刺激制御システムを用いたシングルパラダイムによる一次運動野の時間分解能の評価（前野・他）原著 975 刺激制御システムを用いたシングルパラダイムによる一次運動野の時間分解能の評価前野正登・内田健哉1）・橘潤1）・山本香織2）武内雄介2）・肥沼武司・曲谷一成2）・簗島謙次3）論文受付 2004年 2 月17日国立身体障害者リハビリテーションセンター病院画像診断棟 1）早稲田大学理工学部 2）東海大学電子情報学部 3）国立身体障害者リハビリテーションセンター病院眼科論文受理 2004年 4 月18日 Code No. 261 緒言 dependent）効果に基づく脳内の血液中酸素量の変化に機能的磁気共鳴画像法（functional magnetic resonance 伴う磁化率効果の変動を，ブロックパラダイムを用い imaging：fMRI）は，高分解能，無被曝，記録の簡便て検出することにより脳機能を評価してきた．しかさから近年，脳機能検査にも用いられるようになってし，ブロックパラダイムを用いた撮像法の多くの刺激きた．従来のfMRIは，BOLD （blood oxygenation level- 開始または刺激呈示は，2∼5 秒の刺激を 3∼10回，そ Evaluation of Time Resolution of the Primary Motor Cortex by a Single Paradigm Using a Stimulation System MASATO MAENO, KENYA UCHIDA,1） JUN TACHIBANA,1）K AORI YAMAMOTO,2） YUSUKE T AKEUCHI,2） TAKESHI KOINUMA, KAZUSHIGE MAGATANI,2） and KENJI YANASHIMA 3） Medical Imaging Center, National Rehabilitation Center for Persons with Disabilities 1） School of Science and Engineering, Waseda University 2） Department of Electrical and Electronic Engineering, Tokai University 3） Department of Ophthalmology, National Rehabilitation Center for Persons With Disabilities Received Feb. 17, 2004; Revision accepted April 18, 2004; Code No. 261 Summary Many researchers are investigating brain function by using a block paradigm in fMRI measurement. However, time resolution has been limited because the block paradigm employed data collection by consecutive image acquisition after stimulation began. Because of this problem, the evaluation of early brain activity was not adequate. Therefore, a system that was able to take imaging from a high time dependence to stimulation in real time was necessary to evaluate early brain activity. It is necessary to obtain controlled image taking by an MRI device with an external trigger by creating a sequence design in the system controlling stimulation and a sequence designed to achieve the above. The execution of a single paradigm by the originally designed sequence thus becomes possible, and arbitrarily setting all processes from stimulation to image taking is possible. It is thought that the practical use of the single paradigm designed by the control system of stimulation enables real-time imaging for stimulation and provides time-dependent data. From this, evaluation of brain activity of the primary motor cortex is possible in the early stage by event-related data collection. In addition, “sank,” a relative decrement in PO2 was also an initial stage of BOLD, that is, an initial dip occurs as a transitory signal change by using a single paradigm that synchronizes with the control system of stimulation for the evaluation of early brain activity. Moreover, it is thought that taking images by a single paradigm that is synchronized with the control system of stimulation is indispensable for time and spatial elucidation of detailed brain activity, to evaluate hyper brain function. Therefore, the brain activity in the primary visual cortex at the early stage was clarified in this study by using a single paradigm designed to synchronize with the control system of stimulation by single-shot EPI. Key words: fMRI, BOLD, Initial dip, Single paradigm, Hemodynamics 別刷資料請求先：〒359-0024 2004 年 7 月埼玉県所沢市並木4-1 国立身体障害者リハビリテーションセンター病院画像診断棟前野正登宛日本放射線技術学会雑誌 976 Fig. 1 Sequence design used to examine the delay of activation caused by the BOLD effect after stimulus termination. The trigger point of Rest is assumed immediately before Task starts, and Act （Activate） is assumed to set delays of 0, 2.5, 5.0, and 7.5 seconds after stimulation ends （after Task ends） , to confirm the attenuation of activation. From this, TR was set. して安静時も同じく繰り返し行ったものを 1 セットと答性をsingle shot EPI法により刺激制御システムに同し，これを数セット繰り返すものであった．刺激は，期したシーケンスデザイン化されたシングルパラダイ 1 セット10秒以上の報告がほとんどであるが，視覚野ムを用いて短時間運動刺激における賦活描出により，においては刺激時間が長いために注視の疲労による瞬高時間分解能を可能とした．きが原因でTaskとRestの優位な差がなく，十分な賦活が得られない．また，BOLD効果によるhemodynamics 1．方法の刺激開始後の遅れと刺激終了後からの遅延による賦 1-1 対象 1，2）活の低下が起こる．時系列系の解析は，相関性を健常成人 6 名（男女性：22∼44歳；平均26.5歳）であ高める処理を行い高い賦活信号を得るものであるが，り，本研究の目的と内容を口頭にて説明を行い，同意時間分解能に限界があり早期の脳活動の評価には適しを得た． 3∼7）ていなかった．賦活の応答性の評価は，視覚刺激に対する一次視覚 1-2 刺激野の刺激頻度依存性が報告されているが，刺激時間に刺激運動は，3 回/秒の右手指対立掌握運動を行い，よる一次運動野における賦活信号に対する時間分解能タイミングはNEUROSCAN社製STIM for MRIにて制 8，9）に主眼を置いた報告はされていない．早期の脳活御した．動評価の実現には，ブロックパラダイムといえども刺刺激運動時間は，hemodynamicsの遅れが6.0秒前後激制御システムによるシーケンスデザインされたものとされていることから余裕をつくるために7.5秒としによって外部トリガーに連動し，MRIのすべての撮像た5，13∼16）．をコントロールしたデータ収集により再現性と賦活信実験 1：賦活は，BOLD効果によるhemodynamicsの 10，11）号の向上が可能となった報告もある．また，シン刺激終了後からの遅延による賦活信号の影響を避けるグルパラダイムにおいても刺激制御システムによりために，TaskとRestの7.5秒を基本とし，適正TRを求シーケンスデザインされたものから外部トリガーに連めるためのデータ収集の撮像はTask終了後 0 秒（TR 動し，MRIのすべての撮像をコントロールすることに 7.5秒），2.5秒（TR 10秒），5 秒（TR 12.5秒），7.5秒（TR より一次視覚野において，BOLDの初期の段階でもあ 15秒）の 4 種類行った．刺激運動時間によるタイミンる血中酸素濃度の相対的低下「沈み」，すなわち，グテーブルは，Fig. 1に示す．この設定により，「initial dip」の一過性の信号変化を捉え，賦活に対する BOLDの減衰が十分になされているかを確認し，刺激 12）高時間分解能を実現した報告もある．そこで，一次終了後のBOLDの遅延による影響を受けない適正なTR 運動野においても刺激制御システムによりシーケンスを求めた．デザインされたものによる撮像が短時間刺激の賦活描実験 2：賦活信号と線形性を求めるため刺激運動時出に重要な役割を果たすと思われる．間は，1，2，3，4，5，6，7 秒の 7 種類の刺激を行っ本研究では，手指運動による一次運動野における応た．そして，賦活信号と線形性を求めるための刺激運第 60 卷第 7 号刺激制御システムを用いたシングルパラダイムによる一次運動野の時間分解能の評価（前野・他） 977 Fig. 2 Timetable of sequence at each stimulation （movement） time. Timetable when stimulation （movement） time is postponed by one second in TR=8.0 seconds. 動時間によるタイミングテーブルは，Fig. 2に示す．は一般的に1.96 （信頼度95.0％）以上が用いられるが，各刺激運動時間による，賦活信号の描出と刺激運動時ノイズをほとんど除外できたことからZ-score 1.0 （信間による線形性を求めた．頼度68.3％）のデータ処理を行った．各記録におい刺激運動は，タイミングの再現性を高めるために刺て，S/Nのmean curveを求めるために各スライスのソー激表示開始400ミリ秒前に，100ミリ秒のトーンバーストを行い，S/Nの比を求めるために，数値データをト音を刺激開始の合図とした． Excelにて統計処理をした． 1-3 記録 2．結果 M R装置は， 1 . 5 T M A G N E T O M V i s i o n P l u s Fig. 3に刺激運動終了後からの賦活の信号を示す．（Siemens，Germany），標準ヘッドコイルを用いて，刺激運動終了後 0 秒（TR：7.5秒），2.5秒（TR：10秒）一次運動野における刺激に伴う賦活の変化を記録しでは，賦活された信号が十分に残っている．そして，た． 5秒（TR：12.5秒）では，賦活された信号が減衰した．撮像のタイミングテーブルは，刺激制御システムにさらに，7.5秒（TR：15秒）では，賦活された信号がほてデザインされたシーケンスによってすべて外部トリとんど消失した．また下段において刺激運動終了後 0 ガーを制御して行った．撮像条件はsingle shot EPI法秒（TR：7.5秒）と比較し2.5秒（TR：10秒）の賦活が強を用いて，刺激運動時間 1∼7 秒では賦活の応答性をまる描出を捉えた．求めるためにTR 8 秒にて行った．また刺激終了後の各刺激運動時間における賦活の信号をFig. 4に示遅延時間を調べる撮像条件は，TR 7.5∼15秒とし，そす．刺激運動時間 1 秒では，強い賦活信号が現れた．れぞれTE 65ミリ秒，TD 30ミリ秒，スライス厚 2，3，4 秒では，1 秒と比較したとき，賦活信号の減 5mm，スライスギャップ 2％，フリップ角90度，スラ衰が確認された．5，6，7 秒の刺激運動時間では，賦イス枚数 7 枚，マトリックスサイズ 64×64 活された信号が徐々に強まった．（interpolation），FOV 220mmとし，32回撮像した．スライスごとに刺激運動時間 1，2，3，4，5，6， single shot EPI法を用いたシングルパラダイムでは信 7 秒のデータをソートした賦活部位における信号値の号が小さいため，TRを長く設定することで効率良く mean curveをFig. 5に示す．刺激運動時間 1 秒ではTask 賦活信号を収集できる．さらに，7.5秒以上のTRでがRestよりも信号値が弱く，2，3，4 秒ではTaskとは，信号の時定数の緩和時間から信号の描出に大きな Restの信号値はほぼ同等となり，5，6，7 秒ではTask 変化はないと考えた．がRestの信号値よりも強く現れた．刺激運動時間 1，2，3，4，5，6，7 秒の賦活部位に 1-4 データ解析おける信号値のTaskとRestの信号比の各データTable 各記録において，T1回復の影響を避け，信号を平衡とTableの平均曲線Fig. 6を示す．刺激運動時間 1，2 状態にするために初めの 2 スキャンは統計処理から除秒では信号比がTaskよりもRestが大きい信号比を示外した．解析処理は，得られたデータを装置に付属しし，刺激運動時間 3 秒では1.0前後のTaskとRestの信た解析ソフトにて行った．解析に用いられるZ-score 号比が示され，4，5，6，7 秒ではRestよりもTaskが 2004 年 7 月 978 日本放射線技術学会雑誌 Fig. 3 Delay of the activating signal after stimulation began. The activating signal decreases at the delay time of 5.0 seconds, and the activating signal almost disappears at 7.5 seconds. Fig. 4 Time course of activating signal at stimulation （movement） time. The activating signal at each stimulation （movement） time is shown. The signal activated strongly at 1.0 second in the stimulation （movement） ; the activating signal is not seen at 2.0, 3.0, or 4.0 seconds; and the activating signal gradually becomes stronger at 5.0, 6.0, or 7.0 seconds. Fig. 5 Mean curve of all signal values at each stimulation （movement） time. The signal value of stimulation ON has larger amplitude than that of stimulation OFF at 7.0, 6.0, or 5.0 seconds. The signal value of stimulation ON and stimulation OFF is similar at 4.0, 3.0, and 2.0 seconds. The signal value of stimulation ON has a smaller amplitude than that of stimulation OFF at 1.0 second. 第 60 卷第 7 号刺激制御システムを用いたシングルパラダイムによる一次運動野の時間分解能の評価（前野・他） 979 Table Comparison of the signal ratio of the activating part of each subject at movement time in Task and Rest. Av is compared with the average signal ratio of each stimulation （movement） time. 1 sec 2 sec 3 sec 4 sec 5 sec 6 sec 7 sec A 0.955 0.988 1.01 1.03 1.03 1.04 1.05 B 0.958 0.973 0.985 1.02 1.02 1.03 1.04 C 0.975 0.968 0.975 1.04 1.08 1.09 1.1 D 0.938 0.938 0.975 1.04 1.08 1.09 1.1 E 0.98 1.01 1.02 1.02 1.05 1.09 1.09 F 0.986 0.989 1 1.009 1.019 1.027 1.032 Av 0.9674 0.9756 0.991 1.0258 1.0498 1.0654 1.0724 Fig. 6 Curve of average signal ratio of stimulation ON and stimulation OFF at each stimulation （movement） time. The signal value of stimulation ON is smaller than that of stimulation OFF at 1.0 or 2.0 seconds. In the stimulation （movement） time, the signal value is about 1.0 at 3.0 seconds. The signal value of stimulation ON is greater than that of stimulation OFF at 4.0, 5.0, 6.0, or 7.0 seconds. 大きい信号比を示した．激時間が長くなるにつれRestとTaskの信号がほぼ同じ Fig. 7に刺激運動時間 1 秒と 7 秒における賦活部位になっていく様子が分かる．そして，賦活部位のの信号の変動を示す．刺激運動時間 1 秒では賦活が確 mean curveは，上段において刺激運動時間が長くなる認されなかった部位に 7 秒では賦活された部位が確認につれRestとTaskの矩形波を示し，下段において短いされた．また，刺激運動時間 1 秒，7 秒の両者に賦活刺激運動時間ではハッキリしたRestとTaskの矩形波をされている部位が確認された．さらに右手対立掌握運示し，刺激時間が長くなるにつれ，RestとTaskの信号動にもかかわらず，6，7 秒の刺激運動時間においてはほとんど同じとなった．さらに，刺激運動時間 1∼ 右脳の運動野に賦活を描出した． 5 秒までの信号の変化では，Restの信号変化はほとん Fig. 8に刺激時間による賦活の増加と減衰した賦活どみられないが，刺激運動時間が長くなるにつれTask 部位のmean curveを示す．上段は，刺激運動時間が長の信号が徐々に大きくなっていくのが確認できた．くなるにつれ，Taskの信号がRestの信号よりも大きくなっていくのが分かる．しかし，下段は初期の刺激で 3．考察はRestの信号がTaskの信号よりも大きい値を示し，刺 BOLDの遅延は，Fig. 3に示したように刺激運動終 2004 年 7 月 980 日本放射線技術学会雑誌 Fig. 7 Change of activating part by stimulation （movement） time. The activated part was not confirmed at 1.0 second in the stimulation （movement） time that was confirmed at 7.0 seconds. Especially at 7.0 seconds, the activating signal was taken in the primary motor cortex of a left brain on the side where the confrontation movement was not done. Fig. 8 Mean curve of increment and attenuation in activating signal by difference of stimulation （movement） time. The part in which the signal of Task gradually grows compared with the signal of Rest was confirmed in the upper row as stimulation （movement） time increased. The signal of Rest gradually became smaller than the signal of Task, and the attenuating part was able to be confirmed in the lower. 了後 0 秒，2.5秒では賦活された信号が十分に残り，後，一定時間経過した後に減衰が始まると考えられる 5 秒では賦活された信号が少なく減衰し，7.5秒にてほが，信号の遅延は刺激運動終了後も継続され，その後とんど消失した．よって，刺激運動終了後の 5 秒前後一過性的に信号が強まったことから刺激運動終了後のまで遅延された信号がZ-score処理に大きな影響をも酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの減衰時間が異たらすと考える．このことから，7.5秒以上のRest時間なると考えられる．これは，刺激運動開始直後の信号を設定することにより，BOLDの遅延による賦活信号比にて確認されており刺激運動終了後も同様に考えらの影響をほとんど無視できると考える．したがって，れ，賦活信号の増加は還元ヘモグロビンが急速に減シングルパラダイムでのTRは7.5秒以上の設定が必要り，酸化ヘモグロビンが持続的に供給されたために一である．過性的に賦活の信号が強まったと考えられる． Fig. 3の下段に示した刺激運動終了後の 0，2.5秒で短時間刺激の多くの報告は，被験者全員の信号強度は，明らかに2.5秒の賦活信号が強く示されている部平均の線形性や賦活を述べているが，短時間刺激によ位を確認できた．通常，賦活された信号は刺激終了る被験者個々に対しての賦活信号の描出による応答性第 60 卷第 7 号刺激制御システムを用いたシングルパラダイムによる一次運動野の時間分解能の評価（前野・他） 981 に関しての報告は少ない．各刺激運動時間に対する賦タをシステムに装備された統計解析処理が行われた賦活の時系列的変化は，1 秒で賦活が強く，その後，賦活信号は，絶対値によるモノクロ表示のために負とな活信号は再び信号が減弱したが，5，6，7 秒と賦活さる「沈み」 initial dipを捉えることはできない．「沈み」れた信号は逆に徐々に増大した．特に，Fig. 7では， initial dipを捉えるには，負となる表示方法の検討も必賦活信号が反対側に描出されたことからミラー運動に要と考える．より起こる賦活と考えられる．またFig. 8に示されて脳機能画像解析プログラムを用いた多くの報告は，いるように刺激運動時間 1 秒の賦活された部位が刺激複数被験者の加算平均された解析のために，個々の評運動時間 7 秒では，減衰または消失している部位が確価には適さなかった．また，賦活においてcross corre- 認できたことから，1 秒の刺激は賦活の初期段階にお lation法を用いているために時間依存された評価を行いて先駆的な役割を担っている可能性が示されていうには難しいものがあった．しかし，刺激制御システる．さらに，下段のmean curveから，Restの刺激運動ムによりコントロールされたトリガーを用いたシング時間 1∼5 秒までの信号変化はほとんどみられないルパラダイムの撮像では，刺激から撮像までを任意にが，Taskの信号は刺激運動時間が長くなるにつれて大設定でき，再現性の良い賦活描出が実現され，個々のきくなることが確認できた．これは，短い刺激運動時評価が可能となる．また，時間的・空間的解明への可間において，Task時の酸化ヘモグロビンが急速に減少能性を示唆し，高次脳機能の評価を可能としたデザイし，供給されないためと考えられ，刺激時間が長くなンであると考える．るにつれて酸化ヘモグロビンの供給が始まり信号の上昇が起こったと推測される． 4．まとめ Fig. 6の刺激呈示時間のTask/Restの信号比の刺激運シングルパラダイムによる 1 秒前後の刺激運動時間動時間 1，2 秒ではTaskの信号がRestの信号よりも小の賦活領域では，BOLDの初期の段階でもある血中酸さい値を示したことは，刺激運動開始直後に還元ヘモ素濃度の相対的低下「沈み」 initial dipを捉えることがでグロビンの常磁性が一過性的に増加し，局所的な磁場きた．すなわち，短い刺激時間の信号比においてTask の乱れが信号の低下を引き起こしたためと考える．よの信号がRestの信号よりも弱かったことは，賦活されって，Fig. 6の 1，2 秒の「沈み」は，hemodynamics初た部位において酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビン期の「沈み」（initial dip）を捉えたと考えられる10，17）．そから起こる磁化率の変化による一過性の信号変化を捉して，initial dipを捉えた非線形性は，刺激に対する高えているためと考えられ，賦活に対する時間依存的な時間分解能が可能であることを示した．データ収集が可能となり，高時間分解能の描出ができ Fig. 6の刺激運動時間 3，4 秒のTask/Restの信号比ることが示唆された．そして，刺激時間を長くするにが1.0前後を示し，Z-score処理を行ったときTaskとつれて，Restの信号変化がないにもかかわらずTaskの Restの信号差が小さいために賦活として捉えることが信号が上昇する様子は，まさにhemodynamicsの時系できなかったと考える．このことは，刺激運動開始直列的な変化を捉えていると考える．後に還元ヘモグロビンが増加し，その後酸化ヘモグロまた，トリガーの有効的利用としてMRシステムのビンが取り込まれ両者が拮抗し，有意な差が生じないトリガーでは，撮像のタイミングはコントロール可能ために賦活としての信号を現すことができなかったとであるが，刺激のタイミングまではコントロール不可考える．能である．刺激運動時間 5，6，7 秒では，刺激運動による酸素しかし，刺激制御システムのトリガーを用いること消費量が多くなり，酸素の補給が十分に行われ始めたにより，多様な刺激のシーケンスデザイン化されたシためにTaskとRestに有意な差が生じ，賦活としての信ングルパラダイムの導入が可能となり，運動系・視覚号が強く現れたことを示している．以上のことから，シ系・聴覚系などの各分野別においても刺激デザインがングルパラダイムを用いた際に適正と思われる刺激運詳細に設定可能となり，汎用性に優れたfMRI解析を動時間は，賦活の現れ方だけで評価するならば，Fig. 行うことができる． 4の刺激運動時間による賦活が強く描出される刺激運動時間とFig. 6のTask/Restの信号比が大きくなる刺激なお，本論文の要旨は2003年 4 月，第59回総会学術運動時間から，1 秒または 7 秒が適切と考えられる．大会（横浜）において発表した．さらに現在，短い刺激運動時間 1，2 秒によるデー 2004 年 7 月日本放射線技術学会雑誌 982 参考文献 1）前野正登，山本秀昭，石崎康寛，他：視覚刺激によるfMRI cortex using BOLD EPI at 4T. 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