H22年6月5日（土），弘前文化センター第13回 東北ディジタル医用画像研究会 講演会

胸部動態撮影法およびコンピュータ支援診断システム

田中利恵

金沢大学医薬保健研究域保健学系

日本におけるFPDの歴史

• 1985年 研究開始

• 1998年 薬事承認され販売開始

• 2000～2002年 動画対応FPDの販売開始マンモグラフィ用 〃

簡単にX線動画像が得られるようになる機能情報が得られるかもしれない

胸部X線検査に大革命が起きる可能性がある！！

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

X線イメージングにより機能情報を取得する試みは，多くの研究者によって行われてきた

X線動態撮影の歴史

Autofluoroscopeラインスキャンによる肺血流＆肺換気評価

正常症例

例えば1970年代．．．

肺気腫

Toffolo RR, et al. The autofluoroscope and 133-Xe in dynamic studies of pulmonary perfusion and ventilation. Radiology, 94;692-696,1970.

X線動態撮影の歴史FluorodensimetryやVideo densitmetoryによる局所肺換気＆横隔膜動態の評価

George RB, et al. Fluorodensimetry. A method for analyzing regional ventilation and diaphragm function. JAMA, 217; 171-176, 1971.

X線動態撮影の歴史1980年代に入ると，I.I.-X線TVシステムによる手法が主流になった

Silverman NR, et al. Clinical video-densitometry. Pulmonary ventilation analysis. Radiology, 103; 263-265, 1972.

X線動態撮影の歴史

• 簡便に機能情報が得られる画像検査法として，その有用性が示された

• 撮像視野の制限，画質，研究体制に問題があり，臨床実用には至らなかった

これらの問題を解決するのが，動画対応フラットパネルディタクタ

動画対応フラットパネルX線ディテクタ（FPD）による動態撮影

FPDによるX線動画像の取得

光 電気信号

X-rayX-ray

デジタル画像X線の減弱

広い撮像視野を生かした新しい肺機能イメージングシステムとして期待

FPDを用いた我々の取組み

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

撮影システム

SONIAL VISION SafireⅡ，Shimadzu，Japan

画像データの取り出し

RIS末端，画像サーバー，操作コンソール DICOM形式で画像を取得

撮影条件

項目 設定値

撮影条件 110ｋV, 80mA, 6.3msec撮影距離 1.5m撮影レート 7.5 fps撮影枚数 60 frames総線量 1.2 mGy

IAEAが定める胸部単純X線撮影（側面像）ガイダンスレベル（1.5ｍG）よりも小さな値

[参考文献] International basic safety standards for protection aginstionizing radiation and for the safety of radiation sources, (International atomic energy agency (IAEA), vienna, 1996)

撮影方法

• 立位正面背腹方向• オートボイス使用• 最大努力呼吸を促す合図

• 撮影前に十分な練習

取得画像

65,535

0

マトリックスサイズ 1280 x 1280画素サイズ 300μm階調数 16bits Gray-scale

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

得られる診断情報

心臓の動き

横隔膜動態

横隔膜の形態診断従来の単純X線写真：横隔膜の形や位置が主な診断情報

正常症例 COPD

平坦化

低下

横隔膜の機能診断動画：形態情報 ＋横隔膜の移動方向や移動量

正常症例

横隔膜神経麻痺の奇異運動の診断

肺容積減少手術の適応判定

正常な横隔膜移動量安静時1ｃｍ，努力時10ｃｍ

参考文献：呼吸の生理第3版，笛木隆三，富岡眞一，医学書院

横隔膜の機能診断

正常症例 COPD

横隔膜移動量安静時1ｃｍ，努力時10ｃｍ

横隔膜移動量の減少右0.8cm，左1.2cm

努力呼吸をしているにもかかわらず，正常人の安静時並みの移動量しかない→機能的にも異常があることが分かる

横隔膜の機能診断

正常症例 COPD

横隔膜移動量が正常範囲である場合→肺容積減少手術の適応外

[参考文献] Suga K, et al. Impaired respiratory mechanics in pulmonary emphysema: evaluation with dynamic breathing MRI. J Magn Reson Imaging. 1999;10(4):510-20.

静止画像から心機能を評価心胸郭比（CTR） → 心臓と胸郭の幅の比として算出

正常症例 異常症例

CTR= a/b×100= 48% CTR = a/b×100 = 64% >50%

a

b

a

b

心肥大

動きそのものから心機能を評価

正常症例 異常症例

時空間断層像動画の時間軸方向を奥行きとした3次元画像から作成→機能情報を1枚の画像に集約

冠状断 矢状断

心壁運動

横隔膜運動

R. Tanaka, et al: Automated analysis for the respiratory kinetics with the screening dynamic chest radiography using a flat-panel detector system. CARS2003, Proc.179-186.

横隔膜や心臓機能の定量評価

1/2

1/2

1/2

1/2

1/2 1/2 1/2 1/2

肺野認識 横隔膜の可動域計測

R. Tanaka, et al.:Computerized methods for determining respiratory phase on dynamic chest radiographs obtained by a dynamic flat-panel detector system. J Digit Imag,2006;9(1):41-51.R. Tanaka, et al.:Breathing Chest Radiography using a Dynamic Flat-Panel Detector (FPD) with Computer Analysis for a Screening Examination. Med Phys, 2004;31(8):2254-2262.

動画利用の新しい展開

時間（m

sec）

振幅（mm）

水平方向座標(mm)心壁運動計測

動画と一緒に機能情報を数値として提供する

得られる診断情報

肺換気

肺血流

？

呼吸に伴う含気量の増減はピクセル値の増減として表れている

呼気相 吸気相

単位容積あたりの肺血管・気管支の密度変化

Expiration

Inspiration

Systole

Diastole

Citation from L. F. Squire and R. A. Novelline, Overexpansion and Collapse of the Lung. In: Fundamentals of Radiology, 4th ed. pp. 88-89.

同一人物の吸気・呼気画像でこの変化を確認してみましょう！

吸気呼気

→この変化の大きい部分は空気の出入りが多いということ

白っぽく写っている部分よりも，黒っぽく写っている部分のほうが空気をたくさん含んでいる

吸気のほうが肺野が黒っぽい

ピクセル値の変化から相対的な空気の出入りを評価

左肺右肺

ピクセル値の変化量

田中利恵，真田茂，藤村政樹，他．胸部X線動画像におけるピクセル値変化量計測の有用性：放射性同位元素（RI）計数値の比較．医用画像情報学会雑誌．26(1);13-16, 2009

ピクセル値の血流性変化

呼気相 吸気相

単位容積あたりの肺血流容積の変化

Systole

Diastole

Expiration

Inspiration

Citation from L. F. Squire and R. A. Novelline, Overexpansion and Collapse of the Lung. In: Fundamentals of Radiology, 4th ed. pp. 88-89.

心室収縮期

心室拡張期

ピクセル値の変化と肺血流＆換気の関係

Systole

Diastole

肺血管・気管支の密度が変化

単位容積あたりの肺血流容積が変化

Expiration

Inspiration

ピクセル値の変化 →相対的な肺血流＆換気量を評価※

※計測対象は，肺胞レベルで行われるガス交換ではない．

？？？？？？

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

呼吸＆心拍位相の決定

心壁運動

横隔膜運動

ピクセル値の血流性変化の評価

吸気

呼気

呼吸停止

フレーム間画像位置合わせ

呼吸１サイクルをとおして同一部位を評価するため

肺野領域の認識

呼吸１サイクルをとおして同一部位を評価するため

格子状に分割

ピクセル値の計測

ブロックごとに平均ピクセル値を計測

ピクセル値のフレーム間変化の算出

ブロックごとにその絶対値をすべて加算

ピクセル値の呼吸性変化の可視化

255

0

Σ|フレーム間差分値|

肺尖部から肺基底部にかけて減少する左右対称な分布

正常症例の肺機能画像差分値

+7.5%

呼気位相 吸気位相

-7.5%

X線透過性の増加を暖色, 減少を寒色で表現

全ての正常症例は，左右対称で欠損部のない，正常な呼吸生理を反映した変化を示した．

ピクセル値の血流性変化の評価

吸気

呼気

呼吸停止

１心拍を構成するフレーム

ピクセル値の血流性変化の可視化

0

50(=0.01%)

Σ|フレーム間差分値|

肺門部から末梢にかけて減少する左右対称な分布

正常症例の肺血流画像

肺野内の微小なピクセル値の変化

( - ) ( - ) ( - )( - )( - ) ( - )( - ) ( - )( - )

Down

UP

X線透過性

フレーム間差分

正常症例の肺血流画像

+10差分値

心電図

R波T波

心室収縮期 心室拡張期

X線透過性Down

X線透過性Up-10

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

胸部X線動画像のためのCAD

• 動画像から機能情報を正確に解釈するには，呼吸生理学に関する豊富な知識を必要とする．

• 多くの放射線科医にとってこの胸部X線動画像の読影は難しいことである．

胸部X線動画像のためのCAD（現在開発中）

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

RPv%LPv%

r=0.01

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

RPv%LPv%

r=0.70

1.5%

0

正常症例左右対称な分布を示す

左右対称的な位置でピクセル値の変化量に高い相関

胸部X線動画像のためのCAD（現在開発中）

1.5%

0

肺機能に異常がある症例左右非対称な分布

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 0.5 1 1.5 2 2.5

RPv%LPv%

r=0.01

左右対称的な位置でピクセル値の変化量に相関なしを示す

胸部X線動画像のためのCAD（現在開発中）

2.0%

0

肺機能に異常がある症例左右非対称な分布

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2

RL

r=0.40

左右対称的な位置でピクセル値の変化量に相関↓を示す

胸部X線動画像のためのCAD（現在開発中）

• 左右非対称な分布を異常として検出

• 正常な分布からの逸脱を異常として検出

R．Tanaka, S．Sanada, M．Fujimura, et al. Development of computer-aided diagnosis system for functional evaluation on breathing chest radiographs: Preliminary study. IJCARS, 2010(In press)

本日の発表内容

• X線動態撮影の歴史

• FPDによる胸部X線動態撮影– 撮影方法– 得られる診断情報– 動画解析– CAD開発

• 初期臨床評価の結果

• 今後の課題＆展望

臨床評価

• 本学医学部附属病院の医師らと連携して，臨床評価を行っている．

※臨床試験は，金沢大学医

学部・医の倫理委員会の承認を得て行われている．被検者には撮影に対する十分な説明を行い，書面による同意を得ている

臨床評価

R. Tanaka, S. Sanada, N. Okazaki, et al: Evaluation of pulmonary function using breathing chest radiography with a dynamic flat-panel detector (FPD): Primary results in pulmonary diseases. Invest Radiol, 41(10), 735-745, 2006

肺シンチグラフィをゴールドスタンダードとした臨床評価

胸部X線動画像 肺シンチグラフィ

重ね合わせ画像

ブロックごとにRIカウントを計測

肺シンチグラフィ

相関を算出

RIカウントの分布ピクセル値の変化量の分布

対象

対象 症例数

呼吸器疾患症例 15 慢性閉塞性肺疾患（COPD）肺繊維症, 喘息(31-75 years old; 3 Female, 7 Male;)

正常症例 10(21–51 years old; mean, 25.8 years old; M:F=7:3)

COPD（喘息＋SBS+肺気腫）７７歳男性

％VC 97.7 ↑1秒率 22.4 ↓

閉塞性換気障害

CTCOPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

肺野内の広範囲に肺気腫

肺換気シンチグラフィCOPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

核医学放射線科医によってトレースされた肺換気の欠損・低下領域

欠損領域

低下領域

肺換気マッピング画像COPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

ピクセル値の呼吸性変化の減少が白色領域

相関分析の結果COPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

肺換気マッピング画像 肺換気シンチグラフィ

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5 2

RIカウント(%)

ピクセル値の変化量(%) r＝0.63

肺血流シンチグラフィCOPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

欠損領域

低下領域

広範囲で肺血流の低下

肺血流マッピング画像COPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

ピクセル値の血流性変化の減少が白色領域

肺血流マッピング画像COPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

正常パターン正常パターンと異なる分布

相関分析の結果COPD（喘息＋SBS+肺気腫），７７歳男性

0

0.5

1

0 0.5 1

RIカウント(%)

ピクセル値の変化量(%)

肺血流マッピング画像 肺血流シンチグラフィ

r＝0.42

COPD（肺気腫）52歳男性

％VC 110.2 ↑1秒率 58.9 ↓

閉塞性換気障害

CTCOPD（肺気腫），52歳男性

肺野内の広範囲に小さな気腫性病変

肺シンチグラフィCOPD（肺気腫），52歳男性

Ventilation Perfusion

肺換気マッピング画像COPD（肺気腫），52歳男性

正常人同様，左右対象な分布

相関分析の結果COPD（肺気腫），52歳男性

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5

RIカウント（％）

ピクセル値の変化量（％）

肺換気マッピング画像 肺換気シンチグラフィ

r＝0.47

肺血流マッピング画像COPD（肺気腫），52歳男性

肺門部から末梢にかけて減少する左右対称な分布

相関分析の結果COPD（肺気腫），52歳男性

0

0.5

1

0 0.5 1

RIカウント(%)

ピクセル値の変化量(%) r＝0.74

肺血流マッピング画像 肺血流シンチグラフィ

r＝0.65

右肺胸膜の収縮性変化，低酸素血症 ，74歳男性

％VC 75.5 ↓1秒率 49.4 ↓

混合性換気障害

肺シンチグラフィ右肺胸膜の収縮性変化，低酸素血症 ，74歳男性

Ventilation Perfusion

残存

RIカウントから算出したV/Q右肺全域にわたって換気血流比が低下

0 0-0.5 0.5-1 1-1.5 1.5-2 2-5

ピクセル値の変化から算出したV/Q

右肺全域にわたって換気血流比が低下

0 0-0.5 0.5-1 1-1.5 1.5-2 2-5

RIカウントから算出したV/Q比とピクセル値の変化から算出したV/Q比の比較

RIカウント ピクセル値の変化

0 0-0.5 0.5-1 1-1.5 1.5-2 2-5

田中利恵，藤村政樹，安井正英，他．胸部X線動態撮影法による換気-血流mismatch症例を対象としたV/Q study．医用画像情報学会雑誌．26(3)；68-72, 2009

相関分析の結果右肺胸膜の収縮性変化，低酸素血症 ，74歳男性

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

V/QRI

V/Q

PV r=0.78

r＝0.78

考察

• 正常症例ピクセル値の変化量は，正常な肺換気・血流と矛盾しない分布を示した

• COPD症例換気障害や血流障害が，ピクセル値の変化量の減少として描出され，RIカウントの分布と相関がみられた

• ピクセル値の変化量から肺換気や肺血流に関連する機能情報が得られる

• V/Q studyの可能性も示唆された

考察

• 間接的かつ相対的な情報

絶対値として算出するには至っておらず，被写体間比較よりも，同一被写体において左右肺比較や経時変化評価などの運用が適している

• 肺シンチグラフィ所見との不一致① 動画像のフレーム間位置合わせエラー

② 計測対象の違い本法・・・単位容積あたりの肺血管・気管支密度の変化

肺シンチ・・・肺気流・血流にのって分布したRI

③ 検査時の撮影体位や呼吸レベルの違い

実用化に向けた課題

• 診断基準の確立–どんな疾患に有用か？–どれくらい小さな異常を見つけられるか？

• 撮影パラメータの最適化（撮影条件，撮影レート，撮影時間）

–動画解析に最低限必要な画質は？–診断情報と総線量とのバランスは？

実用化に向けた課題

• 周辺技術開発–画像処理法–画像表示ソフト– コンピュータ支援診断（CAD)システム

• 画像処理技術の洗練化– フレーム間位置合わせ

X線動画像を対象とした研究開発

「試してみたいことが汎用ソフトでできない」というくらい研究が進んできたら

ソフトウエア開発のススメ

自分で書くのはここだけ！！

ソフトウエア開発のススメ

大学院進学のススメ

http://mhs3.mp.kanazawa-u.ac.jp/

動画対応ポータブルFPDによる新しい展開

災害緊急時・救急対応のポータブル肺機能イメージングとしての可能性

Sholder

HandKnee

Chest

Temporomandibular Joint

Heart

Cervicalspine

検索真田研究室

http://www.sanadalab.com/

胸部動態撮影法およびコンピュータ支援診断システム

1. 形態情報＋機能情報（横隔膜，心臓，肺換気&血流）

2. 画像処理およびCAD開発が動画有効利用の鍵

迅速かつ簡便に機能情報を得る心肺機能画像検査法

共同研究者–真田 茂，岡本博之 （金沢大学大学院医学系研究科保健学専攻）

–藤村政樹，安井正英 （金沢大学大学院医学系研究科細胞移植学講座）

–岡崎宣夫 （ひがしやま病院）

–林則夫 （金沢大学医学部附属病院放射線部）

–南部裕子 （金沢大学医学部附属病院検査部）

–松井修 （金沢大学大学院医学系研究科経血管診療学）

資金提供‒文部科学省科学技術研究費H19-21年度若手研究（B)H16-18年度特定領域研究費「多次元医用画像の知的診断支援」

‒ 科学技術振興機構（JST），H20年度シーズ発掘試験‒ （財）コニカミノルタ画像科学振興財団‒ （財） 医科学応用研究財団‒ （財）中島記念国際交流財団，（財）立石科学技術振興財団