マイクロ波誘起熱音響イメージングのためのパッシブビームフォーミングメタサーフェス

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マイクロ波誘起熱音響イメージング メタサーフェス 脳イメージング 信号対雑音比 組織イメージング

マイクロ波誘導熱音響イメージングにおける受動的ビームフォーミングメタサーフェスに関する研究

学術的背景

マイクロ波誘導熱音響イメージング（Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging, MTAI）は、マイクロ波と超音波イメージングの利点を組み合わせた新しい医療イメージング技術です。この技術では、マイクロ波パルスが生体組織に照射されると、組織は電磁エネルギーを吸収して熱膨張を起こし、これにより超音波（すなわち熱音響信号）が生成されます。これらの信号は組織内部の形態および機能情報を含んでいます。MTAIは非侵襲性で高解像度、深部浸透性、高コントラストといった利点があり、そのため乳がんスクリーニング、脳画像、関節画像などの分野で広く応用されています。しかし、イメージング深度が増加するにつれて、マイクロ波エネルギーの減衰により熱音響信号のSN比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）やコントラストが大幅に低下し、その深部組織への応用が制限されていました。

この問題を解決するために、研究者たちは高出力マイクロ波源やマルチアンテナ結合などの方法を提案しましたが、これらには生物安全性の問題、回路設計の複雑さ、コストが高いといった欠点があります。したがって、安全で低消費電力、かつ容易に統合可能な技術を開発し、生体組織のマイクロ波応答を強化することが現在の研究の焦点となっています。

論文の出典

本論文は、Shuangfeng Tang、Yichao Fu、Yu Wang、Xiaoyu Tang、Lizhang Zeng、Huan Qinによって共同執筆され、彼らはそれぞれ華南師範大学のレーザー生命科学教育部重点実験室と脳認知・教育科学教育部重点実験室に所属しています。この論文は2025年にIEEE Transactions on Biomedical Engineering誌に掲載され、題名は「Passive Beamforming Metasurfaces for Microwave-Induced Thermoacoustic Imaging」です。

研究のプロセス

1. 受動的ビームフォーミングメタサーフェス（PB-MS）の設計と原理

研究者たちは、位相制御の原理を利用して目標領域にマイクロ波エネルギーを集中的に照射する受動的ビームフォーミングメタサーフェス（PB-MS）を提案しました。これにより、深部組織のイメージングにおけるSN比とコントラストが向上します。PB-MSは27個の超構造ユニットで構成され、各ユニットは多層金属（銅）と誘電材料（F4B-M2）でできています。マイクロ波場が励起されると、これらのユニットは表面プラズモンを生成し、ユニットの配置によりマイクロ波場が再形成され、目標領域に集中して均一に分布します。

PB-MSの設計は位相制御の原理に基づいており、ユニットの幾何学的寸法と配置方向を調整することで、ユニットを通過した後のマイクロ波の位相を変更し、マイクロ波場の集中を実現します。研究者たちは、PB-MSをモデリングおよびシミュレーションするために、電磁界解析ソフトウェアCST（CST Studio Suite 2022）を使用しました。最終的に、270 mm × 270 mm × 5 mmのメタサーフェスアレイが設計されました。

2. MTAIシステムとPB-MSの統合

研究者たちはPB-MSをMTAIシステムに統合しました。このシステムには、マイクロ波源、アンテナ、超音波トランスデューサー、データ取得システムが含まれています。マイクロ波源は6.7 GHzのパルスマイクロ波を生成し、PB-MSを通過後にイメージング対象に照射されます。生成された熱音響信号は、128チャンネルの半環状集束型超音波トランスデューサーによって受信され、データ取得システムによって信号処理されます。データの再構築には遅延和（DAS）アルゴリズムが使用され、最終的に組織のマイクロ波吸収分布画像が得られます。

3. シミュレーションと実験による検証

PB-MSの実現可能性を検証するために、研究者たちはシミュレーションと実験を行いました。シミュレーションの結果、PB-MSはマイクロ波場のエネルギー密度を大幅に向上させ、伝搬方向にわたって一定の均一性を保つことが示されました。実験部分には、筋肉ファントムのイメージング実験、異なる導電率を持つファントムの感度実験、マウス脳組織のイメージング実験が含まれています。

  • 筋肉ファントムのイメージング実験：異なる深度（0.5 cmから7.5 cm）において、PB-MSを用いたMTAIシステムは7.5 cmの深度でも22.2 dBの高いSN比を維持し、熱音響信号振幅とSN比はそれぞれ3.9倍と4.6倍向上しました。
  • 導電率感度実験：シミュレーションと実験を通じて、PB-MSは0.095 S/mの導電率変化を検出できることが示され、これは電磁パラメータの微小な変化に対して非常に敏感であることを示しています。
  • マウス脳組織のイメージング実験：PB-MSは脳組織のイメージングコントラストを大幅に向上させ、内部構造をより鮮明に表示しました。マウス脳出血モデルでは、PB-MSはマイクロリットルレベルの出血を検出し、コントラストは2.78倍向上しました。

研究結果

研究結果によると、PB-MSはMTAIシステムのイメージング深度、SN比、コントラストを大幅に向上させます。筋肉ファントムでは、PB-MSによりMTAIシステムは7.5 cmの深度でも高いSN比を維持し、導電率感度実験では、PB-MSは0.095 S/mの導電率変化を検出できることを示しました。また、マウス脳組織のイメージングでは、PB-MSはイメージングコントラストを大幅に向上させ、マイクロリットルレベルの出血を検出しました。

結論と意義

本研究の結論として、PB-MSは位相制御の原理を利用してマイクロ波エネルギーを効率的に集中させ、MTAIシステムのイメージング深度、SN比、コントラストを大幅に向上させることがわかりました。PB-MSの導入は、特に深部組織のイメージングや早期疾患検出において、MTAIの臨床応用に新たな可能性を提供します。さらに、PB-MSの統合の容易さと広い適用範囲により、今後の臨床展開において重要な価値を持っています。

研究のハイライト

  1. 革新的な設計：PB-MSはMTAIに初めて応用される受動的ビームフォーミングメタサーフェスであり、位相制御の原理を利用してマイクロ波エネルギーを効率的に集中させます。
  2. 深部イメージング能力：PB-MSにより、MTAIシステムは7.5 cmの深度でも高いSN比を維持し、深部組織のイメージング能力が大幅に向上しました。
  3. 高感度：PB-MSは0.095 S/mの導電率変化を検出できることを示しており、電磁パラメータの微小な変化に対しても非常に敏感です。
  4. 臨床的潜在能力：PB-MSはマウス脳出血モデルにおいてマイクロリットルレベルの出血を検出でき、臨床診断における潜在的な応用価値を示しています。

その他の有益な情報

研究者たちは、今後PB-MSの設計をさらに最適化し、動作周波数範囲を拡大し、FPGA制御のメタサーフェスを導入して、マイクロ波場の焦点、焦点深度、偏光方向のリアルタイム制御を実現し、より多様な臨床ニーズに対応することを目指しています。