2015 Fiscal Year Annual Research Report
高分解能放射光造影CTによる肺３次元ミクロ病態の解明
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25240047
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
仁木 登 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 教授 (80116847)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河田 佳樹 徳島大学, ソシオテクノサイエンス研究部, 准教授 (70274264)
梅谷 啓二 公益財団法人高輝度光科学研究センター, 利用研究促進部門, 主幹研究員 (50344396)
中野 恭幸 滋賀医科大学, 医学部, 准教授 (00362377)
花岡 淳 滋賀医科大学, 医学部, 講師 (00452243)
村田 喜代史 滋賀医科大学, 医学部, 教授 (20127038)
伊藤 春海 福井大学, 高エネルギー医学研究センター, 特命教授 (40026943)
阪井 宏彰 京都大学, 医学(系)研究科(研究院), 非常勤講師 (50362489)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 肺3次元ミクロ形態 / 肺胞毛細血管 / 3次元ミクロ病態（肺がん・COPD・間質性肺炎） / 放射光マイクロCT / 薄型蛍光板と拡大光学系 / 大容量3次元画像解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
慢性閉塞性肺疾患，間質性肺炎，肺がんなどの疾患の3次元ミクロ病態の解明は未知の分野である．肺末梢構造の観察は病理学において視野範囲(FOV)の制限された組織スライス画像を用いて実施されているが，この30-40年間で格段の進歩がないと言われている．ここでは，放射光CTの検出器を高性能化(目標値：空間分解能3μm，FOV50mm)し，ヒト肺標本の血管系（細血管・毛細血管(内径10μm)）にナノ粒子造影剤（ハイドロキシアパタイトナノ粒子等）を注入して正常標本や疾患の進展度別標本をイメージングし，これらの3次元ミクロ形態画像(2-3TB／標本)から肺の基本単位である肺2次小葉(大きさ10-30mm)を中心にして正常形態や病態の発生・進展過程をコンピュータ解析をする．研究計画は1．放射光CT検出器の高性能化の研究開発（最終目標は受光面サイズ横36mm×縦24mmで画素サイズ3μmのX線検出器を開発し，オフセットCTスキャンにより視野を拡大し横視野50mmの画像を撮影する）2．ナノ粒子造影剤を用いた伸展固定肺標本作製法の開発，3．大容量3次元ミクロ画像データベースの構築，4．3次元ミクロ形態の画像解析の技術基盤の構築，5．3次元ミクロ形態の解明からなる．データベース構築は協力医療機関の倫理審査委員会の承認を得て推進させた．本年度は，放射光CT検出器に薄型蛍光板と拡大光学系を導入した高分解能化の開発を進め，血管造影のためのナノ粒子造影剤を用いた標本作製実験，非実質構造（肺血管，気管支・肺血管周囲組織，小葉間隔壁，肺胸膜）構造の3次元ミクロ形態解析法の開発を行った．
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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
本年度の主要な成果は次の通り．
・大容量3次元ミクロ画像データベース構築に向け，協力医療機関の倫理審査委員会の承認を得て標本作製法の開発を継続して推進させた．
・現在までに開発中の撮影系は，高効率な散乱抑制をもたらす材質を採用した薄型蛍光板（厚さ6μ）と36M画素X線検出器（35.9 mm ×24.0mm [7360×4912素子]，画素サイズ：4.88 μm）からなる．この撮影系を用い，ヒト正常肺標本の3次元再構成画像（視野40 mm×40 mm×15 mm・13,371×13,371× 4,912画素（3.3 TB）・画素サイズ3 μm）の計測を実現した．
・毛細血管撮影のためのナノ粒子造影剤として金ナノ粒子，バリウムナノ粒子造影剤（電子顕微鏡計測径：数百ナノm)を用いて費用対造影効果に優れる試薬評価実験を行い，均一なナノ粒子径を有する臨床用造影剤を用いた標本作製法の開発を進めた．
・ガス交換をつかさどる肺実質構造（肺胞，肺胞道，肺胞嚢，肺胞隔壁などの組織と空気から構成）と非実質構造（肺血管，気管支・肺血管周囲組織，小葉間隔壁，肺胸膜）の空間配置，肺細血管に繋がる肺細血管（細静脈，細動脈: 径100μm未満）の空間位置に注目した血管走行追跡法を開発し，肺ミクロ3次元形態を明らかにした．
本研究「高分解能放射光造影CTによる肺３次元ミクロ病態の解明」に関する平成27年度の研究成果は、招待講演1件、解説論文1件、国際学会発表4件、国内学会発表5件、受賞1件である．放射光CT検出器の高性能化は空間分解能4.2μmを実現し，この撮影系による高精度肺ミクロ構造のイメージングに期待が持たれる結果を得ており，申請時の計画通り概ね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は，(1) 放射光CT検出器の高性能化の研究開発，(2) ナノ粒子造影剤を用いた伸展固定肺標本作製法の開発，(3) 大容量3次元ミクロ画像データベースの構築，(4) 3次元ミクロ形態解析の技術基盤の構築，(5) 3次元ミクロ形態の解明からなり，現在まで計画通り概ね順調に進展している．今後の研究の推進方策は次の通りである．
(1) 最終目標は，受光面サイズ横36mm×縦24mm，画素サイズ3μmのX線検出器を開発し，オフセットCTスキャンにより視野を拡大し視野幅50mmの画像を撮影することである．昨年度は，薄膜蛍光板による36M画素X線検出器の開発と撮影系に拡大光学レンズを組み込んだ撮影系を用いたヒト肺標本撮影を可能にした．最終年度は50M画素X線検出器を搭載した撮影系の高精度化に取り組む．
(2)，(3)肺標本作製及び病態情報の提供のために研究協力者としてCleveland Clinic (米国）Clinical Associate岡本俊宏先生に加わっていただき，大容量3次元ミクロ画像データベースの構築を加速させる．Cleveland Clinic Institutional Review Board(IRB)の承認は得ており，所定の手続きに従って肺標本を収集し管理する．
(4), (5) 肺3次元ミクロ形態の空間配置として細気管支・肺胞道の分岐様式，肺胞の分布様式，肺細血管ネットワーク，肺胞毛細血管ネットワークの抽出法の精度評価を行い高精度化を行い，病変の場と進展様式の再現性のある解析法の研究開発し，その有用性を評価する．
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Research Products
(10 results)
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[Presentation] Microstructure analysis of the pulmonary acinus by a synchrotron radiation CT2016
Author(s)
K.Minami, K.Maeda, Y.Kawata, N.Niki, K.Umetani, Y.Nakano, H.Sakai, H.Ohmatsu, H.Itoh
Organizer
Proc. SPIE Medical Imaging
Place of Presentation
Town & Country Resort and Convention Center (San Diego, California, USA)
Year and Date
2016-02-27 – 2016-03-03
Int'l Joint Research
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[Presentation] Lung 3D micro analysis using synchrotron radiation CT2016
Author(s)
N.Niki
Organizer
1st Asia Oceania Workshop of Pulmonary Functional Imaging combined with 8th Japanese Society of Pulmonary Functional Imaging
Place of Presentation
Awaji Yumebutai International Conference Center (Awaji City, Hyogo, Japan)
Year and Date
2016-01-29 – 2016-01-31
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Analysis of the microstructure of the secondary pulmonary lobules by a synchrotron radiation CT2016
Author(s)
K.Minami, K.Maeda, Y.Kawata, N.Niki, K.Umetani, Y.Nakano, H.Sakai, H.Ohmatsu, H.Itoh
Organizer
1st Asia Oceania Workshop of Pulmonary Functional Imaging combined with 8th Japanese Society of Pulmonary Functional Imaging
Place of Presentation
Awaji Yumebutai International Conference Center (Awaji City, Hyogo, Japan)
Year and Date
2016-01-29 – 2016-01-31
Int'l Joint Research
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