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歯科用デジタルエックス線 診断システム
2016/1/25 フィルムA 前回の復習 フィルムB 濃 度 ①感度 ②寛容度 ③ガンマ ④カブリ 歯科用デジタルエックス線 診断システム ２年生・編入３年生 生体理工学Ⅱ 歯科放射線学 2016/1/25 A デジタルラジオグラフィ 本日の講義 １．画像のデジタル化 ２．歯科用デジタルエックス線画像診断システム ３．フラットパネル検出器 B 画像の評価 X線線量 • ガンマが大きい→線量の変化に対して黒化度 が大きく変わる→写真コントラストは高い • ガンマが小さい→線量の変化がそれほど黒化 度に影響しない→写真コントラストは低い 画像のデジタル化 診断用画像のデジタル化の歴史 医科 1972 CT 1980 MRI US 1981CR (Computed radiography) １．物理学的画質 ２．診断的画質 C 医療情報とデジタル画像の統合 １．医療従事者と記録 ２．医療情報システム ３．DICOM標準規格による画像および画像通信の標準化 ４．遠隔画像診断 アナログ情報とデジタル情報 の概念図 • デジタル化とは本来の連続的な数値データ （実数値）をとびとびの値（離散値）にするこ と。 • 一般に、アナログデータをデジタルデータに 変換することをA/D変換という。 歯科 1987 口内法に対応し たデジタルエッ クス線画像診断 システムの発表 1994 1996 歯科診療施設で 使用可能なデジ タルエックス線 画像診断システ ムの開発 デジタルシステ ムの保険診療 認可 現在 多数の口内法エックス線画像診断システム デジタルパノラマエックス線画像診断システム 頭部エックス線規格撮影に対応したシステム 画像のデジタル化 ・従来のエックス線画像 フィルム 乳剤 写真中の乳剤層に多数分布する金属銀 の数が多いか少ないかによって画像の濃 淡が表わされる。金属銀の分布はランダ ムなため写真の濃度は画像の二次元平 面上で連続的に変化する。 5μm 1μm = 0.001 mm 粒子形状写真 フィルム断面写真 ORAL RADIOLOGY Principles and Interpretation EDITION 7 1 2016/1/25 画像のデジタル化 • 画像データのデジタル化は 標本化（sampling） 量子化（quantization） の２段階のプロセスからなる 標本化（sampling） 画素(ピクセル) ＝画像の最小単位 • 標本化する際の間隔を標本化間 隔（サンプリング間隔）という。 • どのような間隔で標本化すれば よいか決める手法として標本化 定理（サンプリング定理）がある。 量子化（quantization） • 量子化された値は整数でありこ れを量子化レベルといい、画像 では階調やグレーレベルとよぶ。 • 各画素がもつ濃度（輝度）情報で あるため、画素値（ピクセル値） や濃度値ということもある。 標本化（sampling） • 空間的な情報の離散化。 • 画像における位置のアナログ情 報を間隔ごとに読み取る操作。 （画像を格子状に分割し小さな区 画の集合として表す操作） • この間隔が小さいほうがアナロ グ情報に近くなる。 量子化（quantization） • 振幅のアナログ情報の 離散化。 • 濃度や輝度を適切な間隔 で整数値として表す操作。 • 整数値は１０進法からコン ピュータが理解できる２進 法に変換される（符号化）。 階調度（グレーレベル） • 同一画像の中で利用可能な画 素値の数を階調数といい、真 白から真黒までの情報を何段 階表現するかを表す。 • 階調数はビット（bit）数できまる。 • １０進法で８階調（３ビット）の画 素値は０から７の整数値をとり、 10進法 2進法 これを２進法に変換すると ０~１１１の数値になり３桁（３ ビット）必要である。 8階調（3ビット） 7 6 5 4 3 2 1 0 111 110 101 100 11 10 1 0 2 2016/1/25 空間分解能と濃度分解能 デジタル画像のデータ量 •標本化レベル高⇒高い空間分解能 •量子化レベル高⇒高い濃度分解能 ⇔ノイズ（雑音）強調 ノイズとは画像処理には役 立たない、または 処理の 妨げになるもの。 ノイズ減少⇒エックス線増量（被曝大） ※目的に合った設定が必要 デジタル画像のデータ量 例）・デジカメ 「撮像素子の総画素数８００万画素」 ・プリンタ、スキャナ 「１インチ当たりのドット（画素）数（dpi：dot per inch）」 データ圧縮 •画像のデータ量は、 X軸 方向、y軸方向の画素数 （それぞれM,N）と階調数 （ビットで表現した値）に よって決まる。 M×N×階調数（ビット） •コンピュータはデータを８bit=１byte単位 で取り扱う 例）階調数256= ８bit=１byte 画素サイズを1/2にすると画素数４倍、データ量４倍 デジタル画像処理 • デジタルデータは、保存時にある規則・ 法則に従ってそのデータ量 を減少させることができる。 圧縮処理 • 圧縮したデータは、展開（解凍）すること で元データを回復できる。 • 圧縮方法（2通り）可逆圧縮 非可逆圧縮 • 電子メールへの添付が可能。 デジタル画像処理 • 拡大・縮小、明るさの調整、フィル ター処理の他、距離、面積、濃度な どの計測が可能 拡大 •X軸方向にM個、Y軸 方向にN個の画素か らなる画像を“M×N 画素”の画像とよぶ。 明 る さ の 調 整 • ヒストグラムと階調処理 ヒストグラムとは画像がどのような 画素値をもつ画素から構成されて いるかを示す（度数分布図）。通常、 横軸が画素値（輝度）、 縦軸が画素数を表す。 コ ン ト ラ ス ト 調 整 3 2016/1/25 デジタル画像処理 デジタル画像処理 ウインドウ幅 • ウインドーイング 255 モ ニ モニター上で画像タ表示 を観察するときに行画像の 画 う階調処理。 素 値 • ヒストグラムとウインドーイング Image transformation graphs 黒 ウインドウ中心 白 ある特定の画素値の範囲 0 オリジナル画像の画素値 1023 （ウインドウ幅）をモニター上で表示できる最大の 階調数に拡大し関心領域のコントラストだけを強 調すること。 デジタルラジオグラフィ （デジタルエックス線撮影）とは デジタルシステムを利用した エックス線撮影 • コンピュータを利用して診断用画像を得る装 置をデジタル画像診断システム、特にX線検 査に使用するシステムをデジタルX線画像診 断システム、あるいはデジタルX線撮影シス テムとよぶ。 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの基本構成 Digital images 歯科用デジタルエックス線 画像診断システム • 従来のエックス線フィルム（増感紙/フィルム系） ① センサー機能：エックス線情報をとらえる ② 表示機能：画像を表示する ③ 保存機能：画像を保管する → フィルムが３役を担っている • 歯科用デジタルエックス線画像診断システム ① センサー機能 ② 表示機能 ③ 保存機能 → 3つの機能を別々に構成し、最適化をはかる より複雑化・・・ エックス線センサー • エックス線センサ－で得られたエックス線量 に関するアナログ情報をアナログ電気信号 に変え、これをアナログ・デジタル変換器でデ ジタル信号に変換後、コンピュータに転送し て種々の処理を行う。 • 固体半導体方式 • IP（Imaging plate；イメージングプレート）方式 • FPD（Flat Panel Detector;フラットパネル検出 器）方式 4 2016/1/25 固体半導体方式 • CCD（Charge-Coupled Device;荷電結合素 子センサ－） • CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor;相補型金属酸化膜半導 体センサー） 光電変換 センサーに照射されたエックス線（光） を電気信号に変換した情報を読み取 りPCモニター上へ表示する。 CCD CMOS ２つのセンサーともにエックス線 に対して感度が低いため蛍光 体によって、エックス線→可視光 へ変換。その光をファイバーを 経由してセンサーへ入射。 CCDはそれぞれの画素で得られ た信号を垂直・水平方向へ送り 蓄積されたものをアンプによっ て増幅させる。 CMOSは画素の座標ごとに順々 に信号を送り出す。アンプはフォ トダイオード（半導体素子）ごと に設置。 https://cgi.sharp.co.jp/products/device/about/ic/ccd_cmos/index.html 歯科医師でも ちょっぴり重要な雑学 光が電気に変わる！ 光電変換 • 光のエネルギーを原子内の電子に与え、 電子の動き（電流）を起こす。 • 画像検出器の受光面に当たった光の強 さに応じて電荷が発生する。 • この電荷を電気信号に変換し、信号を 順次読み出すことで、画像を写し出すこ とができる。 IP （Imaging plate；イメージングプレート） • エックス線情報を一時的に蓄積でき る輝尽性蛍光体で構成されている。 • ポリエステルの支持板に輝尽性蛍 光体と呼ばれる物質を塗布したもの。 蛍光体層 支持体 蛍光体層 支持体 富士 IP IN カセッテ CC-VI IP IP （Imaging plate；イメージングプレート） （Imaging plate；イメージングプレート） • 輝尽性蛍光体 BaFX※ (X：Cl, Br, I) • この光を光電子増倍管という光センサー で検出し、電気信号に変換。 • 信号をパソコンへ転送して画像化する。 • 読み取りが終了したIPは、蛍光灯などの 大量の光によって読み残された画像情 報を全て消去する。 • 繰り返し撮影に用いる。 ※アルカリ土類金属ハロゲン化物 • 輝尽性蛍光体はエックス線を吸収すると 励起状態となる（暗所保持）。 • IPに蓄積されたエックス線情報は励起光 （レーザー光）を当てることにより、エック ス線量に比例する量の光を発する。 5 2016/1/25 IPによるエックス線情報の画像化の仕組み IP方式（arcana装置） ①エックス線情報の記録 ③エックス線 情報の消去 消去光 ②エックス線 情報の読み 取り（装置内） 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの特徴 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの特徴 （１）固体半導体方式、IP方式に共通の特徴 （１）固体半導体方式、IP方式に共通の特徴 （①～⑤はデジタルシステムであることによる特徴） ① 画像処理ができる。 （①～⑤はデジタルシステムであることによる特徴） ⑥ 患者の被曝を低減できる。 ② 大量の画像データを少ないスペースで保管でき容 易に検索できる。 ③ 画像データに経時的劣化がない。 ⑦ 写真処理が不要になる。（暗室、現像液等を管理 する必要がない） ⑧ 画像を用いた患者さんへの説明が容易になる。 ④ 電話回線などを通して画像データを遠隔地に伝 送できる。 ⑤ デジタル画像の分解能はアナログ画像より低い。 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの特徴 （２）固体半導体方式の特徴 ① 撮影終了後、短時間のうちに画像が表 示される。 ② センサー自体が厚く、ケーブル（コード） があるため部位によっては撮影が困難で ある。 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの特徴 （３）IP方式の特徴 ① エックス線量に対する応答範囲が広い。 4桁以上 2桁 6 2016/1/25 歯科用デジタルエックス線 画像診断システムの特徴 （３）IP方式の特徴 ② 従来のデンタルフィルムとほぼ同じ厚み であるため、口腔内の取り扱いをフィル ム同様に行える。 ③ IPの読み取り操作が必要である。 ④ IPに光が当たると画像情報が減衰する。 輝尽性蛍光体はエックス線を吸収すると励起状態となる。 暗室操作の必要はないが、この状態（励起状態）では、な るべく蛍光灯の光に当てないよう注意する。 FPD方式（Flat Panel Detector; フラットパネル検出器） • 被写体を通過したエックス線エネルギーを電 荷量に変換し、その電荷量を２次元的に配置 された画素ごとの読み出しスイッチを通じて 電気信号として読み出す。 • エックス線受光面の機構により直接変換方 式、間接変換方式の2種類が存在する。 １）直接変換方式 エックス線 光導電体 直接電荷 ２）間接変換方式 エックス線 蛍光体発光 電気信号 FPD方式（Flat Panel Detector; フラットパネル検出器） • カセッテを用いず、受像面と電気回路を１つ のユニットに組み込んだ平面検出器。 • 近年、口外法の歯科用デジタルエックス線撮 影装置（パノラマ撮影、歯科CBCTなど）でも使 用されるようになっている。 • エックス線受光面、画素、半導体スイッチ （TFT：Thin Film Transistor;薄膜トランジスタ）、 信号読み出し回路で構成される。 FPD方式（Flat Panel Detector; フラットパネル検出器） ２）間接変換方式 １）直接変換方式 エックス線 ｼﾝﾁﾚｰﾀ （蛍光体） バイアス電極 エックス線 画像信号 エックス線変換層 （半導体） 選択信号 蓄積コン デンサ TFTスイッチ X線が直接的に変換層内にて電気信号へ 解像特性が優れている 画像信号 選択信号 フォトダイオード TFTスイッチ シンチレータでX線が可視光へ信号変換 この光信号がフォトダイオードで電気信号へ 直接変換方式と比較してボケが 生じやすい 図 よくわかる医用画像工学より引用 物理的画質 • 被写体の構造がどの程度忠実に 反映されているかを示す指標。 • 「コントラスト」「解像度（鮮鋭度）」 「ノイズ(粒状性)」の３要素からなる。 • コントラスト・解像度が高く、ノイ ズが少ないほど、画質はよくなる。 （１）コントラス • 画像における明るい部分と暗い部分の 輝度の差を表す。 • 差が大きいほど「コントラストは高い」と 表現される。 フィルムは写真濃度分布がシャウカステンからの 透過光によって輝度分布に変換されて生じる（特 性曲線γ）。 デジタル画像はモニター上の輝度分布によって生 じる（画像表示後に濃度分解能の範囲で自由に 変換可能）（入出力特性）。 7 2016/1/25 （２）解像度 • 空間分解能 • どこまで小さい物体を解像しうる か。 （２）解像度 • １㎜中に白黒のペア（ラインペア）が いくつ観察されるかを示す「ｌｐ/㎜」で 表す。（数字 高 → 解像度 高） フィルムでは銀粒子の大きさに関与。 デジタル画像では画素の大きさに関 与。 （３）ノイズ • 信号の検出を妨害する雑音。 • デジタルシステムではエックス線量子のゆら ぎを主原因とする画素のゆらぎ。 フィルムでは銀粒子の大きさに関与。 • ノイズに影響する因子 画像形成に用いられる光子量 ①エックス線照射線量 が多いほどノイズが減少する。 ②フィルム・センサーの光子検出効率 • 信号雑音比 画像形成に用いられる信号と雑音の比 「信号雑音比が高いほど画質が良い」 医療従事者と記録 • 細かい構造物、病変を観察するに は画像の解像度は高い必要がある。 診断的画質 観察者による 評価が必須 • 物理的画質の向上 ≠ 診断的画質の向上 • 画像診断過程 診断画像が、表示され、網膜上の視細胞 ① 心理物理的過程 ② 心理的過程 ③ 病名決定過程 の神経活動として知覚される過程。機械 的、自動的に作業が進む。物理的画質の 評価結果が直接反映される過程。 画像上の構造が正常か否かに分類する意 思決定過程。意識的に行われる認知作業。 医療従事者と記録 （１）医療従事者 （３）医療情報 • 病院・診療所：医療サービスを行う医療機関 • 医療に関わる職種（病院で働く職種）： 診療の過程で医療従事者が知りえた情報 医師、歯科医師、看護師、薬剤師、臨床検査 技師、診療放射線技師、歯科衛生士、歯科技 工士、管理栄養士、言語聴覚士・・・ • 診療録 医師・歯科医師が作成を義務 （２）患者と診察プロセス ①外来診療 ②入院診療 （紙・電子媒体に関わらずすべての情報） 付けられている（医師法第24条、歯科医 師法第23条） • 看護記録、手術記録、検査所見記録、 画像、紹介状、入院中の診療経過記録 8 2016/1/25 医療従事者と記録 （４）診療録の電子化 • 診療録の有効利用 ⇒ 電子化（1999年） • 厚生労働省「診療録等の電子媒体による保存に ついて」 ①真正性の確保 ②見読性の確保 ③ 保存性の確保（電子保存の３原則） • 医療機関における個人情報 「個人情報の保護に関する法律」（2005/4/1～） 「医療・介護関係事業者における個人情報の適切 な取り扱いのためのガイドライン」（2010改正） 医療情報システム • 医療に関する患者情報（個人識別情 報）を含む情報およびその情報を扱 うシステム • 医療情報の取り扱いも医療行為と同 様医療法等で医療機関等の管理者 の責任で行うことが求められている （適切な取り扱い）。 医療現場でやってはいけないこと ①情報漏洩 • 電子カルテのデータや印刷物のずさんな管理と院外への持ち出し • 患者への不用意なデータ開示 • 他の患者のデータを見せる • 本人の許可ない家族へのデータ開示 • 電話や電子メールなどによる外部との患者情報交換 ②不正アクセス・侵入 • ID・パスワードのずさん管理 • 電子カルテの開きっぱなしの不用意な長時間離席 • ネットワークによる他のPCへのアクセス • 与えられたシステムと権限以外での利用 • 勝手にファイル共有 ③業務を停止させる行為 • フリーソフトなどの勝手なインストール • 自宅など他の施設からのデータの持ち込み • ウイルスに感染したパソコンの接続や感染ファイルの持ち込み 病院情報システム (HIS;Hospital Information System）ヒス • 病院内の診療業務内での情報交換・情 報蓄積を司るシステム。 • 医療事務会計システム、診療予約シス テム、診療情報システム、検査・薬剤等 の各部の門の情報管理システム、検査 データの管理システムやいわゆる電子 カルテのシステムなどを中心に構成さ れている。 画像保管管理システム パックス 放射線情報システム (PACS ; Picture Archiving and Communication System） （RIS ; Radiology Information System） • 医療画像診断装置からの画像を電 子的に保存、検索、解析する画像 データベース・システム。 • 放射線科部門内における検査、治療 の予約、診断結果のレポート、実績 管理、材料在庫などの管理を行う。 • 膨大な量の医用画像をデジタル画像 としてデータベース化し必要に応じて その画像を転送、表示することがで きる。 • 画像保存・管理をするPACSと連携し ている。 9 2016/1/25 DICOM標準規格による画像および DICOM標準規格による画像および 画像通信の標準化 画像通信の標準化 • DICOM（Digital Imaging and Communication in Medicine）：ダイコム • エックス線写真、CT、MRI、超音波、 内視鏡などの医用画像診断装置・医 用画像プリンタ・医用情報システム の間でデジタル画像データを扱う国 際標準規格。 • 一般的な画像フォーマットと違い、ヘッダ部 分に付帯してファイルメタ情報が記録されて いる。（関連する診療データ；氏名・日時・検 査方法など） • DICOM画像 フォーマットを 表示するための 専用ビューワソフトが必要 遠隔画像診断 遠隔画像診断 • 遠隔医療（Telemedicine） 「映像を含む患者情報の伝送に基づい て遠隔地から診断、指示などの医療行 為および医療に関連した行為を行うこと」 VPN（Virtual Private Network） インターネットなどの公衆回線を認証や 暗号技術であたかも専用回線の様に利 用するネットワークサービス。 • 遠隔画像診断（Teleradiology） セキュリティ技術の進歩 「ネットワークを利用した複数機関でのデ ジタル画像およびその関連情報の相互 伝達によって行われる診断」 医用画像情報学改定３版 参考図書 遠隔画像診断 • 医療の質の向上 遠隔画像診断 の利点 • 地域医療への貢献 • 予防医療における有用性 • システムや情報の管理、個人情報 の保護などは要求されるレベルが 日々変化しているため定期的に見 直していく必要がある。 • • • • • • • • 歯科放射線学第5版（医歯薬出版） わかりやすい歯科放射線学（学研書院） 医用画像情報学改定３版（南山堂） 医用画像ハンドブック（オーム社） 基礎放射線画像工学（オーム社） デジタル放射線画像（オーム社） 標準デジタルX線画像計測（オーム社） ORAL RADIOLOGY Principles and Interpretation EDITION 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