コンピュータ断層撮影
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コンピュータ断層撮影（—だんそうさつえい、Computed Tomography, CT, シーティー）は放射線などを利用して物体を走査しコンピュータを用いて処理することで、物体の内部画像を構成する技術・機器のことである。
広義のCTは、ポジトロン断層法 (PET)や単一光子放射断層撮影 (SPECT)、や核磁気共鳴画像法 (MRI) などの、コンピュータを用いて断面像を得る各種検査法の総称である。
「断層撮影」の名前のとおり、本来は物体の（輪切りなどの）断面画像を得る技術であるが、これらの検査技術は単に断面画像として用いられるのみでなく、画像処理技術向上によって3次元グラフィックスとして表示されることも多く、必ずしも「断面」に限定して用いる検査方法ではなくなってきている。
これら広義のCTのうち最初に実用化されたのはX線CTであり、2007年時点で、単にCTと言った場合にはほぼ常にX線を利用したCTのことを指す。この記事でも特にX線CTについて述べることとし、以下ではX線CTのことを単にCTと書く。
CTは、主に臨床検査の手段として広く用いられているほか、非破壊検査にも欠かせない。
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[編集] 原理
現在最も一般的なCT撮影装置の場合、機械本体はドーナツ型をしており、検査対象の人や物体はこの中央部に配置されたスライドする台に乗せられる。
検査対象の周囲を線源と検出器が回転し、検査対象はX線を全方位から受ける。照射されたX線は検査対象を通過し、対象に一部吸収されて減衰した後、線源の反対側に位置するX線検出装置に到達し、記録される。
つまりCTで元となるデータは、物体に360度から照射したX線が、それぞれの方向ではどの程度吸収されたかを示す度合いである。
その後CT装置は、データをもとにコンピュータで画像をフーリエ変換で再構成する。
1断面を格子状に分割し、各部位の吸収率を未知数とし、その合計が実際の吸収量と等しくなるように連立方程式を立て、これを解くのである。巨大な行列演算である。2007年現在では、1断面を512ピクセル四方の格子に分割する機種が多いが、1024ピクセル四方に分割し処理できる空間解像度の高い機種も存在する。
以上のように、基本的な原理はMRIなどと比べてシンプルである。実際には、撮影速度や画質を高めるために様々な工夫がなされるため、アルゴリズムはより複雑である。
画像を構成するのにかかる時間はコンピュータの処理速度に大きく依存している。CTの実用化当初は撮影してから画像が出力されるまでに大きな待ち時間を要していたが、現在はX線照射とほぼ同時にリアルタイムで画像を確認できるまでに高速化した。
吸収率の単位としては、伝統的に空気を-1000HU、水を0HUと定義したHU (Hounsfield unit) という単位が利用され、これによる吸収率の表現を特に「CT値 (CT number)」と呼ぶ。
[編集] 歴史
最初の商業的なCTスキャナーはThorn EMI中央研究所で英国人のゴッドフリー・ハウンズフィールドによって発明された。ハウンズフィールドは1967年に考案し、1972年に発表した。CTスキャナーはビートルズによる最も偉大な遺産だと言われる。彼らの記録的なレコードの売上が科学研究に資金を供給する事を可能にした。マサチューセッツ州のタフス大学のアラン・コーマックは独自に同様の装置を発明した。彼らは1979年のノーベル医学生理学賞を受賞した。
原型は1971年、160の並列読み出しを180°にわたって1°刻みで走査するのに5分以上かかった。 画像は走査後、大型計算機で2.5時間かけて代数復元された。
最初に生産されたX線CT(EMIスキャナーと呼ばれた)は脳の断層撮影に用いられた。2つの断層データを得るのに約4分かかった。そして、断層画像を得るのにデータゼネラル社のミニコンピュータを使用して画像一枚あたり約7分かかった。
[編集] 医療機器としてのCT
[編集] 適応
X線CTは短時間でほとんど苦痛なく検査ができ、それでいて多くの情報を得ることができることから、決して万能ではないものの、超音波検査と並び最もよく用いられる画像検査のひとつである。
あらゆる領域における多種多様な疾患のスクリーニング・精査目的の検査として適応がある。
[編集] 撮影法・特殊な応用法
[編集] 単純CT
造影剤を使用せずに撮影を行うものを単純CT (plain CT) と呼ぶ。脳内出血、組織の浮腫、骨の形態異常、肺の形態などは、造影剤を用いなくても（あるいは用いない方が）充分に観察できる。
臓器によっては腫瘍の存在をはっきり視認できないことも多いが、周囲の組織の圧排などから推測できることもある。
[編集] 造影CT
単純CTに対して、X線吸収率の高いヨード造影剤を血管内（通常は末梢の静脈内）に注射してから撮影を行うものを造影CT (contrast enhanced CT; CECT) と呼ぶ。
造影剤は注入された後、血流に沿って全身の血管に移動するほか、毛細血管からの拡散によりゆっくりと血管外の細胞外液にも移行し、各種臓器の実質を染める。
血管内や、血流が豊富な組織が濃く（白く）描出され、画像のコントラストが明瞭になる。多くの腫瘍は周囲の正常組織より血流が豊富であるため、観察しやすくなる。一部の腫瘍や、虚血部分は造影されない（黒く描出される）ため、これによっても病変を診断できる。単独で、または単純CTと併用して診断に用いられる。
撮影の目的によって、これらのどのタイミングで撮影するべきかが異なる。大まかにいえば、血管の評価が主な目的であれば早期相（注入開始後15秒～30秒）での撮影が、その他の臓器の評価が目的であれば遅延相（注入開始後120秒以上）での撮影が適する。造影剤の注入速度や造影剤のヨード濃度も検査の目的によって様々に選択される。
- 主な造影剤の種類 （非イオン性・陽性造影剤、主成分：ヨード）
- オムニパーク（第一三共）
- イオパミロン（バイエル）
- イオメロン（エーザイ）
- オプチレイ（タイコヘルスケアジャパン）
特殊な造影CT撮影法を以下に示す。
- ダイナミック造影CT
- 造影剤を急速静注（毎秒3mL以上）したのち、複数のタイミングで同じ部位を反復撮影するもの。特に肝臓や膵臓腫瘍の診断に有効であり、腫瘍のタイプによって血液の洗い出し時間が異なることを利用している。例えば古典的肝細胞癌は、動脈相では周囲の肝実質より強く染まるが、遅延相ではむしろ周囲の肝実質より低吸収のパターンを示すことから診断可能である。
- CT血管撮影（CTアンジオ）
- 造影剤を急速静注したのち、動脈内の造影剤濃度が最も高くなるようなタイミング（動脈相）でCTを撮影することで、動脈が明瞭に描出される。動脈瘤等の動脈疾患の診断に用いられる。
- IVR-CT
- カテーテル検査の最中に、動脈や静脈に直接造影剤を注入しながらCT撮影を行うもの。狙った血管や臓器のみを強く造影することができ、正診率が高まることが期待される。
ヨード以外の造影剤を用いるCTとしては、空気や水を陰性造影剤として消化管に注入したり、リピオドールなどの油性造影剤を注入後に撮影するCTもある。
[編集] CTガイド下穿刺法
体内の組織を取り出してその性状を調べる検査（生検）は、針を刺すだけで施行できれば切開するのに比べて侵襲をはるかに少なくすることができる。CTで位置を確認しながら穿刺部位を決定することで実現したものをCTガイド下生検と呼ぶ。肺腫瘍等の診断に用いられている。
その他CTガイド下にドレナージや薬剤注入を行う場合がある。
[編集] CT検査の人体への影響
CTは極めて安全な画像検査であり、先進国ではほとんどの大病院に普及し日常的に施行されているが、人体への悪影響（副作用）として以下のようなものがある。
- 放射線による被曝
- CTによる被曝線量は各種放射線検査のうちで、やや多い方に属する。被曝量は検査部位や検査方法、機器の性能や設定によって異なり、たとえばダイナミックCTの場合には1回のみのスキャンと比較して被曝が増える。検査によっては1回で数十mSv～100mSvを超えるX線被曝を受けることもある。ただし血管撮影をはじめとするX線透視下に行う各種手技(IVR)に比較すればCTの被曝量は総じて少なく、また放射線治療目的で使用される線量と比較すると、数十～数百分の1にとどまる。従って一般的に、放射線による健康被害のうち、確定的影響（ある閾値を超えれば誰にでも起き、逆にある閾値未満では決して起こらない影響）とされる急性期の放射線障害がCTで起こる可能性は皆無であり、考える必要はまずない（つまり白血球減少・脱毛・吐き気、あるいは大量被曝による死亡などが即座～数週間のうちに起こる可能性はない）。CTで問題となるのは、数か月～数十年後に初めて顕在化してくる悪性腫瘍のリスクの増加、あるいは子孫への遺伝的影響である。これらは確率的影響と呼ばれ、どんなに少量の被曝であってもリスクはゼロにはならず、少量の被曝なりに少量のリスクが存在するものと仮定されている（直線しきい値無し仮説。疫学的証明があるというよりは、安全のためにそのようなモデルが「想定」されている）。従って放射線検査は必要最小限のみ行い無駄な被曝をしないようとどめることが原則である。
CT被曝による具体的な健康被害のを統計的に見積もることは難しい。最低でも数年にわたる追跡が必要になるし、CTを受ける人は通常何らかの症状があり元々癌の可能性が高い。健康な成人をCTを施行する/しない群に分けて追跡するのは倫理的問題があり、またCTを施行するほど当然無症状の早期悪性腫瘍は余分に見つかるので、見かけ上の癌発生率は高まってしまう。
悲観的なデータでは先進国の発癌の原因の数%がCTによるものという見積もりもあり、何度かマスコミで報道され問題化したこともある。しかしこれらは日本の原子爆弾被爆者追跡結果との対照で推定された数値であり、前述の直線しきい値無し仮説じたいも悲観的仮定に過ぎない（被曝参照）ため、これらに依拠した見積もりの信頼性に疑問を呈する声も強く、専門家でも意見の一致はない。現状では1回のCT検査程度でとり立てて発癌を恐れる必要はなく、ほとんどの場合、リスクよりも得られる情報の方が遙かに高い有益な検査であるが、特に若年者で放射線感受性の高い部位（生殖器など）の撮影を繰り返す場合や妊婦の場合など、慎重な判断が必要である。
- 医療機器への影響
- 従来、心臓ペースメーカーへの影響はないとされていたが、2005年に一部の心臓ペースメーカーにおいて、CT検査中にリセットを引き起こす稀な事象が確認された。植え込み型除細動器の誤作動も報告されている。これらは生命に危険を及ぼす可能性があり、機器にX線を照射しないようにしたり、照射時間を減らしたりするなど、各病院で対応策が採られている。
- 閉所恐怖症者への心理的作用
- CTはMRIと比較すると短時間で検査が済み、検査機器による圧迫感も少ないが、重度の閉所恐怖症患者においては恐怖やパニックを惹起し、施行困難となることがある。そういった場合、検査の有用性を考慮した上で、鎮静剤等の使用も検討する。
- 造影検査時のヨード造影剤による副作用
- 軽度の場合は、一時的な吐き気や皮膚のかゆみなどで、造影剤を使用する患者の数%に生じる。治療を要する呼吸困難やアレルギー反応も1%未満に生じる。ごく稀にヨード造影剤によるアナフィラキシーショックや急性腎不全などの重篤な副作用が生じることがあり、造影数十万件に1件程度の頻度では死亡に至る例がある。これら造影剤の化学的な作用に起因する副作用以外に、造影剤を使用することによって「副作用が出るかもしれない」という患者の心理状態が、一種の薬理学的なプラセボ効果として作用し、擬似的な副作用（強い思いこみによる暗示に近い効果）が現れることもある。
- 検査自体の危険性
- CT装置は巨大で移動もできず、大きな装置の中の狭い寝台の上に患者を運ぶ必要があり、撮影の瞬間は被曝防止のため患者から医療従事者が離れ、生命維持のための装備も最小限とする必要がある。救急領域で特に威力を発揮する価値ある検査とはいえ、ショック状態などICUレベルの真に重篤な患者ではこれらの制約のため、CT撮影そのものが十数人のスタッフを要する命がけの検査となることがある。
[編集] MRIとの比較
同じ輪切り画像検査として、X線CTとMRIはよく比較される。本来まったく異なる臨床意義を持つ検査であるが、X線CTはMRIに対して以下のような利点と欠点を持っていると言える。
[編集] 利点
- 検査が短時間
- 空間分解能が高い
- 磁気を使用しないので金属（心臓ペースメーカー等）使用者にも施行可能（ただしペースメーカーについては副作用の欄も参照）
- アーティファクト（画像の乱れ）が少なく、広範囲の撮影が可能
- 出血巣、骨、肺の内部構造などが明確に描出される
- 騒音や閉塞感が少ない
- 普及率が高く、安価である
[編集] 欠点
非常に大まかには、骨疾患や肺疾患、あるいは出血などの救急疾患の場合には、MRIよりもCTが有用なことが多い。一方で、脳腫瘍や子宮・卵巣・筋肉の疾患においては、MRIの軟部組織分解能が威力を発揮する場面が多い。
[編集] 技術革新
CTは現在でも絶え間ない技術革新が続けられている領域であり、工学や情報科学の発達の恩恵を最も受けている医学領域のひとつである。
[編集] ヘリカルCT
1枚の断層画像を得るために線源を1回転させる撮影方式では細かく寝台を動かしながら何度も撮影する必要があるため、撮影時間が長くかかり、動きによるアーティファクトが出やすかった。
そこで、寝台を一定速度で動かしながら線源を回転させ続ける撮影方式（患者からみると線源がらせん状に動く）が実用化されヘリカルCT（らせんCT・スパイラルCT）と呼ばれる。
検査時間が短縮され、一度の息止めで広範な撮影が行えるなどメリットが大きい。データ処理アルゴリズムが複雑となるが、現在のコンピュータではほぼ問題にならない。ただし骨周辺などで、ヘリカルアーティファクトと呼ばれる特有のノイズが出ることがあり、息止めを必要としない頭部の撮影などでは、従来通りの1スライス毎に寝台を移動させる方式も併用されている。
[編集] 多列検出器CT (MDCT)
ヘリカルCTの後に実用化された。X線を扇状にやや広い角度に照射し、同時に検出器自体をスライス方向に、例えば0.5mm刻みで複数並べたものである。マルチスライスCT(MSCT)とも呼ぶ（メーカーによって呼び方が異なる）。1回の線源の回転でより多くの範囲の撮影が行える。
移動軸と垂直ではない、僅かながら傾いた方向から入射するX線を検出・処理するため、更にデータ処理は複雑となる。2007年現在、検出器を64列に並べた64列CTが各社から製品化されており、既に320列CTが存在する。
[編集] 表示方法の多様化
CTで得られるのは、平面上の画像（スライス）の集合である。
以前はこれらの画像は、単にフィルム上に白黒写真として並べて焼き付け、蛍光灯の光にかざして観察していた。旧世代のCTでは、検査時間や被曝量等の物理的制限で、1cmや5mm刻みなどによる比較的少数のスライスしか撮影できなかったためこれでも充分であった。
しかしヘリカルCTや多列検出器CTといった撮像技術の発達により、0.5mm(500µm)厚といった非常に薄いスライスでの撮像が、日常的に多くの施設で可能となってきた。薄いスライス厚によって画像の枚数も大幅に増加したため、現在では多くの施設で、かさばるフィルムではなく、CRTや液晶のモニタ上で、リアルタイムにコントラストや明るさを調節しながら画像を観察するようになっている。
また、充分に薄くなったスライス厚は、CT画像を3次元的に捉えることをも可能とした。1度の撮影で得られたすべての画素を、CT値（X線吸収の程度）の3次元行列として捉えるのである。この3次元上のピクセルのことを、特に3次元であることを強調してボクセル voxel と呼ぶ（volume pixelに由来する）。
任意の方向に十分な解像度を持った3次元のボクセルデータが取得できるようになり、それを記憶・処理できるメモリや処理装置も非常に安価となったため、以下に挙げるような、様々なCTの観察方法が利用されている。
[編集] 任意断面再構成 (MPR)
3次元の等方性ボクセルデータが入手できるようになり、CTだからといって「輪切り」で体内構造を観察しないといけない必然性がなくなったため、対象物の任意の方向の断面を再構成して表示することが可能となった。
細かい血管の走行や腫瘍の進展などについては1断面のみからでは把握しづらいため、MPRは診断に大きく寄与した。変法として円柱面やベジェ曲面上にボクセルデータを投影する方法もあり、変形した脊椎の病変の診断などで威力を発揮する。
[編集] 3次元レンダリング
十分に解像度の高いボクセルデータは、再構成して適切な陰影付け・遠近感を施し、人間が直感的に把握できる3次元グラフィックスとして表示できる。断層像では認識しづらい複雑な脈管構造や、立体的な構造把握の難しい部位（頭蓋骨など）の診断に威力を発揮する。
ある程度再構成時に人手を介するため、厳密な測定目的には向かないが、全体像の把握や術前の計画、患者への説明用には有用である。視点を気管内や大腸内に置き、これら臓器の内面を立体的に表示する、バーチャル内視鏡も実用化されている。
[編集] 心臓CT・4次元CT
常に高速に動き続ける心臓は、CTが最も苦手としてきた臓器の一つであるが、多列検出器CTを用いて高速に広範囲の撮影が可能となり、心電図同期技術や線源高速回転技術も発達したことで、心臓分野でもCTが威力を発揮するようになった。現在では心臓表面の直径2mmの血管の狭窄までも描出し、一部の血管カテーテル検査を置き換えられるようになってきている。しかも動き続ける心臓の3次元映像をアニメーションで表示することすら作成可能になってきている。 近年脳動脈瘤の拍動を調べることにより、未破裂脳動脈瘤の破裂リスクを予想しようとする研究にも用いられはじめている。
[編集] 医療目的以外のCT
放射線被曝による健康の影響や、生命体を扱うことによる避けられない動き制限などがなくなれば、CTの解像度は更に上げていくことができる。
現在では、CTによって、対象物体の顕微鏡レベルの微細な構造を描き出すことができる。
[編集] 関連項目
- アラン・コーマック、ゴッドフリー・ハウンズフィールド - CT開発者。1979年ノーベル生理学・医学賞受賞。
- DICOM
- 医用画像処理
