Development of a precise oxygen mapping method for malignant tumors using electron paramagnetic resonance

利用电子顺磁共振开发恶性肿瘤的精确氧分布方法

• 批准号: 21K18165
• 负责人: 平田 拓
• 金额: $ 16.47万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18165/
• 关键词: 電子スピン共鳴; 酸素分圧; 腫瘍; イメージング; 緩和時間; 腫瘍モデル; 数理モデル

本研究課題では、悪性腫瘍における酸素分圧を高精度に可視化する連続波電子スピン共鳴分光イメージングの理論と技術を構築することを目指している。2年目となる2022年度は、次の2つの課題に取り組んだ。課題(1) 電子スピンの緩和時間計測のばらつき（標準偏差）を低減することを目指して、磁場勾配の制御が正確に行われているか検討した。最終的に磁場勾配ステップの線形性に問題がないことを確認した。加えて、マグネットシステムの温度変化と磁場掃引の非線形性を測定し、それらが緩和時間計測に影響を与える度合いを確認した。いずれも緩和時間計測のばらつきを大きくする要因ではあるが、それらを補正してもばらつきの低減は限定的であった。これらの検討を踏まえ、他に緩和時間計測（マッピング）のばらつきが生じる要因を探索した。その結果、磁場掃引幅が不足しているために電子スピン共鳴スペクトルの裾野が計測されない場合があり、それが、緩和時間計測のばらつきを大きくしていることを特定した。電子スピンのスペクトルを記録する磁場掃引幅を2 mTに拡大することにより、緩和時間100 nsの試料を模擬した数値実験において、緩和時間計測の標準偏差を0.4 ns程度に低減できることを確認した。課題(2) 酸素分圧と分子プローブ濃度を推定するロバストな計算法を構築することを目指した。条件の悪い線形モデルを精度よく解くことが課題となっていたが、パリ大学の応用数学グループとの共同研究により、ばらつきを抑えて酸素分圧と分子プローブ濃度を推定する最適化問題を取り扱うことが可能になった。最終的な精度の検証はこれから行われるが、予備的な検討では酸素分圧の精度の目標値（4 mmHg以下）に到達できる可能性が見えてきた。また、腫瘍モデルマウスの形態像を撮像するために、1テスラのマウス用MRIを設置した。

在本研究项目中，我们的目标是发展连续波电子自旋共振光谱成像的理论和技术，以高精度可视化恶性肿瘤中的氧分压。在第二年的2022财年，我们解决了以下两个问题。问题（1）为了减少测量电子自旋弛豫时间的变化（标准偏差），我们检查了磁场梯度是否受到精确控制。最后确认磁场梯度步长的线性度没有问题。此外，我们还测量了磁体系统的温度变化和磁场扫描的非线性，并确认了它们对弛豫时间测量的影响程度。所有这些因素都会增加弛豫时间测量的变化，但即使对其进行校正，变化的减少也是有限的。基于这些考虑，我们寻找可能导致弛豫时间测量（映射）变化的其他因素。结果，我们发现由于磁场扫描宽度不足，电子自旋共振谱的尾部可能无法测量，这增加了弛豫时间测量的离散度。在模拟弛豫时间为100 ns的样品的数值实验中，我们证实，通过将记录电子自旋谱的磁场扫描宽度扩大到2 mT，可以将弛豫时间测量的标准偏差降低到约0.4 ns。任务（2）我们的目标是构建一种稳健的计算方法来估计氧分压和分子探针浓度。高精度地解决条件较差的线性模型一直是一个挑战，但通过与巴黎大学应用数学小组的联合研究，我们现在已经解决了在抑制变化的同时估计氧分压和分子探针浓度的优化问题。可能的。虽然最终的精度验证将在未来进行，但初步研究表明，有可能达到氧分压精度的目标值（4 mmHg 或更低）。此外，还安装了1特斯拉小鼠MRI来拍摄肿瘤模型小鼠的形态学图像。

项目成果

スペクトル空間EPRイメージングにおける高速撮像の試み －原理の検証－

光谱空间EPR成像高速成像的尝试 - 原理验证 -

• 发表时间: 2022
• 作者: 大場光紗;平田拓
• 通讯作者: 平田拓

マグネットシステムの温度変化による磁場シフトを補正した緩和時間計測法の評価

评估可校正磁体系统温度变化引起的磁场偏移的弛豫时间测量方法

• 发表时间: 2022
• 作者: 黒澤星帆;松元慎吾;平田拓
• 通讯作者: 平田拓

EPR分光による腫瘍モデルマウスの酸素分圧・pH・リン酸濃度の同時計測実験

EPR光谱法同时测量肿瘤模型小鼠氧分压、pH和磷酸盐浓度实验

• 发表时间: 2022
• 作者: 石村太智;平田拓
• 通讯作者: 平田拓