呼吸器疾患のトピックス

CT画像解析による気管支鏡誘導技術の進歩

肺癌の組織を採取する”生検”は、肺癌の診断を確定し適切な治療法を選択するために不可欠です。本邦では肺癌の生検の大半は気管支鏡検査によって行われています。一方で肺癌(特にその大半を占める肺野末梢型肺癌)を気管支鏡で生検することは容易ではありません。その理由の1つは、末梢型肺癌は気管支樹という迷宮の中に位置するからです。そのため気管支鏡検査では一つ一つの分岐を正しく選択しながら病変部に近づかなければなりませんが、何の前情報もなければ気管支鏡検査中にどう分岐を選択すれば標的に近づくのか大変な試行錯誤をすることになってしまいます。従って気管支鏡検査前に標的への道を把握しておくことが重要であり、それはCT画像データを解析することで可能です。

本稿では、いわゆる仮想気管支鏡ナビゲーションシステムを含む「CT画像解析による気管支鏡誘導技術」を簡単にレビューさせていただきます。さらに私達が開発したオブリーク法という新しいCT画像解析法について、これまでに行った一連の学会発表をまとめてご紹介させていただきます

基本事実1、CTスキャンにより肺内の気管支が描出される
基本事実2、CT画像上で気管支を認識するゴールデンスタンダードは肉眼による判断

最初に、2つの基本的な事実を確認させていただきます。1つ目はCTスキャンにより肺内の気管支が描出されるということです。気管支はCT上では「気管から分岐しながら連続する管状の構造物」として描出されます。下記はその一例であり、環状構造が”輪”や”二重線”として描出されています。ただし、肺内の気管支の全てがCTスキャンで描出されるわけではありません。

2つ目はCTスキャン画像上でどこが気管支なのかは、見れば分かるということです。先ほど「CT上で気管支は、気管から分岐しながら連続する管状の構造物である」と述べましたが、これは医師がCTを自分の目で見て判断します。一方で「CT上で、肉眼で見る限り気管支でないところ」に「実は気管支がある」と認識することに成功したCT画像解析方法は存在しません。これらのことからCT画像上で気管支を認識するゴールデンスタンダードは肉眼による判断であると言え、実際に論文でもそのように扱われています1

【1】Axial CT 断面における枝読み ~古典的でありながら今も多くの病院で主流~

DICOMビューアの最も基本的な機能はCT axial断面の表示であり、気管支鏡施行医が最も見慣れているCT断面もAxial断面です。そのため、CT画像解析による気管支鏡ナビゲーション技術のうちで最も古典的な方法はAxial CT断面における”枝読み”です。仮想気管支鏡ナビゲーションシステムが導入されておらず、かつオブリーク法を施行していない国内外の多くの病院では、現在も本手法が主流です。

本手法の問題はMental analysisと呼ばれる作業です2。これはマウスでコロコロしながらAxial断面を読んで一つ一つの分岐の三次元構造を想像するという作業であり、時間がかかる割に正確ではないとされています3,4

一方で本手法は施行者によって差が大きいとも言え、経験を積んだ医師であれば正確かつ迅速であることもあります。最近、新しい教科書も出版されました(栗本典昭著「末梢病変を捉える 気管支鏡“枝読み”術」)。Axial断面による枝読みは今も大きなニーズがあり、進化しつづけています。

【2】仮想気管支鏡ナビゲーションシステム

Axial断面での枝読みの苦労を解決する手段として出てきたのが、仮想気管支鏡ナビゲーションシステムです。1990年代半ば頃から、CT画像をソフトウェアで処理することにより実際の気管支鏡の視野と非常に似た画像(仮想気管支鏡画像)が得られるようになりました。その後、気管支鏡ナビゲーションに仮想気管支鏡技術を使用したソフトウェアが開発されました。現在国内外で多く使用されているのはBF-Navi、LungPoint、DirectPathなどであり、その有用性を報告する論文が相次いで発表されました5-8。また、VINCENTのような汎用DICOMビューアの有料オプションとして設定されている仮想気管支鏡ナビゲーションシステムも登場しています。

【3-1】オブリーク法

仮想気管支鏡ナビゲーションシステムは非常に有用なシステムです。しかし高価な割に気管支鏡ナビゲーションにしか使えず、しかも現在も保険点数加算がつきません。そのため導入する施設が限られてしまい、現在も十分に普及しているとは言えません。

オブリーク法は「仮想気管支鏡ナビゲーションソフトウェアが無くても、仮想気管支鏡ナビゲーションシステムと同様の解析をする」という目的で私達が開発しました。オブリーク法では多くの病院で既に導入されている汎用の、つまり様々な診療科で様々な目的で使用できるDICOMビューアを用います。しかも特別な有料オプションは不要です。つまり汎用DICOMビューアを「ある方法(=オブリーク法)」で操作すると、仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの代わりになるということです。なお、オブリークというのはCTの斜め断面のことです。

【2012年呼吸器内視鏡学会総会】では「3D画像院内外配信ソリューション(AquariusNET Server iE 4G)による気管支鏡ナビゲーションの試み」という題名のポスター発表を行いました。内容は、オブリーク法をご紹介するだけのものでした。

【3-2】オブリーク法は仮想気管支鏡技術の代わりにCTオブリーク断面を用いる

上記では、Axial CT 断面における枝読みの最大の問題はMental Analysisであり、それを克服するために仮想気管支鏡技術が取り入れられたという経緯をお示ししました。

オブリーク法は大雑把に表現すると「CT断面を眺める方法」であり、その意味ではAxial CT 断面における枝読みと似た方法です。しかし、オブリーク法ではMental Analysisは不要です。仮想気管支鏡ではないのにMental Analysisが不要である理由は、オブリーク法はAxial断面ではなくCTオブリーク断面を用いるからです。

仮想気管支鏡は、実際の気管支鏡の視野と全く同じような画像を表示できる優れた技術です。一方で下図に示すように、気管支の輪切りのオブリーク断面は仮想気管支鏡画像に似ているように見えます。確かに奥行き感はありません。しかし分岐の方向・形・角度などについてはオブリーク断面は仮想気管支鏡画像にそっくりであり、気管支鏡検査に必要な「どちらの気管支に進めばいいか」を表示するというシンプルな用途においては困りません。私たちはこのようなオブリーク断面を”VB-like オブリーク断面”と名付けました。

【2013年呼吸器内視鏡学会総会】では「ナビもEBUS-GSも使えない施設で胸部X線写真で見えない末梢病変をX線透視下で生検した成績と工夫」という題名の口演を行いました。VB-likeオブリーク断面が実際の気管支鏡画像と一致しており、オブリーク法で気管支鏡の誘導が実際に可能であることを発表しました。また、先端径4.4mmの細径気管支鏡(BF-P260)で直径30mm以下の病変の生検を行う場合、オブリーク法導入により診断率が59% から76%に改善したと報告しました。本発表はシンポジウムに採択していただき、大きな反響がありました。

【3-3】オブリーク法の実際

具体的なオブリーク法の手順は下記の通りです。
[手順1] CT断面を見て、標的に至る気管支経路に“点”を打つ
[手順2] 点を打った経路をVB-like オブリーク断面で見る
[手順3] 分岐の様子を紙に書き写す。この紙を見ながら、気管支鏡検査を行う。

手順1から2までのデモンストレーションを下記にお示しいたします。これは2013年呼吸器内視鏡学会総会の口演の際に使用したもので、Aquariusを用いてオブリーク法の1つであるスイッチ・オブリーク法を施行している様子です。(手順1:動画中のSTEP1, 2, 3、手順2:動画中のSTEP4, 5。スイッチ・オブリーク法ではある手順を省くためにSTEP4で仮想気管支鏡を用います。)

本稿ではオブリーク法の詳しいご説明をさせていただくことができませんが、私たちが開催しているハンズオンセミナーでは、細かいところまで解説を行っております。詳細は本稿の一番下を御覧ください。

なお、オブリーク法による枝読みは1例3分、凝った解析をしても5分程度です。これは上記の手順1から3までを含んだ時間です。慣れないうちは1症例あたり30分くらいかかるかもしれませんが、練習するほどに短くなり、最終的には1症例3分で解析できるようになると思います。気管支鏡検査直前の咽頭麻酔の間にオブリーク法で枝読み、ということも可能です。

【3-4】オブリーク法の利便性

オブリーク法は利便性において、従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムより優れています。

[利便性1] 高価な仮想気管支鏡ナビゲーション専用システムを必要としない

開発の経緯より明らかです。

[利便性2] いつもの電子カルテ上で直接施行でき、DICOMデータの移動が不要

従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムは通常、電子カルテと直接接続されていない別個のコンピュータシステムです。そのためDICOMビューアを電子カルテからCD-Rなどで取り出して、システムに読み込ませて…という手間が必要であることが多く、しかも院内で特定の場所(仮想気管支鏡ナビシステムが設置してあるところ)まで行かなければならないこともあります。

一方でオブリーク法は、院内の様々な電子カルテ端末上で使用できる汎用DICOMビューアを用います。例えば阪大では、病棟の電子カルテ上でオブリーク法の解析を行い、電子カルテ上に保存、気管支鏡の検査室で保存しておいた内容を読み込んで検査に臨む、という使い方をしています。

[利便性3] 様々なDICOMビューアで施行できる

オリジナルのオブリーク法はスイッチ・オブリーク法と呼ばれるもので、Aquariusでしか施行できませんでした。その後、公立西知多総合病院の吉田健也先生にダイレクト・オブリーク法という派生技術をご提案いただきました。本稿では両者をまとめてオブリーク法と表記させていただいています。これまでにオブリーク法ができることが分かっているのは下記のDICOMビューアで、それぞれ国内外の数百〜数千施設以上で現在稼働しています。これらの施設では、オブリーク法ができる技術を身につけさえすれば、気管支鏡ナビで困ることはありません。

【2016年呼吸器内視鏡学会総会】では、ダイレクト・オブリーク法よってSYNAPSE VINCENT(富士フィルムメディカル)上でオブリーク法が利用できるようになったことをご報告させていただきました。

【4】オブリーク法との比較で見えた従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの性質

私たちはオブリーク法の性能を知るために、オブリーク法と仮想気管支鏡ナビゲーションの比較を行いました。その中で私たちは、むしろ従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの性質について知ることになりました。

最初にご説明をさせていただかなければならないのは、従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの処理プロセスです。従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムは自動解析が基本です。そして私達が検討させていただいた3機種の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの解析プロセスはおよそ共通していました(下図)。つまり「オペレータが操作するのは『2.標的を指定』するだけであり、その後は『4.描いた経路を仮想気管支鏡像で表示』まで自動的に処理される」というものでした。これは非常に優れた性質であると言えます。一方で、あまり好ましくない性質もいくつか明らかになりました。

[ポイント1] 従来の仮想気管支鏡ナビゲーションによる自動解析では「3.経路を描く」ステップが適切ではない場合がある

私たちは同じCT画像データをオブリーク法と従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステム(自動解析=上図の4まで)で解析し、どのような経路が描かれたのかを評価しました。その結果、従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの自動解析は「CT-bronchus signが陽性である症例であっても、標的ではないところに終点を設定し経路を描くことがある」ということが分かりました。CT-bronchus signが陽性ということは、CT上で標的に到る気管支が目で見て存在するということです。仮想気管支鏡ナビゲーションの本分は標的への道を把握することですから、CT bronchus sign陽性の症例においては「標的までの経路」を教えて欲しいと私達は期待します。しかし実はその期待に十分応えられていない可能性があるということが分かりました。それでは標的以外のどこに経路の終点があったのかというと、標的に到る経路の途上ということもあれば、全くの別の経路上のこともあり、そもそも葉が違うということさえありました。

私たちは、この現象の理由の1つは自動で行われる『1.CT画像内の気管支を抽出』が十分ではないことであると考えています。仮想気管支鏡ナビゲーションシステムがCT内部に経路を自動で描く場合、システムが自動抽出できた気管支のみを勘案して経路を描きます。そのため、もし気管支が標的に到達する部分を自動抽出できていなければ、必然的に他のところへの経路を描いてしまうと考えられるからです。

この問題に対して、一部の機種では「5.手作業で修正」で修正することが可能です。具体的にはシステムが自動抽出できていなかった「標的に到る気管支」を手作業で書き足し、終点を設定しなおすという作業でした。

一方でオブリーク法では、経路を描くのはそもそも手書きです。CT-bronchus signが陽性であれば標的に到る経路を描けばいいだけですので、仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの自動解析で起きたような問題はそもそも起こりえません。

【2015年呼吸器内視鏡学会総会】では、ある仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの自動解析結果を検討したところ「1.CT画像内の気管支を抽出」の時点で「見てみれば明らかに末梢気管支」のうち約4割を認識できていなかったという結果を報告しました。さらに「3.CT内部に経路を描く」において標的に到達する経路が描けていたのは、CT-bronchus sign陽性の症例のうちの約60%に過ぎませんでした。本発表もシンポジウムに採択していただき、非常に大きな反響をいただきました。

[ポイント2] 「4.描いた経路を仮想気管支鏡で表示」することの難しさ

「3.CT内部に経路を描く」で描かれた経路は、次のステップで気管支鏡の視野に変換されます。この時に従来の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムは「4.描いた経路を仮想気管支鏡で表示」します。一方でオブリーク法はVB-likeオブリーク断面を用います。この2つの方法の差を知るために、私たちは全く同じ経路(=同じ終点)の表示結果を比べました。

上図はその一例です。肺門に近いところでは、仮想気管支鏡画像もVB-likeオブリーク断面も似通った表示になっていることが分かります。これはVB-likeオブリーク断面が仮想気管支鏡画像の代わりになりうることを示します。一方で、仮想気管支鏡画像のあまり好ましくない性質についても明らかになりました。

[ポイント2-1] 仮想気管支鏡画像は末梢に行くほどに壁が透けたようになることがある

この理由についてメーカーにお伺いしたところ、この現象は画像処理を行った際の閾値の設定によるものではないかということでした。「5.手作業で修正」において閾値を手動で調整すれば改善するそうです。

[ポイント2-2] 仮想気管支鏡画像は途中の分岐がスキップされることがある

この理由についてもメーカーにお伺いしたところ、これについては「1.CT画像内の気管支を抽出」が十分ではないことが原因ではないかとのことでした。ただし機種によっては「5.手作業で修正」が可能で、気管支を書き足せばきちんと分岐が表示されるということでした。

一方でオブリーク法では、気管支壁が透けることも、CT画像上で見えている分岐をスキップしてしまうこともありません。オブリーク法はCT断面を見ているだけだからです。仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの自動解析で起きたような問題はそもそも起こりえません。

【2012年呼吸器内視鏡学会地方会】では、ある仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの仮想気管支鏡表示について検討したところ、「CT上で明らかに存在する分岐」をスキップしていることがあるという現象についてご報告をさせていただきました。

これらの結果をまとめると下図のようになります。仮想気管支鏡ナビゲーションの自動解析にはいくつかの点で不十分な点があることが分かりましたが、その多くの部分は自動で行われる「1.CT画像内の気管支を抽出」が不十分であることが原因である可能性が示唆されました。

私たちは少なくとも現在の仮想気管支鏡ナビゲーションシステムを用いる時には、自動で処理された経路の終点設定やその仮想気管支鏡表示が適切であるかどうか、オペレータの目できちんと評価を行うことが必要であると考えています。機種によっては「5.手作業で修正」において自動解析の不具合の修正を行うことが可能であり、私たちはこの手順が極めて重要であると考えています。

呼吸器内視鏡学会では、仮想気管支鏡ナビゲーション技術を推進されてこられた先生方からも「5.手作業で修正」の重要性が度々指摘されており、今回の我々の結果も同様の主旨であると考えています。

一方でオブリーク法は「(一見面倒な)手動解析」を基本とした手動解析方法であり、CT上で肉眼で見えている気管支はそもそも全て含んだ解析を行っています。そのため従来の仮想気管支鏡ナビゲーションが「自動解析+手動修正」というステップで達成することを最初からやっているということになります。

これらの比較より、私たちはオブリーク法の解析は「有料の気管支鏡ナビゲーションシステムにおける自動解析+手動修正」と比較して遜色ないのではないか、と考えています。どちらも同じ「肉眼でのCT読影」を元に経路を描き、CT上で見えている気管支の全てを経路上に表示することが可能であるからです。両者の違いは、描いた経路を表現する方法が仮想気管支鏡か、VB-like断面かという違いしかありません。一方で「従来の気管支鏡ナビゲーションシステムにおける自動解析+手動修正」や「オブリーク法」は、「従来の気管支鏡ナビゲーションシステムにおける自動解析(手動抽出なし)」よりは明らかに良いと考えています。

【5】「CT上で肉眼で見つかる気管支」はオブリーク断面で増える可能性がある

【2014年呼吸器内視鏡学会総会】では、実際に極細径気管支鏡が到達でき存在が確認された「ある末梢気管支」について様々な角度のCT断面でその存在を認識できる程度について比較したところ、最も認識が困難であったのはaxial断面で、最も容易であったのはオブリーク断面であったという一例について報告しました。この現象は「読み取りに用いるCT断面の角度によって気管支を肉眼で認識できる程度は同じではなく、より認識しやすい角度がある」ということを意味していると考えられました。

上の項目で、「オブリーク法の解析内容は『有料の気管支鏡ナビゲーションシステムにおける自動解析+手動修正』と比較しておそらく遜色ない。なぜならどちらも同じ『肉眼でのCT読影』を元にするからだ」と書きました。しかし本発表は「肉眼でのCT読影」はどんなCT断面で読影するかによって微妙な差があるということを示唆しています。仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの手動修正はAxial断面で行われることが一般的には多いと思いますが、オブリーク断面を併用したほうが肉眼で認識できる気管支がわずかに増えるのではないかと私たちは考えています。

【Future Plan】気管支鏡で肺野超末梢へ到達する

本稿でお示ししたとおり、仮想気管支鏡ナビゲーションシステムの進歩やオブリーク法によって、気管支鏡前に「標的に至る道」について詳しい情報が一般的に入手できるようになってきました。つまりその経路を終点まで入っていくことができさえすれば、標的の直視下生検をすることができ、診断率の向上が期待されます。「気管支鏡で肺野の超末梢に到達する」というのは気管支鏡施行医の”夢”とも言えるかもしれませんが、何とかその夢を実現できないかと私たちは考えています。

【2017年呼吸器内視鏡学会地方会】では、まさにこの「気管支鏡で肺野の超末梢に行く」という夢の第一歩について発表させていただきました。すなわち「検査側を上にした側臥位」によって気管支が拡張し、気管支鏡がさらに末梢に到達できることがあるという現象について発表しました。残念ながら本手法で気管支が拡張する頻度はあまり多くありませんが、単純でコストがかからず導入しやすいという大きな利点があります。今後どのような部位で気管支が拡張しやすいのかなど解析を行いたいと思います。

【最後に】オブリーク法を習得されたい先生方へ

「オブリーク法」という少し変わった名前をつけてしまいましたが、それほど特別な作業ではありません。単に「斜め断面でCTを読み、点を打ち、紙に写す」というだけです。一度ご理解いただければシンプルな方法なのですが、意外と問題なのがそもそもVINCENTやAquariusをあまり詳しく使ったことがないという先生方が多いことです。例えば「CT内に点を打つ」という作業一つにしても、どのボタンを押せばいいのかご存じではないようです。

各ビューアのマニュアルを一から読んでいただいても良いのかもしれませんが、呼吸器内科の先生方は非常にお忙しくされていることが多いと存じます。もしよろしければ私達のハンズオンセミナーにお越しいただければ幸いです。内容は全く学問的ではなく「VINCENTやAquariusの操作方法のご説明」というところです。もちろん全て無料です。

[1] ハンズオンセミナー@阪大病院…不定期ではありますが阪大病院においてハンズオンセミナーを開催しております。次回の開催予定につきましては当方までお問い合わせをいただければ幸いです。

[2] 出張ハンズオンセミナー@各御施設… 各御施設に講師がお伺いし、ハンズオンでオブリーク法の操作方法をご説明させていただきます。

特にオブリーク法で今すぐにメリットがあるのは「電子カルテ上でVINCENTやAquariusが使えるが、気管支鏡ナビが導入できず困っておられる御施設」です。ぜひご検討をいただければ幸いです。

呼吸器内科 三宅 浩太郎

引用文献
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  5. Ishida T, Asano F, Yamazaki K, et al. Virtual bronchoscopic navigation combined with endobronchial ultrasound to diagnose small peripheral pulmonary lesions: a randomised trial. Thorax. 2011;66(12):1072-1077.
  6. Asano F, Shinagawa N, Ishida T, et al. Virtual bronchoscopic navigation combined with ultrathin bronchoscopy. A randomized clinical trial. Am J Respir Crit Care Med. 2013;188(3):327-333.
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