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Computational evaluation method for picosecond laser skin treatment

Research Project

Project/Area Number 21J11059
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 90130:Medical systems-related
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

下条 裕  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2021-04-28 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Keywordsピコ秒レーザー / ナノ秒レーザー / 非線形吸収 / メラニン / メラノソーム / 皮膚組織 / 計算機臨床試験 / 計算機シミュレーション / 計算的評価 / 良性皮膚色素性病変 / 光照射条件
Outline of Research at the Start

皮膚科・形成外科領域で適用拡大が期待されるピコ秒レーザー皮膚治療の安全性・有効性評価を計算的手法にて実証する.光生体相互作用に基づく数理モデルの活用により治療効果の定量評価や光照射条件の設計が可能となる.実現に向け,ピコ秒パルス光照射により色素・細胞小器官・細胞・組織に生じる物理作用を実験的に解明し,光照射条件に応じた物理作用をモデル化する.シミュレータが提示する温度上昇・応力分布と実験結果との比較によりモデルの妥当性を検証する.臨床データを用いた比較により光照射条件と安全性・有効性の関係性を評価する.これにより,ピコ秒レーザー皮膚治療の安全性・有効性評価における計算的手法の有用性を実証する.

Outline of Annual Research Achievements

本研究では,皮膚科・形成外科で適用拡大が期待される新規ピコ秒レーザー治療に対し,その作用機序の解明と計算的評価手法の構築を行う.治療効果は,病変メラノソームが含包されるメラニンの光吸収により破壊されて生じるため,組織,細胞・細胞小器官,分子の各階層に対してピコ秒パルス光による生体作用を解析する.本年度は,1.病変メラニンによるピコ秒パルス光の応答を考慮した治療効果の定量評価,2.臨床研究の論文公開データとの比較を行った.
1.病変メラニンによるピコ秒パルス光の応答を考慮した治療効果の定量評価
ピコ秒パルス光によるメラノソーム(病変細胞小器官)破壊の機序を解明するために,ピコ秒パルス光の高パワー密度によるメラニン分子の非線形吸収を考慮した数理モデルを構築し,その妥当性をメラニン試料に対するレーザー照射実験により検証した.提案モデルを用いてレーザー照射条件に応じたメラノソームの光吸収量を計算した.計算結果から,メラニン分子の非線形吸収によってピコ秒パルス光はナノ秒パルス光より約3倍効率よくメラノソームに光吸収させることを明らかにした.
2.臨床研究の論文公開データとの比較
臨床研究の論文公開データとの比較より,臨床研究で報告されているピコ秒パルス光とナノ秒パルス光による治療効果の差異を提案した計算的手法を用いて評価できることを実証した.これにより,ピコ秒レーザー皮膚治療の安全性・有効性における計算的評価手法の有用性を実証した.

Research Progress Status

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2022 Annual Research Report
  • 2021 Annual Research Report
  • Research Products

    (17 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 3 results)

  • [Journal Article] Nonlinear absorption‐based analysis of energy deposition in melanosomes for 532‐nm short‐pulsed laser skin treatment2023

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Ozawa Toshiyuki、Tsuruta Daisuke、Awazu Kunio
    • Journal Title

      Lasers in Surgery and Medicine

      Volume: 55 Issue: 3 Pages: 305-315

    • DOI

      10.1002/lsm.23642

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Quantitative evaluation of light distribution in skin tissue for short-pulsed laser treatment using Monte Carlo simulation combined with nonlinear absorption model of melanin2023

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE

      Volume: 12377 Pages: 1-7

    • DOI

      10.1117/12.2648157

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Photothermal Effect Induced by Contact Laser Vaporization of Porcine Prostate Tissues Using XCAVATOR Fiber2022

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Journal Title

      The Journal of Japan Society for Laser Surgery and Medicine

      Volume: 42 Issue: 4 Pages: 219-227

    • DOI

      10.2530/jslsm.jslsm-42_0027

    • NAID

      130008141761

    • ISSN
      0288-6200, 1881-1639
    • Year and Date
      2022-01-15
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Two-level model of melanin absorption in picosecond laser skin treatment2022

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Journal Title

      Proceedings of SPIE

      Volume: 11958 Pages: 1-5

    • DOI

      10.1117/12.2607426

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Three-dimensional transient simulation of CO2 laser tissue vaporization and experimental evaluation with a hydrogel phantom2022

    • Author(s)
      Sudo Kazuma、Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Journal Title

      Journal of Innovative Optical Health Sciences

      Volume: - Issue: 03

    • DOI

      10.1142/s179354582250016x

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Incident Fluence Analysis for 755‐nm Picosecond Laser Treatment of Pigmented Skin Lesions Based on Threshold Fluences for Melanosome Disruption2021

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Hazama Hisanao、Ito Nobuhisa、Awazu Kunio
    • Journal Title

      Lasers in Surgery and Medicine

      Volume: - Issue: 8 Pages: 1096-1104

    • DOI

      10.1002/lsm.23391

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Quantitative evaluation of light distribution in skin tissue for short-pulsed laser treatment using Monte Carlo simulation combined with nonlinear absorption model of melanin2023

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Organizer
      SPIE Photonics West BiOS 2023
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] コンピュテーショナルレーザー治療技術: コンセプトとピコ秒レーザー皮膚治療への適用に向けた開発2023

    • Author(s)
      下条 裕、西村 隆宏、粟津 邦男
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] メラニンの非線形吸収モデルに基づいた ピコ秒レーザー皮膚治療の評価2022

    • Author(s)
      下条 裕、西村 隆宏、粟津 邦男
    • Organizer
      第43回日本レーザー医学会総会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 非線形吸収モデルに基づいた短パルス光照射によるメラノソーム光吸収量のin silico評価2022

    • Author(s)
      下条 裕、西村 隆宏、粟津 邦男
    • Organizer
      第33回日本レーザー医学会西日本大会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] コンピュテーショナルレーザー治療技術の開発2022

    • Author(s)
      西村 隆宏、下条 裕、粟津 邦男
    • Organizer
      第16回新画像システム・情報フォトニクス研究討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Incident fluence model based on tissue optical properties and threshold fluence for melanosome disruption for 755-nm picosecond laser treatment of benign pigmented lesions2022

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro
    • Organizer
      The 41st Annual Conference of the American Society for Laser Medicine and Surgery
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Two-level model of melanin absorption in picosecond laser skin treatment2022

    • Author(s)
      Shimojo Yu、Nishimura Takahiro、Awazu Kunio
    • Organizer
      SPIE Photonics West BiOS
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] レーザー治療機器開発におけるin silico評価技術2021

    • Author(s)
      西村隆宏、下条裕、粟津邦男
    • Organizer
      第30回日本コンピュータ外科学会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 計算機シミュレーションによるピコ秒レーザー皮膚治療の設計と評価2021

    • Author(s)
      下条裕
    • Organizer
      日本光学会情報フォトニクス研究グループ研究会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 皮膚色素性病変の破壊閾値に基づいたピコ秒パルス光照射条件の計算機援用設計2021

    • Author(s)
      下条裕、西村隆宏、粟津邦男
    • Organizer
      レーザー学会第557回研究会「光・レーザーの医学・生物学応用」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] ピコ秒レーザー皮膚治療におけるスキンタイプと病変深さに基づいた入射フルエンスの計算的評価2021

    • Author(s)
      下条裕、西村隆宏、粟津邦男
    • Organizer
      LASER WEEK IN TOKYO II
    • Related Report
      2021 Annual Research Report

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Published: 2021-05-27   Modified: 2024-03-26  

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