医学の最も小さな患者の中には、最も大きな画像診断の課題を抱えることがあります。乳児の心臓はくるみほどの大きさで、成長とともに体が大きく変化します。しかしMRIで使用される機器の多くは成人の体に合わせた標準サイズで提供されており、個別対応の機器は数千ドルの費用がかかり、製造には数か月、場合によっては数年を要します。
USCの研究者たちは潜在的な解決策を開発しました。個々の患者に合わせてカスタマイズでき、約30ドルで約10分未満で3Dプリントできる柔軟なMRIセンサーです。試験で、これらのセンサーは標準の市販品よりおよそ4倍の画像コントラストを生み出しました。
この研究はNature Communications誌に発表されました。
「カスタマイズされたMRI機器をより速く、より安価に製造できるようにすることで、従来は選択肢が限られていた患者、特に乳児や子どもたちにより良い画像診断をもたらす可能性があります」と、USCヴィター・校の電気・電子工学および生体医工学の准教授ヤセル・カーンは述べました。彼の研究室はConvergent Biosciencesデザインのミシェルソンセンターで、カスタムコイルの設計と3Dプリントを行っています。
ミシェルソンセンターの専門技術と組み合わせることで、これらのセンサーは動く解剖をとらえるのにも役立ちます。心臓のような小さくて速い動きも捕らえられるのです。 「現在のMRIにない、精密さとカスタマイズのレベルをMRIにもたらしています」と彼は言います。
MRIは強力な磁石とラジオ波を使って体内から信号を生成し、それをコンピューターが詳しい画像へと変換します。信号を拾う役割を担うコイルと呼ばれる装置は、撮像部位に近いほど画像を鮮明にします。小さな患者では適合性が特に重要です。成人向けに設計されたコイルを乳児や子どもの体の周りに置くと隙間が生じ、強い信号を取りにくくなります。さらに子どもは急速に成長するため、一度適合していても数年後や数か月後には合わなくなることがあります。
カーンはこの課題を、正しいカメラレンズを選ぶことになぞらえます。「とても小さなものを撮るには大きすぎるレンズを使えば、最も鮮明な写真を得ることはできません。しかし、個々の患者に合わせてこのレンズ、今回でいえばMRIコイルを調整できれば、はるかに良い画像を捉えることができます」と彼は語ります。
研究者たちは、センサーと皮膚の間に空白が生じるのではなく、体の輪郭にぴったり沿うコイルを作ることを目指しました。これを実現するには、材料とMRIコイルの製造方法の両方を見直す必要がありました。約3年間の実験の末、カーンのチームは導電性銀インクを熱可塑性エラストマーという柔らかく伸縮性のある材料の上に3Dプリントするプロセスを開発しました。この材料は人間の皮膚に似た特性を持ち、約5％から10％程度伸びるため、コイルが体とともに曲がり動くことができます。
子どもたちの体に合わせて設計された画像機器へのアクセスを提供することが目標です。成長に伴い、医師が可能な限り最も鮮明な画像を得られるようにするためです。
Yasser Khan
研究チームはいくつかの柔軟材料、プラスチック、そしてプリント可能な金属の配合を試した後、銀インクと熱可塑性エラストマーの組み合わせに到達しました。さらに、従来とは異なるコイルをMRIシステムに接続するための電子機器の開発も必要でした。
コイルはデジタル設計として始まるため、寸法は迅速に変更できます。研究者はコンピューター上でサイズや形状を調整し、新しいコイルを印刷することができ、特殊部品が製造されるのを待つ必要はありません。 「成長する子どもの体には、体が変化するにつれて異なるコイルを作ることができる可能性があります」とカーンは言います。「私たちの目標は、子どもたちの体に合わせて設計された画像機器へのアクセスを提供することで、成長に伴って最も鮮明な画像を得られるようにすることです。」
この技術は、USCミシェルソン・センターが育成を意図した学際的な協力の結果として生まれました。エンジニア、イメージング科学者、臨床医が集まり、複雑な課題に取り組み、科学的発見を加速させることを目的としています。今回、2つの研究室が同じ問題に対して補完的な専門知識を持ち寄りました。カーン研究室は、体に曲がり、伸び、適合することができる柔軟でウェアラブルな電子機器を研究しており、その分野を担当しています。
ダイナミック・イメージング・サイエンス・センター（DISC）は、USCヴィターシ校の電気とコンピューター工学および生物医学工学のクリシュナ・シュリニヴァス・ナー ヤク教授が主導し、動く体を捉える方法を含む高度なMRI技術を開発しています。DISCラボは、研究者が世界で唯一と評される同種のMRIシステムを所蔵しており、USCの科学者が新技術を試し、動く体のイメージングの限界を押し広げることを可能にしています。
臨床パートナーは、これらの能力を患者のニーズに結びつける役割を果たします。ロサンゼルス小児病院の心血管MRI部門ディレクターで、USCのキーク医学部の小児科・放射線科教授でもあるジョン・ウッドは、ナー ヤクとともに、小児画像診断の最も難しい課題のいくつか—in particular,リアルタイムの胎児心臓画像化—に取り組んでいます。子どもの心臓を撮像する経験は、新しくより適応性の高い技術が最も大きな影響を及ぼす場を教えてくれます。
「異なるアイデアが衝突できる環境が必要です」とカーンは述べました。「このプロジェクトは、MRIへのアクセスと、心臓専門医、放射線科医、画像科学者との対話なしには実現しませんでした。専門知識を一堂に集めることで、私たち一人ひとりでは解決できなかった問題を解決できるのです。」
出典: University of Southern California
