散乱特性探索照明を併用した拡散反射型生体イメージングの特性把握と実験的検証
| Project/Area Number |
21KK0196
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
羽石 秀昭 千葉大学, フロンティア医工学センター, 教授 (20228521)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葉 臣 千葉大学, フロンティア医工学センター, 特任助教 (60867498)
西舘 泉 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70375319)
中野 和也 成蹊大学, 理工学部, 准教授 (80713833)
関根 雅 千葉大学, 西千葉地区事務部, 技術専門員 (70769182)
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| Project Period (FY) |
2021-10-07 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥19,110,000 (Direct Cost: ¥14,700,000、Indirect Cost: ¥4,410,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2023: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
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| Keywords | 拡散反射イメージング / マルチバンド撮影 / 構造化照明 / in vivo計測 / 酸素飽和度 |
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| Outline of Research at the Start |
生体の拡散反射光イメージングでは、散乱光成分を多く含む撮影法ゆえに、２次元画像から推定する各種の特徴量（例：酸素飽和度）に、常に曖昧さが伴うという問題があり、それが解決しないままとなっている。そこで本研究では、各撮影において深さ方向の寄与を見積もるための散乱特性探索照明の利用を提案するとともに、その照明によって見積もられる散乱特性と、一様照明下での被写体の拡散反射像から、深部方向の寄与の程度を推定する技術を構築する。これらの技術は小動物やヒトを用いた計測結果にも適用して検証する。照明光を含む光学技術に長け、診療科との密な連携があり臨床研究が可能な東フィンランド大学と共同でこの課題に取り組む。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「拡散反射光イメージングにおいて深さ方向の寄与を見積もるための散乱特性探索照明の利用を提案するとともに、その照明によって見積もられる散乱特性と、一様照明下での被写体の拡散反射像から、深部方向の寄与の程度を推定する技術を構築する」というものである。具体的な課題として、A. 構造化照明の試作と利用価値探索、B. 散乱特性の計測とモデル化、C. in vivo実験による検証、を挙げて進めている。このうち、2022年度の実績として、Ｂでは、まず３次元プリンタによるファントムの作製を進めた。外注による作製であるが、半透明性など所望の光学特性が得られるまで試行を繰り返した。基本的な作り方が固まってきた。またモンテカルロシミュレーションによる光子のふるまいも解析した。ヒト皮膚を層構造の散乱・吸収体でモデル化した。光子の深達度特性を調査するとともに、酸素飽和度推定における不安定性原因なども分析している。Ｃではラットを用いた実験を種々行った。腹部に皮弁を作り、血流状態や血管状態を詳細に観察できるように光マルチモーダルの撮影装置を構築した。特に、広領域を高精細に撮影できるように、ステージの移動と撮影を自動で行えるようにした。得られた結果の解析として、止血による血管形状の変化や色味の変化を観察し、いくつかの知見を得ることができた。表層と深部の血管が拡散反射光画像にどのように寄与するかを画像から観察することが可能になった。
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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
拡散光イメージングの基本特性をモンテカルロシミュレーションにより、さまざまな観点から調査できた。また、ラット皮弁を用いた実験も多数回行い、実際のイメージング特性も調べることができた。物理ファントムの作製については外部発注により進めているが、所望の特性を持たせるために試行錯誤を繰り返しており、予定より時間がかかっている。国際共同研究先の東フィンランド大学との連携に関しては、コロナ禍による遅れもあり研究代表者自身の先方への訪問と共同実験の実施が遅れているが、準備は進めた。一方で、先方の若手研究者が来日し、共同研究の打合せをすることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）散乱特性探索撮影と分析：ビーム光の斜め入射に対する拡散反射光強度分布の非対称性から被写体のおおよその散乱特性を獲得する。
（２）散乱特性探索撮影と一般撮影で得た画像の解析：生体の散乱特性と深部からの寄与度に関する知見から、画像情報解析を行う。上記の撮像法を確立するために今後、以下の３点を実施する。[A] 構造化照明の制作：生体の基質部分の吸収・散乱特性を点状照射とその反射・散乱光分布の分析から大まかに推定する。[B] 散乱特性の計測と像形成の数学的簡易モデル化：精緻な３次元光学ファントムを用いた撮影実験から散乱特性を把握するとともに、3次元吸収物体から２次元像への対応関係を数学的にモデル化する。たとえば深さ依存性を有する応答関数を用いた畳み込み積分などが例として考えられる。[C] in-vivo実験による検証：AおよびＢに基づいて小動物実験およびヒトin-vivo計測実験を通して検証を行う。特に小動物では組織標本の分析なども含め、詳細な照合・検証を行う。
特に上記の研究項目のうち、[A]の構造化照明の制作や[C]のヒト計測実験の部分で、東フィンランド大学のマルックハウタカサリ教授らと共同で研究活動を行う。具体的には研究代表者である羽石が東フィンランド大学に直接出向き、実験や打合せ、機器の試作や改良等を行う。これら先方での共同活動は本研究の中核となる部分である。研究分担者もまた分担内容に応じて先方に出向いて研究を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(12 results)
