羽石 秀昭

Studies on cell regulation are attracting worldwide attention in order to realize regenerative medicine. Therefore, a nuclear medicine imaging method, which can use tracers having substantially the same composition as a target biomolecule, is required. Autoradiography is a high-resolution nuclear medicine imaging method. However, this method does not have a dynamical imaging capability due to the principle on which it is based. In this research, we develop a nuclear medicine imaging system for dynamic cell observation. Specifically, in order to prevent broadening of the scintillation position because of scintillation light spreading in the scintillator, β-rays are detected by a thin scintillator plate. A scientific CMOS camera with low readout noise and high resolution was used to detect scintillation light. The scintillator plate was a CsI crystal connected to an optical fiber array. The scintillation light generated from the scintillator plate was extracted through optical fibers. The imaging lenses adopted in this research were a high-speed imaging and a conversion lens.Imaging resolution was adjusted to 6.5 × 6.5 mm 2 / pixel and exposure time was 10 s. In order to evaluate the imaging performance of the proposed system, we measured samples containing a radiopharmaceutical with a prototype system. In this measurement, two different activity 18 F-solutions were used as the imaging target. They were fixed with a uniform thickness of 0.4 mm. In the imaging results, we measured different image values depending on their activities. On the other hand, in the region of no 18 F-solutions, the image value was almost constant. The output had sufficient linearity for images with activity exceeding 0.05 Bq / pixel. Imaging results showed that our system has sufficient sensitivity for imaging uptake of 18 F by single cells.

悪性神経膠腫を対象とした5-aminolevulinic acid(5-ALA)を用いた手術は、5-ALAが体内で代謝変換されて生成される蛍光物質Protoporphyrin IX(PpIX)が腫瘍に特異的に蓄積されることを利用する。手術は励起照明と通常照明を切り替えて腫瘍領域の把握と摘出を別々に行う必要があり、医師の記憶をもととした腫瘍の摘出が行われる。また、蛍光観察は医師の肉眼による主観的評価であり、蛍光強度自体にも定量性がないため、腫瘍領域の認識は曖昧なものとなっている。そこで本研究では、定量化した蛍光情報と通常像の双情報をリアルタイムに提示するシステムの構築を目標とする。励起照明と通常照明を高速に切り替え、RGBカメラで取得した各照明下画像を用いることで、通常画像上に蛍光領域を重畳した融合像を提示する。蛍光領域の抽出は、照明位置に非依存のパラメータを算出し、閾値処理により行う。試作したシステムでは、60fpsでの撮影においてリアルタイムに融合像の提示が可能であった。(著者抄録)

4D-MRIは胸腹部の3次元動態を観察することができ,様々な応用が期待されている.実用化に向けた課題のひとつとして,データ収集に約30分間要することがあげられる.本研究ではデータ収集時間の短縮を目的にk-空間でのエンコード数削減を行う.エンコード数削減により,エリアシングアーチファクトが発生する.そこで我々は少ない信号数から4次元情報を利用したスパース再構成を行った.効果確認のためにレトロスペクティブなシミュレーション実験を実行した.従来の撮影法で得られた理想画像,予め取得された4D-MRIのデータセットから3倍の高速化を想定してエンコード数削減を行った0埋め再構成像,低ランク要素とスパース要素の分離を利用したL+S再構成像を比較した.L+S再構成像ではノイズが低減し,理想画像に近い構造が確認できた.

胸腹部を対象とする高精度放射線治療は局所照射と高線量投与の両立により,呼吸動態が与えるリスクが大きくなる.呼吸動態を考慮した放射線治療計画には4次元CT画像が用いられるが,4次元CT撮像は被曝量が問題である.そこで我々は,3次元CT画像と4次元MR画像を組み合わせ, MR画像から取得した動態情報に基づいたCT画像の変形により,仮想的な4次元CT画像を生成する手法を提案する.提案手法は,剛体レジストレーションによるCTとMR座標系の変換パラメータの取得,非剛体レジストレーションによる動態情報の取得の2つの処理で構成される.本稿では,肺がん患者1例に対して提案手法を適用し,腫瘍動態の再現性を検証した.結果,上下,左右,腹背の各方向において約90%の再現度を達成した.

腹腔鏡下手術では、術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため、ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される。しかし、別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず、実空間と超音波画像の対応付けが困難である。そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し、1画面の観察で画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムを構築した。プローブ先端部は屈曲自由度を有しているため、腹腔鏡画像から屈曲角を検出する手法を用いて、腹腔鏡に対する先端部の位置姿勢情報を取得した。銅線を張ったファントムを用いたシステムの評価実験の結果、超音波画像の重畳位置精度は平均6.9pixelとなった。また腹腔鏡下で行った動物実験では、プローブ先端部の屈曲角検出率は83.1%という結果を得た。(著者抄録)

胸部放射線治療において,呼吸性変動に対応した腫瘍位置を把握することは,重要な課題である.一般に術中に撮影されるX線透視像を用いて腫瘍位置把握が行われるが,心臓や骨部に隠れて追跡が困難な場合がある.これまでに4D-CTを用いた腫瘍位置と横隔膜位置のモデル化が行われているが,4D-CTは被ばく量の増大が懸念される.そこで本研究では4D-CTの代替に4D-MRIを利用することで被ばく低減を行う.術前に撮影した4D-MRIから,腫瘍位置と横隔膜位置の関係をモデル化することで,術中画像中の横隔膜位置から腫瘍位置を推定する手法を構築した.本稿では健常者2名の気管分岐点を腫瘍と見なし,システムの有効性を確認した.その結果,術中において腫瘍の位置把握が困難な場合でも,安定呼吸時であれば0.38[mm]の精度で腫瘍の位置推定が可能であることを確認した.

4D-MRIは胸腹部の呼吸性移動の3次元動態を可視化,定量化することが可能で様々な応用が期待されている.しかし,データ収集に約30分間要するため,患者への負担が問題となっている.本研究ではデータ収集時間の短縮を目的にk-空間でのエンコード数削減を想定する.ただし,通常の画像再構成法では,k-空間でのエンコード不足により画像は劣化する.そこで劣化を抑えた再構成を実行するため,スパース構造と低ランク構造を利用したk-t SLR手法を適用する.シミュレーション実験により,長時間撮影で得られた理想画像と,エリアシングアーチファクトによる劣化を再現した0埋め再構成像,k-t SLRを利用したk-t SLR再構成像との比較を行った.k-t SLRを利用した再構成ではエリアシングアーチファクトによるノイズを削減することができた.またそれぞれのデータに対し,4D-MRI構築を実行し,その結果を評価した.

消化器系の自家移植手術を行うにあたり,切除対象となる臓器の血行状態を把握する必要がある.現在は主に臓器の変色の視認から判断している.しかし,色の違いはごくわずかである場合が多く,医師による判断基準も統一されていないため,客観的な評価ができていない.そこで本研究では,組織における酸素の需給バランスの変化の指標である組織酸素飽和度に着目した.透過光強度解析を利用して組織酸素飽和度を推定・提示することで臓器の血行状態を定量的に評価する手法の構築を目指す.まず,小型分光器とハロゲン光源を用いて透過光強度測定システムを構築し,構築したシステムを用いてブタ小腸を対象に動物実験を行った.入射光強度データと臓器の透過光強度データを収集し,吸光度を算出した.臓器モデルへと拡張したランバート・べ一ル則に基づいて,得られた吸光度データから組織酸素飽和度を推定した.ブタ小腸を対象に血行状態を評価した結果,提案手法の汎用性と血行状態の定量的評価への可能性が示唆された.

肝胆膵外科領域において,体内に形成された固形がんに対して高精度に病変部位を検出し,内視鏡等を用いて低侵襲かつ高精度に治療することが求められている.著者らは,このような消化器がんに対する高精度低侵襲手術を実現することを目指し,診断から治療までのプロセスに導入する各種の新規イメージング技術やデバイス技術の研究開発を進めている.具体的課題として,診断・事前データ収集のフェーズでは,各種断層像からの臓器のセグメンテーション,粘弾性特性や音響特性など臓器物性のイメージング技術,呼吸による臓器変形量の計測,治療計画のフェーズでは,体位や呼吸による臓器変形の予測・モデル化,手術工程解析,治療のフェーズでは,腹腔鏡画像の視野拡大や,腹腔鏡画像と超音波画像との融合による手術支援,ステレオX線透視像による術中利用技術,などの研究開発が挙げられる.本講演では,プロジェクトの体制とこれらの課題のいくつかを紹介する.

消化器系の自家移植手術を行うにあたり、切除対象となる臓器の血行状態を把握する必要がある。現在は主に目視による臓器の変色の度合いから判断している。しかし、色の違いはごくわずかである場合が多く、医師による判断基準も統一されていないため、客観的な評価ができていない。そこで本研究では、近赤外画像を利用して臓器の血行状態を定量的に評価する手法の構築を目指す。測定には狭帯域な分光画像が取得できるハイパースペクトルカメラを使用し、ブタ小腸を対象に動物実験を行った。臓器の分光反射率データを収集し、血行正常部と不良部でヘモグロビンの分光吸収特性に応じた分光反射率の違いを確認した。取得した分光反射率データと、仮想的に作成したLED光源波形を利用し、実際の手術時に撮影される仮想的な近赤外画像を作成した。作成画像で血行状態を評価した結果、血行状態を定量的に把握できる可能性が示唆された。(著者抄録)

腹腔鏡下手術では、術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため、ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される。しかし、別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず、実空間と超音波画像の対応付けが困難である。そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し、画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムを構築した。プローブ先端部は屈曲自由度を有しており、手元のダイヤル操作により角度が変化する。そこで先端部の位置姿勢を取得するため、腹腔鏡-プローブ間の位置関係と腹腔鏡画像上のプローブ形状から先端部の角度を推定する手法をシステムに統合した。これにより腹腔内に挿入される先端部にセンサやマーカを装着することなく位置姿勢を取得することが可能となった。動物実験により本システムの有効性を検証した。(著者抄録)

腹腔鏡下手術では術中に血管や病変部など臓器内部の情報を取得するため,ポートから挿入可能な超音波プローブが使用される.しかし別々のモニタに表示された腹腔鏡画像と超音波画像を同時に確認しなければならず,実空間と超音波画像の対応付けが困難である.そこで腹腔鏡画像に超音波画像をリアルタイムに重畳し,画像間の対応付けを直感的に行うことが可能となるシステムが求められている.プローブ先端部は屈曲自由度を有しているため,腹腔鏡-プローブ間の位置関係と腹腔鏡画像上のプローブ形状から先端部の角度を推定する手法を提案した.評価画像を用いた精度評価の結果,屈曲角度の平均誤差は1.1度となった.

In this study, we developed an automatic reconstruction of 4D-MRI using the intersection profile method. This method requires several number of time sequential slices in sagittal plane and functions as a navigator slice. Data slices along the anterior and posterior axis are also captured to obtain several respiratory motions. Since the navigator slice and data slices are orthogonal to each other, it is possible to reconstruct a 4D-MRI based on the intersection of the respiratory patterns found in them. The synchronization is performed by calculating normalized cross correlation (NCC) between the respiratory pattern found in the navigator slice and data slices. In this study, we reduce the time acquisition for data slices using two approaches, namely a fixed threshold and an adaptive threshold. Fixed threshold sets a threshold value and terminate the acquisition once the NCC is value over the threshold value. Adaptive threshold determines threshold value based on the NCC value from the first 100 data slices frames. We perform both approaches to build 4D-MRI of six subjects and evaluate the geometric mean and total time to obtain all data slices compared with conventional data slices acquisition (without threshold). The preliminary results to reconstruct 4D-MRI using both approaches show a significant improvement in data slices time acquisition. Fixed threshold approach was able to reduce the time acquisition by 45% on average and 47% using adaptive threshold approach. Although the geometric mean value using both approaches were lower, the visualization of 4D-MRI using conventional data acquisition, fixed threshold and adaptive threshold showed insignificant difference.

放射線医学総合研究所では、開放型PET装置「OpenPET」を提案し、PET装置と放射線治療の融合を目指している。特に、PET画像から腫瘍位置を検出することにより、呼吸性変動を伴う腫瘍に対する放射線治療を実現する、革新的なリアルタイムPETイメージングシステムの開発を進めている。試作機の段階ではあるがOpenPETから出力される画像は約2秒の遅延を伴う。そのため、呼吸性変動に追従するためには、この遅延を補正する必要がある。そこで本研究ではPET画像腫瘍トラッキングシステムのための遅延補正法の開発を行った。2秒前までの腫瘍位置の情報からだけで腫瘍位置を正確に予測することは困難であったため呼吸位相計測センサを併用することとし、呼吸位相-腫瘍位置間の回帰線を用いて予測することを行った。さらに、この回帰線の精度を寄与率および予測区間の幅を用いて評価するゲートを導入することにより回帰線の精度の良いときのみ予測を行うことで精度の向上を試みた。本手法の評価には実際に撮影したMRIから抽出した呼吸性変動と呼吸同期センサのデータに基づいて4D XCAr phantomによって作成したシミュレーション画像を用いた。その結果、平均予測誤差3mm以内で腫瘍位置の予測が可能であるとの結果が得られた。さらに、相関の乱れがゲートにより検出されることが認められ、相関の乱れによる予測誤差を回避することができることを確認した。

臨床においてはショック症状などに対し薬物治療が行われ、血流の乱れの改善、及び物質交換機能の改善が図られる。この治療効果を確認するため微小循環のモニタリングが望まれている。我々はこれらの課題に取り組むため、まずチップ型LED(Light Emitting Diode)と小型CCDカメラを組み合わせた微小循環の撮影装置を試作した。ここでは分光特性の異なる3色のチップ型LEDを配置し、異なる照明下でのバンド画像収集を可能としている。またこの装置を用いてヒトの舌下やブタ小腸の微小循環を撮影し、赤血球の流れる様子を確認した。さらに、微小循環のバンド画像を用い、画素値の大小とヘモグロビン特性との関係を利用し、血管間の酸素濃度の違いを考察した。(著者抄録)

大動脈瘤は破裂すると即,死に至るためその発生原因の究明が求められている.われわれは以前,血流の流速を実測で取得可能であるPhase Contrast Magnetic Resonance Angiography (PCMRA)を使用し,特に心拍による大動脈の変形や移動に対応できる血流動態解析法を提案した.今回は,この方法に基づき,データ数を増加し詳細な解析を行った.また,患者への適用を可能とするために,撮像時間を短縮することが可能なプロトコルの検討を行った.

革新的PET用3次元放射線検出器(X'tal cube)は,モノリシック・シンチレータ結晶とシリコン光電子増倍管(silicon photomultipliers, SiPMs)で構成される.モノリシック結晶の全表面にSiPMsを配置することで3次元的にシンチレーション光を受光する.さらに,本プロジェクトでは,シンチレータ結晶内部に外部からレーザ照射で光学的不連続点(laser-processed boundary, LPB)を導入する.これにより,シンチレータ間に存在する不感領域を低減し,消滅放射線検出感度の向上を図る.この際,相互作用位置の弁別能を最適にするためのブロック内光学特性の設計が重要である.そこで本研究では,LPBを自由に配置可能なモンテカルロシミュレータの開発を行った.まず,LPBの光学特性を実験により取得しモデル化を行い,シミュレータに組み込んだ.また,計算効率向上のためにGPU (Graphics Processing Units)を用いて光子の追跡の並列化を行った.これによりCPUのみで計算した場合と比較し,約350〜430倍の高速化を実現した.さらに,シミュレーション精度検証のために,LYSO結晶にLPBを施したプロトタイプのX'tal cubeを用いた実験と比較したところ高い類似性が認められ,本シミュレータの有効性が確認された.

ヒト手術における小腸など管腔臓器の切除と再建の際、切除対象の健常性判定が必要である。この判定は、目視下における臓器のわずかな色の違いに基づいて行われるため、医師の経験と感覚に左右されてしまう。そこで、目視診断に対する支援技術の開発が求められている。人間の視覚特性を考慮した最適な光源を照射することで注目部位の明瞭化が可能であると考えられる。そこで、本研究では血行の明瞭化を目的として、血色の違いを強調できる最適な光源を狭帯域な発光特性を持つLED光源を用いて設計する。豚の小腸を対象に臓器の分光反射率データの収集を行った。そのデータと仮想的に作成したLED光源波形と実測LED光源波形を利用し、医師の白色光源への慣れを考慮した光源の設計を行った。これにより最適な光源から通常光源よりも高い明瞭化効果を確認した。(著者抄録)

PETは撮影に時間を要するため,胸部など呼吸により大きく動く部位に対しては画像にぼけが生じ,正確な診断を妨げる恐れがある.このため,10秒程度の息止め下でデータ収集・再構成を行い,これを同一呼吸相で複数回繰り返し,得られた画像群を加算する息止め撮影法が試みられている.しかし,息止めの繰り返し精度が悪い場合には,やはりぼけが生じる.これに対し我々は以前,PET画像群に対して互いの濃度分布が一致するように非線形に変形加算する方法を提案した.しかし,特に低濃度部分においては変形量の算出に十分な根拠を持たなかった.一方,近年のPETはCT装置と一体化されているものが多く,CTで得られた解剖学的画像データをPETの減衰補正やフュージョンに用いている.今回我々は呼気および吸気の息止めで撮影したCT画像から,呼吸による局所的な変形量を推定し,この情報を利用して息止めPET画像群の変形加算を行う方法を提案する.7例のデータに対して手法を適用した結果,6例のデータで腫瘍部位のコントラストが向上した.

マルチスペクトル撮影及びスペクトルに基づく色再現技術は,自然物体に対し数バンド程度で高い精度の色再現を可能にする.この知見はCG画像生成においても有用と考えられるが,具体的な画像生成方法は明確ではなかった.本論文では,被写体の分光反射率を数バンドのVMSC(仮想マルチスペクトルカメラ)の信号として表し,仮想カメラ信号空間における反射シミュレーションにより画像生成を行う方法を提案する.提案手法を用いて画像を生成したところ,'純粋な'スペクトルに基づいて生成した画像と比較し,遜色のないレベルの高い色再現精度であった.

胸部の3次元動態を解析することは、慢性閉塞性肺疾患など呼吸機能に深くかかわる疾患の診断や治療に有用である。そこで我々は以前、MRIを用いた胸腹部の立体画像の時系列データ、すなわち4次元画像の構築法を考案した。本論文では、4次元MR画像を用いた呼吸に伴う胸部動態の解析方法として、横隔膜機能画像の生成について示す。具体的には、呼吸による動きがもっとも大きく、呼吸の特徴が顕著に現れる横隔膜に注目し、4次元MR画像から横隔膜を抽出して、横隔膜の変位量と変位スピードを可視化する手法を提案する。横隔膜表面の抽出は、はじめに時系列第1フレームの3次元画像についてマニュアルで行い、次にこの表面を正規化相互相関を用いて時系列に追跡していく。また可視化は、横隔膜の体軸方向の変位量と変位スピードを疑似カラーマップ化することによって行う。健常者、患者を含む6例のデータに適用したところ、被験者間、また部位ごとの相違を視覚的に確認することができ、その有用性が示唆された。(著者抄録)

救急医療においてはショック症状など血流の乱れをモニタリングし,治療に反映させることが望まれている.この方法として,100μm以下の血管径をもつ舌下微小循環を非侵襲的に撮影するSDF(Sidestream Dark Field)撮影法が提案されている.我々は微小循環画像の高度な解析から臨床的により有用な情報を獲得することを目指し,まず独自にこの装置を試作しており,これまでに舌下の微小血管において血液が流れる様子を確認している.本稿では装置の原理や仕様などを述べるとともに,試作過程での各種の実験結果を示す.

胸部の3次元動態を解析することは,COPDなど呼吸機能に深く関わる疾患の診断や治療に有用である.本研究では,我々が以前手法を考案しデータ収集が可能となっている胸部3次元MRIの1呼吸周期時系列画像すなわち4D-MRIを用いて,呼吸に伴う胸部の動態解析を行った.具体的には,4D-MRIから肺表面のうち特に横隔膜に対応した部分を抽出し,横隔膜面上の各点での体軸方向変位量や最下点を与える時刻などを可視化した.健常者,患者を含む9例のデータに適用し,動的な特徴を視覚的に確認することができた.

High-fidelity color imaging technology that incorporates spectrum-based color reproduction system, called "natural vision" (NV) is applied to the field experiment of telemedicine. The experiment comprises mainly two parts; 1) High-fidelity color video of open surgery was captured by the six-band multispectral camera, and the image quality was visually evaluated by medical doctors, 2) Video-based teleconsultation experiment between a regional general hospital and a clinic in an island near the hospital, was conducted with using the natural vision system. Copyright 2009 ACM.

胸部の呼吸運動は不規則であるため,現在の技術レベルで3次元時系列MR画像を直接撮像することは困難である.そこで,2次元時系列MR画像から4次元MR画像(3次元MR画像の動画)を構築する手法として交差プロファイル法を考案し,胸部4D次元MR画像の構築を試みた.さらに,疾患の診断や治療に役立てることを目標に,以前に開発した体動の非剛体変形量を推定するアルゴリズムを用いて,得られた4DMR画像から体幹部臓器の動きを追跡したり,横隔膜の呼吸性移動を解析する研究にも取り組んでいる.これらの研究について紹介する.

Motion of thoracoabdominal region due to respiration causes image blur in nuclear imaging modalities such as PET and SPECT. On the other hand, capturing or monitoring such motion provides us useful information. For example, monitoring such motion makes respiration-gated PET and SPECT possible and thus yields less- blurred images. Furthermore, motion of thoracoabdominal region due to respiration may provide us effective information on lung or liver diseases. We have developed a method for estimating lung motion from respiration-gated PET and tried to relate the motion with lung diseases. Recently we have developed a method for reconstructing a four-dimensional magnetic resonance image (4DMRI) of respiratory organ motion from time sequential images of two-dimensional (2D) MR. Those images can also used for dynamic 3D image analysis of thoracoabdominal region. Those techniques are introduced.

画像データから光源スペクトルを推定することは,カラー画像処理における重要な課題であり,その光源下における任意被写体の正確な色再現を実現することを可能にする.光源スペクトル推定の研究には長い歴史があるが,推定する光源は画像全体に対して一つと仮定している場合が多い.しかし,現実世界では光源が空間的あるいは時間的に一様とはみなせない場合があり,そのときは光源自体を画像で取得することが必要かつ有効である.従来からカメラを光源取得の方法として使う研究があるが,RGBカメラを用いているために,正確な色再現を行う上で十分であるかは分からない.そこで,本論文では,マルチスペクトルカメラにより光源スペクトルを計測/推定する方法を示し,実験により提案手法の有効性と適用限界を示す.

胸部PETにおいて得られる画像は,呼吸による体動があるためぼけてしまう.これに対し呼吸の動きをいくつかの位相に分割し,データ収集を行う呼吸同期PETが研究されている.以前我々はこの呼吸同期PETに対する吸収補正法を提案し臨床データに適用した結果,特に横隔膜付近での画像のぼけの低減に成功した.具体的にはPET/CTを想定し,呼吸同期PETのデータから各呼吸位相間の変形量を算出し,それを用いて人工的に呼吸同期CTを作成しPETの吸収補正に利用するものである.しかし,呼吸相ごとに独立に基準相からの変形量を求めているため,特にPET画像の濃度値が低い部分において時間軸方向の変形が滑らかにならない問題点があった.今回我々は各時間軸で得られた変形量を,呼吸の周期性を考慮したフーリエ級数でフイッテイング補正し,補正後の変形量を用いて呼吸同期CTを生成することを提案する.提案手法を用いることで生成した呼吸同期CTの大部分で滑らかな動きが得られた.