ビームハードニングアーチファクト
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2025/10/19 17:55 UTC 版)
|
ビームハードニングアーチファクト（英: beam-hardening artifact）は、連続X線が被写体を通過する際に低エネルギー成分が優先的に吸収され、再構成の単色仮定と不一致が生じて画素値が偏る現象である[1]。画像上はカッピング、ダークバンド／ストリーク、シェーディングとして現れ、金属や高濃度造影剤の近傍で診断の妨げとなりうる[2][3][4]。発生強度は管電圧・ボウタイフィルタ・体厚や材質分布など装置・撮影条件に左右される[5]。低減には撮影条件の最適化、分光情報を活用した仮想単色画像や金属アーチファクト低減（MAR）、逐次再構成、近年では光子計数型CT（PCCT）の応用などがある[6][3][4][7]。
定義と原理
ビームハードニングは、連続X線が物質内で低エネルギー成分から先に吸収され、透過後の実効エネルギーが高まる（線質硬化）ことで、単色X線を仮定した再構成モデルと実測の間に不一致が生じ、系統的な画素値偏りを生む[1]。線減弱係数のエネルギー依存と、理想化したBeer–Lambert則（単色）と現実の連続スペクトルとの乖離が根本要因である[8][9]。この不一致を低減するには、物理モデル側で線質硬化を取り込む補正や、単色画像に近づける分光再構成が用いられる[10]。
表現型（アーチファクトの様式）
代表的な様式には、均質物体中心が低吸収に見えるカッピング、高吸収体に挟まれた領域の暗帯（ダークバンド／ダークストリーク）、広域の濃度むら（シェーディング）などがある。頭頸部CTでもダークバンドが境界を不明瞭にし得る[2]。ストリークはビームハードニングに加えて散乱やフォトンスターべーション等でも生じ得るため、原因の切り分けが必要である[11]。アーチファクトが診断を阻害しうる点は臨床・総説報告で示されている[3][4]。
装置・撮影条件と寄与因子
ビームハードニングの強さは、管電圧（kVp）に支配される線質、ボウタイや前置フィルタ、FOVや幾何配置、被写体厚・材質分布、検出器応答などに依存する[5]。ボウタイフィルタは線束強度とスペクトルを形状に合わせて補償し一様性を改善する。動的ボウタイはシミュレーション／試作機レベルで線量分布・ダイナミックレンジ改善が示されており、臨床適用には更なる検証が必要とされる[12][13][14]。
低減・補正法
低減策は(1)取得・前処理（管電圧最適化、幾何・FOV調整、校正に基づく補正）、(2)分光活用（DECT/SDCTの材料分解・仮想単色画像）、(3)MARや逐次再構成などの画像処理に大別される。歯科金属に対する多材料MAR（MMAR）の有効性が報告され[6]、金属材料別の単エネCT／デュアルエネCTでの低減法も体系化されている[3]。アーチファクト強度の客観評価指標も提案され、手法比較に用いられている[15]。特定状況（例：人工股関節CT）では深層学習ベースMARがVMIやO-MARより主観評価で優れる報告があるが、対象限定の知見である[16]。血管内治療後の金属によるアーチファクトに対し、VMIとMARの併用が実画像での低減に有用とされる[4]。なお、ストリークの成因は多岐にわたるため（ビームハードニング、散乱、フォトンスターべーション等）、手法選択は原因に応じて行う必要がある[11]。
課題と今後[いつ?]の展望
多材質・厚さ変化に頑健な一般化モデル、過補正によるコントラスト低下やノイズ増幅とのトレードオフ最適化、定量CTに向けた評価指標と標準化の整備が課題である[17]。光子計数型CTはエネルギー分解能により金属近傍のビームハードニング低減が期待され、移植型ポート周囲のアーチファクト軽減可能性を示す報告があるが、適用範囲の検証は進行中である[18][7]。
脚注
- ^ a b “Beam hardening in x-ray reconstructive tomography” (英語). Physics in Medicine and Biology (IOP Publishing). (1976). doi:10.1088/0031-9155/21/3/004.
- ^ a b 「頭頸部CT撮影におけるダークバンドアーチファクト低減のための補償フィルタの検討」『日本放射線技術学会雑誌』、日本放射線技術学会、2022年、doi:10.6009/jjrt.2022-1286。
- ^ a b c d “Metal artifact reduction techniques for single energy CT and dual-energy CT with various metal materials” (英語). BJR (British Institute of Radiology). (2019). doi:10.1259/bjro.20180045.
- ^ a b c d “Virtual monoenergetic images and post-processing algorithms effectively reduce CT artifacts from intracranial aneurysm treatment” (英語). Scientific Reports (Nature Portfolio). (2020). doi:10.1038/s41598-020-63574-8.
- ^ a b “Artefacts in CT: Recognition and Avoidance” (英語). ImPACT/RSNA educational materials. Royal Surrey County Hospital (2003年). 2025年10月17日閲覧。
- ^ a b “Clinical application of multi-material artifact reduction (MMAR) technique in Revolution CT to reduce metallic dental artifacts” (英語). Insights into Imaging (SpringerOpen). (2020). doi:10.1186/s13244-020-0836-1.
- ^ a b “Photon-counting Detector CT: Key Points Radiologists Should Know” (英語). Investigative Radiology (Wolters Kluwer). (2022). doi:10.1097/RLI.0000000000000878.
- ^ “Interaction of X-Rays with Matter” (英語). Stanford MicroCT Facility. Stanford University. 2025年10月17日閲覧。
- ^ “Towards a Generalized Beer–Lambert Law” (英語). Computation (MDPI). (2014). doi:10.3390/computation2010008.
- ^ “Simple beam hardening correction method (2DCalBH) based on 2D linearization” (英語). Physics in Medicine and Biology (IOP Publishing). (2022). doi:10.1088/1361-6560/ac5f71.
- ^ a b Boas FE; Fleischmann D (2012). “CT artifacts: causes and reduction techniques” (英語). Imaging in Medicine.
- ^ “Dynamic Bowtie Filter for Cone-Beam/Multi-Slice CT” (英語). PLOS ONE (PLOS). (2014). doi:10.1371/journal.pone.0103054.
- ^ “Potential of Fluid Dynamic Bowtie Filter for Dose Reduction in CT Imaging” (英語). Applied Sciences (MDPI). (2022). doi:10.3390/app12189346.
- ^ “Experimental demonstration of a dynamic bowtie for region-based CT” (英語). Proceedings of SPIE. (2016). doi:10.1117/12.2216737.
- ^ “A robust index for metal artifact quantification in computed tomography images” (英語). Journal of Applied Clinical Medical Physics (Wiley (AAPM)). (2023). doi:10.1002/acm2.14453.
- ^ “Image quality and metal artifact reduction in total hip arthroplasty CT: deep learning-based algorithm versus virtual monoenergetic imaging and orthopedic MAR” (英語). European Radiology Experimental (SpringerOpen). (2024). doi:10.1186/s41747-024-00427-3.
- ^ “On the data acquisition, image reconstruction, cone beam CT and applications” (英語). Medical Physics (Wiley). (2019). doi:10.1002/mp.13095.
- ^ “Potential of photon counting computed tomography derived spectral reconstructions for reduction of beam hardening artifacts caused by port implants” (英語). European Journal of Radiology (Elsevier). (2024). doi:10.1016/j.ejrad.2024.110186.
- ビームハードニングアーチファクトのページへのリンク
