拡散MRI解析における形態情報に基づく統合前処理手法の開発

Research Project

Project/Area Number	23K07187
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 52040:Radiological sciences-related
Research Institution	Hokkaido University of Science
Principal Investigator	熊澤誠志北海道科学大学, 保健医療学部, 教授 (50363354)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	吉浦敬鹿児島大学, 医歯学域医学系, 教授 (40322747)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000) Fiscal Year 2026: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000) Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords	拡散MRI / EPI / 磁場不均一 / 幾何学的歪 / MRI / 拡散 / 画像歪み補正
Outline of Research at the Start	本研究では従来手法のような追加撮像データを必要としない，形態画像情報に基づく拡散MRI画像解析の新たな前処理手法の開発を行う。本研究で提案する手法の基本的な考え方は，MRI信号収集過程で生じる画像の歪みをトレースし，その逆問題を設定するものである。拡散MRI撮像過程をシミュレートし，磁化率効果歪み，渦電流起因歪みを再現し，この逆問題を解くモデルを構築する。従来のMRI画像再構成での逆問題モデルでは正則化項として「滑らかさ」に関する情報を用いているが，本研究では「形態情報」をモデルに組み込むことで，歪み補正アルゴリズムを構築するものである。
Outline of Annual Research Achievements	本研究では頭部領域を対象とした拡散MRI解析において，従来手法のような解析対象の拡散MRI画像データセットの他に追加撮像データを必要としない，形態画像情報に基づく拡散MRI画像解析の新たな前処理手法の開発を行うことを目的としている．拡散MRIは非侵襲的に生体組織の微細構造に関する情報が得られ，特に脳の機能と構造の解析，脳内ネットワークの可視化に用いられている．拡散MRI画像では高速撮像法であるEcho planar imaging (EPI) 法が用いられるが，EPIで撮像された画像には，組織間の磁化率差に起因した磁場不均一による磁化率効果歪みが生じる問題がある．これらの歪みによりT1強調画像の形態情報との比較解析の際に拡散MRI画像と空間的に一致しないため，拡散MRI解析の前処理としてこれらの歪み補正手法が提案されている．従来手法では解析対象の拡散MRI画像データセットの他に，補正用に位相エンコード方向を反転させて追加撮像した拡散MRI画像データセットを必要としている．このため撮像時間は2倍となり被験者の動きが新たな問題となり，さらにこの動き補正処理を必要としている．これに対して本研究では，拡散MRI画像解析に用いられるT1強調画像の形態画像情報に基づく磁場不均一分布推定手法の開発を行った. 拡散MRI画像における幾何学的歪みを補正した画像と磁場不均一分布を位置変位マップとして結合推定する手法を考案し，Human Connectome Project (HCP) で提供されている拡散MRI画像データに適用した.従来手法であるTOPUP法と提案手法の比較を行い，TOPUP法の半分の撮像時間と画像データ量で済む提案手法がTOPUP法より良好な結果が得られることを示した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason これまでの研究期間において研究実施計画書に記載したアルゴリズムを実装し，これまでに申請者が提案した手法をシミュレーションデータに適用し，提案手法の精度評価を行った．さらに公開されている拡散MRIのデータベースに対して提案手法を適用した．また先行研究の手法との比較評価を行った．
Strategy for Future Research Activity	提案手法を拡散MRI画像での磁化率効果歪みに加え渦電流起因歪みの補正を可能とするように拡張・改良するために,渦電流起因歪みを組み込んだ拡散MRIシミュレータの開発を行う.具体的にはこれまで開発した磁化率効果歪みのシミュレーションおよび拡散MRIシミュレータの改良・拡張を行う．