医用X線テレビジョン装置

X-Ray TV Apparatus for Medical Use

Herein is given a description of the X-ray TV equipment for medical use. In this equipment the vidicon camera is used for the purpose of reducing the weight and size to facilitate the diagnosis. In order to compensate for the insufficiency of sensitivity of the vidicon camera, the following measures have been taken.

(1) Use of brighter lenses in the optical system.
(2) Use of an amplifier with higher signal-to-noise ratio.

In clinical examples utilizing this equipment, very good results have been obtained; furtnermore, possibility of the remote-controlled diagnosis has practically been proved by an experimental radio-relay broadcast.

Utilization of this equipment is expected to be further developed by its use in combination with the tape recorder, the memory tube, etc.

[1] 緒言

X線による患部の透視観察には従来けい光板が用いられ,現在でも広く実用されていることは周知のとおりである。

X線透視は被写体の運動や変化の過程などの観察ができる点で写真撮影では得られない診断効果を持っているが,反面けい光像が非常に暗いために生ずる欠点がある。たとえば

(1)透視前にあらかじめ眼を暗い物体に慣らす必要がある。

(2)暗室が必要である。

(3)像が暗いので非常にみづらい。

(4)映画撮影などによって観察した結果を記録することができない(フィルムの感度に対して像が暗すぎる)。

(5)診断者や患者はかなり多量のX線を被暴している。たとえば胃を透視する場合患者は毎分5〜6rのX線を被暴している。放射線作業に連続従事する者の放射線の被暴許容量が毎週100mr以下であることからみれば,これは相当な量である。

以上のようなことから,けい光像を明るくするための輝度増強装置が種々開発研究され,それらのうちにはすでに広く実用に供せられているものもある。その一つとして近年X線けい光増倍管が発明され,けい光板に比べて1,000〜2,000倍の明るさのけい光像が得られるようになった。当社でも視野5in.φのX線けい光増倍管#7018を開発した。これに光学機構を組み合わせ"東芝イメージスコープ1形〜6形"として商品化し,すでに実用に供している。

かくして明るい部屋でのX線透視,被暴X線量の低減など多年の懸案は解決されたが,最近さらに遠隔操作によって全くX線を被暴するおそれのない別室で診断を行なうとともに,明るい影像を観察することによって診断能を高めようとする目的から,X線テレビジョンの研究がさかんになってきた。

当社では昭和35年7月に開催された日本医学放射線学会の際,試作のX線テレビジョン装置を発表展示して好評を得たが,さらに10月には無線中継放送の実験に成功を収め,遠隔地におけるX線診断の可能性を実証した。

[2] X線テレビジョンの諸方式

今日までに提案または開発されてきたX線テレビジョン方式のおもなものを簡単に紹介すると下記のようなものがあげられる。くわしくは"X線テレビジョンと非破壊検査におけるその応用" (本誌15巻9号, p.974〜980)を参照されたい。

(1)X線走査方式。　　被写体をビーム状にしたX線で走査し,被写体の背後にけい光体,さらにその背後に光電子増倍管をおいてX線による信号を電気信号に変換する。この電気信号をX線ビームに同期した走査で受像管上に影像として再現させる方式である。

(2)TVX方式。　　X線の衝撃によって電気抵抗が変化するようなターゲットをもった撮像管(X-iconと称している)を用いてX線を直接電気信号に変換する方式である。

(3)けい光板とテレビジョン装置を組み合わせる方式。

(4)X線けい光増倍管とテレビジョン装置を組み合わせる方式。

[3] X線テレビジョン装置の基礎的検討

次にわれわれが試作したX線テレビジョン装置の基礎となった検討事項を項目別にのべる。

3.1 X線テレビジョンの方式

前記のようにX線テレビジョンの方式には諸種のものが考えられるが,実用的見地からは上述の(3),(4)の方式が最良であると考える。

現在実用化されているテレビジョン装置としては撮像管にイメージオルシコンを用いるものと,ビジコンを用いるものとの2種類がある。したがってこれらのテレビジョン装置をけい光板またはX線けい光増倍管に組み合わせる次の4通りの組合せが考えられる。

(a)けい光板+イメージオルシコンカメラ

(b)けい光板+ビジコンカメラ

(c)X線けい光増倍管+イメージオルシコンカメラ

(d)X線けい光増倍管+ビジコンカメラ

まず明るさの点から考えるとビジコンの感度はイメージオルシコンの約十分の一であり,しかもけい光板の輝度が非常に低いから(b)の組合せは実現不可能である。(c)の組合せはX線けい光増倍管の明るさに対してイメージオルシコンの感度が十分であり非常に良質の画像が得られる。(a),(b)の組合せは光学系その他に特別な考慮を払えば実用できる。これら3種類の組合せにはそれぞれ特長があり,一概に優劣をきめかねる。その特長をあげると

(a)の方法　　現在実用に供せられているX線けい光増倍管の視野は最大9in.φであり視野が狭い欠点がある。それに対してこの方法はけい光板をテレビカメラで撮像するのであるから,視野は比較的容易に大きくすることができる。実際の装置では 12-(1/2)in. のものが使われている。しかしイメージオルシコンカメラと組み合わせてもなおけい光板の輝度が低いため,十分実用装置として使用するには,光学系およびイメージオルシコン管に高性能のものが必要である。そのため装置全体としてかなり大形になり操作上の難点を生ずる。またイメージオルシコン管の寿命,カメラの保守および装置の価格の点でも次に述べるビジコンカメラに比べて実用上の問題がある。

(c)の方法　　この組合せはX線けい光増倍管の出力像の明るさに対してイメージオルシコン管の感度が十分あるから,現段階では性能上最高のものといえよう。たとえばわれわれの実験によれば胸部透視が次のような驚異的に小さなX線量で行なうことができる。すなわち60kVp,0.1Am(このX線条件でもなお増倍管の出力像が明る過ぎたため,レンズを相当絞った)で非常に良い映像が得られた。その他の患部に対しても,胸部と同様に他方式に比べてはるかに低い線量で透視することができる。しかしその反面(a)と同じ欠点がある。この方式は医学教育用などの目的に適しているように考えられる。

(d)の方法　　ビジコンカメラは軽量小形で操作,保安が容易であり,イメージオルシコンカメラに比べてはるかに安価である点など実用上の利点を持っている。ただしその感度がイメージオルシコンカメラに比べて低いため,それを補うために光学系その他に特殊な考慮を払わねばならない。われわれは実用上の見地から医療用のX線テレビジョンとしてはこの方式をまず取り上げて試作を行なった。上述のように感度上の制約を克服するために,光学系,ビジコンカメラおよび制御器に対して予備的な検討を加え,その結果を基礎にして装置を試作した。

3.2 ビジコンカメラ

ビジコンはできるかぎり高感度のものを使用する。現在発表されているもののうちでビジコン7038は6198,6326などに比べて次の点ですぐれている。7038は光電面の厚さを均一な膜にしたもので,これにより暗電流による動作上の制限が消滅された。すなわち6198では光導電面の膜厚が中央部で大きく周辺部で小さいため,ターゲット電圧を上昇すると周辺部の暗電流が中央部よりも急激に増加し像の周辺部に白いフレヤを生ずるが,7038ではそのおそれが非常に少ない。そのため6198では暗電流が0.02μA以下であるようにターゲット電圧を制限しているが,7038では0.2μAまでのターゲット電圧を許容している。その結果7038は6198に比べて約5倍の実効感度を持っている。図2に7038の感度特性を示す。

つぎにビジコンの小さい出力信号を増幅するため増幅度が大で雑音の少ない増幅器が必要である。雑音の大部分は増幅器の初段からでるものであり,これを防止するためにカスコード接続を用いS/N比を良くするように努めた。またS/N比は増幅器の帯域幅の平方根に反比例するので,帯域幅を小さくすることによってS/N比を大きくすることができる。しかし帯域幅は像の解像力に関係する因子であるから極端に狭くすることはできない。したがってX線けい光増倍管の解像力と考えあわせ適当な値を決定することが必要である。

3.3 レンズ系についての考察

ビジコンカメラを使用する場合最も重要な点はできるかぎり多くの光束をビジコンの光電面に入れることである。その方法として次の2項をあげる。

(1)F値の小さいレンズを使用する。

(2)タンデムレンズ(レンズ2個を組み合わせる)を使用する。

たとえば1:1の倍率で像を結ばせる場合を考えると,簡単な計算から図3において物体からレンズ主面までの距離(u)と主面から像までの距離(v)とは相等しく,かつ焦点距離(f)の2倍に等しいことがわかる。したがって開口角φ/2は普通のレンズの使用状態すなわち無限遠の物体を焦点上に結像させた場合のそれの1/2になる。物体の光軸に近い小面積Sの輝度をLとすると,その面積からレンズにはいる全光束(Φ)は

Φ = πLSsin²φ/2

したがってこのレンズを倍率1:1で使用する場合には上に説明したとおり開口角が1/2になるので光束は約1/4になる。このように普通レンズを至近距離の接写に使用する場合には集光効率の低下を招く。また至近距離での収差が補正されていないために像のぼけを生ずる。このありさまを図4に示す。

これらの欠点を除去する方法として2個のレンズを組み合わせる方式がある。特にタンデムレンズという第一レンズと第二レンズの正面と向い合わせる方式は非常にすぐれている。たとえば倍率1:1で使用するときには同一焦点距離と明るさをもった2個のレンズを向かいあわせればよい。また倍率(M)を変えたい場合には,焦点距離をそれぞれf₁,f₂とすればM = f₂/f₁によってきまるから,f₁,f₂を適当にえらべばよい。タンデムレンズを使用する場合には次の点を考慮する必要がある。

(1)第二レンズはその入射側の径が第一レンズの出力側の径より大きいこと。

(2)第一レンズ,第二レンズの間隔はできるだけ短いこと。これが長いと図5,図6に示すとおり周辺光量が著しく低下する。

われわれは種々のレンズを使用してX線けい光増倍管のけい光像を結像させ,ビジコン光電面に相当する場所に照度計をおいて照度を測定した。その結果は図7に示すとおりである。

この結果と7038の特性(図2)とからレンズ系に必要な明るさが求められる。ビジコンカメラの映像増幅器の雑音電流は帯域幅4.5Mcで1.5×10^-9A程度であるから,少なくともS/Nを得るためにはビジコンの暗電流を0.2μAまで許容するとして,ターゲット面における照度は0.2lx以上を要する。したがってレンズ系としては図7の斜線の範囲のものを必要とする。このことからわれわれは50mm 1:0.95のタンデムレンズを用いた。

[4] 試作の医用X線テレビジョン装置

4.1 装置の構成

われわれが試作した医用X線テレビジョン装置の構成は図8に示すとおりで,その外観を図9に示す。X線装置,X線けい光増倍管,ビジコンカメラ装置,光学系,透視撮影台からなり,・各部の仕様は下記のとおりである。

(1)X線装置　　　
X線管電圧　　125kVp全波整流
X線管電流　　4mA連続
焦点　　　　 0.3×0.3mm

(2)X線けい光増倍管
輝度増倍度　 最小800倍
解像力　　　 15本/cm(白黒1対を1本として)
有効視野　　 130mmφ
印加電圧　　 22kV d-c
出力けい光面寸法　15mmφ

(3)ビジコンカメラ装置
ビジコン　　 7038
走査線数　　 525本
飛越走査　　 2:1
毎秒駒数　　 30枚
総合周波数特性　7Mcまで水平
シェージング補正付き
ネガポジ切換可能

(4)光学系
4方向切換可能形(電動駆動)
　双眼透視
　単眼透視
　16mm映画撮影
　テレビジョンカメラ透視
レンズ系
　対物レンズ　　50mm 1:0.95
　テレビジョンカメラ用レンズ　　50mm 1:0.95
　シネカメラ用レンズ　　25mm 1:1.4

(5)透視撮影台
起倒(電動駆動)
天板(電動駆動)上下各30cm

4.2 解像力

装置の解像力をファントムを用いて測定した。ファントムとしては厚さ70mmのプレスボードを使用し,その上にテストチャートをおいた。テストチャートは種々の線径の銅線を線径と同じ間隔に並べたものである。図10,11,12はその結果を示したものであるが,テレビジョンの走査線によって解像力が制限されていることがわかる。テストチャートを走査線と直角方向においたときに解像力は最良となり,0.4mm(12.5本/cm)を解像している。これはテレビジョンを用いないで透視したときの解像力の0.3mmに比べ,わずかに落ちている。テストチャートを走査線の方向におくと約0.2mm程度悪くなる。テストチャートだけでファントムを用いないときの解像力はわずかに良好になる。これはファントムを透過すると散乱X線が発生して解像力を低下させるためである。

4.3 臨床的結果

以下にこの装置を臨床に使用した例を示す。

4.3.1 気管支造影　　造影剤の注入の過程,造影剤が気管支に拡がって行く様子がきわめて立体的に観察できる。また気管支が動く様子も鮮明に観察できる。

4.3.2 胃腸造影　　造影剤ののみ下しの過程から胃の運動,腸の運動の様子がきわめて明確に観察できる。ことに腸の立体的配置の様子が印象的であった。胃腸に限らずすべて患部が立体的に透視できるのは診断効果を非常に高めるものと期待される。

4.3.3 腰つい造影　　腰つい中に注入した造影剤が患部の閉鎖箇所でひっかかる状態が観察できる。時折造影剤のしずくが流れ落ちる様子はけい光板透視では全く観察できなかった現象である。

[5] X線テレビジョンの無線中継による遠隔診断

遠隔診断の可能性を検討するために昨年10月マイクロウェーブによる無線中継放送実験を行ない医家諸氏に御覧願った。その結果無線中継によっても画質は少しも低下せず,性能上からは遠隔診断は十分可能であることが実証された。

[6] 結論

各種のX線テレビジョン方式について理論および実験に基づいて比較検討を加えた結果,医用X線テレビジョン装置としては,実用上の見地からまずX線けい光増倍管とビジコンカメラとの組合せを取り上げた。

X線テレビジョン装置による透視はけい光板による直接透視に比べてはるかに像が見やすいこと,多人数で見られること,立体的な観察ができることなど,種々の利点を持っていることが確かめられた。しかしこの装置にはさらに改良検討しなければならない点も多々ある。次の諸点はその主要なものである。

(1)さらに明るいレンズ,S/N比の良好な増幅器を開発する。

(2)画像を拡大,縮小できる機構を考えたい。

(3)X線けい光増倍管に対する最大の要求は視野の拡大である。現在国産品では当社の7in.φのものがあるが,さらに視野を拡大することが必要である。

(4)記録および再現の手段としてビデオテープレコーダ,メモリチューブなどの活用をはかる。

X線テレビジョン装置の研究はまだ発展の途上にある。今後多くの点で改善を加えて,遠隔操作による診断,さらには遠隔地における診断など数々の興味ある問題を提供することを期待すると同時に,医学の診断に貢献することを祈る次第である。

終りに,この装置の製作に際し御指導あるいは御援助をいただいた多くの医家,その他の方々に深謝する。