Ultrasound Imaging 第2部生体情報技術入門 Thermography ...web-ext.u-aizu.ac.jp/course/bmclass/documents/Bio-2-3.pdfバイオメディカル情報工学第二部生体情報技術入門

バイオメディカル情報工学第二部生体情報技術入門

第3章医用画像技術 1

第２部生体情報技術入門第２部生体情報技術入門

第3章医用画像技術

生体情報学講座生体情報学講座教授教授陳陳文西文西

目次目次• 内視鏡 Endoscope• 超音波画像 Ultrasound Imaging• 眼底カメラ Fundus Camera• サーモグラフィ Thermography

ピ

第２部生体情報技術入門第3章医用画像技術 2/59

• コンピュータ断層撮影法 Computed Tomography (CT)• 磁気共鳴映像法 Magnetic Resonance Imaging

(MRI)• 陽電子放出断層撮影法 Positron Emission

Tomography (PET)• 単光子放射断層撮影 Single Photon Emission

Computed Tomography (SPECT)

内視鏡内視鏡


上・下上・下部消化管内視鏡部消化管内視鏡


カプセル内視鏡カプセル内視鏡


カプセル内視鏡によるモニタリングカプセル内視鏡によるモニタリング




胎児内視鏡胎児内視鏡


超音波画像超音波画像

• 電磁波と同じく波動である

• 水や空気など媒体を介して伝播する

• 応用領域


–工業（探傷）、漁業（魚群探知）、軍事（潜水艦探知）、医療（体内可視化）

• 医療分野

–音響インピーダンス（音速×密度）

–体内臓器の不均一性より散乱が生じ→可視化

超音波イメージングシステム超音波イメージングシステム


超音波映像法超音波映像法• Aモード

– 経過時間は境界面の深さに対応、振幅は反射波強度

• Bモード– 反射波強度を表示輝度に変換

• Cモド


• Cモード– Bモードの画像面と直交する画像面を表示

• Doppler (ドップラー) 法– 境界面の動き速度を周波数の変化として検出・表示

• Mモード– 境界面の位置変化の軌跡

• ３Dと４D画像

AAモード法モード法


BBモード法モード法




CCモード法モード法

Bモード探触子を振動子の配

列方向と直角の向きに動かし

ながら3次元的にデータを採


取、一定深さにあるデータを

ゲートをかけて2次元的に表

示する

DopplerDoppler法法


MMモード法と画像モード法と画像


3D Ultrasound Imaging3D Ultrasound Imaging


４４D Ultrasound ImagingD Ultrasound Imaging15w1d, http://www.wakamiya.or.jp/


カメラと眼カメラと眼

• 検眼鏡を使って直接、眼底を観察する検査である。網膜の形態学的異常や視神経の異常などを調べる


常なを調る



眼底カメラ検査眼底カメラ検査

19/59

Retina ImagesRetina Imageshttp://www.opsweb.org/OpPhoto/OpPhoto.html


赤外線の性質赤外線の性質

（1）絶対0°K以上の全ての物体から自然に放射されている

21/59

から自然に放射されている

（2）光（電磁波）の一種である。真空中も伝わることができる

（3）赤外線エネルギーと物体の温度は相関関係にある。従って、物体の温度を測定することができる

赤外線サーモグラフィ赤外線サーモグラフィ

（1）物体から放射されている赤外線エネルギーを検出し、広い表面の温度分布として捉え、2次元可視化できる

（2）動いているものや、危険で近づけないものでも、簡


単に非接触で温度計測できる

（3）微小物体でも温度を乱すことなく温度計測できる

（4）食品、薬品、化学製品などでも衛生的に温度計測できる

（5）温度変化の激しい物や、短時間の現象でもリアルタイムで温度計測ができる

サーモグラフィの測定原理サーモグラフィの測定原理


サーモグラフィのシステム構成サーモグラフィのシステム構成




医用サーモグラフィ医用サーモグラフィ• 脈管系疾患のサーモグラフィ

– 脈管は熱を伝達する重要な経路であり、その障害は何らかの温度変化を伴うことから、サーモグラフィ検査の最も良い適応の一つ

• 運動器疾患のサーモグラフィ

– 各種関節疾患、脊柱管狭窄症や椎間板ヘルニアなどの脊椎疾患、神経障害や片麻痺などの神経疾患が対象の主なものです


• 乳がんのサーモグラフィ

– 腫瘍部を含めた広範な高温域が観測され、冷却負荷後には腫瘍辺縁部に冷却抵抗域が認められている

• 皮膚疾患のサーモグラフィ

– 末梢循環障害のほか、皮膚の炎症･腫瘍･変性･萎縮などで病理変化に応じて高温化･低温化を示します

• 痛みのサーモグラフィ

– 痛みの原因となる器質的異常所見に乏しい。また疼痛は個人の感受性や表現の仕方によって大きく異なる。痛みの客観的診断が必要

閉塞性動脈硬化症と拡張術の効果閉塞性動脈硬化症と拡張術の効果


右乳がんサーモグラフ右乳がんサーモグラフ


CTCT値値• CT値：単位＝HU(Hounsfield Unit)• CT画像は１ピクセル毎にCT値を持つ

• μt：被写体のX線吸収係数

• μ ：水のX線吸収係数


• μw：水のX線吸収係数

• 水のCT値＝０

• 空気のCT値＝－１０００

• 校正

– 定期点検＝水

– 日常点検＝空気 1000

w

wtCT

値

TeII 0

CTCT画像の投影画像の投影

dsyxII ,exp0

dsyxIIrp ,ln, 0


dxdyryxyxrp sincos,,

The goal of X-CT is to reconstruct μ(x,y) given its radon transformp(r,θ)

CT ScannerCT Scannerーー11stst GenerationGenerationParallel beam, translate-rotate




CT ScannerCT Scannerーー22ndnd GenerationGeneration

Fan beam, translate-rotate


CT ScannerCT Scannerーー33rdrd GenerationGeneration

Fan beam, rotate only


CT ScannerCT Scannerーー44thth GenerationGenerationFan beam, stationary circular detector


detector

ヘリカルスキャンヘリカルスキャンCTCT


マルチスライスマルチスライスCTCT


CTCT画像の構成画像の構成

• 逐次近似法（Iterative approximation）

• 2次元フーリエ変換法（2D Fourier transform）

• フィルタ逆投影法（Filtered back projection）


ィタ逆投影法（ p j ）

• 重畳逆投影法（Convolution back projection）

• 代数構成法（Algebraic reconstruction

technique, ART）



NMRNMRととMRIMRI• NMR（Nuclear Magnetic Resonance, 核磁気共鳴）、ある特定の原子核が、特定周波数の電磁波に共鳴して、電磁波を吸収したり放出する現象


、放出する現象

• MRI（Magnetic Resonance Imaging, 磁気共鳴イメージング）は、NMRを利用した画像構成法

NMRNMRの対象となる原子核の対象となる原子核


磁場無し状態磁場無し状態11HH原子核原子核磁気モメント磁気モメントμ


磁場磁場BB00に晒されたに晒された１１HH原子核原子核磁気モメント磁気モメントμ

α群＝Z軸との角度55°を保って歳差運動

β群＝Z軸との角度125°を保って歳差運動

00 B


BB00印加時の合成磁化ベクトル印加時の合成磁化ベクトルMM磁場B0に晒された多数の磁気モーメント

μが作る巨視的磁化ベクトルＭ


BB11印加時の原子核磁気モメント印加時の原子核磁気モメントμ




BB11印加時の合成磁化ベクトル印加時の合成磁化ベクトルMM磁場B0とB1を印加すると、Ｍは

二つの歳差運動の加算となる


Resonant frequency :

= B0/2

磁場の配置磁場の配置

0

gyromagnetic ratio

0static field strength

For 1H, = 42.5 MHzwhen B0 = 1T

1

磁気緩和磁気緩和• Magnetized vector M returns to the original

thermal equilibrium gradually when B1 is removed suddenly

• Change procedure in M can be detected on Z-axis and XY-plane

• Mz = M on Z-axis longitudinal relaxationMz M on Z axis longitudinal relaxation• Mxy = M on XY-plane transverse relaxationSignal detection Free Induction Decay (FID)

FIDFID信号とその周波数解析信号とその周波数解析

傾斜磁場傾斜磁場


傾斜磁場による位置情報の取得傾斜磁場による位置情報の取得




信号の発生部位特定法（点）信号の発生部位特定法（点）

局所的に高い磁場を形成し、ここだけの信号を得る


信号の発生部位特定法（線）信号の発生部位特定法（線）


信号の発生部位特定法（面）信号の発生部位特定法（面）


Gradient-field coils

MRIMRIシステムシステム

Static-field B0RF coil

MRIMRIの対象となる原子核の対象となる原子核

• 多数存在するが、１Hのみが使われている？

• 理由

–感度が高い


–水と中性脂肪を形成する、天然的には人体にたく

さん存在

–横緩和時間T2は長い、検出しやすい

PETPET• 陽電子＝正の電荷を持つ電子

• 陽電子と電子は互いに引き寄せ合う。結合の瞬間に、2本の放射線を正反対の方向へ放出する

• 陽電子放出核種で標識した化合物を体内に注入して、体内


から出る放射線を検出し、その体内分布と時間的変化を非侵襲的に測定する画像可視化装置

• 使用の放射線同位元素は、炭素、酸素、窒素

• 放射線同位元素をつけた薬を注射すると、ブドウ糖を良く使う癌組織、脳、心筋などに集まる

• 生体機能の「働き」を表現できる。PET/CT装置とPET/MRI装置は「働き」と「形」、両者を組み合わせた情報が得られる



PET ScannerPET Scanner

PhotomultiplierScintillatorcrystals


Detector block

yDetectorrings

PET Imaging ProcedurePET Imaging Procedure

消滅放射線の同時処理装置

56/59画像構築消滅放射線

各方向の投影データ

SPECTSPECT• Single Photon Emission Computed Tomography

(単光子放射断層撮影)• 微量の放射能(ガンマ線)を放出する放射線元素を含んだ

薬剤を静脈注射


• 放射性同位体から放出されるガンマ線をガンマカメラで検

出し、その分布を断層画像にする

• PETと同じく、血流量や代謝機能（ブドウ糖やアミノ酸）、酸

素消費量の情報が得られるため、とくに脳血管障害や心疾

患、癌の早期発見に有効

• PETに比べて感度が悪く、画像が不鮮明

Gamma CameraGamma Camera


Ｆ γ射線エネルギー

被験者から放射しているγ線エネルギー

放射性核からの原子核エネルギー

γ射線エネルギー

画像検出素子から放出している光エネルギー

Γ射画像として表現する電気エネルギー

SPECT ScanSPECT Scanカメラ


カメラは一つの方向からデータを収集し、2D画像を構成する

患者を軸にして、カメラを回転しながら、各方向の2D画像を構成する。複数の2D画像から3D画像を構成する

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