Development of detecting system for lumbar spondylolysis using vibration signal analysis.
| Project/Area Number |
20K12696
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 90130:Medical systems-related
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| Research Institution | Kitasato University |
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Principal Investigator |
渡邊 裕之 北里大学, 医療衛生学部, 准教授 (40348602)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2021: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
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| Keywords | 腰椎分離症 / 腰椎分離モデル / 骨叩打信号 / Wavelet解析 / 振動信号 / 周波数解析 / 骨叩打 |
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| Outline of Research at the Start |
腰痛は国民の8割が生涯において経験すると言われています。腰痛は多くの業種において労働環境を悪化させ就業を困難とします。腰椎分離症は成長期に発生する腰の疲労骨折ですが、治療せずに成人すると慢性的な腰痛のリスクとなります。腰椎分離症は早期に診断し治療が開始されれば予後は良好です。本研究の目的は場所を選ばずに腰椎分離症の評価が可能な軽量で簡便な診断補助システムを開発することです。開発する診断補助システムは背中から腰椎を機器で軽く叩き、その際に骨に伝わる振動信号を解析することで腰椎分離症の有無を判定します。試作機では人工の腰椎を用いた実験や調査研究において腰椎分離症を判別できることが示されています。
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| Outline of Annual Research Achievements |
腰椎分離症はメディカルチェックや検診等による疫学調査の報告から、成長期スポーツ選手において約５０％の高い罹患状況が報告された。これらの潜在的に存在する腰椎分離症患者の増悪過程を抑制し、将来の腰痛予備軍を減少させることは社会的な生産性を維持、向上させることにつながる。しかしながら、早期の腰椎分離症はスポーツ活動時の一時的な疼痛であることが多く、医療機関を受診することは少ない。そこで本システムの実現は医療機関を受診することなく、スポーツ現場での腰椎分離症の発見を可能とし、治療介入の早期化を期待することができる。
２０２０年に開発した腰椎分離症診断補助システムは、叩打装置の新規開発に加えて振動信号の解析方法をFFT解析からWavelet解析へと変更をおこない、時間周波数解析を確立させることに成功した。その後、人工骨を用いた腰椎分離症モデルを利用した診断補助システムの妥当性と信頼性と安全性の確認を進めた。
しかしながら、当初想定していた運用と同様に叩打装置を手持ちとする操作では、安定して時間周波数解析の結果を得ることができなかった。一つの腰椎分離症モデルに叩打と解析を繰り返し、４５から７０msecの期間にある１００Hz前後の帯域において健常では高信号を検出したが、分離モデルでは同様の信号の消失を認めた。そこで、現状では安定して分離モデルに対する解析結果を示せるように叩打装置の設置方法を検討している。さらに人工骨による腰椎分離症モデルによる検証を行った後に生体に対する検出力の安定性を確保するため、改良を加える予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では２０２０年までに得られた基礎研究を基盤として腰椎分離症診断補助システムを開発した。本システムは脊椎棘突起に振動信号を与え、反射受波した信号を解析することで腰椎分離症の有無を判別する。
脊椎に振動信号を与える叩打装置は本システムの要となる機器である。この叩打装置についてはさらに改良を加え、叩打装置から発生するノイズ信号をキャンセルすることが可能である。つまり脊椎を経由し受波された信号のみを解析対象とすることが可能であり、明らかに腰椎分離症の情報を含まない信号を解析対象から除外することができる。また、周波数解析についてはFFT解析からWavelet解析に変更し、時間周波数解析とすることでさらに詳細な信号処理を可能としている。
しかしながら、当初の運用と同様に叩打装置の手持ちによる操作では、安定して時間周波数解析の結果を得ることができなかった。この理由は叩打装置を手持ちとするため、簡便性を得ることはできるが、安定して叩打刺激を棘突起に与えることができなかったことによる。腰椎分離症のモデルは椎弓や関節突起間部に物理的に切り込みを与え作成したものである。切り込みの位置、深さから6種類作成した。安定した時間周波数解析が得られなかったため、一種類の腰椎分離症モデルに叩打と解析を複数回繰り返し、得られた振動信号を平均化して腰椎分離モデルの周波数特性を確認した。その結果、健常モデルでは４５から７０msecの期間にある１００Hz前後の帯域において、遅延信号を検出したが、関節突起間部に完全離断を再現したモデルでは同帯域に信号の検出を認めなかった。そこで、現状では安定して腰椎分離モデルに対する解析結果を示せるように叩打方法を検討している。さらには生体に対する検出力の安定性を確保するため、改良を加えていく予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
腰椎分離症診断補助システムの基本的な操作方法は、簡便性を優先するため、叩打装置を手持ちによる方法を想定している。新しい叩打機器の開発は現在まで使用してきた硬性ゴムを利用したハンマーによる叩打に比較して極めて疼痛の発生が抑えられており、かつ安全性が高くなっている。しかしながら、叩打による振動信号を送波する過程か反射受波する過程で腰椎分離症の情報を含んだ信号が生成されていない状況が発生している。この信号伝達過程の情報エラーは高頻度（約３０％以上）に発生するため、判別の精度を高めるためには叩打機器による複数回に及ぶ振動信号の発生が必要となっている。そこでこの問題を解決するために１）叩打機器の固定方法の確率、２）固定された叩打機器を棘突起へ接触させる際の角度、強さの調整、３）叩打機器を手持ち操作とする際の棘突起へ接触させる際の角度、強さの調整を確認する。現状において６０から７０％の確立で腰椎分離症の所見を示す信号データが得られており、今後９０％以上の検出力となるように精度の向上を目指す。
さらに信号処理についても改善を並行して進めていく。本システムはFFT解析からWavelet解析とする時間周波数解析に変更した。健常モデルにおいて４５から７０msecの期間にある１００Hz前後の帯域において遅延信号を検出したが、関節突起間部に完全離断を再現したモデルでは同帯域に信号の検出を認めなかった。この遅延信号の消失に関しても叩打からの時間と周波数帯域について情報を整理し、健常腰椎と腰椎分離症との判別について検証していく予定である。
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Report
(3 results)
Research Products
(13 results)
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