「FIRST」は，順投影のプロセスを伴うモデルベース逐次近似再構成法である。ノイズやアーチファクトの大幅な低減により被ばく低減が可能で，装置の持つ空間分解能を最大限に引き出すことで画質が向上するという特長がある。
本講演では，FIRSTがこのような特長を持つ理由を，逐次近似再構成の原理と併せて説明するとともに，FIRSTの画質特性の検証結果を示す。また，新しく開発中の頭部用FIRSTについても紹介する。

逐次近似再構成の原理

1．順投影・逆投影，再構成関数とFBP
FIRST（Forward projected model-based Iterative Reconstruction SoluTion）に含まれる順投影（forward projected）とは，実空間（画像空間）から検出器上の投影空間にデータを投影する処理であり，その代表例がCTスキャンである。また，再構成された断面画像を数学的な投影処理で投影データ（サイノグラム）に変換することも，順投影に相当する。
反対に逆投影は，投影空間から実空間（画像空間）に戻す処理，つまり，断面画像の再構成処理に当たる。全方向の投影データを逆投影することで断面画像を再構成できるが，そのまま逆投影するだけでは画像がぼけてしまう。そこで，ボケを解消してシャープな画像を得るために，再構成関数（先鋭化フィルタ）が用いられる。再構成関数は，弱いフィルタは軟部用，強いフィルタは肺野・骨用と，ターゲットごとに使い分ける必要があり，すべての領域に最適な関数は存在しない。これがFiltered Back Projection（FBP）法の原理である。

2．Iterative Reconstruction
一方，Iterative Reconstruction（IR）の原理は次のとおりである（図1）。まず，CTスキャンで得られた「もとの生データ」を逆投影した「逆投影画像（再構成画像）」を，再度順投影する。この時，「逆投影画像（再構成画像）」がスキャン対象の構造を忠実に再構成していれば，「順投影画像」は「もとの生データ」と完全に一致するはずである。実際には，両者を差分すると「もとの生データ」と一致しない不要な情報（ボケの成分など）が抽出されるため，不要な情報を「もとの生データ」から差し引いて生データを更新する。このサイクルを反復的に繰り返して生データを更新することで徐々に差分を減らし，画質を向上させる。
IRではターゲットによらずオーバーシュートやアンダーシュートがなく，ボケのない正確な再構成画像を得られ，再構成関数を用いる必要がない。
また，生データを忠実に再構成するIRはノイズも画像に反映されてしまうため，生データに含まれるノイズを除去するアルゴリズムの併用が必須である。これを組み込んだのがmodel-based IRのFIRSTで，統計学的ノイズモデルやスキャナモデルなどに基づいて，ノイズやアーチファクトを除去して生データを更新することで，ノイズの少ない画像の取得を可能にした。

図1　Iterative Reconstructionの原理

FIRSTの画質特性の検証

1．ファントムによる検証（図2）
画質特性検証のため，3Dプリンタで造形した分解能検証ファントム〔直径70mm，構造物（樹脂）：35HU，背景（空気）：−1000HU〕をボディファントムに挿入して撮影し，プロファイルカーブで分解能を検証した。一辺が1〜5mmの四角柱について，FBP，AIDR 3D，FIRSTのプロファイルカーブを見ると，FBPやAIDR 3Dは理想値と比べてピークでは幅が狭まり，裾野が広がっているのに対し，FIRSTは理想値に近いカーブを描いている。特に2mm，1mmにおいては，FBP，AIDR 3Dはピークに届かず，1mmでは半分程度に低下しているが，FIRSTではピークからの低下がわずかであった。FIRSTは，細かい構造物のCT値がより正確となり，パーシャルボリューム効果の影響が軽減されていることがわかる。

図2　再構成ごとのプロファイルカーブ（四角柱）

2．臨床例：冠動脈（図3）
CT angiography（CTA）をFIRSTで再構成すると末梢のCT値が上昇する現象は，前述のファントム検証結果と一致する。FIRSTからFBPを差分した冠動脈の差分画像では，FIRSTの方がCT値が高いことが示され，末梢になるほど顕著である（図3 b）。
また，冠動脈に直交するプロファイルカーブをFBPとFIRSTで比較すると，FIRSTは太い血管（近位）では血管辺縁，細い血管（末梢）では血管全体のCT値が上昇することが確認できた（図3 c）。ただし，「CT値が上昇する」という表現よりも，「CT値が正しい値に近づいている」と表現する方が適切だろう。

図3　冠動脈の描出能の向上

3．臨床例：頸部ステント（図4）
ステントは非常にCT値が高いため，ブルーミングアーチファクトが生じ，FBPやAIDR 3Dでは内腔評価が難しい。FIRSTでは，空間分解能が高くブルーミングアーチファクトが減少するため，ステントに接する低吸収構造（図4 ▲）を明瞭に描出することができる。

図4　頸部ステントの描出能の向上

4．石灰化スコアの変化（図5）
石灰化スコアファントムを造形し，石灰化スコアの変化を検証した。石灰化モジュール4種類（一辺が1mm/2mm，低吸収/高吸収の素材）を胸部ファントムに挿入して撮影し，アガストンスコアを計算してFBP，AIDR 3D，FIRSTで比較した。
AIDR 3DのアガストンスコアはFBPとほぼ同等か，少し低下しているのに対し，FIRSTは1mmあるいは低吸収のモジュールでアガストンスコアがFBPより上昇している。反対に2mm・高吸収のモジュールでは，アガストンスコアがFBPより低下しており，これはブルーミングアーチファクトの軽減により，石灰化体積がより正確に描出されるためと考えられる。
このようにFIRSTでは，より正確な石灰化スコアを算出できるが，これまでFBPで用いてきた基準を適用することはできないため，新たな基準の検討が必要だろう。

図5　石灰化スコアの変化

頭部用FIRST

東芝メディカルシステムズでは，FIRSTの順投影プロセスで線質硬化現象をシミュレーションして正確なビームハードニング補正（BHC）を行う頭部用の「Beam Hardeningモデル（W.I.P.）」を開発中である。これにより，カッピングアーチファクトを抑えた高コントラストの頭部画像が取得可能となる。パラメータとしては，「FIRST Brain（FBPライクなテクスチャの画像）」（W.I.P.）「FIRST Brain LCD（low contrast detectabilityに特化した急性期脳梗塞用の画像）」（W.I.P.）「FIRST Brain CTA」（W.I.P.）がある。
3Dプリンタで造形した頭部ファントムを撮影し，頭部用FIRSTで再構成したところ，FBPでは骨直下にカッピングアーチファクトがわずかに残存しているが，頭部用FIRSTではアーチファクトが少なく，皮質と白質のコントラストが明瞭に付いた。特にFIRST Brain LCDは，皮質と白質のCNRが4.69と非常に高く，デジタルモデルデータに最も近い画像が得られた。
図6は急性期脳梗塞の臨床画像で，FBP（a）ではわずかに低吸収領域が認められるが，FIRST Brain LCD（b）では低吸収領域をより明瞭に確認することができる。
FIRST Brain CTA は分解能に特化したパラメータである（図7 c，d）。高いBHC効果があり，カッピングアーチファクトを除去するとともに，MIP画像では末梢血管をより明瞭に描出することができる。

図6　急性期脳梗塞の臨床画像

図7　CTAの臨床画像

まとめ

FIRSTは真の意味での逐次近似再構成法である。領域によらず高分解能画像が得られ，細かい構造物のCT値が正確になる。さらに，ノイズモデルやビームハードニングモデルによりアーチファクトを低減でき，低線量での高画質化が可能である。
ただし，冠動脈石灰化スコアなど，従来の基準をそのまま適用することができないため，新たなスコアリング法や診断基準を確立していくことが今後の課題である。

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