ウェアラブルコイルを用いた仰臥位乳腺MRIのモーション補正のための最適なセンサー選択
仰臥位乳房MRIにおける可穿戴コイルを用いたモーション補正の研究
学術的背景
乳がんの診断とモニタリングにおいて、磁気共鳴画像法（MRI）は極めて重要なツールです。現在、標準的な乳房MRIは通常、うつ伏せ姿勢で撮像されますが、この姿勢は呼吸運動によるアーチファクトを減少させるのに役立ちます。しかし、患者にとってうつ伏せ姿勢が常に快適なわけではなく、手術、超音波検査、放射線治療などの臨床介入で一般的に用いられる仰向け姿勢とは乳房の形状や位置に差異があります。したがって、仰向け姿勢での乳房MRIの開発には重要な臨床的意義がありますが、その一方で、動きの影響を受けやすいという課題があります。
仰向け姿勢での乳房MRIにおける呼吸運動によるアーチファクトを軽減するため、研究者たちは複数の戦略を提案してきました。これには、息止め技術、呼吸ゲーティングまたは再配置技術、ナビゲーターやモーションセンサーを用いた回顧的非剛体モーション補正が含まれます。これらのうち、モーションセンサーを使用した補正は効果的な方法です。しかし、従来の呼吸ベルト（respiratory belt）は、「Bracoil」のような可穿戴コイルを使用する場合、特にコイルの下に直接配置できないために信号取得が不正確になるため、仰向け姿勢での乳房MRIへの応用には限界があります。そのため、研究者たちはMRI対応の加速度計（accelerometers）を代替案として探索し、モーション補正効果を最適化しました。
論文の出典
本論文はKaryna Isaieva、Nicolas Weber、Lena Nohavaらによって執筆され、著者はフランスのロレーヌ大学（Université de Lorraine）、オーストリアのウィーン医科大学（Medical University of Vienna）などの機関に所属しています。研究はフランス国立保健医学研究所（INSERM）および欧州地域開発基金（European Regional Development Fund）の支援を受けており、2025年にIEEE Transactions on Biomedical Engineering誌に掲載されました。
研究の流れ
研究対象とデータ収集
研究では、10名の健康な女性ボランティアを対象に、合計17回の仰向け姿勢での乳房MRIスキャンを行いました。スキャンにはSiemens Prisma 3T MRI装置を使用し、可穿戴コイル「Bracoil」を装着しました。スキャン中、7つのMRI対応加速度計（Marmotセンサー）がBracoilに固定され、同時に呼吸ベルトを使用して呼吸信号を記録しました。さらに、低解像度のT1強調3Dシーケンス、高解像度のT2強調2Dシーケンス、高解像度のT1強調3Dシーケンスの画像データを取得しました。
生理学的データ処理
呼吸ベルト信号はローパスフィルタリングと二次ドリフト補正を用いて処理され、加速度計信号はカットオフ周波数が0.03 Hzおよび0.3 Hzのバンドパスフィルタリングを用いて処理されました。また、研究者たちはセンサーの移動を検出するアルゴリズムを設計し、移動が大きいセンサーデータを除外しました。センサーの独立性を評価するために、研究ではセンサーシグナルに対して特異値分解（SVD）を行い、正規化された二乗平均平方根誤差（NRMSE）を計算しました。
画像再構成
画像再構成にはGRICS（Generalized Reconstruction by Inversion of Coupled Systems）アルゴリズムを使用しました。このアルゴリズムは、モーション補正画像とモーションモデルパラメーターを反復的に求解します。研究では、高解像度T2強調2Dシーケンスに基づく2Dモーションモデルと、低解像度T1強調3Dシーケンスに基づく3Dモーションモデルの2種類のモーション補正戦略を比較しました。
定量的・定性的評価
画像品質はシャープネス指数（Sharpness Index, SI）を用いて評価し、異なる補正手法の効果を比較するためにシャープネス向上（Sharpness Enhancement, SE）を計算しました。さらに、予測変位とリアルタイムMRI画像中の実際の変位を比較することでモーションモデルの精度を評価し、平均距離和（Mean Sum of Distances, MSD）を評価指標として使用しました。最後に、2人の放射線科医が画像を定性的に評価し、異なる補正手法の画像品質を評価しました。
研究結果
生理学的データ分析
研究では、加速度計の位置が信号品質に顕著な影響を与えることがわかりました。特定の位置のセンサーはより安定しやすいことが判明しました。さらに、SVD分析により、センサー信号は高い独立性を持つことが示され、単一のセンサーは総運動データの45％から70％しか説明できないことがわかりました。
定量的評価
T2強調2Dシーケンスでは、すべての加速度計を使用した補正方法が単一センサーや呼吸ベルトよりも有意に優れていました。T1強調3Dシーケンスでも、すべての加速度計を使用した補正方法が最も良好な成績を示しましたが、その差は有意ではありませんでした。さらに、2Dモーションモデルに基づく補正効果は3Dモーションモデルよりも優れていました。
モーションモデル評価
2Dモーションモデルは変位予測においてより優れた性能を示し、リアルタイム画像との一致度は3Dモーションモデルよりも有意に高かったです。MSD分析によると、2Dモーションモデルの平均誤差は30％から60％の範囲内でしたが、3Dモーションモデルの誤差は大きくなっていました。
定性的評価
放射線科医の評価では、すべての加速度計を使用した補正方法が呼吸ベルトよりも有意に優れており、画像品質のランキングも高くなっていました。典型的な画像では、すべての加速度計を使用した補正方法が特に乳房の端領域でアーチファクトを効果的に減少させていることが確認されました。
結論と意義
本研究は、高解像度T2強調2Dシーケンスに基づくモーションモデルが、仰向け姿勢での乳房MRIにおいてより高い精度を持つことを示しました。同時に、複数のMRI対応加速度計を使用した補正方法が従来の呼吸ベルトよりも有意に優れており、特に可穿戴コイルを使用する場合に顕著な利点があることがわかりました。この知見は、今後の仰向け姿勢での乳房MRIの臨床応用に重要な技術的参考を提供します。
研究のハイライト
- 革新的な補正方法：本研究は、可穿戴コイル内で複数の加速度計を用いたモーション補正の効果を初めて体系的に評価し、仰向け姿勢での乳房MRIに新しい解決策を提供しました。
- マルチセンサーの利点：複数の加速度計を併用することでモーション補正の精度が大幅に向上することがわかり、これは将来のセンサー最適化に重要な基盤を提供します。
- 臨床的価値：本研究は、乳がん患者のための仰向け姿勢でのMRIスキャンに技術的基礎を提供し、診断精度の向上と患者体験の改善が期待されます。
今後の展望
研究者たちは、センサー設定をさらに最適化し、モーション信号の品質を向上させる計画を立てており、将来的にはこの技術を乳がん患者に適用する予定です。この研究は、仰向け姿勢での乳房MRIの広範な応用に堅実な基盤を築きました。