 軸 1cmあたりの 被 曝 量 は 増 加 する(オーバーラップが 増 えるため) CTDI vol は 以 下 の 式 で 定 義 される P : ピッチ (ビームピッチ)
ピッチが 小 さいほど 体 軸 1cmあたりの 被 曝 量 は 増 加 する(オーバーラップが 増 えるため)
DLP : Dose length product 線 量 (dose)と 長 さ(length)の 掛 算 (product) CT 画 像 1 枚 あたりの 被 曝 量 は 実 際 の 検 査 の 被 曝 管 理 の 指 標 としては 実 用 的 ではない 体 軸 1cmあたりの 被 曝 量 CTDI vol (mgy)に 撮 像 範 囲 長 L (cm) を 掛 けた 値 が DLP DLP (mgy cm) = CTDI vol L DLP から CT 検 査 の 実 効 線 量 E が 算 出 される
CT 検 査 の 実 効 線 量 E ( Effective dose ) 実 効 線 量 とは 人 体 組 織 の 吸 収 線 量 (Gy)に 放 射 線 荷 重 係 数 を 乗 じた 等 価 線 量 に さらに 組 織 荷 重 係 数 を 乗 じて 合 計 した 値 X 線 の 放 射 線 荷 重 係 数 は 1 組 織 荷 重 係 数 は ICRP (International Commission on Radiological Protection : 国 際 放 射 線 防 護 委 員 会 ) が 定 めた 値 WT をもとに 年 齢 や 部 位 別 に CTで 被 曝 する 実 効 線 量 を DLPから 推 定 する 換 算 係 数 ke が 定 められて いる
CT 検 査 の 実 効 線 量 E (Sv) = DLP ke 年 齢 部 位 別 の 換 算 係 数 ke (msv / mgy / cm) --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 才 5 才 成 人 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 頭 部 0.0067 0.0040 0.0021 胸 部 0.026 0.018 0.014 腹 部 0.030 0.020 0.015 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- マルチスライスCTの CTDIvol は 16cmΦ ファントムで 約 50 mgy 32cmΦ ファントムで 約 20 mgy
ファントムによるCTDIvol と 年 齢 部 位 別 の 撮 影 範 囲 長 と 換 算 係 数 ke を 掛 けると CT 検 査 の 平 均 実 効 線 量 E が 推 定 される 頭 部 で 約 2 msv ( 0.9 ~ 4.0 ) 胸 部 で 約 7 msv ( 4.0 ~ 18.0 ) 腹 部 で 約 8 msv ( 3.5 ~ 25.0 ) 現 在 のCTには 実 施 された 検 査 ごとの 推 定 被 曝 量 が 推 定 されるプログラムが ついている
CT 装 置 の 日 常 点 検 に 用 いる QAファントム QA ( Quality Assurance : 品 質 保 証 ) 少 なくとも 月 1 回 は QAファントム 撮 影 を
QA ファントム 内 部 には 高 コントラスト 分 解 能 コントラストスケール スライス 厚 低 コントラスト 分 解 能 ノイズを 評 価 できる 構 造 が 入 っている
CT 装 置 の 日 常 点 検 項 目 ノイズ ( 少 なくとも 月 1 回 実 施 ) 均 一 ファントムの 断 層 像 にて 統 計 雑 音 の 量 を 標 準 偏 差 SD などの 指 標 で 評 価 する コントラストスケール 水 の 線 減 弱 係 数 を 水 (0 HU) と 空 気 (-1000 HU) の CT 値 の 差 で 割 った 値 空 間 分 解 能 ( 少 なくとも3ヶ 月 に1 回 実 施 ) 空 間 分 解 能 測 定 用 の 断 層 像 にて 細 かい 吸 収 係 数 の 差 を 識 別 できるかを 目 視 にて どれほ ど 小 さいものまで 区 別 して 見 えるか 評 価 する
スライス 厚 ( 少 なくとも 月 1 回 実 施 ) 体 軸 方 向 における 空 間 分 解 能 スライス 感 度 プロフィール (SSP : Slice sensitivity profile ) を 計 測 できる QAファントム 断 層 像 にて 評 価 シングルスライス CTは SSPが 良 好 ヘリカルCTは ピッチが 大 きい 撮 影 ほどSSPが 緩 やかなカーブに 悪 化 する
高 コントラスト 分 解 能 = 空 間 分 解 能 X 線 吸 収 係 数 の 差 が 大 きい 部 位 の 分 解 能 を 測 定 できるQAファントム 断 層 面 で 評 価 どれだけ 小 さいものまで 区 別 して 見 えるかを 評 価 する 指 標 低 コントラスト 分 解 能 X 線 吸 収 係 数 の 差 が 小 さい 部 位 の 分 解 能 を 測 定 できるQAファントム 断 層 面 で 評 価 臨 床 的 には 臓 器 と 血 液 の 間 の 密 度 分 解 能 などに 影 響 を 及 ぼす 指 標
時 間 分 解 能 は 現 在 ではCT 装 置 の 日 常 点 検 項 目 には 入 っていない 時 間 分 解 能 は 1 断 層 像 をどれだけ 短 時 間 で 撮 像 できるかを 示 す シャッタースピードと 類 似 の 指 標 短 時 間 ほど 良 好 な 断 層 像 を 得 る 息 止 めをしても 臓 器 は 常 に 動 いている ( 特 に 心 臓 大 血 管 胃 腸 など) マルチスライスCTによる 造 影 剤 投 与 しながら ダイナミック 撮 影 心 臓 の 心 電 図 同 期 撮 影 など 短 い 時 間 分 解 能 を 要 する 検 査 が 増 加 している 重 要 なCT 性 能 の 指 標 になりつつある
25 年 国 家 試 験 解 答 3 CT 値 = 1000 x ( μt - μw ) / μw = 1000 x ( 0.258 0.215 ) / 0.215 = 200
ゴッドフリー ニューボルド ハウンスフィールド Godfrey Newbold Hounsfield (1919-2004) イギリスの 電 気 技 術 者 1967 年 コンピュータ を 用 いたX 線 断 層 撮 影 技 術 (CT)の 開 発 により 1979 年 にノーベル 生 理 学 医 学 賞 を アラン コーマック とともに 受 賞 した 彼 の 名 は 現 在 のCT 値 の 単 位 としてHounsfield Numberまたは Hounsfield Unit (HFまたは HU) と 使 用 され この 値 は -1000 HU を 空 気 0 HU を 水 とした 吸 収 率 の 相 対 値 で 定 義 されている
CT 値 ( HU : ハンスフィールド ユニット ) CT 断 層 像 の 画 素 値 の 基 になる 値 は 体 内 の 各 組 織 の 線 減 弱 係 数 μt だが ( μt は 組 織 の 密 度 に 比 例 する 値 ) 臨 床 的 な 理 解 度 を 容 易 にするために μt に 比 例 した 値 がCTの 画 素 値 に 使 われる CT 値 = 1000 x ( μt - μw ) / μw μw : 水 のX 線 吸 収 係 数 ( 線 減 弱 係 数 ) μt : 組 織 のX 線 吸 収 係 数 ( 線 減 弱 係 数 )
空 気 のCT 値 は -1000 1000 x ( μ air - μw ) / μw = -1000 (HU) 厳 密 には 空 気 の 線 減 弱 係 数 μ air は0ではないが 水 や 人 体 組 織 と 比 べると 極 めて 小 さい 値 なので CT 値 を 計 算 する 場 合 は μ air = 0 とする 水 のCT 値 は 0 ( 比 重 1の 密 度 が 0 HU ) 1000 x ( μw - μw ) / μw = 0 (HU) 水 の2 倍 の 線 減 弱 係 数 の 物 質 のCT 値 は 1000 ( 水 の 約 2 倍 の 密 度 が 1000 HU ) 1000 x ( 2 μw - μw ) / μw = 1000 (HU)
水 の 線 減 弱 係 数 μ W は X 線 の 線 質 ( 管 球 に 加 えた 電 圧 や 電 流 )で 変 化 するが だいたい 0.19~0.20 cm -1 である X 線 線 質 の 違 いや 被 検 者 の 体 格 差 で 同 じ 組 織 でもCT 値 は 変 化 し 厳 密 な 定 量 性 はない 定 量 性 の 正 確 さは 欠 けるが 水 や 空 気 の 重 さを 基 準 にした CT 値 は 直 感 的 に 理 解 しやすく 臨 床 的 にも 有 用 である
体 内 組 織 のCT 値 気 道 内 消 化 管 内 の 空 気 - 1000 脂 肪 組 織 - 50 ~ - 100 脳 脊 髄 液 脳 室 10 脳 室 周 囲 白 質 20 ~ 30 大 脳 皮 質 ( 灰 白 質 ) 30 ~ 40 筋 肉 肝 臓 等 の 臓 器 30 ~ 60 血 液 40 ~ 50 凝 固 血 液 ( 血 栓 ) 50 ~ 100 甲 状 腺 100 ~ 120 骨 石 灰 化 病 変 250 ~ 1000