核磁気共鳴画像を用いた生体内温度変化の推定

招待論文

核磁気共鳴画像を用いた生体内温度変化の推定

二川

佳央

†a)

_中村

_優

††

Estimation of Temperature Change in Human Body Using MRI

Yoshio NIKAWA

†a)

and Suguru NAKAMURA

††

あらまし 生体の局所を加温する温熱療法は西洋医学の分野において広く利用されている．近年，西洋医学に 対する補完代替医療としても注目を集めている東洋医学分野における鍼灸分野においても，熱源として艾等を使 用した灸法による温熱効果が利用されている．灸法は臨床の現場で多用される反面，熱の伝播様式や施術時の対 象の内部温度変化などのメカニズムが明確になっていない．これは非侵襲で生体深部の温度測定を行うことが困 難であることに起因する．本研究では，灸法における熱の伝播機序を明らかにするために，灸法施術時の表面温 度の測定及びMRI の T1 信号の位相変化から温度画像を生成する方法を用い，内部温度分布変化の測定，解析 を行った．物体内部のMRI を用いた非侵襲温度推定に関する検討により，鍼灸施術時の生体内温度変化につい て推定した． キーワード 温度分布，核磁気共鳴画像，非侵襲温度計測，鍼，灸

1.

ま え が き

マイクロ波は情報伝達の手段のみならず，各種非破 壊検査，非侵襲診断のための計測媒体として，更に非 接触で伝達可能なエネルギー源としても幅広く応用さ れている[1]．電波を用い非侵襲計測を実現する核磁気 共鳴画像（Magnetic Resonance Imaging; MRI）装 置などの画像診断装置は電離放射線を使用しないため， 放射線障害のような危険性がなく安全性が極めて高 い．MRIは，NMR（Nuclear Magnetic Resonance） 現象を用いて静磁界中に置かれた生体の断層像を電波 により取得する装置であり，次のような利点がある． 1)疾病によりコントラストが大きく変わるため，診 断能が高い．2)任意多断層断面及び3次元画像が得 られ，病変の広がりを正確に把握できる．3)骨による アーチファクトが無く，脊椎，頭蓋内疾患などの診断 に極めて有用である．4)造影剤を用いずに，血液など †_{国士舘大学理工学部理工学科，東京都}

Department of Electrical and Electronics Engineering, Kokushikan University, 4–28–1 Setagaya-ku, Tokyo, 154– 8515 Japan

††_{出張鍼灸桜，横浜市}

SAKURA Acupuncture clinic, 44–87 Sakuradai, Aoba-ku, Yokohama-shi, 227–0061 Japan a) E-mail: [email protected] の体内液の流れの空間分布が求まる．近年では，オー プン型MRIの普及により，閉所的な空間で撮像した 従来のトンネル型MRIに対して，広く開放された空 間での撮像が可能となり，医師が撮像中でも患部の断 層像を診断しながら治療を行うIVR（Interventional Radiology）も急速に普及し効果を上げている[2], [3]． 核磁気共鳴現象により画像を得るMRIでは，より高 い分解能を得るために，より大きい外部磁場が要求さ れる．原子核の核磁気共鳴周波数と外部磁場強度は， 比例関係にあるため，MRIの高分解能化に伴い，要 求される核磁気共鳴周波数はマイクロ波領域におよぶ ことが考えられる．画像診断装置の普及の一方で，生 体に温熱刺激及び機械刺激を与え，その刺激に対する 生体反応を引き出すことで，効果を引き出す鍼灸では， 鍼刺激と灸刺激という主に二つの生体へのアプローチ 方法を用いて施術を行い，その効果が得られている． このうちの灸法とは鍼灸治療の際に用いられる技法の 一つであり，艾を燃焼させることにより，生体に温熱 刺激を与え，その温度上昇に対する生体反応を引き出 すことで，効果とする施術法である．灸法は一般的な 施術法であるにもかかわらず，熱の伝播様式や施術時 の対象の内部温度変化などのメカニズムが必ずしも明 確になっていない[4]∼[6]．赤外線サーモグラフや熱 電対などを用いた熱の伝搬様式についての研究は行わ

素原子の縦緩和信号の位相測定より得られる物体内部 の温度を推定し，ファントムモデル及び生体内での非 侵襲温度分布について検討する[11]．本研究で用いる MRIを用いた水素原子の縦緩和信号T1 の位相変化 を得る方法については，組織依存性が小さく，非侵襲 温度計測を生体に応用する際に組織に依存する誤差が 低減できる利点を有する．また本研究で用いた，灸法 や鍼法は東洋医学分野において，日常的に用いられる ものである．鍼灸分野においては，近年，西洋医学に 対する補完代替医療として大きな脚光を浴びている反 面，その治療効果においてエビデンスが乏しく，未だ 医学的な治療法としての必ずしも理解が得られている わけではない．この理由の一つとして，鍼灸施術中に おける施術領域の温度測定例が極めて少なく，温熱を 用いた治療であるにもかかわらず，最適温度や，最適 温度分布に関する情報が不足していることが挙げられ る．本研究は生体モデルにおける非侵襲での温度測定 を行うとともに，得られた結果により，鍼や灸が与え る温熱効果による温度分布においても検討を行う．

2. MRI

による温度推定

MRIはNMR (Nuclear Magnetic Resonance)現

象を用いて生体の断層画像を得る装置である．MRIの 画像化法は，磁場焦点法，バックプロジェクション法 など種々の方法が開発されたが，現在のMRIではほ とんどがフーリエ変換法で画像を得ている．スピンを 励起する電磁波の回転磁場成分，及び励起されたスピ ンより放出される電磁波の波長は1m以上でありCT のような電磁波の直進性を利用することはできない． このため，MRIでは位置識別の方向をx，y，zとする と，式(1)で表される静磁場強度B0 にx，y，z方向 に対してそれぞれ線形勾配磁場Gxx，Gyy，Gzz，が 重畳されてできる磁場B(x, y, z)を用いる． B(x, y, z) = B0+Gxx + Gyy + Gzz (1) このような磁場に測定対象を入れることで，測定対象 は水素原子のスピン縦緩和信号T1 の位相差を用いる． 温度差ΔTは位相差Δθ を用いて式(3)で表される． ΔT (i, j) = Δθ(i, j) 2πγ · B0C · T E (3) この方法は，MRI画像データ取得時に位置座標 (i, j)に対して，位相差Δθ(i, j)と温度差ΔT(i, j)の 関係を利用したものである．ただし，γ は磁気回転 比(42.57 × 106_Hz/T) ，B0 は静磁場強度(本法では B0 = 0.3T)，プロトンケミカルシフト温度係数C は−0.01ppm/◦C，TEはエコー時間を示す．式(3) から得られる位相法[12], [13]は，組織依存性が少な く，精度の高い温度が推定可能である．本研究では， MRIとして，0.3T永久磁石オープンタイプMR装置 （AIRIS II，日立メディコ社製）を使用し，測定によ り得られるT1 信号の位相変化量に対して式(3)を用 いることにより，温度変化の推定を行った．式(3)よ り得られるΔTは組織依存性が少ないため，生体のよ うな不均一な組織が分布する対象の温度評価に適して いる[14]． また，検証には熱輸送方程式を用い，得られる温度 分布は式(4)により理論的に求められる． ρc ∂T ∂t =q + γ∇ 2_{T − V} s(T − T0) (4) ただし，ρは比重，cは比熱，γは熱伝導率，V_s は血 液の熱容量，qは発熱，T は温度，T0は血液の温度で ある．

3.

ファントム内部温度変化の推定

本実験では，MRIのT1 信号の位相変化から温度 画像を生成し，非侵襲に物体内部の温度特性を測定す る．温度測定法には位相法を用い，温度測定を行う際 には誤差を低減させるため，測定材料を固定する必要 がある．本実験では水をゲル化した材料を用い，常温 のウェットファントムモデルを作成し，実験を行った． 本実験ではファントム上に設置される熱源に鍼灸分野

図 1 炭化艾灸頭鍼

Fig. 1 Acupuncture needle and carbonized moxa.

で広く用いられている図1に示された灸頭鍼を用い， 実験を行った．灸頭鍼とは対象に刺鍼された鍼の龍頭 部分に灸を纏わせ点火し鍼による機械刺激と灸による 温熱刺激を同時に与える手法である．本実験ではMRI を用いた非侵襲温度分布測定に伴い，ファントムモデ ル上に設置された灸頭鍼の熱的な伝播機序においても 検討を行う．本実験では，発生熱の均一化，及び実験 の再現性を考慮に入れ，熱源に従来の艾を用いた灸を 用いず炭化艾を使用した．炭化艾はサイズが均一化さ れており，また燃焼時に発生する煙が少ないことも本 実験における選択理由である．また，MRIでの非侵 襲温度分布測定の際に使用したラックは磁気的影響を 排除するため，銅性のものを使用した．また鍼は長さ 40mm，太さ直径0.20 mmの銀製のものを使用した． 灸頭鍼の熱源である，灸部分の燃焼時間並びに，燃 焼温度及び燃焼中のファントムモデル表面温度を測定 するため，赤外線サーモグラフ（TH9100日本アビオ ニクス株式会社製）を用い温度分布を測定した．実 験時の灸頭鍼の設定を図2に示す．なお，実験は，長 さ40mm，直径0.2mmのステンレス鍼及びラック灸 （セイリン社製）を用いた，これらの鍼及び灸を用い， ウェットファントムモデル上で点火し，点火中の表面 温度分布を赤外線サーモグラフを用い撮像した．図2 のa点からg点は温度測定点を示し，図3 (a)–(d)に 温度測定の結果を示す． 図3で得られた結果により，今回使用される炭化艾 の燃焼時間が約480秒であることが確認できた．ま た，ファントムモデル表面温度の温度上昇が確認され た．確認された各温度測定点の温度分布を図4に示す． 図4より，鍼体部である測定点d点の温度上昇が ファントムモデル表面と同等の温度上昇しか得られて おらず，鍼体を通じた伝導熱による熱の伝播の可能性 図 2 灸頭鍼の設定

Fig. 2 Setup of acupuncture needle and carbonized moxa.

図 3 赤外線サーモグラフによる温度測定結果

Fig. 3 Temperature distribution by infrared thermography.

図 4 測定点における温度変化

図 5 輻射熱断熱材構成 Fig. 5 Setup of heat insulator.

図 6 断熱材使用時温度分布

Fig. 6 Temperature distribution using heat insulator. がほぼ排除できると考えられる．熱の伝播様式を確認 するために図5に示す断熱材を作成し，同様の実験を 行った．結果を図6に示す． 図3及び図6で得られた鍼体とファントムモデルの 接点であるe点における温度を測定した結果を図7に 示す． 図7より，断熱材を使用しないものが，温度上昇を 示したのに対し，断熱材を使用したものは温度上昇 が得られなかったことから，本実験で用いられた直径 0.20ミリの太さのステンレス鍼については灸頭鍼施術 時の熱伝播に伝導熱が含まれず，輻射熱のみであるこ とが明らかになった．これらの実験を基にMRIを用 いた灸頭鍼施術時の温度分布測定を行う．実験に際し， MRIの初期設定の画像を取得した後，熱源に着火し， 30秒ごとの温度分布画像を取得するものとする．また これらの得られた結果と，熱輸送方程式により得られ たシミュレーションの結果を比較し考察する． 図 7 断熱材使用及び非使用における e 点の温度変化

Fig. 7 Temperature change at point e with and without heat insulator.

図 8 灸頭鍼施術時の温度分布

Fig. 8 Temperature distribution using acupuncture needle and carbonized moxa.

図 9 温度分布シミュレーション結果

Fig. 9 Simulated result of temperature distribution.

MRIを用いたT1 信号の位相変化により得られた 温度分布画像を図8に示す． 図9に式(4)によって得られたシミュレーションの 結果を示す．図8に示したファントムモデル内部の温 度分布推定値とシミュレーション結果がほぼ一致する ことが明らかになった．図10では図8内P点におけ る温度変化測定結果と，シミュレーション結果をグラ フに示す．測定結果はシミュレーション結果とほぼ一 致した．これらの結果により，灸頭鍼施術時における， ファントムモデル内部温度変化がT1 位相法を用いて 非侵襲で測定できることが明らかになった．

図 10 温度変化シミュレーションと実測値の比較 Fig. 10 Simulated result of temperature change with

experimental results.

4.

生体内部温度変化の推定

MRIを用いて，生体における足三里穴(ST36)上に 熱源として設置された，温筒灸施術時の温度分布を測 定，画像化する．温灸の写真を図11に示す．環境条 件として，室温24◦C，湿度40%のシールドルーム内 で実験を行った．足三里穴と，MRI画像化の断面を 図12に示す．また，足三里穴の刺鍼時に適応し，刺 鍼時の生体内温度分布の変化を測定，画像化する．本 実験で使用する温灸は全体底面直径10 mm，艾底面 8 mmで艾体積約500 mm3 _{の温灸を使用．底面台座} なしの円筒形タイプのもので，艾底面から皮膚までの 空気間隙は10 mmとして使用した．図13に示され る非磁性体である銀製の鍼を用い，刺鍼深度は皮膚面 に対し，斜め45◦の斜刺で3mmとし，弾入を実施し た．刺鍼は温度測定前に行い，鍼のみを施術箇所に留 置する置鍼状態で温度測定を行うものとする．灸の燃 焼時間については，事前に赤外線サーモグラフを用い て温灸の燃焼時を撮影し，点火後から約360秒前後で 消火することを確認した．また，刺鍼時の温度分布測 定においては，事前に行った赤外線サーモグラフを用 いての表面温度測定の結果と対比し，評価を行う．な お，刺鍼直後は鍼刺入時の押し手の接触により表面温 度に誤差が生じるため，初期温度測定後は，生体温度 に対する時定数である6分を空けて測定した． 図14に赤外線サーモグラフを用い測定した刺鍼時 の体表面温度分布を示す．図15には図14に示した刺 鍼部において，刺鍼部直下であるA点における時間 に対する温度変化を示す．尚，刺鍼直後は施術時の手 の接触による表面温度誤差があるので初期温度測定後 は生体の温度に対する時定数である6分をあけて測定 した．図15に示す結果より，皮膚表面において刺鍼 図 11 温 灸 写 真 Fig. 11 Photo of onkyu.

図 12 足三里穴部位の温灸 [15]

Fig. 12 Cylinder type onkyu patched on the ST36 in shank for treatment [15].

図 13 銀製鍼の写真 [15]

Fig. 13 Photo of Silver made acupuncture needle [15].

図 14 赤外線サーモグラフを用いた刺鍼時の生体表面温度 [15] Fig. 14 Temperature distribution during acupuncture

Fig. 15 The result of measured temperature of point A and simulated values during acupuncture treatment.

図 16 温度推定結果 [15]

Fig. 16 Temperature distribution from phase change of T1 signal of MRI in ST 36 during acupunc-ture treatment [15]. 1.0 [o_C] 0 1.0 [o_C] 0 1.0 [o_C] 0 1.0 [o_C] 0 図 17 鍼施術時の時間に対する温度変化 [15] Fig. 17 Temperature distribution of ST 36 during

acupuncture treatment [15]. により12分間で1◦Cの温度上昇が得られており，こ の結果により，MRIで得られる温度分布を校正した． これらの結果よりMRIを用いた，生体内温度推定結 果を図16に示す．また，図17には鍼施術時の時間に 対する温度推定結果を示し，図18には図16に示され 図 18 a点における温度測定結果 Fig. 18 Temperature change at the point a during

acupuncture treatment. たaで示す領域において得られる平均温度変化の推定 値を示す．なお，本実験では生体に対し，刺鍼のみを 行い，熱源なしの状態での温度分布画像の撮像を行っ た[15]．また，本研究は国士舘大学「人を対象とした 研究に関する倫理委員会」にて承認（国士大研第3号） を得て実施した． 図17より，刺鍼部である足三里穴が存在する前脛 骨筋の広い範囲での温度上昇が確認された．図18で 示される温度の時間変化は雑音が含まれるが，明らか な温度上昇が認められる．また本実験は刺鍼のみで行 われ，熱源を使用していないため，これらの温度上昇 は，温灸施術時と同様外部から与えられた侵害刺激に 対する生体反応により生じたものと考えられる．

5.

む す び

MRIにより生体内部の非侵襲温度分布の推定が可 能であることを実験的に示した．MRIにより撮像し た，温灸施術時の水素原子スピンの縦緩和信号の位相 変化の測定結果より，温熱刺激，侵害刺激とも，刺激 に対する生体反応により温度上昇を示すという結果が 得られた．またMRIを用いた灸法及び鍼法施術時の 温度分布画像を取得し，灸法及び鍼法施術時の生体内 温度分布の推定が可能となった．これらの結果を基に， 灸頭鍼施術時の生体における温度測定を実施し，鍼法 のみ及び灸法のみの施灸時と生体内部での温度上昇の メカニズムについて検討を行ってゆきたい． 文 献

[1] Proc. GCMEA 2008/MAJIC 1st, 2008.

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