頭部衝撃実環境計測・脳変形解析・機械学習を用いたリアルタイム脳損傷予測手法の構築
| Project/Area Number |
23K27957
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| Project/Area Number (Other) |
23H03267 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 59020:Sports sciences-related
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| Research Institution | Institute of Science Tokyo |
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Principal Investigator |
宮崎 祐介 東京工業大学, 工学院, 准教授 (70432135)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中山 晴雄 東邦大学, 医学部, 講師 (10537377)
張 月琳 上智大学, 理工学部, 准教授 (20635685)
紙谷 武 東海学園大学, スポーツ健康科学部, 教授 (50951042)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,590,000 (Direct Cost: ¥14,300,000、Indirect Cost: ¥4,290,000)
Fiscal Year 2026: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Fiscal Year 2025: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000)
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| Keywords | 傷害バイオメカニクス / 頭部外傷 / 脳振盪 / スポーツ頭部外傷 / 機械学習 / 有限要素解析 |
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| Outline of Research at the Start |
スポーツにおける広範な衝撃条件と外力の繰り返しに対応した脳損傷発生基準を構築し，頭部衝撃管理及び傷害予防に貢献することを目的とする．具体的には (1)マウスピース型衝撃センサによる実競技環境下における衝撃条件・診断情報統合データの長期継続収集， (2)世界唯一の次世代頭部ダミーとシミュレーションによる衝撃再現に基づく脳変形情報の取得，(3)衝撃条件・診断情報・脳変形挙動からなる脳損傷データベースの構築(4)機械学習により高速計算可能な脳損傷リスク予測モデルを構築し，リアルタイム傷害予測システムの構築を行う．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は柔道，アメリカンフットボール，サッカー等のスポーツにおける頭部衝撃を対象に実競技環境下における計測を行い，頭部衝撃情報と医療情報が紐づいたスポーツ頭部衝撃データベースを構築する．さらには，人体頭部のデジタルツインである有限要素モデルによるシミュレーションと，フィジカルツインである次世代頭部ダミーを用いた衝撃実験により脳内変形情報のデータベース化とメカニズム解明を行う．
これらにより衝撃条件・脳変形情報・診断情報が紐づいたデータベースを完成させ，本データベースに対して，機械学習により脳損傷リスクを判別する人工知能モデルを構築することを目的とする．今年度は実頭部衝撃環境下における脳振盪事例としてバスケットボール，ラグビー，サッカー，相撲における頭部衝突ビデオを収集し，これらのビデオより頭部衝撃時の姿勢や速度をマーカーレスで推定する手法の開発を行った．さらには，柔道においてマウスガード型センサを用いて実際の競技中での頭部の加速度データの予備的計測を行った．また，英国ラフバラ大学との共同研究において本研究で開発した次世代頭部ダミーを用いて，サッカーのヘディング時を想定した頭部衝撃実験を実施した．さらには，ヘディングにおける頭部衝撃を再現するために，材料特性を正確に反映したボールモデルの構築を行うとともに，人体有限要素モデルを用いた解析により，ヘディング時における脳変形データベースの構築を行なった．また，スポーツにおける床面衝突，対人衝突，野球ボール衝突を想定したシミュレーションを実施することにより，種々のスポーツにおける頭部衝突時の脳変形挙動データベースの構築を行なった．
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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
研究計画に記載していた英国ラフバラ大学での次世代頭部ダミーを用いた実験，実競技環境として柔道，バスケットボール，ラグビー等の頭部衝撃データの収集を行うことができた．さらには，当初計画にはなかったものの，国際連携のもと英国での柔道における頭部衝撃の予備的計測を行うことができた．また，実競技環境下における頭部衝撃計測手法として，新たに衝突時のビデオから衝突条件を推定する手法を開発しすることができ，当初の想定を上回る研究の進展を見ることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は，アメフト，柔道，ラグビー環境下における頭部衝撃事例の収集と計測をさらに進める．また，対象とする競技を日本独自の相撲などにも展開していく予定である．また，新たに衝突ビデオから深層学習等のAI技術を活用した三次元姿勢推定技術を開発し，競技中のビデオから頭部衝突条件を抽出する手法を開発する予定である．加えて，英国ラフバラ大学との共同研究を推進し，野球，サッカーのみならず，自転車競技に対しても対象を広げて頭部衝突時の脳変形挙動データベースの拡充を図っていく．
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Report
(1 results)
Research Products
(4 results)
