世界初※1 高精細CT
「Aquilion Precision™」の
開発秘話

キヤノンはこれまでカメラ開発で培われた独自の光学技術や画像処理技術を活用し、医療機器事業を展開してきた。そして2016年12月、さらなる成長をめざしグループに迎え入れたのが、画像診断装置の大手である東芝メディカルシステムズ社※2である。その後発売され、従来よりも圧倒的に高い解像度を実現した世界初の高精細CTは、どのようにして生み出されたのだろうか?

※1
2017年4月時点(東芝メディカルシステムズ調べ)
※2
2018年1月に「キヤノンメディカルシステムズ株式会社」に社名変更予定

CTの仕組み

CTとは、コンピューター断層撮影法(Computed Tomography)のことであり、X線CT、光CT、超音波CTなどの種類がある。
X線CT診断装置では、X線管装置から人体へX線を照射し、透過したX線データを検出器で受け取る。検出器から送られてきたデータをコンピューターで計算して、人体の断層画像を鮮明に画像化。脳動脈瘤やがんの診断などに広く利用されている。
CTの仕組みの図
CTの仕組みの図

今回の「語る」開発者

信藤 康孝(シンドウ ヤスタカ)

担当:プロダクトマネージャー兼プロジェクトマネージャー

後藤 崇博(ゴトウ タカヒロ)

担当:システム開発(高精細画質)

原田 早苗(ハラダ サナエ)

担当:X線管装置開発

金丸 俊(カネマル タカシ)

担当:検出器ユニット開発

Chloe Steveson(クロイ スティーブソン)

担当:アプリケーションスペシャリスト

01

1986年以来の進化!
解像度0.35mm→0.15mm

キヤノンと医療機器の関わりは長い。創業間もない1940年には国産初のX線間接撮影カメラを開発。その後もカメラ開発で培われた光学技術や画像処理技術を活用し、デジタルX線撮影装置、網膜疾患を検査する光干渉断層計といった先端医療機器を世に送り出してきた。この医療機器事業を次の段階に進めるため、2016年12月にグループに加わったのが東芝メディカルシステムズである。

東芝メディカルシステムズは、X線CT診断装置(以下、CT)やMRIを主力とし140カ国以上の国と地域に販売・サービスを展開。特にCTでは、国内1位、世界3位のシェアを誇る。同社の「Aquilion Precision」(アクイリオン プレシジョン)は、従来よりも圧倒的に高い解像度を実現した、世界初の高精細CTである。

信藤 康孝(シンドウ ヤスタカ)

担当:プロダクトマネージャー兼プロジェクトマネージャー

2000年に入社し機構設計開発に従事、2015年よりシステム開発を担当している。モットーは、創意工夫による限界への挑戦と継続的な向上。

「Aquilion Precision」は、従来のCTに比べて圧倒的な高精細を実現されたということですが、いつ頃から開発が始まったのでしょうか?

信藤康孝
2001年、国立がん研究センターと共同で、Aquilion Precisionの基礎となる研究を開始しました。

その前にまずCTの大まかな技術トレンドについてお話ししておきましょう。CTでは、X線管装置(以下、X線管)から出たX線が、人体を通過してX線検出器に到達します。X線管とX線検出器は人体の周囲を回転してX線を照射し、そのX線がどの程度人体に吸収されて減衰するかを記録することで、断層画像を作成するという原理になっています。

シングルスライスとマルチスライスの比較の画像 シングルスライスとマルチスライスの比較

初期のCTは、X線管とX線検出器が1回転するごとに1枚の断層画像を作成していました。その後、検出器の列を増やし、1回転で断層画像を複数枚作成するマルチスライス化が進み、2007年に発売した「Aquilion ONE™」(アクイリオン ワン)では、16cmの幅を1回転することで320枚(0.5mmスライス幅)の断層画像を記録できるようになっています。現在では、こうして得られた断層画像を元に、体積(ボリューム)をもった三次元画像として再構成することが一般的です。

「Aquilion ONE」で作成された三次元画像(肺野、心臓、肝臓の末梢血管)の画像 「Aquilion ONE」で作成された三次元画像(肺野、心臓、肝臓の末梢血管)

また、CTの検査対象は人間ですから、完全にじっとしていることはありません。心臓を止めることなんてできませんからね。そこで、カメラでいえば素早くシャッターを切るように、できるだけ高速にスキャンする技術もあわせて進歩してきました。

もう一つ重要なのが、被ばく線量の低減です。診断や治療での放射線被ばくが注目されるようになってきており、いかに少ない放射線量で画像の診断能を維持するかが、CTの差別化要因となってきました。

ここ数十年間、「ボリューム化」「高速スキャン」「被ばく低減」がCTの技術トレンドであり、各社はこれらの性能向上をめざしてきました。

その一方で、画像の情報自体はそれほど変化しなかったのです。

画像の情報とは?

信藤
例えば、画像からどれだけ細かいモノが見えるかや、得られる病理の情報などです。どれだけ細かいモノが見えるかという観点では、CTは1986年に0.35mmまで見えるようになりましたが、それ以降ずっと変わっていませんでした。つまり、0.35mm×0.35mm以下のものははっきりと形状が識別できなかった、ということになります。それを変革して、高解像度を実現し新たな診断が開拓できる装置を開発しようと始まったのが、2001年に開始されたプロジェクトだったわけです。最初は、標本用の臓器を見るための装置から開発を始め、2003年には小被写体用の架台回転型、2005年には人体適用型もできました。ただ、製品化する上での課題もあって、なかなか製品化できずにいました。

製品化する上での課題とはどのようなものだったのでしょうか?

信藤
これまでのCTと同じような操作で使えない、被ばく線量が増えるといった課題がありました。一般的に、解像度を上げようと検出器素子を小さくするとどうしても被ばく線量は増えることになります。検出器の素子が細かくなると、全体として1素子当たりの信号を同等にする必要があり、X線の量を多くしなければならないからです。

私は2015年にAquilion Precisionのプロジェクトマネージャーに任命されたのですが、その時は正直「これは大変なことになった」と思いました(笑)。

その後、検出器でより多くの信号を取り込めるようにしたり、回路などのノイズを抑えたり、現時点で最新の被ばく低減技術を搭載するなど開発を行い、ようやく0.15mmの解像度をもつ0.25mm×160列の高精細マルチスライスCTとして製品化することができました。

02

究極の機械加工が実現した
4分の1の画素サイズ

CTの重要なユニットの1つ、X線検出器。解像度を上げるためには、セラミック材料をこれまでの半分以下のサイズに加工する驚異的な機械加工技術が求められた。

金丸 俊(カネマル タカシ)

担当:検出器ユニット開発

2008年に入社以来、検出器ユニットの開発に携わる中で、技術への好奇心・探究心を常にもつことを心がけている。

解像度を高める上で、特に重要なのがX線検出器とX線管になるわけですが、X線検出器ではどういう技術的な工夫があったのでしょうか?

金丸俊
最大のポイントは、検出器を構成する画素の加工精度を上げたことでしょう。

検出器は、半導体センサー(フォトダイオード)の上に、セラミック材料の層が重なった構造になっています。フォトダイオードに関していえば、半導体技術によって細密化していくことはそれほど難しくはありません。ところが、その上のセラミック層の加工は、非常に難易度が高く、従来の4分の1サイズで実現するには高度な技術が必要でした。

レーザーカッターを使ったりするのでしょうか?

金丸
いえ、刃の付いたカッターで物理的に切り刻んでいくことになります。検出器のイメージがちょっとつかみにくいかもしれませんので、こちらのサンプルをご覧いただけますか。

下の方は、従来の0.5mmスライス幅で1画素を構成している検出器です。ちなみに、当社の0.5mmスライス幅の加工技術は1998年に開発したもので、他社は今でも0.625mmスライス幅が一般的なんですよ。上の方が、Aquilion Precisionで使われている検出器です。こちらは0.25mmスライス幅で1画素のサイズが従来の4分の1になっています。

検出器サンプルによる1画素サイズの比較の画像
検出器サンプルによる1画素サイズの比較の画像
検出器サンプルによる1画素サイズの比較

あ、両方とも下の文字が読めますが、従来型の方は文字がギザギザの、昔のコンピュータフォントのようになって見づらいですね。Aquilion Precisionの方は文字がはっきりと読めます!

金丸
少しずつ少しずつ改良を重ねて、現在の精度を達成することができました。検出器の加工技術が確立され、実際の製品に使えるレベルに達したのは2014年でしたね。

加工技術以外には、検出器としていかに少ないX線量で信号を得るのか、そしてノイズを抑えるのかが課題でした。従来の技術の延長線上で開発を進めていたのですが、どうしてもそれでは求めるノイズのレベルを達成できないということになり、あるタイミングで検出器を構成するシンチレーター※3、フォトダイオード※4といった主要コンポーネントを全面的に見直しました。シンチレーターは新素材を適用することで発光量が向上しました。フォトダイオードは信号量が増加するように、また、電気的なノイズが減少するようにしました。さらには、これらのパーツを高精度に実装するための社内独自の製造技術も製品化には欠かせないものでした。

※3
放射線が当たると発光する物質
※4
光半導体素子に光を照射すると電流や電圧を発生する受光素子

03

高解像度のカギは
電気のレンズだった!

高い解像度を実現するためには、X線を極めて小さな焦点から照射する必要がある。電界※5によって焦点サイズを自在に調整する独自技術が、このブレークスルーを可能にした。

※5
電圧がかかっている空間の状態

原田 早苗(ハラダ サナエ)

担当:X線管装置開発

1997年に入社以来、X線管装置の開発に従事。より良い製品を作り出すため、X線管メーカーとのコミュニケーションを密にとることを心がけて業務を行っている。

高い解像度を実現するためのもう一つのポイントが、X線を照射するX線管ですね。こちらについては、どのような工夫をされたのでしょうか?

原田早苗
グループ会社の東芝電子管デバイス社とともに、焦点サイズの小さいX線管を開発していました。従来のCTに比べて、半分程度の焦点サイズにはできるようになっていたのですが、製品化するのが難しかったんですね。試作品として1台作ることはできても、製造ラインで量産するためには歩留まりを改善する必要がありました。

また、一般的にCT用X線管の焦点はきれいな四角形をしていることが望ましいのですが、開発段階の装置では小さいサイズで、きれいな形の焦点を作るのが難しかったんです。

その後、何か技術的なブレークスルーがあったのでしょうか?

原田
今回のプロジェクトとは別に、要素開発として、焦点サイズ自体をコントロールする技術開発を進めていました。

これまでのX線管では、焦点サイズは固定されており、後から変更することができません。ところが新しい技術では、X線発生のためターゲットに照射する電子ビームに電界をかけることで細く収束制御させます。電界をかけるとは、つまり、X線管の中に電気のレンズを作るようなもので、それにより焦点サイズを絞ることが可能になります。

焦点サイズを調整する技術は工業製品用ですでに使われていましたが、CT用にも使えるめどが立ってきたあたりで、ちょうどAquilion Precisionの開発の話も出てきました。Aquilion Precisionにこの技術を導入することで、目標とする小さな焦点サイズをめざそうということになったんです。

電界をかけて焦点サイズを変えるというのは、CTでは珍しいのでしょうか?

原田
当社の製品では、Aquilion Precisionだけですね。一般的なCTでは、X線の出力を切り替えることで、2段階の焦点サイズを実現していましたが、自由にサイズを調整できるようにしたのは初めてです。

X線管の比較(従来)の画像
X線管の比較(Aquilion Precision)の画像
X線管の比較

虫眼鏡で太陽光を1点に集めると紙に火をつけることができるほど熱くなるように、小さな焦点にビームを絞り込むほど1カ所にパワーが集中し、当たった部分がすごく熱くなってしまいます。ですから、焦点サイズが小さくなればなるほど、X線の出力を下げないといけませんが、そうすると今度は人体を通過するX線量が不足してノイズが乗ってしまう。ここが難しかったところですが、焦点サイズのコントロールができるようになったことで、X線のパワーを適切に上げることが可能になり、実用化できました。

低被ばくはCTにとって重要な課題ですが、どのようにして被ばく線量を下げているのでしょうか?

金丸
被ばくの低減というのは、結局のところ、低線量撮影技術ということになります。通常のカメラでも、光が少ないときれいな写真が撮れませんよね。それと同じように、X線も大量に出せばきれいな画像が撮れるのですが、被ばく線量が増えてしまいます。そこで、少ないX線量でもいかに効率的に電気信号に変換するかが重要になってきます。

検出器の感度を向上させれば、少ないX線量でも高い信号を得られるようになりますし、電気的なノイズを減らすことも被ばく低減につながります。そのほか、体に吸収されやすいX線の特定の波長をフィルターでカットするなどX線エネルギーを精選する工夫が行われています。

解像度を上げるために、メカ的な工夫をしている部分はありますか?

信藤
スキャナー本体に最新のプラットフォームを採用するとともに、被写体となる患者様を保持するための寝台を、Aquilion Precisionでは全面的に作り替えています。CT撮影を行う際は、寝台の上部がスライドして、ガントリー(リング状のスキャナー部分)に入っていきますよね。この時、寝台の天板が中に入るほど、支持部から離れ患者様の体重によって位置ズレや振動が大きくなってしまいます。そこで、スキャナー部分に寝台の支持部を近づけて位置ズレや振動を抑える機構を追加しています。これによって、振動幅は従来の2分の1以下に抑えることができました。

スキャン時の寝台天板振動低減の仕組み図
スキャン時の寝台天板振動低減の仕組み図
スキャン時の寝台天板振動低減の仕組み

画像処理技術も、性能向上に大きく貢献していると思いますが、このあたりの工夫についてお聞かせください。

後藤 崇博(ゴトウ タカヒロ)

担当:システム開発(高精細画質)

2009年に入社し、システム開発、主に新製品の高精細画質設計を担当している。医療人としての自覚をもつこと、開発した装置が医療の最前線で使われることを常に意識することを心がけている。

後藤崇博
画素サイズが4分の1になっており、処理しなければいけない情報量が単純に考えても4倍に増えていますから、現時点で最適な演算機を搭載した設計がなされています。画像の再構成時間がこれまでのCTより長くなると、病院側も作業手順を変えなくてはならなくなり、効率ダウンにつながります。そのためにも極力従来の再構成時間を担保することは重要になります。

また、X線検出器とX線管という2大ユニットが変わると、これまでとはまったく違った画質になるため、パラメーターの調整を実施しています。

加えて、当社はAIDR 3D※6やFIRST※7といった被ばく低減技術を持っています。高精細になることでノイズが増加するので、ノイズと解像度を両立するために被ばく低減技術を最大限活用することでようやく最適な画像を提供できるようになりました。

※6
収集された投影データ上で、統計学的ノイズモデル、スキャナーモデルを用いてノイズを低減。AIDR 3Dの使用により最大50%のノイズ低減と、75%の被ばく低減効果を発揮する。詳しくはこちら他社のサイトを開きます
※7
システムモデル、統計学ノイズモデルなど各種モデルを考慮しながら、撮影で得られた投影データから画像を作成する逆投影と、その画像から投影データを作成する順投影を繰り返し、画像作成を行う。詳しくはこちら他社のサイトを開きます

04

両社のシナジーが切り拓く
「C」×「T」=CTの新時代

Aquilion Precisionによって実現された高精細な画像は、医師たちに驚きをもたらした。これまで見えなかったものがはっきり見えるようになったことで、CTによる診断は新たな段階に入った。

Chloe Steveson(クロイ スティーブソン)

担当:アプリケーションスペシャリスト

2005年に入社し、病院の先生と開発部門を結ぶアプリケーションスペシャリストという役割を担っている。モットーは「One team, one product, together we can do better」。

開発中、医師たちからの反応はいかがでしたか?

Aquilion Precisionを使用した病院での臨床評価の画像 Aquilion Precisionを使用した病院での臨床評価

クロイ スティーブソン
私は、病院の先生と開発部門を結ぶアプリケーションスペシャリストという役割を担っており、アメリカとオランダの2カ所で、評価テストを担当しました。アメリカのNIH(アメリカ国立衛生研究所)では、従来型のCTと臨床研究用のプロトタイプを並べて使っていたのですが、画像がまったく違うと驚いていましたね。

臨床画像(肺腺がん)の比較の画像 臨床画像(肺腺がん)の比較

早期発見が難しい種類のがんを見つけられる可能性があり、臨床的にかなり期待ができるという評価をいただきました。試験運用で得た先生の意見は、開発に随時反映しています。

Aquilion Precisionは、従来よりも圧倒的な解像度を実現し、国内施設から導入され診断に使われ始めていますが、今後の展開について教えていただけますか。

信藤
広い範囲を一度に撮影するとか、スキャン速度を上げるとか、被ばく低減といったことについては、これまでと同様に我々の強みを生かしていきたいと思います。大きな課題は、Aquilion Precisionが作り出す今までにない高精細画像をどう扱い、診断に役立てるかということだと思います。

素人考えですと、CT画像が高精細になったら、「細かいところまでしっかり見えるようになってよかった、よかった」ということになると思ったのですが、そういう単純な話ではないんですね。

後藤
病院に伺った際に先生方とお話しする機会がありますが、やはり初めて読影※8された際には高精細な画像を見慣れていないということがあります。

先生方は、毎日大勢の患者様を診察していますし、膨大な枚数の画像を見ています。さらにAquilion Precisionでは0.15mmの解像度によって情報量が増えたため、これまで見えていなかったところまで見えるようになりました。それによって従来よりも先生方の負荷が増えている面はありますね。

一方で、その高精細さに感嘆し「今までの画像からもやが晴れたようだ」「どれだけ見ていても飽きない」とおっしゃる先生もいらっしゃいます。また、確定診断までの決断が早まるとのメリットも感じていただいています。

将来的にAI(人工知能)などソフトウエア技術を使って、疾患の候補を提示するといったことができれば、読影の支援になるかもしれません。

※8
検査によって得られた画像から所見を読み取り、診断を下すこと

2016年12月に、東芝メディカルシステムズはキヤノングループ入りしたわけですが、CTにおいてどんなシナジー効果を期待されますか?

信藤
動いている被写体を撮影するという点でいえば、カメラ技術と近いところがあるかもしれませんね。動きを検出してブレを補正するといったことができるのであれば、興味深いと思います。

後藤
患者様の顔を認識して患者誤認を防いだり、自動認識して身長や体重をデータ入力してくれるようになれば、かなり作業手順が改善できると思います。

金丸
現在の検出器は、X線を一度光に変換して、信号として取り出しています。ここにキヤノンの光学技術や製造技術を生かすことができれば、面白いことになりそうです。

スティーブソン
私がキヤノンの技術に期待しているのは、ユーザーインターフェースや画像の後処理技術などですね。例えば、ディープラーニングなどの技術で自動診断を行ったり、操作者の負担を軽減する仕組みができてほしいですね。

テクノロジーの分野で、機器の性能が年々向上していくことは珍しいことではない。

しかし、「量的な変化」があるラインを超えると、「質的な変化」となることがある。

高精細CTのAquilion Precisionが成し遂げたのは、まさにこういうことだ。画像の解像度が従来の2倍になったことで、これまでは見えていなかった病変が明瞭な画像として検出されることになった。

これはCTが新時代を迎えたということである。これからの診断は、高精細なCT画像を元にして行われるようになることは間違いない。

情報量が多く価値がある反面、今のところは扱いに苦慮する高解像度データを、ソフトウエアや光学技術でどう支援していくのか。世界有数の画像診断装置メーカーと、キヤノンが長年蓄積してきた光学、画像処理の技術がどのようなシナジーをもたらし、医療をどう変えていくのか、期待をもって見守りたい。

Aquilion、Aquilion ONE、Aquilion Precisionは東芝メディカルシステムズ株式会社の商標です。
・ 医療機器製造販売認証番号:
228ACBZX00019000 東芝スキャナ Aquilion Precision™ TSX-304A
227ADBZX00178000 東芝スキャナ Aquilion ONE™ TSX-305A

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インタビュアー・構成
山路 達也(やまじ たつや)
1970年生まれ。雑誌編集者を経て、フリーのライター/エディターとして独立。IT、科学、環境分野で精力的に取材・執筆活動を行っている。
著書に『アップル、グーグルが神になる日』(共著)、『新しい超伝導入門』、『Googleの72時間』(共著)、『弾言』(共著)など。

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