やさしさと健康の新世紀を開く 医歯薬出版株式会社

刊行のことば
 放射線医学は1895年レントゲンがX線を発見したのを始まりとして,すでに1世紀を経過しました.とくに最近の40年間は,電子技術,コンピュータ,オプトエレクトロニクスなどの出現とあいまって著しい進歩がみられます.1960年代のX線テレビの開発に始まり,CT,DSA,CR,MRI,超音波,PET,重粒子線治療などの機器に新しい造影剤の開発と,枚挙にいとまがありません.これほど短い期間に新しい手法が登場したことは,過去の歴史になかったと考えます.
 放射線医学を医療の中で実践するのは,放射線科医,診療放射線技師,医学物理士,放射線管理者,そして放射線機器の開発にあたる医療機器メーカーの人たちです.これらの方々が十分な理解と友好関係のもとに協調していくことがきわめて大事なことであります.そのためには,各職種の人たちが,自己のもつ高度な知識と技術を提供しあうことが必要であるといえましょう.
 診療放射線技師教育は従来,3年制短大で行われてきました.しかし,その指定規則に盛られた科目と内容は,アメリカの医学物理学修士教育にも匹敵するものであります.このような高度な内容を教えていくには,少なくとも4年制の学部教育が必要であり,さらにその上に医学物理学・医用工学の研鑚を積む大学院課程が望まれます.今日,4年制教育機関が増加してきていることは,この観点からたいへん喜ばしいことといえましょう.
 4年制課程での教育に呼応するように,平成5年,診療放射線技師法が改正されました.診療放射線技師の業務は核磁気共鳴,超音波,眼底カメラなどの非放射線領域へと拡大され,今後ますますその傾向は顕著となっていくものと考えています.いまや放射線のみならず,光,音,熱,磁気などの物理事象を診断と治療へ応用する医療技術科学者としての性格を有し,21世紀には新しい医療スペシャリストとして発展していくでしょう.
 私たちは,このような観点から「医用放射線科学講座」のシリーズを編集し刊行することとなりました.単に学校の教科書としてでなく,一生座右において読んでいただき,病院の放射線科の現場でも十分参考に耐えるものをと念じました.いささか内容が広く,高度すぎる,ここまで必要ではないとのご批判もあるかとも存じます.しかし,私たちは編集の課程で寄せられた玉稿を読ませていただいたときに,これは医師・看護婦・臨床検査技師その他の医療職種にも十分に役立つものと自信を深めた次第です.
 どうぞご一読いただき,数多くの方々からのご指摘,ご叱正を得てさらによい講座となることができれば幸いです.
 平成8年5月
 企画・編集
 稲本一夫(大阪大学教授 医学部保健学科)
 瓜谷富三(藤田保健衛生大学教授 衛生学部)
 岡部哲夫(鈴鹿医療科学技術大学教授 医用工学部)
 大和谷 厚(大阪大学教授 医学部保健学科)


第2版の序
 1995年春,大阪大学医学部稲本一夫教授(現名誉教授)が,医療技術短期大学の4年制大学昇格に合わせ,4年制医療大学に相応しい教科書の刊行を提案された.新設の4年制医療大学でどのような人材を育成すべきか,そのための講義の内容・水準の設定や教科書・参考書の準備は重大なテーマであり,幾度かシンポジウムも開催された.
 従来,理工系学部・大学院で講義されていた“医用画像工学”を新設の鈴鹿医療科学大学で担当した筆者は,その講義内容と学生の理解度について試行錯誤していた.企画された方々とは単に講義の内容・水準のみでなく,診療放射線技師に期待される役割などについても話し合った.稲本教授は放射線医学の動向を示唆して理工系の学部・大学院と同じ内容・水準に設定するよう強く望まれた.
 多くの研究者の協力を得,1997年10月に出版した本書は,幸い教員・読者より多大のご支持をいただき,2004年2月までに8刷を数えた.画像診断機器の急速な進歩と医療現場での新しい展開を顧みると,話し合いの結果は正しい見解であった.
 読者より急速な医療環境の展開に合わせた本書の改訂版を要望されていたが,気鋭の藤田広志教授(岐阜大学)に編集に参加していただき,改訂版が完成した.「医療専門学校や医療短期大学では本書のレベルが高すぎ,教員・学生ともども消化しきれない」という声に配慮して,改訂版では平易にした章が多い.しかし,技術の進歩は大学・企業の研究者,医療関係者も驚くほど早い.本書を読まれた読者には内容が古い,記述が適切さを欠くと感じられる箇所があると思われる.ご指摘をいただき,本書をより良いものにしていきたいと切望している.
 平成16年9月
 岡部哲夫



 医用画像工学の分野は広大で進歩が著しい.この分野は,ふつう
 (1)画像情報工学(あるいは画像論)
 (2)画像処理工学
 (3)画像機器工学(映像機器を含む)
 に分類することが多いようである.実際,書店で“医用画像工学”と題する本を手に取ると,この3つのいずれかを専門的に記述しているか,全体を広く浅く紹介しているかである.
 これから医用画像工学を勉学する学生,技術者,研究者は,これら3分野を広く深く学ぶことが求められている.その理由としては,つぎの2つのことがあげられる.
 (1)病院における画像診断は,この20年間に,以前には想像もできなかったほど重要性が増大し,応用面の拡大も果てがない.image guided therapyなる言葉が生まれ,治療にも重要な役割を果たすようになった.
 (2)医用画像は医用工学のなかで大きな領域を占め,しかももっとも進歩し成功している分野である.画像診断機器は生産高3,500億円以上(1996年度)の産業に成長している.
  この分野はBig Science and Huge Technologyと称され,広い知識,深い洞察力,そして新鮮な創造力が求められており,優秀な学生を毎年千人の規模で採用している.
 本巻では,およそ上記の分類に従って章を組み,現在活躍中の若い研究者に執筆していただいた.内容は非常に高度なものが多い.この分野に寄せる編集者の意図を汲み取り,ご精読いただきたい.
 項目や内容に重複・欠落・誤りがあれば,ご指摘いただいて,より良い教科書に育てていきたい.
 平成9年8月
 岡部哲夫
 瓜谷富三
医用放射線科学講座第14巻 医用画像工学 第2版 目次

第1編 画像基礎論
 第1章 X線像の形成(小寺吉衞)
  1 X線の発生とその空間分布
  2 X線スペクトルと画像
  3 X線の減弱と画像
  4 画像の検出と記録,表示
   4.1 放射線画像系の結像
   4.2 定常線形系
 第2章 画像の品質と評価(小寺吉衞)
  1 画像の濃淡
  2 コントラスト
  3 鮮鋭度
   3.1 点像強度分布
   3.2 線像強度分布
   3.3 MTF
    3.3.1 定 義
    3.3.2 測定法との関係
    3.3.3 MTFの考え方
  4 雑音―粒状性
   4.1 心理的粒状性
    4.1.1 試料の表示法
    4.1.2 測定法
   4.2 物理的粒状性
    4.2.1 RMS粒状度
    4.2.2 ウィーナースペクトル
   4.3 増感紙-フィルム系の粒状性
   4.4 信号と雑音
 第3章 信号検出理論(小寺吉衞)
  1 統計的決定理論
   1.1 刺激-反応行列
   1.2 ベイズの決定則
  2 ROC曲線
   2.1 yes-no手続き
   2.2 評定手続き
   2.3 強制選択手続き
  3 C-Dダイアグラム
  4 DQEとNEQ
   4.1 DQE―入力と出力のゆらぎの比
   4.2 DQEとSN比
   4.3 NEQ―雑音に等価な量子数
   4.4 空間周波数特性としてのDQE,NEQ
  [談話室]ROC評価について(岡部哲夫)
  [付則]画像の表現,画像の展開,画像生成理論(小寺吉衞)
第2編 ディジタル画像論
 第1章 ディジタル画像の生成(藤田広志)
  1 ディジタルラジオグラフィ(DR)
   1.1 定義と分類
   1.2 DRシステムの基本構成
  2 ディジタル化
   2.1 標本化
   2.2 量子化
   2.3 ディジタル化と画質
   2.4 ディジタル化パラメーター
   2.5 三次元画像
  3 標本化定理とエリアシング
   3.1 標本化定理
   3.2 ナイキスト周波数とエリアシング
  4 ディジタル画像のデータ量と圧縮
   4.1 データ量
   4.2 画像圧縮
 第2章 ディジタルラジオグラフィの画質(藤田広志)
  1 画質に影響する因子
  2 代表的な画質評価法
   2.1 特性曲線
    2.1.1 DR系の特性曲線の定義
    2.1.2 DRの特性曲線の例
    2.1.3 特性曲線の有用性
    2.1.4 特性曲線の測定法
    2.1.5 ディジタル特性曲線の測定例
   2.2 MTF
    2.2.1 DR系におけるMTF
    2.2.2 基礎解析
    2.2.3 プリサンプリングMTFの測定法
    2.2.4 オーバーオールMTF
    2.2.5 グレア
   2.3 ウィーナースペクトル(WS)
    2.3.1 DR系におけるWS
    2.3.2 基礎解析
    2.3.3 WSの測定法
    2.3.4 DSAにおけるWSの測定例
   2.4 SN比
    2.4.1 NEQとDQE
    2.4.2 知覚系の内部雑音を考慮したSN比
   2.5 C-Dダイアグラム
   2.6 ROC曲線
    2.6.1 必要なピクセル寸法のROC解析
    2.6.2 画像処理効果のROC解析
  3 CR画像の画質
   3.1 画像読み取り部の構造
   3.2 画像形成過程と画質
    3.2.1 解像特性
    3.2.2 ノイズ特性
  4 FPD画像の画質
   4.1 FPDによる画像形成
   4.2 画質の測定例
第3編 画像処理と医学への応用
 第1章 画像処理の基礎(石田隆行)
  1 画像の拡大・縮小
   1.1 座標変換
   1.2 濃度補間
  2 階調処理
   2.1 LUTを用いた階調処理
   2.2 ウィンドウ処理
   2.3 濃度値ヒストグラムを用いた階調処理
    2.3.1 ヒストグラム平坦化(均等化)
  3 空間フィルタ処理
   3.1 画像の平滑化
    3.1.1 局所オペレータを用いた平滑化処理
   3.2 画像の鮮鋭化
    3.2.1 ボケマスク処理
    3.2.2 ラプラシアン
  4 エッジ検出
   4.1 一次微分処理
   4.2 二次微分処理
  5 空間周波数フィルタ処理
   5.1 畳み込み積分とフーリエ変換
   5.2 空間周波数フィルタ処理
  6 画像の2値化
  7 ラベリング
  8 モルフォロジカルフィルタ
   8.1 膨張と収縮
   8.2 オープニングとクロージング
  9 画像間演算
   9.1 四則処理
   9.2 論理演算
 第2章 三次元画像表示法(佐野耕一,及川道雄)
  1 背 景
  2 三次元画像処理の概要
  3 三次元抽出法
  4 三次元表示法の概要
   4.1 多面体モデル
   4.2 Zバッファシェーディングボクセルモデル
   4.3 三次元シェーディングボクセルモデル
   4.4 ボリウムレンダリング
  5 ボリウムレンダリング法
  6 三次元画像の利用方法
   6.1 三次元データの取得
   6.2 ハードウェア
   6.3 ソフトウェア
  7 診断・治療への応用
   7.1 仮想内視鏡
   7.2 治療計画支援
   7.3 手術シミュレーション
   7.4 手術ナビゲーション
   7.5 実手術モニタ
   7.6 テレオペレーション
   7.7 手術支援ロボット
 第3章 医用画像への応用
  1 ディジタルX線(杜下淳次,藤田広志)
   1.1 画像の変換と強調
    1.1.1 階調処理
    1.1.2 非線形な写真濃度補正
    1.1.3 ダイナミックレンジの圧縮処理
   1.2 画像の鮮鋭化のための処理
   1.3 サブトラクション処理
  2 CT
   2.1 CTスキャンの種類(沈雲)
   2.2 CT再構成の原理(FBP)
    2.2.1 投影再構成理論とフィルタ補正逆投影法
    2.2.2 シングルスライスCTでのヘリカルスキャンの再構成処理
   2.3 マルチスライスシステムにおける再構成処理(市川勝弘)
    2.3.1 マルチスライスCTの検出器
    2.3.2 180 °補間再構成
    2.3.3 フィルタ補間処理
    2.3.4 コーン角の補正
    2.3.5 マルチスライスCTの画質
    2.3.6 マルチスライスCTの画像
   2.4 マルチスライスCTにおける心臓専用再構成処理(沈雲)
    2.4.1 cardiac segment algorithm(心臓ハーフ再構成法;CHR)
    2.4.2 cardiac multi sector algorithm(マルチセクタ再構成法;MSR)
   2.5 CT画像の表示処理
    2.5.1 ウィンドウ処理
    2.5.2 統計処理
    2.5.3 画像表示と三次元処理
  3 MRI(紀ノ定保臣)
   3.1 MRIの撮像パラメーターと画質
    3.1.1 MRIの撮像パラメーターと画質の関係
    3.1.2 MRIにおける画質改善
   3.2 MRIによく用いられる画像処理
    3.2.1 画像間演算処理とSAS
    3.2.2 ray tracing algorithm
    3.2.3 MR angiographyと三次元表示手法
   3.3 MRIにおけるサーフェイスレンダリング手法の応用
  4 DSA(梅田徳男)
   4.1 種 類
   4.2 原 理
   4.3 画像のノイズとその処理
    4.3.1 画像データ取得時のノイズ
    4.3.2 画像作成時の問題
    4.3.3 積算処理
   4.4 処理の基本ルーチン
    4.4.1 撮 影
    4.4.2 画像差分法
    4.4.3 オート位置合わせ
    4.4.4 補間処理
   4.5 濃度補正
   4.6 多重処理
   4.7 医用画像への応用
    4.7.1 脳血管への応用例
    4.7.2 三次元血管撮影法
  5 超音波(長澤 亨)
   5.1 医療における超音波の応用
    5.1.1 超音波診断装置の特徴
   5.2 超音波の物理的性質
    5.2.1 パルス波
    5.2.2 縦波と横波
    5.2.3 波長と音速
    5.2.4 反射,屈折,減衰
    5.2.5 音場,超音波の伝達特性
    5.2.6 方位分解能と距離分解能
    5.2.7 帯域幅
    5.2.8 ビームプロファイル
   5.3 超音波診断装置の構成
    5.3.1 パルスエコー法の基本原理
    5.3.2 Aモード表示
    5.3.3 Bモード表示
    5.3.4 Mモード表示
    5.3.5 ドプラ法
    5.3.6 ハーモニックイメージング法
    5.3.7 走査方式
   5.4 プローブ(探触子)
   5.5 アーチファクト
   5.6 信号処理と画像構成
    5.6.1 走査と時間
    5.6.2 装置の調整
  6 核医学(前田壽登,伊藤綱郎)
   6.1 Bull's-eye表示法
   6.2 ファンクショナルイメージング
    6.2.1 位相解析法
    6.2.2 デコンボリューション解析
    6.2.3 因子分析法
  7 医用バーチャルリアリティ(VR)(服部麻木,鈴木直樹)
   7.1 VRとは
   7.2 リアルタイムイメージング
   7.3 VRに用いる入出力装置
    7.3.1 ステレオ画像
    7.3.2 ヘッドマウントディスプレイ(HMD)
    7.3.3 力覚提示装置
   7.4 応用例
    7.4.1 四次元的可視化による動態解析
    7.4.2 手術シミュレーションシステム
    7.4.3 data fusionによる画像誘導手術
第4編 医用画像解析
 第1章 心機能解析
  1 DSAによる画像解析(浜田正行)
   1.1 心機能解析(1)―左心室駆出率
    1.1.1 ドッジ法(area-length法)
    1.1.2 シンプソン法
   1.2 心機能解析(2)―局所左心室壁運動の評価
    1.2.1 局所駆出率
    1.2.2 curved perimeter法
    1.2.3 radial法(Daughters & Ingels法)
    1.2.4 centerline法(Sheehan法)
   1.3 位相解析
   1.4 冠動脈径および狭窄率の測定
   1.5 機能画像
  2 X線CTによる心機能解析(岡部哲夫)
   2.1 X線CTによる心臓検査の動向
   2.2 ヘリカルCT
   2.3 心臓撮影法
   2.4 CT-angiography(CT-A)
   2.5 CT-ventriculography(CT-V)
   2.6 画像再構成法
   2.7 心機能解析
  3 MRIによる心機能解析(田中良一)
   3.1 心臓領域で用いられる撮像法と機能解析
    3.1.1 形態診断に用いられる撮像法
    3.1.2 機能診断に用いられる撮像法
 第2章 脳機能解析(中田 力)
  1 fMRI
   1.1 原 理
    1.1.1 磁化率と磁化率効果
    1.1.2 賦活試験と機能画像
    1.1.3 fMRIの信号
   1.2 実 践
    1.2.1 撮像装置と解析ソフト
    1.2.2 課題設定
  2 拡散不等方性解析
   2.1 原 理
    2.1.1 拡散強調画像における信号強度
    2.1.2 DWIを用いた拡散テンソル解析
   2.2 実 践
    2.2.1 テンソル画像
    2.2.2 軸索画像(MRX)
 第3章 コンピュータ支援診断
  1 コンピュータ支援診断とは(松原友子)
   1.1 コンピュータ支援診断の定義・目的
   1.2 システム構成
   1.3 コンピュータ支援診断の現状
   1.4 コンピュータ支援診断システムの性能評価
   1.5 コンピュータ支援診断の将来
  2 コンピュータ支援診断の技術(真田 茂)
   2.1 乳房X線画像を対象としたCAD
    2.1.1 乳房領域および乳頭の抽出
    2.1.2 微小石灰化陰影の検出と良・悪性鑑別
    2.1.3 腫瘤状陰影の検出と良・悪性鑑別
   2.2 胸部正面X線画像を対象としたCAD
    2.2.1 肺野領域の抽出
    2.2.2 時系列画像の差分処理による病巣陰影の強調
    2.2.3 結節状陰影の検出
    2.2.4 間質性浸潤影の定量
    2.2.5 心臓辺縁の検出
    2.2.6 線状陰影の検出
   2.3 胸部CT画像を対象としたCAD
    2.3.1 肺野領域の抽出
    2.3.2 結節状陰影の検出と良・悪性鑑別
   2.4 DSA血管像を対象としたCAD
    2.4.1 血流の解析
    2.4.2 血管狭窄率の解析
    2.4.3 血管走行の追跡
   2.5 骨X線画像を対象としたCAD
   2.6 CADの性能評価
 第4章 ニューラルネットワークとファジィ推論を用いた画像支援診断
  1 ニューラルネットワーク(藤田広志)
   1.1 ニューラルネットワークの基礎
    1.1.1 ニューロコンピュータ
    1.1.2 ニューロンのモデル
    1.1.3 パーセプトロン
    1.1.4 ニューラルネットワーク
   1.2 パターン認識への応用
    1.2.1 ブラックボックス
    1.2.2 ニューラルネットワークの実行手順
    1.2.3 パターン分類
   1.3 医療支援診断システムへの応用
    1.3.1 応用の現状
    1.3.2 デシジョンサポートの例
    1.3.3 ブルズ・アイ画像の支援診断の例
   1.4 ニューラルネットワークの将来
  2 ファジィ推論(内山明彦)
   2.1 ファジィ集合とは
   2.2 ファジィ論理
   2.3 ファジィ推論
   2.4 脱ファジィ化
   2.5 画像診断の実例
第5編 画像関連機器
 第1章 画像ワークステーションの仕組み(岡部哲夫)
  1 画像ワークステーションとは
  2 ハードウェアの構造
   2.1 マザーボードとチップセット
   2.2 バ ス
   2.3 中央演算処理装置(CPU)
   2.4 DMAコントローラ
   2.5 画像演算処理装置(IP)
   2.6 記憶装置
    2.6.1 半導体メモリ
    2.6.2 可般型記憶装置
   2.7 表示装置ディスプレイ
   2.8 画像ワークステーションの選定
 第2章 画像入力と装置(加野亜紀子)
  1 ディジタイザの必要性
  2 ディジタイザの種類
  3 フィルムディジタイザの基本構成
   3.1 レーザービームディジタイザ
   3.2 CCDスキャナ
  4 フィルムディジタイザの画質特性
   4.1 フィルムディジタイザに要求される性能
   4.2 空間分解能
   4.3 濃度分解能
   4.4 粒状特性
  5 その他のディジタイズ手段
  6 フィルムディジタイザの応用技術
   6.1 ディジタルデュープシステム
   6.2 患者情報自動認識システム
 第3章 画像のソフトコピーとハードコピー
  1 CRTディスプレイ(坂野寿和)
   1.1 CRTディスプレイの構造と動作原理
   1.2 CRTディスプレイの諸特性
    1.2.1 表示画素数と電子回路特性との関係
    1.2.2 表示画像の解像度
    1.2.3 表示画像の輝度とコントラスト
   1.3 医療用モノクロCRTディスプレイの要求条件と現状
  2 液晶ディスプレイ
   2.1 液晶ディスプレイの構造と動作原理
    2.1.1 TN液晶の光変調原理
    2.1.2 液晶の駆動方式
    2.1.3 液晶ディスプレイの電子回路
   2.2 液晶ディスプレイの諸特性と現状
    2.2.1 液晶ディスプレイの諸特性
    2.2.2 高精細液晶ディスプレイの現状
    2.2.3 CRTと液晶ディスプレイの比較
  3 レーザープリンタ(鈴木俊昭)
   3.1 レーザープリンタの原理および構成
   3.2 画像信号処理系
    3.2.1 入力画像信号
    3.2.2 A/D変換処理
    3.2.3 補間処理
    3.2.4 階調処理
   3.3 レーザー走査系
   3.4 レーザープリンタ用フィルムと現像処理系
    3.4.1 ウェット処理方式
    3.4.2 ドライ処理方式
   3.5 レーザープリンタの今後
 第4章 画像伝送(津坂昌利)
  1 ネットワーク技術に必要な基礎知識
   1.1 IPアドレスとMACアドレス
    1.1.1 MACアドレス
    1.1.2 IPアドレス
    1.1.3 IPアドレスと4つのクラス
   1.2 グローバルIPアドレスとプライベートIPアドレス
    1.2.1 グローバルIPアドレス
    1.2.2 プライベートIPアドレス
    1.2.3 IPv
   1.3 ネットワークマスク(ネットマスク)
   1.4 サブネット
   1.5 バーチャルLAN(VLAN)
    1.5.1 VLANの基本技術
    1.5.2 コリジョン・ドメイン
    1.5.3 ブロードキャスト・ドメイン
    1.5.4 VLANでサブネットを分割
    1.5.5 VLANの種類
    1.5.6 マルチレイヤスイッチ
   1.6 アドレス変換
    1.6.1 NAT
    1.6.2 NAPT
   1.7 VPN
  2 イーサネット技術
   2.1 CSMA/CD方式のイーサネットLAN
   2.2 IEEE802.3規格のイーサネット
    2.2.1 10 BASE-
    2.2.2 10 BASE-
    2.2.3 10 BASE-T
   2.3 リピータ(共有型)ハブ
   2.4 ブリッジ
   2.5 イーサネットスイッチ(L2スイッチ)
   2.6 ルータ
   2.7 高性能なイーサネットスイッチ
  3 インターネット技術
   3.1 通信プロトコル
    3.1.1 OSI参照モデル
    3.1.2 第1層(L1):物理層
    3.1.3 第2層(L2):データリンク層
    3.1.4 第3層(L3):ネットワーク層
    3.1.5 第4層(L4):トランスポート層
    3.1.6 第5層(L5):セッション層
    3.1.7 第6層(L6):プレゼンテーション層
    3.1.8 第7層(L7):アプリケーション層
   3.2 TCP/IP
    3.2.1 TCP/IPとは
    3.2.2 TCP/IPによる通信
    3.2.3 ローカルネットワーク内の通信
    3.2.4 ARP
    3.2.5 ARPによりMACアドレス情報を得る
    3.2.6 アプリケーション間の通信とは
    3.2.7 ポート番号
    3.2.8 TCPの役割
    3.2.9 信頼できる通信とは
    3.2.10 UDPの役割
   3.3 研究室のネットワーク構築事例
   3.4 ネットワーク構築に便利なコマンド
 参考文献
 和文索引
 欧文索引