2022 Fiscal Year Research-status Report

Experimental study of MRI phantom focused on the cerebrospinal fluid flow

Research Project

Project/Area Number	20K12636
Research Institution	Tsuyama National College of Technology
Principal Investigator	細谷和範津山工業高等専門学校, 総合理工学科, 教授 (60509107)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	竹内一裕独立行政法人国立病院機構岡山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構岡山医療センター(臨床研究部), 整形外科医長 (30304306) 小野敦川崎医療福祉大学, 医療技術学部, 教授 (20804743)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	MRI / 流動ファントム / 脳脊髄液 / 流れの可視化 / 数値シミュレーション / AI / 機械学習
Outline of Annual Research Achievements	本年度は，前年度に製作したCSFファントムに，脊髄疾患を想定した圧迫を与え，ファントム内を過ぎる水塊の挙動を誘起蛍光剤と時間分解撮像が可能なMRIにより可視化した．併せて，ボランティア（成人男性）のMRI画像を用い，ファントムが作り出す流れの評価を行った．また，MRI画像に基づく機械学習により流れの推論が可能かどうか調べ，ここまでの成果を学会等で報告した．実験に使用したCSFファントムは，二重円管構造のシリコンチューブ製で，内部は水道水で満たされている．ファントムは空圧ベローズアクチュエーターにより周期的に加減圧される樹脂製の水タンクに接続され，4秒周期の往復流を発生する．実験では，ファントムをヒトの背骨の湾曲に合わせた型に収め，椎間板ヘルニアやすべり症などの脊髄疾患を想定した圧迫を与えた．流れ場の観察には，誘起蛍光剤（フルオレセイン溶液）による可視化手法と，タグ水塊の移動を時間分解撮像することができる2D Time SLIP法によるMRI撮像が用いられた．はじめに，MRIを用いてファントム内を過ぎる水塊の動きとボランティアによるヒトのCSFの動きを比較したところ，ファントムが作り出す流れはヒトと同様に，上流部において数センチメートルの往復運動が生じ，末端部では殆ど動かない様子が観察された．続いて，ファントムに外部から脊髄疾患を想定した圧迫を与え，誘起蛍光剤を用いて圧迫部を過ぎる流れの特徴や水塊混合の様子を観察したところ，閉塞部を迂回する往復移動の様子が観察されたほか，圧迫に伴い水塊混合が弱まる様子が観察された．以上の流れの特徴は2DのMRIでは明瞭に捉えることができなかったが，閉塞部を過ぎる流れ場におけるMRI画像の描写特性を把握することができた．一方，機械学習による圧迫部を過ぎる水塊画像から，圧迫の程度や流速分布を推論することは困難であった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本年度も新型コロナウイルスの感染拡大の影響により，実験室での活動や病院でのMRI撮像が制限されたが，初年度に製作したCSFファントムを用いて，内部を通過する水塊の流動をMRIにより撮像し，圧迫を与えた際の流動を可視化することができた．さらにボランティアによるヒトのCSFの流動との比較を行うことができた．一方で，二年目に実施した機械学習による流れの推論は進展せず，国内学会等で成果を報告したものの，論文による報告が達成できなかった．
Strategy for Future Research Activity	３年目までに得た成果を学会等で報告するとともに，十分な結果が得られなかった機械学習によるファントム内を過ぎる流れの推論について，さらなる実験を行う．機械学習による流れの推論は非常に難しい課題であるが，Time-SLIP法によるMRIは移動水塊をグレースケールの濃淡画像として出力するため，流れの特性が比較的少ない情報量に収めれている可能性がある．ファントムによる水塊画像と流速分布や圧力等と紐付けすることができれば，疾患を有するヒトへの応用が期待できる．
Causes of Carryover	新型コロナウイルス感染拡大に伴い，学会等がオンライン開催となったため，旅費使用計画に変更が生じた．また，論文投稿の遅れから論文掲載料の予算に変更が生じた．次年度は機械学習にかかる実験のウエイトを増やすとともに，論文化を急ぎ，研究目標を達成したい．