画像技術1

[P-2-106] 生体内微細制限構造における水分子の変位シミュレーション

^〇佐藤正和¹, 八木一夫¹, 畑純一^1,2 (1.首都大学東京大学院人間健康科学研究科　放射線科学域, 2.慶応義塾大学医学部)

[背景・目的]
生体内の水分子の自己拡散現象を画像化する手法としてDWI（Diffusion　Weighted　Imaging：拡散強調画像法）が広く普及している．しかし，従来のDWIは自由拡散の考えの下で多くの研究が行われてきた．組織，臓器の多くは微細な制限構造を持つ細胞体などから構成されており，自由拡散で考えるには限界があるため，制限拡散で考える必要がある．現在では，対象内で拡散粒子がどのように分布しているかを明らかにし，構造情報の抽出を行うQSIや自由拡散の正規分布からのずれを画像化するDKIなど制限拡散の評価が可能となる撮像法が注目されている．そこで今回，制限構造において水分子がどのように拡散し，変位しているのかを簡易的に算出し水分子の挙動を確認することを目的とした．
[方法]
シミュレーション計算機にはMATLAB(MathWorks社)を用い、制限拡散における境界条件はNeumannの境界条件とした．自由拡散と同様の初期条件を設定し，拡散方程式から導いた濃度分布および，平均二乗変位の式に各対象組織の制限構造の大きさ，拡散係数を振り分け，制限拡散における水分子の変位を算出し，自由拡散との比較を行った．また，微細制限構造は中枢神経，腹部臓器，骨格筋を仮定し，制限拡散モデルと自由拡散モデルを設定しシミュレーションを行った．
[結果・考察]
自由拡散の正規分布と今回算出した制限拡散の濃度分布を比較すると，中枢神経領域などのより制限された構造ほどより短時間の拡散時間で自由拡散より早く濃度が均一化された．平均二乗変位においては，自由拡散では時間に比例して増加していくのに対し，制限拡散では時間とともに値の変動が小さくなった．よって，制限構造では拡散時間の設定が非常に大事といえる．今後，Monte-Calro法を組み合わせより複雑な拡散現象のシミュレーションを行っていくことで各種臓器におけるQSI，DKIの最適条件を推定することができると考えられる．
[結語]
本結果により、制限構造を持つ生体内の水分子の拡散現象における水分子の挙動が示された．