磁気粒子イメージング装置及び磁気粒子イメージング方法
【課題】空間分解能や感度の空間的均一性を向上し得る磁気粒子イメージング装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置１００であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段１１２と、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段１１４と、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段１２０と、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段１３０とを備え、前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う。
【解決手段】本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置１００であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段１１２と、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段１１４と、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段１２０と、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段１３０とを備え、前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気粒子イメージング装置及び磁気粒子イメージング方法に関する。
【０００２】
近年、癌等の疾病における早期診断技術として、磁性粒子イメージング（ＭＰＩ）と呼ばれる新しいイメージング技術が適応されている。ＭＰＩは、磁性ナノ粒子の非線形な磁化特性を利用した分子イメージング技術であり、体外からの電磁波照射により生じる非線形応答を基に、生体に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。ＭＰＩは、高感度、高空間分解能および速い描画速度で超常磁性酸化鉄（ＳＰＩＯ）のような磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知する。
【０００３】
非特許文献１に記載のＭＰＩでは、２組のマックスウェルコイルを用いて磁場が０になる点（フィールドフリーポイント：ＦＦＰ）を生成し、ＦＦＰを２次元に移動させることによってＦＦＰ上に存在するＭＮＰの画像化を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｋｎｏｐｐ Ｔ，ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ Ｍｅｄ Ｂｉｏｌ ２００９；５４：３８５−３９７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の方法では、ＦＦＰを用いるための空間分解能や感度がＦＦＰの軌道に大きく依存し、その結果、空間分解能や感度の空間的均一性が低下する問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＭＰＩにおいてＦＦＰ符号化スキームとは異なるスキームに画質改善手法を適応することで、空間分解能や感度の空間的均一性を向上し得る磁気粒子イメージング装置及び磁気粒子イメージング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明に係る磁気粒子イメージング装置は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段と、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段と、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段と、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段とを備え、前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う。
【０００８】
本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。
【０００９】
本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記撮像対象は、生体物質を含み得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記撮像対象は、工業製品を含み得る。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係る磁気粒子イメージング方法は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング方法であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与ステップと、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御ステップと、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知ステップと、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理ステップとを包含し、前記付与方向制御ステップは、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを実行する。
【００１１】
本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る磁気粒子イメージング装置の模式図である。
【図２】本発明に係る検知結果処理手法を説明するための座標図である。
【図３】シミュレーション研究の中で使用されるモデル（撮像対象Ａ）を示す。
【図４】ＦＦＬを回転、並進した例を示す。
【図５】磁界の勾配変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図６】ＭＮＰの直径変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図７】投影データ数の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図８】駆動磁界の強度の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の磁気粒子イメージング装置は、３組以上のマックスウェルコイルを用いて磁場が０になる線（フィールドフリーライン：ＦＦＬ）を生成し、ＦＦＬを並進移動及び回転移動させることによってＦＦＬ上に存在するＭＮＰの画像化を行う。そして更にＦＦＬ上に存在するＭＮＰの画像データに対して画質改善手法を適応することで、空間分解能や感度の空間的均一性を向上し得る。
【００１４】
［実施の形態］
図１は、本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００の模式図である。磁気粒子イメージング装置１００は、磁気粒子を含む撮像対象Ａを画像化する。磁気粒子イメージング装置１００は、磁場制御手段１１０と、検知手段１２０と、処理手段１３０とを備える。
【００１５】
磁場制御手段１１０は、撮像対象Ａに磁場を付与する磁場付与手段１１２と、磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段１１４とを備える。付与方向制御手段１１４は、画像再構成法により処理するための検知結果を得るように、磁場の付与方向を制御する。付与方向制御手段１１４は、撮像対象Ａに対して付与する磁場の並進制御を行う並進制御手段１１４ａと磁場の付与角度の制御を行う角度制御手段１１４ｂとを備える。
【００１６】
検知手段１２０は、撮像対象Ａからの磁場変化を検知する。検知手段１２０は、例えば、２組のコイルである。また、処理手段１３０は、検知手段１２０によって検知した検知結果に基づいて生成した投影データを処理する。処理手段１３０は、例えば、検知データを演算するために適した演算機（ＰＣ）である。さらに、投影データは、処理手段１３０がＦＦＬに沿った方向に検知データを投影処理することによって得たデータである。
【００１７】
磁気粒子イメージング装置１００において、例えば、並進制御手段１１４ａは２組のヘルムホルツコイルであり、角度制御手段１１４ｂは、４組のマックスウェルコイルである。ここで、並進制御手段１１４ａは、撮像対象Ａに磁場を付与する磁場付与手段１１２としても機能する。磁気粒子イメージング装置１００において、磁場付与手段１１２によって撮像対象Ａに磁場を付与しつつ、並進制御手段１１４ａと角度制御手段１１４ｂとによって勾配磁場を制御し、ＦＦＬを生成する。
【００１８】
例えば、磁場付与手段１１２（並進制御手段１１４ａ）は、撮像対象Ａに交流磁場を付与する。並進制御手段１１４ａは、交流磁場の付与状態を変更することで、ＦＦＬの並進制御を行う。例えば、角度制御手段１１４ｂは、撮像対象Ａに直流磁場を付与する。角度制御手段１１４ｂは、直流磁場の付与状態を変更することで、ＦＦＬの角度の制御を行う。
【００１９】
磁気粒子イメージング装置１００によれば、並進制御手段１１４ａと角度制御手段１１４ｂとを協働させることで勾配磁場を制御し、ＦＦＬを生成し、さらにＦＦＬの並進回転を制御する。
【００２０】
以下、図２を参照して、本発明に係る検知結果処理手法を説明する。図２は、本発明に係る検知結果処理手法を説明するための座標図である。Ｐ（ｒ，θ）は、原点からＦＦＬまでの距離がｒであり、ＦＦＬの角度がθである場合の投影データを示す。Ｐｉは投影ビンｉでの投影データを示す。処理手段１３０が、検知結果に基づいて生成した投影データを処理する。
【００２１】
ＦＦＬは付与方向制御手段１１４（並進制御手段１１４ａ（２組のヘルムホルツコイル）と角度制御手段１１４ｂ（４組のマックスウェルコイル））により生成し得、印加する電流を変えることにより、コイルを空間で静止させつつ、ＦＦＬを任意に回転、並進する。
【００２２】
位置ｒにおける角度θ［Ｐ（ｒ, θ）］での投影データは、
【数１】
（ただし、Ｕｎ（ｒ， θ）は、図２に示すように、原点からＦＦＬまでの距離がｒであり、ＦＦＬの角度がθである場合に与えられるＭＰＩ信号のｎ番目の周波数成分である）により生成される。
【００２３】
本発明による画像再構成法として、フィルタ補正逆投影法、最尤推定−期待値最大化法又は順位付部分集合−期待値最大化法（ＯＳ−ＥＭ法）を適用する。処理手段１３０が、検知結果に基づいて生成した投影データをこれらの手法に適用する。
【００２４】
処理手段１３０が、フィルタ補正逆投影法を適用することによって投影データを処理する場合には、（ｘ，ｙ）［ｃ（ｘ，ｙ）］でのＭＮＰの濃度が式（１）
【数２】
により計算される。フィルタ補正逆投影法によれば、投影データを補正した後に逆投影を行うため、画像は元データに近い状態で再構成される。
【００２５】
処理手段１３０が、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって投影データを処理する場合には、位置ｊでのｋ＋1反復（ｃｋ＋１ｊ）後のＭＮＰの濃度が式（２）
【数３】
（ただし、ｉは投影ビン（図２）、Ｐｉはビンｉにおける投影データ（図２）、Ｐｉｊは画素ｊにおいてＭＰＩ信号が投影ビンiに寄与する確率）により与えられる。最尤推定−期待値最大化法は、測定投影データから確率的に最も期待し得る（最も可能性の高い）再構成画像を逐次近似で推定する。
【００２６】
最尤推定−期待値最大化法には、いくつかの魅力的な特長がある。復元画像が非負（ｎｏｎ−ｎｅｇａｔｉｖｅ）である。全画像濃度は各反復において保存されている。収束は論理に仮定されている。復元画像は最大可能性推定に収束する。なお、本発明では、投影ビンｉおよび画素ｊの両方が同一ＦＦＬに位置している場合は、式（２）におけるPｉｊを合同と仮定している。同一ＦＦＬに位置していない場合は、Ｐｉｊはゼロと仮定し得る。式（２）のＰｉｊに受信コイルの位置依存感度の効果を含めることで、復元画像の精度をさらに改良し得る。
【００２７】
処理手段１３０は、順位付部分集合−期待値最大化法（ＯＳ−ＥＭ法）を適用することによっても投影データを処理することができる。ＯＳ−ＥＭ法（ｏｒｄｅｒｅｄ
ｓｕｂｓｅｔｓ−ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）は、最尤推定−期待値最大化法を「投影データを部分集合に分割して計算に使う手法」によって高速化した手法で、計算時間が早く臨床に使用できる。ＯＳ−ＥＭ法は、式（３）
【数４】
により計算される。
【００２８】
ここで、Ｓｍはｍ番目の部分集合を表し、上記の計算を全ての部分集合について計算する。すると、計算時間はＭＬ−ＥＭ法と同じであるが、更新回数は部分集合の数だけ多くなり、それだけ実質的に収束の速度が上昇することになる。
【００２９】
以上、図１と図２とを参照して、本発明の磁気粒子イメージング装置１００を用いた磁気粒子イメージングの手法を説明した。
【００３０】
なお、本発明の磁気粒子イメージング装置１００によれば、付与方向制御手段１１４が磁場の付与方向を制御し得る限りは、ヘルムホルツコイルとマックスウェルコイルとの組み合わせに限定されない。さらに、例えば、並進制御手段１１４ａは２組のヘルムホルツコイルで角度制御手段１１４ｂは４組のマックスウェルコイルであったが、並進制御手段１１４ａが撮像対象Ａに対して付与する磁場の並進制御を行い得る限りはヘルムホルツコイルの組の数は任意であり、角度制御手段１１４ｂが磁場の付与角度の制御を行い得る限りはマックスウェルコイルの組の数は任意である。
【００３１】
以下、図３〜図８を参照して、本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明する。本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００によれば、磁気粒子を含み得る限りは所望の撮像対象に適応し得る。例えば、生体物質である。磁気粒子イメージング装置１００によれば、体外からの電磁波照射により生じる非線形応答を基に、生体物質に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。磁気粒子イメージング装置１００は、高感度、高空間分解能および速い描画速度で超常磁性酸化鉄（ＳＰＩＯ）のような磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知する。
【００３２】
しかし、磁気粒子を含み得る限りは、撮像対象は、工業製品や、その他新規な材料であり得る。磁気粒子イメージング装置１００によれば、電磁波照射により生じる非線形応答を基に、例えばガス管（工業製品の一例）の内部に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。磁気粒子イメージング装置１００は、ガス管内部の亀裂に侵入した磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知し、ガス管内部の亀裂を非破壊で認識し得る。
【００３３】
以下、撮像対象Ａとしてモデルを使用して本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明する。
【００３４】
図３は、シミュレーション研究の中で使用されるモデル（撮像対象Ａ）を示す。モデルは、１２８×１２８画素を有する１２８×１２８／ｍｍ２の大きさである。図中の数字は、穴の直径（ｍｍ単位）であり、磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）が充填されていると仮定している。
【００３５】
図４は、ＦＦＬを回転、並進した例を示す。図４（ａ）は、０、３０、６０、９０および１２０度で回転したＦＦＬの例であり、図４（ｂ）は、６０度回転したＦＦＬを０、２０、４０、−２０及び−４０ピクセルで各々並進したＦＦＬの例を示す
【００３６】
図５は、磁界の勾配変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図５（ａ）はフィルタ補正逆投影法（Ｓｈｅｐｐ−Ｌｏｇａｎフィルタを使用）を適用した再構成画像を示し、図５（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、磁界の勾配（単位：Ｔ／ｍ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、駆動磁界の強度を５ｍＴ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００３７】
図６は、ＭＮＰの直径変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図６（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図６（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、ＭＮＰの直径（単位：ｎｍ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、駆動磁界の強度を５ｍＴ、磁界の勾配を５Ｔ／ｍとした。
【００３８】
図７は、投影データ数の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図７（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図７（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、投影データの数を示す。ＳＮ比を１０、駆動磁界の強度を５ｍＴ、選択磁界の勾配を５Ｔ／ｍ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００３９】
図８は、駆動磁界の強度の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図８（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図８（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、駆動磁界の強度（単位：ｍＴ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、磁界の勾配を５ｍＴ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００４０】
以上、図３〜図８を参照して本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明した。本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００によれば、画質の向上やデータ収集時間の短縮を実現し得る。例えば、現在臨床に広く普及している核磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ）に比較して、感度が１０３〜１０６大きく、また、コストも大幅に低減できるため、本発明の実用化によって臨床にも広く普及し得、経済効果も大きいものと期待し得る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
適用例として、腫瘍や炎症のイメージングを想定し得る。また、赤血球に酸化鉄ナノ粒子を取り込ませ、血管のイメージングや血流動態の解析を行い得る。更に、再生医療や細胞治療で用いる幹細胞等の治療用細胞に酸化鉄ナノ粒子を取り込ませ、生体内で可視化が可能である。更にまた、タンパク質や薬物等を酸化鉄ナノ粒子で標識して、それらの輸送や送達の可視化が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ 撮像対象
１００ 磁気粒子イメージング装置
１１０ 磁場制御手段
１２０ 検知手段
１３０ 処理手段
１１２ 磁場付与手段
１１４ 付与方向制御手段
１１４ａ 並進制御手段
１１４ｂ 角度制御手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気粒子イメージング装置及び磁気粒子イメージング方法に関する。
【０００２】
近年、癌等の疾病における早期診断技術として、磁性粒子イメージング（ＭＰＩ）と呼ばれる新しいイメージング技術が適応されている。ＭＰＩは、磁性ナノ粒子の非線形な磁化特性を利用した分子イメージング技術であり、体外からの電磁波照射により生じる非線形応答を基に、生体に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。ＭＰＩは、高感度、高空間分解能および速い描画速度で超常磁性酸化鉄（ＳＰＩＯ）のような磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知する。
【０００３】
非特許文献１に記載のＭＰＩでは、２組のマックスウェルコイルを用いて磁場が０になる点（フィールドフリーポイント：ＦＦＰ）を生成し、ＦＦＰを２次元に移動させることによってＦＦＰ上に存在するＭＮＰの画像化を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｋｎｏｐｐ Ｔ，ｅｔ ａｌ．Ｐｈｙｓ Ｍｅｄ Ｂｉｏｌ ２００９；５４：３８５−３９７．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来の方法では、ＦＦＰを用いるための空間分解能や感度がＦＦＰの軌道に大きく依存し、その結果、空間分解能や感度の空間的均一性が低下する問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ＭＰＩにおいてＦＦＰ符号化スキームとは異なるスキームに画質改善手法を適応することで、空間分解能や感度の空間的均一性を向上し得る磁気粒子イメージング装置及び磁気粒子イメージング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明に係る磁気粒子イメージング装置は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段と、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段と、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段と、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段とを備え、前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う。
【０００８】
本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記処理手段は、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。
【０００９】
本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記撮像対象は、生体物質を含み得る。本発明に係る磁気粒子イメージング装置によれば、前記撮像対象は、工業製品を含み得る。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係る磁気粒子イメージング方法は、磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング方法であって、前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与ステップと、前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御ステップと、前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知ステップと、前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理ステップとを包含し、前記付与方向制御ステップは、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを実行する。
【００１１】
本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。本発明に係る磁気粒子イメージング方法によれば、前記処理ステップは、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理し得る。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る磁気粒子イメージング装置の模式図である。
【図２】本発明に係る検知結果処理手法を説明するための座標図である。
【図３】シミュレーション研究の中で使用されるモデル（撮像対象Ａ）を示す。
【図４】ＦＦＬを回転、並進した例を示す。
【図５】磁界の勾配変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図６】ＭＮＰの直径変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図７】投影データ数の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【図８】駆動磁界の強度の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の磁気粒子イメージング装置は、３組以上のマックスウェルコイルを用いて磁場が０になる線（フィールドフリーライン：ＦＦＬ）を生成し、ＦＦＬを並進移動及び回転移動させることによってＦＦＬ上に存在するＭＮＰの画像化を行う。そして更にＦＦＬ上に存在するＭＮＰの画像データに対して画質改善手法を適応することで、空間分解能や感度の空間的均一性を向上し得る。
【００１４】
［実施の形態］
図１は、本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００の模式図である。磁気粒子イメージング装置１００は、磁気粒子を含む撮像対象Ａを画像化する。磁気粒子イメージング装置１００は、磁場制御手段１１０と、検知手段１２０と、処理手段１３０とを備える。
【００１５】
磁場制御手段１１０は、撮像対象Ａに磁場を付与する磁場付与手段１１２と、磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段１１４とを備える。付与方向制御手段１１４は、画像再構成法により処理するための検知結果を得るように、磁場の付与方向を制御する。付与方向制御手段１１４は、撮像対象Ａに対して付与する磁場の並進制御を行う並進制御手段１１４ａと磁場の付与角度の制御を行う角度制御手段１１４ｂとを備える。
【００１６】
検知手段１２０は、撮像対象Ａからの磁場変化を検知する。検知手段１２０は、例えば、２組のコイルである。また、処理手段１３０は、検知手段１２０によって検知した検知結果に基づいて生成した投影データを処理する。処理手段１３０は、例えば、検知データを演算するために適した演算機（ＰＣ）である。さらに、投影データは、処理手段１３０がＦＦＬに沿った方向に検知データを投影処理することによって得たデータである。
【００１７】
磁気粒子イメージング装置１００において、例えば、並進制御手段１１４ａは２組のヘルムホルツコイルであり、角度制御手段１１４ｂは、４組のマックスウェルコイルである。ここで、並進制御手段１１４ａは、撮像対象Ａに磁場を付与する磁場付与手段１１２としても機能する。磁気粒子イメージング装置１００において、磁場付与手段１１２によって撮像対象Ａに磁場を付与しつつ、並進制御手段１１４ａと角度制御手段１１４ｂとによって勾配磁場を制御し、ＦＦＬを生成する。
【００１８】
例えば、磁場付与手段１１２（並進制御手段１１４ａ）は、撮像対象Ａに交流磁場を付与する。並進制御手段１１４ａは、交流磁場の付与状態を変更することで、ＦＦＬの並進制御を行う。例えば、角度制御手段１１４ｂは、撮像対象Ａに直流磁場を付与する。角度制御手段１１４ｂは、直流磁場の付与状態を変更することで、ＦＦＬの角度の制御を行う。
【００１９】
磁気粒子イメージング装置１００によれば、並進制御手段１１４ａと角度制御手段１１４ｂとを協働させることで勾配磁場を制御し、ＦＦＬを生成し、さらにＦＦＬの並進回転を制御する。
【００２０】
以下、図２を参照して、本発明に係る検知結果処理手法を説明する。図２は、本発明に係る検知結果処理手法を説明するための座標図である。Ｐ（ｒ，θ）は、原点からＦＦＬまでの距離がｒであり、ＦＦＬの角度がθである場合の投影データを示す。Ｐｉは投影ビンｉでの投影データを示す。処理手段１３０が、検知結果に基づいて生成した投影データを処理する。
【００２１】
ＦＦＬは付与方向制御手段１１４（並進制御手段１１４ａ（２組のヘルムホルツコイル）と角度制御手段１１４ｂ（４組のマックスウェルコイル））により生成し得、印加する電流を変えることにより、コイルを空間で静止させつつ、ＦＦＬを任意に回転、並進する。
【００２２】
位置ｒにおける角度θ［Ｐ（ｒ, θ）］での投影データは、
【数１】
（ただし、Ｕｎ（ｒ， θ）は、図２に示すように、原点からＦＦＬまでの距離がｒであり、ＦＦＬの角度がθである場合に与えられるＭＰＩ信号のｎ番目の周波数成分である）により生成される。
【００２３】
本発明による画像再構成法として、フィルタ補正逆投影法、最尤推定−期待値最大化法又は順位付部分集合−期待値最大化法（ＯＳ−ＥＭ法）を適用する。処理手段１３０が、検知結果に基づいて生成した投影データをこれらの手法に適用する。
【００２４】
処理手段１３０が、フィルタ補正逆投影法を適用することによって投影データを処理する場合には、（ｘ，ｙ）［ｃ（ｘ，ｙ）］でのＭＮＰの濃度が式（１）
【数２】
により計算される。フィルタ補正逆投影法によれば、投影データを補正した後に逆投影を行うため、画像は元データに近い状態で再構成される。
【００２５】
処理手段１３０が、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって投影データを処理する場合には、位置ｊでのｋ＋1反復（ｃｋ＋１ｊ）後のＭＮＰの濃度が式（２）
【数３】
（ただし、ｉは投影ビン（図２）、Ｐｉはビンｉにおける投影データ（図２）、Ｐｉｊは画素ｊにおいてＭＰＩ信号が投影ビンiに寄与する確率）により与えられる。最尤推定−期待値最大化法は、測定投影データから確率的に最も期待し得る（最も可能性の高い）再構成画像を逐次近似で推定する。
【００２６】
最尤推定−期待値最大化法には、いくつかの魅力的な特長がある。復元画像が非負（ｎｏｎ−ｎｅｇａｔｉｖｅ）である。全画像濃度は各反復において保存されている。収束は論理に仮定されている。復元画像は最大可能性推定に収束する。なお、本発明では、投影ビンｉおよび画素ｊの両方が同一ＦＦＬに位置している場合は、式（２）におけるPｉｊを合同と仮定している。同一ＦＦＬに位置していない場合は、Ｐｉｊはゼロと仮定し得る。式（２）のＰｉｊに受信コイルの位置依存感度の効果を含めることで、復元画像の精度をさらに改良し得る。
【００２７】
処理手段１３０は、順位付部分集合−期待値最大化法（ＯＳ−ＥＭ法）を適用することによっても投影データを処理することができる。ＯＳ−ＥＭ法（ｏｒｄｅｒｅｄ
ｓｕｂｓｅｔｓ−ｅｘｐｅｃｔａｔｉｏｎ ｍａｘｉｍｉｚａｔｉｏｎ）は、最尤推定−期待値最大化法を「投影データを部分集合に分割して計算に使う手法」によって高速化した手法で、計算時間が早く臨床に使用できる。ＯＳ−ＥＭ法は、式（３）
【数４】
により計算される。
【００２８】
ここで、Ｓｍはｍ番目の部分集合を表し、上記の計算を全ての部分集合について計算する。すると、計算時間はＭＬ−ＥＭ法と同じであるが、更新回数は部分集合の数だけ多くなり、それだけ実質的に収束の速度が上昇することになる。
【００２９】
以上、図１と図２とを参照して、本発明の磁気粒子イメージング装置１００を用いた磁気粒子イメージングの手法を説明した。
【００３０】
なお、本発明の磁気粒子イメージング装置１００によれば、付与方向制御手段１１４が磁場の付与方向を制御し得る限りは、ヘルムホルツコイルとマックスウェルコイルとの組み合わせに限定されない。さらに、例えば、並進制御手段１１４ａは２組のヘルムホルツコイルで角度制御手段１１４ｂは４組のマックスウェルコイルであったが、並進制御手段１１４ａが撮像対象Ａに対して付与する磁場の並進制御を行い得る限りはヘルムホルツコイルの組の数は任意であり、角度制御手段１１４ｂが磁場の付与角度の制御を行い得る限りはマックスウェルコイルの組の数は任意である。
【００３１】
以下、図３〜図８を参照して、本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明する。本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００によれば、磁気粒子を含み得る限りは所望の撮像対象に適応し得る。例えば、生体物質である。磁気粒子イメージング装置１００によれば、体外からの電磁波照射により生じる非線形応答を基に、生体物質に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。磁気粒子イメージング装置１００は、高感度、高空間分解能および速い描画速度で超常磁性酸化鉄（ＳＰＩＯ）のような磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知する。
【００３２】
しかし、磁気粒子を含み得る限りは、撮像対象は、工業製品や、その他新規な材料であり得る。磁気粒子イメージング装置１００によれば、電磁波照射により生じる非線形応答を基に、例えばガス管（工業製品の一例）の内部に投与した磁性ナノ粒子からの微弱な磁気信号を検出する。磁気粒子イメージング装置１００は、ガス管内部の亀裂に侵入した磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）の空間分布を検知し、ガス管内部の亀裂を非破壊で認識し得る。
【００３３】
以下、撮像対象Ａとしてモデルを使用して本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明する。
【００３４】
図３は、シミュレーション研究の中で使用されるモデル（撮像対象Ａ）を示す。モデルは、１２８×１２８画素を有する１２８×１２８／ｍｍ２の大きさである。図中の数字は、穴の直径（ｍｍ単位）であり、磁気ナノ粒子（ＭＮＰ）が充填されていると仮定している。
【００３５】
図４は、ＦＦＬを回転、並進した例を示す。図４（ａ）は、０、３０、６０、９０および１２０度で回転したＦＦＬの例であり、図４（ｂ）は、６０度回転したＦＦＬを０、２０、４０、−２０及び−４０ピクセルで各々並進したＦＦＬの例を示す
【００３６】
図５は、磁界の勾配変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図５（ａ）はフィルタ補正逆投影法（Ｓｈｅｐｐ−Ｌｏｇａｎフィルタを使用）を適用した再構成画像を示し、図５（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、磁界の勾配（単位：Ｔ／ｍ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、駆動磁界の強度を５ｍＴ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００３７】
図６は、ＭＮＰの直径変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図６（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図６（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、ＭＮＰの直径（単位：ｎｍ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、駆動磁界の強度を５ｍＴ、磁界の勾配を５Ｔ／ｍとした。
【００３８】
図７は、投影データ数の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図７（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図７（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、投影データの数を示す。ＳＮ比を１０、駆動磁界の強度を５ｍＴ、選択磁界の勾配を５Ｔ／ｍ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００３９】
図８は、駆動磁界の強度の変化に対応する再構成画像の比較を示す図である。図８（ａ）はフィルタ補正逆投影法を適用した再構成画像を示し、図８（ｂ）は最尤推定−期待値最大化法を適用した再構成画像を示す。図中の数字は、駆動磁界の強度（単位：ｍＴ）を示す。ＳＮ比を１０、投影データの数を３２、磁界の勾配を５ｍＴ、ＭＮＰの直径を３０ｎｍとした。
【００４０】
以上、図３〜図８を参照して本発明の磁気粒子イメージング手法の妥当性と有効性とを説明した。本発明に係る磁気粒子イメージング装置１００によれば、画質の向上やデータ収集時間の短縮を実現し得る。例えば、現在臨床に広く普及している核磁気共鳴撮像装置（ＭＲＩ）に比較して、感度が１０３〜１０６大きく、また、コストも大幅に低減できるため、本発明の実用化によって臨床にも広く普及し得、経済効果も大きいものと期待し得る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
適用例として、腫瘍や炎症のイメージングを想定し得る。また、赤血球に酸化鉄ナノ粒子を取り込ませ、血管のイメージングや血流動態の解析を行い得る。更に、再生医療や細胞治療で用いる幹細胞等の治療用細胞に酸化鉄ナノ粒子を取り込ませ、生体内で可視化が可能である。更にまた、タンパク質や薬物等を酸化鉄ナノ粒子で標識して、それらの輸送や送達の可視化が可能である。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ 撮像対象
１００ 磁気粒子イメージング装置
１１０ 磁場制御手段
１２０ 検知手段
１３０ 処理手段
１１２ 磁場付与手段
１１４ 付与方向制御手段
１１４ａ 並進制御手段
１１４ｂ 角度制御手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置であって、
前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段と、
前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段と、
前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段と、
前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段と
を備え、
前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う、磁気粒子イメージング装置。
【請求項２】
前記処理手段は、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項３】
前記処理手段は、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項４】
前記処理手段は、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項５】
前記撮像対象は、生体物質を含む、請求項１〜請求項４のうちの一項に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項６】
前記撮像対象は、工業製品を含む、請求項１〜請求項４のうちの一項に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項７】
磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング方法であって、
前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与ステップと、
前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御ステップと、
前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知ステップと、
前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理ステップと
を包含し、
前記付与方向制御ステップは、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを実行する、磁気粒子イメージング方法。
【請求項８】
前記処理ステップは、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【請求項９】
前記処理ステップは、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【請求項１０】
前記処理ステップは、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【請求項１】
磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング装置であって、
前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与手段と、
前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御手段と、
前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知手段と、
前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理する処理手段と
を備え、
前記付与方向制御手段は、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを行う、磁気粒子イメージング装置。
【請求項２】
前記処理手段は、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項３】
前記処理手段は、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項４】
前記処理手段は、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項１に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項５】
前記撮像対象は、生体物質を含む、請求項１〜請求項４のうちの一項に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項６】
前記撮像対象は、工業製品を含む、請求項１〜請求項４のうちの一項に記載の磁気粒子イメージング装置。
【請求項７】
磁気粒子を含む撮像対象を画像化する磁気粒子イメージング方法であって、
前記撮像対象に磁場を付与する磁場付与ステップと、
前記磁場の付与方向を制御する付与方向制御ステップと、
前記撮像対象からの磁場変化を検知する検知ステップと、
前記検知結果に基づいて生成した投影データを処理ステップと
を包含し、
前記付与方向制御ステップは、前記撮像対象に対して付与する前記磁場の並進制御と前記磁場の付与角度の制御とを実行する、磁気粒子イメージング方法。
【請求項８】
前記処理ステップは、フィルタ補正逆投影法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【請求項９】
前記処理ステップは、最尤推定−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【請求項１０】
前記処理ステップは、順位付部分集合−期待値最大化法を適用することによって前記投影データを処理する、請求項７に記載の磁気粒子イメージング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−９６９６０（Ｐ２０１３−９６９６０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４２９２９（Ｐ２０１１−２４２９２９）
【出願日】平成２３年１１月５日（２０１１．１１．５）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月５日（２０１１．１１．５）
【出願人】（５０４１７６９１１）国立大学法人大阪大学 (1,536)
【Ｆターム（参考）】
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