JP7748718B2 - Experimental teaching materials, sequence generation method, and method of using the experimental teaching materials - Google Patents
Experimental teaching materials, sequence generation method, and method of using the experimental teaching materialsInfo
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Description
本発明は、実験教材、配列生成方法及び実験教材の使用方法に関する。 The present invention relates to experimental teaching materials, array generation methods, and methods for using experimental teaching materials.
コンピュータ断層撮影装置、すなわちCT(Computed Tomography)スキャン装置は、被検体をはさんでX線源と検出器を向かい合わせに配置し、被検体を透過するX線の強度を検出している。X線の透過強度は、そのX線が透過した被検体の情報が積分された吸収量を表している。このため、一方向からの測定では、X線の透過強度から被検体の画像を得ることができない。そこで、CTスキャン装置は、被検体に対するX線源及び検出器の方向を変えながらX線の透過強度を測定し、方向が異なるX線の透過強度に基づいて、画像再構成を行って、被検体の体内の画像を生成している。これがCTスキャン装置における画像再構成の原理である。 A computed tomography (CT) scanning device positions an X-ray source and detector facing each other across the subject and detects the intensity of X-rays passing through the subject. The transmission intensity of X-rays represents the amount of absorption, which is the integrated information of the subject through which the X-rays have passed. For this reason, measurements taken from a single direction cannot obtain an image of the subject from the transmission intensity of X-rays. Therefore, CT scanning devices measure the transmission intensity of X-rays while changing the direction of the X-ray source and detector relative to the subject, and perform image reconstruction based on the transmission intensity of X-rays from different directions to generate an image of the subject's inside the body. This is the principle of image reconstruction in CT scanning devices.
上述のようなCTスキャン装置における画像再構成の原理は、学生、特に物理学を学習していない学生にとっては理解が難しいものである。そこで、画像再構成の原理を理解するため、放射線源とGM管とを用いた学生実験が行われている(非特許文献1参照)。 The principles of image reconstruction in CT scan devices such as those described above are difficult for students, especially those without a physics background, to understand. Therefore, in order to understand the principles of image reconstruction, student experiments are being conducted using a radiation source and a GM tube (see Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記非特許文献1、2に開示された実験では、密封された放射線源が用いられており、学生が気軽に用いられる性質のものではない。より安全、かつ、わかりやすい形で、CTスキャン装置の画像再構成の原理を学ぶことができる実験教材が望まれている。 However, the experiments disclosed in the above-mentioned non-patent documents 1 and 2 use sealed radiation sources, which are not suitable for students to use casually. There is a need for experimental teaching materials that allow students to learn the principles of image reconstruction using CT scanning devices in a safer and easier-to-understand manner.
本発明は、上記実情の下になされたものであり、より安全、かつ、わかりやすい形でコンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を学習することができる実験教材、配列生成方法及び実験教材の使用方法を提供することを目的とする。 The present invention was made in light of the above-mentioned circumstances, and aims to provide experimental teaching materials, array generation methods, and methods for using the experimental teaching materials that enable students to learn the principles of image reconstruction using a computed tomography device in a safer and easier-to-understand manner.
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点に係る実験教材は、
コンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を学習するための実験教材であって、
放射線より大きい波長を有する光線を透過する素材で形成されたブロックが互いに直交する複数の軸方向に同数配列されて構成され、前記軸方向に入射した前記光線を前記軸方向に直進させるブロック行列体と、
前記軸方向に沿って前記光線を前記ブロック行列体に入射する光源と、
前記ブロック行列体を透過した前記光線の強度を検出する検出部と、
前記ブロック行列体を構成する前記ブロックを外から視認できないように遮蔽するカバーと、を備え、
前記ブロックとして、透過する前記光線の減衰度が互いに異なる第1ブロック及び第2ブロックと、が含まれ、
前記ブロック行列体は、前記第1ブロックと前記第2ブロックとを自在に配置可能である。
In order to achieve the above object, the experimental teaching material according to a first aspect of the present invention comprises:
An experimental teaching material for learning the principles of image reconstruction using a computed tomography apparatus,
a block matrix configured by arranging an equal number of blocks formed of a material that transmits light rays having wavelengths longer than the radiation in a plurality of axial directions perpendicular to each other, and causing the light rays incident in the axial directions to travel straight in the axial directions;
a light source that directs the light beam into the block matrix along the axis;
a detection unit that detects the intensity of the light beam that has passed through the block matrix;
a cover that shields the blocks that constitute the block matrix so that they cannot be seen from the outside,
The blocks include a first block and a second block having different attenuation degrees of the transmitted light beam,
The block matrix allows the first blocks and the second blocks to be freely arranged.
前記第2ブロックには、透過する前記光線を減衰させるフィルタが挿入されている、
こととしてもよい。
a filter for attenuating the transmitted light beam is inserted into the second block;
This may also be the case.
前記第2ブロックには、透過する前記光線を減衰させる液体が充填されている、
こととしてもよい。
The second block is filled with a liquid that attenuates the light beam passing through it.
This may also be the case.
前記光線は、赤外線、可視光、紫外線のいずれかである、
こととしてもよい。
The light is any one of infrared light, visible light, and ultraviolet light.
This may also be the case.
前記ブロック行列体は、前記軸方向の前記ブロックの数を調整可能である、
こととしてもよい。
The block matrix is capable of adjusting the number of blocks in the axial direction.
This may also be the case.
本発明の第2の観点に係る配列生成方法は、
放射線より大きい波長を有する光線の透過強度が互いに異なる第1ブロック及び第2ブロックの配列により形成される2次元正方行列における、前記第1ブロックと前記第2ブロックとの配列情報を情報処理装置によって生成する配列生成方法であって、
前記2次元正方行列の行数及び列数であるNを示す情報と、前記2次元正方行列における前記第2ブロックの数であるM(M≦N2)を示す情報とを入力する入力ステップと、
前記入力ステップで入力された情報に基づいて、前記2次元正方行列の四隅のうちいずれか1つの隅領域に前記第2ブロックを詰めて並べた前記2次元正方行列を生成する行列生成ステップと、
前記行列生成ステップで生成された前記2次元正方行列におけるいずれかの行のブロック全体を違う行に移動するか、他の行のブロック全体と交換するか、前記2次元正方行列におけるいずれかの列のブロック全体を違う列に移動するか、他の列のブロック全体と交換する行列変換ステップと、
を含む。
A sequence generation method according to a second aspect of the present invention comprises:
1. An array generation method for generating, by an information processing device, array information of first blocks and second blocks in a two-dimensional square matrix formed by an array of first blocks and second blocks, each having a different transmission intensity for a light beam having a wavelength larger than a radiation beam, the method comprising:
an input step of inputting information indicating N, which is the number of rows and columns of the two-dimensional square matrix, and information indicating M, (M≦N 2 ), which is the number of second blocks in the two-dimensional square matrix;
a matrix generation step of generating the two-dimensional square matrix by packing the second blocks into one of four corner areas of the two-dimensional square matrix based on the information input in the input step;
a matrix transformation step of moving an entire block of any row in the two-dimensional square matrix generated in the matrix generation step to a different row, or exchanging it with an entire block of any other row, or moving an entire block of any column in the two-dimensional square matrix to a different column, or exchanging it with an entire block of any other column;
Includes.
本発明の第3の観点に係る実験教材の使用方法は、
放射線より大きい波長を有する光線を透過する素材で形成されたブロックが互いに直交する複数の軸方向に同数配列されて構成され、前記軸方向に入射した前記光線を前記軸方向に直進させるブロック行列体と、前記軸方向に沿って前記光線を前記ブロック行列体に入射する光源と、前記ブロック行列体を透過した前記光線の強度を検出する検出部と、前記ブロック行列体を構成する前記ブロックを外から視認できないように遮蔽するカバーと、を備え、前記ブロックとして、透過する前記光線の減衰度が互いに異なる第1ブロック及び第2ブロックと、が含まれ、前記ブロック行列体は、前記第1ブロックと前記第2ブロックとを自在に配置可能である実験教材の使用方法であって、
前記ブロック行列体の前記軸方向それぞれにおいて、前記第2ブロックの数を増やしつつ、前記光源から前記ブロック行列体に前記光線を入射したときの前記光線の強度を前記検出部で検出して、前記第2ブロックの数と、前記検出部で検出される前記光線の強度との関係を示す基準情報を生成する基準情報生成ステップと、
前記ブロック行列体における前記第1ブロック及び前記第2ブロックの配列を組み換えて前記カバーで遮蔽する配列ステップと、
前記カバーで遮蔽された状態で、前記光源から前記ブロック行列体の前記軸方向それぞれに前記光線を入射したときの前記光線の強度を前記検出部で検出することにより、前記ブロック行列体の前記軸方向を透過する前記光線の強度を少なくとも1回測定する測定ステップと、
を含む。
A method of using the experiment teaching material according to the third aspect of the present invention comprises:
a block matrix configured by arranging an equal number of blocks formed of a material that transmits light rays having wavelengths larger than that of radiation in a plurality of axial directions perpendicular to each other, the block matrix causing the light rays incident in the axial directions to travel straight in the axial directions; a light source that makes the light rays incident on the block matrix along the axial directions; a detection unit that detects the intensity of the light rays that have transmitted through the block matrix; and a cover that shields the blocks that constitute the block matrix so that they cannot be seen from the outside, the blocks including first blocks and second blocks that have different attenuation rates of the transmitted light rays, the block matrix being capable of being freely arranged,
a reference information generating step of detecting, with the detecting unit, the intensity of the light beam when the light beam is incident on the block matrix from the light source while increasing the number of the second blocks in each of the axial directions of the block matrix, and generating reference information indicating a relationship between the number of the second blocks and the intensity of the light beam detected by the detecting unit;
an arranging step of rearranging the arrangement of the first blocks and the second blocks in the block matrix and shielding them with the cover;
a measuring step of measuring, at least once, the intensity of the light beams transmitted through the block matrix in the axial direction by detecting, with the detecting unit, the intensity of the light beams when the light beams are incident from the light source in each of the axial directions of the block matrix in a state where the block matrix is shielded by the cover;
Includes.
本発明によれば、放射線より大きい波長を有する光線をX線の代わりにして、コンピュータ断層撮影装置におけるX線管と検出器との構成、検出結果と画像との関係とを学生にわかりやすく形で見せることができる。このため、より安全、かつ、わかりやすい形でコンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を学習することができる。 This invention uses light rays with wavelengths longer than radiation instead of X-rays, allowing students to easily understand the configuration of the X-ray tube and detector in a computed tomography device, and the relationship between the detection results and the image. This allows students to learn the principles of image reconstruction in a computed tomography device in a safer and easier-to-understand manner.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。 Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings. In each drawing, the same or equivalent parts are designated by the same reference numerals.
[全体構成]
図1に示す本実施の形態に係る実験教材1は、コンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を学習するために用いられる実験装置である。実験教材1は、カバーとしての直方体状のハウジング2及び蓋3と、ハウジング2及び蓋3に収容されたブロック行列体4と、光線の入出力を行う光プローブ5と、を備える。
[Overall configuration]
1 is an experimental device used for learning the principles of image reconstruction in a computed tomography apparatus. The experimental device 1 includes a rectangular parallelepiped housing 2 and a lid 3 as covers, a block matrix body 4 housed in the housing 2 and the lid 3, and an optical probe 5 for inputting and outputting light rays.
実験教材1は、図1に示すように、蓋3を上面として不図示のテーブルに置かれて使用される。本実施の形態では、上下方向をZ軸方向とし、ハウジング2の側面の法線方向をX軸方向、Y軸方向とし、これら3軸直交座標系を参照して説明を行う。ハウジング2及び蓋3の形状は、上面視で正方形である。 As shown in Figure 1, the experimental teaching material 1 is used by placing it on a table (not shown) with the lid 3 facing up. In this embodiment, the up-down direction is defined as the Z-axis direction, and the normal directions to the side of the housing 2 are defined as the X-axis and Y-axis directions, and the explanation will be given with reference to these three-axis Cartesian coordinate system. The shape of the housing 2 and lid 3 is square when viewed from above.
ハウジング2と蓋3との間には隙間が設けられており、その隙間からブロック行列体4の側面の一部が外部に露出している。光プローブ5は、蓋3にまたがるように配置されており、光プローブ5の両端は、ブロック行列体4が露出する部分まで延びている。 A gap is provided between the housing 2 and the lid 3, through which a portion of the side of the block matrix 4 is exposed to the outside. The optical probe 5 is positioned so as to straddle the lid 3, with both ends of the optical probe 5 extending to the exposed portion of the block matrix 4.
[光プローブ]
光プローブ5は、一端から光線をブロック行列体4に入射させる。入射した光線は、ブロック行列体4内を直進し、透過して光プローブ5の他端で受光される。ここで、光線とは、その波長が遠紫外域から遠赤外域までの範囲内である電磁波をいう。光線の波長は、X線などの放射線より大きくなっており、被爆のおそれはない。本実施の形態では、光線を赤外線としている。
[Optical probe]
The optical probe 5 emits a light beam from one end into the block matrix 4. The incident light beam travels straight through the block matrix 4, passes through it, and is received at the other end of the optical probe 5. Here, the light beam refers to an electromagnetic wave whose wavelength is in the range from the far ultraviolet region to the far infrared region. The wavelength of the light beam is longer than that of radiation such as X-rays, so there is no risk of radiation exposure. In this embodiment, the light beam is infrared.
光プローブ5は、ハウジング2、蓋3及びブロック行列体4に対して蓋3上をY軸方向にスライドさせることができる。また、光プローブ5は、蓋3上をY軸方向にまたがるように設置することも可能である。この場合、光プローブ5は、蓋3上をX軸方向にスライドさせることができる。これにより、光プローブ5は、ブロック行列体4の任意のX位置でY軸方向に赤外線を透過させることが可能となり、任意のY位置で、X軸方向に赤外線を透過させることが可能となる。 The optical probe 5 can slide on the lid 3 in the Y-axis direction relative to the housing 2, lid 3, and block matrix 4. The optical probe 5 can also be installed so that it straddles the lid 3 in the Y-axis direction. In this case, the optical probe 5 can slide on the lid 3 in the X-axis direction. This allows the optical probe 5 to transmit infrared light in the Y-axis direction at any X position on the block matrix 4, and to transmit infrared light in the X-axis direction at any Y position.
実験教材1の光学系は、図2に示すような構成を有している。この光学系は、ブロック行列体4を中心として構成される。 The optical system of experimental teaching material 1 has the configuration shown in Figure 2. This optical system is centered around a block matrix element 4.
[ブロック行列体]
ブロック行列体4は、赤外線ILを透過する素材で形成されたブロック10の2次元正方行列により構成される。すなわち、ブロック行列体4は、ブロック10が互いに直交するX,Y軸方向に同数配列されて構成されている。本実施の形態では、ブロック行列体4は、5行5列である。
[Block matrix field]
The block matrix 4 is composed of a two-dimensional square matrix of blocks 10 made of a material that transmits infrared light IL. That is, the block matrix 4 is composed of an equal number of blocks 10 arranged in the X-axis and Y-axis directions that are orthogonal to each other. In this embodiment, the block matrix 4 has 5 rows and 5 columns.
ブロック10の形状は、図3(A)及び図3(B)に示すように、直方体状である。ブロック10は、全体として赤外線ILを透過する素材、例えばアクリル等のプラスチック又はガラスで形成されている。ブロック10としては、例えば分光光度計用のプラスチックセルを用いることができる。 As shown in Figures 3(A) and 3(B), the shape of the block 10 is a rectangular parallelepiped. The block 10 is made entirely of a material that transmits infrared light IL, such as plastic such as acrylic, or glass. For example, a plastic cell for a spectrophotometer can be used as the block 10.
図2に戻り、ブロック行列体4は、ブロック10が挿入されるフレーム部材4aを有している。フレーム部材4aは、3Dプリンタ等により製造することができる。フレーム部材4aには、ブロック10が挿入される挿入部が2次元正方行列状に形成されている。フレーム部材4aの挿入部にブロック10が挿入されて、ブロック行列体4が形成される。フレーム部材4aの素材は、ブロック10と同じである。これにより、ブロック行列体4は、ブロック10の2次元行列のX軸、Y軸方向(行方向、列方向)に入射した赤外線ILを直進させることができる。 Returning to Figure 2, the block matrix 4 has a frame member 4a into which the blocks 10 are inserted. The frame member 4a can be manufactured using a 3D printer or the like. The frame member 4a has insertion sections into which the blocks 10 are inserted, formed in a two-dimensional square matrix. The blocks 10 are inserted into the insertion sections of the frame member 4a to form the block matrix 4. The frame member 4a is made of the same material as the blocks 10. This allows the block matrix 4 to direct infrared light IL incident in the X-axis and Y-axis directions (row and column directions) of the two-dimensional matrix of the blocks 10 in a straight line.
[ブロック]
本実施の形態では、ブロック10として、図3(A)及び図3(B)に示すように、第1ブロック10aと、第2ブロック10bと、が含まれている。図3(A)に示す第1ブロック10aの側面には、透過する赤外線ILを減衰させる赤外線カットフィルタが貼り付けられていない。この一方、図3(B)に示す第2ブロック10bには、赤外線ILを吸収するフィルタが貼り付けられている。具体的には、第2ブロック10bには、+x側の側面と、-y側の側面とにフィルタが貼り付けられている。これにより、第1ブロック10aと、第2ブロック10bとでは、側面を通過する赤外線ILの減衰度が互いに異なるようになっている。
[block]
In this embodiment, the block 10 includes a first block 10a and a second block 10b, as shown in Figures 3(A) and 3(B). The side surfaces of the first block 10a shown in Figure 3(A) do not have infrared cut filters attached to them that attenuate the infrared rays IL that pass through them. On the other hand, the second block 10b shown in Figure 3(B) has filters attached to it that absorb the infrared rays IL. Specifically, filters are attached to the +x-side and -y-side sides of the second block 10b. This results in different degrees of attenuation of the infrared rays IL that pass through the side surfaces of the first block 10a and the second block 10b.
第1ブロック10aは、透過する光線を吸収する物質が存在しないことを示すものであり、第2ブロック10bは、透過する光線を吸収する物質が存在することを示すものである。したがって、以下では、第1ブロック10aを空セルともいい、第2ブロック10bを吸収セルともいう。 The first block 10a indicates that there is no substance that absorbs the transmitted light, and the second block 10b indicates that there is a substance that absorbs the transmitted light. Therefore, hereinafter, the first block 10a will also be referred to as an empty cell, and the second block 10b will also be referred to as an absorbing cell.
図2に戻り、ブロック行列体4には、第1ブロック10aと第2ブロック10bとを自在に配置可能である。この実験教材1で行われる実験では、まず、出題者がブロック行列体4における第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配置を決める。そして、実験する学生は、ブロック行列体4の各行及び各列を透過する赤外線ILの強度を測定し、その測定結果に基づいて、ブロック行列体4における第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配置を推定する。これが主な実験内容である。 Returning to Figure 2, the first blocks 10a and second blocks 10b can be freely arranged in the block matrix 4. In the experiment conducted with this experimental teaching material 1, the question setter first decides the arrangement of the first blocks 10a and second blocks 10b in the block matrix 4. The student conducting the experiment then measures the intensity of the infrared light IL that passes through each row and each column of the block matrix 4, and, based on the measurement results, estimates the arrangement of the first blocks 10a and second blocks 10b in the block matrix 4. This is the main content of the experiment.
[光源]
光プローブ5の一端には、光源11が設けられている。光源11は、X軸方向、Y軸方向に沿って赤外線ILをブロック行列体4に入射する。本実施の形態では、光源11は、赤外線ILを発光する発光ダイオードを備える。この発光ダイオードから発せられた赤外線ILがブロック行列体4に入射する。光源11には、外部から供給される電力がACアダプタ及び同軸ケーブルを介して供給され、その電力により発光ダイオードが発光する。
[light source]
A light source 11 is provided at one end of the optical probe 5. The light source 11 emits infrared rays IL along the X-axis direction and the Y-axis direction into the block matrix 4. In this embodiment, the light source 11 includes a light-emitting diode that emits infrared rays IL. The infrared rays IL emitted from this light-emitting diode are incident on the block matrix 4. External power is supplied to the light source 11 via an AC adapter and a coaxial cable, and the light-emitting diode emits light using that power.
光源11内の電気回路は、可変三端子レギュレータで降圧された電圧で、定電流ダイオードで一定に調整された電流が発光ダイオードに流れることにより、一定の強度の赤外線ILが発生するように構成されている。光源11では、定電流ダイオードを幾つか設置し、発光ダイオードに流れる電流を調整可能としてもよい。また、光源11には、発光ダイオードによる発熱を外部に逃がすためのヒートシンクが設けられており、内部の温度が一定に保たれるようにすることができる。光源11では、フォトダイオードから発せられた光が、+X方向に進むように、貫通孔を介して+X方向のみに出射される。貫通孔は、赤外線ILを絞る役割を果たしている。 The electrical circuit within light source 11 is configured so that a constant intensity of infrared light IL is generated by flowing a current, adjusted to a constant level by a constant current diode, through the light-emitting diode using a voltage stepped down by a variable three-terminal regulator. Light source 11 may be equipped with several constant current diodes, making it possible to adjust the current flowing through the light-emitting diode. Light source 11 is also provided with a heat sink to dissipate heat generated by the light-emitting diode to the outside, thereby maintaining a constant internal temperature. In light source 11, light emitted from the photodiode is emitted only in the +X direction through a through hole so that it travels in the +X direction. The through hole serves to narrow the infrared light IL.
[検出部]
検出部12は、ブロック行列体4を透過した赤外線ILの強度を検出する。検出部12は、受光した赤外線ILの強度に応じた信号を出力するフォトダイオードと、フォトダイオードに接続された信号増幅回路と、を備える。ブロック行列体4を透過した赤外線ILは、貫通孔を介して、フォトダイオードで受光される。貫通孔は、ブロック行列体4を直進してきた赤外線ILのみをフォトダイオードで受光するために設けられている。また、フォトダイオードは、可視光線の影響を受けないように、可視光線カットのものを用いるのが望ましい。
[Detection unit]
The detection unit 12 detects the intensity of the infrared light IL that has passed through the block matrix 4. The detection unit 12 includes a photodiode that outputs a signal corresponding to the intensity of the received infrared light IL, and a signal amplifier circuit connected to the photodiode. The infrared light IL that has passed through the block matrix 4 is received by the photodiode through the through-hole. The through-hole is provided so that the photodiode receives only the infrared light IL that has traveled straight through the block matrix 4. It is also desirable to use a photodiode that blocks visible light so as not to be affected by visible light.
フォトダイオードで検出された信号は、オペアンプを含む信号増幅回路で増幅されて検出部12から出力される。信号増幅回路は可変抵抗により、その増幅率が可変となっている。検出部12は、同軸ケーブルを介してテスタに接続されており、テスタには、検出された赤外線ILの透過光強度の検出結果が表示されるようになっている。実験では、テスタの検出結果に基づいて、第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配置を推定する。なお、光源11及び検出部12は、学生が視認し易いように、引き出しに収納されており、引き出しを引き出すことにより、それらの回路構成を確認できるようになっていてもよい。 The signal detected by the photodiode is amplified by a signal amplifier circuit including an operational amplifier and output from the detection unit 12. The signal amplifier circuit's amplification factor is adjustable using a variable resistor. The detection unit 12 is connected to a tester via a coaxial cable, and the tester displays the detection results of the transmitted light intensity of the detected infrared light IL. In the experiment, the arrangement of the first block 10a and the second block 10b is estimated based on the detection results of the tester. The light source 11 and detection unit 12 are stored in a drawer for easy viewing by students, and their circuit configuration may be confirmed by pulling out the drawer.
[連結部]
光プローブ5において、光源11と検出部12とは、連結部13で連結されている。これにより、光源11と検出部12との相対位置関係が固定される。
[Connection part]
In the optical probe 5, the light source 11 and the detection unit 12 are connected by a connection unit 13. This fixes the relative positional relationship between the light source 11 and the detection unit 12.
[ハウジング及び蓋]
図1に示すように、ハウジング2及び蓋3は、ブロック行列体4を構成するブロック10の配列を外部から視認できないように遮蔽する。
[Housing and Lid]
As shown in FIG. 1, the housing 2 and the lid 3 shield the arrangement of the blocks 10 that make up the block matrix 4 so that it cannot be seen from the outside.
[画像再構成の原理]
コンピュータ断層撮影装置は、X線源と検出器とを被検体を向かい合わせに置いて、透過するX線の強度を多数の方向から検出し、多数の方向のX線の透過強度に基づいてコンピュータ処理を行い、被検体の空間分布を示す画像を再構成している。これに対して、本実施の形態に係る実験教材1では、ブロック行列体4を検出対象に見立てて「縦」、「横」の2つの方向(X軸方向、Y軸方向)だけから1基線ずつ測定を行い、被検体の内部構造を、コンピュータを用いずに学生の頭で考えさせることを目的とする。当然、2方向だけでは再構成するための情報が足りずに被検体の内部構造が決められないことがある。しかしながら、本実施の形態に係る実験教材1では、画像再構成の原理を理解し易くすることを優先し、赤外線ILの照射方向を2方向としている。
[Principles of image reconstruction]
A computed tomography apparatus places an X-ray source and a detector facing an object, detects the intensity of transmitted X-rays from multiple directions, and performs computer processing based on the transmitted X-ray intensities in multiple directions to reconstruct an image showing the spatial distribution of the object. In contrast, in the experimental teaching material 1 according to this embodiment, a block matrix 4 is used as the detection target, and measurements are taken one baseline at a time from only two directions, "vertical" and "horizontal" (X-axis direction and Y-axis direction), with the aim of having students think about the internal structure of the object without using a computer. Naturally, there are cases where the information required for reconstruction from only two directions is insufficient and the internal structure of the object cannot be determined. However, in the experimental teaching material 1 according to this embodiment, prioritizing easy understanding of the principles of image reconstruction, the infrared IL is irradiated in two directions.
一様な媒質を通過するX線の透過光強度は、ランベルトの法則を表す以下の式(1)に従って、媒質の厚みxに対して指数関数的に減少する。
I=I0e-μx ・・・(1)
ここで、I0は、入射光強度、Iは透過光強度、μは吸収係数である。Iがテスタで測定される赤外線ILの透過光強度である。このランベルトの法則は、赤外線ILでも同様である。仮に、厚みがそれぞれdである2つの物質を赤外線ILが通過すると、その透過光強度は、以下のようになる。
I=I0e-2μd
The transmitted light intensity of X-rays passing through a uniform medium decreases exponentially with the thickness x of the medium, according to the following equation (1) which represents Lambert's law.
I=I 0 e -μx ...(1)
Here, I0 is the incident light intensity, I is the transmitted light intensity, and μ is the absorption coefficient. I is the transmitted light intensity of the infrared IL measured by the tester. This Lambert's law also applies to infrared IL. If infrared IL passes through two materials, each with a thickness of d, the transmitted light intensity is as follows:
I = I 0 e -2 μd
図4では、第1ブロック10aは、白いマスで示され、第2ブロック10bは、ハッチングのあるマスで示されている。各マスのX軸、Y軸の幅をdとする。上述のように、第1ブロック10aでは、赤外線ILを減衰させるフィルタが設けられておらず、第2ブロック10bでは、赤外線ILを減衰させるフィルタが設けられているため、ここでは、第1ブロック10aには物質がなく、第2ブロック10bでは、物質があるものと考える。実験を行う学生は、この内部構造を知らないものとする。図4におけるブロック行列体4に対して右と下の数字は、対応する行と列に配置されている物質の総数(合計の厚み)を表している。 In Figure 4, the first block 10a is shown as a white square, and the second block 10b is shown as a hatched square. The width of each square on the X and Y axes is d. As mentioned above, the first block 10a does not have a filter that attenuates infrared IL, while the second block 10b has a filter that attenuates infrared IL. Therefore, here, it is assumed that the first block 10a does not contain any material, while the second block 10b does contain material. It is assumed that students performing the experiment are unaware of this internal structure. The numbers to the right and below the block matrix 4 in Figure 4 represent the total number of materials (total thickness) arranged in the corresponding row and column.
赤外線ILを左から右へ+X方向にブロック行列体4を通過させた場合、各マスの幅をdとすると、1行目では厚み3d分の吸収が生じ、5行目では厚み1d分の吸収が生じる。物質の吸収係数μは同じなので、あらかじめ厚みが既知である物質に対し、透過光強度Iを測定しておきさえすれば、上記(1)式に基づいて、赤外線ILの経路上にある物質の数(合計の厚み)を知ることができる。 When infrared light IL passes through the block matrix 4 from left to right in the +X direction, where d is the width of each square, absorption occurs for a thickness of 3d in the first row, and absorption occurs for a thickness of 1d in the fifth row. Since the absorption coefficient μ of materials is the same, simply by measuring the transmitted light intensity I for a material with a known thickness, the number of materials on the path of the infrared light IL (total thickness) can be determined based on equation (1) above.
経路上の物質の個数が判明したら、次に、被検体(ブロック行列体4)の内部構造を考える。図4に示す配置では、2行目、4列目の物質の個数がそれぞれ0であることから、透過光強度は入射光強度と等しく、そこには物質が存在しないことがすぐにわかる。次に、2列目を考えると、物質の個数は4であるが、2行目には何もないことがわかっているので、2列目の他の場所にはすべて物質があるということがわかる。次に5行目を見れば、5行目にある物質は1つだけであるが、それは2列目にあることがわかっているので、残りには物質がないことがわかる。このように考えていくことで、5行5列のどの位置に物質があるのかを推定することができる。 Once the number of substances on the path is determined, we next consider the internal structure of the specimen (block matrix body 4). In the arrangement shown in Figure 4, the number of substances in the second row and fourth column is 0, so it is immediately clear that the transmitted light intensity is equal to the incident light intensity and that no substances are present there. Next, considering the second column, the number of substances is 4, but since we know that there is nothing in the second row, we can see that there is substance everywhere else in the second column. Next, looking at the fifth row, we see that there is only one substance in the fifth row, but since we know that it is in the second column, we can see that there is no substance in the remaining locations. By considering this in this way, we can estimate which position in the five rows and five columns the substance is located.
[実験手順]
学生による実験教材1を用いた具体的な実験手順について説明する。
1)1行又は1列において、0から5まで、第2ブロック10b、すなわち吸収セル10bの本数を増やしながら赤外線ILの透過光強度を測定させる。
2)片対数グラフにI/I0と、吸収セル10bの本数nの関係をプロットさせる。この片対数グラグでは、透過光強度I/I0の軸が対数である(図5(A)参照)。
3)推定対象となる空セル10a及び吸収セル10bの配列を有するブロック行列体4を生成する。
4)蓋3が被せられ、配列が不明な推定対象となる5行5列の試料の行方向(X軸方向)5行と列方向(Y軸方向)5列の赤外線ILの透過光強度を各行、各列で10回ずつ測定し、手順1)の結果をもとに、各行と列に何本ずつの吸収セル10bがあるかを推定させる。
5)ブロック行列体4において、空セル10aと吸収セル10bとがどのような配置になっているかを推定させる。
6)推定後に蓋3を外して、中身を確認させる。
[Experimental Procedure]
The specific experimental procedure performed by students using the experimental teaching material 1 will now be described.
1) In one row or one column, the transmitted light intensity of the infrared IL is measured while increasing the number of second blocks 10b, i.e., absorption cells 10b, from 0 to 5.
2) Plot the relationship between I/ I0 and the number n of absorption cells 10b on a semi-logarithmic graph, where the axis of transmitted light intensity I/ I0 is logarithmic (see FIG. 5A).
3) A block matrix 4 is generated that has an array of empty cells 10a and absorbing cells 10b to be estimated.
4) The lid 3 is placed over the sample, which is a 5-row, 5-column sample to be estimated and whose arrangement is unknown. The transmitted light intensity of infrared light IL is measured 10 times for each of the 5 rows in the row direction (X-axis direction) and the 5 columns in the column direction (Y-axis direction) for each of the 5 rows and the 5 columns, and the number of absorption cells 10b in each of the rows and columns is estimated based on the results of step 1).
5) The arrangement of the empty cells 10a and the absorption cells 10b in the block matrix 4 is estimated.
6) After the estimation, remove the lid 3 and check the contents.
なお、古いデジタルカメラには、赤外線カットがされていないものがある。こうしたデジタルカメラの表示ディスプレイであれば、光源11から赤外線ILが出射されていることを目視で確認することができる。 Note that some older digital cameras do not have infrared blocking features. With the display of such a digital camera, it is possible to visually confirm that infrared light IL is being emitted from the light source 11.
なお、手順1)では、2行5列~6行5列のブロック行列体を別に準備するようにしてもよい。このブロック行列体に吸収セル10bと空セル10aを挿入し、光プローブ5をずらしていくことで、同時に複数パターンの赤外線ILの透過光強度を得ることができる。例えば、6行5列のブロック行列体を用いれば、1度に吸収セル0個~5個の場合の赤外線ILの透過光強度を得ることができる。 In step 1), a block matrix of 2 rows and 5 columns to 6 rows and 5 columns may be prepared separately. By inserting the absorption cells 10b and empty cells 10a into this block matrix and shifting the optical probe 5, it is possible to simultaneously obtain multiple patterns of infrared IL transmitted light intensity. For example, if a block matrix of 6 rows and 5 columns is used, it is possible to obtain infrared IL transmitted light intensity for 0 to 5 absorption cells at a time.
なお、本実験を行うにあたって、物質の本数nと正規化された透過光強度I/I0との関係は、図5(A)の片対数グラフの実線で示されるように直線状となっている必要がある。点線のように、物質の本数nの変化に対して正規化された透過光強度I/I0の感度が弱い場合や、1点鎖線のように、物質の本数nの変化に対して正規化された透過光強度I/I0が非線形に変化している場合には、物質の本数nの変化に対して正規化された透過光強度I/I0が実線に沿って変化するように、第2ブロック10bのフィルタ又は光源11から発せられる赤外線ILの強度を調整する必要がある。 In conducting this experiment, the relationship between the number n of material fibers and the normalized transmitted light intensity I/ I0 must be linear, as shown by the solid line in the semi-logarithmic graph of Figure 5(A). If the sensitivity of the normalized transmitted light intensity I/ I0 to changes in the number n of material fibers is low, as shown by the dotted line, or if the normalized transmitted light intensity I/ I0 changes nonlinearly with changes in the number n of material fibers, as shown by the dash-dot line, it is necessary to adjust the filter of the second block 10b or the intensity of the infrared light IL emitted from the light source 11 so that the normalized transmitted light intensity I/ I0 changes along the solid line with changes in the number n of material fibers.
上述のような実験手順に例示される実験教材1の使用方法は、例えば図5(B)に示すフローチャートに示すように一般化される。 The method of using the experimental teaching material 1 exemplified by the experimental procedure described above can be generalized, for example, as shown in the flowchart in Figure 5(B).
まず、ブロック行列体4の1行又は1列において、第2ブロック10bの数を増やしつつ、光源11からブロック行列体4に赤外線ILを入射したときの赤外線ILの透過光強度を検出部12で検出して、第2ブロック10bの数と、検出部12で検出される赤外線ILの透過光強度との関係を示す基準情報を生成する(ステップS1;基準情報生成ステップ)。このステップは、上述の実験手順1)、2)に対応する。 First, while increasing the number of second blocks 10b in one row or one column of the block matrix 4, the detection unit 12 detects the transmitted light intensity of infrared IL when infrared IL is incident on the block matrix 4 from the light source 11, and generates reference information indicating the relationship between the number of second blocks 10b and the transmitted light intensity of infrared IL detected by the detection unit 12 (step S1; reference information generation step). This step corresponds to the experimental procedures 1) and 2) described above.
続いて、ブロック行列体4における第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配列を組み換えてハウジング2及び蓋3で遮蔽する(ステップS2;配列ステップ)。このステップが、上述の実験手順3)に対応する。 Next, the arrangement of the first blocks 10a and second blocks 10b in the block matrix 4 is rearranged and shielded with the housing 2 and lid 3 (step S2; arrangement step). This step corresponds to the experimental procedure 3) described above.
続いて、ハウジング2及び蓋3で遮蔽された状態で、光源11からブロック行列体4の各行及び各列に赤外線ILを入射したときの赤外線ILの強度を検出部12で検出することにより、ブロック行列体4の各行及び各列を透過する赤外線ILの強度を少なくとも1回測定する(ステップS3;測定ステップ)。このステップが上述の実験手順4)に対応する。実験手順4)では、測定の回数が各行、各列について10回となっているが、この回数は限定されない。 Next, with the block matrix 4 shielded by the housing 2 and lid 3, the intensity of the infrared light IL incident on each row and column of the block matrix 4 from the light source 11 is detected by the detector 12, thereby measuring the intensity of the infrared light IL passing through each row and column of the block matrix 4 at least once (step S3; measurement step). This step corresponds to the above-mentioned experimental procedure 4). In experimental procedure 4), measurements are taken 10 times for each row and column, but this number is not limited.
その後、ステップS1で生成された基準情報を参考にして、ステップS3での測定結果に基づいて、ブロック行列体4における第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配列が学生達によって推定され、蓋3をとって配列の確認が行われる。これが、実験手順5)に対応する。 Then, using the reference information generated in step S1 and the measurement results from step S3, the students estimate the arrangement of the first blocks 10a and second blocks 10b in the block matrix body 4, and then remove the lid 3 to confirm the arrangement. This corresponds to experimental procedure 5).
[空セル及び吸収セルの配置について]
第1ブロック10a(空セル)と第2ブロック10b(吸収セル)との配置条件について説明する。ここでは、ブロック行列体4におけるブロック10の行列をn行n列(nは自然数)と一般化する。
[Arrangement of empty cells and absorption cells]
The arrangement conditions of the first block 10a (empty cells) and the second block 10b (absorbing cells) will be described below. Here, the matrix of the blocks 10 in the block matrix field 4 is generalized to have n rows and n columns (n is a natural number).
一般的に、n行n列のブロック行列体4に、任意の吸収係数をもつブロック10を挿入し各行、各列に赤外線ILを照射して測定を行った場合、各行の透過光強度に対応するn本のデータIm(m=1~n)と、各列の透過光強度に対応するn本のデータIk(k=1~n)との2n個のデータが得られる。データImは、各行の第2ブロック10bの数に相当し、データInは、各列の第2ブロック10bの数に相当する。 Generally, when blocks 10 having an arbitrary absorption coefficient are inserted into a block matrix 4 having n rows and n columns, and infrared light IL is irradiated onto each row and each column for measurement, 2n pieces of data are obtained: n pieces of data I m (m = 1 to n) corresponding to the transmitted light intensity of each row, and n pieces of data I k (k = 1 to n) corresponding to the transmitted light intensity of each column. Data I m corresponds to the number of second blocks 10 b in each row, and data I n corresponds to the number of second blocks 10 b in each column.
実験では、この2n個のデータIm,Ikを求める。図6に示すように、要素aijが第1ブロック10aである場合を0とし、要素aijが、第2ブロック10bである場合を1とした場合、求められた各データIm,Ikに基づく連立方程式を条件付きで解くことにより、各要素aijが0であるか、1であるかを推定することが可能となる。この条件とは、要素aijが0か1かでということから、各行又は各列の要素aijの和が0以上n以下であることである。 In the experiment, these 2n pieces of data I m and I k are obtained. As shown in Fig. 6, if the element a ij is set to 0 when it is in the first block 10a and set to 1 when it is in the second block 10b, it is possible to estimate whether each element a ij is 0 or 1 by conditionally solving simultaneous equations based on the obtained data I m and I k . This condition means that the sum of the elements a ij in each row or column is between 0 and n , inclusive, since the element a ij is either 0 or 1.
例えば、あるmについて、Im=0であれば、amiについて、am1,am2,am3,…amnは、すべて0である。また、あるmについて、Im=nであれば、amiについて、am1,am2,am3,…amnは、すべて1である。 For example, if I m =0 for a certain m, then for a mi , a m1 , a m2 , a m3 , ..., a mn are all 0. Also, if I m =n for a certain m, then for a mi , a m1 , a m2 , a m3 , ..., a mn are all 1.
しかし、すべての要素が0,1であって、測定できる行と列の数と未知数の数が同じであっても、独立ではない式を含んでいれば解が求まるとは限らない。例えば、n=2、すなわち2行2列の場合でも、2方向からの測定では、図7(A)の場合と図7(B)の場合との区別をつけることはできない。図7(A)の場合と図7(B)の場合とではどちらであっても測定結果としては行と列の合計の赤外線ILの吸収量が一本分で等しいためである。 However, even if all elements are 0 or 1 and the number of measurable rows and columns is the same as the number of unknowns, a solution may not be found if the equations include non-independent equations. For example, even when n = 2, i.e., two rows and two columns, it is not possible to distinguish between the cases in Figure 7(A) and Figure 7(B) when measuring from two directions. This is because in both the cases in Figure 7(A) and Figure 7(B), the measurement result shows that the total amount of infrared light IL absorbed by the rows and columns is equal to one beam.
一方、吸収セル10b及び空セル10aの数が図7(A)と同じであっても、それらの配置が図7(C)又は図7(D)に示すものであれば、空セル10a及び吸収セル10bの配列を一意に決定することができる。例えば、図7(C)に示す配置であれば、以下の4つの式は、
a11+a12=2
a21+a22=0
a11+a21=1
a12+a22=1
となり、a11=1,a12=1,a21=0,a22=0を求めることができる。実際のCTスキャン装置では、斜め方向からもX線を透過させてその強度を測定するため、配置が図7(A)及び図7(B)に示すようになっていても、吸収セル10b及び空セル10aの配置を知ることができる。しかしながら、2方向からの実験では、図7(A)又は図7(B)に示すような配置とならないように予め留意しておく必要がある。
On the other hand, even if the number of absorption cells 10b and empty cells 10a is the same as in Figure 7(A), if their arrangement is as shown in Figure 7(C) or Figure 7(D), the arrangement of the empty cells 10a and absorption cells 10b can be uniquely determined. For example, in the arrangement shown in Figure 7(C), the following four equations are
a 11 +a 12 =2
a 21 +a 22 =0
a 11 +a 21 =1
a 12 + a 22 = 1
and it is possible to obtain a 11 = 1, a 12 = 1, a 21 = 0, and a 22 = 0. In an actual CT scanning device, X-rays are transmitted from oblique directions as well to measure their intensity, so the arrangement of the absorption cell 10b and empty cell 10a can be determined even if the arrangement is as shown in Figures 7(A) and 7(B). However, in experiments conducted from two directions, care must be taken in advance to avoid the arrangement shown in Figure 7(A) or 7(B).
n行n列のブロック行列体4のブロック10の配置から内部構造が唯一に決められるかどうかは、技術的には、行又は列の交換で本数の多い列又は行の全体を交換して左上に移動して行き、左上詰め、左下詰め、右上詰め又は右下詰めにできるかどうかを見ればよい。すなわち、ブロック行列体4において空セル10aを0とし、吸収セル10bを1としたブロック10の2次元正方行列について、左(あるいは右)基本変形にある交換で標準形にしていく動作を行って、図7(A)や図7(B)の小行列が内部に含まれないか否かを確認すればよい。この確認は、2n本の一次方程式を並べ、係数行列を作り、基本変形していく操作と関係している。 Technically, whether the internal structure can be uniquely determined from the arrangement of blocks 10 in an n-by-n block matrix body 4 can be determined by exchanging rows or columns to see if it is possible to swap the entire row or column with the largest number of columns, moving to the top left, and then justifying the top left, bottom left, top right, or bottom right. In other words, for a two-dimensional square matrix of block 10 in the block matrix body 4, where empty cells 10a are set to 0 and absorbing cells 10b are set to 1, perform an exchange in a left (or right) elementary transformation to standardize it, and check whether the submatrix shown in Figure 7(A) or 7(B) is contained within. This confirmation is related to the operation of arranging 2n linear equations, creating a coefficient matrix, and performing elementary transformations.
[配置レシピ]
基本的に以下の手順に従えば、1通りの答えを求めることのできる配置とすることができる。
1.基本型としてまず左上詰めで吸収セル10bを並べる。図8(A)~図8(C)に示すように、+X方向(右)、-Y方向(左)に順に吸収セル10bの数が減るようになっていれば、側面から全部0又は全部1である行や列を取り除いていく操作で解が求まる。
2.基本型は、列全体、あるいは行全体の交換の作業によって解けなくなることはない。このことを利用し、基本型を様々に派生させる例を図9に示す。
[Placement Recipe]
Basically, by following the steps below, you can create an arrangement that will give you one answer.
1. As a basic model, first arrange the absorption cells 10b starting from the top left. As shown in Figures 8(A) to 8(C), if the number of absorption cells 10b decreases in the +X direction (right) and then in the -Y direction (left), the solution can be found by removing rows and columns that are all 0s or all 1s from the side.
2. The basic type cannot be solved by exchanging the entire column or the entire row. Taking advantage of this, examples of various derivations of the basic type are shown in Figure 9.
操作としては、以下のようになる。
図9(A)から図9(B):3行目と5行目の交換
図9(B)から図9(C):2列目と5列目の交換
図9(C)から図9(D):4行目を一番上に移動
図9(D)から図9(E);4列目を一番左に移動
図9(E)から図9(F):4列目を1列目の後に挿入
The operation is as follows:
Figure 9(A) to Figure 9(B): Swap row 3 and row 5. Figure 9(B) to Figure 9(C): Swap column 2 and column 5. Figure 9(C) to Figure 9(D): Move row 4 to the top. Figure 9(D) to Figure 9(E): Move column 4 to the left. Figure 9(E) to Figure 9(F): Insert column 4 after column 1.
図9(A)~図9(F)に示す配置は、どの配置でも内部構造を一意に決めることができる。もちろん全体を90度回転したり、反転したりしてもよい。個別に、空セル10a及び吸収セル10bを交換することは不可とする。ここでは5行5列の例を挙げたが、これは他の行数、列数等でも同じである。このように各列のブロック全体や各行のブロック全体を他の行と交換又は移動することで、様々な内部構造の配置例を作成し、学生に測定から内部を当てさせることができるブロック行列体4を生成することができる。 The internal structure can be uniquely determined for any of the layouts shown in Figures 9(A) to 9(F). Of course, the entire layout may be rotated 90 degrees or inverted. Individual empty cells 10a and absorption cells 10b cannot be swapped. An example of 5 rows and 5 columns is given here, but this also applies to other numbers of rows and columns. In this way, by swapping or moving entire blocks in each column or entire blocks in each row with other rows, various internal structure layout examples can be created, and a block matrix body 4 can be generated that allows students to guess the interior from measurements.
一般的に行列は小さい方が頭の中で答えを導きやすく、配置が固まっていると解きやすい。空セル10aだけの列や行があったり、すべて吸収セル10bである列や行があったりする場合には、直ちに行列を小さくでき、学生が配置を考えることが容易となる。 In general, the smaller the matrix, the easier it is to derive the answer in your head, and the easier it is to solve if the layout is fixed. If there are columns or rows that contain only empty cells 10a, or columns or rows that are all absorbing cells 10b, the matrix can be made smaller immediately, making it easier for students to consider the layout.
また、機械やフィルムの性質によって、吸収セル10bの本数が5本と4本の場合で区別がつきにくい場合には、1つの行や列の吸収セル10bの最大の本数を4本までとして、空白の行や列で埋めるようにしてもよい。逆に、赤外線ILの光量がオーバーフローし、0本と1本の区別がつきにくい場合は、吸収セル10bを多めにすればよい。 Also, if the properties of the machine or film make it difficult to distinguish between five and four absorption cells 10b, the maximum number of absorption cells 10b in a row or column can be limited to four, and blank rows or columns can be used to fill the gaps. Conversely, if the amount of infrared IL light overflows and it is difficult to distinguish between zero and one, the number of absorption cells 10b can be increased.
なお、上述の空セル10a及び吸収セル10bの配列は、情報処理装置により生成することができる。情報処理装置は、コンピュータがソフトウエアプログラムを実行することにより、推定対象となる空セル10a及び吸収セル10bの配列を生成する。 The above-mentioned arrangement of empty cells 10a and absorption cells 10b can be generated by an information processing device. The information processing device generates the arrangement of empty cells 10a and absorption cells 10b to be estimated by having a computer execute a software program.
情報処理装置は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)及びディスプレイを備える。CPUは、例えばマイクロプロセッサ等であって、様々な処理や演算を実行する中央演算処理部である。情報処理装置は、ROMに記憶されているプログラムを読み出して、RAMをワークメモリとして用いながら、CPUでプログラムを実行させることによって、推定対象となる空セル10a及び吸収セル10bの配列パターン(配列情報)を生成する処理、すなわち配列生成処理を行う。 The information processing device includes a CPU (Central Processing Unit), ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), and a display. The CPU is a central processing unit, such as a microprocessor, that performs various processes and calculations. The information processing device reads a program stored in the ROM and executes the program on the CPU while using the RAM as work memory, thereby performing a process to generate an array pattern (array information) of the empty cells 10a and absorption cells 10b to be estimated, i.e., an array generation process.
図10に示すように、配列生成処理において、まず、情報処理装置は、2次元正方行列の行数及び列数を示す情報であるN(Nは自然数)と、2次元正方行列における吸収セル10bの数であるM(M≦N2)とを入力する(ステップS11;入力ステップ)。 As shown in FIG. 10 , in the array generation process, first, the information processing device inputs N (N is a natural number), which is information indicating the number of rows and columns of the two-dimensional square matrix, and M (M≦N 2 ), which is the number of absorption cells 10b in the two-dimensional square matrix (step S11; input step).
続いて、情報処理装置は、ステップS11で入力された2次元正方行列の行数及び列数を示す情報であるN(Nは自然数)と、2次元正方行列における吸収セル10bの数であるM(M≦N2)とに基づいて、2次元正方行列の四隅のうちいずれか1つの隅領域に第2ブロック10bを詰めて並べた2次元正方行列を生成する(ステップS12;行列生成ステップ)。ここでは、例えば、図8(A)に示すような第1ブロック10a及び第2ブロック10bの配列が基本型として生成される。生成される基本型は複数存在するが、情報処理装置は、複数の基本型から、乱数によって1つ選び出す。これらの配列では、左上に第2ブロック10bが詰めて並べられている。この他、第2ブロック10bを、右上、左下又は右下のいずれかに詰めてならべるようにしてもよい。 Next, the information processing device generates a two-dimensional square matrix in which second blocks 10b are packed and arranged in one of the four corner areas of the two-dimensional square matrix based on N (N is a natural number), which is information indicating the number of rows and columns of the two-dimensional square matrix input in step S11, and M (M≦N 2 ), which is the number of absorption cells 10b in the two-dimensional square matrix (step S12; matrix generation step). Here, for example, an arrangement of first blocks 10a and second blocks 10b as shown in FIG. 8(A) is generated as a basic pattern. There are multiple basic patterns to be generated, and the information processing device selects one from the multiple basic patterns using a random number. In these arrangements, the second blocks 10b are packed and arranged in the upper left. Alternatively, the second blocks 10b may be packed and arranged in the upper right, lower left, or lower right.
続いて、情報処理装置は、ステップS11で生成された2次元正方行列におけるいずれかの行のブロック10全体を違う行に移動するか、他の行のブロック10全体と交換するか、2次元正方行列におけるいずれかの列のブロック10全体を違う列に移動するか、他の列のブロック10全体と交換する(ステップS13;行列変換ステップ)。例えば、図9(A)~図9(F)に示す流れで、行のブロック10全体又は列のブロック10全体の移動又は交換が行われる。どの行及びどの列を移動又は交換するかは、乱数によって決定することができる。これにより、空セル10a及び吸収セル10bの配列情報が生成される。 The information processing device then moves all of the blocks 10 in any row of the two-dimensional square matrix generated in step S11 to a different row, exchanges them with all of the blocks 10 in another row, or moves all of the blocks 10 in any column of the two-dimensional square matrix to a different column, or exchanges them with all of the blocks 10 in another column (step S13; matrix transformation step). For example, all of the blocks 10 in a row or all of the blocks 10 in a column are moved or exchanged according to the flow shown in Figures 9(A) to 9(F). Which rows and columns are moved or exchanged can be determined by random numbers. This generates arrangement information for the empty cells 10a and absorption cells 10b.
ステップS12を終了すると、情報処理装置は、空セル10a及び吸収セル10bの配列情報をディスプレイに表示出力する(ステップS14;配列情報出力ステップ)。表示出力された配列情報にしたがって、空セル10a及び吸収セル10bが配列されてブロック行列体4が生成される。このブロック行列体4を用いて、学生による赤外線ILの透過光強度からの配列の推定実験が行われる。 After completing step S12, the information processing device displays the arrangement information of the empty cells 10a and absorption cells 10b on the display (step S14; arrangement information output step). The empty cells 10a and absorption cells 10b are arranged according to the displayed arrangement information to generate a block matrix 4. Students use this block matrix 4 to conduct an experiment to estimate the arrangement from the transmitted light intensity of infrared light IL.
ステップS14終了後、情報処理装置は、配列生成処理を終了する。 After step S14 is completed, the information processing device terminates the array generation process.
以上詳細に説明したように、上記実施の形態に係る実験教材1によれば、放射線より大きい波長を有する光線(赤外線IL)をX線の代わりにして、コンピュータ断層撮影装置におけるX線管と検出器との構成、検出結果と画像との関係とを学生にわかりやすく形で見せることができる。この結果、より安全、かつ、わかりやすい形でコンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を学習することができる。 As explained in detail above, the experimental teaching material 1 according to the above embodiment uses light rays (infrared rays IL) with wavelengths longer than radiation in place of X-rays, making it possible to show students in an easy-to-understand manner the configuration of the X-ray tube and detector in a computed tomography device, and the relationship between the detection results and the image. As a result, students can learn the principles of image reconstruction in a computed tomography device in a safer and easier-to-understand manner.
上記実施の形態に係る実験教材1を用いた実験は、パズル的要素がある面白みのある事件であるため、学生を意欲的に取り組ませることができる。また、複雑な数式を必要とせず、操作が単純で、見た目にもわかりやすいので、数学的な知識のない学生にも、物理的な観点を盛り込んだ実験を行わせることができる。また、構造が単純化されているので、実験を比較的短い時間で終えることができるという利点もある。 Experiments using the experimental teaching material 1 according to the above embodiment are interesting cases with puzzle-like elements, which can motivate students to participate. Furthermore, since it does not require complex mathematical formulas, is simple to operate, and is visually easy to understand, even students with no mathematical background can conduct experiments that incorporate a physical perspective. Another advantage is that the simplified structure allows the experiment to be completed in a relatively short time.
上記実施の形態に係る実験教材1では、光線として赤外線ILを用いている。しかしながら、本発明はこれには限られない。光線として、可視光、紫外線を用いるようにしてもよい。また、紫外線は、X線などの放射線に比べ、人体を被爆させたり、人体に影響を与えたりすることはないが、人体に化学変化をもたらす光線であると考えられるため、可視光又は赤外線ILを用いるのが望ましい。 In the experimental teaching material 1 according to the above embodiment, infrared light IL is used as the light beam. However, the present invention is not limited to this. Visible light or ultraviolet light may also be used as the light beam. Furthermore, while ultraviolet light does not expose or affect the human body as much as radiation such as X-rays, it is believed to be light that causes chemical changes in the human body, so it is preferable to use visible light or infrared light IL.
また、光線として異なる波長を含むものを用いてもよい。例えば、赤色及び緑色などの可視域の光を用いて、色の違いによる吸収の違いを学ぶように変更することも可能である。 It is also possible to use light containing different wavelengths. For example, it is possible to use visible light such as red and green, and modify the method to study differences in absorption due to different colors.
上記実施の形態に係る実験教材1では、第2ブロック10bには、光線を減衰させる液体が充填されているようにしてもよい。このようにしても、光線の強度を減衰させる第2ブロック10bを実現することができる。 In the experimental teaching material 1 according to the above embodiment, the second block 10b may be filled with a liquid that attenuates the light beam. In this way, it is possible to realize a second block 10b that attenuates the intensity of the light beam.
上記実施の形態に係る実験教材1において、ブロック行列体4は、フレーム部材4aにブロック10が挿入されて構成されているものとしている。しかしながら、本発明はこれには限られない。ブロック10の側面を直接接するようにして、ブロック行列体4を構成するようにしてもよい。 In the experimental teaching material 1 according to the above embodiment, the block matrix 4 is configured by inserting blocks 10 into frame members 4a. However, the present invention is not limited to this. The block matrix 4 may also be configured so that the sides of the blocks 10 are in direct contact with each other.
なお、ブロック行列体4の行方向のブロック10の数と列方向のブロック10の数は調整することができるようになっていてもよい。図11(A)及び図11(B)に示すように、行方向及び列方向のブロック10を任意とし、光源11と検出部12とを連結する連結部13をその長さを調整可能とし、ブロック10の行列の数に応じて調整できるようにすればよい。この場合、ハウジング2及び蓋3については、行列数に応じて異なるものを設けるようにしてもよいし、ハウジング2及び蓋3を、大きさを調整可能なものとしてもよい。 The number of blocks 10 in the row direction and the number of blocks 10 in the column direction of the block matrix 4 may be adjustable. As shown in Figures 11(A) and 11(B), the number of blocks 10 in the row direction and column direction may be arbitrary, and the length of the connecting portion 13 connecting the light source 11 and the detection portion 12 may be adjustable so that it can be adjusted according to the number of rows and columns of the blocks 10. In this case, different housings 2 and lids 3 may be provided depending on the number of rows and columns, or the housings 2 and lids 3 may be adjustable in size.
また、ブロック10における光線の吸収率を、2段階ではなく、3段階以上とするようにしてもよい。例えば、第2ブロック10bに対して、吸収率が異なる第3ブロックをブロックとして配列に加えれば、より複雑なシチュエーションでのブロック配列の推定が可能となる。このような吸収率が異なるブロックは、フィルムを4面に貼ったり、複数枚重ねて貼ったりすることによって生成することができる。また、光線を可視光線とする場合には、吸収する色が異なるフィルムを貼ることにより、生成することができる。 In addition, the light absorption rate in the blocks 10 may be set to three or more levels instead of two. For example, if a third block with a different absorption rate is added to the arrangement relative to the second block 10b, it becomes possible to estimate block arrangements in more complex situations. Blocks with such different absorption rates can be created by attaching film to four surfaces or by attaching multiple sheets on top of each other. Furthermore, if the light is visible light, they can be created by attaching films that absorb different colors.
また、図12に示すように、立方体で構成されるブロック行列体4を3次元行列の行列体とし、光をX軸,Y軸の2軸方向ではなく、ブロック行列体4をX軸,Y軸,Z軸方向から入射可能とし、コンピュータ断層撮影装置の構造にさらに近づけるようにしてもよい。 Also, as shown in Figure 12, the block matrix body 4 composed of cubes can be made into a three-dimensional matrix body, and light can be incident on the block matrix body 4 from the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions instead of just the X-axis and Y-axis directions, making it even closer to the structure of a computed tomography apparatus.
この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。 This invention allows for various embodiments and modifications without departing from the broad spirit and scope of the invention. Furthermore, the above-described embodiments are intended to explain the invention and do not limit the scope of the invention. In other words, the scope of the invention is defined by the claims, not the embodiments. Various modifications made within the scope of the claims and the meaning of the invention equivalent thereto are deemed to be within the scope of the invention.
コンピュータ断層撮影装置の画像再構成の原理を理解するための実験教材として適用することができる。 It can be used as an experimental teaching material to understand the principles of image reconstruction using a computed tomography device.
1 実験教材、2 ハウジング、3 蓋、4 ブロック行列体、4a フレーム部材、5 光プローブ、10 ブロック、10a 第1ブロック(空きセル)、10b 第2ブロック(吸収セル)、11 光源、12 検出部、13 連結部、IL 赤外線 1. Experimental material, 2. Housing, 3. Lid, 4. Block matrix, 4a. Frame member, 5. Optical probe, 10. Block, 10a. First block (empty cell), 10b. Second block (absorption cell), 11. Light source, 12. Detector, 13. Connection, IL. Infrared
Claims (7)
放射線より大きい波長を有する光線を透過する素材で形成されたブロックが互いに直交する複数の軸方向に同数配列されて構成され、前記軸方向に入射した前記光線を前記軸方向に直進させるブロック行列体と、
前記軸方向に沿って前記光線を前記ブロック行列体に入射する光源と、
前記ブロック行列体を透過した前記光線の強度を検出する検出部と、
前記ブロック行列体を構成する前記ブロックを外から視認できないように遮蔽するカバーと、を備え、
前記ブロックとして、透過する前記光線の減衰度が互いに異なる第1ブロック及び第2ブロックと、が含まれ、
前記ブロック行列体は、前記第1ブロックと前記第2ブロックとを自在に配置可能である、
実験教材。 An experimental teaching material for learning the principles of image reconstruction using a computed tomography apparatus,
a block matrix configured by arranging an equal number of blocks formed of a material that transmits light rays having wavelengths longer than the radiation in a plurality of axial directions perpendicular to each other, and causing the light rays incident in the axial directions to travel straight in the axial directions;
a light source that directs the light beam into the block matrix along the axis;
a detection unit that detects the intensity of the light beam that has passed through the block matrix;
a cover that shields the blocks that constitute the block matrix so that they cannot be seen from the outside,
The blocks include a first block and a second block having different attenuation degrees of the transmitted light beam,
The block matrix allows the first blocks and the second blocks to be freely arranged.
Experimental teaching materials.
請求項1に記載の実験教材。 a filter for attenuating the transmitted light beam is inserted into the second block;
The experiment teaching material according to claim 1.
請求項1に記載の実験教材。 The second block is filled with a liquid that attenuates the light beam passing through it.
The experiment teaching material according to claim 1.
請求項1から3のいずれか一項に記載の実験教材。 The light is any one of infrared light, visible light, and ultraviolet light.
The experiment teaching material according to any one of claims 1 to 3.
請求項1から4のいずれか一項に記載の実験教材。 The block matrix is capable of adjusting the number of blocks in the axial direction.
The experiment teaching material according to any one of claims 1 to 4.
前記2次元正方行列の行数及び列数であるNを示す情報と、前記2次元正方行列における前記第2ブロックの数であるM(M≦N2)を示す情報とを入力する入力ステップと、
前記入力ステップで入力された情報に基づいて、前記2次元正方行列の四隅のうちいずれか1つの隅領域に前記第2ブロックを詰めて並べた前記2次元正方行列を生成する行列生成ステップと、
前記行列生成ステップで生成された前記2次元正方行列におけるいずれかの行のブロック全体を違う行に移動するか、他の行のブロック全体と交換するか、前記2次元正方行列におけるいずれかの列のブロック全体を違う列に移動するか、他の列のブロック全体と交換する行列変換ステップと、
を含む配列生成方法。 1. An array generation method for generating, by an information processing device, array information of first blocks and second blocks in a two-dimensional square matrix formed by an array of first blocks and second blocks, each having a different transmission intensity for a light beam having a wavelength longer than a radiation beam, the method comprising:
an input step of inputting information indicating N, which is the number of rows and columns of the two-dimensional square matrix, and information indicating M, (M≦N 2 ), which is the number of second blocks in the two-dimensional square matrix;
a matrix generation step of generating the two-dimensional square matrix by packing the second blocks into any one of four corner areas of the two-dimensional square matrix based on the information input in the input step;
a matrix transformation step of moving an entire block of any row in the two-dimensional square matrix generated in the matrix generation step to a different row, or exchanging it with an entire block of any other row, or moving an entire block of any column in the two-dimensional square matrix to a different column, or exchanging it with an entire block of any other column;
Array generation methods including:
前記ブロック行列体の前記軸方向それぞれにおいて、前記第2ブロックの数を増やしつつ、前記光源から前記ブロック行列体に前記光線を入射したときの前記光線の強度を前記検出部で検出して、前記第2ブロックの数と、前記検出部で検出される前記光線の強度との関係を示す基準情報を生成する基準情報生成ステップと、
前記ブロック行列体における前記第1ブロック及び前記第2ブロックの配列を組み換えて前記カバーで遮蔽する配列ステップと、
前記カバーで遮蔽された状態で、前記光源から前記ブロック行列体の前記軸方向それぞれに前記光線を入射したときの前記光線の強度を前記検出部で検出することにより、前記ブロック行列体の前記軸方向を透過する前記光線の強度を少なくとも1回測定する測定ステップと、
を含む実験教材の使用方法。 a block matrix configured by arranging an equal number of blocks formed of a material that transmits light rays having wavelengths larger than that of radiation in a plurality of axial directions perpendicular to each other, the block matrix causing the light rays incident in the axial directions to travel straight in the axial directions; a light source that makes the light rays incident on the block matrix along the axial directions; a detection unit that detects the intensity of the light rays that have transmitted through the block matrix; and a cover that shields the blocks that constitute the block matrix so that they cannot be seen from the outside, the blocks including first blocks and second blocks that have different attenuation rates of the transmitted light rays, the block matrix being capable of being freely arranged,
a reference information generating step of detecting, with the detecting unit, the intensity of the light beam when the light beam is incident on the block matrix from the light source while increasing the number of the second blocks in each of the axial directions of the block matrix, and generating reference information indicating a relationship between the number of the second blocks and the intensity of the light beam detected by the detecting unit;
an arranging step of rearranging the arrangement of the first blocks and the second blocks in the block matrix and shielding them with the cover;
a measuring step of measuring, at least once, the intensity of the light beams transmitted through the block matrix in the axial direction by detecting, with the detecting unit, the intensity of the light beams when the light beams are incident from the light source in each of the axial directions of the block matrix in a state where the block matrix is shielded by the cover;
How to use the experimental materials, including:
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 新田 英雄, 金城 啓一, 鴨川 仁, 川角 博,放射線を使って見えないものを見る,物理教育,2004年,第52巻 第4号,311-314 |
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