2016 Fiscal Year Research-status Report
ダイナミックファントムによる高密度プローブ拡散光イメージング法の実証実験
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16K01373
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
岡田 英史 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (40221840)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ダイナミックファントム / 光脳機能イメージング装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、近赤外光を用いた脳機能イメージングの評価を行うための、新たなダイナミックファントムを開発し、これまでシミュレーションで確認してきた高密度プローブ配置や画像再構成法について実測に基づいた検証を行うことを目的としている。
初年度は、新たに購入した光イメージング脳機能測定装置によって既存の液体ファントムを対象とした測定を行い、得られた吸収体画像の傾向がこれまで行ってきたシミュレーションと一致することを確認した。さらに、通常の照射－受光プローブ間隔に加えて、皮膚などの表層組織における血液量変化を検出する狭い間隔の照射－受光プローブを用いた場合の受光光量を測定した。このことで、複数間隔の照射－受光プローブを併用して測定を行うさいの条件設定や測定限界を明らかにした。
狭い間隔の照射－受光プローブを用いて表層組織における血液量変化に起因する吸収変化を捉えることで、脳機能の測定に用いる照射－受光プローブで検出される信号に重畳した表層組織の影響を除去する手法を評価するためのダイナミックファントムのプロトタイプを設計し、試作を行った。このファントムは、表層組織と脳組織において独立して局所的な吸収変化を発生させることを実現したもので、測定の再現性を向上させるために全ての要素を固体材料で構成した。光イメージング脳機能測定装置を用いて、試作したファントムにおける表層組織と脳組織の局所的な吸収変化を、異なる照射－受光プローブ間隔で測定した。照射－受光プローブに対する吸収体の位置と、異なる間隔の照射－受光プローブで検出される信号強度との関係は、ファントム設計のために行ったシミュレーションの結果と一致しており、所望の性能を有するダイナミックファントムが製作できることが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
新規に購入した光イメージング脳機能測定装置によって、一般に用いられている照射－受光プローブ間隔に加えて、狭い間隔の照射－受光プローブを併用して測定を行うことに関しては、装置メーカーからの技術協力が得られたこともあり、プローブ間隔が30 mmと15 mmの併用については、15 mm用の照射プローブに適切なNDフィルタを装着することで、問題なくファントム計測が行えることが確認された。一方、さらなる高密度配置を実現するために、3つの異なる間隔の照射－受光プローブを用いた場合、検出器のダイナミックレンジを超過してしまうことが明らかになった。この点は、装置の受光形式から想定されていた事項であり、測定を分割して行うことで対応することとした。また、これに伴い、ダイナミックファントムには、より高い再現性が求められることになる。
本課題の中心となる、光脳機能イメージングの評価を行うために新たなダイナミックファントムを作製することについては、表層組織と脳組織に対応する部分で局所的に吸収変化を生じさせる基本構造の妥当性を検証するために、市販のポリアセタール樹脂を主材料としたプロトタイプを設計、製作した。このファントムは5層で構成され、第1層（頭皮1）、第3層（頭蓋骨）、第5層（脳白質）が固定層で、第2層（頭皮2）と第4層（脳灰白質）にはエポキシ樹脂で作成した吸収体が埋め込まれ、これらの2層は手動の光学ステージを用いて平行移動することで吸収体の位置を変化できる構造になっている。第2層と第4層の吸収体を 5 mmきざみで前後左右に移動させ、照射－受光プローブ間隔 30 mmと 15 mmで検出される信号を測定したところ、設計に用いたシミュレーションで得られた結果と一致することが確認でき、ダイナミックファントム作製は計画通りに進捗した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、28年度の進捗状況を踏まえ、高密度プローブ配置による光脳機能イメージングの評価を行うためのダイナミックファントムの設計・製作を行う。プロトタイプのファントムでは、製作を容易にするため、全ての層について主材料は市販のポリアセタール樹脂を使用していた。ポリアセタール樹脂は吸収がほとんどないため、実際の生体組織と吸収係数が大きく異なっており、また、組織間の散乱係数の差異についても考慮できていない。新たなファントムでは、エポキシ樹脂に酸化チタンと吸収物質を混入して固形化することで、頭皮、頭蓋骨、脳灰白質、脳白質の各組織と散乱係数、吸収係数を一致させた材料を自作する。このことで、ヒトの頭部組織における光伝播に近い結果が得られるファントムを実現する。また、本課題で使用する光イメージング脳機能測定装置では高密度プローブ配置による同時計測が行えないことから、繰り返し測定によって高密度配置を擬似的に実現する方法をとるため、ダイナミックファントムには高い位置再現性が求められる。このことに伴い、吸収体の位置制御方法を、現在の手動ステージから、自動ステージに変更する。さらに、光イメージング脳機能測定装置を外部トリガ入力機能によって自動ステージコントローラと接続し、イメージングに用いる全ての照射－受光プローブの測定を自動化できるように改良する。
高密度プローブ配置によるイメージングに関しては、新たに製作するファントムの光学特性値を用いて光伝播解析の再計算を行い、ファントム実験で実現可能なプローブ配置に基づいたイメージングについてシミュレーションを行うことで、実証実験で比較する高密度プローブ配置および画像再構成法に関する検討を進める。
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