コンピュータ断層撮影（CTスキャン）は、以前はコンピュータ体軸断層撮影（CATスキャン）と呼ばれ、体内の詳細な画像を取得するために使用される医療用画像技術です。 [2] CTスキャンを実施する人員は、放射線技師または放射線技師と呼ばれます。[3] [4] CTスキャナーは、回転するX線管とガントリーに配置された一連の検出器を使用して、体内のさまざまな組織によるX線の減衰を測定します。異なる角度から取得された複数のX線測定値は、断層再構成アルゴリズムを使用してコンピューターで処理され、体の断層（断面）画像（仮想「スライス」）が作成されます。CTスキャンは、磁気共鳴画像法（MRI）が禁忌である金属インプラントまたはペースメーカーを装着している患者に使用できます。

CTスキャンに関する1977年のオランダのニュース映画

1970年代の開発以来、CTスキャンは汎用性の高い画像診断技術であることが証明されています。CTは主に医療診断に用いられていますが、無生物の画像形成にも使用できます。1979年のノーベル生理学・医学賞は、南アフリカ系アメリカ人物理学者アラン・マクロード・コーマックとイギリスの電気技師ゴッドフリー・ハウンズフィールドに「コンピュータ支援トモグラフィーの開発」により共同で授与されました。[5] [6]

種類

画像の取得と手順に基づいて、さまざまなタイプのスキャナーが市場で入手可能です。

シーケンシャルCT

シーケンシャルCT（ステップアンドシュートCTとも呼ばれる）は、CTテーブルがステップ状に移動するスキャン方法の一種です。テーブルは特定の位置まで移動し、停止するとX線管が回転してスライス画像が撮影されます。その後、テーブルは再び移動し、次のスライス画像が撮影されます。スライス画像撮影中はテーブルの動きが停止するため、スキャン時間が長くなります。[7]

スパイラルCT

CT画像システムにおけるCTファンビームと患者の図
胸部のCTスキャン。軸方向スライス（右）は、冠状スライス（左）の番号2/33に対応する画像です。

スピニングチューブCT（一般にスパイラルCTまたはヘリカルCTと呼ばれる）は、 X線管全体をスキャン対象領域の中心軸の周りを回転させる画像撮影技術です。製造期間が長く、製造コストと購入コストが低いため、市場で主流となっているタイプのスキャナです。このタイプのCTの主な制約は、装置（円の反対側にあるX線管アセンブリと検出器アレイ）の大きさと慣性によって回転速度が制限されることです。時間分解能を向上させる技術として、2つのX線源と角度をずらした検出器アレイを使用する設計もあります。[8] [9]

電子線トモグラフィー

電子線断層撮影（EBT）はCTの一種で、X線管を十分に大きなサイズにし、偏向コイルを使ってX線管の陰極と陽極の間を移動する電子の進路のみを回転させます。[10]このタイプは、走査速度がはるかに速いため、心臓や動脈などの動く構造物のぼやけを少なく撮影できるという大きな利点がありました。[11]この設計のスキャナーは、回転管タイプに比べて生産数が少なく、その主な理由は、はるかに大きなX線管と検出器アレイの製造コストが高く、解剖学的にカバーできる範囲が限られていることです。[12]

デュアルエネルギーCT

デュアルエネルギーCT（スペクトルCTとも呼ばれる）は、2つのエネルギーを用いて2つのデータセットを作成するコンピュータ断層撮影の進歩です。[13]デュアルエネルギーCTでは、2つの異なるデータセットを取得するために、デュアルソース、デュアル検出器層を備えたシングルソース、エネルギースイッチング方式を備えたシングルソースを採用する場合があります。[14]

  • デュアルソースCTは、従来の単一管式システムとは異なり、2つのX線管検出器システムを備えた高度なスキャナーです。[15] [16]これらの2つの検出器システムは、単一のガントリーに90°の角度で同一平面上に設置されています。[17]デュアルソースCTスキャナーは、わずか半回転で完全なCTスライスを取得することで、より高い時間分解能で高速スキャンを可能にします。高速撮影により、高心拍数時のモーションブラーが軽減され、息止め時間を短縮できる可能性があります。これは、息を止めるのが困難な患者や、心拍数を下げる薬を服用できない患者にとって特に有用です。[17] [18]
  • エネルギースイッチング型単一線源CTは、1本の管球を2つの異なるエネルギーで動作させ、エネルギーを頻繁に切り替えるデュアルエネルギーCTの別のモードである。[19] [20]

CT灌流画像

脳のCT灌流スキャン

CT灌流イメージングは​​、造影剤を注入しながら血管を通る血流を評価するためのCTの特殊な形式です。[21]血流、血液通過時間、臓器の血液量はすべて、妥当な感度と特異性で計算できます。[21]このタイプのCTは心臓に使用できますが、異常を検出するための感度と特異性は他の形式のCTよりも低いです。[22]これは脳にも使用できます。脳では、従来のスパイラルCTスキャンを使用して検出されるよりもずっと前に、CT灌流イメージングで脳灌流不良を検出できることがよくあります。[21] [23]これは他のCTタイプよりも脳卒中の診断に適しています。[23]

PET-CT検査

胸部PET-CTスキャン

陽電子放出断層撮影法（PET）とX線コンピュータ断層撮影法（CT）は、単一のガントリーに陽電子放出断層撮影（PET）スキャナとX線コンピュータ断層撮影（CT）スキャナを組み合わせたハイブリッドCT検査法です。両装置から同時に連続画像を取得し、それらを重ね合わせた1枚の画像（共登録画像）に合成します。これにより、体内の代謝や生化学活動の空間分布を描写するPETによる機能画像は、CTスキャンによる解剖学的画像とより正確に整合または相関させることができます。[24]

PET-CTは検査対象の臓器の解剖学的および機能的詳細を提供し、さまざまな種類の癌の検出に役立ちます。[25] [26]

医療用途

1970年代に導入されて以来、[27] CTは従来のX線画像や医療用超音波検査を補完する重要な医療画像診断ツールとなっています。近年では、大腸がんリスクの高い人を対象としたCTコロノグラフィーや、心臓病リスクの高い人を対象としたフルモーション心臓スキャンなど、予防医学や疾患スクリーニングにも利用されています。いくつかの施設では一般の人々に全身スキャンを提供していますが、これは主に放射線量の影響により、この分野の多くの専門団体の勧告や公式見解に反しています。[28]

CTスキャンの利用は、過去20年間で多くの国で劇的に増加しました。[29]米国では2007年に推定7200万件のスキャンが行われ、2015年には8000万件以上になりました。[30] [31]

頭蓋底から頭頂部までのヒト脳のCT画像。静脈内造影剤を用いて撮影。

頭部CTスキャンは、通常、梗塞（脳卒中）、腫瘍、石灰化、出血、骨外傷の検出に使用されます。[32]上記のうち、低密度（暗い）構造は浮腫や梗塞を示し、高密度（明るい）構造は石灰化と出血を示し、骨外傷は骨窓の分離として確認できます。腫瘍は、腫瘍によって引き起こされる腫脹や解剖学的歪み、または周囲の浮腫によって検出できます。頭部CTスキャンは、頭蓋内腫瘍、動静脈奇形、およびNローカライザーと呼ばれる装置を使用したその他の外科治療可能な状態の治療のためのCTガイド下 定位手術および放射線手術にも使用されます。[33] [34] [35] [36] [37] [38]

ネック

造影CTは、成人の頸部腫瘤に対する最初の検査として一般的に選択される。 [39] 甲状腺CTは甲状腺癌の評価において重要な役割を果たしている。[40] CTスキャンでは甲状腺の異常が偶然発見されることが多く、甲状腺異常の検査方法として好まれることが多い。[40]

肺

CTスキャンは、肺実質（肺の組織）の急性および慢性の変化を検出するために使用できます。[41]通常の2次元X線ではこのような欠陥が示されないため、特に有用です。疑われる異常に応じて、さまざまな手法が使用されます。肺気腫や線維症などの慢性間質性疾患の評価には、[42]高空間周波数再構成を備えた薄切片が使用され、多くの場合、吸気時と呼気時の両方でスキャンが行われます。この特別な手法は高解像度CTと呼ばれ、連続画像ではなく肺のサンプルを生成します。[43]

正常な胸部の軸方向、冠状方向、矢状方向のHRCT画像。
気管支壁の厚さ（T）と気管支の直径（D）

気管支壁の肥厚は肺CTで確認でき、通常は（必ずではないが）気管支の炎症を示唆する。[44]

症状がない状態で偶然発見された結節（偶発腫と呼ばれることもある）は、良性または悪性の腫瘍である可能性が懸念される。[45]患者と医師は恐怖心からか、結節の監視を目的に、推奨ガイドラインを超えて最長3か月ごとにCTスキャンを実施するなど、集中的なスケジュールに同意することがある。[46]しかし、確立されたガイドラインでは、がんの病歴がなく、固形結節が2年間に成長していない患者は悪性がんである可能性は低いとされている。[46]このため、集中的な監視がより良い結果をもたらすことを裏付ける研究はなく、CTスキャンに伴うリスクがあるため、患者は確立されたガイドラインで推奨されている以上のCTスクリーニングを受けるべきではない。[46]

血管造影検査

CTPAの例。鞍型塞栓（暗い水平線）が肺動脈（明るい白い三角形）を閉塞していることを示しています。

コンピュータ断層撮影血管造影（CTA）は、全身の動脈と静脈を可視化する造影CTの一種です。 [47]対象は、脳に血液を供給する動脈から、肺、腎臓、腕、脚に血液を送る動脈まで多岐にわたります。この種の検査の一例として、肺塞栓症（PE）の診断に用いられるCT肺血管造影（CTPA）があります。CTPAでは、コンピュータ断層撮影とヨウ素系造影剤を用いて肺動脈の画像を取得します。[48] [49] [50] CTスキャンは、検査前に血栓の位置や数に関する詳細な情報を臨床医に提供することで、血管造影のリスクを軽減することができます。[51] [52]

心臓

心臓CTスキャンは、心臓や冠動脈の解剖学に関する知識を得るために行われます。[53]伝統的に、心臓CTスキャンは冠動脈疾患の検出、診断、または経過観察に使用されています。[54]最近では、CTは急速に発展している経カテーテル構造的心臓介入、より具体的には心臓弁の経カテーテル修復および置換の分野で重要な役割を果たしています。[55] [56] [57]

心臓 CT スキャンの主な形式は次のとおりです。

  • 冠動脈CT血管造影（CCTA）：CTを用いて心臓の冠動脈を評価する検査。被験者は造影剤を静脈注射し、その後、高速CTスキャナーを用いて心臓をスキャンします。これにより、放射線科医は冠動脈の閉塞の程度を評価し、通常は冠動脈疾患を診断します。[58] [59]
  • 冠動脈CTカルシウムスキャン：冠動脈疾患の重症度評価にも用いられます。具体的には、冠動脈を狭窄させ、心臓発作のリスクを高める可能性のあるカルシウム沈着の有無を調べます。[60]典型的な冠動脈CTカルシウムスキャンは造影剤を使用せずに行われますが、造影剤を使用した画像でも実施可能です。[61]

解剖学的構造をより良く視覚化するために、画像の後処理が一般的です。[54]最も一般的なのは、多断面再構成（MPR）とボリュームレンダリングです。心臓弁介入などのより複雑な解剖学的構造や処置については、より深い理解を得るために、これらのCT画像に基づいて真の3D再構成画像または3Dプリントが作成されます。[62] [63] [64] [65]

腹部と骨盤

正常な腹部と骨盤の CT スキャン (それぞれ矢状面、冠状面、軸面)。

CTはクローン病などの腹部疾患の診断、[66]消化管出血、癌の診断と病期分類、癌治療後の反応評価のための経過観察に正確な技術です。 [67]急性腹痛の検査によく使用されます。[68]

非造影CTスキャンは腎結石症の診断におけるゴールドスタンダードです。[69]これにより、臨床医は結石の大きさ、体積、密度を推定することができ、その後の治療方針の決定に役立ちます。特に大きさは、結石が自然排出されるまでの時間を予測する上で重要です。[70]

軸骨格と四肢

体幹部骨格や四肢においては、CTは複数の平面で関心領域を再構成できるため、特に関節周囲の複雑な骨折の画像化によく用いられます。骨折、靭帯損傷、脱臼は0.2mmの解像度で容易に認識できます。[71] [72]最新のデュアルエネルギーCTスキャナーにより、痛風の診断補助など、新たな用途が確立されています。[73]

生体力学的利用

CTは生体力学において、生物組織の形状、解剖学的構造、密度、弾性係数を迅速に明らかにするために使用されます。 [74] [75]

その他の用途

工業用途

産業用CTスキャン（工業用コンピュータ断層撮影）は、X線装置を用いて部品の外部および内部の3D画像を作成するプロセスです。産業用CTスキャンは、部品の内部検査のために多くの産業分野で利用されてきました。CTスキャンの主な用途としては、欠陥検出、故障解析、計測、組立解析、画像ベース有限要素法[76]、リバースエンジニアリングなどが挙げられます。CTスキャンは、博物館収蔵品の画像化と保存にも利用されています。[77]

航空セキュリティ

CTスキャンは輸送セキュリティ（主に空港セキュリティ）にも応用されており、現在は爆発物検出CTX（爆発物探知装置）の材料分析のコンテキストで使用されています[78] [79] [80] [81]また、 3D外観に基づいて特定の脅威アイテム（銃、ナイフ、液体容器など）を検出することを目的としたコンピュータービジョンベースのオブジェクト認識アルゴリズムを使用した自動化された手荷物/小包セキュリティスキャンにも検討されています。[82] [83] [84] 2022年3月にシャノン空港で先駆的に使用されたことで、同空港での100mlを超える液体の持ち込み禁止が撤廃され、ヒースロー空港では2022年12月1日に全面展開が計画されており、TSAは1,000台を超えるスキャナーの発注に7億8,120万ドルを費やし、夏の稼働開始に備えています。

地質学的利用

X線CTは地質学的研究において、掘削コア内の物質を迅速に明らかにするために使用されます。[85] CT画像では、黄鉄鉱や重晶石などの密度の高い鉱物は明るく表示され、粘土などの密度の低い成分は鈍く表示されます。[86]

古生物学的利用

化石を研究する従来の方法は、薄切片や物理的な準備など、しばしば破壊的なものでした。古生物学では、X線CTを用いて化石を非破壊的に3Dで可視化します。[87]これには多くの利点があります。例えば、他の方法では研究できないかもしれない壊れやすい構造を観察できます。さらに、化石の模型を仮想3D空間内で自由に動かして、化石を傷つけることなく観察することができます。

文化遺産の利用

X線CTやマイクロCTは、文化遺産の保存・保全にも活用できます。多くの壊れやすい物品は、直接的な調査や観察によって損傷を受けやすく、時間の経過とともに劣化が進む可能性があります。CTスキャンを使用することで、保存修復家や研究者は、巻物の層に沿ったインクの位置など、調査対象の物品の材質構成を、追加の損傷を与えることなく特定することができます。これらのスキャンは、アンティキティラ島の機械の仕組みやエン・ゲディ巻物の焦げた外層に隠されたテキストに焦点を当てた研究に最適です。しかし、ヘルクラネウム・パピルスのように、物品内部の材質構成がほとんど変化しない遺物もあるため、こうした研究課題の対象となるすべての物品に最適というわけではありません。これらの物品をスキャンした後、エン・ゲディ巻物やヘルクラネウム・パピルスの仮想開封の場合のように、計算手法を用いてこれらの物品の内部を調べることができます。[88]マイクロCTは、レターロック（複雑な折り目と切り込み）技術を用いて「不正開封防止機構」を備えた封印されたままの歴史的文書など、より最近の遺物の分析にも有用であることが証明されています。[89] [90]考古学における更なる使用例としては、石棺や陶器の内容物の画像化が挙げられます。[91]

最近、アムステルダムのCWIはアムステルダム国立美術館と協力し、IntACTと呼ばれる枠組みの中で美術品の内部の詳細を調査している。[92]

微生物研究

さまざまな種類の菌がさまざまな程度に木材を劣化させますが、ベルギーの研究グループはサブミクロン解像度のX線CT 3次元を使用して、特定の条件下では菌が0.6μmの微細孔に浸透できることを明らかにしました[93]。

木材製材所

製材工場では、木材生産の総価値を向上させるために、節などの円形欠陥を検出するために産業用CTスキャナーを使用しています。多くの製材工場は、長期的な生産性向上のためにこの堅牢な検出ツールを導入する計画を立てていますが、初期投資コストは高額です。[94]

結果の解釈

プレゼンテーション

CTスキャンの表示の種類：
− 平均強度投影
−最大強度投影
− 薄切片（正中面）
−放射線密度の高閾値と低閾値によるボリュームレンダリング

CT スキャンの結果はボクセルのボリュームであり、さまざまな方法で人間の観察者に提示されますが、大まかに次のカテゴリに当てはまります。

技術的には、すべてのボリュームレンダリングは2次元ディスプレイ上で表示される際には投影となるため、投影とボリュームレンダリングの区別はやや曖昧になります。ボリュームレンダリングモデルの典型は、例えば色彩と陰影の融合を特徴としており、リアルで観察可能な表現を生み出しています。[99] [100]

2次元CT画像は、通常、患者の足元から見上げたような画像としてレンダリングされます。[101]したがって、画像の左側は患者の右側、右側は患者の左側に相当し、画像内の前方は患者の前方、左側は患者の前方に相当します。この左右の入れ替えは、医師が患者の前に立った際に実際に見る視界と一致します。[102]

グレースケール

CTスキャンで得られた画像のピクセルは、相対放射線密度で表示される。ピクセル自体は、対応する組織の平均減衰率に応じて、ハウンスフィールドスケールの+3,071（最大減衰）から-1,024（最小減衰）のスケールで表示される。ピクセルは、マトリックスサイズと視野に基づく2次元単位である。CTスライス厚も考慮に入れると、この単位はボクセルと呼ばれ、3次元単位となる。[103]水の減衰率は0ハウンスフィールド単位（HU）であるが、空気は-1,000 HU、海綿骨は通常+400 HU、頭蓋骨は2,000 HUに達することがある。[104]金属インプラントの減衰は、使用される元素の原子番号に依存します。チタンは通常1000HU以上であり、鉄鋼はX線を完全に遮断するため、CT画像でよく知られている線状アーティファクトの原因となります。アーティファクトは、低密度物質と高密度物質の間の急激な遷移によって発生し、処理電子機器のダイナミックレンジを超えるデータ値をもたらします。[105]

ウィンドウ

CTデータセットは非常に高いダイナミックレンジを持つため、表示や印刷のためには縮小する必要があります。これは通常、「ウィンドウ化」と呼ばれる処理によって行われます。これは、ピクセル値の範囲（「ウィンドウ」）をグレースケールのランプにマッピングするものです。例えば、脳のCT画像は通常、0 HUから80 HUまでのウィンドウを使って表示されます。0以下のピクセル値は黒で表示され、80以上の値は白で表示されます。ウィンドウ内の値は、ウィンドウ内の位置に比例したグレーの強度で表示されます。[106]表示に使用するウィンドウは、対象物のX線密度に合わせて調整する必要があります。これにより、視認できる詳細が最適化されます。[107]ウィンドウ幅とウィンドウレベルのパラメータは、スキャンのウィンドウ化を制御するために使用されます。[108]

多断面再構成と投影

診断ソフトウェアの典型的な画面レイアウト。1 つのボリューム レンダリング (VR) と、軸方向(右上)、矢状方向(左下)、冠状方向(右下)の 3 つの薄いスライスの多平面ビューが表示されています。
特殊な断面が有用な場合もあります。例えば、この斜縦断面は脊柱の神経孔を可視化するのに有用です。脊柱の神経孔は2つのレベルで狭窄しており、神経根障害を引き起こしています。小さい画像は軸方向断面です。

多断面再構成（MPR）は、解剖学的に一つの断面（通常は横断面）から得たデータを他の断面に変換するプロセスです。薄切片画像だけでなく投影画像にも使用できます。現在のCTスキャナはほぼ等方的な解像度を備えているため、多断面再構成が可能です。 [109]

MPRはほぼすべてのスキャンで用いられており、脊椎の検査にも頻繁に用いられます。[110]脊椎の軸位面の画像では、一度に一つの椎骨しか描出できず、他の椎骨との関係を示すことができません。他の平面のデータを再フォーマットすることで、矢状面および冠状面における相対的な位置を可視化することができます。[111]

新しいソフトウェアでは、非直交（斜）面でのデータの再構成が可能になり、直交面上にない臓器の可視化に役立ちます。[112] [113]気管支はスキャン方向に対して直交していないため、このソフトウェアは気管支の解剖学的構造の可視化に適しています。[114]

曲面再構成（または曲面再構成法 = CPR）は、主に血管の評価のために行われます。この再構成法は、血管の湾曲を矯正するのに役立ち、単一または複数の画像で血管全体を視覚化するのに役立ちます。血管が「矯正」された後、断面積や長さなどの測定を行うことができます。これは、外科手術の術前評価に役立ちます。[115]

デジタル再構成されたレントゲン写真を含む、放射線治療における外部放射線治療の品質保証と計画に使用される 2D 投影については、 「ビームの視点」を参照してください。

ボリュームレンダリング

コンピュータ断層撮影データから作成した3D人間の頭蓋骨

放射線濃度の閾値は、オペレータによって設定されます（例えば、骨に対応するレベル）。エッジ検出画像処理アルゴリズムを用いることで、初期データから3Dモデルを構築し、画面上に表示することができます。様々な閾値を用いることで複数のモデルを作成でき、筋肉、骨、軟骨などの各解剖学的構成要素を、それぞれ異なる色で区別することができます。ただし、この操作モードでは内部構造を表示することはできません。[117]

サーフェスレンダリングは、特定の閾値密度を満たし、かつ観察者に向かっている面のみを表示するため、限られた技術です。一方、ボリュームレンダリングでは、透明度、色、陰影を用いることで、単一の画像でボリュームを表現することが容易になります。例えば、骨盤骨を半透明で表示することで、斜めから見ても画像の一部が他の部分を覆い隠すことがなくなります。[118]

画質

胸部の低線量CTスキャン
胸部の標準線量CTスキャン

線量と画質

今日の放射線医学における重要な課題は、画質を損なうことなくCT検査中の放射線量を低減することです。一般的に、放射線量が高いほど画像の解像度は高くなりますが[119] 、放射線量が低いほど画像ノイズが増加し、鮮明度が低下します。しかし、放射線量の増加は、放射線誘発癌のリスクを含む有害な副作用を高めます。例えば、腹部CTの4相撮影は、胸部X線撮影300回分に相当する放射線量を照射します[120]。CTスキャン中の電離放射線被曝を低減する方法はいくつか存在します[121] 。

  1. 新しいソフトウェア技術は、必要な放射線量を大幅に削減することができます。新しい反復 断層画像再構成アルゴリズム（例えば、反復スパース漸近最小分散法）は、より高い放射線量を必要とせずに超解像を実現できる可能性があります。[122]
  2. 検査は個別に行い、体型や検査対象の臓器に応じて放射線量を調整します。体型や臓器によって必要な放射線量は異なります。[123]
  3. 小さな肺腫瘤の検出など、高解像度は必ずしも適切ではない。[124]

遺物

CTで生成される画像は、一般的にスキャンされた体積を忠実に再現するものの、この技術は以下のような多くのアーティファクトの影響を受けやすい。 [125] [126]第3章と第5章

ストリークアーティファクト
縞模様は、金属や骨など、ほとんどのX線を遮る物質の周囲によく見られます。これらの縞模様には、アンダーサンプリング、光子不足、体の動き、ビーム硬化、コンプトン散乱など、多くの要因が関係しています。この種のアーティファクトは、脳の後頭蓋窩や金属インプラントがある場合によく発生します。この縞模様は、新しい再構成技術を用いることで軽減できます。[127]金属アーティファクト軽減（MAR）などの手法も、このアーティファクトを軽減することができます。[128] [129] MAR技術にはスペクトルイメージングが含まれており、異なるエネルギーレベルの光子を用いてCT画像を撮影し、GSI（Gemstone Spectral Imaging）などの専用ソフトウェアを用いて単色画像に合成します。 [130]
部分容積効果
これはエッジの「ぼやけ」として現れます。これは、スキャナーが少量の高密度物質（例：骨）と大量の低密度物質（例：軟骨）を区別できないために発生します。[131]再構成では、各ボクセル内のX線減衰が均一であると仮定していますが、鋭いエッジでは必ずしもそうとは限りません。これは、従来、面内解像度よりも面外解像度がはるかに低い、高度に異方性のボクセルが使用されているため、Z方向（頭尾方向）で最もよく見られます。これは、より薄いスライスを用いたスキャン、または最新のスキャナーによる等方性取得によって部分的に克服できます。[132]
リングアーティファクト
おそらく最も一般的な機械的アーティファクトである、1つまたは複数の「リング」像が画像内に現れる。これは通常、欠陥やキャリブレーションの誤りにより、2次元X線検出器内の個々の素子の応答にばらつきが生じることで発生する。[133]リングアーティファクトは、強度正規化（フラットフィールド補正とも呼ばれる）によって大幅に低減できる。[134]残存するリングは、極空間への変換によって線状のストライプに変換することで抑制できる。[133] X線断層撮影画像におけるリングアーティファクト低減の比較評価では、SijbersとPostnovの方法がリングアーティファクトを効果的に抑制できることが示された。[135]
ノイズ
これは画像に粒状感として現れ、信号対雑音比が低いことが原因です。これは、スライス厚が薄い場合によく発生します。また、X線管に供給される電力が解剖学的構造を貫通するのに不十分な場合にも発生することがあります。[136]
風車
検出器が再構成面と交差すると、縞模様のように見えることがあります。これはフィルターやピッチの低減によって軽減できます。[137] [138]
ビームハードニング
グレースケールを高さとして視覚化すると、「カップ状」の外観が生じることがあります。これは、X線管などの従来の光源が多色スペクトルを放射するために発生します。光子エネルギーレベルが高い光子は、通常、減衰が少なくなります。そのため、スペクトルの平均エネルギーは物体を通過する際に増加し、しばしば「硬くなる」と表現されます。この現象は、補正されない場合、物質の厚さを過小評価する効果をもたらします。このアーティファクトを補正するためのアルゴリズムは数多く存在し、それらは単一物質法と複数物質法に分けられます。[127] [139] [140]

利点

CTスキャンは、従来の2次元医療用放射線撮影に比べていくつかの利点があります。第一に、CTでは関心領域外の構造の画像が重なることはありません。[141]第二に、CTスキャンは画像解像度が高く、より細かい部分の検査が可能です。CTは、放射線密度の差が1%以下の組織を区別することができます。 [142]第三に、CTスキャンでは多平面再構成画像化が可能です。スキャンデータは、診断タスクに応じて、横断面（または軸方向）、冠状面、または矢状面で視覚化できます。[143]

CTの解像度の向上により、新たな検査法の開発が可能になりました。例えば、CT血管造影はカテーテルの侵襲的な挿入を回避します。CTスキャンは、従来の大腸内視鏡検査よりも正確で患者の負担が少ない仮想大腸内視鏡検査を実施できます。[144] [145]仮想大腸内視鏡検査は、腫瘍検出においてバリウム注腸検査よりもはるかに正確であり、放射線量も少なくて済みます。[146]

CTは中程度から高レベルの放射線量を必要とする診断技術です。特定の検査における放射線量は、スキャンする体積、患者の体格、スキャンプロトコルの回数と種類、そして望ましい解像度と画質といった複数の要因に依存します。[147]ヘリカルCTスキャンの2つのパラメータ、管電流とピッチは容易に調整でき、放射線量に大きな影響を与えます。CTスキャンは、前方椎体間固定の評価において2次元X線写真よりも正確ですが、それでも固定範囲を過大評価する可能性があります。[148]

副作用

癌

CTスキャンで使用される放射線は、 DNA分子を含む体細胞に損傷を与え、放射線誘発がんを引き起こす可能性があります。[149] CTスキャンで受ける放射線量はさまざまです。最も線量の低いX線技術と比較すると、CTスキャンは従来のX線の100～1,000倍の線量になることがあります。[150]しかし、腰椎X線検査の線量は頭部CTと同程度です。[151]メディアの記事では、最も線量の低いX線技術（胸部X線）と最も線量の高いCT技術を比較することで、CTの相対的な線量を誇張することがよくあります。一般的に、通常の腹部CT検査の放射線量は、平均的背景放射線の3年間分に相当します。[152]

大規模な人口ベースの研究では、CTスキャンによる低線量放射線がさまざまな癌の発生率に影響を与えることが一貫して実証されています。[153] [154] [155] [156]たとえば、大規模な人口ベースのオーストラリアのコホートでは、脳腫瘍の最大3.7％がCTスキャンの放射線によって引き起こされたことがわかりました。[157]専門家の中には、将来、すべての癌の3〜5％が医療画像診断に起因すると予測している人もいます。[150] 1090万人を対象としたオーストラリアの研究では、このコホートでのCTスキャン被曝後の癌発生率の上昇は主に放射線によるものであると報告されています。このグループでは、1800回に1回のCTスキャンで過剰癌が発生しました。癌を発症する生涯リスクが40％であるとすると、CT後の絶対リスクは40.05％に上昇します。 CTスキャンの放射線のリスクは、1年から5年という短い期間内に繰り返しCTスキャンを受ける患者にとって特に重要です。[158] [159] [160]

一部の専門家は、CTスキャンは「過剰に使用されている」ことが知られており、「現在の高いスキャン率と健康状態の改善に関する証拠は、残念ながらほとんどない」と指摘している。[150]一方、高い累積線量を受けた患者のデータを分析した最近の論文では、適切な使用率が高いことが示された。[161]これは、これらの患者のがんリスクという重要な問題を提起する。さらに、これまで報告されていなかった非常に重要な発見として、一部の患者が1日でCTスキャンから100mSvを超える線量を受けたという点がある[159]。これは、一部の研究者が長期被ばくと急性被ばくの影響について抱いている既存の批判を覆​​すものである。

反対意見もあり、議論は続いている。いくつかの研究では、一般的な体幹部CTスキャンの被曝線量による癌リスクの上昇を示唆する論文は、深刻な方法論的限界と極めてあり得ない結果に悩まされていることが示されており[162] 、そのような低線量では長期的な害を引き起こすという証拠はないと結論づけている[163] [164] [165]。 ある研究では、米国における癌の最大0.4%がCTスキャンに起因すると推定されており、2007年のCT使用率に基づくと、この割合は1.5～2%にまで増加している可能性があるとされている[149]。この推定に異議を唱える者もいる[166]。CTスキャンで使用される低線量の放射線が損傷を引き起こすというコンセンサスはないからだ。腎疝痛の検査など、多くの場合、より低い放射線量が使用されている[167] 。

年齢はその後のがんリスクに重要な役割を果たす。[168] 1歳児の腹部CTによる生涯がん死亡リスクの推定値は0.1%、つまり1:1000スキャンである。[168] 40歳のリスクは20歳のリスクの半分であり、高齢者のリスクは大幅に低くなる。[168]国際放射線防護委員会は、胎児が10mGy （放射線被曝の単位）に被曝するリスクにより、20歳までのがん発生率が0.03%から0.04%に上昇すると推定している（参考までに、CT肺血管造影では胎児は4mGy被曝する）。[169] 2012年のレビューでは、医療放射線と小児がんリスクの関連性は認められなかったが、レビューの根拠となった証拠には限界があると指摘している。[170] CTスキャンは、小児の被ばく線量を低減するために異なる設定で実行することができ、2007年時点でほとんどのCTスキャンメーカーはこの機能を組み込んでいます。[171]さらに、特定の状況では、小児が複数回のCTスキャンを受ける必要がある場合があります。[149]

現在、CTスキャンのリスクについて患者に伝えることが推奨されています。[172]しかし、画像診断センターの職員は、患者から尋ねられない限り、そのようなリスクを伝えない傾向があります。[173]

造影剤反応

米国では、CTスキャンの半数は静脈注射による造影剤を用いた造影CTです。[174]これらの造影剤による最も一般的な反応は軽度で、吐き気、嘔吐、かゆみを伴う発疹などです。まれに、生命を脅かす重篤な反応が発生することもあります。[175]全体的な反応は、非イオン性造影剤では1～3% 、イオン性造影剤では4～12%の人に発生します。[176]皮膚の発疹は、1週間以内に3%の人に現れることがあります。[175]

旧式の造影剤では1%の症例でアナフィラキシー反応が見られましたが、新しい低浸透圧造影剤では0.01～0.04%の症例で反応が見られます。[175] [177] 100万回の投与につき約2～30人が死亡していますが、新しい造影剤はより安全です。[176] [178]女性、高齢者、健康状態の悪い人では死亡リスクが高くなりますが、これは通常、アナフィラキシーまたは急性腎障害 が原因です。[174]

造影剤により、造影剤腎症が誘発されることがある。[179]この疾患は造影剤投与を受けた人の2～7%に発生し、腎不全、[ 179]糖尿病、または血管内容量減少症の患者ではリスクがさらに高くなる。軽度の腎機能障害のある人は通常、注射の前後数時間は十分な水分補給をするように指導される。中等度の腎不全の場合はヨード造影剤の使用を避けるべきであり、これはCTの代わりに代替技術を使用することを意味する場合がある。透析を必要とする重度の腎不全の人の場合は、腎臓の機能がほとんど残っていないためそれ以上の損傷は目立たず、透析により造影剤が除去されるため、それほど厳密な予防措置は必要ないが、造影剤の副作用を最小限にするために、造影剤投与後はできるだけ早く透析を手配することが通常推奨される。

腹部検査では、静脈内造影剤に加えて、経口投与の造影剤が頻繁に使用されます。[180]これらは静脈内造影剤と同じものが多く、濃度を約10%に希釈しただけのものです。しかし、非常に希釈された（0.5～1% w/v）硫酸バリウム懸濁液など、ヨード造影剤の代替となる経口造影剤も存在します。希釈硫酸バリウムは、アレルギー反応や腎不全を引き起こさないという利点がありますが、損傷した腸から硫酸バリウムが漏出すると致命的な腹膜炎を引き起こす可能性があるため、腸穿孔または腸損傷が疑われる患者には使用できません。[181]

一部のCTスキャンで静脈内に投与される造影剤の副作用は、腎臓病患者の腎機能を低下させる可能性があるが、このリスクは以前考えられていたよりも低いと考えられている。[182] [179]

スキャン線量

この表は平均的な放射線被曝量を示していますが、同様のスキャンの種類間でも放射線量には大きなばらつきがあり、最高線量は最低線量の22倍にもなることがあります。[168]一般的な単純X線撮影では0.01～0.15mGyの放射線量がかかりますが、一般的なCTでは特定の臓器に対して10～20mGy、特定の特殊なCTスキャンでは最大80mGyの放射線量がかかることがあります。[185]

比較のために、自然発生する背景放射線源からの世界平均線量率は年間2.4  mSvで、この用途では実質的に年間2.4 mGyに相当する。 [183]​​ 多少のばらつきはあるものの、ほとんどの人（99%）は年間7 mSv未満の背景放射線を浴びている。[187] 2007年時点で、米国では医療用画像診断が放射線被曝量の半分を占め、CTスキャンがそのうちの3分の2を占めている。[168]英国では、CTスキャンが放射線被曝量の15%を占めている。[169] 2007年時点で、医療用画像診断は世界全体で一人当たり約0.6 mSvである。[168]米国の原子力産業従事者は、年間50 mSv、5年ごとに100 mSvの被曝量に制限されている。[168]

鉛は、散乱したX線を 遮蔽するために放射線技師が使用する主な材料です。

放射線量単位

グレイまたはmGy単位で報告される放射線量は、放射線を受けた体の部分が吸収すると予想されるエネルギー量に比例し、X線放射による細胞の化学結合に対する物理的影響（DNA二重鎖切断など）はそのエネルギーに比例します。[188]

シーベルトという単位は実効線量の報告に用いられる。CTスキャンにおけるシーベルトという単位は、スキャンされた身体部位が実際に吸収する放射線量ではなく、別のシナリオにおける別の放射線量に対応する。つまり、全身が別の放射線量を吸収し、その別の放射線量がCTスキャンと同じ癌誘発確率を持つと推定される量である。[189]そのため、上の表に示されているように、スキャンされた身体部位に実際に吸収される放射線量は、実効線量が示唆するよりもはるかに大きいことが多い。コンピュータ断層撮影線量指数（CTDI）と呼ばれる特定の尺度は、スキャン領域内の組織の放射線吸収線量の推定値として一般的に用いられており、医療用CTスキャナーによって自動的に計算される。[190]

等価線量とは、全身が実際に同じ量の放射線を吸収する場合の実効線量であり、その報告にはシーベルトという単位が用いられる。CT検査でよく見られるように、放射線が不均一に照射される場合、つまり体の一部のみに放射線が照射される場合、局所等価線量のみを用いると、生体全体に対する生物学的リスクを過大評価することになる。[191] [192] [193]

放射線の影響

放射線被曝による健康への悪影響は、主に次の 2 つのカテゴリに分類できます。

  • 決定論的影響（有害な組織反応）は、主に高線量被曝後の細胞の死滅や機能不全に起因する。[194]
  • 確率的影響、すなわち、体細胞の突然変異により曝露された個人にがんが発生するか、生殖細胞の突然変異により子孫に遺伝性疾患が発生するかのいずれかを伴うがんおよび遺伝性影響。[195]

8mSvの腹部CT検査1回による生涯の癌発症リスクの増加は0.05％、つまり2,000人に1人と推定されています。[196]

胎児は放射線被曝に対して感受性が高くなるため、CTスキャンの放射線量は妊娠中の医療画像診断を選択する上で重要な考慮事項である。[197] [198]

過剰摂取

2009年10月、米国食品医薬品局（FDA）は、ある施設において、脳灌流CT（PCT）スキャンの不適切な設定が原因で発生した放射線熱傷に基づき、調査を開始しました。200名以上の患者が18ヶ月間、想定線量の約8倍の放射線に被曝し、そのうち40%以上が脱毛しました。この事例をきっかけに、CTの品質保証プログラムの強化が求められました。「不必要な放射線被曝は避けるべきですが、適切な撮影パラメータを用いて医学的に必要なCTスキャンを実施すれば、放射線リスクを上回るメリットがあります」と指摘されました。[168] [199]同様の問題が他の施設でも報告されています。[ 168] これらの事象は人為的ミスによるものと考えられています。[168]

手順

CTスキャンの手順は、検査の種類と撮影対象となる臓器によって異なります。患者はCT台に横たわり、体の部位に合わせて台の中心位置を調整します。造影CTの場合は、静脈ラインを確保します。圧力インジェクターから適切な[説明が必要]および造影剤の濃度を選択した後、スカウト（検査部位を確定するための検査）を行い、スキャンの計画を行います。計画が選択されると、造影剤が投与されます。生データは検査内容に応じて処理され、適切なウィンドウ処理が施されることで、スキャンの診断が容易になります。[200]

準備

患者の準備はスキャンの種類によって異なります。一般的な患者の準備には以下が含まれます。[200]

  1. インフォームドコンセントに署名する。
  2. 関心領域から金属物体および宝石類を除去します。
  3. 病院の規定に従って病院のガウンに着替えます。
  4. 腎機能、特にクレアチニンと尿素値の検査（ CECTの場合）。[201]

機構

内部部品が見えるようにカバーを取り外したCTスキャナ。凡例：
T：X線管、
D：X線検出器、
X：X線ビーム、
R：ガントリーの回転
左の画像は、 CTスキャンから得られた生データをグラフ化したサイノグラムです。右の画像は、生データから生成された画像サンプルです。[202]

コンピュータ断層撮影は、対象物の周りを回転するX線発生器を用いて行われる。X線検出器は、 X線源の反対側の円周上に配置される。[203] X線が患者を通過すると、組織密度に応じて様々な組織によって異なる減衰を受ける。[204]得られた生データの視覚的表現はサイノグラムと呼ばれるが、解釈には十分ではない。[205]スキャンデータを取得したら、一連の断面画像を生成する断層再構成法を用いてデータを処理する必要がある。 [206]これらの断面画像は、ピクセルまたはボクセルの小さな単位から構成される。[207]

CTスキャンによって得られた画像内のピクセルは、相対的な放射線密度で表示されます。ピクセル自体は、対応する組織の平均減衰率に基づいて、ハウンスフィールドスケールの+3,071（最大減衰）から-1,024（最小減衰）までのスケールで表示されます。ピクセルは、マトリックスサイズと視野に基づく2次元単位です。CTスライス厚も考慮すると、この単位はボクセルと呼ばれ、3次元単位となります。[207]

水の減衰は 0ハウンスフィールド単位(HU) ですが、空気は -1,000 HU、海綿骨は通常 +400 HU、頭蓋骨は 2,000 HU 以上 (側頭骨) に達することがあり、アーティファクトの原因となることがあります。金属インプラントの減衰は、使用されている元素の原子番号によって異なります。チタンは通常 +1000 HU の量があり、鉄鋼は X 線を完全に消し去ることができるため、コンピューター断層撮影でよく知られている線アーティファクトの原因となります。アーティファクトは、低密度材料と高密度材料の間の急激な遷移によって発生し、処理電子機器のダイナミック レンジを超えるデータ値になります。2 次元 CT 画像は、通常、患者の足元から見上げているようなビューになるようにレンダリングされます。[101]したがって、画像の左側は患者の右側に、右側は画像の左側に、また画像の前側は患者の前側に、また画像の前側は患者の前側にそれぞれ対応している。この左右の入れ替えは、医師が患者の前に立った際に実際に見る視界に対応している。

当初、CTスキャンで生成された画像は、体長軸に垂直な横断面（軸方向）の解剖学的平面で撮影されていました。現代のCTスキャナーでは、スキャンデータを他の平面の画像として再フォーマットできます。デジタルジオメトリ処理により、固定軸を中心に回転させて撮影した一連の2次元放射線画像から、体内の物体の3次元画像を生成することができます。[125]これらの断面画像は、医療診断や治療に広く利用されています。[208]

対比

X線CTや単純X線フィルムに使用される造影剤は、造影剤と呼ばれます。CT用の造影剤は、一般的にヨウ素系です​​。[209]これは、血管など、周囲との区別が難しい構造を際立たせるのに役立ちます。造影剤の使用は、組織の機能情報を得るのにも役立ちます。多くの場合、造影剤ありとなしの両方で画像が撮影されます。[210]

歴史

X線コンピュータ断層撮影の歴史は、少なくとも1917年のラドン変換の数学的理論に遡ります。[211] [212] 1963年10月、ウィリアム・H・オルデンドルフは「高密度物質によって隠された内部物体の選択された領域を調査するための放射エネルギー装置」で米国特許を取得しました。[213]最初の商業的に実現可能なCTスキャナーは、1972年にゴッドフリー・ハウンズフィールドによって発明されました。 [214]

1960年代のビートルズのレコード売上がEMIの最初のCTスキャナー開発資金に充てられたとよく言われます。実際、最初の量産型X線CT装置はEMIスキャナーと呼ばれていました。[215]

語源

トモグラフィー（断層撮影）という言葉は、ギリシャ語の tome（スライス）とgraphein（書く）に由来しています。 [216]コンピュータ断層撮影は、1970年代初頭にEMIの研究部門で開発されたため、「EMIスキャン」として知られていました。EMIは現在、音楽とレコーディング事業で最もよく知られています。[217]その後、コンピュータ断層撮影（CATまたはCTスキャン）や人体断面レントゲン撮影として知られるようになりました。[218]

現在のCTスキャンでは多断面再構成が可能になったため、 「CATスキャン」という用語はもはや専門用語として使われていません。そのため、「CTスキャン」は放射線科医が日常会話で使用している用語であり、教科書や科学論文でも使用されています。[219] [220] [221]

医学主題標目表（MeSH）では、 1977年から1979年までは「computed axial tomography」が使用されていましたが、現在の索引ではタイトルに「X-ray」が明示的に含まれています。[222]

サイノグラムという用語は、1975年にポール・エドホルムとバーティル・ヤコブソンによって導入されました。[223]

社会と文化

キャンペーン

一般の人々の懸念の高まりとベストプラクティスの継続的な進歩に応えて、小児放射線学会内に小児画像診断における放射線安全同盟が結成されました。米国放射線技師会、米国放射線学会、米国医学物理学会と協力して、小児放射線学会は、小児患者に対して利用可能な最低の線量と最良の放射線安全プラクティスを採用しながら高品質の画像検査を維持することを目指したImage Gentlyキャンペーンを開発し、開始しました。[225]この取り組みは、世界中のますます多くのさまざまな専門医療組織によって支持および適用されており、放射線医学で使用される機器を製造する企業からも支援と援助を受けています。

「Image Gently」キャンペーンの成功を受けて、アメリカ放射線学会、北米放射線学会、アメリカ医学物理学会、アメリカ放射線技師会は、成人人口におけるこの問題に対処するために「Image Wisely」と呼ばれる同様のキャンペーンを開始しました。[226]

世界保健機関と国連の国際原子力機関（IAEA）もこの分野で活動しており、ベストプラクティスを広げ、患者の放射線量を低減するためのプロジェクトを進行中です。 [227] [228]

有病率

CTの使用は過去20年間で劇的に増加した。[29] 2007年に米国で推定7200万件のスキャンが実施され、[30]放射線および核医学検査による一人当たりの総線量率のほぼ半分を占める。[229] CTスキャンのうち、6〜11％は小児で実施されており、[169] 1980年以降7〜8倍に増加している。 [168]欧州とアジアでも同様の増加が見られている。[168]カナダのカルガリーでは、緊急の症状を訴えて救急外来を受診した人のうち12.1％がCTスキャンを受けており、最も多かったのは頭部または腹部のCTスキャンであった。しかし、CTを受けた割合は、診察した救急医によって1.8％から25％まで大きく異なっていた。[230]米国の救急外来では、2007年現在、負傷した患者の15％に対してCTまたはMRIによる画像検査が行われています（1998年の6％から増加）。 [231]

CTスキャンの利用増加が最も著しかったのは、成人のスクリーニング（喫煙者の肺のスクリーニングCT、バーチャル大腸内視鏡検査、心臓CTスクリーニング、無症状の患者の全身CT）と小児のCT撮影の2つの分野である。スキャン時間が約1秒に短縮され、被験者が動かずにいるか鎮静される必要がなくなったことが、小児人口の大幅な増加（特に虫垂炎の診断）の主な理由の1つである。[149] 2007年現在、米国ではCTスキャンの一部が不必要に行われている。[171]ある推計では、この数字は30％である。[169]これには、法的懸念、金銭的インセンティブ、国民の要望など、いくつかの理由がある。[171]例えば、健康な人の中には、スクリーニングとして全身CTスキャンを受けるために熱心にお金を支払う人もいる。その場合、メリットがリスクや費用を上回るかどうかは全く明らかではありません。偶発性腫瘍の治療を行うべきかどうか、またどのように治療するかを決定することは複雑であり、放射線被曝は無視できず、スキャン費用には機会費用が伴います。[171]

メーカー

CTスキャン装置および機器の主要メーカーは以下のとおりです。[232]

研究

光子計数コンピュータ断層撮影は、現在開発中のCT技術です。[現在? ]一般的なCTスキャナーはエネルギー積分型検出器を使用します。光子は、検出されたX線に比例するコンデンサの電圧として測定されます。しかし、この技術はノイズやその他の要因の影響を受けやすく、電圧とX線強度の関係の直線性に影響を及ぼす可能性があります。[233]光子計数検出器（PCD）もノイズの影響を受けますが、測定される光子数は変化しません。PCDには、信号（およびコントラスト）対ノイズ比の向上、線量の低減、空間分解能の向上、複数のエネルギーの使用による複数の造影剤の識別など、いくつかの潜在的な利点があります。[234] [235] PCDは、必要なデータの量と速度に対応できる検出器技術の向上により、最近になってCTスキャナーで実現可能になりました。2016年2月現在、光子計数CTは3つの施設で使用されています。[236]初期の研究では、乳房画像診断における光子計数CTの線量低減の可能性が非常に有望であることが示されています。[237] CTスキャンの繰り返しによる患者の累積線量が高いという最近の知見を踏まえ、CTスキャン中に患者への電離放射線量をミリシーベルト未満（文献ではmSv未満）のレベルまで低減するスキャン技術と手法の開発が求められており、この目標は未だ達成されていません。[238] [159] [160] [161]

参照

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コンピュータ断層撮影に関する図書館資料
  • ライブラリ内のリソース
  • CT画像診断の開発
  • CT アーティファクト — David Platten による PPT
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