コンピュータ断層撮影の歴史

X線コンピュータ断層撮影（CT）の歴史は、少なくとも1917年のラドン変換の数学的理論にまで遡ります。^{[1] [2]} 1900年代初頭、イタリアの放射線科医アレッサンドロ・ヴァッレボナが、レントゲンフィルムを使用して人体の単一スライスを観察する断層撮影（「ストラティグラフィ」と名付けられました）を発明しました。^{[3] [4] [5] [6] [7] [ 8] [9] [10] [11]} この技術が広く使用されるようになったのは、1930年代にベルナール・ジョージ・ジーゼス・デ・プラント博士が焦点面断層撮影として知られるこの技術を実装する実用的な方法を開発してからでした。^[12]この技術は、X線ビーム源とキャプチャフィルムを連動させて機械的に動かすことで、検査対象の面の焦点が合ったまま、面の外側にある物体はぼやけるようにします。

1963年10月、ウィリアム・H・オルデンドルフは「高密度物質で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。 ^[13] 1960年代後半から1970年代前半にかけての高性能コンピュータの出現により、初の実用的なコンピュータ断層撮影スキャナの開発が可能になりました。最初の臨床CTスキャンは、サー・ゴッドフリー・ハウンズフィールドが発明したスキャナを使用して、1971年にロンドンの病院で実施されました。^[14] CTスキャナの最初の商用設置であるEMIスキャナマークIは、1973年に米国のメイヨークリニックで実施されました。

コンピュータ断層撮影再構成の背後にある数学理論は、オーストリアの数学者ヨハン・ラドンによるラドン変換^{[1] [2]}の発明に遡り、関数はその投影の無限集合から再構成できることを数学的に示しました。^[15] 1937年、ポーランドの数学者ステファン・カチマルツは、大規模な線形代数方程式系の近似解を求める方法を開発しました。^{[16] [17]これは、}アラン・マクロード・コーマックの理論的および実験的研究とともに^{[18] [19]}代数再構成技術の基礎を築き、ゴッドフリー・ハウンズフィールドが最初の商用CTスキャナの画像再構成メカニズムとして採用しました。 ^[要出典]

1956年、ロナルド・N・ブレイスウェルはラドン変換に似た方法を使用して太陽放射のマップを再構築した。^[20] 1959年、UCLAの神経学者ウィリアム・オルデンドルフは、乾燥した部分を検出して凍傷にかかった果物を排除するように作られた自動装置を見て、「透過したX線ビームを通して頭部をスキャンし、頭部を通過する平面の放射線密度パターンを再構築できる」というアイデアを思いついた。1961年、彼はX線源と機械的に結合された検出器が画像化される物体の周りを回転するプロトタイプを作成した。画像を再構築することにより、この装置は、単一の角度からX線撮影することは不可能だった、円状に他の釘に囲まれた釘のX線画像を取得できた。^{[説明が必要] [21]} 1961年の画期的な論文で、彼は後にアラン・マクロード・コーマックがコンピューター断層撮影の背後にある数学を開発するために使用した基本概念について説明した。

1963年10月、オルデンドルフは「高密度物質で隠された内部物体の特定の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、これにより1975年のラスカー賞をハウンズフィールドと共同受賞した。^[13]コンピュータ断層撮影の数学的手法の分野は、現在も活発に開発が進められている。^{[22] [23] [24] [25]} CTの歴史と数学的手法およびその発展に関する概要は、フランク・ナッテラーとエリック・リトマンによって執筆されている。^[26]

1968年、ニルヴァーナ・マクファデンとマイケル・サラスワットは、急性虫垂炎、小腸閉塞、オギルビー症候群、急性膵炎、腸重積症、リンゴの皮閉鎖症など、一般的な腹部疾患の診断ガイドラインを確立しました。^[27]

従来の焦点面断層撮影は、 1970 年代後半まで放射線診断の柱であり続けましたが、ミニコンピュータの普及と横断方向の走査の開発により、断層画像を取得する好ましい方法として CT が徐々に取って代わられました。数学的には、この方法はラドン変換の使用に基づいています。しかし、コーマックが後に回想しているように^[28]、彼は自分で解決策を見つけなければなりませんでした。なぜなら、彼がラドンの研究について知ったのは 1972 年になってからで、偶然だったからです。

CT 技術は大幅に進歩しました。速度、スライス数、画質の向上は、主に心臓画像診断における主な焦点となっています。現在、スキャナーははるかに高速かつ高解像度の画像を生成するため、医師は患者をより正確に診断し、より精密な医療処置を行うことができます。

最初の商業的に実現可能なCTスキャナーは、英国ヘイズのEMI中央研究所でゴッドフリー・ハウンズフィールド卿によってX線を使用して発明されました。ハウンズフィールドは1967年にそのアイデアを思いつきました。 ^[14]最初のEMIスキャナーはイギリスのウィンブルドンにあるアトキンソン・モーリー病院に設置され、最初の患者の脳スキャンは1971年10月1日に行われました。^[29]それは1972年に公表されました。

1971年に開発された最初のプロトタイプは、180の角度から1度ずつ間隔をあけて160回の並行読み取りを行い、各スキャンには5分強かかりました。これらのスキャンから得られた画像は、大型コンピュータで代数再構成技術によって処理され、2.5時間かかりました。このスキャナーは、単一の光電子増倍管検出器に向けられたペンシルX線ビームを使用し、平行移動/回転の原理で動作しました。^[29]

最初に生産された X 線 CT 装置 (実際は「EMI スキャナー」と呼ばれていました) は、脳の断層画像の作成に限定されていましたが、画像データの取得には約 4 分 (隣接する 2 つのスライスをスキャン)、計算時間 ( Data General Novaミニコンピュータを使用) は 1 枚あたり約 7 分でした。このスキャナーでは、患者の頭部を覆う、前部にあらかじめ形作られたゴム製の「ヘッド キャップ」が付いた、水を満たしたパースペックスタンクを使用する必要がありました。水タンクは、検出器に到達する放射線のダイナミック レンジ (頭部の外側のスキャンと頭蓋骨を通したスキャンの間) を減らすために使用されました。画像の解像度は比較的低く、80 × 80 ピクセルのマトリックスのみで構成されていました。

米国では、メイヨー・クリニックに初めて導入されました。このシステムが医療画像に与えた影響を讃えて、メイヨー・クリニックの放射線科にはEMIスキャナが展示されています。マサチューセッツ州タフツ大学のアラン・マクロード・コーマックは同様のプロセスを独自に発明し、ハウンズフィールドとコーマックの両名はCTの開発への貢献により1979年のノーベル医学賞を受賞しました。 ^[30]

面倒な「水タンク」を必要とせずに人体のあらゆる部分の画像を作成できる最初のコンピュータ断層撮影 (CT) システムは、ジョージタウン大学の Dr. Robert S. Ledley博士 (歯科医師) が設計した自動コンピュータ化横軸 (ACTA) スキャナでした。この革新的なマシンには、検出器として 30 個の光電子増倍管が装備されており、わずか 9 回の平行移動/回転サイクルでスキャンを完了することができ、EMI スキャナよりも大幅に高速でした。サーボ機構を操作し、画像の取得と処理を処理するために、ACTA スキャナは DEC PDP11/34 ミニコンピュータを使用しました。

ジョージタウン大学の ACTA スキャナーのプロトタイプは、製薬大手のファイザーの注目を集め、製造権を獲得しました。ファイザーはその後、このマシンの自社バージョンである「200FS」(「FS」は高速スキャンの略) を発表しました。200FS は 256×256 マトリックスで画像を生成し、EMI スキャナーの 80×80 に比べてはるかに優れた画像解像度を提供しました。1 枚の画像スライスを取得するのに約 20 秒しかかからず、全身スキャンが可能になりましたが、このプロセス中は患者は息を止めなければなりませんでした。これは、1 枚のスライスを取得するのに 5 分かかるため全身スキャンを実行できなかった EMI スキャナーとの重要な違いです。

ACTA および 200FS マシンのワークフローでは、オペレーターが一連のスライスを取得し、画像を処理しなければなりませんでした。これらの画像はフィルムに印刷され、生データは磁気テープ上にアーカイブされました。コンピューターには一度に複数の検査を保存できる容量がなかったため、このアーカイブ手順が必要でした。忙しい病院では、CT オペレーターは、この労働集約的なプロセスに常に従事していました。マシンの機能を維持することも、重要な作業でした。

DEC PDP11/34コンピュータは、ACTA および 200FS スキャナの動作において極めて重要な役割を果たしました。ガントリーを制御し、スキャン プロセスを管理し、生データを最終画像に処理しました。驚くべきことに、このコンピュータは、わずか 64 KB のメモリと 5 MB のハード ディスクで動作し、このハード ディスクには動作プログラムと取得した生データの両方が保存されていました。ハード ディスク自体は 2 つの 12 インチ プラッタで構成され、1 つは内部で固定され、もう 1 つは取り外し可能な円形カートリッジに収納されていました。

ポータブル CT スキャナーは患者のベッドサイドに持ち込むことができ、患者をベッドから出さなくてもスキャンできます。一部のポータブル スキャナーはボア サイズが制限されているため、主に頭部のスキャンに使用されます。スキャナー上で直接画像を表示することはできません。ポータブル CT スキャナーは固定式 CT スイートに代わるものではありません。このタイプの機器の例として、Siemens Healthineers SOMATOM On.site があります。

2008 年、シーメンスは、鼓動する心臓や冠動脈の鮮明な画像を生成するのに十分な速さで 1 秒未満で画像を撮影できる新世代のスキャナーを発表しました。

CT ではガントリーを連続的に回転させ、スパイラル技術を使用して数秒でデータセットを取得できます。スパイラル技術では、患者を連続的に動かしながら機械が基本的に単一のスパイラル スライスを取得するため、すべての関心領域が迅速にカバーされます。このデータは、任意の平面で処理および表示できます。これにより、X 線被ばく量が大幅に削減されます。この技術のリーダーは、シーメンスと東芝です。

2021年、FDAはシーメンスの光子計数スキャナーを承認した。このスキャナーは患者を通過する個々のX線光子を数え、そのエネルギーを識別し、読影者に提供される詳細度を高める。この技術により、スキャンに必要なX線の量も削減される。^[31]

CT は、脳の画像診断において、より侵襲性の高い気脳造影法や焦点面断層撮影法のほとんどの用途に取って代わりました。

コンピュータ断層撮影法が登場する前は、焦点面断層撮影法を使用して、放射線フィルム上に人体の 1 つのスライスを表す断層画像を作成できました。この方法は、1900 年代初頭にイタリアの放射線科医アレッサンドロ ヴァッレボナによって提案されました。このアイデアは、単純な射影幾何学の原理に基づいています。X 線管とフィルムを、焦点を軸とするロッドによって接続し、同期して反対方向に動かします。焦点面上の点によって作成された画像はより鮮明に表示され、他の点の画像はノイズとして消滅します。^[32]これは、ぼやけが "x" 平面でのみ発生するため、わずかしか効果がありません。機械技術のみを使用して断層画像を取得するこの方法は、20 世紀半ばに進歩し、着実に鮮明な画像を作成し、検査する断面の厚さをより柔軟に変化させる能力が向上しました。これは、複数の平面で移動し、より効果的なぼかしを実行できる、より複雑で多方向のデバイスの導入によって実現されました。しかし、焦点面断層撮影法はますます高度化しているにもかかわらず、軟部組織の画像を生成するには効果がありませんでした。^[32] 1960年代にコンピュータの性能と可用性が向上すると、断層画像を作成するための実用的な計算技術の研究が始まり、コンピュータ断層撮影法（CT）の開発につながりました。