群稀疏先验を基にしたフルオレセンス分子断層撮影によるグリオーマ形態再構築技術の研究報告

一、学術背景と研究動機

フルオレセンス分子断層撮影（Fluorescence Molecular Tomography, FMT）は、生命科学の重要なツールであり、この技術によりフルオレセンス源の位置を非侵襲的な実時間三次元（3D）可視化が可能になる。感度が高く、コストも低いという利点から、FMTは腫瘍研究に広く応用されている。しかし、FMTの再構築過程は複雑で困難である。近年、FMT再構築方法の発展が著しく進んでいるものの、形態再構築は依然として難題である。したがって、本研究の目的はグリオーマ研究におけるFMT形態再構築能力の実現である。

二、論文情報および著者情報

本論文は、IEEE Transactions on Biomedical Engineering誌2020年5月第67巻第5号に掲載された「Fluorescence Molecular Tomography Based on Group Sparsity Priori for Morphological Reconstruction of Glioma」と題する論文である。著者にはShixin Jiang、Jie Liu、Yu An、Yuan Gao、Hui Meng、Kun Wang、Jie Tianが含まれる。この研究は中国国家重点研発計画、国家自然科学基金、及び北京自然科学基金の支援を受けている。

三、研究過程の詳細な紹介

a) 研究過程

1. 光子伝播モデル

研究ではまず、生物体内の近赤外スペクトル帯での光子伝播特性を記述した。定常FMTでは、光子伝播を記述するために拡散方程式（Diffusion Equation, DE）を利用する。この方程式は、励起および発光段階の光子の伝送過程、および撮像対象の表面の大きな変動を含んでいる。

\begin{cases}
-\nabla [d_x (r) \nabla \phi_x (r)] + \mu_{ax} (r) \phi_x (r) = \theta \delta (r - r_l) (r \in \omega) \\
-\nabla [d_m (r) \nabla \phi_m (r)] + \mu_{am} (r) \phi_m (r) = \phi_x (r) \eta \mu_{af} (r) (r \in \omega)
\end{cases}

研究では有限要素法を用いて拡散方程式を簡略化した。境界の光子伝送を正確に記述するために、ロビン境界条件が採用された。

2. FMT問題の再構築

FMTは病的な問題の特性を持ち、満足のいく再構築結果を得るためには正則化制約が用いられる。研究ではまず、従来のティホノフ正則化法を基にした方法（L2ノルム制約付き）を紹介し、次により一般的なスパース再構築法（L1ノルム制約付き）を紹介した。

\min_x e(x) = \frac{1}{2} \|Ax - \phi\|_2^2 + \lambda \|x\|_1

従来の方法がフルオレセンス源の形態情報を無視する問題を改善するために、群稀疏先を基にした情報再構築法が提案された。群稀疏法は、フルオレセンス源の稀疏性や群構造特性を利用しており、モデルでは融合ラッソ法（Fused Lasso Method, FLM）が採用されている。

\min_x e(x) = \frac{1}{2} \|Ax - \phi\|_2^2 + \gamma (x)

ここで、γ(x) = λ1 Σ |xi| + λ2 Σ |xi - xi-1| は融合ラッソのペナルティ項である。

b) 実験結果の詳述

数値シミュレーション実験

研究では数値マウスモデルを用いてグリオーマをシミュレートした。データセットを単純化するため、マウスの頭部を切り取り、主に筋肉、頭蓋骨、大脳を含み、大脳内に2ミリメートルの高さと直径の円筒形フルオレセンス源を設置した。数値実験では、Amira 5.4ソフトウェアを使用してモデルにメッシュ分割を行い、光学パラメータに関する情報が表で提供された。

実験結果は、NFLMの再構築領域が実際の領域により近く、IS-L1法では稀疏性が原因でフルオレセンス領域を再構築できず、ティホノフを基にした方法の再構築結果はソース境界で過度にスムーズになる傾向があった。FLMとNFLMを比較すると、NFLMは形態再構築性能がより優れていることが示され、NFLMの有効性が検証された。

体内実験

実験はBalb/cヌードマウスを使用してグリオーマモデルを構築し、連続波レーザーを特定のバンドパスフィルターおよび高感度CCDカメラと組み合わせてフルオレセンスデータを収集した。実験ではデータ収集、データ処理、データ再構築の三段階で体内実験結果を分析した。

結果は、3匹のマウスのうちNFMLが形状と位置の両方で最も優れており、MRI画像と比較分析を行い、より高いDice値とより小さい位置誤差（PE値）を達成し、NFLMがFMT再構築において顕著な優位性を持つことを実証した。

四、研究の結論、価値、及びハイライト

1. 研究結論

群稀疏先を基にしたNFLM法により、フルオレセンス源の形態情報を効果的に保持し、FMT再構築の精度と空間分解能を著しく改善することができる。研究結果は、群稀疏を基にした方法がFMT再構築において実現可能性と潜在性を持つことを確認した。

2. 研究の価値

この研究は、群稀疏に基づく形態再構築が腫瘍研究において巨大な潜在性を示すことを示した。特にグリオーマ研究において、NFLM法は深部腫瘍の再構築精度の問題を解決する上で明らかな優位性を有している。

3. 研究のハイライト

研究では、群稀疏先を基にした情報を利用してグリオーマの形態を再構築するという新しい手法を初めて提案し、改善されたFLM法を採用して、システム行列の列を規範化し、報告光強度の補償効果を向上させた。従来のティホノフ法とL1正則化法と比較して、NFLM法は再構築精度および形態維持において明らかな利点を示した。

群稀疏先を基にしたフルオレセンス分子断層撮影法は腫瘍研究において顕著な優位性と応用見通しを持ち、将来の臨床や小動物研究に重要な推進力を与える。