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平成23年2月16日

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1万分の1度ほどのX線の屈折を利用した革新的X線撮影装置を開発

−乳がんやリウマチの早期診断を可能に−

JST 産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】の一環として、東京大学 大学院新領域創成科学研究科の百生(モモセ) 敦 准教授と、コニカミノルタエムジー株式会社(本社:東京都日野市、社長:児玉 篤)、兵庫県立大学 高度産業科学技術研究所の服部 正 教授らの開発チームは、病院などで使用されている通常のX線源を用い、撮影対象を通過したX線の位相注1)の違いから画像の濃淡(コントラスト)を生成する革新的なX線撮影装置を開発しました。

従来から病院などで一般的に用いられているX線撮影装置では、撮影対象を透過したX線の強弱をそのまま記録することでコントラストを得ています。例えば、人体を撮影する際、骨のようにX線を吸収しやすい組織の画像は容易に得ることができますが、がん化した組織や軟骨などはX線をあまり吸収しないため、撮影が困難でした。一方で、X線があまり吸収を受けない組織を透過する場合であっても、X線の位相には変化が生じ、透過したX線はわずかながら屈折されます。しかし、従来のX線撮影装置ではこの効果をほとんど検出することができませんでした。百生准教授らは今回、タルボ・ロー干渉計と呼ばれる原理に基づき、1万分の1度ほど曲がったX線を検出することによってコントラストを生成する装置を開発しました。この成果により、今までの技術では得られなかった軟骨など体内の柔らかい組織についてもX線画像を撮影することに成功しました。

名古屋医療センターの遠藤 登喜子 放射線科部長は、この装置を用いて乳がん切除標本の撮影を行い、従来のX線画像では確認できなかった乳がん部位の撮影に成功しました。この結果は本装置の乳がん早期診断への有効性を示唆するもので、2011年2月18日・19日(日本時間)に東京ステーションコンファレンスで開催される「第30回 日本画像医学会年会」で発表されます。また、埼玉医科大学の田中 淳司 教授もこの装置を用いて、従来法では難しかった軟骨の撮影に成功しました。この成果で示唆された早期リウマチ診断への可能性については、2011年3月3日から7日(オーストリア時間)までオーストリアのウィーンで開催される「欧州放射線学会(ECR2011)」で発表されます。

これらの成果は、本装置が医療用画像診断装置としての高い有用性を持つことを期待させるものです。また、日本発の革新的X線撮影装置として、製品検査やセキュリティのためのX線非破壊検査などにも広く役立てられる可能性も期待されます。

本開発成果は、以下の事業・開発課題によって得られました。

事業名産学イノベーション加速事業【先端計測分析技術・機器開発】機器開発プログラム
担当開発総括澤田 嗣郎(東京大学 名誉教授)
開発課題名「高アスペクト比X線格子を用いた位相型高感度X線医用診断機器の開発」
チームリーダー百生 敦(東京大学 大学院新領域創成科学研究科 准教授)
開発期間平成19〜23年度(予定)

JSTはこのプログラムで、最先端の研究ニーズに応えられるような計測分析・機器およびその周辺システムの開発を行うことを目的としています。

<研究の背景と経緯>

1895年のレントゲン博士による発見以降、X線は物質内を透視できる光線として医療や非破壊検査などに広く利用され続けています。X線透視画像のコントラストは、X線の透過を遮る物質がある場合に明瞭に現れ、これを吸収コントラストと呼びます。例えば、人体では骨については良い吸収コントラストが得られますが、軟骨や内臓などの軟組織の吸収コントラストは容易に得ることができません。吸収コントラストを強調させる方法はありますが造影剤を使う必要があるため、患者さんの病態によっては使用できません。

東京大学の百生准教授らは、これまでとは全く違った方式でコントラストを形成する撮影法の研究を続けてきました。その方法とは、X線が吸収を受けないような物体を通過する際にX線の波が伝わる速さがわずかに変化する、すなわちX線の位相が変化することを利用するものです。具体的には、撮影対象を通過する際にX線の位相がずれ、その結果X線がわずかに屈折して曲がります。このわずかな変化を検出してコントラストを得ます。これは位相の変化から得られるコントラストなので、位相コントラストと呼びます。位相コントラストを用いて生体軟組織や高分子材料を撮影する場合、従来の吸収を用いた撮影法に比べて理論的には約千倍の感度向上が期待でき、従来法で難しかった軟骨やがん組織の撮影もできるようになります。これまで、軟組織の可視化には超音波診断装置やMRIが広く使われていますが、その空間分解能は1mm程度です。一方、X線画像の空間分解能は0.2〜0.05mmなので、より細部の撮影が可能です。つまりX線を用いた撮影法は、その高い分解能に加えて軟組織に対する感度を向上させることで、より信頼性が高くなり、早期の画像診断に貢献できると期待されます。

しかし、位相コントラストを形成するためには、これまで高度なX線源から発生する位相の揃ったX線を用いる必要があり、シンクロトロン放射光源施設注2)で実験が行われていました。シンクロトロン放射光源は巨大な施設で場所や時間の制約が厳しく、そのままの形での実用化は進んでいません。

本開発課題は、病院などで使われている通常のX線源を用いても位相コントラストを得ることが可能な革新的撮影装置を、産学共同で開発することを目指すものです。現在、2ヵ所の病院施設(埼玉医科大学と名古屋医療センター)に本撮影装置を設置し、献体や手術切除標本を用いた撮影実験と医師による画像評価を行っています。その結果、本装置で得られた画像がリウマチや乳がんの早期診断に有用な情報を医師に提供する可能性を確認しました。

<開発の内容>

本成果は、光についてその効果が知られていたタルボ・ロー干渉計の原理を、X線に対して機能する装置を実現することによって得られました。タルボ・ロー干渉計は、3枚のX線格子(G0、G1、G2)から構成されています(図1)。X線格子は、兵庫県立大学において開発・製作し、X線を遮る部分と通過させる部分を数µm(マイクロメートル。マイクロメートルは百万分の1m)の周期で交互に形成したすだれ構造を持ちます(図2)。G1とG2を適度な距離(およそ20cm程度)離して配置し、タルボ効果注3)によりG1の模様をG2上に形成させます。図1のように被写体を配置すると、X線がわずかに屈折を受け、G2上のG1の模様が変形します。G2の背後でX線を撮影すると、変形したG1の模様とG2のすだれパターンとの重なりにより「モアレ縞」と呼ばれる模様が現れます。このモアレ縞を調べることによりX線の屈折の様子を知ることができます。

しかし、病院で使われているX線源から照射されるX線は位相が揃っていません。そのため、被写体を通った時のX線の屈折の効果がならされてしまい、既述のようにG1とG2を配置するだけではモアレ縞が得られません。本装置では、もう1つのX線格子、G0を組み込んで位相が揃う成分を取り出し、病院のX線源でもモアレ縞を得ることに成功しています。図3に撮影装置のイメージ図を示します。上部のX線源から縦方向にX線が放射され、G0、被写体、G1、G2を通って下の画像検出器に到達します。本成果で得られたX線格子を用いると、6cm×6cmの範囲を撮影することができます。

こうして一度の撮影から得られたX線のモアレ縞をコンピューターに取り込んで演算処理を行うと、吸収画像、微分位相画像注4)散乱画像注5)と呼んでいる3つの画像を生成することができます。医師による実際の画像診断では、これらを相補的に活用します。

図4は献体の膝部分を本装置で撮影した画像です。微分位相画像では、矢印で示すように軟骨の輪郭が描出されていますが、従来のX線撮影では見えません。リウマチを患うと、まずこの軟骨組織に変化が現れるので、本装置がリウマチの早期診断に有用であると期待されます。

図5は、手術で切除された乳がん組織の標本を撮影した画像です。ここで示されている症例は浸潤性乳管がん注6)と呼ばれるもので、右下の病理像による検査では、がんの腫瘤の他に乳管の内部に石灰化を伴う管内がんと石灰化を伴わない管内がんが認められる例です。本装置で得られた3枚の画像を比較すると、散乱画像に最も多くの信号が検出されています。散乱画像から得られる情報は病理像での所見とよく対応しており、本装置がさまざまな乳がんの早期診断に有用である可能性を示すものです。

<今後の展開>

本課題では、病院で使われているX線源を用い、タルボ・ロー干渉計による革新的X線撮影装置を実現しました。この装置を用いて臨床の医師によって得られた結果は、本装置が医療用画像診断装置として高い有用性を持つことを示唆するものです。本開発課題では引き続き装置の改良を進め、今秋を目処に臨床研究の段階に進むための準備を進めています。これは、リウマチ診断装置および乳がん診断装置の製品化に向けた開発を加速させ、日本発の革新的X線撮影装置を世に展開することを目指すものです。

また本装置の原理は、X線CTスキャナなどへの適用も可能です。今後は、医療応用以外でも、製品検査やセキュリティのためのX線非破壊検査装置などとして広く役立てられることが可能であると期待されます。

<参考図>

図1

図1 X線タルボ・ロー干渉計の構成とコントラスト生成の仕組み

本装置の最大の特徴は、3枚のすだれ状X線格子(G0、G1、G2)を用いることによって、被写体によるX線の屈折をモアレ縞として可視化することです。

図2

図2 X線格子

X線格子のすだれ構造は、金とX線レジストと呼ばれる部分が交互に並んで形成されています。X線レジストは高分子でできており、X線はこの部分を通り抜けますが、金の部分はX線を遮ります。X線は透過力が高いので、このように高さのある格子構造を形成する必要があります。

これらのX線格子は、ニュースバル放射光施設ビームライン2を用いたX線リソグラフィ注7)と金メッキ技術を用いて製作しました。最も製作が難しいX線格子(G2)は、5.3µmの周期、30µmの高さ、6cm角の面積を持っています。

図3

図3 撮影装置のイメージ図

上部に配置されたX線源から縦方向にX線が照射され、G0、被写体、G1、G2を通って画像検出器に到達します。照射されたX線がG0を通ることにより、位相が揃います。位相の揃ったX線がG1上の被写体を通過する際に、被写体による位相の変化が発生します。X線がG1、G2を通過する際に形成されるモアレ縞には、この位相変化が反映されます。こうして得られたモアレ縞を画像検出器で検出し、そのデータを演算処理することによって、吸収画像、微分位相画像、散乱画像の3つの画像を生成します。

図4

図4 ヒト(献体)の膝の撮影結果(微分位相像)

埼玉医科大学に設置した装置で撮影した画像です。矢印で示すように、骨の輪郭に沿ってもう1本の輪郭が描出されています。これは、その形態や厚みから関節軟骨の輪郭に合致すると考えられます。従来のX線写真(左上)では描出が困難であった構造です。

図5

図5 乳がんの切除組織標本の撮影結果

名古屋医療センターに設置した装置で撮影した画像です。左上に示す吸収画像(従来のレントゲン画像に相当)では、腫瘤部は乳腺より若干低吸収で、腫瘤外には管内がんにより形成された石灰化が白く認められ、本腫瘍が腫瘤を形成した浸潤部分のほか周囲に管内がんを伴っていることが示されています。右上に示されている微分位相画像では、コントラストが乏しく、撮影した組織の構造を解読することが困難です。一方、左下に示されている散乱画像では、吸収画像で観察できなかった石灰化成分に由来すると考えられる信号が明らかに増加しています。これは右下に示した病理組織で得られた診断結果とよく対応しています。

乳がんは乳管内で発生し乳管内を進展、乳管壁を破って乳管周囲の間質に浸潤するため、乳管内成分を鋭敏に描出できる画像は早期がんの発見により貢献できる可能性があります。

<用語解説>

注1) 位相
周期的に変動する波がある時、1つの波形における波の位置を位相、また、同じ波の位置を連ねた面を波面と呼ぶ。波は、その高さとこの位相によって表現される。光の波が物体を透過することにより波の高さが減衰し、位相がずれる。そのため、波の高さの減衰が吸収コントラストに関連し、位相のずれが位相コントラストに関連する。位相のずれが場所によって異なると波面が変形し、波は波面を押し広げるように伝わるので、波面の変形は光の屈折をもたらす。
注2) シンクロトロン放射光施設
シンクロトロン放射光とは、電子などの荷電粒子の軌道が磁場の中で曲げられる時に放射する光のこと。荷電粒子を光の速さ近くまで加速すると、高品質の明るいX線が得られる。X線源としての専用施設としてのシンクロトロン放射光施設は、兵庫県のSpring−8など、国内外で建設されている。
注3) タルボ効果
周期的構造を持つ物体に光を透過させた時、構造の周期と光の波長で決まる特定の距離だけ離れた位置で、物体の構造を反映した像が形成される効果のこと。ただし、この効果が生じるためには、きれいな波面を持つX線を使う必要があり、通常のX線源を使うと、半影によって像がぼやけてしまう。タルボ・ロー干渉計は通常のX線源からのX線のうち、タルボ効果を起こす波面を持つX線のみを選別する機能を持っている。
この効果は、1836年にWilliam.H.F.Talbot(ウィリアム・H・F・トールボット)により発見された。日本語では「トールボット」と記述されるが、X線分野では習慣的に「タルボ」と記述される。
注4) 微分位相画像
物体による屈折によりX線が曲げられる角度の分布像に対応。位相のずれの空間微分に対応するため、「微分位相画像」と呼ばれる。
注5) 散乱画像
モアレ縞が不鮮明になる具合を定量化して画像にしたもの。撮影装置の空間分解能では解像できない細かい構造がX線を強く散乱することで、被写体中の細かな構造が、モアレ縞を不鮮明にすることがある。
注6) 浸潤性乳管がん
乳管の中で発生した乳がんが乳管壁を破り周囲組織に浸潤しているがんで、形態的特徴によって乳頭腺管がん、充実腺管がんと硬がんの3型に分けられる。浸潤性乳管がんは通常、さまざまな割合の浸潤がんと乳管内がんによって構成されている。
注7) X線リソグラフィ
半導体加工など、光による露光によって微細パターンを形成する技術の1つ。直進性の高いX線を使うことにより、厚いパターン形成が可能という特徴を持っており、本装置で使われるX線格子製作に効果的な方法。

<参考文献名および著者名、発表学会名>

1)“位相型高感度X線撮影試作装置による乳房切除標本撮影の経験”
遠藤 登喜子、市原 周、森谷 鈴子、長谷川 正規、佐藤 康幸、林 孝子、加藤 彩、清原 淳子、長束 澄也、百生 敦
第30回 日本画像医学会年会

2)“Human medical imaging with a reformed x-ray interferometry using a practical x-ray tube: a preliminary cadaveric study”
(実用X線管を用いた改良型X線干渉計による人体の医用イメージング:献体を用いた予備的研究)
J.Tanaka,A.Momose,M.Nagashima,K.Kido
欧州放射線学会(European Congress of Radiology:ECR2011)

<お問い合わせ先>

<開発内容に関すること>

百生 敦(モモセ アツシ)
東京大学 大学院新領域創成科学研究科 准教授
〒277-8561 千葉県柏市柏の葉5−1−5
Tel:04-7136-5470 Fax:04-7136-4058
E-mail:

長束 澄也(ナガツカ スミヤ)
コニカミノルタエムジー株式会社 開発センター 画像応用開発チームリーダー
〒192-8505 東京都八王子市石川町2970番地
Tel:042-660-9604 Fax:042-660-9831
E-mail:

<JSTの事業に関すること>

安藤 利夫(アンドウ トシオ)
科学技術振興機構 イノベーション推進本部 産学基礎基盤推進部(先端計測分析技術・機器開発担当)
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