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DKFZ とマックス・プランクの研究者が人体の仮想モデルで高度な MRI システムの安全性を確保
アルゴリズムが患者固有の MRI 検査を改善
「MATLAB は、数学的問題をほとんどプログラミングの手間をかけずに実装できる環境を提供します。幅広いツールがあり、どれも使いやすいため、高い計算効率のアルゴリズムを素早く記述することができます。」
主な成果
- 分野の専門家がプログラミングの詳細に時間を費やす代わりに科学的な問題に集中できるため、計算モデリングとシミュレーションが高速化されました。
- 人体の仮想モデルを使用した正確なリアルタイム SAR 計算は、安全性や規制遵守を損なうことなく人間の脳の科学的理解を前進させることができる MRI 研究の基礎を築きました。
- DKFZ からマックス・プランクへのシームレスなコードの転送と展開により、高性能の計算環境で容易に連携してアルゴリズムを使用できるようになりました。
比吸収率 (SAR) 計算のワークフローは、人体の 3D 仮想モデルから始まります。次に、特定の仮想観測ポイント (VOP) のマップがマトリックスと圧縮アルゴリズムに供給されます。
ハイデルベルクにあるドイツがん研究センター (DKFZ) の医学物理放射線部門は、画像ベースの診断と治療手段を進歩させています。DKFZ の科学者たちは、脳を研究するために高度な磁気共鳴画像 (MRI) 技術を活用するマックス・プランク人間認知・脳科学研究所 (MPI CBS) の神経物理学部門の同僚と連携しています。
MRI の電波は画像を作成するために使用できますが、体の組織を加熱する作用もあります。患者の安全を確保するため、この比吸収率 (SAR) と呼ばれる曝露の制限は、全身では 1 キログラムあたり 4 ワット、平均体積 10 グラムのどの部分でも 1 キログラムあたり 10 ワットに設定されています。古い MRI 装置では、これらの電波を送信するために単一のチャネルが使用されるため、SAR の計算が簡単になります。対照的に、最新の MRI 装置は複数のチャネルを利用して画像の忠実度を高めます。ただし、このマルチチャネル アプローチでは、すべてのチャネルからの信号の振幅と位相の組み合わせに依存するため、SAR の計算が複雑になります。これには、人体の仮想モデルのシミュレーション (インシリコ医療とも呼ばれる) から導き出された電界と組織特性を表す行列を使用した複雑な数学が含まれます。これらのシミュレーションでは数百万のデータ ポイントが作成されるため、MRI スキャン中のリアルタイムの SAR モニタリングが非常に困難になります。
このデータを簡素化し、SAR 計算を高速化するのに役立つ効率的な圧縮アルゴリズムの開発は、活発に研究されている分野です。DKFZ では、ステファン・オルザダ博士が MATLAB® を使用して、精度を損なうことなく、より高速なデータ計算を可能にする圧縮マトリックスを開発します。MATLAB を使用することで、オルザダ博士はコードを最適化する必要なく、高い計算効率のアルゴリズムを素早く記述できるようになりました。彼は、 Parallel Computing Toolbox™ を使用して計算を高速化し、 Optimization Toolbox™ を使用して圧縮アルゴリズムを開発しました。
マックス・プランク人間認知・脳科学研究所の科学者であるミハイル コズロフ博士は、Parallel Computing Toolbox と MATLAB Parallel Server™ を使用して、最新のスーパーコンピューターで DKFZ アルゴリズムを解いています。コズロフ博士は、人間の脳の活動を理解するために超高磁場マルチチャンネル MRI スキャナーを使用しています。彼の研究は、患者固有の SAR モデル計算から大きな恩恵を受けています。彼は同僚と共に構造的MRIスキャンを用いて患者固有のモデルを作成し、翌日にこのモデルを機能的 MRI スキャンの安全性計算に利用することを目指しています。この迅速な処理は、高度な DKFZ アルゴリズムと MATLAB のスケーリング機能によって可能になります。この連携により、患者固有の SAR 評価プロセスがより効率的になり、MRI の安全性と画像品質が向上しました。
