Experimental study of MRI phantom focused on the cerebrospinal fluid flow

脑脊液流动MRI体模的实验研究

• 批准号: 20K12636
• 负责人: 細谷 和範
• 金额: $ 2.83万
• 依托单位: Tsuyama National College of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20K12636/
• 关键词: 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; 粒子画像流速測定法; 時間分解撮像; 摂動流; ファントム

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．

今年，我们对上一年生产的CSF幻影进行了压缩，以假设脊髓疾病，并使用荧光剂和MRI观察了水质量的行为，可用于捕获时间分辨的成像。此外，使用志愿者（成年男性）的MRI图像来评估幻影产生的流量。我们还研究了基于MRI图像的机器学习是否可以进行流动推理，并在学术会议上报告了结果。实验中使用的CSF幻影是由带有双圆管结构的硅管制成的，内部充满了自来水。幻影连接到树脂水箱，该树脂水箱通过气动的波纹管执行器周期性调节和减压，并在4秒循环中产生回报流。在实验中，将幻影置于与人脊柱曲率相匹配的形状中，并将压缩应用于脊髓疾病，例如椎间盘突出和湿滑。为了观察流场，使用诱导的荧光剂（荧光素溶液）和MRI成像使用2D时间滑移方法进行可视化，从而允许对标记的水质量运动进行时间分辨成像。首先，当将水质量超过幻影的运动与志愿者在人类中的脑脊液中运动时，观察到幻影产生的流动发生在上游部分，上游部分的往复运动在上部的往复运动，并且最终很难移动。接下来，将压缩物应用于外部的幻影，以假设脊髓疾病，并且当使用诱导的荧光剂来观察到经过压缩区域和水质量混合状态的流动特征时，可以观察到往复运动绕过封锁的往复运动，以及由于压缩而削弱了水质量。尽管在2D MRI上未清楚地捕获上述流动的特征，但可以掌握在阻塞障碍物的流场中MRI图像的描述特征。另一方面，很难通过机器学习来推断从压力区域超过压力区域的水质量图像的压缩程度和流速分布。

项目成果

AI推論を取り入れた髄液流を模擬するMRI用流動ファントムシステム

结合 AI 推理模拟脑脊液流动的 MRI 流体体模系统

• 发表时间: 2021
• 作者: 清水 京也;小島 宰門;加納 慎一郎;細谷和範
• 通讯作者: 細谷和範

心拍と呼吸によって駆動される脳脊髄液の動きを想定したMRI用流動ファントムの試作

MRI 流体体模原型，假设脑脊液的运动由心跳和呼吸驱动

• 发表时间: 2022
• 作者: 沖永友輝;山本隆彦;細谷和範
• 通讯作者: 細谷和範

脳脊髄液の往復流を模擬したMRI用流動ファントムシステム

模拟脑脊液往复流动的MRI流体体模系统

• 发表时间: 2022
• 作者: Hussein M. El-Husseiny;Eman A. Mady;Lina Hamabe;Amira Abugomaa;Kazumi Shimada;Tomohiko Yoshida;Takashi Tanaka;Aimi Yokoi;Mohamed Elbadawy;Ryou Tanaka;細谷和範
• 通讯作者: 細谷和範

脳脊髄液の動きを想定した MRI 用流動ファントムが作り出す往復流の可視化

模拟脑脊液运动的 MRI 流动体模创建的往复流动的可视化

• 发表时间: 2020
• 作者: 丸尾 優花;細谷 和範;竹内 一裕;小野 敦;橋口 雄助
• 通讯作者: 橋口 雄助

脊髄液の動きを撮像したMR画像に基づく流れのAI推論の試み

基于脊髓液运动MR图像的AI推断血流的尝试

• 发表时间: 2021
• 作者: 小原侑，細谷和範,竹内一裕;小野敦;橋口雄助,高木奎太朗
• 通讯作者: 橋口雄助,高木奎太朗