2021 Fiscal Year Annual Research Report

Magnetic nanoparticle imaging using ultrasound vibration

Research Project

Project/Area Number	20H00254
Research Institution	Meiji University
Principal Investigator	石原康利明治大学, 理工学部, 専任教授 (00377219)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2025-03-31
Keywords	磁性ナノ粒子 / MPI / 画像診断 / 画像再構成 / 超音波
Outline of Annual Research Achievements	（１）粒子振動技術の検討超音波音響放射圧による粒子振動変位の評価、および、粒子分布の検出可能性を検証するために、基礎実験と実験系を模擬した有限要素モデルによる数値解析を行った。集束超音波トランスデューサの焦点領域に酸化鉄粒子ファントムを配置し、正弦波パルス（バースト波）を照射した場合の振動変位を超音波反射波の位相変化から検出した。その結果、約40 μmの振動変位が観測されたが、実験系を模擬した音響－構造連成が可能な有限要素モデルによる数値解析では、1 μm以下の振動変位しか示されなかった。今後、両者の差異・妥当性を、実験系・有限要素モデルの相互評価により明らかにし、超音波音響放射圧による粒子振動の最適条件を探索する。また、寒天内の粒子分布を超音波反射波に基づいて画像化できるかを確認するために、濃度4 %の寒天に酸化鉄粒子（濃度0.025 mol/L～0.3 mol/L）を分散させたファントムを外部から加振した場合の超音波画像を収集した。その結果、酸化鉄粒子濃度の増加に伴い画像輝度が上昇すること、また、特徴量検出に基づくマッチング画像処理により算出した粒子変位が加振に伴い増大することを明らかにしたが、この変位が濃度に対して減少する傾向が認められた。これらの理由として、集束超音波を照射することで生じるキャビテーションの影響が示唆されており、キャビテーションの状態を制御した評価が必要である。（２）画像再構成技術の検討傾斜磁場中の磁性ナノ粒子に超音波音響放射圧を照射して生じる磁化信号から位置情報を反映した特徴量を見出し、この特徴量から画像再構成を行うために、ニューラルネットワークにおける特徴量次数と学習データ数の検討を行った。その結果、7次成分程度の特徴量を利用した場合には、画像マトリクス数で決まる多数の学習データを用いても、十分な画像分解能が得られないことが示された。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 2020年度から引き続き、新型コロナ感染症拡大防止対策を種々講じる必要が生じたことに起因して、研究代表者・研究協力者が実験システム・数値解析システムを用いて作業・議論を行う時間が大幅に制限された。当初予定していた連成解析が可能な有限要素モデルの構築をほぼ終えているが、実験系との相互検証が大幅に遅れ、妥当性評価・最適な振動条件の探索を終えることができなかった。また、最終目的の達成に向けた要素技術の検討は個別に行われているが、統合的・相互的なシステム検証、および、システム制御に関するソフトウェア開発に着手できていないことから、モジュール単位のソフトウェア開発を外注する等の施策が必要になる可能性がある。
Strategy for Future Research Activity	（１）粒子振動技術の検討超音波音響放射圧を利用してファントム内の粒子を振動させられることを実験により明らかにしているが、数値解析による変位に比べて大きいことから、粒子を分散した寒天ファントム全体が音響放射圧によって振動している可能性がある。また、変位を反映した信号の検出再現性も不十分である。これらのことから、水槽内に配置したファントム位置を正確に制御する治具を作成・導入するとともに、ファントムの酸素溶存度を一定にすることで集束超音波による音場分布等の条件を一定とした粒子変位検出を行う。また、有限要素法に基づいた音響－構造連成解析モデルによる数値解析では、粒子を含む領域を簡易モデル化しているが、粒子追跡可能な有限要素モデルを構築する等、実験系との正確な比較を行うことで音響放射圧によって得られる変位を定量的に明らかにする。（２）画像再構成技術の検討磁化信号に基づく特徴量をニューラルネットワークで学習する新たな画像再構成法を提案し、音響放射圧を照射して得られる微小な磁化信号から空間分解能に優れた画像再構成が可能かを明らかにする。また、粒子が分散した領域に音響放射圧を照射して得られる超音波反射波・ドップラ波から粒子分布を反映した超音波画像化が可能かを実験的に評価する。特に、粒子に音響放射圧を照射することで生じるキャビテーション情報を活かして粒子分布を可視化できるかを確認する。（３）データ収集技術の検討音響放射圧によって振動させられた磁性ナノ粒子から磁化信号を検出するために、磁場がゼロとなる線状分布（field free line：FFL）を形成する磁場発生装置を構築する。このFFLに直交する方向から集束超音波トランスデューサによる焦点状超音波を照射し、超音波焦点領域とFFLとの相対的な空間走査を行うことで、画像再構成に必要なデータ収集を行う。