MR エラストグラフィによる 生体組織弾性率計測と 新しい MR エラストグラフィ機器の開発 沼野智一 1), 川畑義彦 2) 1) 大学院人間健康科学研究科放射線科学域 2) 高島製作所株式会社 本研究 発明に関して, 他企業との連携に支障はありません.
1. MR エラストグラフィの概要 Elastography Introduction 臨床研究で利用される MRE 2. MR エラストグラフィの方法 MRE パルスシーケンス MRE に必要な装置 3. 新しい MRE 用加振動装置の開発 振動周波数と空間分解能 開発の目的 ボールバイブレータ方式の採用 プロトタイプの試作 性能評価試験 ファントム MRE 実験 4. まとめ
tomo-: 切断 angio-: 血管の ultrasonic: 超音波 elasticity: 弾性 Elastography - 弾性率画像法 - -graphy: 画像法 tomography: 断層画像法 angiography: 血管造影法 ultrasonography: 超音波画像法 elastography: 弾性率画像法 MR Elastography
Introduction -Magnetic Resonance Elastography- 0.50% 1.00% 2.00% 1.25% 30mm 0.75% 局所的に寒天濃度の異なるファントムを作成. Wave Image μ: ずれ弾性率 (Elastogramの画素値) ρ: 密度 人体を水と近似して1g/cm 3 λ: 振動波の波長 Wave Imageの波長を計測 f: 振動波の周波数 既知である Elastogram
Fig. 4 39-year-old man with hepatic adenoma. A, T2-weighted MR image (A) shows hyperintense 8-cm adenoma (arrow) in right lobe of liver. B, Gadolinium-enhanced 3D spoiled gradient-recalled echo MR image shows intense arterial phase enhancement (arrow). Washout was evident in portal venous phase (not shown). C, Axial MR elastographic wave image shows good illumination of tumor (circle). Waves in tumor have slightly longer wavelength than those in surrounding normal liver parenchyma. D, Elastogram with region of interest corresponding to tumor shows shear stiffness value of tumor is 3.1 kpa and of surrounding liver is 2.4 kpa. MR Elastography of LiverTumors: Preliminary Results AJR 190:1534 1540 (2008)
本学での実施例 - 50Hz 腰部加振 - [kpa] この volunteer-study は ( 公 ) 健康福祉学部研究安全倫理委員会の承認 ( 受理番号 10085) を得ている.
本学での実施例 - 75Hz 肩部加振 - 棘上筋 [kpa] この volunteer-study は ( 公 ) 健康福祉学部研究安全倫理委員会の承認 ( 受理番号 13001) を得ている.
MRE パルスシーケンス 微小変位検出用傾斜磁場 Motion Sensitizing Gradient: MSG 極性が逆で大きさが同じ 2 つのローブをもつ双極傾斜磁場 振動周期と同じ周期で印加すると最も効果が高い 振動周期との同期が計れている場合,MSG の印加回数と共に効果増大 MSG の強度共に効果増大
MRE に必要な装置 - MRI system - Achieva 3.0T (Philips) 制御用コンソール 各種電源 制御装置 3.0T 超伝導マグネット
MRE に必要な装置 - 加振動装置 - 加振用パワーアンプ XTi 1000 (AMCRON) LabVIEW8.6, DAQ M-series USB-6221(National Instruments) 加振用音圧発生器 Subwoofer TIT320C-4 12 (Dayton) 自作振動 Pad
実験装置構成 Control room Magnet room Electronic circuit connection Technical room
振動周波数と空間分解能 Magnitude Elastogram 100Hz 200Hz [kpa]
開発の目的 音圧式加振器の利点と欠点 利点 振動の周波数, 位相などを容易に制御できる 構造がシンプルで扱いやすい 欠点 加振周波数によっては十分な振幅が取れない場合がある ( 加振周波数は MRE の空間分解能を左右する重要な因子 ) 加振源と振動部が離れている エネルギー効率が良いとはいえない ( 音圧レベル90[dB/W m] で1%) 音圧式加振器の欠点を補う MRI 対応加振動装置として (MRE のさらなる空間分解能向上を目指して ) ボールバイブレータ (air-vibrator) を利用した新しい加振動装置を開発し,MR Elastogram を得る.
ボールバイブレータ方式の採用 光ファイバセンサ 4ch の光ファイバセンサによって 4 つの振動位相検出する. 各センサの配置はリング円周上で, リング中心に点対象, かつそれぞれのセンサがなす角度が 90 o 圧縮空気の流れ 複数の加振位相 (0, π/2, π, 3π/2) で同期が可能 国内特許 ( 第 5376593 号 ) PCT 国際出願中 (PCT/JP2010/004037)
ボールバイブレータ方式の採用 W r F: 加振力 (kgf) N: 回転数 (rpm) W: ボールの重量 (kg) r: 回転中心からボール重心までの距離 (m) g: 重力加速度 (9.8m/sec 2 ) 回転数は圧縮空気流量で可変 ボールの種類を変えることで重量と回転半径を可変
プロトタイプの試作 サイレンサー コンプレッサ 0.75LE-10.2S ( 日立産機システム ) 圧縮空気の生成 ミストセパレータレギュレータ AWM20-02-BCE (SMC) 精密レギュレータ IR2020-02BG (SMC) サーマルマスフローメータ TF-901S-101-P04 ( 東京計装 ) 流量の調整と流量計測 バイブレータ本体内臓 ball 5/16 PEEK ( 高島製作所 ) 対象の直接加振 特許第 5376593 号, U.S. Patent No.13/133,527, Europe Patent 10828032.2 Magnetic Resonance Elastography using an air ball-actuator. Magn. Reson. Imaging 2013 31:939-46
プロトタイプの試作 compressed air voltage 流量 MRI system TTL 1ch optical fiber 回転数 4ch LabVIEW, USB-6221 (NATIONAL INSTRUMENTS) TTL 4ch 回転数計 TTL 発生器 TTL 選択器 ( 高島製作所 )
性能評価試験 圧縮空気流量と振動周波数の関係 ボール回転数と振動周波数の関係 変位量と振動周波数の関係 ボールの直径, 重量が異なるものを数種類用意し, それぞれ検討した. 2.5kg 寒天 (1%) の負荷がかかっている状態で性能評価する レーザー変位計 LK-G35, LK-GD500 ( キーエンス )
性能評価試験
ファントム MRE 実験 - 動物実験用 MRI 装置による実施 - 4ch select ch console electronics MRI system Bio Spec 20/30 system (BRUKER) 2.0T magnet
ファントム MRE 実験 - 動物実験用 MRI 装置による実施 - Phantom1 Magnitude image Elastogram [kpa] Phantom2 Magnitude image Elastogram [kpa]
まとめ - 従来技術と新技術の比較 - 従来技術 : 音圧式 スピーカ 振動 pad 新技術 : ボールバイブレータ式 音圧 5 メートルほど 周波数の上昇と共に加振量低下 周波数に依存することなく一定 振動発生源と pad が離れている 振動部分が直接的に対象を加振 高い周波数での加振量を担保するために装置が大型化 音圧式に比べると小型 周波数, 位相のコントロールが容易 (MRI に対して加振器が同調できる ) 周波数のコントロールが音圧式に比べて難しい ( 加振器に MRI が同調する必要がある )
まとめ - 実用化に向けた課題と応用先 - 課題 臨床用 MRI 装置での応用を想定した場合, MRI 製造メーカの協力が不可欠 本手法による加振はボールバイブレータの振動に MRI が追従する必要があり, 臨床機は標準でそのような機能を有していない. 商用ベースで MRE を実施する場合,MRE 理論の特許技術利用のライセンスが必要. 応用先 ( 画像診断技術分野以外で ) ゲル状物質の弾性率計測 食品の歯ごたえ( 硬さ ) の定量的評価 媒質内部を伝播する波の可視化 ( 計算機シミュレーションとの整合性確認 )
まとめ - 特許情報 問い合わせ先 - 国内 磁気共鳴エラストグラム (MRE) の作成方法及び作成装置, 並びに磁気共鳴エラストグラム (MRE) 作成用のボールバイブレータ 特許番号 : 第 5376593 号出願番号 : 特願 2009-256251 公開番号 : 特開 2011-098158 発明者 : 沼野智一, 川畑義彦特許権者 : 公立大学法人, 高島製作所株式会社 国外 METHOD FOR PRODUCTING A MAGNETIC RESONANCE ELASTOGRAM (MRE), DEVICE FOR PRODUCING THE SAME, AND BALL VIBRATOR FOR PRODUCING THE SAME U.S. Patent Application: No.13/133,527 Europe Patent Application: 10828032.2 Inventors : Tomokazu NUMANO, Yoshihiko KAWABATA Patent Owner: Tokyo Metropolitan University 大学院人間健康科学研究科放射線科学域准教授沼野智一 t-numano@tmu.ac.jp 116-8551 東京都荒川区東尾久 7-2-10 荒川キャンパス校舎棟 519 室 03-3819-1211 内線 464