Development of automatically blood sampling system using minimally invasive microneedles and artificial intelligence recognizes minute blood vessels.
| Project/Area Number |
21K12114
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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 62010:Life, health and medical informatics-related
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
鈴木 昌人 関西大学, システム理工学部, 教授 (70467786)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 医療器具 / 低侵襲性治療 / 自動採血 / 無痛針 / 採血器具 / 血管可視化 / 人工知能 / 機械学習 / 医療機器 / 無痛針穿刺 / 血管網自動認識 |
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| Outline of Research at the Start |
患者に痛みを与えず自動で血液を採取するシステムの開発を目指して開発を行う．
まず，深層学習と呼ばれる手法を用いてカメラで取得した画像から血管位置を識別する人工知能（AI)の開発を行う．同時に微細な血管を鮮明に撮影可能な光学系の開発にも取り組む．
次に，識別した血管から自動で採血を行うシステムの開発を行う．研究代表者が先行研究で開発した無痛針穿刺技術も複合させ，患者に痛みを与えず採血を行うことを目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
【針穿刺位置の自動決定システムの開発】昨年度の研究の成果として得られた血管の自動認識システムを利用して、自動針穿刺装置に必要な針穿刺位置の自動決定システムを開発した。このシステムは画像処理を行うためのライブラリであるOpenCVを利用して作成された。このシステムにより、血管の存在する領域から①一定以上の直線が続く部分で、かつ②針のθ方向の振り幅が小さくて済む位置を特定する。針のθ方向の振り幅を小さくするのは、針穿刺時の最大ストローク長を大きくとるためである。人間の上腕を対象として本システムの性能を検証した結果、適切に針の穿刺位置を自動決定することに成功した。
【針自動穿刺システムの開発】4軸（xyzθ）の自動ステージを用いて針の自動穿刺システムを開発した。本時ステムは、カメラ画像からリアルタイムに血管を検出し、針穿刺位置の決定、針の移動、穿刺までを自動で行う。今年度は、装置を構築し、針の移動と穿刺を行うシステム（ソフトウェア）を開発した。また、看護師が注射/採血の練習に用いる腕模型を対象として、針の自動穿刺を行った。結果、針の移動および穿刺動作（直線的に針を前進／後退する動作）を行うことには成功した。しかし、実際に腕模型に針を穿刺することには失敗した。これは針を直線的に前進させるだけでは適切針を穿刺できないことを示している。今後はより適切な穿刺動作を行えるようにシステムを改良していく予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度は新型コロナウイルスの流行に伴う生産物流のトラブルにより針の自動穿刺システムに必要な精密自動ステージを調達できないという問題が発生し、研究の進行が遅れていた。
今年度は上記問題が解消し、概ね当初の予定通りの研究成果を達成できた。研究計画にて開発目標としていた、血管の自動認識システム、針の穿刺位置決定システム、針の自動穿刺機構の内、前２項目についてはその開発が概ね完了した。残る針の自動穿刺機構についても、機構の構築および基本システム（針の移動および穿刺の実行）は完了した。
ただし、針の穿刺においては、ただ針を前進させるだけでは適切に針を対象に穿刺できないことが分かった。これは、人間の針穿刺動作を適切に模倣できていないこと、我々が使用する針が低侵襲性治療用の細い針であることが理由であると考えられる。
我々は細い針でも対象に穿刺を可能とする技術として、針を回転させながら穿刺する技術を有している。そこで、本研究で開発中の自動針穿刺システムにも針を回転させる機構を追加することを予定している。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目標の達成に向けて、個別に開発してきたシステムの統合を行う。カメラ画像から穿刺対象の血管位置を抽出し、これを基に針穿刺位置を決定、針の穿刺までを一連の動作として自動的に行うようにシステムを構築する。穿刺対象として専用の腕模型を使用し、模型中に埋め込まれた血管を模したチューブから疑似血液を吸引することを目標として実験とシステムの改良を繰り返す予定である。
上記目標を達成できた場合、残りの研究期間を用いて動物実験を行う予定である。ラットを対象として、その腹部から血液を採取することを目標に実験を行う。血管位置の抽出、針穿刺位置の決定も含めた所要時間60秒以内の採血完了、ならびに採血量0.2ｍL（全血検査に必要な血液の最小量）の達成を目指す。
一方で、当初の研究計画で予定していたステレオカメラによる立体視と、血管の三次元位置決定システムの開発は行わないことする。これは、採血の対象となる血管は皮膚表面の極近傍に位置しており、深さ方向の情報が無くても針穿刺が可能であることが分かったためである。その代わりとして、レーザセンサの利用や腕を固定する治具の工夫により、穿刺対象となる皮膚表面の座標位置を正確に同定する手法を開発し、針穿刺動作の正確性向上を図る予定である。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
