2014/11/25 脳神経外科医は患者のどのような情報がほしいのか？ 脳外科領域における イメージングセンサーの現状と未来： CISGをつかった医療用イメージセンサー 第27回マイクロプロセス・ナノテクノロジー国際会議 平成26年11月4日 日本大学 工学部 次世代工学技術研究センター 医学部 脳神経外科 酒谷 薫 1 脳神経外科医が欲しい情報 脳血流 代謝 脳機能 光 イメージセンサー 解剖学 的構造 （脳腫瘍etc） 電磁波の波長と種類 光による脳機能イメージング ＮＩＲＳによる脳機能イメージング マルチチャンネルＮＩＲＳ （光トポグラフィー） 可視光 （380～780nm） 近赤外光 （780～2500 nm) 6 1 2014/11/25 NIRSの基本原理（1） NIRSの基本原理（２） 近赤外光 （700 ～1000 nm） 光照射 受光 吸光係数 (L/mmol・cm) 吸光係数 (mM -1・cm-1) ヘモグロビン吸光スペクトル 可視光 （400～700nm） 酸素化Hb 脱酸素化-Hb 波長 (nm) 波長 (nm) 測定パラメータ 変形 Beer-Lambert 則 ⊿OD(λ) = ε(λ)・ ⊿ c・d ・⊿酸素化Hb ・ε = モル吸光係数 ・⊿脱酸素化Hb ・ c = 吸光物質の濃度（mmol /L） ・⊿総Hb（＝血液量） ・ d = 光路長（cm） 7 神経活動時の脳血流酸素代謝変化 8 運動機能のイメージング：BOLD-fMRIとNIRSの比較 BOLD-fMRI NIRS Deoxy-Hb BOLD-fMRI Oxy-Hb ⊿Oxy-Hb (≒ ⊿ rCBF) Left-grasp Right-grasp BOLD signal Time (s) 5 4 神経活動 umol/l Deoxy-Hb ↓ (常磁性体) task : grasp Oxy-Hb Deoxy-Hb 3 Total-Hb 2 1 0 time -1 10 9 50 Hz 5 Hz 硬膜下グリッド電極による脳皮質マッピング時のCBO変化 Oxy-Hb 0.02 0.01 0 -0.01 R -0.02 L Deoxy-Hb L R L R L R 2 2014/11/25 振戦に対するDBSの治療効果 不随意運動に対する脳深部刺激療法（DBS) Oxy-Hb Deoxy-Hb Oxy-Hb Deoxy-Hb Total-Hb 0.3 0.25 0.2 振戦(+) DBS-off 0.15 0.1 0.05 0 -0.05 Time (sec) ■脳内植込み電極 Oxy-Hb 0.3 Deoxy-Hb 0.25 振戦(-) DBS-on Total-Hb 0.2 Deoxy Hb 10 sec 0.15 0.1 0.05 ■体内埋設刺激デバイス 0 -0.05 Time(sec) 10 sec 術中ナビゲーション・システムによる 脳腫瘍のイメージング 光による脳腫瘍イメージング 術中MRIによる脳腫瘍のイメージング もっと簡単に脳腫瘍を術中に イメージングできないか？ 3 2014/11/25 悪性脳腫瘍の病理学的悪性度の光学的診断法 ALA蛍光イメージング (5-aminolevulinic acid) Visual light Spectroscopy 大脳皮質下の悪性腫瘍のイメージング ALA蛍光強度と悪性度 （MIB-1)との関係 励起光：近赤外光 ALA蛍光イメージ 蛍光：近赤外光 ALA蛍光の2次元イメージング インドシアニングリーン（ICG) Hyperspectral camera 励起光：405 nm ALA蛍光：635 nm 肝・循環機能検査用薬 悪性度の2次元マッピング インドシアニングリーン吸光、蛍光特性 可視光 吸光スペクトル ICG蛍光 蛍光スペクトル 近赤外光領域 （浜松ホトニクス：三輪光春氏） ラット髄液流のICG蛍光イメージング（１） ラット髄液流のICG蛍光イメージング（２） Journal of Neurosurgery 87:738-745(1997) 4 2014/11/25 Fluorescence imaging of pancreas cancer in the rat using ICG labeled antibody T13. 投与72時間後 光による脳血流モニタリング （島津製作所ホームページ） 脳血管撮影（正常成人例） 脳循環モニタリングが有用なバイパス手術 もやもや病（手術前） バイパス術後 術中ICG蛍光血管造影 もやもや病と非もやもや病における ICGの潅流範囲 ICG 強度時間的変化 ICG蛍光画像 非もやもや病 200 ICG 蛍光強度 (a.u.) 150 ICG溶解液（0.1ml）をSTA側枝より 注入 100 50 0 もやもや病 0 40 30 20 10 (sec) World Neurosurgery 73:668-674 (2010) 5 2014/11/25 モヤモヤ病（虚血発症：脳血流高度低下） 可視光分光法による術中脳血流酸素代謝モニタリング ヘモグロビン吸光スペクトル SO2 SO2 SO2 SO2 SO2 SO2 Hb Spectrum (SO2 0-100%) 70 60 OD/mM/cm 50 100% 80% 60% 40% 20% 0% 40 30 20 10 0 460 480 500 520 540 560 wavelength (nm) 580 600 620 640 STA temporal lobe sylvian fissure (C9183, Hamamatsu Photonics) frontal lobe Concentration changes (a.u.) recording probe ① 250 もやもや病と非もやもや病におけるバイパス血管 脳の前合吻皮質度和飽素酸の差異 ② Total-Hb 200 150 Oxy-Hb 100 Deoxy-Hb 100 ① STA declamping ② STA clamping 80 脳皮質酸素飽和度 脳皮質酸素飽和度 (%) (%) 50 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Saturation O2 (%) Time (sec) 100 clip STA 90 80 70 60 p<0.05 90 70 60 50 40 30 20 MCA 10 50 40 0 10 20 30 40 Time (sec) 50 60 0 70 もやもや病 もやもや病 非もやもや病 非もやもや病 術中近赤外光イメージング装置の開発 特徴 １）CIGSセンサーによる幅広い波長領域(400nm~1200nm)における高感度イメージング ２）光源に複数のLED (760, 850, 950, 1050 nm)を使用、選択可能 ３）ICG蛍光及び多波長近赤外光による２方式による血管、血流イメージングが可能 ４）ROIを設定することにより、血流の定量的計測が可能 ５）装置の手持ち、固定とも可能 CIGSセンサーによる術中脳血流モニタリング装置の開発 36 6 2014/11/25 CIGS イメージセンサー In Ga Se Copper Indium Gallium Selenium Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) Mixed crystal with CuInSe2 and CuGaSe2 The cross section image of the CIGS PDs ZnO : transparent electrode CdS : buffer layer CIGS : photoelectric layer 1 mm Mo : backside electrode Sensitivity of PDs quantum efficiency Cu CIGSカメラモジュール 1 0.8 CIGS 0.6 0.4 CIGS image sensor chip CIGS camera module Development specification Si 0.2 0 400 600 1 µm 800 1000 1200 1400 Resolution monochrome VGA Effective pixels 656(H)488(V) Chip size 7.57mm (H)×7.92mm (V) Diagonal 6.1mm 1/3 inch wavelength (nm) CIGS型太陽電池と同じ構造 Pixel size 7.5 mm Sensitivity region 400 - 1200 nm Frame rate 120 fps 特徴：可視光～近赤外光領域まで高感度 The resolution image 37 (Video Graphics Array) 38 血管強調画像 CIGSイメージセンサーによるNIRイメージング Visible Light Image NIR Image Absorption coefficient (arb. unit) 生体の窓 780nm-LED 880nm-LED 950nm-LED Blood vessels 100 Hemoglobin Water 80 60 Ｂ 40 Ｇ color composition Ｒ 20 1300 0 300 500 700 900 1100 Wavelength (nm) Blood Vessels can be emphasized with using multi NIR LED Blood Vessels can be distinct in NIR 39 40 研究開発テーマ NIRS診断システム 次世代脳神経モニタリング システム（CIGS） ・ストレス ・術中脳血管イメージング ・認知症 ・神経リハビリテーション ウエアラブル脳機能 モニタリング （センサー小型化、省 電力化） ・in vivo 癌（脳腫瘍）診断 ・安静時脳血流イメージング ・in vivo病理診断 （CIGSによるラマン分光） 7
© Copyright 2024 ExpyDoc
