MORSE: Multiple Orthogonal Reference Sensitivity Encoding

想像してみてください。あなたは大人数の集合写真を撮ろうとしていますが、カメラが故障しており、一度にシーンのごく一部しか捉えることができません。もしその一部だけをパシャリと撮れば、他の人々は画面外に切れてしまいますし、後でそれらの断片をつなぎ合わせようとしても、端にいる人々が複製されたり、奇妙な形に引き伸ばされたりして見えるかもしれません。これは、脳の画像を極めて高速に撮影しようとする際、磁気共鳴画像法（MRI）が直面する日常的な苦闘です。一拍の間に鮮明な画像を得るために、彼らは時間を節約すべく、データを一部スキップした「アンダーサンプリング（不足サンプリング）」された写真を撮らなければなりません。しかし、これでは最終的な写真が、脳の特徴が幽霊のように重複した、バラバラのパズルのようになってしまいます。

このパズルを解くために、MRI装置は「耳」（受信コイル）と呼ばれるチームを使い、体から発せられる無線信号を聞き取ります。それぞれの耳は、設置されている場所によって、わずかに異なる信号を捉えます。これらの異なる視点を比較することで、コンピュータは信号が実際にどこから来たのかを判断し、混乱を解きほぐすことができます。しかし、この計算を行うことは、一度に100万個の小さなルービックキューブを解くようなものです。通常、それには非常に長い時間がかかり、画像の完成を待つ間に数時間も待たされることになります。これは、脳が考えている様子をリアルタイムで観察したい場合や、じっとしていることが難しい患者さんの場合には、あまりに遅すぎます。この分野における大きな疑問は、「画像のぼやけやノイズを増やすことなく、脳の動きを見るために、これほど速くパズルのピースを解きほぐすことができるのか？」という点です。

そこで登場するのが、ロンドン大学学院（UCL）の研究者によって開発された、超スマートで電光石火のパズル解決者、MORSE（Multiple Orthogonal Reference Sensitivity Encoding）です。

問題点：幽霊のような二重露出

MRIスキャンを高速化すると、画像に「エイリアシング（折り返し雑音）」が発生します。これは、紙の端が回り込んで重なっている、質の悪いコピーのようなものだと考えてください。例えば頭部をスキャンしている場合、耳が回り込んで脳の中に現れたり、首の後ろが額の中に浮いているように見えたりすることがあります。これを修正するには、コンピュータが各「耳（コイル）」が脳のあらゆる一点に対して、どの程度の感度を持っているかを正確に知る必要があります。

古い手法では、まず別途用意された、低速ながら高品質な「参照」画像を見て、この感度を推測しようとしました。しかし、この参照画像は、特に高度な研究で使用される超高磁場（7テスラ）においては、高速で撮影された画像と完全に一致しないことがよくあります。それは、別の街の地図を使って、ぼやけた写真を修正しようとするようなものです。細部が一致しないため、修正は失敗します。また、データ内のパターンを見て巧妙に解決しようとする手法もありましたが、それらはリアルタイムで使用するには遅すぎたり、あるいは画像が古いテレビの砂嵐のようにノイズだらけになったりしました。

MORSEによる解決策：バーチャル探偵チーム

MORSEの開発チームは、単一の完璧な地図に頼るのではなく、データそのものにその場でルールを教えさせる方法を編み出しました。彼らは、以下の3つの巧妙なステップで作動するシステムを構築しました。

1. バーチャル探偵部隊： すべての物理的な「耳（コイル）」を直接使う代わりに、MORSEはまずそれらをより少数の「バーチャル・コイル」のチームへとグループ化します。64人の合唱団の声を、8つの明確で強力なハーモニーへと融合させる様子を想像してください。これにより、コンピュータが追跡すべき「声」が減るため、計算が大幅に高速化されます。
2. 柔軟なレンズ： 古い手法では、コイルの感度は緩やかな丘のように滑らかで予測可能であると仮定していました。しかし、高速かつ高磁場では、感度は険しい山脈のように急激に変化することがあります。MORSEは、ズームイン・ズームアウトができる「柔軟なレンズ（数学的な平滑化カーネル）」を使用します。これは、感度を把握するために周囲のピクセルの近傍を確認することで、混乱することなく、それら急峻で急速な変化に対処することができます。
3. マルチビュー戦略： これこそが秘伝のソースです。時には、画像の単一の点が、実は2つの異なるもの（例えば、脳の信号と脂肪の信号、あるいは頭の反対側から回り込んできた信号）の混合物であることがあります。古い手法は、これらの混合信号を無理やり一つの答えに押し込めようとし、それが失敗の原因となっていました。しかし、MORSEは「いくつかの可能性を同時に保持しておく」という考え方を採ります。あらゆる地点に対して複数の感度マップを推定するのです。これは、探偵が単に容疑者を一人推測するのではなく、3、4人の容疑者のリストを保持し、どの人物が証拠に最も適合するかを検証するようなものです。これにより、他の手法ではメチャクチャな幽霊として残ってしまうような複雑な重なりを解きほぐすことができます。

研究結果：高速、クリーン、そしてリアルタイムへ

研究者たちは、標準的な高磁場である3テスラと、超高磁場である7テスラの両方の実臨床のヒト脳を用いてMORSEをテストしました。彼らは、MRIメーカーが使用している標準的なツール（GRAPPA）および、他の2つの高度なオープンソースツール（ESPIRiTおよびLORAKS）と比較を行いました。

結果は驚くべきものでした。他の手法が「幽霊のような」重なり合う画像を修正しようとしたとき、しばしば失敗しました。GRAPPAは目に見えるアーチファクト（脳の中に耳の幽霊が現れる現象）を残しました。ESPIRiTは、幽霊を取り除く点では優れていましたが、画像が非常に粒状でノイズが多くなり、何も見えにくくなってしまいました。LORAKSは綺麗な画像を作成しましたが、計算に時間がかかりすぎ（時には2時間以上）、リアルタイムで行われる事象には全く使い物になりませんでした。

一方、MORSEは、著しく鮮明で堅牢な画像を生み出しました（ただし、正確な品質は設定の調整に依存します）。

• 速度： 驚異的に高速でした。複雑な7テスラのスキャンにおいて、MORSEによる画像の再構成には約24秒しかかかりませんでした。対照的に、ESPIRiTは15分以上、LORAKSは2時間近くを要しました。
• 品質： 画像はよりシャープで鮮明でした。視野が狭すぎて頭部全体が入らないケース（高速スキャンでよくある問題）においても、MORSEは脳を砂嵐に変えることなく、回り込んだ耳や首をうまく解きほぐしました。アーチファクトを除去するための最適な設定は、スキャンしている脳の部位によって異なる場合がありますが、MORSEは幅広い設定において、最小限のノイズで一貫して高品質な結果を実現しました。
• リアルタイム対応： MORSEは非常に高速であるため、患者がスキャナーの中にいる間に実行することが可能です。これにより、医師や研究者は、数時間待ってから何が起きたかを確認するのではなく、脳の活動が起きている最中にそれを観察することができます。

なぜ重要なのか

論文は、MORSEが構造（脳がどのような形をしているか）と機能（脳が何をしているか）の両方のタイプの脳スキャンにおいて、柔軟で堅牢なツールであることを示唆しています。MORSEは、スーパーコンピュータを必要とせずに、高速度イメージングの難解な数学を処理できるため、標準的な病院のハードウェアでも動作させることが可能です。

研究者たちは、MORSEのコードをオープンソースライブラリとしてすべての人に公開しました。これは、高価で遅い、あるいは不完全な解決策を待つ必要がなく、科学者や病院が、迅速かつクリーンにMRIのパズルを解きほぐす手法を利用できることを意味します。これにより、誰もがより高速で高品質な脳のイメージングを行えるようになります。それは、ゆっくりとした、ぼやけた推測を、速くて鮮明な画像へと変え、かつてないほどダイナミックに動く脳の姿を見せてくれるのです。