Web Syllabus(講義概要)
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画像情報工学
英文名 Image Information Engineering
科目概要 医学専攻(博士課程) 医療工学群 2単位 講義
履修期 前期(9月迄)
科目責任者 村石 浩
担当者 村石 浩, 渡邉 祐介, 坂口 和也, 渡辺 宝
講義室

授業の目的

放射線を用いて得られたさまざまな医用画像の取得原理、及び評価法に関連のある物理数学、放射線物理学、放射線計測学、エレクトロニクス、画像工学、画像情報学などの基礎知識について、理工学系の大学で扱う数式を用いた定量的なレベルにて整理・習得する。これらの知識を踏まえつつ、新しい放射線デジタル医用画像の取得法に関するトピックス(コンプトンカメラ、重粒子線CT、画像再構成理論、3次元ゲル線量計など)について、放射線検出素子のレベルから定量的に理解する。

教育内容

1)放射線医用画像の取得・評価に関連のある物理数学、放射線物理学、放射線計測学、エレクトロニクス、画像工学、画像情報学の基礎的内容を理工学系の大学で扱う数式を用いたレベルで理解できる。
2)放射線医用画像に関する最新のトピックスについて放射線検出素子のレベルで理解を深める。
3)放射型・透過型CT(computed tomography)の画像再構成の原理を数式レベルで理解できる。
4)放射線治療分野における医用画像の実際について理解できる。

教育方法

講義、グループワーク、及びプレゼンテーションを対面で行う。
レポートについて、教員からのコメントを記載の上、返却しフィードバックを行う。
ディスカッションやグループワーク等に対して、授業内で総評するなどによりフィードバックを行う。

卒業・学位授与の方針と当該科目の関連

DP1 専門領域の全般的な知識と最新の国際的研究動向の把握
DP2 先端の研究手法
DP3 医学研究や医療分野のリーダーとして求められる高い見識と倫理観とコミュニケーション能力(授与学位:医学)
   医科学研究や医療分野のリーダーとして求められる高い見識と倫理観とコミュニケーション能力(授与学位:医科学)
DP4 研究チームのリーダーとして医学研究の立案遂行(授与学位:医学)
   研究チームのリーダーとして医科学研究の立案遂行(授与学位:医科学)
DP5 国際的なレベルの学術論文の作成、出版

授業内容

項目 内容 担当者 日時 講義室
1 画像情報工学の応用1(物理数学) 画像情報工学を背景とした多重積分、線積分と面積分【スライド:日本語・英語】 村石 浩
5/15⑦ A2-1F X線実習室
2 画像情報工学の応用2(物理数学) 画像情報工学を背景としたガウスの定理、ストークスの定理、及びグリーンの定理【スライド:日本語・英語】 村石 浩
5/22⑦ A2-1F X線実習室
3 画像情報工学の応用3(電磁気学) 画像情報工学を背景としたマクスウェル方程式(微分形)【スライド:日本語・英語】 村石 浩
5/29⑦ A2-1F X線実習室
4 画像情報工学の応用4(放射線物理) 放射線と物質(とりわけ放射線検出素子)との相互作用(ベーテ・ブロッホの式、ベーテ・ハイトラーの式、他)【スライド:日本語・英語】 村石 浩
6/5⑦ A2-1F X線実習室
5 画像情報工学の応用5(プログラミング技術1) Linux、GNUライブラリ各種(gcc, g++, gmake)、makeファイルの作成と実行方法【スライド:日本語・英語】 村石 浩
6/12⑦ A2-1F X線実習室
6 画像情報工学の応用6(プログラミング技術2) Geant4プログラムの実践例、確率微分方程式による解法(拡散方程式、Fokker-Plank方程式、他)【スライド:日本語・英語】 村石 浩
6/19⑦ A2-1F X線実習室
7 画像情報工学の応用7(放射線計測) 放射線検出素子の特性(結晶シンチレータ、半導体検出器、光電子増倍管)【スライド:日本語・英語】 村石 浩
6/26⑦ A2-1F X線実習室
8 画像情報工学の応用8(エレクトロニクス) 放射線検出素子からのパルス信号のデジタル化(微分・積分回路、ADC、FPGA)【スライド:日本語・英語】 渡辺 宝
7/3⑦ A2-1F X線実習室
9 画像情報工学の応用9(ガンマ線可視化技術) コンプトンカメラ技術の応用【スライド:日本語・英語】 渡辺 宝
7/10⑦ A2-1F X線実習室
10 画像情報工学と画像処理1(DFTとFBP画像再構成) 離散フーリエ変換(DFT)の行列演算と高速化、フィルタ処理、及び逆投影の計画行列作成と作用。【スライド:日本語・英語】 坂口 和也
7/17⑦ A2-1F X線実習室
11 画像情報工学と画像処理2(最適化問題・逐次近似画像再構成) 残差二乗和の最小化(正規分布ノイズ)と尤度最大化に向けたEM演算(ポアソン分布を例に)。【スライド:日本語・英語】 坂口 和也
7/24⑦ A2-1F X線実習室
12 画像情報工学と数理モデル(モデリング・パラメータ推定) 常微分方程式とその解、フィッティングによるパラメータ推定、赤池情報量基準(AIC)など。【スライド:日本語・英語】 坂口 和也
7/31⑦ A2-1F X線実習室
13 画像情報工学と放射線治療1 放射線治療計画に必要とされる医用画像情報に関して解説する。【スライド:日本語・英語】 渡邉 祐介
8/7⑦ A2-1F X線実習室
14 画像情報工学と放射線治療2 線量分布計算や照射位置照合に必要とされる医用画像情報に関して解説する。【スライド:日本語・英語】 渡邉 祐介
8/21⑦ A2-1F X線実習室
15 高精度放射線治療のための画像処理 画像誘導放射線治療や4次元治療計画に利用される非剛体画像レジストレーションなどの最新の画像処理技術について解説する。【スライド:日本語・英語】 渡邉 祐介
8/28⑦ A2-1F X線実習室
No. 1
項目
画像情報工学の応用1(物理数学)
内容
画像情報工学を背景とした多重積分、線積分と面積分【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
5/15⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 2
項目
画像情報工学の応用2(物理数学)
内容
画像情報工学を背景としたガウスの定理、ストークスの定理、及びグリーンの定理【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
5/22⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 3
項目
画像情報工学の応用3(電磁気学)
内容
画像情報工学を背景としたマクスウェル方程式(微分形)【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
5/29⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 4
項目
画像情報工学の応用4(放射線物理)
内容
放射線と物質(とりわけ放射線検出素子)との相互作用(ベーテ・ブロッホの式、ベーテ・ハイトラーの式、他)【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
6/5⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 5
項目
画像情報工学の応用5(プログラミング技術1)
内容
Linux、GNUライブラリ各種(gcc, g++, gmake)、makeファイルの作成と実行方法【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
6/12⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 6
項目
画像情報工学の応用6(プログラミング技術2)
内容
Geant4プログラムの実践例、確率微分方程式による解法(拡散方程式、Fokker-Plank方程式、他)【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
6/19⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 7
項目
画像情報工学の応用7(放射線計測)
内容
放射線検出素子の特性(結晶シンチレータ、半導体検出器、光電子増倍管)【スライド:日本語・英語】
担当者
村石 浩
日時
6/26⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 8
項目
画像情報工学の応用8(エレクトロニクス)
内容
放射線検出素子からのパルス信号のデジタル化(微分・積分回路、ADC、FPGA)【スライド:日本語・英語】
担当者
渡辺 宝
日時
7/3⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 9
項目
画像情報工学の応用9(ガンマ線可視化技術)
内容
コンプトンカメラ技術の応用【スライド:日本語・英語】
担当者
渡辺 宝
日時
7/10⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 10
項目
画像情報工学と画像処理1(DFTとFBP画像再構成)
内容
離散フーリエ変換(DFT)の行列演算と高速化、フィルタ処理、及び逆投影の計画行列作成と作用。【スライド:日本語・英語】
担当者
坂口 和也
日時
7/17⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 11
項目
画像情報工学と画像処理2(最適化問題・逐次近似画像再構成)
内容
残差二乗和の最小化(正規分布ノイズ)と尤度最大化に向けたEM演算(ポアソン分布を例に)。【スライド:日本語・英語】
担当者
坂口 和也
日時
7/24⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 12
項目
画像情報工学と数理モデル(モデリング・パラメータ推定)
内容
常微分方程式とその解、フィッティングによるパラメータ推定、赤池情報量基準(AIC)など。【スライド:日本語・英語】
担当者
坂口 和也
日時
7/31⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 13
項目
画像情報工学と放射線治療1
内容
放射線治療計画に必要とされる医用画像情報に関して解説する。【スライド:日本語・英語】
担当者
渡邉 祐介
日時
8/7⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 14
項目
画像情報工学と放射線治療2
内容
線量分布計算や照射位置照合に必要とされる医用画像情報に関して解説する。【スライド:日本語・英語】
担当者
渡邉 祐介
日時
8/21⑦
講義室
A2-1F X線実習室
No. 15
項目
高精度放射線治療のための画像処理
内容
画像誘導放射線治療や4次元治療計画に利用される非剛体画像レジストレーションなどの最新の画像処理技術について解説する。【スライド:日本語・英語】
担当者
渡邉 祐介
日時
8/28⑦
講義室
A2-1F X線実習室

到達目標

放射線による医用画像取得の原理、及び画像評価法について、微積分およびベクトル場の数学を用いて定量的に説明できる。

評価方法

「課題」「平常点」を70%、30%の割合で評価する。「平常点」とは、「発言等の積極性、理解度」「グループワークにおける貢献度」等。

準備学習等(予習・復習)

診療放射線技師国家試験、医学物理士試験、及び第1種放射線取扱主任者国家試験で必要となる物理数学、放射線物理学、放射線計測学、医用工学、画像工学、医療情報学の内容を復習しておくこと。また、講義で得た知識と技術をノートやパワーポイントにまとめること。【授業時間外の学習時間:60時間】

その他注意等

対面形式で実施する。初回連絡は学生メールに通知する。

教材

種別 書名 著者・編者 発行所
教科書 物理学入門コース「物理のための数学」 和達三樹著 岩波書店
参考書 Digital Image Processing - An Algorithmic Introduction Using Java W. Burger & M. Burge Springer
参考書 Geant4 Japanese Tutorial for Detector Simulation 2022
https://wiki.kek.jp/display/geant4/Geant4+Japanese+Tutorial+for+Detector+Simulation+2022
教科書
書名
物理学入門コース「物理のための数学」
著者・編者
和達三樹著
発行所
岩波書店
参考書
書名
Digital Image Processing - An Algorithmic Introduction Using Java
著者・編者
W. Burger & M. Burge
発行所
Springer
参考書
書名
Geant4 Japanese Tutorial for Detector Simulation 2022
https://wiki.kek.jp/display/geant4/Geant4+Japanese+Tutorial+for+Detector+Simulation+2022
著者・編者
発行所