2

脳機能に関わる疾患の社会的影響
患者個人・家族の著しいQOLの低下
年間医療費1)

生活環境での脳機能モニタリングのための脳血管疾患 (1.8兆円), 神経系の疾患(1.3兆円)

fNIRSの要素技術開発

精神及び行動の障害 (1.9兆円)〜ニューロリハビリテーションの社会実装に向けて〜

経済的損失(1年)2,3)

脳卒中(5兆円), 認知症(14.5兆円), うつ病(2兆円)

産業技術総合研究所
人間情報研究部門
川口 拓之

1) 厚生労働省 平成25年度 国民医療費の概況,
技術を社会へ−Integration for Innovation

3) H27 科学技術・学術審議会 脳科学委員会 社会への貢献を見据えた今後の脳科学研究の推進方策について-中間取りまとめ-3

6ブレインヘルスケアに向けてI

2) 佐伯覚, 日職災医誌, 51, 178-181, 2003

国立研究開発法人産業技術総合研究所

簡易脳機能計(機能的近赤外分光法:fNIRS)

機能的近赤外分光法(functional near infrared spectroscopy: fNIRS)
30 mm

脳神経活動

局所での血液量増加
ヘモグロビンによる光吸収

PDPET

検出光量の低下
高性能脳機能計

MRI

拡散光トモグラフィ生理・病理のメカニズム

小型化・軽量化が可能、低拘束
健康診断、トレーニングルーム

診療室、ベッドサイド、生活空間での計測機能的近赤外分光法

7

頭部組織内光伝播シミュレーション(functional near infrared spectroscopy:fNIRS)

構造モデル(光学的に非均質な組織の空間分布)

ln(I(0)/I(t)) =30 mm•

Σ(εoΔcoi + εdΔcdi)Lii→ 局所血液量変化

ε•

モル吸光係数吸収係数, 等方換算散乱係数, 屈折率

支配方程式

Δcai ヘモグロビン濃度変化(組織 i)
Li

解剖学的MRI画像, X線CT画像

組織の光学特性値

I(t) 検出光強度(時刻 t)

脳神経活動

8

部分実効光路長(組織 i)•

脳組織におけるふく射輸送方程式, 光拡散方程式(近似式)•

部分実効光路長の計測は困難
組織内のモンテカルロ法, 有限要素法, 差分法

状況設定•

光伝播シミュレーションで推定

波長, 吸収変化(脳活動), プローブ配置9構造モデルの作成
解剖学的な頭部断層画像を光学特性の異なる領域に分割
元画像(T1強調MRI)

構造モデル作成に適したMRI撮像法
T1強調

T2強調

脂肪抑制
プロトン強調(True FISP/bFFE)(空気, 頭皮, 頭蓋骨, 脳脊髄液, 灰白質, 白質)

境界の抽出

領域分割画像Kawaguchi et al, Appl. Opt. 2007

FIESTA

Kurihara, Kawaguchi et al, Biomed Opt Exp 2015

11デジタルファントム

光伝播シミュレーションの検証

光学特性(波長780 nm)
µaµs’

頭皮

0.020

2.00

頭蓋骨

0.016

1.66

脳脊髄液

0.00440.32

灰白質0.0362.66

白質0.016

9.25

Experiment

Simulation(MRI被験者)(MRIに基づくデジタルファントム)µa: 吸収係数 [mm-1]

10~40mmµs’: 等方換算散乱係数 [mm-1]
屈折率は全組織で一定 n = 1.40
Simpson, et al., Phys Med Biol (1998).

Kawaguchi et al, Appl. Opt. 2007

シミュレーションと実測の比較
検出光強度

入射点

Firbank, et al Phys. Med. Biol. (1993).
Okada and Delpy, Appl. Opt. (2003).
van der Zee, et al., Proc. SPIE, (1993).

入射-検出間の平均実効光路長

検出点

14

検出光の空間感度分布
ボクセルの部分実効光路長L(r;ξ,ζ) =ΔOD(ξ,ζ)/Δµa(r)r: ボクセル位置
ξ: 入射点
ζ: 検出点解剖学的構造情報と合わせて組織の部分実効光路長を推定皮膚血流評価用ファントム

fNIRSの開発課題

皮膚血流の除去
頭皮の全身性の血行動態が検出光量を変動させる

表皮(ポリスチレン)

10-1

皮膚[mm]

真皮+頭蓋骨(エポキシ)

10-3

脳(灰白質)

皮膚血流分離手法は複数提案されているが脳脊髄液(アクリル)ゴールデンスタンダードはない

空間分解法 (Prince 2003, Umeyama 2009など)
モデルベース (Tian 2011, Yamada 2012など)

reflectance (%)

transmittance (%)

70

dermis/skull
slide barabsorber A
absorber B

302010

Kawaguchi, Tanikawa, Yamada. Proc. SPIE 2017

60502340

ファントムの光学特性
30750800

狙い通りの光学特性?
評価ファントムとしての機能?

局所吸収変化(エポキシ)・皮膚血流分離法を評価する手法が必要
brain40

エポキシ樹脂に酸化チタン(散乱物質)とインク(吸収物質)を混合し生体の光特性を模擬

脳(エポキシ)・ノイズの影響を受けづらく、仮定に頼らない手法が必要
50

850

750

wavelength (nm)

800

85024

検証実験システムの構築

wavelength (nm)

APD
PC

0.08

OEG-16Main Unit
LED3PC

30 mm

2.5
programmablestepping motor

2

optical stage-1µs' (mm )-1µa (mm )

0.06

0.04

motion direction

1.5
10.02

・固定具の設計

0.5
0

0750

800

wavelength (nm)

850

22750

800

850

wavelength (nm)・プログラマブルステッピ

ングモータによる自動制御

生体組織と同等の値となっていることを確認
Kawaguchi, Tanikawa, Yamada. Proc. SPIE 2017

Kawaguchi, et al. Proc. SPIE 201732

サルとヒトの頭部構造

ニューロリハビリテーションへのfNIRSの応用ヒト脳損傷からの回復過程や介入技術の効果をモデル動物(サル)を用いて明らかに。
Murata et al., 201533↓
サルを対象としたfNIRS計測技術開発

30 mm

・ヒトとサルで共通の計測技術
・非侵襲的に断続的な観察

サル・可搬性・覚醒下での計測

サルの頭部に適した入射検出間距離は不明→ 光伝播シミュレーションで推定

fNIRS

34

解剖学的MRI画像に基づく

サル頭部光伝播解析用数値モデル
T1強調像とT2強調像より

サル頭部を光学特性の異なる領域に分割
空気
脳以外の軟組織
頭蓋骨
脳脊髄液
灰白質
白質

T1強調

プローブの装着位置
右側運動野の直上()が入射・検出点の中点となるよう配置
S
P

T2強調

領域分割

A
R I

dSD (mm)

中心溝に垂直中心溝に平行

10152025L

3637

入射検出間距離が光伝播に及ぼす影響

入射検出間距離が光伝播に及ぼす影響
1025 mm

含む断面10-310-1[mm]1010-1

脳表面0[mm]subj 1subj 2

検出光強度 (a.u.)

入射検出点を-4
垂直 平行-71015 20 25dSD (mm)

35

105-3

効光路長の積 (a.u.)

20 mm

検出光強度と部分実15 mm

灰白質の部分実効光路長10 mm

検出光強度、灰白質の部分実効光路長(mm)

空間感度分布1015 20 25dSD (mm)10-51015 20 25dSD (mm)

検出光強度と部分実効光路長の積は0.03

Kawaguchi et al., Proc SPIE, 2017

入射検出間距離が15mmのときが条件に関わらず比較的高値

38

覚醒下健常サルでの多点fNIRS計測
入射検出兼用プローブを左右の一次運動野上に装着

40

覚醒下健常サルでの多点fNIRS計測
上腕の運動(伸縮および摘み動作)を計測

安静(24 s)左側運動(6 s)

安静(24 s)

右側運動
(6 s)

安静
(24 s)

t

10回, 2セット15 mm

プローブ＊入射検出中点42

左腕運動時のヘモグロビン濃度の時系列変化

酸素化ヘモグロビン濃度変化

anterior

left

right

- oxy

posterior- deoxy43[左側運動 - 右側運動]の把握時の酸素化ヘモグロビン濃度変化

t値の時系列変化
anterior

left

right

- oxy

posterior- deoxy

謝辞

酸素化ヘモグロビンのマッピング画像
t=28.9 s(左側運動)

t=58.9 s(右側運動)(敬称略)

左側運動 - 右側運動

産業技術総合研究所
山田 亨
谷川 ゆかり
肥後 範行
松田 圭司
-0.08

mM・cm

0.08

-7.5

t-value

7.5

63

慶應義塾大学岡田 英史

放射線医学総合研究所
小畠 隆行