放射光第 1 巻第 2 号

1988 年 8 月

13|翌昔日放射光を利用した冠状動脈造影技術の開発
梅谷啓二、植田健*

武田徹、中島禎一、阿武泉、秋貞雄祥***日立製作所中央研究所**筑波大学臨床医学系

Developmento
fCoronaryA 口 giography UsingSγ 口 chrotron Radiation
Ke話 i Umetani , K
enUedaitachiLtd.
CentralResearchLab. , H

TohoruTakeda , TeiichiNakajima,
Izu
miAnno , M
asayoshiAkisadaniv
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Instituteo
fClinicalMedicine, Uubtr
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ime.

1. はじめに

本稿ではー放射光利用の有効性，および.

PF代後半からスタンフォードの SSRL で始められ i:

で=初めての短時間間隔動画像撮影実験について報ヴ。

現在.わが国を含め米国ー西独.ソ連で進められ

すの BL-8C でウサギとラットを用いて行った世界

告放射光を用いた血管造影技術の開発は. 1970 年ている。乙の背景には.狭心症や心筋梗塞などの心臓病が.欧米で死亡原因の第一位であり.わが2. 放射光利用の有効性

国でも食生活の欧米化に伴い第二位を占めるとい2. 1 物理的な側面

う現実 2) があるためである。しかし心臓病の診放射光を用いた K 吸収端エネルギー差分法には，断は，冠状動脈(心臓に血液を供給する動脈) ~ζ 造

2 つのメリットがある。第一はー血管像以外の生影剤を直接注入する危険性の高い方法が用いられ体組織像をほぼ完全に消去できること。第二は，ている。ここで，心臓病のより安全な診新法とし通常の X 線管を用いた撮影に比べ，被写体から発て句末梢の静脈から造影剤を注入し冠状動脈造影生する散乱 X 線の影響や X 線焦点サイズの影響をを行うという方法が注目されている。乙のために受けないことである。

は.造影斉IJ (ヨウ素)を高感度で検出する K 吸収

物質を透過した X 線の画像濃度レベノレを a. 物

端エネルギー差分撮影法 3) を用いなければならな質を透過しない直接 X 線の濃度レベルを b とする

し '0と，コントラスト C は，次式で定義される。

(C) 1988 The Japanese Society for Synchrotron Radiation Research

141988 年 8 丹

放射光第 1 巻第 2 号

98

像検出器の幾何学的配置によりー

X 線管焦点サイズおよび散乱 X 線の影響が問題となる。

96x 線管焦点サイズは。被写体の位置にピンホールを置いた場合に生じる焦点のピーンホール像のサイズとし

94て X 線画像に影響し解像度を低下させる。このBONE:2cmを小さくするには。

92を大きくするか。被写体と画像検出器との距離を

ト一

室 90

トーx 線管と被写体との距離小さくすれば良い。また‘医療用として管電圧 60~80kV で使用する場合はー生体構成元素に対しIODINEK‑EDGE8l IODINATED

4て光電効果よりもコンプトン散乱の断面積の方がはるかに大きく‘散乱 X 線が画像のコントラストを低下させる。散乱 X 線の画像検出器への入射強2度を小さくするには。被写体と検出器との距離を34々ゾ(ィ〕〈ィ)</}ペィ)〈ィ)ハ〉

大きくする必要がある。

36

ζ のように.

サイズの影響と散乱 X 線の影響との間には相反する関係がある。には、回転陽極型 X 線管のパワーに限界があり。幾何学配置の自由度は小さい oX‑RAY剖 ERGY (keV)

X 線管と被写体との距離が 1'"'-' 1. 5 m で.検出は被写体にほぼ密着状態としFig.
1x 線管焦点

energy curves for bio‑logical materials and iodinatedtr
ast agent (25:1 diIuted Urogr
afin‑
76).
Contrast-X 胆 ray

X 線管焦点サイズの影響を小さくする配置が取られている。そして散乱 X 線の影響を抑えるために‘ソーラースリッ

ト状のグリッドを用いている。しかし，画像信号

C=(aFig.1 ~乙b)/(a 十 b )(1)

ヨウ素吸収端エネノレギー付近での。

成分に対して数 10% 程度の散乱 X 線 4) は‘画像検出器に入射しており‘コントラストを低下させて体物質および静脈注入の後に血液で 25 倍 l 乙薄めらいるのが現状である。このため例えば。

れた造影斉Ij (ヨウ素)の‘ージインテンシファイアと TV カメラを組み合わX 線岡像中でのコント

X 線イメラストを示す。ヨウ素吸収端エネルギーより高い

せた循環器系診断装置の場合，

X 線エネルギーでも‘筋肉と造影剤ではコントラ

像度は 180μm あるが 5)

ストが約 30 倍異なる。しかし‘吸収端エネノレギーっては1. 5 倍程度まで解後度が低下する。

前後で按影し画像間で差分を取った場合は。筋肉や骨の像がほiζ 消去でき‘造影剤のみの{象が得られる。差分像のコントラストは喝

ヨウ自体の限界解

被写体の撮影条件によ

乙れに対して.放射光は‘指向性が著しく良い
ため‘光源と被写体との距離を 30m程度にすることができ‘この結果.被写体と画像検出器との距吸収端での X 線吸収率の差が画像濃度 a として残離を 1m 以上にで、きる。この配置ならば‘光源、サり。

ノイズと検出器系

イズの影響はほとんどなく。また散乱 X 線の画像

2 桁以上の高コントラスト化

検出器への入射強度は画像信号成分に対して 1 %btc 対するものは回路ノイズのみで吟が可能である。

以下になり 4 人医療用 X 線撮影の配置として理想

次 iζ ‘第二のメリットについて。医療用の X 線を用いた通常の撮影では，

x 線管@被写体@画的である。

以上の‘エネルギー差分法および幾何学的配罷放射光第 121988 年 8 月

15の自由度という優位性により喝従来の X 線管を使る冠状動脈の拡張術)が‘さかんに行われている

った方式 l 乙辻べ.放射光を用いた場合は格段にコ

今日では‘術後の血管の疎通性の経時的な診断のントラストおよび解像度を向上させることができためのースクリーニング的(検診的)手法が必要る。この結果として.静脈注入によって希釈されとなってきている。

た造影剤でも血管造影が可能となり.安全な心臓

虚血性心疾患の予備的な診断はー心電図や負荷タ 1) ウム 201 心筋シンチグラム料等でなさ病診断を行うことができるものと考えられる。

れるが、血流量の低下している冠状動脈を推定す

2.2 医学的な側面

るのみで‘必ずしも 100% の診断能を有している

今日‘食生活の欧米化 lζ 伴い e日

おいてもわけではない。また。

1980 年前半より臨床の場に狭心症や心筋梗塞な出現してきた X 線イメージインテンシブァイヤと加してきている。虚血性心疾患とは句心臓に血液TV カメラを組み合わせた循環器系診断装置 Dig­を供給する冠状動脈の狭窄や閉塞により句心筋へ

italSubtract
ionAngiography(DSA) は.コンの血流量が低下し心臓機能が低一下する疾患であ

トラスト分解能が従来の X 線イメージインテンシる。虚血性心疾患による死亡率は 1950 年人口 10万ファイヤとシネカメラを組み合わせたシネ@アン

対 9.9 が 1983 年には 43 と. 4 倍以上に増加しておギオグラフィーより数段優れていた。乙のため.

り，現時点では死亡原因の第二位であるが。欧米

静脈注入法により冠状動脈が描出される可能性が同様に今後第一位の座をしめる可能性は大きい。

あると期待されていたが。実際 l とは.バイパスグ

冠状動脈の狭窄や閉塞の状態を直接 l 乙知る手法，ラフト(冠状動脈バイパス部分)および右冠状動すなわち。可動性 iζ 富むカテーテル(プラスチッ

脈の本幹が描出されるのみで臨床上冠状動脈の十クのチューブ)を大動脈経由で左右の冠状動脈ま分な診断法とはなりえなかった。

き宅直接造影剤を注入する選択的冠状動脈造このような背景の中で.

Rubenstein は。

1981

影法が。本疾患の最終診断のためには必要不可欠

年.放射光を用いると。静脈 iζ 造影剤を注入しでとなっている。冠状動脈造影は句1958 年に Sonesも冠状動脈を十分に描出しうることを明らかにしが腕の動脈よりカテーテノレを冠状動脈洞まで挿入た lJ)O すなわち.冠状動脈病変の診断を造影剤して世界で最初に行い。

静脈注入法という低侵襲的(生体組織に悪影響の1959 年には可動性にカテーテノレを製作し左右冠状動脈を選択的 lζ 造ない)な手法で繰り返しスクリーニング的に行い影することに成功したことにより始まった。さらうる可能性が出現したわけである。本手法が実用に.

化されれば‘臨床上の利点ははかりしれず‘虚血Judkins らが 1967 年に大腿動脈よりカテーテノレを挿入して行う手法を開発してから‘

これらの手法が'より一般化し今日に至っている。

性心疾患の診断法として新しい道が関かれることになると期待されている。

しかし選択的冠状動脈造影法では‘冠状動脈に直接カテーテノレを挿入するため非常に大きな危険を伴う。死亡率は施設により異なるが低い所で0.05 先ー高い所では 0.3 先程度である。また q数日間の入院と特別な血管造影装置を必要とするた

3 血管造影技術開発の現状
放射光を用いたエネノレギー差分法による* 負手江:安静状態でなく被検者に運動をさせ，心肺系 l と負手;J をかけながら行う方法

め検査には高額な経費がかかる 2) 。また句冠状動** シンチグラム:オートラジオグラフのように方文具す脹バイパス(大腿部静脈を移植して作る狭容や閉させて撮影した核種の分塞の部分の迂目路)や P T CA (カテーテノレによ布像

16

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用研究は.わが国を含めて米国.西独.ソ連の各

一方我々は.高速かっ高解像震の撮影システムを確立するために句放射光施設で進められている 3) ・ 0「放射線診断グループ J の長

米国では.最初に着手した Rubenstein を中心

谷川らが開発した方式 10) をもとに，画質の向上をとするグノレープが‘スタンフォードの 88RL とブ中心に装置開発 11) を進め.筑波大臨床医学系グルルックへブンの N8L8 で研究を行っている 6) 。こープと日立の共同研究として小動物実験山 ω を行のグノレープの装置は.

1 次元多素子検出器を用い，つている O

被写体を動かして 2 次元画像を撮影するラインス乙の他.

キャン方式である。臨床応用に関する研究は最も進んでおり.心臓病患者を対象とした臨床実験中

1 り)やノボシヒ
ハンブブブ、守、 jルレクググ、や、の DORIお
8 ω4“

スクの VEPP一 3 およびび、一4防川
1 5吋)の各クグや
j

ルレ一ブプ。は.

米と同様なラインスキャン方式で.それぞれ独自な検出器を用いた装置開発を進めている。

である。

わが国では.筑波大の秋貞と PF の安藤を中心とし全国の大学からなる「放射線診断グループリ)J

4 本実験の概要と結果が.非対称反射型結晶分光器と 2 次元画像検出器

4.1 装賓の構成と動作

6 ミリ秒で吸収端前時間および空間分解能に優れた高画質のエネル

後の 2 画像撮影が可能な撮影システム 8 ， 9) を開発

ギー差分像を得るためには.差分する 2 画像間で中である。

位置ずれのない乙とが必要条件となる。

を組み合わせた方式により.

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2 画像間

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問 ONOCHRO 問 ATIC BEA問(50X60m 開)S
R BEA問(2X
60mm)
ハUAAr仁円

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MNHffprr』
Uγi円、uAunvynk

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nHHM 悶円一 lnu

V八FAST‑SlJITCHING
問 ONOCHRO問ATOR

Fig.
2 Schematiclayoutofhighspeed imag匤g system

1988 年 8 月

放射光第 1 巻第 2 号の位置ずれは.

17

ロボ撮影をする。

2 画像撮影の時間間踊と心臓の動きとの積で決まり‘位置ずれを小さくするために動物実験の撮影シーケンスを Fig.3 ~乙示す。造

撮影時間間隔を短くする必要がある。このための

影斉IJ を 2'-"'-3 秒で注入後.注入開始から設定時間

第 1 ステップとして.

後 lζ. 撮影を開始する。撮影はー

TV カメラで順次的に 2 エ

4 フレームを 1

ネルギー画像撮影をする装置を製作しエネノレギ単位とし各フレームで低エネルギー画像撮影りー差分撮影の実験を PF の BL-8C で行った。

エネノレギ一切り換え@高エネノレギー画像撮影@エネノレギ一切り換えを繰返して，全体構成を Fig.2 ~ζ 示す。 Sequence Controller

2 エネノレギーと Video DataAcquisitionUnit の制御で，構成イ象披影をする。そして，各単位間の繰返し時間間

機器はすべて TV カメラの垂直向期信号 lζ 従って

隔を 83--...-550ms の間に設定し. 16枚の連続差分動作する。分光結晶は.長さ 450mm" I隔 70mm

像が得られる。実験は，まず繰返し間隔を長く設のシリコン[ 111]非対称反射型で句ヨウ素吸収端定 (550ms) し。各生体組織での血流による造影

エネルギー 33.1 keVにおいて 200mA のピーム

斉IJ の濃度変化を撮影する。次に，目的部位の濃度電流あたり 400 ミリレントゲン/ s , 7.
4X 107phot‑が最も高くなる時相を選び，撮影開始時間を再設

2. s) の強度の単色 X 線が得られた。単ons/(mm定し，短い時間間隔 (83-----180ms) での連続撮影を行う。

X 線ビームのサイズは，非対称反射による拡大VideoDataAcquisitionUnit~乙記録された画で縦 50mm ..横 60mm が得られた。吸収端前後匂のエネノレギ一切り替えは句結晶角度をステッピン

像は匂グモーター駆動の振動力ムで制御し.

わせた医療用画像処理専用コンビュータにより，16ms で約68000CPU とイメージプロセッサを組み合500eV 切り替えた。 TV カメラは。走査線 262 本，対数変換@位置合わせ@重み付け@差分などの処

16.
7ms/ フレームで動作し. PLZT 光シャッター理を実行してー連続画像としての一連のエネルギおよびエネルギ一切り替えと同期し，分光型ストー差分像となる。

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日「83‑550ms‑r

1巧し~Fig.
3 Timing chartofconsecutive imaging for dynamic studies.

18

放射光第 i 巻第 2 号

1988 年 8 月

4.2
MTF(Modulation

まず句システムTransferFunction) により許可面した。 MTF は。

80

X 線入力 lこ対する‘検出Viγl ハU
円、UMM 山口「ト」'ー ll什U
什U 門ハ〉/.
5Q5(2)

畿地噛繭摺/5 十………}¥¥¥(ω 〉十 R(3ω )/3- R(5ω)

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MTF(的)ニ π 14¥¥¥¥¥¥¥¥¥¥¥¥¥¥

11j⑧\繭瑠\¥¥¥、\¥

れは句矩形波変調関数 R (ω) であり司次式で変換すると MTF

ハリ同ハ同‘

¥縁40mν1MUントラストを空間周波数 ω の関数として得る。こLL11ノ

この面{象から(1)式よりノぐーノぐターンのコ、12Jーおよび隙を周期的 l 乙配列したバーパターンを¥inM

60数として去したものである。実際の測定では句バし¥¥¥波数の関virtuNH 門μHHcl系出力のa) 宍

2FREQUENCY(Ip/ 問問)
バーパヲーソFiq 之の配置で被写体の位置にき‘静止またに移動させながら撮影した n

こられた MTF を Fig. 4~乙示す。横軸の lp (pairs)/mm は，Fig.
4 Modulation Tγansfer Function'softheirnaging sγstem forvariousspeedsoftheobject.a) :0mm/s , b): 5mm/s ,c):15mm/s and d) :30mm/s.

lmm 当りのバーと!境問の組みの数で空間周波数を表したも我々は句ラットおよびウサギ、などの小動物を対のである。図において IVf TF 5売を限界解像度とす

象として令造影剤の静脈注入によるヨウ素 K 吸収

るとー移動速度 30mm/s の場合 (d) でも匂1. 41p/エネノレギー差分を施行した。造影剤の 1 回注入mm つまり 360pm の解像度がある。また(c) 15は今体重 1.5m lJ kg とし。

2--3 秒かけてインジ

24Gmm/s 以下では匂画像のディジタノレサンプリング

ェクターを用いて注入した。ラットでは，ピッチで決まるナイキスト周波数( 1.71p/mm 、(内径 O.6mm) のカテーテノレを尾静脈より挿入し290ρm) まで解像度がある。

ウサギでは 5F (内経 O.8mm) のカテーテノレを下以上は‘高または低エネノレギ一両像それぞれの解像度で吟差分像ではさらに 2 画像間の撮影時間大静脈まで挿入して検査を行った。@
ラットの撮影は噌造影斉IJ 注入開始 4 秒後より開間隔 (33.3ms) による位置ずれが生じる。このた始し 550ms おきに 16 枚の差分像を得た。

め。解像度の低下とアーチファクト(偽像)の発生

l 乙ラットの連続エネノレギー差分像の内で.画像 1 ，を招く。造影斉IJγ76 の 25 倍希釈濃度に2 の間は1. 1 s ，画像 2-----5 の間は 1.65s 毎の画像相当するヨウ索を入れた模擬血管を移動速度目を示す。最初のプレームでは。造影剤が下大静脈

lmmlll福まおよび右心房令右心室にみられる。次のフレーム

mm/s で撮影し得られたは‘で識別できた iijoり。造影剤の原

これらの7 秒前

後で大動脈および頭部や前足 iζ むかう動脈が明瞭血管造影の可能な範囲に描出されている。すなわち。経時的 l と画像が得O.3~lmm であることが明らかとなっられるため撮影のタイミングを失することがなく

度 15mm/s 以ードのfこ O

さらに左右両腕が描出される。

被写体移動速液からお倍希釈までのは婚で肺動脈 eFig.5

目的とする血管系を指出しうるうえ‘従来の手法

1988 年 8 月

放射光第 1 巻第 2 号

19Fig.
5 K‑edge subtract
ion angiography oftherat.

では得られない細かい血管を鮮明に描出すること像撮影という利点は。本装置の特徴を示すものでができた。

ありー他ではまだ達成されていない。

Fig.6~ζ ウサギの冠状動脈像を示す。内径 0.8"'"'lmm の右冠状動脈の全容と左冠状動脈の本幹以上。

ヨウ素 K 吸収端エネノレギー差分法による短時間間隔動画{象撮影は，虚血性心疾患の非常にな診断手法になる可能性が示された。

が描出されている O 冠状動脈の撮影は，最初 550
ms おきの画像を予備的 lζ 撮影し。冠状動脈が良好に描出されている時相を選び‘

180ms おきの短5. おわりに時間悶像収集を行った。これにより.冠状動脈内ブルックヘブンの NSLS のでは司医療診断専用を流れる血流およびー心拍動による冠状動脈のブビームラインが建設中でありー臨床実験の段階かレの少ない画像を得ることができた。特 lに動画

ら実用化へと進もうとしているのさらに‘アノレゴ像で観察できるため。左心室と冠状動脈の重被状

ンヌ態が微妙に変化している様子が捕えられ。一枚のが 225m ~L 波る今大規模な医療診新施設時)が含ま

画像では得られない細かい血管構造を知りうるとれている。また，小出放射光 1) ングの分野でも。

いう利点は大きかった。特にこの短時間間隔動両

医学用小型リングの開発構想 17 。凶)がある。今後句のには。

Fig.
6 K‑edge subtγaction angiographγof therabbit.

ビームラインの長さ

20

放射光第 1 巻第 2 号

1988 年 8 月

この傾向は加速されると考えられ，わが国でも一、開武泉、山口千盟:第 26 回自本 ME 学会大会

用的なエネノレギー差分像撮影システムの開発が急がれる。

(1988).
.Nakajirna , 1.Anno , M.Akisada, K.
13)T.Takeda , T
論文集、

p.372

Ueda , K.Urnetani:MedicalImagingTechnology ,なお，実験装置および結果の詳細は，SRI‑88

1 乙て発表予定である。

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