2016 Fiscal Year Annual Research Report
散乱光強度の角度分布情報を活用した生体計測技術の研究
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16H03165
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
兵頭 政春 金沢大学, 機械工学系, 准教授 (30359088)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
的場 修 神戸大学, システム情報学研究科, 教授 (20282593)
齋藤 伸吾 国立研究開発法人情報通信研究機構, 未来ICT研究所フロンティア創造総合研究室, 主任研究員 (80272532)
宮内 哲 国立研究開発法人情報通信研究機構, 脳情報通信融合研究センター企画室, 嘱託 (80190734)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 生体情報・計測 / 医用光学 / 生体活動計測 / 角度分解計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
生体内部での散乱・吸収特性の変化と散乱光強度の角度分布の関係性を明らかにし，計測スキームの開発へとつなげるため，散乱体表面での散乱角分布を考慮した生体の生理学的特性を表現可能な多層構造散乱吸収モデルを用いたMonte Carlo型の光子輸送シミュレーションプログラムの開発を進め，シミュレーションプログラムの信頼性を検証するため，統計的不確かさの検証や適用限界の検討を行った．また，吸収係数識別感度の概念を提案し，二層構造散乱吸収モデルに適用して頭皮血流と脳血流の識別能力を定量的に評価することが可能であることを示した．これらの知見をもとに，散乱光強度の角度分布のデータから頭皮血流と脳血流を識別するための詳細な計測スキームの検討を開始した．さらに，散乱体の光学特性を精密に計測するために重要な基礎技術としてコヒーレンス可変レーザを開発し，動作特性を詳細に計測して論文を投稿した．
さらに，生体内部の微小吸収体イメージング技術の向上に向けて自在に散乱係数制御が可能な人工散乱体作製技術として3次元プリンタ技術を活用した積層型多孔構造を提案し，モンテカルロ計算とコヒーレント伝搬により散乱特性を評価した．これにより生体模擬材料としての利用可能性を確認した．また，吸収体再生構成のための信号強調技術を検討した．
一方，頭皮血流や脳活動等の生理学的条件を考慮したファントムを用いた実証実験の実施に向け，散乱光強度の角度分布が計測可能な光プローブの検討を開始した．バンドルファイバーからの出射光を広く受光するために焦電型受光素子を導入し，分担者所属機関のアンプと組み合わせることで受光系の整備を行った．
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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
多層構造散乱吸収モデルを用いたMonte Carlo型の光子輸送シミュレーションプログラムの開発が予定通りに進んでおり，吸収係数識別感度を提案して頭皮血流と脳血流の識別能力の定量的評価を可能にする成果を挙げたことに加え，生体内部のイメージング技術の向上に向けて3次元プリンタ技術を活用した積層型多孔構造を提案し，生体模擬材料としての利用可能性を確認するなど，当初計画以上の成果も得られつつあり，また，光プローブ開発に向けた予備実験も順調に進んでいる．以上の理由から，本研究課題は総合的に見て概ね順調に進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画の２年度目は，主に以下の研究を実施する．
生体内部での散乱・吸収特性の変化と散乱光強度の角度分布の関係性を明らかにし，計測スキームの開発へとつなげるため，生体の生理学的特性を表現可能な多層構造散乱吸収モデルを用いた光子輸送シミュレーションプログラムを開発する．昨年度に実施した2層構造モデルでの結果を総括し，5層構造モデルへ拡張するとともに，多層構造散乱吸収モデルをより実際の生体特性に近似するため，生体深部に吸収体が局在するモデルに拡張し，頭皮血流と脳血流の識別可能性を検証する．さらに，計算速度を向上させるため，GPUへの実装を進める．これらを用いて散乱光強度の角度分布に関する詳細な知見を得ることを目標とする．さらに，昨年度に引き続き，シミュレーションプログラムの信頼性を検証するため，統計的不確かさの検証や適用限界を明らかにする．
また，散乱体中の吸収イメージング技術の確立に向けて，モンテカルロ法による散乱特性の数値シミュレーション技法の高度化を行うとともに散乱係数を制御可能な人工散乱体作製技術として多孔・多層構造の設計及び吸収体イメージング法の改良を行う．
一方，散乱光強度の角度分布のデータから頭皮血流と脳血流を識別するための詳細な計測スキームを検討するとともに，頭皮血流や脳活動等の生理学的条件を考慮した高精度なファントムの設計と開発を進める．また，本申請の主眼である計測スキームの有効性を定量的かつあいまいさなく実証するために実証実験が必要である．そのために，散乱光強度の角度分布を計測可能な光プローブの設計と開発を進める．
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