The Essential Physics of Medical Imaging（医用画像の基礎物理）

引用

Bushberg, J. T., Seibert, J. A., Leidholdt, E. M., Jr., & Boone, J. M. (2020). The Essential Physics of Medical Imaging (4th ed.). Wolters Kluwer.

章の要約

第4版は約1,030ページの大部な書籍で、4つの部と9つの付録から成り、カリフォルニア大学デイヴィス校の科学者・教育者が執筆している。出版社は、医用画像の基盤となる物理学、放射線防護、放射線生物学についての、まとまりのある網羅的な概説書であると述べている。非電離放射線と電離放射線、磁場、超音波の発生・特性・相互作用と、それらを用いる撮像法（X線撮影、マンモグラフィ、透視、CT、MR、超音波、核医学）を扱う。フルカラーで、1,000点を超える画像、図表、グラフを収める。

第1部 基本概念：第1–5章

第1章「Introduction to Medical Imaging」（医用画像入門）は、各種撮像法、デジタル画像の基礎、画像の特性を概観する。第2章「Radiation and the Atom」（放射線と原子）と第3章「Interaction of Radiation with Matter」（放射線と物質の相互作用）は物理的基礎を与える。電磁放射線、原子と原子核の構造、粒子と光子の相互作用、減弱、等価線量や実効線量などの線量の量である。第4章「Image Quality」（画像の質）は、空間分解能、コントラスト分解能、ノイズとノイズテクスチャ、比による指標、視覚的性能に基づく指標を扱う。第5章「Medical Imaging Informatics」（医用画像情報学）は、標準、ネットワーク、PACS、放射線検査のライフサイクル、セキュリティとプライバシー、ビッグデータと解析のアルゴリズム、情報学のビジネスを扱う。

第2部 診断放射線学：第6–9章

第6章「X-ray Production, Tubes, and Generators」（X線の発生、管球、発生装置）はX線源を扱う。第7章「Radiography」（X線撮影）は、投影の幾何、散乱線、撮影条件、増感紙やCRからフラットパネルまでの検出器、さらに露光指数、アーチファクト、小児への配慮、デュアルエナジー・サブトラクションを扱う。第8章「Breast Imaging: Mammography」（乳房画像：マンモグラフィ）と第9章「Fluoroscopy」（透視）で投影系の撮像法が完結する。第8章は線量評価と規制上の要求を、第9章は画質と、患者・スタッフの放射線管理を含む。

第10–11章：Computed Tomography（コンピュータ断層撮影）、X-ray Dosimetry in Projection Imaging and Computed Tomography（投影撮影とCTにおけるX線線量評価）

第10章はCTの基本概念、システム設計、収集モード、再構成、画質、アーチファクトを扱う。第11章はX線の線量評価に移り、線量の付与、モンテカルロ・シミュレーション、線量指標、X線撮影・透視・CTでの線量、線量報告ソフトウェアと登録、診断参考レベルを扱う。

第12–13章：磁気共鳴

第12章「Magnetic Resonance Basics」（磁気共鳴の基礎）は、磁場とその性質、MRシステム、信号、組織の磁化、基本パルスシーケンス、信号の位置決め、k空間を扱う。第13章は、高度な収集法、高速撮像、血流、灌流・拡散コントラスト、アーチファクト、分光、品質管理、設置場所、生体作用と安全を扱う。

第14章：Ultrasound（超音波）

音とその組織との相互作用、探触子とビームの特性、データ収集と処理、画質、ドプラ、アーチファクト、性能と品質保証、音響パワーと生体作用。

第3部 核医学：第15–19章

第15章は放射能と核変換を扱う。第16章は放射性核種の製造、放射性医薬品、内部被ばく線量評価を扱う。第17章は計数統計を含む放射線の検出と測定を扱う。第18章はガンマカメラ、第19章はSPECT、PET、およびPET/CTやPET/MRIのデュアルモダリティ撮像（PET撮像の進歩を含む）を扱う。

第4部 放射線生物学と防護：第20–21章

第20章「Radiation Biology」（放射線生物学）は、放射線と細胞・組織の相互作用から、急性放射線症候群を経て、発がん、遺伝的影響、胎内での影響、リスクコミュニケーションへと進む。第21章「Radiation Protection」（放射線防護）は、被ばくの発生源、個人線量評価、遮蔽、X線・核医学での防護、規制上の限度、エラーの防止、プログラムの管理、妊婦や妊娠の可能性のある患者、放射線に関わる医学的緊急事態を扱う。

第5部 付録 A–I

付録Aは物理学の基本原理の復習。Bは単位、定数、換算係数。CとDは放射線学的データと質量減弱係数。Eは画像検査による実効線量、臓器線量、胎児線量。Fは放射性医薬品の特性と線量評価。Gは畳み込みとフーリエ変換。Hは放射線量の比較。Iは放射性核種治療の在宅ケアの指針である。

主要概念

第1–5章：基本概念

• 電離放射線と非電離放射線：画像診断が用いる放射線の種類。
• 減弱と線量：放射線がどう吸収され、線量がどう定量化されるか。
• 画質の指標：空間分解能、コントラスト、ノイズ、視覚的性能。
• 画像情報学：PACS、標準、セキュリティ。

第6–14章：診断放射線学

• X線の発生：管球と発生装置。
• X線撮影、マンモグラフィ、透視：検出器、撮影条件、線量。
• CTの再構成と線量評価：CTでの画像形成と放射線量。
• MR信号、パルスシーケンス、k空間：磁気共鳴画像がどう作られるか。
• 超音波とドプラ：音による撮像と血流の測定。

第15–21章：核医学、生物学、防護

• 放射能と放射性医薬品：核医学画像の信号源。
• ガンマカメラ、SPECT、PET：核医学の撮像システム。
• 放射線生物学と防護：生物学的影響、線量限度、遮蔽。

批判的分析

長所

• 臨床の撮像法を幅広くカバー。 X線撮影、マンモグラフィ、透視、CT、MR、超音波、核医学がそれぞれ独立した章を持ち、画質と情報学という共通の話題も扱う。
• 放射線安全が不可欠な要素。 線量評価、生物学、防護で3章（第11、20、21章）にわたり、各撮像法の章も線量を扱うため、被ばくを管理しなければならない読者に役立つ。
• 参照用の仕掛け。 9つの付録に、データ表（減弱係数、線量の推定、放射性医薬品の線量評価）と、畳み込みとフーリエ変換についての数学の付録がある。
• 第4版での更新。 出版社は、情報学に関する概念、マルチソースX線管、デジタル乳房トモシンセシス、専用乳房CT、3Tと7TのMRI、超音波エラストグラフィ、核心臓病学、全身PETの新しい内容を挙げ、放射性医薬品、内部被ばく線量評価、放射線生物学の章を全面的に改訂したとしている。
• 専門的な訓練のために書かれている。 出版社は、画像診断の専門家、コア試験を準備する放射線科レジデント、医学物理と生体医工学の教員と学生のための資料と述べている。

短所

• 非常に大部。 1,000ページを超え、教科書であると同時に参考書でもあるため、1学期の授業では取捨選択が必要になる。
• 設計よりも臨床志向。 構成は撮像法と放射線の話題ごとで、画像形成を信号とシステムの観点から論じた本ではなく、畳み込みとフーリエ変換の数学は付録に限られる。
• 版に依存する。 情報学、CT技術、PETなど変化の速い話題は、2020年時点のものとして述べられている。

コースにおける位置づけ

このコースの書目の中で、本書は臨床の撮像法の物理と放射線安全についての包括的な参考書である。Nadine Smith と Andrew Webb の Introduction to Medical Imaging は主要な撮像法の物理、機器、臨床応用への簡潔な入門で、Wolbarst、Capasso、Wyant の Medical Imaging: Essentials for Physicians は画像を使う読者のために物理を概念的に説明する。Paul Suetens の Fundamentals of Medical Imaging は画像形成と画像計算についての簡潔で図の多い教科書、Prince と Links の Medical Imaging Signals and Systems は各撮像法を共通の信号とシステムの枠組みで組み立てる。Barrett と Myers の Foundations of Image Science は、撮像システムと画質の数学と統計についての大学院レベルの扱いである。

Bushberg は、簡潔な入門書と並行して、またはその後に、主要な参考書として使うとよい。画像形成の数学は Prince と Links、厳密な画質理論は Barrett と Myers と組み合わせる。

本書の使い方

本書は画像診断の専門家、放射線科レジデント、医学物理と生体医工学の学生を対象とし、大学レベルの物理と数学の素養が適切な準備となる。

実践的な計画：

• 最初の通読の中核： 第1〜4章（撮像法、放射線、相互作用、画質）、続いて関心のある撮像法の章。
• 撮像法ごと： X線（6〜9）、CT（10〜11）、MR（12〜13）、超音波（14）、核医学（15〜19）。第1〜4章を終えれば、各撮像法は独立したまとまりとして読める。
• 安全： 電離放射線の機器を操作・監督する人は、第20章と第21章を読むこと。
• 参照： 必要に応じて付録と第5章を使う。

本書は撮像法ごとに引く参考書として扱い、付録は頭から読むのではなく、計算のためのデータ表として使うとよい。