2011/10/12

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生体のダイナミックイメージング

羽石 秀昭

千葉大学

フロンティアメディカル工学研究開発センター

工学部メディカルシステム工学科

2011年10月7日（金）

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はじめに

臓器（器官）のイメージング

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

血流のイメージング

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

まとめ

講演内容

3

膝関節骨部の動態解析 膝の動作解析の必要性

膝関節の疾病・傷害に対して， ・正確な診断を下し， ・患者の負担を最小限に抑える治療 を施すことが重要．

患者のQOL（生活の質）を高く保つ医療

これまでの方法

連続撮影が可能なX線透視装置を用いた動作観察

連続Ｘ線透視画像

4

撮影・解析方法

３次元 静止画像

Ｘ線透視像とCT画像の組み合わせによる、3次元・動態の解析

Ｘ線透視像

ＣＴ画像

２次元・動画像

5

2D/3Dレジストレーション法

フィルタ処理

Yes

Match? No

DRR (Digitally Reconstructed Radiography)

パラメータ

更新

3次元動態情報取得

仮想X線源

エッジ強調画像

Ray-Sum法

Gaussian → Sobel

最終フレーム? Yes No

次のフレームへ

終了

3次元CT像

透視投影

方向1 方向2 方向1 方向2

運動情報取得

形状情報取得

連続X線透視像

骨部抽出 (領域拡張法)

2方向X線透視装置

6

骨部動態画像例

全フレームに対して本手法を適用し3次元動態情報を取得

3次元動態情報をもとに

サーフェスレンダリング

自然な膝関節の運動が

観察できる

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装具の評価と設計への応用

装具療法：

装具装着により痛みを軽減させる保存療法の一つ

装具により骨部の運動がどう変化したか測定不可能

研究目的： 本手法に基づく装具の効果測定法の構築

骨部運動に対する装具の特性が把握できれば，より効果的な装具の開発や

最適な装具選択，またはオーダーメード装具作成に役立つ

主な対象疾患： 変形性膝関節症

各メーカーが多種多様な装具を開発・販売

8 変形性膝関節症の重要性

高齢者における運動器の代表的疾患であり国内で1000万人の患者がいるとされている

50歳以上を対象とした，Ｘ線画像上の変形性膝関節症の有病率は，男性45％、女性66％（東京大学の2005年コホート研究）

変形性膝関節症患者とその予備軍がいかに多いか

関節症は， 要支援原因の第１位 要介護原因の第４位 （厚生労働省の2004年度国民生活調査）

介護の点でいかに重要な疾患か Zimmer のＨＰより

http://www.icg-jk.com/hide/ilm17_ac02012-s.jpg

9

撮影実験

装具 - 硬性装具

- 軟性装具

- エアー装具(試作品)

硬性装具 軟性装具 エアー装具

千葉大学大学院医学研究院倫理委員会の承認を得た後，被験者から書面にて同意を得て実施

検出器1

検出器2

X線源2 X線源1

脛当て

支持棒

X線透視撮影

10

X線透視像例

硬性装具 軟性装具

エアー装具 装具なし

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各骨間の回転・移動量の解析

A T

PT

MT L T

S T

IT

AF

PF MF

LF

SF

IF

大腿骨

脛骨

MP

LP

IP

SP

AP

PP

膝蓋骨

大腿膝蓋骨間パラメータ(F→P)

・ 回転移動パラメータ : 3

・ 平行移動パラメータ : 3

大腿脛骨間パラメータ

(F→T) ・ 回転移動パラメータ : 3

・ 平行移動パラメータ : 3

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回転移動パラメータ Internal(内旋) - 健常者

縦軸：Internal[deg], 横軸：Flexion angle[deg]

各装具解析データの最小屈曲角を0に補正

同様に最小屈曲角時の各パラメータを0に補正

-15

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-15

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-15

-10

-5

0

5

10

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 10 20 30 40 50 60 70 80

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 10 20 30 40 50 60 70 80

SUB#1 SUB#2 SUB#3

大腿脛骨間

大腿膝蓋骨間

軟性装具が脛骨の内旋量を増幅させている

No Hard Soft Air

伸展運動 ● ▲ ■ ◆

屈曲運動 ○ △ □ ◇

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13

• 3D-CT像と2方向X線透視像を用い、膝関節骨部の動態を解析する手法を確立した。

• 本手法を、装具装着時の屈曲運動の評価に応用し、現在、臨床実験を進めている。

まとめと今後の課題

まとめ

今後の課題

• 多数の臨床データから、装具装着の効果の評価を行う。

• それらのデータを装具の設計にフィードバックする。

本課題に関する外部資金、受賞等 14

外部資金

受 賞

実用化活動

共同研究

2003・2004年度 いわて産業振興センター 育成試験 2005年度 財団法人カシオ科学振興財団 第23回助成 2007年度 財団法人医科学応用研究財団 調査研究助成 2009～2010年度 JSTニーズ即応型事業

千葉大学整形外科学 アルケア株式会社

特許権利化（2010年5月）

CARS2007 Poster Award 1st Prize (Berlin) IFMIA2009 Poster Award 1st Prize (Taiwan) 2009年 Radiological Physics and Technology誌 論文賞

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はじめに

臓器（器官）のイメージング

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

血流のイメージング

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

まとめ

講演内容 16

Usefulness of respiratory organ motion and our goal

Usefulness of respiratory organ motion info

Detailed analysis of respiratory function

Relevance to lung disease such as COPD

Evaluation of respiration rehabilitation

Respiration-gated(RG-) PET and SPECT

Motion correction and summation (Ue, 2006)

Attenuation correction in RG-PET-CT and RG-SPECT-CT

Radiation therapy

Radiation therapy planning

Education

To obtain respiratory organ motion using MRI

without radiation exposure

Goal of this study

It can be used in

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2D dynamic MRI to 3D dynamic MRI

speed: 6.7f/s

2D motion picture By stacking 2D motion picture

3D motion picture (4D-MRI)

Currently, there is no MRI equipment which can

directly acquire 4D data in real time.

Combination of 2D motion MRIs is realistic.

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呼吸の不規則性

t

t

If respiration cycle were highly periodic, gated

data acquisition would produce 4D-MRI with

ease.

In reality, not periodic so much

Respiration cycle

c.f. Electrocardiogram

Motion of diaphragm

expiration

inspiration

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Basic Idea

Intersection

Navigator slice

(sagittal)

Data slices

(coronal)

Data slices

Image profile should be the same between navigator slice and data slice.

We choose a best timing from each data slice which matches navigator slice.

Subjects 20

Subject ID Clinical features Number of data

slices

H1 Healthy 20

H2 Healthy 20

H3 Healthy 23

H4 Healthy 23

P1 lung cancer(right) 25

P2 primary pulmonary

hypertension 19

P3b (before surgery)

giant bullae (right) 25

P3a (after surgery)

accumulated pleural effusion

21

P4 giant bullae(right) 23

21

Reconstruction examples

H1 H2

Imaging acquisition time : 30 min

Processing time : 15 min at least 6 times faster than a similar

work by von Siebenthal, 2007

22

Reconstruction examples (continued)

H3

23

Reconstruction examples (continued)

P3b P3a

accumulated pleural effusion

４DMRIからの横隔膜動態解析 24

y x

z

Coordinate system

x : LR

y: AP

z: SI

t: Time x

z

y

1. Extraction of diaphragm from 4D-MRI

2. Calculation of feature values at each (x, y)

3. Display of feature value images of

diaphragm motion

One respiration cycle

t

z

zmax

zmin

x y

A

Tzmin

z Amplitude image

Phase image

Tmax

Diaphragms were extracted from 4D-MRIs and the motion was analyzed.

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横隔膜動態解析例- Amplitude image - 25

A

P

R L

0mm

30mm

A

P

R L

H1 H2 H3 H4

P4 P1 P2 P3b(before) P3a(after)

Healthy volunteer

Patient

Healthy volunteer

Amplitude increases gradually from front to back.

Patient

Some patients’ motion were different from healthy volunteers.

P3: motion of left lung (non-surgery side) improved after surgery.

Result – Phase image - 26

H1 P4

Healthy volunteer Patient

Motion is synchronized over the diaphragm.

Paradoxical motion is observed.

本手法の弱点！？ 27

３０分程度の 長時間撮影

⇒ 眠ると呼吸が 不規則になる

⇒ 眠くなる

撮影時間の短縮が必要

28

Summary

We have proposed an intersection profile method for

reconstructing a 4D-MRI of thoracoabdominal region.

4D-MR images of some health volunteers and patients

were demonstrated.

As an application, motion analysis of diaphragm was

presented.

Conclusion

Future work

to apply the method to more patients and find the

clinical usefulness.

to develop a motion analysis method for not only

diaphragm but whole lung.

本課題に関する外部資金、受賞等 29

外部資金

受 賞

実用化活動

共同研究

2008 JSTシーズ発掘試験Ａ 2010～2011 科研費新学術領域「計算解剖学」公募研究

千葉大学呼吸器外科、呼吸器内科、放射線部

特許出願・国内（200８年7月） 特許出願・PCT（2009年７月）

2008年度 千葉大学オープンリサーチ 学長賞最優秀賞（桝田が受賞） 2009年 第１回呼吸機能イメージング研究会学術集会優秀演題 2009年 Medical Imaging Technology誌 論文賞 2009年度 千葉大学優秀発明賞

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はじめに

臓器（器官）のイメージング

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

血流のイメージング

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

まとめ

講演内容

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大動脈血流のMRIによる撮影と解析

近年、大動脈瘤の発生要因の早期究明が求められている

シミュレーションにおける結果・・・実際に生体内の値を測定し，検証する必要

先行研究 計算生体力学シミュレータで腎動脈分岐部を解析（本学、劉教授ら）

腎動脈分岐部

•大動脈瘤の好発部位 •乱流に伴った強い摩擦が発生

大動脈瘤 乱流, 摩擦

発生要因と推測

劉教授の好意による

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研究目的

生体内の血流動態取得方法

MRA（Magnetic Resonance Angiography） ・・・MR装置を用いて血流の強さと方向を取得

血流ベクトル

各方向に 分解したもの

前後方向 頭足方向 左右方向

3次元の血流を各方向の画像に分解

MRAで撮像

研究目的

1. 空間分解能の向上を目指し，詳細な解析を可能にする 2. シミュレーションと結果を比較し，相互検証を行う

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処理手順

3方向の血流速度画像

左右方向 頭尾方向 前後方向

血管壁抽出

形態画像

OSI : Oscillatory Shear Index算出

•メディアンフィルタ

•ROI：Region of Interestの設定

前処理

血管壁抽出

•SNAKE法

パラメータ算出

位置情報同期

（大動脈周辺部に注目）

WSS : Wall Shear Stress算出

前処理 前処理

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Wall Shear Stress (WSS)

粘性のある流体が流れるときに壁面に及ぼす摩擦力

),(

),(),(),(),(

td

tttt

r

rnrnrvrτ

r ：各点の位置ベクトル

t : 時間変数

τ ：WSSベクトル

μ ：流体の粘性係数

v ：血流の速度ベクトル

n ：血管壁に平行なベクトル

v ･ n：流体の壁面に平行な速度ベクトル

d ：動径方向距離

（血管壁付近の）血流の速度勾配が高いほど高い値

WSS

τ

d (v･n)n

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Oscillatory Shear Index：OSI

逆流、乱流がどの程度起きているかを示す指数

T : 周期

t : 時間変数

τ(r,t) : 時刻tのWSSベクトル

乱流であるほど高い値を示す

OSI

高い値 低い値

層流 乱流

dttT

dttT

rOSIT

T

0

0

),(1

),(1

12

1)(

rτ

rτ

36

結果：WSS

WSS WSS 血管概形

大動脈瘤の好発部位において，高いWSSの値を観察

腎動脈

分岐部

最大屈曲部

総腸骨動脈

分岐部上部

大動脈瘤

好発部位

血管概形

10.4 [Pa]

High

Low

0.0 [Pa]

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結果：OSI

OSI OSI 血管概形 血管概形

0.407 High

Low

大動脈瘤の好発部位において，高いOSIの値を観察

0.000

腎動脈

分岐部

最大屈曲部

総腸骨動脈

分岐部上部

大動脈瘤

好発部位

38

心臓内血流の画像化

39

まとめ・今後の課題

• まとめ –生体内の血流動態をMRAで撮像

–拍動による血管壁の位置ずれを考慮

– WSS, OSI算出

→大動脈瘤の好発部位においてそれぞれ高い値

• 今後の課題 –シミュレーションとの相互検証

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はじめに

臓器（器官）のイメージング

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

血流のイメージング

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

まとめ

講演内容

微小循環 42

細静脈←毛細血管←細動脈 救急治療のモニタリング 酸素の供給な

ど重要な物質交換の役割

血流状態の観察だけでなく、酸素濃度などの 測定が望まれる

正常な微小循環

非侵襲的に撮影できる

生体のダメージに早く 反応する

舌下微小循環の特徴

血流の乱れの様子（ショック時） 引用：www.sdfimaging.net

100μ m以下の径をもつ微小な血管領域

動脈血が静脈血に変化

Gerard J. Tortora 他 丸善株式会社 トートラ人体解剖生理学

微小循環

舌下微小循環のイメージング 43

Inceらによって提案された SDF撮影法

血管

光ファイバ ＣＣＤ

赤血球

約１mm程度

血管径： 約10～100μ m

100μ m以下の血管径をもつ 舌下微小循環を非侵襲に撮影

SDF撮影法の更なる改良 波長特性 操作性，他

画像解析から臨床的により有用な情報を獲得

本研究での取り組み

＜SDF撮影法概念図＞

血流の乱れをモニタリング 治療に反映

SDF撮影法をもとに 独自に装置を試作

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8

自作した装置の構成

装置外観 C

CD

カメラ

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白色ＬＥＤ光源

フィルタの選択

2010/7/8

① ②

500 600 700 400

λ λ 400 600 700 500

λ

[nm] 400 600 700

[％]

50

500

80

透過率 [％]

50

80

透過率

[nm]

50

80

[％] 透過率 ③

[nm]

①738 JAS Green(LEE社製) ②724 Ocean blue(LEE社製) ③TAC ベースシートフィルタ sc58

先行研究の 波長特性

緑色光より コントラストが良い

画像が暗く、 血流は見えない

血管○

血流×

血管○

血流○

血管○

血流○ 研究方針発表

45

舌下微小循環のイメージング 46

舌下微小循環のイメージング 47

本課題に関する外部資金等 48

外部資金

共同研究

附属病院救急集中治療医学織田成人教授ら

2010～2012年 文部科学省科学研究費補助金基盤C

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はじめに

臓器（器官）のイメージング

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

血流のイメージング

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

まとめ

講演内容

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生体のダイナミックイメージングに関する４つの研究開発の取り組みを紹介した。

膝関節骨部の動態解析

胸腹部の４次元MRIと動態解析

大動脈血流のMRIによる撮影と解析

舌下微小循環のイメージング

いずれの研究も最終的に実利用に供する

ことを目標に進めていく。

まとめ