2021/3/23

医用画像の基礎

NormalAortitis

高安動脈炎

加藤千恵次
北大病院 核医学診療科
北大保健科学研究院
北大医理工学院
令和２年度 「医用画像の基礎」の講義はこのスライドを各自で見て、医用画像の基本知識を、理解して下さい。

Lung ca.

肺癌

18F-FDG PET

腫瘍、炎症のほかに脳、尿、ときに心筋へ出席票をメールで提出して下さい。
問題の解答、質問や感想も記述して下さい。

正常集積を認める。

1

4

PETによる病態の定量画像化技術

一般的に、体内組織は、エネルギー源として脂肪酸を摂取し、ミトコンドリア内のベータ酸化回路で脂肪酸からＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を産生する。
ベータ酸化回路はＡＴＰ産生は多いが、酸素を多量に要求する。
癌細胞や炎症細胞など、急に出現した異常組織は、酸素を運ぶ赤血球の通路である血管が不備なので、酸素をあまり要求しない解糖系でＡＴＰを産生する。
解糖系はＡＴＰ産生量が少ないので、普通の組織ではあまり稼働していない。
そのため、ＰＥＴ検査で、ブドウ糖と類似物質の放射性薬剤ＦＤＧを使うと、腫瘍や炎症病変に集積し、さらに代謝されないので病変組織内に長く停滞し、画像化できる。

北大病院 核医学診療科 加藤千恵次
北大保健科学研究院 医理工学院
PET （Positron Emission Tomography）とは体内の陽電子放出核種の分布量を３次元的、４次元的に算出する放射能定量測定器• 高分解能 （画質が良い）• 高感度• 定量性に優れている
2518F-FDG （Fluoro Deoxy Glucose）は、ブドウ糖の

北大病院
核医学検査室
ＰＥＴ/ＣＴ装置類似物質（analog）で、ブドウ糖と同様に組織に摂取されるが、代謝されないので組織内に長く停滞し、脳や病変のブドウ糖定量画像収集に有用な薬剤となる。
（ただし、肝細胞、高分化型肝細胞癌には取込まれにくい。）（腎癌 clear cell carcinoma も FDG取込みが乏しい。）
HOHOOHOHOD-Glucose
ブドウ糖

3OHOＰＥＴ:
陽電子ＣＴPositronEmission CTHOOHOHOH
18F-FDG

18F

61

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18F-FDG

Brain PET

185MBq 静注１時間後

5分撮像

高安動脈炎
指定難病（330疾患ある）の一つ。登録患者 7000人（原因不明疾患に対する医療費補助制度がある）
平成３０年４月から FDG PET の保険適用。
９割が女性。好発年令は10～30才。若年女性。
若年女性で重症の頸部痛、頭痛、肩凝りの症例で、CT等で大動脈弓の分枝血管に狭窄等の所見、左右上肢での血圧測定値に左右差などあれば、FDG PET/CT実施を。炎症血管にFDG集積あり。
治療法は、ステロイド（減量すると再燃しやすい）、抗体医薬（トリシズマブ（アクテムラ） IL-6R）（本来は関節リウマチ薬。高価。5000円/日））

710

FDG-PET の 健康保険適用疾患
1. てんかん（難治性、手術適応例）

CT・PET・fusion画像のいずれかをクリックすると、その部位の集積が表示される。
クリックした点は黄色十字で示される。

2. 虚血性心疾患（viabilityの診断）
心サルコイドーシス（致死性不整脈）
３．悪性腫瘍 （早期胃癌を除く）（病理診断で悪性病変と確定した症例。
他の画像で悪性腫瘍と判断される症例。
悪性リンパ腫の治療効果判定。
他の腫瘍で再発転移が確定の症例。）
４．大動脈炎 高安動脈炎、巨細胞性動脈炎（平成30年から）クリックした部位
クリックした部位のカウント

FDG‐PET画像から 病変の SUV を算出する。

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肝細胞はブドウ糖を貯蔵しグリコーゲンを形成する機能を持ちます。
肝細胞が取込んだ糖が本当にブドウ糖でなければグリコーゲンの材料になりません。
よってFDGなどのブドウ糖以外の糖は、すぐ肝細胞外に排出されます。

SUV ( Standardized Uptake Value)=

FDGは尿排泄されるので腎実質にはFDGが非常に強く集積します。
腎癌は尿細管や糸球体を含まないので、正常腎実質より集積が低くなります。
てんかんの原因となる異常脳細胞は、発作時以外は正常脳細胞より活動性が低いです（脳細胞としてできる仕事が少ないので）。
したがって、てんかんの原因となる異常脳細胞のFDG消費量は、正常脳細胞より少ないのが普通です。側頭葉内側、海馬が好発部位です。
早期胃癌はFDG-PETで検出困難です。胃壁を浸潤していないのでシート状に薄い病変で、さらに健常な胃壁は蠕動運動しているので、撮像に数分間を要するPET撮像時に病変も動いています。このように薄くて動いている病変はPETでは検出が困難です。
保険点数の安い胃カメラのほうが患者さんと保険料納税者にとって有用です。
PET検査は１０万円します。保険を許すと７万円の税金が無駄になります。

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病変の放射能濃度（Bq/ml）
体内平均放射能濃度（Bq/ml）（ 投与量（Bq） / 体重（ｇ） ）分子と分母の放射能は時刻を合わせる（半減期補正をする）必要がある。
病変の放射能濃度が体内平均の何倍かを示す半定量値。 正常値は １。
2.5～３以上を病的集積と考える。
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半減期

Ｈａｌｆ ｌｉｆｅ Ｔ１／２
（ ｔ / Ｔ1/2 ）Ｎ ＝ Ｎo ｘ （１／２）
崩壊定数 λ１秒間に原子核が崩壊する割合
ＮｄＮ／ｄｔ ＝ -λＮ

ＮoＮ ＝ Ｎoｅ－λｔＮo／２ ＝ Ｎo
Ｎo／２
１／２ ＝ｅｅ-λＴ1/2-λＴ1/2

Ｎo／４ｅ

Log（１／２） ＝ Log （ｔ-λＴ1/2 ）Log２ ＝ ０．６９３ ＝ λＴ1/2

Ｔ1/2 ２Ｔ1/2

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平成２６年 診療放射線技師国家試験

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解答 ２

撮像開始時刻の 11時50分における放射能を計算する。
患者体内の放射能は、200 x (1/2) = 100 MBq
体内平均濃度は、 100 MBq / 50 kg = 2000 Bq / ml
病変のSUVは、12000 / 2000 = 6.0 （倍）（SUVに定量的単位はない。SUVは半定量値である。）

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正面と背面のカメラで撮影した像が異なる理由は、人体がガンマ線を吸収、散乱させているため。
体表から深い部位ほど描画が薄い。

15183

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放射線（Radiation）は、２種類ある。
１．電磁波（ Ｘ線、ガンマ線 ）＝ 空間の振動エネルギー
２．粒子線（ 電子線、陽電子線 など ）＝高速に飛ぶ粒子 （質量をもつ）
Ｘ線、ガンマ線より人体への影響が大きい

光などの電磁エネルギーが、波と粒子の両方の性質を持つという二重性を理解することは非常に困難です。

放射能（Radio-activity）とは、１秒間に放出される放射線の数 。
放射能の単位は ベクレル （Ｂｑ）。

その理由は、我々が、空間を4次元以上の構造として認識することが難しいからです。

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電磁波（Ｘ線、ガンマ線、光線、電波など）
は、空間の振動エネルギー。
空間 (Universe) とは何もない所ではない。
空間とは、物理的実在物（構造物）である。
空間構造の振動が、Ｘ線、ガンマ線、可視光線、電波 などの電磁波になる。

PETカメラは、コリメータがないので高感度。

空間が3次元構造しかない場合では、その二重性は発生しません。（その二重性は説明できません。）

コリメータは小さい孔を多数あけた鉛板。検出感度を下げる。

電磁波の名称と波長Ｘ線,ガンマ線：10 ピコ～10ナノ メートル可視光線 ： ４００～８００ ナノ メートルマイクロ波： １００ マイクロ～１ メートル
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現在のPETはほとんど３次元（３D）収集
CT画像はμの分布２次元（２D）収集と比べ、短時間で良好な画像を収集できる

PET/CT画像

PET画像は Do の分布（全身（頭部～大腿部）を１５～２０分程度で収集）。
コンプトン散乱線を収集しやすく、定量性の精度が低下する。

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従来のカメラでは体内の放射能分布の定量が困難。

CT値 （ HU : Hounsfield Unit ）組織の密度に比例する値

体内の放射能 Do は算出できない。測定できるのはDだけ。

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、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 ） ／ μwμw : 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）
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PETは、CT画像で吸収補正を行うので、定量性が良い。

空気のCT値 は -1000 1000 x （ μ air - μw ） / μw = -1000（HU）

体内の放射能 Do が、測定値 D1、D2 から計算できる。

厳密には空気の線減弱係数 μ air は０ではないが人体組織と比べると極めて小さいので、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２倍の密度が 1000 HU ）1000 x （ 2 μw - μw ） ／ μw = 1000 （HU）

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305

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Take home message
ホームページ
ｃｈｔｇｋａｔｏ．ｃｏｍ で詳細な核医学機器の原理、ＣＴの断層画像作成原理、脳血流など定量解析理論などを説明したスライド、画像解析プログラムなどの説明を載せています。
興味のある人は参照して下さい。

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被曝 Exposure をあらわす単位
吸収線量：１ｋｇの物体が１Ｊの放射線エネ
ルギーを吸収した被曝は、１Ｇｙ（グレイ）。
線量等量：人体が、体重１ｋｇあたりに１Ｊのエネルギーを受ける被曝量は、１Ｓｖ。
１Sv（シーベルト）= 吸収線量 x 線質係数
線質係数Ｑ : 線質の違いによる人体へのエネルギー付与（電離を起こす程度）を表す指標。
Ｑ＝１ : Ｘ線、γ線、β線,
Ｑ＝１０ :陽子線、中性子線
Ｑ＝２０ 多重荷電粒子

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陽電子放出核種の半減期（half-life）は短いのでPET検査の被曝（exposure）は少ない。
被曝の単位は シーベルト（Ｓｖ）（ｍＳｖ ＝０.００１Ｓｖ）
体重１ｋｇ に １Ｊ のエネルギーを受ける被曝が１Ｓｖ。
（１Ｓｖ =１Ｊ/ｋｇ） 一般的に、１００ｍＳｖ以下は、無害。
18F-FDG(185MBq) ４ ｍＳｖ (膀胱 20 心臓 10 胎児 3)

11C-Methionine (370MBq) ２ ｍＳｖ (膵、肝 7 )
従来の検査で使用する放射性同位元素 の半減時間
99m-Tc 6.01 時間
67Ga

78.2 時間 （3.2日）

201Tl

72.9 時間 (3.0日）

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15-O-CO2 ( 3000MBq)
２ ｍＳｖ
ＣＴ
７mSv ～ 10 ～( 肺 11 ）血管造影
7 mSv ～ 10 (1分で皮膚0.5）
胃、消化管造影 3 mSv
単純Ｘ線撮影
０.１ mSv (胸部) ０.２ mSv（骨盤）35

１５Ｏ-ＣＯ２、Ｏ２脳ＰＥＴ

脳血流量ＣＢＦ、酸素摂取率ＯＥＦを定量。

右内頚動脈高度狭窄症例。 脳梗塞ではないが（ＭＲＩ Ｔ２像は正常）、右ＡＣＡ、ＭＣＡ領域の 高度血流低下、酸素摂取率の亢進あり。
（貧困灌流 misery perfusion の状態）

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１８Ｆ-ＦＤＧ

脳ＰＥＴ 脳のブドウ糖消費量を定量
若年性アルツハイマー病 左右頭頂葉の変性、糖代謝低下。

3-compartment model analysis enables to calculate
rate constant images of K1 , k2, k3 and k4 fromdynamic FDG PET image and arterial blood sampling.
K1 image shows uptate rate of FDG into both stroma
and nerve tissues.
k2 images show release
rate of FDG from stromatissues.
Stroma tissues do notneed Glucose, high k2value is shown.

K3 images presents
uptake rate of Glucose
into the nerve tissues.
Nerve tissues needGlucose, high k3 value isshown in the brain.

3740

Dynamic brain FDG PET is performed for one hour,time-activity curve X(t) is acquired in every part ofthe brain.
3-compartment model analysis enables to divide
the X1 curve into the 2 time-activity curves, Xe(t)(stroma tissue curve) and Xm(t) (brain tissue curve).
This technique enables to analyze several
pathological uptake rate of brain nerve tissues.

0.42はLumped constantと呼ばれる定数で、ブドウ糖の脳組織への摂取率を１とした場合の18F-FDGの脳組織への摂取率の割合。

3841

Quantitative analysis of dynamic FDG PET
with three-compartment model

Compartment model analysis is very useful toanalyze quantitative evaluation of several diseases.
But it sometimes requires arterial blood sampling
during the dynamic PET acquisition.
It is invasive and expose high radiation to the doctor
who is sampling blood, because he must be nearby
a patient who is emitting gamma rays from the body.

0.42 is a Lumped constant, uptake ratio of FDG compared with Glucose.

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Recently, Deep-Learning is used in the clinical study.
Several cases of 18F-FDG dynamic brain PET data andtime-activity curves of sampled arterial plasma wereused as training data.
Then, the trained Deep-Learning algorithm could
estimate the time-activity curve of arterial plasma.
It enables non-invasive compartment model analysis.

１５Ｏ-ＣＯ２、Ｏ２ Brain PＥＴ quantifies CBF, OEF.
Cerebral Blood Flow (CBF), Oxygen Extraction Fraction (OEF)。
Case of severe stenosis in the right internal carotid artery.
Although it is not a cerebral infarction (MRI T2 image is normal),severe hypoperfusion, increased oxygen uptake in the Rt. brain.
It is called misery perfusion. (Immediately before infarction )43

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Patlak plot is a 3-compartment model analysis
without arterial blood sampling.

Fick’s principle

This method isused clinically inthe 99mTc-ECD
brain dynamic
scintigraphy toestimate bloodflow in thebilateral cerebral
hemisphere.

PET study using 15O-CO2 or 15O-H2O, Fick’s principle
is used to estimate the tissue blood flow.
A micro-tissue uptakes Ct(t) of radioactivity during
one second, and radioactivity of the artery and vein
nearby the tissue are Ca(t) and Cv(t),the relationship of Ct, Ca, Cv and blood flow of the
micro-tissue f is presented as follows;d Ct / dt = f（Ca - Cv）

Simplified modelis used, k4 isassumed to bezero, formula ofPatlak plot isderived.

4447

Cp(t) is a time-activity curve of the arterial plasma.
But clinically, in the 99mTc-ECD dynamic brain scintigraphy,
the Cp(t) is used the time-activity curve of the Aortic arch.
X(t) is time-activity curve of the bilateral cerebral hemisphere.

But it is impossible to measure the radioactivityof the vein nearby the micro-tissue Cv(t).

Distribution of ∑Cp(t) / Cp(t) and X(t) / Cp(t) are plotted,
a fitted line is drawn.
The slope of the line is
Ki （= K1・k3/(k2+k3) ）.
Ki means the uptake
rate of 99mTc-ECD into
the cerebral hemisphere,
the value is used as
the cerebral blood flow.

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Anatomically, the volume of venous blood is muchlager than that of arterial blood in the micro-tissue.
So, radioactivity of the venous blood Cv and nearby
microtissue Ct have a linear relationship.
Then the ratio of the Ct and Cv is defined the value p（ partition coefficient （= Ct / Cv））. （ Cv = Ct / p ）.
The Fick’s principle is presented as follows;d Ct（ｔ） / dt = f Ca（t） - （ｆ / p）Ct（ｔ）
This equation enables to estimate the tissue bloodflow f , when Ca(t) and Ct(t) were acquired using
dynamic PET study.

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Myocardial PET study with
15O-H2O, which enables toestimate regional myocardial
blood flow (MBF) using Fick’sprinciple.
In the heart study, radioactivity of the artery is derived
from the Left ventricular count,blood sampling is not needed.

問題１

問題２

This case shows normal MBF
at resting state, but decreased
MBF at the LAD region atstressed state (ATP infusion).
Effort Angina at LAD region
is diagnosed quantitatively.

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2-compartment model analysis is also useful.
It is used clinically for the 123I-IMP Brain SPECT,
myocardial dynamic PET with 11C-acetate, 13NH3, 82Rb.

問題３

123I-IMP Brain SPECT
IMP is amphetamine, stimulant, highly accumulated
into the brain nerve tissue. In the 2-compartment
model, k2 (return rate from the brain to the blood) ofIMP is assumed to be zero.

問題４50

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When the k2 value is zero, 2-compartment model toestimate cerebral blood flow (CBF) is solved easily.

参考文献

123I-IMP Brain SPECT image is started to scan 20minutes after

injection of 123I-IMP, acquisition time is 20mimutes. So,123I-IMP
Brain SPECT is assumed to be scanned 30min. after injection.

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