2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of high accuracy volume measurement system for human brain using MRI phantom
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18K15599
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| Research Institution | Iwate Medical University |
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Principal Investigator |
山下 典生 岩手医科大学, 医歯薬総合研究所, 講師 (90628455)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | MRI / ファントム / 歪み補正 / 信号むら補正 / 脳体積解析 / 認知症 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は「1. ファントム画像を用いた3次元T1強調画像の幾何歪み・信号むら同時補正手法の確立」、「2. ヒトを対象とした複数の静磁場強度（0.4－7テスラ）のMR装置を用いた補正効果の実証」、「3. 補正プログラムの開発とウェブ上での無償公開」を実施することによってMRIを用いた高精度で再現性の高い脳体積解析のシステムを確立し、認知症を中心とした精神・神経疾患の早期・鑑別診断や縦断解析、今後の脳画像研究に大きく貢献する事を目的としている。
現在1と3に関連して、ファントム解析・補正プログラムの改良を順調に進めている。1.5テスラ以上の高磁場装置に比べて解像度の低い0.4テスラ低磁場装置では、補正処理のための基準構造物の自動検出の精度が他の装置に比べて低い事が分かっていたが、本年度の研究開発によって新たに探索領域と閾値処理の最適化を行い、検出精度と頑健性を向上させた。また、安定して質の高い画像を得るためにハードウェア（ファントム本体）に対してパリレンによるコーティング加工と超音波処理を行い、画像品質低下の原因となる内溶液中の気泡の発生を低減させる事に成功した。これらの成果により、データ取得から解析までの一連の系のさらなる精度、安定性が向上した。
2と関連して、3テスラ装置を2台使用し、補正処理前後の画像に対して代表的な脳体積解析手法であるFreeSurferを用いて局所脳体積を自動で測定し、機種間差について検討した。補正前には全68領域中28領域で有意差がみられたが、幾何歪み・信号むらの同時補正後には8領域まで減少する事を確かめた。本成果は第47回日本磁気共鳴医学会大会にて発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
ファントム解析・補正プログラムの改良・機能追加については昨年度に引き続き順調に進んでいる。0.4テスラ装置では脳体積解析に必要な信号雑音比を得るためボクセルサイズを1.8mmと高磁場装置に比して大きくしているが、そのために解像度が下がり、基準構造物の検出精度が低下していた。これに対応するため構造物探索のための小領域のサイズと閾値処理を最適化し、検出精度を向上させた。また、経年変化によりファントム内部の溶液中に気泡が発生する現象が起きているため、今後安定して使用できるようにファントム自体の追加工（パリレンコーティング＋超音波による気泡除去）を行い、画像品質の低下の要因となる内溶液中の気泡の発生を低減させる事に成功した。これらの成果により、データ取得から解析に至る一連の系のさらなる精度、安定性が向上し、補正処理がより実用性の高いものとなった。
本補正手法の効果実証の一環として、3テスラ装置2台を使用してボランティア10名の撮像を行い、代表的な脳体積解析手法の一つであるFreeSurferを用いて局所脳体積の機種間差について検討した。その結果、補正前には全68領域中28領域で機種間に有意な差があったが、幾何歪みと信号むらの同時補正後に20領域減少して8領域となる事が確認できた。本成果は第47回日本磁気共鳴医学会大会にて発表した。2020年度は引き続きボランティアと、現在組み入れが遅れている認知症患者のデータ取得と解析を進める予定としている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ファントム解析・補正プログラムの改良・機能追加が順調に進んでいるため、これを継続する。特に、今年度のハードウェアの改良で低減させたものの、内溶液中に気泡が混入すると磁化率アーチファクトにより大きな範囲で強い信号値の低下が起こるため、画像処理の堅牢性を高める処理を加えてこれに対応する予定としている。また、被験者の組み入れが若干遅れている補正効果の実証のための「2. ヒトを対象とした複数の静磁場強度（0.4－7テスラ）のMR装置を用いた補正効果の実証」を推し進める。引き続き補正前後の画像を用いてVoxel-based morphometryや自動ROI解析等の代表的な脳体積解析を行い、ファントムによるヒト画像の補正が脳体積定量値のばらつきを低減させる事を実証する。最終的に完成した補正プログラムはGUI型インターフェースを追加してマニュアルを整備した上で、ウェブ上に公開する。
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| Causes of Carryover |
測定精度向上のため初年度（2018年度）に購入を予定していたファントムの改良を待ち、支払いが2019年度となった。そのため解析用に購入を予定していた行列演算ソフトウェア（MATLAB）と統計解析ソフトウェア（SPSS）の購入を2020年度に繰り越し、代わりに大規模計算に備え解析用ワークステーションの性能、保存容量を上げた（計上額70万円⇒使用額90万2662円）。また、研究打合せ、学会参加により国内旅費、その他の当初の計上額8万864円との差額が発生し、合計13万5085円の残となった。本残額分は2020年度に解析用ソフトウェアを購入する予定としている。
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