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日本放射線技術学会雑誌

臨床技術

論文受付2013年 2月 20日

論文受理2013年 8月 8日Code No. 261

MRIにおいて果実・野菜が 人体脳組織ファントムになり得るか ?

寺本大翼1　潮田悠一1　佐々木絢加1　櫻井佑樹2 長濱宏史2　中村麻名美3　杉森博行3　坂田元道3

Can Fruits and Vegetables Be Used as Substitute Phantoms for Normal Human Brain Tissues in Magnetic Resonance Imaging?

Daisuke Teramoto,1 Yuichi Ushioda,1 Ayaka Sasaki,1 Yuki Sakurai,2 Hiroshi Nagahama,2 Manami Nakamura,3 Hiroyuki Sugimori,3 and Motomichi Sakata3＊

1Division of Radiological Science and Technology, Department of Health Sciences, School of Medicine, Hokkaido University2Division of Radiology, Sapporo Medical University Hospital3Graduate School of Health Sciences, Hokkaido University

Received February 20, 2013; Revision accepted August 8, 2013Code No. 261

Summary

Various custom-made phantoms designed to optimize magnetic resonance imaging (MRI) sequences have been created and subsequently reported in JSRT. However, custom-made phantoms that correctly match the T1-value and T2-values of human brain tissue (gray matter and white matter) cannot be made easily or quickly. The aim of this project was to search for alternative materials, such as fruits and vegetables, for optimizing MRI sequences. The following eight fruits and vegetables were investigated: apple, tomato, melon, apple mango (Mangifera indica), banana, avocado, peach, and eggplant. Their potential was studied for use in model-ing phantoms of normal human brain tissues. MRI (T1- and T2-weighted sequences) was performed on the human brain and the fruits and vegetables using various concentrations of contrast medium (gadolinium) in the same size tubes as the custom-made phantom. The authors compared the signal intensity (SI) in human brain tissue (gray matter and white matter) with that of the fruits and the custom-made phantom. The T1 and T2 values were measured for banana tissue and compared with those for human brain tissue in the literature. Our results indicated that banana tissue is similar to human brain tissue (both gray matter and white matter). Banana tissue can thus be employed as an alternative phantom for the human brain for the purpose of MRI.

Key words: magnetic resonance imaging (MRI), fruits and vegetables, custom-made phantom, human brain tissue, signal intensity

*Proceeding author

1北海道大学医学部保健学科放射線技術科学専攻2札幌医科大学病院放射線部3北海道大学大学院保健科学研究院

緒　言　一般的に，magnetic resonance imaging（MRI）において，画像評価を行う場合には視覚的評価と物理的評価を駆使して評価がなされる1）．最も使用される物理的評価法として信号雑音比（signal-to-noise ratio: SNR）とコントラスト雑音比（contrast-to-noise ratio: CNR）がある2）．これらを評価する際には，人工的模擬ファントムもしくはボランティアが用いられる．人工的模擬ファントムは実際の人体を完全には模擬することは困難である．ま

た，MR撮像シーケンスの最適化などの撮像にかかわる技術的な検討を行うときに人体を撮像する場合では倫理上のさまざまな制約があり，安易に研究の被験者として用いられるべきではない．そして，上記の評価法は人工的模擬ファントムを用いる場合，人体を用いる場合で，評価法が異なっていたり，もしくはその評価法が使用できなかったりする場合がある2）．臨床において，撮像されるのは人体であり，ファントムではない．人体の撮像は倫理上の制約があるため，より人体に類似し

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たファントムになり得る物質が存在するかを検討することが重要である．　また，最新機器や新たな撮像技術を最適化するとき，従来の機器や撮像技術・撮像法と比較検討し，機器の特性を把握する必要がある．さまざまな撮像法がMRIにはあるが，頭部を撮像する際の T1 weighted

image（T1WI）および T2 weighted image（T2WI）はルーチンとして取り入れられている撮像法である．T1WI，T2WIは機器の撮像条件の設定，撮像対象にて主にプロトン密度，縦緩和時間（T1-relaxation time），横緩和時間（T2-relaxation time）などに依存してコントラストが変化する．脳MRIにて画像上で，灰白質と白質が分離できているかどうかは非常に重要である．形態的な評価は診断するうえでは疎かにできない重要な要素の一つである．これらの検討のために，T1値，T2値を類似させた人工的模擬ファントムが作成されることが多い3～6）．この人工的模擬ファントムはMRIが医療に用いられてきたときから研究が数多く行われ，現在でも T1WI，T2WIのみならず，他の撮像法によっても種類の異なるさまざまな人工的模擬ファントムが作成されている6）．これらの方法は最初から確立されたものではなく，長年の研究によって定着されたものである．これらの現状を踏まえ，人工的模擬ファントム以外に，容易に入手でき，T1WI，T2WIの検討において，より簡易的なファントムとなり得るような物質が身の回りに存在するか否か検討することとした．本研究では充実性の 8種類の果実・野菜に注目した．Tomatoや bananaの完熟度評価にMRIを用いた論文は存在したが7, 8），模擬ファントムとして，植物に注目した論文はわれわれの調査では検索できなかった．本研究の目的は果実・野菜と人体脳組織における平均信号強度を比較し，果実・野菜が模擬ファントムとしてなり得るかどうかを検討することである．

1．対象と方法　機器は Signa Excite 1.5 T（General Electric，Milwaukee，WI，USA），コイルは装置付属の QD head coilを使用した．MRI用ガドリニウム造影剤（ガドジアミド水和物）をそれぞれ 8，16，32，64，128，256，512，1024，2048，4096，8192，16384，32768，65536倍に希釈し，外径 17 mm，高さ 120 mm，容量 15 mlのシリンジ 14

本にそれぞれ封入し蒸留水を封入した 1本を含めた自作ファントムを作成した．8種類の果実・野菜は apple，tomato，melon，apple mango，banana，avocado，peach，eggplantを用いた．果実・野菜の産地と重量は以下の通りである．［apple：青森県産（重量 324 g），tomato：長崎県産（重量 250 g），melon：茨城県産（重量 746 g），

avocado：アメリカ産（重量 177 g），apple mango：メキシコ産（重量 361 g），banana：フィリピン産（重量 149 g，172 g，165 gの 3本），peach：山梨県産（重量 136 g），eggplant；熊本県産（重量 150 g，157 gの 2本）］．すべての果実・野菜は市内にある一般的なスーパマーケット，商店にて購入した．8種類の果実・野菜は購入した同日に撮像を行った．本実験では事前に病院放射線部責任者と大学保健科学研究院研究室との共同研究として文書を取り交わすと共に，病院倫理規定に則って策定した研究計画に従った．本研究では十分な説明のうえに同意を得た健常ボランティア 1名（男性，21歳）を対象とした．下記に示す撮像条件で正常ボランティア（男性）1名を撮像した．また，画像の使用にあたっては非連結匿名化を行って，個人情報の保護に配慮した．　撮像する際に，自作ファントムをボランティアの頭部および果実・野菜にそれぞれ巻き付けた（以下，頭部に巻き付けた自作ファントムを頭部側ファントム，果実・野菜に巻き付けたファントムを果実・野菜側ファントムとした）．番号を記載した図を Fig. 1に示した．　Fig. 1において，中央にある丸い大円に人体頭部または果実・野菜を設置した．その周りを自作ファントムで囲み，MRI用ガドリニウム造影剤 8倍希釈シリンジを1st，MRI用ガドリニウム造影剤 16倍希釈シリンジを2ndとし，最後の蒸留水を 15thとした．果実・野菜と人体頭部を spin echoシーケンスによって以下の条件にてT1WI［repetition time（TR）：500 ms，echo time（TE）：9 ms，スライス厚：5 mm，matrix size：256×256，field

of view（FOV）：250 mm］，T2WI（TR：4000 ms，TE：100 ms，スライス厚：5 mm，matrix size：256×256，FOV：250 mm）を axial像にて撮像した．データの取得および解析は次の四つの方法で行った．第 1に，ボランティアの頭部 axial像において大脳基底核レベルの左前

Fig. 1 Position and numbers of the custom-made phantom.

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頭葉灰白質および白質の信号強度（signal intensity: SI）を測定した．T1WI，T2WIでの測定位置を Fig. 2に示した．なお，撮像時の検査室内は室温 25.0度，湿度 25％であった．　SIの測定のため，関心領域（region of interest: ROI）を設定した．R O I は円形で，測定面積は 0 .3 c m 2

（32 pixels）とした．第 2に，頭部側ファントムにおいて，ボランティアの灰白質と白質両方の SIが含まれる番号を選択した．第 3に，選択された頭部側ファントムと同じ番号を果実・野菜側ファントムに適応した．果実・野菜に設定した ROI内の SIが果実・野菜側ファントムに含まれるか検討した．果実・野菜の ROIの設定位置は Fig. 3，4に示した．　T1WI，T2WIにおいて ROIの位置は同一とし，測定面積は 0.3 cm2 （32 pixels）とした．なお，果実・野菜側ファントムにて含まれる条件として個々の頭部側ファントム番号の平均信号強度の 2倍の標準偏差（standard

deviation: SD）を基準とした．　第 4に上記の結果をベースとして，T1WI，T2WIの両方にて内部構造の SIが頭部側ファントムに含まれた果実・野菜は bananaであった．Bananaの内部構造をFig. 5に示す．三つの内部構造（子房：ovary，内果皮：endocarp，中果皮：mesocarp）ごとに 3カ所の ROIを設定して以下の撮像条件にて T1値，T2値を求めた．　Bananaの品種は第 1の実験と同様の 1本のフィリピン産（Cavendish）を用いた．機器は symphony 1.5 T

（Siemens，Erlangen，Germany），コイルは機器付属の8 ch phased array head coilを用い以下の条件で axialにて撮像した．T1値の測定は saturation recovery法を用いた．Spin echo法を使用し，撮像条件は TR：300，3000 ms，TE：10 ms，flip angle（FA）：90˚，スライス厚：

5 mmと設定した．T2値の測定は multi echo法を用いた．Spin echo法を使用し，撮像条件は TR：3000 ms，TE：17.2，34.4，51.6，68.8，86，103.2，120.4，137.6，154.8，172，189.2，206.4，223.6，240.8，258 ms，FA：90˚，スライス厚：5 mmと設定した．　測定した bananaの T1値，T2値と，先行研究9, 10）によって示された人体脳組織（前頭葉）の灰白質および白質の T1値，T2値を比較した．また，測定に用いたbananaは文献11～13）に示された外果皮（exocarp）の外観からの完熟度分類を採用し，stage 6：full yellow，stage

7：yellow with brown spotsの 2種類を選択した

2．結　果　ボランティアの頭部を測定した結果，T1WIにおいて，灰白質の SIは 305±12，白質の SIは 363±11であった．頭部側ファントムで灰白質と白質の SIを含むことができたのは 11th（541±22）と 12th（195±20）の間であっ

Fig. 2 MR images of human brain. (a) T1WI (b) T2WI Gray circles indicate gray matter and white

circles indicate white matter.

a b

Fig. 3 Position of region of interest in the fruits (eight species) of T1WI.

(a) Apple, (b) Tomato, (c) Melon, (d) Avocado, (e) Banana, (f) Eggplant,

(g) Apple mango, (h) Peach

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た．T2WIでは，灰白質の SIは 356±16，白質の SIは256±15となった．頭部側ファントムで灰白質と白質のSIを含むことができたのは 5th（357±13）と 6th（226±14）の間となった．果実・野菜側ファントムに頭部側ファントムのファントム番号を適応させた．8種類の果実・野菜の SIを測定した．T1WIで測定した結果を Table 1

に，T2WIで測定した結果を Table 2に示した．Table 1

において，果実・野菜の欄にある 1から 5までの数字はFig. 3に記載された果実・野菜に設定した ROI番号と対応させた．Table 2についても同様に Fig. 4に対応させた．測定位置によっては，いくつかの果実の ROI位置において，果実・野菜側ファントムで SIを含むことが可能であった．T1WI，T2WIの両方にてすべての ROI位置で SIを含むことが可能であった果実・野菜は banana

であった．　測定された bananaの T1値，T2値と先行研究9, 10）によって示された人体脳組織（前頭葉）の灰白質および白

質の T1値，T2値の結果を Table 3に示した．

3．考　察　一般的に，店舗で販売されている果実・野菜はさまざまな種類が存在し，またその形態もさまざまである．選択した 8種類の果実・野菜において，最初から内部構造のどこが類似した T1値，T2値を示すのか判断できないため，実験の最初から T1値，T2値測定を行うことは現実的に困難と考えられる．また，信号強度はそれぞれの画像における相対値であるため，果実・野菜と頭部のMR画像を単純に比較することはできない．そこで，果実・野菜とボランティアの頭部に自作ファントムを用いて基準化することで簡易的に人体の脳組織に類似する果実・野菜を検討した．その結果，T1WIと T2WIの両方の画像で基準を満たした果実・野菜は bananaであった．　Bananaの内部構造は各部位に分離されており，肉眼的にもMR画像にても確認することが可能であった（Fig. 5）．Bananaの内部構造は，その横断面を肉眼的に観察すると同一構造をもった三つの房に分離されている．その一つの房は ovary，endocarp，mesocarpに分かれている．Bananaと限定した場合 T1WI，T2WIからbananaの内部構造はそれぞれ違った SIを示すと考えられた．内部構造の T1値，T2値を測定した結果，Table 3

に示すように T1値，T2値の測定結果と先行文献からの人体脳組織（前頭葉；灰白質，白質）の値は非常に近似した値を示した．さらに完熟度（追熱）を示す stage 6，stage 7の間では若干の違いを確認することができた． つ

a

c

b

d

Fig. 4 Position of region of interest in the fruits (eight species) of T2WI.

(a) Apple, (b) Tomato, (c) Melon, (d) Avocado, (e) Banana, (f) Eggplant, (g) Apple mango, (h) Peach

Fig. 5 Schematic anatomy of cross-section of the banana.

(a) Schema, (b) Macrograph, (c) T1WI, (d) T2WI

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Table 1 Mean signal intensity of custom-made phantom (fruits: 11th, 12th) (eight species) with T1WI

Fruits and vegetables side ROI number in the fruits and phantom number vegetables

11th 12th 1 2 3 4 5

Apple 870±33 720±21 668 466 474 522 522

Tomato 892±28 734±18 734 546 552

Melon 836±12 677±14 651 730 709

Avocado 894±27 734±20 1643 943 1929

Banana 864±31 700±22 916 908 853

Eggplant 885±20 721±13 515 476 479 475

Apple mango 858±24 710±17 1024 909 1005

Peach 860±30 705±19 653 715 873

Numbers indicated mean signal intensity and standard deviation.

Table 2 Mean signal intensity of custom-made phantom (fruits: 5th, 6th) (eight species) with T2WI

Fruits and vegetables side ROI number in the fruits and phantom number vegetables

5th 6th 1 2 3 4 5

Apple 375±34 1070±42 952 1301 1281 1287 1409

Tomato 341±41 1021±38 2239 1619 2067

Melon 336±37 995±32 1529 1150 1591

Avocado 375±36 1055±37 1303 234 781

Banana 392±34 1082±33 831 772 919

Eggplant 403±35 1112±34 329 276 451 466

Apple mango 380±32 1090±32 1573 181 1611

Peach 395±30 1115±34 1483 1516 2107

Numbers indicated mean signal intensity and standard deviation.

Table 3 T1 and T2 relaxation times (ms) obtained from banana (stages 6 and 7) and human brain tissue (ref. 9, 10) at 1.5 T

Ovary Endocarp Mesocarp

T1 value Stage 6 964.9±37.5 1136±58.8 788.6±8.3

Stage 7 1005.1±3.7 637.8±27.8 751.7±39.7

Gray matter White matter

Reference 9) 1188±69.0 656±16.0

T2 value Stage 6 97.4±39.8 105.7±10.1 63.1±9.8

Stage 7 98.6±4.8 72.5±10.1 100.9±6.9

Gray matter White matter

Reference 10) 88.0±2.0 84.0±3.0

Stage 6: full yellow, Stage 7: yellow with brown spotsValues are in mean±standard deviation.

まり bananaが人体脳組織の模擬ファントムとして極めて有力な材料であることが確認できた．しかしながら，本研究の限界として bananaの T1値，T2値測定では対象個数が少なく，統計学的要因をすべて排除できな

い．今後より多くの個数を用いた T1値，T2値の測定および完熟度（追熱）への対応（stage分類）が不可欠と考えられる．　Table 3において，人体脳組織（前頭葉）の灰白質およ

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び白質の T1値，T2値は，bananaの内部構造や完熟度（追熱）によっては類似した値を示していることがわかる．頭部MRIにおいて，T1WIや T2WIを検討する際に用いられる人工的模擬ファントムは，通常，寒天ゲルやニッケル，ガドリニウム造影剤などを組み合わせて作成される3～6）．先行研究によって示された T1値，T2値に近づくように人工的模擬ファントムが作成されることから，本研究で示したような類似の T1値，T2値をもつ可能性の高い果実・野菜であれば，模擬ファントムとしての可能性が広がる．特に bananaは一年中，市中で販売され，そのまま使用できるという大きな利点がある．　Bananaは果実・野菜という特性上，人工的模擬ファントムとは大きく異なる．人体の頭部（直径 18 cm程度）に比較して直径 3 cmほどと小さいこと，また完熟度（追熱）によって内部成分が変化していくことが挙げられる．頭部に比較して小さいため，内部構造に ROIを設定する場合には ROIの大きさに制限がかかる．たとえば ROIを大きくしすぎると，標準偏差が大きくなって測定精度が下がり，ROIを小さくしすぎれば，統計的な揺らぎが大きくなるためである．したがって，bananaを用いる場合には精度を保持できるだけの ROI内のピクセル数が確保されているかどうか注意が必要である．また，bananaは完熟度（追熱）によって T1値，T2値のどちらも延長することが報告されている8）．本研究で用いた bananaの結果は完熟度（追熱）の過程で得られた数値であると考えられる．完熟度（追熱）による内部構造の変化を分類することで，より多様な灰白質，白質のモデルを示す可能性が期待される．Mendoza，Li，Vonら11～13）

によれば，bananaの完熟度（追熱）は外観によって視覚的に 7段階に分類される．その分類は stage 1：hard

green，stage 2：sof t green，stage 3：greener than

yellow，stage 4：more yellow than green，stage 5：yellow with green tips，stage 6：full yellow，stage 7：yellow with brown spotsである．一般的に，店舗で販売される bananaはほとんどが stage 6か stage 7である．本研究の最初の段階で用いた bananaは stage 7であった．T1値，T2値の測定に使用した bananaは stage 6とstage 7であった．これらの stageを選択することで人体脳組織（前頭葉）の灰白質および白質に類似した T1値，T2値を得ることが可能となる．

　これまでの人工的模擬ファントムは，MRIが医療に用いられてきてから，長年研究が行われて現在の形となってきたものである．T1WI，T2WIやさまざまな撮像

パラメータおよびシーケンスの検討のために，寒天ゲルやガドリニウム造影剤を模擬ファントムとして用いる発想はその中から生まれたものである．今まで用いてきた寒天ゲルやガドリニウム造影剤だけでなく，別の視点から模擬ファントムの有り様を考え，それが臨床に有用か検討することは非常に重要である．今回はその発想の一端として果実・野菜がファントムとして用いられないかと検討した．Bananaの完熟度（追熱）は，非常に大きな欠点に見受けられるが，MRIを使用した完熟度（追熱）の分類ができれば，今までの人工的模擬ファントムと遜色ない T1値，T2値が可変可能な模擬ファントムとなり得る可能性もある．　本研究での平均信号強度から bananaが脳組織に類似したが，部位によっては今回用いた果実・野菜や，他の果実・野菜にも模擬ファントムとして合致する可能性が考えられる．脳領域だけでなく，MRIは人体のさまざまな部位を撮像している．その部位に応じた，また撮像法それぞれに適した人工的模擬ファントムの作成は，医療における非常に重要な要素の一つである．より人体構造に類似したファントムの作成のため，さまざまな視点を以て模擬ファントムの検討を行うことが臨床において求められている．

4．結　語　本研究によって，8種類の果実・野菜による内部構造の SIを検討した結果，bananaは人体脳組織（前頭葉）の灰白質･白質と近似しさらに T1値，T2値の測定においても人体脳組織（前頭葉）に近似した値を得た．以上から，bananaは頭部MRIにおける T1WI，T2WIの灰白質および白質の分離能の検討を含めたさまざまな撮像法の最適化の研究に大きく寄与し，人体脳組織の模擬ファントムとしての可能性が示唆された．今後，banana

が人体脳組織の模擬ファントムとして活用できるよう，内部構造の詳細な解析やその T1値，T2値の測定および完熟度（追熱）による T1値，T2値の変化について検討を重ねていく考えである .

謝　辞　本研究を進めるにあたり，さまざまな貴重なご指導，ご助言をいただいた，札幌医科大学病院放射線部の皆様に深く感謝を申し上げます．また，測定値の解釈や統計処理に関するご助言をいただいた北海道大学 西本尚樹氏に感謝いたします．

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問合先〒 060-0812　札幌市北区北 12条西 5丁目北海道大学大学院保健科学研究院　坂田元道