画像診断モダリティと物理学
画像診断モダリティと物理学は、生体の断層画像および投影画像がどのような物理的原理によって生成されるか、またモダリティの選択がどのような解剖学的情報に影響を与えるかに関心を持つ放射線解剖学の分野です。この分野は、電離放射線を用いるモダリティ（X線撮影、透視、コンピュータ断層撮影、核医学）、磁気共鳴画像、および超音波を網羅しており、それぞれが異なる物理信号を介して組織を調査します。
Definition
診断画像法は、X線、核スピンからの高周波信号、高周波音、またはトレーサーから放出される放射線といった物理プローブが組織とどのように相互作用するかを検出することにより、内部身体構造の視覚的表現を生成する技術を指します。
Scope
この分野は、解剖学を表示するために使用される診断画像法の種類について読者に説明します。各モダリティがどのようにコントラストを生成するか、どのような物理量をマッピングするか、そして空間分解能、組織コントラスト、取得時間、患者被曝の間のトレードオフについて扱います。これらのモダリティは、正常および変異した解剖学的構造を視覚化するためのツールとして扱われ、臨床的意思決定のためのマニュアルではありません。
Sub-topics
Core questions
- 各モダリティはどのような物理信号を検出し、その信号はどのような組織特性をマッピングしますか？
- 空間分解能、コントラスト、取得速度、放射線被曝は、モダリティ間でどのようにトレードオフされますか？
- 特定の解剖学的構造または組織タイプを最もよく表示するモダリティは何ですか？
- スキャナー間および施設間で測定値が比較可能であるように、画像強度はどのように校正されますか？
Key concepts
- 画像コントラストとその物理的起源
- 空間分解能と時間分解能
- 信号対雑音比
- 電離放射線と非電離放射線
- 減弱とハンスフィールドスケール
- 組織緩和と音響インピーダンス
- 定量的画像診断と標準化
Mechanisms
各モダリティは、異なる物理的相互作用をマッピングします。X線撮影とコンピュータ断層撮影（CT）は、組織によるX線の差動減弱を測定し、CTはハンスフィールド単位で減弱の断層画像を再構成します（Hounsfield, 1973）。磁気共鳴画像法（MRI）は、水素原子核の空間的に分解された核磁気共鳴信号を符号化し、プロトン密度と緩和時間の違いを利用します（Lauterbur, 1973）。超音波は、音響インピーダンス境界での高周波音のエコーから画像を形成します。核医学とPETは、解剖学的構造を直接マッピングするのではなく、投与された放射性トレーサーの分布をマッピングします。コントラストは異なる物理的特性から生じるため、これらのモダリティは相補的であり、その物理的基礎の多くは標準的な医用物理学の教科書にまとめられています（Bushberg et al., 2012）。
Clinical relevance
モダリティの物理学を理解することは、正常な解剖学的構造とその変異を放射線学的に読影する上で不可欠です。なぜなら、検出される信号によって同じ構造が異なって見えるためです。特にコンピュータ断層撮影による電離放射線被曝への認識は、画像診断が人口資源としてどのように利用されるかに影響を与えます（Brenner & Hall, 2007）。この項目は、解剖学的画像がどのように生成されるかを説明するものであり、個々の診断や治療の決定の根拠となるものではありません。
Epidemiology
特にコンピュータ断層撮影は、多くの医療システムにおいて医療放射線被曝の主要かつ増加する原因となっており、これが正当化と線量最適化への注目を集めています（Brenner & Hall, 2007）。画像由来の測定値をバイオマーカーとして扱う定量的画像診断は、デバイス間および経時的に値が比較可能であるように、正式な計測標準を促しています（Sullivan et al., 2015）。
History
投影X線撮影は1895年のレントゲンによるX線発見に続き、数十年間、解剖学的画像診断を支配しました。断層画像診断は、1973年のハンスフィールドによるコンピュータ断層撮影の記述とともに登場し、同年、ローターバーは空間的に分解された核磁気共鳴が画像を形成できることを示し、磁気共鳴画像法の基礎を築きました。超音波と核医学画像診断は同じ期間に成熟し、その後の数十年で定量的かつ標準化された画像診断が加わり、計測学のガイダンス（Sullivan et al., 2015）に明文化されました。
Key figures
- Godfrey Hounsfield
- Paul Lauterbur
- Allan Cormack
- Peter Mansfield
Related topics
Seminal works
- hounsfield-1973
- lauterbur-1973
Frequently asked questions
- 画像診断モダリティは互いにどのように区別されますか？
- それぞれが異なる物理信号を検出します。X線減弱（X線撮影、透視、CT）、水素原子核の磁気共鳴信号（MRI）、反射された高周波音（超音波）、またはトレーサーから放出される放射線（核医学およびPET）です。この信号が、どのような組織特性がマッピングされ、したがってどのようなコントラストが見られるかを決定します。
- どのモダリティが電離放射線を使用しますか？
- X線撮影、透視、コンピュータ断層撮影、および核医学（PETを含む）は電離放射線を使用しますが、磁気共鳴画像法と超音波は使用しません。